薄膜压电元件制造技术

一种薄膜压电元件，包括：硅衬底１；由硅衬底１上形成的氮化硅膜１６和在氮化硅膜１６的上侧形成的氧化硅膜２组成的介质膜２１；在介质膜２１上形成的下部电极３；在下部电极３上形成的压电体膜１７；以及在压电体膜１７上形成的上部电极５；其中，通过从硅衬底１的底面至氮化硅膜１６的边界面除去与包括上部电极５存在部位的区域相对的硅衬底１部位的厚度方向部分来形成通孔６。（*该技术在2020年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及利用弹性波的谐振器、滤波器等的薄膜压电元件。
技术介绍
附图说明图1和图2表示例如文献‘利用ZnO-SiO2复合薄膜构造的2次厚度振动模式的体弹性波器件’(日本音响学会讲演论文集，pp.691-692，昭和60年9月～10月(以下记为文献1))和文献‘GHz频带体波基本谐振子’((日本)电子信息通信学会志，Vol.81，No.5，pp.468-472，1998(以下记为文献2))中披露的以往的这种薄膜压电元件的图。图1是俯视图，图2是沿图1中的I-I线剖切的剖面图。在图中，1是硅(Si)衬底，2是硅衬底1上形成的氧化硅(SiO2)膜，3是氧化硅膜2上形成下部电极，4是下部电极3上形成的氧化锌(ZnO)组成的压电体膜，5是分为输入侧电极5a和输出侧电极5b、在压电体膜4上形成的上部电极，6是通孔。如果在上部电极5和下部电极3上施加电压，则在压电体膜4的内部产生电场。此时，通过该电场在压电体膜4上产生弹性变形。在施加电压是频率f的信号情况下，该变形也按相同的频率f来振动，激励弹性波。在图1和图2所示的构造的情况下，激励的弹性波在厚度方向上传播，在上部电极5的表面和氧化硅膜2下面的分别与空气接触的面上，反射厚度方向上传播的弹性波。因此，在上部电极5的表面和氧化硅膜2的下面之间为弹性波的二分之一波长的整数倍时，产生弹性的谐振。另一方面，在压电体膜4的内部，还产生平行于表面方向的弹性波的传播。此时的压电体膜4中的弹性波在比某个频率f0低的频率时变为截止模式，而在比某个频率f0高的频率时变为传播模式。该频率f0是截止频率，在压电体膜4表面的两面都为自由表面的情况时，压电体膜4的厚度2h与压电体膜4中厚度方向上传播的弹性波的二分之一波长一致的频率相当。在表面上是上部电极5的电极部的情况下，由于电极的厚度和质量负荷，所以电极部的截止频率fm0比只有下部电极3的无电极部的截止频率ff0低。因此，在从频率ff0至fm0之间的范围内，在电极部中，与截止频率fm0相比，是用于高频侧的截止模式，在无电极部中，与截止频率ff0相比，是用于低频侧的截止模式。因此，平行于表面传播的弹性波在上部电极5中成为能量吸持状态。而且，上部电极5内的输入侧电极5a和输出侧电极5b通过适当地设定都为同电位的对称模式的频率和相互为不同电位的非对称模式的频率，输入侧电极5a上施加的电信号以低损耗传送到输出侧电极5b。即，形成滤波器的通过区域。这样的滤波器的特性由压电体膜4的厚度、上部电极5的厚度2h、下部电极3的厚度、氧化硅膜2的厚度g、上部电极5的形状、以及输入侧电极5a和输出侧电极5b的间隔来决定。在文献1中，披露了根据压电体膜4的厚度2h和氧化硅膜2的厚度g决定的介质膜4归一化或度(g/h)为1.54和2.4时的例子。此外，在文献1中，披露了注重弹性波的温度特性和损耗的设计。在文献1中，披露了使用2次模式的弹性波的情况。