JP3109060B2 - 表面弾性波素子 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、たとえば高周波フィ
ルタなどに用いることができる表面弾性波素子に関する
ものであり、特にダイヤモンド層を用いた表面弾性波素
子に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】表面弾性波素子は、部品点数が少なく、
小型化することができ、しかも表面波の伝搬径路上にお
いての信号の出入れが容易である。このため、表面弾性
波素子は、フィルタ、遅延線、発振器、共振器、コンボ
ルバおよび相関器などに応用されている。特に、表面弾
性波フィルタは、早くからテレビの中間周波数フィルタ
として実用化されており、さらにＶＴＲおよび各種の通
信機器用フィルタに応用されてきている。

【０００３】表面弾性波素子は、ＬｉＮｂＯ₃ およびＬ
ｉＴａＯ₃ などの圧電体単結晶上に、くし形電極を形成
することによって製造されてきたが、近年、ＺｎＯ等の
圧電体薄膜をガラス等の基板上にスパッタ等の技術で成
膜したものが用いられるようになってきている。

【０００４】しかしながら、ガラス上に成膜したＺｎＯ
等の圧電体薄膜は通常配向性のある多結晶質であり、散
乱による損失が多く、１００ＭＨｚ以上の高周波帯域で
使用するには適していなかった。

【０００５】一方、表面弾性波フィルタは、より高い周
波数で使用できる素子が望まれている。表面弾性波素子
の周波数特性をより高い中心周波数にするためには、く
し形電極の電極間距離を小さくするか、あるいは表面波
の速度を大きくする必要がある。くし形電極の電極間距
離を小さくするにはリソグラフィーの解像度などから制
約があり、したがって表面波の速度を大きくするため、
表面弾性波をより速く伝搬する材料、たとえばサファイ
ヤまたはダイヤモンドなどの上に圧電体膜を積層させた
表面弾性波素子が開発されてきている（たとえば、特開
昭５４−３８８７４および特開昭６４−６２９１１）。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】このような弾性表面波
素子を使用する上において、最近問題となってきている
ことは、温度変化に伴う弾性波表面波素子の特性の変化
である。このような温度変化には、表面弾性波素子に連
続的に電界を加えることによる内的要因による温度変化
と、気温および異なる環境で使用することによる外的要
因による温度変化がある。温度変化による特性の変化に
は、主に中心周波数の変化、挿入損失の変化、フィルタ
特性に重要な周波数帯域の変化などがあるが、特に大き
く変化するのは中心周波数である。

【０００７】ダイヤモンド層を用いた表面弾性波素子
は、高い周波数特性を有する表面弾性波素子であるが、
ダイヤモンドの温度変化が５ｐｐｍ／℃あるのに対し、
ダイヤモンド上に形成される圧電体薄膜の周波数特性が
３０ｐｐｍ／℃以上であり、温度により大きく変化す
る。このため、たとえば一般によく用いられている狭帯
域中間周波数用フィルタなどに使用する場合には、中心
周波数が大きく変動するなど不安定で実用的ではないと
いう問題があった。

【０００８】この発明の目的は、温度に対し安定な表面
弾性波素子を提供することにある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】この発明に従う表面弾性
波素子は、絶縁性ダイヤモンド層と、絶縁性ダイヤモン
ド層に接して設けられサーミスタ部を構成する半導電性
ダイヤモンド層と、絶縁性ダイヤモンド層の上に形成さ
れる圧電体層と、絶縁性ダイヤモンド層および圧電体層
と組合わされて表面弾性波素子部を構成する電極とを備
えることを特徴としている。

【００１０】この発明に従う表面弾性波素子では、絶縁
性ダイヤモンド層に接して半導電性ダイヤモンド層が設
けられており、この半導電性ダイヤモンド層がサーミス
タ部を構成している。このためこのサーミスタ部で表面
弾性波素子部の温度を検知し、温度安定化装置にフィー
ドバックさせて表面弾性波素子部の温度を安定化するこ
とができる。

【００１１】この発明の表面弾性波素子に設けられる絶
縁性ダイヤモンド層は、基板上に形成されたダイヤモン
ド層であってもよく、また単結晶のダイヤモンド基板で
あってもよい。ダイヤモンド層を形成する基板として
は、特に限定されないが、たとえばＳｉ、Ｍｏ、Ｗ、Ｇ
ａＡｓ、およびＬｉＮｂＯ₃ などの無機材料の基板を用
いることができる。

