JPH10335974A - 弾性境界波素子 - Google Patents
弾性境界波素子Info
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- JPH10335974A JPH10335974A JP13992197A JP13992197A JPH10335974A JP H10335974 A JPH10335974 A JP H10335974A JP 13992197 A JP13992197 A JP 13992197A JP 13992197 A JP13992197 A JP 13992197A JP H10335974 A JPH10335974 A JP H10335974A
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Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
- H03H—IMPEDANCE NETWORKS, e.g. RESONANT CIRCUITS; RESONATORS
- H03H9/00—Networks comprising electromechanical or electro-acoustic elements; Electromechanical resonators
- H03H9/02—Details
- H03H9/0222—Details of interface-acoustic, boundary, pseudo-acoustic or Stonely wave devices
-
- H—ELECTRICITY
- H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
- H03H—IMPEDANCE NETWORKS, e.g. RESONANT CIRCUITS; RESONATORS
- H03H3/00—Apparatus or processes specially adapted for the manufacture of impedance networks, resonating circuits, resonators
- H03H3/007—Apparatus or processes specially adapted for the manufacture of impedance networks, resonating circuits, resonators for the manufacture of electromechanical resonators or networks
- H03H3/08—Apparatus or processes specially adapted for the manufacture of impedance networks, resonating circuits, resonators for the manufacture of electromechanical resonators or networks for the manufacture of resonators or networks using surface acoustic waves
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
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- Manufacturing & Machinery (AREA)
- Surface Acoustic Wave Elements And Circuit Networks Thereof (AREA)
Abstract
(57)【要約】
【課題】 フィルタや共振子などに用いる圧電特性に優
れ、設計の自由度が大きい弾性境界波素子を提供する。 【解決手段】 弾性境界波素子は、2枚の圧電性基板の
直接接合構造、または、3枚の圧電性基板の直接接合構
造からなる。ここで、前記の基板の少なくとも一枚の基
板が圧電体単結晶であり、かつ、少なくとも一方の基板
の一方主面上に櫛形電極が形成される。櫛形電極が形成
された面が界面となるように前記基板を原子レベルで直
接接合する。以上の構成によって、圧電特性に優れ、設
計の自由度が大きい弾性境界波素子が得られる。
れ、設計の自由度が大きい弾性境界波素子を提供する。 【解決手段】 弾性境界波素子は、2枚の圧電性基板の
直接接合構造、または、3枚の圧電性基板の直接接合構
造からなる。ここで、前記の基板の少なくとも一枚の基
板が圧電体単結晶であり、かつ、少なくとも一方の基板
の一方主面上に櫛形電極が形成される。櫛形電極が形成
された面が界面となるように前記基板を原子レベルで直
接接合する。以上の構成によって、圧電特性に優れ、設
計の自由度が大きい弾性境界波素子が得られる。
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、フィルタや共振子
などに用いる弾性境界波素子に関するものである。
などに用いる弾性境界波素子に関するものである。
【0002】
【従来の技術】近年、移動体通信技術の進歩発展によ
り、通信機器の小型、軽量、高性能化が進んでいる。こ
れらの機器には必ず発振器や高周波フィルタが必要であ
り、これらの発振器や高周波フィルタに対しても小型、
軽量、高性能化が求められている。従来よりこれらの発
振器や高周波フィルタには弾性表面波素子が広く用いら
れてきた。弾性表面波素子は、弾性波が主に固体表面を
伝搬するデバイスである。したがって固体表面およびそ
の近傍の状態が弾性表面波の伝搬特性に大きく影響を及
ぼす。具体的には弾性波が伝搬する固体表面近傍のガ
ス、水蒸気などが影響を与える。したがって弾性波が伝
搬する基板表面に空間を保持する必要があり、たとえば
弾性表面波素子をパッケージに入れ不活性ガスを充填し
て封止を行なっていた。このように弾性表面波素子には
パッケージが必要であり、発振器や高周波フィルタの大
きさはパッケージの大きさで決まる。そのため発振器や
高周波フィルタの小型化、軽量化には限界があった。
り、通信機器の小型、軽量、高性能化が進んでいる。こ
れらの機器には必ず発振器や高周波フィルタが必要であ
り、これらの発振器や高周波フィルタに対しても小型、
