JP2022137818A - 弾性波デバイスおよびその製造方法、フィルタおよびマルチプレクサ - Google Patents

Abstract

【課題】小型化することが可能である支持基板上に圧電層が設けられた弾性波デバイス、フィルタ及びマルチプレクサを提供する。【解決手段】弾性波デバイスは、支持基板１０と、ビア配線２２と、金属層１８と、圧電層１４と、弾性波素子１５と、を有する。ビア配線２２は、支持基板１０を貫通している。金属層１８は、支持基板１０上に設けられ、ビア配線２２を覆っている。弾性波素子１５は、圧電層１４上に設けられている。圧電層１４は、支持基板１０との間に金属層１８の一部の領域２７を挟み、平面視においてビア配線２２の少なくとも一部と重ならない。【選択図】図１

Description

本発明は、弾性波デバイスおよびその製造方法、フィルタおよびマルチプレクサに関し、例えば支持基板上に圧電層が設けられた弾性波デバイス、フィルタおよびマルチプレクサに関する。

スマートフォン等の通信機器に用いられる弾性波デバイスとして、支持基板上に圧電層が設けられた構造が知られている。支持基板と圧電層との間に金属層を設けることが知られている（例えば特許文献１～３）。

特開２００７－２１４７８２号公報 特開２０１７－０２２５０１号公報 国際公開第２０１６／０６８００３号

支持基板上に、支持基板を貫通するビア配線と平面視において重なる金属層を設けることがある。この場合、ビア配線と金属層との位置合わせ精度が悪いため、金属層をビア配線より平面視において大きく形成する。このため、弾性波デバイスが大型化する。

本発明は、上記課題に鑑みなされたものであり、小型化することを目的とする。

本発明は、支持基板と、前記支持基板を貫通するビア配線と、前記支持基板上に設けられ、前記ビア配線を覆う金属層と、前記支持基板との間に前記金属層の一部の領域を挟み、前記支持基板上に設けられ、平面視において前記ビア配線の少なくとも一部と重ならない圧電層と、前記圧電層上に設けられた弾性波素子と、を備える弾性波デバイスである。

上記構成において、前記支持基板と前記圧電層との間に設けられた絶縁層と、前記金属層の一部の領域は前記支持基板と前記絶縁層との間に挟まれる構成とすることができる。

上記構成において、前記金属層上から前記圧電層上にかけて設けられ、前記ビア配線と前記弾性波素子とを電気的に接続する配線を備える構成とすることができる。

上記構成において、前記配線は、平面視において前記ビア配線の少なくとも一部に重なる構成とすることができる。

上記構成において、前記ビア配線は銅、銀または金を主成分とし、前記金属層はチタンまたはチタンタングステンを主成分とする構成とすることができる。

上記構成において、前記ビア配線は銅、銀または金を主成分とし、前記金属層はチタンまたはチタンタングステンを主成分とし、前記配線は、銀または金のうち前記ビア配線の主成分でない金属を主成分とする層を備える構成とすることができる。

本発明は、上記弾性波デバイスを含むフィルタである。

本発明は、上記フィルタを含むマルチプレクサである。

本発明は、支持基板上に、前記支持基板を貫通するビア配線を覆うように金属層を形成する工程と、前記支持基板および前記金属層上に圧電層を形成する工程と、前記圧電層上に弾性波素子を形成する工程と、前記支持基板と前記圧電層との間に前記金属層の一部の領域を挟むように、平面視において前記ビア配線の少なくとも一部と重なる領域の圧電層を除去する工程と、を含む弾性波デバイスの製造方法である。

上記構成において、前記金属層上から前記圧電層上にかけて設けられ、前記ビア配線と前記弾性波素子とを電気的に接続する配線を形成する工程を含む構成とすることができる。

本発明によれば、小型化することができる。

図１は、実施例１に係る弾性波デバイスの断面図である。 図２は、実施例１における弾性波素子の平面図である。 図３（ａ）から図３（ｃ）は、実施例１に係る弾性波デバイスの製造方法を示す断面図（その１）である。 図４（ａ）から図４（ｃ）は、実施例１に係る弾性波デバイスの製造方法を示す断面図（その２）である。 図５は、比較例１に係る弾性波デバイスの断面図である。 図６（ａ）から図６（ｃ）は、比較例１に係る弾性波デバイスの製造方法を示す断面図（その１）である。 図７（ａ）および図７（ｂ）は、比較例１に係る弾性波デバイスの製造方法を示す断面図（その２）である。 図８（ａ）および図８（ｂ）は、それぞれ比較例１および実施例１に係る弾性波デバイスの平面図である。 図９は、実施例１の変形例１に係る弾性波デバイスに係る断面図である。 図１０（ａ）は、実施例２に係るフィルタの回路図、図１０（ｂ）は、実施例２の変形例１に係るデュプレクサの回路図である。

