JP5045864B1 - 弾性波装置の製造方法 - Google Patents
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Abstract
周波数温度特性が優れた弾性波装置を製造し得る方法を提供する。
圧電基板１０と、圧電基板１０の上に形成されているＩＤＴ電極１１と、圧電基板１０の上において、ＩＤＴ電極１１を覆うように形成されており、ＳｉとＯとを主体とする誘電体膜２０とを備える弾性波装置１を製造する。誘電体膜２０を、Ｈ２Ｏを含むスパッタガス中において、スパッタリング法により形成する。
【選択図】図２
圧電基板１０と、圧電基板１０の上に形成されているＩＤＴ電極１１と、圧電基板１０の上において、ＩＤＴ電極１１を覆うように形成されており、ＳｉとＯとを主体とする誘電体膜２０とを備える弾性波装置１を製造する。誘電体膜２０を、Ｈ２Ｏを含むスパッタガス中において、スパッタリング法により形成する。
【選択図】図２
Description
本発明は、弾性波装置の製造方法に関する。特に、本発明は、圧電基板の上に形成されたＩＤＴ電極と、ＩＤＴ電極を覆うように形成されている誘電体膜とを備える弾性波装置の製造方法に関する。
従来、携帯電話機などの通信機器におけるＲＦ（Ｒａｄｉｏ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ）回路に、デュプレクサや段間フィルタなどとして、弾性波装置が搭載されている。弾性波装置としては、弾性表面波を利用した弾性表面波装置や、弾性境界波を利用した弾性境界波装置などがある。
弾性波装置は、圧電基板の上に形成されたＩＤＴ電極を有し、ＩＤＴ電極において励振された弾性波を利用する。弾性波装置において、圧電基板としては、ＬｉＴａＯ３基板やＬｉＮｂＯ３基板などが用いられる。これらの圧電基板を用いた弾性波装置は、負の周波数温度係数（ＴＣＦ：Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ Ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ ｏｆ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ）を有する。具体的には、ＬｉＮｂＯ３基板のＴＣＦは、−９０〜−７０ｐｐｍ／℃程度であり、ＬｉＴａＯ３基板のＴＣＦは、−４０〜−３０ｐｐｍ／℃程度である。このため、これらの圧電基板を用いた弾性波装置では、デュプレクサや段間フィルタで求められる優れた周波数温度特性が得難いという問題がある。
このような問題に鑑み、例えば下記の特許文献１においては、ＬｉＴａＯ３基板やＬｉＮｂＯ３基板などの圧電基板の上に形成されているＩＤＴ電極を覆うように、正のＴＣＦを有する誘電体膜を形成した弾性波装置が提案されている。正のＴＣＦを有する誘電体膜としては、ＳｉとＯとを主体とし、一部の結合が水素原子、フッ素原子、水酸基（ＯＨ）のいずれか１種以上により置換された化学構造を有する誘電体膜が記載されている。特許文献１には、このような構成を採用することにより、優れた周波数温度特性を実現できる旨が記載されている。
しかしながら、特許文献１に記載の弾性波装置においては、誘電体膜の形成方法によっては、弾性波装置の電気特性が劣化することがあるという問題がある。
本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、その目的は、圧電基板と、圧電基板の上に形成されているＩＤＴ電極と、圧電基板の上において、ＩＤＴ電極を覆うように形成されている誘電体膜とを備える弾性波装置の製造方法であって、電気特性を劣化させることなく、周波数温度特性が優れた弾性波装置を製造し得る方法を提供することにある。
本発明に係る弾性波装置の製造方法は、圧電基板と、圧電基板の上に形成されているＩＤＴ電極と、圧電基板の上において、ＩＤＴ電極を覆うように形成されており、ＳｉとＯとを主体とする誘電体膜とを備える弾性波装置の製造方法に関する。本発明に係る弾性波装置の製造方法では、Ｈ２Ｏを含むスパッタガス中において、誘電体膜をスパッタリング法により形成する。
