JP7269719B2 - 圧電膜およびその製造方法、圧電デバイス、共振器、フィルタ並びにマルチプレクサ - Google Patents

Description

本発明は、圧電膜およびその製造方法、圧電デバイス、共振器、フィルタ並びにマルチプレクサに関する。

圧電薄膜共振器等の圧電デバイスおよび弾性波デバイスには圧電膜が用いられている。圧電膜として窒化アルミニウム膜を用い、窒化アルミニウム膜にスカンジウムを添加することで、圧電膜の圧電性が向上することが知られている（例えば特許文献１）。窒化アルミニウム膜に２族元素または１２族元素と４族元素または５族元素を添加することで圧電性が向上することが知られている（例えば特許文献２）。

特開２０１１－１５１４８号公報 特開２０１３－２１９７４３号公報

特許文献１および２のように、窒化アルミニウム膜に不純物を添加すると、窒化アルミニウム膜の圧電性は向上するが電気機械結合係数は低下する。このように、圧電膜の電気機械結合係数を低下させずに、圧電性を向上させることは難しい。

本発明は、上記課題に鑑みなされたものであり、圧電性を向上させることを目的とする。

本発明は、圧電材料を含む複数の結晶粒を含み、厚さ方向の中央領域における平均結晶粒径は、前記厚さ方向における前記中央領域の両側の領域における平均結晶粒径より大きい圧電膜であって、前記圧電膜の厚さ方向に積層された第１圧電膜および第２圧電膜を備え、前記第１圧電膜と前記第２圧電膜との界面において前記複数の結晶粒は連続せず、前記中央領域は前記界面を含み、前記中央領域内の前記第１圧電膜の平均結晶粒径と前記中央領域内の前記第２圧電膜の平均結晶粒径とは、前記両側の領域における平均結晶粒径より大きい圧電膜である。

上記構成において、前記中央領域における平均結晶粒径は、前記両側の領域における平均結晶粒径の１．５倍以上である構成とすることができる。

上記構成において、前記第１圧電膜および前記第２圧電膜における平均結晶粒径は、前記第１圧電膜および前記第２圧電膜の前記界面の反対の面から前記界面に行くに従い大きくなる構成とすることができる。

上記構成において、前記複数の結晶粒は柱状構造を有し、前記厚さ方向の中央領域における前記厚さ方向から見た平均結晶粒径は、前記厚さ方向における前記両側の領域における前記厚さ方向から見た平均結晶粒径より大きい構成とすることができる。

上記構成において、前記圧電材料は窒化アルミニウムである構成とすることができる。

本発明は、基板と、前記基板上に設けられた上記圧電膜と、前記圧電膜の少なくとも一部を前記厚さ方向に挟み対向し、それぞれ前記両側の領域と接する第１電極および第２電極と、を備える圧電デバイスである。

本発明は、基板と、前記基板上に設けられた上記圧電膜と、前記圧電膜の少なくとも一部を前記厚さ方向に挟み対向し、それぞれ前記両側の領域と接する第１電極および第２電極と、を備える共振器である。

本発明は、基板と、前記基板上に設けられた上記圧電膜と、前記圧電膜の少なくとも一部を前記厚さ方向に挟み対向し、それぞれ前記両側の領域と接する第１電極および第２電極と、前記第１圧電膜と前記第２圧電膜との間に設けられた挿入膜と、を備える共振器である。

本発明は、上記共振器を含むフィルタである。

本発明は、上記フィルタを含むマルチプレクサである。

本発明は、第１基板上に、成長するにしたがい結晶粒径が大きくなるように第１圧電膜を形成する工程と、第２基板上に、成長するにしたがい結晶粒径が大きくなりかつ成長面が前記第１圧電膜の成長面と反対の分極面となるように第２圧電膜を形成する工程と、前記第１圧電膜の前記第１基板と反対の表面と、前記第２圧電膜の前記第２基板と反対の表面と、を接合させる工程と、を含む圧電膜の製造方法である。

本発明によれば、圧電性を向上させることができる。

図１（ａ）は、実施例１に係る圧電薄膜共振器の平面図、図１（ｂ）および図１（ｃ）は、図１（ａ）のＡ－Ａ断面図である。 図２（ａ）から図２（ｅ）は、実施例１に係る直列共振器の製造方法を示す断面図（その１）である。 図３（ａ）から図３（ｅ）は、実施例１に係る直列共振器の製造方法を示す断面図（その２）である。 図４は、実施例１における圧電膜付近の断面模式図である。 図５（ａ）から図５（ｃ）は、図４におけるそれぞれＡ－Ａ断面模式図、Ｂ－Ｂ断面模式図およびＣ－Ｃ断面模式図である。 図６（ａ）は、シミュレーション１における圧電薄膜共振器の断面図、図６（ｂ）は、サンプルＡからＣの***振周波数におけるＱ値を示す図である。 図７（ａ）から図７（ｃ）は、シミュレーション１における歪、応力および弾性波エネルギー密度を示す図である。 図８（ａ）および図８（ｂ）は、実施例１に係る圧電膜の断面模式図である。 図９は、サンプル数に対する標準誤差を示す図である。 図１０（ａ）から図１０（ｃ）は、それぞれ実施例１の変形例１から３に係る圧電薄膜共振器の断面図である。 図１１（ａ）は、実施例２に係るフィルタの回路図、図１１（ｂ）は、実施例２の変形例１に係るデュプレクサの回路図である。

以下、図面を参照し実施例について説明する。

図１（ａ）は、実施例１に係る圧電薄膜共振器の平面図、図１（ｂ）および図１（ｃ）は、図１（ａ）のＡ－Ａ断面図である。図１（ｂ）は、例えばラダー型フィルタの直列共振器、図１（ｃ）は例えばラダー型フィルタの並列共振器の断面図を示している。

