DE69209760T2

DE69209760T2 - Herstellungsverfahren für akustische Oberflächenwellenanordnungen

Info

Publication number: DE69209760T2
Application number: DE69209760T
Authority: DE
Inventors: Naoji Fujimori; Akihiro Hachigo; Hideaki Nakahata; Shinichi Shikata
Original assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Current assignee: Seiko Epson Corp
Priority date: 1991-09-24
Filing date: 1992-09-21
Publication date: 1996-11-28
Anticipated expiration: 2012-09-22
Also published as: JP3170819B2; EP0534355B1; US5320865A; DE69209760D1; EP0534355A1; JPH0583067A

Description

Hintergrund der Erfindung

Gebiet der Erfindung

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Herstellungsverfahren für eine akustische Oberflächenwellenanordnung, die in einem hohen Frequenzbereich benutzt wird.

Beschreibung des Standes der Technik

Eine akustische Oberflächenwellenanordnung, die akustische Oberflächenwellen benutzt, welche sich an der Oberfläche eines Festkörpers mit Energien ausbreiten, die darauf konzentriert sind, kann in einer stabilen Ausführung miniaturisiert werden, und deshalb kann sie als ein Zwischenfrequenzfilter eines TV-Empfängers und ähnlichem verwendet werden.
Die akustische Oberflächenwellenanordnung beinhaltet interdigitale Elektroden, die auf einer piezoelektrischen Schicht angeordnet sind, wenn ein Wechselstrom-elektrisches Feld auf die interdigitalen Elektroden auf der piezoelektrischen Schicht der akustischen Oberflächenwellenanordnung, die solch eine Struktur hat, angewendet wird, werden Spannungen, die entgegengesetzte Richtungen zueinander haben, zwischen benachbarten Elektroden durch den piezoelektrischen Effekt erzeugt, und die Oberflächenwellen werden angeregt. Ein Hauptquarz-Ein-Kristall, LiNbO, LiTaO oder dergleichen, und ein ZnO-Dünnfilm, der auf einem Substrat gedampft ist, werden als die Materialien des piezoelektrischen Körpers benutzt.
Die Funktionsfrequenz f der akustischen Oberflächenwellenanordnung wird durch f = v/λ festgelegt (v: Phasengeschwindigkeit der akustischen Welle, die sich über die Oberfläche des Festkörpers ausbreitet, λ : Abstand der interdigitalen Elektroden) noch genauer kann sie in höherem Frequenzbereichen benutzt werden, wenn der Abstand λ kleiner ist und die Geschwindigkeit v größer ist. Die Geschwindigkeit v der akustischen Oberflächenwelle wird durch die Materialeigenschaften des Festkörpers eingeschränkt. Wegen der technischen Begrenzung von Feinverarbeitung (das kleinstmöglichste Maß an Verarbeitung in der Photolithographie ist 0,8 µm, während die Elektronenstrahl-Bestrahlungstechnik eine Verarbeitung in der Größenordnung von Submikrometer ermöglicht: der Ertrag wird kleiner, wenn die Linienbreite dünner wird, gibt es eine untere Grenze des Abstandes der interdigitalen Elektroden. Dementsprechend ist die höchstmögliche Funktionsfrequenz der praktisch benutzten akustischen Oberflächenwellenanordnung z.Zt. 900 MHz.
Eine akustische Oberflächenwellenanordnung, welche in einem höheren Frequenzbereich benutzt werden kann (GHZ-Bereich), ist gewimseht worden, als die Kommunikation bei höheren Frequenzen, wie die Satellitenkommunikation und die mobile Kommunikation, entwickelt worden ist. Der Diamand hat die höchste Schallgeschwindigkeit unter allen Materialien, die bisher bekannt sind (die Geschwindigkeit der transversalen Welle = 13000m/s, die Geschwindigkeit der longitudinalen Wellle = 16000/s) und wenn Diamant als ein Basismaterial verwendet wird, kann die Geschwindigkeit der akustischen Oberflächenwelle auf 10000 m/s oder höher gebracht werden. Ein diamantähnlicher Kohlenstofffilm hat eine ähnliche Schallgeschwindigkeit wie Diamant, und die Geschwindigkeit v der akustischen Oberflächenwelle kann auf das gleiche Ausmaß gesteigert werden, wenn er als das Basismaterial verwendet wird. Die akustische Oberflächenwelle, die die geschichtete Diamantstruktur hat, und ein piezoelektrischer Körper werden zum Beispiel in der japanischen Patentoffenlegungsschriften 64-20714 und 64-62911 (siehe auch US-A 495232) offenbart, und die Etwicklungen von solchen Anordnungen sind gefördert worden.
