(57)【要約】【課題】  薄膜圧電体の結晶性を向上することができるとともに、微細加工を簡易に実現することができる薄膜圧電共振器の製造方法を提供する。更に、高周波数化を実施することができるとともに、小型化を実現することができる薄膜圧電共振器を提供する。【解決手段】  薄膜圧電共振器１の製造方法において、基板２上に第１の電極層を形成する工程と、第１の電極層上に第１の圧電体層を形成する工程と、第１の圧電体層をパターンニングして第１の圧電体６１を形成し、第１の電極層をパターンニングして第１の電極５を形成する工程と、第１の圧電体６１の表面をクリーニングする工程と、第１の圧電体６１のクリーニングされた表面上に第２の圧電体６３を形成し、圧電体６を形成する工程と、圧電体６上に第２の電極８２を形成する工程とを備える。【選択図】        図１
2006217188.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に第１の電極層を形成する工程と、
前記第１の電極層上に第１の圧電体層を形成する工程と、
前記第１の圧電体層をパターンニングして第１の圧電体を形成し、第１の電極層をパターンニングして第１の電極を形成する工程と、
前記第１の圧電体の表面をクリーニングする工程と、
前記第１の圧電体のクリーニングされた表面上に第２の圧電体を形成し、前記第１の圧電体上に前記第２の圧電体を積層した圧電体を形成する工程と、
前記圧電体上に第２の電極を形成する工程と、
を備えたことを特徴とする薄膜圧電共振器の製造方法。
【請求項２】
前記第１の圧電体を形成する工程は第１の窒化アルミニウム圧電体を形成する工程であり、第２の圧電体を形成する工程は第２の窒化アルミニウム圧電体を形成する工程であることを特徴とする請求項１に記載の薄膜圧電共振器の製造方法。
【請求項３】
前記第１の電極を形成する工程はアルミニウムを主成分とする電極を形成する工程であることを特徴とする請求項２に記載の薄膜圧電共振器の製造方法。
【請求項４】
前記第１の圧電体の表面をクリーニングする工程はイオンスパッタリングを使用して前記第１の圧電体の清浄面を出す工程であることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の薄膜圧電共振器の製造方法。
【請求項５】
前記第１の電極層上に第１の圧電体層を形成する工程は前記第１の電極層上にその（１１１）配向に従って結晶方位を揃えた前記第１の圧電体層を形成する工程であることを特徴とする請求項３に記載の薄膜圧電共振器の製造方法。
【請求項６】
前記圧電体を形成する工程は、前記第１の圧電体層上にその表面の結晶粒子の結晶方位を引き継いだ結晶粒子を備えた前記第２の圧電体を積層し、前記圧電体を形成する工程であることを特徴とする請求項５に記載の薄膜圧電共振器の製造方法。
【請求項７】
前記基板上に前記第１の電極層の配向性を整える下地層を形成する工程を更に備え、
前記基板上に第１の電極層を形成する工程は、前記下地層を形成した後に、この下地層上に前記第１の電極層を形成する工程であることを特徴とする請求項１乃至請求項６のいずれかに記載の薄膜圧電共振器の製造方法。
【請求項８】
前記第１の電極下において、前記基板表面に空洞を形成する工程を更に備えたことを特徴とする請求項１乃至請求項７のいずれかに記載の薄膜圧電共振器の製造方法。
【請求項９】
前記基板と前記第１の電極との間に、音響ミラーを形成する工程を更に備えたことを特徴とする請求項１乃至請求項７のいずれかに記載の薄膜圧電共振器の製造方法。
【請求項１０】
基板と、
前記基板上の第１の電極と、
前記第１の電極上に配設されこの第１の電極上面形状と同一の下面形状を有する第１の圧電体及びこの第１の圧電体上に積層された第２の圧電体を備えた圧電体と、
前記圧電体上の第２の電極と、
を備えたことを特徴とする薄膜圧電共振器。
【請求項１１】
前記第１の電極の各結晶粒子、前記第１の圧電体の各結晶粒子のそれぞれは互いに隣り合う位置において同一の結晶方位を備え、
前記第１の圧電体の各結晶粒子、前記第２の圧電体の各結晶粒子のそれぞれは互いに隣り合う位置において同一の結晶方位を備えていることを特徴とする請求項１０に記載の薄膜圧電共振器。
【請求項１２】
前記基板表面において、前記第１の電極下に空洞を更に備えたことを特徴とする請求項１０又は請求項１１に記載の薄膜圧電共振器。
【請求項１３】
前記基板と前記第１の電極との間に、音響ミラーを更に備えたことを特徴とする請求項１０又は請求項１１に記載の薄膜圧電共振器。
【請求項１４】
基板と、
前記基板上のタンタルアルミニウム下地層と、
前記タンタルアルミニウム下地層上のアルミニウムを主成分とする第１の電極と、
前記第１の電極上の第１の窒化アルミニウム圧電体及びこの第１の窒化アルミニウム圧電体上の第２の窒化アルミニウム圧電体を備えた圧電体と、
前記圧電体上の第２の電極と、
を備えたことを特徴とする薄膜圧電共振器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、薄膜圧電共振器及びその製造方法に関し、特に圧電体薄膜の厚み方向の縦振動を利用する薄膜圧電共振器及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
移動体通信機或いはその内部の高周波発振器（Voltage Controlled Oscillator：以下、単に「ＶＣＯ」という。）を構築する高周波フィルタ（ＲＦ）や中間周波数（ＩＦ）フィルタには、弾性表面波（Surface Acoustic Wave：以下、単に「ＳＡＷ」という。）素子が使用されている。ＳＡＷ素子の共振周波数は櫛型電極間距離に反比例するという関係があり、１ＧＨｚを超える周波数領域において櫛型電極間距離は１μｍ以下になる。このため、利用周波数の高周波数化への対応がＳＡＷ素子においては難しくなる傾向にある。
【０００３】
ＳＡＷ素子に代わり、近年注目を集めている共振器として、薄膜圧電体の膜厚方向の縦振動モードを利用した薄膜圧電共振器がある。この薄膜圧電共振器はＦＢＲＡ（Film Bulk Acoustic Resonator）或いはＢＡＷ（Bulk Acoustic Wave）素子等とも称せられている。この薄膜圧電共振器において、共振周波数は薄膜圧電体の音速及び膜厚によって定まる。通常、薄膜圧電体の膜厚が１μｍ〜２μｍの場合に２ＧＨｚの共振周波数が得られ、薄膜圧電体の膜厚が０．４μｍ〜０．８μｍの場合に５ＧＨｚの共振周波数が得られるので、近年の成膜技術においては数十ＧＨｚまでの高周波数化を実現することができる。更に、下記非特許文献１の例えば図１（ａ）には、この種の薄膜圧電共振器を組み込み可能な、小型化に適したラダーフィルタの回路構成が開示されている。
【０００４】
一方、下記特許文献１には、現在、最も代表的な薄膜圧電共振器の構造並びにその製造方法が開示されており、この薄膜圧電共振器の製造方法は以下の通りである。まず、シリコン（Ｓｉ）基板表面に異方性エッチングを利用して窪みを形成し、引き続き基板上に犠牲層を形成する。犠牲層には、例えばホウ素及びリンをドープしたシリケートガラス（ＢＰＳＧ）層が使用されている。その後、Ｓｉ基板面が露出するまで犠牲層の表面を研磨し、犠牲層の表面が平坦化される。この結果、Ｓｉ基板に予め形成した窪みには犠牲層を埋め込み、その周辺にはＳｉ基板表面を露出することができる。引き続き、犠牲層上に下部電極、圧電体膜、上部電極のそれぞれが順次成膜される。その後、犠牲層に達するまで穴が穿けられ、この穴を通じて犠牲層を選択エッチングにより除去することによって、Ｓｉ基板と下部電極との間に予め形成した窪みに相当する空洞を形成する。これら一連の製造工程が終了すると、薄膜圧電共振器が完成する。
【０００５】
このような製造方法により製造される薄膜圧電共振器の圧電体膜には、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）或いは酸化亜鉛（ＺｎＯ）等の圧電結晶膜を使用することが多い。下記非特許文献２には、薄膜圧電共振器（ＦＢＡＲ）において、ＡｌＮ圧電結晶膜のｃ軸配向半値幅と電気機械結合係数との間に強い相関を示すことが論じられている。
【０００６】
圧電結晶膜の配向性を上げる１つの方法は、基板上にＡｌＮ圧電結晶膜をエピタキシャル成長させる方法である。下記特許文献２には、ＡｌＮ圧電結晶膜をエピタキシャル成長させ、このＡｌＮ圧電結晶膜により薄膜圧電共振器を製造する製造方法が開示されている。この製造方法によれば、表面に（１１１）結晶配向を有するＳｉ基板上にＡｌＮ圧電結晶膜を（０００１）結晶方位においてエピタキシャル成長させることができる。
【０００７】
更に、同特許文献２には、エピタキシャル成長させたＡｌＮ圧電結晶膜上に上部電極を形成し、引き続きＳｉ基板にその裏面からＡｌＮ圧電結晶膜が露出されるまで異方性エッチングを行いビアホールを形成し、ＡｌＮ圧電結晶膜の露出された表面にビアホールを通して下部電極を形成する製造方法が開示されている。このような製造方法によれば、ＡｌＮ圧電結晶膜の上面及び下面の双方が空気層に接する薄膜圧電共振器を製作することができる。
【０００８】
なお、ビアホールの形成方法としては、例えば下記非特許文献３に開示されたシリコンディープリアクティブイオンエッチング（Si-Deep-ＲＩＥ（Reactive Ion Etching））法を使用することができる。このエッチング方法によれば、Ｓｉ基板裏面に対してほぼ垂直方向にビアホールを形成することができる。
【特許文献１】特開２０００−６９５９４号公報
【特許文献２】特開２００１−９４３７３号公報
【非特許文献１】IEEE TRANSECTIONS ON MICROWAVE THEORY AND TECHNIQUES、VOL. 43、 NO.12、p.2933、DECEMBER 1995.
