JP2009290374A - Method for manufacturing baw resonator - Google Patents
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Abstract
【課題】圧電材料部と下部電極との接合強度を向上できるとともに、Q値を向上できるBAW共振器の製造方法を提供することにある。
【解決手段】BAW共振器の製造方法は、KNN素片30の厚み方向の一面に接合金属層31を形成する接合金属層形成工程と、この後に接合金属層31とベース基板1の一表面上に積層された下部電極2とを接合する接合工程と、この後にKNN素片30の厚み方向の他面側に上部電極4を形成する上部電極形成工程とを有し、下部電極2をベース基板1の一表面上に積層するにあたっては、ベース基板1の一表面上に下部電極2において下層となる下側金属層22を積層した後に下側金属層22上に下部電極2において上層となる上側金属層21を積層するようにし、下側金属層22の材料としては上側金属層21よりも低密度な金属を用い、上側金属層21の材料としては下側金属層22よりも接合金属層31との接合性が高い金属を用いる。
【選択図】図1An object of the present invention is to provide a method of manufacturing a BAW resonator capable of improving the bonding strength between a piezoelectric material portion and a lower electrode and improving the Q value.
A method of manufacturing a BAW resonator includes a bonding metal layer forming step of forming a bonding metal layer on one surface in a thickness direction of a KNN element, and then a bonding metal layer and a surface of a base substrate. A bonding step of bonding the lower electrode 2 stacked on the substrate, and an upper electrode forming step of forming the upper electrode 4 on the other surface side in the thickness direction of the KNN element 30 thereafter. When laminating on one surface, the lower metal layer 22 which is the lower layer in the lower electrode 2 is laminated on one surface of the base substrate 1 and then the upper layer which is the upper layer in the lower electrode 2 on the lower metal layer 22. The metal layer 21 is laminated, a metal having a lower density than the upper metal layer 21 is used as the material of the lower metal layer 22, and the bonding metal layer 31 is used as the material of the upper metal layer 21 than the lower metal layer 22. Metal with high bondability with There.
[Selection] Figure 1
Description
本発明は、BAW(Bulk Acoustic Wave;バルク弾性波)共振器の製造方法に関し、特にKNNを利用したBAW共振器の製造方法に関する。 The present invention relates to a method for manufacturing a BAW (Bulk Acoustic Wave) resonator, and more particularly to a method for manufacturing a BAW resonator using KNN.
近年、携帯電話機やUWB(Ultra Wide Band)方式の機器などの高周波通信器を高性
能化するための研究開発が各所で盛んに行われている。ここで、高周波通信器を高性能化するにあたっては、高周波通信器で使用される高周波帯域通過フィルタの低損失化(フィルタの挿入損失を小さくすること)が要求されている。そのため、従来から提供されているLCフィルタに比べて高周波帯域でQ値を高くできるBAW共振器を利用したフィルタが注目を集めている(例えば、特許文献1参照)。
In recent years, research and development for improving the performance of high-frequency communication devices such as mobile phones and UWB (Ultra Wide Band) devices have been actively conducted in various places. Here, in improving the performance of a high-frequency communication device, it is required to reduce the loss of the high-frequency bandpass filter used in the high-frequency communication device (to reduce the insertion loss of the filter). Therefore, a filter using a BAW resonator that can increase the Q value in a high frequency band as compared with a conventionally provided LC filter has attracted attention (for example, see Patent Document 1).
特許文献1に示すBAW共振器は、いわゆるSMR(Solidly Mounted Resonator)型のBAW共振器であって、音響多層膜が設けられたベース基板と、ベース基板の一表面上(音響多層膜層上)に積層された下部電極と、下部電極に積層した圧電薄膜を用いて形成された圧電材料部と、圧電材料部に積層された上部電極とを備えている。なお、音響多層膜は、圧電材料部で発生したバルク弾性波を反射してバルク弾性波がベース基板側に伝播されるのを抑制することによって、共振エネルギの損失を低減するためのものであって、半導体基板の厚み方向の一面側に、SiO2からなる低音響インピーダンス層と、SiO2よりも音響インピーダンスが高い材料(例えば、タングステンなど)からなる高音響インピーダンス層とを、最表層が低音響インピーダンス層となるように交互に積層することで形成されている。
The BAW resonator disclosed in
以上述べたようなBAW共振器を利用したフィルタは、高周波帯域で高いQ値を有するので、通過特性、遮断特性に優れ、低損失化が図れるという特長を有している。また、この種のフィルタは、使用する圧電材料(例えば、AlN、ZnO、PZT、KNNなど)の違いによって、帯域幅が異なる高周波帯域通過フィルタを得ることができるという特徴を有している。 Since the filter using the BAW resonator as described above has a high Q value in a high frequency band, it has the characteristics that it has excellent pass characteristics and cutoff characteristics and can achieve low loss. In addition, this type of filter has a feature that a high-frequency bandpass filter having a different bandwidth can be obtained depending on a difference in piezoelectric materials (for example, AlN, ZnO, PZT, KNN, etc.) to be used.
