JP2007143127A - 複合ｒｆデバイスとその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】複数の機能を有した小型かつ低背な特徴を有する複合ＲＦデバイスを、圧電体の結晶性を損なうことなく高品位な状態で実現する。
【解決手段】２つのＲＦ回路が上下に重なって構成された複合ＲＦデバイスであって、基板と、この基板の上に形成された第２のＲＦ回路と、この第２のＲＦ回路の上に形成された基板を不要とする第１のＲＦ回路とを備える。第１のＲＦ回路は、別基板に形成された後で、第２のＲＦ回路の上に転写される。
【選択図】図３

Description

本発明は、携帯電話や無線ＬＡＮ等の移動体通信の無線回路に用いられる、フィルタ、共用器、スイッチ（ＳＷ）、低雑音増幅器（ＬＮＡ：Ｌｏｗ Ｎｏｉｓｅ Ａｍｐｌｉｆｉｅｒ）、及びパワーアンプ（ＰＡ：Ｐｏｗｅｒ Ａｍｐｌｉｆｉｅｒ）等の単体の高周波回路デバイス（以下、ＲＦデバイスと記す）、又はこれらを複合した複合ＲＦデバイス、及びその複合ＲＦデバイスの製造方法に関する。

携帯機器等の無線回路では、より小型化かつ低背化されることが要求されている。そこで、携帯機器等の電子機器に内蔵されるデバイスであるフィルタや無線ＩＣには、異なるデバイスを一体化した複合デバイスを形成し、小型化を図る動きが活発である。

図７は、従来のＩＣチップを用いた複合ＲＦデバイスの構造断面図を示している（例えば、特許文献１を参照）。
第１のＩＣチップ９０１は、第２のＩＣチップ９０２上にフェイスアップ実装されている。第２のＩＣチップ９０２は、セラミック又は樹脂からなる基板９０３上にフェイスアップ実装されている。第１のＩＣチップ９０１上に設けられた電極９０４は、基板９０３上に設けられた電極９０６とワイヤーボンディングされて、第１のＩＣチップ９０１と基板９０３とが電気的に接続される。第２のＩＣチップ９０２上に設けられた電極９０５は、基板９０３上に設けられた電極９０６とワイヤーボンディングされて、第２のＩＣチップ９０２と基板９０３とが電気的に接続される。この構造により、第１のＩＣチップ９０１及び第２のＩＣチップ９０２のそれぞれの機能を有した複合ＲＦデバイスが、小面積で実現される。

しかし、この従来の複合ＲＦデバイスの構成では、第１のＩＣチップ９０１、第２のＩＣチップ９０２、及び基板９０３の厚みは、それぞれ数百ミクロンであることから、これらを重ねて実装すると、複合ＲＦデバイス全体の厚みが大きくなるという課題がある。そこで、複合ＲＦデバイス全体の厚みを小さくする技術が提案されている。

図８は、上記課題を解決した従来の圧電フィルタを用いた複合ＲＦデバイスの構造断面図を示している（例えば、非特許文献１を参照）。
基板内部及び基板表面に配置された電極１００２によって、スイッチ、低雑音増幅器、又はパワーアンプ等の機能を有したＩＣ基板１００１が形成される。このＩＣ基板１００１上に、キャビティ１００３を介して、絶縁体１００４、下部電極１００５、圧電体１００６、及び上部電極１００７の順に積層されることで、圧電共振器１００８が形成される。この圧電共振器１００８は、複数個が組み合わされて圧電フィルタとして動作し、ＩＣ基板１００１と圧電フィルタとが接続されて複合ＲＦデバイスが形成される。

