弾性波デバイス
【課題】大きな電気機械結合定数を有する弾性波デバイスを提供すること。
【解決手段】本発明は、基板１０と、基板１０上に設けられた下部電極１２と、下部電極１２上に設けられ、ａ軸方向の格子定数とｃ軸方向の格子定数との比が１．６より小さい窒化アルミニウムからなる圧電薄膜１４と、圧電薄膜１４上に設けられ、圧電薄膜１４を挟んで下部電極１２と対向する上部電極１６と、を具備する弾性波デバイスである。本発明によれば、大きな電気機械結合定数を有する弾性波デバイスを提供することができる。
【解決手段】本発明は、基板１０と、基板１０上に設けられた下部電極１２と、下部電極１２上に設けられ、ａ軸方向の格子定数とｃ軸方向の格子定数との比が１．６より小さい窒化アルミニウムからなる圧電薄膜１４と、圧電薄膜１４上に設けられ、圧電薄膜１４を挟んで下部電極１２と対向する上部電極１６と、を具備する弾性波デバイスである。本発明によれば、大きな電気機械結合定数を有する弾性波デバイスを提供することができる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は弾性波デバイスに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、携帯電話等の通信機器が普及している。通信機器のフィルタ、デュプレクサ等として、弾性波を利用した弾性波デバイスが用いられることがある。弾性波デバイスの例として、弾性表面波（ＳＡＷ：Surface Acoustic Wave）を利用するデバイス、及び厚み振動波（ＢＡＷ：Bulk Acoustic Wave）を利用するデバイス等がある。圧電薄膜共振子はＢＡＷを利用するデバイスであり、ＦＢＡＲ（Film Bulk Acoustic Resonator）、ＳＭＲ（Solidly Mounted Resonator）等のタイプがある。またラム波（Lamb Wave）を利用するデバイスもある。圧電膜の電気機械結合定数が大きくなることで、弾性波デバイスの周波数特性が改善し、また広帯域化も可能となる。
【０００３】
特許文献１にはアルカリ土類金属及び希土類金属を含有する圧電薄膜を用いることで圧電薄膜共振子の特性を改善する技術が開示されている。特許文献２にはスカンジウムを含有する圧電薄膜を用いることで圧電薄膜共振子の特性を改善する技術が開示されている。非特許文献１には、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）からなる圧電薄膜の配向性を制御することで、圧電薄膜共振子の電気機械結合定数を改善する技術が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００２−３４４２７９号公報
【特許文献２】特開２００９−１０９２６号公報
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】アイイーイー・トランザクションズ オン ウルトラソニックス フェロエレクトロニクス アンド フリークェンシー コントロール 第４７巻 ２９２ページ ２０００年（IEEE TRANSACTIONS ON ULTRASONICS, FERROELECTRICS AND FREQUENCY CONTROL, vol.47, p.292, 2000）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、従来技術では十分に大きな電気機械結合を得られないことがある。本発明は上記課題に鑑み、大きな電気機械結合定数を有する弾性波デバイスを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、基板と、前記基板上に設けられた下部電極と、前記下部電極上に設けられ、ａ軸方向の格子定数とｃ軸方向の格子定数との比が１．６より小さい窒化アルミニウムからなる圧電膜と、前記圧電膜上に設けられ、前記圧電膜を挟んで前記下部電極と対向する上部電極と、を具備する弾性波デバイスである。本発明によれば、大きな電気機械結合定数を有する弾性波デバイスを提供することができる。
【０００８】
本発明は、基板と、前記基板上に設けられた下部電極と、前記下部電極上に設けられ、ｃ軸方向の格子定数が０．４９８ｎｍより小さい窒化アルミニウムからなる圧電膜と、前記圧電膜上に設けられ、前記圧電膜を挟んで前記下部電極と対向する上部電極と、を具備する弾性波デバイスである。本発明によれば、大きな電気機械結合定数を有する弾性波デバイスを提供することができる。
【０００９】
上記構成において、前記圧電膜の残留応力は引張応力である構成とすることができる。この構成によれば、格子定数の比又は／及び格子定数をバルク値より小さくすることができる。
【００１０】
上記構成において、前記圧電膜は無添加の窒化アルミニウムからなる構成とすることができる。この構成によれば、弾性波デバイスを低コスト化することができる。
【００１１】
上記構成において、前記圧電膜は第３元素が添加された窒化アルミニウムからなる構成とすることができる。この構成によれば、格子定数の比又は／及び格子定数をバルク値より小さくすることができる。
【００１２】
上記構成において、前記圧電膜はチタン、ジルコニウム及びハフニウムの少なくとも１つが添加された窒化アルミニウムからなる構成とすることができる。この構成によれば、格子定数の比又は／及び格子定数をバルク値より小さくすることができる。
【００１３】
上記構成において、前記第３元素は前記窒化アルミニウムのアルミサイトに配置されている構成とすることができる。この構成によれば、格子定数の比又は／及び格子定数をバルク値より小さくすることができる。
【００１４】
上記構成において、前記圧電膜には温度補償膜が挿入されている構成とすることができる。この構成によれば、弾性波デバイスの温度特性が安定する。
【００１５】
上記構成において、前記温度補償膜は酸化シリコンを含む構成とすることができる。この構成によれば、弾性波デバイスの温度特性が安定する。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、大きな電気機械結合定数を有する弾性波デバイスを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】図１（ａ）はＦＢＡＲを例示する平面図であり、図１（ｂ）はＦＢＡＲを例示する断面図である。
【図２】図２（ａ）は格子定数の比ｃ／ａの変化率と圧電定数の変化率との関係を示すグラフである。図２（ｂ）は格子定数の比ｃ／ａの変化率と電気機械結合定数の変化率との関係を示すグラフである。
【図３】図３は残留応力と格子定数の比ｃ／ａの変化率との関係を示すグラフである。
【図４】図４は圧電薄膜の組成を変えた場合における格子定数の比ｃ／ａの変化率と圧電定数の変化率との関係を示すグラフである。
【図５】図５（ａ）は図４から圧電薄膜の組成と格子定数の比の変化率とを抜き出したグラフである。図５（ｂ）は図４から圧電薄膜の組成と圧電定数の変化率とを抜き出したグラフである。
【図６】図６（ａ）から図６（ｃ）は実施例１に係るＦＢＡＲの製造方法を例示する断面図である。
【図７】図７（ａ）は圧電薄膜の残留応力を調整する例の模式図である。図７（ｂ）は実施例１の変形例に係るＦＢＡＲを例示する断面図である。
【図８】図８（ａ）及び図８（ｂ）は弾性波デバイスの別の例を例示する断面図である。
