WO2023190677A1 - 音響多層膜、高周波フィルタデバイス、及びバルク弾性波フィルタデバイス - Google Patents

音響多層膜、高周波フィルタデバイス、及びバルク弾性波フィルタデバイス Download PDF

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WO2023190677A1
WO2023190677A1 PCT/JP2023/012784 JP2023012784W WO2023190677A1 WO 2023190677 A1 WO2023190677 A1 WO 2023190677A1 JP 2023012784 W JP2023012784 W JP 2023012784W WO 2023190677 A1 WO2023190677 A1 WO 2023190677A1
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layer
multilayer film
acoustic
dividing
acoustic multilayer
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PCT/JP2023/012784
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優津希 青木
大輔 中村
岳 圓岡
愛美 黒瀬
広宣 待永
Original Assignee
日東電工株式会社
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    • H—ELECTRICITY
    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03H—IMPEDANCE NETWORKS, e.g. RESONANT CIRCUITS; RESONATORS
    • H03H9/00—Networks comprising electromechanical or electro-acoustic devices; Electromechanical resonators
    • H03H9/15—Constructional features of resonators consisting of piezoelectric or electrostrictive material
    • H03H9/17—Constructional features of resonators consisting of piezoelectric or electrostrictive material having a single resonator
    • H—ELECTRICITY
    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03H—IMPEDANCE NETWORKS, e.g. RESONANT CIRCUITS; RESONATORS
    • H03H9/00—Networks comprising electromechanical or electro-acoustic devices; Electromechanical resonators
    • H03H9/46—Filters
    • H03H9/54—Filters comprising resonators of piezoelectric or electrostrictive material

Definitions

  • the present invention relates to an acoustic multilayer film, a high frequency filter device, and a bulk acoustic wave filter device.
  • the 5G mobile communication standard uses a frequency band close to 6 GHz called "sub-6" and a 28 GHz band, and the use of a 100 GHz band is also being considered in the future. Therefore, resonators and bandpass filters suitable for high frequencies exceeding several GHz are required.
  • BAW resonators or BAW filters that utilize bulk acoustic waves (BAW) are used in resonators of electronic devices such as smartphones and high frequency filters of communication devices.
  • a BAW filter filters high frequencies by utilizing the piezoelectric effect of a piezoelectric layer sandwiched between an upper electrode and a lower electrode.
  • the resonance energy leaks to the substrate side during filtering, the waves reflected at the interface of the substrate adversely affect the resonance characteristics.
  • an acoustic multilayer film in which low acoustic impedance layers and high acoustic impedance layers are alternately laminated is used as an acoustic mirror.
  • a method is known in which the acoustic multilayer film is divided into a plurality of regions by dicing in the in-plane direction (for example, see Patent Document 1).
  • a configuration is known in which an acoustic multilayer film is formed on one side of the substrate and a compressive stress film is provided on the opposite side of the substrate to offset the compressive stress generated in the acoustic multilayer film (for example, patented (See Reference 2).
  • acoustic multilayer films metal thin films are used as high acoustic impedance layers.
  • the total thickness of the high acoustic impedance layer is 1 ⁇ m or more, and peeling from the substrate, cracking, etc. occur due to the surface roughness and stress of the metal.
  • Patent Document 1 in order to relieve stress, an acoustic multilayer film is separated into a plurality of regions within a plane by dicing. When a piezoelectric (or resonant) element is formed due to the remaining diced film and the reattachment of generated film pieces, there is a concern that characteristics may be deteriorated due to short-circuiting of electrodes or foreign matter.
  • One aspect of the present invention is to provide an acoustic multilayer film with reduced stress, a high frequency filter device using the same, and a bulk acoustic wave filter device.
  • the acoustic multilayer film includes, on a support substrate, a first layer having a first specific acoustic impedance and a second layer having a specific acoustic impedance lower than the first specific acoustic impedance. Two or more pairs are stacked alternately, At least one of the first layers of the acoustic multilayer film is divided in the stacking direction by dividing layers.
  • the dividing layer included in the first layer has an acoustic impedance lower than the first specific acoustic impedance.
  • An acoustic multilayer film with reduced stress and a high frequency filter device using the same are realized.
  • FIG. 1 is a schematic diagram of a laminate including an acoustic multilayer film of an embodiment.
  • 2 is a schematic diagram of a high frequency filter device using the acoustic multilayer film of FIG. 1.
  • FIG. FIG. 3 is a diagram showing the relationship between the film thickness of a dividing layer and filter characteristics. It is a figure showing the surface roughness of an acoustic multilayer film when there is no dividing layer. It is a figure which shows the surface roughness of the acoustic multilayer film when the thickness of a division layer is 1 nm. It is a figure which shows the surface roughness of the acoustic multilayer film when the thickness of a division layer is 2 nm.
  • FIG. 3 is a diagram showing specifications and filter characteristics of acoustic multilayer films of Examples and Comparative Examples. It is a figure showing film-forming conditions of an acoustic multilayer film.
  • a dividing layer is inserted into at least one of the high acoustic impedance layers constituting the acoustic multilayer film, and the high acoustic impedance layer is divided in the lamination direction.
  • the dividing layer is preferably amorphous.
  • the dividing layer may be formed of metal oxide, metal nitride, metal oxynitride, or the like. From the viewpoint of stress relaxation and maintaining crystallinity of the acoustic multilayer film, it is preferable that the number of dividing layers inserted into the high acoustic impedance layer is two or more.
  • FIG. 1 is a schematic diagram of a laminate 20 including an acoustic multilayer film 18 according to an embodiment.
  • the laminate 20 has a support substrate 11 and an acoustic multilayer film 18 provided on the support substrate 11.
  • the acoustic multilayer film 18 includes two or more pairs of a first layer 16 having a predetermined specific acoustic impedance and a second layer 17 having a lower specific acoustic impedance than the first layer, which are alternately laminated.
  • the first layer 16 has a higher specific acoustic impedance than the second layer 17, for convenience, the first layer will be referred to as the "high acoustic impedance layer 16" and the second layer will be referred to as the "low acoustic impedance layer 17". call.
  • a dividing layer 162 is inserted into at least one of the high acoustic impedance layers 16 to divide the high acoustic impedance layer 16 into a plurality of sublayers 161 in the stacking direction.
  • the main role of the dividing layer 162 is to maintain good surface smoothness of the sublayer 161 and improve the crystal orientation of active elements such as resonators provided in the upper layer. Since high acoustic impedance materials are generally hard and have poor shape conformability, they do not function as a dividing layer, so the specific acoustic impedance of the dividing layer 162 is equal to or smaller than the specific acoustic impedance of the high acoustic impedance layer 16. This is desirable.
  • the sublayer 161 and the dividing layer 162 that constitute the high acoustic impedance layer 16 may be successively formed by sputtering or the like. By inserting the dividing layer 162 into the high acoustic impedance layer 16, the crystal state of the underlying sublayer 161 can be reset, and the laminated high acoustic impedance layer 16 as a whole can maintain a good crystal state.
  • the sublayer 161 of the high acoustic impedance layer 16 is formed of a material with high density or bulk modulus, such as tungsten (W), molybdenum (Mo), tantalum oxide (Ta2O5), and zinc oxide (ZnO).
  • High acoustic impedance layer 16 may have good thermal conductivity.
  • the dividing layer 162 inserted into the high acoustic impedance layer 16 is formed of a material having a lower density or bulk modulus than the high acoustic impedance layer 16 . From the viewpoint of resetting or improving the crystalline state of the sublayer 161, the dividing layer 162 is preferably an amorphous layer.
  • amorphous SiO 2 , Al 2 O 3 , WO 3 , MoO 3 , Si, or the like can be used.
  • the thickness of the dividing layer 162 is determined by the frequency of the elastic wave to be reflected by the acoustic multilayer film 18, that is, the resonant frequency of an active element such as a piezoelectric element or a resonator provided on the top of the acoustic multilayer film 18.
  • the "top" of the acoustic multilayer film 18 is the surface of the acoustic multilayer film 18 opposite to the support substrate 11.
  • the thickness of the splitting layer 162 is 1/3000 or more and I/55 or less of the wavelength ⁇ of the elastic wave, preferably 1/3000 or more and I/66 or less. It is. The basis for this range will be explained in detail later with reference to FIG.
  • the surface roughness Ra of the acoustic multilayer film 18 is 3 nm or less.
  • the surface roughness Ra is a deviation per unit area from the median value of the surface unevenness of the acoustic multilayer film 18.
  • the surface roughness Ra exceeds 3 nm, the orientation of the piezoelectric layer provided on the acoustic multilayer film 18 tends to deteriorate. Due to the disordered orientation of the piezoelectric layer, unnecessary vibration modes in the lateral direction occur, causing noise generation.
  • the basis of this surface roughness Ra will be described later with reference to FIGS. 4A to 4D.
  • the low acoustic impedance layer 17 is made of a material having a lower density or bulk modulus than the high acoustic impedance layer 16, such as SiO 2 , Al 2 O 3 , alumina silicate glass, or the like.
