JPH02141114A - 表面弾性波装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、半導体基板と、その上の絶縁誘電体層と、そ
の上に付設された少なくとも一つの櫛歯をからませた形
の入力トランスデューサ及び出力トランスデューサの組
と、その上の圧電層とから成る多層構造を有し、電気入
力信号が該入力トランスデューサで変換されて、それか
ら生じた表面弾性波は該表面上を伝播し、出力トランス
デューサで電気出力信号に変換される様になっている表
面弾性波装置に関する。この様な表面弾性波装置は、「
３層基板における表面弾性波圧電結合の強化」と題した
Ａ、　Ｖｅｎｅｍａ氏及びＪ、　Ｊ、　Ｋ、Ｄｅｋｋｅ
ｒｓ氏の論文（”　Ｅｎｈａｎｃｅｍｅｎｔ　ｏｆ　ｓ
ｕｒｆａｃｅ−ａｃｏｕｓｔｉｃ−ｗａｖｅ　ｐｉｅｚ
ｏｅｌｅｃｔｒｉｃ　ｃｏｕｐｌｉｎｇ　ｉｎ　ｔｈｒ
ｅｅ−１ａｙｅｒｓｕｂｓｔｒａｔｅｓ　　ｂｙ　Ａ、
　Ｖｅｎｅｍａ　ａｎｄ　Ｊ、Ｊ、に、Ｄｅｋｋｅｒｓ
ｉｎ　”　ＩＥＥＥ　Ｔｒａｎｓ、　ｏｎ　Ｍｉｃｒｏ
ｗａｖｅ　Ｔｈｅｏｒｙ　ａｎｄＴｅｃｈｎｉｑｕｅｓ
、　Ｓｅｐｔｅｍｂｅｒ　１９７５＋　ｐａｇｅｓ　７
６５−７６７）から公知となっている。

（従来技術とその問題点） 例えばフィルター等に用いる表面弾性波（ＳＡＷ）装置
は、既に工学の分野において大量に使われている。該装
置は、櫛歯をからませた形の、電気信号が供給される入
力トランスデューサ及び電気信号が取り出される出力ト
ランスデューサを備えており、電気信号から音響信号へ
の変換及びその逆の変換及び伝播は圧電材料により行な
われる。トランスデユーサの櫛歯をからませた形のパタ
ーンは、効率的変換を達成することを可能にするもので
あると共に、このパターンは標準的ＩＣプロセスによっ
て付設することの出来るものである。

ＳＡＷ装置に必要とされる伝達特性は、正しい形状、即
ち、電極の数、開口部、アボディゼーション（ａｐｏｄ
ｉｚａｔｉｏｎ）を前記の櫛歯をからませた形のトラン
スデユーサ（ＩＤＴ）に与えることにより達成すること
が出来る。即ち、全ての電極が同じ長さを持っているの
ではない。

圧電単結晶材料は商業的に使用されるＳＡＷ装置におい
て実際上京に基板として使われる。この目的に多量に使
われる材料は、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ：＋）及
び石英である。ニオブ酸リチウムは高圧電結合を有し、
これは、割合にロスが低くて大きな帯域幅を持ったフィ
ルターを実現することを可能にするものである。しかし
、温度安定性は悪い、けれども、それは帯域幅の大きな
フィルターの場合には必ずしも欠点とはならない。成る
種の石英カット方法、具体的には５Ｔ−Ｘカットの石英
の場合は、温度安定性の非常に高いＳＡＷ装置を実現す
ることが可能である。しかし、この場合、圧電結合は低
い。

これらＳＡＷ装置における重大な問題は、入力トランス
デューサ及び出力トランスデューサ間での容量性及び誘
導性の両方の電磁的フィードスルーである。伝達特性は
前記フィードスルーの結果として悪化するが、これをト
ランスデユーサの設計で補うことは出来ない。成る場合
には、電磁的フィードスルーは表面波を介する伝達率も
大きく、装置は役に立たなくなる。

実際には、この直接フィードスルーを減少させるための
解決策、換言すると入力トランスデューサ及び出力トラ
ンスデューサ間の直結電気力線を出来るだけ遮り、又は
減少させるための解決策が幾つかある。伝導率が良好な
板を入力トランスデューサ及び出力トランスデューサの
間に垂直に嵌込む方法が最も良く前記フィードスルーを
抑圧スルコトができる。しかし、実際にはこの方法を実
施するのは容易ではない。更に、装置の壁を囲む金属覆
いを設け、且つ／又は適度に有効な基板の底側上に接地
された金属層を設けることがしばしば行なわれる。この
接地された金属スクリーンは、該スクリーンに向かう電
気力線を曲げ、それらが他のトランスデユーサに到達す
るのを不可能にする。高圧電結合を有する構成を適用す
る時には、実際には多ストリップ・カップラを使用する
ことも出来る。ＬｉＮｂ０．又は石英に基づ＜ＳＡＷ装
置については、フィードスルーを抑圧するこれらの手段
は充分有効である。

