特許 7544151 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】2024-08-26

(45)【発行日】2024-09-03

(54)【発明の名称】弾性波装置

(51)【国際特許分類】

   H03H 9/25 20060101AFI20240827BHJP

【ＦＩ】

H03H9/25 C

【請求項の数】 7

(21)【出願番号】P 2022571375

(86)(22)【出願日】2021-12-16

(86)【国際出願番号】 JP2021046509

(87)【国際公開番号】W WO2022138443

(87)【国際公開日】2022-06-30

【審査請求日】2023-02-27

(31)【優先権主張番号】P 2020212493

(32)【優先日】2020-12-22

(33)【優先権主張国・地域又は機関】JP

(73)【特許権者】

【識別番号】000006231

【氏名又は名称】株式会社村田製作所

(74)【代理人】

【識別番号】110001232

【氏名又は名称】弁理士法人大阪フロント特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】大門 克也

(72)【発明者】

【氏名】木村 哲也

【審査官】柳下 勝幸

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１８－１８２６１５（ＪＰ，Ａ）

【文献】国際公開第２０２０／１２２００５（ＷＯ，Ａ１）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０３Ｈ ９／２５

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

高音速部材と、
前記高音速部材上に積層された低音速層と、
前記低音速層上に直接積層された圧電層と、
前記圧電層の一方主面上に設けられたＩＤＴ電極と、
を備え、
前記低音速層が、酸化ケイ素よりもヤング率が低い誘電体材料（酸化ケイ素に炭素を加えた化合物を除く）、あるいは当該誘電体材料を主成分とする層からなる、弾性波装置。

【請求項2】

前記誘電体材料が、チタン酸アルミニウム、窒化ホウ素、及び窒素含有シリコンカーバイドからなる群から選択された１種の材料からなる、請求項１に記載の弾性波装置。

【請求項3】

高音速部材と、
前記高音速部材上に積層された低音速層と、
前記低音速層上に直接積層された圧電層と、
前記圧電層の一方主面上に設けられたＩＤＴ電極と、
を備え、
前記低音速層が、チタン酸アルミニウム、窒化ホウ素、及び窒素含有シリコンカーバイドからなる群から選択された１種の材料からなる、酸化ケイ素よりもヤング率が低い誘電体材料、あるいは当該誘電体材料を主成分とする層からなる、弾性波装置。

【請求項4】

支持基板をさらに備え、
前記支持基板上に前記高音速部材が積層されている、請求項１～３のいずれか１項に記載の弾性波装置。

【請求項5】

前記高音速部材が、高音速材料からなる支持基板である、請求項１～３のいずれか１項に記載の弾性波装置。

【請求項6】

前記支持基板がシリコン基板である、請求項４または５に記載の弾性波装置。

【請求項7】

前記圧電層が、タンタル酸リチウムまたはニオブ酸リチウムからなる、請求項１～６のいずれか１項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、高音速部材上に、低音速層及び圧電層が積層されている構造を有する弾性波装置に関する。

【背景技術】

【0002】

従来、圧電層を有する複合基板上にＩＤＴ電極が設けられた弾性波装置が得られている。例えば、下記の特許文献１に記載の弾性波装置では、高音速材料からなる高音速基板上に、酸化ケイ素からなる低音速層及びＬｉＴａＯ_３からなる圧電層が積層されている。この圧電層上にＩＤＴ電極が設けられている。この構造では、圧電層に弾性波を効果的に閉じ込めることができ、Ｑ値を高めることができる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【文献】特開２０１５－０７３３３１号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

帯域通過型フィルタなどに用いられる弾性波共振子では、広い比帯域を求められることがある。しかしながら、従来の弾性波装置では、十分に比帯域を広くすることが困難であった。

【0005】

本発明の目的は、比帯域の広い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】

本発明に係る弾性波装置は、高音速部材と、前記高音速部材上に積層された低音速層と、前記低音速層上に直接または間接に積層された圧電層と、前記圧電層上に設けられた電極とを備え、前記低音速層が、酸化ケイ素よりもヤング率が低い誘電体材料、あるいは当該誘電体材料を主成分とする層からなる。

【発明の効果】

【0007】

本発明によれば、広い比帯域を有する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】図１は、本発明の第１の実施形態に係る弾性波装置の要部を示す正面断面図である。

