JP6023351B2 - Ｂａｗ部品及びｂａｗ部品の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、例えばＲＦフィルタに用いるような、ＢＡＷ（Bulk Acoustic Wave、バルク音波）部品、及びＢＡＷ部品の製造方法に関する。

一般的にＢＡＷ部品は、２つの電極の間に挟まれた圧電材料を有した積層体を備えている。積層体内に音響エネルギを閉じ込めるための手段が存在する場合、ＲＦ信号が２つの電極に印加されると、音響共鳴を形成することができる。積層体の下に設けられたミラー層やキャビティは、音響エネルギを閉じ込めるための典型的な手段である。音響共鳴を利用し、帯域通過フィルタや帯域阻止フィルタを構成することが可能である。

従来のＢＡＷ部品は、圧電材料としてＡｌＮ（窒化アルミニウム）を有しているが、ＢＡＷ部品の通過帯域幅や阻止帯域幅は限られたものであった。そこで、より広い帯域幅が得られるようなＢＡＷ部品が必要とされている。

従って、本発明の目的は、より広い通過帯域幅または阻止帯域幅を可能とするＢＡＷ部品を提供すること、及びそのようなＢＡＷ部品の製造方法を提供することにある。

ＢＡＷ部品は、下部電極、上部電極、及び下部電極と上部電極との間に設けられた第１圧電層を備える。第１圧電層は、ＡｌＮ（窒化アルミニウム）より大きい圧電定数ｃを有した第１圧電材料からなる。

ＢＡＷ部品、或いは、より一般的に圧電材料の圧電作用は、主として圧電パラメータによって定まる。圧電材料に電場が印加されると、この圧電材料に変形が生じる。また、圧電材料を変形させると、電荷の移動が生じて電場が生成される。圧電パラメータは、変形と電場との関係、または変形と作用する力との関係を表すものである。力の方向性、電場の方向性、或いは変形の方向性には関連があるので、通常、圧電パラメータはテンソルである。

従って、圧電定数ｃは、電場が圧電材料の圧電軸に平行なとき、当該圧電軸に平行な方向における変形量と電場との関係を表す係数ｄ₃₃とすることができる。即ち、圧電材料が線形領域で作動する場合、圧電定数ｃは比例定数とすることができる。

ＡｌＮより大きな圧電定数ｃの圧電材料を有したＢＡＷ部品は、より広い帯域幅を得ることが可能であることが判った。但し、ＡｌＮは、比較的わずかにしか変形できない程度に硬質であるため、ＡｌＮによって良好な弾性部品が得られる。わずかな変形しか生じなければ、圧電材料が振動する際の非線形な作用は無視することができる。従って、例えば帯域幅を拡大するために、ＡｌＮと異なる材料をＢＡＷ部品に用いる場合、悪化した弾性特性がトレードオフで生じることになる。

一態様において、ＢＡＷ部品は、Ｓｃ（スカンジウム）ドープＡｌＮ（窒化アルミニウム）を有する。ＡｌＮを含有するＳｃは、大きな圧電定数を有しており、大きな電気機械結合係数Ｋ²を得ることが可能となる。但し、ＳｃドープＡｌＮはＡｌＮより柔らかく、増大した変形量に起因する非線形な作用が生じる可能性がある。また、通過帯域における挿入損失レベルが悪化する可能性がある。

一態様において、ＢＡＷ部品は、第１圧電層の第１圧電材料とは異なる第２圧電材料を有した第２圧電層を更に備える。第２圧電材料は、下部電極と第１圧電層との間に配置される。

第２圧電材料は、その圧電特性または弾性特性に応じて選択することができる。この場合、電極間の圧電材料の部分は、異なる圧電材料からなるサンドイッチ構造をなし、電気特性と弾性特性との間のトレードオフの関係を改善することが可能となる。但し、製造工程は、より複雑となる。また、具体的には、第２圧電材料が、良好な弾性特性を有したＡｌＮからなるようにすることができる。

