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、音速が５０００ｍ／ｓ以上となる高次モードの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。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、十分に遅くなるように選択する。
【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、音速が５０００ｍ／ｓ以上となる高次モードの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。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、十分に遅くなるように選択する。
【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方向縦波を励振するバルク弾性波装置を開示している。このような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数１００ｎｍにしなければならない。
【０００３】
しかし、圧電体薄膜の膜厚が数１００ｎｍ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。また、圧電体薄膜の機械的強度が不足するという問題も生ずる。
【０００４】
一方、特許文献２は、圧電体薄膜にＡ1モードのラム波を励振するラム波装置を開示している。このようなラム波装置では、厚み方向縦波を励振するバルク弾性波装置の場合よりも、圧電体薄膜の膜厚が厚くなる。このため、圧電体薄膜の機械的強度が不足するという問題は緩和される。
【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、Ａ1モード等の高次モードのラム波の音速が圧電体薄膜の膜厚に対する大きな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、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、音速が５０００ｍ／ｓ以上となる高次モードの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及び前記ＩＤＴ電極のフィンガーのピッチが選択され、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。
【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、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。
【０００９】
請求項３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、前記支持構造体が、支持基板、を備え、目的の周波数において音速が５０００ｍ／ｓ以上となる高次モードのラム波が励振されるように前記圧電体薄膜の膜厚及び前記ＩＤＴ電極のフィンガーのピッチが選択され、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。
【００１０】
請求項４のラム波装置は、請求項３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】
【００１１】
請求項１ないし請求項４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、周波数のばらつきが小さくなる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【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Ａ1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Ａ1モードの分散曲線である。
【図５】圧電材料がタンタル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】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７】第１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８】第１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９】第１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１０】第２実施形態のラム波装置の断面図である。
【図１１】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１２】第２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１３】第２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１４】第２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１５】第３実施形態の積層体の断面図である。
【図１６】第４実施形態の積層体の断面図である。
【図１７】圧電体薄膜の膜厚による周波数の変化を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
＜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。
【００１４】
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。
【００１５】
｛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、音速が５０００ｍ／ｓ以上となるラム波が目的の周波数（設計周波数；共振子の場合は設計共振周波数）において励振されるように選択されることが望ましい。これにより、厚み方向縦波を励振する場合よりも圧電体薄膜１０６の膜厚ｈが厚くなる。
【００１６】
