JP2005236337A - 薄膜音響共振器及びその製造方法 - Google Patents

薄膜音響共振器及びその製造方法 Download PDF

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Abstract

【課題】電気機械結合係数及び音響品質係数などに優れた高性能の薄膜音響共振器を提供する。
【解決手段】シリコンウェーハ５１の表面に酸化シリコン薄層５３の形成された基板に、窪み５２が形成されている。窪み５２をまたぐように、圧電体層６２とその両面に接合された下方電極６１及び上方電極６３とからなる挟み込み構造体６０が配置されている。下方電極６１の上面及びこれと接合されている圧電体層６２の下面は、高さのＲＭＳ変動が５０ｎｍ以下である。下方電極６１の厚さは１５０ｎｍ以下である。
【選択図】 図８

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、圧電体薄膜の電気音響効果を利用した薄膜音響共振器に関するものである。薄膜音響共振器は、通信機用フィルタの構成要素として利用することができる。
【０００２】
【従来の技術】
電子機器のコストおよび寸法を減らす必要性から、その回路構成要素としてのフィルタの寸法を小さくする努力が絶えず続いている。セル式電話およびミニチュア・ラジオのような民生用電子機器には、それに内蔵されている構成要素の大きさおよびコストの双方に厳しい制限が加えられている。このような多数の電子機器は、精密な周波数に同調させなければならないフィルタを利用している。したがって、廉価でコンパクトなフィルタを提供する努力が続けられている。
【０００３】
これらの低価格及び小型化の要求を満たす可能性のあるフィルタとして、音響共振器を用いて構成されているものが挙げられる。音響共振器は、薄膜圧電体（ＰＺ）材料内のバルク弾性音響波を利用している。音響共振器の一つの簡単な構成では、薄膜ＰＺ材料の層が二つの金属電極の間に挟み込まれた挟み込み構造を形成している。この挟み込み構造は、周囲を支持することにより中央部が空中に吊された橋架け構造により支持される。二つの電極の間に印加される電圧により電界が発生すると、ＰＺ材料は、電気エネルギーの幾らかを音波の形の機械エネルギーに変換する。音波は、電界と同じ方向に伝播し、電極／空気境界面で反射する。
【０００４】
機械的に共振している時、音響共振器は電気共振器として機能し、したがって、これを用いてフィルタを構成することができる。音響共振器の機械的共振は、音波が伝播する材料の厚さが音波の半波長と等しくなる周波数で発生する。音波の周波数は、電極に印加される電気信号の周波数に等しい。音の速度は光の速度より多数桁小さいから、得られる共振器を極めてコンパクトにすることができる。ＧＨｚ帯の用途のための共振器を、直径２００ミクロン未満で厚さ数ミクロン未満の寸法で構成することができる。
【０００５】
以上のような薄膜バルク音響共振器（Ｔｈｉｎ Ｆｉｌｍ Ｂｕｌｋ Ａｃｏｕｓｔｉｃ Ｒｅｓｏｎａｔｏｒｓ：以下ＦＢＡＲという）、及び上記挟み込み構造を積層した形態の積層薄膜バルク音響共振器およびフィルタ（Ｓｔａｃｋｅｄ Ｔｈｉｎ Ｆｉｌｍ Ｂｕｌｋ Ａｃｏｕｓｔｉｃ Ｒｅｓｏｎａｔｏｒｓａｎｄ Ｆｉｌｔｅｒｓ：以下ＳＢＡＲという）において、挟み込み構造の中心部はスパッタ法により作製された厚さ約１〜２ミクロン程度の圧電体薄膜である。上方および下方の電極は、電気リードとして働き圧電体薄膜を挟み込んで圧電体薄膜を貫く電界を与える。圧電体薄膜は、電界エネルギーの一部を力学エネルギーに変換する。時間変化する印加電界エネルギーに応答して、時間変化する「応力／歪み」エネルギーが形成される。
【０００６】
ＦＢＡＲまたはＳＢＡＲを音響共振器として動作させるには、圧電体薄膜を含む挟み込み構造を橋架け構造により支持して、音波を挟み込み構造内に閉じ込めるための空気／結晶境界面を形成しなければならない。挟み込み構造は、通常、基板表面上に下方電極、ＰＺ層、および次に上方電極を堆積させることにより作られる。したがって、挟み込み構造の上側には、第１の空気／結晶境界面が既に存在している。挟み込み構造の下側に第２の空気／結晶境界面を設けなければならない。この第２の空気／結晶境界面を得るのに、従来、以下に示すような幾つかの方法が用いられている。
【０００７】
第１の方法は、例えば特開昭５８−１５３４１２号公報に記載のように、基板を形成しているウェーハのエッチング除去を利用している。基板がシリコンからなるものであれば、加熱ＫＯＨ水溶液を使用してシリコン基板の一部を裏側からエッチングして取り去って孔を形成する。これにより、挟み込み構造の縁をシリコン基板の孔の周囲の部分で支持した形態を有する共振器が得られる。しかし、このようなウェーハを貫いて開けられた孔は、ウェーハを非常に繊細にし、且つ、非常に破壊しやすくする。更に、基板表面に対して５４．７度のエッチング傾斜でＫＯＨを用いた湿式エッチングを行うと、最終製品の取得量、即ちウェーハ上のＦＢＡＲ／ＳＢＡＲの歩留まりの向上が困難である。たとえば、２５０μｍ厚さのシリコンウェーハ上に形成される約１５０μｍ×１５０μｍの横寸法を有する挟み込み構造は、約４５０μｍ×４５０μｍの寸法の裏側エッチング開口を必要とする。したがって、ウェーハの約１／９を生産に利用できるだけである。
【０００８】
挟み込み構造の下に空気／結晶境界面を設ける従来の第２の方法は、例えば特開平２−１３１０９号公報に記載のように、空気ブリッジ式ＦＢＡＲ素子を作ることである。通常、最初に犠牲層（Ｓａｃｒｉｆｉｃｉａｌ ｌａｙｅｒ）を設置し、次に犠牲層の上に挟み込み構造を作製する。プロセスの終わりまたは終わり近くに、犠牲層を除去する。処理はすべてウェーハの前面側で行われるから、この方法は、ウェーハ両面側の位置合わせも大きい面積の裏側開口も必要としない。
