JP2002344279A - 圧電薄膜共振子 - Google Patents
圧電薄膜共振子Info
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 電気機械結合係数が大きく、音響的品質係数
（Ｑ値）及び周波数温度特性に優れ高特性で高性能な圧
電薄膜共振子を提供する。 【解決手段】 シリコン単結晶からなる基板１２と、そ
の上に形成された酸化シリコンを主成分とする誘電体膜
からなる下地膜１３と、その上に形成された圧電積層構
造体１４とを有する。下地膜１３の一部と圧電積層構造
体１４の一部とを含んで振動部２１が構成されている。
圧電積層構造体１４は、下部電極１５、圧電体膜１６お
よび上部電極１７をこの順に積層してなる。基板１２は
振動部２１に対応する領域にて振動部２１の振動を許容
する空隙を形成するビアホール２０を有する。圧電体膜
１６は、アルカリ土類金属及び／または希土類金属を
０．２〜３．０原子％含有する窒化アルミニウム薄膜で
ある。
（Ｑ値）及び周波数温度特性に優れ高特性で高性能な圧
電薄膜共振子を提供する。 【解決手段】 シリコン単結晶からなる基板１２と、そ
の上に形成された酸化シリコンを主成分とする誘電体膜
からなる下地膜１３と、その上に形成された圧電積層構
造体１４とを有する。下地膜１３の一部と圧電積層構造
体１４の一部とを含んで振動部２１が構成されている。
圧電積層構造体１４は、下部電極１５、圧電体膜１６お
よび上部電極１７をこの順に積層してなる。基板１２は
振動部２１に対応する領域にて振動部２１の振動を許容
する空隙を形成するビアホール２０を有する。圧電体膜
１６は、アルカリ土類金属及び／または希土類金属を
０．２〜３．０原子％含有する窒化アルミニウム薄膜で
ある。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、移動体通信機等に
利用される薄膜振動子、薄膜ＶＣＯ（電圧制御発信
器）、薄膜フィルター、送受切替器や各種センサーな
ど、広範な分野で用いられる圧電体薄膜を利用した素子
に関する。
利用される薄膜振動子、薄膜ＶＣＯ（電圧制御発信
器）、薄膜フィルター、送受切替器や各種センサーな
ど、広範な分野で用いられる圧電体薄膜を利用した素子
に関する。
【０００２】
【従来の技術】圧電現象を利用する素子は広範な分野で
用いられている。携帯電話機などの携帯機器の小型化と
低消費電力化が進む中で、該機器に使用されるＲＦ用お
よびＩＦ用フィルターとして弾性表面波（Ｓｕｒｆａｃ
ｅ Ａｃｏｕｓｔｉｃ Ｗａｖｅ：ＳＡＷ）素子の使用
が拡大している。このＳＡＷフィルターは設計および生
産技術の向上によりユーザーの厳しい要求仕様に対応し
てきたが、利用周波数が高周波数化するに従って特性向
上の限界に近づいており、電極形成の微細化と安定した
出力確保との両面で大きな技術革新が必要となってきて
いる。
用いられている。携帯電話機などの携帯機器の小型化と
低消費電力化が進む中で、該機器に使用されるＲＦ用お
よびＩＦ用フィルターとして弾性表面波（Ｓｕｒｆａｃ
ｅ Ａｃｏｕｓｔｉｃ Ｗａｖｅ：ＳＡＷ）素子の使用
が拡大している。このＳＡＷフィルターは設計および生
産技術の向上によりユーザーの厳しい要求仕様に対応し
てきたが、利用周波数が高周波数化するに従って特性向
上の限界に近づいており、電極形成の微細化と安定した
出力確保との両面で大きな技術革新が必要となってきて
いる。
【０００３】一方、圧電体薄膜の厚み振動を利用した薄
膜バルク波音響共振子（ＦｉｌｍＢｕｌｋ Ａｃｏｕｓ
ｔｉｃ Ｒｅｓｏｎａｔｏｒ：ＦＢＡＲ）は、基板に設
けられた薄い支持膜の上に、主として圧電体より成る薄
膜と、これを駆動する電極とを形成したものであり、ギ
ガヘルツ帯での基本共振が可能である。ＦＢＡＲでフィ
ルターを構成すれば、著しく小型化でき、かつ低損失・
広帯域動作が可能な上に、半導体集積回路と一体化する
ことができるので、将来の超小型携帯機器への応用が期
待されている。
膜バルク波音響共振子（ＦｉｌｍＢｕｌｋ Ａｃｏｕｓ
ｔｉｃ Ｒｅｓｏｎａｔｏｒ：ＦＢＡＲ）は、基板に設
けられた薄い支持膜の上に、主として圧電体より成る薄
膜と、これを駆動する電極とを形成したものであり、ギ
ガヘルツ帯での基本共振が可能である。ＦＢＡＲでフィ
ルターを構成すれば、著しく小型化でき、かつ低損失・
広帯域動作が可能な上に、半導体集積回路と一体化する
ことができるので、将来の超小型携帯機器への応用が期
待されている。
【０００４】このような弾性波を利用した共振器やフィ
ルター等に応用される圧電体薄膜素子は、以下のように
して製造される。シリコンなどの半導体単結晶基板や、
シリコンウエハーなどの上に多結晶ダイヤモンドやエリ
ンバーなどの恒弾性金属の膜を形成してなる基板の表面
上に、種々の薄膜形成方法によって、誘電体薄膜、導電
体薄膜またはこれらの積層膜からなる下地膜を形成す
る。この下地膜上に圧電体薄膜を形成し、さらに必要に
応じた上部構造を形成する。各膜の形成後に、または全
ての膜を形成した後に、各々の膜に物理的処理または化
学的処理を施すことにより、微細加工やパターニングを
行う。異方性エッチングにより基板から圧電体薄膜の振
動部の下に位置する部分を除去した浮き構造を作製した
後に、１素子単位ごとに分離して圧電体薄膜素子を得
る。
ルター等に応用される圧電体薄膜素子は、以下のように
して製造される。シリコンなどの半導体単結晶基板や、
シリコンウエハーなどの上に多結晶ダイヤモンドやエリ
ンバーなどの恒弾性金属の膜を形成してなる基板の表面
上に、種々の薄膜形成方法によって、誘電体薄膜、導電
体薄膜またはこれらの積層膜からなる下地膜を形成す
る。この下地膜上に圧電体薄膜を形成し、さらに必要に
応じた上部構造を形成する。各膜の形成後に、または全
ての膜を形成した後に、各々の膜に物理的処理または化
学的処理を施すことにより、微細加工やパターニングを
行う。異方性エッチングにより基板から圧電体薄膜の振
動部の下に位置する部分を除去した浮き構造を作製した
後に、１素子単位ごとに分離して圧電体薄膜素子を得
る。
【０００５】例えば、特開昭５８−１５３４１２号公報
や特開昭６０−１４２６０７号公報に記載された圧電体
薄膜素子は、基板の上面上に下地膜、下部電極、圧電体
薄膜及び上部電極を形成した後に、基板の下面から振動
部となる部分の下にある基板部分を除去することにより
製造されている。
や特開昭６０−１４２６０７号公報に記載された圧電体
薄膜素子は、基板の上面上に下地膜、下部電極、圧電体
薄膜及び上部電極を形成した後に、基板の下面から振動
部となる部分の下にある基板部分を除去することにより
製造されている。
【０００６】圧電体薄膜素子用の圧電体材料としては、
窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、硫
化カドミウム（ＣｄＳ）、チタン酸鉛［ＰＴ］（ＰｂＴ
ｉＯ 3 ）、チタン酸ジルコン酸鉛［ＰＺＴ］（Ｐｂ（Ｚ
ｒ，Ｔｉ）Ｏ3 ）などが用いられている。特に、ＡｌＮ
は、弾性波の伝播速度が速く、高周波帯域で動作する薄
膜共振器やフィルターの圧電薄膜共振子の圧電体材料と
して適している。
窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、硫
化カドミウム（ＣｄＳ）、チタン酸鉛［ＰＴ］（ＰｂＴ
ｉＯ 3 ）、チタン酸ジルコン酸鉛［ＰＺＴ］（Ｐｂ（Ｚ
ｒ，Ｔｉ）Ｏ3 ）などが用いられている。特に、ＡｌＮ
は、弾性波の伝播速度が速く、高周波帯域で動作する薄
膜共振器やフィルターの圧電薄膜共振子の圧電体材料と
して適している。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】これまで、ＡｌＮ薄膜
をＦＢＡＲに適用するために、種々の検討が行われてき
た。しかしながら、未だ、ギガヘルツ帯域で十分な性能
を発揮する薄膜共振器や薄膜フィルターは得られておら
ず、ＡｌＮ薄膜の音響的品質係数（Ｑ値）、周波数温度
係数および挿入損失の改善が望まれている。音響的品質
係数（Ｑ値）、広帯域動作及び周波数温度特性の全てに
優れ、高性能な共振特性を示す薄膜圧電素子は提案され
