CN111149296A

CN111149296A - 复合基板以及使用其的弹性波元件

Info

Publication number: CN111149296A
Application number: CN201880063711.XA
Authority: CN
Inventors: 伊藤干; 岸野哲也; 野添惣一朗
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2017-10-24
Filing date: 2018-10-23
Publication date: 2020-05-12
Anticipated expiration: 2038-10-23
Also published as: WO2019082901A1; JP6915076B2; JPWO2019082901A1; US20200287515A1; CN111149296B

Abstract

本公开的复合基板具备：由钽酸锂晶体构成且欧拉角为(0、α、γ)的第1基板10；以及由与所述第1基板10接合的硅单晶构成且欧拉角为(‑45、‑54.7、β)的第2基板20，α为‑40°～‑60°或120°～140°，γ为0°或180°，并且满足以下情况的任一者。(1)为β＝γ±20°以内以及其等效的取向，(2)γ+160°≤β≤γ+200°。

Description

复合基板以及使用其的弹性波元件

技术领域

本公开涉及复合基板以及使用其的弹性波元件。

背景技术

以往，以改善电特性为目的，已知在将支承基板与压电基板贴合而成的复合基板上设置电极来制作弹性波元件。在此，弹性波元件例如被用作移动电话等通信设备中的带通滤波器。此外，在日本特开2006-319679号公报中，已知作为压电基板而使用铌酸锂、钽酸锂(以下，有时称为LT。)、作为支承基板而使用硅(Si)、石英、陶瓷等的复合基板。

发明内容

然而，近年来，在移动体通信中使用的便携终端装置要求小型化、轻量化，并且要求实现高通话品质。因此，需要具备更高电特性的弹性波元件。例如，为了降低输入输出信号向相邻信道的泄漏，要求通带外的特定频带中的衰减特性优异的弹性波元件。

本公开是鉴于这样的课题而完成的，提供一种用于提供电特性优异的弹性波元件的复合基板以及使用该复合基板的弹性波元件。

本公开的复合基板具备由钽酸锂(LT)基板构成的第1基板、和与所述第1基板接合的由硅单晶构成的第2基板。第1基板的欧拉角为(0°、α、γ)。第2基板的欧拉角为(-45°、-54.7°、β)。而且，α为-40°～-60°或120°～140°，γ为0°或180°，并且满足以下情况的任一者。

(1)为β＝γ±20°以内以及其等效的取向；

(2)γ+160°≤β≤γ+200°。

(1)为β＝0°±20°以内以及其等效的取向；

(2)为β＝60°±20°以内以及其等效的取向。

本公开的弹性波元件具备上述的复合基板和形成于所述复合基板的所述第1基板的上表面的IDT电极。

根据上述的复合基板，能够提供电特性优异的弹性波元件。

附图说明

图1的(a)是本公开所涉及的复合基板的俯视图，图1的(b)是图1的(a)的局部剖切立体图。

图2是本公开所涉及的弹性表面波元件的说明图。

图3的(a)是表示弹性波元件的频率特性的线图，图3的(b)是图3的(a)的主要部位放大图。

图4的(a)是表示弹性波元件的频率特性的线图，图4的(b)是图4的(a)的主要部位放大图。

图5的(a)、图5的(b)分别是表示使硅晶体的欧拉角变化时的弹性波元件的特性的计算结果。

图6是总结第1基板与第2基板的欧拉角的组合与弹性波元件的特性的关系的图。

图7是表示变形例所涉及的弹性波元件的寄生强度与电容部的排列方向的关系的线图。

图8是表示变形例所涉及的弹性波元件的寄生强度与硅晶体的欧拉角的关系的线图。

具体实施方式

以下，使用附图对本公开的复合基板、弹性波元件的一例进行详细地说明。

(复合基板)

如图1所示，本实施方式的复合基板1是所谓的贴合基板，由第1基板10和与第1基板10接合的第2基板20构成。在此，图1的(a)表示复合基板1的俯视图，图1的(b)表示将复合基板1的一部分剖切后的立体图。

