JP7329954B2

JP7329954B2 - 弾性波共振器、フィルタおよびマルチプレクサ

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Publication number: JP7329954B2
Application number: JP2019075871A
Authority: JP
Inventors: 凌平小宮山; 均月舘
Original assignee: Taiyo Yuden Co Ltd
Current assignee: Taiyo Yuden Co Ltd
Priority date: 2019-02-07
Filing date: 2019-04-11
Publication date: 2023-08-21
Anticipated expiration: 2039-04-11
Also published as: JP2020129787A

Description

本発明は、弾性波共振器、フィルタおよびマルチプレクサに関し、例えば一対の櫛型電極を有する弾性波共振器、フィルタおよびマルチプレクサに関する。

スマートフォン等の通信機器に用いられる弾性波共振器として、弾性表面波共振器が知られている。弾性表面波共振器を形成する圧電基板を支持基板に接合することが知られている。圧電基板の厚さを弾性表面波の波長以下とすることが知られている（例えば特許文献１）。

特開２０１７－０３４３６３号公報

圧電基板を支持基板に接合することにより、弾性表面波共振器の温度特性が向上する。さらに、圧電基板の厚さを弾性表面波の波長以下とすることにより、損失およびスプリアスを抑制できる。しかしながら、スプリアスの抑制は十分でない。

本発明は、上記課題に鑑みなされたものであり、スプリアスを抑制することを目的とする。

本発明は、１０°以上かつ５０°以下回転ＹカットＸ伝搬タンタル酸リチウム基板である圧電基板と、前記圧電基板上に設けられ、複数の電極指を有し弾性波を励振する一対の櫛型電極と、前記圧電基板の前記一対の櫛型電極が設けられた面と反対側に設けられ、平均粒径が前記複数の電極指の平均ピッチの１倍以上かつ６６倍以下であり、多結晶スピネル基板である多結晶基板と、を備え、前記圧電基板の厚さは、前記複数の電極指の平均ピッチの２倍以下である弾性波共振器である。

本発明は、圧電基板と、前記圧電基板上に設けられ、複数の電極指を有し主にＳＨ波を励振する一対の櫛型電極と、前記圧電基板の前記一対の櫛型電極が設けられた面と反対側に設けられ、平均粒径が前記複数の電極指の平均ピッチの１倍以上かつ６６倍以下であり、多結晶スピネル基板である多結晶基板と、を備え、前記圧電基板の厚さは、前記複数の電極指の平均ピッチの２倍以下である弾性波共振器である。

上記構成において、前記平均粒径は前記平均ピッチの４０倍以下である構成とすることができる。

上記構成において、前記多結晶基板の前記圧電基板側の面と前記圧電基板の前記一対の櫛型電極が設けられた面との距離は前記平均ピッチの２倍以下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、３６°以上かつ４２°以下回転ＹカットＸ伝搬タンタル酸リチウム基板である構成とすることができる。

上記構成において、前記多結晶基板の厚さは前記平均ピッチの２倍以上かつ前記平均粒径以上である構成とすることができる。

上記構成において、前記圧電基板と前記多結晶基板とは直接接合されている構成とすることができる。

上記構成において、前記圧電基板と前記多結晶基板との間に設けられた中間層を有する構成とすることができる。

本発明は、上記弾性波共振器を備えるフィルタである。

本発明は、上記フィルタを含むマルチプレクサである。

本発明によれば、スプリアスを抑制することができる。

図１（ａ）は、実施例１におけ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２（ａ）から図２（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３は、多結晶であるスピネル基板の断面のＳＥＭ画像を模写した図である。図４（ａ）および図４（ｂ）は、サンプルＡからＣにおける粒径に対するスプリアスピークの平均値および標準偏差を示す図である。図５（ａ）から図５（ｃ）は、サンプルＡからＣにおけるラダー型フィルタの通過特性を示す図である。図６（ａ）から図６（ｃ）は、実施例１の変形例１から３に係る弾性波共振器の断面図である図７（ａ）は、実施例２に係るフィルタの回路図、図７（ｂ）は、実施例２の変形例１に係るデュプレクサの回路図である。

