JPH05183377A - 表面弾性波素子 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】ＧＨｚ帯などの極高周波領域で使用でき、高い
安定性と信頼性を有する表面弾性波素子を提供する。 【構成】ダイヤモンド層１と炭化けい素層２との接合体
からなる基板の炭化けい素層２側に、櫛型電極層３、薄
膜圧電体層４及び対向電極層５を形成した構造を有す
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は表面弾性波素子に関し、
特に高い周波数領域で好適に使用される表面弾性波素子
に関する。

【０００２】

【従来の技術】固体表面を伝搬する表面弾性波を利用し
た素子は、各種電子・通信機器において、主にフィルタ
や遅延線として広く用いられている。最近では、表面弾
性波素子をＳＨＦ帯移動体通信などに応用することが期
待され、その動作周波数範囲をＵＨＦ帯（３００ＭＨｚ
〜３ＧＨｚ）からＳＨＦ帯（３ＧＨｚ〜３０ＧＨｚ）へ
と拡大するための研究が行われている。

【０００３】薄膜圧電体を用いた典型的な表面弾性波素
子として、ガラスなどの非圧電物質からなる基板上に、
表面波の励振及び受信用の電極（櫛形電極）としてのＡ
ｌなどの金属層と、ＺｎＯなどの圧電体層とを形成した
構造の素子が用いられている。このような素子の動作周
波数は、表面波伝搬速度に比例して増加し、櫛形電極の
電極指の配列ピッチ（電極指の線幅と間隔との和）に逆
比例して増加する。したがって、素子の高周波化は、電
極指の配列ピッチを狭めること（電極線幅を細かくする
こと）、及び表面波伝搬速度を大きくすること（表面波
伝搬速度の大きい基板材料を用いること、高速波動モー
ドを用いること）によって達成できる。高い周波数帯で
動作させる表面弾性波素子では、表面波伝搬速度が大き
い基板を用いれば、電極形成のために微細加工技術が容
易となるため好都合である。

【０００４】このような理由から、表面波伝搬速度が石
英ガラスや水晶などの代表的な基板の１．５〜２倍の値
（約５５００ｍ／ｓｅｃ）であるサファイア（Ａｌ₂ Ｏ
₃ ）基板を用いた表面弾性波フィルタが作製され、２Ｇ
Ｈｚ帯で動作可能であることが報告されている（Ｊｏｕ
ｒｎａｌ ｏｆ Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ，ｖ
ｏｌ．５１，ｐｐ．２４６４，１９８０）。

【０００５】サファイアよりもさらに表面弾性波素子の
高周波化が期待できる基板材料としてダイヤモンドがあ
る。これは、ダイヤモンドが既存物質中で最高の表面波
伝搬速度（約１１０００ｍ／ｓｅｃ）をもつためであ
る。例えば、特願昭６４−２０７１４号及び特願昭６４
−６２９１１号には、基板として単結晶ダイヤモンドや
ダイヤモンド薄膜を用いることにより、表面弾性波素子
を高周波化する技術が開示されている。

【０００６】また、非圧電体基板上に薄膜圧電体が形成
された構造の表面弾性波素子は、以下のような特徴を有
する。（１）安価な基板材料を使用することにより、コ
ストを低減できる。また、製造工程は薄膜加工が中心と
なるため、量産化に適する。（２）逆特性の温度係数を
有する基板材料と薄膜圧電材料を使用することにより、
ゼロに近い低温度係数の素子を実現できる。（３）基板
材料と薄膜圧電材料との組み合わせにより、電気機械結
合係数、誘電率などを調整できる。（４）薄膜の膜厚に
より動作周波数を調整できる。

【０００７】このような特徴を有する表面弾性波素子の
特性は、形成された薄膜圧電体及び金属電極の状態によ
って大きく左右される。このため、素子の安定性と信頼
性を確保するためには、薄膜圧電体の結晶性の向上（Ｃ
軸配向膜や単結晶膜の形成）、基板−金属電極−薄膜圧
電体の相互間の密着性の向上、電極形成の高精度化など
が要求される。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】前述したように、基板
として気相合成ダイヤモンドを用いれば、表面弾性波素
子の高周波化が可能であり、量産性に富み、比較的低コ
ストで製造できることから、工業的価値が大きい。しか
し、基板として化学気相成長（ＣＶＤ）などの一般的な
気相合成法により製造されるダイヤモンドの多結晶膜を
用いた場合、寸法精度のよい電極を形成することが困難
であり、しかも十分にＣ軸配向した薄膜圧電体を成長さ
せることが困難であるという問題が生じる。これらの問
題はダイヤモンド基板表面の凹凸が著しいことに起因し
ていることが判明した。本発明の目的は、ＧＨｚ帯など
の極高周波領域で使用でき、高い安定性と信頼性を有す
る表面弾性波素子を提供することにある。

