JP2005142902A

JP2005142902A - 弾性表面波素子用基板

Info

Publication number: JP2005142902A
Application number: JP2003378270A
Authority: JP
Inventors: Tetsuo Shimamura; 徹郎島村
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2003-11-07
Filing date: 2003-11-07
Publication date: 2005-06-02

Abstract

【課題】圧電体薄膜を形成する表面の表面粗さを小さくすることで成膜後の圧電体薄膜のグレンサイズを小さくすることができ、緻密で結晶性の高い配向膜が得られ、高周波特性に優れ、電気的特性や温度特性の面で自由度の高い弾性表面波素子用基板を提供することを目的とするものである。
【解決手段】シリコン基板１０１と、このシリコン基板１０１の上に形成する誘電体薄膜１０２と、この誘電体薄膜１０２の上に形成する圧電体薄膜１０３とからなり、誘電体薄膜１０２の圧電体薄膜１０３の側の表面粗さをＲａで２．０ｎｍ以下とした弾性表面波素子用基板であり、これによって、１ＧＨｚ〜５ＧＨｚといった高周波でも使用に耐え、電気的特性や温度特性の面で自由度の高い、弾性表面波素子用基板を作製できるという作用を有する。
【選択図】図１

Description

本発明は主に移動体通信機器などで使用される弾性表面波素子に用いられる弾性表面波素子用基板に関するものである。

従来、このような弾性表面波素子用基板は、水晶やタンタル酸リチウムなどの圧電性をもった結晶から切り出して表面を研磨したものを用いている。この場合、単結晶の固体が直接振動するので損失が小さく、しかも安定した電気的特性が得られるため弾性表面波素子用基板のほとんどがこの形態である。しかしながら電気的特性や温度特性が固定されてしまうので適用できるアプリケーションに限界があった。

なお、この出願の発明に関連する先行技術文献情報としては、例えば、特許文献１が知られている。
特開昭５７−１４５４１９号公報

しかしながら上記従来の構成では、そのため、これまで、ガラスやシリコン、あるいはサファイア単結晶上に圧電性を持った薄膜を形成し、これを基板として用い、薄膜の組成や構成、厚みなどを変えることで電気的特性や温度特性の自由度が高い弾性表面波素子用基板を作製できると考えられ、さまざまな工夫が考案され、またその一部は量産もされてきた。

しかし、安定した特性を特に１ＧＨｚ以上の高周波で得ることは困難であり、携帯電話の共用器向けなどの厳しい仕様が要求される分野では、まったく実用にはならなかった。

本発明は圧電体薄膜を形成する表面の表面粗さを小さくすることで成膜後の圧電体薄膜のグレンサイズを小さくすることができ、緻密で結晶性の高い配向膜が得られ、高周波特性に優れ、電気的特性や温度特性の面で自由度の高い弾性表面波素子用基板を提供することを目的とするものである。

上記目的を達成するために、本発明は以下の構成を有する。

本発明の請求項１に記載の発明は、半導体基板と、この半導体基板上に形成する誘電体薄膜と、この誘電体薄膜上に形成する圧電体薄膜とからなり、前記誘電体薄膜の前記圧電体薄膜側の表面粗さをＲａで２．０ｎｍ以下とした弾性表面波素子用基板であり、これによって、１ＧＨｚ〜５ＧＨｚといった高周波でも使用に耐え、電気的特性や温度特性の面で自由度の高い弾性表面波素子用基板を作製できるという作用を有する。

請求項２に記載の発明は、半導体基板の表面粗さをＲａで１００ｎｍ以上とした請求項１に記載の弾性表面波素子用基板であり、請求項１と同等の作用のほかに、裏面からの反射波を低減して弾性表面波素子の特性を向上できるという作用を有する。

請求項３に記載の発明は、半導体基板と、この半導体基板上に形成する誘電体薄膜と、この誘電体薄膜上に形成する金属薄膜と、この金属薄膜上に形成する圧電体薄膜とからなり、前記誘電体薄膜の圧電体薄膜側の表面粗さをＲａで２．０ｎｍ以下とした弾性表面波素子用基板であり、請求項１と同等の作用のほかに、結晶性を高め、より電気的特性の優れた弾性表面波素子を得ることができるという作用を有する。

請求項４に記載の発明は、半導体基板の表面粗さをＲａで１００ｎｍ以上とした請求項３に記載の弾性表面波素子用基板であり、請求項３と同等の作用のほかに、裏面からの反射波を低減して弾性表面波素子の特性を向上できるという作用を有する。

