CN111727565A

CN111727565A - 弹性波元件

Info

Publication number: CN111727565A
Application number: CN201980013761.1A
Authority: CN
Inventors: 伊藤干; 岸野哲也
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2018-02-26
Filing date: 2019-02-20
Publication date: 2020-09-29
Also published as: US20200403599A1; JPWO2019163842A1; JP6961068B2; WO2019163842A1

Abstract

弹性波元件，具备：IDT电极(31)，具备多个电极指(32)，激励声表面波；第1基板(10)，所述IDT电极(31)位于上表面，厚度小于所述多个电极指(32)的反复间隔p的2倍，包含压电晶体；中间层，具备第1面和第2面，所述第1面与所述第1基板的下表面接合，包含横波声速比所述第1基板慢的材料；以及第2基板，与所述第2面接合，包含蓝宝石。

Description

弹性波元件

技术领域

本发明涉及弹性波元件。

背景技术

以往，以改善电特性为目的，已知在将支承基板和压电基板贴合而成的复合基板设置电极来制作弹性波元件。在此，弹性波元件例如被用作移动电话等通信设备中的带通滤波器。此外，已知复合基板作为压电基板使用铌酸锂、钽酸锂，作为支承基板使用硅、石英、陶瓷等的基板(参照日本特开2006-319679号公报)。

发明内容

发明要解决的课题

然而，近年来，用于移动体通信的便携终端装置在推进小型化、轻量化的同时，为了实现高通信质量，要求具备更高的电特性的弹性波元件。例如，要求频率特性的偏差少的弹性波元件。

本发明是鉴于这样的课题而完成的，其目的在于提供电特性优异的弹性波元件。

用于解决课题的手段

本公开的弹性波元件具备IDT电极、第1基板、中间层和第2基板。IDT电极具备多个电极指，激励声表面波。关于第1基板，所述IDT电极位于其上表面，厚度小于所述多个电极指的反复间隔p的2倍，包含压电晶体。中间层具备第1面和第2面，所述第1面与所述第1基板的下表面接合，包含横波声速比所述第1基板以及第2基板慢的材料。第2基板与所述第2面接合，包含蓝宝石。

发明效果

根据上述结构，能够提供电特性优异的弹性波元件。

附图说明

图1的(a)是本公开所涉及的复合基板的俯视图，图1的(b)是图1的(a)的局部剖切立体图。

图2是本公开所涉及的弹性波元件的说明图。

图3是表示第2基板的材料参数与SAW元件的频率变化率的关系的线图。

图4是表示第1基板的厚度与谐振频率的关系的线图。

图5是表示第1基板的厚度和中间层50的厚度与频率变化率的关系的等高线图。

图6的(a)～图6的(c)分别是表示中间层的厚度与谐振频率的偏移量的相关的线图。

图7是表示参考例所涉及的频率变化相对于弹性波元件的厚度的情况的线图。

具体实施方式

以下，使用附图对本公开的复合基板、弹性波元件的一例进行详细地说明。

(复合基板)

如图1所示，本实施方式的复合基板1是所谓的贴合基板，由第1基板10、第2基板20、位于第1基板10与第2基板20之间的中间层50构成。在此，图1的(a)表示复合基板1的俯视图，图1的(b)表示复合基板1的一部分断裂后的立体图。

第1基板10包含压电材料，例如，由包含钽酸锂(LiTaO₃、以下，称为LT)晶体的具有压电性的单晶的基板构成。具体而言，例如，第1基板10由36°～60°Y切割-X传播的LT基板构成。也可以使用铌酸锂晶体。在该情况下，例如也可以设为60°～70°Y切割。

第1基板10的厚度在面内大致恒定，被设计成小于间距p的2倍。在此，间距p表示构成后述的IDT电极31的电极指32的反复间隔。更具体而言，表示电极指32的宽度方向上的中心间的间隔。此外，第1基板10也可以与后述的中间层50的厚度相应地小于2p的厚度。第1基板10的平面形状以及各种尺寸也可以适当设定。另外，在该例中，LT基板的X轴和声表面波(Surface Acoustic Wave：SAW)的传播方向大致一致。

第2基板20支承较薄的第1基板10，比第1基板10厚，包含强度高的材料。此外，也可以由热膨胀系数比第1基板10的材料小的材料形成。在该情况下，若产生温度变化，则在第1基板10产生热应力，此时，弹性常数的温度依赖性与应力依赖性彼此抵消，进而，弹性波元件(SAW元件)的电特性的温度变化得到抑制。

