JP4379475B2 - 圧電薄膜共振子およびその製造方法 - Google Patents
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Description
本発明は、圧電薄膜共振子およびその製造方法に関する。
いわゆるエアブリッジ型の圧電薄膜共振子は、対向する一対の励振電極の間に圧電薄膜が挟まれてなる振動部を、基板から音響的に分離するため、薄膜部（メンブレン）を空隙層を介して基板から部分的に浮き上がるように構成している。
特開昭６１−２１８２１４号公報
エアブリッジ型の圧電薄膜共振子について、従来、平坦化については検討されていなかった。
圧電薄膜の配向性は、共振特性に影響を及ぼす。共振特性を向上させるためには、圧電薄膜の配向性を向上させなければならない。圧電薄膜の配向性を向上させるには、励振電極の下層となる構成膜の平坦性を向上させなければならない。
励振電極の下層となる構成膜を平坦化する方法として、ＣＭＰ（ケミカル・メカニカル・ポリッシング）により研磨することが考えられる。
エアブリッジ型の圧電薄膜共振子では、空隙層を形成するための犠牲層の上に構成膜を形成する。そのため、研磨する構成膜には凹凸が形成される。研磨では凹凸の凸部（突出した面）しか平坦化できない上、スラリーが凹部にたまるため、凸部の中心部よりも周囲の方が研磨されやすい。そのため、犠牲層上の構成膜を研磨しても、膜厚分布ができ、その結果、良好な共振特性が得られない。これを防ぐには、予め凹部に埋め込み材を埋めておいてＣＭＰで平坦化した後、埋め込み材を除去すればよいが、その場合、製造工程が複雑化し、製造コストが増大する。
また、ウェハを用いて複数個の圧電薄膜共振子を同時に作製する場合、ウェハ内の個々の共振子の構成膜を均一にｎｍオーダーで研磨加工することは困難である。共振子の共振周波数及び共振特性は、その構成膜の膜厚に大きく依存する。ウェハ面内に構成膜の膜厚バラツキがあった場合、歩留まりが低下したり、周波数調整などの工程が増え、製造コストの上昇を招く。
本発明は、かかる実情に鑑み、構成膜を均一に平坦化して、良好な共振特性にすることができる、圧電薄膜共振子およびその製造方法を提供しようとするものである。
本発明は、上記課題を解決するために、以下のように構成した圧電薄膜共振子を提供する。
本発明は、以下のように構成した圧電薄膜共振子の製造方法を提供する。
圧電薄膜共振子の製造方法は、ｉ）母基板の上面に複数の犠牲層パターンを形成する第１の工程と、ii）前記犠牲層パターン上に誘電体膜を形成する第２の工程と、iii）前記誘電体膜の表面をプラズマ処理する第３の工程と、iv）一対の励振電極の間に圧電薄膜が挟まれてなる振動部を、前記誘電体膜上に形成する第４の工程と、ｖ）前記犠牲層をエッチングする第５の工程と、vi）前記母基板を切断し、個々の圧電薄膜共振子を切り出す第６の工程と、を備える。
上記第３の工程により、誘電体膜が平坦化されるので、誘電体膜上に形成する励振電極の配向性が向上し、その励振電極の上に形成する圧電薄膜の配向性も向上する。圧電薄膜の配向性の向上によって、良好な共振特性の圧電薄膜共振子を製造するこができる。
前記第３の工程は、ａ）前記誘電体膜が形成された前記母基板を基板プレートに取り付け、スパッタチャンバ内に収納する工程と、ｂ）前記スパッタチャンバ内にガスを導入する工程と、ｃ）前記基板プレートが前記スパッタチャンバーから電気的に浮いた状態で前記基板プレートにＲＦ電圧を供給し、前記ガスのプラズマを発生させ、該プラズマにより、前記基板プレートに取り付けられた前記母基板に形成された前記誘電体膜の表面をスパッチングする工程と、を含む。
