JP3864697B2 - 弾性表面波素子 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、水晶基板を用いた弾性表面波素子に関し、特に、水晶基板上に薄膜を積層して弾性表面波を利用した弾性表面波素子に関する。
【0002】
【従来の技術】
圧電体の表面を伝播する表面弾性波を利用する表面弾性波素子は、固有の透過帯域を有し、しかも小型であり部品点数も少ないため、携帯電話等の通信機器用のバンドパスフィルター等や基準クロックとして共振子へ応用されている。典型的な表面弾性波素子は、表面弾性波を発生させるために、圧電体の表面上に入力出力の1対の櫛型電極(interdigital transducer)を備える構造を有する。入力櫛型電極に印加された交流電力は圧電体表面上で機械的エネルギーに変換されるが、電極が櫛型であるため圧電体内に疎密が発生して弾性波となり、圧電体表面を伝播して出力櫛型電極へと到達する。そして、到達した表面弾性波は出力櫛型電極により再び電気的エネルギーに変換され出力される。表面弾性波素子が有する透過帯域の中心周波数f0は、櫛型電極の間隔λ0と圧電体表面上の弾性波の伝搬速度Vとから、
f0=V/λ0
で与えられる。
【0003】
水晶基板、特にいわゆるSTカット水晶X伝搬基板は良好な温度依存性を表す周波数温度係数(TCF)を持つために共振子ならびにフィルターに用いられている。しかしながら、基板の結合係数が小さいために透過帯域の広いフィルターを作るのに困難があった。また広帯域のフィルターを作製するのに一般的には結合係数の大きいタンタル酸リチウム(LiTaO3)やニオブ酸リチウム(LiNbO3)が用いられるが、周波数温度係数(TCF)が水晶よりも悪いという欠点がある。
【0004】
また良好な動作のためには、電気機械変換の性能を表す電気機械結合係数K2、並びに伝搬時の減衰による損失を表す伝搬損失の値が、それぞれ所定の範囲内に適合していることが必要である。
【0005】
TCFを良好にするため、薄膜を積層しTCFがマイナスとプラスの膜を用いて2次の温度係数を0とする試みは以前からなされている。例えば特開平7−15274の如くニオブ酸リチウム、タンタル酸リチウムで温度補正を行っている。また、特開平10−224172の如く遅延時間温度係数(TCD)がマイナスのカット角となるよう水晶基板を選択し、プラスのTCDを持つ圧電薄膜によりリーキー波を用いてTCFの良好な表面波装置が種々提案されている。
【0006】
また、特開昭61−222312号公報には、90°X伝搬のいわゆるSTW(Surface Transverse Wave 表面横波)を用いた水晶基板上に圧電薄膜を形成し、該圧電薄膜上にIDT電極を形成してなる表面波装置の記載がある。これにより結合係数の上昇およびTCFの改善が図られるとの記載がある。また温度補正を薄膜によって行なうことはそれ以前から公知である。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、いわゆるゼロ温度係数を持つSTカットX伝搬水晶は元々のTCFの1次温度係数αが0であるため、STカットX伝搬水晶に温度補正を試みさらにTCFを改善した例はなく、温度補正をした場合の特性というのは明らかになっていない。またW−CDMAのような広帯域のフィルターを必要とする場合、STカットX伝搬水晶は結合係数k2が小さいため、設計が困難である。そこで本発明の目的は、前記公報の欠点を補完し水晶基板を用いた弾性表面波素子であって、温度特性が良好で、広帯域化に適した弾性表面波素子を提供することにある。
【0008】
【課題を解決するための手段】
本発明の弾性表面波素子は、水晶基板と、前記水晶基板上に形成された第一薄膜と、前記第一薄膜に接するように形成されたくし歯電極とを備え、前記第一薄膜上に第二薄膜を設けたことを特徴とする弾性表面波素子が得られる。
【0009】
これによれば、水晶基板に前記水晶基板上に温度補正を行なうための第一薄膜と第二薄膜という補正膜が設けられており、逆符号の遅延時間温度係数(TCD)を持つ第一薄膜と第二薄膜を用いることにより周波数温度特性(TCF)を改善することが可能となる。
【0010】
また、前記第一薄膜が酸化亜鉛(ZnO)、窒化アルミニウム(AlN)、ニオブ酸リチウム(LiNbO3)、タンタル酸リチウム(LiTaO3)、ニオブ酸カリウム(KNbO3)のいずれかの圧電薄膜からなる。
【0011】
このような構成とすることにより、第一薄膜に水晶よりも結合係数の大きい圧電薄膜を用いることで、広帯域の弾性表面波素子が得られる。
【0012】
また、前記第二薄膜が酸化シリコン(SiO2)、窒化シリコン(Si3N4)、窒化チタン(TiN)などの酸化物あるいは窒化物である。
