JP2021027401A - 弾性波デバイス、フィルタおよびマルチプレクサ - Google Patents

Abstract

【課題】電極指の劣化を抑制することを目的とする。【解決手段】本発明は、圧電基板１０と、前記圧電基板１０上に設けられ、白金の融点以上の融点を有する第１金属を主成分とする第１金属層１２ａと、前記第１金属の引張強度より高い引張強度を有する第２金属を主成分とし、前記第１金属層１２ａの上面の全面に接する第２金属層１２ｂと、を各々備える複数の電極指１４と、を備える弾性波デバイスである。【選択図】図３

Description

本発明は、弾性波デバイス、フィルタおよびマルチプレクサに関し、例えば複数の電極指を有する弾性波デバイス、フィルタおよびマルチプレクサに関する。

携帯電話を代表とする高周波通信用システムにおいて、通信に使用する周波数帯以外の不要な信号を除去するために、高周波フィルタ等が用いられている。高周波フィルタ等には、弾性表面波（ＳＡＷ：Surface acoustic wave）素子等を有する弾性波デバイスが用いられている。ＳＡＷ素子は、圧電基板上に一対の櫛型電極を有するＩＤＴ（Interdigital Transducer）を形成した素子である（例えば特許文献１から４）。ＩＤＴが励振する弾性表面波の音速を圧電基板内を伝播するバルク波の音速より遅くすることで、低損失とすることが知られている（例えば特許文献３）。電極指としてモリブデン層とアルミニウム層を積層し、アルミニウム層上にタングステン層を設けることが知られている（例えば特許文献４）。

特開２００８−２４４５２３号公報 特開２００８−２８９８０号公報 特開２０１６−１３６７１２号公報 特開２０１８−２３１１０号公報

特許文献３のように、弾性表面波の音速を遅くするために櫛型電極に高融点金属を用いた場合、大電力が印加されると、電極指が振動する。このため電極指の剥がれまたは変形等の劣化が生じることがある。

本発明は、上記課題に鑑みなされたものであり、電極指の劣化を抑制す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、白金の融点以上の融点を有する第１金属を主成分とする第１金属層と、前記第１金属の引張強度より高い引張強度を有する第２金属を主成分とし、前記第１金属層の上面の全面に接する第２金属層と、を各々備える複数の電極指と、を備える弾性波デバイスである。

上記構成において、前記第１金属層の比抵抗は前記第２金属層の比抵抗より低い構成とすることができる。

上記構成において、前記第２金属は前記第１金属のヤング率より高いヤング率を有する構成とすることができる。

上記構成において、前記第２金属層の密度は前記第１金属層の密度より高い構成とすることができる。

上記構成において、前記第１金属層は前記第２金属層より厚い構成とすることができる。

上記構成において、前記第２金属層は前記第１金属層上に設けられている構成とすることができる。

上記構成において、前記第２金属層は前記第１金属層の側面に設けられている構成とすることができる。

上記構成において、前記第１金属はモリブデン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金属はタングステンである構成とすることができる。

本発明は、圧電基板と、前記圧電基板上に設けられ、モリブデン、ルテニウム、ロジウムおよびイリジウムのいずれか一つを主成分とする第１金属層と、タングステンを主成分とし、前記第１金属層の上面の全面と接する第２金属層と、を各々備える複数の電極指と、を備える弾性波デバイスである。

本発明は、上記弾性波デバイス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、電極指の劣化を抑制することができる。

図１（ａ）は、実施例１における弾性波共振器を示す平面図、図１（ｂ）は、図１（ａ）のＡ−Ａ断面図である。 図２（ａ）および図２（ｂ）は、それぞれ実施例１および比較例１に係る弾性波共振器の拡大断面図である。 図３（ａ）から図３（ｃ）は、それぞれ実施例１の変形例１から３に係る弾性波デバイスの拡大断面図である。 図４（ａ）は、実施例２に係るフィルタの回路図、図４（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。

弾性波デバイスとして弾性波共振器を例に説明する。図１（ａ）は、実施例１における弾性波共振器を示す平面図、図１（ｂ）は、図１（ａ）のＡ−Ａ断面図である。電極指１４の配列方向をＸ方向、電極指１４の延伸方向をＹ方向、圧電基板１０の法線方向をＺ方向とする。なお、Ｘ、ＹおよびＺ方向は圧電基板１０の結晶方位とは必ずしも一致しない。