【非特許文献２】Rajan S. Nik 他、"Measurements of Bulk、C-Axis Electromechanical Coupling Constant as a Function of AｌN Film Quality"、IEEE TRNSACTIONS ON ULTRASONICS、FEROELECTRICS、AND FREQUENCY CONTROL、p292-296、VOL.47、NO.1、JANUARY 2000.
【非特許文献３】M. J. Walker、“Comparison of Bosh and cryogenic process for patterning high aspect ratio feature in silicon” Proc. SPIE Vol.4407、2001、p.89-99.
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
前述の特許文献２に開示された薄膜圧電共振器においては、エピタキシャル成長により圧電結晶膜の配向性を上げることができるが、下記の点について配慮がなされていなかった。薄膜圧電共振器においては、Ｓｉ基板上に圧電結晶膜、上部電極のそれぞれを順次形成した後に、Ｓｉ基板裏面にビアホールを形成し、このビアホールを通して下部電極が形成されている。ビアホールの形成には前述の非特許文献３に開示されているエッチング方法を使用することにより、Ｓｉ基板裏面に対してビアホール内壁がほぼ垂直になる、理想的な形状においてビアホールを形成することができる。従って、薄膜圧電共振器の小型化を実現することができる。しかしながら、Ｓｉ基板裏面からビアホール内壁への急峻な段差形状部分に下部電極層を成膜し、更にこの成膜された下部電極層を急峻な段差形状部分並びにビアホール内においてパターンニングし下部電極を形成することは、製造プロセス上極めて困難である。
【００１０】
一方、下部電極の製造プロセスを容易に実現するためには、ビアホールの内壁の角度を、Ｓｉ基板表面から裏面に向かって広がるように大きくする方法が有効である。具体的には、例えば沸酸を含む強酸中、又は水酸化カリウム（KOH）、テトラメチルアンモニウムハイドロオキサイド（ＴＭＡＨ）等の強アルカリ溶液を使用したＳｉ基板裏面の異方性エッチングを行うことにより、ビアホール内壁の角度を大きくすることができる。しかしながら、ビアホール径の実効的増大になり、ビアホールの占有面積が大きくなるので、薄膜圧電共振器の小型化を実現することができない。
【００１１】
本発明は上記課題を解決するためになされたものであり、本発明の目的は、薄膜圧電体の結晶性を向上することができるとともに、微細加工を簡易に実現することができる薄膜圧電共振器の製造方法を提供することである。
【００１２】
更に、本発明の目的は、高周波数化を実施することができるとともに、小型化を実現することができる薄膜圧電共振器を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明の実施の形態に係る第１の特徴は、薄膜圧電共振器の製造方法において、基板上に第１の電極層を形成する工程と、第１の電極層上に第１の圧電体層を形成する工程と、第１の圧電体層をパターンニングして第１の圧電体を形成し、第１の電極層をパターンニングして第１の電極を形成する工程と、第１の圧電体の表面をクリーニングする工程と、第１の圧電体のクリーニングされた表面上に第２の圧電体を形成し、第１の圧電体上に第２の圧電体を積層した圧電体を形成する工程と、圧電体上に第２の電極を形成する工程とを備えたことである。
【００１４】
本発明の実施の形態に係る第２の特徴は、薄膜圧電共振器において、基板と、基板上の第１の電極と、第１の電極上に配設されこの第１の電極上面形状と同一の下面形状を有する第１の圧電体及びこの第１の圧電体上に積層された第２の圧電体を備えた圧電体と、圧電体上の第２の電極とを備えたことである。
【００１５】
本発明の実施の形態に係る第３の特徴は、薄膜圧電共振器において、基板と、基板上のタンタルアルミニウム下地層と、タンタルアルミニウム下地層上のアルミニウムを主成分とする第１の電極と、第１の電極上の第１の窒化アルミニウム圧電体及びこの第１の窒化アルミニウム圧電体上の第２の窒化アルミニウム圧電体を備えた圧電体と、圧電体上の第２の電極とを備えたことである。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、薄膜圧電体の結晶性を向上することができるとともに、微細加工を簡易に実現することができる薄膜圧電共振器の製造方法を提供することができる。
【００１７】
更に、本発明によれば、高周波数化を実施することができるとともに、小型化を実現することができる薄膜圧電共振器を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。
【００１９】
（第１の実施の形態）
［薄膜圧電共振器の構造］
図１に示すように、本発明の第１の実施の形態に係る薄膜圧電共振器１は、基板２と、基板２上の第１の電極（下部電極）５と、第１の電極５上に配設されこの第１の電極５上面形状と同一の下面形状を有する第１の圧電体６１及びこの第１の圧電体６１上の第２の圧電体６３を備えた圧電体（圧電体結晶薄膜）６と、圧電体６上の第２の電極８２とを備えている。更に、薄膜圧電共振器１は、基板２上の絶縁体３と、絶縁体３と第１の電極５との間に配設された下地層４と、第１の電極５の一部（側面の一部）に電気的に接続された引出電極８１と、圧電体６の側面の一部と第２の電極８２との間に配設された絶縁性を有するスペーサ７と、圧電体６下において基板２及び絶縁体３を貫通し下地層４の裏面を露出する穴（ビアホール）９とを備えている。
【００２０】
薄膜圧電共振器１の性能は、電気機械結合係数ｋｔ２と、品質係数Ｑ値とによって表すことができる。電気機械結合係数ｋｔ２が大きいほど広帯域のフィルタ及び発振周波数の可変範囲の大きいＶＣＯを構成することができる。電気機械結合係数ｋｔ２を上げるには、結晶固有の電気機械結合係数ｋｔ２の大きい圧電体６を使用し、かつ結晶の分極軸を膜の厚み方向に揃えることが有効である。また、Ｑ値は、薄膜圧電共振器１の発振の鋭さに関連しており、フィルタを構築したときは挿入損失やスカート特性に影響し、ＶＣＯ回路に適用した場合は位相雑音に影響を与える。弾性波を吸収するような多様な現象がＱ値の変動に関係しており、圧電体６の結晶純度を高め、圧電体６の結晶方位を揃え、又分極方向の揃った圧電体６を使用することによって大きなＱ値を得ることができる。
【００２１】
圧電体６には、ＡｌＮ又はＺｎＯ等の六方晶系結晶構造を有する圧電結晶薄膜を実用的に使用することができる。六方晶系結晶構造を有する圧電結晶薄膜は、本来ｃ軸配向し易い性質を有し、分極方向であるｃ軸すなわち（０００１）結晶軸方向に単一配向させることによって分極軸を揃えることができる。このように分極軸を揃えることにより、電気機械結合係数ｋｔ２及び品質係数Ｑ値を最適に確保した圧電体６を構成することができる。
【００２２】
第１の実施の形態において、圧電体６は、ｃ軸配向性を向上するために、第１の電極５上に形成した第１の圧電体６１と、この第１の圧電体６１上に積層された第２の圧電体６３との複数層（第１の実施の形態においては２層）構造によって構成されている。第１の圧電体６１は、第１の電極５の平面形状を決定する製造過程のパターンニング工程において第１の電極５の表面酸化膜の生成を防止することができ、更に第１の電極５の表面の結晶粒子の結晶配向を高配向において引き継ぎ第２の圧電体６３を成膜することができる、中継層としての機能を備えている。
【００２３】
本願発明者等は、基板表面上にその結晶性を利用して圧電体膜を成長させるエピタキシャル成長技術を使用することなく、第１の電極５の表面上にその結晶配向性を引き継いで圧電体６を成長する手法について、広範囲に渡る理論的及び実験的な検討を重ねた結果、少なくとも下記工程（１）乃至工程（４）を含む製造方法を採用することにより、圧電膜６の配向性を飛躍的に改善することができる事実を見出した。
【００２４】
（１）まず、電極層（第１の電極５の形成層）の表面上に、この電極層の成膜後に連続して第１の圧電体層（第１の圧電体６１の形成層）を成膜する。電極層は基板２表面の全域に成膜され、第１の圧電体層は同様に電極層表面の全域に成膜される。
【００２５】
（２）引き続き、第１の圧電体層をパターンニングして第１の圧電体６１を形成し、電極層をパターンニングして第１の電極５を形成する。第１の圧電体６１、第１の電極５のそれぞれは基本的には同一製造マスクにより重ね切りの手法においてパターンニングされ、図１に示す第１の電極５と引出電極８１との接続部分を除き、少なくとも第１の電極５上面形状と第１の圧電体６１の下面形状とは同一になる。
【００２６】
（３）このパターンニング後に第１の圧電体６１の表面をクリーニングにより適切に洗浄する。
