JP5278513B2 - 弾性波素子 - Google Patents

Description

本発明は、圧電基板を用いた弾性波素子に関する。

特許文献１に記載されている弾性波素子は、圧電基板と、圧電基板上に配置された櫛形電極と、櫛形電極上に設けられた酸化ケイ素膜とを備える。圧電基板の温度特性を向上させるために、酸化ケイ素膜は圧電基板より小さい熱膨張率を有し、圧電基板の温度変化に伴う熱膨張を拘束する。

櫛形電極上に酸化ケイ素膜は化学気相成長（ＣＶＤ）法やスパッタリング法で形成される。ＣＶＤ法によって形成された酸化ケイ素膜の密度は低い。酸化ケイ素膜の低い密度は、数十ＭＨｚ程度の周波数の長い波長の弾性波の伝播にはあまり影響しないが、数百ＭＨｚ〜数ＧＨｚの周波数の短い波長の弾性波に対しては伝播損失を大きくする。このような高い周波数帯の弾性波が伝播する弾性波素子では、酸化ケイ素膜はスパッタリング法で形成される。

特開２００３−２０９４５８号公報

スパッタリング法で形成された酸化ケイ素膜を有する弾性波素子は、温度変化などの環境の変化に伴い弾性波の伝播特性が変動する場合がある。

弾性波素子は、圧電基板と、圧電基板上に設けられた櫛形電極と、櫛形電極を覆う酸化ケイ素膜と、酸化ケイ素膜上に設けられた酸化窒化ケイ素膜とを備える。酸化ケイ素膜の膜厚Ｈと圧電基板を伝播する弾性波の波長λはＨ／λ≧０．１５の関係を満たし、酸化窒化ケイ素膜の膜厚は３ｎｍ以上である。

この弾性波素子は弾性波の伝播特性の変動を抑制し、高い信頼性を有する。

本発明の実施の形態による弾性波素子の断面図 実施の形態による弾性波素子での酸化ケイ素膜と酸化窒化ケイ素膜のアルゴンの組成比率の変化を示す図

図１は本発明の実施の形態による弾性波素子１００１の断面図である。弾性波素子１００１は弾性波の一種である弾性表面波を利用した弾性表面波素子である。弾性波素子１００１は、圧電基板１と、圧電基板１の上面１Ａ上に設けられた櫛形電極２、２２と、櫛形電極２、２２上に設けられた酸化ケイ素よりなる酸化ケイ素膜３と、酸化ケイ素膜３上に設けられた酸化窒化ケイ素（酸窒化ケイ素）よりなる酸化窒化ケイ素膜（酸窒化ケイ素膜）４とを備える。酸化ケイ素膜３は櫛形電極２、２２を覆う。圧電基板１は、回転ＹカットＸ伝播で回転角を５度としたニオブ酸リチウム基板である。櫛形電極２、２２はアルミを主成分とする。櫛形電極２は複数の電極指１０２を有し、櫛形電極２２は複数の電極指１２２を有する。複数の電極指１０２と複数の電極指１２２とは交互に配置されている。なお、実施の形態による弾性波素子１００１は、中心周波数が約２ＧＨｚのフィルタである。圧電基板１を伝播する弾性波（弾性表面波）の波長は約２μｍであり、櫛形電極２の電極指１０２のピッチに等しく、櫛形電極２２の電極指１２２のピッチに等しい。櫛形電極２、２２の厚みは約１５０ｎｍである。

酸化ケイ素膜３は、圧電基板１の熱膨張率等の温度変化に起因する周波数変動等の特性変化を抑制する。酸化ケイ素膜３は櫛形電極２、２２のショートを防止する。さらに、圧電基板１の温度による特性変動を緩和させるために、酸化ケイ素膜３の膜厚Ｈと弾性波の波長をλとした時にＨ／λ≧０．１５の関係を満たす。ここで膜厚Ｈは、櫛形電極２、２２の上面２Ａ、２２Ａからの酸化ケイ素膜３の厚さ、すなわち櫛形電極２、２２の上面２Ａ、２２Ａから酸化ケイ素膜３の上面３Ａまでの距離である。実施の形態では、弾性波の波長が２μｍの場合には、酸化ケイ素膜３の膜厚Ｈは、Ｈ／λの値が０．１５である３００ｎｍより厚い４００ｎｍに設定している。酸化ケイ素膜３の上面３Ａが凹凸である場合は、櫛形電極２、２２の上面２Ａ、２２Ａから上面２Ａ、２２Ａの真上方の酸化ケイ素膜３の上面３Ａまでの距離である。ここで、比Ｈ／λの上限は弾性波素子１００１が製品として合理的なサイズを有するように、例えば弾性波素子１００１を収容するケースのサイズや弾性波素子１００１を搭載する部分の大きさで規定される。

