JP4395892B2

JP4395892B2 - 圧電薄膜デバイス及びその製造方法

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Publication number: JP4395892B2
Application number: JP2005504238A
Authority: JP
Inventors: 圭吾長尾; 浩介西村; 哲夫山田; 修大谷; 栄松崎
Original assignee: Ube Industries Ltd
Current assignee: Ube Corp
Priority date: 2003-03-31
Filing date: 2004-03-30
Publication date: 2010-01-13
Anticipated expiration: 2024-03-30
Also published as: WO2004088840A1; JPWO2004088840A1; US20060202769A1

Description

本発明は、圧電体膜を利用した圧電薄膜共振器の単独または複数個の組み合せを有してなる圧電薄膜デバイス及びその製造方法に関するものであり、更に詳細に記せば、通信機用フィルタに使用され得る上記圧電薄膜デバイス及びその製造方法に関する。

圧電現象を応用したデバイスは広範な分野で用いられている。携帯機器の小型化と省力化が進む中で、ＲＦ用およびＩＦ用フィルタとして弾性表面波（ＳｕｒｆａｃｅＡｃｏｕｓｔｉｃＷａｖｅ：ＳＡＷ）デバイスの使用が拡大している。ＳＡＷフィルタは設計および生産技術の向上によりユーザーの厳しい要求仕様に対応してきたが、利用周波数の高周波数化と共に特性向上の限界に近づき、電極形成の微細化と安定した出力確保との両面で大きな技術革新が必要となってきている。
一方、圧電体薄膜の厚み振動を利用した薄膜バルク波共振器（ＴｈｉｎＦｉｌｍＢｕｌｋＡｃｏｕｓｔｉｃＲｅｓｏｎａｔｏｒ：以下「ＦＢＡＲ」という）、積層型薄膜バルク波共振器およびフィルタ（ＳｔａｃｋｅｄＴｈｉｎＦｉｌｍＢｕｌｋＡｃｏｕｓｔｉｃＲｅｓｏｎａｔｏｒｓａｎｄＦｉｌｔｅｒｓ：以下「ＳＢＡＲ」という）は、基板に設けられた薄い支持膜の上に、主として圧電体より成る薄膜と、これを駆動する電極とを形成したものであり、ギガヘルツ帯での基本共振が可能である。ＦＢＡＲまたはＳＢＡＲでフィルタを構成すれば、著しく小型化でき、かつ低損失・広帯域動作が可能な上に、半導体集積回路と一体化することができるので、将来の超小型携帯機器への応用が期待されている。
このような弾性波を利用した共振器またはフィルタ等に応用されるＦＢＡＲまたはＳＢＡＲなどの圧電薄膜共振器は、以下のようにして製造される。
シリコンなどの半導体単結晶基板、またはシリコンウエハの表面に多結晶ダイヤモンドまたはエリンバーなどの恒弾性金属などを成膜してなる基板の表面上に、種々の薄膜形成方法によって、誘電体薄膜、導電体薄膜またはこれらの積層膜からなる下地膜を形成する。この下地膜上に圧電体薄膜を形成し、さらに必要に応じた上部構造を形成する。各膜の形成後に、または全ての膜を形成した後に、各々の膜に物理的処理または化学的処理を施すことにより、微細加工またはパターニングを行う。次に、湿式法に基づく異方性エッチングにより基板を加工し、圧電体薄膜の一部を含んでなる振動部の下方に位置する基板部分を除去して、振動部を含む浮き構造を作製し、最後に１デバイス単位に分離することにより圧電薄膜共振器を得る。
例えば、従来知られている圧電薄膜共振器は、基板の上面に下地膜、下部電極、圧電体薄膜および上部電極を形成した後に、基板の下面側から振動部となる部分の下方にある基板部分を除去して、ビアホールを形成することにより製造されている（例えば、特開昭５８−１５３４１２号公報及び特開昭６０−１４２６０７号公報参照）。基板がシリコンからなるものであれば、加熱ＫＯＨ水溶液を使用してシリコン基板の一部を下面（裏面）からエッチングして取り去ることにより、ビアホールを形成する。これにより、シリコン基板の上面側において、圧電体膜が複数の金属電極の間に挟み込まれた構造体の縁部をビアホールの周囲の部分で支持した形態を有する共振器を作製できる。
しかしながら、ＫＯＨなどのアルカリを使用したウェットエッチングを行うと、（１１１）面に平行にエッチングが進行するため、（１００）シリコン基板表面に対して５４．７度の傾斜でエッチングが進行し、隣り合う共振器の間の距離を著しく大きくしなければならない。例えば、厚さ５５０μｍのシリコンウエハの上に構成された約１５０μｍ×１５０μｍの平面寸法を有するデバイスは、約９３０μｍ×９３０μｍの裏面側エッチング開口部を必要とし、隣り合う共振器の中心間距離は９３０μｍ以上になってしまう。このことは、ＦＢＡＲの集積化を妨げるばかりでなく、隣り合う圧電薄膜共振器を接続する金属電極が長くなり、その電気抵抗が大きくなるために、圧電薄膜共振器を複数個組み合わせて作製される圧電薄膜デバイスの挿入損失が著しく大きくなるという問題がある。また、開口部９３０μｍというような大きなビアホールの形成された基板は破損しやすくなるばかりでなく、最終製品の取得量（個数）即ち基板上の圧電薄膜デバイスの歩留まりも制限を受け、基板表面の約１／２０の領域を有効なデバイス領域として利用できるだけとなる。一方、複数個の共振器にまたがるような大きなビアホールを形成することも考えられるが、その場合にはビアホールはますます大きくなり、デバイスの強度が著しく低下して、更に破損しやすくなる。
圧電薄膜デバイスに応用されるＦＢＡＲまたはＳＢＡＲなどの圧電薄膜共振器を製造する従来の第２の方法は、空気ブリッジ式ＦＢＡＲデバイスを作ることである（例えば、特開平２−１３１０９号公報参照）。通常、最初に犠牲層（Ｓａｃｒｉｆｉｃｉａｌｌａｙｅｒ）を設置し、次にこの犠牲層の上に圧電薄膜共振器を製作する。プロセスの終わりまたは終わり近くに、犠牲層を除去して、振動部を形成する。処理はすべて基板の上面側で行なわれるから、この方法は、基板両面におけるパターンの整列および大面積の基板下面側開口部を必要としない。犠牲層として燐石英ガラス（ＰＳＧ）を使用した空気ブリッジ式のＦＢＡＲ／ＳＢＡＲデバイスの構成と製造方法も開示されている（例えば、特開２０００−６９５９４号公報参照）。
しかしながら、この方法においては、エッチングによる基板上面への空洞形成、熱ＣＶＤ（ＣｈｅｍｉｃａｌＶａｐｏｒＤｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法による基板上面側への犠牲層の堆積、ＣＭＰ（ＣｈｅｍｉｃａｌＭｅｃｈａｎｉｃａｌＰｏｌｉｓｈｉｎｇ）研磨による基板上面の平坦化および平滑化、犠牲層上への下部電極、圧電体および上部電極の堆積とパターン形成という一連の工程の後に、空洞まで貫通するビア（穴）を開け、基板上面側に形成した圧電積層構造体をレジスト等で保護して、ビアを通してエッチング液を浸透させることにより犠牲層を空洞から除去する、という長くて複雑な工程を必要とし、パターン形成に使用するマスク数も大幅に増加する。製造工程が長くて複雑になると、それ自体、デバイスの高コスト化をもたらすと共に、製品の歩留りが低下して、更にデバイスを高コストなものにしてしまう。このような高価なデバイスを移動体通信機用の汎用部品として普及させることは困難である。また、燐石英ガラス（ＰＳＧ）などの犠牲層を除去するために使用するエッチング液が、圧電積層構造体を構成する下部電極、圧電体および上部電極の各層を浸食してしまうので、前記の上部構造に使用できる材料が著しく限定されるばかりでなく、所望の寸法精度を有するＦＢＡＲまたはＳＢＡＲの構造を作製することが難しいという深刻な問題がある。
上記の基板下面側から異方性エッチングで振動用空間としてのビアホールを形成する方式と、基板上面側のみで空気ブリッジを形成する方式との種々の問題点を解決するために、基板下面側からＤｅｅｐＲＩＥ（深掘り型反応性イオンエッチング）法を用いて、基板面に対して垂直な側壁を有するビアホールを形成することにより振動用空間を形成する方式の圧電薄膜デバイスの製造方法が提案されている（例えば、国際公開［ＷＯ］２００４／００１９６４号公報参照）。この方式によれば、ビアホールの側壁が垂直であるため、隣り合う圧電薄膜共振器を空気ブリッジ方式と同程度まで近づけることができるにもかかわらず、空気ブリッジ方式のような複雑な工程を一切必要としない。しかしながら、ＤｅｅｐＲＩＥ法による基板のエッチング加工においては、製造工程でハンドリング可能な厚み例えば２００μｍ〜６００μｍ厚の基板を使用した場合に、基板面内の位置によって若干のエッチング速度のばらつきがある。このため、形成される振動用空間の形状特に圧電積層構造体に面する基板開口部の形状は、圧電薄膜共振器が形成される基板面内の位置によって異なるようになる。そのため、所要の共振周波数を持つ圧電薄膜共振器の作製が困難で、また１つの基板に複数の圧電薄膜共振器を作製する場合には複数の圧電薄膜共振器間で共振周波数にばらつきが生ずるという問題があった。
ＦＢＡＲおよびＳＢＡＲは、薄膜中における厚み方向の弾性波の伝播によって共振を得ているため、基板上の絶縁層、下部電極、圧電体薄膜、上部電極などから構成される圧電積層構造体の膜厚均一性はもとより、振動用空間の形状精度によっても、特性が大きな影響を受ける。このため、基板内で特性の均一な複数の圧電薄膜デバイスを得ることが著しく困難になっている。
このような理由により、ギガヘルツ帯域で十分な性能を発揮する圧電薄膜デバイスは、未だ得られていない。したがって、工程が単純で、基板面内の位置による特性のばらつきのない圧電薄膜デバイスの製造方法の確立と、それによって製造された特性の安定した圧電薄膜デバイスの実現が強く望まれている。

