(57)【要約】【課題】  基板と、この基板によって支持される、圧電薄膜ならびに圧電薄膜を厚み方向に挟んで互いに対向するように形成される上電極および下電極とを備え、厚み縦振動を利用する、圧電装置において、圧電薄膜内でのバルク弾性波の散乱を抑制し、圧電特性を改善する。【解決手段】  上電極６および下電極７は、Ｔｉを主成分とする下地層８上に、双晶構造を有するエピタキシャル膜からなる双晶エピタキシャル電極９を形成した構造とされる。また、圧電薄膜５についても、双晶構造を有するエピタキシャル膜から構成される。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、前記基板によって支持される、圧電薄膜ならびに前記圧電薄膜を厚み方向に挟んで互いに対向するように形成される上電極および下電極とを備え、
前記上電極および前記下電極の少なくとも一方は、双晶構造を有するエピタキシャル膜からなる双晶エピタキシャル電極を備えることを特徴とする、圧電装置。
【請求項２】
前記圧電薄膜は、双晶構造を有するエピタキシャル膜から構成されていることを特徴とする、請求項１に記載の圧電装置。
【請求項３】
前記基板は、Ｓｉ、水晶、サファイア、ＬｉＴａＯ3 およびＬｉＮｂＯ3 のいずれかの単結晶からなることを特徴とする、請求項１または２に記載の圧電装置。
【請求項４】
前記上電極および前記下電極の少なくとも一方は、Ｔｉを主成分とする下地層を備え、前記双晶エピタキシャル電極は、前記下地層上に形成されることを特徴とする、請求項１ないし３のいずれかに記載の圧電装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、厚み縦振動を利用する圧電装置に関するもので、特に、圧電装置を共振子として用いた場合の電気機械結合係数の向上を図るための改良に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
この発明とって興味ある圧電装置として、バルク弾性波（ＢＡＷ）素子がある。ＢＡＷ素子は、基板上に形成された酸化亜鉛（ＺｎＯ) や窒化アルミニウム（ＡｌＮ）等からなる圧電薄膜の厚み縦振動を利用する素子である。
【０００３】
ＢＡＷ素子を用いた共振子は、一般に、基板と、基板によって支持される、圧電薄膜ならびに圧電薄膜を厚み方向に挟んで互いに対向するように形成される上電極および下電極とを備えている（たとえば、特許文献１参照）。
【０００４】
上述のようなＢＡＷ素子を用いた共振子は、これを複数組み合わせることにより、たとえばバンドパスフィルタが構成される。近年の無線通信機器市場の拡大に伴い、フィルタに対し、広帯域化の要求がある。ＢＡＷ素子を用いたフィルタにおいて広帯域化を図るためには、共振子の電気機械結合係数を大きくする必要がある。そして、電気機械結合係数を大きくするためには、圧電薄膜の結晶の配向性を向上させる必要がある。
【０００５】
たとえば特許文献２に記載されているＢＡＷ素子を用いた共振子では、圧電薄膜として、その厚み方向に結晶が配向するＣ軸配向膜が用いられている。このように、圧電薄膜において、その振動方向と同じＣ軸方向に結晶を配向させることにより、圧電薄膜内での振動の伝搬損失を低減することができ、その結果、電気機械結合係数を大きくすることができる。
【０００６】
しかしながら、上記特許文献２に記載のＢＡＷ素子を用いた共振子によれば、圧電薄膜の振動方向に対する伝搬損失の低減による電気機械結合係数の改善は可能であるが、振動方向に対して垂直な面方向（圧電薄膜の面方向）への伝搬損失を低減する効果は実質的にない。これは、圧電薄膜の面方向に粒界が多く存在し、バルク弾性波を散乱させるためである。
【特許文献１】特開昭６０−２１７７１１号公報
【特許文献２】特開２００３−１５８３０９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
