JP5905677B2 - 圧電薄膜共振器およびその製造方法 - Google Patents
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Description
本発明は、圧電薄膜共振器およびその製造方法に関する。
携帯電話端末等に代表される移動体通信機器の急速な普及により、小型で軽量な共振器およびこれを組み合わせたフィルタの需要が増大している。近年、圧電材料を用いた弾性表面波共振器や圧電薄膜の厚み振動を用いた圧電薄膜共振器を組み合わせることにより、特定の周波数帯の電気信号のみを通過させる特徴を持った高周波通信用のフィルタが開発されている。弾性表面波共振器や圧電薄膜共振器を利用したフィルタは、誘電体フィルタに比べて外形が小さく、高いＱ値を有するため、小型で、急峻なロールオフ特性が要求される携帯電話端末等の移動体通信機器の高周波用部品に適している。また、弾性表面波共振器や圧電薄膜共振器のラダー型フィルタを用いた応用部品として、分波器がある。分波器は、送受信機能を持ち、送信信号の周波数と受信信号の周波数とが異なる無線機器に用いられる。
圧電薄膜共振器には、ＦＢＡＲ（Film Bulk Acoustic Resonator）タイプと、ＳＭＲ（Solidly Mounted Resonator）タイプと、がある。ＦＢＡＲタイプの圧電薄膜共振器は、基板上に、下部電極、圧電膜、および上部電極が順次積層された積層構造を有する。圧電膜を挟み下部電極と上部電極とが対向する領域が共振部であり、共振部の下部電極の下側には空隙が形成されている。一方、ＳＭＲタイプの圧電薄膜共振器は、空隙の代わりに音響多層膜が設けられた構造をしている。音響多層膜は、音響インピーダンスが高い膜と低い膜とを交互にλ／４（λ：弾性波の波長）の膜厚で積層している。
圧電薄膜共振器を利用したフィルタや分波器は周波数の温度特性を有する。最近の携帯電話端末等の高性能化に伴い、温度特性の向上が求められ、共振周波数や反共振周波数等の周波数の温度係数の絶対値を小さくすることが求められている。例えば特許文献１には、第５図のように、圧電膜の中間部分に、圧電膜とは温度係数の符号が異なる薄膜を設けて、周波数の温度係数の絶対値を小さくする技術が開示されている。また、例えば非特許文献１には、図２のように、下部電極と圧電膜との間に温度補償膜である酸化シリコン膜を設け、且つ酸化シリコン膜を覆うように金属膜を設けることで、周波数の温度特性を改善すると共に、電気機械結合係数（Ｋ２）を改善する技術が開示されている。
Qiang Zou、外６名、"High Coupling Coefficient Temperature Compensated FBAR Resonator for Oscillator Application with Wide Pulling Range"、Frequency Control Symposium、2010 IEEE International、p 646-651
圧電薄膜共振器において、圧電膜の配向性は、共振特性を決める重要な要素の１つである。しかしながら、特許文献１のように、圧電膜の間に挟んで温度補償膜である薄膜を配置する構造の場合、圧電膜の配向性が乱れてしまうことが生じ得る。
本発明は、上記課題に鑑みなされたものであり、周波数の温度特性を改善すると共に、圧電膜の配向性の乱れを抑制し、良好な共振特性を得ることが可能な圧電薄膜共振器およびその製造方法を提供することを目的とする。
本発明は、基板上に設けられた下部電極と、前記基板上に設けられ、少なくとも２層からなる圧電膜と、前記圧電膜上に設けられ、前記圧電膜を挟み前記下部電極と対向する領域を有する上部電極と、前記下部電極と前記上部電極とが対向する領域であって、前記少なくとも２層からなる圧電膜のそれぞれの層の間に設けられ、弾性定数の温度係数が前記少なくとも２層からなる圧電膜に対し逆符号である絶縁膜と、を具備し、前記絶縁膜の上面は下面よりも平坦であり、前記少なくとも２層からなる圧電膜のうち、前記絶縁膜の下面と接する面の凹凸は、前記絶縁膜の上面と接する面の凹凸より大きく、前記少なくとも２層からなる圧電膜のうち、前記下部電極の上面に形成された層の上面は下面よりも凹凸が大きいことを特徴とする圧電薄膜共振器である。本発明によれば、周波数の温度特性を改善することができると共に、圧電膜の配向性の乱れを抑制し、良好な共振特性を得ることができる。