本発明は上記問題点に鑑みてなされたもので、その目的は、工程が単純で、基板面内の位置によらず、圧電積層構造体に面する振動用空間を良好に形成することができる圧電薄膜デバイスの製造方法、及びこの方法により製造される圧電薄膜デバイスを提供することである。
以上の如き目的を達成すべく、振動用空間の形成方法について鋭意検討した結果、本発明者は、基板下面側より基板の厚みより小さな深さを持つ第１のビアホールを形成し、そのビアホールの底面を基準として第２のビアホールを形成することにより振動用空間を形成することが、圧電薄膜デバイスの特性の安定化及び低コスト化の両面で最も好ましい解決手段であることを見出した。
即ち、本発明によれば、以上の如き目的を達成するものとして、
振動用空間を有する基板と、該基板の上面側に形成された圧電積層構造体とを有しており、該圧電積層構造体は圧電体膜とその両面にそれぞれ形成された電極とを含み、前記振動用空間は前記圧電積層構造体の少なくとも一部を含んで構成される振動部の振動を許容するように形成されている圧電薄膜デバイスであって、前記振動用空間は、前記基板内に中間面を形成するように前記基板の下面から上面に向けて形成された第１のビアホールと、上下方向に見て前記第１のビアホールの内側に位置するように前記中間面から前記基板の上面に向けて形成された第２のビアホールとにより構成されていることを特徴とする圧電薄膜デバイス、が提供される。
本発明の一態様においては、前記基板の上面側に複数の前記振動部が形成されており、前記第１のビアホールが前記複数の振動部のそれぞれのための前記振動用空間の一部を共有するように形成されており、さらに、前記中間面から前記複数の振動部のそれぞれに対応して複数の前記第２のビアホールが形成されている。
本発明の一態様においては、上下方向に見て前記第２のビアホールが前記第１のビアホールの少なくとも２μｍ内側に位置する。本発明の一態様においては、前記第２のビアホールの深さが１０μｍ〜１５０μｍである。
更に、本発明によれば、以上の如き目的を達成するものとして、
上記のような圧電薄膜デバイスを製造する方法であって、前記基板の振動用空間を形成するに際して、基板材の下面から上面に向けて該基板材内に底面を形成するように第１のビアホールを形成し、その後、上下方向に見て前記第１のビアホールの内側に位置するように前記底面から前記基板材の上面に向けて第２のビアホールを形成し、これにより前記基板材内に残留する前記底面の部分により前記中間面を形成することを特徴とする、圧電薄膜デバイスの製造方法、
が提供される。
本発明の一態様においては、前記圧電薄膜デバイスは前記基板の上面側に複数の前記振動部を有しており、前記第１のビアホールを前記複数の振動部につき共通に形成し、前記底面から前記複数の振動部のそれぞれに対応して複数の前記第２のビアホールを形成する。本発明の一態様においては、前記基板材としてＳＯＩウエハを使用し、その絶縁層の一部により前記第１のビアホールの底面を構成する。本発明の一態様においては、前記第２のビアホールを深掘り型反応性イオンエッチング法により形成する。
以上のような本発明によれば、工程が単純で、基板面内の位置によらず、振動部に面する振動用空間を良好に形成することができ、もって基板面内の位置による特性のばらつきがなく特性の安定した圧電薄膜デバイスが提供される。