【０００９】
特開２０００−６９５９４号公報には、犠牲層として燐酸石英ガラス（ＰＳＧ）を使用した空気ブリッジ式ＦＢＡＲ／ＳＢＡＲ素子の構成と製造方法が記載されている。同公報においては、ＰＳＧ層がシリコンウェーハ上に堆積されている。ＰＳＧは、シランおよびＰ2 Ｏ5 を使用して約４５０℃までの温度で堆積され、燐含有量約８％である軟ガラス様物質を形成する。ＰＳＧは、比較的低温で堆積させることができ、且つ、希釈Ｈ2 Ｏ：ＨＦ溶液で非常に高いエッチング速度でエッチングされる。
【００１０】
しかしながら、同公報においては、ＰＳＧ犠牲層の高さのＲＭＳ（２乗平均平方根）変動が０．５μｍ未満と記載されているものの、具体的には０．１μｍより小さいオーダーのＲＭＳ変動の具体的記載はない。この０．１μｍオーダーのＲＭＳ変動は、原子的にみると非常に粗い凹凸である。ＦＢＡＲ／ＳＢＡＲ形式の音響共振器は、結晶が電極平面に垂直な柱状晶をなして成長する圧電体材料を必要とする。特開２０００−６９５９４号公報では、ＰＳＧ層の表面に平行な導電シートの高さのＲＭＳ変動は２μｍ未満と記載されているものの、具体的には０．１μｍより小さいオーダーのＲＭＳ変動の具体的記載はない。この０．１μｍオーダーのＲＭＳ変動は、音響共振器用の圧電体薄膜を形成する表面としては不十分な表面粗さである。圧電体膜を成長させる試みが行われたが、粗面上の多数の凹凸の影響で多様な方向に結晶が成長するので、得られた圧電体薄膜の結晶品質は必ずしも十分なものでなく、圧電効果を殆どまたは全く示さない不十分なものであった。
【００１１】
以上のような空気／結晶境界面を設ける代わりに、適切な音響ミラーを設ける方法もある。この方法は、例えば特開平６−２９５１８１号公報に記載のように、挟み込み構造の下に音響的ブラッグ反射鏡からなる大きな音響インピーダンスが作り出される。ブラッグ反射鏡は、高低の音響インピーダンス材料の層を交互に積層することにより作られる。各層の厚さは共振周波数の波長の１／４に固定される。十分な層数により、圧電体／電極境界面における有効インピーダンスを、素子の音響インピーダンスよりはるかに高くすることができ、したがって、圧電体内の音波を有効に閉じ込めることができる。この方法により得られる音響共振器は、挟み込み構造の下に空隙が存在しないので、固体音響ミラー取付け共振器（ＳＭＲ）と呼ばれる。
【００１２】
この方法は、周辺部が固定され中心部が自由に振動できる膜を作るという前述の第１の方法及び第２の方法の問題を回避しているが、この方法にも多くの問題点がある。即ち、金属層はフィルタの電気性能を劣化させる寄生コンデンサを形成するのでブラッグ反射鏡の層に使用できないから、ブラッグ反射鏡に使用する材料の選択には、制限がある。利用可能な材料から作られる層の音響インピーダンスの差は大きくない。したがって、音波を閉じ込めるには、非常に多くの数の層が必要である。この方法は、各層にかかる応力を精密に制御しなければならないので、製作プロセスが複雑である。また、１０ないし１４といった多数の層をを貫くバイアを作るのは困難であるから、この方法により得られる音響共振器は他の能動素子との集積化には不都合である。更に、これまでに報告された例では、この方法により得られる音響共振器は、空気ブリッジを有する音響共振器より有効結合係数がかなり低い。その結果、ＳＭＲを用いたフィルタは、空気ブリッジ式の音響共振器を用いたものに比較して有効帯域幅が狭い。
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、改良された性能を有するＦＢＡＲ／ＳＢＡＲ素子を提供することである。
【００１４】
本発明の他の目的は、薄膜圧電体（ＰＺ）の結晶品質を向上させることにより、電気機械結合係数、音響品質係数（Ｑ値）、温度特性などに優れた高性能のＦＢＡＲ／ＳＢＡＲ素子を提供することである。
【００１５】
本発明の更に別の目的は、上方電極の形状を工夫することにより、電気機械結合係数、音響品質係数（Ｑ値）、温度特性などに優れた高性能のＦＢＡＲ／ＳＢＡＲ素子を提供することである。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、以上の如き目的を達成するものとして、
圧電体層と、該圧電体層の第１の表面に接合された第１の電極と、前記圧電体層の前記第１の表面と反対側の第２の表面に接合された第２の電極とを有しており、前記圧電体層の第１の表面は高さのＲＭＳ変動が５０ｎｍ以下であることを特徴とする薄膜音響共振器、
が提供される。
【００１７】
本発明において、高さのＲＭＳ変動は、日本工業規格ＪＩＳ Ｂ０６０１：２００１「製品の幾何特性仕様（ＧＰＳ）−表面性状：輪郭曲線方式−用語、定義及び表面性状パラメータ」に記載の二乗平均平方根粗さ：Ｒｑである（以下に記載の発明についても同様）。
【００１８】
また、本発明によれば、以上の如き目的を達成するものとして、
圧電体層と、該圧電体層の第１の表面に接合された第１の電極と、前記圧電体層の前記第１の表面と反対側の第２の表面に接合された第２の電極とを有しており、前記第１の電極の前記圧電体層の側の表面は高さのＲＭＳ変動が５０ｎｍ以下であることを特徴とする薄膜音響共振器、
が提供される。
【００１９】
本発明の一態様においては、前記圧電体層の前記第２の表面は高さのＲＭＳ変動が前記圧電体層の厚さの５％以下である。本発明の一態様においては、前記第２の電極の表面のうねり高さは前記圧電体層の厚さの２５％以下である。
【００２０】
