JP2020137051A

JP2020137051A - 弾性波デバイスおよび複合基板

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Publication number: JP2020137051A
Application number: JP2019031653A
Authority: JP
Inventors: 哲也岸野; Tetsuya Kishino
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2019-02-25
Filing date: 2019-02-25
Publication date: 2020-08-31
Anticipated expiration: 2039-02-25
Also published as: JP7285655B2

Abstract

【課題】温度特性に優れた弾性波デバイスを提供する。【解決手段】厚み方向で対向する第１面２０ａと第２面２０ｂとを備える第１支持体２０と、前記第１面２０ａに接合された、前記第１支持体２０よりも線膨張係数の大きい圧電基板１０と、前記第２面２０ｂに接合された、前記第１支持体２０よりも線膨張係数の大きい第２支持体３０と、前記圧電基板１０の前記第１支持体２０と反対側の面に形成された複数の電極指４２が繰り返し配列されたＩＤＴ電極４０と、を備え、前記第１支持体２０と前記圧電基板１０と前記第２支持体３０とを合わせた総厚みをｔ，前記第２支持体３０の厚みをｔ２，前記第１支持体２０のヤング率をＥ１，前記第２支持体３０のヤング率をＥ２とすると、−０．０９８ｌｎ（Ｅ２／Ｅ１）＋０．１４≦ｔ２／ｔ≦−０．０９８ｌｎ（Ｅ２／Ｅ１）＋０．５４の関係を満たす、弾性波デバイス１である。【選択図】図１

Description

本発明は、弾性波デバイスおよび複合基板に関する。

タンタル酸リチウム等の圧電基板を用いた弾性波デバイスが知られている。しかしながら、このタンタル酸リチウム基板は、周波数温度特性が―３６ｐｐｍ／℃であり、例えば２ＧＨｚ帯のデバイスだと―３０〜＋８５℃の温度範囲で周波数特性が±４．３ＭＨｚも変動してしまい、近年の厳しい仕様を満たすことが困難な場合がある。そして、弾性波デバイスの温度変動は、これを使用する機器に影響を与えるため、温度に対する周波数変動が少ない、つまり温度特性が良好な弾性波デバイスが望まれていた。

そこで、圧電基板に熱膨張係数が異なる支持基板（Ｓｉ基板等）を接着剤等で接合することで、圧電基板の熱膨張・熱収縮を抑制し、圧電基板の温度に対する周波数特性を安定化させた温度補償技術が知られている（例えば、特許文献１等参照。）。

特開２００５−３４７２９５号公報

しかしながら、特許文献１の構成では、貼り合せた基板に反りが発生し、温度補償効果が低減するおそれがあった。

本願はかかる事情のもと勘案されたものであり、その目的は、温度特性が良好な弾性波デバイスを提供することにある。

本開示の一態様としての弾性波デバイスは、厚み方向で対向する第１面と第２面とを備える第１支持体と、前記第１面に接合された、前記第１支持体よりも線膨張係数の大きい圧電基板と、前記第２面に接合された、前記第１支持体よりも線膨張係数の大きい第２支持体と、前記圧電基板の前記第１支持体と反対側の面に形成された複数の電極指が繰り返し配列されたＩＤＴ電極と、を備え、前記第１支持体と前記圧電基板と前記第２支持体とを合わせた総厚みをｔ，前記第２支持体の厚みをｔ２，前記第１支持体のヤング率をＥ１，前記第２支持体のヤング率をＥ２とすると、−０．０９８ｌｎ（Ｅ２／Ｅ１）＋０．１４≦ｔ２／ｔ≦−０．０９８ｌｎ（Ｅ２／Ｅ１）＋０．５４の関係を満たしている。