【0013】
このような構成によれば、前記第二薄膜が絶縁性を持つことにより、くし歯電極がショートせず、第一薄膜と逆符号を持つことによりTCFの1次温度係数αを0にすることが可能となる。
【0014】
また、回転角が28°回転Yカットから45°回転YカットからなるいわゆるSTカット水晶基板であり、前記弾性表面波の伝搬方向がX方向となるように前記第一薄膜に接するように形成された前記くし歯電極を備え、前記第一薄膜が酸化亜鉛(ZnO)、前記第二薄膜が酸化シリコン(SiO2)である弾性表面波素子において、レイリー波あるいはレイリー波の高次モードであるセザワ波(1次、2次、3次)を用いる。
【0015】
この構成によれば、TCFの1次温度係数αが0であるSTカットX伝搬水晶基板を用いることにより、ZnO薄膜とSiO2薄膜の組み合わせで、また結合係数の高い、広帯域な弾性表面波素子が可能となる。
【0016】
また、弾性表面波の波長λおよび薄膜の厚みhを定義すると前記第一薄膜の酸化亜鉛の2πh/λで定義される規格化膜厚kh(ZnO)比が0.1から2.0の範囲にあり、前記第二薄膜の酸化シリコン(SiO2)の2πh/λで定義される規格化膜厚kh(SiO2)比0.1から2.0の範囲にある。
【0017】
この構成によれば、前記ZnOの膜厚kh比とSiO2の膜厚kh比をある特定の範囲内とすることで、TCFが良好な弾性表面波素子を作製することが可能となる。
【0018】
また、前記くし歯電極の電極膜がアルミ膜またはアルミ膜を主成分とする合金またはアルミ膜及び少なくとも一層以上の金属化合物薄膜からなる電極膜の膜厚Hと弾性表面波の波長λからなる規格化膜厚(H/λ)が0.003から0.05の間にある。
【0019】
この構成によれば、前記電極膜の厚み(H/λ)を0.003から0.05の間とすることにより伝搬損失の少ない弾性表面波素子を作製することが可能となる。
【0020】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好適な実施の形態を添付図面に基づいて詳細に説明する。
【0021】
図1は本発明の弾性表面波素子の上面図を示し、図2は本発明の弾性表面波素子の図1におけるA−A面の断面図を示す。ここで用いられた水晶基板は33°Yカットであり、X方向へ弾性表面波を伝搬するため、オイラー角表示では(0、123、0)の水晶基板10である。水晶基板10上へは酸化亜鉛(ZnO)、窒化アルミニウム(AlN)等の圧電薄膜及び例えばAl2O3などの酸化物系やSi3N4などの窒化物系の薄膜が形成されている。ここで水晶基板10上に形成された圧電膜はZnO膜13とする。ZnO膜13上にはAl等の電極が配線されており、櫛歯電極(IDT)11およびIDT12が配置されており、いわゆるトランスバーサル型のSAWフィルターを構成している。IDT11,IDT12とZnO膜13の上には絶縁膜として二酸化シリコン(SiO2膜)14が形成されている。ここでは簡単のため図1のIDTはいわゆるシングル電極としてある。
【0022】
ZnO膜については、c軸配向のZnO膜あるいはエピタキシャル配向のZnO膜であれば十分圧電性があり、弾性表面波素子として良い。またSiO2膜については多結晶膜でピンホールが存在しなければ、絶縁膜、保護膜として十分機能し、信頼性の良い弾性表面波素子として機能する。ZnO膜とSiO2膜は温度変化に対する伝搬速度が異符号であるため、温度変化を相殺して伝搬速度が安定する。その際、水晶はゼロ温度係数を持つため、ほぼZnO膜とSiO2膜で考えれば良いという利点がある。
【0023】
図3は本発明の弾性表面波素子のSAWフィルタの周波数特性であるである。横軸は周波数を示し、縦軸は挿入損失である。図3(a)において線30が本発明のSAWフィルタの特性を示す。第一のピーク31はレイリー波およびセザワ波1次モードのピークが表れており、第二のピーク32はセザワ波32のピークを表している。ここで用いるのはピーク32である。ピーク31は十分抑圧されており、良好な特性を示している。またピーク32を拡大した波形を図3(b)に示す。通過帯域幅が十分広くなっている。ここで膜の厚みをh、表面波の波長をλとするとZnO膜13の規格化膜厚kh(2πh/λ)は0.8、SiO2膜14の規格化膜厚khは0.5である。ピークの強度、通過帯域幅についてはkhの選択により変わる。表面波としてはレイリー波、セザワ波(1次、2次、3次以上)を用いることが可能である。
【0024】
図4は本発明のSAWフィルターのオイラー角を示す図である。ここでは図の見易さのため、オイラー角は(0、123、0)であり、いわゆる一般的なSTカットである。Y軸回りに基板を回転させ、図4の様に角度が示される。
