JP7136293B2 - 弾性波装置、弾性波装置パッケージ及びマルチプレクサ - Google Patents

弾性波装置、弾性波装置パッケージ及びマルチプレクサ Download PDF

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Description

本発明は、シリコンで構成される支持基板を有する弾性波装置、弾性波装置パッケージ、マルチプレクサ、高周波フロントエンド回路及び通信装置に関する。
従来、シリコンで構成される支持基板を用いた弾性波装置が種々提案されている。下記の特許文献１では、シリコンで構成される支持基板上に、有機接着層と圧電基板とを積層してなる弾性波装置が開示されている。そして、シリコンで構成される支持基板の（１１１）面で接合させることにより耐熱性を高めている。
特開２０１０－１８７３７３号公報
特許文献１では、シリコンで構成される支持基板の結晶方位によっては、支持基板内を伝搬するバルク波の音速が変化し、支持基板内を伝搬する高次モードの周波数位置がばらつく場合がある。そして、支持基板内を伝搬する高次モードの周波数位置がばらつくと、所望でない周波数位置に高次モードによる応答が発生してしまう可能性が高まってしまうという問題があった。
本発明の目的は、シリコンで構成される支持基板内を伝搬する高次モードの周波数位置がばらつき難い、弾性波装置を提供することにある。本発明の他の目的は、本発明の弾性波装置を有する、弾性波装置パッケージ、マルチプレクサ、高周波フロントエンド回路及び通信装置を提供することにある。
本発明は、シリコンで構成されている支持基板と、前記支持基板上に直接的または間接的に設けられており、対向し合う一対の主面を有する圧電体と、前記圧電体の少なくとも一方の前記主面上に直接的または間接的に設けられており、電極指ピッチで定まる波長がλであるＩＤＴ電極と、を備え、前記支持基板内を伝搬するバルク波の音速である下記の式（１）の音速ＶＳｉが、５５００ｍ／秒以上である、弾性波装置である。
ＶＳｉ＝（Ｖ１）１／２（ｍ／秒） …式（１）
式（１）におけるＶ１は、下記の式（２）の解である。
Ａｘ３＋Ｂｘ２＋Ｃｘ＋Ｄ＝０ …式（２）
式（２）において、Ａ、Ｂ、Ｃ及びＤは、それぞれ、下記の式（２Ａ）～（２Ｄ）で表される値である。
Ａ＝－ρ３ …式（２Ａ）
Ｂ＝ρ２（Ｌ１１＋Ｌ２２＋Ｌ３３） …式（２Ｂ）
Ｃ＝ρ（Ｌ２１ ２＋Ｌ２３ ２＋Ｌ３１ ２－Ｌ１１・Ｌ３３－Ｌ２２・Ｌ３３－Ｌ１１・Ｌ２２） …式（２Ｃ）
Ｄ＝２・Ｌ２１・Ｌ２３・Ｌ３１＋Ｌ１１・Ｌ２２・Ｌ３３－Ｌ３１ ２・Ｌ２２－Ｌ１１・Ｌ２３ ２－Ｌ２１ ２・Ｌ３３ …式（２Ｄ）
ただし、式（２Ａ）、式（２Ｂ）、式（２Ｃ）または式（２Ｄ）において、ρは２．３３１（ｇ／ｃｍ３）である。また、Ｌ１１、Ｌ２２、Ｌ３３、Ｌ２１、Ｌ３１及びＬ２３は、下記の式（３Ａ）～（３Ｆ）で表される値である。
Ｌ１１＝ｃ１１・ａ１ ２＋ｃ４４・ａ２ ２＋ｃ４４・ａ３ ２ …式（３Ａ）
Ｌ２２＝ｃ４４・ａ１ ２＋ｃ１１・ａ２ ２＋ｃ４４・ａ３ ２ …式（３Ｂ）
Ｌ３３＝ｃ４４・ａ１ ２＋ｃ４４・ａ２ ２＋ｃ１１・ａ３ ２ …式（３Ｃ）
Ｌ２１＝（ｃ１２＋ｃ４４）・ａ２・ａ１ …式（３Ｄ）
Ｌ３１＝（ｃ１２＋ｃ４４）・ａ１・ａ３ …式（３Ｅ）
Ｌ２３＝（ｃ４４＋ｃ１２）・ａ３・ａ２ …式（３Ｆ）
ただし、式（３Ａ）～（３Ｆ）において、ｃ１１、ｃ１２、ｃ４４は、それぞれ、ｃ１１＝１．６７４Ｅ＋１１（Ｎ／ｍ２）、ｃ１２＝６．５２３Ｅ＋１０（Ｎ／ｍ２）、ｃ４４＝７．９５７Ｅ＋１０（Ｎ／ｍ２）である。また、ａ１、ａ２及びａ３は、下記の式（４Ａ）～（４Ｃ）で表される値である。
ａ１＝ｃｏｓ（φ）・ｃｏｓ（ψ）－ｓｉｎ（φ）・ｃｏｓ（θ）・ｓｉｎ（ψ） …式（４Ａ）
ａ２＝ｓｉｎ（φ）・ｃｏｓ（ψ）＋ｃｏｓ（φ）・ｃｏｓ（θ）・ｓｉｎ（ψ） …式（４Ｂ）
ａ３＝ｓｉｎ（θ）・ｓｉｎ（ψ） …式（４Ｃ）
なお、式（４Ａ）～（４Ｃ）におけるφ，θ及びψは、前記支持基板の結晶方位（φ，θ，ψ）における、φ，θ，ψである。
本発明に係る弾性波装置のある特定の局面では、前記式（１）における前記Ｖ１は、前記式（２）の解Ｖ１、Ｖ２、Ｖ３のうち、最も小さい値である。これにより、高次モードの周波数位置をより一層効果的に安定させることができる。
本発明に係る弾性波装置の他の特定の局面では、前記圧電体の膜厚は３．５λ以下とされている。圧電体の膜厚を３．５λ以下にすることにより弾性波のエネルギー集中度を高めることができ、損失を低減することが可能となる。
本発明に係る弾性波装置のさらに他の特定の局面では、前記圧電体の膜厚は２．５λ以下とされている。圧電体の膜厚を２．５λ以下とすることによりデバイスの周波数温度係数（ＴＣＦ）の絶対値を小さくすることが可能となる。
本発明に係る弾性波装置のさらに他の特定の局面では、前記圧電体の膜厚は１．５λ以下とされている。圧電体の膜厚を１．５λ以下とすることにより電気機械結合係数を容易に調整することができる。
本発明に係る弾性波装置の他の特定の局面では、前記圧電体の膜厚は０．５λ以下とされている。圧電体の膜厚を０．５λ以下とすることで広い範囲で電気機械結合係数を容易に調整することが可能となる。
本発明に係る弾性波装置の別の特定の局面では、前記圧電体がタンタル酸リチウムからなる。
本発明に係る弾性波装置のさらに他の特定の局面では、前記支持基板を伝搬するバルク波の音速が、前記圧電体を伝搬する弾性波の音速よりも高い。この場合には、Ｑ値を高めることができる。
本発明に係る弾性波装置の別の特定の局面では、前記支持基板と前記圧電体との間に設けられており、かつ伝搬するバルク波の音速が、前記圧電体を伝搬する弾性波の音速よりも低い低音速材料からなる低音速材料層がさらに備えられている。この場合には、弾性波を圧電体内に効果的に閉じ込めることができる。低音速材料層を配置することで弾性波の音速が低下する。弾性波のエネルギーは、本質的に低音速な媒質に集中する。従って、圧電体内及び弾性波が励振されているＩＤＴ電極内への弾性波エネルギーの閉じ込め効果を高めることができる。その結果、低音速材料層が設けられていない場合に比べて、損失を低減し、Ｑ値を高めることができる。
本発明に係る弾性波装置の他の特定の局面では、前記低音速材料層の膜厚は２λ以下とされている。この場合には、低音速材料層としての低音速膜の膜厚を、２λ以下の範囲内で選択することにより、電気機械結合係数を容易に調整することができる。また、低音速膜の膜応力による弾性波装置の反りが低減される。従って、設計の自由度を高めることができる。また、取り扱いやすい、高品質な弾性波装置を提供できる。
本発明に係る弾性波装置のさらに他の特定の局面では、前記低音速材料層が酸化ケイ素からなる。
本発明に係る弾性波装置のさらに別の特定の局面では、前記圧電体がタンタル酸リチウムからなり、前記低音速材料層が酸化ケイ素からなる。
本発明に係る弾性波装置の他の特定の局面では、前記支持基板と前記低音速材料層との間に設けられており、かつ伝搬するバルク波の音速が前記圧電体を伝搬する弾性波の音速よりも高い高音速材料からなる高音速材料層がさらに備えられている。
本発明に係る弾性波装置のさらに他の特定の局面では、弾性波装置は、通過帯域が異なる複数の帯域通過型フィルタを有するマルチプレクサにおいて、少なくとも１つの他の帯域通過型フィルタよりも通過帯域が低い帯域通過型フィルタに用いられる。この場合には、少なくとも１つの他の帯域通過型フィルタの通過帯域を避けるように、弾性波装置における高次モードの周波数位置を外せばよい。それによって、他の帯域通過型フィルタの特性の劣化を効果的に抑制することができる。
本発明に係る弾性波装置の別の特定の局面では、前記支持基板の厚みが、１０λ以上、１８０μｍ以下であり、前記λが、１８μｍ以下である。この場合には、支持基板の厚みが１０λ以上であるため、高次モードの位相最大値を小さくすることができる。つまり、高次モードのレスポンスの強度を抑制するには、支持基板の厚みが１０λ以上であることが望ましい。また、支持基板の厚みが１８０μｍ以下の場合には、放熱性を高めることができ、かつ低背化を進めることができる。
