JP2004186868A - 弾性表面波素子、それを有する送信フィルタ及び受信フィルタ、並びにそれらを有するデュプレクサ - Google Patents
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Abstract
【課題】周波数のばらつきや伝播損失の増加が生じることのない、製造が容易で周波数温度特性が改善された弾性表面波素子、それを有する送信フィルタ及び受信フィルタ、並びにそれらを有するデュプレクサを提供する。
【解決手段】接合基板１００における圧電基板１０をリチウムタンタレート（ＬＴ）で構成し、また、支持基板２０をサファイアで構成し、それぞれの基板厚をＴ，ｔとした場合に基板厚の比Ｔ／ｔ値が１／３より小さくなるように構成することで、周波数温度特性を安定して向上させることが可能となる。更に、上記のようなＳＡＷ素子１１０をデュプレクサ等で使用する場合には、ＳＡＷの波長λに対して圧電基板１０の厚さＴが１０倍よりも大きくなるように構成することで、隣接する通過帯域の特性を乱す要因となるスプリアス応答を抑制することが可能となる。
【選択図】 図１
【解決手段】接合基板１００における圧電基板１０をリチウムタンタレート（ＬＴ）で構成し、また、支持基板２０をサファイアで構成し、それぞれの基板厚をＴ，ｔとした場合に基板厚の比Ｔ／ｔ値が１／３より小さくなるように構成することで、周波数温度特性を安定して向上させることが可能となる。更に、上記のようなＳＡＷ素子１１０をデュプレクサ等で使用する場合には、ＳＡＷの波長λに対して圧電基板１０の厚さＴが１０倍よりも大きくなるように構成することで、隣接する通過帯域の特性を乱す要因となるスプリアス応答を抑制することが可能となる。
【選択図】 図１
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、弾性表面波素子、それを有する送信フィルタ及び受信フィルタ、並びにそれらを有するデュプレクサに関する。
【０００２】
【従来の技術】
現在、弾性表面波（Ｓｕｒｆａｃｅ Ａｃｏｕｓｔｉｃ Ｗａｖｅ：ＳＡＷ）素子は、携帯電話器等の電子機器におけるバンドパスフィルタ等として幅広く用いられている。特に近年、携帯電話器等の高性能化及び小型化に伴い、ＳＡＷ素子を用いたフィルタにも更なる高性能化及び小型化が求められている。
【０００３】
このような要求の１つとして温度安定性の向上が存在する。ＳＡＷ素子は一般的に温度変化によって通過帯域が移動してしまう。これは、ＳＡＷ素子用の圧電材料として現在多用されているタンタル酸リチウム（以下ＬＴという）やニオブ酸リチウム（以下ＬＮという）が広帯域のフィルタ特性を実現するのに有利であり且つ大きな電気機械結合係数を持つ圧電材料である反面、温度安定性に劣るという欠点を持っているからである。
【０００４】
また、ＳＡＷ素子の圧電材料としては水晶等も使用されるが、これは温度安定性に優れている反面、電気機械結合係数が小さいという欠点を有している。
【０００５】
このように、現在使用されている圧電材料の一般的な傾向として、電気機械結合係数の大きな材料は温度安定性に劣り、逆に、温度安定性に優れた水晶などの材料は、電気機械結合係数が小さいという欠点を有している。
【０００６】
このような欠点を解決し、大きな電気機械結合係数と優れた温度安定性を持った圧電材料を実現するために、現在では様々な方法が提案されている。
【０００７】
例えば以下に示す非特許文献１では、ＬＮ基板或いはＬＴ基板の表面に、相反する温度係数を有した酸化珪素膜を成膜した基板を使用したＳＡＷフィルタが開示されている。また、以下に示す特許文献１では、ＬＴ基板表面にＳＡＷの波長程度以下の分極反転層を形成し、この電界短絡効果を利用することによって温度安定性を向上させる技術が開示されている。この他、以下に示す特許文献２や非特許文献２では、薄い圧電基板と厚い低膨張材料基板とを直接接合により接合することで、圧電基板の温度変化による伸縮を抑制し、温度安定性を向上させるための技術が開示されている。また、同様の構成を接着剤等を用いて実現した技術も以下に示す非特許文献３で開示されている。更に、以下に示す特許文献３には、２種類の基板を固相反応にて接合することでフィルタ特性を改善した技術が開示されている。
【０００８】
【特許文献１】
特許第２５１６８１７号公報
【特許文献２】
特開平１１−５５０７０号公報
【特許文献３】
特開平９−２０８３９９号公報
【非特許文献１】
山之内ら， “ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓ． ｏｎ Ｓｏｎｉｃｓ ａｎｄ Ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃｓ．”， ｖｏｌ．ＳＵ−３１， ｐｐ．５１−５７， １９８４
【非特許文献２】
大西ら， “Ｐｒｏｃ． ｏｆ ＩＥＥＥ Ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃｓ Ｓｙｍｐｏｓｉｕｍ”， ｐｐ．３３５−３３８， １９９８
【非特許文献３】
山之内ら， “Ｐｒｏｃ． ｏｆ ＩＥＥＥ Ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃｓ Ｓｙｍｐｏｓｉｕｍ”， ｐｐ．２３９−２４２，
１９９９
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記した非特許文献１が開示するところの従来技術では以下に示すような問題が存在する。即ち、ＬＮ基板或いはＬＴ基板の表面に酸化珪素膜を成膜した基板では、酸化珪素膜の膜質及び膜厚を一定に制御することが難しく、ＳＡＷ素子の周波数にばらつきを生じてしまうという問題が存在する。また、この技術では、櫛形電極（インターディジタルトランスデューサ：ＩＤＴ）上にも酸化珪素膜を成膜する必要があるため、ＳＡＷの伝播損失が増大してしまうという問題も存在する。このため、この技術で作成されたＳＡＷ素子は適用できるデバイスが大幅に限定されてしまう。
【００１０】
また、上記した特許文献１が開示するところの従来技術では以下に示すような問題が存在する。即ち、ＬＴ基板表面にＳＡＷの波長程度以下の分極反転層を形成する方法では、これがＳＡＷ素子の特性に大きな影響を与えるため、分極反転層の深さを制御することが難しいという問題が存在する。
【００１１】
また、上記した特許文献２や非特許文献２が開示するところの従来技術では以下に示すような問題が存在する。即ち、圧電基板に低膨張材基板を接合する方法では、基板を洗浄後、高温のアニール処理を行う必要が存在するため、アニール処理中にウェハが破損しないように、低膨張材基板としてガラス等のヤング率の小さい基板を用いる必要が存在する。その結果、接合した基板間の熱膨張係数の違いにより発生する歪みが主基板に十分に伝わらず、温度特性の改善効果が十分に発揮されないという問題が存在する。
