JP2006166419A - 圧電薄膜共振子及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 圧電薄膜共振子の特性を改善し耐電力性を向上するための製造手法を提供する
。
【解決手段】 圧電薄膜共振子の振動部と基板の間に形成される空隙層を形成するための
犠牲層をあらかじめプラズマ処理して端面部及び主平面の平坦性を高め、その上に形成さ
れる誘電体膜の平坦性及び被覆性を高めることにより、さらにその上に形成される電極の
結晶性を高め配線抵抗を低下させて特性を向上する。また誘電体膜の被覆性が向上したこ
とにより犠牲層エッチングの際に電極が同時に浸食されることを防止し耐電力性を向上さ
せる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、圧電薄膜共振子及びその製造方法に関する。

圧電薄膜共振子は、対向する一対の励振電極の間に圧電薄膜が配置された振動部を基板
から音響的に分離する必要がある。そのため、振動部（メンブレン）を、空隙層を介して
基板から部分的に浮き上がるように構成しなければならない。

この種の構造の圧電薄膜共振子において、振動部は、基板に支持される支持部分と、基
板から浮いた浮き部分とを含み、浮き部分は支持部分に支持され、浮き部分と支持部分の
境界近傍部分に応力が集中し易い構造となっている。

このような構造の圧電薄膜共振子が特許文献１に開示されている。ここに述べる圧電薄
膜共振子は移動体通信用の端末部品やブルートゥースの部品として用いられることが多い
。近年通信周波数高周波化により素子自体が非常に小型化してきている。周波数は振動部
の厚みをＴとすると、共振周波数＝圧電板の周波数定数／Ｔによって定まる。ここで圧電
板の周波数定数は圧電体の材料によって定まる定数である。例えば２ＧＨｚ帯に用いられ
る場合には、圧電膜の厚さは２μｍ、電極の厚みは０．１μｍ、空隙層の厚みは１μｍ程
度となる。

上述したように空隙層の厚みは非常に薄くなっており、この厚み部分に形成される電極
の仕上がり具合が特性に非常に大きな影響を及ぼす事が分かっている。
特公平６−４０６１１号公報

上述したように、圧電薄膜共振子は通信周波数の高周波化に伴い非常に小型化し、その
ため従来は大きな問題点として捉えられなかった点が新たな課題として浮かび上がってき
た。この点について以下に述べる。

空隙層の形成は、まず基板上に犠牲層を形成し前記基板表面と連続して犠牲層表面に圧
電薄膜共振子の主要部を形成し、然る後に犠牲層をエッチング等により除去することによ
り行われる。

犠牲層として酸化亜鉛等の結晶性の材料を用いた場合、犠牲層の端面部の平坦性は犠牲
層表面よりも悪くなるのが一般的であり、その表面粗さ（Ｒａ）は１０ｎｍ〜２０ｎｍと
なる。上述したように高周波化に伴い犠牲層の厚みが非常に薄くなるため、端面部の平坦
性が悪くなると以下のような不具合を生じる。
1.犠牲層上に形成される誘電体膜の平坦性も悪化し、さらにその上に形成される下部電極
の結晶性が劣化し配線抵抗が増加することにより共振特性が劣化する。
2.薄い誘電体膜で犠牲層を被覆するのが困難となる、一方被覆性を向上させるために誘電
体膜を厚くすると共振特性が劣化する。
3.誘電体膜の被覆が不十分であった場合、犠牲層と下部電極が接している領域ができる。
この場合、犠牲層除去時に下部電極が犠牲層を除去するための酸等により腐蝕する。電極
が腐蝕した場合共振特性が劣化する。
上記のような問題点は、通信周波数が高周波化しデバイスが小型化しそれに伴い空隙層が
非常に薄くなったことにより、より顕在化したものである。
そこでこの発明は、このような問題点を解決し共振特性及び耐電力性を改善することを目
的とする。

