JP2000332569A

JP2000332569A - 薄膜圧電素子

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Publication number: JP2000332569A
Application number: JP13999799A
Authority: JP
Inventors: Yoshihiko Yano; 義彦矢野; Takao Noguchi; 隆男野口; Shusuke Abe; 秀典阿部; Hisatoshi Saito; 久俊斉藤
Original assignee: TDK Corp
Current assignee: TDK Corp
Priority date: 1999-05-20
Filing date: 1999-05-20
Publication date: 2000-11-30
Anticipated expiration: 2019-05-20
Also published as: JP4327942B2; EP1054460A2; EP1054460A3; EP1054460B1; DE60032410D1; US6198208B1; DE60032410T2; CN1274954A; CN1163982C

Abstract

(57)【要約】【課題】従来に比べ桁違いに広帯域なＦＢＡＲを実現
できる薄膜圧電素子を提供する。【解決手段】Ｓｉ基板２上に、エピタキシャル膜であ
る金属薄膜４を有し、この金属薄膜４上にＰＺＴ薄膜５
を有し、このＰＺＴ薄膜５における原子比Ｔｉ／（Ｔｉ
＋Ｚｒ）が０．６５から０．９０の範囲にある薄膜圧電
素子。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、移動体通信機等に
利用される薄膜振動子、薄膜ＶＣＯ、薄膜フィルタ、液
体噴射装置等に利用される薄膜圧電素子に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年の移動体通信市場の急速な拡大と機
能化したサービスの要求に対して、ＩＭＴ２０００など
新しい通信システムが次々と導入されようとしている。
利用周波数は数ギガヘルツへと上昇し、周波数幅も５MH
zから２０MHz以上と拡大する傾向にある。また、携帯機
器の小型化と省電力化が進められる中で、ＲＦ用ならび
にＩＦ用フィルタとしては、主に弾性表面波（Surface
Acoustic Wave:SAW）デバイスが用いられている。ＳＡ
Ｗ素子においても、新しいシステムに対応すべく、一層
の高周波化、広帯域化、低損失化、低価格化が同時に要
求されている。これまで、ＳＡＷ素子は、デバイス設計
技術および生産技術の向上によりユーザからの厳しい要
求仕様に対応してきたが、特性向上の限界が近づきつつ
ある。したがって、ＳＡＷ素子の将来には、かなり大き
な技術革新が必要となる。

【０００３】一方、ＳＡＷ素子開発とは別に、圧電薄膜
によって実現される薄膜バルク波共振子（Film Bulk Ac
oustic Resonator:FBAR）は、ギガヘルツ帯で基本共振
が可能である。しかし、良質な圧電薄膜がこれまで作製
困難であったこと、圧電薄膜およびこれが形成される基
板の加工精度が上がらなかったことから、あまり目立っ
た発展を遂げてこなかった。しかし、ＦＢＡＲを利用し
て例えばフィルタを構成すれば、超小型化でき、かつ、
ギガヘルツ帯において低損失・広帯域動作が可能な上
に、半導体集積回路とのモノリシック集積化が可能であ
る。したがって、ＦＢＡＲは、将来の超小型携帯機への
応用に向けて利用価値が大きい。

【０００４】ＰｂＺｒＯ₃−ＰｂＴｉＯ₃固溶体であるＰ
ＺＴは、高い圧電性を有する強誘電体材料である。した
がってＰＺＴを利用すれば、高周波帯域において広帯域
動作が可能なＦＢＡＲを実現できる可能性があり、例え
ば、Jpn. J. Appl. Phys. Vol. 36 (1997) pp.6069-607
2では、ゾルゲル法により形成された多結晶のＰＺＴ薄
膜を用いたＦＢＡＲが報告されている。この文献に記載
されたＰＺＴ薄膜の組成は、Ｐｂ（Ｚｒ_0.52Ｔｉ_0.48）
Ｏ₃である。

【０００５】しかし、上記文献に記載されたＦＢＡＲで
は、ＰＺＴ薄膜の分極を行うためのバイアス印加を行わ
ないと共振特性が得られない。また、得られている共振
特性も、ギガヘルツ帯の高周波で低損失・広帯域動作さ
せるには不十分である。したがって、ＰＺＴ薄膜の電気
機械結合係数の向上が必要である。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】ところで、本発明者ら
は、Ｓｉ基板上においてＰＺＴ薄膜のエピタキシャル成
長の検討を行い、ＰＺＴ薄膜をＳｉ基板上にエピタキシ
ャル成長させる方法を、例えば特開平９−１１０５９２
号公報や特開平１０−２２３４７６号公報において示し
ている。ただし、同公報では、ＰＺＴ薄膜を用いてのＦ
ＢＡＲデバイスの検討は行なっていない。

【０００７】また、特許第２５６８５０５号公報には、
ＰＺＴではなくＰｂＴｉＯ₃およびＬａ添加ＰｂＴｉＯ₃
ではあるが、これらをＭｇＯ単結晶基板上に配向度の高
い薄膜として形成したことが記載されている。同公報で
は、これらの配向膜について焦電特性が検討され、配向
度が高い場合には分極処理を施すことなく大きい出力が
得られている。ただし、同公報ではＦＢＡＲへの適用に
ついては記載されていない。また、ＦＢＡＲでは、基板
の高精度な加工が必要であり、また、半導体集積回路と
のモノリシック集積化のために、同公報で使用している
ＭｇＯ基板ではなくＳｉ基板上に圧電薄膜を形成しなけ
ればならない。

【０００８】このように、これまで、ＰＺＴ薄膜をＦＢ
ＡＲに適用するための検討は行われていない。したがっ
て、Ｓｉ基板とＰＺＴ薄膜とを組み合わせたＦＢＡＲで
あって、広帯域動作が可能な共振特性に優れたものは提
案されていない。