この場合、第３の工程において、表層に誘電体と異なる化合物層を形成することなく、誘電体膜を平坦化することができる。また、エッチホール形成時の誘電体膜パターニング工程を安定して行える。
前記ガスが前記誘電体膜を構成する元素を含むガスである。
好ましくは、前記誘電体膜がＳｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３から選ばれたいずれかであり、前記ガスとして酸素を用いる。この場合、絶縁性が高いため共振特性を劣化させない。
好ましくは、前記誘電体膜がＳｉ３Ｎ４であり、前記ガスとして窒素を用いる。この場合、絶縁性が高いため共振特性を劣化させない。
本発明の圧電薄膜共振子およびその製造方法によれば、構成膜を均一に平坦化して、良好な共振特性の共振子にすることができる。
１０，１０ａ 圧電薄膜共振子
１１ 基板
１３ 空隙層
１４ 下部電極（励振電極）
１６ 圧電薄膜
１７ 犠牲層
１７ｘ 端部
１８ 上部電極（励振電極）
１９ 振動部
１１ 基板
１３ 空隙層
１４ 下部電極（励振電極）
１６ 圧電薄膜
１７ 犠牲層
１７ｘ 端部
１８ 上部電極（励振電極）
１９ 振動部
以下、本発明の実施の形態として実施例について、図１を照しながら説明する。図１（ａ）は、図１（ｂ）の線Ａ−Ａに沿って切断した断面図、図１（ｂ）は平面図である。
図１に模式的に示したように、圧電薄膜共振子１０は、基板１１上に、誘電体膜１２、下部電極１４、圧電薄膜１６、上部電極１８を含む薄膜部（メンブレン）が形成されている。基板１１と誘電体膜１２との間には空隙層１３（図１（ａ）参照）が形成されている。誘電体膜１２は、基板１１に支持される支持部分と、基板１１から浮いた浮き部分とを含む。誘電体膜１２の浮き部分には、空隙層１３とは反対側に、電極１４，１８が重なり合った積層方向の部分の下部電極１４、圧電薄膜１６及び上部電極１８、すなわち振動部１９が設けられ、基板１１から浮き上った構造となっている。空隙層１３は、基板１１と誘電体膜１２との間に形成された犠牲層１７（図１（ｂ）参照）を最終的に除去することにより、形成される。
次に、圧電薄膜共振子１０の製造方法について説明する。
<犠牲層形成>
まず、基板１１に犠牲層１７を形成する。基板１１には、安価で加工性に優れた基板を用いる。表面が平坦なＳｉやガラス基板はなおよい。この基板１１上に、スパッタリング法やフォトエッチング法などの手法を用いて、化学的に溶解しやすい酸化亜鉛などの空隙層形成用の犠牲層１７を形成する。
まず、基板１１に犠牲層１７を形成する。基板１１には、安価で加工性に優れた基板を用いる。表面が平坦なＳｉやガラス基板はなおよい。この基板１１上に、スパッタリング法やフォトエッチング法などの手法を用いて、化学的に溶解しやすい酸化亜鉛などの空隙層形成用の犠牲層１７を形成する。
犠牲層１７の材料は、圧電薄膜１６の成膜時に達する可能性のある高温に耐え、かつ容易に除去できるものであることが好ましい。例えば、Ｇｅ、Ｓｂ、Ｔｉ、Ａｌ、Ｃｕなどの金属や、リンゴ酸シリケートガラス（ＰＳＧ）や、ポリマーなどを用いる。ポリマーとしては、ポリテトラフルオロエチレン又はその誘導体、ポリフェニレンスルフィド、ポリエーテルエーテルケトン、ポリイミド、ポリイミドシロキサン、ビニルエーテル、ポリフェニル、パリレン−ｎ、パリレン−ｆ、ベンゾシクロブテンなどが好ましい。
形成する犠牲層１７の厚さは、メンブレンがたわんでも振動部１９が基板１１と接触しない厚さが必要であり、作製の容易さから５０ｎｍ以上数μｍ以下が好ましい。また、犠牲層１７の端部１７ｘと振動部１９との間の距離の最小値は、振動部１９の厚みの５０倍以下とする。
<誘電体膜形成>
