JP2006186623A - 弾性表面波素子、その製造方法、及び弾性表面波デバイス - Google Patents
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Abstract
【課題】 IDTの電極の膜厚を大きくしても、所望の周波数特性・性能を維持し得るSAW素子及びその製造方法を提供する。
【解決手段】 面内回転STカット水晶板からなる水晶基板11の主面に、SAWの波長λに対してH/λ=0.05〜0.15となる厚さHのAl電極膜15を形成する。電極膜の上にレジストパターン16を形成し、電極膜の露出部分をドライエッチングしてその一部を除去しかつその残余部分15aをウエットエッチングにより完全に除去することにより、IDT13の交差指電極12a,12bを形成する。このとき、SAW伝搬方向に沿って交差指電極の下辺及び上辺における線幅d1,d2が(d1−d2)/電極ピッチp=0〜0.16となるように設定する。
【選択図】 図1
【解決手段】 面内回転STカット水晶板からなる水晶基板11の主面に、SAWの波長λに対してH/λ=0.05〜0.15となる厚さHのAl電極膜15を形成する。電極膜の上にレジストパターン16を形成し、電極膜の露出部分をドライエッチングしてその一部を除去しかつその残余部分15aをウエットエッチングにより完全に除去することにより、IDT13の交差指電極12a,12bを形成する。このとき、SAW伝搬方向に沿って交差指電極の下辺及び上辺における線幅d1,d2が(d1−d2)/電極ピッチp=0〜0.16となるように設定する。
【選択図】 図1
Description
本発明は、弾性表面波(SAW:surface acoustic wave )を利用したSAW素子及びその製造方法、並びにかかるSAW素子を有するSAWデバイスに関する。
従来から、圧電基板の表面に形成した交差指電極からなるIDT(すだれ状トランスデューサ)により励振する弾性表面波を利用したSAW素子を備える共振子、フィルタ、発振器等のSAWデバイスが、様々な電子機器に広く使用されている。特に最近は、通信機器などの分野で、通信の高速化に対応したSAWデバイスの高周波化及び高精度化が要求されている。
SAW素子のIDTは、圧電基板表面に成膜したAlなどの電極膜を、フォトリソグラフィ技術を用いてパターニングすることにより形成する。電極膜のパターニングは、ウエットエッチングで行う場合、サイドエッチング量が大きいためにアンダーカットを生じて電極の側面がテーパ化し、線幅の制御が困難でばらつきを生じ易いという問題がある。他方、反応性イオンエッチングなどのドライエッチングで行う場合、圧電基板の表面を損傷し、振動特性に悪影響を及ぼす虞がある。そこで、かかる問題を解消して電極を高精度にパターニングするために、電極膜を最初にドライエッチングで部分的に除去し、残余部分をウエットエッチングで完全に除去する方法が提案されている(例えば、特許文献1,2を参照)。
SAW素子の圧電基板には、周波数温度特性の良好なSTカット水晶板が多く使用されている。図3に例示するように、水晶の直交する3つの結晶軸を電気軸(X軸)、機械軸(Y軸)、光学軸(Z軸)とし、オイラー角(φ,θ,ψ)が(0°,0°,0°)の水晶Z板1をX軸周りに角度θ=113〜135°回転させて得られる新しい座標軸(X,Y´,Z´)に沿って切り出したものが、STカット水晶板2である。本願出願人は、STカット水晶板が3次関数の温度特性を有することから、STカット水晶板2を更にZ´軸周りに角度ψ=±(40〜49)°回転させてSAWの伝播方向と一致するように切り出し、より良好な周波数温度特性を発揮する面内回転STカット水晶板3を提案している(特許文献3を参照)。
更に本願出願人は、オイラー角(0°,θ,ψ)の水晶基板において角度ψを適当に選択し、より好ましくは更に角度θを適当に選択することにより、シングル型IDTによりレイリー波をストップバンドの上限モードで励振できることを見出した。これにより、周波数温度特性をより一層向上させることに加えて、電極の膜厚を大きくしても周波数降下を抑制することができ、電極の微細化及び高周波化に適している。しかしながら、上述した従来方法による電極のパターニングにおいて、電極の膜厚が大きくなると、それだけ電極の側面がテーパ化し易く、電極線幅の高精度な制御がより困難になる。特に、電極側面のテーパ化により線幅がその下辺と上辺とで大きな差を生じると、反射効率が低下し、SAW素子のCI値やQ値を低下させるという問題が発生する。
