CN101421922B - 弹性表面波装置 - Google Patents
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Abstract
提供一种利用瑞利波、难以生成基于SH波的乱真、电极电阻小、容易对应于高频化的弹性表面波装置。弹性表面波装置利用瑞利波，具备欧拉角为(0°±5°，θ±5°，0°±10°)的LiNbO3基板；电极，形成于所述LiNbO3基板(2)上，包括Au为主体的IDT电极(3)；第1氧化硅膜(6)，形成为在除了形成所述电极的区域以外的剩余区域中，厚度与所述电极相等；和第2氧化硅膜(7)，形成为覆盖所述电极(3)和第1氧化硅膜(6)，其中，当表面波的波长为λ时，所述电极(3)的膜厚为0.062λ～0.14λ的范围，所述欧拉角(0°±5°，θ±5°，0°±10°)的θ为满足下式(1)的范围，[式1]θ＝31.72—206.92×exp(—1×TAU/0.0138)…式(1)其中，TAU：以波长λ对Au电极膜厚归一化后的值。
Description
技术领域
本发明涉及一种例如用作谐振子或频带滤波器的弹性表面波装置，具体而言，涉及一种具有在LiNbO3基板上形成IDT电极和氧化硅膜的构造、且利用瑞利波的弹性表面波装置。
背景技术
在便携电话机的RF段等中使用的频带滤波器中，要求宽频带且具有良好的温度特性。因此，以前使用如下弹性表面波装置，在由旋转Y板X传播的LiTaO3基板或旋转Y板X传播的LiNbO3基板构成的压电性基板上，形成IDT电极，且覆盖IDT电极地形成氧化硅膜。这种压电性基板的频率温度系数具有负值，为了改善温度特性，形成为具有正的频率温度特性的氧化硅膜覆盖IDT电极。
但是，在这种构造中，在由正在通用的Al或以Al为主要成分的合金等形成IDT电极的情况下，IDT电极无法得到足够的反射系数。因此，存在谐振特性产生波纹等问题。
作为解决这种问题的方案，在下述专利文献1中公开了一种弹性表面波装置，在由机电耦合系数K2为0.025以上的LiNbO3构成的压电性基板上，形成以密度比Al大的金属为主体的IDT电极，在形成该IDT电极的剩余区域中，将第1氧化硅膜形成为与电极相等的膜厚，层叠第2氧化硅膜，以覆盖该电极和第1氧化硅膜。
在专利文献1中记载的弹性表面波装置中，上述IDT电极的密度为第1氧化硅膜密度的1.5倍以上，由此，充分提高IDT电极的反射系数，可抑制谐振特性中呈现的波纹。
在专利文献1中，公开如下构成，利用瑞利波，作为上述电极材料，示例Au或Cu等，在由Au构成的电极的情况下，其膜厚为0.0017λ～0.06λ，尤其示出通过设为0.0017λ～0.03λ，可增大瑞利波的机电耦合系数K2。另外，示出如下构成，作为上述LiNbO3基板，示出欧拉角为(0°±5°，38°±10°，0°)的LiNbO3基板，作为上述第2氧化硅膜的膜厚，当设为表面波波长λ时，为0.15λ～0.4λ的范围。
专利文献1：WO2005-034347
近年来，即便弹性表面波装置也进一步高频化。因此，IDT电极中的电极指间距变小，电极指自身的幅度尺寸也变小。结果，布线电阻变大，弹性表面波装置中的损耗容易变大。
为了降低弹性表面波装置中的损耗，只要增厚电极的膜厚即可。但是，在利用瑞利波的现有弹性表面波装置中，例如专利文献1记载的那样，由Au构成的IDT电极的膜厚最厚也就是0.06λ。这是因为若由Au构成的IDT电极的膜厚厚至0.06λ，则SH波的响应急剧变大，在谐振频率与反谐振频率之间出现大的乱真(spurious)。因此，在专利文献1中，在IDT电极由Au构成的情况下，其厚度为0.0017λ～0.06λ的范围，最好为0.0017λ～0.03λ。
因此，在推进高频化，减小电极指间距或减小电极指幅度尺寸的情况下，由于不能再增厚电极膜厚，所以布线电阻变大，损耗容易变大。
