(57)【要約】【課題】共振周波数及び反共振周波数の調整に好適な薄膜バルク波共振器の製造方法を提供する。【解決手段】並列腕共振器１０Ｂの上部電極５０Ｂ上に保護膜６０を形成する。そしてドライエッチングにより保護膜６０に複数の開口部をメッシュ状に形成し、上部電極５０Ｂの一部を露出させる。保護膜６０の開口率を調整することにより、並列腕共振器１０Ｂの反共振周波数を直列共振器１０Ａの共振周波数に一致させることができる。複数の開口部がメッシュ状に形成される保護膜６０は、その重みにより並列腕共振器１０Ｂの共振周波数及び反共振周波数を調整する機能を有するため、一度の製造工程で保護膜と周波数調整膜とを形成することができる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧電体膜と、前記圧電体膜の一方の面に形成される下部電極と、前記圧電体膜の他方の面に形成される上部電極とを備える薄膜バルク波共振器を製造するための方法であって、
前記上部電極上に保護膜を形成する工程と、
ドライエッチングにより前記保護膜に複数の開口部をメッシュ状に形成し、前記上部電極の一部を露出させる工程と、
を備える薄膜バルク波共振器の製造方法。
【請求項２】
請求項１に記載の薄膜バルク波共振器の製造方法であって、
前記開口部の開口面積、又は前記開口部の配列ピッチは、前記薄膜バルク波共振器の共振周波数又は反共振周波数が目標周波数に一致するように設定される、薄膜バルク波共振器の製造方法。
【請求項３】
請求項１又は請求項２に記載の薄膜バルク波共振器の製造方法であって、
前記保護膜は誘電体膜であり、且つ前記ドライエッチングは反応性イオンエッチングである、薄膜バルク波共振器の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は薄膜バルク波共振器の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
無線ＬＡＮや移動体通信機器のバンドパスフィルタを構成する共振子として、薄膜バルク波共振器（Film Bulk Acoustic Resonator）や表面弾性波(Surface Acoustic Wave)共振器など、圧電材料を用いた数々の共振器が実用化されている。中でも薄膜バルク波共振器は、弾性波が膜厚方向に伝搬する構造上、Ｑ値に優れており、高い周波数選択性が要求されるＰＣＳ（Personal Communication Service）システム用ＲＦフィルタなどに製品化されている。薄膜バルク波共振器は、基板と、その基板上に形成される積層共振体とを有している。積層共振体は、圧電体膜と、その圧電体膜を上下から挟む一対の上部電極及び下部電極を有しており、上部電極と下部電極との間に高周波信号が印加されると、積層共振体の膜厚が１／２波長に等しくなる共振周波数にて厚み縦方向に励振する。
【０００３】
ラダー型フィルタのように、１ポートの共振器を直列及び並列に梯子型に接続したものを基本構成とし、直列腕共振器の共振周波数と並列腕共振器の反共振周波数をほぼ一致させることでバンドパス特性を得るフィルタでは、各共振器の共振周波数又は反共振周波数を目標周波数に一致させる必要がある。このように、共振器の共振周波数又は反共振周波数を目標周波数に一致させるための手法が検討されている。
【０００４】
例えば、非特許文献１には、薄膜バルク波共振器の上部電極をメッシュ状にパターニングし、上部電極の密度を実質的に下げることで、共振周波数を調整する手法が開示されている。特許文献１には、複数の共振器のうち他の共振器に比べて共振周波数を相対的に低く設定する共振器の下部電極の下部又は上部電極の下部に金属又は誘電体から成る付加膜を形成する手法が開示されている。特許文献２には、ピエゾ電気共振器上に配置された犠牲質量負荷層を除去することにより共振周波数を調整する手法が開示されている。
【特許文献１】特開２００１−３２６５５３号公報
【特許文献２】特表２００１−５１４４５６号公報
【非特許文献１】Proc. Symp. Ultrason. Electron., Vol 27,(2006) pp13-14
