JP5163805B2 - 弾性表面波素子とその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、圧電性基板とくし歯状電極の上面が絶縁膜で覆われた構成の弾性表面波素子とその製造方法に関する。

携帯電話に代表される移動体端末には、フィルタ装置やデュプレクサなどの部品が多数内蔵されている。近年、小型化要求に対応するために、これらの部品に使用される共振器として、弾性表面波素子がよく用いられる。

携帯電話のような高周波帯域に用いられるフィルタ装置には、良好な温度特性が求められる。よって、弾性表面波素子を構成する圧電性基板が持つ負の周波数温度係数を改善するために、正の周波数温度係数を持つ酸化珪素膜が、圧電性基板とくし歯状電極の上面を覆うように形成される。

この酸化珪素膜を形成する際、従来のスパッタ法を用いて形成すると、酸化珪素膜の表面に凹凸部が現れたり、酸化珪素膜の内部にひび割れや空隙が生じたりする。この結果、弾性波の伝搬効率が低下して共振器のエネルギー損失が大きくなってしまう。このため、特許文献１には、バイアススパッタ法で形成された酸化珪素膜の表面を平坦化し、かつ、酸化珪素膜の内部が均一な密度となるようにすることが提案されている。

特開２００５−１７６１５２号公報

しかしながら、特許文献１に開示されている構成では、以下のような点において問題があった。

酸化珪素膜の表面を平坦化すると、共振器のエネルギー損失は改善するが、主応答の共振周波数の近傍に、スプリアスが発生する。よって、この弾性表面波素子を用いてフィルタ装置を構成した場合、通過帯域近傍の周波数特性が劣化してしまう。

本発明は、このような問題点を克服し、エネルギー損失が小さく、かつ、例えば、フィルタ装置に用いた場合に、主応答の共振周波数近傍に生じるスプリアスを抑圧でき、フィルタ装置の通過帯域近傍の周波数特性を向上できる弾性表面波素子を提供することを目的とする。

本発明の弾性表面波素子は、圧電性基板と、くし歯状電極と、絶縁膜とを備えている。くし歯状電極は、圧電性基板上に形成されている。絶縁膜は、圧電性基板とくし歯状電極とを覆うように形成されている。圧電性基板を伝搬する弾性波の波長をλ、圧電性基板の上面から絶縁膜の上面までの厚み寸法の最大値と最小値との差をｈとしたとき、ｈ／λが、０．０１≦ｈ／λ≦０．０３の範囲内にある。弾性表面波素子

本発明の弾性表面波素子は、絶縁膜上に形成されており、絶縁膜と音速の異なる媒質をさらに備えることが好ましい。この場合、弾性表面波素子の周波数を精度よく調整できる。

本発明の弾性表面波素子では、媒質が、絶縁膜よりも耐湿性が高い材料により形成されていることが好ましい。この場合は、弾性表面波素子の耐湿性を改善できる。

本発明の弾性表面波素子では、くし歯状電極は、複数の電極指を有する第１の電極と、複数の電極指を有し、第１の電極と間挿し合っている第２の電極とを備えていてもよい。

本発明の弾性表面波素子では、絶縁膜が、圧電性基板と逆符号の周波数温度係数を有するか、または圧電性基板の周波数温度係数の絶対値よりも絶対値が小さい周波数温度係数を有することが好ましい。この場合、弾性表面波素子の周波数温度特性を良好にできる。

本発明の弾性表面波素子では、圧電性基板は、ＬｉＮｂＯ_３基板またはＬｉＴａＯ_３基板により構成されており、絶縁膜は、酸化珪素により形成されていることが好ましい。この場合、負の周波数温度係数を有する圧電性基板に対して、絶縁膜は、正のＴＣＦを有するため、弾性表面波素子の周波数温度特性をより良好にできる。

本発明の弾性表面波素子の製造方法は、電極形成工程と、絶縁膜形成工程とを備えている。電極形成工程は、圧電性基板上に、くし歯状電極を形成する工程である。絶縁膜形成工程は、圧電性基板とくし歯状電極の上面に、絶縁膜を形成する工程である。絶縁膜形成工程は、圧電性基板を伝搬する弾性波の波長をλ、圧電性基板の上面から絶縁膜の上面までの厚み寸法の最大値と最小値との差をｈとしたとき、ｈ／λが、０．０１≦ｈ／λ≦０．０３となるように、バイアススパッタ法を用いて絶縁膜を形成する工程である。