本発明の一態様においては、前記第２の電極は中央部と該中央部より厚い外周部とを有する。本発明の一態様においては、前記外周部は前記中央部の周囲に枠状に位置する。本発明の一態様においては、前記第２の電極は前記中央部の厚さ変動が該中央部の厚さの１％以下である。本発明の一態様においては、前記外周部の厚さは前記中央部の高さの１．１倍以上である。本発明の一態様においては、前記外周部は前記第２の電極の外縁から４０μｍまでの距離の範囲内に位置する。本発明の一態様においては、前記中央部の表面のうねり高さは前記圧電体層の厚さの２５％以下である。
【００２１】
本発明の一態様においては、前記圧電体層と前記第１の電極と前記第２の電極とからなる挟み込み構造体は、基板の表面に形成された窪みをまたぐように前記基板により縁部が支持されている。本発明の一態様においては、前記基板の表面上には、前記窪みをまたぐように形成された絶縁体層が配置されており、該絶縁体層上に前記挟み込み構造体が形成されている。
【００２２】
更に、本発明によれば、以上の如き目的を達成するものとして、
圧電体層と、該圧電体層の第１の表面に接合された第１の電極と、前記圧電体層の前記第１の表面と反対側の第２の表面に接合された第２の電極とを有する薄膜音響共振器を製造する方法であって、
基板の表面に窪みを形成し、該窪み内に犠牲層を充填し、該犠牲層の表面を高さのＲＭＳ変動が５０ｎｍ以下となるように研磨し、前記犠牲層の表面の一部の領域と前記基板の表面の一部の領域とにわたってそれらの上に前記第１の電極を形成し、該第１の電極上に前記圧電体層を形成し、該圧電体層上に前記第２の電極を形成し、前記窪み内から前記犠牲層をエッチング除去することを特徴とする、薄膜音響共振器の製造方法、
が提供される。
【００２３】
本発明の一態様においては、前記第１の電極を厚さ１５０ｎｍ以下に形成し、該第１の電極の上面を高さのＲＭＳ変動が５０ｎｍ以下となるようにする。
【００２４】
本発明の一態様においては、前記犠牲層の上に前記第１の電極を形成するに先立って絶縁体層を形成する。
【００２５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を、図面を参照しながら説明する。
【００２６】
図１および図２は、それぞれ、本発明による薄膜音響共振器であるＦＢＡＲおよびＳＢＡＲの基本構成を説明するための模式的断面図である。
【００２７】
図１において、ＦＢＡＲ２０は、上方電極２１および下方電極２３を備え、これらは圧電体（ＰＺ）材料の層２２の一部を挟み込んで挟み込み構造を形成している。好適なＰＺ材料は窒化アルミニウム（ＡｌＮ）または酸化亜鉛（ＺｎＯ）である。ＦＢＡＲ２０に使用される電極２１，２３は、好適にはモリブデンから作られるが、他の材料を使用することも可能である。
【００２８】
この素子は、薄膜ＰＺ材料内のバルク弾性音響波の作用を利用している。印加電圧により二つの電極２１，２３の間に電界が生ずると、ＰＺ材料は電気エネルギーの一部を音波の形の機械的エネルギーに変換する。音波は電界と同じ方向に伝播し、電極／空気境界面で反射される。
【００２９】
機械的に共振している時、素子は電気共振器として機能し、したがって、素子は、ノッチフィルタとして動作することができる。素子の機械的共振は、音波が伝播する材料の厚さが当該音波の半波長と等しくなる周波数で発生する。音波の周波数は電極２１，２３間に印加される電気信号の周波数である。音の速度は光の速度より多数桁小さいから、得られる共振器を極めてコンパクトにすることができる。ＧＨｚ帯の用途に対する共振器を、平面寸法が約１００μｍおよび厚さが数μｍのオーダーで構成することができる。
【００３０】
次に、図２を参照してＳＢＡＲについて説明する。ＳＢＡＲ４０は、帯域フィルタと類似の電気的機能を与える。ＳＢＡＲ４０は、基本的には機械的に結合されている二つのＦＢＡＲフィルタである。圧電体層４１の共振周波数で電極４３および４４を横断する信号は、音響エネルギーを圧電体層４２に伝える。圧電体層４２内の機械的振動は、電極４４および４５を横断する電気信号に変換される。
【００３１】
図３〜図８は、本発明による音響共振器であるＦＢＡＲの製造方法及びそれにより得られたＦＢＡＲの実施形態を説明するための模式的断面図（図３〜図６，図８）及び模式的平面図（図７）である。
【００３２】
先ず、図３に示されているように、集積回路製作に利用されている通常のシリコンウェーハ５１に、エッチングにより窪みを形成する。窪みの深さは好適には３〜３０μｍである。ＦＢＡＲの挟み込み構造の下の空洞の深さは圧電体層により生ずる変位を許容すればよいことに注目すべきである。したがって、空洞の深さは数μｍあれば十分である。
【００３３】
ウェーハ５１の表面に熱酸化により酸化シリコンの薄層５３を形成し、これにより、その上に以後の工程で形成される犠牲層のＰＳＧからウェーハ５１内に燐が拡散しないようにする。このようにウェーハ内への燐の拡散を抑制することにより、シリコンウェーハが導体に変換されることが阻止され、作製された素子の電気的動作に対する悪影響をなくすことができる。以上のようにしてウェーハ５１の表面に酸化シリコン薄層５３を形成したものを、基板として用いる。即ち、図３は、基板の表面に深さが好適には３〜３０μｍの窪み５２を形成した状態を示す。
【００３４】
次に、図４に示されているように、基板の酸化シリコンの薄層５３上に燐酸石英ガラス（ＰＳＧ）層５５を堆積させる。ＰＳＧは、シランおよびＰ2 Ｏ5 を使用して約４５０℃までの温度で堆積され、燐含有量約８％の軟ガラス様物質を形成する。この低温プロセスは、当業者に周知である。ＰＳＧは、比較的低温で堆積させることができ、且つ、希釈Ｈ2 Ｏ：ＨＦ溶液で非常に高いエッチング速度でエッチングされる非常にクリーンな不活性材料であるから、犠牲層の材料として好適である。以後の工程で実行されるエッチングにおいて１０：１の希釈割合で毎分約３μｍのエッチング速度が得られる。
