JP5111281B2 - 圧電共振器およびその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、圧電共振器およびその製造方法に関する。

無線通信および電気回路に用いられる電気信号の周波数の高周波化に伴い、高周波化された電気信号に対して用いられるフィルタについても高周波数に対応したものが開発されている。特に、無線通信においては２ＧＨｚ近傍のマイクロ波が主流になりつつあり、また既に数ＧＨｚ以上の規格策定の動きもあることから、それらの周波数に対応した高性能なフィルタが求められている。このようなフィルタとして、圧電性を示す圧電膜の厚み縦振動モードを用いた圧電共振器を用いたものが提案されている。

圧電共振器は、ＳｉやＧａＡｓなどからなる基板と、基板表面上に形成される共振器本体と、基板および共振器本体で囲まれる空隙と、共振器本体を貫通し空隙と連通する貫通孔とを含んで構成される。そして、共振器本体は、圧電膜と、厚み方向の両側から圧電膜を挟む上部電極および下部電極とを含んで構成される。ここで、圧電共振器では、共振器本体を構成する圧電膜と上部電極と下部電極とが重なる部分のうち、空隙を臨む部分の内壁面によって共振部が形成されており、空隙が圧電膜の振動を可能にする共振領域であるキャビティとなっている。

また、圧電共振器は、半導体製造技術を利用して製造することができる。圧電共振器を製造するときには、まず、基板上に犠牲層を堆積させる。その後、表面研磨を行って鏡面仕上げとし、圧電膜、上部電極および下部電極で構成される積層体である共振器本体を犠牲層上に形成する。そして、共振器本体に貫通孔を開けて、その貫通孔を介してエッチング剤によって犠牲層を除去して空隙を形成し、圧電共振器を製造する。

このような圧電共振器は、構造上、共振領域となる空隙に起因する表面起伏が特徴的である。つまり、空隙を構成する共振器本体の内壁面のうち、周縁端部における内壁面には段差が形成され、この段差に応じて、共振器本体を構成する圧電膜、上部電極および下部電極のそれぞれの表面に起伏が形成される。このため、圧電膜、上部電極および下部電極のそれぞれには、表面起伏に対応した部分に過大な応力の蓄積と集中が発生し、破損が発生する場合がある。

このような問題点を解決する圧電共振器として、特許文献１には、空隙を構成する共振器本体の内壁面が、中央部において基板表面に対して平行な平坦面であり、周縁端部において基板表面とのなす角が異なる複数の傾斜面となる構成が開示されている。

特許文献１に開示される圧電共振器によれば、空隙を構成する共振器本体の内壁面の周縁端部における内壁面が、基板表面とのなす角が異なる複数の傾斜面となるように構成され、この複数の傾斜面に応じて、共振器本体を構成する圧電膜、上部電極および下部電極のそれぞれの周縁端部表面に複数の表面起伏が形成される。このため、圧電膜、上部電極および下部電極のそれぞれの周縁端部表面における応力の蓄積が分散されて、破損の発生を抑制することができる。

特開２００５−４５６９４号公報

特許文献１に開示される圧電共振器では、共振器本体を貫通し、内壁面に開口する貫通孔は、共振器本体を基板表面に直交する方向に貫通し、空隙を構成する共振器本体の内壁面のうち中央部の平坦面に開口するように設けられている。このような圧電共振器は、空隙に対応する部分に形成される犠牲層を、貫通孔を介してエッチング剤によって除去して製造するが、エッチング剤が供給される通路となる貫通孔は、犠牲層の表面中央部の平坦面に貫通するように形成されることになる。

圧電共振器においては、前述したように、共振器本体が空隙を臨む部分の内壁面によって共振部が形成されて、空隙が圧電膜の振動を可能にする共振領域となっている。このため、空隙に連通する貫通孔の開口径は、それほど大きくすることができない。そのため、貫通孔が犠牲層の表面中央部の平坦面に貫通するように形成される構成では、貫通孔の開口面積を十分に大きくすることができず、貫通孔を介してエッチング剤によって犠牲層を除去するときの犠牲層除去効率を向上させることができない。そして、犠牲層を完全にエッチング除去できない場合があり、空隙内に犠牲層の一部が残留してしまい、圧電共振器としての共振特性が損なわれる場合がある。

したがって本発明の目的は、空隙内に犠牲層が残留することが殆どなく、優れた共振特性を有する圧電共振器を提供すること、および該圧電共振器の製造方法を提供することである。

本発明は、基板と、
圧電膜と、前記圧電膜の厚み方向一表面上に少なくとも一部が積層される上部電極と、前記圧電膜の厚み方向他表面上に少なくとも一部が積層される下部電極とを含んで構成され、前記基板の厚み方向一表面上に形成される共振器本体と、
前記基板および前記共振器本体で囲まれる空隙と、を含む圧電共振器であって、
前記共振器本体の周縁端部における前記空隙を臨む部分の内壁面は、前記基板の厚み方向一表面とのなす角が鋭角となる傾斜面となっているとともに、前記共振器本体には、前記内壁面の前記傾斜面に開口し、前記基板表面に直交する方向に伸びる貫通孔が設けられており、
前記傾斜面は、前記基板の厚み方向一表面とのなす角が異なる第１傾斜面と第２傾斜面とを有し、
前記第１傾斜面は前記第２傾斜面より前記基板の厚み方向一表面側に位置し、前記第１傾斜面が前記基板の厚み方向一表面となす角度は、前記第２傾斜面が前記基板の厚み方向一表面となす角度よりも小さく設定されている圧電共振器である。