【００２７】
（４）この第１の圧電体６１の洗浄された表面上に第２の圧電体６３を成膜し、第１の圧電体６１上に第２の圧電体６３を積層した圧電体６を形成する。
【００２８】
圧電体６として使用されるＡｌＮ圧電結晶薄膜は六方晶系結晶構造であり、ｃ軸配向性を向上するためには、第１の電極５に格子整合性の良いｆｃｃ結晶構造の（１１１）配向を有する導電性薄膜又はｂｃｃ結晶構造の（１１０）配向を有する導電性薄膜を使用する必要がある。例えば、基板２の平坦性を向上する、若しくは格子整合性を高める下地膜４を予め成膜することにより、高い結晶配向性を備えた第１の電極５を形成することができ、この第１の電極５表面の結晶配向性を引き継ぐように第１の圧電体６１を成膜することができる。このような製造プロセスを備えて成膜された圧電体６は、第１の電極５の結晶配向性を引き継がない場合に比べて遥かにｃ軸配向性を向上することができる。
【００２９】
下地の結晶配向性を引き継ぐには、下地の結晶情報の伝達を阻害する物質、例えば酸化膜、有機汚染物等の存在は許されず、清浄な下地表面が必須である。従って、高真空中において、高結晶配向性を有する第１の電極５表面上に第１の圧電体６１を連続的に成膜することが理想的である。
【００３０】
ところが、薄膜圧電共振器１の製造プロセスにおいては、フォトリソグラフィ技術を利用して第１の電極５をパターンニングする工程は必須である。このパターンニング工程を実施すれば、第１の電極５表面に表面酸化膜が生成され、或いは有機汚染が生じる。表面酸化膜や有機汚染物質においては、パターンニング工程により第１の電極５を形成した後、圧電体６を成膜する直前に、第１の電極５表面にスパッタクリーニングを実施すれば除去することができる。第１の電極５表面の平坦度を損なうことなく、かつ結晶構造にダメージを与えないためには、低エネルギイオンを利用するスパッタクリーニングが必要である。
【００３１】
低エネルギイオンを利用したスパッタクリーニングにおいては、強固な酸化膜例えば第１の電極５にアルミニウムを使用する場合にはアルミナを除去することができないので、第１の電極５表面の結晶性を圧電体６に引き継ぐことができない。一方、高エネルギイオンを利用したスパッタクリーニングを使用した場合には、第１の電極５表面の平坦性及び結晶性の劣化が生じるので、第１の電極５表面の結晶性を圧電体６に引き継ぐことができない。
【００３２】
更に、圧電体６のｃ軸配向性を高めるためには、パターンニングせずに基板２表面上の全域に第１の電極５を成膜し、この第１の電極５表面上の全域に圧電体層を連続して成膜する手法がある。この圧電体層は、パターンニングされ、周囲に対して孤立化された圧電体６として形成される。そして、この圧電体６上には第２の電極８２が形成される。ところが、第１の電極５は基板２表面上の全域に形成されるので、第１の電極５と第２の電極８２との間に電気的分離機能を有する層間絶縁膜が必要になり、製造工程数が増加する。
【００３３】
圧電体６をパターンニングせずにその形状を孤立化しない場合には、第１の電極５、第２の電極８２のそれぞれに付加される寄生容量が増加し、薄膜圧電共振器１の特性を劣化してしまう。従って、薄膜圧電共振器１においては、圧電体６の形状を周囲に対して孤立化するとともに、この圧電体６の平面形状と同一又は類似した平面形状、すなわち少なくとも圧電体６の下面形状と同一の上面形状を有する第１の電極５を構成することが好ましい。
【００３４】
［薄膜圧電共振器の基本的な製造方法］
第１の実施の形態に係る薄膜圧電共振器１は、圧電体６のｃ軸配向性を向上する最適な金属材料（導電性材料）を下地層４として形成し、この下地層４上に第１の電極層を成膜し、この第１の電極層表面の結晶配向性を、この第１の電極層表面上に成膜される圧電体６に高く引き継がせる製造方法を利用して製作されている。すなわち、この製造方法の基本的な概要は以下の通りである。
【００３５】
（１）まず、ＡｌＮ圧電結晶薄膜の（０００１）結晶面に対して格子整合性の良い結晶方位に高配向された第１の電極層（第１の電極５の形成層）を成膜する。
【００３６】
（２）引き続き第１の電極層上に連続して第１の圧電体層（第１の圧電体６１の形成層）を成膜する。第１の圧電体層の成膜は、好ましくは第１の電極層の成膜と同一真空系内において行われる。第１の圧電体層は最終的な圧電体６に必要な膜厚の一部として成膜されるので、第１の圧電体層の膜厚は当然のことながら圧電体６の膜厚に比べて薄くなる。
【００３７】
（３）第１の圧電体層及び第１の電極層にパターンニングを行い、このパターンニングによる電極の形状加工により第１の圧電体層から第１の圧電体６１を形成するとともに、第１の電極層から第１の電極５を形成する。
【００３８】
（４）この後に、高真空系内において、第１の圧電体６１表面に低エネルギイオンを利用してスパッタクリーニングを行い、第１の圧電体６１の表面洗浄を行う。引き続き、第１の圧電体６１のスパッタクリーニングがなされた表面上に第２の圧電体層（第２の圧電体６３の形成層）を成膜する。第２の圧電体層は、圧電体６に必要な最終的な膜厚になる残りの膜厚として成膜される。そして、第２の圧電体層にパターンニングを行い、このパターンニングによる電極の形状加工により第２の圧電体６３を形成する。第２の圧電体６３を形成することにより、第１の圧電体６１とその洗浄表面上に積層された第２の圧電体６３とを備えた圧電体６を形成することができる。
【００３９】
（５）この後、圧電体６の第２の圧電体６３上に第２の電極８２を形成する。
【００４０】
第１の電極層が例えばアルミニウムを主成分とする金属材料により形成される場合、製造過程中の大気開放において、第１の電極層の表面には簡単に酸化膜が生成される。しかも、この酸化膜は高エネルギイオンによるスパッタクリーニングを使用しなければ除去することができない。ところが、同一真空系内において若しくは大気開放を行わずに、このような第１の電極層上に連続して第１の圧電体層を成膜すれば、第１の電極層の清浄表面上に第１の圧電体層を成膜することになり、第１の圧電体層は第１の電極層表面の結晶配向性を引き継ぎ、第１の圧電体層のｃ軸配向性は高くなる。この状態において、第１の電極層をパターンニングして適正な平面形状を有する第１の電極５を形成するとともに、第１の圧電体層をパターンニングして第１の圧電体６１を形成する。ここで、アルミニウムを主成分とする金属材料とは、アルミニウム、又はＮｉ、Ｔａ、Ｓｉ、Ｃｕ等の添加物質を含むアルミニウム合金を含む意味において使用されている。
【００４１】
第１の電極５の製造過程つまりパターンニングにおいては、第１の電極層の表面は第１の圧電体層により覆われ保護されているので、第１の電極５の表面の結晶配向が保持されている。そして、高真空中において、低エネルギイオンのスパッタクリーニングを行うことにより、第１の圧電体６１表面を清浄面にすることができる。第１の圧電体６１表面には第１の電極５の製造過程において酸化膜が生成されてしまうが、強い酸化雰囲気に晒されない限り、この酸化膜は低エネルギイオンを用いたスパッタクリーニングによって簡易に除去することができる。
【００４２】
第２の圧電体６３は第１の圧電体６１の清浄表面上にその結晶配向性を引き継いで成膜されるので、この第２の圧電体６３のｃ軸配向性は高くなる。結果的に、第１の電極５、圧電体６の第１の圧電体６１、第２の圧電体６３のそれぞれの結晶粒子の配向性は、界面を共有し隣り合う同士において、揃った状態になる。
【００４３】
このように、第１の実施の形態に係る薄膜圧電共振器１においては、エピタキシャル成長法等の高価な、そして複雑な薄膜成長技術を使用することなく、基板２上にｃ軸配向半値幅の小さい圧電膜６を形成することができるので、電気機械結合係数を高めることができる。
【００４４】
［薄膜圧電共振器の圧電体の配向性評価］
次に、薄膜圧電共振器１に使用する圧電体６の結晶配向性の評価結果について、図２を使用して説明する。
【００４５】
図２中、実施例１乃至実施例４はいずれも第１の実施の形態に係る薄膜圧電共振器１の製造方法が適用された結晶配向性の評価結果である。つまり、実施例１乃至実施例４は、いずれも、図２に示される処理条件下において、第１の電極層上に圧電体６を成膜し、この成膜された圧電体６の配向半値幅の測定結果である。これに対して、比較例１乃至比較例６は第１の実施の形態に係る薄膜圧電共振器１の製造方法が適用されない結晶配向性の評価結果である。
【００４６】
第１の電極層は、実施例１乃至実施例４及び比較例１乃至比較例６のすべてにおいて、（１１１）結晶配向を有するアルミニウムである。実施例１乃至実施例４において、第１の電極層の（１１１）結晶配向の配向半値幅はすべて１．０゜である。比較例１、比較例２、比較例３及び比較例６において、第１の電極層の（１１１）結晶配向の配向半値幅は１．０゜である。比較例４及び比較例５において、第１の電極層の（１１１）結晶配向の配向半値幅４．０゜である。
