(57)【要約】【課題】圧電体薄膜の結晶性の向上を図れる圧電体薄膜の製造方法、圧電体薄膜の結晶性の向上を図れる共振装置およびそれを用いたＵＷＢ用フィルタを提供する。【解決手段】圧電体薄膜３の材料（圧電材料）よりも熱膨張率の小さな材料（基板材料）からなる支持基板１の一表面側に上記圧電材料と上記基板材料との中間の熱膨張率を有する材料からなるバッファ層２をスパッタ法などにより形成するバッファ層形成工程を行い、その後、バッファ層２上に圧電体薄膜３をスパッタ法などにより形成する圧電体薄膜形成工程を行い、続いて、圧電体薄膜３上に上記圧電材料よりも熱膨張率の小さな材料からなり圧電体薄膜３に応力を印加する応力印加層４をスパッタ法などにより形成する応力印加層形成工程を行う。【選択図】図１
2008211385.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
支持基板の一表面側に支持基板とは熱膨張率の異なる材料からなる圧電体薄膜を製造する圧電体薄膜の製造方法であって、支持基板の上記一表面側に支持基板の材料と圧電体薄膜の材料との中間の熱膨張率を有する材料からなるバッファ層を形成するバッファ層形成工程と、バッファ層上に圧電体薄膜を形成する圧電体薄膜形成工程と、圧電体薄膜上に圧電体薄膜の材料よりも熱膨張率の小さな材料からなり圧電体薄膜に応力を印加する応力印加層を形成する応力印加層形成工程とを備えることを特徴とする圧電体薄膜の製造方法。
【請求項２】
支持基板の一表面側に圧電体薄膜を製造する圧電体薄膜の製造方法であって、圧電体薄膜の材料よりも熱膨張率の小さな材料からなる支持基板の上記一表面上に圧電体薄膜を形成する圧電体薄膜形成工程と、圧電体薄膜上に圧電体薄膜の材料よりも熱膨張率の小さな材料からなり圧電体薄膜に応力を印加する応力印加層を形成する応力印加層形成工程とを備えることを特徴とする圧電体薄膜の製造方法。
【請求項３】
支持基板と、支持基板の一表面側に形成された下部電極と、下部電極における支持基板側とは反対側に形成された圧電体薄膜と、圧電体薄膜における下部電極側とは反対側に形成された上部電極とを備えた共振装置であって、圧電体薄膜は、請求項１記載の圧電体薄膜の製造方法により製造されてなることを特徴とする共振装置。
【請求項４】
請求項３記載の共振装置を用いたことを特徴とするＵＷＢ用フィルタ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、圧電体薄膜の製造方法、共振装置およびそれを用いたＵＷＢ用フィルタに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来から、携帯電話機などの移動体通信機器の分野において、３ＧＨｚ以上の高周波帯で利用する高周波フィルタに適用可能な共振装置として、シリコン基板からなる支持基板の一表面側に下部電極と圧電体薄膜と上部電極とからなる共振子を備え、圧電体薄膜の材料としてＡｌＮを採用したＢＡＷ共振器が提案されている（例えば、特許文献１参照）。なお、上記特許文献１には、ＢＡＷ共振器としてＦＢＡＲ（Film  Bulk  Acoustic  Resonator）が記載されているが、ＢＡＷ共振器としては、近年、ＦＢＡＲの他にＳＭＲ（Solidly  Mounted  Resonator）が注目されている。なお、ＢＡＷ共振器では、共振周波数が圧電体薄膜の膜厚に反比例し、圧電体薄膜の膜厚を薄くするほど共振周波数を高くすることができる。
【０００３】
