JP6494462B2 - 弾性波デバイスおよびモジュール - Google Patents
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Description
本発明は弾性波デバイスおよびモジュール関し、例えば支持基板上に圧電基板が接合された弾性波デバイスおよびモジュールに関する。
圧電基板の弾性表面波を用いた弾性波デバイスの周波数温度特性を向上させるため支持基板上に圧電基板を接合することが知られている。特許文献１には、圧電基板としてタンタル酸リチウム基板、支持基板としてサファイア基板を用い、これらを常温接合した場合に、支持基板の厚さを圧電基板の厚さの３倍以上とし、圧電基板の厚さを弾性表面波の波長の１０倍以上とすることが記載されている。特許文献２には、支持基板を圧電基板と同じタンタル酸リチウム基板とすることが記載されている。特許文献３には、支持基板と圧電基板との間に媒質層を設けることが記載されている。
支持基板上に圧電基板を常温接合した場合には、支持基板と圧電基板との界面で反射したバルク波に起因したスプリアスが問題となる。界面でのバルク波の反射は、特許文献２のように支持基板と圧電基板が同じ材料の場合、および特許文献３のように支持基板と圧電基板との間に媒質層を挿入する場合には生じない。特許文献１に記載されているように、このスプリアスを抑制するため、圧電基板を弾性表面波の波長の１０倍以上とする。しかし、小型化のため基板を薄くしようとすると、基板厚に占める支持基板の厚さが小さくなる。これにより、周波数温度特性の改善効果が低下する。また、熱サイクル等により基板が割れ易くなる。
本発明は上記課題に鑑みなされたものであり、小型化が可能な弾性波デバイスを提供することを目的とする。
本発明は、支持基板と、前記支持基板の上面に接合され、前記支持基板と異なる材料からなる圧電基板と、前記圧電基板の上面に形成され、ＳＨ波を励振する櫛型電極と、前記支持基板と前記圧電基板との間に形成され、前記支持基板および前記圧電基板に接し、１ｎｍから８ｎｍの厚さを有するアモルファス層と、を具備し、前記圧電基板の厚さは前記ＳＨ波の波長未満であることを特徴とする弾性波デバイスである。
上記構成において、前記圧電基板は、タンタル酸リチウム基板であり、前記支持基板は、サファイア基板である構成とすることができる。
上記構成において、前記支持基板と前記圧電基板との合計の厚さは１５０μｍ以下である構成とすることができる。
上記構成において、前記櫛型電極を有するフィルタを含む構成とすることができる。
本発明は、上記フィルタを含むことを特徴とするモジュールである。
本発明によれば、小型化が可能な弾性波デバイスを提供することができる。
図面を参照し、本発明の実施例について説明する。
図１は、実施例１および比較例に係る弾性波デバイスの斜視図である。図１に示すように、膜厚Ｔ１の支持基板１０の上面上に膜厚Ｔ２の圧電基板１２が配置され、圧電基板１２の下面が支持基板１０の上面と接合されている。支持基板１０はサファイア基板である。圧電基板１２はタンタル酸リチウム基板である。支持基板１０の上面と圧電基板１２の下面との間にアモルファス層１４が形成されている。なお、アモルファス層１４の厚さは１０ｎｍ以下と非常に小さいため、膜厚Ｔ１、Ｔ２に対してほとんど無視できる。
