(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
水晶からなる基板と、
前記基板上に形成された下電極と、
前記下電極上に形成されかつその分極軸が前記基板の法線方向に成長している圧電薄膜と、
前記圧電薄膜を介して前記下電極に対向するように形成された上電極と
を備え、
前記基板の、前記下電極を形成する側の表面が｛１１１｝面であることを特徴とする、バルク弾性波素子。
【請求項２】
前記下電極は、前記基板の表面と平行に｛１１１｝面を成長させた面心立方構造の金属薄膜からなることを特徴とする、請求項１に記載のバルク弾性波素子。
【請求項３】
前記下電極は、Ａｌ、Ｐｔ、Ａｕ、Ｐｄ、Ａｇ、Ｒｈ、γ−Ｍｎ、Ｉｒ、α−Ｓｎ、Ｃｕ、γ−ＦｅおよびＮｉから選ばれる少なくとも１種を主成分として含むことを特徴とする、請求項１または２に記載のバルク弾性波素子。
【請求項４】
表面が｛１１１｝面である水晶からなる基板を用意する工程と、
前記基板に対して、純水洗浄、エキシマ照射およびバッファードフッ酸処理から選ばれる少なくとも１種の前処理を施す工程と、
前記前処理が施された前記基板の表面上に下電極を形成する工程と、
その分極軸が前記基板の法線方向に成長するように、圧電薄膜を前記下電極上に形成する工程と、
前記圧電薄膜を介して前記下電極に対向するように、上電極を形成する工程と
を備える、バルク弾性波素子の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、圧電薄膜の厚み縦振動を利用するバルク弾性波素子およびその製造方法に関するもので、特に、バルク弾性波素子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】
バルク弾性波素子は、たとえばＡｌＮやＺｎＯのような圧電材料からなる圧電薄膜を備え、この圧電薄膜を主振動部とする厚み縦振動を利用する素子である。このようなバルク弾性波素子を用いた共振子は、これらを複数組み合わせることによって、たとえばバンドパスフィルタが構成される。近年、バンドパスフィルタに対し、一層の広帯域化が要求されているが、バルク弾性波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、この電気機械結合係数を大きくするためには、圧電薄膜の下地となる電極を高配向化することにより、圧電薄膜の結晶の配向性を向上させることが有効である。このように、圧電薄膜の結晶の配向性を高めることにより、圧電薄膜内での振動の伝搬損失を低減し、電気機械結合係数を大きくすることができる。
【０００３】
上述のような高配向電極を成長させるには、土台となる基板の選定が重要になる。特に、ＸＹＺの３軸が揃ったエピタキシャル（１１１）膜を作製するのは技術的に難しく、これを可能にするには、基板を選ばなくてはならない。
【０００４】
たとえば特許文献１では、Ｓｉなどの半導体からなる基板を用いることが記載されている。このような基板上に、通常の多結晶電極を形成し、この多結晶電極上に、ＡｌＮやＺｎＯを用いて圧電薄膜を成膜すると、分極軸であるｃ軸が基板法線方向に成長する一方、ｃ面内ではランダム配向となる１軸配向膜となってしまう。その結果、ｃ面内（圧電薄膜の主面方向）に粒界が多く存在することになり、グレイン間の結合力が弱まって、バルク弾性波を散乱させるため、振動方向に対して垂直な面方向（圧電薄膜の主面方向）への伝搬損失を低減させることができないという問題がある。
【０００５】
他方、たとえば特許文献２では、バルク弾性波素子ではなく、弾性表面波素子が開示されているが、この弾性表面波素子において、水晶からなる基板が用いられている。このように、水晶基板を用いる場合、圧電薄膜を分極軸（ｃ軸方向）に配向させるためには、電極の稠密面を基板表面と平行に配向させる必要がある。しかしながら、特許文献２に開示される水晶基板の面方位は実質的にθ回転Ｙ−Ｘカットであるため、電極の稠密面すなわち（１１１）面が基板表面と平行に成長しないという問題がある。
【特許文献１】特開２００３−１５８３０９号公報
