DE102022107600A1

DE102022107600A1 - Laminat, resonator, filter, abgelöstes laminat und verfahren zur herstellung eines resonators

Info

Publication number: DE102022107600A1
Application number: DE102022107600.8A
Authority: DE
Inventors: Sho TONEGAWA; Akira Sakawaki; Daizo Endo; Kota HASEGAWA
Original assignee: Showa Denko KK
Current assignee: Resonac Corp
Priority date: 2021-08-20
Filing date: 2022-03-30
Publication date: 2023-02-23
Also published as: CN115715140A; US20230053754A1; JP2023029043A

Abstract

Es wird ein Laminat bereitgestellt, das Folgendes enthält: ein Substrat 210, eine Elektrodenschicht 230, die auf oder über dem Substrat 210 angeordnet ist und eine einkristalline Struktur aufweist, die ein Metallelement enthält; eine zwischen dem Substrat 210 und der Elektrodenschicht 230 ausgebildete Pufferschicht 220, die so konfiguriert ist, dass sie die Kristallorientierung der Elektrodenschicht 230 verbessert; und eine auf der Elektrodenschicht 230 ausgebildete piezoelektrische Schicht 240 aus einem piezoelektrischen Körper. Sowohl die Pufferschicht 220 als auch die piezoelektrische Schicht 240 weisen eine einkristalline Struktur auf, die auf einer Zusammensetzung aus entweder ScAlN oder AlN basiert.

Description

HINTERGRUND
Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Laminat, einen Resonator, einen Filter, ein abgelöstes Laminat und ein Verfahren zur Herstellung eines Resonators.
Stand der Technik
Für die Kommunikation mit Mobiltelefonen oder Smartphones ist es beispielsweise notwendig, aus den von einer Antenne empfangenen Funkwellen mit Hilfe eines Filters die gewünschten Frequenzen herauszufiltern. Ein Beispiel für solche Filter ist ein Filter mit einem Resonator. Der Resonator hat zum Beispiel eine Struktur, bei der eine piezoelektrische Schicht aus einem piezoelektrischen Körper auf eine Elektrode geschichtet ist.
Frühere Veröffentlichungen im Stand der Technik offenbaren eine piezoelektrische Dünnschicht, die eine Scandium enthaltende Aluminiumnitrid-Dünnschicht umfasst, wobei der Gehalt an Scandium in der Aluminiumnitrid-Dünnschicht 0,5 bis 50 Atom-% beträgt, basierend auf einer Gesamtzahl von Scandiumatomen und Aluminiumatomen, die als 100 Atom-% angenommen wird (siehe Patentdokument 1).
Frühere Veröffentlichungen aus dem Stand der Technik offenbaren auch ein Verfahren zur Herstellung einer piezoelektrischen Dünnschicht, die eine scandiumhaltige Aluminiumnitrid-Dünnschicht enthält, wobei das Verfahren einen Sputterschritt umfasst, bei dem Aluminium und Scandium unter einer Atmosphäre gesputtert werden, die mindestens ein Stickstoffgas enthält. Der Sputterschritt dieses Verfahrens führt die Zerstäubung bei einer Substrattemperatur im Bereich von 5 °C bis 450 °C durch, so dass der Gehalt an Scandium in einen Bereich von 0,5 bis 50 Atom-% fällt (siehe Patentdokument 2).
In früheren Veröffentlichungen wird auch eine piezoelektrische Dünnschicht aus Scandiumaluminiumnitrid offenbart, die durch Sputtern erhalten wird, wobei der Gehalt an Kohlenstoffatomen nicht mehr als 2,5 Atom-% beträgt. Das Verfahren zur Herstellung dieser piezoelektrischen Dünnschicht umfasst das gleichzeitige Aufstäuben von Scandium und Aluminium auf ein Substrat von einem Targetmaterial aus einer Scandium-Aluminium-Legierung unter einer Atmosphäre, die mindestens ein Stickstoffgas enthält, wobei das Targetmaterial einen Kohlenstoff-Atomgehalt von nicht mehr als 5 Atom-% aufweist (siehe Patentdokument 3).
Zitierliste
Patentliteratur

Patentdokument 1: Offengelegte Japanische Patentanmeldung Veröffentlichung Nr. 2009-010926
Patentdokument 2: Offengelegte Japanische Patentanmeldung Veröffentlichung Nr. 2011-015148
Patentdokument 3: Offengelegte Japanische Patentanmeldung Veröffentlichung Nr. 2014-236051

ZUSAMMENFASSUNG
Das in letzter Zeit ständig wachsende Kommunikationsaufkommen führt häufig zu Überlastungen. Um dieses Problem in den Griff zu bekommen, wurden verschiedene Fortschritte gemacht, darunter die Ermöglichung einer schnelleren Kommunikation durch höhere Frequenzen und die Erhöhung der Kapazität durch größere Bandbreiten sowie die Verwendung mehrerer Kommunikationsbänder.
In diesem Fall ist ein hoher Q-Wert für ein Laminat erforderlich, um Interferenzen mit einem benachbarten Band zu verhindern und verlustarme Eigenschaften zu ermöglichen. Das Laminat muss außerdem an eine größere Bandbreite angepasst werden, um die Funkfrequenznormen zu erfüllen. Um die geforderten Eigenschaften sowohl für den Q-Wert als auch für die Bandbreite zu erreichen, wird eine Verbesserung der Kristallinität des Laminats gewünscht.
Bestimmte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung zielen darauf ab, ein Laminat mit hoher Kristallinität, einen Resonator oder einen Filter unter Verwendung dieses Laminats und ein Verfahren zur Herstellung dieses Resonators bereitzustellen.
Dementsprechend stellen bestimmte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung ein Laminat bereit, das Folgendes umfasst: ein Substrat; eine Elektrodenschicht, die auf oder über dem Substrat angeordnet ist und eine einkristalline Struktur aufweist, die ein Metallelement enthält; eine Pufferschicht, die zwischen dem Substrat und der Elektrodenschicht ausgebildet ist und so konfiguriert ist, dass sie die Kristallorientierung der Elektrodenschicht verbessert; und eine auf der Elektrodenschicht ausgebildete piezoelektrische Schicht aus einem piezoelektrischen Körper. Sowohl die Pufferschicht als auch die piezoelektrische Schicht weisen eine einkristalline Struktur auf, die auf einer Zusammensetzung aus entweder ScAlN oder AlN basiert.
Bei der Röntgenbeugung in der (11-20)-Ebene des ScAlN und des AlN lassen sich ggf. Peaks in Abständen von 60 Grad beobachten.
In einem Elektronenbeugungsmuster von ScAlN und AlN kann ggf. eine einzige Zonenachse beobachtet werden.
Die Pufferschicht und die piezoelektrische Schicht können die gleiche Zusammensetzung haben.
Befindet sich die Elektrodenschicht in einem kubischen Kristallsystem, kann die Gitterfehlanpassung zwischen der Elektrodenschicht und dem ScAlN oder dem AIN in einem Bereich von -25 % bis 2 % liegen.
Die Elektrodenschicht kann eine hexagonale Kristallstruktur aufweisen.
Die Halbwertsbreite („full width at half maximum“, FWHM) einer Röntgen-Rocking-Kurve der piezoelektrischen Schicht in einer (0002)-Ebene beträgt ggf. nicht mehr als 2,5°.
Wenn eine Zusammensetzung Sc_xAl_yN (x + y = 1), die das AlN oder das ScAlN darstellt, die Beziehung 0 ≤ x ≤ 0,3 erfüllt, kann die Elektrodenschicht mindestens eine Substanz enthalten, die aus Co, Cu, Ru, Pt, Al, Au, Ag, Mo, W, ZrN und Ti ausgewählt ist, und wenn die Zusammensetzung Sc_xAl_yN (x + y = 1) die Beziehung 0.3 < x ≤ 0,5 erfüllt, kann die Elektrodenschicht mindestens eine Substanz enthalten, die aus Co, Ru, Al, Au, Ag, Mo, W, ZrN und Ti ausgewählt ist.
Wenn das ScAlN durch eine Zusammensetzung Sc_xAl_yN (x + y = 1) dargestellt wird, kann eine Beziehung von 0 < x ≤ 0,5 erfüllt sein.
Das Substrat kann eine beliebige Zusammensetzung haben, die aus Saphir, Si, Quarz, SrTiO₃, LiTaO₃, LiNbO₃ und SiC ausgewählt wird.
Die Elektrodenschicht kann eine Dicke von 10 bis 1000 nm haben.
