JP2011114851A - 弾性波素子 - Google Patents

Abstract

【課題】圧電層と支持基板との間に有機接着層が存在する弾性波素子において伝搬速度を向上させる。
【解決手段】弾性波素子１０は、周期的に形成された分極反転構造を有する強誘電体単結晶からなる圧電層２０と、圧電層２０の表面２１及び裏面に形成され圧電層２０に電圧を印加することで弾性表面波を励振可能な表面電極３１，３２及び裏面電極３３と、圧電層２０よりも弾性率の高い材料で形成された支持基板５０と、裏面電極３３と支持基板５０とを接着する有機接着層４０と、を備えている。このような構成とすることで、櫛形電極により圧電層に弾性表面波を励振する弾性波素子とは異なり、圧電層２０と支持基板５０との間に有機接着層４０が存在していても支持基板５０の弾性率が圧電基盤２０に影響して伝搬速度ｖを向上させることができる。
【選択図】図２

Description

本発明は、弾性波素子に関する。

従来より、携帯電話等に使用されるフィルタ素子や発振子として機能させることができる弾性表面波素子などの弾性波素子が知られている。また近年、弾性波素子特性の向上をはかるための複合基板構造が各種提案されている。例えば、特許文献１には、圧電基板であるＬＴ基板（ＬＴはタンタル酸リチウムの略）と支持基板である珪素基板とを有機接着層により接着し、ＬＴ基板の表面に弾性表面波を励振可能な櫛形電極を設けた弾性波素子が記載されている。

特開２００７−１５０９３１号公報

ところで、動作周波数ｆ＝伝搬速度ｖ／波長λの関係により、動作周波数の高い弾性波素子を得るためには、高い伝搬速度を持つ材料により弾性表面波の伝搬速度を大きくするか又は電極の間隔を狭くして波長λを小さくする必要がある。しかし、一般の単結晶圧電材料では伝搬速度は材料定数により一意に決まり、向上させることができない。そのため特許文献１に示される構造の弾性波素子においては、支持基板の材料を変えても圧電基板上の弾性表面波の伝搬速度には影響が見られなかった。

本発明はこのような課題を解決するためになされたものであり、圧電層と支持基板との間に有機接着層が存在する弾性波素子において伝搬速度を向上させることを主目的とする。

上述した主目的を達成するために、本発明者らは、従来技術である圧電層の表面に櫛形電極を設けた構成に代えて、周期的な分極反転構造を有する強誘電体単結晶からなる圧電層と、前記圧電層の表面及び裏面に形成され前記圧電層に電圧を印加することで弾性表面波を励振可能な１対の電極と、を備えた構成としたところ、有機接着層を介して接着させた支持基板の材質により弾性表面波の伝搬速度が変化することを見いだした。そして、このような構成において支持基板を圧電層よりも弾性率の高い材料で形成されたものとすることで、有機接着層が存在しても支持基板の弾性率が圧電層に影響して弾性表面波の伝搬速度を向上させることができることを見いだし、本発明を完成するに至った。

すなわち、本発明の弾性波素子は、
周期的に形成された分極反転構造を有する強誘電体単結晶からなる圧電層と、
前記圧電層の表面及び裏面に形成され前記圧電層に電圧を印加することで弾性表面波を励振可能な１対の電極と、
圧電層よりも弾性率の高い材料で形成された支持基板と、
前記圧電層の裏面の電極と前記支持基板とを接着する有機接着層と、
を備えたものである。

本発明によれば、圧電層と支持基板との間に有機接着層が存在する弾性波素子において伝搬速度を向上させることができる。なお、本発明の弾性波素子において、前記支持基板は、サファイア，ダイヤモンド，ＳｉＣのいずれかで形成されているものとしてもよい。また、前記強誘電体単結晶は、タンタル酸リチウム，ニオブ酸リチウムのいずれかであるものとしてもよい。タンタル酸リチウムやニオブ酸リチウムからなる圧電層は、化学気相成長などにより支持基板上に直接形成することが難しく、圧電層と支持基板とを有機接着層により接着する必要があるため、本発明を適用する意義が高い。

