JP4377525B2

JP4377525B2 - 弾性表面波フィルタ

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Publication number: JP4377525B2
Application number: JP2000162248A
Authority: JP
Inventors: 雅之船見
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2000-05-31
Filing date: 2000-05-31
Publication date: 2009-12-02
Anticipated expiration: 2020-05-31
Also published as: JP2001345675A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、携帯電話等の移動体通信機器に用いられる弾性表面波フィルタの電極構造に関する。
【０００２】
【従来技術とその課題】
近年、電波を利用する電子機器のフィルタ，遅延線，発振器等の構成素子として多くの弾性表面波装置が用いられている。特に小型・軽量でかつフィルタとしての急峻遮断性能が高い弾性表面波フィルタは、移動体通信分野において、携帯端末装置のＲＦ段及びＩＦ段のフィルタとして多用されるようになって来ており、低損失かつ通過帯域外の遮断特性が優れた、高い減衰特性と、広い帯域幅を有する弾性表面波フィルタが要求されている。
【０００３】
これまでに、弾性表面波フィルタとしては、電極構成の観点から、ラダー型（梯子型），トランスバーサル型，縦モード結合共振器型等種々のものが実用化されているが、中でもラダー型弾性表面波フィルタは低損失でかつ良好な通過帯域近傍の遮断特性を有し、高周波化による電極微細化に伴う耐電力面での信頼性も高く、非常に有望視されている弾性表面波フィルタである。
【０００４】
このような、ラダー型フィルタの場合、比帯域幅ＢＷ／ｆｏ（ＢＷ；通過帯域幅、ｆｏ；中心周波数）は、フィルタを構成する弾性表面波共振子の共振周波数ｆｒと***振周波数ｆａの差であるΔｆ（＝ｆａ−ｆｒ）を共振周波数で規格化したものでほぼ決定される。
【０００５】
また近年、携帯電話システムの急激な変化に伴って、システム側の要求スペックもより厳しいものになり、従来よりも、広帯域でより矩形に近く、急峻性に優れた通過帯域特性を持つ弾性表面波フィルタが切望されている。
【０００６】
弾性表面波フィルタの通過帯域の急峻性は、やはりΔｆ（＝ｆａ−ｆｒ）で決定され、Δｆの小さい弾性表面波共振子を用いることにより、急峻性に優れた通過帯域特性が得られることが分かっている。上記の比帯域幅および通過帯域の急峻性を決定するΔｆは、圧電基板の材料定数である電気機械結合係数と電極パターンの膜厚に大きく依存し、所望の比帯域幅を得るために最適な電気機械結合係数を有する圧電基板と電極膜厚の組み合わせを選択してフィルタを作製する必要がある。
【０００７】
しかしながら、上記の比帯域幅ＢＷ／ｆｏに最適な電気機械結合係数を有し、フィルタ急峻度に反映される材料Q値（電気機械変換に伴う損失係数の逆数）の高い基板材料を見出すことが難しく問題であった。
【０００８】
そこで、従来より圧電基板は、やむを得ず一般的な基板・方位のものを採用し、電極構造で改善する方法が検討されていた。
【０００９】
