JP3777931B2 - 表面弾性波素子 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、情報通信分野に用いられる表面弾性波素子に関し、特に圧電薄膜を用いた表面弾性波素子に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
携帯電話などの移動体通信を中心とした通信分野の著しい発展に伴い、表面弾性波素子の需要が急速に拡大している。表面弾性波素子の開発の方向としては、小型化、高効率化、高周波化の方向にあり、そのためには、より大きな電気機械結合係数（以下ｋ2）、より安定な温度特性、より大きな表面弾性波伝播速度、が必要となる。例えば高周波フィルタとして用いる場合には、損失の小さく帯域幅の広い通過帯域を得るためには高ｋ2が望まれる。共振周波数を高周波化するためには、インターディジタル型電極（Ｉｎｔｅｒ−Ｄｉｇｉｔａｌ Ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ、以下ＩＤＴ）のピッチのデザインルールの限界からしても、より音速の速い材料が望まれている。さらに、使用温度領域での特性の安定化を得るためには、中心周波数温度係数（ＴＣＦ）が小さいことが必要となる。
【０００３】
表面弾性波素子は、従来、主として圧電体の単結晶上にＩＤＴを形成した構造が用いられてきた。圧電単結晶の代表的なものとしては、水晶、ニオブ酸リチウム（以下ＬｉＮｂＯ3）、タンタル酸リチウム（以下ＬｉＴａＯ3）などである。例えば、広帯域化や通過帯域の低損失化が要求されるＲＦフィルタの場合には、ｋ2の大きいＬｉＮｂＯ3が用いられる。一方、狭帯域でも安定な温度特性が必要なＩＦフィルタの場合は、ＴＣＦの小さい水晶が用いられる。さらに、ｋ2およびＴＣＦがそれぞれＬｉＮｂＯ3と水晶の間にあるＬｉＴａＯ3はその中間的な役割を果たしている。ただし、ｋ2の最も大きいＬｉＴａＯ3でも、ｋ2〜０．２程度であった。
【０００４】
最近ＫＮｂＯ3（ａ＝０．５６９５ｎｍ、ｂ＝０．３９７３ｎｍ、ｃ＝０．５７２１ｎｍ）単結晶において、大きなｋ2の値を示すカット角が見出された。Ｅｌｅｔｒｏｎ．Ｌｅｔｔ．Ｖｏｌ．３３（１９９７）ｐｐ．１９３−１９４に記載されているように、０°ＹカットＸ伝播（以下０°Ｙ−Ｘ）ＫＮｂＯ3単結晶板が、ｋ2＝０．５３と非常に大きな値を示すことが計算によって予測された。さらに、Ｊｐｎ．Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｖｏｌ．３７（１９９８）ｐｐ．２９２９−２９３２に記載されているように、０°Ｙ−ＸＫＮｂＯ3単結晶板がｋ2〜０．５の大きな値を示すことが実験でも確認され、４５°から７５°までの回転Ｙ−ＸＫＮｂＯ3単結晶基板を用いたフィルタの発振周波数が、室温付近で零温度特性を示すことが報告されている。これらの０°Ｙ−Ｘを含めた回転Ｙ−ＸＫＮｂＯ3単結晶板は、特開平１０−６５４８８で出願されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、これらのＫＮｂＯ3圧電単結晶基板を用いた表面弾性波素子には、以下の問題点がある。
【０００６】
圧電単結晶基板を用いた表面弾性波素子では、ｋ2、温度係数、音速などの特性は材料固有の値であり、カット角および伝播方向で決定される。０°Ｙ−ＸＫＮｂＯ3単結晶基板はｋ2に優れるが、４５°から７５°までの回転Ｙ−ＸＫＮｂＯ3単結晶基板のような零温度特性は室温付近において示さない。また、伝播速度は同じペロブスカイト型酸化物であるＳｒＴｉＯ3やＣａＴｉＯ3に比べて遅い。このように、ＫＮｂＯ3単結晶基板を用いるだけでは、高音速、高ｋ2、零温度特性を全て満足させることはできない。
【０００７】
そこで、何らかの基板上に圧電体薄膜を堆積し、その膜厚を制御して、音速やｋ2、温度特性を向上させることが期待される。Ｊｐｎ．Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｖｏｌ．３２（１９９３）ｐｐ．２３３７−２３４０に記載されているようなサファイア基板上に酸化亜鉛（以下ＺｎＯ）薄膜を形成したもの、あるいはＪｐｎ．Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｖｏｌ．３２（１９９３）ｐｐ．Ｌ７４５−Ｌ７４７に記載されているようなサファイア基板上にＬｉＮｂＯ3薄膜を形成したものなどが挙げられる。従って、ＫＮｂＯ3についても、基板上に薄膜化して、諸特性を全て向上させることが期待される。その場合、シリコン（以下Ｓｉ）基板上に積層する構造が実現できれば、製造コストの低減および他の電子デバイスとのモノリシック化による小型化の実現などの意味において、大変有用である。
