JP7170402B2 - 接合基板、弾性表面波素子、弾性表面波素子デバイスおよび接合基板の製造方法 - Google Patents
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Description
この発明は、弾性表面波を利用した接合基板、弾性表面波素子、弾性表面波素子デバイスおよび接合基板の製造方法に関するものである。
携帯電話などの移動体通信機器の進化に伴い弾性表面波（Ｓｕｒｆａｃｅ Ａｃｏｕｓｔｉｃ Ｗａｖｅ：ＳＡＷ）デバイスについても高性能化が要求されている。特に高周波化、広帯域化のために高速、高結合のＳＡＷモード及び温度変化による通過帯域の移動を防止する優れた温度特性をもつＳＡＷ基板が要請されている。
さらに、漏洩弾性表面波（Ｌｅａｋｙ ＳＡＷ： ＬＳＡＷ等とも呼ばれる）、縦型漏洩弾性表面波（Ｌｏｎｇｉｔｕｄｉｎａｌ－ｔｙｐｅ Ｌｅａｋｙ ＳＡＷ： ＬＬＳＡＷ等とも呼ばれる）は、優れた位相速度を有しており、ＳＡＷデバイスの高周波化に有利な伝搬モードの一つである。しかし、大きな伝搬減衰を有している点で課題がある。
さらに、漏洩弾性表面波（Ｌｅａｋｙ ＳＡＷ： ＬＳＡＷ等とも呼ばれる）、縦型漏洩弾性表面波（Ｌｏｎｇｉｔｕｄｉｎａｌ－ｔｙｐｅ Ｌｅａｋｙ ＳＡＷ： ＬＬＳＡＷ等とも呼ばれる）は、優れた位相速度を有しており、ＳＡＷデバイスの高周波化に有利な伝搬モードの一つである。しかし、大きな伝搬減衰を有している点で課題がある。
例えば、特許文献１には、ニオブ酸リチウム基板表面付近にプロトン交換層を形成した後に、表層のみに逆プロトン交換層を形成することによって、ＬＬＳＡＷのバルク波放射に起因する損失を減少させようとする技術が提案されている。
非特許文献１、非特許文献２にもＬＬＳＡＷの低損失化の手法として、基板方位、電極膜厚の最適化が試みられている。
特許文献２には、ＳＡＷ伝搬基板と支持基板とを有機薄膜層によって接着したデバイスが記載されている。伝搬基板は例えば厚さ３０μｍのタンタル酸リチウム基板であり、これを厚さ３００μｍのガラス基板と厚さ１５μｍの有機接着剤によって貼り合わせている。
特許文献３にもタンタル酸リチウム基板（厚さ：１２５μｍ）と石英ガラス基板（厚さ：１２５μｍ）とを接着剤で貼り合せたＳＡＷデバイスが記載されている。
特許文献４にはタンタル酸リチウム基板と支持基板の接着について有機接着層を薄層化することにより温度特性が改善されると報告されている。
しかし、特許文献１～４に示された材料では、伝搬減衰が大きいという問題が十分に解決されていない。
本願発明者らは、非特許文献３～５において、水晶基板と、圧電基板との接合において伝搬減衰が低減されることを明らかにしている。
例えば、非特許文献３では、弾性表面波（ＳＡＷ）デバイスのために、ＳＴカット水晶とＬｉＴａＯ３（ＬＴ）の直接接合においてアモルファスＳｉＯ２（α－ＳｉＯ２）中間層を使用して接合している。
非特許文献４では、ＡＴカット水晶にＸカット３１°Ｙ伝搬タンタル酸リチウム、Ｘカット３６°Ｙ伝搬ニオブ酸リチウムを接合して電気機械結合係数を高めたＬＬＳＡＷが提案されている。
非特許文献５では、ＬｉＴａＯ３またはＬｉＮｂＯ３薄板と水晶基板との接合により縦型リーキー弾性表面波の高結合化が図られている。
例えば、非特許文献３では、弾性表面波（ＳＡＷ）デバイスのために、ＳＴカット水晶とＬｉＴａＯ３（ＬＴ）の直接接合においてアモルファスＳｉＯ２（α－ＳｉＯ２）中間層を使用して接合している。
非特許文献４では、ＡＴカット水晶にＸカット３１°Ｙ伝搬タンタル酸リチウム、Ｘカット３６°Ｙ伝搬ニオブ酸リチウムを接合して電気機械結合係数を高めたＬＬＳＡＷが提案されている。
非特許文献５では、ＬｉＴａＯ３またはＬｉＮｂＯ３薄板と水晶基板との接合により縦型リーキー弾性表面波の高結合化が図られている。
"ＧＨｚ－ｂａｎｄ ｓｕｒｆａｃｅ ａｃｏｕｓｔｉｃ ｗａｖ ｅ ｄｅｖｉｃｅｓ ｕｓｉｎｇ ｔｈｅ ｓｅｃｏｎｄ ｌｅａｋｙ ｍｏｄｅ" ， Ａｐｐｌ． Ｐｈｉｓ．，ｖｏｌ． ３６，ｎｏ９Ｂ，ｐｐ． ６０８３－６ ０８７，１９９７．
"ＬｉＮｂＯ３の縦波型漏洩弾性表面波の共振器特性－有限要素解 析結合法による解析"信学会基礎・境界ソサイエティ大会，Ａ－１９５，ｐ．１９６ ，１９９６．
"2016 International Conference on Electronics Packaging（ ＩＣＥＰ）"、発行所 The Japan Institute of Electronics Packaging、発行日 平成２８年４月２０日
"平成２７年度山梨大学工学部電気電子工学科卒業論文発表会要旨 集"、発行所 山梨大学工学部電気電子工学科、発行日 平成２８年２月１６日
"平成２７年度山梨大学工学部電気電子工学科卒業論文発表会"、 開催日 平成２８年２月１６日
従来、ＳＡＷとして漏洩弾性表面波（ＬＳＡＷ）、縦型漏洩弾性表面波（ＬＬＳＡＷとも呼ばれる）が提案されているが、高周波化を図る、より優れた方法として、高速な位相速度を有する縦型リーキーＳＡＷ（ＬＬＳＡＷ）の利用が注目されている。
従来、ＬＬＳＡＷでは、ＬｉＮｂＯ３（ＬＮ）薄板またはＬｉＴａＯ３（ＬＴ）薄板を、ＡＴカット４５°Ｘ伝搬水晶と接合させることにより、結合係数が単体基板に対し、２－３倍に増加することが明らかにされている。また、温度特性も単体と比べて向上することが報告されている。しかし、接合後の伝搬減衰が大きく、Ｑ値が小さいという課題がある。従来提案されている技術では、伝搬速度の改善は十分ではない。
