Nothing Special   »   [go: up one dir, main page]

JP7345411B2 - Piezoelectric bodies and piezoelectric elements - Google Patents

Piezoelectric bodies and piezoelectric elements Download PDF

Info

Publication number
JP7345411B2
JP7345411B2 JP2020022791A JP2020022791A JP7345411B2 JP 7345411 B2 JP7345411 B2 JP 7345411B2 JP 2020022791 A JP2020022791 A JP 2020022791A JP 2020022791 A JP2020022791 A JP 2020022791A JP 7345411 B2 JP7345411 B2 JP 7345411B2
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
piezoelectric
piezoelectric body
element according
piezoelectric element
intermediate portion
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
JP2020022791A
Other languages
Japanese (ja)
Other versions
JP2021127270A (en
Inventor
哲也 岸野
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Kyocera Corp
Original Assignee
Kyocera Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Kyocera Corp filed Critical Kyocera Corp
Priority to JP2020022791A priority Critical patent/JP7345411B2/en
Publication of JP2021127270A publication Critical patent/JP2021127270A/en
Application granted granted Critical
Publication of JP7345411B2 publication Critical patent/JP7345411B2/en
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Landscapes

  • Crystals, And After-Treatments Of Crystals (AREA)
  • Surface Acoustic Wave Elements And Circuit Networks Thereof (AREA)

Description

本発明は、信頼性の優れた圧電体およびそれ用いた圧電素子に関するものである。 The present invention relates to a highly reliable piezoelectric material and a piezoelectric element using the piezoelectric material.

近年、圧電体を用いた電子部品の需要が高まっている。このような電子部品としては、例えば、弾性表面波(Surface Acoustic Wave:以下SAWということがある)を用いたSAWフィルタが例示できる。 In recent years, demand for electronic components using piezoelectric materials has been increasing. An example of such an electronic component is a SAW filter using surface acoustic waves (hereinafter sometimes referred to as SAW).

このような電子部品において安定した電気特性を実現するためには、圧電体の各種電気特性を安定させる必要がある。特許文献1には、圧電体の焦電性に着目し、焦電性によるスパーク等を抑制するために体積抵抗率を所望の値で一定にする技術が提案されている。 In order to achieve stable electrical characteristics in such electronic components, it is necessary to stabilize various electrical characteristics of the piezoelectric body. Patent Document 1 focuses on the pyroelectricity of a piezoelectric material, and proposes a technique for keeping the volume resistivity constant at a desired value in order to suppress sparks and the like due to the pyroelectricity.

特開2008-201640号公報Japanese Patent Application Publication No. 2008-201640

さらに安定した電気特性を実現できる圧電体や、それを用いた圧電素子を提供することが求められている。 There is a need to provide a piezoelectric material that can realize more stable electrical characteristics and a piezoelectric element using the piezoelectric material.

本発明は上述の事情のもとに案出されたものであり、その目的は、安定した電気特性を実現できる圧電体およびそれを用いた圧電素子を提供することである。 The present invention was devised based on the above-mentioned circumstances, and its purpose is to provide a piezoelectric material that can realize stable electrical characteristics and a piezoelectric element using the same.

本開示の一態様の圧電体は、LiTaO単結晶からなり、キュリー温度をX(℃)とし、Ir含有量をY(ng/g)としたときに、以下の式を満たす。 A piezoelectric body according to one embodiment of the present disclosure is made of a LiTaO 3 single crystal, and satisfies the following formula, where the Curie temperature is X (° C.) and the Ir content is Y (ng/g).

0<Y<10^(-0.10034×X+63.67)及びY≦400ng/g
本開示の一態様に係る圧電素子は、前記圧電体上にIDT電極を有し、前記IDT電極のピッチの2倍以下の厚みの前記圧電体を有する。
0<Y<10^(-0.10034×X+63.67) and Y≦400ng/g
A piezoelectric element according to an aspect of the present disclosure includes an IDT electrode on the piezoelectric body, and the piezoelectric body has a thickness that is twice or less the pitch of the IDT electrode.

上述の本開示の一態様に係る圧電体は、焦電性による電気特性変化を抑制したものとなる。また、このような圧電体を備え圧電素子は、電気特性の優れたものとなる。 The piezoelectric body according to one aspect of the present disclosure described above suppresses changes in electrical characteristics due to pyroelectricity. Moreover, a piezoelectric element including such a piezoelectric body has excellent electrical characteristics.

本開示にかかる圧電素子の一実施形態を示す断面図である。1 is a cross-sectional view showing an embodiment of a piezoelectric element according to the present disclosure. 図1に示す圧電素子の上面図である。2 is a top view of the piezoelectric element shown in FIG. 1. FIG. 比較例に係る圧電素子の周波数特性を示す線図である。FIG. 7 is a diagram showing frequency characteristics of a piezoelectric element according to a comparative example. 図4(a)は図3に示す圧電素子のAFM像であり,図4(b)は図4(a)に示す領域における圧電応答力顕微鏡像である。4(a) is an AFM image of the piezoelectric element shown in FIG. 3, and FIG. 4(b) is a piezoelectric response force microscope image in the region shown in FIG. 4(a). 印加電圧および共振周波数と反共振周波数との差(Δf)の関係を示す線図である。FIG. 3 is a diagram showing the relationship between applied voltage and the difference (Δf) between the resonant frequency and the anti-resonant frequency. 圧電体のキュリー温度とIr含有量と分極反転のしやすさとの関係を示す図である。FIG. 3 is a diagram showing the relationship between the Curie temperature, Ir content, and ease of polarization reversal of a piezoelectric material. キュリー温度と直流電圧を50V印加したときのΔf値との関係を示す。The relationship between the Curie temperature and the Δf value when a DC voltage of 50 V is applied is shown. 図8(a)は、Ir含有量と直流電圧を50V印加したときのΔf値との関係を示す線図であり、図8(b)は、Zr含有量と直流電圧を50V印加したときのΔf値との関係を示す線図である。FIG. 8(a) is a diagram showing the relationship between the Ir content and the Δf value when a DC voltage of 50V is applied, and FIG. 8(b) is a diagram showing the relationship between the Zr content and the Δf value when a DC voltage of 50V is applied. FIG. 3 is a diagram showing the relationship with the Δf value. 図9(a),図9(b)はそれぞれ図1に示す圧電素子の変形例を示す断面図である。9(a) and 9(b) are cross-sectional views showing modified examples of the piezoelectric element shown in FIG. 1, respectively. 図1に示す圧電素子の変形例を示す断面図である。2 is a sectional view showing a modification of the piezoelectric element shown in FIG. 1. FIG.

以下、本開示の圧電体、圧電素子にかかる実施の形態について図面を用いて詳細に説明する。なお、以下の説明で用いられる図は模式的なものであり、図面上の寸法比率等は現実のものとは必ずしも一致していない。 Embodiments of the piezoelectric body and piezoelectric element of the present disclosure will be described in detail below with reference to the drawings. Note that the drawings used in the following explanation are schematic, and the dimensional ratios, etc. in the drawings do not necessarily match the actual ones.

また、変形例等の説明において、既に説明された実施形態の構成と同一または類似する構成については、既に説明された実施形態と同一の符号を付し、説明を省略することがある。 Furthermore, in the description of modifications and the like, configurations that are the same as or similar to the configurations of the already described embodiments may be given the same reference numerals as those of the already described embodiments, and the description thereof may be omitted.

圧電体、圧電素子は、いずれの方向が上方または下方とされてもよいものであるが、以下では、便宜的に、互いに直交するD1方向、D2方向、D3方向を定義するとともにD3方向の正側を上方として、上面、下面等の用語を用いるものとする。なお、上述のD1方向,D2方向およびD3方向で定義される直交座標系は、圧電体、圧電素子の形状に基づいて定義されているものであり、圧電体を構成する圧電結晶の結晶軸(X軸,Y軸,Z軸)を指すものではない。また、基本構成が類似しているものは、第1、第2等の記載を省略してこれらを区別せずに説明することがある。 A piezoelectric body or a piezoelectric element may have any direction upward or downward; however, for convenience, below, for convenience, the D1 direction, D2 direction, and D3 direction, which are orthogonal to each other, are defined, and the positive direction of the D3 direction is defined. Terms such as upper surface, lower surface, etc. shall be used with the side facing upward. The orthogonal coordinate system defined by the D1 direction, D2 direction, and D3 direction mentioned above is defined based on the shape of the piezoelectric body and the piezoelectric element, and the crystal axis ( It does not refer to the X-axis, Y-axis, Z-axis). In addition, if the basic configuration is similar, the description of the first, second, etc. may be omitted and the description will be made without distinguishing between them.