軽量、高性能化が求められている。従来よりこれらの発
振器や高周波フィルタには弾性表面波素子が広く用いら
れてきた。弾性表面波素子は、弾性波が主に固体表面を
伝搬するデバイスである。したがって固体表面およびそ
の近傍の状態が弾性表面波の伝搬特性に大きく影響を及
ぼす。具体的には弾性波が伝搬する固体表面近傍のガ
ス、水蒸気などが影響を与える。したがって弾性波が伝
搬する基板表面に空間を保持する必要があり、たとえば
弾性表面波素子をパッケージに入れ不活性ガスを充填し
て封止を行なっていた。このように弾性表面波素子には
パッケージが必要であり、発振器や高周波フィルタの大
きさはパッケージの大きさで決まる。そのため発振器や
高周波フィルタの小型化、軽量化には限界があった。
【0003】上記の問題を解決するものとして弾性境界
波素子がある。弾性境界波素子は、2つの固体を接合さ
せた境界面にエネルギーを集中させて、弾性波が主に接
合界面を伝搬するデバイスである。弾性境界波素子は、
境界面が露出していないためパッケージが不要であり、
そのため発振器や高周波フィルタの小型化と軽量化が可
能となる。従来の弾性境界波素子、たとえば弾性境界波
フィルタや弾性境界波共振子では、圧電基板に櫛形電極
を形成したのち非圧電層をスパッタ等の成膜法で形成す
る。または、非圧電基板に櫛形電極を形成したのち圧電
層をスパッタ等の成膜法で形成し、さらに前記圧電層に
非圧電層をスパッタ等の方法で形成する。前記電極に交
番電界を加えることによって弾性境界波を励振している
(日本学術振興会弾性表面波素子技術第150委員会第
9回研究資料、pp.17−22)。以下に従来の弾性
境界波素子について説明する。図11は、従来の弾性境
界波素子を示す。弾性境界波素子は、圧電体基板71、
非圧電体層72、櫛形電極73、74、73'、74'を
用いて構成される。圧電体基板71上に櫛形電極73、
74、73'、74'が形成され、電極形成面上にスパッ
タなどの成膜法により非圧電体層72が形成される。
波素子がある。弾性境界波素子は、2つの固体を接合さ
せた境界面にエネルギーを集中させて、弾性波が主に接
合界面を伝搬するデバイスである。弾性境界波素子は、
境界面が露出していないためパッケージが不要であり、
そのため発振器や高周波フィルタの小型化と軽量化が可
能となる。従来の弾性境界波素子、たとえば弾性境界波
フィルタや弾性境界波共振子では、圧電基板に櫛形電極
を形成したのち非圧電層をスパッタ等の成膜法で形成す
る。または、非圧電基板に櫛形電極を形成したのち圧電
層をスパッタ等の成膜法で形成し、さらに前記圧電層に
非圧電層をスパッタ等の方法で形成する。前記電極に交
番電界を加えることによって弾性境界波を励振している
(日本学術振興会弾性表面波素子技術第150委員会第
9回研究資料、pp.17−22)。以下に従来の弾性
境界波素子について説明する。図11は、従来の弾性境
界波素子を示す。弾性境界波素子は、圧電体基板71、
非圧電体層72、櫛形電極73、74、73'、74'を
用いて構成される。圧電体基板71上に櫛形電極73、
74、73'、74'が形成され、電極形成面上にスパッ
タなどの成膜法により非圧電体層72が形成される。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】上記の弾性境界波デバ
イスは、薄膜プロセスを用いて積層構造を形成する。こ
の場合、基板と膜材料の組合せに制限を受ける。たとえ
ば膜材料として圧電体を選ぶとき、圧電特性を出すため
には少なくとも結晶方向を一方向にそろえて配向させる
ことが必要であるが、配向させるためには、基板と膜材
料の組み合わせがきわめて限定される。また膜の配向方
向も限定される。また、スパッタリングなどにより形成
した圧電膜は弾性的性質のばらつきが大きく、バルク単
結晶に比べて圧電特性が劣る。望ましくはエピタキシャ
ル成長技術により圧電単結晶薄膜を形成するのが好まし
いが、エピタキシャル成長ができる基板は限られ、基板
と膜材料の組合せはさらに限定される。また、様々な用
途の弾性境界波素子に対応するには、任意の基板と圧電
体の組合せによる積層構造が求められるが、従来の成膜
による方法では組合せが極めて限定される。また、薄膜
プロセスでは基板加熱が必要であるため残留応力が問題
となる。具体的には、基板冷却過程において過度に応力
が残留した場合に基板を破壊することがある。基板破壊
に至らない場合でも、基板に反りが生じ、フォトリソグ
ラフィをプロセスに用いる場合には不具合の原因にな
る。また、弾性境界波素子には積層基板表面において弾
性境界波の変位が実質的になくなる程度の基板厚みが必
要であるが、成膜による場合、十分な厚さの膜の堆積に
は時間がかかり実用上問題があった。また、積層の手段
として接着剤を用いた場合には、接着層の薄さには限度
があり、さらに、接着層の厚さを均一にすることが難し
い。また、接着層において弾性境界波は著しく減衰し、
好ましい特性は得られない。また、時間とともに接着層
の弾性的性質も変化する。本発明の目的は、任意のバル
ク基板材料での積層構造を接着層なしに実現し、かつ櫛
形電極を界面に形成することを可能とし、特性設計や製
造が容易で特性が安定した弾性境界波素子を提供するこ
とである。
イスは、薄膜プロセスを用いて積層構造を形成する。こ
の場合、基板と膜材料の組合せに制限を受ける。たとえ
ば膜材料として圧電体を選ぶとき、圧電特性を出すため
には少なくとも結晶方向を一方向にそろえて配向させる
ことが必要であるが、配向させるためには、基板と膜材
料の組み合わせがきわめて限定される。また膜の配向方
向も限定される。また、スパッタリングなどにより形成
した圧電膜は弾性的性質のばらつきが大きく、バルク単
結晶に比べて圧電特性が劣る。望ましくはエピタキシャ
ル成長技術により圧電単結晶薄膜を形成するのが好まし
いが、エピタキシャル成長ができる基板は限られ、基板
と膜材料の組合せはさらに限定される。また、様々な用
途の弾性境界波素子に対応するには、任意の基板と圧電
体の組合せによる積層構造が求められるが、従来の成膜
による方法では組合せが極めて限定される。また、薄膜
プロセスでは基板加熱が必要であるため残留応力が問題
となる。具体的には、基板冷却過程において過度に応力
が残留した場合に基板を破壊することがある。基板破壊
に至らない場合でも、基板に反りが生じ、フォトリソグ