上記構成において、前記絶縁膜の上面のＲＭＳ値は、下面のＲＭＳ値に対して３０％以上小さい構成とすることができる。
上記構成において、前記圧電膜は２層からなり、前記絶縁膜は２層の前記圧電膜の間に設けられた１層からなる構成とすることができる。
上記構成において、前記絶縁膜は、酸化シリコンを主成分とする絶縁膜である構成とすることができる。
上記構成において、前記圧電膜は、窒化アルミニウムまたは不純物を添加した窒化アルミニウムである構成とすることができる。
本発明は、基板上に下部電極を形成する工程と、前記下部電極上に、下面よりも上面の凹凸が大きい第１圧電膜を形成する工程と、前記第１圧電膜上に絶縁膜を形成する工程と、前記絶縁膜の上面が下面よりも平坦となるように前記絶縁膜の上面を平坦化する工程と、上面が平坦化された前記絶縁膜上に、前記絶縁膜に接する下面が前記第１圧電膜の前記絶縁膜に接する上面よりも凹凸が小さい第２圧電膜を形成する工程と、前記第２圧電膜上に、前記第１圧電膜と前記絶縁膜と前記第２圧電膜とを挟み前記下部電極と対向する領域を有するように上部電極を形成する工程と、を有し、前記第１圧電膜の形成と、前記絶縁膜の形成と、前記絶縁膜の上面の平坦化と、前記第２圧電膜の形成とは、同一真空装置内で、真空を破ることなく連続して行われることを特徴とする圧電薄膜共振器の製造方法である。本発明によれば、周波数の温度特性を改善できると共に、第２圧電膜の配向性の乱れを抑制し、良好な共振特性を得ることができる。また、不純物の付着が抑制された第１圧電膜の上面に絶縁膜を形成でき、平坦化され且つ不純物の付着が抑制された絶縁膜の上面に第２圧電膜を形成することができるため、良好な共振特性を得ることができる。
上記構成において、前記絶縁膜の上面の平坦化は、不活性ガスのプラズマを利用して行われる構成とすることができる。
上記構成において、前記第１圧電膜の上面を平坦化する工程を有し、前記絶縁膜を形成する工程は、上面が平坦化された前記第１圧電膜上に前記絶縁膜を形成する構成とすることができる。この構成によれば、絶縁膜の上面の平坦度をより良好にすることができ、第２圧電膜の配向性の乱れをより抑制することができる。
本発明によれば、周波数の温度特性を改善することができると共に、圧電膜の配向性の乱れを抑制し、良好な共振特性を得ることができる。
まず、比較例１に係る圧電薄膜共振器について説明する。図１は、比較例１に係る圧電薄膜共振器の共振部の断面模式図の例である。図１を参照して、下部電極５０上に、例えばスパッタ法を用いて、第１圧電膜５２が形成されている。下部電極５０は、例えばＲｕ（ルテニウム）からなり、第１圧電膜５２は、例えばＡｌＮからなる。第１圧電膜５２上に、例えばスパッタ法を用いて、温度補償膜として機能する絶縁膜５４が形成されている。絶縁膜５４上に、例えばスパッタ法を用いて、第２圧電膜５６が形成されている。第２圧電膜５６は、例えばＡｌＮからなる。絶縁膜５４は、温度補償膜として機能することから、第１圧電膜５２と第２圧電膜５６との弾性定数の温度係数の符号とは反対の符号の温度係数を有し、例えばＳｉＯ２からなる。絶縁膜５４は、例えば第１圧電膜５２の上面に接して設けられ、第２圧電膜５６は、例えば絶縁膜５４の上面に接して設けられている。第２圧電膜５６上に、例えばスパッタ法を用いて、例えばＲｕからなる上部電極５８が形成されている。
下部電極５０と上部電極５８とは、第１圧電膜５２と第２圧電膜５６とを挟み、互いに対向する領域を有するように設けられている。絶縁膜５４は、下部電極５０と上部電極５８とが対向する領域であって、第１圧電膜５２と第２圧電膜５６との間に挟まれて設けられている。このように、上部電極と下部電極とが対向する領域において、圧電膜の間に温度補償膜として機能する絶縁膜を設けることで、特許文献１に記載されているように、周波数の温度特性を改善することができる。