請求項５に記載の発明は、圧電体薄膜の厚みを１０μｍ〜１００μｍとした請求項１または３に記載の弾性表面波素子用基板であり、圧電体薄膜のみの性能によって特性が決まるため、弾性表面波素子の特性を安定させることができるという作用を有する。

請求項６に記載の発明は、誘電体薄膜を二酸化シリコン、五酸化タンタル、五酸化ニオブのいずれかの材料からなるアモルファス膜とした請求項１に記載の弾性表面波素子用基板であり、請求項１と同等の作用を有する。

請求項７に記載の発明は、誘電体薄膜の厚みを２μｍ〜１００μｍとした請求項６に記載の弾性表面波素子用基板であり、上記半導体基板の表面粗さに影響されずに弾性表面波素子の特性を安定させることができるという作用を有する。

請求項８に記載の発明は、金属薄膜をチタンが含まれる合金とした請求項３に記載の弾性表面波素子用基板であり、請求項３の作用と同等の作用を有する。

請求項９に記載の発明は、半導体基板に励起される表面波の波長をλとして、金属薄膜の厚みをλ／２以下とした請求項３または８に記載の弾性表面波素子用基板であり、請求項３と同等の作用のほかに、金属層の音響的な性質に左右されず、弾性表面波素子の特性を安定させることができるという作用を有する。

請求項１０に記載の発明は、半導体基板に励起される表面波の波長をλとして、圧電体薄膜の厚みをλの２倍以下とした請求項９に記載の弾性表面波素子用基板であり、圧電体薄膜のみの性能によって特性が決まるため、弾性表面波素子の特性を安定させることができるという作用を有する。

請求項１１に記載の発明は、金属薄膜をモリブデンまたはモリブデンが含まれる合金とした請求項３に記載の弾性表面波素子用基板であり、上記金属層の音響インピーダンスを上記圧電体薄膜と合わせることで弾性表面波素子の特性を向上、安定させることができるという作用を有する。

請求項１２に記載の発明は、圧電体薄膜を窒化アルミニウムとした請求項１または３に記載の弾性表面波素子用基板であり、上記圧電体薄膜と上記誘電体層の厚みの比をコントロールすることで電気的特性や温度特性の自由度を高めることができるという作用を有する。

請求項１３に記載の発明は、圧電体薄膜上に形成する薄膜をシリコンもしくはシリコンの化合物とした請求項１から１２のいずれか１つに記載の弾性表面波素子用基板であり、加熱時の変形を抑えることでフォトリソグラフィ工程などの製造工程を容易にでき、請求項１から１２の作用とともに、高周波で使用できる弾性表面波素子を容易に作製できるという作用を有する。

請求項１４に記載の発明は、圧電体薄膜上に金属薄膜を形成し、この金属薄膜上に形成する薄膜をシリコンもしくはシリコンの化合物とした請求項１から１２のいずれか１つに記載の弾性表面波素子用基板であり、請求項１３と同等の作用を有する。

以上のように本発明は、半導体基板と、この半導体基板上に形成する誘電体薄膜と、この誘電体薄膜上に形成する圧電体薄膜とからなり、前記誘電体薄膜の前記圧電体薄膜側の表面粗さをＲａで２．０ｎｍ以下とした弾性表面波素子用基板であり、これによって、１ＧＨｚ〜５ＧＨｚといった高周波でも使用に耐え、電気的特性や温度特性の面で自由度の高い弾性表面波素子用基板を作製できるという作用を有する。

以下、本発明の実施の形態について図面を用いて説明する。

（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１における弾性表面波素子用基板の構成を示す断面図である。図１に示すように１０１は半導体基板としてのシリコン基板、１０２は誘電体薄膜、１０３は圧電体薄膜である。

例えば誘電体薄膜１０２を二酸化シリコン膜、圧電体薄膜１０３をチタン酸−ジルコン酸鉛（以下ＰＺＴとする）、窒化アルミニウム（以下ＡｌＮ）、酸化亜鉛（以下ＺｎＯ）などで構成する。誘電体薄膜１０２はシリコンウエハ（図示せず）の表面との密着を高めるためやシリコン基板１０１の上に形成する薄膜の応力をトータル的に低減するために用いるのであるが、この誘電体薄膜１０２の表面粗さが大きいとこの誘電体薄膜１０２の上に形成される圧電体薄膜１０３の結晶性が悪くなり、特に高周波領域での損失が大きくなる。表面粗さがＲａで２ｎｍ以下の場合に特に圧電体薄膜１０３の結晶性が高く成膜できる。また良好な結晶性と密着性を得るためには誘電体薄膜１０２の成膜後に大気にさらすことなく圧電体薄膜１０３を連続して成膜するほうが望ましい。

