(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
水晶基板と該水晶基板上に形成された圧電材料からなる薄膜と非圧電材料からなる薄膜と電極とを具備し、
前記圧電材料と前記非圧電材料は結晶系が同じであることを特徴とする表面弾性波素子。
【請求項２】
前記非圧電材料は、ヤング率が３．５×１０12ｄｙｎｅ／ｃｍ2以上であり、かつ密度が４ｇ／ｃｍ3以下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】
前記電極は少なくとも前記圧電材料からなる薄膜に接して形成され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４】
前記圧電材料からなる薄膜と前記非圧電材料からなる薄膜は、それぞれエピタキシャル膜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。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、情報通信分野に用いられる表面弾性波素子およびその作製方法、さらに詳しく言えば薄膜を用いた表面弾性波素子およびその作製方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の表面弾性波素子としては、大きく分けて圧電材料の単結晶を用いたものと基板上に圧電材料からなる薄膜を形成したものとの２種類がある。単結晶を用いるものの代表的な例としては、水晶、ニオブ酸リチウム（以下ＬｉＮｂＯ3）、タンタル酸リチウム（以下ＬｉＴａＯ3）などを用いた素子があげられる。一方、圧電材料の薄膜を用いた表面弾性波素子としては、Ｊｐｎ．Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｖｏｌ．３２（１９９３）ｐｐ．２３３７−２３４０に記載されているようなサファイア基板上に酸化亜鉛（以下ＺｎＯ）薄膜を形成したもの、あるいはＪｐｎ．Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｖｏｌ．３２（１９９３）ｐｐ．Ｌ７４５−Ｌ７４７に記載されているようなサファイア基板上にＬｉＮｂＯ3薄膜を形成したものなどがあげられる。
【０００３】
表面弾性波素子の性能に関して、通信分野の目覚しい発展に伴い、より大きい電気機械結合係数（以下ｋ2）を有するもの、より温度特性が良好なもの、より高周波に適用できるものへの要求が高まっている。表面弾性波素子はフィルタ、発振器の両者に応用可能であるが、特に発振器に用いる場合は温度特性が重要になる。また、発振器には高次逓倍型、位相同期型、直接型などがあるが機器の小型化のためには直接型が望ましく、それには高周波化も重要である。また、フィルタでは高いｋ2が望まれる。フィルタ、発振器とも高周波化には音速の速い材料が望まれる。
【０００４】
温度特性については、例えば「表面波デバイスとその応用」電子材料工業会編１９７８年発行 ｐｐ１０６〜１０８に述べられているように、群遅延時間温度特性ＴＣＤの符号が互いに逆である（正負が異なる）ＺｎＯとＳｉＯ2などを積層することにより改善される可能性がある。これについては、特開平６−１６４２９４あるいは特開平９−１３０１９２にも記されている。特開平６−１６４２９４ではＳｉ基板上にダイヤモンド薄膜を形成し、さらにその上に圧電薄膜と二酸化珪素保護膜を形成することにより、高周波化とｋ2の向上を図ることが記載されている。一方、特開平９−１３０１９２では、水晶基板上のＺｎＯの膜厚の規格化やさらに電極の位置の適正化によってｋ2の向上を図ることが記載されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、従来の表面弾性波素子には、以下のような問題点がある。
【０００６】
