CN107615653B - 弹性波装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种具有层叠有厚度薄的压电薄膜、低声速膜以及高声速部件的构造的弹性波装置，其中，特性的偏差少。弹性波装置(1)，在低声速膜(3)上设置有压电薄膜(4)，在压电薄膜(4)上设置有IDT电极(5)，压电薄膜(4)由压电单晶构成，并具有作为极化轴方向上的正的面的第一主面(4a)和作为极化轴方向上的负的面的第二主面(4b)，压电薄膜(4)的低声速膜(3)侧的主面为第一主面(4a)，IDT电极(5)侧的主面为第二主面(4b)。

Description

弹性波装置
技术领域
本发明涉及使用了具有高声速部件、低声速膜以及压电薄膜的层叠构造的弹性波装置。
背景技术
在下述的专利文献1记载的弹性波装置中，在高声速部件上层叠有低声速膜以及压电薄膜。在该压电薄膜上设置有IDT电极。在高声速部件中传播的体波的声速设为比在压电薄膜中传播的主模的弹性波的声速高。此外，在低声速膜中传播的体波的声速设为比在压电薄膜中传播的主模的弹性波的声速低。
在先技术文献
专利文献
专利文献1：WO2012/086639
发明内容
-发明要解决的课题-
像在专利文献1记载的那样，在具有层叠有压电薄膜、低声速膜、以及高声速部件的构造的弹性波装置中，压电薄膜与低声速膜的密接度往往产生偏差。例如，在使用了在将由IDT电极的电极指间距决定的波长设为λ时压电薄膜的厚度为3.5λ以下那样的薄的压电薄膜的情况下，压电薄膜与低声速膜的密接度的偏差变大。因此，有时会产生频率温度系数TCF等特性的偏差。
本发明的目的在于，提供一种具有层叠有厚度薄的压电薄膜、低声速膜以及高声速部件的构造的弹性波装置，其中，特性的偏差少。
-用于解决课题的手段-
本发明是具有压电薄膜的弹性波装置，所述弹性波装置具备：高声速部件，所传播的体波的声速与在所述压电薄膜中传播的主模的弹性波的声速相比为高速；低声速膜，层叠在所述高声速部件上，所传播的体波的声速与在所述压电薄膜中传播的主模的弹性波的声速相比为低速；所述压电薄膜，设置在所述低声速膜上；以及IDT电极，设置在所述压电薄膜上，所述压电薄膜由压电单晶构成，使所述低声速膜侧的主面为极化轴方向上的正面，使所述IDT电极侧的主面为极化轴方向上的负面。
在本发明涉及的弹性波装置的某个特定的局面中，在将由所述IDT电极的电极指间距决定的波长设为λ时，所述压电薄膜的厚度为3.5λ以下。在该情况下，能够提高Q值。优选地，压电薄膜的厚度为2.5λ以下。在该情况下，能够减小TCF的绝对值。更优选地，压电薄膜的厚度为1.5λ以下。在该情况下，能够容易地控制声速。
在本发明涉及的弹性波装置的某个特定的局面中，所述低声速膜由所述压电单晶以外的氧化物构成。
在本发明涉及的弹性波装置的另一个特定的局面中，所述氧化物为无机氧化物。
作为所述无机氧化物，优选地，由从由在氧化硅、氮氧化硅、氧化钽、氧化硅中添加氟、碳或硼而成的化合物构成的组选择出的一种材料构成。在该情况下，能够减小频率温度系数TCF的绝对值。
在本发明涉及的弹性波装置的另一个特定的局面中，所述压电单晶为LiNbO3或LiTaO3，所述低声速膜含有Li。在该情况下，能够更有效地提高低声速膜与压电薄膜的密接性。
在本发明涉及的弹性波装置的又一个特定的局面中，所述高声速部件为高声速支承基板。
在本发明涉及的弹性波装置的另一个特定的局面中，还具备支承基板，所述高声速部件为高声速膜，所述高声速膜层叠在所述支承基板与所述低声速膜之间。
