JP2010232794A - 弾性表面波デバイス及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】帯域内でのリップル成分、帯域外でのスプリアス成分を減少させて機能を向上させるとともに、化学的影響による機能の劣化を防止することができるＳＡＷデバイス及びその製造方法を提供する。
【解決手段】機能領域Ａ１の圧電材料層３０を除く基板１の一部に、所定の表面粗さの凹凸を有する弾性表面波吸収部Ａ２が形成されてい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及びその製造方法に関するものである。

従来から、弾性表面波（Surface Acoustic Wave：ＳＡＷ）を利用した弾性表面波デバイス（以下、ＳＡＷデバイスという）が知られている。一般に、ＳＡＷデバイスは圧電材料層を備え、その表面に入力用と出力用の櫛歯状の電極が設けられている。入力用の電極に印可された電圧は、圧電材料層を伝播する所定の周波数のＳＡＷに変換される。このＳＡＷを出力用の電極により電圧として取り出すことで、入力信号から所定の周波数の出力信号を取り出すフィルターとして用いられている。

このようなＳＡＷデバイスにおいては、発生したＳＡＷが例えば素子の端面等により反射されて周波数の異なるＳＡＷやバルク波として出力側の電極に伝播することが知られている。これらは、出力側の電極において、帯域内でのリップル成分、帯域外でのスプリアス成分として検出され、ＳＡＷデバイスの機能が劣化する。

従来、ＳＡＷデバイスの機能の劣化を防止するため、電極構造列の間に弾性表面波を吸収又は散乱する遮断手段（溝）を設けるものが知られている（例えば、特許文献１参照）。また、特許文献１では、遮断手段として粘性の高いエポキシ系樹脂を配置することが記載されている。

５−１０２７８３号公報

しかしながら、特許文献１は、遮断手段が電極構造列間に設けられた溝であるため、電極構造列内において発生するＳＡＷデバイスの機能の劣化を防止することができないという課題がある。また、遮断手段として粘性の高いエポキシ系樹脂を配置すると、主に有機物を構成するＣ、Ｈ、Ｏを含むガスが発生し、化学的影響によるＳＡＷデバイスの機能の劣化を招く虞がある。

そこで、本発明は、帯域内でのリップル成分、帯域外でのスプリアス成分を減少させて機能を向上させるとともに、化学的影響による機能の劣化を防止することができるＳＡＷデバイス及びその製造方法を提供するものである。

上記の課題を解決するために、本発明のＳＡＷデバイスは、圧電材料層を有する基板と、前記圧電材料層上の機能領域に等間隔に設けられた少なくとも一対の櫛歯状電極と、を備えた弾性表面波素子であって、前記機能領域の前記圧電材料層を除く前記基板の一部に、所定の表面粗さの凹凸を有する弾性表面波吸収部が形成されていることを特徴とする。
このように構成することで、機能領域外に伝播するＳＡＷを弾性表面波吸収部により減衰させ、帯域内でのリップル成分、帯域外でのスプリアス成分を減少させ、ＳＡＷデバイスの機能を向上させることができる。また、有機物を用いることがないので、化学的影響による機能の劣化を防止することができる。

また、本発明のＳＡＷデバイスは、前記表面粗さは、算術平均粗さが前記弾性表面波の波長の１／２以上であることを特徴とする。
このように構成することで、弾性表面波吸収部に伝播したＳＡＷを十分に減衰させることができる。

また、本発明のＳＡＷデバイスは、前記表面粗さは、算術平均粗さが１μｍ以下であることを特徴とする。
このように構成することで、弾性表面波吸収部に伝播したＳＡＷがバルク波に変換されることを防止できる。

また、本発明のＳＡＷデバイスは、前記弾性表面波吸収部は、前記機能領域を除く圧電材料層の表面に形成されていることを特徴とする。
このように構成することで、機能領域の外に伝播するＳＡＷを減衰させることができる。

また、本発明のＳＡＷデバイスは、前記圧電材料層及び前記櫛歯状電極を覆う保護層が設けられ、前記弾性表面波吸収部は、前記機能領域を除く保護層の表面に設けられていることを特徴とする。
このように構成することで、機能領域外に伝播して保護層に到達したＳＡＷを減衰させることができる。

また、本発明のＳＡＷデバイスは、前記基板が、タンタル酸リチウム、ニオブ酸リチウム、ニオブ酸カリウム、水晶、シリコン、酸化シリコン、ダイヤモンド、石英、ガラス、ＰＺＴ、酸化亜鉛、窒化アルミニウム、窒化シリコン、サファイヤ、の中から選択される材料により形成されていることを特徴とする。
このように構成することで、所望の機能を備えたＳＡＷデバイスを形成できる。