まず、単結晶を用いた表面弾性波素子では、音速、ｋ2や温度係数などの特性は材料固有の値であり、単結晶材料をカットする面方位でその特性が決まってしまう。これまで公表されている材料には一長一短があり、したがって、今のところ使用する目的によって、材料を使い分けている。例えば、周波数の広帯域化、低損失化が要求されるフィルタの場合には、ｋ2の大きいＬｉＮｂＯ3が用いられ、一方、周波数は狭帯域でも良いが温度特性が安定なものが必要な場合は温度係数が小さい水晶が用いられる。ただし、水晶は音速があまり速くなく高周波化には不利であり、ＧＨｚ帯に用いるのは難しい。したがって、高周波での直接型発振器やフィルタの作製は難しい。すなわち、電極間隔が狭く電極のパターニングが困難である。ｋ2および温度係数がそれぞれＬｉＮｂＯ3と水晶の間にあるＬｉＴａＯ3はその中間的な役割を果たしている。しかし、音速が速くｋ2が大きく温度係数が小さい表面弾性波素子が要望されている現在、これらの特性を満足させる材料はない。従って、単結晶を用いる場合は新しい材料の発見を待つしかない。
【０００７】
一方、圧電材料の薄膜を用いた表面弾性波素子は、音速の速い基板上に薄膜を形成することにより、高周波化やｋ2の向上がはかられ、また温度特性の改善も可能と期待されている。すなわち、用いる基板と薄膜の材料の組み合わせや薄膜の配向のコントロールなどにより、材料固有の値に支配されない特性が得られる可能性がある。しかし、現在のところ、所望の特性を満足させるものは得られていない。水晶などのＳｉＯ2を主成分とする材料以外を用いた場合，例えばサファイア上にＬｉＮｂＯ3薄膜を形成するものでも温度特性はあまり改善されていない。一方、特開平６−１６４２９４に記されているようなダイヤモンド薄膜を基板に用いる場合には速い音速が得られるが、ダイヤモンド薄膜の表面平坦性が問題となる。基板の表面平坦性は素子特性に影響を及ぼすため重要である。現在、その表面を研磨して用いているが、ダイヤモンドは硬いため加工が難しい。研磨技術は進歩しているが、ダイヤモンド薄膜は多結晶でもあり、他の単結晶基板の表面平坦性と比較すると明らかに劣る。また、その直上に形成される圧電薄膜の結晶性も素子特性、信頼性に関して重要であるが、多結晶のダイヤモンド薄膜上に高品質な圧電薄膜を形成することは難しい。圧電薄膜としては、エピタキシャル膜が望ましい。特開平９−１３０１９２では、これを用いて温度特性の良いものができるとしているが、ＧＨｚ帯までの高周波化には不十分であり、音速の速い波を用いても難しく、その場合は電極の加工に負荷がかかる。さらに、信頼性の高い素子を得るには、その作製方法も重要である。例えば、水晶には転移温度があるが、転移温度以上で薄膜を形成する場合、水晶に割れや欠陥が導入され質の高いものが得られない。
【０００８】
本発明は上記問題点に鑑みてなされたものであり、その課題とするところは、高周波化に対応できかつｋ2が高く温度特性も良い薄膜を用いた表面弾性波素子、及び信頼性の高い表面弾性波素子が得られる作製方法を提供することである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明の表面弾性波素子は、水晶基板と該水晶基板上に形成された圧電材料からなる薄膜と非圧電材料からなる薄膜と電極を具備することを特徴とする。
【００１０】
上記表面弾性波素子において、さらに好ましくは、前記非圧電材料は、ヤング率が３．５×１０12ｄｙｎｅ／ｃｍ2以上であり、かつ密度が４ｇ／ｃｍ3以下であること、前記電極は少なくとも圧電材料からなる薄膜に接して形成されること、圧電材料と非圧電材料は結晶系が同じであること、圧電材料からなる薄膜と非圧電材料からなる薄膜はそれぞれエピタキシャル膜である。
【００１１】
