JPH06326553A - 表面弾性波素子 - Google Patents
表面弾性波素子Info
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- JPH06326553A JPH06326553A JP7158694A JP7158694A JPH06326553A JP H06326553 A JPH06326553 A JP H06326553A JP 7158694 A JP7158694 A JP 7158694A JP 7158694 A JP7158694 A JP 7158694A JP H06326553 A JPH06326553 A JP H06326553A
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Abstract
わせの自由度が大きく、とくに電気機械結合係数が大き
く温度依存性の小さい表面弾性波素子を提供することを
目的とする。 【構成】 圧電特性の異なる複数の単結晶圧電基板また
は単結晶圧電基板と非圧電基板を、それぞれの基板表面
を、平坦化、鏡面化、清浄化、親水化して、重ね合わせ
熱処理により直接接合するか、少なくとも一方の基板表
面に、無機薄膜層を形成してのち、同様の処理により直
接接合して積層し、一方の圧電基板の厚み、および無機
薄膜層の厚みを、使用する音波の波長に適した厚みと
し、前記圧電基板に表面波励振用櫛形電極を設けるよう
にしたものである。
Description
に用いる表面弾性波素子に関する。
り、通信機器の小型、高周波化が進んでいる。これらの
機器には、必ず発振器や高周波のフィルタが必要であ
り、またこれらの発振器や高周波フィルタに表面弾性波
素子が多く用いられている。
フィルタや表面弾性波共振子は、ニオブ酸リチウムなど
の圧電基板に櫛形電極を形成し、その電極に交番電界を
加えることによって表面弾性波振動を励振している。移
動体通信機器に使用するためには、高周波で特性の良い
表面弾性波素子が必要である。表面弾性波素子の高周波
特性として重要なのは、フィルタの場合は挿入損失とそ
の温度依存性であり、共振子の場合は共振のQ(損失の
逆数に対応)と共振および***振の比(容量比)および
その温度依存性である。容量比は共振器型フィルタなど
に用いる場合に、通過帯域に直接関係する。挿入損失、
共振のQ、容量比は、用いる圧電体の電気機械結合係数
に依存し、温度依存性は用いる圧電体の音速の温度依存
性が関与する。
より櫛形電極の線幅がきまるため、ホトリソグラフィー
などの微細加工の容易さの点から、圧電基板の音速も重
要である。
用いる材料およびその結晶方位によって大きく変わる。
ニオブ酸リチウムの場合、64度YカットX軸伝搬で、
電気機械結合係数が11.3%、温度依存性が70pp
m/℃、音速が4742m/秒、128度YカットX軸
伝搬で、電気機械結合係数が5.5%、温度依存性が7
5ppm/℃、音速が3980m/秒、タンタル酸リチ
ウムの場合、36度YカットX軸伝搬で、電気機械結合
係数が5.0%、温度依存性が30ppm/℃、音速が
4160m/秒、水晶の場合、42.5度YカットX軸
伝搬で、電気機械結合係数が0.15%、温度依存性が
0ppm/℃、音速が3158m/秒、ほう酸リチウム
の場合、45度Xカットで、電気機械結合係数が1.0
%、音速が3401m/秒程度である。
酸リチウムが一般的に望ましい。しかしながら温度依存
性は水晶などに比べて劣る。水晶は温度依存性は極めて
小さいが、電気機械結合係数が小さい。また音速につい
ては、高周波での共振子やフィルタに用いる場合には、
速いほど櫛形電極の線幅を大きくとれるので、64度Y
カットX軸伝搬ニオブ酸リチウムが好ましい。
結合係数は大きく、また温度依存性が小さく、音速の速
いものがあれば好ましい。しかしながら上記材料では不
十分である。
のでは、電気機械結合係数と温度依存性の組合せが限ら
れており、設計の自由度が少ない。また電気機械結合係
数が大きく、温度依存性の小さい材料がない、音速の速
い圧電基板がないという課題があった。
の表面弾性波素子が知られている。例えば、音速の速い
表面弾性波基板を得るために、サファイヤやダイヤモン
ド等の音速の速い非圧電基板上に圧電膜を積層した構成
が報告されている。(例えば、特開昭64−6291
1)。圧電膜としては、スパッタリングや化学気相成長
法(CVD)などの薄膜形成技術により形成したZnO
やAlNが用いられる。
オブ酸リチウムの積層構造が、 A.Armstrong らによっ
て報告されている(Proc. 1972 IEEE Ultrasonics Sym
p. (IEEE, New York, 1972)p.370 )。このような構成
にすると電気機械結合係数に優れた表面弾性波素子が得
られる。
基板上に圧電体であるAlN膜を形成し、その上に酸化
珪素の膜を形成して、温度特性を改善する方法が知られ
ている(USP4,516,049)。
は、いずれもスパッタリングやCVDなどの各種薄膜形
成技術を用いた積層構造である。その場合、基板と材料
の組合せに厳しい制限がある。例えば、スパッタリング
などにより形成した圧電膜は、バルク単結晶よりも圧電
特性が劣る。また圧電特性を出すためには、少なくとも
結晶方向を一様に配向させることが必要であるが、配向
させるためには、基板と膜の組合せが極めて限定され
る。また望ましくはエピタキシャル成長技術により単結
晶薄膜を形成するのが好ましいが、この場合には基板と
膜の組合せが更に限定される。例えば、水晶、ニオブ酸
リチウム、タンタル酸リチウム、ほう酸リチウムなど通
常表面弾性波素子に用いられる圧電材料では、基板材料
が異なる場合、良好なエピタキシャル膜は得られれてい
ない。そのためこの場合にも、設計の自由度が乏しく、
電気機械結合係数が大きく温度依存性に優れ、音速に優
れた材料が乏しいと言う課題があった。
電材料、例えば、PZTを誘電体や半導体などの基板に
積層できれば、電気機械結合係数の大きい基板になるこ
とはわかっているが、現実にはそれをうまく実現できる
手段がない。上記の薄膜技術で作った場合、圧電材料を
所定の方向に配向させてつくることが必要となるが、基
板との組合せが著しく制限されるため、実用的なものは
得られていない。また各種接着剤を用いると、接着剤が
表面弾性波伝搬の界面にはいり、表面弾性波が減衰し、
好ましい特性が得られない。
に、本発明の表面弾性波素子は、複数の単結晶圧電基板
からなり、それぞれの基板表面を、平坦化、鏡面化、清
浄化、親水化処理して、重ね合わせ熱処理することによ
り直接接合されて積層されており、前記単結晶圧電基板
に表面弾性波を励振するための櫛形電極を設けたもので
ある。
ことにより、単一単結晶圧電基板では得られない圧電特
性と音速を持った複合単結晶圧電基板が得られる。
係数が異なることにより単一単結晶圧電基板では得られ
ない圧電特性を持った複合単結晶圧電基板が得られる。
波励振部分の単結晶圧電基板の電気機械結合係数が、前
記他方の単結晶圧電基板の電気機械結合係数よりも大き
いことにより、単一単結晶圧電基板では得られない圧電
特性を持った複合単結晶圧電基板が得られる。
ムまたはタンタル酸リチウムまたはほう酸リチウムまた
は水晶がよい。
基板がニオブ酸リチウムであり、他方の単結晶圧電基板
が水晶であってもよい。
基板の厚みは、好ましくは使用する表面弾性波の波長の
3波長以下の厚みであるのがよい。
結晶圧電基板からなり、すくなくとも前記基板の一方の
表面に、無機薄膜層を有し、それぞれの無機薄膜層およ
び基板表面を、平坦化、鏡面化、清浄化、親水化処理し
て、重ね合わせ熱処理することにより直接接合されて積
