JP2016058960A

JP2016058960A - 弾性表面波素子

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Publication number: JP2016058960A
Application number: JP2014185367A
Authority: JP
Inventors: 山本　康雄; Yasuo Yamamoto; 康雄山本; 明彦勅使河原; Akihiko Teshigawara; 一彦加納; Kazuhiko Kano; 加納　　一彦
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2014-09-11
Filing date: 2014-09-11
Publication date: 2016-04-21

Abstract

【課題】圧電材料が高温となった場合でも特性が劣化し難い弾性表面波素子を提供する。
【解決手段】弾性表面波素子１において、基材２の一面２１ａに、窒化シリコンを主成分とする保護膜３が備えられている。この弾性表面波素子１では、圧電材料２１が窒化シリコンを主成分とする保護膜３によって覆われることで、圧電材料２１（スカンジウム含有窒化アルミニウム）が高温となることで変質してしまうということが抑制される。これにより、圧電材料２１（スカンジウム含有窒化アルミニウム）が変質することによる弾性表面波素子１の特性の劣化が抑制される。
【選択図】図１

Description

本発明は、スカンジウム含有窒化アルミニウムを主成分とする圧電材料を有する弾性表面波素子に関する。

従来、圧電材料（圧電効果を発揮する材料）で構成された弾性体、および、ＩＤＴ（Inter digital Transducer)電極（以下、櫛歯電極という）を備える弾性表面波素子が知られている。このような弾性表面波素子では、弾性体の圧電効果によって、弾性体の表面付近に沿って伝わる波を発生させると共に、櫛歯電極に電圧を発生させる。このような弾性表面波素子は、発生させる波の変化や電圧の変化などが利用され、周波数フィルタ、発振器、物理量等を検出するセンサなどに用いられている。

この種の弾性表面波素子としては、特許文献１に記載の弾性表面波素子が提案されている。この弾性表面波素子は、圧電材料（ＫＮｂＯ_３：ニオブ酸カリウム）で構成された圧電膜を備えた基板と、基板のうち圧電膜とは反対側の面に備えられた櫛歯電極とを有する構成とされている。

特許４０５８９７０号公報

一般に、圧電材料は、強誘電体であることで圧電効果を発揮するが、キュリー点を越える高温となった場合、強誘電体から常誘電体に変化してしまって圧電効果が劣化していく。そして、圧電材料の圧電効果が劣化すると、同じ条件で弾性表面波素子を使用したにも関わらず、圧電効果によって発生させられる波や電圧の大きさが変化してしまい、弾性表面波素子の性能（信頼性）が損なわれることとなる。特に、特許文献１に記載の弾性表面波素子のように、圧電材料としてＫＮｂＯ_３が用いられる場合には、圧電材料の圧電効果が劣化し易い。

ここで、高温となってもＫＮｂＯ_３に比べて圧電効果が劣化し難い圧電材料として、ＳｃＡｌＮ（スカンジウム含有窒化アルミニウム）がある。弾性表面波素子に備えられる圧電材料としてＳｃＡｌＮを用いた場合には、ＫＮｂＯ_３等を用いる場合に比べて、圧電材料が高温（例えば、１００〜４００℃）となった場合でも圧電効果が劣化し難くなる。しかしながら、弾性表面波素子を構成する材料が高温となっている時間が長くなればなるほど、材料特性が変化したり構成する材料間で相互拡散することにより素子特性は劣化していく。このため、弾性表面波素子が高温（例えば、４００℃）となって所定時間内（例えば、１０時間内）はある一定レベルの劣化で済むものの、より長時間高温となった場合には、素子特性がさらに大きく劣化していまい、弾性表面波素子の性能（信頼性）を確保できなくなる。

