JP6869831B2 - 圧電薄膜共振器およびその製造方法、フィルタ並びにマルチプレクサ - Google Patents

圧電薄膜共振器およびその製造方法、フィルタ並びにマルチプレクサ Download PDF

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Description

本発明は、圧電薄膜共振器およびその製造方法、フィルタ並びにマルチプレクサに関し、圧電膜の間に絶縁膜を有する圧電薄膜共振器およびその製造方法、フィルタ並びにマルチプレクサに関に関する。
携帯電話等の無線端末の高周波回路用に圧電薄膜共振器を有するフィルタやマルチプレクサが用いられている。圧電薄膜共振器は、下部電極、圧電膜および上部電極が積層された積層膜を有している。圧電膜の少なくとも一部を挟み下部電極と上部電極とが対向する領域は弾性波が振動する共振領域である。圧電膜を下部圧電膜と上部圧電膜とで形成し、共振領域の外周領域の下部圧電膜と上部圧電膜との間に挿入膜を設けることが知られている（例えば特許文献１）
特開２０１５−１１９２４９号公報
特許文献１では、挿入膜を設けることでＱ値を向上させている。挿入膜が設けられていない領域における下部圧電膜の上面のラフネスを小さくすることにより上部圧電膜の配向性を高めている。しかしながら、挿入膜を有する圧電薄膜共振器を作製すると、電気機械結合係数が低下してしまうことがある。
本発明は、上記課題に鑑みなされたものであり、電気機械結合係数の低下を抑制することを目的とする。
本発明は、基板と、前記基板上に設けられた下部電極および上部電極と、前記下部電極上に設けられた窒化アルミニウムを主成分とする下部圧電膜と前記下部圧電膜上に設けられた窒化アルミニウムを主成分とする上部圧電膜とを有し、少なくとも一部を挟み下部電極と上部電極とが対向する共振領域の少なくとも一部の領域において前記下部圧電膜と前記上部圧電膜とが接し、前記下部圧電膜と前記上部圧電膜とが接する界面における弗素濃度が０．０３原子％以下である圧電膜と、前記少なくとも一部の領域以外の領域において前記下部圧電膜と前記上部圧電膜との間に設けられた酸化シリコンを含む絶縁膜と、を具備する圧電薄膜共振器である。
上記構成において、前記絶縁膜は、前記共振領域の外周領域の少なくとも一部に設けられ、前記共振領域の中央領域に設けられていない構成とすることができる。
上記構成において、前記界面における炭素濃度は０．０１原子％以下である構成とすることができる。
本発明は、上記圧電薄膜共振器を含むフィルタである。
本発明は、上記フィルタを含むマルチプレクサである。
本発明は、基板上に下部電極を形成する工程と、前記下部電極上に窒化アルミニウムを主成分とする下部圧電膜を形成する工程と、前記下部圧電膜上に酸化シリコンを含む絶縁膜を形成する工程と、弗素を含むエッチングガスを用い前記絶縁膜をエッチングする工程と、前記絶縁膜をエッチングする工程の後、前記下部圧電膜の上面の弗素を低減させる工程と、前記弗素を低減させる工程の後、前記下部圧電膜の上面に接するように窒化アルミニウムを主成分とする上部圧電膜を形成する工程と、前記上部圧電膜上に、前記下部電極とで前記下部圧電膜および前記上部圧電膜の少なくとも一部を挟む共振領域の少なくとも一部の領域において前記下部圧電膜と前記上部圧電膜とが接するように上部電極を形成する工程と、を含み、前記弗素を低減させる工程は、前記下部圧電膜と前記上部圧電膜とが接する界面における弗素濃度が０．０３原子％以下となるように前記弗素を低減させる工程である圧電薄膜共振器の製造方法である。
上記構成において、前記絶縁膜をエッチングする工程は、フォトレジストをマスクに前記絶縁膜をエッチングする工程と、前記フォトレジストを除去する工程と、を含む構成とすることができる。
本発明によれば、電気機械結合係数の低下を抑制することができる。
図１（ａ）は、実施例１に係る圧電薄膜共振器の平面図、図１（ｂ）は、挿入膜の平面図、図１（ｃ）および図１（ｄ）は、図１（ａ）のＡ−Ａ断面図である。 図２（ａ）から図２（ｄ）は、実施例１に係る圧電薄膜共振器の製造方法を示す断面図（その１）である。 図３（ａ）から図３（ｄ）は、実施例１に係る圧電薄膜共振器の製造方法を示す断面図（その２）である。 図４（ａ）および図４（ｂ）は、それぞれサンプルＡおよびサンプルＢの圧電膜の断面ＳＥＭ画像である。 図５（ａ）および図５（ｂ）は、サンプルＡの深さに対するＦ濃度およびＣ濃度を示す模式図である。 図６（ａ）および図６（ｂ）は、サンプルＢの深さに対するＦ濃度およびＣ濃度を示す模式図である。 図７（ａ）および図７（ｂ）は、サンプルＣの深さに対するＦ濃度およびＣ濃度を示す模式図である。 図８は、挿入膜を形成後の下部圧電膜の断面図である。 