【０００９】そこで、本発明は、従来に比べ桁違いに広
帯域なＦＢＡＲを実現できる薄膜圧電素子を提供するこ
とを目的とする。

【００１０】

【課題を解決するための手段】上記目的は、下記（１）
〜（３）のいずれかの構成により達成される。（１）Ｓｉ基板上に、エピタキシャル膜である金属薄
膜を有し、この金属薄膜上にＰＺＴ薄膜を有し、このＰ
ＺＴ薄膜における原子比Ｔｉ／（Ｔｉ＋Ｚｒ）が０．６
５から０．９０の範囲にある薄膜圧電素子。（２）前記ＰＺＴ薄膜が、（１００）配向と（００
１）配向とが混在する９０度ドメイン構造エピタキシャ
ル膜である上記（１）の薄膜圧電素子。（３）薄膜バルク波共振子である上記（１）または
（２）の薄膜圧電素子。

【００１１】

【発明の実施の形態】本発明者らは、エピタキシャル成
長したＰＺＴ薄膜を圧電薄膜としてＳｉ基板上に備える
ＦＢＡＲの共振特性が、ＰＺＴ薄膜の組成に大きく依存
することを突き止めた。そして、原子比Ｔｉ／（Ｔｉ＋
Ｚｒ）を上記範囲内とすることにより、桁違いに広帯域
なＦＢＡＲをＰＺＴ薄膜の分極処理なしで実現できるこ
とを見いだした。以下、本発明の実施の形態について詳
細に説明する。なお、以下の説明においてＴｉ／（Ｔｉ
＋Ｚｒ）とあるのは、すべて原子比である。

【００１２】一般に、圧電体の圧電特性は、結晶の分極
の大きさ、分極軸の配列等に依存する。本発明で用いる
ＰＺＴ薄膜においても、その圧電性は、薄膜を構成する
結晶のドメイン構造、配向性、結晶性等の結晶性状に依
存すると考えられる。ＰＺＴ薄膜の結晶性状を検討する
にあたって、まず、本明細書で使用する表現について説
明する。

【００１３】本明細書において単一配向膜とは、基板表
面と平行に目的とする結晶面が揃っている結晶化膜のこ
とを意味する。例えば（００１）単一配向膜は、膜面と
ほぼ平行に（００１）面が存在する膜を意味する。具体
的には、Ｘ線回折による測定を行ったとき、目的とする
面以外のものの反射ピーク強度が目的とする面の最大ピ
ーク強度の１０％以下、好ましくは５％以下である膜で
ある。例えば、（００Ｌ）単一配向膜、すなわちｃ面単
一配向膜は、膜の２θ−θＸ線回折で（００Ｌ）面以外
の反射強度が、（００Ｌ）面反射の最大ピーク強度の１
０％以下、好ましくは５％以下のものである。なお、本
明細書において（００Ｌ）は、（００１）系列の面、す
なわち（００１）や（００２）などの等価な面を総称す
る表示である。また、（Ｈ００）も同様に、（１００）
や（２００）などの等価な面を総称する表示である。

【００１４】また、本明細書において単にエピタキシャ
ル膜というときは、単一配向のエピタキシャル膜を意味
する。単一配向のエピタキシャル膜とは、上記した単一
配向膜であって、かつ、膜面内をＸ−Ｙ面とし、膜厚方
向をＺ軸としたとき、結晶がＸ軸、Ｙ軸およびＺ軸方向
にともにそろって配向している膜である。具体的には、
第一に、Ｘ線回折による測定を行ったとき、目的とする
面以外のものの反射のピーク強度が目的とする面の最大
ピーク強度の１０％以下、好ましくは５％以下である必
要がある。例えば、（００１）エピタキシャル膜、すな
わちｃ面エピタキシャル膜では、膜の２θ−θＸ線回折
で（００Ｌ）面以外のピーク強度が、（００Ｌ）面の最
大ピーク強度の１０％以下、好ましくは５％以下であ
る。第二に、反射高速電子線回折（Reflection High En
ergy Electron Diffraction:RHEED）において、スポッ
トまたはストリークパターンを示す必要がある。ＲＨＥ
ＥＤにおいてリング状パターンまたはハローパターンを
示す場合には、エピタキシャル膜とはいえない。なお、
ＲＨＥＥＤ評価は、膜面内における結晶軸の配向の指標
である。

【００１５】また、本明細書において９０度ドメイン構
造エピタキシャル膜とは、少なくとも室温において、第
一に、膜の２θ−θＸ線回折で（００Ｌ）および（Ｈ０
０）面以外のピーク強度が、（００Ｌ）または（Ｈ０
０）面の最大ピーク強度の１０％以下、好ましくは５％
以下である必要がある。第二に、ＲＨＥＥＤ評価でスポ
ットまたはストリークパターンを示す必要がある。

【００１６】ＰＺＴは、正方晶では［００１］方向に、
菱面体晶では［１１１］方向に分極軸をもつ。ＰＺＴセ
ラミックスは、一般に室温では、Ｔｉ／（Ｔｉ＋Ｚｒ）
＝０．５付近以上で正方晶、Ｔｉ／（Ｔｉ＋Ｚｒ）＝
０．４付近以下で菱面体晶、０．４から０．５付近は、
ＭＰＢ組成といわれ、正方晶と菱面体晶との混合結晶と
なり、このＭＰＢ組成付近において圧電定数が最も高く
なり、優れた共振特性が得られる。例えば前記したJpn.
J. Appl. Phys. Vol. 36 (1997) pp.6069-6072に記載
されている多結晶ＰＺＴ薄膜においても、上記ＭＰＢ組
成を利用している。

【００１７】しかし、エピタキシャル成長によりＰＺＴ
を薄膜化した場合、どのような結晶性状において良好な
圧電性が得られるかについては、明らかになっていな
い。そのため、本発明者らは、まず、ＰＺＴ薄膜を、分
極軸の方向に配向した薄膜とすること、具体的には、少
なくとも正方晶（００１）配向結晶を有する薄膜とする
ことを試みた。正方晶（００１）配向膜とするために
は、その薄膜を成長させる際に、これらの方位に相当す
る方向に配向させることが重要となる。ＰＺＴは、常温
では正方晶であるが５００℃以上では高温相である立方
晶となる。したがって、成長温度を５００℃以上とし、
かつ、その際に立方晶（１００）配向のエピタキシャル
膜として成長させることができれば、成長後、冷却する
間に正方晶に転移したときに、正方晶（００１）配向の
エピタキシャル膜、または、（１００）配向と（００
１）配向とが混在する９０度ドメイン構造エピタキシャ
ル膜となる。ＰＺＴ薄膜が（００１）配向エピタキシャ
ル膜となるか９０度ドメイン構造エピタキシャル膜とな
るかは、基板との熱膨張率差、ＰＺＴ薄膜の下地（本発
明では金属薄膜）との格子定数差、およびＰＺＴ薄膜の
格子定数によって決まる。