ていない。電気機械結合係数は、共振器やフィルターを
構成する際にその性能を左右する重要なパラメーターで
あり、使用する圧電体薄膜の膜品質に大きく依存する。
電気機械結合係数を改善することで、音響的品質係数
（Ｑ値）を改善することができる。
をＦＢＡＲに適用するために、種々の検討が行われてき
た。しかしながら、未だ、ギガヘルツ帯域で十分な性能
を発揮する薄膜共振器や薄膜フィルターは得られておら
ず、ＡｌＮ薄膜の音響的品質係数（Ｑ値）、周波数温度
係数および挿入損失の改善が望まれている。音響的品質
係数（Ｑ値）、広帯域動作及び周波数温度特性の全てに
優れ、高性能な共振特性を示す薄膜圧電素子は提案され
ていない。電気機械結合係数は、共振器やフィルターを
構成する際にその性能を左右する重要なパラメーターで
あり、使用する圧電体薄膜の膜品質に大きく依存する。
電気機械結合係数を改善することで、音響的品質係数
（Ｑ値）を改善することができる。
【０００８】そこで、本発明は、弾性波の伝播速度が速
いというＡｌＮ薄膜の特長を活かしつつ、電気機械結合
係数が大きく、音響的品質係数（Ｑ値）、帯域幅及び周
波数温度特性に優れ、従来のものに比べて著しく高特性
で高性能な圧電薄膜共振子を提供することを目的とす
る。
いというＡｌＮ薄膜の特長を活かしつつ、電気機械結合
係数が大きく、音響的品質係数（Ｑ値）、帯域幅及び周
波数温度特性に優れ、従来のものに比べて著しく高特性
で高性能な圧電薄膜共振子を提供することを目的とす
る。
【０００９】
【課題を解決するための手段】本発明者らは、ＡｌＮ薄
膜を圧電体薄膜としてＳｉなどの基板上に備えたＦＢＡ
Ｒの共振特性が、ＡｌＮ薄膜にアルカリ土類金属や希土
類金属などの第三成分を添加することにより著しく改善
されることを見出した。そして、第三成分を添加した高
品質のＡｌＮ薄膜をＦＢＡＲに使用することにより、電
気機械結合係数が大きく、Ｑ値、帯域幅及び周波数温度
特性に優れた高性能なＦＢＡＲを実現できることを見出
し、本発明に到達した。
膜を圧電体薄膜としてＳｉなどの基板上に備えたＦＢＡ
Ｒの共振特性が、ＡｌＮ薄膜にアルカリ土類金属や希土
類金属などの第三成分を添加することにより著しく改善
されることを見出した。そして、第三成分を添加した高
品質のＡｌＮ薄膜をＦＢＡＲに使用することにより、電
気機械結合係数が大きく、Ｑ値、帯域幅及び周波数温度
特性に優れた高性能なＦＢＡＲを実現できることを見出
し、本発明に到達した。
【００１０】即ち、本発明によれば、上記の目的を達成
するものとして、基板と、該基板上に形成された圧電積
層構造体とを有しており、前記圧電積層構造体の一部を
含んで振動部が構成されており、前記圧電積層構造体は
下部電極、圧電体膜および上部電極を前記基板の側から
この順に積層してなるものであり、前記基板は前記振動
部に対応する領域にて該振動部の振動を許容する空隙を
形成している圧電薄膜共振子において、前記圧電体膜が
アルカリ土類金属及び／または希土類金属を含有する窒
化アルミニウム薄膜であることを特徴とする圧電薄膜共
振子、が提供される。
するものとして、基板と、該基板上に形成された圧電積
層構造体とを有しており、前記圧電積層構造体の一部を
含んで振動部が構成されており、前記圧電積層構造体は
下部電極、圧電体膜および上部電極を前記基板の側から
この順に積層してなるものであり、前記基板は前記振動
部に対応する領域にて該振動部の振動を許容する空隙を
形成している圧電薄膜共振子において、前記圧電体膜が
アルカリ土類金属及び／または希土類金属を含有する窒
化アルミニウム薄膜であることを特徴とする圧電薄膜共
振子、が提供される。
【００１１】本発明の一態様においては、前記圧電体膜
における前記アルカリ土類金属及び前記希土類金属の含
有量は０．２〜３．０原子％である。本発明の一態様に
おいては、前記圧電体膜は、Ｃ軸配向を示し、（０００
２）面のＸ線回折ピークのロッキング・カーブ半値幅が
３．０°以下である。本発明の一態様においては、前記
圧電体膜は、Ｃ軸長が０．４９７８〜０．４９９３ｎｍ
である。本発明の一態様においては、前記圧電体膜は、
（０００２）面のＸ線回折ピークの２θ回転角の半値幅
が０．６°以下である。
における前記アルカリ土類金属及び前記希土類金属の含
有量は０．２〜３．０原子％である。本発明の一態様に
おいては、前記圧電体膜は、Ｃ軸配向を示し、（０００
２）面のＸ線回折ピークのロッキング・カーブ半値幅が
３．０°以下である。本発明の一態様においては、前記
圧電体膜は、Ｃ軸長が０．４９７８〜０．４９９３ｎｍ
である。本発明の一態様においては、前記圧電体膜は、
（０００２）面のＸ線回折ピークの２θ回転角の半値幅
が０．６°以下である。
【００１２】本発明の一態様においては、前記基板と前
記圧電積層構造体との間には下地膜が形成されており、
前記振動部は前記下地膜の一部をも含んで構成されてい
る。本発明の一態様においては、前記下地膜は酸化シリ
コンを主成分とする誘電体膜、窒化シリコンを主成分と
する誘電体膜または酸化シリコンを主成分とする誘電体
膜と窒化シリコンを主成分とする誘電体膜との積層膜で
ある。
記圧電積層構造体との間には下地膜が形成されており、
前記振動部は前記下地膜の一部をも含んで構成されてい
る。本発明の一態様においては、前記下地膜は酸化シリ
コンを主成分とする誘電体膜、窒化シリコンを主成分と
する誘電体膜または酸化シリコンを主成分とする誘電体
膜と窒化シリコンを主成分とする誘電体膜との積層膜で
ある。
【００１３】本発明の一態様においては、前記基板はシ
リコン単結晶からなる。本発明の一態様においては、前
記上部電極は互いに離隔して形成された第１の電極部と
第２の電極部とからなる。
リコン単結晶からなる。本発明の一態様においては、前
記上部電極は互いに離隔して形成された第１の電極部と
第２の電極部とからなる。
【００１４】本発明の一態様においては、２．０〜３．
０ＧＨｚの範囲における共振周波数及び***振周波数の
測定値から求めた電気機械結合係数が４．５％以上であ
る。
０ＧＨｚの範囲における共振周波数及び***振周波数の
測定値から求めた電気機械結合係数が４．５％以上であ
る。
【００１５】本発明では、ＡｌＮ薄膜形成時に、薄膜原
料としてアルカリ土類金属または希土類金属を添加する
ことにより、これらの第三成分を含有するＡｌＮ薄膜を
形成し、これをＦＢＡＲの圧電体膜となす。アルカリ土
類金属または希土類金属の添加により、ＡｌＮの結晶格
子に固溶する酸素の濃度を低減できるばかりでなく、Ｃ
軸配向ＡｌＮ粒子の粒界の結合強度を高めることがで
き、共振子及びフィルターとしての性能が大幅に向上す
るものと考えられる。
料としてアルカリ土類金属または希土類金属を添加する
ことにより、これらの第三成分を含有するＡｌＮ薄膜を
形成し、これをＦＢＡＲの圧電体膜となす。アルカリ土
類金属または希土類金属の添加により、ＡｌＮの結晶格
子に固溶する酸素の濃度を低減できるばかりでなく、Ｃ
軸配向ＡｌＮ粒子の粒界の結合強度を高めることがで
き、共振子及びフィルターとしての性能が大幅に向上す
るものと考えられる。
【００１６】
【発明の実施の形態】以下に、本発明の実施の形態につ
いて詳細に説明する。
いて詳細に説明する。
【００１７】図１は本発明による圧電薄膜共振子の実施
形態を示す模式的平面図であり、図２はそのＸ−Ｘ断面
図である。これらの図において、圧電薄膜共振子１１は
基板１２、該基板１２の上面上に形成された下地膜１３
及び該下地膜１３の上面上に形成された圧電積層構造体
１４を有する。圧電積層構造体１４は、下地膜１３の上
面上に形成された下部電極１５、該下部電極１５の一部
を覆うようにして下地膜１３の上面上に形成された圧電
体膜１６および該圧電体膜１６の上面上に形成された上
部電極１７からなる。基板１２には、空隙を形成するビ
アホール２０が形成されている。下地膜１３の一部はビ
アホール２０に向けて露出している。この下地膜１３の
露出部分、及びこれに対応する圧電積層構造体１４の部
分が振動部（振動ダイヤフラム）２１を構成する。ま
た、下部電極１５及び上部電極１７は、振動部２１に対
応する領域内に形成された主体部１５ａ，１７ａと、該