従来、ＬＬＳＡＷでは、ＬｉＮｂＯ３（ＬＮ）薄板またはＬｉＴａＯ３（ＬＴ）薄板を、ＡＴカット４５°Ｘ伝搬水晶と接合させることにより、結合係数が単体基板に対し、２－３倍に増加することが明らかにされている。また、温度特性も単体と比べて向上することが報告されている。しかし、接合後の伝搬減衰が大きく、Ｑ値が小さいという課題がある。従来提案されている技術では、伝搬速度の改善は十分ではない。
本発明は、上記事情を背景としてなされたものであり、伝搬減衰の小さい接合基板、弾性表面波素子、弾性表面波素子デバイスを提供することを目的とする。
本発明の接合基板のうち、第１の形態は、結晶Ｘ軸と交差する角度でカットされた水晶基板と、前記水晶基板上に積層された圧電基板とを有し、前記水晶基板のカット角度が、結晶Ｘ軸に対し、８５～９５度の範囲の角度を有し、
前記水晶基板が、結晶Ｙ方向側に弾性表面波伝搬方向が設定され、前記圧電基板が、前記伝搬方向に弾性表面波伝搬方向が設定されており、
前記水晶基板の弾性表面波伝搬方向が、結晶Ｙ軸に対し１５～５０度の角度を有し、
前記圧電基板が、Ｘカットニオブ酸リチウムまたはＸカットタンタル酸リチウムである。
前記水晶基板が、結晶Ｙ方向側に弾性表面波伝搬方向が設定され、前記圧電基板が、前記伝搬方向に弾性表面波伝搬方向が設定されており、
前記水晶基板の弾性表面波伝搬方向が、結晶Ｙ軸に対し１５～５０度の角度を有し、
前記圧電基板が、Ｘカットニオブ酸リチウムまたはＸカットタンタル酸リチウムである。
他の形態の接合基板の発明は、他の形態の発明において、前記圧電基板が、Ｘカット３１°Ｙ伝搬タンタル酸リチウムまたはＸカット３６°Ｙ伝搬ニオブ酸リチウムである。
他の形態の接合基板の発明は、他の形態の発明において、前記圧電基板は、弾性表面波の波長λに対し、厚さｈが、０．０２～０．１１λの関係を有する。
他の形態の接合基板の発明は、他の形態の発明において、前記圧電基板が縦型漏洩弾性表面波を励起するためのものであることを特徴とする。
他の形態の接合基板の発明は、他の形態の発明において、弾性表面波伝搬減衰量が、弾性表面波の波長λに対し、０．１ｄＢ／λ以下である。
本発明の弾性表面波素子のうち、第１の形態は、前記接合基板の発明の形態のいずれかの接合基板における圧電基板の主面上に、少なくとも１つの櫛型電極を備えている。
他の形態の弾性表面波素子デバイスの発明は、前記形態の弾性表面波素子がパッケージに封止されていることを特徴とする。
本発明の接合基板の製造方法のうち、第１の形態は、水晶基板と圧電基板とが接合された接合基板の製造方法であって、
水晶の結晶Ｘ軸と８５～９５度の範囲で交差する角度で前記水晶をカットして水晶基板を用意し、前記水晶基板に結晶Ｙ軸に対し１５～５０度の角度を有するように弾性表面波伝搬方向を設定し、前記伝搬方向に合わせて弾性表面波伝搬方向が設定され、Ｘカットニオブ酸リチウムまたはＸカットタンタル酸リチウムからなる圧電基板を用意して前記水晶基板に積層して、直接または中間層を介して前記水晶基板と前記圧電基板とを接合する。
水晶の結晶Ｘ軸と８５～９５度の範囲で交差する角度で前記水晶をカットして水晶基板を用意し、前記水晶基板に結晶Ｙ軸に対し１５～５０度の角度を有するように弾性表面波伝搬方向を設定し、前記伝搬方向に合わせて弾性表面波伝搬方向が設定され、Ｘカットニオブ酸リチウムまたはＸカットタンタル酸リチウムからなる圧電基板を用意して前記水晶基板に積層して、直接または中間層を介して前記水晶基板と前記圧電基板とを接合する。
他の形態の接合基板の製造方法の発明は、他の形態の発明において、水晶基板の接合面および圧電基板の接合面に、減圧下で紫外線を照射し、照射後に、水晶基板の接合面と圧電基板の接合面とを接触させ、水晶基板と圧電基板とに厚さ方向に加圧をして前記接合面同士を接合することを特徴とする。
他の形態の接合基板の製造方法の発明は、他の形態の発明において、前記加圧の際に、所定の温度に加熱をすることを特徴とする。
他の形態の接合基板の製造方法の発明は、他の形態の発明において、前記中間層がアモルファス層である。
以下に、本発明で規定する条件等について説明する。
水晶基板のカット角度：結晶Ｘ軸に対し、８５～９５度の角度
弾性表面波の伝搬における伝搬減衰率を小さくするために水晶基板のカット角度を定める。上記範囲を外れると、伝搬減衰率が増加するため、上記角度範囲を望ましいものとする。
水晶基板のカット角度：結晶Ｘ軸に対し、８５～９５度の角度
弾性表面波の伝搬における伝搬減衰率を小さくするために水晶基板のカット角度を定める。上記範囲を外れると、伝搬減衰率が増加するため、上記角度範囲を望ましいものとする。
水晶基板の弾性表面波伝搬方向：結晶Ｙ軸に対し１５～５０度の角度
水晶基板の伝搬方向を適切に定めることで、弾性表面波の伝搬減衰を小さくすることができ、結晶Ｙ軸に対し１５～５０度の角度内とするのが望ましい。上記範囲を外れると、伝搬減衰率が増加する。
水晶基板の伝搬方向を適切に定めることで、弾性表面波の伝搬減衰を小さくすることができ、結晶Ｙ軸に対し１５～５０度の角度内とするのが望ましい。上記範囲を外れると、伝搬減衰率が増加する。
圧電基板厚さ：弾性表面波の波長λに対し厚さｈが、０．０２～０．１１λ
