JP5381188B2

JP5381188B2 - 弾性表面波素子

Info

Publication number: JP5381188B2
Application number: JP2009062217A
Authority: JP
Inventors: 晴信堀川
Original assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Priority date: 2009-03-16
Filing date: 2009-03-16
Publication date: 2014-01-08
Anticipated expiration: 2029-03-16
Also published as: JP2010219706A

Description

本発明は、弾性表面波素子に関し、詳しくは、圧電基板表面の弾性表面波を利用するフィルタや共振子などの弾性表面波素子の温度特性を改善するための技術に関する。

従来、例えば送信帯域と受信帯域の周波数差が小さい移動体通信システムにおいて、受信帯域での減衰量を確保するため、タンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ_３；ＬＴ）やニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ_３；ＬＮ）などの電気機械結合係数の大きな圧電基板を使用した弾性表面波フィルタが用いられている。しかし、ＬＴ基板やＬＮ基板の周波数温度係数（ＴＣＦ）が大きいため、製造ばらつきを考慮すると、送受信帯域間隔は実質的に非常に小さくなる。そのため、温度特性の改善が望まれている。

温度特性を改善する方策は、次のように種々提案されている。

例えば特許文献１には、圧電基板の表面にフッ素化ポリイミド樹脂を塗布し、フッ素化ポリイミド樹脂により温度特性の傾きを小さくし、周波数の安定性を高めること開示されている。

特許文献２には、圧電基板の裏面に温度特性の高い支持基板を貼り合わせて圧電基板を拘束することで、温度特性改善効果を得ることが開示されている。

特許文献３には、図７の構成図に示すように、ＬＴ基板１の表面のＩＤＴ（interdigital transducer）型共振器２の周囲の余白領域に、ＩＤＴ型共振器２を囲むように矩形の保護膜３を形成する。保護膜３は、ＬＴ基板１よりも熱膨張係数の小さい石英（ＳｉＯ_２）で形成し、基板１の伸縮を保護膜３によって制限することが開示されている。

特開平８−１８１５６２号公報特開平１１−５５０７０号公報特開２００３−１７９８０号公報

しかしながら、特許文献１の構造は、温度−周波数特性が二次曲線になる弾性表面波素子について、樹脂が持つ温度−周波数特性を加えることによって温度−周波数特性の頂点温度を変化させるものであり、特定の温度領域でしか周波数の安定性は確保できない。

特許文献２のように圧電基板の裏面に支持基板を貼り合わせる場合、支持基板による拘束が有効に作用するためには圧電基板を薄くする必要がある。しかし、圧電基板を薄膜化することで割れやすいという問題が生じる。

特許文献３の構造は、ＩＤＴ型共振器２を囲むように保護膜３を形成する必要があり、保護膜３を形成するためにチップ面積を余分に大きくする必要があり、小型化が困難である。

本発明は、かかる実情に鑑み、圧電基板を薄くしなくても温度特性を改善でき、小型化が容易である弾性表面波素子を提供しようとするものである。

本発明は、上記課題を解決するために、以下のように構成した弾性表面波素子を提供する。

弾性表面波素子は、（ａ）一対の主面を有し、一方の前記主面の外縁は互いに対向する一対の辺を含み、該一対の辺からそれぞれ他方の前記主面に向けて延在する一対の対向面が形成された圧電基板と、（ｂ）前記圧電基板の前記一方の主面に形成され、前記一対の辺に対して実質的に垂直に延在する電極指と該電極指が連結されるバスバーとを含むＩＤＴ電極と、（ｃ）前記圧電基板の前記一対の対向面に、前記圧電基板よりも線膨張係数が小さい材料を用いてそれぞれ形成された一対の拘束部とを備える。前記拘束部は、前記圧電基板の前記一方の主面において前記ＩＤＴ電極による弾性表面波が伝搬する振動領域の両側のみに該弾性表面波が伝搬する方向と平行に形成されている。

