KR102111928B1 - 탄성파 장치 - Google Patents
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Abstract
압전 기판의 휘어짐이 생기기 어려우면서 특성의 열화가 생기기 어려운 탄성파 장치를 제공한다.
지지 기판(2)과, 지지 기판(2) 상에 마련된 음향 다층막(3)과, 음향 다층막(3) 상에 마련된 압전 기판(4)과, 압전 기판(4) 상에 마련된 IDT 전극(5)을 포함하고, 압전 기판(4)의 열팽창 계수의 절대치가 지지 기판(2)의 열팽창 계수의 절대치보다 크고, 음향 다층막(3)이 적어도 4층의 음향 임피던스층을 가지고, 압전 기판(4) 측에서부터 지지 기판(2) 측을 향하여, 1층째의 음향 임피던스층(3g) 내로부터 3층째의 음향 임피던스층(3e)과 4층째의 음향 임피던스층(3d)의 계면까지의 임의의 위치에 마련되어 있는 접합층을 더 포함하는 탄성파 장치(1).
지지 기판(2)과, 지지 기판(2) 상에 마련된 음향 다층막(3)과, 음향 다층막(3) 상에 마련된 압전 기판(4)과, 압전 기판(4) 상에 마련된 IDT 전극(5)을 포함하고, 압전 기판(4)의 열팽창 계수의 절대치가 지지 기판(2)의 열팽창 계수의 절대치보다 크고, 음향 다층막(3)이 적어도 4층의 음향 임피던스층을 가지고, 압전 기판(4) 측에서부터 지지 기판(2) 측을 향하여, 1층째의 음향 임피던스층(3g) 내로부터 3층째의 음향 임피던스층(3e)과 4층째의 음향 임피던스층(3d)의 계면까지의 임의의 위치에 마련되어 있는 접합층을 더 포함하는 탄성파 장치(1).
Description
본 발명은 공진자나 대역 필터 등에 이용되는 탄성파 장치에 관한 것이다.
종래, 공진자나 대역 필터로서 탄성파 장치가 널리 이용되고 있다. 이러한 탄성파 장치에서는 레일리파나 SH파 등의 다양한 탄성파가 이용되고 있다.
하기의 특허문헌 1에는 판파(plate wave)를 이용한 탄성파 장치가 개시되어 있다. 특허문헌 1의 탄성파 장치에서는 지지 기판 상에 음향 반사층, 압전체층 및 IDT 전극이 이 순서대로 적층되어 있다. 특허문헌 1에서는 탄성파 장치의 제조 시에 음향 반사층이 적층되어 있는 지지 기판에 압전체를 접합하고 있다.
하기의 특허문헌 2에는 지지 기판 상에 고음속막, 저음속막 및 압전막이 이 순서대로 적층된 탄성파 장치가 개시되어 있다. 특허문헌 2에서는, 탄성파 장치의 제조 시에 압전막, 저음속막 및 고음속막이 적층되어 있는 적층체에 지지 기판을 접합하고 있다.
그러나, 특허문헌 1과 같이 음향 반사층이 적층되어 있는 지지 기판에 압전체를 접합하는 방법으로 얻어진 탄성파 장치에서는 특성의 열화가 생기는 경우가 있었다.
한편, 특허문헌 2의 접합 방법으로 지지 기판과 다른 부분을 접합한 경우, 압전막 측에 많은 막이 형성되게 된다. 압전막 측에 많은 막이 형성되면, 형성된 막에 응력이 생겨 압전막에 휘어짐이 발생하는 경우가 있었다. 그렇기 때문에, 특허문헌 2의 탄성파 장치에 있어서도 특성의 열화가 생기는 경우가 있었다.
본 발명의 목적은 압전 기판의 휘어짐이 생기기 어려우면서 특성의 열화가 생기기 어려운 탄성파 장치를 제공하는 것에 있다.
본 발명에 따른 탄성파 장치는 지지 기판과, 상기 지지 기판 상에 마련된 음향 다층막과, 상기 음향 다층막 상에 마련된 압전 기판과, 상기 압전 기판 상에 마련된 IDT 전극을 포함하고, 상기 압전 기판의 열팽창 계수의 절대치가 상기 지지 기판의 열팽창 계수의 절대치보다 크며, 상기 음향 다층막이 적어도 4층의 음향 임피던스층을 가지고, 상기 적어도 4층의 음향 임피던스층이 적어도 1층의 저음향 임피던스층과, 상기 저음향 임피던스층보다도 음향 임피던스가 높은 적어도 1층의 고음향 임피던스층으로 구성되어 있으며, 상기 압전 기판 측에서부터 상기 지지 기판 측을 향하여, 1층째의 음향 임피던스층 내로부터 3층째의 상기 음향 임피던스층과 4층째의 상기 음향 임피던스층의 계면까지의 임의의 위치에 마련되어 있는 접합층을 더 포함한다.
본 발명에 따른 탄성파 장치의 어느 특정한 국면에서는, 상기 접합층이 상기 압전 기판 측에서부터 상기 지지 기판 측을 향하여, 1층째에서 3층째까지의 상기 음향 임피던스층 중 임의의 음향 임피던스층 내에 마련되어 있다.
본 발명에 따른 탄성파 장치의 다른 특정한 국면에서는, 상기 접합층이 상기 압전 기판 측에서부터 상기 지지 기판 측을 향하여, 1층째에서 4층째까지의 상기 음향 임피던스층 중 서로 인접하고 있는 어느 2층의 음향 임피던스층 간의 계면에 마련되어 있다.