本発明に係る弾性波装置のさらに他の特定の局面では、前記圧電体と、前記ＩＤＴ電極との間に設けられた誘電体層がさらに備えられている。この場合には、誘電体層の膜厚により共振子の比帯域を調整することが可能となる。従って、各通過帯域に求められる帯域幅に適した比帯域を選択することにより、フィルタ特性を向上することが可能となる。
本発明に係る弾性波装置のさらに他の特定の局面では、前記誘電体層が、酸化ケイ素または五酸化タンタルからなる。この場合には、弾性波装置の周波数温度特性を改善することができる。誘電体層を配置することにより、弾性波のエネルギー分布を変えることが可能となる。よって、デバイスの温度特性を調整することができる。
本発明に係る弾性波装置のさらに他の特定の局面では、前記誘電体層が、酸化ケイ素からなる。この場合には、弾性波を圧電体内に効果的に閉じ込めることができ、かつ周波数温度特性をより効果的に改善することができる。酸化ケイ素等の正の周波数温度特性を有する材料を配置することにより、周波数温度特性を改善することができる。また、酸化ケイ素は低音速な材料で一般的に弾性波のエネルギーは低音速な材料に集中するので、弾性波の閉じ込め効果を改善することが可能となる。
本発明に係る弾性波装置のさらに他の特定の局面では、前記支持基板上に設けられており、前記ＩＤＴ電極を囲む支持層と、前記支持層を覆っており、前記ＩＤＴ電極を囲む中空空間を構成しているカバー部材と、前記カバー部材上に設けられており、前記ＩＤＴ電極に電気的に接続されている複数の金属バンプとがさらに備えられている。この場合には、本発明に従ってＷＬＰ構造の弾性波装置を提供することができる。電極を囲む支持層とカバー部材とによりＩＤＴ電極を囲む中空空間を形成することができる。外側を樹脂で覆った場合でも中空空間を維持することができる。従って、弾性波の励振を阻害することはない。また、ＩＤＴ電極に接続された金属バンプが備えられているので、電気信号の取り出しができる。すなわち、この構成にすることによりウェハレベルでのパッケージング（ＷＬＰ）が可能となる。
本発明に係る弾性波装置のさらに他の特定の局面では、前記支持基板上に設けられており、前記ＩＤＴ電極を囲む支持層と、前記支持層を覆っており、前記ＩＤＴ電極を囲む中空空間を構成しており、無機材料からなるカバー部材とがさらに備えられており、前記支持層で囲まれた領域内において、前記支持基板を貫通している貫通電極と、前記貫通電極に電気的に接続されており、かつ前記支持基板の前記ＩＤＴ電極が設けられている側とは反対側の面に設けられている端子電極とが、前記支持基板に設けられており、前記貫通電極が、前記ＩＤＴ電極と前記端子電極とに電気的に接続されている。この場合には、カバー部材が無機材料からなり、高い強度を有するため、モールド耐性を高めることができる。また、前記支持基板の前記ＩＤＴ電極が設けられている側とは反対側の面に端子電極が設けられていることにより、カバー部材側に端子電極を設ける場合に比べて小型化を実現することができる。特にカバー部材の材料としての無機材料がシリコンである場合には、カバー部材と支持基板との線膨張係数差が小さいため、熱負荷時のクラックを抑制することができる。
本発明に係る弾性波装置パッケージのある広い局面では、複数の電極ランドが一方面に設けられたケース基板と、前記ケース基板に搭載されている、本発明に従って構成された弾性波装置とが備えられており、前記ＩＤＴ電極に電気的に接続される金属バンプが、前記弾性波装置に設けられており、前記金属バンプが、前記電極ランドに接合されており、前記弾性波装置を封止するように前記ケース基板上に設けられた封止樹脂層がさらに備えられている。この場合には、高い強度のケース基板を用いることにより、モールド耐性を高めることができる。また、ケース基板を多層基板とした場合には、ケース基板内にインダクタを内蔵することができる。金属バンプをＡｕで形成すると熱衝撃耐性が高くなる。
本発明に係る弾性波装置パッケージの他の広い局面では、複数の電極ランドが一方面に設けられたケース基板と、前記ケース基板に搭載されており、ＷＬＰ構造を有する本発明に従って構成された弾性波装置とが備えられており、前記複数の金属バンプが、前記ケース基板における前記複数の電極ランドに接合されており、前記弾性波装置を封止するように設けられた封止樹脂層がさらに備えられている。
本発明に係るマルチプレクサは、本発明に従って構成された弾性波装置を有する帯域通過型フィルタと、前記帯域通過型フィルタと一端同士が接続されている、少なくとも１つの他の帯域通過型フィルタとを備え、前記弾性波装置における高次モードの周波数位置が、前記少なくとも１つの他の帯域通過型フィルタの通過帯域外にある。この場合には、高次モードの存在による他の帯域通過型フィルタの特性劣化を折衝することが可能となる。
本発明に係る高周波フロントエンド回路は、本発明に従って構成された弾性波装置と、パワーアンプと、を備える。
本発明に係る通信装置は、本発明に従って構成された高周波フロントエンド回路と、ＲＦ信号処理回路とを備える。
本発明に係る弾性波装置、弾性波装置パッケージ、マルチプレクサ、高周波フロントエンド回路及び通信装置では、シリコンで構成される支持基板内を伝搬する高次モードの周波数位置のばらつきが生じ難い。
図１（ａ）及び図１（ｂ）は、本発明の第１の実施形態に係る弾性波装置の正面断面図及び第１の実施形態における弾性波装置の電極構造を示す模式的平面図である。 図２は、シリコンで構成される支持基板の結晶方位の定義を説明するための模式図である。 図３は、シリコンで構成される支持基板の結晶方位（φ，θ，ψ）＝（０°，０°，０°）のときの支持基板の結晶のＸ軸と、ＩＤＴ電極における電極指の延びる方向との関係を示す模式的平面図である。 図４は、本発明の第１の実施形態の弾性波装置の共振特性を示す図である。 図５は、シリコンで構成される支持基板上に酸化ケイ素膜及び圧電体が積層されている構造において、支持基板の結晶方位（φ，０°，０°）のφと、高次モードの音速との関係を示す図である。 図６は、シリコンで構成される支持基板上に圧電体が積層されている構造において、支持基板の結晶方位（φ，０°，０°）のφと、高次モードの音速との関係を示す図である。 図７は、シリコンで構成される支持基板の結晶方位（φ，０°，０°）のφと、支持基板を伝搬する遅い横波音速との関係を示す図である。 図８は、本発明のマルチプレクサの一例を説明するための回路図である。 図９は、第１の帯域通過型フィルタの通過特性と、第２の帯域通過型フィルタの通過特性とを示す図である。 図１０は、比較例における第１の帯域通過型フィルタの通過特性と、第２の帯域通過型フィルタの通過特性とを示す図である。 図１１は、シリコンで構成される支持基板上に圧電体が積層されている構造において、支持基板内を伝搬するバルク波の音速のうち最も遅い横波音速が、５５００ｍ／秒以上の場合の高次モードのエネルギー分布を示す図である。 図１２は、シリコンで構成される支持基板上に圧電体が積層されている構造において、支持基板内を伝搬するバルク波の音速のうち最も遅い横波音速が、５５００ｍ／秒よりも低い場合の高次モードのエネルギー分布を示す図である。 図１３は、シリコンで構成される支持基板の厚みと、高次モードの位相最大値（度）との関係を示す図である。 図１４は、本発明の第２の実施形態に係る弾性波装置の正面断面図である。 図１５は、本発明の第３の実施形態に係る弾性波装置の正面断面図である。 図１６は、第３の実施形態において、ＩＤＴ電極と圧電体との間の誘電体膜の膜厚（％：λに対する割合）と、比帯域（％）との関係を示す図である。 図１７は、本発明の第４の実施形態に係る弾性波装置パッケージの正面断面図である。 図１８は、本発明の第５の実施形態に係る弾性波装置パッケージの正面断面図である。 図１９は、本発明の第６の実施形態に係る弾性波装置の正面断面図である。 図２０は、本発明の第７の実施形態に係る弾性波装置パッケージの正面断面図である。 図２１は、本発明の第８の実施形態に係る弾性波装置の正面断面図である。 図２２は、弾性波装置におけるタンタル酸リチウム膜の膜厚とＱ値との関係を示す図である。 図２３は、弾性波装置におけるタンタル酸リチウム膜の膜厚と、周波数温度係数ＴＣＦとの関係を示す図である。 図２４は、弾性波装置におけるタンタル酸リチウム膜の膜厚と、音速との関係を示す図である。 図２５は、タンタル酸リチウム膜の膜厚と、比帯域との関係を示す図である。 図２６は、酸化ケイ素膜の膜厚と、音速と、高音速膜の材質との関係を示す図である。 図２７は、酸化ケイ素膜の膜厚と、電気機械結合係数と、高音速膜の材質との関係を示す図である。 図２８は、本発明に係る通信装置及び高周波フロントエンド回路を説明するための概略構成図である。
