特許 7493306 弾性波装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-05-23

(45)【発行日】2024-05-31

(54)【発明の名称】弾性波装置

(51)【国際特許分類】

   H03H 9/25 20060101AFI20240524BHJP

【ＦＩ】

H03H9/25 C

【請求項の数】 4

(21)【出願番号】P 2019085000

(22)【出願日】2019-04-26

(65)【公開番号】P2020182137

(43)【公開日】2020-11-05

【審査請求日】2021-10-12

【審判番号】

【審判請求日】2023-09-01

(73)【特許権者】

【識別番号】000006633

【氏名又は名称】京セラ株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100135828

【弁理士】

【氏名又は名称】飯島 康弘

(72)【発明者】

【氏名】岸野 哲也

【合議体】

【審判長】土居 仁士

【審判官】千葉 輝久

【審判官】丸山 高政

(56)【参考文献】

【文献】国際公開第２０１８／０７０３６９（ＷＯ，Ａ１）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

H03H3/08-3/10

H03H9/145-9/76

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

Ａｌ－Ｃｕ合金によって構成されており、複数の電極指を備え、弾性表面波を励振するＩＤＴ電極と、
上面に前記ＩＤＴ電極が位置している圧電結晶からなり、前記複数の電極指の繰り返し間隔で定義されるｐの２倍で定義される波長λに対して１．０λを超え、１．６λ以下の厚みである、Ｘ伝搬回転Ｙカットのタンタル酸リチウム単結晶基板からなる圧電膜と、を備え、
前記ＩＤＴ電極の厚みは９％以上１２％以下であり、
前記圧電膜のカット角は４６°以下であり、
前記圧電膜のカット角をＹ，前記圧電膜の厚みをＸ，前記ＩＤＴ電極の厚みをＺとしたときに、以下の式を満たす弾性波装置。
Ｙ＝ＡＸ ^２ ＋ＢＸ＋Ｃ±１
Ａ＝－４０１７．９Ｚ ^２ ＋１１４２．９Ｚ－４５．８９３
Ｂ＝８６２５．０Ｚ ^２ －３０６５．０Ｚ＋１１６．７５
Ｃ＝５０２１．４Ｚ ^２ ＋５０３．５７Ｚ＋２７．８９１

【請求項2】

前記ＩＤＴ電極の厚みは１０％以上１２％以下である、請求項１に記載の弾性波装置。

【請求項3】

前記圧電膜の下面の側に直接または間接的に接続された、横波音速が、前記圧電膜中を伝搬する横波音速よりも速い支持基板をさらに備える、請求項１又は２に記載の弾性波装置。

【請求項4】

前記支持基板はＳｉ基板である、請求項３に記載の弾性波装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、弾性波装置に関する。

【背景技術】

【0002】

支持基板上に、高音速膜、低音速膜、ＬｉＴａＯ_３膜、ＩＤＴ電極をこの順に積層してなる弾性波装置が開示されている（特許文献１参照）。ＬｉＴａＯ_３膜の膜厚としては、ＩＤＴ電極の電極指の周期で決まる波長をλとしたときに、０．２５λ等が開示されている。このような弾性波装置によれば、弾性波をＬｉＴａＯ_３膜に閉じ込めることができるので高いＱ値を得ることができる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【文献】国際公開２０１２／０８６６３９号

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

近年、移動体通信に用いられる携帯端末装置は高い通信品質を安定して実現するために、高い電気特性を備える弾性波装置を安定して供給することが求められている。

【0005】

本発明は、このような課題に鑑みなされたものであり、その目的は、生産性が高く、かつ電気特性の優れた弾性波装置を提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0006】

本開示の弾性波装置は、複数の電極指を備え、弾性表面波を励振するＩＤＴ電極と、上面に前記ＩＤＴ電極が位置している圧電結晶からなり、前記複数の電極指の繰り返し間隔で定義されるｐの２倍で定義される波長λに対して１．０λを超え、１．６λ以下の厚みである、Ｘ伝搬回転Ｙカットのタンタル酸リチウム単結晶基板からなる圧電膜と、を備える。そして、前記ＩＤＴ電極の厚みは９％以上１２％以下であり、前記圧電膜のカット角は４６°以下である。

【発明の効果】

【0007】

上記構成によれば、生産性が高く、かつ、電気特性の優れた弾性波装置を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【0008】

