(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
基体と、該基体表面に形成された窒化珪素からなる支持膜と、該支持膜の前記基体と反対の面に設けられ、圧電体を一対の電極で挟持した振動体とを具備する圧電共振子において、前記支持膜の基体側表面の前記振動体に対向した部分に窒化珪素からなる保護膜を設けるとともに、前記支持膜および前記保護膜の赤外吸収分析によるスペクトルにおけるＳｉ−Ｎ結合のピークに対するＳｉ−Ｈ結合のピークの強度比が、前記保護膜で０．０３以上、前記支持膜で０．０２以下であることを特徴とする圧電共振子。
【請求項２】
前記基体が振動空間を有し、該振動空間を被覆するように前記基体表面に前記保護膜が形成されていることを特徴とする請求項１記載の圧電共振子。
【請求項３】
前記支持膜のヤング率が３００ＧＰａ以上であることを特徴とする請求項１または２記載の圧電共振子。
【請求項４】
前記保護膜の膜厚が５０〜１５０ｎｍ、前記支持膜の膜厚が０．３〜３μｍであることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の圧電共振子。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、圧電共振子に関し、例えば無線ＬＡＮ等、携帯端末、またはＩＣカードなどに用いられる圧電共振子、特に圧電体の厚み縦振動の共振を利用した薄膜圧電共振子に関するものである。
【０００２】
【従来技術】
近年、無線通信や電気回路に用いられる周波数の高周波数化がますます進んでおり、これに伴って、これらの電気信号に対して用いられるフィルタも高周波数に対応したものが要求され、開発が行われている。
【０００３】
最近は、特に、バルク・アコースティック・ウェーブ・レゾネーター（ＢＡＷＲ）と呼ばれる共振子とそれを用いたフィルタの開発が進められている。これは、入力される高周波電気信号に対して、圧電薄膜が振動を起こし、その振動が、薄膜の厚さ方向に共振を起こすことを用いた共振子であり、ＧＨｚ領域の高い共振周波数を持つレゾネーターなどへの応用が期待されるとともに、この共振子を複数並べることにより、ＧＨｚ領域の高い共振周波数に対応したフィルタが期待されている。
【０００４】
ＢＡＷＲの基本的な構造は、図４に示すように、基体２１と、基体２１表面上に形成された支持膜２２と、支持膜２２上に形成された中間層２３と、中間層２３上に形成された第１電極２４と、第1電極２４上に形成された圧電体２５と、圧電体２５上に形成された２つの第２電極２６とからなるもので、例えば特開平１０−２０９７９３号公報に開示されており、基体２１はＳｉ、支持膜２２はＳｉＯ2、中間層２３はＴｉ、第１電極２４はＰｔ、圧電体２５はＰＺＴが用いられている。
【０００５】
支持膜２２は、基体２１に形成された振動空間Ａを被覆するように、基体２１上面に支持膜２２を形成することにより、支持膜２２の空間Ａに接する部分が振動することになる。したがって、空間Ａに接する支持膜２２と、その表面に形成された中間層２３、第１電極２４、圧電体２５、および第２電極２６が一体となって振動するので、これらの層を支える支持膜２２は高い強度が要求される。
【０００６】
特に、ＧＨｚ帯の高周波領域での使用を考えると、支持膜は薄く、音速の大きな材料からなることが望まれ、支持膜に窒化珪素を形成した圧電共振子が特開昭６０−６８７１１号公報に提案されている。その構造は、図５に示すように、基体３１と、基体３１表面上に形成された支持膜３２と、支持膜３２上に形成された第１電極３４と、第1電極３４上に形成された圧電体３５と、圧電体３５上に形成された２つの第２電極３６と、該第２電極３６上に形成された保護膜３７で構成されている。
【０００７】