ところで、上述の共振装置をＵＷＢ（Ultra  Wide  Band）用フィルタに応用する場合、圧電体薄膜の材料として、帯域幅が中心周波数に対して４〜５％しか広帯域化できないＡｌＮに比べて中心周波数に対して１０％程度の帯域幅を得ることが可能なＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）を採用することが考えられる。
【０００４】
ここにおいて、圧電材料としてＰＺＴを採用した共振装置としては、例えば、図５に示すように、シリコン基板からなる支持基板１’の一表面上にシリコン酸化膜からなる絶縁層７’が形成され、絶縁層７’上に下部電極５’が形成され、下部電極５’上にＰＺＴからなる圧電体薄膜３’が形成され、圧電体薄膜３’上に上部電極６’が形成されてなる共振装置が提案されている（例えば、特許文献２参照）。ここで、図５の共振装置では、下部電極５’と圧電体薄膜３’と上部電極６’とで共振子１０’を構成している。
【０００５】
なお、圧電材料からなる圧電体薄膜を支持基板の一表面側に製造する圧電体薄膜の製造方法としては、例えば、スパッタ法、ＣＶＤ法、ゾルゲル法、エアロゾルデポジション法などが知られている（例えば、特許文献１〜３参照）。
【特許文献１】特開２００２−１４００７５号公報
【特許文献２】特開平１０−１２６２０４号公報
【特許文献３】特開２００６−１６５１０２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上記特許文献１〜３に記載された圧電体薄膜の製造方法では、圧電体薄膜と当該圧電体薄膜の下地とが異種材料を用いるので、両者が格子整合性の良い材料同士であっても、高温での成膜時に両者の熱膨張率差に応じた熱応力が圧電体薄膜に発生し、当該熱応力に起因して圧電体薄膜の結晶性が低下し、電気機械結合係数が小さくなってしまう。
【０００７】
本発明は上記事由に鑑みて為されたものであり、その目的は、圧電体薄膜の結晶性の向上を図れる圧電体薄膜の製造方法、圧電体薄膜の結晶性の向上を図れる共振装置およびそれを用いたＵＷＢ用フィルタを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
請求項１の発明は、支持基板の一表面側に支持基板とは熱膨張率の異なる材料からなる圧電体薄膜を製造する圧電体薄膜の製造方法であって、支持基板の上記一表面側に支持基板の材料と圧電体薄膜の材料との中間の熱膨張率を有する材料からなるバッファ層を形成するバッファ層形成工程と、バッファ層上に圧電体薄膜を形成する圧電体薄膜形成工程と、圧電体薄膜上に圧電体薄膜の材料よりも熱膨張率の小さな材料からなり圧電体薄膜に応力を印加する応力印加層を形成する応力印加層形成工程とを備えることを特徴とする。
【０００９】
この発明によれば、支持基板の一表面側に支持基板の材料と圧電体薄膜の材料との中間の熱膨張率を有する材料からなるバッファ層を形成するバッファ層形成工程と、バッファ層上に圧電体薄膜を形成する圧電体薄膜形成工程と、圧電体薄膜上に圧電体薄膜の材料よりも熱膨張率の小さな材料からなり圧電体薄膜に応力を印加する応力印加層を形成する応力印加層形成工程とを連続して行うことにより、圧電体薄膜中の残留応力を低減でき、圧電体薄膜の結晶性の向上を図れる。
【００１０】
請求項２の発明は、支持基板の一表面側に圧電体薄膜を製造する圧電体薄膜の製造方法であって、圧電体薄膜の材料よりも熱膨張率の小さな材料からなる支持基板の上記一表面上に圧電体薄膜を形成する圧電体薄膜形成工程と、圧電体薄膜上に圧電体薄膜の材料よりも熱膨張率の小さな材料からなり圧電体薄膜に応力を印加する応力印加層を形成する応力印加層形成工程とを備えることを特徴とする。
【００１１】