上記構成において、圧電基板の一方の主面に形成されるＩＤＴ電極の電極指は、圧電基板の一方の主面の一対の辺に対して垂直から少し傾いていても、すなわち略垂直であってもよい。一対の拘束部は、圧電基板よりも線膨張係数が小さい材料を用いて圧電基板の対向面に形成され、ＩＤＴ電極による弾性表面波が伝搬する振動領域の周囲のうち、弾性表面波が伝搬する方向に実質的に垂直方向の両側に、弾性表面波が伝搬する方向と実質的に平行に延在している。そのため、圧電基板の一方の主面は、弾性表面波が伝搬する方向の伸縮が拘束部によって制限され、弾性表面波が伝搬する状態の変化が抑制され、周波数特性の変化が小さくなる。したがって、弾性表面波素子は、温度特性が改善される。

上記構成によれば、圧電基板の一方の主面の一対の辺から他方の主面に向けて形成された対向面に拘束部が形成されているため、圧電基板の一方の主面は、弾性表面波が伝搬する方向の伸縮が、拘束部により一方の主面に沿って拘束される。そのため、圧電基板を薄くしなくても、温度特性の改善効果が得られる。

また、拘束部は、ＩＤＴ電極による弾性表面波が伝搬する振動領域の周囲のうち、弾性表面波が伝搬する方向に垂直方向の両側にのみ形成され、弾性表面波が伝搬する方向の両側には形成されない。そのため、振動領域の全周を囲むように拘束部を形成する場合よりも、弾性表面波が伝搬する方向の寸法を小さくすることができ、弾性表面波素子を小型化が容易である。

好ましくは、前記圧電基板の他方の前記主面に形成された支持層をさらに備える。前記支持層の線膨張係数は、前記圧電基板の線膨張係数よりも小さい。

この場合、支持層によって圧電基板の温度変化に伴う伸縮を拘束することで、温度特性をより改善することができる。また、支持層により拘束部の温度変化に伴う伸縮を拘束し、拘束部自体の温度変化に伴う伸縮を小さくすることで、拘束部が圧電基板を拘束する拘束力を高め、温度特性をより改善することができる。

また、圧電基板の一方の主面側に形成された拘束部と圧電基板との線膨張係数により生じる反りの向きと、圧電基板の他方の主面側に形成された支持層と圧電基板との線膨張係数により生じる反りの向きとが逆向きになるため、温度変化に伴う反りを相殺し、全体として反りを軽減することができる。

さらに、支持層によって圧電基板を拘束することにより、温度変化に伴う応力を分散させ、特定個所に応力が集中しないようにすることができる。これによって、弾性表面波素子の信頼性を向上することができる。

本発明の弾性表面波素子は、圧電基板を薄くしなくても温度特性を改善でき、小型化が容易である。

弾性表面波素子の製造工程を示す断面図である。（実施例１）弾性表面波素子の製造工程を示す断面図である。（実施例２）弾性表面波素子の製造工程を示す断面図である。（実施例３）弾性表面波素子の斜視図である。（実施例１）弾性表面波素子の斜視図である。（比較例）弾性表面波素子の斜視図である。（実施例２）弾性表面波素子の構成図である。（従来例）

以下、本発明の実施の形態について、図１〜図６を参照しながら説明する。

＜実施例１＞実施例１の弾性表面波素子４について、図１、図４及び図５を参照しながら説明する。

図４は、実施例１の弾性表面波素子４の構成を模式的に示す斜視図である。図１は、実施例１の弾性表面波素子４の製造工程を模式的に示す断面図である。図１は、図４の線Ａ−Ａに沿って切断した断面に対応する。

図１（ｃ）及び図４に示すように、弾性表面波素子４は、圧電基板１０の一方の主面である表面１０ａに、ＩＤＴ電極２０を含む素子パターンが形成されている。

図４に示すように、圧電基板１０は、大略、一対の矩形の表面１０ａ及び裏面１０ｂと、互いに対向する二対の側面１０ｓ，１０ｔとを有し、表面１０側に拘束部１４が形成されている。

