JP2005223517A

JP2005223517A - 弾性表面波デバイス

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Publication number: JP2005223517A
Application number: JP2004028192A
Authority: JP
Inventors: Makoto Furuhata; 誠古畑
Original assignee: Seiko Epson Corp
Current assignee: Seiko Epson Corp
Priority date: 2004-02-04
Filing date: 2004-02-04
Publication date: 2005-08-18

Abstract

【課題】ＩＤＴなどの弾性表面波励振手段若しくは弾性表面波検出手段と、反射器などの弾性表面波反射手段とを別々に最適化することにより、デバイス性能を容易に向上させることが可能な弾性表面波デバイスを提供する。
【解決手段】本発明の弾性表面波デバイス１００は、圧電体１０３の表面に形成された励振電極を含む弾性表面波励振手段若しくは検出電極を含む弾性表面波検出手段１０４と、前記表面に形成された反射電極を含む弾性表面波反射手段１０５とを備えた弾性表面波デバイスにおいて、励振電極若しくは前記検出電極１０４ａ，１０４ｂの厚さｔ１と、反射電極１０５ａの厚さｔ２とが異なることを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は弾性表面波デバイスに係り、特に、圧電体の表面に励振電極若しくは検出電極と反射電極とを備えた弾性表面波デバイスの構造に関する。

一般に、通信機器や各種信号処理には、共振子やフィルタなどを構成する弾性表面波デバイスが用いられている。この弾性表面波デバイスは、ＺｎＯなどの圧電体の圧電性を用いるものである。従来の弾性表面波デバイスにおいては、圧電体の表面上にＩＤＴ（インタディジタル変換子、例えば櫛歯状電極）などで構成される弾性表面波励振手段若しくは弾性表面波検出手段や反射器などで構成される弾性表面波反射手段が形成され、これらのＩＤＴや反射器を相互に結線するためのバスバーや、このバスバーをボンディングパッドへ結線するための配線が設けられる。通常の弾性表面波デバイスでは、デバイスチップをケーシングの内部に密封した状態で配置し、このデバイスチップに形成されたボンディングパッドと、ケーシングに設けられた外部端子とが導電ワイヤで導電接続されるようになっている。

特に、シリコン基板などの基板上に圧電体薄膜を成膜し、この圧電体薄膜の表面上に上記のＩＤＴや反射器を構成する積層構造の弾性表面波デバイスが知られている（例えば、以下の非特許文献１及び２参照）。このような積層構造のデバイスでは、基板の表面領域に種々の半導体素子をモノリシックに形成したり、或いは、シリコン基板上に薄膜構造を形成したりすることによって、種々の半導体素子や配線を形成することによって半導体集積回路を構成することができる。通常、通信回路や各種信号処理回路においては、多くの部分が半導体集積回路として構成されるため、例えば、半導体集積回路が構成されるシリコン基板上に上記の弾性表面波デバイスを構成することが、通信回路や信号処理回路の小型化を進める上で重要なポイントになるものと考えられる。このため、従来から、半導体集積回路を構成してなるシリコン基板上に形成された弾性表面波デバイスが提案されている（例えば、以下の特許文献１及び２参照）。
三露常男・他４名「薄膜弾性表面波ディバイス」松下技報(National Technical Report) Vol.22 No.6 Dec 1976 P.905-923 Ｓ．Ｊ．Ｍａｒｔｉｎ・他２名「ＨＩＧＨＱ，ＴＥＭＰＥＲＡＴＵＲＥＳＴＡＢＬＥＺｎＯ−ｏｎ−ＳＩＬＩＣＯＮＳＡＷＲＥＳＯＮＡＴＯＲＳ」１９８０ＵＬＴＲＡＳＯＮＩＣＳＳＹＭＰＯＳＩＵＭＰ．１１３−Ｐ．１１７特開平６−１２５２２６号公報特開２０００−１５１４５１号公報