図１（ａ）および図１（ｂ）に示すように、弾性波共振器２４は、ＩＤＴ２０および反射器２２を有している。ＩＤＴ２０および反射器２２は圧電基板１０上に設けられている。圧電基板１０は、例えばタンタル酸リチウム基板、ニオブ酸リチウム基板または水晶基板である。ＩＤＴ２０および反射器２２は金属層１２により形成されている。ＩＤＴ２０は一対の櫛型電極１８を有する。一対の櫛型電極１８は、それぞれ複数の電極指１４と、複数の電極指１４が接続されたバスバー１６を有する。一方の櫛型電極１８の電極指１４と他方の櫛型電極１８の電極指１４とは少なくとも一部で互い違いに設けられている。ＩＤＴ２０のＸ方向の両側に反射器２２が形成されている。ＩＤＴ２０が励振した弾性波は主にＸ方向に伝播し、反射器２２は弾性波を反射する。同じ櫛型電極１８内の電極指１４のピッチをλとする。λは、ＩＤＴ２０が励振する弾性表面波の波長に相当する。金属層１２を覆うように酸化シリコン膜または窒化シリコン膜等の絶縁膜が設けられていてもよい。絶縁膜の膜厚は金属層１２の膜厚より厚くてもよいし薄くてもよい。

図２（ａ）は、実施例１に係る弾性波共振器の拡大断面図である。図２（ａ）に示すように、金属層１２は圧電基板１０上に設けられた金属層１２ａと金属層１２ａ上に設けられた金属層１２ｂとを備えている。金属層１２ａと１２ｂとの間には他の層（金属層および絶縁層）は設けられておらず、金属層１２ａと１２ｂとは接している。金属層１２ａの主成分は金属Ｍ１（例えばモリブデン）であり、金属層１２ｂの主成分は金属Ｍ２（例えばタングステン）である。金属Ｍ１の融点は白金より高い。金属Ｍ２の引張強度は金属Ｍ１の引張強度より高い。金属層１２の厚さは例えば０．０５λから０．１５λである。金属層１２ａの厚さＴ１は例えば３００ｎｍであり、金属層１２ｂの厚さＴ２は例えば１００ｎｍである。金属層１２ａは金属層１２ｂより厚くてもよいし薄くてもよい。

［比較例１］
図２（ｂ）は、比較例１に係る弾性波共振器の拡大断面図である。図２（ｂ）に示すように、比較例１では、電極指１４は単層の金属層１２である。ＩＤＴ２０により励振された弾性表面波の音速が圧電基板１０内を伝播するバルク波（例えば最も遅い横波バルク波）の音速より早い場合、弾性表面波はバルク波を放射しながら圧電基板１０の表面を伝播する。よって、損失が生じる。特に、弾性表面波の一種であるＳＨ（Shear Horizontal）波の音速はバルク波の音速より早い。このため、ＳＨ波を主モードとする弾性波共振器では損失が大きくなる。例えば、２０°以上かつ４８°以下のカット角を有するＹカットＸ伝播タンタル酸リチウム基板では、ＳＨ波が主モードとなる。

弾性表面波の音速を遅くするため、金属層１２に音響インピーダンスの大きな金属を用いる。音響インピーダンスＺは、密度をρ、ヤング率をＥおよびポアソン比をＰｒとすると、以下の式で表される。

ポアソン比は金属材料では大きく異ならないため、音響インピーダンスの大きな金属は、密度×ヤング率の大きい金属となる。密度は原子番号が大きな金属が大きく、ヤング率は硬い金属が大きい。このような金属は融点が高い高融点金属である。このように、高融点金属を金属層１２に用いると弾性表面波の音速が遅くなり損失が小さくなる。

また、高融点金属は、電子数が大きくかつ原子半径が小さいため金属結合が強くなる。エレクトロマイグレーションおよびストレスマイグレーションはそれぞれ電界および応力により金属原子が移動する現象である。よって、金属結合が強い高融点金属はこれらのマイグレーションが生じ難い。よって、高融点金属を金属層１２に用いるとマイグレーションが小さくなる。

