(57)【要約】【課題】高周波のエネルギー損失を少なく、かつ共振周波数の大きな共振子を生産性良く製造すること。【解決手段】本発明は、基板１上に形成された振動空間Ａを介して設けられる支持膜３と、支持膜３の上に形成される下部電極膜４と、下部電極膜４の上に形成される圧電体薄膜５と、圧電体薄膜５の上に形成される上部電極膜６とを備える圧電共振素子において、支持膜３が窒化アルミニウムによって構成されているものである。また、支持膜３を窒化アルミニウムによって構成することで、振動空間Ａを形成するための犠牲膜、支持膜３、下部電極膜４、圧電体薄膜５、上部電極膜６を同一装置内で連続成膜する製造方法でもある。【選択図】        図１
2004200843.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に形成された振動空間を介して設けられる支持膜と、
前記支持膜の上に形成される下部電極膜と、
前記下部電極の上に形成される圧電体薄膜と、
前記圧電体薄膜の上に形成される上部電極膜とを備える圧電共振素子において、
前記支持膜が窒化アルミニウムによって構成されている
ことを特徴とする圧電共振素子。
【請求項２】
基板上に犠牲膜を形成し、所定形状にパターニングする工程と、
パターニングされた前記犠牲膜を覆う状態に窒化アルミニウムから成る支持膜を形成する工程と、
前記支持膜の上に、下部電極膜、圧電体薄膜、上部電極膜の順に成膜する工程と、
前記上部電極膜、前記圧電体薄膜、前記下部電極膜および前記支持膜に孔を形成し、この孔を介してエッチング液を注入することで前記犠牲膜を除去し、この犠牲膜のあった部分に振動空間を形成する工程と
を備えることを特徴とする圧電共振素子の製造方法。
【請求項３】
請求項２記載の圧電共振素子の製造方法において、前記犠牲膜、前記支持膜、前記下部電極膜、前記圧電体薄膜および前記上部電極膜を全て同一装置で連続形成する
ことを特徴とする圧電共振素子の製造方法。
【請求項４】
請求項２記載の圧電共振素子の製造方法において、前記犠牲膜、前記支持膜、前記下部電極膜、前記圧電体薄膜および前記上部電極膜を全て同一のスパッタ装置で連続形成する
ことを特徴とする圧電共振素子の製造方法。
【請求項５】
請求項２記載の圧電共振素子の製造方法において、前記犠牲膜、前記支持膜、前記下部電極膜、前記圧電体薄膜および前記上部電極膜を全て同一装置で約３００℃以下の温度により連続形成する
ことを特徴とする圧電共振素子の製造方法。
【請求項６】
請求項１記載の圧電共振素子を用いる
ことを特徴とする電子機器。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電子機器や通信機器等のフィルタとして用いられる圧電共振素子およびその製造方法ならびに電子機器に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来のＦＢＡＲ（Film Bulk Acoustic Resonator）は、基板と、この基板表面に形成された振動空間と、振動空間上に形成された支持膜と、支持膜上に形成された下部電極と、下部電極上に形成された圧電体薄膜と、圧電体薄膜上に形成された一対の上部電極とから構成される圧電共振素子である（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
支持膜は、振動空間を被覆するように基板上面に形成されている。従来のＦＢＡＲでは、圧電体薄膜材料としてＺｎＯ（酸化亜鉛）、ＡｌＮ（窒化アルミニウム）、ＰＺＴ、ＣｄＳ（硫化カドミウム）等が用いられ、基板材料として主にＳｉ（シリコン）が用いられ、電極材料としてＭｏ（モリブデン）、Ｗ（タングステン）、Ｐｔ（プラチナ）、Ａｌ（アルミニウム）、Ａｕ（金）が用いられており、圧電体薄膜を支える支持膜としてはアモルファスＳｉＯ2（酸化シリコン）が用いられている。
【０００４】
