KR20200121282A - 접합 기판, 탄성 표면파 소자, 탄성 표면파 소자 디바이스 및 접합 기판의 제조 방법 - Google Patents
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Abstract
접합 기판이 결정 X축과 교차하는 각도로 컷된 수정 기판과, 상기 수정 기판 상에 적층된 압전 기판을 갖고, 적합하게는 수정 기판의 컷 각도가 결정 X축에 대해서 85∼95도의 범위의 각도를 갖고, 적합하게는 수정 기판의 탄성 표면파 전파 방향이 결정 Y축에 대해서 15∼50도의 각도를 갖고 있고, 압전 기판으로서 적합하게는 니오브산 리튬 또는 탄탈산 리튬이 사용되고, 적합하게는 압전 기판이 탄성 표면파의 파장(λ)에 대해서 두께(h)가 0.02∼0.11λ의 관계를 갖는다.
Description
본 발명은 탄성 표면파를 이용한 접합 기판, 탄성 표면파 소자, 탄성 표면파 소자 디바이스 및 접합 기판의 제조 방법에 관한 것이다.
휴대전화 등의 이동통신기기의 진화에 따라 탄성 표면파(Surface Acoustic Wave:SAW) 디바이스에 대해서도 고성능화가 요구되고 있다. 특히 고주파화, 광대역화를 위해서 고속, 고결합의 SAW 모드 및 온도변화에 의한 통과대역의 이동을 방지하는 우수한 온도 특성을 갖는 SAW 기판이 요청되고 있다.
또한, 누설 탄성 표면파(Leaky SAW:LSAW 등이라고도 불린다), 종형 누설 탄성 표면파(Longitudinal-type Leaky SAW:LLSAW 등이라고도 불린다)는 우수한 위상속도를 갖고 있고, SAW 디바이스의 고주파화에 유리한 전파 모드의 하나이다. 그러나, 큰 전파 감쇠를 갖고 있는 점에서 과제가 있다.
예를 들면 특허문헌 1에는 니오브산 리튬 기판 표면 부근에 프로톤 교환층을 형성한 후에, 표층에만 역 프로톤 교환층을 형성함으로써, LLSAW의 벌크파 방사에 기인하는 손실을 감소시키고자 하는 기술이 제안되어 있다.
비특허문헌 1, 비특허문헌 2에도 LLSAW의 저손실화의 방법으로서 기판방위, 전극막 두께의 최적화가 시도되고 있다.
특허문헌 2에는 SAW 전파 기판과 지지 기판을 유기 박막층에 의해 접착한 디바이스가 기재되어 있다. 전파 기판은 예를 들면 두께 30㎛의 탄탈산 리튬 기판이며, 이것을 두께 300㎛의 유리 기판과 두께 15㎛의 유기 접착제에 의해 접합하고 있다.
특허문헌 3에도 탄탈산 리튬 기판(두께:125㎛)과 석영유리 기판(두께:125㎛)을 접착제로 접합한 SAW 디바이스가 기재되어 있다.
특허문헌 4에는 탄탈산 리튬 기판과 지지 기판의 접착에 대해서 유기 접착층을 박층화함으로써 온도 특성이 개선된다고 보고되어 있다.
그러나, 특허문헌 1∼4에 나타내어진 재료에서는 전파 감쇠가 크다고 하는 문제가 충분히 해결되지 않았다.
본원 발명자들은 비특허문헌 3∼5에 있어서, 수정 기판과, 압전 기판의 접합에 있어서 전파 감쇠가 저감되는 것을 밝히고 있다.
예를 들면 비특허문헌 3에서는 탄성 표면파(SAW) 디바이스를 위해서 ST컷 수정과 LiTaO3(LT)의 직접 접합에 있어서 아모르포스 SiO2(α-SiO2) 중간층을 사용해서 접합하고 있다.
비특허문헌 4에서는 AT컷 수정에 X컷 31° Y전파 탄탈산 리튬, X컷 36° Y전파 니오브산 리튬을 접합해서 전기 기계 결합 계수를 높인 LLSAW가 제안되어 있다.
비특허문헌 5에서는 LiTaO3 또는 LiNbO3 박판과 수정 기판의 접합에 의해 종형 리키 탄성 표면파의 고결합화가 꾀해지고 있다.
"GHz-band surface acoustic wave devices using the second leaky mode", Appl．Phis., vol.36, no9B, pp． 6083-6087, 1997.
"LiNbO3의 종파형 누설 탄성 표면파의 공진기 특성-유한 요소 해석 결합법에 의한 해석" 신학회 기초·경계 소사이어티 대회, A-195, p.196, 1996.
"2016 International Conference on Electronics Packaging(ICEP)", 발행소 The Japan Institute of Electronics Packaging, 발행일 평성 28년 4월 20일
"평성 27년도 야마나시대학 공학부 전기전자공학과 졸업 논문 발표회 요지집", 발행소 야마나시대학 공학부 전기전자공학과, 발행일 평성 28년 2월 16일
"평성 27년도 야마나시대학 공학부 전기전자공학과 졸업 논문 발표회", 개최일 평성 28년 2월 16일
종래, SAW로서 누설 탄성 표면파(LSAW), 종형 누설 탄성 표면파(LLSAW라고도 불린다)가 제안되어 있지만, 고주파화를 꾀하는 보다 우수한 방법으로서 고속인 위상속도를 갖는 종형 리키 SAW(LLSAW)의 이용이 주목받고 있다.