上部电极5的表面和氧化硅膜2的下表面之间是弹性波二分之一波长的情况为基本模式(1次模式)，N为整数，N次模式是基本模式的N倍波长的情况。图3表示特开平6-350154号公报(以下记为文献3)中披露的以往的这种薄膜压电元件。图3是剖面图。基本的结构与图2所示的结构相同，但压电体膜7由锆钛酸铅(PZT)组成，下部电极3由钛(Ti)膜8和铂(Pt)膜9组成，上部电极5有钛膜10和金(Au)膜11组成。在文献3中，披露了由压电体膜7的厚度2h和下部电极3的厚度d决定的下部电极3的归一化厚度(d/h)为1.0时的例子。此外，在文献3中，披露了根据钛酸铅(PbTiO3)和锆酸铅(PbZrO3)的组成比可以实现良好的压电特性的情况。钛酸锆酸铅组成的压电体膜7，作为主振动，激励厚度纵向振动。此时，平行于表面传播的弹性波显示如图4所示的分散特性。图4的横轴表示将压电体膜7的厚度2h乘以平行于表面传播的弹性波的波数k的压电体膜7的归一化厚度、即归一化压电体厚度(2kh)，而纵轴是频率。图中，12表示厚度纵向振动的1次模式(TE1)的特性，13表示厚度切变振动的2次模式(TS2)的特性，14表示厚度切变振动的3次模式(TS3)的特性，15表示厚度纵向振动的2次模式(TE2)的特性。归一化压电体厚度是实数的区域为弹性波传播模式的区域，而虚数的区域是截止模式的区域。此外，与归一化压电体厚度为0的纵轴交点上的频率是截止频率f0。从图4可知，厚度纵向振动的1次模式(TE1)显示在纵轴的附近随着归一化压电体厚度增大而频率降低的特性。这种情况除了钛酸锆酸铅以外，即使以钛酸铅(PbTiO3)或钛酸锂(LiTiO3)或泊松比为三分之一以下的材料组成的厚度纵向振动为主振动的压电体膜也一样。如果显示图4中的厚度纵向振动的1次模式(TE1)这样的特性，则变成比有上部电极5的区域的截止频率ff0高的频率截止模式，比没有上部电极5区域的截止频率ff0低的频率的传播模式。因此，不能实现良好的能量吸持，损耗增大，并且受到上部电极5周围的影响，滤波器的特性偏差增大。作为避免它的方法，以往例如使用特公昭58-58828号公报(以下记为文献4)中披露的方法。即，在钛酸锆酸铅中加入添加物，使加入添加物的钛酸锆酸的泊松比达到三分之一以上，没有图4中的厚度纵向振动的1次模式(TE1)那样的特性，而显示在纵轴附近随着归一化压电体厚度增大而频率提高的特性，可以实现与使用氧化锌组成的压电体膜4情况同样的能量吸持。在泊松比超过三分之一的情况下，厚度纵向振动的1次模式(TE1)的截止频率比厚度滑移振动的2次模式(TS2)的截止频率高。在以往的这种薄膜压电元件中，可以实现能量吸持受限于由以厚度滑动振动为主振动的氧化锌这样的材料组成的压电体膜。因此，存在难以在滤波器要求的各种特性上灵活对应的问题。另一方面，在以厚度纵向振动为主振动的钛酸锆酸铅这样的材料组成的压电体膜中，难以实现原封不动的能量吸持，通过加入添加物来使泊松比达到三分之一以上，从而实现能量吸持。但是，文献4披露的方法只有烧结形成压电陶瓷的方法才能实现，在采用压电薄膜的情况下，难以良好地维持压电薄膜的膜质，存在薄膜压电元件的特性恶化这样的问题。本专利技术是用于解决上述问题的专利技术，目的在于获得使用以厚度纵向振动为主振动的压电体膜的可能量吸持的、比以往的特性良好的薄膜压电元件。专利技术概述本专利技术的薄膜压电元件包括衬底；由衬底上形成的氮化硅(SiN)膜和氮化硅膜的上侧形成的氧化硅(SiO2)膜组成的介质膜；在介质膜上形成的下部电极；在下部电极上形成的压电体膜；以及在压电体膜上形成的上部电极；其中，通过从衬底的底面至氮化硅膜的边界面除去与包括上部电极存在部位的区域相对的衬底部位的厚度方向部分来形成通孔。