JP2007181185A - 音響共振器およびその製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】圧電体層を引張応力層と圧縮応力層とを有する積層構造にして、圧電体層の機械的強度を高めてクラックの発生を防止するとともに高い電気機械結合係数を実現することを可能とする。
【解決手段】少なくとも１層の導電層から成る第１電極１３と、前記第１電極１３の上面に隣接して形成された複数層から成る圧電体層１４と、前記圧電体層１４の上面に隣接して形成された少なくとも１層の導電層から成る第２電極１５とを有する音響共振器１において、前記圧電体層１４が引張応力を内在する引張応力層２３と圧縮応力を内在する圧縮応力層２１、２５とを有し、かつ前記引張応力層２３の引張応力と前記圧縮応力層２１、２５の圧縮応力とが相殺されるように調整されているものである。
【選択図】図１
【解決手段】少なくとも１層の導電層から成る第１電極１３と、前記第１電極１３の上面に隣接して形成された複数層から成る圧電体層１４と、前記圧電体層１４の上面に隣接して形成された少なくとも１層の導電層から成る第２電極１５とを有する音響共振器１において、前記圧電体層１４が引張応力を内在する引張応力層２３と圧縮応力を内在する圧縮応力層２１、２５とを有し、かつ前記引張応力層２３の引張応力と前記圧縮応力層２１、２５の圧縮応力とが相殺されるように調整されているものである。
【選択図】図１
Description
本発明は、圧電体層の損傷を防止した音響共振器およびその製造方法に関するものである。
近年、携帯電話や個人用携帯情報端末（ＰＤＡ：Personal Digital Assistance）機器の高機能化・高速化に伴い、これら通信機器に内蔵される数１００ＭＨｚ−数ＧＨｚ動作の高周波フィルタにはこれまでに増して小型化・低コスト化の要求がある。この要求を満たす高周波フィルタの有力候補が、半導体製造技術を用いて形成できる薄膜バルク音響共振器（Thin Film Bulk Acoustic Resonator、以下ＦＢＡＲと記す）を用いたフィルタである。
このＦＢＡＲの代表例として空気ブリッジ型と呼ばれる構造がある（例えば、非特許文献１参照。）。この構造を図６によって説明する。なお、図６の（１）は平面レイアウト図を示し、図６の（２）は（１）図中のＡ−Ａ’線断面の概略構成断面図を示す。
図６に示すように、高抵抗シリコンや高抵抗ガリウム砒素から成る支持基板１２０上に、厚さ０．５μｍ−３μｍ程度の空気層１２１を包含するように、厚さ０．１μｍ−０．５μｍ程度の下部電極１２２が形成され、その上部に厚さ１μｍ−２μｍ程度の圧電体層１２３、厚さ０．１μｍ−０．５μｍ程度の上部電極１２４が形成されて、薄膜バルク音響共振器（ＦＢＡＲ）１００が構成されている。上記下部電極１２２、圧電体層１２３、上部電極１２４は、半導体製造分野で周知のスパッタ堆積技術やレジストをマスクとした各種エッチング技術を用いて順次に形成される。
上記各電極材料には、例えば、モリブテン、タングステン、タンタル、チタン、白金、ルテニウム、金、アルミニウム、銅などの金属材料が用いられ、圧電体材料には、例えば、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、硫化カドニウム、チタン酸ジルコン酸鉛〔Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ3：ＰＺＴ〕などが用いられる。
上記上部電極１２４と下部電極１２２とが空間的に重なり合った領域（すなわちＦＢＡＲとして動作する領域）の直下には上記空気層１２１が形成されているので、上部電極１２４と同様に下部電極１２２も空気と接する境界面を持っている。この空気層１２１は、支持基板１２０の上面に空気層１２１の形状に形成されたシリコン酸化膜、リンシリケートガラス（ＰＳＧ）膜、ホウ素リンシリケートガラス（ＢＰＳＧ）膜、ＳＯＧ（Spin on ｇlass）膜などをビアホール１２６を通してフッ酸（ＨＦ）水溶液でエッチング除去することで形成される。
次に、ＦＢＡＲの動作を概説する。上部電極１２４と下部電極１２２との間に交流電圧を印加して時間的に変化する電界を圧電体層１２３の内部に生じさせると、圧電体層１２３は電気的エネルギーの一部を弾性波（以下、音波と記す）という形の機械的エネルギーへ変換する。この機械的エネルギーは、電極面の垂直方向である圧電体層１２３の膜厚方向に伝搬され、再び電気的エネルギーへと変換される。