図１（ａ）および図１（ｂ）を参照し、直列共振器Ｓの構造について説明する。基板１０上に、下部電極１２が設けられている。基板１０の平坦主面と下部電極１２との間にドーム状の膨らみを有する空隙３０が形成されている。ドーム状の膨らみとは、例えば空隙３０の周辺では空隙３０の高さが小さく、空隙３０の内部ほど空隙３０の高さが大きくなるような形状の膨らみである。基板１０は例えばシリコン（Ｓｉ）基板である。下部電極１２は下層１２ａと上層１２ｂとを含んでいる。下層１２ａおよび上層１２ｂは例えばそれぞれクロム（Ｃｒ）膜およびルテニウム（Ｒｕ）膜である。

下部電極１２上に、圧電膜１４が設けられている。圧電膜１４は、多結晶であり複数の結晶粒を含む。圧電膜１４は、例えば（０００１）方向を主軸とする（すなわちＣ軸配向性を有する）窒化アルミニウムを主成分とする窒化アルミニウム膜である。圧電膜１４は、下部電極１２に接する下部圧電膜１４ａおよび上部電極１６に接する上部圧電膜１４ｂを含む。

下部圧電膜１４ａと上部圧電膜１４ｂとの間に挿入膜２８が設けられている。挿入膜２８は例えば酸化シリコン膜である。挿入膜２８は共振領域５０内の外周領域５２に設けられ、中央領域５４に設けられていない。挿入膜２８は、外周領域５２から共振領域５０外まで連続して設けられている。

圧電膜１４を挟み下部電極１２と対向する領域（共振領域５０）を有するように圧電膜１４上に上部電極１６が設けられている。共振領域５０は、楕円形状を有し、厚み縦振動モードの弾性波が共振する領域である。平面視において共振領域５０は空隙３０に重なり、空隙３０は共振領域５０と同じか大きい。すなわち、平面視において共振領域５０の全ては空隙３０と重なる。上部電極１６は下層１６ａおよび上層１６ｂを含んでいる。下層１６ａおよび上層１６ｂは例えばそれぞれルテニウム膜およびクロム膜である。

上部電極１６上には周波数調整膜２４として酸化シリコン膜が形成されている。共振領域５０内の積層膜１８は、下部電極１２、圧電膜１４、挿入膜２８、上部電極１６および周波数調整膜２４を含む。周波数調整膜２４はパッシベーション膜として機能してもよい。

図１（ａ）のように、下部電極１２には犠牲層をエッチングするための導入路３３が形成されている。犠牲層は空隙３０を形成するための層である。導入路３３の先端付近は圧電膜１４で覆われておらず、下部電極１２は導入路３３の先端に孔部３５を有する。

図１（ａ）および図１（ｃ）を参照し、並列共振器Ｐの構造について説明する。並列共振器Ｐは直列共振器Ｓと比較し、上部電極１６の下層１６ａと上層１６ｂとの間に、チタン（Ｔｉ）層からなる質量負荷膜２０が設けられている。よって、積層膜１８は直列共振器Ｓの積層膜に加え、共振領域５０内の全面に形成された質量負荷膜２０を含む。その他の構成は直列共振器Ｓの図１（ｂ）と同じであり説明を省略する。

直列共振器Ｓと並列共振器Ｐとの共振周波数の差は、質量負荷膜２０の膜厚を用い調整する。直列共振器Ｓと並列共振器Ｐとの両方の共振周波数の調整は、周波数調整膜２４の膜厚を調整することにより行なう。

２ＧＨｚの共振周波数を有する圧電薄膜共振器の場合、下部電極１２のクロム膜からなる下層１２ａの膜厚は１００ｎｍ、ルテニウム膜からなる上層１２ｂの膜厚は２１０ｎｍである。窒化アルミニウム膜からなる圧電膜１４の膜厚は１１００ｎｍである。酸化シリコン膜からなる挿入膜２８の膜厚は１５０ｎｍである。上部電極１６のルテニウム膜からなる下層１６ａの膜厚は２３０ｎｍ、クロム膜からなる上層１６ｂの膜厚は５０ｎｍである。酸化シリコン膜からなる周波数調整膜２４の膜厚は５０ｎｍである。チタン膜からなる質量負荷膜２０の膜厚は１２０ｎｍである。各層の膜厚は、所望の共振特性を得るため適宜設定することができる。

基板１０としては、シリコン基板以外に、サファイア基板、アルミナ基板、スピネル基板、石英基板、水晶基板、ガラス基板、セラミック基板またはＧａＡｓ基板等を用いることができる。下部電極１２および上部電極１６としては、ルテニウムおよびクロム以外にもアルミニウム（Ａｌ）、チタン、銅（Ｃｕ）、モリブデン（Ｍｏ）、タングステン（Ｗ）、タンタル（Ｔａ）、白金（Ｐｔ）、ロジウム（Ｒｈ）またはイリジウム（Ｉｒ）等の単層膜またはこれらの積層膜を用いることができる。例えば、上部電極１６の下層１６ａをＲｕ、上層１６ｂをＭｏとしてもよい。

圧電膜１４は、窒化アルミニウム以外にも、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）、チタン酸鉛（ＰｂＴｉＯ₃）等を用いることができる。また、例えば、圧電膜１４は、窒化アルミニウムを主成分とし、共振特性の向上または圧電性の向上のため他の元素を含んでもよい。例えば、添加元素として、スカンジウム（Ｓｃ）、２族元素と４族元素との２つの元素、または２族元素と５族元素との２つの元素を用いることにより、圧電膜１４の圧電性が向上する。このため、圧電薄膜共振器の実効的電気機械結合係数を向上できる。２族元素は、例えばカルシウム（Ｃａ）、マグネシウム（Ｍｇ）、ストロンチウム（Ｓｒ）または亜鉛（Ｚｎ）である。４族元素は、例えばチタン、ジルコニウム（Ｚｒ）またはハフニウム（Ｈｆ）である。５族元素は、例えばタンタル、ニオブ（Ｎｂ）またはバナジウム（Ｖ）である。さらに、圧電膜１４は、窒化アルミニウムを主成分とし、ボロン（Ｂ）を含んでもよい。