Die Pufferschicht kann eine Dicke von 10 bis 100 nm haben.
Bestimmte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung stellen einen Resonator bereit, der ein zweites Substrat, eine zweite Elektrodenschicht, eine piezoelektrische Schicht und eine Elektrodenschicht enthält, die in dieser Reihenfolge laminiert sind, wobei die piezoelektrische Schicht und die Elektrodenschicht aus dem oben beschriebenen Laminat stammen, das zweite Substrat von dem Substrat des Laminats verschieden ist und die zweite Elektrodenschicht von der Elektrodenschicht verschieden ist.
Bestimmte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung stellen einen Filter mit dem oben beschriebenen Resonator bereit. Der Filter ist so konfiguriert, dass er Funkwellen einer erforderlichen Frequenz unter Verwendung einer piezoelektrischen Schicht gewinnt, die auf dem Resonator vorgesehen ist.
Bestimmte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung stellen ein abgelöstes Laminat bereit, das durch Ablösen der piezoelektrischen Schicht und der Elektrodenschicht von dem oben beschriebenen Laminat erhalten wird.
Bestimmte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung stellen ein Verfahren zur Herstellung eines Resonators bereit. Das Verfahren umfasst die Bildung eines Laminats, wobei das Laminat Folgendes umfasst: ein Substrat; eine Elektrodenschicht, die auf oder über dem Substrat angeordnet ist und eine einkristalline Struktur aufweist, die ein Metallelement enthält; eine Pufferschicht, die zwischen dem Substrat und der Elektrodenschicht gebildet wird und so konfiguriert ist, dass sie die Kristallorientierung der Elektrodenschicht verbessert; und eine auf der Elektrodenschicht gebildete piezoelektrische Schicht aus einem piezoelektrischen Körper. Sowohl die Pufferschicht als auch die piezoelektrische Schicht weisen eine einkristalline Struktur auf, die auf einer Zusammensetzung aus entweder ScAlN oder AlN basiert. Das Verfahren umfasst die Bildung einer ersten Metallschicht auf dem Laminat, die ein Metall enthält. Das Verfahren umfasst das Ausbilden einer zweiten Metallschicht, die ein Metall enthält, auf einer Oberfläche eines zweiten, von dem Substrat verschiedenen Substrats. Das Verfahren umfasst das Verbinden der auf dem Laminat gebildeten ersten Metallschicht mit der zweiten Metallschicht auf dem zweiten Substrat. Das Verfahren umfasst das Lösen des Substrats und der Pufferschicht von dem Laminat.
Das Ablösen des Substrats und der Pufferschicht kann die gleichzeitige Freigabe sowohl des Substrats als auch der Pufferschicht beinhalten.
Das Ablösen des Substrats und der Pufferschicht kann das Ablösen des Substrats und dann das Ablösen der Pufferschicht beinhalten.
Bestimmte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung können ein Laminat mit hoher Kristallinität, einen Resonator oder einen Filter, der dieses Laminat verwendet, und ein Verfahren zur Herstellung dieses Resonators bereitstellen.
Figurenliste
Beispielhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden anhand der folgenden Figuren im Detail beschrieben:

1 zeigt einen Resonator gemäß einer Ausführungsform;
2 zeigt ein Laminat, das zur Herstellung einer piezoelektrischen Schicht verwendet wird;
3 zeigt die Beziehung zwischen Kombinationen aus der piezoelektrischen Schicht, einer Elektrodenschicht, einer Pufferschicht und einem Substrat und der Kristallinität der piezoelektrischen Schicht;
4A zeigt ein Transmissionselektronenmikroskop (TEM)-Bild von AlN gemäß dieser Ausführungsform;
4B zeigt ein Elektronenbeugungsmuster von AlN gemäß der Ausführungsform;
4C zeigt ein TEM-Bild von Sc_0,2Al_0.8N gemäß der Ausführungsform;
4D zeigt ein Elektronenbeugungsmuster von Sc_0,2Al_0.8N gemäß der Ausführungsform;
4E zeigt eine TEM-Aufnahme von polykristallinem AlN;
4F zeigt ein Elektronenbeugungsmuster von polykristallinem AlN;
5 zeigt ein Ergebnis der Röntgenbeugung in der Ebene, wenn Sc_0,2Al_0.8N gemäß der Ausführungsform eine kleine FWHM hat;
6A-6E zeigen jeweils einen interatomaren Abstand x, der zur Berechnung einer Gitterfehlanpassung verwendet wird;
7 ist eine Tabelle mit spezifischen Beispielen von Gitterfehlanpassungen zwischen der Elektrodenschicht und der piezoelektrischen Schicht;
8 ist ein Flussdiagramm eines Verfahrens zur Herstellung des Laminats;
9 zeigt die Pufferschicht, die Elektrodenschicht und die aufgebrachte piezoelektrische Schicht; und
10 zeigt ein Verfahren zur Herstellung des Resonators.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben.
<Gesamtbeschreibung eines Resonators 100>
1 zeigt einen Resonator 100 gemäß einer Ausführungsform.
Der dargestellte Resonator 100 umfasst ein Substrat 110 als Trägerkörper, eine untere Elektrodenschicht 120 als eine auf einer Unterseite ausgebildete Elektrode, eine piezoelektrische Schicht 130 aus einem piezoelektrischen Körper und eine obere Elektrodenschicht 140 als eine auf einer Oberseite ausgebildete Elektrode. Das Substrat 110, die untere Elektrodenschicht 120, die piezoelektrische Schicht 130 und die obere Elektrodenschicht 140 sind in dieser Reihenfolge von unten nach oben laminiert. Es sei darauf hingewiesen, dass Ausrichtungsbegriffe wie „unter(e)(s)“, „ober(e)(s)“, „oben“ und „unten“ verwendet werden, um die Ausrichtungen dieser Schichten in den Figuren zu verdeutlichen und zu zeigen, wie sie laminiert sind. Daher sind diese Schichten nicht notwendigerweise so ausgerichtet, wie in der Abbildung gezeigt, wenn der Resonator 100 tatsächlich verwendet wird.
Das Substrat 110 ist ein Trägersubstrat, das die untere Elektrodenschicht 120, die piezoelektrische Schicht 130 und die obere Elektrodenschicht 140 trägt. Das Substrat 110 ist ein Beispiel für ein zweites Substrat. Dieses Trägersubstrat unterscheidet sich von einem Substrat für das Aufwachsen eines dünnen Films der piezoelektrischen Schicht 130. In der vorliegenden Ausführungsform wird für das Substrat 110 zum Beispiel ein einkristallines Silizium (Si)-Substrat verwendet. Das Substrat 110 enthält in seinem unteren Teil einen Hohlraum 111.
Die untere Elektrodenschicht 120, die ein Beispiel für die zweite Elektrodenschicht ist, wird auf dem Substrat 110 gebildet. Das Material der unteren Elektrodenschicht 120 ist nicht besonders begrenzt; so kann die untere Elektrodenschicht 120 beispielsweise aus Ruthenium (Ru), Gold (Au), Silber (Ag), Kupfer (Cu), Platin (Pt), Aluminium (Al), Molybdän (Mo), Wolfram (W) und dergleichen bestehen.
Die piezoelektrische Schicht 130 ist auf der unteren Elektrodenschicht 120 ausgebildet und besteht aus einem piezoelektrischen Körper. Wie in den folgenden Abschnitten näher erläutert wird, werden Funkwellen gewünschter Frequenzen selektiv mit Hilfe eines piezoelektrischen Effekts, der durch den piezoelektrischen Körper bereitgestellt wird, gewonnen.
Die obere Elektrodenschicht 140, die ein Beispiel für eine Elektrodenschicht ist, wird auf der piezoelektrischen Schicht 130 gebildet. Die obere Elektrodenschicht 140 hat eine einkristalline Struktur, die ein Metallelement enthält. Die obere Elektrodenschicht 140 kann aus demselben Metall bestehen wie die untere Elektrodenschicht 120 oder aus einem anderen Metall als das der unteren Elektrodenschicht 120.
Das heißt, der Resonator 100 hat eine Struktur, bei der die piezoelektrische Schicht 130 zwischen der unteren Elektrodenschicht 120 und der oberen Elektrodenschicht 140 angeordnet ist. Die untere Elektrodenschicht 120, die piezoelektrische Schicht 130 und die obere Elektrodenschicht 140 können zum Beispiel durch Sputtern hergestellt werden.