この電気／機械のエネルギー変換過程でその効率が優れる特定の周波数が存在し、この周波数を持つ交流電圧を印加したとき、音響共振器（以下、ＦＢＡＲという、ＦＢＡＲ：Film Bulk Acoustic Resonator）は極めて低いインピーダンスを示す。この特定の周波数は一般に共振周波数（γ）と呼ばれ、その値は、一次近似として上部電極１２４と下部電極１２２の存在を無視したとき、γ＝Ｖ／（２ｔ）で与えられる。ここで、Ｖは圧電体層１１２中の音波の速度、tは圧電体層１１２の厚さである。音波の波長をλとすると、Ｖ＝γλの関係式が成立することから、t＝λ／２となる。これは圧電体層１２３中で誘起された音波が圧電体層／電極の境界面で上下に反射を繰り返し、丁度その半波長に対応した定在波が形成されていることを意味する。換言すれば、半波長の定在波が立っている音波の周波数と交流電圧の周波数が一致したときが共振周波数γとなる。
上記共振周波数でＦＢＡＲのインピーダンスが極めて小さくなることを利用した電子機器として、複数のＦＢＡＲをラダー構成に組み、所望の周波数帯域にある電気信号のみを低損失で通過させるバンドパスフィルタが非特許文献１で開示されている。
このフィルタで通過周波数帯域を広く設定するには、ＦＢＡＲの共振周波数と半共振周波数との差を大きく取る、換言すれば電気機械結合係数を高くする必要があり、この手段として圧電体層の全体に一様に引張応力を内在させる方法が経験的に知られている。また引張応力とは逆向きの圧縮応力でも、電気機械結合係数を高くできることが開示されている（例えば、特許文献１参照。）。
しかしながら、図７に示すように、支持基板２１１上に空気層２１２を介して、下部電極層２１３および一様に引張り応力または圧縮応力を内在させた状態で圧電体層２１４を形成したＦＢＡＲ２１０では、圧電体層２１４が凹状（または凸状）に湾曲し、その結果、図８に示すように、圧電体層２１４が曲がる箇所Ｃを起点として圧電体層２１４にクラック２１６が発生する。または、図９に示すように、ビアホール２３１の周囲端を起点として圧電体層２１４にクラック２１７が発生する。このため、ＦＢＡＲ２１０の機械的強度が著しく劣化するとともに、このクラック２１６、２１７の先端が、上部電極２１５の直下の領域まで、または隣に形成したＦＢＡＲ（図示せず）まで到達し、ＦＢＡＲを用いたフィルタの電気特性が著しく劣化するという問題があった。
本発明者の実験結果によると、引張応力が２００ＭＰａで、膜厚が１μｍの窒化アルミニウム（ＡｌＮ）膜を採用した場合、ビアホールの平面形状に依存せず、クラックが生じたＦＢＡＲの発生率は７０％と高い値を示した。また、圧縮応力−３５０ＭＰａで、膜厚が１μｍの窒化アルミニウム（ＡｌＮ）膜を採用した場合、ビアホールの平面形状に依存せず、クラックが生じたＦＢＡＲの発生率は６０％と、こちらも高い値を示した。
しかしながら、バンドパスフィルタを構成するＦＢＡＲでは、その電気機械結合係数として５％以上が要求されており、これを満足する応力値として３００ＭＰａ以上の引張り応力もしくは３００ＭＰａ以上の圧縮応力が必要との実験事実を本願発明者は見出した。
このように、いわゆる空気ブリッジ型構造を有するＦＢＡＲでは、圧電体層で発生するクラックという課題に直面しているものの、空気層が支持基板の上面に位置することから、モノリシックマイクロ波集積回路（ＭＭＩＣ）やシリコン集積回路（ＳｉＩＣ）との混載が容易であり、この特徴は市場の小型化・高機能化要求に応えるのに魅力的である。したがって、上記空気ブリッジ型構造を有するもので、しかもクラックの発生を防止でき、かつ通過周波数帯域を広く取れる、つまり電気機械結合係数が大きなＦＢＡＲが強く望まれていた。
解決しようとする問題点は、空気ブリッジ型構造の音響共振器において、圧電体層にクラックを発生させることなく高い電気機械結合係数を実現できない点である。
本発明は、圧電体層を引張応力層と圧縮応力層とを有する積層構造にして、圧電体層の機械的強度を高めてクラックの発生を防止するとともに高い電気機械結合係数を実現することを課題とする。
本発明の音響共振器は、少なくとも１層の導電層から成る第１電極と、前記第１電極の上面に隣接して形成された複数層から成る圧電体層と、前記圧電体層の上面に隣接して形成された少なくとも１層の導電層から成る第２電極とを有する音響共振器において、前記圧電体層が引張応力を内在する引張応力層と圧縮応力を内在する圧縮応力層とを有し、かつ前記引張応力層の引張応力と前記圧縮応力層の圧縮応力とが相殺されるように調整されていることを特徴とする。
