JP2017158090A - Ｂａｗデバイス及びｂａｗデバイスの製造方法 - Google Patents

Ｂａｗデバイス及びｂａｗデバイスの製造方法 Download PDF

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Abstract

【課題】製造時の環境への負荷を低く抑えたＢＡＷデバイスを提供する。【解決手段】ＢＡＷデバイス１１は、基板１３と、基板の表面１３ａに形成された共振ユニット１５を備える。共振ユニット１５は、下方側（基板１３側）に形成された音響多層膜と１７、その上方に圧電素子２３を有した構造で、基板の裏面側には、基板の裏面を部分的に溶融して形成される凹部でなる弾性波拡散領域３１が設けられている。【選択図】図１

Description

本発明は、物質の内部を伝播するバルク弾性波（ＢＡＷ：Bulk Acoustic Wave）を利用したＢＡＷデバイス及びその製造方法に関する。
携帯電話機をはじめとする無線通信機器では、所望の周波数帯域の電気信号のみを通過させるバンドパスフィルタが重要な役割を担っている。このバンドパスフィルタの一つとして、表面弾性波（ＳＡＷ：Surface Acoustic Wave）を利用したＳＡＷデバイス（ＳＡＷフィルタ）が知られている。
ＳＡＷデバイスは、例えば、水晶（ＳｉＯ２）等の圧電材料でなる結晶基板と、結晶基板の表面に形成された櫛歯状の電極（ＩＤＴ：Inter Digital Transducer）とで構成されており、圧電材料の種類や電極の間隔等に応じて決まる周波数帯域の電気信号のみを通過させる。
ところで、このＳＡＷデバイスでは、入力側の電極近傍で発生した弾性波の一部が、結晶基板の内部を伝播して裏面側で反射されることがある。反射された弾性波が出力側の電極に到達すると、ＳＡＷデバイスの周波数特性は劣化してしまう。そこで、弾性波が散乱され易くなるように結晶基板の裏面に微細な凹凸構造を形成して、反射された弾性波の電極へ到達を防いでいる（例えば、特許文献１参照）。
特開２００３−８３９６号公報
近年では、ＳＡＷデバイスの発展形として、物質の内部を伝播するバルク弾性波（ＢＡＷ：Bulk Acoustic Wave）を利用したＢＡＷデバイス（ＢＡＷフィルタ）が注目を集めている。ＢＡＷデバイスは、例えば、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）等の圧電材料でなる圧電膜をモリブデン（Ｍｏ）等による電極で挟み込んだ共振器（圧電素子）を備えている。
この共振器は、例えば、シリコン（Ｓｉ）等の半導体材料でなる基板上に形成される。ＢＡＷデバイスは、ＳＡＷデバイスのような櫛歯状の電極構造を持たないので、低損失化、高耐電力化に有利である。また、圧電材料でなる結晶基板を用いる必要が無いので、他の能動デバイスと一体に形成することも可能である。
ＢＡＷデバイスを製造する際には、例えば、表面側に複数の共振器が形成された基板の裏面を研削して所定の厚みまで薄くしてから、ダイシングによって各共振器に対応する複数のＢＡＷデバイスへと分割する。このＢＡＷデバイスでも、基板の裏面側で反射される弾性波によって周波数特性が劣化するので、上述の工程中では、微細な凹凸構造が形成されるように粗い研削を実施し、発生する機械的な歪をエッチングで除去している。
しかしながら、研削によって発生する機械的な歪を除去するためにエッチングを採用すると、環境への負荷が大きくなってしまうという問題がある。本発明はかかる問題点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、製造時の環境への負荷を低く抑えたＢＡＷデバイス及びＢＡＷデバイスの製造方法を提供することである。