<圧電素子:弾性波素子1>
以下、圧電素子の一例としてSAW等の弾性波を励振する弾性波素子を用いて説明する。図1は、本開示の一実施形態に係る圧電素子としての弾性波素子1の模式的な断面図である。
<Piezoelectric element: elastic wave element 1>
Hereinafter, as an example of a piezoelectric element, an elastic wave element such as a SAW that excites elastic waves will be used. FIG. 1 is a schematic cross-sectional view of an acoustic wave element 1 as a piezoelectric element according to an embodiment of the present disclosure.

弾性波素子1は、支持基板3と中間部5と圧電体7とIDT電極9とを備える。支持基板3と中間部5と圧電体7とはこの順に積層されている。 The acoustic wave element 1 includes a support substrate 3, an intermediate portion 5, a piezoelectric body 7, and an IDT electrode 9. The support substrate 3, the intermediate portion 5, and the piezoelectric body 7 are laminated in this order.

支持基板3は、この例では、その上に積層される中間部5および圧電体7を支持するものであり、一定の強度を備えれば特に限定されない。例えば、圧電体7に比べて線膨張係数の小さい材料で構成する場合には、温度変化による圧電体7の変形を低減することで、温度変化による特性変化を低減することができる。また、圧電体7中を伝搬する弾性波の横波音速に比べて支持基板3中を伝搬する弾性波の横波音速が早くなるように材料を選定した場合には、弾性波を圧電体7に閉じ込めることができ、周波数特性の優れた弾性波素子1を提供することができる。 In this example, the support substrate 3 supports the intermediate portion 5 and the piezoelectric body 7 stacked thereon, and is not particularly limited as long as it has a certain strength. For example, when the piezoelectric body 7 is made of a material having a smaller coefficient of linear expansion than the piezoelectric body 7, by reducing the deformation of the piezoelectric body 7 due to temperature changes, it is possible to reduce characteristic changes due to temperature changes. Furthermore, if the material is selected so that the transverse sound velocity of the elastic waves propagating in the support substrate 3 is faster than the transverse sound velocity of the elastic waves propagating in the piezoelectric body 7, the elastic waves can be confined in the piezoelectric body 7. Therefore, it is possible to provide an acoustic wave element 1 with excellent frequency characteristics.

このような材料として、例えば、サファイア基板やSi基板等を例示できる。本実施形態においては支持基板3としてSi基板を用いた場合を例に説明する。 Examples of such materials include sapphire substrates and Si substrates. In this embodiment, an example will be described in which a Si substrate is used as the support substrate 3.

なお、支持基板3と中間部5と圧電体7との積層体の反りを低減するように、支持基板3の材料を選定してもよい。例えば、中間部5の線膨張係数が圧電体7の線膨張係数に比べて小さい場合には、支持基板3は中間部5よりも線膨張係数の大きい材料にしてもよい。 Note that the material of the support substrate 3 may be selected so as to reduce warping of the laminate of the support substrate 3, the intermediate portion 5, and the piezoelectric body 7. For example, when the coefficient of linear expansion of the intermediate portion 5 is smaller than that of the piezoelectric body 7, the support substrate 3 may be made of a material having a coefficient of linear expansion larger than that of the intermediate portion 5.

中間部5は、例えば、酸化ケイ素、窒素ケイ素、酸化アルミニウム等の絶縁性を有する材料からなり、その結晶性は特に限定されない。中間部5を設けることにより、不要の電位が形成されたり不要の容量が形成されたりすることを低減することができるので、弾性波素子1の電気特性を向上させることができる。この例では、中間部5として、酸化ケイ素を用いている。 The intermediate portion 5 is made of an insulating material such as silicon oxide, silicon nitrogen, or aluminum oxide, and its crystallinity is not particularly limited. By providing the intermediate portion 5, it is possible to reduce the formation of an unnecessary potential or an unnecessary capacitance, so that the electrical characteristics of the acoustic wave element 1 can be improved. In this example, silicon oxide is used as the intermediate portion 5.

特に、本例のように、支持基板3として半導体材料であるSi基板を用いる場合には、圧電体7と支持基板3との間に絶縁性の中間部5を設けることにより、支持基板3の影響を低減すことができる。絶縁性を確保しつつ、かつ、支持基板3の高音速材料の特性を活かすためには、中間部3の厚みは、後述のIDT電極9により規定されるピッチpに対して0.01p以上2p以下としてもよい。特に0.1p~0.4pとした場合には支持基板3(この場合はSi)の導電率の影響を避けることができる。 In particular, when a Si substrate, which is a semiconductor material, is used as the support substrate 3 as in this example, by providing an insulating intermediate portion 5 between the piezoelectric body 7 and the support substrate 3, the support substrate 3 can be The impact can be reduced. In order to ensure insulation and take advantage of the characteristics of the high-sonic material of the support substrate 3, the thickness of the intermediate portion 3 should be 0.01p or more 2p with respect to the pitch p defined by the IDT electrodes 9, which will be described later. The following may be used. In particular, when the value is 0.1p to 0.4p, the influence of the conductivity of the support substrate 3 (Si in this case) can be avoided.

また、中間部5として酸化ケイ素を用いる場合には、圧電体7中を伝搬する弾性波の横波音速に比べて中間部5中を伝搬する弾性波の横波音速が遅くなる。この場合には、以下のメカニズムによりロバスト性を高めることができる。すなわち、圧電体7が想定の厚みより薄くなり弾性波素子1としての共振周波数が高くなるときには、中間部5における弾性波の分布量が増え、共振周波数を低くするように働く。圧電体7が規定の厚みより厚くなり弾性波素子1としての共振周波数が低くなるときには、中間部5における弾性波の分布量が減り、共振周波数を高くするように働く。このように、弾性波素子1において圧電体7の厚みが変動しても周波数特性の変化を低減することができるので、ロバスト性を高めることができる。さらに、温度特性の向上効果も期待できる。 Further, when silicon oxide is used as the intermediate portion 5, the transverse wave sonic velocity of the elastic wave propagating in the intermediate portion 5 is slower than the transverse wave sonic velocity of the elastic wave propagating in the piezoelectric body 7. In this case, robustness can be improved by the following mechanism. That is, when the piezoelectric body 7 becomes thinner than the expected thickness and the resonant frequency of the elastic wave element 1 becomes high, the amount of elastic wave distribution in the intermediate portion 5 increases, working to lower the resonant frequency. When the piezoelectric body 7 becomes thicker than a specified thickness and the resonant frequency of the elastic wave element 1 becomes lower, the amount of elastic wave distribution in the intermediate portion 5 decreases, working to increase the resonant frequency. In this way, even if the thickness of the piezoelectric body 7 changes in the acoustic wave element 1, changes in frequency characteristics can be reduced, so robustness can be improved. Furthermore, the effect of improving temperature characteristics can also be expected.

圧電体7は、第1面7aとこれに対向する第2面7bとを備える。便宜上、第2面7bから第1面7aに向かう方向(D3方向)を上方ということがある。中間部5は圧電体7の第2面7bに接合されている。 The piezoelectric body 7 includes a first surface 7a and a second surface 7b opposing the first surface 7a. For convenience, the direction from the second surface 7b to the first surface 7a (direction D3) may be referred to as upward. The intermediate portion 5 is joined to the second surface 7b of the piezoelectric body 7.

圧電体7は、例えば、タンタル酸リチウム(LiTaO:以下LTという)結晶からなる圧電性を有する単結晶の基板や、ニオブ酸リチウム(LiNbO:以下LNという)結晶からなる圧電性を有する単結晶の基板や薄膜等を用いることができる。 The piezoelectric body 7 is, for example, a piezoelectric single crystal substrate made of lithium tantalate (LiTaO 3 :hereinafter referred to as LT) crystal, or a piezoelectric single crystal substrate made of lithium niobate (LiNbO 3 :hereinafter referred to as LN) crystal. A crystal substrate, thin film, etc. can be used.

