JP4345329B2 - 弾性表面波デバイス - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は弾性表面波デバイスに係り、特に、誘電体基板上に複数の層を備えた積層構造を有する弾性表面波デバイスに関する。
【０００２】
【従来の技術】
弾性表面波（Ｓｕｒｆａｃｅ Ａｃｏｕｓｔｉｃ Ｗａｖｅ：ＳＡＷ）は、水面上を伝わっていく波と同じように弾性体の表面にエネルギーが集中して伝播する波である。この弾性表面波を利用するデバイスとしては、圧電基板の表面上に薄膜電極トランスデューサ（Ｉｎｔｅｒｄｉｇｉｔａｌ Ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ、以下、単に「ＩＤＴ」という。）を形成し、これを介して電気信号とＳＡＷとの間の変換、逆変換を行うものがある。このデバイスは、半導体ＩＣと同様に基板表面に対するプロセス技術のみで形成することができる。結晶中の弾性振動は、同一周波数の電磁波と比べて波長が１０５分の一程度ときわめて短く、高周波デバイスの動作を担う波動として適している。ＳＡＷは数十ＭＨｚから数ＧＨｚ帯のマイクロ波デバイスに適し、フィルタや共振器等のＩＣ化が困難なデバイスを抜本的に小型化できるという利点がある。
【０００３】
また、基板の表面に圧電膜或いは磁性膜を形成し、これらの薄膜を弾性表面波の伝播媒体として用いる場合がある。ここで、上記の薄膜の表面上にＩＤＴを設ければ、高周波帯域の弾性表面波を直接励振、検出する薄膜変換器を構成することができる。この場合、基板には圧電材料を用いる必要がないので、基板材料の選択の自由度が増し、多機能化を図ることが可能であると共に、特性の良い安価な通信用の弾性表面波デバイスの実現が期待される。
【０００４】
従来、圧電薄膜を用いた弾性表面波デバイスとして、シリコン基板上に酸化亜鉛薄膜を形成したものが知られており、このタイプのデバイスには、弾性表面波の伝播速度の高速化によりデバイスの更なる高周波化を狙うために、窒化シリコン層（Ｓｉ３Ｎ４）などの硬質誘電体層をシリコン基板と酸化亜鉛薄膜との間に形成したものが開発されている（たとえば、以下の非特許文献１参照）。
【０００５】
また、上記と同様の構造を用いてＳｉＮ膜を用いることにより周波数の微調整を行うデバイスも知られている（たとえば、以下の特許文献１参照）。
【０００６】
【非特許文献１】
2000 IEEE Ultrasonic Symposium: "Effect of Dielectric Layer in ZnO/Dielectric/Si Layered Structure on GSAW and HVPSAW Propagation Properties" (K.H.Choi, et.al)
【特許文献１】
特開平６−６１７４号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来の窒化シリコン層を用いた弾性表面波デバイスにおいては、基本波であるレーリー波、或いは、その高次の１次セザワ波又は２次セザワ波を用いて動作するように構成されているが、いずれも横波バルク波（ＳＶ波）の速度以下の速度しか得られておらず、伝播速度の充分な高速化ができず、デバイスの高周波化を図ることができないという問題点があった。
【０００８】
一方、横波バルク波（ＳＶ波）の速度以上の漏洩弾性表面波を用いることが考えられるが、この漏洩弾性表面波はバルク波を基板内部に放射しながら伝播するため、伝播損失が大きくなり、有効なデバイス動作が難しいという問題点があった。
【０００９】
そこで本発明は上記問題点を解決するものであり、その課題は、誘電体基板上に硬質誘電体層及び圧電体薄膜を積層した弾性表面波デバイスにおいて、従来よりもさらに高速化／高周波化の可能なデバイス構成を実現することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために本発明の弾性表面波デバイスは、誘電体基板上に硬質誘電体層が形成され、該硬質誘電体層の上に圧電体薄膜が設けられ、前記圧電体薄膜に漏洩弾性表面波を誘起する電極を備えた弾性表面波デバイスであって、前記漏洩弾性表面波の波長をλとし、前記圧電体薄膜の厚さをＴｐとしたとき、規格化された膜厚ｋｈｐ＝２πＴｐ／λが約０．５〜１．５であることを特徴とする。
【００１１】
本願発明者は、誘電体基板上に硬質誘電体層を形成し、さらにその上に圧電体薄膜を形成してなる弾性表面波デバイスにおいて、圧電体薄膜の規格化された膜厚が約０．５以上１．５以下の領域で、波長λの漏洩弾性表面波の電気機械結合係数が大きくなるとともに、伝播損失が小さくなることを見出し、本発明に至ったものである。特に、この領域において伝播損失が０．０７／Ｋ２［ｄｂ／λ］以上となるデバイスが容易に得られることが判明した。本発明によれば、高い伝播速度を有する漏洩弾性表面波を用いて高効率で低損失のデバイスを形成することができるので、デバイスの高速化／高周波数化を図ることが可能になり、デバイスの小型化も可能になる。
【００１２】
本発明において、前記漏洩弾性表面波は、前記圧電体薄膜の横波バルク波よりも高い伝播速度を有することが好ましい。上記領域では、基本的に漏洩弾性表面波は圧電体薄膜の横波バルク波（ＳＶ波）の伝播速度よりも高い伝播速度を示す。横波バルク波よりも高い伝播速度を有するデバイスは従来にはなく、本発明では従来デバイスよりも高速化を図ることができる。
【００１３】
本発明において、前記硬質誘電体層と前記圧電体薄膜との間に、前記圧電体の界面電位勾配を低減する等電位層を有することが好ましい。この発明によれば、等電位層を形成することによって、圧電体薄膜の界面（誘電体基板側の界面）を等電位化することができるため、漏洩弾性表面波の電気機械結合係数を向上させることができるとともに、レーリー波の電気機械結合係数を低くすることができる。これによって、レーリー波による影響を低減して、漏洩弾性表面波のデバイス動作をより良好な状態で実現することができる。ここで、等電位層としては、アルミニウムなどの金属層、低抵抗の半導体層などが挙げられ、結果的にその存在によって圧電体薄膜の界面上の電位勾配を低減できるものであればよい。
【００１４】
本発明において、前記電極は前記圧電体薄膜の表面上に配置されている場合がある。この構造であれば、電極形成が容易になるため、デバイスを容易にかつ低コストで製造できる。
【００１５】
本発明において、前記電極は前記圧電体薄膜と前記硬質誘電体層の間に配置されている場合もある。この場合にはデバイスの電気機械結合係数が大きくなることにより、高性能のデバイスを作成できるとともに、デバイスの小型化をさらに図ることができる。
【００１６】
本発明において、前記硬質誘電体層の厚さをＴｎとしたとき、規格化された膜厚ｋｈｎ＝２πＴｎ／λが約０．８〜１．２であることが好ましい。この範囲の厚さに硬質誘電体層を形成することにより、電気機械結合係数をさらに向上することができる。
【００１７】
本発明において、前記圧電体薄膜が酸化亜鉛薄膜であり、前記酸化亜鉛薄膜の厚さをＴｚとしたとき、規格化された膜厚ｋｈｚ＝２πＴｚ／λが約０．８〜１．５であることが好ましい。この範囲であれば、常に電気機械結合係数がある程度大きく、しかも、当該範囲内において低い伝播損失を得ることが可能であるので、高性能のデバイスを形成できる。
