JP2003298131A - Piezoelectric thin film element and its manufacturing method - Google Patents
Piezoelectric thin film element and its manufacturing methodInfo
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Abstract
Description
【０００１】[0001]
【発明の属する技術分野】本発明は、携帯電話等の通信
用機器に使用される圧電薄膜素子及びその製造方法に関
し、特に、高周波帯域で使用する、バルク振動を用いた
圧電薄膜素子及びその製造方法に関する。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a piezoelectric thin film element used in a communication device such as a mobile phone and a method for manufacturing the same, and more particularly to a piezoelectric thin film element using bulk vibration used in a high frequency band and its manufacture. Regarding the method.
【０００２】[0002]
【従来の技術】図６は、全体が２００で表される、特開
平６−３５０１５４号公報に記載された圧電薄膜素子の
断面図である。圧電薄膜素子２００はシリコン基板１０
１を含む。シリコン基板１０１の上には、支持膜として
酸化シリコン膜１０２が形成されている。酸化シリコン
膜１０２の上には、Ｔｉ層１０３、Ｐｄ下部電極１０４
が積層されている。Ｐｄ下部電極１０４の上には、ＰＺ
Ｔ（チタン酸ジルコン酸鉛）膜１０５を挟んで、Ｔｉ層
１０６、Ａｕ上部電極１０７が積層されている。また、
ＰＺＴ膜１０５の下方のシリコン基板１０１には、開口
部１０８が設けられている。かかる圧電薄膜素子２００
では、Ｐｄ下部電極１０４とＡｕ上部電極１０７との間
に電圧を印加することにより、開口部１０８の上方のＰ
ＺＴ膜にバルク弾性波が発生し、高周波素子として利用
することができる。2. Description of the Related Art FIG. 6 is a cross-sectional view of a piezoelectric thin film element disclosed in Japanese Unexamined Patent Publication No. 6-350154, which is generally designated by 200. The piezoelectric thin film element 200 is the silicon substrate 10.
Including 1. A silicon oxide film 102 is formed as a supporting film on the silicon substrate 101. A Ti layer 103 and a Pd lower electrode 104 are formed on the silicon oxide film 102.
Are stacked. PZ is formed on the Pd lower electrode 104.
A Ti layer 106 and an Au upper electrode 107 are laminated with a T (lead zirconate titanate) film 105 interposed therebetween. Also,
An opening 108 is provided in the silicon substrate 101 below the PZT film 105. Such piezoelectric thin film element 200
Then, by applying a voltage between the Pd lower electrode 104 and the Au upper electrode 107, the P above the opening 108 is increased.
A bulk elastic wave is generated in the ZT film and can be used as a high frequency element.
【０００３】[0003]
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、５ＧＨ
ｚ〜１０ＧＨｚ程度の高周波素子として圧電薄膜素子２
００を使用した場合、ＰＺＴ膜１０５を伝播する波の損
失が大きく、入力に対する出力の比が小さくなるという
問題があった。また、ＰＺＴ膜１０５中を伝搬する波の
速度が遅いため、高い振動周波数を得るためにはＰＺＴ
膜１０５を薄くする必要があるが、ＰＺＴ膜１０５を薄
くした場合、ＰＺＴ膜１０５の圧電特性が劣化するとい
う問題もあった。[Problems to be Solved by the Invention]
Piezoelectric thin film element 2 as a high frequency element of about z to 10 GHz
When 00 is used, there is a problem that the loss of the wave propagating through the PZT film 105 is large and the ratio of the output to the input is small. Further, since the speed of the wave propagating in the PZT film 105 is slow, it is necessary to use PZT in order to obtain a high vibration frequency.
Although it is necessary to make the film 105 thin, there is also a problem that when the PZT film 105 is made thin, the piezoelectric characteristics of the PZT film 105 deteriorate.
【０００４】そこで、本発明は、伝搬する波の損失が小
さく、かつ速度の速い材料を圧電薄膜に用いた、高周波
帯域で使用する、バルク振動を用いた圧電薄膜素子を提
供することを目的とする。Therefore, an object of the present invention is to provide a piezoelectric thin film element using bulk vibration, which is used in a high frequency band, in which a material having low propagation wave loss and high speed is used for the piezoelectric thin film. To do.
【０００５】[0005]
【課題を解決するための手段】そこで、発明者らは鋭意
研究の結果、化学式：ＡＢＯＸで表される所定の材料を
圧電薄膜材料に用いることにより、高周波特性に優れた
圧電薄膜素子が得られること、更に、電極材料等を最適
化することにより、高周波特性の向上が図れることを見
出し、本発明を完成した。Therefore, as a result of earnest research, the inventors have obtained a piezoelectric thin film element excellent in high frequency characteristics by using a predetermined material represented by the chemical formula: ABOX as a piezoelectric thin film material. Further, they have found that the high frequency characteristics can be improved by optimizing the electrode material and the like, and completed the present invention.
【０００６】即ち、本発明は、膜厚が略１μｍ以下の圧
電薄膜を有する圧電薄膜素子であって、
ａ）表面と裏面とを備えた基板と、
ｂ）該基板の表面上に設けられ、酸化シリコン、窒化シ
リコン、酸窒化シリコン、酸化アルミニウム、窒化アル
ミニウム、およびアルミニウムマグネシウム酸化物から
なる群から選択される材料を主成分とする層を含む支持
膜と、
ｃ）該支持膜上に設けられ、イリジウムおよび白金から
なる群から選択される材料を主成分とする下部電極と、
ｄ）該下部電極上に設けられ、
化学式：ＡＢＯＸ
但し、Ａ：カリウム、ナトリウム、およびリチウムから
なる群から選択される金属元素
Ｂ：タンタルおよびニオブからなる群から選択される金
属元素
Ｏ：酸素元素（Ｘ＝３±α、α≦０．３）
で表される材料を主成分とする圧電薄膜と、
ｅ）該圧電薄膜上に設けられ、アルミニウム、パラジウ
ム、イリジウム、および白金からなる群から選択される
材料を主成分とする上部電極と、
ｆ）該基板の裏面から該基板を除去し、該圧電薄膜の下
方の該支持膜の裏面を露出させた凹部とを含むことを特
徴とする圧電薄膜素子である。かかる圧電薄膜素子は、
圧電体薄膜の厚み方向の共振を用いたバルク弾性波素子
に関するものであり、上部電極と下部電極に挟まれた圧
電薄膜と支持膜を共振させるものである。特に、化学
式：ＡＢＯＸで表される材料から圧電薄膜を形成するこ
とにより、伝搬する波の損失が小さくなり、かつ速度を
速くできる。このため、バルク振動を用いた圧電薄膜素
子を高周波帯域で使用することが可能となる。なお、圧
電薄膜の材料は、１）比誘電率が適度な大きさであるこ
と、２）圧電薄膜中を弾性波が伝搬するときの速度、音
速が大きく、厚さ方向の振動を利用する場合は、同一厚
さであればより共振周波数が高くなること、３）電気信
号と機械振動との変換効率である電気機械結合係数、損
失の逆数である機械的品質係数が共に十分に高いこと、
などを満足する材料が好適である。That is, the present invention is a piezoelectric thin film element having a piezoelectric thin film having a film thickness of approximately 1 μm or less, comprising: a) a substrate having a front surface and a back surface, and b) provided on the surface of the substrate, A support film including a layer whose main component is a material selected from the group consisting of silicon oxide, silicon nitride, silicon oxynitride, aluminum oxide, aluminum nitride, and aluminum magnesium oxide; and c) provided on the support film. , A lower electrode containing a material selected from the group consisting of iridium and platinum as a main component, and d) provided on the lower electrode and having a chemical formula: ABO X, where A: selected from the group consisting of potassium, sodium, and lithium. A metal element B: a metal element selected from the group consisting of tantalum and niobium O: an oxygen element (X = 3 ± α, α ≦ 0.3) A piezoelectric thin film, e) an upper electrode which is provided on the piezoelectric thin film, and whose main component is a material selected from the group consisting of aluminum, palladium, iridium, and platinum; and f) the substrate from the back surface of the substrate. A piezoelectric thin film element, comprising: a concave portion which is removed to expose the back surface of the support film below the piezoelectric thin film. Such a piezoelectric thin film element,
The present invention relates to a bulk acoustic wave device that uses resonance in the thickness direction of a piezoelectric thin film, and resonates a piezoelectric thin film and a support film sandwiched between an upper electrode and a lower electrode. In particular, by forming the piezoelectric thin film from the material represented by the chemical formula: ABO X , the loss of propagating waves can be reduced and the speed can be increased. Therefore, the piezoelectric thin film element using bulk vibration can be used in a high frequency band. The material of the piezoelectric thin film is 1) the relative permittivity is moderately large, 2) the velocity and acoustic velocity of the elastic wave propagating in the piezoelectric thin film are large, and the vibration in the thickness direction is used. Indicates that the resonance frequency becomes higher if the thickness is the same, 3) that both the electromechanical coupling coefficient, which is the conversion efficiency between electric signals and mechanical vibration, and the mechanical quality coefficient, which is the reciprocal of loss, are sufficiently high.