主体部１５ａ，１７ａと外部回路との接続のための端子
部１５ｂ，１７ｂを有する。端子部１５ｂ，１７ｂは振
動部２１に対応する領域外に位置する。
形態を示す模式的平面図であり、図２はそのＸ−Ｘ断面
図である。これらの図において、圧電薄膜共振子１１は
基板１２、該基板１２の上面上に形成された下地膜１３
及び該下地膜１３の上面上に形成された圧電積層構造体
１４を有する。圧電積層構造体１４は、下地膜１３の上
面上に形成された下部電極１５、該下部電極１５の一部
を覆うようにして下地膜１３の上面上に形成された圧電
体膜１６および該圧電体膜１６の上面上に形成された上
部電極１７からなる。基板１２には、空隙を形成するビ
アホール２０が形成されている。下地膜１３の一部はビ
アホール２０に向けて露出している。この下地膜１３の
露出部分、及びこれに対応する圧電積層構造体１４の部
分が振動部（振動ダイヤフラム）２１を構成する。ま
た、下部電極１５及び上部電極１７は、振動部２１に対
応する領域内に形成された主体部１５ａ，１７ａと、該
主体部１５ａ，１７ａと外部回路との接続のための端子
部１５ｂ，１７ｂを有する。端子部１５ｂ，１７ｂは振
動部２１に対応する領域外に位置する。
【００１８】基板１２としては、Ｓｉ（１００）単結晶
などの単結晶、または、Ｓｉ単結晶などの基材の表面に
シリコン、ダイヤモンドその他の多結晶膜を形成したも
のを用いることができる。基板１２のビアホール２０の
形成方法としては、基板下面側からの異方性エッチング
法が例示される。尚、基板１２に形成される空隙は、ビ
アホール２０によるものには限定されず、振動部２１の
振動を許容するものであればよく、該振動部２１に対応
する基板上面領域に形成した凹部であってもよい。
などの単結晶、または、Ｓｉ単結晶などの基材の表面に
シリコン、ダイヤモンドその他の多結晶膜を形成したも
のを用いることができる。基板１２のビアホール２０の
形成方法としては、基板下面側からの異方性エッチング
法が例示される。尚、基板１２に形成される空隙は、ビ
アホール２０によるものには限定されず、振動部２１の
振動を許容するものであればよく、該振動部２１に対応
する基板上面領域に形成した凹部であってもよい。
【００１９】下地膜１３としては、絶縁膜、たとえば酸
化シリコン（ＳｉＯ2 ）を主成分とする誘電体膜、窒化
シリコン（ＳｉＮx ）を主成分とする誘電体膜及び酸化
シリコンを主成分とする誘電体膜と窒化シリコンを主成
分とする誘電体膜との積層膜を用いることができる。こ
の下地膜１３の材質について、主成分とは、誘電体膜中
の含有量が５０原子％以上である成分を指す。誘電体膜
は単層からなるものであってもよいし、密着性を高める
ための層などを付加した複数層からなるものであっても
よい。下地膜１３の厚さは、例えば０．２〜２．０μｍ
である。下地膜１３の形成方法としては、シリコンから
なる基板１２の表面の熱酸化法やＣＶＤ法が例示され
る。
化シリコン（ＳｉＯ2 ）を主成分とする誘電体膜、窒化
シリコン（ＳｉＮx ）を主成分とする誘電体膜及び酸化
シリコンを主成分とする誘電体膜と窒化シリコンを主成
分とする誘電体膜との積層膜を用いることができる。こ
の下地膜１３の材質について、主成分とは、誘電体膜中
の含有量が５０原子％以上である成分を指す。誘電体膜
は単層からなるものであってもよいし、密着性を高める
ための層などを付加した複数層からなるものであっても
よい。下地膜１３の厚さは、例えば０．２〜２．０μｍ
である。下地膜１３の形成方法としては、シリコンから
なる基板１２の表面の熱酸化法やＣＶＤ法が例示され
る。
【００２０】下部電極１５及び上部電極１７としては、
モリブデン（Ｍｏ）、タングステン（Ｗ）、白金（Ｐ
ｔ）とチタン（Ｔｉ）との積層膜（Ｐｔ／Ｔｉ）、アル
ミニウム（Ａｌ）、金（Ａｕ）とクロム（Ｃｒ）との積
層膜（Ａｕ／Ｃｒ）などを用いることができる。熱弾性
損失が低いことから、Ｍｏが好適である。例えば、Ｍｏ
の熱弾性損失はＡｌの約１／５６である。Ｍｏ単体だけ
でなく、Ｍｏ合金または適当な密着層の上にＭｏ電極を
形成して使用することも可能である。下部電極１５及び
上部電極１７の厚さは、例えば５０〜２００ｎｍであ
る。下部電極１５及び上部電極１７の形成方法として
は、スパッタ法または蒸着法が例示され、更に必要に応
じて所要の形状へのパターニングのためにフォトリソグ
ラフィー技術が用いられる。
モリブデン（Ｍｏ）、タングステン（Ｗ）、白金（Ｐ
ｔ）とチタン（Ｔｉ）との積層膜（Ｐｔ／Ｔｉ）、アル
ミニウム（Ａｌ）、金（Ａｕ）とクロム（Ｃｒ）との積
層膜（Ａｕ／Ｃｒ）などを用いることができる。熱弾性
損失が低いことから、Ｍｏが好適である。例えば、Ｍｏ
の熱弾性損失はＡｌの約１／５６である。Ｍｏ単体だけ
でなく、Ｍｏ合金または適当な密着層の上にＭｏ電極を
形成して使用することも可能である。下部電極１５及び
上部電極１７の厚さは、例えば５０〜２００ｎｍであ
る。下部電極１５及び上部電極１７の形成方法として
は、スパッタ法または蒸着法が例示され、更に必要に応
じて所要の形状へのパターニングのためにフォトリソグ
ラフィー技術が用いられる。
【００２１】下部電極１５の主体部１５ａを基板１２の
上面におけるビアホール２０の矩形状開口の２辺を通っ
て該開口内へと延出させた場合には、下部電極１５によ
る振動部２１の保持が可能となるので、下地膜１３を省
略することも可能である。
上面におけるビアホール２０の矩形状開口の２辺を通っ
て該開口内へと延出させた場合には、下部電極１５によ
る振動部２１の保持が可能となるので、下地膜１３を省
略することも可能である。
【００２２】圧電体膜１６は、ＡｌＮ膜からなり、その
厚さは例えば０．３〜３．０μｍである。圧電体膜１６
のＡｌＮ膜は、カルシウム、ストロンチウム及びバリウ
ムなどのアルカリ土類金属またはイットリウム、ユーロ
ピウム、ガドリニウム、ディスプロシウム、エルビウ
ム、イッテルビウムなどの希土類金属を第三成分として
含有している。圧電体膜１６の形成方法としては、反応
性スパッタ法が例示され、更に必要に応じて所要の形状
へのパターニングのためにフォトリソグラフィー技術が
用いられる。
厚さは例えば０．３〜３．０μｍである。圧電体膜１６
のＡｌＮ膜は、カルシウム、ストロンチウム及びバリウ
ムなどのアルカリ土類金属またはイットリウム、ユーロ
ピウム、ガドリニウム、ディスプロシウム、エルビウ
ム、イッテルビウムなどの希土類金属を第三成分として
含有している。圧電体膜１６の形成方法としては、反応
性スパッタ法が例示され、更に必要に応じて所要の形状
へのパターニングのためにフォトリソグラフィー技術が
用いられる。
【００２３】一般に圧電材料の圧電特性は、結晶の分極
の大きさや分極軸の配列などに依存する。本発明の圧電
薄膜共振子の圧電体膜においても、その圧電性は薄膜を
構成する結晶のドメイン構造、配向性及び結晶性などの
結晶性状に依存すると考えられる。本明細書において単
一配向膜とは、基板表面と平行に目的とする結晶面が揃
っている結晶化膜のことを意味する。例えば、（０００
１）単一配向膜は、膜面と平行に（０００１）面が成長
している膜を意味する。具体的には、ディフラクトメー
タ法によるＸ線回折測定を行った場合に、ＡｌＮ結晶に
起因した目的とする回折面以外の反射ピークがほとんど
検出できないものを意味する。例えば、（０００Ｌ）単
一配向膜、即ち、Ｃ軸単一配向膜は、θ−２θ回転のＸ
線回折測定で（０００Ｌ）面以外の反射強度が（０００
Ｌ）面反射の最大ピーク強度の５％未満、好ましくは２
％未満、さらに好ましくは検出限界以下のものである。
なお（０００Ｌ）面は、（０００１）系列の面、即ち
（０００１）面、（０００２）面及び（０００４）面な
どの等価な面を総称する表示である。
の大きさや分極軸の配列などに依存する。本発明の圧電
薄膜共振子の圧電体膜においても、その圧電性は薄膜を
構成する結晶のドメイン構造、配向性及び結晶性などの
結晶性状に依存すると考えられる。本明細書において単
一配向膜とは、基板表面と平行に目的とする結晶面が揃
っている結晶化膜のことを意味する。例えば、（０００
１）単一配向膜は、膜面と平行に（０００１）面が成長
している膜を意味する。具体的には、ディフラクトメー