また、誘電体薄膜１０２の成膜手法としてはイオンアシスト蒸着法、イオンプレーティング法、スパッタリング法またはイオンビームスパッタ法などが適している。これらの手法は光通信用の光学フィルタ等の薄膜を作製する際に用いられるものであり、緻密で平坦性の高い膜を得ることができる。

（実施の形態２）
図２は本発明の実施の形態２における弾性表面波素子用基板の構成を示す断面図である。実施の形態１と同じ構成要素については同じ符号を用い、説明を省略する。

この実施の形態２の特徴はシリコン基板１０１と誘電体薄膜１０２の界面の表面粗さが大きいことである。例えば圧電体薄膜１０３の厚みが１０μｍ以上と比較的厚く、３６°ＹカットＬＴ結晶基板と同等の振動モードを利用する場合、表面波は基板方向にエネルギーをわずかではあるが放射しながら伝搬する。この基板方向へ放射された波は音響インピーダンスが不整合な誘電体薄膜１０２とシリコン基板１０１の界面で反射されて表面へ戻ってくるので、弾性表面波に干渉して特性を劣化させる。例えば共振子を作製すると通過特性に細かいリップルが現われる。

この通過特性の劣化を防ぐにはシリコン基板１０１と誘電体薄膜１０２の界面を荒らしておくことでシリコン基板１０１への放射波を乱反射させればよい。ただし、荒れた表面に成膜した誘電体薄膜１０２の表面は荒れたものになることは自明なので誘電体薄膜１０２の成膜後、その誘電体薄膜１０２の表面を酸化セリウムやコロイダルシリカといった研磨剤で鏡面研磨する必要がある。この場合でも研磨によって良好な表面粗さを得るためには誘電体薄膜１０２の膜が緻密である必要があり、実施の形態１で述べた成膜手法を採用することが望ましい。

さらに、荒れたシリコン基板１０１の凹凸を埋め、なおかつ研磨での研磨量のばらつきを吸収するに足る誘電体薄膜１０２の膜厚が必要であり、したがって２μｍ以上の膜厚があるとよい。

また、誘電体薄膜１０２の研磨後、この誘電体被膜１０２の表面は研磨中に付着する金属、研磨粒、大気中に浮遊しているシロキサンなど有機物が吸着することによって汚染されており、圧電体薄膜１０３の形成前に十分に表面を洗浄することが重要である。圧電体薄膜１０３の形成の直前にアルゴンで逆に誘電体薄膜１０２の表面をたたいてクリーニングをすることも効果的である。

（実施の形態３）
図３は本発明の実施の形態３における弾性表面波素子用基板の構成を示す断面図である。実施の形態１および２と同じ構成要素に関しては同じ符号を用い、説明は省略する。

図３に示すように３０１は金属薄膜であり、チタンとチタンの化合物が用いられる。この金属薄膜３０１は適切な条件で蒸着することで高い結晶性が得られ、これによりこの金属薄膜３０１の上に形成する圧電体薄膜１０３は配向性が極めて高い良好なものが得られる。特にＰＺＴやニオブ酸リチウム（ＬＮ）やＬＴなどのペロブスカイト系かそれに近い結晶構造を有する薄膜に対して有効である。

また、結晶性の制御層ではなく短絡電極の機能のために圧電体薄膜１０３の下に電極膜を敷く場合もある。圧電体薄膜１０３がＡｌＮ（窒化アルミニウム）である場合、特にこの金属薄膜３０１の結晶性には左右されないので、むしろ音響的な特性を重視してこの金属薄膜３０１はモリブデンを採用することが望ましい。モリブデンの音響インピーダンスがＡｌＮと合致していることは最近になってよく知られている事実である。特に圧電体薄膜１０３の膜厚が薄く、基板の音響特性を利用して弾性表面波の特性をコントロールするような場合、電極の層の音響インピーダンスは圧電体薄膜１０３に合わせなければ界面での反射による損失が大きくなるのである。

（実施の形態４）
図４は本発明の実施の形態４における弾性表面波素子用基板の構成を示す断面図である。実施の形態１および２と同じ構成要素に関しては同じ符号を用い、説明は省略する。