挿入膜２８は、圧電膜１４よりヤング率および／または音響インピーダンスが小さい材料である。挿入膜２８は、酸化シリコン以外に、アルミニウム（Ａｌ）、金（Ａｕ）、銅、チタン、白金、タンタルまたはクロム等の単層膜またはこれらの積層膜を用いることができる。

周波数調整膜２４としては、酸化シリコン膜以外にも窒化シリコン膜または窒化アルミニウム膜等を用いることができる。質量負荷膜２０としては、チタン以外にも、下部電極１２および上部電極１６として例示した金属膜、または窒化シリコンまたは酸化シリコン等の絶縁膜を用いることもできる。

［実施例１の製造方法］
図２（ａ）から図３（ｅ）は、実施例１に係る直列共振器の製造方法を示す断面図である。図２（ａ）に示すように、平坦主面を有する基板１０上に空隙を形成するための犠牲層３８を形成する。犠牲層３８の膜厚は、例えば１０～１００ｎｍであり、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、ゲルマニウム（Ｇｅ）または酸化シリコン（ＳｉＯ_２）等のエッチング液またはエッチングガスに容易に溶解できる材料から選択される。その後、犠牲層３８を、フォトリソグラフィ法およびエッチング法を用い所望の形状にパターニングする。犠牲層３８の形状は、空隙３０の平面形状に相当する形状であり、例えば共振領域５０となる領域を含む。次に、犠牲層３８および基板１０上に下部電極１２として下層１２ａおよび上層１２ｂを形成する。犠牲層３８および下部電極１２は、例えば、スパッタリング法、真空蒸着法またはＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法を用い成膜される。その後、下部電極１２を、フォトリソグラフィ法およびエッチング法を用い所望の形状にパターニングする。下部電極１２は、リフトオフ法により形成してもよい。

図２（ｂ）に示すように、下部電極１２および基板１０上に下部圧電膜１４ａを、例えばスパッタリング法または真空蒸着法を用い成膜する。下部圧電膜１４ａがフォルマーウェーバー（Volmer-Weber）成長様式で成膜されると、下部圧電膜１４ａが成長するにしたがい下部圧電膜１４ａ内の結晶粒径が大きくなる。よって、下部圧電膜１４ａでは、上面付近の結晶粒径は下部電極１２付近の結晶粒径より大きくなる。また、例えば下部圧電膜１４ａが窒化アルミニウム膜の場合、下部圧電膜１４ａの上面はＮ面となる。その後、下部圧電膜１４ａの上面を例えばＣＭＰ（Chemical Mechanical Polishing）法を用いて平坦化する。

シリコン基板上に膜厚が１μｍの窒化アルミニウム膜をスパッタリング法を用い成膜した。シリコン基板の上面に平行な断面をＴＥＭ（Transmission Electron Microscope）法を用い観察した。複数の結晶粒の面積を円相当の径に換算した。すなわち、結晶粒の面積がＳのとき、結晶粒径Ｒを２×√（Ｓ／π）とした。複数の結晶粒径の平均を算出した。シリコン基板の上面から０．０８μｍの位置における平均結晶粒径（結晶粒のサンプル数は９４個）は１５．８ｎｍであり、窒化アルミニウム膜の表面から０．０８ｎｍの位置（すなわちシリコン基板の上面から０．９２μｍの位置）における平均結晶粒径（サンプル数は７１個）は４４．８ｎｍであった。上記は一例であり、圧電膜１４の材料、下地層（下部電極１２および基板１０）の材料および圧電膜１４の成膜方法により、平均結晶粒径は適宜設定できる。

図２（ｃ）に示すように、下部圧電膜１４ａの上面の一部をフォトリソグラフィ法およびエッチング法を用い除去する。これにより、下部圧電膜１４ａの上面に凹部３６ａと凸部３６ｂとが形成される。凹部３６ａは挿入膜２８が形成される領域である。

図２（ｄ）に示すように、下部圧電膜１４ａの上面に挿入膜２８を例えばスパッタリング法、真空蒸着法またはＣＶＤ法を用い形成する。図２（ｅ）に示すように、挿入膜２８の上面を例えばＣＭＰ法を用い平坦化する。これにより、凸部３６ｂ上の挿入膜２８が除去され凸部３６ｂの上面が挿入膜２８から露出する。凹部３６ａに挿入膜２８が形成される。

図３（ａ）に示すように、基板１０とは別に基板３２を準備する。基板３２は例えばシリコン基板である。基板３２は基板１０において例示した材料の基板でもよい。基板３２の平坦な上面にシード層３４を成膜する。シード層３４は例えばアルミニウム膜であり、例えば真空蒸着法またはスパッタリング法を用い形成する。シード層３４上に上部圧電膜１４ｂを例えばスパッタリング法または真空蒸着法を用い成膜する。上部圧電膜１４ｂが成長するにしたがい上部圧電膜１４ｂ内の結晶粒径が大きくなる。よって、上部圧電膜１４ｂでは、上部圧電膜１４ｂの上面（図３（ｂ）以降では下面）付近の結晶粒径はシード層３４付近の結晶粒径より大きくなる。また、例えば上部圧電膜１４ｂが窒化アルミニウム膜の場合、アルミニウム膜上に上部圧電膜１４ｂを成膜すると上部圧電膜１４ｂの上面（図３（ｂ）以降では下面）はＡｌ面となる。

