【公開日：2025.06.10】【最終更新日：2025.04.14】
課題データ / Project Data
課題番号 / Project Issue Number
24TU0119
利用課題名 / Title
高周波弾性波デバイス用高効率音響多層膜に関する研究/Research on high-efficiency acoustic multilayer films for high-frequency elastic wave devices
利用した実施機関 / Support Institute
東北大学 / Tohoku Univ.
機関外・機関内の利用 / External or Internal Use
内部利用（ARIM事業参画者以外）/Internal Use (by non ARIM members)
技術領域 / Technology Area
【横断技術領域 / Cross-Technology Area】（主 / Main）加工・デバイスプロセス/Nanofabrication（副 / Sub）-
【重要技術領域 / Important Technology Area】（主 / Main）高度なデバイス機能の発現を可能とするマテリアル/Materials allowing high-level device functions to be performed（副 / Sub）-
キーワード / Keywords
高周波デバイス/ High frequency device,高品質プロセス材料/技術/ High quality process materials/technique,スパッタリング/ Sputtering
利用者と利用形態 / User and Support Type
利用者名（課題申請者）/ User Name (Project Applicant)
大橋 雄二
所属名 / Affiliation
東北大学 未来科学技術共同研究センター
共同利用者氏名 / Names of Collaborators in Other Institutes Than Hub and Spoke Institutes
ARIM実施機関支援担当者 / Names of Collaborators in The Hub and Spoke Institutes
利用形態 / Support Type
（主 / Main）機器利用/Equipment Utilization（副 / Sub）-
利用した主な設備 / Equipment Used in This Project
報告書データ / Report
概要（目的・用途・実施内容）/ Abstract (Aim, Use Applications and Contents)
第５世代以降の次世代移動通信システムでは5GHz超の周波数帯の利用が始まっているが、現状では5GHz以上の周波数帯での弾性波フィルタが実現できていない。この弾性波フィルタの限界を打破すると期待されているのが、圧電薄板/音響ブラッグ反射多層膜/支持基板構造のSolidly Mounted Resonator(SMR)である。本研究では、10GHz超の実現可能性を秘めたSMRにおいて重要な役割を担う音響ブラッグ反射多層膜について反射率の高効率化を目指した基礎的研究を行う。
実験 / Experimental
試料として表１に示すような、Si(100)基板上にTa2O5-SiO2多層膜4対および7対、Al2O3-SiO2多層膜8対を2種類の合計4種類の音響反射多層膜をRadical Assisted Sputtering装置(RAS-1100B II:シンクロン社製)により作製した。本成膜装置ではRFバイアスを印加することができ、いずれのサンプルにおいても成膜表面を平坦にする効果が得られる800Wを印加して成膜した。
結果と考察 / Results and Discussion
図1は表1に示した各サンプルの音響反射多層膜に対して取得した断面SEM像である。各層の厚さは数%程度のばらつきはあるもののおおよそ設計通りの膜厚に成膜されていた。また、各音響反射多層膜の最終成膜面上の表面粗さSaを原子間力顕微鏡(AFM)を用いて測定した結果を後述の表2に示した。サンプル#4以外はSa値が0.2 nm以下と非常に平坦に成膜されている。 SMRとしての共振特性を評価するために、表1に示した音響反射多層膜上に、Al/Tiの下部電極、AlN圧電膜(730 nm)、Cuの上部電極を形成した。上部電極を形成する前に測定したAlN膜の(0002)面に対するX線ロッキングカーブ(XRC)の半値全幅(FWHM)の結果を表2に示している。各サンプルのAlNのFWHM値は、音響反射多層膜の最表面粗さSaに対応して、Saが小さいとFWHMも小さくなる傾向となった。 上記のSMRサンプルに対して共振特性を測定した。サンプル#2および#4に対する共振波形の結果例を図2に示す。いずれのサンプルにおいても設計周波数の5.94 GHz近傍に共振周波数が観測された。各サンプルに対する共振特性（アドミッタンスY比、Q値、電気機械結合係数、周波数温度係数）を表2にまとめた。#1と#2を比べると、同じTa2O5/SiO2多層膜で対数のみ異なることで、対数の多い#2の方が、アドミッタンス比が大きく、Q値やkeff2値も大きくなっている。また、TCFも#2の方が向上している。一方、Al2O3/SiO2多層膜の#3、#4のY比やQrは、#1、#2と比べて大幅に向上している。特に、#4はAlNのFWHMが最も大きかったにもかかわらず、Y比とQrが最も大きくなっており、さらにTCFもfrの方は他と同等程度で、faの方は最も良い結果となった。#4の成膜条件は#3と比べて、Ar流量とスパッタ圧力を増加させたところのみが異なっており、その効果でわずかながら性能が向上した。さらなる性能向上には、成膜条件の改善が必要と考えられるが、上記結果を踏まえると、Ta2O5/SiO2多層膜よりはAl2O3/SiO2多層膜の方が、より性能の良いSMRが構築できる可能性が高いと考えられる。
図・表・数式 / Figures, Tables and Equations
表1 Si(100)基板上に成膜した音響反射多層膜の成膜条件.
図1 音響反射多層膜の断面観察.
図2 SMRサンプルの共振特性波形.
表2 各サンプルに対する膜評価と共振特性の測定結果.
その他・特記事項（参考文献・謝辞等） / Remarks(References and Acknowledgements)
成果発表・成果利用 / Publication and Patents
論文・プロシーディング（DOIのあるもの） / DOI (Publication and Proceedings)
口頭発表、ポスター発表および、その他の論文 / Oral Presentations etc.
- 大橋雄二, 他, “SMR型弾性波デバイスの音響反射多層膜の評価に関する検討”, 2025圧電材料・デバイスシンポジウム, A-2 (2025年1月).
特許 / Patents
特許出願件数 / Number of Patent Applications：0件
特許登録件数 / Number of Registered Patents：0件