(57)【要約】【課題】  結晶性の良好な圧電体層を含む圧電体堆積体およびその製造方法を提供する。【解決手段】  本発明に係る圧電体堆積体１００の製造方法は，  Ｒ面サファイア基板１１の上方に第１酸化マグネシウム層２０を形成する工程と、  第１酸化マグネシウム層２０の上方に第２酸化マグネシウム層１２を形成する工程と、  第２酸化マグネシウム層１２の上方に圧電体層１３を形成する工程と、を含み、  第１酸化マグネシウム層２０を形成する工程における酸素の供給量に対するマグネシウムの供給量は、第２酸化マグネシウム層１２を形成する工程における酸素の供給量に対するマグネシウムの供給量より多く、  第１酸化マグネシウム層２０を形成する工程における酸素分圧は，第２酸化マグネシウム層１２を形成する工程における酸素分圧より低い。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｒ面サファイア基板の上方に第１酸化マグネシウム層を形成する工程と、
前記第１酸化マグネシウム層の上方に第２酸化マグネシウム層を形成する工程と、
前記第２酸化マグネシウム層の上方に圧電体層を形成する工程と、を含み、
前記第１酸化マグネシウム層を形成する工程における酸素の供給量に対するマグネシウムの供給量は、前記第２酸化マグネシウム層を形成する工程における酸素の供給量に対するマグネシウムの供給量より多く、
前記第１酸化マグネシウム層を形成する工程における酸素分圧は、前記第２酸化マグネシウム層を形成する工程における酸素分圧より低い、圧電体堆積体の製造方法。
【請求項２】
請求項１において、
前記圧電体層は、ニオブ酸カリウムまたはニオブ酸カリウム固溶体からなる、圧電体堆積体の製造方法。
【請求項３】
請求項１または２において、
前記第１酸化マグネシウム層を形成する工程における酸素分圧は、２．６６×１０−５Ｐａ以上、１．３３×１０−４Ｐａ以下であり、
前記第１酸化マグネシウム層を形成する工程における温度は、３００℃以上、４００℃以下である、圧電体堆積体の製造方法。
【請求項４】
Ｒ面サファイア基板の上方に第１酸化マグネシウム層を形成する工程と、
前記第１酸化マグネシウム層の上方に第２酸化マグネシウム層を形成する工程と、を含み、
前記第１酸化マグネシウム層を形成する工程における酸素の供給量に対するマグネシウムの供給量は、前記第２酸化マグネシウム層を形成する工程における酸素の供給量に対するマグネシウムの供給量より多く、
前記第１酸化マグネシウム層を形成する工程における酸素分圧は、前記第２酸化マグネシウム層を形成する工程における酸素分圧より低い、酸化マグネシウム堆積体の製造方法。
【請求項５】
請求項４において、
前記第１酸化マグネシウム層を形成する工程における酸素分圧は、２．６６×１０−５Ｐａ以上、１．３３×１０−４Ｐａ以下であり、
前記第１酸化マグネシウム層を形成する工程における温度は、３００℃以上、４００℃以下である、酸化マグネシウム堆積体の製造方法。
【請求項６】
Ｒ面サファイア基板と、
前記Ｒ面サファイア基板の上方に形成された第１酸化マグネシウム層と、
前記第１酸化マグネシウム層の上方に形成された第２酸化マグネシウム層と、
前記第２酸化マグネシウム層の上方に形成された圧電体層と、を含み、
前記Ｒ面サファイア基板の上面は、アルミニウムで終端されている、圧電体堆積体。
【請求項７】
請求項６において、
前記圧電体層は、ニオブ酸カリウムまたはニオブ酸カリウム固溶体からなる、圧電体堆積体。
【請求項８】
Ｒ面サファイア基板と、
前記Ｒ面サファイア基板の上方に形成された第１酸化マグネシウム層と、
前記第１酸化マグネシウム層の上方に形成された第２酸化マグネシウム層と、を含み、
前記Ｒ面サファイア基板の上面は、アルミニウムで終端されている、酸化マグネシウム堆積体。
【請求項９】
請求項６または７に記載の圧電体堆積体と、
前記圧電体堆積体の上方に形成された所定のパターンを有する電極と、を含む、電子機器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、圧電体堆積体およびその製造方法、酸化マグネシウム堆積体およびその製造方法、並びに、電子機器に関する。
【背景技術】
【０００２】
情報通信分野の著しい発展に伴い、表面弾性波素子の需要が急速に拡大している。例えば、特開２００３−３４７６１２号公報には、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）などの酸化物薄膜層と、該酸化物薄膜層の上に形成された、ニオブ酸カリウム（ＫＮｂＯ３）などの圧電薄膜とを含む表面弾性波素子が開示されている。表面弾性波素子の特性向上には、より大きな電気機械結合係数ｋ２が望まれるが、そのためには圧電体層の結晶性が重要である。
【特許文献１】特開２００３−３４７６１２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
本発明の目的は、結晶性の良好な圧電体層を含む圧電体堆積体およびその製造方法を提供することにある。
【０００４】
本発明の他の目的は、結晶性の良好な酸化マグネシウム層を含む酸化マグネシウム堆積体およびその製造方法を提供することにある。
