(57)【要約】  複数の圧電単結晶を積層してなる積層基板を用いた弾性波装置であって、圧電単結晶間の線膨張率差を小さくすることができ、かつ焦電性を低めることが可能な弾性波装置を提供する。  ニオブ酸リチウムを主成分とする圧電基板２と、前記圧電基板２上に積層されており、タンタル酸リチウムを主成分とする圧電膜４と、前記圧電膜４の上面または下面に形成されたＩＤＴ電極５とを備え、前記ニオブ酸リチウムのオイラー角のψと、前記タンタル酸リチウムのオイラー角のψとの差の絶対値が５０°〜１３０°の範囲にある、弾性波装置１。
2013031651.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ニオブ酸リチウムを主成分とする圧電基板と、
前記圧電基板上に積層されており、タンタル酸リチウムを主成分とする圧電膜と、
前記圧電膜の上面または下面に形成されたＩＤＴ電極とを備え、
オイラー角を（φ，θ，ψ）としたときに、
前記ニオブ酸リチウムのオイラー角のψと、前記タンタル酸リチウムのオイラー角のψとの差の絶対値が５０°〜１３０°の範囲にある、弾性波装置。
【請求項２】
前記ニオブ酸リチウムのＸ軸が、前記圧電基板表面と平行であり、かつ前記ニオブ酸リチウムのＸ軸と、前記タンタル酸リチウムのＸ軸とが５０°〜１３０°の範囲の角度をなすように前記圧電基板上に前記圧電膜が積層されている、請求項１に記載の弾性波装置。
【請求項３】
前記ニオブ酸リチウムのオイラー角のθ及びψが、図５のハッチングを付した領域Ｃ内に位置している、請求項１または２に記載の弾性波装置。
【請求項４】
前記タンタル酸リチウム及び前記ニオブ酸リチウムの分極の極性が同一である、請求項１〜３のいずれか一項に記載の弾性波装置。
【請求項５】
前記圧電膜の導電率が、１×１０−１４Ω−１ｃｍ−１以上、１×１０−９Ω−１ｃｍ−１以下である、請求項１〜４のいずれか一項に記載の弾性波装置。
【請求項６】
前記圧電基板と前記圧電膜との間に積層されている誘電体膜をさらに備える、請求項１〜５のいずれか一項に記載の弾性波装置。
【請求項７】
ニオブ酸リチウムを主成分とする圧電基板を用意する工程と、前記圧電基板上に、直接または間接にタンタル酸リチウムを主成分とする圧電膜を、前記オイラー角のψ同士の差の絶対値が５０°〜１３０°の範囲となるように積層する工程とを備える、請求項１〜６のいずれか一項に記載の弾性波装置の製造方法。
【請求項８】
前記圧電基板上に前記タンタル酸リチウムを主成分とする圧電膜を積層する工程が、
（ａ）前記圧電膜より厚みの厚いタンタル酸リチウムを主成分とする圧電板を用意する工程と、
（ｂ）前記圧電板の一方面からイオン注入する工程と、
（ｃ）前記イオン注入が行われた圧電板の前記一方面から該圧電板を直接または間接にニオブ酸リチウムを主成分とする前記圧電基板上に積層する工程と、
（ｄ）前記圧電板を加熱しつつ、前記圧電板の注入イオン濃度が最も高い注入イオン高濃度部分において圧電膜と残りの圧電板部分とを分離し、前記圧電基板側に前記圧電膜を残存させる工程とを有する、請求項７に記載の弾性波装置の製造方法。
【請求項９】
前記圧電板を加熱しつつ前記圧電膜と残りの圧電板部分とを分離する工程において、３００℃以上かつタンタル酸リチウムのキュリー温度以下の温度で加熱する、請求項８に記載の弾性波装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、弾性表面波装置や弾性境界波装置などの弾性波装置の製造方法に関し、より詳細には、ニオブ酸リチウムを主成分とする圧電基板に、直接または間接にタンタル酸リチウムを主成分とする圧電膜が積層されている構造を有する弾性波装置及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、共振子や帯域フィルタなどに弾性波装置が広く用いられている。【０００３】
下記の特許文献１には、図７に示す弾性表面波素子１００１が開示されている。弾性表面波素子１００１では、弾性表面波素子用基板１００２上に、ＩＤＴ電極１００５及び１００６が形成されている。ここでは、弾性表面波素子用基板１００２は、圧電単結晶からなる第１の基板１００３上に、第１の基板１００３と同じ圧電単結晶からなる第２の基板１００４を積層した構造を有する。このような圧電単結晶として、ＬｉＴａＯ３やＬｉＮｂＯ３を用いることができる。【０００４】
弾性表面波素子１００１では、弾性表面波を伝搬させる第２の基板１００４を構成しているＬｉＴａＯ３における表面波伝搬方向と、第１の基板１００３を構成しているＬｉＴａＯ３の線膨張率が小さな方向であるＺ軸方向とを揃えることにより、遅延時間温度係数を小さくすることができるとされている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００２−９５８４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
