JP2018056866A - 弾性表面波素子用圧電体複合基板およびその製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】高周波数化に対応したSAWフィルターを安価に作製することが可能な弾性表面波素子用圧電体複合基板を提供する。【解決手段】ビッカース硬度が1200以下である基板を用意し、真空容器中に配置し、炭化水素を導入し、イオン化蒸着法により、膜厚が0.1μm以上0.3μm以下であるDLC(ダイヤモンドライクカーボン)膜を基板表面に成膜する。さらに当該基板を、DCマグネトロンスパッタリング装置に装着し、金属Znターゲットを用いて、反応ガスには酸素とアルゴンガスの混合ガスを導入し、基板温度を160℃以上250℃以下に加熱しながら、膜厚が0.1μm以上10μm以下である酸化亜鉛膜をDLC膜上に成膜する。【選択図】なし
Description
本発明は弾性表面波素子用圧電体複合基板およびその製造方法に関する。
弾性表面波(Surface Acoustic Wave:SAW)は、物質の表面を伝搬する波のことで、この特性を利用するSAWフィルターが知られている。このSAWSAWフィルターは、小型・軽量という特性を活かし、携帯電話、スマートフォンに用いられ任意の周波数を選択するのに用いられ高速通信には重要な部品である。
その他にも、共振子、信号処理用遅延素子、圧力センサー、温度センサーなど多機能の用途に応用されている。
例えば、SAWフィルターとして使用する弾性表面波素子としては、基板上に弾性表面波の伝搬媒体としての圧電体層と、この圧電体層上に形成されるアルミニウムからなる一対の櫛歯状電極(Inter Digital Transducer:IDT)とを備えている。(例えば、特許文献1参照)
弾性表面波素子は、入力用のIDTに電気信号(交流電力)が供給されると、これによる電場により圧電体層に歪が生じる。ここで、電極が櫛型形状であるため、圧電体層に密度の差が生じて、弾性表面波が生じる。この弾性表面波は出力用IDTに伝搬し、この弾性表面波のエネルギーは出力用IDTによって、電気的エネルギーに変換出力される。
また、特許文献2には、弾性表面波素子は、高速化を目的として、硬質層としてダイヤモンドを用いて、圧電体層に酸化亜鉛(ZnO)を用いた伝搬速度が10000m/sを超える弾性波素子が記載されており、最近弾性表面波素子に要求される高周波数化に対応している。
一般に、SAWフィルターの中心周波数fは、弾性表面波の伝搬速度Vと電極ピッチ(λ/4:λは弾性表面波の波長)との関係から、中心周波数fはV/λで表されることが知られている。すなわち、弾性表面波素子の高周波数化を行うには、弾性表面波の波長を小さくする方法と弾性表面波の伝搬速度を大きくする方法とが考えられる。しかしながら、弾性表面波の波長は、IDTの電極ピッチできまり、製造技術での限界があるのが実情である。現在の量産レベルでは0.4μm程度であり、最近SAWフィルターによく使用されるタンタル酸リチウム基板(LT)の伝搬速度3800m/sでは2400MHzが限界といえる。
そこで高周波用にはFBAR(Film Bulk Acoustic Resonator)と言われる、ALNの振動子を用いたデバイスが検討されている。しかし、これは製造工程が複雑で高価であるため、一部の機器にしか用いられていないのが実情である。
本発明者は、高周波数化に対応するために、弾性表面波の伝搬速度を大きくする方法を鋭意検討し、効率的に弾性表面波の伝搬速度を大きくするためには、低い硬度を有する基板にDLC(ダイヤモンドライクカーボン)膜を配置することで支持基板として高い硬度を持たせ、さらに配向性の高い圧電膜として酸化亜鉛からなるスパッタ薄膜をDLC膜上に配置する構成とすることで達成できることを見出し、本発明を完成するに至った。
本発明は、上述の従来の問題点を解決し、高周波数化に対応したSAWフィルターを安価に作製することが可能な弾性表面波素子用圧電体複合基板およびその製造方法を提供することを目的とする。
本発明によれば、ビッカース硬度が1200以下である基板上に膜厚が0.1μm以上0.3μm以下であるDLC(ダイヤモンドライクカーボン)膜が配置され、該DLC膜上に、膜厚が0.1μm以上10μm以下である酸化亜鉛膜が配置されることを特徴とする弾性表面波素子用圧電体複合基板が提供される。
