(57)【要約】【課題】圧電薄膜の膜質を良好にしたことで高性能なものとなり、また、単結晶基板に半導体素子を形成できることから半導体素子との集積化も可能となり、しかも単結晶基板中への表面弾性波の漏洩も防止した表面弾性波素子、さらにはこれを備えた周波数フィルタ、発振器、電子回路、及び電子機器を提供する。【解決手段】単結晶基板１と、この単結晶基板１上に形成された結晶膜からなるバッファー層２と、バッファー層２上に形成された六方晶系または三方晶系の結晶構造を有する圧電薄膜３とを備えてなる表面弾性波素子。【選択図】    図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
単結晶基板と、該単結晶基板上に形成された結晶膜からなるバッファー層と、該バッファー層上に形成された六方晶系または三方晶系の結晶構造を有する圧電薄膜とを備えてなることを特徴とする表面弾性波素子。
【請求項２】
前記単結晶基板が単結晶シリコン基板であることを特徴とする請求項１記載の表面弾性波素子。
【請求項３】
前記単結晶シリコン基板は面方位（１１１）であることを特徴とする請求項２記載の表面弾性波素子。
【請求項４】
前記バッファー層はエピタキシャル膜であることを特徴とする請求項２又は３のいずれかに記載の表面弾性波素子。
【請求項５】
前記バッファー層は希土類酸化物からなることを特徴とする請求項２〜４のいずれかに記載の表面弾性波素子。
【請求項６】
前記単結晶基板の表面にはシリコン酸化物からなる自然酸化膜が形成されていることを特徴とする請求項５記載の表面弾性波素子。
【請求項７】
前記圧電薄膜はエピタキシャル膜であることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の表面弾性波素子。
【請求項８】
前記六方晶系または三方晶系の結晶構造を有する圧電薄膜は、ＺｎＯ、ＡｌＮ、ＬｉＴａＯ３、ＬｉＮｂＯ３、ＬｉＮｂ１−ｘＴａｘＯ３、（０＜ｘ＜１）のいずれかであることを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載の表面弾性波素子。
【請求項９】
前記バッファー層と圧電薄膜との間に、導電膜が設けられたことを特徴とする請求項１〜８のいずれかに記載の表面弾性波素子。
【請求項１０】
前記導電膜は金属または六方晶系酸化物からなることを特徴とする請求項９記載の表面弾性波素子。
【請求項１１】
前記導電膜が六方晶系酸化物からなる場合に、この六方晶系酸化物は、酸素欠損による電子キャリア型の酸化亜鉛であることを特徴とする請求項１０記載の表面弾性波素子。
【請求項１２】
前記導電膜はエピタキシャル膜であることを特徴とする請求項９〜１１のいずれかに記載の表面弾性波素子。
【請求項１３】
請求項１〜１２のいずれか一項に記載の表面弾性波素子が備える前記圧電薄膜、又は該圧電薄膜上に配設された保護膜の上に形成された第１の電極と、
前記圧電薄膜又は前記保護膜の上に形成され、前記第１の電極に印加される電気信号によって前記圧電薄膜に生ずる表面弾性波の特定の周波数又は特定の帯域の周波数に共振して電気信号に変換する第２の電極と、
を備えることを特徴とする周波数フィルタ。
【請求項１４】
請求項１〜１２のいずれか一項に記載の表面弾性波素子が備える前記圧電薄膜、又は該圧電薄膜上に配設された保護膜の上に形成され、印加される電気信号によって前記圧電薄膜に表面弾性波を発生させる電気信号印加用電極と、
前記圧電薄膜又は前記保護膜の上に形成され、前記電気信号印加用電極によって発生される表面弾性波の特定の周波数成分又は特定の帯域の周波数成分を共振させる共振用電極とトランジスタとを含む発振回路と、
を備えることを特徴とする発振器。
【請求項１５】
請求項１４記載の発振器と、
前記発振器に設けられている前記電気信号印加用電極に対して前記電気信号を印加する電気信号供給素子とを備えてなり、
前記電気信号の周波数成分から特定の周波数成分を選択し、若しくは特定の周波数成分に変換し、又は、前記電気信号に対して所定の変調を与え、所定の復調を行い、若しくは所定の検波を行う機能を有することを特徴とする電子回路。
【請求項１６】
請求項１３記載の周波数フィルタ、請求項１４記載の発振器、及び請求項１５記載の電子回路のうち少なくとも１つを有することを特徴とする電子機器。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、表面弾性波素子、周波数フィルタ、発振器、電子回路、及び電子機器に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、携帯電話等の移動体通信を中心とした通信分野の著しい発展に伴い、表面弾性波素子及び該表面弾性波素子を利用した各種機器の需要が急速に拡大している。表面弾性波素子は、水晶等の単結晶物質を用いることで発展してきたものであるが、近年の更なる高周波化、或いは半導体素子との集積化を鑑みると、圧電薄膜からなる表面弾性波素子の開発が要求されている。
圧電薄膜を用いた表面弾性波素子としては、例えば、サファイヤ基板上に酸化亜鉛薄膜を形成したもの（例えば、特許文献１参照。）や、シリコン基板上にダイヤモンド状炭素膜を形成し、該炭素膜層上に圧電体膜として酸化亜鉛薄膜を形成したもの（例えば、特許文献２参照。）、さらには、サファイヤ基板上にニオブ酸リチウム薄膜を形成させたもの等が提案されている（例えば、非特許文献１参照。）。
【０００３】
