ドライエッチングによる表面弾性波フィルタの製作
（昭和63年5月31日 原稿受付）
電気工学科黒石正宏
（電子コース）川上弘幸
遠 山 尚 武
Fabrication of Surface Acoustic Wave Filters Using a Dry Etching Technique
by Masahiro KUROISHI Hiroyuki KAWAKAMI Naotake TOYAMA
Abstmct
Surface acoustic wave（SAW）filters have been fabricated by a dry etching technique under va−
rious conditions， such as pressure and flow rate of gasses in etching chamber and incident rf power．
As a result， we have obtained the most suitable conditions for etching the samples．
It was found from electrical measurments by using a network analyzer， that the fillter with an evaporated−Al electrode has a better frequency responce than that of the filter with a sputtered−Al electrode， and that this frequency responce correspond well to the theory by W． Smith．
ライエッチングにより製作し，エッチング条件，アッシ 1・まえがき @ 、ング条件がフ，ルタ離，電極形状にどのような影響を
弾性表面波（Surface Acoustic Wave：SAW）フィルタ 及ぼすか調べ，ドライエッチングの最適な条件を求めた。
は入力側くし形電極により電気信号を表面波に変換して
2．弾性表面波フィルタ 圧電体表面を伝搬させ，出力側くし形電極で所望のフィ
ルタ特性を得るものである。このSAWフィルタはTV 圧電体上に図一1のようなくし形電極を二つ形成し，
映像中間周波数フィルタなどに実用化されており，さら 一方に高周波電圧を印加すると電極指間に電界を生じ，
に高周波化のための開発がすすめられている。この場合 圧電効果によって圧電体に歪を生じる。その歪が表面波 問題となるのは，フィルタ特性の中心周波数が表面波の として伝搬し，他方のくし形電極において逆に歪を電圧 伝搬速度と電極線幅によって決まるため，中心周波数が に変換して出力電圧を得る。この時電極指間隔を4とす
1GHzのとき電極線幅は1μm以下となり，電極の微 ると，∫o＝U／2εとなる周波数∫oの信号が最も強く 細加工技術がフィルタ特性を左右するようになる。この 励振される。ここでγは表面波伝搬速度である。この 状況は化学薬品によるウェットエッチングよりも，IC ようなくし形電極によって励振される表面波を図一2に
の製造行程で使用されるドライエッチング技術が適して 示すような電極指の中心に生じたδ関数状の歪の例であ いる事を示唆する。しかし，ドライエッチングはエッチ ると考えると，このような表面波を同図B点で観測する ング条件やフォトリソグラフィ行程などの周辺技術に大 と，その周波数特性は（1）式で与えられる。
∴驚㌫蕊蕊隠㍑：熈 H（ω）一嘉一（一・ωx字） （1）
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0
入力側 出力側 入 くし形電極 くし形電極 力
信 ＿ 号 …自 o畑一50
〜 弾性 出 i軽
麺当 z・召 璽
U ロ
号
一100
≒グ 35 45 55
周波数（MH。）・
圧電セラミックス 図一3 （1）式による周波数特性
＿』』」圭と＿B 彊セ，，。ク
図一1 弾性表面波フィルタ
Al膜（1。m）↓↓↓↓↓光照射
酬1／く一 ［越⊆座「副ク
iX〔…X。 IX計1−一…X 勺現像
・ 1 ｛
塑
レジスト剥離 @エッチングゼ
iA−1 A−A計「…一 ［竺占⇔［当
1 l l コ コ
コ コl l l 図一4 SAWフィルタの製作手順 図一2 δ関数モデル
エッチング装置の概略図を図一5に示す。
本実験では電極指間隔4，電極指交差幅Wの一定な この装置を用いてCCI4とHeガスを導入しながら 正規形くし形電極を用いた。 ロータリーポンプによって反応室内を減圧しておく。こ このような電極を入出力電極に用いると，出力側で観 こで下部電極に高周波電力を印加すると，反応室内にグ 測される周波数特性は（1）式より図一3のようになる。 ロー放電が起こる。このとき，CCI4は（2）式のように解 離して化学的反応性の高い励起状態のC1＊（塩素ラジカ 3．実験方法
ル）となっている。
