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JPH0555854A - 表面弾性波素子 - Google Patents

表面弾性波素子

Info

Publication number
JPH0555854A
JPH0555854A JP21503591A JP21503591A JPH0555854A JP H0555854 A JPH0555854 A JP H0555854A JP 21503591 A JP21503591 A JP 21503591A JP 21503591 A JP21503591 A JP 21503591A JP H0555854 A JPH0555854 A JP H0555854A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
film
acoustic wave
surface acoustic
sputtering method
zno
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
JP21503591A
Other languages
English (en)
Inventor
Hideaki Nakahata
英章 中幡
Akihiro Yagou
昭広 八郷
Naoharu Fujimori
直治 藤森
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Sumitomo Electric Industries Ltd
Original Assignee
Sumitomo Electric Industries Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Sumitomo Electric Industries Ltd filed Critical Sumitomo Electric Industries Ltd
Priority to JP21503591A priority Critical patent/JPH0555854A/ja
Publication of JPH0555854A publication Critical patent/JPH0555854A/ja
Pending legal-status Critical Current

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  • Surface Acoustic Wave Elements And Circuit Networks Thereof (AREA)

Abstract

(57)【要約】 【目的】 GHzの周波数帯において、挿入損失が小さ
い表面弾性波素子を提供する。 【構成】 ECRスパッタリング法により形成した圧電
体層を、ダイヤモンド膜の上に設けた表面弾性波素子で
ある。 【効果】 圧電体層の表面平坦性がよく、不純物が少な
いため、高周波帯で挿入損失が少ない。したがって、数
100MHzからGHz帯で特性の優れた周波数フィル
ター、共振子、遅延線、コンボルバー、コリレーター等
が実現できる。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は高周波域で使用される表
面弾性波素子に関するものである。
【0002】
【従来の技術】固体の表面にエネルギーが集中して伝搬
する表面弾性波を利用した表面弾性波素子は、小型で性
能の安定な物を作れることからTV受信機の中間周波フ
ィルター等として用いられている。この表面弾性波は通
常、圧電体上の櫛型電極に交流電界を印加することで励
起される。圧電体材料としては、水晶、LiNbO、L
iTaO等のバルク単結晶やZnO薄膜を基板上に気相
成長させたものなどが用いられている。
【0003】一般に、表面弾性波素子の動作周波数fは
f=v/λ{v:表面弾性波の伝搬速度}で決定され
る。λは図3に示した様に櫛型電極の周期で決定され
る。vの値は単結晶圧電体のLiNbOを用いた場合に
は3500〜4000m/s、LiTaOでは3300
〜3400m/s程度であり、ZnOの圧電体薄膜をガ
ラス基板上に成長させたものでは最大3000m/s程
度である。
【0004】fを大きくするにはvを大きくするかλを
小さくすればよいが、vの値は上述のように材料特性に
より制限され、また微細加工技術の限界(フォトリソグ
ラフィー技術では0.8μmまで、電子ビーム露光技術
を使用すればサブミクロンの加工が可能であるが線幅が
小さくなるほど歩留りは悪くなる)のため櫛型電極の周
期サイズには下限がある。このような理由から現在実用
化されている表面弾性波素子の動作周波数は900MH