本開示の一態様としての複合基板は、厚み方向で対向する第１面と第２面とを備える第１支持体と、前記第１面に接合された、前記第１支持体よりも線膨張係数の大きい圧電基板と、前記第２面に接合された、前記第１支持体よりも線膨張係数の大きい第２支持体と、を備え、前記第１支持体と前記圧電基板と前記第２支持体とを合わせた総厚みをｔ，前記第２支持体の厚みをｔ２，前記第１支持体のヤング率をＥ１，前記第２支持体のヤング率をＥ２とすると、−０．０９８ｌｎ（Ｅ２／Ｅ１）＋０．１４≦ｔ２／ｔ≦−０．０９８ｌｎ（Ｅ２／Ｅ１）＋０．５４の関係を満たしている。

本開示によれば、温度特性が良好な弾性波デバイスを提供することができる。また、温
度特性が良好な弾性波デバイスを提供できる複合基板を提供することができる。

本開示の実施形態に係る弾性波デバイスの断面図である。温度補償応力と複合基板の厚みとの相関を示す線図である。温度補償応力を最大値とする、第２支持体の最適規格化膜厚と、第１支持体と第２支持体とのヤング率比と、の相関を示す線図である。図４（ａ），図４（ｂ）はそれぞれ、図１の変形例を示す要部断面図である。図５（ａ），図５（ｂ）はそれぞれ、本開示の複合基板の上面図および部分破断斜視図である。

＜弾性波デバイスの構造＞
図１は、本発明の実施形態に係る弾性波デバイス１の断面図である。弾性波デバイス１は、複合基板１００と、複合基板１００上に位置するＩＤＴ電極４０とを備える。複合基板１００は、圧電基板１０と第１支持体２０と第２支持体３０と、を備える。ここで、便宜的にＤ１方向、Ｄ２方向、Ｄ３方向を定義し、Ｄ３方向を厚み方向とする。

ここで、複合基板１００の厚みをｔ，第２支持体３０の厚みをｔ２，第１支持体２０のヤング率をＥ１，第２支持体３０のヤング率をＥ２とする。

圧電基板１０は、圧電性を有する基板である。例えば、圧電基板１０は、タンタル酸リチウム単結晶（ＬｉＴａＯ_３：以下ＬＴとする），ニオブ酸リチウム単結晶（ＬｉＮｂＯ_３：以下ＬＮとする），水晶などの圧電性を有する直方体状の単結晶基板である。具体的には、例えば、圧電基板１０は、３６°〜４８°Ｙカット−Ｘ伝搬のＬＴ基板によって構成されている。このような圧電基板１０の線膨張係数αは１０．８ｐｐｍ／℃である。

圧電基板１０の平面形状は適宜に設定されてよいが、例えば、所定方向（Ｄ２方向）を長手方向とする矩形である。圧電基板１０の大きさは適宜に設定されてよいが、例えば、厚さは０．３μｍ〜１００μｍ、１辺の長さは０．５ｍｍ〜２ｍｍである。また、後述のＩＤＴ電極４０の電極指４２の繰り返し周期（ピッチ）ｐの２０倍以下としてもよい。

圧電基板１０の主面１０ａには、ＩＤＴ電極４０や図示しない接続配線、パッド電極といった各種電極および配線が設けられている。ＩＤＴ電極４０はＳＡＷを発生させるためのものである。ＩＤＴ電極４０は、複数の電極指４２を有する櫛歯状電極を一対備え、これらが互い違いに噛み合うよう配置させたものである。このようなＩＤＴ電極４０により、例えば、ラダー型フィルタや２重モードＳＡＷ共振器フィルタなどが構成されている。なお、ＩＤＴ電極４０、接続線、パッド電極等は、例えばＡｌ−Ｃｕ合金などのＡｌ合金によって形成されている。

そして、これらの端子として機能するパッド電極のいずれかを介して信号の入力がなされる。入力された信号は、励振電極等によりフィルタリングされる。そして、フィルタリングした信号を端子として機能するパッド電極のいずれかを介して出力する。

