JP2019004308A - 接合基板、弾性表面波素子、弾性表面波素子デバイスおよび接合基板の製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】弾性表面波素子の位相速度を早め、高い機械電気機械結合係数と優れた周波数温度特性を得る。【解決手段】水晶基板と、前記水晶基板上に接合され、弾性表面波が伝搬する圧電基板とを有し、接合界面において共有結合により接合されており、前記水晶基板の方位と前記圧電基板の方位とが、接合面方向において直交する方向側で交差している。【選択図】図１
Description
この発明は、弾性表面波を利用した接合基板、弾性表面波素子、弾性表面波素子デバイスおよび接合基板の製造方法に関するものである。
携帯電話などの移動体通信機器の進化に伴い弾性表面波（Ｓｕｒｆａｃｅ Ａｃｏｕｓｔｉｃ Ｗａｖｅ：ＳＡＷ）デバイスについても高性能化が要求されている。特に高周波化、広帯域化のために高速、高結合のＳＡＷモード及び温度変化による通過帯域の移動を防止する優れた温度特性をもつＳＡＷ基板が要請されている。
さらに、漏洩弾性表面波（Ｌｅａｋｙ ＳＡＷ： ＬＳＡＷ等とも呼ばれる）、縦型漏洩弾性表面波（Ｌｏｎｇｉｔｕｄｉｎａｌ−ｔｙｐｅ Ｌｅａｋｙ ＳＡＷ： ＬＬＳＡＷ等とも呼ばれる）は、優れた位相速度を有しており、ＳＡＷデバイスの高周波化に有利な伝搬モードの一つである。しかし、大きな減衰伝搬を有している点で課題がある。
さらに、漏洩弾性表面波（Ｌｅａｋｙ ＳＡＷ： ＬＳＡＷ等とも呼ばれる）、縦型漏洩弾性表面波（Ｌｏｎｇｉｔｕｄｉｎａｌ−ｔｙｐｅ Ｌｅａｋｙ ＳＡＷ： ＬＬＳＡＷ等とも呼ばれる）は、優れた位相速度を有しており、ＳＡＷデバイスの高周波化に有利な伝搬モードの一つである。しかし、大きな減衰伝搬を有している点で課題がある。
例えば、特許文献１には、ニオブ酸リチウム基板表面付近にプロトン交換層を形成した後に、表層のみに逆プロトン交換層を形成することによって、ＬＬＳＡＷのバルク波放射に起因する損失を減少させようとする技術が提案されている。
非特許文献１、非特許文献２にもＬＬＳＡＷの低損失化の手法として、基板方位、電極膜厚の最適化が試みられている。
また、温度特性については例えば、現状良く使われているタンタル酸リチウムの周波数変化の温度係数は−３５ｐｐｍ／℃、ニオブ酸リチウムでは−７９ｐｐｍ／℃であり、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。
一方ＳＴ−Ｃｕｔ水晶の温度係数は０ｐｐｍ／℃であり優れた特性を示すが、伝搬速度や電気機械結合係数においてタンタル酸リチウムやニオブ酸リチウムに大きく劣る。
一方ＳＴ−Ｃｕｔ水晶の温度係数は０ｐｐｍ／℃であり優れた特性を示すが、伝搬速度や電気機械結合係数においてタンタル酸リチウムやニオブ酸リチウムに大きく劣る。
特許文献２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。
特許文献３にも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。
特許文献４にはタンタル酸リチウム基板と支持基板の接着について有機接着層を薄層化することにより温度特性が改善されると報告されている。
しかし、特許文献１では、ＬＬＳＡＷのバルク波放射に起因する損失が減少し、伝搬特性などが格段に向上することを確認しているが、提案構造ではデバイスの歩留りが極端に悪いという問題点がある。
特許文献２、３ともに温度特性が改善されたという具体的なデータは記載されていない。
特許文献４では有機接着層を薄層化することにより温度特性が改善されているが、それでも１５ｐｐｍ／℃ＳＴ−Ｃｕｔ水晶の０ｐｐｍ／℃には到達しておらず、また接着剤で接合しているため歩留が悪い等の問題がある。
特許文献２、３ともに温度特性が改善されたという具体的なデータは記載されていない。
特許文献４では有機接着層を薄層化することにより温度特性が改善されているが、それでも１５ｐｐｍ／℃ＳＴ−Ｃｕｔ水晶の０ｐｐｍ／℃には到達しておらず、また接着剤で接合しているため歩留が悪い等の問題がある。
本願発明者らは、非特許文献３〜５において、水晶基板と、圧電基板との接合において伝搬減衰が低減されることを明らかにしている。
例えば、非特許文献３では、弾性表面波（ＳＡＷ）デバイスのために、ＳＴカット水晶とＬｉＴａＯ３（ＬＴ）の直接接合においてアモルファスＳｉＯ２（α−ＳｉＯ２）中間層を使用して接合している。
非特許文献４では、ＡＴカット水晶にＸカット３１°Ｙ伝搬タンタル酸リチウム、Ｘカット３６°Ｙ伝搬ニオブ酸リチウムを接合して電気機械結合係数を高めたＬＬＳＡＷが提案されている。
非特許文献５では、ＬｉＴａＯ３またはＬｉＮｂＯ３薄板と水晶基板との接合により縦型リーキー弾性表面波の高結合化が図られている。
例えば、非特許文献３では、弾性表面波（ＳＡＷ）デバイスのために、ＳＴカット水晶とＬｉＴａＯ３（ＬＴ）の直接接合においてアモルファスＳｉＯ２（α−ＳｉＯ２）中間層を使用して接合している。