以下、図面を参照し本発明の実施例について説明する。

図１は、実施例１に係る弾性波デバイスの断面図である。図１に示すように、支持基板１０上に圧電層１４が設けられている。支持基板１０と圧電層１４との間に絶縁層１３が設けられている。絶縁層１３は、支持基板１０上に設けられた境界層１１と、境界層１１上に設けられた温度補償膜１２と、を有する。圧電層１４上に金属膜１６が設けられている。金属膜１６は、弾性波素子１５を形成する。弾性波素子１５を覆うように保護膜１７が設けられている。支持基板１０を貫通するビア配線２２が設けられている。ビア配線２２は、支持基板１０を貫通する貫通孔２１内に埋め込まれている。支持基板１０上にビア配線２２を覆うように金属層１８が設けられている。支持基板１０の下面にビア配線２２に電気的に接続される端子２４が設けられている。

領域２６において圧電層１４および絶縁層１３が除去されている。領域２６は平面視においてビア配線２２と重なる。金属層１８のうち一部の領域２７上の圧電層１４および絶縁層１３は除去されておらず、金属層１８の一部の領域２７は支持基板１０と絶縁層１３との間に挟まれている。領域２６内の金属層１８上から圧電層１４および絶縁層１３の側面を介し圧電層１４上に配線２０が設けられている。配線２０は、密着層２０ａと密着層２０ａ上に設けられ密着層２０ａより抵抗率の小さい低抵抗層２０ｂを有する。配線２０の一部は金属膜１６上に設けられている。配線２０は、弾性波素子１５とビア配線２２とを電気的に接続する。

支持基板１０は、一例として厚さが７５μｍのサファイア基板であり、例えば厚さが５０μｍ～５００μｍのアルミナ基板、スピネル基板、水晶基板またはシリコン基板である。絶縁層１３は、例えば酸化シリコン膜、窒化シリコン膜または酸化アルミニウム膜等の単層または複合層の無機絶縁層である。境界層１１は、一例として厚さが１．１μｍ～１．３５μｍの酸化アルミニウム膜であり、温度補償膜１２より音速の速い膜である。温度補償膜１２は、一例として厚さが４５０ｎｍ～６６０ｎｍの酸化シリコン膜であり、例えばフッ素等の不純物を含む酸化シリコン膜または無添加の酸化シリコン膜である。温度補償膜１２の弾性定数の温度係数の符号は圧電層１４の弾性定数の温度係数の符号と反対である。圧電層１４は、一例として厚さが０．７５μｍ～１．１μｍの４２°回転ＹカットＸ伝搬単結晶タンタル酸リチウム基板であり、例えば回転Ｙカット伝搬タンタル酸リチウム基板または回転ＹカットＸ伝搬ニオブ酸リチウム基板である。圧電層１４は絶縁層１３を介さず支持基板１０に直接設けられていてもよい。支持基板１０と絶縁層１３との界面は鏡面でもよいが凹凸面でもよい。温度補償膜１２と圧電層１４との間に、温度補償膜１２と圧電層１４とを接合する接合層が設けられていてもよい。接合層は、一例として厚さが１０ｎｍの酸化アルミニウム膜である。

金属膜１６は、例えばアルミニウム膜、アルミニウム合金膜またはモリブデン膜である。保護膜１７は、例えば酸化シリコン膜または窒化シリコン膜等の絶縁膜である。金属層１８は、一例として厚さが０．１μｍのチタン膜であり、例えばチタンタングステン膜であり、配線２０とビア配線２２との間の相互拡散防止のバリア層である。密着層２０ａは一例として厚さが２００ｎｍのチタン膜であり、例えばチタンタングステン膜である。低抵抗層２０ｂは一例として厚さが１０００ｎｍの金膜である。ビア配線２２は例えば上面の径が４０μｍの銅層であり、例えば銀層または金層である。端子２４は、一例として支持基板１０側から厚さが２μｍの銅膜、厚さが５μｍのニッケル膜および厚さが０．３μｍの金膜である。

