JP2023060058A - 弾性波共振器、フィルタおよびマルチプレクサ - Google Patents

Abstract

【課題】弾性波共振器の特性を向上させること。【解決手段】弾性波共振器２０は、単結晶タンタル酸リチウム基板である圧電基板１２と、圧電基板１２上に設けられ、弾性波を励振する複数の電極指１５を備え、複数の電極指１５の平均ピッチは圧電基板１２の厚さの１／２以上である一対の櫛型電極１８と、圧電基板１２の前記一対の櫛型電極１８が設けられた面と反対の面に接して設けられ、単結晶ニオブ酸リチウムからなる第１層と、第１層の圧電基板と反対の面に設けられ、酸化シリコンを主成分とする第２層とを備える。【選択図】図２

Description

本発明は、弾性波共振器、フィルタおよびマルチプレクサに関し、例えば一対の櫛型電極を有する弾性波共振器、フィルタおよびマルチプレクサに関する。

スマートフォン等の通信機器に用いられる弾性波共振器として、弾性表面波共振器が知られている。弾性表面波共振器を形成する圧電基板を支持基板に張り付けることが知られている。圧電基板の厚さを弾性表面波の波長以下とすることが知られている（例えば特許文献１）。圧電基板と支持基板との間に圧電基板より音速の低い低音速膜を設けることが知られている（例えば特許文献２から４）。

特開２０１７－０３４３６３号公報 特開２０１５－１１５８７０号公報 米国特許第１００２０７９６号明細書 国際公開第２０１７／０４３４２７号

圧電基板を支持基板に接合することにより、弾性表面波共振器の温度特性が向上する。さらに、圧電基板の厚さを弾性表面波の波長以下とすることにより、スプリアスおよび損失を抑制できる。しかしながら、温度特性の向上および損失の改善は十分ではない。

本発明は、上記課題に鑑みなされたものであり、弾性波共振器の特性を向上させることを目的とする。

本発明は、圧電基板と、前記圧電基板上に設けられ、弾性波を励振する複数の電極指を備え、前記複数の電極指の平均ピッチは前記圧電基板の厚さの１／２以上である一対の櫛型電極と、前記圧電基板の前記一対の櫛型電極が設けられた面と反対の面に接して設けられ、横波の音速が前記圧電基板の横波の音速より速い第１層と、前記第１層の前記圧電基板と反対の面に設けられ、弾性定数の温度係数の符号が前記圧電基板の弾性定数の温度係数の符号と反対であり、横波の音速が前記圧電基板の横波の音速より遅い第２層と、を備えるである。

上記構成において、前記第１層の厚さは２．５ｎｍ以上である構成とすることができる。

上記構成において、前記第１層の厚さは２０ｎｍ以下である構成とすることができる。

上記構成において、前記第２層の前記第１層と反対の面に設けられ、横波の音速が前記圧電基板の横波の音速より速い支持基板を備える構成とすることができる。

本発明は、タンタル酸リチウム基板またはニオブ酸リチウム基板である圧電基板と、前記圧電基板上に設けられ、複数の電極指を備え、前記複数の電極指の平均ピッチは前記圧電基板の厚さの１／２以下である一対の櫛型電極と、前記圧電基板の前記一対の櫛型電極が設けられた面と反対の面に接して設けられ、厚さが２．５ｎｍ以上かつ２０ｎｍ以下である酸化アルミニウムを主成分とする第１層と、前記第１層の前記圧電基板と反対の面に接して設けられ、酸化シリコンを主成分とする第２層と、前記第２層の前記第１層と反対の面に設けられ、サファイア基板、スピネル基板、アルミナ基板、シリコン基板または炭化シリコン基板である支持基板と、を備える弾性波共振器である。