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、上記の何れの文献に開示されている手法においても、製造工程が複雑になり、或いは共振器の共振特性が低下する等の不具合が指摘されている。例えば、非特許文献１に開示されている手法では、多数の微小な穴を上部電極に開口するので、抵抗成分が増加し、共振特性が低下する虞がある。更に、被加工材料を物理的にエッチングするイオンミリングを用いて上部電極に穴を形成すると、開口部にバリが発生するという不具合が生じる。被加工材料を化学的にエッチングするウェットエッチングを用いて上部電極に穴を形成すると、精密な加工ができないだけでなく、圧電体膜の結晶構造にダメージを与える虞も生じる。被加工材料を物理化学的にエッチングする反応性ドライエッチングを用いて上部電極の穴を形成するには、加工できる電極材質が限定されてしまう。
【０００６】
特許文献１に開示されている手法では、下部電極の下部又は上部電極の下部に付加膜を別途成膜する必要があるので、製造工程が複雑になる。特許文献２に開示されている手法では、犠牲質量負荷層をピエゾ電気共振器の電極上に形成し、これをイオンスパッタリングなどで物理的に除去するので、製造工程が複雑になる。
【０００７】
そこで、本発明はこのような問題を解決し、共振周波数及び反共振周波数の調整に好適な薄膜バルク波共振器の製造方法を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記の課題を解決するため、本発明に係わる薄膜バルク波共振器の製造方法は、上部電極上に保護膜を形成し、ドライエッチングにより保護膜に複数の開口部をメッシュ状に形成し、上部電極の一部を露出させる。ここで、薄膜バルク波共振器は、圧電体膜と、圧電体膜の一方の面に形成される下部電極と、圧電体膜の他方の面に形成される上部電極とを備えるものとする。
【０００９】
複数の開口部がメッシュ状に形成される保護膜は、その重みにより薄膜バルク波共振器の共振周波数及び反共振周波数を調整する機能を有するため、一度の製造工程で保護膜と周波数調整膜とを形成することができる。また、ドライエッチングにより保護膜をパターニングすることにより、高精度なパターニングが可能になり、薄膜バルク波共振器の周波数調整に好適である。
【００１０】
ここで、開口部の開口面積、又は開口部の配列ピッチは、薄膜バルク波共振器の共振周波数又は反共振周波数が目標周波数に一致するように設定される。例えば、直列腕共振器と並列腕共振器とが梯子型に接続されて成るバンドパスフィルタを製造するには、直列腕共振器及び並列腕共振器の両方又は並列腕共振器のみに保護膜を形成し、並列腕共振器の反共振周波数が直列共振器の共振周波数に一致するようにドライエッチングにより保護膜をパターニングすればよい。ここで、パターニングには、複数の開口部をメッシュ状に形成することを含むものとする。
【００１１】
保護膜としては、誘電体膜が好適であり、ドライエッチングとしては、反応性イオンエッチングが好適である。これにより、選択性に優れた高精度な異方性エッチングを可能にできる。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、共振周波数及び反共振周波数の調整に好適な薄膜バルク波共振器の製造方法を提供できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、各図を参照しながら本発明に係わる実施形態について説明する。同一符号のデバイスは、同一のデバイスを示すものとして、重複する説明を省略する。図面は模式的なものであり、厚みと平面寸法との関係、各層の厚みの比率は現実のものとは異なる。また、図面相互間において互いの寸法の関係や比率は異なる部分が含まれている。
【００１４】
図１は本実施形態に係わるフィルタ１０の断面構造を示している。フィルタ１０は、基板２０上に形成される直列腕共振器１０Ａと、並列腕共振器１０Ｂとを備える。基板２０の材質としては、適度な機械的強度を有し、且つエッチングなどの微細加工に適した材質であれば、特に限定されるものではないが、例えば、シリコン単結晶基板、サファイア単結晶基板、セラミックス基板、石英、ガラス基板などが好適である。
【００１５】
直列腕共振器１０Ａは、基板表面の絶縁膜２１上に形成される下部電極３０Ａ、下部電極３０Ａ上に形成される圧電体膜４０、及び圧電体膜４０上に形成される上部電極５０Ａから成る第一の積層共振体を有し、その下部には、第一の積層共振体が基板２０に束縛されることなく厚み方向に自由振動できるように、キャビティ２２Ａが基板裏面に開口している。
【００１６】