종래, LLSAW에서는 LiNbO3(LN) 박판 또는 LiTaO3(LT) 박판을 AT컷 45° X전파 수정과 접합시킴으로써, 결합계수가 단체 기판에 대해서 2-3배로 증가하는 것이 명백하게 되어 있다. 또한 온도 특성도 단체와 비교해서 향상되는 것이 보고되어 있다. 그러나, 접합후의 전파 감쇠가 크고, Q값이 작다라는 과제가 있다. 종래 제안되어 있는 기술에서는 전파 속도의 개선은 충분하지는 않다.
본 발명은 상기 사정을 배경으로 해서 이루어진 것이며, 전파 감쇠가 작은 접합 기판, 탄성 표면파 소자, 탄성 표면파 소자 디바이스를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 접합 기판 중, 제 1 형태는 결정 X축과 교차하는 각도로 컷된 수정 기판과, 상기 수정 기판 상에 적층된 압전 기판을 갖는다.
다른 형태의 접합 기판의 발명은 상기 형태의 발명에 있어서, 상기 수정 기판의 컷 각도가 결정 X축에 대해서 85∼95도의 범위의 각도를 갖는 청구항 1 기재의 접합 기판.
다른 형태의 접합 기판의 발명은 상기 형태의 발명에 있어서, 상기 수정 기판이 결정 Y방향측으로 탄성 표면파 전파 방향이 설정되고, 상기 압전 기판이 상기 전파 방향으로 탄성 표면파 전파 방향이 설정되어 있다.
다른 형태의 접합 기판의 발명은 상기 형태의 발명에 있어서, 상기 수정 기판의 탄성 표면파 전파 방향이 결정 Y축에 대해서 15∼50도의 각도를 갖는다.
다른 형태의 접합 기판의 발명은 상기 형태의 발명에 있어서, 상기 압전 기판이 니오브산 리튬 또는 탄탈산 리튬이다.
다른 형태의 접합 기판의 발명은 상기 형태의 발명에 있어서, 상기 압전 기판이 X컷 31° Y전파 탄탈산 리튬 또는 X컷 36° Y전파 니오브산 리튬이다.
다른 형태의 접합 기판의 발명은 상기 형태의 발명에 있어서, 상기 압전 기판은 탄성 표면파의 파장(λ)에 대해서 두께(h)가 0.02∼0.11λ인 관계를 갖는다.
다른 형태의 접합 기판의 발명은 상기 형태의 발명에 있어서, 상기 압전 기판이 종형 누설 탄성 표면파를 여기하기 위한 것을 특징으로 한다.
다른 형태의 접합 기판의 발명은 상기 형태의 발명에 있어서, 탄성 표면파 전파 감쇠량이 탄성 표면파의 파장(λ)에 대해서 0.1dB/λ 이하이다.
본 발명의 탄성 표면파 소자 중, 제 1 형태는 상기 접합 기판의 발명의 형태 중 어느 하나의 접합 기판에 있어서의 압전 기판의 주면 상에 적어도 1개의 빗형 전극을 구비하고 있다.
다른 형태의 탄성 표면파 소자 디바이스의 발명은 상기 형태의 탄성 표면파 소자가 패키지에 밀봉되어 있는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 접합 기판의 제조 방법 중, 제 1 형태는 수정 기판과 압전 기판이 접합된 접합 기판의 제조 방법으로서,
수정의 결정 X축과 교차하는 각도로 상기 수정을 컷해서 수정 기판을 준비하고, 상기 수정 기판에 Y축 방향측으로 탄성 표면파 전파 방향을 설정하고, 상기 전파 방향에 맞춰서 탄성 표면파 전파 방향이 설정된 압전 기판을 준비해서 상기 수정 기판에 적층하고, 직접 또는 중간층을 통해 상기 수정 기판과 상기 압전 기판을 접합한다.
다른 형태의 접합 기판의 제조 방법의 발명은 상기 형태의 발명에 있어서, 수정 기판의 접합면 및 압전 기판의 접합면에 감압 하에서 자외선을 조사하고, 조사후에, 수정 기판의 접합면과 압전 기판의 접합면을 접촉시켜서 수정 기판과 압전 기판에 두께 방향으로 가압을 해서 상기 접합면끼리를 접합하는 것을 특징으로 한다.
다른 형태의 접합 기판의 제조 방법의 발명은 상기 형태의 발명에 있어서, 상기 가압시에 소정의 온도로 가열을 하는 것을 특징으로 한다.
다른 형태의 접합 기판의 제조 방법의 발명은 상기 형태의 발명에 있어서, 상기 중간층이 아모르포스층이다.
이하에, 본 발명에서 규정하는 조건 등에 대해서 설명한다.
수정 기판의 컷 각도:결정 X축에 대해서 85∼95도의 각도
탄성 표면파의 전파에 있어서의 전파 감쇠율을 작게 하기 위해서 수정 기판의 컷 각도를 정한다. 상기 범위를 벗어나면 전파 감쇠율이 증가하므로 상기 각도범위를 바람직한 것으로 한다.
수정 기판의 탄성 표면파 전파 방향:결정 Y축에 대해서 15∼50도의 각도
수정 기판의 전파 방향을 적절하게 정함으로써 탄성 표면파의 전파 감쇠를 작게 할 수 있고, 결정 Y축에 대해서 15∼50도의 각도내로 하는 것이 바람직하다. 상기 범위를 벗어나면 전파 감쇠율이 증가한다.
