JP2005086233A - 弾性表面波装置の周波数温度特性調整方法および弾性表面波装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 水晶基板上に薄膜を形成した弾性表面波装置の周波数温度特性調整方法を提供する。
【解決手段】 弾性表面波装置の温度調整方法は、水晶基板１２と、前記水晶基板上１２に形成した薄膜２０と、前記水晶基板１２と前記薄膜２０との間に形成したすだれ状電極１４とを備えた弾性表面波装置１０の周波数温度特性調整方法であって、前記水晶基板１２のカット角、前記すだれ状電極１４の膜厚、すだれ状電極１４の電極幅Ｌと電極ピッチＰとの比のいずれかまたは任意の組み合わせた値を変化させて周波数温度特性を調整する構成とした。
【選択図】 図２

Description

本発明は、水晶基板上に圧電薄膜を形成した弾性表面波装置の周波数温度特性調整方法および弾性表面波装置に関するものである。

弾性表面波（Ｓｕｒｆａｃｅ Ａｃｏｕｓｔｉｃ Ｗａｖｅ：以下、ＳＡＷという）を利用したＳＡＷデバイスとして、例えばＳＡＷ共振子、ＳＡＷ発振器およびＳＡＷフィルタ等が挙げられる。これらのＳＡＷデバイスは電子機器の基準周波数源や、伝送回路における周波数選択機等として応用されている。このＳＡＷデバイスを構成するＳＡＷ装置は、圧電効果を生じる材料からなる圧電基板の表面上にすだれ状電極（Ｉｎｔｅｒｄｉｇｉｔａｌ Ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ：以下、ＩＤＴという）を形成するとともに、このＩＤＴの両端に反射器を設けたものが主な構成である。そしてＳＡＷ装置には、ＩＤＴおよび反射器上に保護膜を形成したもの、または圧電基板の温度補償を目的として薄膜を形成したものがある。

前記保護膜について記載された発明として特許文献１が挙げられる。この特許文献１の発明は、タンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ₃）基板上にＩＤＴおよび反射器が形成されたＳＡＷ装置であって、保護膜となる酸化シリコン（ＳｉＯ₂）膜を、ＩＤＴと反射器の上面および側面に形成するとともに、ＩＤＴと反射器が形成されていないＬｉＴａＯ₃基板上に形成した構成である。この構成により、ＩＤＴ上に落下した導電材によりＩＤＴが短絡するのを防止し、汚染物からＩＤＴや反射器を保護することが記載されている。

また圧電基板の温度補償を目的として薄膜を形成した発明として特許文献２の発明が挙げられる。この特許文献２の発明は、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ₃）基板やＬｉＴａＯ₃基板上に、これらの圧電基板と逆の周波数温度特性をもつＳｉＯ₂膜を形成し、圧電基板とＳｉＯ₂膜の間にＩＤＴや反射器等を形成した構成である。この構成により、広帯域、低挿入損失、かつ温度安定性に優れたＳＡＷデバイスが得られると記載されている。

特開平９−１８６５４２号公報 特開平７−１５２７４号公報

ところで、ＬｉＮｂＯ₃やＬｉＴａＯ₃は一次温度係数にマイナスの値を持つので周波数温度特性が悪い。このため、これらの圧電基板上に一次温度係数がプラスの値を持つ薄膜を形成して、圧電基板の温度補償を行っているのである。これに対して、水晶が持つ元々の一次温度係数の値は零なので周波数温度特性が良い。