【図９】図９（ａ）及び図９（ｂ）は弾性波デバイスの別の例を例示する断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下では、弾性波デバイスの例としてＦＢＡＲについて説明する。まずＦＢＡＲの構成について説明する。図１（ａ）はＦＢＡＲを例示する平面図であり、図１（ｂ）はＦＢＡＲを例示する断面図であり、図１（ａ）のＡ−Ａに沿った断面を図示している。
【００１９】
図１（ａ）及び図１（ｂ）に示すように、ＦＢＡＲ１００は基板１０、下部電極１２、圧電薄膜１４、及び上部電極１６を備える。下部電極１２は基板１０の上に設けられている。基板１０と下部電極１２との間には、ドーム状の空隙１８が形成されている。言い換えれば、空隙１８の中央部においては基板１０と下部電極１２との距離が大きく、空隙１８の周辺部においては基板１０と下部電極１２との距離が小さい。下部電極１２は空隙１８に露出している。圧電薄膜１４は下部電極１２の上に設けられている。上部電極１６は圧電薄膜１４の上に設けられている。言い換えれば、下部電極１２と上部電極１６とは圧電薄膜１４を挟む。下部電極１２、圧電薄膜１４及び上部電極１６が重なり共振領域１１が形成される。共振領域１１において励振された弾性波は厚さ方向（図１（ｂ）の縦方向）に振動し、かつ面方向（図１（ｂ）の横方向）に進行する。圧電薄膜１４の開口部から露出する下部電極１２の一部は、電気信号を取り出すための端子部として機能する。下部電極１２には、空隙１８と連結する導入路１３が設けられている。導入路１３の先端には穴部１５が形成されている。導入路１３及び穴部１５は、空隙１８を形成する工程において使用される。
【００２０】
基板１０は例えばシリコン（Ｓｉ）、ガラス、ガリウム砒素（ＧａＡｓ）等の絶縁体からなる。下部電極１２はルテニウム／クロム（Ｒｕ／Ｃｒ）、上部電極１６はＣｒ／Ｒｕの２層構造を有する。言い換えれば、下部電極１２及び上部電極１６はそれぞれ、圧電薄膜１４に近い方から順にＣｒ層及びＲｕ層を積層したものである。下部電極１２のＣｒ層の厚さは例えば１００ｎｍ、Ｒｕ層の厚さは例えば２５０ｎｍである。上部電極１６のＣｒ層の厚さは例えば２０ｎｍ、Ｒｕ層の厚さは例えば２５０ｎｍである。圧電薄膜１４は（００２）方向を主軸とする窒化アルミニウム（ＡｌＮ）からなる。言い換えれば、圧電薄膜１４は、ｃ軸が厚さ方向を向き、ａ軸が面方向を向くような配向性を有する。
【００２１】
圧電薄膜１４の電気機械結合定数ｋ３３２が高いほど、ＦＢＡＲ１００の特性は改善する。圧電薄膜１４を形成するＡｌＮの結晶構造が電気機械結合定数ｋ３３２に影響する。結晶構造と電気機械結合定数ｋ３３２との関係を検証するためにシミュレーション及び実験を行った。
【００２２】
シミュレーションは、計算手法として擬ポテンシャル法、計算のためのプログラムとしてＡＢＩＮＩＴを用いて、ＡｌＮの構造最適化を含む電子状態の第１原理計算を行ったものである。安定構造におけるＡｌＮの電子状態の計算によりｃ軸方向の格子定数ｃ、及びａ軸方向の格子定数ａと格子定数ｃとの比（格子定数の比）ｃ／ａを求めることができる。また安定構造のＡｌＮの結晶格子に歪みを加えることで、ｃ軸方向の圧電定数ｅ３３、弾性定数Ｃ３３及び誘電率ε３３を求めることができる。言い換えれば格子定数ｃ及びｃ／ａが変化した場合における圧電定数ｅ３３、弾性定数Ｃ３３及び誘電率ε３３を求めることができる。電気機械結合定数ｋ３３２と圧電定数ｅ３３、弾性定数Ｃ３３及び誘電率ε３３との間には次の関係が成立する。
【数１】
数１に基づき、格子定数ｃ及びｃ／ａが変化した場合における電気機械結合定数ｋ３３２の変化を求めることができる。なお、ＪＣＰＤＳ（Joint Committee on Powder Diffraction Standards）カードチャートによれば、結晶格子に歪がない場合における格子定数ｃは０．４９８ｎｍ、格子定数の比ｃ／ａは１．６である。つまり格子定数ｃのバルク値は０．４９８ｎｍ、格子定数の比ｃ／ａのバルク値は１．６である。
【００２３】
図２（ａ）は格子定数の比ｃ／ａの変化率と圧電定数の変化率との関係を示すグラフである。横軸は格子定数の比ｃ／ａの変化率、縦軸は圧電定数ｅ３３の変化率をそれぞれ表す。格子定数の比ｃ／ａの変化率とはバルク値である１．６を基準とした変化率である。圧電定数ｅ３３の変化率とは、結晶格子に歪みを加えていない場合の圧電定数ｅ３３を基準とした変化率である。図２（ａ）に示すように、ｃ／ａの変化率が負である場合、圧電定数ｅ３３の変化率は正となる。ｃ／ａの変化率が正である場合、圧電定数ｅ３３の変化率は負となる。言い換えれば、ｃ／ａがバルク値である１．６より小さくなることで、圧電定数ｅ３３は大きくなる。上記の数１から明らかなように、圧電定数ｅ３３が大きくなることにより、電気機械結合定数ｋ３３２も大きくなる。ｃ／ａの変化率が負となるのは、例えば格子定数ｃがバルク値である０．４９８ｎｍより大きくなる場合である。
【００２４】
図２（ｂ）は格子定数の比ｃ／ａの変化率と電気機械結合定数の変化率との関係を示すグラフである。横軸は格子定数の比ｃ／ａの変化率、縦軸は電気機械結合定数ｋ３３２の変化率をそれぞれ表す。電気機械結合定数ｋ３３２の変化率とは、結晶格子に歪みを加えていない場合の電気機械結合定数ｋ３３２を基準とした変化率である。図２（ｂ）に示すように、ｃ／ａの変化率が負の場合、電気機械結合定数ｋ３３２の変化率は正となる。ｃ／ａの変化率が正である場合、電気機械結合定数ｋ３３２の変化率は負となる。言い換えれば、ｃ／ａがバルク値である１．６より小さくなることにより、電気機械結合定数ｋ３３２は大きくなる。
【００２５】
格子定数ｃ及び格子定数の比ｃ／ａを小さくするための方法について説明する。まず残留応力と格子定数との関係を検証した実験について説明する。圧電薄膜１４の成膜条件を変更した複数のサンプルにおいて、残留応力と格子定数の比ｃ／ａとを測定した。圧電薄膜１４は厚さ１２００ｎｍのＡｌＮからなる。図３は残留応力と格子定数の比ｃ／ａの変化率との関係を示すグラフである。横軸は圧電薄膜１４に残留する残留応力、縦軸は格子定数の比ｃ／ａの変化率をそれぞれ表す。残留応力が引張応力である場合、残留応力は正の値をとる。残留応力が圧縮応力である場合、残留応力は負の値をとる。圧縮応力とは図１（ｂ）における圧電薄膜１４の上面を狭くする方向の応力である。引張応力とは圧電薄膜１４の上面を広げる方向の応力である。
【００２６】
図３に示すように、残留応力が負の場合、ｃ／ａは大きくなる。残留応力が正の場合、ｃ／ａは小さくなる。言い換えれば残留応力が引張応力である場合、ｃ／ａの変化率は負となり、ｃ／ａはバルク値より小さくなる。この結果、図２（ａ）及び図２（ｂ）に示したように圧電定数ｅ３３及び電気機械結合定数ｋ３３２を大きくすることができる。
【００２７】
次に圧電薄膜１４の組成と格子定数との関係を検証したシミュレーションについて説明する。圧電薄膜１４を形成するＡｌＮに、Ａｌ及びＮ以外の元素である第３元素をドープし、アルミサイトの一部を第３元素で置換した例を考える。第３元素がドープされたＡｌＮをドープＡｌＮとし、第３元素がドープされていないＡｌＮをノンドープＡｌＮとする。ドープＡｌＮの電子状態の第１原理計算を行うことで、ドープＡｌＮの安定構造を求めることができる。言い換えればドープＡｌＮにおける格子定数の比ｃ／ａを求めることができる。また、安定構造のドープＡｌＮの結晶格子に歪みを加えることで、圧電定数ｅ３３、弾性定数Ｃ３３及び誘電率ε３３を求めることができる。ドープＡｌＮの第３元素の含有率は１２．５原子％とした。
【００２８】