また、圧電基板上に形成するＩＤＴ電極とは、ＩｎｔｅｒＤｉｇｉｔａｌＴｒａｎｓｄｕｃｅｒの略であり、相対向する櫛歯状電極を組み合わせた電極構造である。そのＩＤＴ電極の接続構造は、前述の通り、ラダー型電極が有望視されている。従来のラダー型接続の弾性表面波装置は図４に示すとおり、直列腕を構成する弾性表面波共振子Ｒ１と、並列腕を構成する弾性表面波共振子Ｒ２とが、交互に信号線上に接続され、いわゆる梯子状に接続された構造が一般的に用いられている。
【００１０】
しかしながら、上記、従来の電極構造による電気特性の改善方法は、一般に各共振子のＩＤＴ電極対数、電極周期、交差幅、反射器本数などを変更する程度であり、若干の改善は見られるものの、フィルタの要求仕様を満たすような改善は見られず、品質的に問題のあるＳＡＷ装置になってしまうという問題があった。
【００１１】
そこで、本発明の目的は、圧電基板・カット方位は従来の一般的な基板を使用した状態で、急峻性に優れた通過帯域特性を有する、品質的に良好なラダー型弾性表面波フィルタの電極構造を提供することとする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、本発明は、４２°ＹカットＸ伝搬のＬｉＴａＯ _３単結晶からなる圧電基板上にＩＤＴ電極の複数をラダー型回路に接続した弾性表面波フィルタであって、少なくとも１つのＩＤＴ電極には付加ＩＤＴ電極が並列接続されており、前記付加ＩＤＴ電極の両側には反射器電極が配置され、前記付加ＩＤＴ電極及び反射器電極の電極膜厚をＨ（μｍ）、弾性表面波の波長をλ（μｍ）としたときに、Ｈ／λ＝０．０７〜０．１１の関係を満たし、前記反射器電極の本数が１０本以上であり、前記付加ＩＤＴ電極を、該付加ＩＤＴ電極と並列接続しているＩＤＴ電極から発生する弾性表面波の伝搬路の延長線上に配置することとした。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る実施形態を図面に基づき詳細に説明する。
【００１４】
図１は本発明の弾性表面波装置の構造を表す図である。図中の１は圧電基板であり、この表面に薄膜の２〜６で示す金属でできた電極を配置する。２は周波数特性制御用のＩＤＴ電極である。３は通常のラダ−型弾性表面波フィルタを構成するＩＤＴ電極である。また、４は反射器で、ＩＤＴ電極の両側に配置する。反射器４は、ＩＤＴ電極２および３の共振状態を変化させるためであり、無い場合もあり得る。また、５はフィルタの接地端子、６ａはフィルタの入力端子、６ｂはフィルタの出力端子である。本発明の特徴は、図１に示すように、直列共振子Ｒ１に並列に周波数特性制御用のＩＤＴ電極２を接続した構造を持っていることである。
【００１５】
図１は、5個のＩＤＴ電極３を接続したフィルタで、３個の直列共振子Ｒ１の中央に本発明の弾性表面波共振子２を用いた容量を付加した場合の弾性表面波フィルタの例である。図２は、5個のＩＤＴ電極３を接続したフィルタで、３個ある直列共振子Ｒ１の１段目と３段目の直列共振子Ｒ１に、本発明の弾性表面波共振子２を用いた容量を付加した場合の弾性表面波フィルタの例である。図３は、5個のＩＤＴ電極３を接続したフィルタで、並列共振子Ｒ２に本発明の弾性表面波共振子２を用いた容量を付加した場合の弾性表面波フィルタの例である。なお、５はパッケージのグランドパッドにワイヤーボンディングによって接続されるグランドの電極である。６ａ、６ｂはパッケージの入出力パッドにワイヤーボンディングによって接続される入出力電極である。
【００１６】
以下に、周波数特性制御用のＩＤＴ電極２を、このように接続する理由について説明する。
【００１７】