进而，第2基板20包含与在第1基板10中传播的横波体波相比在第2基板20中传播的横波体波的声速高的材料。理由后述。

作为这样的第2基板20，在本公开中使用蓝宝石基板。

第2基板20的厚度例如是一定的，可以适当地设定。但是，考虑到第1基板10的厚度来设定第2基板20的厚度，以适当地进行温度补偿。此外，由于本公开的第1基板10的厚度非常薄，因此第2基板20是考虑到能够支承第1基板10的厚度而决定的。作为一例，也可以设为第1基板10的厚度的10倍以上，第2基板15的厚度为20～300μm。第2基板20的平面形状以及各种尺寸既可以与第1基板10相同，也可以比第1基板10大。

此外，出于提高基板整体的强度、防止热应力导致的翘曲、利用第1基板10施加较强的热应力的目的，也可以在第2基板20的与第1基板10相反的一侧的面粘贴热膨胀系数比第2基板20大的未图示的第3基板。在第2基板20包含Si的情况下，第3基板能够使用陶瓷基板、Cu层、树脂基板等。此外，在设置第3基板的情况下，也可以减薄第2基板20的厚度。

中间层50位于第1基板10以及第2基板20之间。中间层50具备彼此相向的第1面50a和第2面50b，使第1面50a与第1基板10接合，使第2面50b与第2基板20接合。

作为形成中间层50的材料，由体波的横波的声速比第1基板10慢的材料构成。具体而言，在第1基板10由LT基板构成、第2基板20由蓝宝石构成的情况下，能够设为氧化硅、氧化钽、氧化钛等。

这样的中间层50也可以在第1基板10上或者第2基板20上成膜而形成。具体而言，通过MBE(Molecurer Beam Epitaxy：分子束外延法)法、ALD(Atomic Layer Deposition：原子层沉积)法、CVD(Chemical Vapor Deposition：化学气相沉积)法、溅射法、蒸镀法等在作为支承基板的第1基板10或者第2基板20上形成中间层50。然后，也可以通过等离子体、离子枪、中子枪等对中间层50的上表面和剩余的基板(10或者20)进行活化处理后不夹着粘接层而进行贴合，即通过所谓的直接接合来贴合。

这样的中间层50的晶体性能够适当自由地选择无定形、多晶等。另外，关于中间层50的厚度将在后面叙述。

(SAW元件)

而且，复合基板1被划分为如图2所示的多个分区，其一个分区分别成为SAW元件30。具体而言，将复合基板1按各分区切出单片化而作为SAW元件30。SAW元件30在第1基板10的上表面形成有激励SAW的IDT电极31。IDT电极31具有多根电极指32，SAW沿着其排列方向传播。在此，该排列方向与第1基板10的压电晶体的X轴大致平行。

SAW元件30通过使用复合基板1，能够抑制由温度变化引起的频率特性(电特性)变化。

此外，SAW元件30的第1基板10较薄，并且，隔着中间层50而贴合第2基板20。通过这样的结构，在SAW元件30中，在第1基板10的下表面或者第2基板20的上表面，体波被反射而再次输入到IDT电极31，从而在特定的频率产生被称为体波寄生的纹波。

特别是在第2基板20中的体波的声速比在第1基板10中传播的体波的声速快的情况下(第1基板10为LT、LiNbO₃等，第2基板20为蓝宝石、Si等的情况下)，体波寄生变得显著。这是因为，由于声速的差，体波被封闭在第1基板10内，第1基板10如同使体波传播的波导那样动作，其体波和IDT电极31以特定的频率耦合。

在此，第1基板10的厚度越薄，体波寄生的产生频率越向高频侧偏移，在小于2p的区域中，不存在于谐振频率以及反谐振频率附近。在本公开的SAW元件30中，由于第1基板10的厚度包含中间层50而小于2p，因此能够抑制由体波寄生引起的谐振特性的降低。

此外，在将第1基板10的厚度设为1.6p以下的情况下，能够在谐振频率以及反谐振频率双方的附近抑制体波寄生的显现。由此，能够提供抑制了体波寄生的影响的SAW元件30。

进而，在将第1基板10的厚度设为0.4p～1.2p的情况下，由于甚至在更高的频带也不产生体波寄生，因此能够提供具备优异的电特性的SAW元件30。

另外，在第1基板10的厚度比0.4p薄的情况下，谐振频率fr与反谐振频率fa的差分(频率差fa-fr)变小。因此，为了显现稳定的频率特性，也可以将第1基板10的厚度设为0.4p以上。