【００１８】本発明者らは、図１に示す構成のＦＢＡＲ
において、その共振特性がＰＺＴ薄膜の結晶性状にどの
ように依存するかについて検討した。

【００１９】図示するＦＢＡＲは、ビアホール１が形成
されたＳｉ（１００）単結晶基板（以下、単にＳｉ基板
という）２を有し、Ｓｉ基板２上に、酸化シリコン層／
酸化ジルコニウム層／酸化イットリウム層からなる厚さ
５０nmのバッファ層３、Ｐｔからなる厚さ１００nmの下
地電極４、厚さ０．５μmのＰＺＴ薄膜５およびＡｕか
らなる厚さ１００nmの上部電極６をこの順で設けたもの
である。ビアホール１は、図中下面側からＳｉを異方性
エッチングすることにより形成したものであり、このビ
アホール１により、その上に積層された薄膜がダイヤフ
ラムを構成している。Ｓｉ基板２の下面は、ダイボンド
剤１０によりパッケージ１１の底面に接着され、パッケ
ージ１１の上部は蓋１３により封止されている。なお、
この構造は、Ｓｉ基板上に薄膜および電極を形成し、エ
ッチング加工した後、ダイシング装置を用いてチップに
分割し、このチップをパッケージに接着することにより
作製した。パッケージ１１内には、外部と連絡する外部
接続端子Ａ、Ｂが存在し、これらは、ワイヤ１２を介し
て下地電極４、上部電極６とそれぞれ電気的に接続して
いる。このＦＢＡＲにおいて、ビアホール１上のＰＺＴ
薄膜５と、これを挟む下地電極４および上部電極６と
が、圧電バルク振動素子を構成する。

【００２０】下地電極４は、蒸着法により形成した。Ｐ
ＺＴ薄膜５は、Ｓｉ基板２上面の全面に多元蒸着法によ
り膜形成した後、フォトリソグラフィー技術を用いて、
ビアホール１上を除く領域を部分的にエッチング除去す
ることにより形成した。ＰＺＴ薄膜５の組成は、Ｔｉ／
（Ｔｉ＋Ｚｒ）＝０．３〜１．０の範囲内に設定した。
上部電極６は、ビアホール１上に形成した。上部電極６
は矩形状とし、その平面寸法は２５μm×５０μmとし
た。

【００２１】下地電極４が（００１）配向エピタキシャ
ル膜であることは、ＦＢＡＲ作製の際に、Ｘ線回折およ
びＲＨＥＥＤにより確認した。すなわち、ＲＨＥＥＤに
おいてストリークパターンが得られ、また、２θ−θＸ
線回折において、（００Ｌ）面以外のピーク強度が検出
限界以下、すなわち、（００１）面の最大ピーク強度の
０．１％以下であった。

【００２２】また、Ｔｉ／（Ｔｉ＋Ｚｒ）＝０．５〜
１．０において、ＰＺＴ薄膜５がペロブスカイト構造の
（００１）配向エピタキシャル膜または（１００）配向
と（００１）配向とが混在する９０度ドメイン構造エピ
タキシャル膜であることも、同様にして確認した。すな
わち、いずれの薄膜でもＲＨＥＥＤにおいてストリーク
パターンが得られた。また、２θ−θＸ線回折におい
て、（００１）配向膜においては、（００Ｌ）面以外の
ピーク強度は検出限界以下、すなわち、（００１）面の
最大ピーク強度の０．１％以下であり、９０度ドメイン
構造膜では、（００Ｌ）面および（Ｈ００）面以外のピ
ーク強度は検出限界以下、すなわち、（００１）面の最
大ピーク強度の０．１％以下であった。一方、ＰＺＴ薄
膜５においてＴｉ／（Ｔｉ＋Ｚｒ）が０．５未満である
場合には、ＲＨＥＥＤパターンがリング状であった。

【００２３】このＦＢＡＲのＰＺＴ薄膜５について、そ
の組成と結晶性状との関係を、実験結果に基づいて説明
する。

【００２４】Ｔｉ／（Ｔｉ＋Ｚｒ）が０．４以下の組成
では、Ｐｔの格子定数とＰＺＴの格子定数とのミスマッ
チが大きく、結晶性の高いＰＺＴ薄膜は得られなかっ
た。例えば、Ｔｉ／（Ｔｉ＋Ｚｒ）が０．４であるＰＺ
Ｔの格子定数は、成長温度（６００℃）において０．４
０９nmであり、一方、Ｓｉ基板上にエピタキシャル成長
したＰｔ薄膜の格子定数は前記成長温度において０．３
９４nmである。この場合のミスマッチは３．８％と大き
いため、結晶性が良好とはならない。Ｔｉ／（Ｔｉ＋Ｚ
ｒ）が０．４未満の場合には、さらにミスマッチが大き
くなる。一方、Ｔｉ／（Ｔｉ＋Ｚｒ）が０．４を超える
場合にはミスマッチが小さくなり、ＰＺＴ薄膜の良好な
エピタキシャル成長が可能となる。ちなみに、Ｔｉ／
（Ｔｉ＋Ｚｒ）が１．０の場合には、ミスマッチが０．
７５％である。

【００２５】Ｔｉ／（Ｔｉ＋Ｚｒ）が０．５以上である
ＰＺＴ薄膜について、Ｘ線回折により（１００）面の反
射強度Ｉ（１００）と（００１）面の反射強度Ｉ（００
１）との比を調べた。結果を図２に示す。図２から、Ｔ
ｉ／（Ｔｉ＋Ｚｒ）が０．６未満では、（００１）単一
配向膜になっていることがわかる。一方、Ｔｉ／（Ｔｉ
＋Ｚｒ）が０．６以上では、９０度ドメイン構造膜とな
っており、Ｔｉ比が高くなるほどａドメインが増加して
いる。ＰＺＴの結晶はＴｉ比が高くなるほどａ軸とｃ軸
との比（テトラゴナリティー）が高くなる。テトラゴナ
リティーの高い組成では、ａ軸とｃ軸との間での格子定
数差が大きいため、ａドメインが激しく出ると考えられ
る。

