JP3725360B2

JP3725360B2 - 弾性表面波素子の製造方法

Info

Publication number: JP3725360B2
Application number: JP07384499A
Authority: JP
Inventors: 時弘西原; 理伊形; 良夫佐藤
Original assignee: Fujitsu Ltd; Fujitsu Media Devices Ltd
Current assignee: Fujitsu Ltd; Fujitsu Media Devices Ltd
Priority date: 1999-03-18
Filing date: 1999-03-18
Publication date: 2005-12-07
Anticipated expiration: 2019-03-18
Also published as: US6413439B1; JP2000269767A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、弾性表面波（ＳＡＷ）素子の製造方法に関する。更に詳しくは、本発明は、ＳＡＷ素子の高耐電力性を有する電極を反応性イオンエッチングにより信頼性よく形成する方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ＳＡＷ素子を構成する電極に高パワーの電極が印加されると電極がマイグレーションを生じフィルタ特性を劣化させる。この対策として、耐電力性を上げるためにＡｌ合金やＡｌ層を含む積層体を使用することが知られている（例えば、特開平７-１２２９６１号公報、特開平１０−１３５７６７号公報参照）。この電極は、通常反応性イオンエッチングのようなドライエッチングで形成される。エッチングには、ＢＣｌ₃とＣｌ₂のようなハロゲンを含む混合ガスが一般に使用されている（例えば、特開平８−２６４５０８号公報、特開平９−１８１５５３号公報参照）。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ドライエッチングにおいて、電極に含まれるＡｌ以外の成分が、Ｔｉ、Ｐｄ、Ｓｉ等のハロゲン化物の蒸気圧が高い物質である場合、残渣なくエッチングを行うことが可能である。ところが、Ｃｕ、Ｍｇ等のようにハロゲン化物の蒸気圧が低い金属を含む場合、ハロゲン化物が残渣として残りアフターコロージョンを誘発したり、特にこれら金属を２重量％以上の高濃度に含む場合、エッチング自体が進行しないという問題があった。
【０００４】
また、ＳＡＷ素子では、一般にＬｉＮｂＯ₃、ＬｉＴａＯ₃、Ｌｉ₂Ｂ₄Ｏ₇等からなる圧電基板が使用されるが、エッチングに使用されるガスに含まれるハロゲンと、圧電基板に由来するリチウムの化合物も残渣として残り、アフターコロージョンの発生を更に増長するという問題もあった。
希ガスによるスパッタリングのような物理的エッチングにより、残渣を低減しつつ、ハロゲン化物の蒸気圧が低い金属とＡｌを含む層のエッチングレートを上げることも考えられるが、物理的エッチングではサイドウォールが厚さ方向に逆テーパー状に傾斜するという問題があった。更に、エッチング残りを除去するために所定時間続けてエッチング（オーバーエッチング）が行われるが、物理的エッチングは選択性が劣るため、この時に圧電基板もエッチングされてしまい、ＳＡＷ素子の特性が悪化するという問題もあった。
【０００５】
また、ＳＡＷ素子について言及はされていないが、ハロゲンを含むガスとＨｅとの混合ガスでＡｌを含む層をエッチングする方法が特開昭６１−１４７５３２号公報で報告されている。この公報では、Ｈｅが、層の冷却効果とプラズマの安定化を目的として、８００ｓｃｃｍ以上の高流量で使用されている。ところがこのような高流量でＨｅを使用すると、ガス圧を下げることができないため、電極とエッチングにマスクとして使用するレジストとの選択性を上げることができないという問題があった。
