JPH07109816B2 - 電子音響集積回路およびその製造方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、トランジスタなどのＳ
ｉ電子素子と共振子やフィルタなどの電気音響素子を一
体に集積した電子音響集積回路で、特に電圧制御発振器
などの発振回路や高周波増幅回路の小型軽量化、高性能
化に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、電気音響素子を用いた電子回路、
例えば水晶の共振子を用いた発振器などの発振回路や、
水晶のフィルタを用いた高周波増幅回路では、発振を起
こしたり増幅するための電子素子であるトランジスタ、
および希望の周波数で発振させるための共振子や、希望
の周波数のみを取り出すためのフィルタと、若干のコン
デンサや抵抗などの電気部品より構成される。ここに用
いられる共振子やフィルタは、その振動周波数あるいは
選択周波数として、所定の値を持ち、その性能が十分長
期間安定であるように、金属管などの容器に密封されて
いる。そのため共振子やフィルタの形状寸法が共振子や
フィルタそのものの大きさの数倍にもなってしまい、自
動車電話、携帯電話など小型であることが極めて重要な
装置においては、その小型化が極めて重要な課題となっ
ている。

【０００３】一方、Ｓｉ基板上にスパッタリングなどの
薄膜技術により、ＺｎＯやＡｌＮなどの圧電体薄膜を形
成し、この圧電薄膜で共振子などを形成して、Ｓｉ電子
素子と電気音響素子を一体に集積化する例が知られてい
る。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】上記の如く、容器に収
納した共振子やフィルタとトランジスタおよび関連部品
を個別に基板上に接続する方法で構成した発振回路や高
周波増幅回路では、大きくかつ重くなるため、自動車電
話、携帯電話など小型、軽量を最も重要な要素とする装
置においては、好ましくないという課題があった。

【０００５】また薄膜形成技術により、Ｓｉ基板上に集
積化する方法では、形成できる膜がＺｎＯやＡｌＮなど
の一部の材料に限られており、またその特性はバルクの
特性よりも劣るものであり、また電気音響的性質の優れ
た水晶においては良好な薄膜は得られていない。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するた
め、トランジスタなどの電子素子を有するＳｉ基板上
に、電気音響特性に優れた水晶基板を用いた電気音響素
子を、窒化珪素膜を介して接合することにより集積化し
たものである。

【０００７】

【作用】上記のような構成とすることにより、小型軽
量、高性能の電子音響集積回路、特に発振回路や高周波
増幅回路が得られる。

【０００８】

【実施例】以下本発明の実施例の電子音響集積回路、特
に発振回路や高周波増幅回路に適用した場合の構成とそ
の製造方法について、図面を参照しながら説明する。

【０００９】（実施例１）本実施例の発振回路の構造の
第１の例を図１に示す。図１（ａ）は本実施例の構造の
側面図、図１（ｂ）はその斜視図である。図において、
１はＳｉ基板、２はＳｉ基板１の上に窒化珪素膜により
接合された水晶基板からなる表面弾性波共振子、３はＳ
ｉ基板上に形成されたトランジスタ、４は電圧により靜
電容量の変化する可変容量ダイオードチップ、５はコン
デンサやインダクタ、抵抗などの受動チップ部品、６は
表面弾性波共振子の電極、７は表面弾性波共振子の電極
とＳｉ基板上の配線とを接続する接続ワイヤーである。
図では各部品の代表的配置の例のみを示したもので、実
際には図２の回路図に示す電圧制御発振器の構成になる
ように、各部品が配置され各電極が接続されている。ま
た抵抗やコンデンサ、可変容量ダイオードなどは、Ｓｉ
基板に一体に作り込むことも可能である。Ｓｉ基板１と
水晶基板２は、窒化珪素膜により接合されている。可変
容量ダイオードに加わる電圧を変えることにより、静電
容量を変え、発振周波数を変えることができる。このよ
うに一体に集積化されたものを密封容器に収納すること
により超小型の電圧制御発振器が得られる。このような
構造とすることにより、発振回路部と共振子を一体とし
て集積化できるため、従来よりも大幅な小型化が可能と
なった。このような構成とすることにより、従来のよう
に表面弾性波共振子を容器に密閉したものを個別につけ
たものに比べ、体積で約１／１０、重量で約１／５とな
った。

