JPWO2013172251A1 - 弾性表面波装置 - Google Patents

Abstract

スカンジウム含有窒化アルミニウム膜を用いた弾性表面波装置のコストを低減する。シリコンまたはガラスからなる基板２上に、伝搬する横波音速がＳｃＡｌＮ膜４よりも高い高音速膜３が積層されており、高音速膜３上にＳｃＡｌＮ膜４が積層されており、ＳｃＡｌＮ膜４上にＩＤＴ電極５,６が積層されている弾性表面波装置１。

Description

本発明は、スカンジウム含有窒化アルミニウム膜を圧電体として用いた弾性表面波装置に関する。

近年、携帯型通信機器の高周波化に伴い、用いられている弾性表面波装置においても高周波化が求められている。

下記の非特許文献１には、ＳｉＣ基板またはダイアモンド基板上に、ＳｃＡｌＮ薄膜及びＩＤＴ電極を形成してなる弾性表面波装置が開示されている。ＳｃＡｌＮ薄膜は、ＳｃがドープされたＡｌＮ薄膜である。Ｓｃ濃度を高めることにより、圧電性を高めることができるとされている。

「ＳｃＡｌＮ／６Ｈ-ＳｉＣ構造を用いたＳＨＦ帯高性能ＳＡＷ共振子（圧電材料・デバイスシンポジウム２０１２、第４３ページ〜第４６ページ）」

非特許文献１では、ＳｃＡｌＮ薄膜が圧電性に優れているため、広帯域でありかつＱ値の高い弾性表面波装置を得ることができると記載されている。非特許文献１では、高周波化を果たすために、ダイアモンドまたはＳｉＣからなる高音速の基板を用いていた。しかしながら、ダイアモンド基板は高価である。また、ＳｉＣ基板を用いる場合、その電気抵抗が高いことが求められる。しかしながら、高抵抗のＳｉＣ基板は入手が困難であり、入手できたとしてもコストが非常に高かった。

本発明の目的は、スカンジウム含有窒化アルミニウム膜を用いており、しかも安価である弾性表面波装置を提供することにある。

本発明に係る弾性表面波装置は、シリコンまたはガラスからなる基板と、スカンジウム含有窒化アルミニウム膜と、高音速膜と、ＩＤＴ電極とを備えている。スカンジウム含有窒化アルミニウム膜は基板上に設けられている。もっとも、基板とスカンジウム含有窒化アルミニウム膜との間に上記高音速膜が積層されている。高音速膜を伝搬する横波音速は、スカンジウム含有窒化アルミニウム膜を伝搬する横波音速よりも高い。ＩＤＴ電極は、上記スカンジウム含有窒化アルミニウム膜上に形成されている。

本発明に係る弾性表面波装置のある特定の局面では、上記弾性表面波としてセザワ波を利用している。セザワ波は、Ｐ＋ＳＶ波の二次モードである。

本発明に係る弾性表面波装置の他の特定の局面では、前記高音速膜が、窒化アルミニウムまたは窒化ホウ素アルミニウムからなる。この場合には、弾性表面波をスカンジウム含有窒化アルミニウム膜内により一層効果的に閉じ込めることができる。

本発明に係る弾性表面波装置のさらに他の特定の局面では、前記スカンジウム含有窒化アルミニウム膜と前記高音速膜との間に積層されている酸化ケイ素膜がさらに備えられている。この場合には、周波数温度特性を改善することができる。

本発明に係る弾性表面波装置のさらに他の特定の局面では、基板が単結晶シリコン基板からなる。この場合には、大口径化が容易であり、薄化による低背化も容易である。さらに、ダイシング代を圧電単結晶基板やＳｉＣ、サファイヤに比べて狭小にすることができるため、取り個数が増えて低コスト化することができる。

本発明によれば、安価なシリコンまたはガラスからなる基板を用いており、さらに高音速膜が基板上に形成されているため、圧電性に優れたスカンジウム含有窒化アルミニウム膜を用いた弾性表面波装置のコストを大幅に低減しつつ、弾性表面波装置のデバイス特性を向上させることが可能となる。

