JP6360847B2 - 弾性波デバイス - Google Patents
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Description
本発明は弾性波デバイスに関し、例えば圧電基板の上面に設けられたＩＤＴを有する弾性波デバイスに関する。
弾性波デバイスにおいては、圧電基板上に弾性波を励振するＩＤＴ（Interdigital Transducer）が形成されている。圧電基板として、例えばタンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ３）基板またはニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ３）基板が用いられている。タンタル酸リチウムおよびニオブ酸リチウムにおけるＬｉの組成が化学量論的な組成であるとき、ストイキオメトリ組成という。Ｌｉの組成が化学量論的な組成からやや小さいとき、コングルエント組成という。タンタル酸リチウム基板およびニオブ酸リチウム基板はほとんどがコングルエント組成である。
特許文献１にはコングルエント組成の基板の表面にリチウムを拡散させ、基板表面にストイキオメトリ組成の領域を形成することが記載されている。特許文献２、３には、弾性波デバイスにストイキオメトリ組成の圧電体を用いることが記載されている。特許文献４には、圧電膜の下に誘電体膜を設けることが記載されている。
弾性波デバイスの損失を抑制するためには、ＩＤＴにより励振された弾性波の漏洩を抑制することが求められる。しかしながら、弾性波デバイスの損失を抑制するための圧電基板内の好ましい構成については知られていない。
本発明は、上記課題に鑑みなされたものであり、損失を抑制することを目的とする。
本発明は、単結晶圧電材料からなり、上面を含む第１領域と前記第１領域下に設けられ前記第１領域より密度が低い第２領域とを備える圧電基板と、前記圧電基板の前記上面上に設けられたＩＤＴと、を具備し、前記第２領域の厚さは前記ＩＤＴにおける一対の櫛型電極のうち一方の櫛型電極の電極指のピッチの２０倍以上である弾性波デバイスである。
上記構成において、前記第２領域における音速は前記第１領域における音速より速い構成とすることができる。
上記構成において、前記圧電基板は、タンタル酸リチウム基板またはニオブ酸リチウム基板であり、前記第１領域はコングルエント組成であり、前記第２領域はストイキオメトリ組成である構成とすることができる。
上記構成において、前記圧電基板は、前記第１領域と前記第２領域との間に設けられ、前記第１領域から前記第２領域にかけて密度が変化する第３領域を備える構成とすることができる。
上記構成において、前記第２領域の下に接合され、前記第２領域より音速の速い支持基板を具備する構成とすることができる。
上記構成において、前記第１領域の厚さは前記ＩＤＴにおける一対の櫛型電極のうち一方の櫛型電極の電極指のピッチ以上である構成とすることができる。
上記構成において、前記ＩＤＴを有するフィルタを含む構成とすることができる。
上記構成において、上記フィルタを含むマルチプレクサを含む構成とすることができる。
本発明によれば、損失を抑制することができる。
図面を参照し、本発明の実施例について説明する。
