CN105164919A

CN105164919A - 弹性波元件用复合基板及弹性波元件

Info

Publication number: CN105164919A
Application number: CN201480016412.2A
Authority: CN
Inventors: 堀裕二; 多井知义
Original assignee: NGK Insulators Ltd
Current assignee: NGK Insulators Ltd
Priority date: 2013-03-21
Filing date: 2014-03-19
Publication date: 2015-12-16
Anticipated expiration: 2034-03-19
Also published as: TW201507353A; US20150365067A1; US9438201B2; KR20150115020A; DE112014001537T5; JPWO2014148648A1; WO2014148648A1; DE112014001537B4; CN105164919B; KR101615081B1; TWI516024B; JP5668179B1

Abstract

一种弹性波元件用复合基板，其具备支承基板(1)以及与支承基板(1)接合、由压电单晶构成、传播弹性波的传播基板(3)。传播基板(3)具有所述压电单晶的晶格发生畸变的表面晶格畸变层(11)。

Description

弹性波元件用复合基板及弹性波元件

技术领域

本发明关于效率高、频率的温度特性好的弹性波元件。

背景技术

声表面波(SurfaceAcousticWave)元件被广泛用作手机等通信机器的带通滤波器。伴随手机等的高性能化，利用了声表面波元件的滤波器也要求高性能化。

但是，声表面波元件存在因温度变化而通带移动的问题。特别是目前多被使用的铌酸锂和钽酸锂，机电耦合系数大，对实现宽带的滤波器特性是有利的。但是，铌酸锂和钽酸锂的温度稳定性差。

例如，使用了钽酸锂的声表面波滤波器的频率温度系数为-35ppm/℃，在设想的使用温度范围内的频率变动大。因此，必须降低频率温度系数。

专利文献1(日本专利特开平5-335879)记载的声表面波元件中，是在铌酸锂基板的表面形成梳形电极后，形成覆盖基板表面及梳形电极的氧化硅膜。由此降低频率温度系数。

此外，专利文献2(日本专利特开2009-278610)记载的声表面波元件中，将热膨胀系数更小的硅等构成的支承基板，对于钽酸锂单晶等构成传播基板，通过厚度0.1μm～1.0μm的有机粘合剂层进行粘合，由此成功地降低频率温度系数。

发明内容

专利文献1(日本专利特开平5-335879)记载的元件中，由于是在铌酸锂基板的表面形成氧化硅层而覆盖梳形电极，因此降低频率温度系数的话，氧化硅层会拘束铌酸锂基板，声表面波的传播效率会下降，声表面波滤波器的情况下Q值会恶化。

专利文献2(日本专利特开2009-278610)记载的元件中，虽然可以降低频率温度系数，但是为了使温度系数接近零，必须例如使钽酸锂构成的传播基板的厚度变得非常薄。但是，传播基板变薄的话，接合界面的体(bulk)波的反射会相应变大，容易产生不需要的寄生波。

本发明的课题是降低弹性波元件的频率温度系数。

本发明涉及的弹性波元件用复合基板，具备支承基板以及与支承基板接合、由压电单晶构成、传播弹性波的传播基板，其特征在于，传播基板具有所述压电单晶的晶格畸变的表面晶格畸变层。

此外，本发明涉及的弹性波元件的特征在于，具备所述复合基板以及设置在传播基板上的电极图案。

本发明者在压电单晶构成的传播基板的表面，形成了其晶格畸变的晶格畸变层。即，对传播基板的截面拍摄高分辨率透射型电子显微镜(TEM)像后，TEM像可看出对比度。即，传播基板的表面附近如图5所示，确认到了对比度不同的发黑的薄层。

此种低倍率TEM像中出现的对比度不同的层，是由于晶格缺陷或晶格畸变而产生的。于是，本发明者将高分辨率的TEM像进行快速傅立叶变换(FFT：FastFourierTransform)，得到了FFT图案(pattern)。结果没有发现由于晶体缺陷而产生的点。因此确认，传播基板的表面出现的对比度不同的薄层，不是由于晶格缺陷而产生的层，而是具有晶格畸变的层。

