(57)【要約】      （修正有）【課題】高周波数化に対応した弾性表面波（ＳＡＷ）フィルターを安価に作製することが可能な弾性表面波素子用圧電体複合基板およびその製造方法を提供する。【解決手段】結晶面としてＲ面を有するサファイア単結晶基板を準備し、次にＤＣマグネトロンスパッタリング装置にサファイア単結晶基板を成膜面がR面となるように装着し、金属亜鉛ターゲットを酸素とアルゴンガスの混合ガスを反応ガスとして導入し、基板温度を１６０℃以上２５０℃以下に加熱しながら、サファイア単結晶基板のＲ面上に圧電膜として酸化亜鉛薄膜を膜厚が０．１μｍ以上１０μｍ以下となるように形成する。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
結晶面としてＲ面を有するサファイア単結晶基板のＲ面上に圧電体層として膜厚が０．１μｍ以上１０μｍ以下である酸化亜鉛膜が配置された弾性表面波素子用圧電体複合基板。
【請求項２】
結晶面としてＲ面を有するサファイア単結晶基板を準備し、次にＤＣマグネトロンスパッタリング装置にサファイア単結晶基板を装着し、金属亜鉛ターゲットを酸素とアルゴンガスの混合ガスを反応ガスとして導入し、基板温度を１６０℃以上２５０℃に加熱しながら、サファイア単結晶基板のＲ面上に圧電膜として酸化亜鉛薄膜を膜厚が０．１μｍ以上１０μｍ以下形成することを特徴とする弾性表面波素子用圧電体複合基板の製造方法。
【請求項３】
前記ＤＣマグネトロンスパッタリング装置は、８０Ｗ以上２５０Ｗ以下の範囲のＤＣ出力とすることを特徴とする請求項２に記載の弾性表面波素子用圧電体複合基板の製造方法。
【請求項４】
前記反応ガスのアルゴンガスと酸素の流量は、アルゴンガスの流量は、１０ｓｃｃｍ以上１５ｓｃｃｍ以下で、酸素ガスの流量は、８ｓｃｃｍ以上１０ｓｃｃｍ以下であることを特徴とする請求項２に記載の弾性表面波素子用圧電体複合基板の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は弾性表面波素子用圧電体複合基板およびその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
弾性表面波（Ｓｕｒｆａｃｅ  Ａｃｏｕｓｔｉｃ  Ｗａｖｅ：ＳＡＷ）は、物質の表面を伝搬する波のことで、この特性を利用するＳＡＷフィルターが知られている。このＳＡＷフィルターは、小型・軽量という特性を活かし、携帯電話、スマートフォンに用いられ任意の周波数を選択するのに用いられ高速通信には重要な部品である。
【０００３】
その他にも、共振子、信号処理用遅延素子、圧力センサー、温度センサーなど多機能の用途に応用されている。
【０００４】
例えば、ＳＡＷフィルターとして使用する弾性表面波素子としては、基板上に弾性表面波の伝搬媒体としての圧電体層と、この圧電体層上に形成されるアルミニウムからなる一対の櫛歯状電極（Ｉｎｔｅｒ  Ｄｉｇｉｔａｌ  Ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ：ＩＤＴ）とを備えている。（例えば、特許文献１参照）
【０００５】
弾性表面波素子は、入力用のＩＤＴに電気信号（交流電力）が供給されると、これによる電場により圧電体層に歪が生じる。ここで、電極が櫛型形状であるため、圧電体層に密度の差が生じて、弾性表面波が生じる。この弾性表面波は出力用ＩＤＴに伝搬し、この弾性表面波のエネルギーは出力用ＩＤＴによって、電気的エネルギーに変換出力される。
【０００６】
また、特許文献２には、弾性表面波素子は、高速化を目的として、硬質層としてダイヤモンドを用いて、圧電体層に酸化亜鉛（ＺｎＯ）を用いた伝搬速度が１００００ｍ／ｓを超える弾性波素子が記載されており、最近弾性表面波素子に要求される高周波数化に対応している。