在本发明涉及的弹性波装置的又一个特定的局面中，所述低声速膜具有第一低声速层和第二低声速层，所述第一低声速层与所述第二低声速层经由第一粘接剂层而被接合。在该情况下，只要在制作了第一粘接剂层的一侧的层叠部分和另一侧的层叠部分之后经由第一粘接剂层进行接合即可。
在本发明涉及的弹性波装置的又一个特定的局面中，还具备层叠在所述高声速膜与所述支承基板之间的第二低声速膜。在该情况下，能够更加有效地降低体波的影响。
在本发明涉及的弹性波装置的又一个特定的局面中，所述第二低声速膜具有第三低声速层和第四低声速层，所述第三低声速层与所述第四低声速层经由第二粘接剂层而被接合。在该情况下，只要经由第二粘接剂层将第二粘接材层的一侧的层叠部分和另一侧的层叠部分进行接合即可。
在本发明涉及的弹性波装置的又一个特定的局面中，在所述压电薄膜的第二主面上设置有第三低声速膜，在所述第二低声速膜上设置有所述IDT电极。在该情况下，能够使无用体波泄漏到第三低声速膜侧。
-发明效果-
根据本发明涉及的弹性波装置，能够提高压电薄膜与低声速膜的密接性，能够减少温度特性、滤波器特性等电特性的偏差。
附图说明
图1是本发明的第一实施方式涉及的弹性波装置的主视剖视图。
图2是用于说明压电薄膜的极化轴方向上的负面以及正面的示意性剖视图。
图3是示出作为本发明的第一实施方式涉及的弹性波装置的弹性波谐振器中的回波损耗特性的图。
图4是示出作为本发明的第一实施方式涉及的弹性波装置的弹性波谐振器中的阻抗史密斯图的图。
图5是示出将压电薄膜的极化轴方向上的负面层叠在低声速膜的情况下和将极化轴方向上的正面层叠在低声速膜的情况下的频段内脉动的大小的图。
图6是示出在弹性波装置中到由SiO2构成的低声速膜和由LiTaO3构成的压电薄膜为止的深度方向位置与Li以及Ta的浓度的关系的图。
图7是本发明的第二实施方式涉及的弹性波装置的主视剖视图。
图8是本发明的第三实施方式涉及的弹性波装置的主视剖视图。
图9是本发明的第四实施方式涉及的弹性波装置的主视剖视图。
图10是本发明的第五实施方式涉及的弹性波装置的主视剖视图。
图11是本发明的第六实施方式涉及的弹性波装置的主视剖视图。
图12是本发明的第七实施方式涉及的弹性波装置的主视剖视图。
图13是本发明的第八实施方式涉及的弹性波装置的主视剖视图。
图14是本发明的第九实施方式涉及的弹性波装置的主视剖视图。
图15是示出弹性波装置中的LiTaO3膜的膜厚与Q的关系的图。
图16是示出弹性波装置中的LiTaO3膜的膜厚与频率温度系数TCF的关系的图。
图17是示出弹性波装置中的LiTaO3膜的膜厚与声速的关系的图。
图18是示出由LiTaO3构成的压电薄膜的厚度与相对频段的关系的图。
具体实施方式
以下，参照附图对本发明的具体的实施方式进行说明，从而明确本发明。
另外，需要指出的是，本说明书记载的各实施方式是例示性的，能够在不同的实施方式间进行结构的部分置换或组合。
图1是本发明的第一实施方式涉及的弹性波装置的主视剖视图。
弹性波装置1具有支承基板2和层叠在支承基板2上的低声速膜3。在低声速膜3上层叠有压电薄膜4。压电薄膜4具有第一主面4a和第二主面4b。压电薄膜4层叠在低声速膜3，使得第一主面4a与低声速膜3相接。在压电薄膜4的第二主面4b上直接设置有IDT电极5。
支承基板2由适当的刚性材料构成。作为这样的材料，能够举出压电体、电介质、半导体或合成树脂等。作为压电体，能够举出蓝宝石、钽酸锂、铌酸锂或石英等。作为电介质，能够举出氧化铝、氧化镁、氮化硅、氮化铝、碳化硅、氧化锆、堇青石、多铝红柱石或镁橄榄石等陶瓷、或玻璃等。作为半导体，能够举出硅、氮化钾等。
