JPS61127217A - 圧電薄膜共振子 - 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】 〔発明の技術分野〕 この発明はＵＨＦ帯のフィルタや発振子として用いる圧
電薄膜共振子に関するものである。

〔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１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。

これに対して共振器やフィルタ等の受動部品は半導体素
子に比べて小型化の開発が立ち遅れており。

電子通信機器等の分野ｌこおいてはＵ）（Ｆ帯で使用可
能な小型の受動部品の開発が望まれている。

圧電基板の厚み振動を利用した圧電薄膜共振子やフィル
タは長さ、幅または厚み等の幾可学的形状により共振周
波数が決まる。この圧電基板を１００ＭＨｚ以上の周波
数に右いて基本厚み振動モードで動作させるには伝搬軸
方向の長さを数＋μｍ以下に設定しなければならない。

しかしながら、圧電基板は機械的強度および加工上の制
約をうけるために、単なる機椋的研摩法を用いて基板の
厚みを数十μｍ８度に加工することは実現が困難となっ
ている。

この打開策としてプラズマミーリング法等の高度な研摩
技術の利用が検討されているが再現性および量産性が悪
い欠点があり、また基板として水晶等の圧電結晶を用い
るため半導体能動素子と一体化することができなかった
。

これに対して、１９８２年に米国ＩＰ！ＥＥＵＨｒａｓ
ｏｎｉｅ゛８ｙｍｐｓｉｕｍ　Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇ　
８２　ＣＨ１８２３−４で開示されているように、Ｇａ
　Ａｓ等の半導体結晶基板に選択性エツチングにより厚
さ十数μｍ以下の誘電膜または不純物濃度の高い半導体
薄膜を振動板の一部として残し、下部より細い穴を設け
、この上Ｉこ励振用上部電極を金属の蒸着で形成し、さ
らにその上に十数μｍ以下のＺｎＯ、ｋｌＮ等の圧電薄
膜をマグネトロンスパッタ法等により形成し、最上部イ
こ励振用上部電極を蒸着して形成し、振動部全体の厚さ
が数十μｍ以下になるような構造の圧電薄膜共振子の研
究が推し進められている。

この圧電薄膜共振子は通常共振周波数近傍で撮動面内ｆ
ζ対しては電極付加効果による振動エネルギー閉じ込み
を行なっている。

この圧電薄膜共振子の特徴として第１に、厚み縦振動ま
たは厚みすべり振動等の電気機械結合係数が比較的大き
くなる振動モードを用いてフィルタを構成することがで
きるため、周波数帯域幅を広げることができる。第２に
、振動板を共振周波数温度係数がそれぞれ逆符号となる
材料の組合せにより形成すことができるため、振動板全
体として良好な温度特性が得られる。第３に、一般的な
集積回路と同様に写真蝕刻、蒸着などの技術を用いて半
導体ウェファ上に薄膜共振器を形成することができるた
め、トランジスタ等の能動素子との一体化および集積化
が可能となる。

次に、従来のダイヤフラム形複合共振子の構成を第７図
または第８図に示す。

第７図はシリコン基板２１の両面に５ｉＯ１膜２２゜２
３を形成し、その基板裏面の８　ｉｏ、膜２３のほぼ中
央部分を正方形に取り除いたのち、ＳｉＯ，１ｊ２２゜
２３をマスクとしてシリコン基板２１を異方性エツチン
グしてＳｉｎ、膜２２に達する凹部２４を形成する。こ
の凹部２４と対向する５ｉｏ２膜２２上に第１電極２５
を形成したのち、電極２５を含む８１０゜膜２２上Ｉこ
ＺｎＯ圧電薄膜２６を形成し、さらＪζＺｎＯ圧電薄膜
２６の上に第１電極２５と少なくとも一部が対向するよ
うに第２電極２７を形成してダイヤフラム形複合共振器
が作製される。

このダイヤフラム形複合共振器は一対の電極２５゜２７
に電気信号を印加することにより、ＺｎＯ圧電薄膜２６
の圧電効果を利用して、凹部２４上ｆこ位置するｓｔｏ
、模ｚｚとＺｎＯ圧電薄膜２６とからなる複合体膜を振
動させて共振子として動作させるものである。

