JP2019121880A - 弾性波デバイス、フィルタおよびマルチプレクサ - Google Patents

Abstract

【課題】大電力によるＩＤＴの破損を抑制すること。【解決手段】本発明は、圧電基板１０と、圧電基板１０上に設けられ、融点がＰｔの融点以上の金属を主成分とし、結晶粒５０が柱状である第１領域１２ｂと、前記第１領域１２ｂの積層方向に設けられ前記第１領域１２ｂより結晶性の低いまたはアモルファスである第２領域１２ａと、を有する金属膜を備え、弾性表面波を励振する一対の櫛型電極と、を備える弾性波デバイスである。【選択図】図４

Description

本発明は、弾性波デバイス、フィルタおよびマルチプレクサに関し、例えば櫛型電極を有する弾性波デバイス、フィルタおよびマルチプレクサに関する。

携帯電話を代表とする高周波通信用システムにおいて、通信に使用する周波数帯以外の不要な信号を除去するために、高周波フィルタ等が用いられている。高周波フィルタ等には、弾性表面波（ＳＡＷ：Surface acoustic wave）素子等を有する弾性波デバイスが用いられている。ＳＡＷ素子は、圧電基板上に一対の櫛型電極を有するＩＤＴ（Interdigital Transducer）を形成した素子である。ＩＤＴが励振する弾性表面波の音速を圧電基板内を伝播するバルク波の音速より遅くすることで、低損失とすることが知られている（例えば特許文献１）。

ＩＤＴをＡｌ膜で形成する場合に、アモルファスまたは微細粒組織のＡｌ下地膜を形成し、下地膜上にＡｌ膜を形成することが知られている（例えば特許文献２）。ＩＤＴとして、Ｐｔ膜、Ｍｏ膜またはＷ膜を用いることが知られている（例えば特許文献３）。

特開２０１６−１３６７１２号公報 特開平５−２２６３３７号公報 特開２０１５−７３３３１号公報

特許文献１のように、弾性表面波の音速を遅くするために櫛型電極に密度の高い金属を用いた場合、櫛型電極に大電力の高周波信号を印加するとＩＤＴが破損することがある。

本発明は、上記課題に鑑みなされたものであり、大電力によるＩＤＴの破損を抑制することを目的とする。

本発明は、圧電基板と、前記圧電基板上に設けられ、融点がＰｔの融点以上の金属を主成分とし、結晶粒が柱状である第１領域と、前記第１領域の積層方向に設けられ前記第１領域より結晶性の低いまたはアモルファスである第２領域と、を有する金属膜を備え、弾性表面波を励振する一対の櫛型電極と、を備える弾性波デバイスである。

上記構成において、電子顕微鏡で断面を観察したとき、前記第１領域における結晶粒のうち柱状の結晶粒の個数は５０％以上である構成とすることができる。

上記構成において、前記第２領域は前記第１領域と前記圧電基板との間に設けられている構成とすることができる。

上記構成において、前記第２領域は前記圧電基板に接している構成とすることができる。

上記構成において、前記圧電基板と前記第２領域との間に設けられＰｔより密度の低い金属を主成分とする中間膜を備える構成とすることができる。

上記構成において、前記第２領域はアモルファスである構成とすることができる。

上記構成において、前記第１領域の積層方向の厚さは前記第２領域の積層方向の厚さより大きい構成とすることができる。

上記構成において、前記金属膜は、Ｍｏ、Ｉｒ、Ｐｔ、Ｒｅ、Ｒｈ、Ｒｕ、ＴａおよびＷのいずれか１つを主成分とする構成とすることができる。

上記構成において、前記金属膜はＭｏ膜である構成とすることができる。

本発明は、上記弾性波デバイスを含むフィルタである。

本発明は、上記フィルタを含むマルチプレクサである。

本発明によれば、大電力によるＩＤＴの破損を抑制することができる。

図１（ａ）は、実施例１における弾性波共振器を示す平面図、図１（ｂ）は、図１（ａ）のＡ−Ａ断面図である。 図２は、耐電力試験を行ったフィルタの一部の平面模式図である。 図３は、実施例１における電極指の断面図である。 図４は、実施例１における電極指の断面の電子顕微鏡写真の模式図である。 図５（ａ）は、実施例１の変形例１における電極指の断面図、図５（ｂ）は、実施例１の変形例２における電極指の断面図である。 図６（ａ）は、実施例２に係るフィルタの回路図、図６（ｂ）は、実施例２の変形例１に係るデュプレクサの回路図である。

