JPH01157108A

JPH01157108A - 圧電薄膜共振子

Info

Publication number: JPH01157108A
Application number: JP31579787A
Authority: JP
Inventors: Itaru Nozaki; 野崎　格
Original assignee: Victor Company of Japan Ltd
Current assignee: Victor Company of Japan Ltd
Priority date: 1987-12-14
Filing date: 1987-12-14
Publication date: 1989-06-20

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】（産業上の利用分野）本発明は、圧電薄膜共振子に関するものである。

（従来の技術）近年、材料技術や加工技術の進歩に電子部品の集積化が
進み、その電子部品の集積度も大規模なものとなってい
る。その反面、共振子やフィルタ等の受動部品において
は、上記の如き電子部品に比べて、集積化の開発が立ち
遅れている。そのため、特に通信機器又はＯＡ機器等の
応用分野では、ＶＨＦあるいはＵＨＦ帯域で使用可能な
小型の共振子の開発が望まれている。

従来、このような受動部品として、水晶等の圧電基板の
厚み振動を利用した共振子やフィルタが実用化されてい
る。しかしながら、上記圧電基板は、それ自体の機械的
強度およびそれ自体を加工する上での制約により、数十
μｍ程度にしか薄くすることができない。このような数
十μｍ程度の厚さの圧電基板を用いて構成した共振子や
フィルタの上限共振周波数は、数十ＭＨｚである。した
がって、それよりも高い周波数を必要とする場合には、
高次厚み振動を利用することになる。しかしながら、高
次厚み振動を利用した場合においては、電気機械結合係
数が小さくなる。そのため、周波数帯域幅が狭くなり、
実用的ではないという問題がある。

この問題を解決する方法として、複合圧電膜をＳｉ基板
上またはＧａＡｓ基板上に形成し、その複合圧電膜の厚
み共振モードを利用する方法がある。その方法が国内外
で研究されている。たとえば、第３図に示された圧電薄
膜共振子がある。それは、京都大学の周端らにより“Ｖ
ＨＦ／ＵＨＦＣｏＩｎｐｏｓｉｔｅ　Ｒｅ５ｏｎａｔｏ
ｒ　ｏｎ　ａ　５ｉｌｉｃｏｎ　５ｕｂｓｔｒａｔｅ”
Ｊｐｎ、Ｊ、Ａｐｐｌ　、Ｐｈｙｓ、、ｖｏｌ　、２２
．５ｕｐｐｌ　、２２−３．ｐｐ、　１３９−１４１　
（１９８３）として発表されたものである。その第３図
において、１はシリコン基板であり、その表面にＳ　ｉ
Ｏ２膜３を形成している。この基板の裏面を、エチレン
ジアミン・ピロカテコールを主成分とするエツチング液
（以下、ＥＤＰ液という。）によって異方性エツチング
することにより、空隙２を形成する。その異方性エツチ
ングは、Ｓ　’ｌ　Ｏ２膜３の表面に達した時点で深さ
方向の進行を停止させる。ＳｉＯ２膜３を挾んでこの空
隙２と対向するように、そのＳｉＯ２膜３の表面に、第
１電極４を形成する。その後、第１電極４上からＳ　１
０２膜３上にかけてＺｎＯ圧電膜５を形成する。さらに
、ＺｎＯ圧電膜５上からＳ　ｉＯ２膜３上にかけて第２
電極６を形成する。その第２電極６と第１電極４とはＺ
ｎＯ圧電膜５を挟んで対向している。

上記構成の圧電薄膜共振子において、１対の電極４，６
にそれぞれ電気信号を印加すると、ＺｎＯ圧電膜５の圧
電効果により、空隙２上に位置するＳ　１０２膜３とＺ
ｎＯ圧電膜５とからなる複合圧電膜（複合体膜）が振動
する。この振動部としての複合体膜は、蒸着等の手段を
用いて極めて薄く形成することができる。そのため、１
００ＭＨｚ〜数ＧＨｚの高周波数帯域においても、基本
モードであるいは低次モードで動作させることができる
。

