JP2009278610A

JP2009278610A - 弾性表面波素子

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Publication number: JP2009278610A
Application number: JP2009040947A
Authority: JP
Inventors: Kenji Suzuki; 健司鈴木; Takashi Yoshino; 隆史吉野
Original assignee: NGK Insulators Ltd
Current assignee: NGK Insulators Ltd
Priority date: 2008-04-15
Filing date: 2009-02-24
Publication date: 2009-11-26
Anticipated expiration: 2029-02-24
Also published as: DE102009001192A1; DE102009001192B4; JP4956569B2

Abstract

【課題】圧電単結晶の伝搬基板を用いた弾性表面波素子の周波数の温度係数を低減することである。
【解決手段】弾性表面波素子は、支持基板１、圧電単結晶基板３Ａ、支持基板１と圧電単結晶からなる伝搬基板３とを接着する厚さ０．１μｍ〜１．０μｍの有機接着剤層２、および伝搬基板３Ａ上に設けられた弾性表面波フィルタを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、周波数の温度特性が良い弾性表面波素子に関するものである。

弾性表面波（ＳｕｒｆａｃｅＡｃｏｕｓｔｉｃＷａｖｅ）素子は、携帯電話機等のような通信機器におけるバンドパスフィルタとして幅広く使用されている。携帯電話機等の高性能化に伴い、弾性表面波素子を利用したフィルタにも、高性能化が求められている。

しかし、弾性表面波素子は、温度変化によって通過帯域が移動してしまうという問題がある。特に、現在多用されているニオブ酸リチウムやタンタル酸リチウムは、電気機械結合係数が大きく、広帯域のフィルタ特性を実現するのに有利である。しかし、ニオブ酸リチウムやタンタル酸リチウムは温度安定性に劣る。

例えば、タンタル酸リチウムの周波数変化の温度係数は−３５ｐｐｍ／℃であり、−３０〜＋８５℃の温度範囲で周波数変動が大きい。このため、周波数変化の温度係数を低減することが必要である。

特許文献１には、SAW伝搬基板と支持基板とを有機薄膜層によって接着したデバイスが記載されている。伝搬基板は例えば厚さ３０μｍのタンタル酸リチウム基板であり、これを厚さ３００μｍのガラス基板と厚さ１５μｍの有機接着剤によって貼り合わせている。
特開2001-53579

特許文献２には、タンタル酸リチウム基板（厚さ：125μm)と石英ガラス基板（厚さ：125μm)とを接着剤で貼り合せたＳＡＷデバイスが記載されている。
特開2006-42008

特許文献３、４、５にも、ＳＡＷ伝搬基板と支持基板とを接着したＳＡＷデバイスが記載されている。
特開平6-326553 特許第３７７４７８２米国特許第７１０５９８０

更に、特許文献６では、シリコン支持基板の両表面に厚さ０．１〜４０μｍの酸化層を形成した後、この支持基板上に圧電基板を接着し、ＳＡＷデバイスを製造することが記載されている。Ｓｉ酸化膜は、複合圧電基板１の反りを低減するために必要である。
特開２００５−２２９４５５

しかし、いずれの文献も、温度変化に伴う通過帯域の移動という問題点を解決するものではなく、むしろその解決から遠ざかっているものである。

特許文献１の（００２５）、（００３７）には、タンタル酸リチウム基板を支持基板に接着したＳＡＷデバイスの周波数の温度係数が記載されているが、タンタル酸リチウム単体のＳＡＷデバイスと比べて、温度特性の改善はほとんどない。例えば、２GHzのＳＡＷフィルターの場合、−３０から＋８５℃の温度範囲において±MHzのシフトが見られる。これは必要帯域幅の±7％に相当する。従って、タンタル酸リチウム伝搬基板とガラス支持基板との間に接着層を設けると、周波数の温度特性はほとんど改善しないことがわかる。

特許文献２の（００３７）には「弾性表面波素子の周波数温度特性を改善することも可能となる」と記載されているが、改善されたデータは記載されていない。

特許文献３の（００６２）の記載においても、表面弾性波伝搬基板を支持基板に対して接着することは実用には耐えないことが明記されている。

以上から判断して、例えばタンタル酸リチウム伝搬基板を支持基板に対して接着する構造の弾性表面波基板は実用には絶えず、特に周波数の温度係数を低減することは無理であるというのが常識である。

また、特許文献６では、例えば１０００℃程度の高温下に酸素ガスを流し、Ｓｉ基板を数十時間放置して表面酸化膜を形成する必要がある。しかし、この方法では、Ｓｉ基板の表面が単に酸化されるだけでなく、Si自体もSiO2中へと溶け出してしまう。このため、SiとSiO2の境界面では、Siの欠陥層が発生し、この部分の接着強度が低下する。その上、Ｓｉ支持基板と圧電基板との間の接着層の厚さは、実施例ではすべて３μｍであり、また1.5μｍより薄いと、接着力不足となり、２５０℃で剥離する（００２８）。