圧電基板の厚さを適正に定めることで、伝搬減衰を小さくすることができる。厚さが上記規定を外れると、伝搬減衰が増加するため、上記厚さの範囲が望ましい。
圧電基板の厚さを適正に定めることで、伝搬減衰を小さくすることができる。厚さが上記規定を外れると、伝搬減衰が増加するため、上記厚さの範囲が望ましい。
弾性表面波伝搬減衰量：弾性表面波の波長λに対し、０．１ｄＢ／λ以下
伝搬減衰が上記規定を満たすことにより、実用域において有用な使用が可能になる。
伝搬減衰が上記規定を満たすことにより、実用域において有用な使用が可能になる。
この発明によれば、弾性表面波の伝搬減衰を小さくして伝搬させることができる。
以下に、本発明の一実施形態の接合基板および弾性表面波素子について添付図面に基づいて説明する。
接合基板５は、水晶基板２と圧電基板３とが、接合界面４を介して共有結合によって接合されている。接合界面４は、共有結合によって結合されているのが望ましい。
水晶基板２は、好適には１５０～５００μｍの厚さを有し、圧電基板３は、好適には弾性表面波の波長に対し、０．０２～１．１波長に相当する厚さを有している。なお、本発明としては、圧電基板の厚さは、弾性表面波の波長に対し、０．０５～０．１波長がさらに望ましく、さらに０．０７～０．０８波長が一層望ましい。
接合基板５は、水晶基板２と圧電基板３とが、接合界面４を介して共有結合によって接合されている。接合界面４は、共有結合によって結合されているのが望ましい。
水晶基板２は、好適には１５０～５００μｍの厚さを有し、圧電基板３は、好適には弾性表面波の波長に対し、０．０２～１．１波長に相当する厚さを有している。なお、本発明としては、圧電基板の厚さは、弾性表面波の波長に対し、０．０５～０．１波長がさらに望ましく、さらに０．０７～０．０８波長が一層望ましい。
水晶基板２は、例えば、水熱合成法で結晶成長させた水晶を、結晶Ｘ軸と交差する角度で切り出したものを用いる。この角度としては、結晶Ｘ軸に対し、８５～９５°が好適である。さらに好適には、カット角度の下限を８８度、カット角度の上限を９２度とするのが一層望ましい。最適値は、結晶Ｘ軸に対し９０°である
水晶基板２は、弾性表面波伝搬方向を結晶Ｙ軸方向側に設定して、用意される。この実施形態では、弾性表面波伝搬方向２Ｄを好適には結晶Ｙ軸に対し、１５～５０度の角度に設定する。最適値は、３５°Ｙ方向である。
水晶基板２は、弾性表面波伝搬方向を結晶Ｙ軸方向側に設定して、用意される。この実施形態では、弾性表面波伝搬方向２Ｄを好適には結晶Ｙ軸に対し、１５～５０度の角度に設定する。最適値は、３５°Ｙ方向である。
圧電基板３には、適宜の材料を用いることができるが、好適には、タンタル酸リチウムやニオブ酸リチウムにより構成することができる。好適には、Ｘカットの圧電基板を用いることができる。ただし、本発明としては、圧電基板３のカット角度が特定の角度のものに限定されるものではない。
また、圧電基板３は、弾性表面波伝搬方向３Ｄを水晶基板２における伝搬方向に合わせたものに設定される。
また、圧電基板３は、弾性表面波伝搬方向３Ｄを水晶基板２における伝搬方向に合わせたものに設定される。
図１に示すように、水晶基板２と圧電基板３の接合に際しては、水晶基板２の伝搬方向２Ｄと、圧電基板３の伝搬方向３Ｄとは、同じ方向にして両者を接合する。
接合基板５には、図２に示すように、櫛形電極１０を設けることで弾性表面波素子１が得られる。
接合基板５には、図２に示すように、櫛形電極１０を設けることで弾性表面波素子１が得られる。
また、水晶基板２と圧電基板３との間には、図３に示すように、アモルファス層６を介在させた弾性表面波素子１Ａとすることができる。なお、上記実施形態と同様の構成については同一の符号を付して説明を省略する。この実施形態においても、水晶基板２と、圧電基板３とは、弾性表面波伝搬方向が同一の方向となる状態にして接合されている。
この実施形態で、アモルファス層６を介在させる場合、アモルファス層６と水晶基板２との間に接合界面が存在し、アモルファス層６の他面側でアモルファス層６と圧電基板３との間に接合界面が存在する。アモルファス層６の材質は本発明としては特に限定されないが、ＳｉＯ２やＡｌ２Ｏ３などを用いることができる。また、アモルファス層の厚さは、１００ｎｍ以下とするのが望ましい。
なお、アモルファス層６の形成では、水晶基板２または圧電基板３の表面に薄膜を形成するようにしてアモルファス層６を形成することができる。また、水晶基板２表面と圧電基板３表面の双方にアモルファス層を形成して接合するものとしてもよい。
アモルファス層は、既知の方法により形成することができ、化学的蒸着や、スパッタリング等の物理的蒸着を利用することができる。
なお、アモルファス層６の形成では、水晶基板２または圧電基板３の表面に薄膜を形成するようにしてアモルファス層６を形成することができる。また、水晶基板２表面と圧電基板３表面の双方にアモルファス層を形成して接合するものとしてもよい。
アモルファス層は、既知の方法により形成することができ、化学的蒸着や、スパッタリング等の物理的蒸着を利用することができる。
次に、接合基板および弾性表面波素子の製造について図４を参照して説明する。
所定材料の水晶基板と圧電素子を用意する。水晶基板は、水晶の結晶Ｘ軸と交差する角度で水晶をカットして用意される。角度としては、結晶Ｘ軸に対し、８５～９５°が選択される。