この発明によれば、圧電体薄膜の材料よりも熱膨張率の小さな材料からなる支持基板の一表面上に圧電体薄膜を形成する圧電体薄膜形成工程と、圧電体薄膜上に圧電体薄膜の材料よりも熱膨張率の小さな材料からなり圧電体薄膜に応力を印加する応力印加層を形成する応力印加層形成工程とを連続して行うことにより、圧電体薄膜中の残留応力を低減でき、圧電体薄膜の結晶性の向上を図れる。
【００１２】
請求項３の発明は、支持基板と、支持基板の一表面側に形成された下部電極と、下部電極における支持基板側とは反対側に形成された圧電体薄膜と、圧電体薄膜における下部電極側とは反対側に形成された上部電極とを備えた共振装置であって、圧電体薄膜は、請求項１記載の圧電体薄膜の製造方法により製造されてなることを特徴とする。
【００１３】
この発明によれば、圧電体薄膜が、請求項１記載の圧電体薄膜の製造方法により製造されているので、共振装置における圧電体薄膜の結晶性の向上を図れる。
【００１４】
請求項４の発明は、請求項３記載の共振装置を用いたことを特徴とする。
【００１５】
この発明によれば、圧電体薄膜の結晶性の向上を図った共振装置を用いたＵＷＢ用フィルタを提供できる。
【発明の効果】
【００１６】
請求項１，２の発明では、圧電体薄膜の結晶性の向上を図れるという効果がある。
【００１７】
請求項３の発明では、共振装置における圧電体薄膜の結晶性の向上を図れるという効果がある。
【００１８】
請求項４の発明では、圧電体薄膜の結晶性の向上を図った共振装置を用いたＵＷＢ用フィルタを提供できるという効果がある。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
（実施形態１）
本実施形態では、図１に示すように、支持基板１の一表面側に圧電体薄膜３を製造する圧電体薄膜３の製造方法について説明する。
【００２０】
本実施形態の圧電体薄膜３の製造方法では、圧電体薄膜３の材料（圧電材料）よりも熱膨張率の小さな材料（基板材料）からなる支持基板１の上記一表面側に上記圧電材料と上記基板材料との中間の熱膨張率を有する材料からなるバッファ層２をスパッタ法などにより形成するバッファ層形成工程を行い、その後、バッファ層２上に圧電体薄膜３をゾルゲル法などにより形成する圧電体薄膜形成工程を行い、続いて、圧電体薄膜３上に上記圧電材料よりも熱膨張率の小さな材料からなり圧電体薄膜３に応力を印加する応力印加層４をスパッタ法などにより形成する応力印加層形成工程を行う。
【００２１】
ここにおいて、圧電体薄膜３の材料が例えばＰＺＴである場合には、支持基板１の材料として例えばＳｉ、ＳｉＯ２など、バッファ層２の材料として例えばＰＴ（ＰｂＴｉＯ３）、ＰＬＴ（（Ｐｂ，Ｌａ）ＴｉＯ３）など、応力印加層４の材料として例えばＳｉＯ２などを採用すればよい。なお、圧電体薄膜３の材料はＰＺＴに限らず、例えば、ＡｌＮや、Ｂｉ３Ｔｉ４Ｏ１２などのＢｉ−Ｔｉ−Ｏ系材料や、ＢａＢｉ−Ｔｉ−Ｏ系材料や、ＺｎＯ、ＬｉＮｂＯ３などを採用してもよく、支持基板１の材料、バッファ層２の材料、応力印加層４の材料は圧電体薄膜３の材料の熱膨張率に応じて適宜選択すればよい。
【００２２】
ところで、本実施形態の圧電体薄膜３の製造方法では、支持基板１の上記一表面側に、バッファ層２、圧電体薄膜３、応力印加層４をゾルゲル法やスパッタ法により連続して形成するようにしている。なお、バッファ層２、圧電体薄膜３、応力印加層４を連続して形成する方法はスパッタ法やゾルゲル法に限らず、例えば、ＣＶＤ法でもよい。
【００２３】
以上説明した本実施形態の圧電体薄膜３の製造方法によれば、上述のバッファ層形成工程と、圧電体薄膜形成工程と、応力印加層形成工程とを連続して行うことにより、圧電体薄膜３中の残留応力を低減でき、圧電体薄膜３の結晶性の向上を図れ、電気機械結合係数の大きな圧電体薄膜３を得ることが可能となる。