そこで、この発明の目的は、圧電薄膜内でのバルク弾性波の散乱を抑制し、それによって圧電特性を改善した、圧電装置を提供しようとすることである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
この発明は、基板と、基板によって支持される、圧電薄膜ならびに圧電薄膜を厚み方向に挟んで互いに対向するように形成される上電極および下電極とを備える、圧電装置に向けられる。このような圧電装置において、この発明では、上電極および下電極の少なくとも一方が、双晶構造を有するエピタキシャル膜からなる双晶エピタキシャル電極を備えることを特徴としている。
【０００９】
この発明において、圧電薄膜についても、双晶構造を有するエピタキシャル膜から構成されることが好ましい。
【００１０】
また、基板は、Ｓｉ、水晶、サファイア、ＬｉＴａＯ3 およびＬａＮｂＯ3 のいずれかの単結晶からなることが好ましい。
【００１１】
上電極および下電極の少なくとも一方は、Ｔｉを主成分とする下地層を備え、上記双晶エピタキシャル電極は、この下地層上に形成されることが好ましい。
【発明の効果】
【００１２】
この発明によれば、上電極および下電極の少なくとも一方が双晶構造を有するエピタキシャル膜からなる双晶エピタキシャル電極を備えている。双晶構造とは、ＸＹＺ面それぞれに結晶を配向させた３軸配向膜の一種であり、互いに１８０°回転させたような２種の結晶方位を持った結晶構造である。粒界は、この双晶間にのみ存在し、従来の多結晶あるいはＣ軸配向膜に比べ結晶間の粒界が大きく減少し、低抵抗となる。これによって、抵抗損に起因する損失を低減することができ、共振子の電気機械結合係数を大きくでき、フィルタの広帯域化を図ることができる。
【００１３】
なお、上述したような効果は、上電極および下電極の双方が双晶エピタキシャル電極を備えているとき、より顕著に発揮される。
【００１４】
たとえば下電極が双晶エピタキシャル電極を備え、その上に圧電薄膜が形成されるとき、圧電薄膜は、下電極の結晶方位を引き継いで成長したエピタキシャル膜とすることができる。そして、このような圧電薄膜についても３軸配向の双晶構造とされると、圧電薄膜内での伝搬損失を低減でき、フィルタの一層の広帯域化を図ることができる。
【００１５】
基板が、Ｓｉ、水晶、サファイア、ＬｉＴａＯ3 およびＬｉＮｂＯ3 のいずれかの単結晶からなる場合には、その上に形成する電極および圧電薄膜の配向性を向上させることができる。
【００１６】
前述した双晶エピタキシャル電極は、Ｔｉを主成分とする下地層上において容易に形成することができる。したがって、上電極および下電極の少なくとも一方が、Ｔｉを主成分とする下地層を備えていると、このような下地層を備える電極については、双晶エピタキシャル電極を容易に形成することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
図１は、この発明の一実施形態による圧電装置１を用いて構成された共振子２を示す断面図である。図２は、図１の破線で囲まれた部分Ａを拡大で示す図である。
【００１８】
圧電装置１は、厚み縦振動を利用するもので、基板３を備えている。基板３は、圧電装置１において生じる振動を許容するためのキャビティ４を形成している。圧電装置１は、さらに、基板３によって支持される、圧電薄膜５ならびに圧電薄膜５を厚み方向に挟んで互いに対向するように形成される上電極６および下電極７を備えている。前述したキャビティ４は、下電極７、圧電薄膜５および上電極６を基板３上に形成した後で、エッチング等によって形成される。
【００１９】
基板３は、好ましくは、Ｓｉ、水晶、サファイア、ＬｉＴａＯ3 およびＬｉＮｂＯ3 のいずれかの単結晶から構成される。このように、単結晶からなる基板３を用いることにより、その上にエピタキシャル膜を作製することが容易になる。より好ましくは、基板３を構成する単結晶として、ＺカットＬｉＴａＯ3 またはＺカットＬｉＮｂＯ3 の単結晶が用いられる。これによって、エピタキシャル構造の作製をより容易なものとすることができる。
