(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｓｉからなる基板と、前記基板によって支持される、圧電薄膜ならびに前記圧電薄膜を厚み方向に挟んで互いに対向するように形成される上電極および下電極とを備え、
前記基板と前記下電極との間に、結晶格子不整を緩和するためのバッファ層が形成され、前記バッファ層は積層構造であり、前記基板側からエピタキシャルＣｕ膜、Ｔｉ膜および導体膜を有し、かつ、
少なくとも前記下電極および前記圧電薄膜が、エピタキシャル膜から構成されることを特徴とする、圧電装置。
【請求項２】
前記下電極と前記バッファ層との間に、空隙が形成される、請求項１に記載の圧電装置。
【請求項３】
前記導体膜は、Ａｌ、Ｐｔ、Ａｕ、Ｐｄ、Ａｇ、Ｒｈ、γ‐Ｍｎ、Ｉｒ、α‐Ｓｎ、Ｃｕ、γ‐ＦｅおよびＮｉから選ばれる１種を含む、請求項２に記載の圧電装置。
【請求項４】
前記下電極と前記バッファ層とは、前記空隙の周囲領域において互いに接触し、それによって、互いに電気的に接続されている、請求項２または３に記載の圧電装置。
【請求項５】
前記下電極は、Ａｌ、Ｐｔ、Ａｕ、Ｐｄ、Ａｇ、Ｒｈ、γ‐Ｍｎ、Ｉｒ、α‐Ｓｎ、Ｃｕ、γ‐ＦｅおよびＮｉから選ばれる１種を含む、請求項２ないし４のいずれかに記載の圧電装置。
【請求項６】
前記下電極は、空隙を介することなく、前記バッファ層に接するように形成される、請求項１に記載の圧電装置。
【請求項７】
前記下電極は、前記バッファ層上に形成されるＴｉ膜と、前記Ｔｉ膜上に形成される導体膜とを備える、請求項６に記載の圧電装置。
【請求項８】
前記導体膜は、Ａｌ、Ｐｔ、Ａｕ、Ｐｄ、Ａｇ、Ｒｈ、γ‐Ｍｎ、Ｉｒ、α‐Ｓｎ、Ｃｕ、γ‐ＦｅおよびＮｉから選ばれる１種を含む、請求項７に記載の圧電装置。
【請求項９】
前記基板には、前記バッファ層の、前記基板側の面の少なくとも一部を露出させるキャビティが形成される、請求項６ないし８のいずれかに記載の圧電装置。
【請求項１０】
前記圧電薄膜は、ＡｌＮまたはＺｎＯからなる、請求項１ないし９のいずれかに記載の圧電装置。
【請求項１１】
前記上電極は、エピタキシャル膜から構成される、請求項１ないし１０のいずれかに記載の圧電装置。
【請求項１２】
Ｓｉからなる基板を用意する工程と、
前記基板の一部上に、結晶格子不整を緩和するためのバッファ層を形成する、バッファ層形成工程と、
前記バッファ層の少なくとも一部を覆うように、前記基板の一部上に、後で選択的に除去されることが予定された犠牲層を形成する、犠牲層形成工程と、
前記バッファ層の上方の位置に少なくとも一部が位置するように、少なくとも前記犠牲層上に下電極を形成する、下電極形成工程と、
前記犠牲層を覆うように、前記基板上に圧電薄膜を形成する、圧電薄膜形成工程と、
前記圧電薄膜を介して前記下電極に対向するように、前記圧電薄膜上に上電極を形成する、上電極形成工程と、
前記犠牲層を除去し、それによって、前記下電極と前記バッファ層との間に空隙を形成する、空隙形成工程と
を備え、
前記バッファ層はエピタキシャルＣｕ膜、Ｔｉ膜および導体膜を有し、前記バッファ層形成工程は、前記基板上に前記エピタキシャルＣｕ膜を形成する工程と、前記エピタキシャルＣｕ膜上にＴｉ膜を形成する工程と、前記Ｔｉ膜上に導体膜を形成する工程とを備え、
前記犠牲層形成工程、前記下電極形成工程および前記圧電薄膜形成工程は、それぞれ、前記犠牲層、前記下電極および前記圧電薄膜をエピタキシャル成長させるように実施される、
圧電装置の製造方法。
【請求項１３】
前記導体膜を形成する工程は、Ａｌ、Ｐｔ、Ａｕ、Ｐｄ、Ａｇ、Ｒｈ、γ‐Ｍｎ、Ｉｒ、α‐Ｓｎ、Ｃｕ、γ‐ＦｅおよびＮｉから選ばれる１種を含む前記導体膜を形成する工程を備える、請求項１２に記載の圧電装置の製造方法。
【請求項１４】
前記下電極形成工程は、Ａｌ、Ｐｔ、Ａｕ、Ｐｄ、Ａｇ、Ｒｈ、γ‐Ｍｎ、Ｉｒ、α‐Ｓｎ、Ｃｕ、γ‐ＦｅおよびＮｉから選ばれる１種を含む前記下電極を形成する工程を備える、請求項１２または１３に記載の圧電装置の製造方法。
【請求項１５】
Ｓｉからなる基板を用意する工程と、
前記基板の一部上に、結晶格子不整を緩和するためのバッファ層を形成する、バッファ層形成工程と、
前記バッファ層の少なくとも一部を覆うように、前記基板上に下電極を形成する、下電極形成工程と、
前記バッファ層の上方の位置において前記下電極を覆うように、前記基板上に圧電薄膜を形成する、圧電薄膜形成工程と、
前記圧電薄膜を介して前記下電極に対向するように、前記圧電薄膜上に上電極を形成する、上電極形成工程と、
前記基板の、前記バッファ層が形成された部分に、キャビティを形成する、キャビティ形成工程と
を備え、
前記バッファ層はエピタキシャルＣｕ膜を有し、前記バッファ層形成工程は、前記基板上に前記エピタキシャルＣｕ膜を形成するように実施され、
前記下電極形成工程および前記圧電薄膜形成工程は、それぞれ、前記下電極および前記圧電薄膜をエピタキシャル成長させるように実施され、
前記下電極形成工程は、前記バッファ層上にＴｉ膜を形成する工程と、前記Ｔｉ膜上に導体膜を形成する工程とを備える、
圧電装置の製造方法。
【請求項１６】
前記導体膜を形成する工程は、Ａｌ、Ｐｔ、Ａｕ、Ｐｄ、Ａｇ、Ｒｈ、γ‐Ｍｎ、Ｉｒ、α‐Ｓｎ、Ｃｕ、γ‐ＦｅおよびＮｉから選ばれる１種を含む前記導体膜を形成する工程を備える、請求項１５に記載の圧電装置の製造方法。