如此形成的传播基板表面的晶格畸变层，比构成传播基板整体的压电单晶硬，具有抑制温度变化引起的伸缩的效果，可降低频率温度系数。此外，表面晶格畸变层的音速快，显示出对基板表面附近的弹性能量的约束效果。通过该能量约束效果，可期待提升弹性波的传播效率。

附图说明

图1(a)是示意性的显示声表面波元件6的截面图，图1(b)是示意性的显示图1(a)的元件6的俯视图。图1(a)相当于图1(b)的Ia-Ia截面。

图2(a)是示意性的显示其他的声表面波元件10的截面图，图2(b)是示意性的显示图2(a)的元件10的俯视图。图2(a)相当于图2(b)的IIa-IIa截面。

图3(a)、(b)分别是示意性的显示又一其他声表面波元件6A、10A的截面图。

图4显示本发明的传播基板3的示意图。

图5本发明的传播基板的透射型电子显微镜照片。

图6(a)、(b)、(c)是用于说明本发明的元件的制造流程的图。

图7(a)、(b)、(c)是用于说明本发明的元件的制造流程的图。

具体实施方式

(声表面波元件的例子)

图1(a)、图1(b)的声表面波元件6中，支承基板1的接合面1b上介由粘合剂层2接合有传播基板3的接合面3b。1a是支承基板1的底面。在传播基板的表面3a形成输入电极4及输出电极5，得到横向型的声表面波元件6。声表面波从输入电极4向着输出电极5，按箭头7传播，构成声表面波滤波器。

此外，手机用的声表面波滤波器中，主要使用共振型的声表面波元件。图2(a)、图2(b)涉及此例。图2(b)显示共振型的声表面波元件的电极图案例。

图2(a)、图2(b)的声表面波元件10中，支承基板1的接合面1b上介由粘合剂层2接合有传播基板3的接合面3b。1a是支承基板1的底面。在传播基板的表面3a形成电极16、17、18，得到共振型的声表面波元件。

图3(a)的声表面波元件6A中，支承基板1的接合面1b上直接接合有传播基板3的接合面3b。在传播基板的表面3a形成输入电极4及输出电极5，得到横向型的声表面波元件6A。声表面波从输入电极4向着输出电极5，按箭头7传播，构成声表面波滤波器。

图3(b)的声表面波元件10A中，支承基板1的接合面1b上直接接合有传播基板3的接合面3b。1a是支承基板1的底面。在传播基板的表面3a形成电极16、17、18，得到共振型的声表面波元件。

(表面晶格畸变层)

在这里，本发明中，如图4所示，在传播基板3的表面3a侧，形成有表面晶格畸变层11。12是没有特别设置晶格畸变的层。

对于传播基板3的横截面，拍摄高分辨率透射型电子显微镜(TEM)像的话，如图5所示，TEM像中可以看出表面对比度。将此种高分辨率的TEM像进行快速傅立叶变换(FFT：FastFourierTransform)，得到FFT图案。其结果是，没有确认到因晶体缺陷而产生的点。因此确认，传播基板的表面出现的对比度不同的薄层，不是因晶格缺陷而产生的层，而是具有晶格畸变的层。

传播基板的表面存在的晶格畸变层的厚度，基于实际制造的观点，多在15μm以下，优选10μm以下。进一步优选8μm以下。此外，传播基板的表面存在的晶格畸变层的厚度基于插入损耗的观点，优选5μm以下，进一步优选3μm以下。传播基板的表面存在的晶格畸变层的厚度没有特别的下限，但优选在1μm以上。

但是，传播基板的表面存在的晶格畸变层的厚度，在上述的传播基板3的横截面的TEM像中，是指表面存在的、与构成传播基板的晶体对比度不同的层状区域的厚度。

本发明中，在该表面晶格畸变层上形成上述的电极图案。传播基板表面的晶格畸变层，比构成传播基板整体的压电单晶硬，具有抑制温度变化引起的伸缩的效果，可降低频率温度系数。此外，表面晶格畸变层的音速快，显示出对基板表面附近的弹性能量的约束效果。通过该能量约束效果，可以期待提升弹性波的传播效率。

