JP7485079B2 - 圧電薄膜共振子 - Google Patents

Description

本開示は、圧電薄膜共振子に関する。

圧電薄膜共振子に用いられる圧電薄膜に関して、窒化アルミニウム膜にスカンジウムを添加することによって、圧電応答性が向上することが知られている（特開２００９－１０９２６号公報（特許文献１）、特開２０１３－１２８２６７号公報（特許文献２））。

特開２００９－１０９２６号公報 特開２０１３－１２８２６７号公報

Robert Aigner et al., "Pushing BAW beyond ‘known’ Frontiers: Higher, Wider, Smaller, Cooler", Seventh International Symposium on Acoustic Wave Devices for Future Mobile Communication Systems, 2018年3月

しかし、非特許文献１によれば、窒化アルミニウム膜へのスカンジウムの添加量を増やすと、帯域幅は大きくなる一方で、共振特性を示すＱ値が低下することが報告されている。

本開示は、このような課題を解決するためになされたものであって、その目的は、帯域幅の向上と共振特性の維持とを両立できる圧電薄膜共振子を提供することである。

本開示に係る圧電薄膜共振子は、窒化アルミニウムを主成分としてスカンジウムが添加された圧電薄膜と、第１電極と、圧電薄膜を挟んで第１電極と対向するように設けられた第２電極と、第１電極、第２電極および圧電薄膜を含む圧電素子を支持する基板とを備える。圧電薄膜は、スカンジウムおよびアルミニウムの各々の含有濃度が第１電極側の方が第２電極側よりも高く、窒素の含有濃度が第１電極側の方が第２電極側よりも低くなるように構成されている。

本開示によれば、帯域幅の向上と共振特性の維持とを両立できる圧電薄膜共振子を提供できる。

本実施の形態に係る圧電薄膜共振子の概略断面図である。 圧電素子の断面の模式図である。 試料番号１の圧電薄膜の断面をＴＥＭ－ＥＤＸで分析した結果を示す図である。 試料番号２の圧電薄膜の断面をＴＥＭ－ＥＤＸで分析した結果を示す図である。 試料番号３の圧電薄膜の断面をＴＥＭ－ＥＤＸで分析した結果を示す図である。 スカンジウムの原子濃度と規格化されたＱ値との関係を示す図である。 スカンジウムの平均原子濃度と比帯域幅との関係を示す図である。 変形例にかかる圧電薄膜共振子の概略断面図である。

以下、本開示の実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、図中同一または相当部分には同一符号を付してその説明は繰り返さない。

［圧電薄膜共振子の基本構成］
図１は、本実施の形態に係る圧電薄膜共振子の概略断面図である。圧電薄膜共振子１００は、主な構成として、圧電素子１０と、圧電素子１０を支持する基板４とを備える。

圧電素子１０と基板４との間には、空隙２０が形成されている。より具体的には、圧電素子１０は、圧電素子１０の縁部分が基板４に接するように基板４に支持されており、圧電素子１０の中央部分が基板４から離れて設けられている。

圧電素子１０は、圧電薄膜１と、圧電薄膜１を介して互いに対向する位置に設けられた一対の電極（第一電極２および第二電極３）とを含む。

第一電極２および第二電極３は、圧電薄膜１を介して互いに対向している。第一電極２と第二電極３との間に交流電界を印加することにより、圧電素子１０の中央部分が励振される。圧電薄膜共振子１００は、この励振により生じたバルク波を利用するものである。

基板４は、高抵抗シリコン、ガラス、ヒ化ガリウム、セラミック焼結体、水晶などの任意の材料から構成されている。第一電極２および第二電極３は、チタン、モリブデン、ルテニウム、タングステン、アルミニウム、プラチナ、イリジウム、銅、クロム、スカンジウムなどの金属およびこれらの合金または積層体などの任意の材料から構成されている。

