JPS62266906A - 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】 〔発明の目的〕 （産業上の利用分野） 本発明はＶＨＦ帯および班正帯用として好適な圧電薄膜
を用いた圧電薄膜共振子に関するものである。

（従来の技術） 近年、材料技術や加工技術の進歩にともない半導体素子
の高密度外積化が推し進められている。

これに対して共撮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
器等の分野においては％’ＨＦおよびＵＨＦ帯で使用可
能な小型の受動部品の開発が望まｎている。

従来、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
共掘周波数が決まる。この圧電基板を１００ＭＨｚ以上
の周波数において、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十μｍ以下に設定しなければな
らない。

しかしながら、上述の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、単なる機械的研摩法を用いて
基板の厚みを数十μｍ程度に加工することは実現が困難
である。

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
るために半導体能動素子と一体化することができないと
いう本質的な問題を有している。

これＩこ対して、１９８２年に米国〔［アイ・イ・イ・
イ　ウルトラソニ、り　シンポジウム　プロシーディン
グＪ　（ＩＥＥＥ　Ｌｌｌｔｒａｓｏｎｉｃ　Ｓｙ＋ｎ
ｐｏｓｉｕｍＰｒｏｃｅｅｄｉｎｇ　）　８２０Ｈ１８
２３−４）　　で開示されているように、ＧａＡｓ　　
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
上に励振用下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，ＡｊＮ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、最上部に励振用上
部電極を蒸着して形成し、振動郡全体の厚さが数十μｍ
以下１こ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振動面内１
こ対しては電極付加効果による振動エネルギー閉じ込め
を行なっている。この圧ＩＦ膜共撮子は次のような特長
をもっている。

（１）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。

（２）　　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ることができるた
め、振動板全体として良好な温度特性が得ｉ“、れる。

（３）　　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子を形成
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。

上述の圧電薄膜共振子として第６図および第７図に示す
ダイヤフラム形複合共振子が知られている０ この共振子は図に示すように、Ｓｉ基板１０１の両面に
ｓｈｏ、膜１０２，１０３を形成し、その基板裏面のＳ
ｉｎ、膜１０３のほぼ中央部分を正方形に取り除いたの
ち、Ｓｉｎ。

膜１０２，１０３をマスクとしてＳｉ基板１０１を異方
性エツチングしてＳｉｎ、膜１０２に達する凹部１０４
を形成する。凹部１０４と対向するｓｉｏ、１１１０２
の上に第１電極１０５を形成したのち、電極１０５７ｉ
−含むＳｉｎ、膜１０２の上にＺｎＯ圧ｉ！薄膜１０６
を形成し、さらにＺｎＯ圧電薄膜１０６の上に第１電極
１０５と少なくとも一部が対向するように第２電極１０
７ヲ形成してダイヤプラム型複合共振子が作製される。

この共振子は一対の電極１０５，１０７に電気１１号を
印加することにより、ＺｎＯ圧電薄膜１０６の圧電効果
を利用して凹部１０４の上に位置する５ｉＯ１ｉ１０２
とＺｎＯ圧電薄膜１０６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。

しかしながら、上述のダイヤフラム形複合共振子１こは
次のような問題点がある。

（１）通常Ｓｉ基板１０１に空穴部を形成するために使
われるＦＥＤエツチング液（ピロカテコール０ｅＨｔ（
ＯＨ）ｔ、エチレンジアミンＮＨ，（ＯＨ，）、　ＮＨ
，、水ＨｔＯの混合液）のエツチング速度が最大５０μ
ｍ／Ｈｒ　と小さいため、通常用いられる３インチ径Ｓ
ｉ基板の厚さが４００μｍなので、これをエツチングす
るのに約８時間を要し極めて生産性が悪く量産が困難で
ある。

（２）基板自体ｌこ空穴部が形成されるため、機械的強
度が弱く製作工程上の取り扱いが難しくなる。

（３）空穴部を形成した後に圧電薄膜を真空中で形成す
るため、基板面の温度分布が不均−ｌこなる。

したがって、圧電薄膜自体の結晶の配向性が乱れ膜質お
よび圧電性が劣化するため、電気機械結合係数が小さく
なり振動損失が増大して共摂子の容量比が大きくなり、
Ｑが低下する。