図３（ｂ）に示すように、図３（ａ）の基板３２および上部圧電膜１４ｂの上下を逆にし、下部圧電膜１４ａおよび挿入膜２８の上面と上部圧電膜１４ｂの下面とを接合する。接合には、例えば表面活性化法等の常温における接合方法を用いる。表面活性化法では、下部圧電膜１４ａおよび挿入膜２８の上面と上部圧電膜１４ｂの下面とにイオンをイオンビーム、中性化したビームまたはプラズマとして、照射する。イオンは例えばアルゴン（Ａｒ）イオン等の不活性元素（例えば希ガス元素）のイオンである。真空を維持した状態で、下部圧電膜１４ａおよび挿入膜２８の上面と上部圧電膜１４ｂの下面とを張り合わせると、活性化された下部圧電膜１４ａおよび挿入膜２８の上面と上部圧電膜１４ｂの下面とが接合される。

このような接合は常温（例えば１００℃以下かつ－２０℃以上、好ましくは８０℃以下かつ０℃以上）で行われるため熱応力を抑制できる。また、下部圧電膜１４ａおよび挿入膜２８の上面と上部圧電膜１４ｂの下面とを接合層等の他の材料を介すことなく直接接合することができる。なお、表面活性化法を用いると、接合面に１０ｎｍ以下のアモルファス層が形成されることがあるが、アモルファス層は非常に薄いため、下部圧電膜１４ａおよび挿入膜２８の上面と上部圧電膜１４ｂの下面とは実質的には直接接合されている。これにより、下部圧電膜１４ａおよび上部圧電膜１４ｂを有する圧電膜１４が形成される。下部圧電膜１４ａおよび上部圧電膜１４ｂの上面はいずれもＮ面となる。これにより、下部圧電膜１４ａおよび上部圧電膜１４ｂの静電分極の方向は同じとなる。

図３（ｃ）に示すように、基板３２を例えばスマートカット法を用い除去する。シード層３４を例えばＣＭＰ法またはエッチング法を用い除去する。これにより、圧電膜１４の上面が露出する。

図３（ｄ）に示すように、圧電膜１４上に、上部電極１６の下層１６ａおよび上層１６ｂを、例えば、スパッタリング法、真空蒸着法またはＣＶＤ法を用い成膜する。上部電極１６を、フォトリソグラフィ法およびエッチング法を用い所望の形状にパターニングする。上部電極１６は、リフトオフ法により形成してもよい。

なお、図１（ｃ）に示す並列共振器においては、下層１６ａを形成した後に、質量負荷膜２０を、例えばスパッタリング法、真空蒸着法またはＣＶＤ法を用い成膜する。質量負荷膜２０をフォトリソグラフィ法およびエッチング法を用い所望の形状にパターニングする。その後、上層１６ｂを形成する。

周波数調整膜２４を例えばスパッタリング法またはＣＶＤ法を用い形成する。フォトリソグラフィ法およびエッチング法を用い周波数調整膜２４を所望の形状にパターニングする。

図３（ｅ）に示すように、周波数調整膜２４および上部圧電膜１４ｂをフォトリソグラフィ法およびエッチング法を用い所望の形状にパターニングする。挿入膜２８および下部圧電膜１４ａをフォトリソグラフィ法およびエッチング法を用い所望の形状にパターニングする。これにより、圧電膜１４の端面は段差を有する構造となる。

その後、孔部３５および導入路３３（図１（ａ）参照）を介し、犠牲層３８のエッチング液を下部電極１２の下の犠牲層３８に導入する。これにより、犠牲層３８が除去される。犠牲層３８をエッチングする媒体としては、犠牲層３８以外の共振器を構成する材料をエッチングしない媒体であることが好ましい。特に、エッチング媒体は、エッチング媒体が接触する下部電極１２がエッチングされない媒体であることが好ましい。積層膜１８（図１（ｂ）および図１（ｃ）参照）の応力を圧縮応力となるように設定しておく。これにより、犠牲層３８が除去されると、積層膜１８が基板１０の反対側に基板１０から離れるように膨れる。下部電極１２と基板１０との間にドーム状の膨らみを有する空隙３０が形成される。以上により、図１（ａ）および図１（ｂ）に示した直列共振器Ｓ、および図１（ａ）および１（ｃ）に示した並列共振器Ｐが作製される。

［実施例１の断面模式図］
図４は、実施例１における圧電膜付近の断面模式図である。図４に示すように、接合面１５において下部圧電膜１４ａと上部圧電膜１４ｂとが直接接合されている。下部圧電膜１４ａおよび上部圧電膜１４ｂは結晶粒４４が積層方向に延伸する柱状構造を有する。結晶粒４４の境界が粒界４５である。接合面１５において下部圧電膜１４ａと上部圧電膜１４ｂの結晶粒４４および粒界４５は不連続である。結晶粒４４および粒界４５の一部は下部圧電膜１４ａを厚さ方向に貫通する。下部圧電膜１４ａでは、下部電極１２付近には結晶粒４４が多く形成されている。積層方向に行くに従い一部の結晶粒４４は収束する。収束しない結晶粒４４は積層方向に行くに従い大きくなる。上部圧電膜１４ｂでは、下部圧電膜１４ａを上下逆にした構造になる。

図５（ａ）から図５（ｃ）は、図４におけるそれぞれＡ－Ａ断面模式図、Ｂ－Ｂ断面模式図およびＣ－Ｃ断面模式図である。図５（ａ）から図５（ｃ）に示すように、下部圧電膜１４ａおよび上部圧電膜１４ｂの積層方向に直交する平面の断面においては、結晶粒４４の方向依存性があまりない。図５（ｂ）の結晶粒４４は、図５（ａ）および図５（ｃ）の結晶粒４４より大きい。