以下、図面を参照し、本発明の実施例について説明する。

弾性波デバイスとして弾性波共振器を例に説明する。図１（ａ）は、実施例１における弾性波共振器を示す平面図、図１（ｂ）は、図１（ａ）のＡ−Ａ断面図である。図１（ａ）および図１（ｂ）に示すように、弾性波共振器２４は、ＩＤＴ２０および反射器２２を有している。ＩＤＴ２０および反射器２２は圧電基板１０上に設けられている。圧電基板１０は、例えばタンタル酸リチウム基板、ニオブ酸リチウム基板または水晶基板である。ＩＤＴ２０および反射器２２は金属膜１２により形成されている。ＩＤＴ２０は一対の櫛型電極１８を有する。一対の櫛型電極１８は、それぞれ複数の電極指１４と、複数の電極指１４が接続されたバスバー１６を有する。一方の櫛型電極１８の電極指１４と他方の櫛型電極１８の電極指１４とは少なくとも一部で互い違いに設けられている。ＩＤＴ２０の弾性波の伝播方向の両側に反射器２２が形成されている。反射器２２は、弾性波を反射する。同じ櫛型電極１８内の電極指１４のピッチをλとする。λは、ＩＤＴ２０が励振する弾性表面波の波長に相当する。

圧電基板１０は、シリコン基板、サファイア基板、アルミナ基板、スピネル基板、ガラス基板または水晶基板等の支持基板上に接合されていてもよい。また、金属膜１２を覆うように酸化シリコン膜または窒化シリコン膜等の絶縁膜が設けられていてもよい。絶縁膜の膜厚は金属膜１２の膜厚より厚くてもよいし薄くてもよい。

ＩＤＴ２０により励振された弾性表面波の音速が圧電基板１０内を伝播するバルク波（例えば最も遅い横波バルク波）の音速より早い場合、弾性表面波はバルク波を放射しながら圧電基板の表面を伝播する。よって、損失が生じる。特に、弾性表面波の一種であるＳＨ（Shear Horizontal）波の音速はバルク波の音速より早い。このため、ＳＨ波を主モードとする弾性波共振器では損失が大きくなる。例えば、２０°以上かつ４８°以下のカット角を有するＹカットＸ伝播タンタル酸リチウム基板では、ＳＨ波が主モードとなる。

弾性波表面波の音速を遅くするため、金属膜１２に音響インピーダンスの大きな金属を用いる。音響インピーダンスＺは、密度をρ、ヤング率をＥおよびポアソン比をＰｒとすると、以下の式で表される。

ポアソン比は金属材料では大きく異ならないため、音響インピーダンスの大きな金属は、密度×ヤング率の大きい金属となる。密度は原子番号が大きな金属が大きく、ヤング率は硬い金属が大きい。このような金属は融点が高い高融点金属である。このように、高融点金属を金属膜１２に用いると弾性表面波の音速が遅くなり損失が小さくなる。

また、高融点金属は、電子数が大きくかつ原子半径が小さいため金属結合が強くなる。エレクトロマイグレーションおよびストレスマイグレーションはそれぞれ電界および応力により金属原子が移動する現象である。よって、金属結合が強い高融点金属はこれらのマイグレーションが生じ難い。よって、高融点金属を金属膜１２に用いるとマイグレーションが小さくなる。

例えば金属膜１２として一般的に用いられるＡｌ（アルミニウム）は、融点が６６０℃であり、密度、ヤング率、ポアソン比および音響インピーダンスがそれぞれ２．７ｇ／ｃｍ^３、６８ＧＰａ、０．３４および８．３ＧＰａ・ｓ／ｍである。高融点金属であるＭｏ（モリブデン）は、融点が２６２２℃であり、密度、ヤング率、ポアソン比および音響インピーダンスがそれぞれ１０．２ｇ／ｃｍ^３、３２９ＧＰａ、０．３１および３５．９ＧＰａ・ｓ／ｍである。このように、ＭｏはＡｌに比べ融点が２０００℃高く、密度は約４倍、ヤング率は約５倍であり、音響インピーダンスは約４倍である。

