JP4862451B2 - 弾性表面波装置及びその製造方法 - Google Patents

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Description

本発明は、例えば共振子や帯域フィルタなどに用いられる弾性表面波装置及びその製造方法に関し、より詳細には、絶縁膜がIDT電極が形成されている部分の周囲に形成されている構造を備えた弾性表面波装置及びその製造方法に関する。
従来、帯域フィルタや共振子として、弾性表面波装置が広く用いられている。ところで、弾性表面波装置では、その特性が温度により変化しないことが望ましい。他方、弾性表面波装置に用いられている圧電単結晶基板、例えばLiTaO基板やLiNbO基板は、負の周波数温度特性を有する。
そこで、下記の特許文献1には、このような圧電基板を用いた弾性表面波装置において、周波数温度特性を改善することを可能とした構造が開示されている。図6は、特許文献1に記載の弾性表面波装置の要部を示す模式的部分切欠正面断面図である。
弾性表面波装置101では、圧電基板102上に、IDT電極103が形成されている。圧電基板102は、LiTaOまたはLiNbOからなり、負の周波数温度特性を有する。IDT電極103は、CuやAgなどの適宜の金属材料により形成されており、IDT電極103が形成されている領域以外の領域には、SiO膜104が形成されている。SiO膜104は、IDT電極103と等しい厚みに形成されており、かつIDT電極103及びSiO膜104を覆うように、第2のSiO膜105が形成されている。SiO膜104,105の形成により、弾性表面波装置101では、SiOが正の周波数温度係数TCFを有するため、周波数温度特性を改善することが可能とされている。また、第2のSiO膜105の表面が平坦化されているので、所望でないリップルを抑圧することができるとされている。
特開2004−112748号公報
弾性表面波装置は、共振子や帯域フィルタとして用いられ、比較的大きな電力が印加されることがある。従って、弾性表面波装置は耐電力性に優れていることが求められているが、特許文献1に記載の弾性表面波装置では、このような要求に応えることが困難であった。
本発明の目的は、上述した従来技術の現状に鑑み、圧電基板上に形成されたIDT電極の周囲に絶縁膜が形成されている弾性表面波装置であって、耐電力性に優れた弾性表面波装置及びその製造方法を提供することにある。
本発明に係る弾性表面波装置は、圧電基板と、前記圧電基板上に設けられており、複数本の電極指を有するIDT電極と、前記IDT電極の電極指間の領域を埋めるように前記圧電基板上に形成されている絶縁膜とを備え、前記電極指の延びる方向と直交する方向を幅方向としたときに、前記電極指の一対の側面の中間高さ位置から、前記電極指の圧電基板と接している下面に至るにつれて、電極指の幅方向寸法が、下方部分において狭くされており、前記絶縁膜が、電極指の幅方向寸法が狭くされている下方部分に入り込むように電極指側に近づくように湾曲されていることを特徴とする。
本発明に係る弾性表面波装置では、好ましくは、前記絶縁膜が、前記電極指の下方に入り込んでいる部分の幅方向寸法が、前記電極指の上面の幅方向寸法の5〜20%の範囲とされている。より好ましくは、上記下方に入り込んでいる部分の幅方向寸法は、電極指の上面の幅方向寸法の10〜20%の範囲とされる。
絶縁膜が電極指の下方に入り込んでいる部分の幅方向寸法を上記のように、5%以上、さらに好ましくは10%以上とすることにより、耐電力性をより一層高めることができる。なお、20%を超えると、電極指が圧電基板に接する部分の面積が小さくなりすぎ、電気機械結合係数が大幅に低下し、弾性表面波装置としての特性を得ることが困難となることがある。
