JP4617936B2 - 圧電共振素子の製造方法および圧電共振素子 - Google Patents

Description

本発明は、圧電共振素子の製造方法および圧電共振素子に関し、特に、圧電体層が示す電気音響効果を利用した薄膜バルク音響共振器（Thin Film Bulk Acoustic Resonator、以下ＦＢＡＲと記す）の製造方法およびＦＢＡＲに関する。

近年、携帯電話やＰＤＡ機器の高機能化・高速化に伴い、これら通信機器に内蔵される数１００ＭＨｚ〜数ＧＨＺ動作の高周波フィルタには、これまでに増して小型化・低コスト化の要求がある。この要求を満たす高周波フィルタの有力候補が、半導体製造技術を用いて形成できるＦＢＡＲを用いたフィルタである。

このＦＢＡＲの代表例として、空気ブリッジ型と呼ばれる構造例を図８に示す（例えば、非特許文献１参照）。図８（ａ）は断面図、図８（ｂ）は平面図を示し、図８（ａ）は図８（ｂ）のＡ-Ａ’線での断面図である。

K. M. Lakin, "Thin film resonator and filters", Proceedings of the 1999 IEEE Ultrasonics Symposium,（米），Vol.2, pp.895-906

図８（ａ）に示すように、このＦＢＡＲは、高抵抗シリコンや高抵抗ガリウム砒素からなる基板１１上に、空気層１２を介して下部電極１３、圧電体層１４および上部電極１５がこの順に設けられている。

下部電極１３は、空気層１２を閉塞するとともに、基板１１上の一方向に延設された状態で設けられており、外郭の側壁１３ａは、テーパー形状に設けられている。また、圧電体層１４は、下部電極１３を覆う状態で基板１１上に設けられている。これにより、下部電極１３と圧電体層１４とで、空気層１２を閉塞してなるキャビティ部１６が構成され、下部電極１３も、上部電極１５と同様に、空気と接する境界面を有した状態となる。ここで、上記キャビティ部１６を構成する下部電極１３と圧電体層１４の各側壁１３ｂ、１４ａは、テーパー形状に設けられている。

また、上部電極１５は、空気層１２上において、下部電極１３上に圧電体層１４を介して積層される状態で設けられている。上部電極１５は、下部電極１３とは逆方向に延設されており、下部電極１３よりも狭い幅で設けられている。この上部電極１５よりも外側の領域で、圧電体層１４および下部電極１３には、空気層１２に達する状態の複数の孔部１７が設けられており、空気層１２は、この孔部１７を介してのみＦＢＡＲの外気と連通している。

そして、上記下部電極１３、圧電体層１４及び上部電極１５が積層された部分が、音響共振器として動作する振動部１８となる。ＦＢＡＲは、この振動部１８の圧電体層１４を挟んで対向する上部電極面１５ａまたは下部電極面１３ｃに対して垂直方向の振動モードの音波を利用するため、下部電極１３、圧電体層１４、上部電極１５はいずれも上部電極面１５ａまたは下部電極面１３ｃに対して垂直方向に結晶配向されることが望ましい。

ここで、図８（ｂ）の平面図に示すように、上記キャビティ部１６は、平面視的に矩形状であり、直角の角部１６Ａ’を有している。さらに、このキャビティ部１６を含む下部電極１３の素子領域の外郭は、平面矩形状に設けられ、この素子領域から延設される領域は、上記素子領域よりも幅の狭い平面矩形状に設けられている。このため、下部電極１３の外郭形状は直角の角部１３Ａ’を有している。

次に、このようなＦＢＡＲの製造方法について、図９を用いて説明する。まず、図９（ａ）に示すように、基板１１上に犠牲層２１を側壁２１ａがテーパー形状となるように、パターン形成する。次いで、犠牲層２１を覆うとともに一方向に延設する状態で、基板１１上に下部電極１３をパターン形成する。この際、下部電極１３の外郭の側壁１３ａをテーパー形状となるように形成する。また、犠牲層２１の側壁２１ａを覆う下部電極１３の側壁１３ｂはテーパー形状となる。その後、下部電極１３を覆う状態で、基板１１上に圧電体層１４を形成する。

次いで、図９（ｂ）に示すように、犠牲層２１（前記図９（ａ）参照）上の圧電体層１４上に、下部電極１３とは逆方向に延設させる状態で、上部電極１５をパターン形成する。続いて、上部電極１５よりも外側の領域で、圧電体層１４と下部電極１３とに犠牲層２１に達する孔部１７を形成した後、孔部１７からエッチングガスを導入したドライエッチングにより、犠牲層２１をエッチング除去することで空気層１２を形成する。

上述したような圧電体層１４の結晶方位は、下層となる下部電極１３の表面形状により異なってくる。具体的には、再び図９（ａ）に示すように、下部電極１３は、外郭の側壁１３ａおよび犠牲層２１の側壁２１ａを覆う側壁１３ｂがテーパー形状に形成される。そして、この下部電極１３上に圧電体層１４を成膜すると、平坦部１３ｄ上では、圧電体層１４の結晶は下部電極１３の表面に対して垂直方向に配向される（結晶方位Ｆ）。しかし、側壁１３ａ上および側壁１３ｂ上では、平坦部１３ｄの表面に対する垂直方向と側壁１３ａの表面または側壁１３ｂの表面に対する垂直方向のおよそ中間方向に向けて、圧電体層１４の結晶が配向される（結晶方位Ｆ’）。

このため、図９（ｂ）に示すように、犠牲層２１（前記図９（ａ）参照）を除去して空気層１２を形成した場合に、平坦部１３ｄ上と側壁１３ａ上または側壁１３ｂ上とで、結晶方位Ｆ、Ｆ’（前記図９（ａ）参照）の差が大きいと、圧電体層１４の結晶歪みが大きくなり、ひいてはクラック３１を生じてしまうことになる。このクラック３１が発生すると、圧電体層１４の機械的強度が著しく劣化し、破壊されて、ＦＢＡＲが正常に動作しなくなる。また、クラック３１は発生箇所を起点として成長するため、ついには隣接するＦＢＡＲにまで影響を及ぼすようになり、歩留まりを著しく低下させてしまう。

そこで、テーパー形状に設けられる下部電極１３の外郭の側壁１３ａおよび犠牲層２１を覆う下部電極１３の側壁１３ｂのテーパー角度を小さくすることが検討されている。例えば側壁１３ａのテーパー角度を小さくする場合には、次のような方法により行う。

