JP5747318B2 - Thin film resonator - Google Patents
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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。 The present invention is a thin film made of a material having a wurtzite crystal structure such as zinc oxide (ZnO), aluminum nitride (AlN), gallium nitride (GaN), silicon carbide (SiC), scandium aluminum nitride (ScAlN), etc. The present invention relates to a manufacturing method and apparatus for the thin film, and a thin film resonator that can be manufactured using the thin film.
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。 As shown in FIG. 1, the wurtzite crystal structure has a hexagonal unit cell. Layers composed of An + (layer A) and layers composed of B n− (layer B) are alternately stacked. The layer is disposed at a position shifted in the c-axis direction from a position equidistant from the two A layers above and below it. By having the above structure, a crystal having a wurtzite structure (hereinafter referred to as “wurtzite crystal”) has a piezoelectric body having a polarization vector P in a direction parallel to the c-axis even when no external electric field is applied. Become.
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。 A wurtzite piezoelectric thin film made of such a wurtzite type crystal generates mechanical vibration when an alternating electrical signal is input, and generates an alternating electrical signal when mechanical vibration is input. The mechanical vibration here is a longitudinal wave when the c-axis of the wurtzite crystal is oriented perpendicularly to the wurtzite piezoelectric thin film (hereinafter referred to as “vertical orientation”). When it is oriented in one direction parallel to the wurtzite piezoelectric thin film (parallel orientation), it is a transverse wave.
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。 Conventionally, it is known that a wurtzite piezoelectric thin film is easily vertically aligned. On the other hand, the inventor of the present application has so far deposited a material for a wurtzite piezoelectric thin film on the substrate while forming a temperature gradient on the substrate (Patent Document 1), and formed a density gradient of plasma composed of the thin film material. By placing a substrate in the plasma (Patent Document 2) or depositing the thin film material on the substrate while irradiating an ion beam substantially parallel to the substrate (10 ° or less) (Patent Document 3) It has been found that a wurtzite piezoelectric thin film with parallel orientation can be obtained.
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。 Wurtzite piezoelectric thin films have been used mainly for thin film resonators by taking advantage of the above characteristics. The thin film resonator functions as a frequency filter that extracts a signal having a specific frequency from a broadband signal. Conventionally, in such thin film resonators, in many cases, a vertically oriented wurtzite piezoelectric thin film that is easy to manufacture has been used. On the other hand, Patent Document 4 describes that a parallel-oriented wurtzite piezoelectric thin film is used for the thin film resonator. When such a parallel alignment type is used, the sound velocity of the mechanical vibration becomes slower than when a vertical alignment type is used, so that the film thickness for resonating at a predetermined frequency can be made thinner. As a result, the area of the film necessary for obtaining a predetermined impedance (usually 50Ω) can be reduced, and the device can be miniaturized. Further, since the transverse wave does not propagate in the air, it is possible to prevent the energy of mechanical vibration from leaking outside the thin film resonator by using the parallel-oriented wurtzite piezoelectric thin film.
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。 Therefore, in the wurtzite piezoelectric thin film, it is important in which direction the c-axis of the wurtzite piezoelectric thin film is oriented. It was not examined. The problem to be solved by the present invention is to provide a wurtzite piezoelectric thin film having an orientation other than the vertical orientation type and the parallel orientation type, and which can provide unprecedented characteristics by the orientation. It is. In addition, a method and an apparatus for producing such a wurtzite piezoelectric thin film and a thin film resonator using such a wurtzite piezoelectric thin film are provided.
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。 The wurtzite piezoelectric thin film according to the present invention formed to solve the above problems is a thin film made of a material having a wurtzite type crystal structure, and is an angle formed by a normal to the thin film and a c-axis. tilt angle, and wherein the piezoelectric constant e 33 about the longitudinal wave is greater than the critical angle of inclination becomes zero, is and less than 90 °.
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。 This wurtzite piezoelectric thin film is preferably produced without using an epitaxial growth method. This is because the epitaxial growth method requires a thin film to be formed on a single crystal substrate, making it difficult to form an electrode for use as a device on the thin film. A specific example of manufacturing the thin film will be described later.