  • the low acoustic impedance layer 17 may be an amorphous layer or a predominantly amorphous oxide film such as SiO 2 or Al 2 O 3 .
  • the support substrate 11 is any substrate that can support the acoustic multilayer film 18.
  • a substrate such as quartz or glass may be used, a semiconductor substrate such as silicon (Si), or an inorganic dielectric substrate such as MgO or sapphire may be used.
  • a plastic substrate may be used.
  • PET polyethylene terephthalate
  • PEN polyethylene naphthalate
  • PC polycarbonate
  • acrylic resin acrylic resin
  • PI polyimide
  • thin film glass etc. May be used.
  • FIG. 2 is a schematic diagram of a high-frequency filter device 10 using the acoustic multilayer film 18 of FIG. 1.
  • the high-frequency filter device 10 is provided on the surface of the acoustic multilayer film 18 opposite to the support substrate 11, including a first electrode layer 12, a second electrode layer 14, and between the first electrode layer 12 and the second electrode layer 14. It has a piezoelectric layer 13.
  • the first electrode layer 12, the second electrode layer 14, and the piezoelectric layer 13 form a resonator 15, which is an active element.
  • the first electrode layer 12 and the second electrode layer 14 are made of a conductive material.
  • a conductive material For example, Mo, W, Pr, Au, Ru, Ir, Al, Cu, etc. may be used as the conductive material.
  • a material for the piezoelectric layer 13 wurtzite crystal, perovskite crystal, etc. can be used. A predetermined amount of an impurity element may be added as a subcomponent using these crystalline materials as the main component.
  • As the wurtzite piezoelectric material zinc oxide (ZnO), aluminum nitride (AlN), gallium nitride (GaN), etc. can be used.
  • the resonance vibration energy is reflected by the acoustic multilayer film 18.
  • the speed at which vibration waves (elastic waves) propagate through the high acoustic impedance layer 16 and the speed at which they propagate through the low acoustic impedance layer 17 are different.
  • the thickness of the film so that the reflected waves strengthen each other due to interference at the interfaces between the layers constituting the acoustic multilayer film 18, the resonance vibration energy is directed to the incident direction of the elastic wave without being affected by the support substrate 11. It can be returned.
  • the resonance energy reflected by the acoustic multilayer film 18 and returned to the resonator 15 is confined between the first electrode layer 12 and the second electrode layer 14, and extracted as an electrical signal by the first electrode layer 12 and the second electrode layer 14. It will be done. Since at least one of the high acoustic impedance layers 16 is divided into a plurality of sublayers 161 by the dividing layer 162, the surface smoothness of the high acoustic impedance layer 16 is improved and the crystal orientation of the piezoelectric layer 13 is improved. The vibration mode in the film thickness direction is maintained, and a high frequency filter device 10 with less noise is realized.
  • FIG. 3 shows the relationship between the thickness of the dividing layer 162 and filter characteristics. If the dividing layer 162 is inserted into the high acoustic impedance layer 16 from the viewpoint of stress relaxation in the acoustic multilayer film 18, the filter characteristics may change, and it is necessary to appropriately determine the thickness of the dividing layer 162. It is desirable that the filter characteristics of the high-frequency filter device 10 not be attenuated, but the passband of commercially available high-frequency filters is defined as a region of about -3 dB or less due to the influence of wiring resistance, etc. Approximately 3 dB is considered to be an acceptable range. The filter characteristics are estimated by simulation while changing the thickness of the dividing layer 162.
  • a high acoustic impedance layer 16 of W with a thickness of 655 nm and a low acoustic impedance layer 17 of SiO 2 with a thickness of 725 nm are placed on a supporting substrate 11 of quartz as an acoustic multilayer film 18.
  • Four dividing layers 162 are inserted into each of the high acoustic impedance layers 16, and the thicknesses of the dividing layers 162 are changed to 0 nm, 1 nm, 2 nm, 40 nm, 45 nm, and 55 nm. When the thickness of the dividing layer 162 is "0 nm", the dividing layer 162 is not provided.
  • the thickness of the dividing layer 162 is 1 nm and 2 nm, the same filter characteristics as the configuration without the dividing layer 162 are maintained, and the surface smoothness of the upper sublayer 161 is improved, so that the piezoelectric layer provided thereon is The crystal orientation of the layer 13 can be improved.
  • the thickness of the dividing layer 162 is 40 nm or 45 nm, the attenuation amount is smaller than 3 dB and does not have much influence on the filter characteristics.
  • the thickness of the dividing layer 162 is 55 nm, the attenuation amount is 3 dB, which is within the allowable limit.
  • the wavelength of a bulk elastic wave propagating in a medium is defined as (propagation sound velocity in the medium V [m/s])/(resonance frequency F [Hz]).
  • V [m/s] propagation sound velocity in the medium
  • F [Hz] resonance frequency
  • the wavelength ⁇ of the bulk elastic wave propagating in the W medium is approximately 2600 nm, and the propagation wave propagates in the SiO2 medium.
  • the wavelength of the bulk elastic wave is approximately 2979 nm.
  • the thickness of the splitting layer 162 is 1/3000 or more and 1/50 or less of the wavelength ⁇ . It is desirable that there be.
  • the thickness range of the dividing layer 162 will be described in more detail with reference to FIGS. 4A to 4D based on actually produced samples.
  • FIGS. 4A to 4D show the relationship between the thickness of the dividing layer 162 and the surface roughness of the acoustic multilayer film 18.
  • the thickness of the dividing layer 162 is 0 nm, 1 nm, 2 nm, and 29 nm, respectively.
  • the surface condition of the acoustic multilayer film 18 at each thickness of the dividing layer 162 is shown.
  • the dividing layer 162 is inserted to improve the surface smoothness of the upper sublayer 161. Therefore, from the viewpoint of surface smoothness, the thickness range of the dividing layer 162 will be examined.
  • acoustic multilayer film 18 is formed.
  • Four dividing layers 162 are inserted into each of the high acoustic impedance layers 16, and the thicknesses of the dividing layers 162 are changed to 0 nm, 1 nm, 2 nm, and 29 nm.
  • the thickness of the dividing layer 162 of "0 nm" corresponds to the configuration in which the dividing layer 162 of FIG. 4A is not provided.
  • the surface of the acoustic multilayer film 18 of each sample produced is observed in the tapping mode of an atomic force microscope (AFM), and the surface roughness Ra (arithmetic mean roughness) is measured.
  • the measurement range is an area of 1.0 ⁇ m ⁇ 1.0 ⁇ m.
  • the thickness of the dividing layer 162 is 1 nm and 2 nm in FIGS. 4B and 4C, surface uniformity is observed from the AFM image, and the surface roughness Ra of the acoustic multilayer film 18 is as small as 2 nm or less.
  • the thickness of the dividing layer 162 is 29 nm in FIG. 4D, the surface roughness Ra slightly exceeds 2 nm, but the surface smoothness is maintained.
  • the surface roughness of the acoustic multilayer film 18 is 3 nm or less.
  • the relationship between the thickness of the dividing layer 162 and the surface roughness Ra of the acoustic multilayer film 18 will be described in more detail with reference to FIG. 5.
  • FIG. 5 shows the specifications and filter characteristics of the acoustic multilayer film 18 of the example and the comparative example.
  • the specifications of the acoustic multilayer film 18 include the center frequency of resonance (GHz), the wavelength (nm) of the elastic wave propagating in the sublayer 161 of the high acoustic impedance layer 16, the material of the sublayer 161, and the thickness of one high acoustic impedance layer 16.
  • Filter characteristics are indicated by attenuation (dB) and crystal orientation (°). Observe the degree of film peeling or cracking as a factor that affects filter characteristics.
  • the crystal orientation is indicated by the FWHM of the peak waveform when the surface of the piezoelectric layer 13 is measured by the XRC method.
  • the piezoelectric layer 13 containing ZnO as a main component is formed on the acoustic multilayer film 18 via a metal electrode layer.
  • the crystal orientation is expressed by the FWHM value of the peak waveform of a rocking curve obtained when the fluctuation of the plane orientation from the (002) plane of the ZnO crystal is measured by the XRC method.
  • ZnO contained in the piezoelectric layer 13 has a wurtzite crystal structure, and the FWHM value indicates the degree of orientation of the crystals constituting the piezoelectric material in the c-axis direction.
  • the FWHM of the peak waveform of the rocking curve obtained by the XRC method is an index of the c-axis orientation of the piezoelectric layer 13.
  • the low acoustic impedance layer 17 was fixed to amorphous SiO 2 with a thickness of 725 nm, and the specifications of the high acoustic impedance layer 16 were variously changed to form a total of 10 samples of Examples 1 to 9 and Comparative Example 1.
  • a low acoustic impedance layer 17 common to all samples is formed by RF magnetron sputtering. After producing each sample, the surface roughness Ra is measured by AFM. Additionally, each sample is connected to a network analyzer to measure the attenuation characteristics.
  • Example 1 a silicon substrate is used as the substrate, the sublayer 161 of the high acoustic impedance layer 16 is made of W, and the dividing layer 162 is made of amorphous SiO 2 .
