JPWO2012114930A1 - チューナブルフィルタ及びその製造方法 - Google Patents
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Abstract
印加電圧により静電容量が変化する誘電体膜を用いた可変コンデンサを用いたチューナブルフィルタの小型化及び製造工程の簡略化を図る。圧電材料からなる圧電基板６と、前記圧電基板６上に形成された弾性波共振子Ｓ１〜Ｓ３，Ｐ１，Ｐ２と、前記圧電基板６上に形成された可変コンデンサＣ１〜Ｃ５とを備え、前記可変コンデンサＣ１〜Ｃ５が、圧電基板６上に直接または間接に形成されており、印加電圧により静電容量が変化する誘電体膜１２と、前記誘電体膜１２に電界を印加し得るように設けられた第１の電極１１および第２の電極１３とを備える、チューナブルフィルタ１。
Description
本発明は、印加電圧により比誘電率が変化する誘電体膜を用いた可変コンデンサを有するチューナブルフィルタに関し、特に、圧電基板上に弾性波共振子及び上記可変コンデンサが構成されているチューナブルフィルタ及びその製造方法に関する。
携帯電話などの移動体通信機器では、電子部品の小型化及び軽量化が求められている。このような要求を満たすために、移動体通信機器に用いられるチューナブルフィルタにおいても小型化が求められている。従来、圧電共振子と可変コンデンサとを用いたチューナブルフィルタが種々提案されている。
下記の特許文献１には、基板上に圧電共振器及び可変容量が構成されている圧電フィルタが開示されている。図８は、特許文献１に記載の圧電フィルタを示す回路図である。圧電フィルタ１００１は、直列圧電共振器１００２と、並列圧電共振器１００３，１００４とを有する。並列圧電共振器１００３とグラウンド電位との間にインダクタ１００５が接続されている。また、並列圧電共振器１００４とグラウンド電位との間にインダクタ１００６が接続されている。そして、並列圧電共器１００３とインダクタ１００５との間の接続点と、並列圧電共器１００４とインダクタ１００６との間の接続点との間にバイパス圧電共振器１００７が接続されている。バイパス圧電共振器１００７に並列に可変コンデンサ１００８が接続されている。
図９は、圧電フィルタ１００１の模式的平面図であり、図１０は、図９のＡ−Ａ線に沿う部分の模式的断面図である。圧電フィルタ１００１は、シリコンまたはガラス基板などからなる基板１００９を用いて構成されている。直列圧電共振器１００２、並列圧電共振器１００３及び１００４は、基板１００９上に設けられた圧電薄膜共振器により構成されている。例えば、図１０に示すように直列圧電共振器１００２及びバイパス圧電共振器１００７は、基板１００９に設けられたキャビティ１００９ａ，１００９ｂ上に圧電薄膜共振器として構成されている。
他方、フィルタ特性を調整するための可変コンデンサ１００８は、基板１００９上に設けられた絶縁体層１０１０に下部電極１０１１、強誘電体層１０１２及び上部電極１０１３をこの順序で積層することにより構成されている。特許文献１では、強誘電体層１０１２は、バリウムストロンチウムチタネート（ＢａｘＳｒ１−ｘＴｉＯ３）などからなる旨が示されている。
なお、上記絶縁体層１０１０は、二酸化珪素、窒化珪素などからなり、下部電極１０１１は、圧電薄膜共振子の下部電極と同じ材料、例えばＭｏ、Ａｌ、Ａｇ、ＷまたはＰｔなどからなる旨が記載されている。
特許文献１では、可変コンデンサ１００８が、下部電極１０１１、強誘電体層１０１２及び上部電極１０１３の積層体により形成されている。従って、可変容量構成部分を小型化及び薄型化することが可能とされている。
しかしながら、基板１００９としてガラスやシリコン基板を用いているため、基板１００９上において、圧電体層を形成して圧電薄膜共振子を構成しなければならなかった。
従来、特許文献１に記載のバリウムストロンチウムチタネート（以下、ＢＳＴと略す）からなる誘電体層は、サファイアやＭｇＯなどの特定の基板上においてのみ良好に成膜することが可能であった。従って、目標とするフィルタ特性などに応じた最適な圧電基板を用いて、ＢＳＴからなる誘電体層を有する可変コンデンサを形成することができなかった。
また、ＢＳＴ膜の成膜温度は８００℃〜９００℃と高い。そのため、キュリー温度が低い圧電材料からなる圧電基板上に形成した場合、圧電特性が劣化するおそれがあった。また、圧電基板の反りや割れ並びにＢＳＴ膜の剥がれが発生するという問題もあった。
なお、特許文献１の第４の実施形態の変形例では、圧電基板上に弾性表面波共振子及びバラクターダイオードからなる可変容量素子が構成されているチューナブルフィルタが開示されている。もっとも、この変形例では、可変容量素子はバラクターダイオードからなり、上記強誘電体層を用いた可変コンデンサではない。
本発明の目的は、同一圧電基板上に弾性波共振子と、印加電圧に応じて容量が変化する誘電体膜を用いて形成されている可変コンデンサとが構成されており、小型化及び薄型化を図ることができる、チューナブルフィルタ及びその製造方法を提供することにある。