Materials satisfying the above are preferable.
【０００７】更に、上記上部電極と上記圧電薄膜とを覆
う絶縁膜を含むものであっても良い。表面を保護するた
めである。Further, it may include an insulating film which covers the upper electrode and the piezoelectric thin film. This is to protect the surface.
【０００８】上記絶縁膜は、酸化シリコン、窒化シリコ
ン、酸窒化シリコン、酸化アルミニウム、窒化アルミニ
ウム、およびアルミニウムマグネシウム酸化物からなる
群から選択される材料を主成分とすることが好ましい。
上部電極材質として耐食性に乏しい材質を用いる場合に
は、耐湿性、耐化学物質性に優れた保護性の絶縁膜で、
素子表面を覆うことが好ましい。特に、アルカリ金属を
含有した圧電薄膜では、素子を周辺回路部と集積化して
用いるような場合には、アルカリ金属が遊離して拡散す
ると、回路部の動作不良を起こす可能性がある。これを
防止し、信頼性を高めるためには、素子表面に保護機能
を有する絶縁膜を形成することが有効である。絶縁膜
は、緻密な材質であり、拡散防止能力を有することが好
ましい。また、単独での効果に加えて支持膜と合わせる
ことより、保護機能を有効に発現できる。It is preferable that the insulating film contains a material selected from the group consisting of silicon oxide, silicon nitride, silicon oxynitride, aluminum oxide, aluminum nitride, and aluminum magnesium oxide as a main component.
When using a material with poor corrosion resistance as the upper electrode material, use a protective insulating film with excellent moisture resistance and chemical substance resistance.
It is preferable to cover the element surface. In particular, in the case of a piezoelectric thin film containing an alkali metal, when the element is integrated with the peripheral circuit portion and used, if the alkali metal is liberated and diffused, the circuit portion may malfunction. In order to prevent this and increase reliability, it is effective to form an insulating film having a protective function on the element surface. The insulating film is preferably a dense material and has a diffusion preventing ability. In addition to the effect alone, the protective function can be effectively exhibited by combining with the support membrane.
【０００９】上記支持膜が、窒化シリコンおよび酸化ア
ルミニウムからなる群から選択される材料を主成分と
し、上記下部電極が、イリジウムを主成分とし、上記圧
電薄膜が、ニオブ酸リチウム、ニオブ酸カリウム、およ
びニオブ酸タンタル酸リチウムからなる群から選択され
る材料を主成分とし、上記上部電極が、パラジウムおよ
びアルミニウムからなる群から選択される材料を主成分
とすることが好ましい。なお、支持膜は、弾性的損失が
小さく、軽量であり、機械的強度が高いことが必要とさ
れる。また、耐湿性等の化学的安定性にも優れているこ
とが好ましい。窒化シリコンは機械的強度が大きく、膜
応力を引張り応力とすることができることから好適であ
る。また、酸化アルミニウムは、弾性的損失が小さく、
音速が速いことから好適であるまた、圧電薄膜の性能を
十分に引き出す上で、成膜条件下で圧電薄膜と反応しに
くく、高い剛性を持ったイリジウムを下部電極とし、軽
量で電気伝導性が高く、化学的安定性に優れたパラジウ
ムを上部電極とすることが好ましい。また、上部電極
を、軽量かつ高電気伝導度のアルミニウムとした構成で
もよい。The support film contains a material selected from the group consisting of silicon nitride and aluminum oxide as a main component, the lower electrode contains iridium as a main component, and the piezoelectric thin film contains lithium niobate, potassium niobate, It is preferable that a material selected from the group consisting of and lithium tantalate niobate is a main component, and that the upper electrode is based on a material selected from a group consisting of palladium and aluminum. The support film is required to have small elastic loss, light weight, and high mechanical strength. Further, it is preferable that it is also excellent in chemical stability such as moisture resistance. Silicon nitride is preferable because it has high mechanical strength and the film stress can be a tensile stress. Also, aluminum oxide has a small elastic loss,
It is suitable because it has a high speed of sound.In addition, in order to bring out the performance of the piezoelectric thin film sufficiently, it is difficult to react with the piezoelectric thin film under the film forming conditions, and iridium, which has high rigidity, is used as the lower electrode, and it is lightweight and has high electrical conductivity It is preferable to use palladium, which is high and has excellent chemical stability, as the upper electrode. Alternatively, the upper electrode may be made of aluminum that is lightweight and has high electrical conductivity.
【００１０】また、上記上部電極と上記圧電薄膜とを覆
う絶縁膜を含み、該絶縁膜が、酸化アルミニウムおよび
窒化シリコンからなる群から選択される材料を主成分と
することを特徴とする圧電薄膜素子でもある。A piezoelectric thin film including an insulating film covering the upper electrode and the piezoelectric thin film, the insulating film containing a material selected from the group consisting of aluminum oxide and silicon nitride as a main component. It is also an element.
【００１１】また、本発明は、膜厚が略１μｍ以下の圧
電薄膜を有する圧電薄膜素子の製造方法であって、
ａ）表面と裏面とを備えた基板を準備する工程と、
ｂ）該基板の表面上に、支持膜を形成する工程と、
ｃ）該支持膜上に、下部電極を形成する工程と、
ｄ）該下部電極上に、
化学式：ＡＢＯＸ
但し、Ａ：カリウム、ナトリウム、およびリチウムから
なる群から選択される金属元素
Ｂ：タンタルおよびニオブからなる群から選択される金
属元素
Ｏ：酸素元素（Ｘ＝３±α、α≦０．３）
で表される材料を主成分とする圧電薄膜を形成する薄膜
形成工程と、
ｅ）該圧電薄膜上に、上部電極上を形成する工程と、
ｆ）該基板の裏面から該基板を除去して凹部を形成し、
該圧電薄膜の下方の該支持膜を露出させる工程とを含
み、該薄膜形成工程が、化学式：Ａ３ＢＯ５で表される
材料と、化学式：ＡＢＯ３で表される材料とを焼結して
ターゲットを形成し、該ターゲットをスパッタして該圧
電薄膜を堆積させる工程を含むことを特徴とする圧電薄
膜素子である。The present invention is also a method for manufacturing a piezoelectric thin film element having a piezoelectric thin film having a film thickness of approximately 1 μm or less, comprising the steps of: a) preparing a substrate having a front surface and a back surface; and b) the substrate. A step of forming a support film on the surface of c), c) a step of forming a lower electrode on the support film, and d) a chemical formula: ABO X, where A is potassium, sodium, and A metal element B selected from the group consisting of lithium: a metal element selected from the group consisting of tantalum and niobium O: an oxygen element (X = 3 ± α, α ≦ 0.3) as a main component A thin film forming step of forming a piezoelectric thin film, e) a step of forming an upper electrode on the piezoelectric thin film, and f) removing the substrate from the back surface of the substrate to form a recess,
Exposing the supporting film below the piezoelectric thin film, wherein the thin film forming step sinters a material represented by the chemical formula: A 3 BO 5 and a material represented by the chemical formula: ABO 3. A piezoelectric thin film element comprising a step of forming a target by sputtering and depositing the piezoelectric thin film by sputtering the target.