Die Natur der piezoelektrischen Schicht beeinflußt weitestgehend die Eigenschaften der akustischen Oberflächenwellenanordnung. Ein spezielles Beispiel einer akustischen Oberflächenwellenanordnung, die durch Anordnen eines ZnO-Filmes gebildet wird, welches ein piezoelektrisches Material ist, auf Diamant wird beschrieben werden. Herkömmlicherweise ist der ZnO-Film auf dem Diamant durch ein Hochfrequenz-Sputterverfahren gebildet worden. In einer akustischen Oberflächenwellenanordnung wird die Anregungswirksamkeit der akustische Oberflächenwelle und der Ausbreitungsverlust der Wellen durch die C-Achsen-Orientierung, die Korngröße, die Oberflächenebenheit, die Widerstandsfähigkeit und dem Adhesionsvermögen des Films auf dem Diamantsubstrat beeinflußt.
Wenn die C-Achsen-Orientierung des gebildeten ZnO-Filmes nicht ausreichend ist, ist die piezoelektrische Natur des ZnO-Filmes nicht komplett vorhanden und die akustische Oberflächenwellen werden nicht angeregt. Der kleinere -Wert des Filmes entsprechend der Röntgenstrahl-Schwankungskurvenanalyse der C-Achsenorientierung ist der bevorzugtere. Der Wert muß innerhalb von 5 Grad sein, die Anordnung als akustische Oberflächen- wellenanordnung zu benutzen. Im allgemeinen ist -Wert des ZnO-Filmes, der auf dem Diamantsubstrat durch das RF-Sputterverfahren gebildet wird, in dem Bereich von 2 - 3 Grad.
Je kleiner die Korngröße des gebildeten ZnO-Filmes ist, desto besser ist die Oberflächenebenheit, und desto Meiner wird der Ausbreitungsverlust der akustischen Oberflächenwellen, wenn die Oberfläche ebener ist. Wenn der Ausbreitungsverlust zu groß ist, wird der Verlust in der Anordnung groß und die Anordnung kann nicht praktisch genutzt werden. Die Oberfläche des Filmes sollte nämlich so flach wie möglich sein. Der ZnO-Film, der auf dem Diamantsubstrat durch RF-Sputtern gebildet wird, das den -Wert von ungefähr 2 - 3 Grad hat, würde die Filmdicke von 1 µm und die Korngröße von 50 nm haben und die korrespondierende Oberflächen-Rauhigkeit ist bis zu ungefähr einigen Zehn nm.
Der piezoelektrische Film muß eine hohe Widerstandsfähigkeit haben, um die akustischen Oberflächenwellen anzuregen. Das Zusammensetzungsverhältnis von Zn und O des ZnO-Filmes, der durch das RF-Sputter-Verfahren gebildet wird, ist nicht 1:1, sondern Zn ist übermäßig. Dementsprechend neigt der Film dazu, ein n-Typ-Halbleiter zu sein, welcher leitend ist. Um diesen Film zu einem Film mit einem hohen Widerstand zu machen, ist Li in dem ZnO während des Sputterns dotiert worden, um die Aufladungen zu kompensieren und den Widerstand des Filmes zu steigern. Der Widerstand des C- achsenorientierten ZnO-Filmes mit Li, das während des RF-Sputterns dotiert wird, kann für gewöhnlich bei ungefähr 10&sup6; Ω cm eingestellt werden.
Wie oben beschrieben, hat der ZnO-polykristalline Film, der eine überlegene C-Achsenorientierung hat, der auf einer Diamantschicht durch das herkömmliche RF-Sputterverfahren gebildet ist, die Filmdicke von 1 µm und die Korngröße von ungefähr 50 nm. Weiterhin ist, da der ZnO-Film mit Li- Unreinheiten dotiert ist, um einen hsheren Widerstand zu erhalten, der Film in der Kristallinität fehlerhaft. Deshalb wird, wenn die akustische Oberflächenwellenanordnung durch Benutzen des ZnO-Filmes, der durch das RF-Sputterverfahren so gebildet wird, hergestellt wird, der Ausbreitungsverlust der akustischen Oberflächenwelle groß werden (ungefähr 70 dB/cm bei 1 GHz). Dies verursacht einen großen Einführungsverlust zwischen dem Eingang und dem Ausgang der Anordnung, welcher zu einer eingeschränkten Anwendung führt. Das Problem größeren Ausbreitungsverlustes wird noch deutlicher sichtbar, wenn die Frequenz der Anordnung, bei welcher sie benutzt wird, höher wird.

