KR20190109521A - 탄성파 장치, 탄성파 장치 패키지, 고주파 프론트 엔드 회로 및 통신 장치 - Google Patents
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Abstract
압전체를 전파하는 제1 고차 모드의 응답을 억제할 수 있는 탄성파 장치를 제공한다.
실리콘으로 구성되는 지지 기판(2) 상에 산화규소막(3), 압전체(4) 및 IDT 전극(5)이 적층되어 있는 탄성파 장치(1). IDT 전극(5)의 전극지 피치로 정해지는 파장을 λ로 했을 때에, 지지 기판(2)의 두께가 3λ 이상이다. 압전체(4)를 전파하는 제1 고차 모드의 음속이 하기의 식(2)에서 도출되는 x의 해(V1, V2, V3) 중 V1에 의해 규정되는 지지 기판 내를 전파하는 벌크파의 음속(VSi)=(V1)1/2과 동일하거나, VSi보다도 고속이다.
Ax3＋Bx2＋Cx＋D=0 …식(2)
실리콘으로 구성되는 지지 기판(2) 상에 산화규소막(3), 압전체(4) 및 IDT 전극(5)이 적층되어 있는 탄성파 장치(1). IDT 전극(5)의 전극지 피치로 정해지는 파장을 λ로 했을 때에, 지지 기판(2)의 두께가 3λ 이상이다. 압전체(4)를 전파하는 제1 고차 모드의 음속이 하기의 식(2)에서 도출되는 x의 해(V1, V2, V3) 중 V1에 의해 규정되는 지지 기판 내를 전파하는 벌크파의 음속(VSi)=(V1)1/2과 동일하거나, VSi보다도 고속이다.
Ax3＋Bx2＋Cx＋D=0 …식(2)
Description
본 발명은 실리콘으로 구성되는 지지 기판 상에 압전체가 마련되어 있는 탄성파 장치에 관한 것이다.
종래, 실리콘으로 구성되는 지지 기판을 이용한 탄성파 장치가 다양하게 제안되고 있다.
하기의 특허문헌 1에서는, 실리콘제의 지지 기판 상에 유기 접착층과 압전 기판을 적층하여 이루어지는 탄성파 장치가 개시되어 있다. 그리고 실리콘의 (111)면에서 접합시킴으로써 내열성을 높이고 있다.
특허문헌 1에 기재된 탄성파 장치에서는, 실리콘으로 구성되는 지지 기판의 결정 방위에 의해서는 지지 기판을 전파하는 벌크파의 음속이 압전체를 전파하는 고차 모드의 음속보다도 높은 경우가 있다. 이 경우, 지지 기판 측에 누설되어야 할 고차 모드가, 지지 기판보다도 상층의 위치에 틀어박혀 고차 모드에 의한 응답이 커지는 경우가 있다는 문제가 있었다.
그리고 상기 고차 모드가 압전체를 전파하는 메인 모드보다도 주파수가 높으면서 메인 모드의 응답에 가장 주파수가 가까운 제1 고차 모드인 경우에는, 제1 고차 모드가 메인 모드의 응답에 가까운 위치에 있기 때문에, 필터 특성에 악영향을 줄 가능성이 있다.
한편, 여기서 말하는 메인 모드란, 탄성파 장치가 대역 통과형 필터용 공진자인 경우에는 필터의 통과 대역 내에 공진 주파수 및 반공진 주파수 중 적어도 한쪽이 존재하고 있으면서 공진 주파수에서의 임피던스와 반공진 주파수에서의 임피던스의 차가 가장 큰 파의 모드이다. 또한, 탄성파 장치가 필터인 경우에는 필터의 통과 대역을 형성하기 위해 사용되는 파의 모드이다.
본 발명의 목적은 압전체를 전파하는 상기 제1 고차 모드에 의한 응답을 억제할 수 있는 탄성파 장치, 탄성파 장치 패키지, 고주파 프론트 엔드 회로 및 통신 장치를 제공하는 것에 있다.
본 발명은 실리콘으로 구성되는 지지 기판과, 상기 지지 기판 상에 마련된 산화규소막과, 상기 산화규소막 상에 마련된 압전체와, 상기 압전체의 한쪽 주면(主面) 상에 마련된 IDT 전극을 포함하고, 상기 IDT 전극의 전극지(電極指) 피치로 정해지는 파장을 λ로 했을 때에, 상기 지지 기판의 두께가 3λ 이상이며, 상기 압전체를 전파하는 제1 고차 모드의 음속이 상기 지지 기판 내를 전파하는 벌크파의 음속인 하기의 식(1)의 음속(VSi)과 동일하거나, 또는 상기 음속(VSi)보다도 고속인 탄성파 장치이다.
본 발명에서 음속(VSi)은 이하의 식(1)로 나타내진다.
VSi= (V1)1/2(m/초) …식(1)
식(1)에서의 상기 V1은 하기의 식(2)의 해이다.
Ax3+Bx2+Cx+D=0 …식(2)
식(2)에서 A, B, C 및 D는 각각 하기의 식(2A)~(2D)로 나타내지는 값이다.
A=-ρ3 …식(2A)
B=ρ2(L11+L22+L33) …식(2B)
C=ρ(L21 2+L23 2+L31 2-L11·L33-L22·L33-L11·L22) …식(2C)
D=2·L21·L23·L31+L11·L22·L33-L31 2·L22-L11·L23 2-L21 2·L33 …식(2D)
단, 식(2A), 식(2B), 식(2C) 또는 식(2D)에서 ρ=2.331(g/㎤)이다. 또한, L11, L22, L33, L21, L31 및 L23은 하기의 식(3A)~(3F)로 나타내지는 값이다.
L11=c11·a1 2+c44·a2 2+c44·a3 2 …식(3A)
L22=c44·a1 2+c11·a2 2+c44·a3 2 …식(3B)
L33=c44·a1 2+c44·a2 2+c11·a3 2 …식(3C)
L21=(c12+c44)·a2·a1 …식(3D)
L31=(c12+c44)·a1·a3 …식(3E)
L23=(c44+c12)·a3·a2 …식(3F)
단, 식(3A)~(3F)에서 c11, c12, c44는 각각 c11=1.674E+11(N/㎡), c12=6.523E+10(N/㎡), c44=7.957E+10(N/㎡)이다. 또한, a1, a2 및 a3은 하기의 식(4A)~(4C)로 나타내지는 값이다.
a1=cos(φ)·cos(ψ)-sin(φ)·cos(θ)·sin(ψ) …식(4A)
a2=sin(φ)·cos(ψ)+cos(φ)·cos(θ)·sin(ψ) …식(4B)
a3=sin(θ)·sin(ψ) …식(4C)
한편, 식(4A)~(4C)에서의 φ, θ 및 ψ는 상기 지지 기판의 결정 방위(φ, θ, ψ)에서의 φ, θ, ψ이다.
본 발명에 따른 탄성파 장치의 어느 특정 국면에서는 상기 지지 기판의 두께가 20λ 이상이다. 이 경우에는 지지 기판의 두께가 20λ 이상인 것에 의해 더욱이, 주파수가 높은 제2 고차 모드의 응답도 억제할 수 있다.
본 발명에 따른 탄성파 장치의 다른 특정 국면에서는 상기 산화규소막의 막 두께가 하기의 표 1에 나타내는 범위 중 어느 하나이다. 이 경우에는 제2 고차 모드를 억제하는 것이 가능해진다.
본 발명에 따른 탄성파 장치의 또 다른 특정 국면에서는 상기 산화규소막의 막 두께가 하기의 표 2에 나타내는 범위 중 어느 하나이다. 이 경우에는 제1 고차 모드를 한층 더 억제하는 것이 가능해진다.
본 발명에 따른 탄성파 장치의 다른 특정 국면에서는 상기 식(1)에서의 상기 V1은 상기 식(2)의 해(V1, V2, V3) 중 가장 작은 값이다. 이 경우에는 고차 모드의 응답을 한층 더 효과적으로 억제할 수 있다.
본 발명에 따른 탄성파 장치에서는, 바람직하게는 상기 지지 기판의 상기 음속(VSi)은 4700m/초 이하이다. 이 경우에는 산화규소막의 막 두께가 1.20λ 이하인 범위에서 고차 모드의 응답을 작게 할 수 있다.
본 발명에 따른 탄성파 장치의 다른 특정 국면에서는 상기 지지 기판의 두께가 180㎛ 이하이다. 이 경우에는 방열성을 높일 수 있으면서 저배화(低背化: low profile)를 실현할 수 있다.
본 발명에 따른 탄성파 장치의 다른 특정 국면에서는 상기 압전체의 막 두께는 3.5λ 이하이다. 이 경우에는 탄성파의 에너지 집중도를 높일 수 있고, 손실을 저감하는 것이 가능해진다.
본 발명에 따른 탄성파 장치의 다른 특정 국면에서는 상기 압전체의 막 두께는 2.5λ 이하로 되어있다. 이 경우에는 디바이스의 주파수 온도 계수(TCF)의 절대값을 작게 하는 것이 가능해진다.
본 발명에 따른 탄성파 장치의 또 다른 특정 국면에서는 상기 압전체의 막 두께는 1.5λ 이하로 되어 있다. 이 경우에는 전기기계 결합 계수를 용이하게 조정할 수 있다.