【０００６】
反応性イオンエッチングではなく、ＥＣＲエッチングを用い、Ｃｌ₂とＨｅの混合ガスを用いたＡｌを含む層のエッチング方法が、特開平６−３３３８８３号公報に示されている。
ＥＣＲエッチングは、反応性イオンエッチングに比べて、装置が高価であること、超高真空排気が必要であるためスループットが悪くなること等の問題がある。更に、低圧高密度プラズマが使用されるため、原理的に電子密度が、反応性イオンエッチングに比べて、２〜３桁高く、圧電基板を使用するＳＡＷ素子がチャージし、それに由来する欠陥や不良が発生する問題があった。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
反応性イオンエッチングは、ＥＣＲエッチングに比べ、入射イオンエネルギーが高いため、選択性が劣り、下地である圧電基板に損傷を生じさせやすいと考えられていた。ところが本発明者等は、Ｃｌ₂とＨｅの混合ガスからなるエッチングガスを使用し、０．１〜３Ｐａのガス圧下でエッチングを行えば、ハロゲン化物の蒸気圧が低い金属とＡｌを含む電極を、実用的な選択比で形成できることを意外にも見出し本発明に至った。
【０００８】
かくして本発明によれば、圧電基板上に１〜３０重量％の他の金属を含むＡｌ電極を備えた弾性表面波素子の製造方法であって、該電極がレジストマスクを用いた反応性イオンエッチングによるパターニングにより形成され、反応性イオンエッチングがＣｌ₂とＨｅの混合ガスからなるエッチングガスを使用し、０．１〜３Ｐａのガス圧下で行われることを特徴とする弾性表面波素子の製造方法が提供される。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明のＳＡＷ素子の製造方法を説明する。
まず、ＳＡＷ素子は、通常基板上に所定形状の電極を備えている。ここで、基板としては、ＳＡＷ素子に使用できるものであれば特に限定されず、例えば、ＬｉＮｂＯ₃、ＬｉＴａＯ₃、Ｌｉ₂Ｂ₄Ｏ₇等の単結晶からなる圧電基板が挙げられる。
次に、圧電基板上には所定形状の電極が形成されている。本発明において電極は、Ａｌと他の金属を含んでいる。ここで、他の金属が、Ｍｇ、Ｃｕ、Ｍｎ等のハロゲン化物の蒸気圧が低いものである場合に、本発明のＳＡＷ素子の製造方法は、特に残渣やアフターコロージョンの発生を抑制することができるという効果を奏する。この内、他の金属としては、Ｍｇが特に好ましい。
【００１０】
また、電極中の他の金属の含有割合は、１重量％以上が好ましく、１〜３０重量％がより好ましい。１重量％未満の場合は、マイグレーション耐性が劣るため好ましくない。なお、他の金属の含有量を多くすると、一般に、耐電力性は向上するが、電極の抵抗が上昇することが知られている。この観点から、他の金属の含有割合は、２〜１０重量％が特に好ましい。
【００１１】
更に、電極の構成は、例えば、Ａｌと他の金属との合金層の単一層、Ａｌ層と他の金属層との積層体、Ａｌ層と合金層の積層体、他の金属の含有割合を変化させた合金層の積層体等が挙げられる。積層体は、２層以上であれば、その層数は限定されない。但し、ボンディングワイヤ用金属との相性を考慮すると、最上層はＡｌを含む層であることが好ましい。特に、積層体は、Ａｌ層又はＡｌ合金層／Ｍｇ層／Ａｌ層又はＡｌ合金層との組み合わせであることが好ましい。
【００１２】
電極の厚さは、ＳＡＷ素子の設計に応じて重さを基準にして、電極の抵抗、マイグレーション耐性等を考慮して適宜設定される。
上記電極は、基板上に電極形成用の金属層を積層した後、反応性イオンエッチングによるパターニングにより形成される。
金属層の形成方法は、特に限定されず、例えば、スパッタ法のような公知の方法をいずれも使用することができる。
【００１３】
