JP3779389B2 - 弾性境界波デバイス及びその製造方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えばＴＶや携帯電話、ＰＨＳ等におけるフィルタ素子や発振子に用いることができる弾性境界波デバイス及びその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
弾性波を応用したデバイスの１つとして弾性表面波デバイス（ＳＡＷデバイス：Ｓｕｒｆａｃｅ Ａｃｏｕｓｔｉｃ Ｗａｖｅ Ｄｅｖｉｃｅ）が以前よりよく知られている。このＳＡＷデバイスは、例えば４５ＭＨｚ〜２ＧＨｚの周波数帯域における無線信号を処理する装置における各種回路、例えば送信用バンドパスフィルタ、受信用バンドパスフィルタ、局発フィルタ、アンテナ共用器、ＩＦフィルタ、ＦＭ変調器等に用いられる。
【０００３】
図１４にこのＳＡＷデバイスの基本的構成を示す。同図に示すようにＳＡＷデバイスは、ＬｉＮｂＯ3 等の圧電性基板１００上にＡｌ薄膜等の金属材料をエッチング等により加工したくし歯状電極（ＩＤＴ：Ｉｎｔｅｒｄｉｇｉｔａｌ Ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ）１０１、１０２を設けて構成される。そして、ＩＤＴ１０１に高周波の電気信号が印加されると圧電性基板１００表面にＳＡＷ１０３が励振される。励振されたＳＡＷ１０３は、圧電性基板１００表面を伝搬してＩＤＴ１０２に達し、ＩＤＴ１０２において再び電気信号に変換される。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、ＳＡＷデバイスは、固体表面と真空または気体の境界面、すなわち固体表面を伝搬する弾性波を利用するために伝搬媒体である圧電性基板の表面を自由表面とする必要がある。従って、ＳＡＷデバイスにおいては、例えば半導体のパッケージに使用されるようなプラスチックモールドでチップを覆うことができず、パッケージ内部に自由表面を確保するための中空部を設ける必要がある。しかしながら、パッケージ内部に中空部を設けた構造にすると、デバイスが比較的高価かつ大型になるという問題がある。
【０００５】
本発明は、かかる事情に対処し、ＳＡＷデバイスと同等の機能を有し、小型化が容易でかつコストダウンが容易な弾性境界波デバイス及びその製造方法を提供することを目的としている。
【０００６】
具体的には、本発明は、プラスチックモールド等でチップを直接覆うことが可能な弾性境界波デバイス及びその製造方法を提供することを目的としている。
【０００７】
また、本発明は、半導体プロセスをそのまま適用して製造することが可能な弾性境界波デバイス及びその製造方法を提供することを目的としている。
【０００８】
本発明のさらなる目的は、アクティブ素子等の他の素子を搭載することが可能な弾性境界波デバイス及びその製造方法を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
かかる課題を解決するため、本発明の弾性境界波デバイスは、Ｓｉ系の第１層と圧電性の第２層とを積層した積層体と、前記第１層と前記第２層との対向する面間に沿って伝搬する弾性波を励振する手段とを具備する。前記第１層と前記第２層との間に誘電体膜を設けてもよい。
【００１０】
ここで、第１層及び第２層は、基板等の基体により構成してもよいし、いずれか一方または両方を薄膜により構成してもよい。弾性波を伝搬させる手段としては、例えば第１層と第２層との間に励振用の対向する一対のくし歯状電極と受信用の対向する一対のくし歯状電極とを配置すればよい。
【００１１】
本発明の弾性境界波デバイスでは、Ｓｉ系の第１層と圧電性の第２層との対向する面間に沿って弾性波を伝搬させるように構成したことで、ＳＡＷデバイスと同等の機能を持たせている。また、かかる面間は、第１層と第２層との間、すなわち固体と固体とにより挟まれたものであるから、ＳＡＷデバイスの如くパッケージ内部に自由表面を確保するための中空部を設ける必要はなく、プラスチックモールド等でチップを直接覆うことが可能となる。さらに、第１層をＳｉ系としたことで、半導体プロセスをそのまま適用して製造することが可能となり、かつこの第１層にアクティブ素子等の他の素子を搭載することも可能である。Ｓｉ系の第１層を用いることにより、例えば本来Ｓｉ基板上に形成される集積回路と当該境界波デバイスを一体化することが可能になり、プログラマブルなフィルタ回路素子等の機能的なデバイスを１チップで構成することができる。
【００１２】
すなわち、より具体化した本発明の弾性境界波デバイスは、Ｓｉ系の第１の基体と、前記第１の基体に張り合わされた圧電性の第２の基体と、前記第１の基体と前記第２の基体との間に介挿され、くし歯状の溝が設けられた誘電体膜と、前記誘電体膜に導電性材料を埋め込んで構成されるくし歯状電極とを具備する。前記第１の基体の前記第２の基体との張り合わせ面に露出部を設け、前記露出部に半導体素子を形成してもよい。前記第１の基体を１０Ωcm以上の比抵抗のＳｉ系の基板としてもよい。
【００１３】
本発明の弾性境界波デバイスの製造方法は、Ｓｉ系の第１の基体の主面または圧電性の第２の基体の主面にくし歯状電極を形成する工程と、前記第１の基体の主面及び前記第２の基体の主面に水酸基化処理を施す工程と、前記第１の基体の主面と前記第２の基体の主面とを対接させる工程と、前記対接された第１の基体及び第２の基体を１００℃〜１０００℃で加熱する工程とを具備する。
