JP2011061269A - 弾性表面波デバイスの製造方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】圧電基板11にすだれ状電極12を形成するSAW素子片形成工程S1と、(1)すだれ状電極12の電極指12a,12bの質量を変化させる工程、(2)すだれ状電極12に質量体を付加する工程、(3)電極指12a,12b間に露出している圧電基板11をエッチングする工程の(1)〜(3)の少なくとも1つの工程を行い、SAW素子片10の周波数を調整する第1周波数調整工程S5と、第1周波数調整工程S5後、SAW素子片10を200℃以上500℃以下の雰囲気中で5分以上加熱するアニール工程S6と、を有する。
【選択図】図2
Description
例えば、特許文献1には、IDT(Inter Digital Transducer)及び圧電基板(圧電体)に、イオンを物理的に衝突させてIDT及び圧電基板の厚みを、それぞれの密度に応じて減少させる方法、その先行技術として、圧電基板に形成されたIDTを選択的にウエットエッチングする方法、圧電基板を選択的にウエットエッチングする方法、RIE(Reactive Ion Etching)によって、フッ化炭素ガスなどを用いてIDT及び圧電基板をドライエッチングする方法、などが開示されている。
また、非特許文献1には、SAWデバイスの構成要素の1つである弾性表面波素子片(以下、SAW素子片、弾性表面波基板、SAW基板ともいう)の周囲の雰囲気ガスの種類や圧力が、SAWデバイスの周波数に影響を与えることが開示されている。
また、上記RIEによる周波数調整方法においても、フッ化炭素ガスなどの腐食性のガスの残渣によって、上記と同様に、IDTまたは圧電基板の腐食などの化学変化が経時的に進行する虞があることから、SAWデバイスの周波数に経時的変化が生じるという問題がある。
しかしながら、上記の方法は、IDTと圧電基板との密度の差を大きくしないと、換言すれば、IDTの材質と圧電基板の材質との組み合わせをかなり限定しないと、周波数調整量が十分に得られないことから、所望の周波数に合わせ込むことが困難であるという別の問題を有している。
したがって、この方法は、SAWデバイスの周波数に経時的変化が生じるという問題の抜本的な対策にはなり得ない。
そして、SAWデバイスの製造方法は、第1周波数調整工程後、SAW基板を200℃以上500℃以下の雰囲気中で5分以上加熱するアニール工程を有していることから、第1周波数調整工程に用いた、例えば、エッチング液またはエッチングガスの残渣が、SAW基板上から蒸発する。
また、SAWデバイスの製造方法は、第1周波数調整工程でIDTに付加された質量体の膜質変化や物性変化を、上記アニール工程によって一気に進行させてしまうことで、IDTに付加された質量体の膜質や物性を安定した状態にし、膜質や物性の経時的変化を抑制することができる。
これらのことから、SAWデバイスの製造方法は、SAWデバイスの周波数の経時的変化を抑制することができる。換言すれば、SAWデバイスの製造方法は、SAWデバイスの周波数特性を向上させることができる。
この結果、SAWデバイスの製造方法は、SAW基板がベース基板に固定される際に生じる周波数のばらつきを、第1周波数調整工程で吸収できることから、第1周波数調整工程をSAW基板固定工程より前に行う場合より、以降の周波数調整量を少なくすることができる。
そして、SAWデバイスの製造方法は、第1周波数調整工程、第2周波数調整工程などを、ボンディング工程より後に行うことから、ボンディング工程時に生じる周波数のばらつきを第1周波数調整工程によって吸収できるとともに、SAWデバイスの周波数の微調整を第2周波数調整工程によって従来のようなエッチング液またはエッチングガスの残渣を発生させることなく行うことができる。
この結果、SAWデバイスの製造方法は、SAWデバイスの周波数の経時的変化を、さらに抑制することができる。
この結果、SAWデバイスの製造方法は、SAWデバイスの周波数の経時的変化を、さらに抑制することができる。
この結果、SAWデバイスの製造方法は、SAW基板、回路素子、ベース基板などのSAWデバイスの構成要素に含まれる水分に起因する周波数の経時的変化を抑制できる。
(実施形態)
図1は、SAWデバイスの一例としてのSAW発振器の概略構成を示す模式図である。図1(a)はキャップ側から俯瞰した平面図、図1(b)は、図1(a)のA−A線での断面図であり、図1(c)は、図1(a)のB−B線での断面図であり、図1(d)は、図1(a)のC−C線での断面図である。