【００１８】
本発明において、前記圧電体薄膜の材料としては、酸化亜鉛、ＬｉＮｂＯ３、ＬｉＴａＯ３、ＫＮｂＯ３、ＰＺＴなどが挙げられる。また、他の圧電材料であっても差し支えない。
【００１９】
また、前記硬質誘電体層の材料としては、窒化シリコン、ダイヤモンド、サファイア、窒化アルミニウム、シリコンカーバイド、酸化チタンなどが挙げられる。硬質誘電体層としては、少なくとも誘電体基板よりも硬度の高い材料の誘電体や圧電体であることによって弾性表面波の高速化に寄与する。また、他の硬質誘電材料であっても差し支えない。
【００２０】
さらに、前記誘電体基板としては、シリコン、ガラス、石英、水晶などが挙げられる。誘電体基板としては、上層の膜質を損ないにくい材料、或いは、比較的安価な材料で構成されたものであることが好ましい。また、他の誘電材料であっても差し支えない。
【００２１】
【発明の実施の形態】
次に、添付図面を参照して本発明に係る弾性表面波デバイスの実施形態について詳細に説明する。
【００２２】
［第１実施形態］
図１は、本発明に係る弾性表面波デバイスの一例である第１実施形態の構成を模式的に示す概略斜視図である。この弾性表面波デバイス１００では、面方位（１００）のシリコン基板、ガラス基板、石英基板などで構成される誘電体基板１０１の表面上に、窒化シリコン（Ｓｉ３Ｎ４）、ダイヤモンド、サファイア、窒化アルミニウム、シリコンカーバイド、酸化チタンなどで構成される硬質誘電体層１０２が形成され、この硬質誘電体層１０２の上に酸化亜鉛（ＺｎＯ）、ＬｉＮｂＯ３、ＬｉＴａＯ３、ＫＮｂＯ３、ＰＺＴなどで構成される圧電体薄膜１０３が形成されている。また、圧電体薄膜１０３の表面上には、すだれ状電極１０４を有するＩＤＴ１１０が形成されている。この図示例では、ＩＤＴ１１０の両側にグレーティング反射器１２０が配置される。図示例の弾性表面波デバイス１００は、すだれ状電極１０４によってＩＤＴ１１０にて形成される弾性表面波がグレーティング反射器１２０間において共振する共振器を構成する。なお、本発明に係る弾性表面波デバイスとしては、上記の共振器に限らず、フィルタ、遅延線、コンボルバ（相関器）などを構成することも可能である。これらの場合、上記の図示例とは異なり２以上のＩＤＴを設けることがある。
【００２３】
ＩＤＴ１１０に設けられる上記のすだれ状電極１０４の形成間隔によって、ＩＤＴ１１０により励起される弾性表面波の波長λが決定される。励振される弾性表面波の波長λは、図１に示すように一対の電極体１１０Ｓ，１１０Ｔが設けられ、図２に示すように電極体１１０Ｓに接続されたすだれ状電極１０４Ｓと、電極体１１０Ｔに接続されたすだれ状電極１０４Ｔとが交互に形成されている場合、各すだれ状電極の形成周期に等しくなる。一般には、ＩＤＴ１１０のすだれ状電極１０４は、０．５〜１０μｍ程度の波長λの弾性表面波に対応する配列構造を有する。たとえば、上記図示例のようにシングル電極構造の場合には、上記波長λの１／２の間隔ですだれ状電極１０４が配列される。また、ダブル（スプリット）電極構造では、波長λの１／４の間隔で配列される。
【００２４】
上記のように誘電体基板１０１上により硬質の材料で構成された硬質誘電体層１０２が形成されることにより、一般に弾性表面波の伝播速度が向上し、その結果、弾性表面波デバイスの高周波化を図ることができる。
【００２５】
図２は、本発明の弾性表面波デバイス１００の断面構造を模式的に示す概略縦断面図である。誘電体基板１０１は、取り扱い可能な範囲の厚さを有し、たとえば、数百μｍ〜数ｍｍ程度の厚さのものが用いられる。硬質誘電体層１０２は、たとえば窒化シリコン（Ｓｉ３Ｎ４）の基本組成を有する。硬質誘電体層１０２の厚さＴｎは、通常０．１〜２０μｍ程度に設定される。さらに、圧電体薄膜１０３は、たとえば酸化亜鉛（ＺｎＯ）の基本構成を有する。通常、圧電体薄膜１０３は、後述する方法などにより圧電特性を有するように成膜されたものである。圧電体薄膜１０３の厚さＴｐは、通常、０．５〜５０μｍ程度に形成される。
【００２６】
ここで、以下の説明においては、硬質誘電体層１０２の規格化された膜厚として、上記弾性表面波の波長λを基準としたｋｈｎ＝２πＴｎ／λ（すなわち、厚さと波数ｋとの積）を用いる。また、圧電体薄膜１０３の規格化された膜厚として、同様にｋｈｐ＝２πＴｚ／λを用いる。このとき、厚さＴｎ及びＴｐは単位として［μｍ］を用いている。
【００２７】
図３は、本実施形態の弾性表面波デバイス１００の弾性表面波の伝播速度について、シリコン基板よりなる誘電体基板１０１上に、窒化シリコンよりなる硬質誘電体層１０２、酸化亜鉛よりなる圧電体薄膜１０３を積層したデバイスについて、圧電体薄膜１０３の規格化された膜厚ｋｈｐに対する依存性を示すグラフである。ここで、ここで、硬質誘電層１０２の規格化された膜厚をｋｈｎ＝１．０としてある。また、図示破線は漏洩弾性表面波、図示実線はレーリー波のデータである。さらに、グラフ中の下側に描かれた水平線は圧電体薄膜の横波バルク波の伝播速度を示し、上側に描かれた水平線は圧電体薄膜の縦波バルク波の伝播速度を示す。このグラフでわかるように、漏洩弾性表面波は膜厚ｋｈｐが約０．５以上１．５以下の領域で横波バルク波以上の伝播速度を有することがわかる。
【００２８】
図４は、上記デバイスの電気機械結合係数Ｋ２［％］の膜厚ｋｈｐに対する依存性を示すグラフである。ここで、図示破線は漏洩弾性表面波、図示実線はレーリー波のデータである。上記の漏洩弾性表面波は、膜厚ｋｈｐが約０．５以上１．５以下の領域では、レーリー波とほぼ同等の電気機械結合係数を示すことがわかる。
【００２９】
図５は、上記デバイスにおける漏洩弾性表面波の伝播損失［ｄｂ／λ］を示すグラフである。漏洩弾性表面波の伝播損失は、膜厚ｋｈｐが約０．５以上１．５以下の領域において、０．０２［ｄｂ／λ］以下のきわめて小さい範囲と、０．１［ｄｂ／λ］を越える大きな範囲とが存在する。このデバイスでは、膜厚ｋｈｐが約０．８以上１．１以下の範囲と、約１．３以上１．５以下の範囲においてきわめて小さな伝播損失を有する。
【００３０】
上記デバイスにおいては、膜厚ｋｈｐが約０．５以上１．５以下の領域において、漏洩弾性表面波を用いた動作が可能になる。また、実用上は上記の膜厚ｋｈｐが約０．８以上１．１以下、並びに、約１．３以上１．５以下の範囲において十分な性能を有するデバイスを構成することができる。さらに、上記デバイス構造については、上記領域の中で、伝播損失が０．０７／Ｋ２［ｄｂ／λ］以下である範囲を選定することによって、高性能のデバイスを構成できる。ここで、Ｋ２は図４に示す電気機械結合係数である。通常、電気機械結合係数Ｋ２が大きくなるほど励振強度が増大するので、必要とされるＩＤＴの電極の本数は電気機械結合係数Ｋ２に反比例して少なくなると考えられる。したがって、デバイスのサイズ（小型化）やデバイス性能を観点とした場合、伝播損失と電気機械結合係数の比を当該観点の指標とすることができる。通常のレーリー波を用いる弾性表面波デバイスとしては、たとえば、水晶を用いたデバイスの場合、電気機械結合係数が０．１％、伝播損失に相当する挿入損失が０．００７ｄｂ／λ程度である。したがって、伝播損失が０．０７／Ｋ２［ｄｂ／λ］以下であれば、従来のデバイスと同等或いはそれ以上の高性能を得ることができ、或いは、従来以上の小型化を図ることができる。本実施形態では、上記の領域のうち、０．０２［ｄｂ／λ］以下の伝播損失を示す上記範囲において０．０７／Ｋ２［ｄｂ／λ］以下という条件が成立する。