另外，如上所述，在具有第1、第2氧化硅膜的弹性表面波装置中，尽管通过形成氧化硅膜来改善频率温度特性，但仍存在特性因氧化硅膜的膜厚偏差而偏差的问题。
发明内容
本发明的目的在于消除上述现有技术的缺点，提供一种利用瑞利波的弹性表面波装置，为了实现高频化，即便在减小电极指间距或减小电极指幅度尺寸的情况下，也难以产生损耗增大。
根据本发明，提供一种利用瑞利波弹性表面波装置，具备：欧拉角为(0°±5°，θ±5°，0°±10°)的LiNbO3基板；电极，形成于所述LiNbO3基板上，包括以Au为主体的IDT电极；第1氧化硅膜，在除了形成所述电极的区域以外的剩余区域中，厚度与所述电极相等地形成；和第2氧化硅膜，覆盖所述电极和第1氧化硅膜地形成，当表面波的波长为λ时，所述电极的膜厚为0.062λ～0.14λ的范围，所述欧拉角(0°±5°，θ±5°0°±10°)的θ为满足下式(1)的范围，
[式1]
θ＝31.72-206.92×exp(-1×TAU/0.0138)…式(1)
其中，TAU：以波长λ对Au电极膜厚归一化后的值。
在本发明的弹性表面波装置中，最好第2氧化硅膜的膜厚H为0.15λ～0.50λ的范围，此时，可将瑞利波的机电耦合系数K2设为6％以上，可容易地实现宽频带化。
发明效果
在本发明的弹性表面波装置中，就在LiNbO3基板上形成包含IDT电极的以Au为主体的电极，形成上述第1、第2氧化硅膜，利用瑞利波的弹性表面波装置而言，电极膜厚为上述特定的范围内，即厚至0.062λ以上，所以可降低电极电阻，由此，即便在推进高频化的情况下，也可实现损耗的降低。另外，由于LiNbO3基板的欧拉角θ为上述特定的范围内，所以难以产生瑞利波的机电耦合系数的下降。
由此，根据本发明，可提供一种可容易地对应于高频化、低损耗、宽频带的弹性表面波装置。
附图说明
图1(a)、(b)是本发明一实施方式的弹性表面波装置的示意平面图及扩大表示其主要部分的局部切面扩大正面截面图。
图2是表示由Au构成的IDT电极的厚度及欧拉角θ变化时的瑞利波的机电耦合系数K2的变化的图。
图3是表示由Au构成的IDT电极的厚度及欧拉角θ变化时的SH波的机电耦合系数K2的变化的图。
图4是表示由Au构成的IDT电极的膜厚变化时的瑞利波及SH波的声速变化的图。
图5是表示IDT电极的膜厚变化时的瑞利波的机电耦合系数的变化的图。
图6是表示将第2氧化硅膜的膜厚设为0.2λ、0.3λ、或0.4λ时的欧拉角θ变化引起的瑞利波的机电耦合系数K2的变化的图。
图7是表示将第2氧化硅膜的膜厚设为0.2λ、0.3λ、或0.4λ时的欧拉角θ变化引起的SH波的机电耦合系数K2的变化的图。
图8是表示由Au构成的IDT电极的膜厚为0.02λ时的、第2氧化硅膜的膜厚为0.2λ、0.3λ、或0.4λ时的、欧拉角θ变化引起的SH波的机电耦合系数K2的变化的图。
图9是表示实施方式及第1、第2比较例的弹性表面波装置的阻抗特性及相位特性的图。
图10是表示在实施方式的弹性表面波装置中、将第2氧化硅膜的膜厚设为0.34λ、0.29λ、或0.24λ时的阻抗特性及相位特性的图。
符号说明
1弹性表面波装置
2LiNbO3基板
3IDT电极
4、5反射器
6第1氧化硅膜
7第2氧化硅膜
具体实施方式
下面，通过参照附图，同时说明本发明的具体实施方式，使本发明变得清楚。
图1(a)是本发明一实施方式的弹性表面波装置的示意平面图，(b)是表示其主要部分的局部切面扩大正面截面图。
弹性表面波装置1使用旋转Y板X传播LiNbO3基板2来构成。LiNbO3基板2的结晶方位在欧拉角下为(0°±5°，θ，0°±10°)。
另外，在LiNbO3基板2上，如图1(b)所示，形成IDT电极3。如图1(a)所示，在IDT电极3的表面波传播方向两侧，形成反射器4、5。
