JP7384277B2 - 圧電デバイス - Google Patents
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Description
本開示は圧電デバイスに関し、より特定的には、圧電デバイスにおいて生じる高次モードのスプリアスを低減するための技術に関する。
圧電薄膜上に機能素子が形成された圧電デバイスが知られている。たとえば、国際公開第２０１５／０９８６７８号明細書（特許文献１）には、低音速膜と高音速膜とによって形成される積層膜上に圧電薄膜が積層された多層膜上に、櫛歯状のＩＤＴ（Interdigital Transducer）電極が形成された弾性波装置が開示されている。
国際公開第２０１５／０９８６７８号明細書（特許文献１）に開示された弾性波装置においては、支持基板上において上記の多層膜が形成されていない領域に絶縁層が形成されており、当該絶縁層上に、ＩＤＴ電極と外部端子とを接続するための配線電極が形成されている。
国際公開第２０１５／０９８６７８号明細書（特許文献１）に開示されているような多層膜を有する弾性波装置（圧電デバイス）においては、ＩＤＴ電極の共振周波数に基づくメインモードの信号とともに、多層膜の厚みに起因する積層方向の共振モードが発生する。この共振モードによって、ＩＤＴ電極の共振周波数よりも高い周波数を有する高次モードの不要波（スプリアス）が不可避的に生じ得る。このようなスプリアスが生じると、ＩＤＴ電極によって伝播するメインモードの高周波信号にノイズとなって重畳し、圧電デバイスの特性劣化の要因となり得る。
さらに、発生した高次モードのスプリアスは、多層膜が形成されていない絶縁層の領域にも漏洩する場合がある。この場合には、当該絶縁層を介して隣接する圧電デバイスの特性にも影響を及ぼす可能性がある。
本開示は、このような課題を解決するためになされたものであって、その目的は、圧電デバイスにおいて生じる高次モードスプリアスに伴う特性劣化を抑制することである。
本開示に係る圧電デバイスは、支持基板と、支持基板上の第１領域に配置された中間層と、中間層上に配置された圧電層と、圧電層上に形成された機能素子と、絶縁層とを備える。絶縁層は、支持基板上において、第１領域に隣接する第２領域に配置される。第２領における支持基板の表面粗さは、第１領域おける支持基板の表面粗さよりも大きい。
本開示による圧電デバイスによれば、支持基板において、圧電層および中間層が形成される第１領域の表面粗さよりも、絶縁層が形成される第２領域の表面粗さが大きくなるように構成される。これにより、表面粗さが大きくなると当該領域の厚みのばらつきが増えるため、表面粗さが小さい場合に比べて、発生したスプリアスに合致する共振モードが生じにくくなる。したがって、漏洩した高次モードのスプリアスが減衰されやすくなるので、スプリアスに伴う特性劣化を抑制することが可能となる。
以下、本開示の実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、図中同一または相当部分には同一符号を付してその説明は繰り返さない。
［実施の形態１］
図１は、実施の形態１に係る圧電デバイス１００の断面図である。また、図２は、図１の圧電デバイス１００の断面の一部の拡大図である。図１および図２を参照して、圧電デバイス１００は、支持基板１１０と、機能素子１２０と、圧電層１３０と、中間層１４０と、絶縁層１５０と、カバー層１７５とを備える。なお、以降の説明において、各図におけるＺ軸の正方向を上面側、負方向を下面側と称する場合がある。
図１は、実施の形態１に係る圧電デバイス１００の断面図である。また、図２は、図１の圧電デバイス１００の断面の一部の拡大図である。図１および図２を参照して、圧電デバイス１００は、支持基板１１０と、機能素子１２０と、圧電層１３０と、中間層１４０と、絶縁層１５０と、カバー層１７５とを備える。なお、以降の説明において、各図におけるＺ軸の正方向を上面側、負方向を下面側と称する場合がある。