図９は、実施例１に係る圧電薄膜共振器の製造方法を示す断面図（その３）である。 図１０は、アルゴンエッチング処理の時間に対する電気機械結合係数ｋ２を示す図である。 図１１（ａ）および図１１（ｂ）は、サンプルＤの深さに対するＦ濃度およびＣ濃度を示す模式図である。 図１２（ａ）および図１２（ｂ）は、それぞれ電気機械結合係数に対するＦ濃度おおびＣ濃度を示す図である。 図１３（ａ）および図１３（ｂ）は、それぞれ電気機械結合係数に対するＨ濃度およびＯ濃度を示す図である。 図１４（ａ）および図１４（ｂ）は、実施例１の変形例１に係る共振領域付近の平面図である。 図１５（ａ）から図１５（ｃ）は、実施例２、その変形例１および２に係る圧電薄膜共振器の断面図である。 図１６は、実施例３に係るデュプレクサの回路図である。 図１７（ａ）は、実施例３における送信フィルタの平面図および断面図、図１７（ｂ）は、図１７（ａ）のＡ−Ａ断面図である。
以下、図面を参照し実施例について説明する。
図１（ａ）は、実施例１に係る圧電薄膜共振器の平面図、図１（ｂ）は、挿入膜の平面図、図１（ｃ）および図１（ｄ）は、図１（ａ）のＡ−Ａ断面図である。図１（ｃ）は、例えばラダー型フィルタの直列共振器、図１（ｄ）は例えばラダー型フィルタの並列共振器の断面図を示している。
図１（ａ）から図１（ｃ）を参照し、直列共振器Ｓの構造について説明する。基板１０上に、下部電極１２が設けられている。基板１０の平坦主面と下部電極１２との間にドーム状の膨らみを有する空隙３０が形成されている。ドーム状の膨らみとは、例えば空隙３０の周辺では空隙３０の高さが小さく、空隙３０の内部ほど空隙３０の高さが大きくなるような形状の膨らみである。基板１０は例えばＳｉ（シリコン）基板である。下部電極１２は下層１２ａと上層１２ｂとを含んでいる。下層１２ａおよび上層１２ｂは例えばそれぞれＣｒ（クロム）膜およびＲｕ（ルテニウム）膜である。
下部電極１２上に、圧電膜１４が設けられている。圧電膜１４は（００２）方向を主軸とする窒化アルミニウムを主成分とする窒化アルミニウム膜である。圧電膜１４は、下部電極１２上に設けられた下部圧電膜１４ａと下部圧電膜１４ａ上に設けられた上部圧電膜１４ｂを有する。下部圧電膜１４ａと上部圧電膜１４ｂとの間に挿入膜２８が設けられている。挿入膜２８は例えば酸化シリコン膜である。挿入膜２８は共振領域５０内の外周領域５２に設けられ、中央領域５４に設けられていない。挿入膜２８は、外周領域５２から共振領域５０外まで連続して設けられている。中央領域５４では下部圧電膜１４ａと上部圧電膜１４ｂとは接している。
圧電膜１４を挟み下部電極１２と対向する領域（共振領域５０）を有するように圧電膜１４上に上部電極１６が設けられている。共振領域５０は、楕円形状を有し、厚み縦振動モードの弾性波が共振する領域である。上部電極１６は下層１６ａおよび上層１６ｂを含んでいる。下層１６ａおよび上層１６ｂは例えばそれぞれＲｕ膜およびＣｒ膜である。
上部電極１６上には周波数調整膜２４として酸化シリコン膜が形成されている。共振領域５０内の積層膜１８は、下部電極１２、圧電膜１４、挿入膜２８、上部電極１６および周波数調整膜２４を含む。周波数調整膜２４はパッシベーション膜として機能してもよい。
図１（ａ）のように、下部電極１２には犠牲層をエッチングするための導入路３３が形成されている。犠牲層は空隙３０を形成するための層である。導入路３３の先端付近は圧電膜１４で覆われておらず、下部電極１２は導入路３３の先端に孔部３５を有する。
図１（ａ）および図１（ｄ）を参照し、並列共振器Ｐの構造について説明する。並列共振器Ｐは直列共振器Ｓと比較し、上部電極１６の下層１６ａと上層１６ｂとの間に、Ｔｉ（チタン）層からなる質量負荷膜２０が設けられている。よって、積層膜１８は直列共振器Ｓの積層膜に加え、共振領域５０内の全面に形成された質量負荷膜２０を含む。その他の構成は直列共振器Ｓの図１（ｃ）と同じであり説明を省略する。
直列共振器Ｓと並列共振器Ｐとの共振周波数の差は、質量負荷膜２０の膜厚を用い調整する。直列共振器Ｓと並列共振器Ｐとの両方の共振周波数の調整は、周波数調整膜２４の膜厚を調整することにより行なう。
２ＧＨｚの共振周波数を有する圧電薄膜共振器の場合、下部電極１２のＣｒ膜からなる下層１２ａの膜厚は１００ｎｍ、Ｒｕ膜からなる上層１２ｂの膜厚は２３０ｎｍである。ＡｌＮ膜からなる下部圧電膜１４ａおよび上部圧電膜１４ｂの膜厚は各々６００ｎｍである。酸化シリコン膜からなる挿入膜２８の膜厚は１５０ｎｍである。上部電極１６のＲｕ膜からなる下層１６ａの膜厚は２３０ｎｍ、Ｃｒ膜からなる上層１６ｂの膜厚は５０ｎｍである。酸化シリコン膜からなる周波数調整膜２４の膜厚は５０ｎｍである。Ｔｉ膜からなる質量負荷膜２０の膜厚は１００ｎｍである。各層の膜厚は、所望の共振特性を得るため適宜設定することができる。