【００１２】圧電薄膜の薄膜化はスパッタ法、ＣＶＤ
法、蒸着法など種々の成膜方法で行うことが可能である
が、何れの成膜方法においても、基板温度を５００℃か
ら７００℃程度とし、減圧雰囲気下で薄膜形成を行うこ
ととなる。この場合、最も問題となるのは、圧電薄膜に
含有されるアルカリ金属成分の蒸気圧が高いために蒸散
し易く、圧電薄膜中の組成が目標とする組成に比べてア
ルカリ金属不足になりやすいことである。このため、ア
ルカリ金属成分のみを過剰とした原料を用いて圧電薄膜
の形成が試みられる場合が多い。特に、スパッタ等の物
理蒸着法の場合、複数の蒸着源を有する場合には、特定
成分のみの蒸着源を用意して、その成分だけ過剰供給す
ることが可能であるが、供給条件を大きく変える必要が
あったり、成膜条件が限定されたり、組成的に均一に成
り難かったりする。これらを避けるために単一の蒸着
源、ターゲットで組成をアルカリ金属過剰に設定して、
成膜を行うケースもあるが、アルカリ金属を含んだよう
な原料の場合、過剰成分が吸湿等により安定ではなく、
原料の変質が生じ易い。このような原料を用いた場合に
は、当然のことながら、生成する薄膜の品質も低下する
ことに加え、品質安定性も良くないという場合があっ
た。The thin piezoelectric film is formed by sputtering or CVD.
Although various film forming methods such as a vapor deposition method and a vapor deposition method can be used, in any of the film forming methods, the substrate temperature is set to about 500 ° C. to 700 ° C. and the thin film is formed in a reduced pressure atmosphere. In this case, the most problem is that the vapor pressure of the alkali metal component contained in the piezoelectric thin film is high, so that it easily evaporates, and the composition in the piezoelectric thin film tends to be insufficient in alkali metal as compared with the target composition. Is. Therefore, it is often attempted to form a piezoelectric thin film by using a raw material in which only an alkali metal component is excessive. In particular, in the case of a physical vapor deposition method such as sputtering, in the case of having a plurality of vapor deposition sources, it is possible to prepare a vapor deposition source of only a specific component and excessively supply only that component, but the supply conditions are greatly changed. It is necessary, the film forming conditions are limited, and it is difficult to make the composition uniform. To avoid these, set the composition to alkali metal excess with a single evaporation source and target,
In some cases, a film is formed, but in the case of a raw material containing an alkali metal, excess components are not stable due to moisture absorption, etc.
Deterioration of raw materials is likely to occur. When such a raw material is used, as a matter of course, in some cases, the quality of the thin film to be formed is deteriorated and the quality stability is not good.
【００１３】これに対して、本発明の製造方法のよう
に、十分な熱処理等の処理を加えて化合物化した化学量
論組成化合物と、安定に存在しうるニオブ又はタンタル
成分に対して、３倍のアルカリ金属を含有した化合物と
を、必要とする組成となるような任意の比率で化合物同
志を混合し、これを焼結等により一体化すれば、任意組
成の安定な成膜原料を得ることができる。On the other hand, as in the production method of the present invention, the stoichiometric composition compound compounded by sufficient treatment such as heat treatment and the niobium or tantalum component which can be stably present are 3 A compound containing double the amount of alkali metal is mixed with the compounds at an arbitrary ratio so as to obtain a required composition, and these are integrated by sintering or the like to obtain a stable film forming raw material having an arbitrary composition. be able to.
【００１４】なお、アルカリ金属のより過剰側には、さ
らに化合物が存在し、同様な手法により、上記よりも更
に組成範囲の広い原料を作製することが可能であるが、
アルカリ金属が極めて過剰な場合には、安定性は前記材
料よりも低下する傾向にある。また、アルカリ金属のよ
り不足側にも同様な化合物が存在するため、これとの複
合によっても、アルカリ金属が少ない組成の原料を得る
ことができる。しかしながら、アルカリ金属不足側で
は、元来、原料自体の安定性が過剰側に比べて高いた
め、本方法の有効性は、アルカリ金属の過剰側でより良
好となる。A compound is further present on the excess side of the alkali metal, and a raw material having a wider composition range than the above can be prepared by the same method.
If the alkali metal is in excessive excess, stability tends to be less than that of the material. Further, since a similar compound exists on the side lacking the alkali metal, a raw material having a composition with a small amount of the alkali metal can be obtained also by combining with the same compound. However, on the alkali metal deficient side, the stability of the raw material itself is originally higher than on the excess side, so the effectiveness of the present method is better on the alkali metal excess side.
【００１５】[0015]
【発明の実施の形態】実施の形態１．図１は、全体が１
００で表される、本実施の形態にかかる圧電薄膜素子で
あり、図１（ａ）に上面図を、図１（ｂ）に、図１
（ａ）のＩ−Ｉ方向に見た場合の断面図を示す。圧電薄
膜素子１００はシリコン基板１を含む。シリコン基板１
の上には、窒化シリコンからなる支持膜２が形成されて
いる。支持膜２の上には、下層から順にチタン、パラジ
ウムからなる下部電極３が形成されている。下部電極３
の上には、ニオブ酸リチウムからなる圧電薄膜４が設け
られている。圧電薄膜４の膜厚は、略１μｍ以下となっ
ている。更に、圧電薄膜４上に、下層から順にチタン、
パラジウムからなる上部電極３が形成されている。BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION Embodiment 1. Figure 1 shows 1
1 is a top view and FIG. 1 (b) is a piezoelectric thin film element according to the present embodiment.
The sectional view at the time of seeing in the II direction of (a) is shown. The piezoelectric thin film element 100 includes a silicon substrate 1. Silicon substrate 1
A support film 2 made of silicon nitride is formed on the above. A lower electrode 3 made of titanium and palladium is formed on the support film 2 in this order from the lower layer. Lower electrode 3
A piezoelectric thin film 4 made of lithium niobate is provided on the above. The film thickness of the piezoelectric thin film 4 is about 1 μm or less. Further, on the piezoelectric thin film 4, titanium,
The upper electrode 3 made of palladium is formed.
【００１６】更に、図１（ａ）に示すように、支持膜２
の上には、上部電極用パッド７と下部電極用パッド８と
が設けられている。これらのパッドは、金メッキ層から
形成される。上部電極用パッド７は、金メッキ層からな
る架橋部６により、上部電極５と電気的に接続されてい
る。更に、下部電極用パッド８は、下部電極３と電気的
に接続されている。Further, as shown in FIG. 1 (a), the supporting film 2
An upper electrode pad 7 and a lower electrode pad 8 are provided on the above. These pads are formed from a gold plated layer. The upper electrode pad 7 is electrically connected to the upper electrode 5 by the bridge portion 6 made of a gold plating layer. Further, the lower electrode pad 8 is electrically connected to the lower electrode 3.
【００１７】シリコン基板１の裏面には、金メッキ層か
らなる基板裏面マスク９と、基板除去部１０が設けられ
ている。基板除去部１０は、圧電薄膜４の下方のシリコ
ン基板１が除去されて形成され、基板除去部１０の中に
は、支持膜２の裏面が露出している。On the back surface of the silicon substrate 1, a substrate back surface mask 9 made of a gold plating layer and a substrate removing portion 10 are provided. The substrate removing section 10 is formed by removing the silicon substrate 1 below the piezoelectric thin film 4, and the back surface of the support film 2 is exposed in the substrate removing section 10.
【００１８】圧電薄膜素子１００では、上部電極用パッ
ド７と下部電極用パッド８との間に電圧を印加すること
により、圧電薄膜４挟む、下部電極３と上部電極５との
間に、所定の電圧を印加することができる。この結果、
基板除去部１０の上方の圧電薄膜４にバルク弾性波が発
生する。In the piezoelectric thin film element 100, a predetermined voltage is applied between the lower electrode 3 and the upper electrode 5 sandwiching the piezoelectric thin film 4 by applying a voltage between the upper electrode pad 7 and the lower electrode pad 8. A voltage can be applied. As a result,
A bulk acoustic wave is generated in the piezoelectric thin film 4 above the substrate removal unit 10.
【００１９】このように、本実施の形態にかかる圧電薄
膜素子１００は、伝搬する波の損失が小さく、かつ速度
の速い材料を圧電薄膜に用いたため、高周波帯域で使用
することが可能である。As described above, the piezoelectric thin film element 100 according to the present embodiment can be used in a high frequency band because the piezoelectric thin film is made of a material having a small loss of propagating waves and a high speed.
