(57)【要約】【課題】  薄膜共振体の下地の形状変化による共振周波数のシフトを従来よりも抑制する薄膜型バルク波素子を提供する。【解決手段】  薄膜型バルク波素子は、基板１１上に形成された薄膜共振体１２を備える。さらに、基板１１は、加工により線膨張係数が小さくされた難変形部位である非晶質膜１７を備えており、薄膜共振体１２は、非晶質膜１７において基板１１に接合されている。これにより、共振周波数のシフトを従来よりも抑制することができる。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に形成された薄膜共振体を備える薄膜型バルク波素子であって、
前記基板は、加工により線膨張係数が小さくされた難変形部位を備え、
前記薄膜共振体は、前記難変形部位において前記基板に接合されていること
を特徴とする薄膜型バルク波素子。
【請求項２】
前記難変形部位は、単結晶シリコンを非晶質シリコンとすることにより線膨張係数が小さくされていること
を特徴とする請求項１に記載の薄膜型バルク波素子。
【請求項３】
主面に凹部を有する基板と、当該凹部上に跨るように形成された薄膜共振体とを備える薄膜型バルク波素子の製造方法であって、
前記凹部が形成されていない基板主面における凹部形成予定部位以外の部位を、エッチングレートが前記凹部形成予定部位よりも遅い変質部とする変質部形成ステップと、
前記凹部形成予定部位の一部と、前記変質部の一部又は全部とを覆うように前記薄膜共振体を形成する薄膜共振体形成ステップと、
前記基板にエッチングを施して前記凹部形成予定部位に凹部を形成する凹部形成ステップと
を含むことを特徴とする薄膜型バルク波素子の製造方法。
【請求項４】
前記基板は、単結晶シリコンからなり、
前記変質部形成ステップは、
前記基板主面の前記凹部形成予定部位以外の部位にイオンを注入することにより前記変質部を形成すること
を特徴とする請求項３に記載の薄膜型バルク波素子の製造方法。
【請求項５】
前記変質部形成ステップにおいて注入されるイオンは、
金、炭素、チタン、プラチナのうちのいずれかのイオンであること
を特徴とする請求項４に記載の薄膜型バルク波素子の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、薄膜型バルク波素子に関し、特に、共振周波数のシフトを従来よりも抑制する技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から高周波共振器や高周波フィルタとして薄膜型バルク波素子の適用が提案されている。薄膜型バルク波素子は、圧電体薄膜が電気信号を弾性波に変換する性質を利用した素子であり、その原理や特徴の詳細は、非特許文献１に示されている。
図５は、従来の薄膜型バルク波素子の断面図である。
薄膜型バルク波素子は、主面に凹部１６を有する基板１１と、凹部１６上に跨るように形成された薄膜共振体１２により構成される。薄膜共振体１２は、下部電極１３、圧電体薄膜１４、上部電極１５からなる。この下部電極１３と上部電極１５との間に交流電圧が印加されると圧電体薄膜１４が厚み振動を起こす。ここで、交流電圧の周波数が、薄膜共振体１２の形状（特に、膜厚）に依存する厚み振動の共振周波数と一致すれば、薄膜共振体１２は共振する。このような原理を利用して、高周波共振器や高周波フィルタを実現することができる。
【０００３】
なお、薄膜型バルク波素子の性能を評価する要素としては、共振周波数の温度安定性がある。すなわち、素子の周囲温度の変化に対する共振周波数のシフト量がゼロに近いほどその性能が高いといえる。
上述のように、共振周波数は薄膜共振体１２の形状に依存するので、薄膜型バルク波素子の温度安定性を向上させるためには、薄膜共振体１２の温度変化に対する形状変化を抑えることが必要である。
【非特許文献１】弾性波素子技術ハンドブック  日本学術振興会弾性波素子技術第１５０委員会編  平成３年  オーム社  ２編３章１２５乃至１２８頁