【００４７】
圧電体６にはＡｌＮ圧電体が使用され、第１の圧電体６１の成膜膜厚（ｎｍ）及び第２の圧電体６３の成膜膜厚（ｎｍ）は図２に示す通りである。圧電体６の合計の成膜膜厚は１μｍである。圧電体６３は室温において高周波マグネトロンスパッタリングにより成膜されている。圧電体６の配向半値幅とは、最終的に成膜された第２の圧電体６３の（０００２）結晶配向の配向半値幅である。
【００４８】
スパッタクリーニング（表面クリーニング）は、第１の圧電体６１表面のクリーニングであり、アルゴン雰囲気において実施される。速度（ｎｍ／ｓ）は、第１の圧電体６１のクリーニング速度（エッチング速度）であるが、熱酸化法により成長させた二酸化シリコン膜のクリーニング速度に換算した値である。同様に、時間（ｓ）は、第１の圧電体６１のクリーニング時間（エッチング時間）であるが、熱酸化法により成長させた二酸化シリコン膜のクリーニング時間に換算した値である。
【００４９】
図２に示すように、実施例１においては、第１の圧電体層の成膜後に、この第１の圧電体層上にレジストマスクを形成し、ＲＩＥにより第１の圧電体層をパターンニングして第１の圧電体６１を形成し、引き続き第１の電極層をパターンニングして第１の電極５を形成し、レジストマスクを剥離した後、第１の圧電体６１の表面にスパッタクリーニングを行い、この第１の圧電体６１の清浄表面上に第２の圧電体６３を形成しているので、圧電体６（第２の圧電体６３）の（０００２）結晶配向の配向半値幅は第１の電極５の（１１１）結晶配向の配向半値幅と同等になる。実施例１と同様に、実施例２乃至実施例３のいずれにおいても、圧電体６の配向半値幅は第１の電極５の配向半値幅と同等になる。すなわち、実施例１乃至実施例４の第１の圧電体６１の膜厚は３０ｎｍ〜５００ｎｍの範囲内、つまり圧電体６の全体の膜厚の３％〜５０％の範囲内において振られているが、この幅広い範囲において、第１の電極５の結晶配向性を第２の圧電体６３の結晶配向性に引き継ぐことができる。
【００５０】
これに対して、比較例１は、第１の電極層上に第１の圧電体層を成膜しないで、直接、第１の電極層をパターンニングして第１の電極５を形成し、スパッタクリーニングを実施した後、圧電体６の最終的な成膜膜厚に相当する第２の圧電体層（１０００ｎｍ）を成膜した例である。比較例１においては、圧電体６の（０００２）結晶配向の配向半値幅は１０°近い大きな値であった。本願発明者等は、第１の電極５表面に生成された酸化膜がスパッタクリーニングにより除去することができず、第１の電極５表面の結晶配向性を圧電体６に引き継ぐことができなかったために、配向半値幅の数値が増大したと考察している。
【００５１】
比較例２は、第１の電極層上に５０ｎｍの膜厚において第１の圧電体層を成膜し、パターンニングにより第１の圧電体６１及び第１の電極５を形成し、第１の圧電体６１表面にスパッタクリーニングを実施しないで第２の圧電体層を成膜した例である。比較例２においては、圧電体６の（０００２）結晶配向の配向半値幅は６．６°であった。本願発明者等は、第１の圧電体６１表面にスパッタクリーニングを実施していないので、第１の圧電体６１表面はレジストマスクを剥離した状態であり、結果的に第１の電極５表面の結晶配向性を圧電体６に引き継ぐことができなかったために、配向半値幅の数値が増大したと考察している。
【００５２】
比較例３は、基本的パラメータは実施例１と同様に、第１の電極層上に５０ｎｍの膜厚において第１の圧電体層を成膜し、第１の圧電体層をパターンニングして第１の圧電体６１及び第１の電極層をパターンニングして第１の電極５を形成し、第１の圧電体６１にスパッタクリーニングを実施した後、９５０ｎｍの膜厚において第２の圧電体層を成膜した例である。比較例３においては、実施例１において使用されるスパッタクリーニングに比べて高エネルギを利用したスパッタクリーニングが使用されている。スパッタクリーニングの速度は、実施例１において使用されるスパッタクリーニングの速度に比べて、二酸化シリコン膜のエッチング速度換算において約２．５倍程速い。比較例３においては、圧電体６の（０００２）結晶配向の配向半値幅は６．０°である。本願発明者等は、スパッタクリーニングを高エネルギに設定した場合には第１の圧電体６１の平坦度が失われ、結果的に第１の電極５表面の結晶配向性を圧電体６に引き継ぐことができなかったために、配向半値幅の数値が増大したと考察している。
【００５３】
比較例４は、配向半値幅が４．０°を有する第１の電極層上に５０ｎｍの膜厚において第１の圧電体層を成膜し、第１の圧電体層をパターンニングして第１の圧電体６１及び第１の電極層をパターンニングして第１の電極５を形成し、第１の圧電体６１にスパッタクリーニングを実施した後、９５０ｎｍの膜厚において第２の圧電体層を成膜した例である。比較例４においては、実施例４において使用される低スパッタクリーニングと同一条件に設定された低エネルギを利用したスパッタクリーニングが使用されている。比較例４においては、圧電体６の（０００２）結晶配向の配向半値幅は４．５°である。本願発明者等は、第１の電極５の配向半値幅が予め４．０°に設定されているので、この第１の電極５の結晶配向性を圧電体６がある程度引き継いだためと考察している。
【００５４】
比較例５は、比較例４において第１の圧電体６１表面に低エネルギのスパッタクリーニングを実施しない例である。比較例５においては、圧電体６の（０００２）結晶配向の配向半値幅は１２．５°の大きな値になっている。
【００５５】
比較例６は、実施例１において第１の圧電体６１表面に実施する低エネルギのスパッタクリーニングの時間を３５（ｓ）に短縮した例である。比較例６においては、圧電体６の（０００２）結晶配向の配向半値幅は６．４°である。本願発明者等は、基本パラメータは実施例１と同様でありながら、スパッタクリーニングの時間が短く、第１の圧電体６１表面の清浄化が十分になされないので、結果的に第１の電極５表面の結晶配向性を圧電体６に引き継ぐことができなかったために、配向半値幅の数値が増大したと考察している。この比較例６と実施例１とからも明らかなように、スパッタクリーニングは、低エネルギに設定しつつ、十分な時間を実施しないと、第１の圧電体６１表面の結晶配向性を第２の圧電体６３の結晶配向性に引き継ぐことができない。
【００５６】
［薄膜圧電共振器の具体的な第１の製造方法］
次に、前述の実施例１に係る薄膜圧電共振器１の具体的な製造方法を説明する。まず最初に、１ｋΩｃｍ以上の高い比抵抗値を有するのＳｉ基板を基板２として準備し、この基板２の（１００）結晶表面上の全域に絶縁体３を形成する（図３参照。）。絶縁体３には、１μｍの膜厚を有する例えば熱酸化法により形成した酸化シリコン膜を使用する。
【００５７】
次に、図３に示すように、絶縁体３表面上の全域に下地層４を形成する。下地層４には高周波マグネトロンスパッタリング法により成膜した非晶質Ａｌ0.5Ｔａ0.5膜を使用し、その膜厚は３０ｎｍに設定される。
【００５８】
次に、下地層４表面上の全域に第１の電極層５０を成膜し、図４に示すように、引き続き第１の電極層５０表面上の全域に第１の圧電体層６１０を成膜する。第１の電極層５０には高周波マグネトロンスパッタリング法により成膜したアルミニウム膜を使用し、その膜厚は２５０ｎｍに設定される。このアルミニウム膜の（１１１）結晶配向の配向半値幅は１．０゜に制御されている。第１の圧電体層６１０には反応性高周波マグネトロンスパッタリング法により成膜されたＡｌＮ膜を使用し、その膜厚は５０ｎｍに設定される。
【００５９】
図示しないが、第１の圧電体層６１０表面上にフォトリソグラフィ技術によりエッチングマスク（レジストマスク）を形成する。このエッチングマスクを利用して第１の圧電体層６１０をパターンニングすることにより第１の圧電体６１を形成し、図５に示すように、引き続き第１の圧電体６１を実質的なエッチングマスクとして利用して第１の電極層５０をパターンニングすることにより第１の電極５を形成する。パターンニングには、例えばマグネトロンＲＩＥ法を実用的に使用することができる。エッチングマスクの側面形状のテーパ化及びエッチング条件の最適化により、同図５に示すように、第１の電極５端面形状及び第１の圧電体６１端面形状をテーパ化することができる。このテーパ角度は基板２表面に対して３０度以下に設定されることが好ましい。なお、エッチングマスクの除去（レジスト剥離）においては、第１の圧電体６１表面の酸化を避けるためにアッシング処理は実施されない。
【００６０】
次に、成膜装置（反応性高周波マグネトロンスパッタリング装置）内において、図６に示すように、第１の圧電体６１表面に表面クリーニングが実施される。表面クリーニングには低エネルギに制御された反応性高周波スパッタクリーニングを実用的に使用することができる。この表面クリーニングにおいては、第１の圧電体６１表面の清浄な（０００１）結晶面が露出するまで行われる。従って、第１の圧電体６１は清浄な結晶面が得られる程度の膜厚を最低限必要とする。
