JP3781435B2 - 弾性境界波デバイス及びその製造方法 - Google Patents

Description

技術分野
本発明は、例えばＴＶや携帯電話、ＰＨＳ等におけるフィルタ素子や発振子に用いることができる弾性境界波デバイス及びその製造方法に関する。
背景技術
弾性波を応用したデバイスの１つとして弾性表面波デバイス（ＳＡＷデバイス：Ｓｕｒｆａｃｅ Ａｃｏｕｓｔｉｃ Ｗａｖｅ Ｄｅｖｉｃｅ）が以前よりよく知られている。このＳＡＷデバイスは、例えば４５ＭＨｚ〜２ＧＨｚの周波数帯域における無線信号を処理する装置における各種回路、例えば送信用バンドパスフィルタ、受信用バンドパスフィルタ、局発フィルタ、アンテナ共用器、ＩＦフィルタ、ＦＭ変調器等に用いられる。
図８にこのＳＡＷデバイスの基本的構成を示す。同図に示すようにＳＡＷデバイスは、ＬｉＮｂＯ３等の圧電性基板１００上にＡｌ薄膜等の金属材料をエッチング等により加工したくし歯状電極（ＩＤＴ：Ｉｎｔｅｒｄｉｇｉｔａｌ Ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ）１０１、１０２を設けて構成される。そして、ＩＤＴ１０１に高周波の電気信号が印加されると圧電性基板１００表面にＳＡＷ１０３が励振される。励振されたＳＡＷ１０３は、圧電性基板１００表面を伝搬してＩＤＴ１０２に達し、ＩＤＴ１０２において再び電気信号に変換される。
ところで、ＳＡＷデバイスは、固体表面と真空または気体の境界面、すなわち固体表面を伝搬する弾性波を利用するために伝搬媒体である圧電性基板の表面を自由表面とする必要がある。従って、ＳＡＷデバイスにおいては、例えば半導体のパッケージに使用されるようなプラスチックモールドでチップを覆うことができず、パッケージ内部に自由表面を確保するための中空部を設ける必要がある。
しかしながら、パッケージ内部に中空部を設けた構造にすると、デバイスが比較的高価かつ大型になるという問題がある。
そこで、本発明者等は、ＳＡＷデバイスと同等の機能を有し、小型化が容易でかつコストダウンが容易な弾性境界波デバイスを提唱している。この弾性境界波デバイスは、例えばくし歯状電極を挟むように圧電性基板とＳｉ基板とを張り合わせて構成される。本発明は、かかる弾性境界波デバイスのさらなる改良を図ったものである。
すなわち、本発明の第１の目的は、弾性境界波デバイスにおいて電極から励振される弾性波の変換効率を向上させることができる弾性境界波デバイス及びその製造方法を提供することを目的としている。
また、本発明の第２の目的は、電極間での寄生抵抗の影響をなくすことができる弾性境界波デバイス及びその製造方法を提供することを目的としている。
発明の開示
かかる課題を解決するため、本発明の弾性境界波デバイスは、圧電性の第１の基体と、前記第１の基体の主面に形成され、弾性波を励振する電極と、前記電極を覆いかつ平滑な表面を持つように前記第１の基体の主面に形成された誘電体膜と、前記誘電体膜の表面に張り合わされたＳｉ系の第２の基体とを具備することを特徴としている。また、本発明の弾性境界波デバイスは、圧電性の第１の基体と、前記第１の基体の主面に形成され、弾性波を励振する電極と、前記電極を覆うように形成された誘電体膜を介して配置されたＳｉ系の第２の基体とを具備することを特徴としている。
本発明の弾性境界波デバイスの製造方法は、（ａ）圧電性の第１の基体の主面に弾性波を励振する電極を形成する工程と、（ｂ）前記電極が形成された第１の基体の主面に誘電体膜を形成する工程と、（ｃ）前記第１の基体の主面に形成された誘電体膜の表面を平滑化する工程と、（ｄ）前記平滑化された誘電体膜の表面にＳｉ系の第２の基体を張り合わせる工程とを具備する。
さらに、本発明の弾性境界波デバイスの製造方法は、上記（ｂ）工程において誘電体膜を電極よりも厚く形成し、かつ上記（ｃ）工程において電極が表面に露出しないように誘電体膜の表面を平滑化するものである。
【図面の簡単な説明】
図１は、本発明の一実施形態に係る弾性境界波デバイスの構成を示す分解斜視図である。図２は、図１のＡ−Ａ矢視平面図である。
図３は、本発明の弾性境界波デバイスの製造方法に係る一実施形態を説明するための工程図である。
図４は、本発明の弾性境界波デバイスにおける他の製造方法を説明するための図である。
