JP2007053670A - 弾性境界波素子 - Google Patents

Abstract

【課題】 周波数温度特性を改善する。
【解決手段】 弾性境界波素子１０は、相互に接合された第１圧電基板１２および第２圧電基板１４と、第１圧電基板１２と第２圧電基板１４との境界部に弾性波を励振するすだれ状電極からなるＩＤＴ１６とを有している。ＩＤＴ１６の弾性境界波の伝播方向両側には、反射器２４（２４ａ、２４ｂ）が設けてある。第１圧電基板１２と第２圧電基板１４とは、オイラー角を（φ，θ，ψ）としたときに、カット角が（φ，θ，ψ）または（φ，θ＋１８０°，ψ）の水晶板からなっている。
【選択図】 図１

Description

本発明は、一対の圧電基板の接合した境界部に弾性波を励振する弾性境界波素子に関する。

弾性表面波共振器、弾性表面波フィルタなどの弾性表面波（Surface Acoustic Wave：ＳＡＷ）デバイスを形成するＳＡＷ素子は、水晶やタンタル酸リチウム、ニオブ酸リチウムなどの圧電基板の表面に、すだれ状電極を備えている。すだれ状電極は、圧電基板を励振して弾性表面波を発生する。そして、特許文献１には、ＳＡＷデバイスの周波数温度特性を改善するために、カット角がオイラー角表示で（０°±１０°，１１８±５°，±（４３°±３°））の水晶板を用いてＳＡＷ素子を形成することが記載されている。

ＳＡＷ素子に生ずる弾性表面波は、基本的にすだれ状電極の電極指の形成ピッチに依存している。そして、ＳＡＷ素子は、弾性表面波が高周波数になればなるほど、すだれ状電極の電極指の形成ピッチが狭くなる。このため、このようなＳＡＷ素子を備えたＳＡＷデバイスは、塵埃などの微小な異物が付着すると、すだれ状電極が短絡するおそれがある。また、すだれ状電極に異物が付着すると、すだれ状電極の電極膜の質量が実質的に変化して共振周波数のずれを生ずる。したがって、ＳＡＷデバイスは、付着した異物によるすだれ状電極の短絡、周波数ずれを防止するために、ＳＡＷ素子を外部から隔てる容器を必要とし、ＳＡＷデバイスの小型化の障害になる。

そこで、すだれ状電極を外部に露出させずに弾性波を励振できる弾性境界波素子の開発が進められている（例えば、特許文献１）。この特許文献１に記載の弾性境界波素子は、すだれ状電極を挟み込んで接合した一対の固体材料の少なくとも一方に、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ_３）などの圧電効果を有する材料（圧電材料）を用いたものである。このような弾性境界波素子は、接合した一対の固体材料の接合部（境界部）に、挟み込んだすだれ状電極によってストンリー波と呼ばれる弾性境界波を励振することができる。このような弾性境界波素子は、すだれ状電極が外部に露出していないため、容器に収容しなくとも塵埃などの異物の付着による短絡、共振周波数のずれを防止することができる。
特開昭５７−７３５１３号公報 特表２００３−５１２６３７号公報

特許文献２に記載の弾性境界波素子は、圧電基板としてニオブ酸リチウムやタンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ_３）などを使用している。これらの圧電基板は、水晶より電気機械結合係数が大きい。しかし、これらの圧電基板は、周波数温度特性を決定する因子である弾性表面波の伝播速度の温度依存性が比較的大きい。すなわち、ニオブ酸リチウムやタンタル酸リチウムは、水晶基板に比較すると、周波数温度特性が非常に悪い。
本発明は、前記従来技術の欠点を解消するためになされたもので、周波数温度特性を改善することを目的としている。

ところで、弾性境界波は、どのような圧電基板を用いても得られるものではない。例えば、ＳＴカット水晶板は、弾性表面波であるレイリー波を利用した弾性表面波素子に広く用いられている。しかし、発明者らの研究によると、ＳＴカット水晶板を用いたのでは弾性境界波を発生させることができない。すなわち、単に弾性表面波を励振できる水晶基板を用いたからといって、弾性境界波素子を形成することができない。そして、発明者らは、G.W.Farnell,“Symmetry Considerations for Elastic Layer Modes Propagating in Anisotropic Piezoelectric Crystals”,IEEE Trans.Sonics Ultrason.,vol.SU-17,NO.4,pp.229〜238,1079.（以下、技術文献という）に記載された方法により、運動方程式、圧電方程式等に基づいてＳＴカット水晶板について、弾性境界波を励振させうる境界条件を満足するカット角を求めたところ、ＳＴカット水晶板を特定の角度面内回転させた場合に、弾性境界波を励振できることがわかった。本発明は、このような知見に基づいてなされたものである。