圧電基板１２の上面には、一端子対共振子１８が形成されている。一端子対共振子１８は、圧電基板１２上に形成されたアルミニウム（Ａｌ）等の金属層１６からなるＩＤＴ（Interdigital Transducer）１７ａと反射電極１７ｂとを有している。ＩＤＴ１７ａは、２つの櫛型電極から形成されている。反射電極１７ｂは、ＩＤＴ１７ａの両側に配置されている。ＩＤＴ１７ａの櫛型電極は弾性表面波（主にＳＨ波）を励振する。励振された弾性波は、反射電極１７ｂにより反射される。弾性波の伝搬方向は、圧電基板１２の結晶方位におけるＸ軸方向である。ＩＤＴ１７ａが励振する弾性表面波の波長λはＩＤＴ１７ａの電極指のピッチの２倍に相当する。弾性表面波が実施例１に係る弾性波デバイスの機能に寄与する弾性波である。なお、ＩＤＴ１７ａが励振する弾性波は、弾性境界波またはラブ波でもよい。
支持基板１０と圧電基板１２とは常温接合されている。支持基板１０と圧電基板１２との常温接合の方法の例を説明する。まず、支持基板１０の上面および圧電基板１２の下面に、不活性ガスのイオンビーム、中性ビーム、またはプラズマを照射する。これにより、支持基板１０の上面および圧電基板１２の下面に数ｎｍ以下のアモルファス層が形成される。アモルファス層の表面には未結合の結合手が生成される。未結合の結合手の存在により、支持基板１０の上面および圧電基板１２の下面は活性化された状態となる。支持基板１０の上面と圧電基板１２の下面の未結合の結合手同士が結合する。これにより、支持基板１０と圧電基板１２は、常温において接合される。接合された支持基板１０と圧電基板１２との間には、アモルファス層１４が一体化して配置される。アモルファス層１４は、例えば１ｎｍから８ｎｍの厚さを有する。ここで、常温とは、１００℃以下かつ−２０℃以上であり、好ましくは８０℃以下かつ０℃以上である。
支持基板１０と圧電基板１２とが常温で接合されることにより、支持基板１０および圧電基板１２に加わる応力を小さくできる。例えば、弾性波デバイスを使用するときに、弾性波デバイスには、常温より高い温度が加わる、また低い温度が加わる。常温接合された弾性波デバイスは、高温および低温の両方において熱応力を抑制できる。常温接合された弾性波デバイスは、高温（例えば１５０℃）と低温（例えば−６５℃）とを繰り返す温度サイクル試験において、基板の割れ等を抑制できる。常温で接合されたか否かは、残留応力の温度依存性により確かめることができる。すなわち、接合された温度において、残留応力が最も小さくなる。
タンタル酸リチウムの結晶方位Ｘ軸の線熱膨張係数は１６．１ｐｐｍ／℃である。このため、回転ＹカットＸ伝搬タンタル酸リチウム基板では弾性波の伝搬方向の線熱膨張係数が大きい。タンタル酸リチウム基板を用い弾性波デバイスを形成すると、タンタル酸リチウム基板が温度により膨張および収縮する。これにより、弾性波デバイスの共振周波数等の周波数温度依存性が大きくなる。図１の構造では、サファイア基板の線熱膨張係数は７．７ｐｐｍ／℃と小さい。これにより、支持基板１０が圧電基板の膨張および収縮を抑制する。よって、弾性波デバイスの周波数温度依存性が抑制できる。
支持基板１０がサファイア基板であり、圧電基板１２がタンタル酸リチウム基板の場合、弾性波デバイスの周波数温度特性を改善させるためには、特許文献１のように、支持基板１０厚さを圧電基板１２の３倍以上とすることになる。
圧電基板１２を支持基板１０に常温接合すると圧電基板１２と支持基板１０との界面は平坦になる。このため、ＩＤＴ１７ａが弾性表面波を励振したときに励振されるバルク波が圧電基板１２と支持基板１０との界面のアモルファス層１４において反射される。反射されたバルク波がＩＤＴ１７ａに達するとスプリアスとなる。
特許文献１のように、バルク波の反射に起因したスプリアスを抑制するためには、圧電基板１２の厚さをＩＤＴ１７ａが励振する弾性表面波の１０倍以上とすることになる。