【０００８】
さらに圧電薄膜としては、そのｋ2、温度特性を引き出すために最適な方向に配向することが望ましく、リーキー波伝播に伴う損失をなるべく小さくするためには、平坦で緻密なエピタキシャル膜であることが望ましい。ここでｋ2〜０．５％のＹ−ＸＫＮｂＯ3は、擬立方晶（１００）に相当し、ｋ2〜０．１％の９０°Ｙ−ＸＫＮｂＯ3は、擬立方晶（１１０）に相当する。しかしながら、汎用的な基板である（１００）Ｓｉ基板上にＫＮｂＯ3をエピタキシャル成長させることは従来不可能であった。
【０００９】
そこで本発明は、Ｓｉ基板上に擬立方晶（１００）ＫＮｂＯ3をエピタキシャル成長させ、高周波化に対応できｋ2が高く温度特性も良い薄膜を用いた表面弾性波素子を提供することを目的としている。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明の表面弾性波素子は、（１００）シリコン基板と、前記シリコン基板上に形成された（１００）配向したＮａＣｌ型酸化物ＭＯ（Ｍ＝Ｍｇ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａ）をバッファ層とする擬立方晶（１００）配向のペロブスカイト型圧電薄膜ＡＢＯ3と、前記圧電薄膜ＡＢＯ3の直上もしくは直下に形成されたインターディジタル型電極と、を含み、前記バッファ層ＭＯと前記ペロブスカイト型圧電薄膜ＡＢＯ3の間に（１００）配向したペロブスカイト型バッファ層ＭＴｉＯ3（Ｍ＝Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａ）を有することを特徴とする。
【００１１】
上記構成によれば、（１００）Ｓｉ基板上にペロブスカイト型圧電薄膜ＡＢＯ3の平坦で緻密なエピタキシャル膜が得られるので、リーキー波伝播に伴う損失を低減させるという効果を有する。 また、上記構成によれば、ペロブスカイト型圧電薄膜ＡＢＯ3だけの場合に比べて表面波の音速が増大するという効果を有する。
【００１２】
本発明の表面弾性波素子は、前記表面弾性波素子において、前記ペロブスカイト型圧電薄膜ＡＢＯ3は、Ｋ1-xＮａxＮｂ1-yＴａyＯ3（０≦ｘ≦１、０≦ｙ＜１）を含むことを特徴とする。
【００１３】
上記構成によれば、ｋ2が０．５まで向上するという効果を有する。
【００１４】
本発明の表面弾性波素子は、前記表面弾性波素子において、前記ペロブスカイト型圧電薄膜ＡＢＯ3の上に、二酸化珪素層を有することを特徴とする。
【００１５】
ペロブスカイト型圧電薄膜ＡＢＯ3の上に、二酸化珪素（以下ＳｉＯ2）層を有することを特徴とする。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
【００１９】
（実施例１）
図１は本発明の表面弾性波素子の第１の実施例を示す図である。
【００２０】
ＳｒＯターゲットを用いたレーザアブレーションにより、基板温度７００℃、酸素分圧１×１０-6Ｔｏｒｒの条件で、Ｓｉ基板１上にＮａＣｌ構造のＳｒＯバッファ層２を２０ｎｍ堆積した。ただし、基板温度、酸素分圧は、これに限るものではない。
【００２１】
次に、ＫＮｂＯ3ターゲットを用いたレーザアブレーションにより、基板温度７００℃、酸素分圧３ｍＴｏｒｒの条件で、ＳｒＯバッファ層２上にペロブスカイト型ＫＮｂＯ3圧電層３を４μｍ堆積した。ただし、基板温度、酸素分圧は、これに限るものではない。
【００２２】
さらに、金属アルミニウムを蒸着後、レジスト塗布、露光、ドライエッチング、レジスト除去によるパターニングの連続プロセスを行い、ＫＮｂＯ3圧電層３上にＩＤＴ電極４、５を形成した。
【００２３】
得られた表面弾性波素子は、擬立方晶指数表示した場合、膜面に垂直方向に（１００）ＫＮｂＯ3／（１００）ＳｒＯ／（１００）Ｓｉ、面内で［１１０］ＫＮｂＯ3／／［１００］ＳｒＯ／／［１００］Ｓｉのエピタキシャル膜であった。
【００２４】
得られた表面弾性波素子について、ＩＤＴ電極４、５の間での表面弾性波の遅延時間Ｖopenから求めた音速は４０００ｍ／ｓであった。ＩＤＴ電極４、５の間を金属薄膜で覆った場合の表面弾性波の遅延時間Ｖshortとの差から求めたｋ2は０．５であった。一方、イットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）をバッファ層に用いて、（１００）Ｓｉ基板上に擬立方晶（１１０）配向させたＫＮｂＯ3からなる表面弾性波素子では、音速４０００ｍ／ｓは同じであるが、ｋ2は０．１と小さくなり、擬立方晶（１００）配向によってｋ2が改善することが明らかとなった。
