DE69414491T2 - Piezoelektrischer Zinkoxidkristallfilm auf einem Saphirplatte - Google Patents

Piezoelektrischer Zinkoxidkristallfilm auf einem Saphirplatte

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Description

    HINTERGRUND DER ERFINDUNG Gebiet der Erfindung
  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen piezoelektrischen Zinkoxid-Kristallfilm, der auf einer Saphirfläche vorgesehen ist, welcher zur Ausbreitung von akustischen Oberflächenwellen in einem akustischen Oberflächenwellenbauelement verwendet ist.
    • Beschreibung des Stands der Technik
  • Ein typisches SAW-Substrat (SAW = surface acoustic wave = akustische Oberflächenwelle) für ein SAW-Bauelement wird vorbereitet, indem ein piezoelektrischer Kristallfilm auf einem nicht-piezoelektrischen Substrat vorgesehen wird. Bei einem solchen SAW-Substrat ist ein Wandler der durch eine Interdigitalelektrode gebildet ist, auf einer äußeren Oberfläche des piezoelektrischen Kristallfilms oder einer Grenzfläche zwischen dem piezoelektrischen Kristallfilm und dem nicht-piezoelektrischen Substrat vorgesehen, um akustische Oberflächenwellen anzuregen.
  • Bezüglich des vorher genannten SAW-Substrats ist ein SAW- Substrat bekannt, das durch ein nicht-piezoelektrisches Substrat aus Saphir (α-Al&sub2;O&sub3;) und einen piezoelektrischen Kristallfilm aus Zinkoxid (ZnO) gebildet ist (siehe beispielsweise die US-A-4501987). Bezüglich eines solchen Zinkoxid/Saphir-SAW-Substrats wird ferner ein (01 2)-Ebenen- Schnitt-Saphir (der hierin nachfolgend als "R-Ebenen-Saphir" bezeichnet wird) verwendet, derart, daß ein (11 0)-Ebenen- Zinkoxid (das hierin nachfolgend als "Q-Ebenen-ZnO" bezeichnet wird) epitaxial auf dessen R-Ebene aufgewachsen wird.
  • Fig. 1 zeigt ein SAW-Substrat 3, das durch das Aufwachsen eines Q-Ebenen-ZnO-Epitaxialfilms 2 auf ein R-Ebenen-Saphirsubstrat 1 erhalten wird, wie oben beschrieben ist. Bezüglich eines solchen SAW-Substrats 3 ist es bekannt, daß das SAW-Substrat 3 eine hohe Schallgeschwindigkeit und eine hohe Kopplung liefert, wenn die R-Ebene des Saphirsubstrats 1 und die Q-Ebene des ZnO-Epitaxialfilms 2 parallel zueinander sind und die [0001]-Richtung (C-Achsenrichtung) des ZnO-Epitaxialfilms 2 und die [0 11]-Richtung (D-Achsenrichtung) des Saphirsubstrats 1 parallel zueinander sind, wie durch die Pfeile in Fig. 1 gezeigt ist.
  • Um den ZnO-Epitaxialfilm 2 auf dem Saphirsubstrat 1 zu bilden, wird allgemein ein chemischer Transport, eine CVD oder ein Sputtern verwendet, wobei bei derartigen Prozessen speziell ein Sputtern verbreitet verwendet wird.
  • Wenn ein reiner ZnO-Dünnfilm beispielsweise durch Sputtern auf einem R-Ebenen-Saphirsubstrat gebildet wird, ist dessen Ausrichtung noch unzureichend, um ein SAW-Substrat, das durch einen derartigen ZnO-Dünnfilm gebildet ist, in die Praxis umzusetzen, obwohl die Z-Achse von ZnO zu einem bestimmten Ausmaß parallel zu der Oberfläche des Saphirsubstrats ist, und obwohl ein bestimmter Ausrichtungsgrad auf der Q-Ebene von ZnO erhalten wird. Folglich sind Charakteristika des Interdigitalwandlers, beispielsweise der elektromechanische Kopplungsfaktor, in einem SAW-Bauelement, das ein solches SAW-Substrat verwendet, niedriger als vorbestimmte Werte.
    • ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
  • Folglich besteht eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, eine Verbesserung der Kristallausrichtung eines piezoelektrischen ZnO-Kristallfilms zu erreichen, der epitaxial auf das vorher genannte R-Ebenen-Saphirsubstrat aufgewachsen ist.
  • Die vorliegende Erfindung richtet sich auf einen piezoelektrischen Q-Ebenen-ZnO-Kristallfilm, der epitaxial auf eine R-Ebene aus Saphir aufgewachsen ist, wobei das Merkmal der vorliegenden Erfindung darin besteht, daß der piezoelektrische ZnO-Kristallfilm hinsichtlich des gesamten Gehalts von Zn und Cu nicht mehr als 4,5 Gewichtsprozent Cu enthält.
  • Der vorher genannte Cu-Gehalt hinsichtlich des Gesamtgehalts von Zn und Cu ist vorzugsweise in einem Bereich von 0,4 bis 4,0 Gewichtsprozent ausgewählt, noch bevorzugter 0,6 bis 3,0 Gewichtsprozent und am bevorzugtesten 0,9 bis 2,0 Gewichtsprozent.
  • Bei der vorliegenden Erfindung wird die R-Ebene aus Saphir, auf der der piezoelektrische ZnO-Kristallfilm gebildet wird, bei der Herstellung um etwa ± 2% bezüglich einer strengen R-Ebene dispergiert. Jedoch führt eine Dispersion innerhalb eines solchen Bereichs im wesentlichen zu keinem Unterschied bezüglich der Wirkung. In anderen Worten ist es möglich, einen Q-Ebenen-ZnO-Epitaxialfilm auf Saphir zu bilden, selbst wenn die Schnittebene desselben um etwa ± 2% abweicht.
  • Gemäß der vorliegenden Erfindung ist es möglich, einen piezoelektrischen Q-Ebenen-ZnO-Kristallfilm mit einer exzellenten Ausrichtung zu erhalten, wie aus der folgenden Beschreibung des Ausführungsbeispiels klar offensichtlich wird. Entsprechend einem SAW-Substrat, das durch einen solchen piezoelektrischen ZnO-Kristallfilm gebildet wird, ist es daher möglich, die Charakteristika eines Interdigitalwandlers, beispielsweise den elektromechanischen Kopplungsfaktor, zu verbessern, wodurch ein ausreichend anwendbares SAW-Bauelement implementiert wird.
  • Die vorher genannten und weitere Aufgaben, Merkmale, Aspekte und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der fol genden detaillierteren Beschreibung der vorliegenden Erfindung, wenn dieselbe in Verbindung mit dem beiliegenden Zeichnungen gelesen wird, offensichtlich.
    • KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • Fig. 1 ist eine perspektivische Ansicht, die ein SAW-Substrat zeigt, das für die vorliegende Erfindung von Interesse ist;
  • Fig. 2 ist eine Schnittansicht, die eine HF-Magnetron- Sputtervorrichtung zeigt;
  • Fig. 3 ist ein Diagramm zum Veranschaulichen der Definition einer Beugungsspitzen-Halbbandbreite; und
  • Fig. 4 zeigt Änderungen der Beugungsspitzen-Halbbandbreiten in ZnO-Dünnfilmen hinsichtlich des Cu-Gehalts.
    • BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
  • Wie in Fig. 1 gezeigt und oben beschrieben ist, richtet sich die vorliegende Erfindung auf ein SAW-Substrat 3, das erhalten wird, indem ein Q-Ebenen-ZnO-Epitaxialfilm 2 auf ein R- Ebenen-Saphirsubstrat 1 aufgewachsen wird, wobei bei diesem SAW-Substrat 3 die C-Achse des ZnO-Epitaxialfilms 2 parallel zu der D-Achse des Saphirsubstrats 1 ist. Der ZnO-Epitaxialfilm 2 besteht nicht aus reinem ZnO, sondern enthält Cu. Der Cu-Gehalt ist ausgewählt, um hinsichtlich des Gesamtgehalts von Zn und Cu nicht größer als 4,5 Gewichtsprozent zu sein. Der ZnO-Epitaxialfilm 2, der eine solche vorgeschriebene Cu-Menge enthält, weist eine exzellente Ausrichtung auf.