また本発明は、前記貫通孔は、前記第１傾斜面と前記第２傾斜面との境界部を跨ぐように形成されていることを特徴とする。

また本発明は、基板と、
前記基板の厚み方向一表面上に形成され、前記基板表面に対して平行な平坦面を有する中央部及び前記基板表面とのなす角が鋭角となる傾斜面を有する周縁端部から構成される犠牲層と、
圧電膜と、前記圧電膜の厚み方向一表面上に少なくとも一部が積層される上部電極と、前記圧電膜の厚み方向他表面上に少なくとも一部が積層される下部電極とで構成され、前記犠牲層上に前記中央部及び前記周縁部を覆うように形成される積層体と、を含む共振器形成用基板を準備する基板準備工程と、
前記犠牲層の前記傾斜面まで到達し、前記基板表面に直交する方向に伸びる貫通孔を前記積層体に形成する貫通孔形成工程と、
前記貫通孔を介してエッチング剤によって前記犠牲層を除去し、前記基板および前記積層体で囲まれる空隙を形成する犠牲層エッチング工程と、
を含む圧電共振器の製造方法であって、
前記基板準備工程では、前記犠牲層の前記傾斜面が、前記基板表面とのなす角が異なる第１傾斜面と第２傾斜面とを有し、前記第１傾斜面は前記第２傾斜面より前記基板の厚み方向一表面側に位置し、前記第１傾斜面が前記基板表面となす角度は、前記第２傾斜面が前記基板表面となす角度よりも小さく設定される共振器形成用基板を準備する圧電共振器の製造方法である。
また本発明は、基板と、
前記基板の厚み方向一表面上に形成され、前記基板表面に対して平行な平坦面を有する中央部及び前記基板表面とのなす角が鋭角となる傾斜面を有する周縁端部から構成される犠牲層と、
圧電膜と、前記圧電膜の厚み方向一表面上に少なくとも一部が積層される上部電極と、前記圧電膜の厚み方向他表面上に少なくとも一部が積層される下部電極とで構成され、前記犠牲層上に前記中央部及び前記周縁部を覆うように形成される積層体と、を含む共振器形成用基板を準備する基板準備工程と、
前記犠牲層の前記傾斜面まで到達し、前記基板表面に直交する方向に伸びる貫通孔を前記積層体に形成する貫通孔形成工程と、
前記貫通孔を介してエッチング剤によって前記犠牲層を除去し、前記基板および前記積層体で囲まれる空隙を形成する犠牲層エッチング工程と、
を含む圧電共振器の製造方法であって、
前記基板準備工程では、前記犠牲層の前記傾斜面が、前記基板表面とのなす角が異なる第１傾斜面と第２傾斜面とを有する共振器形成用基板を準備し、
前記犠牲層エッチング工程では、前記第１傾斜面と前記第２傾斜面との境界部において顕在化する干渉縞を、前記貫通孔を介して検出し、その検出結果に基づいて前記干渉縞が消滅するまでエッチング剤によって犠牲層を除去し、基板および積層体で囲まれる空隙を形成する圧電共振器の製造方法である。
また本発明は、基板と、
前記基板の厚み方向一表面上に形成され、前記基板表面に対して平行な平坦面を有する中央部及び前記基板表面とのなす角が鋭角となる傾斜面を有する周縁端部から構成される犠牲層と、
圧電膜と、前記圧電膜の厚み方向一表面上に少なくとも一部が積層される上部電極と、前記圧電膜の厚み方向他表面上に少なくとも一部が積層される下部電極とで構成され、前記犠牲層上に前記中央部及び前記周縁部を覆うように形成される積層体と、を含む共振器形成用基板を準備する基板準備工程と、
前記犠牲層の前記傾斜面まで到達し、前記基板表面に直交する方向に伸びる貫通孔を前記積層体に形成する貫通孔形成工程と、
前記貫通孔を介してエッチング剤によって前記犠牲層を除去し、前記基板および前記積層体で囲まれる空隙を形成する犠牲層エッチング工程と、
を含む圧電共振器の製造方法であって、
前記犠牲層エッチング工程の後、前記空隙内に残存する前記エッチング剤を前記貫通孔を介して除去するエッチング剤除去工程をさらに含む圧電共振器の製造方法である。
また本発明は、前記基板準備工程では、前記犠牲層の前記傾斜面が、前記基板表面とのなす角が異なる第１傾斜面と第２傾斜面とを有する共振器形成用基板を準備することを特徴とする。

また本発明は、前記基板準備工程では、前記犠牲層が、前記第１傾斜面を有しかつ二酸化珪素からなる第１犠牲層と、前記第２傾斜面を有しかつリンドープガラスからなる第２犠牲層とを含んで構成される共振器形成用基板を準備することを特徴とする。

また本発明は、前記貫通孔形成工程では、前記第１傾斜面と前記第２傾斜面との境界部を跨ぐようにして前記貫通孔が形成されることを特徴とする。

本発明によれば、基板と、基板表面上に形成される共振器本体と、基板および共振器本体で囲まれる空隙と、共振器本体を貫通し空隙と連通する貫通孔とを含む圧電共振器である。そして、共振器本体は、圧電膜と、圧電膜の厚み方向一表面上に少なくとも一部が積層される上部電極と、圧電膜の厚み方向他表面上に少なくとも一部が積層される下部電極とを含んで構成されている。

そして、共振器本体の周縁端部における空隙を臨む部分の内壁面は、基板の厚み方向一表面とのなす角が鋭角となる傾斜面となるように構成されている。このように、空隙を構成する共振器本体の内壁面がその周縁端部において、基板表面とのなす角が鋭角となる傾斜面となるように構成されているので、周縁端部において基板表面に対して垂直となるように構成されている場合に比べて、周縁端部に対応する共振器本体の圧電膜、上部電極および下部電極のそれぞれには、過大な応力の蓄積と集中が発生するのが防止され、破損の発生を抑制することができる。

さらに、共振器本体には、内壁面の傾斜面に開口し、基板表面に直交する方向に伸びる貫通孔が設けられている。このように、貫通孔が傾斜面に開口するように設けられているので、平坦面に開口するように設けられる場合に比べて、貫通孔が共振部に与える影響が小さい。それ故、共振特性に優れた圧電共振器となすことができる。また貫通孔を平坦面に開口するように設けた場合と比べて、貫通孔の孔径は同じでも、貫通孔の空隙側の開口面積が大きなものとなる。圧電共振器は、空隙に対応する部分に形成される犠牲層を、貫通孔を介してエッチング剤によって除去して製造されるが、本発明の圧電共振器は、貫通孔の空隙側の開口面積が大きいので、空隙内に犠牲層が残留することが殆どない。そのため、残留した犠牲層に起因する共振特性の劣化が抑制され、優れた共振特性を有する圧電共振器となる。