【特許文献２】国際公開第００／２４１２３号パンフレット
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
そこで、この発明の目的は、上述のような問題を解決し得る、バルク弾性波素子およびその製造方法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】
【０００７】
この発明をなすに至った経緯は次のとおりである。
【０００８】
厚み縦振動を利用するバルク弾性波素子においては、圧電薄膜の分極軸であるｃ軸を基板法線方向に向けるため、面心立方構造（ｆｃｃ）をもつ電極の（１１１）面を基板法線方向に配向させることが必要となる。Ｙカット、ＡＴカット、ＳＴカットなどの一般に用いられる水晶基板上に電極を成膜しても、この電極は正確にエピタキシャル成長しないため、この上に圧電薄膜を成膜しても、ｃ軸が電極の（１１１）軸と平行に配向するか、あるいは多結晶となってしまうため、ｃ軸を基板法線方向に向けることができない。
【０００９】
ところが、本件発明者による実験の結果、基板表面が（１１１）面である水晶基板を用いた場合、電極の（１１１）軸を基板表面と平行にエピタキシャル成長させ得ることがわかった。この場合、圧電薄膜は、基板法線方向にｃ軸が配向し、かつｃ面内の配向も揃ったエピタキシャル３軸配向膜となるので、従来の１軸配向膜と比べて、粒界の顕著な減少が見られ、圧電特性が著しく向上することになる。
【００１０】
すなわち、この発明に係るバルク弾性波素子は、水晶からなる基板と、基板上に形成された下電極と、下電極上に形成されかつその分極軸が基板の法線方向に成長している圧電薄膜と、圧電薄膜を介して下電極に対向するように形成された上電極とを備え、下電極を形成する側の基板表面が｛１１１｝面であることを特徴としている。
【００１１】
なお、上記｛１１１｝面は、結晶学的に等価な面である（１１１）面、（１１−１）面、（１−１１）面、（１−１−１）面、（−１１１）面、（−１１−１）面、（−１−１１）面および（−１−１−１）面のすべてを含んでいる。
【００１２】
上記した電極は、基板表面と平行に｛１１１｝面を成長させた面心立方構造の金属薄膜からなることが好ましい。
【００１３】
また、下電極は、Ａｌ、Ｐｔ、Ａｕ、Ｐｄ、Ａｇ、Ｒｈ、γ‐Ｍｎ、Ｉｒ、α‐Ｓｎ、Ｃｕ、γ‐ＦｅおよびＮｉから選ばれる少なくとも１種を主成分として含むことが好ましい。
【００１４】
この発明は、また、上述したようなバルク弾性波素子を製造するための方法にも向けられる。
【００１５】
この発明に係るバルク弾性波素子の製造方法は、表面が｛１１１｝面である水晶からなる基板を用意する工程と、基板に対して、純水洗浄、エキシマ照射およびバッファードフッ酸処理から選ばれる少なくとも１種の前処理を施す工程と、前処理が施された基板の表面上に下電極を形成する工程と、その分極軸が基板の法線方向に成長するように、圧電薄膜を下電極上に形成する工程と、圧電薄膜を介して下電極に対向するように、上電極を形成する工程とを備えることを特徴としている。
【発明の効果】
【００１６】
この発明によれば、表面が｛１１１｝面である水晶からなる基板を用いることにより、電極の｛１１１｝面を基板表面と平行にエピタキシャル成長させることができ、そのため、その上に形成される圧電薄膜を、基板の法線方向にｃ軸が配向し、かつｃ面内の配向も揃ったエピタキシャル３軸配向膜とすることができる。その結果、圧電薄膜の圧電特性を優れたものとすることができ、このバルク弾性波素子を共振子として用いた場合の電気機械結合係数を大きくすることができ、バルク弾性波素子を用いたフィルタにおいて、広帯域化を有利に実現することができる。
【００１７】
この発明において、下電極が、基板表面と平行に｛１１１｝面を成長させた面心立方構造の金属薄膜からなるとき、圧電薄膜の分極軸を電界方向に配向させ得ることを期待できる。
【００１８】
下電極が、Ａｌ、Ｐｔ、Ａｕ、Ｐｄ、Ａｇ、Ｒｈ、γ‐Ｍｎ、Ｉｒ、α‐Ｓｎ、Ｃｕ、γ‐ＦｅおよびＮｉから選ばれる少なくとも１種を主成分として含んでいると、これらは面心立方構造を有するものであるため、下電極においてエピタキシャル構造を容易に得ることができる。