압전 기판 두께:탄성 표면파의 파장(λ)에 대해서 두께(h)가 0.02∼0.11λ
압전 기판 두께를 적정하게 정함으로써 전파 감쇠를 작게 할 수 있다. 두께가 상기 규정을 벗어나면 전파 감쇠가 증가하므로, 상기 두께의 범위가 바람직하다.
탄성 표면파 전파 감쇠량:탄성 표면파의 파장(λ)에 대해서 0.1dB/λ 이하
전파 감쇠가 상기 규정을 만족시킴으로써 실용역에 있어서 유용한 사용이 가능하게 된다.
본 발명에 의하면, 탄성 표면파의 전파 감쇠를 작게 해서 전파시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 일실시형태의 접합 기판의 접합 상태를 나타내는 개략도이다.
도 2는 마찬가지로 접합 기판 및 탄성 표면파 소자를 나타내는 개략도이다.
도 3은 다른 실시형태에 있어서의 접합 기판 및 탄성 표면파 소자를 나타내는 개략도이다.
도 4는 본 발명의 일실시형태에 있어서의 접합 기판의 제조에 사용되는 접합 처리 장치를 나타내는 개략도이다.
도 5는 마찬가지로 수정 기판과 압전 기판의 접합 형태를 설명하는 도면이다.
도 6은 마찬가지로 탄성 표면파 소자 디바이스를 나타내는 개략도이다.
도 7은 실시예의 비교예인 관련 기술과 발명예의 위상속도의 비교 결과를 나타내는 그래프이다.
도 8은 실시예의 비교예인 관련 기술에 있어서의 압전 기판인 LT의 두께와, 전파 감쇠량 및 결합계수의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 9는 실시예의 발명예에 있어서의 압전 기판인 LT의 두께와, 전파 감쇠량 및 결합계수의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 10은 실시예의 비교예인 관련 기술에 있어서, 압전 기판인 LN의 두께와, 전파 감쇠량 및 결합계수의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 11은 실시예의 발명예에 있어서, 압전 기판인 LN의 두께와, 전파 감쇠량 및 결합계수의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 12는 실시예에 있어서, 압전 기판으로서 LT를 사용하고, 수정 기판의 컷 각도를 바꾸었을 때의 전파 감쇠량의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 13은 실시예에 있어서, 압전 기판으로서 LN을 사용하고, 수정 기판의 컷 각도를 바꾸었을 때의 전파 감쇠량의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 14는 실시예에 있어서, 압전 기판으로서 LT를 사용하고, 수정 기판에 있어서의 전파 방향을 바꾸었을 때의 전파 감쇠량의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 15는 실시예에 있어서, 압전 기판으로서 LN을 사용하고, 수정 기판에 있어서의 전파 방향을 바꾸었을 때의 전파 감쇠량의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 16은 실시예에 있어서, 압전 기판으로서 LT를 사용한 관련 기술과 발명예에서 압전 기판 두께와 TCF의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 17은 실시예에 있어서, 압전 기판으로서 LN을 사용한 관련 기술과 발명예에서 압전 기판 두께와 TCF의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 18은 실시예의 발명예에 있어서, FEM의 어드미턴스 특성의 해석 결과를 나타내는 도면이다.
도 19는 실시예의 발명예에 있어서, 전파 방향과 파워 플로우각의 관계를 나타내는 도면이다.
도 2는 마찬가지로 접합 기판 및 탄성 표면파 소자를 나타내는 개략도이다.
도 3은 다른 실시형태에 있어서의 접합 기판 및 탄성 표면파 소자를 나타내는 개략도이다.
도 4는 본 발명의 일실시형태에 있어서의 접합 기판의 제조에 사용되는 접합 처리 장치를 나타내는 개략도이다.
도 5는 마찬가지로 수정 기판과 압전 기판의 접합 형태를 설명하는 도면이다.
도 6은 마찬가지로 탄성 표면파 소자 디바이스를 나타내는 개략도이다.
도 7은 실시예의 비교예인 관련 기술과 발명예의 위상속도의 비교 결과를 나타내는 그래프이다.
도 8은 실시예의 비교예인 관련 기술에 있어서의 압전 기판인 LT의 두께와, 전파 감쇠량 및 결합계수의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 9는 실시예의 발명예에 있어서의 압전 기판인 LT의 두께와, 전파 감쇠량 및 결합계수의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 10은 실시예의 비교예인 관련 기술에 있어서, 압전 기판인 LN의 두께와, 전파 감쇠량 및 결합계수의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 11은 실시예의 발명예에 있어서, 압전 기판인 LN의 두께와, 전파 감쇠량 및 결합계수의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 12는 실시예에 있어서, 압전 기판으로서 LT를 사용하고, 수정 기판의 컷 각도를 바꾸었을 때의 전파 감쇠량의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 13은 실시예에 있어서, 압전 기판으로서 LN을 사용하고, 수정 기판의 컷 각도를 바꾸었을 때의 전파 감쇠량의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 14는 실시예에 있어서, 압전 기판으로서 LT를 사용하고, 수정 기판에 있어서의 전파 방향을 바꾸었을 때의 전파 감쇠량의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 15는 실시예에 있어서, 압전 기판으로서 LN을 사용하고, 수정 기판에 있어서의 전파 방향을 바꾸었을 때의 전파 감쇠량의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 16은 실시예에 있어서, 압전 기판으로서 LT를 사용한 관련 기술과 발명예에서 압전 기판 두께와 TCF의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 17은 실시예에 있어서, 압전 기판으로서 LN을 사용한 관련 기술과 발명예에서 압전 기판 두께와 TCF의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 18은 실시예의 발명예에 있어서, FEM의 어드미턴스 특성의 해석 결과를 나타내는 도면이다.