以下更详细说明本发明的各要素。

(弹性波元件)

本发明的弹性波元件，除了声表面波，也可以是使用在传播基板内部传播的兰姆波的元件。弹性波元件，特别优选是声表面波滤波器或谐振器(resonator)。声表面波滤波器优选为带通滤波器，此外，谐振器是声表面波振荡元件，包含1接口型和2接口型。

弹性波元件也可以是兰姆波型共振子，其具备间插设置在传播基板表面的多个指状电极构成的IDT电极、以及配设在IDT电极的兰姆波传播方向两侧的一对反射器。兰姆波指的是，通过使基板厚度薄至所传播的波的数波长以下，使在基板内部传播的体波在基板上下面反复反射传播的板波。与距基板表面深度1波长以内具有能量的90％的瑞利(Rayleigh)波、泄漏声表面波、纵波型假泄漏声表面波的表面波不同，兰姆波是在基板内部传播的体波，因此能量分布在基板整体。

(支承基板)

支承基板的材质优选为选自硅、蓝宝石、氮化铝、碳化硅烧结体、氮化硅烧结体、氧化铝、硼硅酸玻璃及石英玻璃构成的群的材料。优选支承基板由硅或硼硅酸玻璃构成，特别优选由硅构成。通过采用这些材质，可以减小传播基板的热膨胀，进一步改善频率温度特性。

优选支承基板的表面没有形成氧化膜，由此，支承基板与传播基板的粘合力提高，并且高温下也可防止支承基板与传播基板的剥离和开裂。基于此观点，优选支承基板由硅构成，表面没有氧化硅膜。另外，支承基板的表面氧化膜的有无，通过透射型电子显微镜(TEM：TransmissionElectronMicroscope)观测截面。

支承基板的厚度T1，基于温度特性改善的观点，优选在100μm以上，更优选150μm以上，进一步优选200μm以上。此外，基于产品小型化的观点，T1优选在500μm以下。

(传播基板)

传播基板的材质优选选自机电耦合常数大的铌酸锂、钽酸锂及铌酸锂-钽酸锂固溶体单晶构成的群。优选压电单晶由钽酸锂构成。

此外，优选传播基板中的声表面波传播方向为X方向，切角为旋转Y切割板。特别优选铌酸锂为35～130°Y切割板。钽酸锂时传播基板为36～47°Y切割板。

传播基板的厚度T2，在声表面波设备的情况下，基于频率温度特性改善的观点，优选为10～50μm，更优选10～40μm，特别优选10～30μm。使用了兰姆波和体声波的弹性波设备中，传播基板的厚度T2优选为0.1～10μm，特别优选0.1～1μm。

(电极图案)

构成电极图案的材质，优选为铝、铝合金、铜、金，更优选铝或铝合金。铝合金优选使用Al中混合了0.3～5重量％的Cu的合金。此时，作为Cu的替代，也可使用Ti、Mg、Ni、Mo、Ta。

电极图案的厚度与弹性波波长λ的比率(t/λ)优选为3～15％，更优选5％以上，此外，更优选在15％以下。

(制造流程例)

图6、图7是示意性的显示弹性波元件用接合体的制造流程的截面图。本例中，支承基板与传播基板直接接合。

如图6(a)所示，令支承基板1的接合面1b与传播基板材料3A的接合面3b相对。此时，对支承基板1的接合面1b和传播基板材料3A的接合面3b分别进行活性化处理。作为活性化处理，优选在高真空腔内向基板表面照射中性化的Ar高速原子束(FAB：FastAtomBeam)或Ar离子束。