音速が５０００ｍ／ｓ以上となるラム波を励振するためには、Ｓ0モード（０次対称モード）及びＡ0モード（０次反対称モード）以外の高次モードであるＳnモード（ｎ次対称モード；ｎは１以上の自然数）又はＡnモード（ｎ次反対称モード；ｎは１以上の自然数）のラム波を励振することが望ましい。これは、第１に、圧電体薄膜１０６の膜厚が同じであれば、Ｓ0モード及びＡ0モードよりも高次モードの方がラム波の音速が速くなることによる。第２に、Ｓ0モードのラム波の音速は、膜厚ｈが薄くなるにつれて速くなるが、その上昇は次第に緩慢になり、Ａ0モードのラム波の音速は、膜厚ｈが薄くなるにつれて遅くなり、いずれも５０００ｍ／ｓとすることが困難であるのに対して、高次モードのラム波の音速は、膜厚ｈが薄くなるにつれて単調に速くなるため、５０００ｍ／ｓとすることが容易であることによる。
【００１７】
図３及び図４は、圧電体薄膜を構成する圧電材料がニオブ酸リチウム(LiNbO3)の単結晶である場合のＡ1モードの分散曲線である。図３及び図４は、それぞれ、１２８°Ｙ板及び９０°Ｙ板を薄膜化した圧電体薄膜における波長λに対する膜厚ｈの比ｈ／λによる音速ｖの変化を示している。図５は、圧電体薄膜を構成する圧電材料がタンタル酸リチウム(LiTaO3)の単結晶である場合のＡ1モードの分散曲線である。図５は、９０°Ｙ板を薄膜化した圧電体薄膜における波長λに対する膜厚ｈの比ｈ／λによる音速ｖの変化を示している。
【００１８】
図３〜図５に示すように、ラム波の励振条件ｈ／λ≦１が満たされる範囲においては、方位角による若干の違いはあるものの、音速ｖは５０００ｍ／ｓ以上となる。圧電体薄膜１０６を構成する圧電材料によっては、比ｈ／λがラム波の励振条件ｈ／λ≦１の上限に近づくと音速ｖが５０００ｍ／ｓを割り込むことも考えられるが、上述したように、Ａ1モードのラム波の音速ｖは、膜厚ｈが薄くなるにつれて単調に速くなるため、膜厚ｈを若干薄くすることによって、Ａ1モードのラム波の音速ｖを５０００ｍ／ｓ以上にすることは容易である。これらのことは、Ａ1モード以外の高次モードについても同様である。
【００１９】
｛音速を５０００ｍ／ｓ以上とする意義｝
水銀ランプを光源とする一般的なステッパのうち最も分解能が高いのは、波長が３６５ｎｍのｉ線を用い最小線幅が０．３６５μｍとなるｉ線ステッパである。このｉ線ステッパによりＩＤＴ電極１０８をパターニングした場合、ＩＤＴ電極１０８により励振されるラム波の最短の波長λは０．３６５×４＝１．４６μｍとなる。したがって、音速が５０００ｍ／ｓ以上であれば、一般的なｉ線ステッパによりＩＤＴ電極１０８をパターニングした場合でも周波数は約３．４ＧＨｚ以上となり、多くの高周波用途に利用可能なラム波装置が実現される。ただし、線幅を限界値である０．３６５μｍまで狭くすると、ＩＤＴ電極１０８の耐電力性の劣化やオーミック損によるＱ値の低下が発生することもあるので、音速を８０００ｍ／ｓ以上とすることがさらに望ましい。
【００２０】
｛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。
【００２１】
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６５℃におけ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。
【００２２】
図６は、後に圧電体薄膜となる圧電体基板のエッチングレートの支持膜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６は、支持膜を構成する絶縁材料及び圧電体基板を構成する圧電材料（圧電体薄膜を構成する圧電材料）も示している。図６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６は、圧電体基板の−Ｚ面に支持膜を形成した場合の関係を示している。
【００２３】
圧電体薄膜１０６は、支持基板１２４の全面を覆っている。
【００２４】
｛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。
【００２５】
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。
【００２６】
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。
【００２７】
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。
【００２８】
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、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。
【００２９】
｛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。
【００３０】
｛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。
【００３１】
｛設計例｝
ラム波装置１０２の各構成物の材質及び大きさは、その機能を果たすように選択されるが、典型的な設計例によれば、次のとおりである。ただし、この設計例は、本発明を制限するものではない。
【００３２】
ＩＤＴ電極１０８：アルミニウム（膜厚０．１μｍ，ピッチ０．７３μｍ）
圧電体薄膜１０６：ニオブ酸リチウムの１２８°Ｙ板を薄膜化したもの（膜厚１μｍ）
支持膜１２６：二酸化シリコン（膜厚０．５μｍ）
支持基板１２４：ニオブ酸リチウムの１２８°Ｙ板（板厚５００μｍ）
【００３３】
＜１−２ ラム波装置１０２の製造方法＞
図７〜図９は、ラム波装置１０２の製造方法を説明する模式図である。図７〜図９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７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は支持膜１２６よりも十分に遅いので、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。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。
【００３５】
