(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ペロブスカイト型構造の結晶基板と、前記結晶基板上に設けられている化学気相成長により成膜されたペロブスカイト型構造の圧電結晶薄膜と、前記圧電結晶薄膜上に設けられている表面弾性波を発生させる電極手段と、からなる表面弾性波素子であって、
前記結晶基板はＳｒＴｉＯ3結晶からなりかつ（００１）面から＜１１０＞方向に対して−１０°＜θ＜１０°（θ≠０°）のオフセット角度θで傾斜した鏡面からなる表面を有し、
前記圧電結晶薄膜は前記傾斜した鏡面の上に成膜されておりかつ（０１０）面を有するＫＮｂＯ3結晶からなり、
前記電極手段は表面弾性波が前記圧電結晶薄膜の結晶軸の１つの方向に沿って伝播するように並設した電極指を有する、ことを特徴とする表面弾性波素子。
【請求項２】
前記圧電結晶薄膜の結晶軸の面内成分の１つの方向がａ軸方向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】
ＳｒＴｉＯ3結晶からなる結晶基板の（００１）面から＜１１０＞方向に対して−１０°＜θ＜１０°（θ≠０°）のオフセット角度θで傾斜する鏡面を形成する工程と、
前記結晶基板の傾斜する前記鏡面上にＫＮｂＯ3結晶からなりかつ（０１０）面を有する圧電結晶薄膜を化学気相成長する工程と、
表面弾性波が前記圧電結晶薄膜の結晶軸の１つの方向に沿って伝播するように前記圧電結晶薄膜上に並設した電極指を有する電極手段を形成する工程と、を含むことを特徴とする表面弾性波素子の製造方法。
【請求項４】
前記圧電結晶薄膜の結晶軸の面内成分の１つの方向がａ軸方向であることを特徴とする請求項３記載の表面弾性波素子の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、圧電基板の平坦表面を進む表面弾性波を利用したフィルター、共振器、発振器などの表面弾性波素子いわゆるＳＡＷデバイス及びその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
表面弾性波いわゆるＳＡＷ（Surface Acoustic Wave）は波のエネルギーが媒体（弾性体）の表面付近にのみ集中して伝播する弾性波である。したがって、波の発生、検出、制御を固体表面上で処理できるという手軽さと、弾性波の速度（音速）が数ｋｍ／秒であることから、ＳＡＷを利用した機器を小型化できるという点で利便性があるため、近年、電子通信部品に広く応用されている。
【０００３】
図１に高周波フィルタなどの電子通信部品に用いられるＳＡＷデバイスの一例を示す。ＳＡＷを用いるためには、圧電基板１が必要であり、その上に形成された入力の簾又は櫛状の電極対２で情報を担う電気信号をＳＡＷに変換し、さらに出力の櫛状電極対３でＳＡＷから変換し電気信号として取り出す。各櫛状電極対は、その電極指４が交互に並設されるように、圧電基板１上に形成されている。電極指４の並設されている方向にＳＡＷが伝播する。電気機械変換の効率を示す電気機械結合係数が大きい圧電基板ほど変換効率が向上するため、現在も電気機械結合係数の大きい圧電結晶材料が模索されている。圧電結晶材料からなる基板としては、リチウムＬｉ、カリウムＫ、タンタルＴａ、ニオブＮｂ、酸素Ｏ、リンＰ及びチタンＴｉなどから構成される酸化物のペロブスカイト系材料の単結晶のＬｉＮｂＯ3やＬｉＴａＯ3等が用いられている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