接着，如图6(b)所示，令支承基板1的接合面1b与传播基板材料3A的接合面3b接触，通过对接合面施加垂直方向的压力，将两者直接接合。直接接合优选如下进行。

即，令活性化的基板表面在高真空腔内于常温下相互接触，施加荷重。然后，从腔内取出，完成接合。

接着，如图6(c)所示，通过对传播基板材料3A的表面13进行磨削加工而减小其厚度，形成薄层的传播基板材料3B。在此阶段，传播基板材料的厚度接近最终的目标厚度。

接着，如图7(a)所示，对传播基板材料3B的表面14进行研磨加工，形成具有研磨面19的传播基板材料3C。在此阶段，优选使研磨面的算术平均粗糙度：Ra在4nm以下。研磨加工优选如下进行。

即，在金属平台(Sn、Cu)上，滴下金刚石悬浮液(平均粒径0.5～3μm)，令平台旋转。使基板材料的表面与金属平台接触放置，施加压力的同时进行研磨。

接着，如图7(b)所示，将传播基板材料3C的研磨面19进行镜面加工，形成具有镜面20的传播基板材料3D。在这里，镜面指的是，算术平均粗糙度：Ra在1nm以下的面。此精密研磨加工优选如下进行。

即，在研磨垫上，滴下胶体二氧化硅浆料(平均粒径20～80nm)，令垫旋转。使基板材料的表面与垫接触放置，施加压力的同时进行研磨。

通常，经过了镜面研磨的传播基板材料的镜面20，通过软质垫的摩擦进行精加工。对如此精加工后的截面进行TEM拍摄，表面也不会生成对比度特别不同的层。软质垫一般使用绒面革制的垫。

但是，如图7(c)所示，经过了镜面研磨的传播基板材料3D的镜面20，通过硬质垫摩擦进行精加工的话，会生成表面3a上形成有表面晶格畸变层11的传播基板3。

作为此种硬质垫，优选发泡聚氨酯垫和聚氨酯浸渍无纺布垫。发泡聚氨酯由聚氨酯的预聚物、固化剂、发泡剂构成。聚氨酯树脂，基于耐水性和耐药品性的观点，使用醚系的聚氨酯，固化剂使用二胺等。发泡倍率，根据用途使用0.4～1.0g/cm³之物。除了聚氨酯树脂以外，也在开发环氧树脂制的垫。

作为无纺布垫的无纺布的纤维品种，主要有人造纤维(rayon)、尼龙、聚酯、亚克力、聚丙烯等。令这些无纺布浸渍聚氨酯树脂，成为无纺布与聚氨酯树脂的混合体。硬质垫与软质垫的区分，一般以硬质垫为杨氏模量100MPa以上、软质垫为1～10MPa左右来区分。

此外，在通过硬质垫精加工镜面的阶段，与软质垫同样地使用胶体二氧化硅浆料研磨。

另外，图6、图7的例中，支承基板与传播基板材料直接接合，但两者也可介由粘合层而接合。

粘合支承基板与传播基板的有机粘合剂层的材质并无限定，但优选丙烯酸系树脂或环氧系树脂。

粘合剂层的形成方法并无限定，可例示印刷、旋涂。

在适宜的实施方式中，有机粘合剂层的厚度t在0.1μm以上、1.0μm以下。基于进一步提升弹性波元件的频率温度系数的观点，有机粘合剂层的厚度优选在0.1μm以上，此外优选0.8μm以下。

实施例

(实施例1)

根据图6、图7所示的制法，制作如图1(b)及图3(a)所示的声表面波元件6A。

但是，作为支承基板1，使用厚度230μm、直径4英寸的单晶硅基板。支承基板1的SAW的传播方向X的线膨胀系数为3ppm/℃。作为传播基板材料3A，使用以SAW的传播方向为X、切角为旋转Y切割板的36°Y切割X传播钽酸锂基板。SAW的传播方向X的线膨胀系数为16ppm/℃。传播基板材料3A的厚度为230μm。

将支承基板与传播基板材料导入真空度保持在10^-6Pa量级(即1.0×10-6Pa以上、小于1.0×10-5Pa)的真空腔，保持各自的接合面相向。向支承基板的接合面及传播基板材料的接合面分别照射80sec氩束，除去各接合面上的惰性层，使其活性化。接着，令支承基板的接合面与传播基板材料的接合面接触，对接合面施加垂直方向的1200kgf的荷重，由此直接接合两者。