｛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８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。
【００３６】
｛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９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。
【００３７】
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。
【００３８】
｛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。
【００３９】
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。
【００４０】
｛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。
【００４１】
＜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１０は、第２実施形態のラム波装置２０２の模式図である。図１０は、ラム波装置２０２の断面図となっている。
【００４２】
図１０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。ラム波装置２０２のキャビティ２８０は、ラム波装置２０２のキャビティ２８０と異なり、支持基板２２４の上面と下面とを貫通している。
【００４３】
圧電体薄膜２０６の結晶方位は、圧電体薄膜２０６の支持構造体２２２の側にある下面２０６２のフッ酸に対する６５℃におけるエッチングレートが、支持基板２２４の圧電体薄膜２０６の側とは反対の下面２２４２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２８０を形成するときに圧電体薄膜２０６がほとんどエッチングされないので、圧電体薄膜２０６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２０６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。
【００４４】
図１１は、後に支持基板となる素材基板のエッチングレートに対する圧電体薄膜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１２は、支持基板を構成する絶縁材料（素材基板を構成する絶縁材料）及び圧電体薄膜を構成する圧電材料も示している。図１１に示す「ＬＮ３６」「ＬＮ９０」は、ニオブ酸リチウム（ＬＮ）の単結晶の３６°Ｙ板、９０°Ｙ板を意味し、「ＬＴ３６」「ＬＴ９０」及びは、それぞれ、タンタル酸リチウム（ＬＴ）の単結晶の３６°Ｙ板、９０°Ｙ板を意味する。図７は、圧電体薄膜の−Ｚ面と素材基板の＋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。
【００４５】
支持基板２２４の材質は、貫通孔のキャビティ２８０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。
【００４６】
ラム波装置２０２の各構成物の材質及び大きさは、その機能を果たすように選択されるが、典型的な設計例によれば、次のとおりである。ただし、この設計例は、本発明を制限するものではない。
【００４７】
ＩＤＴ電極１０８：アルミニウム（膜厚０．１μｍ，ピッチ０．７３μｍ）
圧電体薄膜１０６：ニオブ酸リチウムの１２８°Ｙ板を薄膜化したもの（膜厚１μｍ）
支持基板１２４：ニオブ酸リチウムの１２８°Ｙ板（板厚５００μｍ）
【００４８】
＜２−２ ラム波装置２０２の製造方法＞
図１２〜図１４は、ラム波装置２０２の製造方法を説明する模式図である。図１２〜図１４は、製造の途上の仕掛品の断面図となっている。
【００４９】
｛圧電体基板２３２と素材基板２３０との接合｝
ラム波装置２０２の製造にあたっては、まず、図１２に示すように、圧電体基板２３２の下面と最終的に支持基板２２４となる素材基板２３０の上面とを接合する。圧電体基板２３２と素材基板２３０との接合は、第１実施形態の場合と同様に行う。
【００５０】
｛圧電体基板２３２の除去加工｝
圧電体基板２３２と素材基板２３０とを接合した後に、図１３に示すように、圧電体基板２３２と素材基板２３０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。
【００５１】
｛支持基板２２４の作製｝
圧電体基板２３２を除去加工した後に、図１４に示すように、素材基板２３０を下面の側から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。圧電体薄膜２０６のフッ酸に対するエッチングレートは素材基板２３０よりも十分に遅いので、フッ酸でキャビティ２８０を形成するときに圧電体薄膜２０６はほとんどエッチングされない。なお、ＩＤＴ電極２０８を形成した後にキャビティ２８０を形成してもよい。
【００５２】
｛ＩＤＴ電極２０８の形成｝
支持基板２２４を作製した後に、圧電体薄膜２０６の上面にＩＤＴ電極２０８を形成し、図１０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。
【００５３】
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。
【００５４】
＜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及び第２実施形態の積層体２０４に代えて採用することができる積層体３０４に関する。図１５は、第３実施形態の積層体３０４の模式図である。図１５は、積層体３０４の断面図となっている。
【００５５】
図１５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。
【００５６】
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。
【００５７】
＜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及び第２実施形態の積層体２０４に代えて採用することができる積層体４０４に関する。図１６は、第４実施形態の積層体４０４の模式図である。
