JP5150648B2 - 弾性波素子及びその製造方法 - Google Patents
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Description
本発明は、弾性表面波（Surface Acoustic Wave：ＳＡＷ）素子や弾性境界波素子のような弾性波素子及びその製造方法に関する。
弾性波素子は、特許文献１に開示されているように、タンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ3：ＬＴ）基板やニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ3：ＬＮ）基板などの圧電基板上にくし型電極（Inter-Digital Transducer：ＩＤＴ）を形成してなる素子である。ＬＴやＬＮの熱膨張係数は、シリコンの６倍程度（シリコン約２.６×１０-6／Ｋに対してＬＴ約１６×１０-6／Ｋ、ＬＮ約１５×１０-6／Ｋ）と大きいため、ＬＴ基板やＬＮ基板を弾性波素子に用いる場合には、温度変化によるフィルタ特性の変化が大きな問題となる。このため、種々の方法で温度補償を行うことが行われている（特許文献１、特許文献２）。
特開２００１−４４７９０号公報
特開平１０−４３３２号公報
近年、弾性波素子が搭載される携帯電話などにおいては、周波数シフトをできるだけ小さくすることが要求される。したがって、圧電基板に対しては、温度変化による特性ができるだけ変化しないことが要求される。しかしながら、ＬＴ基板やＬＮ基板単独では、温度変化による周波数シフトをより小さくするという要求に対応することができない。
本発明はかかる点に鑑みてなされたものであり、温度変化による伸縮が十分に抑えられ、周波数シフトが小さい弾性波素子及びその製造方法を提供することを目的とする。
本発明の弾性波素子は、一方の主面上にＩＤＴが形成された圧電基板と、前記圧電基板の他方の主面上に形成され、前記圧電基板の線膨張係数よりも小さい線膨張係数を有する材料で構成された溶射膜と、を具備し、前記溶射膜の粒界及び空孔の少なくとも一部が充填材料により充填されていることを特徴とする。
この構成によれば、溶射膜の粒界及び空孔の少なくとも一部が充填材料により充填されているので、溶射膜の剛性が向上する。これにより、圧電基板の温度変化による伸縮を十分に抑えることができ、周波数シフトが小さい弾性波素子を得ることができる。
本発明の弾性波素子においては、前記溶射膜の断面における単位面積当たりの前記充填材料の充填率が６０％以上であることが好ましい。
本発明の弾性波素子においては、前記溶射膜を構成する材料は、ムライト、アルミナ、シリコン及びイットリアからなる群より選ばれた少なくとも一つであることが好ましい。
本発明の弾性波素子においては、前記圧電基板がタンタル酸リチウム基板又はニオブ酸リチウム基板であることが好ましい。
本発明の弾性波素子においては、前記充填材料がシリコン、アルミナ、窒化ケイ素及び酸化ケイ素からなる群より選ばれたものであることが好ましい。
本発明の弾性波素子の製造方法は、圧電基板の一方の主面上にＩＤＴを形成する工程と、くし型電極を形成した後の圧電基板の他方の主面上に、前記圧電基板の線膨張係数よりも小さい線膨張係数を有する材料を溶射により成膜する工程と、前記溶射により成膜された膜に形成される粒界及び空孔に充填材料を充填する工程と、を具備することを特徴とする。
本発明の弾性波素子の製造方法においては、前記溶射により成膜する工程と、前記粒界及び空孔に充填材料を充填する工程と、を繰り返し行うことが好ましい。
本発明の弾性波素子の製造方法においては、前記粒界及び空孔に充填材料を充填する工程は、前記溶射膜に前記充填材料を少なくとも１回塗布し、前記充填材料を硬化させる工程であることが好ましい。
本発明の弾性波素子は、一方の主面上にＩＤＴが形成された圧電基板と、前記圧電基板の他方の主面上に形成され、前記圧電基板の線膨張係数よりも小さい線膨張係数を有する材料で構成された溶射膜と、を具備し、前記溶射膜の粒界及び空孔の少なくとも一部が充填材料により充填されているので、温度変化による伸縮が十分に抑えられ、周波数シフトが小さい弾性波素子を得ることができる。
以下、本発明の実施の形態について添付図面を参照して詳細に説明する。
