WO2006087878A1 - 圧電薄膜共振子 - Google Patents

Abstract

　圧電薄膜の破壊や電極断線などを完全に無くすことが可能である、圧電薄膜共振子およびその製造方法を提供する。 　基板２１と、一対の励振電極２４，２８の間に圧電薄膜２６が配置された振動部２７を含む浮き部分とを備える。基板２１上にその一部が支持された少なくとも２つの膜状の支持部２５，２９が設けられている。浮き部分が支持部２５，２９によって基板２１から空隙層２３を介して浮いた状態で支持されている。

Description

明 細 書

圧電薄膜共振子

技術分野

[0001] 本発明は、圧電薄膜共振子に関する。

背景技術

[0002] 圧電薄膜共振子は、対向する一対の励振電極の間に圧電薄膜が配置された振動 部を基板カゝら音響的に分離するため、薄膜部 (メンプレン)を空隙層を介して基板か ら部分的に浮き上がるように構成して 、る。

[0003] 例えば図 1に模式的に示したように、圧電薄膜共振子 10は、基板 11上に、誘電体 膜 12、下部電極 14、圧電薄膜 16、上部電極 18が形成されて構成されている。基板 11と誘電体膜 12との間には空隙層 13 (図 1 (a)参照）が形成され、電極 14, 18が重 なり合った積層方向の部分の誘電体膜 12、下部電極 14、圧電薄膜 16及び上部電 極 18、すなわち振動部 19が基板 11から浮き上った構造となっている。空隙層は、基 板 11と誘電体膜 12との間に形成された犠牲層 17 (図 1 (b)参照)を最終的に除去す ること〖こより、形成される。

[0004] 誘電体膜 12、下部電極 14、圧電薄膜 16及び上部電極 18を含む薄膜部は、基板 に支持される支持部分と、基板力 浮いた浮き部分とを含む。一般に、浮き部分は、 基板と平行に延在する中間部分と、支持部分および中間部分に接続され、基板に対 して斜めに延在するテーパ部とを有し、テーパ部が支持部分や中間部分と接続され る部分では、断面が折れ曲がるようになつている (例えば、特許文献 1参照)。

特許文献 1 :特開昭 61— 218214号公報

発明の開示

発明が解決しょうとする課題

[0005] このように断面が折れ曲がる構成の圧電薄膜共振子は、圧電薄膜の破壊や電極の 断線などが起こり易い。

[0006] すなわち、共振子の振動モードを基本波とした場合、犠牲層除去後のメンブレンは 圧電薄膜と、それをはさんだ 1対の電極力もなる。その場合、メンブレンの強度が弱い ため、犠牲層除去後にメンブレンが破壊したり、マイクロクラックが入ったり、振動膜が たわんだりする。

[0007] 圧電薄膜の上側、ないし、下側に誘電体膜を形成してメンブレンの強度を持たせる ようにしているが、強度に期待が持てるほど誘電体膜を形成すると、共振の帯域が狭 くなり、共振特性が劣化する。この共振子を用いた場合、フィルタの帯域も小さくなり、 所望のフィルタを作製することができない。また、誘電体膜を形成する場合、圧電薄 膜の応力に誘電体膜の応力が加わり、さらにメンブレンの強度が低下したり、振動部 がたわんだりする。

[0008] また、個々の素子に分離するダイシング工程で、メンブレンの強度不足より、ダイァ フラム破壊が生じやすい。さらに、実装時の取り扱い時に、振動部が剥き出しになつ ているため、振動部に負荷が力かりやすぐ素子が破壊する不良が発生しやすい。

[0009] そのため、テーパ部の折れ曲がり角度、つまり基板に対する傾き角度 (テーパ角） は、できるだけ小さくすることが望ましい。

[0010] しかし、基板と浮き部分の中間部分との間の距離が一定であれば、テーパ角が緩く なるほど、浮き部分のテーパ部の面積を大きくする必要があり、素子寸法を大きくす る必要がある。

[0011] そのため、実際には、テーパ角度は約 15度にするのが限度であり、圧電薄膜の破 壊や電極断線などは完全には無くすことはできない。

[0012] 本発明は、力かる実情に鑑み、圧電薄膜の破壊や電極断線などをほぼ完全に無く すことが可能である、圧電薄膜共振子およびその製造方法を提供しょうとするもので ある。