Der Resonator 100 kann zum Beispiel für ein Bandpassfilter (BPF) verwendet werden. Insbesondere wird der Resonator 100 vorzugsweise für einen Filter eingesetzt, der akustische Volumenwellen („bulk acoustic wave“, BAW) verwendet. Der in 1 gezeigte Resonator 100 ist ein BAW-Filter des Typs Volumenwellen-Filmresonator („film bulk acoustic resonator“ (FBAR)). Das BAW-Filter vom FBAR-Typ enthält den Hohlraum 111 in einem unteren Teil des Resonators. Dadurch kann die piezoelektrische Schicht 130 frei schwingen, ohne durch das Substrat 110 behindert zu werden. Außerdem kann die piezoelektrische Schicht 130 durch Sputtern oder auf andere Weise dünn gemacht werden, und es besteht keine Notwendigkeit, eine Elektrode in einem feinen Muster vorzusehen, wie es bei einem Filter erforderlich wäre, der akustische Oberflächenwellen („surface acoustic wave“, SAW) verwendet. Somit weist der Resonator 100 Eigenschaften auf, die den Betrieb bei hohen Frequenzen erleichtern.
Die BAW ist eine elastische Welle, die sich in einem Medium mit dreidimensionaler Ausdehnung ausbreitet. In diesem Fall breitet sich die BAW in der piezoelektrischen Schicht 130 als Medium aus, während sie eine Längsschwingung in Richtung der Dicke der piezoelektrischen Schicht 130 ausführt. Die elastische Welle bringt die piezoelektrische Schicht 130 zum Schwingen. In diesem Fall bringt eine eingespeiste Funkwelle die piezoelektrische Schicht 130 zum Schwingen. Der Frequenzbereich, in dem die piezoelektrische Schicht 130 in Resonanz gerät, entspricht dem Frequenzbereich der Funkwellen, die aus den eingehenden Funkwellen gewonnen werden sollen. Dieser Frequenzbereich kann durch Variation der Dicke, der Zusammensetzung und anderer Eigenschaften der piezoelektrischen Schicht 130 angepasst werden.
Sobald Schwingungen durch Resonanz auftreten, werden die Schwingungen durch die piezoelektrische Schicht 130 in elektrische Signale umgewandelt. Mit anderen Worten können durch Ausnutzung der Resonanz der piezoelektrischen Schicht 130 Funkwellen innerhalb eines vorgegebenen Frequenzbereichs gewonnen und in elektrische Signale umgewandelt werden.
Wenn der Resonator 100 als Hochfrequenz-Bandpassfilter verwendet wird, muss er sowohl einen hohen Q-Wert als auch eine große Bandbreite aufweisen. Der Q-Wert ist ein Qualitätsfaktor, der die Schärfe der wählbaren Frequenzen angibt. Ein hoher Q-Wert entspricht einer ausgezeichneten Steilheit, um Interferenzen mit benachbarten Frequenzbändern zu vermeiden, sowie ausgezeichneten verlustarmen Eigenschaften. Die Bandbreite ist die Breite der wählbaren Frequenzen, die als Differenz zwischen der höchsten und der niedrigsten Frequenz der Funkwellen definiert ist, die das Bandpassfilter passieren können. Die Abdeckung einer großen Bandbreite erleichtert die Einhaltung der Frequenzstandards von Geräten, die den Filter verwenden. Die Bandbreite ist proportional zu einem elektromechanischen Kopplungskoeffizienten k² des piezoelektrischen Körpers, der die piezoelektrische Schicht 130 bildet. Der elektromechanische Kopplungskoeffizient k² ist eine Größe, die die Effizienz des piezoelektrischen Effekts darstellt. Ein höherer Q-Wert und ein höherer elektromechanischer Kopplungskoeffizient k² werden bevorzugt.
Das Produkt der beiden oben genannten Parameter, nämlich k²Q, kann als Leistungsindex des Bandpassfilters angesehen werden. Der Wert von k²Q hängt von den Eigenschaften des piezoelektrischen Körpers ab, der die piezoelektrische Schicht 130 bildet. In einigen früheren Ansätzen wurde versucht, z. B. AlN oder ScAlN für den piezoelektrischen Körper zu verwenden. AlN, wie es in früheren Ansätzen verwendet wurde, ist jedoch nicht in der Lage, eine ausreichende Bandbreite abzudecken. Außerdem erhöht ScAlN, wie es in früheren Ansätzen verwendet wurde, die Bandbreite, verringert aber den Q-Wert. Das heißt, es ist schwierig, sowohl eine große Bandbreite als auch einen hohen Q-Wert in früheren Ansätzen zu gewährleisten.
Die piezoelektrische Schicht 130 der vorliegenden Ausführungsform ist einkristallin. Da die piezoelektrische Schicht 130 einkristallin ist, kann man erwarten, dass man eine große Bandbreite und einen hohen Q-Wert erhält, wenn man den Resonator 100 als Bandpassfilter verwendet. Mit anderen Worten, es ist zu erwarten, dass sowohl ein hoher Q-Wert als auch eine große Bandbreite gewährleistet sind.
< Laminat zur Herstellung der piezoelektrischen Schicht 130>
Nun wird ein Laminat zur Herstellung der einkristallinen piezoelektrischen Schicht 130 beschrieben.
2 zeigt ein Laminat 200, das zur Herstellung der piezoelektrischen Schicht 130 verwendet wird.
Das gezeigte Laminat 200 enthält ein Substrat 210, eine Pufferschicht 220 als Zwischenschicht, eine als Elektrode dienende Elektrodenschicht 230 und eine piezoelektrische Schicht 240 aus einem piezoelektrischen Körper.
Das Substrat 210 ist ein Wachstumssubstrat, auf dem die Pufferschicht 220, die Elektrodenschicht 230 und die piezoelektrische Schicht 240 als dünne Schichten durch Sputtern aufgewachsen werden. Aus diesem Grund wird für das Substrat 210 ein einkristallines Substrat verwendet.
Die Pufferschicht 220 ist eine zwischen dem Substrat 210 und der Elektrodenschicht 230 gebildete Zwischenschicht, um die Kristallorientierung der Elektrodenschicht 230 zu verbessern.
Die Elektrodenschicht 230 entspricht der oberen Elektrodenschicht 140 in dem Resonator 100 von 1. Die Elektrodenschicht 230 hat also eine einkristalline metallelementhaltige Struktur.
Die piezoelektrische Schicht 240 entspricht der piezoelektrischen Schicht 130 im Resonator 100 von 1. Die piezoelektrische Schicht 240 besteht also aus einem piezoelektrischen Körper.
In der vorliegenden Ausführungsform sind die Pufferschicht 220 und die piezoelektrische Schicht 240 einkristalline Schichten auf AIN-Basis. Der Begriff „AINbasiert“ oder „auf AIN basierend“ bedeutet, dass sie AIN in einem molaren Verhältnis von 50 % oder mehr enthalten. Die Pufferschicht 220 und die piezoelektrische Schicht 240 können einkristalline Schichten auf ScAIN-Basis sein, anstatt einkristalline Schichten auf AIN-Basis zu sein. Die Pufferschicht 220, die Elektrodenschicht 230 und die piezoelektrische Schicht 240 werden in den folgenden Abschnitten näher beschrieben.
In der vorliegenden Ausführungsform sind die Pufferschicht 220 und die piezoelektrische Schicht 240 einkristalline Schichten, die entweder auf einer Zusammensetzung aus ScAlN oder AlN basieren. ScAlN kann als eine Zusammensetzung betrachtet werden, die durch Ersetzen von Al in AlN durch Sc erhalten wird. Daher kann ScAN auch als Sc_xAl_yN (x + y = 1) bezeichnet werden, wobei x vorzugsweise zwischen 0 und 0,5 und y vorzugsweise zwischen 0,5 und 1,0 liegt. Wenn x größer als 0,5 ist, würde sich das Kristallsystem von ScAlN ändern und die Piezoelektrizität verschlechtern. Im Zusammenhang mit der Erhöhung der Kristallinität liegt x vorzugsweise zwischen 0,005 und 0,35 und y vorzugsweise zwischen 0,65 und 0,995. Im Zusammenhang mit der Erhöhung der Piezoelektrizität der piezoelektrischen Schicht 240 liegt x vorzugsweise im Bereich von 0,35 bis 0,5 und y vorzugsweise im Bereich von 0,5 bis 0,65. In der Praxis werden die Werte von x und y im Zusammenhang mit der Kristallinität, die die erforderlichen Eigenschaften für die piezoelektrische Schicht 240 und die erforderliche Piezoelektrizität für die piezoelektrische Schicht 240 erfüllen kann, als angemessen bestimmt. In der vorliegenden Ausführungsform wird hauptsächlich ScAlN mit einer Zusammensetzung aus Sc_0,2Al_0.8N verwendet.