本発明に係るチューナブルフィルタは、圧電材料からなる圧電基板と、前記圧電基板上に形成された弾性波共振子と、前記圧電基板上に形成された可変コンデンサとを備える。前記可変コンデンサは、圧電基板上に直接または間接に形成されており、印加電圧により静電容量が変化する誘電体膜と、前記誘電体膜に電界を印加し得るように設けられた第１の電極および第２の電極とを有する。
本発明に係るチューナブルフィルタのある特定の局面では、上記誘電体膜が、バリウムストロンチウムチタネートからなり、この場合には、容量可変幅の大きい可変コンデンサを容易に構成することができる。
本発明に係るチューナブルフィルタの他の特定の局面では、前記誘電体膜が、前記圧電基板上に転写により形成された誘電体膜である。転写により形成された誘電体膜であるため、該誘電体膜を成膜し易い転写用支持基板上に形成し、転写することにより、圧電基板上に直接または間接に誘電体膜を確実にかつ容易に積層することができる。
本発明に係るチューナブルフィルタのさらに別の特定の局面では、前記弾性波共振子が、弾性表面波共振子または圧電薄膜共振子である。このように、弾性波共振子は弾性表面波共振子であってもよく、圧電薄膜共振子であってもよい。
本発明に係るチューナブルフィルタの製造方法は、圧電基板を用意する工程と、圧電基板上に弾性波共振子を形成する工程と、前記圧電基板上に可変コンデンサを形成する工程とを備える。前記可変コンデンサを形成する工程において、印加電圧により静電容量が変化する誘電体膜を圧電基板上に直接または間接に形成する工程と、前記誘電体膜に電界を印加し得るように第１の電極および第２の電極を形成する工程とを含む。
本発明に係るチューナブルフィルタの製造方法は、前記誘電体膜の形成が転写法により行われる。
本発明に係るチューナブルフィルタの製造方法の他の特定の局面では、前記可変コンデンサを形成する工程が、転写用支持基板上に誘電体膜を形成する工程と、前記転写用支持基板上に形成された誘電体膜を前記圧電基板上に転写する工程とを有する。
本発明に係るチューナブルフィルタの製造方法のさらに他の特定の局面では、前記可変コンデンサを形成する工程が、前記転写用支持基板上に、除去可能な犠牲膜を形成し、該犠牲膜上に前記誘電体膜を形成し、前記誘電体膜を前記圧電基板に接合し、接合後に前記犠牲膜を除去する工程である。
本発明に係るチューナブルフィルタの製造方法のさらに他の特定の局面では、前記可変コンデンサを形成する工程が、レーザー光を透過する転写用支持基板上に、該レーザー光を吸収して融解または揮発する変質層を形成する工程と、前記変質層上に前記誘電体膜を形成する工程と、前記誘電体膜を前記圧電基板に接合する工程と、接合後に、前記転写用支持基板側からレーザー光を照射して前記変質層を融解または揮発させる工程とを有する。
本発明に係るチューナブルフィルタの製造方法のさらに別の特定の局面では、前記可変コンデンサを形成する工程が、後で除去可能な転写用支持基板上に前記誘電体膜を形成する工程と、該誘電体膜を前記圧電基板上に直接または間接に接合する工程と、接合後に前記転写用支持基板を除去する工程とを備える。
本発明に係るチューナブルフィルタの製造方法のさらに別の特定の局面では、前記可変コンデンサを形成する工程が、転写用支持基板上に前記誘電体膜との剥離強度が、前記転写用支持基板に対する剥離強度よりも低い易剥離層を形成する工程と、前記易剥離層上に誘電体膜を形成する工程と、前記誘電体膜を前記圧電基板上に直接または間接に接合する工程と、接合後に前記転写用支持基板上に設けられた易剥離層と前記誘電体膜との間で剥離し、前記誘電体膜を前記圧電基板上に転写する工程とを備える。
本発明に係るチューナブルフィルタの製造方法のさらに他の特定の局面では、前記圧電基板上に、特定方向に配向している配向膜を形成する工程をさらに備え、該配向膜上に前記誘電体膜が積層される。この場合には、特定方向に配向している配向膜上に上記誘電体膜が積層されるため、静電容量可変幅をより一層大きくすることができる。
本発明に係るチューナブルフィルタによれば、同一圧電基板上に弾性波共振子及び可変コンデンサが形成されているので、チューナブルフィルタの小型化を図ることができる。しかも、該可変コンデンサが、印加電圧により静電容量が変化する誘電体膜を用いて形成されている。それによって、可変コンデンサ自体の小型化を図ることも可能となる。従って、チューナブルフィルタの小型化をより一層進めることができる。
本発明の製造方法によれば、誘電体膜を圧電基板上に直接または間接に形成するため、同一の圧電基板上に可変コンデンサと弾性波共振子を形成することができ、チューナブルフィルタの小型化を図ることができる。また、誘電体膜の形成が転写法により行われるため、印加電圧により静電容量が変化する上記誘電体膜の成膜に適した転写用支持基板上に誘電体膜を容易に形成することができる。従って、直接誘電体膜を形成することが難しい圧電基板上に上記誘電体膜を確実に積層することができる。よって、小型化が可能な本発明のチューナブルフィルタを提供することができる。
また、本発明では、使用する素子数を大幅に少なくすることができ、寄生容量も低減することができる。従って、チューナブルフィルタを用いた通信品質の向上、歩留りの改善をも図ることができる。