まず、図１０（ａ）に示すように、基板１１上に成膜された下部電極膜１３’上にレジストパターン４１を形成した後、１００℃〜１６０℃でリフロー処理を行うことで、レジストパターン４１の側壁４１ａをテーパー形状にする。そして、エッチング条件を調整することで、レジストパターン４１を矢印Ｅ方向に後退させつつ、下部電極膜１３’をパターンニングする。これにより、図１０（ｂ）に示すように、側壁１３ａのテーパー角度が小さくなるように調整された下部電極１３が形成される。また、犠牲層２１の側壁２１ａのテーパー角度を上記と同様の方法により小さくすることで、犠牲層２１を覆う下部電極１３の側壁１３ｂのテーパー角度を小さくすることができる。よって、平坦部１３ｄ上に成長する圧電体層１４の結晶方位Ｆと側壁１３ａ上、側壁１３ｂ上に成長する圧電体層１４の結晶方位Ｆ’の差を小さくすることができる。

一方、下部電極１３および圧電体層１４の形状については、下部電極１３および圧電体層１４の幅方向波動による擬似共振を抑制するために、外郭の全ての辺を曲線で形成するものが報告されている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００３−１７９７４号公報

しかし、図１０（ａ）を用いて説明したように、下部電極膜１３’上にレジストパターン４１を形成した後、１００℃〜１６０℃でリフロー処理を行う場合には、レジストパターン４１の側壁４１ａはテーパー形状となるものの、図１１（ａ）の平面図に示すように、側壁４１ａの角部４１ｂについては「引きつり」が生じ、テーパー角度を低くすることができないという現象がある（図１０（ａ）は図１１（ａ）のＢ−Ｂ’断面図）。これは、平面視的な外郭形状において、レジストパターン４１の角部４１ｂが直角であることに起因するものであり、角部４１ｂが直角以下である場合に顕著に生じる現象である。

このため、このレジストパターン４１を用いて下部電極膜１３’（前記図１０（ａ）参照）のパターンニングを行うと、図１１（ｂ）に示す角部１３Ａ’において、側壁１３ａ（前記図１０（ｂ）参照）のテーパー角度を低く形成できない。換言すれば、角部１３Ａ’を含むＣ-Ｃ’断面図である図１１（ｃ）に示すように、角部１３Ａ’の箇所のみ側壁１３ａのテーパー角度が高くなる状態になる。このため、この下部電極１３を覆う状態で基板１１上に圧電体層１４を形成する場合には、角部１３Ａ’上に成膜される圧電体層１４の結晶方位Ｆ’’が下部電極１３の平坦部１３ｄ上の圧電体層１４の結晶方位Ｆに対して大きくずれるため、クラックが生じるという問題がある。

また、犠牲層２１のパターンニングにおいても同様の問題が生じる。このため、犠牲層２１の側壁２１ａにおける角部２１Ａ’（前記図１１（ｂ）参照）のテーパー角度を低く形成できないことから、犠牲層２１を覆う状態で形成される下部電極１３の側壁１３ｂにおける角部のテーパー角度を低く形成できない。これにより、下部電極１３の角部上に成膜される圧電体層１４の結晶方位Ｆ’’が下部電極１３の平坦部１３ｄ上の圧電体層１４の結晶方位Ｆに対して大きくずれるため、クラックが生じるという問題がある。なお、この犠牲層２１の角部２１Ａ’は、犠牲層２１を除去することで形成されるキャビティ部１６の角部１６Ａ’に相当する。

さらに、上記特許文献１で報告されているように、下部電極１３の形状として外郭の全ての辺を曲線で構成する場合には、設計段階における下部電極１３の面積計算が難しく、複数の圧電共振素子を並列させる場合には、１つの圧電共振素子の占有面積が増大するため、高集積化の妨げとなる。

本発明の圧電共振素子の製造方法および圧電共振素子は、下部電極または犠牲層のパターンニングに用いるレジストパターンのリフロー処理による角部の引きつりを防ぐことで、圧電体層のクラックを防止することを目的としている。

上述したような課題を解決するために、本発明における第１の圧電共振素子の製造方法は、次のような工程を順次行うことを特徴としている。まず、第１工程では、基板上に設けられた下部電極膜上に、外郭形状が丸みを帯びた形状の角部または複数の鈍角で構成された形状の角部と直線部のみで構成されたマスクパターンを形成する工程を行う。次に、第２工程では、マスクパターンをリフロー処理することで、マスクパターンの外郭の側壁をテーパー形状とする工程を行う。続いて、第３工程では、リフロー処理されたマスクパターン上から下部電極膜をエッチングして、下部電極を形成し、マスクパターンを除去する工程を行う。次いで、第４工程では、下部電極を覆う状態で基板上に圧電体層を形成する工程を行い、その後の第５工程では、少なくとも一部が前記下部電極上に積層される状態で、前記圧電体層上に上部電極を形成する工程を行う。

このような第１の圧電共振素子の製造方法によれば、下部電極膜上に、外郭形状が丸みを帯びた形状の角部または複数の鈍角で構成された形状の角部と直線のみで構成されたマスクパターンを形成することから、リフロー処理によるマスクパターンの角部の引きつりが防止される。これにより、マスクパターンの側壁の角部のみテーパー角度が大きくなることが防止される。このため、このマスクパターンの上部から下部電極膜のエッチングを行うことで、外郭形状が丸みを帯びた形状の角部または複数の鈍角で構成された形状の角部と直線のみで構成された下部電極が形成されるとともに、下部電極の外郭の側壁の角部のみテーパー角度が大きくなることが防止される。これにより、下部電極の外郭の側壁全体のテーパー角度を略同等に揃えることが可能となることから、この側壁上に形成される圧電体層の結晶方位を揃えることが可能になる。よって、上記側壁上と平坦部上とで圧電体層との結晶方位の差が小さくなり、圧電体層に生じるクラックが防止される。