【００２５】
また、ＳｒＯの代わりにＭｇＯ、ＣａＯ、ＢａＯのいずれかをバッファ層に用いた場合も同様の効果が得られた。さらに、ＫＮｂＯ3の代わりに固溶体Ｋ1-xＮａxＮｂ1-yＴａyＯ3（０＜ｘ≦１、０＜ｙ＜１）を圧電薄膜に用いた場合も同様の効果が得られた。なお、ＩＤＴ電極を圧電薄膜の下に形成した場合も同様な効果が得られた。
【００２６】
上述のように、ＮａＣｌ型酸化物ＭＯ（Ｍ＝Ｍｇ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａ）バッファ層を用いてＳｉ基板上に擬立方晶（１００）配向Ｋ1-xＮａxＮｂ1-yＴａyＯ3（０≦ｘ≦１、０≦ｙ＜１）圧電薄膜を堆積することにより、ｋ2を向上させることが可能となる。
【００２７】
（実施例２）
図２は本発明の表面弾性波素子の第２の実施例を示す図である。
【００２８】
ＣａＯターゲットを用いたレーザアブレーションにより、基板温度７００℃、酸素分圧１×１０-6Ｔｏｒｒの条件で、Ｓｉ基板１１上にＮａＣｌ構造のＣａＯバッファ層１２を２０ｎｍ堆積した。ただし、基板温度、酸素分圧は、これに限るものではない。
【００２９】
次に、ＣａＴｉＯ3ターゲットを用いたレーザアブレーションにより、基板温度７００℃、酸素分圧３ｍＴｏｒｒの条件で、ＣａＯバッファ層１２上にペロブスカイト型ＣａＴｉＯ3バッファ層１３を２μｍ堆積した。ただし、基板温度、酸素分圧は、これに限るものではない。
【００３０】
次に、ＫＮｂＯ3ターゲットを用いたレーザアブレーションにより、基板温度７００℃、酸素分圧３ｍＴｏｒｒの条件で、ＣａＴｉＯ3バッファ層１３上にペロブスカイト型ＫＮｂＯ3圧電層１４を２μｍ堆積した。ただし、基板温度、酸素分圧は、これに限るものではない。
【００３１】
さらに、金属アルミニウムを蒸着後、レジスト塗布、露光、ドライエッチング、レジスト除去によるパターニングの連続プロセスを行い、ＫＮｂＯ3圧電層１４上にＩＤＴ電極１５、１６を形成した。
【００３２】
得られた表面弾性波素子は、擬立方晶指数表示した場合、膜面に垂直方向に（１００）ＫＮｂＯ3／（１００）ＣａＴｉＯ3／（１００）ＳｒＯ／（１００）Ｓｉ、面内で［１１０］ＫＮｂＯ3／／［１１０］ＣａＴｉＯ3／／［１００］ＳｒＯ／／［１００］Ｓｉのエピタキシャル膜であった。
【００３３】
得られた表面弾性波素子について、ＩＤＴ電極１５、１６の間での表面弾性波の遅延時間Ｖopenから求めた音速は５０００ｍ／ｓであった。ＩＤＴ電極１５、１６の間を金属薄膜で覆った場合の表面弾性波の遅延時間Ｖshortとの差から求めたｋ2は０．４５であった。これは、実施例１で実施した表面弾性波素子に比べ、ｋ2はそれほど低下しないものの、音速は４０００ｍ／ｓから５０００ｍ／ｓへと大きな向上が見られた。
【００３４】
また、ＣａＯの代わりにＭｇＯ、ＳｒＯ、ＢａＯのいずれかをバッファ層に用いた場合も同様の効果が得られた。そして、ＣａＴｉＯ3の代わりにＳｒＴｉＯ3、ＢａＴｉＯ3のいずれかをペロブスカイト型バッファ層に用いた場合も同様の効果が得られた。さらに、ＫＮｂＯ3の代わりに固溶体Ｋ1-xＮａxＮｂ1-yＴａyＯ3（０＜ｘ≦１、０＜ｙ＜１）を圧電薄膜に用いた場合も同様の効果が得られた。なお、ＩＤＴ電極を圧電薄膜の下に形成した場合も同様な効果が得られた。
【００３５】
上述のように、ＮａＣｌ型酸化物ＭＯ（Ｍ＝Ｍｇ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａ）バッファ層とペロブスカイト型バッファ層ＭＴｉＯ3（Ｍ＝Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａ）を用いてＳｉ基板上に擬立方晶（１００）配向Ｋ1-xＮａxＮｂ1-yＴａyＯ3（０≦ｘ≦１、０≦ｙ＜１）圧電薄膜を堆積することにより、音速を向上させることが可能となる。
【００３６】
（実施例３）
図３は本発明の表面弾性波素子の第３の実施例を示す図である。
【００３７】
ＳｒＯターゲットを用いたレーザアブレーションにより、基板温度７００℃、酸素分圧１×１０-6Ｔｏｒｒの条件で、Ｓｉ基板２１上にＮａＣｌ構造のＳｒＯバッファ層２２を２０ｎｍ堆積した。ただし、基板温度、酸素分圧は、これに限るものではない。
【００３８】
次に、ＫＮｂＯ3ターゲットを用いたレーザアブレーションにより、基板温度７００℃、酸素分圧３ｍＴｏｒｒの条件で、ＳｒＯバッファ層２２上にペロブスカイト型ＫＮｂＯ3圧電層２３を２μｍ堆積した。ただし、基板温度、酸素分圧は、これに限るものではない。
【００３９】