另一方面，为了提高SAW元件30的Q值，第1基板10的厚度薄较好，具体而言也可以小于1p。

作为参考，使第1基板10的厚度减薄的SAW元件30例如公开于日本特开2004-282232号公报、日本特开2015-73331号公报、日本特开2015-92782号公报。

这样，通过第1基板10的厚度减薄，能够提供电特性优异的SAW元件30。但是，另一方面，SAW元件30的频率特性受到第1基板10的厚度的影响。此外，由于第1基板10于中间层50的合计厚度比波长薄，因此SAW的一部分也到达第2基板20。因此，SAW元件30受到第2基板20的材料特性的影响。

首先，对第2基板20的影响进行研究。由于第1基板10的厚度小于2p，因此成为小于SAW的波长的厚度，SAW的一部分分布于第2基板20。在此，若SAW分布在电阻率低的材料中，SAW元件30的Q值降低。因此，作为第2基板20，要求具备高绝缘性。因此，从绝缘性的高度起使用蓝宝石基板作为第2基板20的材料。

此外，由于蓝宝石基板的声速快，因此能够使位于比通带更高频侧的体波寄生与Si等其他基板相比位于高频侧。由此，通过使用蓝宝石基板作为第2基板20，能够提供抑制了体波寄生的SAW元件30。

接下来，对第1基板10的厚度的影响进行研究。若第1基板10的厚度变化，则频率特性变化。这表示频率特性随着第1基板10的厚度的偏差而大幅变动。第1基板10是对单晶基板进行研磨或通过薄膜工艺进行成膜而形成的。因此，在实际的制造工序中，不可避免的是膜厚的偏差。因此，为了实现作为SAW元件30稳定的频率特性，需要相对于第1基板10的厚度提高鲁棒性。

然而，用作第2基板20的蓝宝石具有低鲁棒性的材料。以下，对其理由进行说明。

为了对第1基板10的厚度的偏差提高鲁棒性，具体而言，需要降低相对于第1基板10的厚度的变化的频率变化率。在此，将第1基板10的厚度变化时的谐振频率以及反谐振频率的变化率的绝对值的平均值定义为频率变化率。频率变化率用以下的数学式表示。

(Δf/f)/(Δt/t)＝(|(Δfr/fr)/(Δt/t)|+|(Δfa/fa)/(Δt/t)|)/2

在此，f表示频率，fr表示谐振频率，fa表示反谐振频率，t表示第1基板10的厚度。此外，Δ表示其变化量。频率变化率的单位是无量纲，但为了易于理解而表示为％/％。在该频率变化率小的情况下，SAW元件的鲁棒性变高。

使第2基板20的材料参数变化而模拟该频率变化率的结果如图3所示。在图3中，横轴表示在第2基板20中传播的横波体波的声速V(单位：m/s)，纵轴表示第2基板20的声阻抗I(单位：MRayl)，表示频率变化率的等高线图。

由图3可知，在使用蓝宝石(Al₂O₃)作为第2基板20的情况下，能够确认频率变化率比较高。

在此，根据本公开的SAW元件1，在第1基板10的正下方配置中间层50。通过该中间层50的存在，即使在将具有如上所述的频率变化率变得比较高的可能性的蓝宝石用于第2基板20的情况下，也能够提高相对于第1基板10的厚度的鲁棒性。以下，对其机理进行说明。

在小于2p的厚度的第1基板10中，若该厚度变厚，则SAW的弹性波振动的第1基板10内的分布量变多，因此频率向低频侧偏移。另一方面，若第1基板10的厚度变厚，则中间层50以及第2基板20内的SAW的分布量降低。

在此，如上所述，中间层50的声速比第1基板10慢。由于这样的这样的声速慢的中间层50中的SAW的分布量变少，从而SAW元件30整体的频率特性向高频侧偏移。

而且，如上所述，第2基板20的声速比第1基板10快。由于这样的声速快的第2基板20中的SAW的分布量变少，从而SAW元件30整体的频率特性向低频侧偏移。

通过采用这样的层叠了3个结构要素的结构，作为SAW元件30整体，能够抵消频率特性的变化，抑制频率变化。在此，在第1基板10薄的情况下，由厚度变化引起的频率降低变大，因此与第1基板10相同，通过导入包含声速比第2基板20慢的材料的中间层50，能够缓和该频率降低。这也可以说，体波寄生的特性保持不变，通过加厚第1基板10的厚度，能够显示出与提高鲁棒性同样的效果。

