(57)【要約】【課題】電気機械結合係数が大きく、それにより広い周波数帯域幅で使用することができる圧電体薄膜を提供する。【解決手段】本発明に係る圧電体薄膜は、組成式Al1-xYbxNで表され、xの値が0.10以上0.27以下である圧電体材料から成る。この圧電体薄膜は、従来のAlN（上記組成式でx=0）から成る圧電体薄膜と比較して、電気機械結合係数が大きい。【選択図】図３
2017201050.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
組成式Al1-xYbxNで表され、xの値が0.10以上0.27以下である圧電体材料から成る薄膜であることを特徴とする圧電体薄膜。
【請求項２】
c軸が薄膜に垂直な方向に配向していることを特徴とする請求項１に記載の圧電体薄膜。
【請求項３】
c軸が薄膜に平行な１方向に配向していることを特徴とする請求項１に記載の圧電体薄膜。
【請求項４】
c軸が薄膜に対して傾斜した１方向に配向していることを特徴とする請求項１に記載の圧電体薄膜。
【請求項５】
組成式Al1-xYbxNで表され、xの値が0.10以上0.27以下である圧電体材料から成る圧電体薄膜と、
前記圧電体薄膜を厚み方向に挟むように設けられた1対の電極と
を備えることを特徴とする圧電素子。
【請求項６】
組成式Al1-xYbxNで表され、xの値が0.10以上0.27以下である圧電体材料から成る圧電体薄膜と、
複数の櫛歯部を有する形状の電極であって該櫛歯部が互いに噛み合うように前記圧電体薄膜の表面に設けられた1対の櫛形電極と
を備えることを特徴とする圧電素子。
【請求項７】
前記圧電体薄膜のc軸が該圧電体薄膜に垂直な方向に配向していることを特徴とする請求項５又は６に記載の圧電素子。
【請求項８】
前記圧電体薄膜のc軸が該圧電体薄膜に平行な１方向に配向していることを特徴とする請求項５又は６に記載の圧電素子。
【請求項９】
前記圧電体薄膜のc軸が該圧電体薄膜に対して傾斜した１方向に配向していることを特徴とする請求項５又は６に記載の圧電素子。
【請求項１０】
薄膜共振子フィルタ、薄膜共振子センサ、弾性表面波フィルタ、弾性表面波センサ、超音波トランスデューサ、ダイヤフラム型空中超音波素子（pMUT）、圧電トランス、エネルギーハーベスタ、圧電アクチュエータ、圧電モータ、医療機器用超音波プロープのいずれかであることを特徴とする請求項５〜９のいずれかに記載の圧電素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、圧電体薄膜、及び通信機器における周波数フィルタ等に用いられる薄膜共振子等の圧電素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
圧電体薄膜では、交流の電気信号が入力されると機械振動が生じ、機械振動が入力されると交流の電気信号が生じる。圧電体薄膜は、この性質を利用して電気信号と機械振動を相互に変換することができ、無線通信の周波数フィルタに応用することができる。圧電体薄膜の特性を示す指標の1つに、電気機械結合係数がある。電気機械結合係数は、電気のエネルギーと機械振動のエネルギーの変換効率の目安を表す係数である。圧電体薄膜を用いた周波数フィルタでは、圧電体の電気機械結合係数が大きくなると、周波数帯域幅が広くなる。
【０００３】
代表的な圧電体であるAlN（窒化アルミニウム）は、電気機械結合係数が小さく、周波数帯域幅の広い薄膜共振子を作製することは困難である。特許文献１及び非特許文献１には、AlNにおいてAl（アルミニウム）の一部がSc（スカンジウム）に置換されたAl1-xScxNから成るAl1-xScxN薄膜が開示されている。非特許文献１によると、このAl1-xScxN薄膜では、Scの無いAlN薄膜よりも電気機械結合係数を大きくすることができる。これは、ScがAlよりも原子量が大きいことによるものであり、Al1-xScxN薄膜の電気機械結合係数は最大でAlN薄膜の1.8倍程度にすることができ、それにより周波数帯域幅の広い薄膜共振子を作製することができるとされている。例えば薄膜共振子の中心周波数が2GHz程度である場合には、周波数帯域幅は、圧電体薄膜の材料がAlN（x=0）であれば65MHz程度であるのに対して、Al1-xScxN（x=  0.41）であれば150MHz程度にまで広くすることができる。