弾性表面波素子１００１では、弾性表面波伝搬方向と、第１の基板１００３の線膨張率が小さいＺ軸方向とを平行とした場合、第１の基板１００３と第２の基板１００４との線膨張率差が大きくなる。そのため、例えば１００℃以上の温度に加熱されると、第１の基板１００３と第２の基板１００４との間での剥離が生じるおそれがあった。【０００７】
他方、弾性表面波伝搬方向と、第１の基板１００３の線膨張率が小さいＺ軸方向とが垂直となるように配置した場合には、線膨張率差を小さくすることができる。しかしながら、焦電性が大きくなるという問題があった。焦電性を低めるには、温度補償用の第１の基板１００３の抵抗率を低めればよいと考えられる。しかしながら、抵抗率を低めると、第１の基板１００３の機械的強度が低下するという問題があった。【０００８】
また、ＬｉＮｂＯ３により第１，第２の基板１００３，１００４を形成した場合には、周波数温度係数の絶対値が大きくなるという問題があった。【０００９】
本発明の目的は、複数の圧電単結晶層を積層してなる積層基板を用いた弾性波装置であって、圧電単結晶層間の線膨張率差を小さくすることができ、かつ焦電性を低めることが可能な弾性波装置及びその製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明に係る弾性波装置は、ニオブ酸リチウムを主成分とする圧電基板と、前記圧電基板上に積層されており、タンタル酸リチウムを主成分とする圧電膜と、前記圧電膜の上面または下面に形成されたＩＤＴ電極とを備える。本発明では、オイラー角を（φ，θ，ψ）としたときに、前記ニオブ酸リチウムのオイラー角のψと、前記タンタル酸リチウムのオイラー角のψとの差の絶対値が５０°〜１３０°の範囲にある。【００１１】
本発明に係る弾性波装置のある特定の局面では、前記ニオブ酸リチウムのＸ軸が、前記圧電基板表面と平行であり、かつ前記ニオブ酸リチウムのＸ軸と、前記タンタル酸リチウムのＸ軸とが５０°〜１３０°の範囲の角度をなすように前記圧電基板上に前記圧電膜が積層されている。【００１２】
本発明に係る弾性波装置のさらに他の特定の局面では、前記ニオブ酸リチウムのオイラー角のθ及びψが、図５のハッチングを付した領域Ｃ内に位置している。この場合には、圧電基板と圧電膜との線膨張率差をより効果的に小さくすることができる。【００１３】
本発明に係る弾性波装置のさらに別の特定の局面では、前記タンタル酸リチウム及び前記ニオブ酸リチウムの分極の極性が同一である。この場合には、焦電現象によりタンタル酸リチウムで発生する電荷と、ニオブ酸リチウムにおいて発生する電荷とが相殺される。従って、界面における接合強度の低下が生じ難い。【００１４】
本発明に係る弾性波装置のさらに別の特定の局面では、前記圧電膜の導電率が、１×１０−１４Ω−１ｃｍ−１以上、１×１０−９Ω−１ｃｍ−１以下である。この場合には、高温に晒されたとしても、焦電荷によるＩＤＴ電極の破壊が生じ難い。【００１５】
本発明に係る弾性波装置のさらに別の特定の局面では、前記圧電基板と前記圧電膜との間に積層されている誘電体膜をさらに備える。この場合には、周波数温度係数の絶対値を小さくし、温度特性を改善することができる。【００１６】
本発明に係る弾性波装置の製造方法は、ニオブ酸リチウムを主成分とする圧電基板を用意する工程と、前記圧電基板上に、直接または間接にタンタル酸リチウムを主成分とする圧電膜を、前記オイラー角のψ同士の差の絶対値が５０°〜１３０°の範囲となるように積層する工程とを備える。【００１７】
本発明に係る弾性波装置の製造方法のある特定の局面によれば、前記圧電基板上に前記タンタル酸リチウムを主成分とする圧電膜を積層する工程が、下記の（ａ）〜（ｄ）の工程を有する。【００１８】
（ａ）前記圧電膜より厚みの厚いタンタル酸リチウムを主成分とする圧電板を用意する工程
（ｂ）前記圧電板の一方面からイオン注入する工程
（ｃ）前記イオン注入が行われた圧電板の前記一方面から、該圧電板を直接または間接にニオブ酸リチウムを主成分とする前記圧電基板上に積層する工程
（ｄ）前記圧電板を加熱しつつ、前記圧電板の注入イオン濃度が最も高いイオン注入高濃度部分において圧電膜と残りの圧電板部分とを分離し、前記圧電基板側に圧電膜を残存させる工程【００１９】
この場合には、簡便な工程により、平滑であり、厚みばらつきが少ないタンタル酸リチウムからなる圧電膜を形成することができる。特に、分離後に、圧電膜の圧電性を回復するための熱処理を施したとしても、タンタル酸リチウムからなる圧電膜とニオブ酸リチウムからなる圧電基板との間の剥離が生じ難い。【００２０】
本発明に係る弾性波装置の製造方法のさらに他の特定の局面では、前記圧電板を加熱しつつ前記圧電膜と残りの圧電板部分とを分離する工程において、３００℃以上かつタンタル酸リチウムのキュリー温度以下の温度で加熱する。この場合には、上記３００℃以上かつタンタル酸リチウムのキュリー温度以下で加熱するため、熱応力による損傷を抑制することができる。従って、タンタル酸リチウムからなる圧電膜の圧電性を効果的に回復させることができる。
【発明の効果】
【００２１】
本発明に係る弾性波装置では、ニオブ酸リチウムを主成分とする圧電基板上にタンタル酸リチウムを主成分とする圧電膜が積層されており、両者のオイラー角のψの差の絶対値が５０°〜１３０°の範囲とされているため、両者の線膨張率差を小さくすることができ、しかも焦電性を低めることができる。【００２２】
