壓電薄膜諧振器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種壓電薄膜諧振器，所述壓電薄膜諧振器包括：基板；壓電膜，所述壓電膜設(shè)置在所述基板上，并且包括第一膜和第二膜，所述第一膜由含有添加元素的氮化鋁膜制成，所述第二膜設(shè)置在所述第一膜的上表面和下表面上，并由以低于第一膜的濃度含有所述添加元素的氮化鋁膜制成；和下電極和上電極，所述上電極和下電極設(shè)置成夾持所述壓電膜。
【專利說(shuō)明】壓電薄膜諧振器
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ] 本發(fā)明的某些方面涉及壓電薄膜諧振器。
【背景技術(shù)】
[0002]小型輕質(zhì)化表面聲波(SAW)濾波器一直用于以移動(dòng)電話為代表的移動(dòng)通信設(shè)備中使用的濾波器。SAW濾波器包括壓電基板和設(shè)置在所述壓電基板上的IDT(叉指換能器)，并且在由IDT的電極指間距(pitch)決定的頻率下運(yùn)行。
[0003]近年來(lái)，移動(dòng)通信設(shè)備的傳輸速率一直增加。因此，已經(jīng)開(kāi)發(fā)出在更高頻率下運(yùn)行的濾波器，但是SAW濾波器的頻率依賴于IDT的電極指間距，所以，減少電極指間距上存在限制。因此，難以滿足高頻率的需要。所以，壓電薄膜諧振器引發(fā)關(guān)注。壓電薄膜諧振器具有諧振部分，該諧振部分在基板上層疊有下電極、壓電膜和上電極，并且其頻率由諧振部分的厚度決定。因此，容易使壓電薄膜諧振器在高頻率下運(yùn)行。
[0004]例如，將氮化鋁膜用于壓電薄膜諧振器的壓電膜，但是氮化鋁的壓電常數(shù)和機(jī)電耦合系數(shù)小于其他壓電材料。為了增大壓電常數(shù)，已知在氮化鋁中添加鈧(Sc)的技術(shù)以及在基板和添加有Sc的氮化鋁膜之間提供Sc含有率不同的氮化鋁膜(例如，日本特開(kāi)2009-10926 號(hào)公報(bào))。
[0005]此外，已知通過(guò)形成第一壓電膜并對(duì)其進(jìn)行熱處理，然后在所述第一壓電膜上形成第二壓電膜來(lái)形成壓電膜的方法獲得結(jié)晶性良好的壓電膜(例如，日本特開(kāi)2007-277606號(hào)公報(bào))。另外，已知通過(guò)在改變膜形成條件時(shí)形成壓電膜的方法來(lái)在壓電薄膜諧振器中釋放應(yīng)力，并獲得良好的諧振特性(例如，日本特開(kāi)2003-60478號(hào)公報(bào))。已知通過(guò)層疊具有正諧振頻率溫度系數(shù)的壓電膜和具有負(fù)諧振頻率溫度系數(shù)的壓電膜的方法獲得良好的溫度特性和良好的諧振特性(例如，日本特開(kāi)2001-203558號(hào)公報(bào))。
[0006]在將含有添加元素的氮化鋁膜用作壓電薄膜諧振器的壓電膜時(shí)，諸如壓電膜的取向和膜應(yīng)力以及壓電膜和電極之間的粘合性等因素可引起諸如耦合系數(shù)、Q值和FOM(品質(zhì)因數(shù)(Figure of Merit), Q值與稱合系數(shù)的積)等特性的劣化。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0007]根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，提供了一種壓電薄膜諧振器，所述壓電薄膜諧振器包括:基板；壓電膜，所述壓電膜設(shè)置在所述基板上，并包括第一膜和第二膜，所述第一膜由含有添加元素的氮化鋁膜制成，所述第二膜設(shè)置在所述第一膜的上表面和下表面上，并由以低于第一膜的濃度含有所述添加元素的氮化鋁膜制成；和下電極和上電極，所述上電極和下電極設(shè)置成夾持所述壓電膜。