［シミュレーション１］
圧電膜１４に厚み縦振動などの振動が加わるとき、結晶粒４４の粒界４５ではすべりが生じる。このため、粒界４５では弾性波エネルギーの損失が発生する。このため、平均結晶粒径が大きい領域ではマテリアルＱが大きく、平均結晶粒界が小さい領域ではマテリアルＱが小さくなる。そこで、圧電膜１４内でマテリアルＱが異なる場合について、厚み縦振動させたときの***振周波数におけるＱ値Ｑａを有限要素法を用いシミュレーションした。

図６（ａ）は、シミュレーション１における圧電薄膜共振器の断面図である。図６（ａ）に示すように、圧電膜１４を領域１３ａから１３ｆの６つの領域に等分割した。領域１３ａから１３ｃは下部圧電膜１４ａに相当し、領域１３ｄから１３ｆは上部圧電膜１４ｂに相当する。シミュレーション条件は以下である。
下部電極１２：厚さが０．２５μｍのルテニウム膜
圧電膜１４：膜厚が１．３μｍｎｍのＣ軸配向の窒化アルミニウム
上部電極１６：厚さが０．２５μｍのルテニウム膜
下部電極１２と上部電極１６との間に振幅が１Ｖであり周波数が１９００ＭＨｚから２２００ＭＨｚの交流電圧を印加してアドミッタンスの周波数依存を算出した。アドミッタンス特性の算出結果をｍＢＶＤ（Modified Butterworth-Van-Dyke）モデルでフィッティングし***振周波数のＱ値Ｑａを算出した。

表１は、サンプルＡからＣにおける各領域１３ａから１３ｆのマテリアルＱを示す図である。

表１に示すように、サンプルＡでは、領域１３ａから１３ｃで順にマテリアルＱが大きくなり、領域１３ｄから１３ｆで順にマテリアルＱが大きくなる。これは、下部圧電膜１４ａでは下部電極１２から接合面１５に行くにしたがい結晶粒径が大きくなり、上部圧電膜１４ｂでは接合面１５から上部電極１６に行くにしたがい結晶粒径が大きくなることに対応する。例えば、下部電極１２上に下部圧電膜１４ａを成膜し、下部圧電膜１４ａ上に上部圧電膜１４ｂをスパッタリング法等で成膜すると、サンプルＡのようになる。

サンプルＢでは、領域１３ａから１３ｃで順にマテリアルＱが大きくなり、領域１３ｄから１３ｆで順にマテリアルＱが小さくなる。これは、実施例１のように、下部圧電膜１４ａでは下部電極１２から接合面１５に行くにしたがい結晶粒径が大きくなり、上部圧電膜１４ｂでは上部電極１６から接合面１５に行くにしたがい結晶粒径が大きくなることに対応する。

サンプルＣでは、領域１３ａから１３ｃで順にマテリアルＱが小さくなり、領域１３ｄから１３ｆで順にマテリアルＱが大きくなる。これは、実施例１とは逆であり、下部圧電膜１４ａでは接合面１５から下部電極１２に行くにしたがい結晶粒径が大きくなり、上部圧電膜１４ｂでは接合面１５から上部電極１６に行くにしたがい結晶粒径が大きくなることに対応する。

図６（ｂ）は、サンプルＡからＣの***振周波数におけるＱ値を示す図である。図６（ｂ）に示すように、サンプルＡ、ＢおよびＣの***振周波数におけるＱ値Ｑａはそれぞれ２４９９、２７９５および２３４９である。サンプルＢのＱａが最も大きく、サンプルＣのＱａが最も小さい。

図７（ａ）から図７（ｃ）は、シミュレーション１における歪、応力および弾性波エネルギー密度を示す図である。歪は厚さ縦振動の振幅に相当する。応力はフォン－ミーゼス応力に相当する。弾性波エネルギー密度は厚さ縦振動によるエネルギー密度である。縦軸は下部電極１２に下面を０とした積層方向の座標を示す。座標が０から０．２５μｍの範囲は下部電極１２に対応し、座標が０．２５μｍから１．５５μｍの範囲は圧電膜１４に対応し、座標が１．５５μｍから１．８μｍの範囲は上部電極１６に対応する。

図７（ａ）から図７（ｃ）に示すように、歪、応力および弾性波エネルギー密度とも圧電膜１４では、下部電極１２および上部電極１６より大きい。圧電膜１４内では、圧電膜１４の厚さ方向の中央に相当する座標が０．９μｍにおいて、歪、応力および弾性波エネルギー密度が最も大きくなる。座標が０．９μｍから大きくなるまたは小さくなると歪、応力および弾性波エネルギー密度は小さくなる。損失を抑制しＱ値を向上させるためには、弾性波エネルギー密度の大きい領域においてマテリアルＱを大きくすることが有効である。サンプルでは圧電膜１４の中央付近の領域１３ｃおよび１３ｄのマテリアルＱが大きい。このため、サンプルＢにおいてＱａが高くなったと考えられる。

特許文献１および２のように、圧電膜１４である窒化アルミニウム膜にＡｌサイトに置換する不純物元素を添加すると、圧電性が向上しＱ値が向上する。しかしながら電気機械結合係数が低下する。このように、圧電膜１４の圧電性と電気機械結合係数はトレードオフの関係である。圧電膜１４の圧電性と電気機械結合係数をともに向上させるためには、圧電膜１４の膜質を改善し、弾性波の損失を低減することが求められる。