【０００５】
本発明の他の目的は、上記圧電体堆積体を含む電子機器を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明に係る圧電体堆積体の製造方法は、
Ｒ面サファイア基板の上方に第１酸化マグネシウム層を形成する工程と、
前記第１酸化マグネシウム層の上方に第２酸化マグネシウム層を形成する工程と、
前記第２酸化マグネシウム層の上方に圧電体層を形成する工程と、を含み、
前記第１酸化マグネシウム層を形成する工程における酸素の供給量に対するマグネシウムの供給量は、前記第２酸化マグネシウム層を形成する工程における酸素の供給量に対するマグネシウムの供給量より多く、
前記第１酸化マグネシウム層を形成する工程における酸素分圧は、前記第２酸化マグネシウム層を形成する工程における酸素分圧より低い。
【０００７】
この圧電体堆積体の製造方法によれば、結晶性の良好な前記第１酸化マグネシウム層および前記第２酸化マグネシウム層を形成することができる。その結果、前記第２酸化マグネシウム層の良好な結晶性を引き継いで、前記圧電体層が形成されることができる。そして、前記圧電体層を用いることにより、電気機械結合係数ｋ２の大きな表面弾性波素子を得ることができる。
【０００８】
なお、本発明に係る記載では、「上方」という文言を、例えば、「特定のもの（以下、「Ａ」という）の「上方」に他の特定のもの（以下、「Ｂ」という）を形成する」などと用いる場合に、Ａ上に直接Ｂを形成するような場合と、Ａ上に他のものを介してＢを形成するような場合とが含まれるものとして、「上方」という文言を用いている。
【０００９】
本発明に係る圧電体堆積体の製造方法において、
前記圧電体層は、ニオブ酸カリウムまたはニオブ酸カリウム固溶体からなることができる。
【００１０】
本発明に係る圧電体堆積体の製造方法において、
前記第１酸化マグネシウム層を形成する工程における酸素分圧は、２．６６×１０−５Ｐａ（２×１０−７Ｔｏｒｒ）以上、１．３３×１０−４Ｐａ（１×１０−６Ｔｏｒｒ）以下であり、
前記第１酸化マグネシウム層を形成する工程における温度は、３００℃以上、４００℃以下であることができる。
【００１１】
本発明に係る酸化マグネシウム堆積体の製造方法は、
Ｒ面サファイア基板の上方に第１酸化マグネシウム層を形成する工程と、
前記第１酸化マグネシウム層の上方に第２酸化マグネシウム層を形成する工程と、を含み、
前記第１酸化マグネシウム層を形成する工程における酸素の供給量に対するマグネシウムの供給量は、前記第２酸化マグネシウム層を形成する工程における酸素の供給量に対するマグネシウムの供給量より多く、
前記第１酸化マグネシウム層を形成する工程における酸素分圧は、前記第２酸化マグネシウム層を形成する工程における酸素分圧より低い。
【００１２】
本発明に係る酸化マグネシウム堆積体の製造方法において、
前記第１酸化マグネシウム層を形成する工程における酸素分圧は、２．６６×１０−５Ｐａ（２×１０−７Ｔｏｒｒ）以上、１．３３×１０−４Ｐａ（１×１０−６Ｔｏｒｒ）以下であり、
前記第１酸化マグネシウム層を形成する工程における温度は、３００℃以上、４００℃以下であることができる。
【００１３】
本発明に係る圧電体堆積体は、
Ｒ面サファイア基板と、
前記Ｒ面サファイア基板の上方に形成された第１酸化マグネシウム層と、
前記第１酸化マグネシウム層の上方に形成された第２酸化マグネシウム層と、
前記第２酸化マグネシウム層の上方に形成された圧電体層と、を含み、
前記Ｒ面サファイア基板の上面は、アルミニウムで終端されている。
【００１４】
この圧電体堆積体によれば、結晶性の良好な前記第１酸化マグネシウム層および前記第２酸化マグネシウム層を有することができる。その結果、前記第２酸化マグネシウム層の良好な結晶性を引き継いだ前記圧電体層を有することができる。そして、前記圧電体層を用いることにより、電気機械結合係数ｋ２の大きな表面弾性波素子を得ることができる。
【００１５】
本発明に係る圧電体堆積体において、
前記圧電体層は、ニオブ酸カリウムまたはニオブ酸カリウム固溶体からなることができる。
【００１６】
本発明に係る酸化マグネシウム堆積体は、
Ｒ面サファイア基板と、
前記Ｒ面サファイア基板の上方に形成された第１酸化マグネシウム層と、
前記第１酸化マグネシウム層の上方に形成された第２酸化マグネシウム層と、を含み、
前記Ｒ面サファイア基板の上面は、アルミニウムで終端されている。
【００１７】
本発明に係る電子機器は、
上述の圧電体堆積体と、
前記圧電体堆積体の上方に形成された所定のパターンを有する電極と、を含む。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下、本発明に好適な実施形態について、図面を参照しながら説明する。
【００１９】
１．第１の実施形態
１．１．  図１は、本実施形態に係る圧電体堆積体１００および酸化マグネシウム堆積体５０を模式的に示す断面図である。図１に示すように、本実施形態に係る圧電体堆積体１００は、酸化マグネシウム堆積体５０と、酸化マグネシウム堆積体５０の上に形成された圧電体層１３と、を含む。酸化マグネシウム堆積体５０は、Ｒ面サファイア基板１１と、Ｒ面サファイア基板１１上に形成された第１酸化マグネシウム層２０と、第１酸化マグネシウム層２０上に形成された第２酸化マグネシウム層１２と、を含む。
