CN111446942B - 弹性波装置 - Google Patents
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Abstract
提供一种弹性波装置，能够抑制由反射镜模式引起的寄生。弹性波装置(1)具备：支承基板(2)；设置在支承基板(2)上的声反射膜(7)；设置在声反射膜(7)上且具有第一主面(4a)和第二主面(4b)的压电体层(4)；设置在压电体层(4)的第一主面(4a)上及第二主面(4b)上的第一平板电极(5)及第二平板电极(6)(激励电极)。声反射膜(7)具有交替层叠的高声阻抗层和低声阻抗层。高声阻抗层及低声阻抗层中的至少一层是纵波声阻抗及横波声阻抗中的至少一方实质上相同的第一材料层(12A)及第二材料层(12B)的层叠体。在第一材料层(12A)及第二材料层(12B)之间的界面(12c)设置有凹凸。
Description
技术领域
本发明涉及弹性波装置。
背景技术
以往，弹性波装置广泛用于便携电话的滤波器等。在下述专利文献1中，公开了利用BAW(Bulk Acoustic Wave，体声波)的弹性波装置的一例。在该弹性波装置中，在压电层的两个主面上分别设置有电极。由压电层及各电极构成的压电元件设置在声反射镜(acoustic mirror)上。声反射镜是将由具有低声阻抗的材料构成的层与由具有高声阻抗的材料构成的层交替层叠而成的层叠体。
在先技术文献
专利文献
专利文献1：日本发明专利第3987036号公报
发明内容
发明要解决的课题
在专利文献1所记载的弹性波装置中，有时产生由封入到声反射镜内的模式即反射镜模式引起的寄生(spurious)。反射镜模式在弹性波装置利用的主模式的谐振频率的约1.6倍以上的频带中产生。由于产生反射镜模式而导致弹性波装置的滤波器特性等可能发生劣化。
本发明的目的在于，提供一种能够抑制由反射镜模式引起的寄生的弹性波装置。
用于解决课题的手段
本发明的弹性波装置具备：支承基板；声反射膜，其设置在所述支承基板上；压电体层，其设置在所述声反射膜上，具有相对置的第一主面及第二主面；以及激励电极，其设置在所述压电体层的所述第一主面上及所述第二主面上的至少一方，所述声反射膜具有声阻抗相对高的高声阻抗层和声阻抗相对低的低声阻抗层，所述高声阻抗层及所述低声阻抗层交替地层叠，所述高声阻抗层及所述低声阻抗层中的至少一层为纵波声阻抗及横波声阻抗中的至少一方实质上相同的第一材料层及第二材料层的层叠体，在所述第一材料层及所述第二材料层之间的界面设置有凹凸。
发明效果
根据本发明的弹性波装置，能够抑制由反射镜模式引起的寄生。
附图说明
图1是本发明的第一实施方式的弹性波装置的正面剖视图。
图2是比较例的弹性波装置的正面剖视图。
图3是示出比较例的弹性波装置中的相位特性的图。
图4是本发明的第二实施方式的弹性波装置的正面剖视图。
图5是本发明的第二实施方式的弹性波装置的俯视图。
附图标记说明：
1...弹性波装置；
2...支承基板；
4...压电体层；
4a、4b...第一主面、第二主面；
5、6...第一平板电极、第二平板电极；
7...声反射膜；
12...低声阻抗层；
12A、12B...第一材料层、第二材料层；
12c...界面；
13...高声阻抗层；
14...低声阻抗层；
15...高声阻抗层；
16...低声阻抗层；
22...低声阻抗层；
31...弹性波装置；
33...高声阻抗层；
33A、33B...第一材料层、第二材料层；
33c...界面；
34...IDT电极；
35A、35B...反射器；
37...声反射膜；
38a、38b...第一汇流条、第二汇流条；
39a、39b...第一电极指、第二电极指。
具体实施方式
以下，参照附图对本发明的具体实施方式进行说明，由此使本发明变得清楚。
需要说明的是，本说明书所记载的各实施方式是例示性的，预先指出在不同的实施方式之间能够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的弹性波装置的正面剖视图。