ここで、絶縁膜５４の上面の平坦度に注目する。図２は、絶縁膜５４の上面の平坦度について表した断面模式図の例である。図２を参照して、第１圧電膜５２は、下部電極５０上に、例えばスパッタ法によって形成され、その膜厚は、例えば０．６μｍ程度である。このため、第１圧電膜５２の上面６０の平坦度は悪い。絶縁膜５４は、第１圧電膜５２の上面６０に接して、例えばスパッタ法によって形成され、その膜厚は、例えば２５ｎｍ程度である。このため、絶縁膜５４の上面６２は、第１圧電膜５２の上面６０の平坦度を受け継ぎ、第１圧電膜５２の上面６０が転写されたような形状となる。つまり、絶縁膜５４の上面６２の平坦度は、第１圧電膜５２の上面６０の平坦度と同程度になる。したがって、絶縁膜５４の上面６２の平坦度も悪い。そして、第２圧電膜５６は、平坦度の悪い絶縁膜５４の上面６２に接して、例えばスパッタ法によって形成される。
このように、比較例１に係る圧電薄膜共振器では、第１圧電膜５２と第２圧電膜５６との間に絶縁膜５４を設けていることで周波数の温度特性は改善できる。しかしながら、平坦度の悪い絶縁膜５４の上面６２に接して第２圧電膜５６を設けているため、第２圧電膜５６のｃ軸配向性が乱れてしまう。文献”New Electrode Material for Low-loss and High-Q FBAR Filters”, T. Yokoyama 外４名, IEEE Ultrasonic Symposium 2004, pp429-432によれば、圧電薄膜共振器の共振特性は、圧電膜のｃ軸配向性に大きな影響を受ける。このため、比較例１に係る圧電薄膜共振器のように、第２圧電膜５６のｃ軸配向性が乱れていては、共振特性は悪くなってしまう。
そこで、上記課題に鑑み、周波数の温度特性を改善すると共に、圧電膜の配向性の乱れを抑制し、良好な共振特性を得ることが可能な圧電薄膜共振器の実施例について以下に説明する。
図３（ａ）は、実施例１に係る圧電薄膜共振器の上面模式図の例である。図３（ｂ）は、図３（ａ）のＡ−Ａ間の断面模式図の例であり、図３（ｃ）は、図３（ａ）のＢ−Ｂ間の断面模式図の例である。図３（ａ）から図３（ｃ）を参照して、例えばＳｉ基板からなる基板１０上に、例えばＲｕからなる下部電極１２が設けられている。下部電極１２の膜厚は、例えば２６０ｎｍである。基板１０上および下部電極１２上に、例えばＡｌＮからなる第１圧電膜１４が設けられている。第１圧電膜１４の膜厚は、例えば０．６μｍである。第１圧電膜１４上に、温度補償膜として機能する例えばＳｉＯ２からなる絶縁膜１６が設けられている。絶縁膜１６の膜厚は、例えば２５ｎｍである。絶縁膜１６は、例えば第１圧電膜１４の上面に接して設けられている。詳しくは後述するが、絶縁膜１６の上面の平坦度は、下面の平坦度よりも小さくなっている。
絶縁膜１６上に、例えばＡｌＮからなる第２圧電膜１８が設けられている。第２圧電膜１８の膜厚は、例えば０．６μｍである。第２圧電膜１８は、例えば絶縁膜１６の上面に接して設けられている。第２圧電膜１８上に、第１圧電膜１４、絶縁膜１６、および第２圧電膜１８を挟み下部電極１２と対向する領域を有して、例えばＲｕからなる上部電極２０が設けられている。上部電極２０の膜厚は、例えば２６０ｎｍである。下部電極１２と上部電極２０とが対向する領域が共振部２２となる。
共振部２２の下側であって、基板１０と下部電極１２との間には、ドーム形状の膨らみを有する空隙２４が設けられている。ドーム形状の膨らみとは、空隙２４の周辺部における空隙２４の高さよりも、空隙２４の中心部ほど空隙２４の高さが高くなるような形状の膨らみをいう。下部電極１２の下側には、後述する犠牲層をエッチングするための導入路２６が設けられている。導入路２６の先端付近は、第１圧電膜１４、絶縁膜１６、および第２圧電膜１８で覆われてなく、導入路２６の先端は孔部２８となっている。また、第１圧電膜１４、絶縁膜１６、および第２圧電膜１８には、下部電極１２との電気的な接続を可能とするための開口部３０が設けられている。
次に、図４（ａ）から図４（ｈ）を用いて、実施例１に係る圧電薄膜共振器の製造方法を説明する。図４（ａ）から図４（ｄ）は、図３（ａ）のＡ−Ａ間に相当する断面模式図の例であり、図４（ｅ）から図４（ｈ）は、図３（ａ）のＢ−Ｂ間に相当する断面模式図の例である。