並列腕共振器１０Ｂは、基板表面の絶縁膜２１上に形成される下部電極３０Ｂ、下部電極３０Ｂ上に形成される圧電体膜４０、圧電体膜４０上に形成される上部電極５０Ｂ、及び上部電極５０Ｂ上に部分的に形成される保護膜６０から成る第二の積層共振体を有し、その下部には、第二の積層共振体が基板２０に束縛されることなく厚み方向に自由振動できるように、キャビティ２２Ｂが基板裏面に開口している。
【００１７】
圧電体膜４０の材質としては、電気機械結合係数が大きく、伝搬損失及びパワーフロー角が小さく、遅延時間温度係数が小さく、かつ伝搬速度の周波数分散性が少ない圧電材料が望ましく、例えば、酸化亜鉛（ＺｎＯ），窒化アルミニウム（ＡｌＮ），ニオブ酸カリウム（ＫＮｂＯ3），ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ3），タンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ3），チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ），チタン酸バリウム（ＢａＴｉＯ3）などが好適である。下部電極３０Ａ，３０Ｂ及び上部電極５０Ａ，５０Ｂの材質としては、圧電体膜４０が適度な配向性を形成し得る導電性材質であることが好ましく、例えば、ルテニウム（Ｒｕ），アルミニウム（Ａｌ），モリブデン（Ｍｏ），チタン（Ｔｉ），白金（Ｐｔ），金（Ａｕ），タングステン（Ｗ），タンタル（Ｔａ），又はこれら何れか２種以上を含む合金などが好適である。特に、上部電極５０Ａ，５０Ｂについては、保護膜６０を反応性イオンエッチングなどでドライエッチングする際に、エッチングガスに対する選択性の低い電導材質であることが好ましい。
【００１８】
保護膜６０は、フィルタ１０を外気から保護するための膜であり、基板２０上に形成されている素子全面をほぼ被覆するように形成されている。但し、保護膜６０は、直列腕共振器１０Ａの上部電極５０Ａの全面が露出するとともに、並列腕共振器１０Ｂの上部電極５０Ｂの一部がメッシュ状に露出するように、パターニングされている。上部電極５０Ｂ上に部分的に形成されている保護膜６０は、並列腕共振器１０Ｂの共振周波数及び反共振周波数を調整する機能を有するため、周波数調整膜として機能する。
【００１９】
保護膜６０の材質としては、適度な耐久性、耐熱性、耐水性を有し、かつ反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）などの反応性ドライエッチングによりエッチング加工可能な材質が好ましく、例えば、二酸化珪素膜（ＳｉＯ2），酸化アルミニウム膜（Ａｌ2Ｏ3），窒化珪素膜（Ｓｉ3Ｎ4），酸化タンタル膜（Ｔａ2Ｏ5）などの誘電体膜が好適である。
【００２０】
上記のデバイス構成において、直列腕共振器１０Ａの上部電極５０Ａと下部電極３０Ａとの間に高周波信号を印加すると、圧電体膜４０の逆圧電効果により圧電体膜４０はその厚み方向に振動し、電気的共振特性を示す。更に、圧電体膜４０に生じる弾性波又は振動は、圧電体膜４０の圧電効果により電気信号に変換される。この弾性波は、圧電体膜４０の厚み方向に主変位を有する厚み縦振動波であり、第一の積層共振体の膜厚が１／２波長に等しくなる共振周波数にて励振する。並列腕共振器１０Ｂの上部電極５０Ｂと下部電極３０Ｂとの間に高周波信号を印加する場合にも、上記の原理と同様の原理で第二の積層共振体は厚み縦振動をするが、上部電極５０Ｂ上には、保護膜６０がメッシュ状に形成されているため、その保護膜６０の重みにより、並列腕共振器１０Ｂの共振周波数及び反共振周波数は、低めの周波数にシフトする。
【００２１】
図２はフィルタ１０の等価回路を示し、図３（Ａ）は直列腕共振器１０Ａ及び並列腕共振器１０Ｂのリアクタンス特性を示し、図３（Ｂ）はフィルタ１０の帯域通過特性を示している。
図２に示すように、フィルタ１０は、直列腕共振器１０Ａ及び並列腕共振器１０Ｂが梯子型に接続されて成るラダー型フィルタである。このようなラダー型フィルタでは、図３（Ａ）に示すように、並列腕共振器１０Ｂの反共振周波数ｆａ１を直列共振器１０Ａの共振周波数ｆｒ２に一致させると、図３（Ｂ）に示すように、並列腕共振器１０Ｂの共振周波数ｆｒ１と、直列腕共振器１０Ａの反共振周波数ｆａ２とをそれぞれ減衰極とし、その間の周波数帯域を通過帯域とするバンドパス特性が得られる。ここで、図３（Ａ）の実線は並列腕共振器１０Ｂのリアクタンス特性を示し、破線は直列腕共振器１０Ａのリアクタンス特性を示している。
【００２２】