Zusammenfassung der Erfindung

Ein Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, ein Herstellungsverfahren einer akustischen Oberflächenwellenanordnung zu liefern, deren Einführungsverlust in einem hohen Frequenzbereich klein ist.
Entsprechend eines Aspektes liefert die vorliegende Erfindung ein Herstellungsverfahren einer akustischen Oberflächenwellenanordnung, die ein Substrat, eine Diamantschicht, die auf dem Substrat gebildet ist, eine piezoelektrische Schicht, die auf der Diamantschicht gebildet ist, und Elektroden, die auf dem Substrat, der Diamantschicht und der piezoelektrischen Schicht gebildet werden, beinhaltet, in welcher die piezoelektrische Schicht durch Laserablationsverfahren gebildet wird.
Entsprechend eines anderen Aspektes liefert die vorliegende Erfindung ein Herstellungsverfahren einer akustischen Oberflächen-wellenanordnung, das die Schritte des Bildens einer Diamantschicht auf einem Substrat, des Bildens von Elektroden auf der Diamantschicht, und des Bildens einer piezoelektrischen Schicht durch Laser-ablationsverfahren auf der Diamantschicht und auf den Elektroden beinhaltet.
Die Temperatur des geschichteten Körpers, der das Substrat und die Diamantschicht beinhaltet, wenn die piezoelektrische Schicht durch das Laserablationsverfahren gebildet wird, ist vorzugsweise in dem Bereich von 150ºC bis 500ºC und noch bevorzugter von 200ºC bis 350ºC.
Das Filmbildungsatmosphärengas sollte, wenn die piezoelektrische Schicht durch das Laserablationsverfahren gebildet wird, vorzugsweise Sauerstoff sein.
Der Druck des Filmbildungsatmosphärengases ist, wenn die piezoelektrische Schicht durch das Laserablationsverfahren gebildet wird, vorzugsweise in dem Bereich von 1 x 10&supmin;³ Pa bis 5 x 10&supmin;¹ Pa und noch bevorzugter von 5 x 10&supmin;³ Pa bis 1 x 10&supmin;¹ Pa.
In der vorliegenden Erfindung ist die piezoelektrische Schicht hauptsächlich aus mindestens einer Verbindung zusammengesetzt, die aus der Gruppe, die aus ZnO, AlN, Pb (Zr, Ti)0&sub3;, (Pb, La) (Zr, Ti)O&sub3;, LiTaO&sub3;, LiNbO&sub3;, SiO&sub2;, Ta&sub2;O&sub5;, Nb&sub2;O&sub5;, BeO, Li&sub2;B&sub4;O&sub7;, KNbO&sub3;, ZnS, ZnSe und CdS besteht, ausgewählt wird.
Das Laserablationsverfahren ist ein Verfahren zum Bildens eines Filmes auf einem Substrat, in welchem ein Pulslaser auf ein Target fokussiert und gestrahlt wird, um Ionen, Atome und Cluster (welches Verfahren z.B. in Solid State Technology/February 1989, pp. 106 - 110 beschrieben wird) zu erzeugen. Entsprechend der vorliegenden Erfindung können durch Benutzen des Laserablationsverfahrens, wenn der ZnO-Film auf dem Diamantsubstrat gebildet wird, ein ZnO-Film, der nicht nur überlegene C-Achsenorientierung, sondern auch kleinere Korngrößen (die Korngröße von 10 mm mit der Filmdicke von 1 µm) hat, überlegene Oberflächenebenheit (die Oberflächenrauhigkeit ist 10 nm maximal) und ein Widerstand so hoch wie ungefähr 10&sup6; Ω cm, wobei der Widerstand erhalten werden kann, ohne mit Li zu dotieren, welches in dem herkömmlichen RF-Sputterverfahren notwendig war, gebildet werden.
Die Filmbildungsbedingungen sind, wenn die piezoelektrische Schicht durch das Laserablationsverfahren gebildet wird, wie folgt.
Excimerlaser, YAG-Laser, CO&sub2;-Laser oder dergleichen werden als Laserstrahlen bevorzugt. Ein bevorzugtes Target beinhaltet eine gesinterte Keramik von ZnO und anderen Zn-Verbindungen.