  • the W layer is formed by RF magnetron sputtering, as shown in FIG. Under these film forming conditions, a polycrystalline W layer is formed.
  • the total thickness of the sublayer 161 is 650 nm.
  • the SiO 2 layer of the dividing layer 162 is formed by RF magnetron sputtering at an O 2 ratio of 15%. This condition makes the SiO 2 layer amorphous.
  • the thickness of the dividing layer 162 is 1 nm, and the total thickness of the high acoustic impedance layer 16 is 650 nm.
  • the center frequency of the applied high frequency is 2 GHz
  • the wavelength of the elastic wave propagating through the W sublayer 161 is approximately 2600 nm
  • the wavelength of the elastic wave propagating through the SiO 2 splitting layer 162 is 2979 nm.
  • the ratio of the thickness of the dividing layer 162 to the wavelength of the elastic wave is 1/2979.
  • the surface roughness Ra of the acoustic multilayer film 18 of the sample of Example 1 is 1.9 nm, and the attenuation amount of the filter is -1.0 dB.
  • the surface roughness of the acoustic multilayer film 18 is small, and the attenuation of the filter is also small.
  • the XRC FWHM of the piezoelectric layer 13 formed on the acoustic multilayer film 18 is 3.5°. It is presumed that even if the thickness of the dividing layer 162 is less than 1 nm, for example, a few molecular layers thick, surface roughness can be suppressed and high filter characteristics can be obtained. Furthermore, by inserting the dividing layer 162, stress in the high acoustic impedance layer 16 is relaxed, and peeling and cracking of the acoustic multilayer film 18 can be suppressed.
  • the item of film peeling/cracking in Fig. 5 is expressed as “ ⁇ ”. The " ⁇ " mark indicates that film peeling and cracking are suppressed.
  • Example 2 In Example 2, the same conditions as in Example 1 are used except for the thickness of the dividing layer 162. That is, the sublayer 161 of the high acoustic impedance layer 16 is formed of W with a total thickness of 650 nm, and the thickness of the dividing layer 162 of amorphous SiO 2 is 2 nm. The conditions for forming the W layer and the SiO 2 layer are the same as in Example 1. Since the center frequency of the applied high frequency is 2 GHz, the wavelength of the elastic wave propagating through the W sublayer 161 is approximately 2600 nm, and the wavelength of the elastic wave propagating through the SiO 2 splitting layer 162 is 2979 nm.
  • the ratio of the thickness of the splitting layer 162 to the wavelength of the elastic wave is 2/2979.
  • the surface roughness Ra of the acoustic multilayer film 18 of the sample of Example 2 is 1.9 nm, and the attenuation amount of the filter is -1.0 dB.
  • the surface roughness of the acoustic multilayer film 18 is small, and the attenuation of the filter is also small.
  • the XRC FWHM of the piezoelectric layer 13 formed on the acoustic multilayer film 18 is 3.5°.
  • the stress in the high acoustic impedance layer is alleviated, and peeling and cracking of the acoustic multilayer film can be suppressed, so the item of film peeling and cracking in FIG. 5 is evaluated as " ⁇ ". .
  • Example 3 In Example 3, the same conditions as in Examples 1 and 2 are used except for the thickness of the dividing layer 162. That is, the sublayer 161 of the high acoustic impedance layer 16 is formed of W with a total thickness of 650 nm, and the thickness of the amorphous SiO 2 dividing layer 162 is 45 nm. The conditions for forming the W layer and the SiO 2 layer are the same as in Examples 1 and 2. Since the center frequency of the applied high frequency is 2 GHz, the wavelength of the elastic wave propagating through the W sublayer 161 is approximately 2600 nm, and the wavelength of the elastic wave propagating through the SiO 2 splitting layer 162 is 2979 nm.
  • the ratio of the thickness of the splitting layer 162 to the wavelength of the elastic wave is 45/2979, or 5/331.
  • the surface roughness Ra of the acoustic multilayer film 18 of the sample of Example 3 is 2.0 nm, and the attenuation amount of the filter is -1.8 dB.
  • the surface roughness of the acoustic multilayer film 18 and the attenuation of the filter are well within acceptable limits.
  • the XRC FWHM of the piezoelectric layer 13 formed on the acoustic multilayer film 18 is 3.7°, which is within the permissible range.
  • the stress in the high acoustic impedance layer is alleviated, and peeling and cracking of the acoustic multilayer film can be suppressed, so the item of film peeling and cracking in FIG. 5 is evaluated as " ⁇ ". .
  • Example 4 In Example 4, the same conditions as in Example 3 are used except for the material of the dividing layer 162. That is, the sublayer 161 of the high acoustic impedance layer 16 is formed of W with a total thickness of 650 nm, and the dividing layer 162 is formed of amorphous Al 2 O 3 with a total thickness of 45 nm. As shown in FIG. 6, the Al 2 O 3 layer is formed by RF magnetron sputtering at an O 2 ratio of 30%. This condition makes the Al 2 O 3 layer amorphous.
  • the center frequency of the applied high frequency is 2 GHz
  • the wavelength of the elastic wave propagating through the W sublayer 161 is approximately 2600 nm
  • the wavelength of the elastic wave propagating through the Al 2 O 3 splitting layer 162 is 2979 nm.
  • the ratio of the thickness of the splitting layer 162 to the wavelength of the elastic wave is 45/2979, or 5/331.
  • the surface roughness Ra of the acoustic multilayer film 18 of the sample in Example 4 is 2.0 nm, which is the same as in Example 3, but the attenuation of the filter is -1.0 dB, and the filter characteristics are better than in Example 3. .
  • the XRC FWHM of the piezoelectric layer 13 formed on the acoustic multilayer film 18 is 3.7°, which is within the permissible range. Furthermore, by inserting the dividing layer 162, the stress in the high acoustic impedance layer is alleviated, and peeling and cracking of the acoustic multilayer film can be suppressed, so the item of film peeling and cracking in FIG. 5 is evaluated as " ⁇ ". .
  • Example 5 In Example 5, the same conditions as in Examples 3 and 4 are used except for the material of the dividing layer 162. That is, the sublayer 161 of the high acoustic impedance layer 16 is formed of W with a total thickness of 650 nm, and the dividing layer 162 is formed of amorphous WO 3 with a thickness of 45 nm.
  • the WO 3 layer is formed by RF magnetron sputtering with an O 2 ratio of 25%, as shown in FIG. This condition makes the WO 3 layer amorphous.
  • the center frequency of the applied high frequency is 2 GHz
  • the wavelength of the elastic wave propagating through the W sublayer 161 is approximately 2600 nm
  • the wavelength of the elastic wave propagating through the Al 2 O 3 splitting layer 162 is 2979 nm.
  • the ratio of the thickness of the splitting layer 162 to the wavelength of the elastic wave is 45/2979, or 5/331.
  • the surface roughness Ra of the acoustic multilayer film 18 of the sample of Example 5 is 2.0 nm, which is the same as that of Examples 3 and 4.
  • the attenuation amount of the filter is ⁇ 1.1 dB, and filter characteristics comparable to those of the fourth embodiment can be obtained.
  • the XRC FWHM of the piezoelectric layer 13 formed on the acoustic multilayer film 18 is 3.7°, which is within the permissible range. Furthermore, by inserting the dividing layer 162, the stress in the high acoustic impedance layer is alleviated, and peeling and cracking of the acoustic multilayer film can be suppressed, so the item of film peeling and cracking in FIG. 5 is evaluated as " ⁇ ". .
  • Example 6 the same conditions as in Example 3 are used except for the material of the sublayer 161 of the high acoustic impedance layer 16. That is, the sublayer 161 of the high acoustic impedance layer 16 is formed of Mo, and the dividing layer 162 is formed of amorphous SiO 2 with a thickness of 45 nm. The Mo layer of the sublayer 161 is formed by DC magnetron sputtering, as shown in FIG. A polycrystalline Mo layer is formed under these conditions. The total thickness of the sublayer 161 is 781 nm.
  • the center frequency of the applied high frequency is 2 GHz
  • the wavelength of the elastic wave propagating through the Mo sublayer 161 is approximately 3125 nm
  • the wavelength of the elastic wave propagating through the amorphous SiO 2 splitting layer 162 is 2979 nm.
  • the ratio of the thickness of the splitting layer 162 to the wavelength of the elastic wave is 45/2979, or 5/331.
  • the surface roughness Ra of the acoustic multilayer film 18 of the sample of Example 6 is 2.1 nm, which is close to that of Examples 3 to 5.
  • the attenuation of the filter is -1.7 dB, which is well within the allowable range.
  • the XRC FWHM of the piezoelectric layer 13 formed on the acoustic multilayer film 18 is 3.7°, which is within the permissible range. Furthermore, by inserting the dividing layer 162, the stress in the high acoustic impedance layer is alleviated, and peeling and cracking of the acoustic multilayer film can be suppressed, so the item of film peeling and cracking in FIG. 5 is evaluated as " ⁇ ". .
  • Example 7 the applied frequency is 3 GHz.