【０００４】
非特許文献２には、GaN（窒化ガリウム）においてGa（ガリウム）の一部をSc, Y, La, Pr, Nd, Sm, Gd, Dy, Ho, Tm, Ybのいずれか1つ（以下、これをRと表記する。）に置換したGa1-xRxNの作製を試みたことが記載されている。これら元素のうち、周期表の第４周期に属するScと第５周期に属するYでは、Ga1-xRxN薄膜は得られたものの、第４周期に属するGaと原子量が近いため、電気機械結合係数が大きくなるという作用効果が見られない。また、第６周期に属するR元素（La, Pr, Nd, Sm, Gd, Dy, Ho, Tm, Yb）のうち、La, Pr, Nd, Sm及びHoは、Ga1-xRxN薄膜を作製することができない。Gd及びTmでは、Ga1-xRxN薄膜は得られたものの、得られた薄膜に電気振動を付与しても機械振動がほとんど生じない。Dyの場合には薄膜が得られ、得られた薄膜に電気振動を付与することで機械振動が生じたものの、電気機械結合係数はGaNよりもわずかに上昇しただけであった。それに対してYb（イッテルビウム）の場合には、薄膜が得られ、得られた薄膜に電気振動を付与することで機械振動が生じ、電気機械結合係数がGaNの約5倍という十分に大きい値が得られた。以上の実験結果は、第６周期に属するR元素のうちYbのみにおいて、Ga1-xRxN（Ga1-xYbxN）薄膜が得られることを意味している。
【０００５】
但し、GaNは電気機械結合係数がAlNよりも小さい。Ga1-xYbxNにおいても同様に、電気機械結合係数はAlNよりも小さい。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開2009-010926号公報
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】Takahiko Yanagitani, Masashi Suzuki（柳谷隆彦、鈴木雅視）、"Electromechanical coupling and gigahertz elastic properties of ScAlN films near phase boundary"（相境界近傍におけるScAlN薄膜の電気機械結合及びギガヘルツ弾性特性）、APPLIED PHYSICS LETTERS、（米国）、American Institute of Physics（米国物理学協会）発行、2014年9月26日、第105巻第122907-1〜122907-4頁
【非特許文献２】Takahiko Yanagitani, Masashi Suzuki、"Enhanced piezoelectricity in YbGaN films near phase boundary"（相境界近傍におけるYbGaN薄膜の圧電性の増大）、APPLIED PHYSICS LETTERS、（米国）、American Institute of Physics発行、2014年2月27日、第104巻第082911-1〜082911-4頁
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
圧電体薄膜を用いた薄膜共振子の主な用途であるスマートフォン等の通信機器においては、近年の急速な普及に伴う使用台数の増加により、使用可能な周波数帯を拡張する必要が生じ、様々な周波数帯の無線規格が導入されている。そのため、従来よりも広い周波数帯域幅で使用することができる、電気機械結合係数がより大きい圧電体薄膜が求められている。
【０００９】
本発明が解決しようとする課題は、電気機械結合係数が大きく、それにより広い周波数帯域幅で使用することができる圧電体薄膜、及びそれを用いた薄膜共振子等の圧電素子を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