도 19는 실시예의 발명예에 있어서, 전파 방향과 파워 플로우각의 관계를 나타내는 도면이다.
이하에, 본 발명의 일실시형태의 접합 기판 및 탄성 표면파 소자에 대해서 첨부 도면에 의거하여 설명한다.
접합 기판(5)은 수정 기판(2)과 압전 기판(3)이 접합 계면(4)을 통해 공유결합에 의해 접합되어 있다. 접합 계면(4)은 공유결합에 의해 결합되어 있는 것이 바람직하다.
수정 기판(2)은 적합하게는 150∼500㎛의 두께를 갖고, 압전 기판(3)은 적합하게는 탄성 표면파의 파장에 대해서 0.02∼1.1파장에 상당하는 두께를 갖고 있다. 또, 본 발명으로서는 압전 기판 두께는 탄성 표면파의 파장에 대해서 0.05∼0.1파장이 더욱 바람직하고, 또한 0.07∼0.08파장이 한층 바람직하다.
수정 기판(2)은 예를 들면 수열 합성법으로 결정 성장시킨 수정을 결정 X축과 교차하는 각도로 잘라낸 것을 사용한다. 이 각도로서는 결정 X축에 대해서 85∼95°가 적합하다. 더욱 적합하게는 컷 각도의 하한을 88도, 컷 각도의 상한을 92도 로 하는 것이 한층 바람직하다. 최적값은 결정 X축에 대해서 90°이다.
수정 기판(2)은 탄성 표면파 전파 방향을 결정 Y축 방향측으로 설정해서 준비된다. 이 실시형태에서는 탄성 표면파 전파 방향(2D)을 적합하게는 결정 Y축에 대해서 15∼50도의 각도로 설정한다. 최적값은 35° Y방향이다.
압전 기판(3)에는 적당한 재료를 사용할 수 있지만, 적합하게는 탄탈산 리튬이나 니오브산 리튬에 의해 구성할 수 있다. 적합하게는 X컷의 압전 기판을 사용할 수 있다. 단, 본 발명으로서는 압전 기판(3)의 컷 각도가 특정 각도의 것에 한정되는 것은 아니다.
또한 압전 기판(3)은 탄성 표면파 전파 방향(3D)을 수정 기판(2)에 있어서의 전파 방향에 맞춘 것으로 설정된다.
도 1에 나타내듯이, 수정 기판(2)과 압전 기판(3)의 접합에 있어서는, 수정 기판(2)의 전파 방향(2D)과 압전 기판(3)의 전파 방향(3D)은 같은 방향으로 해서 양자를 접합한다.
접합 기판(5)에는 도 2에 나타내듯이, 빗형 전극(10)을 형성함으로써 탄성 표면파 소자(1)가 얻어진다.
또한 수정 기판(2)과 압전 기판(3) 사이에는 도 3에 나타내듯이, 아모르포스층(6)을 개재시킨 탄성 표면파 소자(1A)로 할 수 있다. 또, 상기 실시형태와 동일한 구성에 대해서는 동일한 부호를 붙여서 설명을 생략한다. 이 실시형태에 있어서도, 수정 기판(2)과 압전 기판(3)은 탄성 표면파 전파 방향이 동일 방향이 되는 상태로 해서 접합되어 있다.
이 실시형태에서, 아모르포스층(6)을 개재시킬 경우, 아모르포스층(6)과 수정 기판(2) 사이에 접합 계면이 존재하고, 아모르포스층(6)의 타면측에서 아모르포스층(6)과 압전 기판(3) 사이에 접합 계면이 존재한다. 아모르포스층(6)의 재질은 본 발명으로서는 특별히 한정되지 않지만, SiO2나 Al2O3 등을 사용할 수 있다. 또한 아모르포스층의 두께는 100nm 이하로 하는 것이 바람직하다.
또, 아모르포스층(6)의 형성에서는 수정 기판(2) 또는 압전 기판(3)의 표면에 박막을 형성하도록 해서 아모르포스층(6)을 형성할 수 있다. 또한 수정 기판(2) 표면과 압전 기판(3) 표면의 쌍방에 아모르포스층을 형성해서 접합하는 것으로 해도 좋다.
아모르포스층은 기지의 방법에 의해 형성할 수 있고, 화학적 증착이나, 스퍼터링 등의 물리적 증착을 이용할 수 있다.
다음에 접합 기판 및 탄성 표면파 소자의 제조에 대해서 도 4를 참조해서 설명한다.
소정 재료의 수정 기판과 압전소자를 준비한다. 수정 기판은 수정의 결정 X축과 교차하는 각도로 수정을 컷해서 준비된다. 각도로서는 결정 X축에 대해서 85∼95°가 선택된다.
또, 접합면에 아모르포스층을 형성하는 경우에는 형성의 대상으로 하는 수정 기판과 압전소자의 한쪽 또는 양쪽에 대해서 접합면측에 성막 처리를 행한다. 성막 처리의 방법으로서는 특별히 한정되는 것은 아니고, 진공증착법, 스퍼터법 등의 박막 형성 기술을 사용할 수 있다. 예를 들면, Electron Cyclotron Resonance 플라즈마 성막으로 접합면에 100nm 이하의 아모르포스층을 형성할 수 있다. 이 아모르포스막은 막밀도를 매우 높게 형성할 수 있는 점에서 접합 표면의 활성화 정도가 크며, 보다 많은 OH기가 발생한다.
