JP7441010B2 - 弾性波デバイス、フィルタおよびマルチプレクサ - Google Patents

Description

本発明は、弾性波デバイス、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デバイス、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デバイスとして、弾性表面波共振器が知られている。弾性表面波共振器では、圧電基板上に複数の電極指を有する一対の櫛型電極が設けられている。櫛型電極を覆うように誘電体層を設けることが知られている（例えば特許文献１および２）。

特開２００８－２８９８０号公報 特開２００８－２４４５２３号公報

弾性表面波共振器の入出力インピーダンスは主に一対の櫛型電極間の静電容量により設定される。弾性表面波共振器の入出力インピーダンスを所望の値とすると、一対の櫛型電極の静電容量を所望の値とするため面積が決まってしまう。これにより、小型化が難しい。

本発明は、上記課題に鑑みなされたものであり、小型化を可能とすることを目的とする。

本発明は、第１圧電基板と、第２圧電基板と、前記第１圧電基板と前記第２圧電基板とに挟まれ、前記第１圧電基板および前記第２圧電基板の厚さ方向において対向する第１面および第２面を有し前記第１面と前記第２面との間に連続的に設けられた金属層から形成され、複数の電極指を有する一対の櫛型電極と、を備え、前記第１面は前記第１圧電基板に接し、前記第２面は前記第２圧電基板に接するように、前記第１圧電基板および前記第２圧電基板は前記一対の櫛型電極に接し、前記第１圧電基板と前記第２圧電基板との間において、前記複数の電極指間に設けられ、前記第１圧電基板および前記第２圧電基板の弾性定数の温度係数の符号と反対の弾性定数の温度係数の符号を有する誘電体層を備える、または、前記第１圧電基板と前記第２圧電基板との間において、前記複数の電極指間は空隙である弾性波デバイスである。

上記構成において、前記第１圧電基板および前記第２圧電基板の主成分は互いに同じである構成とすることができる。

上記構成において、前記第１圧電基板および前記第２圧電基板は、ＹカットＸ伝搬タンタル酸リチウム基板またはＹカットＸ伝搬ニオブ酸リチウム基板であり、前記第１圧電基板および前記第２圧電基板のＹカット角の差は１０°以下であり、平面視において前記第１圧電基板のＸ軸方向と前記第２圧電基板のＸ軸方向のなす角度は１０°以下である構成とすることができる。

上記構成において、前記第１圧電基板の前記一対の櫛型電極が設けられた面と反対の面に直接または間接的に接合された第１支持基板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圧電基板の前記一対の櫛型電極が設けられた面と反対の面に直接または間接的に接合された第２支持基板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１圧電基板と前記第２圧電基板との間において、前記複数の電極指間に設けられた誘電体層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１圧電基板と前記第２圧電基板との間において、前記複数の電極指間は空隙である構成とすることができる。

上記構成において、前記第１圧電基板と前記第２圧電基板との間に設けられ、前記一対の櫛型電極を前記空隙に封止する封止層を備える構成とすることができる。

本発明は、上記弾性波デバイスを含むフィルタである。

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、小型化を可能とすることができる。

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）および図２（ｂ）は、それぞれ比較例１および実施例１における周波数に対するアドミッタンスを示す図である。 図３（ａ）から図３（ｃ）は、実施例１およびその変形例１および２に係る弾性波デバイスの断面図である。 図４（ａ）および図４（ｂ）は、実施例１の変形例３および４に係る弾性波デバイスの断面図である。 図５（ａ）から図５（ｄ）は、実施例１の変形例４に係る弾性波デバイスの製造方法を示す断面図である。 図６（ａ）は、実施例２に係るフィルタの回路図、図６（ｂ）は実施例２の変形例１のデュプレクサの回路図である。 図７（ａ）は、実施例２に係るフィルタの斜視図、図７（ｂ）は図７（ａ）のＡ－Ａ断面図である。

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、圧電基板１０および１２の間に弾性波共振器２０が設けられている。弾性波共振器２０はＩＤＴ（Inter Digital Transducer）２２および反射器２４を有する。反射器２４はＩＤＴ２２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１０と１２との間に設けられた金属膜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１０および１２は、単結晶タンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ_３）基板、単結晶ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ_３）基板または水晶基板であり、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。金属膜１４は、例えばＡｌ（アルミニウム）、Ｃｕ（銅）またはＭｏ（モリブデン）を主成分とする膜である。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。