また、傾斜面は、基板の厚み方向一表面とのなす角が異なる第１傾斜面と第２傾斜面とを有する。これによって、内壁面の第１傾斜面および第２傾斜面に対応する共振器本体の圧電膜、上部電極および下部電極のそれぞれには、過大な応力の蓄積と集中が発生するのがさらに防止され、破損の発生をさらに抑制することができる。

また、第１傾斜面は第２傾斜面より基板の厚み方向一表面側に位置し、第１傾斜面が基板の厚み方向一表面となす角度は、第２傾斜面が基板の厚み方向一表面となす角度よりも小さく設定される。これによって、内壁面の第１傾斜面および第２傾斜面に対応する共振器本体の圧電膜、上部電極および下部電極のそれぞれには、過大な応力の蓄積と集中が発生するのがさらに防止され、破損の発生をさらに抑制することができる。

また本発明によれば、第１傾斜面と第２傾斜面との境界部を跨ぐように形成される貫通孔を有した圧電共振器を実現できる。

また本発明によれば、基板準備工程では、共振器形成用基板を準備する。準備する共振器形成用基板は、基板表面上に、犠牲層と積層体とが積層されたものである。犠牲層は、中央部が基板表面に対して平行な平坦面であり、周縁端部が基板表面とのなす角が鋭角となる傾斜面である。積層体は、圧電膜と、圧電膜の厚み方向一表面上に少なくとも一部が積層される上部電極と、圧電膜の厚み方向他表面上に少なくとも一部が積層される下部電極とで構成されている。そして、貫通孔形成工程では、共振器形成用基板を構成する積層体を、基板表面に直交する方向に、犠牲層の傾斜面まで貫通する貫通孔を形成する。このとき、犠牲層の傾斜面まで貫通する貫通孔を形成するので、形成された貫通孔は、犠牲層の平坦面まで貫通するように形成されたものよりも、貫通孔の犠牲層側の開口面積が大きなものとなる。

そして、犠牲層エッチング工程では、貫通孔を介してエッチング剤によって犠牲層を除去し、基板および積層体で囲まれる空隙を形成する。このとき、貫通孔の犠牲層側の開口面積が大きいので、貫通孔を介してエッチング剤によって犠牲層を除去するときの犠牲層除去効率を向上させることができる。そのため、犠牲層を、効率よく完全にエッチング除去することができ、形成する空隙内に犠牲層の一部が残留することが殆どない。そのため、圧電共振器としての共振特性が損なわれるのが防止され、優れた共振特性を有する圧電共振器を製造することができる。

また、基板準備工程では、犠牲層の傾斜面が、基板表面とのなす角が異なる第１傾斜面と第２傾斜面とを有する共振器形成用基板を準備する。このような、基板表面とのなす角が異なる第１傾斜面と第２傾斜面を有する共振器形成用基板を用いて、その犠牲層をエッチング除去することによって、基板表面とのなす角が異なる第１傾斜面と第２傾斜面とを有する内壁面によって囲まれた空隙を備えた圧電共振器を製造することができ、第１，２傾斜面に対応する圧電膜、上部電極および下部電極のそれぞれには、過大な応力の蓄積と集中が発生するのが防止され、破損の発生を抑制可能な圧電共振器を製造することができる。

また、基板準備工程では、犠牲層の第１傾斜面は第２傾斜面より基板の厚み方向一表面側に位置し、第１傾斜面が基板表面となす角度は、第２傾斜面が基板表面となす角度よりも小さく設定される共振器形成用基板を準備する。このような共振器形成用基板を用いて、その犠牲層をエッチング除去することによって、周縁端部において角度が小さく設定された第１傾斜面を有する内壁面によって囲まれた空隙を備えた圧電共振器を製造することができる。
また本発明によれば、基板準備工程では、共振器形成用基板を準備する。準備する共振器形成用基板は、基板表面上に、犠牲層と積層体とが積層されたものである。犠牲層は、中央部が基板表面に対して平行な平坦面であり、周縁端部が基板表面とのなす角が鋭角となる傾斜面である。この傾斜面は、基板表面とのなす角が異なる第１傾斜面と第２傾斜面とを有する。積層体は、圧電膜と、圧電膜の厚み方向一表面上に少なくとも一部が積層される上部電極と、圧電膜の厚み方向他表面上に少なくとも一部が積層される下部電極とで構成されている。貫通孔形成工程では、共振器形成用基板を構成する積層体を、基板表面に直交する方向に、犠牲層の傾斜面まで貫通する貫通孔を形成する。犠牲層エッチング工程では、貫通孔を介してエッチング剤によって犠牲層を除去し、基板および積層体で囲まれる空隙を形成する。この犠牲層エッチング工程では、第１傾斜面と第２傾斜面との境界部において顕在化する干渉縞を、貫通孔を介して検出し、その検出結果に基づいて干渉縞が消滅するまでエッチング剤によって犠牲層を除去し、基板および積層体で囲まれる空隙を形成する。このように、前記境界部において顕在化する干渉縞を、貫通孔を介してモニタしながら犠牲層をエッチング除去し、干渉縞が消滅するまで犠牲層のエッチングを行うことにより犠牲層が除去されたかどうかの目安を簡単に行うことができる。
また本発明によれば、基板準備工程では、共振器形成用基板を準備する。準備する共振器形成用基板は、基板表面上に、犠牲層と積層体とが積層されたものである。犠牲層は、中央部が基板表面に対して平行な平坦面であり、周縁端部が基板表面とのなす角が鋭角となる傾斜面である。積層体は、圧電膜と、圧電膜の厚み方向一表面上に少なくとも一部が積層される上部電極と、圧電膜の厚み方向他表面上に少なくとも一部が積層される下部電極とで構成されている。貫通孔形成工程では、共振器形成用基板を構成する積層体を、基板表面に直交する方向に、犠牲層の傾斜面まで貫通する貫通孔を形成する。犠牲層エッチング工程では、貫通孔を介してエッチング剤によって犠牲層を除去し、基板および積層体で囲まれる空隙を形成する。そして、エッチング剤除去工程では、犠牲層エッチング工程の後、空隙内に残存するエッチング剤を貫通孔を介して除去する。