第１支持体２０は、一様な厚みを有し、第１面２０ａを圧電基板１０に、第２面２０ｂを後述の第２支持体３０にそれぞれ接合させる。その厚みは、圧電基板１０を支持するために、圧電基板１０の厚みよりも厚くなっている。

このような第１支持体２０は、線膨張係数αが圧電結晶１０のαよりも小さい。第１支
持基板２０を構成する材料としては、例えば、シリコン基板やサファイア基板等を用いてもよい。第１支持体２０のヤング率Ｅ１は、シリコン基板を用いた場合には、１８０ＧＰａである。

そして、第１支持体２０の第２面２０ｂには、第２支持体３０が接合されている。第２支持体３０は、第１支持体２０よりも線膨張係数が大きい材料からなる。具体的には、第１支持体２０がＳｉ基板やサファイア基板の場合には、第２支持体３０として、ＬＴ基板，ＬＮ基板，水晶基板，Ｃｕ基板，樹脂基板等種々の材料を用いることができる。第２支持体３０のヤング率Ｅ２は、例えば、Ｃｕ基板の場合には１１０ＧＰａ，樹脂基板の場合には３．５ＧＰａである。

そして、第２支持体３０の厚みｔ２は、以下の関係を満たすように決定される。
−０．０９８ｌｎ（Ｅ２／Ｅ１）＋０．１４≦ｔ２／ｔ≦−０．０９８ｌｎ（Ｅ２／Ｅ１）＋０．５４・・・式（１）
式（１）を満たすことにより、圧電基板１０に大きな応力をかけることができ、弾性波デバイス１の温度変化による特性変化を低減することができる（温度補償効果を高めることができる）。以下、そのメカニズムについて詳述する。

線膨張係数の大きい圧電基板１０と線膨張係数の小さい第１支持体１０とを貼り合わせることで、温度変化が生じたときに両者の熱膨張差に起因して圧電基板１０に応力が加わる。具体的には、温度が上がった場合には圧電基板１０に圧縮応力（すなわち応力の絶対値としては負の値をとる）が加わる。これにより、圧電基板１０上に位置するＩＤＴ電極４０に起因するデバイス特性変化を低減する（温度補償効果を奏する）。しかしながら、圧電基板１０と第１支持基板１０とを貼り合せた構造体は、その線膨張係数差により、圧電基板１０を凸とするように（図１によれば、中央部分がＤ３軸の正方向にと突き出す形状となり）反ってしまう。この場合には、構造体の反りにより圧電基板１０に引張り応力が加わり、前述の圧縮応力を打ち消してしまう。その結果、弾性波デバイス１全体として加わる応力が低下してしまい、温度補償効果が低減する。

これに対して、反りの影響を低減するために、圧電基板１０と第１支持基板１０とを貼り合せた構造体に第２支持体３０を設けた複合基板１００が提案されている。第２支持体３０は、構造体の反りを低減する、もしくは、逆方向に反るように、構造体に対して応力を加えるものである。この場合には、複合基板１００全体の反りによる応力と温度変化による応力とを足し合わせた合計の応力が、圧電基板１０の表面に加わる。

図２は、圧電基板１０として厚み１０μｍのＬＴ基板を用い、第１支持体２０としてＳｉ基板を用い、第２支持体３０としてＣｕ基板を用いた場合に、第１支持体２０，第２支持体３０の厚みを異ならせたときの圧電基板１０の表面に加わる応力の値をプロットしたものである。図２において縦軸は応力（ＭＰａ）を、横軸は複合基板１００の総厚みｔ（μｍ）を示している。