支持基板１１０は、たとえば、タンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ３）、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ３）、水晶等の圧電体、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）、マグネシア、窒化ケイ素（ＳｉＮ）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、炭化ケイ素（ＳｉＣ）、ジルコニア（ＺｒＯ２）、コージライト、ムライト、ステアタイト、フォルステライト等の各種セラミック、ガラス等の誘電体またはシリコン（Ｓｉ）、サファイア、窒化ガリウム（ＧａＮ）等の半導体及び樹脂基板等により形成される。
支持基板１１０の上面１１１の一部には、圧電層１３０および中間層１４０からなる積層体１０５が形成されており、当該圧電層１３０の上面１３１に機能素子１２０が形成されている。
圧電層１３０は、たとえば、タンタル酸リチウム、ニオブ酸リチウム、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、窒化アルミニウム、またはチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）などの圧電単結晶材料、あるいはそれらの圧電積層材料によって形成される。
機能素子１２０は、櫛歯状のＩＤＴ電極からなる弾性波共振子を含む。圧電層１３０と機能素子１２０とによって、弾性表面波（ＳＡＷ：Surface Acoustic Wave）共振子が形成される。機能素子１２０は、アルミニウム（Ａｌ）、銅（Ｃｕ）、銀（Ａｇ）、金（Ａｕ）、チタン（Ｔｉ）、タングステン（Ｗ）、白金（Ｐｔ）、クロム（Ｃｒ）、ニッケル（Ｎｉ）、モリブデン（Ｍｏ）のうちの少なくとも一種からなる単体金属、またはこれらを主成分とする合金などの金属材料を用いて形成することができる。また、機能素子１２０は、これらの金属もしくは合金からなる複数の金属膜を積層した構造を有していてもよい。
中間層１４０は、支持基板１１０の上面１１１に配置された高音速層１４２と、当該高音速層１４２上に配置された低音速層１４１とを含む。高音速層１４２は、圧電層１３０に伝搬する弾性バルク波の速度よりも高速の弾性バルク波を伝搬するように構成される。高音速層１４２としては、たとえばＤＬＣ（Diamond-like Carbon）膜、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、シリコン、サファイア、タンタル酸リチウム、ニオブ酸リチウム、水晶等の圧電体、アルミナ、ジルコニア、コージライト、ムライト、ステアタイト、フォルステライト等の各種セラミック、マグネシアダイヤモンド、または、上記各材料を主成分とする材料、上記各材料の混合物を主成分とする材料のいずれかを用いることができる。
低音速層１４１は、圧電層１３０に伝搬する弾性バルク波の速度よりも低速の弾性バルク波を伝搬するように構成される。低音速層１４１は、たとえば、酸化ケイ素、ガラス、酸窒化ケイ素、酸化タンタル、酸化ケイ素にフッ素または炭素またはホウ素を加えた化合物、または、上記各材料を主成分とする材料のいずれかを用いることができる。低音速層１４１と高音速層１４２との境界で生じる音速差によって、機能素子１２０から圧電層１３０に励振された弾性波を反射させることによって、弾性波のエネルギーを圧電層１３０内に効果的に閉じ込めることができる。
なお、実施の形態１における圧電デバイス１００においては、中間層１４０が低音速層１４１および高音速層１４２をそれぞれ１層ずつ含む構成の例について説明したが、中間層１４０は、複数の低音速層１４１および高音速層１４２が交互に積層された構成であってもよい。また、低音速層１４１と高音速層１４２との間に接着層が設けられていてもよい。また、中間層１４０は、低音速層１４１のみで構成されていてもよい。
