JP4811924B2 - 圧電薄膜デバイス - Google Patents
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Description
本発明は、単数又は複数の圧電薄膜共振子を含む圧電薄膜デバイスに関する。
従来、単数又は複数の圧電薄膜共振子（ＦＢＡＲ；Film Bulk Acoustic Resonator）を含む圧電薄膜デバイス、例えば、発振子、トラップ、フィルタ、デュプレクサ及びトリプレクサ等の圧電薄膜デバイスは、図１２及び図１３の断面模式図に示すように、ベース基板９１の上に形成された支持層９２の上に、スパッタリング等により下部電極９３、圧電体薄膜９４及び上部電極９５を順次成膜し、圧電体薄膜９４の励振領域Ｅ９１の下方にエッチング等によりキャビティ（空洞）Ｃ９１を形成することで製造されてきた（例えば、特許文献１参照）。
しかし、従来の技術では、金属膜である下部電極９３の上に圧電体薄膜９４を成膜するので、圧電体薄膜９４を単結晶の圧電材料で構成することは困難であり、結晶性の低下に起因する圧電体薄膜の品質の低下により、圧電薄膜デバイスの特性が劣化するという問題があった。
本発明は、この問題を解決するためになされたもので、圧電薄膜デバイスの特性を向上することを目的とする。
上記課題を解決するため、請求項１の発明は、単数又は複数の圧電薄膜共振子を含む圧電薄膜デバイスであって、第１の主面及び第２の主面を有し、膜厚が１０μｍ以下である単結晶の圧電体薄膜と、前記第１の主面に形成される第１の電極と、前記第２の主面に形成される第２の電極と、前記第１の電極及び前記第２の電極が形成された前記圧電体薄膜の第２の主面の側に形成され、前記圧電体薄膜の非励振領域に形成される二酸化ケイ素膜と、前記第１の電極、前記第２の電極及び前記二酸化ケイ素膜が形成された前記圧電体薄膜を支持する支持基板と、エポキシ接着剤又はアクリル接着剤からなり、前記支持基板の一方の主面の全面に形成され、前記第１の電極、前記第２の電極及び前記二酸化ケイ素膜が形成された前記圧電体薄膜を前記支持基板に接着固定する接着層とを備える。
請求項２の発明は、請求項１に記載の圧電薄膜デバイスにおいて、前記圧電体薄膜は、粒界を含まない。
請求項３の発明は、請求項１又は請求項２に記載の圧電薄膜デバイスにおいて、前記圧電体薄膜を構成する単結晶は、水晶、ニオブ酸リチウム、タンタル酸リチウム、四ホウ酸リチウム、酸化亜鉛、ニオブ酸カリウム及びランガサイトから選択される。
請求項１ないし請求項３の発明によれば、圧電体薄膜の品質を向上可能であるので、圧電薄膜デバイスの特性を向上可能である。
以下では、４個の圧電薄膜共振子（ＦＢＡＲ；Film Bulk Acoustic Resonator）を組み合わせたラダー型のフィルタ（以下、「圧電薄膜フィルタ」）を例として、本発明の圧電薄膜デバイスの望ましい実施形態について説明する。しかし、以下で説明する実施形態は、本発明の圧電薄膜デバイスが圧電薄膜フィルタのみに限定されることを意味するものではない。すなわち、本発明における圧電薄膜デバイスとは、一般的に言えば、単数又は複数の圧電薄膜共振子を含む圧電薄膜デバイス全般を意味しており、単一の圧電薄膜共振子を含む発振子及びトラップ等並びに複数の圧電薄膜共振子を含むフィルタ、デュプレクサ、トリプレクサ及びトラップ等を含んでいる。ここで、圧電薄膜共振子とは、支持体なくしては自重に耐え得ないような薄膜に励振されるバルク弾性波による電気的な応答を利用した共振子である。
＜１ 第１実施形態＞
＜１．１ 圧電薄膜フィルタの構成＞
図１〜図４は、本発明の第１実施形態に係る圧電薄膜フィルタ１の構成を示す図である。ここで、図１は、圧電薄膜フィルタ１を上方から見た平面模式図、図２は、図１のII−IIの切断面を前方（−Ｙ方向）から見た断面模式図、図３は、図１のIII−IIIの切断面を右方（＋Ｘ方向）から見た断面模式図となっている。また、図４は、圧電薄膜フィルタ１に含まれる４個の圧電薄膜共振子Ｒ１１〜Ｒ１４の電気的な接続状態を示す回路図となっている。なお、図１〜図３には、便宜上、左右方向を±Ｘ軸方向、前後方向を±Ｙ軸方向、上下方向を±Ｚ軸方向とするＸＹＺ直交座標系が定義されている。
＜１．１ 圧電薄膜フィルタの構成＞
