JPH04363904A

JPH04363904A - 圧電薄膜共振子

Info

Publication number: JPH04363904A
Application number: JP16526791A
Authority: JP
Inventors: Hisataka Fujii; 藤井　壽崇; Atsushi Kashima; 加島　篤; Kazuhiro Fujii; 一宏藤井; Iwao Okamoto; 巌岡本; Hiroyuki Futai; 裕之二井
Original assignee: Ube Industries Ltd
Current assignee: Ube Corp
Priority date: 1991-06-11
Filing date: 1991-06-11
Publication date: 1992-12-16

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、アモルファス強誘電体
薄膜を用いた圧電薄膜共振子に関する。

【０００２】

【従来の技術およびその問題点】近年、材料技術や加工
技術の進歩にともない半導体素子の高密度集積化が推し
進められている。しかしながら、高周波帯の受動部品特
に共振子やフィルタ等の共振回路部品は半導体素子に比
べて小型化の開発が立ち遅れているのが実情である。こ
のため、無線通信器やニューメディア関連機器等の応用
分野において、ＶＨＦ帯およびＵＨＦ帯域で半導体素子
との集積化が可能な小型受動部品の開発が強く望まれて
いる。従来、数ＭＨｚ〜十数ＭＨｚの比較的低い周波数
帯では共振子やフィルタとして水晶やチタン酸鉛系セラ
ミックス等の圧電基板を用い、その厚み振動を利用した
振動子が実用化され数多く使用されている。この振動子
は長さ、幅または厚み等の幾何学的形状により共振周波
数が決まる。ところが、このような圧電基板は機械的強
度および加工上の制約を受けるため、単なる機械的研磨
法では基板の厚みが数十μｍ程度にとどまり、したがっ
てその基板の基本周波数は高々数十ＭＨｚ程度が限界と
なっていた。そこで、これ以上の周波数を必要とする場
合には高次厚み振動を利用することになるが、この場合
の電気機械結合定数は次数の二乗に反比例するため、極
端に小さくなるので容量比が増大し、またスプリアス共
振が所望の共振点に近い位置にくるため、広帯域共振子
フィルタや電圧制御発振器用広帯域発振子の実現が難し
く実用的ではなかった。

【０００３】これに対し、最近厚み振動の基本モードあ
るいは比較的低次のオーバートーンで動作する超小型の
ＶＨＦ、ＵＨＦ帯共振子の実現を目指して圧電薄膜を用
いた共振子が研究されており、ＺｎＯ　、ＡｌＮ　、Ｎ
ｂ２Ｏ５　、ＰｂＴｉＯ３、Ｔａ２Ｏ５　等の物質を結
晶化し、圧電薄膜として用いる試みがなされている。し
かし、多結晶圧電体膜を用いた場合粒界の存在により、
機械的疲労破壊や粒界による弾性波の散乱、さらに微細
化に対する限界等の問題があり、耐久性、性能や微細化
の点で課題が残っていた。これに対し粒界のない単結晶
圧電体膜を用いる方策が考えられるが、単結晶膜の製作
にはバイアススパッタ法や原子層エピタキシャル法ある
いは分子線エピタキシャル法を用いる必要があるために
製膜に多大の時間、コストを必要とする。すなわち、従
来圧電性薄膜として用いられているＺｎＯ　圧電薄膜に
ついては、塩嵜忠監修：新圧電材料の製造と応用（　シ
ーエムシー　：１９８７年）　３３頁によればＣ軸配向
多結晶圧電薄膜であればガラス基板上に作成できるが、
ＺｎＯ　単結晶圧電薄膜を得るためにはマグネトロンス
パッタ法を用いてＡｌ２Ｏ３　（０１１２）基板上に堆
積させることが必要であることが述べられている。また
、ＡｌＮ　については日本学術振興会薄膜第１３１　委
員会編：薄膜ハンドブック（　オーム社　：１９８３年
）５２９頁によれば、マグネトロンスパッタ法によりガ
ラス基板上にＣ軸配向多結晶膜が得られるが、ＡｌＮ　
単結晶薄膜を得るためにはＡｌ２Ｏ３　（０００１）基
板が必要であることが示されている。このように単結晶
圧電薄膜を得るためには特別な基板を用いる必要があり
、多大なコストを必要とする。このため圧電薄膜を用い
たデバイスの実用化は困難であり、半導体素子との集積
化も事実上不可能であった。