本発明の音響共振器では、圧電体層が引張応力を内在する引張応力層と圧縮応力を内在する圧縮応力層とを有し、かつ引張応力層の引張応力と圧縮応力層の圧縮応力とが相殺されるように調整されていることから、引張応力または圧縮応力のみを内在する圧電体層で発生する大きな湾曲を防止するとともに、電気機械結合係数が高められる。
本発明の音響共振器の製造方法は、少なくとも１層の導電層から成る第１電極と、該電極の上面に隣接して形成された複数層から成る圧電体層と、該圧電体層の上面に隣接して形成された少なくとも１層の導電層から成る第２電極とを有する音響共振器の製造方法において、前記圧電体層を形成する工程が引張応力を内在する引張応力層を形成する工程と圧縮応力を内在する圧縮応力層を形成する工程とを有し、前記引張応力層の引張応力と前記圧縮応力層の圧縮応力とが相殺されるように前記引張応力層と前記圧縮応力層とを形成することを特徴とする。
本発明の音響共振器の製造方法では、圧電体層を形成する工程が引張応力を内在する引張応力層を形成する工程と圧縮応力を内在する圧縮応力層を形成する工程とを有し、引張応力層の引張応力と圧縮応力層の圧縮応力とが相殺されるように引張応力層と圧縮応力層とを形成することから、引張応力または圧縮応力のみを内在する圧電体層で発生する大きな湾曲を防止するとともに、電気機械結合係数が高められる。
本発明の音響共振器は、圧電体層が引張応力を内在する引張応力層と圧縮応力を内在する圧縮応力層とを有し、かつ引張応力層の引張応力と圧縮応力層の圧縮応力とが相殺されるように調整されているため、引張応力または圧縮応力のみを内在する圧電体層で発生していた大きな湾曲の発生を防止できるとともに、電気機械結合係数が高めることができるので、高Ｑ値を確保した音響共振器を実現できるという利点がある。これによって、通過周波数帯域が広く、かつ挿入損失が小さい高品質のバンドパスフィルタを提供できる。
本発明の音響共振器の製造方法は、引張応力を内在する引張応力層と圧縮応力を内在する圧縮応力層とを形成するとともに、引張応力層の引張応力と圧縮応力層の圧縮応力とが相殺されるように引張応力層と圧縮応力層とを形成するため、引張応力または圧縮応力のみを内在する圧電体層で発生していた大きな湾曲が発生するのを防止することができるとともに、電気機械結合係数が高めることができるので、高Ｑ値を確保した音響共振器を実現できるという利点がある。これによって、通過周波数帯域が広く、かつ挿入損失が小さい高品質のバンドパスフィルタを高歩留まりで製造することができるようになるという利点がある。
本発明の音響共振器に係る一実施の形態の第１実施例を、図１によって説明する。図１の（１）は音響共振器の概略構成断面図であり、図1の（２）は圧電体層の拡大断面図である。
図１に示すように、支持基板１１の上面に空気層１２を覆うように第１電極（下部電極）１３が形成されている。すなわち、第１電極１３によって上記空気層１２が包み込まれている。この第１電極１３は、例えばモリブデン（Ｍｏ）からなり、例えば２３０ｎｍの厚さに形成されている。上記第１電極１３には、モリブテンの他に、タングステン、タンタル、チタン、白金、ルテニウム、金、アルミニウム、銅などの金属材料を用いることができる。また、上記第１電極１３は複数層の電極材料で形成することもできる。
上記第１電極１３上には圧電体層１４が形成されている。この圧電体層１４は、内部応力を代えた複数層の窒化アルミニウム（ＡｌＮ）膜で、例えば１．０μｍの厚さに形成されている。なお、音響共振器（ＦＢＡＲ）の共振周波数は上記圧電体層１４の膜厚でほぼ決定されるので、音響共振器の共振周波数に応じて上記圧電体層１４の膜厚が決定されている。
上記圧電体層１４は、例えば、下層（第１電極１３側）より、圧縮応力層２１、バッファ層２２、引張応力層２３、バッファ層２４、圧縮応力層２５を順に積層して形成されている。上記バッファ層２２は、圧縮応力層２１と引張応力層２３との間に設けられて圧縮応力層２１の圧縮応力および引張応力層２３の引張応力を緩和するもので、例えば応力が０もしくは例えば１００ＭＰａ未満の引張応力もしくは圧縮応力を有する窒化アルミニウム層で形成されている。同様に、上記バッファ層２４は、引張応力層２３と圧縮応力層２５との間に設けられ、引張応力層２３の引張応力および圧縮応力層２５の圧縮応力を緩和するもので、例えば応力が０もしくは例えば１００ＭＰａ未満の引張応力もしくは圧縮応力を有する窒化アルミニウム層で形成されている。また、上記圧縮応力層２１、２５は例えば３００ＭＰａ以上、好ましくは１ＧＰａ以上の圧縮応力を有するように、また上記引張応力層２３は３００ＭＰａ以上、好ましくは８００ＭＰａ以上の引張応力を有するように形成されている。