【請求項１７】
前記基板は、水素終端したＳｉ（１００)面を有し、前記バッファ層形成工程は、前記Ｓｉ（１００）面上に、結晶方位がＣｕ（１００）の前記エピタキシャルＣｕ膜を形成する工程を備える、請求項１２ないし１６のいずれかに記載の圧電装置の製造方法。
【請求項１８】
前記基板は、水素終端したＳｉ（１１１)面を有し、前記バッファ層形成工程は、前記Ｓｉ（１１１）面上に、結晶方位がＣｕ（１１１）の前記エピタキシャルＣｕ膜を形成する工程を備える、請求項１２ないし１６のいずれかに記載の圧電装置の製造方法。
【請求項１９】
前記上電極形成工程は、前記上電極をエピタキシャル成長させるように実施される、請求項１２ないし１８のいずれかに記載の圧電装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、厚み縦振動を利用する圧電装置およびその製造方法に関するもので、特に、圧電装置に備える圧電薄膜の結晶配向性をより向上させるための改良に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
この発明とって興味ある圧電装置として、バルク弾性波（ＢＡＷ）素子がある。ＢＡＷ素子は、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ３）やタンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ３）等からなる基板と、その上に形成された酸化亜鉛（ＺｎＯ）や窒化アルミニウム（ＡｌＮ）等からなる圧電薄膜とを備え、圧電薄膜を主振動部とする厚み縦振動を利用する素子である。
【０００３】
ＢＡＷ素子を用いた共振子は、一般に、基板と、基板によって支持される、圧電薄膜ならびに圧電薄膜を厚み方向に挟んで互いに対向するように形成される上電極および下電極とを備えている（たとえば、特許文献１参照）。
【０００４】
上述のようなＢＡＷ素子を用いた共振子は、これを複数組み合わせることにより、たとえばバンドパスフィルタが構成される。近年の無線通信機器市場の拡大に伴い、フィルタに対し、広帯域化の要求がある。ＢＡＷ素子を用いたフィルタにおいて広帯域化を図るためには、共振子の電気機械結合係数を大きくする必要がある。そして、電気機械結合係数を大きくするためには、圧電薄膜の結晶の配向性を向上させる必要がある。
【０００５】
たとえば特許文献２に記載されているＢＡＷ素子を用いた共振子では、圧電薄膜として、その厚み方向に結晶が配向するｃ軸配向膜が用いられている。このように、圧電薄膜において、その振動方向と同じｃ軸方向に結晶を配向させることにより、圧電薄膜内での振動の伝搬損失を低減することができ、その結果、電気機械結合係数を大きくすることができる。
【０００６】
しかしながら、上記特許文献２に記載のＢＡＷ素子を用いた共振子において、圧電薄膜の材料として、代表的なＡｌＮやＺｎＯを用いる場合、圧電薄膜を通常の多結晶電極上に成膜すると、圧電薄膜は、分極軸であるｃ軸が基板法線方向に成長する一方、ｃ面内ではランダム配向となるため、１軸配向膜となってしまう。その結果、ｃ面内（圧電薄膜の主面方向）に粒界が多く存在することになり、グレイン間の結合力が弱まって、バルク弾性波を散乱させるため、振動方向に対して垂直な面方向（圧電薄膜の主面方向）への伝搬損失を低減させることができないという問題がある。
【特許文献１】特開昭６０‐２１７７１１号公報
【特許文献２】特開２００３‐１５８３０９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
そこで、この発明の目的は、上述のような問題を解決し得る、圧電装置およびその製造方法を提供しようとすることである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
簡単に言えば、この発明では、圧電薄膜が３軸配向化されることにより粒界が減少し、それによって、圧電薄膜内でのバルク弾性波の散乱が抑制され、その結果、圧電特性が改善された圧電装置が提供される。
【０００９】
より詳細には、この発明は、Ｓｉからなる基板と、基板によって支持される、圧電薄膜ならびに圧電薄膜を厚み方向に挟んで互いに対向するように形成される上電極および下電極とを備える、圧電装置にまず向けられる。このような圧電装置において、この発明では、基板と下電極との間に、結晶格子不整を緩和するためのバッファ層が形成され、このバッファ層は積層構造であり、基板側からエピタキシャルＣｕ膜、Ｔｉ膜および導体膜を有し、かつ、少なくとも下電極および圧電薄膜が、エピタキシャル膜から構成されることを特徴としている。
【００１０】
この発明に係る圧電装置の第１の実施態様では、下電極とバッファ層との間に、空隙が形成され、それによって、エアギャップ型の圧電装置が構成される。
【００１２】
上述の導体膜は、Ａｌ、Ｐｔ、Ａｕ、Ｐｄ、Ａｇ、Ｒｈ、γ‐Ｍｎ、Ｉｒ、α‐Ｓｎ、Ｃｕ、γ‐ＦｅおよびＮｉから選ばれる１種を含むことが好ましい。
【００１３】
また、下電極とバッファ層とは、空隙の周囲領域において互いに接触し、それによって、互いに電気的に接続されていることが好ましい。
【００１４】