本発明に係る弾性表面波装置では、好ましくは、前記絶縁膜が前記IDT電極と等しい膜厚を有しており、IDT電極及び絶縁膜を覆うように第2の絶縁膜が形成されており、その場合には、第2の絶縁膜がIDT電極を被覆しているため、例えば周波数温度特性などの特性を第2の絶縁膜により改善することが可能となる。
本発明に係る弾性表面波装置では、圧電基板は、様々な圧電材料からなるが、例えば圧電単結晶基板からなり、絶縁膜が酸化ケイ素膜からなる場合には、酸化ケイ素膜が正の周波数温度係数を有するため、圧電単結晶基板として、負の周波数温度係数を有する材料を用いた場合、周波数温度係数TCFの絶対値を小さくすることができる。例えば、圧電単結晶基板が、LiTaOまたはLiNbO基板である場合には、絶縁膜として上記酸化ケイ素膜を用いることにより、温度に対して周波数特性の変化が生じ難い、信頼性に優れた弾性表面波装置を得ることができる。
本発明に係る弾性表面波装置の製造方法は、圧電基板を用意する工程と、前記圧電基板上に絶縁膜を形成する工程と、前記絶縁膜上に、フォトレジスト層を形成する工程と、前記フォトレジスト層をフォトリソグラフィーによりパターニングし、IDT電極が形成される部分において、フォトレジスト層及び絶縁膜を除去し、圧電基板の上面を露出させる工程と、前記圧電基板上にIDT電極を形成するための金属膜を成膜する工程と、前記金属膜を成膜した後に、残存しているフォトレジスト層と、該フォトレジスト上の金属膜をリフトオフ法により除去する工程とを備え、前記フォトレジスト層及び絶縁膜をパターニングして圧電基板の上面を露出させる工程において、前記IDT電極の電極指が形成される部分において、圧電基板の上面に近づくにつれて、電極指が形成される領域の両側から絶縁膜を電極指側に向かって入り込むように、電極指側に近づくように湾曲させるエッチングを施すことを特徴とする。
本発明に係る弾性表面波装置の製造方法においては、好ましくは、上記電極指上面の幅方向寸法に対し、絶縁膜が電極指の下方に入り込む部分の電極指幅方向寸法が5〜20%の範囲となるように上記エッチングが施される。従って、本発明により、耐電力性がより一層高められた弾性表面波装置を得ることができる。
本発明に係る弾性表面波装置では、IDT電極の電極指間の領域を埋めるように圧電基板上に絶縁膜が形成されているが、電極指の延びる方向と直交する方向を幅方向としたときに、電極指の一対の側面が、該側面の中間高さ位置から電極指の圧電基板と接している下面に至るにつれて、電極指の幅方向寸法が下方部分において狭くなっており、絶縁膜が、電極指の幅方向寸法が小さくされている下方部分に入り込むように形成されている。従って、後述の具体的な実験例から明らかなように、耐電力性を効果的に高めることができる。
以下、図面を参照しつつ、本発明の具体的な実施形態を説明することにより、本発明を明らかにする。
図1(a)及び(b)は、本発明の一実施形態に係る弾性表面波装置の要部を示す部分切欠正面断面図及び該弾性表面波装置の模式的平面図である。
弾性表面波装置1は、圧電基板2を有する。圧電基板2は、適宜の圧電単結晶または圧電セラミックスからなる。本実施形態では、圧電基板2は、LiNbO基板からなる。
圧電基板2上に、図1(b)に破線で示されているように、IDT電極3と、IDT電極3の表面波伝搬方向両側に配置された反射器4,5とが設けられており、それによって1ポート型の弾性表面波共振子が構成されている。
図1(a)に、IDT電極3が形成されている部分を模式的部分切欠正面断面図で示すように、IDT電極3と等しい膜厚の第1の絶縁膜6がIDT電極3及び反射器4,5が形成されている部分の領域の周囲に、つまり電極指間などに形成されている。第1の絶縁膜6は、本実施形態では、酸化ケイ素膜としてのSiO膜からなる。