【００２０】
Ｒ面サファイア基板１１とは、例えば、Ｒ面（１−１０２）サファイア単結晶基板である。Ｒ面サファイア基板１１の上面は、アルミニウムで終端されている。このことについては、後に詳述する。
【００２１】
第１酸化マグネシウム層２０および第２酸化マグネシウム層１２は、立方晶（１００）配向した酸化マグネシウムからなることができる。第１酸化マグネシウム層２０と第２酸化マグネシウム層１２の厚さの和は、２０ｎｍ以上、１００ｎｍ以下であることが好ましい。これにより、Ｒ面サファイア基板１１と圧電体層１３の反応を防ぎ、かつ酸化マグネシウム自身の潮解性による圧電体層１３の劣化を防ぐことができる。このように、第１酸化マグネシウム層２０の上に、第２酸化マグネシウム層１２を形成することにより、良好な結晶性を保ちつつ、全体として所望の厚み（２０ｎｍ以上）を確保することが可能となる。この場合における第１酸化マグネシウム層２０の厚さは、第１酸化マグネシウム層２０と第２酸化マグネシウム層１２の厚さの和が、２０ｎｍ以上、１００ｎｍ以下となるならば特に限定されないが、例えば２０ｎｍ未満であることが好ましい。第１酸化マグネシウム層２０の堆積速度は、第２酸化マグネシウム層１２の堆積速度（例えば２０ｎｍ／ｈ）に比べて、遥かに小さい。このため、第１酸化マグネシウム２０の厚さを２０ｎｍ未満とすることにより、第１酸化マグネシウム層２０および第２酸化マグネシウム１２の全体としての所望の堆積速度を確保することができる。このことは、実験において確認されている。
【００２２】
圧電体層１３は、例えば、ニオブ酸カリウムからなることができる。ニオブ酸カリウムにおけるニオブおよびカリウムの一部は、他の元素で置換されることができる。即ち、圧電体層１３は、ニオブ酸カリウム固溶体からなることができる。このようなニオブ酸カリウム固溶体としては、例えば、ニオブ酸タンタル酸ナトリウムカリウム固溶体（Ｋ１−ｘＮａｘＮｂ１−ｙＴａｙＯ３（０＜ｘ＜１、０＜ｙ＜１））などを挙げることができる。なお、圧電体層１３の材料としては、第２酸化マグネシウム層１２の上に形成できる圧電体であるならば、特に限定されない。例えば、圧電体層１３は、Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ，Ｎｂ）Ｏ３、Ｂａ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ３などからなることもできる。
【００２３】
圧電体層１３の厚さは、特に限定されず、適用されるデバイスなどによって適宜選択されるが、例えば、１００ｎｍ以上１０μｍ以下とすることができる。
【００２４】
１．２．  次に、本実施形態に係る圧電体堆積体１００および酸化マグネシウム堆積体５０の製造方法について、図１、図２を参照しながら説明する。図２は、本実施形態に係る圧電体堆積体１００および酸化マグネシウム堆積体５０の製造方法を模式的に示す断面図である。
【００２５】
（１）まず、Ｒ面サファイア基板１１を脱脂洗浄することができる。脱脂洗浄は、Ｒ面サファイア基板１１を有機溶媒に浸漬させ、超音波洗浄機を用いて行うことができる。ここで、有機溶媒としては、特に限定されないが、例えばエチルアルコールとアセトンとの１：１混合液を使用することができる。
【００２６】
（２）次に、Ｒ面サファイア基板１１を基板ホルダーに装填したあと、室温での背圧が例えば１．３３×１０−６Ｐａ（１×１０−８Ｔｏｒｒ）の真空装置内に基板ホルダーごと導入する。次に、基板加熱ヒーターを用いて２０℃／分で、基板を例えば３５０℃まで加熱昇温する。このとき、真空装置内の圧力は、温度の上昇に伴って増大する。例えば、基板温度が３５０℃となると、圧力は６．６５×１０−５Ｐａ（５×１０−７Ｔｏｒｒ）となることができる。なお、昇温速度、基板温度、圧力などの条件は、これに限るものではない。
【００２７】
（３）次に、図２に示すように、レーザーアブレーション法によって、Ｒ面サファイア基板１１上に第１酸化マグネシウム層２０を形成する。
【００２８】
具体的には、レーザー光をマグネシウムターゲットに照射し、このターゲットからマグネシウム原子を叩き出すレーザーアブレーション法により、プルームを発生させる。そして、このプルームはＲ面サファイア基板１１上に向けて出射され、Ｒ面サファイア基板１１上に接触する。その結果、Ｒ面サファイア基板１１上に、立方晶（１００）配向のＭｇＯからなる第１酸化マグネシウム層２０がエピタキシャル成長によって形成される。
【００２９】
この第１酸化マグネシウム層２０を形成する工程における酸素の供給量に対するマグネシウムの供給量は、後述する第２酸化マグネシウム層１２を形成する工程における酸素の供給量に対するマグネシウムの供給量より多くなるように調整される。そして、この第１酸化マグネシウム層２０を形成する工程における酸素分圧は、第２酸化マグネシウム層１２を形成する工程における酸素分圧より低くなるように調整される。
【００３０】