将得到的接合体从腔内取出后，通过磨削加工机磨削传播基板材料的表面，使传播基板材料的厚度为25μm。接着，将该接合体安装在研磨装置上，使用金刚石悬浮液(平均粒径1μm)，研磨加工至传播基板材料的厚度为21μm。接着，将该传播基板材料的研磨面通过CMP(化学机械研磨)机，用胶体二氧化硅(平均粒径0.05μm)镜面研磨至厚度为20μm。得到的镜面的中心线平均表面粗糙度Ra为0.15nm。

接着，用发泡聚氨酯垫(硬质垫)对形成的镜面进行摩擦而精加工。将得到的元件的横截面通过机械研磨和离子铣削而薄板化，在以下条件下拍摄透射型电子显微镜照片。

装置的型号：日立制H-9000UHRⅠ

倍率：21,000～520,000倍

测定条件：加速电压300kV

观察方法：明视场图像，衍射图，多重波干扰图像

其结果是，在100,000倍以上的倍率下，如图5所示，在传播基板表面的厚度3nm的范围内，确认有对比度不同的发黑的薄层。其中，图5中的TEM像的倍率为520000倍。接着，将TEM像进行快速傅立叶变换(FFT：FastFourierTransform)，得到FFT图案。其结果是，没有确认到有因晶体缺陷而产生的点。

图5中，从上面看，依次排列着较浓的表面的线状部分、较浅的线状部分、较浓的线状部分，其下观察到厚度均匀的区域。表面晶格畸变层的厚度是从较浓的表面的线状部分的上端至最下方的较浓的线状部分的下端为止的尺寸。

在得到的传播基板上，形成厚度0.14μm的金属铝制的输入电极4及输出电极5。电极厚度t/弹性波波长λ＝7％。此外，测定声表面波元件的共振点的频率温度系数(TemperatureCoefficientofFrequency)，为-10ppm/℃。此外，其插入损耗为7.3dB。

(比较例1)

上述的实施例中，没有将传播基板的镜面通过所述发泡聚氨酯垫(硬质垫)进行摩擦精加工。拍摄得到的传播基板的表面附近的TEM照片，没有观测到对比度不同的区域或层。

在得到的传播基板上，形成厚度0.14μm的金属铝制的输入电极4及输出电极5。电极厚度t/声表面波波长λ＝7％。此外，测定声表面波元件的共振点的频率温度系数(TemperatureCoefficientofFrequency)，为-20ppm/℃。此外，其插入损耗为10dB。

(实施例2)

上述的实施例1中，使用更加硬质的无纺布垫代替发泡聚氨酯垫进行摩擦精加工。拍摄得到的传播基板的表面附近的TEM照片，发现晶格畸变层的厚度为8nm。此外，在表面观察到与实施例1相同的对比度差异的3层。

在得到的传播基板上，形成厚度0.14μm的金属铝制的输入电极4及输出电极5。电极厚度t/声表面波波长λ＝7％。此外，测定声表面波元件的共振点的频率温度系数(TemperatureCoefficientofFrequency)，显示-13ppm/℃的良好的数值。但是，插入损耗降低到8dB。推测这是由于表面的畸变层较厚，导致弹性波在传播中衰减。

(实施例3)

与实施例1同样地制作接合基板。但是，作为支承基板，使用的不是所述硅基板，而是与该硅基板相同厚度的蓝宝石基板。此时的共振点的频率温度系数为-18ppm/℃。

(比较例2)

与实施例2同样地制作接合基板。但是，没有对传播基板的镜面通过所述发泡聚氨酯垫(硬质垫)进行摩擦精加工，作为其替代，用绒面革垫(软质垫)进行了精加工。其结果是，拍摄得到的传播基板的表面附近的TEM照片，没有观测到对比度不同的区域或层。此外，共振点的频率温度系数为-23ppm℃。

(实施例4)