본 발명에 따른 탄성파 장치의 다른 특정 국면에서는 상기 압전체의 막 두께는 0.5λ 이하로 되어 있다. 이 경우에는 압전체의 막 두께를 0.5λ 이하로 함으로써 넓은 범위에서 전기기계 결합 계수를 용이하게 조정할 수 있다.
본 발명에 따른 탄성파 장치의 다른 특정 국면에서는 상기 압전체가 LiTaO3으로 이루어진다.
본 발명에 따른 탄성파 장치의 또 다른 특정 국면에서는 상기 산화규소막을 전파하는 벌크파의 음속이 상기 압전체를 전파하는 탄성파의 음속보다도 느리다. 이 경우에는 고차 모드를 한층 더 효과적으로 산화규소막 측으로 누설시킬 수 있다.
본 발명에 따른 탄성파 장치의 또 다른 특정 국면에서는 상기 지지 기판을 전파하는 벌크파의 음속이 상기 압전체를 전파하는 탄성파의 음속보다도 빠르다.
본 발명에 따른 탄성파 장치의 또 다른 특정 국면에서는 상기 산화규소막과 상기 지지 기판 사이에, 전파하는 벌크파의 음속이 상기 압전체를 전파하는 탄성파의 음속보다도 빠른 고음속 재료층이 더 포함되어 있다. 이 경우에는 고차 모드의 응답을 한층 더 효과적으로 억제할 수 있다.
본 발명에 따른 탄성파 장치의 또 다른 특정 국면에서는 상기 압전체와 상기 IDT 전극 사이에 마련된 유전체층이 더 포함되어 있다.
본 발명에 따른 탄성파 장치의 또 다른 특정 국면에서는 상기 유전체층이 산화규소 또는 오산화탄탈로 이루어진다. 특히, 산화규소의 경우는 양의 온도 특성(온도를 올리면 주파수가 올라가는 방향)을 가지기 때문에, 주파수 온도 특성을 개선할 수 있다.
본 발명에 따른 탄성파 장치의 다른 특정 국면에서는 상기 IDT 전극을 둘러싸는 지지층과, 상기 지지층을 덮고 있으며, 상기 IDT 전극을 둘러싸는 중공 공간을 구성하고 있는 커버 부재와, 상기 커버 부재 상에 마련되어 있고, 상기 IDT 전극에 전기적으로 접속되어 있는 복수개의 금속 범프가 더 포함되어 있다. 이 경우에는 WLP 구조를 가지는 본 발명의 탄성파 장치를 제공할 수 있다.
본 발명에 따른 탄성파 장치의 또 다른 특정 국면에서는 상기 IDT 전극을 둘러싸는 지지층과, 상기 지지층을 덮고 있으며, 상기 IDT 전극을 둘러싸는 중공 공간을 구성하고 있는 커버 부재를 더 포함하고, 상기 지지 기판에서 상기 지지 기판을 관통하고 있는 관통 전극과, 상기 관통 전극에 전기적으로 접속되어 있으며, 상기 지지 기판의 상기 IDT 전극이 마련되어 있는 측과는 반대측의 면에 마련되어 있는 단자 전극이 마련되어 있고, 상기 관통 전극이 상기 IDT 전극과 상기 단자 전극에 전기적으로 접속되어 있다. 이 경우에는 지지 기판에서의 IDT 전극이 마련되어 있는 측과는 반대측의 면에 단자 전극이 마련됨으로써, 커버 부재 측에 단자 전극을 마련하는 경우에 비해 소형화를 실현할 수 있다.
본 발명에 따른 탄성파 장치 패키지는 복수개의 전극 랜드가 한쪽 면에 마련된 케이스 기판과, 본 발명에 따라 구성되어 있는 탄성파 장치를 포함하고, 상기 IDT 전극에 전기적으로 접속되는 금속 범프가 상기 탄성파 장치에 마련되어 있으며, 상기 탄성파 장치의 상기 금속 범프가 상기 전극 랜드에 접합되도록 상기 케이스 기판에 탑재되어 있고, 상기 탄성파 장치를 봉지(封止)하도록 상기 케이스 기판 상에 마련된 봉지 수지층이 더 포함되어 있다.
본 발명에 따른 탄성파 패키지의 어느 특정 국면에서는 한쪽 면에 복수개의 전극 랜드가 마련된 케이스 기판과, 본 발명에 따라 구성되어 있고, WLP 구조를 가지는 탄성파 장치를 포함하며, 상기 케이스 기판의 상기 복수개의 전극 랜드에 상기 복수개의 금속 범프가 접합되도록 하여 상기 케이스 기판에 탑재되어 있고, 상기 탄성파 장치를 봉지하도록 마련된 봉지 수지층이 더 마련되어 있다. 이 경우, 커버 부재와 케이스 기판 사이에 틈을 가지고 있어도 된다.
본 발명에 따른 고주파 프론트 엔드 회로는 본 발명에 따라 구성된 탄성파 장치와 파워 앰프를 포함한다.
본 발명에 따른 통신 장치는 본 발명에 따라 구성된 고주파 프론트 엔드 회로와, RF 신호 처리 회로를 포함한다.
본 발명에 따른 탄성파 장치, 탄성파 장치 패키지, 고주파 프론트 엔드 회로 및 통신 장치에 의하면, 압전체를 전파하는 메인 모드보다도 주파수가 높으면서 메인 모드의 응답에 가장 주파수가 가까운 제1 고차 모드에 의한 응답을 억제할 수 있다.
도 1(a) 및 도 1(b)는 본 발명의 한 실시형태에 따른 탄성파 장치의 정면 단면도 및 한 실시형태에서의 탄성파 장치의 전극 구조를 나타내는 모식적 평면도이다.
도 2는 제1 및 제2 고차 모드를 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 실리콘으로 구성되는 지지 기판의 두께와, 제1 및 제2 고차 모드 위상 최대값의 관계를 나타내는 도면이다.
도 4는 실리콘으로 구성되는 지지 기판의 결정 방위의 정의를 설명하기 위한 모식도이다.
도 5는 실리콘으로 구성되는 지지 기판의 결정 방위(φ, θ, ψ)=(0°, 0°, 0°)일 때의 실리콘으로 구성되는 지지 기판의 X축과, IDT 전극의 전극지의 연장되는 방향의 관계를 나타내는 모식적 평면도이다.
도 6(a) 및 도 6(b)는 음속(VSi)이 5000m/초인 경우의 탄성파 장치 및 음속(VSi)이 4500m/초인 경우의 탄성파 장치의 임피던스 특성을 나타내는 도면이다.
도 7은 탄성파 장치에서의 LiTaO3막의 막 두께와 Q특성의 관계를 나타내는 도면이다.
도 8은 탄성파 장치에서의 LiTaO3막의 막 두께와 주파수 온도 계수(TCF)의 관계를 나타내는 도면이다.
도 9는 탄성파 장치에서의 LiTaO3막의 막 두께와 음속의 관계를 나타내는 도면이다.
도 10은 LiTaO3으로 이루어지는 압전막의 막 두께와 비대역의 관계를 나타내는 도면이다.
도 11은 산화규소막의 막 두께와 음속과 고음속막의 재질의 관계를 나타내는 도면이다.
도 12는 산화규소막의 막 두께와, 전기기계 결합 계수와, 고음속막의 재질의 관계를 나타내는 도면이다.
도 13은 산화규소막의 막 두께와, 고차 모드의 음속의 관계를 나타내는 도면이다.
도 14는 본 발명의 제2 실시형태에 따른 탄성파 장치의 정면 단면도이다.
도 15는 유전체층의 막 두께와, 비대역의 관계를 나타내는 도면이다.
도 16은 본 발명의 제3 실시형태에 따른 탄성파 장치의 정면 단면도이다.
도 17은 본 발명의 제4 실시형태에 따른 탄성파 장치 패키지의 정면 단면도이다.
도 18은 본 발명의 제5 실시형태에 따른 탄성파 장치 패키지의 정면 단면도이다.
도 19는 본 발명의 제6 실시형태에 따른 탄성파 장치의 정면 단면도이다.
도 20은 본 발명의 제7 실시형태에 따른 탄성파 장치 패키지의 정면 단면도이다.
도 21은 고주파 프론트 엔드 회로를 가지는 통신 장치의 구성도이다.
도 2는 제1 및 제2 고차 모드를 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 실리콘으로 구성되는 지지 기판의 두께와, 제1 및 제2 고차 모드 위상 최대값의 관계를 나타내는 도면이다.
도 4는 실리콘으로 구성되는 지지 기판의 결정 방위의 정의를 설명하기 위한 모식도이다.
도 5는 실리콘으로 구성되는 지지 기판의 결정 방위(φ, θ, ψ)=(0°, 0°, 0°)일 때의 실리콘으로 구성되는 지지 기판의 X축과, IDT 전극의 전극지의 연장되는 방향의 관계를 나타내는 모식적 평면도이다.
도 6(a) 및 도 6(b)는 음속(VSi)이 5000m/초인 경우의 탄성파 장치 및 음속(VSi)이 4500m/초인 경우의 탄성파 장치의 임피던스 특성을 나타내는 도면이다.
도 7은 탄성파 장치에서의 LiTaO3막의 막 두께와 Q특성의 관계를 나타내는 도면이다.
도 8은 탄성파 장치에서의 LiTaO3막의 막 두께와 주파수 온도 계수(TCF)의 관계를 나타내는 도면이다.