非特許文献４では、ＡＴカット水晶にＸカット３１°Ｙ伝搬タンタル酸リチウム、Ｘカット３６°Ｙ伝搬ニオブ酸リチウムを接合して電気機械結合係数を高めたＬＬＳＡＷが提案されている。
非特許文献５では、ＬｉＴａＯ３またはＬｉＮｂＯ３薄板と水晶基板との接合により縦型リーキー弾性表面波の高結合化が図られている。
"ＧＨｚ−ｂａｎｄ ｓｕｒｆａｃｅ ａｃｏｕｓｔｉｃ ｗａｖｅ ｄｅｖｉｃｅｓ ｕｓｉｎｇ ｔｈｅ ｓｅｃｏｎｄ ｌｅａｋｙ ｍｏｄｅ" ， Ａｐｐｌ． Ｐｈｉｓ．，ｖｏｌ． ３６，ｎｏ９Ｂ，ｐｐ． ６０８３−６０８７，１９９７．
"ＬｉＮｂＯ３の縦波型漏洩弾性表面波の共振器特性−有限要素解析結合法による解析"信学会基礎・境界ソサイエティ大会，Ａ−１９５，ｐ．１９６，１９９６．
"2016 International Conference on Electronics Packaging（ＩＣＥＰ）"、発行所 The Japan Institute of Electronics Packaging、発行日 平成２８年４月２０日
"平成２７年度山梨大学工学部電気電子工学科卒業論文発表会要旨集"、発行所 山梨大学工学部電気電子工学科、発行日 平成２８年２月１６日
"平成２７年度山梨大学工学部電気電子工学科卒業論文発表会"、開催日 平成２８年２月１６日
上記した非特許文献３〜５では、電気機械結合係数が改善されていることが明らかにされている。しかし、弾性表面波素子では、周波数温度特性に優れていることが必要であり、良好な周波数温度特性が得られないと温度補償素子などを設けることによって温度依存性を低下させることが必要になる。非特許文献３〜５で提案されているＬＬＳＡＷでは、電気機械結合係数の改善は見られるが周波数温度特性については改善が不十分である。
ところで、ＬＬＳＡＷやＬＳＡＷでは、水晶基板と圧電基板の方位を同じ方向に揃えて接合することで機械的な接合強度を得ることが通常行われている。この方向が同方向でなく交差する方向にあると、接合後に行う熱処理を実施すると水晶基板の熱膨張係数がプラスで圧電基板の熱膨張係数がマイナスのため熱膨張差がさらに強まることから、両基板間の剥離などが生じやすくなると考えられている。
本願発明者らは、鋭意研究した結果、水晶基板と圧電基板の方位を適切な方向に交差させることで周波数温度特性が向上するとともに、電気機械結合係数においても良好な特性が得られることを見いだした。また、比較的薄厚の圧電基板では、水晶基板との接合面において共有結合されていることで機械的な接合強度には問題がなく、剥離などの問題も生じないことも合わせて見いだした。
本願発明は、上記事情を背景としてなされたものであり、電気機械結合係数、周波数温度特性ともに良好な特性を有する接合基板、弾性表面波素子、弾性表面波素子デバイスおよび接合基板の製造方法を提供することを目的の一つとしている。
本発明の接合基板のうち、第１の形態は、水晶基板と、前記水晶基板上に接合され、弾性表面波が伝搬する圧電基板とを有し、接合界面において共有結合により接合されており、
前記水晶基板の方位と前記圧電基板の方位とが、接合面方向において直交する方向側で交差していることを特徴とする。
前記水晶基板の方位と前記圧電基板の方位とが、接合面方向において直交する方向側で交差していることを特徴とする。
他の形態の接合基板の発明は、前記形態の接合基板の発明において、水晶基板と、前記水晶基板上に接合され、弾性表面波が伝搬する圧電基板とを有し、接合界面において共有結合により接合されており、前記水晶基板の方位と前記圧電基板の方位とが、接合面方向において６５度〜１１５度の範囲で交差していることを特徴とする。
他の形態の接合基板の発明は、前記形態の接合基板の発明において、前記圧電基板が漏洩弾性表面波を励起するためのものであることを特徴とする。
他の形態の接合基板の発明は、前記形態の接合基板の発明において、前記水晶基板と圧電基板との間にアモルファス層を有しており、前記アモルファス層の界面が前記接合界面となることを特徴とする。
他の形態の接合基板の発明は、前記形態の接合基板の発明において、前記アモルファス層が、１００ｎｍ以下の厚さであることを特徴とする。
他の形態の接合基板の発明は、前記形態の接合基板の発明において、前記アモルファス層が、二酸化ケイ素または酸化アルミニウムからなることを特徴とする。
他の形態の接合基板の発明は、前記形態の接合基板の発明において、前記圧電基板は、厚さが、弾性表面波の波長に対し０．０５〜１．０波長に相当することを特徴とする。
他の形態の接合基板の発明は、前記形態の接合基板の発明において、前記水晶基板は、厚さが１５０〜５００μｍであることを特徴とする。
他の形態の接合基板の発明は、前記形態の接合基板の発明において、前記水晶基板がＡＴカット水晶基板またはＳＴカット水晶基板であることを特徴とする。
他の形態の接合基板の発明は、前記形態の接合基板の発明において、前記圧電基板は、タンタル酸リチウムまたはニオブ酸リチウムからなることを特徴とする。
