JP2006025396A - 弾性表面波装置、その製造方法、および電子機器 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】 圧電基板としてタンタル酸リチウム基板を用いた場合、基板の厚みtをIDT波長λで規格化した規格化基板厚みt/λを1≦t/λ≦22とし、基板の切り出し角および前記擬似縦波型漏洩弾性表面波の伝搬方向をオイラー表示で(90°、90°、0°〜180°)の範囲内とする。
【選択図】 図1
Description
弾性表面波装置に用いられる弾性表面波としては、レイリー波(Rayleigh wave)や、漏洩弾性表面波(Leaky wave)が主に用いられている。
レイリー波は、弾性体の表面を伝搬する表面波であり、そのエネルギーは圧電基板内部に放射することなく伝搬する。圧電基板中には、「遅い横波」、「速い横波」、「縦波」の3種類の体積波(バルク波)が存在するが、このレイリー波は「遅い横波」よりもさらに遅い位相速度で伝搬する。
また、漏洩弾性表面波は、弾性体(圧電体)の深さ方向にエネルギーを放射しながら伝搬する弾性表面波であり、圧電基板の特定の切り出し角および伝搬方向での利用が可能である。この漏洩弾性表面波は、「遅い横波」と「速い横波」の間の位相速度で伝搬する。
近年、漏洩弾性表面波の理論を発展させて、基板表面での変位の殆どが縦波成分で構成され、体積波として2つの横波成分を圧電基板内部に放射しながら「速い横波」と「縦波」の間の速い位相速度で伝搬する擬似縦型漏洩弾性表面波の弾性表面波装置への利用が開示されている。
擬似縦波型漏洩弾性表面波は位相速度が速いため、レイリー波や漏洩弾性表面波等では困難であった弾性表面波装置の高周波化を容易に実現する可能性がある。
特に、電気機械結合係数の大きなタンタル酸リチウム(LiTaO3)、ニオブ酸リチウム(LiNbO3)、四ホウ酸リチウム(Li2B4O7)を基板材料とすることで、弾性表面波装置の高周波化が期待されている。
さらに、タンタル酸リチウム基板やニオブ酸リチウム基板においても位相速度が速く、伝搬損失の小さい擬似縦波型漏洩弾性表面波が利用できる基板表面の切り出し角が明らかにされている(特許文献2、特許文献3参照)。
例えば、弾性表面波装置を共振子として用いた際に、スプリアスが主振動の近傍で発生した場合には、CI(クリスタルインピーダンス)値やQ値を低下させ、また、発振回路を構成した発振器の場合には、異常発振や周波数飛びのなどの不具合を生ずる原因となる。さらに、フィルタに用いた場合には、遅延平坦特性を確保する必要性から、通過帯域の広い範囲にわたりスプリアスをできる限り抑制しなければならない課題がある。
第12の発明は、第11の発明の弾性表面波装置の製造方法において、周波数調整は前記タンタル酸リチウム基板またはニオブ酸リチウム基板もしくは四ホウ酸リチウム基板の前記IDT電極の形成面と厚さ方向に対向する面をドライエッチングで削ることを特徴とする。
(第1の実施形態)
弾性表面波素子10は、タンタル酸リチウム基板またはニオブ酸リチウム基板もしくは四ホウ酸リチウム基板を含む圧電基板1と、この圧電基板1の表面上に形成されたIDT電極2および反射器電極3a、3bを備えている。
図1において、tは、圧電基板1の厚み、PはIDT電極2のピッチ、λはIDT波長、hは、IDT電極2および反射器電極3a、3bの厚みである。
反射器電極3a、3bは、IDT電極2で発生した擬似縦波型漏洩弾性表面波を反射させ、IDT電極2に表面波エネルギーを閉じ込めるものである。
ここで、規格化基板厚みt/λは、基板厚みtをIDT波長λで規格化したものである。例えば、IDT波長λが10μmのとき基板厚みtが100μmであれば、規格化基板厚みt/λは10となる。
図2の場合、基板の切り出し角はオイラー表示で(90°、90°、30°)とし、規格化電極厚みh/λは0.07としている。また、周波数fを直列共振周波数f0で規格化した規格化周波数f/f0とし、主振動の直列共振周波数の規格化周波数f/f0を1としている。