本発明の表面弾性波素子の基本構成によれば、水晶基板と圧電薄膜の温度係数の符号が逆のため相殺されて良好な温度特性が得られる。また、水晶基板上に圧電薄膜をエピタキシャル成長させることは可能であり、特にその上に形成する非圧電薄膜の結晶系を圧電薄膜の結晶系と同じものを選択することにより、非圧電薄膜もエピタキシャル成長させることが可能となる。非圧電材料は硬質であることから、電極を圧電薄膜に接して形成することにより速い音速が得られ高周波化が可能となる。更に、圧電薄膜、非圧電薄膜とも高品質に得ることで、信頼性も高く、また、ｋ2の向上も期待される。
【００１２】
本発明によれば、水晶基板と該水晶基板上に形成された圧電材料からなる薄膜と非圧電材料からなる薄膜と電極とを具備する表面弾性波素子の作製方法であって、圧電材料からなる薄膜と非圧電材料からなる薄膜と電極は夫々水晶の転移温度以下で形成することを特徴とする方法が提供される。
【００１３】
上記方法によれば、水晶基板に割れやクラックなどの欠陥を導入すること無く、安定な素子特性が実現される。
【００１４】
上記方法において、圧電材料からなる薄膜と非圧電材料からなる薄膜の各膜厚を制御することによって素子特性を制御することが好ましい。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態をその実施例に沿って詳細に説明する。
【００１６】
（実施例１）
図１は本発明の実施例１に係る表面弾性波素子の断面構造を示す図である。
【００１７】
同図に示す素子構造は、水晶基板１と圧電材料からなる薄膜２、非圧電材料からなる薄膜３、および圧電材料からなる薄膜２に接して形成される電極４で構成されている。
【００１８】
当該構造の素子は、以下の方法に沿って得ることができる。α−ＳｉＯ2で表されるＳＴカット水晶基板１上に圧電材料として酸化亜鉛（以下ＺｎＯ）を用いて薄膜２を形成し、その上に銅（以下Ｃｕ）を用いて電極４を形成する。さらに電極４を設けた薄膜２上に非圧電材料として酸化アルミニウムを主成分とする薄膜３を形成して表面弾性波素子を得る。
【００１９】
上記構成からなる本発明の表面弾性波素子の作製プロセスの具体例を示す。
【００２０】
まずＳＴカット水晶基板上１に圧電材料からなる薄膜２であるＺｎＯを成膜した。成膜にはＺｎＯの単一ターゲットを用いたレーザーアブレーション法を用い、成膜中基板に酸素プラズマを照射しながらその場成長させた。この時の基板温度は、水晶の転移温度である５７３℃以下の５５０℃とした。Ｘ線回折およびＲＨＥＥＤから、（０００１）配向のＺｎＯエピタキシャル膜が得られていることが確認された。
【００２１】
次にＺｎＯエピタキシャル膜上にＣｕを蒸着し、パターニングして電極４を形成した。続いてその上に、ＺｎＯの場合と同様に酸化アルミニウムの単一ターゲットを用いたレーザーアブレーション法により、成膜中基板に酸素プラズマを照射しながら非圧電材料からなる薄膜３である酸化アルミニウム薄膜をその場で成長させた。この時基板温度も、水晶の転移温度である５７３℃以下の５５０℃とした。Ｘ線回折およびＲＨＥＥＤから、（０００１）配向の酸化アルミニウムエピタキシャル膜が得られていることが確認された。この時のＺｎＯ薄膜と酸化アルミニウム薄膜の面内方向の関係は、
数１
0003780790.tif 000002
【００２２】
であった。ここで、ＺｎＯと酸化アルミニウムは同じ六方晶系であり、両者の格子定数が公倍数でほぼ一致するため格子ミスマッチが小さくなり、その結果ＺｎＯ上に酸化アルミニウムがエピタキシャル成長する。X線反射率測定から、両薄膜の密度は理論密度に対しそれぞれ９０％以上と高品質なものであった。
【００２３】
なお、ＺｎＯと酸化アルミニウムの製膜条件を変更した実験を行ったところ、少なくともどちらか一方を５７３℃以上で形成した場合、基板が割れたり、X線回折パターンに不明なピークが現れたりすることがあった。すなわち、素子の信頼性に問題が生じることがあった。
【００２４】
このような方法に基づき、条件を種々変更し、得られる種々の設計の素子についてその特性を調べた。
【００２５】