他の形態の接合基板の発明は、前記形態の接合基板の発明において、前記圧電基板は、厚さが０．１〜１００μｍであることを特徴とする。
他の形態の接合基板の発明は、前記形態の接合基板の発明において、周波数温度特性（ＴＣＦ）が−２０〜＋５ｐｐｍ／℃であり、カップリングファクタ（Ｋ２）が５％以上であることを特徴とする。
本発明の弾性表面波素子のうち第１の形態は、前記形態の接合基板における圧電基板の主面上に、少なくとも１つの櫛型電極を備えていることを特徴とする。
本発明の弾性表面波素子デバイスのうち第１の形態は、前記形態の弾性表面波素子がパッケージに封止されていることを特徴とする。
本発明の接合基板の製造方法のうち、第１の形態は、水晶基板と圧電基板とが接合された接合基板の製造方法であって、
水晶基板の接合面および圧電基板の接合面に、減圧下で紫外線を照射し、前記水晶基板と前記圧電基板とが、接合面方向において互いの方位が直交する方向側で交差している状態で、照射後に、水晶基板の接合面と圧電基板の接合面とを接触させ、水晶基板と圧電基板とに厚さ方向に加圧をして前記接合面同士を接合することを特徴とする。
水晶基板の接合面および圧電基板の接合面に、減圧下で紫外線を照射し、前記水晶基板と前記圧電基板とが、接合面方向において互いの方位が直交する方向側で交差している状態で、照射後に、水晶基板の接合面と圧電基板の接合面とを接触させ、水晶基板と圧電基板とに厚さ方向に加圧をして前記接合面同士を接合することを特徴とする。
他の形態の接合基板の製造方法の発明は、前記形態の接合基板の製造方法の発明において、前記加圧の際に、所定の温度に加熱をすることを特徴とする。
他の形態の接合基板の製造方法の発明は、前記形態の接合基板の製造方法の発明において、前記水晶基板が、水熱合成法で結晶成長させ、任意の方向に切り出したものであることを特徴とする。
他の形態の接合基板の製造方法の発明は、前記形態の接合基板の製造方法の発明において、前記水晶基板と圧電基板の接合面の一方または両方にアモルファス層を介在させておくことを特徴とする。
他の形態の接合基板の製造方法の発明は、前記形態の接合基板の製造方法の発明において、前記アモルファス層は、薄膜形成方法によって付着させたものであることを特徴とする。
すなわち、本発明によれば、周波数温度特性と電気機械結合係数に優れた特性を有する弾性表面波素子が得られる効果がある。
以下に、本発明の一実施形態の接合基板および弾性表面波素子について添付図面に基づいて説明する。
接合基板５は、水晶基板２と圧電基板３とが、接合界面４を介して共有結合によって接合されている。
水晶基板２は、好適には１５０〜５００μｍの厚さを有し、圧電基板３は、好適には弾性表面波の波長に対し、０．０５〜１．０波長に相当する厚さを有している。なお、本発明としては、圧電基板の厚さは、弾性表面波の波長に対し、０．０５〜０．８波長がさらに望ましく、さらに０．０５〜０．２５波長が一層望ましい。
水晶基板２は、例えば、水熱合成法で結晶成長させ、任意の方向に切り出したものを用いることができる。圧電基板３には、適宜の材料を用いることができるが、例えば、タンタル酸リチウムやニオブ酸リチウムにより構成することができる。特に、面方位が３６°Ｙカット、Ｘ伝搬のタンタル酸リチウム、または４１°Ｙカット、Ｘ伝搬のニオブ酸リチウムを用いることができる。
接合基板５は、水晶基板２と圧電基板３とが、接合界面４を介して共有結合によって接合されている。
水晶基板２は、好適には１５０〜５００μｍの厚さを有し、圧電基板３は、好適には弾性表面波の波長に対し、０．０５〜１．０波長に相当する厚さを有している。なお、本発明としては、圧電基板の厚さは、弾性表面波の波長に対し、０．０５〜０．８波長がさらに望ましく、さらに０．０５〜０．２５波長が一層望ましい。
水晶基板２は、例えば、水熱合成法で結晶成長させ、任意の方向に切り出したものを用いることができる。圧電基板３には、適宜の材料を用いることができるが、例えば、タンタル酸リチウムやニオブ酸リチウムにより構成することができる。特に、面方位が３６°Ｙカット、Ｘ伝搬のタンタル酸リチウム、または４１°Ｙカット、Ｘ伝搬のニオブ酸リチウムを用いることができる。
ただし、図１に示すように接合に際しては、水晶基板２の方位２Ｄと、圧電基板３の方位３Ｄとが面方向において直角方向側に交差する状態にして接合する。直角方向側に交差するとは、両者の交差角が４５度を超える角度を有していることを意味する。好適には、６５度〜１１５度が望ましい。この交差角度を有することで両者が接合された接合基板では、優れた周波数温度特性と電気機械結合係数を有している。上記角度範囲を外れると、これらの両特性において満足した結果が得られない。上記交差角を有する接合基板では、ＴＣＦにおいて−２０〜＋５ｐｐｍ／℃、電気機械結合係数Ｋ２において５％以上の特性が得られる。
接合基板５には、図２に示すように、櫛形電極１０を設けることで弾性表面波素子１が得られる。なお、本発明では、方位は面方位を示している。この実施形態では、方位は、ＬＴでは３６°Ｙカット面のＸ方向、ＬＮでは４１°Ｙカット面のＸ方向を示し、水晶基板ではＡＴまたはＳＴカット面のＸ方向を示す。