【００６１】
次に、図７に示すように、第１の圧電体６１表面上を含む、基板２表面上の全域に第２の圧電体層６３０を成膜する。第２の圧電体層６３０には反応性高周波マグネトロンスパッタリングにより成膜されたＡｌＮ膜を使用し、その膜厚は２２５０ｎｍに設定される。ここで、同図７及び前述の図２の実施例１に示すように、第１の圧電体６表面上に成膜された第２の圧電体層６３０の一部６３１においては、第１の圧電体６１の結晶配向性が十分に引き継がれ、（０００１）結晶配向の配向半値幅は１°程度の範囲内の変動に留まる。一方、第２の圧電体層６３０の他部６３２においては、第１の電極５の側面（テーパ形状面）上、下地層４の側面、絶縁体３表面上のそれぞれに成膜されているので、（０００１）結晶配向の配向半値幅は１０°程度になる。
【００６２】
次に、図示しないが、第２の圧電体層６３０表面上にフォトリソグラフィを使用してエッチングマスクを形成する。このエッチングマスクを使用し、第２の圧電体層６３０にパターンニングを行い、図８に示すように、第２の圧電体６３を形成する。パターンニングには例えばマグネトロンリアクティブエッチングを使用することができる。第２の圧電体６３を形成することにより、第１の圧電体６１とこの第１の圧電体６１表面上に積層された第２の圧電体６３とを備えた圧電体６を完成させることができる。圧電体６は、結果として、第１の電極５表面の結晶配向性を十分に引き継いだ結晶配向性を備えている。
【００６３】
次に、絶縁体を成膜し、フォトリソグラフィを使用して形成したエッチングマスク及びマグネトロンリアクティブイオンエッチングを利用して絶縁体をパターンニングすることにより、圧電体６の側壁の一部分にスペーサ７を形成する（図９参照。）。スペーサ７には例えば酸化シリコン膜を実用的に使用することができる。第１の実施の形態において、スペーサ７は第２の圧電体６３とは別材料により形成されているが、後述する第２の実施の形態に係る薄膜圧電共振器１の製造方法において説明するように、第２の圧電体層６３０をパターンニングするエッチングマスクをスペーサ７の形成領域まで伸ばし、第２の圧電体層６３０（６３２）によりスペーサ７を形成してもよい。この場合には、スペーサ７の成膜工程、パターンニング工程等を第２の圧電体６３の成膜工程、パターンニング工程等と兼用することができるので、製造工程数を削減することができる。
【００６４】
スペーサ７表面上を含む、基板２表面上の全域に第２の電極層を成膜する。第２の電極層には例えばスパッタリングにより成膜されたアルミニウム膜を使用し、その薄膜は２５０ｎｍに設定する。図示しないが、第２の電極層表面上にフォトリソグラフィを使用してエッチングマスクを形成し、このエッチングマスクを利用して第２の電極層をパターンニングすることにより、図９に示すように引出電極８１及び第２の電極８２を形成することができる。引出電極８１の一端は第１の電極５の周縁部の一部において第１の電極５表面に接続され、他端は絶縁体３表面上を延在する。第２の電極８２の一端は圧電体６（第２の圧電体６３）表面に接続され、他端はスペーサ７上を通過するとともに絶縁体２表面上を延在する。
【００６５】
次に、基板２の第１の電極５が形成された領域において、基板２裏面から表面に向かって、少なくとも基板２及び絶縁体３を除去し、前述の図１に示すように、圧電体６が膜厚方向に振動するための穴９を形成する。穴９の形成において、基板２の除去には例えばインダクティビリィカップルドプラズマ（ＩＣＰ（Inductively Coupled Plasma））−ＲＩＥを、絶縁体３の除去にはマグネトロンＲＩＥを各々実用的に使用することができる。この穴９を形成する工程が終了すると、第１の実施の形態に係る薄膜圧電共振器１が完成する。
【００６６】
［薄膜圧電共振器の特性評価］
このように製造された薄膜圧電共振器１において、周波数特性を測定した結果、共振周波数は２．０ＧＨｚであり、電気機械結合係数は６．０％、品質係数Ｑは共振点において７２０、反共振点において６５０という極めて優れた周波数特性を得ることができた。この機械結合係数値はＡｌＮ圧電体物質から理論的に期待される最大値の９１％に達成している。
【００６７】
図１０は薄膜圧電共振器１の第１の電極５と圧電体６との界面付近を撮影した断面透過電子顕微鏡写真である。図１０に示すように、第１の電極（アルミニウム電極）５と圧電体（ＡｌＮ）６との界面付近において、第１の電極５の水平方向の結晶粒子の大きさと、第１の圧電体６１の水平方向の結晶粒子の大きさと、第２の圧電体６３の水平方向の結晶粒子の大きさとがほぼ揃っている。
【００６８】
図１１は、微小部電子線回折パターンであり、結晶粒子の特定領域に径１ｎｍに絞った電子線を照射して得られた結晶粒子の回折パターンである。図１１に示す「ａ」〜「ｆ」のそれぞれは図１０に示す「ａ」〜「ｆ」のそれぞれに各々対応している。図１１に示す「ａ」は第１の電極（アルミニウム）５の（１１１）結晶面への［０−１１］入射パターンである。図１１に示す「ｂ」は第１の圧電体（ＡｌＮ）６１の（０００１）結晶面への［−１−１２０］入射パターン、「ｃ」は第２の圧電体（ＡｌＮ）６３の（０００１）結晶面への［−１−１２０］入射パターンである。従って、Ａｌ［０−１１］／／ＡｌＮ［−１−１２０］の方位関係において双方は局所的にエピタキシャル関係にある。図１１に示す「ｄ」〜「ｆ」のそれぞれの入射パターンにおいても、同様に結晶方位が揃っている結果を得ることができた。
【００６９】
以上説明したように、第１の実施の形態に係る薄膜圧電共振器１の製造方法においては、第１の電極層５０表面上に連続して第１の圧電体層６１０を成膜し、これらパターンニングして第１の圧電体６１及び第１の電極５を形成し、この後に第１の圧電体６１表面にクリーニングを行った後、第２の圧電体層６３０を成膜する工程を備えている。この結果、第１の電極５表面の結晶配向性を圧電体６に十分に引き継ぐことができる。更に、第１の電極５はパターンニングされることにより形成され、基板２表面上において第１の電極５と引出電極８１との接続が行える。つまり、基板２裏面において第１の電極５と引出電極８１とを接続する必要がなくなり、基板２の穴９は微細加工することができる。従って、高周波数化を実施することができるとともに、小型化を実現することができる薄膜圧電共振器１を得ることができる。
【００７０】
［薄膜圧電共振器の応用例］
前述の薄膜圧電共振器１においては、例えば図１２に示す高周波フィルタ１００、図１３に示すＶＣＯに備えることができる。図１２に示す高周波フィルタ１００は、入力端子Ｐ１及びＰ２と、出力端子Ｐ３及びＰ４と、直列的に挿入される薄膜圧電共振器１（１）及び１（２）と、並列的に挿入される薄膜圧電共振器１（３）及び１（４）とを備えている。
【００７１】
図１３に示すＶＣＯ２００は、薄膜圧電共振器１と、インバータ２０１と、抵抗素子２０２及び２０３と、容量素子２０４と、可変容量素子２０５とを備えている。
【００７２】
高周波フィルタ１００、ＶＣＯ２００のいずれにおいても、前述の薄膜圧電共振器１を備えているので、高周波特性を向上することができるとともに、小型化を実現することができる。
【００７３】
（第２の実施の形態）
本発明の第２の実施の形態は、前述の第１の実施の形態に係る薄膜圧電共振器１において、圧電体６に接続する第２の電極構造を変えた例を説明するものである。なお、第２の実施の形態並びにこれ以降の実施の形態において、特に各構成要素の材質、膜厚、成膜条件等の説明がない場合には、前述の第１の実施の形態において説明した同一符号が付された各構成要素の材質、膜厚、成膜条件等と同一若しくは同等である。
【００７４】
［薄膜圧電共振器の具体的な第２の製造方法］
第２の実施の形態に係る薄膜圧電共振器１の製造方法は、まず最初に、基板２を準備し、この基板２表面上の全域に絶縁体３を形成する（前述の図３参照。）。前述の図３に示すように、絶縁体３表面上の全域に下地層４を形成する。下地層４には高周波マグネトロンスパッタリング法により成膜した非晶質Ａｌ0.6Ｔａ0.4膜を使用し、その膜厚は３０ｎｍに設定される。
【００７５】
次に、下地層４表面上の全域に第１の電極層５０を成膜し、図１４に示すように、引き続き第１の電極層５０表面上の全域に第１の圧電体層６１０を成膜する。
【００７６】
図示しないが、第１の圧電体層６１０表面上にフォトリソグラフィ技術によりエッチングマスクを形成する。このエッチングマスクを利用して第１の圧電体層６１０をパターンニングすることにより第１の圧電体６１を形成し、図１５に示すように、引き続き第１の圧電体６１を実質的なエッチングマスクとして利用して第１の電極層５０をパターンニングすることにより第１の電極５を形成する。パターンニングには、例えばＩＣＰ−ＲＩＥ法を実用的に使用することができる。エッチングマスクの側面形状のテーパ化及びエッチング条件の最適化により、同図１５に示すように、第１の電極５端面形状及び第１の圧電体６１端面形状をテーパ化することができる。このテーパ角度は基板２表面に対して２０度以下に設定されることが好ましい。なお、エッチングマスクの除去においては、第１の圧電体６１表面の酸化を避けるためにアッシング処理は実施されない。
