ラム波装置
【課題】周波数のばらつきが小さいラム波装置を提供する。
【解決手段】ラム波装置102は、圧電体薄膜106と、圧電体薄膜106の主面に設けられたIDT電極108と、IDT電極108及び圧電体薄膜106の積層体104を支持し、積層体104を離隔させるキャビティ180が形成された支持構造体122とを備える。圧電体薄膜106の膜厚h及びIDT電極108のフィンガー110のピッチpは、圧電体薄膜106の膜厚hに対する音速vの分散性が小さくなるラム波が目的の周波数において励振されるように選択される。
【解決手段】ラム波装置102は、圧電体薄膜106と、圧電体薄膜106の主面に設けられたIDT電極108と、IDT電極108及び圧電体薄膜106の積層体104を支持し、積層体104を離隔させるキャビティ180が形成された支持構造体122とを備える。圧電体薄膜106の膜厚h及びIDT電極108のフィンガー110のピッチpは、圧電体薄膜106の膜厚hに対する音速vの分散性が小さくなるラム波が目的の周波数において励振されるように選択される。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、圧電体薄膜にラム波を励振するラム波装置に関する。
【背景技術】
【0002】
特許文献1は、圧電体基板を除去加工して得られた圧電体薄膜に厚み縦振動又は厚み滑り振動を励振するバルク弾性波装置を開示している。このバルク弾性波装置では、圧電体薄膜の膜厚に周波数が反比例するため、周波数を高くするためには圧電体薄膜の膜厚を薄くしなければならない。例えば、周波数を数GHzにするためには、圧電体薄膜を構成する圧電材料にもよるが、圧電体薄膜の膜厚を概ね数μmにしなければならない。
【0003】
しかし、圧電体薄膜の膜厚が数μmにまで薄くなると、加工ばらつきによって生じる膜厚のばらつきが大きな周波数のばらつきの原因となるという問題を生じる。
【0004】
一方、特許文献2は、圧電体薄膜にラム波を励振するラム波装置を開示している。このラム波装置では、膜厚のばらつきが共振周波数のばらつきに与える影響は、先述のバルク弾性波装置の場合よりも小さくなる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0005】
【特許文献1】特開2007−228319号公報
【特許文献2】国際公開第2007−046236号パンフレット
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0006】
しかし、特許文献2のラム波装置においても、膜厚のばらつきが共振周波数のばらつきに与える影響は、無視することができる程度にはならない。これは、ラム波の音速が圧電体薄膜の膜厚に対する分散性を有しているからである。本発明は、この問題を解決するためになされたもので、周波数のばらつきが小さいラム波装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0007】
上記課題を解決するため、請求項1のラム波装置は、圧電体薄膜と、前記圧電体薄膜の主面に設けられたIDT電極と、前記圧電体薄膜及び前記IDT電極の積層体を支持する支持構造体と、を備え、波長λに対する前記圧電体薄膜の膜厚hの比h/λについての音速vの変化係数Δv/Δ(h/λ)の絶対値が2000m/s以下となるラム波が目的の周波数において励振されるように前記圧電体薄膜の膜厚h及び前記IDT電極のフィンガーのピッチpが選択される。
【0008】
請求項2のラム波装置は、請求項1のラム波装置において、ラム波の振動モードがS0モードである。
【0009】
請求項3のラム波装置は、請求項1又は請求項2のラム波装置において、前記支持構造体が、支持基板と、前記支持基板と前記積層体とを接合するとともに前記積層体の励振部を支持基板から離隔させるキャビティが形成された支持膜と、を備え、前記圧電体薄膜の前記支持構造体の側にある面のフッ化水素を含む溶液又はフッ化水素を含むガスに対する65℃におけるエッチングレートが前記支持膜の前記支持基板の側にある主面の1/2以下となるように前記圧電体薄膜の方位が選択される。
【0010】
請求項4のラム波装置は、請求項3に記載のラム波装置において、前記圧電体薄膜の前記支持構造体の側にある主面のフッ化水素を含む溶液又はフッ化水素を含むガスに対する65℃におけるエッチングレートが前記支持膜の前記支持基板の側にある主面の1/20以下となるように前記圧電体薄膜の方位が選択される。
【0011】
請求項5のラム波装置は、請求項1又は請求項2に記載のラム波装置において、前記支持構造体が、支持基板、を備え前記圧電体薄膜の前記支持構造体の側にある主面のフッ化水素を含む溶液又はフッ化水素を含むガスに対する65℃におけるエッチングレートが前記支持基板の前記圧電体薄膜の側とは反対の側にある主面の1/2以下となるように前記圧電体薄膜の方位が選択される。
【0012】
請求項6のラム波装置は、請求項5に記載のラム波装置において、前記圧電体薄膜の前記支持構造体の側にある主面のフッ化水素を含む溶液又はフッ化水素を含むガスに対するに対する65℃におけるエッチングレートが前記支持基板の前記圧電体薄膜の側とは反対の側にある主面の1/20以下となるように前記圧電体薄膜の方位が選択される。
【発明の効果】
【0013】
請求項1ないし請求項6の発明によれば、ラム波の音速に対する圧電体薄膜の膜厚の影響が小さくなるので、周波数のばらつきが小さくなる。
【0014】
請求項3ないし請求項6の発明によれば、支持構造体にキャビティを形成するときに圧電体薄膜がエッチングされることが抑制されるので、共振周波数のばらつきがさらに小さくなる。
【図面の簡単な説明】
【0015】
【図1】第1実施形態のラム波装置の分解斜視図である。
【図2】第1実施形態のラム波装置の断面図である。
【図3】圧電材料がニオブ酸リチウムである場合のS0モードの分散曲線である。
【図4】圧電材料がニオブ酸リチウムである場合のS0モードの分散曲線である。
【図5】圧電材料がニオブ酸リチウムである場合のA1モードの分散曲線である。
【図6】圧電材料がニオブ酸リチウムである場合のA0モードの分散曲線である。
【図7】圧電材料がタンタル酸リチウムである場合のS0モードの分散曲線である。
【図8】対称モードにおける圧電体薄膜の振動姿態を説明する断面図である。
【図9】反対称モードにおける圧電体薄膜の振動姿態を説明する断面図である。
【図10】比h/λ及び振動モードが周波数ばらつきに与える影響を説明する図である。
【図11】第1実施形態に係るラム波装置の製造方法を説明する断面図である。
【図12】第1実施形態に係るラム波装置の製造方法を説明する断面図である。
【図13】第1実施形態に係るラム波装置の製造方法を説明する断面図である。
【図14】エッチングレート比と周波数ばらつきとの関係を示す図である。
【図15】第2実施形態のラム波装置の断面図である。
【図16】第2実施形態に係るラム波装置の製造方法を説明する断面図である。
【図17】第2実施形態に係るラム波装置の製造方法を説明する断面図である。
【図18】第2実施形態に係るラム波装置の製造方法を説明する断面図である。
【図19】第3実施形態の積層体の断面図である。
【図20】第4実施形態の積層体の断面図である。
【図21】第5実施形態のラム波装置の断面図である。
【図22】第5実施形態のラム波装置の製造方法を説明する断面図である。
【図23】第5実施形態のラム波装置の製造方法を説明する断面図である。
【図24】第5実施形態のラム波装置の製造方法を説明する断面図である。
【図25】エッチングレート比と周波数ばらつきとの関係を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【0016】
<1 第1実施形態>
<1−1 ラム波装置102の構成>
図1及び図2は、第1実施形態のラム波装置102の模式図である。図1は、ラム波装置102の分解斜視図、図2は、ラム波装置102の断面図となっている。
【0017】
図1及び図2に示すように、ラム波装置102は、積層体104を支持構造体122で支持した構造を有する。積層体104は、圧電体薄膜106と、圧電体薄膜106にラム波を励振するIDT電極108とを備える。支持構造体122は、支持基板124と、支持基板124と積層体104とを接合する支持膜126とを備える。支持膜126には、積層体104の励振部を支持基板124から離隔させるキャビティ180が形成されている。IDT電極108は、キャビティ180が形成された領域(以下では、「キャビティ領域」という)の内部に設けられている。
【0018】
{圧電体薄膜106の膜厚h及びIDT電極108のフィンガー110のピッチp}
圧電体薄膜106の膜厚h及びIDT電極108のフィンガー110のピッチpは、圧電体薄膜106の膜厚hに対する音速vの分散性が小さくなるラム波が目的の周波数において励振されるように選択されることが望ましく、波長λに対する圧電体薄膜106の膜厚hの比h/λについての音速vの変化係数Δv/Δ(h/λ)の絶対値、すなわち、x=h/λとしたときのxについての音速v(x)の微分係数dv/dxの絶対値が2000m/s以下となるラム波が目的の周波数において励振されるように選択されることが特に望ましい。これにより、ラム波の音速vに対する圧電体薄膜106の膜厚hの影響が小さくなるので、周波数のばらつきが小さくなる。
【0019】