図１は、本発明の第１の実施形態に係る弾性表面波装置の略図的正面断面図である。 図２は、第１の実施形態の弾性表面波装置における変位分布を示す模式的断面図である。 図３は、図２に示した変位分布のハッチングをした各領域のコンター表示のスケールを示す模式図である。 図４は、第１の実施形態において、ＳｃＡｌＮの規格化膜厚と、弾性表面波装置の比帯域Δｆ／ｆ０との関係を示す図である。 図５は、第１の実施形態において、ＳｃＡｌＮの規格化膜厚と、弾性表面波装置の反共振周波数との関係を示す図である。 図６は、本発明の第２の実施形態に係る弾性表面波装置の略図的正面断面図である。 図７は、本発明の第３の実施形態に係る弾性表面波装置の略図的正面断面図である。 図８は、レイリー波を利用した場合の変位分布を示す模式的断面図である。

以下、図面を参照しつつ、本発明の具体的な実施形態を説明することにより、本発明を明らかにする。

図１は、本発明の第１の実施形態に係る弾性表面波装置の略図的正面断面図である。弾性表面波装置１は、基板２を有する。基板２は、本実施形態では、シリコンからなる。もっとも、シリコン（Ｓｉ）ではなく、ガラスからなる基板を用いてもよい。シリコン基板やガラス基板は安価である。従って、弾性表面波装置１のコストを低減することができる。

基板２上に高音速膜３が積層されている。高音速膜３は、本実施形態では、窒化アルミニウムからなる。高音速膜３上にスカンジウム含有窒化アルミニウム膜としてＳｃＡｌＮ膜４が積層されている。シリコンからなる基板の横波音速は約５９００ｍ／秒である。また、窒化アルミニウムからなる高音速膜３の横波音速は約６３００ｍ／秒である。これに対して、ＳｃＡｌＮ膜４の横波音速は、例えばＳｃとＡｌとの合計を１００原子％としたときの、Ｓｃ濃度が４０原子％のときで、約４６００ｍ／秒である。

窒化アルミニウムからなる高音速膜３を伝搬する横波音速は、ＳｃＡｌＮ膜４を伝搬する横波音速よりも高い。従って、ＳｃＡｌＮ膜４を伝搬する弾性表面波をＳｃＡｌＮ膜４内に閉じ込めることができる。

ＳｃＡｌＮ膜４上にＩＤＴ電極５，６が形成されている。ＩＤＴ電極５，６の形成により、本実施形態では、弾性表面波共振子が構成されている。なお、本実施形態では、ＩＤＴ電極５，６を駆動することにより励振される弾性表面波のうち、セザワ波が用いられている。セザワ波は、Ｐ＋ＳＶ波の二次モードである。

ＩＤＴ電極５,６を構成する電極材料は特に限定されない。たとえば、Ａｌ、Ａｕ、Ｃｕ、Ｍｏ、Ｗ、Ｐｔ、Ｓｃ、Ｔｉまたはこれらを主体とする合金を用いることができる。また、これらの積層体であってもよい。

本実施形態の弾性表面波装置１の特徴は、上記高音速膜３が基板２とＳｃＡｌＮ膜４との間に積層されていることにある。シリコンからなる基板２を伝搬する横波音速はＳｃＡｌＮ膜４を伝搬する横波音速と同程度である。従って、シリコンからなる基板２上に直接ＳｃＡｌＮ膜４を積層した場合には、ＳｃＡｌＮ膜４を伝搬するセザワ波を良好に閉じ込めることができない。

これに対して、本実施形態では、高音速膜３が設けられているため、ＳｃＡｌＮ膜４内にセザワ波を効果的に閉じ込めることができる。それによって、良好な圧電性を有するＳｃＡｌＮ膜４を用いた弾性表面波装置１のコストを大幅に低減することが可能となる。

弾性表面波装置１においてセザワ波が良好に閉じ込められることを、図２及び図３を参照して説明する。図２は、弾性表面波装置１のセザワ波で共振している場合のＺ方向変位分布を示す模式的断面図であり、図３は図２中の各ハッチングを付した領域のコンター表示のスケールを示す図である。図３中の＋１．０４７２６２ｅ−００９は１．０４７２６２×ｅ^−９であることを示す。