一方、前記のような表面弾性波素子を、シリコン基板上に半導体素子と共に集積化することは、表面弾性波素子を利用した各種機器の小型化、あるいは高性能化に有用であり、例えば、半導体素子を形成したシリコン基板上に、別に作製しておいた単結晶からなる表面弾性波素子を接合したものが提案されている（例えば、特許文献３参照。）。ただし、圧電薄膜を用いた表面弾性波素子を半導体素子と集積化した例はない。
【０００４】
【特許文献１】
特開平７−５０４３６号公報
【特許文献２】
特開平１−１０３３１０号公報
【特許文献３】
特開平６−１２０４１６号公報
【非特許文献１】
Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．  Ｖｏｌ．６２（１９９３）ｐｐ．３０４６−３０４８
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前記従来技術においては以下のような課題がある。
まず、サファイア基板上に酸化亜鉛薄膜やニオブ酸リチウム薄膜などを形成する場合、高品質なエピタキシャル薄膜を作製することは可能であるものの、サファイア基板はシリコン基板に比べ高価であるとともに、相補型金属酸化膜半導体（ＣＭＯＳ）などの半導体素子を形成することが困難であるといった課題がある。
【０００６】
一方、シリコン基板上に酸化亜鉛薄膜、ニオブ酸リチウム薄膜などをエピタキシャルで形成することは困難である。また、これらを直接形成して表面弾性波素子を作製することができたとしても、シリコン基板は半導体であるため表面弾性波がシリコン基板中に漏洩してしまい、挿入損失が大きくなってしまう。
さらに、シリコン基板上に形成したダイアモンド状炭素膜上に酸化亜鉛薄膜、ニオブ酸リチウム薄膜やタンタル酸リチウム薄膜を形成する場合、やはり前記ダイヤモンド状炭素膜上に半導体素子を形成することが困難である。
【０００７】
また、半導体素子を形成したシリコン基板上に、別に作製しておいた単結晶からなる表面弾性波素子を接合する場合では、表面弾性波素子の特性が材料のカット角で決まってしまう。これに対し、圧電薄膜を用いて表面弾性波素子を形成する場合は、その膜厚を制御することによって電気機械結合係数（以下、ｋ２と表記する）や音速を制御することができるため、素子設計の自由度が高い。そこで、単結晶から表面弾性波素子を形成する際に、その単結晶を薄くしていけば、圧電薄膜を用いて形成した場合と同様にｋ２や音速等の特性を制御できると考えられるものの、単結晶の厚さを薄膜レベルにまでを薄くすることは現状ではほとんど不可能である。
【０００８】
本発明は前記事情に鑑みてなされたもので、圧電薄膜の膜質を良好にしたことで高性能なものとなり、また、単結晶基板に半導体素子を形成できることから半導体素子との集積化も可能となり、しかも単結晶基板中への表面弾性波の漏洩も防止した表面弾性波素子、さらにはこれを備えた周波数フィルタ、発振器、電子回路、及び電子機器を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するため本発明の表面弾性波素子は、単結晶基板と、該単結晶基板上に形成された結晶膜からなるバッファー層と、該バッファー層上に形成された六方晶系または三方晶系の結晶構造を有する圧電薄膜とを備えてなることを特徴としている。
この表面弾性波素子によれば、結晶膜からなるバッファー層上に圧電薄膜を形成するので、圧電薄膜が例えばエピタキシャル膜となるなど良好な膜質のものとなり、したがって表面弾性波素子自体も高性能なものとなる。また、単結晶基板に半導体素子を形成できることから半導体素子との集積化が可能となり、その場合に、バッファー層が単結晶基板中への表面弾性波の漏洩を防止する機能を有することから、表面弾性波素子の特性が損なわれることなく良好に保持される。
【００１０】
また、前記表面弾性波素子においては、前記単結晶基板が単結晶シリコン基板であるのが好ましい。
このようにすれば、単結晶シリコン基板は例えばサファイア基板等に比べ安価であることから、表面弾性波素子自体のコストを低く抑えることができる。
【００１１】
なお、この場合に、前記単結晶シリコン基板は面方位（１１１）であるのが好ましい。
このようにすれば、これの上に形成される結晶膜からなるバッファー層の結晶配向の方位を、最適にすることができる。
【００１２】
また、前記表面弾性波素子においては、前記バッファー層は、エピタキシャル膜であるのが好ましい。
このようにすれば、このバッファー層上に形成される圧電薄膜の膜質をより良好にすることができ、したがって表面弾性波素子自体についてもこれをより高性能なものにすることができる。
【００１３】
また、前記表面弾性波素子においては、前記バッファー層は希土類酸化物からなるのが好ましい。
このようにすれば、圧電薄膜としてアルカリ金属を有する膜を形成し、また単結晶基板に半導体素子を形成した場合に、圧電薄膜中のアルカリ金属が単結晶基板中にまで拡散してしまうのをバッファー層で防止することができ、したがってアルカリ金属による半導体素子への悪影響を防止することができる。
【００１４】
なお、この表面弾性波素子においては、前記単結晶基板の表面にシリコン酸化物からなる自然酸化膜が形成されているのが好ましい。
このようにすれば、この自然酸化膜中の酸素を消費しつつ成長することで、この自然酸化膜上に希土類酸化物からなるバッファー層がより良好に形成されるようになる。
【００１５】
また、前記表面弾性波素子においては、前記圧電薄膜は、エピタキシャル膜であるのが好ましい。
このようにすれば、圧電薄膜が良好な膜質となることから、表面弾性波素子自体も高性能なものとなる。
【００１６】
また、前記表面弾性波素子においては、前記六方晶系または三方晶系の結晶構造を有する圧電薄膜は、ＺｎＯ、ＡｌＮ、ＬｉＴａＯ３、ＬｉＮｂＯ３、ＬｉＮｂ１−ｘＴａｘＯ３、（０＜ｘ＜１）のいずれかであるのが好ましい。