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。
（第１の実施形態）
図１（ａ）は、本発明の第１の実施形態にかかるチューナブルフィルタの模式的平面図であり、（ｂ）はその要部を示す模式的部分切欠き拡大断面図である。また、図２は、本実施形態のチューナブルフィルタの回路図である。
図１（ａ）は、本発明の第１の実施形態にかかるチューナブルフィルタの模式的平面図であり、（ｂ）はその要部を示す模式的部分切欠き拡大断面図である。また、図２は、本実施形態のチューナブルフィルタの回路図である。
チューナブルフィルタ１は、入力端子２と出力端子３とを有する。入力端子２と出力端子３とを結ぶ直列腕において、第１〜第３の直列腕共振子Ｓ１〜Ｓ３が互いに直列に接続されている。
第１の直列腕共振子Ｓ１に並列に第１の可変コンデンサＣ１が接続されている。第２の直列腕共振子Ｓ２に並列に、第２の可変コンデンサＣ２が接続されている。第３の直列腕共振子Ｓ３に並列に、第３の可変コンデンサＣ３が接続されている。
また、第１，第２の直列腕共振子Ｓ１，Ｓ２間の接続点４とグラウンド電位との間に第１の並列腕共振子Ｐ１が接続されている。第１の並列腕共振子Ｐ１に直列に第４の可変コンデンサＣ４が接続されている。第２，第３の直列腕共振子Ｓ２，Ｓ３間の接続点５とグラウンド電位との間に、第２の並列腕共振子Ｐ２が接続されている。並列腕共振子Ｐ２に直列に第５の可変コンデンサＣ５が接続されている。
上記のように、チューナブルフィルタ１は、第１〜第３の直列腕共振子Ｓ１〜Ｓ３と、第１，第２の並列腕共振子Ｐ１，Ｐ２とを有するラダー型の回路構成を有する。
本実施形態の特徴は、図１（ａ）に示すように、一つの圧電基板６上に、上記第１〜第３の直列腕共振子Ｓ１〜Ｓ３及び第１，第２の並列腕共振子Ｐ１，Ｐ２だけでなく、第１〜第５の可変コンデンサＣ１〜Ｃ５が構成されていることにある。図１（ａ）に示すように、第１の直列腕共振子Ｓ１は、ＩＤＴ電極７とＩＤＴ電極７の弾性表面波伝搬方向両側に配置された反射器８，９とを有する。すなわち、直列腕共振子Ｓ１は一ポート型弾性表面波共振子である。他の共振子、すなわち第２，第３の直列腕共振子Ｓ２，Ｓ３及び第１，第２の並列腕共振子Ｐ１，Ｐ２も同様に、一ポート型弾性表面波共振子からなる。
従って、本実施形態のチューナブルフィルタ１では、複数の弾性表面波共振子と、上記第１〜第５の可変コンデンサＣ１〜Ｃ５とが一つの圧電基板６において集積されている。
図１（ｂ）は、上記第１の直列腕共振子Ｓ１と、第１の可変コンデンサＣ１とが形成されている部分を示す部分切欠き断面図である。すなわち、図１（ｂ）は、図１（ａ）中のＢ−Ｂ線に沿う部分の断面図である。
図１（ｂ）に示すように、ＩＤＴ電極７の側方に、第１の可変コンデンサＣ１が構成されている。ＩＤＴ電極７と第１の可変コンデンサＣ１とは、図１（ａ）に示す配線パターン１０により電気的に接続されている。第１の可変コンデンサＣ１は、圧電基板６上に形成された第１の電極１１と、第１の電極１１上に形成された誘電体膜１２と、誘電体膜１２上に積層された第２の電極１３とを有する。ここでは、誘電体膜１２を第１の電極１１と第２の電極１３で挟み込んで可変コンデンサが形成されているが、可変コンデンサの構造はこれに限定されない。誘電体膜に電界を印加できればよいため、例えば、誘電体膜上に、第１の電極と第２の電極が形成されていてもよい。
誘電体膜１２は印加電圧の大きさに応じて静電容量が変化する誘電体材料からなる。このような誘電体としては、様々な材料を用い得るが、本実施形態ではＢＳＴすなわちバリウムストロンチウムチタネート（ＢａｘＳｒ１−ｘＴｉＯ３、但しｘは０より大きく１未満の数。）からなる。ここで、ｘが０．２より小さいと容量の変化量が小さすぎるため、また、ｘが０．８より大きいと誘電体損失が大きくなるため、ｘは０．２≦ｘ≦０．８の範囲とする。また、様々な材料としては、例えば、ビスマス亜鉛ニオブ酸（ＢＺＮ）や、チタン酸ストロンチウム（ＳＴＯ：ＳｒＴｉＯ３）、ＫＴａＯ３などを用いることができる。
従来、ＢＳＴ膜は、ＬｉＴａＯ３やＬｉＮｂＯ３などの圧電基板上に直接形成することができないと考えられていた。従って、サファイアやＭｇＯからなる基板上にＢＳＴ膜を成膜していた。
本願発明者は、この点についてさらに検討した結果、圧電基板上に後述の転写法によりＢＳＴ膜を直接または間接に形成すれば、あるいは圧電基板上にバッファ層を形成した後にバッファ層上にＢＳＴ膜を成膜すれば、ＢＳＴ膜を用いた可変コンデンサを圧電基板に一体に構成し得ることを見出した。この転写法により誘電体膜を形成する工程及びＢＳＴ膜を直接圧電基板上に成膜する工程を本実施形態及び後述の第２〜第５の実施形態において詳細に説明することとする。
本実施形態のチューナブルフィルタ１では、上記のように、印加電圧により静電容量が変化する誘電体膜１２を用いて可変コンデンサＣ１〜Ｃ５が形成されている。従って、前述したように、一枚の圧電基板６において、複数の弾性波共振子及び複数の可変コンデンサが集積されているため、チューナブルフィルタ１の小型化を進めることができる。なお、本実施形態では、弾性波共振子として弾性表面波共振子を用いたが、弾性境界波共振子や圧電薄膜共振子を用いて弾性波共振子を構成してもよい。すなわち、圧電基板６に構成される弾性波共振子については、上記弾性表面波共振子に限定されるものではない。