【００１４】
本発明によれば、Ｓｉ系の第１の基体と圧電性の第２の基体とを張り合わせることが可能となる。
【００１５】
本発明の弾性境界波デバイスの製造方法は、Ｓｉ系の第１の基体の主面または圧電性の第２の基体の主面にくし歯状の溝を有する誘電体膜を形成する工程と、前記くし歯状の溝に導電性材料を埋め込んでくし歯状電極を形成する工程と、前記第１の基体の主面と前記第２の基体の主面とを張り合わせる工程とを具備する。 本発明によれば、張り合わされた第１の基体と第２の基体との間にくし歯状電極を簡単に形成することが可能である。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図に基づいて説明する。
【００１７】
図１〜図３は本発明の一実施形態に係る弾性境界波デバイスの構成を示す図であって、図１は分解斜視図、図２は正面図、図３は図１のＡ−Ａ矢視平面図である。
【００１８】
これらの図に示すように、この弾性境界波デバイス１は、Ｓｉ系の第１の基板２の主面上にくし歯状の溝３を有する誘電体膜４を形成すると共にその溝３に導電性材料を埋め込んでくし歯状電極５を形成し、その上に圧電性の第２の基板６を張り合わせて構成される。
【００１９】
第１の基板２としては、例えばＳｉが用いられる。しかし、アモルファスシリコンやポリシリコン等の他のＳｉ系の材料を材料を用いることも可能である。また、Ｓｉ系の第１の基板は、半導体集積回路に通常用いられているように意図的にｎ−型、ｐ−型として比抵抗を下げたものではなく、くし歯状電極５による直流的な漏れを防ぐために１０Ωｃｍ以上の高抵抗のＳｉ系の基板であることが好ましい。 第２の基板６としては、例えばＬｉＮｂＯ3 が用いられる。しかし、ＬｉＴａＯ3 、水晶等の他の圧電性の材料を用いることも可能である。第２の基板６の主面の面積は、第１の基板２の主面の面積より小さい。例えば、第２の基板６の主面は、最低限弾性境界波が伝搬するために必要な有効な領域のみに張り付ければよい。これにより第１の基板２の主面のうち露出面７に、後述するアクティブ素子等の他の素子を搭載することが可能である。また、圧電性の第２の基板６はＳｉ系の第１の基板２と比べ比較的高価であることから、圧電体基板材料を少なくできコストダウンを図ることができる。しかし、第２の基板６の主面の面積と第１の基板２の主面の面積とを同じものとすることも可能であるし、第２の基板６の主面の面積を第１の基板２の主面の面積より大きくすることも可能である。
【００２０】
誘電体膜４は、例えばＳｉＯ2 が用いられる。これによりＳｉ系の第１の基板２の主面を酸化処理するだけでＳｉＯ2 を形成することが可能となる。しかし、他の誘電体膜４を敢えて形成するようにしてもよい。
【００２１】
くし歯状電極５は、例えばＡｌが用いられる。しかし、他の導電性材料を用いることも可能である。くし歯状電極５は、例えば励振用の対向する一対のくし歯状電極８と受信用の対向する一対のくし歯状電極９とにより構成される。しかし、これらの電極をそれぞれ複数設けてもよい。また、くし歯状電極５の他に例えばこれらの電極を挟むように反射電極を設けてもよい。さらに、こうした電極ばかりでなく、例えばこれらの電極を挟むように吸音材を形成するようにしてもよい。要するに、本発明に係る弾性境界波デバイスは、例えば従来のＳＡＷデバイスに代えて用いられるものであって、すなわちフィルタ、遅延線、共振器、発振器、アナログ信号処理用回路、増幅器、コンバルバメモリ等に用いられるが、くし歯状電極５等の構成はこれらの用途、仕様等に応じて適宜設計変更される。
【００２２】
ところで、弾性境界波は２種の固体間の対向する面間を伝搬する弾性波である。この弾性境界波の存在に関する理論的な検討は、例えば清水、入野等の「ＺｎＯとガラスの境界面を伝搬するストンリー波の理論的検討」学信論（Ｃ），J65-C,11,pp.883-890 により取り扱われている。この論文では、２種の固体の一方は圧電材料であるＺｎＯ、もう一方はガラスの組み合わせの場合が取り扱われているが、２種の固体のうち少なくともどちらか一方に弾性波を励振するために圧電性があり２種の固体の境界面に弾性波のエネルギーが集中して伝搬する波を用いて弾性境界波デバイスを実現することができる。
【００２３】
次に、本発明の弾性境界波デバイスの製造方法について説明する。
【００２４】
図４はその製造方法に係る一実施形態を説明するための図である。
【００２５】
まず、Ｓｉ系の第１の基板７０上に例えば熱酸化処理により 0.1〜 2μｍ程度のＳｉＯ2 膜７１を形成する（図４（ａ））。
【００２６】
次に、ＳｉＯ2 膜７１に対し、例えばＣＤΕ（Cemical Dry Ecthing)によりくし歯状の溝７２をパターニングする（図４（ｂ））。
【００２７】
次に、ＳｉＯ2 膜７１上を覆うように例えばスパッタ法によりＡｌ膜７３を成形する（図４（ｃ））。
【００２８】
次に、Αｌ膜７３表面をＳｉＯ2 膜が現れるまで研磨する（図４（ｄ））。
【００２９】
これにより、ＳｉＯ2 膜７１の溝７２にΑｌを埋め込んだ電極（くし歯状電極７４）が構成される。
【００３０】
次に、ＳｉＯ2 膜７１とくし歯状電極７４が形成されたＳｉ系の第１の基板７０の主面及び圧電性の第２の基板７５の主面を例えば過酸化アンモニア水により表面処理することにより、両者の表面を水酸基化する（図４（ｅ））。
【００３１】