本発明の弾性波装置の製造方法では、上記ニオブ酸リチウムを主成分とする圧電基板と、タンタル酸リチウムを主成分とする圧電膜とを、上記オイラー角のψの差の絶対値が上記特定の範囲となるように積層するため、両者の線膨張率差を小さくすることができかつ焦電性を低めることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】図１（ａ）は、本発明の第１の実施形態に係る弾性波装置の模式的正面断面図であり、図１（ｂ）は弾性波装置の電極構造を示す模式的平面図である。
【図２】図２は、第１の実施形態において、タンタル酸リチウムのオイラー角のθ及びψと線膨張率との関係を示す図である。
【図３】図３は、第１の実施形態において、ニオブ酸リチウムにおけるオイラー角のθ及びψと線膨張率との関係を示す図である。
【図４】図４は、オイラー角のψが０°または９０°のタンタル酸リチウム及びオイラー角ψが０°または９０°のニオブ酸リチウムの線膨張率とオイラー角のθとの関係を示す図である。
【図５】図５は、タンタル酸リチウムとニオブ酸リチウムとの線膨張率差と、ニオブ酸リチウムのオイラー角のθ及びψとの関係を示す図である。
【図６】図６（ａ）〜（ｇ）は、本発明の第２の実施形態としての弾性波装置の製造方法を説明するための各模式的正面断面図である。
【図７】図７は、従来の弾性波素子の略図的斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
以下、図面を参照しつつ、本発明の具体的な実施形態を説明することにより、本発明を明らかにする。
【００２５】
図１（ａ）は、本発明の第１の実施形態としての弾性波装置の模式的正面断面図である。
【００２６】
弾性波装置１は、ニオブ酸リチウムを主成分とする圧電基板２を有する。圧電基板２におけるニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ３）のＸ軸方向は、図１（ａ）において右側に示すように、図面の紙面−紙背方向である。ＬｉＮｂＯ３のＸ軸方向は、圧電基板２の表面と平行な方向である。
【００２７】
上記圧電基板２上に、誘電体膜３が積層されている。誘電体膜３は、本実施形態では、複数の誘電体層３ａ，３ｂを積層することにより形成されている。複数の誘電体層の積層数は特に限定されない。また、誘電体層３は単一の誘電体層により形成されていてもよい。誘電体膜３は、ＳｉＯ２やＳｉＮなどの誘電体材料からなり、正の周波数温度係数ＴＣＦを有する。本実施形態では、誘電体層３ａがＳｉＮ、誘電体層３ｂがＳｉＯ２からなる。
【００２８】
誘電体膜３上に圧電膜４が積層されている。圧電膜４は、タンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ３）の単結晶からなり、その膜厚は圧電基板よりも非常に薄い。この厚みは０．５〜２μｍ程度である。このＬｉＴａＯ３の結晶のＸ軸方向は図１（ａ）において右側に示すように圧電膜４の面方向と平行であり、かつ前述したＬｉＮｂＯ３のＸ軸方向と直交している。
【００２９】
圧電膜４上に、ＩＤＴ電極５が形成されている。また、図１（ａ）では図示を省略しているが、圧電膜４上には、図１（ｂ）に示す電極構造が形成されている。すなわち、ＩＤＴ電極５の弾性表面波伝搬方向両側に、反射器６，７が配置されている。それによって、一ポート型弾性波共振子が構成されている。ＩＤＴ電極５はくし歯電極からなる。ＩＤＴ電極５により励振される弾性表面波の伝搬方向は図１の矢印Ｂで示す方向である。すなわち、矢印Ｂで示す方向と直交するように、ＩＤＴ電極５の電極指が延ばされている。
【００３０】
従って、弾性表面波の伝搬方向は、上記ＬｉＴａＯ３のＸ軸方向と平行であり、ＬｉＮｂＯ３のＸ軸方向と９０°の角度をなしている。また、ＬｉＮｂＯ３のＸ軸方向と、ＬｉＴａＯ３のＸ軸方向が９０°の角度をなしている。
【００３１】
なお、図１（ｂ）では、ＩＤＴ電極５と反射器６，７とを有する一ポート型弾性表面波共振子の電極構造が示されている。しかしながら、本発明では、弾性波装置の機能に応じて、少なくとも１つのＩＤＴ電極を有する適宜の電極構造を採用することができる。
【００３２】
本実施形態の弾性波装置１は、弾性波素子用基板が、上記圧電基板２と圧電膜４とを積層してなる構造を有する。ここで、誘電体膜３は省略されてもよい。もっとも、誘電体膜３を設けることにより、弾性波装置１の周波数温度係数ＴＣＦの絶対値を小さくすることができる。
【００３３】
誘電体膜３は設けられずともよいため、弾性波素子用基板は、圧電膜４が圧電基板２上に直接積層されていてもよい。また、本実施形態のように、圧電基板２上に圧電膜４が誘電体膜３を介して間接的に積層されていてもよい。
【００３４】
