JPH0590860A

JPH0590860A - 表面弾性波素子の製造方法

Info

Publication number: JPH0590860A
Application number: JP24974591A
Authority: JP
Inventors: Akihiro Yagou; 昭広八郷; Hideaki Nakahata; 英章中幡; Shinichi Shikada; 真一鹿田; Naoharu Fujimori; 直治藤森
Original assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Priority date: 1991-09-27
Filing date: 1991-09-27
Publication date: 1993-04-09

Abstract

(57)【要約】【目的】弾性波の伝播速度がより大きい材料と圧電体
を組合わせることにより、より高い周波数帯で使用でき
る表面弾性波素子について、優れた性能を有し、かつ信
頼性の高い素子を生産することができる方法を提供す
る。【構成】基板１上に電極層３ａ、３ｂ、圧電体層４お
よび圧電体層４より弾性波の伝播速度が大きい絶縁層２
を積層する素子の製造方法において、圧電体層４がスパ
ッタ堆積により形成され、かつ絶縁層２が気相合成によ
り形成されることを特徴とする方法。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、高周波フィルタなど
に用いられる表面弾性波素子の製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術および発明が解決しようとする課題】表面
弾性波素子は、弾性体表面を伝播する表面波を利用した
電気−機械変換素子であり、たとえば、図２に示すよう
な一般的構造を有する。表面弾性波素子６０において、
表面波の励振には圧電体６１による圧電現象が利用され
る。圧電体６１に設けられた一方のくし型電極６２に電
気信号を印加すると、圧電体６１に歪が生じ、これが表
面弾性波となって圧電体６１を伝播し、もう一方のくし
型電極６３で電気信号として取出される。この素子の周
波数特性は、図に示すように、くし型電極における電極
の間隔をλ₀、表面弾性波の速度をνとすれば、ｆ₀＝
ν／λ₀で定められる周波数ｆ₀を中心とした帯域通過
特性となる。

【０００３】表面弾性波素子は部品点数が少なく、小型
にすることができ、しかも表面波の伝播径路上において
信号の出入れが容易である。この素子は、フィルタ、遅
延線、発振器、共振器、コンボルバおよび相関器等に応
用することができる。特に、表面弾性波フィルタは、早
くからテレビの中間周波数フィルタとして実用化され、
さらにＶＴＲおよび各種の通信機器用フィルタに応用さ
れてきている。

【０００４】この表面弾性波素子は、ＬｉＮｂＯ₃やＬ
ｉＴａＯ₃等の圧電体単結晶上にくし型電極を形成する
ことによって製造されてきたが、近年、ＺｎＯ等の圧電
体薄膜をガラス等の基板上にスパッタ等の技術で成膜し
たものが用いられるようになってきている。しかしなが
ら、ガラス上ＺｎＯ等の圧電体薄膜を形成した素子は、
表面弾性波の伝播速度が３０００ｍ／ｓと小さいため、
フォトリソグラフィで作製が可能な電極間隔（約０．３
μｍ）によって動作周波数の上限が決まってしまい、１
００ＭＨｚ以上の高周波帯で使用するには適していなか
った。

【０００５】一方、上記表面弾性波素子に関して、たと
えば、移動通信等の分野に用いられる表面弾性波フィル
タなどは、より高い周波数域で使用できる素子が望まれ
ている。上式で示されるように、電極間距離λ₀がより
小さくなるか、または表面波の速度νがより大きくなれ
ば、素子の周波数特性はより高い中心周波数ｆ₀を有す
るようになる。そこで、弾性波がより早く伝播される材
料（たとえばサファイアおよびダイヤモンド等）上に圧
電体膜を積層させた表面弾性波素子が開発されてきてい
る（たとえば、特開昭５４−３８８７４および特開昭６
４−６２９１１）。

【０００６】この発明の目的は、弾性波の伝播速度がよ
り大きい材料と圧電体とを組合わせることにより、より
高い周波数帯で使用できる表面弾性波素子について、優
れた性能を有し、かつ信頼性の高い素子を生産すること
ができる方法を提供することにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】この発明に従う表面弾性
波素子の製造方法は、基板上に圧電体層、電極層および
圧電体層より弾性波の伝播速度が大きい絶縁層を積層す
る方法において、圧電体層がスパッタ堆積により形成さ
れ、かつ絶縁層が気相合成により形成されることを特徴
とする。

【０００８】この発明に従う圧電体層に関して、たとえ
ば、ＺｎＯ、ＳｉＯ₂、ＡｌＮ等がスパッタリングによ
り堆積させることができる。特にＺｎＯは、スパッタ堆
積により圧電体層を形成するのにより好ましい材料であ
る。