【００１９】
この発明に係るバルク弾性波素子の製造方法によれば、基板に対して、純水洗浄、エキシマ照射およびバッファードフッ酸処理から選ばれる少なくとも１種の前処理が施されるので、その上に形成される下電極の結晶性を優れたものとすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
図１は、この発明の一実施形態によるバルク弾性波素子１を示す断面図である。
【００２１】
バルク弾性波素子１は、厚み縦振動を利用するもので、基板２を備えている。基板２は、この素子１において生じる振動を許容するためのキャビティ３を形成しており、それによって、ダイヤフラム構造が与えられる。素子１は、また、基板２上に形成された下電極４と、下電極４上に形成された圧電薄膜５と、圧電薄膜５を介して下電極４に対向するように形成された上電極６とを備えている。
【００２２】
なお、図２には、図１に示したバルク弾性波素子１の製造途中の状態が示されている。図２に示されるように、基板２にキャビティ３が形成される前の段階で、基板２上に、下電極４、圧電薄膜５および上電極６を順次形成する工程が実施され、その後、基板２にキャビティ３が形成される。
【００２３】
この発明の特徴は、基板２として特殊な面方位の水晶からなる基板を用いることにある。より具体的には、基板２としては、水晶からなり、下電極４を形成する側の基板表面７が｛１１１｝面であるものが用いられることを特徴としている。これによって、その上に形成される下電極４を３軸配向エピタキシャル電極とすることができ、また、このようなエピタキシャル電極としての下電極４を下地とすることにより、その上の圧電薄膜５を、その分極軸が基板２の法線方向に成長したものとすることができる。
【００２４】
下電極４は、基板表面７と平行に｛１１１｝面を成長させた面心立方構造の金属薄膜からなることが好ましい。これによって、圧電薄膜５の分極軸を電界方向に配向させ得ることを期待できる。
【００２５】
また、下電極４は、Ａｌ、Ｐｔ、Ａｕ、Ｐｄ、Ａｇ、Ｒｈ、γ‐Ｍｎ、Ｉｒ、α‐Ｓｎ、Ｃｕ、γ‐ＦｅおよびＮｉから選ばれる少なくとも１種を主成分として含むことが好ましい。これらの金属は面心立方構造を有しているので、下電極４においてエピタキシャル構造を容易に得ることができる。
【００２６】
前述したように、バルク弾性波素子１を製造するにあたっては、図２に示すように、キャビティ３が形成される前の段階の基板２に対して、その表面７上に下電極４を形成する工程、その分極軸が基板２の法線方向に成長するように、圧電薄膜５を下電極４上に形成する工程、および、圧電薄膜５を介して下電極４に対向するように、上電極６を形成する工程が順次実施される。このとき、基板２に対して、純水洗浄、エキシマ照射およびバッファードフッ酸処理から選ばれる少なくとも１種の前処理を施しておくことが好ましい。これによって、基板表面７上に形成される下電極４の結晶性を向上させることができ、応じて、圧電薄膜５の結晶配向性および上電極６の結晶性を向上させることができる。
【００２７】
この発明では、基板表面７が｛１１１｝面であるというように、特殊な面方位の水晶基板を基板２として用いている。
【００２８】
これに対して、一般に発振子等において用いられる水晶基板は、たとえば２７°回転Ｙカット−Ｘ伝搬といったカット基板である。この場合、その上にＡｌ単層電極を成膜すると、Ａｌ（２００）入射極点図において、図３に示すように、対称中心が偏心した３回対称スポットが検出される。Ａｌ（２００）入射での３回対称スポットは、シングルドメイン（単結晶）からの回折を意味する。したがって、図３は、スポットの対称中心にＡｌ〈１１１〉軸が成長した、傾いたエピタキシャル膜であると解釈できる。このようなＡｌ電極上に圧電薄膜を成膜したとしても、ｃ軸がＡｌ〈１１１〉軸と平行に配向するか、あるいは多結晶となってしまい、分極軸であるｃ軸を基板法線方向に向けることはできない。
【００２９】