さらに、金属アルミニウムを蒸着後、レジスト塗布、露光、ドライエッチング、レジスト除去によるパターニングの連続プロセスを行い、ＫＮｂＯ3圧電層２３上にＩＤＴ電極２４、２５を形成した。
【００４０】
最後に、ＳｉＯ2ターゲットを用いたレーザアブレーションにより、基板温度２５℃、酸素分圧３ｍＴｏｒｒの条件で、ＳｉＯ2層２６を２μｍ堆積した。ただし、基板温度、酸素分圧は、これに限るものではない。またＳｉＯ2層はＬｉ2Ｏ、ＭｇＯ、Ａｌ2Ｏ3を含んでもよい。
【００４１】
得られた表面弾性波素子は、擬立方晶指数表示した場合、膜面に垂直方向に（１００）ＫＮｂＯ3／（１００）ＳｒＯ／（１００）Ｓｉ、面内で［１１０］ＫＮｂＯ3／／［１００］ＳｒＯ／／［１００］Ｓｉのエピタキシャル膜であった。またＳｉＯ2層はアモルファスであった。
得られた表面弾性波素子について、ＩＤＴ電極２４、２５の間での表面弾性波の遅延時間Ｖopenから求めた音速は４０００ｍ／ｓであった。ＩＤＴ電極２４、２５の間を金属薄膜で覆った場合の表面弾性波の遅延時間Ｖshortとの差から求めると、ｋ2は０．４５となった。一方、室温でＴＣＦ〜０ｐｐｍ／℃であった。これはＫＮｂＯ3層の負のＴＣＦ値とＳｉＯ2層の正のＴＣＦ値が相殺するためである。従って、ｋ2の高い０°Ｙ−ＸＫＮｂＯ3基板に相当する配向方向でありながら、４５°から７５°までの回転Ｙ−ＸＫＮｂＯ3基板に相当するようなＴＣＦ〜０ｐｐｍ／℃を実現できた。
【００４２】
また、ＳｒＯの代わりにＭｇＯ、ＣａＯ、ＢａＯのいずれかをバッファ層に用いた場合も同様の効果が得られた。そして、ＫＮｂＯ3の代わりに固溶体Ｋ1-xＮａxＮｂ1-yＴａyＯ3（０＜ｘ≦１、０＜ｙ≦１）を圧電薄膜に用いた場合も同様の効果が得られた。さらに、ＩＤＴ電極を圧電薄膜の下に形成した場合も同様な効果が得られた。なお、ＣａＴｉＯ3、ＳｒＴｉＯ3、ＢａＴｉＯ3のいずれかからなるペロブスカイト型バッファ層を挿入することにより、音速の向上も見られた。
【００４３】
上述のように、ＮａＣｌ型酸化物ＭＯ（Ｍ＝Ｍｇ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａ）バッファ層を用いてＳｉ基板上に擬立方晶（１００）配向Ｋ1-xＮａxＮｂ1-yＴａyＯ3（０≦ｘ≦１、０≦ｙ＜１）圧電薄膜を堆積し、さらにＳｉＯ2層を堆積することにより、温度特性を向上させることが可能となる。
【００４４】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明の表面弾性波素子によれば、Ｓｉ基板上にＮａＣｌ型酸化物ＭＯバッファ層による擬立方晶（１００）配向ＡＢＯ3エピタキシャル圧電薄膜、高音速のペロブスカイト型酸化物薄膜、零温度特性を示すＳｉＯ2薄膜を積層することにより、高ｋ2化、高音速化、零温度特性を両立させることができ、高特性の高周波フィルタ、発振器などの通信デバイスを実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例を示すＳｉ基板上に（１００）配向ＳｒＯバッファ層および擬立方晶（１００）配向ＫＮｂＯ3エピタキシャル薄膜を含んだ表面弾性波素子の断面図である。
【図２】本発明の一実施例を示すＳｉ基板上に（１００）配向ＣａＯバッファ層と（１００）配向ＣａＴｉＯ3ペロブスカイト型バッファ層および擬立方晶（１００）配向ＫＮｂＯ3エピタキシャル薄膜を含んだ表面弾性波素子の断面図である。
【図３】本発明の一実施例を示すＳｉ基板上に（１００）配向ＳｒＯバッファ層と擬立方晶（１００）配向ＫＮｂＯ3エピタキシャル薄膜およびＳｉＯ2層を含んだ表面弾性波素子の断面図である。
【符号の説明】
１．（１００）Ｓｉ基板
２．（１００）ＳｒＯバッファ層
３．（１００）ＫＮｂＯ3圧電層
４．ＩＤＴ電極
５．ＩＤＴ電極
１１．（１００）Ｓｉ基板
１２．（１００）ＣａＯバッファ層
１３．（１００）ＣａＴｉＯ3バッファ層
１４．（１００）ＫＮｂＯ3圧電層
１５．ＩＤＴ電極
１６．ＩＤＴ電極
２１．（１００）Ｓｉ基板
２２．（１００）ＳｒＯバッファ層
２３．（１００）ＫＮｂＯ3圧電層
２４．ＩＤＴ電極
２５．ＩＤＴ電極
２６．ＳｉＯ2層
【発明の属する技術分野】
本発明は、情報通信分野に用いられる表面弾性波素子に関し、特に圧電薄膜を用いた表面弾性波素子に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