【０００４】さらに現在薄膜化の検討が盛んになされて
いる強誘電体ＰｂＴｉＯ３については、Ｊａｐａｎｅｓ
ｅ　Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ａｐｐｌｉｅｄ　Ｐｈｙｓ
ｉｃｓ　Ｖｏｌ．２４（１９８５）Ｓｕｐｐｌｅｍｅｎ
ｔ２４−２，ｐｐ．４０４−４０６によれば、ＲＦスパ
ッタリング法によりＰｂＴｉＯ３強誘電性多結晶薄膜を
形成するためには製膜後５２０　℃以上の温度で薄膜に
熱処理を施すことが必要であると述べられている。また
、Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｖａｃｕｕｍ　Ｓｃｉｅｎｃ
ｅ　ａｎｄ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　Ｖｏｌ．Ａ８（３
）（１９９０）ｐｐ．１３８２−１３９０によればＰｂ
ＴｉＯ３単結晶強誘電体膜を得るためにＲＦマグネトロ
ンスパッタリング法による製膜において製膜中下地温度
を５５０　〜６００　℃に保持し、さらに、単結晶膜の
成長を促すために（１００）ＭｇＯ単結晶基板上に　（
１００）配向したＰｔ薄膜を下地として必要とする。こ
のように単結晶の強誘電体薄膜を得るためには基板に特
別なものを用いるのみならず、高温プロセスが必要であ
る。このため強誘電体薄膜を用いたデバイスとしては高
温プロセスで破壊されてしまう半導体素子との集積化は
不可能であった。

【０００５】

【発明の目的】本発明は、かかる従来技術の課題を解決
し、粒界がないため機械的強度が高く耐久性に優れた強
誘電体膜を用いた圧電薄膜共振子を、低温プロセスで提
供することを目的とする。

【０００６】

【問題を解決するための手段】本発明は、基板と、この
基板との間に空隙層が形成されるように橋形状に設けら
れた第１の誘電体膜上に、アモルファス強誘電体薄膜を
挟んで一部が対向する下部電極と上部電極とを備えた圧
電薄膜領域を設けて成ることを特徴とする圧電薄膜共振
子に関する。本発明におけるアモルファス強誘電体薄膜
は、真空蒸着法、スパッタリング法などの製膜手段を用
いて基板上に、基板温度を５００℃以下に保持しながら
非晶質の薄膜として作製し、作製したそのままの状態か
、あるいは５００℃以下の温度で熱処理を施すことによ
って得られる。アモルファス強誘電体薄膜としては、前
記製法により得られるものであれば、特に制限はないが
、例えば、Ｆｅ２Ｏ３−Ｂｉ２Ｏ３−ＡＢＯ３（ペロブ
スカイト型化合物）を主成分とした三元酸化物系薄膜が
挙げられる。ＡＢＯ３はＰｂＴｉＯ３，　ＰｂＺｒＯ３
，　ＢａＴｉＯ３などの強誘電性、反強誘電性材料であ
る。本発明のアモルファス強誘電体薄膜は、アモルファ
ス構造を有するために結晶粒界が存在しない。これによ
り、素子の微細化が可能であり、また多結晶強誘電体膜
の場合に生じる粒界からの機械的疲労破壊や粒界による
弾性波の散乱を回避できる。さらに、アモルファス強誘
電体薄膜は強誘電特性の発現のために５００℃以上の温
度を薄膜の形成プロセスあるいは形成後の熱処理におい
て必要としないため、半導体素子との集積化が可能な作
製条件で、耐久性に優れた圧電薄膜共振子を形成できる
。