Die Elektrodenschicht 230 besteht, wie oben beschrieben, aus einkristallinem Ru. Wie in den folgenden Abschnitten näher erläutert wird, können die Pufferschicht 220, die Elektrodenschicht 230 und die piezoelektrische Schicht 240 zum Beispiel durch Sputtern gebildet werden. Die Verwendung der oben genannten Materialkombination für die Pufferschicht 220, die Elektrodenschicht 230 und die piezoelektrische Schicht 240 erleichtert es, jede Schicht einkristallin zu machen.
3 zeigt die Beziehung zwischen den Kombinationen aus der piezoelektrischen Schicht 240, der Elektrodenschicht 230, der Pufferschicht 220 und dem Substrat 210 und der Kristallinität der piezoelektrischen Schicht.
Die Abbildung zeigt die hergestellten Dünnschichtkonfigurationen und die Ergebnisse der Röntgen-Rocking-Curve-Messung (XRC). Die Dünnschichtkonfigurationen stellen Kombinationen von Schichten dar, die die Dünnschicht bilden, wobei die Werte in Klammern die Dicke der einzelnen Schichten angeben. Die XRC-Ergebnisse umfassen drei Parameter, nämlich 2θ, Intensität und Halbwertsbreite (FWHM) der (0002)-Ebene der piezoelektrischen Schicht 240.
In 3 entsprechen die Nr. A1 bis A10 den XRC-Ergebnissen für Kombinationen aus der piezoelektrischen Schicht 240 / der Elektrodenschicht 230 / dem Substrat 210. Mit anderen Worten wird die Pufferschicht 220 in diesen Beispielen nicht gebildet.
In diesen Beispielen wird AIN für die piezoelektrische Schicht 240 verwendet. Auch Cu, Ru, Pt, AI, Au, Ag, Mo, W oder ZrN werden für die Elektrodenschicht 230 verwendet. Das Substrat 210 ist aus Saphir gefertigt.
Die Abbildung zeigt, dass alle diese Beispiele mit Ausnahme von Nr. A10 eine kleine FWHM erzeugen und die Bildung der piezoelektrischen Schicht 240 mit guter Kristallinität ermöglichen. Mit anderen Worten zeigt dies, dass es effektiv ist, ein Metall für die Elektrodenschicht 230 zu verwenden. Andererseits ist die FWHM im Fall der Verwendung von keinem Metall für die Elektrodenschicht 230 wie in Nr. A10 groß, was darauf hinweist, dass die piezoelektrische Schicht 240 mit guter Kristallinität nicht über dem Saphirsubstrat 210 gebildet wird.
In 3 entsprechen die Nr. A11 bis A22 den XRC-Ergebnissen für Kombinationen aus der piezoelektrischen Schicht 240 / der Elektrodenschicht 230 / der Pufferschicht 220 / dem Substrat 210. Es ist zu beachten, dass diese Beispiele auch den Fall einschließen, dass die Elektrodenschicht 230 und die Pufferschicht 220 ausgetauscht werden, wie in Nr. A18.
In diesen Beispielen wird AlN für die piezoelektrische Schicht 240 verwendet. Auch Cu, Ru, AI, Au, Ag, Mo oder W werden für die Elektrodenschicht 230 verwendet. Außerdem wird AlN, Pt oder Al für die Pufferschicht 220 verwendet. Das Substrat 210 ist aus Saphir gefertigt.
Die Abbildung zeigt, dass alle diese Beispiele eine kleine FWHM ergeben und die Bildung der piezoelektrischen Schicht 240 mit guter Kristallinität ermöglichen. Dies zeigt, dass die Verwendung von AIN für die piezoelektrische Schicht 240 und die Pufferschicht 220 sowie die Verwendung eines Metalls für die Elektrodenschicht 230 die Bildung der piezoelektrischen Schicht 240 mit guter Kristallinität ermöglichen.
In 3 entsprechen die Nummern A23 bis A31 den XRC-Ergebnissen für den Fall, dass Sc_0,2Al_0.8N für die piezoelektrische Schicht 240 und die Pufferschicht 220 verwendet wird.
Die Abbildung zeigt, dass alle diese Beispiele eine kleine FWHM ergeben und die Bildung der piezoelektrischen Schicht 240 mit guter Kristallinität ermöglichen. Dies zeigt, dass die Verwendung von Sc_0,2Al_0,8N für die piezoelektrische Schicht 240 und die Pufferschicht 220 sowie die Verwendung eines Metalls für die Elektrodenschicht 230 die Bildung der piezoelektrischen Schicht 240 mit guter Kristallinität ermöglichen.
In 3 entsprechen die Nummern A32 und A33 den XRC-Ergebnissen für Fälle, in denen Sc_0,5Al_0.5N für die piezoelektrische Schicht 240 verwendet wird.
Die Abbildung zeigt, dass das Beispiel Nr. A32 eine kleine FWHM erzeugt und die Bildung der piezoelektrischen Schicht 240 mit guter Kristallinität ermöglicht. Andererseits erzeugt das Beispiel Nr. A33 eine große FWHM.
Wie aus den Vergleichen zwischen A1 und A11, A2 und A13, A5 und A15 usw. hervorgeht, wird durch die Bereitstellung der Pufferschicht 220 zwischen dem Substrat 210 und der Elektrodenschicht 230 die Kristallinität der piezoelektrischen Schicht 240 verbessert.
4A zeigt ein Transmissionselektronenmikroskop (TEM)-Bild von AIN gemäß der vorliegenden Ausführungsform. Die Aufwärtsrichtung in der Abbildung entspricht der Kristallwachstumsrichtung, und AIN hat die kristallographische Achse [0001].
4B zeigt ein Elektronenbeugungsmuster von AIN gemäß der vorliegenden Ausführungsform. Das in 4B gezeigte Elektronenbeugungsmuster wurde durch Elektronenstrahlbestrahlung eines Teils innerhalb des Kreises in 4A erhalten. Der Durchmesser des Elektronenstrahls, der durch diesen Kreis dargestellt wird, beträgt etwa 200 nm.
Wie in 4B gezeigt, werden in Bezug auf die Miller-Indizes die (0002)-Ebene und die (1-100)-Ebene in AIN gemäß der vorliegenden Ausführungsform beobachtet. In diesem Fall ist nur die Zonenachse [11-20] vorhanden. Mit anderen Worten zeigt das Elektronenbeugungsmuster nur eine einzige Zonenachse. Dies bedeutet, dass AIN gemäß der vorliegenden Ausführungsform eine einkristalline Substanz mit ausgezeichneter Kristallinität ist. Außerdem kann man sagen, dass dieses AIN gemäß der vorliegenden Ausführungsform eine triaxiale Orientierung aufweist, da es in der c-Achse orientiert ist und die Rotationen in der ab-Ebene kontrolliert werden. In diesem Fall besteht das AIN aus säulenförmigen Domänen einer einzigen Art, die sich in Richtung der c-Achse erstrecken, wobei die Rotationsrichtungen in der ab-Ebene ausgerichtet sind.
Es sei darauf hingewiesen, dass negative Werte in der Miller-Index-Notation und in der Zonenachsennotation zwar üblicherweise mit einem Balken über der Zahl geschrieben werden, wie in den Figuren dargestellt, dass aber negative Werte hier der Einfachheit halber mit einem negativen Vorzeichen (-) bezeichnet werden.
4C zeigt ein TEM-Bild von Sc_0,2Al_0,8N gemäß der vorliegenden Ausführungsform. Wie im obigen Beispiel entspricht die Aufwärtsrichtung in der Abbildung der Kristallwachstumsrichtung, und Sc_0,2Al_0,8N hat die kristallographische Achse [0001].
4D zeigt ein Elektronenbeugungsmuster von Sc_0,2Al_0,8N gemäß der vorliegenden Ausführungsform. Wie in 4D gezeigt, werden in Bezug auf die Miller-Indizes die (0002)-Ebene und die (1-100)-Ebene in Sc_0,2Al_0,8N nach der vorliegenden Ausführungsform beobachtet. In diesem Fall ist nur die [11-20]-Zonenachse vorhanden. Mit anderen Worten wird auch in diesem Fall nur eine einzige Zonenachse als Elektronenbeugungsmuster beobachtet. Dies bedeutet, dass Sc_0,2Al_0.8N gemäß der vorliegenden Ausführungsform eine einkristalline Substanz mit ausgezeichneter Kristallinität ist. Mit anderen Worten kann man sagen, dass Sc_0,2Al_0.8N gemäß der vorliegenden Ausführungsform auch eine triaxiale Orientierung aufweist. In diesem Fall besteht Sc_0,2Al_0,8N aus säulenförmigen Domänen einer einzigen Art, die sich in Richtung der c-Achse erstrecken und deren Drehrichtungen in der ab-Ebene ausgerichtet sind.