【００１２】
また、上記した非特許文献３が開示するところの従来技術では以下に示すような問題が存在する。即ち、紫外線硬化型接着剤を用いて常温で圧電基板と低膨張材基板との接合を行う方法では、界面の接着剤によって応力が緩和されるため、温度特性改善効果も低下してしまうという問題が存在する。
【００１３】
更に、上記した特許文献３が開示するところの従来技術では以下に示すような問題が存在する。即ち、２種類の基板を固相反応にて接合する方法では、接合後、融解が生じない程度の温度である１０００℃以上で加熱処理を行う必要があり、これにより圧電基板の定数が変化して音速変化を招き、周波数のばらつきが発生するという問題が存在する。
【００１４】
本発明は上記のような諸問題に鑑みてなされたもので、周波数のばらつきや伝播損失の増加が生じることのない、製造が容易で周波数温度特性が改善された弾性表面波素子、それを有する送信フィルタ及び受信フィルタ、並びにそれらを有するデュプレクサを提供することを目的とする。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
かかる目的を達成するために、本発明は、請求項１記載のように、第１主面上に櫛形電極が形成され、該第１主面と反対側の第２主面に支持基板が接合された主基板を有する弾性表面波素子において、前記主基板がリチウムタンタレートの圧電基板で形成され、前記支持基板がサファイアで形成され、前記主基板基板厚をＴとし、また、前記支持基板の基板厚をｔとし、更に弾性表面波の波長をλとした場合、以下の式１及び式２を満足するように構成される。
Ｔ／ｔ＜１／３ …（式１）
Ｔ／λ＞１０ …（式２）
【００１６】
以上のように構成することで、製造制御が困難な酸化珪素膜や分極反転層を用いることや加熱処理による固相反応を使用することがないため、周波数のばらつきや伝播損失の増加を生じさせず、且つ製造が容易な弾性表面波素子を提供することができる。また、圧電基板をリチウムタンタレートで、支持基板をサファイアで形成し、且つ式１で示す条件を満足するように設計することで、圧電基板の熱による膨張を促進させることなく、チップ内部で安定的にこれを制御することが可能となる。更に、式２で示す条件を満足するように設計することで隣接する通過帯域の特性を乱す要因となるスプリアス応答を抑制することが可能となる。
【００１７】
また、請求項１記載の前記弾性表面波素子は、例えば請求項２記載のように、前記主基板が、切り出し角が回転Ｙカット板であり、且つ弾性表面波の伝播方向をＸ軸としているものであってもよい。
【００１８】
また、本発明による送信フィルタは、請求項３記載のように、請求項１又は２記載の前記弾性表面波素子を有してなるように構成される。これにより、周波数のばらつきや伝播損失の増加が生じることのない、製造が容易で周波数温度特性が改善された弾性表面波素子を有する送信フィルタが提供される。
【００１９】
また、本発明による受信フィルタは、請求項４記載のように、請求項１又は２記載の前記弾性表面波素子を有してなるように構成される。これにより、周波数のばらつきや伝播損失の増加が生じることのない、製造が容易で周波数温度特性が改善された弾性表面波素子を有する受信フィルタが提供される。
【００２０】
また、本発明によるデュプレクサは、請求項５記載のように、請求項３記載の前記送信フィルタ及び請求項４記載の前記受信フィルタを有してなるように構成される。これにより、各フィルタの共振子をチップの内側に効率よく配列させることが可能となるため、個々のフィルタの周波数温度特性を更に改善させることが可能となる。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好適な実施形態について図面を用いて詳細に説明する。
【００２２】
図１は本発明の一実施形態を説明するにあたり使用する接合基板１００のモデルを示す斜視図である。また、図２から図４は図１に示す接合基板１００に対して有限要素法による解析シミュレーションを行った結果を示すグラフである。
【００２３】
図１に示すように、本実施形態で使用した接合基板１００のモデルは、弾性表面波（Ｓｕｒｆａｃｅ Ａｃｏｕｓｔｉｃ Ｗａｖｅ：ＳＡＷ）伝播方向（＝Ｘ方向）が１．０ｍｍ，これと垂直水平方向（＝Ｙ方向）が０．６ｍｍ，基板の厚み方向（＝Ｚ方向）が０．３ｍｍの支持基板２０の主面に所定の厚さの主基板（圧電基板ともいう）１０が接合された構成を有している。換言すると、圧電基板１０におけるＳＡＷ共振子３０（図９参照）が形成される面を第１主面とすると、この第１主面と反対側の第２主面に支持基板２０が接合された構成を有している。また、上記の有限要素法による解析シミュレーションでは、構造の対称性を利用して、圧電基板１０における第１主面の中心を原点（Ｘ，Ｙ，Ｚ）＝（０，０，０）とすることで発生した熱応力を原点からの距離に応じて算出した。
【００２４】
尚、上記のモデルにおいて、圧電基板１０には線膨張係数が１６．１ｐｐｍ／℃，ヤング率（Ｅ）が２３３ＧＰａのリチウムタンタレート（ＬＴ）を適用した。また、支持基板２０にはサファイアと、この他線膨張係数が３．３５ｐｐｍ／℃の材料であってヤング率（ｅ）が２５ＧＰａから４００ＧＰａまでの材料を使用した。即ち、上記のシミュレーションは、圧電基板１０と支持基板２０とのヤング率の比（Ｅ／ｅ）をパラメータとして０．５８から９．８２までの範囲で変化させた場合と、ＬＴ／サファイアにより接合基板１００を構成した場合とに対して行った。
【００２５】
更に、上記シミュレーションでは圧電基板１０の厚さ（Ｔ）を３０μｍと５０μｍと１００μｍとの３種類に変化させている。即ち、支持基板２０の厚さをｔとした場合、圧電基板１０の厚さ（Ｔ）と支持基板２０の厚さ（ｔ）との比（Ｔ／ｔ）を０．１０，０．１７，０．３３に変化させて上記シミュレーションを行った。尚、上記シミュレーションでは、圧電基板１０と支持基板２０との接合温度（応力及びひずみの無い状態）から１００℃だけ温度を上昇させた場合に発生した熱応力及びひずみ量を算出した。
【００２６】
図２は圧電基板１０の厚さ（Ｔ）を１００μｍとした接合基板１００に対して解析シミュレーションを行うことで得られた熱応力を示すグラフである。また、図３は圧電基板１０の厚さ（Ｔ）を５０μｍとした接合基板１００に対して解析シミュレーションを行うことで得られた熱応力を示すグラフである。また、図４は圧電基板１０の厚さ（Ｔ）を３０μｍとした接合基板１００に対して解析シミュレーションを行うことで得られた熱応力を示すグラフである。尚、各グラフ中における縦軸（応力［ＭＰａ］）がマイナスの領域は、温度上昇に伴って膨張しようとする圧電基板１０を支持基板２０が押さえ込もうとする領域である。換言すれば、圧電基板１０の膨張を抑制する方向（原点方向）への応力が発生する領域を示している。