以下、図面を参照し本発明の実施例について説明する。

図１（ａ）は、実施例１におけ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。電極指の配列方向をＸ方向、電極指の延伸方向をＹ方向、支持基板および圧電基板の積層方向をＺ方向とする。Ｘ方向、Ｙ方向およびＺ方向は、圧電基板の結晶方位のＸ軸方向およびＹ軸方向とは必ずしも対応しない。圧電基板が回転ＹカットＸ伝搬基板の場合、Ｘ方向は結晶方位のＸ軸方向となる。

図１（ａ）および図１（ｂ）に示すように、多結晶基板１０上に圧電基板１２が積層されている。多結晶基板１０および圧電基板１２の厚さはそれぞれＴ０およびＴ２である。圧電基板１２上に弾性波共振器２０が設けられている。弾性波共振器２０はＩＤＴ２２および反射器２４を有する。反射器２４はＩＤＴ（Inter Digital Transducer）２２のＸ方向の両側に設けられている。ＩＤＴ２２および反射器２４は、圧電基板１２上の金属膜１４により形成される。

ＩＤＴ２２は、対向する一対の櫛型電極１８を備える。櫛型電極１８は、複数の電極指１５と、複数の電極指１５が接続されたバスバー１６と、を備える。一対の櫛型電極１８の電極指１５が交差する領域が交差領域２５である。交差領域２５の長さが開口長である。一対の櫛型電極１８は、交差領域２５の少なくとも一部において電極指１５がほぼ互い違いとなるように、対向して設けられている。交差領域２５において複数の電極指１５が励振する弾性波は、主にＸ方向に伝搬する。一対の櫛型電極１８のうち一方の櫛型電極１８の電極指１５のピッチがほぼ弾性波の波長λとなる。弾性波の波長λはほぼ電極指１５の２本分のピッチとなる。反射器２４は、ＩＤＴ２２の電極指１５が励振した弾性波（弾性表面波）を反射する。これにより弾性波はＩＤＴ２２の交差領域２５内に閉じ込められる。

圧電基板１２は、単結晶基板であり、例えばタンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ_３）基板またはニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ_３）基板であり、例えば回転ＹカットＸ伝搬タンタル酸リチウム基板または回転ＹカットＸ伝搬ニオブ酸リチウム基板である。多結晶基板１０は、例えば、スピネル（ＭｇＡｌ_２Ｏ_３）基板、シリコン（Ｓｉ）基板またはアルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）基板である。多結晶基板１０のＸ方向の線膨張係数は圧電基板１２のＸ方向の線膨張係数より小さい。これにより、弾性波共振器の共振周波数等の温度係数を小さくできる。

金属膜１４は、例えばＡｌ（アルミニウム）またはＣｕ（銅）を主成分とする膜であり、例えばＡｌ膜またはＣｕ膜である。電極指１５と圧電基板１２との間にＴｉ（チタン）膜またはＣｒ（クロム）膜等の密着膜が設けられていてもよい。密着膜は電極指１５より薄い。電極指１５を覆うように絶縁膜が設けられていてもよい。絶縁膜は保護膜または温度補償層として機能する。

厚さＴ０は例えば５０μｍから５００μｍである。厚さＴ２は例えば０．５μｍから２０μｍであり、例えば１０λ以下であり、１λ以下である。２本の電極指１５を１対としたときの対数は例えば２０対から３００対である。ＩＤＴ２２のデュティ比は、電極指１５の太さ／電極指１５のピッチであり、例えば３０％から７０％である。ＩＤＴ２２の開口長は例えば１０λから５０λである。

［実施例１の製造方法］
図２（ａ）から図２（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２（ａ）に示すように、多結晶基板１０の上面および圧電基板１２の下面にイオン５４等を照射する。イオン５４は例えばＡｒ（アルゴン）イオン等の不活性元素（例えば希ガス元素）のイオンである。イオン５４等をイオンビーム、中性化したビームまたはプラズマとして、照射する。これにより、多結晶基板１０の上面に多結晶基板１０に接するアモルファス層１０ａが形成され、圧電基板１２の下面に圧電基板１２に接するアモルファス層１２ａが形成される。アモルファス層１０ａおよび１２ａの表面には未結合の結合手が形成される（すなわち活性化される）。