また、第１の実施態様において、下電極は、Ａｌ、Ｐｔ、Ａｕ、Ｐｄ、Ａｇ、Ｒｈ、γ‐Ｍｎ、Ｉｒ、α‐Ｓｎ、Ｃｕ、γ‐ＦｅおよびＮｉから選ばれる１種を含むことが好ましい。
【００１５】
この発明に係る圧電装置の第２の実施態様では、下電極は、空隙を介することなく、バッファ層に接するように形成される。
【００１６】
第２の実施態様では、下電極は、バッファ層上に形成されるＴｉ膜と、Ｔｉ膜上に形成される導体膜とを備えることが好ましい。この場合、導体膜は、Ａｌ、Ｐｔ、Ａｕ、Ｐｄ、Ａｇ、Ｒｈ、γ‐Ｍｎ、Ｉｒ、α‐Ｓｎ、Ｃｕ、γ‐ＦｅおよびＮｉから選ばれる１種を含むことが好ましい。
【００１７】
第２の実施態様において、基板に、バッファ層の基板側の面の少なくとも一部を露出させるキャビティが形成され、それによって、ダイヤフラム型の圧電装置が構成されてもよい。
【００１８】
この発明に係る圧電装置において、圧電薄膜は、ＡｌＮまたはＺｎＯからなることが好ましい。
【００１９】
また、上電極についても、これがエピタキシャル膜から構成されることが好ましい。
【００２０】
この発明は、また、上述したような構造を有する圧電装置を製造するための方法にも向けられる。
【００２１】
この発明に係る圧電装置の製造方法は、第１の局面では、前述したエアギャップ型の圧電装置の製造方法に向けられる。
【００２２】
この第１の局面による製造方法は、Ｓｉからなる基板を用意する工程と、基板の一部上に、結晶格子不整を緩和するためのバッファ層を形成する工程と、バッファ層の少なくとも一部を覆うように、基板の一部上に、後で選択的に除去されることが予定された犠牲層を形成する工程と、バッファ層の上方の位置に少なくとも一部が位置するように、少なくとも犠牲層上に下電極を形成する工程と、犠牲層を覆うように、基板上に圧電薄膜を形成する工程と、圧電薄膜を介して下電極に対向するように、圧電薄膜上に上電極を形成する工程と、犠牲層を除去し、それによって、下電極とバッファ層との間に空隙を形成する工程とを備えている。そして、バッファ層はエピタキシャルＣｕ膜、Ｔｉ膜および導体膜を有し、上記バッファ層形成工程は、基板上にエピタキシャルＣｕ膜を形成する工程と、このエピタキシャルＣｕ膜上にＴｉ膜を形成する工程と、このＴｉ膜上に導体膜を形成する工程とを備え、上記犠牲層形成工程、上記下電極形成工程および上記圧電薄膜形成工程は、それぞれ、犠牲層、下電極および圧電薄膜をエピタキシャル成長させるように実施されることを特徴としている。
【００２３】
この発明に係る圧電装置の製造方法は、第２の局面では、前述したダイヤフラム型の圧電装置の製造方法に向けられる。
【００２４】
この第２の局面による製造方法は、Ｓｉからなる基板を用意する工程と、基板の一部上に、結晶格子不整を緩和するためのバッファ層を形成する工程と、バッファ層の少なくとも一部を覆うように、基板上に下電極を形成する工程と、バッファ層の上方の位置において下電極を覆うように、基板上に圧電薄膜を形成する工程と、圧電薄膜を介して下電極に対向するように、圧電薄膜上に上電極を形成する工程と、基板の、バッファ層が形成された部分に、キャビティを形成する工程とを備えている。そして、バッファ層はエピタキシャルＣｕ膜を有し、上記バッファ層形成工程は、基板上にエピタキシャルＣｕ膜を形成するように実施され、上記下電極形成工程および上記圧電薄膜形成工程は、それぞれ下電極および圧電薄膜をエピタキシャル成長させるように実施され、上記下電極形成工程は、上記バッファ層上にＴｉ膜を形成する工程と、このＴｉ膜上に導体膜を形成する工程とを備えることを特徴としている。
【００２５】
この発明に係る圧電装置の製造方法において、基板としては、水素終端したＳｉ（１００）面またはＳｉ（１１１）面を有するものが有利に用いられる。
【００２６】
基板が、水素終端したＳｉ（１００）面を有している場合、上記バッファ層形成工程では、Ｓｉ（１００）面上に、結晶方位がＣｕ（１００）のエピタキシャルＣｕ膜が形成される。他方、基板が、水素終端したＳｉ（１１１）面を有している場合、上記バッファ層形成工程では、Ｓｉ（１１１）面上に、結晶方位がＣｕ（１１１）のエピタキシャルＣｕ膜が形成される。
【００２７】
この発明に係る圧電装置の製造方法において、上電極形成工程は、上電極をエピタキシャル成長させるように実施されることが好ましい。
【発明の効果】
【００２８】
たとえば弾性表面波素子の分野において、ＬｉＴａＯ３やＬｉＮｂＯ３等の酸化物単結晶からなる基板上に、Ａｌ等の面心立方構造の金属からなる電極を形成するにあたって、この電極材料をエピタキシャル成長させるため、Ｔｉ膜を中間層とすることが有効であることが知られている。これに対して、この発明では、Ｓｉからなる多結晶基板を用いている。Ｓｉは、上述したＬｉＴａＯ３やＬｉＮｂＯ３等の酸化物単結晶とは異なり、Ｔｉとの格子整合が悪い。さらに、大気中のＯ２との反応で表面に生成するアモルファスＳｉＯ２が結晶成長を阻害するため、界面制御が重要となる。
【００２９】
この発明では、Ｓｉと格子整合の良好なＣｕをバッファ層として界面制御し、Ａｌなどの面心立方構造の電極をエピタキシャル成長させることができ、さらに、この電極を土台として圧電薄膜をエピタキシャル成長させることができる。
【００３０】