上記構成において、前記圧電基板、前記第１層および前記第２層の合計の厚さは前記平均ピッチの４倍以下である構成とすることができる。

上記構成において、前記支持基板と前記第２層との界面の算術平均粗さは前記平均ピッチの０．０１倍以上である構成とすることができる。

上記構成において、前記第１層と前記第２層とは接している構成とすることができる。

上記構成において、前記一対の櫛型電極が主に励振する弾性波はＳＨ波である構成とすることができる。

本発明は、上記弾性波共振器を含むフィルタである。

本発明は、上記フィルタを含むマルチプレクサである。

本発明によれば、弾性波共振器の特性を向上させることができる。

図１は、実施例１に係る弾性波共振器の斜視図である。 図２（ａ）は、実施例１における弾性波共振器の平面図、図２（ｂ）は、図２（ａ）のＡ－Ａ断面図である。 図３（ａ）から図３（ｄ）は、実施例１に係る弾性波共振器の製造方法を示す断面図である。 図４（ａ）から図４（ｄ）は、実施例１における中間層と圧電基板との接合方法を示す模式図である。 図５（ａ）および図５（ｂ）は、それぞれ比較例１および２に係る弾性波共振器の断面図である。 図６は、実施例１、比較例１および２における周波数に対するＱ値を示す図である。 図７（ａ）および図７（ｂ）は、シミュレーションＡおよびＢにおける弾性波共振器の断面図である。 図８（ａ）および図８（ｂ）は、シミュレーションＡおよびＢにおける位置Ｚに対する変位分布を示す図である。 図９（ａ）および図９（ｂ）は、バルク波を説明する断面図である。 図１０（ａ）および図１０（ｂ）は、実施例１において、中間層の厚さＴ１に対する最大のＱ値を示す図である。 図１１（ａ）は、実施例１の変形例１に係る弾性波共振器の断面図、図１１（ｂ）は、算術平均粗さＲａに対する不要応答のピーク値を示す図である。 図１２（ａ）から図１２（ｄ）は、実施例１およびその変形例２から４の中間層および温度補償層付近の断面図である。 図１３（ａ）から図１３（ｃ）は、実施例１の変形例５から７の中間層および温度補償層付近の断面図、図１３（ｄ）は、接合層の断面図である。 図１４（ａ）は、実施例２に係るフィルタの回路図、図１４（ｂ）は、実施例２の変形例１に係るデュプレクサの回路図である。

以下、図面を参照し本発明の実施例について説明する。

図１は、実施例１に係る弾性波共振器の斜視図、図２（ａ）は、実施例１における弾性波共振器の平面図、図２（ｂ）は、図２（ａ）のＡ－Ａ断面図である。電極指の配列方向をＸ方向、電極指の延伸方向をＹ方向、支持基板および圧電基板の積層方向をＺ方向とする。Ｘ方向、Ｙ方向およびＺ方向は、圧電基板の結晶方位のＸ軸方向およびＹ軸方向とは必ずしも対応しない。圧電基板が回転ＹカットＸ伝搬基板の場合、Ｘ方向は結晶方位のＸ軸方向となる。

図１、図２（ａ）および図２（ｂ）に示すように、圧電基板１２の下面に中間層１１が設けられている。中間層１１の下に温度補償層１３が設けられている。温度補償層１３の下に支持基板１０が設けられている。支持基板１０、中間層１１、圧電基板１２および温度補償層１３の厚さをそれぞれＴ０、Ｔ１、Ｔ２およびＴ３とする。

圧電基板１２上に弾性波共振器２０が設けられている。弾性波共振器２０はＩＤＴ２２および反射器２４を有する。反射器２４はＩＤＴ２２のＸ方向の両側に設けられている。ＩＤＴ２２および反射器２４は、圧電基板１２上の金属膜１４により形成される。

ＩＤＴ２２は、対向する一対の櫛型電極１８を備える。櫛型電極１８は、複数の電極指１５と、複数の電極指１５が接続されたバスバー１６と、を備える。一対の櫛型電極１８の電極指１５が交差する領域が交差領域２５である。交差領域２５の長さが開口長である。一対の櫛型電極１８は、交差領域２５の少なくとも一部において電極指１５がほぼ互い違いとなるように、対向して設けられている。交差領域２５において複数の電極指１５が励振する弾性波は、主にＸ方向に伝搬する。一対の櫛型電極１８のうち一方の櫛型電極１８の電極指１５のピッチがほぼ弾性波の波長λとなる。一方の櫛型電極１８の電極指１５のピッチは電極指１５の２本分のピッチとなる。反射器２４は、ＩＤＴ２２の電極指１５が励振した弾性波（弾性表面波）を反射する。これにより弾性波はＩＤＴ２２の交差領域２５内に閉じ込められる。

圧電基板１２は、例えば単結晶タンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ_３）基板または単結晶ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ_３）基板であり、例えば回転ＹカットＸ伝搬タンタル酸リチウム基板または回転ＹカットＸ伝搬ニオブ酸リチウム基板である。圧電基板１２は、単結晶水晶基板、単結晶ランガサイト（Ｌａ_３Ｇａ_５ＳｉＯ_１４）基板でもよい。

支持基板１０は、例えばサファイア基板、スピネル基板、シリコン基板、水晶基板、石英基板、アルミナ基板または炭化シリコン基板である。サファイア基板は単結晶Ａｌ_２Ｏ_３基板であり、スピネル基板は多結晶または単結晶のＭｇＡｌ_２Ｏ_３基板であり、シリコン基板は単結晶Ｓｉ基板であり、水晶基板は単結晶またはアモルファスＳｉＯ_２基板であり、石英基板は多結晶ＳｉＯ_２基板であり、アルミナ基板はＡｌ_２Ｏ_３の焼結体（焼結セラミックス）基板であり、炭化シリコン基板は多結晶または単結晶のＳｉＣ基板である。支持基板１０のＸ方向の線膨張係数は圧電基板１２のＸ方向の線膨張係数より小さい。これにより、弾性波共振器の周波数温度依存性を小さくできる。

温度補償層１３は、圧電基板１２の弾性定数の温度係数の符号と反対の符号の弾性定数の温度係数を有する。例えば圧電基板１２の弾性定数の温度係数は負であり、温度補償層１３の弾性定数の温度係数は正である。温度補償層１３は、例えば無添加または弗素等の添加元素を含む酸化シリコン（ＳｉＯ_２）膜、酸化タンタル（Ｔａ_２Ｏ_５）膜、またはガラスであり、例えばアモルファス層である。