도 9는 탄성파 장치에서의 LiTaO3막의 막 두께와 음속의 관계를 나타내는 도면이다.
도 10은 LiTaO3으로 이루어지는 압전막의 막 두께와 비대역의 관계를 나타내는 도면이다.
도 11은 산화규소막의 막 두께와 음속과 고음속막의 재질의 관계를 나타내는 도면이다.
도 12는 산화규소막의 막 두께와, 전기기계 결합 계수와, 고음속막의 재질의 관계를 나타내는 도면이다.
도 13은 산화규소막의 막 두께와, 고차 모드의 음속의 관계를 나타내는 도면이다.
도 14는 본 발명의 제2 실시형태에 따른 탄성파 장치의 정면 단면도이다.
도 15는 유전체층의 막 두께와, 비대역의 관계를 나타내는 도면이다.
도 16은 본 발명의 제3 실시형태에 따른 탄성파 장치의 정면 단면도이다.
도 17은 본 발명의 제4 실시형태에 따른 탄성파 장치 패키지의 정면 단면도이다.
도 18은 본 발명의 제5 실시형태에 따른 탄성파 장치 패키지의 정면 단면도이다.
도 19는 본 발명의 제6 실시형태에 따른 탄성파 장치의 정면 단면도이다.
도 20은 본 발명의 제7 실시형태에 따른 탄성파 장치 패키지의 정면 단면도이다.
도 21은 고주파 프론트 엔드 회로를 가지는 통신 장치의 구성도이다.
이하, 도면을 참조하면서 본 발명의 구체적인 실시형태를 설명함으로써, 본 발명을 분명하게 한다.
한편, 본 명세서에 기재된 각 실시형태는 예시적인 것이며, 다른 실시형태 간에 구성의 부분적인 치환 또는 조합이 가능한 것을 지적해둔다.
도 1(a)는 본 발명의 한 실시형태에 따른 탄성파 장치의 정면 단면도이다. 탄성파 장치(1)는 실리콘으로 구성되는 지지 기판(2)을 가진다. 지지 기판(2)은 결정 방위를 가지고 있는 단결정 구조이다. 한편, 지지 기판(2)은 결정 방위를 가지고 있으면, 완전한 단결정 구조가 아니어도 된다. 더욱이, 지지 기판(2)으로서, 본 실시형태에서는 실리콘으로 구성되는 지지 기판(2)을 이용하고 있지만, 불순물을 일부 포함하는 것도 포함한다. 이는 제1 실시형태뿐만 아니라, 이하의 모든 실시형태에서도 동일하다.
지지 기판(2) 상에 산화규소막(3)이 적층되어 있다. 산화규소막(3)은 SiO2 등으로 이루어진다.
산화규소막(3) 상에 직접적 또는 간접적으로 압전체(4)가 적층되어 있다. 여기서는, 압전체(4)는 LiTaO3이다. 압전체(4)는 지지 기판(2) 상에 간접적으로 마련되어 있다. 압전체(4) 상에 IDT 전극(5)과 반사기(6, 7)가 마련되어 있다. 도 1(b)에 나타내는 바와 같이, 탄성파 장치(1)의 전극 구조는 상기 IDT 전극(5)과 반사기(6, 7)를 가진다. 탄성파 장치(1)는 1포트형 탄성파 공진자이다.
IDT 전극(5)은 압전체(4)의 상면(上面)에 마련되어 있는데, 하면(下面)에 마련되어 있어도 된다. IDT 전극(5) 상에 유전체막을 형성해도 된다.
한편, 본원 발명자는 IDT 전극(5)의 전극지 피치로 정해지는 파장을 λ로 한 경우에, 지지 기판(2)의 두께를 3λ 이상으로 함으로써 제1 고차 모드를 억제하는 것이 가능한 것을 새롭게 발견했다. 본 발명은 이 새로운 지견(知見)에 기초한다. 그것을 이하에 나타낸다.
탄성파 장치(1)에서는 복수개의 고차 모드가 출현하는 것이 보통이다. 도 2는 (0°, 0°, 0°)인 결정 방위의 실리콘으로 구성되는 지지 기판(2) 상에, 0.3λ의 두께인 산화규소막(3), 0.2λ의 두께인 압전체(4), 0.08λ의 두께인 Al로 이루어지는 IDT 전극(5) 및 반사기(6, 7)를 마련한 탄성파 장치의 공진 특성을 나타낸다. IDT 전극(5)에서의 전극지 피치로 정해지는 파장(λ)은 1㎛로 했다.
탄성파 장치(1)를 여진(勵振)한 경우, 메인 모드의 응답보다도 높은 주파수 영역에 복수개의 고차 모드의 응답이 나타난다. 이 중, 메인 모드의 응답에 가장 가까운 고차 모드를 제1 고차 모드, 제1 고차 모드 다음으로 메인 모드의 응답에 가까운 고차 모드를 제2 고차 모드로 한다.
한편, 메인 모드란, 탄성파 장치가 대역 통과형 필터용 공진자인 경우에는, 통과 대역 내에 공진 주파수 및 반공진 주파수 중 적어도 한쪽이 존재하고 있으면서 이 공진 주파수에서의 임피던스에 대한 반공진 주파수에서의 임피던스의 비(比)가 가장 큰 모드를 말하는 것으로 한다.
도 2에 나타내는 바와 같이, 5.25㎓ 부근에 제1 고차 모드의 응답이 나타나 있다. 또한, 5.5㎓~5.6㎓에서 제2 고차 모드에 의한 응답이 나타나 있다.
탄성파 장치(1)에서 양호한 특성을 얻기 위해서는, 적어도 메인 모드에 가장 가까운 제1 고차 모드를 억제하는 것이 필요하다.
도 3은 실리콘으로 구성되는 지지 기판의 두께와, 제1 및 제2 고차 모드의 위상 최대값의 관계를 나타내는 도면이다.
도 3으로부터 분명한 바와 같이, 제1 고차 모드에 대해서는 지지 기판(2)의 두께가 증가함에 따라, 제1 고차 모드의 위상 최대값이 커진다. 단, 지지 기판(2)의 두께가 3λ 이상이 되면, 제1 고차 모드의 위상 최대값은 거의 일정해진다. 따라서, 제1 고차 모드를 억제하기 위해서는, 지지 기판(2)의 두께는 3λ 이상인 것이 필요하다.
또한, 도 3으로부터 분명한 바와 같이, 지지 기판(2)의 두께가 20λ 이상이면, 제1 고차 모드 및 제2 고차 모드의 위상 최대값을 작게 할 수 있다. 더욱이, 지지 기판(2)의 두께가 20λ 이상인 경우, 제1 고차 모드 및 제2 고차 모드의 위상 최대값이 거의 일정해진다. 따라서, 제1 고차 모드 및 제2 고차 모드를 억제하기 위해서는, 지지 기판(2)의 두께는 20λ 이상인 것이 필요하다.
한편, 지지 기판(2)의 두께가 지나치게 두꺼워지면, 방열성이 저하되거나, 저배화되기 어려워진다. 따라서, 지지 기판(2)의 두께의 상한은 180㎛ 이하로 하는 것이 바람직하다.
따라서 지지 기판(2)의 두께는 20λ 이상, 180㎛ 이하가 바람직하다. 한편, 이 경우 λ는 9㎛ 미만이 된다.
또한, 본원 발명자는 지지 기판 내를 전파하는 벌크파의 음속(VSi)이 압전체를 전파하는 고차 모드의 음속보다도 높아지면, 압전체를 전파하는 고차 모드의 응답이 커지며, 음속(VSi)이 압전체를 전파하는 고차 모드의 음속과 동일하거나, 또는 압전체를 전파하는 고차 모드의 음속보다도 낮아지면, 압전체를 전파하는 고차 모드의 응답이 작아지는 것을 새롭게 발견했다. 본 발명은 이 새로운 지견에 기초한다. 한편, 이하에서는 음속(VSi)을 지지 기판의 음속으로 기재하는 경우가 있다.
한편, 지지 기판 내를 전파하는 벌크파의 음속(VSi)은 하기의 식(1)~(4C)로 표현되며, 실리콘으로 구성되는 지지 기판의 결정 방위(φ, θ, ψ)의 값에 의해 값이 변한다.
VSi=(V1)1/2(m/초) …식(1)
상기 식(1)에서의 V1은 하기의 식(2)의 해이다.
Ax3+Bx2+Cx+D=0 …식(2)
식(2)에서 A, B, C 및 D는 각각 하기의 식(2A)~(2D)로 나타내지는 값이다.
A=-ρ3 …식(2A)
B=ρ2(L11+L22+L33) …식(2B)
C=ρ(L21 2+L23 2+L31 2-L11·L33-L22·L33-L11·L22) …식(2C)
D=2·L21·L23·L31+L11·L22·L33-L31 2·L22-L11·L23 2-L21 2·L33 …식(2D)
단, 식(2A), 식(2B), 식(2C) 또는 식(2D)에서 ρ는 실리콘의 밀도(g/㎤)이며, ρ=2.331(g/㎤)이다. 또한, L11, L22, L33, L21, L31, 및 L23은 하기의 식(3A)~(3F)로 나타내지는 값이다.