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。 The inventor of the present application obtained by calculation how the piezoelectric constant changes in the wurtzite crystal thin film when the c-axis is inclined from the normal to the thin film. As a result, as shown in FIG. 2, when the tilt angle is larger than the critical tilt angle θc and the tilt angle is less than 90 °, the piezoelectric constant e 33 relating to the longitudinal wave becomes negative. I found it. The wurtzite crystal thin film thus piezoelectric constant e 33 is negative, when an AC voltage is applied to the top and bottom of the thin film, the wurtzite type crystal thin film of vertically aligned piezoelectric constant e 33 is positive vertical in antiphase Wave vibration is generated.
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。 Accordingly, the wurtzite piezoelectric thin film according to the present invention provided with electrodes on both sides is a thin film resonator that generates longitudinal wave vibrations in the opposite phase to the conventional thin film resonator using a vertically oriented wurtzite crystal thin film. Function.
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。
Further, the wurtzite piezoelectric thin film according to the present invention can be suitably used for a thin film resonator having a two-layer structure described below. The thin film resonator according to the present invention is provided by overlapping a first piezoelectric layer and a second piezoelectric layer between upper and lower electrodes,
a) A first polarization vector that is a polarization vector of the first piezoelectric layer and a second polarization vector that is a polarization vector of the second piezoelectric layer are parallel to the first piezoelectric layer and the second piezoelectric layer. Oriented to be inclined with respect to the normal of the surface,
b) The projection of the first polarization vector onto the normal line is in the same direction as the projection of the second polarization vector onto the normal line, and the positive / negative of the piezoelectric constant with respect to the longitudinal wave is the same as that of the first piezoelectric layer. The two piezoelectric layers are reversed.
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。 In the thin film resonator having a two-layer structure according to the present invention, when an alternating voltage is applied between the upper and lower electrodes by setting the direction of each polarization vector and the piezoelectric constant as described above, the first piezoelectric layer and the second piezoelectric layer. The body layers generate longitudinal vibrations in opposite phases. As a result, in the thin film resonator having a two-layer structure according to the present invention, in the secondary mode in which the same length as the combined thickness of the first piezoelectric layer and the second piezoelectric layer is one wavelength by the input of the AC voltage. Longitudinal wave vibration is generated. On the other hand, in a conventional thin film resonator having only one layer made of a wurtzite piezoelectric thin film, a first-order mode vibration having a half wavelength of the same length as the thickness of the layer is generated. Therefore, when comparing the two-layered thin film resonator according to the present invention compared to the conventional thin film resonator, the present invention can increase the frequency when the sum of the thickness of the wurtzite piezoelectric thin film is equal. When the frequencies are equal, the thickness of the wurtzite piezoelectric thin film is increased, so that the power durability and the mechanical strength can be increased.
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。 In the thin film resonator having a two-layer structure according to the present invention, one of the first piezoelectric layer and the second piezoelectric layer has an inclination angle that is an angle formed by a normal line to the layer and a c-axis. A wurtzite piezoelectric thin film having a piezoelectric constant e 33 of greater than a critical inclination angle that is zero and less than 90 ° is used, and a wurtzite piezoelectric thin film having an inclination angle smaller than the critical inclination angle is used for the other. be able to.
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、基板を冷却しつつ、ウルツ鉱型の結晶構造を有する材料を該基板の表面に堆積させると共に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。
The wurtzite piezoelectric thin film according to the present invention can be suitably produced by the following method or / and apparatus. Thin film manufacturing method according to the present invention, while cooling the substrate, 40 ° or less angle than the 10 ° to the surface of the Rutotomoni substrate a material having a wurtzite crystal structure is deposited on the surface of the substrate It is characterized by irradiating with an ion beam so as to be incident on.
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を冷却する冷却手段と、
d) 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。
Moreover, the thin film manufacturing apparatus according to the present invention includes:
a) a substrate base for mounting a substrate on which a thin film is to be formed;
b) material supply means for supplying the material to the surface so as to deposit a material having a wurtzite type crystal structure on the surface of the substrate attached to the substrate table;
c) cooling means for cooling the substrate attached to the substrate table;
d) Ion beam irradiation means for irradiating an ion beam so as to be incident at an angle of more than 10 ° and not more than 40 ° with respect to the surface of the substrate mounted on the substrate table.