図１は、本発明による圧電薄膜デバイス（圧電薄膜共振器）の実施形態を示す模式的平面図である。
図２は、図１のＸ−Ｘ断面図である。
図３は、本発明による圧電薄膜デバイス（圧電薄膜フィルタ）の実施形態を示す模式的平面図である。
図４は、図３のＸ−Ｘ断面図である。
図５は、本発明による圧電薄膜デバイス（圧電薄膜フィルタ）の実施形態を示す模式的平面図である。
図６は、図５のＸ−Ｘ断面図である。
図７は、マイクロ波パッケージに実装された本発明の圧電薄膜デバイスの一実施形態を示す模式的断面図である。
図８は、比較例で使用した圧電薄膜デバイス（圧電薄膜共振器）を示す模式的平面図である。
図９は、図８のＸ−Ｘ断面図である。
図１０は、比較例で使用した圧電薄膜デバイス（圧電薄膜フィルタ）を示す模式的平面図である。
図１１は、図１０のＸ−Ｘ断面図である。
図１２は、比較例で使用した圧電薄膜デバイス（圧電薄膜共振器）を示す模式的平面図である。
図１３は、図１２のＸ−Ｘ断面図である。
図１４Ａ及び図１４Ｂは、図１の圧電薄膜デバイスの製造方法の実施形態を説明するための模式的断面図である。