このようにすれば、所望の配向を有する圧電薄膜が効率良く形成されることにより、表面弾性波素子自体が高性能なものとなる。
【００１７】
また、前記表面弾性波素子においては、前記バッファー層と圧電薄膜との間に、導電膜が設けられているのが好ましい。
このようにすれば、バッファー層の材質によって圧電薄膜がこのバッファー層上に直接配向しにくい場合にも、導電膜を介在させることで良好に配向しつつ成膜されるようになる。したがって、圧電薄膜として電気機械結合係数を高くすることができる材質を選択することができ、これにより表面弾性波素子自体が高性能なものとなる。
【００１８】
なお、この表面弾性波素子においては、前記導電膜は金属または六方晶系酸化物からなるのが好ましく、特に六方晶系酸化物からなる場合には、酸素欠損による電子キャリア型の酸化亜鉛であるのが好ましい。
このようにすれば、特に導電膜が前記酸化亜鉛によって形成されている場合に、所望の配向を有する導電膜が単結晶基板上に効率良く形成されることにより、表面弾性波素子自体が高性能なものとなる。
【００１９】
また、この表面弾性波素子においては、前記導電膜は、エピタキシャル膜であるのが好ましい。
このようにすれば、導電膜が良好な膜質となることから、表面弾性波素子自体も高性能なものとなる。
【００２０】
本発明の周波数フィルタは、前記の表面弾性波素子が備える前記圧電薄膜、又は該圧電薄膜上に配設された保護膜の上に形成された第１の電極と、前記圧電薄膜又は前記保護膜の上に形成され、前記第１の電極に印加される電気信号によって前記圧電薄膜に生ずる表面弾性波の特定の周波数又は特定の帯域の周波数に共振して電気信号に変換する第２の電極と、を備えることを特徴としている。
この周波数フィルタによれば、圧電薄膜の電気機械結合係数が高いため、比帯域幅が広い良好なものとなる。
【００２１】
本発明の発振器は、前記表面弾性波素子が備える前記圧電薄膜、又は該圧電薄膜上に配設された保護膜の上に形成され、印加される電気信号によって前記圧電薄膜に表面弾性波を発生させる電気信号印加用電極と、前記圧電薄膜又は前記保護膜の上に形成され、前記電気信号印加用電極によって発生される表面弾性波の特定の周波数成分又は特定の帯域の周波数成分を共振させる共振用電極とトランジスタとを含む発振回路と、を備えることを特徴としている。
この発振器によれば、表面弾性波素子が備える圧電薄膜の電気機械結合係数が高いため、伸長コイルを省略することができ、回路構成が簡単な発振器を提供することができる。また、トランジスタ等から構成される発振回路を備えているので、トランジスタとの集積化によって小型化されたものとなる。
【００２２】
本発明の電子回路は、前記発振器と、該発振器に設けられている前記電気信号印加用電極に対して前記電気信号を印加する電気信号供給素子とを備えてなり、前記電気信号の周波数成分から特定の周波数成分を選択し、若しくは特定の周波数成分に変換し、又は、前記電気信号に対して所定の変調を与え、所定の復調を行い、若しくは所定の検波を行う機能を有することを特徴としている。
この電子回路によれば、発振器に備えられた表面弾性波素子を構成する圧電薄膜の電気機械結合係数が高く、発振回路との集積化が可能なため、小型で高性能なものとなる。
【００２３】
本発明の電子機器は、前記の周波数フィルタ、発振器、電子回路のうち少なくとも１つを有することを特徴としている。
この電子機器によれば、圧電薄膜の電気機械結合係数が高いため、小型で、高性能なものとなる。
【００２４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る表面弾性波素子、周波数フィルタ、発振器、電子回路並びに電子機器の実施形態を、図面を参照して説明する。
これらの図面は、いずれも概略図であり、各部材を図面上で認識可能な程度の大きさとするため、各部材毎に縮尺を異ならせている。
【００２５】
〔第１実施形態〕
図１に、第１実施形態である表面弾性波素子の構造を示す。
表面弾性波素子は、単結晶シリコン基板１と、バッファー層２と、圧電薄膜３と、保護膜としての酸化物又は窒化物からなる保護層４と、電極５とから構成されている。電極５はインターディジタル型電極（Ｉｎｔｅｒ−Ｄｉｇｉｔａｌ  Ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ：以下、「ＩＤＴ電極」と表記する）であり、上部から観察すると、例えば後述する図４及び図５に示すインターディジタル型電極４１、４２、５１、５２、５３のような形状を有するものである。
【００２６】
このような構成からなる表面弾性波素子を製造するには、まず、単結晶シリコン基板１として自然酸化膜が表面に形成されたＳｉ（１１１）基板を用意する。なお、ここで用意する単結晶シリコン基板１としては、予め薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）等の半導体素子を作製しておいたものとしてもよく、その場合には、得られる表面弾性波素子はこの半導体素子との集積化がなされたものとなる。
次に、この単結晶シリコン基板１上に、希土類酸化物であるＹ２Ｏ３の結晶膜によってバッファー層２を形成する。成膜方法については特に限定されることなく、例えばスパッタ法、蒸着法、ＭＢＥ法等の公知の成膜法が採用可能であるが、本実施形態では蒸着法の一種であるレーザーアブレーション法を用いるものとする。
【００２７】
