WO2013031725A1 - 圧電バルク波装置及びその製造方法 - Google Patents
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Definitions
- the present invention relates to a piezoelectric bulk wave device using LiTaO 3 and a manufacturing method thereof, and more particularly to a piezoelectric bulk wave device using a thickness shear mode bulk wave as a bulk wave and a manufacturing method thereof.
- Patent Document 1 discloses a piezoelectric thin film device shown in FIG.
- the piezoelectric thin film device 1001 has a piezoelectric thin film 1002. It is described that the piezoelectric thin film 1002 is preferably made of a piezoelectric single crystal such as quartz, LiTaO 3 , or LiNbO 3 . Electrodes 1003 and 1004 are formed on the upper surface of the piezoelectric thin film 1002. Electrodes 1005 to 1007 are formed on the lower surface of the piezoelectric thin film 1002. By using these electrodes 1003 to 1007, the piezoelectric thin film device 1001 includes four piezoelectric thin film resonators using the thickness shear mode.
- Patent Document 1 a piezoelectric thin film device using a thickness sliding mode of LiTaO 3 has been known.
- the thickness-shear vibration mode is used using a piezoelectric thin film made of LiTaO 3 , it is difficult to obtain good electrical characteristics.
- variations in electrical characteristics tend to be large.
- An object of the present invention utilizes thickness shear mode of LiTaO 3, moreover variation in electric characteristics due to variations in electrode thickness and LiTaO 3 having a thickness of less, providing a bulk acoustic wave device and manufacturing method thereof It is in.
- the piezoelectric bulk wave device uses the thickness sliding mode of a piezoelectric thin plate made of LiTaO 3 .
- the piezoelectric bulk acoustic wave device of the present invention includes a piezoelectric thin plate made of LiTaO 3 and first and second electrodes provided so as to be in contact with the piezoelectric thin plate.
- the first and second electrodes are made of a conductor having a specific acoustic impedance larger than the specific acoustic impedance of the transverse wave propagating through LiTaO 3 , and the total thickness of the first and second electrodes is defined as the electrode.
- the electrode thickness / is in the range of 40% to 95%.
- the first and second electrodes are mainly composed of at least one metal selected from the group consisting of W, Mo, Pt, and Ta, or the metal. Or a laminate in which the metal occupies a majority of the weight ratio.
- Method for manufacturing a piezoelectric bulk acoustic wave device is a method for manufacturing a piezoelectric bulk acoustic wave device utilizing thickness shear mode of the piezoelectric thin plate made of LiTaO 3, a step of preparing a piezoelectric thin plate made of LiTaO 3, wherein It is made of a conductor whose specific acoustic impedance is higher than the specific acoustic impedance of the transverse wave propagating through LiTaO 3 so as to be in contact with the piezoelectric thin plate, and the electrode thickness / (electrode thickness + LT thickness) is in the range of 40% or more and 95% or less.
- Electrode thickness + LT thickness is 40%.
- the step of preparing the piezoelectric thin plate is performed by implanting ions from one surface of a piezoelectric substrate made of LiTaO 3 , and having the implanted ion concentration most on the one surface side.
- the position of the high concentration ion implantation portion can be easily controlled by controlling the ion implantation conditions.
- the ion beam of the ion implantation apparatus is irradiated to the substrate linearly with a uniform intensity, and the same portion is irradiated many times at substantially the same irradiation angle while the ion beam sweeps the entire substrate. Therefore, in comparison with the thickness variation due to film forming methods such as sputtering, CVD, and vapor deposition, the position of the high concentration ion implantation portion is uniform over the entire surface of the substrate and the depth variation is small. Therefore, a piezoelectric thin plate with an accurate thickness can be easily obtained over the entire surface of the substrate.
- the step of preparing the piezoelectric thin plate is performed by implanting ions from one surface of a piezoelectric substrate made of LiTaO 3 , and the concentration of implanted ions on the one surface side.
- the step of forming the highest concentration ion implantation portion the step of bonding a temporary support member to the one surface side of the piezoelectric substrate, and the high concentration while heating the piezoelectric substrate bonded to the temporary support member Separating the piezoelectric substrate from the one surface of the piezoelectric substrate to the high-concentration ion-implanted portion at the ion-implanted portion and the remaining piezoelectric substrate portion, and temporarily supporting the piezoelectric substrate from the piezoelectric thin plate And a step of peeling the member.
- a step of forming a first electrode on the piezoelectric thin plate prior to peeling off the temporary support member from the piezoelectric thin plate, a step of forming a first electrode on the piezoelectric thin plate; A step of forming a sacrificial layer so as to cover the first electrode and a step of laminating a support substrate on the sacrificial layer are performed. Furthermore, after peeling the temporary support member from the piezoelectric thin plate, a step of forming a second electrode on the other surface of the piezoelectric thin plate exposed by peeling of the temporary support member, and a step of eliminating the sacrificial layer Prepare.
- the piezoelectric bulk acoustic wave device having a structure in which the vibrating portions where the first and second electrodes are formed above and below the piezoelectric thin plate are floated from the support substrate can be provided according to the present invention.
- the first and second electrodes are made of a conductor having a specific acoustic impedance larger than the specific acoustic impedance of the transverse wave propagating through LiTaO 3 , and the first and second electrode films
- the electrode thickness / (electrode thickness + LT thickness) is in the range of 40% or more and 95% or less.
- a piezoelectric bulk wave device that is unlikely to occur can be configured. Therefore, it is possible to provide a piezoelectric bulk wave device with little variation in characteristics.
- a piezoelectric bulk wave device According to the method for manufacturing a piezoelectric bulk wave device according to the present invention, since the first and second electrodes are configured as described above, a piezoelectric bulk wave device with little variation in characteristics according to the present invention is provided. Can do.
- FIG. 1A and 1B are a front sectional view and a plan view of a piezoelectric bulk acoustic wave device according to an embodiment of the present invention.
- FIG. 2 is a diagram showing a relationship between the electrode thickness / (electrode thickness + LT thickness) of the first and second electrodes made of W and the resonance frequency in an embodiment of the present invention.
- FIG. 3 is a diagram showing the relationship between the electrode thickness / (electrode thickness + LT thickness) of the first and second electrodes made of W and the electromechanical coupling coefficient k 2 in one embodiment of the present invention.
- FIG. 1A and 1B are a front sectional view and a plan view of a piezoelectric bulk acoustic wave device according to an embodiment of the present invention.
- FIG. 2 is a diagram showing a relationship between the electrode thickness / (electrode thickness + LT thickness) of the first and second electrodes made of W and the resonance frequency in an embodiment of the present invention.
- FIG. 3
- FIG. 4 is a diagram showing the relationship between the electrode thickness / (electrode thickness + LT thickness) of the first and second electrodes made of W and the braking capacity C 0 in an embodiment of the present invention.
- FIG. FIG. 11 is a diagram illustrating the relationship between the Euler angle ⁇ of LiTaO 3 and the specific acoustic impedance.
- FIG. 12 is a diagram showing the relationship between the Euler angle ⁇ of LiTaO 3 and the resonance frequency Fr and antiresonance frequency Fa of the thickness-shear mode.
- FIG. 13 is a diagram illustrating the relationship between the Euler angle ⁇ of LiTaO 3 and the electromechanical coupling coefficient k 2 in the thickness-shear mode.
- FIG. 11 is a diagram illustrating the relationship between the Euler angle ⁇ of LiTaO 3 and the specific acoustic impedance.
- FIG. 12 is a diagram showing the relationship between the Euler angle ⁇ of LiTaO 3 and the resonance frequency Fr and anti
- FIG. 14 is a diagram showing the relationship between the Euler angle ⁇ of LiTaO 3 and the frequency temperature coefficient TCF of the thickness-shear mode.
- FIG. 15 is a diagram showing the relationship between the Euler angle ⁇ of LiTaO 3 and the electromechanical coupling coefficient k 2 in the thickness longitudinal vibration mode that becomes spurious.
- FIG. 16 is a diagram showing the relationship between the Euler angle ⁇ of LiTaO 3 and the resonance frequency Fr and anti-resonance frequency Fa of the thickness longitudinal vibration.
- FIG. 17 is a diagram illustrating the relationship between the Euler angle ⁇ of LiTaO 3 and the electromechanical coupling coefficient k 2 of thickness longitudinal vibration.
- FIG. 18 is a diagram showing the relationship between the Euler angle ⁇ of LiTaO 3 and the frequency temperature coefficient TCF.
- FIG. 19 is a diagram showing the relationship between the Euler angle ⁇ and the frequency temperature coefficient TCF in the thickness shear vibration mode when LiNbO 3 is used.