【図2】図２は、第１の実施形態の弾性波装置の電極構造を示す模式的平面図である。

【図3】図３は、実施例１及び比較例１の弾性波装置の弾性波共振子としてのインピーダンス－周波数特性を示す図である。

【図4】図４は、実施例２及び比較例２の弾性波装置の弾性波共振子としてのインピーダンス－周波数特性を示す図である。

【図5】図５は、圧電層としてＬｉＴａＯ_３膜を用いた弾性波装置における低音速層の材料と、比帯域との関係を示す図である。

【図6】図６は、圧電層としてＬｉＮｂＯ_３膜を用いた弾性波装置における低音速層の材料と、比帯域との関係を示す図である。

【図7】図７は、本発明の第２の実施形態に係る弾性波装置の要部を示す正面断面図である。

【発明を実施するための形態】

【0009】

以下、図面を参照しつつ、本発明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】

なお、本明細書に記載の各実施形態は、例示的なものであり、異なる実施形態間において、構成の部分的な置換または組み合わせが可能であることを指摘しておく。

【0011】

図１は、本発明の第１の実施形態に係る弾性波装置の要部を示す正面断面図であり、図２はその電極構造を示す模式的平面図である。

【0012】

弾性波装置１では、圧電複合基板６上にＩＤＴ電極７が設けられている。

【0013】

ＩＤＴ電極７は、互いに間挿し合う複数本の第１の電極指７ａと、複数本の第２の電極指７ｂとを有する。

【0014】

なお、弾性波装置１は、弾性波共振子である。図２に示すように、ＩＤＴ電極７の弾性波伝搬方向両側に反射器８，９が設けられている。

【0015】

ＩＤＴ電極７及び反射器８，９は、適宜の金属もしくは合金により構成することができる。また、ＩＤＴ電極７及び反射器８，９は、複数の金属膜の積層体からなるものであってもよい。

【0016】

圧電複合基板６では、支持基板２上に、高音速部材３、低音速層４及び圧電層５が積層されている。本実施形態では、支持基板２は、Ｓｉからなる。もっとも、支持基板２は、他の適宜の誘電体もしくは半導体により構成することもできる。高音速部材３は、高音速材料からなる。高音速材料とは、伝搬するバルク波の音速が、圧電層５を伝搬する弾性波の音速よりも高い材料をいう。このような高音速材料としては、酸化アルミニウム、炭化ケイ素、窒化ケイ素、酸窒化ケイ素、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、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、マグネシア、ＤＬＣ（ダイヤモンドライクカーボン）膜またはダイヤモンド、上記材料を主成分とする媒質、上記材料の混合物を主成分とする媒質等を挙げることができる。本実施形態では、高音速部材３は、窒化ケイ素としてのＳｉＮからなる。

【0017】

低音速層４は、伝搬するバルク波の音速が、圧電層５を伝搬するバルク波の音速よりも低い低音速材料からなる。加えて、低音速層４は、ヤング率が酸化ケイ素よりも低い誘電体材料からなる。このような誘電体材料としては、特に限定されないが、チタン酸アルミニウム、窒化ホウ素、炭素含有酸化シリコン及び窒素含有シリコンカーバイドからなる群から選択された１種の材料を用いることができる。本実施形態では、低音速層４は、チタン酸アルミニウムとしてのＡｌＴｉＯ_４からなる。

【0018】

なお、ＡｌＴｉＯ_４のヤング率は１３ＧＰａであり、酸化ケイ素のヤング率は７３ＧＰａである。

【0019】

圧電層５は、圧電単結晶からなり、このような圧電単結晶として、タンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ_３）が用いられている。なお、ニオブ酸リチウムを用いてもよい。なお、圧電層５は、低音速層４上に間接的に積層されていてもよい。

【0020】

圧電複合基板６では、上記積層構造を有するため、弾性波を圧電層５に効果的に閉じ込めることができる。従って、Ｑ値を高めることができる。加えて、低音速層４が酸化ケイ素よりもヤング率が低い誘電体材料からなるため、後述の実験例から明らかなように、比帯域を効果的に広げることができる。

【0021】

また、弾性波共振子における比帯域とは、共振周波数をｆｒ、反共振周波数をｆａとしたとき、（ｆａ－ｆｒ）／ｆｒで表わされる。

【0022】

次に、弾性波装置１において、上記のように比帯域を広げることができることを、実施例１～４の共振特性を説明することにより明らかにする。

【0023】

（実施例１）
実施例１として、以下の構成の弾性波装置を作製した。

【0024】

支持基板２として、面方位が（１１１）面であり、第３オイラー角が７３°である、Ｓｉを用いた。高音速部材３として、厚み３００ｎｍのＳｉＮ膜を用いた。低音速層４として、ヤング率が１３ＧＰａのＡｌＴｉＯ_４を用い、膜厚を４００ｎｍとした。

【0025】

圧電層５については、３５°ＹカットＸ伝搬ＬｉＴａＯ_３膜を用い、厚みは３００ｎｍとした。

【0026】

ＩＤＴ電極７には、Ｔｉ／ＡｌＣｕ／Ｔｉの積層体を用いた。膜厚は、圧電層５とは反対の上面側から、１２ｎｍ／１００ｎｍ／４ｎｍとした。ＩＤＴ電極７の電極指の対数は１００対、交差幅は４０μｍとし、電極指ピッチで定まる波長λは２μｍとした。なお、交叉幅とは、弾性波伝搬方向から見たときに、隣り合う第１，第２の電極指７ａ，７ｂが重なり合う領域の、第１，第２の電極指７ａ，７ｂが延びる方向に沿う寸法である。

【0027】

比較のために、低音速層４に３００ｎｍの厚みの酸化ケイ素膜を用いたことを除いては、実施例１と同様にして比較例１の弾性波装置を用意した。

【0028】

図３は、実施例１及び比較例１の弾性波装置の弾性波共振子としての共振特性を示す図である。図３から明らかなように、比較例１に比べ、実施例１によれば、共振周波数を低周波数側にシフトさせることができる。そのため、比帯域が広げられている。