4E zeigt ein TEM-Bild von polykristallinem AlN. Wie bei den obigen Beispielen entspricht die Aufwärtsrichtung in der Abbildung der Kristallwachstumsrichtung, und AlN hat die kristallographische Achse [0001].
4F zeigt ein Elektronenbeugungsmuster von polykristallinem AlN. Wie in 4F gezeigt, sind im polykristallinen AlN neben der (0002)-Ebene und der (1-100)-Ebene auch die (11-20)-Ebene in Bezug auf die Miller-Indizes zu beobachten. In diesem Fall sind zwei Zonenachsen von [11-20] und [1-100] vorhanden. Das heißt, in diesem Fall werden zwei Zonenachsen im Elektronenbeugungsmuster beobachtet. Dies zeigt, dass dieses AlN polykristallin ist. 4E zeigt Teile, in denen die Zonenachsen [11-20] und [1-100] zu beobachten sind. Das heißt, dieses AlN ist in der c-Achse orientiert, hat aber keine Kontrolle über die Rotation in der ab-Ebene. In diesem Fall besteht das AlN aus säulenförmigen Domänen zweier verschiedener Arten, die in der ab-Ebene um 30° gegeneinander verdreht sind und sich in Richtung der c-Achse erstrecken.
5 zeigt ein Ergebnis der Röntgenbeugung in der Ebene, wenn Sc_0,2Al_0.8N gemäß der vorliegenden Ausführungsform eine kleine FWHM hat. Das heißt, 5 zeigt ein Ergebnis der Röntgenbeugung in der Ebene im Fall von 4C.
Die Röntgenbeugung in der Ebene wird auch als In-Plane-XRD bezeichnet und kann zur Bewertung der Kristallinität von Sc_0,2Al_0,8N verwendet werden. Der Miller-Index dieser gemessenen Ebene von Sc_0,2Al_0.8N ist (11-20). Das heißt, diese Ebene liegt senkrecht zur Oberfläche der Sc_0,2Al_0,8N-Schicht. Wie gezeigt, erscheinen im Röntgenbeugungsmuster in der Ebene Spitzen im Abstand von 60 Grad. Dies zeigt, dass die Sc_0,2Al_0,8N-Ebene gemäß der vorliegenden Ausführungsform eine sechsfache Symmetriestruktur aufweist und einkristallin mit guter Kristallinität ist. Es ist anzumerken, dass diese Spitzen in 60-Grad-Intervallen auch im Röntgenbeugungsmuster von AlN in der Ebene in 4A erscheinen.
<Elektrodenschicht 230>
Metalle, die für die Elektrodenschicht 230 verwendet werden können, sind erforderlich, um sicherzustellen, dass die piezoelektrische Schicht 240 mit hervorragender Kristallinität auf der Elektrodenschicht 230 gebildet werden kann. Da AIN oder ScAIN, aus denen die piezoelektrische Schicht 240 besteht, aus einem hexagonalen System bestehen, wird jedes Metall mit hexagonalem System, das für die Elektrodenschicht 230 verwendet wird, sicherstellen, dass die piezoelektrische Schicht 240 mit hervorragender Kristallinität auf der Elektrodenschicht 230 gebildet werden kann. Wenn beispielsweise die piezoelektrische Schicht 240 auf der Elektrodenschicht 230 durch Sputtern gebildet wird, wächst die hexagonale AlN (0001)-Ebene oder ScAlN (0001)-Ebene epitaktisch auf der (0001)-Ebene des Metalls, das ebenfalls ein hexagonales System ist. Das heißt, die Wachstumsebene von AlN und ScAlN ist die (0001)-Ebene. Mit anderen Worten: Die Wachstumsebene von AlN und ScAlN ist die c-Ebene, und sie wachsen in Richtung der c-Achse.
Bei der Verwendung von Metallen des kubischen Systems hingegen kann ein Unterschied in den Gitterkonstanten zwischen der Elektrodenschicht 230 und der piezoelektrischen Schicht 240 problematisch sein. In diesem Fall muss die Gitterfehlanpassung zwischen der Elektrodenschicht 230 und dem ScAlN oder AlN, die die piezoelektrische Schicht 240 bilden, in einem Bereich von -25 % bis 2 % liegen. In diesem Fall wachsen die hexagonale AlN (0001)-Ebene oder die ScAlN (0001)-Ebene auf der fcc (111)-Ebene oder der bcc (110)-Ebene des kubischen Systems auf.
Eine Gitterfehlanpassung kann als Δx/x ausgedrückt werden, was das Verhältnis der Differenz Δx zwischen den interatomaren Abständen der Elektrodenschicht 230 und der piezoelektrischen Schicht 240 zum interatomaren Abstand x der Elektrodenschicht 230 darstellt. Wenn dieser Wert klein ist, kann die piezoelektrische Schicht 240 auf der Elektrodenschicht 230 gebildet werden, selbst wenn eine Gitterfehlanpassung vorliegt. Wenn die piezoelektrische Schicht 240 beispielsweise durch Sputtern auf der Elektrodenschicht 230 gebildet wird, kann der dünne Film der piezoelektrischen Schicht 240 epitaktisch auf der Elektrodenschicht 230 aufgewachsen werden. In diesem Fall wird das Kristallgitter von AlN oder ScAlN, aus dem die piezoelektrische Schicht 240 besteht, auf der Elektrodenschicht 230 verzerrt, was dazu führt, dass die piezoelektrische Schicht 240 epitaktisch wächst, während die Gitterkontinuität an der Schnittstelle zwischen diesen Schichten erhalten bleibt.
Die Gitterfehlanpassung kann ein einfaches Verhältnis der Gitterkonstanten der Elektrodenschicht 230 und der piezoelektrischen Schicht 240 sein, wenn beide eine hexagonale Kristallstruktur aufweisen. Wenn hingegen die Elektrodenschicht 230 eine kubische Kristallstruktur und die piezoelektrische Schicht 240 eine hexagonale Kristallstruktur aufweist, sollte eine dreidimensionale Betrachtung erfolgen.
Die 6A bis 6E zeigen jeweils den interatomaren Abstand x, der zur Berechnung der Gitterfehlanpassung verwendet wird.
6A zeigt eine kubische fcc (100)-Ebene ((100)-Ebene des kubischflächenzentrierten Gitters), und 6B zeigt eine kubische fcc (111)-Ebene. Im Fall von 6 A ist x aufgrund der Gitterkonstante a^fcc gleich a_x ⁽¹⁰⁰⁾= a^fcc, so dass die Gitterkonstante a^fcc direkt verwendet werden kann. Im Fall von 6B hingegen ist x aufgrund der Gitterkonstante a^fcc gleich a_x ⁽¹¹¹⁾ = (√2/2)a^fcc, so dass die Gitterkonstante a^fcc nicht direkt verwendet werden kann. Wenn also die hexagonale AIN (0001)-Ebene oder ScAlN (0001)-Ebene auf der fcc (111)-Ebene eines kubischen Metalls wachsen soll, kann die Gitterkonstante a^fcc nicht direkt verwendet werden, und (√2/2)a^fcc wird als interatomarer Abstand x verwendet.
6C zeigt eine kubisch bcc (100)-Ebene ((100)-Ebene des kubischraumzentrierten Gitters), und 6D zeigt eine kubisch bcc (110)-Ebene. Im Fall von 6C ist x aufgrund der Gitterkonstante a^bcc gleich a_x ⁽¹⁰⁰⁾ = a^bcc, so dass die Gitterkonstante a^bcc direkt verwendet werden kann. Im Fall von 6D ist x aufgrund der Gitterkonstante a^bcc gleich a_x ⁽¹¹⁰⁾= a^bcc, so dass die Gitterkonstante a^bcc ebenfalls direkt verwendet werden kann. Wenn also die hexagonale AIN (0001)-Ebene oder ScAIN (0001)-Ebene auf der bcc (110)-Ebene eines kubischen Metalls wachsen soll, kann die Gitterkonstante a^bcc direkt als interatomarer Abstand x verwendet werden.
