JP2012116736A - ウルツ鉱圧電体薄膜、該薄膜の製造方法及び製造装置、並びに薄膜共振子 - Google Patents
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Abstract
【課題】垂直配向型及び平行配向型以外の配向を有するウルツ鉱圧電体薄膜であって、その配向により従来にない特性が得られるウルツ鉱圧電体薄膜を提供する。
【解決手段】ウルツ鉱型の結晶構造を有する材料から成る薄膜であって、該薄膜に対する法線とc軸が成す角である傾斜角が、縦波に関する圧電定数e33がゼロになる臨界傾斜角よりも大きく、且つ90°未満であることを特徴とする。この薄膜は、垂直配向のウルツ鉱型結晶薄膜とは逆位相の縦波振動が生じるという、従来にない特性を有する薄膜共振子に用いることができる。この薄膜は、ウルツ鉱型の結晶構造を有する材料Ｍを基板Ｓの表面に堆積させつつ、基板Ｓの表面に対して10°を超え40°以下の角度αで入射するようにイオンビームＩＢを照射することにより製造することができる。
【選択図】図３
【解決手段】ウルツ鉱型の結晶構造を有する材料から成る薄膜であって、該薄膜に対する法線とc軸が成す角である傾斜角が、縦波に関する圧電定数e33がゼロになる臨界傾斜角よりも大きく、且つ90°未満であることを特徴とする。この薄膜は、垂直配向のウルツ鉱型結晶薄膜とは逆位相の縦波振動が生じるという、従来にない特性を有する薄膜共振子に用いることができる。この薄膜は、ウルツ鉱型の結晶構造を有する材料Ｍを基板Ｓの表面に堆積させつつ、基板Ｓの表面に対して10°を超え40°以下の角度αで入射するようにイオンビームＩＢを照射することにより製造することができる。
【選択図】図３
Description
本発明は酸化亜鉛（ZnO）や窒化アルミニウム（AlN）、窒化ガリウム（GaN）、炭化シリコン（SiC）、窒化スカンジウムアルミニウム（ScAlN）等のウルツ鉱型の結晶構造を有する材料から成る薄膜（以下「ウルツ鉱圧電体薄膜」とする）、該薄膜向けの製造方法及び装置、並びに該薄膜を用いて作製することが可能な薄膜共振子に関する。
ウルツ鉱型の結晶構造は、図１に示すように、六方晶の単位格子を持ち、An+から成る層（A層）とBn-から成る層（B層）が交互に積層し、B層がその上下にある2枚のA層から等距離の位置よりもc軸方向にずれた位置に配置されたものである。上記の構造を有することにより、ウルツ鉱型の構造を有する結晶（以下「ウルツ鉱型結晶」とする）は外部電界が印加されなくともc軸に平行な方向の分極ベクトルＰを持つ圧電体となる。
このようなウルツ鉱型結晶から成るウルツ鉱圧電体薄膜は、交流の電気信号を入力すると機械的振動が生じ、機械的振動を入力すると交流の電気信号が生じる。ここでの機械的振動は、ウルツ鉱型結晶のc軸がウルツ鉱圧電体薄膜に対して垂直に配向（以下「垂直配向」とする）している場合には縦波であり、c軸がウルツ鉱圧電体薄膜に対して平行な1方向に配向（平行配向）している場合には横波である。
従来より、ウルツ鉱圧電体薄膜は垂直配向しやすいことが知られている。それに対して本願発明者はこれまでに、基板に温度勾配を形成しつつ該基板にウルツ鉱圧電体薄膜の材料を堆積させること（特許文献１）、該薄膜材料から成るプラズマの密度勾配を形成し、該プラズマ内に基板を配置すること（特許文献２）、あるいは基板にほぼ平行（10°以下）にイオンビームを照射しつつ該薄膜材料を該基板に堆積させること（特許文献３）により、平行配向したウルツ鉱圧電体薄膜が得られることを見出してきた。
ウルツ鉱圧電体薄膜は、上記の特性を活かして、主に薄膜共振子に用いられてきた。薄膜共振子は、広帯域の信号から特定の周波数の信号を抽出する周波数フィルタとしての機能を有する。従来、このような薄膜共振子では多くの場合、製造が容易である垂直配向型のウルツ鉱圧電体薄膜が用いられてきた。一方、特許文献４には、薄膜共振子に平行配向型のウルツ鉱圧電体薄膜を用いることが記載されている。このような平行配向型のものを用いると、垂直配向型のものを用いる場合よりも機械的振動の音速が遅くなるため、所定の周波数で共振させるための膜厚をより薄くすることができる。これにより、所定のインピーダンス（通常は50Ω）にするために必要な膜の面積を小さくすることができ、素子を小型化することができる。また、横波は空気中を伝播しないため、平行配向型のウルツ鉱圧電体薄膜を用いることにより、機械的振動のエネルギーが薄膜共振子の外部に漏れることを防ぐことができる。