次に、第１の基板７０の主面と第２の基板７５の主面とを対接させ、約 300℃で１〜２時間程度加熱する（図４（ｆ））。
【００３２】
かかる熱処理により２種の基板表面にあるＯＨ基同士が結合しＨ2 Ｏが遊離し、異種材料であるＳｉ系の第１の基板７０と第２の基板７５とを直接接合することができる。なお、加熱温度は、好ましくは約 300℃であるが、 100〜1000℃の間とすることができる。 100℃以下ではＯＨ基同士が結合する反応を生じないし、1000℃以上では要素部材に熱的悪影響を及ぼす可能性があるからである。
【００３３】
このように異種材料間の直接接合が可能であることは江田等：「圧電材料の直接接合」信学技報US95-24.ΕＭＤ95-20,ＣＰＭ95-32.(1995-07),pp.31-38にも報告されている。Ｓｉ系の第１の基板と圧電性の第２の基板とは上記以外の方法でも前記江田等の報告にあるように容易に接合することが可能である。
【００３４】
以上の製造工程を経て形成された弾性境界波デバイスでは、境界波を励振するためのくし歯型電極７４をＳｉ系の第１の基板７０上に形成することができるため通常の半導体デバイスの製造技術をそのまま転用することができる。
【００３５】
なお、上記製造方法では、ＳｉＯ2 膜７１とくし歯状電極７４を予めＳｉ系の第１の基板７０に形成する例を示したが、ＳｉＯ2 膜７１とくし歯状電極７４を圧電性の第２の基板７５上に予め形成し、Ｓｉ系の第１の基板７０と直接張り付ける方法でも同様の構造の弾性境界波デバイスを製造することができる。
【００３６】
また、本発明の弾性境界波デバイスにおけるくし歯型電極のその他の構成方法を図５に示す。
【００３７】
まず、Ｓｉ系の第１の基板８０上にイオンミリング等の加工により 0.1〜 2μｍ程度のくし歯状の溝８１を形成する（図５（ａ））。
【００３８】
次に、溝８１を覆うように第１の基板８０上にＡｌ膜８２を例えばスパッタ法により形成する（図５（ｂ））。
【００３９】
次に、Ａｌ膜８２の表面を第１の基板８０表面が現れるまで研磨する（図５（ｃ））。
【００４０】
これにより、第１の基板８０表面の溝８１にΑｌを埋め込んだ電極（くし歯状電極８３）が構成される。
【００４１】
上述した実施形態においては、第１層及び第２層をそれぞれ基板の形態としていたが、第１層及び第２層のうちいずれか一方または両方を薄膜としても構わない。
【００４２】
図６は、Ｓｉ系の第１層を基板の形態であるＳｉ基板９１とし、その上に圧電性の第２層として圧電性薄膜９２を形成した弾性境界波デバイスを示している。図示を省略しているが、Ｓｉ基板９１と圧電性薄膜９２との間には、くし歯状電極が形成されている。
【００４３】
図７は、圧電性の第２層を基板の形態である圧電性基板１１とし、その上にＳｉ系の第１層としてＳｉ薄膜１２、例えばポリシリコンを形成した弾性境界波デバイスを示している。図示を省略しているが、圧電性基板１１とＳｉ薄膜１２との間には、くし歯状電極が形成されている。
【００４４】
図８は、第１層及び第２層の両方を薄膜とした弾性境界波デバイスを示しており、ここでは支持基体としてのガラス基板１１０上にＳｉ系の第１層としてＳｉ薄膜１１１を形成し、その上に圧電性の第２層として圧電性薄膜１１２を形成して構成される。図示を省略しているが、Ｓｉ薄膜１１１と圧電性薄膜１１２との間には、くし歯状電極が形成されている。また、圧電性薄膜の上にＳｉ薄膜を形成するようにしてもよい。
【００４５】
なお、Ｓｉ薄膜と圧電性薄膜のいずれも弾性境界波を伝搬させるためには１λ以上の厚さとする必要がある。
【００４６】
次に、Ｓｉ系の第１の基板にアクティブ素子等の他の素子を搭載した例を示す。 図９はその一例を示しており、Ｓｉ系の第１の基板１２０主面の第１の領域１２１には、くし歯状電極（図示せず）が形成され、これを覆うように圧電性の第２の基板１２２が張り合わされている。第１の基板１２０主面の露出領域である第２の領域１２３には、集積回路１２４が形成されている。これにより、例えばプログラマブルなフィルタ回路素子等の機能的なデバイスを１チップで構成することができるようになる。
【００４７】
図１０及び図１１は図９に示した弾性境界波デバイスをプリント配線板上に実装した例をそれぞれ示している。
【００４８】
図１０に示すように、弾性境界波デバイス１３１の第１の基板１３２主面の第２の領域１３３には、ボンディングパッド１３４が形成されている。プリント配線板１３５上の所定の位置にこの弾性境界波デバイス１３１が搭載され、弾性境界波デバイス１３１のボンディングパッド１３４とプリント配線板１３５上の所定の位置に設けられたボンディングパッド１３６とがボンディングワイヤ１３７により接続されている。そして、これらを覆うようにポリイミドやエポキシ樹脂等により樹脂封止１３８がされている。
【００４９】
また、図１１は別の例であり、同図に示すように、弾性境界波デバイス１４１の第１の基板１４２には主面回路部より裏面のパッド１４３に通じるスルーホール１４４が形成されている。プリント配線板１４５上の所定の位置にこの弾性境界波デバイス１４１が搭載され、弾性境界波デバイス１４１のパッド１４３とプリント配線板１４５上の所定の位置に設けられたパッド１４６とがバンプ１４７により接続されている。そして、これらを覆うようにポリイミドやエポキシ樹脂等により樹脂封止１４８がされている。
【００５０】
本発明に係る弾性境界波デバイスは、例えばフィルタ、遅延線、共振器、発振器、アナログ信号処理用回路、増幅器、コンバルバメモリ等に用いられる。そして、これらの弾性境界波デバイスを備えたフィルタ、遅延線、共振器等は、携帯電話、ＰＨＳ、ＴＶ等に用いられる。