図２に示すように、第１支持体１０および第２支持体３０の厚みにより圧電基板１０にかかる応力が変化していく様子が確認された。具体的には、第１支持体２０の厚みを一定として、第２支持体３０の厚みを厚くしていった場合には、圧力の大きさを示す線は下に凸の形状となっており、応力を最大とする第１支持体１０および第２支持体３０の組み合わせがあることが分かった。同様に、複合基板１００の厚みを一定として、第１構造体２０の厚みを変化させた場合の値を読み取っても、第１構造体１０の割合が多くなるにしたがって応力が大きくなり、最大値をとった後に、応力が減少していく様子が確認された。なお、圧縮応力を高めることが目的のため、応力の値は負の値をとり、その絶対値が大きくなるほど応力が大きいこととなる。

このように、圧電基板１０にかかる応力が最大値となる第１支持体１０および第２支持体３０の組み合わせがあることが分かった。発明者は、この応力を最大値にするための条件について、鋭意検討を行なった。その結果、応力が最大値をとるためには、圧電基板１０，第１支持体２０，第２支持体３０の厚みの絶対値や、線膨張係数や、ヤング率の絶対値には関係なく、第２支持体３０の厚みｔ２の厚みｔに対する相対比率，第１支持体１０と第２支持体２０とのヤング率比率の２つのみにより決定されることを見出した。

図３に、その結果を示す。図３は、温度補償応力を最大値とする、第２支持体３０の最適規格化膜厚（ｔ２／ｔ）と、第１支持体２０と第２支持体３０とのヤング率比との相関を示す線図である。

図３に示すプロットを示す線Ｌを数式で表すと、ｔ２／ｔ＝−０．０９８ｌｎ（Ｅ２／Ｅ１）＋０．３４となる。この値を満たすときに圧電基板１０に加わる応力を最大とすることができる。なお、（−０．０９８ｌｎ（Ｅ２／Ｅ１）＋０．３４）×０．９５〜（−０．０９８ｌｎ（Ｅ２／Ｅ１）＋０．３４）×１．０５の範囲の値をこの値と略一致する値とみなすものとする。

また、図２からも明らかなように、応力値は相対厚み（規格化厚み）に対して下に凸となっていることから、上記値から±０．２以内は応力の高い状態を保つことができる。より好ましくは上記値から±０．１以内としてもよい。

以上より、式（１）を満たす場合に、圧電基板１０に加わる応力を高くすることができる。具体的には、第１支持体２０としてＳｉ基板、第２支持体３０としてＣｕ基板を用いた場合には、第２支持体３０を設けない場合に比べて圧電基板１０の表面にかかる応力の値を３０％大きくすることができることが分かった。

なお、図３に示すように線Ｌは、第１支持体のヤング率を異ならせても変化しない。その他にも、圧電基板の材料・厚み・線膨張係数、第１支持体の厚み・線膨張係数、第２支持体の厚み・線膨張係数やヤング率、複合基板１００の総厚みｔを異ならせても線Ｌは変化しないことを確認している。

このような関係式を満たす一例として以下の組み合わせがある。
第１支持体２０としてＳｉ基板を用い、複合基板１００の総厚みｔを２４０μｍとしたときに、第２支持体３０としてＣｕ基板を用いた場合には、最大応力を実現するｔ２／ｔは０．３９となり、ｔ２は９３μｍとなる。同様に第２支持体３０として樹脂基板を用いた場合には、最大応力を実現するｔ２／ｔは０．７３となり、ｔ２は１７４μｍとなる。

なお、圧電基板１０，第１支持体２０，第２支持体３０は、直接接合されていてもよいし、不図示の接合層を介して接合されていてもよい。接合層を用いる場合には、第１支持体２０，第２支持体３０の厚みに対して十分に薄い（例えば５％以下）ものとする。

＜弾性波デバイス１の他の構造＞
上述の例では、圧電基板１０，第１支持体２０，第２支持体３０の外周が揃っていたが、この限りではない。圧電基板１０の下面が第１支持体２０に、第１支持体２０の下面が第２支持体３０に接続されていればよく、例えば、図４（ａ）に示すように、圧電基板１０の外周が第１支持体２０の外周の内側に位置していてもよいし、図４（ｂ）に示すように、第２支持体３０の外周が第１支持体１０の外周の外側に位置していたり、第２支持体３０が、第１支持体１０の外周の外側において第１支持体２０の側に張り出す部分を備えていてもよい。