第８図は８ｉ　基板３１の一方の面から所定量のボロン
をドープしたのち、他方の面から異方性エツチング処理
して表面側に８ｉ薄膜３２が残るように凹部３３を形成
する。このＳｔ基板３１の一方の面１ｃ　Ｓ　＋　０２
　膜３４　＠形成し、上述と同様Ｉｃｒ！！：Ｊ部３３
と対向するＳｉｎ、膜３４上に第１電極３５　、ＺｎＯ
圧電薄膜３６、第２電極３７を順次形成してダイヤフラ
ム形複合共振器が作製される。

上述した各ダイヤフラム形複合共振器に３いて。

ＺｎＯ圧電薄膜２６．３６を所定の大きさに形成する際
、金属マスクを介してスパッタを行なうか、あるいはフ
ォトリングラフィ工程を導入し所望の位置にレジストパ
ターンを形成したのちエツチング液を用いて不用な部分
を溶解して所定の大きさの圧電薄［２６，３６を形成し
ている。この場合、エツチング液として塩酸や強酸の溶
液が用いられているため、　ＺｎＯ圧電膜２６　、３６
の端部が第９図に示すようＩこシリコン基板２１．３１
７こ対して略垂直？こ形成される。

このように、ＺｎＯ圧電膜２６　、３６の端部が鋭角に
形成されると、第２電極２７　、３７を形成する際に第
７図または第８図に示すように第２電極２７．３７を構
成する金属がＺｎＯ圧電膜２６　、３６の端部に形成さ
れにくくなるため、断線を引き起す原因となっている。

これを防止するために第２電極２７．３７の厚みを増す
と振動モードの制御が困難になる。

一方、基板と８　ｉｏ、膜との間の一部に空隙層を設け
、この空隙層の上に第１電極、圧電薄膜、第２電極を順
次形成した空隙形複合共振器がある。この場合も上述と
同様に圧電薄膜を形成する際に塩酸や強酸の溶液をエツ
チング液として用いているため、圧電薄膜の端部が鋭角
に形成されことになる。

しかして、空隙層を形成する最終工程において、圧電薄
膜にレジスト膜を塗布して保護するときに、圧電薄膜の
端部が鋭角に形成されているとレジスト膜が圧電薄膜の
端部で極端に薄くなるために、ピンホールが生じやすく
なり、このピンホールから空隙形成用エツチング液が浸
入して圧電薄膜を溶解してしまうことがある。

〔発明の目的−〕

この発明は上記の問題点を解決するためになされたもの
で、圧電薄膜上に電極を良好に形成することができる圧
電薄膜共振子を提供することを目的とする。

〔発明の概要〕

この発明は圧電薄膜および誘電体薄膜からなる圧電薄膜
共振子において、圧電薄膜の端部が基板面に対して傾斜
角度６０’以下になるようにテーパをかけたことを特徴
とするものである。

〔発明の効果〕

この発明によれば圧電薄膜の端部に電極を良好に形成す
ることができるため、電極の断線率を大幅に改善して製
品の信頼性を高め、かつ歩留りの向上をはかることがで
きる。ちなみに、酢酸を主剤とするエツチング液を用い
て圧電薄膜端部の傾斜角を変化させたときの電極の断線
率を調べたところ、傾斜角９０°で１００％、８０°で
約７０％、６０””ｒ約７％、５５°で約１　％　、５
０°で０．１％程度断線し、４５ｃ１以下ではほとんど
断線しないという結果が得られた。この結果水ら傾斜角
を６０°以下に設定することにより、断線率を大幅に改
善できることが判明した。

しかも、圧電薄膜を振動部分の主要部に形成することで
、振動エネルギーの漏れを少なく抑えて共振子の特性を
向上させることができるとともに、振動モードの制御を
容易に行なうことができる。

また、空隙型の圧電薄膜共振子においては、最終工程で
電極ｔよび圧電薄膜を保護膜で保護する際に、保護膜を
均一に形成することが可能となるため、圧電薄膜ならび
に保持部の端部で保護膜にピンホールが生じにくくなり
圧電薄膜を良好に保護することができる。これにより、
圧電薄膜が溶解することが極めて少なくなり、製品の信
頼性を高めることができるとともに、歩留りの向上を容
易にはかることができる。