この構造により、ＩＣ基板１００１の厚みは変わらず数百ミクロンであるが、圧電共振器１００８の厚みが（共振周波数にも依存するが携帯電話等で使用するマイクロ波領域ではおおむね）１０ミクロン以下となるので、厚みが小さい圧電フィルタを重ねた複合ＲＦデバイスを実現することが可能となる。
特開平５−１３６６３号公報 アイトリプルイー・エムティーティー−エス、２００５、インターナショナル・マイクロウェーブ・シンポジウム・ワークショップ、「ＢＡＷ・アンド・ＭＥＭＳ・アヴァーブ・シリコン・フォー・アールエフ・アプリケーションズ」、エスティー・マクロエレクトロニクス、ピー・アンシー（IEEE MTT-S 2005 International Microwave Symposium Workshop "BAW & MEMS above silicon for RF applications" ST Microelectronics P. Ancey）

しかしながら、図８に示した従来の構造では、ＩＣ基板１００１上に、電極１００２、絶縁体１００４、及びキャビティ１００３を形成するための犠牲層等を順に堆積する必要がある。このため、下部電極１００５、圧電体１００６、及び上部電極１００７を堆積する前のＩＣ基板１００１の表面の平坦性が劣化し、薄膜成膜による下部電極１００５、圧電体１００６、及び上部電極１００７の結晶性が損なわれる。これは、圧電共振器１００８の性能を表すＱ値を低下させ、圧電フィルタの挿入損失増大を招く。

それ故に、本発明の目的は、複数の機能を有した小型かつ低背な特徴を有する複合ＲＦデバイスを、圧電体の結晶性を損なうことなく高品位な状態で提供することである。

本発明は、２つのＲＦ回路が上下に重なって構成された複合ＲＦデバイスに向けられている。そして、上記目的を達成させるために、本発明の複合ＲＦデバイスは、基板と、基板の上に形成された第２のＲＦ回路と、第２のＲＦ回路の上に形成された基板を不要とする第１のＲＦ回路とを備え、第１のＲＦ回路が、別基板に形成された後で第２のＲＦ回路の上に転写されたことを特徴とする。

この第１のＲＦ回路と第２のＲＦ回路とは、第１及び第２の支持部材を介して電気的に接続されていてもよい。
また、典型的には、第１のＲＦ回路は、基板を必要としない、圧電共振器、圧電スイッチ、圧電フィルタ、及び共用器の中から選ばれ、第２のＲＦ回路は、基板を必要とする、パワーアンプ、スイッチ、ＬＮＡ、及びＲＦ−ＩＣの中から選ばれる。
なお、上述した複合ＲＦデバイスは、単独でも機能するが、フィルタ、共用器、及び通信機器として構成してもよい。

上記構造の複合ＲＦデバイスは、第１の基板に第１のＲＦ回路を形成する工程と、第１の基板上に第１の支持部材を形成する工程と、第２の基板に第２のＲＦ回路を形成する工程と、第２の基板上に第２の支持部材を形成する工程と、第１の支持部材と第２の支持部材とを貼り合わせる工程と、貼り合わせる工程の後に第１の基板を分離して、第１のＲＦ回路を第２のＲＦ回路の上に転写する工程とによって、製造される。

典型的には、転写する工程の後に、第１のＲＦ回路上に所定の電極が形成される。
また、第１及び第２の支持部材が、第１のＲＦ回路と第２のＲＦ回路とを電気的に接続可能な金属材料であることが好ましい。

上記本発明によれば、複数の機能を有した小型かつ低背な特徴を有する複合ＲＦデバイスを、圧電体の結晶性を損なうことなく高品位な状態で実現することが可能となる。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。
（複合ＲＦデバイスの構造例）
図１は、本発明の一実施形態に係る複合ＲＦデバイスの構造を示す斜視図である。図２は、図１の複合ＲＦデバイスのＡ−Ａ断面を示す図である。図３は、図１の複合ＲＦデバイスの等価回路図である。この図１〜図３では、複合ＲＦデバイスとして圧電フィルタを用いた共用器の例を示している。

本実施形態の複合ＲＦデバイスは、送信端子１０１ａ、受信端子１０１ｂ、及びアンテナ端子１０１ｃを有し、送信端子１０１ａに接続される送信フィルタ１１０と、受信端子１０１ｂに接続される受信フィルタ１２０と、送信フィルタ１１０及び受信フィルタ１２０とアンテナ端子１０１ｃとの間に設けられる移相回路１０２とで構成される。この複合ＲＦデバイスは、図１に示すように、送信フィルタ１１０（第１のＲＦ回路）を上部に構成し、受信フィルタ１２０（第２のＲＦ回路）を下部に構成する構造である。

