JP4543565B2 - 弾性表面波素子の周波数調整方法 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、弾性表面波フィルタなどの弾性表面波素子の周波数調整方法に関し、より詳細には、電極形成後に反応性イオンエッチングにより周波数を調整する方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
弾性表面波素子では、圧電基板上にAlもしくはAl合金からなる電極が形成されている。圧電基板材料としては、水晶などの圧電単結晶や、チタン酸ジルコン酸鉛系セラミックスなどの圧電セラミックスが用いられている。
【0003】
弾性表面波素子の周波数は電極の膜厚に大きく依存する。従って、目的とする周波数を実現するには、電極の膜厚を高精度に制御することが必要である。
他方、電極は、蒸着、メッキまたはスパッタリングなどの導電膜形成方法により形成されているが、これらの導電膜形成方法を用いた場合の電極の膜厚精度には限度があった。従って、この電極膜厚精度よりも周波数公差が小さい弾性表面波素子を得ようとした場合、該公差を満足するように電極膜厚を制御することは不可能である。
【0004】
そこで、従来、電極形成後に、周波数を調整する方法が種々試みられている。
このような周波数調整方法の1つとして、フッ化ガスを用いた反応性イオンエッチング(RIE)法が存在する。すなわち、図5に示すように、圧電基板51上に電極52を形成した後、フッ化ガスを用いて反応性イオンエッチングを行なう。その結果、基板51の上面51aからエッチングが進行し、矢印Aで示すように基板がエッチングされる。他方、電極52を構成している材料であるAlやAl合金のフッ化物AlF3は不揮発性であるため、電極52のエッチングは進行し難い。従って、基板51のみを選択的にエッチングすることができ、電極52の見かけの膜厚を厚くして周波数調整を行なうことができる。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、電極52が、例えば、Ta、Wもしくはこれらの合金からなる場合には、これらの電極材料のフッ化物は揮発性である。従って、基板51に比べて、電極52のエッチング速度が速くなる。すなわち、図6に示すように、電極52のエッチングが基板51のエッチングよりも速やかに進行する。矢印Bで示す位置から、実線で示されている位置まで電極52が大きくエッチングされ、エッチング量は基板51のエッチング量より大きくなる。その結果、周波数は高域側にシフトすることとなる。
【0006】
また、電極52がAlもしくはAl合金からなる場合であっても、不活性ガスイオンによりエッチングすると、同様に電極のエッチングが優先的に進行し、周波数が高域側にシフトする。
【0007】
上記のように、電極のエッチング速度が速くなった場合には、低域側にすなわち電極の見かけの膜厚を厚くする方向に調整を行なうことができない。従って、周波数が所望の値よりも高かった場合、そのような周波数の弾性表面波素子はすべて不良品となる。
【0008】
本発明の目的は、上述した従来技術の欠点を解消し、フッ化ガスと反応し、生成したフッ化物が揮発性である材料からなる電極を有する弾性表面波素子であっても、圧電基板を速やかにエッチングすることができ、それによって周波数を低める方向に周波数調整を行なうことができる、弾性表面波素子の周波数調整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】
本発明は、上記課題を達成するためになされたものであり、本発明の広い局面によれば、圧電基板上にまたは圧電基板上に形成された下地材料上にフッ化ガスと反応して揮発性反応物を生成する電極材料であるTa,Wまたはこれらの合金からなる少なくとも1つのインターデジタルトランスデューサが形成されている弾性表面波素子の周波数調整方法であって、弾性表面波素子が用意されるロードロック室と、弾性表面波素子がロードロック室から搬送されるようにロードロック室に連結されており、フッ化ガスプラズマによる反応性イオンエッチングが行なわれ、所望の真空度に減圧されている処理室とを備える周波数調整用処理装置のロードロック室に弾性表面波素子を配置する工程と、前記ロードロック室から処理室に弾性表面波素子を搬送する工程と、前記処理室に弾性表面波素子を搬送する前、あるいは搬送後に前記真空度に減圧されている処理室に大気を導入する工程と、前記処理室を周波数調整に必要な真空度まで減圧する工程と、前記減圧工程後に、フッ化ガスプラズマにより弾性表面波素子の圧電基板または下地材料を選択的にエッチングする反応性イオンエッチング工程とを備え、前記大気を導入する工程と、前記反応性イオンエッチング工程とが繰り返し行われる、弾性表面波素子の周波数調整方法が提供される。