より詳細には、この発明によれば、Ｓｉからなる基板と下電極との間に、バッファ層を形成し、バッファ層の、基板側の面を、エピタキシャルＣｕ膜によって与えることにより、下電極および圧電薄膜をエピタキシャル膜から構成することができる。
【００３１】
ＳｉとＣｕとは、各々の格子定数を比べると、Ｓｉが０．５４３ｎｍであり、Ｃｕが０．３６１４ｎｍであって、そのままでは整合しないが、０．５４３×２＝１．０８６と０．３６１４×３＝１．０８４とがミスマッチ０．１８％で整合するため、Ｓｉが２周期に対しＣｕが３周期でのエピタキシャル成長が可能である。なお、Ｓｉ（１００）面上にエピタキシャルＣｕ膜が形成される場合には、結晶方位がＣｕ（１００）のエピタキシャルＣｕ膜が形成され、Ｓｉ（１１１）面上に、エピタキシャルＣｕ膜が形成される場合には、結晶方位がＣｕ（１１１）のエピタキシャルＣｕ膜が形成される。上述のようなエピタキシャルＣｕ膜をバッファ層として界面制御してエピタキシャル成長した下電極は、高配向化され、その結果、高抵抗成分である粒界が減少し、配線抵抗の低減が可能となり、圧電装置の共振特性が向上する。
【００３２】
また、下電極の結晶方位を引き継いで圧電薄膜をエピタキシャル成長させることができるので、圧電薄膜の結晶性が向上する。より具体的には、圧電薄膜をＡｌＮまたはＺｎＯから構成すると、基板の法線方向にｃ軸が配向し、かつｃ面内の配向も揃ったエピタキシャル３軸配向膜となる。このようなエピタキシャル３軸配向膜となっている圧電薄膜を備える圧電装置は、従来の１軸配向膜となっている圧電薄膜を備える圧電装置に比べて、粒界が劇的に減少し、その結果、圧電特性を著しく向上させることができる。
【００３３】
この発明において、バッファ層の一部となる導体膜あるいは下電極の材料として、Ａｌ、Ｐｔ、Ａｕ、Ｐｄ、Ａｇ、Ｒｈ、γ‐Ｍｎ、Ｉｒ、α‐Ｓｎ、Ｃｕ、γ‐ＦｅおよびＮｉから選ばれる１種が用いられると、これらは面心立方構造を有するものであるため、導体膜あるいは下電極においてエピタキシャル構造を容易に得ることができる。
【００３４】
また、この発明によれば、バッファ層が、上述のように、導体膜を備え、エピタキシャルＣｕ膜とこの導体膜との間にＴｉ膜が形成されるので、エピタキシャルＣｕ膜と導体膜との間での密着力を高めることができる。また、ＣｕとＴｉとは相互拡散の活性化エネルギーが高いため、Ｔｉ膜を拡散バリア層として機能させることができる。下電極がバッファ層に接するように形成される場合であって、下電極に備える導体膜とバッファ層との間にＴｉ膜が形成される場合も、同様のことが言える。
【００３５】
この発明に係る圧電装置が、下電極とバッファ層との間に空隙を形成したエアギャップ型の圧電装置である場合において、バッファ層の、基板側の面とは逆の面が導電性を有し、かつ、下電極とバッファ層とが空隙の周囲領域において互いに接触し、そのため、互いに電気的に接続される構造が採用されると、バッファ層の存在による浮遊容量を生じさせないようにすることができ、浮遊容量による共振特性の劣化を防止することができる。
【００３６】
この発明に係る圧電装置において、上電極についても、これがエピタキシャル膜から構成されると、上電極についても高配向化され、高抵抗成分である粒界が減少し、配線抵抗の低減が可能となり、共振特性を向上させることができる。また、振動部の膜構成については、圧電薄膜を中心に概略対称とし、上電極と下電極との材料定数を同等にすることができるので、共振特性をより向上させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３７】
図１は、この発明の第１の実施形態による圧電装置１を示す断面図である。この圧電装置１は、厚み縦振動を利用するもので、共振子を構成している。また、圧電装置１は、エアギャップ型である。
【００３８】
圧電装置１は、Ｓｉからなる基板２を備えている。基板２としては、たとえば、その表面の結晶面がＳｉ（１００）面とされたＳｉ（１００）基板が用いられる。これに代えて、Ｓｉ(１１１)面とされたＳｉ（１１１）基板が用いられてもよい。
【００３９】
圧電装置１は、また、上記基板２によって支持される、圧電薄膜３ならびに圧電薄膜３を厚み方向に挟んで互いに対向するように形成される上電極４および下電極５を備えている。圧電薄膜３は、たとえばＡｌＮまたはＺｎＯのような圧電材料から構成される。上電極４および下電極５は、たとえば、Ａｌ、Ｐｔ、Ａｕ、Ｐｄ、Ａｇ、Ｒｈ、γ‐Ｍｎ、Ｉｒ、α‐Ｓｎ、Ｃｕ、γ‐ＦｅおよびＮｉから選ばれる１種を含む構成とされる。これらの材料は、面心立方構造をとり、上電極４および下電極５をエピタキシャル膜から構成することを容易にする。
【００４０】
上電極４および下電極５の各々は、多層構造を有していてもよい。たとえば、上電極４にあっては、圧電薄膜３上に形成されるＴｉ膜、その上に形成されるＰｔ膜およびその上に形成されるＡｕ膜からなる多層構造が採用されてもよい。他方、下電極５にあっては、たとえば、基板２上に形成されるＴｉ膜、その上に形成されるＡｕ膜およびその上に形成されるＰｔ膜からなる多層構造が採用されてもよい。
【００４１】
圧電装置１は、さらに、バッファ層６を備えている。バッファ層６は、後述する製造方法を実施する際に遭遇し得る結晶格子不整を緩和するためのもので、基板２と下電極５との間であって、基板２上に形成されている。圧電装置１は、前述したように、エアギャップ型であるので、下電極５とバッファ層６との間には空隙７が形成されている。