図７に周波数偏差と温度の関係を示す。同図（ａ）は水晶基板上にＩＤＴと反射器をアルミニウム（Ａｌ）で形成したＳＡＷ装置の周波数温度特性であり、同図（ｂ）は圧電薄膜となるＳｉＯ₂膜の周波数温度特性であり、同図（ｃ）はＡｌによりＩＤＴと反射器を形成した水晶基板の上に、ＳｉＯ₂膜を形成したときの周波数温度特性である。ここで、水晶基板はオイラー角表示で（０°、１２３°、４３．１°）であり、Ａｌの膜厚と波長の比は０．０３６８であり、ＳｉＯ₂の膜厚と波長の比は０．００１６である。またＳｉＯ₂膜の周波数温度特性は一次関数で表され、ＳｉＯ₂の膜厚によって周波数温度特性の傾きが変化する。図７（ａ）では、温度が−４０℃から＋８５℃の範囲において周波数偏差が０ｐｐｍから−５５ｐｐｍの範囲であるのに対して、同図（ｃ）では、周波数偏差が０ｐｐｍから−８０ｐｐｍの範囲となっている。この結果より、水晶基板上に圧電薄膜であるＳｉＯ₂膜を形成すると、前記ＳｉＯ₂の一次温度係数によって水晶基板の周波数温度特性がずれてしまう問題点がある。すなわち、周波数温度特性の良い水晶基板上にＳｉＯ₂膜を形成すると周波数温度特性が悪くなる。なお水晶基板上に圧電薄膜（ＳｉＯ₂膜）を形成した際の温度特性の補正に関する報告はない。

またＳＡＷ共振子やＳＡＷ発振器には様々な要因を合わせて±数１０ｐｐｍ以下の精度が要求されるため、これらのＳＡＷデバイスに用いられるＳＡＷ装置には極めて一定の周波数で共振することが要求される。このため、圧電基板上にＳｉＯ₂膜を形成すると、このＳｉＯ₂膜の周波数温度特性よって所望の共振周波数を得ることができず、前記精度を達成できない問題点が生じる。

本発明は上記問題点を解決するためになされたもので、すだれ状電極を設けた水晶基板上に圧電薄膜を形成しても、所望の周波数温度特性が得られる弾性表面波装置の周波数温度特性調整方法および弾性表面波装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明に係る弾性表面波装置の周波数温度特性調整方法は、水晶基板と、前記水晶基板上に形成した圧電薄膜と、前記水晶基板と前記圧電薄膜との間に形成したすだれ状電極とを備えた弾性表面波装置の温度特性調整方法であって、前記水晶基板のカット角、前記すだれ状電極の膜厚、すだれ状電極の電極幅と電極ピッチとの比のいずれかまたは任意の組み合わせの値を変化させて温度特性を調整することを特徴としている。この場合、前記水晶基板は、オイラー角が（０°、１１３°〜１３５°、±（４０°〜４９°））または（０°、１１３°〜１３５°、０°）とできる。また前記圧電薄膜は酸化シリコン膜とできる。

弾性表面波装置の周波数温度特性は、圧電薄膜自体の周波数温度特性とすだれ状電極が設けられた水晶基板の周波数温度特性の合成である。すなわち、すだれ状電極が設けられた水晶基板に圧電薄膜を形成すると、周波数温度特性が変化する。このため、圧電薄膜を形成することにより変化する周波数温度特性の変化量分を予め調整してすだれ状電極と水晶基板を形成すれば、圧電薄膜が形成された後の周波数温度特性を所望の周波数温度特性にすることができる。そして、すだれ状電極と水晶基板を形成して周波数温度特性を調整するには、水晶基板のカット角や、すだれ状電極の膜厚、すなわちすだれ状電極の膜厚Ｈと波長λの比（Ｈ／λ）や、すだれ状電極の電極幅Ｌと電極ピッチＰの比（Ｌ／Ｐ）のいずれかまたは任意の組み合わせにおけるそれぞれの値を変化させて行えばよい。そして、オイラー角が（０°、１１３°〜１３５°、±（４０°〜４９°））で表される面内回転ＳＴカット水晶基板、（０°、１１３°〜１３５°、０°）で表されるＳＴカット水晶基板を用いる弾性表面波装置において、上述した調整を行うことができる。また圧電薄膜として酸化シリコン膜を用いる場合にも、上述した調整を行うことができる。