【００１２】基板上に形成するダイヤモンド層の場合に
は、ダイヤモンド層は単結晶であってもよいし多結晶で
あってもよい。またアモルファス状態のダイヤモンド状
炭素膜層であってもよい。

【００１３】ダイヤモンド層を基板上に形成させる場合
の形成方法は、特に限定されるものではないが、たとえ
ば、ＣＶＤ法、マイクロ波プラズマＣＶＤ法、プラズマ
ＣＶＤ法、ＰＶＤ法、および熱フィラメント法などの方
法を用いることができる。

【００１４】原料ガスを分解励起してダイヤモンドを気
相合成法で成長させる方法としては、たとえば１）熱電
子放射材を１５００Ｋ以上の温度に加熱して原料ガスを
活性化する方法、２）直流、高周波またはマイクロ波電
界による放電を利用する方法、３）イオン衝撃を利用す
る方法、４）レーザーなどの光を照射する方法、５）原
料ガスを燃焼させる方法、がある。

【００１５】この発明において、使用する原料物質とし
ては、炭素含有化合物が一般的である。この炭素含有化
合物は、好ましくは水素ガスと組合せて用いられる。ま
た必要に応じて、酸素含有化合物および／または不活性
ガスと組合せて用いられる場合もある。

【００１６】炭素含有化合物としては、たとえばメタ
ン、エタン、プロパン、ブタン等のパラフィン系炭化水
素：エチレン、プロピレン、ブチレン等のオレフィン系
炭化水素：アセチレン、アリレン等のアセチレン系炭化
水素：ブタジェン等のジオレフィン系炭化水素：シクロ
プロパン、シクロブタン、シクロペンタン、シクロヘキ
サン等の脂環式炭化水素：シクロブタジエン、ベンゼ
ン、トルエン、キシレン、ナフタレン等の芳香族炭化水
素：アセトン、ジエチルケトン、ベンゾフェノン等のケ
トン類：メタノール、エタノール等のアルコール類：ト
リメチルアミン、トリエチルアミンなどのアミン類：炭
酸ガス、一酸化炭素などを挙げることができる。これら
は１種を単独で用いることもできるし、２種以上を併用
することもできる。あるいは炭素含有化合物は、グラフ
ァイト、石炭、コークスなどの炭素原子のみからなる物
質であってもよい。

【００１７】酸素含有化合物としては、酸素、水、一酸
化炭素、二酸化炭素、過酸化水素が容易に入手できるゆ
え好ましい。

【００１８】不活性ガスは、たとえば、アルゴン、ヘリ
ウム、ネオン、クリプトン、キセノン、ラドンである。

【００１９】この発明に用いる圧電体層としては、Ｚｎ
Ｏ、ＡｌＮ、Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ ₃ 、（Ｐｂ，Ｌａ）
（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ₃ 、ＬｉＴａＯ₃ 、ＬｉＮｂＯ₃ 、Ｓ
ｉＯ ₂ 、Ｔａ₂ Ｏ₅ 、Ｎｂ₂ Ｏ₅ 、ＢｅＯ、Ｌｉ₂ Ｂ₄
Ｏ₇ 、ＫＮｂＯ₃ 、ＺｎＳ、ＺｎＳｅおよびＣｄＳの中
から選択される１つまたは２つ以上の化合物を主成分と
するものを用いることができる。半導体層は、単結晶お
よび多結晶のいずれであってもよいが、素子をより高周
波域で使用するためには、表面波の散乱が少ない単結晶
がより好ましい。ＺｎＯ、ＡｌＮおよびＰｂ（Ｚｒ，Ｔ
ｉ）Ｏ₃ などの圧電体層は、ＣＶＤ法によって形成する
ことができる。

【００２０】この発明において形成される半導電性ダイ
ヤモンド層は、Ｂ、Ａｌ、Ｐ、Ａｓ、Ｓｂ、Ｓｉ、Ｌ
ｉ、Ｓ、Ｓｅ、Ｃｌ、およびＮのうちの１種または２種
以上を不純物として含有させることにより形成すること
ができる。これらの不純物は、原料ガスと同時に適当な
量の不純物をガスの形で供給することによりダイヤモン
ド中にドーピングすることができる。

【００２１】これらの不純物は、ダイヤモンド層を形成
した後にイオン注入などの方法によりドーピングさせて
もよい。したがって、この発明に従い設けられる絶縁性
ダイヤモンド層に不純物をイオン注入等することによ
り、形成させた半導電性ダイヤモンド層であってもよ
い。

