JP6721202B2 - 弾性表面波デバイス用基板および疑似弾性表面波素子 - Google Patents

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Description

本開示は、弾性表面波デバイス用基板および疑似弾性表面波素子に関する。
弾性表面波デバイスは電気信号を弾性表面波に変換して信号処理を行うデバイスである。弾性表面波デバイス用基板として、圧電特性を有するタンタル酸リチウム、ニオブ酸リチウムなどの単結晶基板が用いられている。
特開平１１−８８１０７号公報 特開２００３−１１０３９０号公報 特開昭５８−１７６８０２号公報
本開示の弾性表面波デバイス用基板は、圧電性材料からなり、弾性表面波が伝搬する第１面と、第１面の反対に位置する第２面とを備え、下記（１）から（４）の少なくともいずれかを満足する。
（１）第２面は、算術平均粗さ（Ｒａ）が０．２μｍ〜０．４μｍであるとともに、算術平均粗さ（Ｒａ）と局部山頂の平均間隔（Ｓ）との関係がＲａ／Ｓ≧１１である。
（２）第２面は、算術平均粗さ（Ｒａ）が０．２μｍ〜０．４μｍであるとともに、算術平均粗さ（Ｒａ）と凹凸の平均間隔（Ｓｍ）との関係がＲａ／Ｓｍ≧６．７である。
（３）第２面は、最大高さ（Ｒｍａｘ）が２．５μｍ〜４．５μｍであるとともに、最大高さ（Ｒｍａｘ）と局部山頂の平均間隔（Ｓ）との関係がＲｍａｘ／Ｓ≧１３０である。
（４）第２面は、最大高さ（Ｒｍａｘ）が２．５μｍ〜４．５μｍであるとともに、最大高さ（Ｒｍａｘ）と凹凸の平均間隔（Ｓｍ）との関係がＲｍａｘ／Ｓｍ≧８０である。
＜弾性表面波デバイス用基板＞
以下、本開示の弾性表面波デバイス用基板について説明する。弾性表面波デバイス用基板は、タンタル酸リチウム、ニオブ酸リチウムなどの圧電特性を有する、圧電性材料基板からなる。本実施形態では、圧電性材料として、タンタル酸リチウム単結晶を用いた例について説明する。タンタル酸リチウム単結晶として、３６°Ｙ〜４６°Ｙタンタル酸リチウム単結晶は、弾性表面波デバイスの中でも、擬似弾性表面波デバイスに好適に用いられる。本実施形態では、基板として、４２°Ｙタンタル酸リチウム単結晶からなる擬似弾性表面波デバイス用基板について記載する。
本実施形態の弾性表面波デバイス用基板は、弾性表面波が伝搬する面である第１面と、この第１面の反対に位置する第２面とを備える。なお、弾性表面波デバイス用基板は、２つの主面を有する板状体であることから、第１面を第１主面、第２面を第２主面とも言い換えることができる。そして、本実施形態の弾性表面波デバイス用基板は、下記（１）〜（４）の少なくともいずれかを満足する。
（１）第２面が、算術平均粗さ（Ｒａ）が０．２μｍ〜０．４μｍであるとともに、算術平均粗さ（Ｒａ）と局部山頂の平均間隔（Ｓ）との関係がＲａ／Ｓ≧１１である。
（２）第２面が、算術平均粗さ（Ｒａ）が０．２μｍ〜０．４μｍであるとともに、算術平均粗さ（Ｒａ）と凹凸の平均間隔（Ｓｍ）との関係がＲａ／Ｓｍ≧６．７である。
（３）第２面が、最大高さ（Ｒｍａｘ）が２．５μｍ〜４．５μｍであるとともに、最大高さ（Ｒｍａｘ）と局部山頂の平均間隔（Ｓ）との関係がＲｍａｘ／Ｓ≧１３０である。
（４）第２面が、最大高さ（Ｒｍａｘ）が２．５μｍ〜４．５μｍであるとともに、最大高さ（Ｒｍａｘ）と凹凸の平均間隔（Ｓｍ）との関係がＲｍａｘ／Ｓｍ≧８０である。
本実施形態の弾性表面波デバイス用基板は、上述したように、第２面の幅方向（面に平行な方向）のパラメータである、局部山頂の平均間隔（Ｓ）、凹凸の平均間隔（Ｓｍ）に対して、第２面の高さ方向（面に垂直な方向）のパラメータである、算術平均粗さ（Ｒａ）、最大高さ（Ｒｍａｘ）が比較的大きい。