【0010】
本発明では、弾性表面波素子の電極が、Ta、Wまたはこれらの合金により構成される。Ta、Wまたはこれらの合金のフッ化物は揮発性であるが、本発明に従って、周波数調整を行なうことにより圧電基板を選択的にエッチングすることができる。すなわち、圧電基板や電極下地材料のエッチング量が電極のエッチング量よりも大きくなる。従って、Ta、Wまたはこれらの合金からなる電極を用いた弾性表面波素子において、周波数を低める方向に周波数調確を確実に行なうことができる。
【0011】
本発明の特定の局面では、エッチングに際し、上記フッ化ガスとしてフッ化炭素が用いられ、それによって低域側への周波数調整範囲を拡げることができる。
好ましくは、C4F8またはC5F8などのフッ素比率の低いフッ化炭素ガスを用いることにより、より一層周波数調整範囲を広くすることができる。
【0012】
本発明の別の特定の局面では、フッ化ガス100体積%に対し、10〜20体積%の水素が混入され、それによって圧電基板または下地材料の選択的エッチングをより一層効果的に進めることができる。
【0014】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照しつつ本発明の具体的な実施例を説明することにより、本発明を明らかにする。
【0015】
本実施例で周波数調整される弾性表面波素子の構造を図2を参照して説明する。図2に示すように、弾性表面波素子1は、水晶からなる圧電基板2上にTaからなるくし歯電極3,4を形成した構造を有する。くし歯電極指3,4は、それぞれ、複数本の電極指を有し、互いの電極指が間挿し合うように配置されている。
【0016】
上記くし歯電極指3,4により、1つのインターデジタルトランスデューサが構成されている。
くし歯電極指3,4は、圧電基板2上に全面にTaからなる電極を成膜した後、フォトリソグラフィー、エッチング及びレジスト剥離の各工程を経て形成されている。
【0017】
ところで、このようにして得られた弾性表面波素子1の周波数が所望の値である場合には、周波数調整は不要である。しかしながら、周波数が所望の範囲外の場合には、所望とする周波数に調整する必要がある。
【0018】
本実施例では、弾性表面波素子1の周波数が所望とする周波数範囲よりも高い場合に、以下の工程により周波数を低めるように周波数調整が行なわれる。
図3は、本実施例で用いられるロードロック式の周波数調整処理装置を説明するための模式的平面図である。この周波数調整処理装置5は、ロードロック室6と処理室7とを有する。ロードロック室6及び処理室7は、それぞれ独立に内部の圧力を設定し得るように構成されている。また、ロードロック室6に、処理室7がゲートバルブ8を介して連結されている。ゲートバルブ8は、ロードロック室6から弾性表面波素子1を処理室7に搬送する際に開けられるように構成されている。
【0019】
処理室7は、所望の真空度となるようにその内部が減圧されている。この所望の真空度とは、本実施例では1Paであり、通常2Pa以下程度の圧力である。
ロードロック室6には、上記のようにして得られた弾性表面波素子1が配置される。そして、弾性表面波素子1が配置された状態で、ロードロック室6が真空ポンプなどの吸引源により排気され、1Pa程度の圧力に減圧される。
【0020】
次に、処理室7に図示しない大気導入孔から大気が導入され、処理室7内の圧力が100Pa程度に高められる。
しかる後、ゲートバルブ8を開け、弾性表面波素子1をロードロック室6から処理室7に搬送する。次に、ゲートバルブ8が閉じられる。そして、処理室7の内が1Pa程度まで、すなわちRIEに必要な真空度、すなわち2Pa以下まで再度減圧される。
【0021】
しかる後、処理室7にフッ化ガスが導入され、RF電力が印加され、反応性イオンエッチングが行なわれる。処理室7内では、図1に示すように、支持体11上に載置された弾性表面波素子1のくし歯電極3,4が形成されている面に対向するようにアノード電極13が配置されている。RF電力の印加により、図1に示すように、プラズマ12が発生し、弾性表面波素子1がプラズマ12にさらされる。プラズマ中のイオンと圧電基板2とが反応し、図1の破線で示すように圧電基板2の上面がエッチングされる。他方、処理室7中に残留している大気成分、特にH2Oの影響により、くし歯電極指3,4とプラズマ12との反応速度は遅くなる。従って、くし歯電極3,4がTaからなり、そのフッ化物は揮発性であるものの、エッチングは緩やかにしか進行しない。
