Beyond 5Gを目指した複合基板弾性波フィルタの作製プロセス評価法

2022 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 22H01496
• Allocation Type: Single-year Grants
• Research Institution: Tohoku University
• Principal Investigator: 大橋 雄二 東北大学, 未来科学技術共同研究センター, 准教授 (50396462)
• Project Period (FY): 2022-04-01 – 2025-03-31
• Keywords: 異種単結晶基板貼り合わせ構造 / 次世代無線通信 / 超音波マイクロスペクトロスコピー / 弾性表面波デバイス / バルク波デバイス / 接合評価

Outline of Annual Research Achievements

本年度は、異種単結晶基板貼り合わせ(HAL)構造基板作製プロセスの評価を行うための基盤技術となる超音波マイクロスペクトロスコピー(UMS)技術の改良、拡張を行なった。基板表面状態を評価するために、異なる研磨条件において基板の研磨面仕上がり状態をAFMによる観察を行い、漏洩弾性表面波(LSAW)の伝搬特性(速度、減衰の周波数依存性)への影響を検討した。現状のLFB超音波プローブでは100-300MHz帯の計測となるため、波長が数十μmのオーダーであるため、表面粗さに対する感度が鈍くなる。そのため、より高周波の超音波を利用することで超音波を短波長化して基板表面近傍の加工変質層なども含めた研磨状態を評価できるよう、現状の200MHz帯よりもより高周波対応(0.3-1GHz)の超音波プローブの作製を実施した。サファイアのロッドから片端面を円筒開口、もう一方の端面を平面とするLFBレンズを作製し、その平坦面側に金属接合により圧電結晶基板を接合してトランスジューサを形成し、LFB超音波プローブを構築した。さらに、将来的な単層基板を接合したHAL基板や多層膜付きのHAL基板評価に先立って、最も単純な構造である単層膜付き基板のバルク波特性の測定・解析手法、および境界接合状態も含めた薄膜の特性評価法を検討した。2 mm厚さの基板の片面に数μm厚さの単層膜を形成したサンプルを準備して、膜とは反対面から平面超音波プローブにより平面波を入射して、その反射応答を周波数の関数として計測する。このとき、単層膜内では音波が多重反射して干渉するため膜の特性に応じて反射係数と位相回転量が変化するため、その計測モデルを構築した。この特徴を利用することで膜の音速と密度を推定できることがわかった。

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

当初計画していた0.3GHz超の高周波対応のLFB超音波プローブの作製が予定通りできた。また、接合基板の評価において最も基本となる単層膜付き基板の薄膜音響特性評価法を検討し、その計測・解析モデルを構築し、おおよそそのモデル通りの薄膜音響特性評価が可能なことを実証できた。これらより、本年度の課題の重要部分についてクリアすることができたと考え、おおむね順調に進展していると言える。

Strategy for Future Research Activity

今後は、構築した薄膜のバルク波の音響特性評価法から、接合状態を評価する方法へと拡張するため、接合境界での減衰を考慮したモデルを構築し、解析法と実測を進めていく。また、LFB超音波プローブを用いた接合界面評価についても検討を進めていく。