図４（ａ）および図４（ｅ）を参照して、基板１０上に、例えばＭｇＯ（酸化マグネシウム）からなる犠牲層３２を、例えばスパッタ法または蒸着法を用いて形成する。その後、例えば露光技術とエッチング技術を用いて、犠牲層３２を、空隙２４が形成されるべき領域に残存させる。犠牲層３２の膜厚は、例えば２０ｎｍである。次いで、Ａｒガス雰囲気中でＲｕターゲットをスパッタすることにより、基板１０上および犠牲層３２上に下部電極１２を形成する。その後、露光技術とエッチング技術を用いて、下部電極１２を所望の形状とする。このとき、下部電極１２の一部は、犠牲層３２を覆うような形状とする。
図４（ｂ）および図４（ｆ）を参照して、Ａｒ／Ｎ２混合ガス雰囲気中でＡｌターゲットをスパッタすることにより、基板１０上および下部電極１２上に第１圧電膜１４を形成する。次に、Ａｒガス雰囲気中でＳｉＯ２ターゲットをスタッパすることにより、第１圧電膜１４上に絶縁膜１６を形成する。その後、絶縁膜１６の上面にＡｒプラズマを数十秒間照射し、絶縁膜１６の上面を平坦化させる。
図４（ｃ）および図４（ｇ）を参照して、Ａｒ／Ｎ２混合ガス雰囲気中でＡｌターゲットをスパッタすることにより、絶縁膜１６上に第２圧電膜１８を形成する。次に、Ａｒガス雰囲気中でＲｕターゲットをスパッタすることにより、第２圧電膜１８上に上部電極２０を形成する。なお、第１圧電膜１４の形成、絶縁膜１６の形成、絶縁膜１６の上面の平坦化、第２圧電膜１８の形成、および上部電極２０の形成は、同一真空装置内で、真空を破ることなく連続して行う。その後、露光技術とエッチング技術を用いて、第１圧電膜１４、絶縁膜１６、第２圧電膜１８、および上部電極２０を所望の形状とする。さらに、露光技術とエッチング技術を用いて、導入路２６の先端の孔部２８を形成する。なお、孔部２８は、下部電極１２の形成と同時に形成することもできる。
図４（ｄ）および図４（ｈ）を参照して、犠牲層３２をエッチングするためのエッチング液を孔部２８から導入し、導入路２６を経て犠牲層３２を除去する。ここで、下部電極１２、第１圧電膜１４、絶縁膜１６、第２圧電膜１８、および上部電極２０からなる積層膜の応力は、スパッタ条件の調整により圧縮応力となるように設定されている。このため、犠牲層３２のエッチングが完了した時点で、積層膜は膨れ上がり、基板１０と下部電極１２との間に、ドーム形状をした膨らみを有する空隙２４が形成される。
次に、絶縁膜１６の上面の平坦度について説明する。図５は、絶縁膜１６の上面の平坦度について表した断面模式図である。図５を参照して、絶縁膜１６の上面３６は、第１圧電膜１４の上面３４（即ち、絶縁膜１６の下面）に比べて平坦度が向上している。これは、図４（ｂ）および図４（ｆ）で説明したように、絶縁膜１６を形成した後、絶縁膜１６の上面にＡｒプラズマを照射したためである。ここで、第１圧電膜１４の上面３４と絶縁膜１６の上面３６の平坦度を調べた。平坦度は、図４（ａ）から図４（ｈ）で説明した製造方法により製造したウエハに対して、面内３箇所の合計１５チップについて、第１圧電膜１４まで形成した後の第１圧電膜１４の上面３４のＲＭＳ値と、絶縁膜１６の平坦化を行った後の絶縁膜１６の上面３６のＲＭＳ値と、を測定した。その結果、測定した１５チップの平均値で、第１圧電膜１４の上面３４のＲＭＳ値は１．７ｎｍであったのに対し、絶縁膜１６の上面３６のＲＭＳ値は０．６ｎｍであった。このように、絶縁膜１６の上面３６にＡｒプラズマを照射することで、絶縁膜１６の上面３６の平坦度が向上し、ＲＭＳ値が半分以下にできることが分かった。
次に、平坦度が向上した絶縁膜１６の上面３６に形成された第２圧電膜１８のｃ軸配向性を調べた。ｃ軸配向性の調査は、第２圧電膜１８のＸ線回折におけるロッキングカーブの半値幅を調べることで行った。その結果、第２圧電膜１８の半値幅は、３°程度と良好な結果が得られた。比較例１に係る圧電薄膜共振器のように、平坦度の悪い絶縁膜５４の上面６２に第２圧電膜５６を形成した場合、第２圧電膜５６のｃ軸配向性が乱れてしまうが、実施例１に係る圧電薄膜共振器にように、平坦度が向上した絶縁膜１６の上面３６に第２圧電膜１８を形成することで、第２圧電膜１８のｃ軸配向性の乱れを抑制できることが分かった。