【００２０】
基板３を得るためには、通常、その表面を研磨する工程が実施される。その結果、基板３の表面には、加工変質層、すなわち電極の結晶成長を阻害するアモルファス層が残存していることが多い。そのため、基板３に対しては、この加工変質層を除去するためのエッチング等による前処理が施されることが好ましい。
【００２１】
基板３として、水晶基板が用いられる場合には、上述の前処理として、ＢＨＦ（バッファードフッ酸）によるエッチングを行い、表面変質層を除去することが好ましい。なお、前処理液としては、ＢＨＦのほか、硝酸、フッ酸またはそれらの混合液が用いられてもよい。
【００２２】
基板３にキャビティ４を形成するため、エッチングが適用される場合、基板３の所定の領域にパターニングされたマスクが形成される。このエッチングにおいてフッ素系ガスを用いたプラズマエッチングが適用される場合には、マスクは、プラズマ耐性を持つ感光性樹脂を用いて形成することが好ましい。
【００２３】
上電極６および下電極７は、好ましくは、図２に示すような断面構造とされる。図２を参照して、上電極６および下電極７は、ともに、成膜工程において、先に形成される下地層８と、下地層８上に形成される双晶エピタキシャル電極９とを備えている。双晶エピタキシャル電極９は、双晶構造を有するエピタキシャル膜から構成される。下地層８は、Ｔｉを主成分とするもので、その上に、双晶構造をもつ双晶エピタキシャル電極９を形成することを容易にする。下地層８および双晶エピタキシャル電極９の形成には、たとえば、蒸着またはスパッタリングが適用される。
【００２４】
双晶エピタキシャル電極９を構成する金属としては、好ましくは、Ａｌ、Ｐｔ、Ａｕ、Ｐｄ、Ａｇ、Ｒｈ、γ−Ｍｎ、Ｉｒ、α−Ｓｎ、Ｃｕ、γ−ＦｅおよびＮｉのいずれかが用いられる。これらの金属は、ｆｃｃ（面心立方格子）構造を与え得るものであるので、これらの金属を用いれば、双晶エピタキシャル電極９においてエピタキシャル構造を容易に作製することができる。
【００２５】
圧電薄膜５は、たとえばスパッタリングによって形成され、この成膜工程において、下電極７の双晶エピタキシャル電極９に結晶方位を引き継いで成長し、同じく双晶構造を有するエピタキシャル膜から構成される。圧電薄膜５を構成する圧電材料としては、好ましくは、ＺｎＯまたはＡｌＮを用いることができる。このような圧電材料によれば、共振子２の特性をより優れたものとすることができる。
【００２６】
以上説明した圧電装置１を備える共振子２を複数組み合わせることによって、図３および図４に示すようなフィルタ１０を構成することができる。図３は、フィルタ１０における上電極６および下電極７の配置状態を示す平面図である。図４は、図３に示したフィルタ１０の等価回路図である。図３および図４において、図１に示した要素に相当する要素には同様の参照符号を付し、重複する説明は省略する。
【００２７】
図３を参照して、圧電薄膜（図３では図示を省略）を介して上電極６と下電極７とが対向する部分に圧電装置１が構成される。フィルタ１０は、図４に示すような等価回路を与えるように、圧電装置１によってそれぞれ与えられた複数の共振子２が組み合わされて構成される。
【００２８】
なお、図３および図４に示したフィルタ１０は一例にすぎず、フィルタを構成するための複数の共振子の組み合わせ態様については、その他種々の例がある。
【００２９】
次に、この発明による効果を確認するために実施した実験例について説明する。
【００３０】
（実験例１）                                                            基板として、ＺカットＬｉＴａＯ3 基板を用意し、この基板をマルチソース対応のるつぼを有する電子ビーム蒸着装置内にセッティングし、高真空ポンプにより１０-5Ｐａ台の圧力になるまで真空引きを行なった。
【００３１】