図４は圧電薄膜の組成を変えた場合における格子定数の比ｃ／ａの変化率と圧電定数の変化率との関係を示すグラフである。横軸は格子定数の比ｃ／ａの変化率、縦軸は圧電定数ｅ３３の変化率をそれぞれ表す。格子定数の比ｃ／ａの変化率とは、ノンドープＡｌＮにおけるｃ／ａを基準とした変化率である。圧電定数ｅ３３の変化率とは、ノンドープＡｌＮにおけるｅ３３を基準とした変化率である。黒塗りの丸は圧電薄膜１４がノンドープＡｌＮからなる例を表す。白抜きの四角は、圧電薄膜１４がジルコニウム（Ｚｒ）をドープされたＡｌＮからなる例を表す。黒塗りの四角は、圧電薄膜１４がハフニウム（Ｈｆ）をドープされたＡｌＮからなる例を表す。白抜きの丸は、圧電薄膜１４がチタン（Ｔｉ）をドープされたＡｌＮからなる例を表す。白塗りの三角は、圧電薄膜１４がガリウム（Ｇａ）をドープされたＡｌＮからなる例を表す。黒塗りの三角は、圧電薄膜１４がカルシウム（Ｃａ）をドープされたＡｌＮからなる例を表す。
【００２９】
図５（ａ）は図４から圧電薄膜の組成と格子定数の比の変化率とを抜き出したグラフである。横軸は圧電薄膜１４の組成を表す。図５（ａ）中のノンドープとは、圧電薄膜１４がノンドープＡｌＮからなることを表す。図５（ａ）中の元素名は、圧電薄膜１４が各元素をドープされたＡｌＮからなることを表す。縦軸は格子定数の比ｃ／ａの変化率を表す。図５（ｂ）は図４から圧電薄膜の組成と圧電定数の変化率とを抜き出したグラフである。横軸は圧電薄膜１４の組成を表す。縦軸は圧電定数ｅ３３の変化率を表す。
【００３０】
図４及び図５（ａ）に示すように、Ｇａ又はＣａがドープされた場合、ｃ／ａの変化率は正である。その一方、Ｚｒ、Ｈｆ又はＴｉがドープされた場合、ｃ／ａの変化率は負である。図４及び図５（ｂ）に示すように、Ｇａ又はＣａがドープされた場合、圧電定数ｅ３３の変化率は負である。その一方、Ｚｒ、Ｈｆ又はＴｉがドープされた場合、圧電定数ｅ３３の変化率は正である。特にＨｆ又はＴｉがドープされた場合、圧電定数ｅ３３の変化率は１０％を超える。Ｚｒ、Ｈｆ又はＴｉがドープされたドープＡｌＮを用いることで、圧電定数ｅ３３が大きくなり、電気機械結合定数ｋ３３２も大きくなる。
【００３１】
このように、圧電薄膜１４の残留応力が引張応力である、又は圧電薄膜１４がドープＡｌＮからなることにより、格子定数の比ｃ／ａは小さくなり、電気機械結合定数ｋ３３２は大きくなる。以上の知見に基づいた実施例について説明する。
【実施例１】
【００３２】
実施例１は圧電薄膜１４に引張応力が残留する例である。実施例１に係るＦＢＡＲの構成は、図１（ａ）及び図１（ｂ）に示したものと同じである。圧電薄膜１４（圧電膜）は、ノンドープ（無添加）のＡｌＮからなる。ノンドープとは、意図的に元素をドープしていないことを意味する。
【００３３】
次に実施例１に係るＦＢＡＲの製造方法について説明する。図６（ａ）から図６（ｃ）は実施例１に係るＦＢＡＲの製造方法を例示する断面図である。
【００３４】
図６（ａ）に示すように、例えばスパッタリング法または蒸着法を用い、基板１０上に犠牲層１７を形成する。犠牲層１７は例えば酸化マグネシウム（ＭｇＯ）からなり、空隙１８が形成される領域に設けられる。犠牲層１７の厚さは例えば２０ｎｍである。
【００３５】
図６（ｂ）に示すように、例えばスパッタリング法を用いて下部電極１２を形成する。スパッタリング法は、例えば０．６〜１．２Ｐａの圧力下、アルゴン（Ａｒ）ガス雰囲気中で行う。圧力及び雰囲気とは、スパッタリング装置内の圧力及び雰囲気である。成膜後、例えば露光技術及びエッチング技術等を用い、下部電極１２を所定の形状とする。図６（ｂ）中の右側に示すように、下部電極１２の一方の端部と犠牲層１７の一方の端部とは重なる。一方、図６（ｃ）中の左側に示すように、下部電極１２は基板１０の上面に延びる。
【００３６】
図６（ｃ）に示すように、例えばスパッタリング法を用いて、圧電薄膜１４を形成する。圧電薄膜１４は、膜厚が例えば４００ｎｍ、ｃ軸を主軸とするＡｌＮからなる。スパッタリング法は、例えば約０．３Ｐａの圧力下、アルゴン／窒素（Ａｒ／Ｎ２）混合ガス雰囲気中において行う。Ａｒ／Ｎ２混合ガス中のＡｒ流量比を増加させることにより圧電薄膜１４の応力は引張応力となり、Ａｒ流量比を減少させることにより圧電薄膜１４の応力は圧縮応力となる。実施例１ではＡｒ流量比を例えばＡｒ流量／（Ａｒ流量＋Ｎ２流量）＝０．２５に増加させることで、圧電薄膜１４の応力を引張応力とする。なお、Ａｒ流量比は装置に応じて変更してもよい。
【００３７】
例えばスパッタリング法を用いて、上部電極１６を形成する。スパッタリング法は、例えば０．６〜１．２Ｐａの圧力下、Ａｒガス雰囲気中で行う。例えば露光技術及びエッチング技術等を用い、上部電極１６及び圧電薄膜１４を所定の形状とする。下部電極１２、圧電薄膜１４、上部電極１６及び犠牲層１７が重なる領域が形成される。圧電薄膜１４に形成された開口部から下部電極１２が露出する。図１（ａ）に示した穴部１５及び導入路１３からエッチング液を導入し、犠牲層１７を除去する。下部電極１２、圧電薄膜１４、及び上部電極１６からなる複合膜の応力は圧縮応力である。このため、犠牲層１７のエッチングが完了した時点で、複合膜は膨れ上がり、下部電極１２と基板１０との間に複合膜側にドーム状形状を有する空隙１８が形成される。以上の工程により、実施例１に係るＦＢＡＲが形成される。
【００３８】
実施例１に係るＦＢＡＲは、基板１０と、基板１０上に設けられた下部電極１２と、下部電極１２上に設けられた圧電薄膜１４と、圧電薄膜１４を挟んで下部電極１２と対向する上部電極１６とを備える。圧電薄膜１４の残留応力は引張応力である。従って、図３に示したように格子定数の比ｃ／ａはバルク値である１．６より小さくなる。この結果、大きな圧電定数ｅ３３及び電気機械結合定数ｋ３３２を有するＦＢＡＲが形成される。
【００３９】
大きな電気機械結合定数ｋ３３２を得るためには、格子定数の比ｃ／ａがバルク値である１．６より小さくてもよいし、格子定数ｃがバルク値である０．４９８ｎｍより小さくてもよい。また、例えばｃ／ａは１．５、１．４、又は１．３のそれぞれより小さくすることができる。格子定数ｃは例えば０．４９５ｎｍ、０．４９ｎｍ、又は０．４８５ｎｍのそれぞれより小さくすることができる。格子定数の比ｃ／ａ及び格子定数ｃの一方をバルク値より小さくしてもよいし、両方をバルク値より小さくしてもよい。格子定数の比ｃ／ａは１．６以下でもよい。格子定数ｃは０．４９８ｎｍ以下でもよい。圧電薄膜１４は無添加のＡｌＮからなるため、圧電薄膜１４を形成する工程において添加物（ドーパント）の濃度を調整しなくてよい。このため工程を簡略化でき、圧電薄膜共振子が低コスト化する。また、添加物濃度の不均一に起因した弾性波デバイスの特性のバラつきを抑制することができるため、歩留まりを向上させることができる。
【００４０】
圧電薄膜１４の残留応力を引張応力とするために、例えば上部電極１６の残留応力を利用してもよい。図７（ａ）は圧電薄膜の残留応力を調整する例の模式図である。圧電薄膜共振子のうち圧電薄膜１４及び上部電極１６を抜き出して、かつハッチングを省略して図示したものである。図中の矢印は残留応力を表す。なお、図の簡略化のため、圧電薄膜１４と上部電極１６とは同程度の厚さとしている。
【００４１】
図７（ａ）に示すように、上部電極１６の残留応力は引張応力である。上部電極１６を圧電薄膜１４の上に設けることで、上部電極１６の残留応力が圧電薄膜１４に加わる。この結果、圧電薄膜１４の残留応力が引張応力となる。より効果的に残留応力を調整するためには、圧電薄膜１４と上部電極１６とが接触することが好ましい。Ａｒガス流量比の増加と上部電極１６の残留応力との両方を用いて、格子定数の比ｃ／ａ又は格子定数ｃをバルク値より小さくしてもよい。また付加膜を用いて残留応力を調整してもよい。付加膜を用いる例を実施例１の変形例とする。
【００４２】