【００５１】
図１２は携帯電話、ＰＨＳ等の移動体通信装置の構成を示すブロック図である。 同図に示すように、アンテナ１５１を介して受信した受信波は、アンテナ共用器１５２により受信系に分離される。分離された受信信号は、アンプ１５３により増幅された後、受信用バンドパスフィルタ１５４により所望の帯域が抽出され、ミキサ１５５に入力される。ミキサ１５５には、ＰＬＬ発振器１５６により発振された局発信号が局発フィルタ１５７を介して入力されている。ミキサ１５５の出力は、ＩＦフィルタ１５８、ＦＭ復調器１５９を介してスピーカ１６０より受信音として出力される。一方、マイク１６１より入力された送話音は、ＦＭ変調器１６２を介してミキサ１６３に入力される。ミキサ１６３には、ＰＬＬ発振器１６４により発振された局発信号が入力されている。ミキサ１６３の出力は、送信用バンドパスフィルタ１６５、パワーアンプ１６６及びアンテナ共用器１５２を介してアンテナ１５１より送信波として出力される。
【００５２】
本発明に係る弾性境界波デバイスは、この移動通信装置の各部に使用することができる。例えば、送信用バンドパスフィルタ１６５、受信用バンドパスフィルタ１５４、局発フィルタ１５７及びアンテナ共用器１５２には、本発明に係る弾性境界波デバイスがＲＦ段のフィルタとして使われる。ＩＦフィルタ１５８には、本発明に係る弾性境界波デバイスがチャネル選局に不可欠な狭帯域のＩＦ段のフィルタとして使われる。ＦＭ変調器１６２には、本発明に係る弾性境界波デバイスが音声のＦＭ変調における共振子として使われる。
【００５３】
本発明に係る弾性境界波デバイスは、ＶＴＲやＣＡＴＶに用いられるＲＦモジュレータの発振回路等にも用いることができる。その回路構成を図１３に示す。図９に示したＳｉ系の第１の基板１２０主面の第１の領域１２１にくし歯状電極１６７を形成し、第２の領域１２３に回路部１６８を形成することで、この発振回路を１チップで構成することができる。
【００５４】
【発明の効果】
以上詳述したように、本発明の弾性境界波デバイスによれば、ＳＡＷデバイスと同等の機能を有し、プラスチックモールド等でチップを直接覆うことが可能となり、さらに半導体プロセスをそのまま適用して製造することが可能となりかつアクティブ素子等の他の素子を搭載することも可能となる。
【００５５】
また、本発明の弾性境界波デバイスの製造方法によれば、Ｓｉ系の第１の基体の主面または圧電性の第２の基体の主面にくし歯状電極を形成し、前記第１の基体の主面及び前記第２の基体の主面に水酸基化処理を施し、前記第１の基体の主面と前記第２の基体の主面とを対接し、前記対接された第１の基体及び第２の基体を１００℃〜１０００℃で加熱するようにしたことで、Ｓｉ系の第１の基体と圧電性の第２の基体とを張り合わせることが可能となる。
【００５６】
さらに、本発明の他の弾性境界波デバイスの製造方法によれば、Ｓｉ系の第１の基体の主面または圧電性の第２の基体の主面にくし歯状の溝を有する誘電体膜を形成し、前記くし歯状の溝に導電性材料を埋め込んでくし歯状電極を形成し、前記第１の基体の主面と前記第２の基体の主面とを張り合わすようにしたことで、張り合わされた第１の基体と第２の基体との間にくし歯状電極を簡単に形成することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態に係る弾性境界波デバイスの構成を示す分解斜視図である。
【図２】図１の正面図である。
【図３】図２のＡ−Ａ矢視平面図である。
【図４】本発明の弾性境界波デバイスの製造方法に係る一実施形態を説明するための工程図である。
【図５】本発明の弾性境界波デバイスにおけるくし歯型電極の他の構成方法を示す工程図である。
【図６】本発明の弾性境界波デバイスの他の実施形態を示す正面図である。
【図７】本発明の弾性境界波デバイスの他の実施形態を示す正面図である。
【図８】本発明の弾性境界波デバイスの他の実施形態を示す正面図である。
【図９】本発明の弾性境界波デバイスの他の実施形態を示す斜視図である。
【図１０】本発明の弾性境界波デバイスをプリント配線板上に実装した例を示す正面図である。
【図１１】本発明の弾性境界波デバイスをプリント配線板上に実装した他の例を示す正面図である。
【図１２】本発明の弾性境界波デバイスが用いられる移動体通信装置の構成を示すブロック図である。
【図１３】本発明の弾性境界波デバイスが用いられるＲＦモジュレータの発振回路の回路図である。
【図１４】ＳＡＷデバイスの基本的構成を示す斜視図である。
【符号の説明】
１ 弾性境界波デバイス
２ Ｓｉ系の第１の基板
３ くし歯状の溝
４ 誘電体膜
５ くし歯状電極
６ 圧電性の第２の基板
７ 露出面
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えばＴＶや携帯電話、ＰＨＳ等におけるフィルタ素子や発振子に用いることができる弾性境界波デバイス及びその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
弾性波を応用したデバイスの１つとして弾性表面波デバイス（ＳＡＷデバイス：Ｓｕｒｆａｃｅ Ａｃｏｕｓｔｉｃ Ｗａｖｅ Ｄｅｖｉｃｅ）が以前よりよく知られている。このＳＡＷデバイスは、例えば４５ＭＨｚ〜２ＧＨｚの周波数帯域における無線信号を処理する装置における各種回路、例えば送信用バンドパスフィルタ、受信用バンドパスフィルタ、局発フィルタ、アンテナ共用器、ＩＦフィルタ、ＦＭ変調器等に用いられる。
