JP7317068B2 - 石英基板上に圧電層を含む弾性表面波デバイス及びその製造方法 - Google Patents
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Description
本開示は、弾性表面波（ＳＡＷ）デバイスに関する。
弾性表面波（ＳＡＷ）共振子、及びＳＡＷフィルタなどの、ＳＡＷデバイスは、高周波（ＲＦ）フィルタなどの多くのアプリケーションにおいて使用される。たとえば、ＳＡＷフィルタは、第２世代（２Ｇ）、第３世代（３Ｇ）、及び第４世代（４Ｇ）無線受信器のフロントエンド、デュプレクサ、及び受信フィルタにおいて一般に使用される。ＳＡＷフィルタの普及は、ＳＡＷフィルタが良好な除去により低い挿入損失を示し、広帯域幅を達成することが可能であり、従来のキャビティ及びセラミックフィルタの大きさのごく一部である、という事実に少なくとも部分的に起因する。任意の電子機器と同様に、ＳＡＷデバイスの性能は、システムの全体的な性能に影響を与えることが可能である重要なパラメータである。この点について、高性能のＳＡＷデバイスが必要とされる。
弾性表面波（ＳＡＷ）デバイス及びその製造方法の実施形態を開示する。いくつかの実施形態において、ＳＡＷデバイスは、石英キャリア基板、この石英キャリア基板の表面上に圧電層、及び石英キャリア基板に対向する圧電層の表面上に少なくとも１つの交差指電極を含む。特に、本明細書に使用されるように、「石英」は、非晶質である、溶融シリカ（ときには溶融シリカ石英と称される）とは対照的に単結晶石英である。いくつかの実施形態において、圧電層の厚さは、少なくとも１つの交差指電極のトランスデューサ電極周期の４倍未満である。他の実施形態において、圧電層の厚さは、少なくとも１つの交差指電極のトランスデューサ電極周期の２倍未満である。キャリア基板上に圧電層を使用することは、バルク（すなわち、基板）内への音響放射を抑制することにより、ＳＡＷデバイスの性能を向上させる。さらに、キャリア基板に石英を利用することにより、わずかな粘性損失、わずかな誘電率、及びわずかな温度感度のさらなる利点を達成する。さらに、ケイ素と比較されるように、キャリア基板への石英の使用は、抵抗損失をなくす。
いくつかの実施形態において、少なくとも１つの交差指電極の伝搬方向は、石英キャリア基板の水晶振動子のｚ軸または－ｚ軸に関して１０度未満の角度を形成する。さらに、いくつかの実施形態において、圧電層は、タンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ３）（ときには本明細書において「ＬＴ」と称される）から形成され、このタンタル酸リチウムは、たとえば、水晶振動子のｚ軸とＬＴ結晶のｘ軸のアライメントを取るように結合することにより可能である、ＹからＹ＋６０度の間の配向、及びＬＴ結晶のｘ軸沿いの伝搬を有する。さらに、いくつかの実施形態において、圧電層の厚さは、少なくとも１つの交差指電極のトランスデューサ電極周期の６０％未満である。
いくつかの実施形態において、石英キャリア基板の法線は、石英キャリア基板の水晶振動子のｘ軸またはｙ軸沿いに配向される。さらに、いくつかの実施形態において、圧電層の厚さは、少なくとも１つの交差指電極のトランスデューサ電極周期の３０％から５０％の間にある。
他の実施形態において、石英キャリア基板の法線は、石英キャリア基板の水晶振動子のｘ軸に関して３０度から５５度の間の角度を形成する。さらに、いくつかの実施形態において、圧電層の厚さは、少なくとも１つの交差指電極のトランスデューサ電極周期の２０％から４０％の間にある。
いくつかの実施形態において、圧電層は、ＹからＹ＋６０度の間の配向を有するＬＴから形成される。他の実施形態において、圧電層は、Ｙ－２０度からＹ＋６０度の間の配向を有するニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ３）から形成される。
いくつかの実施形態において、ＳＡＷデバイスは、石英キャリア基板と圧電層との間の石英キャリア基板の表面上に１層以上の追加の層をさらに含む。さらに、いくつかの実施形態において、１層以上の追加の層は、１層以上の誘電体層を含む。いくつかの実施形態において、１層以上の誘電体層は、少なくとも１層の酸化ケイ素を含む。
いくつかの実施形態において、少なくとも１つの交差指電極は、１層以上の誘電体層の内側に埋め込まれる。いくつかの実施形態において、１層以上の誘電体層は、酸化ケイ素を含む。
いくつかの実施形態において、ＳＡＷデバイスは、圧電層に対向する少なくとも１つの交差指電極の表面上に１層以上の誘電体層をさらに含む。
いくつかの実施形態において、ＳＡＷデバイスは、石英キャリア基板と圧電層との間の石英キャリア基板の表面上に少なくとも１層の酸化ケイ素をさらに含み、そこで少なくとも１層の酸化ケイ素は、その温度感度を低下させるようにドーピングされる。いくつかの実施形態において、少なくとも１層の酸化ケイ素は、フッ化物またはホウ素原子を含有するドーパントによりドーピングされる。
いくつかの実施形態において、ＳＡＷデバイスは、ＳＡＷ共振子である。
またフィルタリング回路の実施形態を開示する。一般に、フィルタリング回路は、上記の実施形態のうちのいずれかに従い１つ以上のＳＡＷフィルタを含む。
いくつかの実施形態において、フィルタリング回路は、石英キャリア基板、石英キャリア基板の表面上に圧電層、及び石英キャリア基板に対向する圧電層の表面上に少なくとも１つの交差指電極を含むＳＡＷ共振子を備える。いくつかの実施形態において、圧電層の厚さは、少なくとも１つの交差指電極のトランスデューサ電極周期の４倍未満である。他の実施形態において、圧電層の厚さは、少なくとも１つの交差指電極のトランスデューサ電極周期の２倍未満である。
いくつかの実施形態において、フィルタリング回路は、ラダー型フィルタを含み、このラダー型フィルタは、石英キャリア基板と、石英キャリア基板の表面上に圧電層と、石英キャリア基板に対向する圧電層の表面上に少なくとも１つの交差指電極とを各含む複数のＳＡＷ共振子を備える。いくつかの実施形態において、圧電層の厚さは、少なくとも１つの交差指電極のトランスデューサ電極周期の４倍未満である。他の実施形態において、圧電層の厚さは、少なくとも１つの交差指電極のトランスデューサ電極周期の２倍未満である。
いくつかの実施形態において、フィルタリング回路は、２つのグレーティング間に複数のトランスデューサを関連付けることにより形成される石英キャリア基板、石英キャリア基板の表面上に圧電層、及び石英キャリア基板に対向する圧電層の表面上に少なくとも１つの交差指電極を各含む複数のＳＡＷ共振子を備える結合型共振子フィルタ（ＣＲＦ）を含む。いくつかの実施形態において、圧電層の厚さは、少なくとも１つの交差指電極のトランスデューサ電極周期の４倍未満である。他の実施形態において、圧電層の厚さは、少なくとも１つの交差指電極のトランスデューサ電極周期の２倍未満である。いくつかの実施形態において、フィルタリング回路は、ＣＲＦを含む、少なくとも１つのＣＲＦのカス
ケード、及び直列に、または並列に接続される少なくとも１つの追加のＳＡＷ共振子をさらに備える。
ケード、及び直列に、または並列に接続される少なくとも１つの追加のＳＡＷ共振子をさらに備える。
またＳＡＷデバイスを製造する方法の実施形態を開示する。いくつかの実施形態において、ＳＡＷデバイスを製造する方法は、石英キャリア基板を提供し、石英キャリア基板の表面上に圧電層を提供し、石英キャリア基板に対向する圧電層の表面上に少なくとも１つの交差指電極を提供することを備える。いくつかの実施形態において、圧電層の厚さは、少なくとも１つの交差指電極のトランスデューサ電極周期の４倍未満である。他の実施形態において、圧電層の厚さは、少なくとも１つの交差指電極のトランスデューサ電極周期の２倍未満である。
