弾性表面波素子
【課題】圧電体膜と下地層との剥離を回避するとともに、放熱性を向上させ、かつ弾性表面波の高い伝播速度を確保することが可能な弾性表面波素子を提供する。
【解決手段】弾性表面波素子としてのＳＡＷフィルター１は、窒化アルミニウム単結晶からなるＡｌＮ基板１１と、ＡｌＮ基板１１の一方の主面上に接触するように形成された１対の櫛形形状を有する電極である入力側電極２１および出力側電極２２と、入力側電極２１に接続された入力側配線２３と、出力側電極２２に接続された出力側配線２５とを備えている。そして、ＡｌＮ基板１１の転位密度は９×１０８ｃｍ−２以下となっている。
【解決手段】弾性表面波素子としてのＳＡＷフィルター１は、窒化アルミニウム単結晶からなるＡｌＮ基板１１と、ＡｌＮ基板１１の一方の主面上に接触するように形成された１対の櫛形形状を有する電極である入力側電極２１および出力側電極２２と、入力側電極２１に接続された入力側配線２３と、出力側電極２２に接続された出力側配線２５とを備えている。そして、ＡｌＮ基板１１の転位密度は９×１０８ｃｍ−２以下となっている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、弾性表面波素子に関し、より具体的には損失の低減を達成することが可能な弾性表面波素子に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
弾性表面波素子は、圧電材料の表面を伝播する表面波を利用したデバイスであり、表面に形成された一対の櫛形の電極を備えている。そして、一方の電極に信号が入力されると、他方の電極から特定の周波数の信号を出力する機能を有する。そのため、弾性表面波素子は、たとえば通信用フィルターや共振子などとして使用することができる。
【０００３】
弾性表面波素子の構造としては、たとえば、シリコンやサファイアからなる基板と、当該基板上に形成された窒化アルミニウム（ＡｌＮ）からなる圧電体膜と、圧電体膜上に形成された電極とを備えたものが提案されている（たとえば特許文献１および２参照）。また、位相速度を向上させる目的で、半導体基板上にダイヤモンド膜を形成し、さらにダイヤモンド膜上に圧電体膜としてＡｌＮ膜を積層する構造が提案されている（たとえば特許文献３参照）。
【特許文献１】特開平５−２４３８９５号公報
【特許文献２】特開平６−６１７７４号公報
【特許文献３】特開平１−２３３８１９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上述のように圧電体膜としてＡｌＮ膜を採用することにより、弾性表面波の高い伝播速度を確保することができる。しかしながら、基板上や基板上のダイヤモンド膜上にＡｌＮからなる圧電体膜を形成する上記従来の構成では、圧電体膜と、基板やダイヤモンド膜などの下地層との結晶構造の違いに起因して、圧電体膜と下地層との間に応力が発生し、圧電体膜と下地層とが剥離するという問題がある。また、圧電体膜と下地層との界面や基板とダイヤモンド膜との界面において熱抵抗が高くなり、放熱性が不十分となるおそれがある。近年、高周波の弾性表面波を処理する必要がある場合も多く、このような場合、特に放熱性が問題となる。
【０００５】
そこで、本発明の目的は、圧電体膜と下地層との剥離を回避するとともに、放熱性を向上させ、かつ弾性表面波の高い伝播速度を確保することが可能な弾性表面波素子を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明に従った弾性表面波素子は、窒化アルミニウム単結晶からなる基板と、基板上に形成された電極とを備えている。そして、当該基板の転位密度は９×１０８ｃｍ−２以下である。
【０００７】
上述のように、圧電材料としてＡｌＮを採用した従来の弾性表面波素子は、サファイア基板などの下地層上にＡｌＮ膜を形成した構成を有していた。これは、下地層を採用することなくＡｌＮからなる基板上に電極を形成する構成では、弾性表面波の伝播損失が大きいという問題があったためである。これに対し、本発明者は、ＡｌＮからなる基板（ＡｌＮ基板）上に電極を形成した弾性表面波素子の伝播損失について詳細な検討を行なった。その結果、以下のような結果が得られ、本発明に想到した。
【０００８】
すなわち、ＡｌＮ基板上に電極を形成した弾性表面波素子の伝播損失は、ＡｌＮ基板の転位密度の低下に伴って急激に減少する。そして、転位密度が９×１０８ｃｍ−２以下では伝播損失の減少は飽和し、十分に低い伝播損失が得られる。つまり、ＡｌＮからなる基板上に電極を形成する構成でも、転位密度を９×１０８ｃｍ−２以下とすることにより、伝播損失を十分に抑制可能であることが明らかとなった。
【０００９】
本発明の表面弾性波素子においては、転位密度が９×１０８ｃｍ−２以下に抑制されたＡｌＮ基板が採用されるため、サファイア基板などの下地層を用いることなく弾性表面波の高い伝播速度を確保することができる。さらに、下地層を用いることなくＡｌＮ基板上に電極が配置されるため、圧電体膜と下地層との剥離の問題を回避するとともに、下地層と当該下地層に接触する層との間における熱抵抗に起因した放熱性の低下を回避することができる。その結果、本発明の表面弾性波素子によれば、圧電体膜と下地層との剥離を回避するとともに、放熱性を向上させ、かつ弾性表面波の高い伝播速度を確保することが可能な弾性表面波素子を提供することができる。
【００１０】
ここで、本願明細書、特許請求の範囲および要約書において、転位密度とはＥＰＤ（Ｅｔｃｈ Ｐｉｔ Ｄｅｎｓｉｔｙ；エッチピット密度）法により測定される転位密度をいう。このＥＰＤ法によるＡｌＮ基板の転位密度の測定は、たとえば以下のように実施することができる。まず、水酸化カリウム（ＫＯＨ）と水酸化ナトリウム（ＮａＯＨ）とを質量比１：１で混合した温度２５０℃の融液中にＡｌＮからなる基板を３０分間浸漬してエッチングする。そして、当該基板を洗浄した後、顕微鏡を用いて基板の主面（主表面）に発生したエッチピットの個数を調査し、単位面積あたりのエッチピットの個数を算出する。
【００１１】
上記弾性表面波素子において好ましくは、基板の主面と基板を構成する窒化アルミニウム単結晶の（０００２）面とのなす角は５°以下である。
【００１２】
ＡｌＮ基板の主面と（０００２）面とのなす角が５°を超えると表面弾性波の伝播における損失が大きくなることが、本発明者の検討により明らかとなった。したがって、上記構成により、弾性表面波素子の損失を低減することができる。
【００１３】
上記弾性表面波素子において好ましくは、上記基板の厚さは１０μｍ以上である。これにより、ＡｌＮ基板を自立基板として取り扱うことが容易となり、弾性表面波素子の製造および製造後の素子の取り扱いが容易となる。また、上記基板の厚さを１００μｍ以上とすることにより、基板の取り扱いが一層容易となる。
【００１４】
上記弾性表面波素子においては、窒化アルミニウム単結晶からなり、上記基板と電極との間に基板に接触して形成されたエピタキシャル膜をさらに備えていてもよい。
【００１５】
ＡｌＮ基板上に、窒化アルミニウム単結晶からなるエピタキシャル膜（ＡｌＮエピタキシャル膜）を形成し、ＡｌＮエピタキシャル膜上に電極を配置することにより、電極に接触するＡｌＮ単結晶の転位密度を容易に減少させることができる。また、ＡｌＮ基板とＡｌＮエピタキシャル膜は、同種材料の基板と当該基板に対してエピタキシャル成長した膜であるため、サファイアなどの基板上に異種材料であるＡｌＮ膜を形成する場合に比べて両者の密着性が高く、かつ界面における熱抵抗の上昇を抑制することができる。
【００１６】
上記弾性表面波素子において好ましくは、上記エピタキシャル膜の厚さは１μｍ以上である。これにより、均質なエピタキシャル膜を形成することが容易となるとともに、たとえば弾性表面波素子が通信用フィルターとして用いられる場合、通信用信号の波長に比べてエピタキシャル膜の厚さが大きくなるため、伝播損失を一層抑制することができる。
【００１７】
上記弾性表面波素子において好ましくは、上記エピタキシャル膜の基板とは反対側の主面とエピタキシャル膜を構成する窒化アルミニウム単結晶の（０００２）面とのなす角は５°以下である。
【００１８】
ＡｌＮエピタキシャル膜の基板とは反対側の主面と（０００２）面とのなす角が５°を超えると表面弾性波の伝播における損失が大きくなることが、本発明者の検討により確認された。したがって、上記構成により、弾性表面波素子の損失を低減することができる。
【発明の効果】
【００１９】
以上の説明から明らかなように、本発明の表面弾性波素子によれば、圧電体膜と下地層との剥離を回避するとともに、放熱性を向上させ、かつ弾性表面波の高い伝播速度を確保することが可能な弾性表面波素子を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
以下、図面に基づいて本発明の実施の形態を説明する。なお、以下の図面において同一または相当する部分には同一の参照番号を付し、その説明は繰り返さない。
【００２１】
（実施の形態１）
まず、本発明の一実施の形態である実施の形態１について説明する。図１は、実施の形態１における表面弾性波素子としてのＳＡＷ（Ｓｕｒｆａｃｅ Ａｃｏｕｓｔｉｃ Ｗａｖｅ）フィルターの構成を示す概略図である。
【００２２】
図１を参照して、実施の形態１におけるＳＡＷフィルター１は、窒化アルミニウム単結晶からなるＡｌＮ基板１１と、ＡｌＮ基板１１の一方の主面上に接触するように形成された１対の櫛形形状を有する電極である入力側電極２１および出力側電極２２と、入力側電極２１に接続された入力側配線２３と、出力側電極２２に接続された出力側配線２５とを備えている。そして、ＡｌＮ基板１１の転位密度は９×１０８ｃｍ−２以下となっている。
【００２３】
次に、実施の形態１におけるＳＡＷフィルター１の動作について説明する。図１を参照して、入力側配線２３から入力側電極２１に入力信号である交流電圧が印加されると、圧電効果によりＡｌＮ基板１１の主面（表面）に弾性表面波が生じ、出力側電極２２に伝達される。このとき、入力側電極２１および出力側電極２２は図１に示すように櫛形形状を有しているため、入力側電極２１から出力側電極２２に向かう方向において、ＡｌＮ基板１１の主面のうち電極が形成された領域は所定の周期（電極周期）で存在する。そのため、入力信号により発生した弾性表面波は、その波長が電極周期に一致する場合最も強く励振され、電極周期とのずれが大きいほど減衰する。その結果、電極周期に近い波長の信号のみが出力側電極２２および出力側配線２５を介して出力される。
【００２４】