なお、上記Ｓ　ｌ　０２膜３及びＺｎＯ圧電膜５として
、共振周波数温度係数の符号が互いに逆符号であるもの
を組み合わせて用いれば、零温度係数を得ることができ
る。

上記圧電薄膜共振子は、このように将来性の高い素子で
ある。しかしながら、半導体基板自体に空孔を設けなけ
ればならない。そのため、実際に共振領域として動作す
る部分の寸法に比して、共振子全体としての寸法が著し
く大きくなるという難点、及び半導体基板の裏面から空
孔を設ける加工を行なうためには両面露光が必要である
という難点等を有している。これらの難点は、圧電薄膜
共振子を、ＩＣ化された状態にある外部回路と一体的に
オンチップ化しようとする場合に、大きな障害となって
いる。

この障害を解消することを目的とした圧電薄膜共振子と
して、半導体基板に裏面がら空孔を形成するための加工
を施すことなく、その空隙を形成したのと同様の効果を
得るため、振動部だけを基板から浮かせた構造のものが
ある。第４図はその一例を示すものである。同図の圧電
薄膜共振子が第３図のそれと異なる点は、半導体基板１
の裏面に空隙を有しないこと、及びＳｉＯ２膜３と半導
体基板１との間に空隙９を有することにあり、さらに小
さな相違点として、最上面のほとんどをＳ　ｔ　Ｏ２膜
７で覆ったことにある。

上記圧電薄膜共振子は、次のようにして構成される。即
ち、先ず、半導体基板１上の空隙形成予定部分（９）に
ＺｎＯ膜を形成する。このＺｎＯ膜（９）を有する半導
体基板１上にＳｉＯ２膜３を形成する。このＳ　ｉＯ２
膜３上に、第１電極４、圧電膜５、第２電極６及びＳｉ
Ｏ２膜７を順次形成する。この後、エツチングにより上
記ＺｎＯ膜（９）を除去する。これにより、空隙９が形
成される。この空隙９上には、各種の膜（３〜７）によ
って構成された振動部８が位置している。

上記構成の圧電薄膜共振子には以下のような難点がある
。即ち、振動部８を半導体基板１から浮かすために空隙
９を設けている。この空隙９に起因して、振動部８を構
成する各膜（３〜７）に大きな段差が生じる。その大き
な段差によって、振動部８を形成する各膜のステップカ
バレージが悪化して、製品としての信頼性が低下する。

また、その大きな段差によって、上記各膜に残留応力が
生じ、その応力よって振動部８が変形する。さらに、上
記空隙９は、上述したように、最後の工程でＺｎＯ膜を
エツチングにより除去することによって形成される。そ
のため、上記ＺｎＯ膜を極めて薄いものとして形成した
場合には、第１にそのＺｎＯ膜にピンホールが存するこ
とにより、第２にエツチングが十分に行なわれないこと
により、空隙９を薄く、均一なものとして形成するのが
困難である。

（発明が解決しようとする問題点）このように、従来の圧電薄膜共振子には種々の難点があ
った。即ち、第３図の圧電薄膜共振子には、大型化する
という難点及び両面露光しなければならないという難点
があった。また、第４図の圧電薄膜共振子には、空隙に
よって振動部が大きな段差構造を有することによる難点
及びその空隙を薄く、均一なものとして構成するのが困
難であるという難点があった。

本発明は、上記難点に鑑みてなされたもので、その目的
は、圧電薄膜共振子を、製造のための加工が容易で、製
品としての機械的強度及び信頼性が高く、且つ超小形化
可能なものとして提供することにある。

（問題点を解決するための手段）本発明の圧電薄膜共振子は、基板と、その基板上に形成
された絶縁膜と、その絶縁膜上に圧電膜と電極とによっ
て構成された振動部と、前記絶縁膜を挟んで前記振動部
と反対側に設けられた空隙と、を備えた圧電薄膜共振子
において、前記絶縁膜は平坦状に形成されたものであり
、且つ前記空隙は前記絶縁膜と前記基板との間に形成さ
れたものであるという構成を有する。