図２は、実施例１における弾性波素子の平面図である。図２に示すように、弾性波素子１５は弾性表面波共振器である。圧電層１４上にＩＤＴ（Interdigital Transducer）４０と反射器４２が形成されている。ＩＤＴ４０は、互いに対向する１対の櫛型電極４０ａを有する。櫛型電極４０ａは、複数の電極指４０ｂと複数の電極指４０ｂを接続するバスバー４０ｃとを有する。反射器４２は、ＩＤＴ４０の両側に設けられている。ＩＤＴ４０が圧電層１４に弾性表面波を励振する。弾性波の波長は一対の櫛型電極４０ａの一方の櫛型電極４０ａの電極指４０ｂのピッチにほぼ等しい。すなわち、弾性波の波長は一対の櫛型電極４０ａの電極指４０ｂのピッチの２倍にほぼ等しい。ＩＤＴ４０および反射器４２は例えばアルミニウム膜またはアルミニウム合金膜により形成される。圧電層１４上にＩＤＴ４０および反射器４２を覆うように保護膜または温度補償膜が設けられていてもよい。

［実施例１の製造方法］
図３（ａ）から図４（ｃ）は、実施例１に係る弾性波デバイスの製造方法を示す断面図である。図３（ａ）に示すように、支持基板１０に貫通孔２１を形成する。なお、この時点では貫通孔２１は支持基板１０を貫通してなくてもよい。貫通孔２１は例えばレーザ光を照射することにより形成する。貫通孔２１内にビア配線２２を形成する。貫通孔２１内および支持基板１０の上面に金属層を例えばめっき法を用い形成する。支持基板１０上の金属層を例えばＣＭＰ（Chemical Mechanical Polishing）法を用い除去する。これにより、ビア配線２２が貫通孔２１内に埋め込まれる。

図３（ｂ）に示すように、支持基板１０上にビア配線２２を覆うように金属層１８を形成する。金属層１８の形成は、真空蒸着法およびリフトオフ法、またはスパッタリング法およびエッチング法を用いる。

図３（ｃ）に示すように、支持基板１０上に絶縁層１３を形成する。絶縁層１３の形成には例えばＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法を用いる。絶縁層１３上に圧電基板を接合する。絶縁層１３上に絶縁層と圧電基板とを接合する接合層を形成してもよい。圧電基板の接合には例えば表面活性化法を用いる。圧電基板の上面を例えばＣＭＰ法を用い研磨することで所望の厚さの圧電層１４を形成する。

図４（ａ）に示すように、圧電層１４上に金属膜１６を形成することで弾性波素子１５を形成する。金属膜１６は、例えば真空蒸着法およびリフトオフ法、またはスパッタリング法およびエッチング法を用い形成する。圧電層１４上に弾性波素子１５を覆うように保護膜１７を形成する。保護膜１７は、例えばＣＶＤ法を用い形成する。

図４（ｂ）に示すように、平面視においてビア配線２２と重なる領域２６における圧電層１４および絶縁層１３を除去する。圧電層１４および絶縁層１３の除去には例えばドライエッチング法またはウェットエッチング法を用いる。例えば圧電層１４がタンタル酸リチウムまたはニオブ酸リチウムを主成分とし、絶縁層１３が酸化シリコン、窒化シリコンおよび／または酸化アルミニウムを主成分とする場合、フッ素系のガス（例えばＳＦ_６、ＣＦ_４、ＣＨＦ_３等）を用い圧電層１４および絶縁層１３をドライエッチングする。金属層１８の材料としてフッ素系ガスによるエッチング速度が圧電層１４および絶縁層１３のエッチング速度より遅い材料を選択する。このような材料として、チタンまたはチタンタングステンがある。これにより、金属層１８はほとんどエッチングされない。金属層１８の一部の領域２７は支持基板１０と絶縁層１３および圧電層１４との間に挟まれる。