本実施形態の弾性波装置１の特徴は、上記圧電基板２及び圧電膜４を積層した構造を有し、かつＬｉＮｂＯ３のオイラー角のψと、ＬｉＴａＯ３のオイラー角のψとの差の絶対値が５０°〜１３０°の範囲にあることにある。それによって、温度変化が与えられた際の焦電電荷の発生を抑制することができる。これは、ＬｉＮｂＯ３の焦電係数は、ＬｉＴａＯ３の焦電係数よりも小さいため、厚みが相対的に厚い圧電基板２において焦電電荷が発生し難いことによる。すなわち、弾性波素子用基板においてはＬｉＮｂＯ３を主成分とする圧電基板２が主体であるため、焦電電荷が生じ難い。
【００３５】
また、ＬｉＴａＯ３のみからなる弾性波素子用基板上にＩＤＴ電極を形成した構造に比べ、本実施形態によれば、ｃ軸を弾性波素子用基板表面と平行に近づけることができる。このことによっても、焦電電荷の発生を抑制することができることによる。
【００３６】
さらに、オイラー角のψ同士の差の絶対値が５０°〜１３０°の範囲内にあるため、両者の線膨張率の差を小さくすることができる。従って、熱履歴が加わる処理を施したとしても、弾性波素子用基板において剥離が生じ難い。よって、１００℃以上の高温プロセスにより弾性波装置１を製造した場合であっても、歩留りの低下が生じ難い。これを、以下においてより詳細に説明する。
【００３７】
（ＩＤＴ電極）／（ＬｉＴａＯ３からなる圧電膜）／（支持基板）の積層構造を有する弾性表面波装置について検討する。ＩＤＴ電極と接するＬｉＴａＯ３からなる圧電膜は、弾性表面波の音速や電気機械結合係数などの特性に大きな影響を与える。支持基板として線膨張率が低い材料を用いることにより、支持基板により周波数温度特性を改善することができる。
【００３８】
周波数温度特性の改善は、弾性表面波伝搬方向におけるＬｉＴａＯ３の線膨張率に対し、支持基板の線膨張率が小さいほど効果が大きい。すなわち温度補償効果が大きくなることが知られている。
【００３９】
他方、本願発明者は、圧電膜と支持基板の線膨張率差が大きいと、様々な問題が生じることを見出した。
【００４０】
例えば、１５０μｍの厚みのＬｉＴａＯ３基板と、３００μｍの厚みのＳｉからなる支持基板を接合した構造を想定する。この構造では、両者の線膨張率の差は１３ｐｐｍ／℃程度である。上記ＬｉＴａＯ３基板とＳｉからなる支持基板とを常温で接合した後に、得られた積層体を１１０℃〜１５０℃の温度に昇温しただけで、ＬｉＴａＯ３基板とＳｉからなる支持基板との界面において破断が認められた。
【００４１】
また、３００μｍの厚みのＳｉからなる支持基板上に１μｍと薄いＬｉＴａＯ３膜を積層した構造では、両者の線膨張率の差が１３ｐｐｍ／℃程度である場合、同じく常温で接合後に３５０℃に加熱すると、ＬｉＴａＯ３からなる圧電膜にしわが生じたり、圧電膜が支持基板から多数の部分で剥離していた。
【００４２】
従来の１５０〜５００μｍの厚み程度のＬｉＴａＯ３のみからなる圧電基板を用いた弾性表面波装置の製造方法では、製造工程において３００℃〜４００℃の高温で処理されることが多い。従って、このような高温で処理した場合であっても、弾性波素子用基板において層間剥離や部分的な破断等が生じ難いことが求められる。
【００４３】
他方、線膨張率が７ｐｐｍ／℃程度のガラス基板に、ＬｉＴａＯ３基板を接合した構造では、４００℃程度に加熱したとしても、圧電膜の割れや剥離は生じなかった。これは、４００℃の温度は、ガラスのＴｇ以下であることによる。しかしながら、ガラスからなる支持基板が熱応力により変形し、弾性表面波素子用基板として用いることが困難となる。
【００４４】
もっとも、ガラスからなる支持基板上にＬｉＴａＯ３膜を積層した構造を、最高温度２５０℃程度の温度で加工した場合には、ガラスからなる支持基板は変形しない。そして、例えば、ガラスからなる支持基板上に１μｍの厚みの４２°ＹカットのＬｉＴａＯ３膜を積層した構造では、周波数温度係数を改善することができる。すなわち、Ｘ軸方向に伝搬するＳＨ型弾性表面波の周波数温度係数の絶対値を５〜１５ｐｐｍ／℃程度とすることができる。これは、弾性表面波伝搬方向におけるＬｉＴａＯ３膜の線膨張係数が１６．１ｐｐｍ／℃であるのに対し、ガラスの線膨張係数が７ｐｐｍ／℃と小さいことによる。しかしながら、上記の通り、より高温で処理することができないため、特性のばらつきが大きいという問題がある。
【００４５】
そこで、本願発明者は、積層構造を有する弾性波素子用基板を構成する場合、積層構造を構成している各層の線膨張係数差を小さくすればよいと考え、本発明をなすに至った。すなわち、上記のように、ニオブ酸リチウムを主成分とする圧電基板を用い、該圧電基板に、ＬｉＴａＯ３膜からなる薄い圧電膜を直接または間接に積層した構造を用いることにより、両者の線膨張係数差を小さくすることができ、それによって周波数温度特性を改善でき、しかも焦電電荷による破壊等が生じ難いことを見出した。
【００４６】
図２は、オイラー角（０°，θ，ψ）のＬｉＴａＯ３単結晶におけるθを０°〜１８０°の範囲で変化させた場合のオイラー角のψと線膨張係数との関係を示す図である。また、図３は、オイラー角（０°，θ，ψ）のＬｉＮｂＯ３単結晶におけるθを０°〜１８０°と変化させた場合のオイラー角のψと、線膨張率との関係を示す。
【００４７】
図４は、オイラー角（０°，θ，ψ）のＬｉＴａＯ３及びＬｉＮｂＯ３におけるオイラー角のθに対するψ＝０°方向及び９０°方向の線膨張率の関係を示す図である。