支持基板１１０の上面１１１において、積層体１０５が形成されていない領域には絶縁層１５０が形成されている。絶縁層１５０は、支持基板１１０上において、積層体１０５の側面（積層体１０５において、機能素子１２０側の面と支持基板１１０側の面とを結ぶ面）および圧電層１３０の上面１３１（圧電層１３０において機能素子１２０が形成される面）に接するように配置されている。絶縁層１５０は、たとえば、エポキシ、ポリイミド、アクリル、ウレタン等を主成分とした樹脂、シリコン樹脂、および、スピン・オン・ガラス（ＳＯＧ）などにより形成されている。
カバー層１７５は、支持層１７０によって機能素子１２０から離間した位置に支持されている。カバー層１７５は、たとえば、エポキシ、ポリイミド、アクリル、ウレタン等を主成分とした樹脂により形成されている。
支持層１７０は、絶縁層１５０の上面に積層体１０５の周囲を囲むように配置されている。支持層１７０は、たとえば、ポリイミド、エポキシ系樹脂、環オレフィン系樹脂、ベンゾシクロブテン、ポリベンゾオキサゾール、フェノール系樹脂、シリコーン、あるいはアクリル樹脂などの有機材料を含む樹脂で形成されている。支持層１７０およびカバー層１７５によって、積層体１０５とカバー層１７５との間に中空空間１９０が形成される。この中空空間１９０の内部に、機能素子１２０が形成される。
支持層１７０およびカバー層１７５を貫通して、柱状電極１８０が形成されている。柱状電極１８０のカバー層１７５側の第１端部１８１は、外部機器に接続するための接続電極１８５に接続されている。柱状電極１８０の第２端部１８２は、絶縁層１５０の上面に形成された配線電極１６０に電気的に接続されている。配線電極１６０は、絶縁層１５０の上面から圧電層１３０の上面にわたって形成されており、圧電層１３０に形成された機能素子１２０に接続されている。配線電極１６０および柱状電極１８０によって、機能素子１２０と接続電極１８５とが電気的に接続される。また、圧電層１３０の上面１３１には、配線電極１６１が形成されている。配線電極１６１によって、機能素子１２０同士が電気的に接続される。
実施の形態１の圧電デバイス１００においては、支持基板１１０において積層体１０５が形成される第１領域ＲＧ１の表面粗さと、絶縁層１５０が形成される第２領域ＲＧ２の表面粗さとが異なっている。具体的には、第２領域ＲＧ２の表面粗さＲ２は、第１領域ＲＧ１の表面粗さＲ１よりも大きくされている（Ｒ１＜Ｒ２）。
圧電デバイス１００のように、圧電層１３０と支持基板１１０との間に中間層１４０が形成される構成においては、ＩＤＴ電極のピッチに基づいて、圧電層１３０の面内方向に伝播するメインモードの弾性波とともに、中間層１４０の厚みに応じた、厚み方向（Ｚ軸方向）に伝播する共振モードが形成される。この厚み方向の共振モードが発生することにより、メインモードの共振周波数よりも高い周波数を有する高次モードのスプリアスが不可避的に発生する。このスプリアスは、メインモードの高周波信号にノイズとなって重畳し、圧電デバイスの特性に影響を与え得る。
さらに、発生した高次モードのスプリアスは、積層体１０５から絶縁層１５０へと漏洩する場合があり、その場合には、隣接する他の圧電デバイスの特性に対しても影響を及ぼす可能性がある。
上記の厚み方向の共振モードは、中間層１４０の厚みが一定であるほど共振の強度が大きくなり、それに伴って高次モードのスプリアスの強度も大きくなる。そのため、中間層１４０が形成される第１領域ＲＧ１の部分の支持基板１１０の表面粗さを大きくして、中間層１４０の厚みを不均一にすることで、発生するスプリアスの強度を低減することができる。ただし、第１領域ＲＧ１の表面粗さを大きくし過ぎると、逆にメインモードの信号に対する影響が大きくなり、特性が低下するおそれがある。そのため、第１領域ＲＧ１の表面粗さについては、メインモードへの影響が生じない範囲に制限される。
一方、絶縁層１５０が形成される第２領域ＲＧ２については、メインモードへの影響は少ないため、表面粗さを可能な限り大きくすることによって漏洩したスプリアスの強度を低減して、隣接する他の圧電デバイスへの影響を最小化することが望ましい。