従って、ウルツ鉱圧電体薄膜では、ウルツ鉱圧電体薄膜のc軸がどの方向に配向しているかという点が重要となるが、従来は垂直配向及び平行配向以外のウルツ鉱圧電体薄膜に関してはほとんど検討されていなかった。本発明が解決しようとする課題は、垂直配向型及び平行配向型以外の配向を有するウルツ鉱圧電体薄膜であって、その配向により従来にない特性が得られるウルツ鉱圧電体薄膜を提供することである。併せて、そのようなウルツ鉱圧電体薄膜の製造方法及び製造装置、並びにそのようなウルツ鉱圧電体薄膜を用いた薄膜共振子を提供する。
上記課題を解決するために成された本発明に係るウルツ鉱圧電体薄膜は、ウルツ鉱型の結晶構造を有する材料から成る薄膜であって、該薄膜に対する法線とc軸が成す角である傾斜角が、縦波に関する圧電定数e33がゼロになる臨界傾斜角よりも大きく、且つ90°未満であることを特徴とする。
このウルツ鉱圧電体薄膜は、エピタキシャル成長法を用いることなく作製されたものであることが望ましい。これは、エピタキシャル成長法では単結晶基板上に薄膜を形成する必要があるため、デバイスとして用いるための電極を該薄膜に形成することが困難になるためである。薄膜の具体的な作製例は後述する。
本願発明者は、ウルツ鉱型結晶薄膜において、c軸を該薄膜に対する法線から傾斜させると圧電定数がどのように変化するかを計算で求めた。その結果、図２に示すように、臨界傾斜角θcを境界として、それよりも傾斜角が大きく、且つ傾斜角が90°未満である時には、縦波に関する圧電定数e33が負になることを見出した。このように圧電定数e33が負であるウルツ鉱型結晶薄膜では、薄膜の上下に交流電圧を印加すると、圧電定数e33が正である垂直配向のウルツ鉱型結晶薄膜とは逆位相で縦波の振動が生成される。
従って、本発明に係るウルツ鉱圧電体薄膜の両面に電極を設けたものは、従来の垂直配向のウルツ鉱型結晶薄膜を用いた薄膜共振子と逆位相の縦波振動が生じる薄膜共振子として機能する。
また、本発明に係るウルツ鉱圧電体薄膜は、以下に述べる2層構造の薄膜共振子に好適に用いることができる。本発明に係る薄膜共振子は、第１の圧電体層と第２の圧電体層を重ねて上下電極の間に設けたものであって、
a) 前記第１圧電体層の分極ベクトルである第１分極ベクトル及び前記第２圧電体層の分極ベクトルである第２分極ベクトルが該第１圧電体層及び該第２圧電体層に平行な面の法線に対して傾斜するように配向しており、
b) 前記第１分極ベクトルの前記法線への射影が前記第２分極ベクトルの前記法線への射影と同方向であり且つ縦波に関する圧電定数の正負が前記第１圧電体層と前記第２圧電体層で逆である
ことを特徴とする。
a) 前記第１圧電体層の分極ベクトルである第１分極ベクトル及び前記第２圧電体層の分極ベクトルである第２分極ベクトルが該第１圧電体層及び該第２圧電体層に平行な面の法線に対して傾斜するように配向しており、
b) 前記第１分極ベクトルの前記法線への射影が前記第２分極ベクトルの前記法線への射影と同方向であり且つ縦波に関する圧電定数の正負が前記第１圧電体層と前記第２圧電体層で逆である
ことを特徴とする。
本発明に係る2層構造の薄膜共振子では、上記のように各分極ベクトルの向き及び圧電定数を設定することにより、上下電極間に交流電圧を印加すると、第１圧電体層と第２圧電体層が互いに逆位相で縦波の振動を生じる。これにより、本発明に係る2層構造の薄膜共振子では、交流電圧の入力により、第１圧電体層と第２圧電体層を合わせた厚みと同じ長さを1波長とする２次モードの縦波振動が生成される。それに対して、ウルツ鉱圧電体薄膜から成る層を1層のみ有する従来の薄膜共振子では、該層の厚みと同じ長さを半波長とする１次モードの振動が生成される。そのため、従来の薄膜共振子よりも本発明に係る2層構造の薄膜共振子を比較すると、ウルツ鉱圧電体薄膜の厚みの総和が等しい場合には本発明の方が周波数を高くすることができ、周波数が等しい場合にはウルツ鉱圧電体薄膜の厚みが厚くなるため耐電力性及び機械的強度を高くすることができる。