【專利附圖】
【附圖說(shuō)明】
[0008]圖1不出了第一實(shí)施方式的FBAR,其中圖1 (a)是第一實(shí)施方式的FBAR的俯視圖，圖1(b)是沿著圖1(a)中的A-A線截取的截面圖，圖1(c)是是沿著圖1(a)中的B-B線截取的截面圖；
[0009]圖2是說(shuō)明第一實(shí)施方式的FBAR的制造方法的截面圖；
[0010]圖3是說(shuō)明模擬中使用的未摻雜AlN的結(jié)構(gòu)的圖；
[0011]圖4是說(shuō)明AlN相對(duì)于二價(jià)元素和四價(jià)元素的總?cè)〈鷿舛鹊臋C(jī)電耦合系數(shù)的曲線圖；
[0012]圖5是第一比較例的FBAR的截面圖；
[0013]圖6是說(shuō)明AlN膜相對(duì)于Mg和Zr的總?cè)〈鷿舛鹊哪?yīng)力的圖。
[0014]圖7是說(shuō)明AlN膜相對(duì)于Mg和Zr的總?cè)〈鷿舛鹊膲弘姵?shù)的增加率的圖。
[0015]圖8是說(shuō)明AlN相對(duì)于二價(jià)元素和四價(jià)元素的總?cè)〈鷿舛鹊膲弘姵?shù)的增加率的曲線圖；
[0016]圖9是說(shuō)明AlN相對(duì)于二價(jià)元素和五價(jià)元素的總?cè)〈鷿舛鹊臋C(jī)電耦合系數(shù)的曲線圖。
[0017]圖10是包括溫度補(bǔ)償膜的FBAR的截面圖。
[0018]圖11示出了上述實(shí)施方式的FBAR的變型例，其中圖11(a)是上述實(shí)施方式的第一變型例的FBAR的截面圖；圖11 (b)是上述實(shí)施方式的第二變型例的FBAR的截面圖；和
[0019]圖12是SMR的截面圖。
【具體實(shí)施方式】
[0020]以下將參照附圖給出本發(fā)明實(shí)施方式的描述。
[0021]第一實(shí)施方式
[0022]第一實(shí)施方式描述了 FBAR(薄膜腔聲波諧振器)，其是作為實(shí)例的示例性壓電薄膜諧振器。圖1 (a)是第一實(shí)施方式的FBAR俯視圖，圖1 (b)是沿著圖1 (a)中的A-A線截取的截面圖，圖1(c)是是沿著圖1(a)中的B-B線截取的截面圖。如圖1(a)?圖1(c)所不，第一實(shí)施方式的FBAR100包括基板10、下電極12、壓電膜14和上電極16。
[0023]基板10可以例如是硅(Si)基板、砷化鎵(GaAs)基板或諸如玻璃基板等絕緣材料基板。
[0024]下電極12設(shè)置在基板10上。下電極12可以例如是包含鋁(Al)JIf (Cu)、鉻(Cr)、鑰(Mo)、鎢(W)、鉭(Ta)、鉬(Pt)、釕(Ru)、銠(Rh)和銥(Ir)中至少一種的金屬膜。下電極12可以是單層膜或多層膜。
[0025]壓電膜14設(shè)置在基板10和下電極12上。壓電膜14與例如下電極12的上表面接觸設(shè)置。壓電膜14具有c軸取向(其中c軸為主軸)的晶體結(jié)構(gòu)。壓電膜14包括第一膜14a和第二膜14b,第二膜14b與所述第一膜14a的上表面和下表面接觸設(shè)置。第一膜14a是含有添加兀素的氮化招(AlN)膜。第一實(shí)施方式描述了第一膜14a是含有二價(jià)兀素和四價(jià)元素的AlN膜的實(shí)例情形。第二膜14b是以低于第一膜14a的濃度含有添加元素的AlN膜。第一實(shí)施方式描述了第二膜14b是不含有添加兀素的AlN膜(即未摻雜AlN膜)的實(shí)例情形。
[0026]上電極16設(shè)置在壓電膜14上，以具有面向下電極12的區(qū)域。也就是說(shuō)，下電極12和上電極16設(shè)置為夾持壓電膜14的至少一部分。上電極16與例如壓電膜14的上表面接觸設(shè)置。下電極12和上電極16在壓電膜14之間彼此面對(duì)的區(qū)域是諧振部18。上電極16也可以是包含下電極12中列出的Al、Cu、Cr、Mo、W、Ta、Pt、Ru、Rh和Ir中的至少一