図２（ｂ）に示すように、真空を維持した状態で、アモルファス層１０ａと１２ａとを張り合わせると、未結合手同士が結合し、強固な結合となる。これにより、多結晶基板１０と圧電基板１２が接合される。このような接合は常温（例えば１００℃以下かつ－２０℃以上、好ましくは８０℃以下かつ０℃以上）で行われるため熱応力を抑制できる。常温で接合されたか否かは、残留応力の温度依存性により確かめることができる。すなわち、接合された温度において、残留応力が最も小さくなる。アモルファス層１０ａと１２ａからなるアモルファス層３０が形成される。

アモルファス層１０ａは、多結晶基板１０の構成元素を主成分とし、表面活性化のための元素（例えばＡｒ）を含む。多結晶基板１０がスピネル基板のとき、アモルファス層１０ａはＭｇ（マグネシウム）、Ａｌ（アルミニウム）およびＯ（酸素）を主成分とし、表面活性化のための元素を含む。アモルファス層１２ａは、圧電基板１２の構成元素を主成分とし、表面活性化のための元素を含む。圧電基板１２がタンタル酸リチウム基板のとき、アモルファス層１２ａは、Ｔａ（タンタル）、Ｌｉ（リチウム）およびＯを主成分とし、表面活性化のための元素を含む。アモルファス層１０ａは、圧電基板１２の構成元素のうち多結晶基板１０以外の構成元素をほとんど含まない。例えばアモルファス層１０ａはＴａおよびＬｉをほとんど含まない。アモルファス層１２ａは、多結晶基板１０の構成元素のうち圧電基板１２の構成元素以外の元素をほとんど含まない。例えばアモルファス層１２ａはＭｇおよびＡｌをほとんど含まない。

アモルファス層１０ａおよび１２ａの厚さは、０ｎｍより大きいことが好ましく、１ｎｍ以上がより好ましい。これにより、多結晶基板１０と圧電基板１２との接合性を向上させることができる。アモルファス層１０ａおよび１２ａの厚さは、１０ｎｍ以下が好ましく、５ｎｍ以下がより好ましい。これにより、弾性波共振器の特性の劣化を抑制できる。アモルファス層３０の厚さは多結晶基板１０および圧電基板１２と比べて非常に薄いため、多結晶基板１０と圧電基板１２とは実質的には直接接合されている。多結晶基板１０、圧電基板１２、アモルファス層１０ａおよび１２ａは、ＴＥＭ（Transmission Electron Microscope）法を用い観察することができる。

図２（ｃ）に示すように、圧電基板１２の上面を例えばＣＭＰ（Chemical Mechanical Polishing）法を用い平坦化する。これにより、圧電基板１２の厚さがＴ２となる。図２（ｄ）に示すように、圧電基板１２の上面に金属膜１４からなるＩＤＴ２２および反射器２４を形成する。

図３は、多結晶であるスピネル基板の断面のＳＥＭ（Scanning Electron Microscope）画像を模写した図である。複数の結晶粒５０と結晶粒５０の間の粒界５２が観察できる。多結晶基板１０の平均粒径を以下のように測定する。結晶粒５０の断面積と等しい円の直径を粒径とする。９０μｍ×９０μｍのＳＥＭ画像内の結晶粒５０の粒径を測定し、粒径の平均を算出する。