本発明の一態様によれば、基板と、該基板の表面に形成された圧電素子と、を備えるＢＡＷデバイスであって、該基板の裏面側には、該基板の裏面を部分的に溶融して形成される凹部を含む弾性波拡散領域が設けられていることを特徴とするＢＡＷデバイスが提供される。
また、本発明の別の一態様によれば、上記ＢＡＷデバイスを製造するＢＡＷデバイスの製造方法であって、該基板の裏面側から該基板に対して吸収性を有する波長のレーザー光線を照射し、該基板の裏面を部分的に溶融することで、凹部を含む弾性波拡散領域を形成する弾性波拡散領域形成工程を備えることを特徴とするＢＡＷデバイスの製造方法が提供される。
本発明に係るＢＡＷデバイスは、基板の裏面を部分的に溶融して形成される凹部を含む弾性波拡散領域を備えるので、従来のＢＡＷデバイスのように、基板の裏面を粗く研削して微細な凹凸構造を形成する必要が無い。よって、研削によって生じる機械的な歪を除去するためにエッチングを採用する必要がなく、製造時の環境への負荷を低く抑えることができる。
図１（Ａ）は、ＢＡＷデバイスの上面側外観を模式的に示す斜視図であり、図１（Ｂ）は、ＢＡＷデバイスの下面側外観を模式的に示す斜視図であり、図１（Ｃ）は、ＢＡＷデバイスの積層構造を模式的に示す断面図である。 図２（Ａ）は、複数の共振ユニットが形成された基板の構成例を模式的に示す斜視図であり、図２（Ｂ）は、複数の共振ユニットが形成された基板の構成例を模式的に示す断面図である。 レーザー加工装置の構成例を模式的に示す斜視図である。 図４（Ａ）は、弾性波拡散領域形成工程を模式的に示す一部断面側面図であり、図４（Ｂ）は、改質層形成工程を模式的に示す一部断面側面図である。 図５（Ａ）及び図５（Ｂ）は、分割工程を模式的に示す一部断面側面図である。
添付図面を参照して、本発明の一態様に係る実施形態について説明する。図１（Ａ）は、ＢＡＷデバイスの上面側外観を模式的に示す斜視図であり、図１（Ｂ）は、ＢＡＷデバイスの下面側外観を模式的に示す斜視図であり、図１（Ｃ）は、ＢＡＷデバイスの積層構造を模式的に示す断面図である。
図１（Ａ）、図１（Ｂ）及び図１（Ｃ）に示すように、本実施形態に係るＢＡＷデバイス（ＢＡＷデバイスチップ）１１は、結晶性シリコン（Ｓｉ）等の半導体材料でなる矩形状の基板１３を備えている。基板１３の第１面（表面）１３ａには、各種機能を有する膜を積層した共振ユニット１５が設けられている。
共振ユニット１５は、下方側（基板１３側）に形成された音響多層膜１７を含む。音響多層膜１７は、音響インピーダンスの低い酸化シリコン（ＳｉＯ２）等の材料でなる第１の膜１９と、音響インピーダンスの高いタングステン（Ｗ）等の材料でなる第２の膜２１と、を交互に重ねて形成されている。
音響多層膜１７の上方（基板１３と反対側）には、共振器（圧電素子）２３が設けられている。共振器２３は、モリブデン（Ｍｏ）等の導電材料でなる下部電極２５と、下部電極２５の上面に形成され窒化アルミニウム（ＡｌＮ）等の圧電材料でなる圧電膜２７と、圧電膜２７の上面に形成されモリブデン等の導電材料でなる上部電極２９と、を含む。
この共振器２３は、圧電膜２７で発生するバルク弾性波を、下部電極２５、圧電膜２７、上部電極２９の材質、厚み等によって決まる中心周波数で共振させる。音響多層膜１７を構成する第１の膜１９及び第２の膜２１は、上記中心周波数で共振したバルク弾性波の各膜中での波長の１／４の厚みに形成されており、共振器２３で共振したバルク弾性波を互いに強め合う条件で反射する。これにより、共振器２３で発生したバルク弾性波の基板１３への伝播を抑制できる。
ところが、このように構成されたＢＡＷデバイス１１であっても、圧電膜２７から発生したバルク弾性波が基板１３側に僅かに漏れ出ることがある。このバルク弾性波が基板１３の第２面（裏面）１３ｂ等で反射して共振器２３に再び入射すると、ＢＡＷデバイス１１の周波数特性は劣化してしまう。