また水晶基板のカット角を変化させて周波数温度特性を調整するには、オイラー角（φ、θ、ψ）のうちψを変化させて周波数温度特性を調整することを特徴としている。面内回転角ψを変化させることにより、容易に周波数温度特性を調整することができる。この調整は、オイラー角が（０°、１１３°〜１３５°、±（４０°〜４９°））の水晶基板を調整するときに特に有効である。

また本発明に係る弾性表面波装置は、上述した弾性表面波の温度調整方法を用いて製造したことを特徴としている。すだれ状電極が設けられた水晶基板上に圧電薄膜を形成しても、所望の周波数温度特性を有する弾性表面波装置を得ることができる。

以下に、本発明に係る弾性表面波装置の周波数温度特性調整方法および弾性表面波装置ついて説明する。なお、以下に記載するものは本発明の実施の一形態にすぎず、本発明はこれに限定されるものでない。図１に水晶基板のカット角の説明図を示す。水晶の結晶軸はＸ軸（電気軸）、Ｙ軸（機械軸）およびＺ軸（光軸）で定義される。そして弾性表面波（ＳＡＷ）装置１０には、オイラー角（φ、θ、ψ）が（０°、１１３°〜１３５°、０°）で表されるＳＴカット水晶基板と、（０°、１１３°〜１３５°、±（４０〜４９°））で表される面内回転ＳＴカット水晶基板が主に用いられている。ＳＴカット水晶基板は、オイラー角（φ、θ、ψ）が（０°、０°、０°）で表される水晶Ｚ板２をＸ軸まわりにθ＝１１３°〜１３５°回転させて得られる面に沿って切り出される水晶基板３である。なおＹ軸およびＺ軸もＸ軸周りにθ回転させて得られる軸を、それぞれＹ’軸およびＺ’軸と定義する。また面内回転ＳＴカット基板は、前記ＳＴカット水晶基板をＸＹ’面内で回転させて、すなわちＺ’軸周りにψ＝±（４０°〜４９°）回転させて得られる水晶基板である。

これらの水晶基板の周波数温度特性は、ＳＴカット水晶基板が二次関数で表され、面内回転ＳＴカット水晶基板が三次関数で表される。ところで、面内回転ＳＴカット水晶基板の変曲点温度は通常の使用温度範囲（例えば−４０℃〜＋８５℃）よりも高い１１０℃近辺に位置している。このため使用温度範囲内では周波数温度特性曲線に極大値を有し、この極大値が頂点温度となる。

図２にＳＡＷ装置の説明図を示す。図２（ａ）はＳＡＷ装置の平面図であり、図２（ｂ）はＳＡＷ装置の断面を拡大した図である。ＳＡＷ装置１０は、上述した水晶基板１２上に一対のすだれ状電極１４（ＩＤＴ１４）が形成され、弾性表面波の伝搬方向に沿うＩＤＴ１４の両端に反射器１６が形成された構成である。また水晶基板１２上にはボンディングパッド１９が形成され、このボンディングパッド１９とＩＤＴ１４が引出し電極１８を介して導通する構成である。さらに、前記水晶基板１２、ＩＤＴ１４および反射器１６上に圧電薄膜２０となる酸化シリコン（ＳｉＯ₂）膜２０が形成された構成である。なお圧電薄膜２０はＳｉＯ₂膜２０に限定されることはない。

次に、このＳＡＷ装置１０が所望の周波数温度特性を得るための調整方法について説明する。この調整方法では、まずＳｉＯ₂膜２０の膜厚が決定される。このＳｉＯ₂膜２０は、ＩＤＴ１４等の保護に必要な厚さまたは周波数温度特性の補正に必要な厚さが適宜設計された後に、化学気相成長法、スパッタ法または蒸着法等により形成される。このＳｉＯ₂膜２０の膜厚によって、ＳｉＯ₂膜２０の一次関数で表される周波数温度特性が決定される。そしてＳＡＷ装置１０の所望の周波数温度特性を得るために、ＳｉＯ₂膜２０の周波数温度特性によって、ＩＤＴ１４等が設けられた水晶基板１２の周波数温度特性は一意的に決定される。すなわち、ＳＡＷ装置１０の所望の周波数温度特性は、ＩＤＴ１４等が設けられた水晶基板１２の周波数温度特性とＳｉＯ₂膜２０の周波数温度特性の合成であるので、ＩＤＴ１４等が設けられた水晶基板１２の周波数温度特性はＳｉＯ₂膜２０を形成することによる周波数温度特性変化量分を調整した値とすればよい。