以下、図面を参照しつつ、本発明の具体的な実施形態を説明することにより、本発明を明らかにする。
なお、本明細書に記載の各実施形態は、例示的なものであり、異なる実施形態間において、構成の部分的な置換または組み合わせが可能であることを指摘しておく。
図１（ａ）は、本発明の第１の実施形態に係る弾性波装置の正面断面図である。弾性波装置１は、シリコンで構成される支持基板２を有する。支持基板２は、結晶方位を有している単結晶構造である。なお、支持基板２は、結晶方位を有していれば、完全な単結晶構造でなくてもよい。さらに、支持基板２は、一部に不純物を含むものも含んでいてもよい。これは、第１の実施形態だけでなく、以下のすべての実施形態でも同様である。
支持基板２上に直接的に、低音速材料層としての低音速膜３が積層されている。低音速膜３として、ＳｉＯ２が好適に用いられる。もっとも、ＳｉＯ２以外の酸化ケイ素が用いられてもよい。なお、低音速膜３上に間接的に、圧電体４が積層されていてもよい。また、低音速膜３は必須ではない。
上記低音速膜３を構成している低音速材料とは、伝搬するバルク波の音速が、後述の圧電体を伝搬する弾性波の音速よりも低い材料をいうものとする。
低音速材料としては、酸化ケイ素、ガラス、酸窒化ケイ素、酸化タンタル、また、酸化ケイ素にフッ素や炭素やホウ素を加えた化合物など、上記材料を主成分とした媒質を用いることができる。
従って、低音速膜３として誘電体膜を用いてもよい。もっとも、ＬｉＴａＯ３やＬｉＮｂＯ３などの圧電単結晶が負の周波数温度特性を有するため、誘電体膜として、正の周波数温度特性を有する材料が好ましい。従って、酸化ケイ素や酸窒化ケイ素が好適に用いられる。
低音速膜３上に、圧電体４が積層されている。
圧電体４は、タンタル酸リチウムである。タンタル酸リチウムは、例えば、ＬｉＴａＯ３である。なお、圧電体としてＬｉＮｂＯ３などのニオブ酸リチウムを用いても良い。また、圧電体として、他の圧電単結晶や圧電セラミックスなどを用いてもよい。圧電体４は、前述した低音速膜３を介して支持基板２上に間接的に設けられている。圧電体４は、対向し合う一対の主面を有する。圧電体４の一方の主面上に、ＩＤＴ電極５と、反射器６，７とが設けられている。図１（ｂ）に示すように、弾性波装置１の電極構造は、上記ＩＤＴ電極５と反射器６，７とを有する。弾性波装置１は、１ポート型弾性波共振子である。
ＩＤＴ電極５は、圧電体４の少なくとも一方の主面上に直接的または間接的に設けられていればよい。本実施形態では、ＩＤＴ電極５は圧電体４の一方の主面としての上面に設けられているが、他方の主面としての下面に設けられていてもよい。
また、本実施形態のように、ＩＤＴ電極５は、圧電体４の上面に直接的に設けられていてもよいが、誘電体膜などを介して間接的に設けられていてもよい。また、ＩＤＴ電極５上に誘電体膜が形成されていてもよい。
なお、シリコンで構成される支持基板の結晶方位によって、支持基板２内を伝搬するバルク波の音速が変化する。支持基板２内を伝搬する高次モードの周波数位置がばらつくことは、本願発明者によって初めて見出された。本願発明は、この新しい知見に基づく。
そして、支持基板内を伝搬するバルク波の音速は、下記の式（１）～（４Ｃ）で表現され、かつシリコンで構成される支持基板の結晶方位（φ，θ，ψ）の値によって値が変わる。
ＶＳｉ＝（Ｖ１）１／２（ｍ／秒） …式（１）
上記式（１）におけるＶ１は、下記の式（２）の解である。
Ａｘ３＋Ｂｘ２＋Ｃｘ＋Ｄ＝０ …式（２）
式（２）において、Ａ、Ｂ、Ｃ及びＤは、それぞれ、下記の式（２Ａ）～（２Ｄ）で表される値である。
Ａ＝－ρ３ …式（２Ａ）
Ｂ＝ρ２（Ｌ１１＋Ｌ２２＋Ｌ３３） …式（２Ｂ）
Ｃ＝ρ（Ｌ２１ ２＋Ｌ２３ ２＋Ｌ３１ ２－Ｌ１１・Ｌ３３－Ｌ２２・Ｌ３３－Ｌ１１・Ｌ２２） …式（２Ｃ）
Ｄ＝２・Ｌ２１・Ｌ２３・Ｌ３１＋Ｌ１１・Ｌ２２・Ｌ３３－Ｌ３１ ２・Ｌ２２－Ｌ１１・Ｌ２３ ２－Ｌ２１ ２・Ｌ３３ …式（２Ｄ）
ただし、式（２Ａ）、式（２Ｂ）、式（２Ｃ）または式（２Ｄ）において、ρは、シリコンの密度である２.３３１（ｇ／ｃｍ３）である。また、Ｌ１１、Ｌ２２、Ｌ３３、Ｌ２１、Ｌ３１及びＬ２３は、下記の式（３Ａ）～（３Ｆ）で表される値である。
Ｌ１１＝ｃ１１・ａ１ ２＋ｃ４４・ａ２ ２＋ｃ４４・ａ３ ２ …式（３Ａ）
Ｌ２２＝ｃ４４・ａ１ ２＋ｃ１１・ａ２ ２＋ｃ４４・ａ３ ２ …式（３Ｂ）
Ｌ３３＝ｃ４４・ａ１ ２＋ｃ４４・ａ２ ２＋ｃ１１・ａ３ ２ …式（３Ｃ）
Ｌ２１＝（ｃ１２＋ｃ４４）・ａ２・ａ１ …式（３Ｄ）
Ｌ３１＝（ｃ１２＋ｃ４４）・ａ１・ａ３ …式（３Ｅ）
Ｌ２３＝（ｃ４４＋ｃ１２）・ａ３・ａ２ …式（３Ｆ）
ただし、式（３Ａ）～（３Ｆ）において、ｃ１１、ｃ１２、ｃ４４は、それぞれ、シリコンの弾性定数（Ｎ／ｍ２）であり、ｃ１１＝１．６７４Ｅ＋１１（Ｎ／ｍ２）、ｃ１２＝６．５２３Ｅ＋１０（Ｎ／ｍ２）、ｃ４４＝７．９５７Ｅ＋１０（Ｎ／ｍ２）である。また、ａ１、ａ２及びａ３は、下記の式（４Ａ）～（４Ｃ）で表される値である。
ａ１＝ｃｏｓ（φ）・ｃｏｓ（ψ）－ｓｉｎ（φ）・ｃｏｓ（θ）・ｓｉｎ（ψ） …式（４Ａ）
ａ２＝ｓｉｎ（φ）・ｃｏｓ（ψ）＋ｃｏｓ（φ）・ｃｏｓ（θ）・ｓｉｎ（ψ） …式（４Ｂ）
ａ３＝ｓｉｎ（θ）・ｓｉｎ（ψ） …式（４Ｃ）
なお、式（４Ａ）～（４Ｃ）におけるφ，θ及びψは、シリコンで構成されている支持基板の結晶方位（φ，θ，ψ）における、φ，θ，ψである。
本実施形態の弾性波装置１の特徴は、シリコンで構成されている支持基板と、支持基板上に直接的または間接的に設けられており、対向し合う一対の主面を有する圧電体と、圧電体の少なくとも一方の主面上に直接的または間接的に設けられており、電極指ピッチで定まる波長がλであるＩＤＴ電極と、を有する弾性波装置において、上記式（１）の音速ＶＳｉが５５００ｍ／秒以上とされていることにある。それによって、以下に述べるように、高次モードの発生する周波数のばらつきを抑制することができる。従って、出てほしくない周波数位置に、高次モードによる応答が発生しにくい。
なお、弾性波装置をフィルタとして用いた場合には、弾性波装置の通過帯域外の高周波数側に不要波が発生する場合がある。そのため、通過帯域外の高周波数側に通過帯域を持つ他のフィルタ等に悪影響を与えてしまう等の問題も発生し得る。特に、圧電体と、支持基板との間に低音速材料層及び高音速材料層を積層した構造や、圧電体と高音速材料からなる支持基板との間に低音速材料層が積層されている構造を有する場合、上記高次モードの影響が問題となる。
これに対して、弾性波装置１をマルチプレクサにおける低周波数側フィルタとして用いた場合には、弾性波装置１の通過帯域外の高周波数側に不要波が発生しにくい。従って、高周波数側フィルタの特性劣化が生じ難い。
弾性波装置１の更なる特徴は、上記の式（２）を満たすｘの解Ｖ１、Ｖ２、Ｖ３（Ｖ１≦Ｖ２＜Ｖ３）の中で、最も小さい解をＶ１としたとき、ＶＳｉ＝（Ｖ１）１／２で表されるシリコンで構成される支持基板内を伝搬する遅い横波音速ＶＳｉが５５００ｍ／秒以上とされていることにある。
これにより、高次モードの応答をより一層効果的に抑制することができる。また、（Ｖ2）１／２が５５００ｍ／秒以上であるとより高次モードの発生が抑制できるためより好ましい。さらに、（Ｖ3）１／２が５５００ｍ／秒以上であるとより高次モードの発生が抑制できるためより好ましい。