【００２６】図３に、それぞれの組成における（００
１）配向結晶のｃ軸格子定数を測定した結果を示す。な
お、図３に示す点線は、ＰＺＴセラミックスのｃ軸格子
定数である。セラミックスでは、薄膜と異なり下地の格
子定数に依存した応力が生じないため、図中の点線がほ
ぼ本来の格子定数である。Ｔｉ／（Ｔｉ＋Ｚｒ）が０．
６以下のとき、図２で示すように（００１）単一配向膜
になるにもかかわらず、図３ではｃ軸が短くなってい
る。この組成域では、Ｓｉ基板との熱膨張係数の差によ
り、エピタキシャル成長後の冷却過程でａ軸が伸ばさ
れ、その結果、ｃ軸はａ軸よりも短くなる。Ｔｉ／（Ｔ
ｉ＋Ｚｒ）が０．６５以上では、図２に示すようにテト
ラゴナリティーが高い。そのため、ａドメインが多量に
発生して、冷却過程でのＳｉ基板との熱膨張係数差によ
る応力が緩和される。その結果、図３に示すように、Ｐ
ＺＴ薄膜のｃ軸格子定数がセラミックスのｃ軸格子定数
に近づいている。

【００２７】次に、上記ＦＢＡＲの接続端子ＡＢ間にお
いて実際に共振特性を測定したところ、ＰＺＴ薄膜のＴ
ｉ／（Ｔｉ＋Ｚｒ）が０．５である場合、すなわち、
（００１）配向性は高いがｃ軸の格子定数が小さい場合
には、共振特性が全く得られなかった。また、Ｔｉ／
（Ｔｉ＋Ｚｒ）が１．０である場合、すなわち、ｃ軸の
格子定数は大きいが（００１）配向性が低い場合には、
ＡＢ間で電流リークが発生し、共振特性測定が不可能と
なってしまった。なお、Ｔｉ／（Ｔｉ＋Ｚｒ）＝１．０
は、チタン酸鉛である。

【００２８】Ｔｉ／（Ｔｉ＋Ｚｒ）が０．５付近の組成
は、上述したようにＰＺＴのバルクセラミックスにおい
てＭＰＢ組成といわれるもので、ＭＰＢ組成付近では圧
電定数が最も高く、優れた共振特性が得られる。しか
し、エピタキシャル成長させたＰＺＴ薄膜においては、
共振特性すら得られなかった。

【００２９】そこで、ＰＺＴのＴｉ／（Ｔｉ＋Ｚｒ）が
０．７５であるＦＢＡＲについて測定を行った。する
と、２GHz付近で鋭い共振が得られた。このときの共振
特性を図４に示す。この共振特性における共振周波数お
よび反共振周波数から圧電定数ｅ₃₃および弾性定数Ｃ₃₃
を求めたところ、ｅ₃₃＝１４．３C/m²、Ｃ₃₃＝８．８×
１０¹⁰N/m²であり、ｅ₃₃が非常に高い値であった。さら
に、容量の電極面積依存性の測定結果からＰＺＴ薄膜の
比誘電率を見積もると、約３００であった。これらの値
から電気機械結合係数ｋの２乗を求めると、ｋ²＝４７
％であり、従来に比べ１０倍以上の値が得られた。この
特性を利用すれば、桁違いに広帯域のＦＢＡＲが実現で
きる。

【００３０】ＰＺＴ薄膜の組成をふって共振特性を調べ
ることにより、ＰＺＴ薄膜の好ましい組成域を探った結
果、ＰＺＴの９０度ドメイン構造エピタキシャル膜にお
いて優れた共振特性を得るためには、Ｔｉ／（Ｔｉ＋Ｚ
ｒ）が０．６５〜０．９０までの範囲にあることが必要
であり、０．７０から０．８５の範囲であることが好ま
しいことがわかった。すなわち、ＰＺＴ薄膜におけるＴ
ｉ／（Ｔｉ＋Ｚｒ）を、０．６５、０．７０、０．７
５、０．８０、０．８５、０．９０として、実際の共振
特性を調べた結果、これらのＦＢＡＲすべてにおいて共
振特性が得られ、かつ、これらすべてのＦＢＡＲは、圧
電定数ｅ₃₃が１０C/m²以上、電気機械結合係数ｋ²が３
０％以上と優れた圧電特性を示した。また、上記原子比
を０．７０、０．７５、０．８０、０．８５としたＦＢ
ＡＲでは、圧電定数ｅ₃₃が１４C/m²以上、電気機械結合
係数ｋ²が４０％以上と極めて優れた特性が実現した。

【００３１】以上の結果から、ＦＢＡＲにおいて、エピ
タキシャル成長したＰＺＴ薄膜が優れた圧電性を示す組
成範囲は、セラミックス（バルク体）や多結晶薄膜にお
いて知られている好ましい組成範囲から類推できるもの
ではないことがわかる。エピタキシャル成長したＰＺＴ
薄膜を用いたＦＢＡＲでは、ＰＺＴ薄膜のＴｉ／（Ｔｉ
＋Ｚｒ）を、バルクセラミックスにおける最適組成から
ずらすことにより、従来にない高特性が得られる。

【００３２】本発明者らは、ＰＺＴ薄膜における圧電特
性の組成依存性が、ＰＺＴセラミックスと全く異なった
挙動を示す理由を、以下のよう考えた。すなわち、ＰＺ
Ｔ薄膜が優れた圧電性を示す条件は、(i)自発分極Ｐｓ
が一方向に揃っている、すなわち（００１）配向性が高
いこと、(ii)自発分極Ｐｓが大きい、すなわち、ｃ軸の
格子定数が大きいこと、の２つであると考えられる。し
かし、図２および図３に示される結果からみて、エピタ
キシャル成長させたＰＺＴ薄膜においては、上記２条件
を共に満足することは不可能である。そのため、Ｓｉ基
板上に、エピタキシャル膜であるＰｔ薄膜を介してエピ
タキシャル成長したＰＺＴ薄膜を備えるＦＢＡＲでは、
ＰＺＴ薄膜の組成を、上記条件(i)をある程度満足する
と共に上記条件(ii)もある程度満足するものとすること
により、優れた共振特性が得られると考えられる。