ターゲットにはＹ２Ｏ３セラミックスを用い、成膜温度（基板温度）は６５０℃、成膜中の真空度は１．３３×１０−３Ｐａ（１×１０−５Ｔｏｒｒ）以下とする。なお、成膜条件についてはこれに限定されないのはもちろんである。また、特に単結晶シリコン基板１に予め半導体素子を形成している場合には、基板温度を下げ、バッファー層２上にレーザーを照射することでこれを部分的に加熱し、結晶化させるようにしてもよい。
このような条件のもとで成膜することにより、Ｙ２Ｏ３薄膜は単結晶シリコン基板１上にエピタキシャル成長し、良好な配向、すなわち単結晶シリコン基板１と同じ（１１１）配向の結晶膜からなるバッファー層２となる。ここで、単結晶シリコン基板１として自然酸化膜が表面に形成されたものを用いているので、バッファー層２はこの表面の自然酸化膜の酸素を吸収しながら成長することにより、良好な状態でエピタキシャル成長するようになる。
【００２８】
なお、このＹ２Ｏ３薄膜（バッファー層２）の膜厚については、後述するようにこれの上に圧電薄膜を成長させるうえで、下地として５０ｎｍ以上であるのが好ましい。また、単結晶シリコン基板１中への表面弾性波の漏洩を防ぐためには、できるだけ厚いほうが好ましい。したがって、本実施形態ではバッファー層２の膜厚を１μｍとした。ただし、これに限るものでないのはもちろんである。
【００２９】
次いで、前記バッファー層２上に、三方晶系の結晶構造を有する圧電薄膜３としてニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ３）薄膜を形成する。成膜方法については特に限定されることなく、例えばスパッタ法、蒸着法、ＭＢＥ法、ＣＶＤ法、さらにはスピンコート法や液滴吐出法（インクジェット法）等の液相プロセスなど、公知の成膜法が採用可能であるが、本実施形態ではレーザーアブレーション法を用いるものとする。
【００３０】
成膜条件としては、成膜温度（基板温度）を５００℃、酸素分圧を１．３３Ｐａ（０．０１Ｔｏｒｒ）で作製することにより、下地のＹ２Ｏ３薄膜の結晶構造を継承してＬｉＮｂＯ３薄膜もエピタキシャル成長する。このとき、ＬｉＮｂＯ３薄膜の配向はｃ軸配向である。なお、成膜条件についてはこれに限定されないのはもちろんである。
圧電薄膜３としてのＬｉＮｂＯ３薄膜を単結晶シリコン基板１上に直接形成しようとすると、格子のミスマッチやＬｉの拡散等によりエピタキシャル成長させることが難しいが、希土類酸化物をバッファー層２としたことによってこのＬｉＮｂＯ３薄膜（圧電薄膜３）の形成が可能になっている。
【００３１】
なお、バッファー層２がアモルファスの場合にはＬｉＮｂＯ３薄膜はエピタキシャル成長しない。すなわち、結晶化した結晶膜であって、特にエピタキシャル成長したバッファー層２上に形成したことにより、ＬｉＮｂＯ３薄膜（圧電薄膜３）もエピタキシャル成長したのである。
ここで、このＬｉＮｂＯ３薄膜（圧電薄膜３）をＸ線回折した結果を図２に示す。（ａ）は２θ−θスキャン、（ｂ）はＬｉＮｂＯ３（００６）ピークの半値幅（ＦＷＨＭ）、（ｃ）はＬｉＮｂＯ３（００１２）の極点図をそれぞれ表している。これらより、ＬｉＮｂＯ３薄膜は（００１）配向したエピタキシャル膜であることがわかる。また、半値幅も０．７７°と良好な結晶性を示している。なお、ここでは省略したが、前記のバッファー層２をＸ線回折した結果から、Ｙ２Ｏ３（４００）の極点図も３つの極が見られ、このバッファー層２は（１１１）配向したＹ２Ｏ３のエピタキシャル薄膜となっていることが確認された。
【００３２】
次に、保護膜４として、前記圧電薄膜３上にＳｉＯ２膜を例えばレーザーアブレーション法によって形成する。この保護膜４は、圧電薄膜３を雰囲気から保護して例えば雰囲気中の水分や不純物による影響を防ぐと同時に、圧電薄膜３の温度特性をコントロールする役割も果たす。なお、このような目的を満たす限り、保護膜の材質としてはＳｉＯ２に限定されるものではない。
その後、保護層４上に例えばアルミニウム薄膜を成膜し、続いてこれをパターニングすることにより、ＩＤＴと呼ばれる所望の形状の電極５を形成し、図１に示した表面弾性波素子を得る。
【００３３】
このようにして得られた表面弾性波素子の特性を評価したところ、圧電薄膜３（ＬｉＮｂＯ３薄膜）の膜厚を１μｍとしたことにより、この圧電薄膜３の電気機械結合係数（ｋ２）が３％という値が得られた。また、挿入損失は３ｄＢという優れた値を示した。一方、比較のためエピタキシャル成長していない単なるｃ軸配向のＬｉＮｂＯ３薄膜を圧電薄膜３として形成し、その挿入損失を調べたところ８ｄＢであった。したがって、この圧電薄膜３はエピタキシャル膜である方が、よりよい挿入損失特性を有することが確認された。これは、エピタキシャル膜の方が粒界における表面弾性波の散乱が少ないためと考えられる。
【００３４】
このような表面弾性波素子にあっては、結晶膜からなるバッファー層２上に圧電薄膜３を形成するので、圧電薄膜３がエピタキシャル膜となって良好な膜質となり、したがって表面弾性波素子自体も高性能なものとなる。また、単結晶シリコン基板１に半導体素子を形成できることから、半導体素子との集積化が可能となり、よって小型の発振器への展開も可能となる。また、その場合に、バッファー層２が単結晶シリコン基板１中への表面弾性波の漏洩を防止する機能を有することから、表面弾性波素子の特性が損なわれることなく良好に保持される。
【００３５】
また、単結晶基板として単結晶シリコン基板１を用いているので、これが例えばサファイア基板等に比べ安価であることから、表面弾性波素子自体のコストを低く抑えることができる。
また、単結晶シリコン基板１表面に自然酸化膜を残したままバッファー層２を形成しているので、自然酸化膜をフッ酸等で除去する工程を省略することができ、したがって生産性の向上を図ることができる。また、危険物であるフッ酸等を使用しなくてすむため、安全性の面でも有利になる。