【００２０】次に、本実施の形態にかかる圧電薄膜素子
１００の製造方法について、簡単に説明する。まず、シ
リコン基板１を準備する。シリコン基板１は、例えば、
直径が３インチで、（１００）単結晶シリコン基板から
なる。Next, a method of manufacturing the piezoelectric thin film element 100 according to this embodiment will be briefly described. First, the silicon substrate 1 is prepared. The silicon substrate 1 is, for example,
It is 3 inches in diameter and consists of a (100) single crystal silicon substrate.
【００２１】次に、シランガスをシリコンの原料に用
い、窒素ガスを反応ガスに用いたプラズマＣＶＤ法によ
り、窒化シリコン膜からなる支持膜２を、シリコン基板
１の上面に堆積させる。窒化シリコン膜の成膜条件は、
シランガスが４ｃｃｍ、窒素ガスが１００ｃｃｍ、基板
温度が３００℃、成膜圧力が０．５Ｔｏｒｒ、ＲＦ出力
が３５０Ｗとした。成膜時間は略５分間である。この結
果、膜厚が略２５００Åの窒化シリコン膜からなる支持
膜２が形成される。Next, the support film 2 made of a silicon nitride film is deposited on the upper surface of the silicon substrate 1 by the plasma CVD method using silane gas as a raw material of silicon and nitrogen gas as a reaction gas. The conditions for forming the silicon nitride film are
The silane gas was 4 ccm, the nitrogen gas was 100 ccm, the substrate temperature was 300 ° C., the film forming pressure was 0.5 Torr, and the RF output was 350 W. The film formation time is about 5 minutes. As a result, the support film 2 made of a silicon nitride film having a film thickness of about 2500Å is formed.
【００２２】次に、ＲＦマグネトロンスパッタ装置によ
り、膜厚が略５００Åのチタン層と、膜厚が略２０００
Åのイリジウム層とを、支持膜２の上に順次形成する。
チタン層は、直径３インチ、純度４Ｎのチタン金属から
なるターゲットを、アルゴン１００％の雰囲気でスパッ
タして形成した。スパッタ条件は、基板温度が６００
℃、ガス流量が２０ｃｃｍ、ガス圧が５ｍＴｏｒｒ、ス
パッタパワーが１００Ｗとした。また、スパッタ時間は
略１２分間とした。また、イリジウム層は、直径３イン
チ、純度４Ｎのインジウム金属からなるターゲットを、
アルゴン１００％の雰囲気でスパッタして形成した。ス
パッタ条件は、基板温度が６００℃、ガス流量が２０ｃ
ｃｍ、ガス圧が５ｍＴｏｒｒ、スパッタパワーが１００
Ｗとした。また、スパッタ時間は略２０分間とした。Next, using an RF magnetron sputtering device, a titanium layer having a film thickness of approximately 500Å and a film thickness of approximately 2000 are formed.
An iridium layer of Å is sequentially formed on the support film 2.
The titanium layer was formed by sputtering a target made of titanium metal having a diameter of 3 inches and a purity of 4N in an atmosphere of 100% argon. The sputtering condition is that the substrate temperature is 600.
C., the gas flow rate was 20 ccm, the gas pressure was 5 mTorr, and the sputtering power was 100 W. The sputtering time was set to about 12 minutes. Further, the iridium layer is formed of a target made of indium metal having a diameter of 3 inches and a purity of 4N,
It was formed by sputtering in an atmosphere of 100% argon. The sputtering conditions are a substrate temperature of 600 ° C. and a gas flow rate of 20 c.
cm, gas pressure 5 mTorr, sputter power 100
W. The sputtering time was set to about 20 minutes.
【００２３】次に、ニオブ酸リチウムのターゲットを用
いたＲＦマグネトロンスパッタ法により、チタン層、イ
ンジウム層が堆積されたシリコン基板１上に、ニオブ酸
リチウム膜を形成する。ニオブ酸リチウム膜の作製は、
アルゴン：酸素＝３：７の混合ガス中で、基板温度６４
０℃、ガス圧１００ｍＴｏｒｒ、スパッタ出力１００Ｗ
の条件で、１００分間の成膜を行った。この結果、膜厚
４５００Åのニオブ酸リチウム膜が得られた。Ｘ線回折
法でニオブ酸リチウム膜を評価したところ、結晶のＣ軸
に配向した膜であることがわかった。Next, a lithium niobate film is formed on the silicon substrate 1 on which the titanium layer and the indium layer are deposited by the RF magnetron sputtering method using a lithium niobate target. The production of the lithium niobate film is
Substrate temperature 64 in a mixed gas of argon: oxygen = 3: 7
0 ° C, gas pressure 100mTorr, sputter output 100W
Film formation was carried out for 100 minutes under the conditions of. As a result, a lithium niobate film having a film thickness of 4500Å was obtained. When the lithium niobate film was evaluated by X-ray diffractometry, it was found to be a film oriented to the C axis of the crystal.
【００２４】ここで、ＲＦマグネトロンスパッタ法に使
用するニオブ酸リチウムのターゲットの作製方法につい
て、簡単に説明する。かかる作製方法では、まず、市販
特級試薬である炭酸リチウム粉末、酸化ニオブ粉末をモ
ル比１：１で秤量し、これらの粉末を、自動混合乳鉢に
て、３０分間、乾式混合した。続いて、電気炉を用い
て、大気雰囲気中で、１０００℃で１時間保持し、化合
物化を行った。Here, a method for producing a target of lithium niobate used in the RF magnetron sputtering method will be briefly described. In this production method, first, lithium carbonate powder and niobium oxide powder, which are commercially available special grade reagents, were weighed in a molar ratio of 1: 1 and these powders were dry-mixed in an automatic mixing mortar for 30 minutes. Then, using an electric furnace, it was kept at 1000 ° C. for 1 hour in the air atmosphere for compounding.
【００２５】更に、この粉末を、自動混合乳鉢にて３０
分間、粉砕、微粒化し、上記と同様に加熱処理を行い、
均質化して、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ３）の粉末
とした。得られた粉末をＸ線回折にて解析した結果、ニ
オブ酸リチウムの単一相となっていることが確認され
た。Further, this powder is mixed with an automatic mixing mortar 30 times.
For a minute, crush, atomize, and heat treatment as above,
The mixture was homogenized to obtain lithium niobate (LiNbO 3 ) powder. As a result of X-ray diffraction analysis of the obtained powder, it was confirmed that the powder had a single phase of lithium niobate.
【００２６】同様に、市販特級試薬である炭酸リチウム
粉末、酸化ニオブ粉末をモル比３：１で秤量し、上述の
ような処理を行うことにより、Ｌｉ３ＮｂＯ５の粉末を
得た。このようにして得た粉末も、Ｌｉ３ＮｂＯ５の単
一相となっていることを確認した。Similarly, lithium carbonate powder and niobium oxide powder, which are commercially available special grade reagents, were weighed at a molar ratio of 3: 1 and subjected to the above-mentioned treatment to obtain Li 3 NbO 5 powder. It was confirmed that the powder thus obtained was also a single phase of Li 3 NbO 5 .
【００２７】続いて、このようにして作製した２種類の
粉末を、ＬｉＮｂＯ３：Ｌｉ３ＮｂＯ５＝１：０．０８
で混合することにより、Ｌｉ／Ｎｂの比が１．１５の混
合粉末を得て、これを原料として、スパッタ用焼結ター
ゲットの作製を行った。Subsequently, the two kinds of powders produced in this manner were added to LiNbO 3 : Li 3 NbO 5 = 1: 0.08.
By mixing in, a mixed powder with a Li / Nb ratio of 1.15 was obtained, and using this as a raw material, a sintered target for sputtering was prepared.
【００２８】焼結ターゲットの作製には、直径１００ｍ
ｍ、厚さ１５ｍｍの金型を用いて成形した後、１０００
ｋｇ／ｃｍ２の圧力を加えて、静水圧プレスを行った。
この後、酸素雰囲気中で、１１８０℃、３時間焼結する
ことにより、焼結体を得た。この焼結体を、直径７８ｍ
ｍ、厚さ５ｍｍに研削加工することにより、ターゲット
を得た。For producing the sintered target, a diameter of 100 m
m after molding using a mold with a thickness of 15 mm and a thickness of 1000
A hydrostatic press was performed by applying a pressure of kg / cm 2 .