そこで、本実施形態に係るＢＡＷデバイス１１では、バルク弾性波を拡散（散乱）させる複数の弾性波拡散領域３１を基板１３の第２面１３ｂに設けている。この弾性波拡散領域３１は、基板１３の第２面１３ｂをレーザー光線で部分的に溶融、除去して形成される凹部を含む。
凹部の近傍の領域は、溶融、再固化を経て改質（例えば、非晶質化）されている。そのため、基板１３中を伝播するバルク弾性波の伝播特性は、凹部の近傍の領域で変化する。つまり、バルク弾性波の進行方向も、凹部の近傍の領域で変わる。なお、凹部に到達したバルク弾性波は、この凹部においても拡散（散乱）される。
弾性波拡散領域３１を構成する凹部の大きさ、ピッチ等の条件は、バルク弾性波を適切に拡散できる範囲で任意に調整できる。なお、本実施形態では、大きさ（幅）が７μｍ〜８μｍの凹部を、１１μｍ×１５μｍのピッチで形成している。このような凹部を基板１３の第２面１３ｂに形成することで、基板１３の内部を伝播するバルク弾性波を拡散させて共振器２３への入射を抑制できる。
よって、本実施形態では、バルク弾性波を拡散させるために基板の裏面を粗く研削して微細な凹凸構造を形成する必要が無い。すなわち、研削によって生じる機械的な歪を除去するために基板１３をエッチングする必要もないので、製造時の環境への負荷を低く抑えることができる。
なお、この弾性波拡散領域３１は、圧電膜２７から漏れ出たバルク弾性波を拡散させるだけでなく、他の要因で発生するバルク弾性波等のノイズ成分を拡散させることもできる。そのため、本実施形態に係るＢＡＷデバイス１１では、従来のＢＡＷデバイスと比較して優れた周波数特性を実現できる。
次に、上述したＢＡＷデバイス１１を製造するＢＡＷデバイスの製造方法について説明する。はじめに、複数の共振ユニット１５が形成された基板を用意する。図２（Ａ）は、複数の共振ユニット１５が形成された基板の構成例を模式的に示す斜視図であり、図２（Ｂ）は、複数の共振ユニット１５が形成された基板の構成例を模式的に示す断面図である。
基板３３は、例えば、シリコン等の半導体材料でなる円形のウェーハである。この基板３３の第１面（表面）３３ａは、格子状に配列された分割予定ライン（ストリート）３５で複数の領域に区画されており、各領域には、上述した共振ユニット１５が設けられている。
基板３３を分割予定ライン３５に沿って分割することで、矩形状の基板１３を含むＢＡＷデバイス１１を製造できる。なお、基板３３の材質、厚み等の条件は、弾性波拡散領域３１を適切に形成できる範囲で任意に変更できる。例えば、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）等のセラミックでなる基板３３を用いても良い。
上述した基板３３を用意した後には、基板３３の内部に弾性波拡散領域３１を形成する弾性波拡散領域形成工程を実施する。図３は、弾性波拡散領域形成工程等に使用されるレーザー加工装置の構成例を模式的に示す斜視図であり、図４（Ａ）は、弾性波拡散領域形成工程を模式的に示す一部断面側面図である。図３に示すように、レーザー加工装置２は、各構造が搭載される基台４を備えている。
基台４の上面には、基板３３を吸引、保持するチャックテーブル６をＸ軸方向（加工送り方向）及びＹ軸方向（割り出し送り方向）に移動させる水平移動機構８が設けられている。水平移動機構８は、基台４の上面に固定されＸ軸方向に概ね平行な一対のＸ軸ガイドレール１０を備えている。
Ｘ軸ガイドレール１０には、Ｘ軸移動テーブル１２がスライド可能に取り付けられている。Ｘ軸移動テーブル１２の裏面側（下面側）には、ナット部（不図示）が設けられており、このナット部には、Ｘ軸ガイドレール１０に概ね平行なＸ軸ボールネジ１４が螺合されている。