上記目的を達成するために請求項１に係る発明は、基板上に犠牲層を形成し、前記犠牲
層の端面部の表面粗さ（Ｒａ）が５ｎｍ以下となるようにプラズマ処理を実施し、前記基
板の表面と前記犠牲層の端面部及び主面を連続して帯状に設けられた誘電体膜と、前記誘
電体膜上の犠牲層上部の領域において圧電薄膜を挟んで一部が対向する下部電極と上部電
極とを備えた圧電薄膜領域を設け、前記犠牲層を除去して前記基板と前記誘電体膜の間に
空隙を形成したことを特徴とする圧電薄膜共振子の製造方法を提供する。

請求項２に係る発明は、前記犠牲層が結晶性化合物で構成されていることを特徴とする
、請求項１に記載の圧電薄膜共振子の製造方法である。

請求項３に係る発明は、前記犠牲層が酸化亜鉛で構成されていることを特徴とする、請
求項２に記載の圧電薄膜共振子の製造方法である。

請求項４に係る発明は、前記犠牲層が有機性ポリマーで構成されていることを特徴とす
る、請求項１に記載の圧電薄膜共振子の製造方法である。

請求項５に係る発明は、前記犠牲層がＧｅ、Ｓｂ、Ｔｉ、Ａｌ又は、Ｃｕで構成されて
いることを特徴とする、請求項１に記載の圧電薄膜共振子の製造方法である。

請求項６に係る発明は、前記プラズマ処理方法として、ＡｒまたはＨｅ等の不活性ガス
をＲＦ放電させて自己バイアスにより前記犠牲層をスパッタエッチングする方法を用いた
ことを特徴とする請求項１〜５の何れかに記載の圧電薄膜共振子の製造方法である。

請求項７に係る発明は、前記プラズマ処理に用いるガスとして、前記犠牲層を構成する
元素を含むガスを用いることを特徴とする請求項１〜５何れかに記載の圧電薄膜共振子の
製造方法である。

請求項８に係る発明は、前記犠牲層に酸化物を用い、前記プラズマ処理に用いるガスと
して酸素を用いることを特徴とする請求項７に記載の圧電薄膜共振子の製造方法である。

請求項９に係る発明は、犠牲層が形成される基板と、前記基板の表面と前記犠牲層の端
面部及び主面を連続して帯状に設けられた誘電体膜と、前記誘電体膜上の犠牲層上部の領
域において圧電薄膜を挟んで一部が対向する下部電極と上部電極とを備えた圧電薄膜領域
を設け、前記犠牲層を除去して前記基板と前記誘電体膜の間に形成される空隙とを備える
圧電薄膜共振子であって、前記犠牲層の端面部の表面粗（Ｒａ）さが５ｎｍ以下となるよ
うにプラズマ処理が施されていることを特徴とする圧電薄膜共振子を提供する。

この発明によれば、空隙を形成するための犠牲層の端面部が平坦化されているため、そ
の上に形成する誘電体薄膜の被覆性が向上する。この結果犠牲層エッチングの際に誘電体
薄膜の上に形成されている電極が同時にエッチングされることが無くなる。このために希
酸により腐蝕する電極材料を電極に用いることができるためデバイス自体を安価に作製で
きると同時に、希酸による電極の腐蝕が防止されるため電極の欠陥が生じなくなり良好な
共振子を作製できる。

上記作用と同様に圧電体に対する希酸による腐蝕も防止されるため良好な共振子を作製
できる。

この発明によれば、空隙を形成するための犠牲層の端面が平坦化されているため、その
上に形成する誘電体薄膜の平坦性も向上し誘電体薄膜上に形成される電極の結晶性が向上
し配線抵抗が低下することにより良好な共振子を作製できる。また同様に耐電力性に優れ
た共振子を得ることができる。

この発明によれば、空隙を形成するための犠牲層の端面の平坦化を行うことにより同時
に表面の平坦化も行われ、圧電膜の配向性が向上し良好な特性の共振子を得ることができ
る。

基板上に空隙層を形成するための犠牲層を形成し、その上に誘電体膜、下部電極、圧電
膜、上部電極を形成する。このような圧電共振子は以下のようにして作製される。

図１（ａ）〜（ｈ）にこの発明が示す圧電薄膜共振子の作製順序を断面図を用いてを示
す。同様に図２にこの発明が示す圧電薄膜共振子の完成図の斜視図を示す。
図１を参考にこの発明が示す圧電共振子の製造方法を順を追って説明する。