さらに同様に、図4は四ホウ酸リチウム基板を用い、共振子を作成した場合の規格化基板厚みt/λに対する直列共振周波数および並列共振周波数、そしてスプリアス周波数の変化を示すグラフである。基板の切り出し角は、オイラー表示で(0°、46°、90°)とし、規格化電極厚みh/λは0.07としている。
スプリアス発生の原因は、圧電基板全体が振動して発生するバルク波の高次モードであり、その共振周波数は圧電基板の厚みで決定される定在波である。従って、圧電基板を薄くすることにより、次数の異なる定在波の間の共振周波数差は大きくなる。つまり、スプリアスと主振動の間の周波数差が大きくなり、スプリアスを抑制することが可能となる。
このことについて詳述する。IDT波長λは、λ=位相速度(m/秒)/共振周波数(Hz)で表される。本例で示す圧電基板の位相速度は、約5000〜7000(m/秒)である。ここで、共振周波数のほぼ上限である2GHz(2ギガヘルツ)の共振周波数、位相速度の最小値5000(m/秒)の場合を一例として説明する。このとき、λ=5000/2000000000=0.0000025となり、IDT波長λは、2.5μmとなる。t/λ=1のときは、t=λであり、圧電基板の厚さは、2.5μmと極めて薄くなる。この圧電基板の厚さ2.5μmは、実質的な加工下限値に近い厚さであり、この値以下になると割れ、欠けなどの発生が増加する。t/λが、1より小さい場合は、さらに圧電基板の厚さが薄くなり、不具合の起こる可能性がさらに高くなる。
また、規格化基板厚みt/λの上限については、好ましくは直列共振周波数と並列共振周波数の間にスプリアスが発生しない条件であるが、弾性表面波装置の回路構成から、規格化周波数f/f0が1.01より高い範囲に発生するスプリアスは、インピーダンスが極めて大きくなり、異常発振を生じさせる可能性がないため、実用上は規格化周波数f/f0が1.00から1.01の範囲にスプリアスが発生しない条件であれば問題ない。
1≦t/λ≦22 ・・・(1)
の範囲である。
また、図3より、ニオブ酸リチウム基板を用いた場合、スプリアスを抑制できる規格化基板厚みt/λは好ましくは、1≦t/λ≦6の範囲であり、実用上は、
1≦t/λ≦29 ・・・(2)
の範囲である。
さらに、図4より、四ホウ酸リチウム基板を用いた場合、スプリアスを抑制できる規格化基板厚みt/λは、好ましくは1≦t/λ≦14の範囲であり、実用上は、
1≦t/λ≦17 ・・・(3)
の範囲である。
セラミックスなどで形成された収容容器14は、一面が開放されて凹部が設けられている。この凹部に、圧電基板1からなる弾性表面波素子10を、IDT電極2が下を向くように金バンプ13を介して収容容器14内に接続させ、電気的接続と機械的接続を同時に果たしている。そして、収容容器14の上面を蓋体15で、内部を真空雰囲気あるいは不活性ガス雰囲気に保持して封止され、パッケージされた弾性表面波装置30となる。
(第1の実施形態の変形例)
弾性表面波素子20は、タンタル酸リチウム基板またはニオブ酸リチウム基板もしくは四ホウ酸リチウム基板を含む圧電基板1に、補強部1aが設けられている。補強部1aは、IDT電極2および反射器電極3a、3bが設けられた圧電基板1の表面と表裏の関係となる対向面としての裏面1b側の外周部に沿って設けられている。この補強部1aは、圧電基板1の表面側に配置したIDT電極2および反射器電極3a、3bと対向する領域外に設けられている。また、IDT電極2および反射器電極3a、3bと対向する領域の圧電基板1の厚さは第1の実施形態で説明した、それぞれの圧電基板材料に応じた厚みに調整されている。そして、図示しないが、弾性表面波素子20を収容容器に収容して弾性表面波装置として完成する。
なお、補強部1aの配置は上記の構成に限らず、圧電基板1の表面側の外周部に沿って設けても良く、あるいは、圧電基板1の表面側と裏面側の各外周部に沿ってそれぞれ設けても良い。
(第2の実施形態)