例えば、特許文献２には、圧電体薄膜材料としてＺｎＯ、ＡｌＮ、ＣｄＳ、基板材料としてＳｉ、電極材料としてＡｌ、Ａｕ、支持膜材料としてアモルファスＳｉＯ2が用いられている。
【０００５】
ここで、支持膜としてアモルファスＳｉＯ2が用いられているのは、アモルファスＳｉＯ2がＳｉ基板上に容易に作製できることと、非特許文献１に報告されているように、アモルファスＳｉＯ2が圧電体薄膜の弾性的温度係数と逆符号の温度係数を持つため、共振子の共振周波数の変化を補償できるためである。
【０００６】
また、上記非特許文献１には、ＺｎＯを圧電体薄膜として用いた場合、ＺｎＯに対するＳｉＯ2の膜厚比が、基本波で０．５の時、２次波で０．２５、０．７５、１．２５の時零温度係数を得ることができ、かつ高い電気機械結合係数ｋｔを得られることが報告されている。
【０００７】
【特許文献１】
米国特許第４３２０３６５号明細書
【特許文献２】
特開昭６０−６８７１０号公報
【非特許文献１】
Electronics Letters vol.17  １９８１年、ｐ．５０７−５０９
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このＦＢＡＲは、振動の伝播によって共振を得ているため、圧電体薄膜の振動特性はもとより、この圧電体薄膜を支える支持膜の振動特性がレゾネータの特性に大きく影響する。
【０００９】
すなわち、現在主流である２ＧＨｚの周波数で動作させるためには、圧電体薄膜であるＺｎＯの膜厚が１．３μｍ程度となるが、ＺｎＯの弾性的温度係数を補償して零温度係数を実現するためには支持膜であるＳｉＯ2を１μｍ以下の膜厚にする必要がある。これにより、挿入損失は低減されるが、非晶質であるＳｉＯ2を１μｍ以下で安定に形成するのは強度的に困難であり、共振子自体の製造が困難となる。
【００１０】
一方、圧電体薄膜であるＺｎＯの膜厚を１．３μｍ程度とし、支持膜であるＳｉＯ2を厚くすると、ＳｉＯ2の弾性的性質が支配的になり、損失が大きくなり、また、温度係数が大きくなり、さらに、高次モードになるため電気機械結合係数が小さくなるという問題が生じる。
【００１１】
また、特開２０００−２７８０７８号公報には、支持膜としてダイヤモンド膜とＳｉＯ2膜との積層構造を用いて、強度を確保しながらＳｉＯ2膜の薄膜化を実現する報告がされているが、現在のダイヤモンドＣＶＤ合成技術では、大面積成膜は困難であり、Ｓｉ基板との密着性が不十分で剥がれが生じやすく、生産性向上は非常に困難である。
【００１２】
さらに、ダイヤモンド膜を形成するには約８００℃前後の高温プロセスであるために、消費電力や装置の耐熱対策などが問題となる。しかも、このような高温プロセスに耐えうる犠牲膜材料を用いる必要があり、犠牲膜のエッチングによる除去が行いにくくなってしまい、設計通りの振動空間を得るのが困難となる。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明は、このような課題を解決するために成されたものである。すなわち、本発明は、基板上に形成された振動空間を介して設けられる支持膜と、支持膜の上に形成される下部電極膜と、下部電極膜の上に形成される圧電体薄膜と、圧電体薄膜の上に形成される上部電極膜とを備える圧電共振素子において、支持膜が窒化アルミニウムによって構成されているものである。
【００１４】
また、本発明は、基板上に犠牲膜を形成し、所定形状にパターニングする工程と、パターニングされた犠牲膜を覆う状態に窒化アルミニウムから成る支持膜を形成する工程と、支持膜の上に、下部電極膜、圧電体薄膜、上部電極膜の順に成膜する工程と、上部電極膜、圧電体薄膜、下部電極膜および支持膜に孔を形成し、この孔を介してエッチング液を注入することで犠牲膜を除去し、この犠牲膜のあった部分に振動空間を形成する工程とを備える方法でもある。
【００１５】