本発明の第一実施形態におけるＳＡＷデバイスを示す図であり、（ａ）は斜視図、（ｂ）は（ａ）のＢ−Ｂ’線に沿う矢視断面図である。 縦軸をｄＢ、横軸を周波数として本実施形態のＳＡＷデバイスの特性を示すグラフである。 縦軸をｄＢ、横軸を周波数として従来のＳＡＷデバイスの特性を示すグラフである。

以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。なお、以下の各図面では、各層や各部材を図面上で認識可能な程度の大きさとするため、各層や部材毎に縮尺を適宜変更している。

図１（ａ）は、本実施形態の弾性表面波デバイス（以下、ＳＡＷデバイス１００という）の構成を示す斜視模式図であり、図１（ｂ）は図１（ａ）のＢ−Ｂ’線に沿う矢視断面図である。本実施形態のＳＡＷデバイス１００は、トランスバーサル型のＳＡＷフィルターである。

図１（ａ）及び図１（ｂ）に示すように、ＳＡＷデバイス１００は、基板１を有している。基板１は、支持基板１０と、ダイヤモンド層２０と、圧電材料層３０と、保護層４０と、により構成されている。圧電材料層３０の表面には、一対のグレーティング電極７１，７２が設けられている。一対のグレーティング電極７１，７２により、反射器７０が構成される。一対のグレーティング電極７１，７２の間には、一対のインターディジタルトランスデューサ（ＩＤＴ：Interdigital Transducer）５０，６０が設けられている。ここでは、ＩＤＴ５０が電気信号の入力部として機能し、ＩＤＴ６０が電気信号の出力部として機能する。

以下、図１（ａ）及び図１（ｂ）に示すｘｙｚ直交座標系を設定し、これに基づいて各部材の位置関係を説明する。このｘｙｚ直交座標系において、ＳＡＷデバイス１００の面方向において、一対のＩＤＴ５０，６０が並ぶ方向をｘ方向、ｘ方向と直交する方向をｙ方向、ＳＡＷデバイス１００の面方向と直交する厚み方向をｚ方向とする。

ＳＡＷデバイス１００では、ＩＤＴ５０からＩＤＴ６０に向かって（ｘ方向に沿って）伝播したＳＡＷが電気信号として取り出されるようになっている。一対のグレーティング電極７１，７２は、ｘ方向において、ＩＤＴ５０，６０を挟んで配置されている。

支持基板１０は、シリコンを材料として形成されている。支持基板１０の材料としては、シリコン以外にも、半導体材料、ガラス材料、石英材料、セラミックス材料、サファイア材料、ポリイミド又はポリカーボネイト等の樹脂材料等を用いることができる。

ダイヤモンド層２０は、ＳＡＷが伝播する伝播媒体として機能する。ダイヤモンド層２０としては、単結晶のもの、多結晶のもの、非晶質のもの、ダイヤモンドライクカーボン（ＤＬＣ）からなるもの、のいずれを用いても良い。

圧電材料層３０は、圧電材料である水晶により形成されている。ＩＤＴ５０により電圧波形が印加されると、圧電材料層３０に歪みを生じて、電圧波形に応じたＳＡＷが発生する。圧電材料層の材料としては、水晶以外にも、タンタル酸リチウム、ニオブ酸リチウム、ニオブ酸カリウム、ＰＺＴ、酸化亜鉛、窒化アルミニウム、のいずれを用いてもよい。

保護層４０は、圧電材料層３０、ＩＤＴ５０，６０、及び反射器７０を覆うように設けられている。保護層４０は、例えばＳｉＯ_２等の酸化シリコンを材料として形成されている。保護層４０の材料としては、酸化シリコン以外にも、窒化シリコン等を用いることができる。

ＩＤＴ５０は、一対の櫛歯電極５１，５２を有している。櫛歯電極５１は、複数の枝部５１ｂと、複数の枝部５１ｂに共通して設けられた幹部５１ａを有している。なお、図１（ａ）及び図１（ｂ）には、３本の枝部５１ｂを図示しているが、実際には多数（例えば１５０本、櫛歯電極５１，５２の合計で３００本）が設けられている。

複数の枝部５１ｂの各々は、ＩＤＴ５０，６０が並ぶ方向（ｘ方向）と直交する方向（ｙ方向）に延設されている。複数の枝部５１ｂは、互いに平行に設けられ、ｘ方向に等間隔に配置されている。幹部５１ａは、複数の枝部５１ｂの各々における一方の端部と接続されている。幹部５１ａは、電気信号の供給源と電気的に接続されており、ＳＡＷデバイス１００における入力側の電極パッドとして機能する。幹部５１ａ及び複数の枝部５１ｂは、いずれも導電材料により形成されている。