次に、実施例１に係る圧電薄膜共振器の周波数の温度特性について測定した。図６（ａ）は、実施例１に係る圧電薄膜共振器の周波数の温度特性の測定結果である。また、比較のために、図６（ｂ）に、絶縁膜１６が設けられていない点を除いて実施例１に係る圧電薄膜共振器と同じ構造を有する比較例２に係る圧電薄膜共振器の周波数の温度特性の測定結果を示す。なお、温度特性の測定は、−３５℃から８５℃の間で２０℃刻みで温度を変化させて、共振周波数と反共振周波数とを測定した。
図６（ａ）および図６（ｂ）を参照して、比較例２に係る圧電薄膜共振器の共振周波数の温度係数は−２７．３ｐｐｍ／℃で、反共振周波数の温度係数は−３２．１ｐｐｍ／℃である。これに対し、実施例１に係る圧電薄膜共振器の共振周波数の温度係数は−１７．６ｐｐｍ／℃で、反共振周波数の温度係数は−２０．４ｐｐｍ／℃である。このように、実施例１に係る圧電薄膜共振器の共振周波数および反共振周波数の温度係数は、比較例２に係る圧電薄膜共振器の共振周波数および反共振周波数の温度係数に比べて、１０ｐｐｍ程度改善された結果となった。
これは、絶縁膜１６は例えばＳｉＯ２からなり、第１圧電膜１４および第２圧電膜１８は例えばＡｌＮからなるため、絶縁膜１６の弾性定数の温度係数は、第１圧電膜１４および第２圧電膜１８の弾性定数の温度係数に対して逆の符号となる。このため、絶縁膜１６が、下部電極１２と上部電極２０とが対向する領域であって、第１圧電膜１４と第２圧電膜１８との間に設けられていることで、周波数の温度特性が改善されたものである。なお、絶縁膜１６は、下部電極１２と上部電極２０とが対向する領域（共振部２２）の一部に設けられている場合でもよいが、周波数の温度特性を改善する観点からは、下部電極１２と上部電極２０とが対向する領域（共振部２２）の全面を覆って設けられている場合が好ましい。
以上説明してきたように、実施例１によれば、図３（ｂ）のように、基板１０上に下部電極１２が設けられ、下部電極１２上に第１圧電膜１４と第２圧電膜１８とが設けられ、第２圧電膜１８上に、第１圧電膜１４と第２圧電膜１８とを挟み下部電極１２と対向する領域を有する上部電極２０が設けられている。そして、下部電極１２と上部電極２０とが対向する領域であって、第１圧電膜１４と第２圧電膜１８との間に絶縁膜１６が設けられていると共に、図５のように、絶縁膜１６の上面は下面よりも平坦になっている。このような圧電薄膜共振器は、図４（ａ）から図４（ｈ）で説明したように、基板１０上に下部電極１２を形成し、下部電極１２上に第１圧電膜１４を形成し、第１圧電膜１４上に絶縁膜１６を形成する。そして、絶縁膜１６の上面を平坦化する。その後、上面が平坦化された絶縁膜１６上に第２圧電膜１８を形成し、第２圧電膜１８上に、第１圧電膜１４と絶縁膜１６と第２圧電膜１８とを挟み下部電極１２と対向する領域を有するように上部電極２０を形成することで得ることができる。
このように、下部電極１２と上部電極２０とが対向する領域で、第１圧電膜１４と第２圧電膜１８との間に絶縁膜１６が設けられていることで、図６（ａ）のように、周波数の温度特性を改善することができる。また、平坦度が向上した絶縁膜１６の上面３６に第２圧電膜１８を形成しているため、第２圧電膜１８のｃ軸配向性の乱れを抑制することができる。これにより、例えば共振先鋭度（Ｑ値）の向上、電気機械結合係数（Ｋ２）の向上、スプリアスの抑制等、圧電薄膜共振器の共振特性を良好なものとすることができる。したがって、実施例１によれば、周波数の温度特性が改善できると共に、圧電膜の配向性の乱れを抑制し、良好な共振特性を得ることができる。
第２圧電膜１８のｃ軸配向性の乱れを抑制する観点から、絶縁膜１６の上面３６のＲＭＳ値は、下面（即ち、第１圧電膜１４の上面３４）のＲＭＳ値に対して３０％以上小さいことが好ましく、５０％以上小さいことがより好ましく、８０％以上小さいことがさらに好ましい。また、第２圧電膜１８のｃ軸配向性の乱れを抑制する観点から、絶縁膜１６の上面３６のＲＭＳ値は、１．０ｎｍ以下の場合が好ましく、０．８ｎｍ以下の場合がより好ましく、０．６ｎｍ以下の場合がさらに好ましい。
図４（ｃ）および図４（ｇ）で説明したように、第１圧電膜１４の形成と、絶縁膜１６の形成と、絶縁膜１６の上面の平坦化と、第２圧電膜１８の形成とは、同一真空装置内で、真空を破ることなく連続して行われることが好ましい。これにより、第１圧電膜１４と絶縁膜１６との界面、および絶縁膜１６と第２圧電膜１８との界面に、不純物が付着することを抑制できる。即ち、不純物の付着が抑制された第１圧電膜１４の上面に絶縁膜１６を形成でき、平坦化され且つ不純物の付着が抑制された絶縁膜１６の上面に第２圧電膜１８を形成することができる。よって、良好な共振特性を得ることができる。