〔発明の実施例〕

以下、図面を参照してこの発明の一実施例を説明する。

第１図はダイヤフラム型複合共振子にこの発明を適用さ
せたものである。図において１は８１基板で、このＳ五
基板１の両面にＣｖの法またはスパッタ法等の手段を用
いてＳ！０！膜２，３を形成する。そして基板１の裏側
に形成した５１０２膜３の中央部分を正方形に取り除き
、　ＳｔＯ，膜２，３をマスクとして第２図に示すよう
にＳｔＯ，膜２に達するまでＰＥＤ（パイロカテコール
、エチレンジアミン、水の混合液）等の異方性エツチン
グ液を用いて異方性エツチングを行ない凹部４を形成す
る。この凹部４と対向する別Ｏ！からなる基底膜２ａ上
にＡＬＬまたはＡ／を生成分とする金属膜により第１電
極５を形成する。さらに、この上にＲＦマグネトロンス
パッタ法等の手段を用いてＺｎＯ圧電導膜を形成しフォ
トリングラフィ技術を用いて所望の位置にレジストパタ
ーンを形成する。このレジストパターンをマスクとして
酢酸を主剤とするエツチング液を用いてエツチングを行
ない、基底膜２ａの上方に所定の大きさの圧電薄膜６を
形成する。このとき、圧電薄膜６の端部が第３図、第４
図に示すようにＳｉ基板ｌの面に対して傾斜角θが６０
’以下になるようにテーパをかける。例えば酢酸、水お
よびエチレンジアミンからなるエツチング液のエチレン
ジアミン溶液の量を変えてエツチング液のＰＨに対して
ＺｎＯ圧電薄端部の傾斜角を調べた結果第５図に示すよ
うにエツチング液のＰＨを６以下で使用することにより
圧電導膜端部の傾斜角を６０°以下に設定することがで
きる。この実施例ではエツチング液のＰＨを４゜６以下
で使用して傾斜角を４５°以下に抑えた。

最後に、圧電薄膜６の上からＡ／等の金属膜により金属
マスク法またはりフトオフ法等の手段を用いて第２電極
７を第１電極５と直交する方向に所定の大きさに形成す
る。このとき、第１電極５と第２電極７はＺｎＯ圧電薄
膜６を挾んで少なくとも一部が互いに対向して配置され
る。

ここで８，９は電極５，７から導出して８１０．膜２上
に形成したポンディングパッドである。

なお、基底膜２ａの材料はＳ１０．に限られるものでは
なく、８ｉ０２にリンを数チ程度ドープしたＰＥＧ（Ｐ
ｈｏｓｐｈｏ　５ｉｌｉｃａｔｅ　Ｇｌａｓｓ）膜、ま
たはボロンとリンをドープしたＢＰＳＧ　（Ｂｏｒｏ　
Ｐｈｏｓｐｈｏ　５ｉｌｉｃａｔｅＧｌａｓｓ）やホウ
ケイ酸等のガラス類でもよく圧電薄膜６の温度係数と逆
であれば異種材料の複合層の間に電気信号が印加される
と、電極対向部を中心に凹部４上１こ形成された８ｉ０
２膜２とＺｎＯ圧電薄膜６からなる複合体膜が厚み縦娠
動することにより共振子として動作する。

したがってこのような構成によれば圧電薄膜端部に傾斜
角θが６０’以下になるようにテーパをかけることによ
り、圧電薄膜６の端部に金属膜を良好に堆積させること
ができるため、第２電礪７の断線率を従来のものに比べ
て大幅に改善することができ製品の信頼性を高めかつ歩
留りの向上をは小ることができる。しかも、圧電薄膜６
の形状に左右されることなく任意の方向に電極５，７を
取り出すことができるため、他の集積回路と組合せると
き接続が容易になり、その配線を短縮してり一ドインダ
クタンスや浮遊容量の影響を軽減することができる。

また、酢酸を主剤とするエツチング液のＰＨを調整する
だけで圧電薄膜６の端部の傾斜角θを容易に６０°以下
に設定することができる。

また、別０．膜２の基底膜２ａ上に第１電罹５゜ＺｎＯ
圧電範膜６．第２電極７を堆積させて複合体膜を形成し
各電極５，７のポンディングパッド８，９を５ｉＯＪ２
上に形成することにより、圧電薄膜６を振動部の中央付
近に限定して配置することが可能になり、振動する部分
が局部的に限定されるので振動エネルギーの漏れを少な
く抑えて共振子の特性を向上させることができる。とと
もに、振動モードの制御を容易に行なうことができる。