上記ＳＡＷフィルター１においては、転位密度が９×１０８ｃｍ−２以下に抑制されたＡｌＮ基板１１が採用されるため、サファイア基板などの下地層を用いることなく弾性表面波の高い伝播速度を確保することが可能となっている。さらに、ＡｌＮ基板１１上に直接入力側電極２１および出力側電極２２が形成され、サファイア基板など下地層が用いられていないため、圧電体膜と下地層との剥離の問題を回避するとともに、下地層と当該下地層に接触する層との間における熱抵抗に起因した放熱性の低下が回避されている。その結果、本実施の形態におけるのＳＡＷフィルター１は、圧電体膜と下地層との剥離を回避するとともに、放熱性を向上させ、かつ弾性表面波の高い伝播速度を確保することが可能なＳＡＷフィルター１となっている。
【００２５】
さらに、ＡｌＮ自立基板上に直接電極が形成された本実施の形態におけるＳＡＷフィルター１は、サファイアなどの基板上にＡｌＮからなる圧電体膜を形成した従来の弾性表面波素子に比べて高い周波帯域（具体的にはＵＨＦ波）まで動作可能となっている。また、ＡｌＮ単結晶の熱伝導率は３０Ｗ／ｃｍ・Ｋと高いため、ＳＡＷフィルター１は高周波帯域で動作した場合でも放熱効率が高く、冷却が容易である。さらに、ＳＡＷフィルター１は、従来の弾性表面波素子に比べて耐熱性にも優れ、より高温での動作が可能となっている。また、ＳＡＷフィルター１によれば、サファイアなどの基板上にＡｌＮからなる圧電体膜を形成する工程が省略できるため、製造プロセスを簡略化することが可能である。さらに、ＳＡＷフィルター１においては、入力側電極２１および出力側電極２２が形成されるＡｌＮ基板１１の表面粗さを小さく、たとえば表面粗さＲａを１μｍ以下にまで抑制することが可能であるため、入力側電極２１および出力側電極２２の剥離を抑制することができる。
【００２６】
また、ＳＡＷフィルター１においては、入力側電極２１および出力側電極２２が形成されたＡｌＮ基板１１の主面と窒化アルミニウム単結晶の（０００２）面とのなす角は、５°以下であることが好ましい。これにより、表面弾性波の伝播における損失が低減され、低損失なＳＡＷフィルター１を得ることができる。
【００２７】
さらに、ＳＡＷフィルター１においては、ＡｌＮ基板１１の厚さは１０μｍ以上であることが好ましい。これにより、ＡｌＮ基板１１を自立基板として取り扱うことが容易となり、ＳＡＷフィルター１の製造および製造後の取り扱いが容易となる。
【００２８】
次に、実施の形態１におけるＳＡＷフィルター１の製造方法について説明する。図２は、実施の形態１におけるＳＡＷフィルターの製造方法の概略を示すフローチャートである。また、図３〜図６は、実施の形態１におけるＳＡＷフィルターの製造方法を説明するための概略断面図である。
【００２９】
図２を参照して、実施の形態１におけるＳＡＷフィルター１の製造方法では、まず、工程（Ｓ１０）としてＡｌＮ単結晶成長工程が実施される。この工程（Ｓ１０）では、ＳｉＣ（炭化珪素）などの異種基板上にＡｌＮ単結晶を成長させることにより、ＡｌＮ単結晶の厚膜が作製される。具体的には、図３を参照して、直径１インチ以上４インチ以下、たとえば２インチ、面方位（０００２）、オフ角０°以上１５°以下、たとえば３．５°、ポリタイプ６ＨのＳｉＣ単結晶基板９１上に、昇華法によりＡｌＮ単結晶厚膜９２を成長させる。ＡｌＮ単結晶厚膜９２の厚さは、たとえば２０ｍｍ程度とすることができる。ＡｌＮ単結晶厚膜９２の成長は、成長温度を１７００℃以上２１００℃以下、たとえば１９００℃程度、成長を実施する容器内の圧力を３０ｋＰａ以上９０ｋＰａ以下、たとえば５０ｋＰａ程度とし、当該容器内に流入する窒素の流量を５０ｓｃｃｍ以上９００ｓｃｃｍ以下、たとえば５００ｓｃｃｍ程度とする条件下で実施することができる。ここで、ＡｌＮ単結晶厚膜９２の転位密度を低減し、９×１０８ｃｍ−２以下とするためには、たとえばＡｌＮ単結晶厚膜９２の成長の途中で温度を上げることにより、原子の移動を促進することが好ましい。これにより、転位等の欠陥の発生を抑制することができる。
【００３０】
次に、工程（Ｓ２０）としてＡｌＮ単結晶自立化工程が実施される。この工程（Ｓ２０）では、工程（Ｓ１０）において作製されたＡｌＮ単結晶の厚膜をスライスすることにより、自立した基板として取り扱い可能なＡｌＮ単結晶からなる基板であるＡｌＮ単結晶自立基板が作製される。具体的には、図４を参照して、たとえばワイヤーソー加工機を用いて、ＳｉＣ単結晶基板９１上に形成されたＡｌＮ単結晶厚膜９２を当該ＡｌＮ単結晶厚膜９２の主面に沿った面でスライスすることにより、たとえば直径２インチ、厚さ１ｍｍのＡｌＮ単結晶自立基板としてのＡｌＮ基板１１が複数枚作製される。その後、ＡｌＮ基板１１に対しては研削加工が実施され、たとえば主面の面方位が（０００２）面に対して５°以下の範囲に分布するように、すなわちＡｌＮ基板１１の主面と窒化アルミニウム単結晶の（０００２）面とのなす角が５°以下となるように調整される。さらに、ＡｌＮ基板１１の両側の主面に対して機械研磨および化学研磨が実施され、表面粗さＲａが３００ｎｍ以下、たとえば５ｎｍとされる。この機械研磨および化学研磨が実施された状態で、ＡｌＮ基板１１の厚さは、たとえば４００μｍ程度となる。
【００３１】
次に、工程（Ｓ３０）として電極形成工程が実施される。この工程（Ｓ３０）では、ＡｌＮ基板１１の一方の主面上に櫛形の電極が形成される。具体的には、図５を参照して、工程（Ｓ２０）において作製されたＡｌＮ基板１１の一方の主面上に、導電体であるＡｌの膜（Ａｌ膜）が形成される。Ａｌ膜の形成は、たとえばスパッタリングにより実施することができる。また、Ａｌ膜の厚さは、１００ｎｍ以上１０μｍ以下、たとえば５００ｎｍ程度とすることができる。その後、当該Ａｌ膜上にレジストが塗布されてレジスト膜が形成された後、露光および現像が実施されることにより、所望の入力側電極２１および出力側電極２２の形状に対応する領域以外の領域に開口が形成される。そして、開口が形成されたレジスト膜をマスクとして用いて、たとえばウェットエッチングを実施することにより、図５に示すように入力側電極２１と出力側電極２２とからなる対が複数個形成される。入力側電極２１および出力側電極２２における櫛形電極の電極間隔は、入力される信号の周波数および出力すべき信号の周波数に応じて適宜決定することができるが、０．１μｍ以上５５０μｍ以下、たとえば５．５μｍとすることができる。
【００３２】
次に、工程（Ｓ４０）としてチップ化工程が実施される。この工程（Ｓ４０）では、図６を参照して、入力側電極２１と出力側電極２２とからなる対が複数個形成されたＡｌＮ基板１１が厚さ方向に切断されることにより、１対の入力側電極２１および出力側電極２２を含む複数のチップに分離される。ＡｌＮ基板１１の切断は、たとえばＮｄ：ＹＡＧ（Ｙｉｔｔｒｉｕｍ・Ａｌｕｍｉｎｉｕｍ・Ｇａｒｎｅｔ）レーザ（ネオジウム・ヤグレーザ）を用いて実施することができる。ここで、図６における分離後の各チップの断面は、図１における線分ＶＩ−ＶＩに沿う断面に相当する。
【００３３】
その後、図１を参照して、工程（Ｓ４０）において作製されたチップに対して入力側配線２３および出力側配線２５が形成されることにより、実施の形態１におけるＳＡＷフィルター１が完成する。
【００３４】
（実施の形態２）
次に、本発明の他の実施の形態である実施の形態２について説明する。図７は、実施の形態２における表面弾性波素子としてのＳＡＷフィルターの構成を示す概略図である。
【００３５】
図７を参照して、実施の形態２におけるＳＡＷフィルター１は、基本的には実施の形態１の場合と同様の構成を有し、同様に動作するとともに同様の効果を奏する。しかし、実施の形態２におけるＳＡＷフィルター１は、ＡｌＮ基板１１と入力側電極２１および出力側電極２２との間にＡｌＮエピタキシャル膜１２が配置されている点において、実施の形態１の場合とは異なっている。
【００３６】
すなわち、実施の形態２におけるＳＡＷフィルター１においては、ＡｌＮ基板１１と入力側電極２１および出力側電極２２との間に、ＡｌＮ基板１１の一方の主面上にエピタキシャル成長した窒化アルミニウム単結晶からなるＡｌＮエピタキシャル膜１２が形成されている。そして、当該ＡｌＮエピタキシャル膜１２上に接触して、入力側電極２１および出力側電極２２が形成されている。なお、実施の形態２におけるＳＡＷフィルター１は、弾性表面波がＡｌＮエピタキシャル膜１２の主面において生じ、ＡｌＮエピタキシャル膜１２を伝播する点を除いて、実施の形態１の場合と同様に動作する。
【００３７】
実施の形態２におけるＳＡＷフィルター１においては、ＡｌＮ基板１１上にＡｌＮエピタキシャル膜１２を形成し、ＡｌＮエピタキシャル膜１２上に接触して入力側電極２１および出力側電極２２を配置することにより、入力側電極２１および出力側電極２２に接触するＡｌＮ単結晶の転位密度を減少させることが容易となっている。また、ＡｌＮ基板１１とＡｌＮエピタキシャル膜１２は、同種材料の基板と当該基板に対してエピタキシャル成長した膜であるため、サファイアなどの基板上に異種材料であるＡｌＮ膜を形成する場合に比べて両者の密着性が高く、かつ界面における熱抵抗の上昇が抑制されている。
【００３８】
また、本実施の形態におけるＳＡＷフィルター１においては、ＡｌＮエピタキシャル膜１２の厚さは１μｍ以上であることが好ましい。
【００３９】
これにより、均質なＡｌＮエピタキシャル膜１２を形成することが容易になるとともに、ＳＡＷフィルター１が通信用フィルターとして用いられる場合、通信用信号の波長に比べてＡｌＮエピタキシャル膜１２の厚さが大きくなるため、伝播損失を一層抑制することができる。
【００４０】
さらに、本実施の形態におけるＳＡＷフィルター１においては、ＡｌＮエピタキシャル膜１２のＡｌＮ基板１１とは反対側の主面と窒化アルミニウム単結晶の（０００２）面とのなす角は、５°以下であることが好ましい。これにより、ＳＡＷフィルター１における弾性表面波の伝播損失を低減することができる。
【００４１】
次に、実施の形態２におけるＳＡＷフィルター１の製造方法について説明する。図８は、実施の形態２におけるＳＡＷフィルターの製造方法の概略を示すフローチャートである。また、図９〜図１２は、実施の形態２におけるＳＡＷフィルターの製造方法を説明するための概略断面図である。
【００４２】
図８および図２を参照して、実施の形態２におけるＳＡＷフィルター１の製造方法は、基本的には実施の形態１の場合と同様に実施される。しかし、実施の形態２においては、ＡｌＮ基板１１上にＡｌＮエピタキシャル膜１２が形成される点において、実施の形態１とは異なっている。