そこで、Ａｌ（１１１）がエピタキシャル成長する水晶基板の面方位を特定するため、種々のカット角の水晶基板を用意し、各水晶基板上にＡｌ単層電極を成膜する実験を行なった。
【００３０】
図４および図５は、それぞれ、３３°および３８°Ｙ−Ｘ基板上で成膜したＡｌ単層電極のＡｌ（２００）入射極点図である。図３ないし図５を比較すれば、３回対称スポットの中心がシフトしていく様子がわかる。つまり、Ａｌ（１１１）の成長は、Ｙ−Ｘ水晶基板の特定の面に対するエピタキシャル成長である。そこで、この「特定の面」について解析を進めた結果、エピタキシャル面は水晶｛１１１｝面であることがわかった。ここで、｛１１１｝面は、結晶学的に等価な面である（１１１）面、（１１−１）面、（１−１１）面、（１−１−１）面、（−１１１）面、（−１１−１）面、（−１−１１）面および（−１−１−１）面のすべてを含んでいる。
【００３１】
｛１１１｝方位の水晶基板は、一般に市販されておらず、特定の業者に特注して入手し、この入手した水晶｛１１１｝基板を用いて、その上にＡｌを成膜したところ、基板表面と平行にＡｌ（１１１）軸が配向したエピタキシャル電極を成膜することができた。ただし、回折スポットは、複数の３回対称スポットの組み合わせとなっており、マルチドメインが成長している。
【００３２】
なお、上記の説明では、水晶基板上に成膜される電極を構成する金属としてＡｌを例示したが、同じ面心立方構造を有する他の金属、すなわち、Ｐｔ、Ａｕ、Ｐｄ、Ａｇ、Ｒｈ、γ‐Ｍｎ、Ｉｒ、α‐Ｓｎ、Ｃｕ、γ‐ＦｅおよびＮｉについても適用可能である。
【００３３】
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。
【００３４】
（実験例１）
直径４インチ（約１０ｃｍ）の円板状の水晶｛１１１｝基板を用意し、この基板を純水洗浄し、さらにエキシマ照射により表面の有機物を除去した。次に、この基板を蒸着用の真空チャンバにセッティングし、高真空ポンプにより１０−５Ｐａの真空度に到達するまで真空引きを行なった。次いで、１０ｋＶで加速した電子線を、Ａｌ材料を充填したるつぼに照射し、所定の溶かし込みを行なった後に、シャッタを開け、蒸着によるＡｌ成膜を実施した。このとき、基板の加熱は行なわず、また、基板の回転速度を５ｒｐｍ程度とした。溶かし込みのシーケンスは２段階に分けてパワーを上げる自動プログラムとした。また、Ａｌ成膜速度は約１ｎｍ／秒であり、総膜厚は約１００ｎｍであった。
【００３５】
成膜終了後、基板を取り出し、Ａｌ（２００）入射極点図により結晶性を評価したところ、図６に示すように、６つの強い回折ピークが検出された。これらは２組の３回対称スポットと解釈できる。つまり、２つのシングルドメインからの回折である。
【００３６】
この実験例１から、水晶｛１１１｝基板を用いることにより、Ａｌ（１１１）エピタキシャル膜を成長させることができ、かつＡｌの（１１１）面を基板表面と平行にすることができることがわかる。
【００３７】
（実験例２）
実験例１において前処理として実施した純水洗浄およびエキシマ照射に加えて、バッファッードフッ酸処理を実施した。このバッファードフッ酸処理において、バッファードフッ酸溶液として、市販の「１６ＢＨＦ」を用い、常温処理にて６０秒間浸漬した後、イソプロパノールおよび純水洗浄を施した。
【００３８】
このような前処理を施した水晶｛１１１｝基板を用いて、実験例１の場合と同様の真空蒸着を実施し、基板上にＡｌ膜を成膜した。実験例１の場合と同様、この実験例２においても、基板の加熱は行なわず、Ａｌ成膜速度は約１ｎｍ／秒であり、総膜厚は約１００ｎｍであった。
【００３９】
成膜終了後、基板を取り出し、Ａｌ（２００）入射極点図により結晶性を評価したところ、図７に示すように、１２個の回折ピークが検出された。これらは、回折強度の比較的高い２組の３回対称スポットと、回折強度の比較的低い２組の３回回折スポットであると解釈できる。つまり、４つのシングルドメインからの回折である。
【００４０】