いくつかの実施形態において、石英キャリア基板の表面上に圧電層を提供することは、石英キャリア基板の表面上に圧電材料を付着させ、圧電材料を加工して圧電層の所望の厚さへ圧電材料の厚さを減少させることにより、圧電層を提供することを備える。
いくつかの実施形態において、石英キャリア基板の表面上に圧電層を提供することは、圧電材料の表面内へのイオン注入を実行することにより、圧電材料の損傷部分を形成し、石英キャリア基板の表面上に圧電材料を付着させ、圧電材料を加工して圧電材料の損傷部分を除去することにより、圧電層を提供することを備える。
いくつかの実施形態において、方法は、石英キャリア基板と圧電層と間の石英キャリア基板の表面上に１層以上の追加の層を提供することをさらに備える。
当業者は、本開示の範囲を理解し、添付の描写する図面と関連付けて、以下の発明を実施するための形態を読解した後に、その追加の態様を実現するであろう。
本明細書の一部に援用され、これを形成する添付の描写する図面は、本開示のいくつかの態様を図示し、説明と併せて、本開示の原理を説明するために役立つ。
以下に記載される実施形態は、当業者が実施形態を実施することを可能にするために必要な情報を表現し、実施形態を実施する最良なモードを図示する。添付の描写する図面に照らして下記の説明を読解すると、当業者は、本開示の概念を理解し、特に本明細書に指定されないこれらの概念の適用を認識するであろう。これらの概念及び適用が本開示の範囲、及び添付の特許請求の範囲内に入ることを理解するであろう。
用語、第一、第二などがさまざまな要素を記述するために本明細書に使用されることができるが、これらの要素がこれらの用語により限定されるべきではないことを理解するであろう。これらの用語は、一方の要素を他方の要素から区別するためにのみ使用される。たとえば、本開示の範囲から逸脱することなく、第一要素は、第二要素と称されることが可能であり、同様に、第二要素は、第一要素と称されることが可能である。本明細書に使用されるように、用語「及び／または」は、関連した、列挙される項目のうちの１つ以上のいずれかの、及びすべての組み合わせを含む。
一方の要素が他方の要素に「接続される」、若しくは「結合される」と称されるときに、それが残りの要素に直接に接続される、若しくは結合されることが可能である、または複数の介在要素が存在することができることも理解するであろう。対照的に、一方の要素が他方の要素へ「直接に接続される」、または「直接に結合される」と称されるときに、介在要素が存在しない。
用語「上部の」、「下部の」、「基部の」、「中間の」、「中央の」、「最上部の」、及び同様のものがさまざまな要素を記述するために本明細書に使用されることができ、これらの要素がこれらの用語により限定されるべきではないことを理解するであろう。これらの用語は、一方の要素を他方から区別するためにのみ使用される。たとえば、本開示の範囲から逸脱することなく、第一要素は、「上部」要素と称されることが可能であり、同様に、第二要素は、これらの要素の相対的な位置に起因して「上部」要素と称されることが可能である。
本明細書に使用される専門用語は、特定の実施形態のみを説明するためのものであり、本開示の制限であることを意図されない。本明細書に使用されるように、単数形「ａ」、「ａｎ」、及び「ｔｈｅ」は、文脈が明確に別段に示さない限り、複数形をも含むことを意図される。本明細書に使用されるときに、用語「ｃｏｍｐｒｉｓｅｓ（を含む）」、「ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ（を含むこと）」、「ｉｎｃｌｕｄｅｓ（を含む）」、及び／または「ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ（を含むこと）」が記載された特徴、整数、ステップ、操作、要素、及び／または構成要素の存在を明示するが、１つ以上の他の特徴、整数、ステップ、操作、要素、構成要素、及び／またはその群の存在または追加を排除しないことをさらに理解するであろう。
別段に定義されない限り、本明細書に使用される、すべての用語（技術及び科学用語を含む）は、本開示が属する当業者により一般に理解されるものと同一の意味を有する。本明細書に明確にそのように定義されない限り、本明細書に使用される用語が本明細書及び関連技術の文脈にそれらの意味と一貫している意味を有すると解釈されるべきであり、理想化された意味、または過度に形式的な意味に解釈されないであろうことをさらに理解するであろう。
水平せん断波を使用する高周波（ＲＦ）弾性表面波（ＳＡＷ）デバイスについての損失の主な要因は、ＳＡＷデバイスのバルク基板内の音響放射である。この放射を抑制する方式は、キャリア基板上に積層される、圧電膜または層を使用することである。本開示は、キャリア基板としての石英の使用に関連する。石英は、わずかな粘性損失、わずかな誘電率、及びわずかな温度感度の利点を提示する。また、ケイ素（Ｓｉ）と比較して、この基板内の抵抗損失は、石英のために存在しない。いくつかの実施形態において、石英ウェハについて最適な配向を開示する。
本開示の実施形態を記述する前に、ＳＡＷデバイス及びいくつかの関連した問題の考察は、有益である。ＳＡＷフィルタは、圧電基板の表面に音波の伝搬を使用する。図１は、
ＳＡＷ交差指電極（ＩＤＴ）１０の１つの実施例を示す。図示されるように、ＩＤＴ１０は、圧電基板（示されない）の表面上に（たとえば、表面上に直接に）成膜する２つの交差指電極１２－１及び１２－２を含む。電圧は、２つの電極１２－１と１２－２との間に印加される。これは、２つの電極１２－１と１２－２との間に電界を、及び圧電効果によりＳＡＷの生成をもたらす。交番電位における電極シーケンスにより、２つの連続する周期についての電界は、反対方向のものである。これは、電極周期が音波長の半分であるときに、ＩＤＴ１０がその最大効率を有することを意味する。
ＳＡＷ交差指電極（ＩＤＴ）１０の１つの実施例を示す。図示されるように、ＩＤＴ１０は、圧電基板（示されない）の表面上に（たとえば、表面上に直接に）成膜する２つの交差指電極１２－１及び１２－２を含む。電圧は、２つの電極１２－１と１２－２との間に印加される。これは、２つの電極１２－１と１２－２との間に電界を、及び圧電効果によりＳＡＷの生成をもたらす。交番電位における電極シーケンスにより、２つの連続する周期についての電界は、反対方向のものである。これは、電極周期が音波長の半分であるときに、ＩＤＴ１０がその最大効率を有することを意味する。
図２は、ＳＡＷ共振子１４の１つの実施例を示す。ＳＡＷ共振子１４は、図２においてグラウンドへ接続される、２つのグレーティング１８－１と１８－２との間に挿入されるＩＤＴ１６を含む。２つのグレーティング１８－１及び１８－２は、反射器として作用し、（音響）キャビティを画定する。
図３は、共振子インピーダンスの実施例（すなわち、たとえば、図２のＳＡＷ共振子１４などの、ＳＡＷ共振子の１つの実施例のインピーダンス）を示す。図３は、対数目盛り、すなわち、プロットされるａｂｓ（Ｚ）ではないが、あるスケーリングファクタを有するその対数である。図３は、説明のためだけのものである。共振周波数において、ＳＡＷ共振子のインピーダンスは、ゼロに近く、ＳＡＷ共振子は、短絡として作用する。反共振周波数において、ＳＡＷ共振子のインピーダンスは、非常に大きく、ＳＡＷ共振子は、開回路として作用する。これらの特性を使用して、ラダー型フィルタを設計することが可能である。
