JP6728349B2 - 複合基板、およびそれを用いた弾性波素子 - Google Patents
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Description
本実施形態の複合基板1は、図1に示すように、いわゆる貼り合せ基板であり、第1基板10と、第1基板10に接合された第2基板20とで構成される。ここで、図1(a)は複合基板1の上面図を示し、図1(b)は複合基板1の一部を破断した斜視図を示す。
そして、複合基板1は、図2に示す通りの複数の区画に区分され、その一区分それぞれが弾性波素子30となる。具体的には、複合基板1を各区画ごとに切り出し個片化して弾性波素子30とする。弾性波素子30は、第1基板10の上面に弾性表面波を励振するIDT電極31が形成されている。IDT電極31は電極指32を複数本有し、その配列方向に沿って弾性波が伝搬する。ここで、この配列方向は、第1基板10の圧電結晶のX軸と概ね平行である。
以下、2f帯のバルク波スプリアスを低減できる複合基板1の構成例について説明する。まず、第2基板20として、シリコンの面方位を(111)とし、オリフラの方位を通常の{110}から60°±15°の角度で回転させた方位としたものを用いる。なお、{110}は方位を示すものであり、(110)面と等価の面を総括して表示しているものではない。
材料:42°YカットX伝搬LiTaO3基板
オリフラ:圧電結晶のX軸と直交する方向
厚み:2μm
[IDT電極31]
材料:Al−Cu合金
(ただし、第1基板10との間には6nmのTiからなる下地層がある。)
厚さ(Al−Cu合金層):131.5nm
IDT電極31の電極指32:
(本数)200本
(ピッチ)0.791μm
(デューティー)0.65
(交差幅)20λ (λ=2×ピッチ)
[反射器]
材料:Al−Cu合金
(ただし、第1基板10との間には6nmのTiからなる下地層がある)
厚さ(Al−Cu合金層):131.5nm
反射電極指の本数:30本
反射電極指の交差幅:20λ (λ=2×ピッチ)
反射電極指のピッチ:0.791μm
[IDT電極31および反射器を覆う保護層]
材料:SiO2
厚さ:15nm
[第2基板20]
材料:シリコン単結晶
厚み:230μm
結晶方位:(111)
本実施形態の弾性波素子30として、第2基板20のオリフラ角を変更したモデルを作製しシミュレーションを行なった。また、比較例として第2基板20のシリコン基板を一般的に流通しているオリフラ方位としたものについてモデルを作製しシミュレーションを行なった。具体的には以下の通りである。
実施例2:オイラー角(φ、θ、ψ)=(−45、−54.7、30)
実施例3:オイラー角(φ、θ、ψ)=(−45、−54.7、45)
実施例4:オイラー角(φ、θ、ψ)=(−45、−54.7、60)
実施例5:オイラー角(φ、θ、ψ)=(−45、−54.7、75)
実施例6:オイラー角(φ、θ、ψ)=(−45、−54.7、90)
比較例1:オイラー角(φ、θ、ψ)=(−45、−54.7、0)
比較例1のオリフラ方位は{110}である。
2f帯のバルク波スプリアスを低減できる他の複合基板1の構成例について説明する。まず、第2基板20として、シリコンの面方位を(100)、(110)、(211)に変更し、オリフラの方位を通常の{110}とした。すなわち、シリコン結晶の{110}の法線と、圧電結晶のX軸とを一致させた。
実施例8:面方位(110),(φ、θ、ψ)=(−45,90、0)
実施例9:面方位(211),(φ、θ、ψ)=(−63.43,−65.9、18.4)
比較例2:面方位(113), (φ、θ、ψ)=(−45,−25.2、0)
実施例7〜9と比較例1、2との周波数に対するインピーダンス特性を図5に示す。図5において縦軸はインピーダンス(単位:°)であり、横軸は周波数(単位:MHz)を示す。図5は共振周波数、反共振周波数を含む広い周波数範囲の特性を示す図である。
2f帯のバルク波スプリアスを低減できる他の複合基板1の構成例について説明する。まず、第2基板30として、シリコンの面方位を(110)として、オリフラの方位を変更した。具体的には、実施例8からオイラー角のψを以下の通り変化させた。
実施例11:(φ、θ、ψ)=(−45,90、30)
実施例12:(φ、θ、ψ)=(−45,90、45)
実施例13:(φ、θ、ψ)=(−45,90、60)
実施例14:(φ、θ、ψ)=(−45,90、75)
実施例15:(φ、θ、ψ)=(−45,90、90)
実施例8および実施例10〜15の周波数に対するインピーダンス特性を図6に示す。図6において縦軸はインピーダンス(単位:°)であり、横軸は周波数(単位:MHz)を示す。図6は、図3(b)に相当する図であり、2f帯の特性を示すものである。
2f帯のバルク波スプリアスを低減できる他の複合基板1の構成例について説明する。まず、第2基板30として、シリコンの面方位を(100)として、オリフラの方位を変更した。具体的には、実施例7と同等のオイラー角のψを45°から以下の通り変化させた。