そこで本発明は、かかる従来技術の問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、IDTの電極の膜厚を大きくしても、所望の周波数特性・性能を実質的に低下させることなく維持、確保することができるSAW素子及びその製造方法を提供することにある。
更に本発明の目的は、優れた周波数温度特性を有しかつ高安定で、高周波化及び高精度化を可能にするSAW素子及びその製造方法を提供することにある。
本発明によれば、上記目的を達成するために、面内回転STカット水晶板からなる水晶基板と、該水晶基板の主面に所定のピッチpで形成された少なくとも1組の交差指電極からなるIDTとを備え、交差指電極の膜厚Hが、IDTにより励振されるSAWの波長λに対してH/λ=0.05〜0.15となるように設定され、SAWの伝搬方向に沿って交差指電極の下辺及び上辺における線幅d1,d2が(d1−d2)/p=0〜0.16となるように設定されたSAW素子が提供される。
交差指電極の線幅は、理想的には、SAW伝搬方向に沿ってその下辺及び上辺における線幅が一致することが望ましい。本願発明者は、面内回転STカット水晶板からなる水晶基板を用いたSAW素子において、交差指電極の下辺及び上辺における線幅d1,d2を上記範囲内に設定するあることによって、たとえIDTの電極の膜厚を大きくしても、所望の周波数特性、性能を実質的に低下させることなく維持、確保し得ることを見い出し、本願発明を創出するに至ったものである。これにより、電極ピッチをより小さくして高周波化、高精度化を図ることが可能になる。
また、従来から交差指電極のパターニングにおいて、電極ピッチは非常に安定して正確に制御されるので、これを基準とすることによって、交差指電極の下辺及び上辺における線幅をより正確に設定しかつ形成することができる。
或る実施例では、オイラー角が(0°,θ,0°<|ψ|<90°)の水晶基板を用いることにより、SAW素子をストップバンドの上限モードで励振させることが可能で、それにより電極膜厚を大きくしても周波数降下を抑制することができる。従って、優れた周波数温度特性を有しかつ高安定で、高周波化及び高精度化の可能なSAW素子を実現することができる。
別の実施例では、水晶基板のオイラー角を(0°,θ,9°<|ψ|<46°)にすることにより、従来のSTカット水晶板よりも優れた周波数温度特性を発揮させ、温度変化に対する周波数変動量を小さくすることができ、更に別の実施例では、水晶基板のオイラー角を(0°,95°<θ<155°,33°<|ψ|<46°)にすることにより、更に一層優れた周波数温度特性を得ることができる。
本発明の別の側面によれば、かかる本発明のSAW素子を製造するのに適したSAW素子の製造方法が提供される。この製造方法は、水晶基板の主面に、IDTにより励振されるSAWの波長λに対してH/λ=0.05〜0.15となるように厚さHの電極膜を形成する工程と、該電極膜の上に塗布したレジスト材料をパターニングして交差指電極のレジストパターンを形成する工程と、該レジストパターンから露出する電極膜をドライエッチングしてその一部を除去し、かつ電極膜の残余部分をウエットエッチングにより完全に除去することにより、交差指電極を、そのSAWの伝搬方向に沿って下辺及び上辺における線幅d1,d2が(d1−d2)/p=0〜0.16となるように形成する工程を有する。
電極膜は、例えば蒸着又はスパッタリングによりその膜厚Hを比較的正確に制御してけいせいすることができる。電極膜のドライエッチングも、そのエッチング量を比較的正確に制御することができ、電極膜残存部分のウエットエッチングも、同様に使用するエッチング液によりエッチングレートが予め分かっている。従って、本発明によれば、成膜した電極膜の厚さに対して、ドライエッチング及びウエットエッチングの各エッチング量を予め計算することによって、各交差指電極の上下各辺の線幅d1,d2を比較的正確にかつ容易に所望の範囲に形成することができる。