本実施形態の弾性波素子１０の斜視図である。 図１のＡ−Ａ断面図である。 基板１２０に周期的な分極反転構造を形成する様子を示す説明図。 実施例１の弾性波素子２１０を弾性表面波の伝搬方向に沿って切断したときの断面図。 比較例１の弾性波素子３１０を弾性表面波の伝搬方向に沿って切断したときの断面図。

次に、本発明を実施するための形態を図面を用いて説明する。

図１は本発明の実施形態である弾性波素子１０の斜視図であり、図２は図１のＡ−Ａ断面図である。この弾性波素子１０は、圧電層２０と、有機接着層４０と、支持基板５０と、を備えている。

圧電層２０は、弾性表面波を伝搬可能な圧電体の基板である。この圧電層２０は、タンタル酸リチウム，ニオブ酸リチウムなどの強誘電体単結晶からなる。圧電層２０は、特に限定するものではないが、例えば、縦が０．５〜２ｍｍ，横が０．５〜２ｍｍ，厚さが１〜２０μｍである。圧電層２０の厚さが薄いほど、後述する支持基板５０の材質（弾性率）による圧電層２０の弾性表面波の伝搬速度への影響が大きくなる。図１に示すように、圧電層２０には、その表面２１の一部に平板状の第１表面電極３１，第２表面電極３２が形成され、裏面の全面に平板状の裏面電極３３が形成されている。また、圧電層２０のうち、第１表面電極３１と裏面電極３３とで挟まれる第１領域２０ａ，第２表面電極３２と裏面電極３３とで挟まれる第２領域２０ｂには周期的な分極反転構造が形成されている。この分極反転構造は、具体的には、図２に示すように、分極反転領域２２と非分極反転領域２３とが弾性表面波の伝搬方向（図１，２参照）に交互に形成された構造である。分極反転領域２２と非分極反転領域２３との伝搬方向の幅Ｗは同じであり、特に限定するものではないが、例えば、幅Ｗは１〜１０μｍである。なお、幅Ｗの２倍の値が、分極反転領域２２と非分極反転領域２３との繰り返し周期ｄ１となる。また、圧電層２０のうち第１領域２０ａ，第２領域２０ｂ以外の部分は、非分極反転領域２３と同様に分極反転していない領域である。

このような周期的な分極反転構造の形成方法について、図３を用いて説明する。まず、全体が一方の厚さ方向に分極した強誘電体単結晶からなる基板１２０を用意する。次に、基板１２０の表面１２１のうち分極反転領域２２となる領域１２２と対向する位置に電極１３５を形成し、基板１２０の裏面に領域１２２と対向する領域を含むように電極１３６を形成する。そして、この電極１３５と電極１３６との間に電圧を印加することで領域１２２のみ分極が反転して分極反転領域２２となる。このようにすることで、分極反転領域２２と非分極反転領域２３とを有する圧電層２０が得られる。なお、分極反転領域２２が一度形成されれば、電極１３５，１３６を除去してもよい。そのため、本実施形態では、分極反転領域２２の形成後に電極１３５，１３６は除去して新たに第１表面電極３１，第２表面電極３２，裏面電極１３６を形成している。また、上述した周期的な分極反転構造の形成法は電圧印加法と呼ばれるものであるが、他の形成法を用いてもよい。例えば、Ｔｉ内拡散法，Ｌｉ₂Ｏ外拡散法，ＳｉＯ₂装荷熱処理法，Ｔｉ熱酸化法，プロトン交換熱処理法，電子ビーム走査照射法，コロナ帯電法などにより周期的な分極反転構造を形成してもよい。