櫛歯電極５２は、櫛歯電極５１と同様に形成され、幹部５２ａと複数の枝部５２ｂとを有している。ｙ方向において枝部５１ｂ及び５２ｂを挟む一方の側（ｙ正方向側）に幹部５１ａが配置されており、他方の側（ｙ負方向側）に幹部５２ａが配置されている。ｘ方向において枝部５１ｂ，５２ｂは、交互に等間隔で並んでいる。枝部５１ｂ，５２ｂが交互に並ぶ櫛歯電極５１，５２では、ＳＡＷの波長λが枝部５１ｂ，５２ｂの間隔ｄを用いて、λ＝４ｄで表される。

ＩＤＴ６０は、ＩＤＴ５０と同様の形状になっており、櫛歯電極６１，６２を有している。櫛歯電極６１は、幹部６１ａと複数の枝部６１ｂとを有しており、櫛歯電極６２は、幹部６２ａと複数の枝部６２ｂとからなっている。

グレーティング電極７１，７２は、枝部５１ｂ，５２ｂと同じ方向に延在する複数の帯状部７１ｂ，７２ｂを有している。複数の帯状部は、互いに平行して等間隔で並んでいる。なお、図１（ａ）及び図１（ｂ）には、それぞれ５本の帯状部７１ｂ，７２ｂを図示しているが、実際には多数（例えば２００本）設けられる。グレーティング電極７１，７２により反射器７０が構成されている。

本実施形態では、グレーティング電極７１の帯状部７１ｂ、櫛歯電極５１，５２の枝部５１ｂ，５２ｂ、櫛歯電極６１，６２の枝部６１ｂ，６２ｂ、及び、グレーティング電極７２の帯状部７２ｂの形成領域が、ＳＡＷデバイス１００の機能領域Ａ１となっている。機能領域Ａ１における圧電材料層３０の表面は平滑に設けられている。
機能領域Ａ１の外側の圧電材料層３０の表面は、微細な凹凸が無数に設けられた弾性表面波吸収部（以下、ＳＡＷ吸収部Ａ２という）となっている。

ＳＡＷ吸収部Ａ２は、機能領域Ａ１を取り囲むように、機能領域Ａ１の周囲に設けられている。ＳＡＷ吸収部Ａ２は、例えば、ＣＦ_４を材料ガスとするドライエッチングにより、所定の表面粗さとなるように設けられている。ＳＡＷ吸収部Ａ２は、例えば、ＳＡＷの波長λの１／２程度の表面粗さ（算術平均粗さ）Ｒａ以上になるように設けられている。また、ＳＡＷ吸収部Ａ２は、表面粗さＲａが１μｍ以下であることが望ましい。

ＳＡＷ吸収部Ａ２を形成する際には、まず、圧電材料層３０の表面にレジスト層を形成し、フォトリソグラフィ法、エッチング法によりパターニングする。これにより、機能領域Ａ１のレジスト層を残してそれ以外の部分のレジスト層を除去する。そして、レジスト層を介してＣＦ_４を材料ガスとするドライエッチングにより圧電材料層３０の表面を加工する。

この際、圧電材料層３０の表面に微細な凹凸を形成することが目的であるため、エッチング時に生成されたラジカルが圧電材料層の表面により多く衝突するような条件でエッチングを行うことが好ましい。エッチングの終了後、レジスト層を除去することで、表面が平滑な機能領域Ａ１と所定の表面粗さのＳＡＷ吸収部Ａ２とを有する圧電材料層３０が形成される。その後、機能領域Ａ１にＩＤＴ５０，６０、グレーティング電極７１，７２を形成し、これらを覆うように保護層４０を形成する。

図１（ａ）に示すＳＡＷデバイス１００のＩＤＴ５０に電気信号が入力されると、枝部５１ｂ，５２ｂの間に電気信号に応じた電圧波形が印加され、ＳＡＷが発生する。発生したＳＡＷは機能領域Ａ１を伝播してＩＤＴ６０に入射する。すると、機能領域Ａ１の枝部６１ｂ，６２ｂの間にＳＡＷの振動に伴う圧電材料層３０の歪みに応じて、電位差が生じる。この電位差により、ＩＤＴ６０から電気信号が出力される。これにより、ＳＡＷの振動数に応じた所定の周波数の電気信号を取り出すことができる。

グレーティング電極７１は、ＩＤＴ５０からグレーティング電極７１に向かって機能領域Ａ１を伝播するＳＡＷを反射させて、ＩＤＴ６０側に伝播させる。グレーティング電極７２は、ＩＤＴ６０からグレーティング電極７２に向かって機能領域Ａ１を伝播するＳＡＷを反射させて、ＩＤＴ５０側に伝播させる。これにより、ＳＡＷは、反射器７０の内側の機能領域Ａ１で往復する。そのため、ＳＡＷの減衰が少なくなり、入出力の効率が向上する。