本実施形態の弾性表面波デバイス用基板は、弾性表面波フィルタに用いられる。弾性表面波フィルタでは、弾性表面波デバイス用基板の表面に励振用の入力電極および受信用の出力電極が形成される。そして、入力電極で表面弾性波を励振する際に発生したバルク波が第２面で反射されると、出力電極がスプリアス（設計上意図されない周波数成分）の原因となる反射波を受信してしまい、弾性表面波フィルタは所望の特性が得られなくなることから、弾性表面波デバイス用基板の第２面は、粗面化が行われている。第２面が粗面化されていると、バルク波は散乱され、出力電極で受信される反射波が低減されるため、反射波に起因するスプリアスが低減される。今般における弾性表面波デバイス用基板には、第２面からの反射波が少ないとともに、粗面化加工による欠陥や残留応力が少ないことが求められている。
本実施形態の弾性表面波デバイス用基板は、算術平均粗さ（Ｒａ）、最大高さ（Ｒｍａｘ）が比較的大きいため、第２面においてバルク波は散乱され、出力電極で受信される反射波が低減される。それゆえ、反射波に起因するスプリアスが低減される。また、局部山頂の平均間隔（Ｓ）、凹凸の平均間隔（Ｓｍ）が相対的に小さいため、粗面化加工における欠陥や残留応力が少ない。それゆえ、粗面化加工による欠陥や残留応力に起因する反りや割れが少ない。
また、局部山頂の平均間隔（Ｓ）が０．００１５μｍ〜０．０２５μｍであってもよい。また、凹凸の平均間隔（Ｓｍ）が０．０３μｍ〜０．０５μｍであってもよい。このような構成を満たすときには、さらに、第２面からの反射波が少なくなるとともに、粗面化加工による欠陥や残留応力が少なくなる。
本明細書において、最大高さ（Ｒｍａｘ）は、ＪＩＳ Ｂ ０６０１−１９８２に準拠したものである。算術平均粗さ（Ｒａ）、凹凸の平均間隔（Ｓｍ）、局部山頂平均間隔（Ｓ）は、ＪＩＳ Ｂ ０６０１：１９９４に準拠したものである。
本開示の弾性表面波デバイス用基板を備えて構成した疑似弾性表面波素子は、第２面からの反射波が少ないとともに、粗面化加工による欠陥や残留応力が少ない。
＜弾性表面波デバイス用基板の製造方法＞
弾性表面波デバイス用基板の製造方法の一例として、４２°Ｙタンタル酸リチウム単結晶からなる擬似弾性表面波デバイス用基板の製造方法について記載する。まず、チョクラルスキー（ＣＺ）法により、タンタル酸リチウム単結晶からなるインゴットを育成する。インゴットの育成の引き上げ方位は、最終的な擬似弾性表面波デバイス用基板の第１面および第２面（両面）の結晶方位と同じとする。なお、３８°Ｙなど、擬似弾性表面波デバイス用基板の両面の結晶方位と近い結晶方位であってもよい。
インゴットは、必要に応じて両面が所定の結晶方位となるように端面研削された後、擬似弾性表面波デバイス用基板の径と同様の径となるように円筒研削される。その後、所定の結晶方位の両面を有し、所定の厚みとなるように、マルチワイヤーソー等を用いてスライス加工を行う。
次に、スライス加工によって生じた反りを低減するとともに、第２面を所望の表面性状とするために、ラッピング加工を行う（ラッピング工程）。ラッピング工程後の第２面は、算術平均粗さ（Ｒａ）が０．１５μｍ〜０．３５μｍであり、算術平均粗さ（Ｒａ）と局部山頂の平均間隔（Ｓ）との関係がＲａ／Ｓ＜１１、または、算術平均粗さ（Ｒａ）と凹凸の平均間隔（Ｓｍ）との関係がＲａ／Ｓｍ＜６．７である。若しくは、最大高さ（Ｒｍａｘ）が２．０μｍ〜４．０μｍであり、最大高さ（Ｒｍａｘ）と局部山頂の平均間隔（Ｓ）との関係がＲｍａｘ／Ｓ＜１３０、または、最大高さ（Ｒｍａｘ）と凹凸の平均間隔（Ｓｍ）との関係がＲｍａｘ／Ｓｍ＜８０である。