［シミュレーション］
実施例１および圧電基板１２を備えていない比較例１についてアドミッタンスをシミュレーションした。シミュレーション条件は以下である。
弾性波の波長λ：５．５μｍ（電極指１５のピッチ×２）
圧電基板１０：厚さが４λの４２°回転ＹカットＸ伝搬タンタル酸リチウム基板
圧電基板１２：厚さが０．５５λの４２°回転ＹカットＸ伝搬タンタル酸リチウム基板
金属膜１４：厚さが０．１１λのアルミニウム膜
圧電基板１０と１２ともＸ方向を結晶方位のＸ軸方向とした。
シミュレーションは電極指１５が１対について、Ｘ方向の境界条件を周期条件として２．５次元の有限要素法を用い行った。

図２（ａ）および図２（ｂ）は、それぞれ比較例１および実施例１における周波数に対するアドミッタンスを示す図である。図２（ａ）に示すように、比較例１では共振周波数ｆｒおよび反共振周波数ｆａが観察される。図２（ｂ）に示すように、実施例１では、比較例１に比べ共振周波数ｆｒおよび反共振周波数ｆａが大きくなる。これは圧電基板１２を設けることで音速が速くなったためである。共振周波数ｆｒおよび反共振周波数ｆａ付近に副共振は観測されず、共振周波数ｆｒおよび反共振周波数ｆａのピークは急峻である。また、シミュレーションにおける変移方向から比較例１および実施例１とも圧電基板１０の上面にＳＨ（Shear Horizontal）波が励振されている。さらに、実施例１では、圧電基板１２の下面にＳＨ波が励振されている。これにより、実施例１は比較例１に比べ共振特性の劣化はない。

圧電基板１２の比誘電率は真空より高く、例えばタンタル酸リチウムの比誘電率は約５０である。このため、一対の櫛型電極１８間の静電容量を大きくできる。よって、同じ入出力インピーダンスを有する弾性波共振器では実施例１は比較例１より面積を小さくでき、小型化が可能となる。また、櫛型電極１８から圧電基板１２に放熱するため放熱効果を高めることができる。さらに、比較例１では熱応力等により櫛型電極１８が圧電基板１０から剥がれることがある。実施例１では、圧電基板１０と１２で櫛型電極１８を挟むため櫛型電極１８の剥がれを抑制できる。

図３（ａ）から図４（ｂ）は、実施例１およびその変形例に係る弾性波デバイスの断面図である。図３（ａ）に示すように、実施例１では、圧電基板１０上に金属膜１４により形成される電極指１５を有する弾性波共振器２０が設けられている。金属膜１４上に圧電基板１２が設けられている。電極指１５間は空隙３０（空気層）である。電極指１５は例えば圧電基板１０および１２に接している。圧電基板１０の厚さＴ０は例えば５０μｍから３００μｍである。金属膜１４の厚さＴ４は例えば０．１λ程度であり、０．０５μｍから３μｍである。圧電基板１２の厚さＴ２は例えば１０μｍから１００μｍである。

［実施例１の変形例１］
図３（ｂ）に示すように、実施例１の変形例１では、圧電基板１０は支持基板１１ａ上に接合されている。支持基板１１ａは、例えば、サファイア基板、アルミナ基板、シリコン基板、石英基板、水晶基板またはスピネル基板である。サファイア基板は単結晶酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３）基板である。アルミナ基板は多結晶酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３）基板である。シリコン基板は単結晶または多結晶シリコン（Ｓｉ）基板である。石英基板はアモルファス酸化シリコン（ＳｉＯ_２）基板である。水晶基板は単結晶酸化シリコン（ＳｉＯ_２）基板である。スピネル基板は単結晶または多結晶ＭｇＡｌ_２Ｏ_３基板である。支持基板１１ａのＸ方向の線膨張係数は圧電基板１０のＸ方向の線膨張係数より小さい。これにより、周波数温度係数を小さくできる。