種的金屬膜，并且可以是單層膜或多層膜。
[0027]具有圓頂狀隆起的氣隙20設(shè)置在基板10和諧振部18的下電極12之間。圓頂狀隆起是具有以下形狀的隆起:從氣隙20的周邊部開(kāi)始離中心部的距離越近，氣隙20的高度越高。為了形成氣隙20而通過(guò)導(dǎo)入蝕刻劑形成的導(dǎo)入通路22設(shè)置在下電極12之下。導(dǎo)入通路22的末端附近未受到壓電膜14覆蓋，并且導(dǎo)入通路22的末端是孔洞24?？锥?4是導(dǎo)入形成氣隙20時(shí)使用的蝕刻劑的導(dǎo)入口。能夠與下電極12電連接的開(kāi)口 26設(shè)置在壓電膜14中。
[0028]當(dāng)在下電極12和上電極16之間施加高頻電信號(hào)時(shí)，由下電極12和上電極16夾持的壓電膜14內(nèi)部將產(chǎn)生由逆壓電效應(yīng)激發(fā)的聲波，或因壓電效應(yīng)應(yīng)變導(dǎo)致的聲波。此種聲波在下電極12和上電極16與空氣接觸的表面上進(jìn)行全反射，因此變成在厚度方向上具有主位移(primary displacement)的厚度振動(dòng)波。
[0029]接下來(lái)將參照?qǐng)D2 (a)~圖2 (h)說(shuō)明第一實(shí)施方式的FBAR的制造方法。圖2 (a)~圖2(d)是對(duì)應(yīng)于沿著圖1(a)中的A-A截取部分的截面，圖2(e)~圖2(h)是對(duì)應(yīng)于沿著圖1(a)中的B-B截取部分的截面。
[0030]如圖2(a)和圖2(e)所示，通過(guò)例如濺射或蒸發(fā)在基板10上形成犧牲層28。犧牲層28可以由例如氧化鎂(MgO)膜形成，并且可以被形成為用于形成其中要形成氣隙20的區(qū)域。犧牲層28的膜厚可以例如為20nm。然后，通過(guò)例如在氬(Ar)氣氛圍下濺射在基板10和犧牲層28上形成金屬膜。金屬膜選自前文所述的Al、Cu、Cr、Mo、W、Ta、Pt、Ru、Rh和Ir中的至少一種。然后，通過(guò)例如將金屬膜光刻和蝕刻成所需形狀而形成下電極12。在這點(diǎn)上，將下電極12的一部分制成為具有覆蓋犧牲層28的形狀。
[0031]如圖2 (b)和圖2 (·f)所示，通過(guò)例如在Ar和氮?dú)?N2)的混合氣體下濺射鋁靶而在表面經(jīng)清潔的基板10和下電極12上形成作為未摻雜AlN膜的第二膜14b。然后，無(wú)需從反應(yīng)室移除基板10，通過(guò)在Ar和隊(duì)的混合氣體氛圍下同時(shí)濺射Al靶、二價(jià)元素靶和四價(jià)元素靶而在第二膜14b上形成作為含有二價(jià)元素和四價(jià)元素的AlN膜的第一膜14a。然后，無(wú)需從反應(yīng)室移除基板10，通過(guò)在Ar和N2的混合氣體氛圍下濺射Al靶而在第一膜14a上形成作為未摻雜AlN膜的第二膜14b。這一過(guò)程形成了壓電膜14,其包括第一膜14a和設(shè)置于第一膜14a的上表面和下表面上的第二膜14b。在第一膜14a和第二膜14b之間的界面附近可能存在二價(jià)元素和四價(jià)元素濃度的濃度梯度。