【００４３】
すなわち、図９を参照して、実施の形態２におけるＳＡＷフィルター１に製造方法においては、工程（Ｓ１０）が実施の形態１の場合と同様に実施される。この工程（Ｓ１０）では、たとえば直径２インチ、面方位（０００２）、オフ角０°、ポリタイプ６ＨのＳｉＣ単結晶基板９１上に、昇華法により厚さ１０ｍｍのＡｌＮ単結晶厚膜９２を成長させる。ＡｌＮ単結晶厚膜９２の成長は、たとえば成長温度１８００℃程度、成長を実施する容器内の圧力を４０ｋＰａ程度とし、当該容器内に流入する窒素の流量を４００ｓｃｃｍ程度とする条件下で実施することができる。
【００４４】
次に、工程（Ｓ１５）としてエピタキシャル成長工程が実施される。この工程（Ｓ１５）では、図９を参照して、工程（Ｓ１０）においてＳｉＣ単結晶基板９１上に形成されたＡｌＮ単結晶厚膜９２の主面上に、昇華法によるエピタキシャル成長により、ＡｌＮ単結晶からなるＡｌＮエピタキシャル膜１２が形成される。ＡｌＮエピタキシャル膜１２は、成長温度を１８００℃以上２２００℃以下、たとえば２１００℃、成長を実施する容器内の圧力を３０ｋＰａ以上９０ｋＰａ以下、たとえば３０ｋＰａ程度とし、当該容器内に流入する窒素の流量を５０ｓｃｃｍ以上９００ｓｃｃｍ以下、たとえば２００ｓｃｃｍ程度とする条件下で実施することができる。また、ＡｌＮエピタキシャル膜１２の厚さは、１μｍ以上５００μｍ以下、たとえば１００μｍ程度とすることができる。ここで、ＡｌＮエピタキシャル膜１２の転位密度を低減し、９×１０８ｃｍ−２以下とするためには、たとえばＡｌＮエピタキシャル膜１２の成長の途中で温度を上げることにより、原子の移動を促進することが好ましい。これにより、転位等の欠陥の発生を抑制することができる。
【００４５】
次に、工程（Ｓ２０）としてＡｌＮ単結晶自立化工程が実施される。この工程（Ｓ２０）では、図１０を参照して、工程（Ｓ１５）において主面上にＡｌＮエピタキシャル膜が形成されたＡｌＮ単結晶の厚膜をスライスすることにより、自立した基板として取り扱い可能なＡｌＮエピタキシャル成長膜付きＡｌＮ単結晶自立基板が作製される。具体的には、図１０を参照して、たとえばワイヤーソー加工機を用いて、ＡｌＮ単結晶厚膜９２を当該ＡｌＮ単結晶厚膜９２の主面に沿った面でスライスすることにより、たとえば直径２インチ、厚さ０．５ｍｍの、ＡｌＮエピタキシャル膜１２付きＡｌＮ基板１１が作製される。
【００４６】
その後、ＡｌＮエピタキシャル膜１２付きＡｌＮ基板１１の両側の主面（ＡｌＮ基板１１とは反対側のＡｌＮエピタキシャル膜１２の主面、およびＡｌＮエピタキシャル膜１２とは反対側のＡｌＮ基板１１の主面）に対して研削加工が実施され、たとえばＡｌＮ基板１１とは反対側のＡｌＮエピタキシャル膜１２の主面の面方位が、（０００２）面に対して５°以下の範囲に分布するように調整される。さらに、ＡｌＮエピタキシャル膜１２付きＡｌＮ基板１１の両側の主面に対して機械研磨および化学研磨が実施され、たとえば表面粗さＲａが０．３ｎｍとされる。この機械研磨および化学研磨が実施された状態で、ＡｌＮエピタキシャル膜１２付きＡｌＮ基板１１の厚さは、たとえば４００μｍ程度となる。
【００４７】
次に、工程（Ｓ３０）として電極形成工程が実施される。この工程（Ｓ３０）では、図１１を参照して、ＡｌＮエピタキシャル膜１２の主面上に、たとえば厚さ３００ｎｍのＡｌ膜がスパッタリングにより形成される。その後、当該Ａｌ膜上にレジストが塗布されてレジスト膜が形成された後、露光および現像が実施されることにより、所望の入力側電極２１および出力側電極２２の形状に対応する領域以外の領域に開口が形成される。そして、開口が形成されたレジスト膜をマスクとして用いて、たとえばウェットエッチングを実施することにより、図１１に示すように入力側電極２１と出力側電極２２とからなる対が複数個形成される。入力側電極２１および出力側電極２２における櫛形電極の電極間隔は、たとえば０．１９μｍとすることができる。
【００４８】
次に、工程（Ｓ４０）としてチップ化工程が実施される。この工程（Ｓ４０）では、図１２を参照して、入力側電極２１と出力側電極２２とからなる対が複数個形成されたＡｌＮエピタキシャル膜１２付きＡｌＮ基板１１が、１対の入力側電極２１および出力側電極２２を含む複数のチップに分割される。ＡｌＮエピタキシャル膜１２付きＡｌＮ基板１１の複数のチップへの分割は、たとえばＮｄ：ＹＡＧレーザを用いて深さ１００μｍの溝を形成した後、ブレーキング加工を行なうことにより実施することができる。
【００４９】
その後、図７を参照して、工程（Ｓ４０）において作製されたチップに対して入力側配線２３および出力側配線２５が形成されることにより、実施の形態２におけるＳＡＷフィルター１が完成する。
【実施例１】
【００５０】
以下、本発明の実施例１について説明する。上記実施の形態１と同様の構成を有するＳＡＷフィルターを作製し、（１）動作特性、（２）高温での動作、（３）面方位と損失との関係、および（４）転位密度と損失との関係、を調査する実験を行なった。実験の手順および結果は以下の通りである。
【００５１】
（１）動作特性
まず、上記実施の形態１と同様の方法で素子（ＳＡＷフィルター）を作製した。工程（Ｓ１０）においては、直径２インチ、面方位（０００２）、オフ角３．５°、ポリタイプ６ＨのＳｉＣ基板上に、昇華法により厚さ２０ｍｍのＡｌＮ単結晶厚膜を形成した。成長温度は約１９００℃、成長を実施する容器内の圧力は５０ｋＰａとし、当該容器内に窒素を５００ｓｃｃｍの流量で流入させた。工程（Ｓ２０）では、ワイヤーソー加工機を用いて厚さ１ｍｍのＡｌＮ基板を作製し、主面の面方位が（０００２）面に対して０．１°以下の範囲で分布するように主面を研削加工した。さらに、両側の主面に機械研磨および化学研磨を施し、表面粗さＲａを５ｎｍ、厚さを４００μｍとした。
【００５２】
工程（Ｓ３０）では、ＡｌＮ基板上に約５００ｎｍの厚さのＡｌ膜を形成し、フォトリソグラフィープロセスにより、レジストからなるマスクを形成した後、ウェットエッチングを実施することによりＡｌ膜の一部を除去して、Ａｌからなる入力側電極および出力側電極を形成した。櫛形電極の電極間隔は５．５μｍとした。そして、工程（Ｓ４０）では、Ｎｄ：ＹＡＧレーザを用いてＡｌＮ基板を切断し、実験用の素子を得た。
【００５３】
そして、得られた素子の性能を、ネットワークアナライザーを用いて評価した。入力する帯域周波数を０．９５ＧＨｚ〜１．０５ＧＨｚ、出力する周波数を１ＧＨｚとした場合、挿入損失は０．３ｄＢであった。このことから、本発明の表面弾性波素子は、十分に小さい挿入損失を達成していることが確認された。
【００５４】
また、素子を恒温槽に装入し、素子の温度を約５００℃まで上昇させ、動作の可否を調査したところ、正常に動作した。このことから、本発明の弾性表面波素子は、高温での動作が可能であることが確認された。
【００５５】
さらに、弾性表面波の伝播速度を測定したところ、約５５００ｍ／ｓｅｃという高い値が得られた。このことから、本発明の弾性表面波素子は、高い伝播速度を達成していることが確認された。
【００５６】
以上の実験結果より、ＡｌＮ自立基板上に直接電極が形成された本発明の弾性表面波素子は、サファイアなどの基板上にＡｌＮからなる圧電体膜を形成した従来の弾性表面波素子に比べて、製造プロセスを簡略化しつつ、圧電体膜の剥離を回避するとともに、損失の低減、高温での動作、高い伝播速度を達成可能であることが分かった。
【００５７】
（２）高温での動作
上記（１）と同様のプロセスで作製した素子を１００個準備し、恒温槽に投入した。そして、素子の温度を０℃から８００℃まで上昇させ、５０℃毎に素子の動作の可否を確認した。なお、素子の作製に使用したＡｌＮ基板の転位密度は１．２×１０６ｃｍ−２であった。
【００５８】
図１３は、素子の加熱温度（素子温度）と加熱した１００個の素子のうち正常に動作した素子の割合（動作割合）との関係を示す図である。図１３を参照して、素子温度が５００℃以下の温度範囲では全ての素子が正常に動作する一方、素子温度が５００℃を超える５５０℃以上では動作割合が低下することが分かった。このことから、本発明の弾性表面波素子は５００℃という高温まで正常に動作することが確認された。
【００５９】
（３）面方位と損失との関係
上記（１）と同様のプロセスで、主面が（０００２）面に対してなす角が０°〜１０°である２１種類（０．５°毎）のＡｌＮ基板を用いて素子を作製した。ＡｌＮ基板の転位密度は１．１×１０６ｃｍ−２であった。そして、各素子の損失（挿入損失）を測定し、ＡｌＮ基板の主面が（０００２）面に対してなす角（面方位分布）と挿入損失との関係を調査した。
【００６０】
図１４は、面方位分布と挿入損失との関係を示す図である。図１４を参照して、面方位分布が５°以下の範囲においては挿入損失が０．１ｄＢであるのに対し、面方位分布が５°を超える５．５°以上では挿入損失が増加していくことが分かった。このことから、ＡｌＮ基板上に直接電極を形成した本発明の表面弾性波素子においては、ＡｌＮ基板の面方位分布は５°以下、すなわちＡｌＮ基板の主面とＡｌＮ基板を構成する窒化アルミニウム単結晶の（０００２）面とのなす角は５°以下であることが好ましいことが確認された。
【００６１】
（４）転位密度と損失との関係
上記（１）と同様のプロセスで、転位密度が１×１０５ｃｍ−２〜９×１０９ｃｍ−２のＡｌＮ基板を用いて素子を作製した。そして、各素子の損失（挿入損失）を測定し、ＡｌＮ基板の転位密度と挿入損失との関係を調査した。
【００６２】
図１５は、ＡｌＮ基板の転位密度と素子の挿入損失との関係を示す図である。図１５を参照して、転位密度が９×１０８ｃｍ−２以下の範囲においては挿入損失が０．１ｄＢであるのに対し、転位密度が９×１０８ｃｍ−２を超える１×１０９ｃｍ−２以上では挿入損失が増加していくことが分かった。このことから、ＡｌＮ基板上に直接電極を形成した本発明の表面弾性波素子においては、ＡｌＮ基板の転位密度は９×１０８ｃｍ−２以下であることが好ましいことが確認された。
【実施例２】
【００６３】
以下、本発明の実施例２について説明する。上記実施の形態２と同様の構成を有するＳＡＷフィルターを作製し、（１）動作特性、（２）高温での動作、（３）面方位と損失との関係、および（４）転位密度と損失との関係、を調査する実験を行なった。実験の手順および結果は以下の通りである。
【００６４】
（１）動作特性