次にこの発明の他の実施例を説明する。第６図は本願の
出願人が開発し別途出願中の空隙型の圧電薄膜共振子に
この発明を適用させたものである。

この共振子は図に示すよう１ｃｓｉ基板１１上１ここの
基板面との間に空隙層１３が形成されるようにＳｉｎ、
膜１２を設け、このｓｉｏ、膜１２の空隙部分１こ保持
部１２ａを形成したものである。Ｓｉｎ、膜１２上には
第１電極１４．圧電薄膜１５．第２電極１６が上記実施
例と同様の手順で形成されている。

ここで、空隙型圧電薄膜共振子の製造法について説明す
る。最初基板１１の一方の面に化学的に容易に溶解でき
る数百Ａ〜数μｍのＺｎＯ等の薄膜をスパッタリング法
等の手段を用いて形成し、空隙層１３に対応する部分に
フォトリソグラフィ技術を用いてレジストパターンを形
成する。このレジストパターンをマスクとしてエツチン
グを行ない所定の大きさの薄膜（空隙層１３に相当する
部分）を形成する。このとき、酢酸を主剤とする薄膜用
エツチング溶液を用いて空隙形成用薄膜の端部にテーパ
をかける。

さらに、その上に化学的に安定な８４ｑ膜１２をスパッ
タリング法等の手段を用いて形成し、前工程と同様に所
望の位置にレジストパターンを形成する。このレジスト
パターンをマスクさして弗化アンモニウム溶液を用いて
エツチングを行ない空隙形式用ＺｎＯ薄膜が化学的に安
定な膜で被覆された部分と被覆されない部分を形成する
。そして、この８１０．膜１２上に第１電極１４　、　
ＺｎＯ圧電薄［１５、第２電極工６を上記実施例と同様
の方法にて形成する。この場合も、ＺｎＯ圧電薄膜１５
の端部がＳｔ基板１１の面に対して傾斜角θが６０°以
下になるようにテーパをかける。

最後に、電極１４．１６を含むＺｎＯ圧電薄膜１５をレ
ジスト等で保護し、これをＨＣｔ溶液に漬けて空隙形成
用ＺｎＯ薄膜を溶解して空隙部１３を形成する。

なお、空隙に溶解することができるものであればＨＮＯ
，、Ｈ，ＰＯ４，Ｈ，８０，等の溶液を用いることもで
きる。また、空隙形成用エツチング液ｌごて容易に溶解
できるものであれば酸化物、圧電体、半導体。

絶縁体、金属等の材料を空隙形成用薄膜として使用する
こともできる。

このようＩこ、ＺｎＯ圧電薄膜１５の端部に傾斜角θが
６０°以下になるようｌこテーパをかけるととも１こ、
空隙部１３を構成するＳｔＯ，膜１２の保持部１２ａの
端部ｌこテーパをかけることにより、上述と同様の効果
を挙げることができる。しかも、空隙層１３を形成する
最終工程に右いて電極１４，１６およびＺｎＯ圧電薄膜
１５を保護膜で保護する際に圧電薄膜１５の端部ならび
にＳ１０．膜１２の保持部１２ａの端部に保護膜を良好
に形成することができるため、保護膜にピンホールがで
きにくくなり圧電薄膜１５を溶解することなく空隙層１
３を形成することができ、製品の信頼性を高め歩留りの
向上をはかることができる。