- 20A to 20D are schematic front sectional views for explaining a method for manufacturing a piezoelectric bulk acoustic wave device according to an embodiment of the present invention.
- 21A to 21C are schematic front sectional views for explaining a method for manufacturing a piezoelectric bulk acoustic wave device according to an embodiment of the present invention.
- FIGS. 22A to 22C are schematic front sectional views for explaining a method for manufacturing a piezoelectric bulk wave device according to an embodiment of the present invention.
- FIGS. 23A to 23C are schematic front sectional views for explaining a method for manufacturing a piezoelectric bulk acoustic wave device according to an embodiment of the present invention.
- FIG. 24 is a schematic cross-sectional view showing an example of a conventional piezoelectric thin film device.
- 1 (a) and 1 (b) are a schematic front sectional view and a plan view of a piezoelectric bulk wave device according to an embodiment of the present invention.
- the piezoelectric bulk wave device 1 of the present embodiment has a support substrate 2.
- the support substrate 2 is made of an appropriate insulator or piezoelectric material.
- the support substrate 2 is made of alumina.
- An insulating layer 3 is formed on the support substrate 2.
- the insulating layer 3 is made of silicon oxide in the present embodiment, but can be formed of an appropriate insulating material such as LiTaO 3 , LiNbO 3 , sapphire, or glass. Alumina, glass, and LiNbO 3 are desirable because they are cheaper and easier to manufacture than LiTaO 3 and sapphire.
- a recess 3 a is formed on the upper surface of the insulating layer 3.
- the piezoelectric thin plate vibrating portion 4 is disposed above the portion where the recess 3a is provided.
- the piezoelectric thin plate vibrating section 4 includes a piezoelectric thin plate 5, a first electrode 6 formed on the upper surface of the piezoelectric thin plate 5, and a second electrode 7 formed on the lower surface.
- the piezoelectric thin plate 5 is made of LiTaO 3 .
- the piezoelectric thin plate 5 refers to a thin piezoelectric body having a thickness of about 2 ⁇ m or less. According to the manufacturing method described later, by using the ion implantation-division method, such a thin piezoelectric plate made of LiTaO 3 can be obtained with high accuracy.
- the piezoelectric thin plate 5 is a thin piezoelectric body having a thickness of about 2 ⁇ m or less as described above.
- the first and second electrodes 6 and 7 are configured as follows.
- a feature of the present invention is a piezoelectric bulk acoustic wave device utilizing a bulk shear mode bulk wave of LiTaO 3 , wherein the first and second electrodes 6, 7 are inherent acoustic waves of a transverse wave propagating through LiTaO 3. It is made of a conductor having a higher specific acoustic impedance than the impedance.
- the electrode thickness / (electrode thickness + LT thickness) Is in the range of 40% to 95%. In that case, the frequency fluctuation can be reduced. That is, even if the thickness of the electrode or the thickness of LiTaO 3 varies, the variation in frequency becomes small.
- the electrode thickness / (electrode thickness + LT thickness), when 75% or less, the electromechanical coefficient k 2 can be increased to 10% or more.
- the electrode thickness / (electrode thickness + LT thickness) was changed in the range of 5 to 95%.
- the Euler angles of LiTaO 3 were (0 °, 73 °, 0 °).
- FIG. 2 shows the relationship between the electrode thickness / (electrode thickness + LT thickness) and the resonance frequency.
- Figure 3 shows the relationship between the electrode thickness / (the electrode thickness + LT thickness) and the electromechanical coupling coefficient k 2, 4, the relationship between the electrode thickness / (the electrode thickness + LT thickness) and damping capacitance C 0 FIG.
- the resonance frequency is within the range of electrode thickness / (electrode thickness + LT thickness) of 40% or more and 95% or less. It can be seen that the fluctuation is 1241.5 MHz to 1304 MHz, and the fluctuation width of the resonance frequency is as small as 5%. More preferably, in the range of 55% to 80%, the fluctuation of the resonance frequency is 1241.5 MHz to 1252.9 MHz, and the fluctuation width of the resonance frequency can be further reduced to 1% or less. That is, it can be seen that even if the thicknesses of the first and second electrodes 6 and 7 and the thickness of LiTaO 3 vary, the variation in resonance frequency can be greatly reduced.
- the thickness of the piezoelectric thin plate is proportional to the acceleration voltage of the ion beam.
- an ion implantation apparatus has a trade-off relationship between a beam current of an ion beam and an acceleration voltage. This is because if the power value expressed by the beam current ⁇ acceleration voltage is increased, the amount of energy irradiated to the substrate per unit time increases, and problems such as destruction of the substrate due to thermal stress accompanying local heat generation occur.
- the acceleration voltage is increased, the ion implantation depth can be increased, so that the thickness of the piezoelectric thin plate can be increased.
- the concentration at which the piezoelectric thin plate can be separated for example, 8 ⁇ 10 16 ions / cm 2 ).
- the piezoelectric bulk wave device used in a frequency band lower than 1.5 GHz is a thin piezoelectric thin plate of about 1 ⁇ m. This is advantageous because it can be realized.
- the absolute value of the electromechanical coupling coefficient k 2 can also be higher than 10%. Therefore, it can be seen that a broadband filter can be provided.
- the electrode thickness / (electrode thickness + LT thickness) exceeds 40%, it can be seen that the braking capacity C 0 rapidly increases.
- damping capacity C 0 is increased, the impedance is reduced in the resonator.
- the impedance of the RF filter needs to match the impedance of a device such as an antenna, a power amplifier, or a low noise amplifier that is connected to the front and rear. Usually, this impedance is 50 ⁇ or 150 ⁇ .
- the impedance of the resonator is inversely proportional to the area of the resonator. Therefore, when a plurality of resonators are combined, for example, a ladder filter is configured, the impedance of the filter is proportional to the impedance of the resonator. Therefore, the area of the resonator is inversely proportional to the impedance of the filter.
- resonator damping capacitance C 0 per unit area is large, that is, by the impedance per unit area having a low resonator, it is possible to miniaturize the filter. Therefore, in order to reduce the size of the filter and the resonator, the electrode thickness / (electrode thickness + LT thickness) is desirably 40% or more.
- the piezoelectric body is used as the piezoelectric body.
- the relative dielectric constant of AlN is about 12, whereas the relative dielectric constant of LiTaO 3 is 40.9 to 42.5, which is about 3.4 times as large.
- the sound velocity of the transverse wave of the bulk wave is 0.68 times lower in LiTaO 3 than in AlN. Therefore, when the ratio of the same frequency, the electrode thickness / (electrode thickness + LT thickness) is the same, and the impedance is the same, the area of the bulk wave resonator using LiTaO 3 is the same as that of the bulk wave resonator using AlN. It can be about 1/5 of the area. Therefore, it is possible to reduce the size of the piezoelectric bulk wave device.
- FIGS. 5 to 7 the thickness of the electrode on one side, the thickness of LiTaO 3 , The relationship between the braking capacity C 0 or the electromechanical coupling coefficient k 2 is shown.
- the upper electrode thickness the lower electrode thickness and the LiTaO 3 thickness. It can be seen that there is a similar change tendency between the magnitude of the braking capacity C 0 and the electromechanical coupling coefficient k 2 .
- the piezoelectric bulk wave device can be further reduced in size.
- the resonance frequency Fr decreases due to an increase in the electrode thickness / (electrode thickness + LT thickness), and the ratio is the minimum at 65%. It becomes. Therefore, when the first and second electrodes 6 and 7 made of W are used, by setting the electrode thickness / (electrode thickness + LT thickness) to 40% or more, a resonator suitable for use in a low frequency band or A filter can be provided. This is because the intrinsic acoustic impedance of the transverse wave of W is higher than the intrinsic acoustic impedance of the transverse wave propagating through LiTaO 3 , so that the reflection coefficient viewed from LiTaO 3 is positive. As shown in FIG.
- the natural acoustic impedance of the transverse wave propagating through LiTaO 3 does not change much even when the Euler angle ⁇ changes, and 24.8 kg ⁇ s / m 2 to 29.7 kg ⁇ s / is the value of m 2.
- the intrinsic acoustic impedance of W is 50.5 kg ⁇ s / m 2 .
- the first and second electrodes 6 and 7 are made of W.
- W not only W, but Mo, Pt having a higher specific acoustic impedance than the specific acoustic impedance of the transverse wave propagating through LiTaO 3. , Ta or the like may be used.
- an alloy mainly containing the metal may be used.
- first and second electrodes 6 and 7 may be formed of a laminated metal film formed by laminating a plurality of metal films.