図２を参照して、送信フィルタ１１０は、送信端子１０１ａとアンテナ端子１０１ｃとの間に直列に接続される圧電共振器１１２ａ及び１１２ｂと、並列に接続される圧電共振器１１３と、圧電共振器１１３を接地するインダクタ１１４とで構成される。受信フィルタ１２０は、受信端子１０１ｂとアンテナ端子１０１ｃとの間に直列に接続される圧電共振器１２２ａ及び１２２ｂと、並列に接続される圧電共振器１２３と、圧電共振器１２３を接地するインダクタ１２４とで構成される。図２の例では、移相回路１０２として、送信フィルタ１１０及び受信フィルタ１２０の接続点を接地するインダクタを用いている。

なお、上述した送信フィルタ１１０及び受信フィルタ１２０の回路構成は一例であり、これ以外の段数や回路構成を用いて同様の効果が得られる。また、移相回路１０２も、送受間隔や送信フィルタ１１０及び受信フィルタ１２０のインピーダンスにより、他の回路構成にしても構わない。

図３に示す断面図を参照して、本実施形態の複合ＲＦデバイスは、ＧａＡｓ等の基板２０１上に、第２のＲＦ回路に属する上部電極１２５、下部電極１２６、及び圧電体２０３からなる圧電共振器１２３が形成され、そのさらに上に、第１のＲＦ回路に属する上部電極１１６、下部電極１１５、及び圧電体２０２からなる圧電共振器１１２ａが形成される。この第１のＲＦ回路は、後述する製造手法を利用するため、金錫合金等の金属材料からなる支柱部１１７を介して第２のＲＦ回路の上部に形成される。なお、支柱部１１７の形状は、図３に限られるものではない。

このように、本発明では、基板を必要とする部品、例えばパワーアンプ、スイッチ、ＬＮＡ、及びＲＦ−ＩＣ等を下側の第２のＲＦ回路に形成し、基板を必要としない部品、例えば圧電共振器及びＭＥＭＳスイッチ、並びにそれらを用いた圧電フィルタや共用器等を上側の第１のＲＦ回路に形成することを特徴とする。

図４Ａ〜図４Ｄは、本発明で実現可能な他の複合ＲＦデバイスの構造例を示す断面図である。図４Ａでは、第１のＲＦ回路に片持ち梁ＭＥＭＳスイッチを、第２のＲＦ回路に圧電共振器を、それぞれ構成した複合ＲＦデバイスの構造例を示している。図４Ｂでは、第１のＲＦ回路に圧電フィルタを用いた共用器を、第２のＲＦ回路にパワーアンプを、それぞれ構成した複合ＲＦデバイスの構造例を示している。図４Ｃでは、第１のＲＦ回路に圧電フィルタを用いた共用器を、第２のＲＦ回路に圧電フィルタを、それぞれ構成した複合ＲＦデバイスの構造例を示している。図４Ｄでは、第１のＲＦ回路に圧電スイッチを、第２のＲＦ回路にパワーアンプを、それぞれ構成した複合ＲＦデバイスの構造例を示している。

（複合ＲＦデバイスの製造方法例）
図５Ａ及び図５Ｂは、本実施形態に係る複合ＲＦデバイスの製造方法の手順を概略的に示した図である。この製造方法では、貼り合わせ方法を用いることによって、図３に示した複合ＲＦデバイスを製造する。

