JP4148225B2 - 弾性表面波装置の周波数調整方法、弾性表面波装置および電子機器 - Google Patents
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Description
例えば特許文献1には、電極を削って薄くし周波数を調整する方法が開示されている。また、他の周波数調整方法としては、電極を厚くする方法に代えて、電極をマスクにして基板を削って見かけ上の電極膜厚を増す方法(例えば特許文献2)が知られている。
また、近年、通信機器の利用拡大に伴い、弾性表面波装置の高周波化や周波数調整精度の高精度化が望まれている。特に、弾性表面波装置の高周波化については、漏洩弾性表面波の理論を発展させて、基板表面での変位の殆どが縦波成分で構成され、体積波として2つの横波成分を圧電基板内部に放射しながら速い位相速度で伝搬する擬似縦型漏洩弾性表面波の利用が期待されている。特に、電気機械結合係数の大きなタンタル酸リチウム(LiTaO3)、ニオブ酸リチウム(LiNbO3)、四ホウ酸リチウム(Li2B4O7)を基板材料とすることで、弾性表面波装置の高周波化が期待されている。
また、本発明の他の目的は、この周波数調整方法で高精度に周波数調整された弾性表面波装置および弾性表面波装置を備えた電子機器を提供することにある。
第1の発明の弾性表面波装置の周波数調整方法は、タンタル酸リチウム基板またはニオブ酸リチウム基板もしくは四ホウ酸リチウム基板と、このタンタル酸リチウム基板またはニオブ酸リチウム基板もしくは四ホウ酸リチウム基板上に形成され擬似縦波型漏洩弾性表面波を励振するIDT電極とを備えた弾性表面波装置の周波数調整方法であって、周波数調整は、前記タンタル酸リチウム基板またはニオブ酸リチウム基板もしくは四ホウ酸リチウム基板の厚みを前記IDT電極の形成面と厚み方向に対向する面から調整することによって行うようにしたことを特徴とする。
図1(a)は、本実施形態に係る弾性表面波素子の概略構成を示す斜視図、図1(b)は同図(a)のA−A断面図である。
弾性表面波装置としての弾性表面波素子10aは、タンタル酸リチウム基板またはニオブ酸リチウム基板もしくは四ホウ酸リチウム基板を含む圧電基板1と、この圧電基板1の表面上に形成されたIDT電極2および反射器電極3a、3bを備えている。
図1において、tは圧電基板1の厚み、PはIDT電極2のピッチ、λはIDT波長、hはIDT電極2および反射器電極3a、3bの厚みである。
圧電基板1は、擬似縦型漏洩弾性表面波が励振されるように、それぞれの圧電材料に応じた切り出し角で切り出され、また、厚みtは所定の厚さに調整されている。
弾性表面波装置10bは、収容容器14と弾性表面波素子10aを備えている。セラミックスなどで形成された収容容器14は、一面が開放されて凹部が設けられている。この凹部に、圧電基板1からなる弾性表面波素子10aをIDT電極2が下を向くようにし金バンプ13を介して収容容器14内にマウントさせ、電気的接続と機械的接続を同時に果たしている。この、弾性表面波装置10bでは、この状態で圧電基板1の電極形成面と対向する面1bをエッチングし、目標の中心周波数となるように圧電基板1の厚みtが調整される。
そして、図3に示すように、収容容器14の上面には蓋体15が、内部を真空雰囲気あるいは不活性ガス雰囲気に保持して封止され、パッケージされた弾性表面波装置10cとなる。
一般に、弾性表面波装置の周波数はIDT電極や反射器電極(以下、両者を合わせて電極と表現する)の実効膜厚に依存し、電極膜厚が薄くなると周波数が上がり、厚くなると周波数が下がる。この原理を利用して、実用的には、電極をエッチングして周波数を上げる方法や、電極を厚くする方法に代えて、電極をマスクにして基板を削って見かけ上の電極膜厚を増し、周波数を下げる方法で弾性表面波素子の周波数調整が行われている。
また、擬似縦波型漏洩弾性表面波を利用した弾性表面波装置の場合には、この擬似縦波型漏洩弾性表面波が弾性体(圧電体)の深さ(厚み)方向にエネルギーを放射しながら伝搬する弾性表面波であるため、基板厚みを調整することにより中心周波数を変化させることが可能である。つまり、電極を形成した面の厚み方向に対向する面をエッチングして、基板厚さを薄くすることにより、周波数を上げることができる。