ＩＤＴ１４等が設けられた水晶基板１２上にＳｉＯ₂膜２０を形成しないＳＡＷ装置１０では、周波数温度特性の頂点温度が使用温度範囲（例えば−４０℃〜＋８５℃）のほぼ中央の温度（２５℃）に位置するよう調整されている。しかし本実施の形態では、ＩＤＴ１４等が設けられた水晶基板１２上にＳｉＯ₂膜２０を形成するので、ＳｉＯ₂膜２０の周波数温度特性に応じて前記頂点温度を低温側または高温側に移動させる必要がある。

面内回転ＳＴカット水晶基板は三次関数の周波数温度特性であるから、周波数温度特性曲線を変曲点まわりに回転させることにより、頂点温度を移動させたときと同様の結果を得ることができる。このため頂点温度を移動させるには、第１にＺ’軸まわりの面内回転量を調整することによって行われる。すなわち、面内回転角ψを調整することにより行われる。図３に面内回転角ψを変化させたときの周波数偏差と温度の関係を示す。図３において、ＩＤＴ１４の膜厚Ｈと波長λの比（Ｈ／λ）を０．０３６８とし、ＩＤＴ１４の電極幅Ｌと電極ピッチＰの比（η）を０．５とし、水晶基板１２のカット角（φ、θ、ψ）を（０°、１２３°、ψ）としている。図３より、面内回転角ψを４２．４°から４３．２°までの範囲で変化させると、面内回転角ψが大きい場合には頂点温度が低温側へ移動し、面内回転角ψが小さい場合には頂点温度が高温側へ移動しているのがわかる。これにより、面内回転角度ψを変化させれば頂点温度が移動するので、ＳｉＯ₂膜２０の周波数温度特性に応じて水晶基板１２の面内回転角ψを適宜調整すれば、所望の周波数温度特性のＳＡＷ装置１０を作製できる。

このカット角の調整について次に説明する。まずＳＴカット水晶ウエハを作製し、前記水晶ウエハに設けられたオリエンテーションフラットを利用して面内回転角ψを与える。そして、この面内回転角ψに沿う方向（図１のＸ’軸に沿う方向）に弾性表面波が伝搬するよう各ＳＡＷ装置１０領域にＩＤＴ１４や反射器１６等を形成するのである。これにより面内回転角ψを有するＩＤＴ１４等を形成した水晶基板１２、すなわち面内回転ＳＴカット水晶基板を形成することができる。

また第２に、Ｈ／λの値を調整することにより頂点温度の移動が行われる。すなわち、ＩＤＴ１４の膜厚を変化させて頂点温度を移動させる。図４にＨ／λの値を変化させたときの周波数偏差と温度の関係を示す。図４において、ηを０．５とし、水晶基板１２のカット角（φ、θ、ψ）を（０°、１２３°、４３°）としている。図４より、Ｈ／λの値を０．２５から０．４５までの範囲で変化させると、Ｈ／λの値が大きい場合に頂点温度が低温側へ移動し、Ｈ／λの値が小さい場合に頂点温度が高温側へ移動しているのがわかる。これにより、Ｈ／λの値を変化させれば頂点温度が移動するので、ＳｉＯ₂膜２０の周波数温度特性に応じてＨ／λの値、すなわちＩＤＴ１４の膜厚を適宜調整すれば、所望の周波数温度特性のＳＡＷ装置１０を作製できる。