シリコンで構成される支持基板の結晶方位（φ，θ，ψ）を、図２を参照して説明する。図２は、シリコンで構成される支持基板の結晶方位の定義を説明するための模式図である。図２のシリコンで構成される支持基板の結晶構造において、右ネジの回転方向を正とした場合、Ｚ－Ｘ－Ｚを回転軸とする。結晶方位（φ，θ，ψ）とは、１）（Ｘ，Ｙ，Ｚ）をＺ軸回りに「φ」回転し、（Ｘ１，Ｙ１，Ｚ１）とし、次に、２）（Ｘ１，Ｙ１，Ｚ１）をＸ１軸回りに「θ」回転し、（Ｘ２，Ｙ２，Ｚ２）とし、さらに３）（Ｘ２，Ｙ２，Ｚ２）をＺ２軸回りに「ψ」回転し、（Ｘ３，Ｙ３，Ｚ３）とした方位となる。
図３に示すように、弾性波装置１において、（φ，θ，ψ）＝（０°，０°，０°）のときにシリコン結晶のＸ軸と、ＩＤＴ電極５における電極指の延びる方向と直交する方向Ｘａとが同一方向となる。
ここでは、ＶＳｉは、支持基板内をＸａ方向に伝搬するバルク波の内、遅い横波の音速として計算している。
使用しているシリコンの結晶方位が例えば（φ，θ，ψ）＝（０°，０°，０°）の場合に、音速ＶＳｉを、上記式（１）により求めると、５８４３（ｍ／秒）となる。
シリコンの弾性定数ｃ１１、ｃ１２及びｃ４４は以下のように定義される値である。
弾性体の歪みＳと応力Ｔは比例関係にある。この比例関係は、以下の行列で表される。
Figure 0007136293000001
この式の比例定数（ｃｉｊ）が弾性定数と呼ばれている。弾性定数ｃｉｊは固体の属する結晶系によって決まる。例えば、シリコンでは、結晶の対称性から、以下の３つの独立な値で表現することができる。
シリコンの弾性定数（Ｎ／ｍ２）
Figure 0007136293000002
上述した弾性定数ｃ１１、ｃ１２及びｃ４４は、上記のようにして定義されるシリコンの弾性定数である。なお、シリコンの弾性定数ｃ１１＝１．６７４Ｅ＋１１（Ｎ／ｍ２）、ｃ１２＝６．５２３Ｅ＋１０（Ｎ／ｍ２）、ｃ４４＝７．９５７Ｅ＋１０（Ｎ／ｍ２）である（H. J. McSkimin, et al., "Measurement of the Elastic Constants of Silicon Single Crystals and Their Thermal Constants", Phys. Rev. Vol. 83, p.1080(L) (1951).）。また、シリコンの密度ρ＝２.３３１（ｇ／ｃｍ３）である。
以下、本発明の第１の実施形態に係る弾性波装置１において、高次モードの発生する周波数位置を安定とし得ることを説明する。
図４は、第１の実施形態に係る弾性波装置の共振特性を示す図である。なお、弾性波装置１の設計パラメータは、以下の通りとした。
支持基板２の結晶方位（φ，θ，ψ）は、（０°，０°，０°）とした。
低音速膜３の膜厚は、０．３５λとした。なお、λは、ＩＤＴ電極５における電極指ピッチで定まる波長である。
圧電体４の厚みは０．３０λとした。
ＩＤＴ電極５及び反射器６，７は、厚み０．０８λのＡｌ膜により形成した。波長λは１μｍで計算した。
上記設計パラメータにより、弾性波装置１として、音速３９００ｍ／秒帯に比帯域を有する１ポート型弾性波共振子を設計した。
図４に示すように、音速３９００ｍ／秒帯において、基本モードの応答が表れている。他方、５１００ｍ／秒帯に、高次モードの応答が表れている。
図５は、シリコンで構成される支持基板２の結晶方位（φ，０°，０°）において、φを変化させた場合の支持基板を伝搬する高次モードの音速の変化を示す図である。図５から明らかなように、φが０°以上、１５°以下の範囲内であれば、φが変化しても、高次モードの音速の変化が小さい。すなわち、φが０°以上、１５°以下の範囲内とすることが望ましく、それによって高次モードの音速の安定化を図ることができる。
他方、図６は、低音速膜３が除去されていることを除いては、上記構造と同じ構造における、φと、高次モードの音速との関係を示す図である。シリコンで構成される支持基板上に、圧電体が直接積層されている構造においては、図６に示すように、やはり、φが０°以上、１５°以下の範囲内であれば、高次モードの音速の安定化が図られることがわかる。従って、シリコンで構成される支持基板上に圧電体が直接積層されている構造においても、φは、０°以上、１５°以下であることが望ましい。
図７は、シリコンで構成される支持基板の結晶方位（φ，０°，０°）におけるφと、支持基板内を伝搬するバルク波の音速のうち最も遅い横波音速との関係を示す図である。図７から明らかなように、φ＝１５°のときに、支持基板内を伝搬するバルク波の音速のうち最も遅い横波音速は５５００ｍ／秒となる。従って、φを１５°以下とするには、支持基板内を伝搬するバルク波の音速のうち最も遅い横波音速を５５００ｍ／秒以上とすればよいことがわかる。
なお、φ＝０°の場合、支持基板内を伝搬するバルク波の音速のうち最も遅い横波音速は、５８４３ｍ／秒である。従って、遅い横波音速は、５５００ｍ／秒以上、５８４３ｍ／秒以下とすることが好ましい。それによって、高次モードの周波数位置の安定化をより一層効果的に図り得る。
図８は、本発明のマルチプレクサの一例を説明するための回路図である。マルチプレクサ２１では、第１～第３の帯域通過型フィルタ２２～２４の一端が共通接続されている。携帯電話機のＲＦ段などでは、このようなマルチプレクサ２１が、アンテナ端子２５に共通接続されている。
第１の帯域通過型フィルタ２２、第２の帯域通過型フィルタ２３及び第３の帯域通過型フィルタ２４の通過帯域は異なっている。いま、第１の帯域通過型フィルタ２２の通過帯域を通過帯域Ａとする。第２の帯域通過型フィルタ２３の通過帯域を通過帯域Ｂとする。そして、通過帯域Ａが、通過帯域Ｂより低い周波数域にあるとする。すなわち、Ａ＜Ｂである。
上記マルチプレクサ２１において、通過帯域Ａを１８５０～１９１５ＭＨｚ、通過帯域Ｂを２３００～２４００ＭＨｚとした。本発明の実施形態に係るマルチプレクサ２１では、シリコンで構成される支持基板を伝搬する遅い横波音速である音速ＶＳｉは、５８４３ｍ／秒とした。この場合、高次モードの発生する周波数位置は、２４６１ＭＨｚである。
いま、マルチプレクサ２１では、第１の帯域通過型フィルタ２２が、第１の実施形態の弾性波装置１を用いて構成されている。この第１の帯域通過型フィルタ２２の回路構成は特に限定されないが、ここでは、複数の弾性波装置１を有するラダー型フィルタが構成されている。すなわち、ラダー型フィルタの直列腕共振子及び並列腕共振子として、第１の実施形態の弾性波装置１と同様の構造を有するものが用いられている。
比較のために、第１の帯域通過型フィルタにおいて、直列腕共振子及び並列腕共振子として、支持基板内を伝搬するバルク波の音速のうち最も遅い横波音速である音速ＶＳｉが４６８１ｍ／秒としたことを除いては、上記マルチプレクサと同様にして、マルチプレクサを構成した。
図９は、本発明のマルチプレクサの実施形態における第１の帯域通過型フィルタ２２の通過特性と、第２の帯域通過型フィルタ２３の通過特性とを示す図である。また、図１０は、比較例における第１の帯域通過型フィルタの通過特性と、第２の帯域通過型フィルタの通過特性とを示す。図９及び図１０において、実線が第１の帯域通過型フィルタの通過特性を示す。破線が第２の帯域通過型フィルタの通過特性を示す。
図１０から明らかなように、比較例では、第２の帯域通過型フィルタの通過特性において、通過帯域内に矢印Ｃで示す大きなリップルが表れている。すなわち、通過帯域内における挿入損失が大きく悪化している。これは、第１の帯域通過型フィルタに用いられている弾性波装置の高次モードによる劣化と考えられる。
これに対して、図９では、第２の帯域通過型フィルタの通過特性において、通過帯域Ｂ内においてこのようなリップルは表れていない。第１の帯域通過型フィルタ２２に用いられている弾性波装置１では、高次モードの応答の周波数位置が通過帯域Ｂから外れている。そのため、第２の帯域通過型フィルタ２３の通過帯域Ｂにおける特性に影響を与えていない。