また本発明によれば、基板準備工程では、犠牲層が、第１傾斜面を有しかつ二酸化珪素からなる第１犠牲層と、第２傾斜面を有しかつリンドープガラスからなる第２犠牲層とを含んで構成される共振器形成用基板を準備する。このような、第１傾斜面を有しかつ二酸化珪素からなる第１犠牲層と、第２傾斜面を有しかつリンドープガラスからなる第２犠牲層とを含んで構成される犠牲層を有する共振器形成用基板を用いて、その犠牲層をエッチング除去することによって、基板表面とのなす角が異なる第１傾斜面と第２傾斜面とを有する内壁面によって囲まれた空隙を備えた圧電共振器を製造することができる。

また本発明によれば、貫通孔形成工程では、積層体を、基板表面に直交する方向に、犠牲層の傾斜面における第１傾斜面と第２傾斜面との境界部を跨ぐようにして貫通孔が形成されている。これにより貫通孔が犠牲層まで到達したときに顕在化される干渉縞を目視等により確認することが可能となる。これにより、貫通孔が犠牲層まで到達したことを簡単に確認することができる。

図１は、本発明の実施の一形態である圧電共振器１の構成を示す断面図である。圧電共振器１は、基板１６と、基板１６の厚み方向一表面上に形成される共振器本体１７と、基板１６および共振器本体１７で囲まれる空隙１５と、共振器本体１７を貫通し、空隙１５と連通する貫通孔１４とを含んで構成される。基板１６は、圧電共振器１のベース部材である。基板１６は、略直方体形状を有し、厚みが０．０５〜１．０ｍｍ程度に選ばれる。基板１６は、Ｓｉ（シリコン）、ＧａＡｓ（ガリウムヒ素）などによって形成される。

共振器本体１７は、圧電膜１１と、圧電膜１１の厚み方向一表面上に少なくとも一部が積層される上部電極１３と、圧電膜１１の厚み方向他表面上に少なくとも一部が積層される下部電極１２とを含んで構成される積層体である。

圧電膜１１は、ＺｎＯ（酸化亜鉛）、ＡｌＮ（窒化アルミニウム）およびＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）などの圧電材料からなり、上部電極１３および下部電極１２によって印加される高周波電圧に応じて伸縮し、電気的な信号を機械的な振動に変換する機能を有する。圧電共振器１が必要な共振特性を発揮するために、圧電膜１１の厚みは、圧電膜１１を形成する材料の固有音響インピーダンスおよび密度、圧電膜１１を伝播する音響波の音速および波長などを考慮して、精密に選ぶ必要がある。圧電膜１１の最適な厚みは、圧電共振器１を用いて構成される電子回路で使用する信号の周波数、後述する共振部１８の設計寸法、圧電膜材料、電極材料によって異なるが、例えば、０．２〜３．０μｍ程度に選ばれる。

下部電極１２は、圧電膜１１の厚み方向他表面上に少なくとも一部が積層される。つまり、下部電極１２は、積層体である共振器本体１７において最下層となり、基板１６の厚み方向一表面上に形成される。下部電極１２は、圧電膜１１に高周波電圧を印加する機能を有する部材であり、Ｗ（タングステン）、Ｍｏ（モリブデン）、Ａｕ（金）、Ａｌ（アルミニウム）およびＣｕ（銅）などの金属材料を用いて形成される。また下部電極１２は、電極としての機能と同時に、後述する共振部１８を構成する機能も有するので、圧電共振器１が必要な共振特性を発揮するために、その厚みは、下部電極１２を形成する材料の固有音響インピーダンスおよび密度、下部電極１２を伝播する音響波の音速および波長などを考慮して、精密に選ぶ必要がある。下部電極１２の最適な厚みは、圧電共振器１を用いて構成される電子回路で使用する信号の周波数、共振部１８の設計寸法、圧電膜材料、電極材料によって異なるが、０．０３〜１．０μｍ程度に選ばれる。上部電極１３は、下部電極１２とともに、圧電膜１１に高周波電圧を印加する機能を有する部材であり、下部電極１２と同様に構成される。

空隙１５は、基板１６と共振器本体１７とで囲まれる空洞であり、圧電膜１１の振動を可能にする共振領域であるキャビティとなっている。空隙１５を構成する共振器本体１７の内壁面は、中央部において基板１６の厚み方向一表面に対して間隙を有して平行な面となる空隙平坦面１５ａであり、周縁端部において基板１６の厚み方向一表面とのなす角が鋭角となる傾斜面となるように構成されている。共振器本体１７を構成する圧電膜１１、上部電極１３および下部電極１２のそれぞれの表面は、前述した空隙１５を形成する内壁面の形状に応じて、起伏が形成される。たとえば、圧電膜１１は、空隙１５を形成する共振器本体１７の空隙平坦面１５ａに対応して第１圧電膜平坦面１１ａを有し、共振器本体１７の第１空隙傾斜面１５ｂに対応して第１圧電膜傾斜面１１ｄを有し、共振器本体１７の第２空隙傾斜面１５ｃに対応して第２圧電膜傾斜面１１ｃを有する。そして、圧電膜１１は、空隙１５に対応しない部分についてはベース部材である基板１６に対応して形成されており、圧電膜１１の周縁端部には、基板１６表面に対応した平坦面である第２圧電膜平坦面１１ｂが形成されている。

空隙１５を形成する共振器本体１７の内壁面がその周縁端部において、基板１６表面とのなす角が鋭角となる傾斜面となるように構成されることによって、周縁端部において基板１６表面に対して垂直となるように構成されている場合に比べて、周縁端部に対応する共振器本体１７の圧電膜１１、上部電極１３および下部電極１２のそれぞれには、過大な応力の蓄積と集中が発生するのが防止され、破損の発生を抑制することができる。

また、共振器本体１７の構成部材に対する応力集中を防止し、破損の発生を抑制するという観点からは、共振器本体１７の内壁面の周縁端部における傾斜面は、基板１６の厚み方向一表面とのなす角が異なる複数の傾斜面を有することが好ましく、本実施の形態では、２つの傾斜面である第１空隙傾斜面１５ｂと第２空隙傾斜面１５ｃとを有する。第１空隙傾斜面１５ｂは、第２空隙傾斜面１５ｃよりも基板１６の厚み方向一表面側に位置し、第１空隙傾斜面１５ｂが基板１６表面となす角度θ１は、第２空隙傾斜面１５ｃが基板１６表面となす角度θ２よりも小さく設定されている。