弹性波装置1具有支承基板2。本实施方式的支承基板2是单晶的硅基板。需要说明的是，支承基板2的材料不限于硅，例如，能够使用氧化铝、钽酸锂、铌酸锂、水晶等的压电体、矾土、氧化镁、氮化硅、氮化铝、碳化硅、氧化锆、堇青石、莫来石、滑石、镁橄榄石等的各种陶瓷、蓝宝石、金刚石、玻璃等的电介质、氮化镓等的半导体或树脂等。
在支承基板2上设置有声反射膜7。在声反射膜7上设置有压电体层4。压电体层4具有相对置的第一主面4a及第二主面4b。第二主面4b位于声反射膜7侧。在压电体层4的第一主面4a上设置有第一平板电极5，在压电体层4的第二主面4b上设置有第二平板电极6。更具体而言，第二平板电极6设置在声反射膜7与压电体层4之间。第一平板电极5及第二平板电极6具有相互对置的部分。
本实施方式的压电体层4是氮化铝层。更具体而言，压电体层4是掺杂有钪、钇及铒中的至少一种稀土类元素的氮化铝层。需要说明的是，压电体层4也可以是未掺杂上述稀土类元素的氮化铝层。压电体层4的材料不限于氮化铝，能够使用其他适当的压电陶瓷或压电单晶。
在本实施方式中，第一平板电极5及第二平板电极6是激励电极，弹性波装置1是BAW谐振器。不过，本发明的弹性波装置1也可以是SAW(Surface Acoustic Wave，声表面波)谐振器。或者，本发明的弹性波装置1也可以是包括上述BAW谐振器或上述SAW谐振器的滤波器装置。
声反射膜7是多个声阻抗层的层叠体。更具体而言，声反射膜7具有声阻抗相对低的多个低声阻抗层和声阻抗相对高的多个高声阻抗层。低声阻抗层及高声阻抗层交替地层叠。更详细而言，声反射膜7具有低声阻抗层12、低声阻抗层14及低声阻抗层16、以及高声阻抗层13及高声阻抗层15。声反射膜7的各层中的低声阻抗层12位于最靠压电体层4侧。
在本实施方式中，声反射膜7具有三层低声阻抗层及两层高声阻抗层，但不限于此。声反射膜7至少具有一层低声阻抗层及一层高声阻抗层即可。
弹性波装置1是BAW谐振器，并且是具有声反射膜7的SMR(Solidly MountedResonator，固态装配型谐振器)。因此，能够有效地将弹性波的能量封入到压电体层4侧。
如图1所示，低声阻抗层12是第一材料层12A及第二材料层12B的层叠体。第一材料层12A位于压电体层4侧，第二材料层12B位于支承基板2侧。在第一材料层12A及第二材料层12B中，纵波声阻抗及横波声阻抗中的至少一方实质上相同。
在本说明书中，不同的两种材料的声阻抗实质上相同，是指在将一方的材料的声阻抗设为Z1、将另一方的材料的声阻抗设为Z2时，Z1处于Z2±30％的范围内。若不同的两种材料的声阻抗之差处于上述范围内，则在层叠由不同的两种材料构成的层而成的界面处，主模式几乎不被反射，因此，可以说声阻抗实质上相同。此外，由声阻抗实质上相同的材料构成的层的层叠体可以说是一层声阻抗层。
在下述的表1中，示出用于声反射膜7的材料的例子。表1中一并示出各材料的密度、纵波的声速、横波的声速、纵波声阻抗及横波声阻抗。
[表1]
在本实施方式中，低声阻抗层12中的第一材料层12A是氧化硅(SiO2)层，第二材料层12B是铝(Al)层。如表1所示，可知在氧化硅及铝中，纵波声阻抗及横波声阻抗的两方实质上相同。
另一方面，低声阻抗层14及低声阻抗层16分别是氧化硅层。高声阻抗层13及高声阻抗层15分别是钨层。需要说明的是，也可以将以表1所示的任意一种材料为主成分的材料、表1所示的材料以外的材料用于各个低声阻抗层或高声阻抗层。例如，也可以将低声阻抗层12的第一材料层12A设为氧化硅层，将第二材料层12B设为掺杂了氟(F)的氧化硅层，或者将第二材料层12B设为氧氮化硅层。
在第一材料层12A及第二材料层12B之间的界面12c设置有凹凸。这里，将第一材料层12A及第二材料层12B之间的界面12c的算术平均粗糙度(Ra)的值设为RaIF。在本实施方式中，RaIF大于在第一材料层12A及第二材料层12B传播的纵波或横波的波长中的厚度方向(声阻抗层的厚度方向)的成分的值的0.2倍。此外，RaIF小于在第一材料层12A及第二材料层12B传播的主模式的波长中的厚度方向的成分的0.2倍。本说明书中的算术平均粗糙度(Ra)基于JIS B 0601：2013。
