JP7456788B2 - 圧電デバイスおよびその製造方法 - Google Patents
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Description
本発明は、圧電デバイスおよびその製造方法に関し、例えば、圧電層を有する圧電デバイスおよびその製造方法に関する。
携帯電話等の無線端末の高周波回路用のフィルタおよびデュプレクサとして、ＦＢＡＲ（Film Bulk Acoustic Resonator）およびＳＭＲ（Solid Mounted Resonator）等のＢＡＷ（Bulk Acoustic Wave）共振器が用いられている。ＢＡＷ共振器は圧電薄膜共振器とよばれている。圧電薄膜共振器は、圧電層を挟み下部電極と上部電極とを設ける構造を有し、圧電層の少なくとも一部を挟み下部電極と上部電極とが対向する共振領域は弾性波が共振する領域である（例えば特許文献１から３）。また、圧電層を挟む下部電極と上部電極とを有するアクチュエータ等の圧電デバイスが知られている（例えば特許文献４）。
圧電層の上方から下部電極に電気的に接続するため圧電層を貫通する孔を形成する。しかしながら、単結晶の圧電層のように、圧電層と下部電極とでエッチングの選択性が低い場合、圧電層を貫通する孔を形成するときに孔が下部電極を貫通してしまうことがある。孔が下部電極を貫通すると、孔を介して下部電極と電気的に接続することが難しくなる。
本発明は、上記課題に鑑みなされたものであり、下部電極との電気的な接続を容易とすることを目的とする。
本発明は、下部電極と、前記下部電極上に設けられ、前記下部電極側の面に設けられた凹部と前記凹部から前記下部電極と反対側に通じる孔とを有する単結晶の圧電層と、前記凹部および前記孔のうち前記凹部にのみ設けられ前記下部電極と接触する金属層と、前記圧電層上に設けられ、前記圧電層の一部を挟み前記下部電極と重なる上部電極と、を備える圧電デバイスである。
上記構成において、前記孔の側面は、前記孔において前記金属層側の幅が前記金属層の反対側の幅より小さい構成とすることができる。
上記構成において、前記金属層は前記下部電極と前記上部電極とが重なる領域以外に設けられている構成とすることができる。
上記構成において、前記圧電層上に設けられ、前記孔を介し前記金属層または前記下部電極に接触する配線をさらに備える構成とすることができる。
上記構成において、前記圧電デバイスは圧電薄膜共振器である構成とすることができる。
上記構成において、前記圧電層は、単結晶タンタル酸リチウム基板、単結晶ニオブ酸リチウム基板または単結晶水晶基板である構成とすることができる。
本発明は、下部電極と、前記下部電極と平面視において重なり前記下部電極と電気的に接続された金属層と、前記下部電極および前記金属層上に前記金属層に接触して設けられた単結晶の圧電層と、を有する積層体の前記圧電層を前記圧電層上からエッチングすることで前記圧電層を貫通する孔を平面視において前記金属層に重なって形成する工程と、前記圧電層上に前記下部電極と平面視において重なる上部電極を形成する工程と、を含み、前記積層体において、前記金属層は、前記圧電層の前記下部電極側の面に設けられた凹部内に少なくとも一部が設けられる、圧電デバイスの製造方法である。
本発明は、単結晶の圧電層の一方の面に形成された凹部内に前記圧電層に接触する金属層の少なくとも一部を形成する工程と、前記圧電層の前記面に、前記金属層と平面視において重なり前記金属層に接触して電気的に接続された下部電極を形成する工程と、前記圧電層の前記面および前記下部電極を基板上に接合する工程と、前記圧電層を前記圧電層上からエッチングすることで前記圧電層を貫通する孔を平面視において前記金属層に重なって形成する工程と、前記圧電層上に前記下部電極と平面視において重なる上部電極を形成する工程と、を含む圧電デバイスの製造方法である。
本発明によれば、下部電極との電気的な接続を容易とすることができる。
以下、図面を参照し本発明の実施例について説明する。
以下の実施例では圧電デバイスとして圧電薄膜共振器を例に説明する。図１（ａ）は、実施例１に係る圧電薄膜共振器の平面図、図１（ｂ）は、図１（ａ）のＡ－Ａ断面図である。圧電層１４の法線方向をＺ方向、圧電層１４の平面方向のうち上部電極１６の引き出し方向を＋Ｘ方向、Ｘ方向に直交する方向をＹ方向とする。
