JP5115562B2 - 弾性波素子の製造方法 - Google Patents
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Description
本発明は、弾性表面波（Surface Acoustic Wave：ＳＡＷ）素子や弾性境界波素子のような弾性波素子の製造方法に関する。
弾性波素子は、タンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ3：ＬＴ）基板やニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ3：ＬＮ）基板などの圧電基板上にくし型電極（Inter-Digital Transducer：ＩＤＴ）を形成してなる素子である。ＬＴやＬＮの熱膨張係数は、シリコンの６倍程度（シリコン約２.６×１０-6／Ｋに対してＬＴ約１６×１０-6／Ｋ、ＬＮ約１５×１０-6／Ｋ）と大きいため、ＬＴ基板やＬＮ基板を弾性波素子に用いる場合には、温度変化によるフィルタ特性の変化が大きな問題となる。このため、種々の方法で温度補償を行うことが行われている。
例えば、特許文献１には、薄層化した圧電基板と温度補償用の非晶質圧電基板とを直接若しくは無機薄膜層を介して接合する技術が開示されている。また、特許文献２には、ＩＤＴを形成した後に薄層化された圧電基板と温度補償用の絶縁性基板とをガラス質体からなる接着部材により接合することが開示されている。
特開平６−３２６５５３号公報
特開２００２−１６４６８号公報
圧電基板と温度補償用基板とを接合してなる接合基板をウエハプロセスに供する場合、例えば、接合基板に弾性波素子用のＩＤＴを形成する場合、プロセス中の加熱工程により圧電基板と温特補償基板との間の線膨張係数差に起因する応力が発生して圧電基板が反ってしまい、これに伴って線幅加工精度が低下してしまう。また、ウエハプロセスにおいて、２００℃以上の温度での処理を行う場合があり、接合基板をこのような温度に供すると、線膨張係数差に起因する応力が発生して基板に割れや接合面の剥がれが生じてしまうことがある。
本発明はかかる点に鑑みてなされたものであり、周波数温度特性（ＴＣＦ：Temperature Coefficient of Frequency）に優れ、しかもＩＤＴパターンの加工精度が高く、２００℃以上の高温処理に耐え得る弾性波素子の製造方法を提供することを目的とする。
本発明の弾性波素子の製造方法は、圧電基板の一方の主面上にＩＤＴを形成する工程と、ＩＤＴを形成した後の圧電基板の他方の主面上に、前記圧電基板の線膨張係数よりも小さい線膨張係数を有する材料を溶射により成膜する工程と、を具備することを特徴とする。
この方法によれば、圧電基板にＩＤＴを形成した後に、温度補償効果を発揮する溶射膜を形成する。まず、圧電基板にＩＤＴを形成してしまうので、接合基板において問題となる、線膨張係数差に起因する応力発生による基板の反りや、高温プロセスにおける基板割れが起こらない。そして、基板に反りがない状態でＩＤＴを形成することができるので、ＩＤＴの加工精度が高い弾性波素子を得ることができる。さらに、ＩＤＴを形成した後に、温度補償効果を発揮する溶射膜を形成しているので、これにより得られた弾性波素子は、ＩＤＴの加工精度が高い状態で、さらに温度補償効果を発揮することができる。
本発明の弾性波素子の製造方法においては、溶射による成膜前に前記圧電基板の他方の主面を粗面化する工程をさらに具備することが好ましい。この方法によれば、バルク波の影響のない弾性波素子を得ることができる。この方法においては、前記他方の主面がＲａ＝０．０１μｍ〜３μｍであることが好ましい。
本発明の弾性波素子の製造方法においては、溶射による成膜前に前記圧電基板の他方の主面を薄層化する工程をさらに具備することが好ましい。この方法によれば、より温度補償効果の高い弾性波素子を得ることができる。
本発明の弾性波素子の製造方法においては、前記材料は、ムライト、アルミナ、シリコン及びイットリアからなる群より選ばれた少なくとも一つであることが好ましい。
本発明の弾性波素子の製造方法においては、前記圧電基板がタンタル酸リチウム基板又はニオブ酸リチウム基板であることが好ましい。