ラッピング加工には、両面ラッピング装置を用いるとよく、例えば、鋳鉄定盤と、＃１０００〜＃２０００のＧＣ砥粒を含むスラリーを用いて、加工圧４．９ｋＰａ（＝５０ｇｆ／ｃｍ２）で加工する。加工条件は、所望の粗面形状が得られるものであれば、上記条件に限らず、適宜変更可能である。例えば、加工途中で加工圧を変更してもよいし、第１面と第２面を片面ずつ加工してもよい。
次に、エッチング工程を実施する。エッチング工程は、フッ化水素酸、硝酸、またはこれらの混酸をエッチャントとして行う。なお、このエッチング工程では、第２面が、算術平均粗さ（Ｒａ）が０．２μｍ〜０．４μｍであり、算術平均粗さ（Ｒａ）と局部山頂の平均間隔（Ｓ）との関係がＲａ／Ｓ≧１１、または、算術平均粗さ（Ｒａ）と凹凸の平均間隔（Ｓｍ）との関係がＲａ／Ｓｍ≧６．７となるようにエッチングを行う。若しくは、最大高さ（Ｒｍａｘ）が２．５μｍ〜４．５μｍであり、最大高さ（Ｒｍａｘ）と局部山頂の平均間隔（Ｓ）との関係がＲｍａｘ／Ｓ≧１３０、または、最大高さ（Ｒｍａｘ）と凹凸の平均間隔（Ｓｍ）との関係がＲｍａｘ／Ｓｍ≧８０となるようにエッチングを行う。なお、算術平均粗さ（Ｒａ）が０．２５μｍ〜０．３５μｍ、最大高さ（Ｒｍａｘ）が３．０μｍ〜４．０μｍとなるようにエッチングすることが特に好ましい。
エッチング条件は、例えば、フッ化水素酸と硝酸の混合比が体積比で１：１の混酸を用いて、７５℃〜８５℃で５０分から１２０分である。このようなエッチング条件では、タンタル酸リチウム単結晶からなる基板は、両面がそれぞれ約１μｍずつエッチングされる。上記エッチング条件によれば、局部山頂の平均間隔（Ｓ）は０．００１５μｍ〜０．０２５μｍ、凹凸の平均間隔（Ｓｍ）は０．０３μｍ〜０．０５μｍである。
次いで、ケミカルメカニカルポリッシング（ＣＭＰ）により、第１面をＣＭＰ研磨する。ＣＭＰ研磨の条件は、コロイダルシリカを研磨材とするスラリーを用いて、面圧荷重 ３０ｇ／ｃｍ２以上とし、第１面と研磨布を接触させ研磨を進める。このようなＣＭＰ研磨条件によれば、第２面の形状は、エッチング後の形状が維持される。
以下、本開示の弾性表面波デバイス用基板の実施例について説明する。高周波加熱式ＣＺ法単結晶育成炉を用い、直径１０８ｍｍ、長さ１００ｍｍの円筒型のタンタル酸リチウム単結晶を育成した。これを円筒研削装置で直径１００ｍｍに円筒研削し、さらにマルチワイヤーソーを用いてスライスし、結晶方位４２°Ｙ、厚さ４００μｍの基板を約１５０枚得た。ここで、得られた基板をラッピング装置により、＃１０００、＃１５００、＃２０００の砥粒を用いて、加工圧４．９ｋＰａで厚みが約２５０μｍとなるようにラッピングした。ラッピングされた基板は、フッ化水素酸と硝酸の混合比が体積比で１：１の混酸を用いて、７５℃〜８５℃で６０分〜９０分、エッチングを行った。
比較例として、実施例と同様な方法でスライス、ラッピングして得られた基板を、フッ化水素酸と硝酸の混合比が体積比で１：１の混酸を用いて、８０℃で３０分、エッチングした。
さらに、実施例および比較例の基板の第１面をＣＭＰ研磨した。ＣＭＰ研磨の条件は、粒径３０〜１２０ｎｍのコロイダルシリカを研磨材とするスラリーを用いて、面圧荷重８０〜５００ｇ／ｃｍ２とし、第１面と研磨布を接触させ研磨した。この際、得られた第１面の表面粗さＲａは、０．１〜０．２ｎｍの鏡面状態であった。上述した方法により、本実施例である試料Ｎｏ．１〜４と、比較例である試料Ｎｏ．５〜８とを得た。
得られた各試料の第２面における算術平均粗さ（Ｒａ）、最大高さ（Ｒｍａｘ）、局部山頂の平均間隔（Ｓ）、凹凸の平均間隔（Ｓｍ）の測定を、株式会社小坂研究所製の表面粗さ測定機ＳＥ１７００αで行った。
試料Ｎｏ．１は、算術平均粗さ（Ｒａ）が０．２μｍ〜０．４μｍであり、算術平均粗さ（Ｒａ）と局部山頂の平均間隔（Ｓ）との関係がＲａ／Ｓ≧１１であった。