高次モードの発生する周波数は、マルチプレクサの設計において重要な項目である。そのため、高次モードの発生する周波数位置が安定であることが求められている。他方、高次モードの発生する周波数は、前述したように、支持基板内を伝搬するバルク波の音速のうち最も遅い音速を５５００ｍ／秒以上とすれば、非常に安定化させることができる。従って、前述した弾性波装置１を用いれば、マルチプレクサ２１において、第１の帯域通過型フィルタ２２に用いられている弾性波装置の高次モードの発生する周波数位置を容易に安定化することができる。また、高次モードの発生する周波数位置を、第２の帯域通過型フィルタ２３の通過帯域Ｂから確実に外すことが容易となる。
すなわち、通過帯域Ａを形成するフィルタにより発生する高次モードが通過帯域Ｂを避けた場合の例が図９である。この場合には通過帯域Ｂにおいて通過帯域Ａにおける減衰が十分大きいので、必要な高周波信号のほとんどを通過帯域Ｂに通過させることができる。一方、図１０のように通過帯域Ａを形成するフィルタにより発生する高次モードが通過帯域Ｂと重なった場合には、必要な高周波信号の一部が通過帯域Ａを構成するフィルタの方に流れてしまう。その結果、通過帯域Ｂを構成しているフィルタにおいて、上記高次モードと同じ周波数位置においてロスが発生し、フィルタ特性が劣化する。
なお、支持基板内を伝搬するバルク波の音速のうち最も遅い横波音速が５５００ｍ／秒以上であれば、高次モードの発生する周波数位置が安定化する理由は、以下の通りと考えられる。
図１１は、シリコンで構成される支持基板３１上に、圧電体３２が積層されている構造において、支持基板３１内を伝搬するバルク波の音速のうち最も遅い横波音速が、５５００ｍ／秒以上の場合の高次モードのエネルギー分布を示す図である。他方、図１２は、シリコンで構成される支持基板上に、圧電体が積層されている構造において、支持基板内を伝搬するバルク波の音速のうち最も遅い横波音速が、５５００ｍ／秒よりも低い場合の高次モードのエネルギー分布を示す図である。
図１１及び図１２において、破線は高次モードのエネルギー強度を示す。
図１１から明らかなように、支持基板３１内を伝搬するバルク波の音速のうち最も遅い横波音速が５５００ｍ／秒以上の場合には、高次モードは支持基板３１より上方の部分に閉じこもる。すなわち、圧電体３２に閉じこもることになる。従って、支持基板３１内には、高次モードはほぼ伝搬しなくなる。よって、支持基板３１内を伝搬するバルク波の音速のうち最も遅い横波音速の影響を、高次モードが受け難い。
これに対して、図１２に示すように、支持基板内を伝搬するバルク波の音速のうち最も遅い横波音速が５５００ｍ／秒よりも低い場合には、高次モードは圧電体内だけでなく、支持基板内においてもかなりのエネルギー強度で伝搬する。そのため、高次モードの発生する周波数位置は、支持基板内を伝搬するバルク波の音速のうち最も遅い横波音速の変化の影響を大きく受ける。
上記のように、支持基板内を伝搬するバルク波の音速のうち最も遅い横波音速が、５５００ｍ／秒以上と高ければ、遅い横波音速の変化による高次モードの周波数位置の変化が効果的に抑制される。
図１３は、第１の実施形態の弾性波装置において、シリコンで構成される支持基板の厚みと、高次モードの位相最大値との関係を示す図である。
高次モードのピークすなわち高次モードの位相最大値が、図１３における縦軸の値である。
図１３から明らかなように、支持基板の厚みが１０λ以上であれば、高次モードの位相最大値を小さくすることができる。さらに、支持基板の厚みが増加しても、高次モードの位相最大値がほぼ一定となる。従って、高次モードの強度を抑制するには、支持基板２の厚みは、１０λ以上であることが望ましい。
なお、支持基板２の厚みが厚くなりすぎると、放熱性が低下したり、低背化し難くなったりする。従って、高次モードを抑制する上では、特に限定されないが、支持基板２の厚みの上限は、上記理由により１８０μｍ以下とすることが望ましい。よって、好ましくは、支持基板２の厚みは、１０λ以上、１８０μｍ以下であり、この場合λは１８μｍ以下となる。
図１４は、本発明の第２の実施形態に係る弾性波装置の正面断面図である。
弾性波装置４１では、シリコンで構成される支持基板４２上に圧電体４４及びＩＤＴ電極４６がこの順序で積層されている。従って、第２の実施形態の弾性波装置４１は、第１の実施形態の弾性波装置１から低音速膜３を除去した構造に相当する。第２の実施形態の弾性波装置４１においても、支持基板４２内を伝搬するバルク波の音速である式（１）の音速ＶＳｉが、５５００ｍ／秒以上とされている。従って、第１の実施形態の弾性波装置１と同様に、シリコンで構成される支持基板内を伝搬する高次モードの周波数位置のばらつきが生じ難い。第２の実施形態の弾性波装置４１のように、本発明では、低音速膜は必須の構成ではない。
図１５は本発明の第３の実施形態に係る弾性波装置の正面断面図である。
弾性波装置４１Ａでは、シリコンで構成される支持基板４２上に、低音速材料層４３、圧電体４４、誘電体層としての誘電体膜４５、及びＩＤＴ電極４６がこの順序で積層されている。
低音速材料層４３は、低音速材料からなる。低音速材料は、伝搬するバルク波の音速が、圧電体４４を伝搬する弾性波の音速よりも低い材料である。このような材料としては、ＳｉＯ２などの酸化ケイ素、あるいは五酸化タンタルなどの誘電体を用いることができる。
すなわち、低音速材料層４３として、誘電体層が好適に用いられる。
圧電体４４は、第１の実施形態と同様に、ＬｉＴａＯ３からなるが、ＬｉＮｂＯ３などの他の圧電単結晶を用いてもよい。
ＩＤＴ電極４６は、適宜の金属もしくは合金からなる。
図１５では図示を省略しているが、弾性波装置４１Ａにおいても、ＩＤＴ電極の弾性波伝搬方向両側に反射器が設けられている。それによって、１ポート型弾性波共振子が構成されている。
なお、第１～第３の実施形態では、弾性波共振子につき説明したが、本発明の弾性波装置は、弾性波共振子に限らず、縦結合共振子型弾性波フィルタや他の電極構造を有する弾性波装置であってもよい。
図１６は、第３の実施形態において、ＩＤＴ電極４６と圧電体４４との間の誘電体膜４５の膜厚（％：λに対する割合）と、比帯域（％）との関係を示す図である。なお、λは、ＩＤＴ電極の電極指ピッチで定まる波長である。
図１６において、△は、誘電体膜が五酸化タンタルの場合の結果を示し、◇は、誘電体膜がＳｉＯ２である場合の結果を示す。
いずれの場合においても、誘電体膜の厚みを厚くすることにより、比帯域を狭くする方に調整し得ることがわかる。
図１７～図２０を参照して、本発明の第４、第５、第６及び第７の実施形態に係る弾性波装置及び弾性波装置パッケージの構造を説明する。
図１７に示すように、第４の実施形態の弾性波装置パッケージ５１は、シリコンで構成される支持基板５２、支持基板５２上に積層された圧電体５３、圧電体５３上に設けられたＩＤＴ電極５４を有する。ＩＤＴ電極５４を囲むように樹脂からなる支持層５５が設けられている。支持層５５上に、カバー部材５６が接合されている。それによって、中空空間Ｄが形成されている。そして、上記カバー部材５６上に端子電極５７ａ，５７ｂ及び金属バンプ５８ａ，５８ｂが設けられている。上記支持基板５２に、圧電体５３、ＩＤＴ電極５４、支持層５５、カバー部材５６、端子電極５７ａ，５７ｂ及び金属バンプ５８ａ，５８ｂを有する部分により、ＷＬＰ（Ｗａｆｅｒ Ｌｅｖｅｌ Ｐａｃｋａｇｅ）構造を有する素子部分が構成されている。金属バンプ５８ａ，５８ｂが、ケース基板５９の端子電極６０ａ，６０ｂに電気的に接続されている。そして、上記ＷＬＰ構造を有する素子部分の全体が封止樹脂層６１により封止されている。
図１８に示す弾性波装置パッケージ６５では金属バンプ５８ａと、金属バンプ５８ｂとで挟まれた空間Ｅに、封止樹脂層６１が至っていない。その他の点は、弾性波装置パッケージ６５は、弾性波装置パッケージ５１と同様である。
図１９に示す弾性波装置７１では、シリコンで構成される支持基板７２上に、低音速材料層７３及び圧電体７４がこの順序で積層されている。圧電体７４上にＩＤＴ電極７５が設けられている。本発明においては、ＩＤＴ電極７５を覆うように誘電体層７６がさらに設けられていてもよい。このような誘電体層７６を構成する誘電体材料は特に限定されない。例えば、酸化ケイ素などを用いることができる。