中間層１１の横波の音速は、圧電基板１２の横波の音速より速い。表１に各材料のヤング率、ポアソン比、密度および横波の音速を示す。横波の音速Ｖは、ヤング率Ｅ、ポアソン比γおよび密度ρを用いＶ＝√（Ｅ／（２ρ（１＋γ）））により算出できる。

表１において、ＬＴ、Ａｌ_２Ｏ_３、ＳｉＯ_２およびＳＡはそれぞれ単結晶タンタル酸リチウム、多結晶酸化アルミニウム、アモルファス酸化シリコンおよびサファイア（単結晶酸化アルミニウム）である。ＬＮ、Ｓｉ、ＡｌＮ、ＳｉＮおよびＳｉＣは、それぞれ単結晶ニオブ酸リチウム、多結晶シリコン、多結晶窒化アルミニウム、多結晶窒化シリコンおよび多結晶炭化シリコンである。

表１のように、タンタル酸リチウム基板およびニオブ酸リチウム基板を圧電基板１２としたとき、温度補償層１３として酸化シリコン膜を用いると、温度補償層１３の横波の音速は圧電基板１２の横波の音速より遅くなる。中間層１１として酸化アルミニウム層、シリコン層、窒化アルミニウム層、窒化シリコン層または炭化シリコン層を用いると、中間層１１の横波の音速は圧電基板１２の横波の音速より速くなる。

金属膜１４は、例えばＡｌ（アルミニウム）またはＣｕ（銅）を主成分とする膜であり、例えばＡｌ膜またはＣｕ膜である。電極指１５と圧電基板１２との間にＴｉ（チタン）膜またはＣｒ（クロム）膜等の密着膜が設けられていてもよい。密着膜は電極指１５より薄い。電極指１５を覆うように絶縁膜が設けられていてもよい。絶縁膜は保護膜または温度補償層として機能する。

厚さＴ０は例えば５０μｍから５００μｍである。厚さＴ１は、例えば２．５ｎｍから１５ｎｍである。厚さＴ２は例えば０．１μｍから５μｍであり、例えば弾性波の波長λ以下である。厚さＴ３は例えば０．１μｍから５μｍであり、例えばλ以下である。弾性波の波長λは例えば１μｍから６μｍである。２本の電極指１５を１対としたときの対数は例えば２０対から３００対である。ＩＤＴ２２のデュティ比は、電極指１５の太さ／電極指１５のピッチであり、例えば３０％から７０％である。ＩＤＴ２２の開口長は例えば１０λから５０λである。

［実施例１の製造方法］
図３（ａ）から図３（ｄ）は、実施例１に係る弾性波共振器の製造方法を示す断面図である。図３（ａ）に示すように、支持基板１０上に温度補償層１３を成膜する。温度補償層１３上に中間層１１を成膜する。温度補償層１３および中間層１１の成膜には、例えばスパッタリング法、真空蒸着法またはＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法を用いる。

図３（ｂ）に示すように、圧電基板１２の下面にイオン５４を照射する。これにより、圧電基板１２の下面が活性化する。中間層１１の上面にイオン５４を照射する。これにより、中間層１１の上面が活性化する。

図３（ｃ）に示すように、中間層１１の上面と圧電基板１２の下面とを常温にて接合する。これにより、中間層１１と圧電基板１２とが接合する。図３（ｄ）に示すように、圧電基板１２の上面を平坦化することにより、圧電基板１２を所望の厚さとする。その後、金属膜１４等を形成する。

図３（ｂ）から図３（ｄ）の中間層１１上面に圧電基板１２の下面を貼り付ける方法について詳細に説明する。図４（ａ）から図４（ｄ）は、実施例１における中間層と圧電基板との接合方法を示す模式図である。図４（ａ）に示すように、中間層１１は、多結晶層であり、中間層１１を構成する元素の原子５０ａが規則的に配列されている。中間層１１の上面に自然酸化膜１１ｃが形成されている。自然酸化膜１１ｃは原子５０ａと酸素とから構成される。

図４（ｂ）に示すように、圧電基板１２は、単結晶基板であり、圧電基板１２を構成する元素の原子５２ａが規則的に配列されている。圧電基板１２の下面に自然酸化膜１２ｃが形成されている。自然酸化膜１２ｃは原子５２ａと酸素とから構成される。

図４（ａ）および図４（ｂ）に示すように、真空中において、中間層１１の上面および圧電基板１２の下面にイオン５４等を照射する。イオン５４は例えばＡｒ（アルゴン）イオン等の不活性元素（例えば希ガス元素）のイオンである。イオン５４等をイオンビーム、中性化したビームまたはプラズマとして、照射する。これにより、中間層１１の上面および圧電基板１２の下面が活性化される。Ａｒイオンを用いる場合、例えばＡｒイオンの電流を２５ｍＡから２００ｍＡとし、Ａｒイオンの照射時間を３０秒から１２０秒程度とする。

図４（ｃ）に示すように、中間層１１の上面にアモルファス層１１ｂが形成される。アモルファス層１１ｂは中間層１１の構成元素の原子５０ａとイオン５４とを含む。これにより、中間層１１は多結晶層１１ａと多結晶層１１ａ上のアモルファス層１１ｂとを含む。圧電基板１２の下面にアモルファス層１２ｂが形成される。アモルファス層１２ｂは圧電基板１２の構成元素の原子５２ａとイオン５４とを含む。これにより、圧電基板１２は単結晶層１２ａと単結晶層１２ａ下のアモルファス層１２ｂとを含む。アモルファス層１１ｂおよび１２ｂの表面には未結合の結合手が形成される（すなわち活性化される）。