図２から明らかなように、ＩＤＴ電極５，６を駆動し、セザワ波を励振した場合、ＳｃＡｌＮ膜４内にセザワ波のエネルギーが効果的に閉じ込められることがわかる。これは、高音速膜３を伝搬する横波音速がＳｃＡｌＮ膜４を伝搬する横波音速よりも高いためである。従って、本実施形態の弾性表面波装置１では、ＳｃＡｌＮ膜４の優れた圧電性を利用して、安価に広帯域化を図ることができる。これを図４及び図５を参照して説明する。

図４は、弾性表面波装置１におけるＳｃＡｌＮ膜４の規格化膜厚と、比帯域Δｆ／ｆ０との関係を示す図である。なお、ＳｃＡｌＮ膜の規格化膜厚とは、ＳｃＡｌＮ膜厚／ＩＤＴの周期で定まる波長で表される値である。ここでは、ＩＤＴ電極５，６の周期で定まる波長は２μｍとした。

また、ＩＤＴ電極５，６の電極指の対数は、それぞれ１６０対、交差幅８０μｍとした。

比帯域Δｆ／ｆ０のΔｆは共振周波数と反共振周波数との間の帯域幅を示し、ｆ０は中心周波数を示す。

図４では、ＩＤＴ電極５，６を３００ｎｍの厚みのＭｏまたは３００ｎｍの厚みのＣｕ膜で形成した場合の結果を示す。

また、図５は同様にして構成した弾性表面波装置１におけるＳｃＡｌＮ膜４の規格化膜厚と反共振周波数ｆｐとの関係を示す図である。

図４及び図５から明らかなように、ＳｃＡｌＮ膜の規格化膜厚が０．６〜０．９の範囲内において、比帯域は、２．５％以上と高く、反共振周波数ｆｐも２６００ＭＨｚ以上と高いことがわかる。また、電極材料をＭｏ及びＣｕのいずれを用いた場合においても同様の効果を得られることがわかる。

なお、上記弾性表面波装置と同様にして、ただし、高音速膜３を設けなかった場合には、セザワ波の共振エネルギーがＳｃＡｌＮ膜に閉じこもらず、振動漏れが起きていることが分かった。

図６は、本発明の第２の実施形態に係る弾性表面波装置を示す略図的正面断面図である。第２の実施形態の弾性表面波装置１１では、高音速膜３Ａが、窒化ホウ素アルミニウム、すなわちＢＡｌＮ膜からなる。ここでは、ホウ素Ｂの含有割合は３５原子％とされている。窒化ホウ素アルミニウム膜を伝搬する横波音速は約６８００ｍ／秒であり、窒化アルミニウム膜の横波音速よりも高音速である。従って、本実施形態によれば、セザワ波のエネルギーをＳｃＡｌＮ膜４中により効果的に閉じ込めることができる。高音速膜３Ａの材料が上記のように変更されていることを除いては、第２の実施形態の弾性表面波装置１１は、第１の実施形態の弾性表面波装置１と同様である。従って、第１の実施形態と同一部分については同一の参照番号をすることにより、その説明を省略する。

高音速膜３Ａは、上記のように高音速であるため、本実施形態においても、セザワ波の表面波エネルギーが、ＳｃＡｌＮ膜４中に更に閉じこもる。従って、Ｑ値を高めることができる。よって、本実施形態においても、第１の実施形態と同様に、良好な圧電性を有するＳｃＡｌＮ膜４を用いた弾性表面波装置１において安価なシリコンからなる基板２を用いることができるので、低コスト化を進めることができる。

図７は本発明の第３の実施形態に係る弾性表面波装置２１の略図的正面断面図である。弾性表面波装置２１では、高音速膜３とＳｃＡｌＮ膜４との間に酸化ケイ素膜７が積層されている。その他の点は、第１の実施形態と同様である。従って、第１の実施形態と同一部分については同一の参照番号をすることにより、第１の実施形態の説明を援用することとする。

本実施形態では、酸化ケイ素膜７が高音速膜３とＳｃＡｌＮ膜４との間に積層されているため、周波数温度特性を改善することができる。このように、本発明においては、周波数温度特性を改善するために、酸化ケイ素膜７を積層することが好ましい。さらにシリコン基板に１ｅ１９／ｃｍ^３以上の高濃度にホウ素、リン、ヒ素、アルミニウムなどのドーパントが含有していても周波数温度特性が改善する。