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、近年の無線通信に利用されるＧＨｚ帯域における高周波共振器や高周波フィルタに薄膜型バルク波素子を適用しようとすると、薄膜共振体１２の膜厚は数μｍ程度と非常に薄くなる。これにより、共振周波数のシフトの要因に、基板１１からの影響が無視できなくなっている。これは、基板１１の温度変化に対する形状変化に伴い薄膜共振体１２が変形するためである。
そこで、本発明は、薄膜共振体１２の下地の形状変化による共振周波数のシフトを従来よりも抑制する薄膜型バルク波素子およびその製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明に係る薄膜型バルク波素子は、基板上に形成された薄膜共振体を備える薄膜型バルク波素子であって、前記基板は、加工により線膨張係数が小さくされた難変形部位を備え、前記薄膜共振体は、前記難変形部位において前記基板に接合されている。
【発明の効果】
【０００６】
上記構成によれば、基板の一部である難変形部位は、基板そのままの状態よりも温度変化に対する形状変化が小さくなる。したがって、薄膜型バルク波素子は、薄膜共振体の下地の形状変化を従来よりも抑制し、それに伴い共振周波数のシフトを抑制することができる。
また、前記難変形部位は、単結晶シリコンを非晶質シリコンとすることにより線膨張係数が小さくされていることとしてもよい。
【０００７】
単結晶シリコンと非晶質シリコンの各線膨張係数は、以下の通りである。
（１）−３０℃における線膨張係数
単結晶シリコン：約１．５×１０-6（Ｋ-1）
非晶質シリコン：約１．０×１０-6（Ｋ-1）
（２）１２０℃における線膨張係数
単結晶シリコン：約３．０×１０-6（Ｋ-1）
非晶質シリコン：約１．３×１０-6（Ｋ-1）
これによれば、−３０℃及び１２０℃のいずれの場合でも、非晶質シリコンは、単結晶シリコンよりも線膨張係数が小さい。また、これら以外の温度でも同様の傾向があると考えられる。
このように、非晶質シリコンは、単結晶シリコンよりも温度変化に対する形状変化が小さいので、形状変化に伴う薄膜共振体の共振周波数のシフトを抑制することができる。
【０００８】
本発明に係る製造方法は、主面に凹部を有する基板と、当該凹部上に跨るように形成された薄膜共振体とを備える薄膜型バルク波素子の製造方法であって、前記凹部が形成されていない基板主面における凹部形成予定部位以外の部位を、エッチングレートが前記凹部形成予定部位よりも遅い変質部とする変質部形成ステップと、前記凹部形成予定部位の一部と、前記変質部の一部又は全部とを覆うように前記薄膜共振体を形成する薄膜共振体形成ステップと、前記基板にエッチングを施して前記凹部形成予定部位に凹部を形成する凹部形成ステップとを含む。
薄膜型バルク波素子の性能を評価する要素は、共振周波数の温度安定性の他に、圧電係数がある。圧電係数は、電場の印加に対する圧電体薄膜のひずみの大きさを表し、その値が大きいほど薄膜型バルク波素子の性能がよいとされる。
上記構成によれば、当該製造方法は、基板主面の変質していない部位の上部に薄膜共振体を形成した後に、その変質していない部位をエッチングにより除去して凹部を形成する。このように、薄膜共振体は、基板の変質していない部位（即ち、基板本体）の上部に形成されるのでその結晶性が良くなり、それに伴い圧電係数が向上する。
【０００９】
また、前記基板は、単結晶シリコンからなり、前記変質部形成ステップは、前記基板主面の前記凹部形成予定部位以外の部位にイオンを注入することにより前記変質部を形成することとしてもよい。
上記構成によれば、変質部は、イオン注入により形成される。イオン注入をすれば、注入部位は、非晶質に変質することに伴い、その線膨張係数が小さくなる。
【００１０】
これにより、薄膜共振体の下地の形状変化を従来よりも抑制し、それに伴い共振周波数のシフトを抑制することができる薄膜型バルク波素子を製造することができる。
また、前記変質部形成ステップにおいて注入されるイオンは、金、炭素、チタン、プラチナのうちのいずれかのイオンであることとしてもよい。
上記に掲げるイオンは、単結晶シリコン基板に注入された場合に、注入部位のエッチングレートを遅くすることが知られている。したがって、イオン注入が施された変質部は、イオン注入が施されていない凹部形成予定部位に比べてエッチングレートが遅くなる。これにより、凹部形成ステップにおいて凹部形成予定部位が選択的にエッチングされるので、容易に凹部を形成することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