一態様において、ＢＡＷ部品は、第２圧電材料を有した層を備え、第１圧電層は、第２圧電材料の上に配置される。第１圧電層の第１圧電材料と、第２圧電層の第２圧電材料との格子定数の不整合率（格子不整合率）は１０％未満である。格子不整合率は、２％〜５％の範囲内とすることができる。第１圧電層の第１圧電材料をＳｃドープＡｌＮとし、第２圧電層の第２圧電材料をＡｌＮとする場合に、双方の圧電材料は類似した格子構造を有する。しかしながら、Ｓｃ原子とＡｌ原子との大きさの違いにより、格子不整合は存在する。ドーピングレベルは、１％〜２５％とすることが可能であり、これにより、下方に位置するＡｌＮの層の上に、良好な層品質をもってＳｃドープＡｌＮを成長させることができる程度に、格子不整合率を十分に小さくすることが可能となる。一例として、ドーピングレベルは５％〜７％の範囲内とすることができる。

一態様において、第２圧電層は、第１圧電層との境界面に（００２）結晶面を有する。

第２圧電材料は、第１圧電材料のシード層とすることが可能である。（００２）結晶面を有するＡｌＮシード層の上に成長させたＳｃドープＡｌＮが優れた結晶品質を有し、大きな品質係数Ｑを有した共振子が得られることが判った。

この（００２）配向は、容易に得ることが可能であり、より大きな自由度を積層工程に与えることができる。電極または圧電材料の積層には、スパッタリングを利用することが可能である。

一態様において、ＢＡＷ部品は第３圧電層を備える。この第３圧電層は、第１圧電層と上部電極との間に配置される。

第３圧電層は、第１圧電層の第１圧電材料とは異なる第３圧電材料を有するようにすることが可能であり、この第３圧電材料は、弾性特性または圧電特性に応じて選択することができる。特に、第１圧電層と下部電極との間に設けられた第２圧電層と共に用いることにより、２つの電極間に３層の圧電積層体が得られ、ＢＡＷ部品またはＲＦフィルタに関する近年の要求を満たすことが可能となる。

もう１つの圧電層が、第１圧電層の下または上のいずれにあっても、ＡｌＮの圧電定数に比べ、全体の圧電定数を増大させることができる。ＡｌＮと第１圧電材料との組み合わせを採用することにより、共振子の品質係数の低下を抑制することが可能となる。

ＢＡＷ部品の製造方法は、
下部電極（ＢＥ）を用意する工程と、
ＡｌＮ（窒化アルミニウム）より大きい圧電定数ｃを有する第１圧電材料を、前記下部電極（ＢＥ）の上または上方に積層する工程と、
前記第１圧電材料の上または上方に、上部電極（ＴＥ）を形成する工程と
を備える。

一態様において、上記の製造方法は、
前記第１圧電材料を積層する前に、前記下部電極の上または上方に、第２圧電材料を積層する工程
を更に備える。

上記の製造方法の一態様において、前記第１圧電材料は、Ｓｃ（スカンジウム）ドープＡｌＮ（窒化アルミニウム）からなる。第１圧電材料は、５μｍ／ｈ〜１５μｍ／ｈの速さＲで堆積させ積層することができる。但し、更に速く堆積させて積層することも可能である。第１圧電材料は、５０℃〜４００℃の温度Ｔで積層する。特に、１５０℃〜３００℃の温度を適用することが可能である。ＡｌとＳｃとを組み合わせた窒化物材料、特にＡｌＮ−ＳｃＡｌＮ−ＡｌＮの積層体は、良好な弾性特性及び電気特性が得られ、大きな温度範囲で高速に積層を行うことが可能となり、ＢＡＷ部品の製造方法の効率を高めることができる。

２つの電極の間に圧電層を有するＢＡＷ部品を示す図である。 電場と圧電材料の機械的変形との関係を示す図である。 ２つの電極の間に３つの圧電層を有するＢＡＷ部品を示す図である。 第１圧電層と下部電極との間に、第２圧電層を有するＢＡＷ部品を示す図である。 第１圧電層と上部電極との間に、第３圧電層を有するＢＡＷ部品を示す図である。 音響ミラーを有したＢＡＷ共振子を示す図である。

具体例及び作動原理は、概略図に示されている。

図１は、下部電極ＢＥと上部電極ＴＥとを備えたＢＡＷ部品ＢＡＷＣを示す図である。これら２つの電極の間には、第１圧電層ＰＬ１が配置されている。第１圧電層ＰＬ１は、ＡｌＮ（窒化アルミニウム)よりも大きい圧電定数ｃを有した圧電材料からなる。

図２は、２つの電極の間に配置された圧電材料の２つの状態を示す図である。これら電極に電圧を印加すると、電場によって、圧電軸に平行な方向である縦方向に、圧電材料が伸張する。一方、図中の右側に示す圧電材料のように、逆の電圧、即ち同じ大きさで逆の極性の電圧を圧電材料に印加すると、電場によって、圧電材料が縦方向に収縮する。