図７（ｂ）は実施例１の変形例に係るＦＢＡＲを例示する断面図である。図１（ｂ）に示した構成と同じ構成については説明を省略する。実施例１の変形例に係るＦＢＡＲ１１０は付加膜３０を備える。付加膜３０は、上部電極１６上に設けられている。付加膜３０は例えば酸化シリコン（ＳｉＯ２）、窒化シリコン（ＳｉＮ）等の絶縁体から形成されてもよいし、金属から形成されてもよい。上部電極１６の残留応力と付加膜３０の残留応力とにより、圧電薄膜１４の残留応力を引張応力とすることができる。
【００４３】
下部電極１２及び上部電極１６は、二層構造としたが単層構造でもよいし、三層以上の構造でもよい。下部電極１２及び上部電極１６の材料として、アルミニウム（Ａｌ）、銅（Ｃｕ）、クロム（Ｃｒ）、モリブデン（Ｍｏ）、タングステン（Ｗ）、タンタル（Ｔａ）、白金（Ｐｔ）、ルテニウム（Ｒｕ）、ロジウム（Ｒｈ）、イリジウム（Ｉｒ）等の金属を用いることができる。下部電極１２は空隙１８に露出してもよいし、露出しなくてもよい。
【実施例２】
【００４４】
実施例２は圧電薄膜１４をドープＡｌＮにより形成する例である。実施例２に係るＦＢＡＲの構成は、圧電薄膜１４を形成するＡｌＮの組成を除いて図１（ａ）及び図１（ｂ）に示したものと同じである。圧電薄膜１４は第３元素がドープされたドープＡｌＮからなる。ドープされる第３元素は、Ｔｉ、Ｚｒ、及びＨｆ等である。ドープＡｌＮにおける第３元素の含有率は例えば１２．５原子％である。ドープされた第３元素は、ＡｌＮのアルミサイトに配置されている。言い換えれば、第３元素とＡｌとが置換されている。なお、第３元素の含有率は、目的とする格子定数の値に応じて変更可能である。
【００４５】
次に実施例２に係るＦＢＡＲの製造方法について説明する。図６（ａ）から図６（ｃ）に示した断面図は実施例２についても共通である。圧電薄膜１４を形成するためのスパッタリング法において、ＡｌターゲットとＴｉターゲット等の第３元素ターゲットとを使用する。これによりドープＡｌＮからなる圧電薄膜１４を形成する。また、予めＡｌターゲットに所望の濃度のＴｉをドープした合金したターゲットを使用することもできる。
【００４６】
実施例２に係るＦＢＡＲが備える圧電薄膜１４は第３元素が添加されたＡｌＮからなる。このため、格子定数の比ｃ／ａが小さくなり、かつ圧電定数ｅ３３が大きくなる。この結果、大きな電気機械結合定数ｋ３３２を有するＦＢＡＲが形成される。
【００４７】
第３元素として例えば遷移金属元素を用いることができる。図４から図５（ｂ）に示したように、大きな電気機械結合定数ｋ３３２を得るためには、第３元素としてＴｉ、Ｚｒ及びＨｆ等を圧電薄膜１４にドープすることが好ましい。またＴｉ、Ｚｒ及びＨｆのうち２つ又は全てをドープしてもよい。言い換えれば、圧電薄膜１４はＴｉ、Ｚｒ及びＨｆの少なくとも１つが添加されたＡｌＮからなる。第３元素のドープにより、大きな電気機械結合定数ｋ３３２を得ることができればよい。さらに、実施例１と実施例２とを組み合わせてもよい。すなわち、圧電薄膜１４の残留応力が引張応力であり、かつ圧電薄膜１４がドープＡｌＮからなるとしてもよい。
【００４８】
弾性波デバイスの例としてＦＢＡＲを挙げたが、実施例１及び実施例２は、ＦＢＡＲ以外の弾性波デバイスにも適用可能である。図８（ａ）から図９（ｂ）は弾性波デバイスの別の例を例示する断面図である。図１（ａ）及び図１（ｂ）において既述した構成については、説明を省略する。
【００４９】
図８（ａ）に示すように、ＦＢＡＲ１２０の基板１０には空隙３２が形成されている。空隙３２は、下部電極１２、圧電薄膜１４及び上部電極１６と重なる。下部電極１２は空隙３２に露出している。空隙３２は、例えばエッチング法等により基板１０の一部を除去することで形成される。空隙３２は基板１０を厚さ方向に貫通してもよい。
【００５０】
図８（ｂ）に示すように、ＳＭＲ１３０は音響反射膜３４を備える。音響反射膜３４は基板１０と下部電極１２との間に設けられている。音響反射膜３４は、音響インピーダンスが高い膜と音響インピーダンスが低い膜との積層膜である。
【００５１】
図９（ａ）に示すように、弾性波共振子１４０は、圧電膜３１、第１支持基板３８、第２支持基板４０、及び電極４２を備える。第１支持基板３８の下面は第２支持基板４０と、例えば表面活性化接合、樹脂接合等により接合されている。第１支持基板３８の上面には圧電膜３１が設けられている。第１支持基板３８には、第１支持基板３８を厚さ方向に貫通する孔部が形成されている。孔部は圧電膜３１と第２支持基板４０との間の空隙４４として機能する。圧電膜３１の上面の空隙４４と重なる領域には電極４２が設けられている。圧電膜３１はｃ／ａが１．６より小さいＡｌＮで形成されてもよいし、格子定数ｃが０．４９８ｎｍより小さいＡｌＮで形成されてもよい。弾性波共振子１４０はラム波を利用する共振子である。
【００５２】
図９（ｂ）に示すように、ＦＢＡＲ１５０は温度補償膜１９を備える。温度補償膜１９は圧電薄膜１４に挿入され、圧電薄膜１４と接触している。温度補償膜１９は例えばＳｉＯ２、又はＳｉＯ２に例えばフッ素（Ｆ）等をドープしたドープＳｉＯ２等からなる。言い換えれば温度補償膜１９はＳｉＯ２を含む。温度補償膜１９の弾性定数の温度係数の符号は、圧電薄膜１４の弾性定数の温度係数の符号と反対である。従って、ＦＢＡＲ１５０の温度特性が安定する。なお、図８（ａ）から図９（ａ）に示した弾性波デバイスが温度補償膜１９を備えてもよい。実施例１又は実施例２は、共振子を備えるフィルタ及びデュプレクサ、並びにフィルタ及びデュプレクサ等を含むモジュール等の弾性波デバイスにも適用可能である。
【００５３】
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。
【符号の説明】
【００５４】
１０ 基板
１２ 下部電極
１４ 圧電薄膜
１６ 上部電極
１７ 共振領域
１８、３２ 空隙
１９ 温度補償膜
３０ 付加膜
３１ 圧電膜
３４ 音響反射膜
１００、１１０、１２０、１５０ ＦＢＡＲ
１３０ ＳＭＲ
１４０ 弾性波共振子
【技術分野】
【０００１】
本発明は弾性波デバイスに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、携帯電話等の通信機器が普及している。通信機器のフィルタ、デュプレクサ等として、弾性波を利用した弾性波デバイスが用いられることがある。弾性波デバイスの例として、弾性表面波（ＳＡＷ：Surface Acoustic Wave）を利用するデバイス、及び厚み振動波（ＢＡＷ：Bulk Acoustic Wave）を利用するデバイス等がある。圧電薄膜共振子はＢＡＷを利用するデバイスであり、ＦＢＡＲ（Film Bulk Acoustic Resonator）、ＳＭＲ（Solidly Mounted Resonator）等のタイプがある。またラム波（Lamb Wave）を利用するデバイスもある。圧電膜の電気機械結合定数が大きくなることで、弾性波デバイスの周波数特性が改善し、また広帯域化も可能となる。
【０００３】
特許文献１にはアルカリ土類金属及び希土類金属を含有する圧電薄膜を用いることで圧電薄膜共振子の特性を改善する技術が開示されている。特許文献２にはスカンジウムを含有する圧電薄膜を用いることで圧電薄膜共振子の特性を改善する技術が開示されている。非特許文献１には、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）からなる圧電薄膜の配向性を制御することで、圧電薄膜共振子の電気機械結合定数を改善する技術が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００２−３４４２７９号公報
【特許文献２】特開２００９−１０９２６号公報