- the method for forming the first and second electrodes 6 and 7 is not particularly limited.
- An appropriate method such as electron beam evaporation, chemical vapor deposition, sputtering, or CVD can be used.
- the piezoelectric thin plate 5 has slits 5a and 5b on both sides in the direction along the line AA of the recess 3a. Accordingly, as shown in FIG. 1A, the piezoelectric thin plate vibrating portion 4 is in a floating state above the recess 3a.
- a wiring electrode 8 is formed on the insulating layer 3 outside the slit 5a. The wiring electrode 8 is connected to the second electrode 7 at a portion not shown.
- a wiring electrode 9 is formed outside the slit 5b. The wiring electrode 9 is formed on the piezoelectric thin plate 5 and is electrically connected to the first electrode 6 at a portion not shown.
- the wiring electrodes 8 and 9 are made of an appropriate conductive material. As such a conductive material, Cu, Al, or an alloy thereof can be used.
- Gold bumps 10 are provided on the wiring electrodes 9.
- a via hole electrode 11 is provided on the piezoelectric thin plate 5 so as to be electrically connected to the wiring electrode 8.
- a gold bump 12 is bonded to the upper end of the via-hole electrode 11. Therefore, the piezoelectric thin plate vibrating portion 4 can be vibrated by applying an alternating electric field from the gold bumps 10 and 12.
- the wiring electrode 8 for transmitting the main electrical signal is separated from the bonding interface between the insulating layer 3 and the support substrate 2, semiconductor resistance deterioration and skin effect due to diffusion and non-uniformity of the bonding interface. The main electrical vibration can be transmitted with low loss without being affected.
- the piezoelectric thin vibrating portion 4 utilizes a thickness shear vibration mode of the piezoelectric thin plate 5 made of LiTaO 3, preferably, the Euler angles of the LiTaO 3 (phi, theta, In ( ⁇ ), it is desirable that ⁇ is 0 ° and ⁇ is in the range of 54 ° to 107 °. Thereby, good resonance characteristics using the thickness shear vibration mode can be obtained. This will be described more specifically below.
- a bulk wave vibrator using a thickness shear vibration mode and a thickness longitudinal vibration mode using LiTaO 3 was analyzed by a finite element method.
- the thickness of LiTaO 3 was 1000 nm.
- a model in which electrodes made of Al with a thickness of 100 nm were formed on the top and bottom of this LiTaO 3 was used as a model.
- the overlapping area of the upper and lower electrodes was 2000 ⁇ m 2 .
- FIG. 12 is a diagram illustrating the relationship between the Euler angle ⁇ and the resonance frequency Fr and anti-resonance frequency Fa in the thickness-shear vibration mode, where the solid line indicates the resonance frequency and the broken line indicates the anti-resonance frequency.
- FIG. 13 is a diagram showing a ⁇ of Euler angles, the relationship between the electromechanical coefficient k 2 of the thickness shear vibration mode. As is apparent from FIG. 13, the electromechanical coupling coefficient k 2 of the thickness-shear vibration mode to be used becomes maximum when ⁇ is around 80 °, which is 14.3%.
- the electromechanical coupling coefficient k 2 exceeds 5%, and the electromechanical coupling necessary for forming the bandwidth of the filter for the portable terminal is used. A coefficient is obtained. Further, when ⁇ is in the range of 63 ° or more and 97 ° or less, the electromechanical coupling coefficient k 2 maintains a large value of 9.5% or more, which is 2/3 of the maximum value. Electromechanical coupling coefficient k 2 is proportional to the bandwidth of the filter. Therefore, it can be seen that when the Euler angle ⁇ is set to 54 ° or more and 107 ° or less, the electromechanical coupling coefficient k 2 can be increased and a broadband bulk wave filter can be configured.
- a broadband bulk wave device can be provided by setting the Euler angle ⁇ to 54 ° or more and 107 ° or less.
- the wider the bandwidth the better.
- a capacitance is added in parallel or in series with the bulk wave resonator, the bandwidth can be reduced. Therefore, when the electromechanical coupling coefficient k 2 is large, it is possible to increase the freedom of design. Therefore, since the Euler angle ⁇ is 54 ° or more and 107 ° or less and the electromechanical coupling coefficient k 2 is large, bulk wave devices with various bandwidths can be easily provided.
- FIGS. 16 to 18 are diagrams for explaining the change due to ⁇ of the Euler angle in the thickness longitudinal vibration mode serving as a spurious.
- FIG. 16 shows the relationship between the Euler angle ⁇ and the resonance frequency Fr and anti-resonance frequency Fa of the thickness longitudinal vibration.
- the solid line shows the result of the resonance frequency, and the broken line shows the result of the anti-resonance frequency.
- FIG. 16 shows the relationship between the Euler angle ⁇ and the resonance frequency Fr and anti-resonance frequency Fa of the thickness longitudinal vibration.
- the solid line shows the result of the resonance frequency
- the broken line shows the result of the anti-resonance frequency.
- FIG. 17 shows the relationship between the electromechanical coefficient k 2 of ⁇ and the thickness longitudinal vibration of Euler angles, illustrating the relationship between ⁇ and the temperature coefficient of frequency TCF of FIG. 18 Euler angles.
- the electromechanical coupling coefficient k 2 in the thickness longitudinal vibration mode that becomes spurious becomes almost zero, and ⁇ is 55 ° or more and 85 ° or less. If it is within the range, as is apparent from FIG. 15, the electromechanical coupling coefficient k 2 of the thickness longitudinal vibration mode that becomes spurious is as small as 1.5% or less.
- the Euler angle ⁇ is in the range of 55 ° to 85 °. Therefore, the response of the thickness longitudinal vibration mode which becomes spurious can be reduced. Therefore, when the piezoelectric bulk acoustic wave device of the above embodiment is configured, the attenuation characteristic in the stop band of the filter can be improved.
- FIG. 19 shows the relationship between the Euler angle ⁇ and the frequency temperature coefficient TCF in the thickness shear vibration mode when LiNbO 3 is used.
- the structure in which electrodes made of Al are formed on the upper and lower surfaces of LiTaO 3 was examined as a model.
- the electromechanical coupling coefficient k 2 can be reduced by setting the Euler angle ⁇ within the same range as described above. enhance k 2, and further by a ⁇ of the desired range, it is confirmed that suppressing spurious, or can decrease the absolute value of TCF.
- a piezoelectric substrate 5A made of LiTaO 3 is prepared. Hydrogen ions are implanted from one surface of the piezoelectric substrate 5A as indicated by an arrow.
- the ions to be implanted are not limited to hydrogen but helium or the like may be used.
- the energy at the time of ion implantation is not particularly limited. In this embodiment, the energy is 150 KeV, the dose is 8 ⁇ 10 17 , and atoms / cm.
- the ion implantation conditions may be selected according to the thickness of the target piezoelectric thin plate. That is, the position of the implanted ion high concentration portion can be controlled by selecting the ion implantation conditions.
- an ion concentration distribution is generated in the thickness direction in the piezoelectric substrate 5A.
- a portion having the highest ion concentration is indicated by a broken line in FIG.
- the implanted ion high concentration portion 5x which is the portion having the highest ion concentration indicated by the broken line, is easily separated by stress when heated.
- a method of separating by such an implanted ion high concentration portion 5x is disclosed in JP-T-2002-534886.
- a temporary bonding layer 21 is formed on the surface of the piezoelectric substrate 5A on which ion implantation has been performed.
- the temporary bonding layer 21 is provided to bond a temporary support member 22 described later and to protect the finally obtained piezoelectric thin plate 5.
- the temporary bonding layer 21 is made of a material that is removed by an etching process described later. That is, it is made of an appropriate material which is removed by etching and does not damage the piezoelectric thin plate 5 at the time of etching.
- an appropriate material such as an inorganic material or an organic material can be used.
- the inorganic material examples include insulating inorganic materials such as ZnO, SiO 2 , and AlN, and metal materials such as Cu, Al, and Ti.
- Examples of the organic material include polyimide.
- the temporary bonding layer 21 may be a laminate of a plurality of films made of these materials. In the present embodiment, the temporary bonding layer 21 is made of SiO 2 .
- a temporary support member 22 is laminated and bonded to the temporary bonding layer 21 as shown in FIG.
- the temporary support member 22 can be formed of an appropriate rigid material.
- an appropriate material such as insulating ceramics or piezoelectric ceramics can be used.
- the temporary support member has almost no thermal stress acting on the interface with the piezoelectric substrate, or when the support substrate and the piezoelectric substrate are joined, the thermal stress acting on the interface between the support substrate and the piezoelectric substrate. Rather, it is made of a material having a smaller thermal stress acting on the interface between the temporary support member and the piezoelectric substrate. For this reason, it is possible to suppress the possibility that the piezoelectric thin plate is defective due to thermal stress when the piezoelectric thin plate is separated.