変化係数Δv/Δ(h/λ)を小さくするためには、IDT電極108のフィンガー110のピッチpによって決まるラム波の波長λよりも圧電体薄膜106の膜厚hを十分に薄くすればよい。
【0020】
このことを、図3〜図7の分散曲線を参照しながら説明する。図3〜図6は、圧電体薄膜106を構成する圧電材料がニオブ酸リチウム(LN)である場合の分散曲線であり、図7は、圧電体薄膜106を構成する圧電材料がタンタル酸リチウムである場合の分散曲線である。図3は、90°Y板を薄膜化した場合のS0モードの分散曲線、図4は、0°Y板を薄膜化した場合のS0モードの分散曲線、図5は、90°Y板を薄膜化した場合のA1モードの分散曲線、図6は、90°Y板を薄膜化した場合のA0モードの分散曲線である。図7は、90°Y板を薄膜化した場合のS0モードの分散曲線である。図3〜図7の実線は、横軸を比h/λ、縦軸(左側)を音速vにとって、比h/λに対する音速vの分散性を表している。図3〜図7の点線は、横軸を比h/λ、縦軸(右側)を変化係数Δv/Δ(h/λ)にとって、比h/λによる変化係数Δv/Δ(h/λ)の変化を表している。振動モードがS0モードである場合は、図3、図4及び図7に示すように、S0モード(0次対称モード)とA0モード(0次反対称モード)との縮退が解消されラム波の励振が可能になるh/λ≦1の範囲においては、比h/λが小さくなるにつれて音速vが速くなるが、その上昇は次第に緩慢になる。そして、比h/λが0.4以下の範囲においては、変化係数Δv/Δ(h/λ)の絶対値は2000m/s以下となる。したがって、圧電体薄膜106を構成する圧電材料がニオブ酸リチウム又はタンタル酸リチウムの単結晶である場合、比h/λが0.4以下となるように圧電体薄膜106の膜厚h及びIDT電極108のフィンガー110のピッチpを選択し、目的の周波数f=v/λにおいてS0モードが最も強く励振されるようにすればよい。もちろん、この「0.4以下」という具体的な範囲は圧電体薄膜106を構成する圧電材料によって異なるが、比h/λが閾値以下となるように圧電体薄膜106の膜厚h及びIDT電極108のフィンガー110のピッチpを選択し、目的の周波数f=v/λにおいてS0モードが励振されるようにすればよいことは圧電体薄膜106を他の圧電材料で構成した場合も同様である。これに対して、振動モードがS0モード以外である場合は、図5及び図6に示すように、比h/λが小さくなるにつれて音速vが速く又は遅くなるが、その上昇又は下降は次第に緩慢にはならない。
【0021】
図8及び図9は、それぞれ、対称モード及び反対称モードにおける圧電体薄膜106の振動姿態を説明する図である。図8及び図9は、圧電体薄膜106の断面図となっている。図8に示すように、対称モードにおいては、圧電体薄膜106の厚さ方向の中心1068に対して、矢印で示す変位が対称になっている。一方、図9に示すように、反対称モードにおいては、圧電体薄膜106の厚さ方向の中心1068に対して、矢印で示す変位が反対称になっている。このような対称モード及び反対称モードの最低次の振動モードが、それぞれ、S0モード及びA0モードである。
【0022】
図10は、圧電体薄膜106を構成する圧電材料がニオブ酸リチウムの単結晶であり圧電体薄膜106が90°Y板を薄膜化したものである場合に比h/λ及び振動モードが周波数ばらつきに与える影響を説明する図である。図10は、振動モードがS0モードであってh/λ=0.20の場合と、振動モードがS0モードであってh/λ=0.43の場合と、振動モードがA1モードであってh/λ=0.2の場合について、周波数変化の膜厚変化への依存性を示すグラフとなっている。図10に示すように、振動モードがS0モードであってh/λ=0.20の場合は、音速vの分散性が小さいので、膜厚変化が大きくなっても周波数変化はそれほど大きくならないが、振動モードがS0モードであってh/λ=0.43の場合や振動モードがA1モードであってh/λ=0.20の場合は、音速vの分散性が大きいので、膜厚変化が大きくなると周波数変化もかなり大きくなる。
【0023】
{圧電体薄膜106}
圧電体薄膜106を構成する圧電材料は、特に制限されないが、水晶(SiO2)・ニオブ酸リチウム(LiNbO3)・タンタル酸リチウム(LiTaO3)・四ホウ酸リチウム(Li2B4O7)・酸化亜鉛(ZnO)・ニオブ酸カリウム(KNbO3)・ランガサイト(La3Ga3SiO14)・窒化アルミニウム(AlN)・窒化ガリウム(GaN)等の単結晶から選択することが望ましい。圧電材料を単結晶から選択すれば、圧電体薄膜106の電気機械結合係数や機械的品質係数を向上することができるからである。
【0024】
圧電体薄膜106の結晶方位は、圧電体薄膜106の支持構造体122の側にある下面1062のフッ酸に対するエッチングレートが、支持膜126の支持基板124の側にある下面1262よりも十分に遅くなるように選択することが望ましく、フッ酸に対する65℃におけるエッチングレートが1/2以下となるように選択することがさらに望ましく、フッ酸に対する65℃におけるエッチングレートが1/20以下となるように選択することが特に望ましい。なお、フッ酸以外、例えば、バッファードフッ酸・フッ硝酸等のフッ化水素を含む溶液でエッチングをする場合も同様のことが言える。また、フッ化水素を含むガスでドライエッチングをする場合も同様のことが言える。これにより、キャビティ180を形成するときに最終的に圧電体薄膜106となる圧電体基板(後述)がほとんどエッチングされないので、圧電体薄膜106の膜厚のばらつきが減少し、共振周波数のばらつきが小さくなる。例えば、圧電体薄膜106がニオブ酸リチウムのθ°Y板を薄膜化したものであれば、θ=0〜45又は128〜180であることが望ましい。
【0025】
圧電体薄膜106は、支持基板124の全面を覆っている。
【0026】
{IDT電極108}
IDT電極108を構成する導電材料は、特に制限されないが、アルミニウム(Al)・モリブデン(Mo)・タングステン(W)・金(Au)・白金(Pt)・銀(Ag)・銅(Cu)・チタン(Ti)・クロム(Cr)・ルテニウム(Ru)・バナジウム(V)・ニオブ(Nb)・タンタル(Ta)・ロジウム(Rh)・イリジウム(Ir)・ジルコニウム(Zr)・ハフニウム(Hf)・パラジウム(Pd)又はこれらを主成分とする合金から選択することが望ましく、アルミニウム又はアルミニウムを主成分とする合金から選択することが特に望ましい。
【0027】
IDT電極108は、圧電体薄膜106の上面に設けられている。なお、IDT電極108を圧電体薄膜106の下面に設けてもよい。
【0028】
IDT電極108は、圧電体薄膜106に電界を印加するとともに圧電体薄膜106の表面に生成した表面電荷を収集するフィンガー110とフィンガー110を接続するバスバー116とを備える。フィンガー110は、ラム波の伝播方向と垂直な方向に延在し、ラム波の伝播方向に等間隔で配列されている。バスバー116は、ラム波の伝播方向に延在している。フィンガー110には、一方の側の端部において第1のバスバー118に接続された第1のフィンガー112と他方の側の端部において第2のバスバー120に接続された第2のフィンガー114とがあり、第1のフィンガー112と第2のフィンガー114とは交互に配列されている。これにより、IDT電極108は、第1のバスバー116と第2のバスバー116との間に入力された信号に応じたラム波を送信するとともに、受信したラム波に応じた信号を第1のバスバー116と第2のバスバー116との間に出力する。
【0029】
交互に配列された第1のフィンガー112と第2のフィンガー114とが異なる相となっている2相型のIDT電極108は、フィンガー110のピッチpの2倍の波長λのラム波を最も強く励振する。したがって、2相型のIDT電極108でラム波を励振する場合、先述の「比h/λが0.4以下」は「ピッチpに対する膜厚hの比h/pが0.8以下」であることを意味する。
【0030】
IDT電極108によって励振されたラム波は、キャビティ領域の端面で反射され、ラム波装置102は、圧電共振子として機能する。なお、IDT電極108をラム波の伝播方向の両側から反射器電極で挟んでもよい。また、ラム波装置102を複数の圧電共振子を組み合わせたフィルタ・デュプレクサ等として構成してもよいし、センサ等としてラム波装置102を構成してもよい。一般的に言って、「ラム波装置」とは、圧電体薄膜にラム波を励振し、当該ラム波による電気的な応答を利用する電子部品の全般を意味する。「ラム波」とは、伝播面内に変位成分をもつ縦波(L波:Longitudinai波)と横波(SV波:Shear Virtical波)の両者によって構成され、上面及び下面の境界条件により縦波と横波とが結合しながら伝播する波である。
【0031】
{支持基板124}
支持基板124を構成する絶縁材料は、特に制限されないが、シリコン(Si)・ゲルマニウム(Ge)等のIV元素の単体、サファイア(Al2O3)・酸化マグネシウム(MgO)・酸化亜鉛(ZnO)・二酸化シリコン(SiO2)等の単純酸化物、ホウ化ジルコニウム(ZrB2)等のホウ化物、タンタル酸リチウム(LiTaO3)・ニオブ酸リチウム(LiNbO3)・アルミン酸リチウム(LiAlO2)・ガリウム酸リチウム(LiGaO2)・スピネル(MgAl2O4)・アルミン酸タンタル酸ランタンストロンチウムリチウム((LaSr)(AlTa)O3)・ガリウム酸ネオジウム(NdGaO3)等の複合酸化物、シリコンゲルマニウム(SiG)等のIV-IV族化合物、ガリウム砒素GaAs)・窒化アルミニウム(AlN)・窒化ガリウム(GaN)・窒化アルミニウムガリウム(AlGaN)等のIII-IV族化合物等を選択することが望ましい。
