JP2008085562A - 弾性波フィルタおよびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】同一チップ上に複数の帯域に対応したＳＭＲ型弾性波フィルタを低コストで一体形成することができる技術を提供する。
【解決手段】同一基板上に複数の帯域に対応した複数の帯域通過フィルタが形成されたＳＭＲ型弾性波フィルタにおいて、音響多層膜の形成をマスクなし、あるいは最少枚数で形成し、かつ、帯域ごとに厚さの異なる圧電薄膜を一括形成する。例えば、音響多層膜（低音響インピーダンス層１３、高音響インピーダンス層１４）を基板１１上の棚田状深溝１２内にマスクレス手法で形成した後、圧電薄膜１６をｃ軸配向させて成長させてからＣＭＰ等の手法により研磨して厚さを帯域ごとに調整して、同一チップ内に複数の帯域用のＳＭＲ型弾性波フィルタを形成する。
【選択図】図１

Description

本発明は、弾性波フィルタの製造技術に関し、特に、携帯電話等の送受信回路において帯域通過フィルタとして用いられる圧電薄膜共振子型弾性波フィルタの製造方法および構造に適用して有効な技術に関するものである。

例えば、弾性波フィルタについては、圧電薄膜共振子（ＦＢＡＲ：Ｆｉｌｍ Ｂｕｌｋ Ａｃｏｕｓｔｉｃ Ｒｅｓｏｎａｔｏｒ）フィルタやＳＭＲ（Ｓｏｌｉｄｌｙ Ｍｏｕｎｔｅｄ Ｒｅｓｏｎａｔｏｒ）型圧電薄膜共振子フィルタ（以下においては、ＳＭＲ型弾性波フィルタなどとも呼ぶ）のようなバルク弾性波フィルタ、あるいは、ＳＡＷ（Ｓｕｒｆａｃｅ Ａｃｏｕｓｔｉｃ Ｗａｖｅ）フィルタのような表面弾性波フィルタがある。

また、同一チップ上にバルク弾性波フィルタを形成する技術としては、ＦＢＡＲを用いたデュープレクサの構造及び製造方法が、例えば特許文献１や特許文献２において開示されている。
特開２００２−２６８６４４号公報 特開２００２−２６８６４５号公報

上記のような弾性波フィルタは、使用する信号の帯域ごとに別チップ上に形成、封止され、個別製品として提供されてきた。これらの個別製品を携帯電話製造業者や携帯電話用送受信回路製造業者が配線基板上で別チップと組み合わせて高周波無線通信回路を構成している。

しかしながら、携帯電話の小型化・薄型化と高機能化の進展により、上記のような高周波無線通信回路部分の占める面積は小さくなる傾向にあり、例えば、複数の帯域ごとのフィルタを個別製品ではなく、１チップ化して高周波無線通信回路に組み込みたい、あるいは、高周波無線通信回路の制御用半導体のチップ上に薄膜製造プロセスを用いて一体形成したいというニーズが高まっている。

一方、無線通信システムにおける通信速度の向上に対しては、使用する周波数帯域を高周波化するというトレンドがある。従来の携帯電話用に用いられてきたＳＡＷフィルタは、第２世代、もしくは第２．５世代の携帯電話システムのような９００ＭＨｚ近傍の帯域の信号をフィルタリングするには適していたが、帯域が高周波化するにつれて、フィルタ特性が改善しにくいという問題があり、昨今ではバルク弾性波フィルタである、ＦＢＡＲフィルタやＳＭＲ型弾性波フィルタの開発が進められている。

バルク弾性波フィルタの場合、フィルタを形成する圧電薄膜の厚さによって共振周波数が決まるため、複数の帯域に対応したフィルタを同一チップ上に形成するためには、結局、それぞれの帯域ごとのフィルタを形成するためのマスクが必要となってしまう。このため、プロセスの工程数が多くなり、歩留まりも低くなるという問題がある。この結果、コスト的に要求仕様を満たすことが困難という課題があった。

