(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
２枚の基板を張り合わせ、これらの境界面に弾性波が伝搬する弾性境界波デバイスであって、
一方の基板が、［００１］カットかつ＜１１０＞方位伝搬のＳｉ基板であり、他方の基板が、１７５°回転ＹカットかつＸ方位伝搬のＬｉＮｂＯ3 基板であることを特徴とする弾性境界波デバイス。
【請求項２】
２枚の基板を張り合わせ、これらの境界面に弾性波が伝搬する弾性境界波デバイスであって、
一方の基板が、［００１］カットかつ＜１１０＞方位伝搬のＳｉ基板であり、他方の基板が、１２５°回転ＹカットかつＸ方位伝搬のＬｉＮｂＯ3 基板であることを特徴とする弾性境界波デバイス。
【請求項３】
２枚の基板を張り合わせ、これらの境界面に弾性波が伝搬する弾性境界波デバイスであって、
一方の基板が、［００１］カットかつ＜１００＞方位伝搬のＳｉ基板であり、他方の基板が、１３３°回転ＹカットかつＸ方位伝搬のＬｉＮｂＯ3 基板であることを特徴とする弾性境界波デバイス。
【請求項４】
２枚の基板を張り合わせ、これらの境界面に弾性波が伝搬する弾性境界波デバイスであって、
一方の基板が、［００１］カットかつ＜１００＞方位伝搬のＳｉ基板であり、他方の基板が、１７５°回転ＹカットかつＸ方位伝搬のＬｉＮｂＯ3 基板であることを特徴とする弾性境界波デバイス。
【請求項５】
２枚の基板を張り合わせ、これらの境界面に弾性波が伝搬する弾性境界波デバイスであって、
一方の基板が、［１１０］カットかつ＜１１０＞方位伝搬のＳｉ基板であり、他方の基板が、１９°回転ＹカットかつＸ方位伝搬のＬｉＮｂＯ3 基板であることを特徴とする弾性境界波デバイス。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、２種の異なる固体を張り合わせ、これらの境界面に伝搬する弾性境界波を応用したデバイスに係り、一方の固体に圧電性材料、もう一方の固体にＳｉ基板を用いた弾性境界波デバイスに関する。
【０００２】
【従来の技術】
弾性波を応用したデバイスの１つとして弾性表面波デバイス（ＳＡＷデバイス：Ｓｕｒｆａｃｅ  Ａｃｏｕｓｔｉｃ  Ｗａｖｅ  Ｄｅｖｉｃｅ）が以前よりよく知られている。このＳＡＷデバイスは、例えば４５ＭＨｚ〜２ＧＨｚの周波数帯域における無線信号を処理する装置における各種回路、例えば送信用バンドパスフィルタ、受信用バンドパスフィルタ、局発フィルタ、アンテナ共用器、ＩＦフィルタ、ＦＭ変調器等に用いられる。
【０００３】
図１４にこのＳＡＷデバイスの基本的構成を示す。同図に示すようにＳＡＷデバイスは、ＬｉＮｂＯ3 等の圧電性基板１００上にＡｌ薄膜等の金属材料をエッチング等により加工したくし歯状電極（ＩＤＴ：Ｉｎｔｅｒｄｉｇｉｔａｌ  Ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ）１０１、１０２を設けて構成される。そして、ＩＤＴ１０１に高周波の電気信号が印加されると圧電性基板１００表面にＳＡＷ１０３が励振される。励振されたＳＡＷ１０３は、圧電性基板１００表面を伝搬してＩＤＴ１０２に達し、ＩＤＴ１０２において再び電気信号に変換される。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、ＳＡＷデバイスは、固体表面と真空または気体の境界面、すなわち固体表面を伝搬する弾性波を利用するために伝搬媒体である圧電性基板の表面を自由表面とする必要がある。従って、ＳＡＷデバイスにおいては、例えば半導体のパッケージに使用されるようなプラスチックモールドでチップを覆うことができず、パッケージ内部に自由表面を確保するための中空部を設ける必要がある。しかしながら、パッケージ内部に中空部を設けた構造にすると、デバイスが比較的高価かつ大型になるという問題がある。