支持基板１１ａの厚さＴ１ａは例えば５０μｍから３００μｍである。圧電基板１０および１２の厚さＴ０およびＴ２は各々例えば０．５μｍから２０μｍである。圧電基板１０および１２の厚さＴ０およびＴ２を弾性波の波長以下とすることで損失およびバルク波に起因したスプリアス等を抑制できる。支持基板１１ａと圧電基板１０との間には酸化シリコン膜または酸化アルミニウム膜等の絶縁膜が設けられていてもよい。このように、支持基板１１ａは圧電基板１０に直接または間接的に接合されている。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２］
図３（ｃ）に示すように、実施例１の変形例２では、圧電基板１２上に支持基板１１ｂが接合されている。支持基板１１ｂは、例えば、サファイア基板、アルミナ基板、シリコン基板、石英基板、水晶基板またはスピネル基板である。支持基板１１ｂ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、周波数温度係数を小さくできる。支持基板１１ｂの厚さＴ１ｂは例えば０．５μｍから２０μｍである。支持基板１１ｂと圧電基板１２との間には酸化シリコン膜または酸化アルミニウム膜等の絶縁膜が設けられていてもよい。このように、支持基板１１ｂが圧電基板１２に直接または間接的に接合されている。圧電基板１０および１２の厚さＴ０およびＴ２は互いに略等しいことが好ましい。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の変形例３］
図４（ａ）に示すように、実施例１の変形例３では、圧電基板１０と１２との間の電極指１５間に誘電体層３２が設けられている。誘電体層３２は、例えば酸化シリコン膜、窒化シリコン膜または酸化アルミニウム膜等の無機絶縁体または樹脂等の有機絶縁体である。誘電体層３２が弾性波を吸収しない観点から誘電体層３２は無機絶縁体が好ましい。誘電体層３２により放熱経路を形成でき、放熱性を向上できる。また、圧電基板１０と１２との結合を強固にできる。

誘電体層３２の弾性定数の温度係数の符号を圧電基板１０および１２の弾性定数の温度係数の符号と正負を反対とすることで、周波数温度係数を小さくできる。この観点から誘電体層３２は酸化シリコン膜が好ましい。酸化シリコン膜は弗素等の不純物を含んでいてもよい。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１および２において、誘電体層３２を設けてもよい。

［実施例１の変形例４］
図４（ｂ）に示すように、実施例１の変形例４では、圧電基板１０と１２との間の電極指１５間は空隙３０である。電極指１５を囲むように圧電基板１０と１２との間に封止層３４が設けられている。封止層３４は、電極指１５等の弾性波共振器２０を空隙３０に封止する。封止層３４は、例えば金、銅もしくは半田等の金属層または無機絶縁体もしくは樹脂等の絶縁層である。封止層３４により、弾性波共振器２０を気密封止でき、水分等による弾性波共振器２０の劣化を抑制できる。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１および２において、封止層３４を設けてもよい。

［実施例１の変形例４の製造方法］
図５（ａ）から図５（ｄ）は、実施例１の変形例４に係る弾性波デバイスの製造方法を示す断面図である。図５（ａ）に示すように、圧電基板１０上に金属膜１４からなる弾性波共振器２０を形成する。図５（ｂ）に示すように、圧電基板１０上に弾性波共振器２０を囲む封止層３４を形成する。

封止層３４の厚さは金属膜１４の厚さと略等しい。図５（ｃ）に示すように、金属膜１４および封止層３４上に圧電基板１２を接合する。金属膜１４および封止層３４と圧電基板１２との接合には表面活性化法を用いる。金属膜１４および封止層３４と圧電基板１２の間には１ｎｍから１０ｎｍのアモルファス層が形成されることがある。アモルファス層の厚さは金属膜１４の厚さに比べ十分小さく、金属膜１４および封止層３４と圧電基板１２とは、実質的に直接接合される。

図５（ｄ）に示すように、圧電基板１２の上面をＣＭＰ（Chemical Mechanical Polishing）法を用い研磨することにより、圧電基板１２を所望の厚さとする。以上により実施例１の変形例４に係る弾性波デバイスが製造される。