【０００７】

【実施例】

実施例１以下、実施例により本発明を記述する。図１　（ａ）お
よび　（ｂ）は本発明の一実施例を示す圧電薄膜共振子
の斜視図および断面図を示すものである。即ち、基板１
上にＳｉＯ２等の誘電体膜２が基板１との間に空隙層３
が形成されるように一部突出して設けられており、該誘
電体膜上には下部電極４および上部電極５に挟まれてＦ
ｅ２Ｏ３−Ｂｉ２Ｏ３−ＰｂＴｉＯ３系薄膜などＲＦス
パッタリング法等により形成したアモルファス強誘電体
膜６が形成されている。このような圧電薄膜共振子は以
下のようにして作製される。まず基板１上に予めスパッ
タリング法やホトエッチング法等の手段を用いて、化学
的に溶解しやすいＺｎＯ　等の空隙形成用物質膜を形成
しておく。その上に空隙形成用物質膜の少なくとも一部
がはみ出すように、ＳｉＯ２等の誘電体膜２を帯状にス
パッタリング法やホトエッチング法等の手段を用いて形
成する。このとき、誘電体膜２は一部が突出した橋形構
造に形成される。次に該誘電体膜２上に下部電極４を真
空蒸着法等の手段を用いて形成し、その上にＦｅ２Ｏ３
−Ｂｉ２Ｏ３−ＰｂＴｉＯ３系薄膜などのアモルファス
強誘電体膜６をＲＦスパッタリング法等により所定の大
きさで形成する。さらに、このアモルファス強誘電体膜
６の上に下部電極４の一部に対向するように上部電極５
を真空蒸着等の手段を用いて形成する。さらに、アモル
ファス強誘電体膜６を覆い、電極のボンディングパッド
部４ａおよび５ａの一部分を除いた誘電体膜２上の領域
に誘電体膜をスパッタリング法等により形成する。最後
に、該誘電体膜を保護層として、これを空隙形成用物質
を溶解するエッチング液（ＺｎＯの場合にはＨＣｌ　等
の希酸液）に浸して、空隙形成用物質を溶解し空隙層３
が形成される。ここで、空隙層３の厚さは、共振子の動
作周波数における振動変位の数倍以上であれば充分であ
るが、製作の容易さから数十ｎｍ〜数μｍ位が望ましい
。

【０００８】なお、アモルファス強誘電体膜６はＦｅ２
Ｏ３−Ｂｉ２Ｏ３−ＰｂＴｉＯ３系薄膜のみならず、Ｐ
ｂＴｉＯ３にかえてＰｂＺｒＯ３、ＢａＴｉＯ３などの
種々の強誘電性、反強誘電性ペロブスカイト材料を用い
てもよい。また、誘電体膜の物質はＳｉＯ２に限られる
ものではなく、Ｓｉ３Ｎ４　、ＳｉＯ２にリンをドープ
したＰＳＧ（Ｐｈｏｓｐｈｏ　Ｓｉｌｉｃａｔｅ　Ｇｌ
ａｓｓ）　、ＳｉＯ２にボロンとリンをドープしたＢＰ
ＳＧ（Ｂｏｒｏ　Ｐｈｏｓｐｈｏ　Ｓｉｌｉｃａｔｅ　
Ｇｌａｓｓ）　等のガラス類でもよく、またアモルファ
ス強誘電体膜の周波数温度係数と逆であれば複数種類の
誘電体膜を重ねた複合膜であってもよい。また、空隙形
成用エッチング液にて容易に溶解できるものであれば金
属、酸化物、半導体、誘電体、高分子材料等の物質を空
隙形成用物質膜として使用することができる。さらに、
下部電極に対して複数個の上部電極をそれぞれ対向しか
つ直交するように配置し、各電極対向部の間の弾性的結
合が無視できる程度に離すか、または各電極対向部の間
に溝や吸音剤を設けるなどして、各対向する上下電極を
独立した共振子として用いる多素子型共振子に構成する
こともできる。