上記各層の膜厚は、一例として、圧縮応力層２１、２５が１００ｎｍ、バッファ層２２、２４が２００ｎｍ、引張応力層２３が４００ｎｍとした。したがって、圧電体層１４全体の膜厚は上記したように１μｍとなっている。
上記圧電体層１４は、上記圧縮応力層２１、２５に生じる圧縮応力と上記引張応力層２３に生じる引張応力とが互いに相殺した状態となっている。したがって、圧電体層１４全体において圧縮応力および引張応力が相殺されるように形成されている。このように、圧縮応力および引張応力が相殺されるように、各圧縮応力層２１、２５、および引張応力層２３の膜厚および応力が調整されている。
また、上記圧電体層１４が十分な圧電特性を得るようにするため、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）層を可能な限りｃ軸方向に配向させてある。その許容値は、例えばｃ軸方向の半値幅としては１．５度以内が望ましい。
上記圧電体層１４上には上部電極１５が形成されている。この上部電極１５は、例えばモリブデン（Ｍｏ）からなり、例えば３３４ｎｍの厚さに形成されている。上記上部電極層には、モリブテンの他に、タングステン、タンタル、チタン、白金、ルテニウム、金、アルミニウム、銅などの金属材料を用いることができる。また、上記上部電極層は複数層の電極材料で形成することもできる。
さらに、上記圧電体層１４および下部電極１３を貫通して空間層１２に達するビアホール３２が形成されている。このビアホール３２は、後の製造方法の説明で詳述するが、空間層１２を形成するための犠牲層をエッチングする際に用いるものである。
上記説明したように、いわゆる空気ブリッジ型構造の音響共振器（ＦＢＡＲ）１が構成されている。
上記音響共振器１では、圧電体層１４が引張応力を内在する引張応力層２３と圧縮応力を内在する圧縮応力層２１，２５とを有し、かつ引張応力層２３の引張応力と圧縮応力層２１，２５の圧縮応力とが相殺されるように調整されているため、引張応力または圧縮応力のみが内在する圧電体層で発生していた大きな湾曲の発生を防止することができるとともに、電気機械結合係数が高めることができるので、高Ｑ値を確保した音響共振器１を実現できるという利点がある。これによって、通過周波数帯域が広く、かつ挿入損失が小さい高品質のバンドパスフィルタを提供できる。ちなみに、本発明の音響共振器１を用いたバンドパスフィルタでは、中心周波数が２ＧＨｚ帯で１０ＭＨｚの帯域幅の拡大が可能となった。
本発明の音響共振器に係る一実施の形態の第２、第３実施例を、図２の概略構成断面図によって説明する。図２の（１）に第２実施例の圧電体層を示し、図２の（２）に第３実施例の圧電体層を示す。
図２の（１）に示すように、第２実施例の音響共振器は、前記音響共振器１において、圧電体層１４の構成が異なる他は、同様なる構成である。したがって、ここでは、圧電体層１４の構成について説明する。上記圧電体層１４は、前記図１によって説明した支持基板１１上に空気層１２を被覆するようにして形成される第１電極１３側に、圧縮応力を有する圧縮応力層２６とその上部に形成される引張応力を有する引張応力層２７とを積層して形成されている。さらに、引張応力層２７上に第２電極１５が形成されている。
上記各層の膜厚は、一例として、圧縮応力層２６を５００ｎｍ、引張応力層２７を５００ｎｍとした。したがって、圧電体層１４全体の膜厚は１μｍとなっている。
また、上記圧電体層１４は、上記圧縮応力層２６に生じる圧縮応力と上記引張応力層２７に生じる引張応力とが互いに相殺した状態となっている。したがって、圧電体層１４全体において圧縮応力および引張応力が相殺されるように形成されている。このように、圧縮応力および引張応力が相殺されるように、各圧縮応力層２６、および引張応力層２７の膜厚および応力が調整されている。
上記図２の（１）に示した圧電体層１４の構成を有する音響共振器であっても、前記音響共振器１と同様なる作用効果が得られる。