基板１０としては、Ｓｉ基板以外に、サファイア基板、アルミナ基板、スピネル基板、石英基板、ガラス基板、セラミック基板またはＧａＡｓ基板等を用いることができる。下部電極１２および上部電極１６としては、ＲｕおよびＣｒ以外にもＡｌ（アルミニウム）、Ｔｉ、Ｃｕ（銅）、Ｍｏ（モリブデン）、Ｗ（タングステン）、Ｔａ（タンタル）、Ｐｔ（白金）、Ｒｈ（ロジウム）またはＩｒ（イリジウム）等の単層膜またはこれらの積層膜を用いることができる。例えば、上部電極１６の下層１６ａをＲｕ、上層１６ｂをＭｏとしてもよい。
圧電膜１４は、窒化アルミニウムを主成分とし、共振特性の向上または圧電性の向上のため他の元素を含んでもよい。例えば、添加元素として、Ｓｃ（スカンジウム）、２族元素もしくは１２族元素と４族元素との２つの元素、または２族元素もしくは１２族元素と５族元素との２つの元素を用いることにより、圧電膜１４の圧電性が向上する。このため、圧電薄膜共振器の実効的電気機械結合係数を向上できる。２族元素は、例えばＣａ（カルシウム）、Ｍｇ（マグネシウム）またはＳｒ（ストロンチウム）である。１２族元素は例えばＺｎ（亜鉛）である。４族元素は、例えばＴｉ、Ｚｒ（ジルコニウム）またはＨｆ（ハフニウム）である。５族元素は、例えばＴａ、Ｎｂ（ニオブ）またはＶ（バナジウム）である。さらに、圧電膜１４は、窒化アルミニウムを主成分とし、Ｂ（ボロン）を含んでもよい。
挿入膜２８は、圧電膜１４よりヤング率および／または音響インピーダンスが小さい材料であり、酸化シリコンを含む絶縁膜である。
周波数調整膜２４としては、酸化シリコン膜以外にも窒化シリコン膜または窒化アルミニウム等を用いることができる。質量負荷膜２０としては、Ｔｉ以外にも、Ｒｕ、Ｃｒ、Ａｌ、Ｃｕ、Ｍｏ、Ｗ、Ｔａ、Ｐｔ、ＲｈもしくはＩｒ等の単層膜を用いることができる。また、例えば窒化シリコンまたは酸化シリコン等の窒化金属または酸化金属からなる絶縁膜を用いることもできる。質量負荷膜２０は、上部電極１６の層間（下層１６ａと上層１６ｂとの間）以外にも、下部電極１２の下、下部電極１２の層間、上部電極１６の上、下部電極１２と圧電膜１４との間または圧電膜１４と上部電極１６との間に形成することができる。質量負荷膜２０は、共振領域５０を含むように形成されていれば、共振領域５０より大きくてもよい。
［実施例１の製造方法］
図２（ａ）から図３（ｄ）は、実施例１に係る圧電薄膜共振器の製造方法を示す断面図である。図２（ａ）に示すように、平坦主面を有する基板１０上に空隙を形成するための犠牲層３８を形成する。犠牲層３８の膜厚は、例えば１０〜１００ｎｍであり、ＭｇＯ、ＺｎＯ、ＧｅまたはＳｉＯ２等のエッチング液またはエッチングガスに容易に溶解できる材料から選択される。その後、犠牲層３８を、フォトリソグラフィ法およびエッチング法を用い所望の形状にパターニングする。犠牲層３８の形状は、空隙３０の平面形状に相当する形状であり、例えば共振領域５０となる領域を含む。次に、犠牲層３８および基板１０上に下部電極１２として下層１２ａおよび上層１２ｂを形成する。犠牲層３８および下部電極１２は、例えば、スパッタリング法、真空蒸着法またはＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法を用い成膜される。その後、下部電極１２を、フォトリソグラフィ法およびエッチング法を用い所望の形状にパターニングする。下部電極１２は、リフトオフ法により形成してもよい。
図２（ｂ）に示すように、下部電極１２および基板１０上に窒化アルミニウムを主成分とする下部圧電膜１４ａを、マグネトロンスパッタリング方式の反応性スパッタリング法を用い成膜する。スパッタリングガスとしては、窒素およびアルゴンガスを用いる。
図２（ｃ）に示すように、下部圧電膜１４ａ上に酸化シリコンを含む絶縁膜である挿入膜２８をスパッタリング法、真空蒸着法またはＣＶＤ法を用い形成する。図２（ｄ）に示すように、挿入膜２８上にフォトレジスト５８を塗布する。露光および現像を行いフォトレジスト５８をパターニングする。
図３（ａ）に示すように、フォトレジスト５８をマスクに挿入膜２８をドライエッチングする。ドライエッチングには、ＣＦ４をエッチングガスとするＲＩＥ（Reactive Ion Etching）法を用いる。弗素を含むエッチングガスとしては、ＣＦ４以外に例えばＣＨＦ３、Ｃ２Ｆ６、またはＳＦ６を用いることができる。
図３（ｂ）に示すように、フォトレジスト５８を除去する。フォトレジスト５８の除去には、剥離液等の有機材を用いる。フォトレジスト５８の除去には、酸素プラズマ等を用いてもよい。
図３（ｃ）に示すように、下部圧電膜１４ａ上に上部圧電膜１４ｂをマグネトロンスパッタリング方式の反応性スパッタリング法を用い成膜する。スパッタリングガスとしては、窒素およびアルゴンガスを用いる。下部圧電膜１４ａおよび上部圧電膜１４ｂにより圧電膜１４が形成される。