また、ＳＭＲ型弾性波フィルタの場合、基板あるいは同一チップ上に、高周波信号の波長λに対し、音響インピーダンスが異なる二種類の厚さλ／４の膜を複数組交互に積層し、その上に圧電薄膜を形成した構造を持つ。図３に、従来のＳＭＲ型弾性波フィルタの断面構造の概略を示すが、ＳＭＲ型弾性波フィルタの場合、音響多層膜、圧電薄膜の厚さがフィルタ特性に影響を与えることから、やはり、同一チップ上に形成するためには、帯域ごとのマスクを利用する必要があり、プロセスの工程数も多く、製造コストの削減が困難であるという課題があった。

図３において、基板１上に、表面電極２および裏面電極３を介して厚さλ／２の圧電薄膜４に接する音響多層膜第一層を厚さλ／４の低音響インピーダンス層５、音響多層膜第二層を厚さλ／４の高音響インピーダンス層６とし、低音響インピーダンス層５と高音響インピーダンス層６をｎ層交互に積み重ねた構造を設けた場合がλ／２モード構成と呼ばれ、圧電薄膜４中にλ／２の定在波が立った共振子を得ることができる。

なお、図３において、逆に、音響多層膜第一層を高音響インピーダンス層、第二層を低音響インピーダンス層として、圧電薄膜の厚さをλ／４とした場合は、圧電薄膜中にλ／４の定在波が立った共振が生じる。これをλ／４モード構成と呼ぶが、本発明では、どちらのモード構成を選択するかについては問わないものとする。

本発明の目的は、上記のような課題を解決して、同一チップ上に複数の帯域に対応したＳＭＲ型弾性波フィルタを低コストで一体形成することができる技術を提供することにある。

本発明の前記ならびにその他の目的と新規な特徴は、本明細書の記述および添付図面から明らかになるであろう。

本願において開示される発明のうち、代表的なものの概要を簡単に説明すれば、次のとおりである。

本発明は、上記目的を達成するために、同一基板上に複数の帯域に対応した複数の帯域通過フィルタが形成されたＳＭＲ型弾性波フィルタにおいて、音響多層膜の形成をマスクなし、あるいは最少枚数で形成し、かつ、帯域ごとに厚さの異なる圧電薄膜を一括形成するものである。

本願において開示される発明のうち、代表的なものによって得られる効果を簡単に説明すれば以下のとおりである。

本発明によれば、ＳＭＲ型弾性波フィルタの音響多層膜を最小限のマスク数で形成し、かつ、複数の厚さの圧電薄膜を一括で形成することにより、同一チップ上に複数の帯域に対応したＳＭＲ型弾性波フィルタを低コストで一体形成することができる。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、実施の形態を説明するための全図において、同一の部材には原則として同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。

（実施の形態１）
本発明の実施の形態１を、図１を用いて説明する。図１は、本実施の形態のＳＭＲ型弾性波フィルタの製造方法および構造を示す断面図である。

図１において、まず、深溝形成工程において、基板（ウェハあるいはチップ）１１上に、バンド数、もしくは帯域数に対応したマスクを用いて、形状が棚田に類似した深さの異なる深溝１２をエッチングにより形成する。エッチング手法はウェットエッチングでも、ドライエッチングでも構わない。なお、図１では、３種類の帯域に対応したフィルタを形成する場合を示しているが、これに限定されるものではない。

次に、音響多層膜形成工程において、各深溝１２内に、マスクレス手法、例えばインクジェットにより、低音響インピーダンス層１３と高音響インピーダンス層１４を交互に積み重ねた構造の音響多層膜を形成する。インクジェットの場合、細かい配線形状や半導体デバイスの電極を形成するにはプロセス精度上の課題が存在するが、音響多層膜のような比較的大面積の薄膜を一定の厚さで成膜することは比較的容易である。高音響インピーダンス膜１４の材料としては、モリブデン、タングステン、窒化アルミ、酸化亜鉛などが考えられ、また、低音響インピーダンス膜１３の材料としては、ＳｉＯ₂などが考えられる。なお、図１では、λ／２モード構成を例に、第一層を低音響インピーダンス層１３、第二層を高音響インピーダンス層１４としているが、λ／４モード構成の場合には逆になることは言うまでもない。