Ｘ軸ボールネジ１４の一端部には、Ｘ軸パルスモータ１６が連結されている。Ｘ軸パルスモータ１６でＸ軸ボールネジ１４を回転させることにより、Ｘ軸移動テーブル１２はＸ軸ガイドレール１０に沿ってＸ軸方向に移動する。Ｘ軸ガイドレール１０に隣接する位置には、Ｘ軸移動テーブル１２の位置を検出するためのＸ軸スケール１８が設置されている。
Ｘ軸移動テーブル１２の表面（上面）には、Ｙ軸方向に概ね平行な一対のＹ軸ガイドレール２０が固定されている。Ｙ軸ガイドレール２０には、Ｙ軸移動テーブル２２がスライド可能に取り付けられている。Ｙ軸移動テーブル２２の裏面側（下面側）には、ナット部（不図示）が設けられており、このナット部には、Ｙ軸ガイドレール２０に概ね平行なＹ軸ボールネジ２４が螺合されている。
Ｙ軸ボールネジ２４の一端部には、Ｙ軸パルスモータ２６が連結されている。Ｙ軸パルスモータ２６でＹ軸ボールネジ２４を回転させることにより、Ｙ軸移動テーブル２２はＹ軸ガイドレール２０に沿ってＹ軸方向に移動する。Ｙ軸ガイドレール２０に隣接する位置には、Ｙ軸移動テーブル２２の位置を検出するためのＹ軸スケール２８が設置されている。
Ｙ軸移動テーブル２２の表面側（上面側）には、支持台３０が設けられており、この支持台３０の上部には、チャックテーブル６が配置されている。チャックテーブル６の表面（上面）は、上述した基板３３の第２面（裏面）３３ｂ側を吸引、保持する保持面６ａとなっている。
この保持面６ａは、チャックテーブル６の内部に形成された吸引路（不図示）等を通じて吸引源（不図示）に接続されている。チャックテーブル６の下方には、回転駆動源（不図示）が設けられており、チャックテーブル６は、この回転駆動源によってＺ軸方向に概ね平行な回転軸の周りに回転する。
水平移動機構８の後方には、柱状の支持構造３２が設けられている。支持構造３２の上部には、Ｙ軸方向に伸びる支持アーム３４が固定されており、この支持アーム３４の先端部には、パルス発振されたレーザー光線をチャックテーブル６上の基板３３に照射するレーザー照射ユニット３６が設けられている。
レーザー照射ユニット３６に隣接する位置には、基板３３の第１面３３ａ側を撮像するカメラ３８が設けられている。カメラ３８で基板３３等を撮像して形成された画像は、例えば、基板３３とレーザー照射ユニット３６との位置等を調整する際に使用される。
チャックテーブル６、水平移動機構８、レーザー照射ユニット３６、カメラ３８等の各構成要素は、制御ユニット（不図示）に接続されている。制御ユニットは、基板３３が適切に加工されるように各構成要素の動作を制御する。
弾性波拡散領域形成工程では、図４（Ａ）に示すように、まず、基板３３の第１面３３ａ側（共振ユニット１５側）に保護テープ３７を貼り付ける。次に、この保護テープ３７と保持面６ａとが対面するように基板３３をチャックテーブル６に載せ、保持面６ａに吸引源の負圧を作用させる。これにより、基板３３は、第２面３３ｂ側が上方に露出した状態でチャックテーブル６に吸引、保持される。
次に、チャックテーブル６を移動、回転させて、レーザー加工ユニット３６を弾性波拡散領域３１の形成開始位置に合わせる。そして、図４（Ａ）に示すように、基板３３に吸収され易い波長（吸収性を有する波長）のレーザー光線Ｌ１をレーザー加工ユニット３６から基板３３に向けて照射しながら、チャックテーブル６を水平方向に移動させる。
ここで、レーザー光線Ｌ１の集光点は、基板３３の第２面３３ｂの近傍に位置付けられる。このように、基板３３に吸収され易い波長のレーザー光線Ｌ１を、基板３３の第２面３３ｂ側から第２面３３ｂ近傍に集光させた状態で照射することにより、基板３３の第２面３３ｂ側を部分的に溶融、除去して、弾性波拡散領域３１を構成する凹部を形成できる。