本発明に係る弾性表面波素子の製造方法は、絶縁膜上に、絶縁膜と音速の異なる媒質を形成する工程をさらに備えていることが好ましい。

本発明に係る弾性表面波素子の製造方法では、媒質を形成する工程において、絶縁膜よりも耐湿性が高い材料を用いて媒質を形成することが好ましい。

本発明に係る弾性表面波素子の製造方法では、前記電極形成工程は、複数の電極指を有する第１の電極と、複数の電極指を有し、第１の電極と間挿し合っている第２の電極とを形成するものであってもよい。

本発明に係る弾性表面波素子の製造方法では、絶縁膜形成工程において、圧電性基板と逆符号の周波数温度係数を有するか、または圧電性基板の周波数温度係数の絶対値よりも絶対値が小さい周波数温度係数を有する材料により前記絶縁膜を形成することが好ましい。この場合、より周波数温度特性が良好である弾性表面波素子を製造することができる。

本発明に係る弾性表面波素子の製造方法では、圧電性基板として、ＬｉＮｂＯ_３基板またはＬｉＴａＯ_３基板を用い、絶縁膜形成工程において、酸化珪素により絶縁膜を形成することが好ましい。この場合、負の周波数温度係数を有する圧電性基板に対して、絶縁膜は、正のＴＣＦを有するため、周波数温度特性がより良好な弾性表面波素子を製造することができる。

本発明によれば、エネルギー損失が小さく、かつ、例えば、フィルタ装置に用いた場合に、主応答の共振周波数近傍に生じるスプリアスを抑圧でき、フィルタ装置の通過帯域近傍の周波数特性を向上させることができる弾性表面波素子を提供することができる。

図１は、本発明の第１の実施形態の弾性表面波素子の模式的断面図である。 図２は、絶縁膜の表面段差の大きさｈが異なる種々の弾性表面波素子のインピーダンス特性を表すグラフである。 図３は、絶縁膜の膜厚と、弾性表面波素子の反共振抵抗との関係を表すグラフである。 図４は、本発明の第２の実施形態の弾性表面波素子の模式的断面図である。 図５は、第２の実施形態における絶縁膜の波長規格化表面段差幅ｈ／λと、媒質を一定時間エッチングしたときの弾性表面波共振子の共振周波数の周波数変動量との関係を示すグラフである。 図６は、弾性表面波素子を湿中放置した時間と、弾性表面波素子の共振周波数の周波数変動量との関係を示すグラフである。 図７は、本発明の第１の実施形態の弾性表面波素子の模式的平面図である。

以下、本発明の実施の形態の一例について、図面を参照しながら説明する。

図１は、本発明の第１の実施形態の弾性表面波素子の断面を模式的に示している。弾性表面波素子１０は、圧電性基板１１と、くし歯状電極１２と、絶縁膜１３と、からなる。

圧電性基板１１はＬｉＮｂＯ₃基板で構成されている。なお、圧電性基板１１として、ＬｉＴａＯ₃基板を用いてもよい。

図７に示すように、くし歯状電極１２は、第１の電極１２ａと、第２の電極１２ｂとを有する。第１の電極１２ａは、相互に平行に設けられた複数の電極指１２ａ１を有する。第２の電極１２ｂは、相互に平行に設けられた複数の電極指１２ｂ１を有する。第１の電極１２ａと、第２の電極１２ｂとは、互いに間挿し合っている。弾性表面波素子１０では、くし歯状電極１２の電極指ピッチに応じた波長の弾性表面波が励振される。くし歯状電極１２を形成している金属材料は、酸化珪素より密度の高い金属であることが好ましい。酸化珪素より密度の高い金属の具体例としては、たとえば、Ｃｕ、Ａｕ、Ｐｔなどが挙げられる。
絶縁膜１３は酸化珪素により形成されている。