タ法によるＸ線回折測定を行った場合に、ＡｌＮ結晶に
起因した目的とする回折面以外の反射ピークがほとんど
検出できないものを意味する。例えば、（０００Ｌ）単
一配向膜、即ち、Ｃ軸単一配向膜は、θ−２θ回転のＸ
線回折測定で（０００Ｌ）面以外の反射強度が（０００
Ｌ）面反射の最大ピーク強度の５％未満、好ましくは２
％未満、さらに好ましくは検出限界以下のものである。
なお（０００Ｌ）面は、（０００１）系列の面、即ち
（０００１）面、（０００２）面及び（０００４）面な
どの等価な面を総称する表示である。
【００２４】本発明者らは、図１及び図２に示す構成の
ＦＢＡＲにおいて、その共振特性がＡｌＮ薄膜の組成や
結晶性にどのように依存するのかについて検討した。そ
の結果、ＡｌＮ薄膜からなる圧電体膜を有するＦＢＡＲ
の共振特性が、ＡｌＮ薄膜の組成や結晶性に大きく依存
することを見出した。即ち、良好な共振特性を得るため
には、ＡｌＮ薄膜にカルシウム、ストロンチウム、バリ
ウムなどのアルカリ土類金属、またはイットリウム、ユ
ーロピウム、ガドリニウム、ディスプロシウム、エルビ
ウム、イッテルビウムなどの希土類金属の添加が有効で
ある。その含有量は、好ましくは０．２〜３．０原子％
（Ａｔｏｍ％）である。０．２Ａｔｏｍ％未満の場合に
は第三成分添加による共振特性改善の効果が低下し、一
方３．０Ａｔｏｍ％を越える場合には結晶粒界に偏析す
る第三成分の量が多くなり音響波を散乱させ共振特性の
劣化が生ずる傾向にある。
ＦＢＡＲにおいて、その共振特性がＡｌＮ薄膜の組成や
結晶性にどのように依存するのかについて検討した。そ
の結果、ＡｌＮ薄膜からなる圧電体膜を有するＦＢＡＲ
の共振特性が、ＡｌＮ薄膜の組成や結晶性に大きく依存
することを見出した。即ち、良好な共振特性を得るため
には、ＡｌＮ薄膜にカルシウム、ストロンチウム、バリ
ウムなどのアルカリ土類金属、またはイットリウム、ユ
ーロピウム、ガドリニウム、ディスプロシウム、エルビ
ウム、イッテルビウムなどの希土類金属の添加が有効で
ある。その含有量は、好ましくは０．２〜３．０原子％
（Ａｔｏｍ％）である。０．２Ａｔｏｍ％未満の場合に
は第三成分添加による共振特性改善の効果が低下し、一
方３．０Ａｔｏｍ％を越える場合には結晶粒界に偏析す
る第三成分の量が多くなり音響波を散乱させ共振特性の
劣化が生ずる傾向にある。
【００２５】アルカリ土類金属または希土類金属を含有
するＡｌＮ薄膜は、Ｃ軸配向を示し、Ｘ線回折法により
測定した（０００２）面の回折ピークのロッキング・カ
ーブ半値幅（ＦＷＨＭ）は３．０°以下である。ロッキ
ング・カーブ半値幅（ＦＷＨＭ）が３．０°を超える
と、電気機械結合係数ｋt 2が低下し、共振特性が劣化す
る傾向にある。さらに、ロッキング・カーブ半値幅（Ｆ
ＷＨＭ）が過度に大きくなると、下部電極端子部１５ｂ
と上部電極端子部１７ｂとの間に電流リークが発生しや
すくなる傾向にある。
するＡｌＮ薄膜は、Ｃ軸配向を示し、Ｘ線回折法により
測定した（０００２）面の回折ピークのロッキング・カ
ーブ半値幅（ＦＷＨＭ）は３．０°以下である。ロッキ
ング・カーブ半値幅（ＦＷＨＭ）が３．０°を超える
と、電気機械結合係数ｋt 2が低下し、共振特性が劣化す
る傾向にある。さらに、ロッキング・カーブ半値幅（Ｆ
ＷＨＭ）が過度に大きくなると、下部電極端子部１５ｂ
と上部電極端子部１７ｂとの間に電流リークが発生しや
すくなる傾向にある。
【００２６】アルカリ土類金属または希土類元素を含有
するＡｌＮ薄膜のＣ軸長は０．４９７８〜０．４９９３
ｎｍであることが好ましい。Ｃ軸長が０．４９７８より
小さくても、０．４９９３ｎｍより大きくても、電気機
械結合係数ｋt 2及び音響的品質係数（Ｑ値）が低下し、
共振特性が悪化する傾向にある。また、ディフラクトメ
ータ法により測定した（０００２）面のＸ線回折ピーク
の２θ回転角の半値幅（ＦＷＨＭ）は０．６°以下であ
ることが好ましい。２θ回転角の半値幅（ＦＷＨＭ）が
０．６°を超えると、やはり、電気機械結合係数ｋt 2及
び音響的品質係数（Ｑ値）が低下し、共振特性が悪化す
る傾向にある。
するＡｌＮ薄膜のＣ軸長は０．４９７８〜０．４９９３
ｎｍであることが好ましい。Ｃ軸長が０．４９７８より
小さくても、０．４９９３ｎｍより大きくても、電気機
械結合係数ｋt 2及び音響的品質係数（Ｑ値）が低下し、
共振特性が悪化する傾向にある。また、ディフラクトメ
ータ法により測定した（０００２）面のＸ線回折ピーク
の２θ回転角の半値幅（ＦＷＨＭ）は０．６°以下であ
ることが好ましい。２θ回転角の半値幅（ＦＷＨＭ）が
０．６°を超えると、やはり、電気機械結合係数ｋt 2及
び音響的品質係数（Ｑ値）が低下し、共振特性が悪化す
る傾向にある。
【００２７】図３は本発明による圧電薄膜共振子の更に
別の実施形態を示す模式的平面図であり、図４はそのＸ
−Ｘ断面図である。これらの図において、上記図１及び
図２におけると同様の機能を有する部材には同一の符号
が付されている。
別の実施形態を示す模式的平面図であり、図４はそのＸ
−Ｘ断面図である。これらの図において、上記図１及び
図２におけると同様の機能を有する部材には同一の符号
が付されている。
【００２８】本実施形態では、下部電極１５は矩形状を
なしており、上部電極１７は、第１の電極部１７Ａと第
２の電極部１７Ｂとからなる。これら電極部１７Ａ，１
７Ｂはそれぞれ主体部１７Ａａ，１７Ｂａと端子部１７
Ａｂ，１７Ｂｂとを有する。主体部１７Ａａ，１７Ｂａ
は振動部２１に対応する領域内に位置しており、端子部
１７Ａｂ，１７Ｂｂは振動部２１に対応する領域外に位
置している。
なしており、上部電極１７は、第１の電極部１７Ａと第
２の電極部１７Ｂとからなる。これら電極部１７Ａ，１
７Ｂはそれぞれ主体部１７Ａａ，１７Ｂａと端子部１７
Ａｂ，１７Ｂｂとを有する。主体部１７Ａａ，１７Ｂａ
は振動部２１に対応する領域内に位置しており、端子部
１７Ａｂ，１７Ｂｂは振動部２１に対応する領域外に位
置している。
【００２９】本実施形態では、上部電極１７のうちの一
方（例えば第２の電極部１７Ｂ）と下部電極１５との間
に入力電圧を印加し、上部電極１７のうちの他方（例え
ば第１の電極部１７Ａ）と下部電極１５との間の電圧を
出力電圧として取り出すことができるので、スプリアス
を十分に低減することができる。
方（例えば第２の電極部１７Ｂ）と下部電極１５との間
に入力電圧を印加し、上部電極１７のうちの他方（例え
ば第１の電極部１７Ａ）と下部電極１５との間の電圧を
出力電圧として取り出すことができるので、スプリアス
を十分に低減することができる。
【００３０】以上のような圧電薄膜共振子において、マ
イクロ波プローバを使用して測定したインピーダンス特
性における共振周波数ｆr および***振周波数ｆa と電
気機械結合係数ｋt 2との間には、以下の関係 ｋt 2＝φr ／Ｔａｎ（φr ） φr ＝（π／２）（ｆr ／ｆa ） がある。
イクロ波プローバを使用して測定したインピーダンス特
性における共振周波数ｆr および***振周波数ｆa と電
気機械結合係数ｋt 2との間には、以下の関係 ｋt 2＝φr ／Ｔａｎ（φr ） φr ＝（π／２）（ｆr ／ｆa ） がある。
【００３１】簡単のため、電気機械結合係数ｋt 2とし
て、次式 ｋt 2＝４．８（ｆa −ｆr ）／（ｆa ＋ｆr ） から算出したものを用いることができ、本明細書では、
電気機械結合係数ｋt 2の数値は、この式を用いて算出し
たものを用いている。
て、次式 ｋt 2＝４．８（ｆa −ｆr ）／（ｆa ＋ｆr ） から算出したものを用いることができ、本明細書では、
電気機械結合係数ｋt 2の数値は、この式を用いて算出し
たものを用いている。
【００３２】図１，２および図３，４に示した構成のＦ
ＢＡＲにおいて、２．０〜３．０ＧＨｚの範囲における
共振周波数及び***振周波数の測定値から求めた電気機
械結合係数ｋt 2は４．５〜６．５％である。電気機械結
合係数ｋt 2が４．５％未満になると、作製したＦＢＡＲ
の帯域幅が小さくなり、高周波域で実用に供することが
難しくなる傾向にある。
ＢＡＲにおいて、２．０〜３．０ＧＨｚの範囲における
共振周波数及び***振周波数の測定値から求めた電気機