また、本発明によれば、
基板としてビッカース硬度が1200以下である基板を用意する第1工程と、
次に、前記基板を真空容器中に配置し、炭化水素を導入し、イオン化蒸着法により、膜厚が0.1μm以上0.3μm以下であるDLC膜を基板表面に成膜する第2工程と、
その後、得られた基板をDCマグネトロンスパッタリング装置に装着し、金属Znターゲットを用いて、反応ガスには酸素とアルゴンガスの混合ガスを導入し、基板温度を160℃以上250℃以下に加熱しながら、膜厚が0.1μm以上10μm以下である酸化亜鉛膜をDLC膜上に成膜する第3工程と
を含む弾性表面波素子用圧電体複合基板の製造方法が提供される。
基板としてビッカース硬度が1200以下である基板を用意する第1工程と、
次に、前記基板を真空容器中に配置し、炭化水素を導入し、イオン化蒸着法により、膜厚が0.1μm以上0.3μm以下であるDLC膜を基板表面に成膜する第2工程と、
その後、得られた基板をDCマグネトロンスパッタリング装置に装着し、金属Znターゲットを用いて、反応ガスには酸素とアルゴンガスの混合ガスを導入し、基板温度を160℃以上250℃以下に加熱しながら、膜厚が0.1μm以上10μm以下である酸化亜鉛膜をDLC膜上に成膜する第3工程と
を含む弾性表面波素子用圧電体複合基板の製造方法が提供される。
本発明によれば、安価なサファイア基板を用い、また圧電体に酸化亜鉛薄膜とすることにより、従来のLT基板を用いたSAWフィルターの伝搬速度を大きく上回る3GHz帯に適用可能なSAWフィルターを効率的に製造できる。
以下、本発明の弾性表面波素子用圧電体複合基板およびその製造方法について説明する。
(1)弾性表面波素子用基板
弾性表面波素子に使用する基板を伝わる伝搬速度は、基板の硬度が高いほど早い伝搬速度が得られることが知られている。
弾性表面波素子に使用する基板を伝わる伝搬速度は、基板の硬度が高いほど早い伝搬速度が得られることが知られている。
例えば、最も硬度の高いダイヤモンド基板に窒化アルミ二ウムや酸化亜鉛の圧電膜を形成した基板では、10000m/sを超える最高レベルの伝搬速度が得られている。但し、基板の価格が高価すぎるため実用的には採用できない。
支持基板として安価で汎用的なソーダガラス基板では、ビッカース硬度は500〜600で、シリコン基板は1040程度で、またサファイア基板でも2300である。
ガラス基板やシリコン基板は安価で大量に生産されており、コスト的にも安価であるため基板として使用したいが、高周波数化に対応する伝搬速度は得られない。
そこで、硬度の低い汎用的なガラス基板やシリコン基板を使用し、この基板上に高い硬度を有するDLC(ダイヤモンドライクカーボン)膜を薄く成膜することで、基板の硬度を高め、そのDLC膜上に圧電膜を配置した複合基板は、高周波数化に対応する弾性表面波素子用基板として使用されているタンタル酸リチウム(LT)圧電基板よりも早い伝搬速度が得られる可能性があると考えた。
(2)DLC(ダイヤモンドライクカーボン)膜
本発明で、硬度の低い汎用的なガラス基板やシリコン基板上に成膜して配置するダイヤモンドライクカーボン膜は、ダイヤモンドとグラファイト(黒鉛)の両方の炭素−炭素結合を併せ持つ炭素を主成分とした物質で作られた薄膜である。ダイヤモンドとグラファイトの両方の結合をもつ構造はアモルファス構造(非晶質構造)であり、ダイヤモンド結合をSP3、グラファイト結合をSP2と称する。
本発明で、硬度の低い汎用的なガラス基板やシリコン基板上に成膜して配置するダイヤモンドライクカーボン膜は、ダイヤモンドとグラファイト(黒鉛)の両方の炭素−炭素結合を併せ持つ炭素を主成分とした物質で作られた薄膜である。ダイヤモンドとグラファイトの両方の結合をもつ構造はアモルファス構造(非晶質構造)であり、ダイヤモンド結合をSP3、グラファイト結合をSP2と称する。
ダイヤモンドはSP3結合だけでできており、グラファイトはSP2だけでできているが、DLC膜はSP3結合とSP2結合が複雑に交じり合ってできている。