急峻な肩特性を持ったフィルタ特性を実現するために、本発明の弾性表面波装置では、弾性表面波の伝搬特性を変えずに、並列に付加したＩＤＴ電極の持つ静電容量によって、各弾性表面波共振子のΔｆを任意に制御することができる。これによりフィルタの通過帯域特性をより急峻にできる。図１２は、弾性表面波共振子に並列に弾性表面波共振子で構成された付加容量Ｃｐを接続した場合の電気的等価回路図である。ここで、共振周波数ｆｒ＝１／√（Ｌ１・Ｃ１）、***振周波数ｆａ＝ｆｒ／√（１＋Ｃ１・（Ｃｏ＋Ｃｐ））で表すことができる。付加容量Ｃｐを増加させることによって、ｆａは低下するが、ｆｒは変化しない。これを図で示したものが、図８である。Ｃｐによって、共振周波数８は変化しないが、***振周波数７のみ変化していることがわかる。
【００１８】
そのため、上記説明したように、付加容量Ｃｐを増加させること、つまり周波数調整用ＩＤＴ電極２の容量を増加させることにより、インピーダンス特性の共振周波数と***振周波数との差Δｆは小さくなる。この構成の弾性表面波共振子２を、直列側もしくは並列側の共振子Ｒ１，Ｒ２に少なくとも一箇所以上に接続したラダ−型フィルタを形成すれば、Δｆが小さく、このため、通過帯域特性の両側もしくは、どちらか片方の急峻性は向上する。
【００１９】
本発明による特性の改善例を図５〜図７に示す。図５では直列共振子Ｒ１の一部に本発明の弾性表面波共振子を用いた場合を示しており、高周波側の通過帯域と減衰の傾度が改善できることが判る。また、図６では並列共振子の一部に本発明の弾性表面波共振子を用いた場合であり、低周波側の通過帯域と減衰の傾度が改善できることが判る。また、図７は直列共振子と並列共振子の両方に本発明の弾性表面波共振子を用いた場合である。この場合は、高周波側の帯域と減衰の傾度と低周波側の通過帯域と減衰の傾度がともに改善できることが判る。
【００２０】
また、本発明の周波数特性制御用ＩＤＴ電極は、梯子状に接続した共振子すべてに付加しても構わないが、図１、２のように、少なくとも１個の共振子にのみ付加容量をつけることで、弾性表面波共振子によって発生する減衰極の周波数を異なる設定にすることでき、効率良く減衰帯域を大きくとることができる。
【００２１】
また、周波数特性制御用ＩＤＴ電極の両側に反射器電極を設けることで、周波数特性制御用ＩＤＴ電極で発生した弾性表面波が、ラダ−型フィルタ本来の弾性表面波共振子（直列共振子もしくは並列共振子）に対して悪影響を与えるような不要波をほぼカットすることができる。
【００２２】
また、ラティス型フィルタ（いわゆる、共振子を格子状に接続した構造のフィルタ）についても、上記同様に適応可能である。すなわち、ラダー型フィルタおよびラティス型フィルタのように、弾性表面波共振子の電気インピーダンスの周波数特性を任意の特性にすることで、フィルタ特性を得ることができる構造であれば、本発明のように通過帯域や帯域外減衰量の改善が図れる。
【００２３】
ここで、好適な反射器本数は、ＬｉＴａＯ３単結晶３６°及び４２°ＹカットＸ伝搬の圧電基板上においては、Ｈ／λ＝０．０７〜０．１１（Ｈ；電極膜厚、λ；弾性表面波の波長）の範囲では、図１３に示すように、０〜１０本の間で９０％近く弾性表面波が反射されるので１０本以上が好ましい。このような反射器を使用すれば、請求項３で示したように、ラダ−型フィルタ本来の弾性表面波共振子の弾性表面波伝搬路の延長線上に、１０本以上の反射器電極を持った周波数特性制御用ＩＤＴ電極を近接して配置することができ、余分なスペースを必要としないため、圧電基板の小型化ができる。
【００２４】
また、本発明によれば、ＩＤＴ電極に並列に弾性表面波共振子が付加されていることで、印加電力が分散され、付加容量を接続しない場合のＩＤＴ電極に比べて、１本当たりにかかる電力は低減される。結果として耐電力特性に優れた弾性表面波フィルタを作製することができる。
【００２５】