械結合係数ｋt 2は４．５〜６．５％である。電気機械結
合係数ｋt 2が４．５％未満になると、作製したＦＢＡＲ
の帯域幅が小さくなり、高周波域で実用に供することが
難しくなる傾向にある。
【００３３】
【実施例】以下に、実施例および比較例を示し、本発明
をさらに詳細に説明する。
をさらに詳細に説明する。
【００３４】［実施例１］本実施例では、以下のように
して、図１，２に示されている構造の圧電薄膜共振子を
作製した。
して、図１，２に示されている構造の圧電薄膜共振子を
作製した。
【００３５】即ち、厚さ２５０μｍの（１００）Ｓｉ基
板１２の上面及び下面に、低圧ＣＶＤ法により厚さ０．
５５μｍの窒化シリコン（ＳｉＮx ）層を形成した。上
面側のＳｉＮx 層を下地膜１３とした。また、下面側の
ＳｉＮx 層は基板１２に対する後述のビアホール形成の
ためのマスクのパターンに形成した。
板１２の上面及び下面に、低圧ＣＶＤ法により厚さ０．
５５μｍの窒化シリコン（ＳｉＮx ）層を形成した。上
面側のＳｉＮx 層を下地膜１３とした。また、下面側の
ＳｉＮx 層は基板１２に対する後述のビアホール形成の
ためのマスクのパターンに形成した。
【００３６】下地膜１３の表面に、ＤＣマグネトロンス
パッタ法により厚さ２００ｎｍのＭｏ層を形成し、フォ
トリソグラフィーによりパターン化して下部電極１５を
形成した。下部電極１５の主体部１５ａは平面寸法１４
０×１６０μｍの矩形に近い形状とした。下部電極１５
が単一配向膜であることは、Ｘ線回折測定により確認し
た。このＭｏ下部電極１５上に、組成中に表１に示す第
三成分を含む厚さ１．５５μｍのＡｌＮ薄膜を形成し
た。ＡｌＮ薄膜の形成は、適宜の組成を有するＡｌ合金
または金属Ａｌの一部に希土類金属塊を埋め込んだもの
をターゲットとして用いた、反応性ＲＦマグネトロンス
パッタ法により行った。熱燐酸を使用した湿式エッチン
グにより、ＡｌＮ薄膜を所定の形状にパターン化して圧
電体膜１６を形成した。その後、ＤＣマグネトロンスパ
ッタ法及びリフトオフ法を使用して、厚さ２００ｎｍの
Ｍｏからなる上部電極１７を形成した。上部電極１７の
主体部１７ａは平面寸法１４０×１６０μｍの矩形に近
い形状とし、下部電極主体部１５ａに対応する位置に配
置した。
パッタ法により厚さ２００ｎｍのＭｏ層を形成し、フォ
トリソグラフィーによりパターン化して下部電極１５を
形成した。下部電極１５の主体部１５ａは平面寸法１４
０×１６０μｍの矩形に近い形状とした。下部電極１５
が単一配向膜であることは、Ｘ線回折測定により確認し
た。このＭｏ下部電極１５上に、組成中に表１に示す第
三成分を含む厚さ１．５５μｍのＡｌＮ薄膜を形成し
た。ＡｌＮ薄膜の形成は、適宜の組成を有するＡｌ合金
または金属Ａｌの一部に希土類金属塊を埋め込んだもの
をターゲットとして用いた、反応性ＲＦマグネトロンス
パッタ法により行った。熱燐酸を使用した湿式エッチン
グにより、ＡｌＮ薄膜を所定の形状にパターン化して圧
電体膜１６を形成した。その後、ＤＣマグネトロンスパ
ッタ法及びリフトオフ法を使用して、厚さ２００ｎｍの
Ｍｏからなる上部電極１７を形成した。上部電極１７の
主体部１７ａは平面寸法１４０×１６０μｍの矩形に近
い形状とし、下部電極主体部１５ａに対応する位置に配
置した。
【００３７】次に、以上のようにして得られた構造体の
上下部電極１５，１７及び圧電体膜１６の形成されてい
る側をＰＭＭＡ樹脂で被覆し、Ｓｉ基板１２の下面に形
成したパターン状ＳｉＮx 層をマスクとして、振動部２
１に対応するＳｉ基板１２の部分をＫＯＨ水溶液でエッ
チング除去して、空隙となるビアホール２０を形成し
た。Ｓｉ基板１２の上面に形成されたビアホール開口の
寸法（振動部２１の平面寸法）は、２００×２００μｍ
であった。
上下部電極１５，１７及び圧電体膜１６の形成されてい
る側をＰＭＭＡ樹脂で被覆し、Ｓｉ基板１２の下面に形
成したパターン状ＳｉＮx 層をマスクとして、振動部２
１に対応するＳｉ基板１２の部分をＫＯＨ水溶液でエッ
チング除去して、空隙となるビアホール２０を形成し
た。Ｓｉ基板１２の上面に形成されたビアホール開口の
寸法（振動部２１の平面寸法）は、２００×２００μｍ
であった。
【００３８】以上の工程により得られた薄膜圧電共振子
（ＦＢＡＲ）について、ＸＰＳ分光法によりＡｌＮ圧電
体膜１６の組成分析を行うと共に、表面構造評価用多機
能Ｘ線回折装置を使用して、ディフラクトメータ法によ
る薄膜Ｘ線回折測定（θ−２θ回転による格子定数測定
とＫα１回折ピークの半値幅（ＦＷＨＭ）測定）と（０
００２）回折ピークのロッキング・カーブ半値幅（ＦＷ
ＨＭ）測定とを行った。ＸＰＳ分光法により測定したＡ
ｌＮ圧電体膜１６の酸素含有量は０．５Ａｔｍ％未満で
あった。ＡｌＮ圧電体膜１６の組成および結晶性の評価
結果を表１に示す。
（ＦＢＡＲ）について、ＸＰＳ分光法によりＡｌＮ圧電
体膜１６の組成分析を行うと共に、表面構造評価用多機
能Ｘ線回折装置を使用して、ディフラクトメータ法によ
る薄膜Ｘ線回折測定（θ−２θ回転による格子定数測定
とＫα１回折ピークの半値幅（ＦＷＨＭ）測定）と（０
００２）回折ピークのロッキング・カーブ半値幅（ＦＷ
ＨＭ）測定とを行った。ＸＰＳ分光法により測定したＡ
ｌＮ圧電体膜１６の酸素含有量は０．５Ａｔｍ％未満で
あった。ＡｌＮ圧電体膜１６の組成および結晶性の評価
結果を表１に示す。
【００３９】また、カスケード・マイクロテック製マイ
クロ波プローバ及びネットワークアナライザを使用し
て、上記薄膜圧電共振子の電極端子１５ｂ，１７ｂ間の
インピーダンス特性を測定すると共に、共振周波数ｆr
および***振周波数ｆa の測定値から、電気機械結合係
数ｋt 2、周波数温度特性τf 及び音響的品質係数Ｑを求
めた。得られた圧電薄膜共振子の厚み振動の基本周波
数、電気機械結合係数ｋt 2、周波数温度特性τf 及び音
響的品質係数Ｑは表２に示す通りであった。
クロ波プローバ及びネットワークアナライザを使用し
て、上記薄膜圧電共振子の電極端子１５ｂ，１７ｂ間の
インピーダンス特性を測定すると共に、共振周波数ｆr
および***振周波数ｆa の測定値から、電気機械結合係
数ｋt 2、周波数温度特性τf 及び音響的品質係数Ｑを求
めた。得られた圧電薄膜共振子の厚み振動の基本周波
数、電気機械結合係数ｋt 2、周波数温度特性τf 及び音
響的品質係数Ｑは表２に示す通りであった。
【００４０】［実施例２〜４］本実施例では、以下のよ
うにして、図１，２に示されている構造の圧電薄膜共振
子を作製した。
うにして、図１，２に示されている構造の圧電薄膜共振
子を作製した。
【００４１】即ち、厚さ３００μｍのＳｉ基板１２の上
面及び下面に、熱酸化法により厚さ０．２〜０．７μｍ
の範囲内の酸化シリコン（ＳｉＯ2 ）層を形成した。上
面側のＳｉＯ2 層を下地膜１３とした。また、下面側の
ＳｉＯ2 層は基板１２に対する後述のビアホール形成の
ためのマスクのパターンに形成した。
面及び下面に、熱酸化法により厚さ０．２〜０．７μｍ
の範囲内の酸化シリコン（ＳｉＯ2 ）層を形成した。上
面側のＳｉＯ2 層を下地膜１３とした。また、下面側の
ＳｉＯ2 層は基板１２に対する後述のビアホール形成の
ためのマスクのパターンに形成した。
【００４２】下地膜１３の表面に、ＤＣマグネトロンス
パッタ法により厚さ１５ｎｍのＴｉ層とその上の厚さ１
００ｎｍのＰｔ層との積層膜を形成し、フォトリソグラ
フィーによりパターン化して下部電極１５を形成した。
下部電極１５の主体部１５ａは平面寸法１４０×１６０
μｍの矩形に近い形状とした。下部電極１５が単一配向
膜であることは、Ｘ線回折測定により確認した。即ち、
θ−２θ回転ディフラクトメータ法において、（１１
１）系列の面以外の回折ピーク強度は検出限界以下、す
なわち、（１１１）面の最大ピーク強度の０．５％以下
であった。このＰｔ／Ｔｉ下部電極１５上に、組成中に
表１に示す第三成分を含むＡｌＮ薄膜を形成した。Ａｌ
Ｎ薄膜の厚さは、表２に示す通りである。ＡｌＮ薄膜の
形成は、適宜の組成を有するＡｌ合金または金属Ａｌの
一部に希土類金属塊を埋め込んだものをターゲットとし
て用いた、反応性ＲＦマグネトロンスパッタ法により行