図４（ｂ）および図４（ｆ）では、絶縁膜１６の上面の平坦化は、Ａｒプラズマを照射することで行っているが、Ａｒガス以外の不活性ガスのプラズマを照射する等、不活性ガスのプラズマを利用して行う場合でもよい。
圧電膜は、第１圧電膜１４と第２圧電膜１８との２層からなり、絶縁膜１６は、２層の圧電膜である第１圧電膜１４と第２圧電膜１８との間に設けられた１層からなる場合を例に示したが、この場合に限られる訳ではない。圧電膜は、３層や４層など、２層以上の複数層である場合でもよい。この場合、絶縁膜１６は、圧電膜のそれぞれの層の間に挟まれて設けられることとなる。つまり、圧電膜は少なくとも２層からなり、絶縁膜は少なくとも２層からなる圧電膜のそれぞれの層の間に設けられた構成の場合であればよい。
絶縁膜１６はＳｉＯ２からなる場合を例に示したが、この場合に限られる訳ではない。絶縁膜１６は、温度補償膜としての機能を有するために、第１圧電膜１４および第２圧電膜１８の弾性定数の温度係数に対して逆の符号の温度係数を有する絶縁膜であれば、その他の材料からなる絶縁膜の場合でもよい。例えば、酸化シリコンに他の元素をドープしたような絶縁膜を用いることができる。即ち、絶縁膜１６は、酸化シリコンを主成分とする絶縁膜を用いることができる。また、音速の温度係数が正となる材料で絶縁性があるものを用いることもできる。
第１圧電膜１４と第２圧電膜１８とはＡｌＮからなる場合を例に示したが、この場合に限られる訳ではない。窒化アルミニウムや窒化アルミニウムに他の元素をドープしたような場合でもよい。即ち、第１圧電膜１４と第２圧電膜１８とは、窒化アルミニウムまたは不純物を添加した窒化アルミニウムからなる場合でもよい。また、窒化アルミニウムの他に、酸化亜鉛（ＺｎＯ）からなる場合や酸化亜鉛に他の元素をドープしたような場合でもよい。第１圧電膜１４と第２圧電膜１８とは、同じ材料からなる場合が好ましい。また、第１圧電膜１４と第２圧電膜１８との膜厚が異なる場合でもよい。この場合、第１圧電膜１４と第２圧電膜１８との間に設けられた絶縁膜１６は、下部電極１２側もしくは上部電極２０側に偏って配置されることとなる。
基板１０は、Ｓｉ基板からなる場合に限られず、ガラス基板やＧａＡｓ基板等のその他の基板を用いることができる。下部電極１２および上部電極２０は、Ｒｕの他に、Ａｌ、Ｃｕ、Ｍｏ、Ｗ、Ｔａ、Ｐｔ、Ｒｈ、Ｉｒ、Ｃｒ、Ｔｉ等の金属材料を用いることができる。
図３（ｂ）のように、基板１０と下部電極１２との間に、ドーム形状をした空隙２４が形成されたＦＢＡＲタイプの圧電薄膜共振器の場合を例に示したが、この場合に限られる訳ではない。実施例１の変形例１に係る圧電薄膜共振器のように、基板１０の一部を除去することで、基板１０に空隙２４が形成されたＦＢＡＲタイプの圧電薄膜共振器の場合でもよい。また、実施例１の変形例２に係る圧電薄膜共振器のように、ＳＭＲタイプの圧電薄膜共振器の場合でもよい。
図７は、実施例１の変形例１に係る圧電薄膜共振器の断面模式図の例である。図７を参照して、基板１０の一部が除去され、基板１０の上面に凹部が形成されている。この凹部を覆うように、基板１０上に、下部電極１２が設けられている。これにより、下部電極１２の下側に空隙２４が形成される。下部電極１２上に、第１圧電膜１４、絶縁膜１６、第２圧電膜１８、および上部電極２０が順次積層されていて、第１圧電膜１４と絶縁膜１６と第２圧電膜１８とを挟み、下部電極１２と上部電極２０とが対向する領域（共振部）は、空隙２４上に位置している。
図７のように、基板１０に空隙２４が形成されたＦＢＡＲタイプの圧電薄膜共振器の場合でも、下部電極１２と上部電極２０とが対向する領域であって、第１圧電膜１４と第２圧電膜１８との間に絶縁膜１６が設けられると共に、絶縁膜１６の上面が下面よりも平坦であることで、周波数の温度特性が改善できると共に、圧電膜の配向性の乱れを抑制し、良好な共振特性を得ることができる。なお、空隙２４が、基板１０の下面まで基板１０を貫通したバイアホールである場合でもよい。