図３（ｄ）に示すように、圧電膜１４上に、上部電極１６の下層１６ａおよび上層１６ｂを、例えば、スパッタリング法、真空蒸着法またはＣＶＤ法を用い成膜する。上部電極１６を、フォトリソグラフィ法およびエッチング法を用い所望の形状にパターニングする。上部電極１６は、リフトオフ法により形成してもよい。
図１（ｄ）に示す並列共振器においては、下層１６ａを形成した後に、質量負荷膜２０を、例えばスパッタリング法、真空蒸着法またはＣＶＤ法を用い成膜する。質量負荷膜２０をフォトリソグラフィ法およびエッチング法を用い所望の形状にパターニングする。その後、上層１６ｂを形成する。
周波数調整膜２４を例えばスパッタリング法またはＣＶＤ法を用い形成する。フォトリソグラフィ法およびエッチング法を用い周波数調整膜２４を所望の形状にパターニングする。
その後、孔部３５および導入路３３（図１（ａ）参照）を介し、犠牲層３８のエッチング液を下部電極１２の下の犠牲層３８に導入する。これにより、犠牲層３８が除去される。犠牲層３８をエッチングする媒体としては、犠牲層３８以外の共振器を構成する材料をエッチングしない媒体であることが好ましい。特に、エッチング媒体は、エッチング媒体が接触する下部電極１２がエッチングされない媒体であることが好ましい。積層膜１８（図１（ｃ）、図１（ｄ）参照）の応力を圧縮応力となるように設定しておく。これにより、犠牲層３８が除去されると、積層膜１８が基板１０の反対側に基板１０から離れるように膨れる。下部電極１２と基板１０との間にドーム状の膨らみを有する空隙３０が形成される。以上により、図１（ａ）および図１（ｃ）に示した直列共振器Ｓ、および図１（ａ）および１（ｄ）に示した並列共振器Ｐが作製される。
［サンプルＡおよびＢ］
図２（ａ）から図３（ｄ）の製造方法で圧電薄膜共振器を作製すると、電気機械結合係数ｋ２が低くなることがある。電気機械結合係数ｋ２が低くなるのは、特定のウエハであったり、ウエハ内の一部の領域であったりする。そこで、サンプルＡからＣを以下とする。
サンプルＡ：電気機械結合係数ｋ２が正常（７％前後）
サンプルＢ：電気機械結合係数ｋ２が低い（５％以下）
サンプルＣ：挿入膜２８を形成せず、大気暴露する。
その他のサンプルＡからＣの作製条件は、２ＧＨｚの共振周波数を有する圧電薄膜共振器として例示した条件である。
サンプルＣでは、図２（ｂ）の下部圧電膜１４ａを形成後、図２（ｃ）から図３（ｂ）の挿入膜２８の形成を行わず、大気に露出した後に上部圧電膜１４ｂを形成した。
サンプルＡおよびＢの断面をＳＥＭ（Scanning Electron Microscope）を用い観察した。図４（ａ）および図４（ｂ）は、それぞれサンプルＡおよびサンプルＢの圧電膜の断面ＳＥＭ画像である。ＳＥＭ画像は下部圧電膜１４ａと上部圧電膜１４ｂとが接している領域である。
図４（ａ）に示すように、下部圧電膜１４ａと上部圧電膜１４ｂとの間に界面５６が観察できる。サンプルＡでは、下部圧電膜１４ａおよび上部圧電膜１４ｂとも柱状構造が観察できる。これにより、下部圧電膜１４ａおよび上部圧電膜１４ｂとも配向性が高い良好な膜であることがわかる。
図４（ｂ）に示すように、サンプルＢでは、下部圧電膜１４ａでは柱状構造が観察できる。上部圧電膜１４ｂでは柱状構造は観察できない。このことから、サンプルＢでは、上部圧電膜１４ｂの結晶性が悪いことにより電気機械結合係数が小さくなったものと考えられる。
サンプルＡおよびＢの深さ方向の弗素（Ｆ）および炭素（Ｃ）濃度をＤ−ＳＩＭＳ（Dynamic Secondary Ion Mass Spectrometry）法を用い測定した。測定は、共振領域５０の中心付近の領域において行った。実際の測定ではノイズが多いため、以下の図では、深さと濃度の測定結果を模式的に図示している。深さ０．７μｍあたりが下部圧電膜１４ａと上部圧電膜１４ｂとの界面５６付近である。
図５（ａ）および図５（ｂ）は、サンプルＡの深さに対するＦ濃度およびＣ濃度を示す模式図である。図５（ｂ）における５×１０−５原子％の破線は測定限界を示す。以下のＣ濃度の図も同じである。図５（ａ）および図５（ｂ）に示すように、界面５６付近でＦ濃度およびＣ濃度のピークが観察される。ピークのＦ濃度およびＣ濃度はそれぞれ約３×１０−３原子％および約７×１０−３原子％である。
図６（ａ）および図６（ｂ）は、サンプルＢの深さに対するＦ濃度およびＣ濃度を示す模式図である。図６（ａ）および図６（ｂ）に示すように、界面５６付近でＦ濃度およびＣ濃度のピークが観察される。ピークのＦ濃度およびＣ濃度はそれぞれ約８×１０−２原子％および約４×１０−２原子％である。