本発明は上記点に鑑みて、ＳｃＡｌＮを主成分とする圧電材料を有する弾性表面波素子において、圧電材料が高温となった場合でも圧電材料の圧電効果が劣化し難い構成を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明では、弾性表面波素子において、一面（２１ａ）を有し、少なくとも一面がスカンジウム含有窒化アルミニウムを主成分とする圧電材料（２１）によって構成された基材（２）と、窒化シリコンを主成分とし、一面を覆って形成された、圧電材料を保護する保護膜（３）と、基材の一面上に備えられた櫛歯電極（４）とを有することを特徴とする。

このため、圧電材料が窒化シリコンを主成分とする保護膜によって覆われることで、圧電材料（スカンジウム含有窒化アルミニウム）が高温の雰囲気にさらされることで表面が変質してしまうということが抑制される。これにより、圧電材料（スカンジウム含有窒化アルミニウム）が変質することによる圧電材料の圧電効果の劣化が抑制される。

なお、この欄および特許請求の範囲で記載した各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものである。

本発明の第１実施形態に係る弾性表面波素子１の断面構成を示す図である。弾性表面波素子１が常温の雰囲気に置かれた場合における利得［ｄＢ］の弾性波の波長に対する保護膜３の膜厚による変化量を示す図である。弾性表面波素子１が４００℃の雰囲気に置かれた場合の弾性波の利得の変化［ｄＢ］の経時変化を示す図である。本発明の第２実施形態に係る弾性表面波素子１の断面構成を示す図である。本発明の他の実施形態に係る弾性表面波素子１の断面構成を示す図である。本発明の別の他の実施形態に係る弾性表面波素子１の断面構成を示す図である。第１実施形態に係る弾性表面波素子１を周波数フィルタＦ１に用いた例を示す図である。

以下、本発明の実施形態について図に基づいて説明する。なお、以下の各実施形態相互において、互いに同一もしくは均等である部分には、同一符号を付して説明を行う。

（第１実施形態）
本発明の第１実施形態に係る弾性表面波素子１について図１〜図３を参照して説明する。図１に示すように、本実施形態に係る弾性表面波素子１は、スカンジウム含有窒化アルミニウムを主成分とする圧電材料２１を含む構成された基材２と、窒化シリコンを主成分とする保護膜３と、櫛歯電極４とを有する構成とされている。弾性表面波素子１は、櫛歯電極４に電圧を印加すると、圧電材料２１の圧電効果によって、圧電材料２１の表面（後述する一面２１ａ。図１の符号２１ａを参照）付近に沿って伝わる波を発生させる。この弾性表面波素子１は、例えば、周波数フィルタ、発振器、物理量等を検出するセンサ等に用いられる。

図１に示すように、基材２は、Ｓｉ（シリコン）などで構成された基板２２と、基板２２の表面２２ａに備えられた圧電材料２１で構成された層（以下、単に圧電材料２１という）とを有する構成とされている。

圧電材料２１は、上記したように、スカンジウム含有窒化アルミニウムを主成分とする構成とされている。ここでいう「主成分」とは、圧電材料２１を構成する成分のうち最も量（重量％）が多い成分の意である。よって、圧電材料２１を構成する成分が複数ある場合においても、これら複数の成分のうちでスカンジウム含有窒化アルミニウムの量が最も多ければ、ここでいう「スカンジウム含有窒化アルミニウムを主成分とする構成」に該当する。なお、ここでは、圧電材料２１は、基本的に、スカンジウム含有窒化アルミニウムのみによって構成されている。

図１に示すように、圧電材料２１は、厚さ方向（図１中の矢印ＴＤを参照）の一端に位置する一面２１ａを有する。このように、本実施形態に係る弾性表面波素子１では、少なくとも一面２１ａがスカンジウム含有窒化アルミニウムを主成分とする圧電材料２１によって、基材２が構成されている。そして、本実施形態に係る弾性表面波素子１では、圧電材料２１としてＳｃＡｌＮを用いるため、ＫＮｂＯ_３等を用いる場合に比べて、圧電材料２１が高温（例えば、１００〜４００℃）となった場合でも圧電効果が劣化し難くなる。