以下に、本発明の実施の形態について詳細に説明する。
図１は本発明による圧電薄膜デバイス（圧電薄膜共振器１０）の実施形態を示す模式的平面図であり、図２はそのＸ−Ｘ断面図である。これらの図において、圧電薄膜共振器１０は基板１２、該基板１２の上面に形成された絶縁体層１３および該絶縁体層１３の上に形成された圧電積層構造体１４を有する。圧電積層構造体１４は絶縁体層１３の上に形成された下部電極１５、該下部電極１５の一部を覆うようにして絶縁体層１３の上に形成された圧電体膜１６および該圧電体膜１６の上に形成された上部電極１７からなる。
基板１２には、その下面から上面に向けて振動用空間２０を構成する第１のビアホール２１が形成されている。さらに、第１のビアホール２１の底面に相当する下向きの中間面２５から基板上面に向けて振動用空間２０を構成する第２のビアホール２２が形成されている。図１から明らかなように、第２のビアホール２２は、上下方向に見て前記第１のビアホール２１の内側に位置する。かくして、第１のビアホール２１及び第２のビアホール２２により振動用空間２０が構成される。
絶縁体層１３の一部は振動用空間２０に向けて露出している。この絶縁体層１３の露出部分、およびこれに対応する圧電積層構造体１４の部分が振動部（振動ダイヤフラム）２３を構成する。かくして、振動用空間２０は、圧電積層構造体１４の一部及び絶縁体層１３の一部により構成される振動部２３の振動を許容するように形成されている。
なお、本発明においては、基板１２の上面側に圧電積層構造体１４が形成されるのであるが、これは、図２に示すように、基板１２の上面に他の層（図２の場合、絶縁体層１３）を形成し、その層を介して圧電積層構造体１４を形成してもよいし、あるいは、基板１２の表面層を処理して基板内に他の層（例えば、絶縁体層）を形成し、その上に圧電積層構造体１４を形成する場合のように、基板１２の上面に直接圧電積層構造体１４を形成してもよい。また、基板１２と圧電積層構造体１４との間に他の層を介在させる場合も、１つの層に限定されることはなく複数層を介在させてもよい。また、介在させる層は絶縁層に限定されない。
基板１２としては、Ｓｉ（１００）単結晶などの単結晶からなるもの、またはＳｉ単結晶などの基材の表面にシリコン、ダイヤモンドその他の多結晶膜を形成してなるものを用いることができる。また、基板１２としては、その他の半導体さらには絶縁体からなるものを用いることも可能である。
絶縁体層１３としては、例えば酸化シリコン（ＳｉＯ_２）を主成分とする誘電体膜、窒化シリコン（ＳｉＮ_ｘ）を主成分とする誘電体膜、および酸化シリコンを主成分とする誘電体膜と窒化シリコンを主成分とする誘電体膜との積層膜を用いることができる。この絶縁体層１３の材質について、主成分とは、誘電体膜中の含有量が５０当量％以上である成分を指す。誘電体膜は単層からなるものであってもよいし、密着性を高めるための層などを付加した複数層からなるものであってもよい。絶縁体層１３の厚さは、例えば厚さ２．０μｍ未満である。絶縁体層１３の形成方法としては、基板１２の表面の熱酸化法やＣＶＤ（ＣｈｅｍｉｃａｌＶａｐｏｒＤｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法が例示される。また、本発明においては、エッチングにより、振動部２３に対応する領域の絶縁体層１３を総て除去して、下部電極１５が振動用空間２０に向けて露出した構造の圧電薄膜共振器も採用することができる。このように、振動部２３に対応する領域の絶縁体層１３を総て除去することにより、共振周波数の温度特性は若干悪化するものの、音響的品質係数（Ｑ値）が向上するという利点がある。
下部電極１５は、スパッタ法や蒸着法で形成された金属層、及び必要に応じて該金属層と絶縁体層１３との間に形成される密着金属層を積層することにより構成され、その厚さは、例えば５０ｎｍ〜５００ｎｍである。材質として特に限定はないが、金（Ａｕ）、白金（Ｐｔ）、チタン（Ｔｉ）、アルミニウム（Ａｌ）、モリブデン（Ｍｏ）、タングステン（Ｗ）などが好適に利用される。所定の形状にパターニングする方法としては、ドライエッチングやウェットエッチングなどのフォトリソグラフィー技術や、リフトオフ法を適宜使用することができる。
圧電体膜１６は、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、硫化カドミウム（ＣｄＳ）、チタン酸鉛（ＰｂＴｉＯ_３、ＰＴと略記される）、チタン酸ジルコン酸鉛（Ｐｂ（Ｚｒ、Ｔｉ）Ｏ_３、ＰＺＴと略記される）などからなるものが用いられる。特にＡｌＮは、弾性波の伝播速度が速く、高周波帯域で動作する圧電薄膜共振器または圧電薄膜フィルタなどの圧電薄膜デバイス用の圧電体膜として適している。その厚さは、例えば０．５μｍ〜３．０μｍである。所定の形状にパターニングする方法としては、ドライエッチングやウェットエッチングなどのフォトリソグラフィー技術を適宜使用することができる。
上部電極１７は、下部電極１５と同様にスパッタ法や蒸着法などにより形成された金属層が使用される。材質としては、金（Ａｕ）、白金（Ｐｔ）、チタン（Ｔｉ）、アルミニウム（Ａｌ）、モリブデン（Ｍｏ）、タングステン（Ｗ）などが好適に利用される。上部電極１７の厚さは、例えば５０ｎｍ〜５００ｎｍである。所定の形状にパターニングする方法としては、下部電極１５と同様にドライエッチングやウェットエッチングなどのフォトリソグラフィー技術や、リフトオフ法が適宜使用される。
次に、図１４Ａ及び図１４Ｂを参照して図１及び図２の実施形態の圧電薄膜デバイスの製造方法の実施形態、特に基板１２の振動用空間２０の形成方法につき説明する。
先ず、図１４Ａに示されるように、上記基板１２の素材である基板材１２’の上面に、上記のような絶縁体層１３及び圧電積層構造体１４を形成する。
次に、絶縁体層１３及び圧電積層構造体１４に対する保護膜を形成した後に、基板材１２’の下面側から、水酸化カリウム（ＫＯＨ）やＴＭＡＨ（テトラメチルアンモニウムハイドロオキサイド）などのアルカリ系水溶液を利用した異方性エッチング法、またはＳＦ_６ガスを利用したドライエッチング法を適用して、図１４Ｂに示されるような第１のビアホール２１を形成する。該第１のビアホール２１は、基板材１２’の上面には到達しておらず、基板材１２’内に下向きの底面２５’が形成される。この底面２５’は、基板材１２’の上面から距離Ｔの位置にある。
第１のビアホール２１を形成した時点で、スプレー式フォトレジスト塗布装置等を用いて第１のビアホールの底面２５’も含めて基板材１２’の下面全体にフォトレジストを塗布する。さらに、形成すべき振動部に対応する部分のフォトレジストをフォトリソグラフィーにより除去し、このパターン化されたフォトレジストをマスクとして用いて、ＳＦ_６などを用いたドライエッチング法、またはＳＦ_６ガスとＣ_４Ｆ_８ガスとを交互に用いるＤｅｅｐＲＩＥ法により、絶縁体層１３が露出するまで基板材１２’を第１のビアホールの底面２５’から基板材上面に向けてエッチングして、図１及び図２に示されるような第２のビアホール２２を形成する。
これにより、第１のビアホールの底面２５’の一部が中間面２５として残り、図１及び図２に示される圧電薄膜デバイスが得られる。上下方向に見て第２のビアホール２２は第１のビアホール２１より距離Ｗだけ内側に位置する。即ち、中間面２５の幅はＷである。Ｗは、好ましくは２μｍ以上であり、例えば５μｍ〜５０μｍである。
第２のビアホール２２を形成する際には、第１のビアホールの底面２５’にフォトレジストを塗布して、フォトリソグラフィーによりパターン形成する必要がある。塗布するフォトレジストの厚さは、第２のビアホール２２の深さによって変わるが、通常０．５μｍ〜４μｍである。底面２５’の端部直近では、近接する側壁面の影響により、塗布されるフォトレジストの厚さに不均一が生じ易く、これがパターン精度低下の原因となる。更に、底面２５’の端部直近では、エッチングによる加工精度自体も低下し易い。従って、中間面２５の幅が小さすぎると、形成される第２のビアホール２２の寸法精度が低下して、歩留まりが低下する傾向にある。逆に、中間面２５の幅が大きすぎると、基板材あたりの最終製品の取得量が少なくなる傾向にある。また、圧電薄膜共振器を複数個組み合わせて圧電薄膜デバイスを作製する場合には、中間面２５の幅が大きすぎると、隣り合う圧電薄膜共振器を接続する金属電極が長くなり、その電気抵抗が大きくなるため、作製される圧電薄膜デバイスの挿入損失が増加する傾向にある。
また、第２のビアホール２２の深さ即ち基板１２の厚さから第１のビアホール２１の深さを除いた寸法はＴである。Ｔは、好ましくは１０μｍ〜１５０μｍであり、更に好ましくは１５〜１００μｍであり、特に好ましくは２０〜８０μｍである。第２のビアホール２２の深さＴが大きくなりすぎると、第２のビアホール２２の加工精度が低下しやすくなり、歩留まりが低下する傾向にある。また、この深さが小さくなりすぎると、振動部２３及びその周囲の強度が低下し、特にダイシング工程などの製造工程において破損する確率が著しく増加する傾向にある。
以上のように、振動用空間２０を構成するビアホールの形成の工程を２段階に分けることにより、基板の厚さ全体を１つの工程でドライエッチング法やＤｅｅｐＲＩＥ法を用いて一気にビアホール形成を行うのに比べて、基板面内でのエッチング速度差による加工ムラが低減され、加工形状の安定性が著しく向上する。特に、共振器の特性には振動部２３が露出する振動用空間２０の開口部即ち基板１２の上面側の第２のビアホール２２の開口部の形状が影響するのであるが、本発明によれば、第２のビアホール２２の形成は基板１２の厚さに比べて小さい深さＴにつき行えばよいので、第２のビアホール２２の開口部の形状を高い精度で所要のものとすることができる。かくして、基板面内の位置によらず特性の安定した圧電薄膜共振器の製造が可能となる。
図３は本発明による圧電薄膜デバイス（圧電薄膜フィルタ１１）の実施形態を示す模式的平面図であり、図４はそのＸ−Ｘ断面図である。これらの図においては、上記図１および図２における部材と同様の機能を有する部材には同一の符号が付されている。
本実施態様では、圧電積層構造体１４の一部及び絶縁体層１３の一部により構成される互いに隣接した４つの振動部２３に対して共通の第１のビアホール２１が形成されており、該ビアホールの底面に相当する中間面２５から各振動部２３に向けて個別に第２のビアホール２２が形成されている。
本実施形態では、第１のビアホール２１を複数の振動部２３のそれぞれのための振動用空間の一部を共有するように形成しているため、厚みの大きい基板１２を使用しても、互いに隣接する振動部間の距離は、第２のビアホールの間隔のみで調整でき、隣接振動部同士を近接させることができるため、基板を有効に活用することが出来るとともに、これら振動部に接続される配線等を短くできるため、信号の損失の少ない優れたフィルタ等を提供することができる。
図５は本発明による圧電薄膜デバイス（圧電薄膜フィルタ１１）のさらに別の実施形態を示す模式的平面図であり、図６はそのＸ−Ｘ断面図である。これらの図においては、上記図１〜図４における部材と同様の機能を有する部材には同一の符号が付されている。
本実施形態は、基板１２として、ＳＯＩ（ＳｉｌｉｃｏｎｏｎＩｎｓｕｌａｔｏｒ）ウエハを用いている。ＳＯＩウエハは、酸化されていないウエハ（ベースウエハ）１２ａと必要な酸化膜からなる絶縁層１２ｃが付加形成されたウエハ（ボンドウエハ）１２ｂの絶縁層１２ｃ側とを貼り合せ、ボンドウエハ１２ｂの他方側（活性層側）を研削・研磨することにより、基板１２の厚み方向の任意の位置に絶縁層１２ｃを配置してなるウエハである。
シリコン基板のＫＯＨ水溶液などを用いたウェットエッチング法、ＳＦ_６ガスを用いるドライエッチング法、さらにはＳＦ_６ガスとＣ_４Ｆ_８ガスとを交互に用いるＤｅｅｐＲＩＥ法は、Ｓｉとその酸化物ＳｉＯ_２とのエッチング速度差（選択比）を利用している。このエッチング速度差は通常１００〜４００程度と大きい。すなわち、ＳｉＯ_２はエッチング速度がＳｉに比べて非常に小さい。よって、第１のビアホール２１を形成する際の終点として、ＳＯＩウエハの酸化膜（ＳｉＯ_２）１２ｃを用いれば、基板内の第１のビアホール２１の中間面２５の位置（深さ）をさらに高い精度で制御することが可能となる。
第２のビアホール２２の形成の際には、適切な振動部２３を形成するように特定の形状にＳＯＩウエハの絶縁層１２ｃをフォトリソグラフィによりふっ酸緩衝溶液でエッチング除去し、残留する絶縁層の単独もしくは残留絶縁層と残留フォトレジストとの双方をマスクとして用いて、ＤｅｅｐＲＩＥ法を行う。よって、加工精度は著しく向上し、基板面内の全域でほぼ均一な特性をもつ圧電薄膜フィルタを製造することが可能となる。
以下に実施例および比較例を示し、本発明をさらに詳細に説明する。