【００３１】
上記データは硬質誘電体層の膜厚ｋｈｎ＝１．０の場合に関するものであるが、これ以外の膜厚を硬質誘電体層が有する場合にも上記と同様の性質を示す。硬質誘電体層の膜厚ｋｈｎは約０．８〜１．２の範囲内で効果的である。この範囲よりも薄くなると、硬質誘電体層の高速化への寄与が低下する。上記範囲よりも厚くなると、上層にある圧電体薄膜の膜質への悪影響が増大するとともに、プロセス時間が長くなり、製造効率の低下や製造コストの増大を招く。
【００３２】
［第２実施形態］
次に、本発明の第２実施形態について図６乃至図９を参照して説明する。この第２実施形態の弾性表面波デバイス２００は、図６に示すように、シリコン基板などの誘電体基板２０１の表面上に窒化シリコンなどの硬質誘電体層２０２が形成され、この硬質誘電体層２０２の上にアルミニウムなどの等電位層２０５が形成される。等電位層２０５の上には、酸化亜鉛などの圧電体薄膜２０３が形成され、この上にさらにすだれ状電極２０４が形成される。ここで、誘電体基板２０１、硬質誘電体層２０２、圧電体薄膜２０３及びすだれ状電極２０４は上記第１実施形態と同様である。
【００３３】
等電位層２０５は、圧電体薄膜２０３の底面の電位勾配を低減する（等電位化する）ためのものである。通常、充分に電気抵抗が低い金属などの導電材料で構成する場合には、導電体層２０５の厚さは０．００１〜１．０μｍ程度で効果が得られる。薄くなりすぎると、等電位化を充分に果たすことができず、また、厚くなりすぎると、硬質誘電体層２０２の効果が減殺される。等電位層としては、金属に限らず、種々の導電体を用いることができる他、低抵抗の半導体（たとえばキャリア濃度が比較的高いシリコン層や酸化亜鉛層）を用いることも可能である。
【００３４】
図７は、本実施形態の弾性表面波デバイス２００の弾性表面波の伝播速度について、圧電体薄膜２０３の規格化された膜厚ｋｈｐに対する依存性を示すグラフである。ここで、硬質誘電層２０２の規格化された膜厚をｋｈｎ＝１．０としてある。また、基板及び各層の材料は第１実施形にてデータを示すデバイスと同じ材料を用いている。図示点線は漏洩弾性表面波、図示実線はレーリー波のデータである。この実施形態でも、第１実施形態と同様に、ｋｈｐが約０．５以上１．５以下の領域で横波バルク波よりも高い伝播速度を有するデバイスが形成される。
【００３５】
図８は、上記デバイスの電気機械結合係数Ｋ２について、膜厚ｋｈｐに対する依存性を示すグラフである。図示点線は漏洩弾性表面波、図示実線はレーリー波のデータである。この実施形態では、漏洩弾性表面波は、レーリー波よりも高い電気機械結合係数を有する。これは、レーリー波による影響を低減して性能を高める上で重要である。膜厚ｋｈｐが約０．５〜１．５である上記領域においても、漏洩弾性表面波はレーリー波の２〜８倍の電気機械結合係数を有している。したがって、本実施形態では、漏洩弾性表面波を用いた高性能のデバイスを形成でき、さらに、大幅な小型化を図ることができる。
【００３６】
図９は、上記デバイスの漏洩弾性表面波の伝播損失について、膜厚ｋｈｐに対する依存性を示すグラフである。このデバイスでは、膜厚ｋｈｐが約０．５〜１．５である上記領域のほぼ全域において伝播損失が０．０５［ｄｂ／λ］以下ときわめて低い値を示す。特に、膜厚ｋｈｐが約０．５〜１．１の範囲では、全範囲において伝播損失は０．０２［ｄｂ／λ］以下となっている。本実施形態では、膜厚ｋｈｐが約０．５〜１．５の上記領域の全範囲において漏洩弾性表面波の伝播損失が上述の０．０７／Ｋ２［ｄｂ／λ］以下となっている。
【００３７】
上記データは硬質誘電体層の膜厚ｋｈｎ＝１．０の場合に関するものであるが、これ以外の膜厚を硬質誘電体層が有する場合にも上記と同様の性質を示す。硬質誘電体層の膜厚ｋｈｎは約０．８〜１．２の範囲内で効果的である。この範囲よりも薄くなると、硬質誘電体層の高速化への寄与が低下する。上記範囲よりも厚くなると、上層にある圧電体薄膜の膜質への悪影響が増大するとともに、プロセス時間が長くなり、製造効率の低下や製造コストの増大を招く。
【００３８】
［第３実施形態］
次に、本発明の第３実施形態について図１０乃至図１３を参照して説明する。この第３実施形態の弾性表面波デバイス３００は、図１０に示すように、シリコン基板などの誘電体基板３０１の表面上に窒化シリコンなどの硬質誘電体層３０２が形成され、この硬質誘電体層２０２の上にすだれ状電極３０４が形成される。このすだれ状電極２０４の上には、酸化亜鉛などの圧電体薄膜３０３が形成される。ここで、誘電体基板３０１、硬質誘電体層３０２、圧電体薄膜３０３及びすだれ状電極３０４は上記第１実施形態と同様である。
【００３９】
図１１は、本実施形態の弾性表面波デバイス３００の弾性表面波の伝播速度について、圧電体薄膜３０３の規格化された膜厚ｋｈｐに対する依存性を示すグラフである。ここで、硬質誘電体層３０２の規格化された膜厚をｋｈｎ＝１．０としてある。また、基板及び各層の材料は第１実施形にてデータを示すデバイスと同じ材料を用いている。図示点線は漏洩弾性表面波、図示実線はレーリー波のデータである。この実施形態でも、第１実施形態と同様に、ｋｈｐが約０．５以上１．５以下の領域で横波バルク波よりも高い伝播速度を有するデバイスが形成される。
【００４０】
図１２は、上記デバイスの電気機械結合係数Ｋ２について、膜厚ｋｈｐに対する依存性を示すグラフである。図示点線は漏洩弾性表面波、図示実線はレーリー波のデータである。この実施形態では、漏洩弾性表面波は、膜厚ｋｈｐが約０．５〜１．５の領域においてレーリー波よりも高い電気機械結合係数を有する。これは、レーリー波による影響を低減して性能を高める上で重要である。具体的には、膜厚ｋｈｐが約０．５〜１．５である上記領域において漏洩弾性表面波はレーリー波の３倍以上の電気機械結合係数を有している。したがって、本実施形態では、漏洩弾性表面波を用いた高性能のデバイスを形成でき、さらに、大幅な小型化を図ることができる。
【００４１】
図１３は、上記デバイスの漏洩弾性表面波の伝播損失について、膜厚ｋｈｐに対する依存性を示すグラフである。このデバイスでは、膜厚ｋｈｐが約０．５〜１．５である上記領域のうち、膜厚ｋｈｐが約０．５〜１．１の範囲と、約１．３〜１．５の範囲において伝播損失が０．０２［ｄｂ／λ］以下ときわめて低い値を示す。これらの範囲においては、漏洩弾性表面波の伝播損失は上述の０．０７／Ｋ２［ｄｂ／λ］以下となっている。
【００４２】
上記データは硬質誘電体層の膜厚ｋｈｎ＝１．０の場合に関するものであるが、これ以外の膜厚を硬質誘電体層が有する場合にも上記と同様の性質を示す。硬質誘電体層の膜厚ｋｈｎは約０．８〜１．２の範囲内で効果的である。この範囲よりも薄くなると、硬質誘電体層の高速化への寄与が低下する。上記範囲よりも厚くなると、上層にある圧電体薄膜の膜質への悪影響が増大するとともに、プロセス時間が長くなり、製造効率の低下や製造コストの増大を招く。