まず、酸化アルミニウムを形成しない電極／ＺｎＯ薄膜／水晶基板の構造でＺｎＯ薄膜の膜厚の最適化を行なった。ＺｎＯ薄膜の膜厚をH、表面波の波長をλとした場合、Ｈ／λが増加するにしたがって、ｋ2も増加し、Ｈ／λが０．３ぐらいでほぼ飽和した。この時の値は約１０％であった。一方、音速はＨ／λが増加するにしたがって、単調に減少した。水晶基板単体の時、すなわちＨ／λが０の時、音速は約３２００ｍ／ｓであったが、Ｈ／λが０．３の時約２８００ｍ／ｓであった。
【００２６】
また、温度係数ＴＣＦは、水晶基板単体については、すなわちＨ／λが０の場合約３０ｐｐｍ／℃であったが、Ｈ／λが増加するにしたがってＴＣＦは減少して０に近づき、Ｈ／λが約０．１のとき０になった。Ｈ／λがそれより大きくなると、逆にマイナス側に大きくなっていった。この現象は、周知のように正負異なる温度係数を有する水晶とＺｎＯの積層による効果と考えられる。以上のように、圧電薄膜のＺｎＯの膜厚によって、ｋ2、音速、ＴＣＦが大きく変わるため、用途によって膜厚を調整すればよい。例えばｋ２が大きいものが必要な場合は、ここではＨ／λを０．３以上とすれば良いし、ＴＣＦを０にしたい場合にはＨ／λを約０．１にすればよい。ここでは、温特を良くするため、ＴＣＦがほぼ０になるようＨ／λを０．１として、以後の評価を行なった。Ｈ／λが０．１の時のｋ2は約２％であった。また、音速は約３０００ｍ／ｓであった。なお、比較のため、エピタキシャル膜でないＺｎＯを用いて同様な評価を行なったが、Ｈ／λが増加するに従い、エピタキシャル膜の場合と比べ、音速の減少が大きくまたｋ2の増加の程度も小さかった。さらにＴＣＦが０になるＨ／λの値もばらついた。すなわち、エピタキシャル膜の方が特性が良い。
【００２７】
次に、酸化アルミニウム薄膜を形成した酸化アルミニウム薄膜／電極／ＺｎＯ薄膜／水晶基板の構造で酸化アルミニウムの膜厚を変えて評価を行なった。前述したように、ＺｎＯ薄膜の膜厚はＴＣＦが０になるＨ／λ＝０．１となるように設定した。酸化アルミニウムはヤング率が３．７７×１０12ｄｙｎｅ／ｃｍ2で密度が３．９３ｇ／ｃｍ3である。すなわち、硬くて軽い材料である。このような材料は音速が速い。酸化アルミニウム薄膜の膜厚をＨAl、表面波の波長をλとすると、ＨAl／λが増加するに従い、音速およびｋ2とも単調に増加した。音速はＨAl／λが０．５の時約５０００ｍ／ｓ、１．０のとき約６０００ｍ／ｓであった。この値は、酸化アルミニウム薄膜がない場合と比べ２倍となる。また、水晶単体の場合の約１．９倍となる。これによって、電極間隔も２倍にできるため、電極パターニングの困難さが改善されることが判った。また、ｋ2はＨAl／λ＝０．５のとき１２％、１．０のとき１４％であった。すなわち、酸化アルミニウムの膜厚を厚くすれば良い特性が得られるが、使用周波数帯に応じて膜厚を調整して音速を制御すればよいことが導かれる。一方、ＴＣＦはＨAl／λが増加してもほとんど変化しなかった。以上より、エピタキシャル酸化アルミニウム膜を形成することにより、さらに特性が改善される。
【００２８】
比較のため、エピタキシャル膜でない酸化アルミニウム薄膜を形成した試料を作製し評価した。その場合も音速、ｋ2とも同様に増加するが、その程度はエピタキシャル膜の場合と比べ小さかった。すなわち、エピタキシャル膜の方を用いることがより好ましい。
【００２９】
なお、ここでは非圧電材料として酸化アルミニウムを用いたが、さらに比較のため同じ六方晶系のランタンアルミネート（ＬａＡｌＯ3）を用いて評価した。ＬａＡｌＯ3の密度は４ｇ／ｃｍ3以上、ヤング率は３．５×１０12ｄｙｎｅ／ｃｍ2以下、すなわち酸化アルミニウムと比べ軟らかく重い材料である。この場合、ｋ2は増加するが、高周波化に重要な音速の増加が見られなかった。
【００３０】