また、単結晶シリコン基板１に半導体素子を形成した場合に、圧電薄膜３中のアルカリ金属が単結晶シリコン基板１中にまで拡散してしまうのをバッファー層２で防止することができ、したがってアルカリ金属による半導体素子への悪影響を防止することができる。
【００３６】
なお、前記第１実施形態では希土類酸化物のバッファー層２としてＹ２Ｏ３を用いたが、これに代えて、Ｓｃ２Ｏ３、Ｙｂ２Ｏ３、Ｄｙ２Ｏ３、Ｈｏ２Ｏ３、Ｅｒ２Ｏ３などを用いてもよい。
また、前記第１実施形態では六方晶系または三方晶系の結晶構造を有する圧電薄膜３としてＬｉＮｂＯ３薄膜を用いたが、これに代えて、ＺｎＯ薄膜、ＬｉＴａＯ３薄膜、ＬｉＮｂ１−ｘＴａｘＯ３薄膜（ただし、０＜ｘ＜１）、ＡｌＮ薄膜を用いても同様のな効果を得ることができる。特にＡｌＮ薄膜は、伝導する音速が高速であるため、表面弾性波素子の高周波化に好適となる。
【００３７】
〔第２実施形態〕
図３に、第２実施形態である表面弾性波素子の構造を示す。この表面弾性波素子が先の第１実施形態の表面弾性波素子と異なるところは、前記バッファー層２と圧電薄膜３との間に、導電膜６が配設されている点である。
【００３８】
導電膜６としては、本実施形態では六方晶系酸化物の酸素欠損したＺｎＯ薄膜を用いている。このＺｎＯ薄膜（導電膜６）は、前記のＹ２Ｏ３（１１１）エピタキシャル薄膜からなるバッファー層２上に、ｃ軸配向にエピタキシャル成長したものとなっている。このようなＺｎＯ薄膜（導電膜６）は、例えばターゲット材としてＺｎＯセラミックスを用い、酸素分圧を１．３Ｐａ（０．０１Ｔｏｒｒ）以下とし、結晶性の点から基板温度２００℃以上とする成膜条件のもとで、レーザーアブレーション法で成膜されることによって得られる。このようにして得られたＺｎＯ薄膜は、酸素欠損が顕著となることにより、電子キャリア型の導電膜６となる。
【００３９】
ここで、このようなＺｎＯ薄膜（導電膜６）については、単結晶シリコン基板１上に直接形成しようとしても、格子のミスマッチ等によってエピタキシャル成長させることが難しいものの、希土類酸化物をバッファー層２２として用いることで可能になる。なお、バッファー層２２がアモルファスの場合にはＺｎＯ薄膜はエピタキシャル成長しない。すなわち、結晶化した結晶膜であって、特にエピタキシャル成長したバッファー層２上に形成したことにより、ＺｎＯ薄膜（導電膜６）もエピタキシャル成長したのである。
【００４０】
このようにして導電膜６を形成したら、この導電膜６上に、六方晶系の結晶構造を有する圧電薄膜３として、先と同様にしてＺｎＯ薄膜を形成する。ただし、ここではターゲット材としてＬｉを５ｍｏｌｅ％添加したＺｎＯセラミックスを用いる。また、酸素分圧を１３．３Ｐａ（０．１Ｔｏｒｒ）とする。すると、このＺｎＯ薄膜（圧電薄膜３）は、先の実施形態１の場合と同様に、下地のＺｎＯ薄膜の結晶構造を継承してＺｎＯ薄膜もエピタキシャル成長する。このとき、ＺｎＯ薄膜の配向はｃ軸配向である。
次いで、先の第１実施形態例と同様にして保護膜４を形成し、さらにこの上に電極５を形成することにより、図３に示した表面弾性波素子を得る。
【００４１】
このようにして得られた表面弾性波素子にあっては、特に導電膜６を形成し、この導電膜６上にＺｎＯ薄膜等による圧電薄膜３を形成するので、圧電薄膜３の膜厚を薄くしても高い電気機械結合係数（ｋ２）を得ることができる。例えば、ＺｎＯ圧電薄膜３の膜厚を０．５μｍと一定にし、導電膜６の有無で比較すると、導電膜が無い場合はｋ２が０．３％であるのに対し、導電膜がある方はｋ２が１％と高い値を示した。これはプロセス上有利である。また、挿入損失は４ｄＢという優れた値を示した。なお、比較のためエピタキシャル成長していない単なるｃ軸配向のＺｎＯ薄膜を圧電薄膜３として形成し、その挿入損失を調べたところ９ｄＢであった。したがって、この圧電薄膜３は先の第１実施形態と同様にエピタキシャル膜である方が、よりよい挿入損失特性を有することが確認された。
【００４２】
このような表面弾性波素子にあっては、先の第１実施形態の表面弾性波素子と同様の効果を奏し、さらに、バッファー層２の材質によって圧電薄膜３がこのバッファー層２上に直接配向しにくい場合にも、導電膜６を介在させることで圧電薄膜３が良好に配向しつつ成膜するようになり、したがって、圧電薄膜３として電気機械結合係数を高くすることができる材質を選択することができ、これにより表面弾性波素子自体の高性能化を図ることができるといった効果も奏する。
【００４３】
なお、前記第２実施形態では希土類酸化物のバッファー層２としてＹ２Ｏ３を用いたが、これに代えて、Ｓｃ２Ｏ３、Ｙｂ２Ｏ３、Ｄｙ２Ｏ３、Ｈｏ２Ｏ３、Ｅｒ２Ｏ３などを用いてもよい。
また、前記第２実施形態では六方晶系または三方晶系の結晶構造を有する圧電薄膜３としてＺｎＯ薄膜を用いたが、これに代えて、ＬｉＮｂＯ３薄膜、ＬｉＴａＯ３薄膜、ＬｉＮｂ１−ｘＴａｘＯ３薄膜（ただし、０＜ｘ＜１）、ＡｌＮ薄膜を用いてもよい。ここで、圧電薄膜３としてＺｎＯ薄膜を用いる場合には、これが絶縁性でなければならないため、先に述べたように成膜時、ターゲットにＬｉを添加し、あるいは成膜中酸素分圧を上げることによって酸素欠損を補償する必要がある。
また、前記第２実施形態では導電膜６として酸素欠損のＺｎＯを用いたが、これに代えて、Ａｌ、Ｐｔ、Ｉｒなどの金属膜を用いても同様の効果を得ることができる。
さらに、前記第１、第２実施形態では、単結晶基板として単結晶シリコン基板を用いたが、例えばガリウム・ヒ素等の単結晶基板を用いてもよく、その場合にもここに半導体素子を形成して表面弾性波素子と半導体素子との集積化を図ることができる。