【０００９】

【課題を解決するための手段と作用】本発明の表面弾性
波素子は、ダイヤモンド層と炭化けい素層との接合体か
らなる基板の炭化けい素層側に、金属電極層及び圧電体
層を形成したことを特徴とするものである。

【００１０】本発明に係る表面弾性波素子の基本構造を
図面を参照して説明する。図１の素子は、ダイヤモンド
層１と炭化けい素層２との接合体からなる基板の炭化け
い素層２側に、櫛型電極層３及び薄膜圧電体層４が形成
され、薄膜圧電体層４上に櫛型電極層３に対する対向電
極層５が形成されている。図２の素子は、対向電極層を
設けないこと以外は図１の素子と同一の構造を有する。
図３は櫛型電極層３の基本的なパターンの一例を示す平
面図である。対向電極層の有無、櫛型電極層の形状、並
びに炭化けい素層上での櫛型電極層、薄膜圧電体層及び
対向電極層については、素子の設計に関わる要件であ
り、本発明では特に限定されない。

【００１１】本発明の表面弾性波素子の製造方法を概略
的に説明する。ダイヤモンド層１と炭化けい素層２との
接合体は以下のようにして製造できる。第１工程とし
て、平滑な表面を持つ基板上に、ＣＶＤ法、スパッタ法
などの気相法により所望の厚さを有する炭化けい素層を
形成する。このとき用いられる基板の材料は特に限定さ
れないが、石英ガラス、アルミナ、Ｍｏ、Ｓｉなど比較
的融点の高い物質で、できる限り平滑な表面が得られる
ものが好ましい。また、形成される炭化けい素は立方
晶、六方晶のいずれでもよい。第２工程として、炭化け
い素層上に、ＣＶＤなどの気相法によりダイヤモンドを
成長させ、所望の厚さを有するダイヤモンド層を形成す
る。第３工程として、第１工程で用いた基板を酸又はア
ルカリなどの化学薬品により選択的に溶解除去する。こ
れらの工程により、炭化けい素層とダイヤモンド層との
接合体からなる基板が得られる。このようにして形成さ
れた炭化けい素層は、下地として用いられた基板表面の
凹凸をトレースして表面が極めて平滑であり、表面の凹
凸は０．１μｍ以下である。しかも、その結晶性は非常
に良好である。

【００１２】薄膜圧電体層４は、スパッタ蒸着、ＣＶＤ
法などにより形成される。圧電体としては、例えばＺｎ
Ｏ、ＡｌＮのように圧電特性の優れた物質が用いられ
る。圧電体層が炭化けい素層に接して形成される場合、
炭化けい素層の表面が平滑であり、結晶性が良好である
ので、表面が平滑で結晶性に優れたＣ軸（極性軸）配向
膜又はエピタキシャル膜が形成される。

【００１３】櫛型電極層３、対向電極層５などの金属電
極は、スパッタ蒸着、電子ビーム蒸着などにより形成さ
れる。金属電極を構成する物質としては、Ａｌ又はＡｌ
に少量の合金元素を添加したＡｌ−Ｃｕ合金もしくはＡ
ｌ−Ｔｉ合金など、一般的に使用される金属や合金を用
いることができる。これらの金属は、下地の表面が平滑
であるので、厚さが均一で平滑な薄膜として形成され
る。得られる金属薄膜の凹凸は０．１μｍ以下であるの
で、フォトリソグラフィ技術を用いた微細加工により１
μｍ以下の電極線幅を有する櫛型電極を比較的容易に形
成できる。