【００４３】
［製造方法］
次に、図１４を参照して上記実施形態の弾性表面波デバイスの製造方法について説明する。ここで、この製造方法では、第１実施形態の弾性表面波デバイス１００を製造する場合について説明するが、第２実施形態の弾性表面波デバイス２００においても、等電位層（導電体層）２０５を形成する工程以外は同様である。なお、この導電体層２０５は、蒸着法、スパッタリング法などの周知の方法によって容易に形成できる。また、第３実施形態の弾性表面波デバイス３００においては、ＩＤＴの形成工程と、圧電体薄膜の形成工程とが逆順となる。
【００４４】
まず、誘電体基板１０１の表面を清浄化した後に、図１４（ａ）に示すように、当該表面上に窒化シリコンなどの硬質誘電体層１０２を形成する。誘電体基板、たとえばシリコン基板の清浄化は、純水や溶剤等を用いた洗浄等により行うことができる。たとえば、硫酸で処理した後に中和し、さらに純水で洗浄した後に乾燥させる。
【００４５】
窒化シリコン（Ｓｉ３Ｎ４）などの硬質誘電体層１０２の成膜工程は、常圧ＣＶＤ法、プラズマＣＶＤなどによって形成できる。成膜ガスは、窒化シリコンの場合、通常、ＳｉＨ４、ＮＨ３、Ｈ２を用いる。
【００４６】
次に、図１４（ｂ）に示すように、上記硬質誘電体層１０２の上に酸化亜鉛などの圧電体薄膜１０３を形成する。この圧電体薄膜１０３の成膜工程は、スパッタリング法、蒸着法、レーザアブレーション法、ＣＶＤ法などによって行うことができる。たとえば、スパッタリング法としては、高周波マグネトロンスパッタリングが挙げられる。スパッタリング法を用いる場合、ターゲット材質としては、酸化亜鉛で圧電体薄膜を構成するとき、金属Ｚｎでもよく、酸化亜鉛でもよいが、酸化亜鉛のターゲットを用いることが膜質を向上させるために好ましい。ターゲット材質の具体例としては、たとえば、ＺｎＯ−Ｌｉ２Ｏ（酸化亜鉛に１．５モル％の酸化リチウムを添加したもの）がある。以下の記述では、このターゲットを用いて実験を行っている。
【００４７】
雰囲気としては、Ａｒなどの不活性ガスに酸素を混合したもの（たとえば混合比が容積比で５０：５０）が用いられる。チャンバーの気圧はたとえば５［Ｐａ］以下である。また、スパッタリングの電力（パワー）は２００［Ｗ］以上の範囲とする。このスパッタリングパワーの値は膜質に影響する。上記の範囲では、一般にパワーが大きいほど成膜速度が増大するが、膜質は低下する。また、基板温度はたとえば常温、スパッタリング時間はたとえば１０分から１時間程度である。
【００４８】
次に、図１４（ｃ）に示すように、圧電体薄膜１０３の上に電極材料層１０４Ａを形成する。この電極材料層１０４Ａとしては、たとえば、Ａｌ等の金属を用いることができる。成膜方法としては、スパッタリング法、蒸着法、レーザアブレーション法などを用いることができる。その後、電極材料層１０４Ａ上にレジスト層１０５Ａを形成する。レジスト層１０５Ａは、たとえば感光性レジストをスピンコーティング法などによって塗布し、乾燥若しくは加熱硬化させることによって形成できる。その後、当該レジスト層のパターニングを行う。このパターニングは、たとえば、通常のフォトリソグラフィ法等を用いる。より具体的には、レジスト層１０５Ａを所定の露光マスクを用いてパターン露光し、その後、レジスト層１０５Ａを現像することによって、図１４（ｄ）に示すレジストマスク１０５を形成する。
【００４９】
次に、上記のレジストマスク１０５を用いて、エッチングなどによって電極材料層１０４Ａをパターニングし、図１４（ｅ）に示すすだれ状電極１０４を形成する。その後、レジストマスク１０５を除去することによって、図１４（ｆ）に示すように、表面にすだれ状電極１０４を備えた弾性表面波デバイスの構造が形成される。
【００５０】
図１５は、上記の圧電体薄膜１０３の成膜工程において用いるスパッタリング装置の概略構成を示す。この装置１０は、原料ガスを混合して供給するガス供給手段１１と、このガス供給手段１１から所定のガスの供給を受ける高周波スパッタリング装置等の装置本体１２と、装置本体１２に電力を供給する電力供給手段１３と、装置本体１２のチャンバー内部を排気する排気装置１４とを備えている。装置本体１２のチャンバー内には図示しないターゲットと、誘電体基板１０１を配置する基板ホルダとが対向配置される。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明に係る弾性表面波デバイスの外観を示す概略斜視図。
【図２】 第１実施形態の弾性表面波デバイスの概略断面図。
【図３】 弾性表面波の伝播速度と膜厚ｋｈｐとの関係を示すグラフ。
【図４】 弾性表面波の電気機械結合係数と膜厚ｋｈｐとの関係を示すグラフ。
【図５】 漏洩弾性表面波の伝播損失と膜厚ｋｈｐとの関係を示すグラフ。
【図６】 第２実施形態の弾性表面波デバイスの概略断面図。
【図７】 弾性表面波の伝播速度と膜厚ｋｈｐとの関係を示すグラフ。
【図８】 弾性表面波の電気機械結合係数と膜厚ｋｈｐとの関係を示すグラフ。
【図９】 漏洩弾性表面波の伝播損失と膜厚ｋｈｐとの関係を示すグラフ。
【図１０】 第３実施形態の弾性表面波デバイスの概略断面図。
【図１１】 弾性表面波の伝播速度と膜厚ｋｈｐとの関係を示すグラフ。
【図１２】 弾性表面波の電気機械結合係数と膜厚ｋｈｐとの関係を示すグラフ。
【図１３】 漏洩弾性表面波の伝播損失と膜厚ｋｈｐとの関係を示すグラフ。
【図１４】 弾性表面波デバイスの製造工程を示す工程断面図（ａ）〜（ｆ）。
【図１５】 圧電体薄膜の製造装置の概略構成図。
【符号の説明】
１００…弾性表面波デバイス、１０１…誘電体基板、１０２…硬質誘電体層、１０３…圧電体薄膜、１０４…すだれ状電極、１１０…ＩＤＴ、１２０…グレーティング反射器、ｋｈｎ…硬質誘電体層の規格化された膜厚、ｋｈｐ…圧電体薄膜の規格化された膜厚、λ…弾性表面波の波長
【発明の属する技術分野】
本発明は弾性表面波デバイスに係り、特に、誘電体基板上に複数の層を備えた積層構造を有する弾性表面波デバイスに関する。
【０００２】
【従来の技術】
弾性表面波（Ｓｕｒｆａｃｅ Ａｃｏｕｓｔｉｃ Ｗａｖｅ：ＳＡＷ）は、水面上を伝わっていく波と同じように弾性体の表面にエネルギーが集中して伝播する波である。この弾性表面波を利用するデバイスとしては、圧電基板の表面上に薄膜電極トランスデューサ（Ｉｎｔｅｒｄｉｇｉｔａｌ Ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ、以下、単に「ＩＤＴ」という。）を形成し、これを介して電気信号とＳＡＷとの間の変換、逆変換を行うものがある。このデバイスは、半導体ＩＣと同様に基板表面に対するプロセス技術のみで形成することができる。結晶中の弾性振動は、同一周波数の電磁波と比べて波長が１０５分の一程度ときわめて短く、高周波デバイスの動作を担う波動として適している。ＳＡＷは数十ＭＨｚから数ＧＨｚ帯のマイクロ波デバイスに適し、フィルタや共振器等のＩＣ化が困難なデバイスを抜本的に小型化できるという利点がある。
