JPH0590874A - 表面弾性波素子 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 変換損失の少ない表面弾性波素子を提供す
る。 【構成】 ダイヤモンド層２と、圧電体薄膜３とを備
え、くし型電極３が超電導体から形成されていることを
特徴としている。

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の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２
は、表面弾性波素子の一般的構造を示している。

【０００３】図２を参照して、表面弾性波素子１０は、
圧電体１１の上に１対のくし型電極１２および１３を形
成することにより構成されている。

【０００４】くし型電極１２に電気信号を印加すると、
圧電体１１に歪が生じ、この歪が表面弾性波となって圧
電体１１を伝搬し、もう一方のくし型電極１３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の圧電現象が利用される。

【０００５】この素子の周波数特性は、図２に示すよう
に、くし型電極における電極の周期を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ｆ ₀ 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 等の圧電体単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。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、散乱による損失が多く、
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】図３は、従来の表面弾性波素子を示す断面
図である。図３を参照して、たとえばシリコンなどから
なる基板２１の上に、ダイヤモンド薄膜２２が形成され
ている。このダイヤモンド薄膜２２の上に金属薄膜をエ
ッチングすることによりパターニングされた金属くし型
電極２３が形成されている。この金属くし型電極２３が
形成されたダイヤモンド薄膜２２の上に圧電体層として
ＺｎＯ膜２４が形成されている。

【００１３】

【発明が解決しようとする課題】このような従来の表面
弾性波素子において、変換損失の低減を目的として、く
し型電極の部分における抵抗を小さくするため、くし型
電極の厚みを大きくすると、くし型電極部分において大
きな段差が生じ、これが原因で表面弾性波の反射および
散乱等が生じ、表面弾性波の伝搬損失が大きくなってし
まうという問題があった。

【００１４】この発明の目的は、このような従来の問題
点を解消し、くし型電極部分の厚みを大きくせずとも、
変換損失の低減を図ることのできる表面弾性波素子を提
供することにある。

【００１５】

【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、ダイヤモンド層と、ダイヤモンド層上に形成
される圧電体薄膜と、特定の波長の表面弾性波を発生さ
せこれを取出すための１対の電極とを備え、電極の少な
くとも一方が、超電導体から形成されていることを特徴
としている。

【００１６】この発明において電極の少なくとも一方を
形成する超電導体は、特に限定されるものではないが、
使用温度の面からは、高い臨界温度を示す酸化物系超電
導材料が好ましい。酸化物系超電導材料としては、ラン
タン系、イットリウム系、ビスマス系、およびタリウム
系などの従来から知られている超電導材料を含めすべて
の酸化物系の超電導材料を用いることができる。また、
この発明の表面弾性波素子では、ダイヤモンドを用いて
いるので、同じ炭素から形成されるＣ₆₀などの超電導材
料も好ましい。また、これらの超電導材料以外にも金属
系超電導材料および化合物系超電導材料なども使用可能
である。

【００１７】この発明においてダイヤモンド層は、シリ
コンなどの基板上に形成されるダイヤモンド薄膜であっ
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。

【００１８】ダイヤモンド薄膜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、
ＧａＡｓ、およびＬｉＮｂＯ₃ など半導体材料および無
機材料の基板を用いることができる。

【００１９】基板上に形成するダイヤモンド薄膜の場合
には、このダイヤモンド薄膜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であってもよい。

【００２０】ダイヤモンド薄膜を基板上に形成させる方
法は、特に限定されるものではないが、たとえば、ＣＶ
Ｄ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。

【００２１】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。

【００２２】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。

【００２３】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。

【００２４】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。

【００２５】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。

【００２６】この発明に用いる圧電体薄膜としては、Ｚ
ｎＯ、Ａ１Ｎ、Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ₃ 、（Ｐｂ，Ｌ
ａ）（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ₃ 、ＬｉＴａＯ₃ 、ＬｉＮｂ
Ｏ₃ 、ＳｉＯ₂ 、Ｔａ₂ Ｏ₅ 、Ｎｂ₂ Ｏ₅ 、ＢｅＯ、Ｌ
ｉ₂ Ｂ₄ Ｏ₇ 、ＫＮｂＯ₃ 、ＺｎＳ、ＺｎＳｅおよびＣ
ｄＳなどを主成分とするものを使用することができ
る。。圧電体薄膜は、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。

【００２７】ＺｎＯ、ＡｌＮおよびＰｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）
Ｏ₃ 等の圧電体層は、ＣＶＤ法により形成することがで
きる。