弾性波デバイスの小型化のため、支持基板１０と圧電基板１２と合計の膜厚Ｔ１＋Ｔ２を小さくすることを考える。図２（ａ）および図２（ｂ）は、それぞれ膜厚Ｔ１＋Ｔ２が１５０μｍおよび１００μｍのときの支持基板１０の膜厚Ｔ１と圧電基板１２の膜厚Ｔ２を周波数に対し示した図である。バルク波に起因したスプリアスを抑制するため圧電基板１２の膜厚Ｔ２を弾性波の波長λの１０倍としている。支持基板１０をサファイア基板とし、圧電基板１２を４２°回転ＹカットＸ伝搬タンタル酸リチウム基板とし、ＳＨ波の音速を４０００ｍ／ｓとする。
図２（ａ）および図２（ｂ）に示すように、周波数が低くなるとＴ１＋Ｔ２に対するＴ１の割合が小さくなる。これにより、支持基板１０が圧電基板１２の膨張および収縮を抑制するという機能が妨げられる。例えば、特許文献１において示されているようにＴ２／Ｔ１＝１／３となる実線３０を示す。特許文献１によれば、実線３０より圧電基板１２の膜厚Ｔ２が大きければ、支持基板１０の機能が妨げられる。基板厚Ｔ１＋Ｔ２が１５０μｍのとき、弾性波の周波数が１０００ＭＨｚ以下とすると、支持基板１０が機能しなくなる。基板厚Ｔ１＋Ｔ２が１００μｍのとき、弾性波の周波数が１５００ＭＨｚ以下とすると、支持基板１０が機能しなくなる。このように、基板厚Ｔ１＋Ｔ２を小さくすると支持基板１０の機能を確保することが難しくなる。
以上のように、特許文献１のＴ１およびＴ２の範囲で基板厚を小さくすることは難しい。これは、圧電基板１２の膜厚Ｔ２を１０λ以下とすると界面で反射されたバルク波に起因したスプリアスが大きくなるためである。
界面で反射されたバルク波によるスプリアスは、特許文献２のように、支持基板１０と圧電基板１２をともにタンタル酸リチウム基板とした場合、特許文献３にように、支持基板１０と圧電基板１２とを常温接合せず間に媒質層を挿入した場合は生じない課題である。特許文献３には、ＳＨ波の高次の弾性波に起因したスプリアスについて記載されている。しかし、このスプリアスは主応答（ＳＨ波に起因した共振点および反共振点）の１．２倍から１．５倍の周波数に現れるものであり、主応答内またはごく近傍に生じる界面で反射されたバルク波に起因したスプリアスとは異なる。
発明者らの検討によると、圧電基板１２の膜厚Ｔ２をλ以下とすると、バルク波に起因したスプリアスが抑制されることがわかった。これは、特許文献１に記載された常識を覆すものである。以下、櫛形電極の弾性波デバイスの実用的な周波数である６００ＭＨｚから３０００ＭＨｚにおける検討結果について説明する。
以下の条件で、周波数に対するアドミッタンスをシミュレーションした。
支持基板１０：サファイア基板、厚さＴ１が無限大
圧電基板１２：４２°回転ＹカットＸ伝搬タンタル酸リチウム基板、膜厚Ｔ２が１０λ、１λ、０．８λおよび０．５λ
ＩＤＴ１７ａ：波長λが４μｍ、電極指のデュティ比（ライン／（ライン＋スペース））が５０％、対数が１２０対、開口長が３０λ
支持基板１０：サファイア基板、厚さＴ１が無限大
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ＩＤＴ１７ａ：波長λが４μｍ、電極指のデュティ比（ライン／（ライン＋スペース））が５０％、対数が１２０対、開口長が３０λ
図３（ａ）から図３（ｄ）は、周波数に対するアドミッタンスを示す図である。周波数は、規格化した周波数である。図３（ａ）に示すように、圧電基板１の膜厚Ｔ２が１０λでは、共振周波数より高い周波数において、バルク波に起因したスプリアス３２が観察される。図３（ｂ）に示すように、Ｔ２が１λでは、バルク波に起因したスプリアス３２はほとんど観察されない。図３（ｃ）および図３（ｄ）に示すように、Ｔ２が０．８λおよび０．５λでは、バルク波に起因したスプリアスは観察されない。このように、圧電基板１２の膜厚Ｔ２をλ以下とすることにより、界面におけるバルク波の反射に起因したスプリアスを抑制できる。さらに、Ｔ２が０．８λ以下ではスプリアスをさらに抑制できる。