【００１０】接合を一般の樹脂などの接着剤を用いて行
うと、耐熱性や耐薬品性の面から、その後は半導体プロ
セスが行えないなどの問題点があるが、本実施例の方法
を用いれば、Ｓｉ基板と水晶基板は、無機材料である窒
化珪素膜により接合されたものであり、そのような問題
が大幅に改善される。

【００１１】また樹脂などの接着剤を用いて接着する
と、Ｓｉ基板とその上に貼り付けた水晶基板の平行度が
悪くなり、その後に水晶基板上に、ホトリソグラフィー
で形成する櫛型電極の寸法精度が悪くなる。例えば、共
振周波数が１ＧＨｚ程度になると、電極寸法は約１ミク
ロン以下の幅となる。したがって平行度が悪いと、準マ
イクロ波帯の表面弾性波共振子を形成することはできな
い。しかし本実施例の方法では、直接接合されており基
板表面の加工精度できまり、この精度は十分高くするこ
とができる。したがって以上のような問題が解決され
る。この効果は特に高周波で大きい。

【００１２】また樹脂の接着剤を用いた場合、熱に弱い
問題や、熱膨張係数が有機物である樹脂と無機のＳｉ基
板や水晶基板で大きく異なることによる、機械的歪によ
る長期信頼性の問題などがあったが、本実施例では、そ
のような問題も解決される。

【００１３】本実施例では図２に示す回路構成の発振回
路の例を示したが、これ以外の発振回路の構成も同様に
一体化して集積化できることは明らかである。

【００１４】（実施例２）本実施例の高周波増幅回路へ
の適用例を、図３に示す。図３は、フィルタと増幅回路
直結したものであり、構成部品は、フィルタ、トランジ
スタおよびコンデンサである。したがって実施例１また
は２と同様、Ｓｉ基板に各種電子素子を、水晶基板に表
面弾性波フィルタを形成し、それらを図３に示す高周波
増幅回路になるように配線することにより、フィルタと
増幅回路を一体に集積化した電子音響集積回路が得られ
る。Ｓｉ基板と水晶基板の接合は、実施例１と同様、窒
化珪素膜により接合することができ、その効果も実施例
１と同様である。。

【００１５】（実施例３）本実施例の発振回路の製造方
法の他の例を示す。

【００１６】まずＳｉ基板の所定の箇所にエッチングな
どにより凹部を設け、その内部に、直接接合のための熱
処理温度以上で行うプロセス、例えば、拡散プロセスな
どを含めて、一連の半導体プロセス処理を行い、トラン
ジスタおよび可変容量ダイオードなどを形成する。拡散
プロセスは、通常１０００℃以上の高温で行われる。次
に、各種電子素子を形成したＳｉ部に保護膜を形成した
後、少なくとも接合部に窒化珪素膜をプラズマＣＶＤな
どにより形成する。形成する窒化珪素の膜厚は、０．１
ー３ミクロン程度である。その後、窒化珪素膜表面およ
び接合する水晶基板表面を極めて清浄にする。その後そ
の表面を純水で十分洗浄し、すぐに一様に重ね合わせる
ことにより、容易に接合が得られる。この状態で熱処理
を行うことにより接合強度が強化される。１００から８
００℃の温度で熱処理を行うと、その接合は更に強化さ
れる。熱処理温度が高い場合、Ｓｉ基板と水晶基板の熱
膨張率の差があるため、形状、寸法などに多少の制約が
加えられるが、基本的には、高温で熱処理する場合ほ
ど、水晶基板の厚みを薄く、また面積を小さくしていけ
ば、剥離や破損なく接合強度の向上が可能である。次
に、接合の熱処理温度以下で処理する各種プロセス、例
えば電極形成などを実施し、その時あるいはその後、水
晶基板表面に真空蒸着等により、電極を形成し、さらに
通常のホトリソグラフィーにより、配線パターンを形成
する。電極はアルミニウムや金などが用いられる。接合
強化の熱処理効果は、例えば、２００℃で、１時間程度
保持するだけでも接合強度は数倍に上がり、数１０Ｋｇ
／平方ｃｍの強度が得られる。窒化珪素膜はＳｉ電子素
子保護膜と兼用することもできるため、その場合には製
造プロセスがより簡単になるとともに、信頼性も向上す
る。また本実施例ではＳｉ基板側だけに窒化珪素膜を形
成したが、水晶基板側のみに形成してもよいし、両者の
基板上に形成しても同様の接合効果が得られる。