优选地，作为上述支承基板2而使用高声速支承基板。高声速支承基板由所传播的体波与在压电薄膜4中传播的主模的弹性波相比为高速的材料构成。在此，所谓主模的弹性波，是指在弹性波装置1中利用的模式的弹性波，并不限定于基模。作为这样的材料，例如能够适当地使用氮化铝、氧化铝、碳化硅、氮氧化硅、氮化硅、DLC、金刚石等。在本实施方式中，作为支承基板2，使用作为高声速支承基板材料的蓝宝石、钽酸锂、铌酸锂、石英等压电体、氧化铝、氧化镁、氮化硅、氮化铝、碳化硅、氧化锆、堇青石、多铝红柱石、皂石、镁橄榄石等各种陶瓷、玻璃等电介质、硅、氮化镓等半导体、树脂基板等。
低声速膜3由所传播的体波的声速比在压电薄膜4中传播的主模的弹性波的声速低的材料构成。作为这样的材料，能够适当地使用构成压电薄膜4的压电单晶以外的氧化物。不过，只要满足上述声速关系，则并不限定于氧化物。
上述氧化物可以是无机氧化物，也可以是有机氧化物。不过，因为无机氧化物能够提高机械强度且进一步降低特性的偏差，所以优选。作为无机氧化物，能够举出在氧化硅、氮氧化硅、氧化钽、氧化硅中添加氟、碳或硼而成的化合物等。在本实施方式中，低声速膜3由氧化硅构成。
压电薄膜4由压电单晶构成。使用的压电单晶没有特别限定，优选地，使用钽酸锂(LiTaO3)或铌酸锂(LiNbO3)。
压电薄膜4在极化轴方向上具有负的面和正的面。如图1所示，在压电薄膜4中，第一主面4a为极化轴方向上的正面，第二主面4b为极化轴方向上的负面。压电薄膜4从作为该极化轴方向上的正面的第一主面4a侧层叠在低声速膜3。由此，如后所述，能够提高低声速膜3与压电薄膜4的密接性，能够减小特性的偏差。
另外，如图2所示，压电薄膜4中的极化成分12在极化轴方向上延伸。所谓极化轴方向上的负面，如图2所示，是指处于压电薄膜4中的极化成分12的负侧所朝的方向上的面。所谓极化轴方向上的正面，是指处于压电薄膜4中的极化成分12的正侧所朝的方向上的面。
IDT电极5由适当的金属构成。作为这样的金属，能够使用Al、Cu、Pt、Au、Ag、Ti、Ni、Cr、Mo、W等金属或将这些金属作为主成分的合金。IDT电极5也可以由层叠多个金属膜而成的层叠金属膜形成。
在本实施方式的弹性波装置1中，构成了包含IDT电极5的弹性波谐振器。
接着，基于具体的实验例来说明通过上述实施方式能够大幅降低特性的偏差。
作为上述实施方式的弹性波装置1的实施例，制作了弹性波谐振器。此外，为了比较，除了将压电薄膜4从压电薄膜4的极化轴方向上的负面侧层叠在低声速膜3以外，与上述实施例同样地制作了比较例的弹性波谐振器。
图3的实线示出上述实施例的弹性波谐振器的回波损耗特性。虚线示出比较例的回波损耗特性。
此外，图4的实线示出上述实施例的弹性波谐振器的阻抗史密斯图，虚线示出比较例的弹性波谐振器的阻抗史密斯图。比较图3以及图4的虚线和实线可明确，在比较例中，谐振频率与反谐振频率之间的频带，即，相对频段窄，且在该频带内出现了大的脉动。
相对于此，可知根据上述实施例，能够大幅减小频段内的脉动。
将上述频带内的最大的脉动的大小作为最大脉动。在图5中，示出上述实施例以及比较例的最大脉动的大小。
根据图5可明确，根据上述实施例，与比较例相比，能够大幅减小最大脉动。
如上所述，与比较例相比，根据实施例，能够大幅减小上述频带内的脉动，能够降低特性的偏差。可认为，这不仅因为IDT电极5设置在压电薄膜4的极化轴方向上的负面，还因为压电薄膜4的第一主面4a，即，极化轴方向上的正面层叠在低声速膜3。可认为，在压电薄膜4的极化轴方向上的正面与氧化硅那样的无机氧化物膜表面的界面处，容易发生化学反应，在极化轴方向上的负面与无机氧化物膜的界面处，难以发生化学反应。