次に、周波数に対する減衰量を以下の条件でシミュレーションした。
支持基板１０：サファイア基板、厚さＴ１が約１５２μｍ
圧電基板１２：４２°回転ＹカットＸ伝搬タンタル酸リチウム基板、膜厚Ｔ２が実施例１では０．６５λ、比較例１では８．７λ
ＩＤＴ１７ａ：波長λが４．６μｍ、電極指のデュティ比（ライン／（ライン＋スペース））が５０％、対数が１２０対、開口長が３０λ
支持基板１０：サファイア基板、厚さＴ１が約１５２μｍ
圧電基板１２：４２°回転ＹカットＸ伝搬タンタル酸リチウム基板、膜厚Ｔ２が実施例１では０．６５λ、比較例１では８．７λ
ＩＤＴ１７ａ：波長λが４．６μｍ、電極指のデュティ比（ライン／（ライン＋スペース））が５０％、対数が１２０対、開口長が３０λ
図４（ａ）および図４（ｂ）は、周波数に対する減衰量を示す図である。図４（ｂ）は図４（ａ）の拡大図である。図４（ａ）および図４（ｂ）に示すように、比較例１では反共振周波数より高い周波数領域においてスプリアスが生じている。実施例１ではスプリアスが生じていない。
このように、圧電基板１２の膜厚Ｔ２をλ以下とすると、バルク波に起因したスプリアスが抑制されることがわかった。この理由は明確ではないが、Ｔ２がλ以下では、バルク波の膜厚方向の伝搬が抑制されるためと考えられる。
図５（ａ）から図５（ｃ）は、それぞれ膜厚Ｔ１＋Ｔ２が１５０μｍ、１００μｍおよび５０μｍのときの支持基板１０の膜厚Ｔ１と圧電基板１２の膜厚Ｔ２を周波数に対し示した図である。圧電基板１２の膜厚Ｔ２を弾性波の波長λとしている。その他は図２（ａ）および図２（ｂ）と同じである。
図５（ａ）から図５（ｃ）に示すように、周波数が高くなるとＴ１＋Ｔ２に対するＴ１の割合が小さくなる。しかし、いずれの周波数においてもＴ２は実線３０以下である。すなわち、いずれの周波数のおいても支持基板１０が圧電基板１２の膨張および収縮を抑制するという機能が発揮できる。図５（ｃ）のように、Ｔ１＋Ｔ２が５０μｍであっても、スプリアスを抑制し、かつ支持基板１０の機能を確保できる。
Ｔ１＋Ｔ２が１５０μｍ程度のサンプルについて温度サイクル試験を行った。温度サイクル試験の条件は、室温、−６５℃、室温、＋１５０℃、室温を１サイクルとして、１０００サイクルである。以下に実施例１および比較例１の膜厚は以下である。
実施例１：Ｔ１＝１５２μｍ、Ｔ２＝３μｍ
比較例１：Ｔ１＝１１５μｍ、Ｔ２＝４０μｍ
チップサイズ：１．０４ｍｍ×０．８８ｍｍ（送信フィルタ）、１．０４ｍｍ×０．５０ｍｍ（受信フィルタ）
実施例１：Ｔ１＝１５２μｍ、Ｔ２＝３μｍ
比較例１：Ｔ１＝１１５μｍ、Ｔ２＝４０μｍ
チップサイズ：１．０４ｍｍ×０．８８ｍｍ（送信フィルタ）、１．０４ｍｍ×０．５０ｍｍ（受信フィルタ）
温度サイクル試験の結果、比較例１ではクラックが発生したが、実施例１では発生しなかった。これは、支持基板１０が薄くなると、支持基板１０にクラックが入りやすくなる。かつ圧電基板１２が厚いと圧電基板１２からの熱応力が大きくなるためである。
支持基板１０と圧電基板１２との界面におけるバルク波の反射の課題は、支持基板１０と圧電基板１２との材料が異なり（音響インピーダンスが異なり）、かつ常温接合している場合特有の課題である。圧電基板１２の膜厚Ｔ２がλ以下でこのバルク波に起因したスプリアス抑制される理由がバルク波の膜厚方向の伝搬が抑制されるためとすると、支持基板１０はサファイア基板以外であってもよく、圧電基板１２はタンタル酸リチウム基板以外であってもよい。
