(57)【要約】【課題】配向性の高いＰＺＴ薄膜を容易に製造することが可能なＰＺＴ薄膜の製造方法、配向性の高いＰＺＴ薄膜を圧電薄膜として備えた低コストのＢＡＷ共振器およびそれを用いたＵＷＢ用フィルタを提供する。【解決手段】ＰＺＴ薄膜３０ａの製造にあたっては、結晶成長用基板１の主表面側の成長表面である最表面Ｓｕｒに電子銃２から電子ビームを照射しながらスパッタ法によりＰＺＴ薄膜３０ａを結晶成長させるので、結晶成長時の最表面Ｓｕｒ付近の電子４に起因した電場と最表面Ｓｕｒに向かって飛来するＰＺＴ粒子３の自発分極との相互作用により、自発分極の方向が厚み方向に揃った配向性の高いＰＺＴ薄膜３０ａを結晶成長させることができる。ＢＡＷ共振器における圧電薄膜の形成方法としてＰＺＴ薄膜３０ａの製造方法を利用すれば、ＢＡＷ共振器およびＵＷＢ用フィルタの低コスト化を図れる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
スパッタ法もしくはＣＶＤ法によりＰＺＴ薄膜を結晶成長させるＰＺＴ薄膜の製造方法であって、成長表面に電子ビームを照射しながらスパッタ法もしくはＣＶＤ法によりＰＺＴ薄膜を結晶成長させることを特徴とするＰＺＴ薄膜の製造方法。
【請求項２】
ベース基板と、ベース基板の一表面側に形成された下部電極と、下部電極におけるベース基板側とは反対側に形成された圧電薄膜と、圧電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ＢＡＷ共振器であって、圧電薄膜は、請求項１記載のＰＺＴ薄膜の製造方法により製造されたＰＺＴ薄膜からなることを特徴とするＢＡＷ共振器。
【請求項３】
請求項２記載のＢＡＷ共振器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、ＰＺＴ薄膜の製造方法、圧電薄膜の厚み方向の縦振動モードを利用するＢＡＷ（Bulk  Acoustic  Wave）共振器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として、圧電薄膜の材料として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、共振周波数が圧電薄膜の膜厚に反比例し、圧電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、本願発明者は、ＢＡＷ共振器を、より広帯域の高周波フィルタ、例えばＵＷＢ（Ultra  Wide  Band）用フィルタに適用することを考えた。そこで、圧電薄膜の材料として、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に比べて機械的品質係数Ｑｍが低く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）に着目した。しかしながら、例えば（１１１）配向のＰＺＴをスパッタ法やＣＶＤ法により結晶成長させたＰＺＴ薄膜では、自発分極の方向がＰＺＴ薄膜の厚み方向に沿っている１８０°ドメインと、自発分極の方向がＰＺＴ薄膜の厚み方向に直交する面に沿っている９０°ドメインとが混在しているので、このようなＰＺＴ薄膜を圧電薄膜として備えたＢＡＷ共振器では、９０°ドメインの横振動モードの振動が発生してしまうので、フィルタのカットオフ特性の急峻さ（共振特性の立ち上がりおよび立ち下がりの急峻さ）を示す指標であるＱ値、電気エネルギを機械的エネルギに変換する効率を表す電気機械結合係数が低いという問題があった。
【０００４】
これに対し、配向性の高いＰＺＴ薄膜の製造方法として、スパッタ法やＣＶＤ法によりＰＺＴ薄膜の前駆体膜を成膜した後で、強電界を印加して分極方向を揃える分極処理（ポーリング）を行うようにした製造方法が知られている（例えば、特許文献２）。
【特許文献１】特開２００２−１４００７５号公報
【特許文献２】特開２０００−２９４８４４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上記特許文献２に記載されたＰＺＴ薄膜の製造方法では、スパッタ法やＣＶＤ法によりＰＺＴ薄膜の前駆体膜を成膜した後に強電界を印加して分極方向を揃える分極処理を行うことにより配向性を高める必要があったので、製造に手間がかかり製造コストが高くなってしまう。
【０００６】