まず、上記実施の形態２と同様の方法で素子（ＳＡＷフィルター）を作製した。工程（Ｓ１０）においては、直径２インチ、面方位（０００２）、オフ角０°、ポリタイプ６ＨのＳｉＣ基板上に、昇華法により厚さ１０ｍｍのＡｌＮ単結晶厚膜を形成した。成長温度は約１８００℃、成長を実施する容器内の圧力は４０ｋＰａとし、当該容器内に窒素を４００ｓｃｃｍの流量で流入させた。工程（Ｓ１５）では、昇華法によるエピタキシャル成長により、厚さ１００μｍのＡｌＮエピタキシャル膜を成長させた。成長温度は約２１００℃、成長を実施する容器内の圧力は３０ｋＰａとし、当該容器内に窒素を２００ｓｃｃｍの流量で流入させた。
【００６５】
ここで、上記手順により２枚のＡｌＮエピタキシャル膜付きＡｌＮ単結晶厚膜を作製し、うち１枚を用いてＡｌＮエピタキシャル膜の転位密度をＥＰＤ法により調査した。ＥＰＤ法による転位密度の調査は、以下のように行なった。まず、ＫＯＨとＮａＯＨとを質量比１：１で混合した温度２５０℃の融液中に、ＳｉＣ基板上に形成されたＡｌＮエピタキシャル膜付きＡｌＮ単結晶厚膜を３０分間浸漬してエッチングした。そして、洗浄を実施した後、顕微鏡を用いてＡｌＮエピタキシャル膜の主面に発生したエッチピットの個数を調査し、単位面積あたりのエッチピットの個数を算出した。その結果、転位密度は３×１０４ｃｍ−２という低い値であることが分かった。このことから、ＡｌＮ単結晶厚膜上には転位密度が抑制された高品質なＡｌＮエピタキシャル膜が形成されていることが確認された。
【００６６】
工程（Ｓ２０）では、ワイヤーソー加工機を用いて厚さ０．５ｍｍのＡｌＮエピタキシャル膜付きＡｌＮ基板を作製し、ＡｌＮエピタキシャル膜の主面の面方位が（０００２）面に対して０．１°以下の範囲で分布するように主面を研削加工した。さらに、両側の主面に機械研磨および化学研磨を施し、表面粗さＲａを０．３ｎｍ、厚さ４００μｍとした。
【００６７】
工程（Ｓ３０）では、ＡｌＮエピタキシャル膜上に約３００ｎｍの厚さのＡｌ膜を形成し、フォトリソグラフィープロセスにより、レジストからなるマスクを形成した後、ウェットエッチングを実施することによりＡｌ膜の一部を除去して、Ａｌからなる入力側電極および出力側電極を形成した。櫛形電極の電極間隔は０．１９μｍとした。そして、工程（Ｓ４０）では、Ｎｄ：ＹＡＧレーザを用いてＡｌＮエピタキシャル膜付きＡｌＮ基板に深さ１００μｍの溝を形成し、さらにブレーキング加工によりＡｌＮエピタキシャル膜付きＡｌＮ基板を分割し、実験用の素子を得た。
【００６８】
そして、得られた素子の性能を、ネットワークアナライザーを用いて評価した。入力する帯域周波数を３０．９５ＧＨｚ〜３１．０５ＧＨｚ、出力する周波数を３０ＧＨｚとした場合、挿入損失は０．１ｄＢであった。このことから、本発明の表面弾性波素子は、十分に小さい挿入損失を達成していることが確認された。
【００６９】
また、素子を恒温槽に装入し、素子の温度を約５００℃まで上昇させ、動作の可否を調査したところ、正常に動作した。このことから、本発明の弾性表面波素子は、高温での動作が可能であることが確認された。また、ＡｌＮ基板上にＡｌＮエピタキシャル膜を形成した場合でも、ＡｌＮ基板上に直接電極を形成した実施例１の場合と同等の弾性表面波の伝播速度が維持されることを確認した。
【００７０】
以上の実験結果より、ＡｌＮ自立基板上にＡｌＮエピタキシャル膜を成長させた上で、当該ＡｌＮエピタキシャル膜の表面に電極を形成した本発明の弾性表面波素子は、サファイアなどの基板上にＡｌＮからなる圧電体膜を形成した従来の弾性表面波素子に比べて、製造プロセスを簡略化しつつ、圧電体膜の剥離を回避するとともに、高温での動作、高い伝播速度を達成可能であることが分かった。さらに、ＡｌＮ自立基板上に直接電極を形成する場合に比べて、転位密度の低減による挿入損失の抑制を達成可能であることが分かった。
【００７１】
（２）高温での動作
上記（１）と同様のプロセスで作製した素子を１００個準備し、恒温槽に投入した。そして、素子の温度を０℃から８００℃まで上昇させ、５０℃毎に素子の動作の可否を確認した。なお、ＡｌＮエピタキシャル膜の主面の面方位が（０００２）面に対してなす角は１°以下、ＡｌＮエピタキシャル膜の転位密度は１．２×１０４ｃｍ−２とした。
【００７２】
図１６は、素子の加熱温度（素子温度）と加熱した１００個の素子のうち正常に動作した素子の割合（動作割合）との関係を示す図である。図１６を参照して、素子温度が５００℃以下の温度範囲では全ての素子が正常に動作する一方、素子温度が５００℃を超える５５０℃以上では動作割合が低下することが分かった。このことから、本発明の弾性表面波素子は５００℃という高温まで正常に動作することが確認された。
【００７３】
（３）面方位と損失との関係
上記（１）と同様のプロセスで、主面が（０００２）面に対してなす角が０°〜１０°である２１種類（０．５°毎）のＡｌＮエピタキシャル膜付きＡｌＮ基板を用いて素子を作製した。ＡｌＮエピタキシャル膜の転位密度は１．２×１０４ｃｍ−２とした。そして、各素子の損失（挿入損失）を測定し、ＡｌＮエピタキシャル膜の主面が（０００２）面に対してなす角（面方位分布）と挿入損失との関係を調査した。
【００７４】
図１７は、面方位分布と挿入損失との関係を示す図である。図１７を参照して、面方位分布が５°以下の範囲においては挿入損失が０．１ｄＢであるのに対し、面方位分布が５°を超える５．５°以上では挿入損失が増加していくことが分かった。このことから、ＡｌＮ自立基板上にＡｌＮエピタキシャル膜を成長させた上で、当該ＡｌＮエピタキシャル膜の表面に電極を形成した本発明の表面弾性波素子においては、ＡｌＮエピタキシャル膜の面方位分布は５°以下、すなわちＡｌＮエピタキシャル膜の主面とＡｌＮエピタキシャル膜を構成する窒化アルミニウム単結晶の（０００２）面とのなす角は５°以下であることが好ましいことが確認された。
【００７５】
（４）転位密度と損失との関係
上記（１）と同様のプロセスで、ＡｌＮエピタキシャル膜の転位密度が１×１０４ｃｍ−２〜９×１０９ｃｍ−２であるＡｌＮエピタキシャル膜付きＡｌＮ基板を用いて素子を作製した。ＡｌＮエピタキシャル膜の主面の（０００２）面に対する面方位分布は０．５°とした。そして、各素子の損失（挿入損失）を測定し、ＡｌＮエピタキシャル膜の転位密度と挿入損失との関係を調査した。
【００７６】
図１８は、ＡｌＮエピタキシャル膜の転位密度と素子の挿入損失との関係を示す図である。図１８を参照して、転位密度が９×１０８ｃｍ−２以下の範囲においては挿入損失が０．１ｄＢであるのに対し、転位密度が９×１０８ｃｍ−２を超える１×１０９ｃｍ−２以上では挿入損失が増加していくことが分かった。このことから、ＡｌＮ自立基板上にＡｌＮエピタキシャル膜を成長させた上で、当該ＡｌＮエピタキシャル膜の表面に電極を形成した本発明の表面弾性波素子においては、ＡｌＮエピタキシャル膜の転位密度は９×１０８ｃｍ−２以下であることが好ましいことが確認された。
【００７７】
上記実施の形態および実施例においては、弾性表面波素子の一例としてＳＡＷフィルターについて説明したが、本発明の弾性表面波素子はこれに限られず、たとえば共振子などのデバイス（ＳＡＷデバイス）に採用することができる。
【００７８】
今回開示された実施の形態および実施例はすべての点で例示であって、制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味、および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【産業上の利用可能性】
【００７９】
本発明の弾性表面波素子は、損失の低減を達成することが求められる弾性表面波素子に、特に有利に適用され得る。
【図面の簡単な説明】
【００８０】
【図１】実施の形態１におけるＳＡＷフィルターの構成を示す概略図である。
【図２】実施の形態１におけるＳＡＷフィルターの製造方法の概略を示すフローチャートである。
【図３】実施の形態１におけるＳＡＷフィルターの製造方法を説明するための概略断面図である。
【図４】実施の形態１におけるＳＡＷフィルターの製造方法を説明するための概略断面図である。
【図５】実施の形態１におけるＳＡＷフィルターの製造方法を説明するための概略断面図である。
【図６】実施の形態１におけるＳＡＷフィルターの製造方法を説明するための概略断面図である。
【図７】実施の形態２におけるＳＡＷフィルターの構成を示す概略図である。
【図８】実施の形態２におけるＳＡＷフィルターの製造方法の概略を示すフローチャートである。
【図９】実施の形態２におけるＳＡＷフィルターの製造方法を説明するための概略断面図である。
【図１０】実施の形態２におけるＳＡＷフィルターの製造方法を説明するための概略断面図である。
【図１１】実施の形態２におけるＳＡＷフィルターの製造方法を説明するための概略断面図である。
【図１２】実施の形態２におけるＳＡＷフィルターの製造方法を説明するための概略断面図である。
【図１３】素子の加熱温度と加熱した素子のうち正常に動作した素子の割合との関係を示す図である。
【図１４】面方位分布と挿入損失との関係を示す図である。
【図１５】ＡｌＮ基板の転位密度と素子の挿入損失との関係を示す図である。
【図１６】素子の加熱温度と加熱した素子のうち正常に動作した素子の割合との関係を示す図である。
【図１７】面方位分布と挿入損失との関係を示す図である。
【図１８】ＡｌＮエピタキシャル膜の転位密度と素子の挿入損失との関係を示す図である。
【符号の説明】
【００８１】
１ ＳＡＷフィルター、１１ ＡｌＮ基板、１２ ＡｌＮエピタキシャル膜、２１ 入力側電極、２２ 出力側電極、２３ 入力側配線、２５ 出力側配線、９１ ＳｉＣ単結晶基板、９２ ＡｌＮ単結晶厚膜。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、弾性表面波素子に関し、より具体的には損失の低減を達成することが可能な弾性表面波素子に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
弾性表面波素子は、圧電材料の表面を伝播する表面波を利用したデバイスであり、表面に形成された一対の櫛形の電極を備えている。そして、一方の電極に信号が入力されると、他方の電極から特定の周波数の信号を出力する機能を有する。そのため、弾性表面波素子は、たとえば通信用フィルターや共振子などとして使用することができる。
【０００３】
弾性表面波素子の構造としては、たとえば、シリコンやサファイアからなる基板と、当該基板上に形成された窒化アルミニウム（ＡｌＮ）からなる圧電体膜と、圧電体膜上に形成された電極とを備えたものが提案されている（たとえば特許文献１および２参照）。また、位相速度を向上させる目的で、半導体基板上にダイヤモンド膜を形成し、さらにダイヤモンド膜上に圧電体膜としてＡｌＮ膜を積層する構造が提案されている（たとえば特許文献３参照）。