また、本発明における第１の圧電共振素子は、上述した製造方法により得られる圧電共振素子であり、下部電極と、圧電体層と、上部電極とがこの順に設けられ、これらの積層構造を少なくとも一部に有するものである。そして、下部電極は、素子領域と該素子領域から延設される領域とを有し、延設方向に対する垂直方向の幅において、素子領域の幅は延設される領域の幅より広く、素子領域は、その外郭形状が複数の角部と直線部のみで構成されるとともに、この角部はすべて丸みを帯びた形状または複数の鈍角で構成された形状であり、下部電極を、前記外郭形状のマスクパターンのリフロー処理、およびその後のマスクパターン上からのエッチングによって形成することにより、素子領域の外郭の側壁が、角部および直線部のすべてにおいて略同等のテーパー角度のテーパー形状を成し、圧電体層は、下部電極の少なくとも一部を覆う状態で基板上に設けられていることを特徴としている。

このような第１の圧電共振素子は、上述した製造方法により得ることができることから、圧電体層に生じるクラックが防止されたものとなる。また、下部電極の外郭形状は丸みを帯びた形状の角部または複数の鈍角で構成された形状の角部と直線のみで構成されることから、パターンの面積計算も容易であるため設計し易い。さらに、１つの圧電共振素子の占有面積が小さく、下部電極の外郭形状が直線を有することで、複数の圧電共振素子を配列し易いことから、高集積化が可能である。

また、本発明における第２の圧電共振素子の製造方法は、次のような工程を順次行うことを特徴としている。まず、基板上に犠牲層形成膜を形成する工程を行う。次に、犠牲層形成膜上に、外部形状が曲線部のみ、または丸みを帯びた形状の角部もしくは複数の鈍角で構成された形状の角部と直線部のみで構成されたマスクパターンを形成する工程を行う。次いで、マスクパターンをリフロー処理することで、マスクパターンの側壁をテーパー形状にする工程を行う。続いて、リフロー処理されたマスクパターン上から犠牲層形成膜をエッチングして犠牲層をパターン形成し、マスクパターンを除去する工程を行う。次に、犠牲層の少なくとも一部を覆う状態で、基板上に下部電極を形成する工程を行う。次いで、下部電極および犠牲層を覆う状態で、基板上に圧電体層を形成する工程を行う。続いて、少なくとも一部が犠牲層上において下部電極上に積層される状態で、上部電極を圧電体層上に形成する工程を行う。その後、犠牲層を除去することで、下部電極、圧電体層および上部電極の積層構造の下部に、空気層を形成する工程を行う。

このような第２の圧電共振素子の製造方法によれば、犠牲層形成膜上に、外郭形状が曲線のみ、または丸みを帯びた形状の角部もしくは複数の鈍角で構成された形状の角部と直線のみで構成されたマスクパターンを形成することから、リフロー処理によるマスクパターンの角部の引きつりが防止される。これにより、マスクパターンの側壁の角部のみテーパー角度が大きくなることが防止される。このため、このマスクパターンの上部から犠牲層形成膜のエッチングを行うことで、外郭形状が曲線のみ、または丸みを帯びた形状の角部または複数の鈍角から構成された形状の角部と直線のみで構成された犠牲層が形成されるとともに、犠牲層の側壁の角部のみテーパー角度が大きくなることが防止される。これにより、犠牲層の少なくとも一部を覆う状態で形成される下部電極の側壁は、犠牲層と略同等のテーパー角度で形成され、犠牲層および下部電極の側壁全体のテーパー角度を略同等に揃えることが可能となる。よって、犠牲層および下部電極上に形成する圧電体層の結晶方位を、上記側壁上で揃えることが可能になるとともに、上記側壁上と平坦部上とで圧電体層との結晶方位の差が小さくなるため、圧電体層に生じるクラックが防止される。

また、本発明における第２の圧電共振素子は、上述した製造方法により得られる圧電共振素子であり、基板上に、空気層を介して下部電極、圧電体層および上部電極がこの順に設けられ、これらの積層構造を少なくとも一部に有するとともに、下部電極または圧電体層により空気層を閉塞してなるキャビティ部を備えた圧電共振素子である。そして、下部電極または圧電体層により構成されるキャビティ部の側壁はテーパー形状に設けられており、キャビティ部の平面視的な形状は、曲線部のみ、または丸みを帯びた形状の角部もしくは複数の鈍角で構成された形状の角部と直線部のみで構成されていることを特徴としている。

このような第２の圧電共振素子は、上述した製造方法により得ることができることから、圧電体層に生じるクラックが防止されたものとなる。

また、キャビティ部の平面視的な形状が、丸みを帯びた形状の角部または複数の鈍角で構成された形状の角部と直線のみで構成されている場合には、パターンの面積計算も容易であるため設計し易く、また、１つの圧電共振素子の占有面積が小さく、下部電極の外郭形状が直線を有することで、複数の圧電共振素子を配列し易いことから高集積化が可能である。

以上説明したように、本発明における圧電共振素子の製造方法および圧電共振素子によれば、圧電体層に生じるクラックが防止されることから、圧電共振素子の歩留まりを向上させることができる。また、下部電極のパターンの設計が容易であり、圧電共振素子の高集積化が可能であることから、圧電共振素子を搭載する装置の小型化が可能である。さらに、マスクパターンの外郭形状を変えることでのみ、圧電体層に生じるクラックが防止されるため、製造工程を増やすことがなく、生産性にも優れている。

以下、本発明の第１の圧電共振素子における実施の形態の一例について詳細に説明する。なお、背景技術で説明したものと同様の構成には同一の番号を付して説明することとする。

（第１実施形態）
本実施形態では、本発明における第１の圧電共振素子の実施形態の一例として、ＦＢＡＲの例について説明する。図１（ａ）は断面図、図１（ｂ）は平面図を示し、図１（ａ）は図１（ｂ）のＡ-Ａ’線での断面図である。

図１（ａ）に示すように、このＦＢＡＲは、高抵抗シリコンや高抵抗ガリウム砒素からなる基板１１上に、空気層１２を介して、下部電極１３、圧電体層１４および上部電極１５がこの順に設けられている。これにより、下部電極１３と圧電体層１４とで、空気層１２を閉塞してなるキャビティ部１６が構成され、このキャビティ部１６により、下部電極１３も、上部電極１５と同様に、空気と接する境界面を有した状態となる。