図７（ａ）および図７（ｂ）は、サンプルＣの深さに対するＦ濃度およびＣ濃度を示す模式図である。図７（ａ）および図７（ｂ）に示すように、界面５６付近でＦ濃度およびＣ濃度のピークが観察される。ピークのＦ濃度およびＣ濃度はそれぞれ約８×１０−３原子％および約８×１０−３原子％３である。
図５（ａ）から図７（ｂ）のように、サンプルＢでは、サンプルＡおよびＣに比べ界面５６付近のＦ濃度およびＣ濃度が１桁大きい。サンプルＡとＣとで、界面５６付近のＦ濃度およびＣ濃度が同程度のことから、サンプルＡにおける界面付近のＦ濃度およびＣ濃度のピークは、大気暴露に起因すると考えられる。一方、サンプルＢにおける界面付近のＦ濃度およびＣ濃度の大きなピークは、挿入膜２８の形成工程に起因したものと考えられる。
そこで、以下のように推測した。図８は、挿入膜を形成後の下部圧電膜の断面図である。図８に示すように、下部圧電膜１４ａの上面にＡｌＦ系の膜６０（または残渣）が形成されている。膜６０および挿入膜２８上に有機系の膜６２（または残渣）が形成されている。
図３（ａ）において、挿入膜２８が酸化シリコンを含む膜のとき、挿入膜２８の除去を弗素を含むエッチングガスを用いたドライエッチングで行う。挿入膜２８の除去をウェットエッチング法で行うと、挿入膜２８の寸法精度が悪くなるためである。窒化アルミニウムを主成分とする下部圧電膜１４ａが弗素系ガスのプラズマにさらされると、下部圧電膜１４ａ内のＡｌとＦとが反応し、ＡｌＦ、ＡｌＦ２およびＡｌＦ３といった弗化アルミニウムＡｌＦ系の膜６０が生成される。ＡｌとＦとは結合が強く、ＡｌＦ系の膜６０は容易には除去できない。
図３（ｂ）において、フォトレジスト５８を除去すると、膜６０および挿入膜２８を覆うように有機系の膜６２が付着する。膜６０および６２（または残渣）が十分に除去されていない状態で上部圧電膜１４ｂを形成すると、上部圧電膜１４ｂの結晶性が悪くなると考えられる。膜６０および６２を考慮しない製造方法では、図３（ａ）から図３（ｃ）の間の下部圧電膜１４ａの表面状態について考慮していなかった。これにより、サンプルＢのように電気機械結合係数ｋ２が小さい圧電薄膜共振器が作製されたと考えられる。
そこで、図３（ｂ）の後、図３（ｃ）の前に膜６０および６２を除去することを考えた。図９は、実施例１に係る圧電薄膜共振器の製造方法を示す断面図である。図９に示すように、図３（ｂ）の後、矢印５９のように酸素アッシング処理を行うことで、膜６２を除去する。その後、矢印５９のように下部圧電膜１４ａの上面をアルゴンプラズマを用いエッチングする。アルゴンエッチング処理は、マグネトロンスパッタリング装置内で行う。これにより、膜６０を除去する。その後、図３（ｃ）のように、上部圧電膜１４ｂを形成する。
アルゴンエッチング処理の時間を変えて圧電薄膜共振器を作製した。アルゴンエッチング処理は、アルゴンガスの流量が２０ｓｃｃｍおよびＲＦ（Radio Frequency）パワーが３０Ｗで行った。
図１０は、アルゴンエッチング処理の時間に対する電気機械結合係数ｋ２を示す図である。各サンプルのアルゴンエッチング処理の時間は０秒、１００秒、２００秒、２５０秒、３００秒および４００秒であり、図１０の横軸はサンプルごとのアルゴンエッチング処理の時間である。図１０に示すように、アルゴンエッチング処理を行わない（時間が０秒のとき）と、電気機械結合係数ｋ２は４．５％程度である。アルゴンエッチング処理の時間を長くすると、電気機械結合係数ｋ２は約７％となる。このように、アルゴンエッチング処理により電気機械結合係数が大きくなることがわかった。
アルゴンエッチング処理を３５０秒行ったサンプルＤについて深さに対するＦ濃度およびＣ濃度を測定した。図１１（ａ）および図１１（ｂ）は、サンプルＤの深さに対するＦ濃度およびＣ濃度を示す模式図である。図１１（ａ）および図１１（ｂ）に示すように、界面５６付近でＦ濃度およびＣ濃度はピークとなる。ピークのＦ濃度およびＣ濃度はそれぞれ約８×１０−３原子％および約２×１０−３原子％である。このように、サンプルＤのＦ濃度およびＣ濃度はサンプルＡおよびＣと同程度である。このように、アルゴンエッチング処理を行うと界面５６付近のＦ濃度およびＣ濃度が低下し電気機械結合係数ｋ２が正常な値となる。
作製したサンプルについて、電気機械結合係数ｋ２とＤ−ＳＩＭＳを用い測定した界面５６付近のＦ濃度、Ｃ濃度、Ｈ（水素）濃度およびＯ（酸素）濃度のピーク値との関係を図にした。サンプルの中にはアルゴンエッチングの時間を変えたサンプルも含まれている。
図１２（ａ）、図１２（ｂ）、図１３（ａ）および図１３（ｂ）は、それぞれ電気機械結合係数ｋ２に対するＦ濃度、Ｃ濃度、Ｈ濃度およびＯ濃度を示す図である。図１２（ａ）に示すように、ｋ２が７％付近ではＦ濃度は０．０３原子％以下である。ｋ２が小さくなるとＦ濃度が上昇し、最も大きいＦ濃度は１原子％である。図１２（ｂ）に示すように、ｋ２が７％付近ではＣ濃度は０．０１原子％以下である。ｋ２が小さくなるとＣ濃度が上昇し、最も大きいＣ濃度は０．１原子％である。