本発明に係る2層構造の薄膜共振子では、第１圧電体層と第２圧電体層のうちの一方には、該層に対する法線とc軸が成す角である傾斜角が、縦波に関する圧電定数e33がゼロになる臨界傾斜角よりも大きく且つ90°未満であるウルツ鉱圧電体薄膜を用い、他方には前記臨界傾斜角よりも小さい傾斜角を有するウルツ鉱圧電体薄膜を用いることができる。
本発明に係るウルツ鉱圧電体薄膜は、以下の方法又は／及び装置により好適に作製することができる。本発明に係る薄膜製造方法は、ウルツ鉱型の結晶構造を有する材料を基板の表面に堆積させつつ、該基板の表面に対して10°を超え40°以下の角度で入射するようにイオンビームを照射することを特徴とする。
また、本発明に係る薄膜製造装置は、
a) 薄膜を形成する基板を取り付ける基板台と、
b) 前記基板台に取り付けられた前記基板の表面にウルツ鉱型の結晶構造を有する材料を堆積させるように、該表面に該材料を供給する材料供給手段と、
c) 前記基板台に取り付けられた前記基板の表面に対して10°を超え40°以下の角度で入射するようにイオンビームを照射するイオンビーム照射手段と
を備えることを特徴とする。
a) 薄膜を形成する基板を取り付ける基板台と、
b) 前記基板台に取り付けられた前記基板の表面にウルツ鉱型の結晶構造を有する材料を堆積させるように、該表面に該材料を供給する材料供給手段と、
c) 前記基板台に取り付けられた前記基板の表面に対して10°を超え40°以下の角度で入射するようにイオンビームを照射するイオンビーム照射手段と
を備えることを特徴とする。
以下では、基板表面とイオンビームが成す角度を「入射角」と呼ぶ。
特許文献３に記載のように、入射角が10°以下の場合には、ウルツ鉱型結晶は平行配向する。また、入射角が40°を超えると、ウルツ鉱型結晶は優先配向しないか、又は結晶化しない。それに対して、本発明に係る薄膜製造方法及び装置によれば、入射角を、10°を超え且つ40°以下とすることにより、c軸の傾斜角がおおむね60°以上（基板に対するc軸の角度はおおむね30°以下）となるウルツ鉱圧電体薄膜が得られる。以下、このような傾斜角での配向を「平行寄り傾斜配向」と呼ぶ。
なお、本発明の製造方法及び装置では、イオンビームのエネルギーが所定の境界値以下になると、c軸が垂直配向したウルツ鉱圧電体薄膜が得られる。但し、従来の垂直配向のウルツ鉱圧電体薄膜ではa軸及びb軸が配向しない（ランダムな方向を向く）のに対して、このウルツ鉱圧電体薄膜は、六方晶の単位格子における六角形のC面が稠密に並ぶようにa軸及びb軸が配向し、それにより従来の垂直配向型のウルツ鉱圧電体薄膜よりも電気抵抗率が低い等、電気的特性が高いという特長を有する。イオンビームエネルギーの上記境界値は、簡単な予備実験を行うことにより求めることができる。
本発明により、垂直配向のウルツ鉱型結晶薄膜とは逆位相の縦波振動が生じるという、従来にない特性を有するウルツ鉱圧電体薄膜及びそれを用いた薄膜共振子が得られる。
また、本発明に係る2層構造の薄膜共振子により、２次モードの縦波振動を得ることができ、それにより、周波数を高くするか、又は耐電力性及び機械的強度を高くすることができる。
図３〜図１４を用いて、本発明に係るウルツ鉱型結晶薄膜、薄膜製造方法及び装置、並びに薄膜共振子の実施例を説明する。
(1) 薄膜製造装置の一実施例
まず、図３を用いて、本発明に係る薄膜製造装置の一実施例を説明する。本実施例の薄膜製造装置１０は、基板Ｓを取り付けるための基板台１１と、基板台１１に取り付けられた基板Ｓの表面にウルツ鉱型の結晶構造を有する材料Ｍを堆積させるように材料Ｍを供給するための材料供給部１２と、基板台１１に取り付けられた基板Ｓの表面に対して10°＜α≦40°の範囲内の角度αで入射するようにイオンビームＩＢを照射するイオンビーム照射手段１３とを備える。これら基板台１１、材料供給部１２及びイオンビーム照射手段１３は図示せぬ容器内に収容されている。基板台１１には、基板Ｓを冷却するための水冷式の冷却装置１１１が設けられている。