有機接着層４０は、裏面電極３３と支持基板５０とを接着するものである。この有機接着層４０の材質としては、例えば、エポキシ系接着剤やアクリル系接着剤を固化させたものが挙げられる。有機接着層の厚さは０．３〜２μｍとするのが好ましい。有機接着層４０の厚さが２μｍを超えると支持基板５０の弾性率が圧電層２０における弾性表面波の伝搬速度に影響しにくくなるため好ましくない。また、有機接着層４０の厚さが０．３μｍ未満になると十分な接着強度が得られないため好ましくない。

支持基板５０は、有機接着層４０を介して裏面電極３３と接着された基板である。この支持基板の材料としては、例えばＳｉＣ、サファイア、ダイヤモンドなどが挙げられるが、圧電層２０よりも弾性率の高い材料であればよい。支持基板は、特に限定するものではないが、例えば、縦が０．５〜２ｍｍ，横が０．５〜２ｍｍ，厚さが１００〜５００μｍである。厚さが１００μｍ未満になると弾性波素子１０の機械的強度が著しく低下するため好ましくない。

次に、こうして構成された弾性波素子１０の使用例について説明する。第１表面電極３１と裏面電極３３との間に高周波信号を入力すると、圧電層２０のうち領域２０ａにおける分極反転領域２２と非分極反転領域２３とが圧電効果により反対の方向に変位することで弾性表面波が励振される。そして、この弾性表面波が表面２１を伝搬して領域２０ｂにおける分極反転領域２２と非分極反転領域２３とを変位させることで、第２表面電極３２と裏面電極３３との間に出力信号が発生する。このとき、分極反転領域２２と非分極反転領域２３との繰り返し周期ｄ１と同じ長さを波長λとし、圧電層２０の表面２１における弾性表面波の伝搬速度を伝搬速度ｖとすると、弾性波素子１０の動作周波数ｆは下記式（１）で表され、入力された高周波信号のうち主にこの動作周波数ｆの周波数成分が出力信号となる。これにより、弾性波素子１０はトランスバーサル型のＳＡＷフィルターとして機能する。ここで、伝搬速度ｖは主に圧電層２０の材質によって定まるが、本実施形態のように圧電層２０が周期的な分極反転構造を有する強誘電体単結晶からなり、この圧電層２０の第１表面電極３１と裏面電極３３との間に電圧を印加することで弾性表面波を励振する構成とした場合、有機接着層４０を介して接着させた支持基板５０の材質によっても伝搬速度ｖが変化する。そして、支持基板５０は圧電層２０よりも弾性率の高い材料で形成されているため、支持基板５０を接着させない場合と比べて伝搬速度ｖを向上させることができる。これにより、圧電層２０の繰り返し周期ｄ１（＝波長λ）が同じでも、支持基板５０の材質によって伝搬速度ｖを向上させて、動作周波数ｆの高い弾性波素子１０を得ることができる。また、同じ動作周波数ｆを得る場合に必要な繰り返し周期ｄ１が大きくて済む。一方、従来技術である圧電基板の表面に弾性表面波を励振可能な櫛形電極を設けた弾性波素子においては、有機接着装を介して圧電基板に接着された支持基板の材料を変えた場合でもこのような伝搬速度ｖの向上は見られない。そのため櫛形電極を設けた弾性波素子において動作周波数ｆを高くするためには波長λを小さくする、すなわち電極の間隔を狭くしなければならないが、櫛形電極の電極間隔を狭くするにはリソグラフィの限界があるとともに、櫛形電極の細線化により動作周波数ｆの高い領域での電極の耐電力性が大きく損なわれてしまう。本実施形態の弾性波素子１０では、波長λを小さくしなくとも伝搬速度ｖの向上により動作周波数ｆを高くすることができるとともに、電極が櫛形ではなく平板状であるため動作周波数ｆの高い領域でも櫛形電極に比べて高い耐電力性が得られる。