課題を解決するための手段

[0013] 本発明は、上記課題を解決するために、以下のように構成した圧電薄膜共振子を 提供する。

[0014] 圧電薄膜共振子は、基板と、一対の励振電極の間に圧電薄膜が配置された振動 部を含む浮き部分とを備える。前記基板上にその一部が支持された少なくとも 2つの 膜状の支持部が設けられている。前記浮き部分が前記支持部によって前記基板から 空隙層を介して浮 、た状態で支持されて 、る。 [0015] 上記構成によれば、圧電薄膜を浮き部分にのみ配置し、複雑な応力状態となる浮 き部分と基板との間の支持部には配置しないようにして、圧電薄膜共振子素子の破 壊や電極断線をなくすことができる。また、浮き部分と基板との間に延在する支持部 に圧電薄膜がなければ、支持部にテーパ部を形成する必要がないため、圧電薄膜 共振子素子の小型化を図ることができる。

[0016] 好ましくは、少なくとも 2つの膜状の支持部は導電膜からなる。前記一対の励振電 極の一方は、前記支持部の一方に電気的に接続されている。前記一対の励振電極 の他方は、前記支持部の他方に電気的に接続されている。

[0017] 上記構成によれば、圧電薄膜を挟む一対の励振電極に接続された配線の電気抵 抗を低減し、圧電薄膜共振子の Qを高くすることができる。

[0018] 好ましくは、前記少なくとも 2つの膜状の支持部は、前記基板に支持されていない 部分が前記浮き部分の前記基板とは反対側の面上の周縁部まで延びている。

[0019] 上記構成によれば、配線の電気抵抗をより低減し、圧電薄膜共振子の Qをより高く することができる。

[0020] 好ましくは、前記浮き部分と前記空隙層との境界を含む面は、前記基板と前記支持 部との境界を含む面とは、間隔を設けて離れている。

[0021] 上記構成によれば、基板には、圧電薄膜を含む浮き部分が配置される側の面が平 坦なものを使用することができる。凹部を有する基板を用いると圧電薄膜共振子の機 械的強度が相対的に弱くなるが、平坦な基板を用いて上記のように構成すれば、圧 電薄膜共振子の機械的強度を相対的に強くすることできる。

発明の効果

[0022] 本発明の圧電薄膜共振子およびその製造方法によれば、圧電薄膜に無理な力が 作用しない単純な形状にすることができ、圧電薄膜の破壊や電極断線などを完全に 無くすことが可能である。

図面の簡単な説明

[0023] [図 1]圧電薄膜共振子の (a)断面図、（b)平面図である。（従来例）

[図 2]圧電薄膜共振子の (a)断面図、（b)平面図である。（実施例 1)

[図 3]圧電薄膜共振子の (a)平面図、（b)断面図である。（実施例 2) 圆 4]圧電薄膜共振子の断面である。（実施例 3) 符号の説明

20 圧電薄膜共振子

21 基板

22 犠牲層

22x 端部

23 空隙層

24 下部電極 (薄膜部)

25 補強膜 (薄膜部）

26 圧電薄膜 (薄膜部)

27 振動部

28 上部電極 (薄膜部)

29 補強膜 (薄膜部）

30 圧電薄膜共振子

31 基板

32 犠牲層

33 空隙層

34 下部電極 (薄膜部)

35 補強膜 (薄膜部）

36 圧電薄膜 (薄膜部)

37 振動部

38 上部電極 (薄膜部)

39 補強膜 (薄膜部）

40 圧電薄膜共振子

41 基板

43 凹部 (空隙層）

44 下部電極 (薄膜部)

45 補強膜 (薄膜部） 46 圧電薄膜 (薄膜部）

47 振動部

48 上部電極 (薄膜部）

49 補強膜 (薄膜部）

発明を実施するための最良の形態

[0025] 以下、本発明の実施の形態として実施例について、図 2〜図 4を参照しながら説明 する。

[0026] (実施例 1)

図 2を参照しながら、本発明の第 1実施例の圧電薄膜共振子 20について説明する 。図 2 (b)は、圧電薄膜共振子 20の構造を模式的に示す平面である。図 2 (a)は、図 2 (b)の線 A— Aに沿って切断した断面図である。