圧電体7は、厚みは2p以下、すなわち弾性波の波長λ以下である。弾性波の波長λ以下の厚みとすることで、弾性波を圧電体7に閉じ込めることができ、弾性波素子1のQ値を高めることができる。また、圧電体7のオイラー角を選定することにより、共振周波数を高くすることもできる。 The thickness of the piezoelectric body 7 is 2p or less, that is, the thickness is less than the wavelength λ of the elastic wave. By setting the thickness to be equal to or less than the wavelength λ of the elastic wave, the elastic wave can be confined in the piezoelectric body 7, and the Q value of the elastic wave element 1 can be increased. Further, by selecting the Euler angle of the piezoelectric body 7, the resonance frequency can be increased.

ここで、圧電体7は、LTを用いる場合には、そのキュリー温度をX(℃)とし、Ir元素の含有量をY(ng/g)としたときに以下の関係式(1)を満たす。
0<Y<10^(-0.10034×X+63.67) ・・・・(1)
XとYとの関係について、詳しくは後述する。
Here, when using LT, the piezoelectric body 7 satisfies the following relational expression (1) when its Curie temperature is X (°C) and the Ir element content is Y (ng/g). .
0<Y<10^(-0.10034×X+63.67) ・・・(1)
The relationship between X and Y will be described in detail later.

圧電体7に設けられる一対の電極として、この例では、IDT電極9を備えるものとする。IDT電極9は、一対の櫛歯電極90を含み、圧電体7の第1面7aに位置する。IDT電極9と第1面7aとの間には、下地層が位置していてもよい。 As a pair of electrodes provided on the piezoelectric body 7, in this example, an IDT electrode 9 is provided. The IDT electrode 9 includes a pair of comb-teeth electrodes 90 and is located on the first surface 7a of the piezoelectric body 7. A base layer may be located between the IDT electrode 9 and the first surface 7a.

IDT電極9は、導電性を有する材料を用いて形成されており、この例ではAlにCuを添加したAl-Cu合金で形成されている。IDT電極9は、Al,Cu,Pt,Mo,Au等種々の導電性材料を採用することができ、さらに、これら複数の層を積層させて構成してもよい。また。複数層の積層体からなる場合には、積層界面に下地層を介在させてもよい。 The IDT electrode 9 is made of a conductive material, and in this example is made of an Al--Cu alloy in which Cu is added to Al. The IDT electrode 9 can be made of various conductive materials such as Al, Cu, Pt, Mo, and Au, and may also be constructed by laminating a plurality of these layers. Also. In the case of a multilayer laminate, a base layer may be interposed at the interface between the laminates.

図2に、IDT電極9の形状を示す。図2は、弾性波素子1の上面図である。図2に示すように、IDT電極9は、2つのバスバー91と、バスバー91のいずれかに接続される複数の長尺状の電極指92が複数一方向に配列されている。そして一方のバスバー91に接続される電極指92と他方のバスバー91に接続される電極指92とが交互に配置されている。また、一方のバスバー91に接続される電極指92の先端に対向し、他方のバスバー91に接続されるダミー電極93を備えている。 FIG. 2 shows the shape of the IDT electrode 9. FIG. 2 is a top view of the acoustic wave element 1. As shown in FIG. 2, the IDT electrode 9 includes two busbars 91 and a plurality of long electrode fingers 92 connected to either of the busbars 91 arranged in one direction. Electrode fingers 92 connected to one bus bar 91 and electrode fingers 92 connected to the other bus bar 91 are alternately arranged. Further, a dummy electrode 93 is provided which faces the tip of the electrode finger 92 connected to one bus bar 91 and is connected to the other bus bar 91 .

すなわち、一方のバスバー91とこれに接続された電極指92,ダミー電極93とで一方の櫛歯電極90を構成し、他方のバスバー91とこれに接続された電極指92,ダミー電極93とで他方の櫛歯電極90を構成する。なお、図中において、一方のバスバー91に接続される構成(一方の櫛歯電極90)と他方のバスバー91に接続される構成(他方の櫛歯電極90)とを区別するために、一方に斜線を付している。 That is, one bus bar 91 and the electrode fingers 92 and dummy electrodes 93 connected thereto constitute one comb-teeth electrode 90, and the other bus bar 91 and the electrode fingers 92 and dummy electrodes 93 connected thereto constitute one comb-teeth electrode 90. The other comb-teeth electrode 90 is configured. In the figure, in order to distinguish between the configuration connected to one bus bar 91 (one comb-teeth electrode 90) and the configuration connected to the other bus bar 91 (other comb-teeth electrode 90), Diagonal lines are added.

このようなIDT電極9に高周波信号が印加されると、電極指92の中心間間隔pを半波長とする定在波が励振される。 When a high frequency signal is applied to such an IDT electrode 9, a standing wave whose center-to-center spacing p of the electrode fingers 92 is a half wavelength is excited.

なお、IDT電極9の電極指92の配列方向の両側には反射器11が位置している。これにより、IDT電極9と反射器11とで1ポート型の共振子として機能する。なお、本開示の弾性波素子1はこのようなIDT電極9を含めばよく、その数、配置等については特に限定されない。例えば、このような共振子を複数含むラダー型フィルタや、縦結合型フィルタ等を構成することもできる。 Note that reflectors 11 are located on both sides of the IDT electrode 9 in the direction in which the electrode fingers 92 are arranged. Thereby, the IDT electrode 9 and the reflector 11 function as a one-port type resonator. Note that the acoustic wave element 1 of the present disclosure only needs to include such IDT electrodes 9, and the number, arrangement, etc. thereof are not particularly limited. For example, it is also possible to configure a ladder type filter including a plurality of such resonators, a vertically coupled filter, or the like.

本開示の弾性波素子1によれば、上述の構成を備えることで、電気特性の優れたものとなる。以下、そのメカ二ズムについて詳述する。 According to the acoustic wave device 1 of the present disclosure, having the above-described configuration provides excellent electrical characteristics. The mechanism will be explained in detail below.

発明者は、弾性波素子を作製したときに、IDT電極の設計によらず周波数特性が劣化する場合があることを発見した。具体的には、共振周波数および反共振周波数の近傍にリップルが発生することがあることを発見した。 The inventor discovered that when producing an acoustic wave element, the frequency characteristics may deteriorate regardless of the design of the IDT electrode. Specifically, we discovered that ripples may occur near the resonant frequency and anti-resonant frequency.

図3は、IDT電極でフィルタを構成したときの参考例に係る弾性波素子の通過帯域近傍の周波数特性を示す。横軸は周波数であり、縦軸は透過特性を示す。周波数特性の良好な比較品1の値を線L1で、周波数特性の劣化が確認できる比較品2の値を線L2で示す。線L1は線L2に比べ通過帯域内に図中に矢印で示すようなリップルが発生し電気特性が劣化していることが分かる。 FIG. 3 shows frequency characteristics near the passband of an acoustic wave element according to a reference example when a filter is configured with IDT electrodes. The horizontal axis represents frequency, and the vertical axis represents transmission characteristics. Line L1 indicates the value of comparative product 1 with good frequency characteristics, and line L2 indicates the value of comparative product 2 with confirmed deterioration of frequency characteristics. It can be seen that, compared to line L2, line L1 has ripples in the pass band as shown by the arrows in the figure, and its electrical characteristics have deteriorated.

一般に、圧電体7の焦電性を改善するために、圧電体として予め還元処理を施したLT基板やLN基板を用いることが知られている。これに対して、発明者は圧電体が薄くなる場合には、例え還元処理を施した圧電体を用いてもリップルが発生することがあることを見出した。また、焦電防止にFeを添加したLT基板も知られている。この場合であっても、圧電体が薄くなる場合には、リップルが発生することがあることを見出した。 Generally, in order to improve the pyroelectricity of the piezoelectric body 7, it is known to use an LT substrate or an LN substrate that has been previously subjected to a reduction treatment as the piezoelectric body. On the other hand, the inventor has found that when the piezoelectric material becomes thin, ripples may occur even if a piezoelectric material that has been subjected to reduction treatment is used. Furthermore, LT substrates doped with Fe to prevent pyroelectricity are also known. It has been found that even in this case, ripples may occur if the piezoelectric material becomes thin.

この現象につき発明者が鋭意検討を行なった結果、線L1のリップルは、熱と焦電効果を原因として圧電体7の一部で発生する分極反転に起因することを見出した。ここで「熱」とは、IDT電極7形成後に加わる弾性波素子1作製上の熱履歴や、高周波信号印加による発熱を含む。 As a result of intensive research into this phenomenon, the inventor found that the ripple in the line L1 is caused by polarization reversal occurring in a portion of the piezoelectric body 7 due to heat and pyroelectric effects. Here, "heat" includes heat history during the fabrication of the acoustic wave element 1 that is added after the IDT electrode 7 is formed, and heat generated by application of a high frequency signal.

