JP2002026684A - 弾性表面波素子 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 伝搬基板と補助基板とを直接接合によって積
層化しているため、熱処理の際の温度によっては、積層
化した基板に作用する熱応力によって積層化した基板に
不具合が生じることがあり、基板の組み合わせにおいて
制限を受ける。 【解決手段】 圧電基板からなる伝搬基板１１と、前記
伝搬基板に接着層１４を介して積層された補助基板１２
と、前記伝搬基板１１の接着面と反対側の面上に形成さ
れた弾性表面波を励振する櫛形電極１３とを備え、前記
接着剤１４の硬化物のガラス転移点をＴｇとしたとき前
記Ｔｇが−３０℃以上にすることで、圧電基板の電気機
械結合係数等の諸特性を変化させることなく、良好な温
度特性を有し、また温度特性の設計自由度の高い弾性表
面波素子を得ることができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、移動体通信機器等
に使用される弾性表面波素子に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】近年、衛星通信や携帯電話をはじめとす
る移動体通信技術の発達にともなって、移動体通信機器
の高性能化が進んでいる。これらの機器には必ず高周波
フィルタや共振子といったデバイスが必要であり、これ
らのデバイスに対しても高性能化が求められている。従
来から、これらのデバイスとしては弾性表面波素子が広
く用いられている。

【０００３】弾性表面波素子の特性は、主に弾性表面波
が伝搬する圧電基板によって決まるが、圧電基板の特性
として重要なのは、電気機械結合係数と温度依存性であ
る。電気機械結合係数は、弾性表面波素子によって構成
されるフィルタの通過周波数帯域幅や、共振子の尖鋭度
（Ｑ値）に関わる量であり、温度依存性は、温度変化に
対してのフィルタの中心周波数の変動量や、共振子の共
振周波数の変動量に関わるものである。また、電気機械
結合係数や温度依存性は圧電基板の材料および基板方位
に固有である。

【０００４】弾性表面波素子を形成する圧電基板に要求
される特性は、たとえば高周波帯域においては通過帯域
を広く確保するため、電気機械結合係数が大きいこと、
また、周波数変動を抑制するため、温度依存性が小さい
ことである。しかしながら、既存の圧電基板について
は、電気機械結合係数が大きいものは、温度依存性も大
きい。このために、フィルタ等のデバイスを設計の面か
らは、電気機械結合係数が大きく、温度依存性が小さい
圧電基板が望まれていた。この既存の圧電基板としての
一例を図７に示す。図７において、３１は伝搬基板で、
３３は櫛型電極である。

【０００５】この課題を解決する方法のひとつとして、
既存の圧電基板と他の基板材料とを組み合わせる方法が
提案されている。

【０００６】その方法のひとつとして、特開平６−３２
６５５３号公報に開示されている温度特性改善方法があ
る。この方法は、基板表面を清浄化、親水化処理して、
重ね合わせ熱処理することによって原子レベルで直接接
合して、熱膨張係数の異なる基板を積層化した基板を用
いるものであり、基板単独の場合と比較して積層化した
基板の実質的な熱膨張係数は変化し、その結果弾性表面
波素子の温度依存性を変化させるものである。

【０００７】以下に、特開平６−３２６５５３号公報に
示される温度特性改善方法に基づく、従来の弾性表面波
素子について説明する。

【０００８】図６は直接接合による積層基板を用いた従
来の弾性表面波素子の模式的断面図である。図６におい
て、３１は圧電基板である伝搬基板、３２は低熱膨張係
数材料を用いた補助基板、３３は櫛形電極である。伝搬
基板３１と補助基板３２とは、基板表面を清浄化、親水
化処理して、重ね合わせ熱処理して直接接合され積層さ
れている。伝搬基板３１としてはタンタル酸リチウムや
ニオブ酸リチウムが用いられる。伝搬基板３１の厚みは
通常、使用波長の５倍以上である。伝搬基板３１と補助
基板３２の熱膨張係数が異なることから積層化した基板
の実質的な熱膨張係数は変化し、弾性表面波素子の温度
依存性も変化する。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、前記従
来の弾性表面波素子は、以下のような課題を有してい
る。

【００１０】従来の弾性表面波の温度特性は、弾性波が
伝搬する方向における、伝搬基板の熱膨張係数と補助基
板の熱膨張係数および、伝搬基板の絶対厚みで決定す
る。たとえば、温度依存性を小さくするには、伝搬基板
の熱膨張係数と補助基板の熱膨張係数の差を大きくとる
か、または、伝搬基板の絶対厚みを薄くすればよい。

