JP5097338B2 - 圧電薄膜弾性波素子、圧電薄膜弾性波素子を用いた情報処理装置、及び圧電薄膜弾性波素子の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は圧電薄膜弾性波素子及びこれを用いた情報処理装置に関する。

従来、非特許文献１に記載されているように圧電薄膜弾性波素子では、圧電薄膜の結晶のC軸の配向性が良ければ、電気機械結合係数が大きく、圧電薄膜弾性波素子の低損失化、広帯域化に有効であると言われている。

2000年IEEE Transactions on Ultrasonics, Ferroelectrics, and Frequency Control, Vol.47, No.1, January p.292 (2000)

しかしながら、発明者らの詳細な検討によれば、C軸の配向性が良くても、電気機械結合係数が小さい場合が存在する。即ち、C軸の配向性を改善しても電気機械結合係数が改善されず、圧電薄膜弾性波素子として必要な電気機械結合係数が得られない場合が存在する。このような場合には、圧電薄膜弾性波素子の損失が増加するため、例えば移動通信装置に圧電薄膜弾性波素子が適用された場合を想定すると、受信系では受信感度が低下するおそれがあり、また、送信系では送信強度を高める必要が生じて省電力化に好ましくない。そこで、発明者らは、C軸の配向性以外に電気機械結合係数に影響を与える要因について調査し、電気機械結合係数を改善するための手法を検討した。

本発明では、信頼性の高い圧電薄膜弾性波素子及びこれを用いた情報処理装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本願発明は特許請求の範囲に記載の構成を備える。

本発明によれば、信頼性の高い圧電薄膜弾性波素子及びこれを用いた情報処理装置を得る事が可能となる。

発明者らは、C軸の配向性以外に電気機械結合係数に影響を与える要因について調査し、電気機械結合係数を改善するための手法を検討した。

まず、発明者らは、C軸の配向性以外に電気機械結合係数に影響を与える要因として、分極強度に着目した。つまり、分極強度が電気機械結合係数に影響を及ぼす要因であると予想して検証実験を行い、この分極強度を制御することにより電気機械結合係数を改善できないか検討した。その結果、図７（詳細は後述する）に示すように分極強度の絶対値と電気機械結合係数には相関関係があり、分極強度が大きい程電気機械結合係数の値も大きくなることが判明した。また、この分極強度の絶対値は、図８（詳細は後述する）に示すように成膜時の成長温度と相関関係があることも判明した。即ち、成膜時の成長温度を制御することにより分極強度の絶対値を大きくし、ひいては電気機械結合係数を大きくすることができることが明らかになった。

また、発明者らは、圧電薄膜弾性波素子の結晶性を向上させるための手法についても検討を行った。結晶性が悪い場合には結晶方位のずれやデスロケーション等の問題が発生し、結果として電気機械結合係数が小さくなってしまうからである。そして発明者らの検討の結果、結晶性の良し悪しは結晶を成長させる面に依存することが判明した。具体的には、図１１に示すようなAlNの結晶構造を想定した場合において、＋C面成長させる場合と−C面成長させる場合とで結晶性に差が出ることを確認した。つまり、＋C面成長させた場合の方が−C面成長させた場合よりもより良好な結晶が得られることが判明した。そして、さらに調査を行った結果、＋C面成長、−C面成長の極性は成膜する際の初期窒化の有無に依存することが明らかになった。即ち、初期窒化の有無により＋C面成長させるか−C面成長させるかの極性を制御することが可能になり、ひいては結晶性を向上させ、電気機械結合係数を大きくすることができることを見出した。以下、図面を参照しながら詳細に説明する。

まず、上述した分極強度と極性を支配している要因を明らかにするために行った実験内容を説明する。図1に、AlN成膜を行うための有機金属化学気相成長法（MOCVD）を用いた装置概略図を示す。AlN以外にZnO、GaNを用いた手法があるが、ここではAlNを用いた手法を説明する。さて、図１では成膜のために用いる主要な原料ガスとして、アンモニアガス（NH3）、トリメチルアルミニウム（TMA）を用いている。その他の原料として、アルミニウム（Al）ターゲット、窒素ガス（N2）、AlN粉末、などが考えられる。

１は内部に水素が充填されたボンベであり、２は内部にNH3が充填されたボンベである。３は高純度水素ガスを精製するための精製装置であり、ボンベの直後に設置される。４はそれぞれの流量を制御するマスフローコントローラーである。５は石英製たて型反応管であり、この内部で原料ガスを反応させて成膜を形成させる。６は基板加熱を行う高周波誘導加熱装置である。その他の加熱法としては抵抗過熱などが考えられる。７は原料ガスのひとつであるTMAを水素ガスでバブリングして気相を作り出し、同じく水素ガスで気相TMAをバックアップして反応管まで輸送している。NH3とTMAは配管内で反応を起こさせないようにするため、別々の配管を経由して反応管内で混ざり合う構成となっている。