【０００３】
図１４にこのＳＡＷデバイスの基本的構成を示す。同図に示すようにＳＡＷデバイスは、ＬｉＮｂＯ3 等の圧電性基板１００上にＡｌ薄膜等の金属材料をエッチング等により加工したくし歯状電極（ＩＤＴ：Ｉｎｔｅｒｄｉｇｉｔａｌ Ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ）１０１、１０２を設けて構成される。そして、ＩＤＴ１０１に高周波の電気信号が印加されると圧電性基板１００表面にＳＡＷ１０３が励振される。励振されたＳＡＷ１０３は、圧電性基板１００表面を伝搬してＩＤＴ１０２に達し、ＩＤＴ１０２において再び電気信号に変換される。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、ＳＡＷデバイスは、固体表面と真空または気体の境界面、すなわち固体表面を伝搬する弾性波を利用するために伝搬媒体である圧電性基板の表面を自由表面とする必要がある。従って、ＳＡＷデバイスにおいては、例えば半導体のパッケージに使用されるようなプラスチックモールドでチップを覆うことができず、パッケージ内部に自由表面を確保するための中空部を設ける必要がある。しかしながら、パッケージ内部に中空部を設けた構造にすると、デバイスが比較的高価かつ大型になるという問題がある。
【０００５】
本発明は、かかる事情に対処し、ＳＡＷデバイスと同等の機能を有し、小型化が容易でかつコストダウンが容易な弾性境界波デバイス及びその製造方法を提供することを目的としている。
【０００６】
具体的には、本発明は、プラスチックモールド等でチップを直接覆うことが可能な弾性境界波デバイス及びその製造方法を提供することを目的としている。
【０００７】
また、本発明は、半導体プロセスをそのまま適用して製造することが可能な弾性境界波デバイス及びその製造方法を提供することを目的としている。
【０００８】
本発明のさらなる目的は、アクティブ素子等の他の素子を搭載することが可能な弾性境界波デバイス及びその製造方法を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
かかる課題を解決するため、本発明の弾性境界波デバイスは、Ｓｉ系の第１層と圧電性の第２層とを積層した積層体と、前記第１層と前記第２層との対向する面間に沿って伝搬する弾性波を励振する手段とを具備する。前記第１層と前記第２層との間に誘電体膜を設けてもよい。
【００１０】
ここで、第１層及び第２層は、基板等の基体により構成してもよいし、いずれか一方または両方を薄膜により構成してもよい。弾性波を伝搬させる手段としては、例えば第１層と第２層との間に励振用の対向する一対のくし歯状電極と受信用の対向する一対のくし歯状電極とを配置すればよい。
【００１１】
本発明の弾性境界波デバイスでは、Ｓｉ系の第１層と圧電性の第２層との対向する面間に沿って弾性波を伝搬させるように構成したことで、ＳＡＷデバイスと同等の機能を持たせている。また、かかる面間は、第１層と第２層との間、すなわち固体と固体とにより挟まれたものであるから、ＳＡＷデバイスの如くパッケージ内部に自由表面を確保するための中空部を設ける必要はなく、プラスチックモールド等でチップを直接覆うことが可能となる。さらに、第１層をＳｉ系としたことで、半導体プロセスをそのまま適用して製造することが可能となり、かつこの第１層にアクティブ素子等の他の素子を搭載することも可能である。Ｓｉ系の第１層を用いることにより、例えば本来Ｓｉ基板上に形成される集積回路と当該境界波デバイスを一体化することが可能になり、プログラマブルなフィルタ回路素子等の機能的なデバイスを１チップで構成することができる。
【００１２】
すなわち、より具体化した本発明の弾性境界波デバイスは、Ｓｉ系の第１の基体と、前記第１の基体に張り合わされた圧電性の第２の基体と、前記第１の基体と前記第２の基体との間に介挿され、くし歯状の溝が設けられた誘電体膜と、前記誘電体膜に導電性材料を埋め込んで構成されるくし歯状電極とを具備する。前記第１の基体の前記第２の基体との張り合わせ面に露出部を設け、前記露出部に半導体素子を形成してもよい。前記第１の基体を１０Ωcm以上の比抵抗のＳｉ系の基板としてもよい。
【００１３】
本発明の弾性境界波デバイスの製造方法は、Ｓｉ系の第１の基体の主面または圧電性の第２の基体の主面にくし歯状電極を形成する工程と、前記第１の基体の主面及び前記第２の基体の主面に水酸基化処理を施す工程と、前記第１の基体の主面と前記第２の基体の主面とを対接させる工程と、前記対接された第１の基体及び第２の基体を１００℃〜１０００℃で加熱する工程とを具備する。
【００１４】
本発明によれば、Ｓｉ系の第１の基体と圧電性の第２の基体とを張り合わせることが可能となる。
【００１５】
本発明の弾性境界波デバイスの製造方法は、Ｓｉ系の第１の基体の主面または圧電性の第２の基体の主面にくし歯状の溝を有する誘電体膜を形成する工程と、前記くし歯状の溝に導電性材料を埋め込んでくし歯状電極を形成する工程と、前記第１の基体の主面と前記第２の基体の主面とを張り合わせる工程とを具備する。 本発明によれば、張り合わされた第１の基体と第２の基体との間にくし歯状電極を簡単に形成することが可能である。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図に基づいて説明する。