なお、酸化ケイ素膜７の横波音速は約３７００ｍ／秒である。酸化ケイ素膜７の横波音速はさほど高くはないが、本実施形態においても、高音速膜３が設けられているため、利用するセザワ波を高音速膜３よりも図７中上方に効果的に閉じ込めることができる。よって、第１の実施形態と同様に、Ｑ値を高めることができ、広帯域化を図ることができる。また、第３の実施形態においても、安価なシリコンからなる基板を用いているため、コストを低減することができる。

なお、上述してきた実施形態では、基板２はシリコンにより構成されていたが、ガラス基板を用いてもよい。その場合においても、ダイアモンドやＳｉＣを用いた場合に比べて、表面波装置のコストを大幅に低減することができる。

また、高音速膜は、窒化アルミニウム膜及び窒化ホウ素アルミニウム膜に限定されるものではない。たとえば、炭化窒素膜、ダイアモンド膜または窒化ホウ素膜などを用いてもよい。もっとも、コストを低減するためには、ダイアモンド膜ではなく、窒化アルミニウム膜、窒化ホウ素アルミニウム膜、炭化窒素膜または窒化ホウ素膜を用いることが好ましい。さらに、窒化アルミニウム膜及び窒化ホウ素アルミニウム膜は、ウルツ鉱構造を有している。ＳｃＡｌＮも同様にウルツ鉱構造を有している。従って、窒化アルミニウム膜及び窒化ホウ素アルミニウム膜を用いた場合、高音速膜上に形成されるＳｃＡｌＮ膜の結晶性を効果的に高めることができる。よって、ウルツ鉱構造を有している窒化アルミニウム膜及び窒化ホウ素アルミニウム膜を用いることが望ましい。

上述してきた実施形態では、複数のＩＤＴ電極５，６を有する共振子型の弾性表面波装置につき説明したが、本発明においては、セザワ波を利用した弾性表面波装置を広く適用することができる。すなわち、共振子型弾性表面波装置に限らず、トランスバーサル型弾性表面波装置などの様々な電極構造を有する弾性表面波装置に本発明を適用することができる。

図８は、レイリー波を用いた場合の変位分布を示す模式的断面図である。図８中の各ハッチングを付した領域のスケールは図３に示す通りである。図８から明らかなように、Ｐ＋ＳＶ波の１次モードであるレイリー波を用いた場合も、レイリー波を効果的に閉じ込めることができることがわかる。したがって、上記本実施形態と同様の効果が得られる。

１，１１，２１…弾性表面波装置
２…基板
３…高音速膜
４…ＳｃＡｌＮ膜
５，６…ＩＤＴ電極
７…酸化ケイ素膜

高音速膜３Ａは、上記のように高音速であるため、本実施形態においても、セザワ波の表面波エネルギーが、ＳｃＡｌＮ膜４中に更に閉じこもる。従って、Ｑ値を高めることができる。よって、本実施形態においても、第１の実施形態と同様に、良好な圧電性を有するＳｃＡｌＮ膜４を用いた弾性表面波装置１１において安価なシリコンからなる基板２を用いることができるので、低コスト化を進めることができる。

Claims (5)

1. シリコンまたはガラスからなる基板と、
   前記基板上に設けられたスカンジウム含有窒化アルミニウム膜と、
   前記スカンジウム含有窒化アルミニウム膜よりも伝搬する横波音速が高く、かつ前記基板と前記スカンジウム含有窒化アルミニウム膜との間に積層されている高音速膜と、
   前記スカンジウム含有窒化アルミニウム膜上に形成されたＩＤＴ電極とを備える、弾性表面波装置。
2. 弾性表面波としてセザワ波を利用する、請求項１に記載の弾性表面波装置。
3. 前記高音速膜が、窒化アルミニウムまたは窒化ホウ素アルミニウムからなる、請求項１または２に記載の弾性表面波装置。
4. 前記スカンジウム含有窒化アルミニウム膜と前記高音速膜との間に積層されている酸化ケイ素膜をさらに備える、請求項１〜３のいずれか１項に記載の弾性表面波装置。
5. 前記基板が単結晶シリコン基板からなる、請求項１〜４のいずれか１項に記載の弾性表面波装置。

Images