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、配向性の高いＰＺＴ薄膜を容易に製造することが可能なＰＺＴ薄膜の製造方法、配向性の高いＰＺＴ薄膜を圧電薄膜として備えた低コストのＢＡＷ共振器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】
【０００７】
請求項１の発明は、スパッタ法もしくはＣＶＤ法によりＰＺＴ薄膜を結晶成長させるＰＺＴ薄膜の製造方法であって、成長表面に電子ビームを照射しながらスパッタ法もしくはＣＶＤ法によりＰＺＴ薄膜を結晶成長させることを特徴とする。
【０００８】
この発明によれば、成長表面に電子ビームを照射しながらスパッタ法もしくはＣＶＤ法によりＰＺＴ薄膜を結晶成長させるので、結晶成長時の成長表面の電子に起因した電場と成長表面へ向かって飛来するＰＺＴ粒子の自発分極との相互作用により、配向性の高いＰＺＴ薄膜を結晶成長させることができ、成膜後の分極処理を行う必要がなく、配向性の高いＰＺＴ薄膜を容易に製造することが可能となる。
【０００９】
請求項２の発明は、ベース基板と、ベース基板の一表面側に形成された下部電極と、下部電極におけるベース基板側とは反対側に形成された圧電薄膜と、圧電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ＢＡＷ共振器であって、圧電薄膜は、請求項１記載のＰＺＴ薄膜の製造方法により製造されたＰＺＴ薄膜からなることを特徴とする。
【００１０】
この発明によれば、圧電薄膜は、請求項１記載のＰＺＴ薄膜の製造方法により製造されたＰＺＴ薄膜からなるので、配向性の高いＰＺＴ薄膜を圧電薄膜として備えたＢＡＷ共振器の低コスト化を図れる。
【００１１】
請求項３の発明は、請求項２記載のＢＡＷ共振器を用いたことを特徴とする。
【００１２】
この発明によれば、配向性の高いＰＺＴ薄膜を圧電薄膜として備えたＢＡＷ共振器を用いたＵＷＢ用フィルタの低コスト化を図れる。
【発明の効果】
【００１３】
請求項１の発明では、配向性の高いＰＺＴ薄膜を容易に製造することが可能になるという効果がある。
【００１４】
請求項２の発明では、配向性の高いＰＺＴ薄膜を圧電薄膜として備えたＢＡＷ共振器の低コスト化を図れるという効果がある。
【００１５】
請求項３の発明では、配向性の高いＰＺＴ薄膜を圧電薄膜として備えたＢＡＷ共振器を用いたＵＷＢ用フィルタの低コスト化を図れるという効果がある。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
（実施形態１）
本実施形態のＢＡＷ共振器は、図２（ｆ）に示すように、ベース基板１０と、ベース基板１０の一表面側に形成された下部電極２０と、下部電極２０におけるベース基板１０側とは反対側に形成されたＰＺＴ薄膜からなる圧電薄膜３０と、圧電薄膜３０における下部電極２０側とは反対側に形成された上部電極４０とを備えている。
【００１７】
ここにおいて、本実施形態のＢＡＷ共振器は、ベース基板１０を、主表面が（１００）面の単結晶のシリコン基板１１と、シリコン基板１１の主表面上に形成され圧電薄膜３０で発生したバルク弾性波を反射させる音響多層膜１２とで構成してある。要するに、本実施形態のＢＡＷ共振器は、ベース基板１０の一表面側の音響多層膜１２上に下部電極２０が形成されたＳＭＲを構成している。
【００１８】
音響多層膜１２は、相対的に音響インピーダンスの低い材料からなる低音響インピーダンス層１２ａと相対的に音響インピーダンスの高い材料からなる高音響インピーダンス層１２ｂとが交互に積層されており、上述の下部電極２０は、最上層の低音響インピーダンス層１２ａ上に形成されている。なお、低音響インピーダンス層１２ａおよび高音響インピーダンス層１２ｂの膜厚は、圧電薄膜３０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。
【００１９】
本実施形態では、低音響インピーダンス層１２ａの材料としてＳｉＯ２、高音響インピーダンス層１２ｂの材料としてＷ、下部電極２０の材料としてＰｔ、上部電極４０の材料としてＡｌを採用しているが、これらの材料は特に限定するものではなく、例えば、下部電極２０の材料としては、例えば、Ｉｒを採用してもよく、低音響インピーダンス層１２ａの材料としては、例えば、Ｓｉ，ｐｏｌｙ−Ｓｉ，Ａｌ，ポリマーなどを採用してもよく、高音響インピーダンス層１２ｂの材料としては、例えば、Ａｕ，Ｍｏ，ＡｌＮ，ＺｎＯなどを採用してもよく、上部電極４０の材料としては、例えば、Ｍｏなどを採用してもよい。また、ベース基板１０におけるシリコン基板１１の代わりに、主表面が（１００）面のＭｇＯ基板や、主表面が（１００）面のＳＴＯ（ＳｒＴｉＯ３）基板などを用いてもよい。