携帯電話などの移動体通信を中心とした通信分野の著しい発展に伴い、表面弾性波素子の需要が急速に拡大している。表面弾性波素子の開発の方向としては、小型化、高効率化、高周波化の方向にあり、そのためには、より大きな電気機械結合係数（以下ｋ2）、より安定な温度特性、より大きな表面弾性波伝播速度、が必要となる。例えば高周波フィルタとして用いる場合には、損失の小さく帯域幅の広い通過帯域を得るためには高ｋ2が望まれる。共振周波数を高周波化するためには、インターディジタル型電極（Ｉｎｔｅｒ−Ｄｉｇｉｔａｌ Ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ、以下ＩＤＴ）のピッチのデザインルールの限界からしても、より音速の速い材料が望まれている。さらに、使用温度領域での特性の安定化を得るためには、中心周波数温度係数（ＴＣＦ）が小さいことが必要となる。
【０００３】
表面弾性波素子は、従来、主として圧電体の単結晶上にＩＤＴを形成した構造が用いられてきた。圧電単結晶の代表的なものとしては、水晶、ニオブ酸リチウム（以下ＬｉＮｂＯ3）、タンタル酸リチウム（以下ＬｉＴａＯ3）などである。例えば、広帯域化や通過帯域の低損失化が要求されるＲＦフィルタの場合には、ｋ2の大きいＬｉＮｂＯ3が用いられる。一方、狭帯域でも安定な温度特性が必要なＩＦフィルタの場合は、ＴＣＦの小さい水晶が用いられる。さらに、ｋ2およびＴＣＦがそれぞれＬｉＮｂＯ3と水晶の間にあるＬｉＴａＯ3はその中間的な役割を果たしている。ただし、ｋ2の最も大きいＬｉＴａＯ3でも、ｋ2〜０．２程度であった。
【０００４】
最近ＫＮｂＯ3（ａ＝０．５６９５ｎｍ、ｂ＝０．３９７３ｎｍ、ｃ＝０．５７２１ｎｍ）単結晶において、大きなｋ2の値を示すカット角が見出された。Ｅｌｅｔｒｏｎ．Ｌｅｔｔ．Ｖｏｌ．３３（１９９７）ｐｐ．１９３−１９４に記載されているように、０°ＹカットＸ伝播（以下０°Ｙ−Ｘ）ＫＮｂＯ3単結晶板が、ｋ2＝０．５３と非常に大きな値を示すことが計算によって予測された。さらに、Ｊｐｎ．Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｖｏｌ．３７（１９９８）ｐｐ．２９２９−２９３２に記載されているように、０°Ｙ−ＸＫＮｂＯ3単結晶板がｋ2〜０．５の大きな値を示すことが実験でも確認され、４５°から７５°までの回転Ｙ−ＸＫＮｂＯ3単結晶基板を用いたフィルタの発振周波数が、室温付近で零温度特性を示すことが報告されている。これらの０°Ｙ−Ｘを含めた回転Ｙ−ＸＫＮｂＯ3単結晶板は、特開平１０−６５４８８で出願されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、これらのＫＮｂＯ3圧電単結晶基板を用いた表面弾性波素子には、以下の問題点がある。
【０００６】
圧電単結晶基板を用いた表面弾性波素子では、ｋ2、温度係数、音速などの特性は材料固有の値であり、カット角および伝播方向で決定される。０°Ｙ−ＸＫＮｂＯ3単結晶基板はｋ2に優れるが、４５°から７５°までの回転Ｙ−ＸＫＮｂＯ3単結晶基板のような零温度特性は室温付近において示さない。また、伝播速度は同じペロブスカイト型酸化物であるＳｒＴｉＯ3やＣａＴｉＯ3に比べて遅い。このように、ＫＮｂＯ3単結晶基板を用いるだけでは、高音速、高ｋ2、零温度特性を全て満足させることはできない。
【０００７】
そこで、何らかの基板上に圧電体薄膜を堆積し、その膜厚を制御して、音速やｋ2、温度特性を向上させることが期待される。Ｊｐｎ．Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｖｏｌ．３２（１９９３）ｐｐ．２３３７−２３４０に記載されているようなサファイア基板上に酸化亜鉛（以下ＺｎＯ）薄膜を形成したもの、あるいはＪｐｎ．Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｖｏｌ．３２（１９９３）ｐｐ．Ｌ７４５−Ｌ７４７に記載されているようなサファイア基板上にＬｉＮｂＯ3薄膜を形成したものなどが挙げられる。従って、ＫＮｂＯ3についても、基板上に薄膜化して、諸特性を全て向上させることが期待される。その場合、シリコン（以下Ｓｉ）基板上に積層する構造が実現できれば、製造コストの低減および他の電子デバイスとのモノリシック化による小型化の実現などの意味において、大変有用である。
【０００８】
さらに圧電薄膜としては、そのｋ2、温度特性を引き出すために最適な方向に配向することが望ましく、リーキー波伝播に伴う損失をなるべく小さくするためには、平坦で緻密なエピタキシャル膜であることが望ましい。ここでｋ2〜０．５％のＹ−ＸＫＮｂＯ3は、擬立方晶（１００）に相当し、ｋ2〜０．１％の９０°Ｙ−ＸＫＮｂＯ3は、擬立方晶（１１０）に相当する。しかしながら、汎用的な基板である（１００）Ｓｉ基板上にＫＮｂＯ3をエピタキシャル成長させることは従来不可能であった。
【０００９】
