圧電共振器
【課題】 信頼性の高い圧電共振器を提供する。
【解決手段】 基板と、圧電膜と、前記圧電膜の厚み方向一表面上に少なくとも一部が積層される上部電極と、前記圧電膜の厚み方向他表面上に少なくとも一部が積層される下部電極とを含んで構成され、前記基板の厚み方向一表面上に、前記基板との間に空隙を形成するように配置される共振器本体と、前記上部電極の前記圧電膜と接する面と反対側の面を被覆する第１保護膜と、前記第１保護膜と同じ材料からなり、前記下部電極の前記圧電膜と接する面と反対側の面を被覆する第２保護膜と、を含むものである。
【解決手段】 基板と、圧電膜と、前記圧電膜の厚み方向一表面上に少なくとも一部が積層される上部電極と、前記圧電膜の厚み方向他表面上に少なくとも一部が積層される下部電極とを含んで構成され、前記基板の厚み方向一表面上に、前記基板との間に空隙を形成するように配置される共振器本体と、前記上部電極の前記圧電膜と接する面と反対側の面を被覆する第１保護膜と、前記第１保護膜と同じ材料からなり、前記下部電極の前記圧電膜と接する面と反対側の面を被覆する第２保護膜と、を含むものである。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、厚み縦振動モードを用いた圧電共振器に関する。
【背景技術】
【０００２】
無線通信および電気回路に用いられる電気信号の周波数の高周波化に伴い、高周波化された電気信号に対して用いられるフィルタについても高周波数に対応したものが開発されている。特に、無線通信においては２ＧＨｚ近傍のマイクロ波が主流になりつつあり、また既に数ＧＨｚ以上の規格策定の動きもあることから、それらの周波数に対応した高性能なフィルタが求められている。このようなフィルタとして、圧電性を示す圧電膜の厚み縦振動モードを用いた圧電共振器を用いたものが提案されている。
【０００３】
圧電共振器は、ＳｉやＧａＡｓなどからなる基板と、基板表面上に形成される共振器本体と、基板および共振器本体で囲まれる空隙と、共振器本体を貫通し空隙と連通する貫通孔とを含んで構成される。そして、共振器本体は、圧電膜と、厚み方向の両側から圧電膜を挟む上部電極および下部電極とを含んで構成される。ここで、圧電共振器では、共振器本体を構成する圧電膜と上部電極と下部電極とが重なる部分のうち、空隙を臨む部分の内壁面によって共振部が形成されており、空隙が圧電膜の振動を可能にする共振領域であるキャビティとなっている。
【０００４】
ここで、共振部を構成する各層は共振周波数等の共振特性を決定するため、その膜質等が変化することを抑制することが重要である。また、共振部への異物の付着も、共振特性を変化させるため防ぐ必要がある。以上より、共振部を保護するための保護膜を上部電極を覆うように設けた構成が提案されている（特許文献１参照）。
【特許文献１】特開２００８−１７２７１３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１に開示されている圧電共振器では、下部電極側を保護することができず、その結果、共振部を構成する層の膜質が変質してしまう恐れがあった。これは、特に、共振部が基板上に空隙を介して配置される構成では顕著である。
【０００６】
本発明は、上述の問題点を解決すべく案出されたものであり、その目的は、共振特性が変化することのない、信頼性の高い圧電共振器を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の圧電共振器は、基板と、圧電膜と、前記圧電膜の厚み方向一表面上に少なくとも一部が積層される上部電極と、前記圧電膜の厚み方向他表面上に少なくとも一部が積層される下部電極とを含んで構成され、前記基板の厚み方向一表面上に、前記基板との間に空隙を形成するように配置される共振器本体と、前記上部電極の前記圧電膜と接する面と反対側の面を被覆する第１保護膜と、前記第１保護膜と同じ材料からなり、前記下部電極の前記圧電膜と接する面と反対側の面を被覆する第２保護膜と、を含むものである。
【０００８】
また、本発明の圧電共振器は、上記構成において、前記共振器本体の周縁端部における前記空隙を臨む部分の内壁面は、前記基板の厚み方向一表面とのなす角が鋭角となる傾斜面となっており、前記内壁面の前記傾斜面には、前記空隙に通じる貫通孔が設けられているものである。
【０００９】
また、本発明の圧電共振器は、上記構成において、前記第１保護膜と前記第２保護膜とは、前記共振器本体の前記貫通孔に露出する面に延在し互いに接続されることで一体的に形成されているものである。
【００１０】
また、本発明の圧電共振器は、上記構成において、前記傾斜面は、前記基板の厚み方向一表面とのなす角が異なる第１傾斜面と第２傾斜面とを有しているものである。
【００１１】
また、本発明の圧電共振器は、上記構成において、前記貫通孔は、前記第１傾斜面と前記第２傾斜面との境界部を跨ぐように形成されているものである。
【００１２】
また、本発明の圧電共振器は、上記構成において、前記第１保護膜と前記第２保護膜とは、酸化ケイ素からなる、ものである。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、外部環境や空隙に曝される共振器本体を構成する上部電極および下部電極を保護膜が被覆していることにより、上部電極および下部電極の変質を防ぐことができ、その結果、安定した共振特性を得ることのできる、信頼性の高い圧電共振器を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
図１は、本発明の実施の一形態である圧電共振器１の構成を示す断面図である。なお、以下の図面においても同様だが、同様の箇所には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。
【００１５】
圧電共振器１は、基板１６と、基板１６の厚み方向一表面上に形成される共振器本体１７と、基板１６および共振器本体１７で囲まれる空隙１５と、共振器本体１７を貫通し、空隙１５と連通する貫通孔１４とを含んで構成される。基板１６は、圧電共振器１のベース部材である。基板１６は、略直方体形状を有し、厚みが０．０５〜１．０ｍｍ程度に選ばれる。基板１６は、Ｓｉ（シリコン）、ＧａＡｓ（ガリウムヒ素）などによって形成される。
【００１６】
共振器本体１７は、圧電膜１１と、圧電膜１１の厚み方向一表面上に少なくとも一部が積層される上部電極１３と、圧電膜１１の厚み方向他表面上に少なくとも一部が積層される下部電極１２とを含んで構成される積層体である。
【００１７】
そして、圧電共振器１では、共振器本体１７を構成する圧電膜１１と上部電極１３と下部電極１２とが重なる部分のうち、空隙１５に臨む部分の内壁面によって共振部１８が形成される。共振部１８の設計により、圧電共振器１の共振特性が決定される。
【００１８】
ここで、共振器本体１７の上部電極１３のうち、圧電膜１１と接する面と反対の面を被覆するように第１保護膜３１が、共振器本体１７の下部電極１２のうち、圧電膜１１と接する面と反対の面を被覆するように第２保護膜３２が、それぞれ設けられている。このように、第１及び第２保護膜３１，３２により、上部電極１３および下部電極１２のうち共振部１８を構成する部分は外部環境に露出することなく保護されている。これにより、上部電極１３および下部電極１２のうち共振部１８を構成する部分を、外部からの衝撃や水分の浸入による変質，付着物による共振特性の変化等から保護することができるので、信頼性の高い圧電共振器を提供することができる。
【００１９】