【００５８】
図１６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。
【００５９】
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。
【００６０】
＜５ 高次モードのラム波を励振することの利点＞
図１７は、Ａ1モード及びＳ0モードのラム波並びに厚み方向縦波を励振したときの圧電体薄膜の膜厚による共振子の周波数の変化を示す図である。
【００６１】
図１７に示すように、Ａ1モードのラム波を励振することにより、厚み方向縦波を励振した場合よりも高周波化が可能になり、Ｓ0モードのラム波を励振した場合では実現し得ない高周波化も可能になる。
【００６２】
表１においては、３インチウエハを薄膜化した圧電体薄膜を支持構造体に支持させた構造を有する構造物にＡ1モードのラム波及び厚み方向縦波を励振する共振子を多数形成した場合の周波数のバラツキの実測結果を対比している。設計周波数はいずれも３ＧＨｚである。圧電体薄膜は、Ａ1モードを励振する場合は、ニオブ酸リチウムの１２８°Ｙ板を１．０μｍまで薄膜化したもの、厚み方向縦波を励振する場合は、ニオブ酸リチウムの３６°Ｙ板を０．５μｍまで薄膜化したものである。表１に示すように、Ａ1モードのラムを励振する場合、周波数ばらつきは厚み方向縦波を励振する場合の半分になる。
【００６３】
【表１】
【００６４】
＜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】
【００６５】
１０２，２０２ ラム波装置
１０４，２０４，３０４，４０４ 積層体
１０６，２０６，３０６，４０６ 圧電体薄膜
１０８，２０８，３０８，３０９，４０８ ＩＤＴ電極
１１０，３１０ フィンガー
１１６ バスバー
１２２，２２２ 支持構造体
１２４，２２４ 支持基板
１８０，２８０ 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方向縦波を励振するバルク弾性波装置を開示している。このような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数１００ｎｍにしなければならない。
【０００３】
しかし、圧電体薄膜の膜厚が数１００ｎｍ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。また、圧電体薄膜の機械的強度が不足するという問題も生ずる。
【０００４】
一方、特許文献２は、圧電体薄膜にＡ1モードのラム波を励振するラム波装置を開示している。このようなラム波装置では、厚み方向縦波を励振するバルク弾性波装置の場合よりも、圧電体薄膜の膜厚が厚くなる。このため、圧電体薄膜の機械的強度が不足するという問題は緩和される。
【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、Ａ1モード等の高次モードのラム波の音速が圧電体薄膜の膜厚に対する大きな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、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、音速が５０００ｍ／ｓ以上となる高次モードの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及び前記ＩＤＴ電極のフィンガーのピッチが選択され、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。
【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、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。
【０００９】
請求項３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、前記支持構造体が、支持基板、を備え、目的の周波数において音速が５０００ｍ／ｓ以上となる高次モードのラム波が励振されるように前記圧電体薄膜の膜厚及び前記ＩＤＴ電極のフィンガーのピッチが選択され、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。
【００１０】
請求項４のラム波装置は、請求項３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】
【００１１】
請求項１ないし請求項４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、周波数のばらつきが小さくなる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【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Ａ1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Ａ1モードの分散曲線である。
【図５】圧電材料がタンタル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】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７】第１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８】第１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９】第１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１０】第２実施形態のラム波装置の断面図である。
【図１１】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１２】第２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１３】第２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１４】第２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１５】第３実施形態の積層体の断面図である。