［実験］
圧電基板１２の厚さＴ２を弾性波の波長λ以下とすると、バルク波に起因するスプリアスが低減する。しかし、反共振周波数より高い周波数に発生するスプリアスの抑圧は十分でない。そこで、平均粒径の異なるスピネル基板を支持基板として、弾性波共振器を有するラダー型フィルタを作製した。作製したラダー型フィルタは、直列共振器が５個であり並列共振器が４個である。その他の作製条件は以下である。
多結晶基板１０：焼結法を用いて製造した多結晶スピネル基板
厚さＴ０：１５０μｍ
圧電基板１２：４２°回転ＹカットＸ伝搬タンタル酸リチウム基板
厚さＴ２：１．３μｍ
ラダー型フィルタ内の複数の弾性波共振器のうち１つの弾性波共振器の条件は以下である。他の弾性波共振器では、フィルタ特性が所望となるように適宜調整している。
弾性波の波長λ：１．６μｍ
ＩＤＴ２２の対数：１００対
開口長：２５λ
デュティ比：５０％
弾性波の波長λはＩＤＴ２２の電極指１５の平均ピッチのほぼ２倍である。

サンプルＡからＣの多結晶基板１０の平均粒径は以下である。
サンプルＡ：１７μｍ
サンプルＢ：３０μｍ
サンプルＣ：５４μｍ

作製したラダー型フィルタのスプリアスおよび通過特性を測定した。図４（ａ）および図４（ｂ）は、サンプルＡからＣにおける粒径に対するスプリアスピークの平均値および標準偏差を示す図である。スプリアスピークの平均値は、各サンプルにおけるウエハ面内のスプリアスのピーク値の平均値を示し、標準偏差は各サンプルにおけるウエハ面内のスプリアスのピーク値の標準偏差を示す。λは２本の電極指１５のピッチである。図４（ａ）および図４（ｂ）に示すように、粒径が小さくなると、スプリアスピークの平均値が小さくなり、標準偏差が小さくなる。

図５（ａ）から図５（ｃ）は、サンプルＡからＣにおけるラダー型フィルタの通過特性を示す図である。図５（ａ）は広帯域の通過特性、図５（ｂ）は、通過帯域周辺の拡大図、図５（ｃ）は阻止帯域付近の拡大図である。図５（ａ）に示すように、作製したラダー型フィルタの通過帯域は２．４ＧＨｚ帯（２．４０２５ＧＨｚ～２．４８１５ＧＨｚ）であり、ＬＴＥ（Long Term Evolution）バンド４１および４２の通信帯域付近を阻止帯域とする。

図５（ｂ）に示すように、サンプルＡからＣにおいて通過帯域の損失はほぼ同じである。通過帯域がサンプルにより異なるが、これは各サンプルで弾性波共振器の共振周波数および反共振周波数を最適化していないためである。図５（ｃ）に示すように、サンプルＣはバンド４１および４２の通信帯域周辺に大きなスプリアスが形成されている。サンプルＢでは、サンプルＣに比べスプリアスが小さくなっている。サンプルＡではスプリアスがさらに小さくなっている。

圧電基板１２の厚さＴ２を弾性波の波長λ以下とするとバルク波に起因する通過帯域周辺のスプリアスが抑制される。しかしながら、通過帯域より高周波数の帯域に生成されるスプリアスの抑制は十分ではない。図５（ｃ）のように、多結晶基板１０の粒径を小さくすると、このスプリアスを抑制できる。これは、多結晶基板１０においてバルク波等の不要波が散乱されるためと考えられる。

［実施例１の変形例１］
図６（ａ）は、実施例１の変形例１に係る弾性波共振器の断面図である。図６（ａ）に示すように、多結晶基板１０と圧電基板１２との間に中間層１１が設けられている。中間層１１の厚さはＴ１である。中間層１１は、例えば酸化シリコン層、窒化シリコン層、酸化アルミニウム層または窒化アルミニウム層等の絶縁層である。中間層１１の弾性率の温度係数の符号が圧電基板１２の弾性率の温度係数の符号と逆のとき、中間層１１は温度補償膜として機能する。温度補償膜としては、酸化シリコン膜（弗素等の添加物を含んでもよい）が用いられる。また、中間層１１は多結晶基板１０と圧電基板１２とを接合する接合層として機能してもよい。その他の構成は実施例１と同じであり説明を省略する。

［実施例１の変形例２］
図６（ｂ）は、実施例１の変形例２に係る弾性波共振器の断面図である。図６（ｂ）に示すように、多結晶基板１０の下面は支持基板１３に接合されている。支持基板１３は、例えばサファイア基板、アルミナ基板、石英基板または水晶基板である。その他の構成は実施例１と同じであり説明を省略する。