例えば、UWB用のフィルタでは、300〜400MHz程度の高周波帯域で急峻な立ち上がり、立下り特性が要求されており、このような特性を満足するためには、圧電材料として電気機械結合係数(electromechanical coupling coefficient)が比較的大きなPZTやKNN(ニオブ酸カリウムナトリウム)を用いることが好ましく、特に、環境負荷を考慮すれば、鉛フリーの圧電材料であるKNNを用いることが好ましい。 For example, UWB filters are required to have steep rising and falling characteristics in a high frequency band of about 300 to 400 MHz. In order to satisfy such characteristics, an electromechanical coupling coefficient (electromechanical coupling coefficient) is used as a piezoelectric material. It is preferable to use PZT or KNN (potassium sodium niobate) having a relatively large coefficient), and it is particularly preferable to use KNN, which is a lead-free piezoelectric material, considering the environmental load.
ここで、KNNからなる圧電薄膜を形成(作製)する方法としては、ゾルゲル法を用いる方法が提案されている(例えば、特許文献2参照)。なお、圧電薄膜を形成するにあたっては、ベース基板の半導体基板としてシリコン基板が用いられることが多く、下部電極としてPtやPt/Ti(Ti層上にPt層を形成してなるもの)が用いられることが多い。 Here, as a method of forming (manufacturing) a piezoelectric thin film made of KNN, a method using a sol-gel method has been proposed (for example, see Patent Document 2). In forming the piezoelectric thin film, a silicon substrate is often used as the semiconductor substrate of the base substrate, and Pt or Pt / Ti (formed by forming a Pt layer on the Ti layer) is used as the lower electrode. There are many cases.
ゾルゲル法によりKNNからなる圧電薄膜を形成するにあたっては、下部電極上に、Naを含む有機金属化合物(例えばナトリウムエトキシド)、Kを含む有機金属化合物(例えばカリウムエトキシド)、およびNbを含む有機金属化合物(例えばニオブエトキシド)を各金属が所望のモル比になるように有機溶媒などに溶解してなる溶液を塗布し、ホットプレート上で乾燥、仮焼成した後、700℃にてアニールを行う工程を所望の膜厚が得られるまで繰り返せばよい。 In forming a piezoelectric thin film made of KNN by the sol-gel method, an organic metal compound containing Na (for example, sodium ethoxide), an organic metal compound containing K (for example, potassium ethoxide), and an organic material containing Nb are formed on the lower electrode. Apply a solution prepared by dissolving a metal compound (eg, niobium ethoxide) in an organic solvent or the like so that each metal has a desired molar ratio, dry on a hot plate, pre-fire, and then anneal at 700 ° C. What is necessary is just to repeat the process to perform until a desired film thickness is obtained.
また、特許文献2においては、KNNからなる圧電薄膜を形成する方法として、上述したゾルゲル法の他に、スパッタ法や、化学気相成長(Chemical Vapor Deposition;CVD)法を用いる方法が提案されている。なお、スパッタ法やCVD法を用いる場合においても、上記半導体基板としてシリコン基板や、下部電極としてPtやPt/Tiが用いられることが多い。
しかしながら、上述したようなゾルゲル法や、スパッタ法、CVD法により形成された圧電材料部を有するBAW共振器では、設計上のQ値に比べて実際のQ値が低くなり、所望のQ値が得られないという問題があった。 However, in the BAW resonator having the piezoelectric material portion formed by the sol-gel method, the sputtering method, or the CVD method as described above, the actual Q value is lower than the designed Q value, and a desired Q value is obtained. There was a problem that it could not be obtained.
ここで、所望のQ値が得られないのは、圧電材料部の膜質に原因があると考えられている。例えば、ゾルゲル法を用いた場合には、アニール時にKNN中のKやNa(特にK)が下部電極に拡散したり、蒸発したりして、圧電材料部における下部電極や上部電極との界面付近のKNNにおいてKやNaが不足することが原因であると考えられている。 Here, the reason why the desired Q value cannot be obtained is thought to be due to the film quality of the piezoelectric material portion. For example, when the sol-gel method is used, K or Na (particularly K) in KNN diffuses or evaporates in the lower electrode during annealing, and the vicinity of the interface between the lower electrode and the upper electrode in the piezoelectric material portion. It is thought that this is caused by a lack of K and Na in KNN.
一方、スパッタ法またはCVD法を用いた場合には、スパッタ法やCVD法により得られる圧電薄膜の表面粗さが粗いことによって、共振時に共振エネルギが逃げて定在波が発生し難くなっているからであると考えられる。加えて、圧電薄膜を形成するにあたっては、上述したように半導体基板としてシリコン基板が用いられており、このようなシリコン基板をKNN薄膜の成長基板として用いた場合には、単結晶MgO基板などを成長基板として用いた場合に比べてKNNが多結晶になり易く、圧電薄膜の結晶性が悪化することもQ値が低下する原因の一つであると考えられている。 On the other hand, when the sputtering method or the CVD method is used, the surface of the piezoelectric thin film obtained by the sputtering method or the CVD method is rough, so that resonance energy escapes at the time of resonance and it is difficult for a standing wave to be generated. It is thought that it is from. In addition, when forming a piezoelectric thin film, a silicon substrate is used as a semiconductor substrate as described above. When such a silicon substrate is used as a growth substrate for a KNN thin film, a single crystal MgO substrate or the like is used. Compared to the case where it is used as a growth substrate, KNN is likely to be polycrystalline, and deterioration of the crystallinity of the piezoelectric thin film is considered to be one of the causes for the Q value to decrease.