次いで、上記の状態で、下電極の下地層となるＴｉ膜を２０ｎｍの厚さに形成し、次いで、電子ビームの照射によって高温となったるつぼを冷やすために１５分間程度放置した後、るつぼを回転させ、真空を保ったまま、下地層の双晶エピタキシャル電極となるＡｌ膜を２００ｎｍの厚みに形成した。
【００３２】
上記の成膜の際、均一な膜厚分布が得られるように、基板を自公転させた。また、るつぼの上方にはシャッタが設けられており、これらＴｉ膜およびＡｌ膜の各々の膜厚は、シャッタの開閉および成膜時間の調整によって制御した。また、Ｔｉ膜およびＡｌ膜のいずれについても、成膜温度としては常温を適用し、加熱を行なわなかった。
【００３３】
上述のようにして作製した下電極におけるＡｌ膜の結晶性をＸ線回折によって分析したところ、図５に示すように、Ａｌ（２００）極点図において６回対称スポットが検出され、双晶構造を有するエピタキシャル膜すなわちエピタキシャル成長した３軸配向膜であることが確認された。
【００３４】
次に、上記のように下電極が形成された基板を、スパッタリングチャンバにセッティングし、１０-5Ｐａ台の圧力になるまで真空引きを行なった後、Ａｒ／Ｏ2 混合ガスを導入し、圧電薄膜としてのＺｎＯ膜を形成した。このとき、基板温度は約２００℃であり、形成されたＺｎＯ膜の厚さは約１μｍであった。
【００３５】
このようにして作製されたＺｎＯ膜の結晶性をＸ線回折によって分析したところ、図６に示すように、ＺｎＯ（１０２）極点図において６回対称スポットが検出され、ＺｎＯ膜についても、双晶構造を有するエピタキシャル膜すなわちエピタキシャル成長した３軸配向膜であることが確認された。
【００３６】
次に、前述した下電極と同様の成膜方法を適用して、ＺｎＯ膜上に上電極の下地層および双晶エピタキシャル電極を形成することによって、圧電装置を得た。そして、図１に示すようなＢＡＷ共振子を複数組み合わせた、図３および図４に示すようなＢＡＷフィルタ得るため、圧電薄膜ならびに上電極および下電極７が形成された側とは逆の面にプラズマ耐性を持つ感光性樹脂からなりかつ所定の開口を形成するようにパターニングされたマスクを形成した基板を、反応性イオンエッチング装置にセッティングし、１０-5Ｐａ台の真空度に達した後、フッ素ガスを用いたプラズマエッチングを実施することによって、基板にキャビティを形成し、また、上電極および下電極を、フォトリソグラフィ技術を用いたリフトオフにより所定のパッド面積となるようにパターニングし、さらに、圧電薄膜を、ウエットエッチングによりパターニングした。
【００３７】
他方、比較例として、従来のＣ軸配向膜からなる上電極および下電極を有するＢＡＷ共振子を複数組み合わせたＢＡＷフィルタを作製した。
【００３８】
このようにして得られた実施例および比較例の各々に係るＢＡＷ共振子の電気機械結合係数を評価したところ、比較例では、５．８３％であったのに対し、実施例では、これより０．６％向上し、６．４１％となった。また、ＢＡＷフィルタの通過帯域幅を比較したところ、比較例では、５３．３ＭＨｚであったのに対し、実施例では、これより５ＭＨｚ広い、５８．４ＭＨｚとなった。
【００３９】
（実験例２）
実験例１における圧電薄膜としてのＺｎＯ膜形成工程に代えて、次のようなＡｌＮ膜形成工程を実施したことを除いて、実験例１の場合と同様の工程を経て、試料となるＢＡＷ共振子を複数組み合わせたＢＡＷフィルタを作製した。
【００４０】
ＡｌＮ膜形成のためのスパッタリング工程において、基板温度を約２５０℃とし、到達真空度を１０-5Ｐａ台とした後、スパッタリングガスとしてのＡｒ／Ｎ2 混合ガスを導入し、膜厚が約１μｍのＡｌＮ膜を形成した。
【００４１】
このＡｌＮ膜の結晶性をＸ線回折で分析したところ、図７に示すように、ＡｌＮ（１０２）極点図において６回対称スポットが検出され、実験例１におけるＺｎＯ膜の場合と同様、双晶構造を有するエピタキシャル膜であることが確認された。
【００４２】