需要说明的是，RaIF不限于上述情况，在第一材料层12A及第二材料层12B之间的界面12c设置有凹凸即可。界面12c的凹凸例如能够如下那样设置。使第一材料层12A成膜。接着，通过蚀刻等在第一材料层12A的表面设置凹凸。接着，在第一材料层12A的设置有凹凸的表面上，使第二材料层12B成膜。另一方面，例如，也可以在表面设置有凹凸的第二材料层12B上使第一材料层12A成膜。需要说明的是，第一材料层12A及第二材料层12B例如能够通过溅射法或真空蒸镀法等进行成膜。
如上所述，反射镜模式是指封入到声反射膜7内的模式。更具体而言，成为反射镜模式的模式例如是在声反射膜7传播的纵波或横波。成为反射镜模式的模式例如被封入到声反射膜7中的单层的声阻抗层内。
本实施方式的特征在于具有以下的结构。1)声反射膜7的低声阻抗层12是纵波声阻抗及横波声阻抗中的至少一方实质上相同的第一材料层12A及第二材料层12B的层叠体。2)在第一材料层12A及第二材料层12B之间的界面12c设置有凹凸。由此，能够抑制由反射镜模式引起的寄生。以下通过对本实施方式与比较例进行比较来详细地进行说明。
图2是比较例的弹性波装置的正面剖视图。
比较例的弹性波装置1在全部的低声阻抗层及高声阻抗层为单层这一点与第一实施方式不同。需要说明的是，图2所示的低声阻抗层22是与第一实施方式中作为第一材料层12A及第二材料层12B的层叠体的层相当的层。低声阻抗层22是氧化硅层。在比较例中，通过图2中的虚线M而示意性示出，产生至少封入到低声阻抗层22内的反射镜模式。
图3是示出比较例的弹性波装置中的相位特性的图。
如图3所示，主模式位于1.9GHz附近。可知在图3中的单点划线所示的主模式的频率的约1.6倍以上的频带中，产生由反射镜模式引起的多个响应。当在低声阻抗层22内封入成为寄生原因的模式时，该模式难以到达支承基板2。因此，例如即便在支承基板2的图2中的下方的面设置有凹凸，也难以抑制由反射镜模式引起的寄生。
与此相对，在图1所示的第一实施方式中，低声阻抗层12是第一材料层12A及第二材料层12B的层叠体，并且，在第一材料层12A及第二材料层12B之间的界面12c设置有使反射镜模式散射的凹凸。更具体而言，在界面12c设置有使成为反射镜模式的纵波或横波散射的凹凸。由此，能够使反射镜模式散射，能够抑制由反射镜模式引起的寄生。
如本实施方式那样，上述界面12c的算术平均粗糙度(Ra)即RaIF优选大于在第一材料层12A及第二材料层12B传播的纵波或横波的波长中的厚度方向的成分的值的0.2倍。由此，能够有效地使反射镜模式散射。另一方面，RaIF优选小于在第一材料层12A及第二材料层12B传播的主模式的波长中的厚度方向的成分的0.2倍。由此，主模式在低声阻抗层12内难以散射。因此，不会导致特性的劣化，能够有效地使反射镜模式散射。
RaIF更优选为在第一材料层12A及第二材料层12B传播的纵波或横波的波长中的厚度方向的成分的值的1/4。更具体而言，当将成为反射镜模式且成为寄生原因的封入到声反射膜7内的模式的波长设为λsp时，RaIF更优选为波长λsp的值的1/4。更详细而言，波长λsp是封入到声阻抗层内的模式的波长。通过采用上述结构，能够更加有效地使反射镜模式散射。需要说明的是，在本实施方式中，波长λsp表示成为反射镜模式的模式的波长中的声阻抗层的厚度方向的成分的值。
这里，当将由成为反射镜模式的封入到声反射膜7内的模式引起的寄生的频率设为fsp、将在各层传播的体波的声速设为vB时，下述的关系成立。需要说明的是，寄生的频率fsp是相位特性等谐振特性上的频率。
[数学式1]
此外，当将在第一材料层12A及第二材料层12B传播的体波的声速中的最高的声速设为vBfastest、将最低的声速设为vBslowest时，波长λsp的范围由声速vBfastest及声速vBslowest决定。当RaIF为波长λsp的值的1/4时，满足下述的式1的关系。
[数学式2]