図１〜図４は、本発明の第１実施形態に係る圧電薄膜フィルタ１の構成を示す図である。ここで、図１は、圧電薄膜フィルタ１を上方から見た平面模式図、図２は、図１のII−IIの切断面を前方（−Ｙ方向）から見た断面模式図、図３は、図１のIII−IIIの切断面を右方（＋Ｘ方向）から見た断面模式図となっている。また、図４は、圧電薄膜フィルタ１に含まれる４個の圧電薄膜共振子Ｒ１１〜Ｒ１４の電気的な接続状態を示す回路図となっている。なお、図１〜図３には、便宜上、左右方向を±Ｘ軸方向、前後方向を±Ｙ軸方向、上下方向を±Ｚ軸方向とするＸＹＺ直交座標系が定義されている。
図１〜図３に示すように、圧電薄膜フィルタ１は、圧電薄膜フィルタ１のフィルタ機能を提供するフィルタ部１１と、フィルタ部１１を機械的に支持する平坦なベース基板１３とを接着層１２を介して接着した構造を有している。圧電薄膜フィルタ１の製造にあたっては、単独で自重に耐え得る圧電体基板を除去加工することにより圧電体薄膜１１１を得ているが、除去加工によって得られる圧電体薄膜１１１は単独で自重に耐え得ない。このため、圧電薄膜フィルタ１の製造にあたっては、除去加工に先立って、圧電体基板を含む所定の部材を、支持体となるベース基板１３にあらかじめ接着している。
＜１．１．１ フィルタ部＞
フィルタ部１１は、圧電体薄膜１１１と、圧電体薄膜１１１の上面に形成された上部電極１１２１〜１１２４と、圧電体薄膜１１１の下面に形成された下部電極１１３１〜１１３２と、上部電極１１２１〜１１２４及び下部電極１１３１〜１１３２が圧電体薄膜１１１を挟んで対向する励振領域Ｅ１１〜Ｅ１４の下方にキャビティ（空洞）Ｃ１１〜Ｃ１４を形成するキャビティ形成膜１１４とを備える。
フィルタ部１１は、圧電体薄膜１１１と、圧電体薄膜１１１の上面に形成された上部電極１１２１〜１１２４と、圧電体薄膜１１１の下面に形成された下部電極１１３１〜１１３２と、上部電極１１２１〜１１２４及び下部電極１１３１〜１１３２が圧電体薄膜１１１を挟んで対向する励振領域Ｅ１１〜Ｅ１４の下方にキャビティ（空洞）Ｃ１１〜Ｃ１４を形成するキャビティ形成膜１１４とを備える。
○圧電体薄膜；
圧電体薄膜１１１は、圧電体基板を除去加工することにより得られる。より具体的には、圧電体薄膜１１１は、単独で自重に耐え得る厚み（例えば、５０μｍ以上）を有する圧電体基板を、単独で自重に耐え得ない膜厚（例えば、１０μｍ以下）まで除去加工で薄肉化することにより得られる。また、励振領域は、円形の場合は直径３０から３００μｍの範囲で、多角形の場合は最長の対角線長が３０から３００μｍの範囲である。
圧電体薄膜１１１は、圧電体基板を除去加工することにより得られる。より具体的には、圧電体薄膜１１１は、単独で自重に耐え得る厚み（例えば、５０μｍ以上）を有する圧電体基板を、単独で自重に耐え得ない膜厚（例えば、１０μｍ以下）まで除去加工で薄肉化することにより得られる。また、励振領域は、円形の場合は直径３０から３００μｍの範囲で、多角形の場合は最長の対角線長が３０から３００μｍの範囲である。
圧電体薄膜１１１を構成する圧電材料としては、所望の圧電特性を有する圧電材料を選択することができるが、水晶（SiO2）、ニオブ酸リチウム(LiNbO3）、タンタル酸リチウム（LiTaO3）、四ホウ酸リチウム（Li2B4O7）、酸化亜鉛（ZnO）、ニオブ酸カリウム（KNbO3）及びランガサイト（La3Ga3SiO14）等の粒界を含まない単結晶材料を選択することが望ましい。圧電体薄膜１１１を構成する圧電材料として単結晶材料を用いることにより、圧電体薄膜１１１の単分域化が可能となり、圧電体薄膜１１１の機械的品質係数が向上し、低損失でスカート特性が良好な圧電薄膜フィルタ１を実現可能となるとともに、圧電体薄膜１１１の電気機械結合係数が向上し、広帯域の圧電薄膜フィルタ１を実現可能となるからである。
また、圧電体薄膜１１１における結晶方位も、所望の圧電特性を有する結晶方位を選択することができる。ここで、圧電体薄膜１１１における結晶方位を、圧電薄膜共振子Ｒ１１〜Ｒ１４の共振周波数や反共振周波数の温度特性が良好となる結晶方位、望ましくは、周波数温度係数が「０」となる結晶方位とすれば、通過帯域の中心周波数等の温度特性が良好な圧電薄膜フィルタ１を実現可能になる。