図１３（ａ）に示すように、ｋ２が７％付近ではＨ濃度は０．００５原子％以下である。ｋ２が小さくなるとＨ濃度が上昇し、最も大きいＨ濃度は０．０６原子％である。図１３（ｂ）に示すように、ｋ２が７％付近ではＯ濃度は０．０００１原子％以下である。ｋ２が小さくなるとＯ濃度が上昇し、最も大きいＯ濃度は０．０１原子％である。
このように、ｋ２はＨ濃度およびＯ濃度とも相関するが、ｋ２の変化に対するＦ濃度の変化が最も大きい。また、ＨおよびＯが界面５６付近に残存しているとしても、上部圧電膜１４ｂの結晶性が悪くなるとは考えにくい。よって、上部圧電膜１４ｂの結晶性の劣化は界面５６付近のＦ（Ａｌと結合したＦ）が影響していると考えられる。
特許文献１のように、上部圧電膜１４ｂの結晶性には、下部圧電膜１４ａの上面のラフネスも影響すると考えられる。図１０のアルゴンエッチング処理の時間が０秒と３００秒のときの下部圧電膜１４ａの上面の算術平均粗さＲａはそれぞれ３ｎｍおよび２ｎｍである。この程度のＲａ差が上部圧電膜１４ｂの結晶性に影響するとは考えにくい。
以上のように、図３（ｂ）において、挿入膜２８をエッチングするときに、下部圧電膜１４ａの上面にＡｌＦ系の膜または残渣が形成される。図３（ｃ）においてこの膜または残渣上に上部圧電膜１４ｂを形成すると、上部圧電膜１４ｂの結晶性が悪くなる。これにより、電気機械結合係数ｋ２が低下すると考えられる。
実施例１では、圧電膜１４は、下部電極１２上に設けられた窒化アルミニウムを主成分とする下部圧電膜１４ａと下部圧電膜１４ａ上に設けられた窒化アルミニウムを主成分とする上部圧電膜１４ｂとを有している。共振領域５０の少なくとも一部の領域において下部圧電膜１４ａと上部圧電膜１４ｂとが接し、少なくとも一部の領域以外の領域において下部圧電膜１４ａと上部圧電膜１４ｂとの間に挿入膜２８（酸化シリコンを含む絶縁膜）が設けられている。
このような構造では、挿入膜２８が形成されていない領域における下部圧電膜１４ａの上面にＡｌＦ系膜が形成されうる。このため、上部圧電膜１４ｂの結晶性が劣化することがある。共振領域５０内の上部圧電膜１４ｂの結晶性が劣化すると、電気機械結合係数が劣化する。そこで、下部圧電膜１４ａと上部圧電膜１４ｂとが接する界面５６における弗素濃度を０．０３原子％以下とする。これにより、電気機械結合係数ｋ２の低下を抑制できる。界面５６における弗素濃度は０．０２原子％以下が好ましく、０．０１原子％以下がより好ましい。
また、界面５６における炭素濃度は０．０１原子％以下であることが好ましく、０．００８原子％以下がより好ましく、０．００７原子％以下がさらに好ましい。これにより、電気機械結合係数ｋ２の低下を抑制できる。
挿入膜２８は、共振領域５０の外周領域の少なくとも一部に設けられ、共振領域５０の中央領域５４に設けられていない。これにより、共振領域５０から外に横モードの弾性波が漏洩することが抑制できる。よって、Ｑ値を向上させることができる。
図２（ｃ）のように、窒化アルミニウムを主成分とする下部圧電膜１４ａ上に挿入膜２８を形成する。図３（ａ）のように、挿入膜２８を弗素を含むエッチングガスを用いエッチングする。その後、図９のように、下部圧電膜１４ａの上面の弗素を低減させる。その後、図３（ｃ）のように、下部圧電膜１４ａの上面に接するように窒化アルミニウムを主成分とする上部圧電膜１４ｂを形成する。このように、図９の工程を行うことで、挿入膜２８のエッチングのときに下部圧電膜１４ａのＡｌと結合したＦを除去できる。よって、電気機械結合係数ｋ２の低下を抑制できる。
図３（ａ）のように、挿入膜２８をフォトレジスト５８をマスクにエッチングし、図３（ｂ）のように、その後フォトレジスト５８を除去する。このように、フォトレジスト５８をマスクとして用いると、ＡｌＦ系膜６０上に有機系の膜６２が形成され、ＡｌＦ系膜６０が除去し難くなる。よって、図９のように、弗素を意図的に除去する工程を設けることが好ましい。
下部圧電膜１４ａの上面の弗素を低減させる方法として、例えば下部圧電膜１４ａの上面をＡｌＦ系膜を窒化するガスに曝してもよい。これにより、ＡｌＦ系膜が窒化しＨＦとなる。ＨＦは容易に気化するため、下部圧電膜１４ａの上面の弗素が低減する。例えば、３００℃から４００℃において、下部圧電膜１４ａの上面をＮＨ３を含むガス雰囲気とする。これにより、下部圧電膜１４ａの上面の弗素が低減する。
実施例１では、圧電膜１４をマグネトロンスパッタリング方式の反応性スパッタリング法を用い形成したが、圧電膜１４は、真空蒸着法またはＣＶＤ法を用い形成してもよい。挿入膜２８として酸化シリコン膜を例に説明したが、挿入膜２８が酸化シリコンを含む絶縁膜の場合、エッチングガスとして弗素系ガスを用いる。よって、下部圧電膜１４ａの上面にＡｌＦ系膜が形成されうる。よって、界面５６における弗素濃度を０．０３原子％以下とすることが好ましい。