所定材料の水晶基板と圧電素子を用意する。水晶基板は、水晶の結晶Ｘ軸と交差する角度で水晶をカットして用意される。角度としては、結晶Ｘ軸に対し、８５～９５°が選択される。
なお、接合面にアモルファス層を形成する場合は、形成の対象とする水晶基板と圧電素子の一方または両方に対し、接合面側に成膜処理を行う。成膜処理の方法としては特に限定されるものではなく、真空蒸着法、スパッタ法などの薄膜形成技術を用いることができる。例えば、Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｃｙｃｌｏｔｒｏｎ Ｒｅｓｏｎａｎｃｅプラズマ成膜にて接合面に１００ｎｍ以下のアモルファス層を形成することができる。このアモルファス膜は膜密度が非常に高く形成できることから接合表面の活性化度合いが大であり、より多くのＯＨ基が発生する。
水晶基板は、水晶基板の弾性表面波伝搬方向を、好適には、結晶Ｙ方向に対し、１５～５０度の角度を有するように設定し、圧電基板では、弾性表面波伝搬方向を水晶基板の伝搬方向に一致させて密閉構造の処理装置２０内に設置する。図では、簡略のため、水晶基板２のみを記載している。
処理装置２０では、真空ポンプ２１が接続され、処理装置２０内を例えば１０Ｐａ以下に減圧する。処理装置２０内には、放電ガスを導入し、処理装置２０内で放電装置２２によって放電を行って紫外線を発生させる。放電は、高周波電圧を印加する方法を使用するなどにより行うことができる。
水晶基板２と圧電基板３とは、紫外線が照射可能な状態で設置しており、接合面に紫外線を照射して活性化を図る。なお、水晶基板２と圧電基板３の一方または両方にアモルファス層が形成されている場合は、アモルファス層の表面を接合面として紫外線照射を行う。
処理装置２０では、真空ポンプ２１が接続され、処理装置２０内を例えば１０Ｐａ以下に減圧する。処理装置２０内には、放電ガスを導入し、処理装置２０内で放電装置２２によって放電を行って紫外線を発生させる。放電は、高周波電圧を印加する方法を使用するなどにより行うことができる。
水晶基板２と圧電基板３とは、紫外線が照射可能な状態で設置しており、接合面に紫外線を照射して活性化を図る。なお、水晶基板２と圧電基板３の一方または両方にアモルファス層が形成されている場合は、アモルファス層の表面を接合面として紫外線照射を行う。
紫外線照射を行った、水晶基板２と圧電基板３とは、水晶基板２の弾性表面波伝搬方向と、圧電基板３の弾性表面波伝搬方向とを一致した状態にして接合面を接触させ、常温または２００℃以内温度に加熱し、両者間に圧力を加えて接合を行う。圧力としては１０Ｐａを付加することができ、処理時間は５分～４時間程度とすることができる。ただし、本発明としては圧力や処理時間が特に限定されるものではない。
上記処理によって、水晶基板２と圧電基板３とは接合界面において確実に共有結合で接合されている。
上記処理によって、水晶基板２と圧電基板３とは接合界面において確実に共有結合で接合されている。
図５は、水晶基板２と圧電基板３における接合面の状態を示すものである。
Ａ図では、紫外線照射により接合面が活性化してＯＨ基が表面に形成された状態を示している。Ｂ図では、基板同士を接触させ、加圧・昇温をして接合を行っている状態を示している。接合に際しては、ＯＨ基が作用して基板同士が共有結合される。余分なＨ２Ｏは加熱時に外部に排除される。
上記工程により接合基板が得られる。接合基板に対しては、圧電基板３の主面上に、図３に示すように櫛形電極１０をパターン形成する。櫛形電極１０の形成方法は特に限定されず、適宜の方法を用いることができる。また、櫛形電極１０の形状も適宜の形状を採択することができる。上記工程により弾性表面波素子１が得られる。弾性表面波は、圧電基板３で設定された伝搬方向に沿ったものとなる。
弾性表面波素子１は、図６に示すようにパッケージング３１内に設置して図示しない電極に接続し、蓋３２で封止して弾性表面波デバイス３０として提供することができる。
Ａ図では、紫外線照射により接合面が活性化してＯＨ基が表面に形成された状態を示している。Ｂ図では、基板同士を接触させ、加圧・昇温をして接合を行っている状態を示している。接合に際しては、ＯＨ基が作用して基板同士が共有結合される。余分なＨ２Ｏは加熱時に外部に排除される。
上記工程により接合基板が得られる。接合基板に対しては、圧電基板３の主面上に、図３に示すように櫛形電極１０をパターン形成する。櫛形電極１０の形成方法は特に限定されず、適宜の方法を用いることができる。また、櫛形電極１０の形状も適宜の形状を採択することができる。上記工程により弾性表面波素子１が得られる。弾性表面波は、圧電基板３で設定された伝搬方向に沿ったものとなる。
弾性表面波素子１は、図６に示すようにパッケージング３１内に設置して図示しない電極に接続し、蓋３２で封止して弾性表面波デバイス３０として提供することができる。
以下に、本発明の実施例について説明する。
上記実施形態に基づいて接合基板が得られ、圧電基板の主面上にはＬＬＳＡＷのＳＡＷ共振器を設けた。
この例では、圧電基板として面方位がＸカット３１°Ｙ伝搬タンタル酸リチウム（ＬＴ）およびＸカット３６°Ｙ伝搬ニオブ酸リチウム（ＬＮ）を用いた。また、水晶基板は水熱合成法で、結晶育成されたものについて厚み２５０μｍ、Ｘカット３２°Ｙ伝搬またはＸカット３５°Ｙ伝搬のものを用いた。また、比較例では、ＡＴカット４５°Ｘ伝搬の水晶基板を用いた。