図５は、本発明の弾性境界波デバイスが用いられる移動体通信装置の構成を示すブロック図である。
図６は、本発明の弾性境界波デバイスが用いられるＲＦモジュレータの発振回路の回路図である。
図７は、本発明の課題を説明するための図である。
図８は、従来のＳＡＷデバイスの基本的構成を示す図である。
発明を実施するための最良の形態
弾性境界波デバイスは、例えばＳｉ基板の表面にＡｌ電極を形成後、その上から誘電体膜を形成し、Ａｌ電極間に誘電体膜を埋めると共に、その上からＡｌ電極が露出するまで研磨を行い、その上に圧電性基板を張り合わせることにより製造されるのが一般的であると考えられるが、その場合以下の問題点がある。
すなわち、図７に示すように、一般的にＡｌ電極１０を研磨するときにＡｌ等の金属膜はＳｉＯ２膜１１よりも柔らかいためＡｌ電極１０の表面に窪みを生じる。この窪みの大きさは５μｍ程度のＡｌ電極幅ａに対して約３０ｎｍ程度である。このように窪みがあると、張り合わせた圧電性基板１２との間に空隙１３を生じる。そして、このような空隙１３はＡｌ電極１０と圧電性基板１２とが密着せず、Ａｌ電極１０から励振される弾性波の変換効率を低下させる。
また、Ａｌ電極１０がＳｉ基板１４に直接接している場合には、Ｓｉ基板として比抵抗が１００Ω・ｃｍ程度の高抵抗のものを用いた場合でも、Ａｌ電極１０間に導電性が生じるため無効電流Ａが流れ境界波デバイスの特性劣化に結び付く。例えばＡｌくし歯状電極が電極幅１μｍ、ピッチ２μｍ、電極交差幅０．１ｍｍ，電極対数３０対の場合、くし歯状電極に１３３Ωの寄生抵抗（並列回路で無効電流として寄与する。）が生じる。携帯電話用高周波段フィルタの場合、一般的に５０Ω系で使用されるため、このような小さな寄生抵抗は大きな損失として働くため実質的に使用に耐えないフィルタとなるおそれがある。
これに対して本発明では、圧電性の第１の基体側に弾性波を励振する電極及びその上に誘電体膜を形成し、その誘電体膜表面を平滑化するように構成したので、圧電性の第１の基体と弾性波を励振する電極との間が密着して隙間がない。よって、電極から励振される弾性波の変換効率を向上させることができる。
また、弾性波を励振する電極とＳｉ系の第２の基板との間に誘電体膜が介在しており、すなわち弾性波を励振する電極とＳｉ系の第２の基板とが直接接していないので、電極間での寄生抵抗の影響をなくすことができる。
以下、本発明の実施形態を図に基づいて説明する。
図１及び図２は本発明の一実施形態に係る弾性境界波デバイスの構成を示す図であって、図１は分解斜視図、図２は図１のＡ−Ａ矢視平面図である。
これらの図に示すように、この弾性境界波デバイス１は、圧電性の第１の基板２の主面上にくし歯状電極３を形成し、このくし歯状電極３を覆いかつ平滑な表面４を持つように第１の基体２の主面に誘電体膜５を形成し、その上にＳｉ系の第２の基板６を張り合わせて構成される。
第１の基板２としては、例えばＬｉＮｂＯ３が用いられる。しかし、ＬｉＴａＯ３、水晶等の他の圧電性の材料を用いることも可能である。
くし歯状電極３の材質は、例えばＡｌが用いられる。しかし、他の導電性材料、例えば、Ｃｕ、ＴａおよびこれらのＡｌ合金等を用いることも可能である。また、これらの材料を積層させてもよい。くし歯状電極３は、例えば励振用の対向する一対のくし歯状電極７と受信用の対向する一対のくし歯状電極８とにより構成される。しかし、これらの電極をそれぞれ複数設けてもよい。また、くし歯状電極３の他に例えばこれらの電極を挟むように反射電極を設けてもよい。さらに、こうした電極ばかりでなく、例えばこれらの電極を挟むように吸音材を形成するようにしてもよい。
要するに、本発明に係る弾性境界波デバイスは、例えば従来のＳＡＷデバイスに代えて用いられるものであって、すなわちフィルタ、遅延線、共振器、発振器、アナログ信号処理用回路、増幅器、コンバルバメモリ等に用いられるが、くし歯状電極３等の構成はこれらの用途、仕様等に応じて適宜設計変更される。
誘電体膜５は、例えばＳｉＯ２が用いられる。誘電体膜５は、くし歯状電極３を覆いかつ平滑な表面４を持っている。このことは、第１にくし歯状電極３とＳｉ系の第２の基板６との間には誘電体膜５が介在しており、第２に誘電体膜５の表面４とＳｉ系の第２の基板６との間に隙間がなく密着していることを意味する。