본 발명에 따른 탄성파 장치의 다른 특정한 국면에서는 전파하는 탄성파로서 S0 모드, A0 모드, A1 모드, SH0 모드, 또는 SH1 모드의 판파를 이용하고 있다.
본 발명에 따른 탄성파 장치의 또 다른 특정한 국면에서는 상기 접합층의 두께가 5㎚ 이하이다. 이 경우에는 특성의 열화가 한층 더 생기기 어렵다.
본 발명에 따른 탄성파 장치의 또 다른 특정한 국면에서는 상기 접합층이 절연층을 겸하고 있다. 이 경우에는 특성의 열화가 한층 더 생기기 어렵다.
본 발명에 따른 탄성파 장치의 또 다른 특정한 국면에서는 상기 지지 기판이 유리 또는 Si로 구성되어 있으면서, 상기 압전 기판이 LiNbO3 또는 LiTaO3으로 구성되어 있다. 이 경우에는 압전 기판의 휘어짐이 한층 더 생기기 어렵다.
본 발명에 따른 탄성파 장치의 또 다른 특정한 국면에서는 상기 저음향 임피던스층이 산화 규소로 구성되어 있다. 이 경우에는 한층 더 효율적으로 판파를 가둘 수 있다.
본 발명에 따른 탄성파 장치의 또 다른 특정한 국면에서는 상기 고음향 임피던스층이 텅스텐, 백금, 탄탈, 질화 규소 또는 질화 알루미늄으로 구성되어 있다. 이 경우에는 한층 더 효율적으로 판파를 가둘 수 있다.
본 발명에 따르면, 압전 기판의 휘어짐이 생기기 어려우면서 특성의 열화가 생기기 어려운 탄성파 장치를 제공할 수 있다.
도 1(a)는 본 발명의 제1 실시형태에 따른 탄성파 장치의 모식적 정면 단면도이며, 도 1(b)는 그 전극 구조를 나타내는 모식적 평면도이다.
도 2는 본 발명의 제1 실시형태에 따른 탄성파 장치의 주요부를 확대하여 나타내는 부분 컷어웨이(cut-away) 모식적 단면도이다.
도 3은 실험예 1에 있어서, 음향 다층막을 구성하는 음향 임피던스층의 적층 수를 변화시켰을 때의 압전 기판의 두께와 임피던스비(Za/Zr)의 관계를 나타내는 도면이다.
도 4(a)~도 4(d)는 본 발명의 제1 실시형태에 따른 탄성파 장치의 제조 방법을 설명하기 위한 각 약도적 정면 단면도이다.
도 5는 실험예 2에 있어서, 압전 기판에 X 컷트-LiNbO3 기판을 이용한 경우에서의 음향 임피던스층의 적층 수와 압전 기판의 휘어짐량의 관계를 나타내는 도면이다.
도 6은 실험예 3에 있어서 접합층의 접합 위치와 임피던스비(Za/Zr)의 관계를 나타내는 도면이다.
도 7은 실험예 3에 있어서 압전 기판 측에서부터 1층째의 음향 임피던스층 상에 접합층을 마련했을 때의 공진 특성을 나타내는 도면이다.
도 8은 본 발명의 제2 실시형태에 따른 탄성파 장치의 주요부를 확대하여 나타내는 부분 컷어웨이 모식적 단면도이다.
도 2는 본 발명의 제1 실시형태에 따른 탄성파 장치의 주요부를 확대하여 나타내는 부분 컷어웨이(cut-away) 모식적 단면도이다.
도 3은 실험예 1에 있어서, 음향 다층막을 구성하는 음향 임피던스층의 적층 수를 변화시켰을 때의 압전 기판의 두께와 임피던스비(Za/Zr)의 관계를 나타내는 도면이다.
도 4(a)~도 4(d)는 본 발명의 제1 실시형태에 따른 탄성파 장치의 제조 방법을 설명하기 위한 각 약도적 정면 단면도이다.
도 5는 실험예 2에 있어서, 압전 기판에 X 컷트-LiNbO3 기판을 이용한 경우에서의 음향 임피던스층의 적층 수와 압전 기판의 휘어짐량의 관계를 나타내는 도면이다.
도 6은 실험예 3에 있어서 접합층의 접합 위치와 임피던스비(Za/Zr)의 관계를 나타내는 도면이다.
도 7은 실험예 3에 있어서 압전 기판 측에서부터 1층째의 음향 임피던스층 상에 접합층을 마련했을 때의 공진 특성을 나타내는 도면이다.
도 8은 본 발명의 제2 실시형태에 따른 탄성파 장치의 주요부를 확대하여 나타내는 부분 컷어웨이 모식적 단면도이다.
이하, 도면을 참조하면서 본 발명의 구체적인 실시형태를 설명함으로써 본 발명을 명백히 한다.
한편, 본 명세서에 기재된 각 실시형태는 예시적인 것이며, 다른 실시형태 간에 있어서 구성의 부분적인 치환 또는 조합이 가능한 것을 지적해 둔다.
(제1 실시형태)
도 1(a)는 본 발명의 제1 실시형태에 따른 탄성파 장치의 모식적 정면 단면도이며, 도 1(b)는 그 전극 구조를 나타내는 모식적 평면도이다. 또한, 도 2는 본 발명의 제1 실시형태에 따른 탄성파 장치의 주요부를 확대하여 나타내는 부분 컷어웨이 모식적 단면도이다.