例えば、第１酸化マグネシウム層２０の形成工程におけるレーザー光のエネルギー密度、周波数、および、ターゲット基板間距離を、第２酸化マグネシウム層１２の形成工程におけるそれらと同条件とする。さらに、第１酸化マグネシウム層２０の形成工程における酸素分圧を、第２酸化マグネシウム層１２の形成工程における酸素分圧より低くする。この場合には、第１酸化マグネシウム層２０の形成工程における酸素の供給量に対する相対的なマグネシウムの供給量は、第２酸化マグネシウム層１２の形成工程における酸素の供給量に対する相対的なマグネシウムの供給量より多くなる。なお、この条件は一例であり、この条件に限定されるわけではない。
【００３１】
第１酸化マグネシウム層２０の具体的な形成条件は、以下の通りである。
【００３２】
レーザー光の照射時の条件としては、例えば、レーザー光のエネルギー密度を２Ｊ／ｃｍ２以上４Ｊ／ｃｍ２以下、レーザー光の周波数を５Ｈｚ以上、ターゲットとＲ面サファイア基板１１との距離（以下「ターゲット基板間距離」という）を１００ｍｍ以下、基板温度を３００℃以上４００℃以下、堆積中の酸素分圧（この例では、真空装置内の圧力にほぼ等しい）を２．６６×１０−５Ｐａ（２×１０−７Ｔｏｒｒ）以上１．３３×１０−４Ｐａ（１×１０−６Ｔｏｒｒ）以下とすることが好ましい。さらに、レーザー光の照射時の条件としては、例えば、レーザー光のエネルギー密度を３Ｊ／ｃｍ２以上、レーザー光の周波数を１０Ｈｚ以上、ターゲット基板間距離を７０ｍｍ以下、基板温度を３５０℃以上３７０℃以下、堆積中の酸素分圧（この例では、真空装置内の圧力にほぼ等しい）を６．６５×１０−５Ｐａ（５×１０−７Ｔｏｒｒ）以下とすることがより好ましい。ターゲットに照射するレーザー光としては、例えば、波長が２４８ｎｍ、パルス長が１０ｎｓのＫｒＦエキシマレーザーのパルス光を用いることができる。
【００３３】
なお、第１酸化マグネシウム層２０を形成する工程における酸素分圧が、第２酸化マグネシウム層１２を形成する工程における酸素分圧より低くなるように調整されるならば、第１酸化マグネシウム層２０の形成工程において、真空装置内に酸素ガスを導入することも可能である。
【００３４】
（４）次に、図２に示すように、レーザーアブレーション法によって、第１酸化マグネシウム層２０上に第２酸化マグネシウム層１２を形成する。
【００３５】
具体的には、まず、真空装置内に酸素ガスを導入し、基板を所望の温度まで加熱昇温する。次に、レーザー光をマグネシウムターゲットに照射し、このターゲットからマグネシウム原子を叩き出すレーザーアブレーション法により、プルームを発生させる。そして、このプルームは第１酸化マグネシウム層２０上に向けて出射され、第１酸化マグネシウム層２０上に接触する。その結果、第１酸化マグネシウム層２０上に、立方晶（１００）配向のＭｇＯからなる第２酸化マグネシウム層１２がエピタキシャル成長によって形成される。
【００３６】
上述したように、この第２酸化マグネシウム層１２を形成する工程におけるマグネシウムの供給量は、第１酸化マグネシウム層２０を形成する工程におけるマグネシウムの供給量より少なくなるように調整される。そして、この第２酸化マグネシウム層１２を形成する工程における酸素分圧は、第１酸化マグネシウム層２０を形成する工程における酸素分圧より高くなるように調整される。具体的な条件としては、以下の通りである。
【００３７】
レーザー光の照射時の条件としては、例えば、レーザー光のエネルギー密度を２Ｊ／ｃｍ２以上、レーザー光の周波数を５Ｈｚ以上、ターゲット基板間距離を１００ｍｍ以下、基板温度を５００℃以上７００℃以下、堆積中の酸素分圧を６．６５×１０−４Ｐａ（５×１０−６Ｔｏｒｒ）以上１．３３×１０−１Ｐａ（１×１０−３Ｔｏｒｒ）以下とすることが好ましい。さらに、レーザー光の照射時の条件としては、例えば、レーザー光のエネルギー密度を３Ｊ／ｃｍ２以上、レーザー光の周波数を１０Ｈｚ以上、ターゲット基板間距離を７０ｍｍ以下、基板温度を５５０℃以上６５０℃以下、堆積中の酸素分圧を１．３３×１０−３Ｐａ（１×１０−５Ｔｏｒｒ）以上１．３３×１０−２Ｐａ（１×１０−４Ｔｏｒｒ）以下とすることがより好ましい。ターゲットに照射するレーザー光としては、例えば、第１酸化マグネシウム層２０の形成工程と同様に、波長が２４８ｎｍ、パルス長が１０ｎｓのＫｒＦエキシマレーザーのパルス光を用いることができる。
【００３８】
（５）以上の工程により、本実施形態に係る酸化マグネシウム堆積体５０を形成することができる。
【００３９】
（６）次に、図１に示すように、レーザーアブレーション法によって、酸化マグネシウム堆積体５０（具体的には、第２酸化マグネシウム層１２）上に圧電体層１３を形成する。ここでは、圧電体層１３として、ニオブ酸カリウムを用いた例について説明する。
【００４０】
具体的には、レーザー光をニオブ酸カリウム用のターゲット、例えばＫｘＮｂＯｙターゲット（ｘは、例えば１．０以上４．０以下）に照射し、このターゲットからカリウム原子、ニオブ原子および酸素原子を叩き出すレーザーアブレーション法により、プルームを発生させる。そして、このプルームは、第２酸化マグネシウム層１２上に向けて照射される。その結果、第２酸化マグネシウム層１２上に擬立方晶表示において（１００）配向のニオブ酸カリウム（圧電体層１３）がエピタキシャル成長によって形成される。
