JP2015122566A - 弾性波装置 - Google Patents

Abstract

【課題】外部への放熱性に優れた、弾性波装置を提供する。【解決手段】圧電膜６を有し、支持基板２と、前記支持基板２の上面に形成されている媒質層３と、前記媒質層３上に積層されており、前記圧電膜６を伝搬する弾性波音速より伝搬するバルク波音速が高速である高音速膜４と、前記高音速膜４上に積層されており、前記圧電膜６を伝搬するバルク波音速より伝搬するバルク波音速が低速である低音速膜５と、前記低音速膜５上に積層された前記圧電膜６と、前記圧電膜６の一方面に形成されているＩＤＴ電極７とを備え、前記媒質層３の厚みが１２μｍ以下である、弾性波装置１。【選択図】図１

Description

本発明は、圧電膜を用いた弾性波装置に関し、特に、支持基板上に圧電膜と他の層とを含む多層膜が積層されている弾性波装置に関する。

共振子や帯域フィルタとして弾性表面波装置が広く用いられている。下記の特許文献１では、支持基板上に媒質層、高音速膜、低音速膜及びＬｉＴａＯ_３からなる圧電薄膜を含む多層膜をこの順序で積層してなる弾性波装置が開示されている。上記媒質層としては、誘電体、圧電体、半導体または金属などのいずれの材料を用いてもよいとされている。

ＷＯ２０１２／０８６６３９ Ａ１

しかしながら、特許文献１の弾性波装置では、外部への放熱性が低く、圧電膜中に熱が閉じこもることがあった。

従って、特許文献１の弾性波装置では、耐電力性が低下したり、電圧印加時の発熱量が増大したりすることがあった。

本発明の目的は、外部への放熱性に優れた弾性波装置を提供することにある。

本発明に係る弾性波装置は、圧電膜を有する弾性波装置であって、支持基板と、上記支持基板の上面に形成されている媒質層と、上記媒質層上に積層されており、上記圧電膜を伝搬する弾性波音速より伝搬するバルク波音速が高速である高音速膜と、上記高音速膜上に積層されており、上記圧電膜を伝搬するバルク波音速より伝搬するバルク波音速が低速である低音速膜と、上記低音速膜上に積層された上記圧電膜と、上記圧電膜の一方面に形成されているＩＤＴ電極とを備え、上記媒質層の厚みが１２μｍ以下である。

本発明に係る弾性波装置のある特定の局面では、上記媒質層の熱伝導率が、上記支持基板の熱伝導率よりも低い。

本発明に係る弾性波装置の別の特定の局面では、上記支持基板が、ＬｉＴａＯ_３、ＬｉＮｂＯ_３、サファイヤ、ガラス及びシリコンからなる群から選択された少なくとも１種の材料により構成される。

本発明に係る弾性波装置の他の特定の局面では、上記媒質層が、第１，第２の媒質層部分を有し、上記第１の媒質層部分の上に、上記第２の媒質層部分が積層されている。

本発明に係る弾性波装置のさらに別の特定の局面では、上記媒質層が、密着層、下地膜、低音速層及び高音速層からなる群から選択された少なくとも１種である。

本発明に係る弾性波装置のさらに他の特定の局面では、上記媒質層が、ＳｉＯ_２、エポキシ樹脂、ポリイミド、ＳＯＧ、Ｔａ_２Ｏ_５及びＡｌ_２Ｏ_３からなる群から選択された少なくとも１種の材料により構成される。

本発明に係る弾性波装置では、媒質層の厚みが１２μｍ以下であるため、圧電膜中に熱が閉じこもらない。従って、外部への放熱性に優れた弾性波装置を提供することが可能となる。

（ａ）は、本発明の第１の実施形態に係る弾性表面波装置の断面図であり、（ｂ）は、その電極構造を示す平面図である。 弾性波装置の媒質層の厚みと温度上昇量との関係を示す図である。 本発明の第２の実施形態に係る弾性波装置の断面図である。 本発明の第３の実施形態に係る弾性波装置の断面図である。

以下、図面を参照しつつ、本発明の具体的な実施形態を説明することにより、本発明を明らかにする。

図１（ａ）は、本発明の第１の実施形態としての弾性波装置の断面図である。

弾性波装置１は、支持基板２を有する。支持基板２上に、媒質層３が積層されている。媒質層３上に、音速が相対的に高い高音速膜４が積層されている。高音速膜４上に、音速が相対的に低い低音速膜５が積層されている。また、低音速膜５上に圧電膜６が積層されている。この圧電膜６の上面にＩＤＴ電極７が積層されている。なお、圧電膜６の下面にＩＤＴ電極７が積層されていてもよい。