このような本発明では、圧電体薄膜および上部、下部電極膜で構成される共振器を支える支持膜として窒化アルミニウムを用いていることから、共振器を十分に支える機械的強度および所定の共振特性を保ちながら約３００℃以下の低温プロセスによって生産性良く製造することができるようになる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図に基づき説明する。図１は、本実施形態に係る圧電共振素子を説明する概略断面図である。すなわち、本実施形態の圧電共振素子は、振動空間Ａを有する基板１と、基板１上に配置され、振動空間Ａを被覆するように配置された支持膜３と、振動空間Ａに面する支持膜３の位置に配置された振動子８とから構成されており、この振動子８は、圧電体薄膜４の下面に下部電極膜４、上面に一対の上部電極膜６を形成して構成されている。
【００１７】
基板１は、例えばＳｉ（シリコン）からなり、後述する犠牲膜のエッチングによって基板１上に振動空間Ａが形成されている。ここで、基板１の振動空間Ａとは、振動子８の振動を基板１に伝達しない空間のことである。
【００１８】
圧電体薄膜５には、ＺｎＯ、ＡｌＮ、ＣｄＳ、ＰＺＴ等が用いられるが、音速が大きく、熱伝導率が高く、低温プロセスで形成できるという理由から窒化アルミニウム（以下、単に「ＡｌＮ」と言う。）を用いることが望ましい。また、ＡｌＮから成る圧電体薄膜５は、ｃ軸方向にのみ圧電性を発現するために、厚み縦振動を用いるＦＢＡＲにおいてはｃ軸配向膜である必要がある。
【００１９】
また、本実施形態の圧電共振素子で用いる支持膜３のＡｌＮは、音響的ブラッグ反射を目的とする振動空間上に、ヤング率２００ＧＰａ以上、音速１００００ｍ／ｓ以上、密度４．０ｇ／ｃｍ3以下、低温度係数、熱伝導率１５０Ｗ／ｍ・Ｋ以上の特性を併せ持つ材料であり、振動子８の支持膜として適しているためである。このような高強度のＡｌＮ膜により薄膜であっても支持膜３としての強度を向上することができる。
【００２０】
また、ＡｌＮから成る圧電体薄膜５を挟持する上部電極膜６および下部電極膜４には、Ｍｏ、Ｗ、Ｐｔ、Ａｌ、Ａｕ等、比較的反応性が低い金属材料が用いられるが、その低い熱弾性損失のため、Ｍｏが好適である。たとえば、Ｍｏの熱弾性損失はＡｌの約５６分の１である。
【００２１】
また、ＡｌＮからなる圧電体薄膜５および、支持膜３は極めて小さい温度係数であるので、振動する部分（支持膜３および振動子８）の共振周波数の温度係数を零に近づけることができる。
【００２２】
さらに、本実施形態では、支持膜３としてＡｌＮ膜を用いているため、支持膜３、圧電体薄膜５、下部電極膜４および上部電極膜６を同一装置内で連続して成膜することができ、生産性を大幅に向上できるようになる。例えば、スパッタリング装置のチャンバから成膜対象の基板を入れたまま、ターゲット材料の交換のみでチャンバ内を大気開放せずに連続して異なる膜を形成できることになる。
【００２３】
また、これらの膜の製造を約３００℃以下の低温プロセスで行うことができ、犠牲膜（後述）としてエッチング溶液で除去しやすいものを用いても成膜温度に耐えうるため、成膜後の犠牲膜のエッチングを確実に行うことができ、設計通りの振動空間Ａを構成できるようになる。
【００２４】
次に、本実施形態の圧電共振素子の製造方法を説明する。図２は、本実施形態の圧電共振素子の製造方法を順に説明する概略断面図である。先ず、ＣＶＤ法等により、例えばシリコンから成る基板１の上にＳｉＯ2からなる犠牲膜２を成膜し、振動空間Ａとなる部分を残して犠牲膜２をエッチングする（図２（a）参照）。
【００２５】
次いで、ＲＦマグネトロンスパッタリング法等により、犠牲膜２の上にＡｌＮからなる支持膜３を形成する（図２（ｂ）参照）。次に、ＤＣマグネトロンスパッタリング法等により、Ｍｏからなる下部電極膜４を形成する（図２（ｃ）参照）。
【００２６】
続いて、ＲＦマグネトロンスパッタリング法等により、ＡｌＮからなる圧電体薄膜５を形成し（図２（ｄ）参照）、その上にＤＣマグネトロンスパッタリング法等により、Ｍｏからなる上部電極膜６を形成する（図２（ｅ）参照）。