なお、この発明は上記実施例に限定されるものではなく
、要旨を変更しない範囲において種々変形して実施する
ことができる。

この発明は振動部を８１等の半導体基板に限らずガラス
、セラミック等の任意の基板上に作成することができる
。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の一実施例を示す斜視図、第２図は第
１図Ａ−Ａ’線部分を縦断し矢印方向１こ視た断面図、
第３図、第４図は同実施例の要部である圧電薄膜の端部
を拡大して示したもので第３図は斜視図、第４図は断面
図、第５図は同実施例に係るエツチング液のＰＨの変化
に対するテーパの傾斜角の変化を示す説明図、第６図は
この発明の他の実施例を示す斜視図、第７図または第８
図は従来の圧電薄膜共振子を示す断面図、第９図は従来
例における圧電薄膜の端部を拡大して示す斜視図である
。 １・・・Ｓｉ基板　　　　　２，３・・・Ｓｉｎ、膜２
ａ・・・基底膜　　　　　　　４・・・凹部５・・・第
１電極　　　　　６・・・圧電薄膜７・・・第２電極　
　　　８，９・・・ポンディングパッド１１・・・８１
基板　　　　１２・・・Ｓ１０．膜１２ａ・・・保持部
　　　　　１３・・・空隙層１４・・・第１電極　　　
　１５・・・圧電薄膜１６・・・第２電極　　　　２１
・・・シリコン基板２２．２３・・・Ｓｉｎ、膜　　　
　２４・・・凹部２５・・・第１電極　　　　２６・・
・圧電薄膜２７・・・第２電極　　　　３１・・・Ｓｉ
基板３２・・・Ｓｉ薄膜　　　　３３・・・凹部３４・
・・Ｓ１０．膜　　　　　３５・・・第１電極３６・・
・７４０圧電薄膜　　３７・・・第２電極匍牽士 第１図 第２図 第３図 第４図 第５図 第６図 Ｍ７図 第９図 手続補正書は式） １．事件の表示 特願昭５９−２４９３６９号 ２、発明の名称 圧電薄膜共振子 ３、補正をする者 事件との関係　特許出願人 （３０７）株式会社　東　芝 ４、代理人 昭和６０年３月２６日 ７、補正の内容 （リ　本順明細書第３頁＃ｃ７行目ないし第８行目のｒ
　ＩＴ！ＪＥＷＵＨｒａｓｏｎｉｃ　８ｙｍｐｓｉｕｍ
　ＰｒｏｃｅｅｄｉｎｇＪの部分を下記の通り訂正する
。 記 アイ・イ０イ・イ　ウルトラソニック　シンポジウムプ
ロシーディング（ＩＥＥＥ　Ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ　８
ｙｍ３ｉｕｍｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇ　） 昭和　年　月　日 １、事件の表示 特願昭５９−２４９３６９号 ２、発明の名称 圧電薄膜共振子 ３、補正をする者 事件との関係　特許出願人 （３０７）　　株式会社　東　　芝 ４、代理人 ６・　補正の対象　　　　　　　　　　　　　　　ご−
。 ７、補正の内容 （１）本鞄明細書第４頁第１行目の「閉じ込み」の部分
を「閉じ込め」と訂正する。 （２）　　同明細書第７頁＃ｃ７行目の「しかして、」
の部分を「したがって、」と訂正する。 （３）同明細書第９頁＠１５行目の「Ｃｖの法」を「Ｃ
■法」と訂正する。 （４）同明細書第１１頁第２行目の「圧電導膜」の部分
を「圧電薄膜」と訂正する。 （５）同明細書第１０頁第１５行目の「エツチング液の
」の部分を「二キチンダ液の場合、」と訂正する。 （６）同明細書第１０頁第１８行目の「第５図１こ示す
ようｌこ」の部分を「第５図Ａから明らかなように」と
訂正する。 （力　同明細４＃第１０頁第１９行目の「圧電４模端部
」の部分５−「圧を薄膜端部」と訂正する。 ′８）同明細書第１１頁第２行目とｙ４３行目の行間に
下記の文章を挿入する。 記 なお、酢酸と水からなるエツチング液の場合は、同様の
ＰＨ対傾斜角との関係（第５図Ｂ）からＰＨ２，３以下
で使用することによυ傾斜角５：４５゜以下に設定する
ことができる。 １９）同明細書ｔ４１２頁第１９行目の「ＺｎＯ圧・戒
範嗅６」の部分９１’−ＺｎＯ圧電薄嗅６」と訂正する
。 １１　　同明細書第１５頁＠２行目の「空隙に」の部分
を「ＺｎＯ薄嗅を」と訂正する。 ｆｉｌｌ　　本願の添付図面＠５図を別紙の通り訂正す
る。 第５図 １２３４５６フ −−−ＰＨ

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. （１）圧電薄膜および誘電体薄膜からなる圧電薄膜共振
   子において、上記圧電薄膜の端部が基板面に対して傾斜
   角が６０°以下になるように形成したことを特徴とする
   圧電薄膜共振子。
2. （２）基板の一部を振動板の一部とすることを特徴とす
   る特許請求の範囲第１項記載の圧電薄膜共振子。
3. （３）基板を振動板の支持部材とすることを特徴とする
   特許請求の範囲第１項記載の圧電薄膜共振子。
4. （４）基板上にこの基板面との間で少なくとも一部に空
   隙層が形成されるように非圧電薄膜を設けて、この非圧
   電薄膜の空隙部分を保持部に形成したことを特徴とする
   特許請求の範囲第１項記載の圧電薄膜共振子。
5. （５）保持部の端面を傾斜させたことを特徴とする特許
   請求の範囲第４項記載の圧電薄膜共振子。