実験例１において得られた図６では、スポットがブロードになっており、面内配向のばらつきが多いことが示唆された。これに対して、実験例２で得られた図７では、スポットの数は増えているものの、ピークのシャープネスは向上しており、マルチドメインの結晶性は改善していると考えられる。
【００４１】
Ａｌ膜のＦＷＨＭ（半値幅）は、図６では０．６２°であるのに対して、図７では０．４７°であり、このことから、実験例２で実施したバッファードフッ酸処理がＡｌ結晶性を向上させていることがわかる。これは、純水洗浄およびエキシマ照射では除去できなかった表面変質層がバッファードフッ酸処理により除去され、エピタキシャル面が露出した効果であると考えられる。
【００４２】
（実験例３）
実験例１では、エピタキシャル電極の材料として、Ａｌを用いたが、この実験例３では、ＡｕおよびＰｔをそれぞれ用い、実験例１の場合と同様の工程を実施し、Ａｕ膜およびＰｔ膜をそれぞれ成膜した。その結果、Ａｕ膜およびＰｔ膜のいずれの場合も、（１１１）面が基板表面と平行に成長していることが確認された。
【００４３】
Ａｌ、ＡｕおよびＰｔの各々の格子定数を比較すると、Ａｌが０．４０４９６ｎｍ、Ａｕが０．４０７８５ｎｍおよびＰｔが０．３９２４ｎｍというように互いに似通った値である。そして、結晶構造についても、同じ面心立方構造であるため、同じメカニズムに基づいてエピタキシャル成長したものと考えられる。また、その他の面心立方構造の金属であるＰｄ、Ａｇ、Ｒｈ、γ‐Ｍｎ、Ｉｒ、α‐Ｓｎ、Ｃｕ、γ‐ＦｅおよびＮｉについても同様であると考えられる。
【００４４】
（実験例４）
上記実験例１〜３の各々において、真空蒸着に、リフトオフによるパターニングプロセスを併用して、エピタキシャル電極の微細パターンを作製した。
【００４５】
次に、上記のようにエピタキシャル電極の微細パターンが作製された後の基板を高周波スパッタリング装置にセッティングし、真空度が１０−５Ｐａ台に到達するまで真空引きを行い、Ａｒ／Ｏ２混合ガスを約１Ｐａの圧力になるまで導入して、スパッタリングによりＺｎＯ圧電薄膜をエピタキシャル電極上に形成した。このとき、成膜温度を約２５０℃とし、成膜中に基板に数１０Ｖのバイアス電圧を印加した。得られたＺｎＯ圧電薄膜の膜厚は約１μｍであった。
【００４６】
さらに、蒸着リフトオフを用いて、圧電薄膜上に上電極を形成しかつパターニングすることによって、図２に示すような構造を得、次いで、基板にキャビティを形成すべく反応性イオンエッチングを実施し、図１に示すようなダイヤフラム構造のバルク弾性波素子を得た。
【００４７】
このようにして得られたバルク弾性波素子において、下電極がエピタキシャル電極とされていることにより、その上の圧電薄膜の高配向化が可能となり、優れた圧電特性が得られることが確認された。
【００４８】
（実験例５）
圧電材料として、ＺｎＯに代えて、ＡｌＮを用いたことを除いて、実験例４と同様の工程を経て、バルク弾性波素子を得た。
【００４９】
その結果、実験例４の場合と同様、圧電薄膜の高配向化が可能となり、優れた圧電特性が得られた。
【図面の簡単な説明】
【００５０】
【図１】この発明の一実施形態によるバルク弾性波素子１を示す断面図である。
【図２】図１に示したバルク弾性波素子１に備える基板２にキャビティ３を形成する前の状態を示す断面図である。
【図３】２７°Ｙ‐Ｘ水晶基板上に成膜されたＡｌ単層電極のＡｌ（２００）入射極点図である。
【図４】３３°Ｙ‐Ｘ水晶基板上に成膜されたＡｌ単層電極のＡｌ（２００）入射極点図である。
【図５】３８°Ｙ‐Ｘ水晶基板上に成膜されたＡｌ単層電極のＡｌ（２００）入射極点図である。
【図６】実験例１において作製された試料に備えるＡｌ単層電極のＡｌ（２００）入射極点図である。
【図７】実験例２において作製された試料に備えるＡｌ単層電極のＡｌ（２００）入射極点図である。
【符号の説明】
【００５１】
１  バルク弾性波素子
２  基板
４  下電極
５  圧電薄膜
６  上電極
７  基板表面
【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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