この他、硬くて軽い材料としては、酸化アルミニウム以外にダイヤモンドがある。これも密度は４ｇ／ｃｍ3以下、ヤング率は３．５×１０12ｄｙｎｅ／ｃｍ2以上である。したがって、酸化アルミニウムの場合と同様な効果が得られる。ダイヤモンド薄膜を最上層に形成する場合、基板に用いる場合と違ってミラー研磨する必要がない、また圧電薄膜の結晶性に影響を与えないという利点がある。すなわち、基板に用いる場合よりには素子作製が容易である。また、酸化アルミニウムやダイヤモンド以外の材料でも前記条件を満たせば問題ない。なお、上記実施例では電極を圧電材料からなる薄膜２と非圧電材料からなる薄膜３の間に形成したが、水晶基板１と圧電材料からなる薄膜２の間に形成してもよい。
【００３１】
以上のように、本実施例によれば特性の良い、また膜厚によって素子の特性を制御できる表面弾性波素子を得ることができる。
【００３２】
（実施例２）
実施例１では圧電材料としてＺｎＯを用いたが、それ以外の材料を用いても良い。本実施例では、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ3）を用いる。素子の構造は図１と同じである。すなわち、水晶基板１上に圧電材料であるＬｉＮｂＯ3薄膜２が形成され、その上にＣｕからなる電極４、非圧電材料である酸化アルミニウム薄膜３が順に形成された構造の素子を作製した。
【００３３】
ＬｉＮｂＯ3もＺｎＯと同様に六方晶系であり、レーザーアブレーション法を用いて成膜条件を適正化することにより、水晶基板１上にエピタキシャル成長させることが可能である。また、ＬｉＮｂＯ3膜上に酸化アルミニウム薄膜をエピタキシャル成長させることも可能である。ＬｉＮｂＯ3は水晶よりも音速が速い。また、ＺｎＯや水晶よりもｋ２が大きい。したがって、非圧電材料薄膜３がない電極／ＬｉＮｂＯ3薄膜／水晶基板構造において、ＬｉＮｂＯ３の膜厚をＨLi、表面波の波長をλとし、ＨLi／λを変化させたところ、この値が増加するに従い音速、ｋ2とも単調に増加する。また、ＬｉＮｂＯ3もＺｎＯと同様に負のＴＣＦを有するので、ＨLi／λを調整することにより、ＴＣＦを０にできる。
【００３４】
続いて、この上に硬くて軽い酸化アルミニウムの非圧電材料薄膜３を形成することにより、さらに音速、ｋ2が向上した。これら値は、酸化アルミニウ薄膜の膜厚が増加するに従い増加し、圧電材料薄膜２にＺｎＯを用いた場合より大きく、より高周波、高性能の素子として期待できる。なお、ここでは圧電材料としてＬｉＮｂＯ3を用いたが、その他の負のＴＣＦを有する圧電材料を用いても何ら問題ない。この時、音速、ｋ2が大きいほうがより好ましい。また、非圧電材料も密度が４ｇ／ｃｍ3以下、ヤング率が３．５×１０12ｄｙｎｅ／ｃｍ2以上のものであればよい。
【００３５】
【発明の効果】
以上述べたように本発明によれば、水晶基板と該水晶基板上に形成した圧電材料からなる薄膜と非圧電材料からなる薄膜と電極で構成し、更に前記非圧電材料のヤング率を３．５×１０12ｄｙｎｅ／ｃｍ2以上、かつ密度を４ｇ／ｃｍ3以下とし、また前記電極を少なくとも圧電材料からなる薄膜に接して形成し、また圧電材料からなる薄膜と非圧電材料からなる薄膜の各膜厚を制御し、また圧電材料と非圧電材料の結晶系を同じとし、さらに圧電材料からなる薄膜と非圧電材料からなる薄膜をそれぞれエピタキシャル膜にすることによって、容易に作製でき、また高周波化に適応できる高性能な表面弾性波素子が提供される。
【００３６】
また、本発明によれば、水晶基板と該水晶基板上に形成された圧電材料からなる薄膜と非圧電材料からなる薄膜と電極で構成される表面弾性波素子の圧電材料からなる薄膜と非圧電材料からなる薄膜と電極を水晶の転移温度以下で形成することによって、再現性、信頼性の高い表面弾性波素子の作製方法が提供される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例に係る表面弾性波素子の構造を示す断面図である。
【符号の説明】
１  水晶基板
２  圧電材料からなる薄膜
３  非圧電材料からなる薄膜
４  電極
【図１】
0003780790.tif 000003