上記下部電極１３は、空気層１２を閉塞する状態で覆うとともに、基板１１上の一方向に延設された状態で設けられている。ここで、下部電極１３は、例えばモリブデン（Ｍｏ）またはアルミニウム（Ａｌ）で形成されるとともに、０．１μｍ〜０．５μｍの膜厚で設けられることとする。そして、下部電極１３の外郭の側壁１３ａおよびキャビティ部１６を構成する側壁１３ｂはテーパー形状に設けられている。この側壁１３ａの基板１１の表面に対するテーパー角度は小さい方が好ましく、側壁１３ｂの基板１１の表面に対するテーパー角度も、上記圧電体層１４を支持可能な範囲で低い方が好ましい。これは、背景技術で説明したように、下部電極１３の平坦部１３ｄ上に形成される圧電体層１４の結晶方位と、側壁１３ａ、１３ｂ上に形成される圧電体層１４の結晶方位の差を小さくするためである。

また、図１（ｂ）に示すように、上記キャビティ部１６を含む下部電極１３の素子領域の外郭は、平面矩形状に設けられ、この素子領域から延設される領域は、上記素子領域よりも幅の狭い平面矩形状に設けられている。

そして、下部電極１３の外郭形状は、丸みを帯びた形状の角部１３Ａと直線のみで構成されている。具体的には、平面視的に多角形の角部が曲線で構成された外郭形状となっている。ここでは、角部１３Ａが角部１３Ａを構成する２辺の延長線の交点よりも内側になる状態で、丸みを帯びた形状で設けられることとするが、上記交点よりも外側へ例えば略円状に突出していてもよい。この場合には、その突出部分の基端部または円の接線の交差部が直角または鋭角とならないように設けられることとし、平面視的に直角以下となる部分がないように構成されることとする。これにより、後述する製造方法において詳細に説明するように、下部電極１３上に形成される圧電体層１４の結晶方位を、外郭の側壁１３ａ全体で揃えることが可能となる。

なお、ここでは、上記角部１３Ａが丸みを帯びた形状に設けられた例について説明したが、本発明はこれに限定されず、角部１３Ａは複数の鈍角で構成された形状であってもよい。この場合も、平面視的に直角以下となる部分がなければ、角部１３Ａが角部１３Ａを構成する２辺の延長線の交点よりも内側になるように構成されていてもよく、上記交点よりも外側に突出するように設けられていてもよい。

また、圧電体層１４（前記図１（ａ）参照）は、下部電極１３を覆う状態で基板１１上に設けられている。圧電体層１４は、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）または酸化亜鉛（ＺｎＯ）で形成されており、１μｍ〜２μｍの膜厚で形成されている。なお、ここでは、圧電体層１４が上記下部電極１３の素子領域を全体的に覆う状態で設けられた例について説明するが、本発明はこれに限定されるものではなく、圧電体層１４は空気層１２上において、少なくとも一部が下部電極１３上に積層される状態で設けられていればよい。ただし、この場合、圧電体層１４は、下部電極１３の外郭の少なくとも１つの角部１３Ａを覆う状態で設けられ、後述する上部電極と下部電極１３とがショートしないように配置されることとする。

さらに、上部電極１５は、空気層１２上において、少なくとも一部が下部電極１３上に上記圧電体層１４を介して積層される状態で設けられている。上部電極１５は、例えばＭｏまたはＡｌで形成されており、０．１μｍ〜０．５μｍの膜厚で形成されている。

また、上部電極１５よりも外側の領域で、圧電体層１４および下部電極１３には、上記空気層１２に達する状態の複数の孔部１７が設けられている。この孔部１７は、基板１１と下部電極１３との間に設けられた犠牲層（図示省略）をエッチング除去して空気層１２を形成するためのエッチングガスを導入するものである。そして、上記空気層１２はこの孔部１７を介してのみ外部と連通する状態に設けられている。

そして、再び図１（ａ）に示すように、下部電極１３、圧電体層１４および上部電極１５が積層された部分が、音響共振器として動作する振動部１８となる。

次に、上述したＦＢＡＲの動作を説明する。上部電極１５と下部電極１３との間に電圧を印加して電界を生じさせると、圧電体層１４は電気的エネルギーの一部を弾性波（以下、音波と記す）という形の機械的エネルギーへ変換する。この機械的エネルギーは、対向する上部電極面１５ａおよび下部電極面１３ｃの垂直方向である圧電体層１４の膜厚方向に伝搬され、再び電気的エネルギーへと変換される。この電気的エネルギー／機械的エネルギーの変換過程でその効率が優れる特定の周波数が存在し、この周波数を持つ交流電圧を印加したとき、ＦＢＡＲは極めて低いインピーダンスを示す。

この特定の周波数は一般に共振周波数γと呼ばれ、その値は、一次近似として上部電極１５と下部電極１３の存在を無視したとき、γ＝Ｖ／(２ｔ)で与えられる。ここで、Ｖは圧電体層１４中の音波の速度、tは圧電体層１４の厚さである。音波の波長をλとすると、Ｖ＝γλの関係式が成立することから、t＝λ／２となる。これは圧電体層１４中で誘起された音波が圧電体層１４と上部電極１５の境界面および圧電体層１４と下部電極１３の境界面で上下に反射を繰り返し、丁度、その半波長に対応した定在波が形成されていることを意味する。換言すれば、半波長の定在波が立っている音波の周波数と外部印加の交流電圧の周波数が一致したときが共振周波数γとなる。

この共振周波数γでＦＢＡＲのインピーダンスが極めて小さくなることを利用した電子機器として、複数のＦＢＡＲをラダー型に組み、所望の周波数帯の電気信号のみを低損失で通過させるバンドパスフィルタが、背景技術で説明した非特許文献１で紹介されている。

そして、このＦＢＡＲは、振動部１８の圧電体層１４を挟んで対向する上部電極面１５ａまたは下部電極面１３ｃに対して垂直方向の振動モードの音波を利用するため、下部電極１３、圧電体層１４、上部電極１５はいずれも上部電極面１５ａまたは下部電極面１３ｃに対して垂直方向に結晶配向されることが望ましい。垂直方向に結晶配向されるほど理想的な特性に近づいていき、低挿入損の通過帯域をもつバンドパスフィルタを実現できるようになる。