図１に示すように、保護膜３は、圧電材料２１を保護する膜であり、基材２（圧電材料２１）の一面２１ａを覆って形成されている。保護膜３は、上記したように、窒化シリコンを主成分とする構成とされている。ここでいう「主成分」についても、圧電材料２１の場合と同様、保護膜３を構成する成分のうち最も量（重量％）が多い成分の意である。よって、保護膜３を構成する成分が複数ある場合においても、これら複数の成分のうちで窒化シリコンの量が最も多ければ、ここでいう「窒化シリコンを主成分とする構成」に該当する。ここでは、保護膜３は、基本的に、窒化シリコンのみによって構成されている。

図１に示すように、櫛歯電極４は、基材２の一面２１ａ上に備えられ、基材２（圧電材料２１）に弾性表面波を励振させる電極であり、例えば、Ａｕ（金）やＡｌ（アルミニウム）などによって構成される。ここでは、櫛歯電極４は、Ａｕで構成されている。

図１に示すように、本実施形態に係る弾性表面波素子１では、櫛歯電極４が、保護膜３のうち基材２とは反対側の面３ａに備えられている。すなわち、本実施形態に係る弾性表面波素子１では、窒化シリコンを主成分とする保護膜３が、基材２（圧電材料２１）と櫛歯電極４の間に配置されている。なお、具体的には、Ａｕで構成された櫛歯電極４は、Ｃｒ（クロム）を介して保護膜３の面３ａ上に備えられている。これは、Ａｕと圧電材料２１（スカンジウム含有窒化アルミニウム）との接着性が悪いため、両者の接着性を考慮して、Ａｕや圧電材料２１（スカンジウム含有窒化アルミニウム）との接着性に優れるＣｒをＡｕと圧電材料の間に介在させたものである。

上記したように、本実施形態に係る弾性表面波素子１では、圧電材料２１の一面２１ａに、窒化シリコンを主成分とする保護膜３が備えられている。

このため、本実施形態に係る弾性表面波素子１では、圧電材料２１が窒化シリコンを主成分とする保護膜３によって覆われることで、高温の雰囲気にさらされたときの圧電材料２１（スカンジウム含有窒化アルミニウム）の表面の変質が抑制される。これにより、本実施形態に係る弾性表面波素子１では、圧電材料２１（スカンジウム含有窒化アルミニウム）が変質することによる弾性表面波素子１の特性の劣化が抑制される。これに対して、弾性表面波素子１において、保護膜３が備えられない場合には、例えば圧電材料２１の一面２１ａに水分や酸素などが付着して一面２１ａが酸化等してしまうことにより、圧電材料２１の一面２１ａが変質し易く、弾性表面波素子１の特性が劣化し易い。

また、上記したように、本実施形態に係る弾性表面波素子１では、櫛歯電極４が、保護膜３のうち基材２とは反対側の面３ａに備えられている。すなわち、本実施形態に係る弾性表面波素子１では、窒化シリコンを主成分とする保護膜３が、基材２（圧電材料２１）と櫛歯電極４の間に配置されている。

このため、本実施形態では、基材２（圧電材料２１）と櫛歯電極４の間において、窒化シリコンを主成分とする緻密性の高い保護膜３が配置されている。これにより、高温時に圧電材料２１中の物質（原子など）と櫛歯電極４中の物質（原子など）が相互に拡散しようとした場合、その拡散する物質は、この保護膜３によって拡散を妨げられる。こうして、本実施形態では、上記のように保護膜３が配置されていることで、高温時に圧電材料２１中の物質（原子など）と櫛歯電極４中の物質（原子など）が相互に拡散することが抑制される。

ここで、本発明者が行った実験によると、保護膜３の挿入による利得の低下を抑制するためには、保護膜３の膜厚（図１中の厚さ方向ＤＴにおける長さ）を、弾性表面波素子１にて発生させる弾性波の波長に対応して十分に薄くする必要がある。