【０００９】本例に引用したアモルファス強誘電体薄膜
は以下に述べる方法で作製した。すなわち、薄膜作製に
はＲＦマグネトロンスパッタリング装置を用い、スパッ
タガスはＡｒ：Ｏ２＝７：３　の混合ガスとした。スパ
ッタリング中は基体を固定している銅製のアノードを水
冷し、製膜中の基板温度を２０〜２５℃に維持した。こ
のようにして作製した薄膜は製膜後熱処理を施すことな
くアモルファス強誘電体膜となった。このアモルファス
強誘電体膜はアモルファスゆえに結晶粒界が存在しない
ため、素子の微細化が可能であり、また多結晶強誘電体
膜の場合に生じる粒界からの機械的疲労破壊や粒界によ
る弾性波の散乱を回避できる等の優れた特長を有してお
り、このアモルファス強誘電体膜を用いることにより、
製膜時には低い基板温度で、また製膜後も５００　℃以
上の高温での熱処理を施すことなしに、さらに特に基板
を指定せずに半導体素子との集積化が可能な作製条件で
、耐久性に優れた圧電薄膜共振子を形成できた。

【００１０】実施例２図２は上記実施例１において空隙を構成する薄膜部の振
動に対する強度を増大させてより良好な共振特性の得ら
れる圧電薄膜共振子の素子構成を示す図である。即ち上
記実施例１と同様に、基板１１上にＳｉＯ２等の誘電体
膜１２が基板１１との間に空隙層１３が形成されるよう
に一部突出して設けられており、該誘電体膜上には下部
電極１４および上部電極１５に挟まれてＦｅ２Ｏ３−Ｂ
ｉ２Ｏ３−ＰｂＴｉＯ３系薄膜などＲＦスパッタリング
法等により形成したアモルファス強誘電体膜１６が形成
されているが、該アモルファス強誘電体膜１６は下部電
極１４のパッド部１４ａ　を除く領域に広く形成されて
いるため、誘電体膜１２および１７に加えてアモルファ
ス強誘電体膜１６をも積層した橋形によって空隙層が形
成されているため、実施例１に示した圧電薄膜共振子に
比較し構造的強度が増大した。

【００１１】図３は上記図２と同様の方法で形成された
フィルタの構成を示すものである。この構造のフィルタ
は、共振子の上部電極を２つに分割した型となっており
、上部電極２１と隣接してもう一方の上部電極２２を設
けたものであり、下部電極２３はＦｅ２Ｏ３−Ｂｉ２Ｏ
３−ＰｂＴｉＯ３系薄膜などＲＦスパッタリング法等に
より形成したアモルファス強誘電体膜２４を挟んで上部
電極２１、２２と共通して一部対向している。即ち下部
電極２３を共通電極として２つの共振子が形成されてい
るわけである。このとき一つの共振子で励振された振動
がアモルファス強誘電体膜２４を伝搬し、隣接するもう
一つの共振子を励振させ、特定の周波数だけが通過する
帯域フィルタとして動作するものである。