圧電薄膜１は、窒化アルミニウムを主成分とした薄膜であり、スカンジウムが添加されている。なお、圧電薄膜１は、たとえば、不純物のような他の元素が含まれている場合があるものの、窒素、アルミニウム、スカンジウムからなる。ここで、圧電薄膜１の主成分とは、圧電薄膜１において、全ての成分に対する原子濃度（ａｔｍ％：原子％）が５０ａｔｍ％より大きい成分を意味する。すなわち、本実施の形態に係る圧電薄膜１において、圧電薄膜１全体における窒素の原子濃度と、圧電薄膜１全体におけるアルミニウムの原子濃度との合計は、５０ａｔｍ％以上である。

以下では、窒素（Ｎ）とアルミニウム（Ａｌ）とスカンジウム（Ｓｃ）との総量を１００原子％としたときの各元素の原子数の百分率（ａｔｍ％：原子％）を含有濃度とする。

圧電薄膜１は、アルミニウムおよびスカンジウムの各々の含有濃度が第一電極２側の方が第二電極３側よりも高く、窒素の含有濃度が第一電極２側の方が第二電極３側よりも低くなるように構成されている。なお、圧電薄膜１は、アルミニウムおよびスカンジウムの各々の含有濃度が第二電極３側の方が第一電極２側よりも高く、窒素の含有濃度が第二電極３側の方が第一電極２側よりも低くなるように構成されていてもよい。

すなわち、圧電薄膜１の厚み方向であってアルミニウムおよびスカンジウムの含有濃度が低下する方向に窒素の含有濃度が上昇するように、圧電薄膜１は形成されている。

本実施の形態にかかる圧電薄膜共振子１００は、アルミニウムおよびスカンジウムの含有濃度が低下する方向に窒素の含有濃度が上昇するように圧電薄膜１を形成することで、スカンジウムの含有量を増やしたとしても、共振特性の低下を抑えつつ帯域幅を向上でき、帯域幅の向上と共振特性の維持とを両立できる。

スカンジウム、アルミニウムおよび窒素は、圧電薄膜１の厚み方向で濃度勾配を有して存在している。圧電薄膜１の厚み方向で濃度勾配を有しているとは、厚み方向で濃度が連続的に変化していることを意味する。

なお、圧電薄膜１は、スカンジウム、アルミニウムおよび窒素の含有濃度が互いに異なる複数の膜を積層させて構成されていてもよい。

本実施の形態にかかる圧電薄膜１は、一例として、スパッタリングまたはＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）などの任意の方法で形成される。たとえば、アルミニウムからなるターゲットと、スカンジウムからなるターゲットとを用いて、窒素ガス雰囲気中でスパッタリングを行い、スパッタリングに際しての条件（電力、ガス圧、ガス流量）を時間的に変化させることで、厚み方向に濃度勾配を有する圧電薄膜が形成される。なお、２つのターゲットを利用する例を示したが、ターゲットを一つにした一元スパッタリング法により形成してもよい。この場合、一例として、スカンジウムとアルミニウムとからなる合金がターゲットとして用いられる。

［圧電薄膜の特性］
図２～図７を参照して、本実施の形態にかかる圧電薄膜を用いることで、スカンジウムの含有量を増やしたとしても、共振特性の低下を抑えつつ帯域幅を向上できることについて説明する。

３種類の圧電薄膜共振子が用意された。図２は、圧電素子の断面の模式図である。透過型電子顕微鏡－エネルギー分散型Ｘ線分析（ＴＥＭ－ＥＤＸ）で、窒素（Ｎ）とアルミニウム（Ａｌ）とスカンジウム（Ｓｃ）との総量を１００原子％として、図２に示した圧電薄膜１上の３つの領域（Ｔ，Ｍ，Ｂ）の各々に含まれる各元素の原子濃度が測定された。表１に、ＴＥＭ－ＥＤＸで測定した結果を示す。

なお、表１中のスカンジウムの平均原子濃度は、３つの領域（Ｔ，Ｍ，Ｂ）の各々で測定したスカンジウムの原子濃度の平均値であって、圧電薄膜全体におけるスカンジウムの含有濃度に相当する。なお、圧電薄膜全体におけるスカンジウムの含有濃度は、厚み方向に位置が異なる２つ以上の領域の各々で含有濃度を測定して平均をとることで求められる。スカンジウム、アルミニウムおよび窒素の含有濃度が互いに異なる複数の膜を積層させて圧電薄膜を形成する場合、圧電薄膜全体におけるスカンジウムの含有濃度は、一例として、各層に含まれるスカンジウムの含有濃度の平均をとることで求められる。