次に、誘電体膜１２を形成する。誘電体膜１２は、基板１１上に全面を覆うようにスパッタ、ＣＶＤ、電子ビーム蒸着などの方法により形成する。この誘電体膜１２は、電極１４，１８と圧電薄膜１６からなる振動部１９を保護する効果を有し、パシベーション性に優れた窒化珪素などの窒化物、または酸化珪索などの酸化物を用いてもよい。
次に、誘電体膜１２を形成する。誘電体膜１２は、基板１１上に全面を覆うようにスパッタ、ＣＶＤ、電子ビーム蒸着などの方法により形成する。この誘電体膜１２は、電極１４，１８と圧電薄膜１６からなる振動部１９を保護する効果を有し、パシベーション性に優れた窒化珪素などの窒化物、または酸化珪索などの酸化物を用いてもよい。
また、この誘電体膜１２として、圧電薄膜１６に用いた材料と逆の周波数温度特性（ＴＣＦ）を持つ材料を用いることで、共振子・フィルターの温度変化に対する周波数変化が小さくなり、特性が向上する。例えば、圧電薄膜に酸化亜鉛や窒化アルミを用いた場合は、それらとは逆のＴＣＦをもつ酸化珪素を用いるとよい。
また、絶縁体で熱伝導率のよい窒化アルミを用いてもよい。
この誘電体膜１２は、後に平坦化する。平坦化処理に好適な材料として、絶縁膜があげられ、好ましくは、窒化珪素または酸化珪素または酸化アルミなどのアモルファス材料があげられる。
<誘電体膜平坦化>
次に、誘電体膜１２を平坦化する。すなわち、誘電体膜１２をドライエッチングにより平坦化する。
次に、誘電体膜１２を平坦化する。すなわち、誘電体膜１２をドライエッチングにより平坦化する。
ドライエッチングは、イオンエッチングでも、プラズマエッチングでもよい。イオンエッチングの場合、ＡｒやＨｅなどの不活性ガスをＲＦ放電させ、自己バイアスによりスパッタエッチングし、平坦化処理してもよい。すなわち、スパッタチャンバ内で基板プレート（スパッタチャンバから電気的に浮いている。）にＲＦ電圧を供給して発生させたプラズマ（電子と正イオン）により、基板プレートが基準電位に対して負電位にバイアスされるようにして、スパッタエッチングする。誘電体が酸化珪素のような酸化物である場合、酸素ガスを用いてもよい。正イオンは、ガスがアルゴンの場合Ａｒ＋、酸素の場合、Ｏ＋、Ｏ２ ＋（２原子イオン）などである。また、ハロゲン化物などの化学的に活性なガスを用いて、反応性イオンエッチングにより平坦化処理してもよい。不活性ガス又は誘電体膜を構成する元素を含むガスを用いたプラズマ処理を行うので、誘電体膜１２の表層に誘電体と異なる化合物層を形成することなく、誘電体膜１２を平坦化することができる。
誘電体膜１２の好ましい表面粗さ（Ｒａ）は、２．０ｎｍ以下である。この表面粗さ（Ｒａ）は算術平均粗さと呼ばれるものであり、粗さの測定曲線から、その平均線の方向に基準長さＬだけ抜き取り、この抜き取り部分の平均線から測定曲線までの偏差の絶対値を合計し、平均した値である。
プラズマ処理の条件の一例を挙げると、ガス種：Ｏ２、処理時間：１０分、ＲＦパワー：６ｍＷ／ｍｍ２の条件でＳｉＯ２膜を処理すると、初期の表面粗さＲａ：２〜１０ｎｍが、処理後の表面粗さＲａ：２ｎｍ以下に改善される。
ＳｉＯ２は、通常のスパッタリングによりアモルファスになる材料である。スパッタリングにより一軸配向しやすいＺｎＯ膜の場合に同様の処理を行っても、表面粗さはそれほど改善されない。
<下部電極形成>
次に、平坦化処理を施した誘電体膜１２の上に、下部電極１４を形成する。下部電極１４は、スパッタ、めっき、ＣＶＤ、電子ビーム蒸着などによる成膜と、フォトリソグラフィー技術によるパターニングを用いることにより形成する。下部電極１４は、Ｍｏ、Ｐｔ、Ａｌ、Ａｕ、Ｃｕ、Ｔｉなどの金属材料を主材とし、犠牲層１７上から基板１１上の一方側（図１において右側）にかけて帯状に形成する。下部電極１４の下層となる誘電体膜１２を平坦化しておくことで、平坦な下部電極１４を得ることができる。下部電極１４の好ましい表面粗さ（Ｒａ）は、２．０ｎｍ以下である。