【００１２】なお、実施例１でも示したようにアモルフ
ァス強誘電体膜はＦｅ２Ｏ３−Ｂｉ２Ｏ３−ＰｂＴｉＯ
３系薄膜のみならず、ＰｂＴｉＯ３にかえてＰｂＺｒＯ
３、ＢａＴｉＯ３などの種々の強誘電性、反強誘電性ペ
ロブスカイト材料を用いてもよい。また、誘電体膜の物
質はＳｉＯ２に限られるものではなく、Ｓｉ３Ｎ４　、
ＳｉＯ２にリンをドープしたＰＳＧ（Ｐｈｏｓｐｈｏ　
Ｓｉｌｉｃａｔｅ　Ｇｌａｓｓ）　、ＳｉＯ２にボロン
とリンをドープしたＢＰＳＧ（Ｂｏｒｏ　Ｐｈｏｓｐｈ
ｏ　Ｓｉｌｉｃａｔｅ　Ｇｌａｓｓ）等のガラス類でも
よく、またアモルファス強誘電体膜の周波数温度係数と
逆であれば複数種類の誘電体膜を重ねた複合膜であって
もよい。また、空隙形成用エッチング液にて容易に溶解
できるものであれば金属、酸化物、半導体、誘電体、高
分子材料等の物質を空隙形成用物質膜として使用するこ
とができる。さらに、下部電極に対して複数個の上部電
極をそれぞれ対向しかつ直交するように配置し、各電極
対向部の間の弾性的結合が無視できる程度に離すか、ま
たは各電極対向部の間に溝や吸音剤を設けるなどして、
各対向する上下電極を独立した共振子として用いる多素
子型共振子に構成することもできる。

【００１３】本実施例に引用したアモルファス強誘電体
薄膜は実施例１と同様な方法により作製した。このアモ
ルファス強誘電体膜はアモルファスゆえに結晶粒界が存
在しないため、素子の微細化が可能であり、また多結晶
強誘電体膜の場合に生じる粒界からの機械的疲労破壊や
粒界による弾性波の散乱を回避できる等の優れた特長を
有しており、このアモルファス強誘電体膜を用いること
により、製膜時には低い基板温度で、また製膜後も５０
０　℃以上の高温での熱処理を施すことなしに、さらに
特に基板を指定せずに半導体素子との集積化が可能な作
製条件で、耐久性に優れた圧電薄膜共振子を形成できた
。

【００１４】

【発明の効果】以上の説明により明らかなように、本発
明により粒界がなく弾性波の散乱もなくまた耐久性に優
れた、さらに低温プロセスで作製可能な圧電薄膜共振子
を提供できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１は、本発明の一実施例を説明する圧電薄膜
共振子の斜視図　（ａ）および断面図　（ｂ）である。

【図２】図２は、本発明の一実施例を説明する圧電薄膜
共振子の斜視図　（ａ）および断面図　（ｂ）である。

【図３】図３は、本発明の一実施例を説明する圧電薄膜
共振子の正面図である。

【符号の説明】

１　　　　　　　　基板２　　　　　　　　誘電体膜３　　　　　　　　空隙層４　　　　　　　　下部電極５　　　　　　　　上部電極６　　　　　　　　アモルファス強誘電体膜１１　　　
　　　　　基板１２　　　　　　　　誘電体膜１３　　　　　　　　空隙層１４　　　　　　　　下部電極１５　　　　　　　　上部電極１６　　　　　　　　アモルファス強誘電体膜１７　　
　　　　　　誘電体膜２１、２２　　上部電極２３　　　　　　　　下部電極

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】　　基板と、この基板との間に空隙層が形
成されるように橋形状に設けられた第１の誘電体膜上に
、アモルファス強誘電体薄膜を挟んで一部が対向する下
部電極と上部電極とを備えた圧電薄膜領域を設けて成る
ことを特徴とする圧電薄膜共振子。
【請求項２】　　アモルファス強誘電体薄膜が、製膜手
段を用いて基板上に、基板温度を５００℃以下に保持し
ながら非晶質の薄膜として作製し、作製したそのままの
状態か、あるいは５００℃以下の温度で熱処理すること
によって得られたものであることを特徴とする請求項１
の圧電薄膜共振子。
【請求項３】　　アモルファス強誘電体薄膜が、Ｆｅ２
Ｏ３−Ｂｉ２Ｏ３−ＡＢＯ３（ペロブスカイト型化合物
）を主成分とした三元酸化物系薄膜からなることを特徴
とする請求項１の圧電薄膜共振子。