図３は、試料番号１の圧電薄膜の断面をＴＥＭ－ＥＤＸで分析した結果を示す図である。図４は、試料番号２の圧電薄膜の断面をＴＥＭ－ＥＤＸで分析した結果を示す図である。図５は、試料番号３の圧電薄膜の断面をＴＥＭ－ＥＤＸで分析した結果を示す図である。

表１、および図３～図５に示すように、試料番号１～試料番号３の各圧電薄膜は、いずれも、圧電薄膜の厚み方向であってアルミニウムおよびスカンジウムの含有濃度（原子濃度）が低下する方向に窒素の含有濃度（原子濃度）が上昇するように形成されている。

圧電薄膜の厚み方向における変化量の比率（傾き）を算出した結果を表２に示す。傾きは、圧電薄膜の厚み方向における変化量の比率であって、圧電薄膜の第一電極２に接する表面の位置を０、第二電極３に接する表面の位置を１、領域Ｔの位置を０．１、領域Ｍの位置を０．５、領域Ｂの位置を０．９として算出した。すなわち、傾きは、第一電極２側の圧電薄膜の端部における含有濃度（原子濃度）と第二電極３側の圧電薄膜の端部における含有濃度（原子濃度）との差に相当する。

表２に示すように、スカンジウムの平均原子濃度が４．９ａｔｍ％（表１参照）である試料番号１の圧電薄膜において、第一電極側の圧電薄膜の端部における含有濃度と第二電極側の圧電薄膜の端部における含有濃度との差の絶対値は、窒素で１０．０ａｔｍ％、アルミニウムで８．８ａｔｍ％、スカンジウムで１．３ａｔｍ％である。同様に、スカンジウムの平均原子濃度が８．３ａｔｍ％（表１参照）である試料番号２において、含有濃度の差の絶対値は、窒素で１３．８ａｔｍ％、アルミニウムで１１．３ａｔｍ％、スカンジウムで２．５ａｔｍ％である。スカンジウムの平均原子濃度が１９．５ａｔｍ％（表１参照）である試料番号３において、含有濃度の差の絶対値は、窒素で１５．０ａｔｍ％、アルミニウムで１１．３ａｔｍ％、スカンジウムで５．０ａｔｍ％である。

図６は、スカンジウムの原子濃度と規格化されたＱ値との関係を示す図である。規格化されたＱ値とは、スカンジウムが含有されていない試料（Ｓｃの含有率が０ａｔｍ％の試料）のＱ値を１として規格化したものであって、圧電薄膜共振子の共振特性を示す。

図６において、比較例として、非特許文献１の図５に示されたＱ値とスカンジウム含有率との関係が破線で示されている。図６において、本願の実施例として、試料番号１～試料番号３の試料のＱ値と、試料番号１～試料番号３の試料のスカンジウムの平均原子濃度との関係が実線で示されている。

図６の破線で示すように、一般的に、スカンジウムの含有量が増えると、規格化Ｑ値は一次関数的に低下する。これに対して、圧電薄膜の厚み方向であってアルミニウムおよびスカンジウムの含有率が低下する方向に窒素の含有率が上昇するように圧電薄膜を形成することで、規格化Ｑ値の低下を抑えることができる。

特に、図６に示すように、スカンジウムの平均原子濃度、換言すると、圧電薄膜全体におけるスカンジウムの含有濃度が５％以上のときに、規格化Ｑ値の低下を顕著に抑えることができる。

図７は、スカンジウムの平均原子濃度と比帯域幅との関係を示す図である。スカンジウム濃度が高くなるにつれて、共振子の帯域幅は広くなることが知られている。図７に示すように、圧電薄膜の厚み方向であってアルミニウムおよびスカンジウムの含有率が低下する方向に窒素の含有率が上昇するように圧電薄膜を形成したとしても、スカンジウム濃度が高くなるにつれて、共振子の帯域幅は広くなるという性質は維持される。