次に、平坦化処理を施した誘電体膜１２の上に、下部電極１４を形成する。下部電極１４は、スパッタ、めっき、ＣＶＤ、電子ビーム蒸着などによる成膜と、フォトリソグラフィー技術によるパターニングを用いることにより形成する。下部電極１４は、Ｍｏ、Ｐｔ、Ａｌ、Ａｕ、Ｃｕ、Ｔｉなどの金属材料を主材とし、犠牲層１７上から基板１１上の一方側（図１において右側）にかけて帯状に形成する。下部電極１４の下層となる誘電体膜１２を平坦化しておくことで、平坦な下部電極１４を得ることができる。下部電極１４の好ましい表面粗さ（Ｒａ）は、２．０ｎｍ以下である。
<圧電薄膜形成>
次に、下部電極１４の上に圧電薄膜１６を形成する。スパッタなどによる成膜と、フォトリソグラフイー技術によるパターニングを用いたリフトオフにより、酸化亜鉛や窒化アルミなどの圧電薄膜１６を形成する。圧電薄膜１６として窒化アルミを形成する場合、酸化亜鉛を用いたリフトオフにより、窒化アルミをパターニングする。酸化亜鉛を用いた犠牲層１７上に酸化珪素などの誘電体膜１２を全面に形成しているので、リフトオフ用の酸化亜鉛のパターニング時や、窒化アルミのリフトオフ時に、酸化亜鉛をウェットエッチングしても、犠牲層１７に用いた酸化亜鉛はエッチングされない。
次に、下部電極１４の上に圧電薄膜１６を形成する。スパッタなどによる成膜と、フォトリソグラフイー技術によるパターニングを用いたリフトオフにより、酸化亜鉛や窒化アルミなどの圧電薄膜１６を形成する。圧電薄膜１６として窒化アルミを形成する場合、酸化亜鉛を用いたリフトオフにより、窒化アルミをパターニングする。酸化亜鉛を用いた犠牲層１７上に酸化珪素などの誘電体膜１２を全面に形成しているので、リフトオフ用の酸化亜鉛のパターニング時や、窒化アルミのリフトオフ時に、酸化亜鉛をウェットエッチングしても、犠牲層１７に用いた酸化亜鉛はエッチングされない。
<上部電極形成>
次に、上部電極１８を形成する。上部電極１８は、圧電薄膜１６の上に、下部電極１４同様に、形成する。上部電極１８は、圧電薄膜１６上から基板１１上の他方側（図１において左側）にかけて帯状に形成する。
次に、上部電極１８を形成する。上部電極１８は、圧電薄膜１６の上に、下部電極１４同様に、形成する。上部電極１８は、圧電薄膜１６上から基板１１上の他方側（図１において左側）にかけて帯状に形成する。
<エッチホール形成>
次に、犠牲層１７を露出させるための貫通部分であるエッチホールを形成する。フォトリソグラフィーによりフォトレジストなどをパターニングし、反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）や、ウェットエッチングなどにより、犠牲層１７上の誘電体膜１２のフォトレジストパターンで覆われない部分を除去する。フォトレジストパターンは、図１（ｂ）では、下部電極１４、圧電薄膜１６、上部電極１８を覆う長方形である。絶縁膜１２の下の犠牲層１７の端部１７ｘがレジストパターンの外にはみ出している。フォトレジストパターンは、図２のような十字形であってもよい。例えば、誘電体膜１２に酸化珪素を用いた場合、ＣＦ４などのフッ素系のガスを用いて反応性イオンエッチングを行う。また、フッ酸などの溶液でウェットエッチングしてもよい。エッチング後には、フォトレジストなどのエッチマスクをアセトンなどの有機溶媒により除去する。酸素プラズマを用いたドライエッチングでもよい。