圧電体基板１５の除去加工は、切削、研削及び研磨等の機械加工並びにエッチング等の化学加工等により行う。ここで、複数の除去加工方法を組み合わせ、加工速度が速い除去加工方法から、加工対象に生じる加工変質が小さい除去加工方法へと除去加工方法を段階的に切り替えながら圧電体基板を除去加工すれば、高い生産性を維持しつつ、圧電体薄膜１１１の品質を向上し、圧電薄膜フィルタ１の特性を向上することができる。例えば、圧電体基板を固定砥粒に接触させて削る研削及び圧電体基板を遊離砥粒に接触させて削る研磨を順次行った後に、当該研磨によって圧電体基板に生じた加工変質層を仕上げ研磨により除去するようにすれば、圧電体基板を削る速度が早くなり、圧電薄膜フィルタ１の生産性を向上可能であるとともに、圧電体薄膜１１１の品質を向上することにより、圧電薄膜フィルタ１の特性を向上可能である。なお、圧電体基板の除去加工のより具体的な方法については、後述する実施例において説明する。
圧電薄膜フィルタ１では、圧電体薄膜１１１の膜厚が励振領域Ｅ１１〜Ｅ１４及び非励振領域Ｅ１Ｘで一定となっている。このため、圧電薄膜フィルタ１は、周波数低下型のエネルギー閉じ込めに適した構造を有している。
このような圧電薄膜フィルタ１では、圧電体薄膜１１１をスパッタリング等により成膜した場合と異なり、圧電体薄膜１１１を構成する圧電材料や圧電体薄膜１１１における結晶方位が下地の制約を受けないので、圧電体薄膜１１１を構成する圧電材料や圧電体薄膜１１１における結晶方位の選択の自由度が高くなっている。したがって、圧電薄膜フィルタ１では、所望の特性を実現することが容易になっている。
○上部電極及び下部電極；
上部電極１１２１〜１１２４及び下部電極１１３１〜１１３２は、導電材料を成膜することにより得られた導電体薄膜である。
上部電極１１２１〜１１２４及び下部電極１１３１〜１１３２は、導電材料を成膜することにより得られた導電体薄膜である。
上部電極１１２１〜１１２４及び下部電極１１３１〜１１３２の膜厚は、圧電体薄膜１１１への密着性、電気抵抗及び耐電力等を考慮して決定される。なお、圧電体薄膜１１１の音速や膜厚のばらつきに起因する圧電薄膜共振子Ｒ１１〜Ｒ１４の共振周波数や反共振周波数のばらつきを抑制するため、上部電極１１２１〜１１２４及び下部電極１１３１〜１１３２の膜厚を適宜調整するようにしてもよい。また、エネルギー閉じ込めの程度を制御するために、励振領域Ｅ１１〜Ｅ１４の膜厚を非励振領域Ｅ１Ｘと異ならせてもよい。
上部電極１１２１〜１１２４及び下部電極１１３１〜１１３２を構成する導電材料は、特に制限されないが、アルミニウム（Al）、銀（Ag）、銅（Cu）、白金（Pt）、金（Au）、クロム（Cr）、ニッケル（Ni）、モリブデン（Mo）、タングステン(W)等の金属から選択することが望ましく、安定性に優れるアルミニウムを選択することが特に望ましい。もちろん、上部電極１１２１〜１１２４及び下部電極１１３１〜１１３２を構成する導電材料として合金を用いてもよい。また、複数種類の導電材料を重ねて成膜することにより、上部電極１１２１〜１１２４及び下部電極１１３１〜１１３２を形成してもよい。
圧電薄膜フィルタ１では、長方形形状を有する４個の上部電極１１２１〜１１２４が圧電体薄膜１１１の上面に形成され、長方形形状を有する２個の下部電極１１３１〜１１３２が圧電体薄膜１１１の下面に形成されている。４個の上部電極１１２１〜１１２４は、圧電体薄膜１１１の上面内で上下対称かつ左右対称となるように縦２行×横２列に配置され、２個の下部電極１１３１〜１１３２は、圧電体薄膜１１１の下面内で上下対称かつ左右対称となるように縦２行×横１列に配置される。
上部電極１１２１〜１１２２は、それぞれ、励振領域Ｅ１１〜Ｅ１２において、圧電体薄膜１１１を挟んで下部電極１１３１と対向している。また、上部電極１１２３〜１１２４は、それぞれ、励振領域Ｅ１３〜Ｅ１４において、圧電体薄膜１１１を挟んで下部電極１１３２と対向している。これにより、圧電薄膜フィルタ１には、上部電極１１２１〜１１２２を一端、下部電極１１３１を共通の他端とする２個の圧電薄膜共振子Ｒ１１〜Ｒ１２が形成され、上部電極１１２３〜１１２４を一端、下部電極１１３２を共通の他端とする２個の圧電薄膜共振子Ｒ１３〜Ｒ１４が形成されている。これらの圧電薄膜共振子Ｒ１１〜Ｒ１４で利用する振動モードは、特に制限されず、バルク波の厚み縦振動及び厚みすべり振動等から選択することができる。
○キャビティ形成膜；
キャビティ形成膜１１４は、絶縁材料を成膜することにより得られた絶縁体膜である。キャビティ形成膜１１４は、圧電体薄膜１１１の非励振領域Ｅ１Ｘの下面に形成され、圧電体薄膜１１１の励振領域Ｅ１１〜Ｅ１４をベース基板１３から離隔させるキャビティＣ１１〜Ｃ１４を形成している。このようなスペーサとしての役割を有するキャビティ形成膜１１４により、圧電薄膜共振子Ｒ１１〜Ｒ１４の振動がベース基板１３と干渉しなくなるので、圧電薄膜フィルタ１の特性を向上可能である。