这样，通过氮化硅膜，具有以下效果可以防止用于形成通孔的腐蚀时的元件损坏，同时在形成通孔时，可以防止因内部应力造成的变形而恶化元件的特性。本专利技术的薄膜压电元件的氧化硅膜分别形成在氮化硅膜上和上部电极上。这样，通过在上部电极上形成的氧化硅膜，具有以下效果可以调整制造时的厚度误差，同时可以保护上部电极。本专利技术的薄膜压电元件的压电体膜以厚度纵向振动为主振动；氧化硅膜的厚度比氮化硅膜的厚度大，使得氮化硅膜的厚度不影响振动特性，并且，氧化硅膜的本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种薄膜压电元件，包括：衬底；由所述衬底上形成的氮化硅（ＳｉＮ）膜和所述氮化硅膜的上侧形成的氧化硅（ＳｉＯ↓［２］）膜组成的介质膜；在所述介质膜上形成的下部电极；在所述下部电极上形成的压电体膜；以及在所述压电体膜上形成的上部电极；其中， 通过从所述衬底的底面至所述氮化硅膜的边界面除去与包括所述上部电极存在部位的区域相对的所述衬底部位的厚度方向部分来形成通孔。

【技术特征摘要】
JP 1999-11-11 321594/991.一种薄膜压电元件，包括衬底；由所述衬底上形成的氮化硅(SiN)膜和所述氮化硅膜的上侧形成的氧化硅(SiO2)膜组成的介质膜；在所述介质膜上形成的下部电极；在所述下部电极上形成的压电体膜；以及在所述压电体膜上形成的上部电极；其中，通过从所述衬底的底面至所述氮化硅膜的边界面除去与包括所述上部电极存在部位的区域相对的所述衬底部位的厚度方向部分来形成通孔。2.如权利要求1所述的薄膜压电元件，其特征在于，所述氧化硅膜分别形成在氮化硅膜上和上部电极上。3.如权利要求1所述的薄膜压电元件，其特征在于，压电体膜以厚度纵向振动为主振动；氧化硅膜的厚度比所述氮化硅膜的厚度大，使得氮化硅膜的厚度不影响振动特性，并且，氧化硅膜的厚度为所述压电体膜厚度的1.5倍以上。4.一种薄膜压电元件，包括衬底；在所述衬底的上侧形成的介质膜；在所述介质膜上形成的密度10000(kg/m3)以上的导体组成的下部电极；在所述下部电极上形成的以厚度纵向振动为主振动的压电体膜；以及在所述压电体膜上形成的密度10000(kg/m3)以上的导体组成的上部电极；其中，在所述压电体膜的厚度为2h，所述介质膜的厚度为g，所述上部电极的密度为ρ1×1000(kg/m3)，所述上部电极的厚度为d1，所述下部电极的密度为ρ2×1000(kg/m3)，所述下部电极的厚度为d2，等价密度R为R＝(ρ1d1/h)+(ρ2d2/h)时，所述压电体膜的厚度和所述介质膜的厚度决定的所述介质膜的归一化厚度(g/h)在{0.15×R+2.8}以上。5.一种薄膜压电元件，包括衬底；在所述衬底的上侧形成的介质膜；在所述介质膜上形成的密度10000(kg/m3)以上的导体组成的下部电极；在所述下部电极上形成的以厚度纵向振动为主振动的压电体膜；以及在所述压电体膜上形成的密度10000(kg/m3)以上的导体组成的上部电极；其中，在所述压电体膜的厚度为2h，所述介质膜的厚度为g，所述上部电极的密度为...

【专利技术属性】
技术研发人员：三须幸一郎，吉田宪司，井幡光词，和高修三，永塚勉，内川英兴，山田朗，前田智佐子，
申请(专利权)人：三菱电机株式会社，
类型：发明
国别省市：JP[日本]