Sauerstoff wird als Atmosphärengas bei der Filmbildung bevorzugt. Edelgas, wie Ar oder CO&sub2; können möglicherweise benutzt werden. Jedoch kann, wenn die Widerstände der resultierenden ZnO-Filme verglichen werden, ein ZnO-Film, der eine überlegene Isolierung von ungefähr 10&sup6; bis 10¹&sup0; Q cm, geliefert werden, wenn Sauerstoff benutzt wird, während sich ZnO-Filme, die eine geringe Isolierung von ungefähr 10&sup4; bis 10&sup6; Q cm haben, ergeben, wenn das letztere Gas benutzt wird. Wenn N&sub2; als das Atmosphärengas benutzt wird, ist der Widerstand des resultierenden ZnO-Filmes ungefähr 10² bis 10&sup4; Q cm, welches zu gering ist, um als akustische Oberflächenwellenanordnung benutzt zu werden.
Ein ZnO-Film, der eine überlegene Orientierung und eine Oberflächenebenheit hat, kann geliefert werden, wenn der Druck des Filmbildungsatmosphärengases innerhalb des Bereiches von 1 x 10&supmin;³ Pa bis 5 x 10&supmin;¹ Pa ist. Noch bevorzugter ist der Bereich von 5 x 10&supmin;³ Pa bis 1 x 10&supmin;¹ Pa, um einen ZnO-Film zu liefern, der eine gute Einheitlichkeit (Filmdickenverteilung < 10 %) hat.
Die Temperatur des geschichteten Körpers, der das Substrat und die Diamantschicht beinhaltet, sollte vorzugsweise in einem Bereich von 150ºC bis 500ºC sein. Wenn die Temperatur Meiner als 150ºC ist, würde der ZnO-Film eine niedrige Orientierung ( -Wert > 4º) haben, und wenn die Temperatur höher als 500ºC ist, würde der ZnO-Film eine große Korngröße haben, was eine größere Oberflächenrauhigkeit verursacht (von mehr als 30 nm). Noch bevorzugter sollte die Temperatur innerhalb des Bereiches von 200ºC bis 350ºC sein, welches einen ZnO-Film liefert, der eine überlegene Orientierung von < 3º und eine überlegene Ebenheit der Oberflächenrauhigkeit < 20 nm hat.
Durch die geschichtete Struktur des ZnO-Filmes und dem Diamant kann der Ausbreitungsverlust der akustischen Oberflächenwelle gering gemacht werden (20 dB/cm bis 1 Ghz). Durch Benutzen des Laserablationsverfahrens unter den oben beschriebenen Bedingungen, wenn der Zno-Film gebildet werden soll, kann eine akustische Oberflächenwellenanordnung, die einen Meineren Einführungsverlust hat, hergestellt werden, verglichen mit dem herkömmlichen RF-Sputterverfahren.
Dementsprechend kann die akustische Oberflä-chenwellenanordnung, die durch die vorliegende Erfindung herstellt wird, als ein Frequenzfilter, ein Resonator, eine Verzögerungsleitung, ein Winder, ein Korellierer, oder dergleichen benutzt werden, da der Einführungsverlust im Bereich von mehreren Hunderten von MHz bis Ghz Mein ist.
Die vorangegangenen und anderen Ziele, Merkmale, Aspekte und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden durch die folgende detaillierte Beschreibung der vorliegenden Erfindung offensichtlicher werden, wenn diese in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen betrachtet wird.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Fig. 1 ist eine Querschnittsansicht, die eine Struktur einer akustischen Oberflächenwellenanordnung entsprechend einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
Fig. 2 ist eine Querschnittsansicht, die verschiedene Anordnungen an Elektroden der akustischen Oberflächenwellenanordnungen entsprechend einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.

Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen

Ein akustischer Oberflächenwellenfilter, der die Struktur, die in Fig. 1 gezeigt wird, hat, wurde hergestellt. Eine polykristalline Diamantschicht 2 wurde durch ein Mikrowellenplasma-CVD-Verfahren mit H&sub2; und CH&sub4;, das als ein Materialgas benutzt wird, auf einem Si-Substrat gebildet. Nach dem Oberflächenpolieren wurden zwei Paare (für Ein- und Ausgang) an Alinterdigitalen Elektroden 3 (Linienbreite 2 µm, Abstand: 600 µm, Anzahl der Paare: 50 Paare, Ausbrei-tungsentfernung: 500 µm) gebildet. Ein ZnO-Film 4, der die Dicke von 1 µm hat, wurde durch das Laserablationsverfahren darauf gebildet. Die Bedingungen für die Filmbildung waren: Substrattemperatur 300ºC, benutzter Laser : Excimerlaser, Laserintensität: 2J/cm², Filmbildungsatmosphäre: Sauerstoff 4 x 10&supmin;² Pa, Targetmaterial: ZnO-Keramik.
Die C-Achsenorientierung des ZnO-Films war so gut wie = 1.0 Grad, die Korngröße war 10 nm, die Oberflächenebenheit war ein paar bis 10 nm und der Widerstand war 10&sup6; Q cm. Die Frequenzeigenschaften des akustischen Oberflächenwellenfilters, der auf diese Weise gebildet wird, wurden gemessen. Die Eigenschaft des Bandpaßfilters mit der akustischen Oberflächenwelle des ersten Modus entspricht der Eigenschaft des Bandpaßfilters mit der zentralen Frequenz von 1 Ghz und der Einführungsverlust der zentralen Frequenz war 10 dB.

Vergleichsbeispiel

Ein ZnO-Film wurde durch RF-Sputterverfahren gebildet und ein akustischer Oberflächenwellenfilter, der eine ähnliche Struktur wie das obige Ausführungsbeispiel hat, wurde hergestellt. Die Sputterbe-dingungen waren: RF-Leistung: 150 W, Gas: Ar 50 %, Sauerstoff 50 %, Druck: 1.3 Pa, Substrattemperatur 300ºC, Targetmaterial: Keramiken von ZnO + 1 % von Li&sub2;CO&sub3;. Die C-Achsenorientierung des ZnO-Filmes war = 2.5º, die Korngröße war 50 nm, die Oberflächenebenheit war bis zu 30 nm, und der Widerstand war 10&sup6; Q cm. Bezüglich den Frequenzeigenschaften des akustischen Oberflächenwellenfilters war die zentrale Frequenz 1 Ghz und der Anweisungsverlust war 25 dB.
In der Ausführungsform der akustischen Oberflächen-wellenanordnung, die entsprechend der vorliegenden Erfindung hergestellt ist, können Gegenelektroden 5 angeordnet werden zum Vergrößern der Ausbreitungsgeschwindigkeit der akustischen Ober-flächenwellen, die über die geschichtete Struktur sich ausbreiten und um den elektromechanischen Kupplungskoeffizienten zu vergrößern. Fig. 2 ist ein Querschnitt, der verschiedene Elektrodenanordnungen zeigt. Die Effekte der vorliegenden Erfindung können in jedem der akustischen Oberflächenwellenanordnungen, die solche Elektroden-anordnungen, wie sie in Fig. 2 gezeigt werden, haben, erhalten werden.
Obwohl die vorliegende Erfindung im Detall beschrieben und dargestellt worden ist, ist es deutlich verständlich, daß dieselbige nur als Darstellung und Beispiel und nicht als Einschrän-kung zu betrachtet ist, vielmehr ist der Umfang der vorliegen-den Erfindung nur durch die Begriffe der beigefügten Ansprüche begrenzt.