作製時の工程や急激な高周波信号印加により弾性波素子1の温度が急激に上昇すると、焦電効果により電荷が発生し、それが原因でIDT電極9の電極間に電圧が生じる。LT基板には還元処理が施されているのでこの電圧はそれほど高くないが(5~20V程度と推察される)、高温になるとLT基板の抗電界が低下するため、容易に分極反転が起こってしまうと考えられる。 When the temperature of the acoustic wave element 1 rises rapidly due to the manufacturing process or the sudden application of a high frequency signal, charges are generated due to the pyroelectric effect, which causes a voltage to be generated between the IDT electrodes 9. Since the LT substrate has been subjected to reduction treatment, this voltage is not very high (estimated to be around 5 to 20 V), but at high temperatures, the coercive electric field of the LT substrate decreases, so polarization reversal easily occurs. It is thought that it will be put away.

また、圧電体7が薄いと、分極反転部が容易に裏面まで到達し、安定な180°ドメインを構成してしまう。このため、一度生じた分極反転は固定されてしまい、前記したフィルタ特性のリップルとなって表れる。 Furthermore, if the piezoelectric body 7 is thin, the polarization inversion portion easily reaches the back surface, forming a stable 180° domain. For this reason, once the polarization inversion occurs, it becomes fixed and appears as ripples in the filter characteristics described above.

同様のことは、圧電体7が厚い場合でも起こるが、この場合は分極反転部が圧電体7の裏面まで到達しないため、安定な180°ドメインが構成されない。このため、焦電効果による電圧がなくなったり温度が下がったりすると、分極反転部がもとに戻ってしまう。このような原理により、圧電体7が厚い場合は、前記したフィルタ特性のリップルのような不具合が起こりにくい。ただし、この場合でも実使用時に電力を印加すると通過帯域やその他の周波数にリップルが発生してしまい、通信機器の性能劣化の一因となっていた。 A similar situation occurs even when the piezoelectric body 7 is thick, but in this case, the polarization inversion portion does not reach the back surface of the piezoelectric body 7, so a stable 180° domain is not formed. Therefore, when the voltage due to the pyroelectric effect disappears or the temperature drops, the polarization inversion portion returns to its original state. Based on this principle, when the piezoelectric body 7 is thick, problems such as ripples in the filter characteristics described above are less likely to occur. However, even in this case, when power is applied during actual use, ripples occur in the passband and other frequencies, contributing to the deterioration of the performance of communication equipment.

ここで、図1に示す弾性波素子1において、中間部5を備えない場合には、リップルが発生しにくいこともある。これは、圧電体7が薄くなっても、圧電体とSi基板とが直接接合されることで表面電位が安定し、かつ、導電性を一定以上備えるSi基板の側に電荷を逃がすことができるためと考えられる。また、中間部5よりも支持基板3の方が熱導電率が大きいため、中間部5がない場合には、圧電体7で生じた熱を効率よく支持基板3に放熱することができるためと考えられる。 Here, if the elastic wave element 1 shown in FIG. 1 does not include the intermediate portion 5, ripples may be less likely to occur. This means that even if the piezoelectric body 7 becomes thinner, the piezoelectric body and the Si substrate are directly bonded, so the surface potential is stabilized, and charges can be released to the side of the Si substrate, which has a certain level of conductivity. It is thought that this is because of this. Furthermore, since the thermal conductivity of the support substrate 3 is higher than that of the intermediate portion 5, the heat generated in the piezoelectric body 7 can be efficiently radiated to the support substrate 3 in the absence of the intermediate portion 5. Conceivable.

これに対し、図1に示す構成においては、圧電体7に絶縁性の材料(中間部5)が接していることでさらに表面電位が不安定となり焦電効果が発現しやすくなる。このような状況下で、熱により焦電効果が発生し、IDT電極9において電圧が生じ、分極反転が生じるものと推察される。 On the other hand, in the configuration shown in FIG. 1, since the piezoelectric body 7 is in contact with the insulating material (intermediate portion 5), the surface potential becomes even more unstable, and the pyroelectric effect is more likely to occur. Under such circumstances, it is presumed that a pyroelectric effect occurs due to heat, a voltage is generated at the IDT electrode 9, and polarization reversal occurs.

このように、線L1におけるリップルは圧電体7の分極反転によるものとすると、上述の現象についても矛盾が生じない。 In this way, assuming that the ripple in the line L1 is due to the polarization reversal of the piezoelectric body 7, there is no contradiction in the above-mentioned phenomenon.

そこで、分極反転を抑制するために、本開示では圧電体7のキュリー温度Xと不純物濃度Yとを式(1)を満たす関係となるようにしている。キュリー温度は、圧電体の特性を示す指標の1つであり、例えば、Li,Ta,Oの組成比によっても変化する。そして、このキュリー温度と不純物濃度とがこのような関係式を満たすことにより、圧電体7において、ストイキオメトリックの値から組成比をずらし、かつ、電気特性や結晶性に影響のない範囲で適度に不純物を含有させることで、圧電体7を構成する圧電結晶の結晶格子に歪や欠陥を発生させることができる。これにより、結晶ドメインを反転しにくくしたり、反転したドメインの移動を低減したりすることができる。 Therefore, in order to suppress polarization reversal, in the present disclosure, the Curie temperature X and impurity concentration Y of the piezoelectric body 7 are set to have a relationship that satisfies equation (1). The Curie temperature is one of the indicators indicating the characteristics of a piezoelectric material, and changes depending on the composition ratio of Li, Ta, and O, for example. By satisfying this relational expression between the Curie temperature and the impurity concentration, in the piezoelectric body 7, the composition ratio can be shifted from the stoichiometric value, and the composition ratio can be adjusted appropriately within a range that does not affect the electrical properties or crystallinity. By containing impurities in the piezoelectric body 7, distortions and defects can be generated in the crystal lattice of the piezoelectric crystal constituting the piezoelectric body 7. Thereby, it is possible to make it difficult to invert the crystal domains and to reduce the movement of the inverted domains.

このような圧電体7を用いることで、線L1のようなリップルは発生せずに線L2のような波形を得ることを確認した。なお、圧電体7は式(1)を満たした上で還元処理を施したものとしてもよい。また、Feなど他の不純物がドープされていてもよい。 It has been confirmed that by using such a piezoelectric body 7, a waveform like line L2 can be obtained without generating ripples like line L1. Note that the piezoelectric body 7 may be one that satisfies formula (1) and then undergoes a reduction treatment. Further, other impurities such as Fe may be doped.

上述のような弾性波素子1を実際に作製した。具体的には、圧電体7の膜厚を0.8μm(0.7p)、中間部5の膜厚を0.32μm(0.3p)とした。このような弾性波素子1に対して、共振周波数近傍の周波数を有する高周波信号を印加して耐電力試験を行なった場合と、熱履歴のない弾性波素子1に対して加熱を行なった場合との双方においてリップルは発生しないことを確認した。一方で、比較例として、圧電体7として還元処理をしたのみで式(1)を満たさない圧電結晶を用いた場合にも同様の試験を行なったところ、線L1のリップルを再現することができることを確認した。 An acoustic wave device 1 as described above was actually produced. Specifically, the film thickness of the piezoelectric body 7 was set to 0.8 μm (0.7p), and the film thickness of the intermediate portion 5 was set to 0.32 μm (0.3p). A power durability test was performed on such an acoustic wave element 1 by applying a high frequency signal having a frequency near the resonance frequency, and another case was performed on an acoustic wave element 1 with no thermal history. It was confirmed that no ripples occurred in both cases. On the other hand, as a comparative example, a similar test was conducted using a piezoelectric crystal that was only subjected to reduction treatment and did not satisfy formula (1) as the piezoelectric body 7, and it was found that the ripple of line L1 could be reproduced. It was confirmed.