なお、支持膜３２は、基体３１に形成された空間Ａを被覆するように、基体３１上面に支持膜３２を形成することにより、支持膜３２の振動空間Ａに接する部分が振動することになる。また、基体３１はＳｉ、支持膜３２はＳｉ3Ｎ4、第１電極３４はＣｒ−ＡｕまたはＴｉ−Ａｕ、圧電体３５はＺｎＯ、ＡｌＮまたはＣｄＳが用いられている。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、特開昭６０−６８７１１号公報に開示されている窒化珪素薄膜は、ＣＶＤ法により形成されるが、窒化珪素膜中に水素が含まれており、特に、半導体などのデバイス製造工程で多用される窒化珪素には多量の水素が含まれることが知られている。このような窒化珪素膜は、硬度が低いため、共振周波数の高周波化に対応できないという問題があった。
【０００９】
また、スパッタ法による窒化珪素膜を用いると、窒化珪素の強度が低く、膜厚を小さくすることが困難なため、振動空間に接する部位が破壊しやすいと言う問題があった。
【００１０】
これに対して、水素を含まない窒化珪素膜は、例えば電子サイクロトロン共鳴を用いたＥＣＲスパッタ法を用いて作製でき、高硬度でＧＨｚオーダーの高周波に対応できる。しかしながら、濃アルカリ溶液を用いた基体３１の加工時に、濃アルカリ溶液が、支持膜３２の窒化珪素結晶粒子間に浸透し、基体３１と支持膜３２との界面に達して基体３１のＳｉを溶解し、支持膜の剥離が生じたり、基体が全て溶解する不良が発生するため、製造歩留まりが低いという問題があった。
【００１１】
すなわち、高周波に対応でき、安定して製造できる圧電共振子を同時に実現することは困難であった。したがって、本発明は、製品の不良が少なく、信頼性が高く、高周波に対応した圧電共振子を提供する。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明の圧電共振子は、基体と、該基体表面に形成された窒化珪素からなる支持膜と、該支持膜の前記基体と反対の面に設けられ、圧電体を一対の電極で挟持した振動体とを具備する圧電共振子において、前記支持膜の基体側表面の前記振動体に対向した部分に窒化珪素からなる保護膜を設けるとともに、前記支持膜および前記保護膜の赤外吸収分析によるスペクトルにおけるＳｉ−Ｎ結合のピークに対するＳｉ−Ｈ結合のピークの強度比が、前記保護膜で０．０３以上、前記支持膜で０．０２以下であることを特徴とするものである。
【００１３】
この構成にすることにより、不良を低減して歩留まりを向上するとともに、機械特性に優れる窒化珪素からなる支持膜によりＧＨｚオーダーの高周波化に対応でき、破壊しにくい信頼性の高い圧電共振子を実現できる。
【００１４】
特に、基体が振動空間を有し、該振動空間を被覆するように前記基体表面に前記保護膜が形成されていることが好ましい。これにより、薄膜圧電共振子の作製が容易になり、歩留まりをさらに向上できる。
【００１５】
また、前記支持膜のヤング率が３００ＧＰａ以上であることが好ましい。これにより、支持膜の音速が１００００ｍ／ｓ以上となり、圧電体や電極、支持膜の伝播を考えても、１ＧＨｚ以上の共振周波数を達成することが可能になる。
【００１６】
さらに、前記保護膜の膜厚が５０〜１５０ｎｍ、前記支持膜の膜厚が０．３〜３μｍであることが好ましい。この膜厚に設定することにより、破壊に対する支持膜の強度をより高く、かつ共振周波数をより高くすることができる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
本発明の圧電共振子は、基体と、基体表面に形成された窒化珪素からなる支持膜と、該支持膜の前記基体と反対の面に設けられ、圧電体を一対の電極で挟持した振動体とを具備する圧電共振子において、前記支持膜の基体側表面に窒化珪素からなる保護膜を設けるとともに、前記支持膜および前記保護膜における赤外吸収分析によるスペクトルにおけるＳｉ−Ｎ結合のピークに対するＳｉ−Ｈ結合のピークの強度比が、前記保護膜で０．０３以上、前記支持膜で０．０２以下であることを特徴とするものである。