すなわち、上記目的を達成するために、本発明に係る弾性境界波素子は、相互に接合された第１圧電基板および第２圧電基板と、前記各圧電基板の境界部に弾性波を励振するすだれ状電極とを備えた弾性境界波素子であって、前記第１圧電基板と前記第２圧電基板とは、カット角がオイラー各表示で（φ，θ，ψ）または（φ，θ＋１８０°，ψ）の水晶板であることを特徴としている。

このようになっている本発明は、周波数の温度依存性が小さい水晶基板を用いて弾性境界波素子を形成することができる。したがって、本発明は、弾性境界波素子の周波数温度特性を大幅に改善することができる。
前記φは、−１０°〜１０°の範囲、θは、１２２．５°〜１３６．５°の範囲であることが望ましい。そして、ψは、

にするとよい。

発明者らの研究によると、１２２．５°≦θ≦１３６．５°であって、

のときに、周波数温度特性の非常に優れた弾性境界波素子を得ることができる。

本発明に係る弾性境界波素子の好ましい実施の形態を、添付図面に従って詳細に説明する。
図１は、本発明の実施の形態に係る弾性境界波素子を模式的に示した説明図である。図１において、弾性境界波素子１０は、第１圧電基板１２と第２圧電基板１４との一対の圧電基板を備えている。第１圧電基板１２と第２圧電基板１４とは、オイラー角を（φ，θ，ψ）としたときに、カット角が（φ，θ，ψ）または（φ，θ＋１８０°，ψ）の水晶板からなっていて、相互に接合してある。実施形態の場合、水晶板は、φが−１０°〜１０°、θが１２２．５°〜１３６．５°、すなわちオイラー角表示で（−１０°〜１０°，１２２．５°〜１３６．５°，ψ）のいわゆる面内回転ＳＴカット水晶板または（−１０°〜１０°，−４３．５°〜−５７．５°，ψ）の水晶板からなっている。ψは、カット角が（φ，θ，ψ）または（φ，θ＋１８０°，ψ）であって、−１０°≦φ１０°かつ１２２．５°≦θ≦１３６．５°であるとき、実施形態の場合、後述するように、

にしてある。これにより、周波数、温度特性の非常に優れた弾性境界波素子が得られる。

ただし、第１圧電基板１２、第２圧電基板１４は、φが−１０°〜１０°、θが１２２．５°〜１３６．５°の範囲にあるカット角が（φ，θ，ψ）または（φ，θ＋１８０°，ψ）の水晶板の場合、相互にφやθが異なっていてもよい。また、第１圧電基板１２と第２圧電基板１４とを同じカット角の水晶板を使用し、一方を他方に対して裏返しにして接合してもよい。なお、図１においては、理解を容易にするために、第２圧電基板１４は、２点鎖線からなる仮想線によって示してある。

弾性境界波素子１０は、第１圧電基板１２の第２圧電基板１４を接合した接合面（上面）中央部にＩＤＴ（Interdigital Transducer）１６が設けてある。ＩＤＴ１６は、一対の櫛型電極１８（１８ａ、１８ｂ）からなっている。櫛型電極１８は、それぞれが複数の電極指２０（２０ａ、２０ｂ）と、バスバー２２（２２ａ、２２ｂ）とを備えている。電極指２０は、長手方向が弾性境界波の伝播方向に直交しており、一端が対応するバスバー２２に接続してある。そして、ＩＤＴ１６は、一対の櫛型電極１８の各電極指２０が噛み合うようにして等間隔に配置してあり、すだれ状に形成してある。

さらに、弾性境界波素子１０は、ＩＤＴ１６の弾性境界波の伝播方向両側に反射器２４（２４ａ、２４ｂ）が設けてある。反射器２４は、櫛型電極１８と同じ導電材によって形成してあり、長手方向を弾性境界波の伝播方向に直交させて、電極指２０と平行に形成した複数の導体ストリップ２６からなっている。なお、反射器２４は、導体ストリップ２６の両端を接続するバスバーを設けてもよい。

各反射器２４の外側には、電極部３０（３０ａ、３０ｂ）が設けてある。これらの電極部３０は、配線部３２（３２ａ、３２ｂ）を介して対応する櫛型電極１８のバスバー２２に接続してある。電極部３０は、図１に示したように、第２圧電基板１４から露出する位置に形成してあって、図示しないボンディングワイヤなどを介して実装基板の回路に電気的に接続される。すなわち、第２圧電基板１４は、第１圧電基板１２より小さく、第１圧電基板１２に設けたＩＤＴ１６と一対の反射器２４とを覆い、電極部３０を露出させる大きさに形成してある。