【００４１】
レーザーアブレーション法の条件は、プルームが十分に第２酸化マグネシウム層１２に到達できるならば、特に限定されない。レーザー光の照射時の条件としては、例えば、レーザー光のエネルギー密度を３Ｊ／ｃｍ２以下、レーザー光の周波数を２０Ｈｚ以下、ターゲット基板間距離を１００ｍｍ以下、基板温度を６００℃以上７００℃以下、堆積中の酸素分圧を１．３３Ｐａ（１×１０−２Ｔｏｒｒ）以上１．３３×１０２Ｐａ（１Ｔｏｒｒ）以下とすることが好ましい。さらに、レーザー光の照射時の条件としては、例えば、レーザー光のエネルギー密度を２Ｊ／ｃｍ２以下、レーザー光の周波数を１０Ｈｚ以下、ターゲット基板間距離を７０ｍｍ以下、基板温度を６００℃以上６５０℃以下、堆積中の酸素分圧を１．３３×１０１Ｐａ（０．１Ｔｏｒｒ）以上６．６５×１０１Ｐａ（０．５Ｔｏｒｒ）以下とすることがより好ましい。
【００４２】
なお、圧電体層１３の成膜方法としては、レーザーアブレーション法に限定されず、例えば蒸着法、ＭＯＣＶＤ法、スパッタ法などを用いることができる。
【００４３】
（７）以上の工程により、本実施形態に係る圧電体堆積体１００を形成することができる。
【００４４】
１．３．  本実施形態に係る圧電体堆積体１００の製造方法によれば、結晶性の良好な第１酸化マグネシウム層２０および第２酸化マグネシウム層１２を形成することができる。その結果、第２酸化マグネシウム層１２の良好な結晶性を引き継いで、圧電体層１３が形成されることができる。これらのことは、後述する実験例において確認されている。そして、この圧電体層１３を用いることにより、後述するように、電気機械結合係数ｋ２の大きな表面弾性波素子２００（図１２参照）を得ることができる。
【００４５】
また、本実施形態に係る圧電体堆積体１００によれば、結晶性の良好な第１酸化マグネシウム層２０および第２酸化マグネシウム層１２を有することができる。その結果、第２酸化マグネシウム層１２の良好な結晶性を引き継いだ圧電体層１３を有することができる。これらのことは、後述する実験例において確認されている。そして、この圧電体層１３を用いることにより、電気機械結合係数ｋ２の大きな表面弾性波素子２００（図１２参照）を得ることができる。
【００４６】
１．４．  次に、実験例について説明する。本実験例では、以下の方法により圧電体堆積体１００を形成した。
【００４７】
まず、Ｒ面サファイア基板１１を有機溶媒に浸漬させ、超音波洗浄機を用いて脱脂洗浄を行った。ここで、有機溶媒としては、エチルアルコールとアセトンの１：１混合液を使用した。次に、Ｒ面サファイア基板１１を基板ホルダーに装填した後、室温での背圧１．３３×１０−６Ｐａ（１×１０−８Ｔｏｒｒ）の真空装置内に基板ホルダーごと導入した。次に、基板加熱ヒーターを用いて２０℃／分で、基板を３５０℃まで加熱昇温した。真空装置内の圧力は、温度の上昇に伴って増大し、基板温度３５０℃にて６．６５×１０−５Ｐａ（５×１０−７Ｔｏｒｒ）となった。
【００４８】
次に、マグネシウムターゲットの表面に、エネルギー密度３．０Ｊ／ｃｍ２、周波数１０Ｈｚ、パルス長１０ｎｓの条件でＫｒＦエキシマレーザー（波長２４８ｎｍ）のパルス光を入射し、ターゲット表面にマグネシウムのプラズマプルームを発生させた。このプラズマプルームを、基板温度３５０℃、真空装置内の圧力６．６５×１０−５Ｐａ（５×１０−７Ｔｏｒｒ）の条件でＲ面サファイア基板１１に照射し、第１酸化マグネシウム層２０を形成した。ターゲット基板間距離は７０ｍｍとし、照射時間は５分とし、第１酸化マグネシウム層２０の膜厚は１０ｎｍとした。
【００４９】
このようにして得られた第１酸化マグネシウム層２０について、サファイア［１１−２０］方向からの反射高速電子線回折（Reflection High Energy Electron Diffraction：ＲＨＥＥＤ）パターンを求めたところ、図３に示すパターンが得られた。このＲＨＥＥＤパターンには、回折パターンが現れており、第１酸化マグネシウム層２０がエピタキシャル成長していることが確認された。
【００５０】
次に、６．６５×１０−３Ｐａ（５×１０−５Ｔｏｒｒ）の酸素分圧になるように酸素ガスを導入し、基板を６００℃まで加熱昇温した。次に、レーザーアブレーション法によって、第１酸化マグネシウム層２０上に第２酸化マグネシウム層１２を形成した。レーザー光の照射時間は１２０分とし、第２酸化マグネシウム層１２の膜厚は５０ｎｍとした。なお、レーザー光の種類、エネルギー密度、パルス長、波長、および、ターゲット基板間距離はそれぞれ、第１酸化マグネシウム層２０の形成条件と同じとした。
【００５１】
以上の工程により、酸化マグネシウム堆積体５０（図２参照）を得た。
【００５２】
このようにして得られた第２酸化マグネシウム層１２について、サファイア［１１−２０］方向からのＲＨＥＥＤパターンを求めたところ、図４に示すパターンが得られた。このＲＨＥＥＤパターンは、第１酸化マグネシウム層２０のＲＨＥＥＤパターン（図３）に比べ、強度が増しており、第２酸化マグネシウム層１２のエピタキシャル成長が確保されていることが確認された。