［実施例１の変形例３］
図６（ｃ）は、実施例１の変形例３に係る弾性波共振器の断面図である。図６（ｃ）に示すように、多結晶基板１０の下面は支持基板１３に接合されている。その他の構成は実施例１の変形例１と同じであり説明を省略する。

実施例１およびその変形例２のように、多結晶基板１０と圧電基板１２とは直接接合されていてもよいし、実施例１の変形例１および３のように、多結晶基板１０と圧電基板１２との間に中間層１１が設けられていてもよい。実施例１の変形例２および３のように、多結晶基板１０は支持基板１３に接合されていてもよい。

実施例１およびその変形例によれば、多結晶基板１０は、圧電基板１２の一対の櫛型電極１８が設けられた面と反対側に設けられ、平均粒径が複数の電極指１５の平均ピッチの６６倍（すなわち３３λ）以下である。これにより、図４（ａ）から図５（ｃ）のように、通過帯域の高周波側のスプリアスを抑制できる。

多結晶基板１０の平均粒径は電極指１５の平均ピッチの４０倍（すなわち２０λ）以下が好ましく、２０倍以下がより好ましい。これにより、スプリアスをより抑制できる。多結晶基板１０で不要波を散乱させるため、平均粒径は電極指１５の平均ピッチの１倍以上が好ましく、２倍以上がより好ましい。電極指１５の平均ピッチは、弾性波共振器２０のＸ方向の長さを電極指１５の本数で除することにより算出できる。多結晶基板１０の平均粒径の算出は図３において説明した方法により算出できる。２０個以上の結晶粒５０の粒径を平均するとより精度が高くなる。５０個以上の結晶粒５０の粒径を平均するとさらに精度が高くなる。

多結晶基板１０は多結晶スピネル基板（すなわち、ＭｇＡｌ_２Ｏ_３を主成分とする多結晶基板）である。これにより、スプリアスをより抑制できる。主成分とするとは、実施例１およびその変形例の効果を奏する程度に含むことを意味し、意図的または意図せずに添加される不純物を含み、例えば構成元素の５０原子％または８０原子％以上含むことである。

多結晶基板１０の上面（圧電基板１２側の面）と圧電基板１２の上面（一対の櫛型電極が設けられた面）との距離（例えば実施例１およびその変形例２のＴ２、実施例１の変形例１および３のＴ２＋Ｔ１）は電極指１５の平均ピッチの４倍以下である。このように、Ｔ２またはＴ２＋Ｔ１を薄くすることで、バルク波に起因するスプリアスが抑制できる。しかし、図５（ｃ）のように、通過帯域より高い周波数のスプリアスの抑制は十分でない。そこで、多結晶基板１０の平均粒径を小さくする。これにより、通過帯域より高い周波数のスプリアスが抑制される。多結晶基板１０の上面と圧電基板１２の上面との距離は、電極指１５の平均ピッチの２倍以下が好ましく、０．２倍以上がより好ましい。

圧電基板１２の厚さＴ２は電極指１５の平均ピッチの２倍以下が好ましく、１．６倍以下がより好ましく、０．２倍以上が好ましい。これにより、バルク波に起因するスプリアスが抑制できる。また、損失を抑制できる。

圧電基板１２が１０°以上かつ５０°以下回転ＹカットＸ伝搬タンタル酸リチウム基板のとき、櫛型電極１８は主にＳＨ（Shear Horizontal）波を励振する。圧電基板１２は、３６°以上かつ４２°以下回転ＹカットＸ伝搬タンタル酸リチウム基板であることがより好ましい。ＳＨ波は圧電基板１２の表面に平行でかつＳＨ波の伝搬方向に直交方向に変位する波である。このとき、バルク波が励振されやすい。よって、多結晶基板１０を用いることが好ましい。

多結晶基板１０の厚さＴ２は電極指１５の平均ピッチの２倍以上が好ましく、４倍以上がより好ましい。また、Ｔ２は平均粒径以上が好ましく、平均粒径の２倍以上がより好ましい。これにより、不要波を拡散しスプリアスを抑制できる。