なお、反射器２４とＩＤＴ１６とは、図２に示したように、第１圧電基板１２に形成した溝２８内に形成してあり、上面が第１圧電基板１２の接合面と一致しているか、やや低くなっており、第２圧電基板１４を第１圧電基板１２に接合するのに支障がないようにしてある。

このようになっている弾性境界波素子１０は、第１圧電基板１２と第２圧電基板１４とをカット角がオイラー各表示で（φ，θ，ψ）または（φ，θ＋１８０°，ψ）の水晶板で構成したことにより、周波数温度特性の優れたものとすることができる。図３は、実施形態に係る弾性境界波素子１０の周波数温度特性を、面内回転ＳＴカット水晶板により形成した弾性表面波素子の周波数温度特性と比較した図である。

図３は、横軸が℃で示した温度、縦軸が２５℃における共振周波数を基準にした共振周波数の変動量をｐｐｍによって示している。そして、□が実施形態に係る弾性境界波素子、◆が比較対照の弾性表面波素子である。なお、弾性表面波素子は、カット角がオイラー角表示で（０°，１２３°，４３．４７°）の面内回転ＳＴカット水晶板から形成してある。また、実施形態の弾性境界波素子は、第１圧電基板１２および第２圧電基板１４のいずれも、周波数温度特性が最もよくなるように、カット角がオイラー角表示で（０°，１２３°，４４．７６°）の面内回転ＳＴカット水晶板からなっている。

図３に示されているように、比較対照の弾性表面波素子は、−２０℃〜＋８０℃の温度範囲において、共振周波数が上に凸の放物線状に変化する二次曲線で近似できる周波数温度特性を示す。これに対して、実施形態の弾性境界波素子は、＋２０℃〜＋４０℃の温度範囲においては、共振周波数がほとんど変動しない。そして、弾性境界波素子は、温度が＋２０℃より低くなると、温度の低下に伴って周波数が低くなり、温度が＋４０℃を超えると温度の上昇に伴って周波数が高くなる三次曲線で近似できる周波数温度特性を示す。

また、−２０℃〜＋８０℃の温度範囲における周波数変動量は、実施形態の弾性境界波素子および比較対照の弾性表面波素子の双方とも、約２２ｐｐｍであってほとんど差がない。しかし、温度範囲が０℃〜＋４０℃の場合、実施形態の弾性境界波素子では周波数変動量が約１ｐｐｍであるのに対して、弾性表面波素子では約４ｐｐｍとなる。したがって、実施形態に係る弾性境界波素子は、非常に温度周波数特性の優れたものとすることができる。

図４は、実施形態に係る弾性境界波素子１０のカット角を変化させたときの周波数の変動量を示したものである。図４は、横軸がオイラー角表示における角θを度で示し、右の縦軸が同じく角ψを度で示している。また、左の縦軸は、−２０℃〜＋８０℃の温度範囲における共振周波数の変動量をｐｐｍで示している。そして、図４中、◆が前記の角ψ、□が周波数変動量である。また、図４に示した矢印の範囲は、−２０℃〜＋８０℃の温度範囲における周波数変動量が２０ｐｐｍ以下の範囲である。

角ψと周波数変動量は、次のようにして求めている。例えば、カット角がオイラー角表示で（０°，１２５°，ψ）の水晶板を形成する。さらに、弾性波の伝播方向となるψを所定の角度ピッチずつ変えた弾性境界波素子を形成する。次に、これらの弾性境界波素子について、−２０℃〜＋８０℃の温度範囲における共振周波数の変動量を求める。そして、周波数変動量が最も小さかったψを選択する。さらに、θを所定の角度ピッチずつ変えて同様の操作を行なう。図４は、このようにして求めたψと周波数変動量をθに対応させてプロットしたものである。

図４に基づいて周波数変動量が２０ｐｐｍの範囲において角θと角ψとの関係を求めると、

が得られる。そして、数式４によって得られた角ψに対しては、±３°程度のずれがあっても周波数変動量に大きな影響を与えない。したがって、ψは、

であってよい。

図５は、弾性境界波素子１０を製造する方法の一例を示す工程図である。まず、接合面を研磨、洗浄し上記した水晶板からなる第１圧電基板１２の接合面にフォトレジストを塗布し、固化させてレジスト膜を形成する。次に、フォトマスク（図示せず）を介してレジスト膜を露光したのち、現像液を用いて現像し、図５（１）に示したように、ＩＤＴ１６や反射器２４などに対応したパターンを有するように、レジスト膜３４をパターニングする。