従って、IDT電極3及び反射器4,5と第1の絶縁膜6の上面は面一とされている。そして、第2の絶縁膜7が、IDT電極3、反射器4,5及び第1の絶縁膜6を覆うように形成されている。第2の絶縁膜7もまた、酸化ケイ素膜としてのSiO膜からなる。
本実施形態では、圧電基板2が負の周波数温度係数TCFを有するLiNbO基板からなる。そこで、第1,第2の絶縁膜6,7を、正の周波数温度係数TCFを有するSiO膜により形成することにより、周波数温度係数TCFの絶対値を小さくすることが可能とされている。
また、上記のように、第1の絶縁膜6を形成した後に、第2の絶縁膜7が形成されることになるため、第2の絶縁膜7の上面7aを平坦化することができ、それによって、所望でないリップルを抑制することが可能とされている。
本実施形態の弾性表面波装置1の特徴は、IDT電極3の電極指3aが、その一対の側面の中間高さ位置から、圧電基板2に接触する下面側に至るにつれて、電極指3aの幅方向中央に位置するように電極指の幅方向寸法が狭くされており、第1の絶縁膜6が、上記電極指の幅方向寸法が狭くされている下方部分に入り込むように形成されていることにある。
すなわち、IDT電極3は、複数本の電極指3aを有するが、図1(a)に示すように、IDT電極3の上面の幅方向寸法をWとしたとき、IDT電極3は、その下面側において、幅方向寸法が狭くされている。言い換えれば、IDT電極3の電極指3aの側面は、上面から中間高さ位置に至るまで圧電基板2の上面2aと垂直な方向に延びているものの、中間高さ位置より下方部分では、圧電基板2の上面2a側に近づくにつれて、電極指3aの幅方向中央に向かって近づくように移動されている。そのため、電極指3aの下面では、電極指3aの幅方向寸法が狭くされている。より具体的には、電極指3aの上面側に比べ、電極指3aの下面側においては、片側において図1(a)の幅W1だけ幅方向寸法が狭くされている。従って、電極指3aの幅方向寸法は、上面ではWであるが、下面では、(W−2W1)とされている。
そして、第1の絶縁膜6は、電極指3aが下面側においてその幅方向寸法が狭くされている部分に入り込んでいる。これは、第1の絶縁膜6は、電極形成部分の周囲を充填するように設けられているものであることによる。もっとも、実際の製造に際しては、後述するように、第1の絶縁膜6において、電極形成部分をエッチングした後に、IDT電極3が形成される。従って、より具体的には、上記第1の絶縁膜6の電極指3aの下方に入り込んでいる部分を有するように、上記エッチングが行われる。
本実施形態の弾性表面波装置1では、IDT電極3において、上記のように電極指3aの幅方向寸法が下方部分において下面に近づくにつれて狭くされているが、反射器4,5の電極指も同様に構成されている。
そして、上記のように、電極指の幅方向寸法を、電極指の下面側において狭くなるように電極指を形成し、絶縁膜が上記電極指の幅方向寸法が狭くされている下方部分に入り込むように形成されていることにより、弾性表面波装置1では、耐電力性を高めることが可能となる。
次に、弾性表面波装置1の具体的な製造方法の一例を、図2及び図3を参照して説明する。
まず、図2(a)に示すように、圧電基板2を用意する。次に、圧電基板2上に、第1の絶縁膜6を、蒸着、めっきもしくはスパッタリングなどの薄膜形成方法により形成する。本実施形態では、SiO膜が、薄膜形成方法により均一な膜厚に形成される。
次に、図2(b)に示すように、第1の絶縁膜6上に、フォトレジストパターン7を形成する。フォトレジストパターン7は、周知のフォトリソグラフィー法によりフォトレジスト層を全面に形成した後、パターニングすることにより形成されている。フォトレジストパターン7は、電極形成部分以外の領域において、第1の絶縁膜6を被覆するように形成されている。
