(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
シリコンの基板の上にダイヤモンド層を有する波長２μｍ以上１２μｍ以下の表面弾性波で用いる表面弾性波素子用ダイヤモンド基材において、該ダイヤモンド層に窒素が炭素に対する原子比で、５ｐｐｍから２９７０ｐｐｍ添加されていることを特徴とする表面弾性波素子用ダイヤモンド基材。
【請求項２】
請求項１に記載のダイヤモンド層が、少なくとも水素原子、炭素原子、窒素原子を含む原料ガスを用いたＣＶＤ法で形成され、該ガスの窒素の炭素に対する原子比が１０ｐｐｍ〜６０００ｐｐｍであることを特徴とする表面弾性波素子用ダイヤモンド基材の製造方法。
【請求項３】
請求項１に記載の基材上に少なくとも圧電体層と電極とを有する表面弾性波素子。
【請求項４】
請求項３記載の圧電体層が、ＺｎＯ、ＬｉＮｂＯ３、ＬｉＴａＯ３、ＡｌＮ、Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ３、（Ｐｂ，Ｌａ）（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ３、ＳｉＯ２，ＫＮｂＯ３、Ｌｉ２Ｂ４Ｏ７の少なくとも１種の化合物を主成分とする無機物質で構成されていることを特徴とする表面弾性波素子。
【請求項５】
最上層に、ＳｉＯ２層が付加されていることを特徴とする請求項４記載の表面弾性波素子。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、数百MHzからGHz帯の高い周波数領域で動作する表面弾性波素子用基材に関するものであり、更に、その基材と少なくとも圧電体とを組み合わせた表面弾性波素子に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
高い周波数での応用を考えて、ダイヤモンド層を利用した表面弾性波素子が開発されている。（特開昭64-62911号公報、特開平3-198412号公報）すなわち固体表面にエネルギーが集中して伝播する表面弾性波を利用した表面弾性波素子は、小型で性能の安定したものを作れることからテレビジョン受信機の中間周波フィルター等として利用されている。更に衛星通信や移動体通信等、通信の高周波数化に伴ってGHz帯で利用できる表面弾性波素子が必要とされ、基材材料の物質としては最大の速さの波の伝播速度を有するダイヤモンド層を用いたものが検討されている。
【０００３】
このダイヤモンド層を基材に用いた表面弾性波素子は、以下のように作成される。まず、Si等の基板の上に、気相合成によりダイヤモンド層を形成する。この気相合成されたダイヤモンド層の表面を研磨により平滑にする。さらに、この表面が平滑になった気相合成ダイヤモンド層を基材として、この上に櫛形電極と圧電体層を形成する。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上述のようなダイヤモンド層を基材に用いた表面弾性波素子では、表面弾性波がダイヤモンド層を伝播する際にエネルギーの損失が発生する。この損失は、表面弾性波の波長が短くなるほど、すなわち、使用周波数が高くなるほど増大する傾向があり、従来の低い周波数領域での水晶やLiTaO3あるいはLiNbO3を用いた表面弾性波フィルター素子に比して、ダイヤモンド層を用いた表面弾性波素子の利点が最も活かされるべき高い周波数領域での特性が低下してしまうという問題点があった。この発明は、上述の問題点を解決して優れた特性を有する表面弾性波素子にふさわしいダイヤモンド基材と併せてその製造方法を提供することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明に従う表面弾性波素子用基材及び素子では、少なくとも気相合成ダイヤモンド層と圧電体層と表面弾性波を励振する電極とが積層されており、その気相合成ダイヤモンド層に窒素が添加（ドーピング）されている。その窒素添加量は、１０ｐｐｍから２９７０ｐｐｍであることが望ましい。圧電体は、ＺｎＯ、ＬｉＮｂＯ３、ＬｉＴａＯ３、ＡｌＮ、Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ３、（Ｐｂ，Ｌａ）（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ３、ＳｉＯ２，ＫＮｂＯ３、Ｌｉ２Ｂ４Ｏ７のうち少なくとも１種の化合物を主成分とする無機物質で形成されていることが望ましい。
【０００６】
素子の温度特性を改善するために圧電体層上にSiO2層を付加した素子とすることもできる。又表面弾性波を励振する電極は、Al、Al-Cu、Al-Si-Cu、Al-Ti等、一般的に表面弾性波素子に用いられる電極材料を用いることができる。なお、本発明に従う表面弾性波素子の製造方法では、前記気相合ダイヤモンドが、少なくとも水素原子、炭素原子、窒素原子を含む原料ガスを用いたCVD法で形成されており、そのガスの窒素の炭素に対する原子比が10ppmから10000ppmであることを特徴とする。
【０００７】
【発明の実施の態様】
本発明による気相合成ダイヤモンド層は、窒素の炭素に対する原子比が１０ｐｐｍから６０００ｐｐｍである、少なくとも水素原子、炭素原子、窒素原子を含む原料ガスを用いたＣＶＤ法で形成されており、ダイヤモンド層中に５ｐｐｍから２９７０ｐｐｍの窒素を含有させた場合、結晶粒径の細かい緻密な層であって多結晶体であり、伝播する表面弾性波の波長が１μｍから１０μｍという短い波長であっても、表面弾性波のエネルギー損失が極めて小さくでき、素子の特性を大きく改善することができる。ダイヤモンド層中に窒素を２００００ｐｐｍ以上添加すると、かえって表面弾性波の速度が低下し伝播損失も増大する。
【０００８】