第1基板10由LT(LiTaO₃)晶体所构成的具有压电性的单晶的基板来构成。而且，若将第1基板10的欧拉角(

θ、ψ)设为(0°、α、γ)，则α＝-40°～-60°或120°～140°。这与30°～50°的Y切割或30°～50°的Y切割的背面的任一个等效。而且，γ为0°或180°。

第1基板10的厚度是固定的，可以根据应用弹性波元件的技术领域、弹性波元件所要求的规格等适当地设定。具体地说，第1基板10的厚度可以为0.3μm～25μm，也可以进一步变薄。也可以设为由后述的IDT电极31的电极指32的反复间隔(间距)的2倍所定义的λ的1倍以上且20倍以下的厚度。特别是在设为2λ以下的情况下，能够使弹性波在第1基板10内实现低损耗化。此外，也可以设为0.1λ～0.5λ。在该情况下，能够使由IDT电极31激励的弹性波的谐振频率高频化。第1基板10的平面形状以及各种尺寸也可以适当设定。

第2基板20由Si单晶构成。Si单晶具有支承第1基板10的强度，因此能够提供可靠性高的复合基板1。进而，Si单晶的热膨胀系数小于第1基板10的材料的热膨胀系数。在该情况下，若产生温度变化，则在第1基板10产生热应力，此时，弹性常数的温度依赖性与应力依赖性相互抵消，进而，弹性波元件的电特性的温度变化得到补偿。第2基板20的欧拉角(

θ、ψ)为(-45°、-54.7°、β)，关于β的值将在后面叙述。上述的欧拉角相当于Si单晶的(111)面。

第2基板20的厚度例如是固定的，可以与第1基板10的厚度同样地适当设定。但是，考虑到第1基板10的厚度来设定第2基板20的厚度，使得适当地进行温度补偿。作为一例，也可以使第2基板20的厚度比第1基板10厚，相对于第1基板10的厚度为1～30μm，第2基板15的厚度为50～300μm。第2基板20的平面形状以及各种尺寸也可以与第1基板10相同。

第1基板10以及第2基板20也可以通过所谓直接接合而被贴合，即在利用等离子体、离子枪或中子枪等对接合面进行活化处理后，不夹着粘接层地进行贴合。换言之，第1基板10与第2基板20的接合面具备能够直接接合的平坦度。通常，能够直接接合的接合面的算术平均粗糙度小于1nm。通过将具有这样的接合面的基板彼此接合，两基板彼此的晶面彼此接触，声音边界变得明了。此外，并不限定于直接接合，也可以在第1基板10与第2基板20之间具备未图示的中间层。通过中间层能够实现两者的接合，或者调整声学特性。作为中间层，能够例示SiO₂、Ta₂O₅、Si₃N₄、Si、AlN、TiO₂。这些中间层也可以设为例如1λ以下的厚度。

(弹性波元件)

而且，复合基板1被划分为如图2所示的多个分区，其一个分区分别成为弹性波元件30。具体而言，将复合基板1按各分区进行切分单片化而作为弹性波元件30。弹性波元件30在第1基板10的上表面形成有激励弹性表面波的IDT电极31。IDT电极31具有多根电极指32，弹性波沿着其排列方向传播。在此，该排列方向与第1基板10的压电晶体的X轴大致平行。

弹性波元件30通过使用复合基板1，能够抑制由温度变化引起的频率特性(电特性)变化。另一方面，第1基板10薄且贴合第2基板20，由此在弹性波元件30中，体波在第1基板10的下表面反射而产生体波寄生。担心在组合多个IDT电极31而构成滤波器时，若在其他滤波器的通带的频带等中产生该体波寄生，则隔离特性恶化或者该频带中的损耗变大。特别希望提供在与反谐振频率相比更靠高频的一侧损耗较小的谐振器。

关于与这样的反谐振频率相比更靠高频的一侧的体波寄生，发明者们反复进行了深入研究，结果发现，通过使第2基板20的传播角度相对于第1基板10的传播角度为固定的关系，能够实现比反谐振频率更高频的低损耗化，提高衰减特性。另外，第1基板10与第2基板20的“调整传播角度”是指变更欧拉角(