図４（ｄ）に示すように、真空を維持した状態で、アモルファス層１１ｂと１２ｂとを張り合わせると、未結合手同士が結合し、強固な結合となる。これにより、中間層１１と圧電基板１２が接合される。このような接合は常温（例えば１００℃以下かつ－２０℃以上、好ましくは８０℃以下かつ０℃以上）で行われるため熱応力を抑制できる。常温で接合されたか否かは、残留応力の温度依存性により確かめることができる。すなわち、接合された温度において、残留応力が最も小さくなる。

このように、中間層１１と圧電基板１２とを接合すると、中間層１１が酸化アルミニウム膜のとき、アモルファス層１１ｂは、Ａｌ（アルミニウム）およびＯ（酸素）を主成分とし、Ａｒを含む。圧電基板１２がタンタル酸リチウム基板のとき、アモルファス層１２ｂは、Ｔａ（タンタル）、Ｌｉ（リチウム）および酸素を主成分とし、Ａｒを含む。アモルファス層１１ｂは、中間層１１の構成元素のうち圧電基板１２の構成元素以外の元素をほとんど含まない。例えばアモルファス層１１ｂはＴａおよびＬｉをほとんど含まない。アモルファス層１２ｂは、圧電基板１２の構成元素のうち中間層１１の構成元素以外の元素をほとんど含まない。例えばアモルファス層１２ｂはＡｌをほとんど含まない。

アモルファス層１１ｂおよび１２ｂの厚さは、０ｎｍより大きいことが好ましく、１ｎｍ以上がより好ましい。これにより、中間層１１と圧電基板１２との接合性を向上させることができる。アモルファス層１１ｂおよび１２ｂの厚さは、１０ｎｍ以下が好ましく、５ｎｍ以下がより好ましい。これにより、弾性波共振器の特性の劣化を抑制できる。多結晶層１１ａ、アモルファス層１１ｂ、１２ｂおよび単結晶層１２ａは、ＴＥＭ（Transmission Electron Microscope）法を用い観察することができる。

［温度補償層を設ける理由の説明］
以下、実施例１において周波数温度係数が０に近くなる理由について説明する。弾性波共振器２０の周波数温度係数ＴＣＦ（Temperature Coefficient of Frequency）は以下の式により表される。
ＴＣＦ＝ＴＣＶ－ＣＴＥ
ＴＣＶ（Temperature Coefficient of Velocity）は、音速の温度係数である。ＣＴＥ（Coefficient of Thermal Expansion）は線膨張係数である。圧電基板１２として用いるＸ伝搬タンタル酸リチウム基板のＸ軸方向の線膨張係数は約１６ｐｐｍ／Ｋである。支持基板１０として用いるサファイア基板のＣ軸（Ｘ軸に平行となる軸）の線膨張係数は約７．７ｐｐｍ／Ｋである。よって、圧電基板１２の厚さを小さくすると、弾性波共振器２０としてのＣＴＥは支持基板１０のＣＴＥに近づく。しかし、支持基板１０のＣＴＥより小さくはならない。

一般的に線膨張係数は材料によらず正である。また、一般的な圧電基板１２として用いられる材料ではＴＣＶは負である。このため、ＴＣＦは負となってしまう。そこで、温度補償層１３として正のＴＣＶを有する材料を用いる。これにより、温度補償層１３の正のＴＣＶが圧電基板１２の負のＴＣＶおよび支持基板１０のＣＴＥを補償する。よって、ＴＣＦを０付近にすることができる。

［中間層を設ける理由の説明］
［実験］
実施例１、比較例１および２の弾性波共振器を作成した。図５（ａ）および図５（ｂ）は、それぞれ比較例１および２に係る弾性波共振器の断面図である。図５（ａ）に示すように、比較例１では、圧電基板１２の下に温度補償層１３が設けられ、温度補償層１３の下に中間層１１が設けられている。中間層１１の下に支持基板１０が設けられている。温度補償層１３と中間層１１との間で常温接合した。その他の構成は実施例１と同じである。

図５（ｂ）に示すように、比較例２では、圧電基板１２の下に温度補償層１３が設けられ、温度補償層１３の下に支持基板１０が設けられている。温度補償層１３は温度補償層１３ａおよび１３ｂを備え、温度補償層１３ａと１３ｂとの間に中間層１１が設けられている。温度補償層１３ａと中間層１１との間で常温接合した。その他の構成は実施例１と同じである。

弾性波共振器の作製条件は以下である。
弾性波の波長λ：５μｍ
ＩＤＴ２２の対数：１００対
開口長：２０λ
デュティ比：５０％
弾性波の波長λはＩＤＴ２２の電極指１５の平均ピッチのほぼ２倍である。

圧電基板１２：厚さＴ２が２μｍ（０．４λ）の４２°回転ＹカットＸ伝搬タンタル酸リチウム基板
中間層１１：厚さＴ１が１０ｎｍの多結晶酸化アルミニウム層
温度補償層１３：厚さＴ３が２μｍ（０．４λ）の酸化シリコン膜
支持基板１０：厚さＴ０が５００μｍの単結晶サファイア基板

