JP3132515B2 - 表面弾性波素子の製造方法 - 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
ルタなどに用いられる表面弾性波素子に関するものであ
り、特にダイヤモンド薄膜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、弾性体表面を伝搬す
る表面波を利用した電気−機械変換素子である。図５
は、表面弾性波素子の一般的構造を示している。

【０００３】図５を参照して、表面弾性波素子２４は、
圧電体２１の上に１対のくし型電極２２および２３を形
成することにより構成されている。

【０００４】くし型電極２２に電気信号を印加すると、
圧電体２１に歪が生じ、この歪が表面弾性波となって圧
電体２１を伝搬し、もう一方のくし型電極２３で電気信
号として取出される。このように表面弾性波素子では、
表面波の励振に圧電体１の圧電現象が利用される。

【０００５】この素子の周波数特性は、図５に示すよう
に、くし型電極における電極周期をλ₀ 、表面弾性波の
速度をνとすれば、ｆ₀ ＝ν／λ₀ で定められる周波数
ｆ₀ を中心とした帯域通過特性となる。

【０００６】表面弾性波素子は部品点数が少なく、小型
にすることができ、しかも表面波の伝搬経路上において
信号の出入れが容易である。この素子は、フィルタ、遅
延線、発振器、共振器、コンボルバ、および相関器等に
応用することができる。

【０００７】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、さらにＶ
ＴＲ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。

【０００８】この表面弾性波素子は、ＬｉＮｂＯ₃ およ
びＬｉＴａＯ₃ 等の圧電体種結晶上にくし型電極を形成
することによって製造されてきた。しかしながら、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。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
より損失が多く、１００ＭＨｚ以上の高周波帯で使用す
るには適していなかった。

【０００９】一方、移動通信等の分野に用いられる表面
弾性波フィルタにおいては、より高い周波数域で使用で
きる素子が望まれている。上述したように、電極周期λ
₀ がより小さくなるか、あるいは表面波の速度νがより
大きくなれば、素子の周波数特性はより高い中心周波数
ｆ₀ を有するようになる。

【００１０】そこで、弾性波がより速く伝搬される材
料、たとえばサファイアおよびダイヤモンド等の上に圧
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６
４−６２９１１）。

【００１１】特に、ダイヤモンド中における音速は最も
速く、さらに熱的および化学的にも安定であるので、表
面弾性波素子を形成する基板としてダイヤモンドが注目
されている。ダイヤモンドを用いる表面弾性波素子は、
生産性および価格の面から基板上にダイヤモンド薄膜を
形成し、このダイヤモンド薄膜上に圧電体薄膜を形成す
るものが主に検討されている。

【００１２】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、このよ
うなダイヤモンド薄膜を用いた従来の表面弾性波素子に
おいては表面弾性波の伝搬損失が大きく、高い効率の表
面弾性波素子にすることができないという問題があっ
た。

【００１３】この発明の目的は、表面弾性波の伝搬損失
を軽減することができ、高い効率を示す表面弾性波素子
を提供することにある。

【００１４】

【課題を解決するための手段】本発明は、基板と、基板
上に形成されるダイヤモンド薄膜と、ダイヤモンド薄膜
上に形成される圧電体薄膜と、特定の波長の表面弾性波
を発生させこれを取り出すための１対の電極とを備える
表面弾性波素子の製造方法において、基板に格子状のレ
ジストを形成するステップと、レジストが形成された基
板にエッチングを施して種結晶成長用孔を形成するステ
ップと、種結晶成長用孔にダイヤモンドの種結晶を埋め
込むステップと、種結晶上に（１００）結晶配列したダ
イヤモンド薄膜を形成するステップと、を含むことを特
徴としている。

【００１５】この発明において用いられる基板は、多結
晶のダイヤモンド薄膜をその上に形成できるものであれ
ば特に限定されない。たとえば、Ｓｉ、Ｍｏ、Ｗ、Ｇａ
Ａｓ、およびＬｉＮｂＯ₃ などを挙げることができる。

【００１６】この発明においては、ダイヤモンド薄膜を
（１００）結晶配列するよう形成させている。（１０
０）結晶配列させる方法としては、後に実施例において
述べるように、面方位を揃えた種結晶を基板上に配列し
ておき、この基板上にダイヤモンド薄膜を成長させる方
法がある。ダイヤモンド薄膜の成長方法は、たとえば、
ＣＶＤ法、マイクロ波プラズマＣＶＤ法、プラズマＣＶ
Ｄ法、ＰＶＤ法、および熱フィラメント法など従来から
公知の方法を用いることができる。