【００２２】この発明において表面弾性波素子部を構成
するために形成される電極は、たとえばエッチングによ
り作成することができる。材料としては、抵抗率の小さ
な金属が好ましく、Ａｕ、Ａｇ、およびＡｌなどの低温
で蒸着可能な金属、Ｔｉ，Ｗ、およびＭｏなどの高融点
金属、Ｔｉの上にＡｌを形成するように２種類以上組合
わせた金属などを使用することができる。

【００２３】電極の作成の容易さからは、ＡｌおよびＴ
ａが好ましく、ダイヤモンド層との密着性からは、Ｗお
よびＭｏが好ましい。

【００２４】この発明において表面弾性波素子部を構成
するため形成される電極としては、いわゆるくし形電極
と呼ばれるものがある。このくし形電極は、電極上の金
属を成膜した後に、レジストをこの金属膜表面上に均一
に塗布し、ガラスなどの透明平板上にくし形電極パター
ンを形成させたマスクを上に載せ、水銀ランプなどを用
いて露光して形成する。あるいは、電子ビームにより直
接電極を形成することも可能である。その後現像してレ
ジストによるくし形電極を形成する。

【００２５】電極のエッチング方法としては、たとえ
ば、水酸化ナトリウム溶液などのアルカリ性溶液または
硝酸などの酸性溶液によりＡｌなどの低融点金属をウェ
ットエッチング法でエッチングする方法がある。また高
融点金属を弗酸と硝酸の混合溶液を用いてエッチングす
る方法もある。またＢＣｌ₃ などのガスを用いて、反応
性イオンエッチング法により電極を作成することも可能
である。

【００２６】またこの発明において作成される電極は、
絶縁性のダイヤモンドにＢ、Ａｌ、Ｐ、またはＳなどの
不純物を添加するかまたはイオン注入によりドーピング
する方法や、電子線照射により格子欠陥を導入するまた
は水素化処理する方法などにより半導電性ダイヤモンド
にして電極を形成させることも可能である。

【００２７】またこの発明において形成される電極の位
置は特に限定されるものではなく、絶縁性ダイヤモンド
層と圧電体層の間に形成されてもよく、また圧電体層の
上に形成されたり、短絡電極と併せて形成されてもよ
い。

【００２８】

【発明の作用効果】この発明に従う表面弾性波素子で
は、絶縁性ダイヤモンド層に接して半導電性ダイヤモン
ド層が設けられ、この半導電性ダイヤモンド層がサーミ
スタ部を構成している。また、絶縁性ダイヤモンド層は
圧電体層および電極により表面弾性波素子部を形成して
おり、この表面弾性波素子部の近くに存在するサーミス
タ部を用いて、表面弾性波素子部の温度を検知し、これ
を温度安定化装置にフィードバックさせて表面弾性波素
子部の温度を安定に維持することができる。

【００２９】この発明に従う表面弾性波素子では、絶縁
性ダイヤモンド層の上にサーミスタ部と表面弾性波素子
部がともに形成されており、ダイヤモンドは物質中最も
高い熱伝導性を有するものであるので表面弾性波素子部
の温度をサーミスタ部で素早く検知することができ、高
速に応答することにより精密な温度コントロールをする
ことができる。また１つの絶縁性ダイヤモンド層上にサ
ーミスタ部と表面弾性波素子部が構成されているのでよ
り小型の表面弾性波素子にすることができる。

【００３０】

【実施例】図１は、この発明に従う第１の実施例を示す
斜視図である。図１を参照して、たとえばＳｉからなる
基板１の上にダイヤモンド膜２が形成され、ダイヤモン
ド膜２の上に表面弾性波素子部３およびサーミスタ部４
が形成されている。

【００３１】図２は、図１に示す第１の実施例の製造工
程を示す断面図である。図２（ａ）を参照して、まず基
板１の上に絶縁性ダイヤモンド膜２として、ノンドープ
の多結晶ダイヤモンド膜をＣＶＤ法により成長させ形成
する。絶縁性ダイヤモンド膜２の厚みは、５〜３０μｍ
程度が好ましい。絶縁性ダイヤモンド膜２を形成した後
その表面を研磨する。