【００７７】
次に、成膜装置内において、第１の圧電体６１表面に表面クリーニングが実施される（前述の図６参照。）。表面クリーニングには、前述の実施例４の条件下において低エネルギに制御された反応性高周波スパッタクリーニングを実用的に使用することができる。この表面クリーニングにおいては、第１の圧電体６１表面の清浄な（０００１）結晶面が露出するまで行われる。
【００７８】
次に、第１の圧電体６１表面上を含む、基板２表面上の全域に第２の圧電体層６３０を成膜し、図１６に示すように、引き続き連続して第２の圧電体層６３０表面上の全域に電極層８５を成膜する。第２の圧電体層６３０には反応性高周波マグネトロンスパッタリングにより成膜されたＡｌＮ膜を使用し、その膜厚は１９７０ｎｍに設定される。電極層８５は同一のスパッタリングにより成膜されたモリブデン膜を使用し、その膜厚は２００ｎｍに設定される。第２の実施の形態において、電極層８５は第２の電極８２の一部として使用されている。
【００７９】
次に、図示しないが、電極層８５表面上にフォトリソグラフィ技術によりエッチングマスクを形成する。図１７に示すように、エッチングマスクを利用して電極層８５をパターンニングし、この電極層８５から引出電極８４を形成する。パターンニングには例えばケミカルドライエッチング（Chemical Dry Etching）を実用的に使用することができる。
【００８０】
次に、図示しないが、引出電極８４表面上を含む、第２の圧電体層６３０表面上にフォトリソグラフィ技術によりエッチングマスクを形成する。図１８に示すように、エッチングマスクを利用し、引出電極８４下の一部６３１と他部６３２の一部とが残存するように、第２の圧電体層６３０をパターンニングし、一部６３１から第２の圧電体６３を形成するとともに、他部６３２の一部からスペーサ７を形成する。第２の圧電体６３が形成されると、第１の圧電体６１及びその表面上に積層された第２の圧電体６３を備えた圧電体６を形成することができる。パターンニングにはマグネトロンＲＩＥを実用的に使用することができる。
【００８１】
スペーサ７表面上を含む、基板２表面上の全域に第２の電極層を成膜する。第２の電極層には例えばスパッタリングにより成膜されたアルミニウム膜を使用し、その薄膜は５００ｎｍに設定する。図示しないが、第２の電極層表面上にフォトリソグラフィ技術を使用してエッチングマスクを形成し、このエッチングマスクを利用して第２の電極層をパターンニングすることにより、図１９に示すように引出電極８１及び第２の電極８２を形成することができる。引出電極８４の一端は圧電体６の第２の圧電体６３表面上においてこの第２の圧電体６３に接続され、引出電極８４の他端はスペーサ７表面上において第２の電極８２に接続される。パターンニングにはマグネトロンＲＩＥを実用的に使用することができる。
【００８２】
次に、図２０に示すように、基板２をその裏面からその表面に向かって研磨する。研磨には例えばケミカルメカニカルポリッシング（ＣＭＰ（Chemical Mechanical Polishing））を使用し、基板２の厚さが例えば２００μｍになるまで研磨が実施される。
【００８３】
次に、基板２の第１の電極５が形成された領域において、基板２裏面から表面に向かって、少なくとも基板２及び絶縁体３を除去し、図２１に示すように、穴９を形成する。穴９の形成において、基板２の除去には例えばＩＣＰ−ＲＩＥを、絶縁体３の除去にはマグネトロンＲＩＥを各々実用的に使用することができる。この穴９を形成する工程が終了すると、第２の実施の形態に係る薄膜圧電共振器１が完成する。
【００８４】
［薄膜圧電共振器の特性評価］
このように製造された薄膜圧電共振器１において、周波数特性を測定した結果、共振周波数は２．０ＧＨｚであり、電気機械結合係数は６．６５％、品質係数Ｑは共振点において９００、反共振点において７９０という極めて優れた周波数特性を得ることができた。この機械結合係数値はＡｌＮ圧電体物質から理論的に期待される最大値に匹敵している。
【００８５】
図２２は薄膜圧電共振器１の第１の電極５と圧電体６との界面付近を撮影した断面透過電子顕微鏡写真、図２３はその拡大断面透過電子顕微鏡写真である。図２２及び図２３に示すように、第１の電極（アルミニウム電極）５と圧電体（ＡｌＮ）６との界面付近において、第１の電極５の水平方向の結晶粒子の大きさと、第１の圧電体６１の水平方向の結晶粒子の大きさと、第２の圧電体６３の水平方向の結晶粒子の大きさとがほぼ揃っている。
【００８６】
図２４は、微小部電子線回折パターンであり、結晶粒子の特定領域に径１ｎｍに絞った電子線を照射して得られた結晶粒子の回折パターンである。図２４に示す「ａ」〜「ｆ」のそれぞれは図２２に示す「ａ」〜「ｆ」のそれぞれに各々対応している。図２４に示す「ａ」は第１の電極（アルミニウム）５の（１１１）結晶面への［−１−１２］入射パターンである。図１１に示す「ｂ」は第１の圧電体（ＡｌＮ）６１の（０００１）結晶面への［１−１００］入射パターン、「ｃ」は第２の圧電体（ＡｌＮ）６３の（０００１）結晶面への［１−１００］入射パターンである。従って、Ａｌ［−１−１２］／／ＡｌＮ［１−１００］の方位関係において双方は局所的にエピタキシャル関係にある。図１１に示す「ｄ」〜「ｆ」のそれぞれの入射パターンにおいても、同様に結晶方位が揃っている結果を得ることができた。
【００８７】
なお、第１の電極５表面上に第１の圧電体６１介在して第２の圧電体６３が成膜された領域において、圧電体６のＡｌＮの柱状結晶は揃った状態になる。これに対して、第１の電極５端面のテーパ形状部分において第１の圧電体層６１０が除去された部分と、第１の電極層５０がパターンニングにより取り除かれた絶縁体３表面上（若しくは下地層４表面上）とに成膜される第２の圧電体６３の柱状結晶は乱れてしまう。ところが、第１の電極５が存在しない領域は、圧電共振に係わらないので、共振特性の劣化には繋がらない。また、第１の電極５端面のテーパ形状部分の幅寸法は１μｍ以下であり、この第１の電極５端面の全面積は薄膜圧電共振器１に占める割合の１％程度であるので、薄膜圧電共振器１において共振特性の劣化にはほとんど影響がない。
【００８８】
以上説明したように、第２の実施の形態に係る薄膜圧電共振器１の製造方法においては、前述の第１の実施の形態に係る薄膜圧電共振器１の製造方法により得られる効果と同様の効果を奏することができる。従って、高周波数化を実施することができるとともに、小型化を実現することができる薄膜圧電共振器１を得ることができる。
【００８９】
（第３の実施の形態）
本発明の第３の実施の形態は、前述の第１の実施の形態に係る薄膜圧電共振器１において、第１の電極５下に配設された穴９に代えて空洞を配設した例を説明するものである。
【００９０】
［薄膜圧電共振器の具体的な第３の製造方法］
第３の実施の形態に係る薄膜圧電共振器１の製造方法は、まず最初に、基板２を準備し、この基板２表面上の全域に絶縁体３を形成する（図２５参照。）。図示しないが、絶縁体３表面上にフォトリソグラフィ技術によりエッチングマスクを形成し、このエッチングマスクを利用して絶縁体３にパターンニングを行い、図２５に示すように、第１の電極５が形成される領域において絶縁体３の一部を選択的に除去し、絶縁体３に溝３０を形成する。この溝３０は将来的に空洞となる部分である。パターンニングには、フッ化アンモニウム溶液によるウエットエッチングを実用的に使用することができる。
【００９１】
次に、絶縁体３表面上に、溝３０が埋設されるように、犠牲層３１を成膜する。犠牲層３１には例えば高周波マグネトロンスパッタリングにより成膜したモリブデン膜を実用的に使用することができ、その膜厚は１．２μｍに設定される。更に、図２７に示すように、犠牲層３１が溝３０内部に埋設され、絶縁体３表面が露出するまで犠牲層３１を除去する。この犠牲層３１の除去にはＣＭＰを使用することができる。ＣＭＰを使用することにより、絶縁体３表面及び犠牲層３１表面を平坦化することができる。
【００９２】
図２８に示すように、犠牲層３１表面上を含む、絶縁体３表面上の全域に更に絶縁体３２を成膜する。絶縁体３２を形成することにより、犠牲層３１は完全に埋め込まれた状態になる。絶縁体３２には例えば高周波マグネトロンスパッタリングにより成膜された二酸化シリコン膜を使用し、その膜厚は５０ｎｍに設定される。
【００９３】
次に、絶縁体３２表面上の全域に下地層４を形成する（図２９参照。）。下地層４には高周波マグネトロンスパッタリング法により成膜した非晶質Ａｌ0.5Ｔａ0.5膜を使用し、その膜厚は３０ｎｍに設定される。
【００９４】