図7は、電子機器の構成を示す概略構成図である。例えば、携帯電話やキーレスエントリーシステムなどの電子機器60に、弾性表面波装置30を具備している。携帯電話の場合には、弾性表面波装置30を周波数選別用フィルタとして用い、キーレスエントリーシステムの場合には、弾性表面波装置30を発振器の共振子として用いている。つまり、この実施形態に係る電子機器60は弾性表面波装置30をフィルタや共振子として含んだものである。
このような構成から成る電子機器60によれば、圧電基板1を励振する擬似縦波型漏洩弾性表面波を利用し、スプリアスの抑制されたフィルタや共振子を用いた電子機器60の提供が可能となる。
(第3の実施形態)
まず、圧電基板1の厚みtを調整する(ステップS1)。この圧電基板1は、タンタル酸リチウム基板またはニオブ酸リチウム基板もしくは四ホウ酸リチウム基板から形成され、基板表面の切り出し角は前述した角度範囲内にそれぞれ切り出されている。この圧電基板1の厚みtの調整は、研磨やエッチングにより基板の表裏を均一に削ることにより行われる。このとき、圧電基板1の厚みtは、規格化基板厚みt/λで規定された、それぞれの基板に応じた上記の(1)、(2)、(3)式を満たすように加工される。
そして、ステップS3に進み、成膜したアルミニウム膜を所定のパターンにエッチングして擬似縦波型漏洩弾性表面波を励振するIDT電極2、および反射器電極3a、3bを形成する。その後、ステップS4でIDT電極2、および反射器電極3a、3bの表面に酸化膜を形成し、弾性表面波素子10を得る。
次に、ステップS5に進み、弾性表面波素子10を収容容器14にマウント(固定)し、ステップS6で収容容器14にマウントした弾性表面波素子10の周波数調整を行う。
そして、ステップS7に進み、収容容器14の上面に蓋体15を固着して、内部を真空雰囲気あるいは不活性ガス雰囲気に保持して封止され、パッケージされた弾性表面波装置となる。
なお、ステップS6における周波数調整については、従来知られたIDT電極2、および反射器電極3a、3bをエッチングする方法、または、これらの電極が形成された基板面をエッチングする方法であっても良く、さらに、第4の実施形態で詳述するIDT電極2の形成された面に対向する基板面をエッチングする方法であっても良い。
まず、所定の厚さからなる圧電基板1を用意し、この圧電基板1の表面に、例えばアルミニウム(Al)の膜を形成する(ステップS11)。
そして、ステップS12に進み、成膜したアルミニウム膜を所定のパターンにエッチングして擬似縦波型漏洩弾性表面波を励振するIDT電極2、および反射器電極3a、3bを形成する。その後、ステップS13でIDT電極2、および反射器電極3a、3bの表面に酸化膜を形成し、弾性表面波素子10を得る。
次にステップS14に進み、圧電基板1の厚みtの調整を行う。この圧電基板1の厚みtの調整は、圧電基板1の裏面(IDT電極2を形成した面と対向する面)を研磨またはエッチングすることにより行う。このとき、圧電基板1の厚みtは、規格化基板厚みt/λで規定された、それぞれの基板に応じた上記の(1)、(2)、(3)式を満たすように加工される。
なお、ステップS16における周波数調整については、従来知られたIDT電極2、および反射器電極3a、3bをエッチングする方法、または、これらの電極が形成された基板面をエッチングする方法であっても良く、さらに、第4の実施形態で詳述するIDT電極2の形成された面に対向する基板面をエッチングする方法であっても良い。
(第4の実施形態)
一般に、弾性表面波素子の周波数はIDT電極や反射器電極(以下、両者を合わせて電極と表現する)の実効膜厚に依存し、電極膜厚が薄くなると周波数が上がり、厚くなると周波数が下がる。この原理を利用して、実用的には、電極をエッチングして周波数を上げる方法や、電極を厚くする方法に代えて、電極をマスクにして基板を削って見かけ上の電極膜厚を増し、周波数を下げる方法で弾性表面波素子の周波数調整が行われている。