Then, it was sintered in an oxygen atmosphere at 1180 ° C. for 3 hours to obtain a sintered body. This sintered body has a diameter of 78 m.
The target was obtained by grinding to a thickness of m and a thickness of 5 mm.
【００２９】このターゲット焼結体の組成をＩＣＰ法に
て分析した結果、Ｌｉ：Ｎｂが、１：１．１３であっ
た。また、この焼結体をＸ線回折で測定したところ、Ｌ
ｉＮｂＯ３相とＬｉ３ＮｂＯ５相が混在していることが
分かった。このような方法で作製したターゲットは、当
初から、Ｌｉ原料とＮｂ原料を１：１５程度、或いは、
それ以上に大きい比率で混合して、焼結作製したターゲ
ットと比較して、ターゲット表面の変色等が少なく、経
時安定性に優れていることが認められている。As a result of analyzing the composition of this target sintered body by the ICP method, Li: Nb was 1: 1.13. Moreover, when this sintered body was measured by X-ray diffraction,
It was found that the iNbO 3 phase and the Li 3 NbO 5 phase were mixed. From the beginning, the target produced by such a method has a Li raw material and an Nb raw material of about 1:15, or
It has been recognized that the target surface is less discolored and the stability over time is excellent as compared with a target produced by mixing by mixing in a larger ratio than that.
【００３０】更に、製造工程について説明すると、ニオ
ブ酸リチウム膜上に、リフトオフ法により膜厚５００Å
のチタン膜をニオブ酸リチウム膜への密着層とし作製し
た。続いて、膜厚１０００Åのパラジウムを電子ビーム
蒸着法により電極として形成し、パターンニングによ
り、８０μｍ×８０μｍの上部電極５とした。Further, the manufacturing process will be described. On the lithium niobate film, a film thickness of 500 Å is formed by the lift-off method.
Was prepared as an adhesion layer to the lithium niobate film. Subsequently, palladium having a film thickness of 1000 Å was formed as an electrode by an electron beam evaporation method, and patterned to obtain an upper electrode 5 having a size of 80 μm × 80 μm.
【００３１】次に、塩素系ガスを用いた反応性イオンエ
ッチングにより、ニオブ酸リチウム膜を除去する。その
後、イリジウム膜をイオンミリングにより除去する。こ
れにより、下部電極３と、上下電極用のパッド下地、下
部電極３と下部電極パッドを接続するネック部をパター
ンニング形成した。Next, the lithium niobate film is removed by reactive ion etching using chlorine gas. Then, the iridium film is removed by ion milling. Thus, the lower electrode 3, the pad bases for the upper and lower electrodes, and the neck portion connecting the lower electrode 3 and the lower electrode pad were patterned.
【００３２】続いて、プラズマＣＶＤにより、シリコン
基板１の全面に、窒化シリコン膜１４を形成した。膜厚
は約５００Åである。パッド７、８上、上部電極５上の
架橋接続点の酸化シリコン膜１４は、Ｃ２Ｆ６（流量５
０ｃｃｍ）、酸素（流量１００ｃｃｍ）の混合ガスを用
いて、高周波出力４５０Ｗ、ガス圧０．５Ｔｏｒｒの条
件で、ＲＩＥにより除去した。なお、本実施の形態で
は、酸化シリコン膜１４は形成しなくても構わない。Then, a silicon nitride film 14 was formed on the entire surface of the silicon substrate 1 by plasma CVD. The film thickness is about 500Å. The silicon oxide film 14 on the pads 7 and 8 and the bridge connection point on the upper electrode 5 is C 2 F 6 (flow rate 5
0 ccm) and oxygen (flow rate 100 ccm) mixed gas, and removed by RIE under the conditions of a high frequency output of 450 W and a gas pressure of 0.5 Torr. Note that the silicon oxide film 14 may not be formed in this embodiment.
【００３３】更に、レジスト形成した後、蒸着法により
上層が金、下層がチタン膜の構成を有する給電層を形成
する。続いて、厚さ２〜３μｍの金を、メッキにより形
成する。レジスト除去により、上部電極５とパッドを電
気的に接続する架橋部６、および上下電極用パッド上の
金メッキ層７、８を形成した。Further, after forming a resist, a power feeding layer having a structure of a gold upper layer and a titanium lower layer is formed by a vapor deposition method. Subsequently, gold having a thickness of 2 to 3 μm is formed by plating. By removing the resist, a bridging portion 6 that electrically connects the upper electrode 5 and the pad, and gold plating layers 7 and 8 on the upper and lower electrode pads were formed.
【００３４】この後、これらを形成した表面にレジスト
を塗布、乾燥し、更に、その上にワックスを約２０μｍ
スピンコートにより塗布し、乾燥する。続いて、ワック
スを塗布した基板を、１３０℃に加熱したガラス板上に
置き、１０分間の加圧により貼り付けを行った。貼り付
けた基板を、元の厚さ０．４ｍｍから０．２ｍｍまで研
磨により、薄板化を行った。以後、かかる工程で研磨し
た研磨面を裏面と記す。After that, a resist is applied to the surface on which they have been formed and dried, and wax is further applied thereto to a thickness of about 20 μm.
Apply by spin coating and dry. Subsequently, the substrate coated with wax was placed on a glass plate heated to 130 ° C. and adhered by applying pressure for 10 minutes. The attached substrate was thinned by polishing the original thickness from 0.4 mm to 0.2 mm. Hereinafter, the polished surface polished in this step is referred to as the back surface.
【００３５】続いて、裏面に金メッキ層９の形成を行っ
た後、硫酸系エッチング液によるウェットエッチングに
より、上部電極５の下方に基板エッチング用エッチング
ホール５００μｍ×５００μｍを開口した。続いて、シ
リコン基板１を７０℃の１０ｗｔ％水酸化カリウム水溶
液に浸漬し、基板１の一部をエッチング除去することに
より、支持膜２、下部電極３、圧電膜４、および上部電
極５を浮き構造とした、バルク超音波共振素子が得られ
る。Subsequently, after forming the gold plating layer 9 on the back surface, a substrate etching etching hole of 500 μm × 500 μm was opened under the upper electrode 5 by wet etching with a sulfuric acid-based etching solution. Subsequently, the silicon substrate 1 is dipped in a 10 wt% potassium hydroxide aqueous solution at 70 ° C. and a part of the substrate 1 is removed by etching to float the support film 2, the lower electrode 3, the piezoelectric film 4, and the upper electrode 5. A bulk ultrasonic resonance element having a structure is obtained.
【００３６】最後に、基板をガラスから加熱して剥が
し、ワックス等を除去した後、ダイシングソーにて基板
をカットすることにより、圧電薄膜素子１００が完成す
る。Finally, the substrate is heated and peeled off from the glass to remove wax and the like, and then the substrate is cut with a dicing saw to complete the piezoelectric thin film element 100.
【００３７】得られた圧電薄膜素子１００（酸化シリコ
ン膜１４は形成せず）を、パッケージ中に固定し、ネッ
トワークアナライザーで測定したところ、４．１ＧＨｚ
付近の周波数で共振ピークが観察され、圧電薄膜素子１
００の動作を確認することができた。即ち、圧電材料に
ニオブ酸リチウム膜び薄膜（略１μｍ以下）を用いた圧
電薄膜素子１００では、バルク振動を用い、高周波帯域
で使用できる圧電薄膜素子を得ることができる。The piezoelectric thin film element 100 (without forming the silicon oxide film 14) thus obtained was fixed in a package and measured by a network analyzer, which was 4.1 GHz.
Resonance peaks were observed at frequencies near the piezoelectric thin film element 1
We were able to confirm the operation of 00. That is, in the piezoelectric thin film element 100 using a lithium niobate film and a thin film (approximately 1 μm or less) as the piezoelectric material, it is possible to obtain a piezoelectric thin film element that can be used in a high frequency band by using bulk vibration.