수정 기판은 수정 기판의 탄성 표면파 전파 방향을 적합하게는 결정 Y방향에 대해서 15∼50도의 각도를 가지도록 설정하고, 압전 기판에서는 탄성 표면파 전파 방향을 수정 기판의 전파 방향에 일치시켜서 밀폐 구조의 처리 장치(20)내에 설치한다. 도면에서는 간략을 위해서 수정 기판(2)만을 기재하고 있다.
처리 장치(20)에서는 진공펌프(21)가 접속되고, 처리 장치(20)내를 예를 들면 10Pa 이하로 감압한다. 처리 장치(20)내에는 방전 가스를 도입하고, 처리 장치(20)내에서 방전 장치(22)에 의해 방전을 행해서 자외선을 발생시킨다. 방전은 고주파 전압을 인가하는 방법을 사용하는 등에 의해 행할 수 있다.
수정 기판(2)과 압전 기판(3)은 자외선이 조사 가능한 상태로 설치되어 있고, 접합면에 자외선을 조사해서 활성화를 꾀한다. 또, 수정 기판(2)과 압전 기판(3)의 한쪽 또는 양쪽에 아모르포스층이 형성되어 있는 경우는 아모르포스층의 표면을 접합면으로 해서 자외선 조사를 행한다.
자외선 조사를 행한 수정 기판(2)과 압전 기판(3)은 수정 기판(2)의 탄성 표면파 전파 방향과, 압전 기판(3)의 탄성 표면파 전파 방향을 일치한 상태로 해서 접합면을 접촉시켜서, 상온 또는 200℃ 이내 온도로 가열하고, 양자간에 압력을 가해서 접합을 행한다. 압력으로서는 10Pa를 부가할 수 있고, 처리 시간은 5분∼4시간 정도로 할 수 있다. 단, 본 발명으로서는 압력이나 처리 시간이 특별히 한정되는 것은 아니다.
상기 처리에 의해, 수정 기판(2)과 압전 기판(3)은 접합 계면에 있어서 확실하게 공유결합으로 접합되어 있다.
도 5는 수정 기판(2)과 압전 기판(3)에 있어서의 접합면의 상태를 나타내는 것이다.
A도에서는 자외선 조사에 의해 접합면이 활성화해서 OH기가 표면에 형성된 상태를 나타내고 있다. B도에서는 기판끼리를 접촉시켜서, 가압·승온을 해서 접합을 행하고 있는 상태를 나타내고 있다. 접합에 있어서는 OH기가 작용해서 기판끼리가 공유결합된다. 여분의 H2O는 가열시에 외부로 배제된다.
상기 공정에 의해 접합 기판이 얻어진다. 접합 기판에 대해서는 압전 기판(3)의 주면 상에 도 3에 나타낸 바와 같이 빗형 전극(10)을 패턴 형성한다. 빗형 전극(10)의 형성 방법은 특별히 한정되지 않고, 적당한 방법을 사용할 수 있다. 또한 빗형 전극(10)의 형상도 적당한 형상을 채택할 수 있다. 상기 공정에 의해 탄성 표면파 소자(1)가 얻어진다. 탄성 표면파는 압전 기판(3)에서 설정된 전파 방향을 따른 것이 된다.
탄성 표면파 소자(1)는 도 6에 나타낸 바와 같이 패키징(31)내에 설치해서 도시하지 않은 전극에 접속하고, 덮개(32)로 밀봉해서 탄성 표면파 소자 디바이스(30)로서 제공할 수 있다.
실시예 1
이하에, 본 발명의 실시예에 대해서 설명한다.
상기 실시형태에 의거하여 접합 기판이 얻어지고, 압전 기판의 주면 상에는 LLSAW의 SAW 공진기를 설치했다.
이 예에서는 압전 기판으로서 면방위가 X컷 31° Y전파 탄탈산 리튬(LT) 및 X컷 36° Y전파 니오브산 리튬(LN)을 사용했다. 또한 수정 기판은 수열 합성법으로 결정 육성된 것에 대해서 두께 250㎛, X컷 32° Y전파 또는 X컷 35° Y전파의 것을 사용했다. 또한 비교예에서는 AT컷 45° X전파의 수정 기판을 사용했다.
접합한 샘플에 대해서 연마로 압전 기판측을 얇게 했다. 수정 기판과 압전 기판을 접합한 후에, 압전 기판을 얇게 한 공시재에 대해서, LLSAW의 위상속도와 전기 기계 결합 계수, 주파수 온도 특성에 대해서 이론해석에 의해 계산했다. 또, 계산에 있어서는 일본 학술 진흥회 탄성파 소자 기술 제150위원회·편 「탄성파 디바이스 기술」에 기재되어 있는 Kushibiki 등의 수정 정수(p.83), Kushibiki 등의 니오브산 리튬(이하 LN으로 한다) 정수, 탄탈산 리튬(이하 LT로 한다) 정수(p.377)를 사용했다.
전파 감쇠를 갖는 LLSAW의 해석은 Yamanouchi 등의 방법에 의거하여 층구조에 대한 해석은 Farnell과 Adler의 방법을 사용했다. 이들의 해석에서는 탄성 파동 방정식과 전하 보존식을 경계조건 하에서 수치적으로 풂으로써, 층구조 위를 전파하는 LLSAW의 위상속도와 전파 감쇠를 해석하고 있다.