また、擬似縦波型漏洩弾性表面波を利用した弾性表面波素子の場合には、この擬似縦波型漏洩弾性表面波が弾性体(圧電体)の深さ(厚み)方向にエネルギーを放射しながら伝搬する弾性表面波であるため、基板厚みを調整することにより中心周波数を変化させることが可能である。つまり、IDT電極や反射器電極を形成した面の厚み方向に対向する面をエッチングして、基板厚さを薄くすることにより、周波数を上げることが可能である。
IDT電極の表面をエッチングして電極膜厚を薄くした場合には、一点鎖線で示すように電極のエッチング量に対して、周波数の変動量は大きく、周波数は上がる方向に変化する。また、電極をマスクにして圧電基板をエッチングした場合には、破線で示すように、圧電基板のエッチング量に対して、周波数の変動量は大きく、周波数は下がる方向に変化する。これらに対して、IDT電極や反射器電極を形成した面に対向する基板面をエッチングした場合には、実線で示すように圧電基板のエッチング量に対して周波数の変動量は小さく、周波数が上がる方向に変化する。このことは、精度の良い周波数調整に適し、特に周波数が高く、IDT波長の短い弾性表面波素子の周波数調整に適しているのがわかる。
このように、上述したそれぞれの基板材料を用いた場合に、基板裏面のエッチング量に対して周波数変動量が小さく、高精度の周波数調整が可能である。
そこで、本発明に係る弾性表面波装置の製造方法は、周波数調整において、上記の点に着目し、基板裏面をエッチングすることにより、精度の良い周波数調整ができるようにしたものである。
以下、本実施形態に用いられるエッチング装置(周波数調整装置)について、説明をする。図12はエッチング装置の概略構成図である。
エッチング装置40は、チャンバ41を有しており、チャンバ41内を排気およびチャンバ41内にガスを導入できるように構成されている。また、このチャンバ41内に上部電極42aおよび下部電極42bが配置されている。上部電極42aは接地され、下部電極42bはコンデンサ43を介してRF電源(高周波電源)44に接続されている。下部電極42b上には支持台45が設けられ、その支持台45の上に、収容容器に弾性表面波素子をマウントした弾性表面波装置30bを載置できるようになっている。
周波数測定計49は、その測定した中心周波数をRF電源制御部46に供給するようになっている。RF電源制御部46は、その供給される測定中心周波数と目標値を比較してRF電源44の動作などを制御するようになっている。
次に、周波数測定計49により、弾性表面波装置30bの中心周波数の測定を開始する。そこで、チャンバ41内を排気しつつ、エッチングガスをチャンバ41内に導入して所定の減圧下でプラズマを発生させる。
このエッチング中は、周波数測定計49は、弾性表面波装置30bの中心周波数の測定を行い、その測定値をRF電源制御部46に供給する。RF電源制御部46は、その測定値が予め設定されている目標値と比較し、目標値になるとRF電源44の動作を停止させる。これにより上記のエッチングが停止し、周波数調整が終了する。
まず、ステップS21で圧電基板1上に形成されたIDT電極2の厚みhを、目標の厚みよりもわずかに厚めであって、中心周波数が目標値よりわずかに低めとなるように設定しておく。次に、弾性表面波装置30bをエッチング装置40のチャンバ41内に設置してIDT電極2に電圧を印加させて中心周波数の測定(入出力測定)を開始する(ステップS22)。そして、ステップS23に進み、圧電基板1の基板裏面1bのエッチングが行われる。すると、そのエッチングにより測定される中心周波数が徐々に上がって目標値に近づいていく。次のステップS24では中心周波数が目標値でなければステップS23に戻りエッチングを継続し、目標値になればステップS25に進みエッチングを停止する。つまり、エッチングしながら中心周波数の測定を繰り返し、目標値になるまでエッチングを継続する。