層されており、前記単結晶圧電基板に表面弾性波を励振
するための櫛形電極を設けたものであってもよい。
使用する表面弾性波の波長の1/2波長以下の厚みがよ
い。
は珪素化合物がよい。また前記櫛形電極は前記無機薄膜
層と前記単結晶圧電基板の界面に設けてもよい。
単結晶圧電基板の界面に設け、接地電極を前記単結晶圧
電基板表面に設けてもよい。
晶圧電基板の界面に設けてもよい。また珪素化合物は酸
化珪素または窒化珪素であってもよい。
ことにより、単一単結晶圧電基板では得られない圧電特
性と音速を持った複合単結晶圧電基板が得られる。
係数が異なることにより単一単結晶圧電基板では得られ
ない圧電特性を持った複合単結晶圧電基板が得られる。
性波励振部分の単結晶圧電基板の電気機械結合係数が、
前記他の部分の単結晶圧電基板の電気機械結合係数より
も大きいことにより、単一単結晶圧電基板では得られな
い圧電特性を持った複合単結晶圧電基板が得られる。
ムまたはタンタル酸リチウムまたはほう酸リチウムまた
は水晶が好ましい。
基板がニオブ酸リチウムであり、他方の単結晶圧電基板
が水晶であってもよい。
基板の厚みは、好ましくは使用する表面弾性波の波長の
3波長以下の厚みであるのがよい。
圧電基板からなり、前記単結晶圧電基板と前記非圧電基
板が、それぞれの基板表面を、平坦化、鏡面化、清浄
化、親水化処理して、重ね合わせ熱処理することにより
直接接合されて積層されており、前記単結晶圧電基板に
表面弾性波を励振するための櫛形電極を設けるようにし
たものである。
基板の音速が異なっていることにより、単一単結晶圧電
基板では得られない圧電特性と音速を持った複合単結晶
圧電基板が得られる。
も、前記非圧電基板の音速が速ければ、高周波用表面弾
性波素子として、ホトリソグラフィーなどの製造に有利
な複合単結晶圧電基板となる。
ムまたはタンタル酸リチウムまたはほう酸リチウムまた
は水晶が好ましい。
たは非晶質炭素またはグラファイトであってもよい。
表面弾性波の1波長以下の厚みが適している。
非圧電基板の熱膨張率よりも大きいことにより、温度依
存性に優れた複合単結晶圧電基板が得られる。
くとも1つの単結晶圧電基板と非圧電基板からなり、前
記単結晶圧電基板と前記非圧電基板が、すくなくとも前
記基板の一方の表面に、無機薄膜層を有し、それぞれの
無機薄膜層および基板表面を、平坦化、鏡面化、清浄
化、親水化処理して、重ね合わせ熱処理することにより
直接接合されて積層されており、前記単結晶圧電基板に
表面弾性波を励振するための櫛形電極を設けたものであ
ってもよい。
使用する表面弾性波の波長の1/2波長以下の厚みがよ
い。
は珪素化合物がよい。また前記櫛形電極は前記無機薄膜
層と前記単結晶圧電基板の界面に設けてもよい。
非圧電基板の界面に設けてもよい。また前記櫛形電極を
前記無機薄膜層と前記単結晶圧電基板の界面に設け、接
地電極を前記単結晶圧電基板表面に設けてもよい。
晶圧電基板の界面に設けてもよい。また珪素化合物は酸
化珪素または窒化珪素であってもよい。
の音速が異なることにより、単一単結晶圧電基板では得
られない圧電特性と音速を持った単結晶圧電基板が得ら
れる。
も、前記非圧電基板の音速が速ければ、高周波用表面弾
性波素子として、ホトリソグラフィーなどの製造に有利
な複合単結晶圧電基板となる。
ムまたはタンタル酸リチウムまたはほう酸リチウムまた
は水晶が好ましい。
たは非晶質炭素またはグラファイトが好ましい。
表面弾性波の波長の1波長以下の厚みが適している。
非圧電基板の熱膨張率よりも大きいことにより温度依存
性に優れた複合単結晶圧電基板が得られる。
界面近傍を表面弾性波が伝搬することから、複合単結晶
圧電基板の電気機械結合係数、音速、温度依存性は、そ
れぞれの基板単独の電気機械結合係数、音速、温度依存
性と異なるものが得られる。
とその製造方法について、図面を参照しながら説明す
る。
造の第1の実施例の斜視図を図1(a)に、また図1
(a)の、A−A’部断面構造を、図1(b)に示す。
0は単結晶圧電薄板(単結晶圧電基板であるが、表面弾
性波を励振する方の基板は、薄板化して用いるため、単
結晶圧電基板10と区別するために、以降単結晶圧電薄
板と記述する)、30、30’は単結晶圧電薄板20の
上に設けた櫛形電極である。櫛形電極はここでは簡略化
して表示している。
は、例えば単結晶圧電体であるニオブ酸リチウム、タン
タル酸リチウム、ほう酸リチウム、水晶が適している。
30に高周波信号を入れることにより、その近傍の圧電
部に表面弾性波が励振され、それが積層構造を経て、他
方の櫛形電極30’に伝搬して、櫛形電極30’下部の
圧電部で再び電気信号に変換されるものである。ここで
は櫛形電極を用いた表面弾性波素子の基本構成を示した
もので、実際に高周波フィルタや共振子にする場合に
は、櫛形電極の数を増したり、構成を変えたりする。
は、それぞれ扱い易い厚みの単結晶圧電基板を用意し、
それぞれの基板表面を平坦化、鏡面化、清浄化、親水化
処理して、重ね合わせ熱処理することにより直接接合さ
れて積層された後、単結晶圧電薄板20側が所定の厚み
に研磨、薄板化されたものである。
する。まず直接接合の製造プロセスについて説明する。
晶のニオブ酸リチウム、タンタル酸リチウム、ほう酸リ
チウム、水晶を用いた場合について説明する。
面を、平坦化した後、鏡面研磨し、洗浄にする。必要に
応じてエッチングにより表面層を除去する。ニオブ酸リ
チウム、タンタル酸リチウム、水晶のエッチングには弗
酸系エッチング液を用いる。ほう酸リチウムの場合には
弱酸でよい。次に表面を親水化処理する。具体的には、
例えばアンモニアー過酸化水素溶液に浸すことにより、
表面に水酸基が容易に付着するようになり親水化され
る。次に純水で十分洗浄する。これにより各単結晶圧電
基板表面に水酸基が付着する。この状態で2枚の単結晶
圧電基板を重ね合わせると、主として水酸基のファンー
デアーワールス力により2枚の基板が吸着する。この状
態でも強固な接着状態となるが、さらにこの状態で、1
00℃以上の温度で数10分から数10時間熱処理する
ことにより、界面から水構成成分が次第に抜けていく。
これに伴い、水酸基の水素結合主体の結合から酸素や水
素、また基板構成原子のかかわる結合が進み、基板構成
原子同士の接合が序々に始まり接合は非常に強化され
る。特に珪素や酸素がある場合、共有結合が進み、結合
が強化される。
0℃の範囲で、用いる圧電体の圧電特性が失われない範
囲が好ましい。
チウムを、前述の方法で直接接合した直接接合界面の透
過電子顕微鏡(TEM)写真を示したものである。熱処
理温度は、400℃、1時間である。TEM像におい
て、それぞれの基板側に見える線は、いわゆる原子の格
子像と呼ばれるもので、この線の間隔が格子間隔に対応
していることから、接合が格子すなわち原子オーダー
(1nm程度)の精度で接合されていることがわかる。
このように高精度でかつ界面に介在物なしに接合できる
ことから表面弾性波伝搬に対する損失が極めて少ない。
剤の厚みは、数μm以下にすることは困難であり、その
ため表面弾性波を著しく減衰させることから実用に耐え
ない。
着などの薄膜技術を用いて、圧電体を形成した場合、か
なり良好な接合界面が得られるが、得られる圧電体の圧
電特性は、バルクのものよりもはるかに劣るものであ
り、また得られる圧電体の種類もZnO、AlNなどに
限られる。またその結晶方位も、基板の結晶方位によっ
て制限され、また特定の方位、例えばC軸方向など成長
しやすい方位が限られる。
晶圧電体であるニオブ酸リチウム、タンタル酸リチウ
ム、ほう酸リチウム、水晶においてバルクの性質を保っ
たまま、また任意の結晶方位で複合圧電基板が得られる