（４）集積口片の一部に共振子を組み入ｎる際、保護膜
を使用していても空穴形成工程で他の集積回路に損傷を
与えることが多く、歩留りか悪かった。

そこで、これらの欠点を除去するものとして、本願の出
願人により第８図および第９図に示すような空隙型の共
振子が開発された。

この空隙型共振子は、先ずＳｉ基板２０１上にＺｎＯ等
の化学的に容易に溶解できる数百へ〜数μｍ厚の薄膜を
スパッタリング法などにより形成し、フォトリソグラフ
ィ技術を用いて振動部の大きさに対応させて空隙形成用
物質膜２０２を形成する。この空隙形成用物質膜２０２
８含むＳｉ基板２０１上にスパッタリング法によりＳ　
ｉ　Ｏ，膜２０３を所定の大きさに形成し、８ｉ０．膜
２０３上に第１の電極２０４　、　ＺｎＯ圧電薄膜２０
５゜第２の電極２０６の順にスパッタリング法およびフ
ォトリソグラフィ法にて形成する。最終的に１ｌｆＩｋ
２０４゜２０６を含むＺｎＯ圧′ｒＪ１薄膜２０５ヲレ
ジストで保娩した後、空隙形成用物質膜２０２をエツチ
ング液により除去しＳｉ基板２０１とＳｉｎ、膜２０３
の間に空隙２０２′を形成することで空隙型共振子が作
製される。

この空隙型共振子は一対のｔ極２０４　、２０６に電気
信号を印加することにより、空隙層２０２′上に位置す
る５ｉ０１膜２０３とＺｎＯ圧電薄膜２０５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
。

この共振子は、量産性が良く機械的強度が改善され１膜
形成時の温度分布を均一にでき、かつ集積時の損傷が少
ない等多くの長所を有している。

しかしながら、図示の共振子は二方向に空隙層２０２′
の空隙層がある橋形構造のものであるから、振動膜の支
持部が２点しかなく機械的強度の点で充分とはいえない
。また、電極の取り出し方向が第１の電極２０４および
第２の電極２０６の２方向しかなく、３つ以上の電極を
必要とする場合には入出力電極を同一方向に取り出すか
あるいは接地電極と入出力電極のどちらか一方を同一方
向に堰り出さなければならず、このような構成では入出
力電極間に浮遊容量が発生するとともに、入力電極と出
力電極との対向面積が異なり一方に不要な結合が入って
くることからフィルタ特性に悪影響を及ぼすという問題
があった。

さらに、他の公知例として１９８３年に米国内で発行さ
れた文献〔［アイ・イ・イ・イ　ウルトラソニック　シ
ンポジウム　プロシーディングＪ　（ＩＥＥＥＵｌ　ｔ
ｒａｓｏｎｉｃ　Ｓｙｍｐｏｓ　ｉｕｍ　Ｐｒｏｃｅｅ
ｄｉｎｇ　）　８３０Ｈ１９４７−１）の第４９５〜４
９７頁に開示されている。この圧電薄膜共振子はＧａＡ
ｓ基板上に誘電体薄膜及び金属膜からなる振動体膜を形
成したのち、振動部の下部に空隙層を形成するために振
動部領域の中心にＮａＯＨ溶液を用いて円形の窓を開け
、この窓からエツチングを施してＧａＡｓ基板の上部に
堀込部を形成したものがある０ しかしながら、このような構造では堀込部を形成するエ
ツチング用の窓が１ケ所であるため、エツチング液の循
環が悪く淀んでしまうとともに、エツチング用窓の一点
からしかエツチングを行なうことができないのでエツチ
ング効率が極めて悪くなることから、必要以上にエツチ
ングに時間がかかり量産性には向かない問題を有してい
る。また、堀込部が袋状となり、かつ排出口が小さいた
めに、エツチング液の排出が悪く残渣が掘込部内に残り
素子のエージング特性に悪影Ｖそ及ぼす問題を有してい
る。