接合基板５には、図２に示すように、櫛形電極１０を設けることで弾性表面波素子１が得られる。なお、本発明では、方位は面方位を示している。この実施形態では、方位は、ＬＴでは３６°Ｙカット面のＸ方向、ＬＮでは４１°Ｙカット面のＸ方向を示し、水晶基板ではＡＴまたはＳＴカット面のＸ方向を示す。
また、水晶基板２と圧電基板３との間には、図３に示すように、アモルファス層６を介在させた弾性表面波素子１Ａとすることができる。なお、上記実施形態と同様の構成については同一の符号を付して説明を省略する。この実施形態においても、水晶基板２と、圧電基板３とは、水晶基板２の方位と、圧電基板３の方位とが面方向において直角方向側に交差する状態にして接合されている。
この実施形態で、アモルファス層６を介在させる場合、アモルファス層６と水晶基板２との間に接合界面が存在し、アモルファス層６の他面側でアモルファス層６と圧電基板３との間に接合界面が存在する。アモルファス層６の材質は本発明としては特に限定されないが、ＳｉＯ２やＡｌ２Ｏ３などを用いることができる。また、アモルファス層の厚さは、１００ｎｍ以下とするのが望ましい。
なお、アモルファス層６の形成では、水晶基板２または圧電基板３の表面に薄膜を形成するようにしてアモルファス層６を形成する。また、水晶基板２表面と圧電基板３表面の双方にアモルファス層を形成するものとしてもよい。
アモルファス層は、既知の方法により形成することができ、化学的蒸着や、スパッタリング等の物理的蒸着を利用することができる。
この実施形態で、アモルファス層６を介在させる場合、アモルファス層６と水晶基板２との間に接合界面が存在し、アモルファス層６の他面側でアモルファス層６と圧電基板３との間に接合界面が存在する。アモルファス層６の材質は本発明としては特に限定されないが、ＳｉＯ２やＡｌ２Ｏ３などを用いることができる。また、アモルファス層の厚さは、１００ｎｍ以下とするのが望ましい。
なお、アモルファス層６の形成では、水晶基板２または圧電基板３の表面に薄膜を形成するようにしてアモルファス層６を形成する。また、水晶基板２表面と圧電基板３表面の双方にアモルファス層を形成するものとしてもよい。
アモルファス層は、既知の方法により形成することができ、化学的蒸着や、スパッタリング等の物理的蒸着を利用することができる。
次に、接合基板および弾性表面波素子の製造について図４を参照して説明する。
所定材料の水晶基板と圧電素子を用意する。なお、接合面にアモルファス層を形成する場合は、形成の対象とする水晶基板と圧電素子の一方または両方に対し、接合面側に成膜処理を行う。成膜処理の方法としては特に限定されるものではなく、真空蒸着法、スパッタ法などの薄膜形成技術を用いることができる。例えば、Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｃｙｃｌｏｔｒｏｎ Ｒｅｓｏｎａｎｃｅプラズマ成膜にて接合面に１００ｎｍ以下のアモルファス層を形成することができる。このアモルファス膜は膜密度が非常に高く形成できることから接合表面の活性化度合いが大であり、より多くのＯＨ基が発生する。
所定材料の水晶基板と圧電素子を用意する。なお、接合面にアモルファス層を形成する場合は、形成の対象とする水晶基板と圧電素子の一方または両方に対し、接合面側に成膜処理を行う。成膜処理の方法としては特に限定されるものではなく、真空蒸着法、スパッタ法などの薄膜形成技術を用いることができる。例えば、Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｃｙｃｌｏｔｒｏｎ Ｒｅｓｏｎａｎｃｅプラズマ成膜にて接合面に１００ｎｍ以下のアモルファス層を形成することができる。このアモルファス膜は膜密度が非常に高く形成できることから接合表面の活性化度合いが大であり、より多くのＯＨ基が発生する。
用意された水晶基板２と圧電基板３とは、密閉構造の処理装置２０内に設置する。図では、水晶基板２のみを記載している。
処理装置２０では、真空ポンプ２１が接続され、処理装置２０内を例えば１０Ｐａ以下に減圧する。処理装置２０内には、放電ガスを導入し、処理装置２０内で放電装置２２によって放電を行って紫外線を発生させる。放電は、高周波電圧を印加する方法を使用するなどにより行うことができる。
水晶基板２と圧電基板３とは、紫外線が照射可能な状態で設置しており、接合面に紫外線を照射して活性化を図る。なお、水晶基板２と圧電基板３の一方または両方にアモルファス層が形成されている場合は、アモルファス層の表面を接合面として紫外線照射を行う。
処理装置２０では、真空ポンプ２１が接続され、処理装置２０内を例えば１０Ｐａ以下に減圧する。処理装置２０内には、放電ガスを導入し、処理装置２０内で放電装置２２によって放電を行って紫外線を発生させる。放電は、高周波電圧を印加する方法を使用するなどにより行うことができる。