電極の表面をエッチングして電極膜厚を薄くした場合には、一点鎖線で示すように電極のエッチング量に対して、周波数の変動量は大きく、周波数は上がる方向に変化する。また、電極をマスクにして圧電基板をエッチングした場合には、破線で示すように、圧電基板のエッチング量に対して、周波数の変動量は大きく、周波数は下がる方向に変化する。これらに対して、電極を形成した面に対向する基板面をエッチングした場合には、実線で示すように圧電基板のエッチング量に対して周波数の変動量は小さく、周波数が上がる方向に変化する。このことは、精度の良い周波数調整に適し、特に周波数が高く、IDT波長の短い弾性表面波装置の周波数調整に適しているのがわかる。
このように、上述したそれぞれの基板材料を用いた場合に、基板裏面のエッチング量に対して周波数変動量が小さく、高精度の周波数調整が可能である。
そこで、本発明に係る弾性表面波装置の周波数調整方法は、上記の点に着目し、圧電基板裏面をエッチングすることにより、精度の良い周波数調整ができるようにしたものである。
以下、本実施形態に用いられるエッチング装置(周波数調整装置)について、説明をする。図6はエッチング装置の概略構成図である。
エッチング装置40は、チャンバ41を有しており、チャンバ41内を排気およびチャンバ41内にガスを導入できるように構成されている。また、このチャンバ41内に上部電極42aおよび下部電極42bが配置されている。上部電極42aは接地され、下部電極42bはコンデンサ43を介してRF電源(高周波電源)44に接続されている。下部電極42b上には支持台45が設けられ、その支持台45の上に、収容容器に弾性表面波素子をマウントした弾性表面波装置10bを載置できるようになっている。
周波数測定計49は、その測定した中心周波数をRF電源制御部46に供給するようになっている。RF電源制御部46は、その供給される測定中心周波数と目標値を比較してRF電源44の動作などを制御するようになっている。
次に、周波数測定計49により、弾性表面波装置10bの中心周波数の測定を開始する。そこで、チャンバ41内を排気しつつ、エッチングガスをチャンバ41内に導入して所定の減圧下でプラズマを発生させる。
このエッチング中は、周波数測定計49は、弾性表面波装置10bの中心周波数の測定を行い、その測定値をRF電源制御部46に供給する。RF電源制御部46は、その測定値が予め設定されている目標値と比較し、目標値になるとRF電源44の動作を停止させる。これにより上記のエッチングが停止し、周波数調整が終了する。
まず、ステップS1で圧電基板1上に形成されたIDT電極2の厚みhを、目標の厚みよりもわずかに厚めであって、中心周波数が目標値よりわずかに低めとなるように設定しておく。次に、弾性表面波装置10bをエッチング装置40のチャンバ41内に設置してIDT電極2に電圧を印加させて中心周波数の測定(入出力測定)を開始する(ステップS2)。そして、ステップS3に進み、圧電基板1の基板裏面1bのエッチングが行われる。すると、そのエッチングにより測定される中心周波数が徐々に上がって目標値に近づいていく。次のステップS4では中心周波数が目標値でなければステップS3に戻りエッチングを継続し、目標値になればステップS5に進みエッチングを停止する。つまり、エッチングしながら中心周波数の測定を繰り返し、目標値になるまでエッチングを継続する。
このように、周波数調整をドライエッチングにより圧電基板1の基板裏面1bについて行うことができるので、圧電基板1の表面をプラズマなどでエッチングする場合に問題となる残留アルミニウムに起因した調整後の周波数変動を防止することができる。
また、圧電基板1に形成される電極を一切侵すことなく周波数調整を行うことができるので、中心周波数の経年変化が少なく、長期的に安定に動作する弾性表面波装置を実現できる。
この方法は、弾性表面波装置の圧電基板上に形成されるIDT電極の厚みなどに製造上の大きなバラツキがあり、精度よく周波数調整を必要とする場合に有用な方法である。
まず、IDT電極2に電圧を印加させて中心周波数の測定を開始する(ステップS11)。次に、その測定中心周波数が目標値以下または目標値以上であるかを判定する(ステップS12)。
ステップS13では、IDT電極2の表面のエッチング、例えばウェットエッチングで測定周波数を確認しながら行う。すると、そのエッチングにより測定される中心周波数が短時間に上がっていく。そして、その測定中心周波数が、中心周波数の目標値よりもわずかに低く設定されている「仮の目標値」になるまで、そのエッチングを継続し(ステップS13、S14)、それが「仮の目標値」になった時点でそのエッチングを停止する(ステップS15)。以上のステップS13、S14の処理は、周波数の粗調整(予備周波数調整)となる。