在形成这些电极的区域的剩余区域中，形成第1氧化硅膜6。第1氧化硅膜6的膜厚与IDT电极3和反射器4、5的膜厚相等。另外，覆盖这些电极3、4和第1氧化硅膜6地形成第2氧化硅膜7。
在弹性表面波装置1中，LiNbO3基板具有负的频率温度系数。相反，氧化硅膜6、7具有正的频率温度系数。因此，可改善频率特性。
另外，包含IDT电极3的电极的密度为第1氧化硅膜6的密度的1.5倍以上。即，在本实施方式中，IDT电极3由Au形成。因此，IDT电极3的密度为19.3g/cm3，另外，第1氧化硅膜的密度为2.21g/cm3。
因此，如上述专利文献1中公开的那样，可提高IDT电极3的反射系数。由此，可抑制谐振特性上呈现的波纹。
本实施方式的弹性表面波装置1的特征还在于当表面波的波长为λ时，上述IDT电极3的膜厚为0.062λ～0.14λ的范围，并且，LiNbO3基板2的欧拉角(0°±5°，θ±5°，0°±10°)的θ为满足下式(1)的范围。即，由于IDT电极3的膜厚厚至0.062λ以上，所以可降低电极电阻。由此，即便在推进高频化的情况下，也可实现损耗的降低。另外，由于欧拉角θ为特定的范围内，所以难以产生瑞利波的机电耦合系数的下降。
[式2]
θ＝31.72-206.92×exp(-1×TAU/0.0138)…式(1)
其中，TAU：以波长λ对Au电极膜厚归一化后的值。
根据具体的实验例来对此进行说明。
(第1实验例)
就在欧拉角(0°，20°～50°，0°)的LiNbO3基板2中，激励的瑞利波及构成乱真的SH波而言，利用有限要素法进行计算。另外，计算模型如图1(b)所示，设第2氧化硅膜的上表面为平坦构造，由Au构成IDT电极，第1、第2氧化硅膜6、7由SiO2膜构成。设IDT电极的占空比为0.50，构成第2氧化硅膜7的SiO2膜的膜厚为0.3λ的厚度。
图2示出将IDT电极3的膜厚设为0.020λ、0.040λ、0.062λ或0.080λ、使欧拉角θ变化时的瑞利波的机电耦合系数K2的变化。另外，图3示出将IDT电极的膜厚设为0.020λ、0.040λ、0.062λ或0.080λ、使欧拉角θ变化时的构成乱真的SH波的机电耦合系数K2的变化。
从图2和图3可知，若由Au构成的IDT电极3的膜厚为0.062λ以上，则瑞利波的机电耦合系数K2和SH波的机电耦合系数K2任一个相对欧拉角θ的依赖性均发生变化。即，在瑞利波的情况下，从图2可知，在IDT电极的膜厚为0.04λ以下的情况下，若瑞利波的机电耦合系数K2小且膜厚薄至0.02λ，则机电耦合系数K2因欧拉角θ不同而变化大。相反，在IDT电极的膜厚为0.062λ以上的情况下，若瑞利波的机电耦合系数K2高至6％以上，则欧拉角θ的变化而引起的变化较少。
另一方面，从图3可知，若欧拉角θ变化，则SH波的机电耦合系数K2变化较大。不过，在IDT电极3的膜厚为0.02λ的情况下，在θ＝36°附近，构成乱真的SH波的机电耦合系数K2成为极小，相反，电极膜厚为0.062λ和0.08λ，在θ＝30°附近，SH波的机电耦合系数成为极小。在IDT电极的膜厚为0.04λ的情况下，在欧拉角θ＝36°的情况下，SH波的机电耦合系数为5％，非常高，所以图3中未能图示。
因此，从图3可知，若由Au构成的IDT电极的膜厚为0.062λ以上，则构成乱真的SH波的机电耦合系数K2成为最小的θ从θ＝36°附近移位到30°附近。
以前，在利用瑞利波的情况下，若IDT电极3的膜厚增厚，则认为SH波乱真变大。即，如上所述，例如在电极膜厚为0.04λ、且欧拉角θ为36°的情况下，SH波的机电耦合系数为5％，非常高。
相反，在为0.062λ以上的膜厚的情况下，θ为36°附近，从图3可知，尽管SH波的机电耦合系数K2为0.2～0.4％左右，但在θ＝30°附近，非常小，为0.05％以下。