一般にアモルファスカーボンは、SP3の比率が多ければダイヤモンドに似た物性となり、SP2の比率が多ければグラファイトに似た物性となるので、その比率を調整することで、様々な特性をもつアモルファスカーボンを得ることができる。そこでビッカース硬度が3000以上あるDLC膜をガラス基板やシリコン基板の上に成膜することで支持基板としての硬度を高めることにより大きな伝搬速度を得ることを検討した。
DLC膜の膜厚は、0.1μm以上0.3μm以下とするのが好ましい。膜厚が0.1μm未満では、薄すぎて膜構造を維持する強度が不足してしまうため好ましくなく、また0.3μmを超える膜厚にするには、成膜に時間がかかるだけで硬度は向上せず、コストが高くなるので好ましくない。DCL膜としては0.2μm程度がより好ましい。
DLC膜はアモルファス構造のため結晶粒界を持たないので、平滑な表面をしている。従って、DLC膜の表面粗さRaは0.5nmレベルと極めて平滑であるので、その上に配置する圧電膜を平滑に成膜することができる。
(3)圧電膜
次に、DLC膜上に配置する圧電膜としては、酸化亜鉛膜が最も適する材料であると考えた。これは、DLC膜が成膜された支持基板のガラス基板やシリコン基板は圧電性を持たないので、圧電膜を結晶化させて圧電性を持たせる必要があり、配向性が得られやすい酸化亜鉛膜を選択した。酸化亜鉛からなる圧電膜の膜厚は、0.1μm以上10μm以下の範囲とすることが好ましい。
次に、DLC膜上に配置する圧電膜としては、酸化亜鉛膜が最も適する材料であると考えた。これは、DLC膜が成膜された支持基板のガラス基板やシリコン基板は圧電性を持たないので、圧電膜を結晶化させて圧電性を持たせる必要があり、配向性が得られやすい酸化亜鉛膜を選択した。酸化亜鉛からなる圧電膜の膜厚は、0.1μm以上10μm以下の範囲とすることが好ましい。
0.1μm未満では、安定した圧電膜としての特性を得ることができない恐れがあり、10μmを超える膜厚としても、弾性表面波の伝搬速度の向上は見られず、かえって安定した結晶性を得ることが難しくなる恐れがある。
(4)圧電体複合基板の製造方法
次に、本発明の圧電体複合基板の製造方法について説明する。まず、基板としてビッカース硬度が1200以下であるガラス基板又はシリコン基板を用意する。
次に、本発明の圧電体複合基板の製造方法について説明する。まず、基板としてビッカース硬度が1200以下であるガラス基板又はシリコン基板を用意する。
次に、用意した基板にDLC膜を膜厚で0.1μm以上0.3μm以下成膜する。このDLC膜は、高真空中でのプラズマプロセスであるイオン化蒸着法により成膜することにより得ることができる。真空チャンバー中にベンゼン(C6H6)ガスや他の炭化水素ガスを導入し、直流アーク放電プラズマ中で炭化水素イオンや励起されたラジカルが生成され、炭化水素イオンは直流の負電圧にバイアスされた基板にバイアス電圧に応じたエネルギーで衝突し固体化し成膜する。非平衡プラズマを用いるため成膜時の基板温度は通常200℃以下である。
次に、圧電膜として酸化亜鉛薄膜を形成する。一般的に、圧電膜としては窒化アルミ二ウムなどの窒化膜や、チタン酸バリウム、タンタル酸リチウム、ニオブ酸リチウム、酸化亜鉛などの酸化物膜等が用いられるが、本発明では、DLC膜上に配向性に優れる薄膜を安価に作製するという観点から、酸化亜鉛をスパッタリング法により成膜することが好ましいと考えた。
窒化膜は真空装置内の酸素の影響が大きく、先に金属と酸素が反応し、窒化膜の成長が阻害され圧電性を安定して示す膜を成膜するのが難しい。これを解決するためには、窒化膜の成膜には真空をやぶらないで連続的にスパッタできるロードロック式の装置を使用することで問題を解消できるが、この装置は構造が複雑で極めて高価である。従って、圧電体として酸化物を選択し、上記の理由から各種酸化物圧電材料の中から酸化亜鉛を最も適する材料として選択した。
また、コスト面からターゲットにはZnOなどの高価な焼結体ターゲットではなく、安価な金属Znターゲットを使用することとした。スパッタリングの反応ガスは、酸素とアルゴンガスの混合ガスを導入し、DCマグネトロンスパッタリング装置を用いて、反応性スパッタリングにより、0.1μm以上10μm以下の膜厚の酸化亜鉛膜を成膜する。