자유표면(Free)의 위상속도(vf)와, 박판의 표면을 전기적으로 단락한 경우(Metallized)의 위상속도(vm)를 구하고, K2=2×(vf-vm)/vf로부터 K2를 구했다. 또한 전파 방향의 선팽창계수를 수정 지지 기판의 것이라고 가정하고, 단락 표면의 주파수 온도 계수(Temperature Coefficient of Frequency:TCF)를 계산했다.
압전 기판으로서 X컷 31° Y전파의 LT를 상정하고, 수정 기판으로서 발명예에서는 X컷 32° Y전파의 것을 상정하고, 비교예에서는 AT컷 45° X전파의 것을 상정했다.
탄성 표면파(λ)로 규격화한 압전 기판 두께(h/λ)와 위상속도의 관계를 이론해석에 의해 구하고, 그 결과를 도 7에 나타냈다. 발명예의 위상속도는 비교예와 동등하며, 위상속도 6000m/초 이상의 특성을 만족시키고 있었다.
다음에 이론해석에 의해, X컷 31° Y전파(LT)의 압전 기판과, X컷 36° Y전파(LN)의 압전 기판을 상정하고, 수정 기판으로서 발명예에서는 X컷 32° Y전파의 것을 상정하고, 비교예에서는 AT컷 45° X전파의 것을 상정하고, 탄성 표면파의 파장(λ)으로 규격화한 압전 기판의 h/λ에 대한 전파 속도 및 결합계수(K2)를 구했다.
X컷 31° Y전파(LT)의 압전 기판과, AT컷 45° X전파의 수정 기판을 상정한 비교예인 관련 기술(이하 단지 관련 기술이라고 한다)에 대해서 해석 결과를 도 8에 나타냈다. 압전 기판 두께에 상관없이 전파 감쇠가 큰 것이 나타내어져 있다.
X컷 31° Y전파(LT)의 압전 기판과, X컷 32° Y전파의 수정 기판을 상정한 발명예를 도 9에 나타냈다.
본 발명예에서는 h/λ가 0.06 부근에 있어서, 전파 감쇠의 최소값이 0.0005dB/λ의 값이 되어 전파 감쇠가 매우 억제된 결과가 얻어졌다. 또한 h/λ가 0.02∼0.11 사이에 있어서 전파 감쇠가 양호하게 억제되어 있다. 또한 압전 기판 두께를 하한으로 0.04, 상한으로 0.08로 함으로써 전파 감쇠량을 0.01 이하로 할 수 있고, 마찬가지로 하한으로 0.05, 상한으로 0.07로 함으로써 전파 감쇠량을 0.005 이하로 할 수 있어 한층 바람직하다.
본 발명의 결합계수는 5%이며, 관련 기술과 동등했다.
다음에 X컷 36° Y전파(LN)의 압전 기판과, AT컷 45° X전파의 수정 기판을 상정한 관련 기술에 대해서, 해석 결과를 도 10에 나타냈다. 압전 기판 두께에 의해 전파 감쇠량에 극소값을 나타내지만, 극소값에 있어서도 전파 감쇠가 큰 결과가 얻어졌다.
X컷 36° Y전파(LN)의 압전 기판과, X컷 35° Y전파의 수정 기판을 상정한 발명예의 해석 결과를 도 11에 나타냈다.
본 발명예에서는 h/λ가 0.07 부근에 있어서, 전파 감쇠의 최소값이 0.0002dB/λ의 값이 되어 전파 감쇠가 충분히 억제된 결과가 얻어졌다. 또한 h/λ가 0.02∼0.11 사이에 있어서 전파 감쇠가 양호하게 억제되어 있다. 또한 압전 기판 두께를 하한으로 0.05, 상한으로 0.09로 함으로써 전파 감쇠량을 0.02dB 이하로 할 수 있고, 마찬가지로 하한으로 0.06, 상한으로 0.08로 함으로써 전파 감쇠량을 0.005dB/λ 이하로 할 수 있어 한층 바람직하다.
본 발명의 결합계수는 5%이며, 관련 기술과 동등했다.
다음에 본 발명예에 있어서, 수정 기판의 컷 각도에 의한 전파 감쇠의 영향을 이론해석에 의해 구했다.
압전 기판을 X컷 31° Y전파의 LT와, 32° Y전파의 수정 기판을 접합한 접합 기판에 대해서, 이론해석에 의해, 압전 기판 두께를 h/λ(0.05, 0.07, 0.10)로 바꾸고, 또한 수소기판의 컷 각도를 X축에 대해서 60∼120°의 범위로 바꾸어서 전파 감쇠량을 구했다. 그 결과를 도 12에 나타냈다. 단락 표면은 전극 있음을 나타내고 있다.
전파 감쇠는 압전 기판 두께에 상관없이 각도 90°, 즉 X컷에 있어서 극소값인 0.003dB/λ을 나타냈다. 또한 컷 각도를 90°로부터 변경한 경우에도, 85°∼95° 사이에서는 전파 감쇠량은 0.02 이하로 되어 양호한 전파 감쇠 억제의 효과가 얻어졌다. 또한 컷 각도는 하한을 88°, 상한을 92°로 함으로써 전파 감쇠량을 0.004 이하로 할 수 있어 한층 바람직하다.