【００３８】実施の形態２．図２は、全体が１１０で表
される、本実施の形態にかかる圧電薄膜素子であり、図
２（ａ）に上面図を、図２（ｂ）に、図２（ａ）のII−
II方向に見た場合の断面図を示す。図２中、図１と同一
符号は、同一又は相当箇所を示す。Embodiment 2. FIG. 2 shows a piezoelectric thin film element according to the present embodiment, which is generally represented by 110. A top view is shown in FIG. 2 (a) and a II- of FIG. 2 (a) is shown in FIG. 2 (b).
The cross-sectional view when viewed in the II direction is shown. 2, the same reference numerals as those in FIG. 1 indicate the same or corresponding portions.
【００３９】圧電薄膜素子１１０では、上述の圧電薄膜
素子１００の上部電極５に代えて、アルミニウム／クロ
ム上部電極膜１１と、パラジウム導電性保護膜１２を用
いた。他の構造は、圧電薄膜素子１００と同じである。In the piezoelectric thin film element 110, instead of the upper electrode 5 of the piezoelectric thin film element 100 described above, an aluminum / chrome upper electrode film 11 and a palladium conductive protective film 12 were used. The other structure is the same as that of the piezoelectric thin film element 100.
【００４０】即ち、ニオブ酸リチウム圧電薄膜の形成後
に、電子ビーム蒸着法により、膜厚は２００Åのクロム
を密着層とし、膜厚７００Åのアルミニウムを電極層と
して形成する。密着層と電極層がアルミニウム／クロム
上部電極膜１１となる。更に、膜厚５００Åのパラジウ
ムを電極兼保護層１２として作製する。アルミニウム
は、特に、軽量性と、電気伝導性に優れており、電極と
して好ましいが、化学的安定性に劣る。このため、湿度
による経時劣化等を防ぐため、保護構成を必要とする。
保護構成としては、素子表面全面に保護膜を設けても良
いし、素子を気密パッケージ中に封止しても良い。な
お、パラジウムを電極兼保護層１２の形成は、後工程に
おいて、アルミニウムが浸食されるのを防止するためで
ある。That is, after the formation of the lithium niobate piezoelectric thin film, an electron beam vapor deposition method is used to form chromium having a film thickness of 200Å as an adhesion layer and aluminum having a film thickness of 700Å as an electrode layer. The adhesion layer and the electrode layer become the aluminum / chromium upper electrode film 11. Further, palladium having a film thickness of 500 Å is formed as the electrode / protective layer 12. Aluminum is excellent in lightness and electrical conductivity, and is preferable as an electrode, but it is inferior in chemical stability. Therefore, a protection structure is required to prevent deterioration with time due to humidity.
As a protective structure, a protective film may be provided on the entire surface of the device, or the device may be sealed in an airtight package. The formation of the electrode / protective layer 12 using palladium is to prevent aluminum from being corroded in a later step.
【００４１】かかる圧電薄膜素子１１０を、パッケージ
中に固定し、ネットワークアナライザーで測定したとこ
ろ、共振は４．３ＧＨｚ付近に観察された。即ち、上部
電極をアルミニウムから形成して軽量化することによ
り、共振周波数が、高周波側へ移動したことが認められ
る。When the piezoelectric thin film element 110 was fixed in a package and measured by a network analyzer, resonance was observed in the vicinity of 4.3 GHz. That is, it can be seen that the resonance frequency moved to the high frequency side by forming the upper electrode from aluminum to reduce the weight.
【００４２】実施の形態３．図３は、全体が１２０で表
される、本実施の形態にかかる圧電薄膜素子であり、図
３（ａ）に上面図を、図３（ｂ）に、図３（ａ）のIII
−III方向に見た場合の断面図を示す。図３中、図１と
同一符号は、同一又は相当箇所を示す。Embodiment 3. FIG. 3 shows a piezoelectric thin film element according to the present embodiment, which is wholly represented by 120. A top view is shown in FIG. 3 (a), and a III part in FIG. 3 (a) is shown in FIG. 3 (b).
The cross-sectional view when seen in the -III direction is shown. 3, the same reference numerals as those in FIG. 1 indicate the same or corresponding portions.
【００４３】圧電薄膜素子１２０では、上述の圧電薄膜
素子１００の、ニオブ酸リチウムからなる圧電薄膜４に
代えて、ニオブ酸タンタル酸リチウムからなる圧電薄膜
１４を用いた。他の構造は、圧電薄膜素子１００と同じ
である。In the piezoelectric thin film element 120, the piezoelectric thin film 14 made of lithium tantalate niobate was used instead of the piezoelectric thin film 4 made of lithium niobate in the piezoelectric thin film element 100 described above. The other structure is the same as that of the piezoelectric thin film element 100.
【００４４】ニオブ酸タンタル酸リチウムからなる圧電
薄膜１４に作製には、Ｌｉ：Ｎｂの組成比が１：１．１
３であるターゲットと、Ｌｉ：（Ｎｂ＋Ｔａ）の組成比
が１：１．１５であるターゲットを用いた。スパッタ条
件は、実施の形態１の場合と同様とした。前者のターゲ
ットを用いた場合に得られる薄膜は、ニオブ酸リチウム
薄膜であり、後者のターゲットを用いた場合に得られる
薄膜は、ニオブ酸タンタル酸リチウム薄膜であった。Ｉ
ＣＰ分析の結果、後者の薄膜のＮｂ：Ｔａの組成比は、
７．２：２．８であり、ターゲット組成が、ほぼそのま
ま薄膜の組成となっていた。To prepare the piezoelectric thin film 14 made of lithium tantalate niobate, the composition ratio of Li: Nb is 1: 1.1.
A target of 3 and a target of a composition ratio of Li: (Nb + Ta) of 1: 1.15 were used. The sputtering conditions were the same as in the first embodiment. The thin film obtained by using the former target was a lithium niobate thin film, and the thin film obtained by using the latter target was a lithium tantalate niobate thin film. I
As a result of CP analysis, the composition ratio of Nb: Ta of the latter thin film was
It was 7.2: 2.8, and the composition of the target was almost the same as that of the thin film.
【００４５】ニオブ酸リチウムを用いた圧電薄膜素子で
は、共振は４．０ＧＨｚ付近に観察された。これは、実
施の形態１にかかる圧電薄膜素子１００に比較して、表
面を窒化シリコン膜１４で被覆したためと考えられる。
また、ニオブ酸タンタル酸リチウム膜を用いた圧電薄膜
素子１２０では、同様に、４．０ＧＨｚ付近に共振が観
察された。In the piezoelectric thin film element using lithium niobate, resonance was observed in the vicinity of 4.0 GHz. It is considered that this is because the surface is covered with the silicon nitride film 14 as compared with the piezoelectric thin film element 100 according to the first embodiment.
Further, in the piezoelectric thin film element 120 using the lithium tantalate niobate film, resonance was similarly observed in the vicinity of 4.0 GHz.
【００４６】なお、上述のように、本実施の形態におい
ては、ニオブ酸タンタル酸リチウム薄膜用のターゲット
の、Ｎｂ：Ｔａの組成比は７：３としたが、これ以外の
組成のターゲットを用いた場合、共振周波数はその組成
によって変化が見られた。As described above, in the present embodiment, the target for the lithium tantalate niobate thin film has a composition ratio of Nb: Ta of 7: 3, but targets with other compositions are used. In the case of the presence, the resonance frequency was changed depending on its composition.
【００４７】実施の形態４．図４は、全体が１３０で表
される、本実施の形態にかかる圧電薄膜素子であり、図
４（ａ）に上面図を、図４（ｂ）に、図４（ａ）のIV−
IV方向に見た場合の断面図を示す。図４中、図１と同一
符号は、同一又は相当箇所を示す。Fourth Embodiment FIG. 4 shows a piezoelectric thin film element according to the present embodiment, which is wholly represented by 130. A top view is shown in FIG. 4 (a) and an IV- of FIG. 4 (a) is shown in FIG. 4 (b).
The cross-sectional view when viewed in the IV direction is shown. 4, the same reference numerals as those in FIG. 1 indicate the same or corresponding portions.
【００４８】圧電薄膜素子１３０では、上述の圧電薄膜
素子１００の、ニオブ酸リチウムからなる圧電薄膜４に
代えて、ニオブ酸カリウムからなる圧電薄膜１５を用い
た。他の構造は、圧電薄膜素子１００と同じである。In the piezoelectric thin film element 130, the piezoelectric thin film 15 made of potassium niobate was used in place of the piezoelectric thin film 4 made of lithium niobate in the piezoelectric thin film element 100 described above. The other structure is the same as that of the piezoelectric thin film element 100.