図１は、本発明に係る薄膜型バルク波素子の断面図である。
薄膜型バルク波素子は、薄膜共振体１２が非晶質膜１７を介して基板１１に接合された構造となっている。この点が従来の薄膜型バルク波素子（図５参照）と異なる。
基板１１は、(100）単結晶シリコンからなり、その厚みは約３００μｍである。
下部電極１３、上部電極１５は、いずれもモリブデンからなり、スパッタ法によりそれぞれ約２００ｎｍの厚みに成膜されている。
圧電体薄膜１４は、窒化アルミニウムからなり、その厚みは約１μｍである。なお、薄膜共振体１２の幅は約１００μｍである。
非晶質膜１７は、非晶質シリコンからなり、イオン注入により基板１１の表面から約２μｍの深さまで形成されている。非晶質シリコンは、単結晶シリコンに比べて線膨張係数が小さいことが知られている。線膨張係数の数値は、以下の通りである。
（１）−３０℃における線膨張係数
単結晶シリコン：約１．５×１０-6（Ｋ-1）
非晶質シリコン：約１．０×１０-6（Ｋ-1）
（２）１２０℃における線膨張係数
単結晶シリコン：約３．０×１０-6（Ｋ-1）
非晶質シリコン：約１．３×１０-6（Ｋ-1）
これによれば、−３０℃及び１２０℃のいずれの場合でも、非晶質シリコンは、単結晶シリコンよりも線膨張係数が小さい。また、これら以外の温度でも同様の傾向があると考えられる。
このように、非晶質シリコンは、単結晶シリコンよりも温度変化に対する形状変化が小さいので、形状変化に伴う薄膜共振体の共振周波数のシフトを抑制することができる。具体的には、従来の薄膜型バルク波素子では、共振周波数の温度係数が約３０ｐｐｍ／℃であるところ、上記構成の薄膜型バルク波素子では、９ｐｐｍ／℃となり、優れた温度安定性を示すことを確認した。
以下に、図２、図３および図４を用いて、上述の薄膜型バルク波素子の製造方法について説明する。
【００１２】
図２は、本発明に係る薄膜型バルク波素子の非晶質膜１７の形成過程を示す図である。
図２（ａ）は、薄膜型バルク波素子の上面図である。基板主面において凹部形成予定部位にはマスク２４が堆積されている。
図２（ｂ）は、薄膜型バルク波素子のＡ−Ａ断面における断面図である。基板主面の垂直方向から基板１１にイオン２５が打ち込まれる。これにより、基板１１のマスク２４による保護部位以外の部位にイオンが注入されて非晶質膜１７が形成される。ここでは、約３ＭｅＶの金イオンを１００Ｋにおいて約１×１０17ｃｍ-2注入するものとする。
この後、マスク２４が除去されて、薄膜共振体１２の形成過程へと進む。
【００１３】
図３は、本発明に係る薄膜型バルク波素子の薄膜共振体１２の形成過程を示す図である。
図３（ａ）は、薄膜型バルク波素子の上面図である。マスク２４が除去されたマスク除去部分２６の一部と非晶質膜１７の一部とを覆うように薄膜共振体１２が形成される。
図３（ｂ）は、薄膜型バルク波素子のＢ−Ｂ断面における断面図である。マスク除去部分２６は、基板１１本体の単結晶シリコンが基板主面に露出している。その上を覆うように薄膜共振体１２が成膜されている。したがって、圧電体薄膜１４の結晶性が良好となり、それに伴い圧電係数を向上させることができる。圧電係数は、電場の印加に対する圧電体薄膜１４のひずみの大きさを表し、その値が大きいほど薄膜型バルク波素子の性能がよいとされる。
【００１４】
次に、凹部１６の形成過程へと進む。
図４は、本発明に係る薄膜型バルク波素子の凹部１６の形成過程を示す図である。
図４（ａ）は、薄膜型バルク波素子の上面図である。凹部１６を形成するには、基板１１を水酸化カリウム（KOH）や水酸化テトラメチルアンモニウム（TMAH）により異方性エッチングを施す。ここでは、KOHは２０〜５０パーセント濃度、TMAHは１０〜２５パーセント濃度のものを用いる。
【００１５】
図４（ｂ）は、薄膜型バルク波素子のＣ−Ｃ断面における断面図である。単結晶シリコンは、金イオンが注入されることにより、エッチングレートが遅くなることが知られている。つまり、非晶質膜１７は、マスク除去部分２６に比べてエッチングレートが遅くなる。これにより、マスク除去部分２６が選択的にエッチングされるので凹部１６が容易に形成される。