キャビティ形成膜１１４は、絶縁材料を成膜することにより得られた絶縁体膜である。キャビティ形成膜１１４は、圧電体薄膜１１１の非励振領域Ｅ１Ｘの下面に形成され、圧電体薄膜１１１の励振領域Ｅ１１〜Ｅ１４をベース基板１３から離隔させるキャビティＣ１１〜Ｃ１４を形成している。このようなスペーサとしての役割を有するキャビティ形成膜１１４により、圧電薄膜共振子Ｒ１１〜Ｒ１４の振動がベース基板１３と干渉しなくなるので、圧電薄膜フィルタ１の特性を向上可能である。
キャビティ形成膜１１４を構成する絶縁材料は、特に制限されないが、二酸化ケイ素（SiO2）等の絶縁材料から選択することが望ましい。
＜１．１．２ 接着層＞
接着層１２は、圧電薄膜フィルタ１の製造途上で圧電体基板を除去加工するときに、下部電極１１３１〜１１３２及びキャビティ形成膜１１４が下面に形成された圧電体基板をベース基板１３に接着固定する役割を有している。加えて、接着層１２は、圧電薄膜フィルタ１の製造後に、下部電極１１３１〜１１３２及びキャビティ形成膜１１４が下面に形成され、上部電極１１２１〜１１２４が上面に形成された圧電体薄膜１１１をベース基板１３に接着固定する役割も有している。したがって、接着層１２には、圧電体基板を除去加工するときに加わる力に耐え得ることと、圧電薄膜フィルタ１の製造後にも接着力が低下しないこととが要請される。
接着層１２は、圧電薄膜フィルタ１の製造途上で圧電体基板を除去加工するときに、下部電極１１３１〜１１３２及びキャビティ形成膜１１４が下面に形成された圧電体基板をベース基板１３に接着固定する役割を有している。加えて、接着層１２は、圧電薄膜フィルタ１の製造後に、下部電極１１３１〜１１３２及びキャビティ形成膜１１４が下面に形成され、上部電極１１２１〜１１２４が上面に形成された圧電体薄膜１１１をベース基板１３に接着固定する役割も有している。したがって、接着層１２には、圧電体基板を除去加工するときに加わる力に耐え得ることと、圧電薄膜フィルタ１の製造後にも接着力が低下しないこととが要請される。
このような要請を満足する接着層１２の望ましい例としては、有機接着剤、望ましくは、充填効果を有し、接着対象が完全に平坦ではなくても十分な接着力を発揮するエポキシ接着剤（熱硬化性のエポキシ樹脂）およびアクリル接着剤（光硬化と熱硬化を併用するアクリル樹脂）により形成された接着層１２を挙げることができる。このようなエポキシ樹脂を採用することにより、キャビティ形成膜１１４とベース基板１３との間に期待しない空隙が生じることを防止し、当該空隙により圧電体基板の除去加工時にクラック等が発生することを防止可能である。ただし、このことは、これ以外の接着層１２によってフィルタ部１１とベース基板１３とが接着固定されることを妨げるものではない。例えば、フィルタ部１１のキャビティ形成膜１１４とベース基板１３とが拡散接合層によって接着固定されるようにしてもよい。
＜１．１．３ ベース基板＞
ベース基板１３は、圧電薄膜フィルタ１の製造途上で圧電体基板を除去加工するときに、下部電極１１３１〜１１３２及びキャビティ形成膜１１４が下面に形成された圧電体基板を接着層１２を介して支持する支持体としての役割を有している。加えて、ベース基板１３は、下部電極１１３１〜１１３２及びキャビティ形成膜１１４が下面に形成され、上部電極１１２１〜１１２４が上面に形成された圧電体薄膜１１１を接着層１２を介して支持する支持体としての役割も有している。したがって、ベース基板１３にも、圧電体基板を除去加工するときに加わる力に耐え得ることと、圧電薄膜フィルタ１の製造後にも強度が低下しないこととが要請される。
ベース基板１３は、圧電薄膜フィルタ１の製造途上で圧電体基板を除去加工するときに、下部電極１１３１〜１１３２及びキャビティ形成膜１１４が下面に形成された圧電体基板を接着層１２を介して支持する支持体としての役割を有している。加えて、ベース基板１３は、下部電極１１３１〜１１３２及びキャビティ形成膜１１４が下面に形成され、上部電極１１２１〜１１２４が上面に形成された圧電体薄膜１１１を接着層１２を介して支持する支持体としての役割も有している。したがって、ベース基板１３にも、圧電体基板を除去加工するときに加わる力に耐え得ることと、圧電薄膜フィルタ１の製造後にも強度が低下しないこととが要請される。