そこで、ゾルゲル法などを用いて下部電極上に圧電薄膜を形成する代わりに、圧電材料部の基礎として予め作成しておいたKNN素片(図示せず)を用い、このKNN素片をベース基板上に積層した下部電極に接合する方法が提案されている。ここで、KNN素片としては、KNNのバルクから切り出されたものや、単結晶基板上に単結晶成長させたKNN薄膜から上記単結晶基板を除去したものを用いる。 Therefore, instead of forming a piezoelectric thin film on the lower electrode using a sol-gel method or the like, a KNN element (not shown) prepared in advance as a basis of the piezoelectric material portion is used, and this KNN element is used as a base substrate. A method of bonding to the lower electrode laminated on top has been proposed. Here, as the KNN element, one cut out from the bulk of KNN or one obtained by removing the single crystal substrate from the KNN thin film grown on the single crystal substrate is used.
この方法によれば、圧電材料部における下部電極や上部電極との界面付近のKNNにおいて上記主要構成元素が不足したり、圧電材料部の表面粗さが粗くなったりすることなどに起因するQ値の低下を防止できるので、ゾルゲル法などを用いる場合に比べて高いQ値を有するBAW共振器を得ることができる。 According to this method, the Q value resulting from the shortage of the main constituent elements in the KNN in the vicinity of the interface between the lower electrode and the upper electrode in the piezoelectric material portion or the surface roughness of the piezoelectric material portion becoming rough. Therefore, it is possible to obtain a BAW resonator having a high Q value as compared with the case where a sol-gel method or the like is used.
しかしながら、KNN素片を接合する下部電極の上面の平滑(平坦)さが悪ければ、圧電材料部と下部電極との密着性が悪くなって接合強度の低下を招き、場合によっては圧電材料部にクラックが生じてしまうという別の問題が生じていた。 However, if the smoothness (flatness) of the upper surface of the lower electrode to which the KNN element is bonded is poor, the adhesion between the piezoelectric material part and the lower electrode is deteriorated, resulting in a decrease in bonding strength. Another problem was that cracks would occur.
本発明は上述の点に鑑みて為されたもので、その目的は、圧電材料部と下部電極との接
合強度を向上できるとともに、Q値を向上できるBAW共振器の製造方法を提供することにある。
The present invention has been made in view of the above points, and an object of the present invention is to provide a method of manufacturing a BAW resonator capable of improving the bonding strength between the piezoelectric material portion and the lower electrode and improving the Q value. is there.
上述の課題を解決するために、請求項1の発明では、ベース基板と、前記ベース基板の一表面上に積層された下部電極と、KNN素片を用いて形成され前記下部電極に積層された圧電材料部と、前記圧電材料部に積層された上部電極とを備えるBAW共振器の製造方法であって、前記KNN素片の厚み方向の一面に前記下部電極との接合用の接合金属層を形成する接合金属層形成工程と、前記接合金属層形成工程により形成された前記接合金属層と前記ベース基板の前記一表面上に積層された前記下部電極とを接合する接合工程と、前記接合工程の後に前記KNN素片の厚み方向の他面側に前記上部電極を形成する上部電極形成工程とを有し、前記下部電極を前記ベース基板の前記一表面上に積層するにあたっては、前記ベース基板の前記一表面上に前記下部電極において下層となる下側金属層を積層した後に前記下側金属層上に前記下部電極において上層となる上側金属層を積層するようにし、前記下側金属層の材料としては前記上側金属層よりも低密度な金属を用い、前記上側金属層の材料としては前記下側金属層よりも前記接合金属層との接合性が高い金属を用いることを特徴とする。
In order to solve the above-described problem, in the invention of
請求項1の発明によれば、KNN素片の厚み方向の一面に形成した接合金属層と、下部電極の下側金属層より接合金属層との接合性が高い金属からなる上側金属層とを接合することによってKNN素片を下部電極に接合するので、圧電材料部と下部電極との密着性が向上するから、圧電材料部と下部電極との接合強度を向上できる。また、下側金属層が上側金属層よりも低密度な金属により形成されているので、下部電極の軽量化を図ることができるから、圧電材料部が共振し易くなり、結果としてQ値の向上が図れる。しかも圧電材料部を形成するにあたってゾルゲル法や、スパッタ法、CVD法を行わなくて済むから、これらの方法を行う場合に比べてQ値を向上できる。 According to the first aspect of the present invention, the bonding metal layer formed on one surface in the thickness direction of the KNN element and the upper metal layer made of a metal having a higher bonding property to the bonding metal layer than the lower metal layer of the lower electrode are provided. Since the KNN piece is bonded to the lower electrode by bonding, the adhesion between the piezoelectric material portion and the lower electrode is improved, so that the bonding strength between the piezoelectric material portion and the lower electrode can be improved. In addition, since the lower metal layer is formed of a metal having a lower density than the upper metal layer, the lower electrode can be reduced in weight, so that the piezoelectric material portion is likely to resonate, and as a result, the Q value is improved. Can be planned. In addition, since the sol-gel method, the sputtering method, and the CVD method do not have to be performed when forming the piezoelectric material portion, the Q value can be improved as compared with the case where these methods are performed.