金属膜１２としてＭｏを用いると、弾性表面波の音速が遅くなるため損失が小さくなり、かつマイグレーションが生じ難くなると考えられる。そこで、金属膜１２としてＭｏを用い、ＬＴＥ（Long Term Evolution）バンド２８（送信帯域は７０３ＭＨｚ−７３３ＭＨｚ）の送信フィルタを作製した。

作製したフィルタは、図１（ａ）および図１（ｂ）のような弾性波共振器を用いたラダー型フィルタである。圧電基板１０は４２°ＹカットＸ伝播タンタル酸リチウム基板である。電極指１４のピッチλは４．３６μｍから４．５５μｍである。金属膜１２は膜厚が０．１λのＭｏ膜である。

作製したフィルタに耐電力試験を行った。耐電力試験では、環境温度を８５℃とし、周波数が７３３ＭＨｚであり電力が１．６Ｗの無変調連続波を５分間印加した。

図２は、耐電力試験を行ったフィルタの一部の平面模式図である。図２に示すように、電極指１４の一部が折れている。このように、金属膜１２として高融点金属を用い耐電力試験を行うとマイグレーションは生じないが電極指１４の一部が断裂する。

ＡｌまたはＣｕ（銅）のように比較的融点の低い金属を圧電基板１０上に形成すると、金属膜１２は多結晶となり結晶粒が生じるが粒界は不鮮明であり、結晶粒の大きさは不揃いであり柱状構造とはならない。一方、圧電基板１０上に高融点金属を形成すると、蒸着法およびスパッタリング法いずれの方法を用いても柱状結晶となりやすい。柱状結晶では粒界が鮮明である。これは結晶粒の間の結合が弱いおよび／または結晶粒の間に隙間があるためである。また、結晶粒の大きさは揃っておりかつ金属膜１２の積層方向に連続している。弾性波共振器２４に大きな電力の高周波信号が印加されると、電極指１４が弾性表面波により大きく振動することで電極指１４に応力が加わる。電極指１４が柱状結晶となっていると、粒界に沿って電極指１４が断裂すると考えられる。

図３は、実施例１における電極指の断面図である。図３に示すように、圧電基板１０上に電極指１４として金属膜１２が設けられている。金属膜１２は圧電基板１０に接する第２領域１２ａと第２領域１２ａに接する第１領域１２ｂとを有する。

図４は、実施例１における電極指の断面の電子顕微鏡写真の模式図である。金属膜１２としてＭｏ膜を用いている。図４に示すように、第２領域１２ａでは粒界が観察されず一様な構造５４を有する。このことから第２領域１２ａはアモルファス（非晶質）状態と考えられる。第１領域１２ｂでは結晶粒５０が積層方向に延伸する柱状であり、粒界５２が積層方向に延伸する。第１領域１２ｂと第２領域１２ａとの境界は不鮮明であり、結晶構造は連続的に変化している。第１領域１２ｂは金属膜１２の全体の膜厚の約１／４の膜厚であり、第２領域１２ａは金属膜１２の全体の膜厚の約３／４の膜厚である。このような結晶構造は電極指１４の断面をＴＥＭ（Transmission Electron Microscope）法またはＳＥＭ（Scanning Electron Microscope）法を用い観察することにより確認できる。

実施例１における金属膜１２の成膜方法について説明する。表面が平坦な圧電基板１０上に高融点金属を形成すると柱状結晶となる。そこで、圧電基板１０の上面にＡｒ（アルゴン）等の不活性ガスのイオンを照射する。これにより、圧電基板１０の上面の平坦性が悪くなる。この後、圧電基板１０の上面に高融点金属を形成する。これにより、圧電基板１０上の第２領域１２ａはアモルファスとなる。その後金属膜１２を成膜すると柱状結晶である第１領域１２ｂに徐々に変化する。