[0027] 圧電薄膜共振子 20は、基板 21上に、下部電極 24、圧電薄膜 26、上部電極 28、 補強膜 25, 29によって薄膜部が形成されている。基板 21と下部電極 24との間には 空隙層 23 (図 2 (a)参照）が形成され、電極 24, 28が重なり合った積層方向の部分 の下部電極 24、圧電薄膜 26及び上部電極 28、すなわち振動部 27が基板 21から浮 き上った構造となっている。圧電薄膜 26は、基板 21から浮き上がった部分 (空隙層 2 3の上方）にのみ配置されている。空隙層 23は、基板 21と下部電極 24との間に形成 された犠牲層 22 (図 2 (b)参照)を、最終的に除去することにより形成される。基板 21 力も浮き上がった部分、すなわち浮き部分は、両側 2箇所の膜状の支持部によって、 基板 21に支持されている。 2つの膜状の支持部は導電膜からなり、それぞれ補強膜 25, 29を含んでいる。

[0028] 圧電薄膜共振子 20は、以下のようにして作製する。

[0029] まず、基板 21に犠牲層 22を形成する。基板 21には、安価で加工性に優れた基板 を用いる。表面が平坦な Siやガラス基板はなおよい。この基板 21上に、スパッタリン グ法ゃフォトエッチング法などの手法を用いて、化学的に溶解しやす!、酸化亜鉛な どの空隙層形成用の犠牲層 22を形成する。犠牲層 22の材料は、圧電薄膜 26の成 膜時に達する可能性のある高温に耐え、かつ容易に除去できるものであることが好ま しい。例えば、 Ge、 Sb、 Ti、 Al、 Cuなどの金属や、リンゴ酸シリケートガラス（PSG) や、ポリマーなどを用いる。ポリマーとしては、ポリテトラフルォロエチレン又はその誘 導体、ポリフエ-レンスルフイド、ポリエーテルエーテルケトン、ポリイミド、ポリイミドシロ キサン、ビニルエーテル、ポリフエニル、ノ リレン一！!、ノ リレン f、ベンゾシクロブテ ンなどが好ましい。形成する犠牲層 22の厚さは、メンブレンがたわんでも振動部 27 が基板 21と接触しない厚さが必要であり、作製の容易さから 50nm以上数/ z m以下 が好ましい。また、犠牲層 22の端部と振動部 27との間の距離の最小値は、振動部 2 7の厚みの 50倍以下とする。

[0030] 次に、下部電極 24を形成する。下部電極 24は、スパッタ、めっき、 CVD、電子ビー ム蒸着などによる成膜と、フォトリソグラフィー技術によるパターユングを用いることに より、犠牲層 22及び基板 21の上に形成する。下部電極 24は、 Mo、 Pt、 Al、 Au、 C u、 Tiなどの金属材料を主材とし、犠牲層 22上力も基板 21上の一方側（図 2におい て左側）にかけて帯状に形成する。

[0031] 次に、圧電薄膜 26を形成する。圧電薄膜 26は、スパッタなどによる成膜と、フォトリ ソグラフィー技術によるパターユングを用いたリフトオフ法により、酸化亜鉛や窒化ァ ルミなどを、下部電極 24の犠牲層 22上に形成された部分の上に、形成する。圧電薄 膜 26として窒化アルミを形成する場合、酸ィ匕亜鉛を用いたリフトオフ法により、窒化ァ ルミをパターユングする。これに代え、窒化アルミを形成し、その上にレジストパターン 形成し、強アルカリ溶液によるウエットエッチングで窒化アルミをパターユングしてもよ い。

[0032] 次に、上部電極 28を形成する。上部電極 28は、圧電体膜 26及び基板 21の上に、 下部電極 24同様に、形成する。上部電極 28は、圧電薄膜 26上から基板 21上の他 方側（図 2において右側）にかけて帯状に形成する。

[0033] 次に、補強膜 25, 29を形成する。補強膜 25, 29は、下部電極 24と上部電極 28が 圧電薄膜 26を挟んだ領域には形成しない。補強膜 25, 29の厚さは、作製の容易さ 力 50nm以上 50 /z m以下が好ましい。また、補強膜 25, 29の端部と振動部 27との 間の距離の最小値は、振動部 27の厚みの 50倍以下にする。