AlとGaが同じ族であって、Alが第３周期に属するのに対してGaが第４周期に属することから、AlはGaよりもイオン半径が小さい。イオン半径の値は文献により相違するが、一例では、Alが50pm（ピコメートル）、Gaが62pmである。Ga1-xRxNにおいては第６周期に属するR元素の中で最もイオン半径が小さいYbのみがGaの一部と置換して電気機械結合係数が大きくなることから、Gaよりもイオン半径が小さいAlではその一部を第６周期に属するR元素に置換して電気機械結合係数を大きくすることは、R元素がYbである場合も含めて不可能であると考えるのが自然である。しかしながら本発明者は、AlNにおいてAlの一部がYbに置換された圧電体薄膜を作製できることを見出し、本発明を成した。
【００１１】
すなわち、上記課題を解決するために成された本発明に係る圧電体薄膜は、
組成式Al1-xYbxNで表され、xの値が0.10以上0.27以下である圧電体材料から成る薄膜であることを特徴とする。
【００１２】
なお、xの値は、小数第三位で四捨五入して示す。
【００１３】
本発明に係る圧電体薄膜では、AlNにおけるAlのうち10％以上27％以下がYbに置換されている。特許文献１において用いられているScの原子量（44.96）よりもYbの原子量（173.0）が大きいことから、本発明に係る圧電体薄膜は、特許文献１に記載の圧電体薄膜よりも電気機械結合係数を大きくすることができ、それにより使用可能な周波数帯域幅を広くすることができる。また、使用可能な周波数帯域幅を同程度にする場合には、特許文献１に記載の圧電体薄膜におけるScの添加量よりも本発明におけるYbの添加量が少なくなり、それによって希少な希土類元素の使用量を抑えることができる。
【００１４】
Al1-xYbxN薄膜においてxの値が0.10未満であると、当該薄膜とAlN薄膜の間で電気機械結合係数の値に有意な相違が見られなくなる。一方、xの値が0.27を超えると、Al1-xYbxN薄膜を作製することができない。そのため、本発明ではxの値を0.10以上0.27以下とする。
【００１５】
Al1-xYbxNは、図１に示すウルツ型構造と呼ばれる六方晶の結晶構造を有し、c軸に平行な方向の電気分極Pによる圧電性を有する。本発明に係るAl1-xYbxN薄膜はスパッタ法により作製することができる。窒素ガス（窒素ガスと他の不活性ガスの混合ガスでもよい）雰囲気下においてAl及びYbのスパッタ粒子を均一に近い状態で基板付近に生成して成膜することにより、c軸が薄膜に垂直な方向に配向しているAl1-xYbxN薄膜が得られる。一方、例えば基板表面に対してアルゴン等から成るイオンビームを該基板表面に平行に近い角度で入射させつつ、スパッタ法によって該基板表面にAl1-xYbxN薄膜を成膜することにより、c軸が薄膜に平行な１方向に配向しているAl1-xYbxN薄膜が得られる。さらに、イオンビームを基板表面に対して傾斜した角度で入射させつつスパッタ法によって該基板表面にAl1-xYbxN薄膜を成膜することにより、c軸が薄膜に対して傾斜した（すなわち、薄膜に対して垂直及び平行のいずれでもない）１方向に配向したAl1-xYbxN薄膜が得られる。
【００１６】
本発明に係る圧電素子の第１の態様のものは、
組成式Al1-xYbxNで表され、xの値が0.10以上0.27以下である圧電体材料から成る圧電体薄膜と、
前記圧電体薄膜を厚み方向に挟むように設けられた1対の電極と
を備えることを特徴とする。
【００１７】
第１の態様の圧電素子は、1対の電極から入力される交流の電気信号を機械振動に変換して、該圧電体薄膜の表面から周囲の媒質に機械振動を出力する。あるいは、周囲の媒質から圧電体薄膜の表面に入力される機械振動を交流の電気信号に変換し、電極から電気信号を出力する。
【００１８】