- the constituent material of the support substrate is not considered thermal stress acting on the interface between the support substrate and the piezoelectric thin plate. Any one having an arbitrary linear expansion coefficient can be selected.
- the selectivity of the combination of the constituent material of the piezoelectric thin plate and the constituent material of the support substrate can be enhanced.
- the temperature-frequency characteristics of the filter can be improved by making the linear expansion coefficient of the constituent material of the support substrate much smaller than that of the piezoelectric thin plate.
- a material having high thermal conductivity for the support substrate it is possible to improve heat dissipation and power durability.
- an inexpensive constituent material it becomes possible to reduce the manufacturing cost of the device.
- heating is performed to facilitate the division of the piezoelectric substrate 5A in the implanted ion high concentration portion 5x.
- the heating temperature for easily dividing the piezoelectric substrate 5A in the implanted ion high concentration portion 5x is maintained at a temperature of about 250 ° C. to 400 ° C.
- the heating temperature required for the piezoelectric recovery may be higher than the heating temperature for preparing the division. Thereby, the piezoelectricity can be effectively recovered.
- an electrode structure including the second electrode 7 and the wiring electrode 8 is formed on the piezoelectric thin plate 5 by photolithography. Further, a protective film 8 a is formed so as to cover the wiring electrode 8.
- a sacrificial layer 23 is formed so as to cover the second electrode 7.
- the sacrificial layer 23 is made of a material that can be removed by etching.
- an insulating film such as SiO 2 ZnO PSG (phosphosilicate glass), various organic films, a metal having a high solubility selectivity with respect to the passivation film covering the lower electrode and the lower electrode, or the like is used. be able to.
- Cu is used.
- the etchant for the etching an appropriate material that can remove only the sacrificial layer by etching without etching the second electrode 7 can be used.
- the insulating layer 3 is formed on the entire surface so as to cover the sacrificial layer 23, the protective film 8a, and the like.
- Insulating layer 3 can be formed by a suitable insulating ceramic such as SiO 2, SiN, Ta 2 O 5, AlN. Further, an insulating material such as glass or resin may be used.
- the insulating layer 3 is polished and the upper surface thereof is flattened.
- the support substrate 2 is laminated on the planarized insulating layer 3.
- the temporary bonding layer 21 described above is removed by etching and separated from the piezoelectric thin plate 5.
- the piezoelectric thin plate 5 can be peeled from the temporary support member 22.
- FIG. 22C a structure is obtained in which the sacrificial layer 23, the second electrode 7, and the piezoelectric thin plate 5 are laminated on the lower surface of the support substrate 2 with the insulating layer 3 interposed therebetween. It is done.
- FIG. 23A the first electrode 6 and the wiring electrode 9 are formed on the piezoelectric thin plate 5 by photolithography by turning upside down.
- slits 5a and 5b and via hole forming electrode holes are formed in the piezoelectric thin plate 5 by etching.
- the via hole electrode 11 is formed.
- the piezoelectric bulk wave device 1 of the above embodiment can be obtained.
- ions are previously implanted into the thick piezoelectric substrate 5A. Therefore, the piezoelectric thin plate 5 can be easily obtained by dividing the implanted ion high concentration portion 5x. According to this method, the piezoelectric thin plate 5 having a relatively small thickness can be obtained with high accuracy.
- the piezoelectric bulk wave device of the present invention can be manufactured by the manufacturing method shown in the above embodiment, but may be manufactured by other methods.
- the piezoelectric thin plate and the remaining piezoelectric substrate portion are separated.
- the steps for preparing the piezoelectric thin plate are as follows: May be implemented.
- a piezoelectric thin plate may be prepared. More specifically, as shown in FIG. 20A, a piezoelectric substrate 5A having a high concentration ion implanted portion 5x is prepared by ion implantation.