図１（ａ）および図１（ｂ）に示すように、基板１０上に絶縁層１８が設けられている。絶縁層１８上に下部電極１２が設けられている。下部電極１２上に圧電層１４が設けられている。圧電層１４上に上部電極１６が設けられている。圧電層１４の少なくとも一部を挟み下部電極１２と上部電極１６とが対向する領域は共振領域５０である。
下部電極１２と上部電極１６との間に高周波電力を印加すると、共振領域５０内の圧電層１４に弾性波が励振する。弾性波の波長は下部電極１２、圧電層１４および上部電極１６の厚さの合計のほぼ２倍である。基板１０および絶縁層１８に空隙３０が設けられている。平面視において、空隙３０は共振領域５０と重なる。圧電層１４を伝搬する弾性波は下部電極１２と空隙３０の界面により反射される。
下部電極１２が共振領域５０から引き出される領域は引き出し領域５２である。引き出し領域５２には上部電極１６は設けられていない。上部電極１６が共振領域５０から引き出される領域は引き出し領域５４である。引き出し領域５４には下部電極１２は設けられていない。
引き出し領域５２において、下部電極１２上の圧電層１４の下面に凹部２０が設けられ、凹部２０内に金属層２２が設けられている。圧電層１４の下面および金属層２２の下面は略平坦面である。金属層２２は下部電極１２に接触している。金属層２２は共振領域５０には設けられていない。金属層２２上の圧電層１４に孔２４が設けられている。平面視において孔２４は金属層２２より小さい。孔２４の側面および圧電層１４上に金属層２６が設けられている。金属層２６は、孔２４を介し金属層２２と接触し、金属層２２を介し下部電極１２と電気的に接続されている。引き出し領域５４において、上部電極１６上に金属層２８が設けられている。金属層２６および２８は、下部電極１２および上部電極１６を外部と電気的に接続するためのパッド、および／または下部電極１２および上部電極１６を他の圧電薄膜共振器と電気的に接続するための配線として機能する。
基板１０は、例えばシリコン基板であり、例えばサファイア基板、アルミナ基板、スピネル基板、石英基板、水晶基板、ガラス基板、セラミック基板またはＧａＡｓ（ガリウム砒素）基板等でもよい。圧電層１４は、例えば単結晶タンタル酸リチウム層、単結晶ニオブ酸リチウム層または単結晶水晶基板である。圧電層１４が単結晶タンタル酸リチウムまたは単結晶ニオブ酸リチウムの場合、圧電層１４には、厚みひずみ振動の弾性波が励振される。
絶縁層１８は、例えば酸化シリコン層であり、例えば窒化シリコン層、酸化アルミニウム層または樹脂膜でもよい。下部電極１２および上部電極１６は、例えばアルミニウム（Ａｌ）膜であり、例えばルテニウム（Ｒｕ）、クロム（Ｃｒ）、チタン（Ｔｉ）、銅（Ｃｕ）、モリブデン（Ｍｏ）、タングステン（Ｗ）、タンタル（Ｔａ）、白金（Ｐｔ）、ロジウム（Ｒｈ）またはイリジウム（Ｉｒ）等の単層膜またはこれらの積層膜である。
金属層２２は、例えばアルミニウム層、金層または銅層等の低抵抗層である。金属層２６および２８は例えば、金層、銅層またはアルミニウム層等の低抵抗層である。金属層２２、２６および２８は、下部電極１２または上部電極１６と接触するチタン膜、クロム膜またはニッケル膜等の密着膜を含んでもよい。
例えば、圧電層１４に励振する弾性波が厚みひずみ振動させる例を説明する。圧電層１４を回転Ｙカットニオブ酸リチウム基板とする。このとき、圧電層１４の上面の法線方向（Ｚ方向）は結晶方位のＹ軸Ｚ軸平面内の方向となる。これにより、圧電層１４の平面方向に厚みすべり振動が生じる。また、Ｘ方向を結晶方位でＸ軸方向とし、Ｚ方向を、結晶方位のＹ軸Ｚ軸平面内においてＺ軸方向からＹ軸方向に１０５°回転させた方向とする。これにより、厚みすべり振動の方向はＹ方向となる。
別の例として、圧電層１４をＸカットタンタル酸リチウム基板とする。このとき、圧電層１４の上面の法線方向（Ｚ方向）は結晶方位のＸ軸方向である。これにより、圧電層１４の平面方向では厚みすべり振動が生じる。また、Ｙ方向を結晶方位の＋Ｙ軸方向から－Ｚ軸方向に４２°回転させた方向とする。これにより、厚みすべり振動の方向はＹ方向となる。
例えば、共振周波数を２ＧＨｚとする場合、圧電層１４を厚さが１０００ｎｍの回転Ｙカットニオブ酸リチウム基板とし、下部電極１２および上部電極１６を各々厚さが１００ｎｍのアルミニウム層とする。下部電極１２および上部電極１６の厚さは各々圧電層１４の厚さの１％～２０％である。金属層２２の厚さは例えば圧電層１４の２０％～８０％である。金属層２６および２８の厚さは例えば各々０．１μｍ～５μｍである。孔２４のＸ方向の幅は例えば１μｍから１００μｍである。共振領域５０のＸ方向の幅は例えば１０μｍ～５００μｍである。