ラダー型フィルタ２０の１つの実施例を図４に示す。示されるように、いくつかのＳＡＷ共振子２２－１から２２－７は、電気回路内側に接続される。一般に、ラダー型フィルタ２０は、シャント共振子（すなわち、ＳＡＷ共振子２２－１、２２－３、２２－５、及び２２－７）がラダー型フィルタ２０の中心周波数に近い反共振周波数を有するように設計される。また、直列共振子（すなわち、図４の実施例において、ＳＡＷ共振子２２－２、２２－４、及び２２－６）は、ラダー型フィルタ２０の中心周波数に近いそれらの共振周波数を有するように設計される。したがって、中心周波数において、シャント共振子は、開回路として作用し、直列共振子は、短絡として作用し、ラダー型フィルタ２０の入力と出力との間に直接接続がある。それらの共振周波数において、シャント共振子は、短絡として作用し、通過帯域より下のラダー型フィルタ２０の伝達関数においてノッチを生成する。同様に、それらの反共振周波数において、直列共振子は、開回路として作用し、阻止帯域より上のノッチを生成する。明らかに、これは、概略的な説明のみであり、物理的なフィルタは、シャント共振子についていくつかの異なる周波数、及び直列共振子について反共振周波数を有することが多い。また、設計は、共振子の有効な共振周波数をシフトさせる、キャパシタンスまたはインダクタンスなどのいくつかの集中定数素子を含むことができる。また、図４に示されるフィルタは、シャント共振子により開始し（入力において）、終了する（出力において）。明らかに、これは、説明のためだけのものであり、直列共振子は、入力及び／または出力にも接続されることが可能である。
ラダー型フィルタに加えて、いわゆる結合型共振子フィルタ（ＣＲＦ）、またはダブルモード型ＳＡＷフィルタ（ＤＭＳ）を設計することが可能である。回路素子としてＳＡＷ共振子を使用する代替に、ＣＲＦは、２つの反射型グレーティング間にいくつかのトランスデューサを配置することにより設計される。図５に示される例示的なＣＲＦ２４において、３つのＩＤＴ２６－１から２６－３は、２つの反射器２８－１と２８－２との間に配置される。中央のＩＤＴ２６－２は、入力信号に接続されるが、２つの外側のＩＤＴ２６－１及び２６－３は、並列に接続される。２つの反射器２８－１と２８－２との間のキャビティは、いくつかの縦モードを有する。ＩＤＴ２６－１から２６－３の対称配置を選択することにより、対称的な縦モードのみを励振させる。このタイプのＣＲＦは、入力ＩＤ
Ｔ２６－２を出力ＩＤＴ２６－１及び２６－３に結合するように、主に２つの縦モードを通常は使用する。通過帯域幅は、これら２つのモードの周波数差に比例する。結合係数は、フィルタを電気的に整合させる可能性を定める。ラダー型フィルタについてのような、結合係数が大きいほど、相対的な帯域幅が広くなることを可能にする。図５の実施例において、ＣＲＦステージの出力ＩＤＴ２６－１及び２６－３は、この実施例において、ＩＤＴ３０及び反射器３２－１及び３２－２により、形成される直列共振子に接続される。
Ｔ２６－２を出力ＩＤＴ２６－１及び２６－３に結合するように、主に２つの縦モードを通常は使用する。通過帯域幅は、これら２つのモードの周波数差に比例する。結合係数は、フィルタを電気的に整合させる可能性を定める。ラダー型フィルタについてのような、結合係数が大きいほど、相対的な帯域幅が広くなることを可能にする。図５の実施例において、ＣＲＦステージの出力ＩＤＴ２６－１及び２６－３は、この実施例において、ＩＤＴ３０及び反射器３２－１及び３２－２により、形成される直列共振子に接続される。
さらに一般的に、１つまたはいくつかのＣＲＦステージは、いくつかのラダー型素子のうちの１つにカスケード接続されることが可能である。これらのラダー型素子は、直列またはシャント共振子であることが可能である。また、グレーティング間のトランスデューサ数は、たとえば、２つから９つと同じくらい大きい数に変わることが可能である。それがよく知られているように、トランスデューサ、それらの長さ、極性、及び周期間の間隔シフトは、デバイス性能に大きな影響を有する。
いくつかのパラメータは、ＳＡＷ共振子に重要である。１つの重要なパラメータは、反共振と共振周波数との間の割合に依存する、有効圧電結合係数である。より大きな結合係数を有するＳＡＷ共振子は、共振と反共振との間でより大きな周波数シフトを有し、広帯域フィルタを設計するために使用されることが可能である。結合係数は、選択された圧電基板に主に依存する。ＳＡＷ共振子の別の重要なパラメータは、ＳＡＷ共振子により設計されるフィルタの挿入損失、及びフィルタ応答の急峻性に影響を与える、共振子の品質係数（Ｑ）である。この品質係数（Ｑ）は、ＳＡＷ共振子内の音響及び電気損失に主に依存する。
また、ＳＡＷ共振子の共振周波数は、ＳＡＷの速度に比例する。温度が変化するときに、波の速度は、変化し、フィルタは、周波数においてシフトする。加えて、熱膨張により、コンポーネント寸法は、変化し、追加の周波数シフトにもつながる。ＳＡＷフィルタは、一般的に１００℃（摂氏１００度）以上の範囲である温度範囲について周波数帯域を選択することが可能である必要がある。ＳＡＷフィルタの中心周波数の大きな温度感度は、周波数内でシフトするフィルタ応答をもたらし、所与の温度範囲内の全体的な性能低下をもたらす。温度感度は、周波数温度係数（ＴＣＦ）と一般的に称される、係数により測定される。ほとんどの材料は、温度が上昇するときに周波数が低下することを意味する、負のＴＣＦを有する。
ＳＡＷフィルタについての基板選択は、デバイスの性能のために重要である。本明細書においてときにはＬＴと省略される、タンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ３）から作製される基板を使用することは、一般的であり、このタンタル酸リチウムは、一般的にＹ＋３６度からＹ＋５０度の間の配向、及びＬＴ結晶のｘ軸（すなわち、ＬＴの結晶学上のｘ軸）沿いの伝搬を有する。平面への法線がｔｅｔａにより回転する軸Ｙであることを配向Ｙ＋ｔｅｔａ、伝搬Ｘが意味し、そこで回転がｘ軸周囲で行われることに留意する。これらの基板上で、デバイスは、主に、いわゆる漏洩ＳＡＷまたは疑似ＳＡＷまたは水平せん断波を励振させている。これらの波と関連する機械的変位は、電極へ平行な方向に主にある。このタイプの波の利点は、デバイス周波数の比較的に良好な温度安定性を維持しながら、大きな電気音響結合を生成することである。同様に、ｘ軸沿いの伝搬を有する、Ｙ－２０度からＹ＋６０度の間の配向を有する、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ３）の基板についてのフィルタを設計することも可能である。この事例において、同一のタイプの音波を励振させる。大きな結合係数を取得することが可能である。
漏洩ＳＡＷを励振させるＳＡＷデバイスを設計するときに、既知の問題は、ＳＡＷ共振子について、悪い品質係数に変換し、ＳＡＷフィルタについて、急峻な周波数遷移、及び高い挿入損失を実現することが不可能であるように変換する、伝搬損失の存在である。こ
れらの伝搬損失は、漏洩ＳＡＷの速度に近い速度におけるバルクモードの存在に起因する。これは、バルク内で音響エネルギーの放射または散乱をもたらす。
れらの伝搬損失は、漏洩ＳＡＷの速度に近い速度におけるバルクモードの存在に起因する。これは、バルク内で音響エネルギーの放射または散乱をもたらす。