圧電基板１０の表面１０ａの外縁は、互いに対向する二対の辺１０ｋ，１０ｍを含む。図１に示すように、圧電基板１０には、一方の一対の辺１０ｋに沿って切欠部１１が形成され、一対の辺１０ｋから他方の主面である裏面１０ｂに向けてそれぞれ延在する一対の対向面である斜面１１ｋが形成されている。切欠部１１の斜面１１ｋには、圧電基板１０よりも線膨張係数が小さい材料を用いて拘束部１４が形成されている。

ＩＤＴ電極２０の電極指２２は、一対の辺１０ｋに垂直に延在するように形成されている。ＩＤＴ電極２０による弾性表面波は、図４において矢印３０で示すように、電極指２２に対して垂直方向に伝搬する。なお、ＩＤＴ電極２０の電極指２２は、一対の辺１０ｋに対して垂直から少し傾いて延在するように形成されてもよい。

図１及び図４に示すように、切欠部１１及び拘束部１４は、一対の辺１０ｋに沿ってのみ形成され、他の一対の辺１０ｍに沿っては形成されていない。すなわち、ＩＤＴ電極２０による弾性表面波が伝搬する振動領域の周囲１１ｋ，１１ｍのうち、弾性表面波が伝搬する方向に垂直方向の両側にのみ形成され、弾性表面波が伝搬する方向の両側には形成されない。そのため、振動領域の全周を囲むように拘束部を形成する場合よりも、弾性表面波が伝搬する方向の寸法を小さくすることができ、弾性表面波素子を小型化が容易である。

拘束部１４は、圧電基板２０よりも線膨張係数が小さい材料を用いて圧電基板１０の斜面１１ｋに形成され、ＩＤＴ電極２０による弾性表面波が伝搬する振動領域の周囲のうち、弾性表面波が伝搬する方向に垂直方向の両側に、弾性表面波が伝搬する方向と平行に延在している。そのため、圧電基板１０の表面１０ａは、弾性表面波が伝搬する方向の伸縮が拘束部１４によって制限され、弾性表面波が伝搬する状態の変化が抑制され、周波数特性の変化が小さくなる。したがって、弾性表面波素子は、温度特性が改善される。

圧電基板１０の表面１０ａの一対の辺１０ｋから裏面１０ｂに向けて形成された斜面１１ｋに拘束部１４が形成されているため、圧電基板１０の表面１０ａは、弾性表面波が伝搬する方向の伸縮が、拘束部１４により表面１０ａに沿って拘束される。そのため、圧電基板１０を薄くしなくても、温度特性の改善効果が得られる。

次に、弾性表面波素子４の製造方法について、図１を参照しながら説明する。

図１（ａ）に示すように、ウェハ状の圧電基板１０の表面１０ａに、ＩＤＴ電極２０を含む導電パターンを形成する。

具体的には、ＬＴ基板やＬＮ基板などの圧電基板１０の表面１０ａに、ＩＤＴ電極２０と、不図示のパッドと、ＩＤＴ電極とパッドとの間を接続する不図示の配線とを含む導電パターンを、フォトリソグラフィー技術やエッチング技術を用いて形成する。ＩＤＴ電極２０による弾性表面波が伝搬する方向の両側に、導電パターンによって反射器を形成してもよい。

次いで、図１（ｂ）に示すように、圧電基板の表面１０ａに切欠部１１を形成する。このとき、圧電基板１０の表面１０ａの辺１０ｋと、辺１０ｋから裏面１０ｂに向けて斜めに延在する斜面１１ｋとが形成される。

具体的には、複数個分の弾性表面波素子４の境界線のうち、ＩＤＴ電極２０による弾性表面波が伝搬する方向と平行な境界線に沿って、ダイシング加工やレーザー加工によって、断面Ｖ字状の溝を形成する。すなわち、圧電基板１０の表面１０ａ側に切欠部１１を形成し、切欠部１１の斜面１１ｋと表面１０ａとが台形状になるように加工する。

次いで、図１（ｃ）に示すように、切欠部１１の斜面１１ｋに拘束部１４を形成した後、圧電基板１０の裏面１０ｂに達するまで圧電基板１０を完全に切断して、弾性表面波素子４の個片を形成する。