次に、犠牲層１７を露出させるための貫通部分であるエッチホールを形成する。フォトリソグラフィーによりフォトレジストなどをパターニングし、反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）や、ウェットエッチングなどにより、犠牲層１７上の誘電体膜１２のフォトレジストパターンで覆われない部分を除去する。フォトレジストパターンは、図１（ｂ）では、下部電極１４、圧電薄膜１６、上部電極１８を覆う長方形である。絶縁膜１２の下の犠牲層１７の端部１７ｘがレジストパターンの外にはみ出している。フォトレジストパターンは、図２のような十字形であってもよい。例えば、誘電体膜１２に酸化珪素を用いた場合、ＣＦ４などのフッ素系のガスを用いて反応性イオンエッチングを行う。また、フッ酸などの溶液でウェットエッチングしてもよい。エッチング後には、フォトレジストなどのエッチマスクをアセトンなどの有機溶媒により除去する。酸素プラズマを用いたドライエッチングでもよい。
<空隙層形成>
次に、犠牲層１７をエッチングし、空隙層１３を形成する。フォトリゾグラフィーによりフォトレジストなどをパターニングし、反応性イオンエッチングや、ウェットエッチングなどにより犠牲層１７を除去する。たとえば、犠牲層１７に酸化亜鉛を用いた場合、塩酸や燐酸などの酸性の溶液を用いて酸化亜鉛を除去する。エッチング後には、フォトレジストなどのエッチマスクをアセトンなどの有機溶媒により除去する。圧電薄膜１６、誘電体膜１２、電極１４，１８をエッチングしない溶液を用いて犠牲層１７をエッチングする場合には、フォトリソグラフィーによるパターニングとエッチマスクの除去という工程は、削除することができる。たとえば、圧電薄膜１６に窒化アルミ、誘電体膜１２に酸化珪素、電極１４，１８にＰｔ，Ａｕ，Ｔｉなどを用いた場合、パターニングすることなく酢酸と燐酸などの混合水液により、犠牲層１７の酸化亜鉛を除去することができる。エッチング後、純水やＩＰＡなどの揮発性の溶液で十分置換し、乾燥させて空隙層１３を形成する。
次に、犠牲層１７をエッチングし、空隙層１３を形成する。フォトリゾグラフィーによりフォトレジストなどをパターニングし、反応性イオンエッチングや、ウェットエッチングなどにより犠牲層１７を除去する。たとえば、犠牲層１７に酸化亜鉛を用いた場合、塩酸や燐酸などの酸性の溶液を用いて酸化亜鉛を除去する。エッチング後には、フォトレジストなどのエッチマスクをアセトンなどの有機溶媒により除去する。圧電薄膜１６、誘電体膜１２、電極１４，１８をエッチングしない溶液を用いて犠牲層１７をエッチングする場合には、フォトリソグラフィーによるパターニングとエッチマスクの除去という工程は、削除することができる。たとえば、圧電薄膜１６に窒化アルミ、誘電体膜１２に酸化珪素、電極１４，１８にＰｔ，Ａｕ，Ｔｉなどを用いた場合、パターニングすることなく酢酸と燐酸などの混合水液により、犠牲層１７の酸化亜鉛を除去することができる。エッチング後、純水やＩＰＡなどの揮発性の溶液で十分置換し、乾燥させて空隙層１３を形成する。
圧電薄膜共振子１０を量産する場合には、基板１１となるウェハ（母基板）を用い、上記製造方法により、複数個の圧電薄膜共振子１０を同時に作製した後、ダイシング等によって分離し、個々の圧電薄膜共振子１０を切り出す。ランドを有するパッケージ基板を備え、個々の圧電薄膜共振子を切り出す前に母基板の上下電極をランドにバンプ接合し、圧電薄膜共振子の周囲をパッケージに封止接合してもよい。
以上に説明した圧電薄膜共振子１０は、以下のような作用・効果を有する。
