(57)【要約】【課題】  所望の誘電特性を有する可変容量素子を誘電体材料を変えることなく実現する。【解決手段】（１１０）面ＬｉＴａＯ3単結晶基板上に（Ｂａ，Ｓｒ）ＴｉＯ3誘電体膜を化学溶液法により作製する。得られる（Ｂａ，Ｓｒ）ＴｉＯ3誘電体膜は面内方向で誘電特性に異方性があるため、櫛形電極のレイアウトを変更するだけで所望の誘電特性を有する可変容量素子を実現することができる。【選択図】  図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
単結晶基板と、
前記単結晶基板の等方的でない結晶面の上にエピタキシャル成長させた面内方向で誘電特性に異方性のある誘電体膜とからなる誘電体膜の層構造。
【請求項２】
ＬｉＴａＯ3単結晶基板と、
前記ＬｉＴａＯ3基板の（１１０）面上にエピタキシャル成長させた（１１０）面配向していて少なくともＢａまたはＳｒのいずれかおよびＴｉを含む酸化物からなる誘電体膜とからなる誘電体膜の層構造。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載の誘電体膜上に形成された１対以上の相対する電極を有し、前記相対する電極間に可変制御電圧を印加することにより生じるリアクタンス変化を利用する可変容量素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、誘電体膜の層構造に関し、さらに誘電体膜を用いた可変容量素子に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、アレイアンテナ用の移相器、マルチシステム用のチューナブルフィルターなどに用いる高周波デバイスとして、誘電体への電圧印加（バイアス電圧印加）による誘電率の変化（リアクタンス変化）を利用した可変容量素子の開発が進められている。このようなデバイスは通常サファイアなどの単結晶基板の表面に誘電体膜を成長させ、さらに電極を付与することによって製造される。誘電体膜に要求される重要な特性であるＱ値は誘電体膜の結晶性に左右され、誘電体膜の結晶性は基板となる単結晶の表面の品質（欠陥の多寡）に左右されることが知られている。したがって基板となる単結晶の表面としてサファイアの（００１）面など等方的で欠陥の少ない結晶面が選ばれていた（特許文献１参照）。
【特許文献１】ＷＯ００２１１９８０
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら等方的な面上に成長した誘電体膜はやはり等方的であり、設計の自由度が小さいという問題点があった。すなわち、さまざまな要求仕様（誘電率、容量変化率、Ｑ値、温度特性など）にあった可変容量素子を実現するためには、品種ごとに異なる誘電特性を有する異なる誘電体材料を用意しなければならないという問題点があった。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
本発明は上記の問題点を鑑みてなされたものであり、本発明に係る誘電体膜の層構造は、単結晶基板と、前記単結晶基板の等方的でない結晶面の上にエピタキシャル成長させた面内方向で誘電特性に異方性のある誘電体膜とからなることを特徴とする。
【０００５】
また本発明に係る誘電体膜の層構造は、ＬｉＴａＯ3単結晶基板と、前記ＬｉＴａＯ3基板の（１１０）面上にエピタキシャル成長させた（１１０）面配向していて少なくともＢａまたはＳｒのいずれかおよびＴｉを含む酸化物からなる誘電体膜とからなることを特徴とする。
【０００６】
さらに本発明に係る可変容量素子は前記誘電体膜上に形成された１対以上の相対する電極を有し、前記電極の相対する電極間に可変制御電圧を印加することにより生じるリアクタンス変化を利用することを特徴とする。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば品種ごとに異なる誘電体材料を用意しなくても単一の誘電体材料で異なる誘電特性を有する可変容量素子を容易な製造方法により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】
【０００８】
以下、この発明の最良の形態について図面を参照して説明する。
【０００９】
図１は可変容量素子の上面図であり、図２は図１のＡ−Ａ'の位置の断面図である。図１、図２に示すように、基板１３の上に誘電体膜１２が形成され、誘電体膜１２の上に櫛型電極１１が形成されている。誘電体膜１２は面内方向で誘電特性に異方性のあるエピタキシャル膜である。可変容量素子の電極は図１に示したようにインターデジタルに形成されることが多いが、用途や目的に応じて他の形状としてもよく、誘電体膜上に１対以上の電極が相対していればよい。
【実施例１】
【００１０】
まず、単結晶基板と誘電体膜からなる誘電体膜の層構造の作製方法および評価方法について実施例を用いて説明する。
【００１１】
単結晶基板として（１１０）面ＬｉＴａＯ3を用いた。誘電体膜は化学溶液法により作製した。すなわち、表１に示す組成の市販の原料溶液（カルボン酸塩７ｗｔ％酢酸イソアミル溶液）を用いて、スピンコート（２０００ｒｐｍ）・乾燥（３５０℃）を４回繰り返した。そして、高速昇温可能な赤外線イメージ炉により結晶化アニールを行った（昇温速度：５０、１００、２００、３００℃／分、アニール温度：６００、７００、８００℃）。同プロセスを２回繰返し膜厚約５００ｎｍの誘電体膜を作製した。得られた誘電体膜について、電子顕微鏡により微細構造を、ＸＲＤ（Ｘ線回折法、θ−２θおよび極点図形）により結晶性を評価した。
【００１２】
【表１】
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【００１３】