【0025】
図5はTCF(周波数温度係数)がほぼ0となるkhの選択範囲を模式的に示す。プラスの温度係数を持つZnOとマイナスの温度係数を持つSiO2、およびゼロ温度係数を持つ水晶を用いるとTCFがゼロ付近となるkh比の選択範囲は図の斜線で示される部分51となる。
【0026】
図6はSiO2膜のkhをある値に定めた場合のTCFを示す。ここでは例として2本の曲線を示す。線70はSiO2膜のkhが0.8の場合、線71はSiO2膜のkhが1.0の場合を示している。どちらもZnO膜がある厚みになった際にTCFがゼロとなるポイントがある。
【0027】
以上のように、規格化膜厚kh(ZnO)比が0.1から2の範囲にあり、前記第二薄膜の酸化シリコン(SiO2)の2πh/λで定義される規格化膜厚kh(SiO2)比0.1から2の範囲にあることが好ましい。
【0028】
図7にはZnOおよびSiO2により温度補正をした後の温度特性と通常の水晶における温度特性を示した図である。線81は一般的なSTカット水晶による弾性表面波素子の温特である。33°Yカット水晶基板にZnOおよびSiO2を成膜した場合、線80のように若干改善が見られる。
【0029】
電極についてはAlのみでなく、Al-CuあるいはAl-Si、Al-Ti等の合金あるいはAl/Ti等、Al/TiN等の積層膜を設けることも可能である。その場合も電極膜の最適なH/λについては若干異なる。
【0030】
絶縁膜についてはSiO2などが一般的ではあるが、Si3N4等の窒化物やその他の酸化物を設けるのも好ましい。また圧電膜についても窒化アルミニウム(AlN)および酸化タンタル、ニオブ酸リチウム、タンタル酸リチウム、ニオブ酸カリウムなど様々な圧電膜が使用可能である。
【0031】
使用する弾性表面波はレイリー波、セザワ波(1次、2次、3次以上)が用いられると良いが、漏洩弾性波なども使用可能である。
【0032】
本発明の弾性表面波素子は弾性表面波共振子、フィルタ、遅延線などに適用可能である。
【0033】
基板としては水晶基板が周波数温度特性が良いため望ましいが、ガラス基板、サファイア基板、あるいはその他のセラミックス基板なども利用可能である。
【0034】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、水晶基板を用い、圧電膜および絶縁膜の温度補正膜を利用し、ある膜厚を持つ電極により、レイリー波およびセザワ波を弾性表面波として利用することによって、周波数温度特性(TCF)が良好で、広帯域な弾性表面波素子を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の弾性表面波素子の上面図である。
【図2】本発明の弾性表面波素子の断面図である。
【図3】本発明の弾性表面波素子の周波数特性の一例である。
【図4】本発明の弾性表面波素子の水晶のカット角を示す図である。
【図5】本発明の弾性表面波素子のZnO膜規格化膜厚およびSiO2膜規格化膜厚において、周波数温度特性TCFの良好な範囲の関係を示す図である。
【図6】本発明の弾性表面波素子のカット角及び薄膜付与時の温度特性の改善を示す図である
【図7】本発明の弾性表面波素子と通常のSTカット水晶基板を用いた場合の温度特性を示す図である。
【符号の説明】
10 水晶基板
11 くし歯電極(IDT)
12 くし歯電極(IDT)
13 ZnO膜
14 SiO2膜
30 グラフの線
51 TCFが良好な範囲の選択部分
70、71 グラフの線
80、81 温特の線
Claims (2)
- 基板と前記基板上に形成された第一薄膜と、前記第二薄膜に接するように形成されたくし歯電極とを備え、前記第一薄膜上に第二薄膜を設けた弾性表面波素子において、
回転角が28°回転Yカットから45°回転YカットからなるいわゆるSTカット水晶基板であり、弾性表面波の伝搬方向がX方向となるように前記第一薄膜に接するように形成された前記くし歯電極を備え、前記第一薄膜が酸化亜鉛(ZnO)、前記第二薄膜が酸化シリコン(SiO2)であり、レイリー波あるいはレイリー波の高次モードであるセザワ波(1次、2次、3次以上)を用いることを特徴とする弾性表面波素子。 - 弾性表面波の波長λおよび薄膜の厚みhを定義すると、前記第一薄膜の酸化亜鉛の2πh/λで定義される規格化厚kh(ZnO)比が0.1から2の範囲にあり、前記第二薄膜の酸化シリコン(SiO2)の2πh/λで定義される規格化厚kh(SiO2)比が0.1から2の範囲にある請求項1に記載の弾性表面波素子。
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