【００１６】
上述の製造方法により、図１に示す薄膜型バルク波素子を製造することができる。
なお、当該製造方法は、従来の製造方法よりも圧電係数が良好な薄膜型バルク波素子を製造することができる。この点について従来の製造方法と比較して説明する。
図６は、従来の薄膜型バルク波素子の製造工程を示す図である。
まず、図６（ａ）に示すように、基板１１にマスク２１をかけて異方性エッチングにより凹部１６を形成する。次に、図６（ｂ）に示すように、凹部１６にリン酸シリケートガラス（PSG）の犠牲層２３を堆積した後、基板１１表面を研磨により平坦化する。その後、図６（ｃ）に示すように、犠牲層２３上部に薄膜共振体１２を形成する。最後に、図６（ｄ）に示すように、フッ酸（HF+H2O）により犠牲層２３をエッチングすることにより凹部１６を形成する。これにより、薄膜型バルク波素子が製造される。
従来の製造方法では、図６（ｃ）に示すように、薄膜共振体１２は犠牲層２３であるPSGの上面に成膜される。
一方、本発明の製造方法では、図３に示すように、薄膜共振体１２は単結晶シリコンが露出したマスク除去部分２６の上面に成膜される。
一般的に、圧電係数は、圧電体薄膜１４の結晶性に依存し、圧電体薄膜１４の結晶性は、その成膜時の下地の結晶性に依存している。単結晶シリコンは、PSGよりも結晶性が優れているため、本発明の製造方法は、従来の製造方法よりも圧電係数が良好な薄膜型バルク波素子を製造することができる。
（変形例）
なお、実施の形態では、薄膜共振体１２の下地を非晶質膜１７とすることにより共振周波数のシフトを抑制しているが、これに限らない。基板１１のうちの薄膜共振体１２が接合している部位が、それ以外の部位よりも線膨張係数が小さければよい。
【００１７】
なお、実施の形態では、製造上の便宜から基板１１の一部を非晶質膜１７としているが、これに限らない。例えば、基板１１の上面に非晶質膜１７を積層して、その上に薄膜共振体１２を形成する形態でもかまわない。
なお、実施の形態では、凹部形成予定部位以外の部位を、イオン注入によりエッチングレートを遅くしているが、これに限らず、他の方法によりエッチングレートを遅くしてもよい。
【００１８】
なお、実施の形態では、単結晶シリコン基板のエッチングレートを遅くするイオンとして金イオンを利用しているが、これに限らない。例えば、同様の効果を奏するイオンとして、炭素、チタン、プラチナなどが知られているので、これらを利用してもよい。
なお、実施の形態では、凹部１６を形成するにあたり、基板１１の表面（薄膜共振体１２が形成されている面）からエッチングを施しているが、これに限らず、基板１１の裏面からマスク除去部分２６に向けてエッチングを施す形態でもかまわない。この場合には、図３（ａ）において、マスク除去部分２６の一部ではなく全部を覆うように薄膜共振体１２を形成してもよい。
【産業上の利用可能性】
【００１９】
本発明は、無線通信端末における高周波帯域のバンドパスフィルタなどに利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明に係る薄膜型バルク波素子の断面図である。
【図２】本発明に係る薄膜型バルク波素子の非晶質膜１７の形成過程を示す図である。
【図３】本発明に係る薄膜型バルク波素子の薄膜共振体１２の形成過程を示す図である。
【図４】本発明に係る薄膜型バルク波素子の凹部１６の形成過程を示す図である。
【図５】従来の薄膜型バルク波素子の断面図である。
【図６】従来の薄膜型バルク波素子の製造工程を示す図である。
【符号の説明】
【００２１】
１１    基板
１２    薄膜共振体
１３    下部電極
１４    圧電体薄膜
１５    上部電極
１６    凹部
１７    非晶質膜
２４    マスク
２５    イオン
２６    マスク除去部分 
【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】
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