【図1】本開示にかかる弾性波装置の模式的な断面図である。

【図2】図１の弾性波装置の上面図である。

【図3】バルク波スプリアスの発生周波数と圧電膜の厚みとの関係を示す線図である。

【図4】Δｆと圧電膜のカット角との関係を示す線図である。

【図5】図５（ａ）～図５（ｃ）は比較例および実施例に係る弾性波装置の周波数特性を示す線図である。

【図6】図５（ａ），図５（ｂ）はそれぞれ図１に係る弾性波装置の変形例を示す断面図である。

【図7】モード１－１のスプリアス強度が０となる条件を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0009】

以下、図面を参照しつつ、本開示の具体的な実施形態を説明することにより、本発明を明らかにする。

【0010】

図１は、本開示の実施形態に係る弾性波装置（以下、ＳＡＷ装置という）１の模式的な断面図である。

【0011】

ＳＡＷ装置１は、支持基板３と圧電膜７とＩＤＴ電極９とを備える。支持基板３と圧電膜７とＩＤＴ電極９と、はこの順に積層されている。

【0012】

支持基板３は、この例では、その上に積層される圧電膜７を支持するものであり、一定の強度を備えれば特に限定されない。例えば、圧電膜７に比べて線膨張係数の小さい材料で構成する場合には、温度変化による圧電膜７の変形を低減することで、温度変化による特性変化を低減することができる。また、圧電膜７中を伝搬する弾性波の横波音速に比べて支持基板３中を伝搬する弾性波の横波音速が早くなるように材料を選定した場合には、弾性波を圧電膜７に閉じ込めることができ、周波数特性の優れたＳＡＷ装置１を提供することができる。

【0013】

このような材料として、例えば、サファイア基板やＳｉ基板等を例示できる。本実施形態においては支持基板３としてＳｉ基板を用いた場合を例に説明する。

【0014】

圧電膜７は、第１面７ａとこれに対向する第２面７ｂとを備える。便宜上、第２面７ｂから第１面７ａに向かう方向を上方ということがある。このため、第１面７ａを上面，第２面７ｂを下面と呼ぶこともある。

【0015】

支持基板３は圧電膜７の第２面７ｂに接合されている。圧電膜７と支持基板３とは、直接接合されていてもよいし、間に接着層，中間層等を介在させて接続してもよい。中間層としては、酸化ケイ素や酸化アルミニウム、窒化ケイ素、窒化アルミニウム等の絶縁材料を例示することができる。

【0016】

圧電膜７は、タンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ_３；以下ＬＴという）結晶からなる圧電性を有する単結晶の基板を用いることができる。ＬＴ結晶のカット角は４６°以下としているが、詳しくは後述する。

【0017】

圧電膜７は、その厚みを後述のＩＤＴ電極９により規定される弾性波の波長λに対して１λを超え、かつ１．６λ以下としている。圧電膜７の厚みについては後述する。

【0018】

ＩＤＴ電極９は、圧電膜７の第１面７ａに位置する。ＩＤＴ電極９は、導電性を有する材料を用いて形成されており、この例ではＡｌにＣｕを添加したＡｌ－Ｃｕ合金で形成されている。ＩＤＴ電極９は、他にもＡｌ，Ｃｕ，Ｐｔ，Ｍｏ，Ａｕ等やその合金等種々の導電性材料を採用することができる。また、これら導電性材料からなる複数の層を積層させて構成してもよい。また。複数層の積層体からなる場合には、積層界面に例えばＴｉ等からなる下地層を介在させてもよい。

【0019】

ＩＤＴ電極９の膜厚は、詳しくは後述するが、波長λに対して８％を超え、かつ１２％以下の厚みとしている。

【0020】

図２に、ＩＤＴ電極９の形状を示す。図２は、ＳＡＷ装置１の上面図である。図２に示すように、ＩＤＴ電極９は、２つのバスバー９１と、バスバー９１のいずれかに接続される複数の長尺状の電極指９２が複数一方向に配列されている。そして一方のバスバー９１に接続される電極指９２と他方のバスバー９１に接続される電極指９２とが交互に配置さ
れている。また、一方のバスバー９１に接続される電極指９２の先端に対向し、他方のバスバー９１に接続されるダミー電極９３を備えている。なお、図中において、一方のバスバー９１に接続される構成と他方のバスバー９１に接続される構成を区別するために、一方に斜線を付している。