【００２７】
ここで、図２に着目すると、Ｔ／ｔ＝０．３３とした場合、支持基板２０をサファイア以外で形成した接合基板１００の殆どの、Ｘ＝４００μｍ付近、即ち接合基板１００の端（以下、接合基板１００をチップという）から１００μｍ内側の付近で発生した熱応力が略０から正の値となっている。これは、Ｘ＝４００μｍ付近で圧電基板１０の膨張が抑制されていない（熱応力が０）、或いは膨張が促進されている（熱応力が正の値）ことを示している。このため、上記のような熱応力が正の値となる接合基板１００を用いて構成したＳＡＷ素子の周波数温度特性を改善させるためには、発生する熱応力が負の値となる領域、即ちチップ端から更に内側の領域にＳＡＷ共振子３０を形成しなければならない。従って、実質的にチップの両端から合計で４００μｍ以上内側にＳＡＷ共振子３０を形成しなければならないため、小型化に対して致命的な障害となり、これを実デバイスとして使用することが困難である。
【００２８】
また、図３又は図４に示すように、Ｔ／ｔ値を小さくした場合でも、ヤング率（Ｅ）が小さい、即ちＥ／ｅ値が大きければ、図２の場合と同様に、Ｘ＝４００μｍ（チップ端から１００μｍ内側）付近で、チップ端（Ｘ＝５００μｍ）から発生する熱応力が小さくなる現象が生じる。
【００２９】
このように、支持基板２０のヤング率（ｅ）が小さく、且つ基板厚（ｔ）が薄くなるほど、即ちＥ／ｅ値が大きく且つＴ／ｔ値が大きくなるほど、圧電基板１０の熱膨張を促進する方向へ働く熱応力が発生している。これは特にＥ／ｅ値が２より大きい場合に顕著に現れている。
【００３０】
これに対し、支持基板２０にサファイアを用いた場合では、チップ中央からチップ端までの間で発生する熱応力が常にマイナスの値となっている。これはＬＴ／サファイアの組み合わせで接合基板１００を構成した場合に、常に圧電基板１０の熱膨張が抑制されていることを示している。尚、図２から図４に示すＬＴＹ／サファイアで構成された接合基板１００に発生する熱応力のチップ上での位置依存性を図５に示す。また、図５では、圧電基板１０の基板厚（即ち、ＬＴ基板の厚さ）を４０μｍとした場合の同様な解析シミュレーション結果も示す。
【００３１】
このように、圧電基板１０をＬＴで形成し、支持基板２０をサファイアで形成し、且つ支持基板２０の厚み（ｔ）を圧電基板１０の厚み（Ｔ）の３倍より大きく（Ｔ／ｔ＜１／３）構成することで、圧電基板の熱による膨張を促進させることなく、チップ内部で安定的に制御することが可能となる。
【００３２】
次に、接合基板１００を異種基板を接合することで形成した場合に生じるスプリアスについて以下に説明する。図６は、図１における圧電基板１０として切り出し角が４２°の回転Ｙカット（以下４２°Ｙカットという）で厚さ（Ｔ）が２１μｍのＬＴ基板を使用し、支持基板２０として厚さ（ｔ）が３００μｍのサファイア基板を使用し、圧電基板１０上に１．９ＧＨｚ帯のＳＡＷ共振子３０（図９参照）を作成したＳＡＷ素子１１０の周波数特性を示すグラフである。また、比較のため、図７に従来技術によるＳＡＷ素子の周波数特性を示す。
【００３３】
図６及び図７を比較すると、図６に示すＳＡＷ素子１１０の周波数特性において、反共振周波数（反共振点ともいう）の高周波側にスプリアス応答が生じていることが読み取れる。このスプリアス応答は、ＳＡＷと同時に放射され、圧電基板１０内部に伝播するバルク波（Ｂｕｌｋ Ａｃｏｕｓｔｉｃ Ｗａｖｅ：ＢＡＷ）が音響インピーダンスの異なる圧電基板１０と支持基板２０との境界面で反射し、ＳＡＷ共振子３０の櫛形電極に再入射することで生じる現象である。そのため、圧電基板１０が厚くなるほどスプリアス応答は小さく、反対に圧電基板１０が薄くなるほど大きくなる。
【００３４】
図６で定義したスプリアス応答の振幅が圧電基板の厚さに依存する性質であることを図８を用いて説明する。図８は横軸を圧電基板厚／ＳＡＷ波長（Ｔ／λ）としている。図８を参照すると明らかなように、Ｔ／λが１０以下では、スプリアス振幅が急激に増加している。即ち、ＳＡＷの波長λに対して圧電基板１０の厚さＴが１０倍以下の場合では、圧電基板１０と支持基板２０との境界面でのバＢＡＷの反射が大きい。このようなスプリアス応答は、単一のＳＡＷ共振子３０で構成された単体共振子では特に問題とはならないが、複数のＳＡＷ共振子３０を有して構成されたデュプレクサ等では隣接する通過帯域の特性を乱すことがあるため、抑制されていることが望ましい。そのため、特にデュプレクサ等で使用する場合、Ｔ／λを１０より大きく構成することが望ましい。
【００３５】
次に、上記した形態を考慮して作製した本実施形態によるＳＡＷ素子１１０について図面を用いて詳細に説明する。
【００３６】
図９は、ＳＡＷ素子１１０の構成を示す斜視図である。図９に示すようにＳＡＷ素子１１０は、圧電基板（主基板）として４２°ＹカットＸ伝播ＬＴ（以下、ＬＴ基板という）１１と、支持基板としてＲ面カットのサファイア基板２１とを有して構成されている。尚、ＬＴ基板１１はＳＡＷ伝播方向（Ｘ方向）の線膨張係数が１６．１ｐｐｍ／℃であり、サファイア基板２１はＳＡＷ伝播方向（Ｘ方向）の線膨張係数が５．３ｐｐｍ／℃である。また、ＬＴ基板１１上の第１主面には、ＳＡＷ伝播方向に配置された２つの反射電極で挟まれた櫛形電極（ＩｎｔｅｒＤｉｇｉｔａｌ Ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ：ＩＤＴ）を有してなるＳＡＷ共振子３０が形成されている。
【００３７】
ここで、ＬＴの弾性スティフネス（Ｃ１１）は２３３ＧＰａであり、サファイアの弾性スティフネス（Ｃ１１）は４９７ＧＰａである。このため、Ｅ／ｅ値は約０．４７と、十分に小さい値になっている。また、ＬＴ基板１１上に形成されたＳＡＷ共振子３０は１．９ＧＨｚ帯のバンドパスフィルタとして機能する。尚、ＳＡＷの波長は約２．１μｍとする。また、ＬＴ基板１１の厚さ（Ｔ）を３０μｍとし、サファイア基板２１の厚さ（ｔ）を３００μｍとする。従って、ＳＡＷの波長λに対する圧電基板１０ａの厚さＴ／λは１４倍程度と十分厚くなっている。
【００３８】
図１０に図９に示すＳＡＷ素子１１０の周波数特性を示す。図１０に示すように、共振点より高周波側にＬＴ基板１１とサファイア基板２１との接合界面でのＢＡＷの反射を原因とするスプリアス応答が見られるが、共振点或いは反共振点付近では、このようなスプリアス応答が見られず、良好な周波数特性が得られている。
【００３９】
また、図９に示すＳＡＷ素子１１０によれば、反共振点での周波数温度特性（以下、ＴＣＦという）として−２０ｐｐｍ／℃、共振点でのＴＣＦとして−１０ｐｐｍ／℃が得られた。これは、従来のＳＡＷ素子による反共振点でのＴＣＦ（＝−４０ｐｐｍ／℃）及び共振点でのＴＣＦ（＝−３０ｐｐｍ／℃）と比べると、大幅に改善されている。
【００４０】