다음에 압전 기판을 X컷 36° Y전파의 LN을 상정해서 마찬가지로, 수정 기판의 컷 각도에 의한 전파 감쇠의 영향을 이론해석에 의해 조사하고, 그 결과를 도 13에 나타냈다.
전파 감쇠는 압전 기판 두께에 상관없이 각도 90°, 즉 X컷에 있어서 극소값인 0.002dB/λ를 나타냈다. 또한 컷 각도를 90°로부터 변경한 경우에도 85°∼95° 사이에서는 전파 감쇠량은 0.02 이하로 되어 양호한 전파 감쇠 억제의 효과가 얻어졌다. 또한 컷 각도는 하한을 88°, 상한을 92°로 함으로써 전파 감쇠량을 0.003 이하로 할 수 있어 한층 바람직하다.
다음에 본 발명예에 있어서 수정의 전파 방향에 대한 전파 감쇠의 영향을 조사했다.
압전 기판으로서 X컷 31° Y전파의 LT와, X컷 36° Y전파의 LN을 상정하고, 이론해석에 의해 수정의 전파 방향을 변화시켜서 전파 감쇠량을 구했다.
X컷 31° Y전파의 LT의 압전 기판을 사용한 경우의 해석 결과를 도 14에 나타냈다.
전파 감쇠량은 수정의 전파 방향을 32° Y방향으로 한 경우에 극소값을 나타내고 있다.
수정 기판에 있어서의 전파 방향은 전파 방향 32°를 경계로 해서 전파 방향의 각도가 변화되는 양측에서 전파 감쇠량이 크게 되어 있다. X31Y-LT 단체와 비교해서 그 값 이하 또는 그 차가 작은 범위에서는 감쇠가 작다고 할 수 있다. 이 관점에서 전파 방향은 15°∼50°의 범위가 바람직하다. 또한, 그 각도는 하한을 27°, 상한을 37°로 하는 것이 한층 바람직하고, X31Y-LT 단체 이하의 감쇠량으로 되어 있다.
다음에 X컷 36° Y전파의 LN의 압전 기판을 상정한 경우의 해석 결과를 도 15에 나타냈다.
전파 감쇠량은 수정의 전파 방향을 35° Y방향으로 한 경우에 극소값을 나타내고 있다.
수정 기판에 있어서의 전파 방향은 35°를 경계로 해서 각도가 변화되는 0°∼65° 부근의 양측에서는 전파 감쇠량이 크게 되어 있다. X36Y-LN 단체와 비교해서 전파 방향의 각도에 상관없이 전파 감쇠량은 X36Y-LN 단체의 것보다 작게 되어 있지만, 전파 방향을 15°∼50°의 범위로 함으로써 감쇠량은 대폭 작게 되어 있다. 또한, 그 각도는 하한을 30°, 상한을 40°로 하는 것이 한층 바람직하다.
다음에 발명예에 대해서, 압전 기판으로서 X컷 31° Y전파의 LT와, X컷 36° Y전파의 LN을 상정하고, 이론해석에 의해 압전 기판 두께(h)를 탄성 표면파의 파장(λ)으로 규격해서 TCF를 구했다. 수정 기판에는 X컷 35° Y전파의 것을 사용했다.
X컷 31° Y전파의 LT를 상정한 경우에 압전 기판 두께와 TCF의 관계를 도 1 6에 나타냈다.
본 발명예에서는 Metallized에서는 TCF가 -15ppm／℃ 정도이며, 관련 기술의 X컷 31° Y-LT/AT45° X-수정 기판과 동등한 값을 나타내고 있다.
X컷 36° Y전파의 LN을 상정한 경우의 압전 기판 두께와 TCF의 관계를 도 1 7에 나타냈다.
본 발명예에서는 Metallized에서는 TCF가 -60∼-70ppm／℃ 정도이며, 관련 기술의 X컷 36°-LN/AT컷 45° X-수정 기판과 동등한 값을 나타내고 있다.
다음에 유한 요소법(Finite Element Method:FEM)을 이용하여, LT/수정 접합 구조 상에 형성한 IDT형 공진자(λ=8.0㎛, 교차폭 W=25λ)의 LSAW의 공진 특성을 해석했다. 수정 기판에는 AT컷 45° X전파의 것과, X컷 32° Y전파의 것을 상정하고, 압전 기판 두께를 바꾼 것을 상정했다.
해석 소프트웨어로서 Femtet(무라타 소프트웨어 가부시키가이샤제)를 사용했다. 해석모델로서 지지 기판의 판두께를 10λ로 하고, 1주기분의 IDT의 양측에 주기 경계 조건(무한 주기 구조)을, 저면에 완전 정합층을 각각 가정했다.
X컷 31° Y-LT/AT45° X-수정 기판 또는 X컷 32° Y-수정 기판 구조의 LSAW의 해석예를 나타낸다. LT 판두께는 0.15λ, 전극 Al 막두께는 0.09λ이다.
도 18에 해석 결과를 나타낸다. 수정 기판으로서 AT컷의 것을 사용한 경우에 비해 X컷의 것을 사용한 경우, 어드미턴스비가 62dB로부터 117dB로 증가하고, 공진 Q값이 1000으로부터 53400으로 증가하고, 비대역폭이 2.3%로부터 3.6%로 증가했다.
도 19에 파워 플로우각을 나타낸다.