具体的には、保護膜３の膜厚と弾性波の波長が、以下の数式に示す条件を満たす必要がある。この条件の根拠となる実験結果を図２に示してある。図２は、弾性表面波素子１（圧電材料２１）が常温（例えば、４０℃）の雰囲気に置かれた場合における利得［ｄＢ］の弾性波の波長に対する保護膜３の膜厚による変化量を示すものである。すなわち、図２の横軸は、保護膜３の「膜厚／弾性波の波長」の値を示し、縦軸は、弾性表面波素子１の保護膜３がない場合の利得［ｄＢ］と保護膜３がある場合の利得［ｄＢ］との差を示している。図２に示すように、「保護膜３の膜厚／弾性波の波長」の値が０．１以下の場合には、利得［ｄＢ］に大きな差は生じなかった。すなわち、「保護膜３の膜厚／弾性波の波長」の値が０．１以下の場合には、利得が大きく低下することはなかった。しかしながら、「保護膜３の膜厚／弾性波の波長」の値が０．１より大きい０．１５の場合には、利得［ｄＢ］が大きく低下した。このような結果から、保護膜３の挿入による利得の低下を抑制するためには、保護膜３の膜厚と弾性波の波長が、以下の「数」における数式に示す条件を満たす必要があることが確認された。

図３は、本実施形態に係る弾性表面波素子１において、保護膜３を備える場合と備えない場合のそれぞれについて、弾性表面波素子１（圧電材料２１）が４００℃の雰囲気に置かれた場合の室温における利得［ｄＢ］の経時変化を示すものである。すなわち、図３の横軸は、時間［ｈ］を示し、縦軸は、弾性表面波素子１の４００℃の雰囲気に置かれる前の室温における利得［ｄＢ］と４００℃の雰囲気に置かれた後の室温における利得［ｄＢ］との差を示している。なお、ここでは、「保護膜３の膜厚／弾性波の波長」の値が０．１以下となるように保護膜３の膜厚が設定されている。

図３に示すように、保護膜３を備えない場合には、時間の経過によって利得［ｄＢ］の低下が大きく生じたのに対し、保護膜３を備える場合には、時間の経過によっても利得［ｄＢ］の低下が大きくは生じなかった。この結果から明らかなように、本実施形態に係る弾性表面波素子１では、保護膜３を備えることにより、利得の低下を抑制することできる。

以上で説明したように、本実施形態に係る弾性表面波素子１では、窒化シリコンを主成分とする保護膜３を備えることで、高温時において、表面弾性波素子１の利得低下を抑制することができる。

以上、本実施形態に係る弾性表面波素子１の構成および作用効果について説明した。なお、この弾性表面波素子１は、以下のように製造される。すなわち、まず、Ｓｉなどで構成された基板２２の表面２２ａに、スパッタリング法などによって、スカンジウム含有窒化アルミニウムを主成分とする圧電材料２１の層を形成する。次に、圧電材料２１の層の一面２１ａに、プラズマＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition：化学気相成長）法やスパッタリング法などによって、窒化シリコンを主成分とする保護膜３を形成する。次に、保護膜３のうち基材２とは反対側の面３ａに、蒸着などによってＡｕおよびＣｒの膜を成膜してパターニングすることによって、Ｃｒを介してＡｕで構成された櫛歯電極４を形成する。以上のようにして、本実施形態に係る弾性表面波素子１は完成する。

上記で説明したように、本実施形態に係る弾性表面波素子１では、基材２の一面２１ａに、窒化シリコンを主成分とする保護膜３が備えられている。

このため、本実施形態に係る弾性表面波素子１では、圧電材料２１が窒化シリコンを主成分とする保護膜３によって覆われることで、高温の雰囲気にさらされたときの圧電材料２１（スカンジウム含有窒化アルミニウム）の表面の変質が抑制される。これにより、本実施形態に係る弾性表面波素子１では、圧電材料２１（スカンジウム含有窒化アルミニウム）が変質することによる弾性表面波素子１の特性の劣化が抑制される。