本発明に係る弾性波装置の製造方法のある特定の局面では、誘電体膜は、水素原子と水酸基とを含む。
本発明に係る弾性波装置の製造方法の他の特定の局面では、誘電体膜を、水素原子と水酸基とを含む酸化ケイ素により形成する。
本発明に係る弾性波装置の製造方法の別の特定の局面では、Ｈ２Ｏを、Ｈ２Ｏ分圧が１％以上６％以下の範囲となるように含むスパッタガス中において、誘電体膜をスパッタリング法により形成する。
本発明によれば、周波数温度特性が優れた弾性波装置を製造し得る方法を提供することができる。
以下、本発明を実施した好ましい形態の一例について説明する。但し、下記の実施形態は、単なる例示である。本発明は、下記の実施形態に何ら限定されない。
また、実施形態等において参照する各図面において、実質的に同一の機能を有する部材は同一の符号で参照することとする。また、実施形態等において参照する図面は、模式的に記載されたものであり、図面に描画された物体の寸法の比率などは、現実の物体の寸法の比率などとは異なる場合がある。図面相互間においても、物体の寸法比率等が異なる場合がある。具体的な物体の寸法比率等は、以下の説明を参酌して判断されるべきである。
図１は、本発明の一実施形態において製造される弾性表面波装置１の略図的平面図である。図２は、図１の線ＩＩ−ＩＩにおける略図的断面図である。
まず、図１及び図２を参照しながら、本実施形態において製造される弾性表面波装置１の構成について説明する。
なお、本実施形態では、弾性表面波装置１の製造方法を例示するが、本発明の製造方法は、弾性境界波装置の製造にも好適に適用される。また、本実施形態では、１ポート型弾性表面波共振子としての弾性表面波装置１の製造方法を例示するが、本発明の製造方法は、弾性表面波フィルタや弾性表面波分波器などの製造にも好適に適用される。
弾性表面波装置１は、レイリー波（Ｐ＋ＳＶ波）をメインモードとして使用するが、本発明の製造方法により製造される弾性表面波装置は、どのような種類の弾性表面波をメインモードとして使用するものであってもよい。本発明の製造方法により製造される弾性表面波装置は、例えば、ラブ波やリーキー波などのレイリー波以外の弾性表面波をメインモードとして使用するものであってもよい。
図２に示すように、弾性表面波装置１は、圧電基板１０を有する。圧電基板１０は、適宜の圧電体により形成することができる。圧電基板１０は、例えば、ＬｉＮｂＯ３基板、ＬｉＴａＯ３基板、ニオブ酸カリウム基板、水晶基板、ランガサイト基板、酸化亜鉛基板、チタン酸ジルコン酸鉛基板、四ホウ酸リチウム基板などにより構成することができる。具体的には、本実施形態では、圧電基板１０は、１２７°回転ＹカットＸ伝搬のＬｉＮｂＯ３基板により構成されている。
図１に示すように、圧電基板１０の上には、ＩＤＴ電極１１が形成されている。なお、圧電基板１０の上において、ＩＤＴ電極１１が設けられている領域の弾性表面波伝搬方向の両側に、一対の反射器を形成してもよい。
ＩＤＴ電極１１は、第１及び第２のくし歯状電極１２，１３を備えている。第１及び第２のくし歯状電極１２，１３のそれぞれは、弾性表面波伝搬方向に沿って配列された複数の電極指１２ａ，１３ａと、複数の電極指１２ａ，１３ａが接続されているバスバー１２ｂ，１３ｂとを有する。第１及び第２のくし歯状電極１２，１３は、互いに間挿し合っている。すなわち、第１及び第２のくし歯状電極１２，１３は、電極指１２ａ，１３ａが弾性表面波伝搬方向において交互に配列されるように設けられている。また、本実施形態においては、ＩＤＴ電極１１の波長は１．９μｍ、メタライゼーションレシオは０．５である。
図１に示すように、圧電基板１０の上には、配線１４，１５とパッド１６，１７とが形成されている。ＩＤＴ電極１１は、配線１４，１５によって、パッド１６，１７に接続されている。
ＩＤＴ電極１１と、配線１４，１５と、パッド１６，１７とは、適宜の導電材料により形成することができる。ＩＤＴ電極１１と、配線１４，１５と、パッド１６，１７とは、例えば、Ａｕ，Ｃｕ，Ａｇ，Ｗ，Ｔａ，Ｐｔ，Ｎｉ，Ｍｏ，Ａｌ，Ｔｉ，Ｃｒ，Ｐｄ，Ｃｏ，Ｍｎ等の金属や、これらの金属のうちの一種以上を主成分とする合金などにより形成することができる。また、ＩＤＴ電極１１と、配線１４，１５と、パッド１６，１７とは、上記金属や合金からなる複数の導電膜の積層体により構成されていてもよい。