本発明の課題は，圧電単結晶の伝搬基板を用いた弾性表面波素子の周波数の温度係数を低減することである。

本発明は、
支持基板、
圧電単結晶からなる伝搬基板、
支持基板と伝搬基板とを接着する厚さ０．１μｍ〜１．０μｍの有機接着剤層、および
伝搬基板上に設けられた弾性表面波フィルタまたはレゾネ―ターを備えることを特徴とする、弾性表面波素子に係るものである。

本発明者は、当業者の常識に反して、圧電単結晶、例えばタンタル酸リチウム単結晶の伝搬基板を支持基板に対して接着する構造について研究を続けた。ここで、従来見逃されていた有機接着層の薄層化を試行してみた。このような試行は、例えば特許文献３の（００６２）の記述から否定されていたものである。

ところが、予想に反して、伝搬基板は支持基板に対して良好に接着し、かつ周波数の温度係数が著しく低下することを発見した。即ち、有機接着剤の厚みが０．１〜１．０μｍでは、伝搬基板と支持基板との熱膨張係数の差による温度特性が、かなり改善された。これに対して、接着剤の厚さが１μｍより大きくなると、伝搬基板と支持基板との熱膨張係数の差による応力が、有機接着剤に吸収され、かえって温度特性の改善効果が得られなくなった。また、接着層の厚さが０．１μｍ未満になると、今度はボイドの影響で周波数の温度特性が再び劣化するようであり、接着層を薄くすればするほど温度特性が改善されるわけではないことを確認した。

本発明の弾性表面波素子は、弾性表面波フィルタまたはレゾネ―ターを備える。弾性表面はフィルタは後述するような帯域通過フィルターである。レゾネーターは、弾性表面波発振素子であり、１ポートタイプと２ポートタイプのいずれも含む。

本発明においては、支持基板の材質は、シリコン、サファイア、窒化アルミニウム、アルミナ、ホウ珪酸ガラスおよび石英ガラスからなる群より選ばれた材料が好ましい。これらを採用することで、伝搬基板との熱膨張差を少なくし、周波数の温度特性を一層改善することが可能である。

好ましくは、支持基板の表面に酸化膜が形成されておらず、これによって、支持基板と伝搬基板との接着力が高くなり、かつ高温でも支持基板と伝搬基板との剥離や割れを防止できる。この観点からは、支持基板がシリコンからなり、表面に酸化シリコン膜がないことが好ましい。なお、支持基板の表面酸化膜の有無は、透過型電子顕微鏡（TEM：Transmission Electron Microscope）によって断面観測する。

また、本発明においては、伝搬基板の材質は、電気機械結合定数の大きいニオブ酸リチウム、タンタル産リチウムおよびニオブ酸リチウム−タンタル酸リチウム固溶体単結晶からなる群より選ばれることが好ましい。

支持基板と伝搬基板とを接着する有機接着剤層の材質は限定されないが、アクリル系樹脂、あるいはエポキシ系樹脂が好ましい。

本発明においては、有機接着剤層の厚さｔを０．１μｍ以上、１．０μｍ以下とする。弾性表面波デバイスの周波数の温度特性を更に向上させるという観点からは、有機接着剤層の厚さは、0.1μｍ以上が好ましく、また、0.5μｍ以下が好ましい。

圧電単結晶からなる伝搬基板は、好ましくは、ニオブ酸リチウム、タンタル酸リチウムおよびニオブ酸リチウム−タンタル酸リチウム固溶体単結晶からなる群より選ばれており、かつ、弾性表面波伝播方向をＸとし、切り出し角を回転Ｙカット板とする。

図１は、弾性表面波デバイス用接着体の製造プロセスを模式的に示す断面図である。
図１（ａ）に示すように、支持基板１を準備する。図１（ｂ）に示すように、支持基板１の表面に有機接着剤２を塗布し、図１（ｃ）に示すように、圧電単結晶からなる基板３を接着する。次いで、図１（ｄ）に示すように、基板３を加工して薄板化し、厚さＴ２の伝搬基板３Ａを得る。

次いで、図２（ａ）、図２（ｂ）に示すように、伝搬基板３Ａ上に、入力電極４および出力電極５を形成し、トランスバーサル型の弾性表面波素子６を得る。入力電極４から出力電極５へと向かって弾性表面波は矢印７のように伝搬される。この部分が弾性表面波フィルタとなる。