なお、平面図では、理解を容易にするためにキャップを省略してある。また、図1を含む以降の図においては、便宜上、構成要素の一部を省略、または簡略化してある。
SAW発振器1は、パッケージ30の内部空間31に、SAW素子片10、ICチップ20などが収容されている。
圧電基板11は、所定の厚みに研磨された圧電単結晶材料である水晶から、切削などにより略矩形の板状に形成されている。圧電基板11の一方の主面14上には、一対のすだれ状電極12が形成されている。一対のすだれ状電極12は、電極指12a,12bを交互に噛み合わせて配置されている。すだれ状電極12の両端には、SAW(弾性表面波)を反射する反射器13a,13bが形成されている。
また、圧電基板11の一方の主面14上には、すだれ状電極12と反射器13aとを外部の端子と接続するためのボンディングパッド14a,14bが形成されている。すだれ状電極12、反射器13a,13b及びボンディングパッド14a,14bは、AlまたはAl合金などの導電性に優れた材料により形成されている。
パッケージベース32は、平面形状が略矩形で平板状の底基板32aと、底基板32aに搭載されるSAW素子片10及びICチップ20を囲み、底基板32aに積層される変形枠状の枠基板32bと、枠基板32bに積層され、SAW素子片10及びICチップ20と、キャップ36との隙間を確保する枠状の枠基板32cとを備えている。
底基板32a、枠基板32b、枠基板32cには、セラミックグリーンシートを成形して焼成した酸化アルミニウム質焼結体などが用いられている。
なお、パッケージベース32は、例えば、底基板32a一枚の平板状に形成されていてもよい。
貫通孔34は、底基板32aの孔径と枠基板32bの孔径とが異なり、底基板32aの孔径の方が大きい、段付きの貫通孔となっている。なお、枠基板32cは、貫通孔34を塞がないように形成されている。
SAW素子片10のボンディングパッド14a,14bは、Auを含んでなるワイヤー(以下、Auワイヤーという)50のボンディングにより、それぞれパッケージベース32のボンディングパッド33a,33bと電気的に接続されている。
ICチップ20のボンディングパッド21〜24は、AlまたはAl合金などの導電性に優れた材料により形成されている。ICチップ20のボンディングパッド21,22は、Auワイヤー50のボンディングにより、それぞれパッケージベース32のボンディングパッド33c,33dと電気的に接続されている。
これにより、SAW素子片10とICチップ20とは、電気的に接続されている。
これにより、ICチップ20は、図示しない外部実装端子を介して外部の機器と電気的に接続可能となっている。
そして、パッケージ30の内部空間31には、窒素、アルゴン、ヘリウムなどの不活性ガスが充填され、Au/Ge合金などの封止材70により貫通孔34が塞がれる。
これにより、SAW発振器1は、パッケージ30の内部空間31が気密に封止されている。
SAW発振器1は、外部から図示しない外部実装端子を介してICチップ20に接地電位及び電源電圧が印加されると、ICチップ20の発振回路からSAW素子片10のすだれ状電極12に電気信号が印加される。
これにより、SAW発振器1は、SAW素子片10の圧電効果によって、すだれ状電極12が配置された領域にSAW(弾性表面波)が励起される。この励起されたSAWの共振周波数に応じた発振信号が、ICチップ20から外部に出力される。なお、SAW素子片10では、反射器13aと反射器13bとの間がSAWの励振領域となっている。
図2は、SAW発振器の製造方法の主要な工程を示したフローチャートである。図3、図4は、図2の各工程の内容を説明する模式断面図である。
[SAW素子片形成工程S1]
図3(a)に示すように、SAW素子片形成工程S1では、所定の厚みに研磨された圧電単結晶材料である水晶などの圧電基板11の一方の主面14上に、AlまたはAl合金などを用いて、一対のすだれ状電極12、反射器13a,13bなどをフォトリソグラフィ技術及びエッチングにより形成する。
なお、この工程では、一枚の水晶などのウエハーにSAW素子片10を複数個取りしてもよいし、個片状態の水晶などを用いて個別に形成してもよい。
図3(b)に示すように、SAW素子片固定工程S2では、SAW素子片10を個片状態にして、パッケージベース32の底基板32aの所定の位置に、接着剤40で固定する。
なお、図3(b)の断面は、図1(a)におけるA−A線での断面に相当する。