＜複合基板＞
次に、上述の弾性波デバイス１を提供するための複合基板１００について説明する。図５（ａ）は複合基板１００の上面図であり、図５（ｂ）は複合基板１００の部分破断斜視図である。複合基板１００は、ウエハ状の圧電基板１１、第１支持体１２０、第２支持体１３０がこの順に積層されている。なお、圧電基板１１０，第１支持体１２０、第２支持体１３０はそれぞれ、圧電基板１０，第１支持体２０、第２支持体３０と同様の構成を備えている。以下、異なる点のみを説明し、重複する説明を割愛する。

複合基板１００は、図５に破線で示すように複数の区画に区分され、その一区分それぞれが弾性波デバイス１となる。具体的には、複合基板１００を各区画ごとに、圧電基板１１０の上面に弾性波を励振するためのＩＤＴ電極４０が形成されており、その一区分を切り出し個片化して弾性波デバイス１とする。ＩＤＴ電極４０は、一対のバスバー４１と複数の電極指４２とを備える。電極指４２は一方向に配列されており、この配列方向が弾性波の伝播方向となる。そして、この電極指の繰り返し間隔ｐに対して、圧電基板１１０の厚みを規定する。温度補償効果を奏するためには、圧電基板１１０の厚みは２０ｐ以下とすることが望ましい。

１・・・弾性波デバイス
１０，１１０・・・圧電基板
２０，１２０・・・第１支持体
３０，１３０・・・第２支持体
１００・・複合基板

Claims

厚み方向で対向する第１面と第２面とを備える第１支持体と、
前記第１面に接合された、前記第１支持体よりも線膨張係数の大きい圧電基板と、
前記第２面に接合された、前記第１支持体よりも線膨張係数の大きい第２支持体と、
前記圧電基板の前記第１支持体と反対側の面に形成された複数の電極指が繰り返し配列されたＩＤＴ電極と、
を備え、
前記第１支持体と前記圧電基板と前記第２支持体とを合わせた総厚みをｔ，前記第２支持体の厚みをｔ２，前記第１支持体のヤング率をＥ１，前記第２支持体のヤング率をＥ２とすると、−０．０９８ｌｎ（Ｅ２／Ｅ１）＋０．１４≦ｔ２／ｔ≦−０．０９８ｌｎ（Ｅ２／Ｅ１）＋０．５４の関係を満たす、弾性波デバイス。
ｔ２／ｔ＝−０．０９８ｌｎ（Ｅ２／Ｅ１）＋０．３４と略一致する請求項１に記載の弾性波デバイス。
前記圧電基板の厚みは、前記電極指のピッチの２０倍以下の厚みである、請求項１または２に記載の弾性波デバイス。
前記圧電基板は、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からなり、
前記第１支持体は、Ｓｉからなり、
第２支持体は、エポキシ樹脂からなる、請求項１〜３のいずれかに記載の弾性波デバイス。
厚み方向で対向する第１面と第２面とを備える第１支持体と、
前記第１面に接合された、前記第１支持体よりも線膨張係数の大きい圧電基板と、
前記第２面に接合された、前記第１支持体よりも線膨張係数の大きい第２支持体と、
を備え、
前記第１支持体と前記圧電基板と前記第２支持体とを合わせた総厚みをｔ，前記第２支持体の厚みをｔ２，前記第１支持体のヤング率をＥ１，前記第２支持体のヤング率をＥ２とすると、−０．０９８ｌｎ（Ｅ２／Ｅ１）＋０．１４≦ｔ２／ｔ≦−０．０９８ｌｎ（Ｅ２／Ｅ１）＋０．５４の関係を満たす、複合基板。