このバルク放射を抑制する方式は、圧電層または膜と本明細書において称される、圧電材料の層がキャリア基板の表面上に（たとえば、表面上に直接に）結合される、または成膜する、層状基板を使用することである。キャリア基板３８上に結合される、または成膜する、圧電層または膜３６を含むＳＡＷデバイス３４の１つの実施例を図６に示す。図示されるように、ＳＡＷデバイス３４は、キャリア基板３８、キャリア基板３８の表面上に（たとえば、表面上に直接に）任意選択で１層以上の誘電体層４０、キャリア基板３８に対向する１層以上の誘電体層４０の表面上に圧電層３６、及びキャリア基板３８に対向する圧電層３６の表面上に金属トランスデューサまたはＩＤＴ４２を含む。代替に、圧電層３６がキャリア基板３８の表面上に（たとえば、表面上に直接に）あるように誘電体層（複数可）４０がない可能性がある。
ＳＡＷの伝搬方向においてキャリア基板３８のバルク波（ＢＡＷ）速度が（疑似）ＳＡＷデバイス３４の速度より高い場合に、つぎに音波エネルギーを圧電層３６の内側にガイドすることが可能であり、バルク内の損失（すなわち、基板内の損失）は、打ち消されることが可能である。いくつかの中間層（たとえば、１層以上の誘電体層４０）は、圧電層３６とキャリア基板３８との間に配置されることが可能である。これらの層は、音響ガイド若しくは圧電結合を改善するために使用されることが可能である、またはそれらは、このデバイスの製造プロセスのために必要とされる可能性がある。たとえば、このタイプのアプローチは、２００２年９月３日に発行された、ＤＥＶＩＣＥ ＷＩＴＨ ＡＣＯＵＳＴＩＣ ＷＡＶＥＳ ＧＵＩＤＥＤ ＩＮ Ａ ＦＩＮＥ ＰＩＥＺＯＥＬＥＣＴＲＩＣ
ＭＡＴＥＲＩＡＬ ＦＩＬＭ ＢＯＮＤＥＤ ＷＩＴＨ Ａ ＭＯＬＥＣＵＬＡＲ ＢＯＮＤＩＮＧ ＯＮ Ａ ＢＥＡＲＩＮＧ ＳＵＢＳＴＲＡＴＥ ＡＮＤ ＭＥＴＨＯＤ
ＦＯＲ ＭＡＫＩＮＧ ＴＨＥ ＳＡＭＥと題する、米国特許第６，４４５，２６５号と、２００１年５月２５日に発行された、ＤＩＳＰＯＳＩＴＩＦ Ａ ＯＮＤＥＳ ＡＣＯＵＳＴＩＱＵＥＳ ＧＵＩＤＥＥＳ ＤＡＮＳ ＵＮＥ ＦＩＮＥ ＣＯＵＣＨＥ ＤＥ ＭＡＴＥＲＩＡＵ ＰＩＥＺＯＥＬＥＣＴＲＩＱＵＥ ＣＯＬＬＥＥ ＰＡＲ ＵＮＥ ＣＯＬＬＥ ＭＯＬＥＣＵＬＡＩＲＥ ＳＵＲ ＵＮ ＳＵＢＳＴＲＡＴ ＰＯＲＴＥＵＲ ＥＴ ＰＲＯＣＥＤＥ ＤＥ ＦＡＢＲＩＣＡＴＩＯＮと題する、仏特許第２７８８１７６号と、Ｓｏｌａｌ，Ｍ．ｅｔ ａｌ．，「Ｏｒｉｅｎｔｅｄ Ｌｉｔｈｉｕｍ
Ｎｉｏｂａｔｅ Ｌａｙｅｒｓ Ｔｒａｎｓｆｅｒｒｅｄ ｏｎ ４”［１００］ Ｓｉｌｉｃｏｎ Ｗａｆｅｒ ｆｏｒ ＲＦ ＳＡＷ Ｄｅｖｉｃｅｓ」、Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ ｏｆ ｔｈｅ ２００２ ＩＥＥＥ Ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃｓ Ｓｙｍｐｏｓｉｕｍ，Ｖｏｌ．１，Ｏｃｔｏｂｅｒ ８－１１，２００２，ｐａｇｅｓ １３１－１３４（以後、「Ｓｏｌａｌ」）と、Ｐａｓｔｕｒｅａｕｄ，Ｔ．ｅｔ ａｌ．，「Ｈｉｇｈ－Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｓｕｒｆａｃｅ Ａｃｏｕｓｔｉｃ Ｗａｖｅｓ Ｅｘｃｉｔｅｄ ｏｎ Ｔｈｉｎ－Ｏｒｉｅｎｔｅｄ ＬｉＮｂＯ３ Ｓｉｎｇｌｅ－Ｃｒｙｓｔａｌ
Ｌａｙｅｒｓ Ｔｒａｎｓｆｅｒｒｅｄ ｏｎｔｏ Ｓｉｌｉｃｏｎ」，ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ ｏｎ Ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃｓ，Ｆｅｒｒｏｅｌｅｃｔｒｉｃｓ， ａｎｄ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｃｏｎｔｒｏｌ，Ｖｏｌ．５４．Ｎｏ．４，Ａｐｒｉｌ ２００７，ｐａｇｅｓ ８７０－８７６（以降、「Ｐａｓｔｕｒｅａｕｄ」）と、において提案されている。これらの文書は、キャリア基板の最上部上の圧電材料の薄層上に構築されるＳＡＷデバイスを開示する。他の層は、圧電層とキャリア基板との間に存在することが可能である。これらの中間層は、通常は誘電体層であるが、いくつかの事例において、それは、金属層を使用するように提案された。圧電層も可能である。キャリア基板において速度は、音波をガイドすることを可能にするために十分に高い。
ＭＡＴＥＲＩＡＬ ＦＩＬＭ ＢＯＮＤＥＤ ＷＩＴＨ Ａ ＭＯＬＥＣＵＬＡＲ ＢＯＮＤＩＮＧ ＯＮ Ａ ＢＥＡＲＩＮＧ ＳＵＢＳＴＲＡＴＥ ＡＮＤ ＭＥＴＨＯＤ
ＦＯＲ ＭＡＫＩＮＧ ＴＨＥ ＳＡＭＥと題する、米国特許第６，４４５，２６５号と、２００１年５月２５日に発行された、ＤＩＳＰＯＳＩＴＩＦ Ａ ＯＮＤＥＳ ＡＣＯＵＳＴＩＱＵＥＳ ＧＵＩＤＥＥＳ ＤＡＮＳ ＵＮＥ ＦＩＮＥ ＣＯＵＣＨＥ ＤＥ ＭＡＴＥＲＩＡＵ ＰＩＥＺＯＥＬＥＣＴＲＩＱＵＥ ＣＯＬＬＥＥ ＰＡＲ ＵＮＥ ＣＯＬＬＥ ＭＯＬＥＣＵＬＡＩＲＥ ＳＵＲ ＵＮ ＳＵＢＳＴＲＡＴ ＰＯＲＴＥＵＲ ＥＴ ＰＲＯＣＥＤＥ ＤＥ ＦＡＢＲＩＣＡＴＩＯＮと題する、仏特許第２７８８１７６号と、Ｓｏｌａｌ，Ｍ．ｅｔ ａｌ．，「Ｏｒｉｅｎｔｅｄ Ｌｉｔｈｉｕｍ
Ｎｉｏｂａｔｅ Ｌａｙｅｒｓ Ｔｒａｎｓｆｅｒｒｅｄ ｏｎ ４”［１００］ Ｓｉｌｉｃｏｎ Ｗａｆｅｒ ｆｏｒ ＲＦ ＳＡＷ Ｄｅｖｉｃｅｓ」、Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ ｏｆ ｔｈｅ ２００２ ＩＥＥＥ Ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃｓ Ｓｙｍｐｏｓｉｕｍ，Ｖｏｌ．１，Ｏｃｔｏｂｅｒ ８－１１，２００２，ｐａｇｅｓ １３１－１３４（以後、「Ｓｏｌａｌ」）と、Ｐａｓｔｕｒｅａｕｄ，Ｔ．ｅｔ ａｌ．，「Ｈｉｇｈ－Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｓｕｒｆａｃｅ Ａｃｏｕｓｔｉｃ Ｗａｖｅｓ Ｅｘｃｉｔｅｄ ｏｎ Ｔｈｉｎ－Ｏｒｉｅｎｔｅｄ ＬｉＮｂＯ３ Ｓｉｎｇｌｅ－Ｃｒｙｓｔａｌ
Ｌａｙｅｒｓ Ｔｒａｎｓｆｅｒｒｅｄ ｏｎｔｏ Ｓｉｌｉｃｏｎ」，ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ ｏｎ Ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃｓ，Ｆｅｒｒｏｅｌｅｃｔｒｉｃｓ， ａｎｄ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｃｏｎｔｒｏｌ，Ｖｏｌ．５４．Ｎｏ．４，Ａｐｒｉｌ ２００７，ｐａｇｅｓ ８７０－８７６（以降、「Ｐａｓｔｕｒｅａｕｄ」）と、において提案されている。これらの文書は、キャリア基板の最上部上の圧電材料の薄層上に構築されるＳＡＷデバイスを開示する。他の層は、圧電層とキャリア基板との間に存在することが可能である。これらの中間層は、通常は誘電体層であるが、いくつかの事例において、それは、金属層を使用するように提案された。圧電層も可能である。キャリア基板において速度は、音波をガイドすることを可能にするために十分に高い。
ＳＡＷデバイス３４を製造するために使用されるプロセスは、いくつかの実施例におい