θ、ψ)的ψ而使其旋转，调整β与γ的关系，使第2基板20相对于第1基板10旋转，变更硅晶体相对于第1基板10的压电晶体的X轴的方向。因此，“调整传播角度”，以后，有时以欧拉角的ψ(第1基板10的γ、第2基板20的β)标记，或以硅晶体相对于第1基板10的X轴形成的角度来表示。

(复合基板1的实施方式)

以下，对能够降低与反谐振频率相比更靠高频一侧的损耗的复合基板1的结构例进行说明。首先，作为第2基板20，使用将硅的面取向设为(111)、将定向平面的取向设为从通常的{110}以0°±20°或60°±20°的角度旋转而得的取向的基板。另外，{110}表示取向，并非总括地表示与(110)面等效的面。

在此，例如旋转了60°的情况，若以欧拉角来表示第2基板20的晶体取向，则成为(-45°、-54.7°、60°)。即，β＝60°。此外，由于第1基板10的定向平面设置为与弹性波的传播方向正交，因此接合第2基板20，使得硅的晶体的取向{110}的法线相对于作为弹性波的传播方向的压电晶体的X轴倾斜60°。另外，第1基板10的定向平面与弹性波的传播方向(LT基板的X轴方向)正交。进而，换言之，相对于第1基板10的传播方向(X轴)，第2基板20的β与Si的[1-10]方向的角度同义。

进而，换言之，在将第1基板10的γ设为0°或180°时，将第2基板20的β设为0°±20°或60°±20°。

当使用这样的复合基板1来构成弹性波元件30时，能够降低与反谐振频率相比更靠高频一侧的损耗。以下，对其效果进行验证。

对在本公开的复合基板1形成了IDT电极31的弹性波元件30的模型进行了模拟。弹性波元件30的基本结构模型如下。

[第1基板10]

材料：42°Y切割X传播LT基板

欧拉角：(0°、-48°、γ)

厚度：2.2μm

[IDT电极31]

材料：Al-Cu合金

(其中，在与第1基板10之间具有由6nm的Ti构成的基底层。)

厚度(Al-Cu合金层)：420nm

IDT电极31的电极指32：

(根数)以无限周期配置

(间距)2.7μm

(占空比)0.5

(交叉宽度)20λ(λ＝2×间距)

[覆盖IDT电极31的保护层]

材料：SiO₂

厚度：15nm

[第2基板20]

材料：硅单晶

厚度：230μm

晶体取向：(111)

作为本实施方式的弹性波元件30，制作变更了第1基板10与第2基板20的传播角度的模型并进行了模拟。具体而言，如下所述。

实施例1：设第1基板10的γ＝0°，设第2基板20的欧拉角(

θ、ψ)＝变更(-45、-54.7、β)的β)

实施例1-1：β＝0°

实施例1-2：β＝20°

实施例1-3：β＝40°

实施例1-4：β＝60°

实施例2：设第1基板10的γ＝180°，设第2基板20的欧拉角(

θ、ψ)＝变更(-45、-54.7、β)的β)

实施例2-1：β＝0°

实施例2-2：β＝20°

实施例2-3：β＝40°

实施例2-4：β＝60°

将实施例1、2的相位特性示于图3、4。在图3、4中，纵轴表示相位(单位：deg)，横轴表示频率(单位：MHz)。图3的(a)、图4的(a)是表示包括谐振频率、反谐振频率的较宽的频率范围的特性的图，图3的(b)、图4的(b)是图3的(a)、图4的(a)的局部放大图，表示与反谐振频率相比更靠高频一侧的特性。

由图3的(b)可知，在γ＝0°的情况下，若β＝0±20°，则寄生的隆起变小，并且能够使隆起的上升沿高频侧位移。另外，寄生的隆起是指在与反谐振频率相比更靠高频一侧，判断为从相位比-85°大的频率开始的部分。

同样地，由图4的(b)可知，在γ＝180°的情况下，在β＝60°±20°时能够确认同样的倾向。

在此，由于硅(111)晶体具有120°的旋转对称性，因此β＝60°和180°是等效的。由此可知，在γ＝0°时β＝0°、在γ＝180°时β＝60°都与使γ和β大致一致为相同含义。由此可知，通过使γ与β大致一致，寄生的隆起变小，并且能够使隆起的上升沿高频侧位移。换言之，使γ与β大致一致，调整为成为β＝γ±20°的范围、或成为与其等效的取向。