【0029】

この理由は、以下の通りと考えられる。低音速層４のヤング率が小さいと、圧電層５と低音速層４との間の音響インピーダンス差が大きくなり、それによって、弾性波を圧電層５により効果的に閉じ込めることができ、比帯域が大きくなっているものと考えられる。

【0030】

（実施例２）
次に、実施例２として、低音速層４に窒化ホウ素としてのＢＮを用いた弾性波装置を作製した。ＢＮのヤング率は１０ＧＰａであり、その厚みを４００ｎｍとした。ＩＤＴ電極７の電極指の対数は１００対、交差幅＝４０μｍ、電極指ピッチで定まる波長は２μｍとした。その他の構成は、実施例１と同様とした。比較のために、厚み３００ｎｍの酸化ケイ素膜を低音速層４として用いたことを除いては、実施例２と同様にして、比較例２の弾性波装置を用意した。

【0031】

図４は、実施例２及び比較例２の弾性波装置の弾性波共振子としてのインピーダンス－周波数特性を示す図である。図４から明らかなように、比較例２に比べて、実施例２によれば、共振周波数が低周波数側にシフトしており、比帯域が広くなっている。

【0032】

実施例１及び実施例２の上記結果から明らかなように、本発明によれば、低音速層４が酸化ケイ素よりもヤング率が低い誘電体材料からなるため、弾性波装置の比帯域を効果的に広げ得ることがわかる。なお、低音速層４には、当該誘電体材料が主成分として含まれていればよい。すなわち、低音速層４は、当該誘電体材料を主成分とする層であってもよい。

【0033】

前述したように、本発明では、上記低音速層４を構成する材料として、ヤング率が酸化ケイ素よりも低い誘電体材料が用いられる。このような誘電体材料としては、チタン酸アルミニウムとしてのＡｌＴｉＯ_４及び窒化ホウ素としてのＢＮの他、炭素含有酸化シリコンとしてのＳｉＯＣ，窒素含有シリコンカーバイドとしてのＳｉＣＮなどを好適に用いることができる。

【0034】

（実施例３）
実施例３では、Ｓｉからなる支持基板２上に、３００ｎｍの厚みの窒化シリコン（ＳｉＮ）からなる高音速部材３を積層し、低音速層４として、２００ｎｍの各種誘電体材料を用いることにより弾性波装置を構成した。

【0035】

圧電層５には、厚み４００ｎｍの４０°ＹカットＸ伝搬のＬｉＴａＯ_３膜を用いた。電極の積層構造は、実施例１と同様とした。なお、ＩＤＴ電極７の電極指ピッチで定まる波長λは２μｍ、電極指の対数は１００対、交差幅は４０μｍとした。

【0036】

上記誘電体材料として、ＳｉＯＣ、ＡｌＴｉＯ_４、ＳｉＣＮ、ＢＮを用いた。比較のために上記低音速層４を、ＳｉＯ_２で構成したものも用意した。

【0037】

これらの弾性波装置の弾性波共振子としての特性を評価し、比帯域を求めた。結果を図５に示す。図５に示すように、ＳｉＯ_２を用いた場合に比べて、ＳｉＯＣ、ＡｌＴｉＯ_４、ＳｉＣＮまたはＢＮを用いた場合、比帯域を効果的に広げ得ることがわかる。

【0038】

なお、ＳｉＯＣ、ＡｌＴｉＯ_４、ＳｉＣＮ、ＢＮ及びＳｉＯ_２のヤング率は、下記の表１に示す通りである。

【0039】

【表1】

【0040】

（実施例４）
厚み４００ｎｍの３０°ＹカットＸ伝搬のＬｉＮｂＯ_３膜からなる圧電層５を用いたことを除いては、実施例３と同様にして、各誘電体材料を低音速層４として用いた弾性波装置を構成した。実施例３と同様にして、各弾性波装置の共振特性を測定し、比帯域を求めた。結果を図６に示す。図６に示すように、低音速層４を構成している誘電体材料がＳｉＯ_２の場合に比べて、ＳｉＯＣ、ＡｌＴｉＯ_４、ＳｉＣＮまたはＢＮを用いた場合、比帯域を広げ得ることがわかる。このように、本発明においては、圧電層５として、ＬｉＮｂＯ_３を用いた場合においても、比帯域を効果的に広げることができる。

【0041】

図７は、本発明の第２の実施形態に係る弾性波装置の要部を示す弾性波装置の正面断面図である。

【0042】

弾性波装置２１では、高音速部材３が、高音速材料からなる支持基板である。この場合、支持基板と別材料としての高音速部材を省略することができる。その他の構造は、弾性波装置２１は、図１に示した弾性波装置１と同様である。

【符号の説明】

【0043】

１，２１…弾性波装置
２…支持基板
３…高音速部材
４…低音速層
５…圧電層
６…圧電複合基板
７…ＩＤＴ電極
７ａ，７ｂ…第１，第２の電極指
８，９…反射器

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】