次に、下地層４表面上の全域に第１の電極層５０を成膜し、図２９に示すように、引き続き第１の電極層５０表面上の全域に第１の圧電体層６１０を成膜する。そして、前述の第２の実施の形態に係る薄膜圧電共振器１の製造方法と同様に、図３０に示すように、第１の圧電体層６１０をパターンニングすることにより第１の圧電体６１を形成するとともに、第１の電極層５０をパターンニングすることにより第１の電極５を形成する。
【００９５】
次に、成膜装置内において、第１の圧電体６１表面に表面クリーニングが実施される（前述の図６参照。）。表面クリーニングには、前述の実施例４の条件下において低エネルギに制御された反応性高周波スパッタクリーニングを実用的に使用することができる。この表面クリーニングにおいては、第１の圧電体６１表面の清浄な（０００１）結晶面が露出するまで行われる。
【００９６】
次に、図３１に示すように、第１の圧電体６１表面上を含む、基板２表面上の全域に第２の圧電体層６３０を成膜する。第２の圧電体層６３０には反応性高周波マグネトロンスパッタリングにより成膜されたＡｌＮ膜を使用し、その膜厚は２２７０ｎｍに設定される。
【００９７】
次に、図示しないが、第２の圧電体層６３０表面上にフォトリソグラフィ技術によりエッチングマスクを形成する。前述の第２の実施の形態に係る薄膜圧電共振器１の製造方法と同様に、エッチングマスクを利用し、第２の圧電体層６３０をパターンニングし、一部６３１から第２の圧電体６３を形成するとともに、他部６３２の一部からスペーサ７を形成する（図３２参照。）。第２の圧電体６３が形成されると、第１の圧電体６１及びその表面上に積層された第２の圧電体６３を備えた圧電体６を形成することができる。パターンニングにはマグネトロンＲＩＥを実用的に使用することができる。
【００９８】
圧電体６表面上及びスペーサ７表面上を含む、基板２表面上の全域に第２の電極層を成膜する。第２の電極層には例えばスパッタリングにより成膜されたアルミニウム膜を使用し、その薄膜は２５０ｎｍに設定する。図示しないが、第２の電極層表面上にフォトリソグラフィ技術を使用してエッチングマスクを形成し、このエッチングマスクを利用して第２の電極層をパターンニングすることにより、図３２に示すように引出電極８１及び第２の電極８２を形成することができる。
【００９９】
次に、図示しないが、既に形成された溝３０内に埋設された犠牲層３１上において、第１の電極５の周囲の絶縁体３２に犠牲層３１表面まで達する複数個の貫通孔を形成する。この貫通孔は、例えばフォトリソグラフィ技術を使用してエッチングマスクを形成し、このエッチングマスクを利用して絶縁体３２をパターンニングすることにより形成することができる。貫通孔の配設数は例えば２個〜４個程度でよく、貫通孔の径は例えば５μｍに設定される。
【０１００】
そして、摂氏５０度に昇温した過酸化水素水溶液に約２０分間浸漬することにより、貫通孔を通して犠牲層３１に水溶液が浸透し、犠牲層３１を選択的に除去し、図３３に示すように、基板２と絶縁体３と絶縁体３２とにより周囲を囲まれた空洞３５を形成することができる。空洞３５を形成することにより、第３の実施の形態に係る薄膜圧電共振器１は完成する。
【０１０１】
［薄膜圧電共振器の特性評価］
このように製造された薄膜圧電共振器１において、周波数特性を測定した結果、共振周波数は２．０ＧＨｚであり、電気機械結合係数は６．５％、品質係数Ｑは共振点において８２０、反共振点において７５０という極めて優れた周波数特性を得ることができた。この機械結合係数値はＡｌＮ圧電体物質から理論的に期待される最大値に匹敵している。
【０１０２】
以上説明したように、第３の実施の形態に係る薄膜圧電共振器１の製造方法においては、前述の第１の実施の形態に係る又は第２の実施の形態に係る薄膜圧電共振器１の製造方法により得られる効果と同様の効果を奏することができる。従って、高周波数化を実施することができるとともに、小型化を実現することができる薄膜圧電共振器１を得ることができる。
【０１０３】
（第４の実施の形態）
本発明の第４の実施の形態は、前述の第２の実施の形態に係る薄膜圧電共振器１において、第１の電極５下に配設された穴９に代えて音響ミラー反射層を配設した例を説明するものである。
【０１０４】
［薄膜圧電共振器の具体的な第３の製造方法］
第４の実施の形態に係る薄膜圧電共振器１の製造方法は、まず最初に、基板２を準備し、この基板２表面上の全域に第１の絶縁体１０１、第２の絶縁体１０２、第３の絶縁体１０３、第４の絶縁体１０４のそれぞれを順次形成する（図３４参照。）。第１の絶縁体１０１、第３の絶縁体１０３のそれぞれには熱ＣＶＤ（Chemical vapor deposition）法により成膜された窒化シリコン膜を使用し、第２の絶縁体１０２、第４の絶縁体１０４のそれぞれにはプラズマＣＶＤ法により成膜された酸化シリコン膜を使用する。
【０１０５】
次に、図示しないが、第４の絶縁体１０４表面上にフォトリソグラフィ技術によりエッチングマスクを形成し、このエッチングマスクを利用して第４の絶縁体１０４にパターンニングを行い、図３４に示すように、溝１０５を形成する。この溝１０５は将来的に音響ミラー反射層を配設する領域となる部分である。パターンニングには、フッ化アンモニウム溶液によるウエットエッチングを実用的に使用することができる。第３の絶縁体１０３は第４の絶縁体層１０４をエッチングする際のエッチングストッパ層としての機能を有する。
【０１０６】
次に、図３５に示すように、溝１０５内部に露出する第３の絶縁体１０３表面上及び第４の絶縁体１０４表面上に高音響ミラー層１１０、低音響ミラー層１１１、高音響ミラー層１１２、低音響ミラー層１１３のそれぞれを順次成膜する。高音響ミラー層１１０、１１２のそれぞれには、高音響インピーダンス特性を有するタングステン膜を実用的に使用することができる。低音響ミラー層１１１、１１３のそれぞれには、低音響インピーダンス特性を有する二酸化シリコン膜を実用的に使用することができる。高音響ミラー層１１０、低音響ミラー層１１１、高音響ミラー層１１２、低音響ミラー層１１３のそれぞれの膜厚は、例えば２．０ＧＨｚのλ／４に設定される。
【０１０７】
次に、第４の絶縁体１０４表面と同等の高さになるまで、低音響ミラー層１１３、高音響ミラー層１１２、低音響ミラー層１１１、高音響ミラー層１１０のそれぞれを順次研磨し、図３６に示すように、溝１０５内部に埋設された、高音響ミラー層１１０、低音響ミラー層１１１、高音響ミラー層１１２及び低音響ミラー層１１３を備えた音響ミラー反射層１０を形成する。研磨にはＣＭＰを使用することができる。
【０１０８】
図３７に示すように、音響ミラー反射層１０表面上を含む、第４の絶縁体１０４表面上の全域に更に絶縁体３２を成膜する。絶縁体３２を形成することにより、音響ミラー反射層１０は完全に埋め込まれた状態になる。
【０１０９】
次に、絶縁体３２表面上の全域に下地層４を形成する（図３８参照。）。下地層４には高周波マグネトロンスパッタリング法により成膜した非晶質Ａｌ0.5Ｔａ0.5膜を使用し、その膜厚は３０ｎｍに設定される。
【０１１０】
次に、下地層４表面上の全域に第１の電極層５０を成膜し、図３８に示すように、引き続き第１の電極層５０表面上の全域に第１の圧電体層６１０を成膜する。
【０１１１】
図示しないが、第１の圧電体層６１０表面上にフォトリソグラフィ技術によりエッチングマスクを形成する。このエッチングマスクを利用して第１の圧電体層６１０をパターンニングすることにより第１の圧電体６１を形成し、図３９に示すように、引き続き第１の圧電体６１を実質的なエッチングマスクとして利用して第１の電極層５０をパターンニングすることにより第１の電極５を形成する。パターンニングには、例えばＩＣＰ−ＲＩＥ法を実用的に使用することができる。エッチングマスクの側面形状のテーパ化及びエッチング条件の最適化により、同図３９に示すように、第１の電極５端面形状及び第１の圧電体６１端面形状をテーパ化することができる。このテーパ角度は基板２表面に対して３５度以下に設定されることが好ましい。なお、エッチングマスクの除去においては、第１の圧電体６１表面の酸化を避けるためにアッシング処理は実施されない。
【０１１２】
次に、成膜装置内において、第１の圧電体６１表面に表面クリーニングが実施される（前述の図６参照。）。表面クリーニングには、前述の実施例４の条件下において低エネルギに制御された反応性高周波スパッタクリーニングを実用的に使用することができる。この表面クリーニングにおいては、第１の圧電体６１表面の清浄な（０００１）結晶面が露出するまで行われる。
【０１１３】
次に、第１の圧電体６１表面上を含む、基板２表面上の全域に第２の圧電体層６３０を成膜し、図４０に示すように、引き続き連続して第２の圧電体層６３０表面上の全域に電極層８５を成膜する。第２の圧電体層６３０には反応性高周波マグネトロンスパッタリングにより成膜されたＡｌＮ膜を使用し、その膜厚は１９００ｎｍに設定される。電極層８５は同一のスパッタリングにより成膜されたモリブデン膜を使用し、その膜厚は２００ｎｍに設定される。