これら第１および第２保護膜３１，３２は、同じ材料からなり、外部環境に対して安定した特性を有し、各電極１２，１３を保護することのできる材料であれば特に限定はされないが、例えば、耐衝撃性，耐薬品性の点から酸化ケイ素等を用いることが好ましい。酸化ケイ素からなるときには、保護膜が温度補償膜としても機能するため、信頼性が高く、かつ温度特性の優れた圧電共振器を提供することができる。また、その他にも、水分から保護するために、窒化ケイ素を用いたり、生産性を考慮して各種樹脂材料を用いたりすることもできる。また、多層構造としてもよい。
【００２０】
次に共振器本体１７を構成する各層について説明する。
【００２１】
圧電膜１１は、ＺｎＯ（酸化亜鉛）、ＡｌＮ（窒化アルミニウム）およびＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）などの圧電材料からなり、上部電極１３および下部電極１２によって印加される高周波電圧に応じて伸縮し、電気的な信号を機械的な振動に変換する機能を有する。圧電共振器１が必要な共振特性を発揮するために、圧電膜１１の厚みは、圧電膜１１を形成する材料の固有音響インピーダンスおよび密度、圧電膜１１を伝播する音響波の音速および波長などを考慮して、精密に選ぶ必要がある。圧電膜１１の最適な厚みは、圧電共振器１を用いて構成される電子回路で使用する信号の周波数、後述する共振部１８の設計寸法、圧電膜材料、電極材料によって異なるが、例えば、０．２〜３．０μｍ程度に選ばれる。
【００２２】
下部電極１２は、圧電膜１１の厚み方向他表面上に少なくとも一部が積層される。つまり、下部電極１２は、積層体である共振器本体１７において最下層となり、基板１６の厚み方向一表面上に形成される。下部電極１２は、圧電膜１１に高周波電圧を印加する機能を有する部材であり、Ｗ（タングステン）、Ｍｏ（モリブデン）、Ａｕ（金）、Ａｌ（アルミニウム）およびＣｕ（銅）などの金属材料を用いて形成される。また下部電極１２は、電極としての機能と同時に、後述する共振部１８を構成する機能も有するので、圧電共振器１が必要な共振特性を発揮するために、その厚みは、下部電極１２を形成する材料の固有音響インピーダンスおよび密度、下部電極１２を伝播する音響波の音速および波長などを考慮して、精密に選ぶ必要がある。下部電極１２の最適な厚みは、圧電共振器１を用いて構成される電子回路で使用する信号の周波数、共振部１８の設計寸法、圧電膜材料、電極材料によって異なるが、０．０３〜１．０μｍ程度に選ばれる。上部電極１３は、下部電極１２とともに、圧電膜１１に高周波電圧を印加する機能を有する部材であり、下部電極１２と同様に構成される。
【００２３】
空隙１５は、基板１６と共振器本体１７とで囲まれる空洞であり、圧電膜１１の振動を可能にする共振領域であるキャビティとなっている。空隙１５を構成する共振器本体１７の内壁面は、中央部において基板１６の厚み方向一表面に対して間隙を有して平行な面となる空隙平坦面１５ａであり、周縁端部において基板１６の厚み方向一表面とのなす角が鋭角となる傾斜面１５ｂとなるように構成されている。共振器本体１７を構成する圧電膜１１、上部電極１３および下部電極１２のそれぞれの表面は、前述した空隙１５を形成する内壁面の形状に応じて、起伏が形成される。
【００２４】
空隙１５を形成する共振器本体１７の内壁面がその周縁端部において、基板１６表面とのなす角が鋭角となる傾斜面１５ｂとなるように構成される。一方、周縁端部において基板１６表面に対して垂直となるように構成される場合がある。両者を比較すると、本実施形態の構成は、より周縁端部に対応する共振器本体１７の圧電膜１１、上部電極１３および下部電極１２のそれぞれには、過大な応力の蓄積と集中が発生するのが減少でき、破損の発生を抑制することができる。
【００２５】
また、本実施の形態では、空隙１５を形成する共振器本体１７の内壁面において、空隙平坦面１５ａと基板１６の厚み方向一表面との間隙は、２．６〜４．０μｍ程度に設定され、共振器本体１７の内壁面の周縁端部における傾斜面１５ｂと基板１６表面とのなす角度θは１．１４°以上５６．３°以下に設定される。
【００２６】
圧電共振器１では、共振器本体１７を構成する圧電膜１１と上部電極１３と下部電極１２とが重なる部分のうち、空隙１５に臨む部分の内壁面によって共振部１８が形成される
。共振部１８の厚みは、おおむねλ／２（λは使用する信号の周波数での音響波の波長）となるように設計される。共振部１８の厚み方向から見た形状、すなわち平面形状は、略矩形状である。なおスプリアス抑制のために共振部１８の平面形状を非対称の形状にしてもよい。本実施の形態では、共振部１８は直方体形状に形成される。また共振部１８の厚み方向に垂直な断面における面積は、圧電共振器１のインピーダンスを決定する要素となるので、厚みと同様に精密に設計する必要がある。５０Ωのインピーダンス系で圧電共振器１を使用する場合は、共振部１８の電気的なキャパシタンスが、使用する信号の周波数でおおむね５０Ωのリアクタンスを持つように選ばれる。本実施の形態では、共振部１８の厚み方向に垂直な断面における面積は、たとえば２ＧＨｚの圧電共振器１の場合であれば、２００μｍ×２００μｍ程度に選ばれる。
【００２７】
圧電共振器１に設けられる貫通孔１４は、共振器本体１７を、基板１６表面に直交する方向に貫通し、空隙１５を形成する共振器本体１７の傾斜面１５ｂに開口して形成される。そして、本実施の形態では、貫通孔１４の孔径は、例えば１０μｍ程度である。このように、貫通孔１４が共振器本体１７の傾斜面１５ｂに開口するように設けられているので、空隙平坦面１５ａに開口するように設けられる場合に比べて、貫通孔１４が共振部１８に与える影響が小さい。それ故、共振特性に優れた圧電共振器１とすることができる。また、共振器本体１７の空隙平坦面１５ａに開口するように設けられる場合に比べて、孔径は同じでも、貫通孔１４の空隙１５側の開口面積が大きなものとなる。詳細は後述するが、圧電共振器１は、空隙１５に対応する部分に形成される犠牲層を、貫通孔１４を介してエッチング剤によって除去して製造される。本実施形態の圧電共振器１は、貫通孔１４の空隙１５側の開口面積が大きいので、エッチング剤による犠牲層除去効率が向上し、空隙１５内に犠牲層の一部が残留するのが抑制されたものとなる。そのため、圧電共振器１としての共振特性が損なわれるのが抑制され、優れた共振特性を有する圧電共振器１となる。特に、空隙１５に露出する下部電極１２は他の共振器本体１７を構成する膜に比べて、エッチング剤の残渣等による影響で変質する可能性が高い。これに対して、本実施形態では、貫通孔１４の開口面積を大きくすることで、エッチング残渣等の残留を大幅に抑制するとともに、第２保護膜３２により下部電極１２を保護することで、二重に下部電極１２の変質が抑制され、信頼性の高い圧電共振器１となる。
【００２８】
次に、図２は、本発明の圧電共振器の実施形態の他の例を示す断面図である。図２に示す圧電共振器２は、図１に示す圧電共振器１とは、第１および第２保護膜３１，３２が共振部１８の貫通孔１４に露出する面を覆い、一体的に形成されている点で異なる。
【００２９】
このように、第１および第２保護膜３１，３２が、共振部１８の貫通孔１４に露出する面を覆い、一体的に形成されていることから、上部及び下部電極１２，１３の表面だけでなく、その側面も、外部環境に露出する圧電膜１１の表面および側面も被覆することができる。すなわち、圧電共振器２の共振特性を決定する共振部１８全面を被覆することができるので、より信頼性の高い圧電共振器を提供することができる。
【００３０】
次に、図３は、本発明の圧電共振器の実施形態の更に他の例を示す要部拡大断面図である。具体的には、図１において破線で囲む部分に相当する部分を示している。図３に示す圧電共振器は、図１に示す圧電共振器１とは、共振器本体１７の傾斜面の形状が異なる。
【００３１】