また、上記の表２に示したように、試料番号１～試料番号３の圧電薄膜において、第一電極側の圧電薄膜の端部における含有濃度と第二電極側の圧電薄膜の端部における含有濃度の差の絶対値は、窒素で１０．０ａｔｍ％～１５．０ａｔｍ％、アルミニウムで８．８ａｔｍ％～１１．３ａｔｍ％、スカンジウムで１．３ａｔｍ％～５．０ａｔｍ％である。

すなわち、第一電極側の圧電薄膜の端部における含有濃度と第二電極側の圧電薄膜の端部における含有濃度の差の絶対値が、スカンジウムで１．３ａｔｍ％以上５．０ａｔｍ％以下、アルミニウムで８．８ａｔｍ％以上１１．３ａｔｍ％以下、窒素で１０．０ａｔｍ％以上１５．０ａｔｍ％以下となる圧電薄膜を用いることが好ましい。この場合、帯域幅の向上と共振特性の維持とを両立しやすい圧電薄膜共振子を提供できる。

［圧電薄膜共振子の変形例］
図８は、変形例にかかる圧電薄膜共振子の概略断面図である。圧電薄膜共振子１００ａは、圧電素子１０と基板４との間に空隙２０が形成されていない代わりに、音響反射層５が設けられている。なお、その他の点は、図１に示した圧電薄膜共振子１００と共通するため、説明を省略する。

音響反射層５は、相対的に高い音響インピーダンス層５ａ，５ｃと、相対的に低い音響インピーダンス層５ｂ，５ｄとを交互に積層した構造を有する。このような音響反射層５を有する圧電薄膜共振子１００ａにおいても、圧電薄膜共振子１００と同様に、圧電薄膜１の厚み方向であってアルミニウムおよびスカンジウムの含有率が低下する方向に窒素の含有率が上昇するように形成された圧電薄膜１を用いることにより、帯域幅の向上と共振特性の維持とを両立できる。

今回開示された実施の形態は、すべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本開示の範囲は、上記した実施の形態の説明ではなくて請求の範囲によって示され、請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

１ 圧電薄膜、２ 第一電極、３ 第二電極、４ 基板、５ 音響反射層、１０ 圧電素子、２０ 空隙、１００，１００ａ 圧電薄膜共振子。

Claims (6)

1. 窒化アルミニウムを主成分としてスカンジウムが添加された圧電薄膜と、
   第１電極と、
   前記圧電薄膜を挟んで前記第１電極と対向するように設けられた第２電極と、
   前記第１電極、前記第２電極および前記圧電薄膜を含む圧電素子を支持する基板とを備え、
   前記圧電薄膜は、スカンジウムおよびアルミニウムの各々の含有濃度が前記第１電極側の方が前記第２電極側よりも高く、窒素の含有濃度が前記第１電極側の方が前記第２電極側よりも低くなるように構成されている、圧電薄膜共振子。
2. 前記圧電薄膜全体におけるスカンジウム含有濃度は、５ａｔｍ％以上である、請求項１に記載の圧電薄膜共振子。
3. 前記圧電薄膜において、スカンジウム、アルミニウムおよび窒素は、前記圧電薄膜の厚み方向で濃度勾配を有して存在している、請求項１または請求項２に記載の圧電薄膜共振子。
4. 前記圧電薄膜の前記第１電極側の端部における含有濃度と前記第２電極側の端部における含有濃度との差の絶対値は、
   スカンジウムが、１．３ａｔｍ％以上５．０ａｔｍ％以下、
   アルミニウムが、８．８ａｔｍ％以上１１．３ａｔｍ％以下、
   窒素が、１０．０ａｔｍ％以上１５．０ａｔｍ％以下、
   である、請求項１～請求項３のうちいずれか１項に記載の圧電薄膜共振子。
5. 前記圧電素子と前記基板との間に音響反射層をさらに備え、
   前記音響反射層は、設けられた音響インピーダンスが異なる複数種類の層を積層して構成されている、請求項１～４のうちいずれか１項に記載の圧電薄膜共振子。
6. 前記圧電素子と前記基板との間に空隙を有する、請求項１～４のうちいずれか１項に記載の圧電薄膜共振子。

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