本発明の弾性波素子の製造方法においては、前記溶射により成膜された膜に形成される空孔に充填材を充填する工程をさらに具備することが好ましい。この方法によれば、溶射膜の剛性を大きくして、周波数温度特性の向上を図ることができる。
本発明の弾性波素子の製造方法によれば、圧電基板の一方の主面上にＩＤＴを形成し、ＩＤＴを形成した後の圧電基板の他方の主面上に、前記圧電基板の線膨張係数よりも小さい線膨張係数を有する材料を溶射により成膜するので、周波数温度特性（ＴＣＦ：Temperature Coefficient of Frequency）に優れ、しかもプロセス中において基板に反りが発生せず、２００℃以上の高温処理に耐え得る弾性波素子を得ることができる。
以下、本発明の実施の形態について添付図面を参照して詳細に説明する。
本発明の弾性波素子の製造方法においては、圧電基板の一方の主面上にＩＤＴを形成し、ＩＤＴを形成した後の圧電基板の他方の主面上に、前記圧電基板の線膨張係数よりも小さい線膨張係数を有する材料を溶射により成膜する。ここで、弾性波素子とは、弾性表面波素子及び弾性境界波素子を示すものである。
本発明の弾性波素子の製造方法においては、圧電基板の一方の主面上にＩＤＴを形成し、ＩＤＴを形成した後の圧電基板の他方の主面上に、前記圧電基板の線膨張係数よりも小さい線膨張係数を有する材料を溶射により成膜する。ここで、弾性波素子とは、弾性表面波素子及び弾性境界波素子を示すものである。
圧電基板としては、タンタル酸リチウム基板（ＬＴ基板）、ニオブ酸リチウム基板（ＬＮ基板）などを挙げることができる。
ここで、圧電基板の厚さと温度補償効果との間の関係について説明する。弾性波素子の温度補償効果は、周波数温度特性（ＴＣＦ：Temperature Coefficient of Frequency）を調べることにより求めることができる。図１は、ＬＴ基板厚比率（ＬＴ基板厚／基板トータル厚）と温度補償効果との間の関係を示す特性図である。ここでは、圧電基板としてＬＴ基板を用いた。図１から分かるように、基板トータル厚に対するＬＴ基板厚の比率が小さいほど、温度補償効果が高い。このように、温度補償効果の観点からは、基板トータル厚に対する圧電基板厚の比率をできるだけ小さくする、すなわち、固定の基板トータル厚においてＬＴ基板の厚さをできるだけ薄くすることが望ましい。
しかしながら、従来の接合基板においては、基板同士を接合するために、被接合面を鏡面化することが行われている。このように接合を良好に行うために表面を鏡面化する場合、鏡面化の際のポリッシュ加工が必要となる。このポリッシュ加工では、基板に対して相対的に高い加工応力が加わる。このため、温度補償効果を高めるために圧電基板の厚さを薄くすると、ポリッシュ加工における応力で圧電基板が割れてしまうことがある。このため、接合基板においては、圧電基板の厚さを薄くすることが難しい。一方、本発明の方法においては、基板の接合という観点を考慮する必要がないので、ポリッシュ加工が不要であり、温度補償効果を高めるために圧電基板の薄層化を行うことができる。
弾性波素子においては、ＩＤＴを形成した一方の主面で発生した弾性波のバルク波が他の主面で反射して、この反射波が一方の主面で発生した弾性波と干渉を起こす。このようなバルク波の影響を小さくするためには、圧電基板の裏面、すなわち溶射膜が形成される面は粗面化されていることが好ましい。このように圧電基板の裏面を粗面化しておくことにより、ＩＤＴを形成した一方の主面で発生した弾性波のバルク波が他の主面で反射して、この反射したバルク波が一方の主面で発生した弾性波と干渉することを抑制することができる。さらに、圧電基板と溶射膜との間の密着性（アンカー接合効果）を向上させるためにも、圧電基板の裏面は粗面化された表面であることが好ましい。例えば、裏面の表面粗さＲａは０．０１μｍ〜３μｍであることが好ましい。
上記粗面化について、基板表面に施す加工としては、例えば研削加工、ブラスト加工、ラッピング加工などを挙げることができる。このような加工は、ポリッシュ加工に比べて基板に対する応力を小さくすることができるので、基板に与える影響を小さくするという点で有利である。なお、圧電基板の裏面の粗さとしては、反射したバルク波の影響の抑制効果や、圧電基板に対する溶射膜の密着性を考慮すると、Ｒａ＝０．０１μｍ〜３μｍであることが好ましい。