ところで、前述の弾性表面波デバイスでは、ＩＤＴなどの弾性表面波励振手段若しくは弾性表面波検出手段によって励振若しくは検出される弾性表面波は、圧電体の圧電性や弾性係数、励振された弾性表面波の波長、反射器の構造寸法などが変化することによって、その伝播速度が変化し、また、励振若しくは検出時における電気機械結合係数と反射器の反射係数が変化する。また、圧電体薄膜を用いる積層型のデバイスでは、圧電体薄膜の厚さによっても特性が変化する。この場合に、ＩＤＴなどの弾性表面波励振手段若しくは弾性表面波検出手段と、反射器などの弾性表面波反射手段とが設けられてなる弾性表面波デバイスにおいては、各手段の構造寸法が弾性表面波励振手段の励振効率若しくは弾性表面波検出手段の検出効率と、弾性表面波反射手段の反射効率とに与える影響が相互に異なる。しかしながら、従来の弾性表面波デバイスでは、このような励振効率若しくは検出効率（電気機械結合係数）と反射効率の双方を同時に向上させるという観点からの構造提案がなされていなかった。すなわち、従来構造では、各手段の励振効率若しくは検出効率と、反射効率とを別々に向上させるという配慮がなされておらず、これらの効率の結果として生ずるデバイス性能の向上を必ずしも充分に図ることができなかった。

そこで、本発明は上記問題点を解決するものであり、ＩＤＴなどの弾性表面波励振手段若しくは弾性表面波検出手段と、反射器などの弾性表面波反射手段とを別々に最適化することにより、デバイス性能を容易に向上させることが可能な弾性表面波デバイスを提供することにある。

斯かる実情に鑑み、本発明の弾性表面波デバイスは、圧電体の表面に形成された励振電極を含む弾性表面波励振手段若しくは検出電極を含む弾性表面波検出手段と、前記表面に形成された反射電極を含む弾性表面波反射手段とを備えた弾性表面波デバイスにおいて、前記励振電極若しくは前記検出電極の厚さと、前記反射電極の厚さとが異なることを特徴とする。

従来の弾性表面波デバイスでは、ＩＤＴなどの弾性表面波励振手段若しくは弾性表面波検出手段と、反射器などの弾性表面波反射手段とが一回のフォトリソグラフィ工程によって構成されるため、励振電極若しくは検出電極の厚さと反射電極の厚さとが同一であった。ところが、これらの電極の厚さは、励振効率及び検出効率、又は、反射効率に大きな影響を与えるとともに、これらの効率を高めるために好適な値が相互に異なる。さらに、これらの電極の厚さによる上記効率に与える影響の度合は、他のパラメータ、例えば、圧電体の厚さが変化することによっても変動し、この変動態様も励振電極若しくは検出電極と、反射電極とでは相互に異なる。

したがって、従来構造における励振電極若しくは検出電極の厚さと反射電極の厚さとの同一性は、実際には励振効率若しくは検出効率と反射効率とを共に高める上での大きな制約となっていた。しかし、本発明においては、励振電極若しくは検出電極の厚さと反射電極の厚さとが異なることにより、励振効率若しくは検出効率の向上と、反射効率の向上とを、電極の厚さの同一性による制約を受けずに図ることができるので、従来構造よりもデバイス性能の向上を図ることが容易になるという利点がある。例えば、励振効率若しくは検出効率の向上による電気機械結合係数の向上と、反射効率の向上による弾性表面波の減衰量の低減とを共に図ることができる。なお、電気機械結合係数及び反射係数の向上により、電極数を減らすことができるため、デバイスを小型化できるという利点に繋がる。

本発明において、前記反射電極は前記励振電極若しくは前記検出電極よりも厚いことが好ましい。製造が容易で、かつ、或る程度のデバイス性能が得られる一般的な圧電体薄膜の厚さ、弾性表面波の波長、電極の厚さの領域においては、電気機械結合係数Ｋ^２は、励振電極若しくは検出電極の厚さが大きくなると低下する傾向にあるが、反射器の反射係数は、反射電極の厚さが大きくなるほど増大する。したがって、反射電極を励振電極若しくは検出電極よりも大きくすることによって、電気機械結合係数を低下させずに反射効率を高めることができるため、デバイス性能を向上させることができる。なお、電気機械結合係数や反射係数の向上は、デバイス性能の向上とともに、電極数の低減にも寄与し、デバイスの小型化にも繋がる。