請求項2の発明では、請求項1の発明において、前記下側金属層はポーラス化された金属層であることを特徴とする。
The invention of
請求項2の発明によれば、下側金属層がポーラス化された金属層なので、KNN素片と下部電極とを接合する際に下側金属層がつぶれ、ベース基板の一表面の平滑度が悪くても下部電極とベース基板との密着性が向上するから、下部電極とベース基板との接合強度を向上できる。その上、KNN素片と下部電極とを接合する際に、KNN素片に過剰な応力がかかったとしても、このような応力を下側金属層によって軽減することができるから、KNN素片にクラックが生じることを抑制できる。
According to the invention of
請求項3の発明では、請求項1の発明において、前記接合金属層および前記上側金属層の材料としてはAuを用い、前記下側金属層の材料としてはAlを用いることを特徴とする。
The invention of
請求項3の発明によれば、接合金属層と上側金属層の材料がともにAuであるので、上側金属層と接合金属層との熱膨張率が等しくなって密着性が向上するから、圧電材料部と下部電極との接合強度を向上できる。しかも、下側金属層の材料としてAuより密度が低いAlを用いているので、下部電極の軽量化を図ることができるから、圧電材料部が共振し易くなり、結果としてQ値の向上が図れる。加えて、Alは金属のなかでも比較的柔らかい金属なので、KNN素片と下部電極とを接合する際に下側金属層がつぶれ易くなるから、下部電極とベース基板との密着性が向上して下部電極とベース基板との接合強度を向上でき、その上、KNN素片にクラックが生じることを抑制できる。さらに、Alは金属のなかでも比較的電気抵抗率が低い金属なので(従来のようにゾルゲル法や、スパッタ法、CVD法により圧電材料部を成膜する際に下部電極の材料として用いられるPtやTiより電気抵抗率が低いので)、下部電極の抵抗値を低下させることができるから、Q値を向上できる。
According to the invention of
請求項4の発明では、請求項2の発明において、前記接合金属層および前記上側金属層の材料としてはAuを用い、前記下側金属層はポーラス化されたAl層であることを特徴とする。
The invention of
請求項4の発明によれば、接合金属層と上側金属層の材料がともにAuであるので、上側金属層と接合金属層との熱膨張率が等しくなって密着性が向上するから、圧電材料部と下部電極との接合強度を向上できる。しかも、下側金属層の材料としてAuより密度が低いAlを用いているので、下部電極の軽量化を図ることができるから、圧電材料部が共振し易くなり、結果としてQ値の向上が図れる。加えて、Alは金属のなかでも比較的柔らかい金属なので、KNN素片と下部電極とを接合する際に下側金属層がつぶれ易くなるから、下部電極とベース基板との密着性が向上して下部電極とベース基板との接合強度を向上でき、その上、KNN素片にクラックが生じることを抑制できる。さらに、Alは金属のなかでも比較的電気抵抗率が低い金属なので(従来のようにゾルゲル法や、スパッタ法、CVD法により圧電材料部を成膜する際に下部電極の材料として用いられるPtやTiより電気抵抗率が低いので)、下部電極の抵抗値を低下させることができるから、Q値を向上できる。その上、ポーラス化されたAl層は、例えば希ガス雰囲気下でAlを真空蒸着するなどの簡単な手法で形成することができるから、製造が容易になる。
According to the invention of
請求項5の発明では、請求項1〜4のうちいずれか1項記載の発明において、前記KNN素片として、KNNのバルクから切り出されたものを用いることを特徴とする。
The invention of
請求項5の発明によれば、圧電材料部を形成するためのKNN素片として、予め作製しておいたバルクからQ値の高いものを選択して使用することが可能となるから、設計上のQ値が得やすくなり、確実にQ値の向上が図れる。 According to the fifth aspect of the present invention, it is possible to select and use a KNN element for forming the piezoelectric material portion having a high Q value from a previously prepared bulk. Q value can be easily obtained, and the Q value can be reliably improved.