- a first electrode is formed on the surface of the piezoelectric substrate 5A on which ion implantation has been performed. Thereafter, the support substrate 2 is bonded to the surface on which the ion implantation of the piezoelectric substrate 5A, that is, the surface on which the first electrode is formed. In this state, the piezoelectric substrate 5A is heated and separated into the piezoelectric thin plate and the remaining piezoelectric substrate portions in the same manner as in the above-described embodiment.
- the second electrode may be formed on the surface of the piezoelectric thin plate opposite to the surface on which the first electrode is formed.
- the piezoelectric thin plate can be formed by ion implantation and division into a piezoelectric substrate made of LiTaO 3 , or by grinding the piezoelectric substrate, etching the piezoelectric substrate, or the like.
- the piezoelectric bulk acoustic wave device 1 is only an example of the piezoelectric bulk acoustic wave device of the present invention.
- the feature of the present invention is that the first and second electrodes 6 and 7 constituting the piezoelectric bulk acoustic wave device are LiTaO 3. That is, it is made of a conductor having a specific acoustic impedance higher than that of the transverse wave propagating through the wave, and the resonance characteristics by the thickness-shear vibration mode are effectively used. Therefore, the materials and shapes of the first and second electrodes are not particularly limited.
- the piezoelectric bulk wave device may be configured to have an electrode structure that functions as various band-pass filters.
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Abstract
LiTaO3の厚み滑りモードを利用しており、しかも電極膜厚やLiTaO3の厚みのばらつきによる電気的特性のばらつきが少ない、圧電バルク波装置及びその製造方法を提供する。 LiTaO3からなる圧電薄板5と、圧電薄板5に接するように設けられた第1,第2の電極6,7とを備え、LiTaO3からなる圧電薄板5の厚み滑りモードを利用しており、第1,第2の電極6,7が、LiTaO3を伝搬する横波の固有音響インピーダンスよりも大きな固有音響インピーダンスを有する導体からなり、前記第1及び第2の電極6,7の膜厚の合計を電極厚、前記LiTaO3からなる圧電薄板5の厚みをLT厚としたとき、電極厚/(電極厚+LT厚)が40%以上、95%以下の範囲にある、圧電バルク波装置1。
Description
本発明は、LiTaO3を用いた圧電バルク波装置及びその製造方法に関し、より詳細には、バルク波として厚み滑りモードのバルク波を利用した圧電バルク波装置及びその製造方法に関する。
従来、発振子やフィルタなどに、圧電薄膜デバイスが用いられている。例えば、下記の特許文献1には、図24に示す圧電薄膜デバイスが開示されている。圧電薄膜デバイス1001は、圧電薄膜1002を有する。圧電薄膜1002は、水晶、LiTaO3、LiNbO3などの圧電単結晶からなることが望ましいと記載されている。また、上記圧電薄膜1002の上面に電極1003,1004が形成されている。圧電薄膜1002の下面には電極1005~1007が形成されている。これらの電極1003~1007を用いることにより、圧電薄膜デバイス1001では、厚み滑りモードを利用してなる4個の圧電薄膜共振子が構成されている。
特許文献1に記載のように、従来、LiTaO3の厚み滑りモードを利用した圧電薄膜デバイスが知られていた。しかしながら、LiTaO3からなる圧電薄膜を用いて厚み滑り振動モードを利用した場合、良好な電気的特性を得ることが困難であった。また、LiTaO3や電極の膜厚の製造ばらつきにより、電気的特性のばらつきが大きくなりがちであった。
本発明の目的は、LiTaO3の厚み滑りモードを利用しており、しかも電極膜厚やLiTaO3の厚みのばらつきによる電気的特性のばらつきが少ない、圧電バルク波装置及びその製造方法を提供することにある。
本発明に係る圧電バルク波装置は、LiTaO3からなる圧電薄板の厚み滑りモードを利用している。本発明の圧電バルク波装置は、LiTaO3からなる圧電薄板と、前記圧電薄板に接するように設けられた第1,第2の電極とを備える。本発明では、前記第1,第2の電極が、LiTaO3を伝搬する横波の固有音響インピーダンスよりも大きな固有音響インピーダンスを有する導体からなり、第1及び第2の電極の膜厚の合計を電極厚、LiTaO3からなる圧電薄板の厚みをLT厚としたとき、電極厚/(電極厚+LT厚)が40%以上、95%以下の範囲にある。
本発明に係る圧電バルク波装置のある特定の局面では、前記第1及び第2の電極が、W、Mo、Pt、及びTaからなる群から選択した少なくとも1種の金属または該金属を主体とする合金、または、該金属が重量比の過半以上を占める積層体である。
本発明に係る圧電バルク波装置の製造方法は、LiTaO3からなる圧電薄板の厚み滑りモードを利用した圧電バルク波装置の製造方法であって、LiTaO3からなる圧電薄板を用意する工程と、前記圧電薄板に接するように、固有音響インピーダンスがLiTaO3を伝搬する横波の固有音響インピーダンスよりも高い導体からなり、電極厚/(電極厚+LT厚)が40%以上、95%以下の範囲にある第1の電極を形成する工程と、前記圧電薄板に接するように、固有音響インピーダンスがLiTaO3を伝搬する横波の固有音響インピーダンスよりも高い導体からなり、電極厚/(電極厚+LT厚)が40%以上、95%以下の範囲にある第2の電極を形成する工程とを備える。
本発明の圧電バルク波装置の製造方法のある特定の局面では、前記圧電薄板を用意する工程が、LiTaO3からなる圧電基板の一方面からイオン注入し、該一方面側に注入イオン濃度がもっとも高い高濃度イオン注入部分を形成する工程と、前記圧電基板の前記一方面側に支持基板を接合する工程と、前記圧電基板を加熱しつつ、前記高濃度イオン注入部分において前記圧電基板を該圧電基板の前記一方面から前記高濃度イオン注入部分に至る圧電薄板と、残りの圧電基板部分とに分離する工程とを備える。この場合には、イオン注入条件を制御することにより、高濃度イオン注入部分の位置を容易に制御することができる。一般にイオン注入装置のイオンビームは均質な強度で直線的に基板へ照射され、かつ、基板全体をイオンビームが掃引しながら同一箇所にほぼ同じ照射角で多数回照射される。従って、スパッタやCVD、蒸着などの成膜法による厚みバラツキに比べると、イオン注入では、高濃度イオン注入部分の位置は、基板全面で均等となり、深さバラツキは小さくなる。よって、基板全面で正確な厚みの圧電薄板を容易に得ることができる。
本発明の圧電バルク波装置の製造方法の他の特定の局面では、前記圧電薄板を用意する工程が、LiTaO3からなる圧電基板の一方面からイオン注入し、該一方面側に注入イオン濃度がもっとも高い高濃度イオン注入部分を形成する工程と、前記圧電基板の前記一方面側に仮支持部材を貼り合わせる工程と、前記仮支持部材に貼り合わされている圧電基板を加熱しつつ、前記高濃度イオン注入部分において前記圧電基板を該圧電基板の前記一方面から前記高濃度イオン注入部分に至る圧電薄板と、残りの圧電基板部分とに分離する工程とを有し、前記圧電薄板から前記仮支持部材を剥離する工程とを有する。
この場合には、圧電薄板の分離時に、熱応力によって圧電薄板に不具合が発生するおそれを抑制できる。
本発明に係る圧電バルク波装置の製造方法のさらに他の特定の局面では、前記圧電薄板から前記仮支持部材を剥離するに先立ち、前記圧電薄板上に第1の電極を形成する工程と、前記第1の電極を覆うように犠牲層を形成する工程と、前記犠牲層上に支持基板を積層する工程とを実施する。また、前記圧電薄板から仮支持部材を剥離した後に、前記仮支持部材の剥離により露出した前記圧電薄板の他方面に第2の電極を形成する工程と、前記犠牲層を消失させる工程とをさらに備える。この場合には、圧電薄板の上下に第1,第2の電極が形成されている振動部分が支持基板から浮かされた構造を有する圧電バルク波装置を本発明に従って提供することができる。