【０００５】
本発明は、かかる事情に対処し、ＳＡＷデバイスと同等の機能を有し、小型化及びコストダウンが容易な弾性境界波デバイスを提供することを目的としている。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
かかる課題を解決するため、本発明の弾性境界波デバイスは、２枚の基板を張り合わせ、これらの境界面に弾性波が伝搬するものであって、一方の基板をＳｉ基板とし、他方の基板をＬｉＮｂＯ3 基板とし、かつこれらの基板を以下のカット面と伝搬方位を有する組み合わせとした。
【０００７】
（１）Ｓｉ基板    ：［００１］カットかつ＜１１０＞方位伝搬
ＬｉＮｂＯ3 ：１７５°回転ＹカットかつＸ方位伝搬
（２）Ｓｉ基板    ：［００１］カットかつ＜１１０＞方位伝搬
ＬｉＮｂＯ3 ：１２５°回転ＹカットかつＸ方位伝搬
（３）Ｓｉ基板    ：［００１］カットかつ＜１００＞方位伝搬
ＬｉＮｂＯ3 ：１３３°回転ＹカットかつＸ方位伝搬
（４）Ｓｉ基板    ：［００１］カットかつ＜１００＞方位伝搬
ＬｉＮｂＯ3 ：１７５°回転ＹカットかつＸ方位伝搬
（５）Ｓｉ基板    ：［１１０］カットかつ＜１１０＞方位伝搬
ＬｉＮｂＯ3 ：１９°回転ＹカットかつＸ方位伝搬
すなわち弾性境界波は２種の固体間の境界面を伝搬する弾性波であり、この弾性境界波の存在に関する理論的な検討は、例えば清水、入野等の「ＺｎＯとガラスの境界面を伝搬するストンリー波の理論的検討」学信論（Ｃ），J65-C,11,pp.883-890 により取り扱われている。この論文では、２種の固体の一方は圧電材料であるＺｎＯ、もう一方はガラスの組み合わせの場合が取り扱われているが、２種の固体のうち少なくともどちらか一方に弾性波を励振するために圧電性があり２種の固体の境界面に弾性波のエネルギーが集中して伝搬する波が存在すれば弾性境界波デバイスを実現することができる。
【０００８】
本発明者等は、新たにＳｉ基板とＬｉＮｂＯ3 基板を張り合わせた界面に弾性境界波が存在することを弾性波の伝搬解析により見出だした。
【０００９】
図４、図５及び図６にその解析結果を示す。
【００１０】
この解析では、Ｓｉ基板に［００１］カットを用い、境界波の伝搬方位がＳｉ基板の＜１００＞もしくは＜１１０＞とＬｉＮｂΟ3 基板のΧ軸が一致する場合についてＬｉＮｂΟ3 基板のカット方位をパラメータとして弾性境界波の位相速度、伝搬損失及び電気機械結合係数（ｋ2 ：電気信号から弾性境界波への変換効率）を数値解析により求めた。図４は位相速度、図５は伝搬損失、図６は電気機械結合係数の解析結果である。
【００１１】
この解析結果から、Ｓｉ［００１］カット＜１１０＞伝搬／ 175°Ｙ−Χ  ＬｉＮｂＯ3 の組み合わせで伝搬損失がほぼ０でｋ2 も11.6％と大きい弾性境界波が得られることが分かる。
【００１２】
また、Ｓｉ［００１］カット＜１１０＞伝搬／ 125°Ｙ−Ｘ  ＬｉＮｂＯ3 、Ｓｉ［００１］カット＜１００＞伝搬／ 133°Ｙ−Χ  ＬｉＮｂＯ3 、Ｓｉ［００１］カット＜１００＞伝搬／ 175°Ｙ−Ｘ  ＬｉＮｂＯ3 の組み合わせでも伝搬損失がほぼ０となることも分かった。
【００１３】