請求項6の発明では、請求項1〜4のうちいずれか1項記載の発明において、前記KNN素片として、単結晶基板の一表面側に単結晶成長させたKNN薄膜であって、前記単結晶基板を除去したものを用いることを特徴とする。
The invention according to claim 6 is the invention according to any one of
請求項6の発明によれば、圧電材料部を形成するためのKNN素片として100nm〜1μm程度の膜厚のKNN薄膜を用いることが可能となるから、1G〜10GHz程度の高周波に対応することができる。しかも、KNN薄膜は単結晶基板上に単結晶成長させたものなので、KNN薄膜中に多結晶のKNNが含まれてしまうことを低減できて、高いQ値を有するKNN薄膜を得ることができるから、Q値を向上できる。 According to the sixth aspect of the present invention, it is possible to use a KNN thin film having a thickness of about 100 nm to 1 μm as the KNN piece for forming the piezoelectric material portion, so that it corresponds to a high frequency of about 1 G to 10 GHz. Can do. Moreover, since the KNN thin film is a single crystal grown on the single crystal substrate, it is possible to reduce the presence of polycrystalline KNN in the KNN thin film, and to obtain a KNN thin film having a high Q value. , Q value can be improved.
本発明は、圧電材料部と下部電極との接合強度を向上できるという効果を奏し、しかもQ値を向上できるという効果を奏する。 The present invention has an effect that the bonding strength between the piezoelectric material portion and the lower electrode can be improved, and the Q value can be improved.
(実施形態1)
本実施形態におけるBAW共振器は、図1(j)に示すように、ベース基板1と、ベース基板1の一表面(図1(j)における上面)上に積層された下部電極2と、KNNを用いて形成され下部電極2に積層された圧電材料部3と、圧電材料部3の厚み方向の一面(図1(j)における上面)の一部を露出する開孔部5aを有し圧電材料部3および下部電極2を覆うようにしてベース基板1の上記一表面側に設けられたSiO2などの絶縁材料からなる絶縁層5と、絶縁層5の開孔部5aより露出された圧電材料部3の厚み方向の上記一面側に形成されたAlなどの金属材料からなる上部電極4とを備えるSMR型のBAW共振器である。
(Embodiment 1)
As shown in FIG. 1 (j), the BAW resonator in this embodiment includes a
圧電材料部3は、KNN素片30(図1(c)参照)を用いて形成されている。ここで、KNN素片30としては、図2(a)に示すように焼結して形成したKNNのバルク300から所望の大きさとなるように切り出されたものを用いている。ここで、KNNの組成式は、KxNa1−xNbO3であり、xは0.5とすることが望ましい。
The
圧電材料部3は、KNN素片30を下部電極2に接合した後に当該KNN素片30を所望の平面形状にパターニングすることによって形成され、KNN素片30を下部電極2に接合するにあたっては、KNN素片30の厚み方向の一面(図1(c)における下面)に下部電極2との接合用の接合金属層31が形成される。ここで、接合金属層31の材料としてはAuを用いている。
The
下部電極2は、ベース基板1の上記一表面上に積層される下側金属層22と、下側金属層22上に積層されてKNN素片30と接合される上側金属層21とで構成されており、下側金属層22の材料としては上側金属層21よりも低密度な(質量密度が低い)金属を用い、上側金属層21の材料としては下側金属層22よりも後述する接合金属層31との接合性が高い金属を用いている。本実施形態では、接合金属層31をAuにより形成しているので、上側金属層21の材料としては、接合金属層31と同じAuを用いている。一方、下側金属層22の材料としては、Auよりも低密度な金属であるAlを用いている。
The
このような下側金属層22の材料としては、上側金属層21よりも低密度なものであればよいが、Alのように電気抵抗率が10μΩ・cm以下の金属(Alの電気抵抗率は2.6548μΩ・cm)を用いることが好ましい。ここで、電気抵抗率を10μΩ・cm以下とするのは次の理由による。すなわち、上述した高周波通信器には、BAW共振器として実際にはQ値が300〜400程度のものが使用されているため、本実施形態のBAW共振器においても、Q値を300〜400とすることが好ましいが、下部電極2の下側金属層22に用いる金属として電気抵抗率が10μΩ・cmを超える金属を用いた際には、Q値が300を下回ってしまうという結果が得られたからである。
The
ベース基板1は、半導体基板(例えばシリコン基板)10を用いて形成されており、半導体基板10の厚み方向の一面(図1(j)における上面)に、圧電材料部3からベース基板1側に進むBAWを反射することによって共振エネルギの損失を低減するための音響多層膜(音響ミラー層)11を備えている。音響多層膜11は、図1(j)に示すように、相対的に音響インピーダンスが低い材料(例えば、SiO2など)からなる低音響インピーダンス層12と、相対的に音響インピーダンスが高い材料(例えば、ZnO、Mo、Wなど)からなる高音響インピーダンス層13とを低音響インピーダンス層12が最表層となるように交互に積層することにより形成されている。なお、低音響インピーダンス層12と高音響インピーダンス層13の各膜厚は、圧電材料部3の共振周波数の弾性波(バルク弾性波)の波長の4分の1に設定すればよい。
The
以下に、本実施形態のBAW共振器の製造方法について図1および図2を参照して説明する。まず、ベース基板1の基礎となる半導体基板10の厚み方向の前記一面側に、低音響インピーダンス層12を形成した後に、当該低音響インピーダンス層12上に、高音響インピーダンス層13と低音響インピーダンス層12とを低音響インピーダンス層12が最表層となるように交互に積層し、最表層の低音響インピーダンス層12の表面をCMP(化学的機械研磨、Chemical Mechanical Polishing)により平坦化することによって音響多層膜11を形成することでベース基板1を得る。