まず、図３を用いて、本発明に係る薄膜製造装置の一実施例を説明する。本実施例の薄膜製造装置１０は、基板Ｓを取り付けるための基板台１１と、基板台１１に取り付けられた基板Ｓの表面にウルツ鉱型の結晶構造を有する材料Ｍを堆積させるように材料Ｍを供給するための材料供給部１２と、基板台１１に取り付けられた基板Ｓの表面に対して10°＜α≦40°の範囲内の角度αで入射するようにイオンビームＩＢを照射するイオンビーム照射手段１３とを備える。これら基板台１１、材料供給部１２及びイオンビーム照射手段１３は図示せぬ容器内に収容されている。基板台１１には、基板Ｓを冷却するための水冷式の冷却装置１１１が設けられている。
材料供給部１２には、本実施例では、基板台１１に対向して配置した、通常のマグネトロンスパッタ装置を用いた。マグネトロンスパッタ装置では、材料Ｍから成るターゲットＴの近傍に高周波電界及び静磁界を形成し、そこにプラズマ生成ガス（例えばアルゴンガス）を導入する。これにより、プラズマ生成ガスの原子又は分子が電離して陽イオンが生成され、その陽イオンが高周波電界及び静磁界から力を受けてターゲットＴに衝突することにより、ターゲットＴがスパッタされる。こうしてスパッタされた材料Ｍが、基板台１１に取り付けられた基板Ｓの表面に供給される。
イオンビーム照射手段１３が照射するイオンビームＩＢは、材料ＭがZnOの場合には酸素イオンビームを、AlNの場合には窒素イオンビームを、それぞれ好適に用いることができる。また、それらの他に、比較的安価であるアルゴンから生成されるイオンビームや複数種類のイオンが混合されたイオンビームを用いてもよい。
なお、材料供給部１２には、上記のマグネトロンスパッタ装置以外にも、例えば、材料Ｍから成るターゲットＴに対して、イオンビーム照射手段１３とは別の（第２の）イオンビーム照射手段からイオンビームを照射することによりターゲットＴをスパッタするイオンビームスパッタ装置を用いることができる。また、材料Ｍを蒸発（あるいは昇華）させる蒸発源を用いることもできる。
(2) 薄膜製造方法の一実施例
本実施例の薄膜製造装置１０を用いた、本発明に係る薄膜製造方法の一実施例を説明する。ここではAlNから成る平行寄り傾斜配向薄膜を製造する場合を例として説明するが、AlN以外のウルツ鉱型の結晶構造を有する材料（ZnO等）から成る平行寄り傾斜配向薄膜も同様に作製することができる。
本実施例の薄膜製造装置１０を用いた、本発明に係る薄膜製造方法の一実施例を説明する。ここではAlNから成る平行寄り傾斜配向薄膜を製造する場合を例として説明するが、AlN以外のウルツ鉱型の結晶構造を有する材料（ZnO等）から成る平行寄り傾斜配向薄膜も同様に作製することができる。
まず、基板Ｓを基板台１１に取り付ける。基板Ｓには、例えば石英ガラス製の板や、石英ガラス板の表面にAlを成膜したものを用いることができる。ここでAlの膜は、本実施例で作製される薄膜を薄膜共振子等のデバイスに用いる際に、そのデバイスの電極として用いることができる。
次に、材料供給部１２のマグネトロンスパッタ装置に、Alから成るターゲットＴを取り付ける。続いて、上記容器内を真空にした後、窒素ガス又は窒素とアルゴンの混合ガスを該容器内に導入する。そして、冷却装置１１１に冷却水を流すことによって基板Ｓを冷却しつつ、上述のように材料供給部１２を動作させることにより、スパッタされたAlと容器内の窒素を反応させ、それにより生成されるAlNを基板Ｓの表面に供給して堆積させる。それと共に、その堆積の間中、イオンビーム照射手段１３から基板Ｓの表面に対して角度αで窒素イオンから成るイオンビームＩＢを照射する。これにより、基板Ｓ上に、平行寄り傾斜配向のAlN薄膜が得られる。こうして得られたAlN薄膜は、本発明に係るウルツ鉱圧電体薄膜の実施例に該当する。
(3) 本実施例の薄膜製造方法及び装置で得られた、本発明に係るウルツ鉱圧電体薄膜の実施例の評価実験
図４〜図１０を用いて、本実施例の薄膜製造方法及び装置により作製した4種類のAlN薄膜（AlN薄膜I〜III）の評価実験を行った結果を説明する。各AlN薄膜の作製条件は、照射したイオンビームの入射角α、イオンビームのエネルギー（加速電圧）、容器内に導入されるガス、及び成膜した膜の厚さの点で以下のように相違している。
・AlN薄膜I
α：20°、加速電圧：3000eV、ガス：窒素ガス、膜厚：3.4μm
・AlN薄膜II
α：20°、加速電圧：3000eV、ガス：窒素ガス、膜厚：1.3μm