【００４２】
バッファ層６は、この実施形態では、図２に拡大して示すような断面構造を有している。すなわち、バッファ層６は、基板２上に形成されるエピタキシャルＣｕ膜８、その上に形成されるエピタキシャルＴｉ膜９およびその上に形成されるエピタキシャルＡｌ膜１０からなる積層構造を有していて、バッファ層６の、基板２側の面は、エピタキシャルＣｕ膜８によって与えられる。
【００４３】
上述のバッファ層６において、Ｔｉ膜９は、Ｃｕ膜８に対するＡｌ膜１０の密着性を高めるように作用する。なお、バッファ層６における、基板２側とは反対側に配置されるＡｌ膜１０は、Ａｌ以外の導体からなる導体膜によって置き換えられてもよい。この導体膜を構成する導体としては、前述した上電極４および下電極５の場合と同様、Ａｌ以外に、Ｐｔ、Ａｕ、Ｐｄ、Ａｇ、Ｒｈ、γ‐Ｍｎ、Ｉｒ、α‐Ｓｎ、Ｃｕ、γ‐ＦｅまたはＮｉのような面心立方構造のものを有利に用いることができる。
【００４４】
以上のような圧電装置１において、少なくとも下電極５および圧電薄膜３がエピタキシャル膜から構成され、好ましくは、上電極４についてもエピタキシャル膜から構成される。
【００４５】
次に、図３を参照しながら、圧電装置１の製造方法について説明する。図３には、圧電装置１を製造する途中の段階で得られる構造物を示す、図１に相当する図である。図３において、図１に示した要素に相当する要素には同様の参照符号を付し、重複する説明は省略する。
【００４６】
圧電装置１を製造するため、まず、Ｓｉからなる基板２が用意される。基板２としては、その表面の結晶面がＳｉ（１００）面とされたＳｉ（１００）基板または表面の結晶面がＳｉ（１１１）面とされたＳｉ（１１１）基板が用意される。そして、基板２は、たとえば、バッファードフッ酸（ＢＨＦ）溶液中に浸漬され、表面のＳｉＯ２酸化膜が除去され、さらに、最表面のダングリングボンドを水素原子で終端させることが行なわれる。
【００４７】
次に、基板２の一部上に、より具体的には、振動部を形成する領域よりも大きい領域に、バッファ層６が形成される。バッファ層６は、たとえば、ＣＶＤ、スパッタリング、真空蒸着などの方法によって形成され、フォトリソグラフィ技術によりパターニングされる。なお、バッファ層６の形成領域は、振動部領域と同じ大きさでもよい。また、基板２全面にあってもよい。
【００４８】
バッファ層６として、図２に示すような積層構造を有するものが形成される場合、たとえば、エピタキシャルＣｕ膜８が０．２μｍの厚みとされ、エピタキシャルＴｉ膜９が０．１μｍの厚みとされ、エピタキシャルＡｌ膜１０が０．１μｍの厚みとされる。このようなバッファ層６がリフトオフ法により形成される場合、フォトレジストが塗布され、その後、熱処理、露光、現像、デスカムといった、一般的なパターニング工程が実施され、次いで、基板２の、バッファ層６が形成されるべき領域の表面にあるＳｉＯ２酸化膜がＢＨＦ溶液などにより除去される。その後、有機溶剤などの剥離液により、リフトオフが行なわれる。リフトオフ後に、バッファ層６の表面に付着した有機物は、これを酸素プラズマなどにより炭化させて除去してもよい。
【００４９】
上述したようなバッファ層６の形成にあたり、図２に示すように、基板２が、水素終端したＳｉ（１００）面を有している場合、このＳｉ（１００）面上に、結晶方位がＣｕ（１００）のエピタキシャルＣｕ膜８が形成される。そして、この結晶方位を引き継いで、エピタキシャルＣｕ膜８上に、結晶方位がＴｉ（００１）のエピタキシャルＴｉ膜９が形成され、その上に、結晶方位がＡｌ（１１１）のエピタキシャルＡｌ膜１０が形成される。
【００５０】
図示しないが、基板２が、水素終端したＳｉ（１１１）面を有している場合、このＳｉ（１１１）面上に、結晶方位がＣｕ（１１１）のエピタキシャルＣｕ膜８が形成される。
【００５１】
次に、バッファ層６を覆うように、基板２の一部上に、空隙７の形成のために後で選択的に除去されることが予定された犠牲層１１が形成される。犠牲層１１に対しては、その後、フォトエッチング法などの方法を用いて、空隙７を与えるべき形状が付与される。
【００５２】
犠牲層１１の材料は、バッファ層６上においてエピタキシャル成長し、後の除去工程において容易に除去できるものであることが好ましい。このような犠牲層１１の材料としては、たとえば、化学的に溶解しやすい酸化亜鉛（ＺｎＯ）を有利に用いることができる。
【００５３】
犠牲層１１の材料としてＺｎＯが用いられる場合、ＺｎＯからなる犠牲層１１はスパッタリング法によって成膜される。１０−４Ｐａ台の圧力になるまで真空引きを行なった後、Ａｒ／Ｏ２混合ガスを導入し、反応性スパッタリングにより、たとえば厚さ約μｍのＺｎＯからなる犠牲層１１を形成することが行なわれる。
【００５４】
犠牲層１１の厚さは、振動部としての圧電薄膜３ならびに上下電極４および５が撓んでも基板２と接触しない厚みの空隙７が形成されるように選ばれることが必要であり、作製上の容易さから５０ｎｍ以上１０μｍ以下であることが好ましい。また、犠牲層１１の端部と振動部との距離の最小値は、振動部の厚みの５０倍以下とすることが好ましい。
【００５５】
上述のように、バッファ層６上にＺｎＯをもって形成された犠牲層１１は、基板２の温度を室温から約２００℃としても３軸配向したエピタキシャル膜であることがわかっている。