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。 Hereinafter, the angle formed between the substrate surface and the ion beam is referred to as “incident angle”.
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。 As described in Patent Document 3, when the incident angle is 10 ° or less, the wurtzite crystal is aligned in parallel. Further, when the incident angle exceeds 40 °, the wurtzite crystal is not preferentially oriented or crystallized. On the other hand, according to the thin film manufacturing method and apparatus according to the present invention, by setting the incident angle to more than 10 ° and not more than 40 °, the inclination angle of the c-axis is approximately 60 ° or more (the c-axis relative to the substrate). A wurtzite piezoelectric thin film with an angle of approximately 30 ° or less is obtained. Hereinafter, the orientation at such an inclination angle is referred to as “parallel inclination orientation”.
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。 In the manufacturing method and apparatus of the present invention, a wurtzite piezoelectric thin film in which the c-axis is vertically aligned can be obtained when the ion beam energy is below a predetermined boundary value. However, in the conventional vertically oriented wurtzite piezoelectric thin film, the a-axis and b-axis are not oriented (towards a random direction), whereas this wurtzite piezoelectric thin film is hexagonal in the hexagonal unit cell. The a-axis and b-axis are oriented so that the C-planes are densely arranged, thereby having high electrical characteristics such as lower electrical resistivity than the conventional vertically oriented wurtzite piezoelectric thin film. The boundary value of the ion beam energy can be obtained by performing a simple preliminary experiment.
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。 According to the present invention, there can be obtained a wurtzite piezoelectric thin film having unprecedented characteristics in which longitudinal wave vibration in the opposite phase to that of a vertically oriented wurtzite crystal thin film occurs, and a thin film resonator using the wurtzite piezoelectric thin film.
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。 In addition, the two-layered thin film resonator according to the present invention can obtain a secondary mode longitudinal wave vibration, thereby increasing the frequency or increasing the power durability and mechanical strength. it can.
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。 Examples of a wurtzite crystal thin film, a thin film manufacturing method and apparatus, and a thin film resonator according to the present invention will be described with reference to FIGS.
(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。
(1) One Example of Thin Film Manufacturing Apparatus First, an example of a thin film manufacturing apparatus according to the present invention will be described with reference to FIG. The thin
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。
In the present embodiment, the
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。 As the ion beam IB irradiated by the ion beam irradiation means 13, an oxygen ion beam can be suitably used when the material M is ZnO, and a nitrogen ion beam can be suitably used when the material is AlN. In addition to these, an ion beam generated from argon, which is relatively inexpensive, or an ion beam in which a plurality of types of ions are mixed may be used.
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。
In addition to the above-described magnetron sputtering apparatus, the
(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。
(2) One Example of Thin Film Manufacturing Method An example of a thin film manufacturing method according to the present invention using the thin
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。
First, the substrate S is attached to the
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。
Next, the target T made of Al is attached to the magnetron sputtering apparatus of the
(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:500eV、膜厚:0.75μm
(3) Evaluation Experiment of Example of Wurtzite Piezoelectric Thin Film According to the Present Invention Obtained by the Thin Film Manufacturing Method and Apparatus of this Example Using FIG. 4 to FIG. 10, the thin film manufacturing method and apparatus of this example The results of the evaluation experiment of the four types of AlN thin films (AlN thin films I to III) produced by the above will be described. The production conditions of each AlN thin film differ as follows in terms of the incident angle α of the irradiated ion beam, the ion beam energy (acceleration voltage), the gas introduced into the container, and the thickness of the film formed. doing.
・ AlN thin film I
α: 20 °, acceleration voltage: 3000 eV, gas: nitrogen gas, film thickness: 3.4 μm
・ AlN thin film II
α: 20 °, acceleration voltage: 3000 eV, gas: nitrogen gas, film thickness: 1.3 μm
・ AlN thin film III
α: 40 °, acceleration voltage: 3000 eV, gas:
・ AlN thin film IV
α: 20 °, ion beam acceleration voltage: 500 eV, film thickness: 0.75 μm
(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。
(3-1) Evaluation of AlN Thin Film I FIG. 4 is a pole figure showing a result of an experiment for detecting Bragg reflection on the (0002) plane by pole X-ray diffraction for the AlN thin film I. In this experiment, the position of the X-ray beam and the detector with respect to the AlN thin film is set so that X-rays are detected if Bragg reflection occurs on the (0002) plane, and the elevation angle ψ of the thin film by rotating the AlN thin film The X-ray intensity detected by the detector was measured while changing the azimuth angle φ. As a result, an X-ray detection intensity peak (pole 21) was detected around φ = 270 °. Further, from the X-ray detection intensity graph (FIG. 5) obtained from φ = 270 °, it can be seen that the value of ψ at the peak position is 76 °. From these results, it was found that in the AlN thin film I, the inclination angle of the c-axis was 76 ° (the angle with respect to the substrate was 14 °).