以上のように、本実施形態によれば、圧電基板をリチウムタンタレートで、支持基板をサファイアで形成し、且つ式１で示す条件を満足するように設計することで、ＳＡＷ素子１１０の周波数温度特性を安定して向上させることが可能となる。換言すれば、以下の式１で示す条件を満足するように設計することで、圧電基板１０の熱による膨張・収縮をチップ内部で安定的に制御することが可能となる。
Ｔ／ｔ＜１／３ …（式１）
【００４１】
また、上記の構成において、ＳＡＷの波長λに対して圧電基板１０の厚さＴが以下の式２を満足するように構成することで、隣接する通過帯域の特性を乱す要因となるスプリアス応答を抑制することが可能となる。
Ｔ／λ＞１０ …（式２）
【００４２】
また、このように支持基板２にサファイア基板を用いたＳＡＷ素子１１０は、一般的に、携帯電話器等の送受信信号を分割するデバイスであるデュプレクサ等において素子の耐電力性を高める際に有効である。本比較例によるＳＡＷ素子１１０は熱伝導率がＬＴ（ＬＴの熱伝導率：約３Ｗ／ｍＫ）の１０倍以上と比較的高いサファイア（熱伝導率：約４０Ｗ／ｍＫ）を支持基板２１として用いるため、ＳＡＷ共振子３０の櫛形電極で発生した熱エネルギーが基板を通して逃げ易い。従って、従来のＬＴ基板での素子と比較して、より高い耐電力性が実現されている。尚、ＬＴ／サファイア接合基板で１．９ＧＨｚ帯のＳＡＷデュプレクサを作製したところ、従来のＬＴ基板での素子に比べて耐電力性を向上させることができた。
【００４３】
〔他の実施形態〕
以上で例示した本発明の一実施形態におけるパラメータの数値は一例であって、これに限定されるものではない。また、ＳＡＷ素子も１つのＳＡＷ共振子に限定されず、複数個のＳＡＷ共振子からなるラダー型フィルタや２重モード型フィルタ、及びこれらのフィルタを用いたデュプレクサ等にも適用可能である。接合基板のチップ端から離れるほど熱応力により圧電基板の伸縮を抑える効果がより多く得られるので、このように複数のＳＡＷ共振子を１つのチップ上に配置することによって、より効果を得易い。例えばデュプレクサにおいて、送信フィルタと受信フィルタとを１チップ上に配置するなどするとよい。
【００４４】
尚、図１に本実施形態によるＳＡＷ素子（例として１１０を示す）を用いて構成した送信フィルタ１ａと受信フィルタ１ｂとを１チップ１Ａ上に形成したデュプレクサ１の構成を示す。
【００４５】
以上のように、ヤング率が圧電基板のそれよりも少なくとも１／２以上であるサファイア基板を支持基板として選択し、更に圧電基板を支持基板の１／３以下の厚さとすることで、温度変化による歪みが十分に圧電基板表面に伝わり、この効果において弾性表面波（Ｓｕｒｆａｃｅ Ａｃｏｕｓｔｉｃ Ｗａｖｅ：ＳＡＷ）伝播速度の変化が生じるため、温度特性の改善が図れる。また、この際、圧電基板をリチウムタンタレート（ＬＴ）で形成することで、より確かに効果を得ることができる。
【００４６】
また、ヤング率の小さい支持基板を圧電基板に接合した接合基板では、ＳＡＷデバイスを作成するプロセスの中で、例えばフォトリソグラフィ工程のレジストベークや電極膜のドライエッチング工程などの基板に温度変化が生じる工程において、接合された基板の線膨張係数の違いから、接合基板に反りが生じるため、基板内に温度分布が生じてデバイス作成の歩留りが低下する場合や、温度変化により基板が破損してしまう場合が存在するが、本発明の実施形態で示したように、ＬＴ基板に対して相対的にヤング率の大きなサファイア基板を用いることで、プロセス中の基板の反りも抑制され、通常のＳＡＷデバイスと同様のプロセスを適用することができ、デバイス作成の歩留りの低下を防止することができる。
【００４７】
また、本発明の実施形態で示したように、圧電基板にある程度の厚みを持たせることは、周波数特性の点から有利となる。圧電基板裏面に支持基板を接合する構成では、強い接合力を得るために、接合界面は鏡面となっている必要がある。そのため、櫛形電極（インターディジタルトランスデューサ：ＩＤＴ）から励振されて基板内部に伝播してしまう、いわゆるバルク波が接合界面で反射し、再び櫛形電極に入射することによってスプリアス応答を生じ、結果的に周波数特性を劣化させる。このスプリアス応答の大きさは、櫛形電極に再入射するバルク波の強度が増大することによって大きくなる。櫛形電極に再入射するバルク波の強度は、圧電基板が薄くなるほど強くなるため、本発明の実施形態のように、圧電基板を厚くすることで、スプリアス応答が少なく、より周波数特性のすぐれたＳＡＷデバイスを実現できる。
【００４８】
また、本発明の実施形態で示したように、支持基板としてサファイア基板を用いることによって、ＬＴ本来の良好な電気結合係数を劣化させることなく、且つ温度安定性に優れたＳＡＷ素子を実現することができる。
【００４９】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、製造制御が困難な酸化珪素膜や分極反転層を用いることや加熱処理による固相反応を使用することがないため、周波数のばらつきや伝播損失の増加を生じさせず、且つ製造が容易な弾性表面波素子を提供することができる。また、圧電基板をリチウムタンタレートで、支持基板をサファイアで形成し、且つ前記式１及び式２で示す条件を満足するように設計することで、圧電基板の熱による膨張を促進させることなく、チップ内部で安定的にこれを制御することが可能となる。更に、前記式２で示す条件を満足するように設計することで、隣接する通過帯域の特性を乱す要因となるスプリアス応答を抑制することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態を説明するにあたり使用した接合基板１００のモデルを示す斜視図である。
【図２】主基板１０の厚さ（Ｔ）を１００μｍとした場合の接合基板１００に対して有限要素法による解析シミュレーションを行った結果を示すグラフである。
【図３】主基板１０の厚さ（Ｔ）を５０μｍとした場合の接合基板１００に対して有限要素法による解析シミュレーションを行った結果を示すグラフである。
【図４】主基板１０の厚さ（Ｔ）を３０μｍとした場合の接合基板１００に対して有限要素法による解析シミュレーションを行った結果を示すグラフである。
【図５】支持基板２０をサファイアとした場合の解析シミュレーションの結果をまとめたグラフである。
【図６】４２°Ｙカットで厚さ（Ｔ）２１μｍのＬＴで作成された主基板１０と厚さ（ｔ）３００μｍのサファイアで作成された支持基板２０とよりなる接合基板１００上に１．９ＧＨｚ帯のＳＡＷ共振器３０を有するＳＡＷ素子１００Ａの周波数特性を示すグラフである。
【図７】従来のＳＡＷ素子の周波数特性を示すグラフである。
【図８】図６で定義したスプリアス応答の振幅の圧電基板厚依存性を示すグラフである。
【図９】本発明の一実施形態によるＳＡＷ素子１１０の構成を示す斜視図である。