主応答の伝搬モードとしては、レイリー波が用いられている。なお、レイリー波に代えて、ラブ波を主応答の伝搬モードとして用いてもよい。

図１に示すように、圧電性基板１１の上に、くし歯状電極１２が形成され、これら圧電性基板とくし歯状電極の上を覆うように絶縁膜１３が形成されている。圧電性基板を伝搬する弾性波の波長λで規格化した絶縁膜１３の波長規格化最小膜厚Ｈ／λは、０．２以上であることが好ましい。

絶縁膜１３の形成には、膜の内部に空隙やすき間が生じないようにするために、バイアススパッタ法が用いられている。このようにして絶縁膜１３の充填率を上げることで、弾性表面波素子１０の周波数温度係数をより小さくすることができる。

絶縁膜１３の内部に空隙やすき間を生じない絶縁膜１３の形成方法としては、バイアススパッタ法の他に、ＣＶＤ法などが挙げられる。

さらに、絶縁膜１３の表面は、平坦面ではなく、敢えて段差が設けられている。

この絶縁膜１３の表面の段差の大きさ（以下、「表面段差幅」とする。）ｈ、すなわち、圧電性基板１１の上面から絶縁膜１３の上面までの厚み寸法の最大値と最小値との差の、圧電性基板１１を伝搬する弾性波の波長λによる規格化値（以下、「波長規格化表面段差幅」とする。）（ｈ／λ）が、０．０１≦ｈ／λ≦０．０３の範囲内となるように、所定のバイアススパッタ条件を適用することによって、絶縁膜１３を形成する。ここで、バイアススパッタの条件には、基板温度、スパッタレートが含まれる。

図２は、絶縁膜１３の波長規格化表面段差幅ｈ／λが異なる種々の弾性表面波素子１０のインピーダンス特性を表すグラフである。

図２のグラフ（ａ）は、絶縁膜１３の表面が平坦であり、波長規格化表面段差幅ｈ／λが０である場合の弾性表面波素子のインピーダンス特性を示している。図２のグラフ（ａ）より、絶縁膜１３の表面が平坦である場合は、主応答モードの共振周波数の近傍にＳＨ波のスプリアスが発生していることがわかる。

図２のグラフ（ｂ）は、絶縁膜１３の波長規格化表面段差幅ｈ／λが０．０１である場合の弾性表面波素子のインピーダンス特性を示している。図２のグラフ（ｃ）は、波長規格化表面段差幅ｈ／λが０．０２である場合の弾性表面波素子のインピーダンス特性を示している。図２のグラフ（ｄ）は、波長規格化表面段差幅ｈ／λが０．０３である場合の弾性表面波素子のインピーダンス特性を示している。図２のグラフ（ｂ）、（ｃ）及び（ｄ）から、絶縁膜１３の表面が平坦でなく、波長規格化表面段差幅ｈ／λが０より大きく、０．０３以下である場合は、主応答モードの共振周波数の近傍には、ＳＨ波のスプリアスが発生していないことがわかる。

図２のグラフ（ｅ）は、波長規格化表面段差幅ｈ／λが０．０６である場合の弾性表面波素子のインピーダンス特性を示している。図２のグラフ（ｅ）から、絶縁膜１３の表面が平坦でない場合であっても、波長規格化表面段差幅ｈ／λが０．０３より大きい場合は、主応答モードの共振周波数の近傍にＳＨ波のスプリアスが発生していることがわかる。

これら図２のグラフ（ａ）〜（ｄ）から、絶縁膜１３の波長規格化表面段差幅ｈ／λを０．０１〜０．０３の範囲内とすることで、絶縁膜１３の表面を平坦面とした場合に生じるＳＨ波のスプリアスを、低減することができることが分かる。

図３は、ＳｉＯ２膜からなる絶縁膜１３の膜厚と、弾性表面波素子の反共振抵抗との関係を表すグラフである。図３において、「充填率：高」で示したグラフが、バイアススパッタ法により絶縁膜１３を形成したときのグラフである。一方、図３において「充填率：低」で示したグラフが、ＲＦスパッタにより絶縁膜１３を形成したときのグラフである。

図３に示すグラフより、バイアススパッタ法により充填率の高い絶縁層１３を形成することにより、絶縁膜１３の膜厚を厚くした場合であっても、弾性表面波素子の反共振抵抗を高くすることができることが分かる。すなわち、弾性表面波素子の共振器特性を良好に保つことができることが分かる。従って、バイアススパッタ法により充填率の高い絶縁層１３を形成することにより、良好な共振器特性と、良好なＴＣＦとの両立を図ることができることが分かる。