【0032】
{支持膜126}
支持膜126を構成する絶縁材料は、特に制限されないが、二酸化シリコンを選択することが望ましい。支持膜126は、概ね、キャビティ領域の外側に設けられ、その下面は支持基板124の上面に接し、その上面は圧電体薄膜106の下面1062に接している。支持膜126は、キャビティ領域において支持基板124から積層体104を離隔させるスペーサの役割を果たしている。
【0033】
<1−2 ラム波装置102の製造方法>
図11〜図13は、ラム波装置102の製造方法を説明する模式図である。図11〜図13は、製造の途上の仕掛品の断面図となっている。
【0034】
{板状構造体130の作製}
ラム波装置102の製造にあたっては、まず、図11に示すように、圧電体基板132の下面に支持膜126が形成された板状構造体130を作製する。支持膜126の形成は、支持膜126を構成する絶縁材料の膜を圧電体基板132の下面の全面に形成し、当該膜の不要部分をフッ酸によるエッチングで除去することにより行う。このとき、最終的に圧電体薄膜106となる圧電体基板132のフッ酸に対するエッチングレートが支持膜126よりも十分に遅ければ、フッ酸でキャビティ180を形成するときに圧電体基板132はほとんどエッチングされない。
【0035】
図14は、後に圧電体薄膜106となる圧電体基板132のエッチングレートの支持膜126のエッチングレートに対する比(以下では、「エッチングレート比」という。)と周波数ばらつきとの関係を示す図である。図14は、支持膜126を構成する絶縁材料及び圧電体基板132を構成する圧電材料(圧電体薄膜106を構成する圧電材料)も示している。図14に示す「LN36」「LN45」及び「LN90」は、それぞれ、ニオブ酸リチウム(LN)の単結晶の36°Y板、45°Y板及び90°Y板を意味する。図14は、圧電体基板132の−Z面に支持膜126を形成した場合の関係を示している。エッチングは、温度を65℃に調整したフッ化水素濃度が50%のフッ酸に支持膜126を構成する絶縁材料の膜を圧電体基板132の下面の全面に形成した仕掛品を浸漬することにより行った。フッ酸の温度の調整は、フッ素樹脂製のビーカに入れたフッ酸を恒温水槽の内部で加熱することより行った。フッ酸への仕掛品の浸漬は、フッ酸の温度が安定した後に行った。キャビティの深さは、接触式段差計で測定した。なお、エッチングが行われる温度は、一定に維持されていれば必ずしも「65℃」である必要はないが、「65℃」であれば、エッチングレートが早くなりエッチングに要する時間が短くなる。図14に示すように、エッチングレート比が小さくなるほど周波数ばらつきが小さくなり、支持膜126を構成する絶縁材料が二酸化シリコンで圧電体基板132(圧電体薄膜106)を構成する圧電材料がニオブ酸リチウムの単結晶の36°Y板である場合に周波数ばらつきが最も小さくなった。
【0036】
{板状構造体130と支持基板124との接合}
板状構造体130を作製した後に、図12に示すように、板状構造体130の下面と支持基板124の上面とを接合する。板状構造体130と支持基板124との接合は、特に制限されないが、例えば、表面活性化接合・接着剤接合・熱圧着接合・陽極接合・共晶結合等により行う。
【0037】
{圧電体基板132の除去加工}
板状構造体130と支持基板124とを接合した後に、図13に示すように、板状構造体130と支持基板124とを接合した状態を維持したまま圧電体基板132を除去加工し、単独で自重に耐えることができる板厚(例えば、50μm以上)を有する圧電体基板132を単独で自重に耐えることができない膜厚(例えば、10μm以下)まで薄くする。これにより、支持基板124の上面の全面を覆う圧電体薄膜106が形成される。
【0038】
圧電体基板132の除去加工は、切削、研削、研磨等の機械加工やエッチング等の化学加工により行う。ここで、複数の除去加工方法を組み合わせ、加工速度が速い除去加工方法から、加工対象に生じる加工変質が小さい除去加工方法へと除去加工方法を切り替えながら圧電体基板132を除去加工すれば、高い生産性を維持しながら、圧電体薄膜106の品質を向上し、ラム波装置102の特性を向上することができる。例えば、圧電体基板132を固定砥粒に接触させて削る研削及び圧電体基板132を遊離砥粒に接触させて削る研磨を順次行った後に、当該研磨によって圧電体基板132に生じた加工変質層を仕上げ研磨によって除去することが望ましい。
【0039】
{IDT電極108の形成}
圧電体基板132を除去加工した後に、圧電体薄膜106の上面にIDT電極108を形成し、図1及び図2に示すラム波装置102を完成する。IDT電極108の形成は、圧電体薄膜106の上面の全面を覆う導電材料膜を形成し、当該導電材料膜の不要部分をエッチングで除去することにより行う。
【0040】
このラム波装置102の製造方法によれば、圧電体薄膜106をスパッタリング等により成膜した場合と異なり、圧電体薄膜106を構成する圧電材料や圧電体薄膜106の結晶方位が下地の制約を受けないので、圧電体薄膜106を構成する圧電材料や圧電体薄膜106における結晶方位の選択の自由度が高くなっている。したがって、ラム波装置102では、所望の特性を実現することが容易になっている。
【0041】
{その他}
IDT電極を圧電体薄膜106の下面に設ける場合は、支持膜126の形成に先立って圧電体基板132の下面にIDT電極を形成すればよい。
【0042】
<2 第2実施形態>
<2−1 ラム波装置202の構成>
第2実施形態は、第1実施形態の支持構造体122に代えて支持構造体222で第1実施形態と同様に圧電体薄膜206及びIDT電極208を備える積層体204を支持したラム波装置202に関する。図15は、第2実施形態のラム波装置202の模式図である。図15は、ラム波装置202の断面図となっている。
【0043】
図15に示すように、支持構造体222は、支持基板224を備えるが、支持膜を備えていない。支持基板224には、支持基板224から積層体204の励振部を離隔させるキャビティ280が形成されている。
【0044】
<2−2 ラム波装置202の製造方法>
図16〜図18は、ラム波装置202の製造方法を説明する模式図である。図16〜図18は、製造の途上の仕掛品の断面図となっている。
【0045】
{支持基板224の作製}
ラム波装置202の製造にあたっては、まず、図16に示すように、素材基板の上面をエッチングしてキャビティ280を形成された支持基板224を作製する。
【0046】
{圧電体基板232と支持基板224との接合}
支持基板を作製した後に、図17に示すように、圧電体基板232の下面と支持基板224の上面とを接合する。圧電体基板232と支持基板224との接合は、第1実施形態の場合と同様に行う。
【0047】
{圧電体基板232の除去加工}
圧電体基板232と支持基板224とを接合した後に、図18に示すように、圧電体基板232と支持基板224とを接合した状態を維持したまま圧電体基板232を除去加工し、圧電体薄膜206を得る。圧電体基板232の除去加工は、第1実施形態の場合と同様に行う。
【0048】
{IDT電極208の形成}
圧電体基板232を除去加工した後に、圧電体薄膜206の上面にIDT電極208を形成し、図15に示すラム波装置202を完成する。IDT電極208の形成は、第1実施形態の場合と同様に行う。
【0049】
このラム波装置202の製造方法によれば、圧電体薄膜206をスパッタリング等により成膜した場合と異なり、圧電体薄膜206を構成する圧電材料や圧電体薄膜206の結晶方位が下地の制約を受けないので、圧電体薄膜206を構成する圧電材料や圧電体薄膜206の結晶方位の選択の自由度が高くなっている。したがって、ラム波装置202では、所望の特性を実現することが容易になっている。
【0050】
{その他}
IDT電極を圧電体薄膜206の下面に設ける場合は、圧電体基板232と支持基板224との接合に先立って圧電体基板232の下面にIDT電極を形成すればよい。
【0051】
<3 第3実施形態>
第3実施形態は、第1実施形態の積層体104、第2実施形態の積層体204及び第5実施形態の積層体504に代えて採用することができる積層体304に関する。図19は、第3実施形態の積層体304の模式図である。図19は、積層体304の断面図となっている。
【0052】
図19に示すように、積層体304は、第1実施形態の圧電体薄膜106及びIDT電極108と同様の圧電体薄膜306及びIDT電極308に加えて、IDT電極309を備える。IDT電極309は、圧電体薄膜306の下面に設けられている。IDT電極309は、IDT電極308と同様の平面形状を有し、IDT電極308と対向する位置に設けられている。対向するIDT電極308のフィンガー310とIDT電極309のフィンガー311は同相となっている。
【0053】
このようなIDT電極308,309を採用した場合も、フィンガー310,311のピッチpの2倍の波長λのラム波が最も強く励振される。したがって、先述の「比h/λが0.4以下」は「ピッチpに対する膜厚hの比h/pが0.8以下」であることを意味する。
【0054】
<4 第4実施形態>