図８は、実施例１の変形例２に係る圧電薄膜共振器の断面模式図の例である。図８を参照して、基板１０上に、低音響インピーダンス膜３８と高音響インピーダンス膜４０とがλ／４（λ：弾性波の波長）の膜厚で交互に積層された音響多層膜４２が設けられている。音響多層膜４２上には、下部電極１２、第１圧電膜１４、絶縁膜１６、第２圧電膜１８、上部電極２０が順次設けられている。このように、ＳＭＲタイプの圧電薄膜共振器には空隙が設けられてなく、第１圧電膜１４と絶縁膜１６と第２圧電膜１８とを挟み、下部電極１２と上部電極２０とが対向する領域（共振部）は、音響多層膜４２上に位置している。
図８のように、空隙の代わりに音響多層膜４２が設けられたＳＭＲタイプの圧電薄膜共振器の場合でも、下部電極１２と上部電極２０とが対向する領域であって、第１圧電膜１４と第２圧電膜１８との間に絶縁膜１６が設けられると共に、絶縁膜１６の上面が下面よりも平坦であることで、周波数の温度特性が改善できると共に、圧電膜の配向性の乱れを抑制し、良好な共振特性を得ることができる。
図９は、実施例２に係る圧電薄膜共振器の製造方法を示すフローチャートの例である。なお、実施例２に係る圧電薄膜共振器の上面図および断面図は、実施例１に係る圧電薄膜共振器と同じであり、図３（ａ）から図３（ｃ）に示しているため、ここでは説明を省略する。また、製造方法を示す断面図も実施例１に係る圧電薄膜共振器と同じであり、図４（ａ）から図４（ｈ）に示しているため、ここでは説明を省略する。
図９を参照して、まず、基板１０上であって、空隙２４が形成されるべき領域に犠牲層３２を形成する（ステップＳ１０）。次いで、基板１０上および犠牲層３２上に下部電極１２を形成し、所望の形状にパターン化する（ステップＳ１２）。
次いで、基板１０上および下部電極１２上に、第１圧電膜１４を形成する（ステップＳ１４）。次いで、第１圧電膜１４の上面にＡｒプラズマを照射し、第１圧電膜１４の上面を平坦化させる（ステップＳ１６）。次いで、上面を平坦化した第１圧電膜１４上に、絶縁膜１６を形成する（ステップＳ１８）。次いで、絶縁膜１６の上面にＡｒプラズマを照射して、絶縁膜１６の上面を平坦化させる（ステップＳ２０）。
次いで、上面を平坦化した絶縁膜１６上に、第２圧電膜１８を形成する（ステップＳ２２）。次いで、第２圧電膜１８上に、上部電極２０を形成する（ステップＳ２４）。第１圧電膜１４の形成、第１圧電膜１４の平坦化、絶縁膜１６の形成、絶縁膜１６の平坦化、第２圧電膜１８の形成、および上部電極２０の形成は、同一真空装置内で、真空を破ることなく連続して行う。次いで、第１圧電膜１４、絶縁膜１６、第２圧電膜１８、および上部電極２０を所望の形状にパターン化する（ステップＳ２６）。次いで、犠牲層３２をエッチングして、基板１０と下部電極１２との間に、ドーム形状をした膨らみを有する空隙２４を形成する（ステップＳ２８）。
以上説明してきたように、実施例２では、第１圧電膜１４を形成した後、第１圧電膜１４の上面を平坦化し、上面が平坦化された第１圧電膜１４上に絶縁膜１６を形成している点で、実施例１とは異なる。実施例１では、図５で説明したように、第１圧電膜１４の上面３４の平坦度は悪いが、実施例２では、第１圧電膜１４の上面を平坦化しているため、第１圧電膜１４の上面の平坦度が向上している。そして、実施例２では、平坦度が向上した第１圧電膜１４の上面に絶縁膜１６を形成しているため、絶縁膜１６の形成が終了した時点での絶縁膜１６の上面の平坦度は実施例１に比べて良好である。そして、絶縁膜１６の上面をさらに平坦化しているため、実施例１に比べて、絶縁膜１６の上面の平坦度はより向上している。よって、絶縁膜１６の上面に形成する第２圧電膜１８のｃ軸配向性の乱れをより抑制することができ、より良好な共振特性を得ることができる。
第１圧電膜１４の形成、第１圧電膜１４の上面の平坦化、絶縁膜１６の形成、絶縁膜１６の上面の平坦化、および第２圧電膜１８の形成は、同一真空装置内で、真空を破ることなく連続して行われることが好ましい。これにより、平坦化され且つ不純物の付着が抑制された第１圧電膜１４の上面に絶縁膜１６をでき、平坦化され且つ不純物の付着が抑制された絶縁膜１６の上面に第２圧電膜１８を形成することができる。よって、良好な共振特性を得ることができる。