【図１６】第４実施形態の積層体の断面図である。
【図１７】圧電体薄膜の膜厚による周波数の変化を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
＜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。
【００１４】
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。
【００１５】
｛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、音速が５０００ｍ／ｓ以上となるラム波が目的の周波数（設計周波数；共振子の場合は設計共振周波数）において励振されるように選択されることが望ましい。これにより、厚み方向縦波を励振する場合よりも圧電体薄膜１０６の膜厚ｈが厚くなる。
【００１６】
音速が５０００ｍ／ｓ以上となるラム波を励振するためには、Ｓ0モード（０次対称モード）及びＡ0モード（０次反対称モード）以外の高次モードであるＳnモード（ｎ次対称モード；ｎは１以上の自然数）又はＡnモード（ｎ次反対称モード；ｎは１以上の自然数）のラム波を励振することが望ましい。これは、第１に、圧電体薄膜１０６の膜厚が同じであれば、Ｓ0モード及びＡ0モードよりも高次モードの方がラム波の音速が速くなることによる。第２に、Ｓ0モードのラム波の音速は、膜厚ｈが薄くなるにつれて速くなるが、その上昇は次第に緩慢になり、Ａ0モードのラム波の音速は、膜厚ｈが薄くなるにつれて遅くなり、いずれも５０００ｍ／ｓとすることが困難であるのに対して、高次モードのラム波の音速は、膜厚ｈが薄くなるにつれて単調に速くなるため、５０００ｍ／ｓとすることが容易であることによる。
【００１７】
図３及び図４は、圧電体薄膜を構成する圧電材料がニオブ酸リチウム(LiNbO3)の単結晶である場合のＡ1モードの分散曲線である。図３及び図４は、それぞれ、１２８°Ｙ板及び９０°Ｙ板を薄膜化した圧電体薄膜における波長λに対する膜厚ｈの比ｈ／λによる音速ｖの変化を示している。図５は、圧電体薄膜を構成する圧電材料がタンタル酸リチウム(LiTaO3)の単結晶である場合のＡ1モードの分散曲線である。図５は、９０°Ｙ板を薄膜化した圧電体薄膜における波長λに対する膜厚ｈの比ｈ／λによる音速ｖの変化を示している。
【００１８】
図３〜図５に示すように、ラム波の励振条件ｈ／λ≦１が満たされる範囲においては、方位角による若干の違いはあるものの、音速ｖは５０００ｍ／ｓ以上となる。圧電体薄膜１０６を構成する圧電材料によっては、比ｈ／λがラム波の励振条件ｈ／λ≦１の上限に近づくと音速ｖが５０００ｍ／ｓを割り込むことも考えられるが、上述したように、Ａ1モードのラム波の音速ｖは、膜厚ｈが薄くなるにつれて単調に速くなるため、膜厚ｈを若干薄くすることによって、Ａ1モードのラム波の音速ｖを５０００ｍ／ｓ以上にすることは容易である。これらのことは、Ａ1モード以外の高次モードについても同様である。
【００１９】
｛音速を５０００ｍ／ｓ以上とする意義｝
水銀ランプを光源とする一般的なステッパのうち最も分解能が高いのは、波長が３６５ｎｍのｉ線を用い最小線幅が０．３６５μｍとなるｉ線ステッパである。このｉ線ステッパによりＩＤＴ電極１０８をパターニングした場合、ＩＤＴ電極１０８により励振されるラム波の最短の波長λは０．３６５×４＝１．４６μｍとなる。したがって、音速が５０００ｍ／ｓ以上であれば、一般的なｉ線ステッパによりＩＤＴ電極１０８をパターニングした場合でも周波数は約３．４ＧＨｚ以上となり、多くの高周波用途に利用可能なラム波装置が実現される。ただし、線幅を限界値である０．３６５μｍまで狭くすると、ＩＤＴ電極１０８の耐電力性の劣化やオーミック損によるＱ値の低下が発生することもあるので、音速を８０００ｍ／ｓ以上とすることがさらに望ましい。
【００２０】
｛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。
【００２１】
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６５℃におけ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。
【００２２】
図６は、後に圧電体薄膜となる圧電体基板のエッチングレートの支持膜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６は、支持膜を構成する絶縁材料及び圧電体基板を構成する圧電材料（圧電体薄膜を構成する圧電材料）も示している。図６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６は、圧電体基板の−Ｚ面に支持膜を形成した場合の関係を示している。
【００２３】
圧電体薄膜１０６は、支持基板１２４の全面を覆っている。
【００２４】
｛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。
【００２５】
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。
【００２６】
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。
【００２７】
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。
【００２８】
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、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。
【００２９】
｛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。
【００３０】
｛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。
【００３１】
｛設計例｝
ラム波装置１０２の各構成物の材質及び大きさは、その機能を果たすように選択されるが、典型的な設計例によれば、次のとおりである。ただし、この設計例は、本発明を制限するものではない。
【００３２】
ＩＤＴ電極１０８：アルミニウム（膜厚０．１μｍ，ピッチ０．７３μｍ）