図１（ａ）は圧電共振子の最下層となる基板１を例示したものである。基板１は安価で
加工性に優れた基板を用いる。表面が平坦なＳｉやガラス基板等が適している。

図１（ｂ）は基板１上に犠牲層２を形成したものを例示したものである。基板１の上に
スパッタリング法やフォトエッチング法等の手法を用いて、空隙層７形成用の犠牲層２を
形成する。犠牲層２の材料は圧電薄膜５の成膜時に達する可能性のある高温に耐え、且つ
化学的に容易に除去できるものであればよく、代表的なものとして酸化亜鉛が適している
。その他の材料として例えば、Ｇｅ、Ｓｂ、Ｔｉ、Ａｌ、Ｃｕなどの金属やリン酸シリケ
ートガラス（ＰＳＧ）や有機性ポリマーを用いることができる。有機性ポリマーとしては
、ポリテトラフルオロエチレン又はその誘導体、ポリフェニレンスルファイド、ポリエー
テルエーテルケトン、ポリアミド、ポリアミドイミド、ポリイミド、ポリイミドシロキサ
ン、ビニルエーテル、ポリフェニル、パリレン−ｎ、パリレン−ｆ、ベンゾシクロブテン
等が好ましい。形成する犠牲層２の厚さは振動部８であるメンブレンがたわんでも振動部
８が基板１と接触しない厚さが必要で、作成上の容易さから０．５μｍ以上数μｍ以下が
望ましい。また、犠牲層２の端面部と振動部８の距離の最小値は振動部８の厚みの５０倍
以下とする。さらに、犠牲層２の端面部は電極の屈折部分にかかる応力が緩和されるよう
にテーパー状とし、基板からの角度はおよそ１５度程度とすることが望ましい、これらの
値は発明者らの実験により求められたものである。

図１（ｃ）は形成された犠牲層２のプラズマ処理工程を示したものである。前工程で形
成された犠牲層２をプラズマ処理により平坦化する。プラズマ処理は、イオンエッチングでもプラズマエッチングでも良い。イオンエッチングには、CCP-RIE（Reactive Ion Etch）、二周波CCP-RIE、ICP-RIE、ECRエッチ、ヘリコン波プラズマエッチ、イオンミリングなどがある。イオンを利用して平坦化処理を行う場合、ＡｒやＨｅ等の不活性ガスをＲＦ放電させ、自己バイアスによりスパッタエッチングしても良い。すなわち基板をイオンエッチングする際、基板を接地電極または直流あるいは交流電極上に配置すると、プラズマよりも低い電位が基板にかかるが、この電位によりプラズマ中のイオンがひきつけられ、イオンの基板への衝突現象が発生する。スパッタエッチングとは、この衝突による物理的なエネルギーを利用して対象物を削ることである。スパッタエッチングに拠ると、電界が凸部に集中する。つまりイオンが凸部に集中することになるため、物理的な衝突エネルギーが凸部に集中的に加わり、効果的に犠牲層を平坦化することが可能となる。またスパッタエッチングでも、プラズマ中に対象物と反応するラジカルが発生していると、犠牲層表面と反応して難エッチング層を形成したり、逆に犠牲層がエッチングされるなどの不具合の恐れがあるが、Ar やHe等の不活性ガス（希ガス）のプラズマを用いると、ラジカルがほとんど発生しないので、有利であると言える。一方、上記のようにイオンを利用しないで平坦化処理を行うには、例えばイオンの入射を抑えるよう基板をフロート電位にする方法があり、プラズマエッチングと呼ばれているが、この場合、基板にバイアスがかからず、イオンの基板への衝突は起こりにくくなる。そのため、プラズマ中の中性ラジカルと対象物との化学的な反応を主に利用することになるが、この場合平坦化前の凹凸をそのままひきずって反応が進むことがあるため、スパッタエッチに比べると効率よく犠牲層を平坦化できないことがある。