【００３５】
堆積したままのＰＳＧ犠牲層５５の表面は、原子レベルでみると非常に粗い。したがって、堆積したままのＰＳＧ犠牲層５５は、音響共振器を形成する基体としては不十分である。ＦＢＡＲ／ＳＢＡＲ形式の音響共振器は、結晶が電極面に垂直な円柱をなして成長する圧電材料を必要とする。微細な研磨粒子を含む研磨スラリーを用いてＰＳＧ犠牲層５５の表面を磨いて滑らかにすることにより、優れた結晶の圧電材料の薄膜を形成する。
【００３６】
即ち、図５に示されているように、ＰＳＧ層５５の表面を粗仕上げスラリーで磨くことにより全体的に平面化して、窪み５２の外側のＰＳＧ層の部分を除去する。次に、残っているＰＳＧ層５５を更に微細な研磨粒子を含むスラリーで磨く。代替方法として、磨き時間がかかってもよければ一つの更に微細なスラリーを用いて上記二つの磨きステップを実行してもよい。目標は、鏡面仕上げである。
【００３７】
以上のようにして窪み５２に対応する位置にＰＳＧ層５５を残留させた基板のクリーニングも重要である。スラリーはウェーハ上に少量のシリカ粗粉を残す。この粗粉を除去せねばならない。本発明の好適な実施形態では、この粗粉除去をポリテックス（Ｐｏｌｙｔｅｘ（商標）：ロデール・ニッタ社）のような堅いパッドの付いた第２の研磨具を使用して行う。その際の潤滑剤として、脱イオン水を使用し、磨いてから最終クリーニングステップの準備が完了するまでウェーハを脱イオン水中に入れておく。基板を、最後の磨きステップと最後のクリーニングステップとの間で乾燥させないように注意する。最後のクリーニングステップは、基板を色々な化学薬品の入っている一連のタンクに漬けることから成る。各タンクに超音波撹拌を加える。このようなクリーニング手段は当業者に周知である。
【００３８】
研磨剤は、シリカ微粒子から構成されている。本発明の好適な実施形態では、シリカ微粒子のアンモニア主体スラリー（Ｒｏｄｅｌ Ｋｌｅｂｏｓｏｌ＃３０Ｎ：ローデル・ニッタ社）を利用する。
【００３９】
以上の説明では特定の研磨およびクリーニングの様式を示したが、必要な滑らかさの表面を与えるどんな研磨およびクリーニングの様式をも利用することができる。本発明の好適な実施形態では、最終表面は、原子間力顕微鏡プローブで測った高さのＲＭＳ変動が５０ｎｍ以下（好ましくは２０ｎｍ以下）である。
【００４０】
以上のようにして表面をきれいにしてから、図６に示されているように、挟み込み構造体６０の下方電極６１を堆積させる。下方電極６１の好適な材料は、モリブデン（Ｍｏ）である。しかし、下方電極６１を他の材料たとえばＡｌ、Ｗ、Ａｕ、ＰｔまたはＴｉから構成することもできる。その低い熱弾性損失のためモリブデン（Ｍｏ）が好適である。たとえば、Ｍｏの熱弾性損失は、Ａｌの約１／５６である。
【００４１】
下方電極６１の厚さも重要である。厚い層は、薄い層より表面が粗くなる。圧電体層６２の堆積のための滑らかな表面を維持することは、得られる共振器の性能にとって非常に重要である。したがって、下方電極の厚さは、好適には１５０ｎｍ以下である。Ｍｏは好適にはスパッタリングにより堆積される。これにより、表面の高さのＲＭＳ変動が５０ｎｍ以下（好ましくは２０ｎｍ以下）のＭｏ層が得られる。
【００４２】
下方電極６１を堆積し終わってから、圧電体層６２を堆積する。圧電体層６２の好適な材料は、ＡｌＮまたはＺｎＯであり、これもスパッタリングにより堆積される。本発明の好適な実施形態では、圧電体層６２の厚さは、０．１μｍから１０μｍの間（好ましくは０．５μｍ〜２μｍ）にある。圧電体層６２の上面は、高さのＲＭＳ変動が圧電体層厚さ（平均値）の５％以下であるのが好ましい。
【００４３】
最後に、上方電極６３を堆積させる。上方電極６３は、下方電極６１と同様な材料から構成され、好適にはＭｏから構成される。
【００４４】
以上のようにして、下方電極６１、圧電体層６２及び上方電極６３からなり、所要の形状にパターニングされた挟み込み構造体６０を形成してから、図７に示されているように、挟み込み構造体６０の端部または挟み込み構造体６０により覆われずに露出している犠牲層５５の部分から、希釈Ｈ2 Ｏ：ＨＦ溶液でエッチングすることにより、挟み込み構造体６０の下方のＰＳＧをも除去する。これにより、図８に示されているように、窪み５２の上に橋架けされた挟み込み構造体６０が残る。即ち、挟み込み構造体６０は、基板の表面に形成された窪み５２をまたぐように基板により縁部が支持されている。
【００４５】
以上のようにして得られたＦＢＡＲにおいては、犠牲層５５の表面（高さのＲＭＳ変動が５０ｎｍ以下（好ましくは２０ｎｍ以下））に従って、その上に形成された下方電極６１の下面の高さのＲＭＳ変動が５０ｎｍ以下（好ましくは２０ｎｍ以下）であり、更に該下方電極６１は厚さが薄いので上面も高さのＲＭＳ変動が５０ｎｍ以下（好ましくは２０ｎｍ以下）である。そして、この下方電極６１の上面に従って、その上に形成された圧電体層６２の下面の高さのＲＭＳ変動が５０ｎｍ以下（好ましくは２０ｎｍ以下）である。下方電極６１の滑らかな上面は、圧電体層６２の成長核となる結晶構造を備えていないにもかかわらず、形成される圧電体層６２に非常に規則正しい構造のｃ軸配向を形成し優れた圧電特性を与える。
【００４６】