【００２４】
上述の圧電体薄膜３の製造方法では、支持基板１の上記一表面上のバッファ層２上に圧電体薄膜３を形成しているが、圧電体薄膜３の圧電材料よりも熱膨張率の小さな材料からなる支持基板１の一表面上に圧電体薄膜３を形成する圧電体薄膜形成工程と、圧電体薄膜３上に上記圧電材料よりも熱膨張率の小さな材料からなり圧電体薄膜３に応力を印加する応力印加層４を形成する応力印加層形成工程とを連続して行うよう製造方法を採用してもよく、当該製造方法でも、圧電体薄膜３中の残留応力を低減でき、圧電体薄膜３の結晶性の向上を図れ、電気機械結合係数の大きな圧電体薄膜３を得ることが可能となる。ここにおいて、応力印加層４の材料として支持基板１の材料と略同じ熱膨張率の材料を採用することにより、圧電体薄膜３中の残留応力をより低減することができ、圧電体薄膜３の結晶性向上による電気機械結合係数の向上を図れる。
【００２５】
（実施形態２）
本実施形態では、図２（ｅ）に示すように、支持基板１と、支持基板１の一表面側に形成された共振子１０とを備え、共振子１０が、支持基板１の上記一表面側に形成された下部電極５と、下部電極５における支持基板１側とは反対側に形成された圧電体薄膜３と、圧電体薄膜３における下部電極５側とは反対側に形成された上部電極６とで構成されてなるＢＡＷ共振器からなる共振装置について説明する。
【００２６】
本実施形態の共振装置は、支持基板１に、下部電極５における圧電体薄膜３側とは反対側の表面を露出させる開孔部１ａが形成されている。要するに、本実施形態の共振装置は、下部電極５と当該下部電極５直下の媒質との音響インピーダンス比を大きくすることにより支持基板１側への弾性波エネルギの伝搬を抑制するようにしたＦＢＡＲを構成している。
【００２７】
なお、本実施形態の共振装置では、共振子１０の共振周波数を４ＧＨｚに設定してあり、圧電体薄膜３の厚みを３００ｎｍに設定してあるが、これらの数値は一例であって特に限定するものではない。例えば、共振周波数を３ＧＨｚ〜５ＧＨｚの範囲で設計する場合には、圧電体薄膜３２の厚みは２００ｎｍ〜６００ｎｍの範囲で適宜設定すればよい。
【００２８】
上述の共振子１０は、圧電体薄膜３の材料としてＰＺＴを採用しており、下部電極５の材料としてＰｔ、上部電極６の材料としてＰｔを採用しているが、下部電極５の材料はＰｔに限らず、例えばＩｒでもよく、上部電極６の材料はＰｔに限らず、例えばＭｏ、Ｉｒ、Ｒｕなどを採用してもよい。
【００２９】
ところで、本実施形態における共振子１０は、下部電極５と圧電体薄膜３との間に、支持基板１の材料と圧電体薄膜３の材料（圧電材料）との中間の熱膨張率を有する材料からなるバッファ層２が形成され、圧電体薄膜３と上部電極６との間に、圧電体薄膜３の圧電材料よりも熱膨張率の小さな材料からなり圧電体薄膜３に応力を印加する応力印加層４が形成されている。
【００３０】
また、本実施形態の共振装置では、応力印加層４における圧電体薄膜３側とは反対側にＳｉＯ２膜もしくはＳｉ３Ｎ４膜からなる絶縁層８が積層されており、絶縁層８に形成した開孔部９を通して上部電極６が応力印加層４と接している。ここにおいて、絶縁層８の開孔部９は、応力印加層４から離れるほど開口面積が徐々に大きくなるテーパ状であり、上部電極６は、ベース基板１の上記一表面側において、絶縁層８の表面と絶縁層８における開孔部９の内側面と応力印加層４の表面とに跨って形成されている。
【００３１】