【００１４】本発明の表面弾性波素子を構成する基板
は、ダイヤモンド層１と炭化けい素層２とからなる２層
構造の接合体からなっており、これらの２層は界面に異
種物質が介在することなく接合されている。一般に、十
分に厚い弾性体の自由表面に沿って伝搬する表面弾性波
に関しては、表面から１波長以内の領域に９０％以上の
エネルギーが存在する。したがって、炭化けい素層２の
厚さを、表面弾性波の１波長に相当する厚さと比較し
て、薄くすればするほど、ダイヤモンド層１を伝搬する
表面弾性波の割合が増加する。すなわち、基板の最表面
が炭化けい素層２であるにもかかわらず、表面弾性波は
主にダイヤモンド層１を伝搬する。したがって、表面弾
性波素子の高周波化を達成できる。ＧＨｚ帯で用いられ
る表面弾性波素子においては、炭化けい素層２の厚さ
は、０．５μｍ以下であることが好ましい。本発明にお
いては、炭化けい素層／ダイヤモンド層の接合体を得る
際に、以下のような方法を用いることが特に好ましい。

【００１５】第１工程においては、基板として鏡面研磨
された単結晶Ｓｉウェハを用い、炭素源ガスを放電又は
加熱によって分解、励起するとともに、基板を加熱す
る。炭素源ガスの分解、励起を制御する方法は、ＣＶＤ
反応において一般的に用いられている方法、例えば熱フ
ィラメント法、マイクロ波プラズマ法、直流放電プラズ
マ法などを適用することができる。炭素源ガスとして
は、メタン、エタン、プロパン、エチレンなどの炭化水
素ガス；アセトン、メチルアルコール、エチルアルコー
ルなど炭化水素基を有する有機化合物ガス；ガス化した
炭素などが挙げられる。結晶性の良好な炭化けい素層を
形成するには、反応条件を次のように設定することが好
ましい。（１）炭素源ガスを水素で希釈して体積比が
０．０５〜０．１％の混合ガスを用いる。（２）Ｓｉ基
板の温度を９００〜１３５０℃の範囲に維持する。
（３）反応圧力を０．１〜１００Ｔｏｒｒの範囲とす
る。Ｓｉ基板上での炭化けい素層の形成は速やかに進行
し、反応時間とともに厚さが増加する。したがって、膜
厚の薄い炭化けい素層を得るには、反応を短時間とす
る。例えば、層の厚さが０．１μｍ以下と極めて薄く、
結晶性の良好な炭化けい素層を得ることができる。

【００１６】第２工程では、第１工程で適用した方法と
同様な方法を適用できる。結晶性の良好なダイヤモンド
層を形成するためには、反応条件を次のように設定する
ことが好ましい。（１）炭化けい素層が形成されたＳｉ
基板の温度を６００〜９００℃の範囲に維持する。
（２）水素に対する炭素源ガスの体積比を０．１〜１．
０％の範囲とする。（３）反応圧力を０．１〜１００Ｔ
ｏｒｒの範囲とする。ダイヤモンド層の厚さは反応時間
に依存して増加する。この工程において、Ｓｉ基板上の
炭化けい素層に密着性よく接合された所望の厚さのダイ
ヤモンド層が形成される。

【００１７】第３工程においては、フッ酸と硝酸との混
酸溶液に浸漬してＳｉ基板を溶解する。これによってＳ
ｉ基板のみを選択的に除去でき、凹凸が０．１μｍ以下
の平滑な炭化けい素層表面をもつ炭化けい素層／ダイヤ
モンド層の接合体が得られる。

【００１８】なお、ＣＶＤ法によって基板上にダイヤモ
ンドを成長させる技術において、基板としてＳｉを用い
ると、Ｓｉ基板と成長したダイヤモンドとの界面に炭化
けい素からなる極めて薄い（数１０ｎｍ程度の厚さ）の
中間層が生成することが知られている。Ｓｉ基板の除去
プロセスにおいて、フッ酸と硝酸との混酸を用いると、
この炭化けい素層は溶解されずに残る。すなわち、積極
的に炭化けい素層を形成する第１工程を行わなずに、Ｓ
ｉ基板を用いて第２工程と第３工程とを行うことによっ
ても、炭化けい素層／ダイヤモンド層の接合体が得られ
る。このような接合体では、炭化けい素層の厚さが高々
数１０ｎｍと薄く、しかも炭化けい素層の表面が平滑で
あり、炭化けい素層とダイヤモンド層との密着性が極め
て優れているという特徴がある。したがって、表面弾性
波素子の高周波化と高信頼性化にとって特に好適な基板
となる。