  • a silicon substrate is used as the substrate, the sublayer 161 of the high acoustic impedance layer 16 is formed of W, and the dividing layer 162 is formed of amorphous SiO 2 with a thickness of 30 nm.
  • the total film thickness of the W sublayer 161 is 433 nm.
  • the wavelength of the elastic wave propagating through the W sublayer 161 is approximately 1733 nm, and the wavelength of the elastic wave propagating through the amorphous SiO 2 splitting layer 162 is 1986 nm.
  • the ratio of the thickness of the splitting layer 162 to the wavelength of the elastic wave is 30/1986, or 5/331.
  • the surface roughness Ra of the acoustic multilayer film 18 of the sample of Example 7 was as small as 1.6 nm.
  • the XRC FWHM of the piezoelectric layer 13 formed on the acoustic multilayer film 18 is as small as 3.1°, and the crystal orientation of the piezoelectric layer 13 is good.
  • the attenuation of the filter is -2.0 dB, which is well within the allowable range.
  • the dividing layer 162 the stress in the high acoustic impedance layer is alleviated, and peeling and cracking of the acoustic multilayer film can be suppressed, so the item of film peeling and cracking in FIG. 5 is evaluated as " ⁇ ". .
  • Example 8 the applied frequency is 6 GHz.
  • the sublayer 161 of the high acoustic impedance layer 16 is formed of W
  • the dividing layer 162 is formed of amorphous SiO 2 with a thickness of 15 nm.
  • the total film thickness of the W sublayer 161 is 217 nm.
  • the wavelength of the elastic wave propagating through the W sublayer 161 is approximately 867 nm
  • the wavelength of the elastic wave propagating through the amorphous SiO 2 splitting layer 162 is 993 nm.
  • the ratio of the thickness of the splitting layer 162 to the wavelength of the elastic wave is 15/993, or 5/331.
  • the surface roughness Ra of the acoustic multilayer film 18 of the sample of Example 8 was as small as 1.2 nm.
  • the XRC FWHM of the piezoelectric layer 13 formed on the acoustic multilayer film 18 is as small as 2.9°, and the crystal orientation of the piezoelectric layer 13 is good.
  • the attenuation of the filter is -2.7 dB, which is within the allowable range.
  • Example 9 the same conditions as in Example 1 are used except for the thickness of the dividing layer 162. That is, the sublayer 161 of the high acoustic impedance layer 16 is formed of W with a total thickness of 650 nm, and the thickness of the amorphous SiO 2 dividing layer 162 is 55 nm. The thickness of this dividing layer 162 is under the same conditions as the characteristic f of the simulation in FIG.
  • the center frequency of the applied high frequency is 2 GHz as in the simulation of FIG. 3, the wavelength of the elastic wave propagating through the W sublayer 161 is approximately 2600 nm, and the wavelength of the elastic wave propagating through the SiO 2 splitting layer 162 is 2979 nm.
  • the ratio of the thickness of the splitting layer 162 to the wavelength of the elastic wave is 55/2979, or 1/55.
  • the surface roughness Ra of the sample of Example 9 is 2.0 nm, which is good, and the attenuation of the filter is -3.3 dB, which is within the allowable limit.
  • the XRC FWHM of the piezoelectric layer 13 formed on the acoustic multilayer film 18 is 3.7°, which is close to the allowable limit. It is estimated that if the thickness of the SiO 2 split layer is increased to more than 55 nm when the frequency is 2 GHz, the filter characteristics will deteriorate.
  • the stress in the high acoustic impedance layer is alleviated, and peeling and cracking of the acoustic multilayer film can be suppressed, so the item of film peeling and cracking in FIG. 5 is evaluated as " ⁇ ". .
  • Comparative Example 1 In Comparative Example 1, the dividing layer 162 is not provided in the high acoustic impedance layer 16. Other conditions are the same as in Example 1.
  • the high acoustic impedance layer 16 is made of W, and the low acoustic impedance layer 16 is made of SiO2.
  • the center frequency of the applied high frequency is 2 GHz, and the thickness of the high acoustic impedance layer is set to 650 nm.
  • the attenuation of the filter is ⁇ 1.0 dB, which is good, but the surface roughness of the acoustic multilayer film 18 is 3.6 nm.
  • the stress generated in the acoustic multilayer film 18 increases, and there is a high possibility that peeling or cracking will occur.
  • the XRC FWHM of the piezoelectric layer 13 of the active element 15 is 6.1°, which exceeds the allowable range, and the crystal orientation is poor, so good resonance characteristics cannot be expected.
  • the item of film peeling and cracking in FIG. 5 is evaluated as " ⁇ " or "x". The " ⁇ ” mark indicates that the film peeling and cracks are not sufficiently suppressed, and the "x” mark indicates that the film peeling and cracks are not suppressed.
  • At least one high acoustic impedance layer 16 contains 1/3000 or more, 1/55 or less, more preferably 1/3000 or more of the wavelength of the elastic wave corresponding to the frequency used, It can be seen that by inserting the dividing layer 162 with a thickness of 1/66 or less, the surface roughness of the acoustic multilayer film 18 can be reduced and the surface smoothness can be maintained. As shown in FIG.
  • the thickness of the dividing layer 162 inserted into the high acoustic impedance layer 16 is 1 nm or more and 55 nm or less
  • the thickness of the dividing layer 162 is the same as that of the low acoustic impedance layer 17 (SiO2 layer with a thickness of 725 nm). ) is 1/725 to 1/13 of the film thickness.
  • the filter characteristics can be maintained within an acceptable range.
  • the present invention has been described above based on specific embodiments, the present invention is not limited to the above-described configuration example.
  • the number of pairs of the high acoustic impedance layer 16 and the low acoustic impedance layer 17 that are repeatedly stacked is not limited to two, and a larger number of pairs may be stacked.
  • a dividing layer 162 is inserted into one or more of the high acoustic impedance layers 16 .
  • the high acoustic impedance layer may be formed of ZnO, Ta2O5, Ru, Ir, or a composite thereof in addition to W and Mo.
  • a dividing layer is inserted into at least one high acoustic impedance layer.
  • An active element 15 is provided on the side opposite to the support substrate 11 of the acoustic multilayer film having the above-described structure, and the active element 15 is provided on the first electrode layer 12 provided on the acoustic multilayer film 18 and on the first electrode layer 12.
  • an SMR (Solid Mounted Resonator) type bulk acoustic wave filter device may be configured. In this case as well, the stress in the acoustic multilayer film is relaxed and the reliability of device operation is improved.