った。熱燐酸を使用した湿式エッチングにより、ＡｌＮ
薄膜を所定の形状にパターン化して圧電体膜１６を形成
した。その後、ＤＣマグネトロンスパッタ法及びリフト
オフ法を使用して、厚さ１００ｎｍのＡｌからなる上部
電極１７を形成した。上部電極１７の主体部１７ａは平
面寸法１４０×１６０μｍの矩形に近い形状とし、下部
電極主体部１５ａに対応する位置に配置した。
パッタ法により厚さ１５ｎｍのＴｉ層とその上の厚さ１
００ｎｍのＰｔ層との積層膜を形成し、フォトリソグラ
フィーによりパターン化して下部電極１５を形成した。
下部電極１５の主体部１５ａは平面寸法１４０×１６０
μｍの矩形に近い形状とした。下部電極１５が単一配向
膜であることは、Ｘ線回折測定により確認した。即ち、
θ−２θ回転ディフラクトメータ法において、（１１
１）系列の面以外の回折ピーク強度は検出限界以下、す
なわち、（１１１）面の最大ピーク強度の０．５％以下
であった。このＰｔ／Ｔｉ下部電極１５上に、組成中に
表１に示す第三成分を含むＡｌＮ薄膜を形成した。Ａｌ
Ｎ薄膜の厚さは、表２に示す通りである。ＡｌＮ薄膜の
形成は、適宜の組成を有するＡｌ合金または金属Ａｌの
一部に希土類金属塊を埋め込んだものをターゲットとし
て用いた、反応性ＲＦマグネトロンスパッタ法により行
った。熱燐酸を使用した湿式エッチングにより、ＡｌＮ
薄膜を所定の形状にパターン化して圧電体膜１６を形成
した。その後、ＤＣマグネトロンスパッタ法及びリフト
オフ法を使用して、厚さ１００ｎｍのＡｌからなる上部
電極１７を形成した。上部電極１７の主体部１７ａは平
面寸法１４０×１６０μｍの矩形に近い形状とし、下部
電極主体部１５ａに対応する位置に配置した。
【００４３】次に、以上のようにして得られた構造体の
上下部電極１５，１７及び圧電体膜１６の形成されてい
る側をＰＭＭＡ樹脂で被覆し、Ｓｉ基板１２の下面に形
成したパターン状ＳｉＯ2 層をマスクとして、振動部２
１に対応するＳｉ基板１２の部分をＫＯＨ水溶液でエッ
チングして、空隙となるビアホール２０を形成した。Ｓ
ｉ基板１２の上面に形成されたビアホール開口の寸法
（振動部２１の平面寸法）は、２００×２００μｍであ
った。
上下部電極１５，１７及び圧電体膜１６の形成されてい
る側をＰＭＭＡ樹脂で被覆し、Ｓｉ基板１２の下面に形
成したパターン状ＳｉＯ2 層をマスクとして、振動部２
１に対応するＳｉ基板１２の部分をＫＯＨ水溶液でエッ
チングして、空隙となるビアホール２０を形成した。Ｓ
ｉ基板１２の上面に形成されたビアホール開口の寸法
（振動部２１の平面寸法）は、２００×２００μｍであ
った。
【００４４】以上の工程により得られた薄膜圧電共振子
（ＦＢＡＲ）について、ＸＰＳ分光法によりＡｌＮ圧電
体膜１６の組成分析を行うと共に、表面構造評価用多機
能Ｘ線回折装置を使用して、ディフラクトメータ法によ
る薄膜Ｘ線回折測定（θ−２θ回転による格子定数測定
とＫα１回折ピークの半値幅（ＦＷＨＭ）測定）と（０
００２）回折ピークのロッキング・カーブ半値幅（ＦＷ
ＨＭ）測定とを行った。ＸＰＳ分光法により測定したＡ
ｌＮ圧電体膜１６の酸素含有量は０．５Ａｔｍ％未満で
あった。ＡｌＮ圧電体膜１６の組成および結晶性の評価
結果を表１に示す。
（ＦＢＡＲ）について、ＸＰＳ分光法によりＡｌＮ圧電
体膜１６の組成分析を行うと共に、表面構造評価用多機
能Ｘ線回折装置を使用して、ディフラクトメータ法によ
る薄膜Ｘ線回折測定（θ−２θ回転による格子定数測定
とＫα１回折ピークの半値幅（ＦＷＨＭ）測定）と（０
００２）回折ピークのロッキング・カーブ半値幅（ＦＷ
ＨＭ）測定とを行った。ＸＰＳ分光法により測定したＡ
ｌＮ圧電体膜１６の酸素含有量は０．５Ａｔｍ％未満で
あった。ＡｌＮ圧電体膜１６の組成および結晶性の評価
結果を表１に示す。
【００４５】また、カスケード・マイクロテック製マイ
クロ波プローバ及びネットワークアナライザを使用し
て、上記薄膜圧電共振子の電極端子１５ｂ，１７ｂ間の
インピーダンス特性を測定すると共に、共振周波数ｆr
および***振周波数ｆa の測定値から、電気機械結合係
数ｋt 2、周波数温度特性τf 及び音響的品質係数Ｑを求
めた。得られた圧電薄膜共振子の厚み振動の基本周波
数、電気機械結合係数ｋt 2、周波数温度特性τf 及び音
響的品質係数Ｑは表２に示す通りであった。
クロ波プローバ及びネットワークアナライザを使用し
て、上記薄膜圧電共振子の電極端子１５ｂ，１７ｂ間の
インピーダンス特性を測定すると共に、共振周波数ｆr
および***振周波数ｆa の測定値から、電気機械結合係
数ｋt 2、周波数温度特性τf 及び音響的品質係数Ｑを求
めた。得られた圧電薄膜共振子の厚み振動の基本周波
数、電気機械結合係数ｋt 2、周波数温度特性τf 及び音
響的品質係数Ｑは表２に示す通りであった。
【００４６】［実施例５］本実施例では、以下のように
して、図３，４に示されている構造の圧電薄膜共振子を
作製した。
して、図３，４に示されている構造の圧電薄膜共振子を
作製した。
【００４７】上下部電極１５，１７の形状及び寸法を除
いて実施例１と同様の工程を実施した。下部電極１５は
振動部２１に対応する領域を含むように延びている平面
寸法１２０×２８０μｍの矩形状のものとし、上部電極
１７はそれぞれ平面寸法６５×８５μｍの矩形に近い形
状の主体部１７Ａａ，１７Ｂａが間隔２０μｍをおいて
配置されたものとした。
いて実施例１と同様の工程を実施した。下部電極１５は
振動部２１に対応する領域を含むように延びている平面
寸法１２０×２８０μｍの矩形状のものとし、上部電極
１７はそれぞれ平面寸法６５×８５μｍの矩形に近い形
状の主体部１７Ａａ，１７Ｂａが間隔２０μｍをおいて
配置されたものとした。
【００４８】以上の工程により得られた薄膜圧電共振子
（ＦＢＡＲ）について、ＸＰＳ分光法によりＡｌＮ圧電
体膜１６の組成分析を行うと共に、表面構造評価用多機
能Ｘ線回折装置を使用して、ディフラクトメータ法によ
る薄膜Ｘ線回折測定（θ−２θ回転による格子定数測定
とＫα１回折ピークの半値幅（ＦＷＨＭ）測定）と（０
００２）回折ピークのロッキング・カーブ半値幅（ＦＷ
ＨＭ）測定とを行った。ＸＰＳ分光法により測定したＡ
ｌＮ圧電体膜１６の酸素含有量は０．５Ａｔｍ％未満で
あった。ＡｌＮ圧電体膜１６の組成および結晶性の評価
結果を表１に示す。
（ＦＢＡＲ）について、ＸＰＳ分光法によりＡｌＮ圧電
体膜１６の組成分析を行うと共に、表面構造評価用多機
能Ｘ線回折装置を使用して、ディフラクトメータ法によ
る薄膜Ｘ線回折測定（θ−２θ回転による格子定数測定
とＫα１回折ピークの半値幅（ＦＷＨＭ）測定）と（０
００２）回折ピークのロッキング・カーブ半値幅（ＦＷ
ＨＭ）測定とを行った。ＸＰＳ分光法により測定したＡ
ｌＮ圧電体膜１６の酸素含有量は０．５Ａｔｍ％未満で
あった。ＡｌＮ圧電体膜１６の組成および結晶性の評価
結果を表１に示す。
【００４９】また、カスケード・マイクロテック製マイ
クロ波プローバを使用して、上記薄膜圧電共振子の下部
電極１５の端子部（図３，４で左側の露出部分）を接地
電極に接続し、上部電極１７Ａの端子部１７Ａｂから信
号を入力し、上部電極１７Ｂの端子部１７Ｂｂから出力
信号を取り出して、ネットワークアナライザで信号の強
度及び波形などを解析した。共振周波数ｆr および***
振周波数ｆa の測定値から、電気機械結合係数ｋt 2、周
波数温度特性τf 及び音響的品質係数Ｑを求めた。得ら
れた圧電薄膜共振子の厚み振動の基本周波数、電気機械
結合係数ｋt 2、周波数温度特性τf 及び音響的品質係数
Ｑは表２に示す通りであった。
クロ波プローバを使用して、上記薄膜圧電共振子の下部
電極１５の端子部（図３，４で左側の露出部分）を接地
電極に接続し、上部電極１７Ａの端子部１７Ａｂから信
号を入力し、上部電極１７Ｂの端子部１７Ｂｂから出力
信号を取り出して、ネットワークアナライザで信号の強
度及び波形などを解析した。共振周波数ｆr および***
振周波数ｆa の測定値から、電気機械結合係数ｋt 2、周
波数温度特性τf 及び音響的品質係数Ｑを求めた。得ら
れた圧電薄膜共振子の厚み振動の基本周波数、電気機械
結合係数ｋt 2、周波数温度特性τf 及び音響的品質係数
Ｑは表２に示す通りであった。