更に、図は省略するがＳｉ［１１１］カット＜１１０＞伝搬／19°Ｙ−Ｘ  ＬｉＮｂＯ 3の組み合わせで位相速度が 4.615ｍ／ｓ、損失がほぼ０でＫ2 が 9.8％となる弾性境界波が得られることが分かった。
【００１４】
本発明は、かかる解析結果に基づき上記組み合わせのＳｉ基板とＬｉＮｂＯ3 とを用いることで、これらの境界面での弾性境界波の伝搬を可能とするものである。これにより、ＳＡＷデバイスと同等の機能を有し、プラスチックモールド等でチップを直接覆うことが可能で、さらに半導体プロセスをそのまま適用して製造することが可能でかつアクティブ素子等の他の素子を搭載することも可能な弾性境界波デバイスを実現できる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図に基づいて説明する。
【００１６】
図１〜図３は本発明の一実施形態に係る弾性境界波デバイスの構成を示す図であって、図１は分解斜視図、図２は正面図、図３は図２のＡ−Ａ矢視平面図である。
【００１７】
これらの図に示すように、この弾性境界波デバイス１は、Ｓｉ基板２の主面上にくし歯状の溝３を有する誘電体膜４を形成すると共にその溝３に導電性材料を埋め込んでくし歯状電極５を形成し、その上にＬｉＮｂＯ3 基板６を張り合わせて構成される。
【００１８】
Ｓｉ基板２は、半導体集積回路に通常用いられているように意図的にｎ−型、ｐ−型として比抵抗を下げたものではなく、くし歯状電極５による直流的な漏れを防ぐために１０Ωｃｍ以上の高抵抗であることが好ましい。
【００１９】
ＬｉＮｂＯ3 基板６の主面の面積は、Ｓｉ基板２の主面の面積より小さい。例えば、ＬｉＮｂＯ3 基板６の主面は、最低限弾性境界波が伝搬するために必要な有効な領域のみに張り付ければよい。これによりＳｉ基板２の主面のうち露出面７に、後述するアクティブ素子等の他の素子を搭載することが可能である。また、ＬｉＮｂＯ3 基板６はＳｉ基板２と比べ比較的高価であることから、圧電体基板材料を少なくできコストダウンを図ることができる。しかし、ＬｉＮｂＯ3 基板６の主面の面積とＳｉ基板２の主面の面積とを同じものとすることも可能であるし、ＬｉＮｂＯ3 基板６の主面の面積をＳｉ基板２の主面の面積より大きくすることも可能である。
【００２０】
既述したようにＳｉ基板２およびＬｉＮｂＯ3 基板６は以下のカット面と伝搬方位を有する組み合わせのうちいずれかが採用される。
【００２１】
（１）Ｓｉ基板    ：［００１］カットかつ＜１１０＞方位伝搬
ＬｉＮｂＯ3 ：１７５°回転ＹカットかつＸ方位伝搬
（２）Ｓｉ基板    ：［００１］カットかつ＜１１０＞方位伝搬
ＬｉＮｂＯ3 ：１２５°回転ＹカットかつＸ方位伝搬
（３）Ｓｉ基板    ：［００１］カットかつ＜１００＞方位伝搬
ＬｉＮｂＯ3 ：１３３°回転ＹカットかつＸ方位伝搬
（４）Ｓｉ基板    ：［００１］カットかつ＜１００＞方位伝搬
ＬｉＮｂＯ3 ：１７５°回転ＹカットかつＸ方位伝搬
（５）Ｓｉ基板    ：［１１０］カットかつ＜１１０＞方位伝搬
ＬｉＮｂＯ3 ：１９°回転ＹカットかつＸ方位伝搬
誘電体膜４は、例えばＳｉＯ2 が用いられる。これによりＳｉ基板２の主面を酸化処理するだけでＳｉＯ2 を形成することが可能となる。しかし、他の誘電体膜４を敢えて形成するようにしてもよい。
【００２２】