具体的には、本実施形態では、ＩＤＴ電極１１は、圧電基板１０側から、ＮｉＣｒ層（厚さ：１０ｎｍ）、Ｐｔ層（厚さ：３３ｎｍ）、Ｔｉ層（厚さ：１０ｎｍ）、Ａｌ−Ｃｕ合金層（厚さ：１３０ｎｍ）、Ｔｉ層（厚さ：１０ｎｍ）がこの順番で積層された積層膜により構成されている。これにより、高い反射係数を実現し得る。一方、配線１４，１５とパッド１６，１７とは、圧電基板１０側から、Ａｌ−Ｃｕ合金層（厚さ：７００ｎｍ）、Ｔｉ層（厚さ：６００ｎｍ）、Ａｌ層（厚さ：１１４０ｎｍ）がこの順番で積層された積層膜により構成されている。
なお、ＩＤＴ電極１１と、配線１４，１５と、パッド１６，１７との形成方法は、特に限定されず、蒸着やスパッタリングなどを用いたリフトオフ法などの適宜の薄膜微細加工技術により形成することができる。
図２に示すように、圧電基板１０の上には、ＩＤＴ電極１１の少なくとも電極指１２ａ，１３ａが形成されている領域を覆うように、誘電体膜２０が形成されている。本実施形態では、誘電体膜２０は、バスバー１２ｂ，１３ｂと、配線１４，１５と、パッド１６，１７とを覆っておらず、電極指１２ａ，１３ａと、圧電基板１０の上のその他の領域とを覆うように形成されている。このため、本実施形態では、弾性表面波が伝搬する領域には、誘電体膜２０が設けられていることとなる。
本実施形態では、誘電体膜２０はＳｉとＯとを主体とする。具体的には、誘電体膜２０はＳｉとＯとを主体とし、水素（Ｈ）原子と水酸（ＯＨ）基とを含む。ＬｉＮｂＯ３基板により構成されている圧電基板１０は負のＴＣＦを有するのに対して、ＳｉとＯとを主体とする誘電体膜２０は正のＴＣＦを有する。よって、誘電体膜２０により、弾性表面波装置１の周波数温度特性を改善することができる。
具体的には、本実施形態では、誘電体膜２０は、水素原子と水酸基とを含む酸化ケイ素により形成されている。
誘電体膜２０の厚さは、ＩＤＴ電極１１により励振された弾性表面波をメインモードとして使用することができるような厚さである限りにおいて特に限定されないが、ＩＤＴ電極１１の電極指１２ａ，１３ａが誘電体膜２０に埋め込まれた状態となるような厚さであることが好ましい。すなわち、誘電体膜２０は、ＩＤＴ電極１１の電極指１２ａ，１３ａよりも厚いことが好ましい。これにより、優れた周波数温度特性を実現し得る。誘電体膜２０の厚さは、例えば、弾性表面波の波長比で２０％〜５０％程度とすることができる。弾性表面波装置１を複数個用いてラダー型の弾性表面波フィルタを構成する際に、誘電体膜２０の厚さが厚すぎると、通過帯域がうまく形成できず、所望のフィルタ特性を実現することができない場合がある。誘電体膜２０の厚さが薄すぎると、周波数温度特性を十分に改善することができない場合がある。本実施形態では、具体的には、誘電体膜２０は、厚さが６２０ｎｍとされている。
本実施形態では、誘電体膜２０の上に、保護膜２１が形成されている。この保護膜２１により誘電体膜２０が被覆されている。保護膜２１の厚さは、ＩＤＴ電極１１により励振された弾性表面波をメインモードとして使用することができるような厚さであれば特に限定されない。
保護膜２１は、誘電体膜２０よりもＨ２Ｏ透過率が低い材料からなり、耐湿性を有するものであることが好ましい。また、保護膜２１は、誘電体膜２０よりも、伝搬する弾性表面波の音速が速い材料からなることが好ましい。この場合、保護膜２１をエッチングするなどして保護膜２１の厚さを調整することにより、弾性表面波装置１の周波数特性を調整することができるためである。
具体的には、保護膜２１は、例えば、ＳｉＯ２などの酸化ケイ素、ＳｉＮ、Ｓｉ３Ｎ４などの窒化ケイ素、ＳｉＯＮなどの酸窒化ケイ素、ＳｉＣ、Ｔａ２Ｏ５、ＴｉＯ２、ＴｉＮ、Ａｌ２Ｏ３、ＴｅＯ２などからなる単一膜または積層膜により構成されていることが好ましい。より具体的には、本実施形態では、保護膜２１は、厚さが２０ｎｍのＳｉＮ膜により構成されている。従って、保護膜２１により弾性表面波装置１の耐湿性が高められており、かつ、保護膜２１の厚さを調整することにより弾性表面波装置１の周波数特性を調整することができる。