【００１７】
図１〜図３は本発明の一実施形態に係る弾性境界波デバイスの構成を示す図であって、図１は分解斜視図、図２は正面図、図３は図１のＡ−Ａ矢視平面図である。
【００１８】
これらの図に示すように、この弾性境界波デバイス１は、Ｓｉ系の第１の基板２の主面上にくし歯状の溝３を有する誘電体膜４を形成すると共にその溝３に導電性材料を埋め込んでくし歯状電極５を形成し、その上に圧電性の第２の基板６を張り合わせて構成される。
【００１９】
第１の基板２としては、例えばＳｉが用いられる。しかし、アモルファスシリコンやポリシリコン等の他のＳｉ系の材料を材料を用いることも可能である。また、Ｓｉ系の第１の基板は、半導体集積回路に通常用いられているように意図的にｎ−型、ｐ−型として比抵抗を下げたものではなく、くし歯状電極５による直流的な漏れを防ぐために１０Ωｃｍ以上の高抵抗のＳｉ系の基板であることが好ましい。 第２の基板６としては、例えばＬｉＮｂＯ3 が用いられる。しかし、ＬｉＴａＯ3 、水晶等の他の圧電性の材料を用いることも可能である。第２の基板６の主面の面積は、第１の基板２の主面の面積より小さい。例えば、第２の基板６の主面は、最低限弾性境界波が伝搬するために必要な有効な領域のみに張り付ければよい。これにより第１の基板２の主面のうち露出面７に、後述するアクティブ素子等の他の素子を搭載することが可能である。また、圧電性の第２の基板６はＳｉ系の第１の基板２と比べ比較的高価であることから、圧電体基板材料を少なくできコストダウンを図ることができる。しかし、第２の基板６の主面の面積と第１の基板２の主面の面積とを同じものとすることも可能であるし、第２の基板６の主面の面積を第１の基板２の主面の面積より大きくすることも可能である。
【００２０】
誘電体膜４は、例えばＳｉＯ2 が用いられる。これによりＳｉ系の第１の基板２の主面を酸化処理するだけでＳｉＯ2 を形成することが可能となる。しかし、他の誘電体膜４を敢えて形成するようにしてもよい。
【００２１】
くし歯状電極５は、例えばＡｌが用いられる。しかし、他の導電性材料を用いることも可能である。くし歯状電極５は、例えば励振用の対向する一対のくし歯状電極８と受信用の対向する一対のくし歯状電極９とにより構成される。しかし、これらの電極をそれぞれ複数設けてもよい。また、くし歯状電極５の他に例えばこれらの電極を挟むように反射電極を設けてもよい。さらに、こうした電極ばかりでなく、例えばこれらの電極を挟むように吸音材を形成するようにしてもよい。要するに、本発明に係る弾性境界波デバイスは、例えば従来のＳＡＷデバイスに代えて用いられるものであって、すなわちフィルタ、遅延線、共振器、発振器、アナログ信号処理用回路、増幅器、コンバルバメモリ等に用いられるが、くし歯状電極５等の構成はこれらの用途、仕様等に応じて適宜設計変更される。
【００２２】
ところで、弾性境界波は２種の固体間の対向する面間を伝搬する弾性波である。この弾性境界波の存在に関する理論的な検討は、例えば清水、入野等の「ＺｎＯとガラスの境界面を伝搬するストンリー波の理論的検討」学信論（Ｃ），J65-C,11,pp.883-890 により取り扱われている。この論文では、２種の固体の一方は圧電材料であるＺｎＯ、もう一方はガラスの組み合わせの場合が取り扱われているが、２種の固体のうち少なくともどちらか一方に弾性波を励振するために圧電性があり２種の固体の境界面に弾性波のエネルギーが集中して伝搬する波を用いて弾性境界波デバイスを実現することができる。
【００２３】
次に、本発明の弾性境界波デバイスの製造方法について説明する。
【００２４】
図４はその製造方法に係る一実施形態を説明するための図である。
【００２５】
まず、Ｓｉ系の第１の基板７０上に例えば熱酸化処理により 0.1〜 2μｍ程度のＳｉＯ2 膜７１を形成する（図４（ａ））。
【００２６】
次に、ＳｉＯ2 膜７１に対し、例えばＣＤΕ（Cemical Dry Ecthing)によりくし歯状の溝７２をパターニングする（図４（ｂ））。
【００２７】
次に、ＳｉＯ2 膜７１上を覆うように例えばスパッタ法によりＡｌ膜７３を成形する（図４（ｃ））。
【００２８】
次に、Αｌ膜７３表面をＳｉＯ2 膜が現れるまで研磨する（図４（ｄ））。
【００２９】
これにより、ＳｉＯ2 膜７１の溝７２にΑｌを埋め込んだ電極（くし歯状電極７４）が構成される。
【００３０】
次に、ＳｉＯ2 膜７１とくし歯状電極７４が形成されたＳｉ系の第１の基板７０の主面及び圧電性の第２の基板７５の主面を例えば過酸化アンモニア水により表面処理することにより、両者の表面を水酸基化する（図４（ｅ））。
【００３１】
次に、第１の基板７０の主面と第２の基板７５の主面とを対接させ、約 300℃で１〜２時間程度加熱する（図４（ｆ））。
【００３２】
かかる熱処理により２種の基板表面にあるＯＨ基同士が結合しＨ2 Ｏが遊離し、異種材料であるＳｉ系の第１の基板７０と第２の基板７５とを直接接合することができる。なお、加熱温度は、好ましくは約 300℃であるが、 100〜1000℃の間とすることができる。 100℃以下ではＯＨ基同士が結合する反応を生じないし、1000℃以上では要素部材に熱的悪影響を及ぼす可能性があるからである。
【００３３】
このように異種材料間の直接接合が可能であることは江田等：「圧電材料の直接接合」信学技報US95-24.ΕＭＤ95-20,ＣＰＭ95-32.(1995-07),pp.31-38にも報告されている。Ｓｉ系の第１の基板と圧電性の第２の基板とは上記以外の方法でも前記江田等の報告にあるように容易に接合することが可能である。