弾性波デバイスとして弾性波共振器を説明する。図１（ａ）は、実施例１に係る弾性波共振器の平面図、図１（ｂ）は、図１（ａ）のＡ−Ａ断面図である。図１（ａ）および図１（ｂ）に示すように、圧電基板１０上にＩＤＴ２１および反射器２２が形成されている。ＩＤＴ２１および反射器２２は、圧電基板１０上に形成された金属膜１２により形成される。ＩＤＴ２１は、対向する一対の櫛型電極２０を備える。櫛型電極２０は、複数の電極指１４と、複数の電極指１４が接続されたバスバー１８を備える。一対の櫛型電極２０は、電極指１４がほぼ互い違いとなるように、対向して設けられている。ＩＤＴ２１が励振する弾性波は、主に電極指１４の配列方向に伝搬する。電極指１４のピッチがほぼ弾性波の波長λとなる。圧電基板１０は、タンタル酸リチウム基板またはニオブ酸リチウム基板である。金属膜１２は、例えばアルミニウム膜、銅膜、チタン膜もしくはクロム膜、またはこれらの複合膜である。金属膜１２の膜厚は、例えば１００ｎｍから４００ｎｍである。
図１（ｂ）に示すように、圧電基板１０は、第１領域１０ａ、第２領域１０ｂおよび第３領域１０ｃを含む。第１領域１０ａは圧電基板１０の上面を含む。ＩＤＴ２１および反射器２２は圧電基板１０の上面に設けられている。第２領域１０ｂは第１領域１０ａ下に設けられている。第１領域１０ａと第２領域１０ｂとの間に第３領域１０ｃが設けられている。第１領域１０ａは、コングルエント組成の領域である。第２領域１０ｂはストイキオメトリ組成である。第３領域１０ｃは、コングルエント組成からストイキオメトリ組成への変移領域である。ストイキオメトリ組成では、リチウムとタンタル（またはニオブ）とに対するリチウムの組成比（以下リチウム組成比という）が４９．５％以上５０．５％以下である。コングルエント組成では、リチウム組成比が４９．５％以下である。リチウム組成比は、例えば４８％以上である。第１領域１０ａおよび第２領域１０ｂ内では各々リチウム組成比がほぼ一定である。第３領域１０ｃでは、リチウム組成比が徐々に変化する。第３領域１０ｃは設けなくてもよい。
例えば、リーキー波を用いる弾性波デバイスにおいては、ＩＤＴ２１が励振する弾性波は主にリーキー波である。ＩＤＴ２１は、弾性表面波以外にバルク波を放射する。バルク波は共振に寄与しないため、バルク波のエネルギーが大きいと共振器の損失が大きくなる。
図２は、圧電基板内のリーキー波とバルク波のイメージを示す圧電基板の断面図である。図２において、ｘ１方向は圧電基板１０の表面においてリーキー波の伝搬方向、ｘ２方向は圧電基板１０の表面においてｘ１方向に直交する方向、ｘ３は、圧電基板１０の深さ方向である。リーキー波の主な波の変位成分はＳＨ波である。このため、リーキー波の変位は主にｘ２方向である。その一方でリーキー波は、バルク波を圧電基板１０の内部に放出しながら伝搬している。バルク波が放出されると、弾性波デバイスの損失となる。
図３は、実施例１における圧電基板の深さに対する音速を示す図である。以下の説明ではバルク波の音速が焦点となるが、バルク波の音速とリチウム組成比との関係は、弾性表面波の音速とリチウム組成比との関係とほぼ同じであるため、単に音速として説明する。ストイキオメトリ組成内の音速はコングルエント組成内の音速より大きい。このため、図３に示すように、第１領域１０ａにおける音速は第２領域１０ｂにおける音速より小さい。第３領域１０ｃにおいては、音速は徐々に変化する。弾性波のエネルギーは、音速の小さい領域に集中する。例えば、リーキー波を用いる場合、図２のリーキー波とバルク波の間あたりに第１領域１０ａと第２領域１０ｂの境界を設ける。これにより、深い領域でバルク波の速度が速いため、バルク波の放出が抑制される。これにより、エネルギーが第１領域１０ａに集中する。このため、弾性波共振器の挿入損失を改善することができる。