図６は、実施例１、比較例１および２における周波数に対するＱ値を示す図である。作製した弾性波共振器の共振周波数および***振周波数は、それぞれ約７６０ＭＨｚおよび約７９０ＭＨｚである。図６に示すように、実施例１では、比較例１および２に比べＱ値が高い。

このように、温度補償層１３と圧電基板１２との間に中間層１１を設けることでＱ値が向上する理由は例えば以下のように考えられる。ＩＤＴ２２は圧電基板１２に弾性表面波を励振する。例えば圧電基板１２が４０°～４８°回転ＹカットＸ伝搬タンタル酸リチウム基板の場合、ＩＤＴ２２は主にＳＨ（Shear Horizontal）波を励振する。ＳＨ波は圧電基板１２の表面に平行でかつＳＨ波の伝搬方向に直交方向に変位する波である。温度補償層１３のＴＣＶが圧電基板１２の負のＴＣＶおよび支持基板１０の－ＣＴＥを補償するには、温度補償層１３内に弾性表面波の変位が分布していることが求められる。

そこで、基板内の共振周波数における変位分布をシミュレーションした。図７（ａ）および図７（ｂ）は、シミュレーションＡおよびＢにおける弾性波共振器の断面図である。図７（ａ）に示すように、シミュレーションＡでは、基板を圧電基板１２である４２°回転ＹカットＸ伝搬タンタル酸リチウム基板のみとし、支持基板１０および温度補償層１３を設けていない。図７（ｂ）に示すように、シミュレーションＢでは、基板を支持基板１０であるサファイア基板と圧電基板１２である４２°回転ＹカットＸ伝搬タンタル酸リチウム基板とし、温度補償層１３および中間層１１を設けていない。圧電基板１２の厚さＴ２は約０．７λとした。シミュレーションＡおよびＢとも電極指１５が接する圧電基板１２の表面を０とし、基板の深さ方向を位置Ｚとした。

図８（ａ）および図８（ｂ）は、シミュレーションＡおよびＢにおける位置Ｚに対する変位分布を示す図である。図８（ａ）および図８（ｂ）の上に圧電基板１２および支持基板１０の範囲を示す両矢印を図示している。図８（ａ）に示すように、シミュレーションＡでは、Ｚ／λが２以下にほとんどの変位が収まる。特に、Ｚ／λが１．５以下にほとんどの変位の分布が収まる。これは、弾性表面波は圧電基板１２の表面から約２λ（特に１．５λ）までの範囲を伝搬することを示している。図８（ｂ）に示すように、シミュレーションＢでは、Ｚ／λが１以下にほとんどの変位が収まる。特に支持基板１０内にはほとんど変位が分布しない。これは、支持基板１０の横波の音速が大きいためである。

以上のシミュレーションのように、弾性表面波は、基板表面近くを伝搬する。よって、圧電基板１２を薄くし、圧電基板１２の下に温度補償層１３を設けることで、温度補償層１３内に弾性表面波の変位が分布し、ＴＣＦを０付近にすることができる。圧電基板１２の厚さＴ２は、弾性波の波長λ以下が好ましく、０．９λ以下がより好ましく、０．８λ以下がさらに好ましい。弾性表面波を伝搬させるため、圧電基板１２の厚さＴ２は、０．１λ以上が好ましく、０．２λ以上がより好ましい。

次に、バルク波について説明する。図９（ａ）および図９（ｂ）は、バルク波を説明する断面図である。図９（ａ）に示すように、圧電基板１２と支持基板１０との間に温度補償層１３が設けられている。ＩＤＴ２２が圧電基板１２の表面にＳＨ波等の弾性表面波５２を励振する。弾性表面波５２の変位が存在する厚さＴ４は２λ程度である。ＩＤＴ２２が弾性表面波５２を励振するとき、ＩＤＴ２２は圧電基板１２内にバルク波５８を放出する。バルク波５８は主モードの弾性表面波５２に比べて１／１０の大きさである。バルク波５８が存在する厚さは１０λ程度である。圧電基板１２の厚さＴ２は厚さＴ４より小さい。これにより、弾性表面波５２の変位は圧電基板１２と温度補償層１３の両方に分布する。よって、ＴＣＦを抑制できる。しかし、弾性表面波５２に加えバルク波５８も温度補償層１３内を伝搬する。これにより、弾性表面波５２のエネルギーがバルク波５８として失われる。よって、弾性波共振器の損失が大きくなる。

図９（ｂ）に示すように、実施例１では、圧電基板１２と温度補償層１３との間に横波の音速の速い中間層１１を設ける。これにより、バルク波５８は圧電基板１２に閉じ込められやすくなり、温度補償層１３を伝搬するバルク波５８ａのエネルギーが小さくなる。これにより、弾性波共振器のＱ値が向上すると考えられる。

図１０（ａ）および図１０（ｂ）は、実施例１において、中間層の厚さＴ１に対する最大のＱ値を示す図である。図１０（ａ）は、図６と同じ条件で作製した共振周波数が約６００ＭＨｚの弾性波共振器である。なお、図６とは同じ弾性波共振器ではないためＱ値は図６と一致していない。図１０（ｂ）は、共振周波数が約２．５ＧＨｚの弾性波共振器である。厚さＴ２およびＴ３を０．４λとした。