図４（ｃ）に示すように、金属層１８上から圧電層１４および絶縁層１３の側面を介し圧電層１４上にかけて配線２０を形成する。配線２０は、例えば密着層２０ａと密着層２０ａ上のシード層（不図示）をスパッタリング法を用い形成し、シード層上に低抵抗層２０ｂを電解めっき法を用い形成する。その後、支持基板１０の裏面を研磨または研削する。支持基板１０の下面にビア配線２２と接続する端子２４を形成する。これにより、図１の弾性波デバイスが製造される。

［比較例１］
図５は、比較例１に係る弾性波デバイスの断面図である。図５に示すように比較例１では、平面視において金属層１８は領域２６と重なる。すなわち、金属層１８は、支持基板１０と圧電層１４および絶縁層１３との間に挟まれていない。その他の構成は実施例１と同じであり説明を省略する。

図６（ａ）から図７（ｂ）は、比較例１に係る弾性波デバイスの製造方法を示す断面図である。図６（ａ）に示すように、支持基板１０内にビア配線２２を形成する。図６（ｂ）に示すように、支持基板１０上に絶縁層１３を形成する。絶縁層１３上に圧電基板を接合し、圧電基板を薄膜化し圧電層１４を形成する。

図６（ｃ）に示すように、領域２６の圧電層１４および絶縁層１３を除去することで、ビア配線２２が露出する。このとき、圧電層１４および絶縁層１３を除去するエッチングにより、ビア配線２２の上面に凹凸５０（例えばディッシング）が形成される。例えばビア配線２２が低抵抗の銅、金または銀を主成分とするとき、フッ素系ガスを用いたドライエッチングにより、ビア配線２２の上面に凹凸５０が形成される。

図７（ａ）に示すように、支持基板１０上にビア配線２２を覆うように金属層１８を形成する。図７（ｂ）に示すように、圧電層１４上に弾性波素子１５および保護膜１７を形成する。その後、配線２０を形成し、支持基板１０の下面を研磨または研削し、支持基板１０の下面に端子２４を形成する。これにより、図５の比較例１に係る弾性波デバイスが製造される。

図８（ａ）および図８（ｂ）は、それぞれ比較例１および実施例１に係る弾性波デバイスの平面図である。図８（ａ）に示すように、比較例１では、平面視においてビア配線２２と重なりかつビア配線２２より大きく金属層１８が設けられている。金属層１８は例えばビア配線２２と配線２０内の低抵抗層２０ｂとのバリア層である。金属層１８は、ビア配線２２の金属元素（例えば銅）と低抵抗層２０ｂの金属元素（例えば金）が相互拡散または反応することを抑制する。配線２０の密着層２０ａを厚くすることで、密着層２０ａをバリア層とすることも考えられる。しかし、密着層２０ａを厚くすると配線２０の抵抗が高くなってしまう。そこで、配線２０とは別に金属層１８を設けている。貫通孔２１は図６（ａ）のようにレーザ光等により形成する。このため、ビア配線２２の平面形状はバラツキやすく、ビア配線２２と金属層１８との合わせ精度は高くない。このため、金属層１８とビア配線２２とのマージンを大きくする。圧電層１４を除去する領域２６は、金属層１８より大きくする。金属層１８とビア配線２２とのマージンは、一例として７．５μｍであり、例えば５μｍ～２０μｍである。比較例１では、領域２６が金属層１８より小さいと、図７（ａ）において、金属層１８の一部が圧電層１４上に形成され、他の配線等とショートする。

図８（ｂ）に示すように、実施例１では、金属層１８の一部の領域２７と圧電層１４とが重なる。これは、実施例１では、図３（ｂ）のように、絶縁層１３および圧電層１４を形成する前に金属層１８を形成するためである。これにより領域２６の大きさを比較例１に比べ矢印５１分小さくできる。よって、弾性波デバイスの小型化が可能となる。なお、金属層１８として、配線２０とビア配線２２とのバリア層として機能する例に説明したが、金属層１８は他の理由によりビア配線２２を覆ってもよい。