・AlN薄膜III
α：40°、加速電圧：3000eV、ガス：窒素ガス1対アルゴンガス2（圧力比）、膜厚：（未測定）
・AlN薄膜IV
α：20°、イオンビームの加速電圧：300eV、膜厚：0.75μm
図４〜図１０を用いて、本実施例の薄膜製造方法及び装置により作製した4種類のAlN薄膜（AlN薄膜I〜III）の評価実験を行った結果を説明する。各AlN薄膜の作製条件は、照射したイオンビームの入射角α、イオンビームのエネルギー（加速電圧）、容器内に導入されるガス、及び成膜した膜の厚さの点で以下のように相違している。
・AlN薄膜I
α：20°、加速電圧：3000eV、ガス：窒素ガス、膜厚：3.4μm
・AlN薄膜II
α：20°、加速電圧：3000eV、ガス：窒素ガス、膜厚：1.3μm
・AlN薄膜III
α：40°、加速電圧：3000eV、ガス：窒素ガス1対アルゴンガス2（圧力比）、膜厚：（未測定）
・AlN薄膜IV
α：20°、イオンビームの加速電圧：300eV、膜厚：0.75μm
(3-1) AlN薄膜Iの評価
図４は、AlN薄膜Iについて極点X線回折により(0002)面でのブラッグ反射を検出する実験を行った結果を示す極点図である。この実験では、(0002)面でのブラッグ反射が生じればX線が検出されるようにAlN薄膜に対するX線ビーム及び検出器の位置を設定し、AlN薄膜を回転させることにより薄膜の仰角ψ及び方位角φを変化させながら、検出器で検出されるX線の強度を測定した。その結果、φ＝270°付近においてX線検出強度のピーク（極２１）が検出された。また、φ＝270°の所を取り出したX線検出強度のグラフ（図５）から、ピークの位置におけるψの値は76°であることがわかる。これらの結果から、AlN薄膜Iではc軸の傾斜角は76°（基板に対する角度は14°）であることがわかった。
図４は、AlN薄膜Iについて極点X線回折により(0002)面でのブラッグ反射を検出する実験を行った結果を示す極点図である。この実験では、(0002)面でのブラッグ反射が生じればX線が検出されるようにAlN薄膜に対するX線ビーム及び検出器の位置を設定し、AlN薄膜を回転させることにより薄膜の仰角ψ及び方位角φを変化させながら、検出器で検出されるX線の強度を測定した。その結果、φ＝270°付近においてX線検出強度のピーク（極２１）が検出された。また、φ＝270°の所を取り出したX線検出強度のグラフ（図５）から、ピークの位置におけるψの値は76°であることがわかる。これらの結果から、AlN薄膜Iではc軸の傾斜角は76°（基板に対する角度は14°）であることがわかった。
また、AlN薄膜Iに対してネットワークアナライザを用いてインパルス応答を測定した。このインパルス応答測定は、試料に対して電気信号を1パルスのみ入力した時の、試料からの出力信号を測定したものと等価である。測定結果を図６に示す。縦波及び横波にそれぞれ対応した周期的な応答が観測された。この応答はAlN薄膜から励振された縦波と横波が膜表面と基板裏面の間を多重反射したことにより得られたものである。
(3-2) AlN薄膜IIの評価
AlN薄膜Iと同様に、AlN薄膜IIに対して(0002)面での極点図測定を行ったところ、図７に示すように、ψ=83°のところに極２１Ａが観測された。従って、AlN薄膜IIではc軸の傾斜角は83°（基板に対する角度は7°）であるといえる。このように、AlN薄膜IIよりもAlN薄膜Iの方が基板に対するc軸の角度が大きく（傾斜角が小さく）なった。これは、膜厚を厚くするほど、基板に対するc軸の角度がイオンビームの入射角に近づくためであると推察される。
AlN薄膜Iと同様に、AlN薄膜IIに対して(0002)面での極点図測定を行ったところ、図７に示すように、ψ=83°のところに極２１Ａが観測された。従って、AlN薄膜IIではc軸の傾斜角は83°（基板に対する角度は7°）であるといえる。このように、AlN薄膜IIよりもAlN薄膜Iの方が基板に対するc軸の角度が大きく（傾斜角が小さく）なった。これは、膜厚を厚くするほど、基板に対するc軸の角度がイオンビームの入射角に近づくためであると推察される。
(3-3) AlN薄膜IIIの評価