図１０（ａ）および図１０（ｂ）に示すように、中間層１１の厚さＴ１が１０ｎｍ以下ではＱ値はほとんど変わらないが、Ｔ１が厚くなるとＱ値が低下する。Ｔ１は２０ｎｍ以下が好ましく、１５ｎｍ以下がより好ましく、１０ｎｍ以下がさらに好ましい。これにより、Ｑ値の低下を抑制できる。Ｔ１が薄すぎると中間層１１のＱ値の改善の効果が低下してしまう。よって、Ｔ１は２．５ｎｍ以上が好ましく、３ｎｍ以上がより好ましい。

図１０（ａ）と図１０（ｂ）とを比べると、好ましい厚さＴ１は共振周波数（すなわち弾性波の波長）によらない。よって、弾性波共振器の共振周波数が１０００ＭＨｚまたは８００ＭＨｚ以下の場合でも、中間層１１の厚さは２０ｎｍ以下でもよい。

支持基板１０の横波の音速を圧電基板１２の横波の音速より速くする。これにより、バルク波５８は圧電基板１２および温度補償層１３内に閉じ込められる。圧電基板１２、中間層１１および温度補償層１３の合計の厚さＴ１＋Ｔ２＋Ｔ３が厚いと、バルク波５８は温度補償層１３を伝搬するため、損失が大きくなる。Ｔ１＋Ｔ２＋Ｔ３は温度補償層１３に弾性表面波５２が分布する範囲であればよい。よって、図９（ａ）および図９（ｂ）の結果から、Ｔ１＋Ｔ２＋Ｔ３は２λ以下が好ましく、１．５λ以下がより好ましい。これにより、弾性波共振器の損失を抑制できる。

［実施例１の変形例１］
図１１（ａ）は、実施例１の変形例１に係る弾性波共振器の断面図である。図１１（ａ）に示すように、支持基板１０と温度補償層１３との界面を粗面５６としている。粗面５６には複数の凸部および複数の凹部が設けられている。粗面５６は、支持基板１０の上面をグラインダで研削することにより形成した。粗面５６は、原子またはイオンを支持基板１０の上面に照射することにより形成してもよい。

図１１（ｂ）は、算術平均粗さＲａに対する不要応答のピーク値を示す図である。算術平均粗さＲａは支持基板１０と温度補償層１３との界面の算術平均粗さ（中心線平均粗さ）である。不要応答のピーク値は、バルク波に起因する不要応答の大きさを示す。図１１（ｂ）に示すように、Ｒａが大きくなると不要応答は小さくなる。これは、バルク波５８の粗面における反射が抑制されるためである。Ｒａは０．０２λ以上が好ましく、０．０４λ以上がより好ましい。

[実施例１の変形例２－４]
図１２（ａ）から図１２（ｄ）は、実施例１およびその変形例２から４の中間層および温度補償層付近の断面図である。図１２（ａ）に示すように、実施例１では、中間層１１と圧電基板１２との間を常温接合している。このため、中間層１１は多結晶層１１ａとアモルファス層１１ｂを備え、圧電基板１２は単結晶層１２ａとアモルファス層１２ｂを備える。アモルファス層１２ｂは圧電性が低いため、アモルファス層１２ｂが厚いと、弾性波共振器の特性が劣化する。よって、アモルファス層１２ｂはアモルファス層１１ｂより薄いことが好ましい。

アモルファス層１１ｂの主成分は多結晶層１１ａの主な構成元素であり、アモルファス層１２ｂの主成分は単結晶層１２ａの主な構成元素である。よって、アモルファス層１１ｂは中間層１１の一部であり、アモルファス層１２ｂは圧電基板１２の一部である。よって、図１２（ａ）の場合、中間層１１は圧電基板１２に接して設けられている。

図１２（ｂ）に示すように、実施例１の変形例２では、温度補償層１３と中間層１１との間を常温接合している。このため、中間層１１は多結晶層１１ａとアモルファス層１１ｂを備え、温度補償層１３は、活性化のための元素（例えばＡｒ）を含有しない温度補償層１３ａと活性化のための元素を含むアモルファス層１３ｃを備える。温度補償層１３ａは多結晶層またはアモルファス層である。アモルファス層１１ｂは、温度補償層１３の構成元素のうち中間層１１の構成元素以外の元素をほとんど含まない。例えば、中間層１１が酸化アルミニウム層であり、温度補償層１３が酸化シリコン膜とき、アモルファス層１１ｂはＳｉをほとんど含まない。

図１２（ｃ）に示すように、実施例１の変形例３では、温度補償層１３ａと１３ｂとを常温接合している。このため、温度補償層１３は、活性化のための元素（例えばＡｒ）を含有しない温度補償層１３ａおよび１３ｂと活性化のための元素を含むアモルファス層１３ｃおよび１３ｄを備える。アモルファス層１３ｃと１３ｄとが常温接合されている。温度補償層１３ａおよび１３ｂは多結晶層またはアモルファス層である。