圧電膜１４をスパッタリング法または真空蒸着法等を用い成膜すると多結晶膜となる。多結晶膜では粒界においてすべり等により弾性波の損失を生じうる。そこで、圧電膜１４をＭＯＣＶＤ（Metal Organic CVD）法等を用いエピタキシャル成長することで、圧電膜１４を単結晶に近い膜とすることができる。これにより、圧電膜１４内の粒界はほぼなくなり、弾性波の損失が低減する。しかしながら、ＭＯＣＶＤ装置は高価である。また、ＭＯＣＶＤ法を用い圧電膜１４を成膜しようとすると成膜温度が高くなる。このため、既存のプロセスを大幅に見直すことになる。

図８（ａ）および図８（ｂ）は、実施例１に係る圧電膜の断面模式図である。図８（ａ）に示すように、実施例１によれば、圧電膜１４は、圧電材料を含む複数の結晶粒を含み、厚さ方向の領域１５ｂ（中央領域）における平均結晶粒径は、厚さ方向における領域１５ｂの両側の領域１５ａおよび１５ｃにおける平均結晶粒径より大きい。これにより、歪、応力および弾性波エネルギー密度の最も大きい領域１５ｂにおけるマテリアルＱを大きくできる。このため、損失が低減し圧電性（Ｑ値）を向上させることができる。また、圧電膜１４に添加する不純物を少なくできるため、電気機械結合係数の低下を抑制できる。

領域１５ａから１５ｃにおける平均結晶粒径の求め方の例を説明する。領域１５ａから１５ｃの厚さをそれぞれＴａからＴｃとする。ＴａからＴｃが各々圧電膜１４の厚さＴの１／３となるようにする。すなわち、圧電膜１４を領域１５ａから１５ｃに等分割する。各領域１５ａから１５ｃの厚さ方向の中心位置におけるそれぞれＡ－Ａ断面、Ｂ－Ｂ断面およびＣ－Ｃ断面を観察する。なお、領域１５ａから１５ｃの厚さおよび各領域１５ａから１５ｃの中心位置は圧電膜１４の厚さＴの５％程度の誤差は許容できる。

Ａ－Ａ断面、Ｂ－Ｂ断面およびＣ－Ｃ断面を例えばＴＥＭ画像を観察する。ＴＥＭ画像の回折コントラストを用いると結晶粒が観察しやすく、画像上で結晶粒を画定しやすくなる。結晶粒が画定できないものはサンプリングせず、結晶粒が画定できたものをサンプリングする。例えば５００ｎｍ×５００ｎｍのＴＥＭ画像から結晶粒をサンプリングする。結晶粒のサンプリング数は６０個以上が好ましい。結晶粒のサンプリング数が６０個未満の場合はＴＥＭ画像を増やす。

サンプリングした結晶粒の面積を測定する。測定した結晶粒の面積を円相当の径に換算する。結晶粒の面積がＳのとき、結晶粒径Ｒは２×√（Ｓ／π）である。結晶粒径Ｒを平均すると平均結晶粒径となる。

図２（ｂ）において説明した平均結晶粒径の一例を用い結晶粒のサンプル数に対する平均結晶粒径の標準誤差を算出した。図９は、サンプル数に対する標準誤差を示す図である。白丸は圧電膜１４の表面から０．０８μｍでの標準誤差σ／√Ｎの算出結果、黒丸はシリコン基板の上面から０．０８μｍでの標準誤差σ／√Ｎの算出結果である。図９に示すように、サンプル数Ｎが大きくなると標準誤差は小さくなり、平均結晶粒径の精度が高くなる。サンプル数が６０個以上では標準誤差は２ｎｍ以下であり、平均結晶粒径の比較が十分可能である。

図８（ｂ）に示すように、圧電膜１４が下部圧電膜１４ａと上部圧電膜１４ｂを含む場合、領域１５ｂにおける平均結晶粒界はＢ－Ｂ断面およびＢ´－Ｂ´断面において求めてもよい。Ｂ－Ｂ断面は領域１５ｂ内の下部圧電膜１４ａの厚さ方向の中心位置であり、Ｂ´－Ｂ´断面は領域１５ｂ内の上部圧電膜１４ｂの厚さ方向の中心位置である。中心位置は圧電膜１４の厚さＴの５％程度の誤差は許容できる。

領域１５ｂにおける平均結晶粒径は、両側の領域１５ａおよび１５ｃにおける平均結晶粒径の１．５倍以上であることが好ましく、２倍以上がより好ましく、２．５倍以上がさらに好ましい。

圧電膜１４は、厚さ方向に積層された下部圧電膜１４ａ（第１圧電膜）および上部圧電膜１４ｂ（第２圧電膜）を備え、下部圧電膜１４ａと上部圧電膜１４ｂとの界面（接合面１５）において複数の結晶粒は連続せず、領域１５ｂは界面を含む。例えば圧電膜１４内に挿入膜２８を形成する場合、圧電膜１４を２回に分けて成膜する。この場合には、圧電膜１４を１回で厚く成膜できないため、結晶粒が小さくなる。上部圧電膜１４ｂを下部圧電膜１４ａ上に形成すると、表１のサンプルＡのようにＱ値が低下する。そこで、領域１５ｂ内の下部圧電膜１４ａの平均結晶粒径と領域１５ｂ内の上部圧電膜１４ｂの平均結晶粒径とは、領域１５ａおよび１５ｃにおける平均結晶粒径より大きい。これにより、圧電膜１４の圧電性を高くすることができる。