ラフィをプロセスに用いる場合には不具合の原因にな
る。また、弾性境界波素子には積層基板表面において弾
性境界波の変位が実質的になくなる程度の基板厚みが必
要であるが、成膜による場合、十分な厚さの膜の堆積に
は時間がかかり実用上問題があった。また、積層の手段
として接着剤を用いた場合には、接着層の薄さには限度
があり、さらに、接着層の厚さを均一にすることが難し
い。また、接着層において弾性境界波は著しく減衰し、
好ましい特性は得られない。また、時間とともに接着層
の弾性的性質も変化する。本発明の目的は、任意のバル
ク基板材料での積層構造を接着層なしに実現し、かつ櫛
形電極を界面に形成することを可能とし、特性設計や製
造が容易で特性が安定した弾性境界波素子を提供するこ
とである。
【0005】
【課題を解決するための手段】本発明の第1の弾性境界
波素子は、第1の基板と、第2の基板と、弾性波を励振
するための櫛形電極とからなる。前記第1および第2の
基板の少なくとも一方の基板が圧電体単結晶であり、か
つ、少なくとも一方の基板の一方主面上に周期的に形成
された凹部に前記櫛形電極が形成される。前記櫛形電極
が形成された面が界面となるように前記第1および前記
第2の基板が直接接合される。直接接合は、接合界面と
なる基板表面を清浄化、親水化処理して、重ね合わせ熱
処理することによる酸素原子を介した原子レベルの接合
である。この構造において、弾性波が主として前記第1
の基板と前記第2の基板の接合界面を伝搬することを特
徴とする。このような構成をとることにより、圧電特性
に優れ、設計の自由度が大きい弾性境界波素子を提供で
きる。また、本発明の第2の弾性境界波素子は、第1の
基板と、第2の基板と、前記第1の基板と第2の基板に
よって挟まれた第3の基板と、弾性波を励振するための
櫛形電極からなる。前記第1および第2、第3の基板の
少なくとも1つの基板が圧電体単結晶であり、かつ、少
なくとも1つの基板の一方主面上に周期的に形成された
凹部に前記櫛形電極が形成される。前記第1および第
2、第3の基板が、前記櫛形電極が形成された面が界面
となるようにして互いに直接接合される。直接接合は、
接合界面となる基板表面を清浄化、親水化処理して、重
ね合わせ熱処理することによる酸素原子を介した原子レ
ベルの接合である。この構造において、弾性波が主とし
て前記第3の基板を伝搬することを特徴とする。このよ
うな構成をとることにより、圧電特性に優れ、設計の自
由度が大きい弾性境界波素子を提供できる。また前記す
べての基板が圧電体単結晶であってもよい。また前記少
なくとも1つの基板が、珪素、酸化珪素および酸化珪素
を主成分とする物質から選ばれたものであってもよい。
また前記櫛形電極が金を主成分とする合金であってもよ
い。また前記櫛形電極に保護層が形成されていてもよ
い。
波素子は、第1の基板と、第2の基板と、弾性波を励振
するための櫛形電極とからなる。前記第1および第2の
基板の少なくとも一方の基板が圧電体単結晶であり、か
つ、少なくとも一方の基板の一方主面上に周期的に形成
された凹部に前記櫛形電極が形成される。前記櫛形電極
が形成された面が界面となるように前記第1および前記
第2の基板が直接接合される。直接接合は、接合界面と
なる基板表面を清浄化、親水化処理して、重ね合わせ熱
処理することによる酸素原子を介した原子レベルの接合
である。この構造において、弾性波が主として前記第1
の基板と前記第2の基板の接合界面を伝搬することを特
徴とする。このような構成をとることにより、圧電特性
に優れ、設計の自由度が大きい弾性境界波素子を提供で
きる。また、本発明の第2の弾性境界波素子は、第1の
基板と、第2の基板と、前記第1の基板と第2の基板に
よって挟まれた第3の基板と、弾性波を励振するための
櫛形電極からなる。前記第1および第2、第3の基板の
少なくとも1つの基板が圧電体単結晶であり、かつ、少
なくとも1つの基板の一方主面上に周期的に形成された
凹部に前記櫛形電極が形成される。前記第1および第
2、第3の基板が、前記櫛形電極が形成された面が界面
となるようにして互いに直接接合される。直接接合は、
接合界面となる基板表面を清浄化、親水化処理して、重
ね合わせ熱処理することによる酸素原子を介した原子レ
ベルの接合である。この構造において、弾性波が主とし
て前記第3の基板を伝搬することを特徴とする。このよ
うな構成をとることにより、圧電特性に優れ、設計の自
由度が大きい弾性境界波素子を提供できる。また前記す
べての基板が圧電体単結晶であってもよい。また前記少
なくとも1つの基板が、珪素、酸化珪素および酸化珪素
を主成分とする物質から選ばれたものであってもよい。
また前記櫛形電極が金を主成分とする合金であってもよ
い。また前記櫛形電極に保護層が形成されていてもよ
い。
【0006】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につい
て添付の図面を参照しながら詳細に説明する。 (実施の形態1)図1は、本発明の弾性境界波素子の第
1の実施の形態の1部切欠斜視図であり、図2は、図1
のa−a'部での断面図である。図1と図2に示す弾性
境界波素子は、圧電体単結晶基板11、圧電体単結晶基
板12、櫛形電極13、14、13'、14'を用いて構
成されている。一方の圧電体単結晶基板11の接合面に
は凹部が所定の周期で形成されており、前記凹部には櫛
形電極13、14、13'、14'が形成されている。図
3は、圧電体単結晶基板11と圧電体単結晶基板12を
それぞれ示したものであり、図1と図2に示すデバイス
では、圧電体単結晶基板11と圧電体単結晶基板12と
が直接接合により、接着剤なしに積層化されている。な
お、第1および第2の基板11、12の少なくとも一方
の基板が圧電体単結晶であればよいが、本実施形態で
は、両基板とも単結晶基板である。弾性境界波素子とし
ての動作は、櫛形電極13、14に交番電界を印加する
ことにより弾性境界波が励振され、両圧電体基板11、
12の間の界面に沿って弾性境界波が伝搬する。この弾
性境界波は櫛形電極13'、14'で再び電気信号に変換
される。なお、図1と図2には、櫛形電極を用いた弾性
境界波の基本構成を示しているが、フィルタや共振子に
する場合には、櫛形電極の数や構成を必要に応じて変更
する。
て添付の図面を参照しながら詳細に説明する。 (実施の形態1)図1は、本発明の弾性境界波素子の第