【０００３】
また、基板の表面に圧電膜或いは磁性膜を形成し、これらの薄膜を弾性表面波の伝播媒体として用いる場合がある。ここで、上記の薄膜の表面上にＩＤＴを設ければ、高周波帯域の弾性表面波を直接励振、検出する薄膜変換器を構成することができる。この場合、基板には圧電材料を用いる必要がないので、基板材料の選択の自由度が増し、多機能化を図ることが可能であると共に、特性の良い安価な通信用の弾性表面波デバイスの実現が期待される。
【０００４】
従来、圧電薄膜を用いた弾性表面波デバイスとして、シリコン基板上に酸化亜鉛薄膜を形成したものが知られており、このタイプのデバイスには、弾性表面波の伝播速度の高速化によりデバイスの更なる高周波化を狙うために、窒化シリコン層（Ｓｉ３Ｎ４）などの硬質誘電体層をシリコン基板と酸化亜鉛薄膜との間に形成したものが開発されている（たとえば、以下の非特許文献１参照）。
【０００５】
また、上記と同様の構造を用いてＳｉＮ膜を用いることにより周波数の微調整を行うデバイスも知られている（たとえば、以下の特許文献１参照）。
【０００６】
【非特許文献１】
2000 IEEE Ultrasonic Symposium: "Effect of Dielectric Layer in ZnO/Dielectric/Si Layered Structure on GSAW and HVPSAW Propagation Properties" (K.H.Choi, et.al)
【特許文献１】
特開平６−６１７４号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来の窒化シリコン層を用いた弾性表面波デバイスにおいては、基本波であるレーリー波、或いは、その高次の１次セザワ波又は２次セザワ波を用いて動作するように構成されているが、いずれも横波バルク波（ＳＶ波）の速度以下の速度しか得られておらず、伝播速度の充分な高速化ができず、デバイスの高周波化を図ることができないという問題点があった。
【０００８】
一方、横波バルク波（ＳＶ波）の速度以上の漏洩弾性表面波を用いることが考えられるが、この漏洩弾性表面波はバルク波を基板内部に放射しながら伝播するため、伝播損失が大きくなり、有効なデバイス動作が難しいという問題点があった。
【０００９】
そこで本発明は上記問題点を解決するものであり、その課題は、誘電体基板上に硬質誘電体層及び圧電体薄膜を積層した弾性表面波デバイスにおいて、従来よりもさらに高速化／高周波化の可能なデバイス構成を実現することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために本発明の弾性表面波デバイスは、誘電体基板上に硬質誘電体層が形成され、該硬質誘電体層の上に圧電体薄膜が設けられ、前記圧電体薄膜に漏洩弾性表面波を誘起する電極を備えた弾性表面波デバイスであって、前記漏洩弾性表面波の波長をλとし、前記圧電体薄膜の厚さをＴｐとしたとき、規格化された膜厚ｋｈｐ＝２πＴｐ／λが約０．５〜１．５であることを特徴とする。
【００１１】
本願発明者は、誘電体基板上に硬質誘電体層を形成し、さらにその上に圧電体薄膜を形成してなる弾性表面波デバイスにおいて、圧電体薄膜の規格化された膜厚が約０．５以上１．５以下の領域で、波長λの漏洩弾性表面波の電気機械結合係数が大きくなるとともに、伝播損失が小さくなることを見出し、本発明に至ったものである。特に、この領域において伝播損失が０．０７／Ｋ２［ｄｂ／λ］以上となるデバイスが容易に得られることが判明した。本発明によれば、高い伝播速度を有する漏洩弾性表面波を用いて高効率で低損失のデバイスを形成することができるので、デバイスの高速化／高周波数化を図ることが可能になり、デバイスの小型化も可能になる。
【００１２】
本発明において、前記漏洩弾性表面波は、前記圧電体薄膜の横波バルク波よりも高い伝播速度を有することが好ましい。上記領域では、基本的に漏洩弾性表面波は圧電体薄膜の横波バルク波（ＳＶ波）の伝播速度よりも高い伝播速度を示す。横波バルク波よりも高い伝播速度を有するデバイスは従来にはなく、本発明では従来デバイスよりも高速化を図ることができる。
【００１３】
本発明において、前記硬質誘電体層と前記圧電体薄膜との間に、前記圧電体の界面電位勾配を低減する等電位層を有することが好ましい。この発明によれば、等電位層を形成することによって、圧電体薄膜の界面（誘電体基板側の界面）を等電位化することができるため、漏洩弾性表面波の電気機械結合係数を向上させることができるとともに、レーリー波の電気機械結合係数を低くすることができる。これによって、レーリー波による影響を低減して、漏洩弾性表面波のデバイス動作をより良好な状態で実現することができる。ここで、等電位層としては、アルミニウムなどの金属層、低抵抗の半導体層などが挙げられ、結果的にその存在によって圧電体薄膜の界面上の電位勾配を低減できるものであればよい。
【００１４】
本発明において、前記電極は前記圧電体薄膜の表面上に配置されている場合がある。この構造であれば、電極形成が容易になるため、デバイスを容易にかつ低コストで製造できる。
【００１５】
本発明において、前記電極は前記圧電体薄膜と前記硬質誘電体層の間に配置されている場合もある。この場合にはデバイスの電気機械結合係数が大きくなることにより、高性能のデバイスを作成できるとともに、デバイスの小型化をさらに図ることができる。
【００１６】
本発明において、前記硬質誘電体層の厚さをＴｎとしたとき、規格化された膜厚ｋｈｎ＝２πＴｎ／λが約０．８〜１．２であることが好ましい。この範囲の厚さに硬質誘電体層を形成することにより、電気機械結合係数をさらに向上することができる。
【００１７】
本発明において、前記圧電体薄膜が酸化亜鉛薄膜であり、前記酸化亜鉛薄膜の厚さをＴｚとしたとき、規格化された膜厚ｋｈｚ＝２πＴｚ／λが約０．８〜１．５であることが好ましい。この範囲であれば、常に電気機械結合係数がある程度大きく、しかも、当該範囲内において低い伝播損失を得ることが可能であるので、高性能のデバイスを形成できる。
【００１８】
本発明において、前記圧電体薄膜の材料としては、酸化亜鉛、ＬｉＮｂＯ３、ＬｉＴａＯ３、ＫＮｂＯ３、ＰＺＴなどが挙げられる。また、他の圧電材料であっても差し支えない。
【００１９】
また、前記硬質誘電体層の材料としては、窒化シリコン、ダイヤモンド、サファイア、窒化アルミニウム、シリコンカーバイド、酸化チタンなどが挙げられる。硬質誘電体層としては、少なくとも誘電体基板よりも硬度の高い材料の誘電体や圧電体であることによって弾性表面波の高速化に寄与する。また、他の硬質誘電材料であっても差し支えない。
【００２０】
さらに、前記誘電体基板としては、シリコン、ガラス、石英、水晶などが挙げられる。誘電体基板としては、上層の膜質を損ないにくい材料、或いは、比較的安価な材料で構成されたものであることが好ましい。また、他の誘電材料であっても差し支えない。
【００２１】
【発明の実施の形態】
次に、添付図面を参照して本発明に係る弾性表面波デバイスの実施形態について詳細に説明する。
【００２２】
［第１実施形態］