図９〜図１０は、本発明による音響共振器であるＦＢＡＲの製造方法及びそれにより得られたＦＢＡＲの更に別の実施形態を説明するための模式的断面図である。この実施形態では、上記図３〜５に関し説明したような工程の後に、図９に示されているように、絶縁体層５４を形成する。絶縁体層５４は、たとえばＳｉＯ2 膜であり、ＣＶＤ法により堆積することができる。その上に、上記図６に関し説明したような工程を行って挟み込み構造体６０を形成する。次いで、図１０に示されているように、上記図７及び図８に関し説明したような工程を行って、ＦＢＡＲを得る。その際に、犠牲層５５をエッチング除去するために、挟み込み構造体６０の端部または挟み込み構造体６０により覆われていない絶縁体層５４の部分であって犠牲層５５の上方の部分に適宜の大きさの開口を形成し、該開口からエッチング液を供給する。
【００４７】
本実施形態のＦＢＡＲは、挟み込み構造体６０と空洞５２との間に絶縁体層５４が配置されており、挟み込み構造体６０に加えて絶縁体層５４をも含んで振動部が構成されるので、該振動部の強度が向上し、更に振動部の振動における周波数温度特性が改善される。
【００４８】
絶縁体層５４の厚さｔ’は、好ましくは５０〜１０００ｎｍの範囲内の値である。これは、圧電体層６２の厚さｔに対する絶縁体層５４の厚さｔ’の比ｔ’／ｔが０．１以上０．５以下の範囲内にあることが好ましく、圧電体層６２の厚さｔは上記のように５００ｎｍ〜２０００ｎｍの範囲内にあるのが好ましいからである。比ｔ’／ｔが０．１以上０．５以下の範囲内にあることが好ましい理由としては、ｔ’／ｔを０．１以上とすることで絶縁体層５４を含む振動部の振動における周波数温度特性を改善する効果が高められ、ｔ’／ｔを０．５以下とすることで絶縁体層５４を含む振動部の振動における電気機械結合係数及び音響的品質係数（Ｑ値）の低下を阻止し得るからである。絶縁体層５４の上面は、高さのＲＭＳ変動が例えば５０ｎｍ以下（好ましくは２０ｎｍ以下）である。
【００４９】
以上の実施形態において、一層高い音響的品質係数（Ｑ値）を得るには、絶縁体層５４や、下方電極６１、圧電体層６２及び上方電極６３の各層における厚さの均一性が一層良好であることが必要である。この厚さの均一性は、上方電極６３の表面のうねり高さに反映される（即ち、上方電極６３の表面のうねり高さが大きい場合には、少なくとも１つの層の厚さ均一性が低い）。そこで、一層高い音響的品質係数（Ｑ値）を得るために、上方電極６３の表面のうねり高さは、圧電体層６２の厚さの２５％以下となるようにするのが好ましい。また、別の観点からは、上方電極６３の表面のうねり高さは、測定長の０．５％以下となるようにする（測定長が１５０μｍの場合には、うねり高さ０．７５μｍ以下）のが好ましい。
【００５０】
以上の実施形態は、ＦＢＡＲに関するものである。しかし、当業者には、以上の説明から、同様なプロセスを用いてＳＢＡＲを作製することが可能であることが明らかであろう。ＳＢＡＲの場合には、もう一つの圧電体層（第２の圧電体層）およびその上の電極（第２の上方電極）を堆積しなければならない。第２の圧電体層は上記実施形態で示されているような「ＦＢＡＲ」の上方電極の上に形成されているから、この上方電極の厚さをも１５０ｎｍ以下に維持して第２の圧電体層を堆積するための適切な表面（第１の圧電体層の下方電極の表面と同様）を与えなければならない。
【００５１】
図１１は、本発明による音響共振器であるＦＢＡＲの製造方法及びそれにより得られたＦＢＡＲの更に別の実施形態を説明するための模式的断面図であり、図１２はその上方電極の平面図である。この実施形態では、上方電極６３の形状のみ、上記図３〜８に関し説明した実施形態と異なる。
【００５２】
本実施形態では、上方電極６３が中央部６３１と該中央部の周囲に枠状に位置し且つ中央部６３１より肉厚の外周部６３２とを有する。中央部６３１と外周部６３２との境界は段差により形成されている。
【００５３】
外周部６３２の厚さは、中央部６３１の厚さの１．１倍以上であるのが好ましい。また、中央部６３１の厚変動は、該中央部の厚さ（平均値）の１％以下であるのが好ましい。上方電極６３の寸法ａは、例えば１００μｍである。外周部６３２は上方電極６３の外縁から距離ｂまでの範囲内に位置しており、距離ｂは例えば４０μｍまでの値である。
【００５４】
このような上方電極構造とすることで、上方電極外周部での横方向の振動発生を抑制し、音響共振器の振動に余分なスプリアス振動が重なることを防止することができる。その結果、音響共振器およびフィルタの共振特性や品質係数が改善される。
【００５５】
本実施形態では、一層高い音響的品質係数（Ｑ値）を得るために、上方電極６３の中央部６３１の表面のうねり高さは、圧電体層６２の厚さの２５％以下となるようにするのが好ましい。また、別の観点からは、上方電極６３の中央部６３１の表面のうねり高さは、測定長の０．５％以下となるようにするのが好ましい。
【００５６】
本発明の上述の実施形態では、ＰＳＧから構成された犠牲層を利用しているが、犠牲層には他の材料をも使用することができる。たとえば、ＢＰＳＧ（Ｂｏｒｏｎ−Ｐｈｏｓｐｈｏｒ−Ｓｉｌｉｃａｔｅ−Ｇｌａｓｓ：ボロン−燐−シリコン−ガラス）または、スピン・ガラスのような他の形態のガラスを利用することもできる。これ以外にも、スピニングにより材料上に堆積できるポリビニール、ポリプロピレン、およびポリスチレンのような、プラスチックがある。堆積したこれら材料の表面は原子的には滑らかでないので、これら材料から犠牲層を構成する場合にも、ＰＳＧ犠牲層の場合のように、研磨による表面平滑化が重要である。これらの犠牲層は、有機除去材あるいはＯ2 プラズマエッチングによって取り去ることもできる。
【００５７】
【実施例】
以下、実施例により本発明を更に詳細に説明する。
【００５８】
［実施例１］
図３〜図８に記載されているようにして、薄膜音響共振器を形成した。
【００５９】