また、携帯電話用の弾性表面波フィルタでは、主として共振型の弾性表面波素子を使用する。図３（ａ）、図３（ｂ）は、この例に係るものである。図３（ａ）は、共振型の弾性表面波素子の電極パターンを示す平面図であり、図３（ｂ）は、図３（ａ）のＡ−Ａ’線断面図である。

伝搬基板１０上に電極１６、１７、１８を形成し、共振型の弾性表面波素子を得る。本例では、支持基板１２上に有機接着剤層１４を介して伝搬基板１０が接着されている。支持基板１２、接着層１４および伝搬基板１０は、前述したように、本発明によって構成されている。

有機接着剤層の形成方法は限定されないが、印刷、スピンコーティングを例示できる。

ここで、入力電極、出力電極の材質は限定されないが、アルミニウム、アルミニウム合金、銅、金が好ましい。

支持基板１の厚さＴ１は温度特性改善という観点からは、100μｍ以上が好ましく、200μｍ以上が更に好ましい。また、Ｔ１は、製品の小型化という観点からは、500μｍ以下が好ましい。

伝搬基板３Ａの厚さＴ２は、周波数の温度特性の改善という観点からは、１０〜５０μｍが好ましく、３０〜５０μｍが特に好ましい。

（実施例１）
図１に示す製法に従い、図２に示すような弾性表面波素子６を作製した。
ただし、基板３には、ＳＡＷの伝播方向をＸとし、切り出し角が回転Ｙカット板である３６°ＹカットＸ伝搬タンタル酸リチウム基板を使用した。ＳＡＷの伝搬方向Ｘの線膨張係数が16ｐｐｍ／℃である。支持基板１には単結晶シリコン基板を使用した。支持基板１のＳＡＷの伝搬方向Ｘの線膨張係数が3ｐｐｍ／℃である。支持基板１の厚さＴ１を３５０μｍとし、圧電単結晶基板３の厚さを３５０μｍとし、有機接着剤（アクリル系）を用いて180°Ｃで基板同士を接着した。次いで研削加工によって圧電単結晶基板３の厚さを３０μｍにまで小さくした。得られた伝搬基板３Ａ上に金属アルミニウム製の入力電極４および出力電極５を形成した。

ただし、有機接着剤層２の厚さｔを、０．０５μｍ〜１５μｍで種々変更した。そして，各素子について、弾性表面波素子の熱膨張係数および共振点における周波数温度特性（Temperature Coefficient of Frequency）を測定し、表２および図４に示す。

この結果から分かるように、有機接着剤層の厚さを０．１〜１．０μｍとすることで、周波数温度特性（Temperature Coefficient of Frequency）が臨界的に著しく向上することがわかった。

（実施例２）
次に、図３に示す弾性表面波素子を実施例１と同様の方法で作製した。得られた素子について、実施例１と同様の実験を行ったところ、やはり有機接着剤層の厚さを０．１〜１．０μｍとすることで、周波数温度特性（Temperature Coefficient of Frequency）が臨界的に著しく向上することを確認した。

（ａ）、（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）は、弾性表面波素子用の接着体の製造プロセスを示す模式的断面図である。（ａ）は、弾性表面波素子６を模式的に示す断面図であり、（ｂ）は、弾性表面波素子６を模式的に示す平面図である。（ａ）は、共振型の弾性表面波素子を示す平面図であり、（ｂ）は、（ａ）のＡ−Ａ’線断面図である。接着剤層の厚さと熱膨張係数および周波数の温度特性との関係を示すグラフである。

１、１２支持基板２、１４有機接着剤層３Ａ、１０伝搬基板４入力電極５出力電極６弾性表面波素子７弾性表面波１６、１７、１８電極ｔ有機接着剤層の厚さＴ１支持基板の厚さＴ２伝搬基板の厚さ

Claims

支持基板、
圧電単結晶からなる伝搬基板、
前記支持基板と前記伝搬基板とを接着する厚さ０．１μｍ〜１．０μｍの有機接着剤層、および
前記伝搬基板上に設けられた弾性表面波フィルタまたはレゾネ―ターを備えることを特徴とする、弾性表面波素子。
前記圧電単結晶が、ニオブ酸リチウム、タンタル酸リチウムおよびニオブ酸リチウム−タンタル酸リチウム固溶体単結晶からなる群より選ばれることを特徴とする、請求項１記載の素子。
前記支持基板が、シリコン、サファイア、窒化アルミニウム、アルミナ、ホウ珪酸ガラスおよび石英ガラスからなる群より選ばれた材料からなることを特徴とする、請求項１または２記載の素子。
前記支持基板の表面に酸化膜が形成されていないことを特徴とする、請求項１〜３のいずれか一つの請求項に記載の素子。