【００１８】
本発明の圧電共振子は、例えば図１に示すように、基体１と、基体１上に設けられた保護膜２と、保護膜２上に設けられた支持膜３と、支持膜３上に設けられた第１電極４と、第１電極４上に設けられた圧電体５と、圧電体５上に設けられた第２電極６とを具備しており、圧電体５は、第１電極４と第２電極６とで挟持され、振動体７を形成する。
【００１９】
保護膜２は、例えば図１のように振動空間Ａを形成する基体１の上に振動空間Ａを被覆するように形成されている。この振動空間Ａを形成することは他の構造に比べて製造上容易となるため、共振周波数の高周波化を図る方法として、振動空間Ａを設けることが好ましい。
【００２０】
保護膜２は、緻密で含水性の低い窒化珪素膜であることが重要であり、このような窒化珪素膜は、赤外吸収分析によるスペクトルにおけるＳｉ−Ｎ結合のピークに対するＳｉ−Ｈ結合のピークの強度比（以後、ＩSi-H／ＩSi-Nという）が、０．０３以上である。これによって製造工程における薬液などによる基体表面の腐食を保護することができる。
【００２１】
例えば、支持膜３が含水性を有し、エッチング時に濃アルカリ溶液が支持膜３の窒化珪素結晶粒子の間隙を浸透して保護膜２に達しても、保護膜２は含水性が低く、水溶液を浸透させないため、基体１表面がエッチングされることがなくなり、その結果不良率が低下し、歩留まりを向上できる。
【００２２】
図２は、本発明の圧電共振子の保護膜２の赤外吸光スペクトルの一例である。
６００〜１２００ｃｍ-1にかけてＳｉ−Ｎ結合に起因する大きなピークが見られ、２３００ｃｍ-1付近にＳｉ−Ｈ結合に起因する小さなピークが見られる。これらのピークの強度は、それぞれバックグランドを結ぶ直線を引き、その直線上から横軸に垂直に線を引いて最大点Ｈを通る直線を引き、その交点を原点Ｏとする。そして、ピーク強度Ｐは、原点Ｏから最大点Ｈまでの高さとする。このような測定の結果、図２の場合、ピーク強度比ＩSi-H／ＩSi-Nは、０．１０１である。
【００２３】
また、保護膜２の膜厚を５０〜１５０ｎｍ、特に８０〜１２０ｎｍであることが好ましい。保護膜の膜厚を上記の範囲に設定することにより、共振周波数を高く保ち、かつ基体１表面を薬液などから十分保護することができる。
【００２４】
このような保護膜２は、一例として低圧ＣＶＤ法（以下、ＬＰＣＶＤという）で作製することができる。例えば、真空容器内に設置した基板を昇温して９００℃にするとともに、シランガス（ＣＨ4）とアンモニアガス（ＮＨ3）を導入して窒化珪素膜を作製できる。また、プラズマＣＶＤ法や高周波スパッタ法などの方法によっても作製できる。
【００２５】
一方、支持膜３を構成する窒化珪素は、水素を含有しているとヤング率が低下し、共振周波数が低下するため、赤外吸光分析において、例えば２３００ｃｍ-1付近のＳｉ−Ｈ結合に由来する吸収がないことが好ましい。しかし、赤外吸光分析の測定時に、試料表面に水分が吸着するとＳｉ−Ｈを検出してしまうため、Ｓｉ−Ｈ結合のピークは、実質上、吸着水分に相当するピーク強度以下であることが好ましい。
【００２６】
したがって、支持膜３は、赤外吸収スペクトルにおけるピークの強度比ＩSi-H／ＩSi-Nが、０．０２以下であることが重要である。特に、０．０１５以下、さらには０．０１以下であることが好ましい。
【００２７】
このような支持膜３は、高硬度、高強度となるため、ＧＨｚオーダーの高周波数に対応することができる。また、支持膜３が、振動空間に接し、基体によって支持されない部位を有していても、支持膜３の強度が自立するために十分であり、剥離や破壊を防ぐことができる。さらに、残留応力を小さく抑えることが可能である。
【００２８】
なお、前記の赤外吸収分析を行う時には、例えば湿度３０％などの低湿度の環境で測定を行うことが好ましい。