さらに、このような比較例にかかるSAW装置について、ウエットエッチングによりIDT電極9を除去して圧電体7を露出させ、圧電応答力顕微鏡(PFM)により分極状態を測定した。その結果を図4に示す。図4(a)は圧電体7表面のダミー電極93があった場所付近のAFM像である。IDT電極9そのものは除去されているが、製造工程でできた圧電体7表面の凸凹が検出されており、IDT電極9の痕跡が確認できる。図4(a)では、左端にバスバー91があり、そこからダミー電極93が紙面の右方向に伸びており、紙面左側から伸びている電極指92にギャップを隔てて対向している。図4(b)は同じ場所のPFM像である。図4(b)から、ダミー電極93と対向電極のギャップ付近を中心に、ダミー電極と対向電極に沿って電圧Vがマイナスになっており、分極の方向がその他の部分と反転していることが確認できた。なお、弾性波素子1では正負反転している部分は確認されなかった。 Further, regarding the SAW device according to the comparative example, the IDT electrode 9 was removed by wet etching to expose the piezoelectric body 7, and the polarization state was measured using a piezoelectric force microscope (PFM). The results are shown in FIG. FIG. 4(a) is an AFM image of the vicinity of the location where the dummy electrode 93 was located on the surface of the piezoelectric body 7. Although the IDT electrode 9 itself has been removed, irregularities on the surface of the piezoelectric body 7 created during the manufacturing process have been detected, and traces of the IDT electrode 9 can be confirmed. In FIG. 4A, there is a bus bar 91 at the left end, from which a dummy electrode 93 extends to the right in the plane of the paper, and faces across a gap from an electrode finger 92 extending from the left side of the plane of the paper. FIG. 4(b) is a PFM image of the same location. From FIG. 4(b), the voltage V is negative along the dummy electrode and the counter electrode, centering around the gap between the dummy electrode 93 and the counter electrode, and the direction of polarization is reversed from other parts. was confirmed. In addition, in the acoustic wave element 1, no part where the polarity was reversed was observed.

このように、ダミー電極93においては加熱・冷却時の焦電性により電圧が生じると同時に、電場の方向が分極方向に沿った方向(ダミー電極とその電極指の方向)になるため、分極反転が生じるものと推察される。このため、ダミー電極93を備え、焦電効果による電圧が印加される可能性があるIDT電極9を含む場合には、圧電体7を備える弾性波素子1とすることが好ましい。特に、広い面積の引き回し配線に接続されているIDT電極9において分極反転が生じやすくなる。 In this way, in the dummy electrode 93, a voltage is generated due to pyroelectricity during heating and cooling, and at the same time, the direction of the electric field is along the polarization direction (the direction of the dummy electrode and its electrode fingers), so the polarization is reversed. It is assumed that this occurs. Therefore, in the case where the IDT electrode 9 includes the dummy electrode 93 and the IDT electrode 9 to which a voltage due to the pyroelectric effect may be applied, the acoustic wave element 1 is preferably provided with the piezoelectric body 7. In particular, polarization reversal is likely to occur in the IDT electrode 9 that is connected to a wiring with a large area.

<圧電体7>
上述の通り、分極反転を抑制するためには、圧電体7の極僅かな組成値等の制御が必要である。以下に、圧電体自体の特性について詳述する。
<Piezoelectric body 7>
As described above, in order to suppress polarization reversal, it is necessary to control the composition value of the piezoelectric body 7 to a very small extent. Below, the characteristics of the piezoelectric body itself will be explained in detail.

以下の圧電体として、サンプル1~10のLT基板をウェハで用意した。サンプル1~10の組成値等について、キュリー温度,Ir量,Zr量,Fe量,式(1)を満たすかどうかの順に“,”で区切り表示する。
サンプルNo:(キュリー温度,Ir量,Zr量,Fe量,式(1))
サンプル1:(605.66,320,21000,60,○)
サンプル2:(605.61,280,6300,90,○)
サンプル3:(606.49,300,10000,70,○)
サンプル4:(606.64,220,2800,41000,○)
サンプル5:(605.62,1300,7800,8700,×)
サンプル6:(608.4,670,890,1400,×)
サンプル7:(607.16,790,170,1200,×)
サンプル8:(606.79,1100,290,80,×)
サンプル9:(609.1,710,100,200,×)
サンプル10:(608.77,510,800,41000,×)

式(1)を満たすかどうかは、満たす場合を“〇”,それ以外を“×”で表す。なお、各サンプルのIr量,Zr量,Fe量等は圧電体を溶解させた後に誘導結合プラズマ発光分光分析法(Inductively Coupled Plasma:ICP発光分析)により定量分析して算出した。
As the following piezoelectric bodies, LT substrates of Samples 1 to 10 were prepared in the form of wafers. Regarding the composition values of samples 1 to 10, the Curie temperature, Ir content, Zr content, Fe content, and whether or not formula (1) is satisfied are displayed separated by "," in order.
Sample No.: (Curie temperature, Ir amount, Zr amount, Fe amount, formula (1))
Sample 1: (605.66,320,21000,60,○)
Sample 2: (605.61,280,6300,90,○)
Sample 3: (606.49,300,10000,70,○)
Sample 4: (606.64, 220, 2800, 41000, ○)
Sample 5: (605.62, 1300, 7800, 8700, ×)
Sample 6: (608.4, 670, 890, 1400, ×)
Sample 7: (607.16,790,170,1200,×)
Sample 8: (606.79, 1100, 290, 80, ×)
Sample 9: (609.1, 710, 100, 200, ×)
Sample 10: (608.77, 510, 800, 41000, x)

Whether formula (1) is satisfied is indicated by "〇" if it is satisfied, and by "x" otherwise. Note that the Ir content, Zr content, Fe content, etc. of each sample were calculated by quantitative analysis using inductively coupled plasma (ICP emission spectrometry) after dissolving the piezoelectric material.

サンプル1~10の圧電体上にテスト用IDT電極を設けて、このIDT電極に電圧を印加した。テスト用IDT電極は基本的な構成は図2に示すIDT電極9と同じであり、ピッチpを1μmとしたものである。 Test IDT electrodes were provided on the piezoelectric bodies of Samples 1 to 10, and a voltage was applied to the IDT electrodes. The basic configuration of the test IDT electrode is the same as the IDT electrode 9 shown in FIG. 2, and the pitch p is 1 μm.

このようなテスト用IDT電極に対して直流電圧を0Vから80Vまで変化させながら、各印加電圧における周波数特性を測定した。印加電圧によって圧電体において分極反転が生じると、共振周波数と反共振周波数との差(以下、Δfという)が小さくなることから、Δfに変化が生じた電圧を抗電界と定義する。また、Δfの変化量が大きいほど、分極反転領域が広くなっていると考えられるため、ある電圧を印加した時のΔfの変化量は分極反転のし易さの指標とすることができる。 While varying the DC voltage from 0 V to 80 V for such a test IDT electrode, the frequency characteristics at each applied voltage were measured. When polarization inversion occurs in the piezoelectric material due to the applied voltage, the difference between the resonant frequency and the anti-resonant frequency (hereinafter referred to as Δf) becomes small, and therefore the voltage at which Δf changes is defined as a coercive electric field. Furthermore, it is thought that the larger the amount of change in Δf, the wider the polarization inversion region, so the amount of change in Δf when a certain voltage is applied can be used as an index of the ease of polarization inversion.

図5に、印加電圧とΔfとの関係を示す。図5において、横軸は印加電圧(単位:V)であり、縦軸は初期のΔfと電圧を印加した時のΔfの変化量(単位:MHz)を示す。図からも明らかなように、式(1)を満たすサンプル1~4では印加電圧によらず一定のΔfを維持することができる(分極反転が起こらない)。これに対して、サンプル5~10では印加電圧が30Vを超えるとΔfが減少していき、その減少量は印加電圧の大きさに比例して大きくなることが確認できた。また、サンプル5~10において抗電界は略一致することが確認された。このことから、抗電界が40V以上であれば、分極反転を抑制できているものと推察される。言い換えると、印加電圧を40VとしたときにΔfが-1(MHz)以下であれば、分極反転を抑制できているものと推察される。なお、この値は室温での場合であり、温度を上げるとこの電圧は低下する。例えば200℃に場合、分極反転が生じる電圧は10V以下になる。 FIG. 5 shows the relationship between applied voltage and Δf. In FIG. 5, the horizontal axis shows the applied voltage (unit: V), and the vertical axis shows the initial Δf and the amount of change in Δf (unit: MHz) when the voltage is applied. As is clear from the figure, in samples 1 to 4 that satisfy formula (1), a constant Δf can be maintained regardless of the applied voltage (no polarization reversal occurs). On the other hand, it was confirmed that in Samples 5 to 10, Δf decreased when the applied voltage exceeded 30 V, and the amount of decrease increased in proportion to the magnitude of the applied voltage. Furthermore, it was confirmed that the coercive electric fields of Samples 5 to 10 were approximately the same. From this, it is inferred that polarization reversal can be suppressed if the coercive electric field is 40 V or more. In other words, if Δf is −1 (MHz) or less when the applied voltage is 40 V, it is presumed that polarization reversal can be suppressed. Note that this value is for room temperature, and as the temperature increases, this voltage decreases. For example, at 200° C., the voltage at which polarization inversion occurs is 10 V or less.