さらに、裏面電極形成工程において、各深溝１２内の音響多層膜の上から深溝の内周部、深溝の周囲部につながる裏面電極１５を形成する。この際に、各深溝１２の残りの深さがそれぞれの帯域のλ／２（あるいはλ／４）となるか、それより若干浅くなるように制御することが望ましい。

続いて、圧電薄膜形成工程において、各深溝１２内の裏面電極１５の上に圧電薄膜１６を厚さ方向にｃ軸成長させる。その厚さは、後で薄層化することを考慮すると、研磨時に平坦な面が出る厚さであればいくらでもよい。圧電薄膜１６としては、酸化亜鉛（ＺｎＯ）や窒化アルミ（ＡｌＮ）などが挙げられるが、強誘電体の高結合圧電材料などでもよい。

さらに、研磨工程において、圧電薄膜１６の形成後に表面を研磨して圧電薄膜の厚さをそれぞれの帯域ごとのλ／２（あるいはλ／４）となるまで薄層化する。表面を研磨する方法としては、例えば化学機械研磨（ＣＭＰ：Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ）のような手法が考えられるが、それ以外の手法を用いても構わない。この段階で、使用帯域に関係なく、圧電薄膜１６の表面の位置はほぼ同一面内にくることになる。

最後に、表面電極形成工程において、圧電薄膜１６の表面に表面電極１７を形成し、配線を引き回すことで、同一チップ上に複数の帯域に対応した弾性波フィルタを一括して形成することが可能となる。

以上の製造方法により、同一の基板１上に形成された深溝１２と、この深溝１２のそれぞれに形成された低音響インピーダンス層１３および高音響インピーダンス層１４からなる音響多層膜と、この音響多層膜のそれぞれの上面に形成された裏面電極１５と、この裏面電極１５のそれぞれの上面に形成された圧電薄膜１６と、この圧電薄膜１６のそれぞれの上面に形成された表面電極１７とを有する構造のＳＭＲ型弾性波フィルタを得ることができる。

よって、本実施の形態を用いると、棚田状の深溝１２を形成するプロセスと、裏面電極１５および表面電極１７の形成時を除き、マスクなしで薄膜プロセスを施すことが可能であり、マスク枚数の大幅な低減と、それによる低コスト化を実現することができる。

（実施の形態２）
本発明の実施の形態２を、図２を用いて説明する。図２は、本実施の形態のＳＭＲ型弾性波フィルタの製造方法および構造を示す断面図である。

ＳＭＲ型弾性波フィルタなどのバルク弾性波フィルタでは、弾性波の共振する方向、つまり厚さ方向に圧電薄膜をｃ軸配向させる。この圧電薄膜や、その下に形成する音響多層膜の厚さがその特性を支配するため、厚さの制御が重要な課題となっている。

一方、基板あるいはウェハ上で面方向にｃ軸配向した圧電薄膜を形成できれば、従来のバルク弾性波フィルタを９０度横に横転させた形のフィルタ構造を少ないマスク数・工程数で形成することが可能である。

本実施の形態においては、図２に示すように、まず、種電極形成工程において、基板（ウェハあるいはチップ）２１上に、圧電薄膜を面方向にｃ軸配向、厚さ方向にａ軸配向した膜として形成するための種電極２２となるような構造体を形成する。例えば、カンチレバーのような形状が挙げられる。

次に、圧電薄膜形成工程において、種電極２２から面方向にｃ軸配向した圧電薄膜２３を結晶成長させる。圧電薄膜２３は、使用帯域ごとに厚さが異なる条件で成長させる必要があるため、工程は帯域ごとに分けてもよいし、一旦同じ厚さの圧電薄膜を形成してから、次の種電極除去プロセスで厚さを調整してもよい。

