JPS6281807A

JPS6281807A - 圧電薄膜共振子

Info

Publication number: JPS6281807A
Application number: JP22236285A
Authority: JP
Inventors: Hitoshi Suzuki; 仁鈴木
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1985-10-05
Filing date: 1985-10-05
Publication date: 1987-04-15

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、ＶＨＦ帯およびＵ丑゛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。

〔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ともない半導体素子
の高密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遅れているのが
実情である。このため、無線通信機器やニューメディア
関連機器等の応用分野において、Ｖ）ＩＦ帯およびＵＨ
Ｆ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ｂる。

従来、数ＭＦ（ｚ〜士数ＭＨｚの比較的低−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
ク等の圧電基板を用いて、その厚み撮動を利用した振動
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度学的形状によプ共振周波数が
決まる０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、単なる機械的研摩法で
は基板の厚みが数十μｍ程度にとどまり、したがってそ
の基板の基本共振周波数は高々数十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
合係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
なかつた。

これに対し、最近厚み振動の基本モードあるｂは比較的
低次のオーバートーンで動作する超小型の■伊、　ＵＨ
Ｆ帯共振子の実現を０指して圧電薄膜を用いた共振子が
研究されている。

このような圧電薄膜共振子としては例えば１プログリー
ス　イン　ザ　ディベロップメント　オプミニチェア　
シン　フィルム　ビー・工・ダブりふレゾネータ−アン
ド　フィルタ　テクノロジー“プロシーディング　オン
　ザ　サーティスイッ・クス　　アニ具アル　シンポジ
ウム　オン　フレツキｓ、工７ス　ニア７トｏ　−Ａ／
　（”Ｐｒｏｇｒｅｓｓ　ｉｎ　ｔｈｅＤｅｖｅｌｏｐ
ｍｅｎｔ　　ｏｆ　　Ｍｉｎｉｔｕｒｅ　　Ｔｈ１ｎ　
　Ｆｉｌｍ　　ＢＡＷＲｅｓｏｎａｔｏｒ　　ａｎｄ　
　Ｆｉｌｔｅｒ　　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ’　　Ｐｒｏ
ｃｅｅｄｉｎｇｓｏｆ　ｔｈｅ　３６ｔｈ　Ａｎｎｕａ
ｌ　８ｙｍｐｏｓｉｕｍ　ｏｎ　Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ（
！ｏｎｔｒｏＩ）　１９８２年６月号第５３７頁〜第５
４８頁等において開示されているものがある。これは、
シリコン等の半導体結晶基板に異方性エッチフグ技術を
用いて基板の裏面に空穴を形成して半導体薄膜を振動部
の一部として所定の厚さだけ残し、その上に励振用下部
電極、圧電薄膜、励振用上部電極を形成することによ〕
共振子とするものであり、次のような特長をもっている
。

・１）　１！動部を極めて薄く形成することができるた
め、　１００ＭＨｚ〜数ＧＨｚ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させることができる。

２）電気機械結合係数を大きくすることができるため、
低容景比の共振子が実現可能となシ、広帯域な共振回路
として利用できる。

３）振動部が複合振動嘆で構成されているため、圧電膜
と逆符合の周波数温度係数を有する誘電膜とを組合せる
ことができる。これにより、圧電材料自体の温度特性よ
り優れた共振子ができ、構成条件によっては温度係数を
零にすることができる０４）一般的な集積回路と同様の技術を用いて形成するこ
とができるため、超小型の共振子を容易に形成すること
Ｉｒできるとともに、集積回路の一部として組み込むこ
とができる。

ところが、この共振子には次のような重大な欠点がある
◎ １）通常シリコン基板に空穴部を形成するために使われ
るＰＥＤエッチ／グ液（ピロカテコールＣ６ベ（ＯＨ）
ｔ−エチレンジアミンＮＨ，（ＯＨ，）鵞ＮＨ，，水ｆ
（、Ｏの混合液）のエツチング速度が最大５．０μｍ／
Ｈｅと小さいため、通常用いられる３インチ径シリコン
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、極めて生竜性が悪く量産が困難で
ある。

２）′基板自体に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堆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一になる。したがりで、
圧電材料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９振動損失
が増大して共振子の容量比が大きくなり、Ｑが低下する
。

４）′集積回路の一部に共振子を組み入れる際、保唖膜
を使用して込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、歩留りが悪かった。

そこで、これらの欠点を除去するものとして本願の出願
人によって第４図および第５図に示すような空隙型の共
振子が開発され、すでに別途に出願がなされている。

この空隙型共振子は、図に示すように基板１０１上にＳ
ｉｎ、等の誘電体膜１０２が基板１０１との間に空隙層
１０３が形成されるように一部突出して設けられている
のが特徴である。第４図および第５図において、１０４
は誘電体膜１０２上に形成された四辺形状の圧電薄膜、
１０５，１０６はこの圧電薄膜１０４を挾んで形成され
た下部電極および上部電極であり、誘電体膜１０２は振
動膜および支持体の一部をなすものである。