本実施例では、以下のようにして、図１及び図２に示されている構造の複数の圧電薄膜デバイス（圧電薄膜共振器）を共通の基板を用いて作製した。
すなわち、厚さ２００μｍの４インチ（１００）Ｓｉウエハの両面に熱酸化法により、厚さ０．３μｍのＳｉＯ_２層を形成した後、Ｓｉウエハ上面にフォトレジストを塗布し、図１に示すごとき下部電極用のレジストパターン形成を行った。このＳｉウエハの上面に、ＤＣマグネトロンスパッタ法により、ガス圧０．５Ｐａ、基板温度１５０℃の条件で、厚さ０．２３μｍのＭｏ層を形成した後、レジスト剥離液中で超音波洗浄を行うことによりＭｏ層を所望の形状にパターン化して、下部電極を形成した。次に、このウエハの上面に、純度９９．９９９％のＡｌターゲットを用い、反応性マグネトロンスパッタ法により、全ガス圧０．５Ｐａ、ガス組成Ａｒ／Ｎ_２＝１／１、基板温度３００℃の条件で、厚さ１．４０μｍのＡｌＮ圧電体膜を形成した。次に、熱燐酸を使用したウェットエッチングにより、ＡｌＮ圧電体膜を図１に示す所定の形状にパターン化した。続いて、フォトレジストを塗布し、上部電極用のフォトマスクを用い、所定の形状にレジストをパターン化した後、ＤＣマグネトロンスパッタ法により、厚さ０．１７μｍのＭｏ層を形成した。さらに、レジスト剥離液中で超音波洗浄を行うことにより、Ｍｏ層を所望の形状にパターン化して、上部電極を形成した。
以上の方法により上面側に熱酸化膜からなる絶縁体層及び圧電積層構造体を作製したＳｉウエハの下面側に、フォトレジストを塗布し、第１のビアホールのフォトマスクを用いてパターン化し、ふっ酸緩衝溶液を用いて下面側の熱酸化膜の一部を除去した。続いて、この熱酸化膜をマスクとして用いて、ＫＯＨ水溶液中でウェットエッチすることにより、基板厚みの７５％の１５０μｍの深さまでエッチングを行って、複数の第１のビアホールを形成した。
続いて、スプレー式のフォトレジスト塗布装置を用いて、第１のビアホールの底面も含めて基板の下面全体にフォトレジストを塗布した。さらに、形成すべき振動部の形状に等しいフォトマスクを用いて、フォトレジストをパターン化し、これをマスクとして用いてＤｅｅｐＲＩＥ装置によりウエハ上面に形成した熱酸化膜が露出するまでエッチングを行い、側壁を垂直に立てた形状の第２のビアホールを形成し、かくして第１のビアホール及び第２のビアホールからなる振動用空間を作製した。中間面の幅の最小値は５μｍであった。
以上の製造工程により、４インチＳｉ基板全面に、複数の振動部を形成し、複数の圧電薄膜共振器を形成した。形成された圧電薄膜共振器の共振周波数をネットワークアナライザを用いて評価した。共振器のＩ／Ｏ端子にはＧＳＧマイクロプローバを接触させた。
本実施例における基板のサイズ及び厚み、第１及び第２のビアホール（単に「ビア」と記すこともある：以下同様）の深さ、また得られた圧電薄膜共振器の破損率、周波数分布、及びデバイス歩留まり（周波数分布±０．１％以内で破損の無い合格品の割合）は表１に示す通りであった。