また第３に、ηの値を調整することにより頂点温度の移動が行われる。図５にηの値を変化させたときの周波数偏差と温度の関係を示す。図５において、Ｈ／λを０．０３６８とし、水晶基板１２のカット角（φ、θ、ψ）を（０°、１２３°、４３°）としている。図５よりηの値を０．３から０．７までの範囲で変化させると、ηの値が大きい場合には頂点温度が低温側へ移動し、ηの値が小さい場合には頂点温度が高温側へ移動しているのがわかる。これにより、ηの値を変化させれば頂点温度が移動するので、ＳｉＯ₂膜２０の周波数温度特性に応じてηの値、すなわちＩＤＴ１４の電極幅Ｌと電極ピッチＰの比を適宜調整すれば、所望の周波数温度特性のＳＡＷ装置１０を作製できる。

また上述した第１から第３の調整方法を任意に組み合わせ、周波数温度特性を調整するそれぞれの値を変化させて、頂点温度を移動させることもできる。
次に、ＳＴカット水晶基板を用いる場合、オイラー角（φ、θ、ψ）のいずれかの角を調整して頂点温度を移動させ、周波数温度特性の調整を行うことができる。しかしＳＴカット水晶基板はオイラー角（０°、１１３°〜１３５°、０°）であり、作製し易い水晶基板であるので、オイラー角（φ、θ、ψ）のいずれかの角を調整する方法は好ましくない。このため、ＳＴカット水晶基板を用いる場合は、Ｈ／λの値を調整して頂点温度を移動させ、周波数温度特性を調整する方法が好ましい。この場合、Ｈ／λの値が大きい場合に頂点温度が低温側へ移動し、Ｈ／λの値が小さい場合に頂点温度が高温側へ移動する。これは面内回転ＳＴカットの場合と同じ傾向を示す。これにより、Ｈ／λの値を変化させれば頂点温度が移動するので、ＳｉＯ₂膜２０の周波数温度特性に応じてＨ／λの値、すなわちＩＤＴの膜厚を適宜調整すれば、所望の周波数温度特性のＳＡＷ装置１０を作製できる。またＳＴカット水晶基板上に形成されるＩＤＴ１４の電極幅Ｌと電極ピッチＰの比を調整して頂点温度を移動させ、周波数温度特性の調整を行うこともできる。

このように、面内回転ＳＴカット水晶基板やＳＴカット水晶基板上にＩＤＴ１４等を形成し、これらの上にＳｉＯ₂膜２０を形成したので、導電材がＩＤＴ１４や反射器１６上に落下しても短絡を防止することができる。また汚染物がＩＤＴ１４や反射器１６上に落下しても、ＳｉＯ₂膜２０によりＩＤＴ１４や反射器１６を保護することができる。

またＩＤＴ１４等が設けられた水晶基板１２上にＳｉＯ₂膜２０を形成したので、ＳＡＷ装置１０の周波数温度特性が悪くなる。しかしＳｉＯ₂膜２０の周波数温度特性に応じて水晶基板１２の周波数温度特性を調整できるので、ＳＡＷ装置１０の所望の周波数温度特性を得ることができる。そして、水晶基板１２の周波数温度特性の調整を、水晶基板１２のオイラー角（φ、θ、ψ）のうち面内回転角ψを変化させて行うことができる。またＩＤＴ１４の膜厚と波長の比を変化させても行うことができ、さらにＩＤＴ１４の電極幅Ｌと電極ピッチＰの比を変化させても行うことができる。

また周波数温度特性の補正の目的で面内回転ＳＴカット水晶基板やＳＴカット水晶基板上にＳｉＯ₂膜２０を形成しても、水晶基板１２を上述したように調整すると、所望の周波数温度特性を持つＳＡＷ装置１０を得ることができる。