（発明が解決しようとする問題点） 上記した如〈従来のダイヤフラム型複合共振子にあって
は、基板に空穴部を形成するために基板の機械的強度が
弱く、かつＺｎＯ圧電圧電形膜形成時１板面の温度分布
が不均一になり圧電性を損なう問題を有している。

また、従来の空隙型圧電薄膜共振子にあっては、支持部
を２点有する橋形構造となっているために機械的強度の
点で充分とはいえず、しかも３つ以上の電極を必要とす
る場合には一方の支持部より２つの電極を同一方向に取
り出す必要から電極間に浮遊容量が発生しフィルタ特性
に悪影響を及ぼすおそれがある。

さらに、従来の堀込型圧電薄膜共搗子ｌこあっては、エ
ツチング液の循環およびエツチング効率が低下し量産性
が悪くなる問題を有している。

本発明は上述の問題点に着目してなされたもので、電極
パターン配置に自由度をもたせて電啄間１こ発生する浮
遊容量等による影響を軽減し、かつ弾性的結合フィルタ
を容易に構成できるとともに、工、チンダ液の循環を良
好にしエツチング時間を短縮することができ、しかも機
械的強度も充分な圧電薄膜共振子を提供することを目的
とする。

〔発明の構成〕

（問題点を解決するための手段と作ル１）本発明は基板
上に平坦に形成された基底膜の上に下部電極、圧電薄膜
、上部電極を形成するとともに、基底膜下の振動部領域
に堀込部を形成し、基＆膜の振動部を少なくとも３個の
支持部で支持したもので、下部電極と上部電極に電気信
号を印加することにより掘込部上に位置する基底膜と圧
電薄膜そ振動させて共振子として動作させることができ
る。

（実施例） 以下、図面に示した実施例に基づいて本発明を説明する
。

第１図および第２図は本発明に係る圧電薄膜共ｉ子の第
１実施例を示すものである。図において１はＳｉ基板で
、このＳｉ基板１上にＯＶＤ法１こより化学的ｆご溶解
しやすい低不純物偵度のポリシリコン膜２を形成する。

このポリシリコン膜２の中央部ｔｃフォトリングラフィ
技術を用いて振動部の大きさに対応する振動部領域にレ
ジストパターンを形成し、その上方からほう素を打ち込
み、その後レジストパターンを除去しアニール処理を施
す。このとき、はう素が打ち込まれた部分は高不純物儂
度ポリシリコン膜となり、はう素が打ち込まれない部分
は低不純物１度ポリシリコン膜のまま残る。高不純物０
部ポリシリコン膜は低不純物濃度ポリシリコン膜に比べ
てアルカリエツチング液Ｉこよるエツチング速度がＬ／
３０程度に低下する。アニール処理を施したポリシリコ
ン膜２の上１こＯＶＤ　（Ｃｈｅｍｉｃａｌ　Ｖａｐｏ
ｒ　ＩＪｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法又はスパッタ法により
振動基底膜としてＳｉｎ、膜３を形成するとともに、同
様にして８１基板１の下面にＳ　ｉ　Ｏ，＠　４を形成
する。これらの５ｉｎ２膜３，４は最終工程でＳｉ基板
１の保膿膜として使用される。

上記基底膜となる５ｉＯ１膜３の上にＡｕ又はＡ７等を
主成分とする金属を金属マスク法又はリフトオフ法Ｉこ
より下部′電極５を形成し、その上からＲＦマグネトロ
ンスパッタ法等ＩこよりＺｎＯ等の圧電薄膜６を形成す
る。さらにその上から下部電極５の一部に対向するよう
に上部電極７を下部電極５と同様の方法で形成する。

次に、Ｓｉｎ、膜３上（こ窓開は用レジストパターンを
形成し弗化アンモニウム溶液を用いてポリシリコン膜２
１こ達するまでエツチングを行ない第１図に示すように
４個の窓８を形成する。