【００３４】
以上の製造工程を経て形成された弾性境界波デバイスでは、境界波を励振するためのくし歯型電極７４をＳｉ系の第１の基板７０上に形成することができるため通常の半導体デバイスの製造技術をそのまま転用することができる。
【００３５】
なお、上記製造方法では、ＳｉＯ2 膜７１とくし歯状電極７４を予めＳｉ系の第１の基板７０に形成する例を示したが、ＳｉＯ2 膜７１とくし歯状電極７４を圧電性の第２の基板７５上に予め形成し、Ｓｉ系の第１の基板７０と直接張り付ける方法でも同様の構造の弾性境界波デバイスを製造することができる。
【００３６】
また、本発明の弾性境界波デバイスにおけるくし歯型電極のその他の構成方法を図５に示す。
【００３７】
まず、Ｓｉ系の第１の基板８０上にイオンミリング等の加工により 0.1〜 2μｍ程度のくし歯状の溝８１を形成する（図５（ａ））。
【００３８】
次に、溝８１を覆うように第１の基板８０上にＡｌ膜８２を例えばスパッタ法により形成する（図５（ｂ））。
【００３９】
次に、Ａｌ膜８２の表面を第１の基板８０表面が現れるまで研磨する（図５（ｃ））。
【００４０】
これにより、第１の基板８０表面の溝８１にΑｌを埋め込んだ電極（くし歯状電極８３）が構成される。
【００４１】
上述した実施形態においては、第１層及び第２層をそれぞれ基板の形態としていたが、第１層及び第２層のうちいずれか一方または両方を薄膜としても構わない。
【００４２】
図６は、Ｓｉ系の第１層を基板の形態であるＳｉ基板９１とし、その上に圧電性の第２層として圧電性薄膜９２を形成した弾性境界波デバイスを示している。図示を省略しているが、Ｓｉ基板９１と圧電性薄膜９２との間には、くし歯状電極が形成されている。
【００４３】
図７は、圧電性の第２層を基板の形態である圧電性基板１１とし、その上にＳｉ系の第１層としてＳｉ薄膜１２、例えばポリシリコンを形成した弾性境界波デバイスを示している。図示を省略しているが、圧電性基板１１とＳｉ薄膜１２との間には、くし歯状電極が形成されている。
【００４４】
図８は、第１層及び第２層の両方を薄膜とした弾性境界波デバイスを示しており、ここでは支持基体としてのガラス基板１１０上にＳｉ系の第１層としてＳｉ薄膜１１１を形成し、その上に圧電性の第２層として圧電性薄膜１１２を形成して構成される。図示を省略しているが、Ｓｉ薄膜１１１と圧電性薄膜１１２との間には、くし歯状電極が形成されている。また、圧電性薄膜の上にＳｉ薄膜を形成するようにしてもよい。
【００４５】
なお、Ｓｉ薄膜と圧電性薄膜のいずれも弾性境界波を伝搬させるためには１λ以上の厚さとする必要がある。
【００４６】
次に、Ｓｉ系の第１の基板にアクティブ素子等の他の素子を搭載した例を示す。 図９はその一例を示しており、Ｓｉ系の第１の基板１２０主面の第１の領域１２１には、くし歯状電極（図示せず）が形成され、これを覆うように圧電性の第２の基板１２２が張り合わされている。第１の基板１２０主面の露出領域である第２の領域１２３には、集積回路１２４が形成されている。これにより、例えばプログラマブルなフィルタ回路素子等の機能的なデバイスを１チップで構成することができるようになる。
【００４７】
図１０及び図１１は図９に示した弾性境界波デバイスをプリント配線板上に実装した例をそれぞれ示している。
【００４８】
図１０に示すように、弾性境界波デバイス１３１の第１の基板１３２主面の第２の領域１３３には、ボンディングパッド１３４が形成されている。プリント配線板１３５上の所定の位置にこの弾性境界波デバイス１３１が搭載され、弾性境界波デバイス１３１のボンディングパッド１３４とプリント配線板１３５上の所定の位置に設けられたボンディングパッド１３６とがボンディングワイヤ１３７により接続されている。そして、これらを覆うようにポリイミドやエポキシ樹脂等により樹脂封止１３８がされている。
【００４９】
また、図１１は別の例であり、同図に示すように、弾性境界波デバイス１４１の第１の基板１４２には主面回路部より裏面のパッド１４３に通じるスルーホール１４４が形成されている。プリント配線板１４５上の所定の位置にこの弾性境界波デバイス１４１が搭載され、弾性境界波デバイス１４１のパッド１４３とプリント配線板１４５上の所定の位置に設けられたパッド１４６とがバンプ１４７により接続されている。そして、これらを覆うようにポリイミドやエポキシ樹脂等により樹脂封止１４８がされている。
【００５０】
本発明に係る弾性境界波デバイスは、例えばフィルタ、遅延線、共振器、発振器、アナログ信号処理用回路、増幅器、コンバルバメモリ等に用いられる。そして、これらの弾性境界波デバイスを備えたフィルタ、遅延線、共振器等は、携帯電話、ＰＨＳ、ＴＶ等に用いられる。
【００５１】
図１２は携帯電話、ＰＨＳ等の移動体通信装置の構成を示すブロック図である。 同図に示すように、アンテナ１５１を介して受信した受信波は、アンテナ共用器１５２により受信系に分離される。分離された受信信号は、アンプ１５３により増幅された後、受信用バンドパスフィルタ１５４により所望の帯域が抽出され、ミキサ１５５に入力される。ミキサ１５５には、ＰＬＬ発振器１５６により発振された局発信号が局発フィルタ１５７を介して入力されている。ミキサ１５５の出力は、ＩＦフィルタ１５８、ＦＭ復調器１５９を介してスピーカ１６０より受信音として出力される。一方、マイク１６１より入力された送話音は、ＦＭ変調器１６２を介してミキサ１６３に入力される。ミキサ１６３には、ＰＬＬ発振器１６４により発振された局発信号が入力されている。ミキサ１６３の出力は、送信用バンドパスフィルタ１６５、パワーアンプ１６６及びアンテナ共用器１５２を介してアンテナ１５１より送信波として出力される。