本発明に係る圧電バルク波装置では、第1及び第2の電極が、LiTaO3を伝搬する横波の固有音響インピーダンスよりも大きい固有音響インピーダンスを有する導体からなり、第1及び第2の電極の膜厚の合計を電極厚、LiTaO3からなる圧電薄板の厚みをLT厚としたとき、電極厚/(電極厚+LT厚)が40%以上、95%以下の範囲にあるため、共振周波数の変動が生じ難い圧電バルク波装置を構成することができる。従って、特性のばらつきの少ない圧電バルク波装置を提供することができる。
また、本発明に係る圧電バルク波装置の製造方法によれば、第1及び第2の電極が上記のように構成されるため、本発明に従って特性のばらつきの少ない圧電バルク波装置を提供することができる。
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かかる圧電バルク波装置の模式的正面断面図及び平面図である。
本実施形態の圧電バルク波装置1は、支持基板2を有する。支持基板2は、適宜の絶縁体あるいは圧電体からなる。本実施形態では、支持基板2は、アルミナからなる。
支持基板2上に、絶縁層3が形成されている。絶縁層3は、本実施形態では、酸化シリコンからなるが、LiTaO3やLiNbO3、サファイア、ガラスなど適宜の絶縁性材料により形成することができる。アルミナやガラス、LiNbO3は、LiTaO3やサファイアに比べて材料が安価で製造が容易であるため入手しやすく、望ましい。絶縁層3の上面には、凹部3aが形成されている。凹部3aが設けられている部分の上方において、圧電薄板振動部4が配置されている。圧電薄板振動部4は、圧電薄板5と、圧電薄板5の上面に形成された第1の電極6と、下面に形成された第2の電極7とを有する。
圧電薄板5は、LiTaO3からなる。なお、圧電薄板5とは、厚みが2μm以下程度の薄い圧電体をいうものとする。後述する製造方法によれば、イオン注入-分割法を用いることにより、このような厚みの薄いLiTaO3からなる圧電薄板を高精度に得ることができる。
圧電薄板5は、上記のような厚みが2μm以下程度の薄い圧電体である。本実施形態では、このような薄いLiTaO3からなる圧電薄板を用いた場合において、該LiTaO3の厚みがばらついたとしても、周波数のばらつきを低減することができる。これは、本実施形態では、第1及び第2の電極6,7が以下のように構成されていることによる。
すなわち、本願発明の特徴は、LiTaO3の厚み滑りモードのバルク波を利用した圧電バルク波装置であって、上記第1及び第2の電極6,7が、LiTaO3を伝搬する横波の固有音響インピーダンスよりも固有音響インピーダンスが高い導体からなり、第1及び第2の電極6,7の厚みの合計を電極厚、LiTaO3の厚みをLT厚としたとき、電極厚/(電極厚+LT厚)が40%以上、95%以下の範囲であることを特徴とする。その場合には、周波数の変動を小さくすることができる。すなわち、電極の厚みやLiTaO3の厚みがばらついたとしても、周波数の変動が小さくなる。
さらに、上記電極厚/(電極厚+LT厚)は、75%以下の場合には、電気機械結合係数k2を10%以上と高めることができる。これらを、図2~図10を参照してより詳細に説明する。
図2~図10においては、以下の構成を前提とする。
LiTaO3からなる圧電薄板の上面にWからなる第1の電極6、下面に第2の電極7が積層されている構造。LiTaO3の厚みすなわちLT厚と、電極厚=(第1の電極6の厚み+第2の電極7の厚み)を1000nmとする。すなわち、電極厚=上部電極厚+下部電極厚である。ここで、電極厚/(電極厚+LT厚)を5~95%の範囲で変化させた。第1の電極6と第2の電極7が対向している領域は正方形の形状とし、その面積は44.7μm×44.7μm=2000μm2とした。また、LiTaO3のオイラー角は(0°,73°,0°)とした。
図2は、上記電極厚/(電極厚+LT厚)と共振周波数との関係を示す。図3は、上記電極厚/(電極厚+LT厚)と電気機械結合係数k2との関係を示し、図4は、上記電極厚/(電極厚+LT厚)と制動容量C0との関係を示す図である。
図2から明らかなように、積層構造の層厚みを1000nmと一定とした場合であっても、電極厚/(電極厚+LT厚)が40%以上、95%以下の範囲内では、共振周波数の変動が1241.5MHz~1304MHzであり、共振周波数の変動幅が5%と小さいことがわかる。より好ましくは、55%~80%の範囲では、共振周波数の変動が1241.5MHzから1252.9MHzであり、共振周波数の変動幅を1%以下とより一層小さくし得ることがわかる。すなわち、第1及び第2の電極6,7の厚みや、LiTaO3の厚みがばらついたとしても、共振周波数のばらつきを大幅に低減し得ることがわかる。
圧電薄板の厚みは、イオンビームの加速電圧に比例する。一般に、イオン注入装置は、イオンビームのビーム電流と加速電圧にトレードオフの関係がある。ビーム電流×加速電圧であらわされる電力値を大きくすると、単位時間当たりに基板に照射されるエネルギー量が増えるため、局所発熱に伴う熱応力による基板の破壊などの不具合が生じるためである。加速電圧を大きくすると、イオンの打ち込み深さを大きくできるので、圧電薄板の厚みを厚くできるが、ビーム電流が小さくなるため、圧電薄板を分離できる濃度(例えば、8×1016ions/cm2)までイオンを注入する時間が長くなる。従って、時間当たりの生産効率を上げるには、ビーム電流を大きくする必要があり、加速電圧を小さくすることが望ましい。加速電圧を小さくするためには、圧電薄板の厚みを薄くして必要な周波数特性を得る必要がある。圧電バルク波装置の共振周波数は、圧電薄板の厚みが薄くなると高周波化してしまうが、本発明は、特に、1.5GHzより低い周波数帯で用いる圧電バルク波装置を、1μm程度の薄い圧電薄板で実現できるので、有利である。
また、電極厚/(電極厚+LT厚)が75%以下の場合には、電気機械結合係数k2の絶対値も10%より高くすることができる。従って、広帯域のフィルタを提供し得ることがわかる。
他方、図4から明らかなように、電極厚/(電極厚+LT厚)が40%を超えると、急激に制動容量C0が増加していくことがわかる。制動容量C0が大きくなると、共振子ではインピーダンスが低下する。RFフィルタのインピーダンスは、前後に接続されるアンテナ、パワーアンプまたはローノイズアンプなどの機器のインピーダンスに整合する必要がある。通常、このインピーダンスは50Ωや150Ωである。
共振子のインピーダンスは共振子の面積に反比例する。従って、共振子を複数組み合わせ、例えばラダー型フィルタなどを構成した場合、フィルタのインピーダンスは、共振子のインピーダンスに比例する。よって、共振子の面積はフィルタのインピーダンスに反比例することとなる。従って、単位面積当りの制動容量C0が大きい共振子、すなわち単位面積当りのインピーダンスが低い共振子を用いることにより、フィルタの小型化を図ることができる。よって、フィルタや共振子の小型化を図るためには、電極厚/(電極厚+LT厚)は40%以上であることが望ましい。
ところで、従来のバルク波共振子では、圧電体としてAlNが用いられている。AlNの比誘電率は12程度であるのに対し、LiTaO3の比誘電率は40.9~42.5であり、約3.4倍の大きさである。また、バルク波の横波の音速は、AlNに比べてLiTaO3では0.68倍と低速である。従って、同一周波数、電極厚/(電極厚+LT厚)の比が同一であり、インピーダンスが同一である場合、LiTaO3を用いたバルク波共振子の面積は、AlNを用いたバルク波共振子の面積の1/5程度とすることができる。従って、圧電バルク波装置の小型化を図ることができる。
図5~図7は、共振子を880MHzとするように上記積層構造を構成した場合の上記電極厚=下部電極厚と、LiTaO3の厚みとの関係を示し、図6は上部電極厚=下部電極厚と、制動容量C0との関係を示し、図7は上部電極厚=下部電極厚と電気機械結合係数k2との関係を示す。なお、上部電極厚=下部電極厚は、それぞれ、第1の電極6と第2の電極7の厚みが等しく、かつ図5~図7では、この片側の電極の厚みと、LiTaO3の厚み、制動容量C0または電気機械結合係数k2の関係を示している。
また、図8~図10は、共振子を1960MHzとなるように構成した場合の上部電極厚=下部電極厚とLiTaO3の厚みとの関係を示し、図9は上部電極厚=下部電極厚と制動容量C0との関係を示し、図10は上部電極厚=下部電極厚と、電気機械結合係数k2との関係を示す。
図5~図7と、図8~図10とを対比すれば明らかなように、共振子を880MHz及び1960MHzのいずれに設定した場合においても、上部電極厚=下部電極厚と、LiTaO3の厚み、制動容量C0の大きさ及び電気機械結合係数k2との間に同様の変化傾向があることがわかる。
加えて、図4に示したように、すなわち電極厚/(電極厚+LT厚)が45%以上の上記範囲では、制動容量C-0を十分に高めることができる。従って、圧電バルク波装置のより一層の小型化を図ることができる。
なお、図2~図10では、LiTaO3のオイラー角は(0°,73°,0°)としたが、オイラー角(90°,90°,0°)の場合も同様の結果が得られた。すなわち、LiTaO3のc軸が面方向に近接した結晶方位でも同様の効果が得られることがわかる。
上記のように、Wからなる第1及び第2の電極6,7を用いた場合、電極厚/(電極厚+LT厚)の増加により、共振周波数Frが低下し、該比が65%で最低となる。従って、Wからなる第1及び第2の電極6,7を用いた場合、電極厚/(電極厚+LT厚)を40%以上とすることにより、低い周波数帯で用いるのに適した共振子やフィルタを提供することができる。これは、LiTaO3を伝搬する横波の固有音響インピーダンスに比べ、Wの横波の固有音響インピーダンスが高いため、LiTaO3からみた反射係数が正となることに由来する。なお、LiTaO3を伝搬する横波の固有音響インピーダンスは、図11に示すように、オイラー角のθが変化してもさほど変化せず、24.8kg・s/m2~29.7kg・s/m2の値である。他方、Wの固有音響インピーダンスは50.5kg・s/m2である。