この共振子は量産性が良く機械的強度が改善され、嘆形
成時の温度分布を均一にでき、かつ集積時の損傷が少な
い等多くの長所を備えている。

しかしながら、第４図に示す共振子について本願出願人
により詳細に実験を行ったところ、以下に述べるような
問題が生じることがわかった。すなわち、支持部である
誘電体膜１０２にＳｉｎ、膜を用いた場合、空隙口１０
７の橋桁部分の一部にマイクロクラックが生じて破損し
たり、空隙層１０３の上に誘電体膜（Ｓｉｎ、　＠　）
　１０２および圧電薄膜１０４の振動膜が撓み基板面に
接してしまい基板中に振動エネルギーが痛れ良好な共振
子特性が得られなくなるという問題が生じる。

これらの問題点は空隙層１０３が厚く空隙口１０７が広
い場合に、また誘電体膜１０２が薄い場合に顕著にあら
れれる０この原因としては５ｉ０２（１０２）の内部応
力が主に空隙口２０７の橋桁近傍部分に集中しマイクロ
クラックが生じたり、振動膜が撓んでしまうものと考え
られる。

〔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、振動部の損傷を防止し良好な共振子特性が得られる
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〕

この発明は基板上に形成された誘電体膜の一部に充填材
層を誘電体膜と同一平面となるように形成し、この上に
第１の誘電体膜、下部電極、圧電膜、上部電極、第２の
誘電体膜を順次形成した後、前記圧電膜を除く第１およ
び第２誘電体膜の一部に開口部を形成し、この開口部よ
り前記充填材層を除去して基板との間に空隙層を形成し
たものである。

〔発明の効果〕

この発明によれば、振動基底膜となる第１の誘電体膜を
平担に形成することで振動部の機械的強度が増し形成嗅
の破損を防止することができるため、素子の信頼性を高
めかつ歩留りを向上させることができる。しかも、電極
および圧電薄膜のノくターン形成におけるフォトリソグ
ラフィプロセスが容易になシ、パターンの形成精度を著
しく向上させることができる。

〔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図は本発明に係る圧電薄膜共振子を示す斜視図であ
り、第２図（ａ）〜（ｅ）はこの共振子の製造工程を示
す断面図である。第１図に示す圧電薄膜振子を第２図（
ａ）〜（ｅ）に従い工程順に説明する０まず第２図（ａ
）に示すようにＳｉ基板１上に熱酸化法やスパッタリン
グ法により５ｉ０２等の誘電体膜２を形成した後、第２
図（ｂ）に示すように誘電体膜２の中央部を圧電薄膜共
振子の振動部の大きさに対応させて長方形状の開孔部３
を形成する。この開孔部３より露出するＳｉ基板１上に
ＷＦ６を原料ガスとしたＯＶＤ　（Ｃｈｅｍｉｃａｌ　
Ｖａｐｏｒ　Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法によりタングス
テン等の充填材層４を選択成長させ第２図ｔｃ＋に示す
ように充填材層４が誘電体＠２０表面と同一平面になる
ように埋設する。この場合、充填材層４としてタングス
テンを用いると、タングステンはＳｉ基板１上に成長し
てＳｉｎ、の誘電体＠２上には成長しないという特徴が
ある。

次に第２図（ｄ）に示すように充填材層４を含む誘電体
膜２の表面全体に振動基底膜となるＳｉｎ、等の第１の
誘電体膜５をスパッタリング法により形成し、この上に
Ａ／＋Ａｕ−Ｔｉ　　を真空蒸着しフォトリソクラフィ
技術を用いて振動部と対応する位置に所定の形状の下部
電極６とポンディングパッド６ａを形成する。さらに、
その上にＲＦマグネトロンスパッタ法を用いてＺｎＯ圧
電薄膜７を形成し、この圧電薄膜７の上に下部電極６の
一部に対向するように上部電極８を下部電極６と同様な
方法で形成するとともに、上部電極８からボンデイング
パ、ド８ａを導出させる。さらに、第１の誘電体膜５の
上面全体を覆うようにＳｉｎ！等の第２の誘電体膜９を
スパッタリング法によシ形成する。