【図１０】図９に示すＳＡＷ素子１１０の周波数特性を示すグラフである。
【図１１】本発明によるデュプレクサ１の構成を示すブロック図である。
【符号の説明】
１ デュプレクサ
１Ａ チップ
１ａ 送信フィルタ
１ｂ 受信フィルタ
１０ 主基板
１１ ＬＴ基板
２０ 支持基板
２１ サファイア基板
３０ ＳＡＷ共振器
１００ 接合基板
１１０ ＳＡＷ素子
【発明の属する技術分野】
本発明は、弾性表面波素子、それを有する送信フィルタ及び受信フィルタ、並びにそれらを有するデュプレクサに関する。
【０００２】
【従来の技術】
現在、弾性表面波（Ｓｕｒｆａｃｅ Ａｃｏｕｓｔｉｃ Ｗａｖｅ：ＳＡＷ）素子は、携帯電話器等の電子機器におけるバンドパスフィルタ等として幅広く用いられている。特に近年、携帯電話器等の高性能化及び小型化に伴い、ＳＡＷ素子を用いたフィルタにも更なる高性能化及び小型化が求められている。
【０００３】
このような要求の１つとして温度安定性の向上が存在する。ＳＡＷ素子は一般的に温度変化によって通過帯域が移動してしまう。これは、ＳＡＷ素子用の圧電材料として現在多用されているタンタル酸リチウム（以下ＬＴという）やニオブ酸リチウム（以下ＬＮという）が広帯域のフィルタ特性を実現するのに有利であり且つ大きな電気機械結合係数を持つ圧電材料である反面、温度安定性に劣るという欠点を持っているからである。
【０００４】
また、ＳＡＷ素子の圧電材料としては水晶等も使用されるが、これは温度安定性に優れている反面、電気機械結合係数が小さいという欠点を有している。
【０００５】
このように、現在使用されている圧電材料の一般的な傾向として、電気機械結合係数の大きな材料は温度安定性に劣り、逆に、温度安定性に優れた水晶などの材料は、電気機械結合係数が小さいという欠点を有している。
【０００６】
このような欠点を解決し、大きな電気機械結合係数と優れた温度安定性を持った圧電材料を実現するために、現在では様々な方法が提案されている。
【０００７】
例えば以下に示す非特許文献１では、ＬＮ基板或いはＬＴ基板の表面に、相反する温度係数を有した酸化珪素膜を成膜した基板を使用したＳＡＷフィルタが開示されている。また、以下に示す特許文献１では、ＬＴ基板表面にＳＡＷの波長程度以下の分極反転層を形成し、この電界短絡効果を利用することによって温度安定性を向上させる技術が開示されている。この他、以下に示す特許文献２や非特許文献２では、薄い圧電基板と厚い低膨張材料基板とを直接接合により接合することで、圧電基板の温度変化による伸縮を抑制し、温度安定性を向上させるための技術が開示されている。また、同様の構成を接着剤等を用いて実現した技術も以下に示す非特許文献３で開示されている。更に、以下に示す特許文献３には、２種類の基板を固相反応にて接合することでフィルタ特性を改善した技術が開示されている。
【０００８】
【特許文献１】
特許第２５１６８１７号公報
【特許文献２】
特開平１１−５５０７０号公報
【特許文献３】
特開平９−２０８３９９号公報
【非特許文献１】
山之内ら， “ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓ． ｏｎ Ｓｏｎｉｃｓ ａｎｄ Ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃｓ．”， ｖｏｌ．ＳＵ−３１， ｐｐ．５１−５７， １９８４
【非特許文献２】
大西ら， “Ｐｒｏｃ． ｏｆ ＩＥＥＥ Ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃｓ Ｓｙｍｐｏｓｉｕｍ”， ｐｐ．３３５−３３８， １９９８
【非特許文献３】
山之内ら， “Ｐｒｏｃ． ｏｆ ＩＥＥＥ Ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃｓ Ｓｙｍｐｏｓｉｕｍ”， ｐｐ．２３９−２４２，
１９９９
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記した非特許文献１が開示するところの従来技術では以下に示すような問題が存在する。即ち、ＬＮ基板或いはＬＴ基板の表面に酸化珪素膜を成膜した基板では、酸化珪素膜の膜質及び膜厚を一定に制御することが難しく、ＳＡＷ素子の周波数にばらつきを生じてしまうという問題が存在する。また、この技術では、櫛形電極（インターディジタルトランスデューサ：ＩＤＴ）上にも酸化珪素膜を成膜する必要があるため、ＳＡＷの伝播損失が増大してしまうという問題も存在する。このため、この技術で作成されたＳＡＷ素子は適用できるデバイスが大幅に限定されてしまう。
【００１０】
また、上記した特許文献１が開示するところの従来技術では以下に示すような問題が存在する。即ち、ＬＴ基板表面にＳＡＷの波長程度以下の分極反転層を形成する方法では、これがＳＡＷ素子の特性に大きな影響を与えるため、分極反転層の深さを制御することが難しいという問題が存在する。
【００１１】
また、上記した特許文献２や非特許文献２が開示するところの従来技術では以下に示すような問題が存在する。即ち、圧電基板に低膨張材基板を接合する方法では、基板を洗浄後、高温のアニール処理を行う必要が存在するため、アニール処理中にウェハが破損しないように、低膨張材基板としてガラス等のヤング率の小さい基板を用いる必要が存在する。その結果、接合した基板間の熱膨張係数の違いにより発生する歪みが主基板に十分に伝わらず、温度特性の改善効果が十分に発揮されないという問題が存在する。
【００１２】
また、上記した非特許文献３が開示するところの従来技術では以下に示すような問題が存在する。即ち、紫外線硬化型接着剤を用いて常温で圧電基板と低膨張材基板との接合を行う方法では、界面の接着剤によって応力が緩和されるため、温度特性改善効果も低下してしまうという問題が存在する。
【００１３】
更に、上記した特許文献３が開示するところの従来技術では以下に示すような問題が存在する。即ち、２種類の基板を固相反応にて接合する方法では、接合後、融解が生じない程度の温度である１０００℃以上で加熱処理を行う必要があり、これにより圧電基板の定数が変化して音速変化を招き、周波数のばらつきが発生するという問題が存在する。
【００１４】
本発明は上記のような諸問題に鑑みてなされたもので、周波数のばらつきや伝播損失の増加が生じることのない、製造が容易で周波数温度特性が改善された弾性表面波素子、それを有する送信フィルタ及び受信フィルタ、並びにそれらを有するデュプレクサを提供することを目的とする。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
かかる目的を達成するために、本発明は、請求項１記載のように、第１主面上に櫛形電極が形成され、該第１主面と反対側の第２主面に支持基板が接合された主基板を有する弾性表面波素子において、前記主基板がリチウムタンタレートの圧電基板で形成され、前記支持基板がサファイアで形成され、前記主基板基板厚をＴとし、また、前記支持基板の基板厚をｔとし、更に弾性表面波の波長をλとした場合、以下の式１及び式２を満足するように構成される。