図２（ｂ）のように、基板１０（第１基板）上に、成長するにしたがい結晶粒径が大きくなるように下部圧電膜１４ａ（第１圧電膜）を形成する。図３（ａ）のように、基板３２（第２基板）上に、成長するにしたがい結晶粒径が大きくなりかつ成長面が下部圧電膜１４ａの成長面と反対の分極面となるように上部圧電膜１４ｂ（第２圧電膜９を形成する。図３（ｂ）のように、下部圧電膜１４ａの基板１０と反対の表面と、上部圧電膜１４ｂの基板３２と反対の表面と、を接合させる。これにより、領域１５ａおよび１５ｂにおける平均結晶粒径は、圧電膜１４の厚さ方向の両表面から界面（接合面１５）に行くに従い大きくなる。よって、圧電膜１４の圧電性をより高くすることができる。また、下部圧電膜１４ａと上部圧電膜１４ｂとの誘電分極の極性が同じとなるため、厚み縦振動の奇数モード（例えば１次モード）により共振する圧電薄膜共振器となる。

複数の結晶粒が柱状構造を有する場合、領域１５ｂにおける厚さ方向から見た平均結晶粒径は、領域１５ａおよび１５ｃにおける厚さ方向から見た平均結晶粒径より大きい。柱状構造では粒界における結晶粒間の結合が弱いため、粒界における弾性波の損失が大きくなりやすい。そこで、領域１５ｂの平均結晶粒径を領域１５ａおよび１５ｃの平均結晶粒径より大きくする。これにより、圧電膜１４の圧電性をより高くすることができる。なお、結晶粒が柱状構造を有しない場合には、領域１５ａから１５ｃにおける平均結晶粒径を圧電膜１４の平面方向から見た平均結晶粒径で比較してもよい。

圧電材料が窒化アルミニウムのとき、圧電膜１４は、スカンジウム、または、カルシウム、マグネシウム、ストロンチウムおよび亜鉛の少なくとも１つの元素とチタン、ジルコニウム、ハフニウム、ニオブ、バナジウムおよびタンタルの少なくとも１つの元素とを含む。これらの元素は主にアルミニウムと置き換わる。これにより、圧電膜１４の圧電性をより高めることができる。

圧電薄膜共振器では、圧電膜１４は基板１０上に設けられている。下部電極１２（第１電極）および上部電極１６（第２電極）は、圧電膜１４の少なくとも一部を厚さ方向に挟み対向し、それぞれ領域１５ａおよび１５ｃと接する。このような共振器では、図７（ａ）から図７（ｃ）のように、圧電膜１４の領域１５ｂにおける歪、応力および弾性波エネルギー密度が大きい。そこで、領域１５ｂ内の下部圧電膜１４ａの平均結晶粒径と領域１５ｂ内の上部圧電膜１４ｂの平均結晶粒径とを大きくする。これにより、圧電薄膜共振器のＱ値を向上できる。

[実施例１の変形例１]
図１０（ａ）は、実施例１の変形例１に係る圧電薄膜共振器の断面図である。図１０（ａ）に示すように、圧電膜１４内に挿入膜は設けられていない。その他の構成は実施例１と同じであり説明を省略する。実施例１の変形例１のように、挿入膜２８は設けられていなくてもよい。

［実施例１の変形例２］
図１０（ｂ）は、実施例１の変形例２に係る圧電薄膜共振器の断面図である。図１０（ｂ）に示すように、基板１０の上面に窪みが形成されている。下部電極１２は、基板１０上に平坦に形成されている。これにより、空隙３０が、基板１０の窪みに形成されている。空隙３０は共振領域５０を含むように形成されている。その他の構成は、実施例１と同じであり説明を省略する。空隙３０は、基板１０を貫通するように形成されていてもよい。

［実施例１の変形例３］
図１０（ｃ）は、実施例１の変形例３に係る圧電薄膜共振器の断面図である。図１０（ｃ）に示すように、共振領域５０の下部電極１２下に音響反射膜３１が形成されている。音響反射膜３１は、音響インピーダンスの低い膜３１ａと音響インピーダンスの高い膜３１ｂとが交互に設けられている。膜３１ａおよび３１ｂの膜厚は例えばそれぞれほぼλ／４（λは弾性波の波長）である。膜３１ａと膜３１ｂの積層数は任意に設定できる。音響反射膜３１は、音響特性の異なる少なくとも２種類の層が間隔をあけて積層されていればよい。また、基板１０が音響反射膜３１の音響特性の異なる少なくとも２種類の層のうちの１層であってもよい。例えば、音響反射膜３１は、基板１０中に音響インピーダンスの異なる膜が一層設けられている構成でもよい。その他の構成は、実施例１と同じであり説明を省略する。

実施例１およびその変形例１および２のように、圧電薄膜共振器は、共振領域５０において空隙３０が基板１０と下部電極１２との間に形成されているＦＢＡＲ（Film Bulk Acoustic Resonator）でもよい。また、実施例１の変形例２のように、圧電薄膜共振器は、共振領域５０において下部電極１２下に圧電膜１４を伝搬する弾性波を反射する音響反射膜３１を備えるＳＭＲ（Solidly Mounted Resonator）でもよい。音響反射層は、空隙３０または音響反射膜３１を含めばよい。

実施例１およびその変形例２および３において、挿入膜２８が共振領域５０の外周領域５２に設けられているが、挿入膜２８は共振領域５０の中央領域５４を囲むように外周領域５２の少なくとも一部に設けられていればよい。挿入膜２８は共振領域５０の外側に設けられてなくてもよい。挿入膜２８は、共振領域５０内の少なくとも一部に設けられていればよい。共振領域５０の平面形状として楕円形状を例に説明したが、四角形状または五角形状等の多角形状でもよい。

実施例１およびその変形例では、圧電膜を用いる弾性波デバイスとして圧電薄膜共振器を例に説明したが、圧電膜を伝搬する弾性波を励振する電極を有する弾性波デバイスでもよい。例えば、圧電膜上に櫛型電極が設けられたラム波を利用する共振器でもよい。このような共振器では、基板１０と、基板１０上に設けられた圧電膜１４と、圧電膜１４の少なくとも一部を厚さ方向に挟み対向する下部電極１２および上部電極１６と、を備える。