また、本実施の形態では、空隙１５を形成する共振器本体１７の内壁面において、空隙平坦面１５ａと基板１６の厚み方向一表面との間隙は、２．６〜４．０μｍ程度に設定され、第１空隙傾斜面１５ｂと基板１６表面とのなす角度θ１は、１．１４°以上２６．５°未満に設定され、第２空隙傾斜面１５ｃと基板１６表面とのなす角度θ２は、２６．５°以上５６．３°以下に設定される。

圧電共振器１では、共振器本体１７を構成する圧電膜１１と上部電極１３と下部電極１２とが重なる部分のうち、空隙１５に臨む部分の内壁面によって共振部１８が形成される。共振部１８の厚みは、おおむねλ／２（λは使用する信号の周波数での音響波の波長）となるように設計される。共振部１８の厚み方向から見た形状、すなわち平面形状は、略矩形状である。なおスプリアス抑制のために共振部１８の平面形状を非対称の形状にしてもよい。本実施の形態では、共振部１８は直方体形状に形成される。また共振部１８の厚み方向に垂直な断面における面積は、圧電共振器１のインピーダンスを決定する要素となるので、厚みと同様に精密に設計する必要がある。５０Ωのインピーダンス系で圧電共振器１を使用する場合は、共振部１８の電気的なキャパシタンスが、使用する信号の周波数でおおむね５０Ωのリアクタンスを持つように選ばれる。本実施の形態では、共振部１８の厚み方向に垂直な断面における面積は、たとえば２ＧＨｚの圧電共振器１の場合であれば、２００μｍ×２００μｍ程度に選ばれる。

圧電共振器１に設けられる貫通孔１４は、共振器本体１７を、基板１６表面に直交する方向に貫通し、空隙１５を形成する共振器本体１７の傾斜面である第１空隙傾斜面１５ｂおよび第２空隙傾斜面１５ｃに開口して形成される。そして、本実施の形態では、貫通孔１４は、第１空隙傾斜面１５ｂと第２空隙傾斜面１５ｃとの境界部を跨ぐように形成されており、その孔径は、例えば１０μｍ程度である。このように、貫通孔１４が共振器本体１７の第１空隙傾斜面１５ｂおよび第２空隙傾斜面１５ｃに開口するように設けられているので、共振器本体１７の空隙平坦面１５ａに開口するように設けられる場合に比べて、孔径は同じでも、貫通孔１４の空隙１５側の開口面積が大きなものとなる。圧電共振器１は、詳細は後述するが、空隙１５に対応する部分に形成される犠牲層を、貫通孔１４を介してエッチング剤によって除去して製造されるが、本発明の圧電共振器１は、貫通孔１４の空隙１５側の開口面積が大きいので、エッチング剤による犠牲層除去効率が向上し、空隙１５内に犠牲層の一部が残留するのが防止されたものとなる。そのため、圧電共振器１としての共振特性が損なわれるのが防止され、優れた共振特性を有する圧電共振器１となる。

次に、本発明における圧電共振器１の製造方法について説明する。図２Ａ〜図２Ｃは、本発明の実施の一形態である圧電共振器１の製造方法を示す工程図である。本発明における圧電共振器１の製造方法は、半導体製造技術を利用するものであり、大きくは以下のように４つの工程からなる。

［基板準備工程］
基板準備工程では、共振器形成用基板を準備する。準備する共振器形成用基板は、基板１６表面上に、犠牲層と共振器本体１７とが積層されたものである。

（ａ）基板１６の準備および犠牲層の形成工程
圧電共振器１に用いられる基板１６は、Ｓｉ（シリコン）やＧａＡｓ（ガリウムヒ素）などからなる板状部材であり、本実施の形態では、シリコン基板を用いた例について説明する。また、犠牲層は、製造する圧電共振器１の空隙１５に対応する部分であり、本実施の形態では、共振器本体１７の内壁面である空隙平坦面１５ａ、第１空隙傾斜面１５ｂ、第２空隙傾斜面１５ｃおよび基板１６によって囲まれて形成される空隙１５に対応して、２つの犠牲層である第１犠牲層２１および第２犠牲層２２を基板１６表面上に形成する。

まず、図２Ａ−（ａ）に示すように、基板１６の厚み方向一表面の全面にわたって、ＳｉＯ_２（二酸化珪素）からなる第１犠牲層２１を形成する。ＳｉＯ_２からなる第１犠牲層２１は、シリコン基板１６の表面を加熱処理し、熱酸化させることで形成することができる。第１犠牲層２１の厚みは、加熱処理の処理条件、加熱温度、加熱時間などにより制御することが可能であり、本実施の形態では０．１〜１．０μｍに設定される。

次に、図２Ａ−（ｂ）に示すように、第１犠牲層２１上に、ＰＳＧ（リンドープガラス）からなる第２犠牲層２２を形成する。第２犠牲層２２は、ＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法によって形成することができる。第２犠牲層２２の厚みは、ＣＶＤ処理時の温度や時間などの処理条件により制御することが可能であり、本実施の形態では２．５〜３．０μｍに設定される。このように第２犠牲層２２は比較的厚く形成されるが、ＰＳＧはエッチング速度が速いため後述する犠牲層エッチング工程において比較的短時間でエッチングを行うことができる。また、第２犠牲層２２とシリコンからなる基板１６との間にＳｉＯ_２からなる第１犠牲層２１を介在させることによって、第１犠牲層２１が拡散バリアとして機能し、ＰＳＧのリンが基板１６に拡散するのを抑制することができる。第１犠牲層２１上に形成された第２犠牲層２２の表面は、ＣＭＰ（Chemical Mechanical Polishing）装置を用いて表面平滑化される。

（ｂ）犠牲層のパターニング工程
図２Ｂ−（ｃ）に示すように、基板１６の一表面の全面にわたって形成した第１犠牲層２１および第２犠牲層２２を、パターニングにより空隙１５に対応した形状にする。つまり、空隙１５を形成する共振器本体１７の第１空隙傾斜面１５ｂに対応して、第１犠牲層２１が、中央部が基板１６表面に対して平行な平坦面となる第１犠牲層平坦面２１ａであり、周縁端部が基板１６表面とのなす角度がθ１となる傾斜面である第１犠牲層傾斜面２１ｂとなるように、パターニングする。そして、空隙１５を形成する共振器本体１７の第２空隙傾斜面１５ｃに対応して、第２犠牲層２２が、中央部が基板１６表面に対して平行な平坦面となる第２犠牲層平坦面２２ａであり、周縁端部が基板１６表面とのなす角度がθ２となる傾斜面である第２犠牲層傾斜面２２ｂとなるように、パターニングする。

