JP7466562B2 - 弾性波装置 - Google Patents

Description

本開示は、共振子および帯域フィルタなどに用いられる弾性波装置に関し、より詳細には、板波を用いた弾性波装置に関する。

従来から、レイリー波またはＳＨ（shear horizontal）波などの様々な弾性波を用いた弾性波装置が提案されている。特許文献１には、板波を利用した弾性波装置が開示されている。

特許文献１に開示されている弾性波装置は、シリコン基板と、シリコン基板上に積層された音響反射器と、当該音響反射器上に形成された圧電膜と、圧電膜上のＩＤＴ（interdigital transducer）電極とを備える。また、音響反射器は、高い弾性波インピーダンス膜と低い弾性波インピーダンス膜とを交互に積み重ねてなる。

特表２００８－５３０８７４号公報

本開示の一実施態様に係る弾性波装置は、圧電膜と、前記圧電膜の上面に位置する、それぞれＩＤＴ電極を含む第１共振子および第２共振子と、を備え、板波を利用しているものである。前記圧電膜の厚みが、前記第１共振子および前記第２共振子のいずれの前記ＩＤＴ電極の電極指の周期の２倍よりも小さい。そして前記第１共振子と前記第２共振子とでＩＤＴ電極の電極指のＤｕｔｙが異なる。

本開示の一実施態様に係る弾性波装置は、１０６°Ｙ回転Ｘ伝搬のタンタル酸リチウム単結晶、１１４°Ｙ回転Ｘ伝搬のタンタル酸リチウム単結晶、または１０５°Ｙ回転Ｘ伝搬ニオブ酸リチウム単結晶のいずれかからなる圧電膜と、前記圧電膜の上面に位置する、それぞれＩＤＴ電極を含む第１共振子および第２共振子と、を備え、前記圧電膜の厚みが、前記第１共振子および前記第２共振子のいずれの前記ＩＤＴ電極の電極指の周期の２倍よりも小さいものである。そして、前記第１共振子と前記第２共振子とで前記電極指のＤｕｔｙが異なる。

本開示の一実施態様に係る弾性波装置は、支持基板と、前記支持基板上に位置する多層膜と、前記多層膜上に位置する圧電膜と、それぞれ前記圧電膜の上面に位置するＩＤＴ電極を含む、第１共振子および第２共振子と、を備え、前記圧電膜の厚みが、前記第１共振子および前記第２共振子のいずれの前記ＩＤＴ電極の電極指の周期よりも小さく、板波を利用しているものである。そして、前記多層膜が、第１層と、該第１層よりも音響インピーダンスが高い第２層とを有し、前記第１共振子と前記第２共振子とはＤｕｔｙが０．２９以上０．３１以下である。

図１（ａ）は本開示の一実施形態にかかる弾性波装置の断面図であり、図１（ｂ）は図１（ａ）の要部を示す模式的な平面図である。 図２は、本開示の一実施形態にかかる弾性波装置を示す回路図である。 図３は、従来の弾性波装置の周波数特性を示す線図である。 図４は、従来の弾性波装置における圧電膜の厚みとスプリアス周波数との相関を示す線図である。 図５は、本開示の実施形態にかかる弾性波装置における圧電膜の厚みとスプリアス周波数との相関を示す線図である。 図６（ａ）は、低周波数側の共振子を基準とした共振周波数とＤｕｔｙとの相関を示す線図であり、図６（ｂ）は、高周波数側の共振子を基準とした共振周波数とＤｕｔｙとの相関を示す線図である。 図６（ｂ）を満たす共振子の設計パラメータを示す表である。 図７に示す共振子の周波数特性を示す線図である。 図９（ａ）および図９（ｂ）は、本開示の実施形態にかかる弾性波装置における共振子の圧電膜の厚みとスプリアス周波数とスプリアス強度との相関を示す線図である。 本開示の別の実施形態にかかる弾性波装置を示す断面図である。 図１０に示す弾性波装置にかかる共振子の圧電膜の厚みとスプリアス周波数とスプリアス強度との相関を示す線図である。 図１２（ａ）は、従来の弾性波装置における圧電膜の厚みとスプリアス周波数との相関を示す線図であり、図１２（ｂ）は、本開示の別の実施形態にかかる弾性波装置における圧電膜の厚みとスプリアス周波数との相関を示す線図である。 図１３（ａ）および図１３（ｂ）は、本開示の別の実施形態にかかる弾性波装置における共振子の図６（ａ）および図６（ｂ）に相当する図である。 図１４（ａ）および図１４（ｂ）は、本開示の別の実施形態にかかる弾性波装置における共振子の図７および図８に相当する図である。