上記実施形態に基づいて接合基板が得られ、圧電基板の主面上にはＬＬＳＡＷのＳＡＷ共振器を設けた。
この例では、圧電基板として面方位がＸカット３１°Ｙ伝搬タンタル酸リチウム（ＬＴ）およびＸカット３６°Ｙ伝搬ニオブ酸リチウム（ＬＮ）を用いた。また、水晶基板は水熱合成法で、結晶育成されたものについて厚み２５０μｍ、Ｘカット３２°Ｙ伝搬またはＸカット３５°Ｙ伝搬のものを用いた。また、比較例では、ＡＴカット４５°Ｘ伝搬の水晶基板を用いた。
接合したサンプルについて研磨にて圧電基板側を薄くした。水晶基板と圧電基板とを接合した後に、圧電基板を薄くした供試材について、ＬＬＳＡＷの位相速度と電気機械結合係数、周波数温度特性について理論解析により計算した。なお、計算に際しては、日本学術振興会弾性波素子技術第１５０委員会・編「弾性波デバイス技術」に記載されているＫｕｓｈｉｂｉｋｉらの水晶定数（ｐ．８３）、Ｋｕｓｈｉｂｉｋｉらのニオブ酸リチウム（以下ＬＮとする）定数、タンタル酸リチウム（以下ＬＴとする）定数（ｐ．３７７）を用いた。
伝搬減衰をもつＬＬＳＡＷの解析は、Ｙａｍａｎｏｕｃｈｉらの方法に基づき、層構造に対する解析はＦａｒｎｅｌｌとＡｄｌｅｒの方法を用いた。これらの解析では、弾性波動方程式と電荷保存式を境界条件の下で数値的に解くことにより、層構造上を伝搬するＬＬＳＡＷの位相速度と伝搬減衰を解析している。
自由表面（Ｆｒｅｅ）の位相速度ｖｆと、薄板の表面を電気的に短絡した場合（Ｍｅｔａｌｌｉｚｅｄ）の位相速度ｖｍを求め、Ｋ２＝２×（ｖｆ－ｖｍ）／ｖｆよりＫ２を求めた。また、伝搬方向の線膨張係数を水晶支持基板のものと仮定し、短絡表面の周波数温度係数（Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ Ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ ｏｆ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ
： ＴＣＦ）を計算した。
伝搬減衰をもつＬＬＳＡＷの解析は、Ｙａｍａｎｏｕｃｈｉらの方法に基づき、層構造に対する解析はＦａｒｎｅｌｌとＡｄｌｅｒの方法を用いた。これらの解析では、弾性波動方程式と電荷保存式を境界条件の下で数値的に解くことにより、層構造上を伝搬するＬＬＳＡＷの位相速度と伝搬減衰を解析している。
自由表面（Ｆｒｅｅ）の位相速度ｖｆと、薄板の表面を電気的に短絡した場合（Ｍｅｔａｌｌｉｚｅｄ）の位相速度ｖｍを求め、Ｋ２＝２×（ｖｆ－ｖｍ）／ｖｆよりＫ２を求めた。また、伝搬方向の線膨張係数を水晶支持基板のものと仮定し、短絡表面の周波数温度係数（Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ Ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ ｏｆ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ
： ＴＣＦ）を計算した。
圧電基板としてＸカット３１°Ｙ伝搬のＬＴを想定し、水晶基板として発明例では、Ｘカット３２°Ｙ伝搬のものを想定し、比較例では、ＡＴカット４５°Ｘ伝搬のものを想定した。
弾性表面波λで規格化した圧電基板の厚さｈ／λと、位相速度との関係を、理論解析により求め、その結果を図７に示した。発明例の位相速度は、比較例と同等であり、位相速度６０００ｍ／秒以上の特性を満たしていた。
弾性表面波λで規格化した圧電基板の厚さｈ／λと、位相速度との関係を、理論解析により求め、その結果を図７に示した。発明例の位相速度は、比較例と同等であり、位相速度６０００ｍ／秒以上の特性を満たしていた。
次に、理論解析によって、Ｘカット３１°Ｙ伝搬ＬＴの圧電基板と、Ｘカット３６°Ｙ伝搬ＬＮの圧電基板を想定し、水晶基板として発明例では、Ｘカット３２°Ｙ伝搬のものを想定し、比較例では、ＡＴカット４５°Ｘ伝搬のものを想定し、弾性表面波の波長λで規格化した圧電基板のｈ／λに対する伝搬速度および結合係数Ｋ２を求めた。
Ｘカット３１°Ｙ伝搬ＬＴの圧電基板と、ＡＴカット４５°Ｘ伝搬の水晶基板とを想定した比較例である関連技術（以下単に関連技術という）について解析結果を図８に示した。圧電基板の厚さに拘わらず、伝搬減衰が大きいことが示されている。
Ｘカット３１°Ｙ伝搬ＬＴの圧電基板と、Ｘカット３２°Ｙ伝搬の水晶基板とを想定した発明例を図９に示した。
本発明例では、ｈ／λが０．０６付近において、伝搬減衰の最小値が０．０００５ｄＢ／λの値となり、伝搬減衰が非常に抑えられた結果が得られた。また、ｈ/λが０．０２～０．１１の間において伝搬減衰が良好に抑えられている。また、圧電基板の厚さを、下限で０．０４ 、上限で０．０８とすることにより伝搬減衰量を０．０１以下にすることができ、同じく、下限で０．０５ 、上限で０．０７とすることにより伝搬減衰量を０．００５以下にすることができ一層望ましい。
本発明の結合係数は、５％であり、関連技術と同等であった。
Ｘカット３１°Ｙ伝搬ＬＴの圧電基板と、Ｘカット３２°Ｙ伝搬の水晶基板とを想定した発明例を図９に示した。