【０００９】スパッタ堆積においては、たとえば、マグ
ネトロンスパッタリング、高周波スパッタリング、ＥＣ
Ｒスパッタリング、直流スパッタリングおよびこれらの
組み合わせ等が好ましい方法として用いられる。特に、
ＺｎＯを堆積させる場合、高周波スパッタリング、マグ
ネトロンスパッタリングおよびＥＣＲスパッタリングが
より好ましい。また、ＺｎＯに関して、良好なｃ軸配向
性を有し、圧電体として高い性能を備える膜をスパッタ
堆積により形成させるには、たとえば高周波マグネトロ
ンスパッタにおいて、基板温度を２００℃〜４５０℃の
範囲に設定し、５０Ｗ〜２５０Ｗのスパッタ出力で、Ａ
ｒガスまたはＡｒとＯ₂の混合ガスを用いてスパッタリ
ングを行なえばよい。このとき、スパッタ堆積を行なう
反応室は０．１〜０．００１Ｔｏｒｒ程度のガス圧力で
堆積を行なうことが望ましい。この条件に関して、基板
温度が２００℃以下では形成されたＺｎＯ膜はｃ軸配向
せず、基板の温度が４５０℃以上では形成されるＺｎＯ
膜の表面が荒れてしまう。膜表面の荒れは表面弾性波の
散乱の原因となる。また、基板温度が高い程、圧電体膜
の密着性が高く、成膜速度も大きくなる一方、粒径が大
きくなり、散乱の原因となる。さらに、スパッタ出力５
０Ｗ以下では、形成されるＺｎＯ膜はｃ軸配向せず、２
５０Ｗ以上ではＺｎＯ膜の剥離および電極の損傷が生じ
る。

【００１０】一方、この発明に従って気相合成法によ
り、たとえば、窒化ホウ素、ダイヤモンドおよびダイヤ
モンド状炭素の少なくともいずれかから本質的になる絶
縁層を形成することができる。なお、ダイヤモンド状炭
素は微量の水素を含有する非晶質構造の炭素であり、ダ
イヤモンドに類似の結合様式を有するものである。これ
らの材料中における弾性波の速度は、圧電体中の速度に
比べて大きい。これらは、素子をより高い周波数帯で作
動できるものとするため適切な材料であるが、表面弾性
波の速度をより大きくする点ではダイヤモンドおよびダ
イヤモンド状炭素がより好ましい。

【００１１】また、気相合成には、たとえば、プラズマ
ＣＶＤ、光ＣＶＤ、レーザＣＶＤおよび熱分解ＣＶＤ等
を用いることができる。たとえば、ダイヤモンドまたは
ダイヤモンド状炭素は、炭化水素等のガスを原料として
気相合成することができるが、その方法として、電子放
射材を加熱して原料ガスを活性化させる方法、プラズマ
により原料ガスを励起させる方法、光（特にレーザ）に
より原料ガスを励起させる方法およびイオン衝撃による
成長法等を挙げることができる。

【００１２】一方、ダイヤモンドまたはダイヤモンド状
炭素を気相合成して絶縁層とする場合、気相合成直後の
層はしばしば表面抵抗が低く、１０³Ω・ｃｍ〜１０⁶
Ω・ｃｍ程度となる。このような層をそのまま使用し
て、その上に電極や圧電体を形成すると、電極または圧
電体に印加される電圧に損失が生じる。そこで、気相合
成直後の層を酸化処理することによって高抵抗化させる
ことが望ましい。酸化処理は、たとえばダイヤモンドま
たはダイヤモンド状炭素の層を０．０１Ｔｏｒｒ以上、
特に好ましくは１０Ｔｏｒｒ以上の酸素含有雰囲気中で
１５０℃以上に加熱する方法、または上記層を酸素分圧
が１×１０^-5Ｔｏｒｒ以上の酸素含有プラズマにさらす
方法等により達成することができる。このような酸化処
理を行なうことによって、抵抗値を１０⁵〜１０¹⁰倍上
げることができる。また、酸化処理は不純物を含まない
層だけでなく、Ｎ、Ｂ、Ａｌ、Ｐ、Ａｓ、Ｓ、Ｓｅ、お
よびＣｌ等の不純物を含有した層に対しても有効であ
る。

【００１３】また、電極層は、通常、上述したようなく
し型電極とされ、集積回路等の製造で一般に用いられる
方法に従って作製することができる。

【００１４】以上示してきた方法に従って形成される素
子は、たとえば図１に示すような構造とすることができ
る。

【００１５】図１（ａ）に示す表面弾性波素子１０は、
成膜用基板１上にダイヤモンド層２が形成され、その上
にくし型電極３ａおよび３ｂが形成されている。そし
て、ダイヤモンド層２およびくし型電極３ａ、３ｂは、
圧電体薄膜４によって被覆されている。

【００１６】図１（ｂ）に示す表面弾性波素子２０は、
成膜用基板１上にダイヤモンド層２および圧電体薄膜４
が順次堆積され、圧電体薄膜４上にくし型電極３ａおよ
び３ｂが形成されている。