弾性波素子１００１で酸化窒化ケイ素膜４を有しない比較例の弾性波素子を作製した。比較例の弾性波素子を気密パッケージに封入し、８５℃の温度で１０００時間放置する高温放置試験を行なったところ、中心周波数が約−１０００ｐｐｍ変化した。

比較例の弾性波素子の酸化ケイ素膜３は、酸化ケイ素基板をターゲットとしアルゴンガスを用いてスパッタリング法で形成した。この方法で形成された酸化ケイ素膜３にアルゴンが混入しており、混入したアルゴンが温度変化などの環境の変化に伴い酸化ケイ素膜３から外部に放出される。これにより酸化ケイ素膜３の弾性率や密度等の物理的特性が変化し、これに伴い比較例の弾性波素子の温度による中心周波数の変動という特性変動が起こったと考えられる。

実施の形態による弾性波素子１００１では、酸化ケイ素膜３の上面３Ａ上に酸化窒化ケイ素膜４が設けられている。酸化窒化ケイ素膜４は、酸化ケイ素基板をターゲットとしてアルゴンガスと窒素ガスの混合ガスを用いてスパッタリング法で酸化窒化ケイ素を酸化ケイ素膜３の上面３Ａに蒸着させることにより形成する。酸化窒化ケイ素膜４は、酸化ケイ素膜３に混入したアルゴンが酸化ケイ素膜３から外部に放出されることを抑制し、温度による弾性波素子１００１の特性変動を抑制し、弾性波素子１００１は高い信頼性を有する。

比較例の弾性波素子と実施の形態による弾性波素子１００１を作製後、３００℃まで昇温して１２時間放置するエージング処理を施した。図２は弾性波素子の酸化ケイ素膜３のアルゴン組成比率を示す。比較例の弾性波素子のエージング処理前の酸化ケイ素膜３のアルゴン組成比率は約１．３％であり、エージング処理後のアルゴン組成比率は０．１％以下であり、多くのアルゴンが放出されている。

比較例の弾性波素子では、エージング処理により酸化ケイ素膜３の上面３Ａを含む表面の近傍のアルゴンが酸化ケイ素膜３から放出され、その放出により形成された隙間に近傍のアルゴンが移動して、移動したアルゴンが放出されることが繰り返されている。これにより酸化ケイ素膜３の弾性率や密度等の物理的な特性が変化し、これに伴い弾性波素子の特性変動が誘発されている。

図２は、実施の形態による実施例の弾性波素子１００１の酸化窒化ケイ素膜４と酸化ケイ素膜３のアルゴンの組成比率を示す。酸化窒化ケイ素膜４のエージング処理前後のアルゴン組成比率は共に約０．４％で変化は見られず、エージング処理によりアルゴンが放出されていない。実施の形態による弾性波素子の酸化ケイ素膜３のエージング処理前後のアルゴン組成比率は共に約１．３％であり、ほとんど変化が見られなかった。このように、弾性波素子１００１での温度による酸化ケイ素膜３のアルゴンの組成比率の変化が抑制され、酸化ケイ素膜３の弾性率や密度等の物理的特性の温度による変化が抑制されている。

酸化窒化ケイ素膜４を有する弾性波素子を気密パッケージに封入し、８５℃の温度で１０００時間放置する高温放置試験を行なったところ、中心周波数の変化を−２５０ｐｐｍ程度に抑えることができた。

比較例の弾性波素子では、酸化ケイ素膜３に混入したアルゴンはエージング処理により放出され、酸化ケイ素膜３にはアルゴンが抜けた経路に空隙が形成される。この経路を通って湿気が進入しやすくなり、比較例の弾性波素子の耐湿性が劣化する。比較例の弾性波素子を気密パッケージに封止することにより、耐湿性を向上させることができるが、そのような気密パッケージは高価である。実施例の弾性波素子１００１では、混入したアルゴンは酸化ケイ素膜３からほとんど放出されないので、酸化ケイ素膜３には湿気が侵入する空隙は形成されない。したがって、実施例の弾性波素子１００１は安価な樹脂で封止することができ、かつ高生産性で製造できる。

櫛形電極２、２２上の酸化ケイ素膜３が厚い場合には、弾性波は圧電基板１の上面１Ａのみならず酸化ケイ素膜３を含む領域を伝播する。その場合、比較例の弾性波素子では酸化ケイ素膜３の中に空隙があるので、その空隙で弾性波の伝播ロスが生じ、弾性波素子の挿入損失が大きい。実施の形態による弾性波素子では酸化ケイ素膜３の中に空隙ができるのを防ぐことができ、このような挿入損失の増加を防止することができる。