【０００７】
一般に、ＳＡＷフィルターの中心周波数ｆは、弾性表面波の伝搬速度Ｖと電極ピッチ（λ／４：λは弾性表面波の波長）との関係から、中心周波数ｆはＶ／λで表されることが知られている。すなわち、弾性表面波素子の高周波数化を行うには、弾性表面波の波長を小さくする方法と弾性表面波の伝搬速度を大きくする方法とが考えられる。しかしながら、弾性表面波の波長は、ＩＤＴの電極ピッチできまり、製造技術での限界があるのが実情である。現在の量産レベルでは０．４μｍ程度であり、最近ＳＡＷフィルターによく使用されるタンタル酸リチウム基板（ＬＴ）の伝搬速度は約３８００ｍ／ｓであり２４００ＭＨｚが限界といえる。
【０００８】
そこで高周波用にはＦＢＡＲ（Ｆｉｌｍ  Ｂｕｌｋ  Ａｃｏｕｓｔｉｃ  Ｒｅｓｏｎａｔｏｒ）と言われる、ＡＬＮの振動子を用いたデバイスが検討されている。しかし、これは製造工程が複雑で高価であるため、一部の機器にしか用いられていないのが実情である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開平９−５１２４８号公報
【特許文献２】特開２００８−２５８７８０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本発明者は、高周波数化に対応するために、弾性表面波の伝搬速度を大きくする方法を鋭意検討し、効率的に弾性表面波の伝搬速度を大きくするためには、適度に高い硬度を有する基板を選定し、配向性の高い圧電膜として酸化亜鉛からなるスパッタ薄膜を基板上に配置することで達成できることを見出し、本発明を完成するに至った。
【００１１】
本発明は、上述の従来の問題点を解決し、高周波数化に対応したＳＡＷフィルターを安価に作製することが可能な弾性表面波素子用圧電体複合基板およびその製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明によれば、結晶面としてＲ面を有するサファイア単結晶基板のＲ面上に圧電体層として膜厚が０．１μｍ以上１０μｍ以下である酸化亜鉛膜が配置された弾性表面波素子用圧電体複合基板が提供される。
【００１３】
また、本発明によれば、結晶面としてＲ面を有するサファイア単結晶基板を準備し、次にＤＣマグネトロンスパッタリング装置にサファイア単結晶基板を装着し、金属亜鉛ターゲットを酸素とアルゴンガスの混合ガスを反応ガスとして導入し、基板温度を１６０℃以上２５０℃以下に加熱しながら、サファイア単結晶基板のＲ面上に圧電膜として酸化亜鉛薄膜を膜厚が０．１μｍ以上１０μｍ以下となるように形成することを特徴とする弾性表面波素子用圧電体複合基板の製造方法が提供される。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、安価なサファイア基板を用い、また圧電体に酸化亜鉛薄膜とすることにより、従来のＬＴ基板を用いたＳＡＷフィルターの伝搬速度を大きく上回る３ＧＨｚ帯に適用可能なＳＡＷフィルターを効率的に製造できる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】圧電体膜上に形成する櫛型電極
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、本発明の弾性表面波素子用圧電体複合基板およびその製造方法について説明する。
（１）弾性表面波素子用基板
弾性表面波素子に使用する基板を伝わる伝搬速度は、基板の硬度が高いほど早い伝搬速度が得られることが知られている。
【００１７】