次に、反応性イオンエッチングによるパターニングに先立って、通常所定パターンの電極を形成するためのマスクが金属層上に形成される。このマスクは、例えば、金属層上にレジスト層を塗布することにより形成した後、フォトリソグラフィ法により所定形状にパターニングすることにより形成することができる。この所定形状にパターニングされたレジスト層を、レジストパターンと称する。
次いで、レジストパターンをマスクとして、反応性イオンエッチングによるパターニングにより電極が形成される。
ここで、本発明では、反応性イオンエッチングが、Ｃｌ₂とＨｅの混合ガスからなるエッチングガスを使用し、０．１〜３Ｐａのガス圧下で行われることを特徴の１つとしている。
【００１４】
一般にＡｌ合金のドライエッチングでは、Ａｌ合金のエッチングレートの増大を目的として、Ｃｌ₂ガスが使用され、更に、自然酸化膜を除去するために、還元性のＢＣｌ₃、ＣＣｌ₄、ＳｉＣｌ₄等のガスが加えられる。また、Ｃｌ₂ガスに添加されるハロゲンを含むガスは、側壁保護膜の成分となって、サイドエッチを防止する役割も果たす。
しかし、ハロゲン化物の蒸気圧が低い他の金属をＡｌ電極が含む場合、残渣が発生したり、エッチング自体が進行しない。これは塩素ラジカルが電極の表面に付着しても、純Ａｌの電極と異なり、活性化エネルギーが高いため、反応が進行しないためである。
【００１５】
そこで、本発明では、Ｈｅを使用することにより、Ｈｅの原子半径が小さいことを利用して、平均自由工程を大きくとることができるため、基板に垂直に入射することができ、その結果活性化エネルギーを小さくすることができる。ここで、平均自由工程λは、λ＝３．１１×１０^-24×Ｔ／（Ｐ×σ²）（式中、Ｔは温度（Ｋ）、Ｐはガス圧（Ｐａ）、σは粒子の直径（ｍ）を意味する）で表される。ここで、ガス圧を上記範囲で行うことにより、Ｈｅの散乱を抑え、平均自由工程を所定程度に大きく取ることができる。なお、上記した特開昭６１−１４７５３２号公報では、Ｈｅの流量が大きいためガス圧が高く、平均自由工程を大きく取ることができない。
【００１６】
更に、ガス圧が３Ｐａより大きい場合、平均自由工程が小さくなると共に散乱も増加することとなる。一方、ガス圧が０．１Ｐａ未満の場合、安定なプラズマ放電を得ることが困難である。なお、このようなガス圧の範囲であれば、図１に示すように、電極とレジストとの選択性を向上させることができる。なお、電極には、Ａｌ（２０００Å）／Ｍｇ（３００Å）／Ａｌ（２０００Å）の積層膜を用いた。
【００１７】
Ｈｅの混合割合は、流量比で７０％以上であることが好ましく、８０〜９８％であることがより好ましい。また、混合ガスの全流量は、１０〜１００ｓｃｃｍ程度である。流量比を７０％以上とすることにより、
・平均自由工程を大きく取ることができ、
・必要な量のＣｌ₂のみ使用するので、基板に由来する不揮発性のリチウムの塩化物の発生を抑制することができ、
・アフターコロージョンの発生を防止することができ、
・図２に示すように、電極とレジストとの選択性を向上させることができる。
ここで、電極の構成は図１の場合と同じである。
【００１８】
なお、本発明では上記エッチング条件で、実用的なエッチングレートで自然酸化膜も除去することができる。また、自然酸化膜を含めた電極に使用される金属と塩素ラジカルの反応の活性化エネルギーは、基板と塩素ラジカルの活性化エネルギーより小さいので、基板と電極との選択性を十分確保することができる。
反応性イオンエッチングのＲＦパワーは、３０〜１２０Ｗであることが好ましい。ＲＦパワーが３０Ｗ未満の場合、実用的なエッチングレート及び選択比が得られないので好ましくなく、１２０Ｗより大きい場合、レジスト及び基板にダメージが生じるので好ましくない。
ここで、電極が、Ａｌ層又はＡｌ合金層と他の金属（特にＭｇ）層との積層体からなる場合、他の金属層の部分でエッチングレートが劣化する場合がある。この場合、１００〜３００℃で金属層をアニール処理することにより、他の金属がＡｌ中に拡散し固溶体となり、エッチングレートの劣化を防ぐことができる。