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Abstract

応力が緩和された音響多層膜と、これを用いた高周波フィルタデバイスを提供する。音響多層膜は、支持基板の上に、第１の固有音響インピーダンスを有する第１の層と、前記第１の固有音響インピーダンスよりも低い固有音響インピーダンスを有する第２の層とが交互に２ペア以上積層されており、前記音響多層膜の少なくとも一つの前記第１の層は分割層によって積層方向に分割されている。

Description

音響多層膜、高周波フィルタデバイス、及びバルク弾性波フィルタデバイス
　本発明は、音響多層膜、高周波フィルタデバイス、及びバルク弾性波フィルタデバイスに関する。
　マイクロ波、ミリ波、テラヘルツ波といった高い周波数の電波を用いることで、高速で大容量の通信が可能になる。５Ｇ移動体通信規格では、「sub-6」と呼ばれる６ＧＨｚに近い周波数帯と２８ＧＨｚ帯とが使用され、将来的には、１００ＧＨｚ帯の使用も検討されている。そのため、数ＧＨｚを超える高周波に適した共振器やバンドパスフィルタが求められる。スマートフォン等の電子機器の共振子や、通信機器の高周波フィルタでは、バルク弾性波（Bulk Acoustic Wave：ＢＡＷ）を利用したＢＡＷ共振器、あるいはＢＡＷフィルタが用いられている。
　ＢＡＷフィルタは、上部電極と下部電極の間に挟まれた圧電層の圧電効果を利用して高周波をフィルタリングする。フィルタリングの際に、共振のエネルギーが基板側に漏洩すると、基板の界面で反射された波が共振特性に悪影響を及ぼす。この漏洩エネルギーを抑制するために、低音響インピーダンス層と高音響インピーダンス層を交互に積層した音響多層膜が音響ミラーとして用いられている。音響多層膜による応力の影響を低減するために、音響多層膜をダイシングにより面内方向で分割して複数の領域に分離する方法が知られている（たとえば、特許文献１参照）。また、基板の一方の面に音響多層膜を形成し、基板の反対側の面に圧縮応力膜を設けて、音響多層膜で発生する圧縮応力を相殺する構成が知られている（たとえば、特許文献２参照）。
特開２０２１－１９０７９４号公報 特開２００８－２２４０８号公報
　音響多層膜では、高音響インピーダンス層として金属薄膜が用いられている。２ＧＨｚ帯では、高音響インピーダンス層のトータルの厚さは１μｍ以上になり、金属の表面粗さや応力に起因して、基板からの剥離、クラックなどが発生する。特許文献１では、応力緩和のために、ダイシングにより音響多層膜を面内で複数の領域に分離している。ダイシングされた膜の残留や、発生した膜片の再付着により、圧電（または共振）素子を形成した際に、電極のショートや異物による特性劣化が懸念される。
　本発明は、一つの側面で、応力が緩和された音響多層膜と、これを用いた高周波フィルタデバイス、及びバルク弾性波フィルタデバイスを提供することを目的とする。
　実施形態において、音響多層膜は、支持基板の上に、第１の固有音響インピーダンスを有する第１の層と、前記第１の固有音響インピーダンスよりも低い固有音響インピーダンスを有する第２の層とが交互に２ペア以上積層されており、
　前記音響多層膜の少なくとも一つの前記第１の層は、分割層により積層方向に分割されている。
　好ましい構成例では、前記第１の層に含まれる分割層は、前記第１の固有音響インピーダンスよりも低い音響インピーダンスを有する。
　応力が緩和された音響多層膜と、これを用いた高周波フィルタデバイスが実現される。
実施形態の音響多層膜を含む積層体の模式図である。 図１の音響多層膜を用いた高周波フィルタデバイスの模式図である。 分割層の膜厚とフィルタ特性の関係を示す図である。 分割層がないときの音響多層膜の表面粗さを示す図である。 分割層の厚さが１ｎｍのときの音響多層膜の表面粗さを示す図である。 分割層の厚さが２ｎｍのときの音響多層膜の表面粗さを示す図である。 分割層の厚さが２９ｎｍのときの音響多層膜の表面粗さを示す図である。 実施例と比較例の音響多層膜の緒元とフィルタ特性を示す図である。 音響多層膜の成膜条件を示す図である。
　実施形態では、音響多層膜に生じる応力を緩和するために、音響多層膜を構成する高音響インピーダンス層の少なくともひとつの層に分割層を挿入して、その高音響インピーダンス層を積層方向に分断する。分割層は、好ましくは非晶質である。分割層は、金属酸化物、金属窒化物、金属酸窒化物等で形成されてもよい。音響多層膜の応力緩和と結晶性の維持の観点から、高音響インピーダンス層に挿入される分割層の数は２層以上であることが好ましい。高音響インピーダンス層に分割層を挿入することで、下地の結晶状態の影響をリセットし、応力を緩和する。この構成は加工工程を要しないため、ダメージフリーで、応力が緩和された音響多層膜を作製することができる。これにより、音響多層膜を適用したデバイスの共振特性を良好に維持することができる。
　図１は、実施形態の音響多層膜１８を含む積層体２０の模式図である。積層体２０は支持基板１１と、この支持基板１１の上に設けられた音響多層膜１８を有する。音響多層膜１８は、所定の固有音響インピーダンスを有する第１の層１６と、第１の層よりも固有音響インピーダンスの低い第２の層１７が交互に２ペア以上積層されている。第１の層１６は第２の層１７よりも固有音響インピーダンスが高いので、便宜上、第１の層を「高音響インピーダンス層１６」と呼び、第２の層を「低音響インピーダンス層１７」と呼ぶ。実施形態では、高音響インピーダンス層１６の少なくともひとつに分割層１６２を挿入して、その高音響インピーダンス層１６を積層方向の複数のサブレイヤ１６１に分断する。
　分割層１６２の主要な役割は、サブレイヤ１６１の表面平滑性を良好に維持して、上層に設けられる共振子等の能動素子の結晶配向を良好にするものである。高音響インピーダンス材料は一般的に固く、形状追従性が低いため、分割層として機能しないため、分割層１６２の固有音響インピーダンスは、高音響インピーダンス層１６の固有音響インピーダンスと同程度またはそれよりも小さいことが望ましい。
　高音響インピーダンス層１６を構成するサブレイヤ１６１と分割層１６２は、スパッタリング等で連続して形成され得る。高音響インピーダンス層１６に分割層１６２を挿入することで、下地のサブレイヤ１６１の結晶状態をリセットし、積層された高音響インピーダンス層１６の全体として、良好な結晶状態を維持することができる。
　高音響インピーダンス層１６のサブレイヤ１６１は、タングステン（Ｗ）、モリブデン（Ｍｏ）、酸化タンタル（Ｔａ２Ｏ５）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）など、密度または体積弾性率が高い材料で形成される。高音響インピーダンス層１６は、良好な熱伝導性を有していてもよい。高音響インピーダンス層１６に挿入される分割層１６２は、高音響インピーダンス層１６よりも密度または体積弾性率が低い材料で形成される。サブレイヤ１６１の結晶状態をリセットまたは改善する観点から、分割層１６２は非晶質の層であることが望ましい。分割層１６２として、非晶質のＳｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３、ＷＯ３、ＭоО３、Ｓｉ等を用いることができる。
　分割層１６２の厚さは、音響多層膜１８で反射すべき弾性波の周波数、すなわち、音響多層膜１８の上部に設けられる圧電素子、共振子などの能動素子の共振周波数によって決まる。音響多層膜１８の「上部」とは、音響多層膜１８の支持基板１１と反対側の面である。分割層１６を伝搬する弾性波の波長をλとすると、分割層１６２の厚さは弾性波の波長λの１／３０００以上、Ｉ／５５以下、好ましくは、１／３０００以上、Ｉ／６６以下である。この範囲の根拠の詳細は、図５を参照して後述する。
　共振子等の能動素子の結晶性を良好に維持する観点から、音響多層膜１８の表面粗さＲａは３ｎｍ以下であることが望ましい。ここで、表面粗さＲａは、音響多層膜１８の表面凹凸の中央値からの単位面積あたりのズレである。表面粗さＲａが３ｎｍを超えると、音響多層膜１８の上に設けられる圧電層の配向性が低下する傾向がある。圧電層の配向性の乱れにより、横方向の不要な振動モードが発生し、ノイズ発生の原因となる。この表面粗さＲａの根拠については、図４Ａから図４Ｄを参照して後述する。
　低音響インピーダンス層１７は、高音響インピーダンス層１６よりも密度または体積弾性率が低い材料、たとえば、ＳｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３、アルミナシリケートガラス等で形成されている。低音響インピーダンス層１７は非晶質層、または非晶質が支配的なＳｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３等の酸化膜であってもよい。