ものである。
方の圧電体を研磨などの加工により薄板化することが容
易にできる。通常は、直接接合後、一方の圧電体を使用
する表面弾性波の波長に適した厚みに研磨などのより薄
板化し、その後、櫛形電極を形成する。ハンドリング可
能な厚みであれば、あらかじめその厚みに設定しておい
てから直接接合してもよい。しかし、ハンドリング困難
な場合、通常50μm程度から以下の場合は、直接接合
してから研磨して薄板化した方がよい。
子オーダーの平坦度で接合されているため、高精度に均
一化された薄板化が可能であり、具体的には、3μm+
−0.01μm程度の薄板化が可能となる。これも直接
接合の利点である。
と単結晶圧電薄板20の圧電特性、音速、温度依存性、
熱膨張率を適当に組み合わせることにより、設計自由度
の大きい種々の複合単結晶圧電基板からなる表面弾性波
素子が得られる。
合係数、音速、音速の温度依存性によって決まる。フィ
ルタなどに適用した場合、電気機械結合係数は挿入損
失、通過帯域幅に関係する。一般に電気機械結合係数が
大きいほど、挿入損失は少なくなり、通過帯域幅は広く
なる。通過帯域は用途によって、広い方が良い場合と、
反対に狭い方が良い場合とある。
る。櫛形電極の電極幅およびその間隔は、通常1/4波
長程度に設定することから、高周波の用途では、音速が
速いほど、製造においてホトリソグラフィーなどの微細
加工が容易になり、好ましい。
信号遅延線などの用途においては、音速が遅いほど素子
寸法を小さくできることから好ましい。
い。 (実施例1−1)図3は、実施例1における第1の具体
的実施例の構造を示したもので、単結晶圧電基板にタン
タル酸リチウムを、単結晶圧電薄板にニオブ酸リチウム
を用いた例である。
ト、X軸伝搬の単結晶タンタル酸リチウムからなるは単
結晶圧電基板、21は、41度Y−カット、X軸伝搬の
単結晶ニオブ酸リチウムからなる単結晶圧電薄板で、単
結晶圧電基板11と単結晶圧電薄板21とは、前述の直
接接合により複合化されている。
設けた櫛形電極である。ここでは簡略化して表示してあ
る。
ブ酸リチウムの電気機械結合係数は17.2%、音速は
4792m/秒、36度Y−カット、X軸伝搬の単結晶
タンタル酸リチウムの電気機械結合係数は5−7%、音
速は4160m/秒である。
た複合単結晶圧電基板では、単結晶圧電薄板21の厚み
を、用いる表面弾性波の波長に応じて適当な厚みに設定
してやることにより、実質的な電気機械結合係数と音速
が、それぞれの圧電体とは異なる特性が得られる。
る場合、櫛形電極の間隔を1/4波長で約5μm(音速
を4160m/秒と考える)とし、単結晶圧電薄板21
の厚みを1/4波長から3波長である、5−60μmに
設定することにより、電気機械結合係数、音速とも、単
結晶圧電薄板21の36度Y−カット、X軸伝搬の単結
晶タンタル酸リチウムの値とも、単結晶圧電基板11の
41度Y−カット、X軸伝搬の単結晶ニオブ酸リチウム
とも異なる値が得られる。
得られる。単結晶圧電薄板21の厚みを、1/2波長か
ら1波長程度に設定すると、電気機械結合係数が10%
で、音速が4500m/秒程度の値が得られる。この場
合、電気機械結合係数、音速とも、もとのそれぞれの圧
電体の中間の値が得られることにより、例えば、高周波
で帯域の狭いフィルタに適した表面弾性波素子となる。
板21の厚みが特に1/4波長から1波長の間が著しい
が、単結晶圧電薄板の厚みが3波長程度でも効果が認め
られる。
に及ぼす効果を示すものである。 (実施例1−2)図4は、実施例1における第2の具体
的実施例の構造を示したもので、単結晶圧電基板に水晶
(単結晶)を、単結晶圧電薄板にニオブ酸リチウムを用
いた例である。
ト、X軸伝搬の水晶からなるは単結晶圧電基板、21は
(実施例1−1)と同様、41度Y−カット、X軸伝搬
の単結晶ニオブ酸リチウムからなる単結晶圧電薄板で、
単結晶圧電基板12と単結晶圧電薄板21は、前述の直
接接合により複合化されている。
設けた櫛形電極である。ここでは簡略化して表示してあ
る。
ブ酸リチウムの電気機械結合係数は17.2%、音速は
4792m/秒、温度依存性は、約50ppm/℃、4
3度Y−カット、X軸伝搬の水晶の電気機械結合係数は
0.16%、音速は3158m/秒、温度依存性は0p
pm/℃である。
晶圧電薄板の厚みを、用いる表面弾性波の波長に応じて
適当な厚みに設定してやることにより、実質的な電気機
械結合係数と音速と温度依存性が、それぞれの圧電体と
は異なる特性が得られる。
る場合、櫛形電極の間隔を1/4波長で約4μm(音速
を3158m/秒と考える)とし、単結晶圧電薄板21
の厚みを1/4波長から3波長である、4−48μmに
設定することにより、電気機械結合係数、音速、温度依
存性とも、単結晶圧電薄板21の41度Y−カット、X
軸伝搬の単結晶ニオブ酸リチウムの値とも、単結晶圧電
基板12の43度Y−カット、X軸伝搬の水晶とも異な
る値が得られる。
結晶圧電薄板21の厚みを、1/2波長から1波長程度
に設定すると、電気機械結合係数が5%で、音速が33
00m/秒、温度依存性が30ppm/℃程度の値が得
られる。この場合、電気機械結合係数、音速、温度依存
性とも、もとのそれぞれの圧電体の中間の値が得られる
ことにより、非常に温度依存性の少ないフィルタに適し
た表面弾性波素子となる。
板21の厚みが特に1/4波長から1波長の間が著しい
が、単結晶圧電薄板の厚みが3波長程度でも効果が認め
られる。
果を示すものである。 (実施例1−3)図5は、実施例1における第3の具体
的実施例の構造を示したもので、単結晶圧電基板に水晶
(単結晶)を、単結晶圧電薄板にタンタル酸リチウムを
用いた例である。
と同様、43度Y−カット、X軸伝搬の水晶からなるは
単結晶圧電基板、22は、36度Y−カット、X軸伝搬
の単結晶タンタル酸リチウムからなる単結晶圧電薄板
で、単結晶圧電基板12と単結晶圧電薄板22は、前述
の直接接合により複合化されている。
設けた櫛形電極である。ここでは簡略化して表示してあ
る。
タル酸リチウムの電気機械結合係数は5−7%、音速は
4160m/秒、温度依存性は、約30ppm/℃、4
3度Y−カット、X軸伝搬の水晶の電気機械結合係数は
0.16%、音速は3158m/秒、温度依存性は0p
pm/℃である。
晶圧電薄板の厚みを、用いる表面弾性波の波長に応じて
適当な厚みに設定してやることにより、実質的な電気機
械結合係数と音速と温度依存性が、それぞれの圧電体と
は異なる特性が得られる。
る場合、櫛形電極の間隔を1/4波長で約4μm(音速
を3158m/秒と考える)とし、単結晶圧電薄板21
の厚みを1/4波長から3波長である、4−48μmに
設定することにより、電気機械結合係数、音速、温度依
存性とも、単結晶圧電薄板22の36度Y−カット、X
軸伝搬の単結晶タンタル酸リチウムの値とも、単結晶圧
電基板12の43度Y−カット、X軸伝搬の水晶とも異
なる値が得られる。
結晶圧電薄板22の厚みを、1/2波長から1波長程度
に設定すると、電気機械結合係数が2%で、音速が33
00m/秒、温度依存性が20ppm/℃程度の値が得
られる。この場合、電気機械結合係数、音速、温度依存
性とも、もとのそれぞれの圧電体の中間の値が得られる
ことにより、非常に温度依存性の少ないフィルタに適し
た表面弾性波素子となる。
板21の厚みが特に1/4波長から1波長の間が著しい
が、単結晶圧電薄板の厚みが3波長程度でも効果が認め
られる。
果を示すものである。 (実施例1−4)図6は、実施例1における第4の具体
的実施例の構造を示したもので、単結晶圧電基板に単結
晶ほう酸リチウムを、単結晶圧電薄板にニオブ酸リチウ
ムを用いた例である。
ト、Z軸伝搬の単結晶ほう酸リチウムからなるは単結晶