【００２９】
図３は、本発明の圧電共振子の支持膜３の赤外吸光スペクトルの一例である。
６００〜１２００ｃｍ-1にかけてＳｉ−Ｎ結合に起因する大きなピークが見られ、２３００ｃｍ-1付近にＳｉ−Ｈ結合に起因する小さなピークが見られる。図２と同様のバックグランド処理を行って、ピーク強度比を算出し、ＩSi-H／ＩSi-Nは、０．０１５である。
【００３０】
また、支持膜３のヤング率は、３００ＧＰａ以上であることが好ましい。さらに、支持膜３の膜厚を０．３〜３μｍ、特に０．５〜２μｍ、さらには０．７〜１．５μｍであることが好ましい。支持膜３のヤング率または膜厚を上記の範囲に設定することにより、厚み縦振動を利用した圧電共振子において、ＧＨｚオーダーの共振周波数を容易に達成することができる。
【００３１】
この支持膜３は、例えばＥＣＲスパッタ法によって作製することができる。この成膜方法では、真空容器にＮ2ガスを導入し、マイクロ波によりＮ2ガスを活性化し、基体１上での珪素との反応を促進させることで、未反応の珪素を低減させするとともに、生成した膜の組成比を化学量論組成に近づけることができる。また、支持膜３に含まれるダングリングボンドを少なくすることにより、残留応力の低減を実現できる。さらに、窒素プラズマによるアニール効果により、応力の低減と結晶化の促進がなされ、硬度を高めることができる。
【００３２】
第１電極４は、導電性を考慮するとＡｌ、ＰｔまたはＡｕなどの金属が好ましい。また、圧電体５がＰｂを含む材料の場合、反応性の低いＰｔまたはＡｕが望ましい。また、第１電極４の膜厚は、十分な導電性を確保し、かつ共振子のQ値と共振周波数を高く維持するために、１００〜３００ｎｍ、特に１２０〜２００ｎｍであることが望ましい。
【００３３】
なお、第１電極４は、密着性を高めるために、支持膜３との間に密着層を挿入しても何ら差し支えない。
【００３４】
この第１電極４は、ＲＦマグネトロンスパッタ法、ＤＣスパッタ法、真空蒸着法等気相成長法により形成される。
【００３５】
圧電体５は、特に制限されるものではなく、ＺｎＯ、ＡｌＮ、ＣｄＳ等が用いることができるが、小型化と信頼性を考慮すると、圧電性の大きい強誘電体からなることが好ましい。強誘電体としては、例えば、ＰｂＺｒＴｉＯ3系、ＰｂＴｉＯ3系などのペロブスカイト構造を持つ酸化物、ＫＳｒ2Ｎｂ5Ｏ15等のタングステンブロンズ構造を持つ酸化物などがあり、これらを用いればよい。
【００３６】
これらの強誘電体などからなる圧電体５は、例えば高周波マグネトロンスパッタ法等の気相成膜法やゾルゲル法等の溶液法で形成できる。その膜厚は、３μｍ以下、特に２μｍ以下、さらには１μｍ以下が望ましい。すなわち、厚み縦振動を用いるＢＡＷＲにおいては、使用周波数である共振周波数が膜厚に逆比例するため、１ＧＨｚ以上の周波数に対応するために、上記の膜厚が好ましい。
【００３７】
また、共振周波数を大きくするためには圧電体５の膜厚を小さくすれば良いが、小さすぎると共振子のＱ値が小さくなる傾向があるため、圧電体５は、第１電極４の膜厚以上であることが好ましい。
【００３８】
第２電極６は、圧電体５形成後、最後に形成することができるため、材料および製造方法に特に制限をするものではないが、低抵抗の点でＡｌまたはＡｕが望ましい。特に、軽量性を考慮するとＡｌが最も好適である。
【００３９】
第２電極６は、高周波マグネトロンスパッタ法等の気相成膜法などにより形成できる。また、その厚みは周波数への影響を小さくし、導電性を確保するために、５０〜３００ｎｍの範囲とすることが望ましい。特に、電気抵抗と質量負荷効果を考慮すると、１００〜２００ｎｍが望ましい。
【００４０】
なお、圧電体５との密着性を向上するために、５〜５０ｎｍ、特に１０〜３０ｎｍの膜厚で、Ｔｉなどの薄膜を圧電体５と第２電極６との間に形成しても差し支えない。