例えば金属層１２として一般的に用いられるアルミニウムは、融点が６６０℃であり、密度、ヤング率、ポアソン比および音響インピーダンスがそれぞれ２．７ｇ／ｃｍ^３、６８ＧＰａ、０．３４および８．３ＧＰａ・ｓ／ｍである。高融点金属であるモリブデンは、融点が２６２２℃であり、密度、ヤング率、ポアソン比および音響インピーダンスがそれぞれ１０．２ｇ／ｃｍ^３、３２９ＧＰａ、０．３１および３５．９ＧＰａ・ｓ／ｍである。このように、モリブデンはアルミニウムに比べ融点が２０００℃高く、密度は約４倍、ヤング率は約５倍であり、音響インピーダンスは約４倍である。

表１は、金属の融点、密度、比抵抗、ヤング率、および引張破壊強度を示す表である。比抵抗については文献等に記載されているバルクの比抵抗と薄膜を形成し実測した比抵抗とを記載している。

表１に示すように、白金（Ｐｔ）の融点以上の融点を有するモリブデン（Ｍｏ）、タングステン（Ｗ）、ルテニウム（Ｒｕ）、ロジウム（Ｒｈ）、イリジウム（Ｉｒ）および白金（Ｐｔ）の密度×ヤング率は、白金の融点より低い融点を有する金（Ａｕ）および銀（Ａｇ）の密度×ヤング率より大きい。

このように、融点が白金以上の高融点金属は密度が高く音響インピーダンスも高い。このため、これらの金属を金属層１２とすることで弾性表面波の音速が遅くなり、損失を抑制できる。また融点が高いため、マイグレーションが生じ難くなる。

電極指１４に用いられる金属層１２としては、比抵抗が小さく、安価および加工が容易な金属が好ましい。タングステンは、モリブデンに比べバルクの比抵抗は低いが、スパッタリング法等を用い形成すると、モリブデンに比べ比抵抗が高くなる。また、タングステンは電極指１４を形成するときのエッチングが、モリブデンに比べ難しい。ルテニウムおよび白金は比抵抗が高い。ロジウム、イリジウムおよび白金は高価である。これらを考慮し金属層１２の金属が決定される。例えば金属層１２の主成分をモリブデンとする。

ＩＤＴ２０に大電力の高周波信号（例えば４５ＭＨｚから２ＧＨｚ）が印加されると、電極指１４が振動し、電極指１４に応力が加わる。例えば金属層１２として厚さが４８５ｎｍのモリブデン層を用い、電力が１Ｗの高周波電力をＩＤＴ２０に印加すると、電極指１４に１５００ＭＰａの応力が加わる。これにより、電極指１４の圧電基板１０からの剥がれ、および／または電極指の屈折等の変形が生じる。よって、耐電力性能が低下する。

実施例１によれば、圧電基板１０上に設けられる金属層１２ａ（第１金属層）は、白金の融点以上の融点を有する金属Ｍ１（第１金属）を主成分とする。これにより、損失を抑制でき、マイグレーションを抑制できる。しかし、電極指１４の剥がれおよび／または変形が生じ耐電力性が低下する。そこで、金属層１２ａとの間に他の層（例えば金属層または絶縁層）が設けられておらず、金属層１２ａの上面の全面と接するように金属層１２ｂを設ける。金属層１２ｂ（第２金属層）は、金属Ｍ１の引張強度より高い引張強度を有する金属Ｍ２（第２金属）を主成分とする。

これにより、金属層１２ｂが金属層１２ａを補強するため、金属層１２ａの剥がれおよび／または変形を抑制できる。金属Ｍ２の引張強度は、金属Ｍ１の引張強度の１．５倍以上が好ましく、２倍以上がより好ましい。また、電極指１４に加わる応力より大きくするため、金属Ｍ１の引張強度が１５００ＭＰａより小さいとき、金属Ｍ２の引張強度は１５００ＭＰａ以上が好ましい。

金属層１２ａの比抵抗は金属層１２ｂの比抵抗より低い。金属層１２ａとして比抵抗の小さい金属層を選択すると、引張強度が低い場合がある。このような場合、金属層１２ｂの主成分である金属Ｍ２の引張強度を金属Ｍ１の引張強度より高くすることが好ましい。金属Ｍ１の比抵抗は金属Ｍ２の比抵抗の０．９倍以下が好ましく、０．８倍以下がより好ましい。

金属層１２ｂで金属層１２ａを補強する観点から、金属Ｍ２のヤング率は金属Ｍ１のヤング率より高いことが好ましい。金属Ｍ２のヤング率は、金属Ｍ１のヤング率の１．１倍以上が好ましく、１．２倍以上がより好ましい。