更に、本発明の別の側面によれば、上述した本発明の弾性表面波素子を備えることにより、優れた周波数温度特性を有しかつ高安定で、高周波化及び高精度化可能なSAWデバイスが提供される。
以下に、添付図面を参照しつつ、本発明の好適な実施例について詳細に説明する。図1(A)は、本発明を適用した1ポート型共振子用のSAW素子10を示している。SAW素子10は、図3に関連して上述した面内回転STカット水晶板からなる矩形の水晶基板11を有する。水晶基板11の主面には、その略中央に1対の交差指電極12a、12bからなるSAW励振用のIDT13が形成され、その長手方向の両側にそれぞれ格子状の反射器14、14が形成されている。前記交差指電極及び反射器は、加工性及びコストの観点からAlからなる電極膜で形成されている。別の実施例では、前記電極膜にAl/Cu膜を用いることもできる。
図1(B)は、SAWの伝搬方向に沿って交差指電極12a、12bの断面を示している。同図に示すように、各電極12a、12bはそのパターニングの工程によって、側面がテーパ化している。本実施例では、IDT13の電極ピッチ即ち隣接する交差指電極間の中心距離をp、電極12a、12bのSAW伝搬方向における下辺及び上辺の線幅をそれぞれd1,d2としたとき、(下辺d1−上辺d2)/電極ピッチp=Rが0〜0.16の範囲内に入るように、好ましくは概ね0.1となるようにIDT13を形成する。R=0の場合は、下辺d1=上辺d2となる理想的な場合である。
従来から、SAW素子の製造において交差指電極のパターニングでは、電極ピッチを非常に安定して正確に制御することができる。従って、電極ピッチを基準とすることによって、交差指電極の下辺及び上辺における線幅d1,d2をより正確に設定しかつ形成することが可能である。
反射器14、14も、同様にSAWの伝搬方向に沿った断面において、IDT13の各交差指電極12a、12bと同じテーパ角度を有するように形成される。
本実施例の水晶基板11は、オイラー角(0°,θ,0°<|ψ|<90°)の面内回転STカット水晶板であり、そのX´軸方向がSAWの伝搬方向と一致するように形成される。これにより、本実施例のようなシングル型IDTにおいてストップバンドの上限モードで励振させることが可能であり、電極膜厚を大きくしても、周波数降下を抑制することができる。従って、電極ピッチをより小さくして高周波化、高精度化を図ることができる。
水晶基板11は、より好ましくはオイラー角が(0°,θ,9°<|ψ|<46°)であり、それにより従来のSTカット水晶板よりも優れた周波数温度特性を発揮し、温度変化に対する周波数変動量を小さくすることができる。更に好ましくは、水晶基板11のオイラー角が(0°,95°<θ<155°,33°<|ψ|<46°)であり、より一層優れた周波数温度特性を得ることができる。
次に、図2を用いて、図1のIDT13を形成する工程を説明する。先ず、図2(A)に示すように、水晶基板11の表面にAl電極膜15を蒸着又はスパッタリングなどにより所定の膜厚Hに形成する。Al電極膜15の上にレジスト材料を塗布し、これをフォトリソグラフィ技術によりパターニングして、レジストパターン16を形成する。レジストパターン16から露出したAl電極膜15の一部を、反応性イオンエッチングなどのドライエッチングにより除去する(図2(B))。次に、適当なエッチング液を用いたウエットエッチングにより、Al電極膜15の残存部分15aを除去する(図2(C))。最後に、レジストパターン16を除去すると、図1(B)に示す所望の構造を有する交差指電極12a、12bからなるIDT13が形成される(図2(D))。
Al電極膜15の膜厚Hは蒸着又はスパッタリングにより比較的正確に制御され、ドライエッチングによるAl電極膜15のエッチング量も比較的正確に制御でき、Al電極膜残存部分15aのウエットエッチングも、使用するエッチング液によりエッチングレートが予め分かっている。本実施例では、図示するように、最初のドライエッチングで水晶基板11の表面近くまで電極膜15を除去したが、ドライエッチング及びウエットエッチングの各エッチング量を予め計算することによって、各交差指電極の上下各辺の線幅d1,d2を比較的正確に上述した所望の範囲に形成することができる。