ＩＤＴ５０への電圧波形の印加により発生したＳＡＷは、機能領域Ａ１の外側へも伝播する。従来のＳＡＷデバイスでは、機能領域の外側へ伝播したＳＡＷが素子の端縁により反射され、ＳＡＷデバイスの機能の劣化を招いていた。

一方、本実施形態のＳＡＷデバイス１００では、機能領域Ａ１の外側にＳＡＷ吸収部Ａ２が設けられている。機能領域Ａ１の外側へ伝播したＳＡＷは所定の表面粗さＲａを有するＳＡＷ吸収部Ａ２へ入射する。ＳＡＷ吸収部Ａ２では、表面が平滑な機能領域Ａ１と比較して伝播するＳＡＷが大きく減衰する。このとき、ＳＡＷ吸収部Ａ２の表面粗さＲａをＳＡＷの波長λの１／２以上とすることで、より効果的にＳＡＷを減衰させることができる。

また、表面粗さＲａが１μｍよりも大きいと、ＳＡＷが大きなバルク波として変換されるため、ＳＡＷの減衰による効果が得られない。したがって、表面粗さＲａは例えば数ｎｍ〜数百ｎｍ程度であることが望ましい。本実施形態では、表面粗さＲａをＳＡＷの波長λに応じて例えば１０ｎｍ〜１００ｎｍ程度に設定する。

図２は、縦軸をｄＢ、横軸を規格化した周波数として、本実施形態のＳＡＷデバイス１００の特性を示すグラフである。図３は、図２と同様に従来のＳＡＷデバイスの特性を示すグラフである。
図３に示すように、ＳＡＷ吸収部を有さない従来のＳＡＷデバイスでは、出力信号に多くのリップル成分、スプリアス成分が含まれている。一方、図２に示すように、本実施形態のＳＡＷデバイスにおいては、これらが減少し、比較的滑らかな信号が得られている。

以上説明したように、本実施形態のＳＡＷデバイス１００によれば、機能領域Ａ１外に伝播するＳＡＷをＳＡＷ吸収部Ａ２により減衰させ、帯域内でのリップル成分、帯域外でのスプリアス成分を減少させ、ＳＡＷデバイス１００の機能を向上させることができる。また、有機物を用いることがないので、化学的影響による機能の劣化を防止することができる。

尚、この発明は上述した実施の形態に限られるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。例えば、ＳＡＷ吸収部は、機能領域を除く保護層の表面に設けられていてもよい。これにより、機能領域外に伝播して保護層に到達したＳＡＷを減衰させることができる。また、機能領域は櫛歯電極及びグレーティング電極の形成領域よりも外側の領域を含むように設けてもよい。

１ 基板、３０ 圧電材料層、４０ 保護層、５０，６０ ＩＤＴ（櫛歯状電極）、１００ 弾性表面波（ＳＡＷ）デバイス、Ａ１ 機能領域、Ａ２ 弾性表面波（ＳＡＷ）吸収部

Claims (7)

1. 圧電材料層を有する基板と、前記圧電材料層上の機能領域に等間隔に設けられた少なくとも一対の櫛歯状電極と、を備えた弾性表面波デバイスであって、
   前記機能領域の前記圧電材料層を除く前記基板の一部に、所定の表面粗さの凹凸を有する弾性表面波吸収部が形成されていること
   を特徴とする弾性表面波デバイス。
2. 前記表面粗さは、算術平均粗さが前記弾性表面波の波長の１／２以上であること
   を特徴とする請求項１に記載の弾性表面波デバイス。
3. 前記表面粗さは、算術平均粗さが１μｍ以下であること
   を特徴とする請求項２に記載の弾性表面波デバイス。
4. 前記弾性表面波吸収部は、前記機能領域を除く圧電材料層の表面に形成されていること
   を特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか一項に記載の弾性表面波デバイス。
5. 前記圧電材料層及び前記櫛歯状電極を覆う保護層が設けられ、
   前記弾性表面波吸収部は、前記機能領域を除く保護層の表面に設けられていること
   を特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか一項に記載の弾性表面波デバイス。
6. 前記基板が、タンタル酸リチウム、ニオブ酸リチウム、ニオブ酸カリウム、水晶、シリコン、酸化シリコン、ダイヤモンド、石英、ガラス、ＰＺＴ、酸化亜鉛、窒化アルミニウム、窒化シリコン、サファイヤ、の中から選択される材料により形成されていること
   を特徴とする請求項１ないし請求項５のいずれか一項に記載の弾性表面波デバイス。
7. 圧電材料層を有する基板と、前記圧電材料層上の機能領域に等間隔に設けられた少なくとも一対の櫛歯状電極と、を備えた弾性表面波デバイスの製造方法であって、
   前記機能領域の前記圧電材料層を除く前記基板の一部にドライエッチングを行って、所定の表面粗さの凹凸を有する弾性表面波吸収部を形成することを特徴とする弾性表面波デバイスの製造方法。

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