第3実施形態は、第1実施形態の積層体104、第2実施形態の積層体204及び第5実施形態の積層体504に代えて採用することができる積層体404に関する。図20は、第4実施形態の積層体404の模式図である。
【0055】
図20に示すように、積層体404は、第1実施形態の圧電体薄膜106及びIDT電極108と同様の圧電体薄膜406及びIDT電極408に加えて、面電極409を備える。面電極409は、圧電体薄膜406の下面に設けられている。面電極409は、IDT電極408と対向する位置に設けられている。面電極409は、接地されていてもよいし、どこにも接続されずに電気的に浮いていてもよい。
【0056】
このようなIDT電極408を採用した場合も、フィンガー410のピッチpの2倍の波長λのラム波を最も強く励振される。したがって、先述の「規格化膜厚h/λが0.4以下」は「ピッチpに対する膜厚hの比h/pが0.8以下」であることを意味する。
【0057】
<5 第5実施形態>
<5−1 ラム波装置502の構成>
第5実施形態は、第1実施形態の支持構造体122に代えて支持構造体522で第1実施形態と同様に圧電体薄膜506及びIDT電極508を備える積層体504を支持したラム波装置502に関する。図21は、第2実施形態のラム波装置502の模式図である。図21は、ラム波装置502の断面図となっている。
【0058】
図21に示すように、支持構造体522は、支持基板524を備えるが、支持膜を備えていない。支持基板524には、支持基板524から積層体504の励振部を離隔させるキャビティ580が形成されている。ラム波装置502のキャビティ580は、ラム波装置202のキャビティ280と異なり、支持基板524の上面と下面とを貫通している。
【0059】
圧電体薄膜506の結晶方位は、圧電体薄膜506の支持構造体522の側にある下面5062のフッ酸に対するエッチングレートが、支持基板524の圧電体薄膜506の側とは反対の下面5242よりも十分に遅くなるように選択することが望ましく、フッ酸に対する65℃におけるエッチングレートが1/2以下となるように選択することがさらに望ましく、フッ酸に対する65℃におけるエッチングレートが1/20以下となるように選択することが特に望ましい。なお、フッ酸以外、例えば、バッファードフッ酸・フッ硝酸等のフッ化水素を含む溶液でエッチングをする場合も同様のことが言える。また、フッ化水素を含むガスでドライエッチングをする場合も同様のことが言える。これにより、キャビティ580を形成するときに圧電体薄膜506がほとんどエッチングされないので、圧電体薄膜506の膜厚のばらつきが減少し、共振周波数のばらつきが小さくなる。例えば、圧電体薄膜506がニオブ酸リチウムのθ°Y板を薄膜化したものであれば、θ=0〜45又は128〜180であることが望ましい。
【0060】
支持基板524の材質は、貫通孔のキャビティ580を形成するため、フッ化水素を含む溶液又はフッ化水素を含むガスによりエッチングされやすいタンタル酸リチウム(LiTaO3)・ニオブ酸リチウム(LiNbO3)・二酸化シリコン(SiO2)・シリコン(Si)等であることが望ましい。
【0061】
<5−2 ラム波装置502の製造方法>
図22〜図24は、ラム波装置202の製造方法を説明する模式図である。図22〜図24は、製造の途上の仕掛品の断面図となっている。
【0062】
{圧電体基板532と素材基板530との接合}
ラム波装置502の製造にあたっては、まず、図22に示すように、圧電体基板532の下面と最終的に支持基板524となる素材基板530の上面とを接合する。圧電体基板532と素材基板530との接合は、第1実施形態の場合と同様に行う。
【0063】
{圧電体基板532の除去加工}
圧電体基板532と素材基板530とを接合した後に、図23に示すように、圧電体基板532と素材基板530とを接合した状態を維持したまま圧電体基板532を除去加工し、圧電体薄膜506を得る。圧電体基板532の除去加工は、第1実施形態の場合と同様に行う。
【0064】
{支持基板524の作製}
圧電体基板532を除去加工した後に、図24に示すように、素材基板530を下面の側からエッチングしてキャビティ580を形成された支持基板524を作製する。圧電体薄膜506のフッ酸に対するエッチングレートが素材基板530よりも十分に遅ければ、フッ酸でキャビティ580を形成するときに圧電体薄膜506はほとんどエッチングされない。なお、IDT電極508の形成した後にキャビティ580を形成してもよい。
【0065】
図25は、後に支持基板524となる素材基板530のエッチングレートに対する圧電体薄膜506のエッチングレートの比(以下では、「エッチングレート比」という。)と周波数ばらつきとの関係を示す図である。図25は、支持基板524を構成する絶縁材料(素材基板530を構成する絶縁材料)及び圧電体薄膜506を構成する圧電材料も示している。図25に示す「LN36」は、ニオブ酸リチウム(LN)の単結晶の36°Y板を意味し、「LT36」「LT40」及び「LT42」は、それぞれ、タンタル酸リチウム(LT)の単結晶の36°Y板、40°Y板及び42°Y板を意味する。図14は、圧電体薄膜506の−Z面と素材基板530の+Z面とが接合された場合の関係を示している。エッチングの手順及び条件は、第1実施形態の場合と同様である。図25に示すように、エッチングレート比が小さくなるほど周波数ばらつきが小さくなり、圧電体薄膜506を構成する圧電材料がニオブ酸リチウムの単結晶の36°Y板である場合に周波数ばらつきが最も小さくなった。
【0066】
{IDT電極508の形成}
支持基板524を作製した後に、圧電体薄膜506の上面にIDT電極508を形成し、図21に示すラム波装置502を完成する。IDT電極508の形成は、第1実施形態の場合と同様に行う。
【0067】
このラム波装置502の製造方法によれば、圧電体薄膜506をスパッタリング等により成膜した場合と異なり、圧電体薄膜506を構成する圧電材料や圧電体薄膜506の結晶方位が下地の制約を受けないので、圧電体薄膜506を構成する圧電材料や圧電体薄膜506の結晶方位の選択の自由度が高くなっている。したがって、ラム波装置502では、所望の特性を実現することが容易になっている。
【0068】
<6 その他>
この発明は詳細に説明されたが、上述の説明は、すべての局面において例示であって、この発明がそれに限定されるものではない。例示されていない無数の変形例が、この発明の範囲から外れることなく想定され得るものと解される。特に、第1実施形態〜第5実施形態において説明したことを組み合わせることは当然に予定されている。
【符号の説明】
【0069】
102,202,302,402,502 ラム波装置
104,204,304,404,504 積層体
106,206,306,406,506 圧電体薄膜
108,208,308,309,408,508 IDT電極
110,310,410 フィンガー
116 バスバー
122,222,522 支持構造体
124,224,524 支持基板
180,280,580 キャビティ
【技術分野】
【0001】
本発明は、圧電体薄膜にラム波を励振するラム波装置に関する。
【背景技術】
【0002】
特許文献1は、圧電体基板を除去加工して得られた圧電体薄膜に厚み縦振動又は厚み滑り振動を励振するバルク弾性波装置を開示している。このバルク弾性波装置では、圧電体薄膜の膜厚に周波数が反比例するため、周波数を高くするためには圧電体薄膜の膜厚を薄くしなければならない。例えば、周波数を数GHzにするためには、圧電体薄膜を構成する圧電材料にもよるが、圧電体薄膜の膜厚を概ね数μmにしなければならない。
【0003】
しかし、圧電体薄膜の膜厚が数μmにまで薄くなると、加工ばらつきによって生じる膜厚のばらつきが大きな周波数のばらつきの原因となるという問題を生じる。
【0004】
一方、特許文献2は、圧電体薄膜にラム波を励振するラム波装置を開示している。このラム波装置では、膜厚のばらつきが共振周波数のばらつきに与える影響は、先述のバルク弾性波装置の場合よりも小さくなる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0005】
【特許文献1】特開2007−228319号公報
【特許文献2】国際公開第2007−046236号パンフレット
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0006】
しかし、特許文献2のラム波装置においても、膜厚のばらつきが共振周波数のばらつきに与える影響は、無視することができる程度にはならない。これは、ラム波の音速が圧電体薄膜の膜厚に対する分散性を有しているからである。本発明は、この問題を解決するためになされたもので、周波数のばらつきが小さいラム波装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0007】
上記課題を解決するため、請求項1のラム波装置は、圧電体薄膜と、前記圧電体薄膜の主面に設けられたIDT電極と、前記圧電体薄膜及び前記IDT電極の積層体を支持する支持構造体と、を備え、波長λに対する前記圧電体薄膜の膜厚hの比h/λについての音速vの変化係数Δv/Δ(h/λ)の絶対値が2000m/s以下となるラム波が目的の周波数において励振されるように前記圧電体薄膜の膜厚h及び前記IDT電極のフィンガーのピッチpが選択される。
【0008】