[0034] 補強膜 25, 29として、導電性の材料を用いる。形成方法は、メツキ、スクリーン印刷 、スパッタ、 CVD、電子ビーム蒸着等である。補強膜 25, 29を構成する材料は、 Al、 Ag、 Au、 Co、 Cr、 Cu、 Fe、 In、 Mo、 Nb、 Niゝ Ti、 Pd、 Pt、 W、 Zrなど、これらのう ち少なくとも 1つの元素を含む金属 (合金も含む)材料である。振動部 27にかからな い電極上には、できるだけ補強膜 25, 29を形成するようにする。

[0035] 次に、エッチホールを形成する。エッチホールは、共振子構成膜を形成後に犠牲 層 22を除去するための部位である。電極 24, 28、圧電薄膜 26からはみ出した犠牲 層 22の端部 22xをエッチホールに用いることができる。なお、エッチホールの形成場 所は、振動部 27や電極 24, 28から離れた場所であってもよい。できるだけ小型化す るとともにエッチング時間を短縮するために、電極 24, 28に接続された補強膜 25, 2 9の一部分を貫通するように形成してもよい。この場合、エッチホールの周囲に補強 膜 25, 29を残し、補強膜 25, 29によりエッチホールを補強することが好ましい。

[0036] 次に、犠牲層 22を前記エッチホール 22xからエッチングし、空隙層 23を形成する。

エッチングする際に、電極 24, 28、圧電薄膜 26、補強膜 25, 29をフォトレジストなど のエッチマスクで覆ってもよい。次に、たとえば、犠牲層 22に酸化亜鉛を用いた場合 、塩酸や燐酸などの酸性の溶液を用いて酸化亜鉛を除去する。エッチング後には、 フォトレジストなどのエッチマスクをアセトンなどの有機溶媒により除去する。圧電薄膜 26、電極 24, 28、補強膜 25, 29をエッチングしない溶液を用いて犠牲層 22をエツ チングする場合には、フォトリソグラフィ一によるパターユングとエッチマスクの除去と いう工程は、削除することができる。たとえば、電極 24, 28に Auや Ptを用い、圧電薄 膜 26に窒化アルミを用いた場合、パターユングすることなく酢酸や燐酸などの混合液 により、犠牲層 22の酸ィ匕亜鉛を除去することができる。エッチング後、 IPAなどの揮 発性の溶液で十分置換し、乾燥させて空隙層 23を形成する。

[0037] 以上の方法により、ウェハを用いて複数個を同時に作製し、ダイシング等によって、 個々の素子に分離して、パッケージングする。

[0038] 圧電薄膜共振子 20の犠牲層 22の端部は、図 2 (a)に示したように急峻にしてもよい ので、犠牲層 22にェピタキシャル ZnO膜を用いることができる。この場合、犠牲層 22 の上に形成された下部電極 24と圧電薄膜 26の配向性を、従来に比べて向上させる ことができ、共振子特性を向上させることができる。従来は、図 1のように圧電薄膜 16 が折り曲がるので、応力を緩和するために犠牲層 17の端に緩やかなテーパを形成 できる ZnO膜を、犠牲層 17として用いる必要があった。このような犠牲層 17上に形 成される圧電薄膜 16の配向を揃えることは、困難であった。

[0039] 振動部 27と基板 21との間を接続する部分に形成する補強膜 25, 29には、金属を 用いる。金属は、膨張係数が基板 21ゃ圧電薄膜 26より大きいが、延性、展性に富む ので、基板 21ゃ圧電薄膜 26との膨張係数の違いによる熱応力を緩和できる。

[0040] 圧電薄膜共振子 20は、例えば、共振周波数 2GHzの場合、下部電極 24と上部電 極 28が重なる振動部 27は、平面視で一辺が約 0. 1mmの矩形形状である。空隙層 23の高さを 1 μ m、犠牲層 22の端のテーパ角度を 15度に形成すると、テーパ部の 長さは、電極 24, 28の取り出し方向（図 2 (a)において左右方向）に、それぞれ約数 m必要となる。実施例 1によれば、テーパ部をなくして素子の小型化を図ることがで きる。