最近、ＫＮｂＯ3（以下、ＫＮともいう）単結晶が、ＬｉＮｂＯ3やＬｉＴａＯ3結晶等の１０倍もの電気機械結合係数を有する結晶材料であることが発見された。しかしながら、ＫＮのバルク結晶を安価かつ大量に生産することは困難であるため、ＫＮを薄膜結晶化する検討が行われている。そこで、従来の成膜法である液相エピタキシ（ＬＰＥ）法やスパッタ法によりＫＮ薄膜を得ることが考えられるが、ＬＰＥ法ではミクロンオーダの薄膜の厚さを高精度に制御して成膜することは困難である。また、スパッタ法は膜厚制御性には優れているが、目的組成のＫＮ薄膜を得るためのターゲットの組み合わせが困難であると共に、成膜プロセス中に基板がダメージを受ける可能性があるという問題がある。
【０００５】
このように従来の成膜法では、ＫＮ膜の育成が難しく、かかる結晶を用いた表面弾性波素子は高価となる場合が多い。
そこで、本発明の目的は、有機金属化学気相成長方法（以下、ＭＯＣＶＤともいう）などの薄膜結晶形成手段によって、結晶基板上に形成された強誘電体結晶の圧電結晶薄膜を有する表面弾性波素子を提供することにある。さらに、本発明は、表面弾性波素子に適した方位のＫＮなどのペロブスカイト型構造の圧電結晶薄膜を備えた表面弾性波素子及びその製造方法を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明の表面弾性波素子は、ペロブスカイト型構造の結晶基板と、前記結晶基板上に設けられている化学気相成長により成膜されたペロブスカイト型構造の圧電結晶薄膜と、前記圧電結晶薄膜上に設けられている表面弾性波を発生させる電極手段と、からなる表面弾性波素子であって、前記結晶基板はＳｒＴｉＯ3結晶からなりかつ（００１）面から＜１１０＞方向に対して−１０°＜θ＜１０°（θ≠０°）のオフセット角度θで傾斜した鏡面からなる表面を有し、前記圧電結晶薄膜は前記傾斜した鏡面の上に成膜されておりかつ（０１０）面を有するＫＮｂＯ3結晶からなり、前記電極手段は表面弾性波が前記圧電結晶薄膜の結晶軸の１つの方向に沿って伝播するように並設した電極指を有する、ことを特徴とする。
【０００８】
上記本発明の表面弾性波素子においては、前記圧電結晶薄膜の結晶軸の面内成分の１つの方向がａ軸方向であることを特徴とする。
【０００９】
本発明の表面弾性波素子の製造方法は、ＳｒＴｉＯ3結晶からなる結晶基板の（００１）面から＜１１０＞方向に対して−１０°＜θ＜１０°（θ≠０°）のオフセット角度θで傾斜する鏡面を形成する工程と、前記結晶基板の傾斜する前記鏡面上にＫＮｂＯ3結晶からなりかつ（０１０）面を有する圧電結晶薄膜を化学気相成長する工程と、表面弾性波が前記圧電結晶薄膜の結晶軸の１つの方向に沿って伝播するように前記圧電結晶薄膜上に並設した電極指を有する電極手段を形成する工程と、を含むことを特徴とする。
【００１１】
上記本発明の表面弾性波素子の製造方法においては、前記圧電結晶薄膜の結晶軸の面内成分の１つの方向がａ軸方向であることを特徴とする。
上記本発明の表面弾性波素子及びその製造方法によれば、電気機械結合係数の大きいＫＮｂＯ3などのペロブスカイト型構造の圧電結晶薄膜を備えた表面弾性波素子を安価に製造できる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施例を図面を参照しつつ説明する。
図２に実施例の表面弾性波素子の一例を示す。このキャビティ形の表面弾性波共振子においては、図に示すように、例えばストロンチウムＳｒを含むチタン酸化物のＳｒＴｉＯ3（以下、ＳＴＯともいう）の（００１）基板にオフセットをつけたペロブスカイト型構造の結晶基板１ａと、この結晶基板上に化学気相成長により成膜されたＫＮからなるペロブスカイト型構造の圧電結晶薄膜１ｂとからなる基板1のＫＮ結晶薄膜１ｂ上に対峙して配置された櫛状電極の一対の入力及び出力インターディジタル・トランスジューサー（以下ＩＤＴという）２及び３、並びに両ＩＤＴ外側に配置された反射器５及び６が形成されている。入力電気信号は、入力ＩＤＴ２により表面弾性波に変換され、反射器５及び６の間を往復することにより得られる共振は、出力ＩＤＴ３を通して出力電気信号に変換され、接続された外部回路に導出される。