【００４８】
図２及び図３において、ψ＝０°方向及び ψ＝１８０°方向の線膨張率はオイラー角のθに対して一定であることがわかる。これに対して、オイラー角のθが９０°方向または２７０°方向の線膨張率は、θに大きく依存することがわかる。
【００４９】
ＬｉＴａＯ３の線膨張率は、α１１及びα２２が１６．１ｐｐｍ／℃であり、α３３が４．１ｐｐｍ／℃である。
【００５０】
ＬｉＮｂＯ３の線膨張率は、α１１及びα２２がいずれも１５．４ｐｐｍ／℃であり、α３３が７．５ｐｐｍ／℃である。また、α１２，α１３，α２１，α３１，α２３，α３２は、０ｐｐｍ／℃である。
【００５１】
α３３は、ＬｉＴａＯ３及びＬｉＮｂＯ３におけるｃ軸方向の線膨張率を示す。従って、ＬｉＴａＯ３やＬｉＮｂＯ３は、ｃ軸方向の線膨張率がａ軸方向の線膨張率及びｂ軸方向の線膨張率に比べて小さい結晶であることがわかる。
【００５２】
なお、線膨張率定数α１１〜α３３の対称性により、ψ＝０°とψ＝１８０°、ψ＝９０°とψ＝２７０°方向の各線膨張率は、オイラー角（φ，θ，ψ）においてφを変更しても同じ結果となる。すなわち、ｃ軸の傾斜する方向により線膨張率が決定されることになる。
【００５３】
次に、図１（ａ）に示した実施形態の構造について検討する。図１（ａ）の構造において、各層の厚みを以下の通りとする。
【００５４】
圧電基板２：１５０μｍ
誘電体層３ａ：厚み２μｍのＳｉＮ
誘電体層３ｂ：厚み０．１μｍのＳｉＯ２
圧電膜４：厚み０．５μｍのＬｉＴａＯ３
【００５５】
従来、ＳＨ型弾性表面波を利用した弾性表面波装置では、オイラー角（０°，１３２°，０°）のＬｉＴａＯ３からなる弾性波素子用基板が用いられている。このようなＬｉＴａＯ３のみからなる弾性波素子用基板を用いた場合、ＳＨ型の漏洩弾性表面波が伝搬する。この弾性波素子用基板上に、横波音速が弾性波と同等以上である誘電体材料からなる誘電体膜を積層することにより、弾性表面波の漏洩成分が減少する。従って、伝搬損失の小さいＳＨ型弾性表面波が伝搬する。
【００５６】
図１（ａ）の構造では、誘電体膜３は、ＳｉＮからなる誘電体層３ａを有し、この横波音速は５９７３ｍ／秒と高速である。
【００５７】
圧電膜４のＬｉＴａＯ３のＸ軸方向である、ψ＝０°方向における線膨張率は１６．１ｐｐｍ／℃である。また、ψ＝９０°方向の線膨張率は９．５ｐｐｍ／℃である。ここでは、ψ＝９０°方向を、Ｘ軸方向と直交しているため、９０°Ｘ軸方向と略すこととする。以下、同様にｎ°Ｘ軸方向はＸ軸方向とｎ°の角度をなす方向とする。
【００５８】
弾性表面波伝搬方向の線膨張係数を小さくするために、図１（ａ）では、ＬｉＴａＯ３のＸ軸と、ＬｉＮｂＯ３のＸ軸とが前述したように直交するように圧電膜４が圧電基板２上に積層されている。
【００５９】
θ＝９０°とした場合、ＬｉＮｂＯ３の９０°Ｘ方向の線膨張率は７．５ｐｐｍ／℃である。従って、ＬｉＴａＯ３の線膨張率とＬｉＮｂＯ３の線膨張率の関係は表１の通りとなる。
【００６０】
【表１】
2013031651.tif 000003
【００６１】
従って、両者の線膨張率の差は８．６ｐｐｍ／℃となり、９ｐｐｍ／℃以下となる。さらに、θ＝９０°であるため、ＬｉＮｂＯ３からなる圧電膜のｃ軸は、圧電膜４と誘電体膜３との界面と平行となる。従って、ＬｉＮｂＯ３において焦電効果により発生した電荷が相殺され、０となる。そのため、ＬｉＮｂＯ３において、焦電性に起因する剥離や放電も生じ難い。なお、θ＝９０°の場合、ＬｉＴａＯ３のＸ軸と、ＬｉＮｂＯ３のｃ軸（Ｚ軸）が同じ方向となる。
【００６２】
図３から、ＬｉＮｂＯ３の線膨張率は、Ｘ軸方向から傾斜した場合、特に５０°Ｘ軸方向〜１３０°Ｘ軸方向の範囲において線膨張率が大きく変化する。従って、この線膨張率の変化を利用して線膨張率を補償することができる。もっとも、ＬｉＴａＯ３からなる圧電膜４と、ＬｉＮｂＯ３からなる圧電基板２の線膨張率の変化傾向がマザーの積層体内において異なるようにＬｉＮｂＯ３とＬｉＴａＯ３を積層すると、マザーの積層体段階で界面において複雑なうねりが生じる。従って、製造が困難となる。よって、圧電基板２の９０°Ｘ軸方向と、圧電膜４のＸ軸方向とが重なるように両者を積層することが好ましい。
【００６３】
ＬｉＴａＯ３からなる圧電膜４と誘電体膜３との界面には、ＬｉＴａＯ３の焦電効果による電荷が生じるおそれがある。従って、圧電膜４の導電率をある程度大きくすることが好ましく、それによって焦電効果により発生した電荷を相殺することができる。この導電率は１×１０−１４Ω−１ｃｍ−１以上であることが望ましい。この値は、本願発明者により実験的に求められたものである。
【００６４】
ＬｉＮｂＯ３からなる圧電基板２の導電率を大きくすると、弾性波装置１の全体の強度が低下する。従って、好ましくは、１×１０−９以下であることが好ましい。もっとも、上記のように、厚みの薄い圧電基板２の導電率を大きくするだけであれば、弾性波装置１の強度は低下し難い。また、マザーのウェーハから各弾性波装置１を分割する際のダイシングに際しては、圧電膜４を事前にエッチングすれば、クラックも生じ難い。