て、キャリア基板３８上に圧電材料のウェハ、または成膜した層（たとえば、１層以上の誘電体層４０）を含むキャリア基板３８のウェハ結合を使用する。層４０のうちの１層として酸化ケイ素を使用すること、及び酸化ケイ素層上に圧電層３６を結合することは、比較的に一般的である。圧電層３６は、たとえば、米国特許第６，４４５，２６５号、仏特許第２７８８１７６号、Ｓｏｌａｌ、及びＰａｓｔｕｒｅａｕｄに記述されるような、たとえば、イオンスライシングプロセスを使用することにより形成されることが可能である。この事例において、圧電基板は、キャリア基板３８に結合される前に注入される。この注入は、注入エネルギーによる深さにおいて圧電基板内側に欠陥を生じる。これは、圧電基板を破損すること、及び圧電材料の薄層が圧電層３６としてキャリア基板３８の表面に残ることを可能にする。このアプローチの欠点は、圧電基板の厚さが注入エネルギーにより制限されることであり、マイクロメートルの数十分の一より厚い圧電層を取得することは、困難である。また、注入は、さらに損失、またはより小さな結合係数をもたらす圧電膜を損傷させる可能性がある。このプロセスは、「イオンスライシング」と一般に称される。代替のプロセスは、圧電材料の薄層（すなわち、圧電層３６）を得るために圧電基板を研削することからなる。この事例において、厚さの精度は、取得することが困難であり、通常は製造プロセスへの周波数の感度を最小にする周波数及び層厚を選択することを推奨する。
て、キャリア基板３８上に圧電材料のウェハ、または成膜した層（たとえば、１層以上の誘電体層４０）を含むキャリア基板３８のウェハ結合を使用する。層４０のうちの１層として酸化ケイ素を使用すること、及び酸化ケイ素層上に圧電層３６を結合することは、比較的に一般的である。圧電層３６は、たとえば、米国特許第６，４４５，２６５号、仏特許第２７８８１７６号、Ｓｏｌａｌ、及びＰａｓｔｕｒｅａｕｄに記述されるような、たとえば、イオンスライシングプロセスを使用することにより形成されることが可能である。この事例において、圧電基板は、キャリア基板３８に結合される前に注入される。この注入は、注入エネルギーによる深さにおいて圧電基板内側に欠陥を生じる。これは、圧電基板を破損すること、及び圧電材料の薄層が圧電層３６としてキャリア基板３８の表面に残ることを可能にする。このアプローチの欠点は、圧電基板の厚さが注入エネルギーにより制限されることであり、マイクロメートルの数十分の一より厚い圧電層を取得することは、困難である。また、注入は、さらに損失、またはより小さな結合係数をもたらす圧電膜を損傷させる可能性がある。このプロセスは、「イオンスライシング」と一般に称される。代替のプロセスは、圧電材料の薄層（すなわち、圧電層３６）を得るために圧電基板を研削することからなる。この事例において、厚さの精度は、取得することが困難であり、通常は製造プロセスへの周波数の感度を最小にする周波数及び層厚を選択することを推奨する。
キャリア基板３８の選択は、良好な性能を得るために重要である。米国特許第６，４４５，２６５号、及び仏特許第２７８８１７６号は、ガラス、サファイア、Ｓｉ、またはヒ化ガリウムから作製されるキャリア基板を開示するが、一般に使用されるキャリア基板は、Ｓｉから作製されるものである。Ｓｉの１つの問題は、誘電の影響による損失をもたらす、その導電率である。これは、注入によりＳｉを処理すること、または圧電層３６とキャリア基板３８との間に相対的に厚い層を使用することにより、低減することが可能である。ＳＡＷデバイス３４の製造コストを増加させることに加えて、成膜した層の使用は、良質の成膜材料を得ることの困難さにより音響伝搬損失のある程度の増加をもたらす可能性がある。この問題は、キャリア基板３８と圧電層３６との間に酸化ケイ素層を使用するときに存在する。一方、酸化ケイ素の使用は、ＳＡＷデバイス３４のＴＣＦを低下させるために使用されることが可能である、その速度の正の温度係数にとって有利となる。また、酸化ケイ素は、ＳＡＷデバイス３４のキャパシタンスを減少させ、その結合係数を増加させる、低い誘電率を有することの利点を備える。
図７は、本開示のいくつかの実施形態に従うＳＡＷデバイス４４を示す。図示されるように、ＳＡＷデバイス４４は、石英キャリア基板４８上に圧電層または膜４６、石英キャリア基板４８の表面上に（たとえば、表面上に直接に）任意選択で１層以上の誘電体層５０、石英キャリア基板４８に対向する１層以上の誘電体層５０の表面上に圧電層４６、石英キャリア基板４８に対向する圧電層４６の表面上に金属トランスデューサまたはＩＤＴ５２、及び金属トランスデューサ５２の表面と、圧電層４６の露出面との上に任意選択で１層以上の誘電体層５３（たとえば、いくつかの実施形態においてドーピングされることができる、１層以上の酸化ケイ素）を含む。１つの金属トランスデューサ５２のみを図示するが、圧電層４６の表面上に１つ以上の金属トランスデューサ５２及びグレーティング／反射器のうちのいずれの数もあることができることを理解するであろうことに留意する。金属トランスデューサ５２の個々の指間の分離は、トランスデューサ電極周期（ｐ）と本明細書において称される、周期（ｐ）を定める。再度、１層以上の誘電体層５０及び５３を図７に示すが、１層以上の誘電体層５０及び５３は、任意選択である。さらに、いくつかの実施形態において、１層以上の誘電体層５０は、いくつかの実施形態において、たとえば、さらにＴＣＦを改善するために、たとえば、フッ化物またはホウ素などの、ドーパントによりドーピングされる、酸化ケイ素の層を含む。
キャリア基板４８のために使用される材料の選択は、ＳＡＷデバイス４４の性能にとっ
て重要である。キャリア基板４８は、つぎの特性を有する必要がある。
て重要である。キャリア基板４８は、つぎの特性を有する必要がある。
・キャリア基板４８は、絶縁していなければならない。金属基板は、フィルタ入力と出力との間に強い結合を生じ、電気音響結合を低減させるキャパシタンスを加える。また半導体基板は、その導電率により、ある程度の損失を生じる。
・キャリア基板４８は、デバイスキャパシタンスを減少させるために、及び圧電結合を増加させるために低い誘電率を有する必要がある。
・キャリア基板４８は、単結晶基板を使用することにより通常は得られることが可能である、低い音響粘性損失を有する必要がある。
・キャリア基板４８についてのＴＣＦは、小さく（絶対値において）、可能であれば、負である、圧電層４６のＴＣＦの記号と反対の記号を有する。加えて、低い熱膨張係数は、有利である。
音響デバイスのために広く使用される結晶のうちの１つは、石英である。石英は、つぎのいくつかの利点を提示する。
・石英は、約４．５の低い比誘電率を有する。
・石英は、その導電率が非常に低いことを意味する、半導体ではない。
・石英は、ＳＡＷ及びＢＡＷデバイス用に大規模に研究されており、石英の品質は、粘性損失を低減させるために向上している。このために、非常に良い品質係数を有する共振子は、石英上の圧電層を使用して取得されることが可能である。
・温度感度の視点から、石英は、低い温度感度の利点を有し、周波数の温度係数が０である補償されたカットを有する。
このようなものとして、石英は、ＳＡＷデバイス４４のキャリア基板４８についての材料として利用される。
１層以上の誘電体層５０は、任意選択である。使用される場合に、１層以上の誘電体層５０は、たとえば、酸化ケイ素などの、１つまたは複数の誘電体材料を含むことができる。誘電体層（複数可）５０は、通常は音波長より各薄い。圧電層４６は、任意の適切な圧電材料（複数可）から形成される。本明細書に記述される、いくつかの好ましい実施形態において、圧電層４６は、ＬＴ、またはＬｉＮｂＯ３から形成されるが、それに限定されない。いくつかの実施形態において、圧電層４６は、トランスデューサ電極周期（ｐ）の４倍未満である厚さ（ｔ圧電）を有する。他の実施形態において、圧電層４６の厚さ（ｔ圧電）は、トランスデューサ電極周期（ｐ）の２倍未満である。また、それが既知である場合に、任意選択で、たとえば、酸化ケイ素、窒化ケイ素、及び酸化アルミニウムのような、１層またはいくつかの誘電体層（すなわち、誘電体層（複数可）５３）は、パッシベーションを実現するために表面に成膜することが可能である。また、酸化ケイ素の誘電体膜内側に電極を埋め込み、ＳＡＷデバイス４４の温度感度をさらに低下させることは、有利であることが可能である。