【００１３】
ＫＮの圧電結晶薄膜１ｂが成膜されるＳＴＯ結晶基板１ａの表面は、ＳＴＯ（００１）面からオフセット角度θで傾斜した鏡面である。電極手段である櫛状電極ＩＤＴは、表面弾性波がＫＮの圧電結晶薄膜１ｂすなわちＫＮの（０１０）面上の結晶軸の１つの方向好ましくはその電気機械結合係数が大きい結晶軸に沿って伝播するように、形成される。すなわちＩＤＴの電極指４がＫＮの結晶軸＜１００＞方向に沿って交互に並設されている。
【００１４】
例えば、本実施例では、ＩＤＴ周期ＬＴと反射器グレーティング周期ＬＲを、同一ＬＴ＝ＬＲ又は両者の比ＬＴ／ＬＲを１より小さく設定し、反射器の反射係数｜Γ｜が最大となる周波数ｆＲとＩＤＴの放射コンダクタンスＧａが最大となる周波数ｆＴとを近づけ、ＩＤＴと反射器との間の表面弾性波の励振及び受信効率を増大させている。また、ＩＤＴと反射器の導電性材料としては、質量の軽いエッチング加工の容易なアルミニウムＡ１を用い、膜厚はエッチング精度を向上させ、膜厚増加による質量効果の影響（ＩＤＴ及び反射器等でのパルク波変換、電極間多重反射）による反射器の共振ピークとセカンドピークとのレベル差、いわゆるスプリアスレスポンス（ＳＲ）及び共振尖鋭度Ｑの低下を避けるために１０００Å以下に設定してある。
【００１５】
実施例では、図３に示すように、ＳＴＯ基板の（００１）基板にオフセットをつけたものを利用し、量産性に優れるＭＯＣＶＤ法により、そのオフセット面上にＫＮの単結晶薄膜（０１０）面を成長させる。これにより、ＫＮ結晶をｂ軸配向させ、そのａ軸を成長層表面内に配向するように、ＫＮ結晶を成長させることができる。ＫＮ結晶薄膜の結晶軸の面内成分の１つの方向がａ軸方向となる。このときＫＮ結晶のａ軸方向は、オフセットＳＴＯ基板の法線方向とＳＴＯの＜００１＞方向とで作られる面と垂直方向である。オフセット角は、−１０度＜θ度＜１０度（θ≠０°）であり、好ましくは４度〜７度又は−７度〜−４度である。ａ軸方向に表面弾性波を伝播させることにより、ＫＮ結晶の表面弾性波素子に有利な電気機械結合係数の大きな＜１００＞方位を利用することができる。得られるＫＮ結晶の格子定数は、ａ軸、ｂ軸及びｃ軸で、それぞれａ＝５．６８９６オングストローム、ｂ＝３．９２９６オングストローム及びｃ＝５．７２５６オングストロームである。
【００１６】
ＭＯＣＶＤに限らず基板上に結晶膜をエピタキシャル成長させる場合、一般に基板と結晶膜との格子定数が、ある程度整合していないと、基板に配向した良好なエピタキシャル膜は得にくく、ＫＮの場合でも、（０１０）面成長を達成することは難しい。
ＳＴＯ結晶は立方晶系であり、格子定数は３．９０５１オングストロームである。従って、斜方晶系のＫＮ結晶は、このＳＴＯ結晶上に成長させる場合、ＫＮのａ，ｃ軸の格子定数と異なるため、例えば、ＳＴＯ基板の（１１０）面にＫＮを結晶成長してもＫＮ結晶はａ軸配向してＫＮ（１００）面しか得られない。また、ＳＴＯ基板の（００１）面に上に良好なＫＮ結晶の成長は困難である。
【００１７】