次に、上記ＦＢＡＲの製造方法について説明する。まず、図２（ａ）に示すように、基板１１上に、例えばＳＯＧ(Spin on Glass)膜からなる犠牲層形成膜（図示省略）を０．５μｍ〜３μｍの膜厚で形成し、犠牲層形成膜を所望の形状にパターンニングすることで、犠牲層２１を形成する。ここでは、例えば平面視的に矩形状となるように、犠牲層２１をパターン形成する。この犠牲層２１の占有体積は、後工程でエッチング除去により形成する空気層の容積となる。なお、ここでは、犠牲層２１はＳＯＧ膜で形成されることとするが、これに限定されず、シリコン酸化膜、ＰＳＧ（Phosho Silicate Glass) 膜、ＢＰＳＧ（Borophospho Silicate Glass)膜であってもよい。

次に、スパッタリング法により、犠牲層２１を覆う状態で、基板１１上に、例えばＭｏからなる下部電極膜１３’を形成する。次いで、例えばスピンコート法により、下部電極膜１３’上にレジスト（図示省略）を塗布する。

次いで、上記犠牲層２１上の下部電極膜１３’を含む領域に、通常のリソグラフィ処理により、露光・現像を行い、レジストパターン４１を形成する。この際、このレジストパターン４１の外郭形状は、丸みを帯びた形状の角部と直線とのみで構成されることとする。具体的には、平面視的に多角形状であり、角部が曲線で構成されている。このようなレジストパターン４１は、露光マスクのパターンを上記形状にすることで形成可能である。

その後、レジストパターン４１中の残留溶媒を取り除き、レジストパターン４１の側壁をテーパー形状とするために、リフロー処理を行う。このリフロー処理は、１００℃〜１６０℃の温度で行うこととする。これにより、レジストパターン４１の側壁４１ａはテーパー形状に成型される。そして、図２（ａ）の領域Ｘの要部拡大平面図である図２（ｂ）に示すように、レジストパターン４１の平面視的な外郭形状の角部４１ｂが丸みを帯びた形状であることから、角部４１ｂが直角以下である場合に生じる「引きつり」が防止される（図２（ａ）は図２（ｂ）のＢ−Ｂ’断面）。これにより、側壁４１ａの角部のみテーパー角度が大きくなることが防止され、側壁４１ａ全体のテーパー角度を揃えることができる。

次いで、図２（ｃ）に示すように、このレジストパターン４１（前記図２（ａ）参照）をマスクに用いたエッチングにより、犠牲層２１を覆うとともに、基板１１上の一方向に延設した形状となるように、下部電極膜１３’（前記図２（ａ）参照）をパターンニングして、下部電極１３を形成する。この際、エッチング条件を調整し、レジストパターン４１を後退させつつ、下部電極膜１３’をパターンニングすることで、側壁１３ａのテーパー角度を小さくすることができる。また、上述した外郭形状のレジストパターン４１をマスクとしてエッチングすることで、下部電極１３の外郭形状が丸みを帯びた形状の角部１３Ａと直線とのみで構成される。さらに、レジストパターン４１の側壁４１ａ全体のテーパー角度は略同等であることから、下部電極１３の側壁１３ａ全体のテーパー角度が略同等となる。

この後の工程は、通常のＦＢＡＲの製造方法と同様に行う。すなわち、図３（ｄ）に示すように、例えばスパッタリング法により、下部電極１３を覆う状態で、基板１１上に、例えばＡｌＮからなる圧電体層１４を形成する。

続いて、例えばスパッタリング法により、圧電体層１４を覆う状態で、例えばＭｏからなる上部電極膜（図示省略）を形成する。その後、犠牲層２１上の圧電体層１４の略中央領域上を覆うとともに、上記下部電極１３とは反対方向の基板１１上に引き出すように、上部電極膜をパターンニングすることで、上部電極１５を形成する。これにより、犠牲層２１上において、上部電極１５の一部が下部電極１３上に圧電体層１４を介して積層された状態となる。そして、この積層された部分が、製造するＦＢＡＲの振動部１８となる。次に、上部電極１５よりも外側の領域で、圧電体層１４と下部電極１３とに、犠牲層２１まで達する状態の孔部１７を形成する。

その後、図３（ｅ）に示すように、例えばドライエッチングにより、孔部１７からエッチングガスを導入して犠牲層２１（前記図３（ｄ）参照）を除去する。これにより、基板１１と下部電極１３との間に空気層１２が形成され、空気層１２を下部電極１３と圧電体層１４とで閉塞してなるキャビティ部１６が形成される。

このようなＦＢＡＲの製造方法およびこれにより得られるＦＢＡＲによれば、下部電極膜１３’上に平面視的な外郭形状が丸みを帯びた形状の角部と直線のみで構成されるレジストパターン４１を形成することから、リフロー処理によるレジストパターン４１の角部４１ｂの「引きつり」が防止される。これにより、レジストパターン４１の側壁４１ａ全体のテーパー角度を揃えることができる。このため、このレジストパターン４１の上部から下部電極膜１３’のエッチングを行うことで、下部電極１３の外郭の側壁１３ａ全体のテーパー角度を略同等に揃えることが可能となる。これにより、この側壁１３ａ上に形成される圧電体層１４の結晶方位を揃えることができるため、上記側壁１３ａ上と平坦部１３ｄ上とで圧電体層１４との結晶方位の差が小さくなり、圧電体層１４に生じるクラックが防止される。したがって、ＦＢＡＲの歩留まりを向上させることができる。

また、レジストパターン４１の外郭形状を変えることでのみ、圧電体層１４に生じるクラックが防止されるため、製造工程を増やすことがなく、生産性にも優れている。

さらに、上記下部電極１３の外郭形状が丸みを帯びた形状の角部１３Ａと直線のみで構成されることから、下部電極１３のパターンの面積計算も容易であるため設計し易く、また、複数のＦＢＡＲを配列し易いことから高集積化が可能である。したがって、ＦＢＡＲを搭載する装置の小型化が可能である。

（変形例１）
次に、本実施形態の変形例１を図４に示す。図４（ａ）は断面図、図４（ｂ）は平面図を示し、図４（ａ）は図４（ｂ）のＣ-Ｃ’線での断面図である。図４（ａ）に示すように、このＦＢＡＲは、基板１１上に、空気層１２を閉塞する状態で、例えばシリコン窒化膜からなる支持膜２２が設けられている。また、下部電極１３は、空気層１２上の支持膜２２の一部を覆うとともに、一方向に延設された状態で設けられ、圧電体層１４は、下部電極１３上および支持膜２２上に設けられている。これにより、支持膜２２と下部電極１３と圧電体層１４とで、空気層１２を閉塞してなるキャビティ部１６が構成される。