【００２０】
なお、本実施形態のＢＡＷ共振器では、共振周波数を４ＧＨｚに設定してあり、下部電極２０の厚みを１００ｎｍ、圧電薄膜３０の厚みを３００ｎｍ、上部電極４０の厚みを１００ｎｍ、低音響インピーダンス層１２ａの厚みを４００ｎｍ、高音響インピーダンス層１２ｂの厚みを３５０ｎｍ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。また、共振周波数を３ＧＨｚ〜５ＧＨｚの範囲で設計する場合には、圧電薄膜３０の厚みは２００ｎｍ〜６００ｎｍの範囲で、低音響インピーダンス層１２ａの厚みは２５０ｎｍ〜５５０ｎｍの範囲で、高音響インピーダンス層１２ｂの厚みは２００ｎｍ〜４５０ｎｍの範囲で、それぞれ適宜設定すればよい。
【００２１】
ところで、本実施形態のＢＡＷ共振器における圧電薄膜３０は、自発分極の方向が厚み方向に揃ったＰＺＴ薄膜により構成されている。
【００２２】
以下、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を参照しながら説明する。
【００２３】
まず、ベース基板１０の基礎となる単結晶のシリコン基板１１の主表面側に、ＳｉＯ２膜からなる低音響インピーダンス層１２ａとＷ膜からなる高音響インピーダンス層１２ｂとを例えばスパッタ法やＣＶＤ法などにより交互に成膜することで音響多層膜１２を形成することによって、図２（ａ）に示す構造を得る。
【００２４】
その後、シリコン基板１１と音響多層膜１２とからなるベース基板１０の一表面側（図２（ａ）における上面側）の全面に、第１の導電性材料（例えば、Ｐｔ，Ｉｒなど）からなり下部電極２０の基礎となる第１の導電性層２０ａを例えばスパッタ法や蒸着法などにより形成することによって、図２（ｂ）に示す構造を得る。なお、本実施形態では、第１の導電性層２０ａをＰｔ層により構成してあるが、第１の導電性層２０ａは、単層構造に限らず、例えば、音響多層膜１２上のＴｉ層と、当該Ｔｉ層上のＰｔ層とで構成してもよい。
【００２５】
次に、ベース基板１０の上記一表面側の全面（ここでは、第１の導電性層２０ａの表面）に、ＰＺＴ薄膜３０ａを形成することによって、図２（ｃ）に示す構造を得る。ここにおいて、ＰＺＴ薄膜３０ａの形成（製造）にあたっては、図１（ａ），（ｂ）に示すように、結晶成長用基板１（本実施形態では、ベース基板１０と、当該ベース基板１０上の第１の導電性層２０ａとで構成されている）の主表面側の最表面Ｓｕｒに電子銃２から電子ビームを照射しながらスパッタ法によりＰＺＴ薄膜３０ａを結晶成長させるようにしており、上述の最表面Ｓｕｒが成長表面を構成している。
【００２６】
ここで、スパッタ法によりＰＺＴ薄膜を結晶成長させる際には、ＰＺＴからなるターゲットをアルゴンイオンビームによりスパッタリングしている。図１（ａ），（ｂ）は、ＰＺＴ薄膜３０ａの成長メカニズムの説明図であって、同図（ａ），（ｂ）には、結晶成長用基板１の主表面に対して所望の方向（図示例では、斜め方向）の所定位置に配置された電子銃２から照射された電子ビーム中の電子４（つまり、上述の最表面Ｓｕｒには、斜め方向から電子ビームが照射される）と、ターゲット（図示せず）からスパッタリングされ結晶成長用基板１の主表面側の最表面Ｓｕｒ側へ飛来したＰＺＴ粒子３とを図示してあり、図１（ａ）における最表面Ｓｕｒは結晶成長用基板１の主表面、図１（ｂ）における最表面Ｓｕｒは成長界面（結晶成長時の結晶表面）となっている。すなわち、上述のＰＺＴ薄膜３０ａの製造方法では、結晶成長用基板１の主表面側の成長表面である最表面Ｓｕｒに電子ビームを照射しながらスパッタ法によりＰＺＴ薄膜３０ａを結晶成長させるので、結晶成長時の最表面Ｓｕｒ付近の電子４に起因した電場と最表面Ｓｕｒに向かって飛来するＰＺＴ粒子３の自発分極との相互作用により、自発分極の方向が厚み方向に揃った配向性の高いＰＺＴ薄膜３０ａを結晶成長させることができ、当該ＰＺＴ薄膜３０ａの成膜後の分極処理を行う必要がなく、分極処理なしに配向性の高いＰＺＴ薄膜３０ａを容易に製造することが可能となる。
【００２７】