此外，已确认：若提高SiO2的成膜温度，则上述频带内脉动变得更小。图6是示出层叠有由SiO2构成的低声速膜和由LiTaO3构成的压电薄膜的部分的深度方向位置与Li以及Ta的浓度的关系的图。可知，与比较例相比，根据实施例，Li向低声速膜的扩散程度大。可认为，LiTaO3侧的Li离子扩散到由无机氧化物构成的低声速膜3侧，由此也可提高两者的密接度。另外，在LiNbO3的情况下，也同样可通过Li离子的扩散来提高密接度。
如上所述，可认为，根据实施例，与比较例相比，可提高低声速膜3与压电薄膜4的密接性，因此上述频带内的脉动减小，且其偏差也减小。
在弹性波装置1中，因为层叠有支承基板2、低声速膜3以及压电薄膜4，所以能够提高Q值。特别是，在将由IDT电极的电极指间距决定的波长设为λ时，压电薄膜4的厚度优选在3.5λ以下的范围内。由此，不仅能够提高Q值，还能够抑制由压电薄膜4的偏差造成的特性偏差。参照图15～图17对此进行说明。
图15是示出在由硅构成的支承基板2上层叠有由厚度为0.35λ的SiO2膜构成的低声速膜3以及由欧拉角为(0°，140.0°，0°)的LiTaO3构成的压电薄膜4的弹性波装置中的LiTaO3的膜厚与Q值的关系的图。在此，图15的纵轴是谐振器的Q特性与相对频段(Δf)之积，一般用作判断器件特性的好坏的一个指标。此外，图16是示出LiTaO3的膜厚与频率温度系数TCF的关系的图。图17是示出LiTaO3的膜厚与声速的关系的图。根据图15明确可知，在LiTaO3的膜厚为3.5λ以下的情况下，与超过3.5λ的情况相比，Q值提高，Q特性变得良好。更优选地，为了进一步提高Q值，LiTaO3的膜厚期望是2.5λ以下。
此外，根据图16可知，在LiTaO3的膜厚为2.5λ以下的情况下，与LiTaO3的膜厚超过2.5λ的情况相比，能够减小频率温度系数TCF的绝对值。更优选地，在2.5λ以下的范围内，能够使频率温度系数TCF的绝对值为10ppm/℃以下，从而优选。
根据图17可明确，如果LiTaO3的膜厚为1.5λ以下，则能够通过控制膜厚而容易地调整声速。因此，更优选地，LiTaO3的膜厚更期望是1.5λ以下。
另一方面，图18是示出使由LiTaO3构成的压电薄膜的厚度变化的情况下的相对频段的变化的图。
根据图18可明确，若LiTaO3的厚度为1.5λ以上，则相对频段基本不变化。这是因为，声表面波的能量被封闭在压电薄膜内，并未分布到低声速膜3、高声速支承基板侧。因此可认为，在将压电薄膜的厚度设为1.5λ以下的情况下，能够使声表面波的能量充分地分布到低声速膜3，能够进一步提高Q值。
虽然在第一实施方式的弹性波装置1中，在支承基板2上层叠有低声速膜3、压电薄膜4以及IDT电极5，但是本发明的弹性波装置中的层叠构造并不限定于此。通过图7～图14所示的第二实施方式～第九实施方式对层叠构造的变形进行说明。
在图7所示的第二实施方式的弹性波装置21中，代替第一实施方式中的低声速膜3，使用了低声速膜23。低声速膜23具有第一低声速层23a和第二低声速层23b。第一低声速层23a与第二低声速层23b经由第一粘接剂层22接合。
第一低声速层23a以及第二低声速层23b能够由构成前述的低声速膜3的适当的材料来形成。优选地，第一低声速层23a的材料与第二低声速层23b的材料相同。
另外，所谓第一低声速层23a的材料与第二低声速层23b的材料相同，是指主成分50％以上相同的情况。另外，如果主成分75％以上相同，则更优选。进而，如果主成分100％相同，则进一步优选。
上述第一粘接剂层22由适当的粘接剂构成。作为这样的粘接剂，能够举出聚酰亚胺、环氧树脂类粘接剂。
在弹性波装置21中，压电薄膜4层叠在低声速膜23，使得压电薄膜4的作为极化轴方向上的正面的第一主面4a与低声速膜23接触。因此，可得到与第一实施方式同样的效果。