【００３３】この考察に基づき、本発明におけるＴｉ／
（Ｔｉ＋Ｚｒ）の限定理由を説明すると、以下のように
なる。Ｔｉ／（Ｔｉ＋Ｚｒ）が０．６５未満であると、
（００１）単一配向またはこれに近い状態にはなるがｃ
軸が収縮してしまうため、圧電性が得られないと考えら
れる。また、上記原子比が０．４以下では、ＰＺＴ薄膜
と基板との格子定数のミスマッチが大きくなって、良好
なエピタキシャル成長が不可能となる。一方、Ｔｉ／
（Ｔｉ＋Ｚｒ）が０．９０を超えると、（００１）配向
結晶のｃ軸は十分に伸びているが、この組成のＰＺＴは
ａ軸とｃ軸との格子定数の差が大きいため、ドメイン構
造となったＰＺＴ薄膜中のドメイン境界において格子欠
陥を生じ、これにより上部電極と下地電極との間で電気
的リークが発生してしまうと考えられる。

【００３４】薄膜圧電素子の各部の構成次に、本発明の薄膜圧電素子の各部の構成を、より詳細
に説明する。

【００３５】基板本発明では基板としてＳｉを用いる。特にＳｉ単結晶の
（１００）面が基板表面となるように用いた場合、特性
の優れたＰＺＴエピタキシャル膜が得られるので、好ま
しい。また、ＦＢＡＲ作製工程においてビアホール形成
の際に、異方性エッチングを効果的に利用できる点でも
好ましい。なお、Ｓｉ基板と、金属薄膜（下地電極）、
ＰＺＴ薄膜および後述するバッファ層とは、それぞれの
面内に存在する軸同士も平行であることが好ましい。

【００３６】バッファ層図１において、金属薄膜（下地電極４）と基板２との間
に存在するバッファ層３は、必須ではないが設けること
が好ましい。このバッファ層は、Ｓｉ基板上に高品質の
金属薄膜をエピタキシャル成長させる機能、絶縁体とし
ての機能、および、エッチング加工によりビアホールを
形成する際のエッチングストッパー層としての機能をも
つ。

【００３７】本発明の薄膜圧電素子では、ＰＺＴ薄膜を
挟む一対の電極の一方として、また、ＰＺＴ薄膜の下地
として、Ｓｉ基板上に金属薄膜を設ける。結晶性の良好
なＰＺＴ薄膜を得るためには、この金属薄膜を、単結晶
に近いエピタキシャル膜として形成することが必要とな
る。金属薄膜をこのようなエピタキシャル膜として形成
するためには、本出願人による特開平９−１１０５９２
号公報に記載された方法を利用することが好ましい。こ
の方法では、Ｓｉ単結晶基板上に（００１）配向のＺｒ
Ｏ₂薄膜、安定化ジルコニア薄膜、希土類元素酸化物薄
膜等を含むバッファ層を設け、このバッファ層上に、Ｂ
ａＴｉＯ₃等からなる（００１）配向のペロブスカイト
層を形成し、このペロブスカイト層上に、Ｐｔ等からな
る金属薄膜を形成することにより、金属薄膜をエピタキ
シャル膜とできる。この方法においてバッファ層上にペ
ロブスカイト層を設けるのは、ＺｒＯ₂（００１）薄膜
上にＰｔ薄膜を直接形成すると、Ｐｔが（１１１）配向
または多結晶となって、Ｐｔ（１００）単一配向膜を形
成することができないからである。ＺｒＯ₂（００１）
薄膜上においてＰｔが（１１１）配向となるのは、Ｚｒ
Ｏ₂（００１）面とＰｔ（１００）面との間で格子不整
合が大きいために、Ｐｔはエピタキシャル成長するより
も、すなわち（１００）面を成長面として成長するより
も、エネルギー的に安定な（１１１）面を成長面として
成長するからである。

【００３８】しかし、上記ペロブスカイト層の形成には
手間がかかり、特に、均質で、設計通りの組成をもつペ
ロブスカイト層を形成することは難しい。具体的には、
Ｚｒを含有するバッファ層上に、ペロブスカイト層とし
てＢａＴｉＯ₃薄膜を形成する際には、ＢａＺｒＯ₃等の
（１１０）配向しやすい物質が形成されやすい。また、
上記特開平９−１１０５９２号公報では、大面積の均質
な薄膜が形成できる方法として、酸化性ガス中で金属蒸
気を基板表面に供給する蒸着法を用いているが、この方
法でＢａＴｉＯ₃薄膜を形成する場合、基板表面に酸化
物として堆積したときにＢａ：Ｔｉ＝１：１となるよう
に、ＢａおよびＴｉの蒸発量を正確に制御する必要があ
る。

【００３９】そこで、ＢａＴｉＯ₃薄膜を設けることな
く、エピタキシャル膜であるＰｔ薄膜を形成できるバッ
ファ層として、以下に説明するバッファ層を利用するこ
とが好ましい。

【００４０】このバッファ層は、金属薄膜との界面が
｛１１１｝ファセット面を含むことが特徴である。ファ
セット面の存在によりバッファ層と金属薄膜との接触面
積が増すので、ＦＢＡＲを作製する際のマイクロマシニ
ング過程で生じ得る金属薄膜の剥離を抑制できる、とい
う利点もある。

【００４１】図５（ａ）に、バッファ層表面のファセッ
ト面の模式図を示す。図５（ｂ）に、このファセット面
を拡大して示す。バッファ層は、立方晶（１００）配
向、正方晶（００１）配向または単斜晶（００１）配向
のエピタキシャル膜なので、このファセット面は、｛１
１１｝ファセット面である。金属薄膜は、バッファ層の
｛１１１｝ファセット面上に｛１１１｝配向膜としてエ
ピタキシャル成長する。金属薄膜の成長に伴って、ファ
セット面により構成される凹部は埋められ、最終的に、
図５（ｃ）に示すように金属薄膜の表面は平坦となり、
かつ、この表面は基板表面に平行となる。この表面は、
立方晶（１００）面となるが、結晶格子の歪み等により
正方晶（００１）面となることもある。