【００３２】図２（ｂ）を参照して、絶縁性ダイヤモン
ド膜２上の所定の部分にのみＴｉ蒸着膜５を形成する。

【００３３】図２（ｃ）を参照して、Ｔｉ蒸着膜５を形
成していない部分に選択的に半導電性ダイヤモンド膜６
として、Ｂをドープしたダイヤモンド膜をＣＶＤ法によ
り成長させる。

【００３４】図２（ｄ）を参照して、Ｔｉ蒸着膜５を弗
酸により除去し半導電性ダイヤモンド膜６を残す。

【００３５】図２（ｅ）を参照して、絶縁性ダイヤモン
ド膜２の上にくし形電極７を形成する。

【００３６】図２（ｆ）を参照して、くし形電極７を形
成した絶縁性ダイヤモンド膜２の上にＺｎＯ膜８を形成
する。

【００３７】図２（ｇ）を参照して、半導電性ダイヤモ
ンド膜６の端部にサーミスタ用電極９を形成する。

【００３８】以上のようにして図１に示すこの発明に従
う第１の実施例の表面弾性波素子を形成することができ
る。

【００３９】図８は、比較の表面弾性波素子を示してい
る。図８を参照して、基板５１の特定部分の上にのみダ
イヤモンド膜５２を形成し、このダイヤモンド膜５２の
上にくし形電極およびＺｎＯ膜を形成し表面弾性波素子
５３を形成する。また基板５１の他の部分の領域の上に
半導電性ダイヤモンド膜を形成しサーミスタ部５４とす
る。

【００４０】この比較の図８の表面弾性波素子と図１に
示す表面弾性波素子の２種のものに対して、１０℃から
４０℃への温度変化を与えたところ、図１に示すこの発
明に従う表面弾性波素子では、図８に示す比較の表面弾
性波素子に比べサーミスタ部の温度検知は２倍の応答性
を示した。

【００４１】以上のことから明らかなように、この発明
に従う表面弾性波素子ではサーミスタ部における温度検
知を高速に行なうことができ、より正確に表面弾性波素
子部の温度をコントロールすることができ、温度に対し
より安定な素子にすることができる。

【００４２】図３はこの発明に従う第２の実施例の製造
工程を示す図であり、（ａ）〜（ｅ）は断面図を示し、
（ｆ）は平面図を示している。

【００４３】図３（ａ）を参照して、まず基板１１上の
所定の部分にのみＴｉ蒸着膜１２を形成する。

【００４４】図３（ｂ）を参照して、Ｔｉ蒸着膜１２を
形成していない部分にのみ、半導電性ダイヤモンド膜１
３として、Ｂをドープしたダイヤモンド膜をＣＶＤ法に
より形成する。

【００４５】図３（ｃ）を参照して、Ｔｉ蒸着膜を除去
する。図４は、図３の製造工程において、ダイヤモンド
薄膜を形成させるときのマスクを示す平面図である。図
４を参照して、半導電性ダイヤモンド膜１３の中央部の
みを露出させるように両端部を覆うようにＴｉを蒸着し
てマスク１３を形成する。

【００４６】図３（ｄ）を参照して、このようにマスク
により両端部を覆った状態で絶縁性ダイヤモンド膜１４
として、ノンドープのダイヤモンド膜をＣＶＤ法により
成長させる。その後絶縁性ダイヤモンド膜１４の表面を
研磨し、さらに両端部のマスク１５を除去する。

【００４７】図３（ｅ）を参照して、次に、この絶縁性
ダイヤモンド膜１４の上にくし形電極１６を形成し、さ
らにその上に圧電体層としてＺｎＯ膜１７を形成する。

【００４８】図３（ｆ）を参照して、最後に半導電性ダ
イヤモンド膜１３の両端部にサーミスタ用電極１８を形
成する。

【００４９】この実施例のように、サーミスタ部として
働く半導電性ダイヤモンド層は表面弾性波素子が形成さ
れる膜面と反対側の面に接して設けてもよい。

【００５０】図５は、この発明に従う第３の実施例の製
造工程を示す断面図である。図５（ａ）を参照して、基
板２１の上に絶縁性ダイヤモンド膜２２として、ノンド
ープのダイヤモンド膜をＣＶＤ法により成長させる。成
長後絶縁性ダイヤモンド膜２２の表面を研磨する。

【００５１】図５（ｂ）を参照して、マスク２３を用い
て、絶縁性ダイヤモンド膜２２の所定部分にのみＢをイ
オン注入し、イオン注入部２２ａを形成する。イオン注
入後、真空中でアニーリングする。このイオン注入部２
２ａが半導電性ダイヤモンド層となり、この実施例にお
いてサーミスタ部を構成する。