図４に示すように４０１はシリコンまたはシリコンを含む合金の薄膜である。一般に薄膜の熱膨張係数はシリコンとは異なり、大体数倍程度大きい。したがって、弾性表面波素子を上述したような薄膜を形成したシリコン基板１０１で作製するうえでは熱がかかる工程で大きく歩留まりが落ちることになる。例えば２ＧＨｚ帯で用いる弾性表面波素子の最小電極間寸法は０．５μｍ程度であり、フォトリソグラフィ工程での条件は極めて厳密に管理されなければならない。フォトリソグラフィ工程ではレジスト膜のベーク工程があり、８０度以上の高温に一定時間さらさなければならない。ところが上述のようなシリコン基板１０１をそのまま用いると、薄膜とシリコン基板１０１の熱膨張係数の差により大きく反ることになり、温度むらの原因、レジストの膜厚にばらつきが生じたりすることになり、この工程で歩留まりを大きく落とすことになる。そこでシリコン基板１０１の上に誘電体薄膜１０２、圧電体薄膜１０３を形成し、さらに上部にシリコン薄膜４０１を形成するのである。このシリコン薄膜４０１の厚みを適当に設定することによって、加熱時の基板の反りを抑制し、製造プロセスの歩留まりを良好に保つことができる。

この場合、例えば電極パターン（図示せず）の形成方法は次のようになる。上記シリコン薄膜４０１の上に通常通りフォトレジストを用いて必要な電極パターンのネガを形成し、シリコンの電極パターンの部分をＳＦ₆やこれを含む混合ガスを用いてドライエッチングし、さらにその上からアルミニウムやこれを含む合金の電極を形成し、最後にシリコンを除去することで高精度な電極パターンを歩留まりよく形成することができる。

本発明にかかる弾性表面波素子用基板は、１ＧＨｚ〜５ＧＨｚといった高周波特性に優れ、電気的特性や温度特性の面で自由度の高い弾性表面波素子用基板を得ることができる。

本発明の実施の形態１における弾性表面波素子用基板の構成を示す断面図本発明の実施の形態２における弾性表面波素子用基板の構成を示す断面図本発明の実施の形態３における弾性表面波素子用基板の構成を示す断面図本発明の実施の形態４における弾性表面波素子用基板の構成を示す断面図

符号の説明

１０１シリコン基板
１０２誘電体薄膜
１０３圧電体薄膜
３０１金属薄膜
４０１シリコン薄膜

Claims

半導体基板と、この半導体基板上に形成する誘電体薄膜と、この誘電体薄膜上に形成する圧電体薄膜とからなり、前記誘電体薄膜の前記圧電体薄膜側の表面粗さをＲａで２．０ｎｍ以下とした弾性表面波素子用基板。
半導体基板の表面粗さをＲａで１００ｎｍ以上とした請求項１に記載の弾性表面波素子用基板。
半導体基板と、この半導体基板上に形成する誘電体薄膜と、この誘電体薄膜上に形成する金属薄膜と、この金属薄膜上に形成する圧電体薄膜とからなり、前記誘電体薄膜の圧電体薄膜側の表面粗さをＲａで２．０ｎｍ以下とした弾性表面波素子用基板。
半導体基板の表面粗さをＲａで１００ｎｍ以上とした請求項１または３に記載の弾性表面波素子用基板。
圧電体薄膜の厚みを１０μｍ〜１００μｍとした請求項１または３に記載の弾性表面波素子用基板。
誘電体薄膜を二酸化シリコン、五酸化タンタル、五酸化ニオブのいずれかの材料からなるアモルファス膜とした請求項１に記載の弾性表面波素子用基板。
誘電体薄膜の厚みを２μｍ〜１００μｍとした請求項６に記載の弾性表面波素子用基板。
金属薄膜をチタンが含まれる合金とした請求項３に記載の弾性表面波素子用基板。
半導体基板に励起される表面波の波長をλとして、金属薄膜の厚みをλ／２以下とした請求項３または８に記載の弾性表面波素子用基板。
半導体基板に励起される表面波の波長をλとして、圧電体薄膜の厚みをλの２倍以下とした請求項９に記載の弾性表面波素子用基板。
金属薄膜をモリブデンまたはモリブデンが含まれる合金とした請求項３に記載の弾性表面波素子用基板。
圧電体薄膜を窒化アルミニウムとした請求項１または３に記載の弾性表面波素子用基板。
圧電体薄膜上に形成する薄膜をシリコンもしくはシリコンの化合物とした請求項１から１２のいずれか１つに記載の弾性表面波素子用基板。
圧電体薄膜上に金属薄膜を形成し、この金属薄膜上に形成する薄膜をシリコンもしくはシリコンの化合物とした請求項１から１２のいずれか１つに記載の弾性表面波素子用基板。