水晶基板２と圧電基板３とは、紫外線が照射可能な状態で設置しており、接合面に紫外線を照射して活性化を図る。なお、水晶基板２と圧電基板３の一方または両方にアモルファス層が形成されている場合は、アモルファス層の表面を接合面として紫外線照射を行う。
紫外線照射を行った、水晶基板２と圧電基板３とは、水晶基板２の方位と、圧電基板３の方位とが面方向において直角方向側に交差する状態にして接合面を接触させ、常温または２００℃以内温度に加熱し、両者間に圧力を加えて接合を行う。圧力としては１０Ｐａを付加することができ、処理時間は５分〜４時間程度とすることができる。ただし、本発明としては圧力や処理時間が特に限定されるものではない。
上記処理によって、水晶基板２と圧電基板３とは接合界面において確実に共有結合で結合され、互いの方位が直角方向側に交差する状態で接合されている。
上記処理によって、水晶基板２と圧電基板３とは接合界面において確実に共有結合で結合され、互いの方位が直角方向側に交差する状態で接合されている。
図５は、水晶基板２と圧電基板３における接合面の状態を示すものである。
Ａ図は、紫外線照射により接合面が活性化してＯＨ基が表面に形成された状態を示している。Ｂ図は、基板同士を接触させ、加圧・昇温をして接合を行っている状態を示している。接合に際しては、ＯＨ基が作用して基板同士が共有結合される。余分なＨ２Ｏは加熱時に外部に排除される。
Ａ図は、紫外線照射により接合面が活性化してＯＨ基が表面に形成された状態を示している。Ｂ図は、基板同士を接触させ、加圧・昇温をして接合を行っている状態を示している。接合に際しては、ＯＨ基が作用して基板同士が共有結合される。余分なＨ２Ｏは加熱時に外部に排除される。
上記工程により接合基板が得られる。接合基板に対しては、圧電基板３の主面上に、図１に示すように櫛形電極１０をパターン形成する。櫛形電極１０の形成方法は特に限定されず、適宜の方法を用いることができる。また、櫛形電極１０の形状も適宜の形状を採択することができる。上記工程により弾性表面波素子１が得られる。弾性波の伝搬方向は、圧電基板３の方位に沿ったものとする。
弾性表面波素子１は、図６に示すようにパッケージング３１内に設置して図示しない電極に接続し、蓋３２で封止して弾性表面波デバイス３０として提供することができる。
弾性表面波素子１は、図６に示すようにパッケージング３１内に設置して図示しない電極に接続し、蓋３２で封止して弾性表面波デバイス３０として提供することができる。
以下に、本発明の実施例について説明する。
上記実施形態に基づいて接合基板が得られ、圧電基板の主面上にはＬＳＡＷの伝搬方向がＸ方向となるようにＳＡＷ共振器を設けた。
この例では、圧電基板として面方位が３６°ＹカットＸ伝搬タンタル酸リチウムおよび４１°ＹカットＸ伝搬ニオブ酸リチウムを用いた。また、水晶基板は水熱合成法で、結晶育成されたものについて厚み２５０μｍ、ＡＴ−Ｃｕｔ方向またはＳＴ−Ｃｕｔ方向に切り出したものを用いた。
接合したサンプルについて研磨にてタンタル酸リチウム側を薄くした。
得られた接合基板について、引張試験（ウェハ面に対し垂直に引張る）の方法によって接合強度の測定を行った。その結果、５ＭＰａ以上（単位面積で換算）の接合強度が得られていることが判明し、更にバルク破壊を生ずる優れた接合強度が得られていた。
上記実施形態に基づいて接合基板が得られ、圧電基板の主面上にはＬＳＡＷの伝搬方向がＸ方向となるようにＳＡＷ共振器を設けた。
この例では、圧電基板として面方位が３６°ＹカットＸ伝搬タンタル酸リチウムおよび４１°ＹカットＸ伝搬ニオブ酸リチウムを用いた。また、水晶基板は水熱合成法で、結晶育成されたものについて厚み２５０μｍ、ＡＴ−Ｃｕｔ方向またはＳＴ−Ｃｕｔ方向に切り出したものを用いた。
接合したサンプルについて研磨にてタンタル酸リチウム側を薄くした。
得られた接合基板について、引張試験（ウェハ面に対し垂直に引張る）の方法によって接合強度の測定を行った。その結果、５ＭＰａ以上（単位面積で換算）の接合強度が得られていることが判明し、更にバルク破壊を生ずる優れた接合強度が得られていた。
水晶基板と圧電基板とを接合した後に、圧電基板を薄くした供試材について、ＬＳＡＷの位相速度と電気機械結合係数、周波数温度特性について計算した。なお、計算に際しては、日本学術振興会弾性波素子技術第１５０委員会・編「弾性波デバイス技術」に記載されているＫｕｓｈｉｂｉｋｉらの水晶定数（ｐ．８３）、Ｋｕｓｈｉｂｉｋｉらのニオブ酸リチウム（以下ＬＮとする）定数、タンタル酸リチウム（以下ＬＴとする）定数（ｐ．３７７）を用いた。
伝搬減衰をもつＬＳＡＷの解析はＹａｍａｎｏｕｃｈｉらの方法に基づき、層構造に対する解析はＦａｒｎｅｌｌとＡｄｌｅｒの方法を用いた。これらの解析では、弾性波動方程式と電荷保存式を境界条件の下で数値的に解くことにより、層構造上を伝搬するＬＳＡＷの位相速度と伝搬減衰を解析している。