3．1SAWフィルタの製作手順
CCI4＝＝＝CCl∫十Cl＊十e− （2）
試料製作手順を図一4に示す。
十分に洗浄した圧電セラミックス上に，厚さ1μmの このイオン，ラジカルと電子の質量の違い，また下部電 Alを蒸着法又はスパッタ法によって堆積させる。つづ 極側のブロッキングコンデンサのために下部電極は負に も
いて乾燥，レジスト塗布，プリベーキング，露光，現像， 帯電する。そのためCCI『イオンは加速されスパッタリン ポストベーキングを行った後，その試料をエッチング装 グ（物理反応）を行う。
置内にいれ，高真空中でプラスマによりドライエッチン 解離したCCl『やCl＊とAlが次のような化学反応を起 グを行い，ひきつづき02プラスマによりレジスト剥離 こし，蒸気圧の高い物質になり試料表面から離脱する。
（アッシング）を行う。次に，微細加工精度に大きな影
CCl3十Al−AICI3↑十C 響を及ぼすドライエッチングについて詳しく述べる。
3Cl＊十Al−AICI3↑
3．2 ドライエッチング
本実験では「反応性イオンエッチング」装置を用いた また，Al膜表面には500 A程度の非常にエッチング速
ので，反応性イオンエッチングについて述べる。 度の遅いAl203膜が存在している。この膜の除去には，
CCI∫が表面を衝撃し，還元して次のような反応が起こる。 ここでエッチング速度は次のように測定する。膜厚の異 なる二つの試料を用意し，それらを同時にエッチングす
Al・°・＋2CClま2AlCl・↑＋C°↑＋C°・↑ @ る．薄い方のAlが消失してから厚い方のAlが消失す
このため，基本反応がイオンによるスパッタリングで るまでの時間を測定する。その時間で二つの試料の膜厚 ある「プラズマエッチング」では，Alのエッチングは 差を割った値をエッチング速度とする。このような方法 行われない。 をとったのはAl表面にあるAl203のエッチング時間を 以上がドライエッチングの基本的反応である。ここで 除くためである。
H．は（2）式で表される平衡状態を右側に進め，CClrやCl＊ この図より反応室内圧力が増加すると，ある値までは の発生を促す働きをする。 エッチング速度が増加する。これは圧力の増加にとも 3．302プラズマによるレジスト剥離 なってガス分子数が増加し，それにつれて活性化原子，
レジスト膜の剥離は次のように行う。ドライエッチン 例えばCl＊，が増加してエッチングが進むためである。
グを行った後ひきつづき真空室内に酸素ガスを導入し， また，高圧域でエッチング速度が遅くなるのは・高周波 プラズマ状態にして酸素ラジカルを発生させる。この酸 電力が一定であるためにCCI4の解離する量が一定とな 素ラジカルによってレジスト膜は次式のようにCO2お り，相対的に電離度が低下するためである。この結果よ よびH20となり試料表面より離脱する。
CエHgOz十〇＊−CO2↑十H20↑ 15
4．実験結果および考察 合 41 ドライエッチングの条件 ミ °票10
以上に述べたようにプラスマに試料を長時間さらすと， 自 スパ・タリングによって離に損傷を受けると考えられ 亘 る。そこで，もっとも速くエ・チングのできるエ・チン 饗 グ条件を決定する・ただし・ここで用いた言式料は蒸着に よ5
よってAlを堆積させた・ え
あらかじめエッチング条件は次のようにしておく。
反応室内圧力 8・OPa ・ 反応室内圧力（九）
高周波電力 200W 図一6 エッチング速度の圧力依存性 ガス流量 CCl4；75SCCM
He；5SCCM
まず，ガスの流量，高周波電力を一定にしたときの， 8 反応室内圧力とエッチング速度の関係を図一6に示す。
導入 ガス
盲 旦6 ロータリー 世
試料 ポ・プ 欝
14 H 高周波電源
〜 2
ζ繋；グま磁グ ・… 7・ 9・
全ガスに対するHe濃度（％）
図一5 ドライエッチング装置概略図 図一7 エッチングのガス流量比依存性
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り最もエッチング速度が大きいのは8．OPaの時である。 に示す。また電極のSEM写真を写真一1，写真一2に 次に，反応室内圧力を8．OPaとして，ガスの流量は変 示す。これらの写真を見ると，蒸着による電極の方は非 えずに高周波電力を変化させてエッチングの状態を観察 常にきれいにエッチングされているが，スパッタによる すると，高周波電力が200W未満の場合，エッチングが 方は表面がざらついておりエッヂも直線的でない。しか 行われないことが分かった。 し，フィルタ特性についてスパッタによる方が多少リブ そこで，反応室内圧力を8．OPa，高周波電力を200W ルが多いようであるがあまり違いは見られない。これは としたときの，CCI4とHeガスの流量とエッチングに スパソタによって堆積するAl粒子が蒸着によって堆積 要する総時間の関係を図一7に示す。ここでエッチング するAl粒子よりエネルギーが大きく均一な表面が得ら 総時間とはプラズマが発生してからエッチングが終了す れないためと考えられる。しかし本実験で製作した電極 るまでの時間のことである。この図より，CCI4 線幅一定の正規型電極フィルタではこの電極の損傷があ 50SCCMのHe濃度 28％，すなわちHe 20SCCMの まり影響しないということが分かる。