さらに本発明によれば、電極のパターニング時に焦電効果等によって発生する静電気による電極破壊も、電力が分散されるため発生しにくくなる。
また、ＳＡＷ装置用の圧電基板として、３６°±３°ＹカットＸ伝搬タンタル酸リチウム単結晶、４２°±３°ＹカットＸ伝搬タンタル酸リチウム単結晶、６４°±３°ＹカットＸ伝搬ニオブ酸リチウム単結晶、４１°±３°ＹカットＸ伝搬リチウム単結晶、４５°±３°ＸカットＺ伝搬四ホウ酸リチウム単結晶は電気機械結合係数が大きく、かつ、周波数温度係数が小さいため圧電基板として好ましい。圧電基板の厚みは０．１ｍｍ〜０．５ｍｍ程度がよく、０．１ｍｍ未満では圧電基板がもろくなり、０．５ｍｍ超では材料コストと部品寸法が大きくなり、使用できない。
【００２６】
また、ＩＤＴ電極３および反射器は、ＡｌもしくはＡｌ合金（Ａｌ−Ｃｕ系、Ａｌ−Ｔｉ系）からなり、蒸着法、スパッタ法、またはＣＶＤ法などの薄膜形成法により形成する。電極厚みは０．１μｍ〜０．５μｍ程度とすることがＳＡＷ装置としての特性を得るうえで好適である。
【００２７】
また、本発明に係るＳＡＷ装置の電極および圧電基板上のＳＡＷ伝搬部にＳｉ、ＳｉＯ２、ＳｉＮ、Ａｌ２Ｏ３を保護膜として１５０μｍ以上の膜厚を形成し、導電性異物による通電防止や耐電力向上を行ってもかまわない。
【００２８】
なお、本発明は上記の実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の変更は何ら差し支えない。
【００２９】
【実施例】
次に、本発明に係るラダー型弾性表面波フィルタを試作した実施例を説明する。
４２°ＹカットＬｉＴａＯ₃単結晶基板上にＡｌ（９８ｗｔ％）−Ｃｕ（２ｗｔ％）による微細電極パターンを形成した。パターン作製には、縮小投影露光機（ステッパー）、およびＲＩＥ（ＲｅａｃｔｉｖｅＩｏｎＥｔｃｈｉｎｇ）装置によりフォトリソグラフィを行なった。まず、基板材料をアセトン・ＩＰＡ等によって超音波洗浄し、有機成分を落とした。
【００３０】
次にクリーンオーブンによって充分に基板乾燥を行なった後、電極の成膜を行なった。電極成膜には、スパッタリング装置を使用し、Ａｌ−Ｃｕの材料を成膜した。電極膜厚は約０．２μｍとした。
【００３１】
次にレジストを約０．５μｍ厚みにスピンコートし、縮小投影露光装置（ステッパー）により、所望のパターニングを行なった。ステッパーには、パターニングの原版となるレチクルが必要であるが、これは、ステッパー自身の光学系にて像を１／５に縮小投影するため、実際のパターンの５倍のサイズでかまわない。このため、逆に従来のコンタクトアライナーに比べると、５倍の解像度が得られる。
【００３２】
次に、現像装置にて不要部分のレジストをアルカリ現像液で溶解させ、所望パターンを表出した後、ＲＩＥ装置により、Ａｌ−Ｃｕ電極のエッチングを行ない、パターンニングを終了した。
【００３３】
この後、保護膜を作製する。ＳｉＯ２をスパッタリング装置にて成膜し、その後、フォトリソグラフィによってレジストのパターニングを行ない、ＲＩＥ装置等でワイヤーボンディング用窓開け部のエッチングを行ない、保護膜パターンを完成した。
【００３４】
次に基板をダイシング線に沿ってダイシングし、チップごとに分割した。そして、各チップをダイボンド装置にてピックアップし、Ｓｉ樹脂を主成分とする樹脂でＳＭＤパッケージ内に接着した。この後約１６０℃の温度をかけ、乾燥・硬化した。ＳＭＤパッケージは３ｍｍ角の積層構造のものを用いた。
【００３５】
次に、３０μｍφＡｕワイヤーをＳＭＤパッケージのパッド部とチップ上のＡｌパッド上にボールボンディングした後、リッドをパッケージにかぶせ、封止機にて溶接封止して完成した。なお、チップ上の接地用電極パターンは各々分離して配線し、Ａｕボールボンディングにてパッケージ上のグランドパッドにボンディングした。