【００４１】
基体１は、シリコンやサファイアなどであり、基体１表面に形成する圧電体５の表面が平滑になるために、十分な平坦度と表面粗さ、例えば５μｍ以下の平坦度とＲａ０．１μｍ以下の表面粗さを保有していれば、特に材料を限定するものではない。
【００４２】
また、基体１は、濃アルカリ溶液等を用いた化学的エッチング法や、反応性イオンエッチング法等を用いたエッチングにより、振動空間Ａが形成されている。
基体１の振動空間Ａとは、振動体７の振動を基体１に伝達しないための空間を言い、基体１に貫通孔を形成したり、基体１の支持膜２を形成する部分に凹状の窪みを形成したりすることにより作製される。
【００４３】
以上のように構成された本発明の圧電共振子では、基体１表面に窒化珪素からなり、ＩSi-H／ＩSi-Nが０．０３以上の保護膜２を設けると共に、支持膜３としてＩSi-H／ＩSi-Nが０．０２以下とすることにより、製品の不良を少なくできるとともに、信頼性が高く、高周波に対応した小型の圧電共振子の実現が可能となる。
前記支持膜および前記保護膜における赤外吸収分析によるスペクトルにおけるＳｉ−Ｎ結合のピークに対するＳｉ−Ｈ結合のピークの強度比が、前記保護膜で０．０３以上、前記支持膜で０．０２以下であること
【００４４】
【実施例】
まず、赤外吸光分析用試料とヤング率測定試料を作製した。いずれも基体１としてＳｉ（１００）ウエハ（以下、単にウエハという）を用いた。
【００４５】
まず、ウエハ上に、低圧ＣＶＤ法により保護膜２として使用する窒化珪素薄膜を形成した。シランガス（ＳｉＨ4）及びアンモニアガス（ＮＨ3）を原料として、２００ｍＰａの減圧下で基板温度を変えて作製した。基板温度を表１に示した。膜厚は１μｍであった。
【００４６】
また、ウエハ上に、ＥＣＲスパッタ法により、支持膜３として使用する窒化珪素薄膜を形成した。スパッタターゲットに珪素を用い、Ａｒガスと窒素ガスとを導入し、マイクロ波プラズマを生成するとともにＲＦスパッタを併用して窒化珪素膜を形成した。窒素ガス流量（N2流量）とマイクロ波出力を変えて作製した。
これらの条件を表１に示した。膜厚は１μｍであった。
【００４７】
得られた２種類の試料に関して、赤外吸収分析およびヤング率測定を行った。
【００４８】
赤外吸収分析は、ＦＴ−ＩＲにより４００〜４０００ｃｍ-1のスペクトルを得、８００ｃｍ-1付近のＳｉ−Ｎ結合に起因するピークと、２３００ｃｍ-1付近のＳｉ−Ｈ結合に起因するピークの大きさを測定した。そして、バックグランド処理を行い、それぞれのピーク強度から、赤外吸収スペクトルにおけるピークの強度比ＩSi-H／ＩSi-Nを算出した。
【００４９】
ヤング率は、微小表面材料特性評価システム（（株）アカシＭＺＴ−３型）を用い、荷重増加＋荷重減少の測定モードで、三角錐圧子（６２°）を使用して、最大荷重０．５ｇｆで試料中央部の硬度を微小押し込み硬度で測定し、得られた硬度からヤング率を算出した。
【００５０】
次に、図１に示す圧電共振子を作製した。まず、ウエハの両面に、低圧ＣＶＤ法により窒化珪素薄膜を形成し、保護膜２とした。シランガス（ＳｉＨ4）及びアンモニアガス（ＮＨ3）を原料として、２００ｍＰａの減圧下で基板温度を変えて作製した。保護膜２の厚みを表１に示した。
【００５１】
保護膜２上に、ＥＣＲスパッタ法により窒化珪素薄膜を形成し、支持膜３とした。スパッタターゲットに珪素を用い、Ａｒガスと窒素ガスとを導入し、マイクロ波プラズマを生成するとともにＲＦスパッタを併用して窒化珪素膜を形成した。窒素ガス流量（N2流量）とマイクロ波出力を変えて作製した。これらの条件を表１に示した。
【００５２】
さらに、支持膜３上にＲＦマグネトロンスパッタ法によりＰｔ膜を成膜し、第１電極４とした。膜厚は、２００ｎｍであった。次に、フォトリソグラフ法とシアン化カリウム溶液を用いた化学的エッチング法により、Ｐｔ電極のパターン加工を行った。