Below, the manufacturing method of the BAW resonator of this embodiment is demonstrated with reference to FIG. 1 and FIG. First, after the low
なお、本実施形態のように半導体基板10がシリコン基板である場合、半導体基板10の上記一面側に最初に低音響インピーダンス層12を形成するにあたっては、半導体基板10の上記一面側を熱酸化法などにより酸化することでSiO2からなる低音響インピーダンス層12を形成してもよい。
When the
この後に、ベース基板1の上記一表面上に下部電極2を積層する。ここで、下部電極2をベース基板1の上記一表面上に積層するにあたっては、図1(a)に示すように、ベース基板1の上記一表面上に下部電極2において下層となる下側金属層22を積層した後に、図1(b)に示すように下側金属層22上に下部電極2において上層となる上側金属層21を積層する。なお、上側金属層21および下側金属層22を積層する方法としては、スパッタ法や、CVD法、EB蒸着法、真空蒸着法などを用いることができる。
Thereafter, the
次に、下部電極2に圧電材料部3の基礎となるKNN素片30を接合するのであるが、KNN素片30を接合する前に、図1(c)に示すように、KNN素片30の厚み方向の一面(図1(c)における下面)に接合金属層31を、スパッタ法や、CVD法、電子ビーム(Electron Beam;EB)蒸着法、真空蒸着法などにより形成する(接合用金属層形成工程)。なお、接合金属層形成工程は、遅くとも後述する接合工程の前までに行っておけばよいものであるから、ベース基板1を形成する工程と、下部電極2を形成する工程との順番は問わない。
Next, the
この後に、KNN素片30の上記一面に形成した接合金属層31と、下部電極2において上層となる上側金属層21との接合を行う(接合工程)。ここで、接合金属層31と上側金属層21との接合は、例えば、接合金属層31と上側金属層21とが接するようにしてKNN素片30を下部電極2上に載置した後に、上側金属層21および接合金属層31を例えば200℃〜300℃程度に加熱した状態で、KNN素片30をベース基板1側へ押圧する(接合金属層31および上側金属層21を加圧する)ことにより行えばよい。また、上側金属層21と接合金属層31とは、互いに対向させた接合金属層31と上側金属層21それぞれに表面活性化処理を行った後に、KNN素片30をベース基板1側へ押圧する(接合金属層31および上側金属層21を加圧する)ことで接合するようにしてもよく、この場合、加熱する必要がないから常温での接合が可能となる。なお、接合金属層31と上側金属層21とを接合するにあたっては、上記の例の他に、接合金属層31および上側金属層21を適宜加熱することによって、接合金属層31と上側金属層21とを共晶接合するようにしてもよい。
Thereafter, the
上述した接合工程によって、図1(d)に示すように、上側金属層21と接合金属層31とが接合されて一体となるから、KNN素片30と下部電極2との密着性を向上することができ、その結果、KNN素片30と下部電極2との接合強度が向上する。
As shown in FIG. 1D, the
接合工程の後には、KNN素片30をフォトリソグラフィ技術およびエッチング技術などを利用して所望の平面形状にパターニングすることによって圧電材料部3を形成して、図1(e)に示す構造を得る。
After the bonding process, the
この後に、フォトリソグラフィ技術およびエッチング技術などを利用して下部電極2を所望の平面形状にパターニングすることによって図1(f)に示す構造を得る。このとき、接合金属層31の不要部分(圧電材料部3と厚み方向において重ならない部分)は、下部電極2の上側金属層21の不要部分とともに除去される。
Thereafter, the structure shown in FIG. 1F is obtained by patterning the
続いて、図1(g)に示すように、ベース基板1の上記一表面側の全面に絶縁層5をスパッタ法やCVD法などを用いて形成し、この後に、フォトリソグラフィ技術およびエッチング技術などを利用して絶縁層5の不要部分を除去するとともに開孔部5aを形成して、図1(h)に示す構造を得る。なお、パターニングされた絶縁層5を得る方法としては、リフトオフ法を用いてもよい。
Subsequently, as shown in FIG. 1G, an insulating
次に、図1(i)に示すように、ベース基板1の上記一表面側の全面に上部電極4をスパッタ法やEB蒸着法などを用いて形成し、この後に、フォトリソグラフィ技術およびエッチング技術などを利用して上部電極4を所望の形状にパターニングすることによって、図1(j)に示すようなBAW共振器が得られる。なお、BAW共振器の製造にあたっては、ウェハレベルで多数のBAW共振器を形成した後、ダイシング工程で個々のBAW共振器に分割すればよい。
Next, as shown in FIG. 1I, an
以上述べた本実施形態のBAW共振器の製造方法によれば、KNN素片30の厚み方向の一面に形成したAuからなる接合金属層31と、下部電極2のAlからなる下側金属層22より接合金属層31との接合性が高いAuからなる上側金属層21とを接合することによってKNN素片30を下部電極2に接合するので、圧電材料部3と下部電極2との密着性が向上して圧電材料部3と下部電極2との接合強度を向上できる。特に、接合金属層31と上側金属層21の材料がともにAuであるから、上側金属層21と接合金属層31との熱膨張率が等しくなって密着性がさらに向上し、その結果、圧電材料部3と下部電極2との接合強度をさらに向上できる。
According to the method for manufacturing the BAW resonator of the present embodiment described above, the
また、下側金属層22が上側金属層21よりも低密度な金属であるAlにより形成されているので、下部電極2の軽量化を図ることができるから、圧電材料部3が共振し易くなってQ値の向上が図れる。加えて、Alは金属のなかでも比較的柔らかい金属なので、KNN素片30と下部電極2とを接合する際に下側金属層22がつぶれ易くなるから、下部電極2とベース基板1との密着性が向上して下部電極2とベース基板1との接合強度を向上でき、その上、KNN素片30にクラックが生じることを抑制できる。
In addition, since the
さらに、Alは金属のなかでも比較的電気抵抗率が低い金属であり、その電気抵抗率が10μΩ・cm以下であるため、従来のようにゾルゲル法や、スパッタ法、CVD法により圧電材料部を成膜する際に下部電極の材料として用いられるPt(電気抵抗率が10.6μΩ・cm)やTi(電気抵抗率が47.8μΩ・cm)より電気抵抗率が低く、下部電極2の抵抗値を低下させることができるから、下部電極2の材料としてPtおよびTiを用いる場合に比べてQ値を向上できる。