　支持基板１１は、音響多層膜１８を支持することのできる任意の基板である。石英、ガラス等の基板でもよいし、シリコン（Ｓｉ）等の半導体基板、ＭｇＯ、サファイア等の無機誘電体基板を用いてもよい。あるいは、プラスチック基板を用いてもよい。支持基板１１として可撓性のプラスチック基板を用いる場合、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリエチレンナフタレート（ＰＥＮ）、ポリカーボネート（ＰＣ）、アクリル系樹脂、シクロオレフィン系ポリマー、ポリイミド（ＰＩ）、薄膜ガラス等を用いてもよい。
　図２は、図１の音響多層膜１８を用いた高周波フィルタデバイス１０の模式図である。高周波フィルタデバイス１０は、音響多層膜１８の支持基板１１と反対側の面に、第１電極層１２、第２電極層１４、及び第１電極層１２と第２電極層１４の間に設けられた圧電層１３とを有する。第１電極層１２と、第２電極層１４と、圧電層１３とで、能動素子である共振子１５が形成される。
　第１電極層１２と第２電極層１４は導電性材料で形成されている。例えば、導電性材料にはＭｏ,Ｗ，Ｐｒ，Ａｕ，Ｒｕ，Ｉｒ，Ａｌ，Ｃｕなどを用いても良い。圧電層１３の材料として、ウルツ鉱型の結晶、ペロブスカイト型の結晶などを用いることができる。これらの結晶材料を主成分として、所定量の不純物元素が副成分として添加されていてもよい。ウルツ鉱型の圧電材料としては酸化亜鉛（ＺｎＯ）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、窒化ガリウム（ＧａＮ）等を用いることができる。
　共振子１５から音響多層膜１８に共振振動が伝えられると、共振の振動エネルギーは音響多層膜１８で反射される。振動の波（弾性波）が高音響インピーダンス層１６を伝搬する速度と、低音響インピーダンス層１７を伝搬する速度は異なる。音響多層膜１８を構成する各層の界面で、干渉により反射波は強め合うように膜厚を設計することで、共振の振動エネルギーを、支持基板１１の影響を受けずに弾性波の入射方向に戻すことができる。
　音響多層膜１８によって反射され、共振子１５に戻った共振エネルギーは第１電極層１２と第２電極層１４の間に閉じ込められ、第１電極層１２と第２電極層１４により電気信号として取り出される。高音響インピーダンス層１６の少なくともひとつは、分割層１６２により複数のサブレイヤ１６１に分割されているので、高音響インピーダンス層１６の表面平滑性が向上し、圧電層１３の結晶配向が良好となるため、膜厚方向の振動モードが維持され、ノイズの少ない高周波フィルタデバイス１０が実現される。
　図３は、分割層１６２の膜厚とフィルタ特性の関係を示す。音響多層膜１８での応力緩和の観点から高音響インピーダンス層１６に分割層１６２を挿入すると、フィルタ特性が変化する可能性があり、分割層１６２の厚さを適切に決める必要がある。高周波フィルタデバイス１０のフィルタ特性が減衰しないことが望ましいが、一般的に製品化されている高周波フィルタは、配線抵抗等の影響により－３ｄＢ程度以下の領域を通過帯域と規定しているため、－３ｄＢ近傍までを許容範囲とみなす。分割層１６２の厚さを変えて、フィルタ特性をシミュレーションにより見積もる。
　シミュレーションの条件として、２ＧＨｚを前提として、石英の支持基板１１の上に、音響多層膜１８として、厚さ６５５ｎｍのＷの高音響インピーダンス層１６と、厚さ７２５ｎｍのＳｉＯ２の低音響インピーダンス層１７を２ペア積層する。高音響インピーダンス層１６のそれぞれに、分割層１６２を四層挿入し、分割層１６２の厚さを、０ｎｍ、１ｎｍ、２ｎｍ、４０ｎｍ、４５ｎｍ、５５ｎｍと変える。分割層１６２の厚さが「０ｎｍ」は、分割層１６２を設けない構成である。
　分割層１６２の厚さが１ｎｍと２ｎｍのときは、分割層１６２を設けない構成と同じフィルタ特性が維持され、かつ、上層のサブレイヤ１６１の表面平滑性が向上するため、その上に設けられる圧電層１３の結晶配向性を改善できる。分割層１６２の厚さが４０ｎｍと、４５ｎｍのときは、減衰量は３ｄＢよりも小さく、フィルタ特性にそれほど影響はない。分割層１６２の厚さを５５ｎｍにすると、減衰量が３ｄＢになり、許容限界である。
　媒質中を伝播するバルク弾性波の波長は、（媒質中の伝播音速Ｖ［ｍ／ｓ］）／（共振周波数Ｆ［Ｈｚ］）で定義される。高音響インピーダンス層にＷ、低音響インピーダンス層にＳｉＯ２を用いた場合、共振周波数が２ＧＨｚのとき、Ｗの媒質中を伝搬するバルク弾性波の波長λは約２６００ｎｍとなり、ＳｉＯ２の媒質中を伝番するバルク弾性波の波長は約２９７９ｎｍとなる。分割層１６２を伝搬する弾性波の波長λを、分割層１６２媒質中の伝播音速と、共振周波数で定義すると、分割層１６２の厚さは、波長λの１／３０００以上、１／５０以下であることが望ましい。分割層１６２の厚さ範囲については、実際に作製したサンプルに基づいて、図４Ａから図４Ｄを参照してさらに詳しく説明する。
　図４Ａから図４Ｄは、分割層１６２の膜厚と音響多層膜１８の表面粗さの関係を示す。図４Ａ、図４Ｂ、図４Ｃ、及び図４で、分割層１６２の厚さはそれぞれ、０ｎｍ、１ｎｍ、２ｎｍ、２９ｎｍである。分割層１６２のそれぞれの厚さでの音響多層膜１８の表面状態を示す。上述したように、分割層１６２は、上層のサブレイヤ１６１の表面平滑性を向上させるために挿入される。そこで、表面平滑性の観点から、分割層１６２の厚さ範囲を検討する。
　サンプルとして、図３のシミュレーションの条件と同じく、石英の支持基板１１の上に厚さ６５５ｎｍのＷの高音響インピーダンス層１６と、厚さ７２５ｎｍのＳｉＯ２の低音響インピーダンス層１７を２ペア積層して音響多層膜１８を形成する。高音響インピーダンス層１６のそれぞれに、分割層１６２を四層挿入し、分割層１６２の厚さを、０ｎｍ、１ｎｍ、２ｎｍ、２９ｎｍと変える。分割層１６２の厚さが「０ｎｍ」は、図４Ａの分割層１６２を設けない構成に対応する。
　作製した各サンプルの音響多層膜１８の表面を、原子間力顕微鏡（ＡＦＭ：Atomic Force Microscope）のタッピングモードで観察し、表面粗さＲａ（算術平均粗さ）を測定する。測定範囲は１．０μｍ×１．０μｍの領域である。図４Ｂ及び図４Ｃで分割層１６２の厚さが１ｎｍと２ｎｍのときは、ＡＦＭ画像から表面の均一性が観察され、音響多層膜１８の表面粗さＲａは２ｎｍ以下と小さい。図４Ｄで分割層１６２の厚さが２９ｎｍのときは、表面粗さＲａは２ｎｍをわずかに超えるが、表面の平滑性が維持されている。
　これに対し、図４Ａのように分割層１６２を設けないサンプルでは、ＡＦＭ画像からの表面の粗さが観察され、測定したＲａは３．５８ｎｍと大きい。音響多層膜１８の表面粗さが３．０ｎｍを超えると、圧電層１３の配向性が悪化する傾向にある。音響多層膜１８の表面粗さが３．５ｎｍを超えると、Ｘ線ロッキングカーブ（ＸＲＤ：X-ray Rocking Curve）測定によるＺｎＯ（００２）の半値全幅（ＦＷＨＭ：Full Width at Half Maximum）は３°以上増大する。圧電層１３の配向性の乱れにより、横方向の不要な振動モードが発生して、ノイズの原因となる。ここから、音響多層膜１８の表面粗さは３ｎｍ以下であることが望ましい。分割層１６２の膜厚と音響多層膜１８の表面粗さＲａの関係については、図５を参照してさらに詳細に説明する。
　図５は、実施例と比較例の音響多層膜１８の緒元と、フィルタ特性を示す。音響多層膜１８の諸元は、共振の中心周波数（ＧＨｚ）、高音響インピーダンス層１６のサブレイヤ１６１中を伝搬する弾性波の波長（ｎｍ）とサブレイヤ１６１の材料、ひとつの高音響インピーダンス層１６の総膜厚、分割層１６２の膜厚、分割層１６２を伝搬する弾性波の波長（ｎｍ）、分割層１６２を伝搬する弾性波の波長に対する分割層の厚さの比率（図中では便宜上、「波長の比率」と記載）、音響多層膜１８の表面粗さＲａを含む。フィルタ特性は、減衰量（ｄＢ）と結晶配向性（°）で示される。フィルタ特性に影響を及ぼす要因として、膜剥がれまたはクラックの程度を観察する。
　結晶配向性は、圧電層１３の表面をＸＲＣ法で測定したときのピーク波形のＦＷＨＭで示される。具体的には、音響多層膜１８の上に、金属電極層を介して、ＺｎＯを主成分とする圧電層１３を形成する。ＺｎＯの結晶の（００２）面からの面方位の揺らぎをＸＲＣ法により測定したときに得られるロッキングカーブのピーク波形のＦＷＨＭの値で、結晶配向性を表す。圧電層１３に含まれるＺｎＯはウルツ鉱型の結晶構造を有し、ＦＷＨＭ値は圧電材料を構成する結晶のｃ軸方向の配向の度合いを示す。したがって、ＸＲＣ法で得られるロッキングカーブのピーク波形のＦＷＨＭは、圧電層１３のｃ軸配向性の指標となる。ＸＲＣピーク波形のＦＷＨＭが小さいほど、圧電層１３のｃ軸方向の結晶配向性が良いと評価される。