接下来，由图3的(a)可知，在γ＝0°的情况下，若β＝60±20°，则能够减小寄生的强度。同样地，由图4的(a)可知，在γ＝180°的情况下，在满足β＝0°±20°的情况下，能够减小寄生的强度。

在此，由于硅(111)晶体具有120°的旋转对称性，因此β＝60°和180°是等效的。由此，在γ＝0°时β＝60°、在γ＝180°时β＝0°都与使γ和β偏移180°、即与γ＝180°+β大致一致为相同含义。由此可知，通过使γ＝180°+β大致一致，能够减小寄生的绝对强度。换言之，使γ＝180°+β大致一致，调整为成为γ+160°≤β≤γ+200°的范围、或成为与其等效的取向。

在此，进一步分别求出使β细微变化时的从谐振频率到寄生的隆起点的间隔(Sp-fr)和寄生的最大相位(SP2)，并示于图5。图5的(a)表示γ＝0°时的结果，图5的(b)表示γ＝180°时的结果。

在图5的(a)中，用线L11表示Sp-fr的推移的情况，用线L12表示Sp2的推移的情况。同样地，在图5的(b)中，用线L21表示Sp-fr的推移的情况，用线L22表示Sp2的推移的情况。

由图5可知，在β超过20°且小于40°的区域中，Sp-fr变小，Sp2取极大值。以上，通过调整γ与β的关系而使β＝21°～39°，从而将第1基板10与第2基板20贴合，由此能够实现衰减特性优异的弹性波元件。

此外，可确认L11的0°～20°、L21的40°～60°的区域(即，成为β≈γ的区域)的Sp-fr稳定且较大。进而，均确认到在成为β＝γ的L11的0°、L21的60°时，Sp也变小。由此可知，在β＝γ±5°的情况下，能够增大Sp-fr，能够减小Sp2。

同样地，可确认在L12的40°～60°、L22的0°～20°的区域(即，成为γ≈180°+β的区域)中，Sp2稳定且较小。进而，均确认到，在从γ＝180°+β偏离20°～15°左右的L12的40°、L22的20°时，Sp也最小，Sp-fr也变大。

以上，将第1基板10的欧拉角设为(0°、-40°～-60°、γ)，将第2基板20的欧拉角设为(-45°、-54.7、β)，当γ设为0°或180°时，若设为γ≈β以及与其等效的欧拉角，则能够稳定地增大Sp-fr。即，能够使寄生向高频侧位移，并且降低寄生整体的强度。此外，若设为γ≈180°+β、以及与其等效的欧拉角，则能够减小Sp2的强度。即，确认了能够减小寄生强度。

另外，在此，在Si(111)面中，β的值与0°等效的是120°、240°，与60°等效的是180°、300°。即，与第2基板20的欧拉角(-45、-54.7、-20～20)等效的角度可以列举(-45、-54.7、100～140)、(-45、-54.7、220～260)。同样地，与(-45、-54.7、40～80)等效的角度可以列举(-45、-54.7、160～200)、(-45、-54.7、280～320)。

在上述的例子中，对将第1基板10的欧拉角设为(0°、-40°～-60°、γ)的情况进行了说明，或对于(0°、120°～140°、γ)的情况也是同样的。将对各个欧拉角的组合时的、Sp-fr的大小、Sp2的大小进行调查的结果示于图6。由图6可知，确认了即使α存在差异，通过调整γ与β的关系，也能够控制上述效果的显现。

另外，确认了若第1基板10的欧拉角中的ψ的角度、第2基板20的欧拉角中的ψ、θ的角度以例示的数值为中心而处于±5°以内的范围，则表现出上述的特性。

此外，在将γ从0°以及180°偏移的情况下，确认Sp-fr的大小变小。

此外，根据上述的公开，还能够提取以下的概念。

即，是将LT的欧拉角设为(0、α、γ)，以α：-40°～-60°(相当于30°～50°Y切割)或者120°～140°(30°～50°Y切割的背面)、γ：0°、180°、Si的欧拉角(-45、-54.7、β)贴合的LT/Si贴合晶片，