【００１１】しかし、従来の弾性表面波素子は、伝搬基
板と補助基板とを直接接合によって積層化しているた
め、接合を強化するための高温の熱処理が必要である
が、伝搬基板の熱膨張係数と補助基板の熱膨張係数の差
が大きい場合、熱処理の際の温度によっては、積層化し
た基板に作用する熱応力によって積層化した基板に不具
合が生じることがある。伝搬基板と補助基板との厚み
比、および伝搬基板の絶対厚みにもよるが、３００℃以
上の温度で熱処理を行うと、場合によっては基板破砕を
生じることがある。そのため、従来の弾性弾性表面波
は、基板の組み合わせにおいて制限を受ける。

【００１２】本発明は、このような従来の弾性表面波素
子において、温度特性制御の自由度に制限があるという
課題を考慮し、良好な温度特性を有する弾性表面波素子
を提供することを目的とする。

【００１３】

【課題を解決するための手段】本発明にかかる弾性表面
波素子は、圧電基板からなる伝搬基板と、前記伝搬基板
に接着層を介して積層された補助基板と、前記伝搬基板
の接着面と反対側の面上に形成された弾性表面波を励振
する櫛形電極とを備え、前記接着剤の硬化物のガラス転
移点をＴｇとしたとき前記Ｔｇが−３０℃以上であるこ
とを特徴とする。この構成によれば、圧電基板の電気機
械結合係数等の諸特性を変化させることなく、良好な温
度特性を有し、また温度特性の設計自由度の高い弾性表
面波素子を得ることができる。

【００１４】また、伝搬基板の厚さが弾性表面波の使用
波長の１波長以上の厚みを有することによって、音速や
電気機械結合係数等の伝搬特性を良好にできる。これ
は、弾性表面波が伝搬基板の表面から使用波長の１波長
以内の深さにエネルギーの大半が集中する変位分布から
であり、本願発明の構成にすることによって、エネルギ
ーの集中分布を避けることができるからである。

【００１５】また、弾性波伝搬方向における前記伝搬基
板の熱膨張係数が前記補助基板の熱膨張係数より大きい
ことにより、弾性表面波素子の遅延時間温度係数（ＴＣ
Ｄ）を減少させることができ、弾性表面波素子の温度特
性を補償を行うことができる。

【００１６】また、接着層の厚みが１０μｍ以下である
ことにより、さらなる特性の改善が図れる。

【００１７】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図面
を参照して説明する。

【００１８】図１は本発明の実施の形態における弾性表
面波素子の断面図である。また図２は、図１に示してあ
る（ａ）−（ａ）’部での断面図である。図１、図２に
示す弾性表面波素子は、圧電基板である伝搬基板１１、
補助基板１２、櫛形電極１３、接着層１４で構成されて
いる。本実施の形態の弾性表面波素子においては、伝搬
基板１１と補助基板１２とが接着層１４を介して接合さ
れ、積層化されている。櫛形電極１３は、伝搬基板１１
の補助基板１２との接着面と反対側の面上に形成されて
いる。なお、図１、図２には、櫛形電極を用いた弾性表
面波素子の基本構成を示しているが、フィルタや共振子
に用いる場合には、櫛形電極１３の数や構成を必要に応
じて変更する。

【００１９】次に、本実施の形態の弾性表面波素子の動
作を説明する。櫛形電極１３に交番電界を印加すること
によって、弾性表面波が励振され、伝搬基板１１表面に
沿って弾性表面波が伝搬する。この弾性表面波は櫛形電
極１３で再び電気信号に変換される。以上によって、弾
性表面波素子として機能する。

【００２０】次に、本実施の形態の弾性表面波素子の温
度特性補償方法について説明する。

【００２１】まず、温度依存性について説明する。弾性
表面波素子の遅延時間温度係数（ＴＣＤ）は、伝搬基板
１１の弾性波伝搬方向の熱膨張係数から弾性表面波速度
の温度係数（ＴＣＶ）を差し引いたもので近似的に表さ
れる。また、ＴＣＶは主に伝搬基板１１の弾性定数の温
度係数と、伝搬基板１１の密度の温度係数に依存し、ニ
オブ酸リチウムやタンタル酸リチウムなどの電気機械結
合係数の大きい基板は、ＴＣＶは負値である。