【０１１４】
次に、図示しないが、電極層８５表面上にフォトリソグラフィ技術によりエッチングマスクを形成する。図４１に示すように、エッチングマスクを利用して電極層８５をパターンニングし、この電極層８５から引出電極８４を形成する。
【０１１５】
次に、図示しないが、引出電極８４表面上を含む、第２の圧電体層６３０表面上にフォトリソグラフィ技術によりエッチングマスクを形成する。図４２に示すように、エッチングマスクを利用し、引出電極８４下の一部６３１と他部６３２の一部とが残存するように、第２の圧電体層６３０をパターンニングし、一部６３１から第２の圧電体６３を形成するとともに、他部６３２の一部からスペーサ７を形成する。第２の圧電体６３が形成されると、第１の圧電体６１及びその表面上に積層された第２の圧電体６３を備えた圧電体６を形成することができる。
【０１１６】
スペーサ７表面上を含む、基板２表面上の全域に第２の電極層を成膜する。第２の電極層には例えばスパッタリングにより成膜されたアルミニウム膜を使用し、その薄膜は５００ｎｍに設定する。図示しないが、第２の電極層表面上にフォトリソグラフィ技術を使用してエッチングマスクを形成し、このエッチングマスクを利用して第２の電極層をパターンニングすることにより、図４３に示すように引出電極８１及び第２の電極８２を形成することができる。引出電極８４の一端は圧電体６の第２の圧電体６３表面上においてこの第２の圧電体６３に接続され、引出電極８４の他端はスペーサ７表面上において第２の電極８２に接続される。パターンニングにはマグネトロンＲＩＥを実用的に使用することができる。引出電極８１及び第２の電極８２を形成することにより、第４の実施の形態に係る薄膜圧電共振器１は完成する。
【０１１７】
［薄膜圧電共振器の特性評価］
このように製造された薄膜圧電共振器１において、周波数特性を測定した結果、共振周波数は２．０ＧＨｚであり、電気機械結合係数は５．５％、品質係数Ｑは共振点において６００、反共振点において５５０という極めて優れた周波数特性を得ることができた。この機械結合係数値は、音響ミラー反射層１０を備えた薄膜圧電共振器１としては、ＡｌＮ圧電体物質から理論的に期待される最大値に匹敵している。
【０１１８】
以上説明したように、第４の実施の形態に係る薄膜圧電共振器１の製造方法においては、前述の第１の実施の形態に係る又は第２の実施の形態に係る薄膜圧電共振器１の製造方法により得られる効果と同様の効果を奏することができる。従って、高周波数化を実施することができるとともに、小型化を実現することができる薄膜圧電共振器１を得ることができる。
【０１１９】
なお、本発明は前述の実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において、変更可能である。
【図面の簡単な説明】
【０１２０】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係る薄膜圧電共振器の断面図である。
【図２】第１の実施の形態に係る薄膜圧電共振器の配向性評価結果を示す図である。
【図３】図１に示す薄膜圧電共振器の第１の製造方法を説明する第１の工程断面図である。
【図４】第２の工程断面図である。
【図５】第３の工程断面図である。
【図６】第４の工程断面図である。
【図７】第５の工程断面図である。
【図８】第６の工程断面図である。
【図９】第７の工程断面図である。
【図１０】図１に示す薄膜圧電共振器の要部の断面透過電子顕微鏡写真である。
【図１１】図１に示す薄膜圧電共振器の要部の微小部電子線回折パターンを示す図である。
【図１２】第１の実施の形態に係る高周波フィルタの回路図である。
【図１３】第１の実施の形態に係るＶＣＯの回路図である。
【図１４】本発明の第２の実施の形態に係る薄膜圧電共振器の製造方法を説明する第１の工程断面図である。
【図１５】第２の工程断面図である。
【図１６】第３の工程断面図である。
【図１７】第４の工程断面図である。
【図１８】第５の工程断面図である。
【図１９】第６の工程断面図である。
【図２０】第７の工程断面図である。
【図２１】第８の工程断面図である。
【図２２】図２１に示す薄膜圧電共振器の要部の断面透過電子顕微鏡写真である。
【図２３】図２２に示す薄膜圧電共振器の要部の拡大断面透過電子顕微鏡写真である。
【図２４】図２２に示す薄膜圧電共振器の要部の微小部電子線回折パターンを示す図である。
【図２５】本発明の第３の実施の形態に係る薄膜圧電共振器の製造方法を説明する第１の工程断面図である。
【図２６】第２の工程断面図である。
【図２７】第３の工程断面図である。
【図２８】第４の工程断面図である。
【図２９】第５の工程断面図である。
【図３０】第６の工程断面図である。
【図３１】第７の工程断面図である。
【図３２】第８の工程断面図である。
【図３３】第９の工程断面図である。
【図３４】本発明の第４の実施の形態に係る薄膜圧電共振器の製造方法を説明する第１の工程断面図である。
【図３５】第２の工程断面図である。
【図３６】第３の工程断面図である。
【図３７】第４の工程断面図である。
【図３８】第５の工程断面図である。
【図３９】第６の工程断面図である。
【図４０】第７の工程断面図である。
【図４１】第８の工程断面図である。
【図４２】第９の工程断面図である。
【図４３】第１０の工程断面図である。
【符号の説明】
【０１２１】
１  薄膜圧電共振器
２  基板
３５  空洞
４  下地層
５  第１の電極
６  圧電体
７  スペーサ
６１  第１の圧電体
６３  第２の圧電体
８１  引出電極
８２  第２の電極
９  穴
１０  音響ミラー反射層
【図１】
2006217188.tif 000003
【図２】
2006217188.tif 000004
【図３】
2006217188.tif 000005
【図４】
2006217188.tif 000006
【図５】
2006217188.tif 000007
【図６】
2006217188.tif 000008
【図７】
2006217188.tif 000009
【図８】
2006217188.tif 000010
【図９】
2006217188.tif 000011
【図１０】
2006217188.tif 000012
【図１１】
2006217188.tif 000013
【図１２】
2006217188.tif 000014
【図１３】
2006217188.tif 000015
【図１４】
2006217188.tif 000016
【図１５】
2006217188.tif 000017
【図１６】
2006217188.tif 000018
【図１７】
2006217188.tif 000019
【図１８】
2006217188.tif 000020
【図１９】
2006217188.tif 000021
【図２０】
2006217188.tif 000022
【図２１】
2006217188.tif 000023
【図２２】
2006217188.tif 000024
【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
2006217188.tif 000028
【図２７】
2006217188.tif 000029
【図２８】
2006217188.tif 000030
【図２９】
2006217188.tif 000031
【図３０】
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【図３１】
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【図３２】
2006217188.tif 000034
【図３３】
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【図３４】
2006217188.tif 000036
【図３５】
2006217188.tif 000037
【図３６】
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【図３７】
2006217188.tif 000039
【図３８】
2006217188.tif 000040
【図３９】
2006217188.tif 000041
【図４０】
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【図４１】
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【図４２】
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【図４３】
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