図４は並列腕共振器１０Ｂの上部電極５０Ｂ上に部分的に形成される保護膜６０の平面パターンを示している。保護膜６０は、上部電極５０Ｂの一部が露出するようにメッシュ状に開口される複数の開口部６１を有している。開口部６１の一辺の長さは、共振時の弾性波の波長より十分短くし、更に開口部６１の配列ピッチ（隣り合う開口部６１の中心間距離）を共振時の弾性波の波長より十分短く設定することが好ましい。これにより、弾性波は開口部６１を一つ一つ分離して認識することができず、保護膜６０の密度が実質的に低下したのと等価な弾性特性変化が生じる。
【００２３】
尚、開口部６１の形状は、特に限定されるものではなく、図４に示す円形の他に、例えば図５に示す正方形でもよく、或いは任意の平面パターン（楕円形、多角形、三角形など）でもよい。また、図４乃至図５において、ハッチングを付した部分を保護膜６０から除去し、円形又は正方形などの平面パターンを保護膜６０として上部電極５０Ｂ上に残してもよい。
【００２４】
図６は並列腕共振器１０Ｂの上部電極５０Ｂ上に部分的に形成される保護膜６０の開口率と並列腕共振器１０Ｂの共振周波数ｆｒ及び反共振周波数ｆａとの対応関係を示すグラフである。保護膜６０の開口率を上げる程、上部電極５０Ｂ上に形成される保護膜６０の質量が低下するので、共振周波数ｆｒ及び反共振周波数ｆａは共に上昇していくことが示されている。ここで、開口率とは、上部電極５０Ｂの面積に対する全ての開口部６１の面積の合計値の割合を示す。保護膜６０の開口率を調整することにより、並列腕共振器１０Ｂの反共振周波数ｆａ１を直列共振器１０Ａの共振周波数ｆｒ２に一致させることができる。開口率は、並列腕共振器１０Ｂの反共振周波数ｆａ１と直列共振器１０Ａの共振周波数ｆｒ２との周波数差、保護膜６０の膜厚、保護膜６０の密度などに応じて適宜調整される。開口率の範囲としては例えば、２０％〜８０％程度の範囲が好適である。開口率は、開口部６１の開口面積、又は開口部６１の配列ピッチを増減することにより、調整可能である。
【００２５】
次に、図７を参照しながらフィルタ１０の製造工程について説明する。
まず、図７（Ａ）に示すように、基板２０として、例えば、（１００）シリコン基板などを用意し、基板２０の表面に絶縁膜２１を形成する。絶縁膜２１として、例えばシリコン酸化膜を形成するには、熱酸化法などを適用すればよい。更に絶縁膜２１の上にＲＦマグネトロンスパッタ法などを用いて１５０〜６００ｎｍ程度の金属膜を堆積し、フォトリソグラフィによってエッチングマスクを形成した後、反応性イオンエッチングによって金属膜をパターニングし、島状に分離された下部電極３０Ａ，３０Ｂを形成する。下部電極３０Ａ，３０Ｂの材質としては、反応性イオンエッチングなどのドライエッチングに対する選択性の低い電導材質であることが好ましく、例えば、白金（Ｐｔ）、ルテニウム（Ｒｕ）などが好適である。
【００２６】
そして、ＲＦマグネトロンスパッタ法により圧電材料を下部電極２０Ａ，２０Ｂ上に堆積する。圧電材料の膜厚は、共振周波数に応じて調整すればよく、例えばＡｌＮを用いて共振周波数２．０ＧＨｚ程度に設定するのであれば、用いる電極材料にもよるが、１．２μｍ〜２μｍ程度の膜厚に設定すればよい。続いて、圧電体膜４０全面を被覆するようにＲＦマグネトロンスパッタ法により１５０〜６００ｎｍ程度の金属膜を堆積し、フォトリソグラフィによってエッチングマスクを形成した後、ウェットエッチングによって金属膜を選択エッチングし、上部電極５０Ａ，５０Ｂを形成する。
【００２７】
次に、図７（Ｂ）に示すように、表面に露出している上部電極５０Ａ，５０Ｂ及び圧電体膜４０を被覆するように保護膜６０を１０００Å〜３０００Å程度形成し、フォトリソグラフィによって保護膜６０上にエッチングマスク７０を形成する。エッチングマスク７０は、直列腕共振器１０Ａの上部電極５０Ａ全面が露出するとともに並列腕共振器１０Ｂの上部電極５０Ｂの一部がメッシュ状に露出し、更にその他の部分が保護膜６０によって被覆されるようにパターニングされる。保護膜６０の材質としては、イオン照射による被加工材料のスパッタエッチングとラジカルによる揮発性物質生成とによって被加工材料を物理化学的にエッチングする反応性ドライエッチングに対する選択性が上部電極５０Ａ，５０Ｂよりも極めて高く、かつ保護膜として機能し得る耐久性、耐熱性、及び耐水性を有する膜であることが好ましく、例えば、誘電体膜が好ましい。誘電体膜の中でも、特に、二酸化珪素膜（ＳｉＯ2），酸化アルミニウム膜（Ａｌ2Ｏ3），窒化珪素膜（Ｓｉ3Ｎ4），酸化タンタル膜（Ｔａ2Ｏ5）が好ましい。
【００２８】