また、圧電膜１４は、圧電デバイスに用いてもよい。圧電膜１４を用いることのできる圧電デバイスは、弾性波デバイス以外に例えばアクチュエータおよびセンサ等である。アクチュエータとしては、例えばインクジェットを用いたマイクロポンプ、ＲＦ（Radio Frequency）－ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）、および光ミラーである。センサは、例えば加速度センサ、ジャイロセンサ、およびエナジーハーベストセンサである。

実施例２は、実施例１およびその変形例の圧電薄膜共振器を用いたフィルタおよびデュプレクサの例である。図１１（ａ）は、実施例２に係るフィルタの回路図である。図１１（ａ）に示すように、入力端子Ｔ１と出力端子Ｔ２との間に、１または複数の直列共振器Ｓ１からＳ４が直列に接続されている。入力端子Ｔ１と出力端子Ｔ２との間に、１または複数の並列共振器Ｐ１からＰ４が並列に接続されている。１または複数の直列共振器Ｓ１からＳ４および１または複数の並列共振器Ｐ１からＰ４の少なくとも１つの共振器に実施例１およびその変形例の圧電薄膜共振器を用いることができる。ラダー型フィルタの共振器の個数等は適宜設定できる。

図１１（ｂ）は、実施例２の変形例１に係るデュプレクサの回路図である。図１１（ｂ）に示すように、共通端子Ａｎｔと送信端子Ｔｘとの間に送信フィルタ４０が接続されている。共通端子Ａｎｔと受信端子Ｒｘとの間に受信フィルタ４２が接続されている。送信フィルタ４０は、送信端子Ｔｘから入力された信号のうち送信帯域の信号を送信信号として共通端子Ａｎｔに通過させ、他の周波数の信号を抑圧する。受信フィルタ４２は、共通端子Ａｎｔから入力された信号のうち受信帯域の信号を受信信号として受信端子Ｒｘに通過させ、他の周波数の信号を抑圧する。送信フィルタ４０および受信フィルタ４２の少なくとも一方を実施例２のフィルタとすることができる。

マルチプレクサとしてデュプレクサを例に説明したがトリプレクサまたはクワッドプレクサでもよい。

以上、本発明の実施例について詳述したが、本発明はかかる特定の実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。

１０ 基板
１２ 下部電極
１３ａ－１３ｆ、１５ａ－１５ｃ 領域
１４ 圧電膜
１４ａ 下部圧電膜
１４ｂ 上部圧電膜
１５ 接合面
１６ 上部電極
４４ 結晶粒
４５ 粒界
４０ 送信フィルタ
４２ 受信フィルタ

Claims (11)

1. 圧電材料を含む複数の結晶粒を含み、厚さ方向の中央領域における平均結晶粒径は、前記厚さ方向における前記中央領域の両側の領域における平均結晶粒径より大きい圧電膜であって、
   前記圧電膜の厚さ方向に積層された第１圧電膜および第２圧電膜を備え、
   前記第１圧電膜と前記第２圧電膜との界面において前記複数の結晶粒は連続せず、
   前記中央領域は前記界面を含み、
   前記中央領域内の前記第１圧電膜の平均結晶粒径と前記中央領域内の前記第２圧電膜の平均結晶粒径とは、前記両側の領域における平均結晶粒径より大きい圧電膜。
2. 前記中央領域における平均結晶粒径は、前記両側の領域における平均結晶粒径の１．５倍以上である請求項１に記載の圧電膜。
3. 前記第１圧電膜および前記第２圧電膜における平均結晶粒径は、前記第１圧電膜および前記第２圧電膜の前記界面の反対の面から前記界面に行くに従い大きくなる請求項１または２に記載の圧電膜。
4. 前記複数の結晶粒は柱状構造を有し、
   前記厚さ方向の中央領域における前記厚さ方向から見た平均結晶粒径は、前記厚さ方向における前記両側の領域における前記厚さ方向から見た平均結晶粒径より大きい請求項１から３のいずれか一項に記載の圧電膜。
5. 前記圧電材料は窒化アルミニウムである請求項１から４のいずれか一項に記載の圧電膜。
6. 基板と、
   前記基板上に設けられた請求項１から５のいずれか一項に記載の圧電膜と、
   前記圧電膜の少なくとも一部を前記厚さ方向に挟み対向し、それぞれ前記両側の領域と接する第１電極および第２電極と、
   を備える圧電デバイス。
7. 基板と、
   前記基板上に設けられた請求項１から５のいずれか一項に記載の圧電膜と、
   前記圧電膜の少なくとも一部を前記厚さ方向に挟み対向し、それぞれ前記両側の領域と接する第１電極および第２電極と、
   を備える共振器。
8. 基板と、
   前記基板上に設けられた請求項１から５のいずれか一項に記載の圧電膜と、
   前記圧電膜の少なくとも一部を前記厚さ方向に挟み対向し、それぞれ前記両側の領域と接する第１電極および第２電極と、
   前記第１圧電膜と前記第２圧電膜との間に設けられた挿入膜と、
   を備える共振器。
9. 請求項７または８に記載の共振器を含むフィルタ。
10. 請求項９に記載のフィルタを含むマルチプレクサ。
11. 第１基板上に、成長するにしたがい結晶粒径が大きくなるように第１圧電膜を形成する工程と、
    第２基板上に、成長するにしたがい結晶粒径が大きくなりかつ成長面が前記第１圧電膜の成長面と反対の分極面となるように第２圧電膜を形成する工程と、
    前記第１圧電膜の前記第１基板と反対の表面と、前記第２圧電膜の前記第２基板と反対の表面と、を接合させる工程と、
    を含む圧電膜の製造方法。

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