実際に、オイラー角が(0°,95°<θ<155°,33°<|ψ|<46°)の水晶基板を使用し、その表面に、図2に示す本発明の方法に従って厚さ1μmのAl電極膜を成膜しかつパターニングし、電極ピッチ5μm、線幅(=d1)3μmの交差指電極からなるIDTを形成した。各電極のSAW伝搬方向における下辺及び上辺の線幅をd1,d2として、(下辺d1−上辺d2)/電極ピッチpの値Rが0〜0.16の範囲内に入るように設定した。その結果、得られたSAW素子は、理想的なR=0の場合と反射効率が略同じであり、従って略同じ周波数特性を示すことが確認された。
また、この水晶基板からなるSAW素子は、上述したように電極の膜厚を大きくしても周波数降下が小さいので有利である。従来のSTカット水晶板を用いた場合には、電極膜厚(H)とSAW波長(λ)との関係がH/λ=約0.03である。これに対し、本実施例のSAW素子は、H/λ=0.05〜0.15に設定することができる。従って本発明によれば、このように電極膜厚を大きくしても、反射効率及び周波数特性を良好に維持することができる。
以上、本発明の好適な実施例について説明したが、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、これに様々な変形・変更を加えて実施し得ることは当業者に明らかである。例えば、上記実施例の1ポート型、シングル型IDT以外に、反射器を有しないものや、2ポート型、トランスバーサル型などの様々な構成を有するSAW素子についても、本発明は同様に適用することができ、また共振子以外の様々なSAWデバイスに用いることができる。
1…水晶Z板、2…STカット水晶板、3…面内回転STカット水晶板、10…SAW素子、11…水晶基板、12a,12b…交差指電極、13…IDT、14…反射器、15…Al電極膜、15a…残存部分、16…レジストパターン。
Claims (6)
- 面内回転STカット水晶板からなる水晶基板と、前記水晶基板の主面に所定のピッチpで形成された少なくとも1組の交差指電極からなるIDTとを備え、
前記交差指電極の膜厚Hが、前記IDTにより励振される弾性表面波(SAW)の波長λに対してH/λ=0.05〜0.15となるように設定され、
前記SAWの伝搬方向に沿って前記交差指電極の下辺及び上辺における線幅d1,d2が、(d1−d2)/p=0〜0.16となるように設定されていることを特徴とする弾性表面波素子。 - 前記水晶基板のオイラー角が(0°,θ,0°<|ψ|<90°)であることを特徴とする請求項1に記載の弾性表面波素子。
- 前記水晶基板のオイラー角が(0°,θ,9°<|ψ|<46°)であることを特徴とする請求項2に記載の弾性表面波素子。
- 前記水晶基板のオイラー角が(0°,95°<θ<155°,33°<|ψ|<46°)であることを特徴とする請求項3に記載の弾性表面波素子。
- 請求項1乃至4のいずれかに記載の弾性表面波素子を製造するために、前記水晶基板の主面に、前記IDTにより励振されるSAWの波長λに対してH/λ=0.05〜0.15となるように厚さHの電極膜を形成する工程と、前記電極膜の上に塗布したレジスト材料をパターニングして前記交差指電極のレジストパターンを形成する工程と、前記レジストパターンから露出する前記電極膜をドライエッチングしてその一部を除去し、かつ前記電極膜の残余部分をウエットエッチングにより完全に除去することにより、前記交差指電極を、その前記SAWの伝搬方向に沿って下辺及び上辺における線幅d1,d2が(d1−d2)/p=0〜0.16となるように形成する工程を有することを特徴とする弾性表面波素子の製造方法。
- 請求項1乃至4のいずれかに記載の弾性表面波素子を備えることを特徴とする弾性表面波デバイス。
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