そこで本発明は、Ｓｉ基板上に擬立方晶（１００）ＫＮｂＯ3をエピタキシャル成長させ、高周波化に対応できｋ2が高く温度特性も良い薄膜を用いた表面弾性波素子を提供することを目的としている。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明の表面弾性波素子は、（１００）シリコン基板と、前記シリコン基板上に形成された（１００）配向したＮａＣｌ型酸化物ＭＯ（Ｍ＝Ｍｇ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａ）をバッファ層とする擬立方晶（１００）配向のペロブスカイト型圧電薄膜ＡＢＯ3と、前記圧電薄膜ＡＢＯ3の直上もしくは直下に形成されたインターディジタル型電極と、を含み、前記バッファ層ＭＯと前記ペロブスカイト型圧電薄膜ＡＢＯ3の間に（１００）配向したペロブスカイト型バッファ層ＭＴｉＯ3（Ｍ＝Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａ）を有することを特徴とする。
【００１１】
上記構成によれば、（１００）Ｓｉ基板上にペロブスカイト型圧電薄膜ＡＢＯ3の平坦で緻密なエピタキシャル膜が得られるので、リーキー波伝播に伴う損失を低減させるという効果を有する。 また、上記構成によれば、ペロブスカイト型圧電薄膜ＡＢＯ3だけの場合に比べて表面波の音速が増大するという効果を有する。
【００１２】
本発明の表面弾性波素子は、前記表面弾性波素子において、前記ペロブスカイト型圧電薄膜ＡＢＯ3は、Ｋ1-xＮａxＮｂ1-yＴａyＯ3（０≦ｘ≦１、０≦ｙ＜１）を含むことを特徴とする。
【００１３】
上記構成によれば、ｋ2が０．５まで向上するという効果を有する。
【００１４】
本発明の表面弾性波素子は、前記表面弾性波素子において、前記ペロブスカイト型圧電薄膜ＡＢＯ3の上に、二酸化珪素層を有することを特徴とする。
【００１５】
ペロブスカイト型圧電薄膜ＡＢＯ3の上に、二酸化珪素（以下ＳｉＯ2）層を有することを特徴とする。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
【００１９】
（実施例１）
図１は本発明の表面弾性波素子の第１の実施例を示す図である。
【００２０】
ＳｒＯターゲットを用いたレーザアブレーションにより、基板温度７００℃、酸素分圧１×１０-6Ｔｏｒｒの条件で、Ｓｉ基板１上にＮａＣｌ構造のＳｒＯバッファ層２を２０ｎｍ堆積した。ただし、基板温度、酸素分圧は、これに限るものではない。
【００２１】
次に、ＫＮｂＯ3ターゲットを用いたレーザアブレーションにより、基板温度７００℃、酸素分圧３ｍＴｏｒｒの条件で、ＳｒＯバッファ層２上にペロブスカイト型ＫＮｂＯ3圧電層３を４μｍ堆積した。ただし、基板温度、酸素分圧は、これに限るものではない。
【００２２】
さらに、金属アルミニウムを蒸着後、レジスト塗布、露光、ドライエッチング、レジスト除去によるパターニングの連続プロセスを行い、ＫＮｂＯ3圧電層３上にＩＤＴ電極４、５を形成した。
【００２３】
得られた表面弾性波素子は、擬立方晶指数表示した場合、膜面に垂直方向に（１００）ＫＮｂＯ3／（１００）ＳｒＯ／（１００）Ｓｉ、面内で［１１０］ＫＮｂＯ3／／［１００］ＳｒＯ／／［１００］Ｓｉのエピタキシャル膜であった。
【００２４】
得られた表面弾性波素子について、ＩＤＴ電極４、５の間での表面弾性波の遅延時間Ｖopenから求めた音速は４０００ｍ／ｓであった。ＩＤＴ電極４、５の間を金属薄膜で覆った場合の表面弾性波の遅延時間Ｖshortとの差から求めたｋ2は０．５であった。一方、イットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）をバッファ層に用いて、（１００）Ｓｉ基板上に擬立方晶（１１０）配向させたＫＮｂＯ3からなる表面弾性波素子では、音速４０００ｍ／ｓは同じであるが、ｋ2は０．１と小さくなり、擬立方晶（１００）配向によってｋ2が改善することが明らかとなった。
【００２５】
また、ＳｒＯの代わりにＭｇＯ、ＣａＯ、ＢａＯのいずれかをバッファ層に用いた場合も同様の効果が得られた。さらに、ＫＮｂＯ3の代わりに固溶体Ｋ1-xＮａxＮｂ1-yＴａyＯ3（０＜ｘ≦１、０＜ｙ＜１）を圧電薄膜に用いた場合も同様の効果が得られた。なお、ＩＤＴ電極を圧電薄膜の下に形成した場合も同様な効果が得られた。
【００２６】
上述のように、ＮａＣｌ型酸化物ＭＯ（Ｍ＝Ｍｇ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａ）バッファ層を用いてＳｉ基板上に擬立方晶（１００）配向Ｋ1-xＮａxＮｂ1-yＴａyＯ3（０≦ｘ≦１、０≦ｙ＜１）圧電薄膜を堆積することにより、ｋ2を向上させることが可能となる。