実施例１によれば、圧電層１４は、支持基板１０との間に絶縁層１３を介し金属層１８の一部の領域２７を挟み、支持基板１０上に設けられ、平面視においてビア配線２２と重ならない。これにより、図８（ｂ）の矢印５１のように、弾性波デバイスを小型化できる。また、金属層１８により、支持基板１０と圧電層１４および絶縁層１３との密着性を向上できる。なお、圧電層１４は平面視においてビア配線２２の一部と重なってもよい。

比較例１の図６（ｃ）のように、領域２６における圧電層１４および絶縁層１３を除去するときに、ビア配線２２の上面が露出すると、エッチングガスまたはエッチング液によりビア配線２２の上面に凹凸５０が形成される。これにより、図５のように、金属層１８の上面および配線２０の上面に凹凸が形成される。よって、ビア配線２２と金属層１８との接続性または信頼性が劣化する、および／または金属層１８と配線２０との接続性または信頼性が劣化することがある。実施例１では、図４（ｂ）のように、領域２６における圧電層１４および絶縁層１３を除去するときに、ビア配線２２の上面が金属層１８により保護され露出しない。よって、金属層１８の上面および配線２０の上面に凹凸が形成されることを抑制できる。よって、ビア配線２２と金属層１８との接続性または信頼性が向上する、および／または金属層１８と配線２０との接続性または信頼性が向上する。

絶縁層１３は、支持基板１０と圧電層１４との間に設けられ、金属層１８の一部の領域２７は支持基板１０と絶縁層１３との間に挟まれる。このように、絶縁層１３が設けられていてもよい。

配線２０は、金属層１８上から圧電層１４上にかけて設けられ、ビア配線２２と弾性波素子１５とを電気的に接続する。配線２０が平面視においてビア配線２２の少なくとも一部に重なる場合、金属層１８を設けることで、金属層１８をビア配線２２と配線２０との間のバリア層として機能させることができる。

ビア配線２２は銅、銀または金を主成分とし、金属層１８はチタンまたはチタンタングステンを主成分とする。これにより、図４（ｂ）のように、圧電層１４および絶縁層１３を除去するときに、金属層１８がエッチングされない。よって、比較例１の図８（ｂ）のようなビア配線２２の上面の凹凸５０を抑制できる。

さらに、配線２０は、銀または金のうちビア配線２２の主成分でない金属を主成分とする低抵抗層２０ｂを備える。例えば、ビア配線２２は銅を主成分とし、低抵抗層２０ｂは金を主成分とする。このとき、金属層１８は、低抵抗層２０ｂとビア配線２２とのバリア層として機能する。なお、ある層がある元素を主成分とするとは、ある層に主成分以外の意図的または意図しない不純物が含まれることを許容する。ある層におけるある元素の濃度は例えば５０原子％以上であり、例えば８０原子％以上である。チタンタングステンのように、２つの元素を主成分とする場合、チタンの濃度とタングステンの濃度の合計が例えば５０原子％以上であり、例えば８０原子％以上であり、チタンの濃度およびタングステンの濃度は各々例えば１０％原子％以上である。

［実施例１の変形例１］
図９は、実施例１の変形例１に係る弾性波デバイスに係る断面図である。図９に示すように、支持基板１０の周縁の圧電層１４および絶縁層１３が除去されている。支持基板１０の周縁上に環状封止層３０が設けられている。環状封止層３０は、金属層であり、例えば支持基板１０側から厚さが２０μｍの銅層、厚さが２．５μｍのニッケル層である。リッド３１は、例えば厚さが３０μｍのコバール板である。リッド３１の下面に金属層３４が設けられている。金属層３４は例えば金膜である。環状封止層３０と金属層３４とは半田層３２により接続されている。半田層３２は例えば厚さが４μｍのＡｕＳｎである。環状封止層３０とリッド３１により弾性波素子１５は空隙３８に封止される。環状封止層３０は金属層１８ａおよびビア配線２２ａを介し端子２４ａに電気的に接続される。