作为传播基板材料，使用以SAW的传播方向为X、切角为旋转Y切割板的128°Y切割X传播铌酸锂基板，除此以外，与实施例1同样地制作接合基板。SAW的传播方向X的线膨胀系数为15.4ppm/℃。传播基板材料的厚度为230μm。对研磨后的基板截面同样地用TEM观察，表面晶格畸变层的厚度为15nm，比钽酸锂情况下的厚度大。估计这是起因于晶体材料的杨氏模量相对较小。此外，在表面观察到与实施例1相同的对比度差异的3层。

与实施例1同样地测定声表面波元件的共振点的频率温度系数，为-58ppm/℃。

(比较例3)

与实施例4同样地制作接合基板。但是，没有对传播基板的镜面通过所述发泡聚氨酯垫(硬质垫)进行摩擦精加工，作为其替代，用绒面革垫(软质垫)进行了精加工。其结果是，拍摄得到的传播基板的表面附近的TEM照片，没有观测到对比度不同的区域或层。此外，共振点的频率温度系数为-65ppm℃。

(实施例5)

上述例子中，全部都是基板相互直接贴合，但也可使用粘合树脂贴合基板。

具体的，在实施例1使用的硅基板的表面，通过旋转涂布机涂布液态的丙烯酸系粘合剂，在此之上粘合实施例1中使用的钽酸锂基板，得到粘合体。将粘合体投入约150℃的烤箱中，令粘合剂固化。接着，经过与上述实施例1同样的工序，制作弹性波元件。

根据TEM观察，表面畸变层的厚度为3nm，与实施例1相同。此外，在表面观察到与实施例1相同的对比度差异的3层。此外，共振点的频率温度系数为-10ppm/℃，与实施例1相同，表明表面晶格畸变层所带来的效果不依赖于接合方法。

(比较例4)

与实施例5同样地制作接合基板。但是，没有对传播基板的镜面通过所述发泡聚氨酯垫(硬质垫)进行摩擦精加工，作为其替代，用绒面垫(软质垫)进行了精加工。其结果是，拍摄得到的传播基板的表面附近的TEM照片，没有观测到对比度不同的区域或层。此外，共振点的频率温度系数为-20ppm℃。

Claims

1.一种弹性波元件用复合基板，其特征在于，具备支承基板、以及

与所述支承基板接合、由压电单晶构成、传播弹性波的传播基板，

所述传播基板具有所述压电单晶的晶格发生畸变的表面晶格畸变层。

2.根据权利要求1所述的复合基板，其特征在于，所述表面晶格畸变层的厚度在3nm以下。

3.根据权利要求1或2所述的复合基板，其特征在于，通过透射型电子显微镜观察，所述表面晶格畸变层为多层。

4.根据权利要求1～3任意一项所述的复合基板，其特征在于，所述弹性波为声表面波、兰姆波型弹性波或体声波。

5.根据权利要求1～4任意一项所述的复合基板，其特征在于，所述支承基板与所述传播基板直接接合或介由粘合剂层接合。

6.根据权利要求5所述的复合基板，其特征在于，所述粘合剂层为厚度0.1μm～1.0μm的有机粘合剂层。

7.根据权利要求1～6任意一项所述的复合基板，其特征在于，所述压电单晶选自铌酸锂、钽酸锂及铌酸锂-钽酸锂固溶体单晶构成的群。

8.根据权利要求1～7任意一项所述的复合基板，其特征在于，所述支承基板由选自硅、蓝宝石、氮化铝烧结体、氧化铝、碳化硅烧结体、氮化硅烧结体、硼硅酸玻璃及石英玻璃构成的群的材料构成。

9.根据权利要求4～8任意一项所述的复合基板，其特征在于，所述弹性波元件为声表面波滤波器或谐振器。

10.根据权利要求1～9任意一项所述的复合基板，其特征在于，所述传播基板的厚度为0.1μm～40μm。

11.一种弹性波元件，其特征在于，具备权利要求1～10任意一项所述的复合基板以及设置在所述传播基板上的电极图案。

12.根据权利要求11所述的弹性波元件，其特征在于，所述弹性波元件是声表面波滤波器或谐振器。