図４の金属膜１２はイオンアシスト蒸着法を用い形成した。まず圧電基板１０の上面にＡｒイオンを照射し上面を凸凹状にする。その後金属膜１２を形成した。これにより、アモルファスの第２領域１２ａと柱状結晶の第１領域１２ｂが形成される。金属膜１２をスパッタリング法を用いて形成する場合においても金属膜１２を形成する前に、圧電基板１０の上面をＡｒイオンで逆スパッタリングしてもよい。また、第２領域１２ａと第１領域１２ｂとで成膜条件を変えることにより、第２領域１２ａをアモルファスとし、第１領域１２ｂを柱状構造としてもよい。

圧電基板１０上に金属膜１２としてＰｔ（白金）を蒸着法を用い形成すると、金属膜１２は柱状構造となることが分かっている。このことから少なくともＰｔより融点の高い金属は柱状結晶となりやすいと考えられる。

表１は、高融点金属の密度、融点およびａ軸方向の格子定数を示す表である。

表１に示すように、Ｉｒ（イリジウム）、Ｍｏ、Ｏｓ（オスミウム）、Ｐｔ、Ｒｅ（レニウム）、Ｒｈ（ロジウム）、Ｒｕ（ルテニウム）およびＷ（タングステン）の融点はＰｔの融点１７７４℃以上である。密度は、Ａｌの４倍以上である。

このように、融点がＰｔ以上の高融点金属は密度が高く音響インピーダンスも高い。このため、これらの金属を金属膜１２とすることで弾性表面波の音速が遅くなり、損失を抑制できる。しかし、金属膜１２が柱状構造となるため耐電力性が劣化する。耐電力性を向上させるためには、金属膜１２全体を柱状結晶でない構造とすることも考えられる。しかし、高融点金属をＩＤＴ２０として機能する程度まで厚くすると、柱状結晶の第１領域１２ｂが形成されてしまう。

そこで、実施例１によれば、図４のように金属膜１２は、融点がＰｔの融点以上の金属を主成分とし、結晶粒が柱状である第１領域１２ｂと第１領域１２ｂの積層方向に設けられ第１領域１２ｂより結晶性の低いまたはアモルファスである第２領域１２ａと、を有する。これにより、第１領域１２ｂの粒界は第２領域１２ａまで連続しない。よって、大電力の高周波信号が入力されても電極指１４が破損することを抑制できる。

金属膜１２がある金属を主成分として含むとは、柱状結晶が形成される程度にある金属を含むことであり、例えば金属膜１２内のある金属の原子濃度が５０％以上であり、好ましくは８０％以上であり、より好ましくは９０％以上である。

柱状の結晶粒は、ＳＥＭまたはＴＥＭ等の電子顕微鏡で断面を観察したときに積層方向が長手方向となる結晶粒である。電子顕微鏡で断面を観察したとき、第１領域１２ｂにおける視野内の全結晶粒の個数うち柱状の結晶粒の個数は５０％以上が好ましく、８０％以上がより好ましく、９０％以上がさらに好ましい。

第２領域１２ａは第１領域１２ｂと圧電基板１０との間に設けられている。これにより、金属膜１２の成膜方法を最適化することにより、アモルファスの第２領域１２ａ上に柱状結晶の第１領域１２ｂを形成できる。なお、第２領域１２ａは第１領域１２ｂの上に設けられていてもよいし、第１領域１２ｂ内に設けられていてもよい。

圧電基板１０の上面を凸凹とした後に金属膜１２を形成することで、第２領域１２ａは圧電基板１０に接して設けることができる。

第２領域１２ａはアモルファスである。これにより、電極指１４が第１領域１２ｂの粒界で破断することをより抑制できる。第２領域１２ａは第１領域１２ｂより結晶性が低ければよい。結晶性はＸ線回折法を用い確認できる。また、結晶性の低い第２領域１２ａの結晶粒は第１領域１２ｂの結晶粒より小さくなる。

金属膜１２は、Ｍｏ、Ｉｒ、Ｐｔ、Ｒｅ、Ｒｈ、Ｒｕ、Ｔａ（タンタル）およびＷのいずれか１つを主成分とすることが好ましい。これにより、音響インピーダンスを高くし損失を抑制できる。