請求項2のラム波装置は、請求項1のラム波装置において、ラム波の振動モードがS0モードである。
【0009】
請求項3のラム波装置は、請求項1又は請求項2のラム波装置において、前記支持構造体が、支持基板と、前記支持基板と前記積層体とを接合するとともに前記積層体の励振部を支持基板から離隔させるキャビティが形成された支持膜と、を備え、前記圧電体薄膜の前記支持構造体の側にある面のフッ化水素を含む溶液又はフッ化水素を含むガスに対する65℃におけるエッチングレートが前記支持膜の前記支持基板の側にある主面の1/2以下となるように前記圧電体薄膜の方位が選択される。
【0010】
請求項4のラム波装置は、請求項3に記載のラム波装置において、前記圧電体薄膜の前記支持構造体の側にある主面のフッ化水素を含む溶液又はフッ化水素を含むガスに対する65℃におけるエッチングレートが前記支持膜の前記支持基板の側にある主面の1/20以下となるように前記圧電体薄膜の方位が選択される。
【0011】
請求項5のラム波装置は、請求項1又は請求項2に記載のラム波装置において、前記支持構造体が、支持基板、を備え前記圧電体薄膜の前記支持構造体の側にある主面のフッ化水素を含む溶液又はフッ化水素を含むガスに対する65℃におけるエッチングレートが前記支持基板の前記圧電体薄膜の側とは反対の側にある主面の1/2以下となるように前記圧電体薄膜の方位が選択される。
【0012】
請求項6のラム波装置は、請求項5に記載のラム波装置において、前記圧電体薄膜の前記支持構造体の側にある主面のフッ化水素を含む溶液又はフッ化水素を含むガスに対するに対する65℃におけるエッチングレートが前記支持基板の前記圧電体薄膜の側とは反対の側にある主面の1/20以下となるように前記圧電体薄膜の方位が選択される。
【発明の効果】
【0013】
請求項1ないし請求項6の発明によれば、ラム波の音速に対する圧電体薄膜の膜厚の影響が小さくなるので、周波数のばらつきが小さくなる。
【0014】
請求項3ないし請求項6の発明によれば、支持構造体にキャビティを形成するときに圧電体薄膜がエッチングされることが抑制されるので、共振周波数のばらつきがさらに小さくなる。
【図面の簡単な説明】
【0015】
【図1】第1実施形態のラム波装置の分解斜視図である。
【図2】第1実施形態のラム波装置の断面図である。
【図3】圧電材料がニオブ酸リチウムである場合のS0モードの分散曲線である。
【図4】圧電材料がニオブ酸リチウムである場合のS0モードの分散曲線である。
【図5】圧電材料がニオブ酸リチウムである場合のA1モードの分散曲線である。
【図6】圧電材料がニオブ酸リチウムである場合のA0モードの分散曲線である。
【図7】圧電材料がタンタル酸リチウムである場合のS0モードの分散曲線である。
【図8】対称モードにおける圧電体薄膜の振動姿態を説明する断面図である。
【図9】反対称モードにおける圧電体薄膜の振動姿態を説明する断面図である。
【図10】比h/λ及び振動モードが周波数ばらつきに与える影響を説明する図である。
【図11】第1実施形態に係るラム波装置の製造方法を説明する断面図である。
【図12】第1実施形態に係るラム波装置の製造方法を説明する断面図である。
【図13】第1実施形態に係るラム波装置の製造方法を説明する断面図である。
【図14】エッチングレート比と周波数ばらつきとの関係を示す図である。
【図15】第2実施形態のラム波装置の断面図である。
【図16】第2実施形態に係るラム波装置の製造方法を説明する断面図である。
【図17】第2実施形態に係るラム波装置の製造方法を説明する断面図である。
【図18】第2実施形態に係るラム波装置の製造方法を説明する断面図である。
【図19】第3実施形態の積層体の断面図である。
【図20】第4実施形態の積層体の断面図である。
【図21】第5実施形態のラム波装置の断面図である。
【図22】第5実施形態のラム波装置の製造方法を説明する断面図である。
【図23】第5実施形態のラム波装置の製造方法を説明する断面図である。
【図24】第5実施形態のラム波装置の製造方法を説明する断面図である。
【図25】エッチングレート比と周波数ばらつきとの関係を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【0016】
<1 第1実施形態>
<1−1 ラム波装置102の構成>
図1及び図2は、第1実施形態のラム波装置102の模式図である。図1は、ラム波装置102の分解斜視図、図2は、ラム波装置102の断面図となっている。
【0017】
図1及び図2に示すように、ラム波装置102は、積層体104を支持構造体122で支持した構造を有する。積層体104は、圧電体薄膜106と、圧電体薄膜106にラム波を励振するIDT電極108とを備える。支持構造体122は、支持基板124と、支持基板124と積層体104とを接合する支持膜126とを備える。支持膜126には、積層体104の励振部を支持基板124から離隔させるキャビティ180が形成されている。IDT電極108は、キャビティ180が形成された領域(以下では、「キャビティ領域」という)の内部に設けられている。
【0018】
{圧電体薄膜106の膜厚h及びIDT電極108のフィンガー110のピッチp}
圧電体薄膜106の膜厚h及びIDT電極108のフィンガー110のピッチpは、圧電体薄膜106の膜厚hに対する音速vの分散性が小さくなるラム波が目的の周波数において励振されるように選択されることが望ましく、波長λに対する圧電体薄膜106の膜厚hの比h/λについての音速vの変化係数Δv/Δ(h/λ)の絶対値、すなわち、x=h/λとしたときのxについての音速v(x)の微分係数dv/dxの絶対値が2000m/s以下となるラム波が目的の周波数において励振されるように選択されることが特に望ましい。これにより、ラム波の音速vに対する圧電体薄膜106の膜厚hの影響が小さくなるので、周波数のばらつきが小さくなる。
【0019】
変化係数Δv/Δ(h/λ)を小さくするためには、IDT電極108のフィンガー110のピッチpによって決まるラム波の波長λよりも圧電体薄膜106の膜厚hを十分に薄くすればよい。
【0020】
このことを、図3〜図7の分散曲線を参照しながら説明する。図3〜図6は、圧電体薄膜106を構成する圧電材料がニオブ酸リチウム(LN)である場合の分散曲線であり、図7は、圧電体薄膜106を構成する圧電材料がタンタル酸リチウムである場合の分散曲線である。図3は、90°Y板を薄膜化した場合のS0モードの分散曲線、図4は、0°Y板を薄膜化した場合のS0モードの分散曲線、図5は、90°Y板を薄膜化した場合のA1モードの分散曲線、図6は、90°Y板を薄膜化した場合のA0モードの分散曲線である。図7は、90°Y板を薄膜化した場合のS0モードの分散曲線である。図3〜図7の実線は、横軸を比h/λ、縦軸(左側)を音速vにとって、比h/λに対する音速vの分散性を表している。図3〜図7の点線は、横軸を比h/λ、縦軸(右側)を変化係数Δv/Δ(h/λ)にとって、比h/λによる変化係数Δv/Δ(h/λ)の変化を表している。振動モードがS0モードである場合は、図3、図4及び図7に示すように、S0モード(0次対称モード)とA0モード(0次反対称モード)との縮退が解消されラム波の励振が可能になるh/λ≦1の範囲においては、比h/λが小さくなるにつれて音速vが速くなるが、その上昇は次第に緩慢になる。そして、比h/λが0.4以下の範囲においては、変化係数Δv/Δ(h/λ)の絶対値は2000m/s以下となる。したがって、圧電体薄膜106を構成する圧電材料がニオブ酸リチウム又はタンタル酸リチウムの単結晶である場合、比h/λが0.4以下となるように圧電体薄膜106の膜厚h及びIDT電極108のフィンガー110のピッチpを選択し、目的の周波数f=v/λにおいてS0モードが最も強く励振されるようにすればよい。もちろん、この「0.4以下」という具体的な範囲は圧電体薄膜106を構成する圧電材料によって異なるが、比h/λが閾値以下となるように圧電体薄膜106の膜厚h及びIDT電極108のフィンガー110のピッチpを選択し、目的の周波数f=v/λにおいてS0モードが励振されるようにすればよいことは圧電体薄膜106を他の圧電材料で構成した場合も同様である。これに対して、振動モードがS0モード以外である場合は、図5及び図6に示すように、比h/λが小さくなるにつれて音速vが速く又は遅くなるが、その上昇又は下降は次第に緩慢にはならない。
【0021】
図8及び図9は、それぞれ、対称モード及び反対称モードにおける圧電体薄膜106の振動姿態を説明する図である。図8及び図9は、圧電体薄膜106の断面図となっている。図8に示すように、対称モードにおいては、圧電体薄膜106の厚さ方向の中心1068に対して、矢印で示す変位が対称になっている。一方、図9に示すように、反対称モードにおいては、圧電体薄膜106の厚さ方向の中心1068に対して、矢印で示す変位が反対称になっている。このような対称モード及び反対称モードの最低次の振動モードが、それぞれ、S0モード及びA0モードである。
【0022】