ベース基板１３の材料及び厚さは、このような要請を満足するように、適宜選択することができる。ただし、ベース基板１３の材料を、圧電体薄膜１１１を構成する圧電材料と近い熱膨張率、より望ましくは、圧電体薄膜１１１を構成する圧電材料と同じ熱膨張率を有する材料、例えば、圧電体薄膜１１１を構成する圧電材料と同じ材料とすれば、圧電薄膜フィルタ１の製造途上において、熱膨張率の差に起因する反りや破損を抑制することができる。また、圧電薄膜フィルタ１の製造後において、熱膨張率の差に起因する特性変動や破損を抑制することができる。なお、熱膨張率に異方性がある材料を用いる場合、各方向の熱膨張率がともに同じとなるように配慮することが望ましい。
＜２ 第２実施形態＞
＜２．１ 圧電薄膜フィルタの構成＞
本発明の第２実施形態に係る圧電薄膜フィルタ２は、第１実施形態に係る圧電薄膜フィルタ１と類似の構成を有しているが、キャビティの形成方法が圧電薄膜フィルタ１と相違している。
＜２．１ 圧電薄膜フィルタの構成＞
本発明の第２実施形態に係る圧電薄膜フィルタ２は、第１実施形態に係る圧電薄膜フィルタ１と類似の構成を有しているが、キャビティの形成方法が圧電薄膜フィルタ１と相違している。
すなわち、圧電薄膜フィルタ２に含まれる１個の圧電薄膜共振子Ｒ２１に着目して説明すれば、図５の断面模式図に示すように、圧電薄膜フィルタ２は、上部電極１１２１、圧電体薄膜１１１、下部電極１１３１、接着層１２及びベース基板１３に相当する上部電極２１２１、圧電体薄膜２１１、下部電極２１３１、接着層２２及びベース基板２３を備えている。また、圧電薄膜フィルタ２では、圧電体薄膜２１１がベース基板２３と平行に対向した状態となるようするために、ダミー電極となる下部電極２１３５が圧電体薄膜２１１の下面に成膜されている。
しかし、圧電薄膜フィルタ２は、キャビティ形成膜１１４に相当する構成を有しておらず、その代わりに、圧電薄膜フィルタ２では、圧電体薄膜２１１の励振領域Ｅ２１に対向するベース基板２３の所定の領域に、キャビティＣ２１を形成する陥没（凹部）Ｓ２１を形成し、圧電薄膜共振子Ｒ２１の振動がベース基板１３と干渉しないようにしている。
圧電薄膜フィルタ２でも、圧電体薄膜２１１の膜厚が励振領域Ｅ２１及び非励振領域Ｅ２Ｘで一定となっている。このため、圧電薄膜フィルタ２は、周波数低下型のエネルギー閉じ込めに適した構造を有している。
＜３ 第３実施形態＞
＜３．１ 圧電薄膜フィルタの構成＞
本発明の第３実施形態に係る圧電薄膜フィルタ３は、第１実施形態に係る圧電薄膜フィルタ１と類似の構成を有しているが、キャビティの形成方法が圧電薄膜フィルタ１と相違している。
＜３．１ 圧電薄膜フィルタの構成＞
本発明の第３実施形態に係る圧電薄膜フィルタ３は、第１実施形態に係る圧電薄膜フィルタ１と類似の構成を有しているが、キャビティの形成方法が圧電薄膜フィルタ１と相違している。
すなわち、圧電薄膜フィルタ３に含まれる１個の圧電薄膜共振子Ｒ３１に着目して説明すれば、図６の断面模式図に示すように、圧電薄膜フィルタ３は、上部電極１１２１、圧電体薄膜１１１、下部電極１１３１、接着層１２及びベース基板１３に相当する上部電極３１２１、圧電体薄膜３１１、下部電極３１３１、接着層３２及びベース基板３３を備えている。
しかし、圧電薄膜フィルタ３は、キャビティ形成膜１１４に相当する構成を有しておらず、その代わりに、圧電薄膜フィルタ３では、圧電体薄膜３１１の励振領域Ｅ３１の下面に、キャビティＣ３１を形成する陥没（凹部）Ｓ３１を形成し、圧電薄膜共振子Ｒ３１の振動がベース基板３３と干渉しないようにしている。
圧電薄膜フィルタ３では、励振領域Ｅ３１の膜厚が非励振領域Ｅ３Ｘよりも薄い。このため、圧電薄膜フィルタ３は、周波数上昇型のエネルギー閉じ込めに適した構造を有している。
以下では、本発明の第１実施形態〜第３実施形態に係る実施例１〜実施例３と本発明の範囲外の比較例１とについて説明する。
［実施例１］
本発明の第１実施形態に係る実施例１では、圧電体薄膜１１１及びベース基板１３を構成する圧電材料としてニオブ酸リチウムの単結晶、上部電極１１２１〜１１２４及び下部電極１１３１〜１１３２を構成する導電材料としてアルミニウム、キャビティ形成膜１１４を構成する絶縁材料として二酸化ケイ素及び接着層１２を構成する材料としてエポキシ接着剤を用いて圧電薄膜フィルタ１を作製した。