場合が最もエッチング時間が短いことが分かる。 以上のことよりSAWフィルタの製作には蒸着法によ 同様の実験をスパッタリングによりAlを堆積させた りAlを堆積させる方がよいことが分かる。
試料についても行い，最速のエッチング条件を得た。結 またアッシング時間，エッチング時間のフィルタ特性 果は蒸着によりAlを堆積させた場合と同じ値になった。 への影響を図一10，図一11に示す。
すなわちエッチング条件は，反応室内圧力8．OPa，高周 アソシング時間はフィルタ特性には特に影響を与えず，
波電力200W， CCI450SCCM， He 20SCCMとなっ 電極形状も表面が少しざらついているが特に大きな損傷 た。ただし，エッチング時間は少し蒸着の場合より長い。 はなかった。
4．2 フィルタ特性および電極形状への影響 また，エッチング時間が10分を過ぎると電極が消失し 蒸着・スパッタによってAlを堆積させ，それぞれの 始める。フィルタ特性は，10分では挿入損失は大きく 条件によって試料を製作しフィルタ特性および電極形状 なったが，通過域の波形はあまり変わらなかった。これ
を観測した。それぞれのフィルタ特性を図一8，図一9 はマスクパターンが重み付けのない正規型のくし形であ
0
命
）− T0 で
皿圃
i虞
一100
4 0
37 41 45 49 53 37 41 45 49 53 一100
周波数（MH。） 周波数（MH。）
図一8蒸着によるフィルタの特性 図一9ス・v。タによるフ，ルタの特性
露鴻 息ぷご∴㌘ 雛義盤ノ露難鍵1
、． ㌶躍タ
滋 ○㌶ 議 ．， ＾ 輸 諺灘 ，⊇ … ・一 宏ノ： た灘 渋
卵㌘ ， 夢 ∨ 診借ぺ ＾ 続㌘ヴ づ ∨ 惣 ド・
㌢声文イ 診 ，、y
ウ学 ＾
㌻．二 ・ ㌶ 。 彩
写真一1 蒸着による電極 写真一2 スパッタによる電極
0 0
リプル 3 硲『 °
@「挿撒
一10 ＿
−30 運一20 サイド。一フレベル 1
20 40 60 アッシング時間（min）
図一1・アッシング時間のフ・ルタ特性への影響 一8 。 8 16 °
サセプタンス（mS）
図一12電極のサセプタンスとフィルタ特性の 関係
硲一1° @「挿入損失
孟一，。
楚
一30 サイド。一ブレベル C・
0 4 6 8 10 エッチング時間（min）
図一11 エッチング時間のフィルタ特性への影響 図一13 並列表示等価回路
G。（ω）
り，トリプルトランジットエコー（TTE）など考慮し Y＝G。（ω）＋元｛ωC T＋B。（ω）｝
ていないために多少電極が細くなっても電極ピッチさえ G。（ω）＝G。 （sinエ／コc）2 変わらなければフィルタ特性は変化しないのであろう。 B。（ω）＝Gα〃｛（sin2コc−2コc）／2エ2｝
4．3電極のインピーダンスとフィルタ特性の関係 ただし，Gご＝（4／π）κ2ω。C。1V2 SAWフィルタに外部マッチング回路を取り付け入力 コc＝1Vπ（ω一ω。）／ω。
側出力側にサセプタンスを同時に変化させ中心周波数 CT＝NC、
45MHzでのメインローブリプル，挿入損失，サイド K：電気一機械結合係数 ローブレベルを測定した。（図一12） N：電極指数
挿入損失，サイドローブレベルはサセプタンスに依存 C、：電極指1対当りの静電容量 しないが，メインローブリプルは8mS付近で大きく減 と表せることが分かっている。
少するのが分かる。このことより，SAWフィルタはミ この理論式にCTとKを代入した理論値とネット スマッチング状態で使用する方が良いことが分かる。 ワークアナライザーを用いた実験値を比較する。その結 4．4等価回路による検討 果を図一14に示す。ただし，CTとKは別の方法で測 次に蒸着によってAlを堆積させて製作したくし形電 定し， Cτ一40．3pF， K2＝2．6％であった。
極の電気的特性を調べる。 G。（ω）が中心周波数付近で少しずれているがこれは W．Smithらによると，くし形電極は図一13のような CTとKの測定値のバラつきによる誤差の影響と考え
電気的等価回路に表すことができる1）。正規形電極につ られる。このことを考慮すると理論値と実測値はほぼ一
いては，電極の電気的アドミタンスYは 致していると考えられる。つまり，蒸着によってAlを
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⑦ 已 20
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、 10 転
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