まず、シリコン、ガラス、又はサファイア等からなる成膜用基板５１１を準備し、この成膜用基板５１１の上に、モリブデン（Ｍｏ）等からなる電極膜５１３を形成する（図５Ａ、工程ａ）。なお、成膜用基板５１１の上には、予め平坦な熱酸化膜が絶縁膜として形成されている（図示せず）。次に、電極膜５１３の上に、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）等からなる圧電体層２０２を形成する（図５Ａ、工程ｂ）。例えば、２ＧＨｚ帯の圧電共振器を形成する場合、圧電体層２０２の厚みは約１１００ｎｍに、電極膜５１３の厚みは約３００ｎｍになる。本実施例では、平坦な成膜用基板５１１上に、電極膜５１３を介して圧電体層２０２を形成するため、電極膜５１３の不連続部の発生やパターニング時に生じる電極膜５１３の表面劣化等の影響がなく、良好な結晶性を備えた圧電体層２０２を得ることができる。

次に、圧電体２０２上に、モリブデン等からなる電極膜５１２を形成する（図５Ａ、工程ｃ）。その後、通常のフォトリソグラフィー手法により、電極膜５１２を所定の形状にパターニングし、下部電極１１５を形成する（図５Ａ、工程ｄ）。次に、支持部１１７の一部となる支持部材１１７ａを、電子ビーム蒸着やスパッタ法等を用いて、圧電体２０２の上に形成する（図５Ａ、工程ｅ）。本実施例では、電子ビーム蒸着でＴｉ／Ａｕ／ＡｕＳｎの順に、リフトオフ手法により支持部材１１７ａを形成している。これにより、成膜用基板５１１の準備が整ったことになる。

次に、基板２０１を準備し、同様の手順で上部電極１２５、下部電極１２６、及び圧電体２０３から構成される圧電共振器１２３を形成する（図５Ａ、工程ｆ）。なお、基板２０１の上には、予め平坦な熱酸化膜等が絶縁膜として形成されている（図示せず）。次に、支持部１１７の一部となる支持部材１１７ｂを、電子ビーム蒸着やスパッタ法等を用いて、圧電体２０３の上に形成する（図５Ｂ、工程ｇ）。本実施例では、電子ビーム蒸着を用いて基板２０１を成膜用基板５１１と向かい合わせたときにＡｕＳｎ合金層が接するように、Ｔｉ／Ａｕ／ＡｕＳｎの順にリフトオフ手法により支持部材１１７ｂを形成している。なお、基板２０１に形成された支持部材１１７ｂのパターンは、成膜用基板５１１に形成された支持部材１１７ａのパターンと完全に一致する必要はなく、両基板の位置合わせ精度を考慮して、余裕を持たせることが好ましい。

次に、成膜用基板５１１の支持部材１１７ａと基板２０１の支持部材１１７ｂとを向かい合わせ、金と錫とを共晶結晶させて貼り合わせる（図５Ｂ、工程ｈ）。この際、両基板に圧力をかけてもよい。本実施例では、３気圧のプレス圧を印加し、基板の貼り合わせを行った。また、貼り合わせた基板を加熱し、互いに接触しているＡｕＳｎを溶融状態にし、温度を下げることにより強固な金属結合を得ることができる。これにより、接合信頼性に優れた圧電共振器を得ることができる。

この実施例では、支持部１１７にＡｕＳｎ合金を用いているが、これに限るものではない。例えば、支持部１１７が半溶融状態又は溶融状態を経ることで２つの基板が張り合わされる場合は、その融点（固相線温度）が、圧電共振器をマザーボードに実装する際の半田リフロー温度よりも高く、かつ圧電共振器の電極材料等の融点よりも低ければよい。また、支持部１１７は、溶融温度以下での金属同士の相互拡散による拡散接合によって貼り合わせてもよいし、プラズマ処理等により接続面を表面活性化させて常温で接合させてもよい。常温で接合することにより、振動部の残留熱応力をなくすことができるので、製造歩留まりが高くかつ周波数変動等の経時変化が少ない圧電共振器を得ることができる。

次に、２つの基板を貼り合わせた形成物から、成膜用基板５１１を除去する（図５Ｂ、工程ｉ）。例えば、ドライエッチングを用いて成膜用基板５１１を除去することができる。この工程ｇ〜工程ｉにより、元々成膜用基板５１１にあった第１のＲＦ回路が、第２のＲＦ回路が形成された基板２０１に転写されたことになる。最後に、通常のフォトリソグラフィー手法により、電極膜５１３を所定の形状にパターニングし、上部電極１１６を形成する（図５Ｂ、工程ｊ）。これにより、図３に示す複合ＲＦデバイスが完成する。