試料Ｎｏ．２は、算術平均粗さ（Ｒａ）が０．２μｍ〜０．４μｍであり、算術平均粗さ（Ｒａ）と凹凸の平均間隔（Ｓｍ）との関係がＲａ／Ｓｍ≧６．７であった。
試料Ｎｏ．３は、最大高さ（Ｒｍａｘ）が２．５μｍ〜４．５μｍであり、最大高さ（Ｒｍａｘ）と局部山頂の平均間隔（Ｓ）との関係がＲｍａｘ／Ｓ≧１３０であった。
試料Ｎｏ．４は、最大高さ（Ｒｍａｘ）が２．５μｍ〜４．５μｍであり、最大高さ（Ｒｍａｘ）と凹凸の平均間隔（Ｓｍ）との関係がＲｍａｘ／Ｓｍ≧８０であった。
試料Ｎｏ．１に対応する比較例である試料Ｎｏ．５は、算術平均粗さ（Ｒａ）が０．２μｍ〜０．４μｍであり、算術平均粗さ（Ｒａ）と局部山頂の平均間隔（Ｓ）との関係がＲａ／Ｓ＜１１であった。
試料Ｎｏ．２に対応する比較例である試料Ｎｏ．６は、算術平均粗さ（Ｒａ）が０．２μｍ〜０．４μｍであり、算術平均粗さ（Ｒａ）と凹凸の平均間隔（Ｓｍ）との関係がＲａ／Ｓｍ＜６．７であった。
試料Ｎｏ．３に対応する比較例である試料Ｎｏ．７は、最大高さ（Ｒｍａｘ）が２．５μｍ〜４．５μｍであり、最大高さ（Ｒｍａｘ）と局部山頂の平均間隔（Ｓ）との関係がＲｍａｘ／Ｓ＜１３０であった。
試料Ｎｏ．４に対応する比較例である試料Ｎｏ．８は、最大高さ（Ｒｍａｘ）が２．５μｍ〜４．５μｍであり、最大高さ（Ｒｍａｘ）と凹凸の平均間隔（Ｓｍ）との関係がＲｍａｘ／Ｓｍ＜８０であった。
試料Ｎｏ．１〜４は、それぞれに対応する試料Ｎｏ．５〜８に対し、第２面からの反射波が少ないとともに、粗面化加工による欠陥や残留応力に起因すると思われる反りや割れが少なかった。

Claims (9)

  1. 圧電性材料からなり、弾性表面波が伝搬する第１面と、該第１面の反対に位置する第２面とを備え、
    該第２面は、算術平均粗さ（Ｒａ）が０．２μｍ〜０．４μｍであるとともに、算術平均粗さ（Ｒａ）と局部山頂の平均間隔（Ｓ）との関係がＲａ／Ｓ≧１１である、弾性表面波デバイス用基板。
  2. 圧電性材料からなり、弾性表面波が伝搬する第１面と、該第１面の反対に位置する第２面とを備え、
    該第２面は、算術平均粗さ（Ｒａ）が０．２μｍ〜０．４μｍであるとともに、算術平均粗さ（Ｒａ）と凹凸の平均間隔（Ｓｍ）との関係がＲａ／Ｓｍ≧６．７である、弾性表面波デバイス用基板。
  3. 圧電性材料からなり、弾性表面波が伝搬する第１面と、該第１面の反対に位置する第２面とを備え、
    該第２面は、最大高さ（Ｒｍａｘ）が２．５μｍ〜４．５μｍであるとともに、最大高さ（Ｒｍａｘ）と局部山頂の平均間隔（Ｓ）との関係がＲｍａｘ／Ｓ≧１３０である、弾性表面波デバイス用基板。
  4. 圧電性材料からなり、弾性表面波が伝搬する第１面と、該第１面の反対に位置する第２面とを備え、
    該第２面は、最大高さ（Ｒｍａｘ）が２．５μｍ〜４．５μｍであるとともに、最大高さ（Ｒｍａｘ）と凹凸の平均間隔（Ｓｍ）との関係がＲｍａｘ／Ｓｍ≧８０である、弾性表面波デバイス用基板。
  5. 前記局部山頂の平均間隔（Ｓ）が０．００１５μｍ〜０．０２５μｍである、請求項１または請求項３に記載の弾性表面波デバイス用基板。
  6. 前記凹凸の平均間隔（Ｓｍ）が０．０３μｍ〜０．０５μｍである、請求項２または請求項４に記載の弾性表面波デバイス用基板。
  7. 前記圧電性材料はタンタル酸リチウム単結晶である、請求項１乃至請求項６のいずれかに記載の弾性表面波デバイス用基板。
  8. ３６°Ｙ〜４６°Ｙタンタル酸リチウム単結晶である、請求項１乃至請求項７のいずれかに記載の弾性表面波デバイス用基板。
  9. 請求項１乃至請求項８のいずれかに記載の弾性表面波デバイス用基板を基体として備える、疑似弾性表面波素子。
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