圧電基板、21は(実施例1−1)と同様、41度Y−
カット、X軸伝搬の単結晶ニオブ酸リチウムからなる単
結晶圧電薄板で、単結晶圧電基板13と単結晶圧電薄板
21は、前述の直接接合により複合化されている。
設けた櫛形電極である。ここでは簡略化して表示してあ
る。
ブ酸リチウムの電気機械結合係数は17.2%、音速は
4792m/秒、温度依存性は、約50ppm/℃、4
5度X−カット、Z軸伝搬の単結晶ほう酸リチウムの電
気機械結合係数は1%、音速は3401m/秒、温度依
存性は0ppm/℃である。
晶圧電薄板の厚みを、用いる表面弾性波の波長に応じて
適当な厚みに設定してやることにより、実質的な電気機
械結合係数と音速と温度依存性が、それぞれの圧電体と
は異なる特性が得られる。
る場合、櫛形電極の間隔を1/4波長で約4μm(音速
を3401m/秒と考える)とし、単結晶圧電薄板21
の厚みを1/4波長から3波長である、4−48μmに
設定することにより、電気機械結合係数、音速、温度依
存性とも、単結晶圧電薄板21の41度Y−カット、X
軸伝搬の単結晶ニオブ酸リチウムの値とも、単結晶圧電
基板13の45度X−カット、Z軸伝搬の単結晶ほう酸
リチウムとも異なる値が得られる。
結晶圧電薄板21の厚みを、1/2波長から1波長程度
に設定すると、電気機械結合係数が5%で、音速が35
00m/秒、温度依存性が30ppm/℃程度の値が得
られる。この場合、電気機械結合係数、音速、温度依存
性とも、もとのそれぞれの圧電体の中間の値が得られる
ことにより、非常に温度依存性の少ないフィルタに適し
た表面弾性波素子となる。
板21の厚みが特に1/4波長から1波長の間が著しい
が、単結晶圧電薄板の厚みが3波長程度でも効果が認め
られる。
果を示すものである。以上単結晶圧電体として、ニオブ
酸リチウム、タンタル酸リチウム、ほう酸リチウム、水
晶の特定の組合せのみを示したが、これ以外の種々の組
合せにおいても、その組合せに応じて種々の電気機械結
合係数、音速、温度依存性をもった複合単結晶圧電基板
が得られる。
造の第2の実施例の斜視図を図7(a)に、また斜視図
7(a)の、A−A’部断面構造を、図7(b)に示
す。
は実施例1と同様、それぞれ単結晶圧電基板、単結晶圧
電薄板、単結晶圧電薄板20の上に形成された櫛形電極
である。櫛形電極はここでもやはり簡略化して表示して
いる。40は、単結晶圧電基板10と単結晶圧電薄板2
0の間に形成された無機薄膜層である。
は、実施例1と同様、例えば単結晶圧電体であるニオブ
酸リチウム、タンタル酸リチウム、ほう酸リチウム、水
晶が適している。
化珪素などの珪素化合物、ほう珪酸化合物などの珪酸化
合物が適している。無機薄膜層の厚みは、使用する表面
弾性波の波長にたいして十分薄い方が好ましく、具体的
には1/2波長以下が好ましい。
と同様、櫛形電極30に高周波信号を入れることによ
り、その近傍の圧電部に表面弾性波が励振され、それが
積層構造を経て、他方の櫛形電極30’に伝搬して、櫛
形電極30’下部の圧電部で再び電気信号に変換される
ものである。 ここでは櫛形電極を用いた表面弾性波素
子の基本構成を示したもので、実際に高周波フィルタや
共振子にする場合には、櫛形電極の数を増したり、構成
を変えたりする。
は、すくなくとも前記圧電体の一方の基板表面に、無機
薄膜層を有し、それぞれの無機薄膜層および基板表面を
平坦化、鏡面化、清浄化、親水化処理して、重ね合わせ
熱処理することにより直接接合されて積層されたもので
ある。
と同様である。本実施例における直接接合の製造プロセ
スについて説明する。
晶のニオブ酸リチウム、タンタル酸リチウム、ほう酸リ
チウム、水晶を用いた場合について説明する。
窒化珪素、ほう珪酸ガラスを用いた場合について説明す
る。
面を平坦化、鏡面化、洗浄する。必要に応じてエッチン
グにより表面層を除去する。
基板の接合予定表面に、薄膜技術により無機薄膜層を形
成する。無機薄膜層は、上記材料について、いずれもス
パッタリング、化学気相成長法、真空蒸着により形成で
きる。膜厚は、使用する表面弾性波の波長よりも十分薄
くする。具体的には使用する表面弾性波の1/2波長以
下、さらに好ましくは1/10波長以下、例えば0.1
−1μm程度である。
面を、必要に応じ(無機薄膜層形成前に平坦化、鏡面
化、清浄化を行っているので、無機薄膜層が良好に形成
されておれば不要)平坦化、鏡面化したのち、親水化処
理する。以後の処理は、実施例1と同様である。
素溶液に浸すことにより、表面に水酸基が容易に付着す
るようになり親水化される。次に純水で十分洗浄する。
これにより各基板表面に水酸基が付着する。この状態で
2枚の基板を重ね合わせると、主として水酸基のファン
ーデアーワールス力により2枚の基板が吸着する。この
状態でも強固な接着状態となるが、さらにこの状態で、
100℃以上の温度で数10分から数10時間熱処理す
ることにより、界面から水構成成分が次第に抜けてい
く。これに伴い、水酸基の水素結合主体の結合から酸素
や水素、また基板構成原子のかかわる結合が進み、基板
構成原子同士の接合が序々に始まり接合は非常に強化さ
れる。特に無機薄膜層として、珪素を含有しており、さ
らに酸素が周辺に十分存在するので、共有結合が進み、
結合が強化される。
0℃の範囲で、用いる圧電体の特性が失われない範囲が
好ましい。
接合が原子オーダーの精度で接合されているから、表面
弾性波伝搬に対する損失が極めて少ない。また無機薄膜
層の厚みは、使用する表面弾性波の波長に比べて十分薄
くした場合、無機薄膜層での表面弾性波の損失も極めて
少なく、実質上問題とならない。したがって直接接合の
利点は、実施例1と同様である。
接接合界面に無機薄膜層があることである。このことに
より、2つの利点が得られる。
があっても、直接接合時に、ゴミがこの無機薄膜層の中
にとりこまれるため、接合時の製造歩留まりが向上す
る。
に容易に埋め込むことができることから、表面弾性波素
子としての設計の自由度がさらに増すことである。
んだ構造の実施例を示したものである。
ぞれ単結晶圧電基板および単結晶圧電薄板である。3
1、31’は、無機薄膜層40の中に埋め込まれた櫛形
電極である。櫛形電極は、下の基板側に形成されてい
る。また櫛形電極の端部は、図示してないが外部回路と
接続できるように露出している。
側に形成した例である。図8(c)は、図8(a)の構
成において、単結晶圧電薄板上面に接地電極35を設け
た例である。
て、単結晶圧電薄板上面に接地電極35を設けた例であ
る。
電極35’を、無機薄膜層内に形成した例である。
定性的には以下のようになる。基本的には、電界が、上
下の基板のおもにどこに集中するかに依存する。単結晶
圧電薄板に電界の集中しやすい順に示すと、図8
(e)、図7、図8(d)(c)、図8(b)(a)の
順となる。定性的には、ほぼこの順に、上下の基板の特
性を混合した圧電特性が積層構造の圧電特性として得ら
れる。
合、図7と同じ圧電体と厚みを用いても、表面弾性波励
振のされ方が異なり、当然、図7の圧電特性と異なる圧
電特性が得られる。具体的には、例えば、電気機械結合
係数が大きくなるという効果が得られる。
板の表面を、平坦化、鏡面化、清浄化した後、櫛形電極
を形成し、その上に上記した如く、各種薄膜技術によ
り、無機薄膜層を形成し、以下前述の製造プロセスによ
り直接接合することにより得られる。櫛形電極を埋め込
む場合は、無機薄膜層は十分高抵抗でなければならな
い。
圧電基板10と単結晶圧電薄板20の圧電特性、音速、
温度依存性、熱膨張率を適当に組み合わせることによ
り、設計自由度の大きい種々の複合単結晶圧電基板から
なる表面弾性波素子が得られる。