1の実施の形態の1部切欠斜視図であり、図2は、図1
のa−a'部での断面図である。図1と図2に示す弾性
境界波素子は、圧電体単結晶基板11、圧電体単結晶基
板12、櫛形電極13、14、13'、14'を用いて構
成されている。一方の圧電体単結晶基板11の接合面に
は凹部が所定の周期で形成されており、前記凹部には櫛
形電極13、14、13'、14'が形成されている。図
3は、圧電体単結晶基板11と圧電体単結晶基板12を
それぞれ示したものであり、図1と図2に示すデバイス
では、圧電体単結晶基板11と圧電体単結晶基板12と
が直接接合により、接着剤なしに積層化されている。な
お、第1および第2の基板11、12の少なくとも一方
の基板が圧電体単結晶であればよいが、本実施形態で
は、両基板とも単結晶基板である。弾性境界波素子とし
ての動作は、櫛形電極13、14に交番電界を印加する
ことにより弾性境界波が励振され、両圧電体基板11、
12の間の界面に沿って弾性境界波が伝搬する。この弾
性境界波は櫛形電極13'、14'で再び電気信号に変換
される。なお、図1と図2には、櫛形電極を用いた弾性
境界波の基本構成を示しているが、フィルタや共振子に
する場合には、櫛形電極の数や構成を必要に応じて変更
する。
【0007】この弾性境界波素子の製造プロセスは、櫛
形電極の形成と直接接合の大きく2つのプロセスに分か
れる。まず櫛形電極の形成について説明する。図4に櫛
形電極の形成法を手順をおって示す。はじめに圧電体単
結晶基板11を洗浄したのち、フォトレジストマスク1
5を形成する(a)。次にフォトレジストマスク15を
形成した基板面11をフッ酸系水溶液でエッチングして
周期的に凹部を形成する(b)。次に凹部を形成した面
に真空蒸着法によって金属膜16を形成する(c)。金
属膜16の厚みは、好ましくは凹部の深さと同等もしく
はわずかに薄いのが良い。最後にフォトレジストマスク
15を除去する(d)。このとき凹部以外の金属膜も剥
離し、凹部のみに金属膜16が残る。
形電極の形成と直接接合の大きく2つのプロセスに分か
れる。まず櫛形電極の形成について説明する。図4に櫛
形電極の形成法を手順をおって示す。はじめに圧電体単
結晶基板11を洗浄したのち、フォトレジストマスク1
5を形成する(a)。次にフォトレジストマスク15を
形成した基板面11をフッ酸系水溶液でエッチングして
周期的に凹部を形成する(b)。次に凹部を形成した面
に真空蒸着法によって金属膜16を形成する(c)。金
属膜16の厚みは、好ましくは凹部の深さと同等もしく
はわずかに薄いのが良い。最後にフォトレジストマスク
15を除去する(d)。このとき凹部以外の金属膜も剥
離し、凹部のみに金属膜16が残る。
【0008】櫛形電極は、以下のように形成しても良
い。図5に櫛形電極の形成法を手順をおって示す。はじ
めに圧電体単結晶基板11を洗浄したのち、フォトレジ
ストマスク15を形成する(a)。つぎにフォトレジス
トマスク15を形成した基板11をフッ酸系水溶液でエ
ッチングして周期的に凹部を形成する(b)。続いて、
フォトレジストマスク15を除去する(c)。次に凹部
を形成した面に真空蒸着法により金属膜16を形成する
(d)。ここで金属膜16の厚みは、好ましくは凹部の
深さと同等もしくはわずか厚いのが良い。最後に前記凹
部以外の金属膜16を除去するため、砥粒を用いた研磨
(メカノケミカル−ポリッシング)によって金属膜16
および圧電体単結晶基板11の表面を削り落とす
(e)。以上のプロセスによって凹部のみに金属膜16
が残る。上述の弾性境界波素子では櫛形電極は真空蒸着
により形成したが、スパッタリングなど他の形成法を用
いても良い。また、本実施の形態では、直接接合プロセ
スの親水化処理においてアルカリ系溶液を使用するた
め、櫛形電極の材料として金を主成分とする金属を使用
した。金を主成分とはしない金属でも、櫛形電極形成の
後に保護膜を形成することによって、本実施の形態にお
ける直接接合プロセスを問題なく行える。
い。図5に櫛形電極の形成法を手順をおって示す。はじ
めに圧電体単結晶基板11を洗浄したのち、フォトレジ
ストマスク15を形成する(a)。つぎにフォトレジス
トマスク15を形成した基板11をフッ酸系水溶液でエ
ッチングして周期的に凹部を形成する(b)。続いて、
フォトレジストマスク15を除去する(c)。次に凹部
を形成した面に真空蒸着法により金属膜16を形成する
(d)。ここで金属膜16の厚みは、好ましくは凹部の
深さと同等もしくはわずか厚いのが良い。最後に前記凹
部以外の金属膜16を除去するため、砥粒を用いた研磨
(メカノケミカル−ポリッシング)によって金属膜16
および圧電体単結晶基板11の表面を削り落とす
(e)。以上のプロセスによって凹部のみに金属膜16
が残る。上述の弾性境界波素子では櫛形電極は真空蒸着
により形成したが、スパッタリングなど他の形成法を用
いても良い。また、本実施の形態では、直接接合プロセ
スの親水化処理においてアルカリ系溶液を使用するた
め、櫛形電極の材料として金を主成分とする金属を使用
した。金を主成分とはしない金属でも、櫛形電極形成の
後に保護膜を形成することによって、本実施の形態にお
ける直接接合プロセスを問題なく行える。
【0009】次に直接接合プロセスについて説明する。
まず、直接接合しようとする圧電体単結晶基板(凹部が
形成されている)11の表面ならびに圧電体単結晶基板
12の表面を清浄化する。続いて親水化処理する。具体
的には例えばアンモニア−過酸化水素溶液に浸すことに
より、表面に水酸基が容易に付着するようになり親水化
される。次に純水で十分洗浄する。これにより2枚の基
板11、12の表面に水酸基が付着する。この状態で前
記2枚の基板を重ね合わせると、主として水酸基の水素
結合により前記2枚の基板が吸着する。これにより、圧
電体単結晶基板11の表面ならびに圧電体単結晶基板1
2の表面が原子レベルで結合し、両基板の直接接合構造
が実現される。以上の直接接合プロセスは常温で行う。
まず、直接接合しようとする圧電体単結晶基板(凹部が
形成されている)11の表面ならびに圧電体単結晶基板
12の表面を清浄化する。続いて親水化処理する。具体
的には例えばアンモニア−過酸化水素溶液に浸すことに
より、表面に水酸基が容易に付着するようになり親水化
される。次に純水で十分洗浄する。これにより2枚の基
板11、12の表面に水酸基が付着する。この状態で前