［実施例１の変形例１］
図１４（ａ）および図１４（ｂ）は、実施例１の変形例１に係る共振領域付近の平面図である。図１４（ａ）および図１４（ｂ）では、共振領域５０と挿入膜２８を図示している。図１４（ａ）に示すように、挿入膜２８は共振領域５０内に複数設けられていてもよい。図１４（ｂ）に示すように挿入膜２８は共振領域５０外に設けられていてもよい。このように、挿入膜２８は、下部圧電膜１４ａと上部圧電膜１４ｂとの間に挿入されていればよい。
実施例２およびその変形例１は、空隙の構成を変えた例である。図１５（ａ）および図１５（ｂ）は、実施例２およびその変形例１に係る圧電薄膜共振器の断面図である。図１５（ａ）に示すように、基板１０の上面に窪みが形成されている。下部電極１２は、基板１０上に平坦に形成されている。これにより、空隙３０が、基板１０の窪みに形成されている。空隙３０は共振領域５０を含むように形成されている。その他の構成は、実施例１と同じであり説明を省略する。空隙３０は、基板１０を貫通するように形成されていてもよい。なお、下部電極１２の下面に絶縁膜が接して形成されていてもよい。すなわち、空隙３０は、基板１０と下部電極１２に接する絶縁膜との間に形成されていてもよい。絶縁膜としては、例えば窒化アルミニウム膜を用いることができる。
［実施例２の変形例１］
図１５（ｂ）に示すように、共振領域５０の下部電極１２下に音響反射膜３１が形成されている。音響反射膜３１は、音響インピーダンスの低い膜３０ａと音響インピーダンスの高い膜３０ｂとが交互に設けられている。膜３０ａおよび３０ｂの膜厚は例えばそれぞれλ／４（λは弾性波の波長）である。膜３０ａと膜３０ｂの積層数は任意に設定できる。音響反射膜３１は、音響特性の異なる少なくとも２種類の層が間隔をあけて積層されていればよい。また、基板１０が音響反射膜３１の音響特性の異なる少なくとも２種類の層のうちの１層であってもよい。例えば、音響反射膜３１は、基板１０中に音響インピーダンスの異なる膜が一層設けられている構成でもよい。その他の構成は、実施例１およびその変形例１と同じであり説明を省略する。
実施例１およびその変形例１において、実施例２と同様に空隙３０を形成してもよく、実施例２の変形例１と同様に空隙３０の代わりに音響反射膜３１を形成してもよい。
実施例１およびその変形例１および実施例２のように、圧電薄膜共振器は、共振領域５０において空隙３０が基板１０と下部電極１２との間に形成されているＦＢＡＲ（Film Bulk Acoustic Resonator）でもよい。また、実施例２の変形例１のように、圧電薄膜共振器は、共振領域５０において下部電極１２下に圧電膜１４を伝搬する弾性波を反射する音響反射膜３１を備えるＳＭＲ（Solidly Mounted Resonator）でもよい。共振領域５０を含む音響反射層は、空隙３０または音響反射膜３１を含めばよい。
[実施例２の変形例２]
図１５（ｃ）は、実施例２の変形例２に係る圧電薄膜共振器の断面図である。図１５（ｃ）に示すように、下部電極１２の引き出し領域において、上部圧電膜１４ｂの端面は共振領域５０の輪郭に略一致する。下部圧電膜１４ａの端面は共振領域５０の輪郭より外側に位置する。その他の構成は実施例１と同じであり説明を省略する。
実施例２の変形例２のように、実施例１、２およびその変形例において、圧電膜１４は階段状に設けられていてもよい。
実施例１、２およびその変形例において、共振領域５０の平面形状として楕円形状を例に説明したが、四角形状または五角形状等の多角形状でもよい。
実施例３はデュプレクサの例である。図１６は、実施例３に係るデュプレクサの回路図である。図１６に示すように、デュプレクサは、送信フィルタ４０および受信フィルタ４２を備えている。送信フィルタ４０は、共通端子Ａｎｔと送信端子Ｔｘとの間に接続されている。受信フィルタ４２は、共通端子Ａｎｔと受信端子Ｒｘとの間に接続されている。共通端子Ａｎｔとグランドとの間には、整合回路としてインダクタＬ１が設けられている。送信フィルタ４０は、送信端子Ｔｘから入力された信号のうち送信帯域の信号を送信信号として共通端子Ａｎｔに通過させ、他の周波数の信号を抑圧する。受信フィルタ４２は、共通端子Ａｎｔから入力された信号のうち受信帯域の信号を受信信号として受信端子Ｒｘに通過させ、他の周波数の信号を抑圧する。インダクタＬ１は、送信フィルタ４０を通過した送信信号が受信フィルタ４２に漏れず共通端子Ａｎｔから出力されるようにインピーダンスを整合させる。