탄성파 장치(1)는 S0 모드, A0 모드, A1 모드, SH0 모드, 또는 SH1 모드 등의 판파를 이용한 탄성파 장치이다. 탄성파 장치(1)는 지지 기판(2)을 가진다. 지지 기판(2) 상에 음향 다층막(3)이 적층되어 있다. 음향 다층막(3) 상에 압전 기판(4)이 적층되어 있다. 압전 기판(4) 상에 IDT 전극(5) 및 전극 랜드(6a, 6b)가 적층되어 있다. 전극 랜드(6a, 6b)는 IDT 전극(5)에 전기적으로 접속되도록 마련되어 있다.
지지 기판(2)은 Si로 이루어진다. 지지 기판(2)을 구성하는 재료로는 특별히 한정되지 않고, 사파이어, LiTaO3, LiNbO3, 수정 등의 압전체, 알루미나, 마그네시아, 질화 규소, 질화 알루미늄, 산화 규소, 산화 알루미늄, 탄화 규소, 지르코니아, 코디어라이트, 멀라이트, 스테아타이트, 포르스테라이트 등의 각종 세라믹 혹은 유리 등의 유전체, 또는 실리콘, 질화 갈륨 등의 반도체, 혹은 수지 등을 이용할 수 있다.
음향 다층막(3)은 본 실시형태에서는 저음향 임피던스층(3a, 3c, 3e, 3g)과 고음향 임피던스층(3b, 3d, 3f)을 가진다. 고음향 임피던스층(3b, 3d, 3f)의 음향 임피던스는 저음향 임피던스층(3a, 3c, 3e, 3g)의 음향 임피던스보다도 높다. 본 실시형태에서는 저음향 임피던스층(3a, 3c, 3e, 3g)과 고음향 임피던스층(3b, 3d, 3f)이 적층방향에 있어서 교대로 배치되어 있다. 그렇기 때문에, 압전 기판(4)으로부터 전파되어 온 판파가 저음향 임피던스층(3a, 3c, 3e, 3g)의 위쪽 표면인 저음향 임피던스층(3a, 3c, 3e, 3g) 및 고음향 임피던스층(3b, 3d, 3f)의 계면에서 반사되게 된다. 그로 인해, 판파의 에너지를 효율적으로 가둘 수 있다.
한편, 본 발명에 있어서 저음향 임피던스층(3a, 3c, 3e, 3g)과 고음향 임피던스층(3b, 3d, 3f)은 적층방향에 있어서 교대로 배치되어 있지 않아도 된다. 단, 판파의 가둠 효율을 한층 더 높이는 관점에서는 저음향 임피던스층(3a, 3c, 3e, 3g) 중 적어도 1층이 고음향 임피던스층(3b, 3d, 3f) 중 적어도 1층보다 압전 기판(4) 측에 마련되어 있는 것이 바람직하다. 보다 바람직하게는, 저음향 임피던스층(3a, 3c, 3e, 3g) 및 고음향 임피던스층(3b, 3d, 3f)은 적층방향에 있어서 교대로 배치되어 있는 것이 바람직하다.
또한, 저음향 임피던스층(3a, 3c, 3e, 3g) 및 고음향 임피던스층(3b, 3d, 3f)은 서로의 음향 임피던스의 값이 고음향 임피던스층＞저음향 임피던스층의 관계를 만족하면 되고, 상기 관계를 만족하면 재질은 어느 것이어도 된다.
본 실시형태에 있어서 음향 다층막(3)은 7층의 음향 임피던스층으로 구성되어 있다. 단, 본 발명에 있어서는 음향 임피던스층의 적층 수가 적어도 4층 이상이면 된다. 한편, 음향 임피던스층의 적층 수의 상한은 특별히 한정되지 않지만 20층 정도로 하는 것이 바람직하다. 본 발명의 탄성파 장치는 음향 다층막이 적어도 4층의 음향 임피던스층을 가지고 있으므로 판파를 효율적으로 가둘 수 있다. 이것을 이하의 실험예 1을 참조하여 상세하게 설명한다.
실험예 1에 있어서는 하기의 조건으로 1포트형의 탄성파 공진자인 탄성파 장치(1)를 제작하고, 예를 들면 S0 모드의 판파를 여진(勵振; excited)시켰다.
지지 기판(2)…Si기판
음향 다층막(3)…적층 수: 2층, 4층 또는 6층, 저음향 임피던스층: SiO2, 고음향 임피던스층: Pt, 각 층의 막 두께: SiO2…240㎚, Pt…150㎚
압전 기판(4)…X 컷트-LiNbO3{오일러 각(90°, 90°, 40°)}
IDT 전극(5)…AlCu(Cu 1%)/Ti, 듀티 비: 0.5, 전극 핑거 쌍의 수: 100쌍, 교차 폭: 25㎛, 전극 핑거 피치로 정해지는 파장(λ): 1.7㎛
도 3은 음향 다층막을 구성하는 음향 임피던스층의 적층 수를 변화시켰을 때의 압전 기판(4)(LiNbO3)의 두께와 임피던스비(Za/Zr)의 관계를 나타내는 도면이다.
도 3으로부터, 음향 임피던스층의 적층 수가 4층 및 6층의 탄성파 장치(1)에서는 적층 수가 2층인 것과 비교하여 양호한 임피던스 특성이 얻어지고 있는 것을 알 수 있다. 이것으로부터, 판파를 효율적으로 가두고, 양호한 임피던스 특성을 얻기 위해서는 적어도 4층의 음향 임피던스층이 필요한 것을 알 수 있다.
이와 같이 본 발명에 있어서는 음향 다층막이 적어도 4층의 음향 임피던스층을 가지고 있으면 된다. 그로 인해, 판파를 효율적으로 가둘 수 있다. 한편, 상기 음향 다층막은 적어도 4층의 음향 임피던스층을 가지고 있으면 TiO2 등으로 이루어지는 다른 층을 더 가지고 있어도 된다.