また犠牲層２が酸化亜鉛等の酸化物の場合は、酸素ガスを用いても良い。ここで仮に犠牲層をZnOとした場合、犠牲層の表面は純粋なZnOの状態であることが好ましい。ZnOは最後にエッチングして除去されるが、その際、何かの物質との化合物層が形成されている、またはZnOではあっても結合状態が変化しているなど、犠牲層表面がレアなZnOでない状態では、なかなかエッチングが始まらなかったり、悪くするとエッチングできずにエアギャップが形成できなくなるなどの恐れがある。また、犠牲層内部がエッチングできても犠牲層最表層がエッチングできなければ、エアギャップは形成できたとしても、除去できなかった最表層が例えばリークパスとなって、素子の電気特性の劣化、良品率の低下につながることが考えられる。しかし、ZnOを構成する元素である酸素がプラズマであれば、ZnO以外の元素との化合物、つまりエッチングしにくい化合物が、犠牲層表面に発生することはないので、プラズマ処理により犠牲層エッチ工程が不安定になることがない。このように、前述の不活性ガスの代わりに、酸素ガスといった犠牲層構成材料のガスを用いてプラズマ処理を行っても、不具合の発生を防止することができる。犠牲層端面部の好ましい表面粗さ（Ｒａ）は、５ｎｍ以下である。この値は発明者らの実験により求められたものである。

図１（ｄ）は基板１の表面犠牲層２の表面を連続して覆う誘電体膜３を例示したもので
ある。犠牲層２上全面を覆うようにスパッタ、ＣＶＤ、電子ビーム蒸着等で誘電体膜３を
形成する。この誘電体膜３として、絶縁体で熱伝導率のよい窒化アルミやパシベーション
性に優れた窒化珪素などの窒化物を用いると良い。さらに、圧電膜５に用いる材料と逆の
周波数温度特性を持つ材料を用いることで、共振子・フィルターの温度変化に対する周波
数変化が小さくなり特性が向上する。圧電膜５に酸化亜鉛や窒化アルミを用いた場合はそ
れらと逆の周波数温度特性をもつ酸化珪素を用いるとよい。

図１（ｅ）は前工程で形成された誘電体膜３上に下部電極４を構成したものを例示した
ものである。誘電体膜３上に、スパッタ、めっき、ＣＶＤ、電子ビーム蒸着などによる成
膜と、フォトリソグラフィー技術によるパターニングを用いることにより下部電極４を形
成する。この際、Ｍｏ、Ｐｔ、Ａｌ、Ａｕ、Ｃｕ、Ｔｉなどの金属材料を主材とした電極
を犠牲層２上から基板１上にかけて帯状に形成する。下部電極４の好ましい表面粗さは２
ｎｍ以下である。

図１（ｆ）は下部電極４を含む誘電体膜３上に圧電薄膜５が形成された状態を例示した
ものである。下部電極４が形成された誘電体膜３上にスパッタ等による成膜とフォトリソ
グラフィー技術によるパターニングを用いることにより、酸化亜鉛や窒化アルミなどの圧
電薄膜５を形成する。窒化アルミを形成する場合アルカリ溶液を用いてウェットエッチン
グによりパターニングする。

図１（ｇ）は前工程で形成された圧電薄膜５上に上部電極６を構成したものを例示した
ものである。圧電薄膜５上に下部電極４同様の方法で上部電極６を形成する。全体的な強
度を高めるためにさらにこの上に第２の誘電体膜を形成する場合もある。

図１（ｈ）は犠牲層２が除去され空隙層７が形成された状態を例示している。フォトリ
ソグラフィーによりフォトレジスト膜をパターニングし犠牲層２を除去するためのエッチ
ホールを形成する。このフォトレジスト膜は上部電極を保護する役割も果たす。エッチホ
ールを形成後、反応性イオンエッチングや、ウェットエッチングなどにより犠牲層２上の
誘電体膜３を除去する。例えば誘電体膜３に酸化珪素を用いた場合ＣＦ4等のフッ素系の
ガスを用いて反応性イオンエッチングを行う。また、フッ酸などの溶液でウェットエッチ
ングしても良い。エッチング後にはフォトレジストなどのエッチマスクをアセトン等の有
機溶媒により除去する。酸素エッチングを用いたドライエッチングでも良い。