図10は、圧電体薄膜106を構成する圧電材料がニオブ酸リチウムの単結晶であり圧電体薄膜106が90°Y板を薄膜化したものである場合に比h/λ及び振動モードが周波数ばらつきに与える影響を説明する図である。図10は、振動モードがS0モードであってh/λ=0.20の場合と、振動モードがS0モードであってh/λ=0.43の場合と、振動モードがA1モードであってh/λ=0.2の場合について、周波数変化の膜厚変化への依存性を示すグラフとなっている。図10に示すように、振動モードがS0モードであってh/λ=0.20の場合は、音速vの分散性が小さいので、膜厚変化が大きくなっても周波数変化はそれほど大きくならないが、振動モードがS0モードであってh/λ=0.43の場合や振動モードがA1モードであってh/λ=0.20の場合は、音速vの分散性が大きいので、膜厚変化が大きくなると周波数変化もかなり大きくなる。
【0023】
{圧電体薄膜106}
圧電体薄膜106を構成する圧電材料は、特に制限されないが、水晶(SiO2)・ニオブ酸リチウム(LiNbO3)・タンタル酸リチウム(LiTaO3)・四ホウ酸リチウム(Li2B4O7)・酸化亜鉛(ZnO)・ニオブ酸カリウム(KNbO3)・ランガサイト(La3Ga3SiO14)・窒化アルミニウム(AlN)・窒化ガリウム(GaN)等の単結晶から選択することが望ましい。圧電材料を単結晶から選択すれば、圧電体薄膜106の電気機械結合係数や機械的品質係数を向上することができるからである。
【0024】
圧電体薄膜106の結晶方位は、圧電体薄膜106の支持構造体122の側にある下面1062のフッ酸に対するエッチングレートが、支持膜126の支持基板124の側にある下面1262よりも十分に遅くなるように選択することが望ましく、フッ酸に対する65℃におけるエッチングレートが1/2以下となるように選択することがさらに望ましく、フッ酸に対する65℃におけるエッチングレートが1/20以下となるように選択することが特に望ましい。なお、フッ酸以外、例えば、バッファードフッ酸・フッ硝酸等のフッ化水素を含む溶液でエッチングをする場合も同様のことが言える。また、フッ化水素を含むガスでドライエッチングをする場合も同様のことが言える。これにより、キャビティ180を形成するときに最終的に圧電体薄膜106となる圧電体基板(後述)がほとんどエッチングされないので、圧電体薄膜106の膜厚のばらつきが減少し、共振周波数のばらつきが小さくなる。例えば、圧電体薄膜106がニオブ酸リチウムのθ°Y板を薄膜化したものであれば、θ=0〜45又は128〜180であることが望ましい。
【0025】
圧電体薄膜106は、支持基板124の全面を覆っている。
【0026】
{IDT電極108}
IDT電極108を構成する導電材料は、特に制限されないが、アルミニウム(Al)・モリブデン(Mo)・タングステン(W)・金(Au)・白金(Pt)・銀(Ag)・銅(Cu)・チタン(Ti)・クロム(Cr)・ルテニウム(Ru)・バナジウム(V)・ニオブ(Nb)・タンタル(Ta)・ロジウム(Rh)・イリジウム(Ir)・ジルコニウム(Zr)・ハフニウム(Hf)・パラジウム(Pd)又はこれらを主成分とする合金から選択することが望ましく、アルミニウム又はアルミニウムを主成分とする合金から選択することが特に望ましい。
【0027】
IDT電極108は、圧電体薄膜106の上面に設けられている。なお、IDT電極108を圧電体薄膜106の下面に設けてもよい。
【0028】
IDT電極108は、圧電体薄膜106に電界を印加するとともに圧電体薄膜106の表面に生成した表面電荷を収集するフィンガー110とフィンガー110を接続するバスバー116とを備える。フィンガー110は、ラム波の伝播方向と垂直な方向に延在し、ラム波の伝播方向に等間隔で配列されている。バスバー116は、ラム波の伝播方向に延在している。フィンガー110には、一方の側の端部において第1のバスバー118に接続された第1のフィンガー112と他方の側の端部において第2のバスバー120に接続された第2のフィンガー114とがあり、第1のフィンガー112と第2のフィンガー114とは交互に配列されている。これにより、IDT電極108は、第1のバスバー116と第2のバスバー116との間に入力された信号に応じたラム波を送信するとともに、受信したラム波に応じた信号を第1のバスバー116と第2のバスバー116との間に出力する。
【0029】
交互に配列された第1のフィンガー112と第2のフィンガー114とが異なる相となっている2相型のIDT電極108は、フィンガー110のピッチpの2倍の波長λのラム波を最も強く励振する。したがって、2相型のIDT電極108でラム波を励振する場合、先述の「比h/λが0.4以下」は「ピッチpに対する膜厚hの比h/pが0.8以下」であることを意味する。
【0030】
IDT電極108によって励振されたラム波は、キャビティ領域の端面で反射され、ラム波装置102は、圧電共振子として機能する。なお、IDT電極108をラム波の伝播方向の両側から反射器電極で挟んでもよい。また、ラム波装置102を複数の圧電共振子を組み合わせたフィルタ・デュプレクサ等として構成してもよいし、センサ等としてラム波装置102を構成してもよい。一般的に言って、「ラム波装置」とは、圧電体薄膜にラム波を励振し、当該ラム波による電気的な応答を利用する電子部品の全般を意味する。「ラム波」とは、伝播面内に変位成分をもつ縦波(L波:Longitudinai波)と横波(SV波:Shear Virtical波)の両者によって構成され、上面及び下面の境界条件により縦波と横波とが結合しながら伝播する波である。
【0031】
{支持基板124}
支持基板124を構成する絶縁材料は、特に制限されないが、シリコン(Si)・ゲルマニウム(Ge)等のIV元素の単体、サファイア(Al2O3)・酸化マグネシウム(MgO)・酸化亜鉛(ZnO)・二酸化シリコン(SiO2)等の単純酸化物、ホウ化ジルコニウム(ZrB2)等のホウ化物、タンタル酸リチウム(LiTaO3)・ニオブ酸リチウム(LiNbO3)・アルミン酸リチウム(LiAlO2)・ガリウム酸リチウム(LiGaO2)・スピネル(MgAl2O4)・アルミン酸タンタル酸ランタンストロンチウムリチウム((LaSr)(AlTa)O3)・ガリウム酸ネオジウム(NdGaO3)等の複合酸化物、シリコンゲルマニウム(SiG)等のIV-IV族化合物、ガリウム砒素GaAs)・窒化アルミニウム(AlN)・窒化ガリウム(GaN)・窒化アルミニウムガリウム(AlGaN)等のIII-IV族化合物等を選択することが望ましい。
【0032】
{支持膜126}
支持膜126を構成する絶縁材料は、特に制限されないが、二酸化シリコンを選択することが望ましい。支持膜126は、概ね、キャビティ領域の外側に設けられ、その下面は支持基板124の上面に接し、その上面は圧電体薄膜106の下面1062に接している。支持膜126は、キャビティ領域において支持基板124から積層体104を離隔させるスペーサの役割を果たしている。
【0033】
<1−2 ラム波装置102の製造方法>
図11〜図13は、ラム波装置102の製造方法を説明する模式図である。図11〜図13は、製造の途上の仕掛品の断面図となっている。
【0034】
{板状構造体130の作製}
ラム波装置102の製造にあたっては、まず、図11に示すように、圧電体基板132の下面に支持膜126が形成された板状構造体130を作製する。支持膜126の形成は、支持膜126を構成する絶縁材料の膜を圧電体基板132の下面の全面に形成し、当該膜の不要部分をフッ酸によるエッチングで除去することにより行う。このとき、最終的に圧電体薄膜106となる圧電体基板132のフッ酸に対するエッチングレートが支持膜126よりも十分に遅ければ、フッ酸でキャビティ180を形成するときに圧電体基板132はほとんどエッチングされない。
【0035】
図14は、後に圧電体薄膜106となる圧電体基板132のエッチングレートの支持膜126のエッチングレートに対する比(以下では、「エッチングレート比」という。)と周波数ばらつきとの関係を示す図である。図14は、支持膜126を構成する絶縁材料及び圧電体基板132を構成する圧電材料(圧電体薄膜106を構成する圧電材料)も示している。図14に示す「LN36」「LN45」及び「LN90」は、それぞれ、ニオブ酸リチウム(LN)の単結晶の36°Y板、45°Y板及び90°Y板を意味する。図14は、圧電体基板132の−Z面に支持膜126を形成した場合の関係を示している。エッチングは、温度を65℃に調整したフッ化水素濃度が50%のフッ酸に支持膜126を構成する絶縁材料の膜を圧電体基板132の下面の全面に形成した仕掛品を浸漬することにより行った。フッ酸の温度の調整は、フッ素樹脂製のビーカに入れたフッ酸を恒温水槽の内部で加熱することより行った。フッ酸への仕掛品の浸漬は、フッ酸の温度が安定した後に行った。キャビティの深さは、接触式段差計で測定した。なお、エッチングが行われる温度は、一定に維持されていれば必ずしも「65℃」である必要はないが、「65℃」であれば、エッチングレートが早くなりエッチングに要する時間が短くなる。図14に示すように、エッチングレート比が小さくなるほど周波数ばらつきが小さくなり、支持膜126を構成する絶縁材料が二酸化シリコンで圧電体基板132(圧電体薄膜106)を構成する圧電材料がニオブ酸リチウムの単結晶の36°Y板である場合に周波数ばらつきが最も小さくなった。
【0036】
{板状構造体130と支持基板124との接合}
板状構造体130を作製した後に、図12に示すように、板状構造体130の下面と支持基板124の上面とを接合する。板状構造体130と支持基板124との接合は、特に制限されないが、例えば、表面活性化接合・接着剤接合・熱圧着接合・陽極接合・共晶結合等により行う。
【0037】
{圧電体基板132の除去加工}