具体的には、圧電基板１０の表面１０ａにマスクを配置し、切欠部１１以外をマスクで覆い、スパッタリングや溶射などの方法で、切欠部１１の斜面１１ｋに、ＬＴ基板やＬＮ基板などの圧電基板１０よりも線膨張係数が小さいＳｉ、Ａｌ_２Ｏ_３、ＳｉＯ_２などの材料を堆積させることにより、拘束部１４を形成する。このとき、拘束部１４は、圧電基板１０の表面１０ａに形成されたバンプ等に影響がない高さまで形成する。

弾性表面波素子４は、ＩＤＴ電極２０が形成された圧電基板１０の表面１０ａ及びその近傍部分を、斜面１１ｋに形成された拘束部１４によって拘束することで、温度変化に伴う圧電基板１０の伸縮を抑えることが可能となり、温度特性を改善することができる。

圧電基板１０の表面１０ａは、表面１０ａに沿って拘束部１４によって拘束されるので、圧電基板１０の裏面１０ｂ側から拘束する場合と異なり、圧電基板１０を薄膜化しなくても、温度特性改善効果が得られる。

例えば、実施例１において、表面１０ａ及び裏面１０ｂの寸法が０．８０ｍｍ×０．８０ｍｍであり、厚みが０．２５ｍｍであるＬＴ基板（回転Ｙカット４２°）の圧電基板１０に切欠部１１を形成し、切欠部１１にアルミナの拘束部１４を形成した場合について、２５℃から１２５℃の温度変化により生じる変形をシミュレーションし、表面１０ａの中心点と、ＩＤＴ電極２０による弾性表面波が伝搬する方向に表面１０ａの中心点から０．３０ｍｍ離れた点との間の距離の伸びから線膨張係数を算出すると、１５．３ｐｐｍ／℃であった。なお、切欠部１１の寸法は、図４に示す幅Ｗが０．１ｍｍ、深さＤが０．１ｍｍとした。

これに対し、図５（ａ）の斜視図に示す比較例１では、表面１０ｐ及び裏面の寸法が０．８０ｍｍ×０．８０ｍｍであり、厚みが０．２５ｍｍであるＬＴ基板（回転Ｙカット４２°）の圧電基板１０ｘのみの場合について、２５℃から１２５℃の温度変化により生じる変形をシミュレーションし、表面１０ｐの中心点と、ＩＤＴ電極２０による弾性表面波が伝搬する方向に表面１０ｐの中心点から０．３０ｍｍ離れた点との間の伸びから線膨張係数を算出すると、１６．３ｐｐｍ／℃であった。

同様に、図５（ｂ）の斜視図に示す比較例２では、表面１０ｑ及び裏面の寸法が０．８０ｍｍ×０．８０ｍｍであり、厚みが０．１０ｍｍであるＬＴ基板（回転Ｙカット４２°）の圧電基板１０ｙの裏面に、厚さ０．１５ｍｍのアルミナの支持層１６ｙを貼り合わせた場合について、２５℃から１２５℃の温度変化により生じる変形をシミュレーションし、表面１０ｑの中心点と、ＩＤＴ電極２０による弾性表面波が伝搬する方向に表面１０ｑの中心点から０．３０ｍｍ離れた点との間の距離の伸びから線膨張係数を算出すると、１７．３ｐｐｍ／℃であった。すなわち、図５（ａ）より圧電基板を薄くして支持層を設けると、かえって線膨張係数が大きくなる。

圧電基板の線膨張係数が小さいほど、温度特性は改善されるため、実施例１、比較例１及び比較例２についてのシミュレーション結果から、実施例１のように拘束部１４を形成することにより、温度特性が改善されることが分かる。

以上のように、実施例１の弾性表面波素子４は、一対の拘束部１４を設けることにより温度特性が改善される。温度特性の改善効果は、圧電基板１０を薄くしなくても得られる。拘束部１４は、ＩＤＴ電極２０による弾性表面波が伝搬する方向と平行に形成するだけでよいため、実施例１の弾性表面波素子４は、振動領域の全周を囲むように拘束部を形成する場合よりも、小型化することができる。