【００１７】図１（ｃ）に示す表面弾性波素子３０は、
図１（ａ）に示す素子において、圧電体薄膜４上に短絡
用電極５ａおよび５ｂが形成されたものである。

【００１８】図１（ｄ）に示す表面弾性波素子４０は、
図１（ｂ）に示す素子において、ダイヤモンド層２と圧
電体薄膜４の間に短絡用電極５ａおよび５ｂが形成され
たものである。

【００１９】図１（ｅ）に示す表面弾性波素子５０は、
ダイヤモンド基板６上にくし型電極３ａおよび３ｂを挟
んで圧電体薄膜４を堆積させたものである。

【００２０】

【実施例】実施例１１０×１０×１ｍｍのＳｉ基板を準備し、これをプラズ
マＣＶＤ装置に設置した。反応室を排気するとともに、
反応室内にＣＨ₄：Ｈ₂＝１：１００の混合ガスを約２
００ｓｃｃｍで導入した。反応室内の圧力を約２５Ｔｏ
ｒｒに維持し、基板温度を９５０℃に設定して放電を行
なうことによりプラズマ状態とし、ダイヤモンド薄膜を
成長させた。

【００２１】次いで、大気中に４５０℃で１０分間放置
してダイヤモンド薄膜の抵抗値を高めた。次に、ダイヤ
モンド薄膜の表面を研磨した後、厚さ５００ÅのＡｌ層
を抵抗加熱法により蒸着した。次いでＡｌ層からフォト
リソグラフィ法を用いて２μｍの電極幅を有するくし型
電極を形成した。

【００２２】次に、スパッタ出力１５０Ｗ、基板温度３
８０℃の条件下、ＺｎＯ多結晶体をＡｒ：Ｏ₂＝１：１
の混合ガスでスパッタするマグネトロンスパッタリング
により厚み０．９３μｍのＺｎＯ膜を堆積させた。以上
の工程から得られた素子の構造は、図１（ａ）に示すも
のと同様である。

【００２３】一方、ダイヤモンド層形成後、酸化処理を
行なわず、そのまま研磨した後、同様にして電極および
ＺｎＯ膜を堆積させて素子を形成した。

【００２４】以上のようにして形成させた２つの素子に
ついて特性を調べた。その結果、これらの素子はともに
中心周波数ｆ₀が約１ＧＨｚである一方、ダイヤモンド
層について酸化処理を行なった素子は、挿入損失−１７
ｄＢ、信号ピークレベル３７ｄＢ、酸化処理を行なわな
かった素子は、挿入損失−４２ｄＢ、信号ピークレベル
１１ｄＢであった。このようにダイヤモンド層を酸化処
理することによって、素子の特性が顕著に向上すること
が明らかとなった。

【００２５】実施例２実施例１と同様にしてＳｉ基板上にダイヤモンド薄膜お
よびくし型電極を形成した後、ＺｎＯ多結晶体をＡｒ：
Ｏ₂＝１：１の混合ガスでスパッタするマグネトロンス
パッタリングにより厚さ０．９１μｍのＺｎＯ膜を堆積
させた。ＺｎＯ膜の堆積は、表１に示すとおりスパッタ
出力、ガス圧および基板温度をそれぞれ変えた７通りの
条件で行なった。

【００２６】

【表１】

【００２７】それぞれの条件で得られた膜をＸ線回折法
によりｃ軸配向性について評価した。ｃ軸配向性の指標
としては、Ｘ線ロッキングカーブのσ値を用いた。σ値
＜５であれば、ｃ軸配向されていると評価した。その結
果を表１の右欄に示す。また、表１の条件において、ス
パッタ出力が２５０Ｗの場合、ＺｎＯ膜が剥離するおそ
れがあった。この実験より、スパッタ出力は５０Ｗ〜２
５０Ｗの間が好ましく、また基板温度は、２００℃とな
ると良好な配向性が得られず、２００℃〜４００℃の間
で適当な温度を選択すればよいことがわかった。

【００２８】

【発明の効果】以上述べてきた方法に従えば、集積回路
の製造と同様に表面弾性波素子を連続的な工程によって
大量生産することができる。また、スパッタ堆積による
電極層の形成および気相合成による絶縁層の形成におい
て、それぞれの方法を上述した適切な条件下で行なうこ
とにより、所望の層を堆積していき、すぐれた性能およ
び高い信頼性を有する素子を形成することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明に従って形成される表面弾性波素子に
ついて、その概略を示す断面図である。

【図２】表面弾性波素子の一般的構造を示す斜視図であ
る。

【符号の説明】

１成膜用基板２ダイヤモンド層３ａ、３ｂくし型電極４圧電体薄膜５ａ、５ｂ短絡用電極

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者藤森直治兵庫県伊丹市昆陽北一丁目１番１号住友電気工業株式会社伊丹製作所内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】基板上に圧電体層、電極層および前記圧
電体層より弾性波の伝播速度が大きい絶縁層を積層する
表面弾性波素子の製造方法において、前記圧電体層がスパッタ堆積により形成され、かつ前記
絶縁層が気相合成により形成されることを特徴とする、
表面弾性波素子の製造方法。