［実施例１の製造方法］
図２（ａ）から図４（ｃ）は、実施例１に係る圧電薄膜共振器の製造方法を示す断面図である。図２（ａ）に示すように、圧電層１４として圧電基板を準備する。圧電層１４上にフォトリソグラフィ法およびエッチング法を用い凹部２０を形成する。凹部２０の形成には例えばイオンビームを用いたエッチングまたはウェットエッチングを用いる。
図２（ａ）から図４（ｃ）は、実施例１に係る圧電薄膜共振器の製造方法を示す断面図である。図２（ａ）に示すように、圧電層１４として圧電基板を準備する。圧電層１４上にフォトリソグラフィ法およびエッチング法を用い凹部２０を形成する。凹部２０の形成には例えばイオンビームを用いたエッチングまたはウェットエッチングを用いる。
図２（ｂ）に示すように、圧電層１４上および凹部２０内に金属層２２を形成する。金属層２２の形成には例えばスパッタリング法、真空蒸着法またはＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法を用いる。圧電層１４の上面を例えばＣＭＰ（Chemical Mechanical Polishing）法を用い平坦化する。これにより、金属層２２が凹部２０内に埋め込まれ、圧電層１４の上面および金属層２２の上面は略平坦面となる。略平坦とは、例えば、金属層２２の厚みの１／２倍以下程度の段差があってもよい。
図２（ｃ）に示すように、圧電層１４および金属層２２上に下部電極１２を形成する。下部電極１２の形成には、例えばスパッタリング法、真空蒸着法またはＣＶＤ法を用いる。フォトリソグラフィ法およびエッチング法（例えばイオンビームを用いたエッチングまたはドライエッチング）を用い下部電極１２を所望形状にパターニングする。下部電極１２はリフトオフ法を用い形成してもよい。これにより、金属層２２に接触する下部電極１２が形成される。
図２（ｄ）に示すように、圧電層１４および下部電極１２上に絶縁層１８を形成する。絶縁層１８の形成は、例えばＣＶＤ法、スパッタリング法または真空蒸着法を用いる。絶縁層１８の上面を例えばＣＭＰ法を用い平坦化する。これにより、絶縁層１８の下面は略平坦化され、圧電層１４、金属層２２、下部電極１２および絶縁層１８を有する積層体３８が形成される。
図３（ａ）に示すように、積層体３８を上下逆にする。積層体３８の絶縁層１８の下面を基板１０の上面に接合させる。接合には例えば表面活性化法を用いる。基板１０と絶縁層１８との間にはシリコン膜等の接合層を設けてもよい。
図３（ｂ）に示すように、圧電層１４を薄膜化する。薄膜化には、例えば研削法および／またはＣＭＰ法を用いる。例えば研削法を用い圧電層１４をほぼ所望の厚さとし、ＣＭＰ法を用い上面を平坦化する。これにより、圧電層１４の上面は製造誤差程度に略平坦面となる。
図３（ｃ）に示すように、圧電層１４上に上部電極１６を形成する。上部電極１６の形成には、例えばスパッタリング法、真空蒸着法またはＣＶＤ法を用いる。フォトリソグラフィ法およびエッチング法（例えばイオンビームを用いたエッチングまたはドライエッチング）を用い上部電極１６を所望形状にパターニングする。上部電極１６はリフトオフ法を用い形成してもよい。
図４（ａ）に示すように、圧電層１４に金属層２２に達する孔２４を形成する。孔２４の形成は例えばフォトリソグラフィ法およびエッチング法を用いる。エッチングには例えばイオンビームを用いたエッチング（イオンミリング法）を用いる。
図４（ｂ）に示すように、孔２４の側面および圧電層１４の上面に金属層２２と接触する金属層２６を形成する。上部電極１６上に金属層２８を形成する。金属層２６および２８の形成は、例えばスパッタリング法または真空蒸着法を用いる。フォトリソグラフィ法およびエッチング法を用い金属層２６をパターニングする。金属層２６および２８はリフトオフ法により形成してもよい。金属層２６および２８は例えば同時に形成される。
図４（ｃ）に示すように、基板１０および絶縁層１８に空隙３０を形成する。空隙３０の形成は例えばフォトリソグラフィ法およびエッチング法を用いる。以上により圧電薄膜共振器が製造される。
［比較例１］
図５（ａ）は、比較例１に係る圧電薄膜共振器の断面図、図５（ｂ）は、比較例１に係る圧電薄膜共振器の製造方法を示す断面図である。図５に示すように、比較例１では、金属層２２が設けられておらず、金属層２６は孔２４を介し下部電極１２に接している。その他の構成は実施例１と同じである。