また、ＡｌＮ膜の表面モフォロジーを原子間力顕微鏡を用いて測定したところ、ＡｌＮ膜が１軸配向膜である場合がＲａ＝２．０ｎｍ程度であったのに対し、この実験例２において得られたＡｌＮ膜の場合にはＲａ＝１．３ｎｍであり、平坦性についても大きく改善されていることがわかった。
【００４３】
さらに、共振子およびフィルタとしての特性を評価したところ、電極および圧電薄膜が１軸配向膜である場合に比べて、伝搬損失が大幅に低減された。
【００４４】
（実験例３）
実験例１における双晶エピタキシャル電極としてのＡｌ膜に代えて、膜厚が２００ｎｍのＡｕ膜を形成したことを除いて、実験例１の場合と同様の工程を経て、試料となるＢＡＷ共振子を複数組み合わせたＢＡＷフィルタを作製した。
【００４５】
上記のＡｕ膜の結晶性をＸ線回折で分析したところ、図８に示すように、Ａｕ（２００）極点図において６回対称スポットが検出され、実験例１におけるＡｌ膜の場合と同様、双晶構造を有するエピタキシャル膜であることが確認された。
【００４６】
また、上記Ａｕ膜を双晶エピタキシャル膜として備える下電極を形成した後に形成した圧電薄膜としてのＺｎＯ膜をＸ線回折で分析したところ、図９に示すように、ＺｎＯ（１０２）極点図において６回対称スポットが検出され、実験例１におけるＡｌ膜上のＺｎＯ膜の場合と同様、双晶構造を有するエピタキシャル膜であることが確認された。
【００４７】
また、この実験例３において、Ａｕ膜がリフトオフによりパターニングが可能であることが確認された。
【００４８】
さらに、共振子およびフィルタとしての特性を評価したところ、この実験例３において得られた試料についても、伝搬損失が大幅に低減されていた。
【００４９】
（実験例４）
実験例３における圧電薄膜としてのＺｎＯ膜に代えて、実験例２の場合と同様の工程を経て膜厚が約１μｍのＡｌＮ膜を形成したことを除いて、実験例３の場合と同様の工程を経て、試料となるＢＡＷ共振子を複数組み合わせたＢＡＷフィルタを作製した。
【００５０】
上記ＡｌＮ膜をＸ線回折で分析したところ、図１０に示すように、ＡｌＮ（１０２）極点図において６回対称スポットが検出され、実験例２におけるＡｌ膜上のＡｌＮ膜の場合と同様、このＡｕ膜上のＡｌＮ膜についても、双晶構造を有するエピタキシャル膜であることが確認された。
【００５１】
また、共振子およびフィルタとしての特性を評価したところ、この実験例４において得られた試料についても、伝搬損失が大幅に低減されていた。
【００５２】
（実験例５）
実験例１における双晶エピタキシャル電極としてのＡｌ膜に代えて、膜厚が２００ｎｍのＰｔ膜を形成したことを除いて、実験例１の場合と同様の工程を経て、試料となるＢＡＷ共振子を複数組み合わせたＢＡＷフィルタを作製した。
【００５３】
上記のＰｔ膜の結晶性をＸ線回折で分析したところ、図１１に示すように、Ｐｔ（２００）極点図において６回対称スポットが検出され、実験例１におけるＡｌ膜の場合と同様、双晶構造を有するエピタキシャル膜であることが確認された。
【００５４】
また、上記Ｐｔ膜を双晶エピタキシャル膜として備える下電極を形成した後に形成した圧電薄膜としてのＺｎＯ膜をＸ線回折で分析したところ、図１２に示すように、ＺｎＯ（１０２）極点図において６回対称スポットが検出され、実験例１におけるＡｌ膜上のＺｎＯ膜の場合と同様、双晶構造を有するエピタキシャル膜であることが確認された。なお、図１２において、ＺｎＯについての各スポットの外側にそれぞれ現れたスポットは、Ｐｔに由来するものである。
【００５５】
また、この実験例５において、Ｐｔ膜がリフトオフによりパターニングが可能であることが確認された。
【００５６】
さらに、共振子およびフィルタとしての特性を評価したところ、この実験例５において得られた試料についても、伝搬損失が大幅に低減されていた。
【００５７】
（実験例６）
実験例５における圧電薄膜としてのＺｎＯ膜に代えて、実験例２の場合と同様の工程を経て膜厚が約１μｍのＡｌＮ膜を形成したことを除いて、実験例５の場合と同様の工程を経て、試料となるＢＡＷ共振子を複数組み合わせたＢＡＷフィルタを作製した。
【００５８】