【００１９】
また、近年ＳＡＷ素子の高周波数化が進み、電極のパターンの微細化が進む傾向にある。ＳＡＷ素子が高周波化されるほど、弾性表面波の波長が短くなり、ドライエッチング時（特にオーバーエッチング時）の圧電基板表面へのダメージに対して敏感になり、例えば素子の損失が増加する。そこで、反応性イオンエッチングを２段階に分け、後半のエッチング時に、ＲＦパワーを下げる及び／又はガス圧を上げることにより、圧電基板表面のダメージを軽減することができる。後半のエッチング時間は全エッチング時間の１０〜４０％であることが好ましい。ここで、後半のエッチングは、オーバーエッチングであることが好ましい。
【００２０】
ＲＦパワーを下げる程度は、前半のＲＦパワーに対して、後半のＲＦパワーが５０％以上１００％未満であることが好ましく、６０〜９５％であることがより好ましい。
ガス圧を上げる程度は、前半のガス圧に対して、後半のガス圧を１．５〜３倍程度にすることが好ましく、２〜３倍であることがより好ましい。
【００２１】
本発明により製造されたＳＡＷ素子は、一般に２つの反射電極と１組の櫛形の励振電極とから構成される。ＳＡＷ素子の一例を図３に示す。図３は、ＳＡＷ素子の概略平面図である。図中、Ａ及びＢは１組の櫛形の励振電極であり、Ｃ及びＤは反射電極である。Ｙは開口長を、λは電極の周期を意味する。なお、図３の構成は単なる例示であって、本発明により形成されるＳＡＷ素子はこの構造に限定されない。
【００２２】
このＳＡＷ素子は、フィルタ、共振器、遅延線、発振器、マッチドフィルタ、音響光学装置、コンボルバー等に使用することができる。例えば、フィルタに使用する場合、ＳＡＷ素子を直列腕と並列腕に所望数配置することにより形成されたラダー型の構造が挙げられる。この構造以外にも公知の構造をいずれも採用することができる。
【００２３】
【実施例】
次に本発明の具体的形態を実施例により説明するが、これらの実施例により本発明は何ら制限を受けるものでない。
（実施例１）
ＬｉＴａＯ₃の単結晶からなる圧電基板上に、厚さ４００ｎｍのＡｌ層、Ａｌ中にＭｇを２重量％含む合金層（以下、Ａｌ−２％Ｍｇ合金層、以下同じ意味で使用）及びＡｌ−４％Ｍｇ合金層を形成し、Ａｌ層及び合金層上に１．２μｍルールの櫛形電極形成用のレジストパターンをフォトリソグラフィ法により形成した。この後、レジストパターンをマスクとして、以下の条件で、前記層を反応性イオンエッチングによりドライエッチングに付した。
・エッチング条件
エッチングガス：Ｃｌ₂とＨｅの混合ガス（流量比１：９）
ガス圧：１Ｐａ
ＲＦパワー：７０Ｗ
エッチング後、アッシャー室でＯ₂によりレジストパターンをアッシングし、アフターコロージョン対策としてのＳＦ₆によるポストエッチング、溶液処理、水洗を施した。
【００２４】
Ａｌ−２％Ｍｇ合金層及びＡｌ−４％Ｍｇ合金層のいずれにおいても、Ａｌ層と同程度のシャープさで電極を形成することができた。なお、レジストと、Ａｌ層、Ａｌ−２％Ｍｇ合金層及びＡｌ−４％Ｍｇ合金層との選択比は、それぞれ１．９、１．５及び１．２であった。
【００２５】
（実施例２）
３６°ＹカットＸ伝播のＬｉＴａＯ₃の単結晶からなる圧電基板１（図４Ａ）上に、厚さ４３０ｎｍのＡｌ−３％Ｃｕ合金層２をスパッタ法で形成し（図４Ｂ）、その上に８００ＭＨｚ帯用フィルタの櫛形電極形成用のレジストパターン３をフォトリソグラフィ法により形成した（図４Ｃ）。この後、レジストパターン３をマスクとして、以下の条件で、オーバーエッチング時間を種々変更しつつ、合金層２を反応性イオンエッチングによりドライエッチングすることにより、電極４を形成した（図４Ｄ）。
・エッチング条件
エッチングガス：Ｃｌ₂とＨｅの混合ガス（流量比０．５：９．５）
ガス圧：２Ｐａ
ＲＦパワー：６０Ｗ
【００２６】