その後、レジスト膜３４をマスクにして第１圧電基板１２をエッチングし、同図（２）に示したように、第１圧電基板１２の接合面に、ＩＤＴ１６や反射器２４などに対応した所定深さの溝２８を形成する。所定深さの溝２８を形成したならば、レジスト膜３４を剥離して除去する。この溝２８を形成する第１圧電基板１２のエッチングは、ウエットエッチングまたはドライエッチングのどちらでもよいが、ドライエッチングの方が寸法精度の高い溝２８を形成することができる。

次に、図５（３）に示したように、第１圧電基板１２の接合面全体にネガ型フォトレジストを塗布して固化させ、レジスト膜３６を形成する。さらに、レジスト膜３６を露光、現像し、図５（４）に示したように、溝２８に対応したパターンがオーバーハング形状になるようにレジスト膜３６をパターニングする。ネガ型フォトレジストは、光（紫外線）の当たった部分が硬化して現像液に不溶となる。そして、フォトマスクを介してレジスト膜３６を露光した場合に、フォトマスクのパターン開口の縁部における露光量が開口中心部より相対的に少なく、フォトレジストの厚み方向において光の強度が次第に弱くなる。このため、ネガ型フォトレジストを露光、現像してパターニングすると、オーバーハング形状にパターニングされる。

その後、図５（５）に示したように、フォトレジスト３６を設けた第１圧電基板１２の全面に、アルミニウムなどの導電性を有する金属３８をスパッタリングや真空蒸着などによって堆積し、溝２８に金属３８を充填する。このとき、レジスト膜３６は、オーバーハング形状となっているため、図５（５）に示されているように、側面に金属３８が付着するのを防止することができる。溝２８を金属３８によって充填したならば、図５（６）に示したように、レジスト膜３６を剥離して除去する。レジスト膜３６は、側面に金属３８が付着していないため、容易に剥離することができる。これにより、第１圧電基板１２にＩＤＴ１６や反射器２４、電極部３０などが形成される。
その後、図５（７）に示したように、第１圧電基板１２の接合面に、接合面を研磨、洗浄した上記の水晶板からなる第２圧電基板１４を接合する。これにより、弾性境界波素子１０が形成される。

第１圧電基板１２と第２圧電基板１４との接合は、例えば、第１圧電基板１２と第２圧電基板１４との接合面に薄い金属膜を形成し、両者を圧接した状態で金属膜を溶着させる金属接合によって行なうことができる。また、両者の接合面をイオンビームやプラズマを照射して活性化し、または両者の接合面を親水化処理し、両者を直接接合してもよい。なお、溝２８への金属３８の充填は、第１圧電基板１２と第２圧電基板１４との接合の障害とならないように、金属３８の上面が第１圧電基板１２の接合面と同じ高さになるか、やや低くなるようにする。また、金属３８の上面が第１圧電基板１２の接合面より高くなる場合、あるいは高くなるおそれがある場合、第１圧電基板１２の接合面を研磨してから第２圧電基板１４を接合するとよい。また、前記実施形態においては、第１圧電基板１２に溝２８を形成するためのレジスト膜と、溝２８に金属３８を充填するためのレジスト膜とを別々に形成した場合について説明したが、オーバーハング形状のパターンを有するレジスト膜を形成し、このレジスト膜を用いてドライエッチングにより溝２８を形成し、その後、同じレジスト膜を用いて溝２８に金属３８を充填するようにしてもよい。

本発明の実施の形態に係る弾性境界波素子を模式的に示した説明図である。 図１のＡ−Ａ線に沿った一部断面図である。 実施形態の弾性境界波素子と弾性表面波素子との周波数温度特性の比較図である。 実施形態の弾性境界波素子のカット角と周波数変動量との関係を示す図である。 弾性境界波素子の製造方法の一例を示す工程図である。

符号の説明

１０………弾性境界波素子、１２………第１圧電基板（水晶板）、１４………第２圧電基板（水晶板）、１６………ＩＤＴ、１８ａ、１８ｂ………櫛型電極、２０ａ、２０ｂ………電極指、２４ａ、２４ｂ………反射器。

Claims (2)

1. 相互に接合された第１圧電基板および第２圧電基板と、前記各圧電基板の境界部に弾性波を励振するすだれ状電極とを備えた弾性境界波素子であって、
   前記第１圧電基板と前記第２圧電基板とは、オイラー角を（φ，θ，ψ）としたときに、カット角が（φ，θ，ψ）または（φ，θ＋１８０°，ψ）の水晶板であることを特徴とする弾性境界波素子。
2. 請求項１に記載の弾性境界波素子において、
   前記φは、−１０°〜１０°であり、
   前記θは、１２２．５°〜１３６．５°であり、
   前記ψは、
   

   

   である、
   ことを特徴とする弾性境界波素子。

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