【００４２】ファセット面の寸法は特に限定されない
が、ファセット面の高さ、すなわち、バッファ層の面内
と直交する平面に投影したときの寸法が小さすぎると、
バッファ層表面にファセット面を設けたことによる効果
が小さくなるので、投影寸法は５nm以上であることが好
ましい。一方、この投影寸法が大きい場合、それに伴っ
て金属薄膜を厚くしないと金属薄膜表面が平坦にならな
くなる。しかし、金属薄膜を厚くするとクラックが発生
しやすくなるので、上記投影寸法は３０nm以下であるこ
とが好ましい。なお、上記投影寸法は、バッファ層断面
の透過型電子顕微鏡写真から求める。

【００４３】上記界面におけるファセット面の比率は、
好ましくは８０％以上、より好ましくは９０％以上であ
る。ファセット面の比率が低すぎると、金属薄膜を良質
なエピタキシャル膜として成長させることが困難とな
る。なお、本明細書におけるファセット面の比率は、バ
ッファ層断面の透過型電子顕微鏡写真から以下のように
して求めた面積比である。バッファ層表面の測定対象領
域の長さ（面内方向の長さ）をＢとし、面内と平行な表
面（ファセット面以外）の合計長さをＨとすると、上記
比率は、［１−（Ｈ／Ｂ）２］で表される。上記測定対
象領域の長さＢは、１μm以上とする。

【００４４】表面に｛１１１｝ファセット面を形成する
ために、バッファ層は、希土類元素酸化物を主成分とす
るか、酸化ジルコニウムを主成分とするか、Ｚｒの一部
を希土類元素もしくはアルカリ土類元素で置換した酸化
ジルコニウムを主成分とすることが好ましい。なお、本
明細書における希土類元素は、ＳｃおよびＹを含むもの
とする。このようなバッファ層は、立方晶（１００）配
向または単斜晶（００１）配向のとき、表面にファセッ
ト面を出現させることが可能である。

【００４５】希土類元素およびアルカリ土類元素をＲで
表すと、バッファ層の組成は、Ｚｒ _1-xＲ_xＯ_2-δで表す
ことができる。ｘ＝０である酸化ジルコニウム（ＺｒＯ
₂）は、高温から室温にかけて立方晶→正方晶→単斜晶
と相転移を生じるが、希土類元素またはアルカリ土類元
素の添加により立方晶は安定化する。ＺｒＯ₂に希土類
元素またはアルカリ土類元素を添加した酸化物は、一般
に安定化ジルコニアと呼ばれる。本発明では、ＺｒＯ₂
安定化のための元素として希土類元素を用いることが好
ましい。

【００４６】本発明では、ファセット面が形成可能であ
ればＺｒ_1-xＲ_xＯ_2-δにおけるｘは特に限定されない。
ただし、Jpn.J.Appl.Phys.27(8)L1404-L1405(1988)に
は、希土類元素安定化ジルコニアにおいてｘが０．２未
満である組成域では正方晶または単斜晶の結晶になるこ
とが報告されており、また、J.Appl.Phys.58(6)2407-24
09(1985)には、正方晶または単斜晶となる組成域におい
ては、得ようとするもの以外の配向面が混入し、単一配
向のエピタキシャル膜が得られないことが報告されてい
る。しかし、本発明者らが検討を重ねた結果、後述する
蒸着法を利用することにより、ｘが０．２未満の組成で
もエピタキシャル成長が可能となり、良好な結晶性が得
られる。高純度のＺｒＯ₂膜は、絶縁抵抗が高くなり、
リーク電流が小さくなるので、絶縁特性を必要とする場
合には好ましい。ただし、ファセット面の形成を容易に
するためには、ｘを０．２以上とすることが好ましい。

【００４７】一方、バッファ層をＳｉ単結晶基板に接し
て形成する場合、ｘが０．７５を超える組成域では、立
方晶ではあるが、（１００）単一配向が得られにくく、
（１１１）配向の結晶が混入したり、（１１１）単一配
向となったりしてしまう。したがって、Ｓｉ単結晶基板
上にバッファ層を直接形成する際には、Ｚｒ_1-xＲ_xＯ _2-
δにおいてｘを０．７５以下、特に０．５０以下とする
ことが好ましい。

【００４８】ただし、Ｓｉ単結晶基板上に、適当な下地
層を介してバッファ層を形成することにより、ｘが大き
い場合でもバッファ層を立方晶（１００）単一配向とす
ることができる。このような下地層としては、酸化ジル
コニウムまたは安定化ジルコニアからなる立方晶（１０
０）配向、正方晶（００１）配向または単斜晶（００
１）配向の薄膜が好ましい。なお、下地層では、バッフ
ァ層よりもｘを小さい値に設定することになる。

【００４９】安定化ジルコニア薄膜が含む希土類元素
は、安定化ジルコニア薄膜に接する薄膜または基板の格
子定数に応じ、これらと安定化ジルコニア薄膜との格子
定数がマッチングするように適宜選択すればよい。希土
類元素の種類を固定したままｘを変更すれば安定化ジル
コニアの格子定数を変えることができるが、ｘだけの変
更ではマッチング調整可能領域が狭い。しかし、希土類
元素を変更すれば格子定数を比較的大きく変更すること
ができるので、マッチングの最適化が容易となる。例え
ばＹに替えてＰｒを用いれば、格子定数を大きくするこ
とができる。

【００５０】なお、酸素欠陥を含まない酸化ジルコニウ
ムは化学式ＺｒＯ₂で表わされるが、安定化ジルコニア
は、添加した安定化元素の種類、量および価数により酸
素の量が変化し、Ｚｒ_1-xＲ_xＯ_2-δにおけるδは、通
常、０〜１．０となる。

【００５１】バッファ層は、組成が連続的ないし段階的
に変化する傾斜組成構造であってもよい。傾斜組成構造
とする場合、Ｚｒ_1-xＲ_xＯ_2-δにおけるｘが、バッファ
層の裏面側から表面側（金属薄膜側）に向かって増大す
る構成とすることが好ましい。上記した下地層を設ける
場合、下地層がバッファ層の一部と考えれば、このバッ
ファ層は、組成が段階的に変化するものといえる。