エッチング後、アッシャー室でＯ₂によりレジストパターンをアッシングし（図４Ｅ）、アフターコロージョン対策としてのＳＦ₆によるポストエッチング、溶液処理、水洗を施した。
得られたフィルタのオーバーエッチング時間に対する中心周波数及び最小挿入損失との関係を図５及び６に示す。図から分かるように、オーバーエッチング時間を変動させても、中心周波数及び最小挿入損失の変動は低く抑えることができた。このことは、上記エッチング条件が、圧電基板へ与えるダメージは、問題にならないレベルであることを示している。
【００２７】
（実施例３）
以下の手順で、帯域が１９２０〜１９８０ＭＨｚのフィルタを作製した。
３６°ＹカットＸ伝播のＬｉＴａＯ₃の単結晶からなる圧電基板上に、スパッタ法により、下からＡｌ層（８５０Å）、Ｍｇ層（１４０Å）及びＡｌ層（８５０Å）の積層体を形成した。形成後、真空中で１時間、２００℃でアニール処理した。
積層体上に所定形状のレジストパターンをフォトリソグラフィ法により形成した。この後、レジストパターンをマスクとして、以下の条件で、前記積層体を反応性イオンエッチングによりドライエッチングした。
・エッチング条件
エッチングガス：Ｃｌ₂とＨｅの混合ガス（流量比１：９）
ガス圧：１Ｐａ
ＲＦパワー：最初７０Ｗで、オーバーエッチング時（全エッチング時間の％）に５０Ｗに下げる
【００２８】
エッチング後、アッシャー室でＯ₂によりレジストパターンをアッシングし、アフターコロージョン対策としてのＳＦ₆によるポストエッチング、溶液処理、水洗を施した。
得られたフィルタは、図７の等価回路図に示すように、正規型一端子対弾性表面波共振器（ＳＡＷ素子）が、直列腕に３つ（Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３）、並列腕に２つ（Ｐ１、Ｐ２）配置された構成のラダー型フィルタである。なお、直列腕の弾性表面波共振器を直列共振器、並列腕の弾性表面波共振器を並列共振器と称する。直列共振器は、電極の周期１．９４μｍ、開口長３０μｍ、励振電極の対数１６５、反射電極の対数８０とした。並列共振器Ｐ１は、電極の周期２．０３μｍ、開口長５５μｍ、励振電極の対数１００、反射電極の対数７８とし、Ｐ２は反射電極の対数を３９とすること以外はＰ１と同一とした。
【００２９】
得られたフィルタは、残渣やアフターコロージョンも発生せず、良好なパターンの電極を有していた。更に、フィルタの通過特性を図８に示す。この図には、ほぼシュミレーション通りのフィルタ特性が得られることが示されていることから、圧電基板へのエッチングによるダメージはないものと考えられる。
更に、ＲＦパワーを７０Ｗのままで、ガス圧を最初１Ｐａで、オーバーエッチング時に３Ｐａに上げること以外は、上記と同様にしてフィルタを作製した。得られたフィルタは、上記と同様に良好な電極を有し、通過特性もほぼシュミレーション通りの結果が得られた。
【００３０】
（比較例１）
エッチング条件を下記のように変更すること以外は実施例１と同様にして、Ａｌ層、Ａｌ−２％Ｍｇ合金層及びＡｌ−４％Ｍｇ合金層をエッチングした。
・エッチング条件
エッチングガス：ＢＣｌ₃とＣｌ₂の混合ガス（流量比１：１）
ガス圧：５Ｐａ
ＲＦパワー：５０Ｗ
【００３１】
実施例１と同様にして後処理した。Ａｌ層の場合は、マスクの形状を反映したシャープな電極を得ることができた。Ａｌ−２％Ｍｇ合金層の場合は、エッチングは最後まで進行したものの、Ｍｇ、Ｃｌ、Ｃ及びＯの成分からなる残渣が多数圧電基板上に残ると共に、アフターコロージョンも多く見られた。更に、Ａｌ−４％Ｍｇ合金層の場合、約１５０ｎｍの厚さまでエッチングが進んだものの、これ以上エッチングは進まなかった。また、アフターコロージョンも多く見られた。
【００３２】
（実施例４）
Ｍｇの含有割合を０〜５重量％に変動させること以外は、実施例１と同様にして電極を形成した。得られた電極のＭｇの含有割合に対する電極とレジストの選択性を図９に示す。