【0021】

このようなＩＤＴ電極９に高周波信号が印加されると、電極指９２の中心間間隔ｐを半波長とする定在波が励振される。言い換えると、２ｐで表わされる波長λの弾性波が励振される。

【0022】

なお、ＩＤＴ電極９の電極指９２の配列方向の両側には反射器１１が位置している。これにより、ＩＤＴ電極９と反射器１１とで１ポート型の共振子として機能する。なお、本開示のＳＡＷ素子１はこのようなＩＤＴ電極９を含めばよく、その数、配置等については特に限定されない。例えば、このような共振子を複数含むラダー型フィルタや、縦結合型フィルタ等を構成することもできる。

【0023】

本開示のＳＡＷ装置１によれば、上述の構成において、圧電膜７の厚み、カット角、およびＩＤＴ電極９の膜厚と、を特定の関係とすることで、生産性が高く、かつ電気特性の優れたものとなる。以下、そのメカ二ズムについて詳述する。

【0024】

特許文献１に記載された弾性波装置は、厚みがλ未満（０．２５λ）等の極めて薄い圧電膜を用いている。これにより、弾性波を圧電膜の内部に閉じ込めることができるとともに、バルク波によるスプリアスが共振周波数近傍に現れることもないため、高い電気特性を実現できる。

【0025】

その一方で、圧電膜の厚みが極めて薄いことから、精密な加工が要求され生産性が低下する虞があった。さらに、圧電膜の厚みが薄いほどに、圧電膜の厚み変動に伴う周波数特性変動が大きくなり、安定した特性を維持することが困難だった。また、ＩＤＴ電極９で励振された弾性波が支持基板３側にも分布するようになり、支持基板そのものや圧電膜と支持基板の界面の影響を受け、損失が大きくなったり、共振子としての特性が劣化したりする恐れがあった。

【0026】

これに対して、本開示のＳＡＷ装置１によれば、圧電膜７の厚みを、弾性波の閉じ込め効果が期待できる２λ未満とし、かつ、波長λを超える値とすることで、加工性を向上させるとともに、厚み変動に伴う特性変動の感度を下げることができる。すなわち、弾性波の閉じ込め効果に起因する高い電気特性と、圧電膜７の厚みを厚くすることによる高い生産性とを両立させることができる。

【0027】

ただし、圧電膜７の厚みが１λを超える場合には、バルク波に起因するスプリアスの影響が大きくなる。図３に圧電膜の厚みを変えたときのバルク波スプリアスの周波数の変化の様子を示す。図３において横軸はλで規格化した圧電膜の厚みを示し、縦軸は周波数を示している。図３から、バルク波スプリアスのモード，次数が異なる種々のスプリアスが生じており、各スプリアスは圧電膜の厚みが薄くなるに従い高周波数側にシフトする様子が確認できる。そして、これら無数のスプリアスのうち、最も低い周波数に発生するバルク波スプリアスは、モード１の１次のものであり、以下モード１－１ということがある。なお、他のモード，次数のスプリアスについても同様の法則で表示する。そして、モード１－１の次に低い周波数に位置するバルク波スプリアスはモード２－１である。

【0028】

ここで、圧電膜の厚みがが１λ以下の場合には、共振周波数、反共振周波数近傍にバルク波スプリアスは発生しないが、厚みが１λを超えるとモード１－１，２－１のバルク波スプリアスが共振特性に影響を与える虞があることが分かる。

【0029】

そこで、本開示のＳＡＷ装置１によれば、モード１－１とモード２－１とのスプリアスの影響をなくすために以下の通りとした。なお、圧電膜７の厚みが１．６λを超える場合にはモード１－２のスプリアスが発生する。このため、圧電膜７の厚みを１．６λ以下とした。

【0030】

まず、スプリアスの発生周波数はピッチｐ（もしくは波長λ）によって決まるため、ＩＤＴ電極９の膜厚を厚くすることで、スプリアスの周波数は維持しつつ、共振周波数を低周波数側にシフトさせることができる。これにより、共振周波数に対するモード２－１のスプリアス周波数を（モード２－１の相対周波数）を高めて、モード２－１の影響を低減させる。言い換えると、モード２－１のスプリアスの周波数を共振周波数から離れる側にシフトさせることができる。