(1)是β为0°±20°以内以及其等效的取向的贴合晶片；

或(2)是β为60°±20°以内以及其等效的取向的贴合晶片。

在(1)的情况下，能够使在频带的高频产生的寄生向更高的区域移动或减少。在(2)的情况下，能够减小在高频产生的寄生的峰值。

另外，中间层也可以位于LT/Si的界面。

<变形例>

弹性波元件30也可以具备与IDT电极31并联连接的电容部60。通过电容部60，能够减小谐振频率与反谐振频率之差(df)，因此能够调整为具备所希望的df。在由与IDT电极31同样的叉指型电极形成这样的电容部60的情况下，也可以使电容部的电极指43(电容部电极指43)的重复排列方向D1与作为谐振器发挥功能的IDT电极31的电极指32的排列方向不同。通过设为这样的结构，能够降低电容部60的谐振的影响。进而，如图7所示，若将排列方向D1设为-60°±5°、60°±5°，则能够降低位于比谐振频率(fr)更靠高频一侧的寄生的最大强度。另外，由于γ＝0°、180°，因此排列方向D1相对于X轴为-60°±5°、60°±5°。

在此，对于包括电容部60的弹性波元件1，对使第2基板20的β变化时的寄生的最大强度进行了模拟。将该结果示于图8。在图8中，横轴是排列方向D1、纵轴是β，用等高线表示寄生的最大强度(MaxSP)。由图8可知，在将第2基板20的β设为0°～20°、40°～140°、160°～180°的情况下，能够减小寄生强度。即，在将第2基板20的β设为0°～20°、40°～80°、160°～180°的情况下，如上所述，除了降低比起因于IDT电极31的反谐振频率更靠高频一侧的损耗以外，还能够降低比起因于电容部60的反谐振频率更靠高频一侧的损耗。

另外，确认了这样的电容部60的排列方向D1与第2基板20的欧拉角的关系无论是在第1基板10与第2基板20之间有中间层的情况下还是在没有中间层的情况下都相同。

-符号说明-

1：复合基板

10：第1基板

20：第2基板

30：弹性波元件

31：IDT电极。

Claims

1.一种复合基板，其中具备：

第1基板，由钽酸锂晶体构成且欧拉角为(0、α、γ)；以及

第2基板，由与所述第1基板接合的硅单晶构成且欧拉角为(-45、-54.7、β)，α为-40°～-60°或120°～140°，γ为0°或180°，

并且满足以下情况的任一者：

(1)为β＝γ±20°以内以及其等效的取向

(2)为γ+160°≤β≤γ+200°以内以及其等效的取向。

2.一种复合基板，其中，具备：

第1基板，由钽酸锂晶体构成且欧拉角为(0、α、γ)；以及

并且满足以下情况的任一者：

(1)为β＝0°±20°以内以及其等效的取向

(2)为β＝60°±20°以内以及其等效的取向。

3.根据权利要求1或2所述的复合基板，其中，

所述第1基板比所述第2基板薄。

4.根据权利要求1～3中任一项所述的复合基板，其中，

关于所述第1基板与所述第2基板的接合面，所述钽酸锂晶体的晶面与所述硅单晶的晶面直接接触。

5.根据权利要求1～4中任一项所述的复合基板，其中，

在所述第1基板与所述第2基板之间，中间层配置1层以上。

6.一种弹性波元件，其中，具备：

权利要求1～5中任一项所述的复合基板；以及

位于所述复合基板的所述第1基板的上表面的IDT电极。

7.根据权利要求6所述的弹性波元件，其中，

所述IDT电极具备多个电极指，在将所述电极指的间隔的2倍设为λ时，所述第1基板的厚度为2λ以下。

8.根据权利要求1或2所述的弹性波元件，其中，

该弹性波元件包括与所述IDT电极并联连接且包括多个电容部电极指的叉指型的电容部，

所述电容部电极指的排列方向相对于所述IDT电极的所述电极指的排列方向形成60°±5°或-60°±5°的角度。

9.根据权利要求8所述的弹性波元件，其中，

所述第2基板的β是0°～20°、40°～140°以及160°～180°中的任一个。