JP7441088B2 - 窒化アルミニウム膜、圧電デバイス、共振器、フィルタおよびマルチプレクサ - Google Patents
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Description
圧電膜14として、MgおよびHfを添加した窒化アルミニウム膜を用い、MgとHfの原子比率を変えた圧電薄膜共振器のサンプルA~Eを作製した。作製条件は以下である。
下部電極12の下層12a:膜厚が100nmのCr膜
下部電極12の上層12b:膜厚が210nmのRu膜
圧電膜14:膜厚が1150nmの窒化アルミニウム膜
挿入膜28:膜厚が150nmの酸化シリコン膜
上部電極16の下層16a:膜厚が230nmのRu膜
上部電極16の上層16b:膜厚が20nmのCr膜
周波数調整膜24:膜厚が50nmの酸化シリコン膜
質量負荷膜20:なし
シリコン基板に意図的に不純物を添加していない窒化アルミニウム膜を形成したサンプルを作製した。窒化アルミニウム膜の平面方向の断面をAFM(Atomic Force Microscope)分析およびsMIM(scanning Microwave Impedance Microscope)分析を行った。AFM分析では、断面の凹凸を観察でき、凹凸により結晶粒と粒界が観察できる。sMIM分析で得られるC強度は伝導に寄与するアクティブキャリア密度に相当する。
実験1において作製した圧電薄膜共振器と同じ条件で成膜した窒化アルミニウム膜をEDS(Energy Dispersive X-ray Spectrometry)分析とEPMA(Electron Probe Micro Analyzer)分析を行った。EDS分析は局所領域の面分析が可能である。一方、EPMA分析は面分析が難しい。EDS分析は、軽元素の特定X線が試料に吸収されやすいためN等の軽元素の定量値は実際の値より低くなる傾向がある。EPMA分析においても軽元素の特定X線は試料に吸収されやすい。しかし、吸収を前提とした定量計算法としてZAF法を用いること、および標準試料を用い補正を行うことで、軽元素における特定X線の吸収による定量性の低下を抑制できる。このように、EDS分析は定量性が低いが、EPMA分析は定量性が高い。
[ステップST1]
EPMA分析法を用い結晶粒50に対し十分に広い領域として直径が約100μmの領域の原子濃度を測定する。
EDS分析法を用い同じサンプルの線EDS分析を行なう。図6は、実験3におけるHAADF-STEM法を用いた窒化アルミニウムの断面の画像を示す図である。図6に示すように、HAADF-STEM(High-Angle Annular Dark-Field Scanning Transmission Electron Microscopy)法を用い結晶粒50と粒界52が観察できる。
EDS線分析の各測定点の元素濃度をEPMA分析法相当に換算する。各元素濃度につき、EPMA換算濃度として、[EPMA測定濃度]×([EDS各測定点の濃度]/[EDS全域の濃度])を算出した。図8(a)は、図7のMg濃度をEPMAに換算した濃度を示す図である。図8(a)に示すように、5つのピークが観察できる。
Mg(2族元素または12族元素)濃度に基づき、粒界54およびその近傍の粒界領域56と結晶粒50内部の結晶粒領域58に分離する。図8(b)は、図8(a)に基づく窒化アルミニウム膜の断面模式図である。図8(b)に示すように、シリコン基板10上に圧電膜14として窒化アルミニウム膜が積層されている。結晶粒50は柱状であり、結晶粒50の間が粒界52である。窒化アルミニウム膜の平面方向における断面51をEDS分析すると、粒界52が断面51に現れた個所がMg濃度のピークとなる。そこで、Mg濃度のピークの位置54a~54eを中心に片側幅Wの範囲を粒界52およびその近傍の粒界領域56とし、粒界領域56以外の領域を結晶粒50内部の結晶粒領域58と定義する。
粒界領域56における各元素のEPMA換算濃度の平均、および結晶粒領域58における各元素のEPMA換算濃度を平均を算出する。粒界領域56および結晶粒領域58におけるMg/Hf濃度を算出する。
図11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11に示すように、実施例1の変形例1では、挿入膜28が設けられていない。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2および3は、空隙の構成を変えた例である。図12(a)および図12(b)は、それぞれ実施例1の変形例2および3に係る圧電薄膜共振器の断面図である。図12(a)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60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。
図12(b)に示すように、共振領域60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30aと音響インピーダンスの高い膜30bとが交互に設けられている。膜30aおよび30bの膜厚は例えばそれぞれλ/4(λは弾性波の波長)である。膜30aと膜30b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。
12 下部電極
14 圧電膜
16 上部電極
Claims (13)
- 複数の結晶粒を有し、2族元素および12族元素の少なくとも一方の元素と4族元素とを含み、前記少なくとも一方の元素、前記4族元素、窒素、アルミニウム、及び希ガス元素以外の元素を含まず、結晶粒の粒界を含む幅が4nmの粒界領域における前記4族元素に対する前記2族元素および前記12族元素の少なくとも一方の元素の原子組成比は0.7以上1.5未満である窒化アルミニウム膜。
- 前記粒界領域における前記4族元素に対する前記2族元素および前記12族元素の少なくとも一方の元素の原子組成比は1.3以下である請求項1に記載の窒化アルミニウム膜。
- 前記粒界領域以外の領域における前記4族元素に対する前記2族元素および前記12族元素の少なくとも一方の元素の原子組成比は0.9未満である請求項1または2に記載の窒化アルミニウム膜。
- 前記4族元素は、チタン、ジルコニウムおよびハフニウムの少なくとも1つであり、前記2族元素および前記12族元素の少なくとも一方の元素は、マグネシウム、カルシウム、ストロンチウムおよび亜鉛の少なくとも1つである請求項1から3のいずれか一項に記載の窒化アルミニウム膜。
- 前記4族元素はハフニウムであり、前記2族元素および前記12族元素の少なくとも一方の元素はマグネシウムである請求項1から3のいずれか一項に記載の窒化アルミニウム膜。
- 複数の結晶粒を有し、2族元素および12族元素の少なくとも一方の元素と5族元素とを含み、前記少なくとも一方の元素、前記5族元素、窒素、アルミニウム、及び希ガス元素以外の元素を含まず、結晶粒の粒界を含む幅が4nmの粒界領域における前記5族元素に対する前記2族元素および前記12族元素の原子組成比は1.4以上3.0未満である窒化アルミニウム膜。
- 前記粒界領域における前記5族元素に対する前記2族元素および前記12族元素の少なくとも一方の元素の原子組成比は2.6以下である請求項6に記載の窒化アルミニウム膜。
- 前記粒界領域以外の領域における前記5族元素に対する前記2族元素および前記12族元素の少なくとも一方の元素の原子組成比は1.8未満である請求項6または7に記載の窒化アルミニウム膜。
- 前記5族元素は、バナジウム、ニオブおよびタンタルの少なくとも1つであり、前記2族元素および前記12族元素の少なくとも一方の元素は、マグネシウム、カルシウム、ストロンチウムおよび亜鉛の少なくとも1つである請求項6から8のいずれか一項に記載の窒化アルミニウム膜。
- 請求項1から9のいずれか一項に記載の窒化アルミニウム膜を備える圧電デバイス。
- 請求項1から9のいずれか一項に記載の窒化アルミニウム膜と、
前記窒化アルミニウム膜の少なくとも一部を膜厚方向に挟み平面視において重なるよう設けられた一対の電極と、を備える共振器。 - 請求項11に記載の共振器を備えるフィルタ。
- 請求項12に記載のフィルタを備えるマルチプレクサ。
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