验证通过***这样的中间层50所带来的效果。

图4表示使中间层50的厚度与第1基板10的厚度不同时的、SAW元件30的谐振频率fr的值的变化的情况。在图4中，横轴表示相对于第1基板10的间距的厚度比，纵轴表示频率(单位：MHz)。

在图4中，示出了使用Ta₂O₅作为中间层50，使其厚度不同至0.14p～0.20p，模拟各厚度的谐振频率变化的情况的结果。由图4可知，即使存在中间层50，谐振频率也根据第1基板10的厚度的变化而变化，但能够确认存在其变化率变小的区域。更详细而言，可知存在能够根据第1基板10的厚度而减小频率变化率的中间层50厚度。

以图4所示的模拟的结果为基础，在图5中用等高线表示使第1基板10的厚度与中间层50的厚度不同的情况下的频率变化的情况。如图5所示，确认了在第1基板10的厚度小于0.9p为止的区域中，第1基板10的厚度越厚，能够将频率变化抑制在±1MHz/p以内的中间层50厚度越线性地变小的情况。另外，在图5中，将能够将频率变化抑制在±1MHz/p以内的区域设为A1。通过将第1基板10的厚度和中间层50厚度形成为位于图5的区域A1内的关系，能够实现频率变动小的优异的电特性。

在此，可知在第1基板10的厚度为0.9p以上的区域中，即使第1基板10的厚度变厚，成为区域A1的中间层50的厚度也不会变薄，相关性变低。认为这是由于第1基板10的厚度变厚，泄漏到第1基板10的外侧的SAW的比例变少。

根据以上内容，在第1基板10的厚度D为0.85p以下的区域中，也可以使中间层50的厚度以间距比换算为-0.0925×D+0.237p±0.005p以内。在图5中用虚线表示这样的范围的中央值。

另外，由图5可知，存在能够使频率变化为±1MHz/p以内的区域的宽度变得特异地变大的区域。具体而言，在将第1基板10的厚度设为0.68p±0.02p、将中间层50的厚度设为0.18p±0.005p时，能够提高鲁棒性。此外，若着眼于提高相对于中间层50的厚度的鲁棒性，则也可以将第1基板10的厚度设为0.65p～0.75p。在该情况下，能够增大能够使频率变化在±1MHz/p以内的中间层50的宽度。同样地，若着眼于提高相对于第1基板10的厚度变动的鲁棒性，则也可以使中间层50的厚度为0.18p～0.185p。在该情况下，能够使能够使频率变化在±1MHz/p以内的第1基板10的厚度的宽度飞跃性地增大。特别是在中间层50的厚度为0.183p～0.185p的情况下，能够使频率变化为±1MHz/p以内的第1基板10的厚度的宽度增大为0.55p～0.72p。

另外，在没有中间层50的情况下，谐振频率在图4中确认了中间层50的厚度变动为比0.14p大。具体而言，图7表示对于直接贴合了不具备中间层50的包含LT的第1基板和包含蓝宝石的第2基板的弹性波元件的谐振频率相对于第1基板厚度的变化的情况。在图7中，横轴表示相对于第1基板的间距的厚度(以间距进行了标准化的厚度)，纵轴表示谐振频率(单位：MHz)。

由图7可知，在第1基板的厚度小于1p的情况下，频率变化率较高。具体而言，在第1基板的厚度为0.6p～0.8p之间的区域中，第1基板的厚度变化0.1μm时的频率变化量为3.7MHz。与此相对，根据SAW元件30，能够确认在同样的厚度范围内为0.23MHz，在15倍以上鲁棒性提高。

另外，在使用声速高的材料作为中间层的情况下，以与第2基板直接接合时同样的机理，谐振频率的变动变大。根据以上，通过设置声速低的中间层50，能够提供相对于第1基板10的厚度偏差鲁棒性高的SAW元件30。

(SAW元件30的变形例)

在上述的例子中，关于第1基板10的厚度，仅存在与中间层50相应地小于2p的限制，但也可以设为0.55p～0.85p。

由图4可知，存在随着第1基板10的厚度变厚而频率变化变小的倾向。另一方面，若着眼于作为谐振器的特性，则第1基板10的厚度越小则损耗越小。因此，第1基板10的厚度也可以为1p以下。进而，在设为0.85p以下的情况下，能够使谐振器的最大相位为88deg以上。