記2枚の基板を重ね合わせると、主として水酸基の水素
結合により前記2枚の基板が吸着する。これにより、圧
電体単結晶基板11の表面ならびに圧電体単結晶基板1
2の表面が原子レベルで結合し、両基板の直接接合構造
が実現される。以上の直接接合プロセスは常温で行う。
【0010】このままでも十分な接合強度が得られてい
るが、さらに接合強度を強固にするために、その吸着状
態のままで、100℃以上の温度で数10分から数10
時間熱処理することにより、接合界面から水構成成分が
次第に抜けていく。本実施の形態においては約200℃
で10時間の熱処理を行っている。この熱処理によっ
て、水酸基の水素結合主体の結合から、酸素や水素、ま
た基板構成原子の関わる結合が進み、基板構成原子同士
の接合が徐々に始まり、接合は強化される。特に、珪素
や炭素、酸素がある場合、共有結合が進み、接合は強化
される。
るが、さらに接合強度を強固にするために、その吸着状
態のままで、100℃以上の温度で数10分から数10
時間熱処理することにより、接合界面から水構成成分が
次第に抜けていく。本実施の形態においては約200℃
で10時間の熱処理を行っている。この熱処理によっ
て、水酸基の水素結合主体の結合から、酸素や水素、ま
た基板構成原子の関わる結合が進み、基板構成原子同士
の接合が徐々に始まり、接合は強化される。特に、珪素
や炭素、酸素がある場合、共有結合が進み、接合は強化
される。
【0011】直接接合は、2つの物質の間の、接着剤を
介さない原子レベルの接合構造をいう。本実施形態で
は、直接接合は、接合界面となる基板表面を清浄化、親
水化処理して、重ね合わせ熱処理することにより実現さ
れる、酸素原子を介した原子レベルの化学結合構造であ
る。直接接合は、結晶格子すなわち原子オーダーの精度
で接合されていることから、接合界面の弾性的な不連続
はないため、接合界面における弾性波の伝搬損失は極め
て小さい。また、直接接合を用いるので、接合自体は常
温で起こるため、接合において基板に残留応力は生じな
い。また、直接接合を用いるので、薄膜形成プロセスと
は異なり、バルクの圧電的、弾性的性質を保ったまま、
また任意の材料組合せで、かつ任意の結晶方位で複合積
層基板が得られる。このため、様々な用途の弾性境界波
素子に対応できる。また、バルク基板どうしを接合して
いるため、膜のように成膜時間を必要とせず、実用的な
時間内で弾性境界波素子を作製できる。また、一方の基
板に設けた凹部内にのみ電極膜を形成することができ、
直接接合によって界面に櫛形電極を容易に埋め込むこと
を可能にしている。また、圧電体単結晶基板11、12
のいずれか一方の基板を低熱膨張率ガラス基板または石
英基板に置き換えた構造でも、上述の弾性境界波素子と
同様の効果が得られる。さらにこの構造については、低
熱膨張率ガラス基板または石英基板は、エッチングが容
易に行える材料であるため凹部が形成しやすい。さらに
弾性波の伝搬特性の温度依存性が改善される効果があ
る。また、圧電体単結晶基板11、12のいずれか一方
の基板を珪素基板に置き換えた構造でも、前記弾性境界
波素子と同様の効果が得られる。さらにこの構造につい
ては、半導体回路との複合化によるデバイスの小型化と
いう効果がある。以上のように、本実施の形態によれ
ば、バルク基板と同等に圧電特性、弾性特性に優れ、設
計の自由度が大きい弾性境界波素子を提供できる。な
お、本実施の形態では圧電体基板11に凹部を形成し櫛
形電極を形成したが、他方の圧電体基板12に凹部を形
成し櫛形電極を形成しても同様の効果が得られるのは言
うまでもない。
介さない原子レベルの接合構造をいう。本実施形態で
は、直接接合は、接合界面となる基板表面を清浄化、親
水化処理して、重ね合わせ熱処理することにより実現さ
れる、酸素原子を介した原子レベルの化学結合構造であ
る。直接接合は、結晶格子すなわち原子オーダーの精度
で接合されていることから、接合界面の弾性的な不連続
はないため、接合界面における弾性波の伝搬損失は極め
て小さい。また、直接接合を用いるので、接合自体は常
温で起こるため、接合において基板に残留応力は生じな
い。また、直接接合を用いるので、薄膜形成プロセスと
は異なり、バルクの圧電的、弾性的性質を保ったまま、
また任意の材料組合せで、かつ任意の結晶方位で複合積
層基板が得られる。このため、様々な用途の弾性境界波
素子に対応できる。また、バルク基板どうしを接合して
いるため、膜のように成膜時間を必要とせず、実用的な
時間内で弾性境界波素子を作製できる。また、一方の基
板に設けた凹部内にのみ電極膜を形成することができ、
直接接合によって界面に櫛形電極を容易に埋め込むこと
を可能にしている。また、圧電体単結晶基板11、12
のいずれか一方の基板を低熱膨張率ガラス基板または石
英基板に置き換えた構造でも、上述の弾性境界波素子と
同様の効果が得られる。さらにこの構造については、低
熱膨張率ガラス基板または石英基板は、エッチングが容
易に行える材料であるため凹部が形成しやすい。さらに
弾性波の伝搬特性の温度依存性が改善される効果があ
る。また、圧電体単結晶基板11、12のいずれか一方
の基板を珪素基板に置き換えた構造でも、前記弾性境界
波素子と同様の効果が得られる。さらにこの構造につい
ては、半導体回路との複合化によるデバイスの小型化と
いう効果がある。以上のように、本実施の形態によれ
ば、バルク基板と同等に圧電特性、弾性特性に優れ、設
計の自由度が大きい弾性境界波素子を提供できる。な
お、本実施の形態では圧電体基板11に凹部を形成し櫛
形電極を形成したが、他方の圧電体基板12に凹部を形
成し櫛形電極を形成しても同様の効果が得られるのは言
うまでもない。
【0012】(実施の形態2)図6は、本発明の弾性境
界波素子の第2の実施の形態の1部切欠斜視図であり、
図7は、図6のa−a'部での断面図である。図6と図
7に示すように、弾性境界波素子は、圧電体単結晶基板
41、圧電体単結晶基板42、圧電体単結晶基板43、
櫛形電極44、45、44'、45'を用いて構成されて
いる。圧電体単結晶基板41の接合面には所定の周期で
凹部が形成されており、前記凹部には前記櫛形電極が形
成されている。図3は、圧電体単結晶基板41、圧電体
単結晶基板42および圧電体単結晶基板43をそれぞれ
示したものであり、圧電体単結晶基板41、圧電体単結
晶基板42および圧電体単結晶基板43は互いに直接接
合により積層化されている。なお、3枚の基板41、4