【００６５】
比較のために、図１（ａ）の圧電基板２に代えて、同じ厚みのＬｉＴａＯ３からなる圧電基板を用いた構造における圧電基板と圧電膜との線膨張率の関係を下記の表２に示す。
【００６６】
【表２】
2013031651.tif 000004
【００６７】
表２では、上記実施形態と同様に線膨張率差を９ｐｐｍ／℃としているが、ＬｉＴａＯ３からなる圧電基板のＣ軸は界面から３０°傾斜する。従って、ＬｉＴａＯ３からなる圧電基板のＣ軸方向の焦電係数に介してｓｉｎ（３０°）の比率で、ＬｉＴａＯ３からなる圧電基板と誘電体膜との界面に焦電による電荷が生じる。そのため、ＬｉＴａＯ３からなる圧電基板の焦電に起因する剥離や放電が生じる。よって、弾性波装置を製造する一般的なウェハプロセスである２５０℃程度の熱処理によりデバイスの破壊が生じるおそれがある。
【００６８】
上記のように、本実施形態の弾性波装置１では、ＬｉＮｂＯ３からなる圧電基板２上に、誘電体膜３を介して上記ＬｉＴａＯ３からなる薄い圧電膜４が上記のように積層されているため、焦電性による剥離や放電が生じ難い。従って、２５０℃程度の高温に加熱する工程を実施したとしても、剥離や放電が生じ難い。よって、後述する製造方法のように、高温下で処理することによりＬｉＴａＯ３の圧電性を回復する処理などを実施したとしても、剥離等が生じ難い。
【００６９】
また、本実施形態では、ＬｉＴａＯ３からなる圧電膜４や誘電体膜３の厚みは、ＬｉＮｂＯ３からなる圧電基板２の厚みの１／１００以下である。従って、圧電基板２の線膨張率が弾性波装置１の線膨張率において支配的となる。従って、弾性表面波伝搬方向の線膨張係数を小さくすることができ、弾性波装置１の周波数温度特性を改善することができる。加えて、焦電による電荷の発生が抑制され、かつ弾性波装置の強度を充分に大きくすることができる。
【００７０】
なお、弾性表面波の伝搬方向はＸ軸方向に限定されず、Ｘ軸方向から±５０°の範囲内で傾斜させてもよい。すなわち、ψは、０°±５０°の範囲であればよい。オイラー角（０°，１３２°，ψ）のＬｉＴａＯ３単板を伝搬するＳＨ型弾性表面波は、伝搬方向がＸ軸からずれると、弾性表面波の漏洩成分が増加する。従って、伝搬損失が大きくなり、かつフィルタの損失や共振子のＱが劣化する。
【００７１】
これに対して、上記実施形態では、伝搬方向がＸ軸から傾斜したとしても伝搬損失は生じない。Ｘ軸から伝搬方向がずれるほど、電気機械結合係数ｋ２を小さく調整することができる。従って、目的とする特性に応じた電気機械結合係数ｋ２を選択することができる。
【００７２】
また、上記実施形態では、弾性表面波を利用した弾性波装置につき説明したが、ＩＤＴ電極５を覆うように、さらに１層または２層の誘電体層を積層し、弾性境界波装置を構成してもよい。すなわち、本発明は弾性境界波装置にも適用することができ、弾性境界波装置においても、弾性境界波伝搬方向の線膨張率を抑制することにより、周波数温度特性を改善することができる。
【００７３】
図５は、ＬｉＴａＯ３のＸ軸方向の線膨張率に対する、ＬｉＮｂＯ３からなる圧電基板２の線膨張率の差と、ＬｉＮｂＯ３のオイラー角のψ及びθとの関係を示す。ＬｉＮｂＯ３からなる圧電基板２上にＬｉＴａＯ３からなる圧電膜４を積層する場合、圧電膜４のＸ軸と平行となるＬｉＮｂＯ３の方位を図５に示す線膨張率差が９ｐｐｍ／℃以下の領域Ｃ内とすることが望ましい。それによって、両者の線膨張率差を９ｐｐｍ／℃以下とすることができ、２５０℃程度の高温での加熱を行ったとしても、剥離や放電が生じ難い。
【００７４】
より好ましくは、両者の線膨張率が２ｐｐｍ／℃以下の範囲内とすれば、さらに高温、例えば５００℃での加熱を施す処理においても剥離や放電が生じ難い。従って、例えばイオン注入により作製したＬｉＴａＯ３の圧電性をより確実に回復させることができる。
【００７５】
次に、上記実施形態の弾性波装置の製造方法を図６（ａ）〜（ｇ）を参照して説明する。
【００７６】
図６（ａ）に示すように、オイラー角（０°，１５０°，０°）のＬｉＴａＯ３板４Ａと、オイラー角（１８０°，０°，１８０°）のＬｉＮｂＯ３からなる圧電基板２とを用意する。
【００７７】
この方位では、ＬｉＴａＯ３板４Ａのψ＝０°方向の線膨張率が１６．１ｐｐｍ／℃であり、同方向におけるＬｉＮｂＯ３の熱線膨張率が１２．１ｐｐｍ／℃である。従って、両者の線膨張率差は４ｐｐｍ／℃である。
【００７８】
ＬｉＴａＯ３板４Ａのψ９０°方向のＬｉＴａＯ３の線膨張率は１１．１ｐｐｍ／℃であり、ＬｉＮｂＯ３の同じ方向の線膨張率は１５．４ｐｐｍ／℃である。従って両者の線膨張率差は４．３ｐｐｍ／℃となる。ここでは、線膨張率差が４．３ｐｐｍ／℃以下であるため、４００℃程度の高温で加熱したとしても、線膨張率差による破壊は生じ難い。
【００７９】
ＬｉＴａＯ３の導電率は約１×１０−１５Ω−１ｃｍ−１である。しかし、ここでは、ＬｉＴａＯ３の単結晶からなるＬｉＴａＯ３板４Ａの導電率は、金属原子のドープによって約１×１０−１１Ω−１ｃｍ−１とした。すなわち、導電率を高めて、焦電電荷が蓄積され難いようにした。ＬｉＮｂＯ３からなる圧電膜４についても、導電率を下げすぎると、ウェーハやチップの強度が不足するため、１×１０−１３Ω−１ｃｍ−１とした。