板状構造体130と支持基板124とを接合した後に、図13に示すように、板状構造体130と支持基板124とを接合した状態を維持したまま圧電体基板132を除去加工し、単独で自重に耐えることができる板厚(例えば、50μm以上)を有する圧電体基板132を単独で自重に耐えることができない膜厚(例えば、10μm以下)まで薄くする。これにより、支持基板124の上面の全面を覆う圧電体薄膜106が形成される。
【0038】
圧電体基板132の除去加工は、切削、研削、研磨等の機械加工やエッチング等の化学加工により行う。ここで、複数の除去加工方法を組み合わせ、加工速度が速い除去加工方法から、加工対象に生じる加工変質が小さい除去加工方法へと除去加工方法を切り替えながら圧電体基板132を除去加工すれば、高い生産性を維持しながら、圧電体薄膜106の品質を向上し、ラム波装置102の特性を向上することができる。例えば、圧電体基板132を固定砥粒に接触させて削る研削及び圧電体基板132を遊離砥粒に接触させて削る研磨を順次行った後に、当該研磨によって圧電体基板132に生じた加工変質層を仕上げ研磨によって除去することが望ましい。
【0039】
{IDT電極108の形成}
圧電体基板132を除去加工した後に、圧電体薄膜106の上面にIDT電極108を形成し、図1及び図2に示すラム波装置102を完成する。IDT電極108の形成は、圧電体薄膜106の上面の全面を覆う導電材料膜を形成し、当該導電材料膜の不要部分をエッチングで除去することにより行う。
【0040】
このラム波装置102の製造方法によれば、圧電体薄膜106をスパッタリング等により成膜した場合と異なり、圧電体薄膜106を構成する圧電材料や圧電体薄膜106の結晶方位が下地の制約を受けないので、圧電体薄膜106を構成する圧電材料や圧電体薄膜106における結晶方位の選択の自由度が高くなっている。したがって、ラム波装置102では、所望の特性を実現することが容易になっている。
【0041】
{その他}
IDT電極を圧電体薄膜106の下面に設ける場合は、支持膜126の形成に先立って圧電体基板132の下面にIDT電極を形成すればよい。
【0042】
<2 第2実施形態>
<2−1 ラム波装置202の構成>
第2実施形態は、第1実施形態の支持構造体122に代えて支持構造体222で第1実施形態と同様に圧電体薄膜206及びIDT電極208を備える積層体204を支持したラム波装置202に関する。図15は、第2実施形態のラム波装置202の模式図である。図15は、ラム波装置202の断面図となっている。
【0043】
図15に示すように、支持構造体222は、支持基板224を備えるが、支持膜を備えていない。支持基板224には、支持基板224から積層体204の励振部を離隔させるキャビティ280が形成されている。
【0044】
<2−2 ラム波装置202の製造方法>
図16〜図18は、ラム波装置202の製造方法を説明する模式図である。図16〜図18は、製造の途上の仕掛品の断面図となっている。
【0045】
{支持基板224の作製}
ラム波装置202の製造にあたっては、まず、図16に示すように、素材基板の上面をエッチングしてキャビティ280を形成された支持基板224を作製する。
【0046】
{圧電体基板232と支持基板224との接合}
支持基板を作製した後に、図17に示すように、圧電体基板232の下面と支持基板224の上面とを接合する。圧電体基板232と支持基板224との接合は、第1実施形態の場合と同様に行う。
【0047】
{圧電体基板232の除去加工}
圧電体基板232と支持基板224とを接合した後に、図18に示すように、圧電体基板232と支持基板224とを接合した状態を維持したまま圧電体基板232を除去加工し、圧電体薄膜206を得る。圧電体基板232の除去加工は、第1実施形態の場合と同様に行う。
【0048】
{IDT電極208の形成}
圧電体基板232を除去加工した後に、圧電体薄膜206の上面にIDT電極208を形成し、図15に示すラム波装置202を完成する。IDT電極208の形成は、第1実施形態の場合と同様に行う。
【0049】
このラム波装置202の製造方法によれば、圧電体薄膜206をスパッタリング等により成膜した場合と異なり、圧電体薄膜206を構成する圧電材料や圧電体薄膜206の結晶方位が下地の制約を受けないので、圧電体薄膜206を構成する圧電材料や圧電体薄膜206の結晶方位の選択の自由度が高くなっている。したがって、ラム波装置202では、所望の特性を実現することが容易になっている。
【0050】
{その他}
IDT電極を圧電体薄膜206の下面に設ける場合は、圧電体基板232と支持基板224との接合に先立って圧電体基板232の下面にIDT電極を形成すればよい。
【0051】
<3 第3実施形態>
第3実施形態は、第1実施形態の積層体104、第2実施形態の積層体204及び第5実施形態の積層体504に代えて採用することができる積層体304に関する。図19は、第3実施形態の積層体304の模式図である。図19は、積層体304の断面図となっている。
【0052】
図19に示すように、積層体304は、第1実施形態の圧電体薄膜106及びIDT電極108と同様の圧電体薄膜306及びIDT電極308に加えて、IDT電極309を備える。IDT電極309は、圧電体薄膜306の下面に設けられている。IDT電極309は、IDT電極308と同様の平面形状を有し、IDT電極308と対向する位置に設けられている。対向するIDT電極308のフィンガー310とIDT電極309のフィンガー311は同相となっている。
【0053】
このようなIDT電極308,309を採用した場合も、フィンガー310,311のピッチpの2倍の波長λのラム波が最も強く励振される。したがって、先述の「比h/λが0.4以下」は「ピッチpに対する膜厚hの比h/pが0.8以下」であることを意味する。
【0054】
<4 第4実施形態>
第3実施形態は、第1実施形態の積層体104、第2実施形態の積層体204及び第5実施形態の積層体504に代えて採用することができる積層体404に関する。図20は、第4実施形態の積層体404の模式図である。
【0055】
図20に示すように、積層体404は、第1実施形態の圧電体薄膜106及びIDT電極108と同様の圧電体薄膜406及びIDT電極408に加えて、面電極409を備える。面電極409は、圧電体薄膜406の下面に設けられている。面電極409は、IDT電極408と対向する位置に設けられている。面電極409は、接地されていてもよいし、どこにも接続されずに電気的に浮いていてもよい。
【0056】
このようなIDT電極408を採用した場合も、フィンガー410のピッチpの2倍の波長λのラム波を最も強く励振される。したがって、先述の「規格化膜厚h/λが0.4以下」は「ピッチpに対する膜厚hの比h/pが0.8以下」であることを意味する。
【0057】
<5 第5実施形態>
<5−1 ラム波装置502の構成>
第5実施形態は、第1実施形態の支持構造体122に代えて支持構造体522で第1実施形態と同様に圧電体薄膜506及びIDT電極508を備える積層体504を支持したラム波装置502に関する。図21は、第2実施形態のラム波装置502の模式図である。図21は、ラム波装置502の断面図となっている。
【0058】
図21に示すように、支持構造体522は、支持基板524を備えるが、支持膜を備えていない。支持基板524には、支持基板524から積層体504の励振部を離隔させるキャビティ580が形成されている。ラム波装置502のキャビティ580は、ラム波装置202のキャビティ280と異なり、支持基板524の上面と下面とを貫通している。
【0059】
圧電体薄膜506の結晶方位は、圧電体薄膜506の支持構造体522の側にある下面5062のフッ酸に対するエッチングレートが、支持基板524の圧電体薄膜506の側とは反対の下面5242よりも十分に遅くなるように選択することが望ましく、フッ酸に対する65℃におけるエッチングレートが1/2以下となるように選択することがさらに望ましく、フッ酸に対する65℃におけるエッチングレートが1/20以下となるように選択することが特に望ましい。なお、フッ酸以外、例えば、バッファードフッ酸・フッ硝酸等のフッ化水素を含む溶液でエッチングをする場合も同様のことが言える。また、フッ化水素を含むガスでドライエッチングをする場合も同様のことが言える。これにより、キャビティ580を形成するときに圧電体薄膜506がほとんどエッチングされないので、圧電体薄膜506の膜厚のばらつきが減少し、共振周波数のばらつきが小さくなる。例えば、圧電体薄膜506がニオブ酸リチウムのθ°Y板を薄膜化したものであれば、θ=0〜45又は128〜180であることが望ましい。
【0060】
支持基板524の材質は、貫通孔のキャビティ580を形成するため、フッ化水素を含む溶液又はフッ化水素を含むガスによりエッチングされやすいタンタル酸リチウム(LiTaO3)・ニオブ酸リチウム(LiNbO3)・二酸化シリコン(SiO2)・シリコン(Si)等であることが望ましい。
【0061】
<5−2 ラム波装置502の製造方法>
図22〜図24は、ラム波装置202の製造方法を説明する模式図である。図22〜図24は、製造の途上の仕掛品の断面図となっている。
【0062】
{圧電体基板532と素材基板530との接合}
ラム波装置502の製造にあたっては、まず、図22に示すように、圧電体基板532の下面と最終的に支持基板524となる素材基板530の上面とを接合する。圧電体基板532と素材基板530との接合は、第1実施形態の場合と同様に行う。