る第1の具体的実施例の構造を示したもので、単結晶圧
電基板にタンタル酸リチウムを、単結晶圧電薄板にニオ
ブ酸リチウムを、無機薄膜層に珪素を用いた例である。
11は、36度Y−カット、X軸伝搬の単結晶タンタル
酸リチウムからなるは単結晶圧電基板、21は、41度
Y−カット、X軸伝搬の単結晶ニオブ酸リチウムからな
る単結晶圧電薄板である。また41はスパッタリングま
たは化学気相成長法または真空蒸着により単結晶圧電基
板11の上に形成した珪素(非晶質または多結晶)層で
ある。
面で、前述の直接接合により複合化されている。30、
30’は、(実施例1−1)と同様、単結晶圧電薄板2
1の上に設けた櫛形電極である。ここでは簡略化して表
示してある。
十分薄く(1/2波長以下、さらに好ましくは1/10
波長以下)することにより、圧電特性の設計自由度とし
ては、(実施例1−1)とほぼ同様の効果が得られる。
あることにより、前述の如く製造上有利であり、また電
極配置の自由度が増す。
ける第2の具体的実施例の構造を示したもので、単結晶
圧電基板に水晶(単結晶)を、単結晶圧電薄板にニオブ
酸リチウムを、無機薄膜層に酸化珪素または窒化珪素を
用いた例である。
ト、X軸伝搬の水晶からなるは単結晶圧電基板、21
は、41度Y−カット、X軸伝搬の単結晶ニオブ酸リチ
ウムからなる単結晶圧電薄板である。また42はスパッ
タリングまたは化学気相成長法または真空蒸着により、
単結晶圧電基板12の上に形成した酸化珪素(非晶質)
または窒化珪素(非晶質)層である。
化珪素層42との界面で、前述の直接接合により複合化
されている。30、30’は、(実施例2−1)と同
様、単結晶圧電薄板21の上に設けた櫛形電極である。
ここでは簡略化して表示してある。
十分薄く(1/2波長以下、さらに好ましくは1/10
波長以下)することにより、圧電特性の設計自由度とし
ては、(実施例1−2)とほぼ同様の効果が得られる。
あることにより、前述の如く製造上有利であり、また電
極配置の自由度が増す。
ける第3の具体的実施例の構造を示したもので、単結晶
圧電基板に水晶(単結晶)を、単結晶圧電薄板にタンタ
ル酸リチウムを、無機薄膜層にほう珪酸系ガラスを用い
た例である。
1)と同様、43度Y−カット、X軸伝搬の水晶からな
るは単結晶圧電基板、22は、36度Y−カット、X軸
伝搬の単結晶タンタル酸リチウムからなる単結晶圧電薄
板である。また43はスパッタリングまたは化学気相成
長法または真空蒸着により、単結晶圧電基板12の上に
形成したほう珪酸系ガラス層である。
43との界面で、前述の直接接合により複合化されてい
る。30、30’は、(実施例2−1)と同様、単結晶
圧電薄板22の上に設けた櫛形電極である。ここでは簡
略化して表示してある。
十分薄く(1/2波長以下、さらに好ましくは1/10
波長以下)することにより、圧電特性の設計自由度とし
ては、(実施例1−3)とほぼ同様の効果が得られる。
あることにより、前述の如く製造上有利であり、また電
極配置の自由度が増す。
ける第4の具体的実施例の構造を示したもので、単結晶
圧電基板に単結晶ほう酸リチウムを、単結晶圧電薄板に
単結晶ニオブ酸リチウムを、無機薄膜層に酸化珪素また
は窒化珪素層を用いた例である。
ト、Z軸伝搬の単結晶ほう酸リチウムからなるは単結晶
圧電基板、21は、41度Y−カット、X軸伝搬の単結
晶ニオブ酸リチウムからなる単結晶圧電薄板である。
成長法または真空蒸着により、単結晶圧電基板13の上
に形成した酸化珪素(非晶質)または窒化珪素(非晶
質)層である。
化珪素層42との界面で、前述の直接接合により複合化
されている。30、30’は、(実施例2−1)と同
様、単結晶圧電薄板21の上に設けた櫛形電極である。
ここでは簡略化して表示してある。
十分薄く(1/2波長以下、さらに好ましくは1/10
波長以下)することにより、圧電特性の設計自由度とし
ては、(実施例1−4)とほぼ同様の効果が得られる。
あることにより、前述の如く製造上有利であり、また電
極配置の自由度が増す。
ム、タンタル酸リチウム、ほう酸リチウム、水晶、無機
薄膜層として、珪素、酸化珪素や窒化珪素、ほう珪酸系
ガラスの特定の組合せのみを示したが、これ以外の種々
の組合せにおいても、その組合せに応じて種々の電気機
械結合係数、音速、温度依存性をもった複合単結晶圧電
基板が得られる。
造の第3の実施例の斜視図を図13(a)に、また斜視
図13(a)の、A−A’部断面構造を、図13(b)
に示す。
は単結晶圧電薄板、30、30’は単結晶圧電薄板20
の上に設けた櫛形電極である。櫛形電極はここでは簡略
化して表示している。
音速の遅い基板、熱膨張率の小さい基板、またはほう
素、非晶質炭素、グラファイトなどの音速の速い基板で
あり、単結晶圧電薄板20は、例えば単結晶圧電体であ
るニオブ酸リチウム、タンタル酸リチウム、ほう酸リチ
ウム、水晶が適している。
と同様、櫛形電極30に高周波信号を入れることによ
り、その近傍の圧電部に表面弾性波が励振され、それが
積層構造を経て、他方の櫛形電極30’に伝搬して、櫛
形電極30’下部の圧電部で再び電気信号に変換される
ものである。
の基本構成を示したもので、実際に高周波フィルタや共
振子にする場合には、櫛形電極の数を増したり、構成を
変えたりする。
それぞれの表面を、平坦化、鏡面化、清浄化、親水化処
理して、重ね合わせ熱処理することにより直接接合され
て積層されたものである。
と同様である。次に本実施例における製造プロセスにつ
いて説明する。
ガラス、またはほう素、非晶質炭素、グラファイトを、
圧電体として、単結晶のニオブ酸リチウム、タンタル酸
リチウム、ほう酸リチウム、水晶を用いた場合について
説明する。
電体表面を、平坦化、鏡面研磨し、洗浄する。必要に応
じてエッチングにより表面層を除去する。ニオブ酸リチ
ウム、タンタル酸リチウム、水晶のエッチングには弗酸
系エッチング液を用いる。ほう酸リチウムの場合には弱
酸でよい。非圧電基板表面も弗酸系溶液で洗浄する。
スは、実施例1と同様である。具体的には、例えばアン
モニアー過酸化水素溶液に浸すことにより、表面に水酸
基が容易に付着するようになり親水化される。次に純水
で十分洗浄する。これにより各基板表面に水酸基が付着
する。この状態で2枚の基板を重ね合わせると、主とし
て水酸基のファンーデアーワールス力により2枚の基板
が吸着する。この状態でも強固な接着状態となるが、さ
らにこの状態で、100℃以上の温度で数10分から数
10時間熱処理することにより、界面から水構成成分が
次第に抜けていく。これに伴い、水酸基の水素結合主体
の結合から酸素や水素、また基板構成原子のかかわる結
合が進み、基板構成原子同士の接合が序々に始まり接合
は非常に強化される。特に珪素や炭素、酸素がある場
合、共有結合が進み、結合が強化される。
0℃の範囲で、用いる圧電体の特性が失われない範囲が
好ましい。また酸化やすいものの場合は、非酸化性雰囲
気で熱処理することが必要となる。
が格子すなわち原子オーダーの精度で接合されているこ
とから表面弾性波伝搬に対する損失が極めて少ない。
種基板の上に薄膜技術で形成したものであってもよい。
その膜厚が、使用する表面弾性波の波長よりも十分厚け
ればよい。
音速、熱膨張率と、単結晶圧電薄板20の圧電特性、音
速、温度依存性、熱膨張率を適当に組み合わせることに
より、設計自由度の大きい種々の複合圧電基板からなる
表面弾性波素子が得られる。
ける第1の具体的実施例の構造を示したもので、非圧電
基板に音速の遅いガラスを、単結晶圧電薄板に単結晶ニ
オブ酸リチウムを用いた例である。
ト、X軸伝搬の単結晶ニオブ酸リチウムからなるは単結
晶圧電基板、51は、ほう珪酸鉛系ガラスで、非圧電基