第１の態様の圧電素子において、圧電体薄膜におけるAl1-xYbxNのc軸が該圧電体薄膜に垂直な方向に配向している場合には、該圧電素子は薄膜共振子フィルタとして用いることができる。圧電体薄膜のc軸が該圧電体薄膜に平行な１方向に配向している場合には、薄膜共振子フィルタとして用いることができる他、周囲に液体が存在する場合に圧電体薄膜内で横波が励振されることによって振動が該液体中に漏れることなく該圧電体薄膜が共振するため、液体を検出対象とする液体センサとして好適に用いることができる。このような液体センサとして、例えば抗体抗原反応を検出するセンサが挙げられる。このセンサでは、圧電素子の表面（電極の表面、又は圧電体薄膜のうち電極で覆われていない部分の表面）に抗体を形成しておき、抗原を含有する液体を該表面に接触させたときに、抗原と抗体が結合すれば質量が変化することで共振周波数が変化するため、共振周波数を測定することにより抗体抗原反応を検出することができる。また、c軸が薄膜に対して傾斜した１方向に配向している場合には、縦波と横波の双方が励振されるため、それら縦波と横波の双方を利用する圧電素子として用いることができる。
【００１９】
本発明に係る圧電素子の第２の態様のものは、
組成式Al1-xYbxNで表され、xの値が0.10以上0.27以下である圧電体材料から成る圧電体薄膜と、
複数の櫛歯部を有する形状の電極であって該櫛歯部が互いに噛み合うように前記圧電体薄膜の表面に設けられた1対の櫛形電極と
を備えることを特徴とする。
【００２０】
第２の態様の圧電素子は、1対の櫛形電極から入力される交流の電気信号を機械振動に変換して、圧電体薄膜の表面から周囲の媒質に機械振動（弾性表面波）を発生させる。あるいは、周囲の媒質ら圧電体薄膜の表面に入力される機械振動を交流の電気信号に変換し、櫛形電極から電気信号を出力する。このように弾性表面波を出力する圧電素子は、SAWフィルタと呼ばれる周波数フィルタや、弾性表面波（SAW）センサとして用いることができる。
【００２１】
第２の態様の圧電素子は、圧電体薄膜のc軸が該圧電体薄膜に垂直な方向に配向している場合には、レイリー波と呼ばれる弾性表面波を発生させ、SAWフィルタとして用いることができる。圧電体薄膜のc軸が該圧電体薄膜に平行であって櫛歯が延びる方向に垂直に配向している場合にも同様に、SAWフィルタとして用いることができる。また、圧電体薄膜のc軸が該圧電体薄膜に平行であって櫛歯が延びる方向に平行に配向している場合には、横波型の弾性表面波を発生させ、SAWフィルタとして用いることができると共に、液体センサとして用いることもできる。この液体センサでは、物体（固体）の表面付近にある液体の導電率の大きさに依って表面波の速度が変化することを利用して、当該液体の導電率を測定することができる。c軸が薄膜に対して傾斜した１方向に配向している場合には、それら縦波型（レイリー波型）と横波型の双方を利用するデバイスとして用いることができる。
【発明の効果】
【００２２】
本発明によれば、電気機械結合係数が大きく、それにより使用可能な周波数帯域幅を広くすることができる圧電体薄膜、及びそれを用いた薄膜共振子等の圧電素子を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】Al1-xYbxNの結晶構造を示す概略図。
【図２】本発明に係る圧電体薄膜を製造するための装置を示す概略図。
【図３】本発明に係る圧電体薄膜の実施例におけるYb濃度と電気機械結合係数の関係を、X線回折により得られた薄膜に垂直な方向に対するc軸の傾斜角度と共に示すグラフ。
【図４】本実施例の圧電体薄膜におけるYb濃度と電気機械結合係数の関係を、X線回折により得られたロッキングカーブ半値幅と共に示すグラフ。
【図５】反射係数の周波数特性を逆フーリエ変換することにより得られたインパルス応答の時間波形を示すグラフ。
【図６】図５に示した時間波形の第１反射波をフーリエ変換することにより得られた縦波変換損失の周波数特性（丸印）、及びメイソン等価回路モデルにより計算した周波数特性の理論曲線（実線）を示すグラフ。
【図７】本発明に係る圧電体薄膜を製造するための装置の変形例を示す概略図。
【図８】本発明に係る圧電素子の一実施形態であるFBARを示す縦断面図。
【図９】本発明に係る圧電素子の他の実施形態であるSAWデバイスを示す斜視図。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