　低音響インピーダンス層１７を厚さ７２５ｎｍの非晶質のＳｉＯ２に固定し、高音響インピーダンス層１６の諸元を種々に変更して、実施例１～９のサンプルと、比較例１の合計１０個のサンプルを作製する。全サンプルに共通の低音響インピーダンス層１７は、ＲＦマグネトロンスパッタリングにより成膜する。各サンプルの作製後に、ＡＦＭにより表面粗さＲａを測定する。また、各サンプルをネットワークアナライザに接続して減衰特性を測定する。
　＜実施例１＞
　実施例１では、基板としてシリコン基板を用い、高音響インピーダンス層１６のサブレイヤ１６１をＷで形成し、分割層１６２を非晶質のＳｉＯ２で形成する。Ｗ層は、図６に示すように、ＲＦマグネトロンスパッタリングにより形成する。この成膜条件で、多結晶のＷ層が形成される。サブレイヤ１６１のトータルの膜厚は６５０ｎｍである。分割層１６２のＳｉＯ２層は、ＲＦマグネトロンスパッタリングにより、Ｏ２比１５％で形成する。この条件によりＳｉＯ２層は非晶質になる。分割層１６２の厚さは１ｎｍ、高音響インピーダンス層１６の総膜厚は、６５０ｎｍである。印加される高周波の中心周波数が２ＧＨｚの場合、Ｗのサブレイヤ１６１を伝搬する弾性波の波長は約２６００ｎｍ、ＳｉＯ２の分割層１６２を伝搬する弾性波の波長は２９７９ｎｍである。このときの弾性波の波長に対する分割層１６２の厚さの比率は、１／２９７９である。実施例１のサンプルの音響多層膜１８の表面粗さＲａは１．９ｎｍ、フィルタの減衰量は－１．０ｄＢである。音響多層膜１８の表面粗さが小さく、フィルタの減衰も少ない。音響多層膜１８の上に形成された圧電層１３のＸＲＣ　ＦＷＨＭは３．５°である。分割層１６２の厚さを１ｎｍ未満、たとえば、数分子層の厚さにしても、表面粗さを抑制して、高いフィルタ特性が得られると推測される。さらに、分割層１６２を挿入することで高音響インピーダンス層１６の応力が緩和され、音響多層膜１８の膜剥がれやクラックが抑制できる。図５の膜剥がれ・クラックの項目を「〇」と表現する。「〇」印は、膜剥がれ、及びクラックが抑制されていることを示す。
　＜実施例２＞
　実施例２では、分割層１６２の厚さを除いて、実施例１と同じ条件にする。すなわち、高音響インピーダンス層１６のサブレイヤ１６１を、トータルの膜厚が６５０ｎｍのＷで形成し、非晶質ＳｉＯ２の分割層１６２の厚さを２ｎｍにする。Ｗ層とＳｉＯ２層の成膜条件は実施例１と同じである。印加される高周波の中心周波数は２ＧＨｚなので、Ｗのサブレイヤ１６１を伝搬する弾性波の波長は約２６００ｎｍ、ＳｉＯ２の分割層１６２を伝搬する弾性波の波長は２９７９ｎｍである。弾性波の波長に対する分割層１６２の厚さの比率は、２／２９７９である。実施例２のサンプルの音響多層膜１８の表面粗さＲａは１．９ｎｍ、フィルタの減衰量は、－１．０ｄＢである。音響多層膜１８の表面粗さが小さく、フィルタの減衰も少ない。音響多層膜１８の上に形成された圧電層１３のＸＲＣ　ＦＷＨＭは３．５°である。さらに、分割層１６２を挿入することで高音響インピーダンス層の応力が緩和され、音響多層膜の膜剥がれやクラックが抑制できるため、図５中の膜剥がれ・クラックの項目を「〇」と評価する。
　＜実施例３＞
　実施例３では、分割層１６２の厚さを除いて、実施例１、２と同じ条件にする。すなわち、高音響インピーダンス層１６のサブレイヤ１６１を、トータルの膜厚が６５０ｎｍのＷで形成し、非晶質ＳｉＯ２の分割層１６２の厚さを４５ｎｍにする。Ｗ層とＳｉＯ２層の成膜条件は、実施例１、２と同じである。印加される高周波の中心周波数は２ＧＨｚなので、Ｗのサブレイヤ１６１を伝搬する弾性波の波長は約２６００ｎｍ、ＳｉＯ２の分割層１６２を伝搬する弾性波の波長は２９７９ｎｍである。弾性波の波長に対する分割層１６２の厚さの比率は、４５／２９７９、すなわち５／３３１である。実施例３のサンプルの音響多層膜１８の表面粗さＲａは２．０ｎｍ、フィルタの減衰量は－１．８ｄＢである。音響多層膜１８の表面粗さと、フィルタの減衰は十分に許容範囲内である。音響多層膜１８の上に形成された圧電層１３のＸＲＣ　ＦＷＨＭは３．７°であり、許容範囲内である。さらに、分割層１６２を挿入することで高音響インピーダンス層の応力が緩和され、音響多層膜の膜剥がれやクラックが抑制できるため、図５中の膜剥がれ・クラックの項目を「〇」と評価する。
　＜実施例４＞
　実施例４では、分割層１６２の材料を除いて、実施例３と同じ条件にする。すなわち、高音響インピーダンス層１６のサブレイヤ１６１を、トータルの膜厚が６５０ｎｍのＷで形成し、分割層１６２を、厚さ４５ｎｍの非晶質Ａｌ２Ｏ３で形成する。Ａｌ２Ｏ３層は、図６に示すように、ＲＦマグネトロンスパッタリングにより、Ｏ２比３０％で形成する。この条件により、Ａｌ２Ｏ３層は非晶質になる。印加される高周波の中心周波数は２ＧＨｚ、Ｗのサブレイヤ１６１を伝搬する弾性波の波長は約２６００ｎｍ、Ａｌ２Ｏ３の分割層１６２を伝搬する弾性波の波長は２９７９ｎｍである。弾性波の波長に対する分割層１６２の厚さの比率は、４５／２９７９、すなわち５／３３１である。実施例４のサンプルの音響多層膜１８の表面粗さＲａは２．０ｎｍと実施例３と同じであるが、フィルタの減衰量は－１．０ｄＢであり、実施例３よりもフィルタ特性が良い。音響多層膜１８の上に形成された圧電層１３のＸＲＣ　ＦＷＨＭは３．７°であり、許容範囲内である。さらに、分割層１６２を挿入することで高音響インピーダンス層の応力が緩和され、音響多層膜の膜剥がれやクラックが抑制できるため、図５中の膜剥がれ・クラックの項目を「〇」と評価する。
　＜実施例５＞
　実施例５では、分割層１６２の材料を除いて、実施例３、４と同じ条件にする。すなわち、高音響インピーダンス層１６のサブレイヤ１６１を、トータルの膜厚が６５０ｎｍのＷで形成し、分割層１６２を、厚さ４５ｎｍの非晶質ＷＯ３で形成する。ＷＯ３層は、図６に示すように、ＲＦマグネトロンスパッタリングにより、Ｏ２比が２５％で形成する。この条件によりＷＯ３層は非晶質になる。印加される高周波の中心周波数は２ＧＨｚ、Ｗのサブレイヤ１６１を伝搬する弾性波の波長は約２６００ｎｍ、Ａｌ２Ｏ３の分割層１６２を伝搬する弾性波の波長は２９７９ｎｍである。弾性波の波長に対する分割層１６２の厚さの比率は、４５／２９７９、すなわち５／３３１である。実施例５のサンプルの音響多層膜１８の表面粗さＲａは２．０ｎｍと実施例３、４と同じである。フィルタの減衰量は－１．１ｄＢであり、実施例４と同程度のフィルタ特性が得られる。音響多層膜１８の上に形成された圧電層１３のＸＲＣ　ＦＷＨＭは３．７°であり、許容範囲内である。さらに、分割層１６２を挿入することで高音響インピーダンス層の応力が緩和され、音響多層膜の膜剥がれやクラックが抑制できるため、図５中の膜剥がれ・クラックの項目を「〇」と評価する。
　＜実施例６＞
　実施例６では、高音響インピーダンス層１６のサブレイヤ１６１の材料を除いて、実施例３と同じ条件にする。すなわち、高音響インピーダンス層１６のサブレイヤ１６１をＭоで形成し、分割層１６２を、厚さ４５ｎｍの非晶質ＳｉＯ２で形成する。サブレイヤ１６１のＭｏ層は、図６に示すように、のＤＣマグネトロンスパッタリングにより、形成する。この条件により多結晶のＭｏ層が形成される。サブレイヤ１６１のトータルの膜厚は７８１ｎｍである。印加される高周波の中心周波数は２ＧＨｚであり、Ｍｏのサブレイヤ１６１を伝搬する弾性波の波長は約３１２５ｎｍ、非晶質ＳｉＯ２の分割層１６２を伝搬する弾性波の波長は２９７９ｎｍである。弾性波の波長に対する分割層１６２の厚さの比率は、４５／２９７９、すなわち５／３３１である。実施例６のサンプルの音響多層膜１８の表面粗さＲａは２．１ｎｍと実施例３～５に近い。フィルタの減衰量は－１．７ｄＢであり、十分に許容範囲内である。音響多層膜１８の上に形成された圧電層１３のＸＲＣ　ＦＷＨＭは３．７°であり、許容範囲内である。さらに、分割層１６２を挿入することで高音響インピーダンス層の応力が緩和され、音響多層膜の膜剥がれやクラックが抑制できるため、図５中の膜剥がれ・クラックの項目を「〇」と評価する。
　＜実施例７＞
　実施例７では、印加する周波数を３ＧＨｚにする。基板としてシリコン基板を用い、高音響インピーダンス層１６のサブレイヤ１６１をＷで形成し、分割層１６２を厚さ３０ｎｍの非晶質ＳｉＯ２で形成する。Ｗのサブレイヤ１６１のトータルの膜厚は４３３ｎｍである。３ＧＨｚの場合、Ｗのサブレイヤ１６１を伝搬する弾性波の波長は約１７３３ｎｍ、非晶質ＳｉＯ２の分割層１６２を伝搬する弾性波の波長は１９８６ｎｍである。弾性波の波長に対する分割層１６２の厚さの比率は、３０／１９８６、すなわち５／３３１である。実施例７のサンプルの音響多層膜１８の表面粗さＲａは１．６ｎｍと小さい。音響多層膜１８の上に形成された圧電層１３のＸＲＣ　ＦＷＨＭは３．１°と小さく、圧電層１３の結晶配向性が良い。フィルタの減衰量は－２．０ｄＢであり、十分に許容範囲内である。さらに、分割層１６２を挿入することで高音響インピーダンス層の応力が緩和され、音響多層膜の膜剥がれやクラックが抑制できるため、図５中の膜剥がれ・クラックの項目を「〇」と評価する。