＜実施例２＞実施例２の弾性表面波素子４について、図２及び図６を参照しながら説明する。

実施例２の弾性表面波素子４ａは、実施例１の弾性表面波素子４と略同様に構成されている。以下では、実施例１の弾性表面波素子４と同じ構成部分には同じ符号を用い、実施例１の弾性表面波素子４との相違点を中心に説明する。

図６は、実施例２の弾性表面波素子４ａの構成を模式的に示す斜視図である。図２は、実施例２の弾性表面波素子４ａの製造工程を模式的に示す断面図である。図２は、図６の線Ｂ−Ｂに沿って切断した断面に対応する。

図２及び図６に示すように、弾性表面波素子４ａでは、圧電基板１０の表面１０ａの一対の辺１０ｋに沿って形成された切欠部１１ａと、切欠部１１ａに形成された拘束部１４ａとの断面形状が矩形である点が、実施例１の弾性表面波素子４とは異なる。

次に、実施例２の弾性表面波素子４ａの製造方法について、図２を参照しながら説明する。

図２（ａ）に示すように、実施例１と同様に、ウェハ状の圧電基板１０の表面１０ａに、ＩＤＴ電極２０を含む導電パターンを形成する。

次いで、図２（ｂ）に示すように、圧電基板の表面１０ａに、切欠部１１ａを形成する。このとき、切欠部１１ａは断面矩形に形成され、圧電基板１０の表面１０ａの辺１０ｋと、辺１０ｋから裏面１０ｂに向けて延在する対向面である垂直面１１ｓと、垂直面１３ｋの下端から圧電基板１０の表面１０ａと平行に延在する底面１１ｔとが形成される。

次いで、図２（ｃ）に示すように、実施例１と同様に、切欠部１１ａに拘束部１４ａを形成した後、圧電基板１０の裏面１０ｂに達するまで拘束部１４ａ及び圧電基板１０を切断して、弾性表面波素子４ａの個片を形成する。

断面矩形の拘束部１４ａは、ＩＤＴ電極２０による弾性表面波が伝搬する方向と平行に形成されており、圧電基板１０の表面１０ａの弾性表面波が伝搬する方向の温度変化に伴う伸縮を制限する。したがって、実施例２の弾性表面波素子４ａは、実施例１の弾性表面波素子４と同様に、温度特性を改善することができる。

また、ＩＤＴ電極２０による弾性表面波が伝搬する方向と平行に拘束部１４ａを形成するだけでよいため、振動領域の全周を囲むように拘束部を形成する場合よりも、弾性表面波素子４ａを小型化することができる。

＜実施例３＞実施例３の弾性表面波素子４ｂについて、図３を参照しながら説明する。

図３は、実施例３の弾性表面波素子４ｂの製造方法を模式的に示す断面図である。図３（ｃ）に示すように、弾性表面波素子４ｂは、実施例１と略同様に構成されている。

すなわち、圧電基板１２の表面１２ａの互いに対向する一対の辺１２ｋに沿って切欠部１３が形成され、対向面である切欠部１３の斜面１３ｋに拘束部１８が形成されている。ＩＤＴ電極２０は、電極指２２が圧電基板１２の表面１２ａの互いに対向する一対の辺１２ｋに垂直に形成されている。拘束部１８は、ＩＤＴ電極２０による弾性表面波が伝搬する振動領域のうち、弾性表面波が伝搬する方向に垂直方向の両側に沿って、弾性表面波が伝搬する方向と平行に形成されている。

ただし、圧電基板１２の裏面１２ｂに支持層１６が形成されている点が、実施例１とは異なる。

次に、弾性表面波素子４ｂの製造方法について、説明する。

図３（ａ）に示すように、予め形成された支持層１６と圧電基板１２とを貼り合わせたウェハ１５を用意し、圧電基板１０の表面１０ａに、ＩＤＴ電極２０を含む導電パターンを形成する。あるいは、圧電基板１２の表面１２ａにＩＤＴ電極２０などの導電パターンを形成した後に、圧電基板１２の裏面１２ｂに、溶射により支持層１６を形成してもよい。圧電基板１０には、ＬＴ基板やＬＮ基板などを用い、支持層１６は、Ｓｉ、Ａｌ_２Ｏ_３、ＳｉＯ_２など、圧電基板１０よりも線膨張係数が小さい材料を用いて形成する。