本発明の第１実施形態に係る実施例１では、圧電体薄膜１１１及びベース基板１３を構成する圧電材料としてニオブ酸リチウムの単結晶、上部電極１１２１〜１１２４及び下部電極１１３１〜１１３２を構成する導電材料としてアルミニウム、キャビティ形成膜１１４を構成する絶縁材料として二酸化ケイ素及び接着層１２を構成する材料としてエポキシ接着剤を用いて圧電薄膜フィルタ１を作製した。
実施例１の圧電薄膜フィルタ１は、図７の断面模式図に示すように、製造原価の低減のために、多数の圧電薄膜フィルタ１を一体化した集合体Ｕ１１を作製した後に、集合体Ｕ１１をダイシングソーで切断して個々の圧電薄膜フィルタ１へ分離することによって得られている。なお、図７には、３個の圧電薄膜フィルタ１が集合体Ｕ１１に含まれる例が示されているが、集合体Ｕ１１に含まれる圧電薄膜フィルタ１の数は、４個以上であってもよく、典型的に言えば、集合体Ｕ１１には、数１００個〜数１０００個の圧電薄膜フィルタ１が含まれる。
続いて、図８及び図９を参照しながら、実施例１の圧電薄膜フィルタ１の製造方法を説明する。以下では、便宜上、集合体Ｕ１１に含まれる２個の圧電薄膜共振子Ｒ１１〜Ｒ１２に着目して説明を進めるが、集合体Ｕ１１に含まれる他の圧電薄膜共振子も圧電薄膜共振子Ｒ１１〜Ｒ１２と同時平行して製造されている。
図８を参照して、最初に、厚み０．５ｍｍ、直径３インチのニオブ酸リチウムの単結晶の円形ウエハ（３６度カットＹ板）を圧電体基板１５及びベース基板１３として準備した。
そして、圧電体基板１５の一方の主面の全面に厚み１０００オングストロームのアルミニウムの膜をスパッタリングにより成膜し、一般的なフォトリソグラフィプロセスを用いて、エッチングにより下部電極１１３１のパターニングを行った［下部電極作製工程］。
続いて、圧電体基板１５の、下部電極１１３１が形成された主面の全面に厚み１μｍの二酸化ケイ素の膜１１４ａをスパッタリングにより成膜し［SiO2成膜工程］、フッ酸を用いたウエットエッチングにより、圧電体薄膜１１１において励振領域Ｅ１１〜Ｅ１２となる圧電体基板１５の所定の領域に成膜された二酸化ケイ素の膜を除去した。これにより、圧電体薄膜１１１において非励振領域Ｅ１Ｘとなる圧電体基板１５の所定の領域に、キャビティＣ１１〜Ｃ１２を形成するキャビティ形成膜１１４が形成されたことになる［キャビティ形成工程］。
下部電極作製工程、SiO2成膜工程及びキャビティ形成工程で作製された部材Ｐ１１を裏返して図示する図９を参照して、ベース基板１３の一方の主面の全面に接着層１２となるエポキシ接着剤を塗布し、ベース基板１３のエポキシ接着剤が塗布された主面と、部材Ｐ１１のキャビティ形成膜１１４とを張り合わせた。そして、ベース基板１３及び圧電体基板１５に圧力を印加してプレス圧着を行い、接着層１２の厚みを０．５μｍとした。しかる後に、張り合わせたベース基板１３及び部材Ｐ１１を２００℃の環境下で１時間放置してエポキシ接着剤を硬化させ、ベース基板１３と部材Ｐ１１のキャビティ形成膜１１４とを接着した［接着工程］。これにより、部材Ｐ１１はベース基板１３に接着され、圧電体薄膜１１１において励振領域Ｅ１１〜Ｅ１２となる圧電体基板１５の所定の領域の下方には、横５０μｍ×縦１００μｍの長方形形状を有し、深さが約１μｍのキャビティＣ１１〜Ｃ１２が形成された。
ベース基板１３と部材Ｐ１１との接着固定が完了した後、部材Ｐ１１をベース基板１３に接着固定した状態を維持したまま、ベース基板１３の他方の主面を炭化ケイ素（SiC）で作製した研磨治具に接着固定し、圧電体基板１５の他方の主面を固定砥粒の研削機で研削加工し、圧電体基板１５の厚みを５０μｍまで薄肉化した。さらに、圧電体基板１５の他方の主面をダイヤモンド砥粒で研磨加工し、圧電体基板１５の厚みを２μｍまで薄肉化した。最後に、ダイヤモンド砥粒による研磨加工で圧電体基板１５に生じた加工変質層を除去するために、遊離砥粒及び不繊布系研磨パッドを使用して圧電体基板１５の仕上げ研磨を行い、厚みが１．００μｍ±０．０１μｍの圧電体薄膜１１１を得た［除去加工工程］。
さらに、圧電体薄膜１１１の研磨面を有機溶剤で洗浄し、研磨面の全面に厚み１０００オングストロームのアルミニウムの膜をスパッタリングにより成膜し、一般的なフォトリソグラフィプロセスを用いて、エッチングにより上部電極１１２１〜１１２２のパターニングを行った［上部電極作製工程］。