【００１７】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、高周波又はマイクロ波電
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。

【００１８】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。

【００１９】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：ブタジエ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成る
物質であってもよい。

【００２０】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。

【００２１】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。

【００２２】この発明において用いられる圧電体層とし
ては、ＺｎＯ、ＡｌＮ、Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ₃ 、（Ｐ
ｂ，Ｌａ）（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ₃ 、ＬｉＴａＯ₃ 、ＬｉＮ
ｂＯ ₃ 、ＳｉＯ₂ 、Ｔａ₂ Ｏ₅ 、Ｎｂ₂ Ｏ₅ 、ＢｅＯ、
Ｌｉ₂ Ｂ₄ Ｏ₇ 、ＫＮｂＯ₃ 、ＺｎＳ、ＺｎＳｅおよび
ＣｄＳなどを主成分とするものを使用することができ
る。圧電体層は、種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
面波の散乱の少ない種結晶がより好ましい。

【００２３】ＺｎＯ、ＡｌＮおよびＰｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）
Ｏ₃ 等の圧電体層は、ＣＶＤ法によって形成することが
できる。

【００２４】この発明で設けられる電極としては、くし
型電極またはインタデジタル・トランスデューサ（ＩＤ
Ｔ）電極と称される電極を用いることができる。この電
極は、たとえばエッチングにより作製することができ
る。

【００２５】電極材料としては抵抗率の小さい電極が好
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、なら
びにたとえば、Ｔｉの上にＡｌを形成するような２種類
以上の金属の組合わせなどが可能である。電極の作製の
容易さからは、ＡｌおよびＴｉが好ましい。またダイヤ
モンド薄膜を誘電体とするときの密着性からは、Ｗおよ
びＭｏが好ましい。

【００２６】電極の作製方法としては、電極用金属を成
膜した後に、レジストを電極用金属の表面に均一に塗布
し、ガラス等の透明平板に電極のパターンを形成したマ
スクを載せた後、水銀ランプなどを用いて露光する方法
がある。また、電子ビームにより電極を直接に形成する
ことも可能である。

【００２７】電極のエッチング方法は、たとえば、Ａｌ
等の低融点金属の場合、水酸化ナトリウム溶液等のアル
カリ性溶液、または硝酸等の酸性溶液によるウェットエ
ッチングが可能である。

【００２８】高融点金属の場合はフッ酸と硝酸の混合溶
液を用いてエッチングすることができる。またＢＣｌ₃
等のガスを用いて反応性イオンエッチング法により電極
を作製することも可能である。

【００２９】電極は、また半導電性ダイヤモンドを用い
て形成することも可能である。高純度で形成されたダイ
ヤモンドは絶縁性であるが、Ｂ、Ａｌ、Ｐ、およびＳ等
の不純物をイオン注入などの方法で添加したり、あるい
は電子線照射を用いて格子欠陥を導入したり、水素化処
理などを施すことによって、半導電性ダイヤモンドを形
成することができる。

【００３０】

【発明の作用効果】この発明に従う表面弾性波素子にお
いては、ダイヤモンド薄膜が（１００）結晶配列してい
る。このため、従来のダイヤモンド薄膜のように粒界で
の不連続により表面弾性波の散乱を生じることがなく、
表面弾性波の伝搬損失を小さくすることができる。

【００３１】したがって、この発明に従う表面弾性波素
子は、高い効率の表面弾性波素子とすることができ、高
周波フィルタとして用いる場合には、フィルタ特性の優
れた高効率の高周波フィルタとすることができる。

【００３２】

【実施例】まず、シリコン基板上に（１００）結晶配列
したダイヤモンド薄膜を形成するための種結晶をシリコ
ン基板上に形成する。図１は、ダイヤモンドの種結晶を
選択的に成長させるための孔を形成したシリコン基板を
示している。図１を参照して、シリコン基板１上には図
２に平面図で示すような格子状のレジスト２が形成され
る。このようなレジスト２の存在下において、シリコン
基板１に対し異方性エッチングを施し、図１に示される
ような（１１１）面の傾斜面５を有した１００μｍ角程
度の種結晶成長用孔３を形成させる。

【００３３】このシリコン基板１上に市販の直径７５〜
１００μｍの（１１１）面ダイヤモンド種結晶の粉末を
載せて適度にふるうことにより、成長用孔３内に種結晶
を埋め込む。

【００３４】図３は、このようにしてシリコン基板にダ
イヤモンドの種結晶を埋め込んだ状態を示している。図
３を参照して、種結晶成長用孔３のそれぞれには、種結
晶４が埋め込まれている。