しかる後、フォトレジストパターン7をマスクとしてエッチングを施し、図2(c)に示すように、フォトレジストパターン7で被覆されていない領域において、第1の絶縁膜6をエッチングする。このエッチングの程度を調整することにより、図2(c)及び図3に部分拡大断面図で示すように、第1の絶縁膜6のエッチングにより除去される領域に臨む絶縁膜6の側壁6a,6aの下方部分を、電極指形成領域側に近づくように湾曲させることができる。
すなわち、エッチングを強く行えば、このような湾曲部分は除去され、側壁6a,6aは、第1の絶縁膜6の上面から下面側に向かって直線的に、かつ上面に垂直な方向に延びるように形成されることになる。しかしながら、エッチングの時間を短縮したりして、エッチング条件を弱めることにより、図3に矢印Aで示す湾曲部すなわち最終的に電極指の下方部分に入り込む部分を形成することができる。
上記エッチングは、フォトレジストパターンを溶解せず、第1の絶縁膜6を溶解する適宜のエッチャントを用いて行うことができる。
次に、図2(d)に示すように、上記エッチング後に、電極膜3Aを全面に形成する。電極膜3Aの形成は、蒸着、めっきもしくはスパッタリングなどの適宜の薄膜形成方法により行うことができる。この電極膜3Aは、第1の絶縁膜6で囲まれた領域と、フォトレジストパターン7の上面とに付与される。そして、第1の絶縁膜6のエッチングされた領域に充填された電極膜により、IDT電極3及び図示されていない反射器4,5が形成されることになる。
次に、図2(e)に示すように、リフトオフ法により、フォトレジストパターン7及びフォトレジストパターン7の上面に形成されている電極膜3Aを除去する。
しかる後、図2(f)に示すように、IDT電極3及び第1の絶縁膜6を覆うように、第2の絶縁膜としてのSiO膜を、蒸着、めっきもしくはスパッタリングなどの薄膜形成方法により形成する。このようにして、図1に示す弾性表面波装置1を得ることができる。
なお、図1〜図3では、理解を容易とするために、電極膜3A及びIDT電極3は、単一の金属層により形成されているように図示したが、IDT電極3及び反射器4,5は、複数の金属層を積層した積層金属膜により形成されていてもよい。その場合には、図2(d)における電極膜3Aの形成に際し、複数の金属膜を順次薄膜形成方法により形成すればよい。
次に、具体的な実施例を説明することにより、上記弾性表面波装置1において耐電力性が高められることを説明する。
弾性表面波装置1として、4°Y回転X伝播のLiNbO基板からなる圧電基板2上に、IDT電極3及び反射器4,5を形成した。IDT電極3及び反射器4,5を構成する電極膜3Aとしては、複数の金属膜を積層してなる積層金属膜を形成した。より具体的には、下地となる密着層としての金属膜として、18nmの厚みのTi膜を形成し、次に、膜厚h/λ=5.2%であるCuからなる主たる電極層としての金属膜を成膜し、最後に、保護膜としての金属膜として、10nmの厚みのAlCu膜を形成した。
また、第1の絶縁膜6の厚みは、上記電極の膜厚に応じて、130nmとし、第2の絶縁膜7の厚みは、h/λ=23.8%とした。
また、上記第1の絶縁膜6をエッチングする際のエッチング条件を制御し、電極指3aの下方に第1の絶縁膜6が入り込んでいる部分の幅方向寸法W1(図1参照)を、0.2Wとした。なお、電極指の上面の幅方向寸法Wは0.487μmとし、電極指の対数は120対、交差幅32.3μmとした。
さらに、反射器4,5における電極指の本数は20本とした。
比較のために、上記第1の絶縁膜6が電極指3aの下方に入り込んでいないことを除いては、すなわち上記寸法W1=0とされていることを除いては、上記実施例と同様にして形成された従来の弾性表面波装置を作製した。
上記実施例及び比較例で用意した弾性表面波装置の耐電力性を以下の要領で評価した。