発明者らは、分極強度と極性を支配している要因としてAlN成長温度とNH3アニール（初期窒化）の条件に注目し、図１に示す実験装置を用いて様々な成膜条件の下で検証を行った。ここで初期窒化とは、AlN薄膜を成長させる前の基板（または前段行程で作成した薄膜）表面が窒化されている状態を指す。

図10にAlN成膜条件を示す。成膜条件1は、初期窒化を施さない場合である。この場合は水素アニール後にTMAを導入し、10秒後にNH3を導入している。成膜条件2は、NH3アニールを基板温度600℃で行い、AlN成膜を600℃で行った場合を示している。これ以上の温度であっても構わない。成膜条件3は、NH3アニールを1200℃で行い、AlN成膜を600℃で行った場合を示している。成膜条件4は、成膜条件3と同一条件、即ちNH3アニールを1200℃で行った後に、AlN成膜を1200℃で行った場合を示している。なお、以上の成膜条件では600℃と1200℃とを一例として示したが、それぞれ600℃以上と1200℃以上としても構わない。

図4に、成膜条件2と4における実験状況の例を示す。横軸は経過時間を示し、縦軸は基板温度を示している。いずれの成膜条件においても、基板加熱は昇温時は水素アニールを正確に制御するために出来るだけ速く行った。成膜後の降温は残留歪を極力抑制するために長い時間かけて行った。

図10に示す成膜条件１から4における非線形誘電率顕微鏡（SNDM）測定結果を図5に示す。図５は、その色濃度が薄い場合には−C面成長していることを示し、色濃度が濃い場合には＋C面成長していることを示している。また、分極強度の平均値AvはSNDMにより測定した結果であり、その絶対値が大きいほど分極強度が大きいことを示している。

以下、分極強度を[mV]と[F/V]と示す場合の説明を示す。
[mV]はSNDM測定系において、測定上直接的に得られるロックインアンプの出力信号（Vout）である。この信号は、例え同一の試料で測定したとしても、測定条件によって変わってしまう値であるため、普遍的ではない。言い換えると、異なる試料間でも、測定条件を調節すると同じ値を得ることができる。同一試料で、同一測定条件の下では、この出力信号で相対評価は可能である。しかし、同一試料で、異なる測定条件の下では、測定条件を考慮した出力で評価するべきである。測定パラメータを考慮した信号強度（Ig）は以下の式で与えられる。

ここで、Svはロックインアンプの感度[mV]、RgはFM復調器のレンジ[kHz]、Vaは試料の印加電圧[V]である。この信号強度は当然、非線形誘電率を反映したものである。さらに異なる材料間で評価するためのより普遍的な評価として、３次の非線形誘電率(ε^ui(3))[F/V]の導出がある。これは標準試料（非線形誘電率が既知）を用いて以下の式で表される。

ここで、添字st、uiはそれぞれ標準試料、比測定試料である。ε^st(3)は標準試料の非線形誘電率[F/V]、ここでは標準試料にZ-cut LiTaO₃のマイナス面を用いており、その値は−2.26×10⁻¹⁹である。S_nl(ε(2))は単位非線形誘電率当りの容量変化感受率であり、比誘電率ε(2)のみの関数となる。標準試料の容量変化感受率(S_nl(ε^st(2)))は0.17075である。比測定試料の容量感受率(S_nl(ε^ui(2)))は0.199927であり、これはサファイアの比誘電率を用いて計算した値である。また、f_sはプローブを試料にコンタクトした際に、プローブと試料表面付近に生じる容量によって変化した共振周波数である。
以下、分極強度を[%]として表す場合の説明を示す。
この表示は試料面内における分極率として定義する。C面AlN膜の電気機械結合係数である0.25%を面内分極率100%としている（図7を参照）。以上に鑑みてそれぞれの成膜条件の実験結果を見ると、次のようになる。即ち、成膜条件1に関しては、成膜されたAlNは−C面成長していることがわかる。その分極強度は2628ｍV（または−1.00×10⁻²⁰F/V）である。成膜条件2に関しては、同じく−C面成長している。分極強度は2381ｍV（または−1.51×10⁻²⁰F/V）である。つまり、NH3アニールを行わない場合とNH3アニールを600℃で行う場合でほぼ同様の結果となり、−C面成長することがわかった。成膜条件3に関しては、＋C面成長していることがわかった。成膜条件２との比較から、NH3アニールを1200℃で行うことによって、−C面から＋C面成長に変化させることができることが分かる。さらに成長温度を1200℃で行った成膜条件4に関しては、分極強度の増した＋C面膜であった。