Ｔ／ｔ＜１／３ …（式１）
Ｔ／λ＞１０ …（式２）
【００１６】
以上のように構成することで、製造制御が困難な酸化珪素膜や分極反転層を用いることや加熱処理による固相反応を使用することがないため、周波数のばらつきや伝播損失の増加を生じさせず、且つ製造が容易な弾性表面波素子を提供することができる。また、圧電基板をリチウムタンタレートで、支持基板をサファイアで形成し、且つ式１で示す条件を満足するように設計することで、圧電基板の熱による膨張を促進させることなく、チップ内部で安定的にこれを制御することが可能となる。更に、式２で示す条件を満足するように設計することで隣接する通過帯域の特性を乱す要因となるスプリアス応答を抑制することが可能となる。
【００１７】
また、請求項１記載の前記弾性表面波素子は、例えば請求項２記載のように、前記主基板が、切り出し角が回転Ｙカット板であり、且つ弾性表面波の伝播方向をＸ軸としているものであってもよい。
【００１８】
また、本発明による送信フィルタは、請求項３記載のように、請求項１又は２記載の前記弾性表面波素子を有してなるように構成される。これにより、周波数のばらつきや伝播損失の増加が生じることのない、製造が容易で周波数温度特性が改善された弾性表面波素子を有する送信フィルタが提供される。
【００１９】
また、本発明による受信フィルタは、請求項４記載のように、請求項１又は２記載の前記弾性表面波素子を有してなるように構成される。これにより、周波数のばらつきや伝播損失の増加が生じることのない、製造が容易で周波数温度特性が改善された弾性表面波素子を有する受信フィルタが提供される。
【００２０】
また、本発明によるデュプレクサは、請求項５記載のように、請求項３記載の前記送信フィルタ及び請求項４記載の前記受信フィルタを有してなるように構成される。これにより、各フィルタの共振子をチップの内側に効率よく配列させることが可能となるため、個々のフィルタの周波数温度特性を更に改善させることが可能となる。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好適な実施形態について図面を用いて詳細に説明する。
【００２２】
図１は本発明の一実施形態を説明するにあたり使用する接合基板１００のモデルを示す斜視図である。また、図２から図４は図１に示す接合基板１００に対して有限要素法による解析シミュレーションを行った結果を示すグラフである。
【００２３】
図１に示すように、本実施形態で使用した接合基板１００のモデルは、弾性表面波（Ｓｕｒｆａｃｅ Ａｃｏｕｓｔｉｃ Ｗａｖｅ：ＳＡＷ）伝播方向（＝Ｘ方向）が１．０ｍｍ，これと垂直水平方向（＝Ｙ方向）が０．６ｍｍ，基板の厚み方向（＝Ｚ方向）が０．３ｍｍの支持基板２０の主面に所定の厚さの主基板（圧電基板ともいう）１０が接合された構成を有している。換言すると、圧電基板１０におけるＳＡＷ共振子３０（図９参照）が形成される面を第１主面とすると、この第１主面と反対側の第２主面に支持基板２０が接合された構成を有している。また、上記の有限要素法による解析シミュレーションでは、構造の対称性を利用して、圧電基板１０における第１主面の中心を原点（Ｘ，Ｙ，Ｚ）＝（０，０，０）とすることで発生した熱応力を原点からの距離に応じて算出した。
【００２４】
尚、上記のモデルにおいて、圧電基板１０には線膨張係数が１６．１ｐｐｍ／℃，ヤング率（Ｅ）が２３３ＧＰａのリチウムタンタレート（ＬＴ）を適用した。また、支持基板２０にはサファイアと、この他線膨張係数が３．３５ｐｐｍ／℃の材料であってヤング率（ｅ）が２５ＧＰａから４００ＧＰａまでの材料を使用した。即ち、上記のシミュレーションは、圧電基板１０と支持基板２０とのヤング率の比（Ｅ／ｅ）をパラメータとして０．５８から９．８２までの範囲で変化させた場合と、ＬＴ／サファイアにより接合基板１００を構成した場合とに対して行った。
【００２５】
更に、上記シミュレーションでは圧電基板１０の厚さ（Ｔ）を３０μｍと５０μｍと１００μｍとの３種類に変化させている。即ち、支持基板２０の厚さをｔとした場合、圧電基板１０の厚さ（Ｔ）と支持基板２０の厚さ（ｔ）との比（Ｔ／ｔ）を０．１０，０．１７，０．３３に変化させて上記シミュレーションを行った。尚、上記シミュレーションでは、圧電基板１０と支持基板２０との接合温度（応力及びひずみの無い状態）から１００℃だけ温度を上昇させた場合に発生した熱応力及びひずみ量を算出した。
【００２６】
図２は圧電基板１０の厚さ（Ｔ）を１００μｍとした接合基板１００に対して解析シミュレーションを行うことで得られた熱応力を示すグラフである。また、図３は圧電基板１０の厚さ（Ｔ）を５０μｍとした接合基板１００に対して解析シミュレーションを行うことで得られた熱応力を示すグラフである。また、図４は圧電基板１０の厚さ（Ｔ）を３０μｍとした接合基板１００に対して解析シミュレーションを行うことで得られた熱応力を示すグラフである。尚、各グラフ中における縦軸（応力［ＭＰａ］）がマイナスの領域は、温度上昇に伴って膨張しようとする圧電基板１０を支持基板２０が押さえ込もうとする領域である。換言すれば、圧電基板１０の膨張を抑制する方向（原点方向）への応力が発生する領域を示している。
【００２７】
ここで、図２に着目すると、Ｔ／ｔ＝０．３３とした場合、支持基板２０をサファイア以外で形成した接合基板１００の殆どの、Ｘ＝４００μｍ付近、即ち接合基板１００の端（以下、接合基板１００をチップという）から１００μｍ内側の付近で発生した熱応力が略０から正の値となっている。これは、Ｘ＝４００μｍ付近で圧電基板１０の膨張が抑制されていない（熱応力が０）、或いは膨張が促進されている（熱応力が正の値）ことを示している。このため、上記のような熱応力が正の値となる接合基板１００を用いて構成したＳＡＷ素子の周波数温度特性を改善させるためには、発生する熱応力が負の値となる領域、即ちチップ端から更に内側の領域にＳＡＷ共振子３０を形成しなければならない。従って、実質的にチップの両端から合計で４００μｍ以上内側にＳＡＷ共振子３０を形成しなければならないため、小型化に対して致命的な障害となり、これを実デバイスとして使用することが困難である。
【００２８】
また、図３又は図４に示すように、Ｔ／ｔ値を小さくした場合でも、ヤング率（Ｅ）が小さい、即ちＥ／ｅ値が大きければ、図２の場合と同様に、Ｘ＝４００μｍ（チップ端から１００μｍ内側）付近で、チップ端（Ｘ＝５００μｍ）から発生する熱応力が小さくなる現象が生じる。
【００２９】
このように、支持基板２０のヤング率（ｅ）が小さく、且つ基板厚（ｔ）が薄くなるほど、即ちＥ／ｅ値が大きく且つＴ／ｔ値が大きくなるほど、圧電基板１０の熱膨張を促進する方向へ働く熱応力が発生している。これは特にＥ／ｅ値が２より大きい場合に顕著に現れている。