[0032]如上所述，優(yōu)選在同一反應(yīng)室中連續(xù)形成第一膜14a和第二膜14b。這是因?yàn)榭梢苑乐沟谝荒?4a和第二膜14b之間的界面上形成諸如氧化膜等不需要的膜。當(dāng)在同一反應(yīng)室中連續(xù)形成膜時(shí)，在一直對(duì)Al靶放電的同時(shí)，可以通過(guò)調(diào)整施加至二價(jià)元素靶和四價(jià)元素靶的電功率，或者打開(kāi)或關(guān)閉二價(jià)元素靶和四價(jià)元素靶的閘門(shutter)而連續(xù)形成第一膜14a和第二膜14b。此外，出于裝置的任何理由，可以通過(guò)不同裝置形成第一膜14a和第二膜14b。在該情況下，在接觸空氣的表面上將形成氧化膜，因此優(yōu)選在進(jìn)行成膜前通過(guò)逆濺射除去氧化膜。此外，使用Al靶、二價(jià)元素靶和四價(jià)元素靶形成第一膜14a，但是也可以使用通過(guò)在Al中包含二價(jià)元素和四價(jià)元素而形成的Al合金靶。
[0033]如圖2(c)和圖2(g)所示，例如通過(guò)在Ar氣氛圍下濺射在壓電膜14上形成金屬膜。金屬膜也選自前文所述的六1、(:11、0^0、1、了&、？丨、1?11、詘和11'中的至少一種。然后，通過(guò)例如將金屬膜光刻和蝕刻成所需形狀而形成上電極16。然后，例如通過(guò)光刻和蝕刻將壓電膜14形成為所需形狀。此外，通過(guò)選擇性蝕刻下電極12和犧牲層28形成孔洞24。
[0034]如圖2 (d)和圖2 (f)所示，從孔洞24導(dǎo)入蝕刻劑以蝕刻犧牲層28。此處，將在包括下電極12、壓電膜14和上電極16的多層膜上的應(yīng)力預(yù)先設(shè)定為壓縮應(yīng)力。這使得該多層膜在犧牲層28的蝕刻完成時(shí)能夠隆起，由此在基板10和下電極12之間形成具有圓頂狀隆起的氣隙20。另外，還形成了連接氣隙20至孔洞24的導(dǎo)入通路22。通過(guò)上述制造過(guò)程形成第一實(shí)施方式的FBAR。
[0035]以下將說(shuō)明優(yōu)選使用含有二價(jià)元素和四價(jià)元素的AlN膜作為FBAR的壓電膜的原因。圖3是說(shuō)明模擬中使用的未摻雜AlN的結(jié)構(gòu)。使用所謂的第一性原理計(jì)算方法進(jìn)行模擬。將不使用擬合參數(shù)等計(jì)算電子狀態(tài)的方法總稱為第一性原理計(jì)算，其可以通過(guò)僅使用構(gòu)成單位晶格或分子的原子序數(shù)和原子坐標(biāo)計(jì)算電子狀態(tài)。如圖3所示，模擬中使用的未摻雜AlN具有16個(gè)鋁原子30和16個(gè)氮原子32。也就是說(shuō)，其具有纖鋅礦型晶體結(jié)構(gòu)，其是含有16個(gè)鋁原子30和16個(gè)氮原子32的超晶胞，通過(guò)在a軸、b軸和c軸方向上將含有2個(gè)鋁原子30和2個(gè)氮原子32的單位晶格加倍而獲得。通過(guò)同時(shí)移動(dòng)原子坐標(biāo)、晶胞(cell)體積和晶胞形狀而對(duì)具有該纖鋅礦晶體結(jié)構(gòu)的AlN進(jìn)行第一性原理計(jì)算，并計(jì)算出穩(wěn)定結(jié)構(gòu)中的未摻雜AlN的電子狀態(tài)。然后，對(duì)穩(wěn)定結(jié)構(gòu)的未摻雜AlN的晶格強(qiáng)制施加微小應(yīng)變，以通過(guò)第一性原理計(jì)算從此時(shí)刻的全能量的微小變化計(jì)算出未摻雜AlN的壓電常數(shù)、彈性常數(shù)和介電常數(shù)。
[0036]除了未摻雜A1N，還對(duì)具有下述晶體結(jié)構(gòu)的摻雜AlN進(jìn)行第一性原理計(jì)算，該晶體結(jié)構(gòu)中，圖3中的一個(gè)鋁原子30被二價(jià)元素取代，另一個(gè)鋁原子30被四價(jià)元素取代。也就是說(shuō)，通過(guò)第一性原理計(jì)算進(jìn)行計(jì)算的是具有下述纖鋅礦型晶體結(jié)構(gòu)的摻雜AlN的壓電常數(shù)、彈性常數(shù)和介電常數(shù)等材料常數(shù)，所述晶體結(jié)構(gòu)含有14個(gè)鋁原子、I個(gè)二價(jià)元素、I個(gè)四價(jià)元素和16個(gè)氮原子。