【００５２】
本発明に係る弾性境界波デバイスは、この移動通信装置の各部に使用することができる。例えば、送信用バンドパスフィルタ１６５、受信用バンドパスフィルタ１５４、局発フィルタ１５７及びアンテナ共用器１５２には、本発明に係る弾性境界波デバイスがＲＦ段のフィルタとして使われる。ＩＦフィルタ１５８には、本発明に係る弾性境界波デバイスがチャネル選局に不可欠な狭帯域のＩＦ段のフィルタとして使われる。ＦＭ変調器１６２には、本発明に係る弾性境界波デバイスが音声のＦＭ変調における共振子として使われる。
【００５３】
本発明に係る弾性境界波デバイスは、ＶＴＲやＣＡＴＶに用いられるＲＦモジュレータの発振回路等にも用いることができる。その回路構成を図１３に示す。図９に示したＳｉ系の第１の基板１２０主面の第１の領域１２１にくし歯状電極１６７を形成し、第２の領域１２３に回路部１６８を形成することで、この発振回路を１チップで構成することができる。
【００５４】
【発明の効果】
以上詳述したように、本発明の弾性境界波デバイスによれば、ＳＡＷデバイスと同等の機能を有し、プラスチックモールド等でチップを直接覆うことが可能となり、さらに半導体プロセスをそのまま適用して製造することが可能となりかつアクティブ素子等の他の素子を搭載することも可能となる。
【００５５】
また、本発明の弾性境界波デバイスの製造方法によれば、Ｓｉ系の第１の基体の主面または圧電性の第２の基体の主面にくし歯状電極を形成し、前記第１の基体の主面及び前記第２の基体の主面に水酸基化処理を施し、前記第１の基体の主面と前記第２の基体の主面とを対接し、前記対接された第１の基体及び第２の基体を１００℃〜１０００℃で加熱するようにしたことで、Ｓｉ系の第１の基体と圧電性の第２の基体とを張り合わせることが可能となる。
【００５６】
さらに、本発明の他の弾性境界波デバイスの製造方法によれば、Ｓｉ系の第１の基体の主面または圧電性の第２の基体の主面にくし歯状の溝を有する誘電体膜を形成し、前記くし歯状の溝に導電性材料を埋め込んでくし歯状電極を形成し、前記第１の基体の主面と前記第２の基体の主面とを張り合わすようにしたことで、張り合わされた第１の基体と第２の基体との間にくし歯状電極を簡単に形成することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態に係る弾性境界波デバイスの構成を示す分解斜視図である。
【図２】図１の正面図である。
【図３】図２のＡ−Ａ矢視平面図である。
【図４】本発明の弾性境界波デバイスの製造方法に係る一実施形態を説明するための工程図である。
【図５】本発明の弾性境界波デバイスにおけるくし歯型電極の他の構成方法を示す工程図である。
【図６】本発明の弾性境界波デバイスの他の実施形態を示す正面図である。
【図７】本発明の弾性境界波デバイスの他の実施形態を示す正面図である。
【図８】本発明の弾性境界波デバイスの他の実施形態を示す正面図である。
【図９】本発明の弾性境界波デバイスの他の実施形態を示す斜視図である。
【図１０】本発明の弾性境界波デバイスをプリント配線板上に実装した例を示す正面図である。
【図１１】本発明の弾性境界波デバイスをプリント配線板上に実装した他の例を示す正面図である。
【図１２】本発明の弾性境界波デバイスが用いられる移動体通信装置の構成を示すブロック図である。
【図１３】本発明の弾性境界波デバイスが用いられるＲＦモジュレータの発振回路の回路図である。
【図１４】ＳＡＷデバイスの基本的構成を示す斜視図である。
【符号の説明】
１ 弾性境界波デバイス
２ Ｓｉ系の第１の基板
３ くし歯状の溝
４ 誘電体膜
５ くし歯状電極
６ 圧電性の第２の基板
７ 露出面
Claims (5)
- Ｓｉ系の第１層と圧電性の第２層とを積層した積層体と、
前記第１層と前記第２層との間に形成された誘電体膜と、
前記第１層と前記第２層との対向する面間に沿って伝搬する弾性波を励振する手段と、
を具備することを特徴とする弾性境界波デバイス。 - Ｓｉ系の第１の基体と、前記第１の基体に張り合わされた圧電性の第２の基体と、
前記第１の基体と前記第２の基体との間に介挿され、くし歯状の溝が設けられた誘電体膜と、
前記誘電体膜に導電性材料を埋め込んで構成されるくし歯状電極と、
を具備することを特徴とする弾性境界波デバイス。 - 前記第１の基体の前記第２の基体との張り合わせ面に露出部を有し、前記露出部に回路が形成されていることを特徴とする請求項２記載の弾性境界波デバイス。
- 前記第１の基体が、１０Ωcm以上の比抵抗のＳｉ系の基板であることを特徴とする請求項２記載の弾性境界波デバイス。
- Ｓｉ系の第１の基体の主面または圧電性の第２の基体の主面にくし歯状の溝を有する誘電体膜を形成する工程と、
前記くし歯状の溝に導電性材料を埋め込んでくし歯状電極を形成する工程と、
前記第１の基体の主面と前記第２の基体の主面とを張り合わせる工程と、
を具備することを特徴とする弾性境界波デバイスの製造方法。
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