这里，当RaIF为波长λsp的值的1/4时满足式1的关系，但另一方面，在满足式1的关系的情况下，RaIF不一定成为波长λsp的值的1/4。不过，在满足式1的关系的情况下，能够比较可靠地使RaIF成为波长λsp的值的1/4附近，因此，能够更进一步使反射镜模式散射。需要说明的是，RaIF更优选为波长λsp的值的1/4。
这里，在多个频率中产生由反射镜模式引起的寄生的情况下，优选将上述寄生中的强度最大的寄生的频率设为式1中的fsp。或者，RaIF优选为将上述的强度最大的寄生的频率设为fsp时的波长λsp的值的1/4。在这些情况下，能够适当地抑制弹性波装置1的特性的劣化。
在第一实施方式中，最靠压电体层4侧的低声阻抗层12是第一材料层12A及第二材料层12B的层叠体，在第一材料层12A及第二材料层12B之间的界面12c设置有使反射镜模式散射的凹凸。不过，也可以与低声阻抗层12同样地构成其他声阻抗层。在该情况下，在低声阻抗层12以外的声阻抗层中，也能够使反射镜模式散射。也可以为，声反射膜7的多个声阻抗层分别是第一材料层及第二材料层的层叠体，在各个第一材料层及第二材料层之间的界面设置有使反射镜模式散射的凹凸。在该情况下，在各声阻抗层中，优选满足上述式1的关系。在各声阻抗层中，RaIF更优选为波长λsp的值的1/4。
需要说明的是，声反射膜7中的低声阻抗层及高声阻抗层中的至少一层为第一材料层及第二材料层的层叠体，在第一材料层及第二材料层之间的界面设置有凹凸即可。
图4是第二实施方式的弹性波装置的正面剖视图。
弹性波装置31是具有作为激励电极的IDT电极(Interdigital Transducer，叉指换能器)34的SAW谐振器。在本实施方式中，压电体层4是铌酸锂层。需要说明的是，压电体层4的材料不限于铌酸锂，例如，也可以是钽酸锂、氮化铝等。压电体层4的第一主面4a及第二主面4b优选为X切割或旋转Y切割。
图5是第二实施方式的弹性波装置的俯视图。
IDT电极34具有相对置的第一汇流条38a及第二汇流条38b。IDT电极34具有一端分别与第一汇流条38a连接的多个第一电极指39a。此外，IDT电极34具有一端分别与第二汇流条38b连接的多个第二电极指39b。多个第一电极指39a与多个第二电极指39b相互间插。
在本实施方式中，IDT电极34设置在压电体层4的第一主面4a上。需要说明的是，IDT电极34设置于压电体层4的第一主面4a及第二主面4b中的至少一方即可。
通过向IDT电极34施加交流电压，使弹性波激励。在压电体层4上的IDT电极34的弹性波传播方向两侧设置有一对反射器35A及反射器35B。IDT电极34、反射器35A及反射器35B没有特别限定，但在本实施方式中由单层的铝-铜(Al-Cu)合金膜构成。需要说明的是，IDT电极34、反射器35A及反射器35B也可以由层叠了多个金属层的层叠金属膜构成。
当将由IDT电极34的电极指间距规定的波长设为λIDT、将IDT电极34的电极指间距设为p时，能够表示为λIDT＝2p。这里，压电体层4的厚度优选为1λIDT以下。在该情况下，通过具有压电体层4及声反射膜37层叠而成的结构，能够有效地提高耦合系数及O值。具有这种结构的SAW谐振器被称为多层型(Multi-Layered)SAW谐振器、波导型(Guided)SAW谐振器或板波模式(Plate Mode)谐振器等。本发明尤其适于在压电体层4传播的弹性波的声速比在支承基板2传播的横波体波的声速高、且主模式为纵波型SAW的情况。
返回到图4，在本实施方式中，最靠压电体层4侧的高声阻抗层33是第一材料层33A及第二材料层33B的层叠体。在第一材料层33A及第二材料层33B之间的界面33c设置有使反射镜模式散射的凹凸。需要说明的是，第一材料层33A是氧化铪(HfO2)层，第二材料层33B是钼(Mo)层。通过具有上述结构，与第一实施方式同样地能够抑制由反射镜模式引起的寄生。
需要说明的是，高声阻抗层33的第一材料层33A及第二材料层33B的材料不限于上述材料。例如，也可以将第一材料层33A设为钨、钼、钌(Ru)、铂(Pt)、铌(Nb)、钽(Ta)及铱(Ir)中的一种的金属层，将第二材料层33B设为以第一材料层33A的金属为主体的合金层。或者，例如也可以将第一材料层33A及第二材料层33B设为由钼、氮化铪及氧化铪中的两种材料构成的层或者由以它们为主体的材料构成的层。