【００１７】高周波増幅回路の場合、電気音響素子とし
てフィルタを用い、回路構成が少し異なるだけで、製造
は実施例３と同様に行えることは明らかである。

【００１８】本実施例では共振子やフィルタとして、表
面弾性波素子の例で示したが、バルク波振動を利用した
電気音響素子に対してもほぼ同様にして適用できる。

【００１９】

【発明の効果】本発明は、以上説明したような構成と製
造方法から成るので、以下に記載されるような効果を示
す。

【００２０】いずれの実施例においても、まず第１に、
発振子やフィルタなどの電気音響素子とトランジスタな
どの電子素子を、一体に集積しているので、発振回路や
高周波増幅回路を大幅に小型化、軽量化する事が可能と
なり、従来の容器に収納した共振子やフィルタを用いる
場合に比べ、容積で約１／１０、重さで約１／５にする
ことは容易である。

【００２１】本実施例の接合方法は、Ｓｉ基板と水晶基
板を窒化珪素膜で接合しているので、平面性が極めて良
く、動作周波数の設定に必要な、サブミクロンのホトリ
ソグラフィーが可能となるとともに、熱や振動などに対
する信頼性も大幅に向上するものである。

【００２２】本実施例では、電圧制御発振器の発振回路
および高周波増幅回路の構成の例を示したが、基本的に
は電気音響素子とトランジスタなどの電子素子を一体に
集積できるものであり、これらに限らず、広く電子音響
集積回路一般に適用できるものである。

【００２３】また本実施例の方法では、電気音響特性に
優れた水晶基板を用いることができ、またその結晶方位
も自由に選べることから、限られた材料でしか作れずま
たバルクの特性に劣る性能しか出せない薄膜方式のもの
よりも性能的に良いものが得られるものである。

【００２４】また窒化珪素膜は、Ｓｉ電子素子の耐環境
保護膜として用いることができるため、保護膜と接合膜
を兼ねることができ製造プロセス上有利であるととも
に、信頼性も向上する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施例の構成図

【図２】本発明の第１の実施例の回路構成図

【図３】本発明の第２の実施例の回路構成図

【符号の説明】

１ Ｓｉ基板 ２ 共振子 ３ トランジスタ ４ 可変容量ダイオード ５ 受動部品 ６ 電極 ７ 配線ワイヤー ８ 窒化珪素膜

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】Ｓｉ基板に、水晶基板が窒化珪素膜により
   接合されており、前記Ｓｉ基板に電子素子を、前記水晶
   基板に電気音響素子を有することを特徴とする電子音響
   集積回路。
2. 【請求項２】電気音響素子が共振子であり、集積回路が
   発振回路であることを特徴とする請求項１記載の電子音
   響集積回路。
3. 【請求項３】電気音響素子がフィルタであり、集積回路
   が高周波増幅回路であることを特徴とする請求項１記載
   の電子音響集積回路。
4. 【請求項４】Ｓｉ基板に、接合強化のための熱処理温度
   以上の処理温度を必要とする電子素子形成に必要なプロ
   セスを行った後、接合部に窒化珪素膜を形成し、その表
   面を親水処理し、重ね合わせて熱処理することにより、
   前記Ｓｉ基板に水晶基板を接合し、その後、前記Ｓｉ基
   板に接合強化のための熱処理温度以下で行う電子素子形
   成ならびに配線に必要なプロセスと、前記水晶基板に電
   気音響素子を形成するプロセスを行うことにより、電子
   素子と電気音響素子を一体に集積化したことを特徴とす
   る電子音響集積回路の製造方法。