最後に、窓開は用レジストパターンを保設膜とし、また
Ｓ　ｒ　０２　Ｒ３，４ｆマスクとして、各窓８よすＰ
ＥＤ　ｆ＆　（パイロカテコール、エチレンジアミン。

水からなる混合液）等のアルカリエツチング液で低不純
物濃度ポリシリコン膜を溶解する。このとき、高不純物
儂度ポリシリコン膜はほとんど溶解せず、低不純物９度
ポリシリコン膜だけが４ケ所に設けられた窓８の付近か
ら溶解し、最終的に低不純物濃度ポリシリコン膜は全て
溶解しＳｉ基板１とＳｉｎ、膜３との間に堀込部９が形
成されて圧電薄膜共振子が完成される。このとき、基底
膜であるＳ　ＩＯ２’１□　３の振動部は４ケ所で支持
部１０によって支持されることになる。この実施例では
アルカリエツチング液の工、チング速度が不純物時変に
依存することから、堀込部９の形成は高不純物６１度ボ
リエシリコンと低不純物濃度ポリシリコンのエツチング
速度の差を利用して堀込部９を形成したもので、堀込部
９の厚さはポリシリコン膜２の厚さにより決定され、る
。

この圧電薄膜共振子（は下部電極５と下部電極７との間
に電気信号を印加することにより、電極対向部を中心に
堀込部９に対応する振動部領域に形成された３ｉ０ＪＪ
３と圧′１薄膜６からなる複合体膜が厚み縦振動するこ
とにより共振子として動作する。

したがって、本実施例の圧電薄膜共振子は次のような特
長をもっている。

（１）振動基底膜となる５ｉＯＪ３を平坦に形成するこ
とで、局部的な集中応力が生じにくくなるため、振動部
の機械的強度か増し振動部の破損や撓みなどを防止して
素子の信頼性を高めることができるとともに、歩留りの
向上をはかることができる。

（２）基底膜であるＳｉ○２膜３の振動部を４＠の支持
部１０で支持すること１こより、電極を４方から引き出
すことが可能となり、例えば電極を３個設けるような場
合には第３図に示すように下部電極５および上部電極？
ａ、７ｂを不要な結合なく夫々異なる方向へ引き出すこ
とができるため、スプリアスの少ないフィルタ特性を得
ることかできる。

（３）　　窓８を４ケ所に等間隔に設けることにより、
堀込部９の形成時１こ４方からエツチングを行なうこと
ができるとともに、エツチング液の滞溜が少なく流動性
を改善することができるため、エツチング時間を著しく
短縮し生産性を高めることができる。

（４）下部電極５に対して上部電極７を直交させて設け
ることにより、電極パターン形成時の位置ずれによる影
響を受け１こくく常に対向面積の変化を最少限に抑える
ことができるため、特性のバラツキを少なくすることが
できる。

（５）ポリシリコン膜２上に圧電薄膜６および電極５．
７を堆積させた後で堀入部９を形成すること１こより、
膜形成時に温度分布が均−ｔζなり６膜を良好に形成す
ることかできるため、振動損失の少ない容量比の小さな
共振子を容易に得ることができる。

次に、第４図および第５図はこの発明の第２実施例とし
て第１実施例と同様の形成方法により同一基板上に複数
例えば２個の圧電薄膜フィルタを形成し、各フィルタを
タンデム状に接続した構成を示すものである。基本的な
形成方法は第１実施例と同様であるので、ここではその
説明を省略する。

このフィルタは基底膜となるＳｉｎ、膜３上に各振動部
領域間を接続するように接地を極１１を形成し、その接
地電極１１の一部と対向するように圧電薄膜６を介して
入出力電極１２’、　１３および共通電極１４を形成し
、さらに接地１！極１１と共通電極１．４の間に皿゛型
結合コンデンサ１５を形成して構成される。このＩＤＴ
型結合コンデンサ１５により２つの圧電薄膜フィルタは
タンデム状に接続される。

この圧電薄膜フィルタは各振動部領域に形成されたＳｉ
ｎ、膜３と圧電薄膜６からなる複合体膜の厚み振動モー
ドを利用した複数の共振子を音響的に結合させ、さらに
それらを電気的に結合することにより所定の周波数帯域
を通過させるフィルタとして動作する。

したがって、本実施例のような構成によれば、フィルタ
を縦続接続した多電極型フィルタを容易にけることがで
きるため、同一基板上に複数のフィルタを県債化でき素
子の小型化をはかることができる。