圧電体薄膜１０６：ニオブ酸リチウムの１２８°Ｙ板を薄膜化したもの（膜厚１μｍ）
支持膜１２６：二酸化シリコン（膜厚０．５μｍ）
支持基板１２４：ニオブ酸リチウムの１２８°Ｙ板（板厚５００μｍ）
【００３３】
＜１−２ ラム波装置１０２の製造方法＞
図７〜図９は、ラム波装置１０２の製造方法を説明する模式図である。図７〜図９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７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は支持膜１２６よりも十分に遅いので、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。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。
【００３５】
｛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８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。
【００３６】
｛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９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。
【００３７】
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。
【００３８】
｛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。
【００３９】
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。
【００４０】
｛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。
【００４１】
＜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１０は、第２実施形態のラム波装置２０２の模式図である。図１０は、ラム波装置２０２の断面図となっている。
【００４２】
図１０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。ラム波装置２０２のキャビティ２８０は、ラム波装置２０２のキャビティ２８０と異なり、支持基板２２４の上面と下面とを貫通している。
【００４３】
圧電体薄膜２０６の結晶方位は、圧電体薄膜２０６の支持構造体２２２の側にある下面２０６２のフッ酸に対する６５℃におけるエッチングレートが、支持基板２２４の圧電体薄膜２０６の側とは反対の下面２２４２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２８０を形成するときに圧電体薄膜２０６がほとんどエッチングされないので、圧電体薄膜２０６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２０６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。
【００４４】
図１１は、後に支持基板となる素材基板のエッチングレートに対する圧電体薄膜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１２は、支持基板を構成する絶縁材料（素材基板を構成する絶縁材料）及び圧電体薄膜を構成する圧電材料も示している。図１１に示す「ＬＮ３６」「ＬＮ９０」は、ニオブ酸リチウム（ＬＮ）の単結晶の３６°Ｙ板、９０°Ｙ板を意味し、「ＬＴ３６」「ＬＴ９０」及びは、それぞれ、タンタル酸リチウム（ＬＴ）の単結晶の３６°Ｙ板、９０°Ｙ板を意味する。図７は、圧電体薄膜の−Ｚ面と素材基板の＋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。
【００４５】
支持基板２２４の材質は、貫通孔のキャビティ２８０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。
【００４６】
ラム波装置２０２の各構成物の材質及び大きさは、その機能を果たすように選択されるが、典型的な設計例によれば、次のとおりである。ただし、この設計例は、本発明を制限するものではない。
【００４７】
ＩＤＴ電極１０８：アルミニウム（膜厚０．１μｍ，ピッチ０．７３μｍ）
圧電体薄膜１０６：ニオブ酸リチウムの１２８°Ｙ板を薄膜化したもの（膜厚１μｍ）
支持基板１２４：ニオブ酸リチウムの１２８°Ｙ板（板厚５００μｍ）
【００４８】
＜２−２ ラム波装置２０２の製造方法＞
図１２〜図１４は、ラム波装置２０２の製造方法を説明する模式図である。図１２〜図１４は、製造の途上の仕掛品の断面図となっている。
【００４９】
｛圧電体基板２３２と素材基板２３０との接合｝
ラム波装置２０２の製造にあたっては、まず、図１２に示すように、圧電体基板２３２の下面と最終的に支持基板２２４となる素材基板２３０の上面とを接合する。圧電体基板２３２と素材基板２３０との接合は、第１実施形態の場合と同様に行う。
【００５０】
｛圧電体基板２３２の除去加工｝
圧電体基板２３２と素材基板２３０とを接合した後に、図１３に示すように、圧電体基板２３２と素材基板２３０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。
【００５１】
｛支持基板２２４の作製｝
圧電体基板２３２を除去加工した後に、図１４に示すように、素材基板２３０を下面の側から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。圧電体薄膜２０６のフッ酸に対するエッチングレートは素材基板２３０よりも十分に遅いので、フッ酸でキャビティ２８０を形成するときに圧電体薄膜２０６はほとんどエッチングされない。なお、ＩＤＴ電極２０８を形成した後にキャビティ２８０を形成してもよい。
【００５２】
｛ＩＤＴ電極２０８の形成｝
支持基板２２４を作製した後に、圧電体薄膜２０６の上面にＩＤＴ電極２０８を形成し、図１０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。
【００５３】