次いで、図３（ｂ）に示すように、圧電基板１２の表面１２ａに、切欠部１３を形成する。例えば、複数個部の弾性表面波素子の境界線のうち弾性表面波が伝搬する方向に平行な境界線に沿って、ダイシング加工やレーザー加工によって断面Ｖ字状の溝を形成することにより、圧電基板１０に切欠部１３の斜面１３ｋを形成する。斜面１３ｋは、圧電基板１２の裏面１２ｂに達してもよい。

次いで、図３（ｃ）に示すように、切欠部１３に拘束部１８を形成した後、拘束部１８、圧電基板１２及び支持層１６を切断して、弾性表面波素子４ｂの個片を形成する。

実施例３の弾性表面波素子４ｂは、支持層１６による圧電基板１２の裏面１２ｂ拘束と、拘束部１８による圧電基板１２の表面１２ａの拘束とを併用することで、より高い温特改善効果が得られる。

また、拘束部１８と支持層１６とを接近させ、あるいは結合することにより、支持層１６により拘束部１８の伸縮を拘束し、拘束部１８自体の温度変化に伴う伸縮を小さくすることで、拘束部１８が圧電基板１２を拘束する拘束力を高める、温度特性の改善効果を一層高めることができる。

また、圧電基板１２の表面１２ａ側に形成された拘束部１８と圧電基板１２との線膨張係数により生じる反りの向きと、圧電基板１２の裏面１２ｂ側に形成された支持層１６と圧電基板１２との線膨張係数により生じる反りの向きとが逆向きになるため、温度変化に伴う反りを相殺し、全体として反りを軽減することができる。

また、圧電基板１２の表面１２ａのバンプと圧電基板１２の裏面１２ｂとの間などにおいて、温度変化に伴う応力が分散させ、特定個所に応力が集中しないようにすることができる。これによって、弾性表面波素子の信頼性を向上することができる。

＜まとめ＞以上に説明したように、弾性表面波が伝搬する方向と平行に拘束部１４，１８を設けると、圧電基板１０，１２を薄くしなくても温度特性を改善でき、小型化が容易である。

なお、本発明は、上記実施の形態に限定されるものではなく、種々変更を加えて実施することが可能である。

４，４ａ，４ｂ弾性表面波素子
１０圧電基板
１０ａ表面（一方の主面）
１０ｂ裏面（他方の主面）
１０ｋ，１０ｍ一対の辺
１１，１１ａ切欠部
１１ｋ斜面（対向面）
１１ｓ垂直面（対向面）
１１ｔ底面
１２圧電基板
１２ａ表面（一方の主面）
１２ｂ裏面（他方の主面）
１３切欠部
１３ｋ斜面（対向面）
１４，１４ａ拘束部
１６支持層
１８拘束部

Claims

一対の主面を有し、一方の前記主面の外縁は互いに対向する一対の辺を含み、該一対の辺からそれぞれ他方の前記主面に向けて延在する一対の対向面が形成された圧電基板と、
前記圧電基板の前記一方の主面に形成され、前記一対の辺に対して実質的に垂直に延在する電極指と該電極指が連結されるバスバーとを含むＩＤＴ電極と、
前記圧電基板の前記一対の対向面に、前記圧電基板よりも線膨張係数が小さい材料を用いてそれぞれ形成された一対の拘束部と、
を備え、
前記拘束部は、前記圧電基板の前記一方の主面において前記ＩＤＴ電極による弾性表面波が伝搬する振動領域の両側のみに、弾性表面波が伝搬する方向と平行に形成されていることを特徴とする、弾性表面波素子。
前記圧電基板の他方の前記主面に形成された支持層をさらに備え、
前記支持層の線膨張係数は前記圧電基板の線膨張係数よりも小さいことを特徴とする、請求項１に記載の弾性表面波素子。