このようにして得られた圧電薄膜フィルタ１において、圧電薄膜共振子Ｒ１１の周波数インピーダンス特性を測定して、厚み縦振動の振動応答を評価したところ、共振周波数１．９５ＧＨｚ、反共振周波数２．１０ＧＨｚ及び機械的品質係数９８０が得られた。また、１．９０ＧＨｚ〜２．２０ＧＨｚの範囲内において、副共振に起因するスプリアスが観察された。なお、共振周波数の−２０℃〜８０℃における温度特性を周波数温度係数で評価したところ、７０ｐｐｍ／℃であった。
［実施例２］
本発明の第２実施形態に係る実施例２では、SiO2成膜工程及びキャビティ形成工程を実行する代わりに、圧電体薄膜２１１の励振領域Ｅ２１に対向するベース基板２３の所定の領域に、キャビティＣ２１を形成する陥没Ｓ２１を接着工程に先立って形成した点が、実施例１と異なっている。
本発明の第２実施形態に係る実施例２では、SiO2成膜工程及びキャビティ形成工程を実行する代わりに、圧電体薄膜２１１の励振領域Ｅ２１に対向するベース基板２３の所定の領域に、キャビティＣ２１を形成する陥没Ｓ２１を接着工程に先立って形成した点が、実施例１と異なっている。
陥没Ｓ２１の形成を行う陥没形成工程について、図１０の断面模式図を参照しつつ説明すると、まず、ベース基板２３の一方の主面の全面に厚み２μｍのモリブデンの膜をスパッタリングにより成膜し、フォトリソグラフィ及びウエットエッチングにより陥没Ｓ２１を形成すべき部分のみベース基板２３を露出させ残余の部分を被覆するマスクパターンＭ２１を形成した［マスクパターン形成工程］。
しかる後に、６０℃に加熱したフッ酸を用いてベース基板２３のエッチングを行い、横５０μｍ×縦１００μｍの長方形形状を有し、深さが約１μｍの陥没Ｓ２１をベース基板２３に形成した［エッチング工程］。
このようにして得られた圧電薄膜フィルタ２において、圧電薄膜共振子Ｒ２１の周波数インピーダンス特性を測定して、厚み縦振動の振動応答を評価したところ、共振周波数１．９５ＧＨｚ、反共振周波数２．１０ＧＨｚ及び機械的品質係数９８０が得られた。また、１．９０ＧＨｚ〜２．２０ＧＨｚの範囲内において、副共振に起因するスプリアスが観察された。なお、共振周波数の−２０℃〜８０℃における温度特性を周波数温度係数で評価したところ、７０ｐｐｍ／℃が得られた。
［実施例３］
本発明の第３実施形態に係る実施例３では、SiO2成膜工程及びキャビティ形成工程を実行する代わりに、圧電体薄膜３１１において励振領域Ｅ３１となる圧電体基板３５の所定の領域に、キャビティＣ３１を形成する陥没（凹部）Ｓ３１を下部電極作成工程に先立って形成した点が、実施例１と異なっている。
本発明の第３実施形態に係る実施例３では、SiO2成膜工程及びキャビティ形成工程を実行する代わりに、圧電体薄膜３１１において励振領域Ｅ３１となる圧電体基板３５の所定の領域に、キャビティＣ３１を形成する陥没（凹部）Ｓ３１を下部電極作成工程に先立って形成した点が、実施例１と異なっている。
陥没Ｓ３１の形成を行う陥没形成工程について、図１１の断面模式図を参照しつつ説明すると、まず、圧電体基板３５の一方の主面の全面に厚み１μｍの金の膜をスパッタリングにより成膜し、フォトリソグラフィ及びウエットエッチングにより陥没Ｓ３１を形成すべき部分のみ圧電体基板３５を露出させ残余の部分を被覆するマスクパターンＭ３１を形成した［マスクパターン形成工程］。
しかる後に、６０℃に加熱したフッ酸を用いて圧電体基板３５のエッチングを行い、横５０μｍ×縦１００μｍの長方形形状を有し、深さが約１μｍの陥没Ｓ３１を圧電体基板３５に形成した［エッチング工程］。
このようにして得られた圧電薄膜フィルタ３において、圧電薄膜共振子Ｒ３１の周波数インピーダンス特性を測定して、厚み縦振動の振動応答を評価したところ、共振周波数１．９５ＧＨｚ、反共振周波数２．１５ＧＨｚ及び機械的品質係数９８０が得られた。また、１．９０ＧＨｚ〜２．２０ＧＨｚの範囲内において、副共振に起因するスプリアスは観察されなかった。
［比較例１］
比較例１では、図１２に示す断面構造を有する圧電薄膜フィルタを作製した。当該圧電薄膜フィルタの作製においては、まず、厚み０．５ｍｍのシリコン（Si）単結晶（１１１面）の３インチウエハをベース基板９１として、ベース基板９１の一方の主面の全面に厚み1μｍの窒化珪素の膜をスパッタリングにより成膜した。次に、窒化珪素膜上に厚み１０００オングストロームのアルミニウムの膜をスパッタリングにより成膜し、一般的なフォトリソグラフィプロセスを用いて、エッチングにより下部電極９３のパターニングを行った。