第１圧電膜１４の上面の平坦化は、Ａｒプラズマを照射する場合に限られず、Ａｒガス以外の不活性ガスのプラズマを照射する等、不活性ガスのプラズマを利用して行われる場合でもよい。
実施例２においても、実施例１の変形例１のように基板１０に空隙２４が形成されたＦＢＡＲタイプの圧電薄膜共振器や、実施例１の変形例２のように空隙の代わりに音響多層膜４２が設けられたＳＭＲタイプの圧電薄膜共振器を用いることができる。
以上、本発明の実施例について詳述したが、本発明はかかる特定の実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。
１０ 基板
１２ 下部電極
１４ 第１圧電膜
１６ 絶縁膜
１８ 第２圧電膜
２０ 上部電極
２２ 共振部
２４ 空隙
２６ 導入路
２８ 孔部
３０ 開口部
３２ 犠牲層
３４ 第１圧電膜の上面
３６ 絶縁膜の上面
３８ 低音響インピーダンス膜
４０ 高音響インピーダンス膜
４２ 音響多層膜
１２ 下部電極
１４ 第１圧電膜
１６ 絶縁膜
１８ 第２圧電膜
２０ 上部電極
２２ 共振部
２４ 空隙
２６ 導入路
２８ 孔部
３０ 開口部
３２ 犠牲層
３４ 第１圧電膜の上面
３６ 絶縁膜の上面
３８ 低音響インピーダンス膜
４０ 高音響インピーダンス膜
４２ 音響多層膜
Claims (8)
- 基板上に設けられた下部電極と、
前記基板上に設けられ、少なくとも２層からなる圧電膜と、
前記圧電膜上に設けられ、前記圧電膜を挟み前記下部電極と対向する領域を有する上部電極と、
前記下部電極と前記上部電極とが対向する領域であって、前記少なくとも２層からなる圧電膜のそれぞれの層の間に設けられ、弾性定数の温度係数が前記少なくとも２層からなる圧電膜に対し逆符号である絶縁膜と、を具備し、
前記絶縁膜の上面は下面よりも平坦であり、
前記少なくとも２層からなる圧電膜のうち、前記絶縁膜の下面と接する面の凹凸は、前記絶縁膜の上面と接する面の凹凸より大きく、
前記少なくとも２層からなる圧電膜のうち、前記下部電極の上面に形成された層の上面は下面よりも凹凸が大きいことを特徴とする圧電薄膜共振器。 - 前記絶縁膜の上面のＲＭＳ値は、下面のＲＭＳ値に対して３０％以上小さいことを特徴とする請求項１記載の圧電薄膜共振器。
- 前記圧電膜は２層からなり、前記絶縁膜は２層の前記圧電膜の間に設けられた１層からなることを特徴とする請求項１または２記載の圧電薄膜共振器。
- 前記絶縁膜は、酸化シリコンを主成分とする絶縁膜であることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項記載の圧電薄膜共振器。
- 前記圧電膜は、窒化アルミニウムまたは不純物を添加した窒化アルミニウムであることを特徴とする請求項１から４のいずれか一項記載の圧電薄膜共振器。
- 基板上に下部電極を形成する工程と、
前記下部電極上に、下面よりも上面の凹凸が大きい第１圧電膜を形成する工程と、
前記第１圧電膜上に絶縁膜を形成する工程と、
前記絶縁膜の上面が下面よりも平坦となるように前記絶縁膜の上面を平坦化する工程と、
上面が平坦化された前記絶縁膜上に、前記絶縁膜に接する下面が前記第１圧電膜の前記絶縁膜に接する上面よりも凹凸が小さい第２圧電膜を形成する工程と、
前記第２圧電膜上に、前記第１圧電膜と前記絶縁膜と前記第２圧電膜とを挟み前記下部電極と対向する領域を有するように上部電極を形成する工程と、を有し、
前記第１圧電膜の形成と、前記絶縁膜の形成と、前記絶縁膜の上面の平坦化と、前記第２圧電膜の形成とは、同一真空装置内で、真空を破ることなく連続して行われることを特徴とする圧電薄膜共振器の製造方法。 - 前記絶縁膜の上面の平坦化は、不活性プラズマガスを利用して行われることを特徴とする請求項６記載の圧電薄膜共振器の製造方法。
- 前記第１圧電膜の上面を平坦化する工程を有し、
前記絶縁膜を形成する工程は、上面が平坦化された前記第１圧電膜上に前記絶縁膜を形成することを特徴とする請求項６または７記載の圧電薄膜共振器の製造方法。
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