具体的には、本実施の形態では、２つの傾斜面である第１空隙傾斜面１５ｃと第２空隙傾斜面１５ｄとを有する。第１空隙傾斜面１５ｃは、第２空隙傾斜面１５ｄよりも基板１６の厚み方向一表面側に位置し、第１空隙傾斜面１５ｃが基板１６表面となす角度θ１は、第２空隙傾斜面１５ｄが基板１６表面となす角度θ２よりも小さく設定されている。このように、共振器本体１７の構成部材に対する応力集中を減少させ、破損の発生を抑制するという観点からは、共振器本体１７の内壁面の周縁端部における傾斜面は、基板１６の厚み方向一表面とのなす角が異なる複数の傾斜面を有することが好ましい。なお、第１空隙傾斜面１５ｃと基板１６表面とのなす角度θ１は、１．１４°以上２６．５°未満に設定され、第２空隙傾斜面１５ｄと基板１６表面とのなす角度θ２は、２６．５°以上５６．３°以下に設定される。
【００３２】
また、理由については後述するが、貫通孔１４は、第１空隙傾斜面１５ｃと第２空隙傾斜面１５ｄとの境界部を跨ぐように形成されることが好ましい。
【００３３】
次に、本発明における圧電共振器の製造方法の一例について説明する。図４は、図２に示す本発明の実施の一形態である圧電共振器２の製造方法を示す工程図である。圧電共振器２の製造方法は、半導体製造技術を利用するものであり、大きくは以下のように４つの工程からなる。
【００３４】
［基板準備工程］
基板準備工程では、共振器形成用基板を準備する。準備する共振器形成用基板は、基板１６表面上に、犠牲層と共振器本体１７とが積層されたものである。
【００３５】
（ａ）基板１６の準備および犠牲層の形成工程
圧電共振器１に用いられる基板１６は、Ｓｉ（シリコン）やＧａＡｓ（ガリウムヒ素）などからなる板状部材であり、本実施の形態では、シリコン基板を用いた例について説明する。また、犠牲層は、製造する圧電共振器２の空隙１５に対応する部分であり、本実施の形態では、共振器本体１７の内壁面である空隙平坦面１５ａ、傾斜面１５ｂおよび基板１６によって囲まれて形成される空隙１５に対応して、犠牲層２１を基板１６表面上に形成する。
【００３６】
まず、図４（ａ）に示すように、基板１６の厚み方向一表面の全面にわたって犠牲層２１を形成する。犠牲層２１は、ＳｉＯ２（二酸化ケイ素）やＰＳＧ（リンドープガラス
）からなり、単一の層でも、これらを順に積層したものでもよい。ＳｉＯ２からなる犠牲層２１は、シリコン基板１６の表面を加熱処理し、熱酸化させることで形成することができ、その厚みは、加熱処理の処理条件、加熱温度、加熱時間などにより制御することが可能であり、例えば０．１〜１．０μｍに設定される。また、ＰＳＧからなる犠牲層２１は、ＣＶＤ（Chemical Vapor deposition）法によって形成することができ、その厚みは、ＣＶＤ処理時の温度や時間などの処理条件により制御することが可能であり、例えば２．５〜３．０μｍに設定される。このように比較的厚く形成しても、ＰＳＧはエッチング速度が速いため後述する犠牲層エッチング工程において比較的短時間でエッチングを行うことができる。また、犠牲層２１の表面は、ＣＭＰ（Chemical Mechanical Polishing）装置を用いて表面平滑化されてもよい。
【００３７】
（ｂ）犠牲層のパターニング工程
図４（ｂ）に示すように、基板１６の一表面の全面にわたって形成した犠牲層２１を、パターニングにより空隙１５に対応した形状にする。
【００３８】
犠牲層２１のパターニングは、半導体製造プロセスにおける酸化絶縁膜の公知のパターニング技術を利用することができ、たとえばフォトリソグラフィ技術により、容易に設けることができる。パターニングの一例としては、犠牲層２１上にポジレジストをスピンコートなどにより塗布し、露光、現像してレジストをパターンニングしてマスクを形成する。そののちフッ酸水溶液に浸漬して、空隙１５に対応した形状を有する犠牲層２１を得る。
【００３９】
（ｃ）積層体である共振器本体１７の形成工程
図４（ｃ）に示すように、空隙１５に対応した形状を有する犠牲層２１の上に、下部電極１２、圧電膜１１および上部電極１３からなる共振器本体１７を形成する。
【００４０】
まず、基板１６表面および犠牲層２１表面の少なくとも一部に下部電極１２を形成する。下部電極１２は、スパッタリング法やＣＶＤ法などによって形成することができる。次に、基板１６の厚み方向から平面視したときの全面、すなわち下部電極１２表面、下部電極１２が積層されていない犠牲層２１表面、下部電極１２および犠牲層２１が積層されていない基板１６表面のそれぞれを覆うように圧電膜１１を形成する。圧電膜１１は、スパッタリング法やＣＶＤ法などによって形成することができる。次に、圧電膜１１表面の少なくとも一部に上部電極１３を形成する。このとき、上部電極１３は、少なくとも一部が、圧電膜１１および下部電極１２を介して犠牲層２１と対向するように形成される。
【００４１】
以上のようにして、基板準備工程では、基板１６表面上に、犠牲層２１、下部電極１２、圧電膜１１および上部電極１３が積層された共振器形成用基板を準備する。
【００４２】
［貫通孔形成工程］
貫通孔形成工程では、図４（ｄ）に示すように、基板準備工程で準備した共振器形成用基板を構成する共振器本体１７を、基板１６表面に直交する方向に、犠牲層２１の傾斜面まで到達する貫通孔１４を形成する。貫通孔１４の形成方法は、半導体製造プロセスにおけるビア形成技術を利用することができ、たとえばフォトリソグラフィ技術により、容易に設けることができる。貫通孔１４は、たとえば犠牲層２１の平面形状が略正方形をなしている場合は、正方形の各頂点の近傍に、４箇所設けるようにすればよい。
【００４３】
このとき、犠牲層２１の傾斜面まで到達する貫通孔１４を形成するので、形成された貫通孔１４は、第２犠牲層２２の平坦面まで貫通するように形成されたものよりも、孔径は同じでも、貫通孔１４の犠牲層側の開口面積が大きなものとなる。
【００４４】
［犠牲層エッチング工程］
犠牲層エッチング工程では、図４（ｅ）に示すように、貫通孔１４を介してエッチング剤によって犠牲層２１を除去し、基板１６と共振器本体１７とで囲まれる空隙１５を形成する。犠牲層２１のエッチング除去は、半導体製造プロセスにおけるエッチング技術を利用することができ、犠牲層の材質に応じたエッチング剤を用いて容易に行うことができる。エッチング剤は、エッチング液またはエッチングガスで、種々のエッチング条件に応じてウェットエッチング、ドライエッチングのいずれかを選択すればよい。本実施の形態では、犠牲層２１をウェットエッチングにより除去する。エッチング剤としてフッ酸水溶液をエッチング液として用い、所定の温度条件でエッチングを行う。
【００４５】
このとき、前述したように、犠牲層２１の傾斜面まで貫通するように形成された貫通孔１４の犠牲層側の開口面積は、平坦面まで貫通するように形成された場合に比べて、孔径は同じでも、大きな開口面積となるので、貫通孔１４を介してエッチング剤によって１犠牲層２１を除去するときの犠牲層除去効率が向上されている。そのため、犠牲層２１を効率よく完全にエッチング除去することができ、形成する空隙１５内に犠牲層の一部が残留するのを抑制することができる。また、貫通孔１４は、共振器本体１７における周縁端部側に形成されているので、貫通孔１４を流過して空隙１５内に進入してきたエッチング剤には流れが生じる。このエッチング剤の空隙１５内での流れによって、エッチング速度も向上する。
【００４６】
［エッチング剤除去工程］
エッチング剤除去工程では、犠牲層エッチング工程において形成した空隙１５内に残留するエッチング剤を、貫通孔１４を介して除去する。まず、エッチング剤が残留する空隙１５内に、貫通孔１４を介して純水やＩＰＡ（イソプロパノール）などのリンス溶剤を充填し、これらのリンス溶剤で空隙１５内部を洗浄する。空隙１５内の洗浄が終了すると、乾燥機を用いてリンス溶剤を揮発させる。