例えば、最も硬度の高いダイヤモンド基板に窒化アルミ二ウムや酸化亜鉛の圧電膜を形成した基板では、１００００ｍ／ｓを超える最高レベルの伝搬速度が得られている。但し、基板の価格が高価すぎるため実用的には採用できない。支持基板として安価で汎用的なガラス基板に酸化亜鉛の圧電膜を形成した基板では、通常２４００ｍ／ｓ程度の伝搬速度までしか得られない。
【００１８】
本発明者は、適度な硬度を有し、価格的にも入手のしやすいことから、支持基板にサファイア基板を選定し、サファイア基板表面に圧電膜を配置する複合基板とすることで、安価で伝搬速度の大きな弾性表面波素子用基板を得ることを検討した。
【００１９】
基板上に配置する圧電膜は結晶化していないと圧電性を持たないので、支持基板であるサファイア基板も単結晶であることが好ましい。さらに、サファイア単結晶は結晶面として、Ａ面、Ｃ面、Ｒ面と様々な結晶面を有するが、Ｒ面が基板表面上に形成する圧電膜が最も配向しやすいので、Ｒ面がより好ましい。
【００２０】
（２）圧電膜
次に、基板上に配置する圧電膜として、酸化亜鉛膜が最も適する材料であると考えた。これは、支持基板のサファイア自身は圧電性を持たないので、圧電膜を結晶化させて圧電性を持たせる必要があり、配向性が得られやすい酸化亜鉛膜を選択した。酸化亜鉛からなる圧電膜の膜厚は、０．１μｍ以上１０μｍ以下の範囲とすることが好ましい。０．１μｍ未満では、安定した圧電膜としての特性を得ることができない恐れがあり、１０μｍを超える膜厚としても、弾性表面波の伝搬速度の向上は見られず、かえって安定した結晶性を得ることが難しくなる恐れがある。
【００２１】
（３）圧電体複合基板の製造方法
次に、本発明の圧電体複合基板の製造方法について説明する。まず、基板として結晶面がＲ面のサファイア単結晶基板を用意し、サファイア単結晶基板表面に圧電膜として酸化亜鉛薄膜を形成する。
【００２２】
一般的に、圧電膜としては窒化アルミ二ウムなどの窒化膜や、チタン酸バリウム、タンタル酸リチウム、ニオブ酸リチウム、酸化亜鉛などの酸化物膜等が用いられるが、本発明では、サファイア基板Ｒ面上に配向性に優れる薄膜を安価に作製するという観点から、酸化亜鉛をスパッタリング法により成膜することが好ましいと考えた。
【００２３】
窒化膜は真空装置内の酸素の影響が大きく、先に金属と酸素が反応し、窒化膜の成長が阻害され圧電性を安定して示す膜を成膜するのが難しい。これを解決するためには、窒化膜の成膜には真空をやぶらないで連続的にスパッタできるロードロック式の装置を使用することで問題を解消できるが、この装置は構造が複雑で極めて高価である。
【００２４】
従って、圧電体として酸化物を選択し、上記の理由から各種酸化物圧電材料の中から酸化亜鉛を最も適する材料として選択した。
【００２５】
また、コスト面からターゲットにはＺｎＯなどの高価な焼結体ターゲットでなく、安価な金属Ｚｎターゲットを使用することとした。スパッタリングの反応ガスは、酸素とアルゴンガスの混合ガスを導入し、ＤＣマグネトロンスパッタリング装置を用いて、反応性スパッタリングにより、０．１μｍ以上１０μｍ以下の膜厚の酸化亜鉛膜を成膜する。
【００２６】
具体的なスパッタリングの成膜条件としては、基板加熱温度は１６０℃以上２５０℃以下の範囲が良く、１７０℃以上２００℃以下の範囲がより好ましい。基板加熱温度が１６０℃より低いと酸化亜鉛膜の結晶性や配向性が急激に低下しアモルファスとなり、２５０℃を超えると、室温からの昇温、室温に戻す時間がかかり成膜時間が長くなるため好ましくない。
【００２７】
ＤＣマグネトロンスパッタリングのＤＣ出力は８０Ｗ以上２５０Ｗ以下の範囲で行うことが好ましい。より好ましくは１５０Ｗ以上２００Ｗ以下である。ＤＣ出力が８０Ｗより低いと安定したスパッタリングが得られにくく、また２５０Ｗを超えると酸化亜鉛膜表面に凹凸や粒成長が起き平滑性が損なわれるため好ましくない。
【００２８】