第２の基板６としては、例えばＳｉが用いられる。しかし、アモルファスシリコンやポリシリコン等の他のＳｉ系の材料を用いることも可能である。くし歯状電極３とＳｉ系の第２の基板６との間には誘電体膜５が介在しているため、Ｓｉ系の第２の基板６は、半導体集積回路に通常用いられているように意図的にｎ−型、ｐ−型として比抵抗を下げたものをも用いた場合にもくし歯状電極３の直流的な漏れを防ぐことが可能である。
ところで、弾性境界波は２種の固体間の境界面を伝搬する弾性波である。この弾性境界波の存在に関する理論的な検討は、例えば清水、入野等の「ＺｎＯとガラスの境界面を伝搬するストンリー波の理論的検討」学信論（Ｃ），Ｊ６５−Ｃ，１１，ｐｐ．８８３−８９０により取り扱われている。この論文では、２種の固体の一方は圧電材料であるＺｎＯ、もう一方はガラスの組み合わせの場合が取り扱われているが、２種の固体のうち少なくともどちらか一方に弾性波を励振するために圧電性があり２種の固体の境界面に弾性波のエネルギーが集中して伝搬する波を用いて弾性境界波デバイスを実現することができる。
次に、本発明の弾性境界波デバイスの製造方法について説明する。
図３はその製造方法に係る一実施形態を説明するための図である。なお、ここでは２００ＭＨｚ程度の高周波信号に使われる弾性境界波デバイスを想定している。
まず、圧電性の第１の基板２上に蒸着またはスパッタ法によりＡｌ膜３ａを成形する（図３（ａ））。Ａｌ膜３ａの厚さは、例えば、０．０２〜０．０７λ＝０．１０〜０．１５μｍ、好ましくは、０．０５λ＝０．１２μｍとする。（ここで、λは波長である。）
次に、写真蝕刻等の方法によりＡｌ膜３ａを加工し、くし歯状電極パターン３ｂを形成する（図３（ｂ））。
次に、くし歯状電極パターン３ｂが形成された圧電性の第１の基板２上にＳｉＯ２膜５ａをスパッタ等により成膜する（図３（ｃ））。ＳｉＯ２膜５ａの厚さは例えば０．２〜０．７λ＝１．２〜１．５μｍ、好ましくは、０．５λ＝１．２μｍを若干越えるものとする。従って、ＳｉＯ２膜５ａはＡｌ膜３ａを越える厚さとする必要がある。
次に、ＳｉＯ２膜５ａの表面を研磨し、ＳｉＯ２膜５ａの表面の凹凸をなくし平滑化する（図３（ｄ））。これによりＳｉＯ２膜５ａの厚さは例えば０．５λ＝１．２μｍとする。その際、くし歯状電極パターン３ｂはＳｉＯ２膜５ａにより覆われている。
次に、ＳｉＯ２膜５ａの表面４及びＳｉ系の第２の基板６の主面を例えば過酸化アンモニア水により表面処理することにより、両者の表面を水酸基化する（図３（ｅ））。
次に、ＳｉＯ２膜５ａの表面４とＳｉ系の第２の基板６の主面とを対接させ、約３００℃で１〜２時間程度加熱する（図３（ｆ））。
かかる熱処理により２種の基板表面にあるＯＨ基同士が結合しＨ２Ｏが遊離し、異種材料であるＳｉＯ２膜５ａとＳｉ系の第２の基板６とを直接接合することができる。なお、加熱温度は、好ましくは約３００℃であるが、１００〜１０００℃の間とすることができる。１００℃以下ではＯＨ基同士が結合する反応を生じないし、１０００℃以上では要素部材に熱的悪影響を及ぼす可能性があるからである。
以上の製造工程を経て形成された弾性境界波デバイスは、図２に示したように、くし歯状電極３と圧電性の第１に基板２との間に隙間がなく密着しているので、くし歯状電極３から励振される弾性波の変換効率を向上させることができる。また、くし歯状電極３とＳｉ系の第２の基板６との間に誘電体膜５が介在しており、すなわちくし歯状電極３とＳｉ系の第２の基板６とが直接接していないので、くし歯状電極３の電極指間での寄生抵抗の影響をなくすことができる。なお、上記製造方法では、図３（ｄ）に示したように、くし歯状電極パターン３ｂがＳｉＯ２膜５ａにより覆われる程度まで、ＳｉＯ２膜５ａの表面を研磨していたが、図４に示すように、くし歯状電極パターン３ｂが露出するまで、ＳｉＯ２膜５ａの表面を研磨しても構わない。これによっても、くし歯状電極３から励振される弾性波の変換効率を向上させることができるという効果を奏するからである。
本発明に係る弾性境界波デバイスは、例えばフィルタ、遅延線、共振器、発振器、アナログ信号処理用回路、増幅器、コンバルバメモリ等に用いられる。そして、これらの弾性境界波デバイスを備えたフィルタ、遅延線、共振器等は、携帯電話、ＰＨＳ、ＴＶ等に用いられる。