図１は、本発明に係る弾性表面波デバイスの一例である第１実施形態の構成を模式的に示す概略斜視図である。この弾性表面波デバイス１００では、面方位（１００）のシリコン基板、ガラス基板、石英基板などで構成される誘電体基板１０１の表面上に、窒化シリコン（Ｓｉ３Ｎ４）、ダイヤモンド、サファイア、窒化アルミニウム、シリコンカーバイド、酸化チタンなどで構成される硬質誘電体層１０２が形成され、この硬質誘電体層１０２の上に酸化亜鉛（ＺｎＯ）、ＬｉＮｂＯ３、ＬｉＴａＯ３、ＫＮｂＯ３、ＰＺＴなどで構成される圧電体薄膜１０３が形成されている。また、圧電体薄膜１０３の表面上には、すだれ状電極１０４を有するＩＤＴ１１０が形成されている。この図示例では、ＩＤＴ１１０の両側にグレーティング反射器１２０が配置される。図示例の弾性表面波デバイス１００は、すだれ状電極１０４によってＩＤＴ１１０にて形成される弾性表面波がグレーティング反射器１２０間において共振する共振器を構成する。なお、本発明に係る弾性表面波デバイスとしては、上記の共振器に限らず、フィルタ、遅延線、コンボルバ（相関器）などを構成することも可能である。これらの場合、上記の図示例とは異なり２以上のＩＤＴを設けることがある。
【００２３】
ＩＤＴ１１０に設けられる上記のすだれ状電極１０４の形成間隔によって、ＩＤＴ１１０により励起される弾性表面波の波長λが決定される。励振される弾性表面波の波長λは、図１に示すように一対の電極体１１０Ｓ，１１０Ｔが設けられ、図２に示すように電極体１１０Ｓに接続されたすだれ状電極１０４Ｓと、電極体１１０Ｔに接続されたすだれ状電極１０４Ｔとが交互に形成されている場合、各すだれ状電極の形成周期に等しくなる。一般には、ＩＤＴ１１０のすだれ状電極１０４は、０．５〜１０μｍ程度の波長λの弾性表面波に対応する配列構造を有する。たとえば、上記図示例のようにシングル電極構造の場合には、上記波長λの１／２の間隔ですだれ状電極１０４が配列される。また、ダブル（スプリット）電極構造では、波長λの１／４の間隔で配列される。
【００２４】
上記のように誘電体基板１０１上により硬質の材料で構成された硬質誘電体層１０２が形成されることにより、一般に弾性表面波の伝播速度が向上し、その結果、弾性表面波デバイスの高周波化を図ることができる。
【００２５】
図２は、本発明の弾性表面波デバイス１００の断面構造を模式的に示す概略縦断面図である。誘電体基板１０１は、取り扱い可能な範囲の厚さを有し、たとえば、数百μｍ〜数ｍｍ程度の厚さのものが用いられる。硬質誘電体層１０２は、たとえば窒化シリコン（Ｓｉ３Ｎ４）の基本組成を有する。硬質誘電体層１０２の厚さＴｎは、通常０．１〜２０μｍ程度に設定される。さらに、圧電体薄膜１０３は、たとえば酸化亜鉛（ＺｎＯ）の基本構成を有する。通常、圧電体薄膜１０３は、後述する方法などにより圧電特性を有するように成膜されたものである。圧電体薄膜１０３の厚さＴｐは、通常、０．５〜５０μｍ程度に形成される。
【００２６】
ここで、以下の説明においては、硬質誘電体層１０２の規格化された膜厚として、上記弾性表面波の波長λを基準としたｋｈｎ＝２πＴｎ／λ（すなわち、厚さと波数ｋとの積）を用いる。また、圧電体薄膜１０３の規格化された膜厚として、同様にｋｈｐ＝２πＴｚ／λを用いる。このとき、厚さＴｎ及びＴｐは単位として［μｍ］を用いている。
【００２７】
図３は、本実施形態の弾性表面波デバイス１００の弾性表面波の伝播速度について、シリコン基板よりなる誘電体基板１０１上に、窒化シリコンよりなる硬質誘電体層１０２、酸化亜鉛よりなる圧電体薄膜１０３を積層したデバイスについて、圧電体薄膜１０３の規格化された膜厚ｋｈｐに対する依存性を示すグラフである。ここで、ここで、硬質誘電層１０２の規格化された膜厚をｋｈｎ＝１．０としてある。また、図示破線は漏洩弾性表面波、図示実線はレーリー波のデータである。さらに、グラフ中の下側に描かれた水平線は圧電体薄膜の横波バルク波の伝播速度を示し、上側に描かれた水平線は圧電体薄膜の縦波バルク波の伝播速度を示す。このグラフでわかるように、漏洩弾性表面波は膜厚ｋｈｐが約０．５以上１．５以下の領域で横波バルク波以上の伝播速度を有することがわかる。
【００２８】
図４は、上記デバイスの電気機械結合係数Ｋ２［％］の膜厚ｋｈｐに対する依存性を示すグラフである。ここで、図示破線は漏洩弾性表面波、図示実線はレーリー波のデータである。上記の漏洩弾性表面波は、膜厚ｋｈｐが約０．５以上１．５以下の領域では、レーリー波とほぼ同等の電気機械結合係数を示すことがわかる。
【００２９】
図５は、上記デバイスにおける漏洩弾性表面波の伝播損失［ｄｂ／λ］を示すグラフである。漏洩弾性表面波の伝播損失は、膜厚ｋｈｐが約０．５以上１．５以下の領域において、０．０２［ｄｂ／λ］以下のきわめて小さい範囲と、０．１［ｄｂ／λ］を越える大きな範囲とが存在する。このデバイスでは、膜厚ｋｈｐが約０．８以上１．１以下の範囲と、約１．３以上１．５以下の範囲においてきわめて小さな伝播損失を有する。
【００３０】
上記デバイスにおいては、膜厚ｋｈｐが約０．５以上１．５以下の領域において、漏洩弾性表面波を用いた動作が可能になる。また、実用上は上記の膜厚ｋｈｐが約０．８以上１．１以下、並びに、約１．３以上１．５以下の範囲において十分な性能を有するデバイスを構成することができる。さらに、上記デバイス構造については、上記領域の中で、伝播損失が０．０７／Ｋ２［ｄｂ／λ］以下である範囲を選定することによって、高性能のデバイスを構成できる。ここで、Ｋ２は図４に示す電気機械結合係数である。通常、電気機械結合係数Ｋ２が大きくなるほど励振強度が増大するので、必要とされるＩＤＴの電極の本数は電気機械結合係数Ｋ２に反比例して少なくなると考えられる。したがって、デバイスのサイズ（小型化）やデバイス性能を観点とした場合、伝播損失と電気機械結合係数の比を当該観点の指標とすることができる。通常のレーリー波を用いる弾性表面波デバイスとしては、たとえば、水晶を用いたデバイスの場合、電気機械結合係数が０．１％、伝播損失に相当する挿入損失が０．００７ｄｂ／λ程度である。したがって、伝播損失が０．０７／Ｋ２［ｄｂ／λ］以下であれば、従来のデバイスと同等或いはそれ以上の高性能を得ることができ、或いは、従来以上の小型化を図ることができる。本実施形態では、上記の領域のうち、０．０２［ｄｂ／λ］以下の伝播損失を示す上記範囲において０．０７／Ｋ２［ｄｂ／λ］以下という条件が成立する。
【００３１】
上記データは硬質誘電体層の膜厚ｋｈｎ＝１．０の場合に関するものであるが、これ以外の膜厚を硬質誘電体層が有する場合にも上記と同様の性質を示す。硬質誘電体層の膜厚ｋｈｎは約０．８〜１．２の範囲内で効果的である。この範囲よりも薄くなると、硬質誘電体層の高速化への寄与が低下する。上記範囲よりも厚くなると、上層にある圧電体薄膜の膜質への悪影響が増大するとともに、プロセス時間が長くなり、製造効率の低下や製造コストの増大を招く。
【００３２】
［第２実施形態］