また、本実施形態に係る弾性表面波素子１では、櫛歯電極４が、保護膜３のうち基材２とは反対側の面３ａに備えられている。すなわち、本実施形態に係る弾性表面波素子１では、窒化シリコンを主成分とする保護膜３が、基材２（圧電材料２１）と櫛歯電極４の間に配置されている。

このため、本実施形態では、基材２（圧電材料２１）と櫛歯電極４の間において、窒化シリコンを主成分とする緻密性の高い保護膜３が配置されている。これにより、高温時に圧電材料２１中の物質（原子など）と櫛歯電極４中の物質（原子など）が相互に拡散しようとした場合、これらの物質は、この保護膜３によって拡散を妨げられる。こうして、本実施形態では、上記のように保護膜３が配置されていることで、高温時に圧電材料２１中の物質（原子など）と櫛歯電極４中の物質（原子など）が相互に拡散することが抑制される。

（第２実施形態）
本発明の第２実施形態について図４を参照して説明する。本実施形態は、第１実施形態に対して、保護膜３の配置を変更したものであり、その他に関しては基本的には第１実施形態と同様であるため、ここでは異なる箇所のみを説明する。

第１実施形態に係る弾性表面波素子１は、基材２と、圧電材料２１の一面２１ａ上に備えられた保護膜３と、保護膜３のうち基材２とは反対側の面３ａに備えられた櫛歯電極４とを有する構成とされていた。すなわち、第１実施形態では、圧電材料２１の一面２１ａに保護膜３が備えられ、保護膜３のうち基材２とは反対側の面３ａに櫛歯電極４が備えられていた。

これに対し、図４に示すように、本実施形態に係る弾性表面波素子１では、櫛歯電極４が、保護膜３によって覆われつつ、圧電材料２１の一面２１ａ上に備えられている。すなわち、本実施形態では、櫛歯電極４が、圧電材料２１の一面２１ａに備えられると共に、櫛歯電極４を覆う保護膜３が、圧電材料２１の一面２１ａに備えられている。よって、本実施形態では、第１実施形態のように基材２と櫛歯電極４の間に保護膜３が配置されているわけではないものの、本実施形態においても第１実施形態と同様、圧電材料２１の一面２１ａに保護膜３が備えられている。

このため、本実施形態においても、第１実施形態と同様、圧電材料２１が窒化シリコンを主成分とする保護膜３によって覆われることで、高温の雰囲気にさらされたときの圧電材料２１（スカンジウム含有窒化アルミニウム）の表面の変質が抑制される。これにより、本実施形態に係る弾性表面波素子１においても、圧電材料２１（スカンジウム含有窒化アルミニウム）が変質することによる弾性表面波素子１の特性の劣化が抑制される。

なお、本実施形態に係る弾性表面波素子１は、以下のように製造される。すなわち、まず、Ｓｉなどで構成された基板２２の表面２２ａに、スパッタリング法などによって、スカンジウム含有窒化アルミニウムを主成分とする圧電材料２１の層を形成する。次に、圧電材料２１の層の一面２１ａに、蒸着などによってＡｕおよびＣｒの膜を成膜してパターニングすることによって、Ｃｒを介してＡｕで構成された櫛歯電極４を形成する。次に、圧電材料２１の層の一面２１ａに、プラズマＣＶＤ法やスパッタリング法などによって、櫛歯電極４を覆うように、窒化シリコンを主成分とする保護膜３を形成する。以上のようにして、本実施形態に係る弾性表面波素子１は完成する。

（他の実施形態）
本発明は上記した実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載した範囲内において適宜変更が可能である。

例えば、第１、第２実施形態では、基材２を、Ｓｉなどで構成された基板２２と、基板２２の表面２２ａに備えられた圧電材料２１とを有する構成としていた。すなわち、第１、第２実施形態では、基材２の一部を、スカンジウム含有窒化アルミニウムを主成分とする圧電材料２１によって構成していた。しかしながら、基材２の全部を、スカンジウム含有窒化アルミニウムを主成分とする圧電材料２１によって構成しても良い。