このような方法（アブレーション加工）で形成された凹部の近傍の領域は、溶融、再固化を経て改質（例えば、非晶質化）されている。そのため、基板１３中を伝播するバルク弾性波の伝播特性は、凹部の近傍の領域で変化する。つまり、バルク弾性波の進行方向も、凹部の近傍の領域で変わる。このように、バルク弾性波は、凹部及びその近傍の領域で適切に拡散（散乱）される。
例えば、シリコンでなる基板３３に、７μｍ〜８μｍの大きさ（幅）の凹部を１１μｍ×１５μｍのピッチで形成する場合の条件は、次のように設定される。
波長：５３２ｎｍ（ＹＶＯ４パルスレーザー）
繰り返し周波数：２００ｋＨｚ
出力：０．２Ｗ
このような条件で、分割予定ライン３５の近傍を除く基板３３の概ね全体に、弾性波拡散領域３１を構成する凹部が形成されると、弾性波拡散領域形成工程は終了する。なお、加工の条件はこれに限定されず、弾性波拡散領域３１を構成する凹部の大きさやピッチ等に合わせて任意に変更できる。
弾性波拡散領域形成工程の後には、基板３３の分割予定ライン３５に沿って分割の起点となる改質層を形成する改質層形成工程を実施する。図４（Ｂ）は、改質層形成工程を模式的に示す一部断面側面図である。改質層形成工程は、弾性波拡散領域形成工程と同様のレーザー加工装置２を用いて実施できる。ただし、この改質層形成工程では、基板３３に吸収され難い波長（透過性を有する波長）のレーザー光線をレーザー加工ユニット３６から照射する必要がある。
具体的には、まず、チャックテーブルを移動、回転させて、レーザー加工ユニット３６を加工対象となる分割予定ライン３５の端部に合わせる。そして、図４（Ｂ）に示すように、基板３３に吸収され難い波長（透過性を有する波長）のレーザー光線Ｌ２をレーザー加工ユニット３６から基板３３に向けて照射しながら、チャックテーブル６を加工対象の分割予定ライン３５に平行な方向に移動させる。
すなわち、基板３３に吸収され難い波長のレーザー光線Ｌ２を、基板３３の裏面１３ｂ側から分割予定ライン３５に沿って照射する。ここで、レーザー光線Ｌ２の集光点の位置は、基板３３の内部に合わせておく。これにより、基板３３の内部を加工対象の分割予定ライン３５に沿って改質して、改質層３９を形成できる。
例えば、シリコンでなる基板３３に、改質層３９を形成する場合の条件は、次のように設定される。
波長：１０６４ｎｍ（ＹＶＯ４パルスレーザー）
繰り返し周波数：１００ｋＨｚ
出力：１Ｗ〜１．５Ｗ
移動速さ（加工送り速さ）：１００ｍｍ／ｓ
なお、レーザー光線Ｌ２のパワー密度等の条件は、基板３３の内部に適切な改質層３９を形成できる範囲で調整される。この手順を繰り返し、全ての分割予定ライン３５に沿って改質層３９が形成されると、改質層形成工程は終了する。
改質層形成工程の後には、基板３３に外力を付与して、基板３３を分割予定ライン１５に沿って複数の基板１３（ＢＡＷデバイス１１）に分割する分割工程を実施する。図５（Ａ）及び図５（Ｂ）は、分割工程を模式的に示す一部断面側面図である。
分割工程では、まず、基板３３の第２面３３ｂにエキスパンドテープ４１を貼り付け、このエキスパンドテープ４１の外周部分に環状のフレーム４３を固定する。併せて、基板３３の第１面３３ａに貼り付けられている保護テープを剥離、除去する。
図５（Ａ）及び図５（Ｂ）に示すように、エキスパンド装置６２は、基板３３を支持する支持構造６４と、基板３３に貼り付けられたエキスパンドテープ４１を拡張する円筒状の拡張ドラム６６とを備えている。拡張ドラム６６の内径は、基板３３の径より大きく、拡張ドラム６６の外径は、フレーム４３の内径より小さい。
支持構造６４は、フレーム４３を支持するフレーム支持テーブル６８を含む。このフレーム支持テーブル６８の上面は、フレーム４３を支持する支持面となっている。フレーム支持テーブル６８の外周部分には、フレーム４３を固定する複数のクランプ７０が設けられている。