本実施例では、以下のようにして、図１及び図２に示されている構造の圧電薄膜デバイス（圧電薄膜共振器）を作製した。
すなわち、第１のビアホール及び第２のビアホールの深さをそれぞれ１８０μｍ及び２０μｍとしたこと以外は実施例１と同様な方法で圧電薄膜共振器を作製した。
本実施例における基板のサイズ及び厚み、第１及び第２のビアホールの深さ、また得られた圧電薄膜共振器の破損率、周波数分布、及びデバイス歩留まりは表１に示す通りであった。

本実施例では、以下のようにして、図１及び図２に示されている構造の圧電薄膜デバイス（圧電薄膜共振器）を作製した。
すなわち、第１のビアホール及び第２のビアホールの深さをそれぞれ１００μｍ及び１００μｍとしたこと以外は実施例１に示す方法と同様な方法で圧電薄膜共振器を作製した。
本実施例における基板のサイズ及び厚み、第１及び第２のビアホールの深さ、また得られた圧電薄膜共振器の破損率、周波数分布、及びデバイス歩留まりは表１に示す通りであった。

本実施例では、以下のようにして、図３及び図４に示されている構造の圧電薄膜デバイス（圧電薄膜フィルタ）を作製した。
すなわち、厚さ３００μｍの６インチ（１００）Ｓｉウエハを用い、第１のビアホール及び第２のビアホールの深さをそれぞれ２４０μｍ及び６０μｍとしたこと以外は実施例１に示す方法と同様な方法で圧電薄膜フィルタを作製した。
本実施例における基板のサイズ及び厚み、第１及び第２のビアホールの深さ、また得られた圧電薄膜フィルタの破損率、周波数分布、及びデバイス歩留まりは表１に示す通りであった。

本実施例では、以下のようにして、図３及び図４に示されている構造の圧電薄膜デバイス（圧電薄膜フィルタ）を作製した。
すなわち、第１のビアホール及び第２のビアホールの深さをそれぞれ２００μｍ及び１００μｍとしたこと以外は実施例４に示す方法と同様な方法で圧電薄膜フィルタを作製した。
本実施例における基板のサイズ及び厚み、第１及び第２のビアホールの深さ、また得られた圧電薄膜フィルタの破損率、周波数分布、及びデバイス歩留まりは表１に示す通りであった。

本実施例では、以下のようにして、図５及び図６に示されている構造の複数の圧電薄膜デバイス（圧電薄膜フィルタ）を共通の基板を用いて作製した。
すなわち、熱酸化法により、厚さ５５０μｍの６インチＳＯＩウエハ（活性層厚み５０μｍ、絶縁層厚み０．５μｍ）の両面に厚さ０．５μｍのＳｉＯ_２層を形成した後、上面側（活性層側）にフォトレジストを塗布し、図５及び図６に示すごとき下部電極用のレジストパターン形成を行った。このＳｉウエハの上面に、ＤＣマグネトロンスパッタ法により、ガス圧０．５Ｐａ、基板温度１５０℃の条件で、厚さ０．２３μｍのＭｏ層を形成した後、レジスト剥離液中で超音波洗浄を行うことによりＭｏ層を所望の形状にパターン化して下部電極を形成した。次に、このウエハの上面に、純度９９．９９９％のＡｌターゲットを用い、反応性マグネトロンスパッタ法により、全ガス圧０．５Ｐａ、ガス組成Ａｒ／Ｎ_２＝１／１、基板温度３００℃の条件で、厚さ１．４０μｍのＡｌＮ圧電体膜を形成した。次に、熱燐酸を使用したウェットエッチングにより、ＡｌＮ圧電体膜を図５及び図６に示す所定の形状にパターン化した。続いて、フォトレジストを塗布し、上部電極用のフォトマスクを用い、所定の形状にレジストをパターン化した後、ＤＣマグネトロンスパッタ法により、厚さ０．１７μｍのＭｏ層を形成した。さらに、レジスト剥離液中で超音波洗浄を行うことにより、Ｍｏ層を所望の形状にパターン化して上部電極を形成した。
以上の方法により、上面に熱酸化膜からなる絶縁体層及び圧電積層構造体を作製したＳＯＩウエハの下面側に、フォトレジストを塗布し、第１のビアホールのフォトマスクを用いてパターン化し、ふっ酸緩衝溶液を用いて下面側の熱酸化膜の一部を除去した。続いて、この熱酸化膜をマスクとして用いて、ＫＯＨ水溶液中でウェットエッチすることにより、ＳＯＩウエハの絶縁層までエッチングを行った。続いて、スプレー式のフォトレジスト塗布装置を用いて、第１のビアホールの底面も含めて基板の下面全体にフォトレジストを塗布し、形成すべき振動部の形状に等しいフォトマスクを用いて、フォトレジストをパターン化した。続いて、ふっ酸緩衝溶液を用いてＳＯＩウエハの絶縁層の一部を除去し、残留するフォトレジスト及び残留する絶縁層をマスクとして用いて、ＤｅｅｐＲＩＥ装置によりウエハ上面に形成した熱酸化膜が露出するまでエッチングを行うことにより、第２のビアホールを形成し、かくして第１のビアホール及び第２のビアホールからなる振動用空間を作製した。
以上の製造工程により、６インチＳＯＩ基板全面に複数の振動部を形成し、複数の圧電薄膜フィルタを形成した。形成された圧電薄膜フィルタの中心周波数をネットワークアナライザを用いて評価した。共振器のＩ／Ｏ端子にはＧＳＧマイクロプローバを接触させた。
本実施例における基板のサイズ及び厚み、第１及び第２のビアホールの深さ、また得られた圧電薄膜フィルタの破損率、周波数分布、及びデバイス歩留まりは表１に示す通りであった。