なお、保護膜２１の形成方法は、特に限定されない。保護膜２１は、例えば、蒸着法やスパッタリング法やＣＶＤ法などにより形成することができる。
次に、本実施形態に係る弾性表面波装置１の製造方法について説明する。
本実施形態では、まず、圧電基板１０の上にＩＤＴ電極１１を形成する。ＩＤＴ電極１１の形成は、例えば、蒸着を用いたリフトオフ法により行うことができる。
次に、誘電体膜２０をスパッタリング法により形成する。具体的には、誘電体膜２０は、バイアス・スパッタリング法、ＤＣスパッタリング法、ＤＣパルススパッタリング法、ＲＦスパッタリング法、マグネトロン・スパッタリング法、イオンビーム・スパッタリング法、反応性スパッタリング法、遷移領域制御反応性スパッタリング法などの他のスパッタリング法により形成することができる。本実施形態では、具体的には、誘電体膜２０は、バイアス・スパッタリング法により形成される。誘電体膜２０をバイアス・スパッタリング法により形成することにより、誘電体膜２０とＩＤＴ電極１１との間に隙間が形成され難くなる。従って、信頼性の高い弾性表面波装置１を製造することができる。バイアス・スパッタリング法による誘電体膜２０の形成は、詳細には、以下のようにして行う。
スパッタガスとしては、気化させたＨ２Ｏを含むＡｒとＯ２の混合ガスをスパッタガスとして用いる。具体的には、ＡｒとＯ２の混合ガスに、気化器を用いて液体から気体へ気化させたＨ２Ｏを、マスフローコントローラーを用いてガス流量を制御しながらＨ２Ｏ分圧が６％となるように加え、成膜室に導入する。なおＨ２Ｏ分圧とは、成膜室内の混合ガスにおけるＨ２Ｏガスが混合ガスと同じ体積を占めたときの圧力とする。このスパッタガス中において、バイアス・スパッタリング法を行うことにより、ＳｉとＯを主体とし、水素原子と水酸基とを含む誘電体膜２０が形成される。
ここで、本発明において、Ｈ２Ｏ分圧は、四重極質量分析計を用いて測定した値である。
なお、本実施形態では、気化器で気化させたＨ２Ｏはマスフローコントローラーを用いてスパッタガス中に導入する例について説明したが、本発明はこれに限られない。スパッタガスとして使用するＡｒガス及びＯ２ガスのどちらか一方、もしくは両方に、予め気化させたＨ２Ｏを混合することによりＨ２Ｏ濃度を調整した混合ガスを使用しても良い。このような方法を用いても、スパッタガス中のＨ２Ｏ分圧を調整することができる。
次に、犠牲層を用いたエッチバックにより誘電体膜２０の平坦化を行う。誘電体膜２０の表面に凹凸が存在すると、弾性表面波装置の挿入損失が大きくなるため、誘電体膜２０の表面は平坦であることが求められる。また、誘電体膜２０の表面に凹凸が存在する状態で、誘電体膜２０を覆うように保護膜２１を形成すると、凹凸の周囲に形成される保護膜２１の一部分の厚さが薄くなる。これにより、弾性表面波装置の周波数特性を調整するために保護膜２１をエッチングして保護膜２１の厚さを調整すると、保護膜２１の一部分がエッチングによって除去されてしまい、誘電体膜２０の表面が露出してしまうことになる。この結果、弾性表面波装置の耐湿性などが劣化してしまうことになるため、この点においても、誘電体膜２０の表面は平坦であることが求められる。
次に、保護膜２１を蒸着法やスパッタリング法やＣＶＤ法等により形成することにより、弾性表面波装置１を完成させることができる。
上記のようにして製造された弾性表面波装置１は、電気特性だけではなく、周波数温度特性も優れる。この理由を以下に説明する。
誘電体膜を成膜している時のスパッタガス中のＨ２Ｏ分圧を異ならせて弾性表面波装置を製造し、ＴＣＦを測定した。このとき、Ｈ２Ｏ分圧以外は弾性表面波装置１と同じものとした。図３に、誘電体膜を成膜している時のスパッタガス中のＨ２Ｏ分圧と、弾性表面波装置のＴＣＦとの関係を示す。
図３に示すように、誘電体膜の膜厚が同じであっても、成膜している時のＨ２Ｏ分圧の高さによって、ＴＣＦの大きさが変わることが分かる。具体的には、成膜している時のＨ２Ｏ分圧が高くなるほど、弾性表面波装置のＴＣＦは０ｐｐｍ／℃に近づく。よって、誘電体膜を成膜している時のＨ２Ｏ分圧を高くすることによって、誘電体膜の膜厚を厚くすることなく、弾性表面波装置のＴＣＦを改善することができることが分かる。ＴＣＦをより効果的に改善する観点からは、スパッタガス中におけるＨ２Ｏ分圧は、１％以上であることが好ましい。