本願のダイヤモンド層は単結晶ではなく、多結晶体において、表面弾性波のエネルギー損失が極めて少ない素子が得られるのである。本発明においては、シリコン基板を単結晶にする必要もなく、ダイヤモンド層が多結晶においても優れた特性を有することを見出した。
【０００９】
なお、図１には、表面弾性波素子用ダイヤモンド基材と素子の断面図（概念図）、図２には最上層にSiO2層が付加されたものの断面図（概念図）、図３には傾視図（概念図）のうち、図１の（ｃ）及び図２の（ｃ）に該当するものを図３（ａ）（ｂ）として示している。これらの図においては、１はシリコン基板、２はダイヤモンド層、３は圧電体層、４はSiO2層、５はAl櫛型電極、６は短絡用電極である。又、７は表面弾性波フィルター素子用基板、８は表面弾性波フィルターである。
【００１０】
短絡用電極６は、所謂アースを取るために付すもので、電極材料で出来ている。図１及び図２の（ａ）、（ｃ）には短絡用電極６の付されていないものを示している。又Al櫛形電極５もダイヤモンド層２あるいは圧電体層３の上に付されるものである。以下の実施例は、図１又は図２の（ｃ）に該当する例を示しているが、本願発明は（ｃ）以外の図１又は図２の（ａ）（ｂ）及び（ｄ）にも適用出来るのである。
【００１１】
【実施例】
（実施例１）  Si基板１上に、窒素、メタン、水素混合ガス（窒素の炭素に対する原子比：ゼロから20000ppm）を用いたマイクロ波プラズマCVD法において、厚さ35μmのダイヤモンド層２を成長させた。
（ダイヤモンド層形成条件）
マイクロ波パワー  ：150W
反応ガス（分子比）：N2:ゼロから200ppm、CH4:2%:、H2:残り
ガス圧力          ：40mTorr
形成温度          ：800℃
【００１２】
このダイヤモンド層２を研磨することにより、ダイヤモンド層２の厚さが20μmの表面弾性波素子８用の基材７を用意した。次に、厚さ400ÅのAl層を直流スパッタリングにより形成し、写真製版（フォトリソグラフィー）法を用いて、電極線幅および電極線間隔が1μm（表面弾性波の波長：4μm）のAl櫛型電極５を形成した。
【００１３】
さらに、スパッタリング法により、厚さ3200ÅのZnO(2atomic%のLiを含有）圧電体層３を形成した。
（ZnO層形成条件）
RFパワー    ：150W
スパッタガス：Ar:O2 = 80:20
ガス圧力    ：50mTorr
形成温度    ：300℃
【００１４】
このようにして作製した表面弾性波素子の２．５ＧＨｚ近傍の透過帯域から測定した表面弾性波の１波長当たりの伝播損失を表１に示した。併せて２次イオン質量分析（ＳＩＭＳ）で測定したダイヤモンド層２中の窒素添加量を記載した。ダイヤモンド層中の窒素添加量が５ｐｐｍから２９７０ｐｐｍの範囲において、伝播損失の小さい良好な周波数フィルター機能を有する表面弾性波素子が得られる。
【００１５】
【表１】
0003692588.tif 000002
【００１６】
（実施例２）  Si基板１上に、窒素、メタン、水素混合ガス（窒素の炭素に対する原子比：200ppm）を用いたマイクロ波プラズマCVD法において、厚さ35μmのダイヤモンド層２を成長させた。
（ダイヤモンド層形成条件）
マイクロ波パワー  ：150W
反応ガス（分子比）：N2:2ppm、CH4:2%:、H2:残り
ガス圧力          ：40mTorr
形成温度          ：800℃
【００１７】
このダイヤモンド層２を研磨することにより、ダイヤモンド層２の厚さが20μmの表面弾性波素子８用の基材７を用意した。この基材７のダイヤモンド層２への窒素添加量は110ppmであった。次に、厚さ400ÅのAl層を直流スパッタリングにより形成し、写真製版（フォトリソグラフィー）法を用いて、電極線幅および電極線間隔が0.5μmから4.0μm（表面弾性波の波長：2μmから16μm）のAl櫛型電極５を形成した。
【００１８】
さらに、スパッタリング法により、厚さ1600Åから12700ÅのZnO(2atomic%のLiを含有）圧電体層３を形成した。ZnO層３の形成条件は、実施例１と同様である。また、比較のため、窒素を混合しないで作成したダイヤモンド層２のある基材７を用いて同様の実験を行った。
【００１９】
このようにして作製した表面弾性波素子の透過帯域から測定した表面弾性波の１波長当たりの伝播損失と表面弾性波の波長およびフィルターの中心周波数を表２に示す。ダイヤモンド層中に窒素を添加した基材を用いた方が、10μm以下の短い波長や5μm以下の特に短い波長でも伝播損失の小さい良好な表面弾性波素子が得られる。また、1GHz以上の高い周波数や2GHz以上の特に高い周波数でも伝播損失の小さい良好な周波数フィルター機能を有する表面弾性波素子が得られる。
【００２０】
【表２】
0003692588.tif 000003
【００２１】
【発明の効果】
以上の様に、本発明によれば基板上に窒素を添加したダイヤモンド層を用いることにより1GHz以上の高い周波数でも伝播損失が小さい表面弾性波素子用基材及び素子を得ることが出来る。
【図面の簡単な説明】
【図１】表面弾性波素子用ダイヤモンド基材及び素子の断面を示す概念図である。
【図２】図１の最上段にSiO2層が付加されたものを示す図である。
【図３】表面弾性波素子用ダイヤモンド基材及び素子の斜視図（概念図）である。
【符号の説明】
１・・・シリコン基板
２・・・ダイヤモンド層
３・・・圧電体層
４・・・SiO2層
５・・・Al櫛型電極
６・・・短絡用電極
７・・・表面弾性波フィルター素子用基材
８・・・表面弾性波フィルター素子
【図１】
0003692588.tif 000004
【図２】
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【図３】
0003692588.tif 000006