第１犠牲層２１および第２犠牲層２２のパターニングは、半導体製造プロセスにおける酸化絶縁膜の公知のパターニング技術を利用することができ、たとえばフォトリソグラフィ技術により、容易に設けることができる。パターニングの一例としては、第２犠牲層２２上にポジレジストをスピンコートなどにより塗布し、露光、現像してレジストをパターンニングしてマスクを形成する。そののちフッ酸水溶液に浸漬して、空隙１５に対応した形状を有する第１犠牲層２１および第２犠牲層２２を得る。

また第１犠牲層傾斜面２１ｂが基板１６の表面となす角度θ１と第２犠牲層傾斜面２２ｂが基板１６の表面となす角度θ２とを異ならせるには、選択比の異なる犠牲層を使用すればよい。例えば、図２Ｂ−（ｃ）に示すように、θ１＜θ２の関係を満たすようにしたい場合には、第１犠牲層２１よりもエッチング速度の速い第２犠牲層２２を選択すればよい。本実施形態では、第１犠牲層２１がＳｉＯ_２からなり、第２犠牲層２２がＳｉＯ_２よりエッチング速度が速いＰＳＧを用いているため、θ１＜θ２の関係を満たす傾斜面となっている。

（ｃ）積層体である共振器本体１７の形成工程
図２Ｂ−（ｄ）に示すように、空隙１５に対応した形状を有する第１犠牲層２１および第２犠牲層２２の上に、下部電極１２、圧電膜１１および上部電極１３からなる共振器本体１７を形成する。

まず、基板１６表面および第２犠牲層２２表面の少なくとも一部に下部電極１２を形成する。下部電極１２は、スパッタリング法やＣＶＤ法などによって形成することができる。次に、基板１６の厚み方向から平面視したときの全面、すなわち下部電極１２表面、下部電極１２が積層されていない第２犠牲層２２ｂ表面、下部電極１２および第２犠牲層２２が積層されていない基板１６表面のそれぞれを覆うように圧電膜１１を形成する。圧電膜１１は、スパッタリング法やＣＶＤ法などによって形成することができる。次に、圧電膜１１表面の少なくとも一部に上部電極１３を形成する。このとき、上部電極１３は、少なくとも一部が、圧電膜１１および下部電極１２を介して第２犠牲層２２と対向するように形成される。

以上のようにして、基板準備工程では、基板１６表面上に、第１犠牲層２１、第２犠牲層２２、下部電極１２、圧電膜１１および上部電極１３が積層された共振器形成用基板を準備する。

［貫通孔形成工程］
貫通孔形成工程では、図２Ｃ−（ｅ）に示すように、基板準備工程で準備した共振器形成用基板を構成する共振器本体１７を、基板１６表面に直交する方向に、第１犠牲層２１の第１犠牲層傾斜面２１ｂおよび第２犠牲層２２の第２犠牲層傾斜面２２ｂまで到達する貫通孔１４を形成する。貫通孔１４の形成方法は、半導体製造プロセスにおけるビア形成技術を利用することができ、たとえばフォトリソグラフィ技術により、容易に設けることができる。貫通孔１４は、たとえば第１犠牲層２１および第２犠牲層２２の平面形状が略正方形をなしている場合は、正方形の各頂点の近傍に、４箇所設けるようにすればよい。

このとき、第１犠牲層２１の第１犠牲層傾斜面２１ｂおよび第２犠牲層２２の第２犠牲層傾斜面２２ｂまで到達する貫通孔１４を形成するので、形成された貫通孔１４は、第２犠牲層２２の第２犠牲層平坦面２２ａまで貫通するように形成されたものよりも、孔径は同じでも、貫通孔１４の犠牲層側の開口面積が大きなものとなる。また、貫通孔１４は、第１犠牲層傾斜面２１ｂと第２犠牲層傾斜面２２ｂとの境界部３１を含む領域まで到達するように形成するのが好ましい。

図３は、貫通孔１４が第１、第２犠牲層２１，２２に到達した状態において、第１犠牲層２１および第２犠牲層２２を上方から見たときの様子を示す図である。基板１６表面とのなす角度が異なる傾斜面である第１犠牲層傾斜面２１ｂと第２犠牲層傾斜面２２ｂとの境界部３１を含む領域まで貫通するように形成された貫通孔１４からは、境界部３１において第１犠牲層傾斜面２１ｂ側に顕在化する干渉縞３２を視認することができる。すなわち、貫通孔１４が第１犠牲層２１および第２犠牲層２２に到達したときに干渉縞が顕在化される。これにより貫通孔１４の底面に現れる干渉縞を確認することによって、貫通孔１４が第１犠牲層２１および第２犠牲層２２まで到達したことを簡単に確認することができる。従来のように平坦部分に貫通孔１４を設けた場合、犠牲層に角度の異なる傾斜面がないため干渉縞が現れないか、現れたとしてもほとんど見えないため、貫通孔を目視や金属顕微鏡等により観察していても貫通孔１４が犠牲層まで到達する前後でほとんど状態が変わらない。そのため、従来は貫通孔１４が犠牲層まで到達したことを確認するには、大がかりな装置を用いたり、貫通孔１４が犠牲層に到達する際の条件出しを行う必要があるなど圧電共振器の製造工程が複雑化し生産性向上の妨げとなっていた。また貫通孔１４が犠牲層まで到達したか否かの確認作業を省いた場合や、貫通孔を形成する際の条件が変わった場合などは、貫通孔１４が犠牲層まで到達していない状態でこの後に続く犠牲層のエッチングを行うことがあり、この場合は、犠牲層がうまく除去されないといった問題や犠牲層を完全に除去するのに非常に時間がかるといった問題が生じることとなる。