（作　用）絶縁膜は平坦状に構成されている。よって、この絶縁膜
上に構成される振動部はその絶縁膜に起因する段差を有
することはない。このため、振動部を構成する各膜のス
テップカバレージの向上、それによる製品の信頼性の向
上、及び残留応力の低下による振動部の変形回避等が期
待される。また、空隙は絶縁膜と基板との間、即ち基板
の表面側に形成される。よって、基板を裏面から加工す
る必要はない。これにより、加工が容易であると共に製
品の超小形化が容易である。

（実施例）以下、図面を参照して本発明の詳細な説明する。

第１図は、本発明の一実施例の圧電薄膜共振子を示す。

この圧電薄膜共振子の製造工程を第１図を参照して説明
する。この第１図において、１１は面方位（１００）の
シリコン（Ｓｉ）基板（半導体基板）である。この基板
１１の一方の面（表面）にＥＰＤ液を用いてエツチング
を行ない、空隙１２を形成する。そのあと、この空隙１
２内の全体に、無配向性のＺｎＯをスパッタリングによ
り埋め込む。そのＺｎＯの上面及び基板１１の全面に、
Ｓ　１０２膜１３、第１電極１４、圧電膜（Ｃ軸配向性
ＺｎＯ膜）１５、第２電極１６を順次堆積させて振動部
１７を形成する。そして、最後に、空隙１２内に形成し
た無配向性のＺｎＯを薄い塩酸で除去し、このＺｎＯが
詰っていた部分を再び空隙１２とする。

上記第１電極１４及び第２電極１６は、例えば、ＡΩあ
るいはＴｉ／Ａｕ等を材料として、真空蒸着やスパッタ
リング等によって形成される。また、上記圧電膜１５は
、所望する共振周波数帯、温度係数及び電気機械結合係
数等を考慮して材質が決定され、例えば酸化亜鉛（Ｚｎ
Ｏ）あるいは窒化アルミニウム（１！　Ｎ）等の圧電材
料が使用される。

このように、上記第１図のＳｉＯ２膜１３は、複合体膜
の一部として振動部１７を構成している。

それにより、ＳｉＯ２膜１３膜厚３は、圧電膜１５の材
質を考慮し、且つ所望の共振周波数や温度係数の補正範
囲等によって決定され、例えば数μｍ〜数十μｍの範囲
のものとして形成される。

なお、第２電極１６の上面に、さらにＳ　１０２膜１８
を、例えば数μｍ〜数十μｍの厚さに形成してもよい。

この場合、そのＳｉＯ２膜１８は、振動部１７を構成す
るとともに、保護膜としても機能する。

上記第１図の実施例によれば以下のような効果が得られ
る。即ち、半導体基板に設けた空隙をまたいで振動部を
形成するようにしたので、半導体基板にその裏面から加
工して空隙を設ける必要がない。そのため、製品として
の寸法を著しく小さくすることができる。また、裏面加
工を行なうとすれば、その加工中に表面を保護する必要
がある。

しかしながら、裏面加工を行なう必要がないため、表面
保護の必要性もなく、これにより製造コストを低減する
ことができる。

第２図は、本発明の異なる実施例の圧電薄膜共振子を示
す。この圧電薄膜共振子が第１図のそれと異なる点は、
半導体基板１１自体に空隙１２を設けることなく、半導
体基板１１とＳ　ｉＯ２膜１３との間にＳｉＯ２膜２１
膜設１、そのＳ　ｉＯ２膜２１に空隙２２を形成した点
にある。