L11=c11·a1 2+c44·a2 2+c44·a3 2 …식(3A)
L22=c44·a1 2+c11·a2 2+c44·a3 2 …식(3B)
L33=c44·a1 2+c44·a2 2+c11·a3 2 …식(3C)
L21=(c12+c44)·a2·a1 …식(3D)
L31=(c12+c44)·a1·a3 …식(3E)
L23=(c44+c12)·a3·a2 …식(3F)
단, 식(3A)~(3F)에서 c11, c12, c44는 각각 실리콘의 탄성 정수(N/㎡)이며, c11=1.674E+11(N/㎡), c12=6.523E+10(N/㎡), c44=7.957E+10(N/㎡)이다. 또한, a1, a2, 및 a3은 하기의 식(4A)~(4C)로 나타내지는 값이다.
a1=cos(φ)·cos(ψ)-sin(φ)·cos(θ)·sin(ψ) …식(4A)
a2=sin(φ)·cos(ψ)+cos(φ)·cos(θ)·sin(ψ) …식(4B)
a3=sin(θ)·sin(ψ) …식(4C)
한편, 식(4A)~(4C)에서의 φ, θ 및 ψ는 실리콘으로 구성되는 지지 기판의 결정 방위(φ, θ, ψ)에서의 φ, θ, ψ이다.
실리콘으로 구성되는 지지 기판의 결정 방위(φ, θ, ψ)를 도 4를 참조하여 설명한다. 도 4는 지지 기판의 결정 방위의 정의를 설명하기 위한 모식도이다. 도 4의 지지 기판의 결정 구조에서 오른나사의 회전 방향을 양으로 한 경우, Z-X-Z를 회전축으로 한다. 결정 방위(φ, θ, ψ)란, 1) (X, Y, Z)를 Z축 둘레로 "φ"회전하여 (X1, Y1, Z1)로 하고, 다음으로 2) (X1, Y1, Z1)을 X1축 둘레로 "θ"회전하여 (X2, Y2, Z2)로 하며, 더욱이 3) (X2, Y2, Z2)를 Z2축 둘레로 "ψ"회전하여 (X3, Y3, Z3)으로 한 방위가 된다.
도 5에 나타내는 바와 같이, 탄성파 장치(1)에서 (φ, θ, ψ)=(0°, 0°, 0°)일 때에 Si 결정의 X축과 IDT 전극(5)의 전극지가 연장되는 방향과 직교하는 방향(Xa)이 동일 방향이 된다.
여기서는, VSi는 Xa 방향으로 전파하는 지지 기판 내를 전파하는 벌크파 중 가장 느린 횡파의 음속으로서 계산하고 있다.
사용하고 있는 실리콘의 결정 방위가 예를 들면 (φ, θ, ψ)= (0°, 0°, 0°)인 경우에, 음속(VSi)을 식(1)에 의해 구하면 5843(m/초)가 된다.
Si의 탄성 정수(c11, c12 및 c44)는 이하와 같이 정의되는 값이다.
탄성체의 변형(strain)(S)과 응력(T)은 비례 관계에 있다. 이 비례 관계는 이하의 행렬로 나타내진다.
이 식의 비례 정수(cij)가 탄성 정수로 불리고 있다. 탄성 정수(cij)는 고체가 속하는 결정계에 의해 결정된다. 예를 들면, 실리콘에서는 결정의 대칭성으로부터, 이하와 같이 표현할 수 있다.
Si의 탄성 정수(N/㎡)
상술한 탄성 정수(c11, c12 및 c44)는 상기한 바와 같이 하여 정의되는 Si의 탄성 정수이다. 한편, Si의 탄성 정수 c11=1.674E+11(N/㎡), c12=6.523E+10(N/㎡), c44=7.957E+10(N/㎡)이다(H.J.McSkimin, et al., "Measurement of the Elastic Constants of Silicon Single Crystals and Their Thermal Constants", Phys.Rev.Vol.83, p.1080(L)(1951).). 또한, 실리콘의 밀도(ρ)=2.331(g/㎤)이다.
상기한 바와 같이, 음속(VSi)은 실리콘으로 구성되는 지지 기판의 결정 방위에 따라 식(1)에 의해 구할 수 있다.
그리고 압전체(4)를 전파하는 제1 고차 모드의 음속이 지지 기판(2) 내를 전파하는 벌크파의 음속인 하기에서 나타내는 음속(VSi)과 동일하거나, 또는 음속(VSi)보다도 고속인 경우에, 제1 고차 모드를 억제하는 것이 가능한 것을 이하에서 나타낸다.
우선, 제1 고차 모드의 음속과, 지지 기판(2) 내를 전파하는 벌크파의 음속(VSi)의 관계에 대해 설명한다. 도 6(a)는 산화규소막의 막 두께가 0.5λ이며, 압전체의 막 두께가 0.3λ인 경우에 음속(VSi)이 5000m/초인 경우의 탄성파 장치의 임피던스 특성을 나타내는 도면이다. 한편, 도 6(b)는 음속(VSi)이 4500m/초인 것을 제외하고는, 상기와 동일하게 구성된 탄성파 장치의 임피던스 특성을 나타내는 도면이다.
도 6(a)와 도 6(b)를 대비하면 분명한 바와 같이, 제1 고차 모드의 음속보다도 음속(VSi)이 빠른 경우, 화살표(C)로 나타내는 바와 같이, 제1 고차 모드가 크게 나타나 있다. 이는 제1 고차 모드가 산화규소막(3) 및 압전체(4)에도 틀어박혀 있기 때문이다. 이에 반해, 도 6(b)에서는 4.5㎓~5.0㎓의 범위 내에서 제1 고차 모드의 큰 응답은 나타나 있지 않다. 이는 제1 고차 모드의 음속에 비해 음속(VSi)이 낮기 때문에, 제1 고차 모드가 효과적으로 억제되어 있는 것에 의한다. 한편, 음속(VSi)은 결정 방위로 컨트롤할 수 있다. 따라서, 제1 고차 모드의 음속보다도 음속(VSi)을 낮춤으로써 제1 고차 모드를 효과적으로 억제할 수 있는 것을 알 수 있다.
즉, 탄성파 장치(1)에서는 제1 고차 모드의 음속이 음속(VSi)과 동일하거나, 음속(VSi)보다도 고속이다. 따라서, 제1 고차 모드가 지지 기판(2) 측으로 누설된다. 그로 인해, 제1 고차 모드에 의한 응답을 효과적으로 억제할 수 있다.
이상으로부터, 탄성파 장치(1)에서는 지지 기판(2)의 두께가 3λ 이상이면서 압전체(4)를 전파하는 제1 고차 모드의 음속이 지지 기판(2) 내를 전파하는 벌크파의 음속인 음속(VSi)과 동일하거나, 또는 음속(VSi)보다도 고속인 경우에, 제1 고차 모드에 의한 응답을 더 효과적으로 억제할 수 있다.
또한, 지지 기판(2)의 두께가 20λ 이상이면서, 압전체(4)를 전파하는 제1 고차 모드의 음속이 지지 기판(2) 내를 전파하는 벌크파의 음속인 음속(VSi)과 동일하거나, 또는 음속(VSi)보다도 고속인 경우에, 제1 고차 모드 및 제2 고차 모드에 의한 응답을 더 효과적으로 억제할 수 있다. 한편, 제2 고차 모드의 음속은 제1 고차 모드의 음속보다 빠르므로, 제1 고차 모드의 음속이 식(1)을 만족하면, 자동적으로 제2 고차 모드의 음속도 식(1)을 만족하게 된다.
탄성파 장치(1)의 한층 더한 특징은, 압전체(4)를 전파하는 고차 모드의 음속이 상기 식(2)를 만족하는 x의 해(V1, V2, V3(V1≤V2<V3)) 중에서 가장 작은 해를 V1로 했을 때, VSi=(V1)1/2로 나타내지는 지지 기판(2) 내를 전파하는 느린 횡파의 음속(VSi)과 동일하거나, 또는 음속(VSi)보다도 고속인 것에 있다.
본 실시형태의 구성으로 함으로써, 고차 모드의 응답을 한층 더 효과적으로 억제할 수 있다.
더욱이, 탄성파 장치(1)에서는 상기 압전체(4)의 두께는 IDT 전극(5)의 전극지 피치로 정해지는 탄성파의 파장을 λ로 했을 때에, LiTaO3으로 이루어지는 압전체의 막 두께가 3.5λ 이하의 범위에 있는 것이 바람직하다. 이 경우에는 Q값을 높게 할 수 있다.
보다 바람직하게는, LiTaO3으로 이루어지는 압전체(4)의 막 두께는 2.5λ 이하이며, 그 경우에는 주파수 온도 계수(TCF)의 절대값을 작게 할 수 있다. 더 바람직하게는 LiTaO3으로 이루어지는 압전체(4)의 막 두께는 1.5λ 이하이다. 이 경우에는 전기기계 결합 계수를 용이하게 조정할 수 있다. 더욱이, 보다 바람직하게는, LiTaO3으로 이루어지는 압전체(4)의 막 두께는 0.5λ 이하이다. 이 경우에는 넓은 범위에서 전기기계 결합 계수를 용이하게 조정할 수 있다.
탄성파 장치(1)의 또 다른 특징은, IDT 전극(5)의 전극지 피치로 정해지는 파장을 λ로 했을 때에, 음속(VSi)이 산화규소막(3)의 막 두께에 따라 하기의 표 3에 나타내는 범위와 같이 변화된다. 한편, 표 3 및 후술할 표 4에서는 지지 기판 내를 전파하는 벌크파의 음속(VSi)을 실리콘의 음속(VSi)으로 한다.