【００５３】
また、比較例として、Ｒ面サファイア基板１１上に、直接、第２酸化マグネシウム層１２を上述の形成条件で形成した（即ち、第１酸化マグネシウム層２０の形成を省略した）ものを作製した。図５は、比較例に係る第２酸化マグネシウム層１２についてのサファイア［１１−２０］方向からのＲＨＥＥＤパターンである。比較例では、結晶性の悪化を示すスポットが観察された。
【００５４】
上述の結果から、本実験例のように、Ｒ面サファイア基板１１上に、第１酸化マグネシウム層２０を形成し、さらに、第２酸化マグネシウム層１２を形成することにより、良好に格子整合したエピタキシャル成長を行うことができることが確認された。このことは、Ｒ面サファイア基板の上面は、表面から酸素が脱離して、アルミニウムで終端されていることを意味している。このことについて、以下に考察する。
【００５５】
Ｒ面サファイア基板１１の表面状態は、酸素で終端されている場合と、アルミニウムで終端されている場合とがある。図６は、Ｒ面サファイア基板１１の表面が酸素で終端されている場合におけるサファイアの原子配列を模式的に示す図である。図６に示す矢印Ｚの方向は、Ｒ面サファイア基板１１の厚み方向である。図７は、酸素で終端されている場合の最表面原子（酸素原子）のみの配列を模式的に示す図である。図７に示すように、これらの原子により、Ｒ面（１−１０２）が構成される。
【００５６】
また、図８は、Ｒ面サファイア基板１１の表面がアルミニウムで終端されている場合におけるサファイアの原子配列を模式的に示す図である。図８に示す矢印Ｚの方向は、Ｒ面サファイア基板１１の厚み方向である。図９は、アルミニウムで終端されている場合の最表面原子（アルミニウム原子）のみの配列を模式的に示す図である。図９に示すように、これらの原子により、Ｒ面（１−１０２）が構成される。
【００５７】
図７と図９とを比較すると、Ｒ面サファイア基板１１の表面は、酸素で終端されている場合に比べ、アルミニウムで終端されている場合の方が、４回対称性に近いことが分かる。そして、岩塩構造の金属酸化物である酸化マグネシウムは、下地の最表面原子の配列が４回対称性に近い方が、良好に格子整合して、エピタキシャル成長を行うことができると考えられる。本発明では、第１酸化マグネシウム層２０の形成工程における酸素の供給量に対するマグネシウムの供給量を、第２酸化マグネシウム層１２の形成工程における酸素の供給量に対するマグネシウムの供給量より多くする。さらに、本発明では、第１酸化マグネシウム層２０の形成工程における酸素分圧を、第２酸化マグネシウム層１２の形成工程における酸素分圧より低くする。その結果、上面がアルミニウムで終端されているＲ面サファイア基板１１の上に、第１酸化マグネシウム層２０が形成されている酸化マグネシウム堆積体５０を得ることができる。
【００５８】
次に、Ｋ２．０ＮｂＯｙターゲットの表面に、エネルギー密度２Ｊ／ｃｍ２、周波数１０Ｈｚ、パルス長１０ｎｓの条件でＫｒＦエキシマレーザーのパルス光を入射し、ターゲット表面にＫ、Ｎｂ、Ｏのプラズマプルームを発生させた。このプラズマプルームを、基板温度６００℃、酸素分圧６．６５×１０１Ｐａ（０．５Ｔｏｒｒ）の条件で第２酸化マグネシウム層１２に向けて照射し、第２酸化マグネシウム層１２の上にニオブ酸カリウムからなる圧電体層１３を形成した。ターゲット基板間距離は７０ｍｍとし、照射時間は３００分とし、圧電体層１３の厚さは０．５μｍとした。
【００５９】
以上の工程により、圧電体堆積体１００（図１参照）を得た。
【００６０】
このようにして得られた圧電体層１３について、サファイア［１１−２０］方向からのＲＨＥＥＤパターンを求めたところ、図１０に示すパターンが得られた。このパターンには、明瞭な回折パターンが現れており、ニオブ酸カリウムがエピタキシャル成長していることが確認された。
【００６１】
また、比較例として、Ｒ面サファイア基板１１上に、直接、第２酸化マグネシウム層１２を形成し（即ち、第１酸化マグネシウム層２０の形成を省略し）、その上にニオブ酸カリウムからなる圧電体層１３を上述の形成条件で形成したものを作製した。図１１は、比較例に係る圧電体層１３についてのサファイア［１１−２０］方向からのＲＨＥＥＤパターンである。比較例では、ＲＨＥＥＤパターンは不明瞭であった。
【００６２】
上述の結果から、本実験例のように、Ｒ面サファイア基板１１上に第１酸化マグネシウム層２０を形成した後に、第２酸化マグネシウム層１２、圧電体層１３を順に形成することにより、良好に格子整合したエピタキシャル成長を行うことができることが確認された。
【００６３】
１．５．  次に、本発明を電子機器（例えば、表面弾性波素子、周波数フィルタ、発振器などを含む）に適用する実施形態について説明する。本発明に係る電子機器は、上述した圧電体堆積体と、該圧電体堆積体の上方に形成された所定のパターンを有する電極と、を含む。なお、電子機器は上述したものに限定されるわけではない。
【００６４】
２．第２の実施形態
