JPH0590886A - 表面弾性波素子 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 表面弾性波の伝搬損失を低減することのでき
る表面弾性波素子を提供する。 【構成】 ダイヤモンド薄膜２２が、多結晶の微粒ダイ
ヤモンド薄膜から形成され、その結晶の平均粒径が表面
弾性波の波長の１／５以下であることを特徴とする。

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に関するものであり、特に
ダイヤモンド薄膜を用いた表面弾性波素子に関するもの
である。

【０００２】

【従来の技術】表面弾性波素子は、弾性体表面を伝搬す
る表面波を利用した電気−機械変換素子である。図１
は、表面弾性波素子の一般的構造を示している。

【０００３】図１を参照して、表面弾性波素子１０は、
圧電体１の上に１対のくし型電極２および３を形成する
ことにより構成されている。

【０００４】くし型電極２に電気信号を印加すると、圧
電体１に歪が生じ、この歪が表面弾性波となって圧電体
１を伝搬し、もう一方のくし型電極３で電気信号として
取出される。このように表面弾性波素子では、表面波の
励振に圧電体１の圧電現象が利用される。

【０００５】この素子の周波数特性は、図１に示すよう
に、くし型電極における電極周期を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。

【０００６】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、しかも表面波の伝搬経路上において
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。

【０００７】この表面弾性波素子は、ＬｉＮｂＯ₃ およ
びＬｉＴａＯ₃ 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、ガラス上に成膜したＺｎＯ等の圧電体薄膜は通
常配向性のある多結晶質であり、散乱による損失が多
く、１００ＭＨｚ以上の高周波帯で使用するには適して
いなかった。

【０００８】一方、移動通信等の分野に用いられる表面
弾性波フィルタにおいては、より高い周波数域で使用で
きる素子が望まれている。上述したように、電極周期λ
₀ がより小さくなるか、あるいは表面波の速度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。

【０００９】そこで、弾性波がより速く伝搬される材
料、たとえばサファイアおよびダイヤモンド等の上に圧
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）。

【００１０】特に、ダイヤモンド中における音速は最も
速く、さらに熱的および化学的にも安定であるので、表
面弾性波素子を形成する基板としてダイヤモンドが注目
されている。ダイヤモンドを用いる表面弾性波素子は、
生産性および価格の面から、基板上にダイヤモンド薄膜
を形成し、このダイヤモンド薄膜上に圧電体薄膜を形成
するものが主に検討されている。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、このよ
うなダイヤモンド薄膜を用いた従来の表面弾性波素子に
おいては表面弾性波の伝搬損失が大きく、高い効率の表
面弾性波素子にすることができないという問題があっ
た。

【００１２】この発明の目的は、表面弾性波の伝搬損失
を軽減することができ、高い効率を示す表面弾性波素子
を提供することにある。

【００１３】

【課題を解決するための手段】この発明に従う表面弾性
波素子は、基板と、基板上に形成されるダイヤモンド薄
膜と、ダイヤモンド薄膜上に形成される圧電体薄膜と、
特定の波長の表面弾性波を発生させこれを取出すための
１対の電極とを備え、ダイヤモンド薄膜が、多結晶の微
粒ダイヤモンド薄膜から形成され、その結晶の平均粒径
が表面弾性波の波長の１／５以下であることを特徴とし
ている。

【００１４】図２は、この発明に従い形成された表面弾
性波素子の一例を示す断面図である。図２を参照して、
たとえばＳｉなどの基板２１の上に多結晶ダイヤモンド
膜２２が形成されており、この多結晶ダイヤモンド膜２
２の上にくし型電極２３が形成されている。このくし型
電極２３を形成した多結晶ダイヤモンド膜２２の上に圧
電体層である、ＺｎＯ膜２４が形成されている。

【００１５】この発明において用いられる基板は、多結
晶の微粒ダイヤモンド薄膜をその上に形成できるもので
あれば特に限定されない。たとえば、Ｓｉ、Ｍｏ、Ｗ、
ＧａＡｓ、およびＬｉＮｂＯ₃ などを挙げることができ
る。