図3(c)に示すように、回路素子固定工程S3では、SAW素子片固定工程S2後、ICチップ20などの回路素子を、パッケージベース32の底基板32aの所定の位置に、接着剤60で固定する。
なお、回路素子固定工程S3は、SAW素子片固定工程S2より前に行ってもよいし、準備工程として、最初に行っておいてもよい。
なお、図3(c)の断面は、図1(a)におけるC−C線での断面に相当する。
図3(d)及び図1(a)に示すように、ボンディング工程S4では、上記各工程(SAW素子片形成工程S1、SAW素子片固定工程S2、回路素子固定工程S3)終了後、SAW素子片10のボンディングパッド14a,14bと、パッケージベース32のボンディングパッド33a,33bとを、Auワイヤー50のボンディングによりそれぞれ電気的に接続し、ICチップ20のボンディングパッド21,22と、パッケージベース32のボンディングパッド33c,33dとを、Auワイヤー50のボンディングによりそれぞれ電気的に接続し、ICチップ20のボンディングパッド23,24と、パッケージベース32のボンディングパッド33e,33fとを、Auワイヤー50のボンディングによりそれぞれ電気的に接続する。
なお、ボンディングには、Auワイヤー50に代えて、Alワイヤーを用いてもよく、異方性導電膜など他の導電性部材を用いてもよい。
なお、図3(d)の断面は、図1(a)におけるB−B線での断面に相当する。
図3(e)に示すように、第1周波数調整工程S5では、以下の3つの工程の少なくとも1つの工程を行い、SAW素子片10の周波数を所望の周波数に調整する。
(1)例えば、フッ酸またはフッ酸とフッ化アンモニウムとの混合液などのエッチング液を用いたウエットエッチングで、選択的にすだれ状電極12を構成する電極指12a,12bをエッチングし、電極指12a,12bの膜厚T1を変化させたり、電極指12a,12bの幅Wを変化させたりするなどにより、電極指12a,12bの質量を変化させる工程。
(2)例えば、金属粒子、SiO2膜、Al2O3膜などにより、すだれ状電極12(電極指12a,12b)に質量体を付加する工程。
(3)例えば、すだれ状電極12の電極指12a,12b間スペース部11aに露出する圧電基板11を、CF4ガス(フッ化炭素ガス)などを用いたRIEによってドライエッチングするなどにより、電極指12a,12b間にて露出している圧電基板11をエッチングする工程。
図4(a)に示すように、アニール工程S6では、第1周波数調整工程S5後、例えば、加熱炉90などを用いて、SAW素子片10などを200℃以上500℃以下の雰囲気中で5分以上加熱する。
これにより、アニール工程S6では、第1周波数調整工程S5で、(1)の工程に用いたフッ酸またはフッ酸とフッ化アンモニウムとの混合液などのエッチング液の残渣、または(3)の工程に用いたCF4ガスなどのエッチングガスの残渣を、SAW素子片10上から蒸発させる。
また、アニール工程S6では、第1周波数調整工程S5で、(2)の工程によりすだれ状電極12に付加された金属粒子、SiO2膜、Al2O3膜などの質量体の膜質変化や物性変化を、この加熱により一気に進行させ、質量体の膜質や物性を安定した状態にする。
これらにより、SAW発振器1の製造方法は、SAW素子片10の周波数の経時的変化を抑制することができる(詳細後述)。
図4(b)に示すように、第1封止工程S7では、アニール工程S6後、パッケージベース32に接合材35を介してシーム溶接などによりキャップ36を接合してパッケージ30を構成し、SAW素子片10、ICチップ20をパッケージ30の内部空間31に収容する。
図4(c)に示すように、第2周波数調整工程S8では、第1周波数調整工程S5後に行われた各工程により、僅かにずれが生じたSAW素子片10の周波数を、所望の周波数(所望周波数)に調整する。
具体的には、第1封止工程S7終了後、パッケージベース32に形成された貫通孔34から内部空間31に不活性ガスを供給して、SAW素子片10の周波数を変化させる。
または、内部空間31に供給した不活性ガスの圧力及び種類のいずれかを変化させて、SAW素子片10の周波数を変化させる。
ところで、図5は、雰囲気ガスの圧力と周波数変化量との関係を示す図である。上記の不活性ガスを用いた方法は、図5に示すように、雰囲気ガス(不活性ガス)の圧力の上昇(下降)に伴って、周波数が高い方へ(低い方へ)と変化する現象に基づいている。