自由表面（Ｆｒｅｅ）の位相速度ｖｆと、薄板の表面を電気的に短絡した場合（Ｍｅｔａｌｌｉｚｅｄ）の位相速度ｖｍを求め、Ｋ２＝２×（ｖｆ−ｖｍ）／ｖｆよりＫ２を求めた．また、伝搬方向の線膨張係数を水晶支持基板のものと仮定し、短絡表面の周波数温度係数（Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ Ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ ｏｆ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ： ＴＣＦ）を計算した。
伝搬減衰をもつＬＳＡＷの解析はＹａｍａｎｏｕｃｈｉらの方法に基づき、層構造に対する解析はＦａｒｎｅｌｌとＡｄｌｅｒの方法を用いた。これらの解析では、弾性波動方程式と電荷保存式を境界条件の下で数値的に解くことにより、層構造上を伝搬するＬＳＡＷの位相速度と伝搬減衰を解析している。
自由表面（Ｆｒｅｅ）の位相速度ｖｆと、薄板の表面を電気的に短絡した場合（Ｍｅｔａｌｌｉｚｅｄ）の位相速度ｖｍを求め、Ｋ２＝２×（ｖｆ−ｖｍ）／ｖｆよりＫ２を求めた．また、伝搬方向の線膨張係数を水晶支持基板のものと仮定し、短絡表面の周波数温度係数（Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ Ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ ｏｆ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ： ＴＣＦ）を計算した。
水晶は異方性が大きいため、接合時の伝搬特性は水晶の伝搬方向に大きく依存すると考えられる。ＡＴ−カット水晶上のＸ軸からの伝搬角に対するＬＳＡＷの位相速度を計算した結果、ＬＳＡＷでは０°Ｘ伝搬、および９０°Ｘ伝搬において最も高速であることがわかった。これらの伝搬方位において、ＬＮ／ＬＴ単体と最大の位相速度差を有するため、粒子変位の集中効果が期待できる。
図７と図８に、上記解析によって得られた、４１°ＹＸ−ＬＮ薄板と３６°ＹＸ−ＬＴ薄板をＡＴカット９０°Ｘ−水晶（９０度の交差角度、以降同じ）と接合した場合のＬＳＡＷの（ａ）位相速度、（ｂ）伝搬減衰、（ｃ）ＴＣＦとＫ２の計算値をそれぞれ示した。横軸は、波長λで規格化したＬＮ、ＬＴ薄板の板厚ｈ／λである。いずれの場合においても、板厚の増加に従って、水晶単体の位相速度から、ＬＮ／ＬＴ単体の位相速度に漸近することがわかる。Ｋ２計算値に注目すると、いずれの場合においても単体の値よりも大きなＫ２が得られる板厚が存在している。本願発明では、板厚の好適な範囲として弾性表面波の波長に対し、０．０５〜１．０波長に相当する厚さを有しているものとしており、この範囲においては、ＬＴ・ＬＮ単体のＴＣＦよりも良好な値を示している。また、Ｋ２はＬＮ単体に対しｈ／λが０．０８以上、ＬＴ単体に対しｈ／λが０．０４以上で上回っており、これらを考慮すると、板厚ｈ／λを０．０５〜０．８とするのが一層望ましい。
図７と図８に、上記解析によって得られた、４１°ＹＸ−ＬＮ薄板と３６°ＹＸ−ＬＴ薄板をＡＴカット９０°Ｘ−水晶（９０度の交差角度、以降同じ）と接合した場合のＬＳＡＷの（ａ）位相速度、（ｂ）伝搬減衰、（ｃ）ＴＣＦとＫ２の計算値をそれぞれ示した。横軸は、波長λで規格化したＬＮ、ＬＴ薄板の板厚ｈ／λである。いずれの場合においても、板厚の増加に従って、水晶単体の位相速度から、ＬＮ／ＬＴ単体の位相速度に漸近することがわかる。Ｋ２計算値に注目すると、いずれの場合においても単体の値よりも大きなＫ２が得られる板厚が存在している。本願発明では、板厚の好適な範囲として弾性表面波の波長に対し、０．０５〜１．０波長に相当する厚さを有しているものとしており、この範囲においては、ＬＴ・ＬＮ単体のＴＣＦよりも良好な値を示している。また、Ｋ２はＬＮ単体に対しｈ／λが０．０８以上、ＬＴ単体に対しｈ／λが０．０４以上で上回っており、これらを考慮すると、板厚ｈ／λを０．０５〜０．８とするのが一層望ましい。
４１°ＹＸ−ＬＮ薄板の場合では、板厚ｈ／λが０．１９において単体の１．５倍（２３．９％）のＫ２を示し、その板厚の伝搬減衰は０．００２ｄＢ／λ以下、短絡表面のＴＣＦは−５５ｐｐｍ／℃と計算された。一方、３６°ＹＸ−ＬＴ薄板の場合では、板厚ｈ／λが０．１７において、零のＴＣＦと１１．９％のＫ２（単体の２．３倍）を同時に示した。その板厚の伝搬減衰は０．０００２ｄＢ／λ以下であり、高安定、高結合、低損失な基板構造が得られることがわかった。
以上のような高結合化の要因を検討するために、ＬＳＡＷの深さ方向に対する粒子変位分布を計算した。計算では上記解析を用いた。３６°ＹＸ−ＬＴ／ＡＴ９０°Ｘ−Ｑｕａｒｔｚ上のＬＳＡＷについて、短絡表面におけるＳＨ成分（ｕ２）の変位分布を図９に示す。変位は表面の値で規格化してある。接合構造の変位分布は、ＬＴ単体のものと比較して表面付近に集中すること、規格化板厚が薄いほど集中効果が高いことがわかった。