도 7은 실리콘으로 구성되는 고음속 지지 기판 상에 두께 0.35λ의 산화규소막으로 이루어지는 저음속막 및 오일러 각(0°, 140.0°, 0°)의 탄탈산리튬으로 이루어지는 압전막을 적층한 탄성파 장치에서의 LiTaO3막의 막 두께와 Q특성의 관계를 나타내는 도면이다. 이 도 7에서의 세로축은 공진자의 Q특성과 비대역(Δf)의 곱이다. 또한, 도 8은 LiTaO3막의 막 두께와, 주파수 온도 계수(TCF)의 관계를 나타내는 도면이다. 도 9는 LiTaO3막의 막 두께와 음속의 관계를 나타내는 도면이다. 도 7에서 LiTaO3막의 막 두께가 3.5λ 이하인 것이 바람직하다. 그 경우에는 3.5λ를 초과한 경우에 비해 Q값이 높다. 보다 바람직하게는, Q값을 보다 높이기 위해서는, LiTaO3막의 막 두께는 2.5λ 이하인 것이 바람직하다.
또한, 도 8에서 LiTaO3막의 막 두께가 2.5λ 이하인 경우, 주파수 온도 계수(TCF)의 절대값을 상기 막 두께가 2.5λ를 초과한 경우에 비해 작게 할 수 있다. 보다 바람직하게는, LiTaO3막의 막 두께를 2λ 이하로 하는 것이 바람직하고, 그 경우에는 주파수 온도 계수(TCF)의 절대값이 10ppm/℃ 이하로 될 수 있다. 주파수 온도 계수(TCF)의 절대값을 작게 하기 위해서는 LiTaO3막의 막 두께를 1.5λ 이하로 하는 것이 더 바람직하다.
도 9에서 LiTaO3막의 막 두께가 1.5λ를 초과하면, 음속의 변화가 극히 작다.
단, 도 10에 나타내는 바와 같이, LiTaO3막의 막 두께가 0.05λ 이상, 0.5λ 이하의 범위에서는 비대역이 크게 변화된다. 따라서, 전기기계 결합 계수를 보다 넓은 범위에서 조정할 수 있다. 따라서, 전기기계 결합 계수 및 비대역의 조정 범위를 넓히기 위해서는, LiTaO3막의 막 두께가 0.05λ 이상, 0.5λ 이하의 범위가 바람직하다.
도 11 및 도 12는 산화규소막 두께(λ)와, 음속 및 전기기계 결합 계수의 관계를 각각 나타내는 도면이다. 여기서는, 탄성파 장치는 저음속 재료층으로서의 저음속막 및 고음속 재료층으로서의 고음속막을 가진다. SiO2로 이루어지는 저음속막의 하방(下方)에 고음속막으로서 질화규소막, 산화알루미늄막 및 다이아몬드를 각각 사용했다. 고음속막의 막 두께는 1.5λ로 했다. 질화규소의 벌크파의 음속은 6000m/초이고, 산화알루미늄에서의 벌크파의 음속은 6000m/초이며, 다이아몬드에서의 벌크파의 음속은 12800m/초이다. 도 11 및 도 12에 나타내는 바와 같이, 고음속막의 재질 및 산화규소막의 막 두께를 변경했다고 해도, 전기기계 결합 계수 및 음속은 거의 변화되지 않는다. 특히, 산화규소막의 막 두께가 0.1λ 이상, 0.5λ 이하에서는, 고음속막의 재질 여하에 관계 없이, 전기기계 결합 계수는 거의 변하지 않는다. 또한, 도 11에서 산화규소막의 막 두께가 0.3λ 이상, 2λ 이하이면, 고음속막의 재질 여하에 관계 없이 음속이 변하지 않는 것을 알 수 있다. 따라서, 바람직하게는 산화규소로 이루어지는 저음속막의 막 두께는 2λ 이하, 0.5λ 이하인 것이 보다 바람직하다.
제1 고차 모드 및 제2 고차 모드의 음속에 대해서는, 산화규소(3)막에 의해 조정할 수 있다. 도 13은 산화규소막(3)의 막 두께와, 제1 고차 모드 및 제2 고차 모드의 음속의 관계를 나타내는 도면이다. 도 13의 계산 조건은 압전체(4)의 두께는 0.3λ, 커트 각은 50°Y, 실리콘으로 구성되는 지지 기판(2)의 결정 방위는 (0°, 0°, 0°), IDT 전극(5)은 Al을 0.08λ, 파장은 1㎛로 했다. 또한, 압전체(4)는 LiTaO3막이다. 도 13에서는 제1 고차 모드의 음속과 제2 고차 모드의 음속이 나타내져 있다. 이 2종류의 고차 모드의 음속이 산화규소막의 막 두께의 변화에 의해 변화되어 있는 것을 알 수 있다.
도 13에 나타내는 바와 같이, 산화규소막(3)의 막 두께가, 예를 들면 0.40λ인 경우, 제2 고차 모드의 음속은 5500m/초이다. 따라서, 지지 기판(2)의 음속을 5500m/초 이하로 하면, 제2 고차 모드를 억제할 수 있는 것을 알 수 있다. 따라서, 도 13에서 산화규소막(3)의 막 두께가 0.40λ 이하인 경우, 지지 기판(2)의 음속을 5500m/초 이하로 하면 된다. 마찬가지로, 산화규소막(3)의 막 두께가 0.40λ를 초과하고, 0.64λ 이하인 경우에는 지지 기판(2)의 음속을 5300m/초 이하로 하면 되는 것을 알 수 있다. 따라서, 제2 고차 모드를 억제하기 위해서는 상술한 표 3에 나타내는 산화규소막(3)의 막 두께에 따른 지지 기판의 음속 범위 중 어느 하나를 채용하면 된다. 그로써, 제2 고차 모드를 억제할 수 있다.
한편, 제1 고차 모드 및 제2 고차 모드 쌍방을 억제하기 위해서는, 지지 기판(2)의 음속을 산화규소막(3)의 막 두께 범위에 따라, 하기의 표 4에 나타내는 어느 하나의 범위로 하면 된다.
예를 들면, 도 13에 나타내는 바와 같이, 제1 고차 모드의 음속은 산화규소막(3)의 막 두께가 0.12λ인 경우 5300m/초이다. 따라서, 산화규소막(3)의 막 두께가 0.12λ 이하인 경우, 지지 기판(2)의 음속을 5300m/초 이하로 하면 된다. 마찬가지로, 산화규소막(3)의 막 두께가 0.34λ인 경우, 제1 고차 모드의 음속은 도 13에 나타내는 바와 같이 5100m/초이다. 따라서, 산화규소막(3)의 막 두께가 0.12λ를 초과하고, 0.34λ 이하인 경우에는 지지 기판(2)의 음속을 5100m/초 이하로 하면, 제1 고차 모드 및 제2 고차 모드 쌍방을 억제할 수 있다.
따라서, 하기의 표 4에 나타내는 바와 같이, 산화규소막(3)의 막 두께에 따라 지지 기판(2)의 음속을 선택함으로써, 제1 고차 모드 및 제2 고차 모드 쌍방을 효과적으로 억제할 수 있다.
또한, 표 4로부터 지지 기판(2)의 음속을 4700m/초 이하로 하면, 산화규소막(3)의 막 두께가 0.54λ 이하인 경우에 산화규소막(3)의 막 두께의 여하에 관계 없이, 제1 고차 모드 및 제2 고차 모드를 효과적으로 억제할 수 있다.
상기한 바와 같이, 본 실시형태의 탄성파 장치(1)에서는 적어도 제1 고차 모드에 의한 응답을 효과적으로 억제할 수 있다.
한편, 상기 실시형태에서는 탄성파 장치(1)로서 1포트형 탄성파 공진자를 설명했는데, 본 발명의 탄성파 장치는 1포트형 탄성파 공진자에 한정되지 않고, 종결합 공진자형 탄성파 필터 등의 다양한 전극 구조를 가지는 탄성파 장치에 널리 적용할 수 있다.
도 14~도 20을 참조하여, 본 발명의 제2~제7 실시형태에 따른 탄성파 장치 및 탄성파 장치의 패키지 구조를 설명한다.
도 14는 본 발명의 제2 실시형태에 따른 탄성파 장치의 정면 단면도이다. 본 발명에 따른 탄성파 장치(111)에서는 압전체(4)와 IDT 전극(5) 사이에 유전체층(112)이 마련되어 있는 것에 있다. 그 밖의 점에 대해서는, 탄성파 장치(111)는 탄성파 장치(1)와 동일하다. 이와 같이, IDT 전극(5)과 압전체(4) 사이에 유전체층(112)이 마련되어 있어도 된다. 이 유전체층(112)으로서는 오산화탄탈이나 산화규소 등을 들 수 있다.
도 15는 오산화탄탈로 이루어지는 유전체층을 마련한 경우 및 산화규소로 이루어지는 유전체를 마련한 경우의 유전체막의 막 두께와 비대역의 관계를 나타내는 도면이다. 유전체막으로서 오산화탄탈을 사용한 경우의 결과가 △로 나타내져 있고, 산화규소를 사용한 경우의 결과가 ◇로 나타내져 있다.
