JPS6068706A - 圧電薄膜共振子の製造方法 - Google Patents

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】 〔発明の属する技術分野〕 本発明は、圧電薄膜共振子の製造方法に関し、特に半導
体結晶基板を使用した圧電薄膜共振子の製造方法に関す
る。

〔発明の技術的背景とその問題点〕

近年、材料技術や加工技術の進歩に伴ないα子部品の集
積化が進み、その集積度も犬規（莫なものとなっている
。

しかしながら共振子やフィルタ等受動部品についての集
積化は遅れでおり、通信機器あるいはＯＡ機器等の応用
分野において、ｖ■ＩＦあるいはＵＨＦ帯域で使用可能
な小型の共低子の出現が望まれている。

従来、共振子やフィルタとして水晶等の圧電基板の厚み
縦振動を利用したものが実用化され数多く使用されてい
る。ところが、この圧電基板の基本厚み振動を利用した
素子は、加工技術上及び圧電基板の機械的強度の制約か
ら圧電基板の厚みをせいぜい数十μｍ程度とするにとど
まり、したがつて利用可能な共振周波数も数＋ｌ’１４
Ｈｚが殆んど限界となっていた。そ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となる
が、高次になると励振効率や尖鋭度Ｑが低下するため使
用しにくく実用的でなかった。

これに対し、最近、厚み振動等の基本モードあるいは比
較的低次のオーバトーンで動作する超小型のＶＨＦ’、
ＵＨＦＨＦ帯域用圧電子捩子現を０指して、半導体結晶
基板を使用した圧電薄膜共振子が研究されている。例え
ば、１９８０年Ｉ　ＢＦｌｔＨ学会の超音波シンポジウ
ムにおける論文集あるいは、１９８３年第１２回ＦｉＭ
ンンボジウムにおける論文集等において発表されており
、第１図ないし第２の斜視図であり、第２図はその構成
を示すものでＡ　−Ａ’における断面図である。ここで
、中央部が薄肉の振動子支持体ｉは、シリコン（Ｓり基
板１とその両面に積層した酸化シリコン（８ｉ　０ｘ　
）薄膜２から成る。その酸化シリコン（ＳｉＯ２）　薄
ＰＩＸ　２　（Ｄ上に第１の電極３が形成されている。

第１の電極３の上に酸化亜鉛（ＺｎＯ）圧電膜４が形成
され、さらに、圧電膜４の上に第２の電極５が形成され
ている０ この圧電薄膜共振子は、従来のバルク波共振子に比べ、
次の様な特徴を持っている。即ち、■１００ＭＨｚ〜数
ＧＩ（ｚの周波数帯において基本モードあるいは低次モ
ードで動作する。■電気機械結合係数Ｋｔが大きく広帯
域化が計れる。■圧電膜と異符号の温度係数をもつ酸化
シリコン（Ｓｉｎ２）膜との組合せにより零温度係数が
得られる。■共振子の超小型化が可能である。■共振子
の製作工程が一般的な集積回路とコンパチブルであるた
め、集積回路内に組込むことが可能である。■従来のバ
ルク波共振子のように、例えば板ばね等で支持する必要
がなく使い易い。

等である。

一般に、第１図に示すような圧電薄膜共振子の振動モー
ドは、圧電膜４で励振された音波が非圧電膜である酸化
シリコン（８ｉ０１）薄膜２中に伝播し、酸化シリコン
（Ｓｉｎ、）薄膜面で反射して、圧電膜４と酸化シリコ
ン（Ｓｉｎ、）薄膜２の間に定在波の生ずる厚み縦振動
モードである。このことから、酸化シリコン（８ｉ０．
）薄膜２の表面は平行かつ滑らかであることが必要であ
る。

ところが、従来の製造工程においては、酸化シリコン（
８ｉ０．）薄膜２をマスクとして利用しシリコン（Ｓｉ
）基板ｌを、ピロカテコールＣ６Ｈ４（ＯＨ）２　。

ｘ　−１−し７ジアミ７　ＮＨ，（Ｃ１ｌ、　）、　Ｎ
ｔ工、　、及び水Ｈ，Ｏの混合から成るＰＥＤ液により
異方性エツチングしている為、中央部が薄肉の振動子支
持体止の酸化シリコン（８ｉ０．）薄膜２も少なからず
エツチングされてしまうということがあった。即ち、Ｆ
ＥＤ液はシリ：＋７　（８ｉ）基板の（１００）面を約
１５０μｍ／時、酸化シリコン（Ｓｉｎ、）薄膜２を約
ｏ、ｔμｍ／時の割合でエツチングする。このように１
エツチングレートは約１５００と大きく、酸化シリコン
（８ｉ０２）薄膜２はさほど深くはエツチングされない
が、酸化７リコン（８ｔＯ，）薄膜２の表面は荒れて滑
らかさは殆んど失なわれてしまう。この結果共振子とし
ての機能の良さを表わす尖鋭度Ｑが低下してしまうとい
う問題点があった。