溶射に供する、圧電基板の線膨張係数よりも小さい線膨張係数を持つ材料（溶射膜の材料）としては、アルミナ、ムライト、シリコン、イットリアなどを挙げることができる。溶射成膜法は、電気エネルギー（アーク、プラズマ）や燃焼エネルギーを熱源とし、この中に被着材料の粉末又は棒状材料を投入して、溶融又は半溶融状態の微粒子として基板の表面に吹き付け、皮膜を形成する方法である。溶射成膜法を採用することにより、成膜中の圧電基板への熱影響を極力抑えることが可能となる。これにより、基板加工時の温度上昇に起因する割れ、剥がれを抑えることが可能となる。
溶射膜は一般的に多孔質であり、その剛性が相対的に小さいので、その空孔にＣＶＤ（化学的気相成長法）、ＰＶＤ（物理的気相成長法）、ＳＯＧ（Spin On Glass）などの方法で空孔を充填することが好ましい。これにより、溶射膜の剛性を大きくして、周波数温度特性の向上を図ることができる。
また、溶射膜は複数層で構成しても良い。このように複数層で溶射膜を構成することにより、種々の材料を組み合わせることができるので、溶射膜の線膨張係数を容易に調整することが可能となる。
本発明の圧電基板の製造方法においては、図２（ａ）に示すように、圧電基板１を準備し、図２（ｂ）に示すように、この一方の主面１ａ上にＩＤＴ２を形成する。ＩＤＴ２を形成する場合、圧電基板１の主面１ａ上にＩＤＴ電極材料を被着し、そのＩＤＴ電極材料層（図示せず）上にレジスト層（図示せず）を形成し、フォトマスクを介してＩＤＴを形成する領域のレジスト層を露光し、現像して、レジスト層をパターニングする。そして、パターニングされたレジスト層をマスクとしてＩＤＴ電極材料層をエッチングし、その後残存したレジスト層を除去する。なお、ＩＤＴの形状やその形成方法については特に制限はない。
次いで、図２（ｃ）に示すように、圧電基板１の他方の主面（裏面）１ｂ上に溶射成膜法により圧電基板１の線膨張係数よりも小さい線膨張係数を有する材料で構成された溶射膜３を形成する。また、必要に応じて、溶射膜にＳＯＧなどを含浸して硬化させて、溶射膜の剛性を向上させる。
また、本発明の圧電基板の製造方法においては、図３（ａ）に示すように、圧電基板１を準備し、図３（ｂ）に示すように、この一方の主面１ａ上にＩＤＴ２を形成した後に、図３（ｃ）に示すように、圧電基板１を裏面１ｂ側から薄層化し、その後、図３（ｄ）に示すように、圧電基板１の裏面１ｂ上に溶射成膜法により溶射膜３を形成するようにしても良い。圧電基板１の薄層化には、例えばブラスト加工、ラッピング加工、研削加工などを用いる。
ここで、ＩＤＴの形成の際のＰＥＢ（Post Exposure Bake）の温度とウエハの加熱状態における反り量との間の関係を図４に示す。ここでは、圧電基板としてＬＴ基板を用いた。また、加熱状態における反り量は、core9037a（コアーズ社製、商品名）により測定した。図４には、４インチのＬＴ基板単独の反り量（●プロット）及び４インチの接合基板（ＬＴ基板＋Ｓｉ基板）の反り量（▲プロット）を示している。図４から分るように、図に示す温度において、基板の破断が生じる温度以下の温度において、ＬＴ基板単独は、接合基板（ＬＴ基板＋Ｓｉ基板）に比べて反り量が非常に小さい。このため、加熱状態で反り量が小さいＬＴ基板単独の状態でＩＤＴを形成することにより、ウエハ面内におけるパターン線幅加工精度Ｒが高くなる。また、この図の範囲以上の温度においては、接合基板は割れ、剥がれが生じる。
ウエハ面内におけるパターン線幅加工精度ＲとＰＥＢ温度との間の関係を図５に示す。ここでは、圧電基板としてＬＴ基板を用いた。図５には、４インチのＬＴ基板単独のウエハ面内の線幅加工精度Ｒ（ＬＴ基板に直接パターン加工した際の線幅加工精度：●プロット）及び４インチの接合基板（ＬＴ基板＋Ｓｉ基板）のウエハ面内の線幅加工精度Ｒ（接合基板にパターン加工した際の線幅加工精度：▲プロット）を示している。図５から分かるように、本発明の方法によれば、加熱状態で反り量が小さいＬＴ基板単独の状態でＩＤＴを形成するので、線幅加工精度が高くなる。一方、接合基板（ＬＴ基板＋Ｓｉ基板）の場合には、加熱状態で反り量が大きいので、ウエハ面内のＰＥＢ温度がばらつき、このためレジスト線幅のばらつきが大きくなる。その結果、線幅加工精度Ｒが悪くなる。特に、ＰＥＢ温度が１３０℃以上になると線幅加工精度が１０％以上ばらつく。