最後に犠牲層をエッチングし、空隙層７を形成する。フォトリソグラフィーによりフォ
トレジストなどをパターニングし、反応性イオンエッチングやウェットエッチングなどに
より犠牲層２を除去する。例えば、犠牲層に酸化亜鉛を用いた場合、塩酸やリン酸等の酸
性の溶液を用いて酸化亜鉛を除去する。エッチング後にはフォトレジストなどのエッチマ
スクをアセトン等の有機溶媒により除去する。また、圧電薄膜５、誘電体膜３、電極４及
び６をエッチングしない溶液であればフォトリソグラフィーによるパターニングと、この
エッチマスクの除去という工程は削除することができる。例えば犠牲層２に酸化亜鉛、圧
電薄膜５に窒化アルミ、誘電体膜３に酸化珪素、電極４及び６にＰｔ、Ａｕ、Ｔｉ等を用い
た場合、パターニングすることなく酢酸とリン酸などの混合液により容易に犠牲層２を除
去することができる。エッチング後、イソプロピルアルコールなどの揮発性の液で十分置
換し、乾燥させて空隙層を形成する。

本発明の圧電薄膜共振子の中央断面を各工程順に示した図である。 本発明の圧電薄膜共振子を示す斜視図である、最下部の基板は図から除外してある

符号の説明

１…基板、２…犠牲層、３…誘電体膜、４…下部電極、５…圧電薄膜
６…上部電極、７…空隙層、８…振動部

Claims (9)

1. 基板上に犠牲層を形成し、前記犠牲層の端面部の表面粗さ（Ｒａ）が５ｎｍ以下となるよ
   うに前記犠牲層にプラズマ処理を実施し、前記基板の表面と前記犠牲層の端面部及び主面
   を連続して帯状に設けられた誘電体膜と、前記誘電体膜上の犠牲層上部の領域において圧
   電薄膜を挟んで一部が対向する下部電極と上部電極とを備えた圧電薄膜領域とを設け、前
   記犠牲層を除去して前記基板と前記誘電体膜の間に空隙を形成したことを特徴とする圧電
   薄膜共振子の製造方法。
2. 前記犠牲層が結晶性化合物で構成されていることを特徴とする、請求項１に記載の圧電薄
   膜共振子の製造方法。
3. 前記犠牲層が酸化亜鉛で構成されていることを特徴とする、請求項２に記載の圧電薄膜共
   振子の製造方法。
4. 前記犠牲層が有機性ポリマーで構成されていることを特徴とする、請求項１に記載の圧電
   薄膜共振子の製造方法。
5. 前記犠牲層がＧｅ、Ｓｂ、Ｔｉ、Ａｌ又は、Ｃｕで構成されていること特徴とする、請求
   項１に記載の圧電薄膜共振子の製造方法。
6. 前記プラズマ処理方法として、不活性ガスをＲＦ放電させて自己バイアスにより前記犠牲
   層をスパッタエッチングする方法を用いたことを特徴とする請求項１〜５の何れかに記載
   の圧電薄膜共振子の製造方法。
7. 前記プラズマ処理に用いるガスとして、前記犠牲層を構成する元素を含むガスを用いるこ
   とを特徴とする請求項１〜５の何れかに記載の圧電薄膜共振子の製造方法。
8. 前記犠牲層に酸化物を用い、前記プラズマ処理に用いるガスとして酸素を用いることを特
   徴とする請求項７に記載の圧電薄膜共振子の製造方法。
9. 犠牲層が形成される基板と、前記基板の表面と前記犠牲層の端面部及び主面を連続して帯
   状に設けられた誘電体膜と、前記誘電体膜上の犠牲層上部の領域において圧電薄膜を挟ん
   で一部が対向する下部電極と上部電極とを備えた圧電薄膜領域を設け、前記犠牲層を除去
   して前記基板と前記誘電体膜の間に形成される空隙とを備える圧電薄膜共振子であって、
   前記犠牲層の端面部の表面粗（Ｒａ）さが５ｎｍ以下となるようにプラズマ処理が施され
   ていることを特徴とする圧電薄膜共振子。