以下、図面を参照しつつ、本開示の具体的な実施形態を説明する。

図１（ａ）は、本開示の一実施形態にかかる弾性波装置の断面図であり、図１（ｂ）は、図１（ａ）の要部を示す模式的な平面図である。図中において互いに直交するＤ１，Ｄ２およびＤ３軸を定義し、厚み方向の正方向をＤ３軸の正方向とする。

弾性波装置１は、板波を利用した弾性波装置である。この例では、弾性波装置１は、支持基板３と、支持基板３上に位置する多層膜５と、多層膜５上に位置する圧電膜７と、圧電膜７上に位置するＩＤＴ電極９とを備える。なお、弾性波装置１は、ＩＤＴ電極９をそれぞれ含む第１共振子および第２共振子を備える。第１共振子および第２共振子は、後述する圧電膜７の厚みの設計およびＩＤＴ電極９の設計により、それぞれが所望の共振周波数を有するものとなり、かつ、スプリアスを抑制するものとなる。

支持基板３は、その上部に位置する多層膜５および圧電膜７を支持することができれば特に材料に限定はない。例えば、Ｓｉ基板、セラミックス基板、ガラス基板、有機基板またはサファイア基板を用いることができる。また、例えば、水晶（ＳｉＯ_２）、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ_３：以下、ＬＮという）またはタンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ_３：以下、ＬＴという）等からなる圧電結晶基板を用いることができる。支持基板３は、１種の材料から構成されてもよいし、材料が異なる２以上の層が積層されるなどして２種以上の材料から構成されてもよい。

支持基板３の厚みは、上部に位置する構造を支持可能であれば特に限定されないが、例えば５０μｍ～２５０μｍとしてもよい。

支持基板３上には、多層膜５が位置している。支持基板３と多層膜５とは直接接合されていてもよいし、不図示の接合層、平坦化層および／または密着層等を介して間接的に接合されていてもよい。

多層膜５は、第１層１１と第２層１３とを交互に積層することにより構成されている。これらの材料は、例えば、第２層１３の音響インピーダンスが第１層１１の音響インピーダンスよりも高くなるように適宜に選択されてよい。これにより、例えば、両者の界面においては弾性波の反射率が比較的高くなる。その結果、例えば、圧電膜７を伝搬する弾性波の漏れが低減される。具体的には、例えば、第１層１１の材料は、二酸化ケイ素（ＳｉＯ_２）とされてよい。この場合において、第２層１３の材料は、例えば、五酸化タンタル（Ｔａ_２Ｏ_５）、酸化ハフニウム（ＨｆＯ_２）、二酸化ジルコニウム（ＺｒＯ_２）、酸化チタン（ＴｉＯ_２）または酸化マグネシウム（ＭｇＯ）とされてよい。

多層膜５の積層数は適宜に設定されてよい。例えば、多層膜５は、第１層１１および第２層１３の合計の積層数が３層以上１２層以下とされてよい。ただし、多層膜５は、１層の第１層１１と１層の第２層１３との合計２層から構成されてもよい。また、多層膜５の合計の積層数は、偶数でもよいし、奇数でもよい。圧電膜７に接する層は、例えば、第１層１１である。基板３に接する層については第１層１１であってもよいし、第２層１３であってもよい。