또한, 판파의 에너지를 한층 더 효율적으로 가두는 관점에서 음향 다층막(3)을 구성하는 음향 임피던스층의 각 층의 두께는 각각 압전 기판(4)의 두께의 1/4~10배 정도의 범위인 것이 바람직하다. 단, 복수의 음향 임피던스층의 각 층의 두께는 특별히 한정되지 않는다.
저음향 임피던스층(3a, 3c, 3e, 3g)은 SiO2로 구성되어 있다. 단, 저음향 임피던스층(3a, 3c, 3e, 3g)은 Al이나 Ti 등으로 구성되어 있어도 된다.
고음향 임피던스층(3b, 3d, 3f)은 Pt로 구성되어 있다. 단, 고음향 임피던스층(3b, 3d, 3f)은 AlN, W, LiTaO3, Al2O3, LiNbO3, Ta, SiN 또는 ZnO 등으로 구성되어 있어도 된다.
도 2에 확대하여 도시하는 바와 같이 본 실시형태에서는 저음향 임피던스층(3e)과 고음향 임피던스층(3d)의 계면에 접합층(9)이 마련되어 있다. 즉, 압전 기판(4) 측에서부터 지지 기판(2) 측을 향하여, 3층째의 음향 임피던스층(3e)과 4층째의 음향 임피던스층(3d)의 계면에 접합층(9)이 마련되어 있다. 따라서, 본 실시형태에 있어서 접합층(9)은 압전 기판(4)의 바로 아래에는 마련되어 있지 않다.
접합층(9)은 Ti 산화물로 구성되어 있다. 따라서, 본 실시형태에 있어서는, 접합층(9)은 절연층이다. 한편, 접합층(9)은 Ti 산화물에 한정되지 않고 Al 등의 다른 금속의 산화물이어도 된다. 또한, 금속의 산화물이 아니라 Ti나 Al 등의 금속으로 구성되어 있어도 된다. 단, 바람직하게는 전기적 절연을 도모하기 위해서 금속 산화물 또는 금속 질화물이 바람직하다. 특히, 접합력이 높기 때문에 Ti의 산화물 또는 질화물이 바람직하다.
접합층(9)의 두께는 특별히 한정되지 않지만 5㎚ 이하인 것이 바람직하다. 본 실시형태와 같이 접합층(9)이 절연층이면서 접합층(9)의 두께를 상기 범위 내로 함으로써 탄성파 장치(1)의 특성의 열화를 한층 더 생기기 어렵게 할 수 있다.
압전 기판(4)은 LiNbO3으로 이루어지는 기판이다. 따라서, 압전 기판(4)의 열팽창 계수의 절대치는 Si로 이루어지는 지지 기판(2)의 열팽창 계수의 절대치보다 크다. 압전 기판(4)으로는 열팽창 계수의 절대치가 지지 기판(2)보다 큰 것이면 특별히 한정되지 않는다. 압전 기판(4)으로는 LiTaO3 등의 다른 압전 단결정으로 이루어지는 기판을 이용해도 되고, 압전 세라믹스로 이루어지는 기판을 이용해도 된다.
한편, 본 실시형태와 같이 지지 기판(2)으로서 유리 또는 Si로 이루어지는 기판을 이용하고, 압전 기판(4)으로서 LiNbO3 또는 LiTaO3으로 이루어지는 기판을 이용하는 것이 바람직하다. 이 경우, 열팽창 계수의 절대치의 차이가 작아지므로 압전 기판(4)의 휘어짐을 한층 더 억제할 수 있다.
도 1(a)에서는 약도적으로 나타내고 있지만, 압전 기판(4) 상에 도 1(b)에 나타내는 전극 구조가 형성되어 있다. 즉, IDT 전극(5)과, IDT 전극(5)의 탄성파 전파 방향 양측에 배치된 반사기(7, 8)가 형성되어 있다. 그로 인해, 1포트형 탄성파 공진자가 구성되어 있다. 한편, 반사기(7, 8)는 마련되지 않아도 된다.
도 1(b)에 도시하는 바와 같이 IDT 전극(5)은 제1, 제2 버스 바(bus bar)와 복수 개의 제1, 제2 전극 핑거를 가진다. 복수 개의 제1 전극 핑거와 복수 개의 제2 전극 핑거는 서로 맞물려(interdigitate) 있다. 또한, 복수 개의 제1 전극 핑거는 제1 버스 바에 접속되어 있고, 복수 개의 제2 전극 핑거는 제2 버스 바에 접속되어 있다.
IDT 전극(5)에 교번 전압을 인가하면 IDT 전극(5)이 형성되어 있는 압전 기판(4) 부분이 여진된다. 탄성파 장치(1)는 상기한 바와 같이 IDT 전극(5)이 여진됨으로써 발생한 탄성파로서 판파를 이용하고 있다.
한편, 본 실시형태에 있어서는 도시를 생략하고 있지만, 본 발명에 있어서는 IDT 전극(5)을 덮도록 온도 조정 막으로서의 SiO2막이나 SiN막을 마련해도 된다.
IDT 전극(5) 및 전극 랜드(6a, 6b)는, 본 실시형태에서는 Al로 구성되어 있다. 단, IDT 전극(5) 및 전극 랜드(6a, 6b)는 각각 Al, Cu, Pt, Au, Ag, Ti, Ni, Cr, Mo, W 또는 이들의 금속을 주체로 하는 합금 등의 적절한 금속으로 구성할 수 있다. 또한, IDT 전극(5) 및 전극 랜드(6a, 6b)는 복수의 금속막을 적층하여 이루어지는 적층 금속막으로 구성되어 있어도 된다.