【００２２】本実施の形態においては、補助基板１２が
伝搬基板１１より厚く、また弾性表面波の伝搬方向の熱
膨張係数の大きな伝搬基板１１と、弾性表面波の伝搬方
向の熱膨張係数の小さな補助基板１２を接合しているた
め、正の温度変化に対して伝搬基板１１の表面近傍では
圧縮応力が作用し、伝搬基板１１単体の場合よりも伝搬
基板１１の伸びが抑制される。同時に応力によって弾性
定数および弾性定数温度係数の変化も生じる。前記弾性
定数変化はＴＣＶの減少に寄与し、伝搬基板１１単体の
場合よりもＴＣＶは減少する。最終的には、弾性表面波
伝搬方向の熱膨張係数が小さくなることとあわせ、前記
弾性表面波素子のＴＣＤは減少する。以上によって、本
実施の形態の弾性表面波素子の温度特性補償が行われ
る。

【００２３】続いて、本実施の形態の弾性表面波素子の
温度特性について図面を用いて説明する。

【００２４】図３は本実施の形態の弾性表面波素子の周
波数温度変動を模式的に表すものであり、図７に示す本
実施の形態と同一の伝搬基板１１の単体を用いた弾性表
面波素子の周波数温度特性を破線で、本実施の形態の弾
性表面波素子の周波数温度特性を実線で示している。

【００２５】ここで、周波数温度特性とは温度特性を表
す指標量のひとつである。周波数温度特性を考える温度
範囲は、弾性表面波素子で構成するフィルタや共振子の
使用温度範囲である−３０℃から８０℃とする。また、
ここでは、接着層１４の硬化温度が室温であり、接着層
１４のガラス転移温度（Ｔｇ）が室温より高い場合につ
いて説明する。

【００２６】本実施の形態の弾性表面波素子は、接着層
１４のガラス転移温度（Ｔｇ）をしきい値としてその温
度特性が変化する。これは、Ｔｇより低温の温度範囲に
おいては、補助基板１２からの応力が樹脂層１４を介し
て伝搬基板１１に伝達することによって温度特性変動が
抑制される、すなわち温度特性が改善されるためであ
る。

【００２７】一方、Ｔｇを超える温度範囲においては、
本実施の形態の弾性表面波素子における接着層１４の硬
化物がガラス転移することによって、伝搬基板１１と補
助基板１２との間ですべりが生じて、補助基板１２から
の応力が伝搬基板１１に作用しない。したがって伝搬基
板１１は、補助基板１２がない場合と同様な伸縮をする
ため、温度特性は従来の弾性表面波素子のＴＣＦに近づ
き、さらに温度が高くなると温度特性は同等になる。

【００２８】図４は本実施の形態において、基板組み合
わせは同一で、Ｔｇが異なる基板を用いた弾性表面波素
子の周波数温度特性を表したものである。ここで、Ｔｇ
としてＴｇ（１）［℃］、Ｔｇ（２）［℃］を選び、Ｔ
ｇ（１）＜Ｔｇ（２）である。

【００２９】図４において、接着層１４のＴｇがＴｇ
（１）である弾性表面波素子の周波数温度特性を実線
で、接着層１４のＴｇがＴｇ（２）である弾性表面波素
子の周波数温度特性を破線で示している。本実施の形態
では、接着層１４のＴｇを高くすることによって、接着
層１４がガラス転移しない温度範囲を広げることができ
るため、周波数変動量を抑制することができる。

【００３０】このようにＴｇを弾性表面波素子の使用温
度範囲に設定することによって、弾性表面波素子の温度
特性を変化させることができる。

【００３１】また、Ｔｇが機器使用温度の下限よりも高
くなければ、温度特性の改善が得られないため、Ｔｇは
−３０℃よりも高いことが必要である。

【００３２】次に、本実施の形態の弾性表面波素子の製
造プロセスについて説明する。本実施の形態の弾性表面
波素子の製造プロセスで重要なのは積層基板形成であ
る。この積層基板形成方法について説明する。

【００３３】積層基板形成は、伝搬基板１１と補助基板
１２とを貼り付けるプロセスと、伝搬基板１１を薄板化
するプロセスからなる。まず、基板の貼り付けについて
説明する。

【００３４】伝搬基板１１、および補助基板１２の接着
予定面を通常の基板洗浄方法で清浄化する。次に、スピ
ンコータを用いて伝搬基板１１の接着予定面に接着剤を
塗布し、接着層１４を形成する。本実施の形態では接着
層１４を形成する接着剤として、エポキシ系で粘度が２
００ｃｐｓのものを用いた。