次に、実施例について説明する。本実施例では、面内回転角ψを変化させてＩＤＴ等が設けられた水晶基板の周波数温度特性を調整したときの例を示す。まず水晶基板上に形成されるＳｉＯ₂膜のＨ／λは０．００１６であり、このＳｉＯ₂膜の周波数温度特性は図７（ｂ）に示されている。このＳｉＯ₂膜の周波数温度特性により、ＩＤＴ等が設けられた水晶基板の周波数温度特性は一意的に決まる。すなわち、ＳＡＷ装置の周波数温度特性は通常使用温度である２５℃を中心として、使用温度範囲（−４０℃〜＋８５℃）において周波数の変動量が最小になるように調整している。このためＩＤＴ等が設けられた水晶基板の周波数温度特性は、ＳｉＯ₂膜を形成した後に変化する周波数温度特性の変化量分を調整した値となる。この値は計算によって算出されるとともに、この値を満たすように水晶基板上にＩＤＴ等が形成される。

図６に本実施例に係る周波数偏差と温度の関係を示す。図６（ａ）はＩＤＴ等が設けられた水晶基板の周波数温度特性の変化量分を調整した周波数温度特性であり、図６（ｂ）はＩＤＴ等が設けられた水晶基板上にＳｉＯ₂膜を形成したＳＡＷ装置の周波数温度特性である。周波数温度特性の変化量分を算出した値は、水晶基板のオイラー角が（０°、１２３°、４３．２７°）となり、この値を満たすように水晶基板上にＩＤＴ等が形成される。なおＩＤＴの膜厚はＨ／λ＝０．０３６８である。このＩＤＴ等が設けられた水晶基板の周波数温度特性は、頂点温度が低温側に移動した状態となる（図６（ａ）参照）。そしてこの水晶基板上に前述したＳｉＯ₂膜を形成すると、使用温度範囲で周波数の変動量が最小になるＳＡＷ装置が形成される（図６（ｂ）参照）。これにより、ＳｉＯ₂膜の周波数温度特性に応じて水晶基板の周波数温度特性を調整し、ＳＡＷ装置の所望の周波数温度特性を得ることができることがわかる。

水晶基板のカット角の説明図である。 本実施の形態に係る弾性表面波装置の説明図である。 面内回転角ψを変化させたときの周波数偏差と温度の関係を示す図である。 すだれ状電極の膜厚を変化させたときの周波数偏差と温度の関係を示す図である。 すだれ状電極の電極幅と電極ピッチの比を変化させたときの周波数偏差と温度の関係を示す図である。 本実施例に係る周波数偏差と温度の関係を示す周波数温度特性である。 周波数偏差と温度の関係を示す周波数温度特性である。

符号の説明

１０………弾性表面波（ＳＡＷ）装置、１２………水晶基板、１４………ＩＤＴ（すだれ状電極）、１６………反射器、１８………引出し電極、２０………酸化シリコン膜（圧電薄膜）。

Claims (5)

1. 水晶基板と、前記水晶基板上に形成した圧電薄膜と、前記水晶基板と前記圧電薄膜との間に形成したすだれ状電極とを備えた弾性表面波装置の周波数温度特性調整方法であって、前記水晶基板のカット角、前記すだれ状電極の膜厚、すだれ状電極の電極幅と電極ピッチとの比のいずれかまたは任意の組み合わせの値を変化させて温度特性を調整することを特徴とした弾性表面波装置の周波数温度特性調整方法。
2. 前記水晶基板は、オイラー角が（０°、１１３°〜１３５°、±（４０°〜４９°））または（０°、１１３°〜１３５°、０°）であることを特徴とした請求項１に記載の弾性表面波装置の周波数温度調整方法。
3. 前記水晶基板のカット角を変化させて温度特性を調整するには、オイラー角（φ、θ、ψ）のうちψを変化させて温度特性を調整することを特徴とした請求項１または２に記載の弾性表面波装置の周波数温度調整方法。
4. 前記圧電薄膜は酸化シリコン膜であることを特徴とした請求項１ないし３のいずれかに記載の弾性表面波装置の周波数温度調整方法。
5. 請求項１ないし４のいずれかに記載の弾性表面波の周波数温度調整方法を用いて製造したことを特徴とした弾性表面波装置。
   
   

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