特許文献１のように、圧電基板１０が２０°以上かつ４８°以下のカット角を有するＹカットＸ伝播タンタル酸リチウム基板であり、金属膜１２がＭｏまたはＣｕを主成分とする場合、Ｔ１／λ１＞０．０８とする。金属膜１２がＷを主成分とする場合、Ｔ１／λ１＞０．０５とする。金属膜１２がＲｕを主成分とする場合、Ｔ１／λ１＞０．０７とする。これにより、ＳＨ波の音速がバルク波の音速より遅くなり、低損失となる。

ＩＤＴ２０として機能する程度（０．１λ程度）の金属膜１２を成膜すると、第１領域１２ｂの積層方向の厚さは第２領域１２ａの積層方向の厚さより大きくなる。例えば、第１領域１２ｂの積層方向の厚さは第２領域１２ａの積層方向の厚さの２倍以上となる。電極指１４の破断を抑制するためには第２領域１２ａの積層方向の厚さは第１領域１２ｂの積層方向の厚さの１／１０以上が好ましく、１／５以上がより好ましい。

圧電基板１０と第１領域１２ｂとの間に、第２領域１２ａとしてアモルファスを形成しようとすると、圧電基板１０と金属膜１２との格子定数が整合しないことが好ましい。そこで、格子定数がそれぞれａ1およびａ２の２つの膜の格子不整合度Δを以下の式で定義する。
Δ［％］＝｜ａ１−ａ２｜／｛（１／２）×（ａ１＋ａ２）｝×１００
格子不整合度Δが大きいほど第２領域１２ａが形成されやすいと考えられる。

表２は、圧電基板１０であるニオブ酸リチウムＬＮおよびタンタル酸リチウムＬＴの密度、融点および格子定数を示す表である。

表３は、ＬＮおよびＬＴと表１の金属との格子不整合度Δ［％］を示す表である。

第２領域１２ａを形成するため、圧電基板１０と金属膜１２との格子不整合度Δは２５％以上が好ましく、４０％以上がより好ましい。表３のように、全ての金属においてΔは２５％以上である。Ｍｏ、Ｏｓ、Ｒｅ、ＲｕおよびＷではΔは４０％以上である。

［実施例１の変形例１］
図５（ａ）は、実施例１の変形例１における電極指の断面図である。図５（ａ）に示すように、金属膜１２と圧電基板１０との間に中間膜１３が設けられている。中間膜１３は、金属膜１２と圧電基板１０との密着層であり、例えばＣｒ（クロム）、Ｎｉ（ニッケル）およびＴｉの少なくとも１つを主成分とする。その他の構成は実施例１と同じであり説明を省略する。

表４は、中間膜１３として用いるＣｒ、ＮｉおよびＴｉの密度、融点および格子定数を示す表である。

表５は、Ｃｒ、ＮｉおよびＴｉと表１の金属との格子不整合度Δ［％］を示す表である。表５に示すように、Ｃｒ、ＮｉおよびＴｉの密度は表１の金属に比べると小さい。また、Ｃｒ、ＮｉおよびＴｉの融点は表１のほとんどの金属に比べ低い。

圧電基板１０と金属膜１２との間に中間膜１３が設けられている場合、中間膜１３と金属膜１２との格子不整合度Δが大きいほど第２領域１２ａが形成されやすいと考えられる。第２領域１２ａを形成するため、中間膜１３と金属膜１２との格子不整合度Δは４％以上が好ましく、８％以上がより好ましい。

実施例１の変形例１のように、圧電基板１０と第２領域１２ａとの間にＰｔより密度の低い金属を主成分とする中間膜１３を備えてもよい。中間膜１３は音響インピーダンスに影響しないように、第２領域１２ａより薄いことが好ましい。

[実施例１の変形例２]
図５（ｂ）は、実施例１の変形例２における電極指の断面図である。図５（ｂ）に示すように、金属膜１２上に上膜１３ａが設けられている。上膜１３ａは例えばＣｒ（クロム）、Ｎｉ（ニッケル）およびＴｉの少なくとも１つを主成分とする。その他の構成は実施例１と同じであり説明を省略する。