본 실시형태의 탄성파 장치(1)에서는 음향 임피던스층의 적층 수가 적어도 4층 이상이기 때문에 판파를 효율적으로 가둘 수 있다. 또한, 탄성파 장치(1)에서는 접합층(9)이 압전 기판(4) 측에서부터 지지 기판(2) 측을 향하여, 3층째의 음향 임피던스층(3e)과 4층째의 음향 임피던스층(3d)의 계면에 위치하고 있다. 따라서, 제조 시에 압전 기판(4)과 지지 기판(2)을 접합시킬 때에 압전 기판(4)의 휘어짐이 생기기 어렵다. 또한, 최종적으로 얻어지는 탄성파 장치(1)에 있어서도 압전 기판(4)의 휘어짐이 생기기 어렵다. 따라서, 특성의 열화가 생기기 어렵다. 이것을 이하의 제조 방법을 설명함으로써 보다 구체적으로 설명한다.
(제조 방법)
탄성파 장치(1)의 제조 방법은 특별히 한정되지 않지만, 일례를 도 4(a)~도 4(d)를 참조하여 설명한다.
우선, 도 4(a)에 도시하는 바와 같이 압전 기판(4A)과 지지 기판(2)을 준비한다. 압전 기판(4A)의 한쪽 측의 주면 상에 SiO2로 이루어지는 저음향 임피던스층(3g)을 형성한다. 이어서, 저음향 임피던스층(3g) 상에 SiN으로 이루어지는 고음향 임피던스층(3f)과, SiO2로 이루어지는 저음향 임피던스층(3e)을 이 순서대로 적층한다. 그로 인해, 압전 기판(4A) 상에 적층막을 형성한다.
한편, 지지 기판(2)의 한쪽 측의 주면 상에 SiO2로 이루어지는 2층의 저음향 임피던스층(3a, 3c)과, SiN으로 이루어지는 2층의 고음향 임피던스층(3b, 3d)을 SiO2로 이루어지는 저음향 임피던스층(3a)으로부터 순서대로 교대로 적층한다. 그로 인해, 지지 기판(2) 상에 적층막을 형성한다.
한편, 지지 기판(2) 상에는 적층막의 최상층에 적어도 SiN으로 이루어지는 고음향 임피던스층(3d)이 마련되어 있으면 된다. 이 경우, 압전 기판(4A) 상의 3층의 음향 임피던스층과 조합시킴으로써 4층의 음향 임피던스층을 가지는 탄성파 장치(1)를 얻을 수 있다. 지지 기판(2)과 고음향 임피던스층(3d) 사이에는 본 실시형태와 같이 음향 임피던스층이 마련되어 있어도 되고, 다른 층이 마련되어 있어도 된다. 다른 층으로는 예를 들면 TiO2로 이루어지는 층을 마련할 수 있다.
압전 기판(4A)으로는 LiNbO3으로 이루어지는 판이 이용된다. 단, 압전 기판(4A)으로는 LiTaO3 등의 다른 압전 단결정으로 이루어지는 판을 이용해도 되고, 압전 세라믹스로 이루어지는 판을 이용해도 된다.
지지 기판(2)으로는 Si가 이용된다. 단, 지지 기판(2)으로는 사파이어, LiTaO3, LiNbO3, 수정 등의 압전체, 알루미나, 마그네시아, 질화 규소, 질화 알루미늄, 산화 규소, 산화 알루미늄, 탄화 규소, 지르코니아, 코디어라이트, 멀라이트, 스테아타이트, 포르스테라이트 등의 각종 세라믹 혹은 유리 등의 유전체, 또는 실리콘, 질화 갈륨 등의 반도체, 혹은 수지 등을 이용할 수 있다.
저음향 임피던스층(3a, 3c, 3e, 3g) 및 고음향 임피던스층(3b, 3d, 3f)은 스패터링법, 증착법 또는 CVD법 등의 방법으로 형성할 수 있다. 저음향 임피던스층(3a, 3c, 3e, 3g) 및 고음향 임피던스층(3b, 3d, 3f)의 각 층의 두께는 특별히 한정되지 않고, 각각 50㎚~2000㎚ 정도로 할 수 있다. 음향 임피던스층은 적절한 패터닝을 실시하고 있어도 된다.
다음으로, 압전 기판(4A) 상에 적층된 적층막의 접합면이 되는 저음향 임피던스층(3e)의 표면과, 지지 기판(2) 상에 적층된 적층막의 접합면이 되는 고음향 임피던스층(3d)의 표면을 연마한다. 연마 후, 도 4(b)에 도시하는 바와 같이 적층막이 각각 마련된 압전 기판(4A) 및 지지 기판(2)을 접합한다. 압전 기판(4A)과 지지 기판(2)의 접합 시에는 압전 기판(4A) 상의 적층막의 최표층의 저음향 임피던스층(3e)과 지지 기판(2) 상의 적층막의 최표층의 고음향 임피던스층(3d) 사이에, 도시하지 않은 접합층(9)을 형성하기 위한 Ti로 이루어지는 접합 막을 끼워서 확산 접합에 의해 접합한다. 한편, 접합 방법은 친수화 접합이어도 되고, 활성화 접합이어도 된다.
다음으로, 도 4(c)에 도시하는 바와 같이 판파를 여진 가능한 정도까지 압전 기판(4A)을 박판화하여 압전 기판(4)을 얻는다. 판파의 여진 효율의 관점에서 압전 기판(4)의 두께는 1㎛ 이하로 하는 것이 바람직하다.