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】アイイーイー・トランザクションズ オン ウルトラソニックス フェロエレクトロニクス アンド フリークェンシー コントロール 第４７巻 ２９２ページ ２０００年（IEEE TRANSACTIONS ON ULTRASONICS, FERROELECTRICS AND FREQUENCY CONTROL, vol.47, p.292, 2000）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、従来技術では十分に大きな電気機械結合を得られないことがある。本発明は上記課題に鑑み、大きな電気機械結合定数を有する弾性波デバイスを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、基板と、前記基板上に設けられた下部電極と、前記下部電極上に設けられ、ａ軸方向の格子定数とｃ軸方向の格子定数との比が１．６より小さい窒化アルミニウムからなる圧電膜と、前記圧電膜上に設けられ、前記圧電膜を挟んで前記下部電極と対向する上部電極と、を具備する弾性波デバイスである。本発明によれば、大きな電気機械結合定数を有する弾性波デバイスを提供することができる。
【０００８】
本発明は、基板と、前記基板上に設けられた下部電極と、前記下部電極上に設けられ、ｃ軸方向の格子定数が０．４９８ｎｍより小さい窒化アルミニウムからなる圧電膜と、前記圧電膜上に設けられ、前記圧電膜を挟んで前記下部電極と対向する上部電極と、を具備する弾性波デバイスである。本発明によれば、大きな電気機械結合定数を有する弾性波デバイスを提供することができる。
【０００９】
上記構成において、前記圧電膜の残留応力は引張応力である構成とすることができる。この構成によれば、格子定数の比又は／及び格子定数をバルク値より小さくすることができる。
【００１０】
上記構成において、前記圧電膜は無添加の窒化アルミニウムからなる構成とすることができる。この構成によれば、弾性波デバイスを低コスト化することができる。
【００１１】
上記構成において、前記圧電膜は第３元素が添加された窒化アルミニウムからなる構成とすることができる。この構成によれば、格子定数の比又は／及び格子定数をバルク値より小さくすることができる。
【００１２】
上記構成において、前記圧電膜はチタン、ジルコニウム及びハフニウムの少なくとも１つが添加された窒化アルミニウムからなる構成とすることができる。この構成によれば、格子定数の比又は／及び格子定数をバルク値より小さくすることができる。
【００１３】
上記構成において、前記第３元素は前記窒化アルミニウムのアルミサイトに配置されている構成とすることができる。この構成によれば、格子定数の比又は／及び格子定数をバルク値より小さくすることができる。
【００１４】
上記構成において、前記圧電膜には温度補償膜が挿入されている構成とすることができる。この構成によれば、弾性波デバイスの温度特性が安定する。
【００１５】
上記構成において、前記温度補償膜は酸化シリコンを含む構成とすることができる。この構成によれば、弾性波デバイスの温度特性が安定する。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、大きな電気機械結合定数を有する弾性波デバイスを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】図１（ａ）はＦＢＡＲを例示する平面図であり、図１（ｂ）はＦＢＡＲを例示する断面図である。
【図２】図２（ａ）は格子定数の比ｃ／ａの変化率と圧電定数の変化率との関係を示すグラフである。図２（ｂ）は格子定数の比ｃ／ａの変化率と電気機械結合定数の変化率との関係を示すグラフである。
【図３】図３は残留応力と格子定数の比ｃ／ａの変化率との関係を示すグラフである。
【図４】図４は圧電薄膜の組成を変えた場合における格子定数の比ｃ／ａの変化率と圧電定数の変化率との関係を示すグラフである。
【図５】図５（ａ）は図４から圧電薄膜の組成と格子定数の比の変化率とを抜き出したグラフである。図５（ｂ）は図４から圧電薄膜の組成と圧電定数の変化率とを抜き出したグラフである。
【図６】図６（ａ）から図６（ｃ）は実施例１に係るＦＢＡＲの製造方法を例示する断面図である。
【図７】図７（ａ）は圧電薄膜の残留応力を調整する例の模式図である。図７（ｂ）は実施例１の変形例に係るＦＢＡＲを例示する断面図である。
【図８】図８（ａ）及び図８（ｂ）は弾性波デバイスの別の例を例示する断面図である。
【図９】図９（ａ）及び図９（ｂ）は弾性波デバイスの別の例を例示する断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下では、弾性波デバイスの例としてＦＢＡＲについて説明する。まずＦＢＡＲの構成について説明する。図１（ａ）はＦＢＡＲを例示する平面図であり、図１（ｂ）はＦＢＡＲを例示する断面図であり、図１（ａ）のＡ−Ａに沿った断面を図示している。
【００１９】
図１（ａ）及び図１（ｂ）に示すように、ＦＢＡＲ１００は基板１０、下部電極１２、圧電薄膜１４、及び上部電極１６を備える。下部電極１２は基板１０の上に設けられている。基板１０と下部電極１２との間には、ドーム状の空隙１８が形成されている。言い換えれば、空隙１８の中央部においては基板１０と下部電極１２との距離が大きく、空隙１８の周辺部においては基板１０と下部電極１２との距離が小さい。下部電極１２は空隙１８に露出している。圧電薄膜１４は下部電極１２の上に設けられている。上部電極１６は圧電薄膜１４の上に設けられている。言い換えれば、下部電極１２と上部電極１６とは圧電薄膜１４を挟む。下部電極１２、圧電薄膜１４及び上部電極１６が重なり共振領域１１が形成される。共振領域１１において励振された弾性波は厚さ方向（図１（ｂ）の縦方向）に振動し、かつ面方向（図１（ｂ）の横方向）に進行する。圧電薄膜１４の開口部から露出する下部電極１２の一部は、電気信号を取り出すための端子部として機能する。下部電極１２には、空隙１８と連結する導入路１３が設けられている。導入路１３の先端には穴部１５が形成されている。導入路１３及び穴部１５は、空隙１８を形成する工程において使用される。
【００２０】
基板１０は例えばシリコン（Ｓｉ）、ガラス、ガリウム砒素（ＧａＡｓ）等の絶縁体からなる。下部電極１２はルテニウム／クロム（Ｒｕ／Ｃｒ）、上部電極１６はＣｒ／Ｒｕの２層構造を有する。言い換えれば、下部電極１２及び上部電極１６はそれぞれ、圧電薄膜１４に近い方から順にＣｒ層及びＲｕ層を積層したものである。下部電極１２のＣｒ層の厚さは例えば１００ｎｍ、Ｒｕ層の厚さは例えば２５０ｎｍである。上部電極１６のＣｒ層の厚さは例えば２０ｎｍ、Ｒｕ層の厚さは例えば２５０ｎｍである。圧電薄膜１４は（００２）方向を主軸とする窒化アルミニウム（ＡｌＮ）からなる。言い換えれば、圧電薄膜１４は、ｃ軸が厚さ方向を向き、ａ軸が面方向を向くような配向性を有する。
【００２１】
圧電薄膜１４の電気機械結合定数ｋ３３２が高いほど、ＦＢＡＲ１００の特性は改善する。圧電薄膜１４を形成するＡｌＮの結晶構造が電気機械結合定数ｋ３３２に影響する。結晶構造と電気機械結合定数ｋ３３２との関係を検証するためにシミュレーション及び実験を行った。
【００２２】