このように、支持基板１０の上面に支持基板１０と異なる材料からなる圧電基板１２が常温接合すると、界面で反射したバルク波に起因したスプリアスが発生する。実施例１によれば、圧電基板１２の厚さＴ２を櫛型電極が励振する弾性波（弾性表面波）の波長λ以下とする。これにより、界面で反射したバルク波に起因したスプリアスを抑制できる。
圧電基板１２の厚さＴ２は波長λの０．８倍以下が好ましく、０．５倍以下がより好ましい。なお、弾性波の波長λは、櫛型電極の電極指の平均ピッチ（ＩＤＴとしては電極指の平均ピッチの２倍）とすることができる。
支持基板１０としては、例えばシリコン基板、スピネル基板またはアルミナ基板を用いることができる。圧電基板１２としては、ニオブ酸リチウム基板、水晶基板またはランガサイト基板を用いることができる。例えばシリコンの線熱膨張係数は３．９ｐｐｍ／℃である。このため、圧電基板１２がタンタル酸リチウム基板のときに、支持基板１０をサファイア基板とすることで、弾性波デバイスの温度特性を改善できる。
支持基板１０をサファイア基板、圧電基板１２をタンタル酸リチウム基板とした場合、図５（ａ）のように支持基板１０と圧電基板１２と厚さの合計Ｔ１＋Ｔ２を１５０μｍ以下とすることができる。また、図５（ｂ）および図５（ｃ）のように、Ｔ１＋Ｔ２を１００μｍ以下または５０μｍ以下とすることもできる。
温度サイクル試験によるクラックを抑制するため、Ｔ２／Ｔ１は０．０７以下が好ましく、０．０５以下がより好ましく、０．０３以下が一層好ましい。
支持基板１０は複数の層を有していてもよい。すなわち、支持基板１０は、基板と基板上に形成された基板と材料が異なる層を有し、圧電基板１２は層の上面に常温接合されていてもよい。このとき、圧電基板１２は、基板および層とは異なる材料からなる。基板上に形成された層は複数でもよい。
圧電基板１２と支持基板１０とは、特開２０１１−２３３６５１号公報に記載されているようなイオン注入剥離法を用いる方法で接合されていてもよい。すなわち、圧電基板１２の表面に水素等のイオンを注入する。イオン注入した表面と支持基板１０とを常温接合する。その後、熱処理を行なう。これにより、圧電基板１２が表面の所望の厚さを残し剥離される。以上により、支持基板１０上に圧電基板１２が常温接合される。
実施例２は、実施例１の共振器をフィルタまたはデュプレクサに用いる例である。図６（ａ）は、実施例２に係るラダー型フィルタの回路図である。図６（ａ）に示すように、直列共振器Ｓ１からＳ４は入力端子Ｉｎと出力端子Ｏｕｔとの間に直列に接続されている。並列共振器Ｐ１からＰ３は入力端子Ｉｎと出力端子Ｏｕｔとの間に並列に接続されている。直列共振器Ｓ１からＳ４および並列共振器Ｐ１からＰ３の少なくとも１つを実施例１の共振器とすることができる。直列共振器および並列共振器の個数および接続は適宜設定できる。多重モードフィルタに実施例１の共振器を用いてもよい。
図６（ｂ）は、実施例２の変形例に係るマルチプレクサのブロック図である。図６（ｂ）に示すように、送信フィルタ８０は、共通端子Ａｎｔと送信端子Ｔｘとの間に接続されている。受信フィルタ８２は、共通端子Ａｎｔと受信端子Ｒｘとの間に接続されている。送信フィルタ８０は、送信端子Ｔｘから入力した信号のうち送信帯域の信号を共通端子Ａｎｔに通過させ、他の帯域の信号を抑圧する。受信フィルタ８２は、共通端子Ａｎｔから入力した信号のうち受信帯域の信号を通過させ、他の帯域の信号を抑圧する。送信フィルタ８０および受信フィルタ８２の少なくとも一方を実施例２のフィルタとすることができる。マルチプレクサとしてデュプレクサを例に説明したが、トリプレクサまたクワッドプレクサの少なくとも１つのフィルタを実施例６のフィルタとすることができる。