【００３５】このようにして種結晶４が所定の間隔で配
置されたシリコン基板１上に、ダイヤモンド薄膜を成長
させ、（１００）結晶配列したダイヤモンド薄膜を成長
させた。

【００３６】まず、反応室にＨ₂ およびＣＨ₄ を２０
０：１の割合で混合した混合ガスを、全流量が約２０ｓ
ｃｃｍとなるように導入した。次に、反応室の圧力を約
４０Ｔｏｒｒに維持し、マイクロ波パワー４００Ｗで放
電してプラズマ状態とし、種結晶を配列した上記のシリ
コン基板の上にダイヤモンド薄膜を２５μｍ成長させ
た。基板温度は約８５０℃とした。

【００３７】ダイヤモンド薄膜を１００μｍの厚みで成
長させた後、このダイヤモンド薄膜の上に抵抗加熱法に
よりＡｌを５００Å蒸着し、フォトリソグラフィ法を用
いて、電極幅および電極間隔が２μｍのくし型電極を作
製した。電極の作製法としては、ウェットエッチング法
を用いた。

【００３８】くし型電極を作製したダイヤモンド薄膜の
上に、圧電体薄膜として、ＺｎＯ薄膜を０．９μｍの厚
みで形成した。ＺｎＯ薄膜は、マグネトロンスパッタ装
置を用いて形成した。

【００３９】比較として、従来の方法に従い、シリコン
基板の上にランダムに配した多結晶ダイヤモンド膜を成
長させ、上記の実施例と同様にして表面弾性波素子を作
製した。

【００４０】上記の実施例の表面弾性波素子と比較の表
面弾性波素子について伝搬損失を比較したところ、この
発明に従う上記の実施例の表面弾性波素子の伝搬損失
は、比較の表面弾性波素子の伝搬損失の１／４であっ
た。

【００４１】以上のことから明らかなように、この発明
に従いダイヤモンド薄膜を（１００）結晶配列させるこ
とにより、著しく表面弾性波の伝搬損失を低減させるこ
とができた。

【００４２】図４は、シリコンウェハを示しており、こ
の発明に従う表面弾性波素子は、たとえば図４に示すよ
うなシリコンウェハ全体を格子状に分割し、その格子状
の領域の中にのみ上記のような種結晶５を配列すること
によって、この格子状の領域内だけでダイヤモンド薄膜
を成長させることができる。このようにすることによ
り、ダイヤモンド薄膜成長領域１１の境界にあたる格子
の部分にはダイヤモンド薄膜が形成されず、表面弾性波
素子をシリコンウェハ上で作製した後、各素子を切離す
際、この境界部分にダイヤモンド薄膜が形成されていな
いので、容易に各素子を分離させることができる。

【００４３】このように上記実施例の方法に従い種結晶
を配列した基板を用いてダイヤモンド薄膜を成長させる
方法では、製造工程をより容易にすることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】ダイヤモンドの種結晶を選択的に成長させるた
めの孔を形成したシリコン基板を示す断面図である。

【図２】図１に示すシリコン基板の平面図である。

【図３】図１のシリコン基板にダイヤモンドの種結晶を
埋め込んだ状態を示す断面図である。

【図４】格子内の領域のみにダイヤモンド薄膜を成長さ
せたシリコンウェハを示す平面図である。

【図５】表面弾性波素子の一般的構造を示す斜視図であ
る。

【符号の説明】

１ シリコン基板 ２ レジスト ３ 種結晶成長用孔 ４ 種結晶 １０ シリコンウェハ １１ ダイヤモンド薄膜成長領域

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54−101242（ＪＰ，Ａ) 電子情報通信学会技術研究報告Ｖｏ ｌ．88，Ｎｏ．181（ＵＳ88−38），ｐ. 43〜48 (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H03H 9/25 H03H 3/08

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 基板と、基板上に形成されるダイヤモン
   ド薄膜と、ダイヤモンド薄膜上に形成される圧電体薄膜
   と、特定の波長の表面弾性波を発生させこれを取り出す
   ための１対の電極とを備える表面弾性波素子の製造方法
   において、 前記基板に格子状のレジストを形成するステップと、 前記レジストが形成された前記基板にエッチングを施し
   て種結晶成長用孔を形成するステップと、 前記種結晶成長用孔にダイヤモンドの種結晶を埋め込む
   ステップと、 前記種結晶上に（１００）結晶配列したダイヤモンド薄
   膜を形成するステップと、 を含むことを特徴とする表面弾性波素子の製造方法。