したがって、本実施形態の弾性表面波素子１０は、エネルギー損失が小さく、かつ、弾性表面波素子１０を、例えば、フィルタ装置に用いた場合に、主応答の共振周波数近傍に生じるスプリアスを抑圧でき、フィルタ装置の通過帯域近傍の周波数特性を向上させることができる。

図４は、本発明の第２の実施形態における弾性表面波素子の断面を模式的に示している。この第２の実施形態における弾性表面波素子２０は、第１の実施形態と同様に、圧電性基板２１と、くし歯状電極２２と、絶縁膜２３とからなる。それぞれの構成材料としては、第１の実施形態と同様の材料を用いることができる。

さらに、絶縁膜２３上に媒質２４が形成されている。すなわち、弾性表面波素子２０では、波長規格化表面段差幅ｈ／λが０．０１〜０．０３である絶縁膜２３上に、この絶縁膜２３とは異なる音速を有する媒質２４が形成されている。本実施形態では、媒質２４は、窒化珪素からなる。なお、媒質２４は、酸化タンタルにより構成されてもよい。

この媒質２４をエッチングすることにより、弾性表面波素子２０の周波数が調整可能となる。図５に、絶縁膜２３の波長規格化表面段差幅ｈ／λと、媒質２４を一定時間エッチングした時の弾性表面波共振子２０の共振周波数の周波数変動量との関係を示す。

図５に示すグラフから、波長規格化表面段差幅ｈ／λが３％以下である場合は、媒質２４をエッチングすることにより共振周波数が大きく変動する。このことから、絶縁膜２３の波長規格化表面段差幅ｈ／λが３％以下である場合は、媒質２４をエッチングすることにより効果的に周波数が調整できることが分かる。しかし、波長規格化表面段差幅ｈ／λが３％より大きくなっていくと、エッチングしても周波数の変動が起こりにくくなる傾向にある。従って、媒質２４を設け、波長規格化表面段差幅ｈ／λを３％以下、すなわち、０．０３以下とすることにより、弾性表面波素子の周波数特性の調整が容易となるという効果も得られる。

また、媒質２４は耐湿性を有する材料により形成されていることが好ましい。具体的には、媒質２４は、絶縁膜２３よりも耐湿性が高い材料により形成されていることが好ましい。この場合、絶縁膜２３の波長規格化表面段差幅ｈ／λが３％より大きいと、上記のように媒質２４をエッチングして周波数を調整するとき、絶縁膜２３の凸部における媒質２４が優先的に削られてしまう。すなわち、媒質２４が欠損して、弾性表面波素子の耐湿性が劣化してしまう。

しかし、絶縁膜２３の波長規格化表面段差幅ｈ／λが３％以下であると、媒質２４のうち、絶縁膜２３の凸部の上に位置する部分が、絶縁膜２３の凸部以外の部分の上に位置する部分よりも優先的に削られ難いため、媒質２４に欠損が生じ難い。よって、弾性表面波素子の耐湿性の劣化を効果的に抑制することができる。

なお、絶縁膜２３が、酸化珪素からなる場合は、絶縁膜２３よりも耐湿性が高い材料としては、窒化珪素や酸化タンタルなどが挙げられる。また、絶縁膜２３が、窒化珪素からなる場合は、絶縁膜２３よりも耐湿性が高い材料としては酸化チタン，ＤＬＣなどが挙げられる。

図６に、弾性表面波素子を９３℃、８１％の湿中に放置した時間と、弾性表面波素子の共振周波数の周波数変動量との関係を示す。図６において、実線は、波長規格化表面段差幅ｈ／λが３％（０．０３）である、実施例に係る弾性表面波素子に関するグラフである。破線は、波長規格化表面段差幅ｈ／λが７％（０．０７）である、比較例に係る弾性表面波素子に関するグラフである。