そのため、実施の形態１における圧電デバイスにおいては、支持基板１１０の表面粗さを、従来のプロセスで形成される支持基板の表面粗さよりも大きくする。さらに、絶縁層１５０が形成される第２領域ＲＧ２の表面粗さＲ２を、積層体１０５が形成される第１領域ＲＧ１の表面粗さＲ１よりも大きくする（Ｒ１＜Ｒ２）。具体的には、算術平均粗さＲａで表わすと、第１領域ＲＧ１における表面粗さＲ１を０．１ｎｍ＜Ｒ１＜０．３ｎｍの範囲に設定し、第２領域ＲＧ２における表面粗さＲ２を０．１ｎｍ＜Ｒ２＜１００ｎｍの範囲に設定する（ただし、Ｒ１＜Ｒ２）。
製造プロセスにおいては、支持基板１１０上に中間層１４０を形成する前に、レーザミリングあるいはイオンミリング等を用いて支持基板１１０の表面が加工される。次いで、支持基板１１０上の全体に中間層１４０および圧電層１３０が形成された後に、絶縁層１５０を形成する部分の積層体１０５が、レーザミリングあるいはエッチングによって除去される。このとき、積層体１０５の形成前に行なった表面加工の条件よりも表面粗さが粗くなる条件を用いて、第２領域ＲＧ２の部分の積層体１０５が除去される。このようなプロセスを採用することによって、第２領域ＲＧ２の表面粗さＲ２を第１領域ＲＧ１の表面粗さＲ１よりも大きくすることができる。
以上のように、圧電デバイスにおいて、絶縁層が形成される支持基板の領域の表面粗さを、積層体が形成される支持基板の領域の表面粗さよりも大きくすることによって、発生する高次モードスプリアスの影響を低減することができる。
また、支持基板の表面粗さを粗くすることによって、中間層と支持基板との間、および絶縁層と支持基板との間の接地面積が大きくなるため、中間層および絶縁層の密着強度を増加することができるので、支持基板からの剥離を抑制することができる。
［実施の形態２］
実施の形態１においては、絶縁層が形成される第２領域ＲＧ２の表面粗さがほぼ均一である場合について説明した。しかしながら、漏洩スプリアスの強度は、積層体に近いほど強く、積層体から遠ざかるに従って徐々に低下する。そのため、実施の形態２においては、第２領域ＲＧ２において積層体により近い部分については、積層体から相対的に遠い部分よりも表面粗さを大きくして、漏洩スプリアスをより効果的に減衰させる構成について説明する。
実施の形態１においては、絶縁層が形成される第２領域ＲＧ２の表面粗さがほぼ均一である場合について説明した。しかしながら、漏洩スプリアスの強度は、積層体に近いほど強く、積層体から遠ざかるに従って徐々に低下する。そのため、実施の形態２においては、第２領域ＲＧ２において積層体により近い部分については、積層体から相対的に遠い部分よりも表面粗さを大きくして、漏洩スプリアスをより効果的に減衰させる構成について説明する。
図３は、実施の形態２に係る圧電デバイス１００Ａの部分断面図である。圧電デバイス１００Ａにおいては、実施の形態１の圧電デバイス１００の支持基板１１０が支持基板１１０Ａに置き換えられた構成を有している。そのため、以降の説明において、圧電デバイス１００と重複する要素についての説明は繰り返さない。
図３を参照して、圧電デバイス１００Ａにおいては、支持基板１１０Ａにおいて絶縁層１５０が形成される第２領域ＲＧ２が、第１部分ＲＧ２－１および第２部分ＲＧ２－２に分割されている。第１部分ＲＧ２－１は、支持基板１１０Ａにおいて積層体１０５が形成される第１領域ＲＧ１に隣接する領域である。第２部分ＲＧ２－２は、当該第１部分ＲＧ２－１よりも第１領域ＲＧ１から遠い領域である。
そして、第１部分ＲＧ２－１の表面粗さＲ２１は、第２部分ＲＧ２－２の表面粗さＲ２２さよりも大きくされている。すなわち、第１領域ＲＧ１を含めた表面粗さの大小関係は、Ｒ１＜Ｒ２２＜Ｒ２１となる。
支持基板１１０Ａの表面粗さを上記のように設定することで、積層体に近い領域で漏洩スプリアスを効果的に低減することが可能となる。
なお、上記の例においては、第２領域ＲＧ２の第２部分ＲＧ２－２の表面粗さＲ２２が、第１領域ＲＧ１の表面粗さＲ１よりも大きい場合について説明したが、第２領域ＲＧ２の第１部分ＲＧ２－１によって漏洩スプリアスを十分に低減できる場合には、第２部分ＲＧ２－２の表面粗さＲ２２は、第１領域ＲＧ１の表面粗さＲ１以下であってもよい。
［実施の形態３］