また、Ｍｇの含有割合を０〜５重量％に変動させること以外は、比較例１と同様にして電極を形成した。得られた電極のＭｇの含有割合に対する電極とレジストの選択性も図９に示す。
図９から、本発明のエッチング条件によれば、Ｍｇの含有割合が増えても、選択性が維持されていることが分かる。
【００３３】
（比較例２）
エッチング条件を下記のように変更すること以外は実施例１と同様にして、Ａｌ−５％Ｃｕ合金層をエッチングした。
・エッチング条件
エッチングガス：ＢＣｌ₃とＣｌ₂とＨｅの混合ガス（流量比ＢＣｌ₃＋Ｃｌ₂：Ｈｅ＝１：９、ＢＣｌ₃とＣｌ₂の添加割合を変化させた）
ガス圧：２Ｐａ
ＲＦパワー：１００Ｗ
【００３４】
実施例１と同様にして後処理した。図１０にＢＣｌ₃とＣｌ₂の添加割合に対する合金層のエッチングレートを示す。図１０から明らかなように、ＢＣｌ₃の添加量が増加するに従って、エッチングレートが減少し、ＢＣｌ₃の添加が逆効果であることが分かった。
【００３５】
【発明の効果】
本発明のＳＡＷ素子の製造方法によれば、ハロゲン化物の蒸気圧が低い他の金属とＡｌとを高濃度に含む電極を反応性イオンエッチングでパターニングすることにより形成するに際して、アフターコロージョンの発生を抑制し、電極下の基板の掘れを生じないエッチングを実現することができる。
本発明の製造方法により、高耐電力性の電極を用いたＳＡＷ素子の製造が容易となり、ＳＡＷ素子を用いたアンテナ分波器のような装置の信頼性を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】ガス圧と選択比の関係を示すグラフである。
【図２】混合ガス中のＨｅの割合と選択比の関係を示すグラフである。
【図３】ＳＡＷ素子の概略平面図である。
【図４】実施例２のＳＡＷ素子の製造方法の概略断面図である。
【図５】実施例２のＳＡＷ素子のオーバーエッチング時間と中心周波数の関係を示すグラフである。
【図６】実施例２のＳＡＷ素子のオーバーエッチング時間と最小挿入損失の関係を示すグラフである。
【図７】実施例３のＳＡＷ素子の等価回路図である。
【図８】実施例３のＳＡＷ素子の通過特性を示すグラフである。
【図９】実施例４のＭｇの含有割合と選択比の関係を示すグラフである。
【図１０】比較例２のＢＣｌ₃とＣｌ₂の添加割合と合金層のエッチングレートの関係を示すグラフである。
【符号の説明】
１圧電基板
２合金層
３レジストパターン
４電極
Ｐ１、Ｐ２並列共振器
Ｓ１〜Ｓ３直列共振器
Ａ、Ｂ励振電極
Ｃ、Ｄ反射電極
Ｙ開口長
λ 電極の周期

Claims

圧電基板上に１〜３０重量％の他の金属を含むＡｌ電極を備えた弾性表面波素子の製造方法であって、該電極がレジストマスクを用いた反応性イオンエッチングによるパターニングにより形成され、反応性イオンエッチングがＣｌ₂とＨｅの混合ガスからなるエッチングガスを使用し、０．１〜３Ｐａのガス圧下で行われることを特徴とする弾性表面波素子の製造方法。
他の金属がＣｕ、Ｍｇ又はその両方である請求項１に記載の弾性表面波素子の製造方法。
電極が、Ａｌ層又はその合金層とＭｇ層との積層体である請求項２に記載の弾性表面波素子の製造方法。
Ｈｅが、全混合ガス中に、流量比で７０％以上含まれる請求項１〜３のいずれかに記載の弾性表面波素子の製造方法。
パターニング前に、電極形成用の金属層がアニール処理に付される請求項１〜４のいずれかに記載の弾性表面波素子の製造方法。
アニール処理が、１００〜３００℃の温度下で行われる請求項５に記載の弾性表面波素子の製造方法。
反応性イオンエッチングが２段階からなり、後半のエッチング時のＲＦパワーが、前半に比べて５０％以上１００％未満となる請求項１〜６のいずれかに記載の弾性表面波素子の製造方法。
反応性イオンエッチングが２段階からなり、後半のエッチング時のガス圧が、前半に比べて１．５〜３倍高い請求項１〜７のいずれかに記載の弾性表面波素子の製造方法。