このように、圧電基板にＩＤＴを形成した後の溶射成膜により得られた弾性波素子、すなわち圧電基板に先にパターン加工してなる弾性波素子は、基板の反りが小さい状態でＩＤＴを形成しているので、結果としてＩＤＴの加工精度が高いものとなる。また、圧電基板の被溶射面を粗面化することにより、バルク波の影響を抑えることができる。さらに、本発明においては、基板同士の接合がないので、基板表面をポリッシュする必要がなく、薄層化の際の高い加工応力に起因する圧電基板の割れを防止することができる。さらに、本発明の方法においては、溶射成膜法を採用するので、高額な接合装置が不要となり、安価に周波数温度特性に優れた弾性波素子を製造することができる。
次に、本発明の効果を明確にするために行った実施例について説明する。
まず、実施例１を用いて高温処理特性について説明する。
（実施例１）
線膨張係数が１６×１０-6／Ｋであり、厚さ０．０２ｍｍのタンタル酸リチウム製基板（ＬＴ基板）の一方の主面上に、溶射成膜法により線膨張係数が１×１０-6／Ｋであるムライトを厚さ０．３３ｍｍで成膜して４インチ基板を作製した。この４インチ基板に対して加熱処理を行った。このとき、加熱温度１８０℃、２００℃では、４インチ基板は割れないが、加熱温度２５０℃、３５０℃では、４インチ基板が割れた。
まず、実施例１を用いて高温処理特性について説明する。
（実施例１）
線膨張係数が１６×１０-6／Ｋであり、厚さ０．０２ｍｍのタンタル酸リチウム製基板（ＬＴ基板）の一方の主面上に、溶射成膜法により線膨張係数が１×１０-6／Ｋであるムライトを厚さ０．３３ｍｍで成膜して４インチ基板を作製した。この４インチ基板に対して加熱処理を行った。このとき、加熱温度１８０℃、２００℃では、４インチ基板は割れないが、加熱温度２５０℃、３５０℃では、４インチ基板が割れた。
また、ＬＴ基板の代わりに線膨張係数が１５×１０-6／Ｋであり、厚さ０．０２ｍｍのニオブ酸リチウム製基板（ＬＮ基板）を用いて上記と同様にして４インチ基板を作製した。この４インチ基板に対して加熱処理を行った。このとき、加熱温度１８０℃、２００℃では、４インチ基板は割れないが、加熱温度２５０℃、３５０℃では、４インチ基板が割れた。
また、線膨張係数が１６×１０-6／Ｋであり、直径４インチ、厚さ０．２５ｍｍのタンタル酸リチウム製基板（ＬＴ基板）の一方の主面上に、線膨張係数が３×１０-6／Ｋであり、直径４インチ、厚さ０．３３ｍｍの温度補償用のシリコン基板を表面活性化法により直接接合した後に、シリコン面を研削加工、ポリッシュ加工により厚さ０．０２ｍｍまで薄層化した接合基板を作製した。なお、ＬＴ基板及びシリコン基板の互いの被接合面はあらかじめ鏡面化した。次いで、この接合基板に対して加熱処理を行った。このとき、加熱温度１８０℃、２００℃でもＬＴ基板が割れた。
ＬＴ基板、ＬＮ基板などの圧電基板に対して温度補償用の処理を施した後に、ＩＤＴを形成する場合には、樹脂層のキュア工程のような２００℃程度の高温プロセスが存在する。したがって、上述の結果から、圧電基板に対して温度補償用の処理を施した後にＩＤＴを形成すると、高温プロセスにおいて圧電基板の割れが発生する可能性がある。しかしながら、本発明に係る方法によれば、圧電基板にあらかじめＩＤＴを形成した後に、温度補償用の処理として溶射成膜を行うので、温度補償用の処理を施した圧電基板が高温プロセスに供されることはない。このため、基板割れなどがない状態で周波数温度特性に優れた弾性波素子を製造することができる。
次に、実施例２を用いて温度特性評価及びバルク波の影響について説明する。
（実施例２）