本実施例では、以下のようにして、図５及び図６に示されている構造の圧電薄膜デバイス（圧電薄膜フィルタ）を作製した。
すなわち、活性層厚み２０μｍ、絶縁層厚み０．５μｍのＳＯＩウエハを用いたこと以外は実施例６に示す方法と同様な方法で圧電薄膜フィルタを作製した。
本実施例における基板のサイズ及び厚み、第１及び第２のビアホールの深さ、また得られた圧電薄膜フィルタの破損率、周波数分布、及びデバイス歩留まりは表１に示す通りであった。
さらに、上記の工程によって複数の圧電薄膜デバイスの作り込まれた基板を１ｍｍ□弱の形状にダイシングソーを用いて切断して、各デバイス毎の所望のチップを得た。デバイス化のためにはチップ形状のままでは取り扱いが不便であるため、図７に示されているようにセラミックパッケージに内装した。一般的なセラミックパッケージは複数の入力／出力パッドを持つチップからワイヤ・ボンディングで接続するものであるが、本実施例ではデバイス寸法を小さくするためにフリップ・チップ・ボンディング技術を利用した。
図７には、マイクロ波パッケージ３１にフリップ・チップ・ボンディングで圧電薄膜フィルタ１１のチップを実装してなるデバイス３０が示されている。パッケージ３１はパッケージ基板３２とキャップ３３とからなる。圧電薄膜フィルタ１１の下部電極または上部電極と接続されているボンディングパッド４０はＡｕバンプや半田バンプ等の接合部材３４を介してセラミックスなどのマイクロ波パッケージ３１内に配置された信号経路３５と接続されている。信号経路３５はセラミック等のパッケージ基板３２内を通りパッケージ外に設けられた外部端子３６に繋がっている。チップ形状が１ｍｍ□の場合、ワイヤ・ボンディングで接続する方法ではデバイス寸法は３ｍｍ□となってしまうが、フィリップ・チップ・ボンディングでは２．３ｍｍ□程度に小型化できる。
［比較例１］
本比較例では、以下のようにして、図８及び図９に示されている構造の圧電薄膜共振器を作製した。これらの図においては、上記図１および図２における部材と同様の機能を有する部材には同一の符号が付されている。
すなわち、基板上面側に実施例１記載の方法と同様な方法を用いて絶縁体層及び圧電積層構造体を作製した。
次に、Ｓｉウエハの下面側に、フォトレジストを塗布し、実施例１に示す第２のビアホールの形成のためのフォトマスクを用いてパターン化し、ふっ酸緩衝溶液を用いて下面側の熱酸化膜の一部を除去した。続いて、残留する熱酸化膜及びフォトレジストをマスクとして用いて、ＤｅｅｐＲＩＥ装置によりウエハ上面に形成した熱酸化膜が露出するまでエッチングを行い、側壁を垂直に立てた形状のビアホールを形成することにより、振動用空間を作製した。
以上の製造工程により、４インチＳｉ基板全面に複数の圧電薄膜共振器を形成した。形成された圧電薄膜共振器の共振周波数をネットワークアナライザを用いて評価した。共振器のＩ／Ｏ端子にはＧＳＧマイクロプローバを接触させた。
本比較例における基板のサイズ及び厚み、また得られた圧電薄膜共振器の破損率、周波数分布、及びデバイス歩留まりは表１に示す通りであった。
［比較例２］
本比較例では、以下のようにして、図１０及び図１１に示されている構造の圧電薄膜フィルタを作製した。これらの図においては、上記図３および図４における部材と同様の機能を有する部材には同一の符号が付されている。
すなわち、基板上面側に実施例４記載の方法と同様な方法を用いて絶縁体層及び圧電積層構造体を作製した。
次に、Ｓｉウエハの下面側に、フォトレジストを塗布し、実施例４に示す第２のビアホールの形成のためのフォトマスクを用いてパターン化し、ふっ酸緩衝溶液を用いて下面側の熱酸化膜の一部を除去した。続いて、残留する熱酸化膜及びフォトレジソトをマスクとして用いて、ＤｅｅｐＲＩＥ装置によりウエハ上面に形成した熱酸化膜が露出するまでエッチングを行い、側壁を垂直に立てた形状のビアホールを形成することにより、振動用空間を作製した。
以上の製造工程により、６インチＳｉ基板全面に複数の圧電薄膜フィルタを形成した。形成された圧電薄膜フィルタの中心周波数をネットワークアナライザを用いて評価した。共振器のＩ／Ｏ端子にはＧＳＧマイクロプローバを接触させた。
本比較例における基板のサイズ及び厚み、また得られた圧電薄膜フィルタの破損率、周波数分布、及びデバイス歩留まりは表１に示す通りであった。
［比較例３］
本比較例では、以下のようにして、図１２及び図１３に示されている構造の圧電薄膜共振器を作製した。これらの図においては、上記図１および図２における部材と同様の機能を有する部材には同一の符号が付されている。
すなわち、基板上面側に、使用するフォトマスクが異なること以外は実施例１記載の方法と同様な方法を用いて、絶縁体層及び圧電積層構造体を作製した。
次に、Ｓｉウエハの下面側に、フォトレジストを塗布し、ウェットエッチ用のビアホール形成用フォトマスクを用いてパターン化し、ふっ酸緩衝溶液を用いて下面側の熱酸化膜の一部を除去した。続いて、この熱酸化膜をマスクとして用いて、ＫＯＨ水溶液中でウエハ上面に形成した熱酸化膜が露出するまで異方性エッチングを行いビアホールを形成することにより、振動用空間を作製した。
以上の製造工程により、４インチＳｉ基板全面に複数の圧電薄膜共振器を形成した。形成された圧電薄膜共振器の共振周波数をネットワークアナライザを用いて評価した。共振器のＩ／Ｏ端子にはＧＳＧマイクロプローバを接触させた。
本比較例における基板のサイズ及び厚み、また得られた圧電薄膜共振器の破損率、周波数分布、及びデバイス歩留まりは表１に示す通りであった。
また、本比較例記載の圧電薄膜共振器を複数個組み合せ、圧電薄膜フィルタを構成したが、隣り合う圧電薄膜共振器を接続する金属電極（配線部）が長くなることにより、挿入損失が著しく増大し、圧電薄膜フィルタとしての性能を確認することが困難であった。