【００２７】
（実施例２）
図２は本発明の表面弾性波素子の第２の実施例を示す図である。
【００２８】
ＣａＯターゲットを用いたレーザアブレーションにより、基板温度７００℃、酸素分圧１×１０-6Ｔｏｒｒの条件で、Ｓｉ基板１１上にＮａＣｌ構造のＣａＯバッファ層１２を２０ｎｍ堆積した。ただし、基板温度、酸素分圧は、これに限るものではない。
【００２９】
次に、ＣａＴｉＯ3ターゲットを用いたレーザアブレーションにより、基板温度７００℃、酸素分圧３ｍＴｏｒｒの条件で、ＣａＯバッファ層１２上にペロブスカイト型ＣａＴｉＯ3バッファ層１３を２μｍ堆積した。ただし、基板温度、酸素分圧は、これに限るものではない。
【００３０】
次に、ＫＮｂＯ3ターゲットを用いたレーザアブレーションにより、基板温度７００℃、酸素分圧３ｍＴｏｒｒの条件で、ＣａＴｉＯ3バッファ層１３上にペロブスカイト型ＫＮｂＯ3圧電層１４を２μｍ堆積した。ただし、基板温度、酸素分圧は、これに限るものではない。
【００３１】
さらに、金属アルミニウムを蒸着後、レジスト塗布、露光、ドライエッチング、レジスト除去によるパターニングの連続プロセスを行い、ＫＮｂＯ3圧電層１４上にＩＤＴ電極１５、１６を形成した。
【００３２】
得られた表面弾性波素子は、擬立方晶指数表示した場合、膜面に垂直方向に（１００）ＫＮｂＯ3／（１００）ＣａＴｉＯ3／（１００）ＳｒＯ／（１００）Ｓｉ、面内で［１１０］ＫＮｂＯ3／／［１１０］ＣａＴｉＯ3／／［１００］ＳｒＯ／／［１００］Ｓｉのエピタキシャル膜であった。
【００３３】
得られた表面弾性波素子について、ＩＤＴ電極１５、１６の間での表面弾性波の遅延時間Ｖopenから求めた音速は５０００ｍ／ｓであった。ＩＤＴ電極１５、１６の間を金属薄膜で覆った場合の表面弾性波の遅延時間Ｖshortとの差から求めたｋ2は０．４５であった。これは、実施例１で実施した表面弾性波素子に比べ、ｋ2はそれほど低下しないものの、音速は４０００ｍ／ｓから５０００ｍ／ｓへと大きな向上が見られた。
【００３４】
また、ＣａＯの代わりにＭｇＯ、ＳｒＯ、ＢａＯのいずれかをバッファ層に用いた場合も同様の効果が得られた。そして、ＣａＴｉＯ3の代わりにＳｒＴｉＯ3、ＢａＴｉＯ3のいずれかをペロブスカイト型バッファ層に用いた場合も同様の効果が得られた。さらに、ＫＮｂＯ3の代わりに固溶体Ｋ1-xＮａxＮｂ1-yＴａyＯ3（０＜ｘ≦１、０＜ｙ＜１）を圧電薄膜に用いた場合も同様の効果が得られた。なお、ＩＤＴ電極を圧電薄膜の下に形成した場合も同様な効果が得られた。
【００３５】
上述のように、ＮａＣｌ型酸化物ＭＯ（Ｍ＝Ｍｇ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａ）バッファ層とペロブスカイト型バッファ層ＭＴｉＯ3（Ｍ＝Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａ）を用いてＳｉ基板上に擬立方晶（１００）配向Ｋ1-xＮａxＮｂ1-yＴａyＯ3（０≦ｘ≦１、０≦ｙ＜１）圧電薄膜を堆積することにより、音速を向上させることが可能となる。
【００３６】
（実施例３）
図３は本発明の表面弾性波素子の第３の実施例を示す図である。
【００３７】
ＳｒＯターゲットを用いたレーザアブレーションにより、基板温度７００℃、酸素分圧１×１０-6Ｔｏｒｒの条件で、Ｓｉ基板２１上にＮａＣｌ構造のＳｒＯバッファ層２２を２０ｎｍ堆積した。ただし、基板温度、酸素分圧は、これに限るものではない。
【００３８】
次に、ＫＮｂＯ3ターゲットを用いたレーザアブレーションにより、基板温度７００℃、酸素分圧３ｍＴｏｒｒの条件で、ＳｒＯバッファ層２２上にペロブスカイト型ＫＮｂＯ3圧電層２３を２μｍ堆積した。ただし、基板温度、酸素分圧は、これに限るものではない。
【００３９】
さらに、金属アルミニウムを蒸着後、レジスト塗布、露光、ドライエッチング、レジスト除去によるパターニングの連続プロセスを行い、ＫＮｂＯ3圧電層２３上にＩＤＴ電極２４、２５を形成した。
【００４０】
最後に、ＳｉＯ2ターゲットを用いたレーザアブレーションにより、基板温度２５℃、酸素分圧３ｍＴｏｒｒの条件で、ＳｉＯ2層２６を２μｍ堆積した。ただし、基板温度、酸素分圧は、これに限るものではない。またＳｉＯ2層はＬｉ2Ｏ、ＭｇＯ、Ａｌ2Ｏ3を含んでもよい。
【００４１】
得られた表面弾性波素子は、擬立方晶指数表示した場合、膜面に垂直方向に（１００）ＫＮｂＯ3／（１００）ＳｒＯ／（１００）Ｓｉ、面内で［１１０］ＫＮｂＯ3／／［１００］ＳｒＯ／／［１００］Ｓｉのエピタキシャル膜であった。またＳｉＯ2層はアモルファスであった。