AlN薄膜I及びIIと同様に、AlN薄膜IIIに対して(0002)面での極点図測定を行ったところ、図８の極点図及び図５のφ＝270°におけるX線強度分布の図に示すように、ψ=67°のところに極２１Ｂが観測された。即ち、AlN薄膜IIIではc軸の傾斜角は67°（基板に対する角度は23°）である。AlN薄膜IIIではAlN薄膜I及びIIよりもイオンビームの入射角が大きいため、それに伴って基板に対するc軸の角度が大きく（傾斜角が小さく）なったといえる。
AlN薄膜I及びIIと同様に、AlN薄膜IIIに対して(0002)面での極点図測定を行ったところ、図８の極点図及び図５のφ＝270°におけるX線強度分布の図に示すように、ψ=67°のところに極２１Ｂが観測された。即ち、AlN薄膜IIIではc軸の傾斜角は67°（基板に対する角度は23°）である。AlN薄膜IIIではAlN薄膜I及びIIよりもイオンビームの入射角が大きいため、それに伴って基板に対するc軸の角度が大きく（傾斜角が小さく）なったといえる。
(3-4) AlN薄膜IVの評価
AlN薄膜IVに関しては、(10-10)面での極点図を測定した。その結果、図９に示すように、ψ=62°の所において6つの極２３Ａ〜２３Ｆが観測された。(10-10)面と(0001)面との成す角が約28°であることから、このようにψ=62°に極が見られることは、(0001)面が薄膜に対して平行、即ちc軸が薄膜に対して垂直になっていることを示している。また、ψ=62°の所を取り出したX線検出強度のグラフ（図１０）から、これら6つの極はφが60°変化する毎に現れることがわかる。このことは、a軸及びb軸が配向していることを示している。
AlN薄膜IVに関しては、(10-10)面での極点図を測定した。その結果、図９に示すように、ψ=62°の所において6つの極２３Ａ〜２３Ｆが観測された。(10-10)面と(0001)面との成す角が約28°であることから、このようにψ=62°に極が見られることは、(0001)面が薄膜に対して平行、即ちc軸が薄膜に対して垂直になっていることを示している。また、ψ=62°の所を取り出したX線検出強度のグラフ（図１０）から、これら6つの極はφが60°変化する毎に現れることがわかる。このことは、a軸及びb軸が配向していることを示している。
このように、AlN薄膜IVではAlN薄膜I〜IIIとは異なり、c軸が垂直配向し、さらにa軸及びb軸が配向している。これは、AlN薄膜IVを作製する際のイオンビームのエネルギー（加速電圧）がAlN薄膜I〜IIIの作製時（3000eV）よりも弱い500eVであったことによる。
(4) 薄膜共振子（1層構造）の一実施例
図１１及び図１２を用いて、本発明に係る薄膜共振子の一実施例を説明する。本実施例の薄膜共振子３０は、図１１に示すように、本発明に係るウルツ鉱圧電体薄膜から成る圧電体層３１を上部電極３３と下部電極３４の間に設けたものである。圧電体層３１の分極ベクトルPはc軸と同じ傾きを有し、その方向は（斜め）上向きである。この薄膜共振子３０の動作を、従来の垂直配向型ウルツ鉱圧電体薄膜３１Ａ（分極ベクトルPは上向き）を上部電極３３Ａと下部電極３４Ａの間に設けた薄膜共振子３０Ａの動作と比較しつつ、図１２を用いて説明する。図１２(a-1)及び(b-1)は、上部電極と下部電極の間に交流電圧を印加した場合において、下部電極側よりも上部電極側の方が高電位となっている状態を示している。従来の薄膜共振子３０Ａでは圧電体層３１の上下を引っ張る方向に力が加わる(b-1)のに対して、本実施例の薄膜共振子３０では圧電体層３１の上下を圧縮する方向に力が加わる(a-1)。一方、下部電極側よりも上部電極側の方が低電位となっている場合には、従来の薄膜共振子３０Ａでは圧電体層３１の上下を圧縮する方向に力が加わる(b-2)のに対して、本実施例の薄膜共振子３０では圧電体層３１の上下を引っ張る方向に力が加わる(a-2)。このように、本実施例の薄膜共振子３０では従来の薄膜共振子３０Ａとは逆方向に振動する。