これに対し本実施形態にかかる圧電共振器の製造方法によれば、角度の異なる第１犠牲層傾斜面２１ｂおよび第２犠牲層傾斜面２２ｂを有する第１犠牲層２１および第２犠牲層２２を設け、第１犠牲層傾斜面２１ｂと第２犠牲層傾斜面２２ｂとの境界部を跨ぐ位置に貫通孔１４を設けるようにしたことで、貫通孔１４が犠牲層に到達した際に干渉縞３２を生じさせることができ、この干渉縞を利用することによって簡単かつ確実に貫通孔１４を第１、第２犠牲層２１、２２まで到達させることが可能となる。

さらに境界部３１において顕在化する干渉縞３２は、後述する犠牲層エッチング工程において、犠牲層エッチング終点をモニタする指標として利用することができる。

［犠牲層エッチング工程］
犠牲層エッチング工程では、貫通孔１４を介してエッチング剤によって第１犠牲層２１および第２犠牲層２２を除去し、基板１６と共振器本体１７とで囲まれる空隙１５を形成する。第１犠牲層２１および第２犠牲層２２のエッチング除去は、半導体製造プロセスにおけるエッチング技術を利用することができ、犠牲層の材質に応じたエッチング剤を用いて容易に行うことができる。エッチング剤は、エッチング液またはエッチングガスで、種々のエッチング条件に応じてウェットエッチング、ドライエッチングのいずれかを選択すればよい。本実施の形態では、第１犠牲層２１および第２犠牲層２２をウェットエッチングにより除去する。エッチング剤としてフッ酸水溶液をエッチング液として用い、所定の温度条件でエッチングを行う。

このとき、前述したように、第１犠牲層傾斜面２１ｂおよび第２犠牲層傾斜面２２ｂまで貫通するように形成された貫通孔１４の犠牲層側の開口面積は、第２犠牲層平坦面２２ａまで貫通するように形成された場合に比べて、孔径は同じでも、大きな開口面積となるので、貫通孔１４を介してエッチング剤によって第１犠牲層２１および第２犠牲層２２を除去するときの犠牲層除去効率が向上されている。そのため、第１犠牲層２１および第２犠牲層２２を効率よく完全にエッチング除去することができ、形成する空隙１５内に犠牲層の一部が残留するのを防止することができる。また、貫通孔１４は、共振器本体１７における周縁端部側に形成されているので、貫通孔１４を流過して空隙１５内に進入してきたエッチング剤には流れが生じる。このエッチング剤の空隙１５内での流れによって、エッチング速度も向上する。

また、本実施の形態では、第１犠牲層傾斜面２１ｂと第２犠牲層傾斜面２２ｂとの境界部３１において顕在化する干渉縞３２を、貫通孔１４を介して検出し、その検出結果に基づいて干渉縞３２が消滅するまでエッチング剤によって第１犠牲層２１および第２犠牲層２２を除去し、基板１６および共振器本体１７で囲まれる空隙１５を形成する。境界部３１において顕在化する干渉縞３２を検出する方法としては、目視でもよいし、金属顕微鏡などの光学検出装置を用いて検出することもできる。

このように、境界部３１において顕在化する干渉縞３２を、貫通孔１４を介してモニタしながら第１犠牲層２１および第２犠牲層２２をエッチング除去し、干渉縞３２が消滅するまでエッチングを継続することにより、空隙１５内に犠牲層が残留していないか否かの目安とすることができる。

また、エッチング剤によって第１犠牲層２１および第２犠牲層２２を、所定時間エッチング除去した後、貫通孔１４を介して干渉縞３２が消滅したか否かを観察し、干渉縞３２が消滅していなければエッチング除去作業を繰り返し、干渉縞３２が消滅した時点でエッチング終点とするようにしてもよい。

［エッチング剤除去工程］
エッチング剤除去工程では、犠牲層エッチング工程において形成した空隙１５内に残留するエッチング剤を、貫通孔１４を介して除去する。まず、エッチング剤が残留する空隙１５内に、貫通孔１４を介して純水やＩＰＡ（イソプロパノール）などのリンス溶剤を充填し、これらのリンス溶剤で空隙１５内部を洗浄する。空隙１５内の洗浄が終了すると、乾燥機を用いてリンス溶剤を揮発させる。

なお、犠牲層エッチング工程において、ドライエッチング法によって犠牲層をエッチング除去した場合には、エッチング剤であるエッチングガスが空隙１５内から完全に排気されるように、真空排気を繰り返すようにすればよい。

以上のように、基板準備工程で基板１６表面上に第１犠牲層２１、第２犠牲層２２および共振器本体１７が積層された共振器形成用基板を準備し、貫通孔形成工程で共振器形成用基板を構成する共振器本体１７を、基板１６表面に直交する方向に、第１犠牲層傾斜面２１ｂおよび第２犠牲層傾斜面２２ｂまで貫通する貫通孔１４を形成し、犠牲層エッチング工程で貫通孔１４を介してエッチング剤によって第１犠牲層２１および第２犠牲層２２を除去して空隙１５を形成し、エッチング剤除去工程で空隙１５内に残留するエッチング剤を、貫通孔１４を介してリンス溶剤によって除去し、リンス溶剤を揮発乾燥させて、圧電共振器１を製造することができる。

本発明の実施の一形態である圧電共振器１の構成を示す断面図である。 本発明の実施の一形態である圧電共振器１の製造方法を示す工程図である。 本発明の実施の一形態である圧電共振器１の製造方法を示す工程図である。 本発明の実施の一形態である圧電共振器１の製造方法を示す工程図である。 貫通孔１４を形成したあとに第１犠牲層２１および第２犠牲層２２を上方から見たときの様子を示す図である。

符号の説明

１ 圧電共振器
１１ 圧電膜
１１ａ 第１圧電膜平坦面
１１ｂ 第２圧電膜平坦面
１１ｃ 第２圧電膜傾斜面
１１ｄ 第１圧電膜傾斜面
１２ 下部電極
１３ 上部電極
１４ 貫通孔
１５ 空隙
１５ａ 空隙平坦面
１５ｂ 第１空隙傾斜面
１５ｃ 第２空隙傾斜面
１６ 基板
１７ 共振器本体
１８ 共振部
２１ 第１犠牲層
２１ａ 第１犠牲層平坦面
２１ｂ 第１犠牲層傾斜面
２２ 第２犠牲層
２２ａ 第２犠牲層平坦面
２２ｂ 第２犠牲層傾斜面
３１ 境界部
３２ 干渉縞