압전 기판(4A)의 박판화 후, 300℃ 정도의 온도로 열처리를 실시함으로써 상기 Ti로 이루어지는 접합 막을 산화시켜서 절연화한다.
마지막으로, 도 4(d)에 도시하는 바와 같이 압전 기판(4)의 음향 다층막(3)과는 반대 측의 주면 상에 IDT 전극(5) 및 전극 랜드(6a, 6b)를 형성하여 탄성파 장치(1)를 얻는다.
IDT 전극(5) 및 전극 랜드(6a, 6b)는 예를 들면, 증착 리프트 오프법으로 형성할 수 있다. IDT 전극(5)의 두께는 특별히 한정되지 않지만 10~2000㎚으로 할 수 있다. 또한, 전극 랜드(6a, 6b)의 두께는 특별히 한정되지 않지만 100~2000㎚으로 할 수 있다.
한편, 본 실시형태에 있어서 IDT 전극(5)은 Ti 및 AlCu(Cu 1%)를 이 순서대로 적층한 적층 금속막으로 형성했다. 또한, 전극 랜드(6a, 6b)는 Ti 및 Al을 이 순서대로 적층한 적층 금속막으로 형성했다.
본 실시형태의 제조 방법에서는 압전 기판(4A) 상에 3층의 음향 임피던스층만이 적층되어 있기 때문에 압전 기판(4A)에 큰 막 응력이 가해지고 있지 않다. 그렇기 때문에, 지지 기판(2)과 접합할 때에 압전 기판(4A)의 휘어짐이 생기기 어렵다. 이 점에 대해서 구체적인 실험예 2에 기초하여 설명한다.
실험예 2에 있어서는, 상술한 제조 방법에 의해 탄성파 장치(1)를 제작할 때에 압전 기판(4A) 상에 적층하는 음향 임피던스층의 적층 수를 1층에서 6층으로 변화시켰다.
도 5는 압전 기판에 X 컷트-LiNbO3 기판을 이용한 경우에서의 음향 임피던스층의 적층 수와 압전 기판의 휘어짐량의 관계를 나타내는 도면이다. 한편, 도 5에 있어서 음향 임피던스층의 적층 수는 지지 기판(2)과 접합하기 전의 압전 기판(4A) 상에 적층하는 음향 임피던스층의 적층 수이다. 또한, 상기 휘어짐량은 지지 기판(2)과 접합할 때의 직경 4인치의 압전 기판(4A)의 휘어짐량이다.
도 5에 도시하는 바와 같이 압전 기판(4A) 상에 적층하는 음향 임피던스층의 적층 수가 적을 수록 휘어짐량이 작아지고 있는 것을 알 수 있다. 특히, 음향 임피던스층의 적층 수가 3층 이하일 때, 압전 기판(4A)(LiNbO3 기판)의 Y축 방향 및 압전 기판(4A)(LiNbO3 기판)의 Z축 방향 중 어느 방향에 있어서도, 압전 기판(4A)의 휘어짐량이 기판의 접합에서 문제가 생기기 어려운 범위 내인 150㎛ 이하로 되어 있다. 한편, 적층 수가 4층 이상일 때, Y축 방향의 휘어짐량이 150㎛ 보다 크게 되어 있다. 이것으로부터, 압전 기판(4A)과 지지 기판(2) 사이의 음향 임피던스층의 적층 수를 4층 이상으로 할 때는, 3층째까지는 압전 기판(4A) 측에 적층하고 그 밖의 층에 대해서는 지지 기판(2) 측에 적층하면 된다.
이와 같이, 본 발명에 있어서는 압전 기판(4A)과 지지 기판(2)을 접합할 때에 압전 기판(4A) 측에 적층하는 음향 임피던스층의 적층 수를 3층 이하로 하면 된다. 즉, 제작한 탄성파 장치(1)에 있어서 압전 기판(4) 측에서부터 지지 기판(2) 측을 향하여, 3층째 및 4층째의 음향 임피던스층(3e, 3d)의 계면까지의 임의의 위치에 접합층(9)이 마련되도록 하면 된다. 그 경우, 압전 기판(4A)에 큰 막 응력이 가해지지 않기 때문에 압전 기판(4A)과 지지 기판(2)을 서로 접합시킬 때의 압전 기판(4A)의 휘어짐을 생기기 어렵게 할 수 있다. 그로 인해, 압전 기판(4A)과 지지 기판(2)을 용이하게 접합할 수 있다. 또한, 압전 기판(4A)에 큰 막 응력이 가해지지 않기 때문에 박판화 후의 압전 기판(4)에 가해지는 응력도 작아져서 박판화 후의 압전 기판(4)의 휘어짐도 생기기 어렵게 할 수 있다. 그렇기 때문에, 본 발명에 있어서는 압전 기판(4)의 휘어짐 되돌림 공정을 필요로 하지 않는다. 압전 기판(4)의 휘어짐을 한층 더 억제하는 관점에서는 접합층(9)의 위치가 압전 기판(4)에 가까울수록 바람직하다.
그런데, 탄성파 장치(1)에서는 접합층(9)이 압전 기판(4)의 바로 아래에는 마련되어 있지 않다. 즉, 탄성파 장치(1)에서는 압전 기판(4)과 저음향 임피던스층(3g)의 계면에 접합층(9)이 마련되어 있지 않다. 그렇기 때문에, 탄성파 장치(1)에서는 특성의 열화가 생기기 어렵다. 이것을 이하의 실험예 3에 기초하여 설명한다.
실험예 3에 있어서는 하기의 조건으로 1포트형의 탄성파 공진자인 탄성파 장치(1)를 제작하고, S0 모드의 판파를 여진시켰다.