【特許文献１】特開平５−２４３８９５号公報
【特許文献２】特開平６−６１７７４号公報
【特許文献３】特開平１−２３３８１９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上述のように圧電体膜としてＡｌＮ膜を採用することにより、弾性表面波の高い伝播速度を確保することができる。しかしながら、基板上や基板上のダイヤモンド膜上にＡｌＮからなる圧電体膜を形成する上記従来の構成では、圧電体膜と、基板やダイヤモンド膜などの下地層との結晶構造の違いに起因して、圧電体膜と下地層との間に応力が発生し、圧電体膜と下地層とが剥離するという問題がある。また、圧電体膜と下地層との界面や基板とダイヤモンド膜との界面において熱抵抗が高くなり、放熱性が不十分となるおそれがある。近年、高周波の弾性表面波を処理する必要がある場合も多く、このような場合、特に放熱性が問題となる。
【０００５】
そこで、本発明の目的は、圧電体膜と下地層との剥離を回避するとともに、放熱性を向上させ、かつ弾性表面波の高い伝播速度を確保することが可能な弾性表面波素子を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明に従った弾性表面波素子は、窒化アルミニウム単結晶からなる基板と、基板上に形成された電極とを備えている。そして、当該基板の転位密度は９×１０８ｃｍ−２以下である。
【０００７】
上述のように、圧電材料としてＡｌＮを採用した従来の弾性表面波素子は、サファイア基板などの下地層上にＡｌＮ膜を形成した構成を有していた。これは、下地層を採用することなくＡｌＮからなる基板上に電極を形成する構成では、弾性表面波の伝播損失が大きいという問題があったためである。これに対し、本発明者は、ＡｌＮからなる基板（ＡｌＮ基板）上に電極を形成した弾性表面波素子の伝播損失について詳細な検討を行なった。その結果、以下のような結果が得られ、本発明に想到した。
【０００８】
すなわち、ＡｌＮ基板上に電極を形成した弾性表面波素子の伝播損失は、ＡｌＮ基板の転位密度の低下に伴って急激に減少する。そして、転位密度が９×１０８ｃｍ−２以下では伝播損失の減少は飽和し、十分に低い伝播損失が得られる。つまり、ＡｌＮからなる基板上に電極を形成する構成でも、転位密度を９×１０８ｃｍ−２以下とすることにより、伝播損失を十分に抑制可能であることが明らかとなった。
【０００９】
本発明の表面弾性波素子においては、転位密度が９×１０８ｃｍ−２以下に抑制されたＡｌＮ基板が採用されるため、サファイア基板などの下地層を用いることなく弾性表面波の高い伝播速度を確保することができる。さらに、下地層を用いることなくＡｌＮ基板上に電極が配置されるため、圧電体膜と下地層との剥離の問題を回避するとともに、下地層と当該下地層に接触する層との間における熱抵抗に起因した放熱性の低下を回避することができる。その結果、本発明の表面弾性波素子によれば、圧電体膜と下地層との剥離を回避するとともに、放熱性を向上させ、かつ弾性表面波の高い伝播速度を確保することが可能な弾性表面波素子を提供することができる。
【００１０】
ここで、本願明細書、特許請求の範囲および要約書において、転位密度とはＥＰＤ（Ｅｔｃｈ Ｐｉｔ Ｄｅｎｓｉｔｙ；エッチピット密度）法により測定される転位密度をいう。このＥＰＤ法によるＡｌＮ基板の転位密度の測定は、たとえば以下のように実施することができる。まず、水酸化カリウム（ＫＯＨ）と水酸化ナトリウム（ＮａＯＨ）とを質量比１：１で混合した温度２５０℃の融液中にＡｌＮからなる基板を３０分間浸漬してエッチングする。そして、当該基板を洗浄した後、顕微鏡を用いて基板の主面（主表面）に発生したエッチピットの個数を調査し、単位面積あたりのエッチピットの個数を算出する。
【００１１】
上記弾性表面波素子において好ましくは、基板の主面と基板を構成する窒化アルミニウム単結晶の（０００２）面とのなす角は５°以下である。
【００１２】
ＡｌＮ基板の主面と（０００２）面とのなす角が５°を超えると表面弾性波の伝播における損失が大きくなることが、本発明者の検討により明らかとなった。したがって、上記構成により、弾性表面波素子の損失を低減することができる。
【００１３】
上記弾性表面波素子において好ましくは、上記基板の厚さは１０μｍ以上である。これにより、ＡｌＮ基板を自立基板として取り扱うことが容易となり、弾性表面波素子の製造および製造後の素子の取り扱いが容易となる。また、上記基板の厚さを１００μｍ以上とすることにより、基板の取り扱いが一層容易となる。
【００１４】
上記弾性表面波素子においては、窒化アルミニウム単結晶からなり、上記基板と電極との間に基板に接触して形成されたエピタキシャル膜をさらに備えていてもよい。
【００１５】
ＡｌＮ基板上に、窒化アルミニウム単結晶からなるエピタキシャル膜（ＡｌＮエピタキシャル膜）を形成し、ＡｌＮエピタキシャル膜上に電極を配置することにより、電極に接触するＡｌＮ単結晶の転位密度を容易に減少させることができる。また、ＡｌＮ基板とＡｌＮエピタキシャル膜は、同種材料の基板と当該基板に対してエピタキシャル成長した膜であるため、サファイアなどの基板上に異種材料であるＡｌＮ膜を形成する場合に比べて両者の密着性が高く、かつ界面における熱抵抗の上昇を抑制することができる。
【００１６】
上記弾性表面波素子において好ましくは、上記エピタキシャル膜の厚さは１μｍ以上である。これにより、均質なエピタキシャル膜を形成することが容易となるとともに、たとえば弾性表面波素子が通信用フィルターとして用いられる場合、通信用信号の波長に比べてエピタキシャル膜の厚さが大きくなるため、伝播損失を一層抑制することができる。
【００１７】
上記弾性表面波素子において好ましくは、上記エピタキシャル膜の基板とは反対側の主面とエピタキシャル膜を構成する窒化アルミニウム単結晶の（０００２）面とのなす角は５°以下である。
【００１８】
ＡｌＮエピタキシャル膜の基板とは反対側の主面と（０００２）面とのなす角が５°を超えると表面弾性波の伝播における損失が大きくなることが、本発明者の検討により確認された。したがって、上記構成により、弾性表面波素子の損失を低減することができる。
【発明の効果】
【００１９】
以上の説明から明らかなように、本発明の表面弾性波素子によれば、圧電体膜と下地層との剥離を回避するとともに、放熱性を向上させ、かつ弾性表面波の高い伝播速度を確保することが可能な弾性表面波素子を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
以下、図面に基づいて本発明の実施の形態を説明する。なお、以下の図面において同一または相当する部分には同一の参照番号を付し、その説明は繰り返さない。
【００２１】
（実施の形態１）
まず、本発明の一実施の形態である実施の形態１について説明する。図１は、実施の形態１における表面弾性波素子としてのＳＡＷ（Ｓｕｒｆａｃｅ Ａｃｏｕｓｔｉｃ Ｗａｖｅ）フィルターの構成を示す概略図である。
【００２２】
図１を参照して、実施の形態１におけるＳＡＷフィルター１は、窒化アルミニウム単結晶からなるＡｌＮ基板１１と、ＡｌＮ基板１１の一方の主面上に接触するように形成された１対の櫛形形状を有する電極である入力側電極２１および出力側電極２２と、入力側電極２１に接続された入力側配線２３と、出力側電極２２に接続された出力側配線２５とを備えている。そして、ＡｌＮ基板１１の転位密度は９×１０８ｃｍ−２以下となっている。
【００２３】
次に、実施の形態１におけるＳＡＷフィルター１の動作について説明する。図１を参照して、入力側配線２３から入力側電極２１に入力信号である交流電圧が印加されると、圧電効果によりＡｌＮ基板１１の主面（表面）に弾性表面波が生じ、出力側電極２２に伝達される。このとき、入力側電極２１および出力側電極２２は図１に示すように櫛形形状を有しているため、入力側電極２１から出力側電極２２に向かう方向において、ＡｌＮ基板１１の主面のうち電極が形成された領域は所定の周期（電極周期）で存在する。そのため、入力信号により発生した弾性表面波は、その波長が電極周期に一致する場合最も強く励振され、電極周期とのずれが大きいほど減衰する。その結果、電極周期に近い波長の信号のみが出力側電極２２および出力側配線２５を介して出力される。
【００２４】
上記ＳＡＷフィルター１においては、転位密度が９×１０８ｃｍ−２以下に抑制されたＡｌＮ基板１１が採用されるため、サファイア基板などの下地層を用いることなく弾性表面波の高い伝播速度を確保することが可能となっている。さらに、ＡｌＮ基板１１上に直接入力側電極２１および出力側電極２２が形成され、サファイア基板など下地層が用いられていないため、圧電体膜と下地層との剥離の問題を回避するとともに、下地層と当該下地層に接触する層との間における熱抵抗に起因した放熱性の低下が回避されている。その結果、本実施の形態におけるのＳＡＷフィルター１は、圧電体膜と下地層との剥離を回避するとともに、放熱性を向上させ、かつ弾性表面波の高い伝播速度を確保することが可能なＳＡＷフィルター１となっている。
【００２５】
さらに、ＡｌＮ自立基板上に直接電極が形成された本実施の形態におけるＳＡＷフィルター１は、サファイアなどの基板上にＡｌＮからなる圧電体膜を形成した従来の弾性表面波素子に比べて高い周波帯域（具体的にはＵＨＦ波）まで動作可能となっている。また、ＡｌＮ単結晶の熱伝導率は３０Ｗ／ｃｍ・Ｋと高いため、ＳＡＷフィルター１は高周波帯域で動作した場合でも放熱効率が高く、冷却が容易である。さらに、ＳＡＷフィルター１は、従来の弾性表面波素子に比べて耐熱性にも優れ、より高温での動作が可能となっている。また、ＳＡＷフィルター１によれば、サファイアなどの基板上にＡｌＮからなる圧電体膜を形成する工程が省略できるため、製造プロセスを簡略化することが可能である。さらに、ＳＡＷフィルター１においては、入力側電極２１および出力側電極２２が形成されるＡｌＮ基板１１の表面粗さを小さく、たとえば表面粗さＲａを１μｍ以下にまで抑制することが可能であるため、入力側電極２１および出力側電極２２の剥離を抑制することができる。
【００２６】
また、ＳＡＷフィルター１においては、入力側電極２１および出力側電極２２が形成されたＡｌＮ基板１１の主面と窒化アルミニウム単結晶の（０００２）面とのなす角は、５°以下であることが好ましい。これにより、表面弾性波の伝播における損失が低減され、低損失なＳＡＷフィルター１を得ることができる。
【００２７】