【0031】

次に、モード１－１について検討する。ＳＶ波であるモード１のスプリアスの強度は、ＩＤＴ電極９からのバルク波放射と相関がある。すなわち、圧電膜７を構成するＬＴ結晶のカット角や、圧電膜７の厚み、ＩＤＴ電極９の厚み等により、スプリアスの強度を変化させることができる。ここで、ＩＤＴ電極９の厚みを厚くすることで、モード２－１を共振周波数から離すことはできたが、同時にモード１－１の相対周波数も変化し、スプリアス強度が大きくなることが推定される。そこで、モード１－１に対しては、バルク波が放射されないように（スプリアスの強度を低くするように）、圧電膜７の厚みとカット角とを調整する。

【0032】

具体的には、圧電膜７の厚みを調整して共振周波数とモード１－１の周波数を決定し、その周波数におけるスプリアス強度が小さくなるような圧電膜７のカット角とＩＤＴ電極９の膜厚との組み合わせを設定する。

【0033】

以上より、周波数特性に大きく影響するバルク波スプリアスをモード１－１のみとするとともに、そのモード１－１のバルク波スプリアスの強度を小さくすることで、圧電膜７の厚みが１λを超えている場合であっても、バルク波スプリアスの影響を抑制することができるものとなる。

【0034】

表１に、圧電膜７の厚みが１λ～１．６λのときのモード１－１のスプリアス発生周波数と、このスプリアス発生周波数におけるモード１－１のスプリアス強度が０となるＩＤＴ電極９の厚みおよびＬＴ結晶のカット角との組み合わせをシミュレーションした結果を図７に示す。図中において「無放射」とは、スプリアス強度が０となること示すものとする。

【0035】

図７からも明らかなように、モード１－１のスプリアス強度を０とするには、圧電膜５の厚みが一定の場合にはＩＤＴ電極９の膜厚が大きくなるほどＬＴ結晶のカット角を大きくする必要がある。また、ＩＤＴ電極９の厚みが一定の場合には圧電膜７の厚みが厚くなるほどＬＴ結晶のカット角を小さくする必要があった。

【0036】

ここで、図４に、ＩＤＴ電極９の膜厚を４％（λ比）～１２％まで変更させたときの、ＬＴ結晶のカット角と、共振周波数と反共振周波数との差分（以下、Δｆという）との関係を示す。図４において、横軸はＬＴ結晶のカット角を示し、縦軸はΔｆを示す。

【0037】

図４からも明らかなように、カット角が大きくなるに従い、Δｆは小さくなる。さらに、ＩＤＴ電極９の膜厚が８％～１０％のときにΔｆが最も大きくなり、膜厚がそれより小さくなる、もしくは大きくなるとΔｆが小さくなることが分かる。

【0038】

圧電膜７としてＬＴ結晶を用いることから、Δｆは７５ＭＨｚ以上確保してもよい。この場合には、ＩＤＴ電極９の膜厚としては８％以上１２％とし、ＬＴ結晶のカット角としては４６°以下としてもよい。ただし、ＩＤＴ電極９の厚みは、モード２－１の相対周波数調整のため厚くしていることから、９％以上、より好ましくは１０％以上としてもよい。

【0039】

なお、通常のＩＤＴ電極９の厚みは、その弾性波発生効率等を考慮して約８％とすることが多い。このことは、図４において、ＩＤＴ電極９の厚みを８％としたときに最もΔｆ等の電気特性が優れていることからも明らかである。

【0040】

このような、Δｆを維持するための制限を考慮にいれると、モード１－１のスプリアス強度を０に近付けるには、圧電膜７の厚みは１．２λ～１．６λ、カット角は４６°以下、ＩＤＴ電極９の厚みは９％以上１２％以下を同時に満たすことが必要である。

【0041】

なお、図７に示すモード１－１のスプリアス強度を０とするためのＬＴ結晶のカット角Ｙは、圧電膜７の厚みをＸ，ＩＤＴ電極９の膜厚をＺとしたときに、以下の式で表される。
Ｙ＝ＡＸ^２＋ＢＸ＋Ｃ
ただし、Ａ＝－４０１７．９Ｚ^２＋１１４２．９Ｚ－４５．８９３、Ｂ＝８６２５．０Ｚ^２－３０６５．０Ｚ＋１１６．７５、Ｃ＝５０２１．４Ｚ^２＋５０３．５７Ｚ＋２７．８９１である。