たとえば、いくつかの実施形態において、圧電層４６は、ＬＴであり、圧電層４６の厚さ（ｔ圧電）は、２ｐ未満である。さらに、いくつかの実施形態において、圧電層４６のために使用されるＬＴは、ＹからＹ＋６０度の間に配向を有する。いくつかの他の実施形
態において、圧電層４６は、ＬｉＮｂＯ３であり、圧電層４６の厚さ（ｔ圧電）は、２ｐ未満である。さらに、いくつかの実施形態において、圧電層４６のために使用されるＬｉＮｂＯ３は、Ｙ－２０度からＹ＋６０度の間に配向を有する。
態において、圧電層４６は、ＬｉＮｂＯ３であり、圧電層４６の厚さ（ｔ圧電）は、２ｐ未満である。さらに、いくつかの実施形態において、圧電層４６のために使用されるＬｉＮｂＯ３は、Ｙ－２０度からＹ＋６０度の間に配向を有する。
以下に詳細に考察されるように、いくつかの実施形態において、金属トランスデューサ５２の伝搬方向は、石英キャリア基板４８の水晶振動子のｚ軸または－ｚ軸に関して１０度より小さい角度を形成する。さらに、いくつかの実施形態において、圧電層４６は、ＬＴであり、圧電層４６の厚さ（ｔ圧電）は、２ｐ未満である。さらに、いくつかの実施形態において、圧電層４６のために使用されるＬＴは、ＹからＹ＋６０度の間に配向、及びＬＴのｘ軸沿いの伝搬を有する（そこでｘ軸は石英キャリア基板４８においてｚ軸沿いの伝搬のために水晶振動子のｚ軸とアライメントを取る）。さらに、いくつかの実施形態において、圧電層４６の厚さ（ｔ圧電）は、トランスデューサ電極周期（ｐ）の６０％未満である。さらに、いくつかの実施形態において、石英キャリア基板４８は、水晶振動子のｘ軸またはｙ軸沿いに配向されるその法線（すなわち、石英キャリア基板４８の法線）を有する石英から作製される。さらに、いくつかの実施形態において、圧電層４６の厚さ（ｔ圧電）は、トランスデューサ電極周期（ｐ）の３０％から５０％の間にある。他の実施形態において、石英キャリア基板４８は、水晶振動子のｘ軸に関して３０度から５５度の間の角度を形成するその法線（すなわち、石英キャリア基板４８の法線）を有する石英から作製される。さらに、いくつかの実施形態において、圧電層４６の厚さ（ｔ圧電）は、トランスデューサ電極周期（ｐ）の２０％から４０％の間にある。
ＳＡＷデバイス４４は、図示された実施例において、ＳＡＷ共振子である。このＳＡＷ共振子は、たとえば、ＳＡＷ共振子４４のうちの１つ以上を含むフィルタ、ＳＡＷ共振子４４のうちの少なくとも２つを含むラダー型フィルタ、２つのグレーティング／反射器間に配置されるＳＡＷ共振子４４のうちの少なくとも２つを含むＣＲＦ、及びＳＡＷ共振子４４のうちの少なくとも１つに関して直列に、または並列に接続される前述のＣＲＦのカスケードを使用するフィルタなどの、任意の数のデバイスにおいて利用されることができる。さらに、これらのフィルタは、たとえば、デュプレクサ（すなわち、デュプレックスフィルタ）、マルチプレクサ（すなわち、マルチプレックスフィルタ）、または同様のものにおいて、利用されることができる。
つぎの考察は、本開示のいくつかの実施形態に従い、石英キャリア基板４８の配向の重要性を図示する、図７のＳＡＷデバイス４４のいくつかの例示的な実施態様についてのシミュレーション結果の考察を提供する。上記で考察されるように、ＳＡＷの伝搬方向において石英キャリア基板４８のＢＡＷ速度が（疑似）ＳＡＷデバイス４４の速度より高い場合に、つぎに、圧電層４６の内側に音響エネルギーをガイドすることが可能であり、バルク内の損失が打ち消されることができる。換言すれば、ＳＡＷデバイス４４の速度より高いことは、ＳＡＷの伝搬方向における石英キャリア基板４８のＢＡＷ速度にとって望ましい。
この点について、図８は、圧電層４６がＹ＋４２度の配向を有するＬＴ膜である、ＳＡＷデバイス４４の実装についてのシミュレーション結果を示し、石英キャリア基板４８は、Ｙ＋３６度の配向を有する石英から形成され、ＳＡＷの伝搬は、石英キャリア基板４８の水晶振動子のｘ軸沿いにあり（すなわち、Ｘ伝搬があり）、そこで石英キャリア基板４８の水晶振動子のｘ軸は、ＬＴのｘ軸とアライメントを取る。これらの結果は、石英キャリア基板４８内のバルクカットオフ周波数がＳＡＷデバイス４４の共振周波数より低いことを示す。これは、音響エネルギーがバルク内に放射されることが可能であり、伝搬損失及び低い品質係数をもたらすことを意味する。したがって、これは、望ましくない配向である。
同様に、図９は、圧電層４６がＹ＋４２度の配向を有するＬＴ膜であり、石英キャリア基板４８がＹ＋３６度の配向を有するが、石英キャリア基板４８の水晶振動子のｘ軸から９０度においてＳＡＷの伝搬を有する、石英から形成される、ＳＡＷデバイス４４の実装についてのシミュレーション結果を示す。これは、石英上のいわゆる横波型弾性表面波（ＳＴＷ）デバイスについての配向である。図示されるように、バルクカットオフ周波数は、メインモードがバルク内へ漏洩させ、その品質係数を低下させる、ＳＡＷデバイス４４の共振周波数に近い周波数にある。したがって、これも、望ましくない配向である。
この問題は、石英のこれらの配向についての石英キャリア基板４８におけるバルクモードが遅すぎることである。カットオフ周波数を上回る、多くのエネルギーは、バルク内に損失する。ｐが金属トランスデューサ５２の電極周期である場合に、カットオフ周波数は、Ｖｓ／２ｐであり、そこでＶｓは、ＳＡＷの伝搬方向についての石英キャリア基板４８における速度である。石英における速度は、低すぎることが多い。
図１０から図１２は、ＸＹ、ＸＺ、及びＹＺ平面における石英についてのＢＡＷスローネス曲線を示す。ほとんどの配向について、最も低い速度が３３００メートル／秒（ｍ／ｓ）から４０００ｍ／ｓの間にあることを示す。これらの速度は、ＬＴにおける速度と比較して低すぎる（すなわち、対応するカットオフ周波数は共振周波数を上回るほど高くはない）。最も高いせん断速度を有する配向は、約４６６０ｍ／ｓの速度を有する、Ｚ配向である。共振周波数（この実施例について、２マイクロメートル（μｍ）周期に対して１ギガヘルツ（ＧＨｚ）と仮定される）より高い１０％を超えるカットオフ周波数を有するため、石英における速度は、少なくとも４４００ｍ／ｓである、またはスローネスは、２．２７３ １０－４秒／メートル（ｓ／ｍ）未満である。ＸＺ平面におけるこの条件は、ｚ軸（または－ｚ軸）周囲の±８度、及びＹＺ平面における±１０度の角度範囲についてのみである。世界的に、これは、キャリア基板４８が水晶振動子のｚ軸に関して１０度より小さい角度をなす伝搬方向を有する石英の基板でなければならないことを意味する。このようなものとして、上記に言及されるように、いくつかの実施形態において、金属トランスデューサ５２の伝搬方向は、石英キャリア基板４８の水晶振動子のｚ軸または－ｚ軸に関して１０度より小さい角度を形成する。
図１３は、圧電層４６がＹ＋４２度の配向、石英Ｙカットから作製される石英キャリア基板４８上のＸ伝搬、及び石英キャリア基板４８の水晶振動子のｚ軸沿いのＳＡＷの伝搬（すなわち、Ｚ伝搬）を有するＬＴ膜である、ＳＡＷデバイス４４（ＳＡＷ共振子として）の実装についてのシミュレーション結果を示す。換言すれば、結晶学的なＬＴのｘ軸は、結晶学的な石英のｚ軸とアライメントを取る。結晶学的な石英のｙ軸は、石英の平面に垂直であり、ＬＴについてのＹ＋４２軸は、この表面に垂直である。スローネス曲線により予測されるように、バルクカットオフ周波数は、共振周波数を上回り十分に離れており、良好なガイドを有する（及び同一の基板上にあるが異なる周波数を有するこの共振子及び他のものを使用して、フィルタ（たとえば、ラダー型フィルタ）を作製する場合に、フィルタの帯域における放射損失を有さない）。また、非常になめらかな応答は、スプリアスモードなしで得られる。