実施例17:(φ、θ、ψ)=(90,90、15)
実施例18:(φ、θ、ψ)=(90,90、30)
実施例19:(φ、θ、ψ)=(90,90、60)
実施例20:(φ、θ、ψ)=(90,90、75)
実施例21:(φ、θ、ψ)=(90,90、90)
実施例7および実施例16〜21の周波数に対するインピーダンス特性を図7に示す。図7において縦軸はインピーダンス(単位:°)であり、横軸は周波数(単位:MHz)を示す。図7は、図3(b)に相当する図であり、2f帯の特性を示すものである。
図8の結果から明らかなように、オイラー角(φ、θ、ψ)=(90、90、ψ0)の場合((100)面ψ0回転の場合)には、ψ0(すなわち、LT基板に対する回転角)を90°とすることでスプリアスを小さくすることができる。
同様に、オイラー角(φ、θ、ψ)=(135、90、ψ1)の場合((110)面ψ1回転の場合)には、ψ1を20°とすることでスプリアスを小さくすることができる。
さらに、オイラー角(φ、θ、ψ)=(135、54.7、ψ2)の場合((111)面ψ2回転の場合)には、ψ2を0°,120°とすることでスプリアスを小さくすることができる。
ここで、図8におけるスプリアス強度の強弱と上述の各実施例の各オイラー角におけるスプリアス強度の強弱とは一致していることについて説明する。
各実施例の結晶面のオイラー角を、0°〜180°の角度の範囲内で表示可能な等価な面は以下の通りである。実施例中のψの値をψxとすると、(111)面のオイラー角(φ、θ、ψx)は、実施例中では(−45、−54.7、ψx)であったが、それと等価な面は(135,54.7,ψx+120)となる。同様に、(110)面は、(135,90,ψx)、(210)面は、(116.57,65.9,ψx+180)、(113)面は、(135,25.2,ψx+180)となる。
例えば、Siの(111)面を用いる場合について検証すると、実施例4のオイラー角(φ、θ、ψ)=(−45、−54.7、60)は、0°〜180°の角度における等価な面は、オイラー角(φ、θ、ψ)=(135、54.7、120)であり、位相の小さい領域となっていることを確認できる。同様に比較例1のオイラー角(φ、θ、ψ)=(−45、−54.7、0)と等価な面(135、54.7、60)は位相特性がよくないことが確認できる。すなわち、図3と図8Jとの結果は一致している。
次に、Siの(100)面を用いる場合について検証すると、実施例7のオイラー角(φ、θ、ψ)=(90、90、−135)は、0°〜180°の角度における等価な面は、オイラー角(φ、θ、ψ)=(90、90、45)であり、比較例に比べると位相の小さい領域となっていることを確認できる。ただし、他の面に比べると、位相特性が特異的に改善されず、平均的であるが、その中でもψを15,75、100°とすることで(実施例17,20)位相特性が改善されていることが確認できる。すなわち、図7と図8Gとの結果は一致している。
さらに、Siの(110)面を用いる場合について検証すると、実施例7,8,14のオイラー角(φ、θ、ψ)=(−45、90、ψ)は、0°〜180°の角度における等価な面は、オイラー角(φ、θ、ψ)=(135、90、ψ)であり、実施例8(すなわち、ψ=0°)で最も位相の小さい領域となっていることを確認できる。すなわち、図6と図8Jとの結果は一致している。
なお、オイラー角において、最もスプリアスを低減できる組合せは、オイラー角(φ、θ、ψ)=(45、60、0),(135、60、0)である。ここで、Si結晶は立方晶であり、上記オイラー角と等価のオイラー角においても、基本的には同様にスプリアスを低減できることは言うまでもない。
次に、電極指のピッチやLT基板のカット角を変更した場合について同様にシミュレーションを行なった。具体的には、電極指32のピッチを0.8μmとし、その他の条件は同一とした(第1基板10として厚み2.2μmの42°カットのLT基板を用い、電極指32のDutyを0.5とした)場合について、第2基板20のオイラー角を振ってシミュレーションを行なった。また、LT基板のカット角を46°とし、その他の条件は同一とした(第1基板10として厚み2.2μmのLT基板を用い、電極指32のピッチを0.78μm、Dutyを0.5とした)場合について、第2基板20のオイラー角を振ってシミュレーションを行なった。
その結果、電極指のピッチやLT基板のカット角を変更しても位相を小さくできるオイラー角の傾向は同じであった。以上より、カット角や電極指ピッチに関わらず、第2基板のオイラー角を調整することでロスの発生を抑制できることが確認できた。
また、上述のSi結晶のオイラー角によるバルク波スプリアスの変動は、第1基板10(この例ではLT基板)とSi単結晶との界面に発生するバルク波振動モードが原因と考えられる。そのため、LT基板(第1基板10)とSi単結晶の界面付近の構成のみによってスプリアスの強度が変わり、LT基板(第1基板10)の厚み等に関わらず、上述の関係が成立するものと推察される。