すなわち、弾性表面波装置1に0.1Wの電力を5分間印加し、しかる後、0.1W刻みで印加電力値を階段状に高めていき、但し、各ステップにおいて電力を印加する時間を5分とし、IDTが溶断するに至った印加電力値を、破壊電力値とした。
その結果、上記従来例の弾性表面波装置では、破壊電力値は、1.05Wであったのに対し、上記実施例の弾性表面波装置1では、破壊電力値は1.7Wであり、破壊電力値が約61%高められた。
従って、上記実施形態の弾性表面波装置1では、電極指3aの下方部分において、第1の絶縁膜6が電極指3aの下方に入り込んでいることにより、耐電力性が効果的に高められていることがわかる。
次に、上記実施形態の弾性表面波装置において、図1(a)の寸法W1、すなわち第1の絶縁膜6が電極指3aの下方に入り込んでいる部分の幅方向寸法W1を種々変化させ、上記と同様にして破壊電力値を測定した。結果を下記の図4に示す。また、図4では、上記第1の絶縁膜の入り込んでいる部分の寸法W1を変化させた場合の破壊電力値の変化を示したが、図5に、第1の絶縁膜6が電極指の下方に入り込んでいない、上記従来例の弾性表面波装置の破壊電力値に対する、上記実施形態の弾性表面波装置1における入り込み部分の寸法W1の増加による破壊電力増加率の変化を示した。
図4及び図5から明らかなように、第1の絶縁膜6が電極指3aの下方に入り込んでいる部分の寸法W1を大きくしていくことにより、破壊電力値を高め得ることがわかる。もっとも、上記入り込み寸法W1の電極指3aの幅方向寸法Wに対する割合を大きくしていった場合、上記寸法W1のWに対する割合(%)が、0%を超え、10%程度までは、破壊電力が上記寸法W1の増加に伴ってかなり大きくなっていくことがわかり、10%を超えると、破壊電力増加率はほぼ飽和することがわかる。
他方、上記入り込み部分の寸法W1の割合が20%を超えると、電極指3aと圧電基板2との接触面積が非常に小さくなり、圧電効果による良好な共振特性を得ることはできないことが確かめられている。従って、上記入り込み部分の寸法の電極指の幅方向寸法Wに対する割合は、20%以下であることが望ましく、図4及び図5から明らかなように、好ましくは、5〜20%の範囲内とすることにより、破壊電力をより十分な大きさとすることができ、より好ましくは、10〜20%の範囲内とすることにより、破壊電力値をさらに一層大きくし得ることがわかる。
なお、上記実施形態では、第2の絶縁膜7が電極及び第1の絶縁膜6を覆うように形成されていたが、本発明においては、第2の絶縁膜7は必ずしも形成されずともよい。すなわち、IDT電極3などを保護するために、第1の絶縁膜6のみが形成されている構造の弾性表面波装置にも、本発明を適用することができる。
また、上記実施形態では、1ポート型弾性表面波共振子につき説明したが、本発明は、1ポート型の弾性表面波共振子だけでなく、電極の周囲に第1の絶縁膜が形成されており、電極及び第1の絶縁膜を覆うように第2の絶縁膜が形成されている構造を備えた様々な弾性表面波装置、例えば共振子型弾性表面波フィルタなどの様々な弾性表面波装置に用いることができる。
さらに、上記実施形態で、第1の絶縁膜6及び第2の絶縁膜7は、酸化ケイ素膜からなり、LiNbO基板の周波数温度特性を補償ことにより、周波数温度特性の改善が図られていたが、第1,第2の絶縁膜6,7は、他の絶縁性材料で形成されていてもよい。すなわち、使用する圧電基板2が弾性表面波装置1の構造に応じて、適宜の絶縁材料からなるように、絶縁膜6及び絶縁膜7を形成することができる。また、第1の絶縁膜6と、第2の絶縁膜7は、周波数温度特性の改善とは関係なく、異なる絶縁性材料で形成されていてもよい。