得られた表面弾性波素子について、ＩＤＴ電極２４、２５の間での表面弾性波の遅延時間Ｖopenから求めた音速は４０００ｍ／ｓであった。ＩＤＴ電極２４、２５の間を金属薄膜で覆った場合の表面弾性波の遅延時間Ｖshortとの差から求めると、ｋ2は０．４５となった。一方、室温でＴＣＦ〜０ｐｐｍ／℃であった。これはＫＮｂＯ3層の負のＴＣＦ値とＳｉＯ2層の正のＴＣＦ値が相殺するためである。従って、ｋ2の高い０°Ｙ−ＸＫＮｂＯ3基板に相当する配向方向でありながら、４５°から７５°までの回転Ｙ−ＸＫＮｂＯ3基板に相当するようなＴＣＦ〜０ｐｐｍ／℃を実現できた。
【００４２】
また、ＳｒＯの代わりにＭｇＯ、ＣａＯ、ＢａＯのいずれかをバッファ層に用いた場合も同様の効果が得られた。そして、ＫＮｂＯ3の代わりに固溶体Ｋ1-xＮａxＮｂ1-yＴａyＯ3（０＜ｘ≦１、０＜ｙ≦１）を圧電薄膜に用いた場合も同様の効果が得られた。さらに、ＩＤＴ電極を圧電薄膜の下に形成した場合も同様な効果が得られた。なお、ＣａＴｉＯ3、ＳｒＴｉＯ3、ＢａＴｉＯ3のいずれかからなるペロブスカイト型バッファ層を挿入することにより、音速の向上も見られた。
【００４３】
上述のように、ＮａＣｌ型酸化物ＭＯ（Ｍ＝Ｍｇ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａ）バッファ層を用いてＳｉ基板上に擬立方晶（１００）配向Ｋ1-xＮａxＮｂ1-yＴａyＯ3（０≦ｘ≦１、０≦ｙ＜１）圧電薄膜を堆積し、さらにＳｉＯ2層を堆積することにより、温度特性を向上させることが可能となる。
【００４４】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明の表面弾性波素子によれば、Ｓｉ基板上にＮａＣｌ型酸化物ＭＯバッファ層による擬立方晶（１００）配向ＡＢＯ3エピタキシャル圧電薄膜、高音速のペロブスカイト型酸化物薄膜、零温度特性を示すＳｉＯ2薄膜を積層することにより、高ｋ2化、高音速化、零温度特性を両立させることができ、高特性の高周波フィルタ、発振器などの通信デバイスを実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例を示すＳｉ基板上に（１００）配向ＳｒＯバッファ層および擬立方晶（１００）配向ＫＮｂＯ3エピタキシャル薄膜を含んだ表面弾性波素子の断面図である。
【図２】本発明の一実施例を示すＳｉ基板上に（１００）配向ＣａＯバッファ層と（１００）配向ＣａＴｉＯ3ペロブスカイト型バッファ層および擬立方晶（１００）配向ＫＮｂＯ3エピタキシャル薄膜を含んだ表面弾性波素子の断面図である。
【図３】本発明の一実施例を示すＳｉ基板上に（１００）配向ＳｒＯバッファ層と擬立方晶（１００）配向ＫＮｂＯ3エピタキシャル薄膜およびＳｉＯ2層を含んだ表面弾性波素子の断面図である。
【符号の説明】
１．（１００）Ｓｉ基板
２．（１００）ＳｒＯバッファ層
３．（１００）ＫＮｂＯ3圧電層
４．ＩＤＴ電極
５．ＩＤＴ電極
１１．（１００）Ｓｉ基板
１２．（１００）ＣａＯバッファ層
１３．（１００）ＣａＴｉＯ3バッファ層
１４．（１００）ＫＮｂＯ3圧電層
１５．ＩＤＴ電極
１６．ＩＤＴ電極
２１．（１００）Ｓｉ基板
２２．（１００）ＳｒＯバッファ層
２３．（１００）ＫＮｂＯ3圧電層
２４．ＩＤＴ電極
２５．ＩＤＴ電極
２６．ＳｉＯ2層
Claims (3)
- （１００）シリコン基板と、
前記シリコン基板上に形成された（１００）配向したＮａＣｌ型酸化物ＭＯ（Ｍ＝Ｍｇ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａ）をバッファ層とする擬立方晶（１００）配向のペロブスカイト型圧電薄膜ＡＢＯ3と、
前記圧電薄膜ＡＢＯ3の直上もしくは直下に形成されたインターディジタル型電極と、を含み、
前記バッファ層ＭＯと前記ペロブスカイト型圧電薄膜ＡＢＯ3の間に（１００）配向したペロブスカイト型バッファ層ＭＴｉＯ3（Ｍ＝Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａ）を有することを特徴とする表面弾性波素子。 - 請求項１において、
前記ペロブスカイト型圧電薄膜ＡＢＯ3は、Ｋ1-xＮａxＮｂ1-yＴａyＯ3（０≦ｘ≦１、０≦ｙ＜１）を含むことを特徴とする表面弾性波素子。 - 請求項１において、
前記ペロブスカイト型圧電薄膜ＡＢＯ3の上に、二酸化珪素層を有することを特徴とする表面弾性波素子。
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