如上所述，弹性波装置31为SAW谐振器，被激励的任意模式的波长的压电体层4上的传播方向的成分由IDT电极34的电极指间距p规定。另一方面，当将被激励的任意模式的波长中的声阻抗层的厚度方向的成分设为λz、将任意模式的频率设为f时，λz如下述那样表示。
[数学式3]
此外，当RaIF为成为反射镜模式的模式的波长λsp的值的1/4时，满足使用了在第一材料层33A及第二材料层33B传播的体波的声速中的最高的声速vBfastest和最低的声速vBslowest的下述的式2的关系。需要说明的是，在本实施方式中也与第一实施方式同样，波长λsp表示成为反射镜模式的模式的波长中的声阻抗层的厚度方向的成分的值。
[数学式4]
在满足式2的关系的情况下，能够更加可靠地使RaIF成为波长λsp的值的1/4附近，能够更进一步使反射镜模式散射。不过，RaIF更优选为波长λsp的值的1/4。
这里，在多个频率中产生由反射镜模式引起的寄生的情况下，优选将上述寄生中的强度最大的寄生的频率设为式2中的fsp。或者，RaIF优选为将上述的强度最大的寄生的频率设为fsp时的波长λsp的值的1/4。在这些情况下，能够适当地抑制弹性波装置31的特性的劣化。
Claims (8)
1.一种弹性波装置，具备：
支承基板；
声反射膜，其设置在所述支承基板上；
压电体层，其设置在所述声反射膜上，具有相对置的第一主面及第二主面；以及
激励电极，其设置在所述压电体层的所述第一主面上及所述第二主面上的至少一方，
所述声反射膜具有声阻抗相对高的高声阻抗层和声阻抗相对低的低声阻抗层，所述高声阻抗层及所述低声阻抗层交替地层叠，
所述高声阻抗层及所述低声阻抗层中的至少一层为纵波声阻抗及横波声阻抗中的至少一方实质上相同的第一材料层及第二材料层的层叠体，
在所述第一材料层及所述第二材料层之间的界面设置有凹凸。
2.根据权利要求1所述的弹性波装置，其中，
当将所述第一材料层及所述第二材料层之间的所述界面的算术平均粗糙度Ra的值设为RaIF时，所述RaIF大于在所述第一材料层及所述第二材料层传播的纵波或横波的波长中的厚度方向的成分的值的0.2倍，
所述RaIF小于在所述第一材料层及所述第二材料层传播的主模式的波长中的厚度方向的成分的0.2倍。
3.根据权利要求1或2所述的弹性波装置，其中，
所述激励电极是设置在所述压电体层的所述第一主面上的第一平板电极以及设置在所述压电体层的所述第二主面上的第二平板电极。
4.根据权利要求3所述的弹性波装置，其中，
当将所述第一材料层及所述第二材料层之间的所述界面的算术平均粗糙度Ra的值设为RaIF、将由封入到所述声反射膜内的模式引起的寄生的频率设为fsp、将在所述第一材料层及所述第二材料层传播的体波的声速中的最高的声速设为vBfastest、将在所述第一材料层及所述第二材料层传播的体波的声速中的最低的声速设为vBslowest时，满足下述的式1：
[数学式1]
5.根据权利要求1或2所述的弹性波装置，其中，
所述激励电极是IDT电极，该IDT电极设置在所述压电体层的所述第一主面及所述第二主面中的至少一方。
6.根据权利要求5所述的弹性波装置，其中，
当将由所述IDT电极的电极指间距规定的波长设为λIDT时，所述压电体层的厚度为1λIDT以下。
7.根据权利要求5所述的弹性波装置，其中，
当将所述第一材料层及所述第二材料层之间的所述界面的算术平均粗糙度Ra的值设为RaIF、将由封入到所述声反射膜内的模式引起的寄生的频率设为fsp、将在所述第一材料层及所述第二材料层传播的体波的声速中的最高的声速设为vBfastest、将在所述第一材料层及所述第二材料层传播的体波的声速中的最低的声速设为vBslowest、将所述IDT电极的电极指间距设为p时，满足下述的式2：
[数学式2]
8.根据权利要求4或7所述的弹性波装置，其中，
所述RaIF是封入到所述声反射膜内的模式的波长中的厚度方向的成分的值的1/4。
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