【００１６】この発明において、ダイヤモンド薄膜の形
成方法は、多結晶の微粒ダイヤモンド薄膜を形成し得る
方法であれば特に限定されるものではなく、たとえば、
ＣＶＤ法、マイクロ波プラズマＣＶＤ法、プラズマＣＶ
Ｄ法、ＰＶＤ法、熱フィラメント法など従来から公知の
方法で行なうことができる。

【００１７】原料ガスを分解励起してダイヤモンドを気
相合成法で成長させる方法としては、たとえば、１）熱
電子放射材を１５００Ｋ以上の温度に加熱して原料ガス
を活性化する方法、２）直流、高周波又はマイクロ波電
界による放電を利用する方法、３）イオン衝撃を利用す
る方法、４）レーザーなどの光を照射する方法、５）原
料ガスを燃焼させる方法、がある。

【００１８】この発明において、使用する原料物質とし
ては、炭素含有化合物が一般的である。この炭素含有化
合物は、好ましくは水素ガスを組合せて用いられる。ま
た必要に応じて、酸素含有化合物および／または不活性
ガスと組合せて用いられる場合もある。

【００１９】炭素含有化合物としては、たとえばメタ
ン、エタン、プロパン、ブタン等のパラフィン系炭化水
素：エチレン、プロピレン、ブチレン等のオレフィン系
炭化水素：アセチレン、アリレン等のアセチレン系炭化
水素：ブタジエン等のジオレフィン系炭化水素：シクロ
プロパン、シクロブタン、シクロペンタン、シクロヘキ
サン等の脂環式炭化水素：シクロブタジエン、ベンゼ
ン、トルエン、キシレン、ナフタレン等の芳香族炭化水
素：アセトン、ジエチルケトン、ベンゾフェノン等のケ
トン類：メタノール、エタノール等のアルコール類：ト
リメチルアミン、トリエチルアミンなどのアミン類：炭
酸ガス、一酸化炭素などを挙げることができる。これら
は、１種を単独で用いることもできるし、２種以上を併
用することもできる。あるいは炭素含有化合物は、グラ
ファイト、石炭、コークスなどの炭素原子のみから成る
物質であってもよい。

【００２０】酸素含有化合物としては、酸素、水、一酸
化炭素、二酸化炭素、過酸化水素が容易に入手できるゆ
え好ましい。

【００２１】不活性ガスは、たとえば、アルゴン、ヘリ
ウム、ネオン、、クリプトン、キセノン、ラドンであ
る。

【００２２】この発明において用いられる圧電体層とし
ては、ＺｎＯ、ＡｌＮ、Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ₃ 、（Ｐ
ｂ，Ｌａ）（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ₃ 、ＬｉＴａＯ₃ 、ＬｉＮ
ｂ₃ 、ＳｉＯ₂ 、Ｔａ₂ Ｏ₅ 、Ｎｂ₂ Ｏ₅ 、ＢｅＯ、Ｌ
ｉ₂ Ｂ₄ Ｏ₇ 、ＫＮｂＯ₃ 、ＺｎＳ、ＺｎＳｅおよびＣ
ｄＳなどを主成分とするものを使用することができる。
圧電体層は、単結晶および多結晶のいずれであってもよ
いが、素子をより高周波域で使用するためには、表面波
の散乱が少ない単結晶がより好ましい。

【００２３】ＺｎＯ、ＡｌＮおよびＰｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）
Ｏ₃ 等の圧電体層は、ＣＶＤ法によって形成することが
できる。

【００２４】この発明で設けられる電極としては、くし
型電極またはインタデジタル・トランスデューサ（ＩＤ
Ｔ）電極と称される電極を用いることができる。この電
極は、たとえばエッチングにより作製することができ
る。電極材料としては抵抗率の小さい材料が好ましく、
Ａｕ、Ａｇ、およびＡｌなどの低温で蒸着可能な金属、
Ｔｉ、Ｗ、およびＭｏなどの高融点金属、ならびにたと
えば、Ｔｉの上にＡｌを形成するような２種類以上の金
属の組合わせなどが可能である。電極の作製の容易さか
らは、ＡｌおよびＴｉが好ましい。またダイヤモンド薄
膜を誘電体とするときの密着性からは、ＷおよびＭｏが
好ましい。