【００２８】この発明において超電導体から形成する電
極としては、一般にくし型電極またはインタデジタル・
トランスデューサ（ＩＤＴ）電極と称される電極があ
る。この電極は、たとえば全体に超電導体の薄膜を形成
させた後にエッチングしてパターニングし作製すること
ができる。このようなエッチングは、たとえばリン酸な
どを用いたウェットエッチングや、ハロゲンガスを用い
たプラズマエッチングならびに反応性イオンエッチング
などで行なうことができる。また、マスクなどを用いて
電極を形成する部分にのみ超電導体薄膜を形成しパター
ニングしてもよい。さらに、全体に超電導体の薄膜を形
成した後、電子線照射などを用いて所定の電極の部分の
みを超電導相に他の部分を非超電相になるようにパター
ニングする方法を採用してもよい。

【００２９】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、ダイヤモンド層
と圧電体薄膜との間に形成させてもよいし、圧電体薄膜
の上に形成させてもよい。また短絡電極が併せて設けら
れるような表面弾性波素子であってもよい。

【００３０】この発明において形成される超電導体電極
の厚みは、特に限定されるものではないが、電極として
の性能の面からは、３０Å以上あることが好ましい。ま
た電極形成によって生ずる段差を小さくするためには、
３００Å以下の厚みであることが好ましい。

【００３１】

【発明の作用効果】この発明に従う表面弾性波素子で
は、電極の少なくとも一方が超電導体から形成されてい
る。したがって、この超電導体の臨界温度以下で使用す
ることにより、電極における抵抗をほぼ０にすることが
でき、変換損失を著しく低減させることができる。また
電極の厚みを薄くすることができるので、表面弾性波の
伝搬損失を低減させることができる。

【００３２】

【実施例】シリコン基板の上にマイクロ波ＣＶＤ法によ
りダイヤモンド薄膜を成長させた。原料ガスとしてはＨ
₂ およびＣＨ₄ を用い、ＣＨ₄ を全体の０．５％となる
ように混合し、この混合ガスを、全流量が約２０ｓｃｃ
ｍとなるように反応室内導入し、反応室内の圧力を約４
０Ｔｏｒｒに維持した。マイクロ波パワー４００Ｗで、
放電してプラズマ状態として、ダイヤモンド薄膜を厚み
２５μｍとなるよう成長させた。基板温度は約８５０℃
とした。

【００３３】ダイヤモンド薄膜成長後、ＹＢａ₂ Ｃｕ₃
Ｏ_7-x の組成の超電導体をスパッタリングにより成長さ
せた。ダイヤモンド薄膜は数十ミクロン以上成長する
と、（１１０）配向が主になるため、この上に成長させ
る超電導体は主にＣ軸配向する。したがって格子不整合
率は１．９％になる。

【００３４】ＹＢａ₂ Ｃｕ₃ Ｏ_7-x 超電導体を１０単位
セル分、すなわち約１２０Åの厚みに成長させた。この
薄膜の臨界温度は７９Ｋであった。

【００３５】この超電導薄膜をフォトリソグラフィとウ
エットエッチングにより、くし型電極となるようにパタ
ーニングした。この上に圧電体薄膜としてのＺｎＯ薄膜
を１．９μｍの厚みで形成した。このＺｎＯ薄膜は、マ
グネトロンスパッタ装置を用いて形成した。

【００３６】図１は、以上のようにして作製したこの発
明に従う表面弾性波素子を示す断面図である。図１を参
照して、基板１の上にはダイヤモンド薄膜２が形成さ
れ、このダイヤモンド薄膜２上に超電導体くし型電極３
が形成されている。この超電導体くし型電極３が形成さ
れたダイヤモンド薄膜２の上にＺｎＯ膜が形成されてい
る。

【００３７】以上のようにして得られたこの発明に従う
実施例の表面弾性波素子の７７Ｋにおける挿入損失は、
１．２ＧＨｚで、１８ｄＢであった。

【００３８】比較として、くし型電極を超電導体ではな
く従来から用いられているアルミニウム金属から形成し
た表面弾性波素子を作製した。アルミニウムくし型電極
の厚みは７００Åとし、スパッタリングにより成長さ
せ、反応性イオンエッチングによりパターニングした。
このようにして得られた比較の表面弾性波素子は、７７
ｋ、１．２ＧＨｚで、２２ｄＢの挿入損失であった。

【００３９】以上のことから明らかなように、この発明
に従い、超電導体によりくし型電極を形成した表面弾性
波素子は、従来の表面弾性波素子に比べ挿入損失が低減
されることがわった。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明に従う一実施例を示す断面図である。

【図２】表面弾性波素子の一般的構造を示す斜視図であ
る。

【図３】従来の表面弾性波素子を示す断面図である。

【符号の説明】

１ 基板 ２ ダイヤモンド薄膜 ３ 超電導体くし型電極 ４ ＺｎＯ膜

───────────────────────────────────────────────────── 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

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ダイヤモンド層と、ダイヤモンド層上に
   形成される圧電体薄膜と、特定の波長の表面弾性波を発
   生させこれを取出すための１対の電極とを備える表面弾
   性波素子において、 前記電極の少なくとも一方が、超電導体から形成されて
   いることを特徴とする、表面弾性波素子。