Claims

1. Herstellungsverfahren für akustische Oberflächenwellenanordnungen, welches ein Substrat, eine auf dem Substrat gebildete Diamantschicht, eine auf der Diamantschicht gebildete piezoelektrische Schicht, und Elektroden aufweist, die auf dem Substrat, der Diamantschicht oder der piezoelektrischen Schicht gebildet sind, worin die piezoelektrische Schicht durch ein Laserablatiorisverfahren gebildet wird.

2. Herstellungsverfahren für akustische Oberflächenwellenanordnungen umfassend die Schritte:

Bildung einer Diamantschicht auf einem Substrat;

Bildung von Elektroden auf der Diamantschicht; und

Bildung einer piezoelektrischen Schicht auf der Diamantschicht und auf den Elektroden durch ein Laserablationsverfahren.

3. Herstellungsverfahren für akustische Oberflächenwellenanordnungen gemäß Anspruch 1 oder 2, worin die Temperatur eines geschichteten Körpers aus dem Substrat und der Diamantschicht in dein Bereich von 150ºC bis 500ºC ist, wenn die piezoelektrische Schicht durch das Laserablationsverfahren gebildet wird.

4. Herstellungsverfahren für akustische Oberflächenwellenanordnungen gemäß Anspruch 1 oder 2, worin die Temperatur eines geschichteten Körpers aus dem Substrat und der Diamantschicht bevorzugt im Bereich von 200 º bis 350ºC ist, wenn die piezoelektrische Schicht durch das Laserablationsverfahren gebildet wird.

5. Herstellungsverfahren für akustische Oberflächenwellenanordnungen gemäß Anspruch 1 oder 2, worin das Filmbildungsatmosphärengas Sauerstoff ist, wenn die piezoelektrische Schicht durch das Laserablationsverfahren gebildet wird.

6. Herstellungsverfahren für akustische Oberflächenwellenanordnungen gemäß Anspruch 1 oder 2, worin der Druck des Filmbildungsatmosphärengases in dem Bereich von 1 x 10&supmin;³ Pa bis 5 x 10&supmin;¹ Pa ist, wenn die piezoelektrische Schicht durch das Laserablationsverfahren gebildet wird.

7. Herstellungsverfahren für akustische Oberflächenwellenanordnungen gemäß Anspruch 1 oder 2, worin der Druck des Filmbildungsatmosphärengases bevorzugt in dem Bereich von 5 x 10&supmin;³ Pa bis 1 x 10&supmin;¹ Pa ist, wenn die piezoelektrische Schicht durch das Laserablationsverfahren gebildet wird.

8. Herstellungsverfahren für akustische Oberflächenwellenanordnungen gemäß Anspruch 1 oder 2, worin die Temperatur eines geschichteten Körpers aus dem Substrat und der Diamantschicht im dem Bereich von 150ºC bis 500ºC ist, wenn die piezoelektrische Schicht durch das Laserablationsverfahren hergestellt wird, das Filmbildungsatmosphärengas Sauerstoff ist und der Druck des Filmbildungsatmosphärengases in dem Bereich von 1 x 10&supmin;³ Pa bis 5 x 10&supmin;¹ Pa ist.

9. Herstellungsverfahren für akustische Oberflächenwellenanordnungen gemäß Anspruch 1, worin die piezoelektrische Schicht hauptsächlich aus mindestens einer Komponente ausgewahlt aus der Gruppe, die aus ZnO, AIN, Pb(Zr, Ti)O&sub3;, (Pb, La) (Zr, Ti)O&sub3;, LiTaO&sub3;, LiNbO&sub3;, SiO&sub2;, Ta&sub2;O&sub5;, Nb&sub2;O&sub5;, BeO, Li&sub2;B&sub4;O&sub7;, KNbO&sub3;, ZnS, ZnSe und CdS besteht, zusammengesetzt ist.