さらに、種電極除去工程において、圧電薄膜２３の形成終了後、種電極２２をエッチングにより除去する。圧電薄膜２３の厚さ制御が重要であるため、ドライエッチングで除去することが望ましい。その際、上記のように圧電薄膜２３の厚さが帯域ごとに所定の値となるように、圧電薄膜２３までエッチングしても構わない。

続いて、音響インピーダンス膜形成工程において、種電極２２の除去後、音響多層膜となる一方の音響インピーダンス膜を圧電薄膜に接するように形成する。ここでは、例えばλ／２モード構成を例に、低音響インピーダンス膜２４を形成する。なお、λ／４モード構成の場合は、高音響インピーダンス膜を形成することになる。

さらに、電極・音響インピーダンス膜形成工程において、圧電薄膜２３に接する部分と、上記低音響インピーダンス膜２４が厚さλ／４ずつの離散的な並びとなるように、ドライエッチングで低音響インピーダンス膜２４をエッチングし、できた高アスペクト比の溝部に表面電極２５および裏面電極２６と、音響多層膜となるもう一方の高音響インピーダンス膜２７を成長させる。

最後に、研磨工程において、溝からはみ出した表面電極２５および裏面電極２６と高音響インピーダンス膜２７を研磨して削除することにより、バルク弾性波フィルタをほぼ従来構造と９０度傾いた形でウェハ上あるいはチップ上に一括して形成することができる。また、音響インピーダンス膜の厚さは、後半の音響インピーダンス膜を形成するためのエッチング時のマスク一枚でほぼ制御可能であり、帯域ごとにマスク、工程をわける必要がなくなる。

以上の製造方法により、同一の基板２１上の面方向にｃ軸配向、厚さ方向にａ軸配向させて形成され圧電薄膜２３からなる構造体と、この構造体のそれぞれを面方向に挟むように形成された表面電極２５および裏面電極２６と、裏面電極２６側に形成された低音響インピーダンス膜２４および高音響インピーダンス膜２７からなる音響多層膜とを有する構造のＳＭＲ型弾性波フィルタを得ることができる。

なお、本実施の形態の構造においては、音響多層膜の代わりに空間とし、圧電薄膜２３からなる構造体と、この構造体のそれぞれを挟むように形成された表面電極２５および裏面電極２６とを有する構造の弾性波フィルタとすることも可能である。また、音響多層膜は、表面電極２５側に形成することも可能である。

以上説明したように、本発明の実施の形態１、実施の形態２によれば、従来の音響多層膜形成におけるマスク枚数と工程数を低減し、ウェハあるいは同一チップ上にバルク弾性波フィルタ構造を一括形成することが可能となる。この結果、従来は高コスト化を避けるために別チップに形成してから配線基板上で並列配置していたバルク弾性波フィルタを低コストで一体化し、微小領域に一括して形成することが可能となるため、高周波無線通信回路用の半導体素子の上にフィルタを形成したり、あるいは、半導体素子と同一チップ上に横方向に並列配置する形で形成することにより、上記半導体素子と１チップ化したフィルタ構造を提供できるため、フットプリントの低減による低コスト化、配線層の引き回し距離の大幅低減による回路特性の向上を実現することができる。

以上、本発明者によってなされた発明を実施の形態に基づき具体的に説明したが、本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることはいうまでもない。

本発明による弾性波フィルタの製造技術は、携帯電話等の送受信回路において帯域通過フィルタとして用いられるＳＭＲ型弾性波フィルタの製造方法および構造に利用可能である。

本発明の実施の形態１における成膜プロセス及びＳＭＲ型弾性波フィルタの断面構造を示す図である。 本発明の実施の形態２における成膜プロセス及びＳＭＲ型弾性波フィルタの断面構造を示す図である。 従来のＳＭＲ型弾性波フィルタの断面構造を示す図である。