その後、第1封止工程S7終了後に大気中または不活性ガス中で測定したSAW素子片10の周波数(測定周波数)と、予め設定した所望周波数とを比較して、そのずれ量に基づいて、下記のように不活性ガスの供給圧を調整し、SAW素子片10の周波数を所望周波数に合わせこむ。
測定周波数が所望周波数よりも高い場合には、内部空間31に供給する不活性ガスの供給圧を低くすることにより、内部空間31の圧力を下降させてSAW素子片10の周波数を低い方へ変化させる。
このことから、第2周波数調整工程S8では、周波数調整量に応じて不活性ガスの種類を選択する。
なお、不活性ガスは、物性が安定しており、SAW素子片10に対する化学変化などの影響が少ないことから、第2周波数調整工程S8に用いるガスとして好ましい。
この場合、SAW素子片10の周波数の調整量が僅かであることから、第1周波数調整工程S5の(1)〜(3)のいずれの工程を行っても、これらの工程によるSAW素子片10の周波数の経時的変化(以下、エージングともいう)に及ぼす影響は、無視できる範囲である。
なお、第1封止工程S7終了後の測定周波数が所望周波数の範囲内であれば、第2周波数調整工程S8を行う必要はなく、第2封止工程S9に移行する。
図4(d)に示すように、第2封止工程S9では、第2周波数調整工程S8後、2点鎖線で示す球状の封止材70を貫通孔34に載置し、図示しないレーザービームの照射などにより加熱溶融させて貫通孔34に充填し、貫通孔34を封止材70で塞ぐ。
これにより、SAW発振器1は、内部空間31が気密に封止され、第2周波数調整工程S8において調整された内部空間31の圧力が保持される。
以上の各工程などを経ることにより、図1に示したSAW発振器1が得られる。
図6は、アニール工程の有無によるSAW素子片の周波数のエージング特性を比較したグラフである。なお、図6の縦軸は周波数変動量を表し、横軸は経過時間を表す。また、縦軸のスケールは、図6(a)〜図6(c)において同一である。
図6(a)は、(A)第1周波数調整工程後、アニール工程を行わず、第2周波数調整工程を行った複数のサンプルのデータを示す。
図6(b)は、(B)第1周波数調整工程後、アニール工程を行い、第2周波数調整工程を行わなかった複数のサンプルのデータを示す。
図6(c)は、(C)第1周波数調整工程後、アニール工程を行い、第2周波数調整工程を行った複数のサンプルのデータを示す。
また、いずれのサンプルも、125℃の温度環境下に放置された状態で、所定の経過時間ごとに周波数が測定されている。
(A)は、アニール工程S6を行わず、第2周波数調整工程S8を行うことから、アニール工程S6に起因する、例えば、熱応力の発生などの影響を受けず、初期の周波数調整精度を(B)、(C)より高くすることができる。
(B)は、アニール工程S6を行い、第2周波数調整工程S8を行わないことから、アニール工程S6によって生じた僅かな周波数変化が補正されず、初期の周波数調整精度を(A)、(C)より高くすることができない。
(C)は、アニール工程S6を行い、第2周波数調整工程S8を行うことから、アニール工程S6によって生じた僅かな周波数変化が補正され、初期の周波数調整精度を(B)より高くすることができる。
まとめると、各サンプルの初期の周波数調整精度は、高い順に(A)、(C)、(B)となる。
これにより、周波数のエージング特性において、(A)は、(B)、(C)より明らかに劣る。
一方、(B)、(C)は、100時間以降においても、周波数変動量の急激な変化は見られないことから、周波数のエージング特性において(A)より格段に優れていることが分かる。
このことから、(C)が第2周波数調整工程S8において、不活性ガスを用いた方法でSAW素子片10の周波数を調整すれば、(C)の周波数のエージング特性は、より(B)に近いレベルまで向上するものと推測される。
なお、(C)の周波数のエージング特性は、実用上問題のない優れたレベルである。
なお、図示しないが、SAW発振器1の製造方法は、アニール工程S6の加熱温度を、200℃及び500℃にしても同様の効果が得られている。
そして、SAW発振器1の製造方法は、第1周波数調整工程S5後、SAW素子片10を200℃以上500℃以下の雰囲気中で5分以上加熱するアニール工程S6を有していることから、第1周波数調整工程S5に用いたエッチング液またはエッチングガスの残渣が、SAW素子片10から蒸発する。
また、SAW発振器1の製造方法は、上記アニール工程S6によって、第1周波数調整工程S5ですだれ状電極12に付加された質量体の膜質変化や物性変化を一気に進行させてしまうことで、質量体の膜質や物性を安定した状態にし、膜質や物性の経時的変化を抑制することができる。