上記支持基板２は、媒質層３、高音速膜４、低音速膜５、圧電膜６及びＩＤＴ電極７を有する積層構造を支持し得る限り、適宜の材料により構成することができる。このような材料としては、サファイア、ＬｉＴａＯ_３、ＬｉＮｂＯ_３、水晶等の圧電体、アルミナ、マグネシア、窒化ケイ素、窒化アルミニウム、炭化ケイ素、ジルコニア、コージライト、ムライト、ステアタイト、フォルステライト等の各種セラミック、ガラス等の誘電体またはシリコン、窒化ガリウム等の半導体及び樹脂基板等を用いることができる。支持基板２の材料としては、ＬｉＴａＯ_３、ＬｉＮｂＯ_３、サファイヤ、ガラス及びシリコンの内の少なくとも１種を用いることが好ましい。より好ましくは、シリコンが用いられる。

特に、抵抗率が１００Ωｃｍ以上、好ましくは１０００Ωｃｍ以上、より好ましくは４０００Ωｃｍ以上のシリコンを支持基板２の材料に用いることが望ましい。抵抗率が高くなると、ＩＤＴ電極７と支持基板２との間の容量結合を効果的に抑制することができる。従って、挿入損失をより一層小さくすることができる。

さらに、シリコンの熱膨張係数は小さい。従って、支持基板２上に設けられた機能膜の温度変化による伸縮を抑制することができる。それによって、熱負荷の周波数変動を小さくすることができ、温度特性をより一層高めることができる。さらに、シリコンの熱伝導性は高いため、弾性波装置１で発生した熱を効率良く放散させることができる。それによって耐電力性を高めることもできる。

加えて、シリコンからなる支持基板２は加工性に優れている。従って製造容易である。またダイシングも容易に行い得る。交折強度が高いため、弾性波装置１の薄型化も進めることができる。

上記媒質層３は、支持基板２より熱伝導率が低い媒質からなることが好ましい。支持基板２より媒質層３の熱伝導率が低い場合、外部への放熱性が悪くなることから、本発明の効果がより一層顕著に得られるためである。媒質層３は、伝搬する弾性表面波や境界波に大きな影響が無い範囲内で設けることができる。媒質層３としては、様々な機能を果たす膜や層として形成され得る。従って、媒質層３は、密着層、下地膜、低音速層、高音速層などであってもよい。

媒質層３の材料としては、誘電体、圧電体、半導体または金属などの材料を用いることができる。媒質層３としては、ＳｉＯ_２、樹脂系材料、Ｔａ_２Ｏ_５及びＡｌ_２Ｏ_３からなる群から選択された少なくとも１種の材料により構成されることが好ましい。上記樹脂系材料としては、エポキシ樹脂系、ポリイミド、ＳＯＧなどを用いることができる。なお、媒質層３が金属からなる場合には、比帯域を小さくすることができる。従って、比帯域が小さい用途では、媒質層３が金属からなることが好ましい。

本発明において、媒質層１３の厚みは１２μｍ以下である。これを、以下図２を参照して説明する。

図２は、弾性波装置１の媒質層３の厚みと動作時の圧電膜の温度上昇量との関係を示す図である。図中、実線は、媒質層３としてエポキシ樹脂を用いた際の結果である。また、破線は、媒質層３としてＳｉＯ_２を用いた際の結果であり、一点鎖線は、媒質層３としてＴａ_２Ｏ_５を用いた際の結果である。なお、いずれの場合も、支持基板２としてシリコンを用いた。

図２より、媒質層３の厚みを薄くしていくと、厚みが１２μｍとなる変曲点を境に急激に温度上昇量が低下していることがわかる。すなわち、媒質層３の厚みが１２μｍ以下の場合、外部への放熱性が改善されていることがわかる。なお、上記媒質層３の厚みが１２μｍである変曲点は、図２中、媒質層３の厚みが薄い領域における曲線の接線と、媒質層３の厚みが厚い領域における曲線の接線との交点である。

また、図２中、媒質層３にＴａ_２Ｏ_５を用いた場合、媒質層３の厚みが１２μｍ以下の領域おける温度上昇量の低下が比較的緩やかである。他方、媒質層３にＳｉＯ_２を用いた場合、１２μｍ以下における温度上昇量の低下がより顕著であり、媒質層３にエポキシ樹脂を用いた場合さらに顕著である。これは、熱伝導率がＴａ_２Ｏ_５、ＳｉＯ_２、エポキシ樹脂の順に熱伝導率が低くなっていることに基づく。すなわち、放熱性改善の効果が媒質層３を構成する材料の熱伝導率が低いほどより顕著に表れているのである。また、媒質層３の厚みが１２μｍ以下の領域においては、エポキシ樹脂のように熱伝導率が低い材料においても、本発明の効果が得られていることがわかる。