这样，由Au构成的IDT电极的膜厚以0.06λ附近为界，SH波的机电耦合系数K2和瑞利波的机电耦合系数K2的θ依赖性变化，认为这是由于如图4所示，瑞利波的声速与SH波的声速在IDT电极3的膜厚为0.062λ处交叉。即，如图4所示，随着IDT电极的膜厚增加，SH波及瑞利波的声速下降，但若为0.062λ以上，则瑞利波的声速超过SH波的声速。
因此，如图2和图3所示，若IDT电极的膜厚为0.062λ以上，则认为通过上述瑞利波与SH波的声速逆转，瑞利波和SH波的机电耦合系数K2相对θ的依赖性发生变化。
图5是表示瑞利波的机电耦合系数K2因由Au构成的IDT电极的膜厚而引起的变化的图。这里，IDT电极3的占空比为0.50，作为第2氧化硅膜7的SiO2膜的膜厚为0.3λ。
从图5可知，随着由Au构成的IDT电极3的膜厚增加，瑞利波的机电耦合系数K2有下降的倾向。但是，若IDT电极3的膜厚为0.14λ以下，则瑞利波的机电耦合系数K2示出6％以上，足够高的值。因此，为了使机电耦合系数K2为6％以上、足够大的值，必需设IDT电极3的膜厚为0.14λ以下。
在本发明中，由Au构成的IDT电极3的膜厚为0.062λ以上，由此，IDT电极的膜厚足够厚，电极电阻下降。此时，根据图2和图3的结果，通过如后所述选择欧拉角θ，可充分减小SH波造成的乱真，并且，可使基于瑞利波的机电耦合系数K2为6％以上的足够大的值。尤其是通过如上所述设IDT电极的膜厚为0.14λ以下，可使瑞利波的机电耦合系数K2确实地大至6％以上。
图6是表示设IDT电极的占空比为0.50、由Au构成的IDT电极3的膜厚为0.062λ、将作为第2氧化硅膜7的SiO2膜的膜厚设为0.2λ、0.3λ、或0.4λ时的欧拉角θ所引起的瑞利波的机电耦合系数K2的变化的图。
图7与图6一样，是表示设由Au构成的IDT电极的膜厚为0.062λ、设占空比为0.50、将第2氧化硅膜的膜厚设为0.2λ、0.3λ、或0.4λ时的欧拉角θ所引起的SH波的机电耦合系数K2的变化的图。
从图6可知，即便在使第2氧化硅膜的膜厚为0.2λ、0.3λ、或0.4λ之一的情况下，即便欧拉角θ变化，瑞利波的机电耦合系数K2也不太变化，示出6％以上的高值。另一方面，就SH波的机电耦合系数K2而言，从图7可知，虽然若欧拉角θ变化，则机电耦合系数K2变化较大，但即便在第2氧化硅膜的膜厚为0.2λ、0.3λ、或0.4λ的之一的情况下，也为大致一样的结果。
因此，从图6和图7可知，即便第2氧化硅膜7的膜厚因制造偏差而偏差，瑞利波和SH波的欧拉角θ依赖性也基本上不变化。由此，根据上述实施方式，即便产生由SiO2膜构成的第2氧化硅膜7的厚度偏差，也难以产生基于SH波乱真的特性影响的偏差，可提供特性稳定的弹性表面波装置1。
另外，图8是表示设IDT电极3的膜厚为0.02λ时的、机电耦合系数K2基于欧拉角θ及第2氧化硅膜7的膜厚的变化的图。从图8可知，在由Au构成的IDT电极3的膜厚薄至0.02λ时，在第2氧化硅膜7的膜厚为0.2λ时、0.3λ时、或0.4λ时，基于欧拉角θ的SH波的机电耦合系数K2的变化差别非常大。因此，可知在IDT电极3的膜厚薄至0.02λ时，若第2氧化硅膜7的膜厚偏差，则特性相差大。
由于SH波构成乱真，所以其机电耦合系数K2优选较小。当设由Au构成的IDT电极3的膜厚为TAU时，SH波的机电耦合系数K2最小的θ值由下式(1)表示。该式(1)从上述图3的结果导出。
[式3]
θ＝31.72-206.92×exp(-1×TAU/0.0138)…式(1)
其中，TAU：以波长λ对Au电极膜厚归一化后的值。
另外，若SH波的机电耦合系数K2为0.1％以下，则乱真造成的影响非常小。因此，上述式(1)所示的θ期望为θ±5°的范围，此时，可将SH波的机电耦合系数K2设为0.1％以下。
从图6可知，若由SiO2构成的第2氧化硅膜的膜厚设为0.2λ～0.4λ的范围，则欧拉角θ在20°～50°的宽范围内，瑞利波的机电耦合系数K2比6％还高。根据本申请发明者的实验，若该第2氧化硅膜的膜厚在0.15λ～0.5λ的范围，则确认瑞利波的机电耦合系数K2高至6％以上。因此，优选第2氧化硅膜的膜厚为0.15λ～0.5λ，更优选如图6所示，为0.2λ～0.4λ的范围。