また、誘電体膜を成膜している時のＨ２Ｏ分圧を監視して制御することにより、ＴＣＦを安定化することができるともいえる。
次に、誘電体膜を成膜している時のＨ２Ｏ分圧を異ならせて製造した弾性表面波共振子を複数個用いてラダー型の弾性表面波フィルタを構成した。具体的には、図６に示すＵＭＴＳ−ＢＡＮＤ２用弾性表面波分波器である送信フィルタ３０を構成した。ＵＭＴＳ−ＢＡＮＤ２の送信周波数帯は、１８５０ＭＨｚ〜１９１０ＭＨｚである。図４に、誘電体膜を成膜している時のＨ２Ｏ分圧と、送信フィルタ３０の通過帯域高域側急峻性との関係を示す。ここで、通過帯域高域側急峻性とは、通過帯域の高域側において、挿入損失が２．５ｄＢとなる周波数と、挿入損失が４０ｄＢとなる周波数との差としている。この差が小さいほど、急峻性が優れていることになる。
図４に示すように、誘電体膜の膜厚が同じであっても、成膜している時のＨ２Ｏ分圧の高さによって、送信フィルタ３０の通過帯域高域側急峻性が変わることが分かる。具体的には、成膜している時のＨ２Ｏ分圧が高くなるほど、送信フィルタ３０の通過帯域高域側急峻性は悪化している。よって、誘電体膜を成膜している時のＨ２Ｏ分圧を高くすることによって、誘電体膜の膜厚を厚くすることなく、送信フィルタ３０のＴＣＦを改善することができるものの、条件によっては電気特性が劣化することになる。
図５に、誘電体膜を成膜している時のＨ２Ｏ分圧を３．１％、６．０％、１４．５％とした時の送信フィルタ３０のフィルタ特性を示す。
図５に示すように、誘電体膜を成膜している時のＨ２Ｏ分圧が高くなると、通過帯域における挿入損失が悪化する。特に、通過帯域における高域側の挿入損失が悪化すると、通過帯域高域側急峻性が悪化する。これは、誘電体膜を成膜している時のＨ２Ｏ分圧によって、誘電体膜の弾性定数が変化し、弾性表面波の伝搬損失が変化しているためであると考えられる。誘電体膜を成膜している時のＨ２Ｏ分圧が高くなると、弾性表面波の伝搬損失が大きくなり、通過帯域における高域側の挿入損失が悪化し、通過帯域高域側急峻性も悪化する。
ＵＭＴＳ−ＢＡＮＤ２などのように、送信周波数帯（１８５０ＭＨｚ〜１９１０ＭＨｚ）と受信周波数帯（１９３０ＭＨｚ〜１９９０ＭＨｚ）との間隔が２０ＭＨｚと狭い通信システムに用いられる送信フィルタ３０では、通過帯域高域側急峻性が１７．５ＭＨｚ以下であることが求められる。よって、図４から明らかなように、誘電体膜を成膜している時のＨ２Ｏ分圧を６％以下とすることで、電気特性だけではなく、周波数温度特性も優れる弾性表面波装置を製造することができる。
１…弾性表面波装置
１０…圧電基板
１１…ＩＤＴ電極
１２，１３…くし歯状電極
１２ａ，１３ａ…電極指
１２ｂ，１３ｂ…バスバー
１４，１５…配線
１６，１７…パッド
２０…誘電体膜
２１…保護膜
１０…圧電基板
１１…ＩＤＴ電極
１２，１３…くし歯状電極
１２ａ，１３ａ…電極指
１２ｂ，１３ｂ…バスバー
１４，１５…配線
１６，１７…パッド
２０…誘電体膜
２１…保護膜
Claims (3)
- 圧電基板と、
前記圧電基板の上に形成されているＩＤＴ電極と、
前記圧電基板の上において、前記ＩＤＴ電極を覆うように形成されており、ＳｉとＯとを主体とする誘電体膜と、
を備える弾性波装置の製造方法であって、
Ｈ２Ｏを含むスパッタガス中において、前記誘電体膜をスパッタリング法により形成し、
前記誘電体膜が、水素原子と水酸基とを含む、弾性波装置の製造方法。 - 前記誘電体膜を、水素原子と水酸基とを含む酸化ケイ素により形成する、請求項１に記載の弾性波装置の製造方法。
- Ｈ２Ｏを、Ｈ２Ｏ分圧が１％以上６％以下の範囲となるように含むスパッタガス中において、前記誘電体膜をスパッタリング法により形成する、請求項１または２に記載の弾性波装置の製造方法。
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