ＩＤＴ電極７５を囲むように支持層７７が設けられている。支持層７７上にカバー部材７８が接合されている。それによって、中空空間Ｄが設けられている。支持基板７２、低音速材料層７３及び圧電体７４を貫通するように、貫通電極としてのビア電極７９ａ，７９ｂが設けられている。ビア電極７９ａ，７９ｂは、ＩＤＴ電極７５に電気的に接続されている。また、支持基板７２の下面に端子電極８０ａ，８０ｂが設けられている。ビア電極７９ａ，７９ｂは、端子電極８０ａ，８０ｂに電気的に接続されている。このように、支持基板７２を貫通するビア電極７９ａ，７９ｂを用いて、外部と電気的に接続してもよい。
カバー部材７８は無機材料からなることが好ましい。この場合には、カバー部材が無機材料からなり、高い強度を有するため、モールド耐性を高めることができる。また、前記支持基板の前記ＩＤＴ電極が設けられている側とは反対側の面に端子電極が設けられていることにより、カバー部材側に端子電極を設ける場合に比べて小型化を実現することができる。特にカバー部材の材料としての無機材料がシリコンである場合には、カバー部材と支持基板との線膨張係数差が小さいため、熱負荷時のクラックを抑制することができる。
図２０に示すように、第７の実施形態としての弾性波装置パッケージ８１では、ケース基板８２の一方面に端子電極８３ａ，８３ｂが設けられている。このケース基板８２上に、弾性波装置８４が搭載されている。弾性波装置８４は、シリコンで構成される支持基板８５上に、低音速材料層８６及び圧電体８７、さらにＩＤＴ電極８８をこの順序で積層した構造を有する。圧電体８７上に、端子電極８９ａ，８９ｂが設けられている。端子電極８９ａ，８９ｂ上に金属バンプ９０ａ，９０ｂが設けられている。この金属バンプ９０ａ，９０ｂが、端子電極８３ａ，８３ｂに接合されている。そして、弾性波装置８４を覆うように、封止樹脂層９１が設けられている。
図２１は、本発明の第８の実施形態に係る弾性波装置の正面断面図である。
弾性波装置１０１では、シリコンで構成される支持基板２上に、低音速材料層１０２、高音速材料層１０３及び低音速材料層１０４が、この順序で積層されている。低音速材料層１０４上に、圧電体４が積層されている。
弾性波装置１０１のように、支持基板２と、圧電体４との間に、低音速材料層１０２，１０４及び高音速材料層１０３が積層されていてもよい。ここで、低音速材料層１０２，１０４は、低音速材料からなる。低音速材料とは、伝搬するバルク波の音速が、圧電体４のような圧電体を伝搬する弾性波の音速よりも低い材料である。また、高音速材料層１０３は、高音速材料からなる。高音速材料は、伝搬するバルク波の音速が、圧電体４のような圧電体を伝搬する弾性波の音速よりも高い材料である。上記低音速材料としては、酸化ケイ素や五酸化タンタルなどの誘電体が挙げられる。また、高音速材料としては、金属やシリコンの他、窒化アルミニウム、酸化アルミニウム、炭化ケイ素、窒化ケイ素、酸窒化ケイ素、サファイア、タンタル酸リチウム、ニオブ酸リチウム、水晶、アルミナ、ジルコニア、コ－ジライト、ムライト、ステアタイト、フォルステライト、マグネシア、ＤＬＣ膜もしくはダイヤモンドなどの材料、これらの材料を主成分とする媒質、これらの材料の混合物を主成分とする媒質などを挙げることができる。
なお、好ましくは、少なくとも１つの高音速材料層１０３と、圧電体４との間に少なくとも１つの低音速材料層が配置されていることが好ましい。それによって、弾性波を圧電体４内に効果的に閉じ込めることができる。また、支持基板２は、高音速材料からなる。従って、第１の実施形態のように、支持基板２上に、酸化ケイ素膜３が積層されている構造は、高音速材料からなる支持基板２と圧電体４との間に低音速材料層が位置している構成となる。従って、弾性波装置１においても、弾性波のエネルギーを、圧電体４内に効果的に閉じ込めることができる。
なお、本発明において、圧電体としては、ＬｉＮｂＯ３膜などの他の圧電単結晶膜を用いてもよい。圧電単結晶以外の圧電材料を用いてもよい。
図２２は、シリコンからなる高音速支持基板上に、厚み０．３５λのＳｉＯ２膜からなる低音速材料層としての低音速膜及びオイラー角（０°，１４０．０°，０°）のタンタル酸リチウムからなる圧電膜としてのＬｉＴａＯ３膜を積層した弾性波装置におけるＬｉＴａＯ３膜の膜厚と、Ｑ値との関係を示す図である。この図２２における縦軸は、共振子のＱ特性と比帯域（Δｆ）との積である。また、図２３は、ＬｉＴａＯ３膜の膜厚と、周波数温度係数ＴＣＦとの関係を示す図である。図２４は、ＬｉＴａＯ３膜の膜厚と音速との関係を示す図である。
図２２より、ＬｉＴａＯ３膜の膜厚が、３．５λ以下であることが好ましい。その場合には、３．５λを超えた場合に比べて、Ｑ値が高くなる。より好ましくは、Ｑ値をより高めるには、ＬｉＴａＯ３膜の膜厚は、２．５λ以下であることが望ましい。
また、図２３より、ＬｉＴａＯ３膜の膜厚が、２．５λ以下の場合、周波数温度係数ＴＣＦの絶対値を、上記膜厚が２．５λを超えた場合に比べて小さくすることができる。より好ましくは、ＬｉＴａＯ３膜の膜厚を２λ以下とすることが望ましく、その場合には、周波数温度係数ＴＣＦの絶対値が、１０ｐｐｍ／℃以下とされ得る。周波数温度係数ＴＣＦの絶対値を小さくするには、ＬｉＴａＯ３膜の膜厚を１．５λ以下とすることがさらに好ましい。
図２４より、ＬｉＴａＯ３膜の膜厚が１．５λを超えると、音速の変化が極めて小さい。
もっとも、図２５に示すように、ＬｉＴａＯ３膜の膜厚が、０．０５λ以上、０．５λ以下の範囲では、比帯域が大きく変化する。従って、電気機械結合係数をより広い範囲で調整することができる。よって、電気機械結合係数及び比帯域の調整範囲を広げるためには、ＬｉＴａＯ３膜の膜厚が、０．０５λ以上、０．５λ以下の範囲であることが望ましい。
図２６及び図２７は、ＳｉＯ２膜厚（λ）と、音速及び電気機械結合係数との関係をそれぞれ示す図である。ここでは、弾性波装置は、低音速膜及び高音速材料層としての高音速膜を有する。ＳｉＯ２からなる低音速膜の下方に、高音速膜として、窒化ケイ素膜、酸化アルミニウム膜及びダイヤモンドをそれぞれ用いた。高音速膜の膜厚は、１．５λとした。窒化ケイ素におけるバルク波の音速は６０００ｍ／秒であり、酸化アルミニウムにおけるバルク波の音速は６０００ｍ／秒であり、ダイヤモンドにおけるバルク波の音速は１２８００ｍ／秒である。図２６及び図２７に示すように、高音速膜の材質及びＳｉＯ２膜の膜厚を変更したとしても、電気機械結合係数及び音速はほとんど変化しない。特に、図２７よりＳｉＯ２膜の膜厚が、０．１λ以上、０．５λ以下では、高音速膜の材質の如何に関わらず、電気機械結合係数はほとんど変わらない。また、図２６よりＳｉＯ２膜の膜厚が、０．３λ以上、２λ以下であれば、高音速膜の材質の如何に関わらず、音速が変わらないことがわかる。従って、酸化ケイ素からなる低音速膜の膜厚は、２λ以下であることが好ましく、０．５λ以下であることがより好ましい。
上記弾性波装置は、高周波フロントエンド回路のデュプレクサなどとして用いることができる。この例を下記において説明する。
図２８は、高周波フロントエンド回路を有する通信装置の構成図である。なお、同図には、高周波フロントエンド回路２３０と、高周波フロントエンド回路２３０と接続される各構成要素とが図示されている。高周波フロントエンド回路２３０と接続される各構成要素としては、例えば、アンテナ素子２０２やＲＦ信号処理回路（ＲＦＩＣ）２０３が図示されている。高周波フロントエンド回路２３０及びＲＦ信号処理回路２０３は、通信装置２４０を構成している。なお、通信装置２４０は、電源、ＣＰＵやディスプレイを含んでいてもよい。
高周波フロントエンド回路２３０は、スイッチ２２５と、デュプレクサ２０１Ａ，２０１Ｂと、ローノイズアンプ回路２１４，２２４と、フィルタ２３１，２３２と、パワーアンプ回路２３４ａ，２３４ｂ，２４４ａ，２４４ｂとを備える。なお、図２８の高周波フロントエンド回路２３０及び通信装置２４０は、高周波フロントエンド回路及び通信装置の一例であって、この構成に限定されるものではない。