지지 기판(2)…Si 기판
저음향 임피던스층(3a)…SiO2, 막 두께: 0.4λ
고음향 임피던스층(3b)…SiN, 막 두께: 0.11λ
저음향 임피던스층(3c)…SiO2, 막 두께: 0.1λ
고음향 임피던스층(3d)…SiN, 막 두께: 0.11λ
저음향 임피던스층(3e)…SiO2, 막 두께: 0.1λ
고음향 임피던스층(3f)…SiN, 막 두께: 0.11λ
저음향 임피던스층(3g)…SiO2, 막 두께: 0.1λ
접합층(9)…에폭시 수지, 막 두께: 0.05λ
압전 기판(4)…LiNbO3{오일러 각(90°, 90°, 40°)}, 막 두께: 0.2λ
IDT 전극(5)…Al, 막 두께: 0.07λ, 듀티 비: 0.5, 전극 핑거 피치로 정해지는 파장(λ): 1.0㎛
도 6은 접합층의 접합 위치와 임피던스비(Za/Zr)의 관계를 나타내는 도면이다. 도면 중, 접합층(9)의 접합 위치는 압전 기판(4)에서부터 지지 기판(2)을 향하여, 몇층째의 음향 임피던스층 상에 접합층(9)이 마련되어 있는지를 나타내고 있다. 예를 들면, 0층째인 경우, 압전 기판(4)과 저음향 임피던스층(3g)의 계면에 접합층(9)이 위치하고 있는 것을 나타내고 있다.
도 6에 도시하는 바와 같이 접합 위치를 압전 기판(4) 측에서부터 1층째보다 지지 기판(2) 측으로 함으로써(즉, 접합 위치를 압전 기판(4) 측에서부터 2층째 이후에 형성함), 접합 위치가 0층째인 경우와 비교하여 특성이 향상되고 있는 것을 알 수 있다.
또한, 도 7은 압전 기판 측에서부터 1층째의 음향 임피던스층 상에 접합층을 마련했을 때의 공진 특성을 나타내는 도면이다. 도면 중, 실선은 압전 기판(4) 측에서부터 1층째의 음향 임피던스층(3g) 상에 접합층(9)을 마련했을 때의 결과를 나타내고 있다. 또한, 비교예로서 파선으로 0층째의 음향 임피던스층 상에 접합층(9)을 마련했을 때의 결과를 나타내고 있다. 즉, 압전 기판(4)과 1층째의 음향 임피던스층(3g)의 계면에 접합층(9)을 마련했을 때의 결과를 나타내고 있다.
도 7에 도시하는 바와 같이 압전 기판(4) 측에서부터 1층째의 음향 임피던스층(3g) 상에 접합층(9)을 마련했을 때, 비교예의 화살표 B1로 나타내는 주요 파 근방의 불필요 파의 응답이 억제되고 있는 것을 알 수 있다. 또한, 비교예의 화살표 B2로 나타내는 불필요 파의 응답에 대응하는 화살표 A의 불필요 파의 응답이 주요 파로부터 멀어져 있는 것을 알 수 있다. 이것으로부터, 압전 기판(4)과 1층째의 음향 임피던스층(3g)의 계면보다 지지 기판(2) 측에 접합층(9)을 위치시킴으로써 양호한 특성이 얻어지고 있는 것을 알 수 있다.
따라서, 접합 위치를 압전 기판(4) 측에서부터 1층째, 1층째와 2층째의 계면, 또는 1층째보다 지지 기판(2) 측으로 함으로써, 접합 위치가 압전 기판(4) 측에서부터 0층째인 경우와 비교하여 특성이 향상되고 있는 것을 알 수 있다.
또한, 상술한 바와 같이 본 발명에 있어서는 압전 기판(4A)과 지지 기판(2)을 접합할 때에 압전 기판(4A) 측에 적층하는 음향 임피던스층의 적층 수를 3층 이하로 함으로써 압전 기판(4A)의 휘어짐량을 저감할 수 있다.
이상으로부터, 본 발명에 있어서는 접합 위치를 압전 기판에서부터 1층째의 음향 임피던스층 내로부터, 3층째의 음향 임피던스층과 4층째의 음향 임피던스층의 경계면까지의 사이에 형성함으로써 특성면과 압전 기판의 휘어짐량의 양쪽을 개선할 수 있다.
(제2 실시형태)
도 8은 본 발명의 제2 실시형태에 따른 탄성파 장치의 주요부를 확대하여 나타내는 부분 컷어웨이 모식적 단면도이다. 도 8에 도시하는 바와 같이 제2 실시형태에 있어서는, 저음향 임피던스층(3g)이 저음향 임피던스층 부분(3g1)과 저음향 임피던스층 부분(3g2)을 접합층(9)으로 접합한 구조를 가진다. 따라서, 접합층(9)은 저음향 임피던스층(3g) 내에 위치하고 있다. 저음향 임피던스층 부분(3g1)과 저음향 임피던스층 부분(3g2)은 저음향 임피던스층(3a, 3c, 3e)과 동일한 재료로 구성할 수 있다. 그 밖의 점은 제1 실시형태와 동일하다.
제2 실시형태의 탄성파 장치의 제조 시에도 제1 실시형태의 제조 방법과 동일한 방법으로 제조할 수 있다. 구체적으로는, 압전 기판(4A) 상에 저음향 임피던스층 부분(3g2)을 적층하고, 그 밖의 부분을 지지 기판(2) 상에 적층한다. 이어서, 압전 기판(4A) 상의 저음향 임피던스층 부분(3g2)과 지지 기판(2) 상의 적층막의 최상층인 저음향 임피던스층 부분(3g1)을 제1 실시형태와 동일한 방법으로 접합함으로써 제조할 수 있다.