【００５２】バッファ層に用いる希土類元素は、Ｓｃ、
Ｙ、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄ
ｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、ＹｂおよびＬｕの少なくとも１
種を選択すればよいが、希土類元素酸化物には、六方晶
である希土類ａ型構造となりやすいものが存在するの
で、安定して立方晶の酸化物となる元素を選択すること
が好ましい。具体的には、Ｓｃ、Ｙ、Ｃｅ、Ｅｕ、Ｇ
ｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、ＹｂおよびＬｕの
少なくとも１種が好ましく、これらのうちから、酸化物
としたときの格子定数やその他の条件に応じて適宜選択
すればよい。

【００５３】バッファ層には、特性改善のために添加物
を導入してもよい。例えば、ＡｌおよびＳｉは、膜の抵
抗率を向上させる効果がある。さらに、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃ
ｏ、Ｎｉなどの遷移金属元素は、膜中において不純物に
よる準位（トラップ準位）を形成することができ、この
準位を利用することにより導電性の制御が可能になる。

【００５４】なお、下地層やバッファ層として用いるＺ
ｒＯ₂薄膜において、Ｚｒの比率の上限は現在のところ
９９．９９mol％程度である。また、現在の高純度化技
術ではＺｒＯ₂とＨｆＯ₂との分離は難しいので、ＺｒＯ
₂の純度は、通常、Ｚｒ＋Ｈｆでの純度を指している。
したがって、本明細書におけるＺｒＯ₂の純度は、Ｈｆ
とＺｒとを同元素とみなして算出された値であるが、Ｈ
ｆＯ₂は上記ＺｒＯ₂薄膜においてＺｒＯ₂と全く同様に
機能するため、問題はない。また、このことは、上記安
定化ジルコニアにおいても同様である。

【００５５】バッファ層の厚さは特に限定されず、適切
な寸法のファセット面が形成されるように適宜設定すれ
ばよいが、好ましくは５〜１０００nm、より好ましくは
２５〜１００nmである。バッファ層が薄すぎると均一な
ファセット面を形成することが困難であり、厚すぎると
バッファ層にクラックが発生することがある。なお、下
地層の厚さは、下地層が均質なエピタキシャル膜とな
り、表面が平坦で、クラックが発生しないように適宜決
定すればよいが、通常、２〜５０nmとすることが好まし
い。

【００５６】金属薄膜下地電極として利用される金属薄膜は、エピタキシャル
膜であって、（１００）配向膜、または（００１）配向
膜であればよい。結晶性および表面性の良好な金属薄膜
上にＰＺＴ薄膜を形成すれば、特性の良好な薄膜バルク
共振器等の各種電子デバイスが実現する。また、金属薄
膜は、薄膜積層体中において応力を吸収する役割を果た
すので、金属薄膜の上に形成される薄膜のクラック発生
を防ぐ効果も示す。

【００５７】表面にファセット面が存在するバッファ層
を用いる場合、その表面に設けられる金属薄膜は、前述
したように、ファセット面により構成される凹部を埋め
ながら成長し、最終的に金属薄膜表面は平坦となり、か
つ、基板表面に平行となる。このとき金属薄膜は、通
常、膜面と平行に（１００）面が配向した立方晶エピタ
キシャル膜となっているが、応力によって結晶が変形し
て、例えば正方晶（００１）配向のエピタキシャル膜と
なることもある。

【００５８】金属薄膜は、Ｐｔ、Ｉｒ、ＰｄおよびＲｈ
の少なくとも１種を主成分とすることが好ましく、これ
らの金属の単体またはこれらの金属を含む合金から構成
されることが好ましい。また、金属薄膜は、組成の異な
る２種以上の薄膜から構成されていてもよい。

【００５９】金属薄膜の厚さは用途により異なるが、好
ましくは１０〜５００nm、より好ましくは５０〜１５０
nmであり、結晶性、表面性を損なわない程度に薄いこと
が好ましい。より具体的には、バッファ層のファセット
面により構成される凹凸を埋めるためには、厚さを３０
nm以上とすることが好ましく、１００nm以上の厚さとす
れば、十分な表面平坦性が得られる。また、電極として
十分に機能させるためには、厚さを５０〜５００nmとす
ることが好ましい。

【００６０】なお、金属薄膜の比抵抗は、好ましくは１
０^-7〜１０³Ωcm、より好ましくは１０^-7〜１０^-2Ωcm
である。

【００６１】ＰＺＴ薄膜ＰＺＴ薄膜は、上述したようにエピタキシャル成長した
ものであって、（１００）配向と（００１）配向とが混
在する９０度ドメイン構造エピタキシャル膜であること
が好ましい。そして、ＰＺＴ薄膜のＴｉ／（Ｔｉ＋Ｚ
ｒ）は、上記範囲内である。ＰＺＴ薄膜は、上記実施例
では多元蒸着法により形成したが、このほか、例えばＭ
ＢＥ法やＲＦマグネトロンスパック法などによって形成
することもできる。ＰＺＴ薄膜の厚さは、必要とされる
共振周波数に応じて適宜設定すればよいが、通常、０．
０５〜５μmの範囲から選択する。

【００６２】通常、ＰＺＴはＰｂＺｒＯ₃−ＰｂＴｉＯ₃
固溶体を意味するが、本発明において原子比Ｐｂ／（Ｔ
ｉ＋Ｚｒ）は、１である必要はない。ただし、好ましく
は０．８〜１．３であり、より好ましくは０．９〜１．
２である。Ｐｂ／（Ｔｉ＋Ｚｒ）をこのような範囲にす
ることによって、良好な結晶性が得られる。また、Ｔｉ
＋Ｚｒに対するＯの比率は、３に限定されるものではな
い。ペロブスカイト材料によっては、酸素欠陥または酸
素過剰で安定したペロブスカイト構造を組むものがある
ので、原子比Ｏ／（Ｔｉ＋Ｚｒ）は、通常、２．７〜
３．３程度である。なお、ＰＺＴ薄膜の組成は、蛍光Ｘ
線分析により測定することができる。