図３は、第１圧電層ＰＬ１と下部電極ＢＥとの間に第２圧電層ＰＬ２を備えたＢＡＷ部品を示す図である。更に、第１圧電層ＰＬ１と上部電極ＴＥとの間には、第３圧電層ＰＬ３が配置されている。各圧電層の圧電材料及び厚みは、弾性特性及び電気特性の要件を満たすように選択することが可能であり、優れたＢＡＷ部品が得られるように選択することができる。

図４は、図３に示す第３圧電層ＰＬ３が省略されたＢＡＷ部品の一実施形態を示す図である。

図５は、図３に示す第２圧電層ＰＬ２が省略されたＢＡＷ部品の一実施形態を示す図である。

図６は、電極及び圧電材料を有した積層体と、支持基板ＣＳとの間に、音響ミラーＡＭが配置されたＢＡＷ部品ＢＡＷＣを示す図である。音響ミラーＡＭは、共振を形成することができるように、積層体内に音響エネルギを閉じ込めることを可能とするものである。音響ミラーＡＭは、音響インピーダンスを交互に異ならせた２以上の層により構成することができる。

ＢＡＷ部品、及びＢＡＷ部品の製造方法のいずれも、上述した実施形態や図中に示す実施形態に限定されるものではない。層または材料などの更なる構成要素を備えた部品、または更なる積層工程、加工工程、もしくはこれら工程の組み合わせを備えた製造方法も、本発明によって構成されるものである。

ＡＭ 音響ミラー
ＢＡＷＣ ＢＡＷ部品
ＢＥ 下部電極
ＣＳ 支持基板
ＰＬ１ 第１圧電層
ＰＬ２ 第２圧電層
ＰＬ３ 第３圧電層
ＴＥ 上部電極

Claims (5)

1. 下部電極（ＢＥ）、上部電極（ＴＥ）、前記下部電極（ＢＥ）と前記上部電極（ＴＥ）との間に設けられた第１圧電層（ＰＬ１）、及び前記下部電極（ＢＥ）と前記第１圧電層（ＰＬ１）との間に配置された第２圧電層（ＰＬ２）を備え、
   前記第１圧電層（ＰＬ１）は、窒化アルミニウムより大きい圧電定数ｃを有した第１圧電材料のスカンジウムドープ窒化アルミニウムからなり、
   前記第２圧電層（ＰＬ２）は、前記第１圧電層（ＰＬ１）の前記第１圧電材料とは異なる第２圧電材料からなり、
   前記第１圧電層（ＰＬ１）の前記第１圧電材料と、前記第２圧電層（ＰＬ２）の前記第２圧電材料との格子定数の不整合率は１０％未満である
   ことを特徴とするＢＡＷ部品。
2. 前記第２圧電層（ＰＬ２）は、前記第１圧電層（ＰＬ１）との境界面に（００２）結晶面を有することを特徴とする請求項１に記載のＢＡＷ部品。
3. 前記第１圧電層（ＰＬ１）と前記上部電極（ＴＥ）との間に配置された圧電材料の第３圧電層（ＰＬ３）を更に備えることを特徴とする請求項１または２に記載のＢＡＷ部品。
4. ＢＡＷ部品（ＢＡＷＣ）の製造方法であって、
   下部電極（ＢＥ）を用意する工程と、
   窒化アルミニウムより大きい圧電定数ｃを有する第１圧電材料を、前記下部電極（ＢＥ）の上または上方に積層する工程と、
   前記第１圧電材料の上または上方に、上部電極（ＴＥ）を形成する工程とを備え、
   前記第１圧電材料を積層する前に、前記下部電極（ＢＥ）の上または上方に、前記第１圧電材料とは異なる第２圧電材料を積層する工程を更に備え、
   前記第１圧電材料は、窒化アルミニウムより大きい圧電定数ｃを有したスカンジウムドープ窒化アルミニウムからなり、
   前記第１圧電材料と前記第２圧電材料との格子定数の不整合率は１０％未満である
   ことを特徴とする製造方法。
5. 前記第１圧電材料を、５μｍ／ｈ〜１５μｍ／ｈの速さ（Ｒ）で、５０℃〜４００℃の温度（Ｔ）にて堆積させて積層する
   ことを特徴とする請求項４に記載の製造方法。

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