【0042】

以上より、カット角はＹ±１°，ＩＤＴ電極９の膜厚はＺ±０．０１（すなわち±１％）とすることで、モード１－１のスプリアス強度を０に近付けることができる。

【0043】

以下、実施例として、実際の共振子の周波数特性をシミュレーションした結果を図５に示す。図５（ａ）は比較例に係るＳＡＷ装置の共振子特性を示し、図５（ｂ）は実施例１に係るＳＡＷ装置の共振子特性を示し、図５（ｃ）は実施例２に係るＳＡＷ装置の共振子特性を示す。

【0044】

比較例，実施例１、実施例２の圧電膜７のカット角、厚み、ＩＤＴ電極９の厚みは順に以下の通りである。
比較例１：４２°，１．５λ，８％
実施例１：４６°，１．２λ，１０％
実施例２：４６°，１．５λ，１２％
図５において、横軸は周波数，縦軸はインピーダンスの絶対値を示す。図５から明らかなように、モード１－１のスプリアスは共振周波数に近付けることでスプリアスの強度を小さくしており、モード２－１のスプリアスは高周波数側にシフトさせることで、反共振周波数近傍およびその高周波数側においても広い周波数範囲でスプリアスが存在しない領域を確保できていることが分かる。なお、共振子にはＩＤＴ電極の反射帯域の高周波側の端部（バンドエッジ）ではＳＨ波のスプリアスが発生する（図５では「バンドエッジ」と記載）。電極厚みが厚い場合、このバンドエッジの周波数が共振周波数に対して高周波側にシフトする。そのため、ＳＡＷとＳＨ波の結合が弱くなり、スプリアスが小さくなる。本開示のＳＡＷ装置では電極厚みが一般よりも厚めに設定されるため、バンドエッジのスプリアスが小さくなるという効果もある。

【0045】

なお、実施例１に係るＳＡＷ装置において、ＩＤＴ電極９の厚みを固定し、圧電膜７の厚みを１．２λ～１．６λに、カット角を３７°～４６°まで変化させた結果、いずれの場合も比較例に比べモード１－１の影響を抑制し、モード２－１のスプリアスを高周波数側にシフトさせることができることを確認した。中でも、ＬＴ結晶のカット角を３８°、
圧電膜７の厚みを１．６λ，ＩＤＴ電極９の厚みを１０％としたときに、帯域内の位相特性を安定させることができることを確認した。

【0046】

同様に、実施例２に係るＳＡＷ装置において、ＩＤＴ電極９の厚みを固定し、圧電膜７の厚みを１．５λ，１．６λに、カット角を４４°～４６°まで変化させた結果、いずれの場合も比較例に比べモード１－１の影響を抑制し、モード２－１のスプリアスを高周波数側にシフトさせることができることを確認した。中でも、ＬＴ結晶のカット角を４４°、圧電膜７の厚みを１．６λ，ＩＤＴ電極９の厚みを１２％としたときに、帯域内の位相特性を安定させることができることを確認した。

【0047】

（他の例）
上述の例では、支持基板３と圧電膜７とが積層された構成としたがその構成に限定されない。例えば、図６（ａ）に示すように両者の間に絶縁部５を備えた構成であってもよい。

【0048】

この場合には、絶縁部５は、例えば、酸化ケイ素、窒素ケイ素、酸化アルミニウム等の絶縁性を有する材料からなり、その結晶性は特に限定されない。絶縁部５を設けることにより、不要の電位が形成されたり不要の容量が形成されたりすることを低減することができるので、ＳＡＷ装置１の電気特性を向上させることができる。

【0049】

特に、本例のように、支持基板３として半導体材料であるＳｉ基板を用いる場合には、圧電膜７と支持基板３との間に絶縁部５を設けることにより、支持基板３の影響を低減すことができる。なお、絶縁性を確保しつつ、かつ、支持基板３の高音速材料の特性を活かすためには、絶縁部３の厚みは、０．０１ｐ以上２ｐ以下としてもよい。特に０．１ｐ～０．４ｐとした場合には支持基板３（この場合はSi）の導電率の影響を避けることができる。

【0050】

また、図６（ｂ）に示ように、圧電膜７の直下に支持基板３が存在しない構成であってもよい。図６（ｂ）において、支持基板３には凹部が形成されており、その凹部をふさぐように圧電膜７が配置されている。

【0051】

特に図示しないが、図６（ａ）において、絶縁部５が複数の異なる層を積層した構成としてもよい。

【符号の説明】

【0052】

１：ＳＡＷ装置
３：支持基板
７：圧電膜
９：ＩＤＴ電極

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】