[0041] 以上に説明したように、圧電薄膜共振子 20は、犠牲層 22の除去後に応力が集中 する部分、すなわち、メンブレンの基板との接続部およびその近傍部分に、補強膜 2 5, 29が形成されている。これによつて、メンブレンの強度が上り、メンブレンのクラック や、たわみによる特性不良を低減することができる。

[0042] また、圧電薄膜共振子 20は、空隙層 23を介して基板 21から浮いている浮き部分 にのみ圧電薄膜 26を形成し、圧電薄膜 26と基板 21との間は、電極層 24, 28や補 強膜 25, 29によって接続している。これにより、犠牲層 22 (空隙 23)ゃ圧電薄膜 26 の端面の形状によらず、抵抗不良なく配線を行なうことができるので、振動部 27と基 板 21とを接続する部分にテーパ部を設ける必要がなぐ素子の小型化を図ることが できる。

[0043] また、工程の安定ィ匕を図ることができる。すなわち、補強膜 25, 29よりも振動部 27 が後退しているため、振動部 27に負荷がかかりにくい上、メンブレンの強度が補強さ れているので、実装時の取り扱い時に素子が破壊しない。ダイシング工程においても 、メンブレンの強度が補強されているので、ダイアフラム破壊が生じない。

[0044] さらに、犠牲層 22の材料選択の自由度が大きくなるので、基板 21上に形成したェ ピタキシャル状の酸ィ匕亜鉛犠牲層などを用いることもできる。その場合、犠牲層 22上 に形成する電極 24、圧電薄膜 26を容易にェピタキシャル成長させることができるの で、圧電薄膜 26の膜質向上による特性向上、下部電極 24と圧電薄膜 26の膜質向 上による耐電力性の向上が期待できる。

[0045] (実施例 2)

図 3を参照しながら、本発明の第 2実施例の圧電薄膜共振子 30について説明する 。図 3 (a)は、圧電薄膜共振子 30の構造を模式的に示す平面である。図 3 (b)は、図 3 (a)の線 B— Bに沿って切断した断面図である。

[0046] 圧電薄膜共振子 30は、実施例 1とは異なり、下部電極 34と上部電極 38とが、図 3 ( a)に示すように、十字状に交差している。圧電薄膜共振子 30は、実施例 1と大略同 様に、基板 31上に、下部電極 34、圧電薄膜 36、上部電極 38、補強膜 35, 39が形 成されている。基板 31と下部電極 34との間には空隙層 33 (図 3 (b)参照）が形成され 、電極 34, 38が重なり合った積層方向の部分の下部電極 34、圧電薄膜 36及び上 部電極 38、すなわち振動部 37が基板 31から浮き上った構造となっている。圧電薄 膜 36は、基板 31から浮き上がった部分 (空隙層 33の上方）にのみ配置されている。 空隙層 33は、基板 31と下部電極 34との間に形成された犠牲層 32 (図 3 (a)参照）を 最終的に除去することにより形成される。

[0047] (実施例 3)

図 4を参照しながら、本発明の第 3実施例の圧電薄膜共振子 40について説明する 。図 4は、圧電薄膜共振子 40の構造を模式的に示す平面である。

[0048] 圧電薄膜共振子 40は、実施例 1とは異なり、基板 41に凹部 43が形成されている。

圧電薄膜共振子 40は、実施例 1と大略同様に、基板 41上に、下部電極 44、圧電薄 膜 46、上部電極 48、補強膜 45, 49が形成されている。基板 41の凹部 43の上方に、 電極 44, 48が重なり合った積層方向の部分の下部電極 44、圧電薄膜 46及び上部 電極 48、すなわち振動部 47が配置され、振動部 47が空間に浮く構造となっている。 圧電薄膜 46は、基板 41から浮いた部分（凹部 43の上方）にのみ配置されている。圧 電薄膜 46は平坦に形成され、圧電薄膜 46の折れ曲がり、すなわちテーパ角度は 0 ° である。

[0049] 圧電薄膜共振子 40は、実施例 1と略同様の手順で作製することができる。すなわち 、基板 41に凹部 43を形成した後、凹部 43に犠牲層を充填して平らにした状態で、 実施例 1と同様に、下部電極 44、圧電薄膜 46、上部電極 48、補強膜 45, 49を形成 する。最後に、凹部 43から犠牲層を除去する。