Claims (8)

1. 基板と、
   圧電膜と、前記圧電膜の厚み方向一表面上に少なくとも一部が積層される上部電極と、前記圧電膜の厚み方向他表面上に少なくとも一部が積層される下部電極とを含んで構成され、前記基板の厚み方向一表面上に形成される共振器本体と、
   前記基板および前記共振器本体で囲まれる空隙と、を含む圧電共振器であって、
   前記共振器本体の周縁端部における前記空隙を臨む部分の内壁面は、前記基板の厚み方向一表面とのなす角が鋭角となる傾斜面となっているとともに、前記共振器本体には、前記内壁面の前記傾斜面に開口し、前記基板表面に直交する方向に伸びる貫通孔が設けられており、
   前記傾斜面は、前記基板の厚み方向一表面とのなす角が異なる第１傾斜面と第２傾斜面とを有し、
   前記第１傾斜面は前記第２傾斜面より前記基板の厚み方向一表面側に位置し、前記第１傾斜面が前記基板の厚み方向一表面となす角度は、前記第２傾斜面が前記基板の厚み方向一表面となす角度よりも小さく設定されている圧電共振器。
2. 前記貫通孔は、前記第１傾斜面と前記第２傾斜面との境界部を跨ぐように形成されている請求項１記載の圧電共振器。
3. 基板と、
   前記基板の厚み方向一表面上に形成され、前記基板表面に対して平行な平坦面を有する中央部及び前記基板表面とのなす角が鋭角となる傾斜面を有する周縁端部から構成される犠牲層と、
   圧電膜と、前記圧電膜の厚み方向一表面上に少なくとも一部が積層される上部電極と、前記圧電膜の厚み方向他表面上に少なくとも一部が積層される下部電極とで構成され、前記犠牲層上に前記中央部及び前記周縁部を覆うように形成される積層体と、を含む共振器形成用基板を準備する基板準備工程と、
   前記犠牲層の前記傾斜面まで到達し、前記基板表面に直交する方向に伸びる貫通孔を前記積層体に形成する貫通孔形成工程と、
   前記貫通孔を介してエッチング剤によって前記犠牲層を除去し、前記基板および前記積層体で囲まれる空隙を形成する犠牲層エッチング工程と、
   を含む圧電共振器の製造方法であって、
   前記基板準備工程では、前記犠牲層の前記傾斜面が、前記基板表面とのなす角が異なる第１傾斜面と第２傾斜面とを有し、前記第１傾斜面は前記第２傾斜面より前記基板の厚み方向一表面側に位置し、前記第１傾斜面が前記基板表面となす角度は、前記第２傾斜面が前記基板表面となす角度よりも小さく設定される共振器形成用基板を準備する圧電共振器の製造方法。
4. 基板と、
   前記基板の厚み方向一表面上に形成され、前記基板表面に対して平行な平坦面を有する中央部及び前記基板表面とのなす角が鋭角となる傾斜面を有する周縁端部から構成される犠牲層と、
   圧電膜と、前記圧電膜の厚み方向一表面上に少なくとも一部が積層される上部電極と、前記圧電膜の厚み方向他表面上に少なくとも一部が積層される下部電極とで構成され、前記犠牲層上に前記中央部及び前記周縁部を覆うように形成される積層体と、を含む共振器形成用基板を準備する基板準備工程と、
   前記犠牲層の前記傾斜面まで到達し、前記基板表面に直交する方向に伸びる貫通孔を前記積層体に形成する貫通孔形成工程と、
   前記貫通孔を介してエッチング剤によって前記犠牲層を除去し、前記基板および前記積層体で囲まれる空隙を形成する犠牲層エッチング工程と、
   を含む圧電共振器の製造方法であって、
   前記基板準備工程では、前記犠牲層の前記傾斜面が、前記基板表面とのなす角が異なる第１傾斜面と第２傾斜面とを有する共振器形成用基板を準備し、
   前記犠牲層エッチング工程では、前記第１傾斜面と前記第２傾斜面との境界部において顕在化する干渉縞を、前記貫通孔を介して検出し、その検出結果に基づいて前記干渉縞が消滅するまでエッチング剤によって犠牲層を除去し、基板および積層体で囲まれる空隙を形成する圧電共振器の製造方法。
5. 基板と、
   前記基板の厚み方向一表面上に形成され、前記基板表面に対して平行な平坦面を有する中央部及び前記基板表面とのなす角が鋭角となる傾斜面を有する周縁端部から構成される犠牲層と、
   圧電膜と、前記圧電膜の厚み方向一表面上に少なくとも一部が積層される上部電極と、前記圧電膜の厚み方向他表面上に少なくとも一部が積層される下部電極とで構成され、前記犠牲層上に前記中央部及び前記周縁部を覆うように形成される積層体と、を含む共振器形成用基板を準備する基板準備工程と、
   前記犠牲層の前記傾斜面まで到達し、前記基板表面に直交する方向に伸びる貫通孔を前記積層体に形成する貫通孔形成工程と、
   前記貫通孔を介してエッチング剤によって前記犠牲層を除去し、前記基板および前記積層体で囲まれる空隙を形成する犠牲層エッチング工程と、
   を含む圧電共振器の製造方法であって、
   前記犠牲層エッチング工程の後、前記空隙内に残存する前記エッチング剤を前記貫通孔を介して除去するエッチング剤除去工程をさらに含む圧電共振器の製造方法。
6. 前記基板準備工程では、前記犠牲層の前記傾斜面が、前記基板表面とのなす角が異なる第１傾斜面と第２傾斜面とを有する共振器形成用基板を準備する請求項５記載の圧電共振器の製造方法。
7. 前記基板準備工程では、前記犠牲層が、前記第１傾斜面を有しかつ二酸化珪素からなる第１犠牲層と、前記第２傾斜面を有しかつリンドープガラスからなる第２犠牲層とを含んで構成される共振器形成用基板を準備する請求項３，４，６のいずれか１つに記載の圧電共振器の製造方法。
8. 前記貫通孔形成工程では、前記第１傾斜面と前記第２傾斜面との境界部を跨ぐようにして前記貫通孔が形成される請求項３，４，６，７のいずれか１つに記載の圧電共振器の製造方法。

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