次に、本発明の第２実施形態について図６乃至図９を参照して説明する。この第２実施形態の弾性表面波デバイス２００は、図６に示すように、シリコン基板などの誘電体基板２０１の表面上に窒化シリコンなどの硬質誘電体層２０２が形成され、この硬質誘電体層２０２の上にアルミニウムなどの等電位層２０５が形成される。等電位層２０５の上には、酸化亜鉛などの圧電体薄膜２０３が形成され、この上にさらにすだれ状電極２０４が形成される。ここで、誘電体基板２０１、硬質誘電体層２０２、圧電体薄膜２０３及びすだれ状電極２０４は上記第１実施形態と同様である。
【００３３】
等電位層２０５は、圧電体薄膜２０３の底面の電位勾配を低減する（等電位化する）ためのものである。通常、充分に電気抵抗が低い金属などの導電材料で構成する場合には、導電体層２０５の厚さは０．００１〜１．０μｍ程度で効果が得られる。薄くなりすぎると、等電位化を充分に果たすことができず、また、厚くなりすぎると、硬質誘電体層２０２の効果が減殺される。等電位層としては、金属に限らず、種々の導電体を用いることができる他、低抵抗の半導体（たとえばキャリア濃度が比較的高いシリコン層や酸化亜鉛層）を用いることも可能である。
【００３４】
図７は、本実施形態の弾性表面波デバイス２００の弾性表面波の伝播速度について、圧電体薄膜２０３の規格化された膜厚ｋｈｐに対する依存性を示すグラフである。ここで、硬質誘電層２０２の規格化された膜厚をｋｈｎ＝１．０としてある。また、基板及び各層の材料は第１実施形にてデータを示すデバイスと同じ材料を用いている。図示点線は漏洩弾性表面波、図示実線はレーリー波のデータである。この実施形態でも、第１実施形態と同様に、ｋｈｐが約０．５以上１．５以下の領域で横波バルク波よりも高い伝播速度を有するデバイスが形成される。
【００３５】
図８は、上記デバイスの電気機械結合係数Ｋ２について、膜厚ｋｈｐに対する依存性を示すグラフである。図示点線は漏洩弾性表面波、図示実線はレーリー波のデータである。この実施形態では、漏洩弾性表面波は、レーリー波よりも高い電気機械結合係数を有する。これは、レーリー波による影響を低減して性能を高める上で重要である。膜厚ｋｈｐが約０．５〜１．５である上記領域においても、漏洩弾性表面波はレーリー波の２〜８倍の電気機械結合係数を有している。したがって、本実施形態では、漏洩弾性表面波を用いた高性能のデバイスを形成でき、さらに、大幅な小型化を図ることができる。
【００３６】
図９は、上記デバイスの漏洩弾性表面波の伝播損失について、膜厚ｋｈｐに対する依存性を示すグラフである。このデバイスでは、膜厚ｋｈｐが約０．５〜１．５である上記領域のほぼ全域において伝播損失が０．０５［ｄｂ／λ］以下ときわめて低い値を示す。特に、膜厚ｋｈｐが約０．５〜１．１の範囲では、全範囲において伝播損失は０．０２［ｄｂ／λ］以下となっている。本実施形態では、膜厚ｋｈｐが約０．５〜１．５の上記領域の全範囲において漏洩弾性表面波の伝播損失が上述の０．０７／Ｋ２［ｄｂ／λ］以下となっている。
【００３７】
上記データは硬質誘電体層の膜厚ｋｈｎ＝１．０の場合に関するものであるが、これ以外の膜厚を硬質誘電体層が有する場合にも上記と同様の性質を示す。硬質誘電体層の膜厚ｋｈｎは約０．８〜１．２の範囲内で効果的である。この範囲よりも薄くなると、硬質誘電体層の高速化への寄与が低下する。上記範囲よりも厚くなると、上層にある圧電体薄膜の膜質への悪影響が増大するとともに、プロセス時間が長くなり、製造効率の低下や製造コストの増大を招く。
【００３８】
［第３実施形態］
次に、本発明の第３実施形態について図１０乃至図１３を参照して説明する。この第３実施形態の弾性表面波デバイス３００は、図１０に示すように、シリコン基板などの誘電体基板３０１の表面上に窒化シリコンなどの硬質誘電体層３０２が形成され、この硬質誘電体層２０２の上にすだれ状電極３０４が形成される。このすだれ状電極２０４の上には、酸化亜鉛などの圧電体薄膜３０３が形成される。ここで、誘電体基板３０１、硬質誘電体層３０２、圧電体薄膜３０３及びすだれ状電極３０４は上記第１実施形態と同様である。
【００３９】
図１１は、本実施形態の弾性表面波デバイス３００の弾性表面波の伝播速度について、圧電体薄膜３０３の規格化された膜厚ｋｈｐに対する依存性を示すグラフである。ここで、硬質誘電体層３０２の規格化された膜厚をｋｈｎ＝１．０としてある。また、基板及び各層の材料は第１実施形にてデータを示すデバイスと同じ材料を用いている。図示点線は漏洩弾性表面波、図示実線はレーリー波のデータである。この実施形態でも、第１実施形態と同様に、ｋｈｐが約０．５以上１．５以下の領域で横波バルク波よりも高い伝播速度を有するデバイスが形成される。
【００４０】
図１２は、上記デバイスの電気機械結合係数Ｋ２について、膜厚ｋｈｐに対する依存性を示すグラフである。図示点線は漏洩弾性表面波、図示実線はレーリー波のデータである。この実施形態では、漏洩弾性表面波は、膜厚ｋｈｐが約０．５〜１．５の領域においてレーリー波よりも高い電気機械結合係数を有する。これは、レーリー波による影響を低減して性能を高める上で重要である。具体的には、膜厚ｋｈｐが約０．５〜１．５である上記領域において漏洩弾性表面波はレーリー波の３倍以上の電気機械結合係数を有している。したがって、本実施形態では、漏洩弾性表面波を用いた高性能のデバイスを形成でき、さらに、大幅な小型化を図ることができる。
【００４１】
図１３は、上記デバイスの漏洩弾性表面波の伝播損失について、膜厚ｋｈｐに対する依存性を示すグラフである。このデバイスでは、膜厚ｋｈｐが約０．５〜１．５である上記領域のうち、膜厚ｋｈｐが約０．５〜１．１の範囲と、約１．３〜１．５の範囲において伝播損失が０．０２［ｄｂ／λ］以下ときわめて低い値を示す。これらの範囲においては、漏洩弾性表面波の伝播損失は上述の０．０７／Ｋ２［ｄｂ／λ］以下となっている。
【００４２】
上記データは硬質誘電体層の膜厚ｋｈｎ＝１．０の場合に関するものであるが、これ以外の膜厚を硬質誘電体層が有する場合にも上記と同様の性質を示す。硬質誘電体層の膜厚ｋｈｎは約０．８〜１．２の範囲内で効果的である。この範囲よりも薄くなると、硬質誘電体層の高速化への寄与が低下する。上記範囲よりも厚くなると、上層にある圧電体薄膜の膜質への悪影響が増大するとともに、プロセス時間が長くなり、製造効率の低下や製造コストの増大を招く。
【００４３】
［製造方法］
次に、図１４を参照して上記実施形態の弾性表面波デバイスの製造方法について説明する。ここで、この製造方法では、第１実施形態の弾性表面波デバイス１００を製造する場合について説明するが、第２実施形態の弾性表面波デバイス２００においても、等電位層（導電体層）２０５を形成する工程以外は同様である。なお、この導電体層２０５は、蒸着法、スパッタリング法などの周知の方法によって容易に形成できる。また、第３実施形態の弾性表面波デバイス３００においては、ＩＤＴの形成工程と、圧電体薄膜の形成工程とが逆順となる。
【００４４】
まず、誘電体基板１０１の表面を清浄化した後に、図１４（ａ）に示すように、当該表面上に窒化シリコンなどの硬質誘電体層１０２を形成する。誘電体基板、たとえばシリコン基板の清浄化は、純水や溶剤等を用いた洗浄等により行うことができる。たとえば、硫酸で処理した後に中和し、さらに純水で洗浄した後に乾燥させる。
【００４５】
窒化シリコン（Ｓｉ３Ｎ４）などの硬質誘電体層１０２の成膜工程は、常圧ＣＶＤ法、プラズマＣＶＤなどによって形成できる。成膜ガスは、窒化シリコンの場合、通常、ＳｉＨ４、ＮＨ３、Ｈ２を用いる。