４２°回転ＹカットＸ伝搬タンタル酸リチウム基板について、直線集束ビーム超音波顕微鏡を用いレイリー波の音速を測定すると、コングルエント組成では約３１２５ｍ／秒であり、ストイキオメトリ組成で約３１７０ｍ／秒である。弾性表面波の音速は√（弾性率／密度）に比例する。弾性率はヤング率とポアソン比に関係する。ストイキオメトリ組成とコングルエント組成では、ヤング率およびポアソン比はほとんど変わらない。これに対し、コングルエント組成の密度はストイキオメトリ組成の密度より高い。例えばタンタル酸リチウム基板では、コングルエント組成の密度は７４５４ｋｇ／ｍ３であり、ストイキオメトリ組成の密度は７４２０ｋｇ／ｍ３から７４４０ｋｇ／ｍ３である。このため、ストイキオメトリ組成における音速はコングルエント組成の音速より大きくなる。
特許文献４では、ニオブ酸リチウム基板下に酸化シリコン膜または窒化シリコン膜等の誘電体膜が設けられている。酸化シリコン膜または窒化シリコン膜はニオブ酸リチウムより音速が大きい。しかし、この構造では、ニオブ酸リチウム基板と誘電体膜との界面でバルク波が反射される。これにより、バルク波に起因したスプリアスが生じる。一方、実施例１では、単結晶圧電材料内で密度を異ならせることで音速の大きい第１領域１０ａおよび音速の小さい第２領域１０ｂを設ける。これにより、バルク波を反射させることなく、弾性波を第２領域１０ｂに閉じ込めることができる。
実施例１によれば、圧電基板１０は、単結晶圧電材料からなり、上面を含む第１領域１０ａと第１領域１０ａ下に設けられ第１領域１０ａより密度が低い第２領域１０ｂとを備える。ＩＤＴ２１は、圧電基板１０の上面上に設けられている。これにより、バルク波のエネルギーが第１領域１０ａに集中し、弾性波デバイスの挿入損失を改善できる。第１領域１０ａおよび１０ｂの密度は、例えば、Ｘ線回折法を用いたリチウム組成比から推定することができる。
また、第２領域１０ｂにおける弾性波の速度は第１領域１０ａにおける弾性波の速度より大きい。これにより、バルク波のエネルギーを第１領域１０ａに集中させることができる。
さらに、圧電基板１０が、タンタル酸リチウム基板またはニオブ酸リチウム基板のとき、第１領域１０ａはコングルエント組成であり、第２領域１０ｂはストイキオメトリ組成である。これにより、第２領域１０ｂの弾性波の速度を第１領域１０ａより大きくできる。
第１領域１０ａと第２領域１０ｂとの間に、第１領域１０ａから第２領域１０ｂにかけて密度が変化する第３領域１０ｃを備える。これにより、密度の急激な変化によるバルク波の反射を抑制できる。
第１領域１０ａの厚さはＩＤＴ２１における電極指１４のピッチλ以上であることが好ましい。弾性表面波エネルギーは、圧電基板１０の上面からλ程度に集中している。このため、第１領域１０ａの厚さがλより小さいと、弾性表面波が減衰してしまう。よって、第１領域１０ａの厚さはＩＤＴ２１における電極指１４のピッチλ以上であることが好ましい。第１領域１０ａの厚さは２λ以上が好ましく、５λ以上がより好ましい。バルク波のエネルギーを第１領域１０ａに集中させるため、第１領域１０ａの厚さは２０λ以下が好ましく、１０λ以下がより好ましい。
バルク波のエネルギーを第１領域１０ａに集中させるため、第２領域１０ｂの厚さは１０λ以上が好ましく、２０λ以上がより好ましい。バルク波の反射を抑制するため、第３領域１０ｃの厚さは１λ以上が好ましく２λ以上がより好ましい。バルク波のエネルギーを第１領域１０ａに集中させるため、第３領域１０ｃの厚さは５λ以下が好ましく、１０λ以下がより好ましい。
第１領域１０ａおよび第２領域１０ｂ内でリチウム組成（すなわち密度）がほぼ一定の場合を例に説明したが、第１領域１０ａおよび第２領域１０ｂ内でリチウム組成（密度）は厚さ方向に傾斜していてもよい。例えば、第１領域１０ａの平均密度が第２領域１０ｂの平均密度より高ければよい。