さらに、ＳＡＷフィルター１においては、ＡｌＮ基板１１の厚さは１０μｍ以上であることが好ましい。これにより、ＡｌＮ基板１１を自立基板として取り扱うことが容易となり、ＳＡＷフィルター１の製造および製造後の取り扱いが容易となる。
【００２８】
次に、実施の形態１におけるＳＡＷフィルター１の製造方法について説明する。図２は、実施の形態１におけるＳＡＷフィルターの製造方法の概略を示すフローチャートである。また、図３〜図６は、実施の形態１におけるＳＡＷフィルターの製造方法を説明するための概略断面図である。
【００２９】
図２を参照して、実施の形態１におけるＳＡＷフィルター１の製造方法では、まず、工程（Ｓ１０）としてＡｌＮ単結晶成長工程が実施される。この工程（Ｓ１０）では、ＳｉＣ（炭化珪素）などの異種基板上にＡｌＮ単結晶を成長させることにより、ＡｌＮ単結晶の厚膜が作製される。具体的には、図３を参照して、直径１インチ以上４インチ以下、たとえば２インチ、面方位（０００２）、オフ角０°以上１５°以下、たとえば３．５°、ポリタイプ６ＨのＳｉＣ単結晶基板９１上に、昇華法によりＡｌＮ単結晶厚膜９２を成長させる。ＡｌＮ単結晶厚膜９２の厚さは、たとえば２０ｍｍ程度とすることができる。ＡｌＮ単結晶厚膜９２の成長は、成長温度を１７００℃以上２１００℃以下、たとえば１９００℃程度、成長を実施する容器内の圧力を３０ｋＰａ以上９０ｋＰａ以下、たとえば５０ｋＰａ程度とし、当該容器内に流入する窒素の流量を５０ｓｃｃｍ以上９００ｓｃｃｍ以下、たとえば５００ｓｃｃｍ程度とする条件下で実施することができる。ここで、ＡｌＮ単結晶厚膜９２の転位密度を低減し、９×１０８ｃｍ−２以下とするためには、たとえばＡｌＮ単結晶厚膜９２の成長の途中で温度を上げることにより、原子の移動を促進することが好ましい。これにより、転位等の欠陥の発生を抑制することができる。
【００３０】
次に、工程（Ｓ２０）としてＡｌＮ単結晶自立化工程が実施される。この工程（Ｓ２０）では、工程（Ｓ１０）において作製されたＡｌＮ単結晶の厚膜をスライスすることにより、自立した基板として取り扱い可能なＡｌＮ単結晶からなる基板であるＡｌＮ単結晶自立基板が作製される。具体的には、図４を参照して、たとえばワイヤーソー加工機を用いて、ＳｉＣ単結晶基板９１上に形成されたＡｌＮ単結晶厚膜９２を当該ＡｌＮ単結晶厚膜９２の主面に沿った面でスライスすることにより、たとえば直径２インチ、厚さ１ｍｍのＡｌＮ単結晶自立基板としてのＡｌＮ基板１１が複数枚作製される。その後、ＡｌＮ基板１１に対しては研削加工が実施され、たとえば主面の面方位が（０００２）面に対して５°以下の範囲に分布するように、すなわちＡｌＮ基板１１の主面と窒化アルミニウム単結晶の（０００２）面とのなす角が５°以下となるように調整される。さらに、ＡｌＮ基板１１の両側の主面に対して機械研磨および化学研磨が実施され、表面粗さＲａが３００ｎｍ以下、たとえば５ｎｍとされる。この機械研磨および化学研磨が実施された状態で、ＡｌＮ基板１１の厚さは、たとえば４００μｍ程度となる。
【００３１】
次に、工程（Ｓ３０）として電極形成工程が実施される。この工程（Ｓ３０）では、ＡｌＮ基板１１の一方の主面上に櫛形の電極が形成される。具体的には、図５を参照して、工程（Ｓ２０）において作製されたＡｌＮ基板１１の一方の主面上に、導電体であるＡｌの膜（Ａｌ膜）が形成される。Ａｌ膜の形成は、たとえばスパッタリングにより実施することができる。また、Ａｌ膜の厚さは、１００ｎｍ以上１０μｍ以下、たとえば５００ｎｍ程度とすることができる。その後、当該Ａｌ膜上にレジストが塗布されてレジスト膜が形成された後、露光および現像が実施されることにより、所望の入力側電極２１および出力側電極２２の形状に対応する領域以外の領域に開口が形成される。そして、開口が形成されたレジスト膜をマスクとして用いて、たとえばウェットエッチングを実施することにより、図５に示すように入力側電極２１と出力側電極２２とからなる対が複数個形成される。入力側電極２１および出力側電極２２における櫛形電極の電極間隔は、入力される信号の周波数および出力すべき信号の周波数に応じて適宜決定することができるが、０．１μｍ以上５５０μｍ以下、たとえば５．５μｍとすることができる。
【００３２】
次に、工程（Ｓ４０）としてチップ化工程が実施される。この工程（Ｓ４０）では、図６を参照して、入力側電極２１と出力側電極２２とからなる対が複数個形成されたＡｌＮ基板１１が厚さ方向に切断されることにより、１対の入力側電極２１および出力側電極２２を含む複数のチップに分離される。ＡｌＮ基板１１の切断は、たとえばＮｄ：ＹＡＧ（Ｙｉｔｔｒｉｕｍ・Ａｌｕｍｉｎｉｕｍ・Ｇａｒｎｅｔ）レーザ（ネオジウム・ヤグレーザ）を用いて実施することができる。ここで、図６における分離後の各チップの断面は、図１における線分ＶＩ−ＶＩに沿う断面に相当する。
【００３３】
その後、図１を参照して、工程（Ｓ４０）において作製されたチップに対して入力側配線２３および出力側配線２５が形成されることにより、実施の形態１におけるＳＡＷフィルター１が完成する。
【００３４】
（実施の形態２）
次に、本発明の他の実施の形態である実施の形態２について説明する。図７は、実施の形態２における表面弾性波素子としてのＳＡＷフィルターの構成を示す概略図である。
【００３５】
図７を参照して、実施の形態２におけるＳＡＷフィルター１は、基本的には実施の形態１の場合と同様の構成を有し、同様に動作するとともに同様の効果を奏する。しかし、実施の形態２におけるＳＡＷフィルター１は、ＡｌＮ基板１１と入力側電極２１および出力側電極２２との間にＡｌＮエピタキシャル膜１２が配置されている点において、実施の形態１の場合とは異なっている。
【００３６】
すなわち、実施の形態２におけるＳＡＷフィルター１においては、ＡｌＮ基板１１と入力側電極２１および出力側電極２２との間に、ＡｌＮ基板１１の一方の主面上にエピタキシャル成長した窒化アルミニウム単結晶からなるＡｌＮエピタキシャル膜１２が形成されている。そして、当該ＡｌＮエピタキシャル膜１２上に接触して、入力側電極２１および出力側電極２２が形成されている。なお、実施の形態２におけるＳＡＷフィルター１は、弾性表面波がＡｌＮエピタキシャル膜１２の主面において生じ、ＡｌＮエピタキシャル膜１２を伝播する点を除いて、実施の形態１の場合と同様に動作する。
【００３７】
実施の形態２におけるＳＡＷフィルター１においては、ＡｌＮ基板１１上にＡｌＮエピタキシャル膜１２を形成し、ＡｌＮエピタキシャル膜１２上に接触して入力側電極２１および出力側電極２２を配置することにより、入力側電極２１および出力側電極２２に接触するＡｌＮ単結晶の転位密度を減少させることが容易となっている。また、ＡｌＮ基板１１とＡｌＮエピタキシャル膜１２は、同種材料の基板と当該基板に対してエピタキシャル成長した膜であるため、サファイアなどの基板上に異種材料であるＡｌＮ膜を形成する場合に比べて両者の密着性が高く、かつ界面における熱抵抗の上昇が抑制されている。
【００３８】
また、本実施の形態におけるＳＡＷフィルター１においては、ＡｌＮエピタキシャル膜１２の厚さは１μｍ以上であることが好ましい。
【００３９】
これにより、均質なＡｌＮエピタキシャル膜１２を形成することが容易になるとともに、ＳＡＷフィルター１が通信用フィルターとして用いられる場合、通信用信号の波長に比べてＡｌＮエピタキシャル膜１２の厚さが大きくなるため、伝播損失を一層抑制することができる。
【００４０】
さらに、本実施の形態におけるＳＡＷフィルター１においては、ＡｌＮエピタキシャル膜１２のＡｌＮ基板１１とは反対側の主面と窒化アルミニウム単結晶の（０００２）面とのなす角は、５°以下であることが好ましい。これにより、ＳＡＷフィルター１における弾性表面波の伝播損失を低減することができる。
【００４１】
次に、実施の形態２におけるＳＡＷフィルター１の製造方法について説明する。図８は、実施の形態２におけるＳＡＷフィルターの製造方法の概略を示すフローチャートである。また、図９〜図１２は、実施の形態２におけるＳＡＷフィルターの製造方法を説明するための概略断面図である。
【００４２】
図８および図２を参照して、実施の形態２におけるＳＡＷフィルター１の製造方法は、基本的には実施の形態１の場合と同様に実施される。しかし、実施の形態２においては、ＡｌＮ基板１１上にＡｌＮエピタキシャル膜１２が形成される点において、実施の形態１とは異なっている。
【００４３】
すなわち、図９を参照して、実施の形態２におけるＳＡＷフィルター１に製造方法においては、工程（Ｓ１０）が実施の形態１の場合と同様に実施される。この工程（Ｓ１０）では、たとえば直径２インチ、面方位（０００２）、オフ角０°、ポリタイプ６ＨのＳｉＣ単結晶基板９１上に、昇華法により厚さ１０ｍｍのＡｌＮ単結晶厚膜９２を成長させる。ＡｌＮ単結晶厚膜９２の成長は、たとえば成長温度１８００℃程度、成長を実施する容器内の圧力を４０ｋＰａ程度とし、当該容器内に流入する窒素の流量を４００ｓｃｃｍ程度とする条件下で実施することができる。
【００４４】
次に、工程（Ｓ１５）としてエピタキシャル成長工程が実施される。この工程（Ｓ１５）では、図９を参照して、工程（Ｓ１０）においてＳｉＣ単結晶基板９１上に形成されたＡｌＮ単結晶厚膜９２の主面上に、昇華法によるエピタキシャル成長により、ＡｌＮ単結晶からなるＡｌＮエピタキシャル膜１２が形成される。ＡｌＮエピタキシャル膜１２は、成長温度を１８００℃以上２２００℃以下、たとえば２１００℃、成長を実施する容器内の圧力を３０ｋＰａ以上９０ｋＰａ以下、たとえば３０ｋＰａ程度とし、当該容器内に流入する窒素の流量を５０ｓｃｃｍ以上９００ｓｃｃｍ以下、たとえば２００ｓｃｃｍ程度とする条件下で実施することができる。また、ＡｌＮエピタキシャル膜１２の厚さは、１μｍ以上５００μｍ以下、たとえば１００μｍ程度とすることができる。ここで、ＡｌＮエピタキシャル膜１２の転位密度を低減し、９×１０８ｃｍ−２以下とするためには、たとえばＡｌＮエピタキシャル膜１２の成長の途中で温度を上げることにより、原子の移動を促進することが好ましい。これにより、転位等の欠陥の発生を抑制することができる。
【００４５】
次に、工程（Ｓ２０）としてＡｌＮ単結晶自立化工程が実施される。この工程（Ｓ２０）では、図１０を参照して、工程（Ｓ１５）において主面上にＡｌＮエピタキシャル膜が形成されたＡｌＮ単結晶の厚膜をスライスすることにより、自立した基板として取り扱い可能なＡｌＮエピタキシャル成長膜付きＡｌＮ単結晶自立基板が作製される。具体的には、図１０を参照して、たとえばワイヤーソー加工機を用いて、ＡｌＮ単結晶厚膜９２を当該ＡｌＮ単結晶厚膜９２の主面に沿った面でスライスすることにより、たとえば直径２インチ、厚さ０．５ｍｍの、ＡｌＮエピタキシャル膜１２付きＡｌＮ基板１１が作製される。