　＜実施例８＞
　実施例８では、印加する周波数を６ＧＨｚにする。基板としてシリコン基板を用い、高音響インピーダンス層１６のサブレイヤ１６１をＷで形成し、分割層１６２を厚さ１５ｎｍの非晶質ＳｉＯ２で形成する。Ｗのサブレイヤ１６１のトータルの膜厚は２１７ｎｍである。６ＧＨｚの場合、Ｗのサブレイヤ１６１を伝搬する弾性波の波長は約８６７ｎｍ、非晶質ＳｉＯ２の分割層１６２を伝搬する弾性波の波長は９９３ｎｍである。弾性波の波長に対する分割層１６２の厚さの比率は、１５／９９３、すなわち５／３３１である。実施例８のサンプルの音響多層膜１８の表面粗さＲａは１．２ｎｍと小さい。音響多層膜１８の上に形成された圧電層１３のＸＲＣ　ＦＷＨＭは２．９°と小さく、圧電層１３の結晶配向性が良い。フィルタの減衰量は－２．７ｄＢであり、許容範囲内である。さらに、分割層１６２を挿入することで高音響インピーダンス層の応力が緩和され、音響多層膜の膜剥がれやクラックが抑制できるため、図５中の膜剥がれ・クラックの項目を「〇」と評価する。
　＜実施例９＞
　実施例９では、分割層１６２の厚さを除いて、実施例１と同じ条件にする。すなわち、高音響インピーダンス層１６のサブレイヤ１６１を、トータルの膜厚が６５０ｎｍのＷで形成し、非晶質ＳｉＯ２の分割層１６２の厚さを５５ｎｍにする。この分割層１６２の厚さは、図３のシミュレーションの特性ｆと同じ条件である。印加される高周波の中心周波数は、図３のシミュレーションと同じく２ＧＨｚ、Ｗのサブレイヤ１６１を伝搬する弾性波の波長は約２６００ｎｍ、ＳｉＯ２の分割層１６２を伝搬する弾性波の波長は２９７９ｎｍである。弾性波の波長に対する分割層１６２の厚さの比率は、５５／２９７９、すなわち１／５５である。実施例９のサンプルの表面粗さＲａは２．０ｎｍと良好、フィルタの減衰量は、－３．３ｄＢであり許容限界である。音響多層膜１８の上に形成された圧電層１３のＸＲＣ　ＦＷＨＭは３．７°であり、許容限界に近い。周波数が２ＧＨｚのときにＳｉＯ２分割層の厚さを５５ｎｍよりも増やすと、フィルタ特性が劣化すると推測される。さらに、分割層１６２を挿入することで高音響インピーダンス層の応力が緩和され、音響多層膜の膜剥がれやクラックが抑制できるため、図５中の膜剥がれ・クラックの項目を「〇」と評価する。
　＜比較例１＞
　比較例１では、高音響インピーダンス層１６に分割層１６２を設けない。それ以外の条件は実施例１と同じである。高音響インピーダンス層１６をＷで形成し、低音響インピーダンス層をＳｉＯ２で形成する。印加される高周波の中心周波数は２ＧＨｚであり、高音響インピーダンス層の厚さを６５０ｎｍに設定する。分割層１６２を設けない場合、フィルタの減衰量は－１．０ｄＢと良好であるが、音響多層膜１８の表面粗さは３．６ｎｍである。この場合、音響多層膜１８に生じる応力が大きくなり、剥がれやクラックが生じる可能性が高い。また、能動素子１５の圧電層１３のＸＲＣ　ＦＷＨＭは６．１°と許容範囲を超え、結晶配向が悪く、良好な共振特性が期待できない。さらに、高音響インピーダンス層の膜応力が非常に大きく、音響多層膜の膜剥がれやクラックが抑制できないため、図５中の膜剥がれ・クラックの項目を「△」若しくは「×」と評価する。「△」のマークは、膜剥がれやクラックの抑制が不十分であることを示し、「×」のマークは、膜剥がれやクラックが抑制されていないことを示す。
　実施例１～９、及び比較例１から、少なくとも一つの高音響インピーダンス層１６に、使用周波数に対応する弾性波の波長の１／３０００以上、１／５５以下、より好ましくは１／３０００以上、１／６６以下の厚さの分割層１６２を挿入することで、音響多層膜１８の表面粗さを小さくし、表面平滑性を維持できることがわかる。図５に示すように、高音響インピーダンス層１６に挿入される分割層１６２の厚さが１ｎｍ以上、５５ｎｍ以下の場合、分割層１６２の厚さは低音響インピーダンス層１７（厚さ７２５ｎｍのＳｉＯ２層）の膜厚の１／７２５から１／１３となる。この分割層１６２の膜厚範囲で、フィルタ特性を許容範囲内に維持できる。
　以上、特定の実施例に基づいて本発明を説明してきたが、本発明は上述した構成例に限定されない。たとえば、繰り返し積層される高音響インピーダンス層１６と低音響インピーダンス層１７のペア数は２つに限定されず、より多くのペア数で積層してもよい。この場合、一層以上の高音響インピーダンス層１６に分割層１６２を挿入する。高音響インピーダンス層を、Ｗ、Ｍｏの他に、ＺｎＯ、Ｔａ２Ｏ５、Ｒｕ、Ｉｒ、またはこれらの複合体で形成してもよい。この場合も、少なくとも一層の高音響インピーダンス層に分割層を挿入する。音響多層膜の上に共振子、圧電子などの能動素子を接続する際に、能動素子で発生した共振エネルギーを効率的に反射しつつ、応力による剥がれやクラックを抑制し、高周波フィルタ特性を良好に維持することができる。上述した構成の音響多層膜の支持基板１１と反対側に能動素子１５を設け、能動素子１５が、音響多層膜１８の上に設けられる第１電極層１２と、第１電極層１２の上に設けられる圧電層１３と、圧電層の上に設けられる第２電極層１４を備えることで、ＳＭＲ（Solid Mounted Resonator）型のバルク弾性波フィルタデバイスを構成してもよい。この場合も、音響多層膜の応力が緩和され、デバイス動作の信頼性が向上する。
　この出願は、２０２２年３月３１日に日本国特許庁に出願された特許出願第２０２２－０５８８１４号を優先権の基礎とし、その全内容を参照により含むものである。
１０　高周波フィルタデバイス
１１　支持基板
１２　第１電極層
１３　圧電層
１４　第２電極層
１５　共振子（能動素子）
１６　高音響インピーダンス層（第１の層）
１７　低音響インピーダンス層（第２の層）
１８、２８　音響多層膜
２０　積層体
１６１　サブレイヤ
１６２　分割層

Claims (12)

  1. 　支持基板の上に、第１の固有音響インピーダンスを有する第１の層と、前記第１の固有音響インピーダンスよりも低い固有音響インピーダンスを有する第２の層とが交互に２ペア以上積層された音響多層膜において、
    　前記音響多層膜の少なくとも一つの前記第１の層は、分割層によって積層方向に分割されていることを特徴とする音響多層膜。
  2. 　前記第１の層に含まれる分割層は、前記第１の固有音響インピーダンスよりも低い音響インピーダンスを有する、
    請求項１に記載の音響多層膜。
  3. 　一つの前記第１の層に、２以上の前記分割層が挿入されている、
    請求項１または２に記載の音響多層膜。
  4. 　前記分割層の膜厚は、前記第２の層の膜厚の１/７２５から１/１３である、
    請求項１から３のいずれか一項に記載の音響多層膜。
  5. 　前記分割層の膜厚は、共振周波数の波長の１／３０００以上、１／５５以下である、
    請求項１から４のいずれか一項に記載の音響多層膜。
  6. 　前記分割層の膜厚は、共振周波数の波長の１／３０００以上、１／６６以下である、
    請求項５に記載の音響多層膜。
  7. 　前記音響多層膜の表面平滑性は算術平均粗さで３ｎｍ以下である、
    請求項１から６のいずれか一項に記載の音響多層膜。
  8. 　前記分割層は非晶質層であることを特徴とする、請求項１から７のいずれか一項に記載の音響多層膜。
  9. 　前記分割層は、金属酸化物または金属窒化物であることを特徴とする、請求項８に記載の音響多層膜。
  10. 　前記分割層は、ＳｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３、ＷＯ３、ＭоО３、ＳｉＮ、またはＡｌＮで形成されている、
    請求項９に記載の音響多層膜。
  11. 　請求項１から１０のいずれか一項に記載の音響多層膜と、
    　前記音響多層膜の前記支持基板と反対側に設けられる能動素子と、
    を有し、前記能動素子は、前記音響多層膜の上に設けられる第１電極層と、前記第１電極層の上に設けられる圧電層と、前記圧電層の上に設けられる第２電極層を有する、
    高周波フィルタデバイス。
  12. 　請求項１から１０のいずれか一項に記載の音響多層膜と、
    　前記音響多層膜の前記支持基板と反対側に設けられる能動素子と、
    を有し、前記能動素子は、前記音響多層膜の上に設けられる第１電極層と、前記第１電極層の上に設けられる圧電層と、前記圧電層の上に設けられる第２電極層を有する、
    バルク弾性波フィルタデバイス。
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