また、圧電基板1に形成される電極を一切侵すことなく周波数調整を行うことができるので、電極をプラズマなどでエッチングする場合に問題となる残留アルミニウムに起因した調整後の周波数変動を防止することができる。そして、このことから、中心周波数の経年変化が少なく、長期的に安定に動作する弾性表面波装置を実現できる。
この方法は、弾性表面波装置の圧電基板上に形成されるIDT電極の厚みなどに製造上の大きなバラツキがあり、精度よく周波数調整を必要とする場合に有用な方法である。
まず、IDT電極2に電圧を印加させて中心周波数の測定を開始する(ステップS31)。次に、その測定中心周波数が目標値以下または目標値以上であるかを判定する(ステップS32)。
ステップS33では、IDT電極2の表面のエッチング、例えばウェットエッチングを測定周波数を確認しながら行う。すると、そのエッチングにより測定される中心周波数が短時間に上がっていく。そして、その測定中心周波数が、中心周波数の目標値よりもわずかに低く設定されている「仮の目標値」になるまで、そのエッチングを継続し(ステップS33、S34)、それが「仮の目標値」になった時点でそのエッチングを停止する(ステップS35)。以上のステップS33、S34の処理は、周波数の粗調整(予備周波数調整)となる。
このエッチングでは、測定周波数を確認しながら行う(ステップS36)。すると、そのエッチングにより測定される中心周波数が徐々に上がって目標値に近づいていく。そして、中心周波数が目標値になるまでそのエッチングを継続し(ステップS36、S37)、それが目標値になった時点でエッチングを停止する(ステップS38)。以上のステップS36、S37の処理は、周波数の微調整となる。
このエッチングでは、測定周波数を確認しながら行う(ステップS42)。すると、そのエッチングにより測定される中心周波数が徐々に上がって目標値に近づいていく。そして、中心周波数が目標値になるまでそのエッチングを継続し(ステップS42、S43)、それが目標値になった時点でエッチングを停止する(ステップS44)。以上のステップS42、S43の処理は、周波数の微調整となる。
また、周波数の粗調整をウェットエッチングによりIDT電極2の表面あるいは圧電基板1の表面について行い、微調整をドライエッチングにより圧電基板1の基板裏面1bについて行うことができるので、圧電基板1の表面をプラズマなどでエッチングする場合に問題となる残留アルミニウムに起因した調整後の周波数変動を防止することができる。
このことから、圧電基板1に形成される電極を一切侵すことなく周波数調整を行うことができるので、中心周波数の経年変化が少なく、長期的に安定に動作する弾性表面波装置を実現できる。
すなわち、ステップS31の周波数測定の結果、その中心周波数が上記の「仮の目標値」以下の場合には、直ちに圧電基板1の基板裏面1bのエッチング処理(ステップS36またはステップS42)に移行するようにする。
Claims (13)
- タンタル酸リチウム基板と、前記タンタル酸リチウム基板の表面に擬似縦波型漏洩弾性表面波を励振させるためのIDT電極を備えた弾性表面波装置であって、
前記タンタル酸リチウム基板の厚みtをIDT波長λで規格化した規格化基板厚みt/λが、1≦t/λ≦22の範囲内であることを特徴とする弾性表面波装置。 - 前記タンタル酸リチウム基板の表面の切り出し角および前記擬似縦波型漏洩弾性表面波の伝搬方向がオイラー表示で(90°、90°、0°〜180°)の範囲内であることを特徴とする請求項1に記載の弾性表面波装置。
- ニオブ酸リチウム基板と、前記ニオブ酸リチウム基板の表面に擬似縦波型漏洩弾性表面波を励振させるためのIDT電極を備えた弾性表面波装置であって、
前記ニオブ酸リチウム基板の厚みtをIDT波長λで規格化した規格化基板厚みt/λが、1≦t/λ≦29の範囲内であることを特徴とする弾性表面波装置。 - 前記ニオブ酸リチウム基板の表面の切り出し角および前記擬似縦波型漏洩弾性表面波の伝搬方向がオイラー表示で(0°、70°〜105°、90°)の範囲内であることを特徴とする請求項3に記載の弾性表面波装置。