図３（ａ）〜（ｆ）を参照して、本実施形態のチューナブルフィルタ１の製造方法を説明する。
本実施形態では、圧電基板６として１５°Ｙ−ＸのＬｉＮｂＯ３基板からなる。
可変コンデンサを有するチューナブルフィルタにおける周波数可変幅は、弾性表面波共振子自身の通過帯域を超えることはできない。従って、周波数可変幅を広げるには、弾性表面波共振子の通過帯域を広げることが望ましい。そのため、本実施形態では、ラブ波の電気機械結合係数ｋ２が大きい、１５°Ｙ−ＸのＬｉＮｂＯ３基板を圧電基板６として用いた。もっとも、本発明においては、圧電基板を構成する材料は、他のカット角のＬｉＮｂＯ３であってもよく、またＬｉＴａＯ３などの他の圧電単結晶により形成されていてもよい。さらに、使用する弾性波についても、ラブ波に限定されるものではない。
また、上記第１，第２の電極１１，１３の材料としてはＰｔを用いた。さらに、ＩＤＴ電極７及び反射器８，９からなる各弾性表面波共振子の電極はＡｕにより形成した。
なお、図３（ａ）〜（ｆ）では、上記第１の直列腕共振子Ｓ１のＩＤＴ電極７と第１の可変コンデンサＣ１とが形成される部分を代表して製造方法を説明することとする。
図３（ａ）に示すように、厚み６２５μｍの（１００）シリコン単結晶からなる転写用支持基板２１を用意した。この転写用支持基板２１は、上面に、３００ｎｍの厚みの熱酸化膜２１ａを有する。
この転写用支持基板２１上に、犠牲層２２として、スパッタリング法により３００ｎｍの厚みのＧｅ膜を積層した。次に、犠牲層２２上に、Ｐｔ膜１３Ａを積層した。すなわち、スパッタリング法により厚み１００ｎｍのＰｔ膜１３Ａを成膜した。
次に、スパッタリング法により厚み１２０ｎｍのＢＳＴからなる誘電体膜１２Ａを基板温度７００℃の条件で成膜した。
このようにして得られたＢＳＴからの誘電体膜１２ＡをＸ線回折法により分析したところ、バラクタ特性に優れている（１１１）配向を有することを確認した。
次に、反応性イオンエッチング法により上記誘電体膜１２Ａ及びＰｔ膜１３Ａをパターニングした。それによって、図３（ｂ）に示すように、第２の電極１３及び誘電体膜１２を形成した。
次に、図３（ｂ）に示すように、上記誘電体膜１２上に、リフトオフ法により、１００ｎｍの厚みのＡｕからなる第１の電極１１をスパッタリング法により成膜した。
他方、図３（ｃ）に示すように、別途、１５°Ｙ−ＸのＬｉＮｂＯ３からなる圧電基板６上に、ＩＤＴ電極７を含む図１（ａ）に示した複数の弾性表面波共振子と、弾性表面波共振子に連なる配線パターン１０とをＡｕにより形成した。
図３（ｂ）に示した転写用支持基板２１及び図３（ｃ）に示した圧電基板６をアルゴンプラズマ中で１分間加熱した後、図３（ｄ）に示すように、圧電基板６上に、上記転写用支持基板２１を上下逆転させ、積層した。それによって、配線パターン１０上に、第１の電極１１を接触させ、窒素雰囲気下で１００℃及び１００００Ｐａの条件で熱圧着し、両者を接合した。
なお、接合に先立ち、接合面であるＡｕからなる表面の汚れなどを除去し、表面を活性化させた。
上記接合温度は１００℃と十分に低い。そのため、シリコンからなる転写用支持基板２１及びＬｉＮｂＯ３からなる圧電基板６の熱膨張率差に起因するクラックは生じなかった。
次に、積層構造を３０重量％過酸化水素水に浸漬し、図３（ｅ）に示すように、犠牲層２２をエッチングした。それによって、第２の電極１３と、転写用支持基板２１の熱酸化膜２１ａとが分離し、誘電体膜１２を圧電基板６側に転写した。すなわち、可変コンデンサ構成部分が、圧電基板６側に転写された。
次に、図３（ｆ）に示すように、感光性ポリイミドからなる絶縁層２４により可変コンデンサ構成部分の周囲を封止した。また、上記の可変コンデンサＣ１の第２の電極１３に接続される配線パターン１０ＡをＣｕにより形成した。
上記のように、本実施形態では、転写法によりＢＳＴ膜からなる誘電体膜１２を圧電基板６上に積層する。すなわち、圧電基板６上に、ＢＳＴ膜からなる誘電体膜１２を有する可変コンデンサを圧電基板６と一体に構成することができる。
図４は、本実施形態のチューナブルフィルタ１の周波数特性を説明するための図である。図４において実線で示すように、可変コンデンサＣ１〜Ｃ５に電圧を印加しない状態では中心周波数を１．７１ＧＨｚであった。これに対して、直列腕共振子Ｓ１〜Ｓ３に並列に接続されている第１〜第３の可変コンデンサＣ１〜Ｃ３のみに＋４Ｖの電圧を印加した場合には、破線で示すように、中心周波数は１．６４ＧＨｚに変化した。また、フィルタ通過帯域高域側の減衰極は、１．８５ＧＨｚから１．７６ＧＨｚへ変化した。他方、並列腕共振子Ｐ１，Ｐ２に直列に接続した可変コンデンサＣ４，Ｃ５のみに＋４Ｖの電圧を印加すると、一点鎖線で示すように、中心周波数は１．７５ＧＨｚに変化した。また、フィルタ通過帯域低域側の減衰極は、１．５８ＧＨｚから１．６５ＧＨｚへ変化した。すなわち、第１〜第５の可変コンデンサＣ１〜Ｃ５に印加する電圧を変化させることにより、チューナブルフィルタ１では、中心周波数を１．６４ＧＨｚ〜１．７５ＧＨｚまで変化させ得ることがわかる。