【００３０】
これに対し、支持基板２０にサファイアを用いた場合では、チップ中央からチップ端までの間で発生する熱応力が常にマイナスの値となっている。これはＬＴ／サファイアの組み合わせで接合基板１００を構成した場合に、常に圧電基板１０の熱膨張が抑制されていることを示している。尚、図２から図４に示すＬＴＹ／サファイアで構成された接合基板１００に発生する熱応力のチップ上での位置依存性を図５に示す。また、図５では、圧電基板１０の基板厚（即ち、ＬＴ基板の厚さ）を４０μｍとした場合の同様な解析シミュレーション結果も示す。
【００３１】
このように、圧電基板１０をＬＴで形成し、支持基板２０をサファイアで形成し、且つ支持基板２０の厚み（ｔ）を圧電基板１０の厚み（Ｔ）の３倍より大きく（Ｔ／ｔ＜１／３）構成することで、圧電基板の熱による膨張を促進させることなく、チップ内部で安定的に制御することが可能となる。
【００３２】
次に、接合基板１００を異種基板を接合することで形成した場合に生じるスプリアスについて以下に説明する。図６は、図１における圧電基板１０として切り出し角が４２°の回転Ｙカット（以下４２°Ｙカットという）で厚さ（Ｔ）が２１μｍのＬＴ基板を使用し、支持基板２０として厚さ（ｔ）が３００μｍのサファイア基板を使用し、圧電基板１０上に１．９ＧＨｚ帯のＳＡＷ共振子３０（図９参照）を作成したＳＡＷ素子１１０の周波数特性を示すグラフである。また、比較のため、図７に従来技術によるＳＡＷ素子の周波数特性を示す。
【００３３】
図６及び図７を比較すると、図６に示すＳＡＷ素子１１０の周波数特性において、反共振周波数（反共振点ともいう）の高周波側にスプリアス応答が生じていることが読み取れる。このスプリアス応答は、ＳＡＷと同時に放射され、圧電基板１０内部に伝播するバルク波（Ｂｕｌｋ Ａｃｏｕｓｔｉｃ Ｗａｖｅ：ＢＡＷ）が音響インピーダンスの異なる圧電基板１０と支持基板２０との境界面で反射し、ＳＡＷ共振子３０の櫛形電極に再入射することで生じる現象である。そのため、圧電基板１０が厚くなるほどスプリアス応答は小さく、反対に圧電基板１０が薄くなるほど大きくなる。
【００３４】
図６で定義したスプリアス応答の振幅が圧電基板の厚さに依存する性質であることを図８を用いて説明する。図８は横軸を圧電基板厚／ＳＡＷ波長（Ｔ／λ）としている。図８を参照すると明らかなように、Ｔ／λが１０以下では、スプリアス振幅が急激に増加している。即ち、ＳＡＷの波長λに対して圧電基板１０の厚さＴが１０倍以下の場合では、圧電基板１０と支持基板２０との境界面でのバＢＡＷの反射が大きい。このようなスプリアス応答は、単一のＳＡＷ共振子３０で構成された単体共振子では特に問題とはならないが、複数のＳＡＷ共振子３０を有して構成されたデュプレクサ等では隣接する通過帯域の特性を乱すことがあるため、抑制されていることが望ましい。そのため、特にデュプレクサ等で使用する場合、Ｔ／λを１０より大きく構成することが望ましい。
【００３５】
次に、上記した形態を考慮して作製した本実施形態によるＳＡＷ素子１１０について図面を用いて詳細に説明する。
【００３６】
図９は、ＳＡＷ素子１１０の構成を示す斜視図である。図９に示すようにＳＡＷ素子１１０は、圧電基板（主基板）として４２°ＹカットＸ伝播ＬＴ（以下、ＬＴ基板という）１１と、支持基板としてＲ面カットのサファイア基板２１とを有して構成されている。尚、ＬＴ基板１１はＳＡＷ伝播方向（Ｘ方向）の線膨張係数が１６．１ｐｐｍ／℃であり、サファイア基板２１はＳＡＷ伝播方向（Ｘ方向）の線膨張係数が５．３ｐｐｍ／℃である。また、ＬＴ基板１１上の第１主面には、ＳＡＷ伝播方向に配置された２つの反射電極で挟まれた櫛形電極（ＩｎｔｅｒＤｉｇｉｔａｌ Ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ：ＩＤＴ）を有してなるＳＡＷ共振子３０が形成されている。
【００３７】
ここで、ＬＴの弾性スティフネス（Ｃ１１）は２３３ＧＰａであり、サファイアの弾性スティフネス（Ｃ１１）は４９７ＧＰａである。このため、Ｅ／ｅ値は約０．４７と、十分に小さい値になっている。また、ＬＴ基板１１上に形成されたＳＡＷ共振子３０は１．９ＧＨｚ帯のバンドパスフィルタとして機能する。尚、ＳＡＷの波長は約２．１μｍとする。また、ＬＴ基板１１の厚さ（Ｔ）を３０μｍとし、サファイア基板２１の厚さ（ｔ）を３００μｍとする。従って、ＳＡＷの波長λに対する圧電基板１０ａの厚さＴ／λは１４倍程度と十分厚くなっている。
【００３８】
図１０に図９に示すＳＡＷ素子１１０の周波数特性を示す。図１０に示すように、共振点より高周波側にＬＴ基板１１とサファイア基板２１との接合界面でのＢＡＷの反射を原因とするスプリアス応答が見られるが、共振点或いは反共振点付近では、このようなスプリアス応答が見られず、良好な周波数特性が得られている。
【００３９】
また、図９に示すＳＡＷ素子１１０によれば、反共振点での周波数温度特性（以下、ＴＣＦという）として−２０ｐｐｍ／℃、共振点でのＴＣＦとして−１０ｐｐｍ／℃が得られた。これは、従来のＳＡＷ素子による反共振点でのＴＣＦ（＝−４０ｐｐｍ／℃）及び共振点でのＴＣＦ（＝−３０ｐｐｍ／℃）と比べると、大幅に改善されている。
【００４０】
以上のように、本実施形態によれば、圧電基板をリチウムタンタレートで、支持基板をサファイアで形成し、且つ式１で示す条件を満足するように設計することで、ＳＡＷ素子１１０の周波数温度特性を安定して向上させることが可能となる。換言すれば、以下の式１で示す条件を満足するように設計することで、圧電基板１０の熱による膨張・収縮をチップ内部で安定的に制御することが可能となる。
Ｔ／ｔ＜１／３ …（式１）
【００４１】
また、上記の構成において、ＳＡＷの波長λに対して圧電基板１０の厚さＴが以下の式２を満足するように構成することで、隣接する通過帯域の特性を乱す要因となるスプリアス応答を抑制することが可能となる。
Ｔ／λ＞１０ …（式２）
【００４２】
また、このように支持基板２にサファイア基板を用いたＳＡＷ素子１１０は、一般的に、携帯電話器等の送受信信号を分割するデバイスであるデュプレクサ等において素子の耐電力性を高める際に有効である。本比較例によるＳＡＷ素子１１０は熱伝導率がＬＴ（ＬＴの熱伝導率：約３Ｗ／ｍＫ）の１０倍以上と比較的高いサファイア（熱伝導率：約４０Ｗ／ｍＫ）を支持基板２１として用いるため、ＳＡＷ共振子３０の櫛形電極で発生した熱エネルギーが基板を通して逃げ易い。従って、従来のＬＴ基板での素子と比較して、より高い耐電力性が実現されている。尚、ＬＴ／サファイア接合基板で１．９ＧＨｚ帯のＳＡＷデュプレクサを作製したところ、従来のＬＴ基板での素子に比べて耐電力性を向上させることができた。
【００４３】
〔他の実施形態〕