- 四ホウ酸リチウム基板と、前記四ホウ酸リチウム基板の表面に擬似縦波型漏洩弾性表面波を励振させるためのIDT電極を備えた弾性表面波装置であって、
前記四ホウ酸リチウム基板の厚みtをIDT波長λで規格化した規格化基板厚みt/λが、1≦t/λ≦17の範囲内であることを特徴とする弾性表面波装置。 - 前記四ホウ酸リチウム基板の表面の切り出し角および前記擬似縦波型漏洩弾性表面波の伝搬方向がオイラー表示で(0°〜45°、30°〜90°、40°〜90°)の範囲内であることを特徴とする請求項5に記載の弾性表面波装置。
- 前記タンタル酸リチウム基板またはニオブ酸リチウム基板もしくは四ホウ酸リチウム基板は、前記IDT電極の形成領域外であって基板厚み方向に厚みを持ち前記IDT電極形成面及びその対向面のうち少なくとも一方に補強部を設けたことを特徴とする請求項1乃至6のいずれか一項に記載の弾性表面波装置。
- 弾性表面波装置をフィルタまたは共振子として備えた電子機器であって、前記弾性表面波装置は請求項1乃至7のいずれか一項に記載の弾性表面波装置であることを特徴とする電子機器。
- タンタル酸リチウム基板またはニオブ酸リチウム基板もしくは四ホウ酸リチウム基板の厚みを調整する第1工程と、厚みが調整された前記タンタル酸リチウム基板またはニオブ酸リチウム基板もしくは四ホウ酸リチウム基板の表面に擬似縦波型漏洩弾性表面波を励振するIDT電極を形成して弾性表面波素子を得る第2工程と、前記弾性表面波素子をパッケージに収納固定する第3工程とを備え、
前記第1工程では、基板の厚みtをIDT波長λで規格化した規格化基板厚みt/λが、前記タンタル酸リチウム基板においては、1≦t/λ≦22、前記ニオブ酸リチウム基板においては1≦t/λ≦29、前記四ホウ酸リチウム基板においては1≦t/λ≦17の範囲内に、前記タンタル酸リチウム基板、ニオブ酸リチウム基板または四ホウ酸リチウム基板の厚みを調整することを特徴とする弾性表面波装置の製造方法。 - タンタル酸リチウム基板またはニオブ酸リチウム基板もしくは四ホウ酸リチウム基板の表面に擬似縦波型漏洩弾性表面波を励振するIDT電極を形成して弾性表面波素子を得る第1工程と、前記タンタル酸リチウム基板またはニオブ酸リチウム基板もしくは四ホウ酸リチウム基板の前記IDT電極の形成面と対向する面を削って前記タンタル酸リチウム基板またはニオブ酸リチウム基板もしくは四ホウ酸リチウム基板の厚みを調整する第2工程と、前記弾性表面波素子をパッケージに収納固定する第3工程とを備え、
前記第2工程では、基板の厚みtをIDT波長λで規格化した規格化基板厚みt/λが、前記タンタル酸リチウム基板においては、1≦t/λ≦22、前記ニオブ酸リチウム基板においては1≦t/λ≦29、前記四ホウ酸リチウム基板においては1≦t/λ≦17の範囲内に、前記タンタル酸リチウム基板またはニオブ酸リチウム基板もしくは四ホウ酸リチウム基板の厚みを調整することを特徴とする弾性表面波装置の製造方法。 - 前記第3工程の後に弾性表面波素子の周波数調整を行う周波数調整工程を含み、前記タンタル酸リチウム基板またはニオブ酸リチウム基板もしくは四ホウ酸リチウム基板の前記IDT電極の形成面と厚さ方向に対向する面を削り周波数調整を行うことを特徴とする請求項9または10に記載の弾性表面波装置の製造方法。
- 前記周波数調整は、前記タンタル酸リチウム基板またはニオブ酸リチウム基板もしくは四ホウ酸リチウム基板の前記IDT電極の形成面と厚さ方向に対向する面をドライエッチングで削ることを特徴とする請求項11に記載の弾性表面波装置の製造方法。
- 前記周波数調整に先立って前記タンタル酸リチウム基板またはニオブ酸リチウム基板もしくは四ホウ酸リチウム基板のIDT電極形成面の基板表面および前記IDT電極の表面のうちの少なくとも一方を削り予備周波数調整を行うことを特徴とする請求項11または12に記載の弾性表面波装置の製造方法。
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