第１層１１および第２層１３の厚みは、例えば、板波の反射率が高くなるように決定されてよい。後の説明では、第１層１１および第２層１３の厚みの具体例として、０．２０μｍおよび０．１７μｍ等の値が示される。第１層１１および第２層１３の厚みは、例示された値を中心として±０．０１μｍの範囲で設定されてもよい。

圧電膜７の材料には、例えば、ＬＴ，ＬＮ，酸化亜鉛（ＺｎＯ），窒化アルミニウム（ＡｌＮ）または水晶等を用いてよい。このような圧電材料を用いて、板波を効果的に励振することができる。

具体的には、例えば、圧電膜７の材料がＬＴである場合においては、圧電膜７は、オイラー角（φ、θ、ψ）によって（０°±２０°，－５°以上６５°以下，０°±１０°）と表されるものであってよい。別の観点では、圧電膜７は、回転ＹカットＸ伝搬のものとされ、また、Ｙ軸は、圧電膜７の法線（Ｄ３軸）に対して８５°以上１５５°以下の角度で傾斜してよい。また、上記と等価なオイラー角で表される圧電膜７が用いられてもよい。例えば、上記と等価なオイラー角としては、（１８０°±１０°，－６５°～５°，０°±１０°）、およびφに１２０°を加算若しくは減算したものを挙げることができる。

また、例えば、圧電膜７の材料がＬＮである場合においては、圧電膜７は、オイラー角（φ、θ、ψ）によって（０°，０°±２０°，Ａ°）と表されるものであってよい。ただし、Ａ°は０°以上３６０°以下の値である。すなわち、Ａ°は任意の角度をとることができる。

圧電膜７の厚みは、後述のＩＤＴ電極９の電極指１７のピッチｐ（２以上の共振子（ＩＤＴ電極）が設けられている場合は例えば最小のもの）に対して２ｐ未満の値としている。弾性波装置１は圧電膜７の厚みが極薄いため、ＩＤＴ電極９に電圧が印加されたときに板波が効率よく励振される。さらに、多層膜５側に漏洩した板波を圧電膜７側に反射することで、発生した板波のロスを低減し、圧電膜７中を伝搬する板波のエネルギー強度を高くすることができる。

また、圧電膜７の厚みは、１ｐ未満としてもよい。その場合には、ＩＤＴ電極９の電極指１７を安定して製造できる程度の大きさのピッチｐで板波を効率よく励振することができる。さらに、圧電膜７の厚みは、０．６ｐ未満としてもよい。その場合には、後述のスプリアスを少なくすることができる。なお、板波としては、例えばＡ１モードのラム波等を例示できる。

なお、板波は、変位成分に応じてラム波（弾性波伝搬方向、および圧電膜厚み方向の成分が主）とＳＨ波（ＳＨ成分が主）に分類される。更に、ラム波は対称モード（Ｓモード）と反対称モード（Ａモード）に分類される。圧電膜厚みの半分のラインで折り返したとき、変位が重なるものを対称モード、変位が反対方向のものを反対称モードとしている。ここで、Ａ１モードラム波とは、１次反対称モードラム波である。

ＩＤＴ電極９は、例えば、金属により形成されている。金属は、適宜な種類のものとされてよく、例えば、アルミニウム（Ａｌ）またはＡｌを主成分とする合金（Ａｌ合金）である。Ａｌ合金は、例えば、アルミニウム－銅（Ｃｕ）合金である。なお、ＩＤＴ電極９は、複数の金属層から構成されていてもよい。例えば、ＡｌまたはＡｌ合金と、圧電膜７との間に、これらの接合性を強化するためのチタン（Ｔｉ）からなる比較的薄い層が設けられていてもよい。ＩＤＴ電極９の厚さは適宜に設定されてよい。例えば、ＩＤＴ電極９の厚さは、０．０４ｐ以上０．２ｐ以下とされてよい。

ＩＤＴ電極９は、図１（ｂ）に示すように、一対の櫛歯状電極１５を含む。櫛歯状電極１５はその歯に相当する電極指１７を複数備えており、この電極指１７が互い違いに噛み合うように（交差するように）配置されている。