上記圧電薄膜共振子の製造工程を第２図を参照して説明
する。

第２図に示すように、先ず、シリコン（Ｓｔ）の半導体
基板１１上の全面にＳｉＯ２膜２１膜設１ッタにより形
成する。この５１０２膜２１の一部を緩衝弗酸液（ＨＦ
＋ＮＨ４Ｆ）でエツチングして空隙２２を形成する。こ
の後、５ｉＯ９膜２１の上面及び空隙２２の内部に無配
向性のＺｎＯをスパッタにより形成する。そのＺｎＯを
リン酸でエツチングする。このエツチングによりＳ　ｉ
Ｏ２膜２１上のＺｎＯは除去され、ＺｎＯは空隙２２の
内部に詰った状態に残存する。即ち、５１０２膜２１の
厚さと空隙２２内のＺｎＯ膜の厚さは同じになっている
。次に、基板１１の全面に、上記第１図の場合と同様に
、Ｓ　ｉＯ２膜１３、第１電極１４、圧電膜（Ｃ軸配向
性の圧電性ＺｎＯ膜）１５、第２電極１６及び保護用の
ＳｉＯ２膜１８を順次堆積させ、振動部１７を形成する
。そして、最後に、空隙２２内に形成した無配向性のＺ
ｎＯ膜を薄い塩酸で除去し、このＺｎＯが詰っていた部
分を再び空隙２２とする。

なお、第２電極１６の上に形成したＳ　ｉＯ２膜１８は
、主に保護膜として機能している。そのため、Ｓ　ｉＯ
２膜１８は省略することができ、そのＳ　ｉＯ２膜１８
を形成しない場合でも形成した場合と同様の効果を達成
できる。

以上説明した第２図の実施例では、空隙２２を形成する
ため、薄膜としてのＳｉＯ２膜２１膜設１コンの基板１
１上に形成している。しかしながら、上記ＳｉＯ２膜２
１に代えてＡｕ／Ｔｉ膜を使用することができる。この
場合において、Ａｕ／Ｔｉ膜に空隙２２をエツチングに
よって形成するには、王水およびリン酸をエツチング液
として使用する必要がある。この空隙を形成した後の製
造工程及びそれによって得られる圧電薄膜共振子の構成
は第２図のものと同様である。当然効果においても同様
である。

なお、上記第２図の実施例において、シリコンの半導体
基板に代えて、他の材料で作った基板、例えば、各種ガ
ラス基板あるいはセラミック基板を用いることができる
。

第２図の実施例によれば、以下のような効果が得られる
。即ち、基板にその裏面から加工して空隙を設ける必要
がない。これにより、製品の小形化を図ることができる
。さらに、基板自体に加工が不要なため、例えばシリコ
ンの基板を使用する場合、異方性エツチングを行なう必
要がなく、面方位を任意に選択でき、コストを低減でき
る。また、基板上の菌膜の凹凸を小さくできるため、良
好なステップカバレージが得られ、信頼性の高い圧電薄
膜共振子を提供することができる。

〔発明の効果〕

本発明の圧電薄膜共振子によれば、上面に振動部を形成
するための絶縁膜を平坦なものとして構成し、且つ空隙
を絶縁膜と基板との間に形成するようにしたので、圧電
薄膜共振子を、製造のための加工が容易で、製品として
の機械的強度及び信顆性が高く、且つ超小形化が容易な
ものとして提供することができる。

【図面の簡単な説明】第１図は本発明の一実施例の断面図、第２図はその異な
る実施例の断面図、第３図及び第４図はそれぞれ異なる
従来の圧電薄膜共振子の断面図である。１１・・・基板、１２．２２・・・空隙、１３．１８．
２１・・・Ｓ　ｉＯ２膜、１４・・・第１電極、１５・
・・圧電膜、１６・・・第２電極、１７・・・振動部。出願人代理人　　佐　　藤　　−雄活２図

Claims

【特許請求の範囲】

１．　基板と、その基板上に形成された絶縁膜と、その
絶縁膜上に圧電膜と電極とによって構成された振動部と
、前記絶縁膜を挟んで前記振動部と反対側に設けられた
空隙と、を備えた圧電薄膜共振子において、前記絶縁膜
は平坦状に形成されたものであり、且つ前記空隙は前記
絶縁膜と前記基板との間に形成されたものであることを
特徴とする圧電薄膜共振子。
２．　前記空隙は、前記基板表面への加工によって形成
されたものであることを特徴とする特許請求の範囲第１
項に記載の圧電薄膜共振子。
３．　前記空隙は、前記基板と前記絶縁膜との間に設け
た膜によって形成されたものであることを特徴とする特
許請求の範囲第１項に記載の圧電薄膜共振子。