なお、スパッタ法によりＰＺＴ薄膜３０ａを製造する場合のターゲットは、ＰＺＴ単体のターゲットに限らず、例えば、Ｐｂ，Ｔｉ，Ｚｒそれぞれからなる複数のターゲットを用いるようにし、当該複数のターゲットを酸素雰囲気中でスパッタリングするようにしてもよく、この場合には、ＰＺＴ薄膜３０ａの組成を制御することが可能となる。また、本実施形態では、ＰＺＴ薄膜３０ａの製造にあたって、結晶成長用基板１の主表面側の最表面Ｓｕｒに電子ビームを照射しながらスパッタ法により成膜しているが、最表面Ｓｕｒに電子ビームを照射しながらＣＶＤ法により成膜してもよい。
【００２８】
上述のＰＺＴ薄膜３０ａ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ＰＺＴ薄膜３０ａを所望の平面形状にパターニングすることでＰＺＴ薄膜３０ａの一部からなる圧電薄膜３０を形成することによって、図２（ｄ）に示す構造を得る。
【００２９】
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第１の導電性層２０ａを所望の平面形状にパターニングすることで第１の導電性層２０ａの一部からなる下部電極２０を形成することによって、図２（ｅ）に示す構造を得る。
【００３０】
その後、ベース基板１０の上記一表面側の全面に、第２の導電性材料（例えば、Ａｌ，Ｍｏ，Ｐｔなど）からなり上部電極４０の基礎となる第２の導電性層をスパッタ法や蒸着法などによって形成し、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第２の導電性層を所望の平面形状にパターニングすることで第２の導電性層の一部からなる上部電極４０を形成することによって、図２（ｆ）に示す構造のＢＡＷ共振器を得る。なお、本実施形態では、第２の導電性層をＡｌ層により構成してあるが、第２の導電性層は、単層構造に限らず、多層構造でもよい。
【００３１】
上述のＢＡＷ共振器の製造にあたっては、上述のシリコン基板１１としてウェハを用いて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。
【００３２】
以上説明した本実施形態のＢＡＷ共振器では、圧電薄膜３０が、上述のＰＺＴ薄膜３０ａの製造方法により製造されたＰＺＴ薄膜３０ａからなるので、製造コストを低減することができ、配向性の高いＰＺＴ薄膜３０ａを圧電薄膜３０として備えたＢＡＷ共振器の低コスト化を図れる。また、本実施形態のＢＡＷ共振器では、下部電極２０が音響多層膜１２上に形成されているので、圧電薄膜３０側からベース基板１０側へ伝搬しようとする弾性波を音響多層膜１２により圧電薄膜３０側へ反射することができ、弾性波のエネルギ損失（音響エネルギの損失）を低減できるから、音響多層膜１２を備えていない場合に比べてエネルギ変換効率を高めることができる。
【００３３】
ところで、上述のＢＡＷ共振器を、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、下部電極２０と圧電薄膜３０と上部電極４０とで構成される共振子５を同一のベース基板１０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５を図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。なお、同一ベース基板１０上に複数個の共振子５を形成する構成において、上述のように音響多層膜１２の低音響インピーダンス層１２ａの材料として絶縁材料であるＳｉＯ２、高音響インピーダンス層１２ｂの材料として金属材料であるＷを採用している場合には、隣り合う共振子５間で高音響インピーダンス層１２ｂを介したクロストークが発生するのを防止するために、例えば、高音響インピーダンス層１２ｂを共振子５ごとに分離したパターンとなるように製造時に適宜パターニングすればよい。
【００３４】
（実施形態２）
図５（ｆ）に示す本実施形態のＢＡＷ共振器の基本構成は実施形態１と略同じであり、ベース基板１０として、一表面が（１００）面の単結晶のシリコン基板を採用しており、ベース基板１０に、下部電極２０における圧電薄膜３０側とは反対側の表面を露出させる開孔部１３が形成されている点が実施形態１とは相違する。要するに、本実施形態のＢＡＷ共振器は、下部電極２０と下部電極２０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ベース基板１０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。なお、実施形態１と同様の構成要素には同一の符号を付して説明を省略する。
【００３５】