上記ＡｌＮ膜をＸ線回折で分析したところ、図１３に示すように、ＡｌＮ（１０２）極点図において６回対称スポットが検出され、実験例２におけるＡｌ膜上のＡｌＮ膜の場合と同様、このＰｔ膜上のＡｌＮ膜についても、双晶構造を有するエピタキシャル膜であることが確認された。
【００５９】
また、共振子およびフィルタとしての特性を評価したところ、この実験例６において得られた試料についても、伝搬損失が大幅に低減されていた。
【００６０】
（実験例７）
実験例１における基板としてのＺカットＬｉＴａＯ3 基板に代えて、ＢＨＦによるエッチングを前処理として施した水晶基板を用いたことを除いて、実験例１の場合と同様の工程を経て、試料となるＢＡＷ共振子を複数組み合わせたＢＡＷフィルタを作製した。
【００６１】
この実験例７においても、Ａｌ膜およびその上のＺｎＯ膜が、ともに、双晶構造を有するエピタキシャル膜であることが確認され、共振子およびフィルタとしての特性についても、伝搬損失が大幅に低減された。
【図面の簡単な説明】
【００６２】
【図１】この発明の一実施形態による圧電装置１を用いて構成された共振子２を示す断面図である。
【図２】図１の破線で囲まれた部分Ａを拡大して示す図である。
【図３】図１に示した共振子２を複数組み合わせて構成されたフィルタ１０における上電極６および下電極７の配置状態を示す平面図である。
【図４】図３に示したフィルタ１０の等価回路図である。
【図５】実験例１において作製された試料に備えるＡｌ膜の結晶性をＸ線回折で分析して得られたＡｌ（２００）極点図である。
【図６】実験例１において作製された試料に備えるＺｎＯ膜の結晶性をＸ線回折で分析して得られたＺｎＯ（１０２）極点図である。
【図７】実験例２において作製された試料に備えるＡｌＮ膜の結晶性をＸ線回折で分析して得られたＡｌＮ（１０２）極点図である。
【図８】実験例３において作製された試料に備えるＡｕ膜の結晶性をＸ線回折で分析して得られたＡｕ（２００）極点図である。
【図９】実験例３において作製された試料に備えるＺｎＯ膜の結晶性をＸ線回折で分析して得られたＺｎＯ（１０２）極点図である。
【図１０】実験例４において作製された試料に備えるＡｌＮ膜の結晶性をＸ線回折で分析して得られたＡｌＮ（１０２）極点図である。
【図１１】実験例５において作製された試料に備えるＰｔ膜の結晶性をＸ線回折で分析して得られたＰｔ（２００）極点図である。
【図１２】実験例５において作製された試料に備えるＺｎＯ膜の結晶性をＸ線回折で分析して得られたＺｎＯ（１０２）極点図である。
【図１３】実験例６において作製された試料に備えるＡｌＮ膜の結晶性をＸ線回折で分析して得られたＡｌＮ（１０２）極点図である。
【符号の説明】
【００６３】
１  圧電装置
２  共振子
３  基板
５  圧電薄膜
６  上電極
７  下電極
８  下地層
９  双晶エピタキシャル電極
１０  フィルタ
【図１】
2006229639.tif 000003
【図２】
2006229639.tif 000004
【図３】
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【図４】
2006229639.tif 000006
【図５】
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【図６】
2006229639.tif 000008
【図７】
2006229639.tif 000009
【図８】
2006229639.tif 000010
【図９】
2006229639.tif 000011
【図１０】
2006229639.tif 000012
【図１１】
2006229639.tif 000013
【図１２】
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【図１３】
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