〔発明の目的〕

本発明は、高い尖鋭度をもつ圧電薄膜共振子の製造方法
を提供することを目的とする。

〔発明の概要〕

上記目的を達成するために、本発明においてはシリコン
（Ｓり基板の両面にチン化シリコン（ＳｊｓＮｉ）を主
成分とする薄膜を積層し、この薄膜の一方に方形の窓を
開け、その窓を開けた薄膜側からシリコン（Ｓｉ）基鈑
を異方性エツチングし略中央部を薄肉に加工する。さら
に、窓を開けてないチン化クリコン（ＳｊｓＮ４）を主
成分とする薄膜上に酸化シリコン（８ｉ０２）薄膜を槓
鳩し、その上に圧電膜を含む圧電体及び励振用電極を形
成することにより、共振子の振動部分の非圧電体表面を
損傷する虞れのない圧電薄膜共振子のＭ！方法を提供す
る。

〔発明の実施例〕

以下、本発明の一実施例について、図面を参照して説明
する。

第３図は、本発明に係る圧電薄膜共振子の製造工程を示
す説明図である。

最初に、第３図ａに示す如く、ミラー指数（１００）な
るシリコン（Ｓり基板１ｏの両面にチン化シリコン（Ｓ
ｉ３Ｎ４）を主成分とする薄膜（以下、［チン化シリコ
ン（Ｓｉ３Ｎ＜）系薄膜」という。）１１を積層する。

チン化シリコン（Ｓｉ３Ｎ４）　糸導ＦＩＸ１１は熱的
にも化学的にも極めて安定なので、数千へ穆度の厚さで
十分であり、その積層工程は例えばＣＶ　Ｄ　（ＣＩ＋
ｅｍｉｃａｌ　Ｖａｐｏｒ　Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法
によることができる。

次に、第３図すに示す如く、チン化シリコン（８ｉａＮ
ｉ）系薄膜１１（７）上Ｋ、Ｍ化シ’Ｊ　：ｊ　７　（
８ｆＯｎ）を主成分とする薄膜（以下、［酸化ンリコイ
Ｓｉｎ、）系薄膜」という。）１２全潰層する。この薄
膜１２は、例えばＳｉｎ、にリンにドーグしたＰＳＧ（
Ｐｂｏｓｐｈｏ　５ｉｌｉｃａｔｅ　Ｇｌａｓｓ　）や
Ｓｉｎ、にボ０７とリンをドープしりＢ　Ｐ　Ｓ　Ｇ　
（Ｂｏｒｏ　ＰｌｔＯｓｐｈｏ　Ｓｉ　ｌ　ｊｃａｔｅ
Ｇｌａｓｓ）とすることができる。さらに、酸化シリコ
ン（Ｓｉｎｇ）だけで積層することもできる。この積層
工程はＲＦマグネトロンスパッタ法によるのが望ましい
。

これは、凡Ｆマグネトロンスパッタ法によれば、シリコ
ン（ＳｉＯｚ）系薄膜１２形成の速度が速く、しかも緻
密で滑らかな膜が形成できるからである。

酸化シリコン（Ｓｉｎ、）糸導１１Ｊ　ｌ　２は非圧酸
体であるが、係る圧電薄膜共振子の振動部分の一部を構
成する。

従って、その厚さは所望の共振周波数や温度係数の補正
範囲あるいは機械的強度から定まり、例えば数μｍ〜数
十μｍの範囲で形成される。

次に、一方のチン化シリコン（８１ｓＮｉ）　系薄膜１
１に方形の窓１３を開ける（第３図Ｃ）。この方形の窓
１３は後に行う７リコ：／　（Ｓｉ）基板１０の加工の
際に例えばマスクとして使用するものである。この窓１
３の加工は、例えばリン酸（Ｈ３ＰＯ４）を用いたエツ
チングにより行うことができる。

尚、この窓１３の大きさは、所望の共振周波数等から決
定した圧電薄膜共振子の圧電体１６を主とする振動部分
の大きさを考慮して決定する。

その後、シリコン（Ｓｉ）基板１０を、例えばピロカテ
コールＣｍ　Ｈ４（ＯＨ）２．エチレンジアミンＮＨ。

（ＣＨ＊　）ｚ　ＮＨｚ　、及び水Ｈ２０の混合から成
るＰＥＤ液により異方性エツチングを行ない、略中央部
を薄肉に加工する（第３図ｄ）。このとき、７リコｙ　
（Ｓｉ）基板１０を異方性エツチングしてもチン化シリ
コン（Ｓｉ３Ｎ４）糸導ｆｌａｉｌでエツチングは停止
する為、酸化シリコン（８ｉ０ｚ）系薄膜１２は何ら損
傷を受けることがない。

続いて、第３図ｅに示す如く、酸化シリコン（８ｉ０り
光薄膜１２上に第１の成極１５を、該第１の電極１５の
上に圧電膜を含む圧電体１６を、さら忙該圧電体１６上
に第２の電極１７をそれぞれ形成することにより圧電薄
膜共振子が得られる。