上記熱伝導率が低い材料としては、エポキシ樹脂、ポリイミド、ＳＯＧ、樹脂系材料が挙げられる。他方、熱伝導率が高い材料としては、Ｔａ_２Ｏ_５及びＡｌ_２Ｏ_３が挙げられる。なお、上記支持基板２としては、シリコン以外にも、例えば、ＬｉＴａＯ_３、ＬｉＮｂＯ_３、サファイヤ、ガラスなどを用いることができる。

上記高音速膜４は、弾性表面波を圧電膜６及び低音速膜５が積層されている部分に閉じ込め、高音速膜４より下の構造に漏れないように機能する。本実施形態では、高音速膜４は、窒化アルミニウムからなる。もっとも、上記弾性波を閉じ込め得る限り、窒化アルミニウム、酸化アルミニウム、炭化ケイ素、窒化ケイ素、酸窒化ケイ素、ＤＬＣ膜またはダイヤモンド、上記材料を主成分とする媒質、上記材料の混合物を主成分とする媒質等のさまざまな高音速材料を用いることができる。

なお、本明細書において、高音速膜とは、圧電膜６を伝搬する表面波や境界波の弾性波よりも、該高音速膜中のバルク波の音速が高速となる膜を言うものとする。また、低音速膜とは、圧電膜６を伝搬するバルク波よりも、該低音速膜中のバルク波の音速が低速となる膜を言うものとする。

上記低音速膜５を構成する材料としては圧電膜６を伝搬するバルク波よりも低音速のバルク波音速を有する適宜の材料を用いることができる。このような材料としては、酸化ケイ素、ガラス、酸窒化ケイ素、酸化タンタル、また、酸化ケイ素にフッ素や炭素やホウ素を加えた化合物などを用いることができる。

上記低音速膜及び高音速膜は、上記のように決定される高音速及び低音速を実現し得る適宜の誘電体材料からなる。

圧電膜６は、適宜の圧電材料により形成することができるが、好ましくは、圧電単結晶からなる。圧電単結晶を用いた場合、オイラー角を選択することにより様々な特性の弾性波装置を容易に提供し得る。より好ましくは、タンタル酸リチウム単結晶またはニオブ酸リチウム単結晶が用いられ、その場合には、オイラー角を選択することにより弾性波装置１の共振特性やフィルタ特性をより一層高めることができる。

ＩＤＴ電極７は、本実施形態では、Ａｌからなる。もっとも、ＩＤＴ電極７は、Ａｌ、Ｃｕ、Ｐｔ、Ａｕ、Ａｇ、Ｔｉ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗまたはこれらの金属のいずれかを主体とする合金などの適宜の金属材料により形成することができる。また、ＩＤＴ電極７は、これらの金属もしくは合金からなる複数の金属膜を積層した構造を有していてもよい。

図１（ａ）では略図的に示しているが、圧電膜６上に、図１（ｂ）に示す電極構造が形成されている。すなわち、ＩＤＴ電極７と、ＩＤＴ電極７の弾性表面波電極方向両側に配置された反射器８，９が形成されている。それによって、１ポート型弾性表面波共振子が構成されている。もっとも、本発明におけるＩＤＴ電極を含む電極構造は特に限定されず、適宜の共振子や共振子を組み合わせたラダーフィルタ、縦結合フィルタ、ラチス型フィルタ、トランスバーサル型フィルタを構成するように変形し得る。

上述したように、本発明においては、上記媒質層の厚みが１２μｍ以下である。従って、圧電膜中に熱が閉じこもらない。すなわち、外部への放熱性に優れた弾性波装置を提供することが可能となる。その結果、弾性波装置の耐電力性の低下を抑制でき、しかも、電圧印加時の発熱量が増大することを抑制することができる。

図３は、第２の実施形態に係る弾性波装置の断面図である。弾性波装置２１においては、第１の実施形態の弾性波装置１と同様に、支持基板２上に、媒質層３、高音速膜４、低音速膜５及び圧電薄膜６が順に積層されている。

第２の実施形態においては、媒質層３が、第１，第２の媒質層部分３ａ，３ｂを有している。上記第１の媒質層部分３ａの上に、前記第２の媒質層部分３ｂが積層されている。第１，第２の媒質層部分３ａ，３ｂとしては、同じ材料を用いてもよく、異なる材料を用いてもよい。