【００４４】
〔第３実施形態〕
図４に、第３実施形態である周波数フィルタの外観を示す。
図４に示すように、周波数フィルタは基板４０を有するものである。この基板４０としては、例えば図１に示した表面弾性波素子を形成した基板、あるいは図３に示した表面弾性波素子を形成した基板が用いられている。すなわち、図１に示した表面弾性波素子を形成した基板の場合、単結晶シリコン基板１上にバッファー層２、圧電薄膜３、保護層４をこの順に積層して形成された基板であり、図３に示した表面弾性波素子を形成した基板の場合、単結晶シリコン基板１上にバッファー層２、導電膜６、圧電薄膜３、保護層４をこの順に積層して形成された基板である。
【００４５】
基板４０の上面には、ＩＤＴ電極４１及び４２が形成されている。ＩＤＴ電極４１，４２は、例えばＡｌ又はＡｌ合金によって形成されたもので、その厚みはＩＤＴ電極４１，４２のピッチの１００分の１程度に設定されている。また、ＩＤＴ電極４１，４２を挟むように、基板４０の上面には吸音部４３，４４が形成されている。吸音部４３，４４は、基板４０の表面を伝播する表面弾性波を吸収するものである。基板４０上に形成されたＩＤＴ電極４１には高周波信号源４５が接続されており、ＩＤＴ電極４２には信号線が接続されている。
【００４６】
前記構成において、高周波信号源４５から高周波信号が出力されると、この高周波信号はＩＤＴ電極４１に印加され、これによって基板４０の上面に表面弾性波が発生する。この表面弾性波は、約５０００ｍ／ｓ程度の速度で基板４０上面を伝播する。ＩＤＴ電極４１から吸音部４３側へ伝播した表面弾性波は、吸音部４３で吸収されるが、ＩＤＴ電極４２側へ伝播した表面弾性波のうち、ＩＤＴ電極４２のピッチ等に応じて定まる特定の周波数又は特定の帯域の周波数の表面弾性波は電気信号に変換されて、信号線を介して端子４６ａ，４６ｂに取り出される。なお、前記特定の周波数又は特定の帯域の周波数以外の周波数成分は、大部分がＩＤＴ電極４２を通過して吸音部４４に吸収される。このようにして、本実施形態の周波数フィルタが備えるＩＤＴ電極４１に供給した電気信号の内、特定の周波数又は特定の帯域の周波数の表面弾性波のみを得る（フィルタリングする）ことができる。
【００４７】
〔第４実施形態〕
図５に、第４実施形態である発振器の外観を示す。
図５に示すように、発振器は基板５０を有するものである。この基板５０としては、先の第４実施形態と同様に、例えば図１に示した表面弾性波素子を形成した基板、あるいは図３に示した表面弾性波素子を形成した基板が用いられている。すなわち、図１に示した表面弾性波素子を形成した基板の場合、単結晶シリコン基板１上にバッファー層２、圧電薄膜３、保護層４をこの順に積層して形成された基板であり、図３に示した表面弾性波素子を形成した基板の場合、単結晶シリコン基板１上にバッファー層２、導電膜６、圧電薄膜３、保護層４をこの順に積層して形成された基板である。
【００４８】
基板５０上面には、ＩＤＴ電極５１が形成されており、さらに、ＩＤＴ電極５１を挟むように、ＩＤＴ電極５２，５３が形成されている。ＩＤＴ電極５１〜５３は、例えばＡｌ又はＡｌ合金によって形成されたもので、それぞれの厚みはＩＤＴ電極５１〜５３各々のピッチの１００分の１程度に設定されている。ＩＤＴ電極５１を構成する一方の櫛歯状電極５１ａには、高周波信号源５４が接続されており、他方の櫛歯状電極５１ｂには、信号線が接続されている。なお、ＩＤＴ電極５１は、電気信号印加用電極に相当し、ＩＤＴ電極５２，５３は、ＩＤＴ電極５１によって発生される表面弾性波の特定の周波数成分又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。
【００４９】
前記構成において、高周波信号源５４から高周波信号が出力されると、この高周波信号は、ＩＤＴ電極５１の一方の櫛歯状電極５１ａに印加され、これによって基板５０の上面にＩＤＴ電極５２側に伝播する表面弾性波及びＩＤＴ電極５３側に伝播する表面弾性波が発生する。なお、この表面弾性波の速度は５０００ｍ／ｓ程度である。これらの表面弾性波の内の特定の周波数成分の表面弾性波は、ＩＤＴ電極５２及びＩＤＴ電極５３で反射され、ＩＤＴ電極５２とＩＤＴ電極５３との間には定在波が発生する。この特定の周波数成分の表面弾性波がＩＤＴ電極５２，５３で反射を繰り返すことにより、特定の周波数成分又は特定の帯域の周波数成分が共振して、振幅が増大する。この特定の周波数成分又は特定の帯域の周波数成分の表面弾性波の一部は、ＩＤＴ電極５１の他方の櫛歯状電極５１ｂから取り出され、ＩＤＴ電極５２とＩＤＴ電極５３との共振周波数に応じた周波数（又はある程度の帯域を有する周波数）の電気信号が端子５５ａと端子５５ｂに取り出すことができる。
【００５０】
図６は、本発明の発振器（表面弾性波素子）をＶＣＳＯ（Ｖｏｌｔａｇｅ  Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ  ＳＡＷ  Ｏｓｃｉｌｌａｔｏｒ：電圧制御ＳＡＷ発振器）に応用した場合の一例を示す図であり、（ａ）は側面透視図であり、（ｂ）は上面透視図である。
ＶＣＳＯは、金属製（Ａｌ又はステンレススチール製）の筐体６０内部に実装されて構成されている。基板６１上には、ＩＣ（Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ  Ｃｉｒｃｕｉｔ）６２及び発振器６３が実装されている。この場合、ＩＣ６２は、外部の回路（不図示）から入力される電圧値に応じて、発振器６３に印加する周波数を制御する発振回路である。