【００２５】電極の作製方法としては、電極用金属を成
膜した後に、レジストを電極用金属の表面に均一に塗布
し、ガラス等の透明平板に電極のパターンを形成したマ
スクを載せた後、水銀ランプなどを用いて露光する方法
がある。また、電子ビームにより電極を直接に形成する
ことも可能である。

【００２６】電極のエッチング方法は、たとえば、Ａｌ
等の低融点金属の場合、水酸化ナトリウム溶液等のアル
カリ性溶液、または硝酸等の酸性溶液によるウェットエ
ッチングが可能である。

【００２７】高融点金属の場合は、フッ酸と硝酸の混合
溶液を用いてエッチングすることができる。またＢＣｌ
₃ 等のガスを用いて反応性イオンエッチング法により電
極を作製することも可能である。

【００２８】また、電極は、半導電性ダイヤモンドを用
いて形成することも可能である。高純度で形成されたダ
イヤモンドは絶縁性であるが、Ｂ、Ａｌ、Ｐ、およびＳ
等の不純物をイオン注入などの方法で添加したり、ある
いは電子線照射を用いて格子欠陥を導入したり、水素プ
ラズマ等で水素化処理することによって、半導電性ダイ
ヤモンドを形成することができる。したがって、ダイヤ
モンド薄膜の一部にこのような処理を施して電極を形成
することも可能である。

【００２９】この発明において、多結晶の微粒ダイヤモ
ンド薄膜を形成する方法は、特に限定されるものではな
いが、たとえば以下のような方法がある。

【００３０】（１） 基板表面の傷つけ処理 この方法では、ダイヤモンド薄膜を形成する前に、基板
表面に多数の細かい傷をつける。具体的には、粒径１μ
ｍ以下（さらに望ましくは０．５μｍ以下）の微粒ダイ
ヤモンドパウダを用いて、水またはアルコール等の液体
中で基板に超音波洗浄をかける。たとえば３０〜６０分
間以上この超音波洗浄にかける。また他の方法として
は、刷毛の先にダイヤモンドパウダを添付し、この刷毛
で基板表面をなでる。この場合３０分間以上行なう。

【００３１】この処理の後に、基板表面を洗浄し、ダイ
ヤモンド薄膜のＣＶＤ成長を行なう。このように基板表
面を傷つけ処理することにより、基板上への核発生密度
が大きくなり（１０¹⁰個／ｃｍ² 以上）、その結果微粒
ダイヤモンド薄膜を形成することができる。

【００３２】（２） 原料ガス濃度の高濃度化 ＣＶＤなどの気相成長の際に、ＣＨ₄ などの原料ガスの
濃度を高くする。これにより核発生密度が大きくなり、
微粒ダイヤモンド薄膜を成長させることができる。ただ
し、たとえばＣＨ₄ ガスおよびＨ₂ ガスを用いる場合、
ＣＨ₄ ／Ｈ₂ の濃度が高くなりすぎると、ダイヤモンド
薄膜の品質が劣化してくるので、ＣＨ₄ ／Ｈ₂ をおよそ
２％程度にするか、あるいはＣＨ₄ およびＨ₂ ガスに微
量の酸素含有ガス（たとえばＣＯ₂ ，Ｈ₂ ＯおよびＣＯ
₂ ガスなど）を添加して、ＣＨ₄ ／Ｈ₂ をおおよそ７％
ぐらいにすることが好ましい。

【００３３】（３） 基板温度の低温度化 ＣＶＤ成長などの気相成長の成膜基板温度を３００〜６
００℃程度まで下げれば、核発生密度が大きくなり、微
粒ダイヤモンド薄膜を成長させることができる。生成す
るダイヤモンド薄膜の品質を考慮する場合には、４００
〜５００℃ぐらいが最も好ましい。