  • Verfahren zum Bilden des Q-Ebenen-ZnO-Epitaxialfilms 2, der eine vorgeschriebene Cu-Menge enthält, auf dem R-Ebenen-Saphirsubstrat 1 umfassen einen chemischen Transport, eine CVD und Sputtern, wie oben beschrieben wurde. Es ist möglich, speziell durch Sputtern einen ZnO-Epitaxialfilm 2 zu erhalten, der eine exzellente Oberflächenflachheit mit einer hohen Kristallqualität aufweist.
  • Fig. 2 zeigt eine HF-Magnetron-Sputtervorrichtung 4 als eine exemplarische Sputtervorrichtung. Diese Sputtervorrichtung 4 umfaßt einen luftdichten Behälter 5, der mit einer Gaseinlaßöffnung 6 und einer Gasauslaßöffnung 7 versehen ist. Ein geeignetes Sputtergas wird durch die Gaseinlaßöffnung 6 in den Behälter 5 eingebracht, während ein Gas, das in dem Behälter 5 verbleibt, zwangsweise durch eine Pumpe (nicht gezeigt) durch die Gasauslaßöffnung 7 entladen wird. Das vorher genannte R-Ebenen-Saphirsubstrat 1 wird in dem Behälter 5 angeordnet, während ein Ziel 8 unterhalb des Saphirsubstrats 1 angeordnet wird, um demselben gegenüberzuliegen. Eine Hochfrequenz-Leistungsquelle 9 (HF-Leistungsquelle) legt eine Hochfrequenzspannung über eine Anode (nicht gezeigt) und eine Kathode (nicht gezeigt) an, die auf oberen und unteren Oberflächen des Saphirsubstrats 1 bzw. des Ziels 8 positioniert sind. Ein Magnet 10 ist unter dem Ziel 8 angeordnet.
  • Durch eine derartige Sputtervorrichtung 4 wird der ZnO-Epitaxialfilm 2, der eine vorgeschriebene Cu-Menge enthält, auf eine der folgenden Betriebsarten auf das Saphirsubstrat 1 aufgewachsen:
  • Bei einer ersten Betriebsart wird das Ziel 8 aus einem Zn- Metallziel, das mit einer vorbestimmten Cu-Menge legiert ist, vorbereitet, während ein (Ar + O&sub2;)-Gas durch die Gaseinlaßöffnung 6 in den Behälter 5 eingebracht wird. Ar-Partikel treffen das Ziel 8, um zu bewirken, daß Zn-Partikel und Cu-Partikel aus dem Ziel 8 springen, so daß die Zn-Partikel mit O&sub2;-Gas reagieren, um ZnO zu bilden, wobei die somit geformten ZnO-Partikel und die Cu-Partikel auf dem Saphirsubstrat 1 anhaften. Folglich ist es möglich, den ZnO- Epitaxialfilm 2, der eine vorgeschriebene Cu-Menge enthält, auf dem Saphirsubstrat 1 zu bilden.
  • Bei einer zweiten Betriebsart wird andernfalls das Ziel 8 aus einem ZnO-Keramikziel vorbereitet, das mit einer vorgeschriebenen Cu-Menge dotiert ist, während Ar-Gas durch die Gaseinlaßöffnung in den Behälter 5 eingebracht wird. Ar-Partikel treffen das Ziel 8, so daß ZnO-Partikel und Cu-Partikel, die dadurch aus dem Ziel 8 springen, auf dem Saphirsubstrat 1 anhaften. Folglich ist es möglich, den ZnO-Epitaxialfilm 2, der eine vorgeschriebene Cu-Menge enthält, auf dem Saphirsubstrat 1 zu bilden.
  • Wie hierin oben beschrieben wurde, ist es möglich, einen ZnO-Epitaxialfilm 2 zu bilden, der eine vorgeschriebene Cu- Menge enthält, indem eine vorgeschriebene Cu-Menge in das Ziel 8 eingebracht wird. Beim Sputtern fällt die Zusammensetzung eines Ziels im wesentlichen mit der eines Films, der erhalten wird, zusammen. Folglich entspricht die Cu-Menge, die in das Ziel eingebracht wird, dem Cu-Gehalt in dem ZnO- Epitaxialfilm, der erhalten wird.