先ず、Ｓｉウェーハ５１の表面をＰｔ／Ｔｉ保護膜により被覆し、エッチングにより該保護膜を窪み形成のための所定のパターン状に形成して、Ｓｉウェーハ５１のエッチングのためのマスクを形成した。その後、Ｐｔ／Ｔｉパターンマスクを用いて湿式エッチングを行い、図３に示されているように、深さ２０μｍで幅１５０μｍの窪みを形成した。このエッチングは、５重量％のＫＯＨ水溶液を用い、液温７０℃で実施した。
【００６０】
その後、Ｐｔ／Ｔｉパターンマスクを除去し、図３に示されているように、熱酸化によりＳｉウェーハ５１の表面に厚さ１μｍのＳｉＯ2 層５３を形成し、Ｓｉウェーハ５１及びＳｉＯ2 層５３からなる基板上に窪み５２の形成されている構造を得た。
【００６１】
次いで、図４に示されているように、窪み５２の形成されているＳｉＯ2 層５３上に、厚さ３０μｍのＰＳＧ犠牲層５５を堆積させた。この堆積は、４５０℃で、シラン及びＰ2 Ｏ5 を原料として用いた熱ＣＶＤ法により行った。
【００６２】
次いで、図５に示されているようにして、ＰＳＧ犠牲層５５の表面を研磨し、窪み５２以外の領域のＰＳＧ犠牲層５５を除去した。続いて、窪み５２内に残留するＰＳＧ犠牲層５５の表面を微細な研磨粒子を含むスラリーを用いて研磨し、その表面粗さを高さのＲＭＳ変動が１０ｎｍとなるようにした。
【００６３】
次いで、図６に示されているように、ＰＳＧ犠牲層５５上に厚さ１００ｎｍで寸法２００×２００μｍのＭｏ膜からなる下部電極６１を形成した。Ｍｏ膜の形成は、スパッタガスとしてＡｒを用い、室温でＤＣマグネトロンスパッタ法により行った。そして、リフトオフ法によりＭｏ膜のパターニングを行った。形成されたＭｏ膜の表面粗さを測定したところ、高さのＲＭＳ変動は１５ｎｍであった。
【００６４】
次いで、下部電極６１上にＺｎＯ膜からなる１．０μｍ厚の圧電体層６２を形成した。ＺｎＯ膜の形成は、スパッタリングターゲットとしてＺｎＯを用い、スパッタガスとしてＡｒとＯ2 との混合ガスを用い、スパッタガス圧を５ｍＴｏｒｒとし、基板温度４００℃でＲＦマグネトロンスパッタ法により行った。形成されたＺｎＯ膜の表面粗さを測定したところ、高さのＲＭＳ変動は膜厚の５％以下の１１ｎｍであった。湿式エッチングによりＺｎＯ膜を所定形状にパターニングして圧電体層６２を得た。
【００６５】
次いで、圧電体層６２上に、厚さ１００ｎｍのＭｏ膜からなる上部電極６３を形成した。Ｍｏ膜の形成及びパターニングは、下部電極６１の形成の際と同様にした。上部電極６３の表面について、測定長さ１５０μｍでうねり高さを調べたところ、圧電体層６２の膜厚の２５％以下で且つ測定長の０．５％以下の０．２μｍであった。
【００６６】
次いで、希釈Ｈ2 Ｏ：ＨＦ溶液でエッチングすることによりＰＳＧ犠牲層５５を除去した。これにより、図８に示されているように、窪み５２の上にＭｏ／ＺｎＯ／Ｍｏの挟み込み構造体６０が橋架けされた形態を形成した。
【００６７】
得られた圧電体層６２の薄膜ＸＲＤ分析を行ったところ、膜のｃ軸は膜面に対して８８．５度の方向であり、ロッキングカーブにより配向度を調べた結果、ピークの半値幅は２．５度であり、良好な配向性を示していた。
【００６８】
以上のようにして得られた音響共振器について、マイクロ波プローバを使用して上部電極６３と下部電極６１との間のインピーダンス特性を測定するとともに、共振周波数ｆｒ及び反共振周波数ｆａを測定し、これらの測定値に基づき電気機械結合係数ｋｔ2 を算出した。電気機械結合係数ｋｔ2 は５．５％で、音響的品質係数は７００であった。
【００６９】
［比較例１］
ＰＳＧ犠牲層５５の表面粗さを高さのＲＭＳ変動が７０ｎｍとなるように研磨を行ったこと以外は、実施例１と同様にして音響共振器を作製した。
【００７０】
下部電極６１のＭｏ膜の表面粗さを測定したところ、高さのＲＭＳ変動は８０ｎｍであった。また、ＺｎＯ膜の表面粗さを測定したところ、高さのＲＭＳ変動は膜厚の５％を越える７５ｎｍであった。上部電極６３の表面について、測定長さ１５０μｍでうねり高さを調べたところ、測定長の０．５％を越える１．０μｍであった。
【００７１】
得られた圧電体層６２の薄膜ＸＲＤ分析を行ったところ、膜のｃ軸は膜面に対して８５．０度と大きく傾いており、ロッキングカーブにより配向度を調べた結果、ピークの半値幅は７．０度であった。
【００７２】
以上のようにして得られた音響共振器の電気機械結合係数ｋｔ2 は３．０％で、音響的品質係数は４００であった。
【００７３】
［実施例２］
圧電体層６２としてＺｎＯ膜に代えてＡｌＮ膜からなるものを用いたこと以外は、実施例１と同様にして音響共振器を作製した。即ち、下部電極６１上にＡｌＮ膜からなる１．２μｍ厚の圧電体層６２を形成した。ＡｌＮ膜の形成は、スパッタリングターゲットとしてＡｌを用い、スパッタガスとしてＡｒとＮ2 との混合ガスを用い、基板温度４００℃でＲＦマグネトロンスパッタ法により行った。形成されたＡｌＮ膜の表面粗さを測定したところ、高さのＲＭＳ変動は膜厚の５％以下の１４ｎｍであった。上部電極６３の表面について、測定長さ１５０μｍでうねり高さを調べたところ、圧電体層６２の膜厚の２５％以下で且つ測定長の０．５％以下の０．２μｍであった。
【００７４】
得られた圧電体層６２の薄膜ＸＲＤ分析を行ったところ、膜のｃ軸は膜面に対して８８．５度の方向であり、ロッキングカーブにより配向度を調べた結果、ピークの半値幅は２．８度であり、良好な配向性を示していた。
【００７５】
以上のようにして得られた音響共振器の電気機械結合係数ｋｔ2 は６．５％で、音響的品質係数は９００であった。
【００７６】
［比較例２］
ＰＳＧ犠牲層５５の表面粗さを高さのＲＭＳ変動が７０ｎｍとなるように研磨を行ったこと以外は、実施例２と同様にして音響共振器を作製した。