ｆ＝ｖ／λ （１）

以上詳述した実施形態によれば、圧電層２０と支持基板５０との間に有機接着層４０が存在していても支持基板５０の弾性率が圧電基盤２０に影響して伝搬速度ｖを向上させることができる。また、圧電層２０がタンタル酸リチウム又はニオブ酸リチウムからなる場合、これらは化学気相成長などにより支持基板上に直接形成することが難しく圧電層２０と支持基板５０とを有機接着層４０により接着する必要があるため、本実施形態の構成を適用して伝搬速度ｖを向上させる意義が高い。

なお、本発明は上述した実施形態に何ら限定されることはなく、本発明の技術的範囲に属する限り種々の態様で実現し得ることはいうまでもない。

例えば、上述した実施形態では、裏面電極３３は圧電層２０の裏面の全面に形成されているものとしたが、圧電層２０の裏面のうち第１領域２０ａ，第２領域２０ｂに対向する部分を全て含むように形成されていればよい。その場合、有機接着層４０は、裏面電極３３と支持基板５０とを接着するだけでなく、圧電層２０の裏面と支持基板５０とを接着していてもよい。

上述した実施形態では、第１領域２０ａ，第２領域２０ｂにのみ分極反転領域２２が形成されているものとしたが、圧電層２０のうち第１領域２０ａ，第２領域２０ｂ以外の領域にも分極反転領域が存在するものとしてもよい。

上述した実施形態では、弾性波素子１０は、トランスバーサル型のＳＡＷフィルターとして機能するものとしたが、圧電層２０における周期的な分極反転構造を有する領域の位置及び数、電極の位置及び数を適宜変更して他の弾性波デバイスとして機能する弾性波素子としてもよい。例えばＳＡＷ共振器型フィルターや発振器として機能する弾性波素子としてもよい。

［実施例１］
実施例１として、図４に示す弾性波素子２１０を作製した。図４は弾性波素子２１０を弾性表面波の伝搬方向に沿って切断したときの断面図である。この弾性波素子２１０は、圧電層２２０全体が図１の領域２０ａと同様に周期的な分極反転構造を有しており、圧電層２２０の表面２２１全体に図１の第１表面電極３１と同様の表面電極２３１を有しており、第２表面電極３２を備えていない。それ以外の点は上述した弾性波素子１０と同様の構成であるため、上述した弾性波素子１０の構成要素に値１００を加えた符号を付し、説明を省略する。なお、この弾性波素子２１０は後述する評価試験１のための試験用の素子であり、この素子の共振周波数と一致する信号を表面電極２３１と裏面電極２３３との間に入力したときに表面２２１を伝搬する弾性表面波が共振するようになっている。この弾性波素子２１０は、以下の手順により作製した。

はじめに、厚さ０．３０ｍｍのＺカットＸ伝搬ＬｉＮｂＯ₃（ＬＮ）基板に対して、上述した電圧印加法により分極反転領域２２２と非分極反転領域２２３とが幅Ｗ＝１．５μｍ（繰り返し周期ｄ１＝３．０μｍ）で交互に形成された分極反転構造を形成し、このＬＮ基板上に裏面電極２３３となる厚み３０００Åのアルミニウム電極を成膜した。次に、ＬＮ基板に成膜したアルミニウム電極面に支持基板２５０となる厚さ０．２２ｍｍのサファイアを有機接着層２４０となるエポキシ系接着剤を用いて貼り合わせて中間体とした。この中間体のうちＬＮ基板のアルミニウム電極が成膜された面と対向する面を研削・研磨し、ＬＮ基板の厚さを１μｍとした。その後、研削・研磨した面上に表面電極２３１となる厚み３０００Åのアルミニウム電極を成膜した。こうして得た複合基板を縦２．２ｍｍ×横１．４ｍｍのチップに切り分けた。チップ端部を反射器として利用するため、チップのうち弾性表面波の伝搬方向（分極反転領域２２２と非分極反転領域２２３とが交互に形成された方向）の両側面が分極反転領域２２２と非分極反転領域２２３との境界面となるように研削・研磨した。これにより図４に示す弾性波素子２１０を得た。