実施例３は、実施例１および２のラダー型フィルタを有するモジュールの例である。図７は、実施例３に係るモジュールを含むシステムのブロック図である。図７に示すように、システムは、モジュール５０、集積回路５２およびアンテナ５４を備えている。モジュール５０は、ダイプレクサ７０、スイッチ７６、デュプレクサ６０およびパワーアンプ６６を備えている。ダイプレクサ７０は、ローパスフィルタ（ＬＰＦ）７２およびハイパスフィルタ（ＨＰＦ）７４を備えている。ＬＰＦ７２は、端子７１と７３との間に接続されている。ＨＰＦ７４は、端子７１と７５との間に接続されている。端子７１はアンテナ５４に接続されている。ＬＰＦ７２は、アンテナ５４から送受信される信号のうち低周波信号を通過させ、高周波数信号を抑圧する。ＨＰＦ７４は、アンテナ５４から送受信される信号のうち高周波信号を通過させ、低周波数信号を抑圧する。
スイッチ７６は端子７３を複数の端子６１のうち１つの端子に接続する。デュプレクサ６０は、送信フィルタ６２および受信フィルタ６４を備えている。送信フィルタ６２は、端子６１と６３との間に接続されている。受信フィルタ６４は、端子６１と６５との間に接続されている。送信フィルタ６２は送信帯域の信号を通過させ、他の信号を抑圧する。受信フィルタ６４は、受信帯域の信号を通過させ、他の信号を抑圧する。パワーアンプ６６は、送信信号を増幅し、端子６３に出力する。ローノイズアンプ６８は端子６５に出力された受信信号を増幅する。
デュプレクサ６０の送信フィルタ６２および受信フィルタ６４の少なくとも一方に実施例２のフィルタを用いることができる。実施例３では、モジュールの例として、移動通信端末用のフロントエンドモジュールを例に説明したが、他の種類のモジュールでもよい。
以上、本発明の実施例について詳述したが、本発明はかかる特定の実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。
１０ 支持基板
１２ 圧電基板
１４ アモルファス層
１７ａ ＩＤＴ
１７ｂ 反射電極
１８ 一端子対共振子
１２ 圧電基板
１４ アモルファス層
１７ａ ＩＤＴ
１７ｂ 反射電極
１８ 一端子対共振子
Claims (7)
- 支持基板と、
前記支持基板の上面に接合され、前記支持基板と異なる材料からなる圧電基板と、
前記圧電基板の上面に形成され、ＳＨ波を励振する櫛型電極と、
前記支持基板と前記圧電基板との間に形成され、前記支持基板および前記圧電基板に接し、１ｎｍから８ｎｍの厚さを有するアモルファス層と、
を具備し、
前記圧電基板の厚さは前記ＳＨ波の波長未満であることを特徴とする弾性波デバイス。 - 支持基板と、
前記支持基板の上面に接合され、前記支持基板と異なる材料からなる圧電基板と、
前記圧電基板の上面に形成され、ＳＨ波を励振する櫛型電極と、
を具備し、
前記圧電基板の厚さは前記ＳＨ波の波長未満であり、
前記支持基板と前記圧電基板との残留応力は１００℃以下かつ−２０℃以上において最も小さい弾性波デバイス。 - 前記圧電基板は、タンタル酸リチウム基板であり、
前記支持基板は、サファイア基板であることを特徴とする請求項１または２記載の弾性波デバイス。 - 前記支持基板と前記圧電基板との合計の厚さは１５０μｍ以下であることを特徴とする請求項３記載の弾性波デバイス。
- 前記圧電基板の厚さは前記ＳＨ波の波長の０．８倍以下である請求項１から４のいずれか一項記載の弾性波デバイス。
- 前記櫛型電極を有するフィルタを含むことを特徴とする請求項１から５のいずれか一項記載の弾性波デバイス。
- 請求項６記載の前記フィルタを含むことを特徴とするモジュール。
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