【００５３】
そして、圧電体５としてＰＺＴを作製した。室温、大気中でのスピンコート法（３０００ｒｐｍ、３０秒）により、組成比Ｐｂ：Ｚｒ：Ｔｉ＝１．１０：０．５３：０．４７で１Ｍ濃度の前駆体溶液を基板に塗布し、３６０℃で熱処理しゲル膜とした。溶液塗布乾燥・熱処理を６回繰返した後、６８０℃で１０分間焼成した。
【００５４】
さらに、フォトリソグラフ法と化学的エッチング法により、ＰＺＴ膜のパターン加工を行った。レジスト加工後、ふっ硝酸を用いて室温でエッチングした。
【００５５】
次に、リフトオフ法によりＡｌパターンを形成し、第２電極をとした。まず、ネガレジストパターンを形成した後、ＲＦスパッタ法によりＡｌを成膜した。膜厚は１００ｎｍであった。これをアセトン中に浸漬し、レジスト溶解により、Ａｌパターンを形成した。
【００５６】
最後に、ＫＯＨ溶液によりウエハのエッチング処理を行い、ビアホールを形成し、振動空間Ａを得た。エッチングにあたっては、支持膜の形成されていないウエハの裏面に生成した低圧ＣＶＤ窒化珪素薄膜を選択的に除去した後、エッチングを行った。すなわち、低圧ＣＶＤ窒化珪素薄膜のパターン形成にはフォトリソグラフ法を用い、ＣＦ4／Ｏ2混合ガスによるＲＩＥにより窒化珪素を除去した。
この時、作製した圧電共振子１００個中、ＫＯＨ溶液の浸透による不良を調べた。
【００５７】
また、得られた結果を表１に示した。
【００５８】
【表１】
0004557356.tif 000002
【００５９】
本発明の圧電共振子である試料Ｎｏ．１〜１２は、保護膜２のＩSi-H／ＩSi-Nが０．０３以上、支持膜３のＩSi-H／ＩSi-Nが０．０２以下でヤング率３００ＧＰａ以上、不良質が８％以下、共振周波数が１．２２ＧＨｚ以上とＧＨｚ帯の周波数を得た。
【００６０】
一方、保護膜２を形成しない図３に相当する本発明の範囲外の圧電共振子である試料Ｎｏ．１３は、不良率が９７％個、共振周波数が１．４８ＧＨｚであった。
【００６１】
また、保護膜２として用いた低圧ＣＶＤ法により作製した窒化珪素を支持膜３として用いた本発明の範囲外の圧電共振子である試料Ｎｏ．１４および１５は、厚みが１０００ｎｍ（１μｍ）では全数破壊し、３０００ｎｍ（３μｍ）では不良率が１１％であったが、共振周波数が０．９５ＧＨｚと小さかった。
【００６２】
【発明の効果】
本発明の圧電共振子は、基体と、該基体表面に形成された窒化珪素からなる支持膜と、該支持膜の前記基体と反対の面に設けられ、圧電体を一対の電極で挟持した振動体とを具備する圧電共振子において、前記支持膜の基体側表面の前記振動体に対向した部分に窒化珪素からなる保護膜を設けるとともに、前記支持膜および前記保護膜の赤外吸収分析によるスペクトルにおけるＳｉ−Ｎ結合のピークに対するＳｉ−Ｈ結合のピークの強度比が、前記保護膜で０．０３以上、前記支持膜で０．０２以下であることで、特性が向上し、製造工程において製品の不良を少なくし、信頼性が高く、高周波に対応した圧電共振子を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の圧電共振子の断面図である。
【図２】本発明の圧電共振子の保護膜の赤外吸光スペクトルである。
【図３】本発明の圧電共振子の支持膜の赤外吸光スペクトルである。
【図４】従来の圧電共振子の断面図である。
【図５】従来の他の圧電共振子の断面図である。
【符号の説明】
１・・・基体
２・・・保護膜
３・・・支持膜
４・・・第１電極
５・・・圧電体
６・・・第２電極
７・・・振動体
Ａ・・・振動空間
【図１】
0004557356.tif 000003
【図２】
0004557356.tif 000004
【図３】
0004557356.tif 000005
【図４】
0004557356.tif 000006
【図５】
0004557356.tif 000007