しかも、フィルタ間の共通電極を短くして不要なインピ
ーダンス成分を軽減することができるため、通過帯域特
性のリップルやスプリアスを改善することができる。

なＰｌ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２いて睡々変形して実施する
ことができる。

この発明によれば基底膜の材料は８ｉ０．に限らられる
ものではな（、Ｓｉｎ、にリンを数俤程度ドーグしたＰ
ＳＯ（Ｐｈｏｓｐｈｏ　５ｉｌｉｃａｔｅ　Ｇｌａｓｓ
）　、５ｉ０２にボロンとリンをドープした１３ＰＳＧ
（Ｂｏｒｏｎ　Ｐｈｏｓｐｈｏ　５ｉｌｉｃａｔｅ０１
ａｓｓ）やホウケイ酸等のガラス類でもより、才だ圧電
？１７打の慕度係数と逆であれば異種の誘電体膜を重ね
た複合膜であってもよい。

この発明によれば、窓開は用レジストの代りに５ｉ０２
模等の誘電体膜で圧電薄膜と電極の振動部体を被覆する
ことができる。このとき、圧電薄膜を化学的１こ安定な
Ｓ　ｉ　Ｏ，ｌ１４ｑで被グすることにより、堀込部の
工、チング時に保１５１１Ａとして動くだけでなく、大
気中の湿気などによる圧電薄膜の劣化を防ぐことができ
る。しかも、圧電薄膜と逆符号の温度係数を有する誘電
体膜を用いることにより、＠度特性の補正を容易にでき
＠夏特性の優れた圧電薄膜共振子を得ることができる。

この屹明によれば、圧電薄膜の材料はＺｎＯに限られる
ものではなく、ＡＩＮ、　Ｎｂ、Ｏ，、ＰｂＴｉＯ３等
の材料を圧電薄膜として使用することができる。

〔発明の効果〕

以上に述べたように本発明によれば、基底膜の温動部を
３個以上の支持部にて支持することで、電極の引き出し
紛を多方向から不要な結合なく取り出すことが可能とな
り電極間に発生する浮遊容量等により影響を軽減できる
とともに、電極パターン配置に自由度をもたせ弾性的結
合フィルりを容易に構成できる。しかも、堀込部形成時
に多方面からエツチングを行なうことができるので、エ
ツチング液の循環か良好になりエツチング時［■１を短
縮することができる。さらに、基底膜を平坦化させるこ
とて、振１゜部の機械的強度をＷｆ＋め据ヨ１ｈ部の破
損等を防止して素子の信頼性を高め、かつ歩留りの向上
をはかることかできる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本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に視た断面図、第３
図は同実施例を用いてフィルタを構成する場合の電極配
置を示す斜視図、第４図は本発明の他の実施例を示す斜
視図、第゛５図は第４図Ｂ　−Ｂ’線部分を縦断し矢印
方向に視た断面図、第６図は従来の圧電薄膜共振子を示
す斜視図、第７図は第６図Ｃ−Ｃ′線部分を縦断し矢印
方向に視た断面図、第８図は従来の異なる圧電薄膜共振
子を示す斜視図、第９図は第８図Ｄ−Ｄ／線部分を縦断
し矢印方向に視た断面図である。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）基板と、この基板上に平坦に形成された基底膜と
   、この基底膜の上に形成された圧電薄膜と、この圧電薄
   膜を挾んで少なくとも一部が互に対向するように形成し
   た下部および上部電極と、上記基底膜下の振動部領域に
   形成した堀込部と、この堀込部を形成するためのエッチ
   ング用窓を基底膜に有し基底膜の振動部分を少なくとも
   ３ケ所にて支持する支持部とを具備したことを特徴とす
   る圧電薄膜共振子。
2. （２）基板と基底膜との間にポリシリコン膜を形成し、
   振動部領域を低不純物濃度ポリシリコン膜とするととも
   にそれ以外の領域を高不純物濃度ポリシリコン膜とし、
   最終工程で低不純物濃度ポリシリコン膜を除去して堀込
   部を形成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。