金属層１２ｂの密度は金属層１２ａの密度より高い。これにより、金属層１２ｂの音響インピーダンスを金属層１２ａの音響インピーダンスより大きくできる。よって、電極指１４を薄くできる。金属層１２ｂの密度は金属層１２ａの密度の１．１倍以上が好ましく、１．２倍以上がより好ましい。

金属層１２ａは金属層１２ｂより厚い。これにより、電極指１４に求められる特性（例えば抵抗）は金属層１２ａによりほぼ定まり、金属層１２ｂを用い補強をすることができる。金属層１２ａの厚さは金属層１２ｂの厚さの１．５倍以上が好ましく、２倍以上がより好ましい。金属層１２ｂが補強として機能するため、金属層１２ａの厚さは金属層１２ｂの厚さの１０倍以下が好ましく、５倍以下がより好ましい。

表１のように、音響インピーダンス、実測の比抵抗および価格を考慮すると、金属Ｍ１としてモリブデンが好ましい。このとき、金属Ｍ２としては引張強度を考慮しタングステンが好ましい。金属層１２ａにエッチングが容易なモリブデン層を用い、金属層１２ｂにエッチングが難しいタングステン層を用いれば、タングステン層を薄くできる。よって、金属層１２の全体をタングステン層とする場合に比べ、金属層１２のエッチングが容易となる。

金属層１２ｂは金属層１２ａ上に設けられている。このとき、電極指１４がＺ方向またはＸ方向のいずれの方向に振動するときも金属層１２ｂは金属層１２ａの補強となる。電極指１４の振動方向がＺ方向のとき、特に、金属層１２ｂが金属層１２ａの補強となり、電極指１４の劣化をより抑制できる。

特性等を考慮して、金属層１２ａをモリブデン、ルテニウム、ロジウムおよびイリジウムのいずれか一つを主成分とした場合、金属層１２ｂはタングステンを主成分とすることが好ましい。これにより、金属層１２ｂが金属層１２ａの補強となり、電極指１４の劣化をより抑制できる。

金属層１２ａおよび１２ｂがそれぞれ金属Ｍ１およびＭ２を主成分とするとは、本願の効果を奏する程度にそれぞれ金属Ｍ１およびＭ２を含むことを意味し、意図的または意図せず含まれる不純物が含まれることを許容し、金属層１２ａおよび１２ｂ内のそれぞれ金属Ｍ１およびＭ２の原子濃度は例えば５０％以上であり、例えば８０％以上であり、例えば９０％以上である。

［実施例１の変形例１］
図３（ａ）は、実施例１の変形例１に係る弾性波デバイスの拡大断面図である。図３（ａ）に示すように、金属層１２ａの上面に加え、金属層１２ａと圧電基板１０との間に金属層１２ｂが設けられている。このように、金属層１２ｂが複数設けられていてもよい。複数の金属層１２ｂの主成分である金属Ｍ２は互いに同じでもよいし異なっていてもよい。金属層１２ｂが金属層１２ａを挟むことで、金属層１２ｂが金属層１２ａの補強となり、電極指１４の劣化をより抑制できる。金属層１２ｂが金属層１２ａをＺ方向から挟むことで、電極指１４のＺ方向の振動による電極指１４の劣化を特に抑制できる。その他の構成は実施例１と同じであり説明を省略する。

実施例１の変形例１のように、金属層１２ｂはＺ方向に複数設けられていてもよい。また、金属層１２ａはＺ方向に複数設けられていてもよい。金属層１２ｂは各々金属層１２ａより薄いことが好ましく、金属層１２ｂの合計の厚さは金属層１２ａの合計の厚さより小さいことが好ましい。

［実施例１の変形例２］
図３（ｂ）は、実施例１の変形例２に係る弾性波デバイスの拡大断面図である。図３（ｂ）に示すように、金属層１２ａの上面に加え、金属層１２ａの側面に金属層１２ｂが設けられている。このように、金属層１２ａの側面に金属層１２ｂが設けられていてもよい。金属層１２ａの上面と側面に設けられた金属層１２ｂの主成分である金属Ｍ２は互いに同じでもよいし異なっていてもよい。金属層１２ｂは２つの側面の少なくとも一方に設けられていればよい。金属層１２ｂを金属層１２ａの側面に設けることで、電極指１４の振動方向がＸ方向のとき、特に、金属層１２ｂが金属層１２ａの補強となり、電極指１４の劣化をより抑制できる。金属層１２ｂがＸ方向から金属層１２ａを挟むことで、金属層１２ｂが金属層１２ａの補強となり、電極指１４の劣化をより抑制できる。特に、電極指１４がＸ方向に振動するときに電極指１４の劣化を抑制できる。その他の構成は実施例１と同じであり説明を省略する。