제2 실시형태에 있어서도 압전 기판 측에서부터 지지 기판 측을 향하여, 1층째의 음향 임피던스층 내에 접합층이 마련되어 있기 때문에 압전 기판의 휘어짐이 생기기 어려우면서 특성의 열화가 생기기 어렵다.
제2 실시형태의 탄성파 장치와 같이 접합층(9)은 압전 기판(4) 측에서부터 지지 기판(2) 측을 향하여, 1층째에서 3층째까지의 음향 임피던스층 중 임의의 음향 임피던스층 내에 마련되어 있어도 된다. 또한, 제1 실시형태의 탄성파 장치(1)와 같이 접합층(9)은 압전 기판(4) 측에서부터 지지 기판(2) 측을 향하여, 1층째에서 4층째까지의 음향 임피던스층 중 서로 인접하고 있는 임의의 2층의 음향 임피던스층 간의 계면에 마련되어 있어도 된다. 이와 같이, 본 발명에 있어서는 압전 기판 측에서부터 지지 기판 측을 향하여, 1층째의 음향 임피던스층 내로부터 3층째 및 4층째의 음향 임피던스층의 계면까지의 임의의 위치에 접합층이 마련되어 있으므로, 압전 기판의 휘어짐이 생기기 어려우면서 특성의 열화가 생기기 어렵다.
본 발명의 탄성파 장치는 다양한 전자 기기나 통신 기기에 널리 이용된다. 전자 기기로는 예를 들면 센서가 있다. 통신 기기로는 예를 들면 본 발명의 탄성파 장치를 포함하는 듀플렉서, 본 발명의 탄성파 장치와 PA(Power Amplifier) 및/또는 LNA(Low Noise Amplifier) 및/또는 SW(Switch)을 포함하는 통신 모듈 기기, 그 통신 모듈 기기를 포함하는 이동체 통신 기기나 헬스 케어 통신 기기 등이 있다. 이동체 통신 기기로는 휴대전화, 스마트 폰, 카 네비게이션 등이 있다. 헬스 케어 통신 기기로는 체중계나 체지방계 등이 있다. 헬스 케어 통신 기기나 이동체 통신 기기는 안테나, RF 모듈, LSI, 디스플레이, 입력부, 전원 등을 포함하고 있다.
1: 탄성파 장치 2: 지지 기판
3: 음향 다층막 3a, 3c, 3e, 3g: 저음향 임피던스층
3g1, 3g2: 저음향 임피던스층 부분 3b, 3d, 3f: 고음향 임피던스층
4, 4A: 압전 기판 5: IDT 전극
6a, 6b: 전극 랜드 7, 8: 반사기
9: 접합층
3: 음향 다층막 3a, 3c, 3e, 3g: 저음향 임피던스층
3g1, 3g2: 저음향 임피던스층 부분 3b, 3d, 3f: 고음향 임피던스층
4, 4A: 압전 기판 5: IDT 전극
6a, 6b: 전극 랜드 7, 8: 반사기
9: 접합층
Claims (9)
- 지지 기판과,
상기 지지 기판 상에 마련된 음향 다층막과,
상기 음향 다층막 상에 마련된 압전 기판과,
상기 압전 기판 상에 마련된 IDT 전극을 포함하고,
상기 압전 기판의 열팽창 계수의 절대치가 상기 지지 기판의 열팽창 계수의 절대치보다 크며,
상기 음향 다층막이 적어도 4층의 음향 임피던스층을 가지고,
상기 적어도 4층의 음향 임피던스층이 적어도 1층의 저음향 임피던스층과, 상기 저음향 임피던스층보다도 음향 임피던스가 높은 적어도 1층의 고음향 임피던스층으로 구성되어 있으며,
상기 압전 기판 측에서부터 상기 지지 기판 측을 향하여, 1층째의 상기 음향 임피던스층 내로부터 3층째의 상기 음향 임피던스층과 4층째의 상기 음향 임피던스층의 계면까지의 임의의 위치에 마련되어 있는 접합층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 탄성파 장치. - 제1항에 있어서,
상기 접합층이 상기 압전 기판 측에서부터 상기 지지 기판 측을 향하여, 1층째에서 3층째까지의 상기 음향 임피던스층 중 임의의 음향 임피던스층 내에 마련되어 있는 것을 특징으로 하는 탄성파 장치. - 제1항에 있어서,
상기 접합층이 상기 압전 기판 측에서부터 상기 지지 기판 측을 향하여, 1층째에서 4층째까지의 상기 음향 임피던스층 중 서로 인접하고 있는 임의의 2층의 음향 임피던스층 간의 계면에 마련되어 있는 것을 특징으로 하는 탄성파 장치. - 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
전파하는 탄성파로서 S0 모드, A0 모드, A1 모드, SH0 모드, 또는 SH1 모드의 판파(plate wave)가 이용되는 것을 특징으로 하는 탄성파 장치. - 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 접합층의 두께가 5㎚ 이하인 것을 특징으로 하는 탄성파 장치. - 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 접합층이 절연층을 겸하고 있는 것을 특징으로 하는 탄성파 장치. - 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 지지 기판이 유리 또는 Si로 구성되어 있으면서, 상기 압전 기판이 LiNbO3 또는 LiTaO3으로 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 탄성파 장치. - 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 저음향 임피던스층이 산화 규소로 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 탄성파 장치. - 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 고음향 임피던스층이 텅스텐, 백금, 탄탈, 질화 규소 또는 질화 알루미늄으로 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 탄성파 장치.
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