6E zeigt eine hexagonale (0001) Ebene. Im Fall von 6E ist x (= a_x ⁽⁰⁰⁰¹⁾) aufgrund der Gitterkonstante a^hcp gleich a_x ⁽⁰⁰⁰¹⁾ = a^hcp, so dass die Gitterkonstante a^hcp direkt verwendet werden kann. Wenn also die hexagonale AlN (0001)-Ebene oder ScAlN (0001)-Ebene auf der (0001)-Ebene eines hexagonalen Metalls gezüchtet werden soll, kann die Gitterkonstante a^hcp direkt als der interatomare Abstand x verwendet werden.
In tatsächlichen Kristallsystemen ist jedoch auch ein interatomarer Abstand y vorhanden, wie in jeder der 6A bis 6E gezeigt. In einem weiteren Beispiel, im Fall der kubischen bcc (110)-Ebene in 6D, ist y = ,/2x. In einem anderen Beispiel, im Falle der hexagonalen (0001) Ebene in 6E, ist y = V3x. Während des tatsächlichen Epitaxiewachstums stimmen also die x-Werte überein, die y-Werte jedoch nicht, so dass es zu einer Gitterverzerrung kommt.
Das heißt, der interatomare Abstand x bezieht sich auf einen Abstand zwischen den nächstgelegenen Atomen in den jeweiligen Ebenen der Elektrodenschicht 230 und der piezoelektrischen Schicht 240, in denen sie aneinandergrenzen.
7 ist eine Tabelle mit spezifischen Beispielen von Gitterfehlanpassungen zwischen der Elektrodenschicht 230 und der piezoelektrischen Schicht 240.
7 listet die Arten von Materialien (bezeichnet als „Metall“), aus denen die Elektrodenschicht 230 besteht, ihre Kristallstrukturen, epitaktischen Wachstumsebenen (bezeichnet als „epitaktische Ebene“), Gitterkonstanten, interatomaren Abstände x und Gitterfehlanpassungen auf. Was die Kristallstrukturen angeht, so stehen „fcc“ und „bcc“ für das kubische System und „hexagonal“ für das hexagonale System. Die Tabelle zeigt drei verschiedene Gitterfehlanpassungen, nämlich in Bezug auf AIN, Sc_0,2Al_0.8N und Sc_0,5Al_0,5N. In der Tabelle sind auch AIN, Sc_0,2Al_0,8N, Sc_0,5Al_0,5N und ZrN sowie die Metalle aufgeführt. Vorzugsweise wird das Material, aus dem die Elektrodenschicht 230 besteht, aus solchen ausgewählt, die sicherstellen, dass eine FWHM einer Röntgen-Rocking-Kurve (XRC) der (0002)-Ebene der piezoelektrischen Schicht 240, wie in 3 dargestellt, nicht mehr als 2,5° beträgt. Mit anderen Worten, eine XRC FWHM von nicht mehr als 2,5° sorgt für eine ausgezeichnete Kristallinität, eine XRC FWHM von mehr als 2,5° sorgt jedoch nicht für eine ausgezeichnete Kristallinität.
Wenn die Zusammensetzung Sc_xAl_yN (x + y = 1), die AlN oder ScAlN darstellt, 0 ≤ x ≤ 0,3 erfüllt, ist es in diesem Zusammenhang bevorzugt, dass das Material, aus dem die Elektrodenschicht 230 besteht, mindestens eine Substanz enthält, die aus Co, Cu, Ru, Pt, Al, Au, Ag, Mo, W, ZrN und Ti ausgewählt ist. Wenn die Zusammensetzung Sc_xAl_yN (x + y = 1), die AlN oder ScAlN darstellt, 0,3 < x ≤ 0,5 erfüllt, ist es ebenfalls bevorzugt, dass das Material, aus dem die Elektrodenschicht 230 besteht, mindestens eine Substanz enthält, die aus Co, Ru, Al, Au, Ag, Mo, W, ZrN und Ti ausgewählt ist. Diese Stoffe können einzeln oder in Form von Legierungen verwendet werden.
<Substrat 210>
Im obigen Beispiel wird für das Substrat 210 Saphir verwendet, was jedoch keine Einschränkung darstellt. Es ist jedoch bevorzugt, ein Substrat zu verwenden, das eine beliebige Zusammensetzung aus Saphir, Si, Quarz, SrTiO₃, LiTaO₃, LiNbO₃ und SiC aufweist. Das Substrat 210 mit einer solchen Zusammensetzung erleichtert außerdem das epitaktische Wachstum der Pufferschicht 220 aus AlN oder ScAlN.
<Beschreibung eines Verfahrens zur Herstellung des Laminats 200>
Nun wird ein Verfahren zur Herstellung des Laminats 200 beschrieben.
8 ist ein Flussdiagramm für ein Verfahren zur Herstellung des Laminats 200.
9 zeigt die Pufferschicht 220, die Elektrodenschicht 230 und die piezoelektrische Schicht 240, die bei diesem Verfahren auf das Substrat 210 aufgebracht werden.
Zunächst wird das Substrat 210, bei dem es sich um ein einkristallines Saphirsubstrat mit einer c-Ebenen-Oberfläche handelt, in die Sputtervorrichtung eingelegt und erhitzt, um ihm Feuchtigkeit zu entziehen (Schritt 101). Beispielsweise wird das Substrat 210 zweimal für jeweils 30 Sekunden bei 1000 W erhitzt. Während des Erhitzens erreicht die Temperatur des Substrats 210 etwa 400 bis 500 °C.
Dann wird ein dünner Film aus Sc_0,2Al_0.8N als Pufferschicht 220 auf dem Substrat 210 abgeschieden (Schritt 102). In der vorliegenden Ausführungsform wird zur Abscheidung der Pufferschicht 220 das Hochleistungsimpuls-Sputterverfahren verwendet. Bei der Hochleistungsimpuls-Sputtermethode wird eine Spannung zwischen dem Substrat 210 und einem Target in Pulsen angelegt. Das Verfahren erzeugt ein Plasma aus einem in die Sputtervorrichtung eingeleiteten Sputtergas, das mit dem Target zusammenstößt und dadurch die vom Target abgelösten Komponenten auf dem Substrat 210 abscheidet und einen Film darauf bildet. In diesem Fall besteht das Target aus Al mit 20 % Sc, und als Sputtergas wird ein Gasgemisch aus Argon (Ar) und Stickstoff (N₂) im Verhältnis 1:1 verwendet. Der Druck des Sputtergases wird auf 0,73 Pa eingestellt. Die Spannung zwischen dem Substrat 210 und dem Target wird auf 929 V und der elektrische Strom wird auf 2,5 A eingestellt. Was die Pulsbedingungen betrifft, so wird eine Pulsbreite von 20 µs bei 1000 Hz eingestellt. Das heißt, das Tastverhältnis beträgt unter diesen Bedingungen 2 %. Die aus dem Target herausgelösten Komponenten reagieren mit Stickstoff im Plasmazustand zu Sc_0,2Al_0,8N. Vorzugsweise hat die Pufferschicht 220 eine Dicke von 10 nm bis 100 nm. Wenn die Pufferschicht 220 eine Dicke von weniger als 10 nm hat, würde es zu einem Inselwachstum kommen, was eine gute Abdeckung der Oberfläche unmöglich macht. Hat die Pufferschicht 220 dagegen eine Dicke von mehr als 100 nm, ist das Auftreten von Versetzungen oder Defekten wahrscheinlich.
Da Al mit einem Sc-Gehalt von 20 % als Target verwendet wird, wird die Sc_0,2Al_0,8N-Schicht abgeschieden. Durch Variation des Verhältnisses von Sc und Al im Target kann das Verhältnis von Sc und Al in der abgeschiedenen ScAIN-Schicht variiert werden.
Dann wird das Substrat 210 mit der darauf abgeschiedenen Pufferschicht 220 wieder erwärmt (Schritt 103). Zum Beispiel wird das Substrat 210 einmal für 30 Sekunden mit 1000 W erhitzt. Während des Erhitzens erreicht die Temperatur des Substrats 210 etwa 400 bis 500 °C. Dies verbessert die Kristallinität der Elektrodenschicht 230 bei der anschließenden Bildung der Elektrodenschicht 230.