本実施形態では、圧電体薄膜３の材料としてＰＺＴを採用しており、支持基板１の材料として例えばＳｉ、ＳｉＯ２など、バッファ層２の材料として例えばＰＴ、ＰＬＴなど、応力印加層４の材料として例えばＳｉＯ２などを採用すればよい。なお、圧電体薄膜３の材料はＰＺＴに限らず、例えば、ＡｌＮや、Ｂｉ３Ｔｉ４Ｏ１２などのＢｉ−Ｔｉ−Ｏ系材料や、ＢａＢｉ−Ｔｉ−Ｏ系材料や、ＺｎＯ、ＬｉＮｂＯ３などを採用してもよく、支持基板１の材料、バッファ層２の材料、応力印加層４の材料は圧電体薄膜３の材料の熱膨張率に応じて適宜選択すればよい。
【００３２】
以下、本実施形態の共振装置の製造方法について図２（ａ）〜（ｅ）を参照しながら説明する。
【００３３】
まず、支持基板１の一表面側（図２（ａ）における上面側）の全面に、下部電極５を例えばスパッタ法や蒸着法などにより形成する下部電極形成工程を行うことによって、図２（ａ）に示す構造を得る。
【００３４】
次に、支持基板１の上記一表面側（ここでは、下部電極５上）に上述のバッファ層２をスパッタ法により形成するバッファ層形成工程を行い、その後、バッファ層２上に圧電体薄膜３をゾルゲル法により形成する圧電体薄膜形成工程を行い、続いて、圧電体薄膜３上に上述の応力印加層４をスパッタ法により形成する応力印加層形成工程を行うことによって、図２（ｂ）に示す構造を得る。要するに、本実施形態では、圧電体薄膜３の製造方法として、実施形態１にて説明した圧電体薄膜３の製造方法を利用しており、支持基板１の上記一表面側に、バッファ層２、圧電体薄膜３、応力印加層４をスパッタ法により連続して形成するようにしている。なお、バッファ層２、圧電体薄膜３、応力印加層４を連続して形成する方法はスパッタ法やゾルゲル法に限らず、例えば、ＣＶＤ法でもよい。
【００３５】
上述の応力印加層４を形成した後、フォトリソグラフィ技術およびエッチング技術を利用してバッファ層２と圧電体薄膜３と応力印加層４とからなる圧電変換部を所望の平面形状にパターニングする圧電変換部パターニング工程を行い、続いて、フォトリソグラフィ技術およびエッチング技術を利用して下部電極３１を所望の平面形状にパターニングする下部電極パターニング工程を行うことによって、図２（ｃ）に示す構造を得る。
【００３６】
その後、例えば、支持基板１の上記一表面側の全面にフォトレジストを回転塗布した後、当該フォトレジストをパターニングすることで絶縁層８の開孔部９の形成予定領域に対応する部分にレジスト層を残存させ、次に、支持基板１の上記一表面側の全面に絶縁層８をＣＶＤ法などにより成膜し、その後、リフトオフ法によりレジスト層を除去することで絶縁層８に開孔部９を形成してから、応力印加層４上に上部電極６を形成する上部電極形成工程を行うことによって、図２（ｄ）に示す構造を得る。なお、上部電極形成工程では、例えば、支持基板１の上記一表面側の全面に、上部電極６をスパッタ法や蒸着法などによって形成してから、フォトリソグラフィ技術およびエッチング技術を利用して平面形状にパターニングすればよい。
【００３７】
上述の上部電極形成工程の後、支持基板１の他表面側に上述の開孔部１ａ形成用にパターニングされたマスク層を形成するマスク層形成工程を行ってから、当該マスク層をマスクとして、支持基板１をドライエッチングあるいはウェットエッチングすることにより開孔部１ａを形成する開孔部形成工程を行い、続いて、上記マスク層を除去するマスク層除去工程を行うことによって、図２（ｅ）に示す構造の共振装置を得る。
【００３８】
上述の共振装置の製造にあたっては、上述の支持基板１としてウェハを用いてウェハレベルで多数の共振装置を形成した後、ダイシング工程で個々の共振装置に分割すればよい。
【００３９】
以上説明した本実施形態の共振装置では、圧電体薄膜３が、上述のバッファ層形成工程と、圧電体薄膜形成工程と、応力印加層形成工程とを連続して行うことにより形成されているので、圧電体薄膜３中の残留応力を低減でき、圧電体薄膜３の結晶性の向上を図れる。