上記の論文には、ＳＡＷ装置と、普通はＳｉ又は可能な
場合にはＧａＡｓの半導体基板上に該ＳＡＷ装置と共同
するべき電子素子とからなるモノリシック集積装置を使
用することが記載されている。シリコンは圧電性ではな
いので、絶縁誘電体層が該シリコン上に付設され、これ
はエピタキシャル層で被覆される。次に、その上に櫛歯
をからませた形のトランスデユーサ及び圧電層が付設さ
れる。この圧電層は普通は酸化亜鉛（ＺｎＯ）の層であ
るが、例えばＣｄＳ等の他の材料でもよい。

充分に強い表面波を発生させるためには、高い圧電結合
が必要である。上記の論文は、色々な配置を計算するこ
とを通じて前記の高い圧電結合を得る方法についても論
じている。位相速度Ｖの相対変化ＡＶ／Ｖは、前記の圧
電結合の良い尺度であると思われる。この様な良好な圧
電結合は、特に、トランスデユーサを誘電体層と圧電層
との界面に付設した構成に存在し、トランスデユーサを
他方の、圧電層の外側に面する側面に付設した構成には
存在しない。

半導体基板上の多層構造を有する前記のＳＡＷ装置では
、ＬｉＮｂ０：＋及び石英上のＳＡＷ装置より遥かに強
い電磁的フィードスルーがある。その理由は、前記のフ
ィードスルーが主として半導体基板を介して生じること
にある。この場合には、底側に金属層を付碌すること、
及び閉鎖性の良好な金属の覆いを使用することは、殆ど
効果が無い。多ストリップ・カップラの使用は、前記多
層構造では圧電結合が甚だしく低いので、不可能である
。

トランスデユーサを対称的に駆動すること、及びトラン
スデユーサ間に金属面を設けることによってはフィード
スルーを充分に減少させることが出来ないことが分って
いる。

ＳＡＷ装置及び電子素子のモノリシックな集積を実際上
可能にするのに必要なエピタキシャル層及ヒ基板のドー
ピング・レベルは、エピタキシャル層の厚みと同様に固
定されている。追加の拡散行程又は注入行程によってＳ
ＡＷ装置を付設した場所では伝導率を改善することは出
来るが、その様にして得られた伝導性の（場合によって
は接地された）層の遮蔽効果は不十分であることが実験
により明らかにされた。その結果、電磁的フィードスル
ーを充分に抑圧することが出来ず、特に残りの電子素子
により課される境界条件の結果として、依然として前記
多層構造において極めて厄介な問題として残っている。

（発明の概要） 本発明の目的は、この問題を解消することである。冒頭
部に記載した種類のＳＡＷ装置において、半導体基板を
介する入力トランスデューサ及び出力トランスデューサ
間の電磁的フィードスルーを減少させるのに役立つ金属
層を、該半導体基板と誘電体層との間の、少なくとも該
トランスデユーサの場所に付設することによって上記目
的を達成する。必要ならな、前記金属層を設置すること
が出来る。この実施例の大きな利点は、完全にＩＣと両
立し且つＳＡＷ装置及び他の電子素子をモノリシックに
集積化することが可能であるということである。該金属
層は、基板と誘電体層との間の界面全体に亘って延在さ
せても良く、また、該界面の、トランスデユーサの場所
だけにほぼ限定して延在させても良い。この後者の場合
、フィードスルーの減少は幾分劣るけれども、表面弾性
波と半導体基板内の電荷の担体との間の相互作用が該ト
ランスデユーサ間の界面の被覆されていない部分を介し
て可能である。

次に、図面を参照して幾つかの代表的実施例に基づいて
本発明について更に詳しく説明をする。

（実施例） 第１図は、例として、周期Ｐ、アパーチャＡ、及び３対
の電極を有する均一な櫛歯をからませた形のトランスデ
ユーサの櫛歯をからませた形のパターンを示す。

第２図は、例として、均一な圧電基板２上に−様な櫛歯
をからませた形のトランスデユーサ１を有するＳＡＷ遅
延線の構造を単純化して示す。３は吸音素子を示し、４
は整合回路網を示し、５はソースを、６は負荷を示す。

７は音響ビームの経路を示す。

第３ａ図は、半導体基板１０上のＳＡＷ装置の公知の多
層構造を示す。１）は誘電体層を、１２は櫛歯をからま
せた形のトランスデユーサを、１３は圧電層を示す。製
造中、半導体基板１０上に、第３ｂ図に示されている様
に、金属層１４（これは、必要ならば、仕上げ工程中は
接地される）を付設すれば、電磁的フィードスルーの大
半を生じさせる原因となる半導体基板経由の電磁力線を
遮ることが出来る。絶縁誘電体層１）を前記金属層上に
付設しなければならないが、これは、例えば、アルミニ
ウムはＩＣと両立し得る材料であるので、アルミニウム
を材料とするものである。