図１２（ｄ）に示すように、実施例１の変形例４では、温度補償層１３と支持基板１０とを常温接合している。このため、温度補償層１３は、活性化のための元素（例えばＡｒ）を含有しない温度補償層１３ａと活性化のための元素を含むアモルファス層１３ｃを備える。支持基板１０は、活性化のための元素を含有しない支持基板１０ａと活性化のための元素を含むアモルファス層１０ｂを備える。アモルファス層１３ｃと１０ｂとが常温接合されている。支持基板１０ａは単結晶基板、多結晶基板またはアモルファス基板である。

圧電基板１２にアモルファス層１１ｂを形成しないため、実施例１の変形例２から４のように、中間層１１の下面と温度補償層１３の上面、温度補償層１３ａと１３ｂとの界面、または温度補償層１３の下面と支持基板１０の上面とを常温接合することが好ましい。

［実施例１の変形例５－７］
図１３（ａ）から図１３（ｃ）は、実施例１の変形例５から７の中間層および温度補償層付近の断面図、図１３（ｄ）は、接合層の断面図である。図１３（ａ）に示すように、実施例１の変形例５では、温度補償層１３と中間層１１との間に接合層２８が設けられている。図１３（ｂ）に示すように、実施例１の変形例６では、温度補償層１３ａと１３ｂとの間に接合層２８が設けられている。図１３（ｃ）に示すように、実施例１の変形例７では、支持基板１０と温度補償層１３との間に接合層２８が設けられている。その他の構成は実施例１と同じであり説明を省略する。

図１３（ｄ）に示すように、接合層２８は、接合層２８ａおよび２８ｂとアモルファス層１８ｃおよび１８ｄを備えている。接合層２８ａおよび２８ｂは活性化のための元素を含まず、アモルファス層１８ｃおよび２８ｄは活性化のための元素を含む。接合層２８ａおよび２８ｂは例えばシリコン層である。酸化シリコン膜は表面活性化法では接合しにくい。このような場合、酸化シリコン膜の表面に接合層２８ａおよび２８ｂを形成し、接合層２８ａと２８ｂとを表面活性化法を用い接合してもよい。接合層２８はシリコン層以外にチタン層またはニッケル層でもよい。接合層２８は表面活性化法以外の方法を用い圧電基板１２と支持基板１０とを接合してもよい。

圧電基板１２から遠い箇所で接合するため、実施例１の変形例５から７のように、接合層２８は、中間層１１の下面と支持基板１０の上面の間に設けることが好ましい。

実施例１によれば、一対の櫛型電極１８は、弾性波を励振する複数の電極指１５を備え、複数の電極指１５の平均ピッチ（すなわちλ／２）は圧電基板１２の厚さＴ２の１／２以上である。中間層１１（第１層）は、圧電基板１２の櫛型電極１８が設けられた面と反対の面に接して設けられ、圧電基板１２の横波の音速より速い横波の音速を有する。温度補償層１３（第２層）は、中間層１１の圧電基板と反対の面に設けられ、温度補償層１３の弾性定数の温度係数の符号が圧電基板１２の弾性定数の温度係数の符号と反対であり、温度補償層１３の横波の音速は圧電基板１２の横波の音速より遅い。

圧電基板１２の厚さＴ２を複数の電極指１５の平均ピッチの２倍以下(すなわち弾性波の波長λ以下)とすることで、温度補償層１３内に弾性表面波５２が分布する。これにより、図８（ａ）および図８（ｂ）において説明したように、弾性波共振器２０の温度特性を向上できる。しかし、温度補償層１３の横波の音速が圧電基板１２の横波の音速より遅いと、弾性波共振器２０の損失が大きくなる。そこで、中間層１１を設けることで、図９（ａ）および図９（ｂ）において説明したように、弾性波共振器２０の損失を抑制できる。電極指１５の平均ピッチは、弾性波共振器２０のＸ方向の長さを電極指１５の本数で除することにより算出できる。

中間層１１の厚さは２．５ｎｍ以上であることが好ましい。これにより、弾性波共振器２０の損失をより抑制できる。中間層１１の厚さは２０ｎｍ以下である。これにより、図１０（ａ）および図１０（ｂ）のように、これにより、弾性波共振器２０の損失をより抑制できる。中間層１１は圧電性がない材料が好ましい。これにより、弾性波を圧電基板１２により閉じ込めることができる。また、中間層１１は導電性の低い材料が好ましい。これにより、弾性波を圧電基板１２により閉じ込めることができる。

支持基板１０の線膨張係数は圧電基板１２のＸ方向の線膨張係数より小さい。これにより、弾性波共振器２０の温度特性をより向上できる。支持基板１０の線膨張係数は圧電基板１２のＸ方向の線膨張係数の２／３以下が好ましく、１／２以下がより好ましい。バルク波５８を圧電基板１２、中間層１１および温度補償層１３に閉じ込めるため。支持基板１０の横波の音速は、圧電基板１２の横波の音速より速いことが好ましく、中間層１１の横波の音速より速いことが好ましい。支持基板１０の抗折強度は圧電基板１２の抗折強度より大きいことが好ましい。これにより、耐衝撃性を向上できる。