シミュレーションは、計算手法として擬ポテンシャル法、計算のためのプログラムとしてＡＢＩＮＩＴを用いて、ＡｌＮの構造最適化を含む電子状態の第１原理計算を行ったものである。安定構造におけるＡｌＮの電子状態の計算によりｃ軸方向の格子定数ｃ、及びａ軸方向の格子定数ａと格子定数ｃとの比（格子定数の比）ｃ／ａを求めることができる。また安定構造のＡｌＮの結晶格子に歪みを加えることで、ｃ軸方向の圧電定数ｅ３３、弾性定数Ｃ３３及び誘電率ε３３を求めることができる。言い換えれば格子定数ｃ及びｃ／ａが変化した場合における圧電定数ｅ３３、弾性定数Ｃ３３及び誘電率ε３３を求めることができる。電気機械結合定数ｋ３３２と圧電定数ｅ３３、弾性定数Ｃ３３及び誘電率ε３３との間には次の関係が成立する。
【数１】
数１に基づき、格子定数ｃ及びｃ／ａが変化した場合における電気機械結合定数ｋ３３２の変化を求めることができる。なお、ＪＣＰＤＳ（Joint Committee on Powder Diffraction Standards）カードチャートによれば、結晶格子に歪がない場合における格子定数ｃは０．４９８ｎｍ、格子定数の比ｃ／ａは１．６である。つまり格子定数ｃのバルク値は０．４９８ｎｍ、格子定数の比ｃ／ａのバルク値は１．６である。
【００２３】
図２（ａ）は格子定数の比ｃ／ａの変化率と圧電定数の変化率との関係を示すグラフである。横軸は格子定数の比ｃ／ａの変化率、縦軸は圧電定数ｅ３３の変化率をそれぞれ表す。格子定数の比ｃ／ａの変化率とはバルク値である１．６を基準とした変化率である。圧電定数ｅ３３の変化率とは、結晶格子に歪みを加えていない場合の圧電定数ｅ３３を基準とした変化率である。図２（ａ）に示すように、ｃ／ａの変化率が負である場合、圧電定数ｅ３３の変化率は正となる。ｃ／ａの変化率が正である場合、圧電定数ｅ３３の変化率は負となる。言い換えれば、ｃ／ａがバルク値である１．６より小さくなることで、圧電定数ｅ３３は大きくなる。上記の数１から明らかなように、圧電定数ｅ３３が大きくなることにより、電気機械結合定数ｋ３３２も大きくなる。ｃ／ａの変化率が負となるのは、例えば格子定数ｃがバルク値である０．４９８ｎｍより大きくなる場合である。
【００２４】
図２（ｂ）は格子定数の比ｃ／ａの変化率と電気機械結合定数の変化率との関係を示すグラフである。横軸は格子定数の比ｃ／ａの変化率、縦軸は電気機械結合定数ｋ３３２の変化率をそれぞれ表す。電気機械結合定数ｋ３３２の変化率とは、結晶格子に歪みを加えていない場合の電気機械結合定数ｋ３３２を基準とした変化率である。図２（ｂ）に示すように、ｃ／ａの変化率が負の場合、電気機械結合定数ｋ３３２の変化率は正となる。ｃ／ａの変化率が正である場合、電気機械結合定数ｋ３３２の変化率は負となる。言い換えれば、ｃ／ａがバルク値である１．６より小さくなることにより、電気機械結合定数ｋ３３２は大きくなる。
【００２５】
格子定数ｃ及び格子定数の比ｃ／ａを小さくするための方法について説明する。まず残留応力と格子定数との関係を検証した実験について説明する。圧電薄膜１４の成膜条件を変更した複数のサンプルにおいて、残留応力と格子定数の比ｃ／ａとを測定した。圧電薄膜１４は厚さ１２００ｎｍのＡｌＮからなる。図３は残留応力と格子定数の比ｃ／ａの変化率との関係を示すグラフである。横軸は圧電薄膜１４に残留する残留応力、縦軸は格子定数の比ｃ／ａの変化率をそれぞれ表す。残留応力が引張応力である場合、残留応力は正の値をとる。残留応力が圧縮応力である場合、残留応力は負の値をとる。圧縮応力とは図１（ｂ）における圧電薄膜１４の上面を狭くする方向の応力である。引張応力とは圧電薄膜１４の上面を広げる方向の応力である。
【００２６】
図３に示すように、残留応力が負の場合、ｃ／ａは大きくなる。残留応力が正の場合、ｃ／ａは小さくなる。言い換えれば残留応力が引張応力である場合、ｃ／ａの変化率は負となり、ｃ／ａはバルク値より小さくなる。この結果、図２（ａ）及び図２（ｂ）に示したように圧電定数ｅ３３及び電気機械結合定数ｋ３３２を大きくすることができる。
【００２７】
次に圧電薄膜１４の組成と格子定数との関係を検証したシミュレーションについて説明する。圧電薄膜１４を形成するＡｌＮに、Ａｌ及びＮ以外の元素である第３元素をドープし、アルミサイトの一部を第３元素で置換した例を考える。第３元素がドープされたＡｌＮをドープＡｌＮとし、第３元素がドープされていないＡｌＮをノンドープＡｌＮとする。ドープＡｌＮの電子状態の第１原理計算を行うことで、ドープＡｌＮの安定構造を求めることができる。言い換えればドープＡｌＮにおける格子定数の比ｃ／ａを求めることができる。また、安定構造のドープＡｌＮの結晶格子に歪みを加えることで、圧電定数ｅ３３、弾性定数Ｃ３３及び誘電率ε３３を求めることができる。ドープＡｌＮの第３元素の含有率は１２．５原子％とした。
【００２８】
図４は圧電薄膜の組成を変えた場合における格子定数の比ｃ／ａの変化率と圧電定数の変化率との関係を示すグラフである。横軸は格子定数の比ｃ／ａの変化率、縦軸は圧電定数ｅ３３の変化率をそれぞれ表す。格子定数の比ｃ／ａの変化率とは、ノンドープＡｌＮにおけるｃ／ａを基準とした変化率である。圧電定数ｅ３３の変化率とは、ノンドープＡｌＮにおけるｅ３３を基準とした変化率である。黒塗りの丸は圧電薄膜１４がノンドープＡｌＮからなる例を表す。白抜きの四角は、圧電薄膜１４がジルコニウム（Ｚｒ）をドープされたＡｌＮからなる例を表す。黒塗りの四角は、圧電薄膜１４がハフニウム（Ｈｆ）をドープされたＡｌＮからなる例を表す。白抜きの丸は、圧電薄膜１４がチタン（Ｔｉ）をドープされたＡｌＮからなる例を表す。白塗りの三角は、圧電薄膜１４がガリウム（Ｇａ）をドープされたＡｌＮからなる例を表す。黒塗りの三角は、圧電薄膜１４がカルシウム（Ｃａ）をドープされたＡｌＮからなる例を表す。
【００２９】
図５（ａ）は図４から圧電薄膜の組成と格子定数の比の変化率とを抜き出したグラフである。横軸は圧電薄膜１４の組成を表す。図５（ａ）中のノンドープとは、圧電薄膜１４がノンドープＡｌＮからなることを表す。図５（ａ）中の元素名は、圧電薄膜１４が各元素をドープされたＡｌＮからなることを表す。縦軸は格子定数の比ｃ／ａの変化率を表す。図５（ｂ）は図４から圧電薄膜の組成と圧電定数の変化率とを抜き出したグラフである。横軸は圧電薄膜１４の組成を表す。縦軸は圧電定数ｅ３３の変化率を表す。
【００３０】
図４及び図５（ａ）に示すように、Ｇａ又はＣａがドープされた場合、ｃ／ａの変化率は正である。その一方、Ｚｒ、Ｈｆ又はＴｉがドープされた場合、ｃ／ａの変化率は負である。図４及び図５（ｂ）に示すように、Ｇａ又はＣａがドープされた場合、圧電定数ｅ３３の変化率は負である。その一方、Ｚｒ、Ｈｆ又はＴｉがドープされた場合、圧電定数ｅ３３の変化率は正である。特にＨｆ又はＴｉがドープされた場合、圧電定数ｅ３３の変化率は１０％を超える。Ｚｒ、Ｈｆ又はＴｉがドープされたドープＡｌＮを用いることで、圧電定数ｅ３３が大きくなり、電気機械結合定数ｋ３３２も大きくなる。
【００３１】
このように、圧電薄膜１４の残留応力が引張応力である、又は圧電薄膜１４がドープＡｌＮからなることにより、格子定数の比ｃ／ａは小さくなり、電気機械結合定数ｋ３３２は大きくなる。以上の知見に基づいた実施例について説明する。
【実施例１】
【００３２】
実施例１は圧電薄膜１４に引張応力が残留する例である。実施例１に係るＦＢＡＲの構成は、図１（ａ）及び図１（ｂ）に示したものと同じである。圧電薄膜１４（圧電膜）は、ノンドープ（無添加）のＡｌＮからなる。ノンドープとは、意図的に元素をドープしていないことを意味する。
【００３３】
次に実施例１に係るＦＢＡＲの製造方法について説明する。図６（ａ）から図６（ｃ）は実施例１に係るＦＢＡＲの製造方法を例示する断面図である。
【００３４】
図６（ａ）に示すように、例えばスパッタリング法または蒸着法を用い、基板１０上に犠牲層１７を形成する。犠牲層１７は例えば酸化マグネシウム（ＭｇＯ）からなり、空隙１８が形成される領域に設けられる。犠牲層１７の厚さは例えば２０ｎｍである。