【００４９】ニオブ酸カリウムからなる圧電薄膜１５
は、カリウム原料として、Ｋ−ＤＰＭ（ポタシウム−ジ
ピバロイルメタン）をＴＨＦ（テトラヒドロフラン）溶
媒に溶かした溶液を用い、一方、ニオブ原料として、Ｎ
ｂ（ＯＣ２Ｈ５）５を、ＴＨＦ溶媒に溶かした溶液を用
いて、熱ＣＶＤ法により作製した。カリウム原料の供給
量は、ニオブ原料の供給量の、２．５倍〜３倍とした。
原料は、個別気化器で気化した後、チャンバー内に導入
した。チャンバ内の導入された原料は、７５０℃〜８０
０℃に加熱された基板上に、シャワーノズルから噴霧ガ
スとして導入され、ニオブ酸カリウム膜の形成を行っ
た。成膜時の反応ガスとしては、酸素ガスを導入してお
り、ガス圧は７．５Ｔｏｒｒとした。Piezoelectric thin film 15 made of potassium niobate
Is a solution of K-DPM (potassium-dipivaloylmethane) dissolved in a THF (tetrahydrofuran) solvent as a potassium raw material, while N is a niobium raw material.
b (OC 2 H 5 ) 5 was prepared by a thermal CVD method using a solution of b (OC 2 H 5 ) 5 dissolved in a THF solvent. The supply amount of the potassium raw material was 2.5 to 3 times the supply amount of the niobium raw material.
The raw material was introduced into the chamber after being vaporized by an individual vaporizer. The introduced raw material in the chamber has a temperature of 750 ° C to 80 ° C.
It was introduced as a spray gas from a shower nozzle onto a substrate heated to 0 ° C. to form a potassium niobate film. Oxygen gas was introduced as a reaction gas during the film formation, and the gas pressure was 7.5 Torr.
【００５０】ニオブ酸カリウムを用いた圧電薄膜素子１
３０では、共振は３．６ＧＨｚ付近に観察された。Piezoelectric thin film element 1 using potassium niobate
At 30, resonance was observed near 3.6 GHz.
【００５１】実施の形態５．図５は、全体が１４０で表
される、本実施の形態にかかる圧電薄膜素子であり、図
５（ａ）に上面図を、図５（ｂ）に、図５（ａ）のＶ−
Ｖ方向に見た場合の断面図を示す。図５中、図１と同一
符号は、同一又は相当箇所を示す。Embodiment 5. FIG. 5 shows a piezoelectric thin film element according to the present embodiment, which is generally represented by 140. A top view is shown in FIG. 5 (a), and V- of FIG. 5 (a) is shown in FIG. 5 (b).
The sectional view at the time of seeing in the V direction is shown. 5, the same reference numerals as those in FIG. 1 indicate the same or corresponding portions.
【００５２】圧電薄膜素子１４０では、上述の圧電薄膜
素子１００の、窒化シリコンからなる支持膜２に代え
て、酸化アルミニウムからなる支持膜１６を用いた。更
に、窒化シリコン膜１４に代えて、酸化アルミニウム膜
１７を保護膜として用いた。他の構造は、圧電薄膜素子
１００と同じである。In the piezoelectric thin film element 140, the support film 16 made of aluminum oxide was used instead of the support film 2 made of silicon nitride in the piezoelectric thin film element 100 described above. Further, instead of the silicon nitride film 14, an aluminum oxide film 17 was used as a protective film. The other structure is the same as that of the piezoelectric thin film element 100.
【００５３】厚圧電薄膜素子１４０の製造工程では、ま
ず、直径３インチのシリコン（１００）単結晶基板１上
に、膜厚３０００Åの酸化アルミニウム膜を、ＲＦマグ
ネトロン反応性スパッタ法を用いて形成した。スパッタ
ターゲットには、直径４インチのアルミニウムを用い
た。また、スパッタ条件は、酸素ガスを反応ガスに用
い、スパッタ圧力７．５ｍＴｏｒｒ、アルゴン／酸素流
量：５０ｃｃｍ／５０ｃｃｍ、ＲＦパワー１５０Ｗとし
た。In the manufacturing process of the thick piezoelectric thin film element 140, first, an aluminum oxide film having a film thickness of 3000 Å was formed on the silicon (100) single crystal substrate 1 having a diameter of 3 inches by the RF magnetron reactive sputtering method. . Aluminum having a diameter of 4 inches was used as the sputter target. As the sputtering conditions, oxygen gas was used as a reaction gas, the sputtering pressure was 7.5 mTorr, the flow rate of argon / oxygen was 50 ccm / 50 ccm, and the RF power was 150 W.
【００５４】実施の形態１と同様の工程を用いて、かか
るシリコン基板１に、下部電極３、圧電薄膜５等を形成
した後に、膜厚が約１０００Åの酸化アルミニウムを保
護膜として形成した。パッド部と上部電極架橋接続点部
の酸化アルミニウムは、イオンミリングにより除去し
た。イオンミリングでは、エッチングの選択性が小さい
ため、オーバーエッチングにならないように３〜１０回
に分けて、エッチングの程度を観察しつつ、エッチング
した。After the lower electrode 3, the piezoelectric thin film 5 and the like were formed on the silicon substrate 1 by using the same steps as those of the first embodiment, aluminum oxide having a film thickness of about 1000 Å was formed as a protective film. The aluminum oxide at the pad portion and the bridge connection point of the upper electrode was removed by ion milling. In ion milling, since the etching selectivity is low, etching was performed while observing the degree of etching in 3 to 10 times so as not to cause over-etching.
【００５５】得られた圧電薄膜素子１４０に後工程を行
ってパッケージ中に固定し、ネットワークアナライザー
で測定したところ、４．３ＧＨｚ付近の周波数で共振ピ
ークが観察された、圧電薄膜素子１００の動作を確認す
ることができた。なお、波数は、素子構成各部の材質、
膜厚のばらつきにより変化が生ずる。The piezoelectric thin film element 140 thus obtained was post-processed, fixed in a package, and measured by a network analyzer. A resonance peak was observed at a frequency near 4.3 GHz. I was able to confirm. The wave number is the material of each part of the element,
Changes occur due to variations in film thickness.
【００５６】[0056]
【発明の効果】以上の説明から明らかなように、本実施
の形態にかかる圧電薄膜素子では、伝搬する波の損失が
小さく、かつ速度の速い材料を圧電薄膜に用いることに
より、高周波帯域で使用可能な、バルク振動を用いた圧
電薄膜素子を得ることができる。As is apparent from the above description, the piezoelectric thin film element according to the present embodiment is used in a high frequency band by using a material having a small loss of propagating waves and a high speed for the piezoelectric thin film. A possible piezoelectric thin film element using bulk vibration can be obtained.
【００５７】また、本発明にかかる製造方法では、良好
な圧電薄膜を備えた圧電薄膜素子の作製が可能となる。Further, according to the manufacturing method of the present invention, it is possible to manufacture a piezoelectric thin film element having a good piezoelectric thin film.
【図１】 本発明の実施の形態１にかかる圧電体薄膜素
子を表す図である。FIG. 1 is a diagram showing a piezoelectric thin film element according to a first embodiment of the present invention.
【図２】 本発明の実施の形態２にかかる圧電体薄膜素
子を表す図である。FIG. 2 is a diagram showing a piezoelectric thin film element according to a second embodiment of the present invention.
【図３】 本発明の実施の形態３にかかる圧電体薄膜素
子を表す図である。FIG. 3 is a diagram showing a piezoelectric thin film element according to a third embodiment of the present invention.
【図４】 本発明の実施の形態４にかかる圧電体薄膜素
子を表す図である。FIG. 4 is a diagram showing a piezoelectric thin film element according to a fourth embodiment of the present invention.
【図５】 本発明の実施の形態５にかかる圧電体薄膜素
子を表す図である。FIG. 5 is a diagram showing a piezoelectric thin film element according to a fifth embodiment of the present invention.