Dann wird ein dünner Ru-Film als Elektrodenschicht 230 auf der Pufferschicht 220 abgeschieden (Schritt 104). Zu diesem Zeitpunkt wird in der vorliegenden Ausführungsform ein normales Gleichstrom-Sputterverfahren anstelle des Hochleistungsimpuls-Sputterverfahrens verwendet. Es wird ein Target aus Ru verwendet, und Ar wird als Sputtergas eingesetzt. Der Druck des Sputtergases wird beispielsweise auf 0,5 Pa eingestellt, und das Sputtern wird mit 1000 W durchgeführt. Vorzugsweise hat die Elektrodenschicht 230 eine Dicke von 10 nm bis 1000 nm. Wenn die Elektrodenschicht 230 eine Dicke von weniger als 10 nm hat, könnte die Elektrodenschicht 230 nicht gut als Elektrode funktionieren. Hat die Elektrodenschicht 230 dagegen eine Dicke von mehr als 1000 nm, so hat sie fast die gleiche Dicke wie die piezoelektrische Schicht, was sich negativ auf die Piezoelektrizität auswirken kann.
Ferner wird ein dünner Film aus Sc_0,2Al_0.8N als piezoelektrische Schicht 240 auf der Elektrodenschicht 230 abgeschieden (Schritt 105). In der vorliegenden Ausführungsform wird die piezoelektrische Schicht 240 mit dem Hochleistungsimpuls-Sputterverfahren unter Verwendung des Al und Sc enthaltenden Targets abgeschieden. Die Sputter-Bedingungen sind die gleichen wie in Schritt 102, aber die Abscheidung dauert mehrere Stunden. In dieser Zeit pendelt sich die Temperatur des Substrats 210 auf etwa 200 bis 350 °C ein. Die piezoelektrische Schicht 240 wird auf der gesamten Oberfläche der Elektrodenschicht 230 gebildet. Vorzugsweise hat die piezoelektrische Schicht 240 eine Dicke von 10 nm bis 5000 nm.
Im obigen Beispiel sind sowohl die Pufferschicht 220 als auch die piezoelektrische Schicht 240 aus Sc_0,2Al_0.8N hergestellt. Alternativ dazu können sowohl die Pufferschicht 220 als auch die piezoelektrische Schicht 240 aus AIN bestehen. Das heißt, vorzugsweise bestehen sowohl die Pufferschicht 220 als auch die piezoelektrische Schicht 240 aus ScAlN oder AlN. Mit anderen Worten haben die Pufferschicht 220 und die piezoelektrische Schicht 240 vorzugsweise die gleiche Zusammensetzung. Dadurch entfällt die Notwendigkeit, das Target auszutauschen. Alternativ können die Pufferschicht 220 und die piezoelektrische Schicht 240 auch aus ScAlN und die andere aus AlN bestehen. Dies erfordert jedoch den Austausch des Targets.
<Beschreibung eines Verfahrens zur Herstellung des Resonators 100>
Nun wird ein Verfahren zur Herstellung des Resonators 100 unter Verwendung des Laminats 200 beschrieben.
10A bis 10F zeigen ein Verfahren zur Herstellung des Resonators 100.
Zunächst wird das Laminat 200 nach dem in 8 beschriebenen Verfahren hergestellt (Laminatbildungsschritt).
Dann wird, wie in 10A dargestellt, eine erste Metallschicht auf dem Laminat 200 gebildet. Die erste Metallschicht kann durch Sputtern gebildet werden. Die erste Metallschicht bildet einen Teil der unteren Elektrodenschicht 120 (siehe 1). In 10A wird diese erste Metallschicht als untere Elektrodenschicht 120a bezeichnet, um anzuzeigen, dass sie ein Teil der unteren Elektrodenschicht 120 ist. Daher kann dieser Schritt als ein erster Schritt zur Bildung einer Metallschicht angesehen werden, bei dem die erste Metallschicht (untere Elektrodenschicht 120a), die ein Metall enthält, auf dem Laminat 200 gebildet wird.
Dann wird, wie in 10B dargestellt, eine zweite Metallschicht auf dem Substrat 110 gebildet. Ähnlich wie die erste Metallschicht kann auch die zweite Metallschicht durch Sputtern gebildet werden. Die zweite Metallschicht bildet einen Teil der unteren Elektrodenschicht 120 (siehe 1). In 10B wird diese zweite Metallschicht als untere Elektrodenschicht 120b bezeichnet, um darauf hinzuweisen, dass sie ein Teil der unteren Elektrodenschicht 120 ist. Daher kann dieser Schritt als ein zweiter Metallschichtbildungsschritt angesehen werden, bei dem die zweite Metallschicht auf einem zweiten Substrat (Substrat 110) gebildet wird, das sich von dem Substrat 210 (in 10A als „Saphirsubstrat“ bezeichnet) unterscheidet. Wie zuvor unter Bezugnahme auf 1 beschrieben, ist das Substrat 110, das ein Beispiel für das zweite Substrat ist, ein einkristallines Silizium (Si)-Substrat (in 10B als „Si-Substrat“ bezeichnet).
Für die unteren Elektrodenschichten 120a, 120b können Ruthenium (Ru), Gold (Au), Silber (Ag), Kupfer (Cu), Platin (Pt), Aluminium (Al), Molybdän (Mo), Wolfram (W) und dergleichen verwendet werden.
Dann wird, wie in 10C gezeigt, eine Oberseite des Laminats 200 mit der darauf gebildeten ersten Metallschicht (untere Elektrodenschicht 120a) mit einer Oberseite des Substrats 110 mit der darauf gebildeten zweiten Metallschicht (untere Elektrodenschicht 120b) verbunden. Daher kann dieser Schritt als ein Schritt des Verbindens der ersten Metallschicht (untere Elektrodenschicht 120a), die auf dem Laminat 200 ausgebildet ist, mit der zweiten Metallschicht (untere Elektrodenschicht 120b) auf dem zweiten Substrat (Substrat 110) angesehen werden. Das Verbinden dieser Schichten erfolgt beispielsweise durch eine Verbindungsmaschine, die sie unter Anwendung von Wärme und Druck miteinander verbindet.
Wie in 10C dargestellt, ergibt dies einen zusammengesetzten Körper, der durch Laminierung des Substrats 110, der unteren Elektrodenschicht 120b, der unteren Elektrodenschicht 120a, der piezoelektrischen Schicht 240 (piezoelektrische Schicht 130), der Elektrodenschicht 230 (obere Elektrodenschicht 140), der Pufferschicht 220 und des Substrats 210 gebildet wird. Die untere Elektrodenschicht 120a und die untere Elektrodenschicht 120b können zusammen als die untere Elektrodenschicht 120 betrachtet werden.
Dann werden das Substrat 210 und die Pufferschicht 220 von dem Laminat 200 gelöst (Ablöseschritt). Das Ablösen kann beispielsweise mit gepulstem ultraviolettem (UV) Laserlicht hoher Dichte erfolgen, das von einem Laser-Lift-off-Gerät ausgestrahlt wird.
In diesem Schritt können sowohl das Substrat 210 als auch die Pufferschicht 220 gleichzeitig abgelöst werden, wie in 10F gezeigt.
Wie in 10D gezeigt, kann andererseits zumindest ein Teil der Pufferschicht 220 unabgelöst bleiben. Im Fall von 10D wird die restliche Pufferschicht 220 durch das in 10E gezeigte chemisch-mechanische Polieren (CMP) entfernt. Dies führt zu dem in 10F dargestellten Zustand. In diesem Fall umfasst der Schritt das Ablösen des Substrats 210 und das anschließende Ablösen der Pufferschicht 220.
Das Laminat in dem in 10F gezeigten Zustand kann als gelöstes Laminat bezeichnet werden, das durch Lösen der piezoelektrischen Schicht 240 und der Elektrodenschicht 230 von dem Laminat 200 erhalten wird.
Durch diese Schritte kann der Resonator 100, der durch Laminierung des Substrats 110, der unteren Elektrodenschicht 120, der piezoelektrischen Schicht 130 und der oberen Elektrodenschicht 140 gebildet wird, wie in 10F gezeigt, hergestellt werden.
Bei der oben beschriebenen Ausführungsform weisen die Pufferschicht 220 und die Elektrodenschicht 230 eine ausgezeichnete Kristallinität auf. Die auf diese Schichten laminierte piezoelektrische Schicht 240 kann ebenfalls eine ausgezeichnete Kristallinität aufweisen. Mit anderen Worten stellt die obige Ausführungsform die einkristalline Pufferschicht 220, die Elektrodenschicht 230 und die piezoelektrische Schicht 240 bereit.
Die Gewährleistung einer ausgezeichneten Kristallinität der piezoelektrischen Schicht 240 verspricht die Herstellung eines Resonators oder eines Hochfrequenzfilters, der als Filter mit einem hohen Q-Wert und einer großen Bandbreite funktionieren kann. Mit anderen Worten sollen die Filter der vorliegenden Ausführungsform beide Eigenschaften erreichen, während bei herkömmlichen Filtern ein Kompromiss zwischen einem hohen Q-Wert und einer großen Bandbreite besteht.