【００７７】
下部電極６１のＭｏ膜の表面粗さを測定したところ、高さのＲＭＳ変動は８５ｎｍであった。また、ＡｌＮ膜の表面粗さを測定したところ、高さのＲＭＳ変動は膜厚の５％を越える８０ｎｍであった。上部電極６３の表面について、測定長さ１５０μｍでうねり高さを調べたところ、測定長の０．５％を越える１．２５μｍであった。
【００７８】
得られた圧電体層６２の薄膜ＸＲＤ分析を行ったところ、膜のｃ軸は膜面に対して８３．０度と大きく傾いており、ロッキングカーブにより配向度を調べた結果、ピークの半値幅は８．５度であった。
【００７９】
以上のようにして得られた音響共振器の電気機械結合係数ｋｔ2 は３．５％で、音響的品質係数は４５０であった。
【００８０】
［実施例３］
図３〜図５，図９〜図１０に記載されているようにして、薄膜音響共振器を形成した。
【００８１】
先ず、実施例１と同様にして、図５に示される構造体を得た。但し、窪み５２内に残留するＰＳＧ犠牲層５５の表面を微細な研磨粒子を含むスラリーを用いて研磨し、その表面粗さを高さのＲＭＳ変動が５ｎｍとなるようにした。
【００８２】
次いで、図９に示されているように、ＰＳＧ犠牲層５５の表面をも覆うように基板上にＣＶＤ法により厚さ５００ｎｍのＳｉＯ2 膜からなる絶縁体層５４を形成した。形成された絶縁体層５４の表面粗さを測定したところ、高さのＲＭＳ変動は１０ｎｍであった。
【００８３】
次いで、絶縁体層５４上に、実施例１と同様にして、図１０に示されているように、Ｍｏ膜からなる下部電極６１を形成した。形成されたＭｏ膜の表面粗さを測定したところ、高さのＲＭＳ変動は１５ｎｍであった。
【００８４】
次いで、実施例１と同様にして、下部電極６１上にＺｎＯ膜からなる圧電体層６２を形成した。形成されたＺｎＯ膜の表面粗さを測定したところ、高さのＲＭＳ変動は膜厚の５％以下の１０ｎｍであった。湿式エッチングによりＺｎＯ膜を所定形状にパターニングして圧電体層６２を得た。
【００８５】
次いで、実施例１と同様にして、圧電体層６２上にＭｏ膜からなる上部電極６３を形成した。上部電極６３の表面について、測定長さ１５０μｍでうねり高さを調べたところ、圧電体層６２の膜厚の２５％以下で且つ測定長の０．５％以下の０．２μｍであった。
【００８６】
次いで、絶縁体層５４の露出している部分にＰＳＧ犠牲層５５に達するバイアホールを開口し、該開口を介して希釈Ｈ2 Ｏ：ＨＦ溶液でエッチングすることによりＰＳＧ犠牲層５５を除去した。これにより、図１０に示されているように、窪み５２の上に絶縁体層５４とＭｏ／ＺｎＯ／Ｍｏの挟み込み構造体６０との積層体が橋架けされた形態を形成した。
【００８７】
得られた圧電体層６２の薄膜ＸＲＤ分析を行ったところ、膜のｃ軸は膜面に対して８８．５度の方向であり、ロッキングカーブにより配向度を調べた結果、ピークの半値幅は２．３度であり、良好な配向性を示していた。
【００８８】
以上のようにして得られた音響共振器について、マイクロ波プローバを使用して上部電極６３と下部電極６１との間のインピーダンス特性を測定するとともに、共振周波数ｆｒ及び反共振周波数ｆａを測定し、これらの測定値に基づき電気機械結合係数ｋｔ2 を算出した。電気機械結合係数ｋｔ2 は４．５％で、音響的品質係数は６５０であった。
【００８９】
［比較例３］
ＰＳＧ犠牲層５５の表面粗さを高さのＲＭＳ変動が７０ｎｍとなるように研磨を行ったこと以外は、実施例３と同様にして音響共振器を作製した。
【００９０】
絶縁体層５４のＳｉＯ2 膜の表面粗さを測定したところ、高さのＲＭＳ変動は８５ｎｍであった。また、下部電極６１のＭｏ膜の表面粗さを測定したところ、高さのＲＭＳ変動は９０ｎｍであった。また、ＺｎＯ膜の表面粗さを測定したところ、高さのＲＭＳ変動は膜厚の５％を越える８５ｎｍであった。上部電極６３の表面について、測定長さ１５０μｍでうねり高さを調べたところ、測定長の０．５％を越える１．０μｍであった。
【００９１】
得られた圧電体層６２の薄膜ＸＲＤ分析を行ったところ、膜のｃ軸は膜面に対して８３．０度と大きく傾いており、ロッキングカーブにより配向度を調べた結果、ピークの半値幅は９．５度であった。
【００９２】
以上のようにして得られた音響共振器の電気機械結合係数ｋｔ2 は２．８％で、音響的品質係数は３６０であった。
【００９３】
［実施例４］
上部電極６３の形成以外は、実施例２と同様にして音響共振器を作製した。即ち、実施例２と同様にして圧電体層６２上に厚さ１００ｎｍのＭｏ膜を形成した後に、その外縁から３０μｍの幅の領域において、更にリフトオフ法により厚さ２０ｎｍのＭｏ膜を形成して、図１１に示されているような上部電極６３を形成した。
【００９４】
上部電極６３の中央部６３１の表面について、測定長さ１００μｍでうねり高さを調べたところ、圧電体層６２の膜厚の２５％以下で且つ測定長の０．５％以下の０．１５μｍであった。
【００９５】
以上のようにして得られた音響共振器の電気機械結合係数ｋｔ2 は７．５％で、音響的品質係数は９５０であった。
【００９６】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、高さのＲＭＳ変動が５０ｎｍ以下という原子レベルで見て平滑な犠牲層表面上に直接または絶縁体層を介して第１の電極を形成し、該第１の電極の表面を高さのＲＭＳ変動が５０ｎｍ以下となるようにし、その上に圧電体層を形成するので、第１の電極の結晶性が向上し、これに従って圧電体層の配向性及び結晶品質が著しく改善され、これにより、電気機械結合係数及び音響的品質係数に優れた高性能な薄膜音響共振器が提供される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による薄膜音響共振器であるＦＢＡＲの基本構成を説明するための模式的断面図である。