くし歯状電極５は、例えばＡｌが用いられる。しかし、他の導電性材料を用いることも可能である。くし歯状電極５は、例えば励振用の対向する一対のくし歯状電極８と受信用の対向する一対のくし歯状電極９とにより構成される。しかし、これらの電極をそれぞれ複数設けてもよい。また、くし歯状電極５の他に例えばこれらの電極を挟むように反射電極を設けてもよい。さらに、こうした電極ばかりでなく、例えばこれらの電極を挟むように吸音材を形成するようにしてもよい。要するに、本発明に係る弾性境界波デバイスは、例えば従来のＳＡＷデバイスに代えて用いられるものであって、すなわちフィルタ、遅延線、共振器、発振器、アナログ信号処理用回路、増幅器、コンバルバメモリ等に用いられるが、くし歯状電極５等の構成はこれらの用途、仕様等に応じて適宜設計変更される。
【００２３】
次に、この弾性境界波デバイスの製造方法について説明する。
【００２４】
図７はその製造方法に係る一実施形態を説明するための図である。
【００２５】
まず、Ｓｉ基板７０上に例えば熱酸化処理により 0.1〜 2μｍ程度のＳｉＯ2 膜７１を形成する（図７（ａ））。
【００２６】
次に、ＳｉＯ2 膜７１に対し、例えばＣＤΕ（Cemical Dry Ecthing)によりくし歯状の溝７２をパターニングする（図７（ｂ））。
【００２７】
次に、ＳｉＯ2 膜７１上を覆うように例えばスパッタ法によりＡｌ膜７３を成形する（図７（ｃ））。
【００２８】
次に、Αｌ膜７３表面をＳｉＯ2 膜が現れるまで研磨する（図７（ｄ））。
【００２９】
これにより、ＳｉＯ2 膜７１の溝７２にΑｌを埋め込んだ電極（くし歯状電極７４）が構成される。
【００３０】
次に、ＳｉＯ2 膜７１とくし歯状電極７４が形成されたＳｉ基板７０の主面及びＬｉＮｂＯ3 基板７５の主面を例えば過酸化アンモニア水により表面処理することにより、両者の表面を水酸基化する（図７（ｅ））。
【００３１】
次に、Ｓｉ基板７０の主面とＬｉＮｂＯ3 基板７５の主面とを対接させ、約 300℃で１〜２時間程度加熱する（図７（ｆ））。
【００３２】
かかる熱処理により２種の基板表面にあるＯＨ基同士が結合しＨ2 Ｏが遊離し、異種材料であるＳｉ基板７０とＬｉＮｂＯ3 基板７５とを直接接合することができる。なお、加熱温度は、好ましくは約 300℃であるが、 100〜1000℃の間とすることができる。 100℃以下ではＯＨ基同士が結合する反応を生じないし、1000℃以上では要素部材に熱的悪影響を及ぼす可能性があるからである。
【００３３】
このように異種材料間の直接接合が可能であることは江田等：「圧電材料の直接接合」信学技報US95-24.ΕＭＤ95-20,ＣＰＭ95-32.(1995-07),pp.31-38にも報告されている。Ｓｉ基板とＬｉＮｂＯ3 基板とは上記以外の方法でも前記江田等の報告にあるように容易に接合することが可能である。
【００３４】
以上の製造工程を経て形成された弾性境界波デバイスでは、境界波を励振するためのくし歯型電極７４をＳｉ基板７０上に形成することができるため通常の半導体デバイスの製造技術をそのまま転用することができる。
【００３５】
なお、上記製造方法では、ＳｉＯ2 膜７１とくし歯状電極７４を予めＳｉ基板７０に形成する例を示したが、ＳｉＯ2 膜７１とくし歯状電極７４をＬｉＮｂＯ3 基板７５上に予め形成し、Ｓｉ基板７０と直接張り付ける方法でも同様の構造の弾性境界波デバイスを製造することができる。
【００３６】
また、本発明の弾性境界波デバイスにおけるくし歯型電極のその他の構成方法を図８に示す。
【００３７】
まず、Ｓｉ基板８０上にイオンミリング等の加工により 0.1〜 2μｍ程度のくし歯状の溝８１を形成する（図８（ａ））。
【００３８】
次に、溝８１を覆うようにＳｉ基板８０上にＡｌ膜８２を例えばスパッタ法により形成する（図８（ｂ））。