【００４７】
なお、犠牲層エッチング工程において、ドライエッチング法によって犠牲層をエッチング除去した場合には、エッチング剤であるエッチングガスが空隙１５内から完全に排気されるように、真空排気を繰り返すようにすればよい。
【００４８】
〔保護膜形成工程〕
保護膜形成工程では、図２（ｆ）に示すように、第１および第２保護膜３１，３２を共振部１８を覆うように形成する。具体的には、ＣＶＤ法などにより上部電極１３の上面および側面，下部電極１２の下面および側面，貫通孔１４に露出する共振部１８の側面を覆い、一体的に形成する。ここで、貫通孔１４は、共振器本体１７における周縁端部側に形成されているので、貫通孔１４を流過して空隙１５内に進入してきたキャリアガスには流れが生じる。このキャリアガスの空隙１５内での流れによって、下部電極１２の下面側や、貫通孔１４の側面などにも効率よく成膜することができる。
【００４９】
以上のように、基板準備工程で基板１６表面上に犠牲層２１および共振器本体１７が積層された共振器形成用基板を準備し、貫通孔形成工程で共振器形成用基板を構成する共振器本体１７を、基板１６表面に直交する方向に、犠牲層２１の傾斜面まで貫通する貫通孔１４を形成し、犠牲層エッチング工程で貫通孔１４を介してエッチング剤によって第１犠牲層２１および第２犠牲層２２を除去して空隙１５を形成し、エッチング剤除去工程で空隙１５内に残留するエッチング剤を、貫通孔１４を介してリンス溶剤によって除去し、リンス溶剤を揮発乾燥させて、保護膜形成工程で共振部１８を覆う第１および第２保護膜３１，３２を形成することで、圧電共振器２を製造することができる。
【００５０】
なお、図３に示すように、共振器本体１７の傾斜面が複数の傾斜面を有する構成とする場合には、基板準備工程において、犠牲層２１を材料の異なる２種類以上の層を積層させることで形成し、そのパターニング工程において、材料によるエッチング速度の違いを利用して、各層の側面の傾斜面の角度を異ならせればよい。
【００５１】
さらに、図３に示すように、貫通孔１４を、第１および第２傾斜面１５ｃ、ｄを跨ぐように形成すると、以下のような利点があるため好ましい。
【００５２】
基板１６表面とのなす角度が異なる傾斜面である犠牲層２１の傾斜面の境界部を含む領域まで貫通するように形成された貫通孔１４からは、境界部において干渉縞を視認することができる。すなわち、貫通孔１４が犠牲層２１に到達したときに干渉縞が顕在化される。これにより貫通孔１４の底面に現れる干渉縞を確認することによって、貫通孔１４が犠牲層２１まで到達したことを簡単に確認することができる。従来のように平坦部分に貫通孔１４を設けた場合、犠牲層に角度の異なる傾斜面がないため干渉縞が現れないか、現れたとしてもほとんど見えないため、貫通孔を目視や金属顕微鏡等により観察していても貫通孔１４が犠牲層まで到達する前後でほとんど状態が変わらない。そのため、従来は貫通孔１４が犠牲層まで到達したことを確認するには、大がかりな装置を用いたり、貫通孔１４が犠牲層に到達する際の条件出しを行う必要があるなど圧電共振器の製造工程が複雑化し生産性向上の妨げとなっていた。また貫通孔１４が犠牲層まで到達したか否かの確認作業を省いた場合や、貫通孔を形成する際の条件が変わった場合などは、貫通孔１４が犠牲層まで到達していない状態でこの後に続く犠牲層のエッチングを行うことがあり、この場合は、犠牲層がうまく除去されないといった問題や犠牲層を完全に除去するのに非常に時間がかるといった問題が生じることとなる。
【００５３】
これに対し貫通孔１４を、第１および第２傾斜面１５ｃ、ｄを跨ぐように形成すると、角度の異なる犠牲層２１の傾斜面の境界部を跨ぐ位置に貫通孔１４を設けるようにしたことで、貫通孔１４が犠牲層に到達した際に干渉縞を生じさせることができ、この干渉縞を利用することによって簡単かつ確実に貫通孔１４を第２犠牲層２１まで到達させることが可能となる。
【００５４】
さらに境界部において顕在化する干渉縞は、犠牲層エッチング工程において、犠牲層エッチング終点をモニタする指標として利用することができる。このような干渉縞３２を検出する方法としては、目視でもよいし、金属顕微鏡などの光学検出装置を用いて検出することもできる。
【００５５】
なお、本願発明の圧電共振器は、上述の実施の形態に限定されることなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々の変更を行うことができる。
【００５６】
例えば、図１〜３では、貫通孔１４は、共振器本体17の傾斜面１５ｂに形成されている場合を例に説明したが、空隙平坦面１５ａに設けてもよい。また、空隙１５は、共振器本体１７が空隙平坦面１５ａを傾斜面１５ｂが持ち上げるよう支えて、基板１６に対して上に凸の形状を構成することで形成されている場合を例に説明したが、基板１６に凹部を設け、それを塞ぐように平坦な共振器本体１７を配置することで形成してもよいし、基板１６上にスペーサー等を介して平坦な共振器本体１７を配置することで形成してもよい。
【００５７】
また、図１，図２，図４では、貫通孔１４は、基板１６の表面と直交する方向に形成された例を用いて説明したが、貫通孔１４は空隙１５と共振器本体１７の上面とが連通するように設けられていればよく、貫通孔１４の形状や角度は適宜自由に設定できる。
【００５８】
また、図４において、犠牲層２１上に下部電極１２を成膜するための下地層を設けてもよい。その場合には、第２保護膜３２と下部電極１２との間に下地層が介在していてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００５９】
【図１】本発明の実施の一形態である圧電共振器の構成を示す断面図である。
【図２】本発明の実施のほかの形態である圧電共振器の構成を示す断面図である。
【図３】本発明の実施のさらにほかの形態である圧電共振器の構成を示す要部拡大断面図である。
【図４】本発明の実施の一形態である圧電共振器１の製造方法を示す工程図である。
【符号の説明】
【００６０】
１ 圧電共振器
１１ 圧電膜
１２ 下部電極
１３ 上部電極
１４ 貫通孔
１５ 空隙
１５ａ 空隙平坦面
１５ｂ 傾斜面
１５ｃ 第１空隙傾斜面
１５ｄ 第２空隙傾斜面
１６ 基板
１７ 共振器本体
１８ 共振部
２１ 犠牲層
３１ 第１保護膜
３２ 第２保護膜
【技術分野】
【０００１】
本発明は、厚み縦振動モードを用いた圧電共振器に関する。
【背景技術】
【０００２】
無線通信および電気回路に用いられる電気信号の周波数の高周波化に伴い、高周波化された電気信号に対して用いられるフィルタについても高周波数に対応したものが開発されている。特に、無線通信においては２ＧＨｚ近傍のマイクロ波が主流になりつつあり、また既に数ＧＨｚ以上の規格策定の動きもあることから、それらの周波数に対応した高性能なフィルタが求められている。このようなフィルタとして、圧電性を示す圧電膜の厚み縦振動モードを用いた圧電共振器を用いたものが提案されている。
【０００３】
圧電共振器は、ＳｉやＧａＡｓなどからなる基板と、基板表面上に形成される共振器本体と、基板および共振器本体で囲まれる空隙と、共振器本体を貫通し空隙と連通する貫通孔とを含んで構成される。そして、共振器本体は、圧電膜と、厚み方向の両側から圧電膜を挟む上部電極および下部電極とを含んで構成される。ここで、圧電共振器では、共振器本体を構成する圧電膜と上部電極と下部電極とが重なる部分のうち、空隙を臨む部分の内壁面によって共振部が形成されており、空隙が圧電膜の振動を可能にする共振領域であるキャビティとなっている。
【０００４】
ここで、共振部を構成する各層は共振周波数等の共振特性を決定するため、その膜質等が変化することを抑制することが重要である。また、共振部への異物の付着も、共振特性を変化させるため防ぐ必要がある。以上より、共振部を保護するための保護膜を上部電極を覆うように設けた構成が提案されている（特許文献１参照）。