以上で例示した本発明の一実施形態におけるパラメータの数値は一例であって、これに限定されるものではない。また、ＳＡＷ素子も１つのＳＡＷ共振子に限定されず、複数個のＳＡＷ共振子からなるラダー型フィルタや２重モード型フィルタ、及びこれらのフィルタを用いたデュプレクサ等にも適用可能である。接合基板のチップ端から離れるほど熱応力により圧電基板の伸縮を抑える効果がより多く得られるので、このように複数のＳＡＷ共振子を１つのチップ上に配置することによって、より効果を得易い。例えばデュプレクサにおいて、送信フィルタと受信フィルタとを１チップ上に配置するなどするとよい。
【００４４】
尚、図１に本実施形態によるＳＡＷ素子（例として１１０を示す）を用いて構成した送信フィルタ１ａと受信フィルタ１ｂとを１チップ１Ａ上に形成したデュプレクサ１の構成を示す。
【００４５】
以上のように、ヤング率が圧電基板のそれよりも少なくとも１／２以上であるサファイア基板を支持基板として選択し、更に圧電基板を支持基板の１／３以下の厚さとすることで、温度変化による歪みが十分に圧電基板表面に伝わり、この効果において弾性表面波（Ｓｕｒｆａｃｅ Ａｃｏｕｓｔｉｃ Ｗａｖｅ：ＳＡＷ）伝播速度の変化が生じるため、温度特性の改善が図れる。また、この際、圧電基板をリチウムタンタレート（ＬＴ）で形成することで、より確かに効果を得ることができる。
【００４６】
また、ヤング率の小さい支持基板を圧電基板に接合した接合基板では、ＳＡＷデバイスを作成するプロセスの中で、例えばフォトリソグラフィ工程のレジストベークや電極膜のドライエッチング工程などの基板に温度変化が生じる工程において、接合された基板の線膨張係数の違いから、接合基板に反りが生じるため、基板内に温度分布が生じてデバイス作成の歩留りが低下する場合や、温度変化により基板が破損してしまう場合が存在するが、本発明の実施形態で示したように、ＬＴ基板に対して相対的にヤング率の大きなサファイア基板を用いることで、プロセス中の基板の反りも抑制され、通常のＳＡＷデバイスと同様のプロセスを適用することができ、デバイス作成の歩留りの低下を防止することができる。
【００４７】
また、本発明の実施形態で示したように、圧電基板にある程度の厚みを持たせることは、周波数特性の点から有利となる。圧電基板裏面に支持基板を接合する構成では、強い接合力を得るために、接合界面は鏡面となっている必要がある。そのため、櫛形電極（インターディジタルトランスデューサ：ＩＤＴ）から励振されて基板内部に伝播してしまう、いわゆるバルク波が接合界面で反射し、再び櫛形電極に入射することによってスプリアス応答を生じ、結果的に周波数特性を劣化させる。このスプリアス応答の大きさは、櫛形電極に再入射するバルク波の強度が増大することによって大きくなる。櫛形電極に再入射するバルク波の強度は、圧電基板が薄くなるほど強くなるため、本発明の実施形態のように、圧電基板を厚くすることで、スプリアス応答が少なく、より周波数特性のすぐれたＳＡＷデバイスを実現できる。
【００４８】
また、本発明の実施形態で示したように、支持基板としてサファイア基板を用いることによって、ＬＴ本来の良好な電気結合係数を劣化させることなく、且つ温度安定性に優れたＳＡＷ素子を実現することができる。
【００４９】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、製造制御が困難な酸化珪素膜や分極反転層を用いることや加熱処理による固相反応を使用することがないため、周波数のばらつきや伝播損失の増加を生じさせず、且つ製造が容易な弾性表面波素子を提供することができる。また、圧電基板をリチウムタンタレートで、支持基板をサファイアで形成し、且つ前記式１及び式２で示す条件を満足するように設計することで、圧電基板の熱による膨張を促進させることなく、チップ内部で安定的にこれを制御することが可能となる。更に、前記式２で示す条件を満足するように設計することで、隣接する通過帯域の特性を乱す要因となるスプリアス応答を抑制することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態を説明するにあたり使用した接合基板１００のモデルを示す斜視図である。
【図２】主基板１０の厚さ（Ｔ）を１００μｍとした場合の接合基板１００に対して有限要素法による解析シミュレーションを行った結果を示すグラフである。
【図３】主基板１０の厚さ（Ｔ）を５０μｍとした場合の接合基板１００に対して有限要素法による解析シミュレーションを行った結果を示すグラフである。
【図４】主基板１０の厚さ（Ｔ）を３０μｍとした場合の接合基板１００に対して有限要素法による解析シミュレーションを行った結果を示すグラフである。
【図５】支持基板２０をサファイアとした場合の解析シミュレーションの結果をまとめたグラフである。
【図６】４２°Ｙカットで厚さ（Ｔ）２１μｍのＬＴで作成された主基板１０と厚さ（ｔ）３００μｍのサファイアで作成された支持基板２０とよりなる接合基板１００上に１．９ＧＨｚ帯のＳＡＷ共振器３０を有するＳＡＷ素子１００Ａの周波数特性を示すグラフである。
【図７】従来のＳＡＷ素子の周波数特性を示すグラフである。
【図８】図６で定義したスプリアス応答の振幅の圧電基板厚依存性を示すグラフである。
【図９】本発明の一実施形態によるＳＡＷ素子１１０の構成を示す斜視図である。
【図１０】図９に示すＳＡＷ素子１１０の周波数特性を示すグラフである。
【図１１】本発明によるデュプレクサ１の構成を示すブロック図である。
【符号の説明】
１ デュプレクサ
１Ａ チップ
１ａ 送信フィルタ
１ｂ 受信フィルタ
１０ 主基板
１１ ＬＴ基板
２０ 支持基板
２１ サファイア基板
３０ ＳＡＷ共振器
１００ 接合基板
１１０ ＳＡＷ素子
Claims (5)
- 第１主面上に櫛形電極が形成され、該第１主面と反対側の第２主面に支持基板が接合された主基板を有する弾性表面波素子において、
前記主基板はリチウムタンタレートの圧電基板で形成され、
前記支持基板はサファイアで形成され、
前記主基板基板厚をＴとし、また、前記支持基板の基板厚をｔとし、更に弾性表面波の波長をλとした場合、以下の式１及び式２を満足することを特徴とする弾性表面波素子。
Ｔ／ｔ＜１／３ …（式１）
Ｔ／λ＞１０ …（式２） - 前記主基板は、切り出し角が回転Ｙカット板であり、且つ弾性表面波の伝播方向をＸ軸としていることを特徴とする請求項１記載の弾性表面波素子。
- 請求項１又は２記載の前記弾性表面波素子を有してなることを特徴とする送信フィルタ。
- 請求項１又は２記載の前記弾性表面波素子を有してなることを特徴とする受信フィルタ。
- 請求項３記載の前記送信フィルタ及び請求項４記載の前記受信フィルタを有してなることを特徴とするデュプレクサ。
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