図２の（２）に示すように、第３実施例の音響共振器は、上記音響共振器１において、圧電体層１４の構成が異なる他は、同様なる構成である。したがって、ここでは、圧電体層１４の構成について説明する。上記圧電体層１４は、前記図１によって説明した支持基板１１上に空気層１２を被覆するようにして形成される第１電極１３側に、引張応力層２８、バッファ層２２、圧縮応力層２９、バッファ層２４、引張応力層３０を順に積層して形成されている。上記バッファ層２２は、引張応力層２８と圧縮応力層２９との間に設けられて引張応力層２８の引張応力および圧縮応力層２９の圧縮応力を緩和するもので、例えば応力が０もしくは例えば１００ＭＰａ以内の引張応力もしくは圧縮応力を有する窒化アルミニウム層で形成されている。同様に、上記バッファ層２４は、圧縮応力層２９と引張応力層３０との間に設けられ、圧縮応力層２９の圧縮応力および引張応力層３０の引張応力を緩和するもので、例えば応力が０もしくは例えば１００ＭＰａ未満の引張応力もしくは圧縮応力を有する窒化アルミニウム層で形成されている。また、上記圧縮応力層２９は例えば３００ＭＰａ以上、好ましくは６００ＭＰａ以上の圧縮応力を有するように、また上記引張応力層２８、３０は３００ＭＰａ以上、好ましくは８００ＭＰａ以上の引張応力を有するように形成されている。
上記各層の膜厚は、一例として、引張応力層２８、３０を１００ｎｍ、バッファ層２２、２４を２００ｎｍ、圧縮応力層２９を４００ｎｍとした。したがって、圧電体層１４全体の膜厚は１μｍとなっている。
上記圧電体層１４は、上記引張応力層２８、３０に生じる引張応力と上記圧縮応力層２９に生じる圧縮応力とが互いに相殺した状態となっている。したがって、圧電体層１４全体において引張応力および圧縮応力が相殺されるように形成されている。このように、引張応力および圧縮応力が相殺されるように、各引張応力層２８、３０、および圧縮応力層２９の膜厚および応力が調整されている。
上記図２の（２）に示した圧電体層１４の構成を有する音響共振器であっても、前記音響共振器１と同様なる作用効果が得られる。
また、上記説明した音響共振器の圧電体層１４では、第１実施例、第２実施例のように、第１電極（下部電極）１３側に圧縮応力２１、２６を設けることが好ましい。このように、圧縮応力層２１、２６から圧電体層１４の結晶成長を始めることにより、圧電体層１４全体の結晶配向性が良くなる。例えば、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）の場合、配向性良く結晶成長させるには、ｃ軸方向に配向させることが求められている。それには、結晶成長を始める膜として、ｃ軸方向に優先配向しやすい圧縮応力膜を最初に成膜することが必要になる。もし、引張応力層２８を最初に成膜した場合、ｃ軸方向に配向しづらくなるので、前記第３実施例のように音響共振器の電気機械結合係数がやや低下することになる。この点については次に説明する。
次に、上記第１〜第３実施例の各音響共振器の特性と、従来の構成の圧電体層を有する音響共振器の特性を比較する。その結果を、図３によって説明する。
図３の（１）に示すように、ＴｙｐｅＡの音響共振器は、圧電体層１４が、第１電極（下部電極）１３側より、圧縮応力層２１、バッファ層２２、引張応力層２３、バッファ層２４、圧縮応力層２５を順に積層して形成されていて、圧縮応力層２５上に第２電極（上部電極）１５が形成されている。この詳細については、前記図１によって説明した通りである。
図３の（２）に示すように、ＴｙｐｅＢの音響共振器は、圧電体層１４が、第１電極（下部電極）１３側より、圧縮応力層２６、引張応力層２７を順に積層して形成されていて、引張応力層２７上に第２電極（上部電極）１５が形成されている。この詳細については、前記図２（１）によって説明した通りである。
図３の（３）に示すように、ＴｙｐｅＣの音響共振器は、圧電体層１４が、第１電極（下部電極）１３側より、引張応力層２８、バッファ層２２、圧縮応力層２９、バッファ層２４、引張応力層３０を順に積層して形成されていて、引張応力層３０上に第２電極（上部電極）１５が形成されている。この詳細については、前記図２の（２）によって説明した通りである。
図３の（４）に示すように、ＴｙｐｅＤの音響共振器は、従来構成の音響共振器であり、その圧電体層１１４は、第１電極（下部電極）１３上に、上記バッファ層と同様な材質からなる、例えば応力が０もしくは例えば１００ＭＰａ未満の引張応力もしくは圧縮応力を一様に有する窒化アルミニウム層で形成されているものであり、この圧電体層１１４上に第２電極（上部電極）１５が形成されているものである。