本発明例では、ｈ／λが０．０６付近において、伝搬減衰の最小値が０．０００５ｄＢ／λの値となり、伝搬減衰が非常に抑えられた結果が得られた。また、ｈ/λが０．０２～０．１１の間において伝搬減衰が良好に抑えられている。また、圧電基板の厚さを、下限で０．０４ 、上限で０．０８とすることにより伝搬減衰量を０．０１以下にすることができ、同じく、下限で０．０５ 、上限で０．０７とすることにより伝搬減衰量を０．００５以下にすることができ一層望ましい。
本発明の結合係数は、５％であり、関連技術と同等であった。
次に、Ｘカット３６°Ｙ伝搬ＬＮの圧電基板と、ＡＴカット４５°Ｘ伝搬の水晶基板とを想定した関連技術について、解析結果を図１０に示した。圧電基板の厚さによって伝搬減衰量に極小値を示すものの、極小値においても伝搬減衰が大きい結果が得られた。
Ｘカット３６°Ｙ伝搬ＬＮの圧電基板と、Ｘカット３５°Ｙ伝搬の水晶基板とを想定した発明例の解析結果を図１１に示した。
本発明例では、ｈ／λが０．０７付近において、伝搬減衰の最小値が０．０００２ｄＢ／λの値となり、伝搬減衰が十分に抑えられた結果が得られた。また、ｈ/λが０．０２～０．１１の間において伝搬減衰が良好に抑えられている。また、圧電基板の厚さを、下限で０．０５ 、上限で０．０９とすることにより伝搬減衰量を０．０２ｄＢ以下にすることができ、同じく、下限で０．０６ 、上限で０．０８とすることにより伝搬減衰量を０．００５ｄＢ／λ以下にすることができ一層望ましい。
本発明の結合係数は、５％であり、関連技術と同等であった。
Ｘカット３６°Ｙ伝搬ＬＮの圧電基板と、Ｘカット３５°Ｙ伝搬の水晶基板とを想定した発明例の解析結果を図１１に示した。
本発明例では、ｈ／λが０．０７付近において、伝搬減衰の最小値が０．０００２ｄＢ／λの値となり、伝搬減衰が十分に抑えられた結果が得られた。また、ｈ/λが０．０２～０．１１の間において伝搬減衰が良好に抑えられている。また、圧電基板の厚さを、下限で０．０５ 、上限で０．０９とすることにより伝搬減衰量を０．０２ｄＢ以下にすることができ、同じく、下限で０．０６ 、上限で０．０８とすることにより伝搬減衰量を０．００５ｄＢ／λ以下にすることができ一層望ましい。
本発明の結合係数は、５％であり、関連技術と同等であった。
次に、本発明例において、水晶基板のカット角度による伝搬減衰の影響を理論解析により求めた。
圧電基板をＸカット３１°Ｙ伝搬のＬＴと、３２°Ｙ伝搬の水晶基板とを接合した接合基板について、理論解析により、圧電基板の厚さをｈ／λ（０．０５、０．０７、０．１０）で変え、さらに水素基板のカット角度をＸ軸に対し６０～１２０°の範囲で変えて伝搬減衰量を求めた。その結果を図１２に示した。短絡表面は、電極ありを示している。
伝搬減衰は、圧電基板の厚さに拘わらず、角度９０°、すなわちＸカットにおいて極小値である０．００３ｄＢ／λを示した。また、カット角度を９０°から変更した場合でも、８５°～９５°の間では、伝搬減衰量は０．０２以下となり、良好な伝搬減衰抑制の効果が得られた。また、カット角度は、下限を８８°、上限を９２°とすることにより伝搬減衰量を０．００４以下にすることができ、一層望ましい。
圧電基板をＸカット３１°Ｙ伝搬のＬＴと、３２°Ｙ伝搬の水晶基板とを接合した接合基板について、理論解析により、圧電基板の厚さをｈ／λ（０．０５、０．０７、０．１０）で変え、さらに水素基板のカット角度をＸ軸に対し６０～１２０°の範囲で変えて伝搬減衰量を求めた。その結果を図１２に示した。短絡表面は、電極ありを示している。
伝搬減衰は、圧電基板の厚さに拘わらず、角度９０°、すなわちＸカットにおいて極小値である０．００３ｄＢ／λを示した。また、カット角度を９０°から変更した場合でも、８５°～９５°の間では、伝搬減衰量は０．０２以下となり、良好な伝搬減衰抑制の効果が得られた。また、カット角度は、下限を８８°、上限を９２°とすることにより伝搬減衰量を０．００４以下にすることができ、一層望ましい。
次に、圧電基板をＸカット３６°Ｙ伝搬のＬＮを想定して同様に、水晶基板のカット角度による伝搬減衰の影響を理論解析により調べ、その結果を図１３に示した。
伝搬減衰は、圧電基板の厚さに拘わらず、角度９０°、すなわちＸカットにおいて極小値である０．００２ｄＢ／λを示した。また、カット角度を９０°から変更した場合でも、８５°～９５°の間では、伝搬減衰量は０．０２以下となり、良好な伝搬減衰抑制の効果が得られた。また、カット角度は、下限を８８°、上限を９２°とすることにより伝搬減衰量を０．００３以下にすることができ、一層望ましい。
伝搬減衰は、圧電基板の厚さに拘わらず、角度９０°、すなわちＸカットにおいて極小値である０．００２ｄＢ／λを示した。また、カット角度を９０°から変更した場合でも、８５°～９５°の間では、伝搬減衰量は０．０２以下となり、良好な伝搬減衰抑制の効果が得られた。また、カット角度は、下限を８８°、上限を９２°とすることにより伝搬減衰量を０．００３以下にすることができ、一層望ましい。
次に、本発明例において水晶の伝搬方向に対する伝搬減衰の影響を調査した。
圧電基板としてＸカット３１°Ｙ伝搬のＬＴと、Ｘカット３６°Ｙ伝搬のＬＮを想定し、理論解析によって水晶の伝搬方向を変化させて伝搬減衰量を求めた。
Ｘカット３１°Ｙ伝搬のＬＴの圧電基板を用いた場合の解析結果を図１４に示した。
伝搬減衰量は、水晶の伝搬方向を３２°Ｙ方向とした場合に極小値を示している。