Furthermore, Al is a metal having a relatively low electric resistivity among metals, and its electric resistivity is 10 μΩ · cm or less. Therefore, the piezoelectric material portion is formed by a sol-gel method, a sputtering method, or a CVD method as in the past. The electrical resistivity is lower than that of Pt (electric resistivity is 10.6 μΩ · cm) and Ti (electric resistivity is 47.8 μΩ · cm) used as the material of the lower electrode when forming the film, and the resistance value of the
ところで、上述した従来のBAW共振器の製造方法では、ゾルゲル法や、スパッタ法、CVD法を用いて圧電薄膜を形成する際に、O2ガスを流しながらベース基板を600℃〜700℃に加熱する工程を経なければならず、この場合、ベース基板のタングステンなどの金属材料からなる高音響インピーダンス層が激しく酸化して、ベース基板の表面形状が荒れてしまうという問題が生じていた。 By the way, in the conventional method for manufacturing a BAW resonator described above, when forming a piezoelectric thin film using a sol-gel method, a sputtering method, or a CVD method, the base substrate is heated to 600 ° C. to 700 ° C. while flowing an O 2 gas. In this case, the high acoustic impedance layer made of a metal material such as tungsten of the base substrate is violently oxidized, and the surface shape of the base substrate becomes rough.
これに対して、本実施形態のBAW共振器の製造方法によれば、上述したようにソルゲル法や、スパッタ法、CVD法を行う必要がないので、O2ガスを流しながらベース基板1を600℃〜700℃の高温に加熱する工程を経なくて済むから、ベース基板1の高音響インピーダンス層13が激しく酸化されて、ベース基板1の表面形状が荒れてしまうことがない。
In contrast, according to the manufacturing method of the BAW resonator of this embodiment, and sol-gel method as described above, the sputtering method, it is not necessary to perform the CVD method, the
本実施形態のBAW共振器の製造方法では、圧電材料部3の基礎となるKNN素片30として、図2(a)に示すように、KNNのバルク300から切り出されたKNN素片30を用いているので、BAW共振器に採用するKNN素片30として、予め作製しておいたバルク300からQ値の高いものを選択して使用することが可能となるから、設計上(設計通り)のQ値が得やすくなり、確実にQ値の向上が図れる。
In the method for manufacturing a BAW resonator according to this embodiment, as shown in FIG. 2A, a
ところで、本実施形態では、バルク300より切り出したKNN素片30を圧電材料部3の基礎として用いているが、KNN素片30としては、図2(b)に示すように、例えば、単結晶MgO基板からなる単結晶基板400の主表面側に、Pt薄膜500と、PTOやPLT、SROからなるバッファ層600を介して単結晶成長(例えば、エピタキシャル成長)させたKNN薄膜410であって、単結晶基板400およびPt薄膜500およびバッファ層600を除去したものを用いてもよい。
By the way, in this embodiment, although the
このような単結晶基板400を用いる場合は、100nm〜1μm程度の膜厚のKNN薄膜410を形成できるから、このようなKNN薄膜410を用いて圧電材料部3を形成することによって、BAW共振器を1G〜10GHz程度の高周波にも対応させることが可能になる。しかも、KNN薄膜410は単結晶基板400上に単結晶成長させたものなので、KNN薄膜410中に多結晶のKNNが含まれてしまうことを低減できて、高いQ値を有するKNN薄膜410を得ることができるから、Q値を向上できる。
When such a
なお、本実施形態のBAW共振器は、SMR型のBAW共振器であるが、下部電極2の下部に空洞(キャビティ)を設けることで圧電材料部3を自由に振動させるように構成されたベース基板(図示せず)を用いたFBAR型(Film Bulk Acoustic Resonator)のBAW共振器であってもよい。この点は後述する実施形態2においても同様である。
The BAW resonator of the present embodiment is an SMR type BAW resonator, but a base configured to freely vibrate the
(実施形態2)
本実施形態のBAW共振器の製造方法は、下部電極2の下側金属層22がAl層ではなく、ポーラス化されたAl層である点で実施形態1と異なっており、その他の工程は実施形態1と同様であるから説明を省略する。
(Embodiment 2)
The manufacturing method of the BAW resonator of this embodiment is different from that of