図７（ａ）は、実施例２に係るフィルタの回路図である。図７（ａ）に示すように、入力端子Ｔｉｎと出力端子Ｔｏｕｔとの間に、１または複数の直列共振器Ｓ１からＳ３が直列に接続されている。入力端子Ｔｉｎと出力端子Ｔｏｕｔとの間に、１または複数の並列共振器Ｐ１およびＰ２が並列に接続されている。１または複数の直列共振器Ｓ１からＳ３および１または複数の並列共振器Ｐ１およびＰ２の少なくとも１つに実施例１の弾性波共振器を用いることができる。ラダー型フィルタの共振器の個数等は適宜設定できる。フィルタは、多重モード型フィルタでもよい。

［実施例２の変形例１］
図７（ｂ）は、実施例２の変形例１に係るデュプレクサの回路図である。図７（ｂ）に示すように、共通端子Ａｎｔと送信端子Ｔｘとの間に送信フィルタ４０が接続されている。共通端子Ａｎｔと受信端子Ｒｘとの間に受信フィルタ４２が接続されている。送信フィルタ４０は、送信端子Ｔｘから入力された高周波信号のうち送信帯域の信号を送信信号として共通端子Ａｎｔに通過させ、他の周波数の信号を抑圧する。受信フィルタ４２は、共通端子Ａｎｔから入力された高周波信号のうち受信帯域の信号を受信信号として受信端子Ｒｘに通過させ、他の周波数の信号を抑圧する。送信フィルタ４０および受信フィルタ４２の少なくとも一方を実施例２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はクワッドプレクサでもよい。

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多結晶基板
１１中間層
１２圧電基板
１３支持基板
１５電極指
１８櫛型電極
２０弾性波共振器
２２ＩＤＴ

Claims

１０°以上かつ５０°以下回転ＹカットＸ伝搬タンタル酸リチウム基板である圧電基板と、
前記圧電基板上に設けられ、複数の電極指を有し弾性波を励振する一対の櫛型電極と、
前記圧電基板の前記一対の櫛型電極が設けられた面と反対側に設けられ、平均粒径が前記複数の電極指の平均ピッチの１倍以上かつ６６倍以下であり、多結晶スピネル基板である多結晶基板と、
を備え、
前記圧電基板の厚さは、前記複数の電極指の平均ピッチの２倍以下である弾性波共振器。
圧電基板と、
前記圧電基板上に設けられ、複数の電極指を有し主にＳＨ波を励振する一対の櫛型電極と、
前記圧電基板の前記一対の櫛型電極が設けられた面と反対側に設けられ、平均粒径が前記複数の電極指の平均ピッチの１倍以上かつ６６倍以下であり、多結晶スピネル基板である多結晶基板と、
を備え、
前記圧電基板の厚さは、前記複数の電極指の平均ピッチの２倍以下である弾性波共振器。
前記平均粒径は前記平均ピッチの４０倍以下である請求項１または２に記載の弾性波共振器。
前記多結晶基板の前記圧電基板側の面と前記圧電基板の前記一対の櫛型電極が設けられた面との距離は前記平均ピッチの２倍以下である請求項１から３のいずれか一項に記載の弾性波共振器。
前記圧電基板は、３６°以上かつ４２°以下回転ＹカットＸ伝搬タンタル酸リチウム基板である請求項１から４のいずれか一項に記載の弾性波共振器。
前記多結晶基板の厚さは前記平均ピッチの２倍以上かつ前記平均粒径以上である請求項１から５のいずれか一項に記載の弾性波共振器。
前記圧電基板と前記多結晶基板とは直接接合されている請求項１から６のいずれか一項に記載の弾性波共振器。
前記圧電基板と前記多結晶基板との間に設けられた中間層を有する請求項１から６のいずれか一項に記載の弾性波共振器。
請求項１から８のいずれか一項に記載の弾性波共振器を備えるフィルタ。
請求項９に記載のフィルタを含むマルチプレクサ。