以上のことから、成長温度を上昇させることによって分極強度を大きくすることが可能であるであることが明らかになった。また、−C面成長で結晶性の良いAlN膜の報告は現在のところ皆無であり、デバイス応用上、＋C面成長させることがデバイス特性の向上につながる。したがって初期窒化を施すことによって＋C面成長させ、かつ成長温度を上げることによって分極強度を大きくすることが望ましいと考えられる。

次に、上記の検討結果に鑑みて検証実験を行った結果を説明する。図2に、本実施の形態における代表的な成膜条件、成膜方法の一例を示す。基板はサファイア基板を用いるものとする。

まず、基板表面の酸化層、ダメージ層をクリーニングするために水素アニールを施す。水素アニールの条件は基板温度1200℃、水素雰囲気中、反応管内圧力30Torrで15分間行う。水素アニールの後に、NH3を導入して基板表面の初期窒化を1分間行う。基板温度は1200℃、NH3流量は300sccm、反応管内圧力は30Torrである。初期窒化の後に、TMAを導入して、AlN成膜が行われる。成膜条件は図2に示した通りである。

図３に、図2に示す条件で成膜したAlNの極性ならびに分極強度測定の結果を示す。 図３に示すように、成膜したAlN膜はC面成長しており、その中でも極性は＋C面成長しているSNDMによる出力信号（これは分極強度を示す）の平均値は−2251mV（または1.43×10−20F/Vまたは83％）である。AlN膜の分極強度の絶対値としては比較的大きな値であることから十分な電気機械結合係数が得られ、かつ、＋C面成長していることから良好な結晶が得られる。

分極強度と電気機械結合係K²、成長温度と極性の関係を図６〜８を用いて詳細に説明する。AlNは、図１０に示すように、＋Ｃ軸方向又は-Ｃ軸方向に大きく分極する。面内にＣ軸が反転して存在していると逆向きの分極が生じ、結果として圧電作用を相殺してしまう。そのため、変換効率である電気機械結合係数の劣化が起こると考えられる。そこで、極性反転の分布を確認することと分極強度と電気機械結合係数の関係を評価する目的で、SNDM測定を行った。図６に測定結果を示す。測定した試料は (a) K² = 約0.15%、(b) K² =約0.15%（(a)とは異なる試料）および(c) K² =約0.1%である。同じK²の値を有している(a)および(b)に関しては、同様の分極強度を示した。K²の値は大きいほど良好であり、小さいほど劣化していることを示す。

相対的にK²が劣化している試料(c)に関しては、SNDM像から分極強度が試料(a)、(b)より相対的に弱いことがわかる。その平均値は−831mVとなっている。つまり、分極強度と電気機械結合係数には相関があることがわかった。そこで図7に分極強度と電気機械結合係数の相関グラフを示す。実線は実測プロットに基づいた近似線である。C面AlNの電気機械結合係数の理想的な飽和値は約0.25％であり、その値を得るためにはその分極強度絶対値を2000mV（または1.27×10⁻²⁰F/Vまたは80％）以上に制御する必要がある。図8に成長温度と分極強度のグラフを示す。理想的な電気機械結合係数が得られる分極強度2000mV以上を得るためには、＋C面成長させた場合で、成長温度1100℃以上が必要であり、−C面成長させた場合に、600℃以上必要であることがわかる。

以上より、分極強度と電気機械結合係数には相関があり、理想的な電気機械結合係数を得るためには分極強度を2000mV（または1.27×10⁻²⁰F/Vまたは80％）以上に制御する必要がある。また、＋C面成長の場合に、成長温度を1100℃以上で行うことによって、分極強度を2000mV（または1.27×10⁻²⁰F/Vまたは80％）以上に制御することが可能である。

なお、電気機械結合係数の値としては、デバイス特性を考慮すると0.1％以上の値（分極強度絶対値にして約1000mV（または0.63×10⁻²⁰F/V）以上）であることが望ましい。この値以上であれば、例えば移動通信端末で使用される発振器のフィルタとして必要な特性を得ることができる。さらに、例えば0.2％以上の値であれば、0.1％の場合に比して使用できる帯域がほぼ２倍に広がり応用範囲が広がる。さらに、0.5％〜1.0％以上の値であれば、移動通信端末の中間周波フィルタ等にも使用することが可能になり、さらに応用範囲が広がる。

