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

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。

特開平９−５１２４８号公報 特開２００８−２５８７８０号公報

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。

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。

圧電体膜上に形成する櫛型電極

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。

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。

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。

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、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（Ｃ_６Ｈ_６）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。

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（Ｃ_６Ｈ_６） 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。

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。

（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。

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)

1. 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
2. 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
3. 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。
4. 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。
5. 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。
6. 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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