以上のような高結合化の要因を検討するために、ＬＳＡＷの深さ方向に対する粒子変位分布を計算した。計算では上記解析を用いた。３６°ＹＸ−ＬＴ／ＡＴ９０°Ｘ−Ｑｕａｒｔｚ上のＬＳＡＷについて、短絡表面におけるＳＨ成分（ｕ２）の変位分布を図９に示す。変位は表面の値で規格化してある。接合構造の変位分布は、ＬＴ単体のものと比較して表面付近に集中すること、規格化板厚が薄いほど集中効果が高いことがわかった。
次に、有限要素法（Ｆｉｎｉｔｅ Ｅｌｅｍｅｎｔ Ｍｅｔｈｏｄ：ＦＥＭ）を用いて、ＬＴ／水晶接合構造上に形成したＩＤＴ型共振子（λ＝８．０μｍ、交叉幅Ｗ＝２５λ）のＬＳＡＷの共振特性を解析した。解析ソフトウェアとしてＦｅｍｔｅｔ（ムラタソフトウェア株式会社製）を用いた。解析モデルとして、支持基板の板厚を１０λとし、１周期分のＩＤＴの両側に周期境界条件（無限周期構造）を、底面に完全整合層をそれぞれ仮定した。
図１０に、３６°ＹＸ−ＬＴ／ＡＴ９０°Ｘ−Ｑｕａｒｔｚ構造上のＬＳＡＷの解析例を示す。ＬＴ板厚は０．１５λ、電極Ａｌ膜厚は０．０９λである。接合構造では１２６ｄＢのアドミタンス比が得られ、ＬＴ単体の７２ｄＢよりも格段に向上した。共振ＱはＬＴ単体の１３５０から１２０５０に一桁増大した。比帯域幅もＬＴ単体の４．４％から５．７％に増加した。
図１０に、３６°ＹＸ−ＬＴ／ＡＴ９０°Ｘ−Ｑｕａｒｔｚ構造上のＬＳＡＷの解析例を示す。ＬＴ板厚は０．１５λ、電極Ａｌ膜厚は０．０９λである。接合構造では１２６ｄＢのアドミタンス比が得られ、ＬＴ単体の７２ｄＢよりも格段に向上した。共振ＱはＬＴ単体の１３５０から１２０５０に一桁増大した。比帯域幅もＬＴ単体の４．４％から５．７％に増加した。
次に、４１°ＹＸ−ＬＮまたは３６°ＹＸ−ＬＴとＡＴカット水晶基板の方位のずれによる位相速度の変化を段落００４７に記載した前記解析により求め、図１１に示した。
図１１から明らかなように、位相速度はＡＴカット水晶基板とＬＮまたはＬＴの交差角度が０度と９０度で最大になり、その角度を離れるに従って位相速度が小さくなっている。
次に、ｈ／λが０．１５の３６°ＹＸ−ＬＴと、ＳＴカット水晶基板との接合基板において、接合における方位角度差を変化させた場合の位相速度と電気機械結合係数の変化を上記解析によって算出し、図１２に示した。それぞれ方位交差角度が０度または９０度で最大の数値を示しているが、５％以上の電気機械結合係数Ｋ２を得るためには、３０度以内または６５度〜１１５度の交差角度が望ましいことが分かる。なお、５％の電気機械結合係数は、ＬＴ単体で得られるＫ２であり、圧電基板と水晶を複合させるメリットとしては、電気機械結合係数が５％以上であることである。
図１１から明らかなように、位相速度はＡＴカット水晶基板とＬＮまたはＬＴの交差角度が０度と９０度で最大になり、その角度を離れるに従って位相速度が小さくなっている。
次に、ｈ／λが０．１５の３６°ＹＸ−ＬＴと、ＳＴカット水晶基板との接合基板において、接合における方位角度差を変化させた場合の位相速度と電気機械結合係数の変化を上記解析によって算出し、図１２に示した。それぞれ方位交差角度が０度または９０度で最大の数値を示しているが、５％以上の電気機械結合係数Ｋ２を得るためには、３０度以内または６５度〜１１５度の交差角度が望ましいことが分かる。なお、５％の電気機械結合係数は、ＬＴ単体で得られるＫ２であり、圧電基板と水晶を複合させるメリットとしては、電気機械結合係数が５％以上であることである。
次に、３６°ＹＸ−ＬＴとＡＴカット水晶基板とを交差角度０度で接合したものと、交差角度９０度で結合したものについて、ＴＣＦと電気機械結合係数とを上記解析により算出し、その結果を図１３に示した。
図１３の右図から明らかなように、交差角度が０度、９０度の接合基板では、適切な厚さにおいていずれも高い電気機械結合係数を有している。圧電基板の厚さｈ／λについては、ＴＣＦが０°より上回る範囲として０．０５〜０．２５が挙げられる。
一方、ＴＣＦに関しては、交差角度が９０度の接合基板では、厚さを適切に定めることで、ＴＣＦが０ｐｐｍ／℃となる結果が得られるが、交差角度が０度のものでは、ＴＣＦが最も小さくなる場合でも−１０ｐｐｍ／℃程度であり、周波数温度特性において交差角度が９０度のものよりも明らかに劣っている。したがって、ＴＣＦ、電気機械結合係数の両方において優れた特性を得るためには、水晶基板と圧電基板とが接合面方向において直交する方向側で交差していることが必要である。
図１３の右図から明らかなように、交差角度が０度、９０度の接合基板では、適切な厚さにおいていずれも高い電気機械結合係数を有している。圧電基板の厚さｈ／λについては、ＴＣＦが０°より上回る範囲として０．０５〜０．２５が挙げられる。
一方、ＴＣＦに関しては、交差角度が９０度の接合基板では、厚さを適切に定めることで、ＴＣＦが０ｐｐｍ／℃となる結果が得られるが、交差角度が０度のものでは、ＴＣＦが最も小さくなる場合でも−１０ｐｐｍ／℃程度であり、周波数温度特性において交差角度が９０度のものよりも明らかに劣っている。したがって、ＴＣＦ、電気機械結合係数の両方において優れた特性を得るためには、水晶基板と圧電基板とが接合面方向において直交する方向側で交差していることが必要である。