【００４６】
その後、ＡｌＮエピタキシャル膜１２付きＡｌＮ基板１１の両側の主面（ＡｌＮ基板１１とは反対側のＡｌＮエピタキシャル膜１２の主面、およびＡｌＮエピタキシャル膜１２とは反対側のＡｌＮ基板１１の主面）に対して研削加工が実施され、たとえばＡｌＮ基板１１とは反対側のＡｌＮエピタキシャル膜１２の主面の面方位が、（０００２）面に対して５°以下の範囲に分布するように調整される。さらに、ＡｌＮエピタキシャル膜１２付きＡｌＮ基板１１の両側の主面に対して機械研磨および化学研磨が実施され、たとえば表面粗さＲａが０．３ｎｍとされる。この機械研磨および化学研磨が実施された状態で、ＡｌＮエピタキシャル膜１２付きＡｌＮ基板１１の厚さは、たとえば４００μｍ程度となる。
【００４７】
次に、工程（Ｓ３０）として電極形成工程が実施される。この工程（Ｓ３０）では、図１１を参照して、ＡｌＮエピタキシャル膜１２の主面上に、たとえば厚さ３００ｎｍのＡｌ膜がスパッタリングにより形成される。その後、当該Ａｌ膜上にレジストが塗布されてレジスト膜が形成された後、露光および現像が実施されることにより、所望の入力側電極２１および出力側電極２２の形状に対応する領域以外の領域に開口が形成される。そして、開口が形成されたレジスト膜をマスクとして用いて、たとえばウェットエッチングを実施することにより、図１１に示すように入力側電極２１と出力側電極２２とからなる対が複数個形成される。入力側電極２１および出力側電極２２における櫛形電極の電極間隔は、たとえば０．１９μｍとすることができる。
【００４８】
次に、工程（Ｓ４０）としてチップ化工程が実施される。この工程（Ｓ４０）では、図１２を参照して、入力側電極２１と出力側電極２２とからなる対が複数個形成されたＡｌＮエピタキシャル膜１２付きＡｌＮ基板１１が、１対の入力側電極２１および出力側電極２２を含む複数のチップに分割される。ＡｌＮエピタキシャル膜１２付きＡｌＮ基板１１の複数のチップへの分割は、たとえばＮｄ：ＹＡＧレーザを用いて深さ１００μｍの溝を形成した後、ブレーキング加工を行なうことにより実施することができる。
【００４９】
その後、図７を参照して、工程（Ｓ４０）において作製されたチップに対して入力側配線２３および出力側配線２５が形成されることにより、実施の形態２におけるＳＡＷフィルター１が完成する。
【実施例１】
【００５０】
以下、本発明の実施例１について説明する。上記実施の形態１と同様の構成を有するＳＡＷフィルターを作製し、（１）動作特性、（２）高温での動作、（３）面方位と損失との関係、および（４）転位密度と損失との関係、を調査する実験を行なった。実験の手順および結果は以下の通りである。
【００５１】
（１）動作特性
まず、上記実施の形態１と同様の方法で素子（ＳＡＷフィルター）を作製した。工程（Ｓ１０）においては、直径２インチ、面方位（０００２）、オフ角３．５°、ポリタイプ６ＨのＳｉＣ基板上に、昇華法により厚さ２０ｍｍのＡｌＮ単結晶厚膜を形成した。成長温度は約１９００℃、成長を実施する容器内の圧力は５０ｋＰａとし、当該容器内に窒素を５００ｓｃｃｍの流量で流入させた。工程（Ｓ２０）では、ワイヤーソー加工機を用いて厚さ１ｍｍのＡｌＮ基板を作製し、主面の面方位が（０００２）面に対して０．１°以下の範囲で分布するように主面を研削加工した。さらに、両側の主面に機械研磨および化学研磨を施し、表面粗さＲａを５ｎｍ、厚さを４００μｍとした。
【００５２】
工程（Ｓ３０）では、ＡｌＮ基板上に約５００ｎｍの厚さのＡｌ膜を形成し、フォトリソグラフィープロセスにより、レジストからなるマスクを形成した後、ウェットエッチングを実施することによりＡｌ膜の一部を除去して、Ａｌからなる入力側電極および出力側電極を形成した。櫛形電極の電極間隔は５．５μｍとした。そして、工程（Ｓ４０）では、Ｎｄ：ＹＡＧレーザを用いてＡｌＮ基板を切断し、実験用の素子を得た。
【００５３】
そして、得られた素子の性能を、ネットワークアナライザーを用いて評価した。入力する帯域周波数を０．９５ＧＨｚ〜１．０５ＧＨｚ、出力する周波数を１ＧＨｚとした場合、挿入損失は０．３ｄＢであった。このことから、本発明の表面弾性波素子は、十分に小さい挿入損失を達成していることが確認された。
【００５４】
また、素子を恒温槽に装入し、素子の温度を約５００℃まで上昇させ、動作の可否を調査したところ、正常に動作した。このことから、本発明の弾性表面波素子は、高温での動作が可能であることが確認された。
【００５５】
さらに、弾性表面波の伝播速度を測定したところ、約５５００ｍ／ｓｅｃという高い値が得られた。このことから、本発明の弾性表面波素子は、高い伝播速度を達成していることが確認された。
【００５６】
以上の実験結果より、ＡｌＮ自立基板上に直接電極が形成された本発明の弾性表面波素子は、サファイアなどの基板上にＡｌＮからなる圧電体膜を形成した従来の弾性表面波素子に比べて、製造プロセスを簡略化しつつ、圧電体膜の剥離を回避するとともに、損失の低減、高温での動作、高い伝播速度を達成可能であることが分かった。
【００５７】
（２）高温での動作
上記（１）と同様のプロセスで作製した素子を１００個準備し、恒温槽に投入した。そして、素子の温度を０℃から８００℃まで上昇させ、５０℃毎に素子の動作の可否を確認した。なお、素子の作製に使用したＡｌＮ基板の転位密度は１．２×１０６ｃｍ−２であった。
【００５８】
図１３は、素子の加熱温度（素子温度）と加熱した１００個の素子のうち正常に動作した素子の割合（動作割合）との関係を示す図である。図１３を参照して、素子温度が５００℃以下の温度範囲では全ての素子が正常に動作する一方、素子温度が５００℃を超える５５０℃以上では動作割合が低下することが分かった。このことから、本発明の弾性表面波素子は５００℃という高温まで正常に動作することが確認された。
【００５９】
（３）面方位と損失との関係
上記（１）と同様のプロセスで、主面が（０００２）面に対してなす角が０°〜１０°である２１種類（０．５°毎）のＡｌＮ基板を用いて素子を作製した。ＡｌＮ基板の転位密度は１．１×１０６ｃｍ−２であった。そして、各素子の損失（挿入損失）を測定し、ＡｌＮ基板の主面が（０００２）面に対してなす角（面方位分布）と挿入損失との関係を調査した。
【００６０】
図１４は、面方位分布と挿入損失との関係を示す図である。図１４を参照して、面方位分布が５°以下の範囲においては挿入損失が０．１ｄＢであるのに対し、面方位分布が５°を超える５．５°以上では挿入損失が増加していくことが分かった。このことから、ＡｌＮ基板上に直接電極を形成した本発明の表面弾性波素子においては、ＡｌＮ基板の面方位分布は５°以下、すなわちＡｌＮ基板の主面とＡｌＮ基板を構成する窒化アルミニウム単結晶の（０００２）面とのなす角は５°以下であることが好ましいことが確認された。
【００６１】
（４）転位密度と損失との関係
上記（１）と同様のプロセスで、転位密度が１×１０５ｃｍ−２〜９×１０９ｃｍ−２のＡｌＮ基板を用いて素子を作製した。そして、各素子の損失（挿入損失）を測定し、ＡｌＮ基板の転位密度と挿入損失との関係を調査した。
【００６２】
図１５は、ＡｌＮ基板の転位密度と素子の挿入損失との関係を示す図である。図１５を参照して、転位密度が９×１０８ｃｍ−２以下の範囲においては挿入損失が０．１ｄＢであるのに対し、転位密度が９×１０８ｃｍ−２を超える１×１０９ｃｍ−２以上では挿入損失が増加していくことが分かった。このことから、ＡｌＮ基板上に直接電極を形成した本発明の表面弾性波素子においては、ＡｌＮ基板の転位密度は９×１０８ｃｍ−２以下であることが好ましいことが確認された。
【実施例２】
【００６３】
以下、本発明の実施例２について説明する。上記実施の形態２と同様の構成を有するＳＡＷフィルターを作製し、（１）動作特性、（２）高温での動作、（３）面方位と損失との関係、および（４）転位密度と損失との関係、を調査する実験を行なった。実験の手順および結果は以下の通りである。
【００６４】
（１）動作特性
まず、上記実施の形態２と同様の方法で素子（ＳＡＷフィルター）を作製した。工程（Ｓ１０）においては、直径２インチ、面方位（０００２）、オフ角０°、ポリタイプ６ＨのＳｉＣ基板上に、昇華法により厚さ１０ｍｍのＡｌＮ単結晶厚膜を形成した。成長温度は約１８００℃、成長を実施する容器内の圧力は４０ｋＰａとし、当該容器内に窒素を４００ｓｃｃｍの流量で流入させた。工程（Ｓ１５）では、昇華法によるエピタキシャル成長により、厚さ１００μｍのＡｌＮエピタキシャル膜を成長させた。成長温度は約２１００℃、成長を実施する容器内の圧力は３０ｋＰａとし、当該容器内に窒素を２００ｓｃｃｍの流量で流入させた。
【００６５】
ここで、上記手順により２枚のＡｌＮエピタキシャル膜付きＡｌＮ単結晶厚膜を作製し、うち１枚を用いてＡｌＮエピタキシャル膜の転位密度をＥＰＤ法により調査した。ＥＰＤ法による転位密度の調査は、以下のように行なった。まず、ＫＯＨとＮａＯＨとを質量比１：１で混合した温度２５０℃の融液中に、ＳｉＣ基板上に形成されたＡｌＮエピタキシャル膜付きＡｌＮ単結晶厚膜を３０分間浸漬してエッチングした。そして、洗浄を実施した後、顕微鏡を用いてＡｌＮエピタキシャル膜の主面に発生したエッチピットの個数を調査し、単位面積あたりのエッチピットの個数を算出した。その結果、転位密度は３×１０４ｃｍ−２という低い値であることが分かった。このことから、ＡｌＮ単結晶厚膜上には転位密度が抑制された高品質なＡｌＮエピタキシャル膜が形成されていることが確認された。
【００６６】
工程（Ｓ２０）では、ワイヤーソー加工機を用いて厚さ０．５ｍｍのＡｌＮエピタキシャル膜付きＡｌＮ基板を作製し、ＡｌＮエピタキシャル膜の主面の面方位が（０００２）面に対して０．１°以下の範囲で分布するように主面を研削加工した。さらに、両側の主面に機械研磨および化学研磨を施し、表面粗さＲａを０．３ｎｍ、厚さ４００μｍとした。
【００６７】
工程（Ｓ３０）では、ＡｌＮエピタキシャル膜上に約３００ｎｍの厚さのＡｌ膜を形成し、フォトリソグラフィープロセスにより、レジストからなるマスクを形成した後、ウェットエッチングを実施することによりＡｌ膜の一部を除去して、Ａｌからなる入力側電極および出力側電極を形成した。櫛形電極の電極間隔は０．１９μｍとした。そして、工程（Ｓ４０）では、Ｎｄ：ＹＡＧレーザを用いてＡｌＮエピタキシャル膜付きＡｌＮ基板に深さ１００μｍの溝を形成し、さらにブレーキング加工によりＡｌＮエピタキシャル膜付きＡｌＮ基板を分割し、実験用の素子を得た。