送信フィルタ４０は、ラダー型フィルタである。送信端子Ｔｘ（入力端子）と共通端子Ａｎｔ（出力端子）との間に１または複数の直列共振器Ｓ１からＳ４が直列に接続されている。送信端子Ｔｘと共通端子Ａｎｔとの間に１または複数の並列共振器Ｐ１からＰ３が並列に接続されている。並列共振器Ｐ１からＰ３のグランド側は共通にインダクタＬ２を介し接地されている。直列共振器、並列共振器およびインダクタ等の個数や接続は所望の送信フィルタ特性を得るため適宜変更可能である。直列共振器Ｓ１からＳ４および並列共振器Ｐ１からＰ３の少なくとも１つを実施例１から２およびその変形例の圧電薄膜共振器とすることができる。
図１７（ａ）は、実施例３における送信フィルタの平面図および断面図、図１７（ｂ）は、図１７（ａ）のＡ−Ａ断面図である。図１７（ａ）および図１７（ｂ）に示すように、実施例１に係る圧電薄膜共振器を同一基板１０に形成し、ラダー型フィルタとすることができる。圧電膜１４に開口３６が形成されている。開口３６を介し下部電極１２と電気的に接続することができる。その他の構成は、実施例２の変形例２と同じであり説明を省略する。各共振器Ｓ１からＳ４およびＰ１からＰ３の共振領域５０の大きさおよび形状は、適宜変更可能である。
受信フィルタ４２は、ラダー型フィルタでもよく、多重モードフィルタでもよい。送信フィルタ４０および受信フィルタ４２の少なくとも一方をラダー型フィルタまたはラティス型フィルタとすることができる。また、送信フィルタ４０および受信フィルタ４２の少なくとも一方の少なくとも１つの共振器を実施例１から２およびその変形例の圧電薄膜共振器とすることができる。
フィルタが実施例１から２およびその変形例の圧電薄膜共振器を含む。これにより、共振器の電気機械結合係数を向上できる。マルチプレクサとしてデュプレクサを例に説明したがトリプレクサまたはクワッドプレクサでもよい。
以上、本発明の実施例について詳述したが、本発明はかかる特定の実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。
１０ 基板
１２ 下部電極
１４ 圧電膜
１４ａ 下部圧電膜
１４ｂ 上部圧電膜
１６ 上部電極
２８ 挿入膜
４０ 送信フィルタ
４２ 受信フィルタ
５０ 共振領域
５２ 外周領域
５４ 中央領域

Claims (7)

  1. 基板と、
    前記基板上に設けられた下部電極および上部電極と、
    前記下部電極上に設けられた窒化アルミニウムを主成分とする下部圧電膜と前記下部圧電膜上に設けられた窒化アルミニウムを主成分とする上部圧電膜とを有し、少なくとも一部を挟み下部電極と上部電極とが対向する共振領域の少なくとも一部の領域において前記下部圧電膜と前記上部圧電膜とが接し、前記下部圧電膜と前記上部圧電膜とが接する界面における弗素濃度が０．０３原子％以下である圧電膜と、
    前記少なくとも一部の領域以外の領域において前記下部圧電膜と前記上部圧電膜との間に設けられた酸化シリコンを含む絶縁膜と、
    を具備する圧電薄膜共振器。
  2. 前記絶縁膜は、前記共振領域の外周領域の少なくとも一部に設けられ、前記共振領域の中央領域に設けられていない請求項１に記載の圧電薄膜共振器。
  3. 前記界面における炭素濃度は０．０１原子％以下である請求項１または２に記載の圧電薄膜共振器。
  4. 請求項１から３のいずれか一項に記載の圧電薄膜共振器を含むフィルタ。
  5. 請求項４に記載のフィルタを含むマルチプレクサ。
  6. 基板上に下部電極を形成する工程と、
    前記下部電極上に窒化アルミニウムを主成分とする下部圧電膜を形成する工程と、
    前記下部圧電膜上に酸化シリコンを含む絶縁膜を形成する工程と、
    弗素を含むエッチングガスを用い前記絶縁膜をエッチングする工程と、
    前記絶縁膜をエッチングする工程の後、前記下部圧電膜の上面の弗素を低減させる工程と、
    前記弗素を低減させる工程の後、前記下部圧電膜の上面に接するように窒化アルミニウムを主成分とする上部圧電膜を形成する工程と、
    前記上部圧電膜上に、前記下部電極とで前記下部圧電膜および前記上部圧電膜の少なくとも一部を挟む共振領域の少なくとも一部の領域において前記下部圧電膜と前記上部圧電膜とが接するように上部電極を形成する工程と、
    を含み、
    前記弗素を低減させる工程は、前記下部圧電膜と前記上部圧電膜とが接する界面における弗素濃度が０．０３原子％以下となるように前記弗素を低減させる工程である圧電薄膜共振器の製造方法。
  7. 前記絶縁膜をエッチングする工程は、フォトレジストをマスクに前記絶縁膜をエッチングする工程と、前記フォトレジストを除去する工程と、を含む請求項６に記載の圧電薄膜共振器の製造方法。
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