２．１．  次に、本発明を適用した第２の実施形態に係る表面弾性波素子の一例について、図面を参照しながら説明する。図１２は、本実施形態に係る表面弾性波素子２００を模式的に示す断面図である。図１２において、図１に示す圧電体堆積体１００の部材と実質的に同じ部材には同一の符号を付し、詳細な説明を省略する。
【００６５】
表面弾性波素子２００は、Ｒ面サファイア基板１１と、Ｒ面サファイア基板１１上に形成された第１酸化マグネシウム層２０と、第１酸化マグネシウム層２０上に形成された第２酸化マグネシウム層１２と、第２酸化マグネシウム層１２上に形成された圧電体層１３と、圧電体層１３上に形成されたインターディジタル型電極（以下「ＩＤＴ電極」という）１４と、を含む。ＩＤＴ電極１４は、所定のパターンを有する。
【００６６】
本実施形態に係る表面弾性波素子２００は、本発明に係る圧電体堆積体、例えば、図１に示す圧電体堆積体１００を有する。従って、表面弾性波素子２００を構成する圧電体層１３は、圧電体堆積体１００の圧電体層１３と同じ特徴を有する。
【００６７】
２．２．  本実施形態に係る表面弾性波素子２００は、本発明に係る圧電体堆積体を用いて、例えば以下のようにして形成される。
【００６８】
まず、図１に示す圧電体堆積体１００の圧電体層１３上に、例えば真空蒸着法により金属層を形成する。金属層としては、例えばアルミニウムを用いることができる。次に、公知のリソグラフィ技術およびエッチング技術を用いて金属層をパターニングすることにより、圧電体層１３上にＩＤＴ電極１４を形成する。
【００６９】
２．３．  本実施形態に係る表面弾性波素子は、本発明に係る圧電体堆積体を有する。従って、本実施形態によれば、電気機械結合係数ｋ２の大きな表面弾性波素子を実現することが可能となる。このことは、後述する実験例において確認されている。
【００７０】
２．４．  次に、本実施形態に係る表面弾性波素子２００について行った実験例について述べる。
【００７１】
上述した第１の実施形態における実験例の圧電体堆積体１００を用いて、表面弾性波素子２００を形成した。なお、ＩＤＴ電極１４としては、厚さ１００ｎｍのアルミニウム層を用いた。また、比較例として、第１酸化マグネシウム層２０の形成を省略して形成した圧電体堆積体を用いた表面弾性波素子を作製した。第１酸化マグネシウム層２０の形成を省略した点以外は、同じ形成条件とした。
【００７２】
得られた表面弾性波素子２００について、ＩＤＴ電極間での表面弾性波の伝播速度Ｖｏｐｅｎを測定した。その結果から求められた音速は、５０００ｍ／ｓであった。また、ＩＤＴ電極間を金属薄膜で覆った場合の表面弾性波の伝播速度Ｖｓｈｏｒｔとの差から求められた電気機械結合係数ｋ２は３５％であった。これに対し、比較例に係る表面弾性波素子における電気機械結合係数ｋ２は２５％であった。従って、第１の実施形態に係る圧電体堆積体１００を用いて、表面弾性波素子２００を形成することにより、電気機械結合係数ｋ２が改善されることが明らかとなった。
【００７３】
また、ニオブ酸カリウムの代わりに、ニオブ酸タンタル酸ナトリウムカリウム固溶体（Ｋ１−ｘＮａｘＮｂ１−ｙＴａｙＯ３、０＜ｘ＜１、０＜ｙ＜１）を用いた表面弾性波素子２００の場合も同様の効果が得られた。
【００７４】
３．第３の実施形態
３．１．  まず、本発明を適用した第３の実施形態に係る周波数フィルタの一例について、図面を参照しながら説明する。図１３は、本実施形態の周波数フィルタを模式的に示す図である。
【００７５】
図１３に示すように、周波数フィルタは基体１４０を有する。基体１４０は、第２の実施形態に係る表面弾性波素子（例えば図１２参照）におけるＲ面サファイア基板１１と、第１酸化マグネシウム層２０と、第２酸化マグネシウム層１２と、圧電体層１３と、を含む。基体１４０の上面には、ＩＤＴ電極１４１，１４２が形成されている。ＩＤＴ電極１４１，１４２は、第２の実施形態に係る表面弾性波素子におけるＩＤＴ電極１４に相当する。従って、本実施形態に係る周波数フィルタは、第２の実施形態に係る表面弾性波素子を有する。
【００７６】
また、ＩＤＴ電極１４１，１４２を挟むように、基体１４０の上面には吸音部１４３，１４４が形成されている。吸音部１４３，１４４は、基体１４０の表面を伝播する表面弾性波を吸収するものである。基体１４０上に形成されたＩＤＴ電極１４１には高周波信号源１４５が接続されており、ＩＤＴ電極１４２には信号線（信号は、端子１４６ａ，１４６ｂから取り出される）が接続されている。
【００７７】
３．２．  本実施形態に係る周波数フィルタは、本発明に係る電気機械結合係数ｋ２の大きな表面弾性波素子を有する。従って、本実施形態によれば、周波数フィルタの小型化を実現することが可能となる。
【００７８】
４．第４の実施形態
４．１．  次に、本発明を適用した第４の実施形態に係る発振器の一例について、図面を参照しながら説明する。図１４は、本実施形態に係る発振器を模式的に示す図である。
【００７９】
図１４に示すように、発振器は基体１５０を有する。基体１５０は、上述した周波数フィルタと同様に、第２の実施形態に係る表面弾性波素子におけるＲ面サファイア基板１１と、第１酸化マグネシウム層２０と、第２酸化マグネシウム層１２と、圧電体層１３と、を含む。
【００８０】