【００４０】
ところで、上述の共振装置を、３ＧＨｚ以上の高周波帯においてカットオフ特性が急峻で且つ帯域幅の広い高周波フィルタ、例えば、ＵＷＢ用フィルタとして応用する場合には、図３に示すように、共振子１０を同一の支持基板１の上記一表面側に複数個形成するようにし（図３には２個しか記載されていないが、例えば、８個形成するようにし）、これらの共振子１０を図示しない配線によって図４に示すようなラダー型フィルタを構成するように接続すれば、ＵＷＢ用フィルタの低コスト化および小型化を図れる。
【００４１】
また、上述の共振装置では、支持基板１上に開孔部１ａを設けてあるが、支持基板１に開孔部１ａを設ける代わりに、支持基板１の上記一表面上に、圧電体薄膜３で発生したバルク弾性波を反射させる音響ミラー（音響多層膜）を形成し、音響ミラー上に共振子１０を形成するようにしてもよい。要するに、上述の共振装置は、ＦＢＡＲを構成していたのに対して、ＳＭＲを構成するようにしてもよい。なお、音響ミラーは、相対的に音響インピーダンスの低い材料（例えば、ＳｉＯ２など）からなる低音響インピーダンス層と相対的に音響インピーダンスの高い材料（例えば、Ｗなど）からなる高音響インピーダンス層とを交互に積層して形成すればよく、低音響インピーダンス層および高音響インピーダンス層の膜厚は、圧電体薄膜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の値に設定すればよい。
【００４２】
ところで、このような音響ミラーを備えた共振装置を製造する際、支持基板１の上記一表面上に、ＳｉＯ２層からなる低音響インピーダンス層とＷ層からなる高音響インピーダンス層とを交互に積層して音響ミラーを形成した後、支持基板１の上記一表面側に、バッファ層を設けることなく、ゾルゲル法によりＰＺＴ薄膜からなる圧電体薄膜３を成膜するような場合、ＰＺＴ薄膜の前駆体膜を高濃度のＯ２ガス雰囲気中で焼結するアニール時に高音響インピーダンス層のＷ層が酸化して高音響インピーダンス層の体積が膨張したり音響インピーダンスが変化したりするのを防止するために、焼結温度の条件が制約されてしまい、焼結条件の最適化が難しい。
【００４３】
これに対して、音響ミラー上にＰＴやＰＬＴからなるバッファ層２をゾルゲル法に比べて低Ｏ２濃度の雰囲気中での成膜が可能なスパッタ法などにより成膜してから、圧電体薄膜３をゾルゲル法により成膜するようにすれば、圧電体薄膜３をゾルゲル法により成膜する前には、音響ミラーの表面側に下部電極５とバッファ層２との積層膜が形成されているから、ゾルゲル法を利用してＰＺＴ薄膜からなる圧電体薄膜３を成膜する際の焼結条件の最適化が容易になり、ゾルゲル法を利用して成膜する圧電体薄膜３の結晶性の向上を図れる。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１】実施形態１における圧電体薄膜の製造方法の説明図である。
【図２】実施形態２における共振装置の製造方法を説明するための主要工程断面図である。
【図３】同上の共振装置を応用したＵＷＢ用フィルタの概略断面図である。
【図４】同上の共振装置を応用したＵＷＢ用フィルタの回路図である。
【図５】従来例を示す共振装置の概略断面図である。
【符号の説明】
【００４５】
１  支持基板
２  バッファ層
３  圧電体薄膜
４  応力印加層
５  下部電極
６  上部電極
【図１】
2008211385.tif 000003
【図２】
2008211385.tif 000004
【図３】
2008211385.tif 000005
【図４】
2008211385.tif 000006
【図５】
2008211385.tif 000007