【0022】
よって、本実施例によれば、図1の矢印Dで示すように、圧電基板2の表面を選択的にエッチングすることができ、くし歯電極3,4の見かけの膜厚が厚くなり、周波数が低くなるように周波数調整が行なわれる。
【0023】
上記のように、本実施例は、処理室7に大気を導入しておくことにより、大気中の成分の影響によりプラズマ12と電極3,4との反応速度を遅くし、それによって圧電基板1側のエッチングを優先的に進行させたことに特徴を有する。
【0024】
なお、処理室7に導入される大気の量については、処理室7の大きさ、大気の温度及び湿度等に応じて適宜定めればよい。
また、本実施例では、処理室7に弾性表面波素子1を挿入する前に処理室7に大気を導入しておいたが、弾性表面波素子1を処理室7に移動させた後に、大気を導入し、しかる後、再度減圧して反応性イオンエッチングを行なってもよい。
【0025】
次に、具体的な実験例につき説明する。
弾性表面波素子1として、直径100mm×厚み0.4mmの水晶基板上に、厚み400nmのくし歯電極3,4を形成してなる弾性表面波素子1を用意した。弾性表面波素子1の周波数調整前の周波数は約225MHzであった。
【0026】
多数の上記弾性表面波素子1につき、上記実施例の方法に従って周波数を低めるように周波数調整を行い、処理時間と周波数変化量との関係を測定した。なお、フッ化ガスとしては、フッ化炭素を用い、また、処理室7への大気の導入は、実施例と同様に弾性表面波素子1を処理室7に搬送する前に行なった。
【0027】
図4から明らかなように、処理室における処理時間が長くなるほど、周波数低下量が大きくなることがわかる。また、図4から明らかなように、周波数低下量と、処理時間との間に直線的な関係が存在することがわかる。
【0028】
従って、本実施例によれば、処理室7における処理時間を調整することにより、弾性表面波素子1の周波数を所望とする周波数まで高精度にかつ容易に低める得ることがわかる。
【0029】
なお、上記実施例では、フッ化ガスとして、フッ化炭素を用いたが、フッ化炭素以外のフッ化ガス、例えば、フッ化硫黄SF6などを用いてもよい。もっとも、フッ化硫黄を用いた場合には、フッ化炭素に比べてラジカル比率が高くなること、並びに硫黄Sが還元剤として働き、電極表面の酸化膜のエッチング速度が高くなる。従って、フッ化硫黄よりもフッ化炭素を用いることが好ましい。
【0030】
また、より好ましくは、フッ素比率が低いフッ化炭素、例えば、C4F8またはC5F8が用いられ、それによって圧電基板におけるエッチング速度が電極のエッチング速度に比べてより一層高くされ、周波数調整範囲がより一層広げられる。
これは、フッ素比率の低いフッ化炭素ガスの方が、反応物であるCF3 +イオンを生じやすいことによる。
【0031】
また、本発明においては、好ましくは、フッ化炭素ガスに、少量の水素を添加してもよい。この場合には、水素と圧電基板もしくは下地材料または電極との反応により重合物が形成される。圧電基板表面や下地材料表面に形成された重合物は、圧電基板に含まれている酸素と反応し除去される。他方、電極表面に形成された重合物は反応することなく残留し、プラズマと電極表面との反応を阻止するように作用する。従って、圧電基板をより効果的に優先的にエッチングすることができる。また、フッ化炭素に少量の水素を添加する場合の水素の量については、フッ化炭素ガスよりも少量であればよく、好ましくは、フッ化炭素ガス100体積%に対し、水素10〜20体積%の範囲とすることが望ましい。
【0032】
次に、上記のようにフッ化炭素ガスに少量の水素を添加した場合の実験例を説明する。
前述した図4に示した結果が得られた実験例と、フッ化炭素ガス100体積%に対し、水素18.3%添加したことを除いては、上記実験例と同様にして周波数調整を行なった。結果を図7に示す。
【0033】
図7から明らかなように、水素ガスを添加した場合にも周波数低下量と処理時間との間に直線的な関係が存在することがわかる。また、図7の結果を図4と比較すれば明らかなように、水素をフッ化炭素ガスに添加することにより、周波数調整速度及び周波数調整量を大きくし得ることがわかる。もっとも、水素の添加割合が20体積%を超えると、重合物が基板上にも形成され、基板のエッチング効果が低下するおそれがあり、かつ重合物の基板上への堆積により製品の特性が劣化することがある。
【0034】
なお、フッ化炭素ガス100体積%に対し、水素の添加割合が10体積%未満の場合には、水素を添加した効果が十分に得られないことがある。