交差角度が９０度の結合基板において、ＴＣＦと電気機械結合係数をまとめて図１４に示した。この図から分かるように、より良好なＴＣＦと電気機械結合係数を得るためには、圧電基板のｈ／λを適正に定めるのが望ましいことが分かる。この図の場合では、ｈ／λは０．０５〜１．０の範囲とすることで、周波数温度特性、結合特性の両方においてより望ましい結果が得られている。
以上、本発明について、上記実施形態および実施例に基づいて説明を行ったが、本発明の範囲は上記説明の内容に限定されるものではなく、本発明の範囲を逸脱しない限りは、上記実施形態および実施例について適宜の変更が可能である。
本発明は、ＳＡＷ共振器、ＳＡＷフィルタ、高機能圧電センサ、ＢＡＷデバイスなどに利用することができる。
１ 弾性表面波素子
１Ａ 弾性表面波素子
２ 水晶基板
２Ｄ 水晶基板方位
３ 圧電基板
３Ｄ 圧電基板方位
４ 接合界面
５ 接合基板
１０ 櫛形電極
２０ 処理装置
３０ 弾性表面波デバイス
１Ａ 弾性表面波素子
２ 水晶基板
２Ｄ 水晶基板方位
３ 圧電基板
３Ｄ 圧電基板方位
４ 接合界面
５ 接合基板
１０ 櫛形電極
２０ 処理装置
３０ 弾性表面波デバイス
Claims (19)
- 水晶基板と、前記水晶基板上に接合され、弾性表面波が伝搬する圧電基板とを有し、接合界面において共有結合により接合されており、
前記水晶基板の方位と前記圧電基板の方位とが、接合面方向において直交する方向側で交差していることを特徴とする接合基板。 - 水晶基板と、前記水晶基板上に接合され、弾性表面波が伝搬する圧電基板とを有し、接合界面において共有結合により接合されており、
前記水晶基板の方位と前記圧電基板の方位とが、接合面方向において６５度〜１１５度の範囲で交差していることを特徴とする接合基板。 - 前記圧電基板が漏洩弾性表面波を励起するためのものであることを特徴とする請求項１または２に記載の接合基板。
- 前記水晶基板と圧電基板との間にアモルファス層を有しており、前記アモルファス層の界面が前記接合界面となることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の接合基板。
- 前記アモルファス層が、１００ｎｍ以下の厚さであることを特徴とする請求項４記載の接合基板。
- 前記アモルファス層が、二酸化ケイ素または酸化アルミニウムからなることを特徴とする請求項４または５に記載の接合基板。
- 前記圧電基板は、厚さが、弾性表面波の波長に対し０．０５〜１．０波長に相当することを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の接合基板。
- 前記水晶基板は、厚さが１５０〜５００μｍであることを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載の接合基板。
- 前記水晶基板がＡＴカット水晶基板またはＳＴカット水晶基板であることを特徴とする請求項１〜８のいずれか１項に記載の接合基板。
- 前記圧電基板は、タンタル酸リチウムまたはニオブ酸リチウムからなることを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載の接合基板。
- 前記圧電基板は、厚さが０．１〜１００μｍであることを特徴とする請求項１０記載の接合基板。
- 周波数温度特性（ＴＣＦ）が−２０〜＋５ｐｐｍ／℃であり、カップリングファクタ（Ｋ２）が５％以上であることを特徴とする請求項１〜１１のいずれか１項に記載の接合基板。
- 請求項１〜１２のいずれか１項に記載の接合基板における圧電基板の主面上に、少なくとも１つの櫛型電極を備えていることを特徴とする弾性表面波素子。
- 請求項１３に記載の弾性表面波素子がパッケージに封止されていることを特徴とする弾性表面波素子デバイス。
- 水晶基板と圧電基板とが接合された接合基板の製造方法であって、
水晶基板の接合面および圧電基板の接合面に、減圧下で紫外線を照射し、前記水晶基板と前記圧電基板とが、接合面方向において互いの方位が直交する方向側で交差している状態で、照射後に、水晶基板の接合面と圧電基板の接合面とを接触させ、水晶基板と圧電基板とに厚さ方向に加圧をして前記接合面同士を接合することを特徴とする接合基板の製造方法。 - 前記加圧の際に、所定の温度に加熱をすることを特徴とする請求項１５記載の接合基板の製造方法。
- 前記水晶基板が、水熱合成法で結晶成長させ、任意の方向に切り出したものであることを特徴とする請求項１５または１６に記載の接合基板の製造方法。
- 前記水晶基板と圧電基板の接合面の一方または両方にアモルファス層を介在させておくことを特徴とする請求項１５〜１７のいずれか１項に記載の接合基板の製造方法。
- 前記アモルファス層は、薄膜形成方法によって付着させたものであることを特徴とする請求項１８記載の接合基板の製造方法。
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