【００８０】
なお、ＬｉＮｂＯ３及びＬｉＴａＯ３の導電率は、金属元素のドープ、あるいは酸素原子の脱離などの周知の方法に従って調整することができる。
【００８１】
次に、図６（ｂ）に示すように、ＬｉＴａＯ３板４Ａの一方面からＨ＋イオンを注入エネルギー１８０ＫｅＶで８×１０１６イオン／ｃｍ２となるように注入する。注入されるイオンとしては水素に限らずヘリウムなどを用いてもよい。
【００８２】
イオン注入を行うと、ＬｉＴａＯ３板４Ａ内において厚み方向にイオン濃度分布が生じる。最もイオン濃度が高い部分を図６（ｂ）において破線で示す。破線で示すイオン濃度が最も高い部分である注入イオン高濃度部分４ａでは、後述するように加熱により、応力によって容易に両側の部分が分離する。注入イオン高濃度部分４ａにより分離する方法は、特表２００２−５３４８８６号公報において開示されている。
【００８３】
次に、図６（ｃ）で示すように、ＬｉＴａＯ３板４Ａの上記イオン注入を行った側の面に、ＳｉＯ２、ＳｉＮを、０．１μｍ、２μｍの膜厚となるように順にスパッタリングにより成膜する。それによって、誘電体膜３を形成する。
【００８４】
なお、ＳｉＯ２には、３価もくしは５価の元素をドープし、導電率を１×１０１０−１４Ω−１ｃｍ−１以上とする。それによって、後の工程における加熱時の焦電荷による放電や密着強度の低下を抑制することができる。
【００８５】
なお、図６（ｃ）〜（ｇ）では、誘電体膜３は単層の膜として図示しているが、実際には、図１（ａ）に示したように、また上記説明から明らかなように、誘電体層３ａ，３ｂを積層した構造を有する。
【００８６】
次に、図６（ｄ）に示すように、誘電体膜３のＬｉＴａＯ３板４Ａが積層されている側とは反対側の面、具体的にはＳｉＮ膜の表面を、イオンビームで清浄化した後、図６（ａ）に示したＬｉＮｂＯ３からなる圧電基板２を積層する。
【００８７】
接合に際しては、ＬｉＴａＯ３のＸ軸とＬｉＮｂＯ３からなる圧電基板の９０°Ｘ軸が平行となるようにして接合する。ＬｉＴａＯ３及びＬｉＮｂＯ３のオイラー角が上述の通りであるため、ＬｉＮｂＯ３からなる圧電基板２を下方に、ＬｉＴａＯ３板４Ａを上方に配置した場合、両者の分極軸のプラス方向が上方となる。両者の分極の極性が同一であるため、ＬｉＴａＯ３において焦電効果や圧電効果により発生する電荷と、ＬｉＮｂＯ３において焦電効果や圧電効果により発生する電荷とは逆極性となる。従って、互いに引き合うため、接合強度の劣化が生じ難い。
【００８８】
また、誘電体膜３の上下で電位差が生じることになるため、絶縁破壊に至る電界強度を超える電界が印加されると導電が生じるおそれがある。しかしながら、ＬｉＴａＯ３の導電率を上記のように高めているので、焦電による電荷が中和される。さらに、ＬｉＮｂＯ３の導電率が比較的高いので、電荷の中和に時間かかかるが、ＬｉＮｂＯ３の焦電係数が低いので、高速で昇温及び降温することができる。
【００８９】
次に、上記積層体を、真空中で１時間、常温から２５０℃の温度まで昇温し、２５０℃の温度で１０分間維持する。この加熱工程により、注入イオン高濃度部分４ａにおいて、ＬｉＴａＯ３板４Ａが、分離しやすくなる。従って、図６（ｅ）に示すように、上記ＬｉＴａＯ３板４Ａを、厚みが薄いＬｉＴａＯ３からなる圧電膜４と、残りの圧電板部分４ｂとに分離するように、剥離することができる。
【００９０】
なお、上記イオン注入により、圧電膜４においては、圧電性が低下している。そこで、次に、４００℃まで昇温し、圧電膜４の圧電性を回復させる。なお、ＬｉＴａＯ３の圧電性は、３００℃以上に加熱することにより回復していき、５００℃〜５５０℃の温度でほぼ完全に回復する。
【００９１】
もっとも、本実施形態のように４００℃まで加熱することにより、圧電性は充分に回復し、かつ周波数温度特性を良好とすることができる。すなわち、周波数温度係数の改善効果と圧電性の回復効果のバランスのうえで、４００〜５５０℃の温度範囲で回復処理を行うことが望ましい。
【００９２】
さらに、ＬｉＴａＯ３のキュリー温度を超えて加熱すると分極が開放されてしまう。従って、上記圧電性回復処理はキュリー温度以下で行うことが望ましい。また、イオン注入や前述した接合時の加圧により、ＬｉＴａＯ３の分極が部分的に反転することがある。この場合には、電界または電流を印加し、部分的に反転した分極軸を再度反転させ整列させてもよい。分極軸の整列は、１００℃〜５００℃の温度で加熱することにより行うことが望ましい。それによって、常温より低い電界や電流で分極を再度反転させ、整列させることができる。
【００９３】
また、上記剥離後に、ＬｉＴａＯ３からなる圧電膜４の表面の粗さは、Ｒａ値で１０ｎｍ程度である。従って、圧電膜４を、上記実施形態で必要とされる厚みとなるように研磨する。それによって、厚みの調整と、表面の平滑化とを図ることができる。本実施形態では、５００ｎｍの厚みまで薄くした。この処理は、適宜の公知の方法で行うことができる。例えば、ＳＦ６やＣＨＦ３などのＬｉＴａＯ３のエッチングに一般的に使われているガスを用いたドライエッチング法、ＡｒプラズマやＯ２プラズマによる逆スパッタ法、またはＬｉＴａＯ３のエッチングに一般的に用いられているエッチャントを用いたウェットエッチング法などを用いることができる。これらの方法は併用してもよい。