図１は、本発明の実施の形態に係る弾性波素子を示す図である。ここで、弾性波素子とは、弾性表面波素子及び弾性境界波素子を示すものである。図１に示す弾性波素子は、一方の主面１ａ上にＩＤＴ２が形成された圧電基板１と、この圧電基板１の他方の主面１ｂ上に形成され、圧電基板１の線膨張係数よりも小さい線膨張係数を有する材料で構成された溶射膜３と、から主に構成されている。溶射膜３は多数の空孔４を有する。図１においては、溶射膜３に空孔４のみが示されているが、多くの粒界が存在している。そして、溶射膜３の粒界及び空孔４の少なくとも一部には、充填材料５が充填されている。
図１は、本発明の実施の形態に係る弾性波素子を示す図である。ここで、弾性波素子とは、弾性表面波素子及び弾性境界波素子を示すものである。図１に示す弾性波素子は、一方の主面１ａ上にＩＤＴ２が形成された圧電基板１と、この圧電基板１の他方の主面１ｂ上に形成され、圧電基板１の線膨張係数よりも小さい線膨張係数を有する材料で構成された溶射膜３と、から主に構成されている。溶射膜３は多数の空孔４を有する。図１においては、溶射膜３に空孔４のみが示されているが、多くの粒界が存在している。そして、溶射膜３の粒界及び空孔４の少なくとも一部には、充填材料５が充填されている。
圧電基板１としては、タンタル酸リチウム基板（ＬＴ基板）、ニオブ酸リチウム基板（ＬＮ基板）などを挙げることができる。
溶射に供する、圧電基板１の線膨張係数よりも小さい線膨張係数を持つ材料（溶射膜の材料）としては、アルミナ、ムライト、シリコン、イットリアなどを挙げることができる。溶射成膜法は、電気エネルギー（アーク、プラズマ）や燃焼エネルギーを熱源とし、この中に被着材料の粉末又は棒状材料を投入して、溶融又は半溶融状態の微粒子として基板の表面に吹き付け、皮膜を形成する方法である。溶射成膜法を採用することにより、成膜中の圧電基板への熱影響を極力抑えることが可能となる。これにより、基板加工時の温度上に起因する割れ、剥がれを抑えることが可能となる。
溶射膜３は一般的に多孔質であり、その剛性が相対的に小さい。そこで、溶射膜３の粒界及び空孔４に充填材料５を充填する。充填材料５としては、シリコン、アルミナ、窒化ケイ素、酸化ケイ素などを挙げることができる。また、溶射膜３の断面における単位面積当たりの充填材料５の充填率が６０％以上であることが好ましい。このように溶射膜３の粒界及び空孔４に充填材料５を充填することにより、溶射膜３の剛性が向上する。これにより、圧電基板１の温度変化による伸縮を十分に抑えることができ、周波数シフトが小さい弾性波素子を得ることができる。なお、充填材料５の充填率は、波長分散型Ｘ線検出器（ＷＤＸ）を用いて、充填材料５の充填前の溶射膜３の断面における単位面積当たりの空孔４の数に対する充填材料５の充填後の溶射膜３の断面における単位面積当たりの空孔４の数（充填後の溶射膜の単位面積当たりの空孔数／充填前の溶射膜の単位面積当たりの空孔数）として算出する。
溶射膜３の粒界及び空孔４に充填材料５を充填する方法としては、ＣＶＤ（化学的気相成長法）、ＰＶＤ（物理的気相成長法）、ＳＯＧ（Spin On Glass）などの方法を挙げることができる。
また、溶射膜３は複数層で構成しても良い。このように複数層で溶射膜３を構成することにより、種々の材料を組み合わせることができるので、溶射膜３の線膨張係数を容易に調整することが可能となる。
本発明の圧電基板の製造方法においては、圧電基板１の一方の主面１ａ上にＩＤＴ２を形成し、ＩＤＴ２を形成した後の圧電基板１の他方の主面１ｂ上に、圧電基板１の線膨張係数よりも小さい線膨張係数を有する材料を溶射により成膜し、この溶射膜３に形成される粒界及び空孔４に充填材料５を充填する。
例えば、図２（ａ）に示すように、圧電基板１を準備し、図２（ｂ）に示すように、この一方の主面１ａ上にＩＤＴ２を形成する。ＩＤＴ２を形成する場合、圧電基板１の主面１ａ上にＩＤＴ電極材料を被着し、そのＩＤＴ電極材料層（図示せず）上にレジスト層（図示せず）を形成し、フォトマスクを介してＩＤＴを形成する領域のレジスト層を露光し、現像して、レジスト層をパターニングする。そして、パターニングされたレジスト層をマスクとしてＩＤＴ電極材料層をエッチングし、その後残存したレジスト層を除去する。なお、ＩＤＴ２の形状やその形成方法については特に制限はない。