【００２７】
この後、ハロゲン系ガスにより上部電極膜６、圧電体薄膜５、下部電極膜４および支持膜３へ孔７を開け、その孔７から希釈フッ化水素水溶液を用いて、支持膜３の下にある犠牲膜２をエッチングし、支持部３の下面に振動空間Ａを形成し、支持部３を基板１の上面から浮かせる（図２（ｆ）参照）。このようにして空洞構造の圧電共振素子が完成する。
【００２８】
次に、本実施形態の具体例を説明する。まず、ＲＦマグネトロンスパッタリング法により犠牲膜２となるＳｉＯ2薄膜をシリコンの基板１上に室温で形成する。ＳｉＯ2膜の膜厚は０．３μmである。
【００２９】
次に、ＳｉＯ2膜上にＡｌＮから成る支持膜３を、同じＲＦマグネトロンスパッタリング法を用いて形成する。成長条件は、減圧下でＡｒ（アルゴン）、Ｎ2（窒素）混合ガスを用いて、ＲＦパワー４００Ｗで入力し、膜厚が５００nmのものを作成する。
【００３０】
ＡｌＮの特性は、ＸＲＤロッキングカーブの（００２）ピークの半値幅が１．６°で、密度３．２ｇ／ｃｍ3、音速は１０８００ｍ／ｓである。従来のＳｉＯ2（溶融石）の音速５７００ｍ／ｓと比べても約２倍の値であり、アモルファスのＳｉＯ2膜に比べると更に高音速である。
【００３１】
こうして作成したＡｌＮから成る支持膜３の上に、同じスパッタリング法を用いて、Ｍｏから成る下部電極膜４、ＡｌＮから成る圧電体薄膜５、Ｍｏから成る上部電極膜６を順次積層する。成長温度は支持膜３、下部電極膜４、圧電体薄膜５、上部電極膜６ともに室温という極低温プロセスである。
【００３２】
最後に、振動子８（下部電極膜６、圧電体薄膜５、上部電極膜６）および支持膜３に孔７を形成し、そこから希釈フッ化水素溶液を用いて犠牲膜２であるＳｉＯ2層をエッチングすることにより振動空間Ａを形成する。膜厚は、下部電極膜４、上部電極膜６ともに３００ｎｍ、圧電体薄膜５が１．０μｍである。
【００３３】
また、これらの膜厚を制御することにより、共振周波数の大きさを制御することができる。評価は図１に示す構造において、ネットワークアナライザとＲＦ用ウェハマイクロプローブを用い、共振周波数を測定したところ、１．７８ＧＨｚにおいて圧電共振を得ることができた。
【００３４】
上記説明した圧電共振素子は、通信機器等の電子機器におけるフィルタ等として利用されることになる。なお、上記具体例で示した数値は一例であり、本発明はこれに限定されるものではない。また、成膜装置もスパッタリング装置に限定されず、他の成膜装置であっても適用可能である。
【００３５】
【発明の効果】
以上のように、窒化アルミニウムから成る支持膜を用いることで、ＳｉＯ2の支持膜を用いた圧電共振素子に比べて膜厚のより薄い自立膜を製造でき、より高周波のエネルギー損失を少なく、かつ共振周波数の大きな振動子を構成することが可能となる。また、ＳｉＯ2／ダイヤモンド積層による支持膜を用いた圧電共振素子に比べ、低消費電力で大面積ウェハへの作成が可能となり、膜厚・膜質制御が容易なため、生産性を向上させることが可能となる。
【００３６】
さらに、全てのプロセスを室温もしくは約３００℃以下の低温で行うことができるため、犠牲膜に有機物を用いて、従来からある中空配線プロセスによる振動空間形成が可能となる。また、支持膜にＳｉＯ2膜を用いないため、温度係数の大きな物質が無くなり、従って温度変化率が小さく、かつ従来のＳｉＯ2からなる支持膜では得られなかった高い共振周波数を有する圧電共振素子を提供することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本実施形態に係る圧電共振素子を説明する概略断面図である。
【図２】本実施形態に係る圧電共振素子の製造方法を順に説明する概略断面図である。
【符号の説明】
１…基板、２…犠牲膜、３…支持膜、４…下部電極膜、５…圧電体薄膜、６…上部電極膜、８…振動子、Ａ…振動空間
【図１】
2004200843.tif 000003
【図２】
2004200843.tif 000004