【００５２】図５（ｃ）を参照して、イオン注入部２２
ａの上にサーミスタ電極２５を形成する。またイオン注
入部２４から所定距離離れた絶縁性ダイヤモンド膜２２
の上にくし形電極２４を形成する。

【００５３】図５（ｄ）を参照して、くし形電極２４を
形成した絶縁性ダイヤモンド膜２２の上に圧電体層とし
て、ＺｎＯ膜２６を形成する。

【００５４】この発明では、この実施例のように、サー
ミスタ部を構成する半導電性ダイヤモンド層を絶縁性ダ
イヤモンド層のイオン注入などの方法によって形成させ
てもよい。

【００５５】以上の実施例では、Ｔｉの蒸着膜などを用
いダイヤモンド膜を選択的に成長させているが、このよ
うな成長方法以外の成長方法であってもよい。たとえ
ば、ダイヤモンド薄膜を全面に成長させた後に、Ｃ
Ｆ₄ 、Ｏ₂ 、Ａｒなどのプラズマエッチングによりエッ
チングさせ所定部分のみを残すようダイヤモンド膜を除
去することによってパターニングして形成してもよい。

【００５６】またこの発明において絶縁性ダイヤモンド
層は、単結晶ダイヤモンド基板であってもよい。図６お
よび図７はこのような実施例を示している。

【００５７】図６を参照して、単結晶ダイヤモンド基板
３１の同一面の上にサーミスタ部３２および表面弾性波
素子部３３が形成されている。

【００５８】また図７を参照して、この実施例では、単
結晶ダイヤモンド基板４１の一方側に表面弾性波素子部
４３が形成され、他方側にはイオン注入によりサーミス
タ部４２が形成されている。

【００５９】以上の実施例から明らかなように、この発
明に従う表面弾性波素子は、絶縁性ダイヤモンド層の上
にサーミスタ部と表面弾性波素子部が設けられているた
め、表面弾性波素子部の温度を高速に検知することがで
き、表面弾性波素子部の温度を安定に維持することがで
きる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明に従う第１の実施例を示す斜視図であ
る。

【図２】この発明に従う第１の実施例の製造工程を示す
断面図である。

【図３】この発明に従う第２の実施例の製造工程を示す
図であり、（ａ）〜（ｅ）は断面図、（ｆ）は平面図を
示す。

【図４】図３の製造工程において、ダイヤモンド薄膜を
形成させるときのマスクを示す平面図である。

【図５】この発明に従う第３の実施例の製造工程を示す
断面図である。

【図６】この発明に従う第４の実施例を示す断面図であ
る。

【図７】この発明に従う第５の実施例を示す断面図であ
る。

【図８】比較の表面弾性波素子を示す斜視図である。

【符号の説明】

１ 基板 ２ 絶縁性ダイヤモンド膜 ３ 表面弾性波素子部 ４ サーミスタ部 ５ Ｔｉ蒸着膜 ６ 半導電性ダイヤモンド膜 ７ くし形電極 ８ ＺｎＯ膜 ９ サーミスタ用電極 １１ 基板 １２ Ｔｉ蒸着膜 １３ 半導電性ダイヤモンド膜 １４ 絶縁性ダイヤモンド膜 １５ マスク １６ くし形電極 １７ ＺｎＯ膜 １８ サーミスタ用電極 ２１ 基板 ２２ 絶縁性ダイヤモンド膜 ２３ マスク ２４ くし形電極 ２５ サーミスタ用電極 ２６ ＺｎＯ膜 ３１，４１ 単結晶ダイヤモンド基板 ３２，４２ サーミスタ部 ３３，４３ 表面弾性波素子部

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 藤森 直治 兵庫県伊丹市昆陽北一丁目１番１号 住 友電気工業株式会社 伊丹製作所内 (56)参考文献 特開 昭64−62911（ＪＰ，Ａ) 実開 平１−81029（ＪＰ，Ｕ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H03H 9/25

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 絶縁性ダイヤモンド層と、 前記絶縁性ダイヤモンド層に接して設けられ、サーミス
   タ部を構成する半導電性ダイヤモンド層と、 前記絶縁性ダイヤモンド層の上に形成される圧電体層
   と、 前記絶縁性ダイヤモンド層および圧電体層と組合わされ
   て表面弾性波素子を構成する電極とを備える、表面弾性
   波素子。