線膨張係数が１６×１０-6／Ｋであり、直径４インチ、厚さ０．２５ｍｍのタンタル酸リチウム製基板（ＬＴ基板）の一方の主面上にＩＤＴを形成した。このＩＤＴの形成において、レジストとして化学増幅型レジストを用い、ＰＥＢ（Post Exposure Bake）の温度は１１０℃であった。次いで、このＬＴ基板の他方の主面を研削加工により厚さ０．０１〜０．０４ｍｍまで薄層化すると共に、Ｒａ０．１μｍに粗面化した。次いで、粗面化した他方の主面上に、シリコン、アルミナの順で粉末を溶射法により吹き付けて、ＬＴ基板及び溶射膜の合計厚が０．２５ｍｍになるように成膜を行った。なお、溶射処理は、直流プラズマ溶射装置を用いて、Ａｒのプラズマガスを使用し、電源出力４０ｋＷで行った。
（実施例２）
線膨張係数が１６×１０-6／Ｋであり、直径４インチ、厚さ０．２５ｍｍのタンタル酸リチウム製基板（ＬＴ基板）の一方の主面上にＩＤＴを形成した。このＩＤＴの形成において、レジストとして化学増幅型レジストを用い、ＰＥＢ（Post Exposure Bake）の温度は１１０℃であった。次いで、このＬＴ基板の他方の主面を研削加工により厚さ０．０１〜０．０４ｍｍまで薄層化すると共に、Ｒａ０．１μｍに粗面化した。次いで、粗面化した他方の主面上に、シリコン、アルミナの順で粉末を溶射法により吹き付けて、ＬＴ基板及び溶射膜の合計厚が０．２５ｍｍになるように成膜を行った。なお、溶射処理は、直流プラズマ溶射装置を用いて、Ａｒのプラズマガスを使用し、電源出力４０ｋＷで行った。
このようにして得られたＩＤＴ付ウエハについて、面内における線幅加工精度Ｒについて調べた。この線幅加工精度Ｒは、測長ＳＥＭ（Scanning Electron Microscope）により測定した。その結果、ウエハ面内における線幅加工精度Ｒが約２％であった。これは、上述したように、高温処理におけるウエハの反りが抑制され、レジスト線幅のバラツキが小さく抑えられたためであると考えられる。
また、このようにして得られたウエハをダイシングして弾性波素子（ＳＡＷデバイス）を作製し、これについて、温度補償効果を調べたところ、図１に示す通り改善効果が見られた。また、弾性波素子の波形を図６（ａ）に示す。ここで、参考に、実施例１で作製した接合基板を用いて得られた弾性波素子の波形を図６（ｂ）に示す。図６（ｂ）におけるＸ部は、バルク波の影響によるリップルである。図６（ａ）から分かるように、本発明に係る方法により得られた弾性波素子は、バルク波によるリップルが見られなかった。これは、被溶射面の粗面化により、ＩＤＴを形成した一方の主面で発生した弾性波のバルク波が他の主面で反射して、この反射したバルク波が一方の主面で発生した弾性波と干渉することを抑制することができたためであると考えられる。
本発明は上記実施の形態に限定されず種々変更して実施することが可能である。上記実施の形態における形状、寸法、材質などは一例であり、本発明の効果を損なわない範囲で適宜変更して実施することができる。その他、本発明は、本発明の範囲を逸脱しない範囲で種々変更して実施することができる。
Claims (7)
- 圧電基板の一方の主面上にくし型電極を形成する工程と、くし型電極を形成した後の圧電基板の他方の主面上に、前記圧電基板の線膨張係数よりも小さい線膨張係数を有する材料を溶射により成膜する工程と、を具備することを特徴とする弾性波素子の製造方法。
- 溶射による成膜前に前記圧電基板の他方の主面を粗面化する工程をさらに具備することを特徴とする請求項１記載の弾性波素子の製造方法。
- 前記他方の主面がＲａ＝０．０１μｍ〜３μｍであることを特徴とする請求項２記載の弾性波素子の製造方法。
- 溶射による成膜前に前記圧電基板の他方の主面を薄層化する工程をさらに具備することを特徴とする請求項１から請求項３のいずれかに記載の弾性波素子の製造方法。
- 前記材料は、ムライト、アルミナ、シリコン及びイットリアからなる群より選ばれた少なくとも一つであることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれかに記載の弾性波素子の製造方法。
- 前記圧電基板がタンタル酸リチウム基板又はニオブ酸リチウム基板であることを特徴とする請求項１から請求項５のいずれかに記載の弾性波素子の製造方法。
- 前記溶射により成膜された膜に形成される空孔に充填材を充填する工程をさらに具備することを特徴とする請求項１から請求項６のいずれかに記載の弾性波素子の製造方法。
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