次いで、図２（ｃ）に示すように、圧電基板１の他方の主面（裏面）１ｂ上に溶射成膜法により圧電基板１の線膨張係数よりも小さい線膨張係数を有する材料で構成された溶射膜３を形成する。次いで、この溶射膜３の粒界及び空孔４に充填材料５を充填する。
溶射膜３の粒界及び空孔４は小さいので、溶射膜３の深い領域まで粒界及び空孔４内に充填材料５を十分に充填することができないことが考えられるので、溶射により成膜する工程と、粒界及び空孔４に充填材料５を充填する工程と、を繰り返し行うことが好ましい。これにより、粒界及び空孔４内に充填材料５が十分に充填した領域を溶射膜３の厚さ方向に大きくすることができる。
また、粒界及び空孔４に充填材料５を充填する工程が、溶射膜３に充填材料５を塗布し、硬化させる工程である場合においては、充填材料５を少なくとも１回塗布し、硬化させる。なお、この塗布回数は、充填材料５の粘度や濃度に応じて調整することができる。例えば、充填材料５の濃度が低いときには、塗布回数を多くする。これにより、効率良く粒界及び空孔４を充填材料５で充填することができる。
また、本発明の圧電基板の製造方法においては、図３（ａ）に示すように、圧電基板１を準備し、図３（ｂ）に示すように、この一方の主面１ａ上にＩＤＴ２を形成した後に、図３（ｃ）に示すように、圧電基板１を裏面１ａ側から薄層化し、その後、図３（ｄ）に示すように、圧電基板１の裏面１ｂ上に溶射成膜法により溶射膜３を形成するようにしても良い。圧電基板１の薄層化には、例えばブラスト加工、ラッピング加工、研削加工などを用いる。
次に、本発明の効果を明確にするために行った実施例について説明する。
（実施例１）
線膨張係数が１６×１０-6／Ｋであり、厚さ０．０２ｍｍのタンタル酸リチウム製基板（ＬＴ基板）のＬＴ基板の裏面（被溶射面）上に、溶射成膜法によりアルミナを合計厚さが０．３５ｍｍになるように成膜して４インチ基板を作製した。なお、溶射処理は、直流プラズマ溶射装置を用いて、Ａｒのプラズマガスを使用し、電源出力４０ｋＷで行った。次いで、この溶射膜に充填材料であるパーヒドロポリシラザンを塗布し、硬化させることにより、溶射膜の粒界及び空孔に高純度シリカガラスを充填した。この溶射膜についてＷＤＸを用いて充填率を調べたところ６０％であった。
（実施例１）
線膨張係数が１６×１０-6／Ｋであり、厚さ０．０２ｍｍのタンタル酸リチウム製基板（ＬＴ基板）のＬＴ基板の裏面（被溶射面）上に、溶射成膜法によりアルミナを合計厚さが０．３５ｍｍになるように成膜して４インチ基板を作製した。なお、溶射処理は、直流プラズマ溶射装置を用いて、Ａｒのプラズマガスを使用し、電源出力４０ｋＷで行った。次いで、この溶射膜に充填材料であるパーヒドロポリシラザンを塗布し、硬化させることにより、溶射膜の粒界及び空孔に高純度シリカガラスを充填した。この溶射膜についてＷＤＸを用いて充填率を調べたところ６０％であった。
このようにして得られた４インチ基板について温度補償効果を調べた。弾性波素子の温度補償効果は、周波数温度特性（ＴＣＦ：Temperature Coefficient of Frequency）を調べることにより求めることができる。比較基板としては、線膨張係数が１６×１０-6／Ｋであり、直径４インチ、厚さ０．３５ｍｍのＬＴ基板を用いた。上記４インチ基板については、ＬＴ基板単独に比べて約３５％のＴＣＦ改善効果が見られた。
（実施例２）
線膨張係数が１６×１０-6／Ｋであり、厚さ０．０２ｍｍのタンタル酸リチウム製基板（ＬＴ基板）のＬＴ基板の裏面（被溶射面）上に、溶射成膜法によりアルミナを合計厚さが０．３５ｍｍになるように成膜して４インチ基板を作製した。なお、溶射処理は、直流プラズマ溶射装置を用いて、Ａｒのプラズマガスを使用し、電源出力４０ｋＷで行った。次いで、この溶射膜に充填材料であるパーヒドロポリシラザンを塗布し、硬化させることにより、溶射膜の粒界及び空孔に高純度シリカガラスを充填した。上記溶射膜成膜工程、並びに粒界及び空孔充填の工程を合計で３回行った。このようにして得られた４インチ基板について同様に温度補償効果を調べたところ、ＬＴ基板単独に比べて約４３％の改善効果が見られた。これは、溶射膜の粒界及び空孔内に充填材料が十分に充填した領域を溶射膜の厚さ方向に大きくすることができたためであると考えられる。