水晶基板における伝搬方向は、伝搬方向３２°を境にして伝搬方向の角度が変化する両側で伝搬減衰量が大きくなっている。Ｘ３１Ｙ－ＬＴ単体と比べて、その値以下またはその差が小さい範囲では、減衰が小さいといえる。この観点で、伝搬方向は、１５°～５０°の範囲が望ましい。さらに、その角度は、下限を２７°、上限を３７°とするのが一層望ましく、Ｘ３１Ｙ－ＬＴ単体以下の減衰量となっている。
圧電基板としてＸカット３１°Ｙ伝搬のＬＴと、Ｘカット３６°Ｙ伝搬のＬＮを想定し、理論解析によって水晶の伝搬方向を変化させて伝搬減衰量を求めた。
Ｘカット３１°Ｙ伝搬のＬＴの圧電基板を用いた場合の解析結果を図１４に示した。
伝搬減衰量は、水晶の伝搬方向を３２°Ｙ方向とした場合に極小値を示している。
水晶基板における伝搬方向は、伝搬方向３２°を境にして伝搬方向の角度が変化する両側で伝搬減衰量が大きくなっている。Ｘ３１Ｙ－ＬＴ単体と比べて、その値以下またはその差が小さい範囲では、減衰が小さいといえる。この観点で、伝搬方向は、１５°～５０°の範囲が望ましい。さらに、その角度は、下限を２７°、上限を３７°とするのが一層望ましく、Ｘ３１Ｙ－ＬＴ単体以下の減衰量となっている。
次に、Ｘカット３６°Ｙ伝搬のＬＮの圧電基板を想定した場合の解析結果を図１５に示した。
伝搬減衰量は、水晶の伝搬方向を３５°Ｙ方向とした場合に極小値を示している。
水晶基板における伝搬方向は、３５°を境にして角度が変化する０°～６５°付近の両側では伝搬減衰量が大きくなっている。Ｘ３６Ｙ－ＬＮ単体と比べて、伝搬方向の角度に拘わらず伝搬減衰量はＸ３６Ｙ－ＬＮ単体のものより小さくなっているが、伝搬方向を１５°～５０°の範囲とすることにより減衰量は大幅に小さくなっている。さらに、その角度は、下限を３０°、上限を４０°とするのが一層望ましい。
伝搬減衰量は、水晶の伝搬方向を３５°Ｙ方向とした場合に極小値を示している。
水晶基板における伝搬方向は、３５°を境にして角度が変化する０°～６５°付近の両側では伝搬減衰量が大きくなっている。Ｘ３６Ｙ－ＬＮ単体と比べて、伝搬方向の角度に拘わらず伝搬減衰量はＸ３６Ｙ－ＬＮ単体のものより小さくなっているが、伝搬方向を１５°～５０°の範囲とすることにより減衰量は大幅に小さくなっている。さらに、その角度は、下限を３０°、上限を４０°とするのが一層望ましい。
次に発明例について、圧電基板としてＸカット３１°Ｙ伝搬のＬＴと、Ｘカット３６°Ｙ伝搬のＬＮを想定し、理論解析によって圧電基板の厚さｈを弾性表面波の波長λで規格してＴＣＦを求めた。水晶基板には、Ｘカット３５°Ｙ伝搬のものを用いた。
Ｘカット３１°Ｙ伝搬のＬＴを想定した場合に、圧電基板の厚さと、ＴＣＦとの関係を図１６に示した。
本発明例では、Ｍｅｔａｌｌｉｚｅｄでは、ＴＣＦが－１５ｐｐｍ／℃程度であり、関連技術のＸカット３１°Ｙ－ＬＴ／ＡＴ４５°Ｘ－水晶基板と同等の値を示している。
Ｘカット３１°Ｙ伝搬のＬＴを想定した場合に、圧電基板の厚さと、ＴＣＦとの関係を図１６に示した。
本発明例では、Ｍｅｔａｌｌｉｚｅｄでは、ＴＣＦが－１５ｐｐｍ／℃程度であり、関連技術のＸカット３１°Ｙ－ＬＴ／ＡＴ４５°Ｘ－水晶基板と同等の値を示している。
Ｘカット３６°Ｙ伝搬のＬＮを想定した場合の圧電基板の厚さと、ＴＣＦとの関係を図１７に示した。
本発明例では、Ｍｅｔａｌｌｉｚｅｄでは、ＴＣＦが－６０～－７０ｐｐｍ／℃程度であり、関連技術のＸカット３６°－ＬＮ／ＡＴカット４５°Ｘ－水晶基板と同等の値を示している。
本発明例では、Ｍｅｔａｌｌｉｚｅｄでは、ＴＣＦが－６０～－７０ｐｐｍ／℃程度であり、関連技術のＸカット３６°－ＬＮ／ＡＴカット４５°Ｘ－水晶基板と同等の値を示している。
次に、有限要素法（Ｆｉｎｉｔｅ Ｅｌｅｍｅｎｔ Ｍｅｔｈｏｄ：ＦＥＭ）を用いて、ＬＴ／水晶接合構造上に形成したＩＤＴ型共振子（λ＝８．０μｍ、交叉幅Ｗ＝２５λ）のＬＳＡＷの共振特性を解析した。水晶基板には、ＡＴカット４５°Ｘ伝搬のものと、Ｘカット３２°Ｙ伝搬のものを想定し、圧電基板の厚さを変えたものを想定した。
解析ソフトウェアとしてＦｅｍｔｅｔ（ムラタソフトウェア株式会社製）を用いた。解析モデルとして、支持基板の板厚を１０λとし、１周期分のＩＤＴの両側に周期境界条件（無限周期構造）を、底面に完全整合層をそれぞれ仮定した。
解析ソフトウェアとしてＦｅｍｔｅｔ（ムラタソフトウェア株式会社製）を用いた。解析モデルとして、支持基板の板厚を１０λとし、１周期分のＩＤＴの両側に周期境界条件（無限周期構造）を、底面に完全整合層をそれぞれ仮定した。
Ｘカット３１°Ｙ－ＬＴ／ＡＴ４５°Ｘ－水晶基板またはＸカット３２°Ｙ－水晶基板構造のＬＳＡＷの解析例を示す。ＬＴ板厚は０．１５λ、電極Ａｌ膜厚は０．０９λである。
図１８に、解析結果を示す。水晶基板としてＡＴカットのものを用いた場合に比べて、Ｘカットのものを用いた場合、アドミタンス比が６２ｄＢから１１７ｄＢに増加し、共振Ｑ値が１０００から５３４００に増加し、比帯域幅が２．３％から３．６％に増加した。
図１８に、解析結果を示す。水晶基板としてＡＴカットのものを用いた場合に比べて、Ｘカットのものを用いた場合、アドミタンス比が６２ｄＢから１１７ｄＢに増加し、共振Ｑ値が１０００から５３４００に増加し、比帯域幅が２．３％から３．６％に増加した。
図１９にパワーフロー角を示す。