图9表示为了与上述实施方式的弹性表面波装置1比较而准备的第1、第2比较例的弹性表面波装置的阻抗特性及相位特性。在实施方式的弹性表面波装置中，IDT电极3为膜厚为0.062λ的Au膜。在第1比较例中，设Au膜的膜厚为0.05λ，在第2比较例中，设Au膜的膜厚为0.04λ。
另外，IDT电极3的膜厚以外的规格如下所示。
在欧拉角(0°，30°，0°)的LiNbO3基板2上，在上述实施方式的弹性表面波装置中，形成0.062λ＝126nm厚度的IDT电极3，并制作600nm＝0.29λ的SiO2膜，作为第2氧化硅膜7，制作1.9GHz频带的1端口型弹性表面波谐振子。设λ＝2.07μm。
在第1比较例中，IDT电极由104nm＝0.05λ的Au膜形成，设第2氧化硅膜7的膜厚为600nm＝0.29λ。在第2比较例中，设由Au构成的IDT电极的厚度为83nm＝0.04λ，作为第2氧化硅膜的SiO2膜的膜厚为600nm＝0.29λ。IDT电极的占空比均为0.5。
实线表示上述实施方式的结果，虚线表示第1比较例的结果，一点划线表示第2比较例的结果。
从图9可知，在第2比较例中，在谐振频率与反谐振频率之间出现由箭头A所示的较大的乱真，即便在第1比较例中，在谐振频率的低频侧也会出现箭头B所示的乱真。这些乱真被认为是基于SH波的乱真。与此相对，在上述实施方式的弹性表面波装置1中，不能容忍这种乱真。
另外，图10表示准备上述实施方式的弹性表面波装置1中，除了使第2氧化硅膜7的膜厚从0.34λ时变化到0.29λ及0.24λ外，其他同样构成的弹性表面波装置，测定这些弹性表面波装置的滤波特性的结果。实线与上述实施方式一样，表示第2氧化硅膜的厚度为0.34λ时的结果，虚线表示0.29λ时的结果，一点划线表示0.24λ时的结果。
从图10可知，任一情况下都看不到乱真，得到良好的谐振特性。因此，即便由SiO2构成的第2氧化硅膜的膜厚偏差，也难以出现乱真，因此，可稳定地得到良好的谐振特性。
LiNbO3基板的欧拉角在上述实施方式中设为(0°，θ±5°0°)，但根据本申请发明者的实验，欧拉角(Φ，θ，Ψ)中的Φ只要是0°±5°的范围即可，Ψ只要是0°±10°的范围即可，即便在任一情况下，均可确认与上述实施方式一样的效果。
在上述实施方式中，IDT电极由Au构成，但在本发明中，只要使用以Au为主体的电极即可，也可在由Au构成的主要电极层的下方，形成厚度相对薄的紧贴层，或在以Au为主的电极层上，层叠较薄的保护电极层。这些情况下，只要将由Au构成的主要电极层的厚度设为本发明的电极厚度即可。
并且，不限于所述1端口型弹性表面波谐振子或双工频带滤波器部，本发明可适用于各种谐振子或各种电路构成的表面波滤波器。
Claims (2)
1.一种弹性表面波装置，利用瑞利波，具备：
欧拉角为(0°±5°，θ±5°，0°±10°)的LiNbO3基板；
电极，形成于所述LiNbO3基板上，包括以Au为主体的IDT电极；
第1氧化硅膜，在除了形成所述电极的区域以外的剩余区域中，形成为厚度与所述电极相等；和
第2氧化硅膜，形成为覆盖所述电极和第1氧化硅膜，
当表面波的波长为λ时，所述电极的膜厚为0.062λ～0.14λ的范围，所述欧拉角(0°±5°，θ±5°，0°±10°)的θ为满足下式1的范围，
θ＝31.72-206.92×exp(-1×TAU/0.0138)式1
其中，TAU：以波长λ对Au电极膜厚归一化后的值。
2.根据权利要求1所述的弹性表面波装置，其特征在于：
所述第2氧化硅膜的膜厚H为0.15λ～0.50λ的范围。
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