なお、本実施形態では、犠牲層用の材料として、Ｇｅを用いたが、ＢＳＴ膜の成膜温度である７００℃の温度で劣化が生じ難く、ＢＳＴの配向成長を妨げない材料であれば、適宜の材料、例えば、Ｔｉ、Ｒｕ、Ｗなどを用いることができる。
また、犠牲層を除去する際のエッチング液としては、ＢＳＴ膜に損傷を与えない適宜のエッチング液を用いることができる。さらに、ウェットエッチングを用いてもよく、ドライエッチングを用いてもよい。
具体的には、上記Ｇｅと過酸化水素水との組み合わせの他、ルテニウムからなる犠牲層とオゾンガスからなるエッチングガスとの組み合わせ、ＴｉＷからなる犠牲層と過酸化水素水との組み合わせなどを用いることができる。
また、誘電体膜を成膜する転写用支持基板と、圧電基板の熱膨張率差に起因するクラックを防止するには、双方の熱膨張率の間の熱膨張率を有する第２の転写用支持基板を用意し、該第２の転写用支持基板に誘電体膜を転写した後に、第２の転写用支持基板側から圧電基板側に誘電体膜を転写してもよい。
（第２の実施形態）
図５（ａ）〜（ｆ）を参照して、第２の実施形態のチューナブルフィルタの製造方法を説明する。なお、第２の実施形態及び第３〜第５の実施形態では、第１の実施形態とほぼ同様の構造のチューナブルフィルタを製造した。但し、以下に述べるように、誘電体膜を有する可変コンデンサの形成方法において異なる。
図５（ａ）〜（ｆ）を参照して、第２の実施形態のチューナブルフィルタの製造方法を説明する。なお、第２の実施形態及び第３〜第５の実施形態では、第１の実施形態とほぼ同様の構造のチューナブルフィルタを製造した。但し、以下に述べるように、誘電体膜を有する可変コンデンサの形成方法において異なる。
図５（ａ）に示すように、５００μｍ厚のサファイア単結晶からなる転写用支持基板３１を用意した。この転写用支持基板３１のサファイアのＲ面上に、スパッタリング法により厚み２０ｎｍのＲｕ膜を成膜し、剥離層３２を形成した。さらに、剥離層３２上に、バッファ層として１００ｎｍの厚みのＰｔ膜１３Ａを成膜した。しかる後、スパッタリング法により、基板温度６５０℃の条件で厚み１５０ｎｍのビスマス亜鉛ニオブ酸（ＢＺＮ）膜からなる誘電体膜１２Ａを成膜した。得られたＢＺＮ膜をＸ線回折法により分析したところ、バラクタ特性に優れる（１１１）配向を有することを確認した。
次に、反応性イオンエッチング法により、上記誘電体膜１２Ａ及びバッファ層としてのＰｔ膜１３Ａを最終的な可変コンデンサの平面形状となるように加工した。それによって、図５（ｂ）に示すように、Ｐｔ膜１３Ａからなる第２の電極１３と、可変コンデンサ用の誘電体膜１２を形成した。さらに、リフトオフ法により、ＢＺＮ層上に、１００ｎｍ厚のＳｎ膜を成膜し、第１の電極１１を形成した。
他方、図５（ｃ）に示すように、別途、１５°Ｙ−ＸのＬｉＮｂＯ３からなる圧電基板６上に、第１の実施形態と同様にして、ＩＤＴ電極７及び配線パターン１０をＡｕにより形成した。
次に、上記のように加工した転写用支持基板３１及び圧電基板６を窒素雰囲気下で２５０℃の温度及び１００００Ｐａの条件で図５（ｄ）に示すように共晶接合した。すなわち、圧電基板６上に、図５（ｂ）に示した構造を上下逆転し、上記条件で接合した。それによって、配線パターン１０に、第１の電極１１が共晶接合された。
次に、転写用支持基板３１側からＫｒＦエキシマレーザーを照射した。この照射により、Ｒｕ膜からなる剥離層３２を消失させた。これは、レーザー光の照射により、Ｒｕ膜の温度が急激に高まり、サファイア中の酸素を引き抜き、揮発性のＲｕＯ４となり気化したものと考えられる。それによって、図５（ｄ）に示すように、転写用支持基板３１側の第１，第２の電極１１，１３及び誘電体膜１２の積層構造が圧電基板６側に転写された。
しかる後、第１の実施形態と同様にして、絶縁層２４及び配線パターン１０Ａを形成し、チューナブルフィルタを得た。
本実施形態で得たチューナブルフィルタでは、第１〜第５の可変コンデンサＣ１〜Ｃ５のいずれにも電圧を印加しない状態では、中心周波数は１．７１ＧＨｚであった。これに対して、直列腕共振子Ｓ１〜Ｓ３に並列に接続されている第１〜第３の可変コンデンサＣ１〜Ｃ３のみに＋４Ｖの電圧を印加すると、中心周波数は１．６８ＧＨｚに変化した。他方、並列腕共振子Ｐ１，Ｐ２に接続されている第４，第５の可変コンデンサＣ４，Ｃ５のみに＋４Ｖの電圧を印加すると、中心周波数は１．７３ＧＨｚに変化した。従って、可変コンデンサＣ１〜Ｃ５に印加する電圧を適宜変化させることにより、中心周波数を１．６８ＧＨｚから１．７３ＧＨｚの範囲で任意に調整し得ることがわかる。
なお、レーザー光の照射により隔離する隔離層を構成する材料については、上記Ｒｕに限定されるものではない。誘電体膜の成膜温度で安定であり、レーザー光による加熱温度、例えば１０００℃で急激に分解しガスを発生させる材料であり、誘電体膜の配向性を妨げない材料であれば、適宜の材料を用いることができる。このような材料としては、ＧａＮを挙げることができる。ＧａＮでは、熱分解すると窒素ガスが発生すると同時に、残ったＧａが融解し、剥離を容易にする。
（第３の実施形態）