【００３５】また、本実施の形態においては、伝搬基板
１１上に接着剤を塗布してから基板貼り付けを行ってい
るが、補助基板１２上に接着剤を塗布して貼り付けても
よい。また、伝搬基板１１と補助基板１２の両方に接着
剤を塗布してから貼り付けてもよい。

【００３６】接着剤の塗布後、接着層１４に補助基板１
２を圧着し、接着層１４を硬化させて、積層基板を得
る。本実施の形態では、接着剤として紫外線硬化性を用
いたので、得られた積層基板に紫外線波長が３７５ｎｍ
のランプを１０分間当てることによって接着剤を硬化し
て、接着層１４を形成した。このとき、接着層の厚みは
５μｍであった。以上のプロセスは室温付近の温度で行
う。

【００３７】また、本実施の形態においては、接着剤が
よくなじむように、伝搬基板１１の接着予定面を研削処
理によってＧＣ１０００番の荒さにあらかじめ荒してお
いた。

【００３８】また、基板表面は通常の洗浄方法に加え
て、カップリング剤を用いてメチル基終端すると、基板
表面と接着剤とのぬれ性が向上する。この方法に限らな
いが、基板表面と接着剤とのぬれ性を向上させておくこ
とで、接着剤を薄く塗布し、接着層１４を薄くすること
ができる。

【００３９】また、本実施の形態においては接着剤の塗
布をスピンコーターで行ったが、接着層１４を薄くかつ
均一にできるものであれば塗布方法は問わない。

【００４０】次に伝搬基板１１の薄板化について説明す
る。まず得られた積層基板の伝搬基板１１部分を研削工
程によって薄くする。研削前の伝搬基板１１の厚みは２
００μｍである。研削工程の後、メカノケミカルポリッ
シングによって、伝搬基板１１表面を鏡面に仕上げ、最
終的に厚みを３０μｍまで加工する。

【００４１】なお、本実施の形態においては、基板貼り
付けを行ってから伝搬基板１１を薄く加工したが、予め
伝搬基板１１を薄板化しておいてから基板貼り付けを行
ってもよい。

【００４２】以上のプロセスによって積層基板が形成さ
れる。得られた積層基板の伝搬基板１１上に、フォトリ
ソグラフィーによって櫛形電極１３を形成する。以上の
プロセスを経て、本実施の形態における弾性表面波素子
は製造される。

【００４３】以上の方法によって製造された弾性表面波
素子の温度依存性を確認するため、圧電基板単体を用い
た弾性表面波素子と、本実施の形態における弾性表面波
素子について、周波数温度変動を測定し、比較を行っ
た。周波数温度変動とは温度依存性を表す量のひとつで
あり、周波数変動量が小さいほど温度依存性が小さいこ
とを示す。

【００４４】圧電基板単体を用いた弾性表面波素子の基
板として３６°回転ＹカットＸ伝搬タンタル酸リチウム
を用いた。また、本実施の形態における弾性表面波素子
においては、伝搬基板１１として厚さ３０μｍの３６°
回転ＹカットＸ伝搬のタンタル酸リチウム基板を用い、
補助基板１２として厚さ３００μｍの低熱膨張ガラス基
板を用いている。ここで３６°回転ＹカットＸ伝搬のタ
ンタル酸リチウム基板の熱膨張係数は１６ｐｐｍ／℃、
ガラス基板の熱膨張係数は３ｐｐｍ／℃である。

【００４５】また、接着層１４の厚みは５μｍであり、
使用弾性表面波の波長は７μｍである。弾性表面波は、
伝搬基板１１表面から使用波長の１波長以内の深さにエ
ネルギーの大半が集中する変位分布を持つ。そのため伝
搬基板１１厚みが１波長以上であれば、伝搬基板１１裏
面に補助基板１２を貼り付けても、音速や電気機械結合
係数といった弾性表面波の伝搬特性が変化することはな
い。

【００４６】図５に−３０℃から８０℃の温度範囲にお
ける本実施の形態の弾性表面波素子の周波数温度変化の
測定結果を示す。圧電基板単体を用いた弾性表面波素子
の周波数変動量が４５００ｐｐｍであるのに対し、本実
施の形態における弾性表面波素子は３５００ｐｐｍと温
度依存性が改善されていることが確認された。また、室
温における周波数応答を比較したところ、素子の違いに
よる特性の差は見られなかった。