【００５６】
次に、バッファ層６の上方の位置に少なくとも一部が位置するように、少なくとも犠牲層１１上に下電極５が形成される。この実施形態では、下電極５は、犠牲層１１上から基板２上へと延びている。下電極５は、バッファ層６上のＺｎＯからなる犠牲層１１上においてエピタキシャル成長した薄膜でなければならず、なおかつ、良好な共振特性が得られる電極であることが好ましい。このような下電極５を構成するのに適した材料は、前述したとおりである。下電極５は、ＣＶＤ、スパッタリング、電子ビーム蒸着などによる成膜工程とフォトリソグラフィ技術によるパターニング工程とを経て形成される。
【００５７】
たとえば、得ようとする圧電装置１が２ＧＨｚ帯のＢＡＷ共振子である場合、下電極５をＴｉ膜、その上のＡｕ膜およびその上のＰｔ膜によって構成するとすれば、下電極５の厚みは約０．１〜０．３μｍであることが好ましい。
【００５８】
次に、犠牲層１１を覆うように基板２上に圧電薄膜３が形成される。圧電薄膜３は、バッファ層６の上方の位置においては、バッファ層６、犠牲層１１および下電極５の各々の結晶方位を順次引き継いでエピタキシャル成長した膜となっている。圧電薄膜３を構成する材料としては、前述したように、ＡｌＮまたはＺｎＯを用いることが好ましい。
【００５９】
たとえば、圧電薄膜３の材料としてＡｌＮを用いる場合、圧電装置２が２ＧＨｚ帯のＢＡＷ共振子であれば、圧電薄膜３の厚みは約１．６μｍとされる。このような圧電薄膜３は、１０−４Ｐａ台の圧力になるまで真空引きを行なった後、Ａｒ／Ｎ２混合ガスを導入し、反応性スパッタリングによりＡｌＮを成膜し、その後、アルカリ溶液に耐性のある樹脂をパターニングした後、これをマスクとしてアルカリ溶液でウェットエッチングを実施することにより、ＡｌＮ膜をパターニングすることによって形成される。
【００６０】
次に、圧電薄膜３を介して下電極５に対向するように、圧電薄膜３上に上電極４が形成される。上電極４は、ＣＶＤ、スパッタリング、電子ビーム蒸着などによる成膜工程と、フォトリソグラフィ技術によるパターニング工程とを経ることにより形成される。上電極４を構成するのに適した材料は、前述したとおりである。また、上電極４については、必須ではないが、圧電薄膜３の結晶方位を引き継いで成長したエピタキシャル膜であることが好ましい。
【００６１】
また、一例として、圧電装置１が２ＧＨｚ帯のＢＡＷ共振子である場合、上電極４をＴｉ膜、その上のＰｔ膜およびその上のＡｕ膜で構成したとき、上電極４の厚みは約０．１〜０．３μｍとすることが好ましい。
【００６２】
次に、犠牲層１１が除去され、それによって、図１に示すように、下電極５とバッファ層６との間に空隙７が形成される。犠牲層１１の除去には、たとえばエッチングが適用される。犠牲層１１がＺｎＯからなる場合、リン酸・酢酸混合水溶液などの酸性水溶液をエッチャントとして用い、犠牲層１１をエッチング除去することが行なわれる。
【００６３】
なお、上下電極４および５にＡｌなどのように、酸によりエッチングされる材料が用いられる場合、フォトリソグラフィによりフォトレジストなどをパターニングすることによって、これら電極４および５を保護する必要がある。この場合、犠牲層１１を除去した後、フォトレジストなどを除去する必要がある。フォトレジストの除去にあたっては、一般的に行なわれている有機溶剤によるウェット除去を適用したり、酸素プラズマによるドライ除去を適用したり、これらを組み合わせて適用したりすることができる。他方、上下電極４および５に、Ａｕ、Ｐｔ、Ｐｄなどのように、酸に腐蝕されない材料を用いた場合には、上記のようなフォトレジストによる保護およびその除去工程は必要ではない。
【００６４】
以上のようにして、図１に示した圧電装置１が得られる。
【００６５】
図４は、この発明の第２の実施形態による圧電装置１ａを示す断面図であり、図１に相当する図である。図４において、図１に示した要素に相当する要素には同様の参照符号を付し、重複する説明は省略する。
【００６６】
図４に示した圧電装置１ａは、図１に示した圧電装置１と比較して、バッファ層６の形成領域が異なっている。すなわち、バッファ層６は、空隙７の周囲領域において、下電極５に接触するように形成されている。その結果、バッファ層６の、基板２側とは反対側に、図２に示すように、Ａｌ膜１０のような導体膜が配置され、基板２側とは反対側の面が導電性を有しているので、下電極５とバッファ層６とは互いに電気的に接続された状態となる。このような構造が採用されると、下電極５とバッファ層６との間で生じる浮遊容量を生じさせないようにすることができ、浮遊容量による共振特性の劣化を防止することができる。
【００６７】
図５は、この発明の第３の実施形態による圧電装置２１を示す断面図である。この圧電装置２１も、前述した圧電装置１および１ａと同様、厚み縦振動を利用するもので、共振子を構成している。なお、圧電装置２１は、ダイヤフラム型である。
【００６８】
圧電装置２１に備える各要素の材料および製造のために実施される各工程については、特に断らない限り、前述の第１の実施形態による圧電装置１の場合と同様である。
【００６９】
圧電装置２１は、Ｓｉからなる基板２２と、基板２２によって支持される、圧電薄膜２３ならびに圧電薄膜２３を厚み方向に挟んで対向するように形成される上電極２４および下電極２５とを備えている。