【特許文献１】特開２００８−１７２７１３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１に開示されている圧電共振器では、下部電極側を保護することができず、その結果、共振部を構成する層の膜質が変質してしまう恐れがあった。これは、特に、共振部が基板上に空隙を介して配置される構成では顕著である。
【０００６】
本発明は、上述の問題点を解決すべく案出されたものであり、その目的は、共振特性が変化することのない、信頼性の高い圧電共振器を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の圧電共振器は、基板と、圧電膜と、前記圧電膜の厚み方向一表面上に少なくとも一部が積層される上部電極と、前記圧電膜の厚み方向他表面上に少なくとも一部が積層される下部電極とを含んで構成され、前記基板の厚み方向一表面上に、前記基板との間に空隙を形成するように配置される共振器本体と、前記上部電極の前記圧電膜と接する面と反対側の面を被覆する第１保護膜と、前記第１保護膜と同じ材料からなり、前記下部電極の前記圧電膜と接する面と反対側の面を被覆する第２保護膜と、を含むものである。
【０００８】
また、本発明の圧電共振器は、上記構成において、前記共振器本体の周縁端部における前記空隙を臨む部分の内壁面は、前記基板の厚み方向一表面とのなす角が鋭角となる傾斜面となっており、前記内壁面の前記傾斜面には、前記空隙に通じる貫通孔が設けられているものである。
【０００９】
また、本発明の圧電共振器は、上記構成において、前記第１保護膜と前記第２保護膜とは、前記共振器本体の前記貫通孔に露出する面に延在し互いに接続されることで一体的に形成されているものである。
【００１０】
また、本発明の圧電共振器は、上記構成において、前記傾斜面は、前記基板の厚み方向一表面とのなす角が異なる第１傾斜面と第２傾斜面とを有しているものである。
【００１１】
また、本発明の圧電共振器は、上記構成において、前記貫通孔は、前記第１傾斜面と前記第２傾斜面との境界部を跨ぐように形成されているものである。
【００１２】
また、本発明の圧電共振器は、上記構成において、前記第１保護膜と前記第２保護膜とは、酸化ケイ素からなる、ものである。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、外部環境や空隙に曝される共振器本体を構成する上部電極および下部電極を保護膜が被覆していることにより、上部電極および下部電極の変質を防ぐことができ、その結果、安定した共振特性を得ることのできる、信頼性の高い圧電共振器を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
図１は、本発明の実施の一形態である圧電共振器１の構成を示す断面図である。なお、以下の図面においても同様だが、同様の箇所には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。
【００１５】
圧電共振器１は、基板１６と、基板１６の厚み方向一表面上に形成される共振器本体１７と、基板１６および共振器本体１７で囲まれる空隙１５と、共振器本体１７を貫通し、空隙１５と連通する貫通孔１４とを含んで構成される。基板１６は、圧電共振器１のベース部材である。基板１６は、略直方体形状を有し、厚みが０．０５〜１．０ｍｍ程度に選ばれる。基板１６は、Ｓｉ（シリコン）、ＧａＡｓ（ガリウムヒ素）などによって形成される。
【００１６】
共振器本体１７は、圧電膜１１と、圧電膜１１の厚み方向一表面上に少なくとも一部が積層される上部電極１３と、圧電膜１１の厚み方向他表面上に少なくとも一部が積層される下部電極１２とを含んで構成される積層体である。
【００１７】
そして、圧電共振器１では、共振器本体１７を構成する圧電膜１１と上部電極１３と下部電極１２とが重なる部分のうち、空隙１５に臨む部分の内壁面によって共振部１８が形成される。共振部１８の設計により、圧電共振器１の共振特性が決定される。
【００１８】
ここで、共振器本体１７の上部電極１３のうち、圧電膜１１と接する面と反対の面を被覆するように第１保護膜３１が、共振器本体１７の下部電極１２のうち、圧電膜１１と接する面と反対の面を被覆するように第２保護膜３２が、それぞれ設けられている。このように、第１及び第２保護膜３１，３２により、上部電極１３および下部電極１２のうち共振部１８を構成する部分は外部環境に露出することなく保護されている。これにより、上部電極１３および下部電極１２のうち共振部１８を構成する部分を、外部からの衝撃や水分の浸入による変質，付着物による共振特性の変化等から保護することができるので、信頼性の高い圧電共振器を提供することができる。
【００１９】
これら第１および第２保護膜３１，３２は、同じ材料からなり、外部環境に対して安定した特性を有し、各電極１２，１３を保護することのできる材料であれば特に限定はされないが、例えば、耐衝撃性，耐薬品性の点から酸化ケイ素等を用いることが好ましい。酸化ケイ素からなるときには、保護膜が温度補償膜としても機能するため、信頼性が高く、かつ温度特性の優れた圧電共振器を提供することができる。また、その他にも、水分から保護するために、窒化ケイ素を用いたり、生産性を考慮して各種樹脂材料を用いたりすることもできる。また、多層構造としてもよい。
【００２０】
次に共振器本体１７を構成する各層について説明する。
【００２１】
圧電膜１１は、ＺｎＯ（酸化亜鉛）、ＡｌＮ（窒化アルミニウム）およびＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）などの圧電材料からなり、上部電極１３および下部電極１２によって印加される高周波電圧に応じて伸縮し、電気的な信号を機械的な振動に変換する機能を有する。圧電共振器１が必要な共振特性を発揮するために、圧電膜１１の厚みは、圧電膜１１を形成する材料の固有音響インピーダンスおよび密度、圧電膜１１を伝播する音響波の音速および波長などを考慮して、精密に選ぶ必要がある。圧電膜１１の最適な厚みは、圧電共振器１を用いて構成される電子回路で使用する信号の周波数、後述する共振部１８の設計寸法、圧電膜材料、電極材料によって異なるが、例えば、０．２〜３．０μｍ程度に選ばれる。
【００２２】
下部電極１２は、圧電膜１１の厚み方向他表面上に少なくとも一部が積層される。つまり、下部電極１２は、積層体である共振器本体１７において最下層となり、基板１６の厚み方向一表面上に形成される。下部電極１２は、圧電膜１１に高周波電圧を印加する機能を有する部材であり、Ｗ（タングステン）、Ｍｏ（モリブデン）、Ａｕ（金）、Ａｌ（アルミニウム）およびＣｕ（銅）などの金属材料を用いて形成される。また下部電極１２は、電極としての機能と同時に、後述する共振部１８を構成する機能も有するので、圧電共振器１が必要な共振特性を発揮するために、その厚みは、下部電極１２を形成する材料の固有音響インピーダンスおよび密度、下部電極１２を伝播する音響波の音速および波長などを考慮して、精密に選ぶ必要がある。下部電極１２の最適な厚みは、圧電共振器１を用いて構成される電子回路で使用する信号の周波数、共振部１８の設計寸法、圧電膜材料、電極材料によって異なるが、０．０３〜１．０μｍ程度に選ばれる。上部電極１３は、下部電極１２とともに、圧電膜１１に高周波電圧を印加する機能を有する部材であり、下部電極１２と同様に構成される。
【００２３】