なお、上記実施形態では、第1及び第2の電極6,7をWで形成したが、Wに限らず、LiTaO3を伝搬する横波の固有音響インピーダンスに比べ、固有音響インピーダンスが高いMo、Pt、Taなどを用いてもよい。または、該金属を主体とする合金を用いてもよい。
なお、第1及び第2の電極6,7は、複数の金属膜を積層してなる積層金属膜により形成されていてもよい。
上記第1及び第2の電極6,7の形成方法は特に限定されない。電子ビーム蒸着、化学蒸着、スパッタリング、またはCVDなどの適宜の方法を用いることができる。
なお、図1(a)は、図1(b)のA-A線に沿う部分の断面図に相当する。圧電薄板5は、凹部3aのA-A線に沿う方向両側において、スリット5a,5bを有する。従って、図1(a)に示すように、凹部3aの上方において圧電薄板振動部4は、浮かされた状態とされている。スリット5aの外側において、絶縁層3上に配線電極8が形成されている。配線電極8は、図示しない部分において第2の電極7に接続されている。また、スリット5bの外側において、配線電極9が形成されている。配線電極9は圧電薄板5上に形成されており、第1の電極6と図示しない部分において電気的に接続されている。配線電極8,9は、適宜の導電性材料からなる。このような導電性材料としては、Cu、Alまたはこれらの合金などを用いることができる。
配線電極9上に金バンプ10が設けられている。また、配線電極8に電気的に接続されるように、ビアホール電極11が圧電薄板5に設けられている。ビアホール電極11の上端に、金バンプ12が接合されている。従って、金バンプ10,12から交番電界を印加することにより圧電薄板振動部4を振動させることができる。加えて、主電気信号を伝送する配線電極8が、絶縁層3と支持基板2の接合界面から離間しているため、接合界面の拡散や不均一性に伴う半導体的な抵抗劣化や表皮効果の影響を受けず、主電気振動を低損失で伝送できる。
本実施形態の圧電バルク波装置では、上記圧電薄板振動部4において、LiTaO3からなる圧電薄板5の厚み滑り振動モードを利用しており、好ましくは、LiTaO3のオイラー角の(φ,θ,ψ)において、φが0°であり、θが54°以上、107°以下の範囲であることが望ましい。それによって、厚み滑り振動モードを利用した良好な共振特性を得ることができる。これを、以下においてより具体的に説明する。
有限要素法により、LiTaO3を用いた厚み滑り振動モード及び厚み縦振動モードを利用したバルク波振動子を解析した。LiTaO3の厚みは1000nmとした。このLiTaO3の上下に100nmの厚みのAlからなる電極を形成した構造をモデルとした。上下の電極の重なり合っている面積は、2000μm2とした。
LiTaO3のオイラー角(0°,θ,0°)において、θを変化させ、厚み滑り振動モード及び厚み縦振動モードの状態を解析した。結果を図12~図18に示す。
図12は、オイラー角のθと、厚み滑り振動モードの共振周波数Fr及び反共振周波数Faとの関係を示す図であり、実線が共振周波数、破線が反共振周波数を示す。また、図13は、オイラー角のθと、厚み滑り振動モードの電気機械結合係数k2との関係を示す図である。図13から明らかなように、利用する厚み滑り振動モードの電気機械結合係数k2は、θが80°付近で最大となり、14.3%の値となる。ここで、θが54°以上、107°以下の範囲であれば、電気機械結合係数k2は、5%を超えており、携帯端末用フィルタの帯域幅を形成するのに必要な電気機械結合係数が得られる。さらに、θが63°以上°、97°以下の範囲であれば、電気機械結合係数k2は、上記最大値の2/3である9.5%以上と大きな値を維持する。電気機械結合係数k2はフィルタの帯域幅に比例する。従って、オイラー角のθを54°以上、107°以下とすれば、電気機械結合係数k2を高めることができ、広帯域のバルク波フィルタを構成し得ることがわかる。
よって、本実施形態では、オイラー角のθを54°以上、107°以下とすることにより、広帯域のバルク波装置を提供し得ることがわかる。もっとも、用途によっては、帯域幅は広ければ広いほどよいというものではない。しかしながら、バルク波共振子に並列にまたは直列に静電容量を付加すれば、帯域幅を狭めることができる。従って、電気機械結合係数k2が大きい場合、設計の自由度を高めることができる。よって、オイラー角のθが54°以上、107°以下であり、電気機械結合係数k2が大きいため、様々な帯域幅のバルク波装置を容易に提供することができる。
他方、図15から明らかなように、スプリアスとなる厚み縦振動モードの電気機械結合係数k2は、θが73°でほぼゼロとなる。このことは、図17の結果とも一致する。すなわち、図16~図18は、スプリアスとなる厚み縦振動モードのオイラー角のθによる変化を説明するための図である。図16は、オイラー角のθと、厚み縦振動の共振周波数Fr及び反共振周波数Faとの関係を示す。実線が共振周波数の結果を、破線が反共振周波数の結果を示す。また、図17は、オイラー角のθと厚み縦振動の電気機械結合係数k2との関係を示し、図18オイラー角のθと周波数温度係数TCFとの関係を示す。図16~図18からも明らかなように、オイラー角のθが73°において、スプリアスとなる厚み縦振動モードの電気機械結合係数k2がほぼゼロとなり、θが55°以上、85°以下の範囲であれば、図15から明らかなように、スプリアスとなる厚み縦振動モードの電気機械結合係数k21.5%以下と非常に小さい。
よって、より好ましくは、オイラー角のθを55°以上、85°以下の範囲とすることが望ましい。それによって、スプリアスとなる厚み縦振動モードの応答を小さくすることができる。よって、上記実施形態の圧電バルク波装置を構成した場合、フィルタの阻止帯域における減衰特性を向上することができる。
他方、図14から明らかなように、厚み滑り振動モードの周波数温度係数TCFは、θ=75°の場合、21.4ppm/℃と小さくなる。また、θが62°以上87°以下の範囲では、TCFは30ppm/℃以下と小さい。従って、さらに好ましくは、θは、62°以上87°以下の範囲とすることが望ましい。それによって、圧電バルク波装置1におけるフィルタの通過帯域や阻止帯域が環境温度の変化によりシフトし難い。すなわち、周波数の変動に対して安定な圧電バルク波装置1を提供することができる。
ここで、LiNbO3を用いた場合の、厚みすべり振動モードにおけるオイラー角θと周波数温度係数TCFの関係を図19に示す。LiNbO3において、LiTaO3の場合と同様に、スプリアスとなる厚み縦振動モードの電気機械結合係数k2が小さくなるθ=73°付近のTCFを確認すると、96ppm/℃、と、21.4ppm/℃であるLiTaO3に比べて5倍近く大きくなっていることがわかる。よって、圧電薄板としてLiTaO3を用いることが好ましいことが言える。
なお、図12~図18では、LiTaO3の上面及び下面に、Alからなる電極を形成した構造をモデルとして検討した。しかしながら、電極材料を他の金属に変更したとしても、電気機械結合係数k2の絶対値は変化するにしても、オイラー角のθを上記と同様の範囲内とすることにより、電気機械結合係数k2を高め、さらに上記望ましい範囲のθとすることにより、スプリアスを抑制し、あるいはTCFの絶対値を小さくできることが確かめられている。
次に、図20(a)~図23(c)を参照して、上記圧電バルク波装置1の製造方法の一例を説明する。
図20(a)に示すように、LiTaO3からなる圧電基板5Aを用意する。圧電基板5Aの一方面から矢印で示すように水素イオンを注入する。注入されるイオンは水素に限らず、ヘリウムなどを用いてもよい。イオン注入に際してのエネルギーは特に限定されないが、本実施形態では、150KeV、ドーズ量8×1017、原子/cmとする。なお、上記イオン注入条件は、目的とする圧電薄板の厚みに応じて選択すればよい。すなわち、注入イオン高濃度部分の位置を、上記イオン注入条件を選択することにより制御することができる。
イオン注入を行うと、圧電基板5A内において、厚み方向にイオン濃度分布が生じる。最もイオン濃度が高い部分を図20(a)において破線で示す。破線で示すイオン濃度が最も高い部分である注入イオン高濃度部分5xでは、加熱すると応力により容易に分離する。このような注入イオン高濃度部分5xにより分離する方法は、特表2002-534886号公報において開示されている。
次に、図20(b)に示すように、圧電基板5Aのイオン注入が行われた側の面に仮接合層21を形成する。仮接合層21は、後述する仮支持部材22を接合するとともに、最終的に得られる圧電薄板5を保護するために設けられている。仮接合層21は、後述するエッチング工程により除去される材料により構成されている。すなわち、エッチングにより除去され、かつエッチング時に圧電薄板5が損傷されない適宜の材料からなる。このような仮接合層21を構成する材料としては、無機材料、あるいは有機材料などの適宜の材料を用いることができる。無機材料としては、ZnO、SiO2、AlNなどの絶縁性無機材料や、Cu、Al、Tiなどの金属材料を挙げることができる。有機材料としては、ポリイミドなどを挙げることができる。仮接合層21はこれらの材料からなる複数の膜を積層したものであってもよい。本実施形態では、上記仮接合層21は、SiO2からなる。
仮接合層21に、図20(c)に示すように、仮支持部材22を積層し貼り合わせる。仮支持部材22は適宜の剛性材料により形成することができる。このような材料としては、絶縁性セラミックス、圧電性セラミックスなど適宜の材料を用いることができる。ここで、仮支持部材は、圧電基板との界面に作用する熱応力がほとんど存在しない、あるいは、支持基板と圧電基板とを接合したときに、支持基板と圧電基板との界面に作用する熱応力よりも、仮支持部材と圧電基板との界面に作用する熱応力が小さい材料からなる。そのため、圧電薄板の分離時に熱応力によって圧電薄板に不具合が発生するおそれを従来よりも抑制できる。一方、圧電薄板の分割のための加熱の後で支持基板を圧電薄板上に形成するので、支持基板の構成材料としては、支持基板と圧電薄板との界面に作用する熱応力を考慮することなく、任意の線膨張係数のものを選定できる。