したがって、本実施形態のBAW共振器の製造方法によれば、上記実施形態1と同様の効果が得られる上に、下側金属層22がポーラス化されたAl層であるので、KNN素片30と下部電極2とを接合する際に、下側金属層22がさらにつぶれ易くなるから、ベース基板1の上記一表面の平滑度が悪くても下部電極2とベース基板1との密着性を向上でき、その結果、下部電極2とベース基板1との接合強度を向上でき、しかもKNN素片30と下部電極2とを接合する際にKNN素片30にクラックが生じてしまうことをさらに抑制できる。その上、ポーラス化されたAl層は、例えば希ガス雰囲気下でAlをベース基板1の上記一表面上に真空蒸着するなどの簡単な手法で形成することができるから、製造が容易になる。
Therefore, according to the method of manufacturing the BAW resonator of the present embodiment, the same effects as those of the first embodiment can be obtained, and the
なお、圧電材料部3の材料として用いるKNNとしては、所定の不純物(例えばLi、Nb、Ta、Sb、Cuなど)が添加されたものを用いてもよい。また、圧電材料部3の材料は、KNNに限定されず、例えば、KN(KNbO3)や、NN(NaNbO3)などのニオブ酸化物系の鉛フリーの圧電材料(無鉛圧電セラミックス)を採用することができる。
In addition, as KNN used as a material of the
1 ベース基板
2 下部電極
3 圧電材料部
4 上部電極
21 上側金属層
22 下側金属層
30 KNN素片
31 接合金属層
300 バルク
400 単結晶基板
410 KNN薄膜
DESCRIPTION OF
Claims (6)
前記KNN素片の厚み方向の一面に前記下部電極との接合用の接合金属層を形成する接合金属層形成工程と、前記接合金属層形成工程により形成された前記接合金属層と前記ベース基板の前記一表面上に積層された前記下部電極とを接合する接合工程と、前記接合工程の後に前記KNN素片の厚み方向の他面側に前記上部電極を形成する上部電極形成工程とを有し、
前記下部電極を前記ベース基板の前記一表面上に積層するにあたっては、前記ベース基板の前記一表面上に前記下部電極において下層となる下側金属層を積層した後に前記下側金属層上に前記下部電極において上層となる上側金属層を積層するようにし、
前記下側金属層の材料としては前記上側金属層よりも低密度な金属を用い、
前記上側金属層の材料としては前記下側金属層よりも前記接合金属層との接合性が高い金属を用いることを特徴とするBAW共振器の製造方法。 A base substrate, a lower electrode laminated on one surface of the base substrate, a piezoelectric material portion formed using a KNN element and laminated on the lower electrode, and an upper electrode laminated on the piezoelectric material portion; A method of manufacturing a BAW resonator comprising:
A bonding metal layer forming step of forming a bonding metal layer for bonding to the lower electrode on one surface in the thickness direction of the KNN element; the bonding metal layer formed by the bonding metal layer forming step; and the base substrate A bonding step of bonding the lower electrode stacked on the one surface; and an upper electrode forming step of forming the upper electrode on the other side in the thickness direction of the KNN element after the bonding step. ,
In laminating the lower electrode on the one surface of the base substrate, a lower metal layer serving as a lower layer in the lower electrode is laminated on the one surface of the base substrate, and then the lower metal layer is formed on the lower metal layer. The upper metal layer that is the upper layer in the lower electrode is laminated,
As a material for the lower metal layer, a metal having a lower density than the upper metal layer is used.
A method of manufacturing a BAW resonator, wherein a metal having a higher bonding property to the bonding metal layer than the lower metal layer is used as a material of the upper metal layer.
前記下側金属層の材料としてはAlを用いることを特徴とする請求項1記載のBAW共振器の製造方法。 As the material of the bonding metal layer and the upper metal layer, Au is used,
2. The method of manufacturing a BAW resonator according to claim 1, wherein Al is used as a material of the lower metal layer.
前記下側金属層はポーラス化されたAl層であることを特徴とする請求項2記載のBAW共振器の製造方法。 As the material of the bonding metal layer and the upper metal layer, Au is used,
3. The method of manufacturing a BAW resonator according to claim 2, wherein the lower metal layer is a porous Al layer.
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