空隙１５は、基板１６と共振器本体１７とで囲まれる空洞であり、圧電膜１１の振動を可能にする共振領域であるキャビティとなっている。空隙１５を構成する共振器本体１７の内壁面は、中央部において基板１６の厚み方向一表面に対して間隙を有して平行な面となる空隙平坦面１５ａであり、周縁端部において基板１６の厚み方向一表面とのなす角が鋭角となる傾斜面１５ｂとなるように構成されている。共振器本体１７を構成する圧電膜１１、上部電極１３および下部電極１２のそれぞれの表面は、前述した空隙１５を形成する内壁面の形状に応じて、起伏が形成される。
【００２４】
空隙１５を形成する共振器本体１７の内壁面がその周縁端部において、基板１６表面とのなす角が鋭角となる傾斜面１５ｂとなるように構成される。一方、周縁端部において基板１６表面に対して垂直となるように構成される場合がある。両者を比較すると、本実施形態の構成は、より周縁端部に対応する共振器本体１７の圧電膜１１、上部電極１３および下部電極１２のそれぞれには、過大な応力の蓄積と集中が発生するのが減少でき、破損の発生を抑制することができる。
【００２５】
また、本実施の形態では、空隙１５を形成する共振器本体１７の内壁面において、空隙平坦面１５ａと基板１６の厚み方向一表面との間隙は、２．６〜４．０μｍ程度に設定され、共振器本体１７の内壁面の周縁端部における傾斜面１５ｂと基板１６表面とのなす角度θは１．１４°以上５６．３°以下に設定される。
【００２６】
圧電共振器１では、共振器本体１７を構成する圧電膜１１と上部電極１３と下部電極１２とが重なる部分のうち、空隙１５に臨む部分の内壁面によって共振部１８が形成される
。共振部１８の厚みは、おおむねλ／２（λは使用する信号の周波数での音響波の波長）となるように設計される。共振部１８の厚み方向から見た形状、すなわち平面形状は、略矩形状である。なおスプリアス抑制のために共振部１８の平面形状を非対称の形状にしてもよい。本実施の形態では、共振部１８は直方体形状に形成される。また共振部１８の厚み方向に垂直な断面における面積は、圧電共振器１のインピーダンスを決定する要素となるので、厚みと同様に精密に設計する必要がある。５０Ωのインピーダンス系で圧電共振器１を使用する場合は、共振部１８の電気的なキャパシタンスが、使用する信号の周波数でおおむね５０Ωのリアクタンスを持つように選ばれる。本実施の形態では、共振部１８の厚み方向に垂直な断面における面積は、たとえば２ＧＨｚの圧電共振器１の場合であれば、２００μｍ×２００μｍ程度に選ばれる。
【００２７】
圧電共振器１に設けられる貫通孔１４は、共振器本体１７を、基板１６表面に直交する方向に貫通し、空隙１５を形成する共振器本体１７の傾斜面１５ｂに開口して形成される。そして、本実施の形態では、貫通孔１４の孔径は、例えば１０μｍ程度である。このように、貫通孔１４が共振器本体１７の傾斜面１５ｂに開口するように設けられているので、空隙平坦面１５ａに開口するように設けられる場合に比べて、貫通孔１４が共振部１８に与える影響が小さい。それ故、共振特性に優れた圧電共振器１とすることができる。また、共振器本体１７の空隙平坦面１５ａに開口するように設けられる場合に比べて、孔径は同じでも、貫通孔１４の空隙１５側の開口面積が大きなものとなる。詳細は後述するが、圧電共振器１は、空隙１５に対応する部分に形成される犠牲層を、貫通孔１４を介してエッチング剤によって除去して製造される。本実施形態の圧電共振器１は、貫通孔１４の空隙１５側の開口面積が大きいので、エッチング剤による犠牲層除去効率が向上し、空隙１５内に犠牲層の一部が残留するのが抑制されたものとなる。そのため、圧電共振器１としての共振特性が損なわれるのが抑制され、優れた共振特性を有する圧電共振器１となる。特に、空隙１５に露出する下部電極１２は他の共振器本体１７を構成する膜に比べて、エッチング剤の残渣等による影響で変質する可能性が高い。これに対して、本実施形態では、貫通孔１４の開口面積を大きくすることで、エッチング残渣等の残留を大幅に抑制するとともに、第２保護膜３２により下部電極１２を保護することで、二重に下部電極１２の変質が抑制され、信頼性の高い圧電共振器１となる。
【００２８】
次に、図２は、本発明の圧電共振器の実施形態の他の例を示す断面図である。図２に示す圧電共振器２は、図１に示す圧電共振器１とは、第１および第２保護膜３１，３２が共振部１８の貫通孔１４に露出する面を覆い、一体的に形成されている点で異なる。
【００２９】
このように、第１および第２保護膜３１，３２が、共振部１８の貫通孔１４に露出する面を覆い、一体的に形成されていることから、上部及び下部電極１２，１３の表面だけでなく、その側面も、外部環境に露出する圧電膜１１の表面および側面も被覆することができる。すなわち、圧電共振器２の共振特性を決定する共振部１８全面を被覆することができるので、より信頼性の高い圧電共振器を提供することができる。
【００３０】
次に、図３は、本発明の圧電共振器の実施形態の更に他の例を示す要部拡大断面図である。具体的には、図１において破線で囲む部分に相当する部分を示している。図３に示す圧電共振器は、図１に示す圧電共振器１とは、共振器本体１７の傾斜面の形状が異なる。
【００３１】
具体的には、本実施の形態では、２つの傾斜面である第１空隙傾斜面１５ｃと第２空隙傾斜面１５ｄとを有する。第１空隙傾斜面１５ｃは、第２空隙傾斜面１５ｄよりも基板１６の厚み方向一表面側に位置し、第１空隙傾斜面１５ｃが基板１６表面となす角度θ１は、第２空隙傾斜面１５ｄが基板１６表面となす角度θ２よりも小さく設定されている。このように、共振器本体１７の構成部材に対する応力集中を減少させ、破損の発生を抑制するという観点からは、共振器本体１７の内壁面の周縁端部における傾斜面は、基板１６の厚み方向一表面とのなす角が異なる複数の傾斜面を有することが好ましい。なお、第１空隙傾斜面１５ｃと基板１６表面とのなす角度θ１は、１．１４°以上２６．５°未満に設定され、第２空隙傾斜面１５ｄと基板１６表面とのなす角度θ２は、２６．５°以上５６．３°以下に設定される。
【００３２】
また、理由については後述するが、貫通孔１４は、第１空隙傾斜面１５ｃと第２空隙傾斜面１５ｄとの境界部を跨ぐように形成されることが好ましい。
【００３３】
次に、本発明における圧電共振器の製造方法の一例について説明する。図４は、図２に示す本発明の実施の一形態である圧電共振器２の製造方法を示す工程図である。圧電共振器２の製造方法は、半導体製造技術を利用するものであり、大きくは以下のように４つの工程からなる。
【００３４】
［基板準備工程］
基板準備工程では、共振器形成用基板を準備する。準備する共振器形成用基板は、基板１６表面上に、犠牲層と共振器本体１７とが積層されたものである。
【００３５】
（ａ）基板１６の準備および犠牲層の形成工程
圧電共振器１に用いられる基板１６は、Ｓｉ（シリコン）やＧａＡｓ（ガリウムヒ素）などからなる板状部材であり、本実施の形態では、シリコン基板を用いた例について説明する。また、犠牲層は、製造する圧電共振器２の空隙１５に対応する部分であり、本実施の形態では、共振器本体１７の内壁面である空隙平坦面１５ａ、傾斜面１５ｂおよび基板１６によって囲まれて形成される空隙１５に対応して、犠牲層２１を基板１６表面上に形成する。
【００３６】
まず、図４（ａ）に示すように、基板１６の厚み方向一表面の全面にわたって犠牲層２１を形成する。犠牲層２１は、ＳｉＯ２（二酸化ケイ素）やＰＳＧ（リンドープガラス
）からなり、単一の層でも、これらを順に積層したものでもよい。ＳｉＯ２からなる犠牲層２１は、シリコン基板１６の表面を加熱処理し、熱酸化させることで形成することができ、その厚みは、加熱処理の処理条件、加熱温度、加熱時間などにより制御することが可能であり、例えば０．１〜１．０μｍに設定される。また、ＰＳＧからなる犠牲層２１は、ＣＶＤ（Chemical Vapor deposition）法によって形成することができ、その厚みは、ＣＶＤ処理時の温度や時間などの処理条件により制御することが可能であり、例えば２．５〜３．０μｍに設定される。このように比較的厚く形成しても、ＰＳＧはエッチング速度が速いため後述する犠牲層エッチング工程において比較的短時間でエッチングを行うことができる。また、犠牲層２１の表面は、ＣＭＰ（Chemical Mechanical Polishing）装置を用いて表面平滑化されてもよい。