2、43の少なくとも1枚の基板が圧電体単結晶であれ
ばよいが、本実施形態では、3枚の基板がすべて単結晶
基板である。弾性境界波素子として動作するとき、櫛形
電極44、45に交番電界を印加することにより弾性境
界波が励振され、前記界面に沿って前記弾性境界波が伝
搬する。ここで、第2の圧電体単結晶基板42の厚さを
薄くすると、第1の実施形態の弾性境界波素子と異な
り、弾性境界波は、主に圧電体単結晶基板42内を伝搬
する。弾性境界波は櫛形電極44'、45'で再び電気信
号に変換される。この実施の形態では、櫛形電極を用い
た弾性境界波素子の基本構成を示しているが、第1の実
施形態と同様に、実際にフィルタや共振子にする場合に
は、櫛形電極の数や構成を必要に応じて変更する。
界波素子の第2の実施の形態の1部切欠斜視図であり、
図7は、図6のa−a'部での断面図である。図6と図
7に示すように、弾性境界波素子は、圧電体単結晶基板
41、圧電体単結晶基板42、圧電体単結晶基板43、
櫛形電極44、45、44'、45'を用いて構成されて
いる。圧電体単結晶基板41の接合面には所定の周期で
凹部が形成されており、前記凹部には前記櫛形電極が形
成されている。図3は、圧電体単結晶基板41、圧電体
単結晶基板42および圧電体単結晶基板43をそれぞれ
示したものであり、圧電体単結晶基板41、圧電体単結
晶基板42および圧電体単結晶基板43は互いに直接接
合により積層化されている。なお、3枚の基板41、4
2、43の少なくとも1枚の基板が圧電体単結晶であれ
ばよいが、本実施形態では、3枚の基板がすべて単結晶
基板である。弾性境界波素子として動作するとき、櫛形
電極44、45に交番電界を印加することにより弾性境
界波が励振され、前記界面に沿って前記弾性境界波が伝
搬する。ここで、第2の圧電体単結晶基板42の厚さを
薄くすると、第1の実施形態の弾性境界波素子と異な
り、弾性境界波は、主に圧電体単結晶基板42内を伝搬
する。弾性境界波は櫛形電極44'、45'で再び電気信
号に変換される。この実施の形態では、櫛形電極を用い
た弾性境界波素子の基本構成を示しているが、第1の実
施形態と同様に、実際にフィルタや共振子にする場合に
は、櫛形電極の数や構成を必要に応じて変更する。
【0013】ところで弾性境界波素子の製造プロセス
は、櫛形電極の形成と直接接合の大きく2つのプロセス
に分かれる。まず、櫛形電極の形成法について説明す
る。図9に櫛形電極の形成法を手順をおって示す。以後
の櫛形電極の形成法は第1の実施形態と同様である。は
じめに圧電体単結晶基板41を洗浄したのち、フォトレ
ジストマスク46を形成する(a)。次にフォトレジス
トマスク46を形成した基板面をフッ酸系水溶液でエッ
チングして周期的に凹部を形成する(b)。次に前記凹
部を形成した面に真空蒸着法によって金属膜47を形成
する(c)。ここで金属膜47の厚みは、好ましくは前
記凹部の深さと同等もしくはわずかに薄いのが良い。最
後にフォトレジストマスク46を除去する(d)。この
とき前記凹部以外の金属膜も剥離し、前記凹部のみに金
属膜47が残る。
は、櫛形電極の形成と直接接合の大きく2つのプロセス
に分かれる。まず、櫛形電極の形成法について説明す
る。図9に櫛形電極の形成法を手順をおって示す。以後
の櫛形電極の形成法は第1の実施形態と同様である。は
じめに圧電体単結晶基板41を洗浄したのち、フォトレ
ジストマスク46を形成する(a)。次にフォトレジス
トマスク46を形成した基板面をフッ酸系水溶液でエッ
チングして周期的に凹部を形成する(b)。次に前記凹
部を形成した面に真空蒸着法によって金属膜47を形成
する(c)。ここで金属膜47の厚みは、好ましくは前
記凹部の深さと同等もしくはわずかに薄いのが良い。最
後にフォトレジストマスク46を除去する(d)。この
とき前記凹部以外の金属膜も剥離し、前記凹部のみに金
属膜47が残る。
【0014】また、櫛形電極は、以下のように形成して
も良い。図10に櫛形電極の形成法を手順をおって示
す。はじめに圧電体単結晶基板41を洗浄したのち、フ
ォトレジストマスク46を形成する(a)。つぎにフォ
トレジストマスク46を形成した基板をフッ酸系水溶液
でエッチングして周期的に凹部を形成する(b)。続い
て、フォトレジストマスク46を除去する(c)。次に
凹部を形成した面に真空蒸着法により金属膜47を形成
する(d)。金属膜47の厚みは、好ましくは凹部の深
さと同等もしくはわずか厚いのが良い。最後に凹部以外
の金属膜47を除去するため、砥粒を用いた研磨(メカ
ノケミカル−ポリッシング)によって金属膜47および
圧電体単結晶基板41の表面を削り落とす(e)。以上
のプロセスによって前記凹部のみに金属膜47が残る。
上述の弾性境界波素子では櫛形電極は真空蒸着により形
成したが、スパッタリングなど他の形成法を用いても良
い。また、本実施の形態では、直接接合プロセスの親水
化処理においてアルカリ系溶液を使用するため、櫛形電
極の材料として金を主成分とする金属を使用した。金を
主成分とはしない金属でも、櫛形電極形成の後に保護膜
を形成することによって、本実施の形態における直接接
合プロセスを問題なく行える。
も良い。図10に櫛形電極の形成法を手順をおって示
す。はじめに圧電体単結晶基板41を洗浄したのち、フ
ォトレジストマスク46を形成する(a)。つぎにフォ
トレジストマスク46を形成した基板をフッ酸系水溶液
でエッチングして周期的に凹部を形成する(b)。続い
て、フォトレジストマスク46を除去する(c)。次に
凹部を形成した面に真空蒸着法により金属膜47を形成
する(d)。金属膜47の厚みは、好ましくは凹部の深
さと同等もしくはわずか厚いのが良い。最後に凹部以外
の金属膜47を除去するため、砥粒を用いた研磨(メカ
ノケミカル−ポリッシング)によって金属膜47および
圧電体単結晶基板41の表面を削り落とす(e)。以上
のプロセスによって前記凹部のみに金属膜47が残る。
上述の弾性境界波素子では櫛形電極は真空蒸着により形
成したが、スパッタリングなど他の形成法を用いても良
い。また、本実施の形態では、直接接合プロセスの親水
化処理においてアルカリ系溶液を使用するため、櫛形電
極の材料として金を主成分とする金属を使用した。金を
主成分とはしない金属でも、櫛形電極形成の後に保護膜
を形成することによって、本実施の形態における直接接
合プロセスを問題なく行える。