本発明において、基板と、該基板上に形成された、前記圧電体としての圧電体薄膜とを有することが好ましい。これによれば、基板上に形成された圧電体薄膜を有する構造とすることにより、製造が容易になるとともに、基板上に形成される他の回路構造との一体化を図ることが可能になる。例えば、半導体基板を用いることで、半導体集積回路と弾性表面波デバイスとの一体化が可能になる。

本発明において、前記基板と前記圧電体薄膜との間に絶縁層を有することが好ましい。基板と圧電体薄膜との間に絶縁層を介在させることにより、導電性を有する素材で構成される基板、基板上に導電パターンなどの導電体が形成されてなる基板、或いは、半導体基板などを用いても、基板若しくは基板上の導電体の導電性が弾性表面波デバイスの特性に与える影響を低減できる。

本発明において、前記圧電体は、ＺｎＯ、ＡｌＮ、ＰＺＴ、ＬｉＮｂＯ_３、ＴａＮｂＯ_３、ＫＮｂＯ_３、ＰＭＮ−ＰＴやＰＮＮ−ＰＴのリラクサ系から選ばれたいずれか一の素材で構成されていることが好ましい。これらの材料は、最も典型的な圧電体である水晶よりも高い圧電性を呈するため、高性能の弾性表面波デバイスを構成することができる。

次に、添付図面を参照して本発明の実施形態について詳細に説明する。図１は本発明に係る実施形態の弾性表面波デバイス１００の断面構造を模式的に示す概略断面図、図２は弾性表面波デバイス１００の平面形状を示す概略平面図である。

この実施形態では、シリコン基板などの半導体基板、ガラス基板、セラミックス基板などの種々の素材で構成された基板１０１の表面上に、ＳｉＯ_２、ＴｉＯ_２、Ｔａ_２Ｏ_５などで構成された絶縁層１０２が形成され、この絶縁層１０２の上に圧電体薄膜１０３が形成されている。圧電体薄膜１０３を構成する素材としては、圧電性を有するものであれば如何なるものでも用いることができるが、特に、ＺｎＯ、ＡｌＮ、ＰＺＴ（Ｐｂ−Ｚｎ−Ｔｉ）、ＬｉＮｂＯ_３、ＴａＮｂＯ_３、ＫＮｂＯ_３、ＰＭＮ−ＰＴやＰＮＮ−ＰＴのリラクサ系などの高い圧電性を有する素材を用いることが望ましい。圧電体薄膜１０３の厚さは特に限定されないが、例えば、０．１〜１０．０μｍ程度であることが好ましい。弾性表面波の波長λは一般に４〜２０μｍ程度であるので、弾性表面波の波長λで規格化された膜厚ｋｈｐ＝２πｔｐ／λ（ｔｐは圧電体の厚さ）としては、０．００５〜２．５程度である。特に圧電体薄膜としてＺｎＯを用いた場合、比較的薄くても高い電気機械結合係数の得られる範囲として、厚さが０．８〜２．０μｍ程度、規格化された膜厚ｋｈｐで０．０４〜０．５の範囲が挙げられる。

この圧電体薄膜１０３の表面上には、弾性表面波の励振及び検出を行うための励振検出電極１０４ａ，１０４ｂ（上記の励振電極又は検出電極に相当する。）を備えた弾性表面波励振検出手段１０４（上記の弾性表面波励振手段又は弾性表面波検出手段に相当する。）が形成されている。この弾性表面波励振検出手段１０４は、図示例の場合、励振検出電極１０４ａと１０４ｂとが交互に配列されている。複数の励振検出電極１０４ａは接続端子１０４Ａに導電接続され、同一電位が与えられ、また、複数の励振検出電極１０４ｂは接続端子１０４Ｂに導電接続され、同一電位が与えられるようになっている。この弾性表面波励振検出手段１０４は、本実施形態ではインタディジタル変換子（ＩＤＴ）によって構成されている。具体的には、図示例において一対の櫛歯状電極が相互に噛み合う形状で対向配置されている。なお、以下の記述において、上記の弾性表面波励振検出手段１０４を単に「ＩＤＴ１０４」という。