  • Um die Wirkung des Zusatzes von Cu zu einem Q-Ebenen-ZnO- Film, der epitaxial auf ein R-Ebenen-Saphirsubstrat aufgewachsen wird, zu bestätigen, wurde mittels der Sputtervorrichtung 4, die in Fig. 2 gezeigt ist, folgendes Experiment durchgeführt.
  • Zuerst wurden einige Zn-Metallziele, die mit verschiedenen Cu-Gehalten legiert waren, verwendet, um ZnO-Epitaxialfilme, die Cu enthalten, unter verschiedenen Sputterbedingungen auf R-Ebenen-Saphirsubstraten zu bilden. Die verschiedenen Sputterbedingungen wurden durch das Ändern der HF-Leistungspegel, der Substratheiztemperaturen bzw. der Gasdrücke (Ar : O&sub2; = 50 : 50) erhalten.
  • Andererseits wurden reine Zn-Metallfilme verwendet, um unter verschiedenen Sputterbedingungen, die ähnlich den obigen waren, ZnO-Epitaxialfilme auf R-Ebenen-Saphirsubstraten zu bilden.
  • Die erhaltenen ZnO-Epitaxialfilme der Proben wurden durch ein Röntgenstrahlen-Beugungsmesser-Verfahren ausgewertet. Dieses Verfahren ist angepaßt, um die Kristallinität eines ZnO-Epitaxialfilms durch gebeugte Wellen, die durch Bestrahlen des Films mit Röntgenstrahlen erhalten wurden, auszuwerten. Konkreter ausgedrückt wird in einem solchen ZnO-Epitaxialfilm eine Spitze durch gebeugte Wellen von einer Kristallebene erhalten, die parallel zu einem Saphirsubstrat ist, d. h. die Q-Ebene von ZnO, wobei die Kristallausrichtung verbessert ist, d. h. die Kristallebenen sind paralleller festgelegt, wenn die Spitzenintensität erhöht ist. Solche Spitzenintensitätswerte wurden durch Breiten der Beugungsintensitätswerte an Positionen der Hälfte der Spitzenintensitätswerte ausgewertet, d. h. den halben Bandbreiten, wie in Fig. 3 gezeigt ist. Folglich sind Filme mit geringeren Halbbandbreiten Filme hoher Qualität mit exzellenten Kristallausrichtungseigenschaften, d. h. Kristallebenen, die paralleller festgelegt wurden.
  • Tabelle 1 zeigt Beugungsspitzen-Halbbandbreiten von Q-Ebenen von ZnO, die durch die Verwendung reiner Zn-Ziele und von Zn-Zielen, die mit 2 Gewichtsprozent Cu dotiert waren (Zn- Cu-Zielen), erhalten wurden, wobei ZnO-Epitaxialfilme unter verschiedenen Sputterbedingungen gebildet wurden und dieselben mittels eines Röntgenstrahlen-Beugungsmesser-Verfahrens analysiert wurden. Tabelle 1
  • Wie aus Tabelle 1 offensichtlich ist, hatten die ZnO-Epitaxialfilme, die aus Zn-Cu-Zielen vorbereitet wurden, kleinere Spitzen-Halbbandbreiten und waren daher unter allen Sputterbedingungen verglichen mit denen, die aus den Zn-Zielen vorbereitet wurden, kristallin überlegen.
  • Wenn ein solches ZnO-Saphir-Substrat als ein SAW-Substrat verwendet wird, ist die Halbbandbreite der Beugungsspitze in der Praxis vorzugsweise kleiner als etwa 0,8 Grad. Unter diesem Gesichtspunkt wurden bei der Verwendung der Zn-Ziele unter allen Sputterbedingungen, die in Tabelle 1 gezeigt sind, keine Filme mit einer ausgezeichneten Anwendbarkeit erhalten. Andererseits ist es offensichtlich möglich, einen ausreichend anwendbaren ZnO-Epitaxialfilm zu erhalten, indem die Sputterbedingungen ausgewählt werden, wenn ein Zn-Cu- Ziel verwendet wird.