此處，所提及的取代濃度是在將鋁原子數(shù)和添加元素原子數(shù)的總和定義為100原子％時(shí)，添加元素的原子濃度。因此，模擬中使用的摻雜AlN的二價(jià)元素和四價(jià)元素的取代濃度是6.25原子％。在模擬中，使用鈣(Ca)、鎂(Mg)、鍶(Sr)或鋅(Zn)作為二價(jià)元素，使用鈦(Ti)、鋯(Zr)或鉿(Hf)作為四價(jià)元素。以相同的比率添加二價(jià)元素和四價(jià)元素，以確保絕緣性，這是因?yàn)槎價(jià)元素和四價(jià)元素取代了三價(jià)鋁的位置。
[0037]此處，通過(guò)以下關(guān)系式I表達(dá)c軸方向的壓電常數(shù)e33、彈性常數(shù)C33和介電常數(shù)ε33與機(jī)電耦合系數(shù)k2的關(guān)系。
[0038][關(guān)系式I]
[0039]K2 =
￡33 X C3J
[0040]因此，可以通過(guò)利用第一性原理計(jì)算來(lái)計(jì)算未摻雜AlN和摻雜AlN的壓電常數(shù)、彈性常數(shù)和介電常數(shù)，從而計(jì)算未摻雜AlN和摻雜AlN的機(jī)電耦合系數(shù)。
[0041]表1列出了未摻雜AlN和摻雜AlN的壓電常數(shù)e33的計(jì)算值和由關(guān)系式I計(jì)算出的機(jī)電耦合系數(shù)k2。如表1所示，含有二價(jià)元素和四價(jià)元素的A1N(實(shí)例I~實(shí)例10)的壓電常數(shù)e33和機(jī)電稱合系數(shù)k2大于未摻雜AlN的數(shù)值(表1中的未摻雜AlN)。二價(jià)兀素和四價(jià)元素不限于表1中列出的那些，還可以是其他元素。
[0042]表1
【權(quán)利要求】
1.一種壓電薄膜諧振器，所述壓電薄膜諧振器包括: 基板； 壓電膜，所述壓電膜設(shè)置在所述基板上，并且包括第一膜和第二膜，所述第一膜由含有添加元素的氮化鋁膜制成，所述第二膜設(shè)置在所述第一膜的上表面和下表面上，并由以低于所述第一膜的濃度含有所述添加元素的氮化鋁膜制成；和 下電極和上電極，所述上電極和下電極設(shè)置成夾持所述壓電膜。
2.如權(quán)利要求1所述的壓電薄膜諧振器，其中， 所述添加元素是二價(jià)元素和四價(jià)元素，或者二價(jià)元素和五價(jià)元素。
3.如權(quán)利要求2所述的壓電薄膜諧振器，其中， 所述添加元素是二價(jià)元素和四價(jià)元素，所述二價(jià)元素包括鈣、鎂、鍶和鋅中的至少一種，所述四價(jià)元素包括鈦、鋯和鉿中的至少一種。
4.如權(quán)利要求2或3所述的壓電薄膜諧振器，其中， 所述添加元素是二價(jià)元素和四價(jià)元素，當(dāng)將所述第一膜中所述添加元素的原子數(shù)與所述氮化鋁膜的鋁原子數(shù)的總和定義為100原子％時(shí)，所述第一膜中所述添加元素的濃度為大于或等于3原子％且小于或等于30原子％。
5.如權(quán)利要求2所述的壓電薄膜諧振器，其中， 所述添加元素是二價(jià)元素和五價(jià)元素，所述二價(jià)元素包括鎂和鋅中的至少一種，所述五價(jià)元素二價(jià)元素包括鉭、鈮和釩中的至少一種。
6.如權(quán)利要求1?3中任一項(xiàng)所述的壓電薄膜諧振器，其中， 所述第二膜由不含添加元素的氮化鋁膜制成。
【文檔編號(hào)】H03H9/17GK103873009SQ201310692927
【公開(kāi)日】2014年6月18日 申請(qǐng)日期:2013年12月17日 優(yōu)先權(quán)日:2012年12月18日
【發(fā)明者】恩田陽(yáng)介 申請(qǐng)人:太陽(yáng)誘電株式會(huì)社