【００５０】［実施例６〜８］本実施例では、以下のよ
うにして、図３，４に示されている構造の圧電薄膜共振
子を作製した。
うにして、図３，４に示されている構造の圧電薄膜共振
子を作製した。
【００５１】上下部電極１５，１７の形状及び寸法を除
いて実施例２〜４と同様の工程を実施した。下部電極１
５は振動部２１に対応する領域を含むように延びている
平面寸法１５０×３００μｍの矩形状のものとし、上部
電極１７はそれぞれ平面寸法７０×９０μｍの矩形に近
い形状の主体部１７Ａａ，１７Ｂａが間隔２０μｍをお
いて配置されたものとした。
いて実施例２〜４と同様の工程を実施した。下部電極１
５は振動部２１に対応する領域を含むように延びている
平面寸法１５０×３００μｍの矩形状のものとし、上部
電極１７はそれぞれ平面寸法７０×９０μｍの矩形に近
い形状の主体部１７Ａａ，１７Ｂａが間隔２０μｍをお
いて配置されたものとした。
【００５２】以上の工程により得られた薄膜圧電共振子
（ＦＢＡＲ）について、ＸＰＳ分光法によりＡｌＮ圧電
体膜１６の組成分析を行うと共に、表面構造評価用多機
能Ｘ線回折装置を使用して、ディフラクトメータ法によ
る薄膜Ｘ線回折測定（θ−２θ回転による格子定数測定
とＫα１回折ピークの半値幅（ＦＷＨＭ）測定）と（０
００２）回折ピークのロッキング・カーブ半値幅（ＦＷ
ＨＭ）測定とを行った。ＸＰＳ分光法により測定したＡ
ｌＮ圧電体膜１６の酸素含有量は０．５Ａｔｍ％未満で
あった。ＡｌＮ圧電体膜１６の組成および結晶性の評価
結果を表１に示す。
（ＦＢＡＲ）について、ＸＰＳ分光法によりＡｌＮ圧電
体膜１６の組成分析を行うと共に、表面構造評価用多機
能Ｘ線回折装置を使用して、ディフラクトメータ法によ
る薄膜Ｘ線回折測定（θ−２θ回転による格子定数測定
とＫα１回折ピークの半値幅（ＦＷＨＭ）測定）と（０
００２）回折ピークのロッキング・カーブ半値幅（ＦＷ
ＨＭ）測定とを行った。ＸＰＳ分光法により測定したＡ
ｌＮ圧電体膜１６の酸素含有量は０．５Ａｔｍ％未満で
あった。ＡｌＮ圧電体膜１６の組成および結晶性の評価
結果を表１に示す。
【００５３】また、カスケード・マイクロテック製マイ
クロ波プローバを使用して、上記薄膜圧電共振子の下部
電極１５の端子部（図３，４で左側の露出部分）を接地
電極に接続し、上部電極１７Ａの端子部１７Ａｂから信
号を入力し、上部電極１７Ｂの端子部１７Ｂｂから出力
信号を取り出して、ネットワークアナライザで信号の強
度及び波形などを解析した。共振周波数ｆr および***
振周波数ｆa の測定値から、電気機械結合係数ｋt 2、周
波数温度特性τf 及び音響的品質係数Ｑを求めた。得ら
れた圧電薄膜共振子の厚み振動の基本周波数、電気機械
結合係数ｋt 2、周波数温度特性τf 及び音響的品質係数
Ｑは表２に示す通りであった。
クロ波プローバを使用して、上記薄膜圧電共振子の下部
電極１５の端子部（図３，４で左側の露出部分）を接地
電極に接続し、上部電極１７Ａの端子部１７Ａｂから信
号を入力し、上部電極１７Ｂの端子部１７Ｂｂから出力
信号を取り出して、ネットワークアナライザで信号の強
度及び波形などを解析した。共振周波数ｆr および***
振周波数ｆa の測定値から、電気機械結合係数ｋt 2、周
波数温度特性τf 及び音響的品質係数Ｑを求めた。得ら
れた圧電薄膜共振子の厚み振動の基本周波数、電気機械
結合係数ｋt 2、周波数温度特性τf 及び音響的品質係数
Ｑは表２に示す通りであった。
【００５４】［比較例１，２］ＡｌＮ薄膜形成時に第三
成分であるアルカリ土類金属や希土類金属を添加しない
こと以外は、それぞれ実施例１，５と同様の工程を実行
して、図１，２に示されている構造の圧電薄膜共振子ま
たは図３，４に示されている構造の圧電薄膜共振子を作
製した。
成分であるアルカリ土類金属や希土類金属を添加しない
こと以外は、それぞれ実施例１，５と同様の工程を実行
して、図１，２に示されている構造の圧電薄膜共振子ま
たは図３，４に示されている構造の圧電薄膜共振子を作
製した。
【００５５】以上の工程により得られた薄膜圧電共振子
（ＦＢＡＲ）について、ＸＰＳ分光法によりＡｌＮ圧電
体膜の組成分析を行うと共に、表面構造評価用多機能Ｘ
線回折装置を使用して、ディフラクトメータ法による薄
膜Ｘ線回折測定（θ−２θ回転による格子定数測定とＫ
α１回折ピークの半値幅（ＦＷＨＭ）測定）と（０００
２）回折ピークのロッキング・カーブ半値幅（ＦＷＨ
Ｍ）測定とを行った。ＸＰＳ分光法により測定したＡｌ
Ｎ薄膜の酸素含有量は比較例１，２とも約２．５Ａｔｍ
％であった。実施例１〜８と同様の操作で分析評価を行
ったが、ＡｌＮ薄膜の品質が悪い為に、ＸＰＳ分析まで
に膜が酸化されて酸素含有量が増加した可能性もある。
ＡｌＮ薄膜の組成および結晶性の評価結果を表１に示
す。
（ＦＢＡＲ）について、ＸＰＳ分光法によりＡｌＮ圧電
体膜の組成分析を行うと共に、表面構造評価用多機能Ｘ
線回折装置を使用して、ディフラクトメータ法による薄
膜Ｘ線回折測定（θ−２θ回転による格子定数測定とＫ
α１回折ピークの半値幅（ＦＷＨＭ）測定）と（０００
２）回折ピークのロッキング・カーブ半値幅（ＦＷＨ
Ｍ）測定とを行った。ＸＰＳ分光法により測定したＡｌ
Ｎ薄膜の酸素含有量は比較例１，２とも約２．５Ａｔｍ
％であった。実施例１〜８と同様の操作で分析評価を行
ったが、ＡｌＮ薄膜の品質が悪い為に、ＸＰＳ分析まで
に膜が酸化されて酸素含有量が増加した可能性もある。
ＡｌＮ薄膜の組成および結晶性の評価結果を表１に示
す。
【００５６】また、カスケード・マイクロテック製マイ
クロ波プローバ及びネットワークアナライザを使用し
て、それぞれ実施例１，５と同様にしてインピーダンス
特性を測定すると共に、共振周波数ｆr および***振周
波数ｆa の測定値から、電気機械結合係数ｋt 2、周波数
温度特性τf 及び音響的品質係数Ｑを求めた。得られた
圧電薄膜共振子の厚み振動の基本周波数、電気機械結合
係数ｋt 2、周波数温度特性τf 及び音響的品質係数Ｑは
表２に示す通りであった。
クロ波プローバ及びネットワークアナライザを使用し
て、それぞれ実施例１，５と同様にしてインピーダンス
特性を測定すると共に、共振周波数ｆr および***振周
波数ｆa の測定値から、電気機械結合係数ｋt 2、周波数
温度特性τf 及び音響的品質係数Ｑを求めた。得られた
圧電薄膜共振子の厚み振動の基本周波数、電気機械結合
係数ｋt 2、周波数温度特性τf 及び音響的品質係数Ｑは
表２に示す通りであった。
【００５７】尚、表１には、各実施例におけるそれぞれ
の組成の（０００１）配向ＡｌＮ結晶のＣ軸格子定数の
測定結果が記載されている。薄膜においては、冷却過程
でのＳｉ基板との熱膨張係数差、下部電極との格子のミ
スマッチによる残留応力、ＡｌＮ結晶内部の格子欠陥の
存在などにより、バルクのＡｌＮ結晶とは異なる格子定
数を示す。
の組成の（０００１）配向ＡｌＮ結晶のＣ軸格子定数の
測定結果が記載されている。薄膜においては、冷却過程
でのＳｉ基板との熱膨張係数差、下部電極との格子のミ
スマッチによる残留応力、ＡｌＮ結晶内部の格子欠陥の
存在などにより、バルクのＡｌＮ結晶とは異なる格子定
数を示す。
【００５８】以上の結果から、アルカリ土類金属または
希土類金属を含有する窒化アルミニウム薄膜を用いたＦ
ＢＡＲは従来にない高特性を示すことが明らかとなっ
た。これは、アルカリ土類金属または希土類金属を添加
することにより、圧電体膜である窒化アルミニウムの結
晶格子に固溶する酸素濃度を低減でき、配向性、結晶性
ならびに粒界強度が改善されることに基づくものと考え
られる。このアルカリ土類金属または希土類金属を含有
する窒化アルミニウム薄膜を共振子やフィルター等に適
用した場合には、音響的品質係数（Ｑ値）や周波数温度
特性などの性能が向上する。
希土類金属を含有する窒化アルミニウム薄膜を用いたＦ
ＢＡＲは従来にない高特性を示すことが明らかとなっ
た。これは、アルカリ土類金属または希土類金属を添加
することにより、圧電体膜である窒化アルミニウムの結
晶格子に固溶する酸素濃度を低減でき、配向性、結晶性
ならびに粒界強度が改善されることに基づくものと考え
られる。このアルカリ土類金属または希土類金属を含有