次に、上記説明したように、ＴｙｐｅＡ、Ｂ、Ｃ、Ｄに示したような内部応力の構成を有する圧電体層１４を有する音響共振器の電気機械結合係数との関係を、図３の（５）によって説明する。測定値は、上記各圧電体層を有するＦＢＡＲでの実測値である。各圧電体層の内部応力の種類とその値は、基板に窒化アルミニウム（ＡｌＮ）層を堆積した際に生じる基板の反りの向きとその量を調べることにより、また電気機械結合係数は第１電極１３と第２電極１５とのオーバーラップ領域の電気容量が１．１ｐＦとなるようにしたＦＢＡＲで測定した。
図３の（５）に示すように、本発明の圧電体層１４が引張応力を内在する引張応力層と圧縮応力を内在する圧縮応力層とを有し、かつ引張応力層の引張応力と圧縮応力層の圧縮応力とが相殺されるように調整されているという構成を有する音響共振器は、従来の圧電体層１１４の構成を有する音響共振器よりも電気機械結合係数（Ｋeff 2）が大きくなっている。この電気機械結合係数の値が大きいほど音響共振器（例えばＦＢＡＲ）の共振周波数と***振周波数の差が大きくなり、バンドパスフィルタを構成したとき、通過周波数帯域を広く取れる利点がある。そこで電気機械結合係数は、通常、５．０以上を確保することが求められている。したがって、本発明の圧電体層１４の構成を有するＴｙｐｅＡ（第１実施例の構成）、ＴｙｐｅＢ（第２実施例の構成）、ＴｙｐｅＣ（第３実施例の構成）のいずれも、電気機械結合係数が５．０以上となっており、従来の圧電体層１１４の構成を有する音響共振器よりも電気機械結合係数（Ｋeff 2）が顕著に向上している。
また、ＴｙｐｅＡ、ＴｙｐｅＢ、ＴｙｐｅＣのいずれもクラックの発生が抑えられておりフィルタ特性と歩留りを両立している。
さらに、第３実施例のＴｙｐｅＣは、最初に成膜した引張応力層２６の結晶配向性がｃ軸方向に配向していないため、電気機械結合係数が第１実施例、第２実施例の音響共振器よりも低くなっている。したがって、第１電極１３上に最初に成膜される膜は圧縮応力を有する膜がより好ましい。そして、第１電極（下部電極）１３上面に隣接する圧電体層１４の最下層の内部応力が圧縮応力に調整された時の配向性は１．５度以内であり、結晶性の良さが電気機械結合係数に反映されている。
上記説明したように、圧電体層１４の内部には、圧縮応力と引張応力とが同時に存在し、かつその圧縮応力と引張応力とが互いに相殺された状態となっていることが望ましい。
次に、本発明の音響共振器の製造方法に係る一実施の形態の実施例を、図４〜図５の製造工程断面図によって説明する。
図４の（１）に示すように、支持基板１１の上面に後の工程で空気層を形成するための犠牲層を成膜した後、通常のリソグラフィー技術によるレジストマスクの形成とこのレジストマスクを用いたエッチング技術により上記犠牲層をパターニングして、犠牲層パターン３１を形成する。この犠牲層パターン３１は、例えば角錐台状に形成される。上記犠牲層パターン３１は、例えばフッ酸でエッチングが可能な、例えば酸化シリコン系の膜で形成する。例えば、ＳＯＧ（Spin on ｇlass）膜を１μｍの厚さに成膜して形成する。その他、ＣＶＤ法によるシリコン酸化膜、リンシリケートガラス（ＰＳＧ）膜、ホウ素リンシリケートガラス（ＢＰＳＧ）膜等で形成することもできる。
次に、図４の（２）に示すように、上記犠牲層パターン３１を被覆するように、上記支持基板１１上に第１電極（下部電極）１３を形成する。この第１電極１３は、例えばＤＣマグネトロンスパッタリング法等により、例えばモリブデン（Ｍｏ）を、例えば２３０ｎｍの厚さに堆積して形成する。上記第１電極１３には、モリブテンの他に、タングステン、タンタル、チタン、白金、ルテニウム、金、アルミニウム、銅などの金属材料を用いることができる。また、上記第１電極１３は複数層の電極材料で形成することもできる。
次に、図４の（３）に示すように、上記第１電極１３上に圧電体層１４を形成する。この圧電体層１４は、例えば、ＤＣパルススパッタリング法等により、内部応力を代えた複数層の窒化アルミニウム（ＡｌＮ）膜で、例えば１．０μｍの厚さに形成する。なお、音響共振器（ＦＢＡＲ）の共振周波数は上記圧電体層１４の膜厚でほぼ決定されるので、音響共振器の共振周波数に応じて上記圧電体層１４の膜厚を決定する。