図５（ａ）は、比較例１に係る圧電薄膜共振器の断面図、図５（ｂ）は、比較例１に係る圧電薄膜共振器の製造方法を示す断面図である。図５に示すように、比較例１では、金属層２２が設けられておらず、金属層２６は孔２４を介し下部電極１２に接している。その他の構成は実施例１と同じである。
図５（ｂ）に示すように、比較例１に係る圧電薄膜共振器を製造するときに、圧電層１４を貫通する孔２４を形成する。単結晶の圧電層１４に用いられる材料は、化学的な反応性が低い（例えばドライエッチングで用いられる弗素系エッチングガスおよび塩素系エッチングガスとの反応性が低い）場合が多い。このため、孔２４の形成にはイオンビームを用いたエッチングまたはブラスト法等の物理的なエッチングを用いる。物理的なエッチングでは圧電層１４と下部電極１２との選択比が小さくなる。このため、孔２４が下部電極１２を貫通する可能性がある。孔２４が下部電極１２を貫通すると、金属層２６と下部電極１２との電気的な接続が難しくなる。特に、圧電層１４として、例えば単結晶ニオブ酸リチウム層またはタンタル酸リチウム層を用いる場合、圧電層１４の化学的なエッチングが難しい。
実施例１によれば、図２（ａ）から図２（ｄ）のように、下部電極１２と、下部電極１２と平面視において重なり設けられ下部電極１２と電気的に接続可能な金属層２２と、下部電極１２および金属層２２上に設けられた単結晶の圧電層１４と、を備える積層体３８を形成する。図４（ａ）のように、積層体３８の圧電層１４を圧電層１４の上からエッチングすることで圧電層１４を貫通する孔２４を形成する。図３（ｃ）のように、圧電層１４上に下部電極１２と平面視において重なる上部電極１６を形成する。
このように、下部電極１２上に金属層２２を設け、孔２４を金属層２２に達するように形成する。これにより、図４（ａ）において、孔２４が金属層２２および下部電極１２を貫通することを抑制できる。よって、上方から下部電極１２に電気的に接続することが容易となる。
図２（ｄ）のように、積層体３８において、金属層２２は、圧電層１４の下部電極１２側の面に設けられた凹部２０内に少なくとも一部が設けられる。これにより、図４（ａ）のように、比較例１の図５（ｂ）に比べ孔２４を浅くできる。よって、孔２４の形成が容易となる。
積層体３８を形成する工程において、図２（ｂ）のように、圧電層１４の下面（図２（ｂ）では上面、すなわち一方の面）に形成された凹部２０内に金属層２２の少なくとも一部を形成する。図２（ｃ）のように、圧電層１４の下面（図２（ｃ）では上面）に金属層２２に接触する下部電極１２を形成する。図３（ａ）のように、圧電層１４の下面および下部電極１２を基板１０上に接合する。これにより、単結晶の圧電層１４のように、基板１０上に形成が難しい圧電層１４を基板１０上に形成できる。
金属層２２は共振領域５０以外に設けられている。これにより、金属層２２が共振特性に影響することを抑制できる。
金属層２６（配線）は、圧電層１４上に設けられ、孔２４を介し金属層２２に接触する。これにより、下部電極１２に圧電層１４の上から電気的に接続することができる。
圧電層１４が単結晶タンタル酸リチウム基板、単結晶ニオブ酸リチウム基板または単結晶水晶基板である場合、圧電層１４の化学的なエッチングが難しく、比較例１のように孔２４が下部電極１２を貫通し易い。そこで、実施例１のように金属層２２を設けることが好ましい。
実施例１のように、圧電薄膜共振器を製造すると、圧電層１４は、下部電極１２上に設けられ、下部電極１２側の面に設けられた凹部２０と凹部２０から下部電極１２の反対側に通じる孔２４とを有し、金属層２２は凹部２０および孔２４のうち凹部２０にのみ設けられる。
孔２４を形成するときに金属層２２が貫通されない観点から、金属層２２の厚さは、下部電極１２の厚さより大きいことが好ましく、下部電極１２の厚さの２倍以上がより好ましい。また、金属層２２の厚さは、圧電層１４の厚さの０．１倍以上が好ましく、０．２倍以上がより好ましく、０．４倍以上がさらに好ましい。金属層２２が厚すぎると、凹部２０内への埋込が難しくなる。この観点から、金属層２２の厚さは圧電層１４の厚さの０．８倍以下が好ましく、０．６倍以下がより好ましい。
［実施例１の変形例１］