実施例１の変形例１および２のように、金属層１２ｂは金属層１２ａのいずれの面に設けられていてもよい。

「実施例１の変形例３］
図３（ｃ）は、実施例１の変形例３に係る弾性波デバイスの拡大断面図である。図３（ｃ）に示すように、圧電基板１０は支持基板１１上に接合されている。支持基板１１は、例えばサファイア基板、アルミナ基板、スピネル基板、石英基板、水晶基板またはシリコン基板である。支持基板１１の線膨張係数は圧電基板１０の線膨張係数より小さい。これにより、弾性波デバイスの周波数温度係数を小さくできる。圧電基板１０と支持基板１１との間に酸化シリコン層等の中間層が設けられていてもよい。その他の構成は実施例１と同じであり説明を省略する。

実施例１の変形例３のように、実施例１、その変形例１および２において、圧電基板１０は支持基板１１上に直接または間接的に設けられていてもよい。

電極指１４上と、電極指１４と圧電基板１０との間と、の少なくとも一方に電極指１４より薄く、例えば電極指１４の厚さの１／５倍以下の厚さの金属膜が設けられていてもよい。この金属膜は、例えばクロム（Ｃｒ）膜、Ｎｉ（ニッケル）膜およびＴｉ（チタン）膜であり、密着層、製造工程におけるエッチング停止層、および／またはマイグレーションを抑制する層として機能する。

実施例２は、実施例１およびその変形例の弾性波共振器を用いたフィルタおよびデュプレクサの例である。図４（ａ）は、実施例２に係るフィルタの回路図である。図４（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Ｓ４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からＰ４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Ｓ４および１または複数の並列共振器Ｐ１からＰ４の少なくとも１つの共振器に実施例１およびその変形例の弾性波共振器を用いることができる。フィルタとしてラダー型フィルタを例に説明したが、フィルタは多重モード型フィルタでもよい。

図４（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４（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 圧電基板
１１ 支持基板
１２、１２ａ、１２ｂ 金属層
１４ 電極指
１８ 櫛型電極
２０ ＩＤＴ
２２ 反射器
２４ 弾性波共振器
４０ 送信フィルタ
４２ 受信フィルタ

Claims (12)

1. 圧電基板と、
   前記圧電基板上に設けられ、白金の融点以上の融点を有する第１金属を主成分とする第１金属層と、前記第１金属の引張強度より高い引張強度を有する第２金属を主成分とし、前記第１金属層の上面の全面に接する第２金属層と、を各々備える複数の電極指と、
   を備える弾性波デバイス。
2. 前記第１金属層の比抵抗は前記第２金属層の比抵抗より低い請求項１に記載の弾性波デバイス。
3. 前記第２金属は前記第１金属のヤング率より高いヤング率を有する請求項１または２に記載の弾性波デバイス。
4. 前記第２金属層の密度は前記第１金属層の密度より高い請求項１から３のいずれか一項に記載の弾性波デバイス。
5. 前記第１金属層は前記第２金属層より厚い請求項１から４のいずれか一項に記載の弾性波デバイス。
6. 前記第２金属層は前記第１金属層上に設けられている請求項１から５のいずれか一項に記載の弾性波デバイス。
7. 前記第２金属層は前記第１金属層の側面に設けられている請求項１から６のいずれか一項に記載の弾性波デバイス。
8. 前記第１金属はモリブデンである請求項１から７のいずれか一項に記載の弾性波デバイス。
9. 前記第２金属はタングステンである請求項８に記載の弾性波デバイス。
10. 圧電基板と、
    前記圧電基板上に設けられ、モリブデン、ルテニウム、ロジウムおよびイリジウムのいずれか一つを主成分とする第１金属層と、タングステンを主成分とし、前記第１金属層の上面の全面と接する第２金属層と、を各々備える複数の電極指と、
    を備える弾性波デバイス。
11. 請求項１から１０のいずれか一項に記載の弾性波デバイスを含むフィルタ。
12. 請求項１１に記載のフィルタを含むマルチプレクサ。

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