10:第1基板
20:第2基板
30:弾性波素子
31:IDT電極
Claims (9)
- 圧電単結晶からなる第1基板と、
前記第1基板に接合されたシリコン単結晶からなる第2基板とを備え、
前記第2基板は、面方位が(111)であり、前記第1基板の前記圧電単結晶のX軸に平行な方向を当該第2基板のオイラー角(φ、θ、ψ)のψ=0°の方向として、ψを60°±15°若しくは−60°±15°の第1範囲内の角度としている、または、
前記第2基板は、面方位が(111)に等価な方位であり、前記第1基板の前記圧電単結晶のX軸に対する当該第2基板のオイラー角(φ、θ、ψ)のψを前記第1範囲と等価な範囲内の角度としている、複合基板。 - 圧電単結晶からなる第1基板と、
前記第1基板に接合されたシリコン単結晶からなる第2基板とを備え、
前記第2基板は、面方位が(111)であり、前記第1基板の前記圧電単結晶のX軸に対して、前記第2基板の{110}の法線が60°±15°若しくは−60°±15°の第1範囲内の角度で傾いている、または
前記第2基板は、面方位が(111)に等価な方位であり、前記第1基板の前記圧電単結晶のX軸に対する前記第2基板の{110}の法線の傾きの角度を前記第1範囲と等価な範囲内の角度としている、複合基板。 - 圧電単結晶からなる第1基板と、
前記第1基板に接合されたシリコン単結晶からなる第2基板とを備え、
前記第2基板は、面方位が(111)であり、前記第1基板の前記圧電単結晶のX軸に平行な方向を当該第2基板のオイラー角(φ、θ、ψ)のψ=0°の方向としてψを0°からずらした第1範囲内の角度としている、または
前記第2基板は、面方位が(111)に等価な方位であり、前記第1基板の前記圧電単結晶のX軸に対する当該第2基板のオイラー角(φ、θ、ψ)のψを前記第1範囲と等価な範囲内の角度としており、
前記第1基板および前記第2基板は、それぞれ複数の区画に個片化される前の状態のものであり、前記第1基板の外周と前記第2基板の外周とが揃っている、複合基板。 - 圧電単結晶からなる第1基板と、
前記第1基板に接合されたシリコン単結晶からなる第2基板とを備え、
前記第2基板は、面方位が(111)であり、前記第1基板の圧電単結晶のX軸に平行な方向を当該第2基板のオイラー角(φ、θ、ψ)のψ=0°の方向としてψを0°からずらした第1範囲内の角度としている、または
前記第2基板は、面方位が(111)に等価な方位であり、前記第1基板の前記圧電単結晶のX軸に対する当該第2基板のオイラー角(φ、θ、ψ)のψを前記第1範囲と等価な範囲内の角度としており、
前記第1基板のオリフラと前記第2基板のオリフラとが一致している、複合基板。 - 圧電単結晶からなる第1基板と、
前記第1基板に接合されたシリコン単結晶からなる第2基板とを備え、
前記第2基板は、面方位が(110)であり、前記第1基板の圧電単結晶のX軸に平行な方向を当該第2基板のオイラー角(φ、θ、ψ)のψ=0°の方向としてψを0°±15°の第1範囲内の角度としている、または
前記第2基板は、面方位が(110)に等価な方位であり、前記第1基板の前記圧電単結晶のX軸に対する当該第2基板のオイラー角(φ、θ、ψ)のψを前記第1範囲と等価な範囲内の角度としている、複合基板。 - 圧電単結晶からなる第1基板と、
前記第1基板に接合されたシリコン単結晶からなる第2基板とを備え、
前記第2基板は、面方位が(110)であり、前記第1基板の前記圧電単結晶のX軸に対して、前記第2基板の{110}の法線が0°±15°の第1範囲内の角度で傾いている、または
前記第2基板は、面方位が(110)に等価な方位であり、前記第1基板の前記圧電単結晶のX軸に対する前記第2基板の{110}の法線の傾きの角度を前記第1範囲と等価な範囲内の角度としている、複合基板。 - 圧電単結晶からなる第1基板と、
前記第1基板に接合されたシリコン単結晶からなる第2基板とを備え、
前記第2基板は、面方位が(211)であり、前記第1基板の圧電単結晶のX軸に平行な方向を当該第2基板のオイラー角(φ、θ、ψ)のψ=0°の方向としてψを18.4°としており、または
前記第2基板は、面方位が(211)に等価な方位であり、前記第1基板の前記圧電単結晶のX軸に対する当該第2基板のオイラー角(φ、θ、ψ)のψを面方位が(211)のときのψ=18.4°に等価な角度としている、複合基板。 - 前記第1基板と前記第2基板との接合面は、前記圧電単結晶の結晶面と前記シリコン単結晶の結晶面とが直接接触している、請求項1〜7のいずれかに記載の複合基板。
- 請求項1、2、5、6または7に記載の複合基板と、
前記複合基板の前記第1基板の上面に形成されたIDT電極と、を備える弾性波素子。
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