実施の形態３においては、支持基板における第１領域と第２領域との境界における応力を低減する構成について説明する。
実施の形態３においては、支持基板における第１領域と第２領域との境界における応力を低減する構成について説明する。
図４は、実施の形態３に係る圧電デバイス１００Ｂの部分断面図である。圧電デバイス１００Ｂにおいては、実施の形態１の圧電デバイス１００の支持基板１１０が支持基板１１０Ｂに置き換えられた構成を有している。そのため、以降の説明において、圧電デバイス１００と重複する要素についての説明は繰り返さない。
図４を参照して、圧電デバイス１００Ｂの支持基板１１０Ｂにおいては、絶縁層１５０が形成される第２領域ＲＧ２の部分の厚み（Ｚ軸方向の寸法）が、積層体１０５が形成される第１領域ＲＧ１の部分の厚みよりも薄くされている。言い換えると、第２領域ＲＧ２の部分の上面は、第１領域ＲＧ１の上面よりもＺ軸の負方向に位置している。そして、第１領域ＲＧ１と第２領域ＲＧ２との間に、支持基板１１０の厚みが連続的に変化する傾斜領域ＲＧ３が形成されている。すなわち、第２領域ＲＧ２は、傾斜領域ＲＧ３を介して第１領域ＲＧ１と隣接している。なお、傾斜領域ＲＧ３は、断面が直線状となる形状であってもよいし、断面が円弧状となる形状であってもよい。
図４に示すように、積層体の側面が、支持基板に体して垂直に形成される場合、積層体と支持基板との境界部分に応力が集中しやすく、それによって積層体あるいは絶縁層が支持基板から剥離したり、支持基板にクラックが生じたりする可能性がある。
実施の形態３の圧電デバイス１００Ｂのように、支持基板１１０Ｂの第１領域ＲＧ１と第２領域ＲＧ２の間に傾斜領域ＲＧ３を設けることによって、積層体１０５と支持基板１１０Ｂとの境界部分に作用する応力集中を緩和することができる。これによって、支持基板１１０Ｂからの積層体１０５および絶縁層１５０の剥離、ならびに、支持基板１１０Ｂの破損を抑制することが可能となる。
今回開示された実施の形態は、すべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本開示の範囲は、上記した実施の形態の説明ではなくて請求の範囲によって示され、請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
１００，１００Ａ，１００Ｂ 圧電デバイス、１０５ 積層体、１１０，１１０Ａ，１１０Ｂ 支持基板、１２０ 機能素子、１３０ 圧電層、１４０ 中間層、１４１ 低音速層、１４２ 高音速層、１５０ 絶縁層、１６０，１６１ 配線電極、１７０ 支持層、１７５ カバー層、１８０ 柱状電極、１８１ 第１端部、１８２ 第２端部、１８５ 接続電極、１９０ 中空空間。
Claims (4)
- 支持基板と、
前記支持基板上の第１領域に配置された中間層と、
前記中間層上に配置された圧電層と、
前記圧電層上に形成された機能素子と、
前記支持基板上において、前記第１領域に隣接する第２領域に配置された絶縁層とを備え、
前記第２領域における前記支持基板の表面粗さは、前記第１領域における前記支持基板の表面粗さよりも大きい、圧電デバイス。 - 前記第２領域は、前記第１領域に隣接する第１部分と、前記第１部分よりも前記第１領域から遠い第２部分とを含み、
前記第１部分における前記支持基板の表面粗さは、前記第２部分における前記支持基板の表面粗さよりも大きい、請求項１に記載の圧電デバイス。 - 前記第２領域における前記支持基板の厚みは、前記第１領域における前記支持基板の厚みよりも薄く、
前記支持基板は、前記第１領域と前記第２領域との間に傾斜領域を有する、請求項１または２に記載の圧電デバイス。 - 前記中間層は、
前記支持基板上に配置され、前記圧電層に伝搬する弾性バルク波の速度よりも高速の弾性バルク波を伝搬する高音速層と、
前記高音速層と前記圧電層との間に配置され、前記圧電層に伝搬する弾性バルク波の速度よりも低速の弾性バルク波を伝搬する低音速層とを含む、請求項１～３のいずれか１項に記載の圧電デバイス。
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