第３の実施形態の製造方法を図６（ａ）〜（ｆ）を参照して説明する。第３の実施形態では、図６（ａ）に示すように、６２５μｍの厚みのシリコン単結晶（１１１）基板からなる転写用支持基板４１を用いた。この転写用支持基板４１は、表面に３００ｎｍの厚みの熱酸化膜４１ａを有する。この熱酸化膜４１ａが形成されている転写用支持基板４１の上面に、剥離促進層として、厚み１０ｎｍのロジウム膜（Ｒｈ膜）４２Ａをスパッタリング法により成膜した。
第３の実施形態の製造方法を図６（ａ）〜（ｆ）を参照して説明する。第３の実施形態では、図６（ａ）に示すように、６２５μｍの厚みのシリコン単結晶（１１１）基板からなる転写用支持基板４１を用いた。この転写用支持基板４１は、表面に３００ｎｍの厚みの熱酸化膜４１ａを有する。この熱酸化膜４１ａが形成されている転写用支持基板４１の上面に、剥離促進層として、厚み１０ｎｍのロジウム膜（Ｒｈ膜）４２Ａをスパッタリング法により成膜した。
次に、バッファ層として１００ｎｍのＰｔ膜１３Ａをスパッタリング法により積層した。さらに、厚み１２０ｎｍのＢＳＴ膜からなる誘電体膜１２Ａを基板温度７００℃の条件でスパッタリング法により成膜した。
得られたＢＳＴ膜をＸ線回折法により分析したところ、バラクタ特性に優れる（１１１）配向を有することを確認した。
次に、反応性イオンエッチング法により、最終的に形成する可変コンデンサにおける平面形状となるように、誘電体膜１２Ａ及びＰｔ膜１３Ａをパターニングした。それによって、図６（ｂ）に示すように、誘電体膜１２及び第２の電極１３を形成した。この場合、下方に位置しているＲｈ膜４２Ａもパターニングし、Ｒｈ膜４２とした。
次に、リフトオフ法により、誘電体膜１２上に、１００ｎｍの厚みのＡｕからなる第１の電極１１をスパッタリング法により成膜した。
第１の実施形態と同様に、図６（ｃ）に示すように、圧電基板６上に、ＩＤＴ電極７を含む弾性表面波共振子及び配線パターン１０をＡｕにより形成した。
しかる後、アルゴンプラズマ中で、図６（ｂ）及び図６（ｃ）で示した構造を１分間処理し、しかる後、窒素雰囲気下で１００℃及び１００００Ｐａの条件で図６（ｄ）に示すように、両構造を積層した。すなわち、図６（ｂ）で示した構造を上下逆転させ、第１の電極１１を圧電基板６の配線パターン１０上に移植させ、熱圧着により接合した。接合温度は１００℃と十分低い。従って、シリコンからなる転写用支持基板４１とＬｉＮｂＯ３からなる圧電基板６の熱膨張率差に起因するクラックは生じなかった。貼り合わせ後の圧電基板６と転写用支持基板４１を遠ざけるように、基板面に垂直方向の力をかけて引き剥がしたところ、誘電体膜１２とＲｈ膜４２との界面で剥離した。それによって、図６（ｅ）に示すように、圧電基板６側に第１，第２の電極１１，１３及び誘電体膜１２からなる可変コンデンサ構成部分が転写された。
しかる後、第１の実施形態と同様にして、図６（ｆ）に示すように、絶縁層２４及び配線パターン１０Ａを形成し、チューナブルフィルタを得た。
本実施形態で得たチューナブルフィルタでは、第１〜第５の可変コンデンサＣ１〜Ｃ５のいずれにも電圧を印加しない状態では、中心周波数は１．７１ＧＨｚであった。これに対して、直列腕共振子Ｓ１〜Ｓ３に並列に接続されている第１〜第３の可変コンデンサＣ１〜Ｃ３のみに＋４Ｖの電圧を印加すると、中心周波数は１．６４ＧＨｚに変化した。他方、並列腕共振子Ｐ１，Ｐ２に接続されている第４，第５の可変コンデンサＣ４，Ｃ５のみに＋４Ｖの電圧を印加すると、中心周波数は１．７５ＧＨｚに変化した。従って、可変コンデンサＣ１〜Ｃ５に印加する電圧を適宜変化させることにより、中心周波数を１．６４ＧＨｚから１．７５ＧＨｚの範囲で任意に調整し得ることがわかる。
なお、十分に表面が活性化された金同士は極めて高い密着力を有する。従って、上記剥離層を設けなくとも、圧電基板６と転写用支持基板４１とを遠ざける方向に力を加えると、誘電体膜１２と、バッファ層であるＰｔ膜の界面で剥離が生じる。従って、上記バッファ層は必ずしも設けずともよい。
（第４の実施形態）
第４の実施形態では、誘電体膜を成長させる基板を溶解することにより、誘電体膜を圧電基板側に転写する。
第４の実施形態では、誘電体膜を成長させる基板を溶解することにより、誘電体膜を圧電基板側に転写する。
図７（ａ）に示すように、厚み３００ｎｍの熱酸化膜５１ａを上面に有する厚み６２５μｍのシリコン単結晶（１００）からなる転写用支持基板５１を用意した。
次に、上記転写用支持基板５１上にバッファ層として機能するＰｔ膜１３Ａを成膜した。Ｐｔ膜１３Ａの成膜はスパッタリング法により行い、厚みを１００ｎｍとした。しかる後、Ｐｔ膜１３Ａ上に、厚み１２０ｎｍのＢＳＴ膜からなる誘電体膜１２Ａを基板温度７００℃の条件で成膜した。成膜された誘電体膜１２ＡをＸ線回折法により分析したところ、バラクタ特性に優れる（１１１）配向を有することを確認した。
次に、反応性イオンエッチング法により、誘電体膜１２Ａ及びＰｔ膜１３Ａを最終的に形成する可変コンデンサの誘電体膜１２及び第２の電極１３となるように加工した。次に、図７（ｂ）に示すように、リフトオフ法により、誘電体膜１２上に、１００ｎｍ厚のＡｕ膜をスパッタリング法により成膜し、第１の電極１１を形成した。