圧電基板１と圧電基板１の上面１Ａ上に設けられた絶縁膜との境界を弾性波が伝播する弾性境界波素子では、この絶縁膜中の伝播ロスは弾性境界波素子の挿入損失に影響しやすいので、実施の形態による酸化窒化ケイ素膜４を弾性境界波素子に用いることはより望ましい。

以上のように、酸化窒化ケイ素膜４を被覆させ酸化ケイ素膜３中にアルゴンを混入した状態を維持させることで、長期的に弾性波素子１００１の周波数安定性を向上させるとともに、耐湿性および電気的性能を向上させることができる。

酸化窒化ケイ素膜４は、酸化ケイ素膜３からのアルゴンの放出を抑制するために、大きい厚みを有することが望ましい。成膜に伴う酸化窒化ケイ素膜４に生じる応力は酸化ケイ素膜３に生じる応力より大きい。酸化窒化ケイ素膜４に過度に大きな応力が生じた場合、その応力が酸化ケイ素膜３を介して圧電基板１に伝達され、伝達された応力の影響により櫛形電極２、２２におけるインターモジュレーション（ＩＭ）特性が劣化する。

酸化窒化ケイ素膜４と酸化ケイ素膜３の膜厚の比率を変えてＩＭ特性の劣化を確認する実験により、酸化窒化ケイ素膜４の膜厚が酸化ケイ素膜３の膜厚の３％を越えた際にＩＭ特性の劣化が実使用上で問題が出る程度に大きくなることが判明した。

また、酸化窒化ケイ素膜４でアルゴンの放出を防止するためには酸化窒化ケイ素膜４の厚みは３ｎｍ以上であることが必要である。酸化窒化ケイ素膜４の厚みが３ｎｍ未満の場合はアルゴンの放出を防止できない場合がある。すなわち、酸化ケイ素膜３上に設けられた酸化窒化ケイ素膜４の膜厚は３ｎｍ以上で且つ酸化ケイ素膜３の膜厚の３％以下に設定することが望ましい。

弾性波素子１００１は圧電基板１上に設けられた櫛形電極２、２２を備えた比較的単純な構成を有する。実施の形態による弾性波素子は、櫛形電極２、２２の複数の組を備えたフィルタや、このフィルタを適宜組み合わせた分波器、共用器等の各種弾性波装置において同様の作用効果を奏する。実施の形態による弾性波素子は、特に大きなパワーによりＩＭ特性の劣化が顕著に現れる送信系のフィルタや、送信系のフィルタを有する共用器には特に有用である。

なお、実施の形態において「上面」「真上方」等の方向を示す用語は圧電基板１や櫛形電極２、２２、酸化ケイ素膜３、酸化窒化ケイ素膜４等の構成部材の位置に拠る相対的な方向を示しているに過ぎず、上下方向等の絶対的な方向を示すものではない。絶対的な方向は構成部材の位置によって変わる。

本発明に係る弾性波素子は弾性波の伝播特性の変動を抑制して、高い信頼性を有し、通信機器等に用いられる高周波回路に有用である。

１ 圧電基板
２ 櫛形電極
３ 酸化ケイ素膜
４ 酸化窒化ケイ素膜
２２ 櫛形電極
１００１ 弾性波素子

Claims (2)

1. 圧電基板と、前記圧電基板上に設けられた櫛形電極と、前記櫛形電極を覆い、アルゴンを含有する酸化ケイ素膜と、前記酸化ケイ素膜上に設けられた酸化窒化ケイ素膜と、を備え、前記酸化ケイ素膜の膜厚Ｈと前記圧電基板を伝播する弾性波の波長λはＨ／λ≧０．１５の関係を満たし、前記酸化窒化ケイ素膜の膜厚は３ｎｍ以上であり、前記櫛形電極を覆う膜は酸化ケイ素膜と酸化窒化ケイ素膜の２層構造である弾性波素子。
2. 圧電基板と、前記圧電基板上に設けられた櫛形電極と、前記櫛形電極を覆い、アルゴンを含有する酸化ケイ素膜と、前記酸化ケイ素膜上に設けられた酸化窒化ケイ素膜と、を備え、前記酸化ケイ素膜の膜厚Ｈと前記圧電基板を伝播する弾性波の波長λはＨ／λ≧０．１５の関係を満たし、前記酸化窒化ケイ素膜の膜厚は３ｎｍ以上であり、前記酸化窒化ケイ素膜の膜厚は１２ｎｍ以下である弾性波素子。

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