実施例１およびその変形例によれば、一対の櫛型電極１８は圧電基板１０（第１圧電基板）と圧電基板１２（第２圧電基板）とに挟まれている。これにより、一対の櫛型電極１８間の静電容量を大きくでき、弾性波デバイスの小型化が可能となる。また、放熱効果を高めることができる。さらに、櫛型電極１８を挟むため櫛型電極１８の剥がれを抑制できる。

圧電基板１０および１２は一対の櫛型電極１８に接する。これにより、共振特性が劣化することなく、弾性波デバイスの小型化が可能となる。

圧電基板１０および１２の主成分は互いに同じである。これにより、圧電基板１０の表面を伝搬する弾性波と圧電基板１２の表面を伝搬する弾性波の特性をほぼ同じにできる。よって、副共振等のスプリアスを抑制できる。なお、主成分とは意図的または意図せず含まれる不純物を含まない。

圧電基板１０および１２は、ＹカットＸ伝搬タンタル酸リチウム基板またはＹカットＸ伝搬ニオブ酸リチウム基板である。圧電基板１０および１２のＹカット角の差は１０°以下であり、平面視において圧電基板１０のＸ軸方向と圧電基板１２のＸ軸方向のなす角度は１０°以下である。これにより、圧電基板１０の表面を伝搬する弾性波と圧電基板１２の表面を伝搬する弾性波の特性をほぼ同じにできる。よって、副共振等のスプリアスを抑制できる。圧電基板１０および１２のＹカット角の差は５°以下が好ましく、２°以下がより好ましい。圧電基板１０および１２のＸ結晶方位の差は５°以下が好ましく、２°以下がより好ましい。

圧電基板１０および１２が回転ＹカットＸ伝搬タンタル酸リチウム基板の場合、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とする。これにより、櫛型電極１８は主にＳＨ（Shear Horizontal）波を励振する。

実施例１の変形例１および２のように、圧電基板１０の一対の櫛型電極１８が設けられた面と反対の面に直接または間接的に接合された支持基板１１ａ（第１支持基板）を備える。これにより、周波数温度係数を小さくできる。

実施例１の変形例２のように、圧電基板１２の一対の櫛型電極１８が設けられた面と反対の面に直接または間接的に接合された支持基板１１ｂ（第２支持基板）を備える。これにより、周波数温度係数を小さくできる。

実施例１の変形例３のように、誘電体層３２は、圧電基板１０と１２との間において、複数の電極指１５間に設けられている。これにより、放熱性を向上できる。また、圧電基板１０と１２との間の接合性を高めることができる。

実施例１およびその変形例１、２および４のように、圧電基板１０と１２との間において、複数の電極指１５間は空隙３０でもよい。実施例１の変形例４のように、封止層３４は、圧電基板１０と１２との間に設けられ、一対の櫛型電極１８を空隙３０に封止する。これにより、簡単な構造で、弾性波共振器２０を空隙３０に封止できる。

図６（ａ）は、実施例２に係るフィルタの回路図、図６（ｂ）は実施例２の変形例１のデュプレクサの回路図である。図６（ａ）および図６（ｂ）に示すように、入力端子Ｔｉｎと出力端子Ｔｏｕｔとの間に直列共振器Ｓ１からＳ３が直列に接続され、並列共振器Ｐ１およびＰ２が並列に接続されている。並列共振器Ｐ１およびＰ２の一端がグランドに接続されている。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およびその変形例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。

図６（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。

実施例２の変形例１では、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。

図７（ａ）は、実施例２に係るフィルタの斜視図、図７（ｂ）は図７（ａ）のＡ－Ａ断面図である。図７（ａ）では圧電基板１２を透視して圧電基板１０の上面を図示している。

図７（ａ）および図７（ｂ）に示すように、支持基板１１ａ上に圧電基板１０が接合されている。圧電基板１０の上面には弾性波共振器２０、配線２８および封止層３４が設けられている。複数の弾性波共振器２０は直列共振器Ｓ１からＳ３、並列共振器Ｐ１およびＰ２を含む。配線２８はパッドＰｉｎ、ＰｏｕｔおよびＰｇを含む。直列共振器Ｓ１からＳ３は、パッドＰｉｎとＰｏｕｔとの間に配線２８を介し直列に接続され、並列共振器Ｐ１およびＰ２はパッドＰｉｎとＰｏｕｔとの間に配線２８を介し並列に接続されている。