不过，在制造时，只要将第一层叠体和第二层叠体经由第一粘接剂层22进行粘接即可，第一层叠体在支承基板2上层叠有第二低声速层23b，第二层叠体在压电薄膜4的第一主面4a层叠有第一低声速层23a，并在第二主面4b形成有IDT电极5。
在图8所示的第三实施方式的弹性波装置31中，在支承基板2A上层叠有作为高声速部件的高声速膜2B。在该高声速膜2B上层叠有低声速膜3以及压电薄膜4。
关于构成上述支承基板2A的材料，能够使用与构成支承基板2的材料同样的材料。作为构成高声速膜2B的材料，能够使用在高声速膜2B中传播的体波与在压电薄膜4中传播的主模的弹性波相比为高速的适当的材料。作为这样的材料，可适当地使用前述的作为高声速支承基板材料而示出的氮化铝、氧化铝、碳化硅、氮氧化硅、氮化硅、DLC、金刚石等。
在弹性波装置31中，压电薄膜4也是从第一主面4a侧层叠在低声速膜3，因此可得到与第一实施方式同样的效果。而且，在第一实施方式中，在将支承基板2设为高声速支承基板的情况下能够有效地封闭弹性波，但是在弹性波装置31中，能够通过高声速膜2B将弹性波有效地封闭在比高声速膜2B更靠压电薄膜4侧。
在图9所示的第四实施方式的弹性波装置41中，相当于将弹性波装置31中的低声速膜3置换为弹性波装置21中的具有低声速膜23以及第一粘接剂层22的构造。因此，在弹性波装置41中，与第一实施方式～第三实施方式同样地，能够提高低声速膜23与压电薄膜4的密接度，能够降低特性的偏差。
此外，在制造时，只要与弹性波装置21同样地，将第一粘接剂层22的一侧的层叠体和另一侧的层叠体经由第一粘接剂层22进行接合即可。
在图10所示的第五实施方式的弹性波装置51中，除了对图8所示的弹性波装置31进一步追加了第二低声速膜53以外，与弹性波装置31相同。第二低声速膜53层叠在支承基板2A与高声速膜2B之间。像这样，也可以将第二低声速膜53层叠在高声速膜2B的与低声速膜3相反侧的面。此外，第二低声速膜53也能够由与低声速膜3同样的材料形成。优选地，低声速膜3的材料与第二低声速膜53的材料期望相同。另外，所谓低声速膜3的材料与第二低声速膜53的材料相同，是指主成分50％以上相同的情况。另外，如果主成分75％以上相同，则更优选。进而，如果主成分100％相同，则进一步优选。
在本实施方式中，压电薄膜4也从压电薄膜4的第一主面4a侧层叠在低声速膜3，因此可达到与第一实施方式～第四实施方式的弹性波装置同样的作用效果。
在图11所示的第六实施方式的弹性波装置61中，弹性波装置51中的第二低声速膜53具有第三低声速层53a以及第四低声速层53b。第三低声速层53a与第四低声速层53b经由第二粘接剂层54接合。关于其它结构，弹性波装置61与弹性波装置51相同。因此，弹性波装置61达到与弹性波装置51同样的作用效果。
在制造时，只要将第二粘接剂层54的一侧的层叠部分和另一侧的层叠部分经由第二粘接剂层54进行接合即可。与第一粘接剂层22同样地，第二粘接剂层54能够使用聚酰亚胺、环氧树脂等适当的粘接剂。
在图12所示的第七弹性波装置71中，在压电薄膜4上层叠有第三低声速膜72，在第三低声速膜72上设置有IDT电极5。像这样，IDT电极5也可以间接地设置在压电薄膜4上。作为构成该第三低声速膜72的材料，能够使用与低声速膜3同样的材料。像这样，也可以将IDT电极5隔着第三低声速膜72而间接地层叠在压电薄膜4的作为极化轴方向上的负面的第二主面4b上。
弹性波装置71的其它结构与第一实施方式相同，因此达到与第一实施方式同样的作用效果。通过设置第三低声速膜72，能够更有效地减小频率温度系数TCF的绝对值。
图13所示的第八实施方式的弹性波装置81相当于在图8所示的第三实施方式的弹性波装置31设置了上述第三低声速膜72的构造。因此，达到与第三实施方式的弹性波装置31同样的作用效果。此外，因为设置有第三低声速膜72，所以能够进一步减小频率温度系数TCF的绝对值。