実施例１の変形例２のように金属膜１２上に上膜１３ａが設けられていてもよい。実施例１の変形例１および２のように、電極指１４は１または複数の金属膜の積層構造であり、少なくとも１つの金属層が第１領域１２ｂおよび第２領域１２ａを含めばよい。第１領域１２ｂおよび第２領域１２ａの膜厚の和は、電極指１４の膜厚の５０％以上が好ましく、８０％以上がより好ましい。

実施例２は、実施例１およびその変形例の弾性波共振器を用いたフィルタおよびデュプレクサの例である。図６（ａ）は、実施例２に係るフィルタの回路図である。図６（ａ）に示すように、入力端子Ｔ１と出力端子Ｔ２との間に、１または複数の直列共振器Ｓ１からＳ４が直列に接続されている。入力端子Ｔ１と出力端子Ｔ２との間に、１または複数の並列共振器Ｐ１からＰ４が並列に接続されている。１または複数の直列共振器Ｓ１からＳ４および１または複数の並列共振器Ｐ１からＰ４の少なくとも１つの共振器に実施例１およびその変形例の弾性波共振器を用いることができる。

図６（ｂ）は、実施例２の変形例１に係るデュプレクサの回路図である。図６（ｂ）に示すように、共通端子Ａｎｔと送信端子Ｔｘとの間に送信フィルタ４０が接続されている。共通端子Ａｎｔと受信端子Ｒｘとの間に受信フィルタ４２が接続されている。送信フィルタ４０は、送信端子Ｔｘから入力された高周波信号のうち送信帯域の信号を送信信号として共通端子Ａｎｔに通過させ、他の周波数の信号を抑圧する。受信フィルタ４２は、共通端子Ａｎｔから入力された高周波信号のうち受信帯域の信号を受信信号として受信端子Ｒｘに通過させ、他の周波数の信号を抑圧する。送信フィルタ４０および受信フィルタ４２の少なくとも一方を実施例２のフィルタとすることができる。

マルチプレクサとしてデュプレクサを例に説明したがトリプレクサまたはクワッドプレクサでもよい。

以上、本発明の実施例について詳述したが、本発明はかかる特定の実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。

１０ 圧電基板
１２ 金属膜
１２ａ 第２領域
１２ｂ 第１領域
１３ 中間膜
１４ 電極指
１８ 櫛型電極
２０ ＩＤＴ
２２ 反射器
２４ 弾性波共振器
４０ 送信フィルタ
４２ 受信フィルタ

Claims (11)

1. 圧電基板と、
   前記圧電基板上に設けられ、融点がＰｔの融点以上の金属を主成分とし、結晶粒が柱状である第１領域と、前記第１領域の積層方向に設けられ前記第１領域より結晶性の低いまたはアモルファスである第２領域と、を有する金属膜を備え、弾性表面波を励振する一対の櫛型電極と、
   を備える弾性波デバイス。
2. 電子顕微鏡で断面を観察したとき、前記第１領域における結晶粒のうち柱状の結晶粒の個数は５０％以上である請求項１に記載の弾性波デバイス。
3. 前記第２領域は前記第１領域と前記圧電基板との間に設けられている請求項１または２に記載の弾性波デバイス。
4. 前記第２領域は前記圧電基板に接している請求項３に記載の弾性波デバイス。
5. 前記圧電基板と前記第２領域との間に設けられＰｔより密度の低い金属を主成分とする中間膜を備える請求項３に記載の弾性波デバイス。
6. 前記第２領域はアモルファスである請求項１から５のいずれか一項に記載の弾性波デバイス。
7. 前記第１領域の積層方向の厚さは前記第２領域の積層方向の厚さより大きい請求項１から５のいずれか一項に記載の弾性波デバイス。
8. 前記金属膜は、Ｍｏ、Ｉｒ、Ｐｔ、Ｒｅ、Ｒｈ、Ｒｕ、ＴａおよびＷのいずれか１つを主成分とする請求項１から７のいずれか一項に記載の弾性波デバイス。
9. 前記金属膜はＭｏ膜である請求項１から７のいずれか一項に記載の弾性波デバイス。
10. 請求項１から９のいずれか一項に記載の弾性波デバイスを含むフィルタ。
11. 請求項１０に記載のフィルタを含むマルチプレクサ。

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