【００３７】
（ｂ）犠牲層のパターニング工程
図４（ｂ）に示すように、基板１６の一表面の全面にわたって形成した犠牲層２１を、パターニングにより空隙１５に対応した形状にする。
【００３８】
犠牲層２１のパターニングは、半導体製造プロセスにおける酸化絶縁膜の公知のパターニング技術を利用することができ、たとえばフォトリソグラフィ技術により、容易に設けることができる。パターニングの一例としては、犠牲層２１上にポジレジストをスピンコートなどにより塗布し、露光、現像してレジストをパターンニングしてマスクを形成する。そののちフッ酸水溶液に浸漬して、空隙１５に対応した形状を有する犠牲層２１を得る。
【００３９】
（ｃ）積層体である共振器本体１７の形成工程
図４（ｃ）に示すように、空隙１５に対応した形状を有する犠牲層２１の上に、下部電極１２、圧電膜１１および上部電極１３からなる共振器本体１７を形成する。
【００４０】
まず、基板１６表面および犠牲層２１表面の少なくとも一部に下部電極１２を形成する。下部電極１２は、スパッタリング法やＣＶＤ法などによって形成することができる。次に、基板１６の厚み方向から平面視したときの全面、すなわち下部電極１２表面、下部電極１２が積層されていない犠牲層２１表面、下部電極１２および犠牲層２１が積層されていない基板１６表面のそれぞれを覆うように圧電膜１１を形成する。圧電膜１１は、スパッタリング法やＣＶＤ法などによって形成することができる。次に、圧電膜１１表面の少なくとも一部に上部電極１３を形成する。このとき、上部電極１３は、少なくとも一部が、圧電膜１１および下部電極１２を介して犠牲層２１と対向するように形成される。
【００４１】
以上のようにして、基板準備工程では、基板１６表面上に、犠牲層２１、下部電極１２、圧電膜１１および上部電極１３が積層された共振器形成用基板を準備する。
【００４２】
［貫通孔形成工程］
貫通孔形成工程では、図４（ｄ）に示すように、基板準備工程で準備した共振器形成用基板を構成する共振器本体１７を、基板１６表面に直交する方向に、犠牲層２１の傾斜面まで到達する貫通孔１４を形成する。貫通孔１４の形成方法は、半導体製造プロセスにおけるビア形成技術を利用することができ、たとえばフォトリソグラフィ技術により、容易に設けることができる。貫通孔１４は、たとえば犠牲層２１の平面形状が略正方形をなしている場合は、正方形の各頂点の近傍に、４箇所設けるようにすればよい。
【００４３】
このとき、犠牲層２１の傾斜面まで到達する貫通孔１４を形成するので、形成された貫通孔１４は、第２犠牲層２２の平坦面まで貫通するように形成されたものよりも、孔径は同じでも、貫通孔１４の犠牲層側の開口面積が大きなものとなる。
【００４４】
［犠牲層エッチング工程］
犠牲層エッチング工程では、図４（ｅ）に示すように、貫通孔１４を介してエッチング剤によって犠牲層２１を除去し、基板１６と共振器本体１７とで囲まれる空隙１５を形成する。犠牲層２１のエッチング除去は、半導体製造プロセスにおけるエッチング技術を利用することができ、犠牲層の材質に応じたエッチング剤を用いて容易に行うことができる。エッチング剤は、エッチング液またはエッチングガスで、種々のエッチング条件に応じてウェットエッチング、ドライエッチングのいずれかを選択すればよい。本実施の形態では、犠牲層２１をウェットエッチングにより除去する。エッチング剤としてフッ酸水溶液をエッチング液として用い、所定の温度条件でエッチングを行う。
【００４５】
このとき、前述したように、犠牲層２１の傾斜面まで貫通するように形成された貫通孔１４の犠牲層側の開口面積は、平坦面まで貫通するように形成された場合に比べて、孔径は同じでも、大きな開口面積となるので、貫通孔１４を介してエッチング剤によって１犠牲層２１を除去するときの犠牲層除去効率が向上されている。そのため、犠牲層２１を効率よく完全にエッチング除去することができ、形成する空隙１５内に犠牲層の一部が残留するのを抑制することができる。また、貫通孔１４は、共振器本体１７における周縁端部側に形成されているので、貫通孔１４を流過して空隙１５内に進入してきたエッチング剤には流れが生じる。このエッチング剤の空隙１５内での流れによって、エッチング速度も向上する。
【００４６】
［エッチング剤除去工程］
エッチング剤除去工程では、犠牲層エッチング工程において形成した空隙１５内に残留するエッチング剤を、貫通孔１４を介して除去する。まず、エッチング剤が残留する空隙１５内に、貫通孔１４を介して純水やＩＰＡ（イソプロパノール）などのリンス溶剤を充填し、これらのリンス溶剤で空隙１５内部を洗浄する。空隙１５内の洗浄が終了すると、乾燥機を用いてリンス溶剤を揮発させる。
【００４７】
なお、犠牲層エッチング工程において、ドライエッチング法によって犠牲層をエッチング除去した場合には、エッチング剤であるエッチングガスが空隙１５内から完全に排気されるように、真空排気を繰り返すようにすればよい。
【００４８】
〔保護膜形成工程〕
保護膜形成工程では、図２（ｆ）に示すように、第１および第２保護膜３１，３２を共振部１８を覆うように形成する。具体的には、ＣＶＤ法などにより上部電極１３の上面および側面，下部電極１２の下面および側面，貫通孔１４に露出する共振部１８の側面を覆い、一体的に形成する。ここで、貫通孔１４は、共振器本体１７における周縁端部側に形成されているので、貫通孔１４を流過して空隙１５内に進入してきたキャリアガスには流れが生じる。このキャリアガスの空隙１５内での流れによって、下部電極１２の下面側や、貫通孔１４の側面などにも効率よく成膜することができる。
【００４９】
以上のように、基板準備工程で基板１６表面上に犠牲層２１および共振器本体１７が積層された共振器形成用基板を準備し、貫通孔形成工程で共振器形成用基板を構成する共振器本体１７を、基板１６表面に直交する方向に、犠牲層２１の傾斜面まで貫通する貫通孔１４を形成し、犠牲層エッチング工程で貫通孔１４を介してエッチング剤によって第１犠牲層２１および第２犠牲層２２を除去して空隙１５を形成し、エッチング剤除去工程で空隙１５内に残留するエッチング剤を、貫通孔１４を介してリンス溶剤によって除去し、リンス溶剤を揮発乾燥させて、保護膜形成工程で共振部１８を覆う第１および第２保護膜３１，３２を形成することで、圧電共振器２を製造することができる。
【００５０】
なお、図３に示すように、共振器本体１７の傾斜面が複数の傾斜面を有する構成とする場合には、基板準備工程において、犠牲層２１を材料の異なる２種類以上の層を積層させることで形成し、そのパターニング工程において、材料によるエッチング速度の違いを利用して、各層の側面の傾斜面の角度を異ならせればよい。
【００５１】
さらに、図３に示すように、貫通孔１４を、第１および第２傾斜面１５ｃ、ｄを跨ぐように形成すると、以下のような利点があるため好ましい。
【００５２】