他方、本発明に係る周波数調整方法では、処理室7において長時間の周波数調整を行なうと、処理室7内における大気成分が浪費され、存在しなくなる。従って、それ以上周波数調整を行なうと、電極がエッチングされ、周波数が高域側に変化するおそれがある。そこで、本発明では、処理室7中の大気成分がなくなる前に処理を終了することが望ましい。また、大気成分が存在しなくなり、かつ周波数調整量が不十分な場合には、再度処理室に大気を導入し、周波数調整を行なえばよい。すなわち、周波数調整量を大きくするには、大気を導入する工程と、反応性イオンエッチング工程とを繰り返せばよく、それによって処理室の周波数調整により、より広い範囲に渡り周波数調整を行なうことができる。
【0035】
なお、上述した下地材料としては、圧電基板上にIDTなどの電極形成の下地となる適宜の材料、例えばSiO2などが挙げられるが、本発明は下地が形成されていない弾性表面波素子及び下地を有する弾性表面波素子の何れにも適用され得る。
【0036】
【発明の効果】
本発明に係る周波数調整方法によれば、ロードロック室に弾性表面波素子を搬送する前、あるいは搬送後に処理室に大気を導入した状態で、処理室を周波数調整に必要な真空度まで減圧し、減圧後に、反応性イオンエッチングにより圧電基板または下地材料が選択的にエッチングされ、弾性表面波素子の周波数が低くなるように周波数調整が行なわれる。すなわち、大気成分が予め導入された状態で反応性イオンエッチンクが行なわれ、大気中のH2Oなどの成分により、電極とプラズマとの反応速度が遅くなり、圧電基板または下地材料側におけるエッチングが優先的に進行し、電極の見かけの膜厚が厚くなり、周波数が低くなるように周波数調整が確実に行なわれる。
【0037】
しかも、処理室とロードロック室が連結されており、ロードロック室から順次弾性表面波素子を処理室に搬送し、周波数調整を行なうことができるので、多数の弾性表面波素子の周波数調整を効率よく行なうことができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施例に係る周波数調整方法において、プラズマにより弾性表面波素子の圧電基板がエッチングされる工程を説明するための模式的正面断面図。
【図2】本発明の一実施例において、周波数調整が行なわれる弾性表面波素子の平面図。
【図3】本発明の一実施例の周波数調整方法において用いられる周波数調整処理装置を説明するための模式的平面図。
【図4】本発明の一実施例における周波数調整のための処理時間と、周波数低下量との関係を示す図。
【図5】従来の弾性表面波素子の周波数調整方法の一例を説明するための部分切欠正面断面図。
【図6】従来の弾性表面波素子の周波数調整方法の他の例を説明するための部分切欠正面断面図。
【図7】本発明の変形例における周波数調整のための処理時間と、周波数低下量との関係を示す図。
【符号の説明】
1…弾性表面波素子
2…圧電基板
3,4…くし歯電極
5…周波数調整処理装置
6…ロードロック室
7…処理室
8…ゲートバルブ
12…プラズマ
Claims (3)
- 圧電基板上または圧電基板上に形成された下地材料上にフッ化ガスと反応して揮発性反応物を生成する電極材料であるTa,Wまたはこれらの合金からなる少なくとも1つのインターデジタルトランスデューサが形成されている弾性表面波素子の周波数調整方法であって、
弾性表面波素子が用意されるロードロック室と、弾性表面波素子がロードロック室から搬送されるようにロードロック室に連結されており、フッ化ガスプラズマによる反応性イオンエッチングが行なわれ、所望の真空度に減圧されている処理室とを備える周波数調整用処理装置のロードロック室に弾性表面波素子を配置する工程と、
前記ロードロック室から処理室に弾性表面波素子を搬送する工程と、
前記処理室に弾性表面波素子を搬送する前、あるいは搬送後に前記真空度に減圧されている処理室に大気を導入する工程と、
前記処理室を周波数調整に必要な真空度まで減圧する工程と、
前記減圧工程後に、フッ化ガスプラズマにより弾性表面波素子の圧電基板または下地材料を選択的にエッチングする反応性イオンエッチング工程とを備え、前記大気を導入する工程と、前記反応性イオンエッチング工程とが繰り返し行われる、弾性表面波素子の周波数調整方法。 - 前記フッ化ガスとして、フッ化炭素が用いられる、請求項1に記載の弾性表面波素子の周波数調整方法。
- 前記フッ化ガス100体積%に対し、10〜20体積%の水素が混入されている、請求項1または2に記載の弾性表面波素子の周波数調整方法。
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