符号の説明

１…基板、２…表面電極、３…裏面電極、４…圧電薄膜、５…低音響インピーダンス層、６…高音響インピーダンス層、
１１…基板、１２…深溝、１３…低音響インピーダンス層、１４…高音響インピーダンス層、１５…裏面電極、１６…圧電薄膜、１７…表面電極、
２１…基板、２２…種電極、２３…圧電薄膜、２４…低音響インピーダンス膜、２５…表面電極、２６…裏面電極、２７…高音響インピーダンス膜。

Claims (9)

1. 同一基板上に複数の帯域に対応した複数の帯域通過フィルタが形成された弾性波フィルタであって、
   同一基板上に形成された、深さの異なる複数の溝と、
   前記溝のそれぞれに形成された、帯域ごとに厚さの異なる音響多層膜と、
   前記音響多層膜のそれぞれの上面に形成された第１の電極と、
   前記第１の電極のそれぞれの上面に形成された圧電薄膜と、
   前記圧電薄膜のそれぞれの上面に形成された第２の電極と、
   を有することを特徴とする弾性波フィルタ。
2. 同一基板上に複数の帯域に対応した複数の帯域通過フィルタを形成する弾性波フィルタの製造方法であって、
   同一基板上に深さの異なる複数の溝を形成する工程と、
   前記溝のそれぞれに帯域ごとに厚さの異なる音響多層膜を形成する工程と、
   前記音響多層膜のそれぞれの上面に第１の電極を形成する工程と、
   前記第１の電極のそれぞれの上面に圧電薄膜を形成する工程と、
   前記圧電薄膜のそれぞれの上面に第２の電極を形成する工程と、
   を有することを特徴とする弾性波フィルタの製造方法。
3. 請求項２記載の弾性波フィルタの製造方法において、
   前記圧電薄膜の上面と前記基板の裏面との間の距離は等しく、前記圧電薄膜の裏面と前記基板の裏面との間の距離は帯域ごとに異なることを特徴とする弾性波フィルタの製造方法。
4. 請求項２記載の弾性波フィルタの製造方法において、
   前記音響多層膜はインクジェットにより形成することを特徴とする弾性波フィルタの製造方法。
5. 請求項２記載の弾性波フィルタの製造方法において、
   前記圧電薄膜は前記溝内から厚さ方向にｃ軸成長させ、上面側から所定の膜厚に研磨した後に、前記第２の電極を形成することを特徴とする弾性波フィルタの製造方法。
6. 同一基板上に複数の帯域に対応した複数の帯域通過フィルタが形成された弾性波フィルタであって、
   同一基板上の面方向にｃ軸配向、厚さ方向にａ軸配向させて形成され、帯域に対応した異なる厚さを持つ複数の圧電薄膜構造体と、
   前記圧電薄膜構造体のそれぞれを面方向に挟むように形成された第１および第２の電極と、
   を有することを特徴とする弾性波フィルタ。
7. 請求項６記載の弾性波フィルタにおいて、
   前記第１および第２の電極の少なくとも一方に形成された、帯域ごとに異なる厚さを持つ音響多層膜をさらに有することを特徴とする弾性波フィルタ。
8. 同一基板上に複数の帯域に対応した複数の帯域通過フィルタを形成する弾性波フィルタの製造方法であって、
   同一基板上の面方向にｃ軸配向、厚さ方向にａ軸配向させて、帯域に対応した異なる厚さを持つ複数の圧電薄膜構造体を形成する工程と、
   前記圧電薄膜構造体のそれぞれを面方向に挟むように第１および第２の電極を形成する工程と、
   を有することを特徴とする弾性波フィルタの製造方法。
9. 請求項８記載の弾性波フィルタの製造方法において、
   前記第１および第２の電極の少なくとも一方に、使用帯域ごとに異なる厚さを持つ音響多層膜を形成する工程をさらに有することを特徴とする弾性波フィルタの製造方法。