例えば図４の（４）に示すように、下層より、圧縮応力層２１、バッファ層２２、引張応力層２３、バッファ層２４、圧縮応力層２５を順に形成する。上記バッファ層２２は、圧縮応力層２１と引張応力層２３との間に設けられて圧縮応力層２１の圧縮応力および引張応力層２３の引張応力を緩和するもので、例えば応力が０もしくは例えば１００ＭＰａ未満の引張応力もしくは圧縮応力を有する窒化アルミニウム層で形成される。同様に、上記バッファ層２４は、引張応力層２３と圧縮応力層２５との間に設けられ、引張応力層２３の引張応力および圧縮応力層２５の圧縮応力を緩和するもので、例えば応力が０もしくは例えば１００ＭＰａ未満の引張応力もしくは圧縮応力を有する窒化アルミニウム層で形成される。また、上記圧縮応力層２１、２５は例えば３００ＭＰａ以上、好ましくは１ＧＰａ以上の圧縮応力を有するように、また上記引張応力層２３は３００ＭＰａ以上、好ましくは８００ＭＰａ以上の引張応力を有するように形成される。
上記各層の膜厚は、一例として、圧縮応力層２１、２５が１００ｎｍ、バッファ層２２、２４が２００ｎｍ、引張応力層２３が４００ｎｍとした。したがって、圧電体層１４全体の膜厚は上記したように１．０μｍとなる。
上記圧縮応力層２１、バッファ層２２、引張応力層２３、バッファ層２４、圧縮応力層２５は、ＤＣパルススパッタリング装置の同一チャンバ内で連続的に成膜することができ、成膜条件は、成膜圧力を例えば０．２７Ｐａ、アルゴンガスと窒素ガスの流量比を例えば１：７、スパッタパワーを例えば５ｋＷ〜１０ｋＷ、基板バイアス電圧を例えば２５Ｖ〜４８Ｖとする。この基板バイアス電圧を変えることで成膜された膜の応力が決定される。圧縮応力層２１、２５を成膜するときは、基板バイアス電圧を例えば４２Ｖ〜４８Ｖ（例えば４５Ｖ）に設定する。例えば４５Ｖに設定して８００ＭＰａの圧縮応力を得るようにした。また、バッファ層２２、２４を形成するときは、基板バイアス電圧を例えば３１Ｖ〜３５Ｖに設定する。引張応力層２３を形成するときは、基板バイアス電圧を例えば２２Ｖ〜２６Ｖに設定する。例えば２６Ｖに設定して５５０ＭＰａの引張応力を得るようにした。このように基板バイアス電圧を調整することで、圧縮応力層２１、２５と、応力が０もしくはほとんど生じていないバッファ層２２、２４と、引張応力層２３とを、上記説明したように積層状に構成することができ、しかも、上記圧縮応力層２１、２５に生じる圧縮応力と上記引張応力層２３に生じる引張応力とが互いに相殺した状態とすることができる。このように、圧電体層１４全体において圧縮応力および引張応力が相殺されるように形成するには、各圧縮応力層２１、２５、および引張応力層２３の膜厚および応力を調整して成膜を行うことが重要である。
または、上記圧電体層１４を前記図２の（１）によって説明した圧縮応力層２６と引張応力層２７とを積層させた構成とする場合には、基板バイアス電圧を変化させて圧縮応力層２６と引張応力層２７とを順に積層させて形成すればよい。同様に、上記圧電体層１４を前記図２の（２）によって説明した引張応力層２８、バッファ層２２、圧縮応力層２９、バッファ層２４、引張応力層３０とを積層させた構成とする場合には、基板バイアス電圧を変化させて引張応力層２８、バッファ層２２、圧縮応力層２９、バッファ層２４、引張応力層３０とを順に積層させて形成すればよい。
また、上記成膜においては、圧電体層１４が十分な圧電特性を得るようにするため、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）層を可能な限りｃ軸方向に配向させることが必要である。その許容値は、例えばｃ軸方向の半値幅としては１．５度以内が望ましい。
次に、図５の（５）に示すように、上記圧電体層１４上に上部電極を形成するための上部電極層を形成する。この上部電極層は、例えばＤＣマグネトロンスパッタリング法により、例えばモリブデン（Ｍｏ）を、例えば３３４ｎｍの厚さに堆積して形成する。上記上部電極層には、モリブテンの他に、タングステン、タンタル、チタン、白金、ルテニウム、金、アルミニウム、銅などの金属材料を用いることができる。また、上記上部電極層は複数層の電極材料で形成することもできる。その後、レジスト塗布およびリソグラフィー技術によって、上部電極を形成するためのレジストマスク（図示せず）を形成した後、このレジストマスク用いたエッチング技術により、上記上部電極層をパターニングして上部電極１５を形成する。このエッチングは、一例として、エッチングガスにハロゲン系ガスを用いた反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）で行う。その後、上記レジストマスクを除去する。