スパッタ時の反応ガスは、酸素とアルゴンの混合ガスを用いて、酸化亜鉛膜を形成する。反応ガスとして、アルゴンガスの流量は、１０ｓｃｃｍ以上１５ｓｃｃｍ以下として、また酸素ガスの流量は、８ｓｃｃｍ以上１０ｓｃｃｍ以下とすることで効率的に成膜することができる。
【実施例】
【００２９】
以下、本発明を実施例を用いてさらに詳しく説明するが、本発明は実施例に何ら限定されるものではない。
【００３０】
（圧電体複合基板の作製及び評価）
（実施例１）
まず、基板の直径が２インチで、厚さは６５０μｍであり、結晶面としてＲ面を有する単結晶サファイア基板を準備した。
【００３１】
次に、準備したサファイア基板をＤＣマグネトロンスパッタリング装置（芝浦製作所製、型式ＣＦＳ−４ＥＳ）に、成膜する面がＲ面となるように装着した。またスパッタリングターゲットとして、３インチ径のＺｎメタルターゲットを装着し、基板温度を１７０℃に加熱しながら、反応性ガスとしてアルゴンガスと酸素の混合ガスを供給（アルゴンガスの流量は１５ｓｃｃｍ、酸素の流量は１０ｓｃｃｍ）しながら反応性スパッタを行い、圧電膜として膜厚１．３μｍの酸化亜鉛膜を成膜した。
【００３２】
スパッタ時の到達真空度は６．５×１０−３Ｐａで、スパッタ出力は２００Ｗで、成膜時間は３５分であった。
【００３３】
得られた酸化亜鉛薄膜の結晶性をＸ線回折（ＸＲＤ）により半値幅を測定したところ、１４．４°であり、（００１）配向が認められた。
【００３４】
（実施例２）
実施例１と同じ基板とスパッタリング装置を用いて、スパッタリング条件の基板加熱温度を２００℃とした以外は実施例１と同じ条件で圧電体複合基板を作製した。
【００３５】
得られた酸化亜鉛薄膜の結晶性をＸ線回折（ＸＲＤ）により半値幅を測定したところ、１８．４°で、（００１）配向が認められた。
【００３６】
（実施例３）
実施例１と同じ基板とスパッタリング装置を用いて、スパッタリング条件の基板加熱温度を２６０℃とした以外は実施例１と同じ条件で圧電体複合基板を作製した。
【００３７】
得られた酸化亜鉛薄膜の結晶性をＸ線回折（ＸＲＤ）により半値幅を測定したところ、１０．４°で、（００１）配向が認められた。
【００３８】
（比較例）
実施例１と同じ基板とスパッタリング装置を用いて、スパッタリング条件の基板加熱温度を１５０℃とした以外は実施例１と同じ条件で圧電体複合基板を作製した。
【００３９】
得られた酸化亜鉛薄膜の結晶性をＸ線回折（ＸＲＤ）によりアモルファス状と認められた。
【００４０】
（ＳＡＷフィルターの作製および評価）
実施例１で得た単結晶サファイアの圧電体複合基板の酸化亜鉛薄膜上に図１に示したＣｕの櫛形電極を形成しＳＡＷフィルターを作製した。この櫛形電極は、電極幅１μｍ、電極間隔１μｍ、銅の膜厚０．５μｍの電極とした。
【００４１】
このＳＡＷフィルターの特性は、伝搬速度は４９１５ｍ／ｓ、周波数温度特性は−１８．６ｐｐｍ／℃、電気機械結合係数は１３％であった。また、表面弾性波の波長λを０．４μｍとすることより、３０７１ＭＨｚのＳＡＷフィルターを得ることができることがわかる。
【００４２】
次に、厚さが２００μmのＬＴ基板を用いて、ＬＴ基板表面に上記単結晶サファイアの圧電体複合基板と同様に図１に示したＣｕの櫛形電極を形成しＳＡＷフィルターを作製した。この櫛形電極は、電極幅１μｍ、電極間隔１μｍ、銅の膜厚０．５μｍの電極とした。このＳＡＷフィルターの特性は、伝搬速度は３９００ｍ／ｓ、周波数温度特性は−３５．０ｐｐｍ／℃であった。
【００４３】
これらの評価結果から、本発明の圧電体複合基板は、従来のＬＴ圧電基板を上回る伝搬速度、周波数温度特性が得られていることがわかる。
【図１】
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