【００５１】
発振器６３は、基板６４上に、ＩＤＴ電極６５ａ〜６５ｃが形成されており、その構成は、図５に示した発振器とほぼ同様である。なお、基板６４には、先の第４実施形態と同様に、例えば図１に示した表面弾性波素子を形成した基板、あるいは図３に示した表面弾性波素子を形成した基板が用いられている。
【００５２】
基板６１上には、ＩＣ６２と発振器６３とを電気的に接続するための配線６６がパターニングされている。ＩＣ６２及び配線６６が例えば金線等のワイヤー線６７によって接続され、発振器６３及び配線６６が金線等のワイヤー線６８によって接続されることにより、ＩＣ６２と発振器６３とが配線６６を介して電気的に接続されている。
【００５３】
また、前記のＶＣＳＯは、ＩＣ６２と発振器（表面弾性波素子）６３を同一基板上に集積させて形成することも可能である。
図７に、ＩＣ６２と発振器６３とを集積させたＶＣＳＯの概略図を示す。なお、図７中においては、発振器６３は、第１実施形態における表面弾性波素子の構造を有するものとし、図１及び図６と同一の構成部材には、同一の符号を付している。
図７に示すように、ＶＣＳＯは、ＩＣ６２と発振器６３とにおいて、単結晶シリコン基板６１（１）を共有させて形成されている。ＩＣ６２と、発振器６３に備えられた電極６５ａとは、図示しないものの電気的に接続されている。本実施形態では、ＩＣ６２を構成するトランジスタとして、特に、ＴＦＴ（薄膜トランジスタ）を採用している。
【００５４】
ＩＣ６２を構成するトランジスタとしてＴＦＴを採用することにより、本実施形態では、まず、単結晶シリコン基板６１上に発振器（表面弾性波素子）６３を形成し、その後、単結晶シリコン基板６１とは別の第２の基板上で形成したＴＦＴを、単結晶シリコン基板６１上に転写させて、ＴＦＴと発振器６３を集積させることができる。したがって、基板上にＴＦＴを直接形成させることが困難か、形成させることが適さない材料であっても、転写により好適に形成させることが可能となる。転写方法については、種々の方法が採用可能であるが、特に、特開平１１−２６７３３号公報に記載の転写方法が好適に採用できる。
【００５５】
図６及び図７に示したＶＣＳＯは、例えば、図８に示すＰＬＬ回路のＶＣＯ（Ｖｏｌｔａｇｅ  Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ  Ｏｓｃｉｌｌａｔｏｒ）として用いられる。ここで、ＰＬＬ回路について簡単に説明する。
【００５６】
図８はＰＬＬ回路の基本構成を示すブロック図であり、この図８に示すようにＰＬＬ回路は、位相比較器７１、低域フィルタ７２、増幅器７３、及びＶＣＯ７４から構成されている。位相比較器７１は、入力端子７０から入力される信号の位相（又は周波数）とＶＣＯ７４から出力される信号の位相（又は周波数）とを比較し、その差に応じて値が設定される誤差電圧信号を出力するものである。低域フィルタ７２は、位相比較器７１から出力される誤差電圧信号の位置の低周波成分のみを通過させるものであり、増幅器７３は、低域フィルタ７２から出力される信号を増幅するものである。ＶＣＯ７４は、入力された電圧値に応じて発振する周波数がある範囲で連続的に変化する発振回路である。
【００５７】
このような構成のもとにＰＬＬ回路は、入力端子７０から入力される位相（又は周波数）とＶＣＯ７４から出力される信号の位相（又は周波数）との差が減少するように動作し、ＶＣＯ７４から出力される信号の周波数を入力端子７０から入力される信号の周波数に同期させる。ＶＣＯ７４から出力される信号の周波数が入力端子７０から入力される信号の周波数に同期すると、その後は一定の位相差を除いて入力端子７０から入力される信号に一致し、また、入力信号の変化に追従するような信号を出力するようになる。
【００５８】
〔第５実施形態〕
図９に、第５実施形態である電子回路の電気的構成をブロック図で示す。なお、図９に示す電子回路は、例えば、図１０に示す携帯電話機１００の内部に設けられる回路である。ここで、図１０に示した携帯電話機１００は、本発明の電子機器の一例としてのもので、アンテナ１０１、受話器１０２、送話器１０３、液晶表示部１０４、及び操作釦部１０５等を備えて構成されたものである。
【００５９】
図９に示した電子回路は、前記携帯電話機１００内に設けられる電子回路の基本構成を有したもので、送話器８０、送信信号処理回路８１、送信ミキサ８２、送信フィルタ８３、送信電力増幅器８４、送受分波器８５、アンテナ８６ａ，８６ｂ、低雑音増幅器８７、受信フィルタ８８、受信ミキサ８９、受信信号処理回路９０、受話器９１、周波数シンセサイザ９２、制御回路９３、及び入力／表示回路９４を備えて構成されたものである。なお、現在実用化されている携帯電話機は、周波数変換処理を複数回行っているため、その回路構成はより複雑となっている。
【００６０】
送話器８０は、例えば音波信号を電気信号に変換するマイクロフォン等で実現されるもので、図１０に示す携帯電話機１００中の送話器１０３に相当するものである。送信信号処理回路８１は、送話器８０から出力される電気信号に対して、例えばＤ／Ａ変換処理、変調処理等の処理を施す回路である。送信ミキサ８２は、周波数シンセサイザ９２から出力される信号を用いて送信信号処理回路８１から出力される信号をミキシングするものである。なお、送信ミキサ８２に供給される信号の周波数は、例えば３８０ＭＨｚ程度である。送信フィルタ８３は、中間周波数（以下、「ＩＦ」と表記する）の必要となる周波数の信号のみを通過させ、不要となる周波数の信号をカットするものである。なお、送信フィルタ８３から出力される信号は、図示しない変換回路によってＲＦ信号に変換されるようになっている。このＲＦ信号の周波数は、例えば１．９ＧＨｚ程度である。送信電力増幅器８４は、送信フィルタ８３から出力されるＲＦ信号の電力を増幅し、送受分波器８５へ出力するものである。