する窒化アルミニウム薄膜を共振子やフィルター等に適
用した場合には、音響的品質係数（Ｑ値）や周波数温度
特性などの性能が向上する。
【００５９】
【表１】
【００６０】
【表２】
【００６１】
【発明の効果】以上説明したように、本発明の圧電薄膜
共振子によれば、圧電体膜としてアルカリ土類金属また
は希土類金属を含有する窒化アルミニウム薄膜を用いて
いるので、電気機械結合係数、音響的品質係数（Ｑ値）
及び周波数温度特性の向上が可能となる。
共振子によれば、圧電体膜としてアルカリ土類金属また
は希土類金属を含有する窒化アルミニウム薄膜を用いて
いるので、電気機械結合係数、音響的品質係数（Ｑ値）
及び周波数温度特性の向上が可能となる。
【図１】本発明による圧電薄膜共振子の実施形態を示す
模式的平面図である。
模式的平面図である。
【図２】図１のＸ−Ｘ断面図である。
【図３】本発明による圧電薄膜共振子の実施形態を示す
模式的平面図である。
模式的平面図である。
【図４】図３のＸ−Ｘ断面図である。
１１ 圧電薄膜共振子 １２ 基板 １３ 下地膜 １４ 圧電積層構造体 １５ 下部電極 １５ａ 下部電極主体部 １５ｂ 下部電極端子部 １６ 圧電体膜 １７ 上部電極 １７ａ 上部電極主体部 １７ｂ 上部電極端子部 １７Ａ 上部電極の第１電極部 １７Ａａ 第１電極部の主体部 １７Ａｂ 第１電極部の端子部 １７Ｂ 上部電極の第２電極部 １７Ｂａ 第２電極部の主体部 １７Ｂｂ 第２電極部の端子部 ２０ ビアホール ２１ 振動部
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 橋本 智仙 山口県宇部市大字小串1978番地の５ 宇部 興産株式会社宇部研究所内 Ｆターム(参考） 5J108 BB08 CC04 CC08 CC11
Claims (10)
- 【請求項１】 基板と、該基板上に形成された圧電積層
構造体とを有しており、前記圧電積層構造体の一部を含
んで振動部が構成されており、前記圧電積層構造体は下
部電極、圧電体膜および上部電極を前記基板の側からこ
の順に積層してなるものであり、前記基板は前記振動部
に対応する領域にて該振動部の振動を許容する空隙を形
成している圧電薄膜共振子において、 前記圧電体膜がアルカリ土類金属及び／または希土類金
属を含有する窒化アルミニウム薄膜であることを特徴と
する圧電薄膜共振子。 - 【請求項２】 前記圧電体膜における前記アルカリ土類
金属及び前記希土類金属の含有量は０．２〜３．０原子
％であることを特徴とする、請求項１に記載の圧電薄膜
共振子。 - 【請求項３】 前記圧電体膜は、Ｃ軸配向を示し、（０
００２）面のＸ線回折ピークのロッキング・カーブ半値
幅が３．０°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圧電薄膜共振子。 - 【請求項４】 前記圧電体膜は、Ｃ軸長が０．４９７８
〜０．４９９３ｎｍ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圧電薄膜共振子。 - 【請求項５】 前記圧電体膜は、（０００２）面のＸ線
回折ピークの２θ回転角の半値幅が０．６°以下である
ことを特徴とする、請求項１〜４のいずれかに記載の圧
電薄膜共振子。 - 【請求項６】 前記基板と前記圧電積層構造体との間に
は下地膜が形成されており、前記振動部は前記下地膜の
一部をも含んで構成されていることを特徴とする、請求
項１〜５のいずれかに記載の圧電薄膜共振子。 - 【請求項７】 前記下地膜は酸化シリコンを主成分とす
る誘電体膜、窒化シリコンを主成分とする誘電体膜また
は酸化シリコンを主成分とする誘電体膜と窒化シリコン
を主成分とする誘電体膜との積層膜であることを特徴と
する、請求項６に記載の圧電薄膜共振子。 - 【請求項８】 前記基板はシリコン単結晶からなること
を特徴とする、請求項１〜７のいずれかに記載の圧電薄
膜共振子。 - 【請求項９】 前記上部電極は互いに離隔して形成され
た第１の電極部と第２の電極部とからなることを特徴と
する、請求項１〜８のいずれかに記載の圧電薄膜共振
子。 - 【請求項１０】 ２．０〜３．０ＧＨｚの範囲における
共振周波数及び***振周波数の測定値から求めた電気機
械結合係数が４．５％以上であることを特徴とする、請
求項１〜９のいずれかに記載の圧電薄膜共振子。
Priority Applications (4)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2001141846A JP4478910B2 (ja) | 2001-05-11 | 2001-05-11 | 圧電薄膜共振子 |
| KR1020037013965A KR100865652B1 (ko) | 2001-05-11 | 2002-05-10 | 압전 박막 공진자 |
| PCT/JP2002/004576 WO2002093740A1 (fr) | 2001-05-11 | 2002-05-10 | Resonateur d'onde acoustique en volume a couche mince |
| US10/477,308 US6936837B2 (en) | 2001-05-11 | 2002-05-10 | Film bulk acoustic resonator |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2001141846A JP4478910B2 (ja) | 2001-05-11 | 2001-05-11 | 圧電薄膜共振子 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2002344279A true JP2002344279A (ja) | 2002-11-29 |
| JP4478910B2 JP4478910B2 (ja) | 2010-06-09 |
Family
ID=18988236
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2001141846A Expired - Fee Related JP4478910B2 (ja) | 2001-05-11 | 2001-05-11 | 圧電薄膜共振子 |
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| JP (1) | JP4478910B2 (ja) |
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| WO2011002028A1 (ja) * | 2009-07-01 | 2011-01-06 | 独立行政法人産業技術総合研究所 | 圧電体薄膜の製造方法および当該製造方法により製造される圧電体薄膜 |
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| JP2014121025A (ja) * | 2012-12-18 | 2014-06-30 | Taiyo Yuden Co Ltd | 圧電薄膜共振子 |
| JP2015023483A (ja) * | 2013-07-22 | 2015-02-02 | セイコーエプソン株式会社 | 圧電膜製造方法、振動片、振動子、発振器、電子機器及び移動体 |
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| JP2017509246A (ja) * | 2014-03-11 | 2017-03-30 | エプコス アクチエンゲゼルシャフトＥｐｃｏｓ Ａｇ | 温度補償部を備えたｂａｗ共振器 |
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| CN113295303A (zh) * | 2021-04-29 | 2021-08-24 | 北京遥测技术研究所 | 氮化铝压电mems谐振式压力传感器 |
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