【００６８】
そして、得られた素子の性能を、ネットワークアナライザーを用いて評価した。入力する帯域周波数を３０．９５ＧＨｚ〜３１．０５ＧＨｚ、出力する周波数を３０ＧＨｚとした場合、挿入損失は０．１ｄＢであった。このことから、本発明の表面弾性波素子は、十分に小さい挿入損失を達成していることが確認された。
【００６９】
また、素子を恒温槽に装入し、素子の温度を約５００℃まで上昇させ、動作の可否を調査したところ、正常に動作した。このことから、本発明の弾性表面波素子は、高温での動作が可能であることが確認された。また、ＡｌＮ基板上にＡｌＮエピタキシャル膜を形成した場合でも、ＡｌＮ基板上に直接電極を形成した実施例１の場合と同等の弾性表面波の伝播速度が維持されることを確認した。
【００７０】
以上の実験結果より、ＡｌＮ自立基板上にＡｌＮエピタキシャル膜を成長させた上で、当該ＡｌＮエピタキシャル膜の表面に電極を形成した本発明の弾性表面波素子は、サファイアなどの基板上にＡｌＮからなる圧電体膜を形成した従来の弾性表面波素子に比べて、製造プロセスを簡略化しつつ、圧電体膜の剥離を回避するとともに、高温での動作、高い伝播速度を達成可能であることが分かった。さらに、ＡｌＮ自立基板上に直接電極を形成する場合に比べて、転位密度の低減による挿入損失の抑制を達成可能であることが分かった。
【００７１】
（２）高温での動作
上記（１）と同様のプロセスで作製した素子を１００個準備し、恒温槽に投入した。そして、素子の温度を０℃から８００℃まで上昇させ、５０℃毎に素子の動作の可否を確認した。なお、ＡｌＮエピタキシャル膜の主面の面方位が（０００２）面に対してなす角は１°以下、ＡｌＮエピタキシャル膜の転位密度は１．２×１０４ｃｍ−２とした。
【００７２】
図１６は、素子の加熱温度（素子温度）と加熱した１００個の素子のうち正常に動作した素子の割合（動作割合）との関係を示す図である。図１６を参照して、素子温度が５００℃以下の温度範囲では全ての素子が正常に動作する一方、素子温度が５００℃を超える５５０℃以上では動作割合が低下することが分かった。このことから、本発明の弾性表面波素子は５００℃という高温まで正常に動作することが確認された。
【００７３】
（３）面方位と損失との関係
上記（１）と同様のプロセスで、主面が（０００２）面に対してなす角が０°〜１０°である２１種類（０．５°毎）のＡｌＮエピタキシャル膜付きＡｌＮ基板を用いて素子を作製した。ＡｌＮエピタキシャル膜の転位密度は１．２×１０４ｃｍ−２とした。そして、各素子の損失（挿入損失）を測定し、ＡｌＮエピタキシャル膜の主面が（０００２）面に対してなす角（面方位分布）と挿入損失との関係を調査した。
【００７４】
図１７は、面方位分布と挿入損失との関係を示す図である。図１７を参照して、面方位分布が５°以下の範囲においては挿入損失が０．１ｄＢであるのに対し、面方位分布が５°を超える５．５°以上では挿入損失が増加していくことが分かった。このことから、ＡｌＮ自立基板上にＡｌＮエピタキシャル膜を成長させた上で、当該ＡｌＮエピタキシャル膜の表面に電極を形成した本発明の表面弾性波素子においては、ＡｌＮエピタキシャル膜の面方位分布は５°以下、すなわちＡｌＮエピタキシャル膜の主面とＡｌＮエピタキシャル膜を構成する窒化アルミニウム単結晶の（０００２）面とのなす角は５°以下であることが好ましいことが確認された。
【００７５】
（４）転位密度と損失との関係
上記（１）と同様のプロセスで、ＡｌＮエピタキシャル膜の転位密度が１×１０４ｃｍ−２〜９×１０９ｃｍ−２であるＡｌＮエピタキシャル膜付きＡｌＮ基板を用いて素子を作製した。ＡｌＮエピタキシャル膜の主面の（０００２）面に対する面方位分布は０．５°とした。そして、各素子の損失（挿入損失）を測定し、ＡｌＮエピタキシャル膜の転位密度と挿入損失との関係を調査した。
【００７６】
図１８は、ＡｌＮエピタキシャル膜の転位密度と素子の挿入損失との関係を示す図である。図１８を参照して、転位密度が９×１０８ｃｍ−２以下の範囲においては挿入損失が０．１ｄＢであるのに対し、転位密度が９×１０８ｃｍ−２を超える１×１０９ｃｍ−２以上では挿入損失が増加していくことが分かった。このことから、ＡｌＮ自立基板上にＡｌＮエピタキシャル膜を成長させた上で、当該ＡｌＮエピタキシャル膜の表面に電極を形成した本発明の表面弾性波素子においては、ＡｌＮエピタキシャル膜の転位密度は９×１０８ｃｍ−２以下であることが好ましいことが確認された。
【００７７】
上記実施の形態および実施例においては、弾性表面波素子の一例としてＳＡＷフィルターについて説明したが、本発明の弾性表面波素子はこれに限られず、たとえば共振子などのデバイス（ＳＡＷデバイス）に採用することができる。
【００７８】
今回開示された実施の形態および実施例はすべての点で例示であって、制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味、および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【産業上の利用可能性】
【００７９】
本発明の弾性表面波素子は、損失の低減を達成することが求められる弾性表面波素子に、特に有利に適用され得る。
【図面の簡単な説明】
【００８０】
【図１】実施の形態１におけるＳＡＷフィルターの構成を示す概略図である。
【図２】実施の形態１におけるＳＡＷフィルターの製造方法の概略を示すフローチャートである。
【図３】実施の形態１におけるＳＡＷフィルターの製造方法を説明するための概略断面図である。
【図４】実施の形態１におけるＳＡＷフィルターの製造方法を説明するための概略断面図である。
【図５】実施の形態１におけるＳＡＷフィルターの製造方法を説明するための概略断面図である。
【図６】実施の形態１におけるＳＡＷフィルターの製造方法を説明するための概略断面図である。
【図７】実施の形態２におけるＳＡＷフィルターの構成を示す概略図である。
【図８】実施の形態２におけるＳＡＷフィルターの製造方法の概略を示すフローチャートである。
【図９】実施の形態２におけるＳＡＷフィルターの製造方法を説明するための概略断面図である。
【図１０】実施の形態２におけるＳＡＷフィルターの製造方法を説明するための概略断面図である。
【図１１】実施の形態２におけるＳＡＷフィルターの製造方法を説明するための概略断面図である。
【図１２】実施の形態２におけるＳＡＷフィルターの製造方法を説明するための概略断面図である。
【図１３】素子の加熱温度と加熱した素子のうち正常に動作した素子の割合との関係を示す図である。
【図１４】面方位分布と挿入損失との関係を示す図である。
【図１５】ＡｌＮ基板の転位密度と素子の挿入損失との関係を示す図である。
【図１６】素子の加熱温度と加熱した素子のうち正常に動作した素子の割合との関係を示す図である。
【図１７】面方位分布と挿入損失との関係を示す図である。
【図１８】ＡｌＮエピタキシャル膜の転位密度と素子の挿入損失との関係を示す図である。
【符号の説明】
【００８１】
１ ＳＡＷフィルター、１１ ＡｌＮ基板、１２ ＡｌＮエピタキシャル膜、２１ 入力側電極、２２ 出力側電極、２３ 入力側配線、２５ 出力側配線、９１ ＳｉＣ単結晶基板、９２ ＡｌＮ単結晶厚膜。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
窒化アルミニウム単結晶からなる基板と、
前記基板上に形成された電極とを備え、
前記基板の転位密度は９×１０８ｃｍ−２以下である、弾性表面波素子。
【請求項２】
前記基板の主面と前記基板を構成する窒化アルミニウム単結晶の（０００２）面とのなす角は５°以下である、請求項１に記載の弾性表面波素子。
【請求項３】
前記基板の厚さは１０μｍ以上である、請求項１または２に記載の弾性表面波素子。
【請求項４】
窒化アルミニウム単結晶からなり、前記基板と前記電極との間に前記基板に接触して形成されたエピタキシャル膜をさらに備えた、請求項１〜３のいずれか１項に記載の弾性表面波素子。
【請求項５】
前記エピタキシャル膜の厚さは１μｍ以上である、請求項４に記載の弾性表面波素子。
【請求項６】
前記エピタキシャル膜の前記基板とは反対側の主面と前記エピタキシャル膜を構成する窒化アルミニウム単結晶の（０００２）面とのなす角は５°以下である、請求項４または５に記載の弾性表面波素子。
【請求項１】
窒化アルミニウム単結晶からなる基板と、
前記基板上に形成された電極とを備え、
前記基板の転位密度は９×１０８ｃｍ−２以下である、弾性表面波素子。
【請求項２】
前記基板の主面と前記基板を構成する窒化アルミニウム単結晶の（０００２）面とのなす角は５°以下である、請求項１に記載の弾性表面波素子。
【請求項３】
前記基板の厚さは１０μｍ以上である、請求項１または２に記載の弾性表面波素子。
【請求項４】
窒化アルミニウム単結晶からなり、前記基板と前記電極との間に前記基板に接触して形成されたエピタキシャル膜をさらに備えた、請求項１〜３のいずれか１項に記載の弾性表面波素子。
【請求項５】
前記エピタキシャル膜の厚さは１μｍ以上である、請求項４に記載の弾性表面波素子。
【請求項６】
前記エピタキシャル膜の前記基板とは反対側の主面と前記エピタキシャル膜を構成する窒化アルミニウム単結晶の（０００２）面とのなす角は５°以下である、請求項４または５に記載の弾性表面波素子。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【公開番号】特開２０１０−６８０９７（Ｐ２０１０−６８０９７Ａ）
【公開日】平成２２年３月２５日（２０１０．３．２５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−２３０８７１（Ｐ２００８−２３０８７１）
【出願日】平成２０年９月９日（２００８．９．９）
【出願人】（０００００２１３０）住友電気工業株式会社 (12,747)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年３月２５日（２０１０．３．２５）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年９月９日（２００８．９．９）
【出願人】（０００００２１３０）住友電気工業株式会社 (12,747)
【Ｆターム（参考）】
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