また、この弾性表面波励振検出手段１０４によって生ずる弾性表面波の伝播方向（図示例では左右方向）の両側には、それぞれ反射電極１０５ａを備えた弾性表面波反射手段１０５が設けられている。この弾性表面波反射手段１０５は、複数の反射電極１０５ａを上記伝播方向に配列させたグレーティング反射器である。弾性表面波反射手段１０５において、反射電極１０５ａ同士は相互に導電接続されている。実際には反射電極１０５ａを数十本以上設けることで、高い反射率が得られる。なお、以下の記述において、上記の弾性表面波反射手段１０５を単に「反射器１０５」という。

本実施形態においては、励振検出電極１０４ａ，１０４ｂの厚さｔ１と、反射電極１０５ａの厚さｔ２とは相互に異なっている。この場合、厚さｔ１及びｔ２は、一般的に０．０２〜１．０μｍ程度であることが好ましい。この範囲を下回ると電気抵抗が増大して電極としての機能が果たせなくなり、上記範囲を上回ると電気的摂動効果及び弾性的摂動効果による波形の乱れが生じやすくなる。上記と同様に弾性表面波の波長λで規格化された膜厚ｋｈ１＝２πｔ１／λ及び膜厚ｋｈ２＝２πｔ２／λでは、一般的に０．００１〜０．２５の範囲内に設定されることが好ましい。

図示例では、反射電極１０５ａの厚さｔ２は、上記励振検出電極１０４ａ，１０４ｂの厚さｔ１よりも小さく構成されている。このとき、膜厚ｋｈ１は０．００１〜０．２０、膜厚ｋｈ２は０．００１５〜０．２５の範囲で、上記のようにｋｈ１<ｋｈ２が成立していることが好ましい。

図３は、上記実施形態の製造方法を示す概略工程断面図（ａ）〜（ｃ）である。本実施形態では、最初に、図３（ａ）に示すように、基板１０１の上に絶縁層１０２を構成する。この絶縁層１０２は、例えば、基板１０１がシリコン基板であれば、基板１０１を熱酸化することによって構成することができる。また、基板１０１上に絶縁材料をスパッタリング法やＣＶＤ法などによって成膜してもよい。未硬化の樹脂や水ガラスなどを塗布して乾燥・焼成してもよい。

この絶縁層１０２上に形成される圧電体薄膜１０３は、スパッタリング法やＣＶＤ法などで成膜される。特に、高品位の薄膜を形成するには、ＲＦマグネトロンスパッタリング法やＭＯＣＶＤ（有機金属ＣＶＤ）法などによって成膜されることが好ましい。

次に、図３（ｂ）に示すように、圧電体薄膜１０３の表面上にアルミニウムなどの導電体を蒸着法やスパッタリング法などにより成膜し、フォトリソグラフィ法によってレジストなどをマスクとしてパターニングすることによりＩＤＴ１０４の元になるＩＤＴ１０４′及び反射器１０５を形成する。このときのパターニングには、例えば、ＫＯＨなどのアルカリ溶液を用いる。このＩＤＴ１０４′は、励振検出電極となる部分が反射器１０５の反射電極１０５ａの厚さｔ２と同一の厚さを有するものである。

その後、図３（ｃ）に示すように、反射器１０５の反射電極１０５ａをレジストなどで構成されるマスク１０５Ｃによって被覆した状態で、ＩＤＴ１０４′の励振検出電極となる部分をエッチングし、厚さがｔ２より薄いｔ１となるようにする。ここで、ＩＤＴ１０４′の励振検出電極となる部分以外の部分、すなわち、電極間を導電接続する配線部分（バスバー）や外部との導電接続に用いる接続端子（ボンディングパッド）をもマスクで被覆して、これらが薄くなることを防止するようにしてもよい。その後、上記マスク１０５Ｃを除去して、必要な配線接続などを行う。