（１）下部電極１４の下層となる誘電体膜１２を平坦化処理することで、平坦で配向性のよい下部電極１４を形成することができ、その上に良質な圧電薄膜１６を形成することができ、良好な特性の圧電薄膜共振子１０を得ることができる。また、下部電極１４の配向性が向上するので、耐電力性の優れた圧電薄膜共振子１０を作製することができる。
（２）平坦化にＣＭＰではなく、ドライプロセスを用いることで、下部電極１４の下層となる誘電体膜１２を、基板面内で均一にｎｍオーダーで膜厚制御することができる。これにより、ウェハ面内の共振周波数バラツキ、共振特性を高精度に制御することができるため、歩留まりを向上させ、製造コストの低減を図ることができる。
すなわち、共振子の共振周波数及び共振特性は、その構成膜の膜厚に大きく依存する。ウェハ面内に構成膜の膜厚バラツキがあった場合、歩留まりが低下したり、周波数調整などの工程が増え、製造コストが高くなる。ウェハを用いて複数個を同時に作製する場合、プラズマ処理により各共振子の構成膜をｎｍオーダーで膜厚制御することができ、これにより、ウェハ面内の共振周波数バラツキ、共振特性を高精度に制御することができる。その結果、歩留まりを向上させ、製造コストの低減を図ることができる。
（３）空隙層１３を形成するための犠牲層１７と、窒化アルミの圧電薄膜１６を形成するときに用いるリフトオフ用のマスクとに、同じ酸化亜鉛を用い、窒化アルミパターニング時は、犠牲層１７上に全面に誘電体膜１２を形成しておくと、窒化アルミリフトオフ時に犠牲層１７の形状を損なうことがない。
（４）犠牲層１７以外の構成膜に、犠牲層１７のエッチング液に耐性のあるものを用いることにより、犠牲層エッチング時のパターニングの工程を省略することができ、工程安定化、工数削減によるコストダウンが可能になる。
（５）犠牲層１７をウェットエッチングした後、エッチャントを純水やＩＰＡなどのの揮発性溶液に十分置換する。揮発性溶液による置換は、犠牲層除去後の乾燥工程に要する時間が早くなり、コストダウンが行える。
なお、本発明は、上記実施例に限定されるものではなく、種々変更を加えて実施可能である。複数の圧電薄膜共振子をラダー型やラチス型に構成した圧電フィルタにも本発明を実施できる。
Claims (3)
- 母基板の上面に複数の犠牲層パターンを形成する第１の工程と、
前記犠牲層パターン上に誘電体膜を形成する第２の工程と、
前記誘電体膜の表面をプラズマ処理する第３の工程と、
一対の励振電極の間に圧電薄膜が挟まれてなる振動部を、前記誘電体膜上に形成する第４の工程と、
前記犠牲層をエッチングする第５の工程と、
前記母基板を切断し、個々の圧電薄膜共振子を切り出す第６の工程と、
を備え、
前記第３の工程は、
前記誘電体膜が形成された前記母基板を基板プレートに取り付け、スパッタチャンバ内に収納する工程と、
前記スパッタチャンバ内にガスを導入する工程と、
前記基板プレートが前記スパッタチャンバーから電気的に浮いた状態で前記基板プレートにＲＦ電圧を供給し、前記ガスのプラズマを発生させ、該プラズマにより、前記基板プレートに取り付けられた前記母基板に形成された前記誘電体膜の表面をスパッタエッチングする工程とを含み、
前記ガスが前記誘電体膜を構成する元素を含むガスであることを特徴とする、圧電薄膜共振子の製造方法。 - 前記誘電体膜がＳｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３から選ばれたいずれかであり、前記ガスとして酸素を用いることを特徴とする、請求項１に記載の圧電薄膜共振子の製造方法。
- 前記誘電体膜がＳｉ３Ｎ４であり、前記ガスとして窒素を用いることを特徴とする、請求項１に記載の圧電薄膜共振子の製造方法。
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