本発明によれば、第１のビアホールの底面から各振動部に対応する第２のビアホールを形成することで基板の振動用空間の形成を行うので、圧電薄膜デバイスの製造工程が単純化され、また基板面内におけるビアホール特に第２のビアホールの形成時のエッチング速度差の影響の低減や加工形状の均一化が可能となり、基板面内の位置によらず圧電薄膜デバイスの特性を著しく安定化させることができる。

Claims

振動用空間を有する基板と、該基板の上面側に形成された圧電積層構造体とを有しており、該圧電積層構造体は圧電体膜とその両面にそれぞれ形成された電極とを含み、前記振動用空間は前記圧電積層構造体の少なくとも一部を含んで構成される振動部の振動を許容するように形成されている圧電薄膜デバイスであって、
前記振動用空間は、前記基板内に中間面を形成するように前記基板の下面から上面に向けて形成された第１のビアホールと、上下方向に見て前記第１のビアホールの内側に位置するように前記中間面から前記基板の上面に向けて形成された第２のビアホールとにより構成されており、
前記基板はＳＯＩウエハであり、その絶縁層の一部により前記中間面が構成されていることを特徴とする圧電薄膜デバイス。
前記基板の上面側に複数の前記振動部が形成されており、前記第１のビアホールが前記複数の振動部のそれぞれのための前記振動用空間の一部を共有するように形成されており、さらに、前記中間面から前記複数の振動部のそれぞれに対応して複数の前記第２のビアホールが形成されていることを特徴とする、請求項１記載の圧電薄膜デバイス。
前記第２のビアホールの深さが１０μｍ〜１５０μｍであることを特徴とする、請求項１記載の圧電薄膜デバイス。
請求項１〜３のいずれか記載の圧電薄膜デバイスを製造する方法であって、前記基板の振動用空間を形成するに際して、ＳＯＩウエハからなる基板材の下面から上面に向けて該基板材内の絶縁層の一部に底面を形成するように前記第１のビアホールを形成し、その後、上下方向に見て前記第１のビアホールの内側に位置するように前記底面から前記基板材の上面に向けて前記第２のビアホールを形成し、これにより前記基板材内に残留する前記底面の部分により前記中間面を形成することを特徴とする、圧電薄膜デバイスの製造方法。
前記圧電薄膜デバイスは前記基板の上面側に複数の前記振動部を有しており、前記第１のビアホールを前記複数の振動部につき共通に形成し、前記底面から前記複数の振動部のそれぞれに対応して複数の前記第２のビアホールを形成することを特徴とする、請求項４記載の圧電薄膜デバイスの製造方法。
前記第２のビアホールを深掘り型反応性イオンエッチング法により形成することを特徴とする、請求項４記載の圧電薄膜デバイスの製造方法。
上下方向に見て前記第２のビアホールが前記第１のビアホールの底面の端部から５μｍ〜５０μｍ隔てられて位置していることを特徴とする、請求項１記載の圧電薄膜デバイス。
前記基板の上面と前記圧電積層構造体との間に絶縁体層が形成されており、前記振動部は前記絶縁体層の一部を含んで構成されており、前記絶縁体層の厚さは０．３μｍ〜０．５μｍであることを特徴とする、請求項１記載の圧電薄膜デバイス。
前記複数の振動部のそれぞれに係る圧電薄膜共振器の共振周波数の分布が±０．４２％以内であることを特徴とする、請求項２記載の圧電薄膜デバイス。
前記第２のビアホールを形成するに際して、前記第１のビアホールの底面にフォトレジストを０．５μｍ〜４μｍの厚さに塗布し、次いで前記フォトレジストの前記振動部に対応する部分を除去するパターン化を行い、前記振動部は上下方向に見て前記第１のビアホールの底面の端部から５μｍ〜５０μｍ隔てられて位置しており、次いで前記パターン化されたフォトレジストをマスクとして用いて前記基板材をエッチングすることを特徴とする請求項４記載の圧電薄膜デバイスの製造方法。
前記複数の振動部のそれぞれに係る圧電薄膜共振器の共振周波数の分布が±０．４２％以内であることを特徴とする、請求項５記載の圧電薄膜デバイスの製造方法。