【００４６】
次に、図１４（ｂ）に示すように、上記硬質誘電体層１０２の上に酸化亜鉛などの圧電体薄膜１０３を形成する。この圧電体薄膜１０３の成膜工程は、スパッタリング法、蒸着法、レーザアブレーション法、ＣＶＤ法などによって行うことができる。たとえば、スパッタリング法としては、高周波マグネトロンスパッタリングが挙げられる。スパッタリング法を用いる場合、ターゲット材質としては、酸化亜鉛で圧電体薄膜を構成するとき、金属Ｚｎでもよく、酸化亜鉛でもよいが、酸化亜鉛のターゲットを用いることが膜質を向上させるために好ましい。ターゲット材質の具体例としては、たとえば、ＺｎＯ−Ｌｉ２Ｏ（酸化亜鉛に１．５モル％の酸化リチウムを添加したもの）がある。以下の記述では、このターゲットを用いて実験を行っている。
【００４７】
雰囲気としては、Ａｒなどの不活性ガスに酸素を混合したもの（たとえば混合比が容積比で５０：５０）が用いられる。チャンバーの気圧はたとえば５［Ｐａ］以下である。また、スパッタリングの電力（パワー）は２００［Ｗ］以上の範囲とする。このスパッタリングパワーの値は膜質に影響する。上記の範囲では、一般にパワーが大きいほど成膜速度が増大するが、膜質は低下する。また、基板温度はたとえば常温、スパッタリング時間はたとえば１０分から１時間程度である。
【００４８】
次に、図１４（ｃ）に示すように、圧電体薄膜１０３の上に電極材料層１０４Ａを形成する。この電極材料層１０４Ａとしては、たとえば、Ａｌ等の金属を用いることができる。成膜方法としては、スパッタリング法、蒸着法、レーザアブレーション法などを用いることができる。その後、電極材料層１０４Ａ上にレジスト層１０５Ａを形成する。レジスト層１０５Ａは、たとえば感光性レジストをスピンコーティング法などによって塗布し、乾燥若しくは加熱硬化させることによって形成できる。その後、当該レジスト層のパターニングを行う。このパターニングは、たとえば、通常のフォトリソグラフィ法等を用いる。より具体的には、レジスト層１０５Ａを所定の露光マスクを用いてパターン露光し、その後、レジスト層１０５Ａを現像することによって、図１４（ｄ）に示すレジストマスク１０５を形成する。
【００４９】
次に、上記のレジストマスク１０５を用いて、エッチングなどによって電極材料層１０４Ａをパターニングし、図１４（ｅ）に示すすだれ状電極１０４を形成する。その後、レジストマスク１０５を除去することによって、図１４（ｆ）に示すように、表面にすだれ状電極１０４を備えた弾性表面波デバイスの構造が形成される。
【００５０】
図１５は、上記の圧電体薄膜１０３の成膜工程において用いるスパッタリング装置の概略構成を示す。この装置１０は、原料ガスを混合して供給するガス供給手段１１と、このガス供給手段１１から所定のガスの供給を受ける高周波スパッタリング装置等の装置本体１２と、装置本体１２に電力を供給する電力供給手段１３と、装置本体１２のチャンバー内部を排気する排気装置１４とを備えている。装置本体１２のチャンバー内には図示しないターゲットと、誘電体基板１０１を配置する基板ホルダとが対向配置される。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明に係る弾性表面波デバイスの外観を示す概略斜視図。
【図２】 第１実施形態の弾性表面波デバイスの概略断面図。
【図３】 弾性表面波の伝播速度と膜厚ｋｈｐとの関係を示すグラフ。
【図４】 弾性表面波の電気機械結合係数と膜厚ｋｈｐとの関係を示すグラフ。
【図５】 漏洩弾性表面波の伝播損失と膜厚ｋｈｐとの関係を示すグラフ。
【図６】 第２実施形態の弾性表面波デバイスの概略断面図。
【図７】 弾性表面波の伝播速度と膜厚ｋｈｐとの関係を示すグラフ。
【図８】 弾性表面波の電気機械結合係数と膜厚ｋｈｐとの関係を示すグラフ。
【図９】 漏洩弾性表面波の伝播損失と膜厚ｋｈｐとの関係を示すグラフ。
【図１０】 第３実施形態の弾性表面波デバイスの概略断面図。
【図１１】 弾性表面波の伝播速度と膜厚ｋｈｐとの関係を示すグラフ。
【図１２】 弾性表面波の電気機械結合係数と膜厚ｋｈｐとの関係を示すグラフ。
【図１３】 漏洩弾性表面波の伝播損失と膜厚ｋｈｐとの関係を示すグラフ。
【図１４】 弾性表面波デバイスの製造工程を示す工程断面図（ａ）〜（ｆ）。
【図１５】 圧電体薄膜の製造装置の概略構成図。
【符号の説明】
１００…弾性表面波デバイス、１０１…誘電体基板、１０２…硬質誘電体層、１０３…圧電体薄膜、１０４…すだれ状電極、１１０…ＩＤＴ、１２０…グレーティング反射器、ｋｈｎ…硬質誘電体層の規格化された膜厚、ｋｈｐ…圧電体薄膜の規格化された膜厚、λ…弾性表面波の波長
Claims (9)
- 誘電体基板上に窒化シリコンで構成される硬質誘電体層が形成され、該硬質誘電体層の上に酸化亜鉛で構成される圧電体薄膜が設けられ、前記圧電体薄膜に漏洩弾性表面波を誘起する電極を備えた弾性表面波デバイスであって、
前記漏洩弾性表面波の波長をλとし、前記圧電体薄膜の厚さをＴｐとしたとき、規格化された膜厚ｋｈｐ＝２πＴｐ／λが０．５〜１．５であることを特徴とする弾性表面波デバイス。 - 前記圧電体薄膜の電気機械結合係数をＫ２［％］としたとき、前記漏洩弾性表面波の伝播損失が０．０７／Ｋ２［ｄｂ／λ］以下であることを特徴とする請求項１に記載の弾性表面波デバイス。
- 前記漏洩弾性表面波は、前記圧電体薄膜の横波バルク波よりも高い伝播速度を有することを特徴とする請求項１又は２に記載の弾性表面波デバイス。
- 前記硬質誘電体層と前記圧電体薄膜との間に、前記圧電体の界面電位勾配を低減する等電位層を有することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の弾性表面波デバイス。
- 前記電極は前記圧電体薄膜の表面上に配置されていることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載の弾性表面波デバイス。
- 前記電極は前記圧電体薄膜と前記硬質誘電体層の間に配置されていることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載の弾性表面波デバイス。
- 前記硬質誘電体層の厚さをＴｎとしたとき、規格化された膜厚ｋｈｎ＝２πＴｎ／λが約０．８〜１．２であることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか一項に記載の弾性表面波デバイス。
- 前記圧電体薄膜が酸化亜鉛薄膜であり、前記酸化亜鉛薄膜の厚さをＴｚとしたとき、規格化された膜厚ｋｈｚ＝２πＴｚ／λが０．８〜１．５であることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか一項に記載の弾性表面波デバイス。
- 前記誘電体基板がシリコン、ガラス、石英、水晶から選ばれた材料で構成されることを特徴とする請求項１乃至８のいずれか一項に記載の弾性表面波デバイス。
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