以下、本実施形態のＢＡＷ共振器の製造方法について図５を参照しながら説明するが、実施形態１にて説明したＢＡＷ共振器の製造方法と同様の工程については簡単に説明する。
【００３６】
まず、上述の単結晶のシリコン基板からなるベース基板１０の一表面側（図５（ａ）における上面側）の全面に、下部電極２０の基礎となる第１の導電性層２０ａを例えばスパッタ法や蒸着法などにより形成することによって、図５（ａ）に示す構造を得る。
【００３７】
次に、ベース基板１０の上記一表面側の全面（ここでは、第１の導電性層２０ａの表面）に、ＰＺＴ薄膜３０ａを形成することによって、図５（ｂ）に示す構造を得る。ここにおいて、ＰＺＴ薄膜３０ａの製造方法は実施形態１と同じである。
【００３８】
上述のＰＺＴ薄膜３０ａ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ＰＺＴ薄膜３０ａを所望の平面形状にパターニングすることでＰＺＴ薄膜３０ａの一部からなる圧電薄膜３０を形成することによって、図５（ｃ）に示す構造を得る。
【００３９】
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第１の導電性層２０ａを所望の平面形状にパターニングすることで第１の導電性層２０ａの一部からなる下部電極２０を形成することによって、図５（ｄ）に示す構造を得る。
【００４０】
その後、ベース基板１０の上記一表面側の全面に、上部電極４０の基礎となる第２の導電性層をスパッタ法や蒸着法などによって形成し、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第２の導電性層を所望の平面形状にパターニングすることで第２の導電性層の一部からなる上部電極４０を形成することによって、図５（ｅ）に示す構造を得る。
【００４１】
次に、ベース基板１０の他表面側に開孔部１３形成用にパターニングされたマスク層（例えば、レジスト層、ＳｉＯ２膜）を形成し、当該マスク層をマスクとしてアルカリ系溶液（例えば、ＫＯＨ、ＴＭＡＨ、ＮａＯＨなどの水溶液）を用いた異方性エッチングや、誘導結合プラズマ型のエッチング装置を用いたドライエッチングを行うことにより開孔部１３を形成し、続いて、上記マスク層を除去することによって、図５（ｆ）に示す構造のＢＡＷ共振器を得る。なお、開孔部１３をアルカリ系溶液を用いた異方性エッチングにより形成する場合、上部電極４０の材料がＰｔであればベース基板１０の上記一表面側にマスクを設ける必要はないが、上部電極２０の材料がＡｌの場合にはベース基板１０の上記一表面側に上部電極２０を保護するマスクを設ける必要がある。
【００４２】
以上説明した本実施形態のＢＡＷ共振器においても、実施形態１と同様に、圧電薄膜３０が、上述のＰＺＴ薄膜３０ａの製造方法により製造されたＰＺＴ薄膜３０ａからなるので、製造コストを低減することができ、配向性の高いＰＺＴ薄膜３０ａを圧電薄膜３０として備えたＢＡＷ共振器の低コスト化を図れる。また、本実施形態のＢＡＷ共振器では、下部電極２０における圧電薄膜３０側とは反対側に開孔部１３が形成されているので、下部電極２０および上部電極４０それぞれにおいて圧電薄膜３０に重なる各部分それぞれが空気と接することとなり、エネルギ変換効率を高めることができる。また、本実施形態のＢＡＷ共振器も実施形態１と同様にＵＷＢ用フィルタに応用できる。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【図１】実施形態１におけるＰＺＴ薄膜の製造方法でのＰＺＴ薄膜の成長メカニズムの説明図である。
【図２】同上におけるＢＡＷ共振器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】同上におけるＵＷＢ用フィルタの概略断面図である。
【図４】同上におけるＵＷＢ用フィルタの回路図である。
【図５】実施形態２におけるＢＡＷ共振器の製造方法を説明するための主要工程断面図である。
【符号の説明】
【００４４】
１  結晶成長用基板
２  電子銃
３  ＰＺＴ粒子
４  電子
１０  ベース基板
２０  下部電極
３０ａ  ＰＺＴ薄膜
３０  圧電薄膜
４０  上部電極
Ｓｕｒ  最表面（成長表面）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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