図２〜図９を用いて、本発明に係る圧電体薄膜及び圧電素子の実施形態を説明する。以下の実施形態は本発明の幾つかの例を示すものであって、本発明はそれら実施形態には限定されない。
【００２５】
本実施形態の圧電体薄膜は、図２に示すスパッタ装置１０を用いて作製することができる。スパッタ装置１０は、真空チャンバ１１内に、マグネトロン電極１２と、マグネトロン電極１２に対向して設けられた板状の陽極１３を有する。マグネトロン電極１２は、陽極１３との対向面に後述のスパッタターゲットTが載置されると共に、マッチングボックス１４１を介して高周波電源１４が接続されている。陽極１３は、マグネトロン電極１２との対向面に基板Ｓが取り付けられると共に、接地されている。真空チャンバ１１の壁面には、真空チャンバ１１内にガスを導入するガス導入口１５、及び当該ガスを導入する前に真空チャンバ１１内の空気等を排出するガス排出口１６が設けられている。その他、陽極１３には、基板Ｓを冷却する水冷式の冷却装置（図示せず）が設けられている。
【００２６】
スパッタターゲットTは、本実施形態では、Alから成る板状のターゲットT-ALの上に、Ybから成る粒状のターゲットT-YBを載置したものを用いる。高周波電源１４から供給する高周波電力は40〜150Wとした。なお、上記のスパッタターゲットT-AL及びT-YBの代わりに、AlとYbの合金から成る板状のターゲットを用いてもよい。また、Alから成るターゲットとYbから成るターゲットを異なるスパッタ源に載置した２元スパッタ法を用いてもよい。
【００２７】
ガス導入口１５から真空チャンバ１１内に導入するガスは、本実施形態では、窒素ガスとアルゴンガスの混合ガスを用い、混合比は分圧で窒素ガス1に対してアルゴンガス2とした。混合ガス全体の圧力は0.75Paとした。これら混合比や圧力は、この例には限定されない。また、アルゴンガスの代わりに他の不活性ガスを用いてもよいし、混合ガスではなく窒素ガスのみを用いてもよい。
【００２８】
次に、スパッタ装置１０を用いて上記の条件で本実施形態の圧電体薄膜を作製した実施例を説明する。この実施例では、ターゲットT-YBの量を変えて作製することにより、10種類のAl1-xYbxN薄膜を得た。比較例として、ターゲットT-ALの上にターゲットT-YBを載置せずにAlN薄膜を作製した。
【００２９】
得られた各圧電体薄膜（実施例及び比較例）について、EPMA（電子線マイクロアナライザ、日本電子株式会社製JXA-8230）により組成を評価した結果、本実施例ではいずれも、xの値は、0.0977〜0.2657（小数第三位で四捨五入すると0.10〜0.27）の範囲内の値を有するAl1-xYbxNから成る圧電体薄膜が得られたことが確認された。得られた圧電体薄膜のxの値は（比較例であるx=0のものも含めて）、図３及び図４のグラフ中の14個の測定点における横軸の値で示す（これらのグラフの縦軸の値については後述）。
【００３０】
次に、得られた各圧電体薄膜をX線回折法によって評価した。c軸は、圧電体薄膜に垂直な方向からの傾斜角度が0°から8.1°の間であった。図３のグラフ中に、各圧電体薄膜のc軸の傾斜角度を、2°以下（○印）、2°から4°の間（△印）、4°以上（最大8.1°、×印）の3種に分けて示す。また、c軸の向きのばらつきを示す値である半値幅は1.4°から5.4°の間であった。図４のグラフ中に、各圧電体薄膜の半値幅を、3°以下（○印）、3°から5°の間（△印）、5°以上（最大5.4°、×印）の3種に分けて示す。これらの結果から、いずれの圧電体薄膜もc軸に垂直な方向に配向している、と評価することができる。
【００３１】