【００７０】
圧電装置２１は、さらに、バッファ層２６を備えている。バッファ層２６は、基板２２と下電極２５との間に形成される。この実施形態では、下電極２５は、空隙を介することなく、バッファ層２６に接するように形成される。バッファ層２６は、図２に示すような多層構造を有しているが、少なくとも、バッファ層２６の、基板２２側の面は、エピタキシャルＣｕ膜によって与えられる。
【００７１】
圧電装置２１は、また、前述したように、ダイヤフラム型であるので、基板２２には、バッファ層２６の、基板２２側の面の少なくとも一部を露出させるキャビティ２７が形成されている。
【００７２】
以上のような圧電装置２１において、少なくとも下電極２５および圧電薄膜２３がエピタキシャル膜から構成され、好ましくは、上電極２４についても、エピタキシャル膜から構成される。
【００７３】
圧電装置２１における下電極２５は、詳細には図示しないが、バッファ層２６上に形成されるＴｉ膜とこのＴｉ膜上に形成される導体膜とを備える積層構造を有していてもよい。この場合、導体膜は、Ａｌ、Ｐｔ、Ａｕ、Ｐｄ、Ａｇ、Ｒｈ、γ‐Ｍｎ、Ｉｒ、α‐Ｓｎ、Ｃｕ、γ‐ＦｅおよびＮｉから選ばれる１種を含むことが好ましい。
【００７４】
次に、図６を参照しながら、圧電装置２１の製造方法について説明する。図６には、圧電装置２１を製造する途中の段階で得られる構造物を示す、図５に相当する図である。図６において、図５に示した要素に相当する要素には同様の参照符号を付し、重複する説明は省略する。
【００７５】
圧電装置２１を製造するため、まず、Ｓｉからなる基板２２が用意される。次に、基板２２の一部上に、バッファ層２６が形成される。次に、バッファ層２６の少なくとも一部を覆うように、基板２２上に下電極２５が形成される。次に、バッファ層２６の上方の位置において下電極２５を覆うように、基板２２上に圧電薄膜２３が形成される。次に、圧電薄膜２３を介して下電極２５と対向するように、圧電薄膜２３上に上電極２４が形成される。そして、基板２２の、バッファ層２６が形成された部分、すなわち振動部に対応する部分に、たとえば反応性イオンエッチングにより、キャビティ２７が形成され、それによって、ダイヤフラム型の圧電装置２１が得られる。
【００７６】
なお、上記のキャビティ２７を形成する工程において、基板２２の一部のみではなく、バッファ層２６の少なくとも一部が除去されてもよい。
【００７７】
次に、この発明による効果を確認するために実施した実験例について説明する。
【００７８】
（実験例１）
Ｓｉ（１００）基板を用意し、これをＢＨＦ溶液中に浸漬し、表面のＳｉＯ２酸化膜を除去し、さらに、最表面のダングリングボンドを水素原子で終端させた。
【００７９】
次に、上記の処理済の基板をマルチソース対応のるつぼを有する電子ビーム蒸着装置内にセッティングし、高真空ポンプにより１０−５Ｐａ台の圧力になるまで真空引きを行なった。
【００８０】
次いで、上記の状態で、バッファ層となるＣｕ膜を２００ｎｍの厚さに形成し、次いで、電子ビームの照射によって高温となったるつぼを冷やすために１５分間程度放置した後、るつぼを回転させ、真空を保ったまま、下電極の下地膜としてのＴｉ膜を１００ｎｍの厚さに、次いで、下電極の主要部となるＡｌ膜を２００ｎｍの厚さにそれぞれ形成した。このとき、均一の膜厚分布が得られるように、基板を自公転させた。また、るつぼの上方にシャッタが設けられており、これらＣｕ膜、Ｔｉ膜およびＡｌ膜の各々の膜厚は、シャッタの開閉および成膜時間の調整によって制御した。また、Ｃｕ膜、Ｔｉ膜およびＡｌ膜のいずれについても、成膜温度としては常温を適用し、加熱を行なわなかった。
【００８１】
このようにして作製したバッファ層の結晶性をＸ線回折によって分析した。その結果、Ｃｕ（１１１）入射のＸＲＤ極点図測定では、図７に示すように、基板法線方向を対称中心とする４回対称スポットが検出され、エピタキシャル成長していることがわかった。また、Ｔｉ（１０２）入射の極点図測定では、図８に示すように１２回対称スポットが検出され、Ａｌ（１１１）入射の極点図測定では、図９に示すように、１２回対称スポットが検出された。これらのことから、Ｔｉ膜およびＡｌ膜についても、エピタキシャル成長が確認された。
【００８２】
次に、上記のように、バッファ層としてのエピタキシャルＣｕ膜ならびに下電極としてのエピタキシャルＴｉ膜およびエピタキシャルＡｌ膜が形成された基板を、スパッタリングチャンバにセッティングし、１０−５Ｐａ台の圧力になるまで真空引きを行なった後、Ａｒ／Ｏ２混合ガスを導入し、圧電薄膜としてのＺｎＯ膜を形成した。このとき、基板温度は約２００℃であり、形成されたＺｎＯ膜の厚さは約１μｍであった。
【００８３】
この段階でＸ線回折による結晶性分析を行なったところ、Ｃｕ（１１１）、Ｔｉ（１０２）およびＡｌ（２００）の各入射極点図は、それぞれ、図１０、図１１および図１２に示すような結果が得られた。また、ＺｎＯ（１０２）極点図については、図１３に示すように、１２回対称スポットが検出され、ＺｎＯ膜がエピタキシャル成長した３軸配向膜であることが確認された。
【００８４】