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。 In addition, the impulse response of the AlN thin film I was measured using a network analyzer. This impulse response measurement is equivalent to the measurement of the output signal from the sample when only one electrical signal is input to the sample. The measurement results are shown in FIG. Periodic responses corresponding to longitudinal and transverse waves were observed. This response is obtained by multiple reflections of longitudinal and transverse waves excited from the AlN thin film between the film surface and the back surface of the substrate.
(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。
(3-2) Evaluation of AlN thin film II
As in the case of the AlN thin film I, the pole figure measurement in the (0002) plane was performed on the AlN thin film II. As shown in FIG. 7, the
(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。
(3-3) Evaluation of AlN thin film III
As with the AlN thin films I and II, the pole figure measurement in the (0002) plane was performed on the AlN thin film III. The pole figure in FIG. 8 and the X-ray intensity distribution diagram at φ = 270 ° in FIG. As shown, a
(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。
(3-4) Evaluation of AlN thin film IV
For the AlN thin film IV, the pole figure on the (10-10) plane was measured. As a result, as shown in FIG. 9, six
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。 As described above, in the AlN thin film IV, unlike the AlN thin films I to III, the c-axis is vertically aligned, and the a-axis and b-axis are aligned. This is because the energy (acceleration voltage) of the ion beam when producing the AlN thin film IV is 500 eV, which is weaker than when producing the AlN thin films I to III (3000 eV).
(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。
(4) One Example of Thin Film Resonator (Single Layer Structure) An example of a thin film resonator according to the present invention will be described with reference to FIGS. As shown in FIG. 11, the
(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θ 2 が72°以上90°未満のもの(例えばθ 2 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。
(5) One Example of Two-Layer Thin Film Resonator An example of a two-layer thin film resonator according to the present invention will be described with reference to FIGS. As shown in FIG. 13, the
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。
The behavior of the
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))。
Further, regarding the transverse wave, since the first
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
DESCRIPTION OF
Claims (4)
前記ウルツ鉱圧電体薄膜の両面に設けられた電極と
を備えることを特徴とする薄膜共振子。 A thin film made of a material having a wurtzite crystal structure, the inclination angle is the angle formed by the normal line and the c-axis with respect to the thin film is larger than the critical angle of inclination piezoelectric constant e 33 about longitudinal wave is zero a wurtzite piezoelectric thin film and Ru der less than 90 °,
Electrodes provided on both surfaces of the wurtzite piezoelectric thin film;
A thin film resonator comprising:
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。 The first piezoelectric layer and the second piezoelectric layer are stacked and provided between the upper and lower electrodes,
a) A first polarization vector that is a polarization vector of the first piezoelectric layer and a second polarization vector that is a polarization vector of the second piezoelectric layer are parallel to the first piezoelectric layer and the second piezoelectric layer. Oriented to be inclined with respect to the normal of the surface,
b) The projection of the first polarization vector onto the surface is opposite to the projection of the second polarization vector onto the surface, and the positive / negative of the piezoelectric constant related to the transverse wave is the first piezoelectric layer and the second piezoelectric layer. The projection of the first polarization vector onto the surface is the same direction as the projection of the second polarization vector onto the surface, and the positive / negative of the piezoelectric constant related to the transverse wave is the first piezoelectric The body layer and the second piezoelectric layer are reversed,
c) The projection of the first polarization vector onto the normal line is in the same direction as the projection of the second polarization vector onto the normal line, and the positive / negative of the piezoelectric constant related to the longitudinal wave is the same as that of the first piezoelectric layer. A thin film resonator characterized in that the two piezoelectric layers are reversed.
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