この結果、SAW発振器1の製造方法は、SAW素子片10がパッケージベース32に固定される際に生じる周波数のばらつきを、第1周波数調整工程S5で吸収できることから、第1周波数調整工程S5をSAW素子片固定工程S2より前に行う場合より、以降の周波数調整量を少なくすることができる。
この結果、SAW発振器1の製造方法は、SAW発振器1の周波数の経時的変化を、さらに抑制することができる。
この結果、SAW発振器1の製造方法は、SAW発振器1の周波数の経時的変化を、さらに抑制することができる。
この結果、SAW発振器1の製造方法は、SAW素子片10、ICチップ20、パッケージベース32などのSAW発振器1の構成要素に含まれる水分に起因する周波数の経時的変化を抑制できる。
これによれば、SAW発振器1の製造方法は、第2周波数調整工程S8及び第2封止工程S9において、パッケージ30の反転が不要となることから、作業性が向上する。
これによれば、SAW発振器1の製造方法は、Auワイヤー50の本数を削減できる。
Claims (7)
- 圧電基板上にIDTを形成する弾性表面波基板形成工程と、
(1)前記IDTを構成する電極指の質量を変化させる工程、(2)前記IDTに質量体を付加する工程、(3)前記IDTの前記電極指間にて露出している前記圧電基板をエッチングする工程の前記(1)〜(3)の少なくとも1つの工程を行い、弾性表面波基板の周波数を調整する第1周波数調整工程と、
前記第1周波数調整工程後、前記弾性表面波基板を200℃以上500℃以下の雰囲気中で5分以上加熱するアニール工程と、を有することを特徴とする弾性表面波デバイスの製造方法。 - 請求項1に記載の弾性表面波デバイスの製造方法において、ベース基板に前記弾性表面波基板を固定する弾性表面波基板固定工程を、さらに有し、
前記弾性表面波基板固定工程を、前記アニール工程より前に行うことを特徴とする弾性表面波デバイスの製造方法。 - 請求項1に記載の弾性表面波デバイスの製造方法において、ベース基板に前記弾性表面波基板を固定する弾性表面波基板固定工程を、さらに有し、
前記弾性表面波基板固定工程を、前記第1周波数調整工程より前に行うことを特徴とする弾性表面波デバイスの製造方法。 - 請求項1〜3のいずれか一項に記載の弾性表面波デバイスの製造方法において、前記弾性表面波基板上に設けられたボンディングパッドと、前記ベース基板に設けられたボンディングパッドとを電気的に接続するボンディング工程と、
前記ベース基板にキャップを接合してパッケージを構成し、前記弾性表面波基板を前記パッケージの内部空間に収容する第1封止工程と、
前記ベース基板または前記キャップに形成された貫通孔から前記内部空間に不活性ガスを供給して前記弾性表面波基板の周波数を変化させる、または前記内部空間に供給した前記不活性ガスの圧力及び種類の少なくともいずれかを変化させて前記弾性表面波基板の周波数を変化させる第2周波数調整工程と、
前記貫通孔を封止材で塞ぐ第2封止工程と、をさらに有し、
前記第1周波数調整工程と、前記アニール工程と、前記第1封止工程と、前記第2周波数調整工程と、前記第2封止工程とを、前記ボンディング工程より後に行うことを特徴とする弾性表面波デバイスの製造方法。 - 請求項4に記載の弾性表面波デバイスの製造方法において、前記第2周波数調整工程では、前記第1封止工程終了後に、大気中または所定の雰囲気中において弾性表面波の周波数を測定し、測定した前記周波数と予め設定した所望周波数とを比較し、
測定した前記周波数が前記所望周波数よりも低い場合には、前記内部空間の圧力を上昇させ、
測定した前記周波数が前記所望周波数よりも高い場合には、前記内部空間の圧力を下降させて、前記弾性表面波基板の周波数を変化させることを特徴とする弾性表面波デバイスの製造方法。 - 請求項1〜5のいずれか一項に記載の弾性表面波デバイスの製造方法において、前記弾性表面波デバイスが、前記弾性表面波基板と前記弾性表面波基板を駆動する回路素子とを備えた弾性表面波発振器であることを特徴とする弾性表面波デバイスの製造方法。
- 請求項6に記載の弾性表面波デバイスの製造方法において、前記回路素子を前記ベース基板に固定する回路素子固定工程を、さらに有し、
前記弾性表面波基板固定工程後に前記アニール工程が行われるときに、
前記回路素子固定工程を、前記アニール工程より前に行うことを特徴とする弾性表面波デバイスの製造方法。
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