電極指１７は、繰り返し配列方向（板波の伝搬方向）にピッチｐで配列されている。なおピッチｐは電極指１７の繰り返し配列方向（板波の伝搬方向）における幅の中心の間隔を示すものとする。そして、電極指１７の繰り返し配列方向における幅をｗとし、ｗ／ｐでＩＤＴ電極９のＤｕｔｙを表すものとする。

複数の電極指１７のピッチ（周期）ｐ（互いに隣り合う２本の電極指１７の中心間距離）は、ＩＤＴ電極９内において基本的に一定である。なおＩＤＴ電極９は、一部にピッチｐに関して特異な部分を有していてもよい。特異な部分としては、例えば、大部分（例えば８割以上）よりもピッチｐが狭くなる狭ピッチ部、大部分よりもピッチｐが広くなる広ピッチ部、少数の電極指１７が実質的に間引かれた間引き部が挙げられる。

以下において、ピッチｐという場合、特に断りがない限りは、上記のような特異な部分を除いた部分（複数の電極指１７の大部分）のピッチをいうものとする。また、特異な部分を除いた大部分の複数の電極指１７においても、ピッチが変化しているような場合においては、大部分の複数の電極指１７のピッチの平均値をピッチｐの値として用いてよい。ＩＤＴ電極９のＤｕｔｙについても同様である。

なお、ＩＤＴ電極９はダミー電極等を備えていてもよい。また、弾性波装置１はＩＤＴ電極９の上部を覆うような絶縁膜を備えていてもよい。絶縁膜は、１種の材料からなるものであってもよいし、互いに異なる材料からなる複数の層の積層体であってもよい。絶縁膜の材料としては、例えばＳｉＯ_２、Ｓｉ_３Ｎ_４またはＴａ_２Ｏ_５等を用いてよい。

ＩＤＴ電極９のピッチｐおよびＤｕｔｙについては後述する。また、ＩＤＴ電極９の電極指１７の配列方向の両側には、反射器電極を設けてもよい。

ＩＤＴ電極９はＴ１とＴ２とを高周波信号の入出力端子とする１ポート共振子として機能する。そして、この共振子を図２に示すようにラダー型に接続することで、帯域通過型のフィルタを構成することができる。図２は、弾性波装置１の回路構成を示す図である。

図２において、弾性波装置１は、複数の直列共振子Ｓ（Ｓ１～Ｓ３）と複数の並列共振子Ｐ（Ｐ１～Ｐ３）がＩｎとＯｕｔとの各端子間にラダー型に接続されてなる。そして、個々の共振子ＳおよびＰが図１（ｂ）で示すＩＤＴ電極９で構成される。なお、図２において、ＩＤＴ電極９の形状は簡略化して示している。

弾性波装置１が帯域通過フィルタとして機能するためには直列共振子Ｓと並列共振子Ｐとで共振周波数を異ならせる必要がある。共振周波数ｆは音速Ｖを波長λで除した値となる（ｆ＝Ｖ／λ）。ここで波長λは２ｐで表される。このことから、従来の弾性波装置であれば、音速Ｖが一定であることからＩＤＴ電極のピッチｐを変更することで共振周波数を比例関数的に調整することができる。

これに対して、実施形態にかかる弾性波装置１は、板波を用いることからＩＤＴ電極９のピッチｐを調整するのみでは周波数を調整することが困難な場合がある。これは、板波の音速が、圧電膜７の厚みが薄い場合に早くなることに起因する。より詳細には、共振周波数ｆを低くするためにピッチｐを大きくすると、波長λも大きくなる。その一方で、圧電膜７のλに対する相対厚みが小さくなることから音速Ｖは速くなる。この関係を、ｆ＝Ｖ／λの式にあてはめると、周波数ｆを低くしようとλを大きくしても、それに伴い音速Ｖも大きくなり、共振周波数ｆの変化が小さくなる。以上より、周波数ｆを所望の値に調整することが困難となる。これは、共振周波数の異なる共振子を同一厚みの圧電膜７に設ける場合に特有の課題である。