図５は携帯電話、ＰＨＳ等の移動体通信装置の構成を示すブロック図である。
同図に示すように、アンテナ１５１を介して受信した受信波は、アンテナ共用器１５２により受信系に分離される。分離された受信信号は、アンプ１５３により増幅された後、受信用バンドパスフィルタ１５４により所望の帯域が抽出され、ミキサ１５５に入力される。ミキサ１５５には、ＰＬＬ発振器１５６により発振された局発信号が局発フィルタ１５７を介して入力されている。ミキサ１５５の出力は、ＩＦフィルタ１５８、ＦＭ復調器１５９を介してスピーカ１６０より受信音として出力される。一方、マイク１６１より入力された送話音は、ＦＭ変調器１６２を介してミキサ１６３に入力される。ミキサ１６３には、ＰＬＬ発振器１６４により発振された局発信号が入力されている。ミキサ１６３の出力は、送信用バンドパスフィルタ１６５、パワーアンプ１６６及びアンテナ共用器１５２を介してアンテナ１５１より送信波として出力される。
本発明に係る弾性境界波デバイスは、この移動通信装置の各部に使用することができる。例えば、送信用バンドパスフィルタ１６５、受信用バンドパスフィルタ１５４、局発フィルタ１５７及びアンテナ共用器１５２には、本発明に係る弾性境界波デバイスがＲＦ段のフィルタとして使われる。ＩＦフィルタ１５８には、本発明に係る弾性境界波デバイスがチャネル選局に不可欠な狭帯域のＩＦ段のフィルタとして使われる。ＦＭ変調器１６２には、本発明に係る弾性境界波デバイスが音声のＦＭ変調における共振子として使われる。
本発明に係る弾性境界波デバイスは、ＶＴＲやＣＡＴＶに用いられるＲＦモジュレータの発振回路等にも用いることができる。その回路構成を図６に示す。１６７は本発明に係る弾性境界波デバイスであり、１６８は回路部である。
産業上の利用可能性
以上詳述したように、本発明の弾性境界波デバイスによれば、圧電性の第１の基体と、前記第１の基体の主面に形成され、弾性波を励振する電極と、前記電極を覆いかつ平滑な表面を持つように前記第１の基体の主面に形成された誘電体膜と、前記誘電体膜の表面に張り合わされたＳｉ系の第２の基体とを具備したので、電極から励振される弾性波の変換効率を向上させ、かつ電極間での寄生抵抗の影響をなくすことができる。
また、本発明の弾性境界波デバイスの製造方法によれば、圧電性の第１の基体の主面に弾性波を励振する電極を形成する工程と、前記電極が形成された第１の基体の主面に誘電体膜を形成する工程と、前記第１の基体の主面に形成された誘電体膜の表面を平滑化する工程と、前記平滑化された誘電体膜の表面にＳｉ系の第２の基体を張り合わせる工程とを具備したので、電極から励振される弾性波の変換効率が向上した弾性境界波デバイスを提供できる。この場合、誘電体膜を電極よりも厚く形成し、かつ電極が表面に露出しないように誘電体膜の表面を平滑化すれば、電極間での寄生抵抗の影響もなくすことができる。

Claims (4)

1. 圧電性の第１の基体と、
   前記第１の基体の主面に形成され、弾性波を励振する電極と、
   前記電極を覆いかつ平滑な表面を持つように前記第１の基体の主面に形成された誘電体膜と、
   前記誘電体膜の表面に張り合わされたＳｉ系の第２の基体と
   を具備することを特徴とする弾性境界波デバイス。
2. 圧電性の第１の基体と、
   前記第１の基体の主面に形成され、弾性波を励振する電極と、
   前記電極を覆うように形成された誘電体膜を介して配置されたＳｉ系の第２の基体と
   を具備することを特徴とする弾性境界波デバイス。
3. （ａ）圧電性の第１の基体の主面に弾性波を励振する電極を形成する工程と、
   （ｂ）前記電極が形成された第１の基体の主面に誘電体膜を形成する工程と、
   （ｃ）前記第１の基体の主面に形成された誘電体膜の表面を平滑化する工程と、
   （ｄ）前記平滑化された誘電体膜の表面にＳｉ系の第２の基体を張り合わせる工程と
   を具備することを特徴とする弾性境界波デバイスの製造方法。
4. 前記（ｂ）工程において誘電体膜を電極よりも厚く形成し、かつ前記（ｃ）工程において電極が表面に露出しないように誘電体膜の表面を平滑化することを特徴とする請求項３記載の弾性境界波デバイスの製造方法。

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