図７（ｃ）に示すように、第１の実施形態と同様にして、別途、圧電基板６上にＩＤＴ電極７及び配線パターン１０を形成した。
図７（ｄ）に示すように、図７（ｂ）に示した構造と、図７（ｃ）に示した構造とを窒素雰囲気下で１００℃温度及び１００００Ｐａの条件で熱圧着した。すなわち、圧電基板６上の配線パターン１０上に、図７（ｂ）に示した第１の電極１１が接触するように熱圧着する。この場合においても貼り付け温度は１００℃と十分に低い。そのため、シリコンからなる転写用支持基板５１とＬｉＮｂＯ３からなる圧電基板６の熱膨張率差に起因するクラックは生じなかった。
しかる後、転写用支持基板５１を上記圧電基板６と反対側の面から研磨し、厚みを１５０μｍまで薄くした後、６０℃の温度、２５重量％濃度のＴＭＡＨ水溶液に浸漬し、シリコンからなる転写用支持基板５１を除去し、図７（ｄ）に示すように、熱酸化膜５１ａを露出させた。この熱酸化膜５１ａを、バッファードフッ酸により除去した。このようにして、図７（ｅ）に示すように、第２の電極１３を露出させた。
上記のようにして、可変コンデンサを構成している第１，第２の電極１１，１３及び誘電体膜１２が圧電基板６側に転写することができた。しかる後、第１の実施形態と同様に、図７（ｆ）に示すように、絶縁層２４及び配線パターン１０Ａを形成し、チューナブルフィルタを得た。
本実施形態で得たチューナブルフィルタでは、第１〜第５の可変コンデンサＣ１〜Ｃ５のいずれにも電圧を印加しない状態では、中心周波数は１．７１ＧＨｚであった。これに対して、直列腕共振子Ｓ１〜Ｓ３に並列に接続されている第１〜第３の可変コンデンサＣ１〜Ｃ３のみに＋４Ｖの電圧を印加すると、中心周波数は１．６４ＧＨｚに変化した。他方、並列腕共振子Ｐ１，Ｐ２に接続されている第４，第５の可変コンデンサＣ４，Ｃ５のみに＋４Ｖの電圧を印加すると、中心周波数は１．７５ＧＨｚに変化した。従って、可変コンデンサＣ１〜Ｃ５に印加する電圧を適宜変化させることにより、中心周波数を１．６４ＧＨｚから１．７５ＧＨｚの範囲で任意に調整し得ることがわかる。
なお、本実施形態において、上記転写用支持基板５１としては、シリコン以外の材料を用いてもよい。すなわち、誘電体膜の成長温度に耐えることができ、誘電体膜の配向成長を妨げず、さらに上記のように容易に除去し得る適宜の材料を用いることができる。このような材料としては、ＭｇＯを挙げることができる。ＭｇＯからなる基板の場合、塩酸により除去することができる。
（第５の実施形態）
第５の実施形態では、転写法ではなく、誘電体膜１２を圧電基板上において直接成膜した。なお、作製したチューナブルフィルタの構造は第１の実施形態と同様であるが、使用した材料及び各膜の厚み等が以下のとおり異なる。
第５の実施形態では、転写法ではなく、誘電体膜１２を圧電基板上において直接成膜した。なお、作製したチューナブルフィルタの構造は第１の実施形態と同様であるが、使用した材料及び各膜の厚み等が以下のとおり異なる。
まず、０．３５ｍｍ厚みのＹ板のＬｉＮｂＯ３からなる圧電基板６上に、リフトオフ法により、厚み０．０２λのＰｔ膜によりＩＤＴ電極７を含む弾性表面波共振子の電極、配線パターン１０及び可変コンデンサ用第１の電極１１を形成した。ここで、弾性表面波共振子におけるＩＤＴ電極７で定まる波長、すなわちλは２μｍとした。
ＩＤＴ電極の交叉幅は１５λ、電極指の対数は１００対とし、反射器における極指の本数は２０本とした。
次に、第１の電極１１上に、７００℃の温度でＲＦマグネトロンスパッタにより、０．６μｍのＢＳＴからなる誘電体膜を直接成膜した。
従来、ＬｉＮｂＯ３とＢＳＴの熱膨張率差により、成膜後に圧電基板に反りが生じることが知られていた。しかしながら、本実施形態では、成膜時のＡｒとＯ２の流量を制御することにより、反りの少ない圧電基板を得ることができた。
上記のようにして得られた誘電体膜１２上に、厚みが０．０２λ及び２０×２０μｍの矩形のＰｔ膜を形成し、それによって第２の電極１３とした。
上記のようにして、圧電基板６上に、弾性表面波共振子及び可変コンデンサを形成してチューナブルフィルタを得た。この構造では、可変コンデンサに直流電圧０〜８Ｖを印加すると、静電容量は４ｐＦ〜１ｐＦの範囲で変化した。従って、本実施形態のチューナブルフィルタにおいても、第１〜第４の実施形態と同様に、可変コンデンサＣ１〜Ｃ５に電圧を印加することにより周波数を大きく変化させ得ることがわかる。
１…チューナブルフィルタ
２…入力端子
３…出力端子
４，５…接続点
６…圧電基板
７…ＩＤＴ電極
８，９…反射器
１０，１０Ａ…配線パターン
１１…第１の電極
１２，１２Ａ…誘電体膜
１３…第２の電極
１３Ａ…Ｐｔ膜
２１…転写用支持基板
２１ａ…熱酸化膜
２２…犠牲層
２４…絶縁層
３１…転写用支持基板
３２…剥離層
４１…転写用支持基板
４１ａ…熱酸化膜
４２，４２Ａ…Ｒｈ膜
５１…転写用支持基板
５１ａ…熱酸化膜
Ｃ１〜Ｃ５…可変コンデンサ
Ｓ１〜Ｓ３…直列腕共振子
Ｐ１，Ｐ２…並列腕共振子
２…入力端子
３…出力端子
４，５…接続点
６…圧電基板
７…ＩＤＴ電極
８，９…反射器
１０，１０Ａ…配線パターン