本実施例では、ＳＴＯの（００１）面を用いずに、ＳＴＯ（００１）面からオフセットすなわち傾斜した格子面を用いること、図３に示すように、すなわち（００１）面から＜１１０＞方向に対してオフセット角度θで傾斜した鏡面上にＫＮを結晶成長させるのである。ＳＴＯ結晶の格子定数は、３．９０５１オングストロームであるから、ＳＴＯ結晶の＜−１１０＞方向の格子定数は√２倍の５．５２２５９オングストロームであり、ＫＮのａ軸の格子定数に近くなる。しかし、これだけではｃ軸の格子定数整合が取れないので、ＳＴＯ（００１）面から＜１１０＞方向に対してオフセット角度θで傾斜させて、ＫＮの格子定数のａ軸に対するｃ軸の比率ｃ軸／ａ軸＝５．７２５６／５．６８９６＝１．００６３２を合わせる。例えばオフセット角度θが１度、４度、５度、６度、７度及び１０度に対して、ＳＴＯの＜−１１０＞方向の格子定数５．５２２５９オングストロームに対するオフセット角度θで得られる軸の比率５．５２２５９／（５．５２２５９／ｃｏｓθ）の値を計算してみると、それぞれ１．００００１５、１．００２４４、１．００３８１、１．００５５０、１．００７５０及び１．０１５４２が得られる。これらの値は、ＫＮ結晶のｃ軸／ａ軸比率１．００６３２に近いものとなる。よって、ＳＴＯの（００１）面からのオフセット面上に、ＫＮの（０１０）面が成長可能となる。ペロブスカイト型構造の温度や組成の変動による格子定数の変動を考慮すると、上記オフセット角度θが−１０°＜θ＜１０°（θ≠０°）であることが好ましい。
【００１８】
具体的に、ＳＴＯ（００１）面からの５度オフセットした鏡面を有する基板上に、ＫＮ結晶膜を成長させた。すなわち、（００１）面の５度オフセットした鏡面を主面とするＳＴＯ基板をＭＯＣＶＤ装置の反応室に装填し、これを設定温度まで昇温して反応室内部を設定気圧まで減圧し、出発原料として、ジピバロイルメタナトカリウム［Ｋ（Ｃ11Ｈ19Ｏ2）］（以下、Ｋ（ＤＰＭ）という）と、ペンタエトキシニオブ［Ｎｂ（ＯＣ2Ｈ5）5］と、を装置の気化器のそれぞれに装填して、これら出発原料をそれぞれ設定温度に保つことにより昇華又は気化させ有機金属化合物ガスとし、これをそれぞれ流量制御されたＡｒキャリアガスを用いて加熱されたＳＴＯ基板が配置された反応室へ導き、基板上に層流として流し、基板上にＫＮのエピタキシャル層を析出させた。また、出発原料からの各酸化物の生成には酸化反応をともなうため、反応ガスに一定量の酸素を添加してもよい。このようにして、図４に示すような基板１を得た。
【００１９】
以上の実施例では、ＳＴＯ（００１）をオフセット基板として用いた場合について述べたが、立方晶系である結晶例えば[(MgO)(Al2O3)]などのスピネル構造の、或いはＭｇＯなどの岩塩型構造の結晶の（００１）面をオフセットさせた基板でも同様な構造のＫＮ結晶薄膜を得ることができる。
また、（００１）からのオフセット面のＳＴＯ基板上に、まず、ＫＴａＯ3又はＫＴＮ（ＫＴａxＮｂ1-xＯ3（０＜ｘ＜１））をバッファ層として形成し、この上にＫＮを形成することで、ＫＮ圧電結晶薄膜を形成できる。
【００２０】
【発明の効果】
本発明によれば、大きな電気機械結合定数を持つＫＮを、ＭＯＣＶＤ法によりペロブスカイト型構造又はスピネル型構造又は岩塩型構造の結晶基板上に単結晶成長させた結晶薄膜を用いることで、すぐれた低電力、低損失、広帯域特性を持つデバイスを安価に作成することができる。またバルク結晶基板を用いた素子に比べ、量産性に優れ、小型化、集積化にも有利である。
【図面の簡単な説明】
【図１】  表面弾性波素子の概略斜視図である。
【図２】  本発明による実施例の表面弾性波素子の概略斜視図である。
【図３】  本発明による実施例に用いられる結晶基板の概略斜視図である。
【図４】  本発明による実施例に用いられる結晶基板の概略斜視図である。
【符号の説明】
１  圧電基板
２、３  櫛状電極対、ＩＤＴ
４  電極指
５、６  反射器
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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