【００３６】
ラダー型弾性表面波フィルタを構成する弾性表面波共振子は、くし状電極の対数（本数の１／２）が４０〜１２０対、交差幅が１０〜３０λ（λは弾性表面波の波長）で、弾性表面波の波長λは直列と並列で違えてあるが、概略２μｍとした。ここで、反射電極本数は直列共振子、並列共振子とも２０本である。
【００３７】
フィルタ構成の例は図１，２，３に示す通りである。図１は直列共振子が３個、並列共振子が２個で構成される２．５段Ｔ型で、３段の中央の直列共振子に本発明の容量を付加したＩＤＴを用いた例である。図２は２．５段Ｔ型で、３段の直列共振子の１段目と３段目に本発明の容量を付加したＩＤＴ電極を用いた例である。また、図３は並列共振子に容量を付加したくし状電極を用いた例である。
【００３８】
図５，６，７は、本発明を用いてフィルタを作製した場合の、周波数特性の例である。図５は直列共振子の一部に本発明の弾性表面波共振子を用いた場合で、図６は並列共振子の一部に本発明の弾性表面波共振子を用いた場合である。図７は直列共振子と並列共振子の一部に本発明の弾性表面波共振子を用いた場合である。図１０，１１は実際の測定結果であり、図１０は１６８０ＭＨｚ〜２０８０ＭＨｚの周波数特性測定範囲のグラフであり、図１１は０ＭＨｚ〜６ＧＨｚの周波数特性測定範囲のグラフである。測定はネットワークアナライザを用いて、通過特性であるＳ２１パラメータの測定を行った。
【００３９】
本発明の弾性表面波フィルタでは、弾性表面波共振子に並列に弾性表面波共振子で構成される付加容量を追加することで、比較的容易に共振子特性のΔｆを変えることができる。
【００４０】
図８は本発明の弾性表面波共振子において、付加容量を変えた場合の共振子特性をプロットしたグラフである。また、横軸は周波数、縦軸はインピーダンスの絶対値を示している。付加容量の大きさを増やすと、***振周波数７は低下し、共振周波数８と***振周波数７との差Δｆは小さく、急峻になっている。図９は付加容量のくし状電極対数による変化を示したグラフである。
【００４１】
この場合、電極線幅Ｌｔは０．７μｍとし、通過帯域内に付加した弾性表面波共振子の共振周波数による不要スプリアスが現れないようにした。この場合は通過帯域内に影響を及ぼさない１６００ＭＨｚ付近にスプリアスが出ている。なお、ラダー型弾性表面波フィルタを構成するＩＤＴ電極の線幅は、概略０．５μｍとした。
【００４２】
また、付加容量のＩＤＴ電極の交差幅はＷ＝１０λ（λは弾性表面波の波長：概略２μｍ）とした。図９のグラフのように、付加した弾性表面波共振子のＩＤＴ電極対数Ｎｔによって付加容量Ｃｐの値はほぼ直線的に増加している。
【００４３】
このため、例えば計算によって０．３ｐＦの付加容量が必要であれば、Ｎｔ＝２５対、Ｗ＝１０λ、反射器本数１０本以上の周波数特性制御用ＩＤＴを、本来のラダ−型弾性表面波フィルタを構成する弾性表面波共振子に並列に配設すればよい。
【００４４】
図１０、１１に本発明の付加容量付き弾性表面波フィルタを用いて作製したフィルタ特性を示す。この場合、図１に示すように、２段目の直列共振子に付加容量を並列に入れ、配線どうしが交差しないように配慮して設計すると、図１０、１１の周波数特性のように通過域の高域側の肩部が急峻になる。
【００４５】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の弾性表面波フィルタによれば、圧電基板・カット方位及び電極膜厚を変えずに、急峻性に優れた通過帯域特性を有するラダ−型またはラティス型の弾性表面波フィルタを提供することができる。