次に実施例１の製造方法を説明する。図４（ａ）から図４（ｄ）は、実施例１に係る弾性波共振器の製造方法を示す断面図である。図４（ａ）に示すように、コングルエント組成の圧電基板１０ｄを準備する。圧電基板１０ｄはタンタル酸リチウム基板またはニオブ酸リチウム基板を準備する。
図４（ｂ）に示すように、圧電基板１０ｄの上面および下面にリチウムを拡散することによりストリキオメトリ組成の第２領域１０ｂを形成する。リチウムを拡散させる方法は例えば特許文献１の方法を用いる。第２領域１０ｂの間の領域がコングルエント組成の第１領域１０ａとなる。第１領域１０ａと第２領域１０ｂとの間には、リチウム組成が徐々に変化する第３領域１０ｃが形成される。これにより、圧電基板１０ｅが形成される。なお、圧電基板１０ｄの上面および下面のうち下面にのみリチウムを拡散させ、第１領域１０ａを上面および下面のうち下面にのみに形成してもよい。
図４（ｃ）に示すように、圧電基板１０の上面を研磨し、第１領域１０ａを露出させる。これにより、第１領域１０ａ、第２領域１０ｂおよび第３領域１０ｃを備える圧電基板１０が形成される。図４（ｄ）に示すように、圧電基板１０の上面に金属膜１２を形成する。ＩＤＴ２１および反射器２２は金属膜１２から形成される。金属膜１２は、例えば蒸着法およびリフトオフ法を用い形成する。金属層１２は、スパッタリング法およびエッチング法を用いて形成してもよい。その後、ダイシング法等を用い個片化する。
図５は、実施例２に係る弾性波共振器の断面図である。図５に示すように、支持基板１１の上面と圧電基板１０の下面とが接合されている。圧電基板１０と支持基板１１の接合面は平面であり平坦である。支持基板１１は、例えばサファイア基板、アルミナ基板またはスピネル基板等の絶縁基板またはシリコン基板等の半導体基板である。
図６は、実施例２における圧電基板および支持基板の深さに対する音速を示す図である。図６に示すように、支持基板１１の音速は第２領域１０ｂより大きい。これにより、バルク波のエネルギーは実施例１よりさらに第１領域１０ａに集中する。よって、弾性波デバイスの挿入損失をより改善できる。
このように、実施例２によれば、支持基板１１は、第２領域１０ｂの下に接合され、第２領域１０ｂより音速が大きい。これにより、弾性波デバイスの挿入損失をより改善できる。また、支持基板１１の線熱膨張係数を圧電基板１０より小さくすることにより、弾性波デバイスの周波数温度依存性が抑制できる。
図７（ａ）から図７（ｃ）は、実施例２に係る弾性波共振器の製造方法を示す断面図である。図７（ａ）に示すように、実施例１の図４（ｂ）の圧電基板１０ｅを支持基板１１に接合する。
圧電基板１０ｅと支持基板１１との接合の例を説明する。支持基板１１の上面および圧電基板１０ｅの下面に、不活性ガスのイオンビーム、中性ビーム、またはプラズマを照射する。これにより、支持基板１１の上面および圧電基板１０ｅ２の下面に数ｎｍ以下のアモルファス層が形成される。アモルファス層の表面には未結合の結合手が生成される。未結合の結合手の存在により、支持基板１１の上面および圧電基板１０ｅの下面は活性化された状態となる。支持基板１１の上面と圧電基板１０ｅの下面の未結合の結合手同士が結合する。これにより、支持基板１１と圧電基板１０ｅは、常温において接合される。接合された支持基板１１と圧電基板１０ｅとの間には、アモルファス層が一体化して配置される。アモルファス層は、例えば１ｎｍから８ｎｍの厚さを有する。
図７（ｂ）に示すように、第１領域１０ａが露出するように圧電基板１０ｅの上面を研磨する。図７（ｃ）に示すように、図４（ｄ）と同様に、金属膜１２から形成されるＩＤＴ２１および反射器２２を形成する。その後、支持基板１１の下面を研磨してもよい。その後、ダイシング法等を用い個片化する。