次に評価結果について説明する。電子顕微鏡観察により得られた各誘電体膜の表面モフォロジーは平滑であり、クラックも生じていないことが分かった。図３は表１に示す各組成の誘電体膜のＸＲＤチャートである。組成２の膜、組成３の膜は単一配向であったが、組成１膜は無配向であった。図４は各アニール温度で作製した組成２の膜のＸＲＤチャートである。アニール温度が高くなるに従って結晶性が向上し、単一配向成長した。図５は各昇温速度でアニールした組成２の膜のＸＲＤチャートである。昇温速度が速くなるに従って結晶性が向上し、単一配向成長した。図６は単一配向成長した組成２の膜の極点図形である。図６から、得られた膜がエピタキシャル膜であり（Ｂａ，Ｓｒ）ＴｉＯ3膜の＜１，−１，０＞軸方向がＬｉＴａＯ3の＜１，−１，−２＞軸方向が揃うように成長していることが確認された。
【実施例２】
【００１４】
次に可変容量素子の作製方法および評価方法について実施例を用いて説明する。
【００１５】
実施例１で得られた組成２、アニール温度８００℃、昇温速度３００℃／分の誘電体膜の上にフォトリソグラフィー技術を用いて、櫛形電極のレジストパターンを形成した。そして、膜厚５００ｎｍのＴｉ膜と膜厚１μｍ厚のＣｕ膜を蒸着法で連続して成膜した後に、リフトオフすることにより櫛型電極（２０対）を形成した。電極間距離は１．５μｍとした。その際に櫛形電極のレイアウト方向を、電界が印加される方向が（Ｂａ，Ｓｒ）ＴｉＯ3の＜００１＞軸に対して１５°刻みに０°から９０°となるように変えた。このようなレイアウトで周波数を１ＧＨｚ、印加電圧を０．１Ｖ、バイアス電圧を０Ｖとして容量とＱ値を測定した。
【００１６】
次に評価結果について説明する。図７は容量の方向依存性を示す図であり、図８はＱ値の方向依存性を示す図である。ただしここでいうＱ値は純粋に誘電損失だけを反映した値ではなく電極による損失が含まれている。
【００１７】
方向によって容量、Ｑ値が異なった。これは得られた誘電体膜の誘電特性に面内異方性があるためである。例えば容量が大きいことが要求される場合は（Ｂａ，Ｓｒ）ＴｉＯ3の＜００１＞軸に対して１５°で電界が印加されるようレイアウトすることが好ましく、Ｑ値が大きいことが要求される場合は容量を多少犠牲にしても３０°でレイアウトすることが好ましい。このように要求される誘電特性によって櫛形電極のレイアウトを変えることにより、つまり異方性のある結晶面内で電界を印加する方向を変えることにより所望の誘電特性を得ることができることが分かった。
【００１８】
ＬｉＴａＯ3単結晶基板の（１１０）面上に（Ｂａ，Ｓｒ）ＴｉＯ3誘電体膜（（１１０）面）をエピタキシャル成長させると表２に示すようにミスフィット値（両者の格子長差を基板格子長で除した値）が適当（１０％以下程度）であるために適当な歪をもった膜が形成され、歪がない場合より高い誘電率が得られると考えられる。サファイアの（００１）面やＬｉＴａＯ3の（００１）面上にはミスフィット値が大きすぎるため（Ｂａ，Ｓｒ）ＴｉＯ3誘電体膜（（１１０）面）をエピタキシャル成長させることはほぼ不可能と思われる。
【００１９】
【表２】
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【００２０】
サファイア基板に代えてＬｉＴａＯ3基板を使用することによって基板材料のかかるコストを約１／２０に低減することができる。またＬｉＴａＯ3はサファイアより硬度が低いので、幅０.１ｍｍの薄いブレードを用いてダイシングすることが可能であり、ダイシングが容易になると共にダイシングによって捨てる無駄な部分（ダイシング代）が少なくなり、基板の単位面積から採れる素子数が多くなるため、素子単価を安くすることができる。
【００２１】
本実施例では基板としてＬｉＴａＯ3の（１１０）面を用いたが、例えばＬｉＮｂＯ3など同じ結晶構造のものの（１１０）面も基板として採用できる。また他の結晶構造を有する化合物の異方性のある面を基板としても、その上に成長させる誘電体膜材料とのミスフィット値を適当な値にすることができれば同様に面内異方性のある膜を形成することができる。
【００２２】
本実施例では誘電体膜の材料として（Ｂａ，Ｓｒ）ＴｉＯ3を用いたが、このＡサイト／Ｂサイト比は適宜変更してもよく、またＣａ，Ａｌ，Ｍｇなどの元素を置換または添加してもよいことは言うまでもない。本実施例で採用した化学溶液法は安価である点で優れているが、他の方法、例えば乾式の方法で製膜してもよい。さらに基板材料とのミスフィット値を適当な値にすることができれば他の材料を用いても同様に面内異方性のある膜を形成することができる。圧電性のある材料であれば電極のレイアウト方向によって圧電特性が異なるものを作製することも可能である。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本願発明の可変容量素子の上面図である。
【図２】本願発明の可変容量素子の断面図である。
【図３】本願発明の各組成の誘電体膜のＸＲＤチャートである。
【図４】本願発明の各アニール温度の誘電体膜のＸＲＤチャートである。
【図５】本願発明のアニール時の各昇温速度の誘電体膜のＸＲＤチャートである。
【図６】本願発明の単一配向成長した組成２の膜の極点図形である。
【図７】本願発明の櫛形電極のレイアウトと容量の関係を示す図である。
【図８】本願発明の櫛形電極のレイアウトとＱ値の関係を示す図である。
【符号の説明】
【００２４】
１    可変容量素子
１１    櫛形電極
１２    誘電体膜
１３    単結晶基板
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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