【００６１】
送受分波器８５は、送信電力増幅器８４から出力されるＲＦ信号をアンテナ８６ａ，８６ｂへ出力し、アンテナ８６ａ，８６ｂから電波の形で送信するものである。また、送受分波器８５は、アンテナ８６ａ，８６ｂで受信した受信信号を分波して、低雑音増幅器８７へ出力するものである。なお、送受信分波器８５から出力される受信信号の周波数は、例えば２．１ＧＨｚ程度である。低雑音増幅器８７は、送受分波器８５からの受信信号を増幅するものである。なお、低雑音増幅器８７から出力される信号は、図示しない変換回路によってＩＦに変換されるようになっている。
【００６２】
受信フィルタ８８は、図示しない変換回路によって変換されたＩＦの必要となる周波数の信号のみを通過させ、不要となる周波数の信号をカットするものである。受信ミキサ８９は、周波数シンセサイザ９２から出力される信号を用いて、送信信号処理回路８１から出力される信号をミキシングするものである。なお、受信ミキサ８９に供給される中間周波数は、例えば１９０ＭＨｚ程度である。受信信号処理回路９０は、受信ミキサ８９から出力される信号に対して、例えばＡ／Ｄ変換処理、復調処理等の処理を施す回路である。受話器９１は、例えば電気信号を音波に変換する小型スピーカ等で実現されるもので、図１０に示した携帯電話機１００中の受話器１０２に相当するものである。
【００６３】
周波数シンセサイザ９２は、送信ミキサ８２へ供給する信号（例えば、周波数３８０ＭＨｚ程度）及び受信ミキサ８９へ供給する信号（例えば、周波数１９０ＭＨｚ）を生成する回路である。なお、周波数シンセサイザ９２は、例えば７６０ＭＨｚの発振周波数で発信するＰＬＬ回路を備え、このＰＬＬ回路から出力される信号を分周して周波数が３８０ＭＨｚの信号を生成し、さらに分周して周波数が１９０ＭＨｚの信号を生成するようになっている。制御回路９３は、送信信号処理回路８１、受信信号処理回路９０、周波数シンセサイザ９２、及び入力／表示回路９４を制御することにより、携帯電話機の全体動作を制御するものである。入力／表示回路９４は、図１０に示した携帯電話機１００の使用者に対して機器の状態を表示したり、操作者の指示を入力するためのものであり、例えばこの携帯電話機１００の液晶表示部１０４及び操作釦部１０５に相当するものである。
【００６４】
以上の構成の電子回路において、送信フィルタ８３及び受信フィルタ８８として、図４に示した周波数フィルタが用いられている。フィルタリングする周波数（通過させる周波数）は、送信ミキサ８２から出力される信号の内の必要となる周波数、及び、受信ミキサ８９で必要となる周波数に応じて送信フィルタ８３及び受信フィルタ８８で個別に設定されている。また、周波数シンセサイザ９２内に設けられるＰＬＬ回路は、図８に示したＰＬＬ回路のＶＣＯ７４として、図５に示した発振器又は図６及び図７に示した発振器（ＶＣＳＯ）を設けたものである。
【００６５】
以上、本発明の実施形態による表面弾性波素子、周波数フィルタ、発振器及びその製造方法、電子回路、及び電子機器（携帯電話機１００）について説明したが、本発明は、前記実施形態に制限されず、本発明の範囲内で自由に変更が可能である。
例えば、前記実施形態においては電子機器として携帯電話機を、電子回路として携帯電話機内に設けられる電子回路をその一例として挙げ、説明したが、本発明は携帯電話機に限定されることなく、種々の移動体通信機器及びその内部に設けられる電子回路に適用することができる。
【００６６】
さらに、移動体通信機器のみならずＢＳ及びＣＳ放送を受信するチューナ等の据置状態で使用される通信機器及びその内部に設けられる電子回路にも適用することができる。さらには、通信キャリアとして空中を伝播する電波を使用する通信機器のみならず、同軸ケーブル中を伝播する高周波信号又は光ケーブル中を伝播する光信号を用いるＨＵＢ等の電子機器及びその内部に設けられる電子回路にも適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１の実施形態に係る表面弾性波素子を示す側断面図である。
【図２】（ａ）〜（ｃ）はＬｉＮｂＯ３薄膜のＸ線回折の結果図である。
【図３】第２の実施形態に係る表面弾性波素子を示す側断面図である。
【図４】第３の実施形態に係る周波数フィルタを示す斜視図である。
【図５】第４の実施形態に係る発振器を示す斜視図である。
【図６】図５の発振器をＶＣＳＯに応用した一例を示す概略図である。
【図７】図５の発振器をＶＣＳＯに応用した一例を示す概略図である。
【図８】ＰＬＬ回路の基本構成を示すブロック図である。
【図９】第５の実施形態に係る電子回路の構成を示すブロック図である。
【図１０】電子機器の実施形態としての携帯電話機を示す斜視図である。
【符号の説明】
１…単結晶シリコン基板（単結晶基板）、２…バッファー層、３…圧電薄膜、
４…保護膜、５…電極、６…導電膜
【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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【図９】
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【図１０】
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