도 15로부터 분명한 바와 같이, 오산화탄탈이나 산화규소를 사용하는 것보다, 유전체층의 막 두께를 조정하여 비대역을 컨트롤할 수 있는 것을 알 수 있다.
한편, 본 발명에서 압전체로서는 LiTaO3에 한정되지 않고, LiNbO3 등의 다른 압전 단결정이나 ZnO, AlN 등의 압전 박막, PZT 등의 압전 세라믹스를 이용해도 된다.
도 16은 본 발명의 제3 실시형태에 따른 탄성파 장치(101)의 정면 단면도이다.
탄성파 장치(101)에서는 지지 기판(2) 상에 저음속 재료층(102), 고음속 재료층(103) 및 산화규소막(104)이 이 순서로 적층되어 있다. 한편, 산화규소막(104)을 전파하는 벌크파의 음속은 압전체(4)를 전파하는 탄성파의 음속보다도 느리다. 따라서, 산화규소막(104)은 저음속 재료층이기도 하다. 산화규소막(104) 상에 압전체(4)가 적층되어 있다.
탄성파 장치(101)와 같이, 지지 기판(2)과 압전체(4) 사이에 산화규소막(104) 이외에 다른 저음속 재료층(102) 및 고음속 재료층(103)이 적층되어 있어도 된다. 여기서, 저음속 재료층(102)은 저음속 재료로 이루어진다. 저음속 재료란, 전파하는 벌크파의 음속이 압전체(4)와 같은 압전체를 전파하는 탄성파의 음속보다도 느린 재료이다. 또한, 고음속 재료층(103)은 고음속 재료로 이루어진다. 고음속 재료는 전파하는 벌크파의 음속이 압전체(4)와 같은 압전체를 전파하는 탄성파의 음속보다도 빠른 재료이다. 상기 저음속 재료로는 SiO2를 포함하는 산화규소나 오산화탄탈 등의 유전체, 유리, 산질화규소, 산화탄탈, 또한 산화규소에 불소나 탄소나 붕소를 첨가한 화합물 등, 상기 재료를 주성분으로 한 매질을 들 수 있다. 또한, 고음속 재료로는 금속이나 실리콘 외에, 질화알루미늄, 산화알루미늄, 탄화규소, 질화규소, 산질화규소, 사파이어, 탄탈산리튬, 니오브산리튬, 수정, 알루미나, 지르코니아, 코디에라이트, 멀라이트, 스테아타이트, 포스테라이트, 마그네시아, DLC막 또는 다이아몬드, 상기 재료를 주성분으로 하는 매질, 상기 재료의 혼합물을 주성분으로 하는 매질 등의 다양한 재료를 들 수 있다. 바람직하게는, 저음속 재료층으로서의 유전체로서 산화규소 또는 오산화탄탈이 사용되며, 보다 바람직하게는 산화규소가 사용된다. 그 경우에는 주파수 온도 특성의 향상도 도모할 수 있다.
한편, 적어도 하나의 고음속 재료층(103)과 압전체(4) 등의 압전체의 사이에 적어도 하나의 저음속 재료층이 배치되어 있는 것이 바람직하다. 그로 인해, 탄성파를 압전체 내에 효과적으로 가둘 수 있다. 또한, 지지 기판(2)은 고음속 재료로 이루어진다. 따라서, 제1 실시형태와 같이, 지지 기판(2) 상에 산화규소막(3)이 적층되어 있는 구조는 고음속 재료와 압전체 사이에 저음속 재료층이 위치하고 있는 구성이 된다. 따라서, 탄성파 장치(1)에서도 탄성파의 에너지를 압전체(4) 내에 효과적으로 가둘 수 있다.
도 17에 나타내는 바와 같이, 제4 실시형태의 탄성파 장치 패키지(51)는 지지 기판(52), 지지 기판(52) 상에 적층된 산화규소막(52a), 압전체(53), 및 IDT 전극(54)을 가진다. IDT 전극(54)을 둘러싸도록 수지로 이루어지는 지지층(55)이 마련되어 있다. 지지층(55) 상에 커버 부재(56)가 접합되어 있다. 그로 인해, 중공 공간(D)이 형성되어 있다. 그리고 상기 커버 부재(56) 상에 단자 전극(57a, 57b) 및 금속 범프(58a, 58b)가 마련되어 있다. 상기 지지 기판(52)에 압전체(53), IDT 전극(54), 지지층(55), 커버 부재(56), 단자 전극(57a, 57b) 및 금속 범프(58a, 58b)를 가지는 부분에 의해, WLP 구조를 가지는 소자 부분이 구성되어 있다. 금속 범프(58a, 58b)가 케이스 기판(59)의 전극 랜드로서의 단자 전극(60a, 60b)에 전기적으로 접속되어 있다. 그리고 상기 WLP 구조를 가지는 소자 부분의 전체가 봉지 수지층(61)에 의해 봉지되어 있다.
도 18에 나타내는 제5 실시형태에 따른 탄성파 장치 패키지(65)에서는 금속 범프(58a)와, 금속 범프(58b) 사이에 끼인 공간(E)에 봉지 수지층(61)이 이르러 있지 않다. 그 밖의 점은, 탄성파 장치(65)는 탄성파 장치(51)와 동일하다. 이 때, 금속 범프(58a, 58b)를 Au로 형성하면 열충격 내성이 향상되고, 더 바람직하다.
도 19에 나타내는 제6 실시형태에 따른 탄성파 장치(71)에서는 지지 기판(72) 상에 산화규소막(73) 및 압전체(74)가 이 순서로 적층되어 있다. 압전체(74) 상에 IDT 전극(75)이 마련되어 있다. 또한, IDT 전극(75)을 덮도록 유전체층(76)이 마련되어 있다. 이와 같이, IDT 전극(75)을 덮도록 유전체층(76)이 더 마련되어 있어도 된다. 이와 같은 유전체층(76)을 구성하는 유전체 재료는 특별히 한정되지 않는다. 예를 들면, 산화규소 등을 사용할 수 있다.
IDT 전극(75)을 둘러싸도록 지지층(77)이 마련되어 있다. 지지층(77) 상에 커버 부재(78)가 접합되어 있다. 그로 인해, 중공 공간(D)이 마련되어 있다. 지지 기판(72), 산화규소막(73) 및 압전체(74)를 관통하도록 관통 전극으로서의 비아 전극(79a, 79b)이 마련되어 있다. 비아 전극(79a, 79b)은 IDT 전극(75)에 전기적으로 접속되어 있다. 또한, 지지 기판(72)의 하부면에 단자 전극(80a, 80b)이 마련되어 있다. 비아 전극(79a, 79b)은 단자 전극(80a, 80b)에 전기적으로 접속되어 있다. 이와 같이, 지지 기판(72)을 관통하는 비아 전극(79a, 79b)을 이용하여, 외부와 전기적으로 접속해도 된다.
도 20에 나타내는 바와 같이, 제7 실시형태로서의 탄성파 장치 패키지(81)에서는 케이스 기판(82)의 한쪽 면에 단자 전극(83a, 83b)이 마련되어 있다. 이 케이스 기판(82) 상에 탄성파 장치(84)가 탑재되어 있다. 탄성파 장치(84)는 지지 기판(85) 상에 산화규소막(86) 및 압전체(87), 더욱이 IDT 전극(88)을 이 순서로 적층한 구조를 가진다. 압전체(87) 상에 단자 전극(89a, 89b)이 마련되어 있다. 단자 전극(89a, 89b) 상에 금속 범프(90a, 90b)가 마련되어 있다. 이 금속 범프(90a, 90b)가 단자 전극(83a, 83b)에 접합되어 있다. 그리고 탄성파 장치(84)를 덮도록 봉지 수지층(91)이 마련되어 있다. 이 경우, 금속 범프(90a, 90b)를 Au로 형성하면, 열충격 내성이 향상되고, 더 바람직하다.
(침해 입증 방법)
압전막을 전파하는 제1 고차 모드는 유한 요소법의 시뮬레이션에 의해 특정하는 것이 가능하다. 구체적으로는, IDT 전극의 막 두께, IDT 전극의 재료, 압전막의 막 두께, 압전막의 재료, 저음속막이나 고음속막 등의 각 중간층의 막 두께, 각 중간층의 재료, 지지 기판의 두께, 지지 기판의 결정 방위의 각 파라미터를 특정한다. 그 후, 각 파라미터를 이용하여 시뮬레이션 소프트(FEMTET)로 조화진동해석(調和振動解析: harmonic vibratrion analysis)을 실시한다.
그리고 조화진동해석에 의해, 각 주파수에서의 임피던스를 얻을 수 있다.
또한, 네트워트 애널라이저(network analyzer)에 의해 필터의 삽입 손실을 측정함으로써, 필터의 통과 대역도 특정할 수 있다. 따라서, 그 조화진동해석의 결과로부터, 임피던스가 극소값이 되는 1 이상의 공진 주파수와, 임피던스가 극대값이 되는 1 이상의 반공진 주파수를 특정할 수 있다. 그리고 그 중에서 공진 주파수에서의 임피던스와 반공진 주파수에서의 임피던스의 차가 가장 큰 파의 모드를 특정한다. 그 파의 모드가 압전막을 전파하는 메인 모드가 된다. 한편, 조화진동해석 결과로부터, 필터의 통과 대역 내에 공진 주파수 및 반공진 주파수 중 적어도 한쪽이 존재하고 있는지 여부도 알 수 있다.