第１，第２の媒質層部分３ａ，３ｂとしては、誘電体、圧電体、半導体または金属などのいずれの材料を用いてもよい。第１，第２の媒質層部分３ａ，３ｂとしては、ＳｉＯ_２、エポキシ樹脂、ポリイミド、ＳＯＧ、Ｔａ_２Ｏ_５及びＡｌ_２Ｏ_３からなる群から選択された少なくとも１種の材料により構成されることが好ましい。

本実施形態では、圧電膜６、低音速膜５、高音速膜４及び第２の媒質層部分３ｂからなる積層構造と、第１の媒質層部分３ａ及び支持基板２からなる積層構造を別々に作製した後、両積層構造を接合する。しかる後、ＩＤＴ電極７を圧電膜６上に形成する。それによって、各積層構造を作製する際の製造上の制約条件に依存せずに、本実施形態の弾性波装置２１を得ることができる。従って、各層を構成する材料の選択の自由度を高めることができる。

上記２つの積層構造の接合に際しては、任意の接合方法を用いることができる。このような接合構造としては、親水化接合、活性化接合、原子拡散接合、金属拡散接合、陽極接合、樹脂やＳＯＧによる接合などの様々な方法を用いることができる。また、２つの積層構造間の接合界面が、高音速膜４よりも圧電膜６とは反対側に位置している。従って、高音速膜４の下方の利用する主たる弾性表面波のエネルギーが分布していない部分に上記接合界面が存在している。よって、弾性表面波伝搬特性が、上記接合界面の品質に影響されない。従って、第２の実施形態に係る弾性波装置２１では、安定かつ良好な共振特性やフィルタ特性を得ることができる。

なお、第２の実施形態に係る弾性波装置２１においても、第１及び第２の媒質層部分３ａ，３ｂの厚みの合計、すなわち媒質層３の厚みが１２μｍ以下である。従って、第２の実施形態においても、外部への放熱性に優れた弾性波装置２１を提供することが可能となる。

図４は、本発明の第３の実施形態に係る弾性波装置３１の断面図である。弾性波装置３１においては、ＩＤＴ電極７を覆うように誘電体膜１０が積層されている。その他の構造は、第１の実施形態の弾性波装置１と同様である。

ＩＤＴ電極７を覆うように誘電体膜１０を積層した場合には、周波数温度特性を調節したり、耐湿性を高めたりすることができる。

なお、第３の実施形態に係る弾性波装置３１においても、媒質層３の厚みは、１２μｍ以下である。従って、圧電膜中に熱が閉じこもらない。すなわち、外部への放熱性に優れた弾性波装置を提供することが可能となる。その結果、弾性波装置の耐電力性の低下を抑制でき、しかも、電圧印加時の発熱量が増大することを抑制することができる。

１，２１，３１…弾性波装置
２…支持基板
３…媒質層
３ａ…第１の媒質層部分
３ｂ…第２の媒質層部分
４…高音速膜
５…低音速膜
６…圧電膜
７…ＩＤＴ電極
８，９…反射器
１０…誘電体膜

Claims (6)

1. 圧電膜を有する弾性波装置であって、
   支持基板と、
   前記支持基板の上面に形成されている媒質層と、
   前記媒質層上に積層されており、前記圧電膜を伝搬する弾性波音速より伝搬するバルク波音速が高速である高音速膜と、
   前記高音速膜上に積層されており、前記圧電膜を伝搬するバルク波音速より伝搬するバルク波音速が低速である低音速膜と、
   前記低音速膜上に積層された前記圧電膜と、
   前記圧電膜の一方面に形成されているＩＤＴ電極とを備え、
   前記媒質層の厚みが１２μｍ以下である、弾性波装置。
2. 前記媒質層の熱伝導率が、前記支持基板の熱伝導率よりも低い、請求項１に記載の弾性波装置。
3. 前記支持基板が、ＬｉＴａＯ_３、ＬｉＮｂＯ_３、サファイヤ、ガラス及びシリコンからなる群から選択された少なくとも１種の材料により構成される、請求項１又は２に記載の弾性波装置。
4. 前記媒質層が、第１，第２の媒質層部分を有し、前記第１の媒質層部分の上に、前記第２の媒質層部分が積層されている、請求項１〜３のいずれか一項に記載の弾性波装置。
5. 前記媒質層が、密着層、下地膜、低音速層及び高音速層からなる群から選択された少なくとも１種である、請求項１〜４のいずれか一項に記載の弾性波装置。
6. 前記媒質層が、ＳｉＯ_２、エポキシ樹脂、ポリイミド、ＳＯＧ、Ｔａ_２Ｏ_５及びＡｌ_２Ｏ_３からなる群から選択された少なくとも１種の材料により構成される、請求項１〜５のいずれか一項に記載の弾性波装置。

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