上述される最適化に加えて、いくつかの実施形態において、石英キャリア基板４８のために使用される石英のカット角度も、たとえば、圧電結合及び／またはＴＣＦなどの、ＳＡＷデバイス４４の１つ以上の性能パラメータを最適化するように選択される。この点について、図１４から図１６は、圧電層４６がＹＸＩ４２（すなわち、Ｙ＋４２）の配向を有するＬＴ膜である、ＳＡＷデバイス４４の１つの例示的な実施態様についてのシミュレーション結果を示し、そこでキャリア基板４８は、石英キャリア基板４８についてのカット角度シータ（グラフ内のｘ軸）、及び波長内のＬＴの厚さ（グラフ内のｙ軸）の関数として、配向ＸＺＩ ｔｅｔａを有する石英（すなわち、ｚ軸沿いの伝搬、及びｚ軸沿いに
回転する平面を有する石英、そこで０はＸ配向に対応し、９０はＹ配向に対応する）から作製される。図１４において、最高の圧電結合がＺ伝搬に関してＸまたはＹカット石英のキャリア基板に対応する、０または９０度に近い角度シータについて得られることを明確に理解することが可能である。図１５及び図１６において、ＴＣＦについての最高の結果が４０度（たとえば、３０度から５５度の範囲）、または１４０度（たとえば、１３０度から１５５度の範囲）に近い角度シータについて得られることを明確に理解することが可能である。
回転する平面を有する石英、そこで０はＸ配向に対応し、９０はＹ配向に対応する）から作製される。図１４において、最高の圧電結合がＺ伝搬に関してＸまたはＹカット石英のキャリア基板に対応する、０または９０度に近い角度シータについて得られることを明確に理解することが可能である。図１５及び図１６において、ＴＣＦについての最高の結果が４０度（たとえば、３０度から５５度の範囲）、または１４０度（たとえば、１３０度から１５５度の範囲）に近い角度シータについて得られることを明確に理解することが可能である。
図１７Ａから図１７Ｇは、本開示のいくつかの実施形態に従い、図７のＳＡＷデバイス４４を製造するプロセスを示す。図１７Ａに示されるように、プロセスは、石英キャリア基板４８により開始する。図１７Ｂに示されるように、１層以上の誘電体層５０（及び／または他のタイプの追加の層）は、石英キャリア基板４８の表面上に形成される（たとえば、成膜する、または結合される）。また、誘電体層（複数可）５０は、任意選択である。圧電材料５４は、図１７Ｃに示されるように、石英キャリア基板４８に対向する誘電体層（複数可）５０の表面上に（または誘電体層（複数可）５０が存在しない場合に石英キャリア基板４８の表面上に）結合される。図１７Ｄに示されるように、圧電材料５４を研削し、またはその他の方法で処理し、所望の厚さ（ｔ圧電）を有する圧電層４６を形成する。結果として生じる構造を図１７Ｅに示す。つぎに金属トランスデューサ５２は、図１７Ｆに示されるように、誘電体層（複数可）５０（存在する場合に）及び石英キャリア基板４８に対向する圧電層４６の表面上に（たとえば、表面上に直接に）形成される。任意選択で、１層以上の誘電体層５３は、図１７Ｇに示されるように、金属トランスデューサ５２の表面、及び圧電層４６の露出面上に形成される（たとえば、成膜する）。
図１８Ａから図１８Ｈは、本開示のいくつかの他の実施形態に従い、図７のＳＡＷデバイス４４を製造するプロセスを示す。図１８Ａに示されるように、プロセスは、石英キャリア基板４８により開始する。図１８Ｂに示されるように、１層以上の誘電体層５０（及び／または他のタイプの追加の層）は、石英キャリア基板４８の表面上に形成される（たとえば、成膜する、または結合される）。また、誘電体層（複数可）５０は、任意選択である。図１８Ｃに示されるように、圧電材料５４の表面内へのイオン注入を使用して、圧電層４６の所望の厚さ（ｔ圧電）を画定する、所望の、または制御された深さにおいて圧電材料５４内に損傷した層５４Ａを作製する。圧電材料５４は、図１８Ｄに示されるように、石英キャリア基板４８に対向する誘電体層（複数可）５０の表面上に（または誘電体層（複数可）５０が存在しない場合に石英キャリア基板４８の表面上に）結合される。図１８Ｅ及び図１８Ｆに示されるように、損傷した層５４Ａより上の圧電材料５４の部分を除去することにより、所望の厚さ（ｔ圧電）を有する圧電層４６を形成する。特に、圧電層４６の表面を好ましくは研磨し、圧電層４６の表面上に残るいかなる欠陥も取り除く。結果として生じる構造は、図１８Ｆに示される。つぎに金属トランスデューサ５２は、図１８Ｇに示されるように、誘電体層（複数可）５０（存在する場合に）及び石英キャリア基板４８に対向する圧電層４６の表面上に（たとえば、表面上に直接に）形成される。任意選択で、つぎに１層以上の誘電体層５３は、図１８Ｈに示されるように、金属トランスデューサ５２の表面、及び下層の露出面上に形成される（たとえば、成膜する）。
本開示は、限定されないが、つぎのものを提供する。
キャリア基板上に結合される、または成膜する圧電層を備える基板上に少なくとも１つの交差指電極を含む音波共振子であって、そこで前記キャリア基板は石英であり、前記圧電層厚はたとえば、４倍の前記トランスデューサ電極周期より小さく、他の実施形態において、２倍の前記トランスデューサ電極周期より小さく、
○そこで前記圧電膜はＹからＹ＋６０度の間の配向を有するタンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ３）から作製され、
○そこで前記圧電膜はＹ－２０度からＹ＋６０度の間の配向を有するニオブ酸リチウム（
ＬｉＮｂＯ３）から作製され、
○そこで前記トランスデューサ電極周期より薄い厚さを有する追加の層は前記キャリア基板と前記圧電層との間に配置され、
■そこで前記追加の層のうちの少なくとも１層は酸化ケイ素から作製され、
○そこで前記圧電層は薄膜を得るために、前記キャリア基板上に圧電材料のウェハを結合することにより、及び前記圧電材料のウェハを研削することにより作製され、
○そこで前記圧電層は所与の深さにおいて前記ウェハ内の欠陥を生じるために圧電材料のウェハ内にイオンを注入することにより、このウェハを前記キャリア基板に結合することにより、前記圧電材料を前記欠陥の前記位置において分割することにより、及び前記圧電材料を研磨することにより作製され、
○そこで前記キャリアウェハは、石英から作製され、そこで前記トランスデューサの前記伝搬方向は前記水晶振動子の前記軸ｚまたは－ｚに関して１０度より小さい角度を形成し、
■そこで前記圧電層はＹからＹ＋６０度の間の配向、及びＸ沿いの伝搬を有するＬｉＴａＯ３から作製され、
●そこで前記圧電層の前記厚さは前記トランスデューサの前記電極周期の６０％未満であり、
○そこで前記キャリア基板は前記石英の前記ｘまたはｙ軸沿いにその法線配向を有する石英であり、
○そこで前記キャリア基板は前記石英の前記ｘ軸に関して３０度から５５度の間の角度を形成するその法線を有する石英であり、
■そこで前記ＬｉＴａＯ３層厚は前記電極周期の２０％から４０％の間にあり、
■そこで前記ＬｉＴａＯ３層厚は前記電極周期の３０％から５０％の間にあり、
○そこで少なくとも１つの共振子は結合型共振子フィルタ内に実装され、
■そこで前記結合型共振子フィルタは２つのグレーティング間に配置される少なくとも２つのトランスデューサを含み、