【0015】次に直接接合プロセスについて説明する。
まず直接接合しようとする圧電体単結晶基板(凹部が形
成される)41の表面ならびに圧電体単結晶基板42の
表面、圧電体単結晶基板43の表面を清浄化する。続い
て親水化処理する。具体的には例えばアンモニア-過酸
化水素溶液に浸すことにより、表面に水酸基が容易に付
着するようになり親水化される。次に純水で十分洗浄す
る。これにより3枚の基板41〜43の表面に水酸基が
付着する。この状態で3枚の基板41〜43を重ね合わ
せると、主として水酸基の水素結合により3枚の基板4
1〜43が吸着する。以上の直接接合プロセスは常温で
行う。
まず直接接合しようとする圧電体単結晶基板(凹部が形
成される)41の表面ならびに圧電体単結晶基板42の
表面、圧電体単結晶基板43の表面を清浄化する。続い
て親水化処理する。具体的には例えばアンモニア-過酸
化水素溶液に浸すことにより、表面に水酸基が容易に付
着するようになり親水化される。次に純水で十分洗浄す
る。これにより3枚の基板41〜43の表面に水酸基が
付着する。この状態で3枚の基板41〜43を重ね合わ
せると、主として水酸基の水素結合により3枚の基板4
1〜43が吸着する。以上の直接接合プロセスは常温で
行う。
【0016】このままでも十分な接合強度が得られてい
るが、さらに接合強度を強固にするために、その吸着状
態のままで、100℃以上の温度で数10分から数10
時間熱処理することにより、接合界面から水構成成分が
次第に抜けていく。本実施の形態においては約200℃
で10時間の熱処理を行っている。この熱処理によっ
て、水酸基の水素結合主体の結合から、酸素や水素、ま
た基板構成原子の関わる結合が進み、基板構成原子同士
の接合が徐々に始まり、接合は強化される。特に、珪素
や炭素、酸素がある場合、共有結合が進み、接合は強化
される。
るが、さらに接合強度を強固にするために、その吸着状
態のままで、100℃以上の温度で数10分から数10
時間熱処理することにより、接合界面から水構成成分が
次第に抜けていく。本実施の形態においては約200℃
で10時間の熱処理を行っている。この熱処理によっ
て、水酸基の水素結合主体の結合から、酸素や水素、ま
た基板構成原子の関わる結合が進み、基板構成原子同士
の接合が徐々に始まり、接合は強化される。特に、珪素
や炭素、酸素がある場合、共有結合が進み、接合は強化
される。
【0017】直接接合は、結晶格子すなわち原子オーダ
ーの精度で接合されていることから、接合界面の弾性的
な不連続はないため、接合界面における弾性波の伝搬損
失は極めて小さい。また、直接接合を用いれば、接合自
体は常温で起こるため、接合において基板に残留応力は
生じない。また、直接接合を用いると、薄膜形成プロセ
スとは異なり、バルクの圧電的、弾性的性質を保ったま
ま、また任意の材料組合せで、かつ任意の結晶方位で複
合積層基板が得られるため、様々な用途の弾性境界波素
子に対応できる。また、バルク基板どうしを接合してい
るため、膜を堆積するための時間を必要とせず、実用的
な時間内で弾性境界波素子を作成できる。また、本実施
形態では一方の基板に設けた凹部内にのみ電極膜を形成
することができ、直接接合によって界面に櫛形電極を容
易に埋め込むことを可能にしている。また、本実施形態
における圧電体単結晶基板41、43をともに低熱膨張
率ガラス基板に置き換えた構造でも前記弾性境界波素子
と同様の効果が得られる。さらにこの構造については、
前記低熱膨張率ガラス基板に凹部を形成しやすくなり、
また弾性波の伝搬特性の温度依存性が改善される効果が
ある。また、本実施形態における圧電体単結晶基板42
を石英に置き換えた構造でも前記弾性境界波素子と同様
の効果が得られる。さらにこの構造については、弾性波
の伝搬特性の温度依存性が改善される効果がある。以上
のように本実施形態によれば、バルク基板と同等に圧電
特性、弾性特性に優れ、設計の自由度が大きい弾性境界
波素子を提供できる。
ーの精度で接合されていることから、接合界面の弾性的
な不連続はないため、接合界面における弾性波の伝搬損
失は極めて小さい。また、直接接合を用いれば、接合自
体は常温で起こるため、接合において基板に残留応力は
生じない。また、直接接合を用いると、薄膜形成プロセ
スとは異なり、バルクの圧電的、弾性的性質を保ったま
ま、また任意の材料組合せで、かつ任意の結晶方位で複
合積層基板が得られるため、様々な用途の弾性境界波素
子に対応できる。また、バルク基板どうしを接合してい
るため、膜を堆積するための時間を必要とせず、実用的
な時間内で弾性境界波素子を作成できる。また、本実施
形態では一方の基板に設けた凹部内にのみ電極膜を形成
することができ、直接接合によって界面に櫛形電極を容
易に埋め込むことを可能にしている。また、本実施形態
における圧電体単結晶基板41、43をともに低熱膨張
率ガラス基板に置き換えた構造でも前記弾性境界波素子
と同様の効果が得られる。さらにこの構造については、
前記低熱膨張率ガラス基板に凹部を形成しやすくなり、
また弾性波の伝搬特性の温度依存性が改善される効果が
ある。また、本実施形態における圧電体単結晶基板42
を石英に置き換えた構造でも前記弾性境界波素子と同様
の効果が得られる。さらにこの構造については、弾性波
の伝搬特性の温度依存性が改善される効果がある。以上
のように本実施形態によれば、バルク基板と同等に圧電
特性、弾性特性に優れ、設計の自由度が大きい弾性境界
波素子を提供できる。
【0018】なお、本実施形態では圧電体基板41に凹
部を形成したが、圧電体基板42もしくは圧電体基板4
3に凹部を形成しても同様の効果が得られるのは言うま
でもない。また圧電体基板41のみに凹部を形成した
が、他の基板42または43の界面にも併せて凹部を形
成しても良い。また、本実施形態では3枚の基板を一括
して直接接合したが、2枚の基板を直接接合したのち残
りの1枚の基板を接合済みの基板に直接接合しても同様
の効果が得られる。
部を形成したが、圧電体基板42もしくは圧電体基板4
3に凹部を形成しても同様の効果が得られるのは言うま
でもない。また圧電体基板41のみに凹部を形成した
が、他の基板42または43の界面にも併せて凹部を形
成しても良い。また、本実施形態では3枚の基板を一括
して直接接合したが、2枚の基板を直接接合したのち残
りの1枚の基板を接合済みの基板に直接接合しても同様