次に、得られた圧電体薄膜の圧電特性を評価するために、電気機械結合係数を求める実験を行った。この実験では、石英ガラス基板上に、下から順にTi製の下部電極、本実施例のAl1-xYbxN薄膜、及びAu製の上部電極が積層されて成るHBAR（high-overtone bulk acoustic resonator）を作製し、ネットワークアナライザ(E5071C，Agilent Techonologies) を用いて縦波変換損失を測定した結果から電気機械結合係数を求めた。具体的には、まず、作製したHBARの反射係数S11の周波数特性を測定し、この反射係数S11の周波数特性を逆フーリエ変換することによりインパルス応答時間波形（図５）を得たうえで、インパルス応答時間波形のうち200nsec付近に観測された1波目のエコーのみを取り出してフーリエ変換することにより縦波変換損失の周波数特性（図６）を得た。なお、図５及び図６では、一例として、x=0.17の試料におけるインパルス応答時間波形、及び縦波変換損失の周波数特性を示した。こうして得られた縦波変換損失の実測値と、理論曲線を比較することにより、電気機械結合係数の値を見積もった。
【００３２】
なお、この実験では、圧電体薄膜の全体が下部電極を介して石英ガラス基板に接しているため、圧電体薄膜で励振した音波が石英ガラス基板中を伝播する際に回折損失及び伝搬減衰が生じる。そのため、上記の方法で見積もられる電気機械結合係数の値は、他の方法で求められた値よりも小さくなるため、以下では、実施例に係るAl1-xYbxN薄膜の電気機械結合係数の値は、他の文献で報告されている電気機械結合係数の値と対比するのではなく、比較例で作製したYbの無いAlN薄膜と対比する。
【００３３】
上記実験で得られた電気機械結合係数の値を図３及び図４のグラフに示す（なお、図３と図４では、上述のX線回折の結果に関する表示が異なるだけであり、電気機械結合係数は同じ値である）。電気機械結合係数の値は、比較例では3.8％程度であるのに対して、実施例では6.2〜10.8％という、比較例の1.6〜2.8倍という大きい値が得られた。これは、（測定方法は異なるが）非特許文献１のAl1-xScxN薄膜における比較例（AlN薄膜）に対する電気機械結合係数の倍率の最大値（1.8倍）と同等又はそれ以上であることを意味している。すなわち、本実施例のAl1-xYbxN薄膜は、非特許文献１のAl1-xScxN薄膜と同等又はそれ以上の大きさの電気機械結合係数を有する。
【００３４】
また、非特許文献１では、本実施例と同様にHBARを用いて電気機械結合係数を求める実験も行われている（Fig. 1(c)参照）が、当該実験で求められた電気機械結合係数は、Scの含有量xが0.38のときに本実施例における最大値よりも小さい10.0％であり、xが0.40のときにようやく本実施例における最大値よりも大きくなる。本実施例における最大値はYbの含有量xが0.21のときに得られていることから、本実施例のAl1-xYbxN薄膜は非特許文献１のAl1-xScxN薄膜よりも少ない希土類（Yb）量で同程度の電気機械結合係数を得ることができるといえる。
【００３５】
図７に、本発明の実施形態に係る圧電体薄膜を作製するためのスパッタ装置の変形例を示す。このスパッタ装置１０Ａは、c軸が薄膜に平行な１方向に配向しているAl1-xYbxN薄膜を作製するための装置である。前述のスパッタ装置１０と対比すると、陽極１３に取り付けられた基板Ｓの表面にイオンビームを照射するイオンビーム照射装置１７と、陽極１３を介して基板Ｓを冷却する冷却装置１８を有する点が相違している。イオンビーム照射装置１７は、アルゴンイオンのビームを、基板Ｓの表面に平行に近い角度で該表面に照射するものである。イオンビーム照射装置１７を用いてアルゴンイオンのビームを上記の角度で基板Ｓの表面に照射しながら該表面にスパッタ粒子を堆積させることにより、c軸が薄膜に平行な１方向に配向しているAl1-xYbxN薄膜を作製することができる。なお、基板Ｓの表面に対するイオンビームの角度を大きくすると、c軸が薄膜に対して傾斜した１方向に配向したAl1-xYbxN薄膜が得られる。冷却装置１８は、本変形例では水冷式のものを用いたが、基板Ｓを冷却できれば、他の方式の冷却装置を用いてもよい。
【００３６】