【0063】
{圧電体基板532の除去加工}
圧電体基板532と素材基板530とを接合した後に、図23に示すように、圧電体基板532と素材基板530とを接合した状態を維持したまま圧電体基板532を除去加工し、圧電体薄膜506を得る。圧電体基板532の除去加工は、第1実施形態の場合と同様に行う。
【0064】
{支持基板524の作製}
圧電体基板532を除去加工した後に、図24に示すように、素材基板530を下面の側からエッチングしてキャビティ580を形成された支持基板524を作製する。圧電体薄膜506のフッ酸に対するエッチングレートが素材基板530よりも十分に遅ければ、フッ酸でキャビティ580を形成するときに圧電体薄膜506はほとんどエッチングされない。なお、IDT電極508の形成した後にキャビティ580を形成してもよい。
【0065】
図25は、後に支持基板524となる素材基板530のエッチングレートに対する圧電体薄膜506のエッチングレートの比(以下では、「エッチングレート比」という。)と周波数ばらつきとの関係を示す図である。図25は、支持基板524を構成する絶縁材料(素材基板530を構成する絶縁材料)及び圧電体薄膜506を構成する圧電材料も示している。図25に示す「LN36」は、ニオブ酸リチウム(LN)の単結晶の36°Y板を意味し、「LT36」「LT40」及び「LT42」は、それぞれ、タンタル酸リチウム(LT)の単結晶の36°Y板、40°Y板及び42°Y板を意味する。図14は、圧電体薄膜506の−Z面と素材基板530の+Z面とが接合された場合の関係を示している。エッチングの手順及び条件は、第1実施形態の場合と同様である。図25に示すように、エッチングレート比が小さくなるほど周波数ばらつきが小さくなり、圧電体薄膜506を構成する圧電材料がニオブ酸リチウムの単結晶の36°Y板である場合に周波数ばらつきが最も小さくなった。
【0066】
{IDT電極508の形成}
支持基板524を作製した後に、圧電体薄膜506の上面にIDT電極508を形成し、図21に示すラム波装置502を完成する。IDT電極508の形成は、第1実施形態の場合と同様に行う。
【0067】
このラム波装置502の製造方法によれば、圧電体薄膜506をスパッタリング等により成膜した場合と異なり、圧電体薄膜506を構成する圧電材料や圧電体薄膜506の結晶方位が下地の制約を受けないので、圧電体薄膜506を構成する圧電材料や圧電体薄膜506の結晶方位の選択の自由度が高くなっている。したがって、ラム波装置502では、所望の特性を実現することが容易になっている。
【0068】
<6 その他>
この発明は詳細に説明されたが、上述の説明は、すべての局面において例示であって、この発明がそれに限定されるものではない。例示されていない無数の変形例が、この発明の範囲から外れることなく想定され得るものと解される。特に、第1実施形態〜第5実施形態において説明したことを組み合わせることは当然に予定されている。
【符号の説明】
【0069】
102,202,302,402,502 ラム波装置
104,204,304,404,504 積層体
106,206,306,406,506 圧電体薄膜
108,208,308,309,408,508 IDT電極
110,310,410 フィンガー
116 バスバー
122,222,522 支持構造体
124,224,524 支持基板
180,280,580 キャビティ
【特許請求の範囲】
【請求項1】
ラム波装置であって、
圧電体薄膜と、
前記圧電体薄膜の主面に設けられたIDT電極と、
前記圧電体薄膜及び前記IDT電極の積層体を支持する支持構造体と、
を備え、
波長λに対する前記圧電体薄膜の膜厚hの比h/λについての音速vの変化係数Δv/Δ(h/λ)の絶対値が2000m/s以下となるラム波が目的の周波数において励振されるように前記圧電体薄膜の膜厚h及び前記IDT電極のフィンガーのピッチpが選択されるラム波装置。
【請求項2】
請求項1に記載のラム波装置において、
ラム波の振動モードがS0モードであるラム波装置。
【請求項3】
請求項1又は請求項2に記載のラム波装置において、
前記支持構造体が、
支持基板と、
前記支持基板と前記積層体とを接合するとともに前記積層体の励振部を支持基板から離隔させるキャビティが形成された支持膜と、
を備え、
前記圧電体薄膜の前記支持構造体の側にある主面のフッ化水素を含む溶液又はフッ化水素を含むガスに対する65℃におけるエッチングレートが前記支持膜の前記支持基板の側にある主面の1/2以下となるように前記圧電体薄膜の方位が選択されるラム波装置。
【請求項4】
請求項3に記載のラム波装置において、
前記圧電体薄膜の前記支持構造体の側にある主面のフッ化水素を含む溶液又はフッ化水素を含むガスに対する65℃におけるエッチングレートが前記支持膜の前記支持基板の側にある主面の1/20以下となるように前記圧電体薄膜の方位が選択されるラム波装置。
【請求項5】
請求項1又は請求項2に記載のラム波装置において、
前記支持構造体が、
支持基板、
を備え、
前記圧電体薄膜の前記支持構造体の側にある主面のフッ化水素を含む溶液又はフッ化水素を含むガスに対する65℃におけるエッチングレートが前記支持基板の前記圧電体薄膜の側とは反対の側にある主面の1/2以下となるように前記圧電体薄膜の方位が選択されるラム波装置。
【請求項6】
請求項5に記載のラム波装置において、
前記圧電体薄膜の前記支持構造体の側にある主面のフッ化水素を含む溶液又はフッ化水素を含むガスに対するに対する65℃におけるエッチングレートが前記支持基板の前記圧電体薄膜の側とは反対の側にある主面の1/20以下となるように前記圧電体薄膜の方位が選択されるラム波装置。
【請求項1】
ラム波装置であって、
圧電体薄膜と、
前記圧電体薄膜の主面に設けられたIDT電極と、
前記圧電体薄膜及び前記IDT電極の積層体を支持する支持構造体と、
を備え、
波長λに対する前記圧電体薄膜の膜厚hの比h/λについての音速vの変化係数Δv/Δ(h/λ)の絶対値が2000m/s以下となるラム波が目的の周波数において励振されるように前記圧電体薄膜の膜厚h及び前記IDT電極のフィンガーのピッチpが選択されるラム波装置。
【請求項2】
請求項1に記載のラム波装置において、
ラム波の振動モードがS0モードであるラム波装置。
【請求項3】
請求項1又は請求項2に記載のラム波装置において、
前記支持構造体が、
支持基板と、
前記支持基板と前記積層体とを接合するとともに前記積層体の励振部を支持基板から離隔させるキャビティが形成された支持膜と、
を備え、
前記圧電体薄膜の前記支持構造体の側にある主面のフッ化水素を含む溶液又はフッ化水素を含むガスに対する65℃におけるエッチングレートが前記支持膜の前記支持基板の側にある主面の1/2以下となるように前記圧電体薄膜の方位が選択されるラム波装置。
【請求項4】
請求項3に記載のラム波装置において、
前記圧電体薄膜の前記支持構造体の側にある主面のフッ化水素を含む溶液又はフッ化水素を含むガスに対する65℃におけるエッチングレートが前記支持膜の前記支持基板の側にある主面の1/20以下となるように前記圧電体薄膜の方位が選択されるラム波装置。
【請求項5】
請求項1又は請求項2に記載のラム波装置において、
前記支持構造体が、
支持基板、
を備え、
前記圧電体薄膜の前記支持構造体の側にある主面のフッ化水素を含む溶液又はフッ化水素を含むガスに対する65℃におけるエッチングレートが前記支持基板の前記圧電体薄膜の側とは反対の側にある主面の1/2以下となるように前記圧電体薄膜の方位が選択されるラム波装置。
【請求項6】
請求項5に記載のラム波装置において、
前記圧電体薄膜の前記支持構造体の側にある主面のフッ化水素を含む溶液又はフッ化水素を含むガスに対するに対する65℃におけるエッチングレートが前記支持基板の前記圧電体薄膜の側とは反対の側にある主面の1/20以下となるように前記圧電体薄膜の方位が選択されるラム波装置。
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】
【図13】
【図14】
【図15】
【図16】
【図17】
【図18】
【図19】
【図20】
【図21】
【図22】
【図23】
【図24】
【図25】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】
【図13】
【図14】
【図15】
【図16】
【図17】
【図18】
【図19】
【図20】
【図21】
【図22】
【図23】
【図24】
【図25】
【公開番号】特開2010−154505(P2010−154505A)
【公開日】平成22年7月8日(2010.7.8)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2009−234028(P2009−234028)
【出願日】平成21年10月8日(2009.10.8)
【出願人】(000004064)日本碍子株式会社 (2,325)
【Fターム(参考)】
【公開日】平成22年7月8日(2010.7.8)
【国際特許分類】
【出願日】平成21年10月8日(2009.10.8)
【出願人】(000004064)日本碍子株式会社 (2,325)
【Fターム(参考)】
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