●そこで少なくとも１つの共振子素子はラダー型フィルタに組み込まれ、
○そこで前記結合型共振子フィルタの前記カスケードを使用するフィルタ、及び少なくとも１つの共振子は直列で、または並列で接続され、
●そこで少なくとも１つのフィルタはデュプレクサ内に組み込まれる、
前記音波共振子。
キャリア基板上に結合される、または成膜する圧電層を備える基板上に少なくとも１つの交差指電極を含む音波共振子であって、そこで前記キャリア基板は石英であり、前記圧電層厚はたとえば、４倍の前記トランスデューサ電極周期より小さく、他の実施形態において、２倍の前記トランスデューサ電極周期より小さく、
○そこで前記圧電膜はＹからＹ＋６０度の間の配向を有するタンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ３）から作製され、
○そこで前記圧電膜はＹ－２０度からＹ＋６０度の間の配向を有するニオブ酸リチウム（
ＬｉＮｂＯ３）から作製され、
○そこで前記トランスデューサ電極周期より薄い厚さを有する追加の層は前記キャリア基板と前記圧電層との間に配置され、
■そこで前記追加の層のうちの少なくとも１層は酸化ケイ素から作製され、
○そこで前記圧電層は薄膜を得るために、前記キャリア基板上に圧電材料のウェハを結合することにより、及び前記圧電材料のウェハを研削することにより作製され、
○そこで前記圧電層は所与の深さにおいて前記ウェハ内の欠陥を生じるために圧電材料のウェハ内にイオンを注入することにより、このウェハを前記キャリア基板に結合することにより、前記圧電材料を前記欠陥の前記位置において分割することにより、及び前記圧電材料を研磨することにより作製され、
○そこで前記キャリアウェハは、石英から作製され、そこで前記トランスデューサの前記伝搬方向は前記水晶振動子の前記軸ｚまたは－ｚに関して１０度より小さい角度を形成し、
■そこで前記圧電層はＹからＹ＋６０度の間の配向、及びＸ沿いの伝搬を有するＬｉＴａＯ３から作製され、
●そこで前記圧電層の前記厚さは前記トランスデューサの前記電極周期の６０％未満であり、
○そこで前記キャリア基板は前記石英の前記ｘまたはｙ軸沿いにその法線配向を有する石英であり、
○そこで前記キャリア基板は前記石英の前記ｘ軸に関して３０度から５５度の間の角度を形成するその法線を有する石英であり、
■そこで前記ＬｉＴａＯ３層厚は前記電極周期の２０％から４０％の間にあり、
■そこで前記ＬｉＴａＯ３層厚は前記電極周期の３０％から５０％の間にあり、
○そこで少なくとも１つの共振子は結合型共振子フィルタ内に実装され、
■そこで前記結合型共振子フィルタは２つのグレーティング間に配置される少なくとも２つのトランスデューサを含み、
●そこで少なくとも１つの共振子素子はラダー型フィルタに組み込まれ、
○そこで前記結合型共振子フィルタの前記カスケードを使用するフィルタ、及び少なくとも１つの共振子は直列で、または並列で接続され、
●そこで少なくとも１つのフィルタはデュプレクサ内に組み込まれる、
前記音波共振子。
当業者は、本開示の好ましい実施形態への改良及び変更を認識するであろう。すべてのこれらのような改良及び変更は、本明細書に開示される概念の範囲、及び以下の特許請求の範囲内にあると考察される。
Claims (21)
- 石英キャリア基板と、
前記石英キャリア基板の表面上の圧電層と、
前記石英キャリア基板に対向する前記圧電層の表面上にある少なくとも１つの交差指電極と
を備え、
前記石英キャリア基板内の弾性表面波（ＳＡＷ）の伝搬速度が最も遅いバルクモードに対応するバルクカットオフ周波数は、弾性表面波（ＳＡＷ）デバイスの共振周波数よりも高く、
前記石英キャリア基板は、前記石英キャリア基板の結晶学的なｚ軸を含む平面、または前記石英キャリア基板の前記結晶学的なｚ軸と１０度未満の角度をなす平面を含む、ＳＡＷデバイス。 - 前記石英キャリア基板内の前記バルクカットオフ周波数は、前記ＳＡＷデバイスの前記共振周波数よりも１０％を超えて高い、請求項１に記載のＳＡＷデバイス。
- 前記平面は前記結晶学的なｚ軸沿いに回転し、前記平面の法線は、前記石英キャリア基板の結晶学的なｘ軸に関して３０度から５５度の範囲の角度を形成する、請求項１に記載のＳＡＷデバイス。
- 前記平面は前記結晶学的なｚ軸沿いに回転し、前記平面の法線は、前記石英キャリア基板の結晶学的なｘ軸と９０度の角度を形成する、請求項１に記載のＳＡＷデバイス。
- 前記平面は前記結晶学的なｚ軸沿いに回転し、前記平面の法線は、前記石英キャリア基板の結晶学的なｘ軸と０度の角度を形成する、請求項１に記載のＳＡＷデバイス。
- 前記圧電層は、－２０°Ｙカットから＋６０°Ｙカットの間の配向を有するニオブ酸リチウムで形成される、請求項１に記載のＳＡＷデバイス。
- 前記圧電層は、０°Ｙカットから＋６０°Ｙカットの間の配向を有するタンタル酸リチウムで形成される、請求項１に記載のＳＡＷデバイス。
- 前記圧電層の厚さは、前記少なくとも１つの交差指電極のトランスデューサ電極周期の４倍未満である、請求項１に記載のＳＡＷデバイス。
- 前記圧電層の厚さは、前記少なくとも１つの交差指電極のトランスデューサ電極周期の２倍未満である、請求項１に記載のＳＡＷデバイス。
- 前記石英キャリア基板と前記圧電層との間の前記石英キャリア基板の表面上に１つまたは複数の追加の層をさらに備える、請求項１に記載のＳＡＷデバイス。
- 前記１つまたは複数の追加の層は、１つまたは複数の誘電体層を備える、請求項１０に記載のＳＡＷデバイス。
- 弾性表面波（ＳＡＷ）デバイスであって、
石英キャリア基板と、
前記石英キャリア基板の表面上の圧電層と、
前記石英キャリア基板に対向する前記圧電層の表面上にある少なくとも１つの交差指電極と、
を備え、前記石英キャリア基板内の弾性表面波（ＳＡＷ）の伝搬速度が最も遅いバルクモードに対応するバルク波（ＢＡＷ）速度は、前記ＳＡＷデバイスのＳＡＷの速度よりも速く、
前記石英キャリア基板は、前記石英キャリア基板の結晶学的なｚ軸を含む平面、または前記石英キャリア基板の前記結晶学的なｚ軸と１０度未満の角度をなす平面を備える、ＳＡＷデバイス。 - 前記ＢＡＷ速度は、少なくとも４４００メートル／秒（ｍ／ｓ）である、請求項１２に記載のＳＡＷデバイス。
- 前記ＢＡＷ速度は、４４００ｍ／ｓから４６６０ｍ／秒の間の範囲にある、請求項１３に記載のＳＡＷデバイス。
- 前記石英キャリア基板内のバルクカットオフ周波数は、前記ＳＡＷデバイスの共振周波数よりも１０％を超えて高い、請求項１２に記載のＳＡＷデバイス。
- 前記平面は前記結晶学的なｚ軸沿いに回転し、前記平面の法線は前記石英キャリア基板の結晶学的なｘ軸と３０度から５５度の範囲の角度を形成する、請求項１２に記載のＳＡＷデバイス。
- 前記平面は前記結晶学的なｚ軸沿いに回転し、前記平面の法線は前記石英キャリア基板の結晶学的なｘ軸と９０度の角度を形成する、請求項１２に記載のＳＡＷデバイス。
- 前記平面は前記結晶学的なｚ軸沿いに回転し、前記平面の法線は、前記石英キャリア基板の結晶学的なｘ軸と０度の角度を形成する、請求項１２に記載のＳＡＷデバイス。
- 前記圧電層は、－２０°Ｙカットから＋６０°Ｙカットの間の配向を有するニオブ酸リチウムで形成される、請求項１２に記載のＳＡＷデバイス。
- 前記圧電層は、０°Ｙカットから＋６０°Ｙカットの間の配向を有するタンタル酸リチウムで形成される、請求項１２に記載のＳＡＷデバイス。
- 前記圧電層の厚さは、前記少なくとも１つの交差指電極のトランスデューサ電極周期の４倍未満である、請求項１２に記載のＳＡＷデバイス。
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