另一方面，在第1基板10的厚度为0.4p以下的情况下，谐振频率与反谐振频率的差变小，有可能无法确保充分的频率差。此外，若为0.55p以上，则区域A1变宽，也能够提高相对于中间层50的厚度的鲁棒性。

若考虑这些，则第1基板10的厚度也可以设为0.55p～0.85p。在该情况下，作为谐振器的特性也高，而且从图4可知，相对于中间层50的厚度，也成为鲁棒性高的区域。即，能够提供相对于第1基板10的厚度变动、中间层50的厚度变动双方允许度高且频率变化少的SAW元件30。

对使用这样的厚度的第1基板10的情况的中间层50的厚度进行研究。图6是表示中间层50的厚度与谐振频率的偏移量的关系的线图。第1基板10的厚度在上述范围内。此外，偏移量是指，使第1基板10的厚度与0.1μm(即0.037p)不同时的谐振频率的变化量。

在图6中，横轴表示相对于中间层50的间距的厚度，纵轴表示使第1基板10的厚度与0.1μm不同的情况下的谐振频率的偏移量。此外，图6的(a)表示使用Ta₂O₅作为中间层的情况，图6的(b)表示使用SiO₂的情况，图6的(c)表示使用TiO₂的情况。

由图6可知，能够确认在第1基板10的厚度为0.55p～0.85p的范围内，即使在使中间层50的材料不同的情况下，偏移量为零的厚度也为约0.0.18p。而且，在偏移量为±1MHz以内的中间层50的厚度范围为Ta₂O₅的情况下，为0.12p～0.23p，在SiO₂的情况下，为0.08p～0.24p，在TiO₂的情况下，为0.12p～0.22p。根据以上，中间层50的厚度可以为0.08p～0.24p以下，更优选为0.12p～0.22p。进而，在设为0.15p～0.21p的情况下，能够提供频率变化更少的SAW元件30。

另外，作为中间层50的材料，在使用氧化硅的情况下，即使中间层50的膜厚变化，频率偏移量的变化的比例也小。即，图6中的线段的斜率较小。因此，为了提高相对于中间层50的厚度的鲁棒性，也可以使用氧化硅。

另一方面，从谐振子特性Δf的观点出发，也可以使用氧化钽作为中间层50。在该情况下，能够期待Δf降低的效果，能够得到更陡峭的滤波特性。

-符号说明-

1：复合基板

10：第1基板

20：第2基板

30：弹性波元件

31：IDT电极

50：中间层。

Claims

1.一种弹性波元件，具备：

IDT电极，具备多个电极指，激励声表面波；

第1基板，包含压电晶体且厚度小于以所述多个电极指的反复间隔定义的p的2倍，所述IDT电极位于该第1基板的上表面；

中间层，具备第1面和第2面，所述第1面与所述第1基板的下表面接合，包含横波声速比所述第1基板慢的材料；以及

第2基板，与所述第2面接合，包含蓝宝石。

2.根据权利要求1所述的弹性波元件，其中，

所述中间层以氧化钛、氧化钽、氧化硅中的任一个为主要成分。

3.根据权利要求1或者2所述的弹性波元件，其中，

所述第1基板是X传播旋转Y切割的钽酸锂单晶基板。

4.根据权利要求1～3中的任一项所述的弹性波元件，其中，

所述中间层是0.08p以上且0.24p以下的厚度。

5.根据权利要求4所述的弹性波元件，其中，

所述第1基板是0.55p以上且0.85p以下的厚度。

6.根据权利要求1～5中的任一项所述的弹性波元件，其中，

若将所述第1基板的厚度设为D，则D≤0.85p，

所述中间层的厚度是-0.0925×D+0.237p±0.005p的范围。

7.根据权利要求1～6中的任一项所述的弹性波元件，其中，

所述第1基板的厚度是0.68p～0.72p，

所述中间层的厚度是0.175p～0.185p。

8.根据权利要求1～6中的任一项所述的弹性波元件，其中，

所述中间层的厚度是0.183p～0.185p，

所述第1基板的厚度是0.55p～0.72p。

9.根据权利要求1～8中的任一项所述的弹性波元件，其中，

所述第1基板的厚度以及所述中间层的厚度满足图5的A1所示的区域的关系。