封止層３４は圧電基板１０および１２の周縁において複数の弾性波共振器２０および配線２８を囲むように設けられている。封止層３４は弾性波共振器２０および配線２８を空隙３０に封止する。支持基板１１ａの下面に端子３８が設けられている。端子３８は、入力端子Ｔｉｎ、出力端子Ｔｏｕｔおよびグランド端子を含む。圧電基板１０および支持基板１１ａを貫通するビア配線３６が設けられている。ビア配線３６は、配線２８と端子３８とを電気的に接続する。パッドＰｉｎ、ＰｏｕｔおよびＰｇは、それぞれ入力端子Ｔｉｎ、出力端子Ｔｏｕｔおよびグランド端子と電気的に接続されている。

図７（ａ）のように、フィルタが有する複数の弾性波共振器２０を１つの封止層３４により封止してもよい。支持基板１１ａは設けられていなくてもよいし、圧電基板１２上に支持基板１１ｂが接合されていてもよい。

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、１２ 圧電基板
１１ａ、１１ｂ 支持基板
１４ 金属膜
１５ 電極指
１８ 櫛型電極
２０ 弾性波共振器
２２ ＩＤＴ
２８ 配線
３０ 空隙
３２ 誘電体層
３４ 封止層
４０ 送信フィルタ
４２ 受信フィルタ

Claims (10)

1. 第１圧電基板と、
   第２圧電基板と、
   前記第１圧電基板と前記第２圧電基板とに挟まれ、前記第１圧電基板および前記第２圧電基板の厚さ方向において対向する第１面および第２面を有し前記第１面と前記第２面との間に連続的に設けられた金属層から形成され、複数の電極指を有する一対の櫛型電極と、
   を備え、
   前記第１面は前記第１圧電基板に接し、前記第２面は前記第２圧電基板に接するように、前記第１圧電基板および前記第２圧電基板は前記一対の櫛型電極に接し、
   前記第１圧電基板と前記第２圧電基板との間において、前記複数の電極指間に設けられ、前記第１圧電基板および前記第２圧電基板の弾性定数の温度係数の符号と反対の弾性定数の温度係数の符号を有する誘電体層を備える、または、前記第１圧電基板と前記第２圧電基板との間において、前記複数の電極指間は空隙である弾性波デバイス。
2. 前記第１圧電基板および前記第２圧電基板の主成分は互いに同じである請求項１に記載の弾性波デバイス。
3. 前記第１圧電基板および前記第２圧電基板は、ＹカットＸ伝搬タンタル酸リチウム基板またはＹカットＸ伝搬ニオブ酸リチウム基板であり、
   前記第１圧電基板および前記第２圧電基板のＹカット角の差は１０°以下であり、
   平面視において前記第１圧電基板のＸ軸方向と前記第２圧電基板のＸ軸方向のなす角度は１０°以下である請求項２に記載の弾性波デバイス。
4. 前記第１圧電基板の前記一対の櫛型電極が設けられた面と反対の面に直接または間接的に接合された第１支持基板を備える請求項１から３のいずれか一項に記載の弾性波デバイス。
5. 前記第２圧電基板の前記一対の櫛型電極が設けられた面と反対の面に直接または間接的に接合された第２支持基板を備える請求項４に記載の弾性波デバイス。
6. 前記第１圧電基板と前記第２圧電基板との間において、前記複数の電極指間に設けられた誘電体層を備える請求項１から５のいずれか一項に記載の弾性波デバイス。
7. 前記第１圧電基板と前記第２圧電基板との間において、前記複数の電極指間は空隙である請求項１から５のいずれか一項に記載の弾性波デバイス。
8. 前記第１圧電基板と前記第２圧電基板との間に設けられ、前記一対の櫛型電極を前記空隙に封止する封止層を備える請求項７に記載の弾性波デバイス。
9. 請求項１から８のいずれか一項に記載の弾性波デバイスを含むフィルタ。
10. 請求項９に記載のフィルタを含むマルチプレクサ。

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