そして、図７（Ｃ）に示すように、所定のエッチング条件（基板温度、圧力、エッチングガス流量、高周波出力など）の下で、反応性イオンエッチングなどのドライエッチングを用いて、上部電極５０Ａ，５０Ｂが露出するまで保護膜６０をパターニングする。反応性イオンエッチングによれば、アンダーカットの少ない異方性エッチングを実現できるので、エッチングマスク７０のマスクパターンを忠実に保護膜６０に転写できるとともに、被加工材料に対する選択性が高いので、上部電極５０Ａ，５０Ｂがエッチングストッパとして機能する。
【００２９】
最後に、図７（Ｄ）に示すように、基板２０の裏面にフォトリソグラフィによってエッチングマスクを形成した後、フッ化物系ガスを用いた反応性イオンエッチングによって基板裏面を開口し、キャビティ２２Ａ，２２Ｂを形成する。以上の工程を経て、直列腕共振器１０Ａ及び並列腕共振器１０Ｂが形成される。
【００３０】
尚、並列腕共振器１０Ｂの上部電極５０Ｂ上に形成される保護膜６０をメッシュ状にパターニングし、その開口率を調整することにより、並列腕共振器１０Ｂの反共振周波数ｆａ１を直列共振器１０Ａの共振周波数ｆｒ２に一致させる構成について言及したが、並列腕共振器１０Ｂの上部電極５０Ｂと直列腕共振器１０Ａの上部電極５０Ａのそれぞれに保護膜６０をメッシュ状に形成し、それらの開口率を調整することにより、並列腕共振器１０Ｂの反共振周波数ｆａ１を直列共振器１０Ａの共振周波数ｆｒ２に一致させる構成を適用してもよい。
【００３１】
以上の説明においては、本発明をＦＢＡＲ型の圧電共振器に適用した場合について説明したが、基板の表面に凹みを形成したＡｉｒＧａｐ型の圧電共振器や音響反射膜を用いたＳＭＲ型の圧電共振器など、圧電体膜を用いた積層型の圧電共振器全般に本発明を適用することができる。
【００３２】
図８は本実施形態に係わるデュプレクサ８０の回路構成を示している。
デュプレクサ８０は、アンテナ（図示せず）に接続されるアンテナ端子ＡＮＴ１と、アンテナに送信信号を出力する送信回路（図示せず）に接続される送信信号端子ＳＸ１と、アンテナを介して受信した受信信号を入力する受信回路（図示せず）に接続される受信信号端子ＲＸ１と、送信信号を通過させるとともに受信信号を遮断する送信用フィルタ８１と、受信信号を通過させるとともに送信信号を遮断する受信用フィルタ８２とを備える。送信用フィルタ８１と受信用フィルタ８２の何れか一方又は両者は、本実施形態に係わるフィルタ１０を複数段カスケード接続した回路構成を有している。
【００３３】
本実施形態によれば、複数の開口部６１がメッシュ状に形成される保護膜６０は、その重みにより並列腕共振器１０Ｂの共振周波数ｆｒ１及び反共振周波数ｆａ１を調整する機能を有するため、一度の製造工程で保護膜と周波数調整膜とを形成することができる。また、ドライエッチングにより保護膜６０をパターニングすることにより、高精度なパターニングが可能になり、薄膜バルク波共振器の周波数調整に好適である。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】本実施形態に係わるフィルタの断面構造図である。
【図２】本実施形態に係わるフィルタの等価回路図である。
【図３】図３（Ａ）は直列腕共振器及び並列腕共振器のリアクタンス特性を示すグラフであり、図３（Ｂ）はフィルタの帯域通過特性を示すグラフである。
【図４】保護膜の平面パターンを示す模式図である。
【図５】保護膜の他の平面パターンを示す模式図である。
【図６】保護膜の開口率と並列腕共振器の共振周波数及び反共振周波数との対応関係を示すグラフである。
【図７】本実施形態に係わるフィルタの製造工程を示す断面図である。
【図８】本実施形態に係わるデュプレクサの回路構成図である。
【符号の説明】
【００３５】
１０…フィルタ  １０Ａ…直列腕共振器  １０Ｂ…並列腕共振器  ２０…基板  ２２Ａ，２２Ｂ…キャビティ  ２１…絶縁膜  ３０Ａ，３０Ｂ…下部電極  ４０…圧電体膜  ５０Ａ，５０Ｂ…上部電極  ６０…保護膜  ７０…エッチングマスク
【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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【図６】
2008244653.tif 000008
【図７】
2008244653.tif 000009
【図８】
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