図６は、実施例１の変形例１に係る圧電薄膜共振器の断面図である。図６に示すように、実施例１の変形例１では、絶縁層１８の上面に凹部２１が形成されている。凹部２１内に下部電極１２下に下部電極１２と接触する金属層２２が設けられ、圧電層１４には凹部２０は設けられていない。孔２４は圧電層１４を貫通する。金属層２６は孔２４を介し下部電極１２または金属層２２に接触する。その他の構成は実施例１と同じであり説明を省略する。
図６は、実施例１の変形例１に係る圧電薄膜共振器の断面図である。図６に示すように、実施例１の変形例１では、絶縁層１８の上面に凹部２１が形成されている。凹部２１内に下部電極１２下に下部電極１２と接触する金属層２２が設けられ、圧電層１４には凹部２０は設けられていない。孔２４は圧電層１４を貫通する。金属層２６は孔２４を介し下部電極１２または金属層２２に接触する。その他の構成は実施例１と同じであり説明を省略する。
［実施例１の変形例１の製造方法］
図７（ａ）から図８（ｃ）は、実施例１の変形例１に係る圧電薄膜共振器の製造方法を示す断面図である。図７（ａ）に示すように、圧電層１４には凹部２０は形成されておらず、圧電層１４の上面は平坦である。図２（ｃ）と同様に、圧電層１４の平坦な上面上に下部電極１２を形成する。
図７（ａ）から図８（ｃ）は、実施例１の変形例１に係る圧電薄膜共振器の製造方法を示す断面図である。図７（ａ）に示すように、圧電層１４には凹部２０は形成されておらず、圧電層１４の上面は平坦である。図２（ｃ）と同様に、圧電層１４の平坦な上面上に下部電極１２を形成する。
図７（ｂ）に示すように、下部電極１２上に金属層２２を形成する。金属層２２は例えばスパッタリング法、真空蒸着法を用い形成する。フォトリソグラフィ法およびエッチング法を用い金属層２２をパターニングする。金属層２２はリフトオフ法を用い形成してもよい。
図７（ｃ）に示すように、圧電層１４、下部電極１２および金属層２２上に、図２（ｄ）と同様に絶縁層１８を形成する。絶縁層１８の上面を平坦化する。絶縁層１８には金属層２２が埋め込まれた凹部２１が形成される。これにより、積層体３８が形成される。
図８（ａ）に示すように、積層体３８の上下を逆にし、絶縁層１８の下面を基板１０上に接合する。接合方法は図３（ａ）と同様である。図８（ｂ）に示すように、図３（ｂ）と同様に、圧電層１４を平坦化した後、図３（ｃ）と同様に、圧電層１４上に上部電極１６を形成する。
図８（ｃ）に示すように、圧電層１４を貫通する孔２４を形成する。孔２４の形成は例えばフォトリソグラフィ法およびエッチング法を用いる。このとき、孔２４は圧電層１４を貫通し下部電極１２を貫通しないことが理想である。しかし、圧電層１４と下部電極１２との選択比が小さいと、図８（ｃ）のように、孔２４が下部電極１２を貫通することがある。その後、図４（ｂ）および図４（ｃ）の工程を行う。これにより、実施例１の変形例１の圧電薄膜共振器が製造される。
実施例１の変形例１によれば、積層体３８において、金属層２２は下部電極１２の基板１０側に設けられている。このように、金属層２２が下部電極１２の下に設けられてもよい。図６および図８（ｃ）のように、孔２４が下部電極１２を貫通しても、金属層２６は金属層２２を介し下部電極１２と電気的に接続される。
積層体３８を形成する工程において、図７（ａ）のように圧電層１４の一方の面に下部電極１２を形成する。図７（ｂ）のように、下部電極１２を介して圧電層１４と反対側に下部電極１２に接続する金属層２２を形成する。図８（ａ）のように、圧電層１４の下面、金属層２２および下部電極１２を基板１０上に接合する。これにより、単結晶の圧電層１４のように、基板１０上に形成が難しい圧電層１４を基板１０上に形成できる。
［実施例１の変形例２］
図９は、実施例１の変形例２に係る圧電薄膜共振器の断面図である。図９に示すように、凹部２０の側面は傾斜しており、凹部２０は基板１０側が基板１０の反対側より幅が広い。孔２４の側面は傾斜しており、孔２４は基板１０側が基板１０の反対側より幅が狭い。その他の構成は実施例１と同じであり説明を省略する。
図９は、実施例１の変形例２に係る圧電薄膜共振器の断面図である。図９に示すように、凹部２０の側面は傾斜しており、凹部２０は基板１０側が基板１０の反対側より幅が広い。孔２４の側面は傾斜しており、孔２４は基板１０側が基板１０の反対側より幅が狭い。その他の構成は実施例１と同じであり説明を省略する。
［実施例１の変形例２の製造方法］