の効果が得られる。
【0019】
【発明の効果】本発明の第1の弾性境界波素子は、第1
の基板と第2の基板の直接接合構造からなるので、弾性
波が主として前記第1の基板と前記第2の基板の接合界
面を伝搬する。また、本発明の第2の弾性境界波素子
は、第1〜第3の基板の直接接合構造からなるので、弾
性波が主として前記第3の基板を伝搬する。界面が直接
接合構造からなるので、圧電的、弾性的性質に優れ、ま
た設計の自由度の大きい弾性境界波素子を実現できる。
の基板と第2の基板の直接接合構造からなるので、弾性
波が主として前記第1の基板と前記第2の基板の接合界
面を伝搬する。また、本発明の第2の弾性境界波素子
は、第1〜第3の基板の直接接合構造からなるので、弾
性波が主として前記第3の基板を伝搬する。界面が直接
接合構造からなるので、圧電的、弾性的性質に優れ、ま
た設計の自由度の大きい弾性境界波素子を実現できる。
【図1】本発明の第1の実施の形態の弾性境界波素子の
1部切欠斜視図
1部切欠斜視図
【図2】前記の弾性境界波素子の断面図
【図3】圧電体単結晶基板と圧電体単結晶基板の斜視図
【図4】前記の弾性境界波素子の第1の電極形成法の説
明図
明図
【図5】前記の弾性境界波素子の第2の電極形成法の説
明図
明図
【図6】本発明の第2の実施の形態の弾性境界波素子の
1部切欠斜視図
1部切欠斜視図
【図7】前記の弾性境界波素子の断面図
【図8】圧電体単結晶基板と圧電体単結晶基板の斜視図
【図9】前記の弾性境界波素子の第1の電極形成法の説
明図
明図
【図10】前記の弾性境界波素子の第2の電極形成法の
説明図
説明図
【図11】従来の弾性境界波素子の断面図
11、12 圧電体単結晶基板 13、13'、14、14' 櫛形電極 16 金属層 41、42、43 圧電体単結晶基板 44、44'、45、45' 櫛形電極 47 金属層
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 田口 豊 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電器 産業株式会社内 (72)発明者 冨田 佳宏 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電器 産業株式会社内
Claims (8)
- 【請求項1】 第1の基板と、第2の基板と、弾性波を
励振するための櫛形電極とからなり、前記第1および第
2の基板の少なくとも一方の基板が圧電体単結晶であ
り、かつ、少なくとも一方の基板の一方主面上に周期的
に形成された凹部に前記櫛形電極が形成され、前記櫛形
電極が形成された面が界面となるように前記第1および
前記第2の基板の接合界面となる基板表面を清浄化、親
水化処理して、重ね合わせ熱処理することによって原子
レベルで直接接合されることを特徴とする弾性境界波素
子。 - 【請求項2】 前記のすべての基板が圧電体単結晶であ
ることを特徴とする請求項1に記載の弾性境界波素子。 - 【請求項3】 前記の第1と第2の基板のうち少なくと
も1つの基板が、珪素、酸化珪素および酸化珪素を主成
分とする物質から選ばれることを特徴とする請求項1ま
たは2に記載の弾性境界波素子。 - 【請求項4】 第1の基板と、第2の基板と、前記第1
の基板と第2の基板によって挟まれた第3の基板と、弾
性波を励振するための櫛形電極からなり、前記第1、第
2および第3の基板の少なくとも1つの基板が圧電体単
結晶であり、かつ、少なくとも1つの基板の一方主面上
に形成された凹部に前記櫛形電極が形成され、前記櫛形
電極が形成された面が少なくとも1つの界面となるよう
に前記第1、第2および第3の基板の接合界面となる基
板表面を清浄化、親水化処理して、重ね合わせ熱処理す
ることによって原子レベルで直接接合されることを特徴
とする弾性境界波素子。 - 【請求項5】 前記のすべての基板が圧電体単結晶であ
ることを特徴とする請求項4に記載の弾性境界波素子。 - 【請求項6】 前記の第1、第2および第3の基板のう
ち少なくとも1つの基板が、珪素、酸化珪素および酸化
珪素を主成分とする物質から選ばれることを特徴とする
請求項4または5に記載の弾性境界波素子。 - 【請求項7】 櫛形電極が金を主成分とする合金である
ことを特徴とする請求項1から6のいずれかに記載の弾
性境界波素子。 - 【請求項8】 櫛形電極に保護層が形成されたことを特
徴とする請求項1から7のいずれかに記載の弾性境界波
素子。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP13992197A JPH10335974A (ja) | 1997-05-29 | 1997-05-29 | 弾性境界波素子 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP13992197A JPH10335974A (ja) | 1997-05-29 | 1997-05-29 | 弾性境界波素子 |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JPH10335974A true JPH10335974A (ja) | 1998-12-18 |
Family
ID=15256765
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP13992197A Pending JPH10335974A (ja) | 1997-05-29 | 1997-05-29 | 弾性境界波素子 |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JPH10335974A (ja) |
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Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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-
1997
- 1997-05-29 JP JP13992197A patent/JPH10335974A/ja active Pending
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