板51と単結晶圧電薄板21は、前述の直接接合により
複合化されている。
で、実施例1と同様の基本構成例を示したものである。
ブ酸リチウムの電気機械結合係数は17.2%、音速は
4792m/秒、ほう珪酸鉛系ガラス基板の音速は10
00−2000m/秒である。
晶圧電薄板の厚みを、用いる表面弾性波の波長に応じて
適当な厚みに設定してやることにより、実質的な電気機
械結合係数と音速が、用いた圧電体とは異なる特性が得
られる。
る場合、櫛形電極の間隔を1/4波長で約2.5μm
(音速を2000m/秒と考える)とし、単結晶圧電薄
板21の厚みを1/4波長から1波長である、2.5−
10μmに設定することにより、電気機械結合係数、音
速とも、単結晶圧電薄板21の41度Y−カット、X軸
伝搬の単結晶ニオブ酸リチウムの値とも、非圧電基板5
1のほう珪酸鉛ガラス基板とも異なる値が得られる。
結晶圧電薄板21の厚みを、1/2波長から1波長程度
に設定すると、電気機械結合係数が1−5%で、音速が
1500−2500m/秒、程度の値が得られる。この
場合、電気機械結合係数、音速とも、もとのそれぞれの
基板の中間の値が得られることにより、電気機械結合係
数は比較的大きくて、音速の比較的遅い特性が得られる
ことから、低周波のフィルタや遅延線に適した表面弾性
波素子となる。
板21の厚みが特に1/2波長から1波長の間が著し
い。
すものである。 (実施例3−2)図15は、実施例3における第2の具
体的実施例の構造を示したもので、非圧電基板に、音速
の速い、ほう素または非晶質炭素またはグラファイト
を、単結晶圧電薄板にニオブ酸リチウムを用いた例であ
る。
ト、X軸伝搬の単結晶ニオブ酸リチウムからなるは単結
晶圧電基板、52は、非圧電基板で、ほう素または非晶
質炭素またはグラファイトである。非圧電基板52と単
結晶圧電薄板21は、前述の直接接合により複合化され
ている。
で、実施例1と同様の基本構成例を示したものである。
ブ酸リチウムの電気機械結合係数は17.2%、音速は
4792m/秒、非圧電基板の音速は、ほう素が10,
000m/秒、非晶質炭素が約10,000m/秒、グ
ラファイトが10,000−15,000m/秒であ
る。
晶圧電薄板の厚みを、用いる表面弾性波の波長に応じて
適当な厚みに設定してやることにより、実質的な電気機
械結合係数と音速が、用いた圧電体とは異なる特性が得
られる。
る場合、櫛形電極の間隔を各非圧電基板の音速の1/4
波長とし、単結晶圧電薄板21の厚みを1/4波長から
1波長に設定することにより、電気機械結合係数、音速
とも、単結晶圧電薄板21の41度Y−カット、X軸伝
搬の単結晶ニオブ酸リチウムの値とも、非圧電基板52
とも異なる値が得られる。
結晶圧電薄板21の厚みを、1/2波長から1波長程度
に設定すると、電気機械結合係数が1−5%で、音速が
5000−12000m/秒程度の値が得られる。この
場合、電気機械結合係数、音速とも、もとのそれぞれの
基板の中間の値が得られることにより、電気機械結合係
数は比較的大きくて、音速の速い特性が得られることか
ら、高周波のフィルタに適した表面弾性波素子となる。
板21の厚みが特に1/4波長から1波長の間が著し
い。
すものである。 (実施例3−3)図16は、実施例3における第3の具
体的実施例の構造を示したもので、単結晶圧電薄板にニ
オブ酸リチウムを、非圧電基板に、熱膨張率が単結晶圧
電薄板よりもの小さいガラスを用いた例である。
ト、X軸伝搬の単結晶ニオブ酸リチウムからなるは単結
晶圧電基板、53は、非圧電基板で、熱膨張率の小さい
ガラスである。非圧電基板53と単結晶圧電薄板21
は、前述の直接接合により複合化されている。
で、実施例1と同様の基本構成例を示したものである。
厚みが、使用する表面波の波長より厚くてもかまわな
い。
に用いる材料の熱膨張率を、単結晶圧電薄板21に用い
る材料の熱膨張率よりも小さいものに選ぶことにより、
温度依存性に優れた表面弾性波素子が得られる。
μmのニオブ酸リチウムを用い(熱膨張率は結晶方位に
よって異なり、7.5−15ppm/℃である)、ガラ
ス基板として厚み1mm、熱膨張率が4ppm/℃のも
のを選ぶことにより、圧電体の厚みが、使用する表面弾
性波の波長の数倍以上あっても、電気機械結合係数を落
とすことなく、温度依存性を、10−20%改善するこ
とができる。
53が直接接合により、原子オーダーレベルで結合され
ているので、温度の上昇により、熱膨張率の差の基づく
圧縮応力が単結晶圧電薄板21に加わり、温度依存性が
改善されたものと考えられる。
率の小さい保持基板を用いることにより、電気機械結合
係数はほぼ同じでありながら、温度特性の改善された表
面弾性波素子を得ることができる。
4−16ppm/℃、ほう酸リチウムの熱膨張率は、4
−13ppm/℃、水晶の熱膨張率は、7.5−14p
pm/℃であり、これに対してガラス基板は熱膨張率が
4−10ppm/℃のものが自由に選べる。したがって
単結晶圧電基板に、特定の結晶方位を向いたタンタル酸
リチウム、ほう酸リチウム、水晶などを用い、その結晶
方位の熱膨張率よりも熱膨張率の小さいガラス基板を用
いる事により、本実施例と同様の効果が得られる。上記
効果を得るのに、保持する側の基板が非圧電基板である
必要はない。
ム、タンタル酸リチウム、ほう酸リチウム、水晶を用
い、非圧電基板として、ガラス、ほう素、非晶質炭素、
グラファイトの特定の組合せのみを示したが、これ以外
の種々の組合せにおいても、その組合せに応じて種々の
電気機械結合係数、音速、温度依存性をもった複合単結
晶圧電基板が得られる。
造の第4の実施例の斜視図を図17(a)に、また斜視
図17(a)の、A−A’部断面構造を、図17(b)
に示す。
0は実施例3と同様、それぞれ単結晶圧電薄板、単結晶
圧電薄板20の上に形成された櫛形電極、非圧電基板で
ある。櫛形電極はここでもやはり簡略化して表示してい
る。40は、非圧電基板50と単結晶圧電薄板20の間
に形成された無機薄膜層である。
ば、ほう素、非晶質炭素、グラファイトなどの音速の速
い基板、またはガラスなどの音速の遅い基板、熱膨張率
の小さい基板であり、単結晶圧電薄板20は、実施例3
と同様、例えば単結晶圧電体であるニオブ酸リチウム、
タンタル酸リチウム、ほう酸リチウム、水晶が適してい
る。
素や酸化珪素、窒化珪素などの珪素化合物、ほう珪酸化
合物などの珪酸化合物が適している。無機薄膜層の厚み
は、使用する表面弾性波の波長にたいして十分薄い方が
好ましく、具体的には1波長以下とくに1/10波長以
下が好ましい。
と同様、櫛形電極30に高周波信号を入れることによ
り、その近傍の圧電部に表面弾性波が励振され、それが
積層構造を経て、他方の櫛形電極30’に伝搬して、櫛
形電極30’下部の圧電部で再び電気信号に変換される
ものである。 ここでは櫛形電極を用いた表面弾性波素
子の基本構成を示したもので、実際に高周波フィルタや
共振子にする場合には、櫛形電極の数を増したり、構成
を変えたりする。
すくなくとも前記基板の一方の表面に、無機薄膜層を有
し、それぞれの無機薄膜層および基板表面を、平坦化、
鏡面化、清浄化して親水化処理し、重ね合わせ熱処理す
ることにより直接接合されて積層されたものである。
と同様である。本実施例における直接接合の製造プロセ
スについて説明する。
晶のニオブ酸リチウム、タンタル酸リチウム、ほう酸リ
チウム、水晶を、絶縁体として、ガラス、ほう素、非晶
質炭素、グラファイトを、また無機薄膜層として、珪
素、酸化珪素、窒化珪素、ほう珪酸ガラスを用いた場合
について説明する。
基板表面を、平坦化、鏡面研磨し、洗浄する。必要に応
じてエッチングにより表面層を除去する。ニオブ酸リチ