[0050] 次に、実施例 1〜3の変形例について、説明する。

[0051] (変形例 1)

実施例 2において、それぞれの電極 34, 38上に形成する各 2箇所の補強膜 35, 3 9について、一方を金属材料のみで構成し、他方を絶縁層を含む 2層以上の多層構 造としてもよい。この場合、多層構造は、電極の圧電薄膜に隣接する部分と、基板に 隣接する部分とを電気的に接続する導電層の他に、酸化珪素、窒化珪素、アルミナ 、窒化アルミ、酸化チタン、酸ィ匕タンタルなどを主材料とした絶縁材料による絶縁層を 含むようにする。

[0052] 前述したように、金属は、膨張係数が基板ゃ圧電薄膜より大きいが、延性、展性に 富むので、基板ゃ圧電薄膜との膨張係数の違いによる熱応力を緩和できる。一方、 非金属や金属酸化物を補強膜に用いた場合、膨張係数は基板ゃ圧電薄膜に近!、 ので熱応力に対して有利であるが、脆性を示すため外力によって破壊されやす ヽと いう欠点がある。変形例 1は、金属の補強膜の長所と、非金属や金属酸化物の補強 膜の長所とを組み合わせたものである。

[0053] 実施例 2と同様に、犠牲層除去後に応力が集中する部分、すなわちメンブレンの基 板との接続部及びその近傍に補強膜が形成されて 、るので、メンブレンの強度が上 り、メンブレンのクラックや、たわみによる特性不良を低減することができる。

[0054] 補強膜が金属材料のみである場合、下部電極と上部電極を電気的に短絡させない ように、また、両者の電極間の寄生容量が共振特性に悪影響を及ぼさないように、補 強膜を配置しなければならない。絶縁材料を用いれば、共振子の電気的配線を考慮 しないですむため、補強材料のレイアウトの自由度が大きくなる。

[0055] 補強膜を金属材料と絶縁材料を用いた多層構造とすることで、補強膜の応力を緩 和することができるため、メンブレンの強度が向上する。

[0056] 補強膜として、熱伝導率のよい窒化アルミを用いると、放熱性も上がり、耐電力性に 優れた圧電薄膜共振子を得ることができる。

[0057] 金属のみの補強膜で、主に応力が緩和される。 [0058] (変形例 2)

実施例 1〜3にお 、て、振動部を構成する下部電極と上部電極を誘電体膜で挟み 込む。誘電体膜には、例えば、窒化珪素ゃ窒化アルミなどの窒化物、酸化珪素や酸 化アルミなどの酸ィ匕物などが好ましい。振動部を誘電体膜で挟み込むことにより、振 動部を水分や腐食物質から保護し、素子の信頼性が向上する。

[0059] 以上に説明した上記各実施例の圧電薄膜共振子は、テーパ部を設ける必要がな いので、圧電薄膜に無理な力が作用しない単純な形状にすることができる。そのため 、圧電薄膜の破壊や電極断線などを完全に無くすことが可能である。

[0060] なお、本発明は、上記各実施例に限定されるものではなぐ種々変更を加えて実施 可能である。

Claims

請求の範囲

[1] 基板と、

一対の励振電極の間に圧電薄膜が配置された振動部を含む浮き部分とを備え、 前記基板上にその一部が支持された少なくとも 2つの膜状の支持部が設けられて おり、

前記浮き部分が前記支持部によって前記基板から空隙層を介して浮いた状態で支 持されていることを特徴とする、圧電薄膜共振子。

[2] 前記少なくとも 2つの膜状の支持部は導電膜からなり、

前記一対の励振電極の一方は、前記支持部の一方に電気的に接続され、 前記一対の励振電極の他方は、前記支持部の他方に電気的に接続されていること を特徴とする、請求項 1記載の圧電薄膜共振子。

[3] 前記少なくとも 2つの膜状の支持部は、前記基板に支持されていない部分が前記 浮き部分の前記基板とは反対側の面上の周縁部まで延びていることを特徴とする、 請求項 1又は 2記載の圧電薄膜共振子。

[4] 前記浮き部分と前記空隙層との境界を含む面は、前記基板と前記支持部との境界 を含む面とは、間隔を設けて離れていることを特徴とする、請求項 1、 2又は 3記載の 圧電薄膜共振子。