比較例１では、図１２に示す断面構造を有する圧電薄膜フィルタを作製した。当該圧電薄膜フィルタの作製においては、まず、厚み０．５ｍｍのシリコン（Si）単結晶（１１１面）の３インチウエハをベース基板９１として、ベース基板９１の一方の主面の全面に厚み1μｍの窒化珪素の膜をスパッタリングにより成膜した。次に、窒化珪素膜上に厚み１０００オングストロームのアルミニウムの膜をスパッタリングにより成膜し、一般的なフォトリソグラフィプロセスを用いて、エッチングにより下部電極９３のパターニングを行った。
続いて、下部電極９３の上に、厚み１μｍのニオブ酸リチウムの膜をスパッタリングにより成膜し、ｃ軸配向の多結晶の圧電体薄膜９４を得た。
さらに続いて、圧電体薄膜９４の上に、厚み１０００オングストロームのアルミニウムの膜をスパッタリングにより成膜し、一般的なフォトリソグラフィプロセスを用いて、エッチングにより下部電極９５のパターニングを行った。
一方、ベース基板９１の他方の主面にクロムの膜をスパッタリングにより成膜し、フォトリソグラフィ及びウエットエッチングによりキャビティＣ９１を形成すべき部分のみベース基板９１を露出させ残余の部分を被覆するマスクパターンを形成した。
しかる後に、６０℃に加熱したフッ酸を用いてベース基板９１のエッチングを行い、横５０μｍ×縦１００μｍの長方形形状を有するキャビティＣ９１をベース基板９１に形成した。
このようにして得られた圧電薄膜フィルタにおいて、圧電薄膜共振子の周波数インピーダンス特性を測定して、厚み縦振動の振動応答を評価したところ、共振周波数１．９５ＧＨｚ、反共振周波数２．００ＧＨｚ及び機械的品質係数２４０が得られた。
上述の説明から明らかなように、実施例１〜実施例３では、共振周波数と反共振周波数との差が、比較例１の５０ＭＨｚから１５０ＭＨｚ〜２００ＭＨｚへと大幅に上昇しており、電気機械結合係数の大幅な上昇を実現できている。また、実施例１〜実施例３では、機械的品質係数が比較例１の２４０から９８０へと大幅に上昇している。特に、実施例３では、エネルギー閉じ込めにより、副共振に起因するスプリアスを抑制することに成功している。
１〜３ 圧電薄膜フィルタ
１１ フィルタ部
１２，２２，３２ 接着層
１３，２３，３３ ベース基板
１４ 圧電体基板
１１２１〜１１２４，２１２１，３１２１ 上部電極
１１３１〜１１３２，２１３１，２１３５，３１３１ 下部電極
１１１，２１１，３１１ 圧電体薄膜
１１４ キャビティ形成膜
Ｃ１１〜Ｃ１２，Ｃ２１，Ｃ３１ キャビティ
Ｅ１１〜Ｅ１４，Ｅ２１，Ｅ３１ 励振領域
Ｒ１１〜Ｒ１４，Ｒ２１，Ｒ３１ 圧電薄膜共振子
Ｓ２１,Ｓ３１ 陥没
１１ フィルタ部
１２，２２，３２ 接着層
１３，２３，３３ ベース基板
１４ 圧電体基板
１１２１〜１１２４，２１２１，３１２１ 上部電極
１１３１〜１１３２，２１３１，２１３５，３１３１ 下部電極
１１１，２１１，３１１ 圧電体薄膜
１１４ キャビティ形成膜
Ｃ１１〜Ｃ１２，Ｃ２１，Ｃ３１ キャビティ
Ｅ１１〜Ｅ１４，Ｅ２１，Ｅ３１ 励振領域
Ｒ１１〜Ｒ１４，Ｒ２１，Ｒ３１ 圧電薄膜共振子
Ｓ２１,Ｓ３１ 陥没
Claims (3)
- 単数又は複数の圧電薄膜共振子を含む圧電薄膜デバイスであって、
第１の主面及び第２の主面を有し、膜厚が１０μｍ以下である単結晶の圧電体薄膜と、
前記第１の主面に形成される第１の電極と、
前記第２の主面に形成される第２の電極と、
前記第１の電極及び前記第２の電極が形成された前記圧電体薄膜の第２の主面の側に形成され、前記圧電体薄膜の非励振領域に形成される二酸化ケイ素膜と、
前記第１の電極、前記第２の電極及び前記二酸化ケイ素膜が形成された前記圧電体薄膜を支持する支持基板と、
エポキシ接着剤又はアクリル接着剤からなり、前記支持基板の一方の主面の全面に形成され、前記第１の電極、前記第２の電極及び前記二酸化ケイ素膜が形成された前記圧電体薄膜を前記支持基板に接着固定する接着層と、
を備えることを特徴とする圧電薄膜デバイス。 - 請求項１に記載の圧電薄膜デバイスにおいて、
前記圧電体薄膜は、粒界を含まないことを特徴とする圧電薄膜デバイス。 - 請求項１又は請求項２に記載の圧電薄膜デバイスにおいて、
前記圧電体薄膜を構成する単結晶は、水晶、ニオブ酸リチウム、タンタル酸リチウム、四ホウ酸リチウム、酸化亜鉛、ニオブ酸カリウム及びランガサイトから選択されることを特徴とする圧電薄膜デバイス。
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