図１１及び図１２を用いて、本発明に係る薄膜共振子の一実施例を説明する。本実施例の薄膜共振子３０は、図１１に示すように、本発明に係るウルツ鉱圧電体薄膜から成る圧電体層３１を上部電極３３と下部電極３４の間に設けたものである。圧電体層３１の分極ベクトルPはc軸と同じ傾きを有し、その方向は（斜め）上向きである。この薄膜共振子３０の動作を、従来の垂直配向型ウルツ鉱圧電体薄膜３１Ａ（分極ベクトルPは上向き）を上部電極３３Ａと下部電極３４Ａの間に設けた薄膜共振子３０Ａの動作と比較しつつ、図１２を用いて説明する。図１２(a-1)及び(b-1)は、上部電極と下部電極の間に交流電圧を印加した場合において、下部電極側よりも上部電極側の方が高電位となっている状態を示している。従来の薄膜共振子３０Ａでは圧電体層３１の上下を引っ張る方向に力が加わる(b-1)のに対して、本実施例の薄膜共振子３０では圧電体層３１の上下を圧縮する方向に力が加わる(a-1)。一方、下部電極側よりも上部電極側の方が低電位となっている場合には、従来の薄膜共振子３０Ａでは圧電体層３１の上下を圧縮する方向に力が加わる(b-2)のに対して、本実施例の薄膜共振子３０では圧電体層３１の上下を引っ張る方向に力が加わる(a-2)。このように、本実施例の薄膜共振子３０では従来の薄膜共振子３０Ａとは逆方向に振動する。
(5) 2層構造の薄膜共振子の一実施例
図１３及び図１４を用いて、本発明に係る2層構造の薄膜共振子の一実施例を説明する。本実施例の2層構造の薄膜共振子４０は、図１３に示すように、第１圧電体層４１と第２圧電体層４２を重ねて、上部電極４３と下部電極４４の間に設けたものである。第１圧電体層４１と第２圧電体層４２は共にウルツ鉱圧電体薄膜から成る。以下ではAlN薄膜を例に説明する。一方、第１圧電体層４１と第２圧電体層４２は、分極ベクトルの方向、即ちc軸の方向が相違する。第１圧電体層４１は、c軸の傾斜角θ1が0°よりわずかに大きい値を有するという、本発明のウルツ鉱圧電体薄膜とは異なる傾斜角を有するものを用いる。なお、このような第１圧電体層４１は、例えば特開2008-182515号に記載の方法により作製することができる。この傾斜角θ1では、縦波に関する圧電定数e33は正であり、横波に関する圧電定数e15は負である（図２参照）。それに対して第２圧電体層４２では本発明に係るウルツ鉱圧電体薄膜であり、傾斜角θ2が72°以上90°未満のもの（例えばθ2が76°であるAlN薄膜I）を用いる。この傾斜角では、縦波に関する圧電定数e33は負であり、横波に関する圧電定数e15は正である（図２）。また、第１圧電体層４１及び第２圧電体層４２に平行な面への分極ベクトルの射影、及びその面に対する法線への分極ベクトルの射影が共に、第１圧電体層４１と第２圧電体層４２では同方向である。
図１３及び図１４を用いて、本発明に係る2層構造の薄膜共振子の一実施例を説明する。本実施例の2層構造の薄膜共振子４０は、図１３に示すように、第１圧電体層４１と第２圧電体層４２を重ねて、上部電極４３と下部電極４４の間に設けたものである。第１圧電体層４１と第２圧電体層４２は共にウルツ鉱圧電体薄膜から成る。以下ではAlN薄膜を例に説明する。一方、第１圧電体層４１と第２圧電体層４２は、分極ベクトルの方向、即ちc軸の方向が相違する。第１圧電体層４１は、c軸の傾斜角θ1が0°よりわずかに大きい値を有するという、本発明のウルツ鉱圧電体薄膜とは異なる傾斜角を有するものを用いる。なお、このような第１圧電体層４１は、例えば特開2008-182515号に記載の方法により作製することができる。この傾斜角θ1では、縦波に関する圧電定数e33は正であり、横波に関する圧電定数e15は負である（図２参照）。それに対して第２圧電体層４２では本発明に係るウルツ鉱圧電体薄膜であり、傾斜角θ2が72°以上90°未満のもの（例えばθ2が76°であるAlN薄膜I）を用いる。この傾斜角では、縦波に関する圧電定数e33は負であり、横波に関する圧電定数e15は正である（図２）。また、第１圧電体層４１及び第２圧電体層４２に平行な面への分極ベクトルの射影、及びその面に対する法線への分極ベクトルの射影が共に、第１圧電体層４１と第２圧電体層４２では同方向である。