【００６３】本発明において、ＰＺＴ薄膜はＰｂ、Ｚｒ
およびＴｉから構成されることが好ましいが、これらの
ほかに、添加元素や不純物元素を含有していてもよい。
例えば、現在の高純度化技術ではＺｒＯ₂とＨｆＯ₂との
分離は難しいので、ＰＺＴ薄膜中には不純物としてＨｆ
Ｏ₂が混入することがある。ただし、ＨｆＯ₂の混入はＰ
ＺＴ薄膜の特性に大きな影響は与えないため、特に問題
はない。ＰＺＴ薄膜に存在する不純物元素や添加元素と
しては、例えば希土類元素（ＳｃおよびＹを包含す
る）、Ｂｉ、Ｂａ、Ｓｒ、Ｃａ、Ｃｄ、Ｋ、Ｎａ、Ｍ
ｇ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｈｆ、Ｆｅ、Ｓｎ、Ａｌ、Ｍｎ、Ｃ
ｒ、Ｗ、Ｒｕが挙げられる。本発明では、これら置換元
素ないし不純物元素のうち、希土類元素、Ｂｉ、Ｂａ、
Ｓｒ、Ｃａ、Ｃｄ、Ｋ、Ｎａ、ＭｇはＺｒを置換するも
のとし、Ｎｂ、Ｔａ、Ｈｆ、Ｆｅ、Ｓｎ、Ａｌ、Ｍｎ、
Ｃｒ、Ｗ、ＲｕはＴｉを置換するものとしてＴｉ／（Ｔ
ｉ＋Ｚｒ）を計算し、その結果が前記範囲内にあればよ
い。Ｐｂ、ＺｒおよびＴｉにおける置換元素ないし不純
物元素の置換率は、それぞれ好ましくは１０％以下、よ
り好ましくは５％以下である。なお、ＰＺＴ薄膜中に
は、このほかの元素、例えばＡｒ、Ｎ、Ｈ、Ｃｌ、Ｃ、
Ｃｕ、Ｎｉ、Ｐｔなどが微量添加物ないし不可避的不純
物として含まれていてもよい。

【００６４】結晶性および表面性バッファ層、金属薄膜および下地層の結晶性は、ＸＲＤ
（Ｘ線回折）における反射ピークのロッキングカーブの
半値幅や、ＲＨＥＥＤ像のパターンで評価することがで
きる。また、表面性は、ＲＨＥＥＤ像のパターンおよび
透過型電子顕微鏡で評価することができる。

【００６５】具体的には、Ｘ線回折において、（２０
０）面または（００２）面［希土類ｃ型構造のバッファ
層では（４００）面］の反射のロッキングカーブの半値
幅がいずれも１．５０°以下となる程度の結晶性を有し
ていることが好ましい。なお、ロッキングカーブの半値
幅の下限値は特になく、小さいほど好ましいが、現在の
ところ、前記下限値は一般に０．７°程度、特に０．４
°程度である。また、ＲＨＥＥＤにおいては、像がスポ
ット状である場合、表面に凹凸が存在していることにな
り、ストリーク状である場合、表面が平坦であることに
なる。そして、いずれも場合でも、ＲＨＥＥＤ像がシャ
ープであれば、結晶性に優れていることになる。

【００６６】形成方法バッファ層および金属薄膜の形成には、蒸着法、ＭＢＥ
法、ＲＦマグネトロンスパッタ法などを用いることが好
ましく、特に、特開平１０−１７３９４号公報に記載さ
れた方法を用いることが好ましい。

【００６７】なお、本発明は、ＦＢＡＲに適用された場
合に最も効果が高いが、このほか、例えば移動体通信用
の薄膜振動子、薄膜ＶＣＯ、薄膜フィルタ、周波数ホッ
ピング用の高速周波数シンセサイザ、液体噴射装置等に
利用される圧電素子にも適用可能である。

【００６８】

【発明の効果】本発明の薄膜圧電素子では、エピタキシ
ャル成長したＰＺＴ薄膜において、組成や結晶配列が最
適化されているので、桁違いに広帯域なＦＢＡＲなどの
高性能な圧電デバイスが実現できる。また、優れた圧電
特性が、ＰＺＴ薄膜を分極処理することなく実現でき
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】ＦＢＡＲの実施例を示す断面図である。

【図２】エピタキシャル成長したＰＺＴ薄膜におけるＩ
（１００）／Ｉ（００１）と組成との関係を示すグラフ
である。

【図３】エピタキシャル成長したＰＺＴ薄膜における
（００１）配向結晶のｃ軸格子定数と組成との関係を示
すグラフである。

【図４】本発明を適用したＦＢＡＲの共振特性を示すグ
ラフである。

【図５】（ａ）は、バッファ層表面の｛１１１｝ファセ
ット面の模式図であり、（ｂ）はその拡大図であり、
（ｃ）は、このファセット面上に金属薄膜を形成した状
態を示す模式図である。

【符号の説明】

１ビアホール２Ｓｉ基板３バッファ層４下地電極５ＰＺＴ薄膜６上部電極１０ダイボンド剤１１パッケージ１２ワイヤ１３蓋Ａ、Ｂ外部接続端子

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者阿部秀典東京都中央区日本橋一丁目13番１号ティーディーケイ株式会社内 (72)発明者斉藤久俊東京都中央区日本橋一丁目13番１号ティーディーケイ株式会社内Ｆターム(参考） 4G077 AA03 AA07 AB02 BC43 DA01 ED06 EF02 5J108 BB05 CC04 EE03 KK01 MM08

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】Ｓｉ基板上に、エピタキシャル膜である
金属薄膜を有し、この金属薄膜上にＰＺＴ薄膜を有し、
このＰＺＴ薄膜における原子比Ｔｉ／（Ｔｉ＋Ｚｒ）が
０．６５から０．９０の範囲にある薄膜圧電素子。
【請求項２】前記ＰＺＴ薄膜が、（１００）配向と
（００１）配向とが混在する９０度ドメイン構造エピタ
キシャル膜である請求項１の薄膜圧電素子。
【請求項３】薄膜バルク波共振子である請求項１また
は２の薄膜圧電素子。