なお、上記実施形態では、励振検出電極をエッチングすることによって反射電極と異なる厚さに形成しているが、反射電極を複数回（２回）積み重ねることにより厚く形成してもよい。いずれの方法においても、反射電極を励振検出電極よりも薄く形成する場合には、上記の関係は反射電極と励振検出電極とが相互に逆になるように形成すればよい。

本実施形態は、ＩＤＴ１０４が入力ポートと出力ポートとを兼ねた１ポート型の共振子であるが、入力ポートとして励振電極を備えた弾性表面波励振手段を有し、出力ポートとして検出電極を備えた弾性表面波検出手段を有する２ポート型共振子を構成することもできる。この場合、弾性表面波反射手段は、弾性表面波励振手段と弾性表面波検出手段の配列方向の両側にそれぞれ構成される。

また、上記実施形態では、基板１０１上に絶縁層１０２を介して圧電体薄膜１０３を形成してなるが、基板１０１上に直接圧電体薄膜１０３を形成してもよい。また、絶縁層１０２と圧電体薄膜１０３との間、或いは、基板１０１と圧電体薄膜１０３との間に、弾性表面波の伝播領域全体に亘って形成された導電層を設けてもよい。この導電層は、圧電体薄膜１０３における上記各電極の形成された表面とは反対側の表面の電位勾配を低減するものであり、これによって、成膜の容易な薄い圧電膜でも電気機械結合係数が高い値を示すようになるため、弾性表面波デバイスの伝播特性を向上させることができる。

図４は、圧電体薄膜１０３としてＺｎＯを用いたときの、上記実施形態の電気機械結合係数Ｋ^２と、圧電体薄膜１０３の規格化された膜厚ｋｈｐとの関係を示すグラフである。ここで、図示実線は、励振検出電極１０４ａ，１０４ｂの規格化された膜厚ｋｈ１が０．０１の場合、図示点線は、膜厚ｋｈ１が０．００１の場合を示す。このグラフに示されるように、電気機械結合係数Ｋ_２は、励振検出電極１０４ａ，１０４ｂの膜厚が０．０１から０．００１に変化することによって変化する。特に、圧電体薄膜の膜厚ｋｈｐが０．１〜２．４の範囲内では、励振検出電極の膜厚が大きくなると電気機械結合係数が低下する。このうち、圧電体薄膜の膜厚が比較的が小さい領域、例えば膜厚ｋｈｐが０．２〜１．８の範囲では、電気機械結合係数が比較的大きいとともに、膜厚ｋｈ１が０．０１から０．００１まで変化することにより、電気機械結合係数が１０〜２０％程度変化している。この領域は、圧電体薄膜を短時間に製造できることから低コスト化が可能で、弾性表面波デバイスを量産する場合に実用的な範囲でもある。特に、圧電体薄膜の厚さが薄いｋｈｐ＝０．２〜０．５の範囲が量産に適している。

図５は、圧電体薄膜１０３としてＺｎＯを用いたときの、上記実施形態の反射器１０５の反射電極１０５ａ一本当たりの反射係数τと、反射電極１０５ａの規格化された膜厚ｋｈ２との関係を示すグラフである。ここで、圧電体薄膜１０３の規格化された膜厚ｋｈｐは０．５５である。このグラフに示されるように、反射係数τは、反射電極の膜厚ｋｈ２が０．００１〜０．００２の範囲では増大するに従ってほぼ直線的に増大している。

上記の図４及び図５に示すように、上述の比較的実用的な範囲では、励振検出電極の膜厚ｋｈ１を小さくすることによって電気機械結合係数Ｋ_２を増大させることができ、また、反射電極の膜厚ｋｈ２を大きくすることによって反射係数τを増大させることができる。したがって、膜厚ｋｈ２を膜厚ｋｈ１より大きくすることによって、電気機械結合係数と反射係数を共に増大させてデバイス性能を高めることが可能になる。