基板１６表面とのなす角度が異なる傾斜面である犠牲層２１の傾斜面の境界部を含む領域まで貫通するように形成された貫通孔１４からは、境界部において干渉縞を視認することができる。すなわち、貫通孔１４が犠牲層２１に到達したときに干渉縞が顕在化される。これにより貫通孔１４の底面に現れる干渉縞を確認することによって、貫通孔１４が犠牲層２１まで到達したことを簡単に確認することができる。従来のように平坦部分に貫通孔１４を設けた場合、犠牲層に角度の異なる傾斜面がないため干渉縞が現れないか、現れたとしてもほとんど見えないため、貫通孔を目視や金属顕微鏡等により観察していても貫通孔１４が犠牲層まで到達する前後でほとんど状態が変わらない。そのため、従来は貫通孔１４が犠牲層まで到達したことを確認するには、大がかりな装置を用いたり、貫通孔１４が犠牲層に到達する際の条件出しを行う必要があるなど圧電共振器の製造工程が複雑化し生産性向上の妨げとなっていた。また貫通孔１４が犠牲層まで到達したか否かの確認作業を省いた場合や、貫通孔を形成する際の条件が変わった場合などは、貫通孔１４が犠牲層まで到達していない状態でこの後に続く犠牲層のエッチングを行うことがあり、この場合は、犠牲層がうまく除去されないといった問題や犠牲層を完全に除去するのに非常に時間がかるといった問題が生じることとなる。
【００５３】
これに対し貫通孔１４を、第１および第２傾斜面１５ｃ、ｄを跨ぐように形成すると、角度の異なる犠牲層２１の傾斜面の境界部を跨ぐ位置に貫通孔１４を設けるようにしたことで、貫通孔１４が犠牲層に到達した際に干渉縞を生じさせることができ、この干渉縞を利用することによって簡単かつ確実に貫通孔１４を第２犠牲層２１まで到達させることが可能となる。
【００５４】
さらに境界部において顕在化する干渉縞は、犠牲層エッチング工程において、犠牲層エッチング終点をモニタする指標として利用することができる。このような干渉縞３２を検出する方法としては、目視でもよいし、金属顕微鏡などの光学検出装置を用いて検出することもできる。
【００５５】
なお、本願発明の圧電共振器は、上述の実施の形態に限定されることなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々の変更を行うことができる。
【００５６】
例えば、図１〜３では、貫通孔１４は、共振器本体17の傾斜面１５ｂに形成されている場合を例に説明したが、空隙平坦面１５ａに設けてもよい。また、空隙１５は、共振器本体１７が空隙平坦面１５ａを傾斜面１５ｂが持ち上げるよう支えて、基板１６に対して上に凸の形状を構成することで形成されている場合を例に説明したが、基板１６に凹部を設け、それを塞ぐように平坦な共振器本体１７を配置することで形成してもよいし、基板１６上にスペーサー等を介して平坦な共振器本体１７を配置することで形成してもよい。
【００５７】
また、図１，図２，図４では、貫通孔１４は、基板１６の表面と直交する方向に形成された例を用いて説明したが、貫通孔１４は空隙１５と共振器本体１７の上面とが連通するように設けられていればよく、貫通孔１４の形状や角度は適宜自由に設定できる。
【００５８】
また、図４において、犠牲層２１上に下部電極１２を成膜するための下地層を設けてもよい。その場合には、第２保護膜３２と下部電極１２との間に下地層が介在していてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００５９】
【図１】本発明の実施の一形態である圧電共振器の構成を示す断面図である。
【図２】本発明の実施のほかの形態である圧電共振器の構成を示す断面図である。
【図３】本発明の実施のさらにほかの形態である圧電共振器の構成を示す要部拡大断面図である。
【図４】本発明の実施の一形態である圧電共振器１の製造方法を示す工程図である。
【符号の説明】
【００６０】
１ 圧電共振器
１１ 圧電膜
１２ 下部電極
１３ 上部電極
１４ 貫通孔
１５ 空隙
１５ａ 空隙平坦面
１５ｂ 傾斜面
１５ｃ 第１空隙傾斜面
１５ｄ 第２空隙傾斜面
１６ 基板
１７ 共振器本体
１８ 共振部
２１ 犠牲層
３１ 第１保護膜
３２ 第２保護膜
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、
圧電膜と、前記圧電膜の厚み方向一表面上に少なくとも一部が積層される上部電極と、前記圧電膜の厚み方向他表面上に少なくとも一部が積層される下部電極とを含んで構成され、前記基板の厚み方向一表面上に、前記基板との間に空隙を形成するように配置される共振器本体と、
前記上部電極の前記圧電膜と接する面と反対側の面を被覆する第１保護膜と、
前記第１保護膜と同じ材料からなり、前記下部電極の前記圧電膜と接する面と反対側の面を被覆する第２保護膜と、
を含む圧電共振器。
【請求項２】
前記共振器本体の周縁端部における前記空隙を臨む部分の内壁面は、前記基板の厚み方向一表面とのなす角が鋭角となる傾斜面となっており、
前記内壁面の前記傾斜面には、前記空隙に通じる貫通孔が設けられている、請求項１記載の圧電共振器。
【請求項３】
前記第１保護膜と前記第２保護膜とは、前記共振器本体の前記貫通孔に露出する面に延在し互いに接続されることで一体的に形成されている、請求項２記載の圧電共振器。
【請求項４】
前記傾斜面は、前記基板の厚み方向一表面とのなす角が異なる第１傾斜面と第２傾斜面とを有している請求項２または３記載の圧電共振器。
【請求項５】
前記貫通孔は、前記第１傾斜面と前記第２傾斜面との境界部を跨ぐように形成されている請求項４記載の圧電共振器。
【請求項６】
前記第１保護膜と前記第２保護膜とは、酸化ケイ素からなる、請求項１乃至５のいずれかに記載の圧電共振器。
【請求項１】
基板と、
圧電膜と、前記圧電膜の厚み方向一表面上に少なくとも一部が積層される上部電極と、前記圧電膜の厚み方向他表面上に少なくとも一部が積層される下部電極とを含んで構成され、前記基板の厚み方向一表面上に、前記基板との間に空隙を形成するように配置される共振器本体と、
前記上部電極の前記圧電膜と接する面と反対側の面を被覆する第１保護膜と、
前記第１保護膜と同じ材料からなり、前記下部電極の前記圧電膜と接する面と反対側の面を被覆する第２保護膜と、
を含む圧電共振器。
【請求項２】
前記共振器本体の周縁端部における前記空隙を臨む部分の内壁面は、前記基板の厚み方向一表面とのなす角が鋭角となる傾斜面となっており、
前記内壁面の前記傾斜面には、前記空隙に通じる貫通孔が設けられている、請求項１記載の圧電共振器。
【請求項３】
前記第１保護膜と前記第２保護膜とは、前記共振器本体の前記貫通孔に露出する面に延在し互いに接続されることで一体的に形成されている、請求項２記載の圧電共振器。
【請求項４】
前記傾斜面は、前記基板の厚み方向一表面とのなす角が異なる第１傾斜面と第２傾斜面とを有している請求項２または３記載の圧電共振器。
【請求項５】
前記貫通孔は、前記第１傾斜面と前記第２傾斜面との境界部を跨ぐように形成されている請求項４記載の圧電共振器。
【請求項６】
前記第１保護膜と前記第２保護膜とは、酸化ケイ素からなる、請求項１乃至５のいずれかに記載の圧電共振器。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図２】
【図３】
【図４】
【公開番号】特開２０１０−１５４２３３（Ｐ２０１０−１５４２３３Ａ）
【公開日】平成２２年７月８日（２０１０．７．８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−３３０３０３（Ｐ２００８−３３０３０３）
【出願日】平成２０年１２月２５日（２００８．１２．２５）
【出願人】（０００００６６３３）京セラ株式会社 (13,660)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年７月８日（２０１０．７．８）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年１２月２５日（２００８．１２．２５）
【出願人】（０００００６６３３）京セラ株式会社 (13,660)
【Ｆターム（参考）】
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