ＦｒｅｅとＭｅｔａｌｌｉｚｅｄの差が最も大きくなる伝搬角は、Ｘカット３１°Ｙ－ＬＴ／Ｘ３２°Ｙ－水晶基板では３２°、Ｘカット３６°Ｙ－ＬＮ／Ｘ３５°Ｘ－水晶基板では３５°であり、本発明の伝搬減衰を低くできる伝搬角と一致し、良好な共振特性を有していることを示す。
ＦｒｅｅとＭｅｔａｌｌｉｚｅｄの差が最も大きくなる伝搬角は、Ｘカット３１°Ｙ－ＬＴ／Ｘ３２°Ｙ－水晶基板では３２°、Ｘカット３６°Ｙ－ＬＮ／Ｘ３５°Ｘ－水晶基板では３５°であり、本発明の伝搬減衰を低くできる伝搬角と一致し、良好な共振特性を有していることを示す。
ＦＥＭによるアドミタンス特性の解析（無限周期構造）を以下に示す。
・Ｘカット３１°Ｙ－ＬＴ単体
比帯域幅（％） アドミスタンス比（ｄＢ） 共振Ｑ 反共振Ｑ
２．１ ２３．６ ４３．１ ３０２．８
・Ｘカット３１°Ｙ－ＬＴ／ＡＴ４５Ｘ－Ｑ（ｈ／λ＝０．１）
比帯域幅（％） アドミスタンス比（ｄＢ） 共振Ｑ 反共振Ｑ
０．１０ ６６．１ １０５７ ５３５．８
・Ｘカット３１°Ｙ－ＬＴ／Ｘ３２Ｙ－Ｑ（ｈ／λ＝０．０７）
比帯域幅（％） アドミスタンス比（ｄＢ） 共振Ｑ 反共振Ｑ
０．０７ １１７ ５３４３９ ４８１８
・Ｘカット３１°Ｙ－ＬＴ単体
比帯域幅（％） アドミスタンス比（ｄＢ） 共振Ｑ 反共振Ｑ
２．１ ２３．６ ４３．１ ３０２．８
・Ｘカット３１°Ｙ－ＬＴ／ＡＴ４５Ｘ－Ｑ（ｈ／λ＝０．１）
比帯域幅（％） アドミスタンス比（ｄＢ） 共振Ｑ 反共振Ｑ
０．１０ ６６．１ １０５７ ５３５．８
・Ｘカット３１°Ｙ－ＬＴ／Ｘ３２Ｙ－Ｑ（ｈ／λ＝０．０７）
比帯域幅（％） アドミスタンス比（ｄＢ） 共振Ｑ 反共振Ｑ
０．０７ １１７ ５３４３９ ４８１８
以上で説明したように、本願発明は、従来、支持基板として優位であるとされたＡＴカット構造の水晶基板に対し、Ｘカット構造の水晶基板が支持基板としてより優位であることが確認された。
以上、本発明について、上記実施形態および実施例に基づいて説明を行ったが、本発明の範囲は上記説明の内容に限定されるものではなく、本発明の範囲を逸脱しない限りは、上記実施形態および実施例について適宜の変更が可能である。
本発明は、ＳＡＷ共振器、ＳＡＷフィルタ、高機能圧電センサ、ＳＡＷデバイスなどに
利用することができる。
利用することができる。
１ 弾性表面波素子
１Ａ 弾性表面波素子
２ 水晶基板
３ 圧電基板
４ 接合界面
５ 接合基板
６ アモルファス層
１０ 櫛形電極
２０ 処理装置
２１ 真空ポンプ
２２ 放電装置
３０ 弾性表面波デバイス
３１ パッケージング
３２ 蓋
１Ａ 弾性表面波素子
２ 水晶基板
３ 圧電基板
４ 接合界面
５ 接合基板
６ アモルファス層
１０ 櫛形電極
２０ 処理装置
２１ 真空ポンプ
２２ 放電装置
３０ 弾性表面波デバイス
３１ パッケージング
３２ 蓋
Claims (11)
- 結晶Ｘ軸と交差する角度でカットされた水晶基板と、前記水晶基板上に積層された圧電基板とを有し、前記水晶基板のカット角度が、結晶Ｘ軸に対し、８５～９５度の範囲の角度を有し、
前記水晶基板が、結晶Ｙ方向側に弾性表面波伝搬方向が設定され、前記圧電基板が、前記伝搬方向に弾性表面波伝搬方向が設定されており、
前記水晶基板の弾性表面波伝搬方向が、結晶Ｙ軸に対し１５～５０度の角度を有し、
前記圧電基板が、Ｘカットニオブ酸リチウムまたはＸカットタンタル酸リチウムである接合基板。 - 前記圧電基板が、Ｘカット３１°Ｙ伝搬タンタル酸リチウムまたはＸカット３６°Ｙ伝搬ニオブ酸リチウムである請求項１に記載の接合基板。
- 前記圧電基板は、弾性表面波の波長λに対し厚さｈが、０．０２～０．１１λの関係を有する請求項１または２に記載の接合基板。
- 前記圧電基板が縦型漏洩弾性表面波を励起するためのものであることを特徴とする請求項１～３のいずれか１項に記載の接合基板。
- 弾性表面波伝搬減衰量が、弾性表面波の波長λに対し、０．１ｄＢ／λ以下である請求項１～４のいずれか１項に記載の接合基板。
- 請求項１～５のいずれか１項に記載の接合基板における圧電基板の主面上に、少なくとも１つの櫛型電極を備えている弾性表面波素子。
- 請求項６に記載の弾性表面波素子がパッケージに封止されていることを特徴とする弾性表面波デバイス。
- 水晶基板と圧電基板とが接合された接合基板の製造方法であって、
水晶の結晶Ｘ軸と８５～９５度の範囲で交差する角度で前記水晶をカットして水晶基板を用意し、前記水晶基板に結晶Ｙ軸に対し１５～５０度の角度を有するように弾性表面波伝搬方向を設定し、前記伝搬方向に合わせて弾性表面波伝搬方向が設定され、Ｘカットニオブ酸リチウムまたはＸカットタンタル酸リチウムからなる圧電基板を用意して前記水晶基板に積層して、直接または中間層を介して前記水晶基板と前記圧電基板とを接合する接合基板の製造方法。 - 水晶基板の接合面および圧電基板の接合面に、減圧下で紫外線を照射し、照射後に、水晶基板の接合面と圧電基板の接合面とを接触させ、水晶基板と圧電基板とに厚さ方向に加圧をして前記接合面同士を接合することを特徴とする請求項８に記載の接合基板の製造方法。
- 前記加圧の際に、所定の温度に加熱をすることを特徴とする請求項９に記載の接合基板の製造方法。
- 前記中間層がアモルファス層である請求項８～１０のいずれか１項に記載の接合基板の製造方法。
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