ウム、タンタル酸リチウム、水晶のエッチングには弗酸
系エッチング液を用いる。ほう酸リチウムの場合には弱
酸でよい。ガラス、ほう素、非晶質炭素、グラファイト
は弗酸系を用いる。
板の接合予定表面に、薄膜技術により無機薄膜層を形成
する。無機薄膜層は、上記材料について、いずれもスパ
ッタリング、化学気相成長法、真空蒸着により形成でき
る。膜厚は、使用する表面弾性波の波長よりも十分薄く
する(1/2波長以下、さらに好ましくは1/10波長
以下)。例えば0.1−1μm程度である。
面を、平坦化、鏡面化、清浄化する。無機薄膜層形成前
の基板表面状態が、十分平坦で鏡面化され、清浄になっ
ていれば、必ずしもあらためて処理する必要はない。つ
いで各表面を親水化処理する。以下の処理は、実施例3
と同様である。
素溶液に浸すことにより、表面に水酸基が容易に付着す
るようになり親水化される。次に純水で十分洗浄する。
これにより各基板表面に水酸基が付着する。この状態で
2枚の基板を重ね合わせると、主として水酸基のファン
ーデアーワールス力により2枚の基板が吸着する。この
状態でも強固な接着状態となるが、さらにこの状態で、
100℃以上の温度で数10分から数10時間熱処理す
ることにより、界面から水構成成分が次第に抜けてい
く。これに伴い、水酸基の水素結合主体の結合から酸素
や水素、また基板構成原子のかかわる結合が進み、基板
構成原子同士の接合が序々に始まり接合は非常に強化さ
れる。特に無機薄膜層として、珪素を含有しており、さ
らに酸素が周辺に十分存在するので、共有結合が進み、
結合が強化される。
0℃の範囲で、用いる圧電体の特性が失われない範囲が
好ましい。
接合が原子オーダーの精度で接合されているから、表面
弾性波伝搬に対する損失が極めて少ない。また無機薄膜
層の厚みは、使用する表面弾性波の波長に比べて十分薄
いので、無機薄膜層での表面弾性波の損失も極めて少な
く、実質上問題とならない。したがって直接接合の利点
は、実施例1と同様である。
接接合界面に無機薄膜層があることである。このことに
より、実施例2と同様2つの利点が得られる。
があっても、直接接合時に、ゴミがこの無機薄膜層の中
にとりこまれるため、接合時の製造歩留まりが向上す
る。
に容易に埋め込むことができることから、表面弾性波素
子としての設計の自由度がさらに増すことである。
込んだ構造の実施例を示したものである。
れぞれ非圧電基板および単結晶圧電薄板である。31、
31’は、無機薄膜層40の中に埋め込まれた櫛形電極
である。櫛形電極は、下の基板側に形成されている。ま
た櫛形電極の端部は、図示してないが外部回路と接続で
きるように露出している。
板側に形成した例である。図18(c)は、図18
(a)の構成において、単結晶圧電薄板上面に接地電極
35を設けた例である。
いて、単結晶圧電薄板上面に接地電極35を設けた例で
ある。
接地電極35’を、無機薄膜層内に形成した例である。
実施例2と同様であり、定性的には以下のようになる。
基本的には、電界が、上下の基板のおもにどこに集中す
るかに依存する。単結晶圧電薄板に電界の集中しやすい
順に示すと、図18(e)、図17、図18(d)
(c)、図18(b)(a)の順となる。定性的には、
ほぼこの順に、上下の基板の特性を混合した圧電特性が
積層構造の圧電特性として得られる。
合、図17と同じ圧電体と厚みを用いても、表面弾性波
励振のされ方が異なり、当然、図17の圧電特性と異な
る圧電特性が得られる。具体的には、例えば、電気機械
結合係数が大きくなるという効果が得られる。
もしくは単結晶圧電基板の表面を、平坦化、鏡面研磨
し、清浄化した後、櫛形電極を形成し、その上に、上記
した如く、各種薄膜技術により、無機薄膜層を形成し、
以下前述の製造プロセスにより直接接合することにより
得られる。
圧電基板50と単結晶圧電薄板20の圧電特性、音速、
温度依存性、熱膨張率を適当に組み合わせることによ
り、設計自由度の大きい種々の複合単結晶圧電基板から
なる表面弾性波素子が得られる。
ける第1の具体的実施例の構造を示したもので、非圧電
基板に音速の遅いガラスを、単結晶圧電薄板に単結晶ニ
オブ酸リチウムを、無機薄膜層に珪素を用いた例であ
る。
ト、X軸伝搬の単結晶ニオブ酸リチウムからなるは単結
晶圧電薄板、51は、ほう珪酸鉛系ガラスである。41
はスパッタリングまたは化学気相成長法または真空蒸着
により非圧電基板51の上に形成した珪素(非晶質また
は多結晶)である。
で、単結晶圧電薄板21と前述の直接接合により複合化
されている。
で、実施例1と同様の基本構成例を示したものである。
厚みが、使用する表面弾性波の波長に比較して十分薄け
れば(1/2波長以下、さらに好ましくは1/10波長
以下)、実施例(3−1)とほぼ同様の効果が得られ
る。
ける第2の具体的実施例の構造を示したもので、非圧電
基板に、音速の速いほう素または非晶質炭素またはグラ
ファイトを、単結晶圧電薄板に単結晶ニオブ酸リチウム
を、無機薄膜層に酸化珪素または窒化珪素を用いた例で
ある。
ト、X軸伝搬の単結晶ニオブ酸リチウムからなるは単結
晶圧電基板、52は、非圧電基板で、ほう素または非晶
質炭素またはグラファイト、42はスパッタリングまた
は化学気相成長法または真空蒸着により、非圧電基板5
2の上に形成した酸化珪素(非晶質)または窒化珪素
(非晶質)層である。
42の無機薄膜層を介して、前述の直接接合により複合
化されている。
で、実施例1と同様の基本構成例を示したものである。
厚みが、使用する表面弾性波の波長に比較して十分薄け
れば(1/2波長以下、さらに好ましくは1/10波長
以下)、実施例(3−2)とほぼ同様の効果が得られ
る。
ける第3の具体的実施例の構造を示したもので、単結晶
圧電薄板にニオブ酸リチウムを、非圧電基板に、熱膨張
率が単結晶圧電薄板よりもの小さいガラスを、無機薄膜
層にほう珪酸化合物を用いた例である。
ト、X軸伝搬の単結晶ニオブ酸リチウムからなるは単結
晶圧電基板、53は、非圧電基板で、熱膨張率の小さい
ガラスである。43は、スパッタリングまたは化学気相
成長法または真空蒸着により非圧電基板53の上に形成
したほう珪酸ガラス層である。
ほう珪酸ガラス層43を介して、前述の直接接合により
複合化されている。
で、実施例1と同様の基本構成例を示したものである。
厚みが、使用する表面弾性波の波長に比較して十分薄け
れば(1/2波長以下、さらに好ましくは1/10波長
以下)、実施例(3−3)とほぼ同様の効果が得られ
る。上記効果を得るのに、保持する側の基板が非圧電基
板である必要はない。
ム、タンタル酸リチウム、ほう酸リチウム、水晶を用
い、非圧電基板として、ガラス、ほう素、非晶質炭素、
グラファイト、無機薄膜層として、珪素、酸化珪素や窒
化珪素他の珪素化合物の特定の組合せのみを示したが、
これ以外の種々の組合せにおいても、その組合せに応じ
て種々の電気機械結合係数、音速、温度依存性をもった
複合単結晶圧電基板が得られる。
板の直接接合で説明したが、さらに枚数を増して積層し
ても、同様の効果を得ることができる。
を一方の基板側にのみ形成する例で説明したが、両方の
基板表面に形成してもよい。
常の金属材料を用いることができる。
気機械結合係数、音速、温度依存性の組合せの自由度が
大幅に増し、特に電気機械結合係数が大きくて、温度依
存性の小さい表面弾性波素子が得られる。
せることにより、製造歩留まりが向上するとともに、電
極配置の構成の自由度が増すことにより、さらに圧電特
性の設計の自由度が増す。
の粒子構造を示す透過電子顕微鏡写真
成図
図
図
図
図
図
図
構成図
図
図
図
Claims (41)
- 【請求項1】複数の単結晶圧電基板からなり、前記単結