支持構造６４の下方には、昇降機構７２が設けられている。昇降機構７２は、下方の基台（不図示）に固定されたシリンダケース７４と、シリンダケース７４に挿入されたピストンロッド７６とを備えている。ピストンロッド７６の上端部には、フレーム支持テーブル６８が固定されている。
この昇降機構７２は、拡張ドラム６６の上端に等しい高さの基準位置と拡張ドラム６６の上端より下方の拡張位置との間でフレーム支持テーブル６８の上面（支持面）が移動するように、支持構造６４を昇降させる。
分割工程では、図５（Ａ）に示すように、基準位置に移動させたフレーム支持テーブル６８の上面にフレーム４３を載せ、クランプ７０で固定する。これにより、拡張ドラム６６の上端は、基板３３とフレーム４３との間に位置するエキスパンドテープ４１に接触する。
次に、昇降機構７２で支持構造６４を下降させて、図５（Ｂ）に示すように、フレーム支持テーブル６８の上面を拡張ドラム６６の上端より下方の拡張位置に移動させる。その結果、拡張ドラム６６はフレーム支持テーブル６８に対して上昇し、エキスパンドテープ４１は拡張ドラム６６で押し上げられるように拡張する。
エキスパンドテープ４１が拡張されると、基板３３にはエキスパンドテープ４１を拡張する方向の外力が付与される。これにより、基板３３は、改質層３９を起点に複数の基板１３に分割され、ＢＡＷデバイス１１が完成する。
なお、本発明は、上記実施形態の記載に限定されず、種々変更して実施可能である。例えば、上記実施形態では、弾性波拡散領域形成工程の後に改質層形成工程を実施しているが、改質層形成工程の後に弾性波拡散領域形成工程を実施しても良い。
また、上記実施形態の分割工程では、エキスパンド装置６２を用いて基板３３を分割しているが、例えば、基板３３を分割予定ライン１５に沿って押圧刃で押圧する方法等を用いて基板３３を分割することもできる。
その他、上記実施形態に係る構造、方法等は、本発明の目的の範囲を逸脱しない限りにおいて適宜変更して実施できる。
１１ ＢＡＷデバイス
１３ 基板
１３ａ 第１面（表面）
１３ｂ 第２面（裏面）
１５ 共振ユニット
１７ 音響多層膜
１９ 第１の膜
２１ 第２の膜
２３ 共振器（圧電素子）
２５ 下部電極
２７ 圧電膜
２９ 上部電極
３１ 弾性波拡散領域
３３ 基板
３３ａ 第１面（表面）
３３ｂ 第２面（裏面）
３５ 分割予定ライン（ストリート）
３７ 保護テープ
３９ 改質層
４１ ダイシングテープ
４３ フレーム
Ｌ１，Ｌ２ レーザー光線
２ レーザー加工装置
４ 基台
６ チャックテーブル
６ａ 保持面
８ 水平移動機構
１０ Ｘ軸ガイドレール
１２ Ｘ軸移動テーブル
１４ Ｘ軸ボールネジ
１６ Ｘ軸パルスモータ
１８ Ｘ軸スケール
２０ Ｙ軸ガイドレール
２２ Ｙ軸移動テーブル
２４ Ｙ軸ボールネジ
２６ Ｙ軸パルスモータ
２８ Ｙ軸スケール
３０ 支持台
３２ 支持構造
３４ 支持アーム
３６ レーザー照射ユニット
３８ カメラ
６２ エキスパンド装置
６４ 支持構造
６６ 拡張ドラム
６８ フレーム支持テーブル
７０ クランプ
７２ 昇降機構
７４ シリンダケース
７６ ピストンロッド

Claims (2)

  1. 基板と、該基板の表面に形成された圧電素子と、を備えるＢＡＷデバイスであって、
    該基板の裏面側には、該基板の裏面を部分的に溶融して形成される凹部を含む弾性波拡散領域が設けられていることを特徴とするＢＡＷデバイス。
  2. 請求項１に記載のＢＡＷデバイスを製造するＢＡＷデバイスの製造方法であって、
    該基板の裏面側から該基板に対して吸収性を有する波長のレーザー光線を照射し、該基板の裏面を部分的に溶融することで、凹部を含む弾性波拡散領域を形成する弾性波拡散領域形成工程を備えることを特徴とするＢＡＷデバイスの製造方法。
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