そのため、圧電薄板の構成材料と支持基板の構成材料との組み合わせの選択性を高められる。例えば、フィルタ用途のデバイスでは、支持基板の構成材料の線膨張係数を圧電薄板の線膨張係数よりも大幅に小さくすることにより、フィルタの温度-周波数特性を向上させることが可能になる。また、支持基板に熱伝導率性が高い材料を選択することにより、放熱性および耐電力性を向上させることが可能になる。また、安価な構成材料を選択することにより、デバイスの製造コストを低くすることが可能になる。
次に、加熱し、注入イオン高濃度部分5xにおいて圧電基板5Aの分割を容易とする。圧電基板5Aを注入イオン高濃度部分5xにおいて容易に分割するための加熱温度については、本実施形態では、250℃~400℃程度の温度に維持することにより行う。
その状態で外力を加え、圧電基板5Aを分割する。すなわち、図20(d)に示す圧電薄板5を残すように、注入イオン高濃度部分5xにおいて、圧電薄板5と、残りの圧電基板部分とを分離し、残りの圧電基板部分を除去する。
なお、加熱により分割した後、適宜圧電性を回復させる加熱処理を施すことが望ましい。このような加熱処理としては、400℃~500℃の温度で3時間程度維持すればよい。
なお、加熱により分割した後、適宜圧電性を回復させる加熱処理を施すことが望ましい。このような加熱処理としては、400℃~500℃の温度で3時間程度維持すればよい。
上記圧電性回復に必要な加熱温度は、上記分割を用意とするための加熱温度よりも高くすればよい。それによって、圧電性を効果的に回復させることができる。
次に、図21(a)に示すように、圧電薄板5上に、フォトリソグラフィー法により第2の電極7及び配線電極8を含む電極構造を形成する。さらに、配線電極8を覆うように保護膜8aを形成する。
次に、図21(b)に示すように、第2の電極7を覆うように犠牲層23を形成する。犠牲層23は、エッチングにより除去し得る材料からなる。このような犠牲層形成材料としては、SiO2 ZnO PSG(フォスフォシリケートガラス)などの絶縁膜や、各種有機膜、下部電極や下部電極を覆うパッシベーション膜との溶解選択度の高い金属などを用いることができる。本実施形態では、Cuを用いている。上記エッチングに際してのエッチャントとしては、第2の電極7をエッチングせずに、該犠牲層のみをエッチングにより除去し得る適宜の材料を用いることができる。
図21(c)に示すように、犠牲層23、保護膜8aなどを覆うように、全面に絶縁層3を形成する。絶縁層3は、SiO2、SiN、Ta2O5、AlNなどの適宜の絶縁性セラミックスにより形成することができる。また、ガラスや樹脂などの絶縁素材を用いても良い。
しかる後、図22(a)に示すように、上記絶縁層3を研磨し、その上面を平坦化する。
次に、図22(b)に示すように、平坦化された絶縁層3上に、支持基板2を積層する。
次に、エッチングにより前述した仮接合層21を除去し、圧電薄板5から分離する。それによって、圧電薄板5を仮支持部材22から剥離することができる。このようにして、図22(c)に示すように、支持基板2の下面に、絶縁層3を介して、犠牲層23、第2の電極7、圧電薄板5が積層されている構造が得られる。次に、図23(a)に示すように、上下逆転し、圧電薄板5上に、第1の電極6及び配線電極9をフォトリソグラフィー法により形成する。
しかる後、エッチングによりスリット5a,5b及びビアホール形成用電極孔を圧電薄板5に形成する。次に、図23(b)に示すように、ビアホール電極11を形成する。
しかる後、エッチングにより犠牲層23を除去する。このようにして、図23(c)に示すように、凹部3aが形成され、圧電薄板振動部4が浮かされた状態となる。最後に、図1(a)に示すように、ビアホール電極11及び配線電極9上にバンプ12,10を形成する。このようにして、上記実施形態の圧電バルク波装置1を得ることができる。上記製造方法によれば、予め厚みの厚い圧電基板5Aにイオン注入している。そのため、注入イオン高濃度部分5xにおいて分割し、圧電薄板5を容易に得ることができる。この方法によれば、厚みの比較的薄い圧電薄板5を高精度に得ることができる。
なお、以上の実施形態で示した製造方法により本発明の圧電バルク波装置を製造できるが、その他の方法により製造してもよい。
例えば、上記実施形態では、圧電基板の一方面に仮支持部材22を貼り合わせたのち、圧電薄板と、残りの圧電基板部分とを分離していたが、圧電薄板を用意する工程は以下の工程により実施してもよい。すなわち、LiTaO3からなる圧電基板の一方面からイオン注入し、前述した高濃度イオン注入部分を形成する工程と、圧電基板の上記一方面側に支持基板を接合する工程と、次に、圧電基板を加熱しつつ、高濃度イオン注入部分において圧電基板を該圧電基板の前記一方面から前記高濃度イオン注入部分に至る圧電薄板と、残りの圧電基板部分とに分離する工程とを実施することにより、圧電薄板を用意してもよい。より具体的には、図20(a)に示すような、イオン注入により高濃度イオン注入部分5xを有する圧電基板5Aを用意する。次に、圧電基板5Aのイオン注入を行った側の面に第1の電極を形成する。しかる後、圧電基板5Aのイオン注入を行った側の面すなわち第1の電極が形成されている面に支持基板2を接合する。その状態で、圧電基板5Aを加熱しつつ、前述した実施形態と同様にして、圧電薄板と、残りの圧電基板部分とに分離する。次に、圧電薄板の第1の電極が形成されている面とは反対側の面に第2の電極を形成すればよい。
また、圧電薄板の形成は、LiTaO3からなる圧電基板へのイオン注入と分割とにより実現する他、圧電基板の研削、圧電基板のエッチングなどにより実現してもよい。
また、上記圧電バルク波装置1は本発明の圧電バルク波装置の一例にすぎず、本発明の特徴は、該圧電バルク波装置を構成する第1及び第2の電極6,7が、LiTaO3を伝搬する横波の固有音響インピーダンスよりも固有音響インピーダンスが高い導体からなることであり、さらに、厚み滑り振動モードによる共振特性を有効に利用したことにある。従って、第1,第2の電極の材料及び形状等は特に限定されない。また共振子に限らず、様々な帯域フィルタとして機能する電極構造を有するように圧電バルク波装置を構成してもよい。
1…圧電バルク波装置
2…支持基板
3…絶縁層
3a…凹部
4…圧電薄板振動部
5…圧電薄板
5A…圧電基板
5a,5b…スリット
5x…注入イオン高濃度部分
6…第1の電極
7…第2の電極
8…配線電極
8a…保護膜
9…配線電極
10…バンプ
11…ビアホール電極
12…バンプ
21…仮接合層
22…仮支持部材
23…犠牲層
2…支持基板
3…絶縁層
3a…凹部
4…圧電薄板振動部
5…圧電薄板
5A…圧電基板
5a,5b…スリット
5x…注入イオン高濃度部分
6…第1の電極
7…第2の電極
8…配線電極
8a…保護膜
9…配線電極
10…バンプ
11…ビアホール電極
12…バンプ
21…仮接合層
22…仮支持部材
23…犠牲層
Claims (6)
- LiTaO3からなる圧電薄板と、
前記圧電薄板に接するように設けられた第1,第2の電極とを備え、
前記LiTaO3からなる圧電薄板の厚み滑りモードを利用しており、
前記第1,第2の電極が、LiTaO3を伝搬する横波の固有音響インピーダンスよりも大きな固有音響インピーダンスを有する導体からなり、前記第1及び第2の電極の膜厚の合計を電極厚、前記LiTaO3からなる圧電薄板の厚みをLT厚としたとき、電極厚/(電極厚+LT厚)が40%以上、95%以下の範囲にある、圧電バルク波装置。 - 前記第1及び第2の電極が、W、Mo、Pt、及びTaからなる群から選択した少なくとも1種の金属または該金属を主体とする合金、または、該金属が重量比の過半以上を占める積層体である、請求項1に記載の圧電バルク波装置。
- LiTaO3からなる圧電薄板の厚み滑りモードを利用した圧電バルク波装置の製造方法であって、
LiTaO3からなる圧電薄板を用意する工程と、
前記圧電薄板に接するように、固有音響インピーダンスがLiTaO3を伝搬する横波の固有音響インピーダンスよりも高い導体からなり、電極厚/(電極厚+LT厚)が40%以上、95%以下の範囲にある第1の電極を形成する工程と、
前記圧電薄板に接するように、固有音響インピーダンスがLiTaO3を伝搬する横波の固有音響インピーダンスよりも高い導体からなり、電極厚/(電極厚+LT厚)が40%以上、95%以下の範囲にある第2の電極を形成する工程とを備える、圧電バルク波装置の製造方法。 - 前記圧電薄板を用意する工程が、
LiTaO3からなる圧電基板の一方面からイオン注入し、該一方面側に注入イオン濃度がもっとも高い高濃度イオン注入部分を形成する工程と、
前記圧電基板の前記一方面側に支持基板を接合する工程と、
前記圧電基板を加熱しつつ、前記高濃度イオン注入部分において前記圧電基板を該圧電基板の前記一方面から前記高濃度イオン注入部分に至る圧電薄板と、残りの圧電基板部分とに分離する工程とを備える、請求項3に記載の圧電バルク波装置の製造方法。 - 前記圧電薄板を用意する工程が、
LiTaO3からなる圧電基板の一方面からイオン注入し、該一方面側に注入イオン濃度がもっとも高い高濃度イオン注入部分を形成する工程と、
前記圧電基板の前記一方面側に仮支持部材を貼り合わせる工程と、
前記仮支持部材に貼り合わされている圧電基板を加熱しつつ、前記高濃度イオン注入部分において前記圧電基板を該圧電基板の前記一方面から前記高濃度イオン注入部分に至る圧電薄板と、残りの圧電基板部分とに分離する工程とを有し、
前記圧電薄板から前記仮支持部材を剥離する工程をさらに備える、請求項3に記載の圧電バルク波装置の製造方法。 - 前記圧電薄板から前記仮支持部材を剥離するに先立ち、前記圧電薄板上に第1の電極を形成する工程と、前記第1の電極を覆うように犠牲層を形成する工程と、前記犠牲層上に支持基板を積層する工程とを実施し、
前記圧電薄板から仮支持部材を剥離した後に、前記仮支持部材の剥離により露出した前記圧電薄板の他方面に第2の電極を形成する工程と、前記犠牲層を消失させる工程とをさらに備える、請求項5に記載の圧電バルク波装置の製造方法。
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