次に、本発明に係る圧電素子の実施形態を説明する。図８に示した圧電素子はFBAR（Film Bulk Acoustic Resonator）と呼ばれる薄膜共振子フィルタである。FBAR２０は、本発明の実施形態に係る圧電体薄膜（Al1-xYbxN薄膜）２１と、圧電体薄膜２１の上面に設けられた上部電極２２１と、圧電体薄膜２１の下面に設けられた下部電極２２２と、下部電極２２２の下に設けられた支持部２３を有する。圧電体薄膜２１は、c軸が該薄膜に垂直な方向に配向している。支持部２３は板状部材に、その中央を刳り抜いて空洞２３１が設けられたものである。圧電体薄膜２１を上部電極２２１と下部電極２２２で挟んだものが薄膜共振子として機能し、その一部のみが支持部２３の板状部材に支えられ、残りの部分は支持部２３の空洞２３１上にある。このFBAR２０は、上部電極２２１と下部電極２２２の間に交流電圧を印加すると、圧電体薄膜２１が該薄膜に垂直な方向に振動する。一方、圧電体薄膜２１に垂直な方向に振動を付与すると、上部電極２２１と下部電極２２２の間に交流電圧が発生する。
【００３７】
なお、FBAR２０における圧電体薄膜２１のc軸の方向は上記の例には限られず、圧電体薄膜２１に平行な１方向であってもよいし、圧電体薄膜２１から傾斜した（圧電体薄膜２１に垂直、平行のいずれでもない）１方向であってもよい。これらのようにc軸が圧電体薄膜２１に垂直ではない場合、FBAR２０を薄膜共振子センサとして用いることができる。また、FBAR２０と同じ構成により、圧電アクチュエータ等、薄膜共振子以外の圧電素子として用いることもできる。
【００３８】
図９に示した圧電素子はSAW（Surface Acoustic Wave）デバイスと呼ばれるものである。SAWデバイス３０は、本発明の実施形態に係る圧電体薄膜（Al1-xYbxN薄膜）３１と、圧電体薄膜３１の一方の表面に設けられた第１櫛形電極３２１及び第２櫛形電極３２２を有する。圧電体薄膜３１は、c軸が該薄膜に平行な１方向に配向している。第１櫛形電極３２１は、圧電体薄膜３１に平行であって該圧電体薄膜３１のc軸に垂直な方向に延びる複数本の櫛歯３２２１を有し、第２櫛形電極３２２も同様の櫛歯３２２２を有する。第１櫛形電極３２１の櫛歯３２１１と第２櫛形電極３２２の櫛歯３２２１は互いに噛み合うように配置されている。このSAWデバイス３０は、第１櫛形電極３２１と第２櫛形電極３２２の間に交流電圧を印加すると、圧電体薄膜３１がc軸に平行な１方向に振動する。一方、圧電体薄膜３１に、c軸に平行な１方向に振動を付与すると、第１櫛形電極３２１と第２櫛形電極３２２の間に交流電圧が発生する。
【００３９】
なお、SAWデバイス３０における圧電体薄膜２１のc軸の方向は上記の例には限られず、櫛歯３２２１及び３２２２と平行であってもよいし、櫛歯３２２１及び３２２２のいずれとも平行及び垂直ではなく圧電体薄膜２１に平行な方向であってもよい。さらには、圧電体薄膜２１に垂直な方向であってもよいし、圧電体薄膜２１から傾斜した（圧電体薄膜２１に垂直、平行のいずれでもない）１方向であってもよい。但し、横波型の弾性表面波を発生させる場合には、c軸は圧電体薄膜２１に非垂直且つ櫛歯３２２１及び３２２２に非平行とする必要があり、圧電体薄膜２１に平行且つ櫛歯３２２１及び３２２２に垂直であることが望ましい。
【００４０】
本発明に係る圧電体薄膜は、上述の薄膜共振子及びSAWデバイスを用いた周波数フィルタやセンサの他に、超音波トランスデューサ、ダイヤフラム型空中超音波素子（pMUT）、圧電トランス、エネルギーハーベスタ、圧電アクチュエータ、圧電モータ、医療機器用の超音波プロープ等に用いられる圧電体薄膜に適用することができる。
【符号の説明】
【００４１】
１０、１０Ａ…スパッタ装置
１１…真空チャンバ
１２…マグネトロン電極
１３…陽極
１４…高周波電源
１４１…マッチングボックス
１５…ガス導入口
１６…ガス排出口
１７…イオンビーム照射装置
１８…冷却装置
２０…FBAR
２１…FBARの圧電体薄膜
２２１…上部電極
２２２…下部電極
２３…支持部
２３１…支持部の空洞
３０…SAWデバイス
３１…SAWデバイスの圧電体薄膜
３２１…第１櫛形電極
３２１１…第１櫛形電極の櫛歯
３２２…第２櫛形電極
３２２１…第２櫛形電極の櫛歯
【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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