なお、上記製造方法では、成膜用基板５１１をエッチング除去している例を示したが、電極膜５１３と成膜用基板５１１との間に剥離層を設け、剥離層と共に成膜用基板５１１を切り離してもよい。また、電極膜５１３を形成せずに、成膜用基板５１１の上に剥離層及び圧電体２０２を積層してもよい。この場合、成膜用基板５１１を剥離した後、上部電極１１６をパターニング形成する必要がある。剥離層として、ＡｌＮと光学的特性が異なる窒化ガリウム（ＧａＮ）を使用すれば、レーザを照射することでＧａＮだけを分解してＡｌＮを転写することができる。また、剥離層として、電極膜５１３との親和力が小さい金属膜や、溶剤等に容易に溶解する金属膜や酸化物、又はガラス等を用いてもよい。

以上のように、本発明の一実施形態に係る複合ＲＦデバイスによれば、複数の機能を有した小型かつ低背な特徴を有する複合ＲＦデバイスを、圧電体の結晶性を損なうことなく高品位な状態で実現することができる。

（複合ＲＦデバイスを用いた構成例）
図６は、本発明の複合ＲＦデバイスを用いた通信機器の構成例を示す図である。図６に示す通信機器は、複数のバンドに対応させるため、２つの送受信回路６０３及び６０４をスイッチ６０２で切り換え可能に接続した構成である。

アンテナ６０１から入力された信号は、スイッチ６０２で低い周波数帯（第１バンド）で動作する第１の送受信回路６０３と、高い周波数帯（第２バンド）で動作する第２の送受信回路６０４とに、分波される。第１の送受信回路６０３では、送信端子６０５ａから入力される第１バンドの送信信号が、ＲＦ−ＩＣ６０６ａ、パワーアンプ６０７ａ、共用器６０８ａの送信フィルタ６０９ａを通り、スイッチ６０２を介してアンテナ６０１から送信される。また、第１バンドの受信信号は、アンテナ６０１からスイッチ６０２を通り、共用器６０８ａの受信フィルタ６１０ａ、ＬＮＡ６１１ａ、及びＲＦ−ＩＣ６０６ａを通り、受信端子６１２ａに伝達される。

同様に、第２バンドの送受信回路６０４では、送信端子６０５ｂから第１バンドの送信信号がＲＦ−ＩＣ６０６ｂ、パワーアンプ６０７ｂ、共用器６０８ｂの送信フィルタ６０９ｂを通り、スイッチ６０２を介してアンテナ６０１から送信される。また、第２バンドの受信信号は、アンテナ６０１からスイッチ６０２を通り、共用器６０８ｂの受信フィルタ６１０ｂ、ＬＮＡ６１１ｂ、及びＲＦ−ＩＣ６０６ｂを通り、受信端子６１２ｂに伝達される。この構成によって、低損失かつ低消費電力な通信機器を実現することができる。

本発明の複合ＲＦデバイスは、携帯電話や無線ＬＡＮ等の移動体通信端末における無線回路や無線基地局用のフィルタ等に利用可能であり、特に低損失特性であり小型かつ低背な複合ＲＦデバイスを実現したい場合等に有用である。

本発明の一実施形態に係る複合ＲＦデバイスの構造を示す斜視図 図１の複合ＲＦデバイスのＡ−Ａ断面を示す図 図１の複合ＲＦデバイスの等価回路図 本発明で実現可能な他の複合ＲＦデバイスの構造例を示す断面図 本発明で実現可能な他の複合ＲＦデバイスの構造例を示す断面図 本発明で実現可能な他の複合ＲＦデバイスの構造例を示す断面図 本発明で実現可能な他の複合ＲＦデバイスの構造例を示す断面図 本発明の一実施形態に係る複合ＲＦデバイスの製造方法の手順を概略的に示した図 本発明の一実施形態に係る複合ＲＦデバイスの製造方法の手順を概略的に示した図 本発明の一実施形態に係る複合ＲＦデバイスを用いた通信機器の例を示す図 従来の複合ＲＦデバイスの構造断面図 従来の複合ＲＦデバイスの構造断面図