zまでである。
【0005】一方、衛星通信や移動体通信等の通信の高
周波化が進むに伴ってより高周波(GHz帯)で利用で
きる表面弾性波素子が必要とされており、開発が進めら
れている。一般に、基板上に成長させた圧電体薄膜を使
用した表面弾性波素子の場合には、基板材料の音速が圧
電体のそれよりも大きい時には複数の表面弾性波(vの
小さい方から0次モード、1次モード、2次モード、・
・・)が励起され、また基板材料の音速が大きいほどv
の値は大きくなる。
【0006】そこで、音速の大きいサファイヤ(横波の
速度=6000m/s、縦波の速度=12000m/
s)を基板上にZnO圧電体薄膜を成長させた構造でv
=5500m/sを有する素子が試作されている。(特
開昭50-154088等)また、ダイヤモンドは物質中最高の
音速を有しており(横波の速度=13000m/s、縦
波の速度=16000m/s)これを基材に用いれば1
0000m/s以上のvを実現でき開発が進んでいる。
ダイヤモンド状炭素膜もダイヤモンドと同等の音速を有
しておりこれを基材に用いても同様に大きいvを実現で
きる。
【0007】このようなダイヤモンドと圧電体の積層構
造は特開平01-20714、特開平01-62911などに示されてい
る。この構造の表面弾性波素子においては、圧電体の性
質が素子の特性に大きく影響する。具体的には、たとえ
ばダイヤモンド上に圧電体材料であるZnO膜を形成し
て利用する場合には従来通常高周波スパッタリング法に
より形成したc軸配向多結晶膜を応用するが、このc軸
配向ZnO膜のc軸配向性、粒径、表面平坦性、抵抗
率、膜のダイヤモンド基板への密着性、等が表面弾性波
の励起効率や波の伝搬損失に影響する。
【0008】たとえばc軸配向性が不十分であるとZn
O膜の圧電性が不十分になり表面弾性波が励起されなく
なってしまう。通常膜のX線ロッキングカーブ分析によ
るσ値が5度以内の配向性がないと実用にはならずこの
値は小さいほど好ましい。RFスパッタリング法でダイ
ヤモンド基板上にZnO膜を形成する場合にはこの値は
通常2〜3度である。
【0009】膜の粒径は小さいほど表面平坦性は良好
で、表面が平坦なほど表面弾性波の伝搬損失は小さく抑
えられる。伝搬損失が大きくなりすぎると素子での損失
が大きくなることになり実用できなくなる。つまり膜の
表面は平坦であることが望まれる。RFスパッタリング
法によるダイヤモンド基板上のZnO膜でσ値が2〜3
度程度のものは膜厚が1μmで粒径が50nm程度にな
りこれに対応して数10nm程度の表面凹凸がある。
【0010】圧電体膜で表面弾性波を励起するためには
膜は高抵抗である必要がある。RFスパッタリングによ
るZnO膜はZnとOのストイキオメトリが1:1にな
りにくい性質があり、Znが過剰になるためn型半導体
になり導電性を持つ性質がある。これを高抵抗な膜にす
るために通常スパッタリングの際にZnOにLiをドー
ピングすることで電荷を補償し膜の高抵抗化を図って実
用している。このRFスパッタリングによるLiドープ
されたc軸配向ZnO膜の抵抗率は通常106Ω・cm
程度に制御することができる。
【0011】
【発明が解決しようとする課題】前述のように従来のR
Fスパッタリング法によると、ダイヤモンド基板上にc
軸配向ZnO多結晶膜を形成した場合、膜厚1μmで粒
径が50nm程度と大きく、また高抵抗化する必要から
Li不純物をドーピングしている。このような結晶の不
完全性があることから、表面弾性波の伝搬損失が大きく
なってしまう(1GHzで約70dB/cm)という問
題があった。このため素子の入出力間での挿入損失が大
きくなってしまい応用用途が制限されていた。このよう
な伝搬損失の問題は特に素子の応用周波数が高くなって
くるほど大きな問題になっていた。
【0012】
【課題を解決するための手段】本発明の表面弾性波素子
は、ダイヤモンドと圧電体層と電極を積層してなる表面
弾性波素子においてECRスパッタリング法により圧電
体層を形成したことを特徴とする表面弾性波素子であ
る。従来のRFスパッタリング法に変わってECRスパ
ッタリング法によりダイヤモンド基板上にZnO膜を形
成したものを用いていることが特徴である。
【0013】
【作用】本発明者らはECRスパッタリング法によりダ
イヤモンド基板上へのZnO膜形成を試み、良好なc軸
配向性を有しているだけでなく、粒径が小さく(膜厚1
μmで粒径10nm)表面平坦性に優れており(表面凹
凸10nm以下)、さらに従来のRFスパッタリングと
異なりLiをドープしなくても106Ω・cm程度の高
抵抗を有するZnO膜を形成できることを見いだした。
そしてこのZnO膜とダイヤモンドの積層構造では表面
弾性波の伝搬損失を1GHzで20dB/cmと小さく
できることを見いだした。この結果従来のRFスパッタ