しかし、熱酸化により絶縁性の酸化シリコン層を成長さ
せることは、第３ａ図の装置の場合には可能であったが
、この場合には最早不可能である。

前記層については、Ｓｉｎ、又は５３１Ｎａ等の、ＩＣ
と両立する材料が好ましく、これらはスパッタリング、
プラズマ蒸着等の手段によって付設される。

櫛歯をからませた形のトランスデユーサ又はパターン１
２は誘電体層１）上に付設される。最後に、圧電層１３
がその上に付設される。

これらのモノリシックに集積化される装置の場合には電
子工学により課されるエピタキシャル層及び基板の通常
伝導については、音波の変換機構及び伝播機構に関して
はそれを無限伝導と看做す見ことが出来る。この近似は
、実際に使われる周波数に関しては充分に精密である。

従って、良好な伝導性を持った金属層を半導体基板に設
けても圧電結合（従って電気信号の音響信号への変換及
びその逆の変換）にも伝播にも何の効果も生じない。該
金属層は薄く設けられるので、機械的効果も小さい。

中心周波数が約１００ＭＨｚの、この新しい構造のＳＡ
Ｗフィルターについての実験から、フィードスルーを更
に１Ｏ−１５ｄＢ減少させることが出来ることが分った
。

第３ｂ図及び第３Ｃ図に示されている構造では、半導体
基板を介する電磁的フィードスルーの大半は解消される
。主として圧電層及びその上に存在する空気を通じた残
りのフィードスルーは、良好な覆いによって減少させる
ことが出来る。しかし、そのためには割合にコストがか
かるので、望ましく無い。（必要ならば）圧電層上にも
第３Ｃ図に１５で示されている様に金属層を付設すれば
、電磁的フィードスルーを相当減少させることが出来る
。この金属層１５は、同時に、普通は安定性が充分でな
い圧電層に対して不動態化手段としても作用する。この
付設された金属層は圧電結合に大きな影響は及ぼさない
。

前述した様に、前記の金属層１４を基板１０と誘電体層
との間の界面全体に亘って延在させる必要はない。第３
Ｃ図に示されている様に、界面の表面領域１６を被覆せ
ずにおいても良い。その結果、半導体基板間を伝播する
表面弾性波と、半導体基板の、該領域１６の真下にある
部分との間で相互作用が生じ得ることとなる。

【図面の簡単な説明】

第１は、均一な櫛歯をからませた形のトランスデユーサ
の略平面図である。 第２図は、圧電基板上のＳＡＷ遅延線の単純な構造を示
す。 第３８図ないし第３Ｃ図は、半導体基板上に多層構造を
有するＳＡＷ装置の例を示す。 手 続 補 正 書 （方式） ％式％ １、事件の表示 平成１年特許願第１８０１２５号 ２、発明の名称 表面弾性波装置 ３、補正をする者 事件との関係 出 願人 ４、代 理 人

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. （１）半導体基板と、その上の絶縁誘電体層と、その上
   に付設された少なくとも一つの櫛歯をからませた形の入
   力トランスデューサ及び出力トランスデューサの組と、
   その上の圧電層とから成る多層構造を有し、電気入力信
   号が該入力トランスデューサで変換されて、それから生
   じた表面弾性波は該表面上を伝播し、出力トランスデュ
   ーサで電気出力信号に変換される様になっている表面弾
   性波装置であって、半導体基板を介する入力トランスデ
   ューサ及び出力トランスデューサ間の電磁的フィードス
   ルーを減少させるのに役立つ金属層を、該半導体基板と
   誘電体層との間の、少なくとも該トランスデューサの場
   所に付設してあることを特徴とする表面弾性波装置。
2. （２）該金属層は半導体基板及び誘電体層間の界面全体
   に亘って延在することを特徴とする請求項１に記載の表
   面弾性波装置。
3. （３）該圧電層及びその上に存在する空気を介する電磁
   的フィードスルーを減少させる別の金属層が該圧電層の
   外側に設けられていることを特徴とする請求項１又は２
   に記載の表面弾性波装置。
4. （４）該別の金属層は設置されることを特徴とする請求
   項１ないし３のいずれかに記載の表面弾性波装置。
5. （５）該半導体基板はＳｉ又はＧａＡｓから成り、該絶
   縁誘電体層はＳｉＯ＿２又はＳｉ＿３Ｎ＿４から成り、
   該圧電層はＺｎＯ又はＣｄＳから成り、該金属はＡｌか
   ら成ることを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに
   記載の表面弾性波装置。
6. （６）モノリシック集積装置において中心周波数が約１
   ００ＭＨｚのフィルターとして使われ、電磁的フィード
   スルーを更に１０〜１５ｄＢ減少させることを特徴とす
   る請求項１ないし５のいずれかに記載の表面弾性波装置
   。