さらに、圧電体層１４上には、空気層１２上の下部電極１３上に積層されるとともに、下部電極１３とは反対方向に延設された上部電極１５が設けられている。また、上部電極１５よりも外側の領域で、圧電体層１４と下部電極１３と支持膜２２には、上記空気層１２に達する孔部１７が設けられている。

そして、下部電極１３の外郭の側壁１３ａはテーパー形状に設けられ、図４（ｂ）に示すように、下部電極１３の外郭形状は、丸みを帯びた形状の角部１３Ａと直線のみで構成されることとする。

このようなＦＢＡＲであっても、第１実施形態と同様の方法で形成されることから、下部電極１３の側壁１３ａ全体のテーパー角度を略同等に揃えることが可能となる。したがって、第１実施形態と同様の効果を奏することができる。

なお、ここでは、基板１１上に、空気層１２を閉塞する状態で、支持膜２２が設けられた例について説明するが、支持膜２２が設けられていない場合であっても、本発明は適用可能である。この場合には、下部電極１３が空気層１２の一部を覆うとともに、一方向に延設された状態で設けられ、下部電極１３上の圧電体層１４により空気層１２が閉塞された構成となる。

また、特開２０００−６９５９４号公報で開示されているように、基板１１の表面に凹部を形成することで空気層１２が設けられており、この基板１１の凹部に蓋をする状態で、下部電極１３、圧電体層１４、上部電極１５が順次積層されたＦＢＡＲであっても、本発明は適用可能である。

さらに、背景技術で説明した非特許文献１で開示されている２種類のＦＢＡＲ構造、即ち、基板１１の裏面側から下部電極１３に至る深い開口部を形成し、これを空気層１２とするＦＢＡＲ構造、または、基板１１の表面に凹部を形成し、この内部に高音響インピーダンス材料と低音響インピーダンス材料を交互に積層した音響反射ミラーを埋め込んだＦＢＡＲ構造、であっても本発明は適用可能である。このようなＦＢＡＲ構造において、下部電極１３を形成する際のレジストパターン４１（前記図２（ａ）参照）の外郭形状を、丸みを帯びた形状または複数の鈍角で構成された形状の角部と直線のみで構成することで、下部電極１３の側壁１３ａ全体のテーパー角度を揃えることができるため、第１実施形態と同様の効果を奏することができる。

（第２実施形態）
次に、本発明における第２の圧電共振素子の実施形態の一例について説明する。なお、第１実施形態と同様の構成には同一の番号を付して説明する。図５（ａ）は断面図、図５（ｂ）は平面図を示し、図５（ａ）は図５（ｂ）のＡ-Ａ’線での断面図である。

ここで、図５（ａ）に示す断面図については、第１実施形態と同様であるため、詳細な説明を省略する。本実施形態では、キャビティ部１６を構成する下部電極１３および圧電体層１４の側壁１３ｂ、１４ａがテーパー形状に設けられており、下部電極１３および圧電体層１４により空気層１２を閉塞してなるキャビティ部１６の平面視的な形状が、図５（ｂ）に示すように、丸みを帯びた形状を有する角部１６Ａと直線とのみで構成されることとする。具体的には、平面視的に矩形であって、その角部１６Ａが曲線で構成されている。ここで、キャビティ部１６の平面視的な形状とは、キャビティ部１６の内側の形状を指すこととするが、キャビティ部１６の外郭形状も同様に構成されることとする。

ここで、角部１６Ａは、平面視的に、角部１６Ａを構成する２辺の延長線の交点よりも内側になるように、丸みを帯びた形状で設けられることとするが、上記交点よりも外側へ例えば略円状に突出していてもよい。この場合には、その突出部分の基端部または円の接線の交差部が直角または鋭角とならないように設けられることとし、平面形状で直角以下となる部分がないように構成されることとする。これにより、後述する製造方法において詳細に説明するように、図５（ａ）に示す、下部電極１３上に形成される圧電体層１４の結晶方位を、側壁１３ｂ全体で揃えることが可能となる。

なお、ここでは、上記角部１６Ａが丸みを帯びた形状に設けられた例について説明したが、本発明はこれに限定されず、角部１６Ａは複数の鈍角で構成された形状であってもよい。この場合も、角部１６Ａが角部１６Ａを構成する２辺の延長線の交点よりも内側になるように構成されていてもよく、上記交点よりも外側に突出するように設けられていてもよい。また、ここでは、上記閉塞領域の平面視的な形状が角部１６Ａと直線のみで構成されることとするが、曲線のみで構成されていてもよい。ただし、角部１６Ａ以外の部分が直線である方が、パターンの面積計算も容易であるため設計し易く、また、複数の圧電共振素子を配列し易いため、好ましい。

次に、上記ＦＢＡＲの製造方法について説明する。まず、図６（ａ）に示すように、基板１１上に、例えばＳＯＧ膜からなる犠牲層形成膜２１’を塗布形成する。次いで、犠牲層形成膜２１’上にレジスト（図示省略）を塗布した後、通常のリソグラフィ処理により、露光・現像を行い、レジストパターン４２を形成する。この際、このレジストパターン４２の外郭形状は、丸みを帯びた形状の角部と直線とのみで構成されることとする。具体的には、平面視的に矩形であって、角部が曲線で構成されることとする。このようなレジストパターン４２は、露光マスクのパターンを上記形状にすることで形成可能である。

そして、このレジストパターン４２を形成した後、レジストパターン４２中の残留溶媒を取り除き、レジストパターン４２の側壁をテーパー形状とするため、１００℃〜１６０℃でリフロー処理を行う。これにより、図６（ａ）の領域Ｙの要部拡大平面図である図６（ｂ）に示すように、レジストパターン４２の側壁４２ａはテーパー形状に成型される。（図６（ａ）は図６（ｂ）のＢ−Ｂ’断面）。そして、ここでは、レジストパターン４２の側壁４２ａの角部４２ｂが丸みを帯びた形状であることから、レジストパターン４２の角部４２ｂが直角以下であることにより生じる「引きつり」が防止される。これにより、側壁４２ａの角部４２ｂのみテーパー角度が大きくなることが防止され、側壁４２ａ全体のテーパー角度を揃えることができる。