この図６から明らかなように、波長規格化表面段差幅ｈ／λが０．０３である実施例は、１８０時間後の弾性表面波素子の共振周波数の周波数変動が１ＭＨｚ未満であるのに対し、波長規格化表面段差幅ｈ／λが０．０３より大きな比較例は、同時間放置後の周波数変動が３ＭＨｚ以上となっている。よって、波長規格化表面段差幅ｈ／λを０．０３以下とすることにより、弾性表面波素子の耐湿性を改善することができることが分かる。

１０，２０ 弾性表面波素子
１１，２１ 圧電性基板
１２，２２ くし歯状電極
１２ａ 第１の電極
１２ｂ 第２の電極
１２ａ１，１２ｂ１ 電極指
１３，２３ 絶縁膜
２４ 媒質

Claims (12)

1. 圧電性基板と、
   前記圧電性基板上に形成されているくし歯状電極と、
   前記圧電性基板と前記くし歯状電極とを覆うように形成されている絶縁膜とを備え、
   主応答の伝搬モードとしてレイリー波が用いられており、
   前記圧電性基板を伝搬する弾性波の波長をλ、前記圧電性基板の上面から前記絶縁膜の上面までの厚み寸法の最大値と最小値との差をｈとしたとき、ｈ／λが、０．０１≦ｈ／λ≦０．０３の範囲内にある、弾性表面波素子。
2. 前記絶縁膜上に形成されており、前記絶縁膜と音速の異なる媒質をさらに備える、請求項１に記載の弾性表面波素子。
3. 前記媒質が、前記絶縁膜よりも耐湿性が高い材料により形成されている、請求項２に記載の弾性表面波素子。
4. 前記くし歯状電極は、複数の電極指を有する第１の電極と、複数の電極指を有し、前記第１の電極と間挿し合っている第２の電極とを備えている、請求項１〜３のいずれか一項に記載の弾性表面波素子。
5. 前記絶縁膜は、前記圧電性基板と逆符号の周波数温度係数を有するか、または前記圧電性基板の周波数温度係数の絶対値よりも絶対値が小さい周波数温度係数を有する、請求項１〜４のいずれか一項に記載の弾性表面波素子。
6. 前記圧電性基板は、ＬｉＮｂＯ_３基板またはＬｉＴａＯ_３基板により構成されており、
   前記絶縁膜は、酸化珪素により形成されている、請求項１〜５のいずれか一項に記載の弾性表面波素子。
7. 圧電性基板上に、くし歯状電極を形成する電極形成工程と、
   前記圧電性基板と前記くし歯状電極の上面に、絶縁膜を形成する絶縁膜形成工程と、を備え、主応答の伝搬モードとしてレイリー波が用いられる弾性表面波素子の製造方法において、
   前記絶縁膜形成工程は、前記圧電性基板を伝搬する弾性波の波長をλ、前記圧電性基板の上面から前記絶縁膜の上面までの厚み寸法の最大値と最小値との差をｈとしたとき、ｈ／λが、０．０１≦ｈ／λ≦０．０３となるように、バイアススパッタ法を用いて前記絶縁膜を形成する工程である、弾性表面波素子の製造方法。
8. 前記絶縁膜上に、前記絶縁膜と音速の異なる媒質を形成する工程をさらに備える、請求項７に記載の弾性表面波素子の製造方法。
9. 前記媒質を形成する工程において、前記絶縁膜よりも耐湿性が高い材料を用いて前記媒質を形成する、請求項８に記載の弾性表面波素子の製造方法。
10. 前記電極形成工程は、複数の電極指を有する第１の電極と、複数の電極指を有し、前記第１の電極と間挿し合っている第２の電極とを形成する、請求項７〜９のいずれか一項に記載の弾性表面波素子の製造方法。
11. 前記絶縁膜形成工程において、前記圧電性基板と逆符号の周波数温度係数を有するか、または前記圧電性基板の周波数温度係数の絶対値よりも絶対値が小さい周波数温度係数を有する材料により前記絶縁膜を形成する、請求項７〜１０のいずれか一項に記載の弾性表面波素子の製造方法。
12. 前記圧電性基板として、ＬｉＮｂＯ_３基板またはＬｉＴａＯ_３基板を用い、
    前記絶縁膜形成工程において、酸化珪素により絶縁膜を形成する請求項７〜１１のいずれか一項に記載の弾性表面波素子の製造方法。

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