탄성파 장치가 공진자인 경우에는 필터의 통과 대역 내에 공진 주파수 및 반공진 주파수 중 적어도 한쪽이 존재하고 있으면서, 공진 주파수에서의 임피던스와 반공진 주파수에서의 임피던스의 차가 가장 큰 파의 모드이다. 또한, 탄성파 장치가 필터인 경우에는 필터의 통과 대역을 형성하기 위해 사용되는 파의 모드이다.
그리고 상기 메인 모드로부터 압전막을 전파하는 제1 고차 모드(메인 모드보다도 고주파수 측에 발생하면서, 메인 모드에 가장 가까운 파의 모드)를 특정할 수 있다.
또한, 압전막을 전파하는 제1 고차 모드의 음속은 압전막을 전파하는 제1 고차 모드의 반공진 주파수에서의 음속이다.
한편, V=f×λ이기 때문에, 압전막을 전파하는 제1 고차 모드의 음속(V)은 압전막을 전파하는 제1 고차 모드의 반공진 주파수(f)와, IDT 전극의 전극지 피치의 2배 값인 λ로부터 구할 수 있다.
상기 탄성파 장치는 고주파 프론트 엔드 회로의 듀플렉서 등으로서 이용할 수 있다. 이 예를 하기에서 설명한다.
도 21은 고주파 프론트 엔드 회로를 가지는 통신 장치의 구성도이다. 한편, 동(同)도에는 고주파 프론트 엔드 회로(230)와, 고주파 프론트 엔드 회로(230)와 접속되는 각 구성 요소가 도시되어 있다. 고주파 프론트 엔드 회로(230)와 접속되는 각 구성 요소로는 예를 들면, 안테나 소자(202)나 RF 신호 처리 회로(RFIC)(203)가 도시되어 있다. 고주파 프론트 엔드 회로(230) 및 RF 신호 처리 회로(203)는 통신 장치(240)를 구성하고 있다. 한편, 통신 장치(240)는 전원, CPU나 디스플레이를 포함하고 있어도 된다.
고주파 프론트 엔드 회로(230)는 스위치(225)와 듀플렉서(201A, 201B)와 로우 노이즈 앰프 회로(214, 224)와 필터(231, 232)와 파워 앰프 회로(234a, 234b, 244a, 244b)를 포함한다. 한편, 도 21의 고주파 프론트 엔드 회로(230) 및 통신 장치(240)는 고주파 프론트 엔드 회로 및 통신 장치의 일례로, 이 구성에 한정되는 것은 아니다.
듀플렉서(201A)는 필터(211, 212)를 가진다. 듀플렉서(201B)는 필터(221, 222)를 가진다. 듀플렉서(201A, 201B)는 스위치(225)를 통해 안테나 소자(202)에 접속된다. 한편, 상기 탄성파 장치는 듀플렉서(201A, 201B)이어도 되고, 필터(211, 212, 221, 222)이어도 된다. 상기 탄성파 장치는 듀플렉서(201A, 201B)나 필터(211, 212, 221, 222)를 구성하는 탄성파 공진자이어도 된다. 더욱이, 상기 탄성파 장치는 예를 들면, 3개의 필터의 안테나 단자가 공통화된 트리플렉서나 6개의 필터의 안테나 단자가 공통화된 헥사플렉서 등, 3 이상의 필터를 포함하는 구성에 대해서도 적용할 수 있다.
즉, 상기 탄성파 장치는 탄성파 공진자, 필터, 2 이상의 필터를 포함하는 멀티플렉서를 포함한다.
스위치(225)는 제어부(도시하지 않음)로부터의 제어 신호에 따라 안테나 소자(202)와 소정의 밴드에 대응하는 신호 경로를 접속하고, 예를 들면, SPDT(Single Pole Double Throw)형 스위치에 의해 구성된다. 한편, 안테나 소자(202)와 접속되는 신호 경로는 하나에 한정되지 않고, 복수개이어도 된다. 즉, 고주파 프론트 엔드 회로(230)는 캐리어 어그리게이션에 대응하고 있는 것이어도 된다.
로우 노이즈 앰프 회로(214)는 안테나 소자(202), 스위치(225) 및 듀플렉서(201A)를 경유한 고주파 신호(여기서는 고주파 수신 신호)를 증폭시키고, RF 신호 처리 회로(203)로 출력하는 수신 증폭 회로이다. 로우 노이즈 앰프 회로(224)는 안테나 소자(202), 스위치(225) 및 듀플렉서(201B)를 경유한 고주파 신호(여기서는 고주파 수신 신호)를 증폭시키고, RF 신호 처리 회로(203)로 출력하는 수신 증폭 회로이다.
파워 앰프 회로(234a, 234b)는 RF 신호 처리 회로(203)에서 출력된 고주파 신호(여기서는 고주파 송신 신호)를 증폭시키고, 듀플렉서(201A) 및 스위치(225)를 경유하여 안테나 소자(202)에 출력하는 송신 증폭 회로이다. 파워 앰프 회로(244a, 244b)는 RF 신호 처리 회로(203)에서 출력된 고주파 신호(여기서는 고주파 송신 신호)를 증폭시키고, 듀플렉서(201B) 및 스위치(225)를 경유하여 안테나 소자(202)에 출력하는 송신 증폭 회로이다.
한편, 필터(231, 232)는 로우 노이 즈앰프 회로 및 파워 앰프 회로를 통하지 않고, RF 신호 처리 회로(203)와 스위치(225) 사이에 접속되어 있다. 필터(231, 232)도 듀플렉서(201A, 201B)와 마찬가지로, 스위치(225)를 통해 안테나 소자(202)에 접속된다.
RF 신호 처리 회로(203)는 안테나 소자(202)로부터 수신 신호 경로를 통해 입력된 고주파 수신 신호를 다운 컨버트 등에 의해 신호 처리하고, 상기 신호 처리하여 생성된 수신 신호를 출력한다. 또한, RF 신호 처리 회로(203)는 입력된 송신 신호를 업 컨버트 등에 의해 신호 처리하고, 상기 신호 처리하여 생성된 고주파 송신 신호를 파워 앰프 회로(244a, 244b)로 출력한다. RF 신호 처리 회로(203)는 예를 들면, RFIC이다. 한편, 통신 장치는 BB(베이스 밴드)IC를 포함하고 있어도 된다. 이 경우, BBIC는 RFIC로 처리된 수신 신호를 신호 처리한다. 또한, BBIC는 송신 신호를 신호 처리하고, RFIC에 출력한다. BBIC로 처리된 수신 신호나, BBIC가 신호 처리하기 전의 송신 신호는 예를 들면, 화상 신호나 음성 신호 등이다. 한편, 고주파 프론트 엔드 회로(230)는 상술한 각 구성 요소 사이에 다른 회로 소자를 포함하고 있어도 된다.
한편, 고주파 프론트 엔드 회로(230)는 상기 듀플렉서(201A, 201B) 대신에 듀플렉서(201A, 201B)의 변형예에 따른 듀플렉서를 포함하고 있어도 된다.
이상, 본 발명의 실시형태에 따른 탄성파 장치, 고주파 프론트 엔드 회로 및 통신 장치에 대해 상기 실시형태를 들어 설명했는데, 상기 실시형태에서의 임의의 구성 요소를 조합하여 실현되는 다른 실시형태나, 상기 실시형태에 대하여 본 발명의 주지를 일탈하지 않는 범위에서 당업자가 생각해내는 각종 변형을 실시하여 얻어지는 변형예나, 본 발명에 따른 고주파 프론트 엔드 회로 및 통신 장치를 내장한 각종 기기도 본 발명에 포함된다.
본 발명은 탄성파 공진자, 필터, 2 이상의 필터를 포함하는 멀티플렉서, 고주파 프론트 엔드 회로, 및 휴대 전화 등의 통신 장치에 널리 이용할 수 있다.