次いで、図６（ｃ）に示すように、このレジストパターン４２（前記図６（ａ）参照）をマスクに用いたエッチングにより、犠牲層２１をパターン形成する。この際、エッチング条件を調整して、レジストパターン４２を後退させつつ、犠牲層形成膜２１’をパターンニングすることで、犠牲層２１の側壁２１ａのテーパー角度を小さくすることができる。また、レジストパターン４２の側壁４２ａ全体のテーパー角度を揃えるため、犠牲層２１の側壁２１ａ全体のテーパー角度は略同等となる。また、この犠牲層２１の外郭形状は、レジストパターン４２の外郭形状と同様に、丸みを帯びた形状の角部と直線とのみで構成される。

この後の工程は、第１実施形態と同様に行う。すなわち、犠牲層２１を覆うとともに、基板１１上の一方向に延設した形状となるように、下部電極１３をパターン形成する。これにより、犠牲層２１の側壁２１ａを覆う下部電極１３の側壁１３ｂ全体のテーパー角度は略同等となる。

次いで、再び図５（ａ）に示すように、下部電極１３を覆う状態で、基板１１上に圧電体層１４を形成する。これにより、側壁１３ｂ上に形成される圧電体層１４の側壁１４ａもテーパー形状に形成されるとともに、圧電体層１４の結晶方位を揃えることが可能となる。その後、圧電体層１４上に上部電極１５をパターン形成し、犠牲層２１（前記図６（ｃ）参照）を除去することで、空気層１２を形成し、下部電極１３と圧電体層１４とで空気層１２を閉塞した状態のキャビティ部１６を形成する。この際、図５（ｂ）に示すように、キャビティ部１６の平面視的形状は、犠牲層２１の外郭形状と同様に、丸みを帯びた形状の角部１６Ａと直線のみで構成される。

このようなＦＢＡＲの製造方法およびこれにより得られるＦＢＡＲによれば、犠牲層形成膜２１’上に、外郭形状が丸みを帯びた形状の角部４２ｂと直線とのみで構成されるレジストパターン４２を形成することから、リフロー処理によるレジストパターン４２の角部４２ｂの「引きつり」が防止され、レジストパターン４２の側壁４２ａ全体のテーパー角度を揃えることができる。このため、このレジストパターン４２の上部から犠牲層形成膜２１’のエッチングを行うことで、平面視的な外郭形状は丸みを帯びた形状の角部と直線のみで構成された犠牲層２１が形成されるとともに、犠牲層２１の側壁２１ａ全体のテーパー角度を揃えることができる。これにより、下部電極１３の犠牲層２１を覆う領域の平面視的な形状も、犠牲層２１と同一形状になり、犠牲層２１の側壁２１ａを覆う下部電極１３の側壁１３ｂ全体のテーパー角度を略同等に揃えることが可能となる。よって、この側壁１３ｂ上に形成される圧電体層１４の結晶方位を揃えることが可能になる。したがって、上記側壁１３ｂ上と平坦部１３ｄ上とで圧電体層１４との結晶方位の差が小さくなり、圧電体層１４に生じるクラックを防止することができるため、ＦＢＡＲの歩留まりを向上させることができる。

また、レジストパターン４２の外郭形状を変えることでのみ、圧電体層１４に生じるクラックが防止されるため、製造工程を増やすことがなく、生産性にも優れている。

また、上記下部電極１３の形状が上述したように形成されることから、犠牲層２１のパターンの面積計算も容易であるため設計し易く、また、複数のＦＢＡＲを配列し易いことから高集積化が可能である。したがって、ＦＢＡＲを搭載する装置の小型化が可能である。

（変形例２）
次に、本実施形態の変形例２を図７に示す。図７（ａ）は断面図、図７（ｂ）は平面図を示し、図７（ａ）は図７（ｂ）のＣ-Ｃ’線での断面図である。ここで、本変形例の図７（ａ）に示す断面構成は、変形例１で説明した図４（ａ）と同様であるため、詳細な説明は省略する。

そして、図７（ｂ）に示すように、本変形例では、キャビティ部１６の平面視的な形状は、丸みを帯びた形状の角部１６Ａと直線のみで構成されることとする。

このようなＦＢＡＲは、次のような方法により製造される。まず、図６（ｃ）を用いて説明したように、基板１１上に、外郭形状が丸みを帯びた角部と直線のみで構成される犠牲層２１を、側壁２１ａ全体のテーパー角度を揃えた状態で、パターン形成する。次いで、図７（ａ）に示すように、この犠牲層２１（前記図６（ｃ）参照）の全体を覆う状態で支持膜２２を形成し、支持膜２２の側壁２２ａのテーパー角度を、犠牲層２１の側壁２１ａ（前記図６（ｃ）参照）のテーパー角度と略同等とする。続いて、犠牲層２１上の支持膜２２の一部を覆うとともに、一方向に延設する状態で、下部電極１３をパターン形成する。これにより、支持膜２２を覆う下部電極１３の側壁１３ｂのテーパー角度と、下部電極１３から露出する支持膜２２の側壁２２ａのテーパー角度とは略同等となる。

次いで、下部電極１３上および支持膜２２上を覆う状態で、基板１１上に圧電体層１４を形成する。これにより、圧電体層１４の側壁１４ａもテーパー形状となる。次いで、犠牲層２１上において下部電極１３上に積層されるとともに、下部電極１３とは逆方向に延設される状態で、圧電体層１４上に上部電極１５をパターン形成する。その後、犠牲層２１を除去することで、空気層１２を形成し、圧電体層１４により空気層１２を閉塞した状態のキャビティ部１６を形成する。この際、キャビティ部１６の平面視的形状は、犠牲層２１の外郭形状と同様に、丸みを帯びた形状の角部１６Ａと直線のみで構成される。

このようなＦＢＡＲであっても、下部電極１３の側壁１３ｂのテーパー角度と支持膜２２の側壁２２ａのテーパー角度とを略同等に揃えることができるため、圧電体層１４の結晶方位を、側壁１３ｂ上と側壁２２ａ上の全体で揃えることができることから、第２実施形態と同様の効果を奏することができる。

なお、ここでは、基板１１上に、空気層１２を閉塞する状態で、支持膜２２が設けられた例について説明するが、支持膜２２が設けられていない場合であっても、本発明は適用可能である。