なお、図１０を参照すると、Ｃｕピークは消失している。これは、ＺｎＯ高温成膜に際して、ＣｕとＳｉとの間で相互拡散が生じ、アモルファスＣｕシリサイドが生成したためであると考えられる。しかし、図１１および図１２に示すように、Ｔｉ膜およびＡｌ膜からは回折スポットが検出されており、さらに、ＺｎＯ（１０２）極点図は、図１３に示すように、１２回対称スポットが検出され、前述したように、ＺｎＯ膜は、エピタキシャル成長した３軸配向膜であることがわかった。したがって、圧電薄膜のエピタキシャル化に最も重要な界面を形成するＡｌ膜の高配向性が失われていないことが、ＺｎＯ膜のエピタキシャル成長を可能にしたと考えられる。
【００８５】
その後、上述のようにして得られた試料に対して、上電極形成工程を実施して、ＺｎＯを圧電薄膜としたＢＡＷフィルタを作製したところ、圧電薄膜が１軸配向膜である従来のものに比べて、電気機械結合係数Ｋ２が０．６％向上した。
【００８６】
（実験例２）
実験例１における圧電薄膜としてのＺｎＯ膜形成工程に代えて、次のようなＡｌＮ膜形成工程を実施したことを除いて、実験例１の場合と同様の工程を経て、試料となるＢＡＷフィルタを作製した。
【００８７】
ＡｌＮ膜形成のためのスパッタリング工程において、基板温度を約２５０℃とし、到達真空度を１０−５Ｐａ台とした後、スパッタリングガスとしてのＡｒ／Ｎ２混合ガスを導入し、膜厚が約１μｍのＡｌＮ膜を形成した。
【００８８】
このＡｌＮ膜の結晶性をＸ線回折で分析したところ、ＡｌＮ（１０２）極点図は、図１３に示したものと同様、１２回対称スポットを示し、ＺｎＯ膜の場合と同じ方位関係のエピタキシャル膜が成長していることがわかった。
【００８９】
また、ＡｌＮ膜の表面モフォロジーを、原子間力顕微鏡を用いて測定したところ、ＡｌＮ膜が１軸配向膜である場合がＲａ＝２．０ｎｍ程度であったのに対し、この実験例２において得られたエピタキシャルＡｌＮ膜の場合にはＲａ＝１．５ｎｍであり、平坦性について改善されていることがわかった。
【００９０】
さらに、共振子およびフィルタとしての特性を評価したところ、ＡｌＮ膜が１軸配向膜である場合に比べて、伝搬損失が大幅に低減された。
【００９１】
（実験例３）
実験例１における電極材料として用いたＡｌに代えて、ＡｕおよびＰｔをそれぞれ用い、ＡｕおよびＰｔのいずれの場合についても、圧電薄膜としてＺｎＯ膜およびＡｌＮ膜をそれぞれ形成し、実験例１の場合と同様の工程を経て、各試料となるＢＡＷフィルタを作製した。
【００９２】
その結果、Ａｕ（１１１）入射の極点図およびＰｔ（１１１）入射の極点図では、いずれも、Ａｌの場合と同様の１２回対称スポットが検出され、Ａｌと同様の結晶方位関係を満たしたエピタキシャル膜であることが確認された。また、圧電薄膜としてのＺｎＯ膜およびＡｌＮ膜についても、１２回対称スポットが検出され、エピタキシャル成長していることが確認された。
【図面の簡単な説明】
【００９３】
【図１】この発明の第１の実施形態による圧電装置１を示す断面図である。
【図２】図１に示したバッファ層６を拡大して示す断面図である。
【図３】図１に示した圧電装置１を製造する途中の段階で得られる構造物を示す断面図である。
【図４】この発明の第２の実施形態による圧電装置１ａを示す断面図である。
【図５】この発明の第３の実施形態による圧電装置２１を示す断面図である。
【図６】図５に示した圧電装置２１を製造する途中の段階で得られる構造物を示す断面図である。
【図７】実験例１において作製された試料のＺｎＯ膜形成前のＣｕ膜についてのＣｕ（１１１）入射のＸＲＤ極点図である。
【図８】実験例１において作製された試料のＺｎＯ膜形成前のＴｉ膜についてのＴｉ（１０２）入射のＸＲＤ極点図である。
【図９】実験例１において作製された試料のＺｎＯ膜形成前のＡｌ膜についてのＡｌ（１１１）入射のＸＲＤ極点図である。
【図１０】実験例１において作製された試料のＺｎＯ膜形成後のＣｕ膜についてのＣｕ（１１１）入射のＸＲＤ極点図である。
【図１１】実験例１において作製された試料のＺｎＯ膜形成後のＴｉ膜についてのＴｉ（１０２）入射のＸＲＤ極点図である。
【図１２】実験例１において作製されたＺｎＯ膜形成後のＡｌ膜についてのＡｌ（２００）入射のＸＲＤ極点図である。
【図１３】実験例１において作製された試料のＺｎＯ膜についてのＺｎＯ（１０２）入射のＸＲＤ極点図である。
【符号の説明】
【００９４】
１，１ａ，２１  圧電装置
２，２２  基板
３，２３  圧電薄膜
４，２４  上電極
５，２５  下電極
６，２６  バッファ層
７  空隙
８  エピタキシャルＣｕ膜
９  エピタキシャルＴｉ膜
１０  エピタキシャルＡｌ膜
１１  犠牲層
２７  キャビティ
【図１】
0004742764.tif 000002
【図２】
0004742764.tif 000003
【図３】
0004742764.tif 000004
【図４】
0004742764.tif 000005
【図５】
0004742764.tif 000006
【図６】
0004742764.tif 000007
【図７】
0004742764.tif 000008
【図８】
0004742764.tif 000009
【図９】
0004742764.tif 000010
【図１０】
0004742764.tif 000011
【図１１】
0004742764.tif 000012
【図１２】
0004742764.tif 000013
【図１３】
0004742764.tif 000014