リングによるZnO膜を用いたものより挿入損失の小さ
い表面弾性波素子を作成できるに至った。
【0014】
【実施例】[実施例]図1に示した構造の表面弾性波フ
ィルターを作成した。Si基板1上にH2とCH4を原料
ガスとしてマイクロ波プラズマCVD法により多結晶ダ
イヤモンド膜2を形成し、表面研磨後、2対の(入力及
び出力用)Al櫛型電極3(線幅:2μm、交差幅:6
00μm、対数:50対、伝搬距離:500μm)を形
成した。この上にECRスパッタリング法により膜厚1
μmのZnO膜4を形成した。スパッタリング条件は、
基板温度:300℃、スパッタリングガス:酸素、ガス
圧力:7×10-2Pa、マイクロ波パワー:200W、
円筒ターゲット電圧:600V、ターゲット材料:金属
Znであった。
【0015】このZnO膜のc軸配向性はσ=1.0度
と良好で、また粒径は10nm、表面平坦性は数nm〜
10nmで、抵抗率は106Ω・cmであった。こうし
て作製した表面弾性波フィルターの周波数特性を測定し
たところ、1次モードの表面弾性波によるフィルターの
特性は中心周波数:1GHzのバンドパスフィルターの
特性を示し、中心周波数での挿入損失は10dBであっ
た。
【0016】[比較例]比較実験としてRFスパッタリ
ング法によりZnO膜を形成し、同様の構造を有する表
面弾性波フィルターを作製した。スパッタリング条件
は、RFパワー:150W、ガス:Ar50%酸素50
%、圧力:1.3Pa、基板温度300℃、ターゲット
材料:ZnO+1%Li2CO3のセラミックスであっ
た。このZnOのc軸配向性はσ=2.5度、粒径は5
0nm、表面平坦性は約30nm、抵抗率は106Ω・
cmであった。この表面弾性波フィルターの周波数特性
は、中心周波数1GHz、挿入損失は25dBであっ
た。
【0017】ECRスパッタリング法による膜成長にお
いて、実施例ではスパッタリングガスとして酸素を用い
たが、酸素の他にHe、Ne、Ar、Kr、Xe、およ
び窒素の中から選んだ1種あるいは2種以上の混合ガス
でも良好な結果を得ることが出来る。また、ターゲット
材料には実施例の金属Znの他にZnOターゲットも使
用できる。ECRスパッタリングの装置は、基本形の他
に磁界分布制御形、マイクロ波垂直入射形、電界ミラー
形などがあるが(例えば雑誌「電子材料」1990年3
月号、82ページ、著者小野俊郎、五十嵐賢)、いずれ
のものでも同様の結果が得られる。
【0018】圧電体材料についてはZnO以外に、例え
ばAlN、Pb(Zr、Ti)O3、(Pb、La)
(Zr、Ti)O3、LiTaO3、LiNbO3、Si
2、Ta25、Nb25、BeO、Li247、KN
bO3、ZnS、ZnSe、CdSを使用しても同様の
効果が得られる。また以上のことは図2に示したいずれ
の電極配置構造の場合にも同様に有効である。
【発明の効果】本発明によれば、GHz帯において挿入
損失が少ない表面弾性波素子が得られ、数100MHz
からGHz帯で特性の優れた周波数フィルター、共振
子、遅延線、コンボルバー、コリレーター等が実現でき
る。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の表面弾性波素子の断面構造を示す模式
図である。
【図2】表面弾性波素子の電極配置構造を示す模式平面
図である。
【符号の説明】
1:Si基板 2:ダイヤモンド層 3:櫛型電極 4:ZnO膜

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 ダイヤモンドと圧電体層と電極を積層し
    てなる表面弾性波素子においてECRスパッタリング法
    により圧電体層を形成したことを特徴とする表面弾性波
    素子。
JP21503591A 1991-08-27 1991-08-27 表面弾性波素子 Pending JPH0555854A (ja)

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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR100343949B1 (ko) * 2000-01-26 2002-07-24 한국과학기술연구원 상온에서 작동하는 자외선 수광, 발광소자용 ZnO박막의 제조 방법 및 그를 위한 장치
GB2382460A (en) * 2001-10-17 2003-05-28 Murata Manufacturing Co Forming a moisture-proof layer on a surface acoustic wave device

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