１１…第１の電極
１２，１２Ａ…誘電体膜
１３…第２の電極
１３Ａ…Ｐｔ膜
２１…転写用支持基板
２１ａ…熱酸化膜
２２…犠牲層
２４…絶縁層
３１…転写用支持基板
３２…剥離層
４１…転写用支持基板
４１ａ…熱酸化膜
４２，４２Ａ…Ｒｈ膜
５１…転写用支持基板
５１ａ…熱酸化膜
Ｃ１〜Ｃ５…可変コンデンサ
Ｓ１〜Ｓ３…直列腕共振子
Ｐ１，Ｐ２…並列腕共振子
本発明に係るチューナブルフィルタは、圧電材料からなる圧電基板と、前記圧電基板上に形成された弾性波共振子と、前記圧電基板上に形成された可変コンデンサとを備える。前記可変コンデンサは、圧電基板上に直接または間接に形成されており、印加電圧により静電容量が変化する誘電体膜と、前記誘電体膜に電界を印加し得るように設けられた第１の電極および第２の電極とを有し、前記誘電体膜が、前記圧電基板上に転写により形成された誘電体膜である。
本発明に係るチューナブルフィルタでは、前記誘電体膜が、前記圧電基板上に転写により形成された誘電体膜である。転写により形成された誘電体膜であるため、該誘電体膜を成膜し易い転写用支持基板上に形成し、転写することにより、圧電基板上に直接または間接に誘電体膜を確実にかつ容易に積層することができる。
本発明に係るチューナブルフィルタの製造方法は、圧電基板を用意する工程と、圧電基板上に弾性波共振子を形成する工程と、前記圧電基板上に可変コンデンサを形成する工程とを備える。前記可変コンデンサを形成する工程において、印加電圧により静電容量が変化する誘電体膜を転写法により圧電基板上に直接または間接に形成する工程と、前記誘電体膜に電界を印加し得るように第１の電極および第２の電極を形成する工程とを含む。
Claims (12)
- 圧電材料からなる圧電基板と、
前記圧電基板上に形成された弾性波共振子と、
前記圧電基板上に形成された可変コンデンサとを備え、
前記可変コンデンサが、圧電基板上に直接または間接に形成されており、印加電圧により静電容量が変化する誘電体膜と、前記誘電体膜に電界を印加し得るように設けられた第１の電極および第２の電極とを有する、チューナブルフィルタ。 - 前記誘電体膜が、バリウムストロンチウムチタネートからなる、請求項１に記載のチューナブルフィルタ。
- 前記誘電体膜が、前記圧電基板上に転写により形成された誘電体膜である、請求項１または２に記載のチューナブルフィルタ。
- 前記弾性波共振子が、弾性表面波共振子または圧電薄膜共振子である、請求項１〜３のいずれか１項に記載のチューナブルフィルタ。
- 圧電基板を用意する工程と、
圧電基板上に弾性波共振子を形成する工程と、
前記圧電基板上に可変コンデンサを形成する工程とを備え、
前記可変コンデンサを形成する工程において、印加電圧により静電容量が変化する誘電体膜を圧電基板上に直接または間接に形成する工程と、前記誘電体膜に電界を印加し得るように第１の電極および第２の電極を形成する工程とを含む、チューナブルフィルタの製造方法。 - 前記誘電体膜の形成が転写法により行われる、請求項５に記載のチューナブルフィルタの製造方法。
- 前記可変コンデンサを形成する工程が、転写用支持基板上に誘電体膜を形成する工程と、前記転写用支持基板上に形成された誘電体膜を前記圧電基板上に転写する工程とを有する、請求項６に記載のチューナブルフィルタの製造方法。
- 前記可変コンデンサを形成する工程が、前記転写用支持基板上に、除去可能な犠牲膜を形成する工程と、該犠牲膜上に前記誘電体膜を形成する工程と、前記誘電体膜を前記圧電基板に接合する工程と、接合後に前記犠牲膜を除去する工程とを有する、請求項６に記載のチューナブルフィルタの製造方法。
- 前記可変コンデンサを形成する工程が、レーザー光を透過する転写用支持基板上に、該レーザー光を吸収して融解または揮発する変質層を形成する工程と、前記変質層上に前記誘電体膜を形成する工程と、前記誘電体膜を前記圧電基板に接合する工程と、接合後に、前記転写用支持基板側からレーザー光を照射して前記変質層を融解または揮発させる工程とを有する、請求項６に記載のチューナブルフィルタの製造方法。
- 前記可変コンデンサを形成する工程が、後で除去可能な転写用支持基板上に前記誘電体膜を形成する工程と、該誘電体膜を前記圧電基板上に直接または間接に接合する工程と、接合後に、前記転写用支持基板を除去する工程とを有する、請求項６に記載のチューナブルフィルタの製造方法。
- 前記可変コンデンサを形成する工程が、転写用支持基板上に、前記誘電体膜との剥離強度が、前記転写用支持基板に対する剥離強度よりも低い易剥離層を形成する工程と、前記易剥離層上に誘電体膜を形成する工程と、前記誘電体膜を前記圧電基板上に直接または間接に接合する工程と、前記転写用支持基板上に設けられた易剥離層と前記誘電体膜との間で剥離し、前記誘電体膜を前記圧電基板上に転写する工程とを有する、請求項６に記載のチューナブルフィルタの製造方法。
- 前記圧電基板上に、特定方向に配向している配向膜を形成する工程をさらに備え、該配向膜上に前記誘電体膜を積層する、請求項５に記載のチューナブルフィルタの製造方法。
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