  • Tabelle 2 zeigt Spitzen-Halbbandbreiten, die erhalten wurden, wenn die Cu-Mengen, die in die Ziele eingebracht wurden, in einem Bereich von 0 bis 5 Gewichtsprozent hinsichtlich der Gesamtgehalte von Zn oder Cu und den Sputterbedingungen, die die kleinste Beugungsspitzen-Halbbandbreite zeigen, variiert wurden, d. h. eine HF-Leistung von 1,0 kW, eine Substrattemperatur von 250ºC und ein Gasdruck von 5 · 10&supmin;³ Torr unter denjenigen, die in Tabelle 1 gezeigt sind. Fig. 4 ist ein Graph, der den Inhalt der Tabelle 2 zeigt. Tabelle 2
  • Aus Tabelle 2 und Fig. 4 ist offensichtlich, daß die Kristallausrichtungseigenschaften verbessert wurden, wenn der Cu-Gehalt nicht größer als 4,5 Gewichtsprozent war, verglichen mit dem Fall des Films, der kein Cu enthält. Wie speziell aus Fig. 4 offensichtlich ist, wurde der Effekt der Verbesserung der Kristallinität bemerkbar, wenn der Bereich des Cu-Gehalts von 0,4 bis 4,0 Gewichtsprozent auf 0,6 bis 3,0 Gewichtsprozent und weiter auf 0,9 bis 2,0 Gewichtsprozent reduziert wurde.

Claims (10)

1. Ein piezoelektrischer (11 0)-Ebenen-Zinkoxid-Kristallfilm, der epitaxial auf eine Oberfläche eines Saphirs, die im wesentlichen parallel zu der (01 2)-Ebene desselben ist, aufgewachsen ist,
wobei der piezoelektrische Zinkoxid-Kristallfilm nicht mehr als 4,5 Gewichtsprozent Cu bezüglich des Gesamtgehalts von Zn und Cu enthält.
2. Ein piezoelektrischer Zinkoxid-Kristallfilm gemäß Anspruch 1, der 0,4 bis 4,0 Gewichtsprozent Cu enthält.
3. Ein piezoelektrischer Zinkoxid-Kristallfilm gemäß Anspruch 2, der 0,6 bis 3,0 Gewichtsprozent Cu enthält.
4. Ein piezoelektrischer Zinkoxid-Kristallfilm gemäß Anspruch 3, der 0,9 bis 2,0 Gewichtsprozent Cu enthält.
5. Ein piezoelektrischer Zinkoxid-Kristallfilm gemäß Anspruch 1, der durch Sputtern gebildet ist.
6. Ein Oberflächenakustikwellen-Substrat für ein Oberflächenakustikwellen-Bauelement mit folgenden Merkmalen:
einem (01 2)-Ebenen-Schnitt-Saphirsubstrat mit einer Oberfläche, die im wesentlichen parallel zu der (01 2)-Ebene desselben ist; und
einem piezoelektrischen (11 0)-Ebenen-Zinkoxid-Kristallfilm, der epitaxial auf die Oberfläche des Saphirsubstrats aufgewachsen ist,
wobei der piezoelektrische Zinkoxid-Kristallfilm nicht mehr als 4,5 Gewichtsprozent Cu hinsichtlich des Gesamtgehalts von Zn und Cu enthält.
7. Ein Oberflächenakustikwellen-Substrat gemäß Anspruch 6, bei dem der piezoelektrische Zinkoxid-Kristallfilm 0,4 bis 4,0 Gewichtsprozent Cu enthält.
8. Ein Oberflächenakustikwellen-Substrat gemäß Anspruch 7, bei dem der piezoelektrische Zinkoxid-Kristallfilm 0,6 bis 3,0 Gewichtsprozent Cu enthält.
9. Ein Oberflächenakustikwellen-Substrat gemäß Anspruch 8, bei dem der piezoelektrische Zinkoxid-Kristallfilm 0,9 bis 2,0 Gewichtsprozent Cu enthält.
10. Ein Oberflächenakustikwellen-Substrat gemäß Anspruch 6, bei dem der piezoelektrische Zinkoxid-Kristallfilm durch Sputtern gebildet ist.
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