もっとも、例えば、図４に示すように、圧電体薄膜の膜厚ｋｈｐが２．４を越えると、励振検出電極の膜厚ｋｈ１が大きくなると電気機械結合係数が大きくなり、また、図５には示していないが、反射電極の膜厚ｋｈ２が或る程度大きくなると、反射係数を阻害する要因が生ずる。このため、上記の膜厚ｋｈ１とｋｈ２の関係を逆転させたほうが、デバイス性能の向上に有効である状況も存在し得る。このような状況は、圧電体薄膜の特性や膜厚ｋｈｐ、励振検出電極の膜厚ｋｈ１、及び、反射電極の膜厚ｋｈ２の値によって変化するので、デバイス製造の設定領域によって膜厚ｋｈ１とｋｈ２の大小関係は適宜に設定できる。

図６は、上記実施形態の弾性表面波デバイスの挿入損失の周波数依存性について、膜厚ｋｈ１とｋｈ２を同一とした場合（図示点線）と、膜厚ｋｈ１よりも膜厚ｋｈ２を大きくすることにより、電気機械結合係数Ｋ２を３０％向上させるとともに、反射係数を３０％高めた場合（図示実線）とを比較したグラフである。このグラフを見れば、挿入損失が低減し、デバイス特性が向上していることがわかる。

尚、本発明の弾性表面波デバイスは、上述の図示例にのみ限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。例えば、上記の説明では、弾性表面波デバイスとして、共振子を構成する場合について説明したが、本発明は、弾性表面波励振手段若しくは弾性表面波検出手段のうち少なくとも一方と、弾性表面波反射手段とを備えたものであればよい。例えば、外部から伝播してくる弾性表面波を、弾性表面波反射手段を介して弾性表面波検出手段によって検出するもの、弾性表面波励振手段によって励振した弾性表面波を、弾性表面波反射手段を介して外部へ送り出すものなどが考えられる。

また、上記実施形態では、基板上に圧電体薄膜が形成されてなる積層構造を有する弾性表面波デバイスについて説明したが、本発明はこのような積層構造を有するものに限らず、圧電体基板上に直接上記の弾性表面波励振手段若しくは弾性表面波検出手段、及び、弾性表面波反射手段を形成してなるものであっても構わない。

弾性表面波デバイスの実施形態の概略断面図。実施形態の概略平面図。実施形態の製造方法を示す概略工程断面図（ａ）−（ｃ）。実施形態の電気機械結合係数と圧電体薄膜の膜厚ｋｈｐとの関係について、励振検出電極の膜厚ｋｈ１を変えて比較した状態を示すグラフ。実施形態の反射係数τと反射電極の膜厚ｋｈ２との関係を示すグラフ。実施形態と比較例の挿入損失を対比して示すグラフ。

符号の説明

１００…弾性表面波デバイス、１０１…基板、１０２…絶縁層、１０３…圧電体薄膜、１０４…弾性表面波励振検出手段、１０４ａ，１０４ｂ…励振検出電極、１０５…弾性表面波反射手段、１０５ａ…反射電極、ｋｈｐ…圧電体薄膜の規格化された膜厚、ｋｈ１…励振検出電極の規格化された膜厚、ｋｈ２…反射電極の規格化された膜厚

Claims

圧電体の表面に形成された励振電極を含む弾性表面波励振手段若しくは検出電極を含む弾性表面波検出手段と、前記表面に形成された反射電極を含む弾性表面波反射手段とを備えた弾性表面波デバイスにおいて、前記励振電極若しくは前記検出電極の厚さと、前記反射電極の厚さとが異なることを特徴とする弾性表面波デバイス。
前記反射電極は前記励振電極若しくは前記検出電極よりも厚いことを特徴とする請求項１に記載の弾性表面波デバイス。
基板と、該基板上に形成された、前記圧電体としての圧電体薄膜とを有することを特徴とする請求項１又は２に記載の弾性表面波デバイス。
前記基板と前記圧電体薄膜との間に絶縁層を有することを特徴とする請求項３に記載の弾性表面波デバイス。
前記圧電体は、ＺｎＯ、ＡｌＮ、ＰＺＴ、ＬｉＮｂＯ_３、ＴａＮｂＯ_３、ＫＮｂＯ_３、ＰＭＮ−ＰＴやＰＮＮ−ＰＴのリラクサ系から選ばれたいずれか一の素材で構成されていることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載の弾性表面波デバイス。