符号の説明

１０２、１１４、１２４ インダクタ
１１０、６０９ａ〜ｂ 送信フィルタ
１１２ａ〜ｂ、１１３、１２２ａ〜ｂ、１２３、１００８ 圧電共振器
１１５、１１６、１２５、１２６、９０４〜９０６、１００２、１００５、１００７ 電極
１１７ 支持部
１１７ａ〜ｂ 支持部材
１２０、６１０ａ〜ｂ 受信フィルタ
２０１、５１１、９０３、１００１ 基板
２０２、２０３、１００６ 圧電体
５１２、５１３ 電極膜
６０１ アンテナ
６０２ スイッチ
６０３、６０４ 送受信回路
６０６ａ〜ｂ ＲＦ−ＩＣ
６０７ａ〜ｂ パワーアンプ（ＰＡ）
６０８ａ〜ｂ 共用器
６１１ａ〜ｂ ＬＮＡ
９０１、９０２ ＩＣチップ
１００３ キャビティ
１００４ 絶縁体

Claims (10)

1. ２つのＲＦ回路が上下に重なって構成された複合ＲＦデバイスであって、
   基板と、
   前記基板の上に形成された第２のＲＦ回路と、
   前記第２のＲＦ回路の上に形成された基板を不要とする第１のＲＦ回路とを備え、
   前記第１のＲＦ回路が、別基板に形成された後で前記第２のＲＦ回路の上に転写されたことを特徴とする、複合ＲＦデバイス。
2. 前記第１のＲＦ回路と前記第２のＲＦ回路とが、前記第１及び第２の支持部材を介して電気的に接続されていることを特徴とする、請求項１に記載の複合ＲＦデバイス。
3. 前記第１のＲＦ回路は、基板を必要としない、圧電共振器、圧電スイッチ、圧電フィルタ、及び共用器の中から選ばれ、
   前記第２のＲＦ回路は、基板を必要とする、パワーアンプ、スイッチ、ＬＮＡ、及びＲＦ−ＩＣの中から選ばれることを特徴とする、請求項１に記載の複合ＲＦデバイス。
4. 請求項１に記載の複合ＲＦデバイスを少なくとも１つ備えた、フィルタ。
5. 請求項１に記載の複合ＲＦデバイスを少なくとも１つ備えた、共用器。
6. 請求項１に記載の複合ＲＦデバイスを少なくとも１つ備えた、通信機器。
7. 複合ＲＦデバイスの製造方法であって、
   第１の基板に第１のＲＦ回路を形成する工程と、
   前記第１の基板上に第１の支持部材を形成する工程と、
   第２の基板に第２のＲＦ回路を形成する工程と、
   前記第２の基板上に第２の支持部材を形成する工程と、
   前記第１の支持部材と前記第２の支持部材とを貼り合わせる工程と、
   前記貼り合わせる工程の後に前記第１の基板を分離して、前記第１のＲＦ回路を前記第２のＲＦ回路の上に転写する工程とを備える、製造方法。
8. 前記転写する工程の後に、前記第１のＲＦ回路上に所定の電極を形成する工程をさらに備える、請求項７に記載の製造方法。
9. 前記第１及び第２の支持部材が、前記第１のＲＦ回路と前記第２のＲＦ回路とを電気的に接続可能な金属材料であることを特徴とする、請求項７に記載の製造方法。
10. 前記第１のＲＦ回路は、基板を必要としない、圧電共振器、圧電スイッチ、圧電フィルタ、及び共用器の中から選ばれ、
    前記第２のＲＦ回路は、基板を必要とする、パワーアンプ、スイッチ、ＬＮＡ、及びＲＦ−ＩＣの中から選ばれることを特徴とする、請求項７に記載の製造方法。

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