【００４７】また、本実施の形態における弾性表面波素
子は、接着層の厚みによって温度特性を変化させること
ができる。弾性表面波素子の周波数温度変化について、
接着層の厚み依存性を測定したところ、接着層の厚みが
増すと温度特性改善量が徐々に小さくなり、接着層の厚
みが１０μｍを超えると、温度特性の改善が行われない
ことがわかった。本実施の形態においては接着層の厚み
が５μｍであったが、さらに接着層を薄くすることによ
って、より効果的に伝搬基板に応力が作用し、温度特性
の改善効果を得ることができる。

【００４８】以上のように本実施の形態の弾性表面波素
子は、電気機械結合係数等の諸特性を変化させず、良好
な温度特性を有し、また、温度依存性を抑制するもので
ある。

【００４９】また、本実施の形態においては接着剤とし
て紫外線照射によって硬化する接着剤を用いたが、接着
剤はこれに限るものではない。たとえば、熱硬化性の接
着材であっても、室温付近の温度で硬化するものは、室
温において積層基板に応力が残留せず好ましい。室温に
おいて積層基板に応力が残留しなければ、室温において
積層基板には反りが生じないので、積層基板に対して、
現行のフォトリソグラフィーを用いることができる利点
がある。

【００５０】また、本実施の形態は、基板接合に接着剤
を用いるので、基板接合において高温熱処理工程が不要
であるため、熱処理工程における熱応力による基板破砕
のおそれがない。

【００５１】また、本実施の形態は、基板接合に接着剤
を用いることによって、基板接合において高温熱処理が
不要となるため、任意の熱膨張係数の基板を組み合わせ
ることが可能で、さまざまな温度特性の弾性表面波素子
を得ることができる。

【００５２】また、本実施の形態においては、伝搬基板
１１としてタンタル酸リチウム、基板方位として３６°
回転ＹカットＸ伝搬を用いたが、これに限らず、ニオブ
酸リチウム、ホウ酸リチウム、ランガサイトなどの電気
機械結合係数の大きい基板材料および基板方位を用いて
もよい。本実施の形態で得られるさまざまな温度特性
は、圧電基板１１と伝搬基板１２の積層方法に起因する
ものであるため、伝搬基板１１材料、および基板方位が
異なっても同様な効果が得られるのは言うまでもない。

【００５３】

【発明の効果】以上説明したところから明らかなよう
に、本発明は、圧電基板の電気機械結合係数等の諸特性
を変化させることなく、良好な温度特性を有し、また温
度特性の設計自由度の高い弾性表面波素子を提供するこ
とができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態における弾性表面波素子の
斜視図および模式的断面図

【図２】図１のａ−ａ’部での断面図

【図３】本発明の実施の形態における弾性表面波素子の
周波数温度特性の模式的説明図

【図４】本発明の実施の形態における弾性表面波素子の
周波数温度特性の模式的説明図

【図５】本発明の実施の形態における弾性表面波素子の
周波数温度特性の測定結果を示す図

【図６】従来の弾性表面波素子の模式的断面図

【図７】単体の伝搬基板を用いた弾性表面波素子の模式
的断面図

【符号の説明】

１１，３１ 伝搬基板 １２，３２ 補助基板 １３，３３ 櫛形電極 １４ 接着層

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 圧電基板からなる伝搬基板と、前記伝搬
   基板に接着層を介して積層された補助基板と、前記伝搬
   基板の接着面と反対側の面上に形成された弾性表面波を
   励振する櫛形電極とを備え、前記接着層のガラス転移点
   をＴｇとしたとき前記Ｔｇが−３０℃以上であることを
   特徴とする弾性表面波素子。
2. 【請求項２】 補助基板の厚さが前記伝搬基板の厚さよ
   りも厚いことを特徴とする請求項１記載の弾性表面波素
   子。
3. 【請求項３】 伝搬基板の厚さが弾性表面波の使用波長
   の１波長以上の厚みであることを特徴とする請求項１ま
   たは２に記載の弾性表面波素子。
4. 【請求項４】 Ｔｇが室温以上であることを特徴とする
   請求項１〜３のいずれかに記載の弾性表面波素子。
5. 【請求項５】 弾性波伝搬方向における前記伝搬基板の
   熱膨張係数が前記補助基板の熱膨張係数より大きいこと
   を特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の弾性表面
   波素子。
6. 【請求項６】 接着層の厚みが１０μｍ以下であること
   を特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の弾性表面
   波素子。