次に、第１図に示すように充填材層４の領域部で圧電薄
膜７の存在しない部分に第１の誘電体膜５と第２の誘電
体膜９をドライエツチングもしくは緩衝ＨＦ溶液により
工、チングして充填材層４の上方に一対の開孔部１０，
１０を形成すると同時に、ポンディングパッド６ａと８
ａの上方に開孔部１１゜１２を形成する。最後に、誘電
体膜９を保護膜として開孔部１０より充填材層４をエツ
チングにより除去し第２図（ｅ）に示すように空隙層１
３を形成することで、第１図に示す圧電薄膜共振子が完
成する。この場合、空隙層１３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
、作成の容易さから数百Ａ〜数μｍ位が望まもい。

このようにして形成された圧電薄膜共振子は下部電極６
と上部電極８との間に電気信号を印加することにより、
電極対内部中心に空隙層１３に対応する領域に設けられ
た第１の誘電体膜５．圧電薄膜７．第２の誘電体膜９か
らなる複合体膜が振動することで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、振動基底膜となる
第１の誘電体５が平担化され段差部がなくなるため、振
動部の構造的強度が増し振動部の破損や撓みなどの損傷
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
、歩留りを向上させることができる。また、振動基底部
と支持膜部が同一平面状に平担に形成されるため、電′
ｒｊ、６．８および圧電薄膜７のパターン形成における
フォトリソグラフィプロセスが容易になり形成精度が高
められ微細な半導体回路との集積化をはかることができ
る。また、安定な誘電体膜によシミ極６，８および圧電
薄膜７が被覆されているため、湿気等の外気の影響を防
ぎ信頼性を高めるとともに、動作周波数における振動モ
ードの応力分布の最大点を圧電層の中央部に位置させる
ことができるため、電気機械結合係数を高めることがで
きる。

次に、第３図はこの発明の他の実施として第１図、第２
図と同様の方法で形成したフィルタの構成例を示す斜視
図である。このフィルタは上記実施例の共振子の上部電
極を２つに分割して上部電極２１に隣接させてもう一方
の上部電極２２を設けたものであり、下部電極６は圧電
薄膜２３をはさんで上部電極２１　、２２と共通して一
部対向している。ここでは、第１図、第２図と同一部分
に同一符号を記して説明を省略した。

このフィルタは下部電極６を共通電極として２つの共振
子を形成しており、一方の共振子で励振された撮動が圧
電薄膜２３を伝搬し、隣接するもう一方の共振子を励振
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。

したがって、このような構成によっても上記一実施例と
同様の作用効果を挙げることができる。

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。

この発明によれば、充填材としてタングステン模の変わ
りにＳｉの選択エピタキシャル成長を利用して、誘電体
膜の開孔部よシ露出するＳｉ基板上に多結晶Ｓｉを成長
させて埋設させることもできる。

また、この発明によれば、圧電薄膜の物質はＺｎＯに限
られるものではなく、Ａ／Ｎ　、　Ｎｂｌ　Ｏ，ＰｂＴ
　ｉ　Ｏ，。

Ｔａ２Ｏ！等の物質を圧電薄膜として使用することがで
きる。

さらに、この発明によれば、下部電極に対して複数の上
部電極をそれぞれ対向させかつ直交するように配置し、
各電極対向部間を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。

【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（ａ
）〜（ｅ）は同実施例の製造工程を説明するための縦断
面図、第３図はこの発明の他の゛実施例を示す斜視図、
第４図は従来の圧電薄膜共振子を示す斜視図、第５図は
第４図Ａ　−Ａ’線部分を縦断し矢印方向に視た断面図
である。１・・・Ｓｉ基板　　　　２・・・誘電体膜３．１ト１
２・・・開孔部　　４・・・充填材層５・・・第１の誘
電体膜　　６・・・下部電極６ａ、８ａ・・・ポンディ
ングパッド７．３１・・・圧電薄膜　　８，３１．３２・・・上部
電極９・・・第２の誘電体膜　　１３・・・空隙部嘔モ
ー± 第１図ＩＱ　％７Ｊ１！、ｆｉＪ第２図１３Ｆ＃ｔゲ

Claims

【特許請求の範囲】

基板と、この基板上に形成され開孔部を有する誘電体膜
と、この誘電体膜と同一平面状になるように前記開孔部
に埋設させた充填材層と、この充填材層を含む前記誘電
体膜上に形成された第１の誘電体膜と、この第１の誘電
体膜上に前記充填層に対応する領域の少なくとも一部を
含んで形成された圧電膜と、この圧電膜を挾んで少なく
とも一部が互いに対向するように形成された少なくとも
一対の電極と、前記圧電膜上に形成された第２の誘電体
膜とを備え、前記圧電膜を除く前記充填材層上の第１お
よび第２の誘電体膜の一部に開孔部を形成してこの開孔
部より前記充填材層を除去して前記圧電膜下方に空隙層
を形成することを特徴とする圧電薄膜共振子。