【００３９】
次に、Ａｌ膜８２の表面をＳｉ基板８０表面が現れるまで研磨する（図８（ｃ））。
【００４０】
これにより、Ｓｉ基板８０表面の溝８１にΑｌを埋め込んだ電極（くし歯状電極８３）が構成される。
【００４１】
次に、Ｓｉ基板にアクティブ素子等の他の素子を搭載した例を示す。
【００４２】
図９はその一例を示しており、Ｓｉ基板１２０主面の第１の領域１２１には、くし歯状電極（図示せず）が形成され、これを覆うようにＬｉＮｂＯ3 基板１２２が張り合わされている。Ｓｉ基板１２０主面の露出領域である第２の領域１２３には、集積回路１２４が形成されている。これにより、例えばプログラマブルなフィルタ回路素子等の機能的なデバイスを１チップで構成することができるようになる。
【００４３】
図１０及び図１１は図９に示した弾性境界波デバイスをプリント配線板上に実装した例をそれぞれ示している。
【００４４】
図１０に示すように、弾性境界波デバイス１３１のＳｉ基板１３２主面の第２の領域１３３には、ボンディングパッド１３４が形成されている。プリント配線板１３５上の所定の位置にこの弾性境界波デバイス１３１が搭載され、弾性境界波デバイス１３１のボンディングパッド１３４とプリント配線板１３５上の所定の位置に設けられたボンディングパッド１３６とがボンディングワイヤ１３７により接続されている。そして、これらを覆うようにポリイミドやエポキシ樹脂等により樹脂封止１３８がされている。
【００４５】
また、図１１は別の例であり、同図に示すように、弾性境界波デバイス１４１のＳｉ基板１４２には主面回路部より裏面のパッド１４３に通じるスルーホール１４４が形成されている。プリント配線板１４５上の所定の位置にこの弾性境界波デバイス１４１が搭載され、弾性境界波デバイス１４１のパッド１４３とプリント配線板１４５上の所定の位置に設けられたパッド１４６とがバンプ１４７により接続されている。そして、これらを覆うようにポリイミドやエポキシ樹脂等により樹脂封止１４８がされている。
【００４６】
本発明に係る弾性境界波デバイスは、例えばフィルタ、遅延線、共振器、発振器、アナログ信号処理用回路、増幅器、コンバルバメモリ等に用いられる。そして、これらの弾性境界波デバイスを備えたフィルタ、遅延線、共振器等は、携帯電話、ＰＨＳ、ＴＶ等に用いられる。
【００４７】
図１２は携帯電話、ＰＨＳ等の移動体通信装置の構成を示すブロック図である。  同図に示すように、アンテナ１５１を介して受信した受信波は、アンテナ共用器１５２により受信系に分離される。分離された受信信号は、アンプ１５３により増幅された後、受信用バンドパスフィルタ１５４により所望の帯域が抽出され、ミキサ１５５に入力される。ミキサ１５５には、ＰＬＬ発振器１５６により発振された局発信号が局発フィルタ１５７を介して入力されている。ミキサ１５５の出力は、ＩＦフィルタ１５８、ＦＭ復調器１５９を介してスピーカ１６０より受信音として出力される。一方、マイク１６１より入力された送話音は、ＦＭ変調器１６２を介してミキサ１６３に入力される。ミキサ１６３には、ＰＬＬ発振器１６４により発振された局発信号が入力されている。ミキサ１６３の出力は、送信用バンドパスフィルタ１６５、パワーアンプ１６６及びアンテナ共用器１５２を介してアンテナ１５１より送信波として出力される。
【００４８】