図１０（ａ）から図１０（ｃ）は、実施例１の変形例２の製造方法を示す断面図である。図１０（ａ）に示すように、圧電層１４に凹部２０を形成する。エッチング法を用い圧電層１４に凹部２０を形成すると凹部２０の側面が傾斜することがある。例えば単結晶タンタル酸リチウムおよび単結晶ニオブ酸リチウム基板はＲＩＥ（Reactive Ion Etching）によるエッチングが難しいためイオンミリング法を用いる。この場合、圧電層１４の表面に対する凹部２０の側面の角度θは例えば略４５°となる。
図１０（ａ）から図１０（ｃ）は、実施例１の変形例２の製造方法を示す断面図である。図１０（ａ）に示すように、圧電層１４に凹部２０を形成する。エッチング法を用い圧電層１４に凹部２０を形成すると凹部２０の側面が傾斜することがある。例えば単結晶タンタル酸リチウムおよび単結晶ニオブ酸リチウム基板はＲＩＥ（Reactive Ion Etching）によるエッチングが難しいためイオンミリング法を用いる。この場合、圧電層１４の表面に対する凹部２０の側面の角度θは例えば略４５°となる。
図１０（ｂ）に示すように、図２（ｂ）から図２（ｄ）と同様に積層体３８を形成する。図１０（ｃ）に示すように、図３（ａ）から図３（ｃ）と同様の構成を行った後、圧電層１４に孔２４を形成する。孔２４は凹部２０と同様に傾斜する。圧電層１４の表面に対する孔２４の側面の角度θは例えば略４５°となる。孔２４の上面の幅はＷ１である。その後、図４（ｂ）および図４（ｃ）の工程を行う。これにより、実施例１の変形例２に係る圧電薄膜共振器が製造される。
［比較例２］
図１０（ｄ）は、比較例２に係る圧電薄膜共振器の製造方法を示す断面図である。図１０（ｄ）に示すように、金属層２２が設けられていないときに、圧電層１４に孔２４を形成する。圧電層１４の表面に対する孔２４の側面の角度θが４５°程度の場合、孔２４の上面の幅Ｗ１が広くなってしまう。これにより、圧電薄膜共振器が大型化する。
図１０（ｄ）は、比較例２に係る圧電薄膜共振器の製造方法を示す断面図である。図１０（ｄ）に示すように、金属層２２が設けられていないときに、圧電層１４に孔２４を形成する。圧電層１４の表面に対する孔２４の側面の角度θが４５°程度の場合、孔２４の上面の幅Ｗ１が広くなってしまう。これにより、圧電薄膜共振器が大型化する。
孔２４の側面が、孔２４の下部電極１２側の幅が下部電極１２と反対側の幅より小さくなるように形成されているとき、実施例１の変形例２のように金属層２２を設ける。これにより、孔２４の深さを浅くできるため、角度θが同じでも比較例２に比べ孔２４の幅Ｗ１を小さくできる。よって、圧電薄膜共振器を小型化できる。
金属層２２を設けることで幅Ｗ１を狭くする効果を得る観点から、角度θは８０°以下が好ましく、６０°以下がより好ましい。角度θが小さいと金属層２２を設けても孔２４の幅Ｗ１が広くなってしまう。この観点から角度θは１０°以上が好ましく、３０°以上がより好ましい。凹部２０の側面の角度と孔２４の側面の角度が略同じ場合、凹部２０の深さと孔２４の深さが略等しいときに幅Ｗ１が最も小さくなる。この観点から、金属層２２の厚さは圧電層１４の厚さの０．２倍以上かつ０．８倍以下が好ましく、０．３倍以上かつ０．７倍以下がより好ましい。
［実施例１の変形例３］
図１１（ａ）は、実施例１の変形例３に係る圧電薄膜共振器の平面図、図１１（ｂ）および図１１（ｃ）は、それぞれ図１１（ａ）のＡ－Ａ断面図およびＢ－Ｂ断面図である。
図１１（ａ）は、実施例１の変形例３に係る圧電薄膜共振器の平面図、図１１（ｂ）および図１１（ｃ）は、それぞれ図１１（ａ）のＡ－Ａ断面図およびＢ－Ｂ断面図である。
図１１（ａ）から図１１（ｃ）に示すように、空隙３０は絶縁層１８の上部に設けられ、基板１０には設けられていない。共振領域５０の＋Ｙ方向および－Ｙ方向に圧電層１４を貫通する孔３４が設けられている。孔３４は空隙３０に通じている。その他の構成は実施例１と同じであり説明を省略する。
［実施例１の変形例３の製造方法］
図１２（ａ）から図１３（ｃ）は、実施例１の変形例３に係る圧電薄膜共振器の製造方法を示す断面図である。図１２（ａ）に示すように、図２（ａ）から図２（ｃ）と同様に、圧電層１４の凹部２０に金属層２２を埋め込み、圧電層１４の上面および金属層２２の上面に下部電極１２を形成する。
図１２（ａ）から図１３（ｃ）は、実施例１の変形例３に係る圧電薄膜共振器の製造方法を示す断面図である。図１２（ａ）に示すように、図２（ａ）から図２（ｃ）と同様に、圧電層１４の凹部２０に金属層２２を埋め込み、圧電層１４の上面および金属層２２の上面に下部電極１２を形成する。