(a)及び(b)は、本発明の一実施形態に係る弾性表面波装置の要部を示す模式的部分切欠正面断面図及び模式的平面図。 (a)〜(f)は、図1に示した実施形態の弾性表面波装置の製造方法を説明するための各部分切欠正面断面図。 図2に示した製造方法において、第1の絶縁膜をエッチングする工程を説明するための拡大正面断面図。 電極指の下方に第1の絶縁膜が入り込んでいる部分の幅方向寸法W1の電極指の幅方向寸法Wに対する割合を変化させた場合の破壊電力値の変化を示す図。 第1の絶縁膜が電極指の下方に入り込んでいる部分の寸法W1が0である従来の弾性表面波装置の破壊電力に対する、上記寸法W1を増加させた場合の破壊電力値の増加率の変化を示す図。 従来の弾性表面波装置を説明するための模式的正面断面図。
符号の説明
1…弾性表面波装置
2…圧電基板
2a…上面
3…IDT電極
3a…電極指
3A…金属膜
4,5…反射器
6…第1の絶縁膜
6a…側面
7…第2の絶縁膜

Claims (8)

  1. 圧電基板と、
    前記圧電基板上に設けられており、複数本の電極指を有するIDT電極と、
    前記IDT電極の電極指間の領域を埋めるように前記圧電基板上に形成されている絶縁膜とを備え、
    前記電極指の延びる方向と直交する方向を幅方向としたときに、前記電極指の一対の側面の中間高さ位置から、前記電極指の圧電基板と接している下面に至るにつれて、電極指の幅方向寸法が、下方部分において狭くされており、前記絶縁膜が、電極指の幅方向寸法が狭くされている下方部分に入り込むように電極指側に近づくように湾曲されている、弾性表面波装置。
  2. 前記絶縁膜が、前記電極指の下方に入り込んでいる部分の幅方向寸法が、前記電極指の上面の幅方向寸法の5〜20%の範囲とされている、請求項1に記載の弾性表面波装置。
  3. 前記絶縁膜の前記電極指の下方に入り込んでいる部分の幅方向寸法が、前記電極指の上面の幅方向寸法の10〜20%の範囲とされている、請求項2に記載の弾性表面波装置。
  4. 前記絶縁膜が前記IDT電極と等しい膜厚を有しており、
    前記IDT電極及び絶縁膜を覆うように形成された第2の絶縁膜をさらに備える、請求項1〜3のいずれか1項に記載の弾性表面波装置。
  5. 前記圧電基板が、圧電単結晶基板からなり、前記絶縁膜が酸化ケイ素膜からなる、請求項1〜4のいずれか1項に記載の弾性表面波装置。
  6. 前記圧電単結晶基板が、LiTaOまたはLiNbO基板である、請求項5に記載の弾性表面波装置。
  7. 圧電基板を用意する工程と、
    前記圧電基板上に絶縁膜を形成する工程と、
    前記絶縁膜上に、フォトレジスト層を形成する工程と、
    前記フォトレジスト層をフォトリソグラフィーによりパターニングし、IDT電極が形成される部分において、フォトレジスト層及び絶縁膜を除去し、圧電基板の上面を露出させる工程と、
    前記圧電基板上にIDT電極を形成するための金属膜を成膜する工程と、
    前記金属膜を成膜した後に、残存しているフォトレジスト層と、該フォトレジスト上の金属膜をリフトオフ法により除去する工程とを備え、
    前記フォトレジスト層及び絶縁膜をパターニングして圧電基板の上面を露出させる工程において、前記IDT電極の電極指が形成される部分において、圧電基板の上面に近づくにつれて、電極指が形成される領域の両側から絶縁膜を電極指側に向かって入り込むように、電極指側に近づくように湾曲させるエッチングを施すことを特徴とする、弾性表面波装置の製造方法。
  8. 前記エッチングに際し、電極指が形成されている部分において、電極指上面の幅方向寸法に対し、前記絶縁膜が電極指の下方に入り込み部分の電極指幅方向寸法が5〜20%の範囲となるように前記エッチングを施す、請求項7に記載の弾性表面波装置の製造方法。
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