［比較例１］
比較例１として、図５に示す弾性波素子３１０を作製した。図５は弾性波素子３１０を弾性表面波の伝搬方向に沿って切断したときの断面図である。この弾性波素子３１０は、圧電層３２０が図４の表面電極２３１，裏面電極２３３を備えない代わりに表面３２１に第１櫛形電極３３１，第２櫛形電極３３２を備えており、圧電層３２０には周期的な分極反転構造が形成されていない。それ以外の点は上述した弾性波素子２１０と同様の構成である。すなわち、圧電層３２０，有機接着層３４０，支持基板３５０の材質，大きさはそれぞれ圧電層２２０，有機接着層２４０，支持基板２５０と同じである。また、第１櫛形電極３３１及び第２櫛形電極３３２の繰り返し周期ｄ２は実施例１の繰り返し周期ｄ１と同じ値３．０μｍとした。この弾性波素子３１０も弾性波素子２１０と同様に後述する評価試験１のための試験用の素子であり、特定の共振周波数を有するように作製したものである。この比較例１はアルミニウム製の第１櫛形電極３３１及び第２櫛形電極３３２をフォトリソグラフィにより圧電層３２０上に形成する点以外は実施例１と同様の方法で作製したため、作製手順については説明を省略する。

［評価試験１］
作成した実施例１の弾性波素子２１０，比較例１の弾性波素子３１０を、それぞれマイクロストリップラインを設けたアルミナ基板上に固定し、表面電極２３１，裏面電極２３３，第１櫛形電極３３１，第２櫛形電極３３２にそれぞれワイヤをボンディングし、ＳＭＡコネクタを半田付けした。なお、弾性波素子２１０の裏面電極２３３については、弾性波素子２１０の裏面（支持基板２５０のうち有機接着層４０の接着面とは反対側の面）にレーザー，ダイサーを用いた機械的加工を施し裏面電極２３３を一部露出させることでワイヤボンディングを可能にした。この状態で弾性波素子２１０，３２０の特性をベクトルネットワークアナライザで測定した。すると、弾性波素子２１０，３１０はいずれも共振器特性を示し、インピーダンス特性により特定した共振周波数は、それぞれ１．５０ＧＨｚ，１．２７ＧＨｚであった。弾性表面波の波長λに相当する繰り返し周期ｄ１，ｄ２はいずれも３．０μｍであることから、上記式（１）により弾性波素子２１０の弾性表面波の伝搬速度ｖは約４５００ｍ／ｓｅｃ，弾性波素子３１０の弾性表面波の伝搬速度は約３８００ｍ／ｓｅｃであり、実施例１は比較例１と比べて伝搬速度が向上していることが確認できた。

１０，２１０，３１０ 弾性波素子、２０，２２０，３２０ 圧電層、２０ａ，２０ｂ 領域、２１，２２１，３２１ 表面、２２，２２２ 分極反転領域、２３，２２３ 非分極反転領域、３１ 第１表面電極、３２ 第２表面電極、３３ 裏面電極、４０，２４０，３４０ 有機接着層、５０，２５０，３５０ 支持基板、１２０ 基板、１２１ 表面、１２２ 領域、１３５，１３６ 電極、２３１ 表面電極、２３３ 裏面電極、３３１ 第１櫛形電極、３３２ 第２櫛形電極。

Claims (3)

1. 周期的に形成された分極反転構造を有する強誘電体単結晶からなる圧電層と、
   前記圧電層の表面及び裏面に形成され前記圧電層に電圧を印加することで弾性表面波を励振可能な１対の電極と、
   前記圧電層よりも弾性率の高い材料で形成された支持基板と、
   前記圧電層の裏面の電極と前記支持基板とを接着する有機接着層と、
   を備えた弾性波素子。
2. 前記支持基板は、サファイア，ダイヤモンド，ＳｉＣのいずれかで形成されている、
   請求項１に記載の弾性波素子。
3. 前記強誘電体単結晶は、タンタル酸リチウム，ニオブ酸リチウムのいずれかである、
   請求項１又は２に記載の弾性波素子。

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