基体１５０の上面には、ＩＤＴ電極１５１が形成されており、さらに、ＩＤＴ電極１５１を挟むように、ＩＤＴ電極１５２，１５３が形成されている。ＩＤＴ電極１５１，１５２，１５３は、第２の実施形態に係る表面弾性波素子におけるＩＤＴ電極１４に相当する。従って、本実施形態に係る発振器は、第２の実施形態に係る表面弾性波素子を有する。
【００８１】
ＩＤＴ電極１５１を構成する一方の櫛歯状電極１５１ａには、高周波信号源１５４が接続されており、他方の櫛歯状電極１５１ｂには、信号線（信号は、端子１５５ａ，１５５ｂから取り出される）が接続されている。なお、ＩＤＴ電極１５１は、電気信号印加用電極に相当し、ＩＤＴ電極１５２，１５３は、ＩＤＴ電極１５１によって発生される表面弾性波の特定の周波数成分または特定の帯域の周波数成分を共振させる共振用電極に相当する。
【００８２】
４．２．  本実施形態に係る発振器は、本発明に係る電気機械結合係数ｋ２の大きな表面弾性波素子を有する。従って、本実施形態によれば、発振器の小型化を実現することが可能となる。
【００８３】
５．  上述した電子機器によれば、本発明に係る電気機械結合係数ｋ２の大きな表面弾性波素子により、省電力化を実現することが可能となる。
【００８４】
６．  上記のように、本発明の実施例について詳細に説明したが、本発明の新規事項および効果から実体的に逸脱しない多くの変形が可能であることは当業者には容易に理解できるであろう。従って、このような変形例はすべて本発明の範囲に含まれるものとする。
【００８５】
例えば、上述した実施形態では、本発明を周波数フィルタ、発振器などに適用する例について説明したが、これらに限らず、本発明は、ＵＷＢシステム、携帯電話機、無線ＬＡＮ等における広帯域フィルタ、ＶＣＯ（Voltage Controlled Oscillator）などに適用されることができる。
【００８６】
また、例えば、本発明は、携帯電話機、リーダライタを用いた通信システムなどにも適用されることができる。また、例えば、本発明は、種々の移動体通信機器、ＢＳ（Broadcast Satellite）放送等を受信するチューナなどの据置状態で使用される通信機器、光ケーブル中を伝播する光信号等を用いるＨＵＢなどの電子機器などにも適用されることができる。なお、本発明を上述した種々のデバイスに適用する場合には、該デバイス内に設けられる電子回路に本発明を適用する場合が含まれる。
【図面の簡単な説明】
【００８７】
【図１】第１の実施形態に係る圧電体堆積体を模式的に示す断面図。
【図２】第１の実施形態に係る圧電体堆積体の製造方法を模式的に示す図。
【図３】実験例に係る第１酸化マグネシウム層のＲＨＨＥＤパターン。
【図４】実験例に係る第２酸化マグネシウム層のＲＨＨＥＤパターン。
【図５】比較例に係る第２酸化マグネシウム層のＲＨＨＥＤパターン。
【図６】酸素で終端されているサファイアの原子配列を模式的に示す図。
【図７】酸素で終端されている場合の最表面原子の配列を模式的に示す図。
【図８】アルミニウムで終端されているサファイアの原子配列を模式的に示す図。
【図９】アルミニウムで終端されている場合の最表面原子の配列を模式的に示す図。
【図１０】実験例に係る第１酸化マグネシウム層のＲＨＨＥＤパターン。
【図１１】比較例に係る第１酸化マグネシウム層のＲＨＨＥＤパターン。
【図１２】第２の実施形態に係る表面弾性波素子を示す断面図。
【図１３】第３の実施形態に係る周波数フィルタを示す斜視図。
【図１４】第４の実施形態に係る発振器を示す斜視図。
【符号の説明】
【００８８】
１１  Ｒ面サファイア基板、１２  第２酸化マグネシウム層、１３  圧電体層、１４  ＩＤＴ電極、２０  第１酸化マグネシウム層、５０  酸化マグネシウム堆積体、１００  圧電体堆積体、１４０  基体、１４１，１４２  ＩＤＴ電極、１４３，１４４  吸音部、１４５  高周波信号源、１５０  基体、１５１，１５２，１５３  ＩＤＴ電極、１５４  高周波信号源，２００  表面弾性波素子
【図１】
2006328515.tif 000003
【図２】
2006328515.tif 000004
【図６】
2006328515.tif 000005
【図７】
2006328515.tif 000006
【図８】
2006328515.tif 000007
【図９】
2006328515.tif 000008
【図１２】
2006328515.tif 000009
【図１３】
2006328515.tif 000010
【図１４】
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【図３】
2006328515.tif 000012
【図４】
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【図５】
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【図１０】
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【図１１】
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