图14所示的第九实施方式的弹性波装置91相当于在图10所示的第五实施方式的弹性波装置51追加了上述第三低声速膜72的构造。因此，弹性波装置91达到与弹性波装置51同样的作用效果。此外，由于第三低声速膜72的存在，从而能够有效地减小频率温度系数TCF的绝对值。在第七实施方式～第九实施方式涉及的弹性波装置71、81、91中，也可以设置前述的第一粘接剂层、第二粘接剂层。
另外，虽然在上述实施方式中对弹性波谐振器进行了说明，但是本发明涉及的弹性波装置不限于弹性波谐振器，还能够广泛应用于纵向耦合谐振器型弹性波滤波器等各种弹性波装置。
-符号说明-
1、21、31、41、51、61、71、81、91：弹性波装置；
2、2A：支承基板；
2B：高声速膜；
3：低声速膜；
4：压电薄膜；
4a：第一主面；
4b：第二主面；
5：IDT电极；
12：极化成分；
22：第一粘接剂层；
23：低声速膜；
23a：第一低声速层；
23b：第二低声速层；
53：第二低声速膜；
53a：第三低声速层；
53b：第四低声速层；
54：第二粘接剂层；
72：第三低声速膜。

Claims (13)

1.一种弹性波装置，具有压电薄膜，其中，具备：
高声速部件，所传播的体波的声速与在所述压电薄膜中传播的主模的弹性波的声速相比为高速；
低声速膜，层叠在所述高声速部件上，所传播的体波的声速与在所述压电薄膜中传播的主模的弹性波的声速相比为低速；
所述压电薄膜，设置在所述低声速膜上；以及
IDT电极，设置在所述压电薄膜上，
所述压电薄膜由压电单晶构成，使所述低声速膜侧的主面为极化轴方向上的正面，使所述IDT电极侧的主面为极化轴方向上的负面，
所述压电单晶是LiNbO3或LiTaO3，Li扩散到所述低声速膜。
2.根据权利要求1所述的弹性波装置，其中，
在将由所述IDT电极的电极指间距决定的波长设为λ时，所述压电薄膜的厚度为3.5λ以下。
3.根据权利要求2所述的弹性波装置，其中，
所述压电薄膜的厚度为2.5λ以下。
4.根据权利要求3所述的弹性波装置，其中，
所述压电薄膜的厚度为1.5λ以下。
5.根据权利要求1～4中的任一项所述的弹性波装置，其中，
所述低声速膜由所述压电单晶以外的氧化物构成。
6.根据权利要求5所述的弹性波装置，其中，
所述氧化物为无机氧化物。
7.根据权利要求6所述的弹性波装置，其中，
所述无机氧化物由从由氧化硅、氮氧化硅、氧化钽、在氧化硅中添加氟、碳或硼而成的化合物构成的组选择出的一种材料构成。
8.根据权利要求1～4中的任一项所述的弹性波装置，其中，
所述高声速部件为高声速支承基板。
9.根据权利要求1～4中的任一项所述的弹性波装置，其中，
还具备支承基板，所述高声速部件为高声速膜，所述高声速膜层叠在所述支承基板与所述低声速膜之间。
10.根据权利要求1～4中的任一项所述的弹性波装置，其中，
所述低声速膜具有第一低声速层和第二低声速层，所述第一低声速层与所述第二低声速层经由第一粘接剂层而被接合。
11.根据权利要求9所述的弹性波装置，其中，
还具备：第二低声速膜，层叠在所述高声速膜与所述支承基板之间。
12.根据权利要求11所述的弹性波装置，其中，
所述第二低声速膜具有第三低声速层和第四低声速层，所述第三低声速层与所述第四低声速层经由第二粘接剂层而被接合。
13.根据权利要求11或12所述的弹性波装置，其中，
在所述压电薄膜的第二主面上设置有第三低声速膜，在所述第三低声速膜上设置有所述IDT电极。
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