Free와 Metallized의 차가 가장 커지는 전파각은 X컷 31° Y-LT/X32° Y-수정 기판에서는 32°, X컷 36° Y-LN/X35° X-수정 기판에서는 35°이며, 본 발명의 전파 감쇠를 낮게 할 수 있는 전파각과 일치하고, 양호한 공진 특성을 갖고 있는 것을 나타낸다.
FEM에 의한 어드미턴스 특성의 해석(무한 주기 구조)을 이하에 나타낸다.
·X컷 31° Y-LT단체
비대역폭(%)
어드미턴스비(dB)
공진 Q
반공진 Q
2.1
23.6
43.1
302.8
·X컷 31° Y-LT/AT45X-Q(h/λ=0.1)
비대역폭(%)
어드미턴스비(dB)
공진 Q
반공진 Q
0.10
66.1
1057
535.8
·X컷 31° Y-LT/X32Y-Q(h/λ=0.07)
비대역폭(%)
어드미턴스비(dB)
공진 Q
반공진 Q
0.07
117
53439
4818
이상에서 설명한 바와 같이, 본원 발명은 종래, 지지 기판으로서 우위하다고 된 AT컷 구조의 수정 기판에 대해서 X컷 구조의 수정 기판이 지지 기판으로서 보다 우위한 것이 확인되었다.
이상, 본 발명에 대해서, 상기 실시형태 및 실시예에 의거하여 설명을 행했지만, 본 발명의 범위는 상기 설명의 내용에 한정되는 것은 아니고, 본 발명의 범위를 일탈하지 않는 한은 상기 실시형태 및 실시예에 대해서 적당한 변경이 가능하다.
(산업상의 이용 가능성)
본 발명은 SAW 공진기, SAW 필터, 고기능 압전 센서, SAW 디바이스 등에 이용할 수 있다.
1: 탄성 표면파 소자
1A: 탄성 표면파 소자
2: 수정 기판
3: 압전 기판
4: 접합 계면
5: 접합 기판
6: 아모르포스층
10: 빗형 전극
20: 처리 장치
21: 진공펌프
22: 방전 장치
30: 탄성 표면파 소자 디바이스
31: 패키징
32: 덮개
1A: 탄성 표면파 소자
2: 수정 기판
3: 압전 기판
4: 접합 계면
5: 접합 기판
6: 아모르포스층
10: 빗형 전극
20: 처리 장치
21: 진공펌프
22: 방전 장치
30: 탄성 표면파 소자 디바이스
31: 패키징
32: 덮개
Claims (15)
- 결정 X축과 교차하는 각도로 컷된 수정 기판과, 상기 수정 기판 상에 적층된 압전 기판을 갖는 접합 기판.
- 제 1 항에 있어서,
상기 수정 기판의 컷 각도가 결정 X축에 대해서 85∼95도의 범위의 각도를 갖는 접합 기판. - 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 수정 기판이 결정 Y방향측으로 탄성 표면파 전파 방향이 설정되고, 상기 압전 기판이 상기 전파 방향으로 탄성 표면파 전파 방향이 설정되어 있는 접합 기판. - 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 수정 기판의 탄성 표면파 전파 방향이 결정 Y축에 대해서 15∼50도의 각도를 갖는 접합 기판. - 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 압전 기판이 니오브산 리튬 또는 탄탈산 리튬인 접합 기판. - 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 압전 기판이 X컷 31° Y전파 탄탈산 리튬 또는 X컷 36° Y전파 니오브산 리튬인 접합 기판. - 제 5 항 또는 제 6 항에 있어서,
상기 압전 기판은 탄성 표면파의 파장(λ)에 대해서 두께(h)가 0.02∼0.11λ의 관계를 갖는 접합 기판. - 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 압전 기판이 종형 누설 탄성 표면파를 여기하기 위한 것을 특징으로 하는 접합 기판. - 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,
탄성 표면파 전파 감쇠량이 탄성 표면파의 파장(λ)에 대해서 0.1dB/λ 이하인 접합 기판. - 제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 기재된 접합 기판에 있어서의 압전 기판의 주면 상에 적어도 1개의 빗형 전극을 구비하고 있는 탄성 표면파 소자.
- 제 10 항에 기재된 탄성 표면파 소자가 패키지에 밀봉되어 있는 것을 특징으로 하는 탄성 표면파 소자 디바이스.
- 수정 기판과 압전 기판이 접합된 접합 기판의 제조 방법으로서,
수정의 결정 X축과 교차하는 각도로 상기 수정을 컷해서 수정 기판을 준비하고, 상기 수정 기판에 Y축 방향측으로 탄성 표면파 전파 방향을 설정하고, 상기 전파 방향에 맞춰서 탄성 표면파 전파 방향이 설정된 압전 기판을 준비해서 상기 수정 기판에 적층하고, 직접 또는 중간층을 통해 상기 수정 기판과 상기 압전 기판을 접합하는 접합 기판의 제조 방법. - 제 12 항에 있어서,
수정 기판의 접합면 및 압전 기판의 접합면에 감압 하에서 자외선을 조사하고, 조사후에 수정 기판의 접합면과 압전 기판의 접합면을 접촉시키고, 수정 기판과 압전 기판에 두께 방향으로 가압을 해서 상기 접합면끼리를 접합하는 것을 특징으로 하는 접합 기판의 제조 방법. - 제 13 항에 있어서,
상기 가압시에 소정의 온도로 가열을 하는 것을 특징으로 하는 접합 기판의 제조 방법. - 제 12 항 내지 제 14 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 중간층이 아모르포스층인 접합 기판의 제조 방법.
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