実施例３は、実施例１および２の弾性波共振器をフィルタまたはデュプレクサに用いる例である。図８（ａ）は、実施例３に係るラダー型フィルタの回路図である。図８（ａ）に示すように、直列共振器Ｓ１からＳ４は入力端子Ｉｎと出力端子Ｏｕｔとの間に直列に接続されている。並列共振器Ｐ１からＰ３は入力端子Ｉｎと出力端子Ｏｕｔとの間に並列に接続されている。直列共振器Ｓ１からＳ４および並列共振器Ｐ１からＰ３の少なくとも１つを実施例１または２の弾性波共振器とすることができる。直列共振器および並列共振器の個数および接続は適宜設定できる。多重モードフィルタに実施例１または２の弾性波共振器を用いてもよい。
図８（ｂ）は、実施例３の変形例に係るマルチプレクサのブロック図である。図８（ｂ）に示すように、送信フィルタ８０は、共通端子Ａｎｔと送信端子Ｔｘとの間に接続されている。受信フィルタ８２は、共通端子Ａｎｔと受信端子Ｒｘとの間に接続されている。送信フィルタ８０は、送信端子Ｔｘから入力した信号のうち送信帯域の信号を共通端子Ａｎｔに通過させ、他の帯域の信号を抑圧する。受信フィルタ８２は、共通端子Ａｎｔから入力した信号のうち受信帯域の信号を通過させ、他の帯域の信号を抑圧する。送信フィルタ８０および受信フィルタ８２の少なくとも一方を実施例３のフィルタとすることができる。マルチプレクサとしてデュプレクサを例に説明したが、トリプレクサまたクワッドプレクサ等のマルチプレクサの少なくとも１つのフィルタを実施例３のフィルタとすることができる。
以上、本発明の実施例について詳述したが、本発明はかかる特定の実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。
１０ 圧電基板
１０ａ 第１領域
１０ｂ 第２領域
１０ｃ 第３領域
１１ 支持基板
２１ ＩＤＴ
１０ａ 第１領域
１０ｂ 第２領域
１０ｃ 第３領域
１１ 支持基板
２１ ＩＤＴ
Claims (9)
- 単結晶圧電材料からなり、上面を含む第１領域と前記第１領域下に設けられ前記第１領域より密度が低い第２領域とを備える圧電基板と、
前記圧電基板の前記上面上に設けられたＩＤＴと、
を具備し、
前記第２領域の厚さは前記ＩＤＴにおける一対の櫛型電極のうち一方の櫛型電極の電極指のピッチの２０倍以上である弾性波デバイス。 - 前記第２領域の下に接合され、前記第２領域より音速の速い支持基板を具備する請求項１記載の弾性波デバイス。
- 単結晶圧電材料からなり、上面を含む第１領域と前記第１領域下に設けられ前記第１領域より密度が低い第２領域とを備える圧電基板と、
前記圧電基板の前記上面上に設けられたＩＤＴと、
を具備し、
前記圧電基板は支持基板上に接合されていない弾性波デバイス。 - 前記第２領域における音速は前記第１領域における音速より速い請求項１から３のいずれか一項記載の弾性波デバイス。
- 前記圧電基板は、タンタル酸リチウム基板またはニオブ酸リチウム基板であり、
前記第１領域はコングルエント組成であり、前記第２領域はストイキオメトリ組成である請求項１から４のいずれか一項記載の弾性波デバイス。 - 前記圧電基板は、前記第１領域と前記第２領域との間に設けられ、前記第１領域から前記第２領域にかけて密度が変化する第３領域を備える請求項１から５のいずれか一項記載の弾性波デバイス。
- 前記第１領域の厚さは前記ＩＤＴにおける一対の櫛型電極のうち一方の櫛型電極の電極指のピッチ以上である請求項１から６のいずれか一項記載の弾性波デバイス。
- 前記ＩＤＴを有するフィルタを含む請求項１から７のいずれか一項記載の弾性波デバイス。
- 請求項８記載の前記フィルタを含むマルチプレクサを含む弾性波デバイス。
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