晶圧電基板同士が、それぞれの基板表面を平坦化、鏡面
化、清浄化、親水化処理して、重ね合わせ熱処理するこ
とにより直接接合されて積層されており、前記単結晶圧
電基板に表面弾性波を励振するための櫛形電極を設けた
ことを特徴とする表面弾性波素子。 - 【請求項2】積層された単結晶圧電基板の音速が異なる
ことを特徴とする請求項1記載の表面弾性波素子。 - 【請求項3】単結晶圧電基板のうち、表面弾性波励振部
分の単結晶圧電基板の音速の温度依存性が、前記他方の
単結晶圧電基板の音速の温度依存性よりも大きいことを
特徴とする請求項1記載の表面弾性波素子。 - 【請求項4】単結晶圧電基板のうち、表面弾性波励振部
分の単結晶圧電基板の電気機械結合係数が、前記他方の
単結晶圧電基板の電気機械結合係数よりも大きいことを
特徴とする請求項1記載の表面弾性波素子。 - 【請求項5】単結晶圧電基板がニオブ酸リチウムまたは
タンタル酸リチウムまたはほう酸リチウムまたは水晶の
群より選ばれた組合せであることを特徴とする請求項1
から4のいずれかに記載の表面弾性波素子。 - 【請求項6】表面弾性波を励振する単結晶圧電基板がニ
オブ酸リチウムであり、他方の単結晶圧電基板が水晶で
あることを特徴とする請求項5記載の表面弾性波素子。 - 【請求項7】表面弾性波を励振する単結晶圧電基板の厚
みが使用する表面弾性波の波長の3波長以下の厚みであ
ることを特徴とする請求項1から6のいずれかに記載の
表面弾性波素子。 - 【請求項8】複数の単結晶圧電基板からなり、前記単結
晶圧電基板同士が、すくなくとも前記一方の基板表面
に、無機薄膜層を有し、それぞれの無機薄膜層および基
板表面を平坦化、鏡面化、清浄化、親水化して、重ね合
わせ熱処理することにより直接接合されて積層されてお
り、前記単結晶圧電基板に表面弾性波を励振するための
櫛形電極を設けたことを特徴とする表面弾性波素子。 - 【請求項9】無機薄膜層の厚みが使用する表面弾性波の
波長の1/2波長以下の厚みであることを特徴とする請
求項8記載の表面弾性波素子。 - 【請求項10】無機薄膜層が珪素または珪素化合物であ
ることを特徴とする請求項8記載の表面弾性波素子。 - 【請求項11】櫛形電極を無機薄膜層と単結晶圧電基板
の界面に設けたことを特徴とする請求項8記載の表面弾
性波素子。 - 【請求項12】接地電極を無機薄膜層と単結晶圧電基板
の界面に設けたことを特徴とする請求項8記載の表面弾
性波素子。 - 【請求項13】接地電極を単結晶圧電基板の表面に設け
たことを特徴とする請求項11記載の表面弾性波素子。 - 【請求項14】珪素化合物が酸化珪素または窒化珪素で
あることを特徴とする請求項8記載の表面弾性波素子。 - 【請求項15】積層された単結晶圧電基板の音速が異な
ることを特徴とする請求項8記載の表面弾性波素子。 - 【請求項16】単結晶圧電基板のうち、表面弾性波励振
部分の単結晶圧電基板の音速の温度依存性が、前記他の
部分の単結晶圧電基板の音速の温度依存性よりも大きい
ことを特徴とする請求項8記載の表面弾性波素子。 - 【請求項17】単結晶圧電基板のうち、表面弾性波励振
部分の単結晶圧電基板の電気機械結合係数が、前記他の
部分の単結晶圧電基板の電気機械結合係数よりも大きい
ことを特徴とする請求項8記載の表面弾性波素子。 - 【請求項18】単結晶圧電基板がニオブ酸リチウムまた
はタンタル酸リチウムまたはほう酸リチウムまたは水晶
であることを特徴とする請求項8記載の表面弾性波素
子。 - 【請求項19】表面弾性波を励振する単結晶圧電基板が
ニオブ酸リチウムであり、他方の単結晶圧電基板が水晶
であることを特徴とする請求項8記載の表面弾性波素
子。 - 【請求項20】表面弾性波を励振する単結晶圧電基板の
厚みが使用する表面弾性波の波長の3波長以下の厚みで
あることを特徴とする請求項8記載の表面弾性波素子。 - 【請求項21】少なくとも1つの単結晶圧電基板と非圧
電基板からなり、前記単結晶圧電基板と前記非圧電基板
が、それぞれの基板表面を、平坦化、鏡面化、清浄化、
親水化処理して、重ね合わせ熱処理することにより直接
接合されて積層されており、前記単結晶圧電基板に表面
弾性波を励振するための櫛形電極を設けたことを特徴と
する表面弾性波素子。 - 【請求項22】単結晶圧電基板の音速が、非圧電基板の
音速よりも遅いことを特徴とする請求項21記載の表面
弾性波素子。 - 【請求項23】単結晶圧電基板の音速が、非圧電基板の
音速よりも速いことを特徴とする請求項21記載の表面
弾性波素子。 - 【請求項24】単結晶圧電基板がニオブ酸リチウムまた
はタンタル酸リチウムまたはほう酸リチウムまたは水晶
であることを特徴とする請求項21記載の表面弾性波素
子。 - 【請求項25】非圧電基板が、ほう素または非晶質炭素
またはグラファイトであることを特徴とする請求項21
記載の表面弾性波素子。 - 【請求項26】単結晶圧電基板の厚みが使用する表面弾
性波の波長の1波長以下の厚みであることを特徴とする
請求項21から26のいずれかに記載の表面弾性波素
子。 - 【請求項27】単結晶圧電基板の熱膨張率が非圧電基板
の熱膨張率よりも大きいことを特徴とする請求項21記
載の表面弾性波素子。 - 【請求項28】少なくとも1つの単結晶圧電基板と非圧
電基板からなり、前記単結晶圧電基板と前記非圧電基板
が、すくなくとも前記基板の一方の表面に、無機薄膜層
を有し、前記無機薄膜層および基板表面を、平坦化、鏡
面化、清浄化、親水化処理して、重ね合わせ熱処理する
ことにより直接接合されて積層されており、前記単結晶
圧電基板に表面弾性波を励振するための櫛形電極を設け
たことを特徴とする表面弾性波素子。 - 【請求項29】無機薄膜層の厚みが使用する表面弾性波
の波長の1/2波長以下の厚みであることを特徴とする
請求項28記載の表面弾性波素子。 - 【請求項30】無機薄膜層が珪素または珪素化合物であ
ることを特徴とする請求項28記載の表面弾性波素子。 - 【請求項31】櫛形電極を無機薄膜層と単結晶圧電基板
の界面に設けたことを特徴とする請求項28記載の表面
弾性波素子。 - 【請求項32】櫛形電極を無機薄膜層と非圧電基板の界
面に設けたことを特徴とする請求項28記載の表面弾性
波素子。 - 【請求項33】接地電極を無機薄膜層と非圧電基板の界
面に設けたことを特徴とする請求項28記載の表面弾性
波素子。 - 【請求項34】接地電極を単結晶圧電基板の表面に設け
たことを特徴とする請求項31または32記載の表面弾
性波素子。 - 【請求項35】珪素化合物が酸化珪素または窒化珪素で
あることを特徴とする請求項28記載の表面弾性波素
子。 - 【請求項36】単結晶圧電基板の音速が、非圧電基板の
音速よりも遅いことを特徴とする請求項28記載の表面
弾性波素子。 - 【請求項37】単結晶圧電基板の音速が、非圧電基板の
音速よりも速いことを特徴とする請求項28記載の表面
弾性波素子。 - 【請求項38】単結晶圧電基板がニオブ酸リチウムまた
はタンタル酸リチウムまたはほう酸リチウムまたは水晶
であることを特徴とする請求項28記載の表面弾性波素
子。 - 【請求項39】非圧電基板が、ほう素または非晶質炭素
またはグラファイトであることを特徴とする請求項28
記載の表面弾性波素子。 - 【請求項40】単結晶圧電基板の厚みが使用する表面弾
性波の波長の1波長以下の厚みであることを特徴とする
請求項28から39のいずれかに記載の表面弾性波素
子。 - 【請求項41】単結晶圧電基板の熱膨張率が非圧電基板
の熱膨張率よりも大きいことを特徴とする請求項28記
載の表面弾性波素子。
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