1: 탄성파 장치 2: 지지 기판
3: 산화규소막 4: 압전체
5: IDT 전극 6, 7: 반사기
51: 탄성파 장치 패키지 52: 지지 기판
52a: 산화규소막 53: 압전체
54: IDT 전극 55: 지지층
56: 커버 부재 57a, 57b, 60a, 60b: 단자 전극
58a, 58b: 금속 범프 59: 케이스 기판
61: 봉지 수지층 65: 탄성파 장치 패키지
71: 탄성파 장치 72: 지지 기판
73: 산화규소막 74: 압전체
75: IDT 전극 76: 유전체층
77: 지지층 78: 커버 부재
79a, 79b: 비아 전극 80a, 80b: 단자 전극
81: 탄성파 장치 패키지 82: 케이스 기판
83a, 83b: 단자 전극 84: 탄성파 장치
85: 지지 기판 86: 산화규소막
87: 압전체 88: IDT 전극
89a, 89b: 단자 전극 90a, 90b: 금속 범프
91: 봉지 수지층 101: 탄성파 장치
102: 저음속 재료층 103: 고음속 재료층
104: 산화규소막 111: 탄성파 장치
112: 유전체층 201A, 201B: 듀플렉서
202: 안테나 소자 203: RF 신호 처리 회로
211, 212: 필터 214: 로우 노이즈 앰프 회로
221, 222: 필터 224: 로우 노이즈 앰프 회로
225: 스위치 230: 고주파 프론트 엔드 회로
231, 232: 필터 234a, 234b: 파워 앰프 회로
240: 통신 장치 244a, 244b: 파워 앰프 회로
3: 산화규소막 4: 압전체
5: IDT 전극 6, 7: 반사기
51: 탄성파 장치 패키지 52: 지지 기판
52a: 산화규소막 53: 압전체
54: IDT 전극 55: 지지층
56: 커버 부재 57a, 57b, 60a, 60b: 단자 전극
58a, 58b: 금속 범프 59: 케이스 기판
61: 봉지 수지층 65: 탄성파 장치 패키지
71: 탄성파 장치 72: 지지 기판
73: 산화규소막 74: 압전체
75: IDT 전극 76: 유전체층
77: 지지층 78: 커버 부재
79a, 79b: 비아 전극 80a, 80b: 단자 전극
81: 탄성파 장치 패키지 82: 케이스 기판
83a, 83b: 단자 전극 84: 탄성파 장치
85: 지지 기판 86: 산화규소막
87: 압전체 88: IDT 전극
89a, 89b: 단자 전극 90a, 90b: 금속 범프
91: 봉지 수지층 101: 탄성파 장치
102: 저음속 재료층 103: 고음속 재료층
104: 산화규소막 111: 탄성파 장치
112: 유전체층 201A, 201B: 듀플렉서
202: 안테나 소자 203: RF 신호 처리 회로
211, 212: 필터 214: 로우 노이즈 앰프 회로
221, 222: 필터 224: 로우 노이즈 앰프 회로
225: 스위치 230: 고주파 프론트 엔드 회로
231, 232: 필터 234a, 234b: 파워 앰프 회로
240: 통신 장치 244a, 244b: 파워 앰프 회로
Claims (24)
- 실리콘으로 구성되는 지지 기판과,
상기 지지 기판 상에 마련된 산화규소막과,
상기 산화규소막 상에 마련된 압전체와,
상기 압전체의 한쪽 주면(主面) 상에 마련된 IDT 전극을 포함하고,
상기 IDT 전극의 전극지(電極指) 피치로 정해지는 파장을 λ로 했을 때에, 상기 지지 기판의 두께가 3λ 이상이며,
상기 압전체를 전파하는 제1 고차 모드의 음속이, 상기 지지 기판 내를 전파하는 벌크파의 음속인 하기의 식(1)의 음속(VSi)과 동일하거나, 또는 상기 음속(VSi)보다도 고속인 탄성파 장치.
VSi=(V1)1/2(m/초) …식(1)
식(1)에서의 상기 V1은 하기의 식(2)의 해이다.
Ax3+Bx2+Cx+D=0 …식(2)
식(2)에서 A, B, C, 및 D는 각각 하기의 식(2A)~(2D)로 나타내지는 값이다.
A=-ρ3 …식(2A)
B=ρ2(L11+L22+L33) …식(2B)
C=ρ(L21 2+L23 2+L31 2-L11·L33-L22·L33-L11·L22) …식(2C)
D=2·L21·L23·L31+L11·L22·L33-L31 2·L22-L11·L23 2-L21 2·L33 …식(2D)
단, 식(2A), 식(2B), 식(2C) 또는 식(2D)에서 ρ=2.331(g/㎤)이다. 또한, L11, L22, L33, L21, L31, 및 L23은 하기의 식(3A)~(3F)로 나타내지는 값이다.
L11=c11·a1 2+c44·a2 2+c44·a3 2 …식(3A)
L22=c44·a1 2+c11·a2 2+c44·a3 2 …식(3B)
L33=c44·a1 2+c44·a2 2+c11·a3 2 …식(3C)
L21=(c12+c44)·a2·a1 …식(3D)
L31=(c12+c44)·a1·a3 …식(3E)
L23=(c44+c12)·a3·a2 …식(3F)
단, 식(3A)~(3F)에서, c11, c12, c44는 각각 c11=1.674E+11(N/㎡), c12=6.523E+10(N/㎡), c44=7.957E+10(N/㎡)이다. 또한, a1, a2 및 a3은 하기의 식(4A)~(4C)로 나타내지는 값이다.
a1=cos(φ)·cos(ψ)-sin(φ)·cos(θ)·sin(ψ) …식(4A)
a2=sin(φ)·cos(ψ)+cos(φ)·cos(θ)·sin(ψ) …식(4B)
a3=sin(θ)·sin(ψ) …식(4C)
한편, 식(4A)~(4C)에서의 φ, θ 및 ψ는 상기 지지 기판의 결정 방위(φ, θ, ψ)에서의 φ, θ, ψ이다. - 제1항에 있어서,
상기 지지 기판의 두께가 20λ 이상인, 탄성파 장치. - 제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 산화규소막의 막 두께가 하기의 표 1에 나타내는 범위 중 어느 하나인, 탄성파 장치.
[표 1]
- 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 산화규소막의 막 두께가 하기의 표 2에 나타내는 범위 중 어느 하나인, 탄성파 장치.
[표 2]
- 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 식(1)에서의 상기 V1은 상기 식(2)의 해(V1, V2, V3) 중 가장 작은 값인, 탄성파 장치. - 제1항에 있어서,
상기 지지 기판의 상기 음속(VSi)이 4700m/초 이하인, 탄성파 장치. - 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 지지 기판의 두께가 180㎛ 이하인, 탄성파 장치. - 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 압전체의 막 두께는 3.5λ 이하인, 탄성파 장치. - 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 압전체의 막 두께는 2.5λ 이하인, 탄성파 장치. - 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 압전체의 막 두께가 1.5λ 이하인, 탄성파 장치. - 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 압전체의 막 두께가 0.5λ 이하인, 탄성파 장치. - 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 압전체가 LiTaO3으로 이루어지는, 탄성파 장치. - 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 산화규소막을 전파하는 벌크파의 음속이 상기 압전체를 전파하는 탄성파의 음속보다도 느린, 탄성파 장치. - 제1항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 지지 기판을 전파하는 벌크파의 음속이 상기 압전체를 전파하는 탄성파의 음속보다도 빠른, 탄성파 장치. - 제3항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 산화규소막과 상기 지지 기판 사이에, 전파하는 벌크파의 음속이 상기 압전체를 전파하는 탄성파의 음속보다도 빠른 고음속 재료층을 더 포함하는, 탄성파 장치. - 제1항 내지 제15항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 압전체와 상기 IDT 전극 사이에 마련된 유전체층을 더 포함하는, 탄성파 장치. - 제16항에 있어서,
상기 유전체층이 산화규소 또는 오산화탄탈로 이루어지는, 탄성파 장치. - 제1항 내지 제17항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 IDT 전극을 둘러싸는 지지층과,
상기 지지층을 덮고 있으며, 상기 IDT 전극을 둘러싸는 중공 공간을 구성하고 있는 커버 부재와,
상기 커버 부재 상에 마련되어 있고, 상기 IDT 전극에 전기적으로 접속되어 있는 복수개의 금속 범프를 더 포함하는, 탄성파 장치. - 제1항 내지 제17항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 IDT 전극을 둘러싸는 지지층과,
상기 지지층을 덮고 있고, 상기 IDT 전극을 둘러싸는 중공 공간을 구성하고 있는 커버 부재를 더 포함하며,
상기 지지 기판에서, 상기 지지 기판을 관통하고 있는 관통 전극과, 상기 관통 전극에 전기적으로 접속되어 있고, 상기 지지 기판의 상기 IDT 전극이 마련되어 있는 측과는 반대측의 면에 마련되어 있는 단자 전극이 마련되어 있으며,
상기 관통 전극이, 상기 IDT 전극과 상기 단자 전극에 전기적으로 접속되어 있는, 탄성파 장치. - 복수개의 전극 랜드가 한쪽 면에 마련된 케이스 기판과,
제1항 내지 제17항 중 어느 한 항에 기재된 탄성파 장치를 포함하고,
상기 IDT 전극에 전기적으로 접속되는 금속 범프가 상기 탄성파 장치에 마련되어 있으며,
상기 탄성파 장치의 상기 금속 범프가 상기 전극 랜드에 접합되도록 상기 탄성파 장치가 상기 케이스 기판에 탑재되어 있고,
상기 탄성파 장치를 봉지(封止)하도록 상기 케이스 기판 상에 마련된 봉지 수지층을 더 포함하는, 탄성파 장치 패키지. - 제18항에 기재된 탄성파 장치와,
한쪽 면에 복수개의 전극 랜드가 마련된 케이스 기판을 포함하고,
상기 복수개의 금속 범프가 상기 케이스 기판의 상기 복수개의 전극 랜드에 접합되도록, 상기 탄성파 장치가 상기 케이스 기판에 탑재되어 있으며,
상기 탄성파 장치를 봉지하도록 마련된 봉지 수지층을 더 포함하는, 탄성파 장치 패키지. - 제21항에 있어서,
상기 커버 부재와 상기 케이스 기판 사이에 틈을 가지는, 탄성파 장치 패키지. - 제1항 내지 제19항 중 어느 한 항에 기재된 탄성파 장치와,
파워 앰프를 포함하는, 고주파 프론트 엔드 회로. - 제23항에 기재된 고주파 프론트 엔드 회로와,
RF 신호 처리 회로를 포함하는, 통신 장치.
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