圧電基板１２、中間層１１および温度補償層１３の合計の厚さＴ１＋Ｔ２＋Ｔ３は電極指１５のピッチの４倍（２λ）以下である。これにより、バルク波５８による弾性波共振器２０の損失を抑制できる。

支持基板１０と温度補償層１３との界面の算術平均粗さＲａは、電極指１５の平均ピッチの０．０１倍（０．０２λ）以上である。これにより、図１１（ｂ）のように、バルク波５８に起因する不要応答を抑制できる。

中間層１１と温度補償層１３とは接している。これにより、弾性波共振器２０の温度特性をより向上できる。

一対の櫛型電極１８が主に励振する弾性波がＳＨ波であるとき、バルク波５８が励振しやすい。よって、中間層１１を設けることが好ましい。

特に、圧電基板１２をタンタル酸リチウム基板またはニオブ酸リチウム基板とし、中間層１１を酸化アルミニウムを主成分とする層とし、温度補償層１３を酸化シリコンを主成分とする層とする。これにより、弾性波共振器２０としてのＣＴＥを小さくすることができる。温度補償層１３を設け、圧電基板１２の厚さＴ２をλより小さくする。これにより、弾性表面波５２が温度補償層１３内に分布するため、ＴＣＦを０に近づけることができる。しかし、バルク波に起因した損失が大きくなる。そこで、厚さＴ１が２．５ｎｍ以上かつ２０ｎｍ以下の中間層１１を設ける。これにより、弾性波共振器２０のＱ値を向上できる。

中間層１１は酸化アルミニウムを主成分とするとは、中間層１１は酸化アルミニウム以外に意図的にまたは意図せずに添加した不純物を含むことであり、例えば中間層１１におけるアルミニウムと酸素の合計の原子濃度は５０％以上であり、８０％以上である。温度補償層１３は酸化シリコンを主成分とするとは、温度補償層１３は酸化シリコン以外に意図的にまたは意図せずに添加した不純物を含むことであり、例えば温度補償層１３におけるシリコンと酸素の合計の原子濃度は５０％以上であり、８０％以上である。

図１４（ａ）は、実施例２に係るフィルタの回路図である。図１４（ａ）に示すように、入力端子Ｔｉｎと出力端子Ｔｏｕｔとの間に、１または複数の直列共振器Ｓ１からＳ３が直列に接続されている。入力端子Ｔｉｎと出力端子Ｔｏｕｔとの間に、１または複数の並列共振器Ｐ１およびＰ２が並列に接続されている。１または複数の直列共振器Ｓ１からＳ３および１または複数の並列共振器Ｐ１およびＰ２の少なくとも１つに実施例１の弾性波共振器を用いることができる。ラダー型フィルタの共振器の個数等は適宜設定できる。フィルタは、多重モード型フィルタでもよい。

［実施例２の変形例１］
図１４（ｂ）は、実施例２の変形例１に係るデュプレクサの回路図である。図１４（ｂ）に示すように、共通端子Ａｎｔと送信端子Ｔｘとの間に送信フィルタ４０が接続されている。共通端子Ａｎｔと受信端子Ｒｘとの間に受信フィルタ４２が接続されている。送信フィルタ４０は、送信端子Ｔｘから入力された高周波信号のうち送信帯域の信号を送信信号として共通端子Ａｎｔに通過させ、他の周波数の信号を抑圧する。受信フィルタ４２は、共通端子Ａｎｔから入力された高周波信号のうち受信帯域の信号を受信信号として受信端子Ｒｘに通過させ、他の周波数の信号を抑圧する。送信フィルタ４０および受信フィルタ４２の少なくとも一方を実施例２のフィルタとすることができる。

マルチプレクサとしてデュプレクサを例に説明したがトリプレクサまたはクワッドプレクサでもよい。

以上、本発明の実施例について詳述したが、本発明はかかる特定の実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。

１０ 支持基板
１１ 中間層
１２ 圧電基板
１３ 温度補償層
１５ 電極指
１８ 櫛型電極
２０ 弾性波共振器
２２ ＩＤＴ

Claims (6)

1. 単結晶タンタル酸リチウム基板である圧電基板と、
   前記圧電基板上に設けられ、弾性波を励振する複数の電極指を備え、前記複数の電極指の平均ピッチは前記圧電基板の厚さの１／２以上である一対の櫛型電極と、
   前記圧電基板の前記一対の櫛型電極が設けられた面と反対の面に接して設けられ、単結晶ニオブ酸リチウムからなる第１層と、
   前記第１層の前記圧電基板と反対の面に設けられ、酸化シリコンを主成分とする第２層と、
   を備える弾性波共振器。
2. 前記第１層の厚さは２．５ｎｍ以上である請求項１に記載の弾性波共振器。
3. 前記第１層の厚さは２０ｎｍ以下である請求項２に記載の弾性波共振器。
4. 前記第２層の前記第１層と反対の面に設けられ、サファイア基板、スピネル基板、アルミナ基板、シリコン基板または炭化シリコン基板である支持基板を備える請求項１から３のいずれか一項に記載の弾性波共振器。
5. 請求項１から４のいずれか一項に記載の弾性波共振器を含むフィルタ。
6. 請求項５に記載のフィルタを含むマルチプレクサ。
   

Images