より詳細に確認すると、サンプル3,4とサンプル7,8とを比較すると、同じキュリー温度でも分極反転をする場合としない場合とに分かれる。このことから、分極反転が生じるかどうかは、キュリー温度のみに影響されるものではないことが分かる。 In more detail, comparing Samples 3 and 4 with Samples 7 and 8, even at the same Curie temperature, there are cases where the polarization is inverted and cases where the polarization is not reversed. This shows that whether polarization reversal occurs is not affected only by the Curie temperature.

さらに、サンプル1~4とサンプル5とを比較すると、キュリー温度とZr量との関係性よりも、キュリー温度とIr量との相関が強いことが分かる。 Furthermore, when Samples 1 to 4 are compared with Sample 5, it can be seen that the correlation between the Curie temperature and the Ir amount is stronger than the relationship between the Curie temperature and the Zr amount.

そこで、キュリー温度とIr量とを変化させたときの印加電圧を50VとしたときのΔf変化量の大きさとの関係をを図6に示す。図6において、横軸はキュリー温度,縦軸はIr量をとり、バブルチャートの大きさでΔf変化量の大きさ、すなわち分極反転のしやすさを示す。 Therefore, FIG. 6 shows the relationship between the magnitude of the change in Δf when the applied voltage is 50 V when the Curie temperature and the Ir amount are changed. In FIG. 6, the horizontal axis represents the Curie temperature, and the vertical axis represents the Ir amount, and the size of the bubble chart represents the magnitude of the change in Δf, that is, the ease of polarization reversal.

この図から明らかなように、分極反転を起こすサンプル(サンプル5~10)と起こさないサンプル(サンプル1~4)との間には明確に区分されている。そして、この2つの領域を区分するキュリー温度XとIr量Yとの関係式が式(1)に相当する。 As is clear from this figure, there is a clear division between samples that undergo polarization reversal (samples 5 to 10) and samples that do not (samples 1 to 4). The relational expression between the Curie temperature X and the Ir amount Y that divides these two regions corresponds to equation (1).

以下、式(1)を満たす場合に分極反転を抑制するメカニズムについて考察する。 Hereinafter, a mechanism for suppressing polarization reversal when formula (1) is satisfied will be considered.

LT結晶において、化学量論比通りのLi/Ta比(ストイキオメトリック)の場合と、LT結晶を引き上げたときにとるLi/Ta比(コングルーエント)の場合とで、分極反転電圧が大幅に異なることが知られている。具体的にはコングルーエントの場合にストイキオメトリックの場合に比べて分極反転電圧が大きくなることが知られている。ストイキオメトリックの場合に比べてコングルーエントの場合にはLi/Ta比が小さく、Liが欠損するため結晶内部に欠陥が多くなり、これにより分極反転が生じにくいものと推察される。 In the LT crystal, the polarization reversal voltage is significantly different between the stoichiometric Li/Ta ratio (stoichiometric) and the Li/Ta ratio when the LT crystal is pulled (congruent). is known to be different. Specifically, it is known that the polarization inversion voltage is larger in the case of congruent than in the case of stoichiometric. Compared to the stoichiometric case, in the case of congruent, the Li/Ta ratio is smaller and Li is deficient, so there are more defects inside the crystal, which is presumed to make polarization reversal less likely to occur.

ここで、コングルーエント近傍の組成比を備える圧電体において、Li/Ta比が0.05%程度異なるだけでも分極反転が生じる場合と生じない場合とがあった。そこで、発明者は、この極僅かな組成比の違いを検証できるパラメータとしてキュリー温度を採用した。具体的には、Li/Ta比がストイキオメトリックからコングルーエントに向かうにつれ(Li/Ta比が小さくなるにつれ)キュリー温度は低くなる。 Here, in a piezoelectric material having a composition ratio near congruent, polarization reversal may or may not occur even if the Li/Ta ratio differs by only about 0.05%. Therefore, the inventor adopted the Curie temperature as a parameter that can verify this extremely small difference in composition ratio. Specifically, as the Li/Ta ratio goes from stoichiometric to congruent (as the Li/Ta ratio becomes smaller), the Curie temperature becomes lower.

図7にキュリー温度と直流電圧を50V印加したときのΔf変化量との関係を示す。図7からも明らかなように、キュリー温度と分極反転のしやすさには一定の関係性が確認され、例えばキュリー温度が608℃以下、より好ましくは607℃以下の場合に分極反転を抑制できる傾向があることが分かる。その一方で、キュリー温度が低い場合であっても分極反転を抑制できない場合もあることから、Li欠損以外に結晶欠陥の要因になっている要素があると推察した。そこで、不純物としてIr含有量に着目した。 図8に示すように、Ir含有量と分極反転のし易さには相関があり、Ir含有量が多いほど分極反転しやすい傾向があることが分かる。この原因について詳細は明らかではないが、IrがLi欠損でできた格子欠陥を中和してしまうことが考えられる。また、Irは圧電体7の結晶育成時のるつぼから混入してしまう可能性があるため、分極反転しにくい圧電体7を作製するためには、育成時の条件をうまくコントロールしてIrが混入してしないようにする必要がある。 FIG. 7 shows the relationship between the Curie temperature and the amount of change in Δf when a DC voltage of 50 V is applied. As is clear from Figure 7, a certain relationship has been confirmed between the Curie temperature and the ease of polarization reversal; for example, polarization reversal can be suppressed when the Curie temperature is 608°C or lower, more preferably 607°C or lower. It can be seen that there is a tendency. On the other hand, since polarization reversal cannot be suppressed in some cases even when the Curie temperature is low, it was inferred that there is an element other than Li vacancies that causes crystal defects. Therefore, we focused on the Ir content as an impurity. As shown in FIG. 8, there is a correlation between the Ir content and the ease of polarization reversal, and it can be seen that the larger the Ir content, the easier the polarization reversal tends to be. Although the details of the cause of this are not clear, it is thought that Ir neutralizes lattice defects caused by Li vacancies. In addition, Ir may be mixed in from the crucible during crystal growth of the piezoelectric material 7, so in order to produce a piezoelectric material 7 that is difficult to polarize, it is necessary to carefully control the conditions during the growth and mix Ir into the piezoelectric material 7. You need to make sure that you don't do that.

ここで、IrはLi欠損以外の結晶欠陥の要因と推察されるため、Ir含有量の下限値は0ng/gを超えて含有されればよいが、100ng/g以上であってもよい。また、図8(a)より400ng/g以下としてもよい。 Here, since Ir is presumed to be a factor in crystal defects other than Li defects, the lower limit of the Ir content may be greater than 0 ng/g, but may be 100 ng/g or more. Further, from FIG. 8(a), it may be set to 400 ng/g or less.

さらに、図8(b)に示すように、Zr含有量と分極反転のしやすさとも一定の関係性が確認される。ZrとIrとは同じ4価の元素ではあるが、ZrのドープによりIrとは別要因の結晶欠陥を誘発できるものと推察される。このため、式(1)を満たすとともにZrの含有量を2000ng/g以上としてもよい。なお、Zr量の上限値としては、結晶性の確保のために200000ng/g未満としてもよい。ドーパント(不純物)が多すぎると結晶成長が難しくなったり、結晶が脆くなったりするためである。 Furthermore, as shown in FIG. 8(b), a certain relationship is confirmed between the Zr content and the ease of polarization reversal. Although Zr and Ir are the same tetravalent elements, it is presumed that doping with Zr can induce crystal defects caused by a factor different from that of Ir. Therefore, while formula (1) is satisfied, the Zr content may be set to 2000 ng/g or more. Note that the upper limit of the Zr amount may be less than 200000 ng/g to ensure crystallinity. This is because too much dopant (impurity) makes crystal growth difficult or makes the crystal brittle.