ここで、第１の成極１５は例えばｋｌ、Ｃｒ−人Ｕある
いはＴｉ−Ａｕ等を電極材料とし、フォトリソグラフィ
やリフトオフ法あるいは金属マスク法等の手法を用い、
真空蒸着等により形成する。また、圧電体１６の圧ｆｌ
Ｌ膜は、所望する共振周波数や弾性スティフネスに刻す
る温度係数を考慮して材質決定されるが、酸化亜鉛（Ｚ
ｎＯ）　、チン化アルミニウム（Ａｊ！Ｎ）　、硫化カ
ドミユウム（ＣａＳ）　等が使用される。また、共振特
性から圧電膜と誘電体膜の組合せによる多層構造とする
こともできる。

さらに、第２の電極１７は、第１の電極１５と同じ材質
でよいが、全域マスクを用いて真空蒸着法により形成す
るのが望ましい。これは、フォトリングラフィの手法に
よれば、圧電体１６の表面を損傷する虞れがあるからで
ある。

尚、本発明に係る製造方法においては各工程全てを必ず
しも順序だてて行なう必要はない。例えば、シリコン（
Ｓり基板１０の両面にチン化シリコｙ　（８ｉ３Ｎ４　
）系薄膜１１を積層形成（第３図ａ）した後、該チン化
シリコン（Ｓｉ３Ｎ４　）系薄膜１１に窓１３を開け（
第３図ｂ′）、シリコン（Ｓｉ）基板１０を異方性エツ
チング加工しくＷ、３図Ｃ′）、その後窓１３を開けて
ないチン化シリコン（Ｓｉ３Ｎ４）系薄膜１１の上に酸
化シリコン（８ｊＯｚ）系薄膜１２を形成（第３図ｄ′
）シてもよい。

また、上述した工程では、振動子支持体Ｕの最下層はチ
ン化シリコン（Ｓ’５ＮＱ）系薄膜１１となる（第３図
ｅ）が、このチン化シリコン（８ｉ３Ｎ４）系薄膜１１
が酸化シリコン（ＳｉＯｚ）系薄膜１２及び圧電体１６
に対して極めて薄い場合には、振動モードに対する影響
は小さく殆んど無視することができる。仮にチン化シリ
コン（ＳｊｓＮ４）系薄膜１１が比較的厚く、その振動
モードに対する影響を無視できない場合には、該薄膜１
１をリン酸（ＨａＰＯ４）　でエツチングして除去する
ことができる（第３図ｄ、ｅ）。この場合、酸化７リコ
ン（Ｓｊ０２）糸導１ｔｆ　１２１ｄ　リフ酸ＣＨｓＰ
Ｏ＊　）　Ｋ　Ｌツテはエツチングされないため、酸化
シリコン（８ｉ０．　）系薄膜１２は損傷を受けること
がなく該薄膜１２表面の滑らかさは保たれる。

〔発明の効果〕

本発明によれば、シリコン（Ｓり基板の略中央部を薄肉
に異方性エツチング加工する際、チン化シリコン（Ｓｊ
ｓＮｉ）系薄膜面で丁度エツチングが停止するので、共
振子の振動部分である酸化シリコン（８ｉ０．）系薄膜
を損傷することなく尖鋭度Ｑの高い圧電薄膜共振子を製
造することができる。また、エツチング時間の正確な制
御が不必要となり略中央部が薄肉の振動子支持体の製作
が容易となる。

【図面の簡単な説明】

８１図は従来の圧電薄膜共振子を示す斜視図、第２図は
従来の圧電薄膜共振子の構成を示すものでＡ−Ａにおけ
る断面図、第３図は本発明の一実施例に係る製造工程を
示す説明図である。 ■、１０・・・・シリコン（Ｓｉ）基板２・・・酸化シ
リコン（８ｉ０．）薄膜３．１５・・・第１の電極　４
・・・・圧電膜５．１７・・・第２の電極　１６・・・
圧電体１１・・・チン化シリコン（Ｓｊ３Ｎ４）を主成
分とする薄膜１２・・・酸化シリコン（Ｓｉｎりを主成
分とする薄膜代理人　弁理士　則　近　憲　佑　（ほか
１名）第１図 第　２　図 第　３　図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. シリコン（Ｓｉ）基板の両面にチン化シリコン（Ｓｉ３
   Ｎ４）を主成分とする薄膜を積層する工程と、前記シリ
   コン（Ｓｌ）基板に積層した一方の面のチン化シリコン
   （８ｉ、Ｎ４）を主成分とする薄膜に方形の窓を開ける
   工程と、前記方形の窓を開けたチン化シリコン（８！ｓ
   Ｎ＜）を主成分とする薄膜側から、前記シリコン（Ｓｉ
   ）基板を異方性エツチングし中央部を町肉に加工する工
   程と、前記シリコン（Ｓｉ）基板の中央部を薄肉に加工
   後又は加工前に、方形の窓を開けていないチン化シリコ
   ン（８ｊＳＮ４）を主成分とする薄膜上に重ねて酸化シ
   リコン（Ｓｉｎ、）を主成分とする薄膜を積層する工程
   と、前記酸化シリコン（Ｓｉｎりを主成分とする薄膜上
   に、少なくとも圧電＃を含む圧電体を形成する工程と、
   前記圧電体を励振させる電極を形成する工程とから成る
   圧電薄膜共振子の製造方法。