図１２（ｂ）に示すように、圧電層１４および下部電極１２上に犠牲層３２を形成する。犠牲層３２は、例えば、酸化マグネシウム、酸化亜鉛、ゲルマニウムまたは酸化シリコン等であり、例えば真空蒸着法、スパッタリング法またはＣＶＤ法を用い形成する。フォトリソグラフィ法およびエッチング法を用い犠牲層３２をパターニングする。
図１２（ｃ）に示すように、圧電層１４、下部電極１２および犠牲層３２上に、図２（ｄ）と同様に絶縁層１８を形成する。絶縁層１８の上面を平坦化する。これにより、積層体３８が形成される。
図１３（ａ）に示すように、積層体３８の上下を逆にし、絶縁層１８の下面を基板１０上に接合する。接合方法は図３（ａ）と同様である。図１３（ｂ）に示すように、図３（ｃ）から図４（ｂ）と同様の工程を行う。図１３（ｃ）に示すように、孔２４からエッチング液を導入することで犠牲層３２を除去し、空隙３０を形成する。犠牲層３２のエッチングには、下部電極１２、圧電層１４および絶縁層１８等をエッチングしないエッチング液を用いる。これにより、実施例１の変形例３に係る圧電薄膜共振器が製造される。
実施例１の変形例３のように、実施例１およびその変形例１および２において、絶縁層１８の上面または基板１０の上面に凹部を設け、凹部を空隙３０としてもよい。
［実施例１の変形例４］
図１４は、実施例１の変形例４に係る圧電薄膜共振器の断面図である。空隙３０の代わりに音響反射膜３１が設けられている。音響反射膜３１では、音響インピーダンスの低い膜３１ａと音響インピーダンスの高い膜３１ｂとが交互に設けられている。膜３１ａおよび３１ｂの膜厚は例えばそれぞれほぼλ／４（λは弾性波の波長）である。これにより、音響反射膜３１は弾性波を反射する。膜３１ａと膜３１ｂの積層数は任意に設定できる。音響反射膜３１は、音響特性の異なる少なくとも２種類の層が間隔をあけて積層されていればよい。また、基板１０が音響反射膜３１の音響特性の異なる少なくとも２種類の層のうちの１層であってもよい。例えば、音響反射膜３１は、基板１０中に音響インピーダンスの異なる膜が一層設けられている構成でもよい。その他の構成は実施例１と同じであり説明を省略する。
図１４は、実施例１の変形例４に係る圧電薄膜共振器の断面図である。空隙３０の代わりに音響反射膜３１が設けられている。音響反射膜３１では、音響インピーダンスの低い膜３１ａと音響インピーダンスの高い膜３１ｂとが交互に設けられている。膜３１ａおよび３１ｂの膜厚は例えばそれぞれほぼλ／４（λは弾性波の波長）である。これにより、音響反射膜３１は弾性波を反射する。膜３１ａと膜３１ｂの積層数は任意に設定できる。音響反射膜３１は、音響特性の異なる少なくとも２種類の層が間隔をあけて積層されていればよい。また、基板１０が音響反射膜３１の音響特性の異なる少なくとも２種類の層のうちの１層であってもよい。例えば、音響反射膜３１は、基板１０中に音響インピーダンスの異なる膜が一層設けられている構成でもよい。その他の構成は実施例１と同じであり説明を省略する。
実施例１の変形例４のように、実施例１およびその変形例１から３の空隙３０を音響反射膜３１としてもよい。実施例１およびその変形例１から３のように、圧電薄膜共振器は下部電極１２下に空隙３０が設けられるＦＢＡＲでもよい。実施例１の変形例４のように、圧電薄膜共振器は下部電極１２下に弾性波反射する音響反射膜３１が設けられるＳＭＲでもよい。
実施例１およびその変形例では、共振領域５０の平面形状が略矩形の例を説明したが、共振領域５０は略楕円形状でもよいし、多角形状でもよい。
実施例２は、実施例１およびその変形例の圧電薄膜共振器を用いたフィルタおよびデュプレクサの例である。図１５（ａ）は、実施例２に係るフィルタの回路図である。図１５（ａ）に示すように、入力端子Ｔｉｎと出力端子Ｔｏｕｔとの間に、１または複数の直列共振器Ｓ１からＳ４が直列に接続されている。入力端子Ｔｉｎと出力端子Ｔｏｕｔとの間に、１または複数の並列共振器Ｐ１からＰ４が並列に接続されている。１または複数の直列共振器Ｓ１からＳ４および１または複数の並列共振器Ｐ１からＰ４の少なくとも１つの共振器に実施例１およびその変形例の圧電薄膜共振器を用いることができる。ラダー型フィルタの共振器の個数等は適宜設定できる。