Die Sicherstellung einer ausgezeichneten Kristallinität der piezoelektrischen Schicht 240 führt auch zu weniger Korngrenzen und zu verlustarmen Eigenschaften. Dies wiederum erleichtert das Erreichen eines hohen Q-Wertes. Darüber hinaus wird das Laminat der vorliegenden Ausführungsform epitaktisch auf dem Substrat 210 aufgewachsen, was ebenfalls zu verlustarmen Eigenschaften und einem hohen Q-Wert führen dürfte. Außerdem hat das Laminat der vorliegenden Ausführungsform eine hohe Wärmeleitfähigkeit und eine ausgezeichnete Spannungsfestigkeit. Aus diesem Grund hat das Laminat gute Wärmeableitungseigenschaften und kann als Filter für Basisstationen mit einer Ausgangsleistung von 10 W oder mehr verwendet werden. Außerdem ist mit einer längeren Lebensdauer des Laminats zu rechnen.
Im obigen Beispiel wurde der Resonator 100 als BAW-Filter des FBAR-Typs beschrieben, was jedoch keine Einschränkung darstellt. Der Resonator 100 kann beispielsweise für ein BAW-Filter vom Typ eines fest montierten Resonators („solidly mounted resonator“, SMR) verwendet werden. Das BAW-Filter vom Typ SMR ist in einem unteren Teil des Resonators mit einer akustischen Mehrschicht (Spiegelschicht) versehen, an der elastische Wellen reflektiert werden. Das heißt, im Falle des SMR-BAW-Filters ist das Substrat 110 nicht mit dem Hohlraum 111 versehen, und die akustische Mehrschicht (Spiegelschicht) ist zwischen dem Substrat 110 und der unteren Elektrodenschicht 120 aufgebracht.
Die vorstehende Beschreibung der beispielhaften Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung dient der Veranschaulichung und Beschreibung. Es ist nicht beabsichtigt, erschöpfend zu sein oder die Erfindung auf die genauen Formen offenbart zu begrenzen. Offensichtlich werden viele Modifikationen und Variationen für Fachleute auf dem Gebiet der Technik offensichtlich sein. Die beispielhaften Ausführungsformen wurden ausgewählt und beschrieben, um die Grundsätze der Erfindung und ihre praktischen Anwendungen bestmöglich zu erläutern und es dem Fachmann zu ermöglichen, die Erfindung für verschiedene Ausführungsformen und mit den verschiedenen Modifikationen, die für die jeweilige Verwendung geeignet sind, zu verstehen. Es ist beabsichtigt, dass der Umfang der Erfindung durch die folgenden Ansprüche und ihre Entsprechungen definiert wird.

Claims

Laminat, enthaltend: ein Substrat; eine Elektrodenschicht, die auf oder über dem Substrat angeordnet ist und eine einkristalline Struktur aufweist, die ein Metallelement enthält; eine zwischen dem Substrat und der Elektrodenschicht gebildete Pufferschicht, die so konfiguriert ist, dass sie die Kristallorientierung der Elektrodenschicht verbessert; und eine auf der Elektrodenschicht gebildete piezoelektrische Schicht, die aus einem piezoelektrischen Körper besteht, wobei die Pufferschicht und die piezoelektrische Schicht jeweils eine einkristalline Struktur aufweisen, die auf einer Zusammensetzung von entweder ScAlN oder AlN basiert.
Laminat nach Anspruch 1, wobei durch Röntgenbeugung in einer (11-20)-Ebene des ScAlN und des AlN Peaks in Abständen von 60 Grad beobachtet werden.
Laminat nach Anspruch 1, wobei eine Zonenachse in einem Elektronenbeugungsmuster des ScAlN und des AlN beobachtet wird.
Laminat nach Anspruch 1, wobei sowohl die Pufferschicht als auch die piezoelektrische Schicht die gleiche Zusammensetzung aufweisen.
Laminat nach Anspruch 1, wobei, wenn die Elektrodenschicht in einem kubischen Kristallsystem vorliegt, eine Gitterfehlanpassung zwischen der Elektrodenschicht und dem ScAlN oder dem AlN in einem Bereich von -25% bis 2% liegt.
Laminat nach Anspruch 1, wobei die Elektrodenschicht eine hexagonale Kristallstruktur aufweist.
Laminat nach Anspruch 1, wobei die Halbwertsbreite (FWHM) einer Röntgen-Rocking-Kurve der piezoelektrischen Schicht in einer (0002)-Ebene nicht mehr als 2,5° beträgt.
Laminat nach Anspruch 1, wobei, wenn eine Zusammensetzung Sc_xAl_yN (x + y = 1), die das AlN oder das ScAlN darstellt, die Beziehung 0 ≤ x ≤ 0.3 erfüllt, die Elektrodenschicht mindestens eine Substanz umfasst, die aus Co, Cu, Ru, Pt, Al, Au, Ag, Mo, W, ZrN und Ti ausgewählt ist, und wenn die Zusammensetzung Sc_xAl_yN (x + y = 1) die Beziehung 0,3 < x ≤ 0,5 erfüllt, die Elektrodenschicht mindestens eine Substanz umfasst, die aus Co, Ru, Al, Au, Ag, Mo, W, ZrN und Ti ausgewählt ist.
Laminat nach Anspruch 1, wobei, wenn das ScAlN eine Zusammensetzung gemäß Sc_xAl_yN (x + y = 1) ist, die Beziehung von 0 < x ≤ 0,5 erfüllt ist.
Laminat nach Anspruch 1, wobei das Substrat eine Zusammensetzung aufweist, die aus Saphir, Si, Quarz, SrTiO₃, LiTaO₃, LiNbO₃ und SiC ausgewählt ist.
Laminat nach Anspruch 1, wobei die Elektrodenschicht eine Dicke von 10 bis 1000 nm aufweist.
Laminat nach Anspruch 1, wobei die Pufferschicht eine Dicke von 10 bis 100 nm aufweist.
Resonator mit einem zweiten Substrat, einer zweiten Elektrodenschicht, einer piezoelektrischen Schicht und einer Elektrodenschicht, die in dieser Reihenfolge laminiert sind, wobei die piezoelektrische Schicht und die Elektrodenschicht aus dem Laminat nach einem der Ansprüche 1 bis 12 stammen, das zweite Substrat von dem Substrat des Laminats verschieden ist und die zweite Elektrodenschicht von der Elektrodenschicht verschieden ist.
Filter mit einem Resonator nach Anspruch 13, wobei der Filter so konfiguriert ist, dass er Funkwellen einer erforderlichen Frequenz unter Verwendung einer piezoelektrischen Schicht des Resonators gewinnt.
Abgelöstes Laminat, erhalten durch Ablösen der piezoelektrischen Schicht und der Elektrodenschicht von dem Laminat nach einem der Ansprüche 1 bis 12.
Verfahren zur Herstellung eines Resonators, wobei das Verfahren Folgendes umfasst: das Bilden eines Laminats, welches enthält: ein Substrat; eine Elektrodenschicht, die auf oder über dem Substrat angeordnet ist und eine einkristalline Struktur aufweist, die ein Metallelement enthält; eine zwischen dem Substrat und der Elektrodenschicht gebildete Pufferschicht, die so konfiguriert ist, dass sie die Kristallorientierung der Elektrodenschicht verbessert; und eine auf der Elektrodenschicht gebildete piezoelektrische Schicht aus einem piezoelektrischen Körper, wobei sowohl die Pufferschicht als auch die piezoelektrische Schicht eine einkristalline Struktur auf der Grundlage einer Zusammensetzung von entweder ScAlN oder AlN aufweisen; das Bilden einer ersten metallhaltigen Metallschicht auf dem Laminat; das Bilden einer zweiten metallhaltigen Metallschicht auf einer Oberfläche eines vom Substrat verschiedenen zweiten Substrats; das Verbinden der auf dem Laminat gebildeten ersten Metallschicht mit der zweiten Metallschicht auf dem zweiten Substrat; und das Ablösen des Substrats und der Pufferschicht von dem Laminat.
Verfahren zur Herstellung eines Resonators nach Anspruch 16, wobei das Ablösen des Substrats und der Pufferschicht das gleichzeitige Ablösen sowohl des Substrats als auch der Pufferschicht umfasst.
Verfahren zur Herstellung eines Resonators nach Anspruch 16, wobei das Ablösen des Substrats und der Pufferschicht das Ablösen des Substrats und dann das Ablösen der Pufferschicht umfasst.