また、図５、図６に示すように、第１、第２実施形態に係る弾性表面波素子１において、保護膜３のうち基材２とは反対側の面３ａに、ＳｉＯ_２で構成された膜（以下、ＳｉＯ_２膜という）５、６を設けても良い。すなわち、図５に示すように、第１実施形態に係る弾性表面波素子１において、櫛歯電極４を覆うように、保護膜３のうち基材２とは反対側の面（保護膜３のうち櫛歯電極４が備えられた側の面）３ａに、温度特性の補償膜として、ＳｉＯ_２膜５を設けても良い。また、図６に示すように、第２実施形態に係る弾性表面波素子１において、保護膜３のうち基材２とは反対側の面３ａに、温度特性の補償膜として、弾性率の温度係数が負であるＳｉＯ_２膜６を設けても良い。

なお、図７において、第１、第２実施形態に係る弾性表面波素子１の適用例として、第１実施形態に係る弾性表面波素子１を周波数フィルタＦ１に用いた例を示しておく。図７に示すように、周波数フィルタＦ１は、第１実施形態に係る弾性表面波素子１をベースとして、さらに、高周波信号源８と、端子９ａ、９ｂを有する信号線とを備えている構成とされている。具体的には、この周波数フィルタＦ１では、一対の櫛歯電極４が保護膜３の面３ａに備えられ（以下において、一対のそれぞれの櫛歯電極４を、第１櫛歯電極４ａ、第２櫛歯電極４ｂという）備えられた構成とされている。そして、保護膜３の面３ａに備えられた第１櫛歯電極４ａには高周波信号源８が接続されており、第２櫛歯電極４ｂには端子９ａ、９ｂを有する信号線が接続されている。

そして、この周波数フィルタＦ１では、高周波信号源８から高周波信号が出力されると、この高周波信号が第１櫛歯電極４ａに印加され、これによって、基材２の一面２１ａ付近に表面弾性波を発生させ、基材２の一面２１ａ上を伝播させる。そして、第２櫛歯電極４ｂ側へ伝播した表面弾性波のうち、第２櫛歯電極４ｂのピッチ等に応じて定まる特定の周波数又は特定の帯域の周波数の表面弾性波が電気信号に変換されて、信号線を介して端子９ａ、９ｂに取り出される。このように、この周波数フィルタＦ１では、第１櫛歯電極４ａに供給した電気信号のうち、特定の周波数又は特定の帯域の周波数の表面弾性波のみを得る（フィルタリングする）ことができる。

このとき、この周波数フィルタＦ１では、弾性表面波素子として、第１実施形態に係る弾性表面波素子１が用いられているため、第１実施形態の説明にて述べたように、高温時において、弾性表面波素子１の特性の劣化を抑制することができる。このため、この周波数フィルタＦ１では、例えば、電気信号として取り出されるべき特定の周波数の信号が第１櫛歯電極４ａに印加されたにも関わらず電気信号として取れ出されない、といった不具合が生じ難くなる。

２基材
２１圧電材料
２２基板
３保護膜
４櫛歯電極

Claims

一面（２１ａ）を有し、少なくとも前記一面がスカンジウム含有窒化アルミニウムを主成分とする圧電材料（２１）によって構成された基材（２）と、
窒化シリコンを主成分とし、前記一面を覆って形成された、前記圧電材料を保護する保護膜（３）と、
前記基材の一面上に備えられた櫛歯電極（４）と、を有することを特徴とする弾性表面波素子。
前記櫛歯電極が、前記保護膜によって覆われつつ前記基材の一面上に備えられていることを特徴とする請求項１に記載の弾性表面波素子。
前記櫛歯電極が、前記保護膜のうち前記基材とは反対側の面（３ａ）に備えられていることを特徴とする請求項１に記載の弾性表面波素子。