また、サンプル4,サンプル10との対比からも明らかなように、Fe含有量と分極反転との間には大きな相関は確認できなかった。同様に、各サンプル間でカット角を変更した場合であっても、カット角と分極反転との間には大きな相関は確認されなかった。 Furthermore, as is clear from the comparison with Samples 4 and 10, no significant correlation was confirmed between Fe content and polarization inversion. Similarly, even when the cut angle was changed between samples, no significant correlation was observed between the cut angle and polarization reversal.

なお、サンプル1~10はウェハ状の圧電体とした。したがって、圧電体の厚みに拘わらず、式(1)を満たすことで分極反転自体を抑制できるので、基板として式(1)を満たす圧電体7を用意した場合には、焦電性を抑制し、安定した圧電特性を実現する圧電基板を提供することができる。 Note that Samples 1 to 10 were wafer-shaped piezoelectric bodies. Therefore, regardless of the thickness of the piezoelectric material, polarization reversal itself can be suppressed by satisfying formula (1). Therefore, if a piezoelectric material 7 satisfying formula (1) is prepared as a substrate, pyroelectricity can be suppressed. , it is possible to provide a piezoelectric substrate that achieves stable piezoelectric characteristics.

一方で、ウェハ状の圧電体の場合には、一旦分極反転が発生した場合であっても、電圧印加を停止した後一定時間経過するとΔfの値が回復することを確認した。これは、IDT電極が形成された表面の結晶が分極反転しても、厚みの中心付近を含む周辺の分極反転していない結晶からの効果により元の分極状態に戻されるものと推察される。そして、圧電体の厚みが薄い場合には分極反転した領域の周辺部に通常の分極方向を有する結晶が位置する割合が少なくなり、元に戻れなくなる。その結果、圧電体の厚みが薄くなったときに、一度分極反転が発生すると回復しなくなるものと推察される。具体的には圧電体の厚みが1λ以下(2p以下)となったときに、本開示の圧電体7を用いることで、分極反転の影響の少ない弾性波素子1を提供できる。サンプル1~10の圧電体を用いて、図1に示す弾性波素子1を作製し図3に示す周波数特性を測定した結果、式(1)を満たす圧電体(サンプル1~4)を用いた場合にはリップルは測定されず、式(1)を満たさない圧電体(サンプル5~10)を用いた場合にはリップルが発生したことを確認した。 On the other hand, in the case of a wafer-shaped piezoelectric material, it has been confirmed that even if polarization reversal occurs once, the value of Δf recovers after a certain period of time has passed after the voltage application is stopped. This is because, even if the polarization of the crystal on the surface where the IDT electrode is formed is reversed, it is assumed that the original polarization state is returned to the original polarization state due to the effects of the surrounding crystals whose polarization is not reversed, including the vicinity of the center of the thickness. When the thickness of the piezoelectric body is thin, the proportion of crystals having a normal polarization direction located around the polarization-inverted region decreases, and the polarization cannot return to its original state. As a result, when the thickness of the piezoelectric material becomes thinner, it is presumed that once polarization reversal occurs, it will not recover. Specifically, when the thickness of the piezoelectric material is 1λ or less (2p or less), by using the piezoelectric material 7 of the present disclosure, it is possible to provide the acoustic wave element 1 with less influence of polarization inversion. Using the piezoelectric bodies of samples 1 to 10, the acoustic wave element 1 shown in FIG. 1 was fabricated, and the frequency characteristics shown in FIG. In these cases, no ripples were measured, and it was confirmed that ripples occurred when piezoelectric bodies (samples 5 to 10) that did not satisfy formula (1) were used.

(他の例)
上述の例では、支持基板3を備える構成としたがその構成に限定されない。例えば、図9(a)に示すように中間部5が厚く、支持基板3を備えない構成や、図9(b)に示ように、中間部5の直下に支持基板3が存在しない構成であってもよい。図9においては、中間部5を備えずに、圧電体7がメンブレン状に支持基板3に支持された構成としてもよい。
(other examples)
In the above-mentioned example, although it was set as the structure provided with the support board 3, it is not limited to this structure. For example, as shown in FIG. 9(a), the intermediate portion 5 is thick and the support substrate 3 is not provided, or as shown in FIG. 9(b), the support substrate 3 is not present directly below the intermediate portion 5. There may be. In FIG. 9, the structure may be such that the piezoelectric body 7 is supported by the support substrate 3 in the form of a membrane without the intermediate portion 5.

図9(a)に示す例としては、例えば中間部5としてサファイア基板を用いた場合を例示できる。 As an example shown in FIG. 9A, for example, a case where a sapphire substrate is used as the intermediate portion 5 can be illustrated.

さらに、図10に示すように、支持基板3と中間部5との間に複数層が介在してもよい。図10において、支持基板3と圧電体7との間に音響多層膜15を含んでいてもよい。圧電体7としては、LT基板でそのオイラー角を(0,25,0)付近とすると発生する弾性波の音速が高くなる。この高音速の弾性波を圧電体7の側に閉じ込めるために音響多層膜15が必要となる。 Furthermore, as shown in FIG. 10, a plurality of layers may be interposed between the support substrate 3 and the intermediate portion 5. In FIG. 10, an acoustic multilayer film 15 may be included between the support substrate 3 and the piezoelectric body 7. If the piezoelectric body 7 is an LT substrate and its Euler angle is around (0, 25, 0), the acoustic velocity of the generated elastic wave will be high. The acoustic multilayer film 15 is required to confine this high-speed acoustic wave to the piezoelectric body 7 side.

音響多層膜15は高音響インピーダンス層15aと低音響インピーダンス層15bとが交互に複数層積層されてなる。高音響インピーダンス層15aとしては酸化タンタルや酸化ハフニウム等を例示できる。低音響インピーダンス層15bとしては酸化ケイ素を例示できる。この低音響インピーダンス層15bが中間部5として機能する。 The acoustic multilayer film 15 is formed by alternately laminating a plurality of high acoustic impedance layers 15a and low acoustic impedance layers 15b. Examples of the high acoustic impedance layer 15a include tantalum oxide and hafnium oxide. An example of the low acoustic impedance layer 15b is silicon oxide. This low acoustic impedance layer 15b functions as the intermediate portion 5.

このような構成の場合には、高音速の弾性波を圧電体7の側に反射させ支持基板3の側に漏洩させることがないため低ロスの弾性波素子とすることができることに加え、分極反転を抑制することができるので、高い電気特性を実現することができる。 In the case of such a configuration, a high-speed acoustic wave is reflected toward the piezoelectric body 7 and is not leaked to the supporting substrate 3, so that an acoustic wave element with low loss can be obtained. Since reversal can be suppressed, high electrical characteristics can be achieved.

なお、上述の例では、圧電体7と中間部5とが直接接合されている場合を例に説明したが、両者の間に、電気特性に影響しない範囲の厚みおよび導電率の導電層を備えていてもよい。例えば5nm以下の厚みの導電層としてもよい。この場合には、電位を安定させ、焦電性の影響を低減することができる。同様に、圧電体7と中間部5と間に、Fe,Ni,Cu等の金属元素を分散させてもよい。導電性を有する元素が点在することにより、圧電体7の第2面7bにおいて電位を安定させることができる。分散濃度としては、接合界面に露出する圧電体7の原子数よりも少なく、例えば1/10以下、より好ましくは1/1000以下としてもよい。具体的な濃度としては、例えば1014atoms/cm以下としてもよい。 In the above example, the piezoelectric body 7 and the intermediate part 5 are directly joined to each other. You can leave it there. For example, the conductive layer may have a thickness of 5 nm or less. In this case, the potential can be stabilized and the influence of pyroelectricity can be reduced. Similarly, a metal element such as Fe, Ni, or Cu may be dispersed between the piezoelectric body 7 and the intermediate portion 5. By scattering conductive elements, the potential on the second surface 7b of the piezoelectric body 7 can be stabilized. The dispersion concentration may be less than the number of atoms of the piezoelectric body 7 exposed at the bonding interface, for example, 1/10 or less, more preferably 1/1000 or less. A specific concentration may be, for example, 10 14 atoms/cm 2 or less.

さらに、上述の例では、弾性波素子としてIDT電極を形成した弾性波共振子を例に説明したが、この限りではない。弾性波素子(圧電素子)は、厚み方向もしくは平面方向に対向配置された一対の電極を設けた共振子であってもよい。 Further, in the above example, an elastic wave resonator having an IDT electrode formed thereon is used as an acoustic wave element, but the present invention is not limited to this. The acoustic wave element (piezoelectric element) may be a resonator provided with a pair of electrodes facing each other in the thickness direction or in the plane direction.