また、特に周波数調整の前の中心周波数が目標値より高い場合には、基板裏面1bのエッチングでは、中心周波数が上がる方向の調整であるため、周波数の調整ができない。このときには、圧電基板1の基板表面をエッチングすることで、中心周波数を目標値以下に下げ、その後、基板裏面1bのエッチングで中心周波数を上げて、中心周波数を目標値に調整することができる。このように、上記の周波数調整方法では、圧電基板1の基板表面のエッチングと圧電基板1の基板裏面のエッチングを組み合わせることで、周波数調整の前の中心周波数が目標値より高い場合であっても調整ができ、その結果、歩留まりの良い周波数調整方法を得ることができる。
すなわち、ステップS11の周波数測定の結果、その中心周波数が「仮の目標値」の許容範囲内の場合には、直ちに圧電基板1の基板裏面1bのエッチング処理(ステップS16またはステップS22)に移行するようにする。
弾性表面波装置10dは、IDT電極22などが形成された圧電基板21を、IDT電極22が上を向くようにして、接着剤24を介してセラミックなどで形成された収容容器26内に接着されている。また、圧電基板21上の電極は、ボンデングワイヤ25を介して収容容器26の電極と接続されている。
この弾性表面波装置10eは、駆動回路や増幅回路などを備えたICチップ51を、金バンプ52を介して収容容器53内の底部に接続させ、電気的な接続と機械的な接続とを同時に行うようになっている。ICチップ51上には、圧電基板58が、IDT電極59が下を向くようにして、金バンプ54により接続され、ICチップ51とIDT電極59が電気的に接続されるように構成されている。このように、ICチップ51は、圧電基板58により覆われた状態になっている。
この弾性表面波装置10fは、収容容器61内の底部に凹部62が設けられ、この凹部62内にICチップ63を収容させるとともに、そのICチップ63を、金バンプ64を介して凹部62内の底部に接続させ、電気的な接続と機械的な接続とを同時に行うようになっている。
凹部62の開口部の周囲にはマウント部65が形成され、そのマウント部65で囲まれた部分に、圧電基板68のIDT電極69が下を向くようにして嵌め込まれるようになっている。そして、この状態で、圧電基板68は、凹部62の開口部の周縁に封止材66により接合されるとともに、ICチップ63とは金バンプ67を介して接続されている。従って、ICチップ63は凹部62内に収容されるとともに、その凹部62内は密封された状態になる。
従って、圧電基板78は、凹部72を塞ぐ状態になるので、凹部72内のICチップ73は、圧電基板78により覆われた状態になる。
次に本発明の弾性表面波装置の実施形態について説明する。
この実施形態に係る弾性表面波装置は、図1、図3、図9〜図12に示すように、上記のような周波数調整方法により調整されている。
この弾性表面波装置によれば、擬似縦型漏洩弾性表面波を利用し、精度良く周波数が調整された弾性表面波装置を提供できる。
次に本発明の電子機器の実施形態について説明する。
図13は電子機器の構成を示す構成図である。電子機器80には、上記のような周波数調整方法により調整された弾性表面波装置90を備えている。この実施形態に係る電子機器としては、例えば、携帯電話やキーレスエントリーシステムなどが挙げられる。
携帯電話の場合には、図1、図3、図9に示すような弾性表面波装置を携帯電話の周波数選別フィルタとして用いるようにした。また、キーレスエントリーシステムの場合には、弾性表面波装置を、図10〜図12に示すような発振器の共振子として用いるようにした。
このような構成からなる電子機器は、精度良く周波数調整された弾性表面波装置を備えており、良好な性能を持った電子機器を提供できる。
Claims (3)
- タンタル酸リチウムまたはニオブ酸リチウムもしくは四ホウ酸リチウムを基材とする圧電基板と、前記圧電基板上に形成され、擬似縦波型漏洩弾性表面波を励振するIDT電極とを備える弾性表面波装置の周波数調整方法であって、
前記弾性表面波装置の周波数を上昇させる場合には、圧電基板面に形成された前記IDT電極の表面に対してウェットエッチングを行い、前記弾性表面波装置の周波数を下降させる場合には、前記IDT電極が形成された前記圧電基板面における当該IDT電極形成領域を除く領域に対してウェットエッチングを行う第1周波数調整工程と、
前記第1周波数調整工程の後、前記圧電基板面における前記IDT電極形成面とは対向する面に対してドライエッチングを行う第2周波数調整工程と、
を含むことを特徴とする弾性表面波装置の周波数調整方法。 - 請求項1に記載の周波数調整方法で周波数を調整した弾性表面波装置。
- 請求項2に記載の弾性表面波装置を備えた電子機器。
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