本発明に係る弾性境界波デバイスは、この移動通信装置の各部に使用することができる。例えば、送信用バンドパスフィルタ１６５、受信用バンドパスフィルタ１５４、局発フィルタ１５７及びアンテナ共用器１５２には、本発明に係る弾性境界波デバイスがＲＦ段のフィルタとして使われる。ＩＦフィルタ１５８には、本発明に係る弾性境界波デバイスがチャネル選局に不可欠な狭帯域のＩＦ段のフィルタとして使われる。ＦＭ変調器１６２には、本発明に係る弾性境界波デバイスが音声のＦＭ変調における共振子として使われる。
【００４９】
本発明に係る弾性境界波デバイスは、ＶＴＲやＣＡＴＶに用いられるＲＦモジュレータの発振回路等にも用いることができる。その回路構成を図１３に示す。図９に示したＳｉ基板１２０主面の第１の領域１２１にくし歯状電極１６７を形成し、第２の領域１２３に回路部１６８を形成することで、この発振回路を１チップで構成することができる。
【００５０】
【発明の効果】
以上詳述したように、本発明の弾性境界波デバイスによれば、ＳＡＷデバイスと同等の機能を有し、プラスチックモールド等でチップを直接覆うことが可能で、さらに半導体プロセスをそのまま適用して製造することが可能でかつアクティブ素子等の他の素子を搭載することも可能となり、小型化及びコストダウンが容易となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態に係る弾性境界波デバイスの構成を示す分解斜視図である。
【図２】図１の正面図である。
【図３】図２のＡ−Ａ矢視平面図である。
【図４】本発明に係る弾性境界波の位相速度の解析結果を示す図である。
【図５】本発明に係る弾性境界波の伝搬損失の解析結果を示す図である。
【図６】本発明に係る弾性境界波の電気機械結合係数の解析結果を示す図である。
【図７】本発明の弾性境界波デバイスの製造方法に係る一実施形態を説明するための工程図である。
【図８】本発明の弾性境界波デバイスにおけるくし歯型電極の他の構成方法を示す工程図である。本発明の弾性境界波デバイスの他の実施形態を示す正面図である。
【図９】本発明の弾性境界波デバイスの他の実施形態を示す斜視図である。
【図１０】本発明の弾性境界波デバイスをプリント配線板上に実装した例を示す正面図である。
【図１１】本発明の弾性境界波デバイスをプリント配線板上に実装した他の例を示す正面図である。
【図１２】本発明の弾性境界波デバイスが用いられる移動体通信装置の構成を示すブロック図である。
【図１３】本発明の弾性境界波デバイスが用いられるＲＦモジュレータの発振回路の回路図である。
【図１４】ＳＡＷデバイスの基本的構成を示す斜視図である。
【符号の説明】
１    弾性境界波デバイス
２    第１の基板
３    くし歯状の溝
４    誘電体膜
５    くし歯状電極
６    ＬｉＮｂＯ3 基板
７    露出面
【図１】
0003702050.tif 000002
【図２】
0003702050.tif 000003
【図３】
0003702050.tif 000004
【図４】
0003702050.tif 000005
【図５】
0003702050.tif 000006
【図６】
0003702050.tif 000007
【図７】
0003702050.tif 000008
【図８】
0003702050.tif 000009
【図９】
0003702050.tif 000010
【図１０】
0003702050.tif 000011
【図１１】
0003702050.tif 000012
【図１２】
0003702050.tif 000013
【図１３】
0003702050.tif 000014
【図１４】
0003702050.tif 000015