図１４を用いて、上部電極４３と下部電極４４の間に交流電圧を印加したときの薄膜共振子４０の挙動を説明する。第１圧電体層４１と第２圧電体層４２の縦波に関する圧電定数e33の正負が逆であるため、縦方向の圧縮・伸張の振動は第１圧電体層４１と第２圧電体層４２では逆方向になる（図１４(a)）。その結果、縦波の振動は、上部電極４３と下部電極４４付近では同位相となり、第１圧電体層４１と第２圧電体層４２の境界では逆位相となるため、第１圧電体層４１の厚みと第２圧電体層４２の厚みの合計値と同じ波長の縦波が発生する。従って、この合計値と同じ厚みを有する1層構造の薄膜共振子と比較すると、周波数を2倍にすることができる。一方、この薄膜共振子４０と同じ共振周波数を有する1層構造の薄膜共振子と比較すると、厚みの合計値を2倍にすることができ、それにより耐電力性及び機械的強度を高めることができる。
また、横波に関しても、第１圧電体層４１と第２圧電体層４２では圧電定数e15の正負が逆であるため、前記合計値と同じ厚みを有する1層構造の薄膜共振子と比較すると、周波数を2倍にすることができ、同じ共振周波数を有する1層構造の薄膜共振子と比較すると厚みの合計値を2倍にすることができる（図１４(b)）。
１０…薄膜製造装置
１１…基板台
１１１…冷却装置
１２…材料供給部
１３…イオンビーム照射手段
２１、２２、２３Ａ〜２３Ｆ…極
３０、３０Ａ、４０…薄膜共振子
３１…圧電体層
３３、３３Ａ、４３…上部電極
３４、３４Ａ、４４…下部電極
４１…第１圧電体層
４２…第２圧電体層
ＩＢ…イオンビーム
Ｍ…材料
Ｓ…基板
Ｔ…ターゲット
１１…基板台
１１１…冷却装置
１２…材料供給部
１３…イオンビーム照射手段
２１、２２、２３Ａ〜２３Ｆ…極
３０、３０Ａ、４０…薄膜共振子
３１…圧電体層
３３、３３Ａ、４３…上部電極
３４、３４Ａ、４４…下部電極
４１…第１圧電体層
４２…第２圧電体層
ＩＢ…イオンビーム
Ｍ…材料
Ｓ…基板
Ｔ…ターゲット
Claims (7)
- ウルツ鉱型の結晶構造を有する材料から成る薄膜であって、該薄膜に対する法線とc軸が成す角である傾斜角が、縦波に関する圧電定数e33がゼロになる臨界傾斜角よりも大きく、且つ90°未満であることを特徴とするウルツ鉱圧電体薄膜。
- エピタキシャル成長法以外の方法により作製されたものであることを特徴とする請求項１に記載のウルツ鉱圧電体薄膜。
- 請求項１又は２に記載のウルツ鉱圧電体薄膜の両面に電極を設けたものであることを特徴とする薄膜共振子。
- 第１の圧電体層と第２の圧電体層を重ねて上下電極の間に設けたものであって、
a) 前記第１圧電体層の分極ベクトルである第１分極ベクトル及び前記第２圧電体層の分極ベクトルである第２分極ベクトルが該第１圧電体層及び該第２圧電体層に平行な面の法線に対して傾斜するように配向しており、
b) 前記第１分極ベクトルの前記面への射影が前記第２分極ベクトルの前記面への射影と逆方向であって且つ横波に関する圧電定数の正負が前記第１圧電体層と前記第２圧電体層で同じであるか、又は前記第１分極ベクトルの前記面への射影が前記第２分極ベクトルの前記面への射影と同方向であって且つ横波に関する圧電定数の正負が前記第１圧電体層と前記第２圧電体層で逆であり、
c) 前記第１分極ベクトルの前記法線への射影が前記第２分極ベクトルの前記法線への射影と同方向であり且つ縦波に関する圧電定数の正負が前記第１圧電体層と前記第２圧電体層で逆である
ことを特徴とする薄膜共振子。 - 第１圧電体層と第２圧電体層のうちの一方が、該層に対する法線とc軸が成す角である傾斜角が、縦波に関する圧電定数e33がゼロになる臨界傾斜角よりも大きく且つ90°未満であるウルツ鉱圧電体薄膜であり、他方が、前記臨界傾斜角よりも小さい傾斜角を有するウルツ鉱圧電体薄膜であることを特徴とする請求項４に記載の薄膜共振子。
- ウルツ鉱型の結晶構造を有する材料を基板の表面に堆積させつつ、該基板の表面に対して10°を超え40°以下の角度で入射するようにイオンビームを照射することを特徴とする薄膜製造方法。
- a) 薄膜を形成する基板を取り付ける基板台と、
b) 前記基板台に取り付けられた前記基板の表面にウルツ鉱型の結晶構造を有する材料を堆積させるように、該表面に該材料を供給する材料供給手段と、
c) 前記基板台に取り付けられた前記基板の表面に対して10°を超え40°以下の角度で入射するようにイオンビームを照射するイオンビーム照射手段と
を備えることを特徴とする薄膜製造装置。
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