また、図７では分極強度絶対値の最大値を3000mV（または1.89×10⁻²⁰F/V））、電気機械結合係数の最大値を0.25％として両者の比例関係をグラフ化したが、これ以上の値であっても両者の比例関係は同様に推移する。例えば、分極強度絶対値が10000mV（または6.3×10⁻²⁰F/V））であれば電気機械結合係数は1.0％、分極強度絶対値が20000mV（または1.26×10⁻¹⁹F/V））であれば電気機械結合係数は2.0％というが如くである。但し、電気機械結合係数はAlNでは約5.0％、ZnOでは約3.0％、GaNでは約1.0％が限度であり、それぞれにおいてはこの値が上限値となる。この圧電膜を用いた弾性波素子の応用例を図9に示す。主に、弾性表面波素子および圧電薄膜共振子などが考えられる。以上述べた制御技術と応用例はAlN膜のみならず、他の圧電薄膜であるZnO、GaNなどについても同様である。

また、図１２に、本実施の形態における圧電弾性波素子を移動通信装置に使用した場合の構成を示す。101は無線電波を受信するアンテナ、102は分波器、103は低雑音増幅器、104は電力増幅器、105、106は受信段間フィルタ、107は高周波IC、108はベースバンドIC、109は高周波ICを駆動する発振器である。図１３に、分波器102の詳細を示す。111は位相器、112は受信トップフィルタ、113は送信トップフィルタである。本実施の形態における圧電弾性波素子は、受信トップフィルタ112、送信トップフィルタ113に使用され、発振器109のフィルタにも使用される。このように、本実施の形態における圧電弾性波素子を使用することで、信頼性の移動通信装置を提供することが可能になる。

MOCVD装置概略図。 代表的な成膜条件と手順を示す図。 図2で示した条件によるAlN膜のSNDM像。 図１０おける成膜条件2および4の成膜条件を示す図。 図１０における成膜条件におけるAlN膜のSNDM像。 電気機械結合係数とSNDMによる分極強度の関係を示す図。 電気機械結合係数と分極強度のグラフ。 成長温度と分極強度のグラフ。 本実施の形態による弾性波装置の応用例を示す図。 AlN成膜条件を示す図。 AlNの構造を示す図。 移動通信装置のブロック図。 分波器の構成を示す図。

符号の説明

1…ボンベ、２…ボンベ、３…精製装置、４…マスフローコントローラー、５…石英製たて型反応管、６…高周波誘導加熱装置、７…TMAバブラー、１０１…アンテナ、１０２…分波器、１０３…低雑音増幅器、１０４…電力増幅器、１０５…受信段間フィルタ、１０６…受信段間フィルタ、１０７…高周波IC、１０８…ベースバンドIC、１０９…発振器、１１１…位相器、１１２…受信トップフィルタ、１１３…送信トップフィルタ。

Claims (7)

1. 基板上に圧電薄膜を有する圧電薄膜弾性波素子であって、
   前記圧電薄膜は、C軸方向に分極しており、
   前記圧電薄膜の分極強度の面内の平均値が＋0.63×10−20 F/V以上であることを特徴とする圧電薄膜弾性波素子。
2. 請求項１記載の圧電薄膜弾性波素子において、
   前記圧電薄膜はAlN、ZnOまたはGaNにより成膜されたことを特徴とする圧電薄膜弾性波素子。
3. 請求項１又は２記載の圧電薄膜弾性波素子において、
   前記圧電薄膜は、600℃以上の基板温度で成膜されたことを特徴とする圧電薄膜弾性波素子。
4. 請求項１から３のいずれか記載の圧電薄膜弾性波素子において、
   前記圧電薄膜の分極強度の面内の平均値が＋1.26×10−20 F/V以上であることを特徴とする圧電薄膜弾性波素子。
5. 請求項１から４のいずれか記載の圧電薄膜弾性波素子において、
   前記圧電薄膜は1200℃以上の基板温度で窒化された基板上に600℃以上の基板温度で成膜されたことを特徴とする圧電薄膜弾性波素子。
6. 請求項１から５のいずれか記載の圧電薄膜弾性波素子を備えたことを特徴とする情報処理装置。
7. 圧電薄膜弾性波素子の製造方法であって、
   基板に対して水素アニールを行い、
   前記水素アニールされた前記基板に対して1200℃以上の基板温度で窒化を行い、
   前記窒化された前記基板に対して600℃以上の基板温度でAlN成膜を行うことを特徴とする圧電薄膜弾性波素子の製造方法。

Images