【図２】本発明による薄膜音響共振器であるＳＢＡＲの基本構成を説明するための模式的断面図である。
【図３】本発明による音響共振器であるＦＢＡＲの製造方法及びそれにより得られたＦＢＡＲの実施形態を説明するための模式的断面図である。
【図４】本発明による音響共振器であるＦＢＡＲの製造方法及びそれにより得られたＦＢＡＲの実施形態を説明するための模式的断面図である。
【図５】本発明による音響共振器であるＦＢＡＲの製造方法及びそれにより得られたＦＢＡＲの実施形態を説明するための模式的断面図である。
【図６】本発明による音響共振器であるＦＢＡＲの製造方法及びそれにより得られたＦＢＡＲの実施形態を説明するための模式的断面図である。
【図７】本発明による音響共振器であるＦＢＡＲの製造方法及びそれにより得られたＦＢＡＲの実施形態を説明するための模式的平面図である。
【図８】本発明による音響共振器であるＦＢＡＲの製造方法及びそれにより得られたＦＢＡＲの実施形態を説明するための模式的断面図である。
【図９】本発明による音響共振器であるＦＢＡＲの製造方法及びそれにより得られたＦＢＡＲの実施形態を説明するための模式的断面図である。
【図１０】本発明による音響共振器であるＦＢＡＲの製造方法及びそれにより得られたＦＢＡＲの実施形態を説明するための模式的断面図である。
【図１１】本発明による音響共振器であるＦＢＡＲの製造方法及びそれにより得られたＦＢＡＲの実施形態を説明するための模式的断面図である。
【図１２】本発明による音響共振器であるＦＢＡＲの製造方法及びそれにより得られたＦＢＡＲの上方電極の平面図である。
【符号の説明】
２０ ＦＢＡＲ
２１ 上方電極
２２ 圧電体層
２３ 下方電極
４０ ＳＢＡＲ
４１，４２ 圧電体層
４３，４４，４５ 電極
５１ シリコンウェーハ
５２ 窪み
５３ 酸化シリコン薄層
５４ 絶縁体層
５５ ＰＳＧ犠牲層
６０ 挟み込み構造体
６１ 下方電極
６２ 圧電体層
６３ 上方電極
６３１ 上方電極中央部
６３２ 上方電極外周部

Claims (15)

  1. 圧電体層と、該圧電体層の第１の表面に接合された第１の電極と、前記圧電体層の前記第１の表面と反対側の第２の表面に接合された第２の電極とを有しており、前記圧電体層の第１の表面は高さのＲＭＳ変動が５０ｎｍ以下であることを特徴とする薄膜音響共振器。
  2. 圧電体層と、該圧電体層の第１の表面に接合された第１の電極と、前記圧電体層の前記第１の表面と反対側の第２の表面に接合された第２の電極とを有しており、前記第１の電極の前記圧電体層の側の表面は高さのＲＭＳ変動が５０ｎｍ以下であることを特徴とする薄膜音響共振器。
  3. 前記圧電体層の前記第２の表面は高さのＲＭＳ変動が前記圧電体層の厚さの５％以下であることを特徴とする、請求項１〜２のいずれかに記載の薄膜音響共振器。
  4. 前記第２の電極の表面のうねり高さは前記圧電体層の厚さの２５％以下であることを特徴とする、請求項１〜３のいずれかに記載の薄膜音響共振器。
  5. 前記第２の電極は中央部と該中央部より厚い外周部とを有することを特徴とする、請求項１〜３のいずれかに記載の薄膜音響共振器。
  6. 前記外周部は前記中央部の周囲に枠状に位置することを特徴とする、請求項５に記載の薄膜音響共振器。
  7. 前記第２の電極は前記中央部の厚さ変動が該中央部の厚さの１％以下であることを特徴とする、請求項５〜６のいずれかに記載の薄膜音響共振器。
  8. 前記外周部の厚さは前記中央部の高さの１．１倍以上であることを特徴とする、請求項５〜７のいずれかに記載の薄膜音響共振器。
  9. 前記外周部は前記第２の電極の外縁から４０μｍまでの距離の範囲内に位置することを特徴とする、請求項５〜８のいずれかに記載の薄膜音響共振器。
  10. 前記中央部の表面のうねり高さは前記圧電体層の厚さの２５％以下であることを特徴とする、請求項５〜９のいずれかに記載の薄膜音響共振器。
  11. 前記圧電体層と前記第１の電極と前記第２の電極とからなる挟み込み構造体は、基板の表面に形成された窪みをまたぐように前記基板により縁部が支持されていることを特徴とする、請求項１〜１０のいずれかに記載の薄膜音響共振器。
  12. 前記基板の表面上には、前記窪みをまたぐように形成された絶縁体層が配置されており、該絶縁体層上に前記挟み込み構造体が形成されていることを特徴とする、請求項１１に記載の薄膜音響共振器。
  13. 圧電体層と、該圧電体層の第１の表面に接合された第１の電極と、前記圧電体層の前記第１の表面と反対側の第２の表面に接合された第２の電極とを有する薄膜音響共振器を製造する方法であって、
    基板の表面に窪みを形成し、該窪み内に犠牲層を充填し、該犠牲層の表面を高さのＲＭＳ変動が５０ｎｍ以下となるように研磨し、前記犠牲層の表面の一部の領域と前記基板の表面の一部の領域とにわたってそれらの上に前記第１の電極を形成し、該第１の電極上に前記圧電体層を形成し、該圧電体層上に前記第２の電極を形成し、前記窪み内から前記犠牲層をエッチング除去することを特徴とする、薄膜音響共振器の製造方法。
  14. 前記第１の電極を厚さ１５０ｎｍ以下に形成し、該第１の電極の上面を高さのＲＭＳ変動が５０ｎｍ以下となるようにすることを特徴とする、請求項１３に記載の薄膜音響共振器の製造方法。
  15. 前記犠牲層の上に前記第１の電極を形成するに先立って絶縁体層を形成することを特徴とする、請求項１３〜１４のいずれかに記載の薄膜音響共振器の製造方法。
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