デュプレクサ２０１Ａは、フィルタ２１１，２１２を有する。デュプレクサ２０１Ｂは、フィルタ２２１，２２２を有する。デュプレクサ２０１Ａ，２０１Ｂは、スイッチ２２５を介してアンテナ素子２０２に接続される。なお、上記弾性波装置は、デュプレクサ２０１Ａ，２０１Ｂであってもよいし、フィルタ２１１，２１２，２２１，２２２であってもよい。上記弾性波装置は、デュプレクサ２０１Ａ，２０１Ｂや、フィルタ２１１，２１２，２２１，２２２を構成する弾性波共振子であってもよい。さらに、上記弾性波装置は、例えば、３つのフィルタのアンテナ端子が共通化されたトリプレクサや、６つのフィルタのアンテナ端子が共通化されたヘキサプレクサなど、３以上のフィルタを備える構成についても適用することができる。
すなわち、上記弾性波装置は、弾性波共振子であってもよく、フィルタであってもよく、２以上のフィルタを備えるマルチプレクサであってもよい。
スイッチ２２５は、制御部（図示せず）からの制御信号に従って、アンテナ素子２０２と所定のバンドに対応する信号経路とを接続し、例えば、ＳＰＤＴ（Ｓｉｎｇｌｅ Ｐｏｌｅ Ｄｏｕｂｌｅ Ｔｈｒｏｗ）型のスイッチによって構成される。なお、アンテナ素子２０２と接続される信号経路は１つに限らず、複数であってもよい。すなわち、高周波フロントエンド回路２３０は、キャリアアグリゲーションに対応しているものであってもよい。
ローノイズアンプ回路２１４は、アンテナ素子２０２、スイッチ２２５及びデュプレクサ２０１Ａを経由した高周波信号（ここでは高周波受信信号）を増幅し、ＲＦ信号処理回路２０３へ出力する受信増幅回路である。ローノイズアンプ回路２２４は、アンテナ素子２０２、スイッチ２２５及びデュプレクサ２０１Ｂを経由した高周波信号（ここでは高周波受信信号）を増幅し、ＲＦ信号処理回路２０３へ出力する受信増幅回路である。
パワーアンプ回路２３４ａ，２３４ｂは、ＲＦ信号処理回路２０３から出力された高周波信号（ここでは高周波送信信号）を増幅し、デュプレクサ２０１Ａ及びスイッチ２２５を経由してアンテナ素子２０２に出力する送信増幅回路である。パワーアンプ回路２４４ａ，２４４ｂは、ＲＦ信号処理回路２０３から出力された高周波信号（ここでは高周波送信信号）を増幅し、デュプレクサ２０１Ｂ及びスイッチ２２５を経由してアンテナ素子２０２に出力する送信増幅回路である。
なお、フィルタ２３１，２３２は、ローノイズアンプ回路２１４，２２４及びパワーアンプ回路２３４ａ，２３４ｂ，２４４ａ，２４４ｂを介さず、ＲＦ信号処理回路２０３とスイッチ２２５との間に接続されている。フィルタ２３１，２３２も、デュプレクサ２０１Ａ，２０１Ｂと同様に、スイッチ２２５を介してアンテナ素子２０２に接続される。
ＲＦ信号処理回路２０３は、アンテナ素子２０２から受信信号経路を介して入力された高周波受信信号を、ダウンコンバートなどにより信号処理し、当該信号処理して生成された受信信号を出力する。また、ＲＦ信号処理回路２０３は、入力された送信信号をアップコンバートなどにより信号処理し、当該信号処理して生成された高周波送信信号をパワーアンプ回路２４４ａ，２４４ｂへ出力する。ＲＦ信号処理回路２０３は、例えば、ＲＦＩＣである。なお、通信装置は、ＢＢ（ベースバンド）ＩＣを含んでいてもよい。この場合、ＢＢＩＣは、ＲＦＩＣで処理された受信信号を信号処理する。また、ＢＢＩＣは、送信信号を信号処理し、ＲＦＩＣに出力する。ＢＢＩＣで処理された受信信号や、ＢＢＩＣが信号処理する前の送信信号は、例えば、画像信号や音声信号等である。なお、高周波フロントエンド回路２３０は、上述した各構成要素の間に、他の回路素子を備えていてもよい。
なお、高周波フロントエンド回路２３０は、上記デュプレクサ２０１Ａ，２０１Ｂに代わり、デュプレクサ２０１Ａ，２０１Ｂの変形例に係るデュプレクサを備えていてもよい。
以上、本発明の実施形態に係る弾性波装置、高周波フロントエンド回路及び通信装置について、上記実施形態を挙げて説明したが、上記実施形態における任意の構成要素を組み合わせて実現される別の実施形態や、上記実施形態に対して本発明の主旨を逸脱しない範囲で当業者が思いつく各種変形を施して得られる変形例や、本発明に係る高周波フロントエンド回路及び通信装置を内蔵した各種機器も本発明に含まれる。
本発明は、弾性波共振子、フィルタ、２以上のフィルタを備えるマルチプレクサ、高周波フロントエンド回路、及び携帯電話等の通信装置に広く利用できる。
１…弾性波装置
２…支持基板
３…酸化ケイ素膜
４…圧電体
５…ＩＤＴ電極
６，７…反射器
２１…マルチプレクサ
２２～２４…第１～第３の帯域通過型フィルタ
２５…アンテナ端子
３１…支持基板
３２…圧電体
３３…ＩＤＴ電極
４１，４１Ａ…弾性波装置
４２，５２…支持基板
４３…低音速材料層
４４，５３…圧電体
４５…誘電体膜
４６，５４…ＩＤＴ電極
５１…弾性波装置パッケージ
５５…支持層
５６…カバー部材
５７ａ，５７ｂ，６０ａ，６０ｂ…端子電極
５８ａ，５８ｂ…金属バンプ
５９…ケース基板
６１…封止樹脂層
６５…弾性波装置パッケージ
７１，８４…弾性波装置
７２，８５…支持基板
７３，８６…低音速材料層
７４，８７…圧電体
７５，８８…ＩＤＴ電極
７６…誘電体層
７７…支持層
７８…カバー部材
７９ａ，７９ｂ…ビア電極
８０ａ，８０ｂ，８３ａ，８３ｂ，８９ａ，８９ｂ…端子電極
８１…弾性波装置パッケージ
８２…ケース基板
９０ａ，９０ｂ…金属バンプ
９１…封止樹脂層
１０１…弾性波装置
１０２，１０４…低音速材料層
１０３…高音速材料層
２０１Ａ，２０１Ｂ…デュプレクサ
２０２…アンテナ素子
２０３…ＲＦ信号処理回路
２１１，２１２，２２１，２２２，２３１，２３２…フィルタ
２１４，２２４…ローノイズアンプ回路
２２５…スイッチ
２３０…高周波フロントエンド回路
２３４ａ，２３４ｂ，２４４ａ，２４４ｂ…パワーアンプ回路
２４０…通信装置

Claims (16)

  1. シリコンで構成されている支持基板と、
    前記支持基板上に間接的に設けられており、対向し合う一対の主面を有する圧電体と、
    前記圧電体の、前記支持基板側とは反対側の前記主面上に直接的または間接的に設けられており、電極指ピッチで定まる波長がλであるＩＤＴ電極と、
    を備え、
    前記支持基板内を伝搬するバルク波のうち、遅い横波の音速である下記の式（１）の音速ＶＳｉが、５５００ｍ／秒以上であり、
    前記支持基板と前記圧電体との間に設けられており、かつ伝搬するバルク波の音速が、前記圧電体を伝搬する弾性波の音速よりも低い低音速材料からなる低音速材料層と、
    前記支持基板と前記低音速材料層との間に設けられており、かつ伝搬するバルク波の音速が前記圧電体を伝搬する弾性波の音速よりも高い高音速材料からなる高音速材料層と、
    をさらに備え、
    前記低音速材料層の膜厚が０．１λ以上、２λ以下であり、
    前記圧電体の膜厚が０．０５λ以上、０．５λ以下である、弾性波装置。
    ＶＳｉ＝（Ｖ１）１／２（ｍ／秒） …式（１）
    式（１）におけるＶ１は、下記の式（２）の解である。
    Ａｘ３＋Ｂｘ２＋Ｃｘ＋Ｄ＝０ …式（２）
    式（２）において、Ａ、Ｂ、Ｃ及びＤは、それぞれ、下記の式（２Ａ）～（２Ｄ）で表される値である。
    Ａ＝－ρ３ …式（２Ａ）
    Ｂ＝ρ２（Ｌ１１＋Ｌ２２＋Ｌ３３） …式（２Ｂ）
    Ｃ＝ρ（Ｌ２１ ２＋Ｌ２３ ２＋Ｌ３１ ２－Ｌ１１・Ｌ３３－Ｌ２２・Ｌ３３－Ｌ１１・Ｌ２２） …式（２Ｃ）
    Ｄ＝２・Ｌ２１・Ｌ２３・Ｌ３１＋Ｌ１１・Ｌ２２・Ｌ３３－Ｌ３１ ２・Ｌ２２－Ｌ１１・Ｌ２３ ２－Ｌ２１ ２・Ｌ３３ …式（２Ｄ）
    ただし、式（２Ａ）、式（２Ｂ）、式（２Ｃ）または式（２Ｄ）において、ρは２．３３１（ｇ／ｃｍ３）である。また、Ｌ１１、Ｌ２２、Ｌ３３、Ｌ２１、Ｌ３１及びＬ２３は、下記の式（３Ａ）～（３Ｆ）で表される値である。
    Ｌ１１＝ｃ１１・ａ１ ２＋ｃ４４・ａ２ ２＋ｃ４４・ａ３ ２ …式（３Ａ）
    Ｌ２２＝ｃ４４・ａ１ ２＋ｃ１１・ａ２ ２＋ｃ４４・ａ３ ２ …式（３Ｂ）
    Ｌ３３＝ｃ４４・ａ１ ２＋ｃ４４・ａ２ ２＋ｃ１１・ａ３ ２ …式（３Ｃ）
    Ｌ２１＝（ｃ１２＋ｃ４４）・ａ２・ａ１ …式（３Ｄ）
    Ｌ３１＝（ｃ１２＋ｃ４４）・ａ１・ａ３ …式（３Ｅ）
    Ｌ２３＝（ｃ４４＋ｃ１２）・ａ３・ａ２ …式（３Ｆ）