【００３５】
図６（ｂ）に示すように、例えばスパッタリング法を用いて下部電極１２を形成する。スパッタリング法は、例えば０．６〜１．２Ｐａの圧力下、アルゴン（Ａｒ）ガス雰囲気中で行う。圧力及び雰囲気とは、スパッタリング装置内の圧力及び雰囲気である。成膜後、例えば露光技術及びエッチング技術等を用い、下部電極１２を所定の形状とする。図６（ｂ）中の右側に示すように、下部電極１２の一方の端部と犠牲層１７の一方の端部とは重なる。一方、図６（ｃ）中の左側に示すように、下部電極１２は基板１０の上面に延びる。
【００３６】
図６（ｃ）に示すように、例えばスパッタリング法を用いて、圧電薄膜１４を形成する。圧電薄膜１４は、膜厚が例えば４００ｎｍ、ｃ軸を主軸とするＡｌＮからなる。スパッタリング法は、例えば約０．３Ｐａの圧力下、アルゴン／窒素（Ａｒ／Ｎ２）混合ガス雰囲気中において行う。Ａｒ／Ｎ２混合ガス中のＡｒ流量比を増加させることにより圧電薄膜１４の応力は引張応力となり、Ａｒ流量比を減少させることにより圧電薄膜１４の応力は圧縮応力となる。実施例１ではＡｒ流量比を例えばＡｒ流量／（Ａｒ流量＋Ｎ２流量）＝０．２５に増加させることで、圧電薄膜１４の応力を引張応力とする。なお、Ａｒ流量比は装置に応じて変更してもよい。
【００３７】
例えばスパッタリング法を用いて、上部電極１６を形成する。スパッタリング法は、例えば０．６〜１．２Ｐａの圧力下、Ａｒガス雰囲気中で行う。例えば露光技術及びエッチング技術等を用い、上部電極１６及び圧電薄膜１４を所定の形状とする。下部電極１２、圧電薄膜１４、上部電極１６及び犠牲層１７が重なる領域が形成される。圧電薄膜１４に形成された開口部から下部電極１２が露出する。図１（ａ）に示した穴部１５及び導入路１３からエッチング液を導入し、犠牲層１７を除去する。下部電極１２、圧電薄膜１４、及び上部電極１６からなる複合膜の応力は圧縮応力である。このため、犠牲層１７のエッチングが完了した時点で、複合膜は膨れ上がり、下部電極１２と基板１０との間に複合膜側にドーム状形状を有する空隙１８が形成される。以上の工程により、実施例１に係るＦＢＡＲが形成される。
【００３８】
実施例１に係るＦＢＡＲは、基板１０と、基板１０上に設けられた下部電極１２と、下部電極１２上に設けられた圧電薄膜１４と、圧電薄膜１４を挟んで下部電極１２と対向する上部電極１６とを備える。圧電薄膜１４の残留応力は引張応力である。従って、図３に示したように格子定数の比ｃ／ａはバルク値である１．６より小さくなる。この結果、大きな圧電定数ｅ３３及び電気機械結合定数ｋ３３２を有するＦＢＡＲが形成される。
【００３９】
大きな電気機械結合定数ｋ３３２を得るためには、格子定数の比ｃ／ａがバルク値である１．６より小さくてもよいし、格子定数ｃがバルク値である０．４９８ｎｍより小さくてもよい。また、例えばｃ／ａは１．５、１．４、又は１．３のそれぞれより小さくすることができる。格子定数ｃは例えば０．４９５ｎｍ、０．４９ｎｍ、又は０．４８５ｎｍのそれぞれより小さくすることができる。格子定数の比ｃ／ａ及び格子定数ｃの一方をバルク値より小さくしてもよいし、両方をバルク値より小さくしてもよい。格子定数の比ｃ／ａは１．６以下でもよい。格子定数ｃは０．４９８ｎｍ以下でもよい。圧電薄膜１４は無添加のＡｌＮからなるため、圧電薄膜１４を形成する工程において添加物（ドーパント）の濃度を調整しなくてよい。このため工程を簡略化でき、圧電薄膜共振子が低コスト化する。また、添加物濃度の不均一に起因した弾性波デバイスの特性のバラつきを抑制することができるため、歩留まりを向上させることができる。
【００４０】
圧電薄膜１４の残留応力を引張応力とするために、例えば上部電極１６の残留応力を利用してもよい。図７（ａ）は圧電薄膜の残留応力を調整する例の模式図である。圧電薄膜共振子のうち圧電薄膜１４及び上部電極１６を抜き出して、かつハッチングを省略して図示したものである。図中の矢印は残留応力を表す。なお、図の簡略化のため、圧電薄膜１４と上部電極１６とは同程度の厚さとしている。
【００４１】
図７（ａ）に示すように、上部電極１６の残留応力は引張応力である。上部電極１６を圧電薄膜１４の上に設けることで、上部電極１６の残留応力が圧電薄膜１４に加わる。この結果、圧電薄膜１４の残留応力が引張応力となる。より効果的に残留応力を調整するためには、圧電薄膜１４と上部電極１６とが接触することが好ましい。Ａｒガス流量比の増加と上部電極１６の残留応力との両方を用いて、格子定数の比ｃ／ａ又は格子定数ｃをバルク値より小さくしてもよい。また付加膜を用いて残留応力を調整してもよい。付加膜を用いる例を実施例１の変形例とする。
【００４２】
図７（ｂ）は実施例１の変形例に係るＦＢＡＲを例示する断面図である。図１（ｂ）に示した構成と同じ構成については説明を省略する。実施例１の変形例に係るＦＢＡＲ１１０は付加膜３０を備える。付加膜３０は、上部電極１６上に設けられている。付加膜３０は例えば酸化シリコン（ＳｉＯ２）、窒化シリコン（ＳｉＮ）等の絶縁体から形成されてもよいし、金属から形成されてもよい。上部電極１６の残留応力と付加膜３０の残留応力とにより、圧電薄膜１４の残留応力を引張応力とすることができる。
【００４３】
下部電極１２及び上部電極１６は、二層構造としたが単層構造でもよいし、三層以上の構造でもよい。下部電極１２及び上部電極１６の材料として、アルミニウム（Ａｌ）、銅（Ｃｕ）、クロム（Ｃｒ）、モリブデン（Ｍｏ）、タングステン（Ｗ）、タンタル（Ｔａ）、白金（Ｐｔ）、ルテニウム（Ｒｕ）、ロジウム（Ｒｈ）、イリジウム（Ｉｒ）等の金属を用いることができる。下部電極１２は空隙１８に露出してもよいし、露出しなくてもよい。
【実施例２】
【００４４】
実施例２は圧電薄膜１４をドープＡｌＮにより形成する例である。実施例２に係るＦＢＡＲの構成は、圧電薄膜１４を形成するＡｌＮの組成を除いて図１（ａ）及び図１（ｂ）に示したものと同じである。圧電薄膜１４は第３元素がドープされたドープＡｌＮからなる。ドープされる第３元素は、Ｔｉ、Ｚｒ、及びＨｆ等である。ドープＡｌＮにおける第３元素の含有率は例えば１２．５原子％である。ドープされた第３元素は、ＡｌＮのアルミサイトに配置されている。言い換えれば、第３元素とＡｌとが置換されている。なお、第３元素の含有率は、目的とする格子定数の値に応じて変更可能である。
【００４５】
次に実施例２に係るＦＢＡＲの製造方法について説明する。図６（ａ）から図６（ｃ）に示した断面図は実施例２についても共通である。圧電薄膜１４を形成するためのスパッタリング法において、ＡｌターゲットとＴｉターゲット等の第３元素ターゲットとを使用する。これによりドープＡｌＮからなる圧電薄膜１４を形成する。また、予めＡｌターゲットに所望の濃度のＴｉをドープした合金したターゲットを使用することもできる。
【００４６】
実施例２に係るＦＢＡＲが備える圧電薄膜１４は第３元素が添加されたＡｌＮからなる。このため、格子定数の比ｃ／ａが小さくなり、かつ圧電定数ｅ３３が大きくなる。この結果、大きな電気機械結合定数ｋ３３２を有するＦＢＡＲが形成される。
【００４７】
第３元素として例えば遷移金属元素を用いることができる。図４から図５（ｂ）に示したように、大きな電気機械結合定数ｋ３３２を得るためには、第３元素としてＴｉ、Ｚｒ及びＨｆ等を圧電薄膜１４にドープすることが好ましい。またＴｉ、Ｚｒ及びＨｆのうち２つ又は全てをドープしてもよい。言い換えれば、圧電薄膜１４はＴｉ、Ｚｒ及びＨｆの少なくとも１つが添加されたＡｌＮからなる。第３元素のドープにより、大きな電気機械結合定数ｋ３３２を得ることができればよい。さらに、実施例１と実施例２とを組み合わせてもよい。すなわち、圧電薄膜１４の残留応力が引張応力であり、かつ圧電薄膜１４がドープＡｌＮからなるとしてもよい。