【００４６】
また、周波数制御用のＩＤＴ電極を並列に付加したことで、印加電力が分散され、結果として耐電力特性に優れ、その上、電極のパターニング時に焦電効果等によって発生する静電気による電極破壊も、印加電力が分散されるため、極力防止することが可能な信頼性に優れた弾性表面波フィルタを提供できる。
【００４７】
また、周波数特性制御用のＩＤＴ電極の共振周波数が通過帯域外にあることで帯域外減衰量の改善ができる。
【００４８】
さらに、周波数特性制御用のＩＤＴ電極を、主回路を構成する弾性表面波共振子の弾性表面波伝搬路の延長線上に配置することにより、基板上の電極面積を小さく抑えることが可能であり、大量生産に好適な弾性表面波フィルタを提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の付加容量を有する弾性表面波フィルタの電極構造の実施形態を模式的に示す平面図である。
【図２】本発明の付加容量を有する弾性表面波フィルタの電極構造の実施形態を模式的に示す平面図である。
【図３】本発明の付加容量を有する弾性表面波フィルタの電極構造の実施形態を模式的に示す平面図である。
【図４】従来の弾性表面波フィルタの電極構造を模式的に示す平面図である。
【図５】本発明の付加容量を有する弾性表面波共振子を直列共振子側に用いた場合の特性を説明する線図である。
【図６】本発明の付加容量を持った弾性表面波共振子を並列共振子側に用いた場合の特性を説明する線図である。
【図７】本発明の付加容量を持った弾性表面波共振子を直列共振子側と並列共振子側の両方に用いた場合の特性を説明する線図である。
【図８】本発明の付加容量を弾性表面波共振子に並列に付加した場合のインピーダンスの周波数特性図である。
【図９】本発明の付加容量を弾性表面波共振子に並列に付加した場合の、ＩＤＴ対数による付加容量値の変化を示したグラフである。
【図１０】本発明の付加容量を弾性表面波共振子に並列に付加した場合の、弾性表面波フィルタの周波数特性を示す線図である（１６８０ＭＨｚ〜２０８０ＭＨｚ）。
【図１１】本発明の付加容量を弾性表面波共振子に並列に付加した場合の、弾性表面波フィルタの周波数特性を示す線図である（０ＭＨｚ〜６０００ＭＨｚ）。
【図１２】本発明の付加容量を弾性表面波共振子に並列に付加した場合の電気的等価回路図である。
【図１３】本発明の弾性表面波共振子の両端に配設する反射器本数と弾性表面波の漏れ量を説明するグラフである。
【符号の説明】
１：圧電基板
２：周波数特性制御用のＩＤＴ電極
３：ＩＤＴ電極
４：反射用電極
５：弾性表面波フィルタのグランド電極
６ａ：弾性表面波フィルタの入力電極
６ｂ：弾性表面波フィルタの出力電極
７：***振点
８：共振点
Ｃ１、Ｃｏ、Ｃｐ：コンデンサ
Ｌ１：インダクタ
Ｒ１：直列共振子
Ｒ２：並列共振子

Claims

４２°ＹカットＸ伝搬のＬｉＴａＯ _３単結晶からなる圧電基板上にＩＤＴ電極の複数をラダー型回路に接続した弾性表面波フィルタであって、
少なくとも１つのＩＤＴ電極には付加ＩＤＴ電極が並列接続されており、前記付加ＩＤＴ電極の両側には反射器電極が配置され、
前記付加ＩＤＴ電極及び反射器電極の電極膜厚をＨ（μｍ）、弾性表面波の波長をλ（μｍ）としたときに、Ｈ／λ＝０．０７〜０．１１の関係を満たし、
前記反射器電極の本数が１０本以上であり、
前記付加ＩＤＴ電極を、該付加ＩＤＴ電極と並列接続しているＩＤＴ電極から発生する弾性表面波の伝搬路の延長線上に配置したことを特徴とする弾性表面波フィルタ。
前記付加ＩＤＴ電極の共振周波数は通過帯域外にあることを特徴とする請求項１に記載の弾性表面波フィルタ。