1:圧電素子(弾性波素子)
3:支持基板
5:中間部
7:圧電体
9:一対の電極(IDT電極)
1: Piezoelectric element (acoustic wave element)
3: Support substrate 5: Intermediate section 7: Piezoelectric body 9: Pair of electrodes (IDT electrodes)

Claims (11)

LiTaOLiTaO 3 単結晶からなる圧電体と、A piezoelectric material made of single crystal,
前記圧電体上に、IDT電極と、を有し、an IDT electrode on the piezoelectric body,
前記圧電体は、The piezoelectric body is
キュリー温度をXとし、Ir含有量をYng/gとしたときに、 When the Curie temperature is X and the Ir content is Yng/g,
0<Y<10^(-0.10034×X+63.67)及びY≦400ng/gを満たし、 0<Y<10^(-0.10034×X+63.67) and Y≦400ng/g,
厚みが、前記IDT電極のピッチの2倍以下である The thickness is less than twice the pitch of the IDT electrodes.
圧電素子。Piezoelectric element.
前記圧電体はY≧220ng/gを満たす、The piezoelectric substance satisfies Y≧220ng/g,
請求項1に記載の圧電素子。The piezoelectric element according to claim 1.
前記圧電体はキュリー温度が607℃以下である、The piezoelectric body has a Curie temperature of 607° C. or less.
請求項1または2に記載の圧電素子。A piezoelectric element according to claim 1 or 2.
室温で前記IDT電極に印加する直流電圧の値を変化させながら、共振周波数と反共振周波数との差であるΔfを測定したときに、直流電圧の値が40Vまでは、Δfの変化が1MHz以下である、When Δf, which is the difference between the resonant frequency and the anti-resonant frequency, is measured while changing the value of the DC voltage applied to the IDT electrode at room temperature, the change in Δf is 1 MHz or less until the DC voltage value is 40V. is,
請求項1乃至3のいずれかに記載の圧電素子。A piezoelectric element according to any one of claims 1 to 3.
前記IDT電極は、複数の電極指を有し、The IDT electrode has a plurality of electrode fingers,
前記電極指の延在方向に位置するギャップを有し、having a gap located in the extending direction of the electrode finger,
上方からの平面透視において、In planar perspective from above,
前記ギャップと重なる前記圧電体は、前記圧電体の下面に到達した分極反転部を有しない、The piezoelectric body that overlaps the gap does not have a polarization inversion part that reaches the lower surface of the piezoelectric body.
請求項1乃至4のいずれかに記載の圧電素子。A piezoelectric element according to any one of claims 1 to 4.
前記IDT電極は一対の櫛歯電極を有し、The IDT electrode has a pair of comb-teeth electrodes,
上方からの平面透視において、In planar perspective from above,
前記圧電体は、The piezoelectric body is
前記一対の櫛歯電極が対向する領域と重なる部分に、前記圧電体の下面に到達した分極反転部を有しないThere is no polarization inversion part that reaches the lower surface of the piezoelectric body in the area where the pair of comb-teeth electrodes overlap with the opposing areas.
請求項5に記載の圧電素子。The piezoelectric element according to claim 5.
上方からの平面透視において、In planar perspective from above,
前記圧電体は、The piezoelectric body is
前記一対の櫛歯電極が対向する領域と重なる部分に、分極反転部を有しないThere is no polarization inversion part in the area where the pair of comb-teeth electrodes overlap with the opposing areas.
請求項6に記載の圧電素子。The piezoelectric element according to claim 6.
前記圧電体の下面側に中間部を有し、having an intermediate portion on the lower surface side of the piezoelectric body;
前記中間部は絶縁性を有する材料を含む、The intermediate portion includes a material having insulating properties.
請求項1乃至7のいずれかに記載の圧電素子。A piezoelectric element according to any one of claims 1 to 7.
前記中間部の下面側に支持基板を有し、a support substrate is provided on the lower surface side of the intermediate portion;
前記中間部は前記支持基板と比較し、低い熱伝導率を有する材料を含む、The intermediate portion includes a material having a low thermal conductivity compared to the support substrate.
請求項8に記載の圧電素子。The piezoelectric element according to claim 8.
上方からの平面透視において、In planar perspective from above,
前記IDT電極と重なる前記圧電体と、前記圧電体の下方に存在する支持基板との間に中空部を有する、having a hollow portion between the piezoelectric body overlapping with the IDT electrode and a support substrate existing below the piezoelectric body;
請求項9に記載の圧電素子。The piezoelectric element according to claim 9.
前記圧電体と前記支持基板との間に、between the piezoelectric body and the support substrate,
高音響インピーダンス層と低音響インピーダンス層を有する、having a high acoustic impedance layer and a low acoustic impedance layer,
請求項9に記載の圧電素子。The piezoelectric element according to claim 9.
JP2020022791A 2020-02-13 2020-02-13 Piezoelectric bodies and piezoelectric elements Active JP7345411B2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2020022791A JP7345411B2 (en) 2020-02-13 2020-02-13 Piezoelectric bodies and piezoelectric elements

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2020022791A JP7345411B2 (en) 2020-02-13 2020-02-13 Piezoelectric bodies and piezoelectric elements

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JP2021127270A JP2021127270A (en) 2021-09-02
JP7345411B2 true JP7345411B2 (en) 2023-09-15

Family

ID=77487894

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2020022791A Active JP7345411B2 (en) 2020-02-13 2020-02-13 Piezoelectric bodies and piezoelectric elements

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP7345411B2 (en)

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2024075690A1 (en) * 2022-10-05 2024-04-11 株式会社シンクロン Homoepitaxial thin film, and manufacturing method and manufacturing apparatus thereof

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2007112700A (en) 2005-09-22 2007-05-10 Nec Tokin Corp Crucible for growing crystal, single crystal, and method for growing the same
WO2019022236A1 (en) 2017-07-27 2019-01-31 京セラ株式会社 Elastic wave device, duplexer, and communication device

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2007112700A (en) 2005-09-22 2007-05-10 Nec Tokin Corp Crucible for growing crystal, single crystal, and method for growing the same
WO2019022236A1 (en) 2017-07-27 2019-01-31 京セラ株式会社 Elastic wave device, duplexer, and communication device

Also Published As

Publication number Publication date
JP2021127270A (en) 2021-09-02

Similar Documents

Publication Publication Date Title
USRE47989E1 (en) Acoustic wave device
CN113708739B (en) Acoustic wave filter
US9368712B2 (en) Surface acoustic wave device
WO2021246447A1 (en) Elastic wave device
JP2000151351A (en) Surface acoustic wave element
WO2007125733A1 (en) Elastic surface wave device
JP7345411B2 (en) Piezoelectric bodies and piezoelectric elements
JP2001211052A (en) Piezoelectric resonator
US20240056050A1 (en) Acoustic wave device
JP2020145530A (en) Elastic wave device
US20060138907A1 (en) Production methods of dielectric layer and dielectric element, dielectric element, and piezoelectric transformer
JP4434206B2 (en) Thickness longitudinal piezoelectric resonator
CN117498826A (en) An acoustic resonator, filter and communication device
KR100446845B1 (en) Thin-film piezoelectric device
WO2023229049A1 (en) Elastic wave device and filter device
WO2022131076A1 (en) Elastic wave device
WO2023190654A1 (en) Elastic wave device
WO2023190370A1 (en) Elastic wave device
CN116584040A (en) Elastic wave device
WO2022124391A1 (en) Elastic wave device
CN116584041A (en) Elastic wave device
JPH10209801A (en) Surface wave device
JPH1051262A (en) Piezoelectric vibrator and manufacturing method thereof
WO2010125940A1 (en) Elastic wave device
WO2024143006A1 (en) Elastic wave device

Legal Events

Date Code Title Description
RD02 Notification of acceptance of power of attorney

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A7422

Effective date: 20210817

A621 Written request for application examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621

Effective date: 20220614

A977 Report on retrieval

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007

Effective date: 20230323

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20230404

A521 Request for written amendment filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20230602

TRDD Decision of grant or rejection written
A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

Effective date: 20230829

A61 First payment of annual fees (during grant procedure)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61

Effective date: 20230905

R150 Certificate of patent or registration of utility model

Ref document number: 7345411

Country of ref document: JP

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150