線膨張係数が１６×１０-6／Ｋであり、厚さ０．０２ｍｍのタンタル酸リチウム製基板（ＬＴ基板）のＬＴ基板の裏面（被溶射面）上に、溶射成膜法によりアルミナを合計厚さが０．３５ｍｍになるように成膜して４インチ基板を作製した。なお、溶射処理は、直流プラズマ溶射装置を用いて、Ａｒのプラズマガスを使用し、電源出力４０ｋＷで行った。次いで、この溶射膜に充填材料であるパーヒドロポリシラザンを塗布し、硬化させることにより、溶射膜の粒界及び空孔に高純度シリカガラスを充填した。上記溶射膜成膜工程、並びに粒界及び空孔充填の工程を合計で３回行った。このようにして得られた４インチ基板について同様に温度補償効果を調べたところ、ＬＴ基板単独に比べて約４３％の改善効果が見られた。これは、溶射膜の粒界及び空孔内に充填材料が十分に充填した領域を溶射膜の厚さ方向に大きくすることができたためであると考えられる。
（参考例）
線膨張係数が１６×１０-6／Ｋであり、厚さ０．０２ｍｍのタンタル酸リチウム製基板（ＬＴ基板）のＬＴ基板の裏面（被溶射面）上に、溶射成膜法によりアルミナを合計厚さが０．３５ｍｍになるように成膜して４インチ基板を作製した。なお、溶射処理は、直流プラズマ溶射装置を用いて、Ａｒのプラズマガスを使用し、電源出力４０ｋＷで行った。このようにして得られた４インチ基板について温度補償効果を調べたところ、ＬＴ基板単独に比べて約２８％の改善効果が見られた。
線膨張係数が１６×１０-6／Ｋであり、厚さ０．０２ｍｍのタンタル酸リチウム製基板（ＬＴ基板）のＬＴ基板の裏面（被溶射面）上に、溶射成膜法によりアルミナを合計厚さが０．３５ｍｍになるように成膜して４インチ基板を作製した。なお、溶射処理は、直流プラズマ溶射装置を用いて、Ａｒのプラズマガスを使用し、電源出力４０ｋＷで行った。このようにして得られた４インチ基板について温度補償効果を調べたところ、ＬＴ基板単独に比べて約２８％の改善効果が見られた。
本発明は上記実施の形態に限定されず種々変更して実施することが可能である。上記実施の形態における形状、寸法、材質などは一例であり、本発明の効果を損なわない範囲で適宜変更して実施することができる。その他、本発明は、本発明の範囲を逸脱しない範囲で種々変更して実施することができる。
Claims (8)
- 一方の主面上にくし型電極が形成された圧電基板と、前記圧電基板の他方の主面上に形成され、前記圧電基板の線膨張係数よりも小さい線膨張係数を有する材料で構成された溶射膜と、を具備し、前記溶射膜の粒界及び空孔の少なくとも一部が充填材料により充填されていることを特徴とする弾性波素子。
- 前記溶射膜の断面における単位面積当たりの前記充填材料の充填率が６０％以上であることを特徴とする請求項１記載の弾性波素子。
- 前記溶射膜を構成する材料は、ムライト、アルミナ、シリコン及びイットリアからなる群より選ばれた少なくとも一つであることを特徴とする請求項１又は請求項２記載の弾性波素子。
- 前記圧電基板がタンタル酸リチウム基板又はニオブ酸リチウム基板であることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれかに記載の弾性波素子。
- 前記充填材料がシリコン、アルミナ、窒化ケイ素及び酸化ケイ素からなる群より選ばれたものであることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれかに記載の弾性波素子。
- 圧電基板の一方の主面上にくし型電極を形成する工程と、くし型電極を形成した後の圧電基板の他方の主面上に、前記圧電基板の線膨張係数よりも小さい線膨張係数を有する材料を溶射により成膜する工程と、前記溶射により成膜された膜に形成される粒界及び空孔に充填材料を充填する工程と、を具備することを特徴とする弾性波素子の製造方法。
- 前記溶射により成膜する工程と、前記粒界及び空孔に充填材料を充填する工程と、を繰り返し行うことを特徴とする請求項６記載の弾性波素子の製造方法。
- 前記粒界及び空孔に充填材料を充填する工程は、前記溶射膜に前記充填材料を少なくとも１回塗布し、前記充填材料を硬化させる工程であることを特徴とする請求項６又は請求項７記載の弾性波素子の製造方法。
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