図１５（ｂ）は、実施例２の変形例１に係るデュプレクサの回路図である。図１５（ｂ）に示すように、共通端子Ａｎｔと送信端子Ｔｘとの間に送信フィルタ４０が接続されている。共通端子Ａｎｔと受信端子Ｒｘとの間に受信フィルタ４２が接続されている。送信フィルタ４０は、送信端子Ｔｘから入力された信号のうち送信帯域の信号を送信信号として共通端子Ａｎｔに通過させ、他の周波数の信号を抑圧する。受信フィルタ４２は、共通端子Ａｎｔから入力された信号のうち受信帯域の信号を受信信号として受信端子Ｒｘに通過させ、他の周波数の信号を抑圧する。送信フィルタ４０および受信フィルタ４２の少なくとも一方を実施例２のフィルタとすることができる。
マルチプレクサとしてデュプレクサを例に説明したがトリプレクサまたはクワッドプレクサでもよい。
実施例１およびその変形例では、圧電デバイスの例として、圧電薄膜共振器について説明した。圧電デバイスは、弾性波デバイス以外に例えばＬａｍｂ波デバイス、アクチュエータおよびセンサ等でもよい。アクチュエータとしては、例えばインクジェットを用いたマイクロポンプ、ＲＦ（Radio Frequency）－ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）、および光ミラーである。センサは、例えば加速度センサ、ジャイロセンサ、およびエナジーハーベストセンサである。下部電極１２の下に別の圧電層が設けられていてもよい。
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 圧電層
１６ 上部電極
１８ 絶縁層
２０、２１ 凹部
２２、２６、２８ 金属層
２４ 孔
３０ 空隙
３１ 音響反射膜
３２ 犠牲層
３８ 積層体
４０ 送信フィルタ
４２ 受信フィルタ
５０ 共振領域
５２、５４ 引き出し領域
１２ 下部電極
１４ 圧電層
１６ 上部電極
１８ 絶縁層
２０、２１ 凹部
２２、２６、２８ 金属層
２４ 孔
３０ 空隙
３１ 音響反射膜
３２ 犠牲層
３８ 積層体
４０ 送信フィルタ
４２ 受信フィルタ
５０ 共振領域
５２、５４ 引き出し領域
Claims (8)
- 下部電極と、
前記下部電極上に設けられ、前記下部電極側の面に設けられた凹部と前記凹部から前記下部電極と反対側に通じる孔とを有する単結晶の圧電層と、
前記凹部および前記孔のうち前記凹部にのみ設けられ前記下部電極と接触する金属層と、
前記圧電層上に設けられ、前記圧電層の一部を挟み前記下部電極と重なる上部電極と、
を備える圧電デバイス。 - 前記孔の側面は、前記孔において前記金属層側の幅が前記金属層の反対側の幅より小さい請求項１に記載の圧電デバイス。
- 前記金属層は前記下部電極と前記上部電極とが重なる領域以外に設けられている請求項１または２に記載の圧電デバイス。
- 前記圧電層上に設けられ、前記孔を介し前記金属層または前記下部電極に接触する配線をさらに備える請求項１から３いずれか一項に記載の圧電デバイス。
- 前記圧電デバイスは圧電薄膜共振器である請求項１から４のいずれか一項に記載の圧電デバイス。
- 前記圧電層は、単結晶タンタル酸リチウム基板、単結晶ニオブ酸リチウム基板または単結晶水晶基板である請求項５に記載の圧電デバイス。
- 下部電極と、前記下部電極と平面視において重なり前記下部電極と電気的に接続された金属層と、前記下部電極および前記金属層上に前記金属層に接触して設けられた単結晶の圧電層と、を有する積層体の前記圧電層を前記圧電層上からエッチングすることで前記圧電層を貫通する孔を平面視において前記金属層に重なって形成する工程と、
前記圧電層上に前記下部電極と平面視において重なる上部電極を形成する工程と、を含み、
前記積層体において、前記金属層は、前記圧電層の前記下部電極側の面に設けられた凹部内に少なくとも一部が設けられる圧電デバイスの製造方法。 - 単結晶の圧電層の一方の面に形成された凹部内に前記圧電層に接触する金属層の少なくとも一部を形成する工程と、
前記圧電層の前記面に、前記金属層と平面視において重なり前記金属層に接触して電気的に接続された下部電極を形成する工程と、
前記圧電層の前記面および前記下部電極を基板上に接合する工程と、
前記圧電層を前記圧電層上からエッチングすることで前記圧電層を貫通する孔を平面視において前記金属層に重なって形成する工程と、
前記圧電層上に前記下部電極と平面視において重なる上部電極を形成する工程と、
を含む圧電デバイスの製造方法。
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