【図６】 従来の圧電体薄膜素子を表す図である。FIG. 6 is a diagram showing a conventional piezoelectric thin film element.
１ シリコン基板、２ 支持膜、３ 下部電極、４ 圧
電薄膜、５ 上部電極、６ 架橋部、７ 上部電極用パ
ッド、８ 下部電極用パッド、９ 基板裏面マスク、１
０ 基板除去部、１００ 圧電薄膜素子。DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Silicon substrate, 2 Support film, 3 Lower electrode, 4 Piezoelectric thin film, 5 Upper electrode, 6 Bridge part, 7 Upper electrode pad, 8 Lower electrode pad, 9 Substrate backside mask, 1
0 substrate removal part, 100 piezoelectric thin film element.
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） Ｈ０１Ｌ 41/22 Ｈ０１Ｌ 41/08 Ｃ (72)発明者 野崎 歩 東京都千代田区丸の内二丁目２番３号 三 菱電機株式会社内 (72)発明者 宮下 章志 東京都千代田区丸の内二丁目２番３号 三 菱電機株式会社内 Ｆターム(参考） 4K029 AA06 AA24 BA50 BB02 BC00 BD03 CA05 DC09 ─────────────────────────────────────────────────── ─── Continuation of front page (51) Int.Cl. 7 Identification code FI theme code (reference) H01L 41/22 H01L 41/08 C (72) Inventor Ayumu Nozaki 2-3-2 Marunouchi, Chiyoda-ku, Tokyo Sanryo Electric Co., Ltd. (72) Inventor Akashi Miyashita 2-3-3 Marunouchi, Chiyoda-ku, Tokyo Sanryo Electric Co., Ltd. F-term (reference) 4K029 AA06 AA24 BA50 BB02 BC00 BD03 CA05 DC09
Claims (6)
圧電薄膜素子であって、 ａ）表面と裏面とを備えた基板と、 ｂ）該基板の表面上に設けられ、酸化シリコン、窒化シ
リコン、酸窒化シリコン、酸化アルミニウム、窒化アル
ミニウム、およびアルミニウムマグネシウム酸化物から
なる群から選択される材料を主成分とする層を含む支持
膜と、 ｃ）該支持膜上に設けられ、イリジウムおよび白金から
なる群から選択される材料を主成分とする下部電極と、 ｄ）該下部電極上に設けられ、 化学式：ＡＢＯＸ 但し、Ａ：カリウム、ナトリウム、およびリチウムから
なる群から選択される金属元素 Ｂ：タンタルおよびニオブからなる群から選択される金
属元素 Ｏ：酸素元素（Ｘ＝３±α、α≦０．３）で表される材
料を主成分とする圧電薄膜と、 ｅ）該圧電薄膜上に設けられ、アルミニウム、パラジウ
ム、イリジウム、および白金からなる群から選択される
材料を主成分とする上部電極と、 ｆ）該基板の裏面から該基板を除去し、該圧電薄膜の下
方の該支持膜の裏面を露出させた凹部とを含むことを特
徴とする圧電薄膜素子。1. A piezoelectric thin film element having a piezoelectric thin film having a film thickness of about 1 μm or less, comprising: a) a substrate having a front surface and a back surface; b) a silicon oxide, a nitride film provided on the front surface of the substrate. A support film including a layer containing a material selected from the group consisting of silicon, silicon oxynitride, aluminum oxide, aluminum nitride, and aluminum magnesium oxide as a main component; and c) iridium and platinum provided on the support film. A lower electrode containing as a main component a material selected from the group consisting of: d) a chemical formula: ABO X provided on the lower electrode, where A is a metal element selected from the group consisting of potassium, sodium, and lithium. B: a metal thin film selected from the group consisting of tantalum and niobium O: a piezoelectric thin film whose main component is a material represented by an oxygen element (X = 3 ± α, α ≦ 0.3), e) an upper electrode that is provided on the piezoelectric thin film and has a material selected from the group consisting of aluminum, palladium, iridium, and platinum as a main component; and f) removing the substrate from the back surface of the substrate, A piezoelectric thin film element, comprising: a concave portion exposing the back surface of the supporting film below the thin film.
覆う絶縁膜を含むことを特徴とする請求項１に記載の圧
電薄膜素子。2. The piezoelectric thin film element according to claim 1, further comprising an insulating film covering the upper electrode and the piezoelectric thin film.
コン、酸窒化シリコン、酸化アルミニウム、窒化アルミ
ニウム、およびアルミニウムマグネシウム酸化物からな
る群から選択される材料を主成分とすることを特徴とす
る請求項２に記載の圧電薄膜素子。3. The insulating film is mainly composed of a material selected from the group consisting of silicon oxide, silicon nitride, silicon oxynitride, aluminum oxide, aluminum nitride, and aluminum magnesium oxide. Item 3. The piezoelectric thin film element according to item 2.
アルミニウムからなる群から選択される材料を主成分と
し、 上記下部電極が、イリジウムを主成分とし、 上記圧電薄膜が、ニオブ酸リチウム、ニオブ酸カリウ
ム、およびニオブ酸タンタル酸リチウムからなる群から
選択される材料を主成分とし、 上記上部電極が、パラジウムおよびアルミニウムからな
る群から選択される材料を主成分とすることを特徴とす
る請求項１に記載の圧電薄膜素子。4. The support film contains a material selected from the group consisting of silicon nitride and aluminum oxide as a main component, the lower electrode contains iridium as a main component, and the piezoelectric thin film contains lithium niobate and niobate. The material selected from the group consisting of potassium and lithium tantalate niobate as a main component, and the upper electrode containing a material selected from the group consisting of palladium and aluminum as a main component. The piezoelectric thin film element described in 1.
覆う絶縁膜を含み、該絶縁膜が、酸化アルミニウムおよ
び窒化シリコンからなる群から選択される材料を主成分
とすることを特徴とする請求項４に記載の圧電薄膜素
子。5. An insulating film covering the upper electrode and the piezoelectric thin film is further included, and the insulating film is mainly composed of a material selected from the group consisting of aluminum oxide and silicon nitride. The piezoelectric thin film element according to claim 4.
圧電薄膜素子の製造方法であって、 ａ）表面と裏面とを備えた基板を準備する工程と、 ｂ）該基板の表面上に、支持膜を形成する工程と、 ｃ）該支持膜上に、下部電極を形成する工程と、 ｄ）該下部電極上に、 化学式：ＡＢＯＸ 但し、Ａ：カリウム、ナトリウム、およびリチウムから
なる群から選択される金属元素 Ｂ：タンタルおよびニオブからなる群から選択される金
属元素 Ｏ：酸素元素（Ｘ＝３±α、α≦０．３） で表される材料を主成分とする圧電薄膜を形成する薄膜
形成工程と、 ｅ）該圧電薄膜上に、上部電極上を形成する工程と、 ｆ）該基板の裏面から該基板を除去して凹部を形成し、
該圧電薄膜の下方の該支持膜を露出させる工程とを含
み、 該薄膜形成工程が、化学式：Ａ３ＢＯ５で表される材料
と、化学式：ＡＢＯ３で表される材料とを焼結してター
ゲットを形成し、該ターゲットをスパッタして該圧電薄
膜を堆積させる工程を含むことを特徴とする圧電薄膜素
子の製造方法。6. A method of manufacturing a piezoelectric thin film element having a piezoelectric thin film having a film thickness of about 1 μm or less, comprising the steps of: a) preparing a substrate having a front surface and a back surface; and b) forming a substrate on the surface of the substrate. A step of forming a support film, c) a step of forming a lower electrode on the support film, and d) a chemical formula of ABO X on the lower electrode, where A is a group consisting of potassium, sodium, and lithium. A piezoelectric thin film containing a material represented by a metal element B: tantalum and niobium, a metal element O: oxygen element (X = 3 ± α, α ≦ 0.3) as a main component. A thin film forming step of forming, e) a step of forming an upper electrode on the piezoelectric thin film, and f) removing the substrate from the back surface of the substrate to form a recess,
Exposing the supporting film below the piezoelectric thin film, wherein the thin film forming step comprises sintering a material represented by the chemical formula: A 3 BO 5 and a material represented by the chemical formula: ABO 3. Forming a target by sputtering and depositing the piezoelectric thin film by sputtering the target.
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