実施例１の変形例１のように、支持基板１０上に弾性波素子１５を封止する環状封止層３０およびリッド３１等の封止部が設けられていてもよい。

実施例２は、フィルタおよびデュプレクサの例である。図１０（ａ）は、実施例２に係るフィルタの回路図である。図１０（ａ）に示すように、入力端子Ｔｉｎと出力端子Ｔｏｕｔとの間に、１または複数の直列共振器Ｓ１からＳ４が直列に接続されている。入力端子Ｔｉｎと出力端子Ｔｏｕｔとの間に、１または複数の並列共振器Ｐ１からＰ３が並列に接続されている。実施例２のフィルタの共振器の少なくとも１つを実施例１およびその変形例の弾性波素子１５で形成してもよい。直列共振器および並列共振器の個数等は適宜設定できる。フィルタとしてラダー型フィルタを例に説明したが、フィルタは多重モード型フィルタでもよい。

図１０（ｂ）は、実施例２の変形例１に係るデュプレクサの回路図である。図１０（ｂ）に示すように、共通端子Ａｎｔと送信端子Ｔｘとの間に送信フィルタ５２が接続されている。共通端子Ａｎｔと受信端子Ｒｘとの間に受信フィルタ５４が接続されている。送信フィルタ５２は、送信端子Ｔｘから入力された高周波信号のうち送信帯域の信号を送信信号として共通端子Ａｎｔに通過させ、他の周波数の信号を抑圧する。受信フィルタ５４は、共通端子Ａｎｔから入力された高周波信号のうち受信帯域の信号を受信信号として受信端子Ｒｘに通過させ、他の周波数の信号を抑圧する。送信フィルタ５２および受信フィルタ５４の少なくとも一方を実施例２のフィルタとすることができる。

マルチプレクサとしてデュプレクサを例に説明したがトリプレクサまたはクワッドプレクサでもよい。

以上、本発明の実施例について詳述したが、本発明はかかる特定の実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。

１０ 支持基板
１１ 境界層
１２ 温度補償膜
１３ 絶縁層
１４ 圧電層
１５ 弾性波素子
１８ 金属層
２０ 配線
２０ａ 密着層
２０ｂ 低抵抗層
２２ ビア配線
２６、２７ 領域
５２ 送信フィルタ
５４ 受信フィルタ

Claims (10)

1. 支持基板と、
   前記支持基板を貫通するビア配線と、
   前記支持基板上に設けられ、前記ビア配線を覆う金属層と、
   前記支持基板との間に前記金属層の一部の領域を挟み、前記支持基板上に設けられ、平面視において前記ビア配線の少なくとも一部と重ならない圧電層と、
   前記圧電層上に設けられた弾性波素子と、
   を備える弾性波デバイス。
2. 前記支持基板と前記圧電層との間に設けられた絶縁層と、
   前記金属層の一部の領域は前記支持基板と前記絶縁層との間に挟まれる請求項１に記載の弾性波デバイス。
3. 前記金属層上から前記圧電層上にかけて設けられ、前記ビア配線と前記弾性波素子とを電気的に接続する配線を備える請求項１または２に記載の弾性波デバイス。
4. 前記配線は、平面視において前記ビア配線の少なくとも一部に重なる請求項３に記載の弾性波デバイス。
5. 前記ビア配線は銅、銀または金を主成分とし、前記金属層はチタンまたはチタンタングステンを主成分とする請求項１から４のいずれか一項に記載の弾性波デバイス。
6. 前記ビア配線は銅、銀または金を主成分とし、前記金属層はチタンまたはチタンタングステンを主成分とし、
   前記配線は、銀または金のうち前記ビア配線の主成分でない金属を主成分とする層を備える請求項４に記載の弾性波デバイス。
7. 請求項１から６のいずれか一項に記載の弾性波デバイスを含むフィルタ。
8. 請求項７に記載のフィルタを含むマルチプレクサ。
9. 支持基板上に、前記支持基板を貫通するビア配線を覆うように金属層を形成する工程と、
   前記支持基板および前記金属層上に圧電層を形成する工程と、
   前記圧電層上に弾性波素子を形成する工程と、
   前記支持基板と前記圧電層との間に前記金属層の一部の領域を挟むように、平面視において前記ビア配線の少なくとも一部と重なる領域の圧電層を除去する工程と、
   を含む弾性波デバイスの製造方法。
10. 前記金属層上から前記圧電層上にかけて設けられ、前記ビア配線と前記弾性波素子とを電気的に接続する配線を形成する工程を含む請求項９に記載の弾性波デバイスの製造方法。

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