具体的なスパッタリングの成膜条件としては、基板加熱温度は160℃以上250℃以下の範囲が良く、170℃以上200℃以下の範囲がより好ましい。基板加熱温度が160℃より低いと酸化亜鉛膜の結晶性や配向性が急激に低下しアモルファスとなり、250℃を超えると、室温からの昇温、室温に戻す時間がかかり成膜時間が長くなるため好ましくない。
DCマグネトロンスパッタリングのDC出力は80W以上250W以下の範囲で行うことが好ましい。より好ましくは150W以上200W以下である。DC出力が80Wより低いと安定したスパッタリングが得られにくく、また250Wを超えると酸化亜鉛膜表面に凹凸や粒成長が起き平滑性が損なわれるため好ましくない。
スパッタ時の反応ガスは、酸素とアルゴンの混合ガスを用いて、酸化亜鉛膜を形成する。反応ガスとして、アルゴンガスの流量は、10sccm以上15sccm以下として、また酸素ガスの流量は、8sccm以上10sccm以下とすることで効率的に成膜することができる。
以下、本発明を実施例を用いてさらに詳しく説明するが、本発明は実施例に何ら限定されるものではない。
(圧電体複合基板の作製及び評価)
(実施例1)
まず、基板としてソーダガラス(基板サイズ:30×40×2mm)を準備した。準備した基板をアセトン洗浄した。
(実施例1)
まず、基板としてソーダガラス(基板サイズ:30×40×2mm)を準備した。準備した基板をアセトン洗浄した。
次に、洗浄後のソーダガラス基板に、以下の条件でDLC膜を0.2μm成膜した。DLC膜成膜の具体的条件をいかに示す。
・前処理:140℃×60分ベーキング。Arボンバード(20分)
・使用ガスと流量:ベンゼン(C6H6) 3ml/分
・蒸着の方法:直流イオンプレーティング
・基板電圧:2KV,50mA
・真空度:4.5×10−3Pa
・基板温度:160℃
・成膜時間:30分
・前処理:140℃×60分ベーキング。Arボンバード(20分)
・使用ガスと流量:ベンゼン(C6H6) 3ml/分
・蒸着の方法:直流イオンプレーティング
・基板電圧:2KV,50mA
・真空度:4.5×10−3Pa
・基板温度:160℃
・成膜時間:30分
次に、DLC膜を成膜したソーダガラス基板をDCマグネトロンスパッタリング装置(芝浦製作所製、型式CFS−4ES)にセットした。またスパッタリングターゲットとして、3インチ径のZnメタルターゲットを装着し、基板温度を170℃に加熱しながら、反応性ガスとしてアルゴンガスと酸素の混合ガスを供給(アルゴンガスの流量は15sccm、酸素の流量は10sccm)しながら反応性スパッタを行い、圧電膜として膜厚0.8μmの酸化亜鉛膜を成膜した。
スパッタ時の到達真空度は6.5×10−3Paで、スパッタ出力は200Wで、成膜時間は40分であった。
得られた酸化亜鉛薄膜の結晶性をX線回折(XRD)により半値幅を測定したところ、14.4°で、(001)配向が認められた。
(実施例2)
基板として2インチ径のシリコン基板を使用した以外は、実施例1と同様にして処理し、圧電体複合基板を作製した。DLC膜の膜厚は0.2μmで、酸化亜鉛膜の膜厚は0.8μmであった。
基板として2インチ径のシリコン基板を使用した以外は、実施例1と同様にして処理し、圧電体複合基板を作製した。DLC膜の膜厚は0.2μmで、酸化亜鉛膜の膜厚は0.8μmであった。
得られた酸化亜鉛薄膜の結晶性をX線回折(XRD)により半値幅を測定したところ、13.8°で、(001)配向が認められた。
(比較例1)
実施例1と同じ基板を使用し、DCL膜を成膜しなかったこと以外は実施例1と同様にして処理し、圧電体複合基板を作製した。酸化亜鉛膜の膜厚は1.3μmであった。
得られた酸化亜鉛薄膜の結晶性をX線回折(XRD)により半値幅を測定したところ、14.4°で、(001)配向が認められた。
実施例1と同じ基板を使用し、DCL膜を成膜しなかったこと以外は実施例1と同様にして処理し、圧電体複合基板を作製した。酸化亜鉛膜の膜厚は1.3μmであった。
得られた酸化亜鉛薄膜の結晶性をX線回折(XRD)により半値幅を測定したところ、14.4°で、(001)配向が認められた。
(SAWフィルターの作製および評価)