【００９４】
上記薄化処理により、圧電膜４の表面も平滑化される。ＬｉＴａＯ３は高価であり、再利用できるため、上記薄化により、Ｔａの使用量を抑制することができる。従って、環境負荷の低減を図ることができる。
【００９５】
上記のようにして作製した圧電膜４では、ＬｉＴａＯ３の膜厚分布は面内で１％以下であり、厚みのばらつきは非常に少ない。しかる後、適宜の電極形成方法に従って、図６（ｇ）に示すように、圧電膜４上にＩＤＴ電極５を形成し、上記弾性波装置１を得る。
【００９６】
また、上記製造方法では、ＬｉＴａＯ３板にイオンを注入して、注入イオン高濃度部分で分離して圧電膜を得る方法を示したが、本実施形態における弾性波装置の製造方法はこれに限るものではない。たとえば、圧電膜を得る方法として、ＬｉＴａＯ３板を削る方法を用いてもよいし、ＬｉＴａＯ３の薄膜をＣＶＤ法などで成膜する方法を用いてもよい。
【００９７】
なお、本明細書においてオイラー角、並びにオイラー角と分極の極性の意味は以下の通りである。
【００９８】
＜オイラー角＞
本明細書において、基板の切断面と熱膨張率の方向を表現するオイラー角（φ，θ，ψ）は、文献「弾性波素子技術ハンドブック」（日本学術振興会弾性波素子技術第１５０委員会、第１版第１刷、平成１３年１１月３０日発行、５４９頁）記載の右手系オイラー角を用いた。すなわち、タンタル酸リチウム結晶やニオブ酸リチウム結晶の結晶軸Ｘ、Ｙ、Ｚに対し、Ｚ軸を軸としてＸ軸を反時計廻りにφ回転しＸａ軸を得る。次に、Ｘａ軸を軸としてＺ軸を反時計廻りにθ回転しＺ′軸を得る。Ｘａ軸を含み、Ｚ′軸を法線とする面を基板の切断面とした。そして、Ｚ′軸を軸としてＸａ軸を反時計廻りにψ回転した軸Ｘ′方向をψ方向とした。
【００９９】
また、オイラー角の初期値として与えるタンタル酸リチウム結晶やニオブ酸リチウム結晶の結晶軸Ｘ、Ｙ、Ｚは、Ｚ軸をｃ軸と平行とし、Ｘ軸を等価な３方向のａ軸のうち任意の１つと平行とし、Ｙ軸はＸ軸とＺ軸を含む面の法線方向とする。
【０１００】
＜等価なオイラー角と分極の極性＞
本発明におけるタンタル酸リチウム結晶やニオブ酸リチウム結晶のオイラー角（φ，θ，ψ）は結晶学的に等価であればよい。例えば、非特許文献（日本音響学会誌３６巻３号、１９８０年、１４０〜１４５頁）によれば、タンタル酸リチウム結晶やニオブ酸リチウム結晶のような三方晶系３ｍ点群に属する結晶では（Ａ）式が成り立つ。
【０１０１】
Ｆ（φ，θ，ψ）＝Ｆ（６０°−φ，−θ，ψ）
＝Ｆ（６０°＋φ，−θ，１８０°−ψ）
＝Ｆ（φ，１８０°＋θ，１８０°−ψ）
＝Ｆ（φ，θ，１８０°＋ψ）                …式（Ａ）
ここで、Ｆは、機能性デバイスの特性である。
【０１０２】
なお、式（Ａ）には分極軸の極性が上下反転する状態も含まれる。タンタル酸リチウムとニオブ酸リチウムの熱膨張率を揃えて熱応力の発生を抑制しても分極軸が対抗している場合、たとえば、温度変化に伴う焦電荷がタンタル酸リチウムとニオブ酸リチウムの界面に蓄積され、電気的な反発力により接合が破壊されたり、放電によりデバイスが破壊されるといった不具合を生じる。このような不具合を避けるには、分極の正負極性を揃えることで電荷を中和したり、タンタル酸リチウムとニオブ酸リチウムの界面に導電率の大きな材料を配して導電率の大きな材料を経由して電荷を外部に逃がしたり、タンタル酸リチウムやニオブ酸リチウムの導電率を上げて電荷を中和したり、といった手段が有効である。タンタル酸リチウムやニオブ酸リチウムの導電率は１×１０−１４以上とすることで温度変化に伴う焦電荷が中和できる。
【０１０３】
また、前述のように、タンタル酸リチウムとニオブ酸リチウムとの界面にＳｉＯ２などの誘電体を配して接合した構造体では、誘電体の導電率が１×１０−１４Ω−１ｃｍ−１より小さいと焦電などで発生した電荷がＬｉＴａＯ３と誘電体の界面やＬｉＮｂＯ３と誘電体の界面に蓄積され、誘電体との接合が破壊されたり、放電によりデバイスが破壊されたりする不具合を生じる。この不具合を抑制するには、誘電体の導電率を１×１０−１４Ω−１ｃｍ−１以上とすることで、電荷を中和できる。
【符号の説明】
【０１０４】
１…弾性波装置
２…圧電基板
３…誘電体膜
３ａ，３ｂ…誘電体層
４…圧電膜
４Ａ…ＬｉＴａＯ３板
４ａ…注入イオン高濃度部分
４ｂ…残りの圧電板部分
５…ＩＤＴ電極
６，７…反射器
【図１】
2013031651.tif 000005
【図２】
2013031651.tif 000006
【図３】
2013031651.tif 000007
【図４】
2013031651.tif 000008
【図５】
2013031651.tif 000009
【図６】
2013031651.tif 000010
【図７】
2013031651.tif 000011
【国際調査報告】
2013031651.tif 000012
2013031651.tif 000013