    ただし、式（３Ａ）～（３Ｆ）において、ｃ１１、ｃ１２、ｃ４４は、それぞれ、ｃ１１＝１．６７４Ｅ＋１１（Ｎ／ｍ２）、ｃ１２＝６．５２３Ｅ＋１０（Ｎ／ｍ２）、ｃ４４＝７．９５７Ｅ＋１０（Ｎ／ｍ２）である。また、ａ１、ａ２及びａ３は、下記の式（４Ａ）～（４Ｃ）で表される値である。
    ａ１＝ｃｏｓ（φ）・ｃｏｓ（ψ）－ｓｉｎ（φ）・ｃｏｓ（θ）・ｓｉｎ（ψ） …式（４Ａ）
    ａ２＝ｓｉｎ（φ）・ｃｏｓ（ψ）＋ｃｏｓ（φ）・ｃｏｓ（θ）・ｓｉｎ（ψ） …式（４Ｂ）
    ａ３＝ｓｉｎ（θ）・ｓｉｎ（ψ） …式（４Ｃ）
    なお、式（４Ａ）～（４Ｃ）におけるφ，θ及びψは、前記支持基板の結晶方位（φ，θ，ψ）における、φ，θ，ψである。
  2. シリコンで構成されている支持基板と、
    前記支持基板上に間接的に設けられており、対向し合う一対の主面を有する圧電体と、
    前記圧電体の、前記支持基板側とは反対側の前記主面上に直接的または間接的に設けられており、電極指ピッチで定まる波長がλであるＩＤＴ電極と、
    を備え、
    前記支持基板内を伝搬するバルク波のうち、遅い横波の音速である下記の式（１）の音速Ｖ Ｓｉ が、５５００ｍ／秒以上であり、
    前記支持基板と前記圧電体との間に設けられており、かつ伝搬するバルク波の音速が、前記圧電体を伝搬する弾性波の音速よりも低い低音速材料からなる低音速材料層と、
    前記支持基板と前記低音速材料層との間に設けられており、かつ伝搬するバルク波の音速が前記圧電体を伝搬する弾性波の音速よりも高い高音速材料からなる高音速材料層と、
    をさらに備え、
    前記低音速材料層が酸化ケイ素からなり、
    前記圧電体の膜厚が０．０５λ以上、０．５λ以下である、弾性波装置。
    Ｖ Ｓｉ ＝（Ｖ １ ） １／２ （ｍ／秒） …式（１）
    式（１）におけるＶ １ は、下記の式（２）の解である。
    Ａｘ ３ ＋Ｂｘ ２ ＋Ｃｘ＋Ｄ＝０ …式（２）
    式（２）において、Ａ、Ｂ、Ｃ及びＤは、それぞれ、下記の式（２Ａ）～（２Ｄ）で表される値である。
    Ａ＝－ρ ３ …式（２Ａ）
    Ｂ＝ρ ２ （Ｌ １１ ＋Ｌ ２２ ＋Ｌ ３３ ） …式（２Ｂ）
    Ｃ＝ρ（Ｌ ２１ ２ ＋Ｌ ２３ ２ ＋Ｌ ３１ ２ －Ｌ １１ ・Ｌ ３３ －Ｌ ２２ ・Ｌ ３３ －Ｌ １１ ・Ｌ ２２ ） …式（２Ｃ）
    Ｄ＝２・Ｌ ２１ ・Ｌ ２３ ・Ｌ ３１ ＋Ｌ １１ ・Ｌ ２２ ・Ｌ ３３ －Ｌ ３１ ２ ・Ｌ ２２ －Ｌ １１ ・Ｌ ２３ ２ －Ｌ ２１ ２ ・Ｌ ３３ …式（２Ｄ）
    ただし、式（２Ａ）、式（２Ｂ）、式（２Ｃ）または式（２Ｄ）において、ρは２．３３１（ｇ／ｃｍ ３ ）である。また、Ｌ １１ 、Ｌ ２２ 、Ｌ ３３ 、Ｌ ２１ 、Ｌ ３１ 及びＬ ２３ は、下記の式（３Ａ）～（３Ｆ）で表される値である。
    Ｌ １１ ＝ｃ １１ ・ａ １ ２ ＋ｃ ４４ ・ａ ２ ２ ＋ｃ ４４ ・ａ ３ ２ …式（３Ａ）
    Ｌ ２２ ＝ｃ ４４ ・ａ １ ２ ＋ｃ １１ ・ａ ２ ２ ＋ｃ ４４ ・ａ ３ ２ …式（３Ｂ）
    Ｌ ３３ ＝ｃ ４４ ・ａ １ ２ ＋ｃ ４４ ・ａ ２ ２ ＋ｃ １１ ・ａ ３ ２ …式（３Ｃ）
    Ｌ ２１ ＝（ｃ １２ ＋ｃ ４４ ）・ａ ２ ・ａ １ …式（３Ｄ）
    Ｌ ３１ ＝（ｃ １２ ＋ｃ ４４ ）・ａ １ ・ａ ３ …式（３Ｅ）
    Ｌ ２３ ＝（ｃ ４４ ＋ｃ １２ ）・ａ ３ ・ａ ２ …式（３Ｆ）
    ただし、式（３Ａ）～（３Ｆ）において、ｃ １１ 、ｃ １２ 、ｃ ４４ は、それぞれ、ｃ １１ ＝１．６７４Ｅ＋１１（Ｎ／ｍ ２ ）、ｃ １２ ＝６．５２３Ｅ＋１０（Ｎ／ｍ ２ ）、ｃ ４４ ＝７．９５７Ｅ＋１０（Ｎ／ｍ ２ ）である。また、ａ １ 、ａ ２ 及びａ ３ は、下記の式（４Ａ）～（４Ｃ）で表される値である。
    ａ １ ＝ｃｏｓ（φ）・ｃｏｓ（ψ）－ｓｉｎ（φ）・ｃｏｓ（θ）・ｓｉｎ（ψ） …式（４Ａ）
    ａ ２ ＝ｓｉｎ（φ）・ｃｏｓ（ψ）＋ｃｏｓ（φ）・ｃｏｓ（θ）・ｓｉｎ（ψ） …式（４Ｂ）
    ａ ３ ＝ｓｉｎ（θ）・ｓｉｎ（ψ） …式（４Ｃ）
    なお、式（４Ａ）～（４Ｃ）におけるφ，θ及びψは、前記支持基板の結晶方位（φ，θ，ψ）における、φ，θ，ψである。
  3. 前記低音速材料層の膜厚が０．１λ以上、２λ以下である、請求項２に記載の弾性波装置。
  4. 前記式（１）における前記Ｖ１は、前記式（２）の解Ｖ１、Ｖ２、Ｖ３のうち、最も小さい値である、請求項１～３のいずれか１項に記載の弾性波装置。
  5. 前記圧電体がタンタル酸リチウムからなる、請求項１～４のいずれか１項に記載の弾性波装置。
  6. 前記支持基板を伝搬するバルク波の音速が、前記圧電体を伝搬する弾性波の音速よりも高い、請求項１～５のいずれか１項に記載の弾性波装置。
  7. 前記圧電体がタンタル酸リチウムからなり、前記低音速材料層が酸化ケイ素からなる、請求項１～６のいずれか１項に記載の弾性波装置。
  8. 前記支持基板の厚みが、１０λ以上、１８０μｍ以下であり、
    前記λが、１８μｍ以下である、請求項１～７のいずれか１項に記載の弾性波装置。
  9. 前記圧電体と、前記ＩＤＴ電極との間に設けられた誘電体層をさらに備える、請求項１～８のいずれか１項に記載の弾性波装置。
  10. 前記誘電体層が、酸化ケイ素または五酸化タンタルからなる、請求項９に記載の弾性波装置。
  11. 前記誘電体層が、酸化ケイ素からなる、請求項１０に記載の弾性波装置。
  12. 前記支持基板上に設けられており、前記ＩＤＴ電極を囲む支持層と、
    前記支持層を覆っており、前記ＩＤＴ電極を囲む中空空間を構成しているカバー部材と、
    前記カバー部材上に設けられており、前記ＩＤＴ電極に電気的に接続されている複数の金属バンプと、
    をさらに備える、請求項１～１１のいずれか１項に記載の弾性波装置。
  13. 前記支持基板上に設けられており、前記ＩＤＴ電極を囲む支持層と、
    前記支持層を覆っており、前記ＩＤＴ電極を囲む中空空間を構成しており、無機材料からなるカバー部材と、
    をさらに備え、
    前記支持層で囲まれた領域内において、前記支持基板を貫通している貫通電極と、前記貫通電極に電気的に接続されており、かつ前記支持基板の前記ＩＤＴ電極が設けられている側とは反対側の面に設けられている端子電極とが、前記支持基板に設けられており、
    前記貫通電極が、前記ＩＤＴ電極と前記端子電極とに電気的に接続されている、請求項１～１１のいずれか１項に記載の弾性波装置。
  14. 複数の電極ランドが一方面に設けられたケース基板と、
    前記ケース基板に搭載されている、請求項１～１１のいずれか１項に記載の弾性波装置と、
    を備え、
    前記ＩＤＴ電極に電気的に接続される金属バンプが、前記弾性波装置に設けられており、
    前記金属バンプが、前記電極ランドに接合されており、
    前記弾性波装置を封止するように前記ケース基板上に設けられた封止樹脂層をさらに備える、弾性波装置パッケージ。
  15. 複数の電極ランドが一方面に設けられたケース基板と、
    前記ケース基板に搭載されている、請求項１２に記載の弾性波装置と、
    を備え、
    前記複数の金属バンプが、前記ケース基板における前記複数の電極ランドに接合されており、
    前記弾性波装置を封止するように設けられた封止樹脂層をさらに備える、弾性波装置パッケージ。
  16. 請求項１～１３のいずれか１項に記載の弾性波装置を有する帯域通過型フィルタと、
    前記帯域通過型フィルタと一端同士が接続されている、少なくとも１つの他の帯域通過型フィルタと、
    を備え、
    前記弾性波装置を有する前記帯域通過型フィルタの通過帯域が、前記少なくとも１つの他の帯域通過型フィルタの通過帯域より低い、マルチプレクサ。
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