【００４８】
弾性波デバイスの例としてＦＢＡＲを挙げたが、実施例１及び実施例２は、ＦＢＡＲ以外の弾性波デバイスにも適用可能である。図８（ａ）から図９（ｂ）は弾性波デバイスの別の例を例示する断面図である。図１（ａ）及び図１（ｂ）において既述した構成については、説明を省略する。
【００４９】
図８（ａ）に示すように、ＦＢＡＲ１２０の基板１０には空隙３２が形成されている。空隙３２は、下部電極１２、圧電薄膜１４及び上部電極１６と重なる。下部電極１２は空隙３２に露出している。空隙３２は、例えばエッチング法等により基板１０の一部を除去することで形成される。空隙３２は基板１０を厚さ方向に貫通してもよい。
【００５０】
図８（ｂ）に示すように、ＳＭＲ１３０は音響反射膜３４を備える。音響反射膜３４は基板１０と下部電極１２との間に設けられている。音響反射膜３４は、音響インピーダンスが高い膜と音響インピーダンスが低い膜との積層膜である。
【００５１】
図９（ａ）に示すように、弾性波共振子１４０は、圧電膜３１、第１支持基板３８、第２支持基板４０、及び電極４２を備える。第１支持基板３８の下面は第２支持基板４０と、例えば表面活性化接合、樹脂接合等により接合されている。第１支持基板３８の上面には圧電膜３１が設けられている。第１支持基板３８には、第１支持基板３８を厚さ方向に貫通する孔部が形成されている。孔部は圧電膜３１と第２支持基板４０との間の空隙４４として機能する。圧電膜３１の上面の空隙４４と重なる領域には電極４２が設けられている。圧電膜３１はｃ／ａが１．６より小さいＡｌＮで形成されてもよいし、格子定数ｃが０．４９８ｎｍより小さいＡｌＮで形成されてもよい。弾性波共振子１４０はラム波を利用する共振子である。
【００５２】
図９（ｂ）に示すように、ＦＢＡＲ１５０は温度補償膜１９を備える。温度補償膜１９は圧電薄膜１４に挿入され、圧電薄膜１４と接触している。温度補償膜１９は例えばＳｉＯ２、又はＳｉＯ２に例えばフッ素（Ｆ）等をドープしたドープＳｉＯ２等からなる。言い換えれば温度補償膜１９はＳｉＯ２を含む。温度補償膜１９の弾性定数の温度係数の符号は、圧電薄膜１４の弾性定数の温度係数の符号と反対である。従って、ＦＢＡＲ１５０の温度特性が安定する。なお、図８（ａ）から図９（ａ）に示した弾性波デバイスが温度補償膜１９を備えてもよい。実施例１又は実施例２は、共振子を備えるフィルタ及びデュプレクサ、並びにフィルタ及びデュプレクサ等を含むモジュール等の弾性波デバイスにも適用可能である。
【００５３】
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。
【符号の説明】
【００５４】
１０ 基板
１２ 下部電極
１４ 圧電薄膜
１６ 上部電極
１７ 共振領域
１８、３２ 空隙
１９ 温度補償膜
３０ 付加膜
３１ 圧電膜
３４ 音響反射膜
１００、１１０、１２０、１５０ ＦＢＡＲ
１３０ ＳＭＲ
１４０ 弾性波共振子
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、
前記基板上に設けられた下部電極と、
前記下部電極上に設けられ、ａ軸方向の格子定数とｃ軸方向の格子定数との比が１．６より小さい窒化アルミニウムからなる圧電膜と、
前記圧電膜上に設けられ、前記圧電膜を挟んで前記下部電極と対向する上部電極と、を具備することを特徴とする弾性波デバイス。
【請求項２】
基板と、
前記基板上に設けられた下部電極と、
前記下部電極上に設けられ、ｃ軸方向の格子定数が０．４９８ｎｍより小さい窒化アルミニウムからなる圧電膜と、
前記圧電膜上に設けられ、前記圧電膜を挟んで前記下部電極と対向する上部電極と、を具備することを特徴とする弾性波デバイス。
【請求項３】
前記圧電膜の残留応力は引張応力であることを特徴とする請求項1又は２記載の弾性波デバイス。
【請求項４】
前記圧電膜は無添加の窒化アルミニウムからなることを特徴とする請求項１から３いずれか一項記載の弾性波デバイス。
【請求項５】
前記圧電膜は第３元素が添加された窒化アルミニウムからなることを特徴とする請求項１から３いずれか一項記載の弾性波デバイス。
【請求項６】
前記圧電膜はチタン、ジルコニウム及びハフニウムの少なくとも１つが添加された窒化アルミニウムからなることを特徴とする請求項５記載の弾性波デバイス。
【請求項７】
前記第３元素は前記窒化アルミニウムのアルミサイトに配置されていることを特徴とする請求項４又は５記載の弾性波デバイス。
【請求項８】
前記圧電膜には温度補償膜が挿入されていることを特徴とする請求項１から７いずれか一項記載の弾性波デバイス。
【請求項９】
前記温度補償膜は酸化シリコンを含むことを特徴とする請求項８記載の弾性波デバイス。
【請求項１】
基板と、
前記基板上に設けられた下部電極と、
前記下部電極上に設けられ、ａ軸方向の格子定数とｃ軸方向の格子定数との比が１．６より小さい窒化アルミニウムからなる圧電膜と、
前記圧電膜上に設けられ、前記圧電膜を挟んで前記下部電極と対向する上部電極と、を具備することを特徴とする弾性波デバイス。
【請求項２】
基板と、
前記基板上に設けられた下部電極と、
前記下部電極上に設けられ、ｃ軸方向の格子定数が０．４９８ｎｍより小さい窒化アルミニウムからなる圧電膜と、
前記圧電膜上に設けられ、前記圧電膜を挟んで前記下部電極と対向する上部電極と、を具備することを特徴とする弾性波デバイス。
【請求項３】
前記圧電膜の残留応力は引張応力であることを特徴とする請求項1又は２記載の弾性波デバイス。
【請求項４】
前記圧電膜は無添加の窒化アルミニウムからなることを特徴とする請求項１から３いずれか一項記載の弾性波デバイス。
【請求項５】
前記圧電膜は第３元素が添加された窒化アルミニウムからなることを特徴とする請求項１から３いずれか一項記載の弾性波デバイス。
【請求項６】
前記圧電膜はチタン、ジルコニウム及びハフニウムの少なくとも１つが添加された窒化アルミニウムからなることを特徴とする請求項５記載の弾性波デバイス。
【請求項７】
前記第３元素は前記窒化アルミニウムのアルミサイトに配置されていることを特徴とする請求項４又は５記載の弾性波デバイス。
【請求項８】
前記圧電膜には温度補償膜が挿入されていることを特徴とする請求項１から７いずれか一項記載の弾性波デバイス。
【請求項９】
前記温度補償膜は酸化シリコンを含むことを特徴とする請求項８記載の弾性波デバイス。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【公開番号】特開２０１３−４６１１１（Ｐ２０１３−４６１１１Ａ）
【公開日】平成２５年３月４日（２０１３．３．４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１８０８１９（Ｐ２０１１−１８０８１９）
【出願日】平成２３年８月２２日（２０１１．８．２２）
【出願人】（０００２０４２８４）太陽誘電株式会社 (964)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年３月４日（２０１３．３．４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年８月２２日（２０１１．８．２２）
【出願人】（０００２０４２８４）太陽誘電株式会社 (964)
【Ｆターム（参考）】
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