【００１９】

【実施例】以下、本発明の実施例を説明する。 実施例１

【００２０】表面を鏡面研磨し、硫酸と過酸化水素水の
混酸溶液中で洗浄した、直径１５ｍｍ、厚さ１．０ｍｍ
のＳｉ基板を用意した。このＳｉ基板を反応容器内に設
置した。反応容器内を１０^-7Ｔｏｒｒに排気した後、タ
ングステンフィラメントを２０００℃に加熱し、基板温
度を１０５０℃に保持した。メタン／水素（体積比０．
０５／９９．５）の混合ガスを、圧力２０Ｔｏｒｒ、流
量１５０ｃｃ／分の条件で流し、３０分間反応させて炭
化けい素層を形成した。

【００２１】次に、フィラメント温度を２０００℃、基
板温度を８５０℃に設定し、メタン／水素（体積比１．
０／９９．０）の混合ガスを、圧力６０Ｔｏｒｒ、流量
１５０ｃｃ／分の条件で流し、２４時間反応させた。反
応後の基板表面を、走査型電子顕微鏡及びラマン分光法
で調べた結果、結晶性の良好なダイヤモンドからなる膜
が均一に形成されていることがわかった。

【００２２】この試料を、フッ酸と硝酸の混酸溶液に浸
漬してＳｉ基板を溶解除去した。この試料について、Ｓ
ｉを除去した側の表面を、走査型電子顕微鏡、ラマン分
光法、Ｘ線回折により測定した。その結果、観測し得る
凹凸はなく、極めて平滑な表面であり、表面層は結晶性
の良好な立方晶炭化けい素から構成されていることが確
認された。このようにして得られた炭化けい素層／ダイ
ヤモンド層の接合体の厚さは約３０μｍであった。

【００２３】次に、炭化けい素層／ダイヤモンド層の接
合体からなる基板の炭化けい素層側に、マグネトロンス
パッタリング法によりＡｌ薄膜を形成した。このＡｌ薄
膜をフォトリソグラフィによりエッチングし、線幅１μ
ｍ、間隔１μｍのパターンを形成した。走査型電子顕微
鏡による観察の結果、パターンの輪郭はシャープであ
り、線の欠陥は認められなかった。

【００２４】さらに、ターゲットとしてＺｎＯを用い、
酸素とアルゴンとの混合ガス雰囲気中、１×１０^-2Ｔｏ
ｒｒ、基板温度３５０℃の条件で、マグネトロンスパッ
タリング法により２０分間スパッタリングして、膜厚２
μｍのＺｎＯ薄膜を形成した。

【００２５】ＺｎＯ薄膜の表面を走査型電子顕微鏡によ
り観察した結果、観測し得る凹凸はなく、極めて平滑な
表面であることが確認された。Ｘ線回折の結果、ＺｎＯ
はＣ面すなわち（０００１）面に極めて強く配向し、結
晶性の良好な膜であることがわかった。作製された素子
の周波数特性を測定した結果、２．０２ＧＨｚの共振周
波数が得られた。 比較例１

【００２６】実施例１と同一条件で作製された炭化けい
素層／ダイヤモンド層の接合体からなる基板のダイヤモ
ンド層側に、実施例１と同一条件でＡｌ薄膜を形成し
た。このＡｌ薄膜をフォトリソグラフィーによりエッチ
ングし、線幅１μｍ、間隔１μｍのパターンを形成し
た。走査型電子顕微鏡で観察したところ、パターンには
ところどころ欠損が認められ、微細なパターン形成は困
難であることがわかった。

【００２７】次に、実施例１と同一条件でＺｎＯ薄膜を
形成した。走査型電子顕微鏡で観察したところ、ＺｎＯ
薄膜表面には１〜２μｍの凹凸が多数存在し、平滑にみ
える領域はほとんどないことが確認された。Ｘ線回折の
結果によれば、このＺｎＯ薄膜には強い（０００１）面
配向は認められなかった。

【００２８】

【発明の効果】以上詳述したように本発明によれば、極
高周波領域で使用できる表面弾性波素子を提供できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る表面弾性波素子の基本構造を示す
断面図。

【図２】本発明に係る表面弾性波素子の他の基本構造を
示す断面図。

【図３】本発明に係る表面弾性波素子を構成する櫛型電
極層のパターンの一例を示す平面図。

【符号の説明】

１…ダイヤモンド層、２…炭化けい素層、３…櫛型電極
層、４…薄膜圧電体層、５…対向電極層。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ダイヤモンド層と炭化けい素層との接合
   体からなる基板の炭化けい素層側に、金属電極層及び圧
   電体層を形成したことを特徴とする表面弾性波素子。