実施例1で得た圧電体複合基板の酸化亜鉛薄膜上に図1に示したCuの櫛形電極を形成しSAWフィルターを作製した。この櫛形電極は、電極幅1μm、電極間隔1μm、銅の膜厚0.5μmの電極とした。このSAWフィルターの特性は 伝搬速度は5100m/s、周波数温度特性は−12.6ppm/℃、電気機械結合係数は10%であった。
実施例1で得た圧電体複合基板の酸化亜鉛薄膜上に図1に示したCuの櫛形電極を形成しSAWフィルターを作製した。この櫛形電極は、電極幅1μm、電極間隔1μm、銅の膜厚0.5μmの電極とした。このSAWフィルターの特性は 伝搬速度は5100m/s、周波数温度特性は−12.6ppm/℃、電気機械結合係数は10%であった。
また、表面弾性波の波長λを0.4μmとすることより、3200MHzのSAWフィルターを得ることができることがわかる。
実施例2で得た圧電体複合基板の酸化亜鉛薄膜上に上記実施例1の圧電体複合基板と同様にCuの櫛形電極を形成しSAWフィルターを作製した。このSAWフィルターの特性は 伝搬速度は5200m/s、周波数温度特性は−10.8ppm/℃、電気機械結合係数は9.8%であった。
また、表面弾性波の波長λを0.4μmとすることより、3250MHzのSAWフィルターを得ることができることがわかる。
次に、比較例1で得た圧電体複合基板の酸化亜鉛薄膜上に図1に示したCuの櫛形電極を形成しSAWフィルターを作製した。このSAWフィルターの特性は 伝搬速度は2400m/s、周波数温度特性は−17.6ppm/℃、電気機械結合係数は8.5%であった。
また、厚さが200μmのLT基板を用いて、LT基板表面に上記圧電体複合基板と同様に図1に示したCuの櫛形電極を形成しSAWフィルターを作製した。この櫛形電極は、電極幅1μm、電極間隔1μm、銅の膜厚0.5μmの電極とした。このSAWフィルターの特性は 伝搬速度は3900m/s、周波数温度特性は−35.0ppm/℃であった。
これらの評価結果から、本発明の圧電体複合基板は、従来のLT圧電基板を上回る伝搬速度、周波数温度特性が得られていることがわかる。
Claims (6)
- ビッカース硬度が1200以下である基板上に、膜厚が0.1μm以上0.3μm以下であるDLC(ダイヤモンドライクカーボン)膜が配置され、該DLC膜上に、膜厚が0.1μm以上10μm以下である酸化亜鉛膜が配置されることを特徴とする弾性表面波素子用圧電体複合基板
- 前記基板は、ガラス基板またはシリコン基板であることを特徴とする請求項2に記載の弾性表面波素子用圧電体複合基板
- 基板としてビッカース硬度が1200以下である基板を用意する第1工程と、
次に、前記基板を真空容器中に配置し、炭化水素を導入し、イオン化蒸着法により、膜厚が0.1μm以上0.3μm以下であるDLC膜を基板表面に成膜する第2工程と、
その後、得られた基板をDCマグネトロンスパッタリング装置に装着し、金属Znターゲットを用いて、反応ガスには酸素とアルゴンガスの混合ガスを導入し、基板温度を160以上250℃以下に加熱しながら、膜厚が0.1μm以上10μm以下である酸化亜鉛膜をDLC膜上に成膜する第3工程と
を含むことを特徴とする弾性表面波素子用圧電体複合基板の製造方法。 - 前記炭化水素はベンゼンであることを特徴とする請求項3に記載の弾性表面波素子用圧電体複合基板の製造方法。
- 前記DCマグネトロンスパッタリング装置は、80W以上250W以下の範囲のDC出力とすることを特徴とする請求項3に記載の弾性表面波素子用圧電体複合基板の製造方法。
- 前記反応ガスのアルゴンガスと酸素の流量は、アルゴンガスの流量は、10sccm以上15sccm以下で、酸素ガスの流量は、8sccm以上10sccm以下であることを特徴とする請求項3に記載の弾性表面波素子用圧電体複合基板の製造方法。
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CN108823542A (zh) * | 2018-07-04 | 2018-11-16 | 福建工程学院 | 一种钨铜合金表面类金刚石处理的方法 |
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