また、上述した第１実施形態および第２実施形態を組み合わせてもよく、この場合には、より確実に圧電体層１４のクラックを防止することができる。また、第１実施形態の変形例１と第２実施形態の変形例２とを組み合わせてもよい。第１実施形態および第２実施形態では、ＦＢＡＲを例にとり説明したが、積み重ね型の薄膜バルク音響共振器（ＳＢＡＲ）でも同様の効果を奏することができる。

本発明の圧電共振素子に係る第１実施形態を説明するための断面図（ａ）および平面図（ｂ）である。 本発明の圧電共振素子に係る第１実施形態の製造方法を説明するための製造工程断面図（その１）および平面図である。 本発明の圧電共振素子に係る第１実施形態の製造方法を説明するための製造工程断面図（その２）である。 本発明の圧電共振素子に係る第１実施形態の変形例１を説明するための断面図（ａ）および平面図（ｂ）である。 本発明の圧電共振素子に係る第２実施形態を説明するための断面図（ａ）および平面図（ｂ）である。 本発明の圧電共振素子に係る第２実施形態の製造方法を説明するための製造工程断面図である。 本発明の圧電共振素子に係る第２実施形態の変形例２を説明するための断面図（ａ）および平面図（ｂ）である。 従来の圧電共振素子を説明するための断面図（ａ）および平面図（ｂ）である。 従来の圧電共振素子の製造方法を説明するための製造工程断面図（その１）である。 従来の圧電共振素子の製造方法を説明するための製造工程断面図（その２）である。 従来の圧電共振素子にかかる課題を説明するための平面図（ａ）、（ｂ）および断面図（ｃ）である。

符号の説明

１１…基板、１２…空気層、１３…下部電極、１３’…下部電極膜、１４…圧電体層、１５…上部電極、１６…キャビティ部、２１…犠牲層、２１’…犠牲層形成膜、１３Ａ，１６Ａ…角部，１３ａ、１３ｂ、１４ａ…側壁

Claims (7)

1. 基板上に設けられた下部電極膜上に、外郭形状が丸みを帯びた形状の角部または複数の鈍角で構成された形状の角部と直線部のみで構成されたマスクパターンを形成する第１工程と、
   前記マスクパターンをリフロー処理することで、当該マスクパターンの外郭の側壁をテーパー形状とする第２工程と、
   リフロー処理された前記マスクパターン上から前記下部電極膜をエッチングして、下部電極を形成し、前記マスクパターンを除去する第３工程と、
   前記下部電極を覆う状態で前記基板上に圧電体層を形成する第４工程と、
   少なくとも一部が前記下部電極上に積層される状態で、前記圧電体層上に上部電極を形成する第５工程とを有する、
   圧電共振素子の製造方法。
2. 前記第１工程の前に、前記基板上に犠牲層をパターン形成し、当該犠牲層を覆う状態で前記下部電極膜を形成する工程を行い、
   前記第１工程では、少なくとも一部が前記犠牲層上に積層される状態で、前記下部電極膜上に前記マスクパターンを形成し、
   前記第４工程では、前記下部電極とともに前記犠牲層を覆う状態で、前記基板上に前記圧電体層を形成するとともに、
   前記第５工程では、少なくとも一部が前記犠牲層上において前記下部電極上に積層される状態で、前記圧電体層上に前記上部電極を形成し、
   前記第５工程の後に、前記犠牲層を除去することで、前記下部電極、前記圧電体層および前記上部電極の積層構造の下部に空気層を形成する工程を行う、
   請求項１記載の圧電共振素子の製造方法。
3. 基板上に、下部電極と、圧電体層と、上部電極とがこの順に設けられ、これらの積層構造を少なくとも一部に有する圧電共振素子において、
   前記下部電極は、素子領域と該素子領域から延設される領域とを有し、
   前記延設方向に対する垂直方向の幅において、前記素子領域の幅は前記延設される領域の幅より広く、
   前記素子領域は、その外郭形状が複数の角部と直線部のみで構成されるとともに、前記角部はすべて丸みを帯びた形状または複数の鈍角で構成された形状であり、
   前記下部電極を、前記外郭形状のマスクパターンのリフロー処理、およびその後の前記マスクパターン上からのエッチングによって形成することにより、前記素子領域の外郭の側壁が、前記角部および前記直線部のすべてにおいて略同等のテーパー角度のテーパー形状を成し、
   前記圧電体層は、前記下部電極の少なくとも一部を覆う状態で前記基板上に設けられている、
   圧電共振素子。
4. 前記基板上に空気層を介して前記積層構造が設けられている、
   請求項３記載の圧電共振素子。
5. 基板上に犠牲層形成膜を形成する工程と、
   前記犠牲層形成膜上に、外郭形状が曲線部のみ、または丸みを帯びた形状の角部もしくは複数の鈍角で構成された形状の角部と直線部のみで構成されたマスクパターンを形成する工程と、
   前記マスクパターンをリフロー処理することで、当該マスクパターンの外郭の側壁をテーパー形状とする工程と、
   リフロー処理された前記マスクパターン上から前記犠牲層形成膜をエッチングして、犠牲層をパターン形成し、前記マスクパターンを除去する工程と、
   前記犠牲層の少なくとも一部を覆う状態で、前記基板上に下部電極を形成する工程と、
   前記下部電極および前記犠牲層を覆う状態で、前記基板上に圧電体層を形成する工程と、
   少なくとも一部が前記犠牲層上において前記下部電極上に積層される状態で、前記圧電体層上に上部電極を形成する工程と、
   前記犠牲層を除去することで、前記下部電極、前記圧電体層および前記上部電極の積層構造の下部に空気層を形成する工程とを有する、
   圧電共振素子の製造方法。
6. 基板上に、空気層を介して、下部電極と、圧電体層と、上部電極とがこの順に設けられ、これらの積層構造を少なくとも一部に有するとともに、前記下部電極または前記圧電体層により前記空気層を閉塞してなるキャビティ部を備えた圧電共振素子において、
   前記下部電極または前記圧電体層により構成される前記キャビティ部の側壁は、テーパー形状に設けられており、
   前記キャビティ部の平面視的な形状は、曲線部のみ、または丸みを帯びた形状の角部もしくは複数の鈍角で構成された形状の角部と直線部のみで構成されている、
   圧電共振素子。
7. 前記キャビティ部の平面視的な形状は、丸みを帯びた形状の角部または複数の鈍角で構成された形状の角部と直線部のみで構成されている、
   請求項６記載の圧電共振素子。

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