【００３４】なお、当然のことながら、上記の方法を組
合せて採用してもよい。

【００３５】

【発明の作用効果】この発明の表面弾性波素子において
は、ダイヤモンド薄膜を多結晶の微粒ダイヤモンド薄膜
とし、さらに結晶の平均粒径を表面弾性波の波長の１／
５以下にしている。本発明者等は、このようにダイヤモ
ンド薄膜の結晶の平均粒径を１／５以下にすることによ
り、粒界による表面弾性波の散乱を著しく低減できるこ
とを見出し、この発明を成すに至ったものである。

【００３６】ダイヤモンド薄膜の結晶の平均粒径は表面
弾性波の波長の１／５以下であり、さらに好ましくは１
／１０以下である。表面弾性波の波長が１／５を超える
と、ダイヤモンド薄膜における粒界散乱の影響が大きく
なり、表面弾性波の伝搬損失が大きくなる。

【００３７】この発明に従う表面弾性波素子では、表面
弾性波の伝搬損失を小さくすることができるので、高い
効率の表面弾性波素子とすることができる。したがっ
て、この発明に従う表面弾性波素子を高周波フィルタと
して用いる場合には、フィルタ特性の優れた高周波フィ
ルタとすることができる。

【００３８】

【実施例】１０×１０×１ｍｍの大きさのＳｉ基板の表
面に対して、上記（１）の傷つけ処理を行なった。この
傷つけ処理したＳｉ基板の上にダイヤモンド薄膜を成長
させた。成長条件としては、反応室にＨ₂ およびＣＨ₄
の２００：１の混合比の混合ガスを全流量が約２０ｓｃ
ｃｍとなるように導入し、反応室内の圧力を約４０Ｔｏ
ｒｒに維持し、マイクロ波パワー４００Ｗで放電してプ
ラズマ状態とし、ダイヤモンド薄膜を成長させた。基板
温度は約８５０℃とした。成長させたダイヤモンド薄膜
の膜厚は２５μｍであった。

【００３９】なお、成長させたダイヤモンド薄膜の結晶
の平均粒径が表１の値となるように、上記の基板表面の
傷つけ処理における超音波洗浄の時間および使用する微
粒ダイヤモンドパウダの粒径を調整した。

【００４０】ダイヤモンド薄膜の上に抵抗加熱法によ
り、Ａｌを５００Å蒸着し、フォトリソグラフィ法を用
いて、電極幅および電極間隔が２μｍのくし型電極を作
製した。電極の作製法としては、ウェットエッチング法
を用いた。

【００４１】くし型電極を作製したダイヤモンド薄膜の
上に、圧電体薄膜として、ＺｎＯ薄膜を０．９μｍの厚
みで形成した。ＺｎＯ薄膜は、マグネトロンスパッタ装
置を用いて形成した。

【００４２】以上のようにして形成した結晶の平均粒径
の異なるダイヤモンド薄膜を有した表面弾性波素子を用
いて、表面弾性波の伝搬損失を測定した。なお、表面弾
性波の波長としては８μｍとなるように素子を作製し
た。

【００４３】表１に示す伝搬損失は、ダイヤモンド薄膜
の結晶の平均粒径が１０μｍの素子の伝搬損失を１とし
た場合の相対値である。

【００４４】

【表１】

【００４５】表１から明らかなように、ダイヤモンド薄
膜の結晶の平均粒径が１．５μｍ以下の表面弾性波素子
においては著しく伝搬損失が低減されることがわかる。

【図面の簡単な説明】

【図１】表面弾性波素子の一般的な構造を説明するため
の斜視図である。

【図２】この発明に従う表面弾性波素子の一例を示す断
面図である。

【符号の説明】

２１ Ｓｉ基板 ２２ 多結晶ダイヤモンド膜 ２３ くし型電極 ２４ ＺｎＯ膜

───────────────────────────────────────────────────── 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 (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 基板と、基板上に形成されるダイヤモン
   ド薄膜と、ダイヤモンド薄膜上に形成される圧電体薄膜
   と、特定の波長の表面弾性波を発生させこれを取出すた
   めの１対の電極とを備える表面弾性波素子において、 前記ダイヤモンド薄膜が、多結晶の微粒ダイヤモンド薄
   膜から形成され、その結晶の平均粒径が前記表面弾性波
   の波長の１／５以下であることを特徴とする、表面弾性
   波素子。