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。
【００５４】
＜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及び第２実施形態の積層体２０４に代えて採用することができる積層体３０４に関する。図１５は、第３実施形態の積層体３０４の模式図である。図１５は、積層体３０４の断面図となっている。
【００５５】
図１５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。
【００５６】
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。
【００５７】
＜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及び第２実施形態の積層体２０４に代えて採用することができる積層体４０４に関する。図１６は、第４実施形態の積層体４０４の模式図である。
【００５８】
図１６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。
【００５９】
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。
【００６０】
＜５ 高次モードのラム波を励振することの利点＞
図１７は、Ａ1モード及びＳ0モードのラム波並びに厚み方向縦波を励振したときの圧電体薄膜の膜厚による共振子の周波数の変化を示す図である。
【００６１】
図１７に示すように、Ａ1モードのラム波を励振することにより、厚み方向縦波を励振した場合よりも高周波化が可能になり、Ｓ0モードのラム波を励振した場合では実現し得ない高周波化も可能になる。
【００６２】
表１においては、３インチウエハを薄膜化した圧電体薄膜を支持構造体に支持させた構造を有する構造物にＡ1モードのラム波及び厚み方向縦波を励振する共振子を多数形成した場合の周波数のバラツキの実測結果を対比している。設計周波数はいずれも３ＧＨｚである。圧電体薄膜は、Ａ1モードを励振する場合は、ニオブ酸リチウムの１２８°Ｙ板を１．０μｍまで薄膜化したもの、厚み方向縦波を励振する場合は、ニオブ酸リチウムの３６°Ｙ板を０．５μｍまで薄膜化したものである。表１に示すように、Ａ1モードのラムを励振する場合、周波数ばらつきは厚み方向縦波を励振する場合の半分になる。
【００６３】
【表１】
【００６４】
＜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】
【００６５】
１０２，２０２ ラム波装置
１０４，２０４，３０４，４０４ 積層体
１０６，２０６，３０６，４０６ 圧電体薄膜
１０８，２０８，３０８，３０９，４０８ ＩＤＴ電極
１１０，３１０ フィンガー
１１６ バスバー
１２２，２２２ 支持構造体
１２４，２２４ 支持基板
１８０，２８０ 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、
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、
音速が５０００ｍ／ｓ以上となる高次モードの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及び前記ＩＤＴ電極のフィンガーのピッチが選択され、
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２】
請求項１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３】
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、
前記支持構造体が、
支持基板、
を備え、
目的の周波数において音速が５０００ｍ／ｓ以上となる高次モードのラム波が励振されるように前記圧電体薄膜の膜厚及び前記ＩＤＴ電極のフィンガーのピッチが選択され、
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４】
請求項３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、
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、
音速が５０００ｍ／ｓ以上となる高次モードの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及び前記ＩＤＴ電極のフィンガーのピッチが選択され、
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２】
請求項１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３】
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、
前記支持構造体が、
支持基板、
を備え、
目的の周波数において音速が５０００ｍ／ｓ以上となる高次モードのラム波が励振されるように前記圧電体薄膜の膜厚及び前記ＩＤＴ電極のフィンガーのピッチが選択され、
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４】
請求項３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】
【公開番号】特開２０１０−２２０２０４（Ｐ２０１０−２２０２０４Ａ）
【公開日】平成２２年９月３０日（２０１０．９．３０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−２８７５２（Ｐ２０１０−２８７５２）
【出願日】平成２２年２月１２日（２０１０．２．１２）
【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９月３０日（２０１０．９．３０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年２月１２日（２０１０．２．１２）
【出願人】（０００００４０６４）日本碍子株式会社 (2,325)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]