次に、図５の（６）に示すように、レジスト塗布およびリソグラフィー技術によって、犠牲層パターン３１を除去する際に必要となるビアホールを形成するためのレジストマスク（図示せず）を形成した後、このレジストマスク用いたエッチング技術により、上記圧電体層１４および下部電極１３を貫通して犠牲層パターン３１に達するビアホール３２を形成する。このエッチングは、一例として、エッチングガスにハロゲン系ガスを用いた反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）で行う。
次に、図５の（７）に示すように、上記レジストマスクを除去する。その後、ビアホール３２を通して犠牲層パターン３１〔前記図４の（６）参照〕を除去する。この犠牲層パターン３１の除去加工は、例えばフッ酸（ＨＦ）水溶液によるウエットエッチングによる。このエッチングにより犠牲層パターン３１を完全に除去し、この除去した部分に空間１２を形成する。すなわち、上記支持基板１１と第１電極１３との間に上記空間１２を形成する。このようにして、いわゆる空気ブリッジ型構造の音響共振器（ＦＢＡＲ）１が完成する。
上記音響共振器の製造方法は、引張応力を内在する引張応力層２３と圧縮応力を内在する圧縮応力層２１、２５とを形成するとともに、引張応力層２３の引張応力と圧縮応力層２１、２５の圧縮応力とが相殺されるように引張応力層２３と圧縮応力層２１、２５とを形成するため、引張応力または圧縮応力のみを内在する圧電体層で発生していた大きな湾曲が発生するのを防止することができるとともに、電気機械結合係数が高めることができるので、高Ｑ値を確保した音響共振器１を実現できるという利点がある。これによって、通過周波数帯域が広く、かつ挿入損失が小さい高品質のバンドパスフィルタを高歩留まりで製造することができるようになるという利点がある。
さらに、本実施例では、一例として、空気ブリッジ型の音響共振器（例えばＦＢＡＲ）を説明したが、本願発明は圧電体層１４が圧縮応力層および引張応力層を有し、その圧縮応力および引張応力が相殺されるように応力調整されているものであれば、本発明の効果を得ることができるものであり、ＦＢＡＲを支持基板上に形成する位置や構造に依存しない。このため、前記非特許文献１に記載されているメンブレン構造のＦＢＡＲや音響反射ミラーを有する構造のＦＢＡＲに対しても同様の効果が期待できる。
１…音響共振器、１３…第１電極、１４…圧電体層、１５…第２電極、２１，２５…圧縮応力層、２３…引張応力層
Claims (5)
- 少なくとも１層の導電層から成る第１電極と、前記第１電極の上面に隣接して形成された複数層から成る圧電体層と、前記圧電体層の上面に隣接して形成された少なくとも１層の導電層から成る第２電極とを有する音響共振器において、
前記圧電体層が引張応力を内在する引張応力層と圧縮応力を内在する圧縮応力層とを有し、
かつ前記引張応力層の引張応力と前記圧縮応力層の圧縮応力とが相殺されるように調整されている
ことを特徴とする音響共振器。 - 前記圧縮応力層と前記引張応力層との間に、前記圧縮応力層の圧縮応力および前記引張応力層の引張応力を緩和するバッファ層が形成されている
ことを特徴とする請求項１記載の音響共振器。 - 前記第１電極は基板上に空気層を一部に介して形成され、
前記圧縮応力層の一層は前記第１電極に隣接して形成されている
ことを特徴とする請求項１記載の音響共振器。 - 前記圧電体層は窒化アルミニウムまたは酸化亜鉛で形成されている
ことを特徴とする請求項１記載の音響共振器。 - 少なくとも１層の導電層から成る第１電極と、該電極の上面に隣接して形成された複数層から成る圧電体層と、該圧電体層の上面に隣接して形成された少なくとも１層の導電層から成る第２電極とを有する音響共振器の製造方法において、
前記圧電体層を形成する工程が、
引張応力を内在する引張応力層を形成する工程と、
圧縮応力を内在する圧縮応力層を形成する工程とを有し、
前記引張応力層の引張応力と前記圧縮応力層の圧縮応力とが相殺されるように前記引張応力層と前記圧縮応力層とを形成する
ことを特徴とする音響共振器の製造方法。
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