そこで、実施形態に係る弾性波装置１では、直列共振子Ｓと並列共振子Ｐとで、ＩＤＴ電極９のピッチｐを異ならせるのに加え、Ｄｕｔｙも異ならせることで、直列共振子Ｓと並列共振子Ｐとの共振周波数を所望の値に調整している。Ｄｕｔｙを変化させることでも共振周波数ｆを変化させることができ、また、Ｄｕｔｙの変化と音速Ｖとの関連性は低いため、効果的に共振周波数を変化させることができる。

一般的には直列共振子Ｓ（第１共振子）の共振周波数の方が並列共振子Ｐ（第２共振子）の共振周波数より高いため、直列共振子Ｓのピッチｐ１を並列共振子Ｐのピッチｐ２に比べ小さくし、かつ、直列共振子ＳのＤｕｔｙを並列共振子ＰのＤｕｔｙに比べ小さくすることで、所望の共振周波数を得ることができる。

上記実施形態の弾性波装置１を下記の仕様で作成した。
圧電膜７：材料 ＬＴ，カット角 １１４°ＹカットＸ伝搬
多層膜５：積層数 ８層
第１層１１：材料 ＳｉＯ_２，厚み ０．２μｍ ，層数 ４
第２層１３：材料 ＨｆＯ_２，厚み ０．１７μｍ，層数 ４
ＩＤＴ電極９：材料 Ａｌ，厚み
直列共振子Ｓ：ピッチｐ１ １．０２６５μｍ ，Ｄｕｔｙ ０．３
並列共振子Ｐ：ピッチｐ２ １．２６０７μｍ ，Ｄｕｔｙ ０．５５
支持基板３：材料 Ｓｉ，厚み ２００μｍ

また、比較のために、直列共振子Ｓと並列共振子ＰとでＤｕｔｙを同一とした点を除いては同様にして構成した弾性波装置を比較例１として用意した。なお、比較例１において直列共振子Ｓと並列共振子Ｐとのピッチｐは音速Ｖが一定と仮定した場合に所望の周波数差を得ることのできる値となっている。

この場合に、弾性波装置１の直列共振子Ｓの共振周波数ｆ１は５４３９ＭＨｚ、並列共振子Ｐの共振周波数ｆ２は５０５２ＭＨｚであった。これに対して、比較例１の直列共振子の共振周波数は５４３９ＭＨｚ、並列共振子の共振周波数は５１９０ＭＨｚとなった。これは、共振周波数と***振周波数との差分であるΔｆで比較すると、弾性波装置１は３８７ＭＨｚであるのに対して、比較例１は２４９ＭＨｚとなり、十分な周波数変化を得られていないことを確認した。

２つの共振子間で、音速Ｖを一定と仮定したときに所望の周波数差を得られるピッチの差以上に、ピッチ差を取った上でそれに加えＤｕｔｙもその周波数差を広げる方向に差をつけてもよい。すなわち、周波数の変化率以上にピッチを変化させた上にＤｕｔｙを異ならせてもよい。換言すれば、ｆ１／ｆ２＜ｐ２／ｐ１とされてよい。この場合、所望の周波数差を実現することが更に容易化される。具体的には、音速Ｖが一定の場合にはｆ１／ｆ２＝ｐ２／ｐ１となる。上記の例では、ｆ１／ｆ２は１．０７であり、周波数の変化率は７％であるが、ｐ２／ｐ１は１．２２８であり、ピッチの変化率は約２３％となっている。

このようなピッチおよびＤｕｔｙの調整は、特に実現するフィルタの帯域が広いときに重要となる。具体的には比帯域幅が４％以上のときに重要性が高くなる。比帯域幅（または比帯域）は、公知のように、帯域幅（通過帯域）を中心周波数（帯域幅の中心の周波数）で割った比である。帯域幅としては、例えば、－３ｄＢ帯域幅を挙げることができる。

（圧電膜７の厚みとＩＤＴ電極９のピッチとの関係）
板波を用いた共振子には無数のスプリアスが発生する。このようなスプリアスは、圧電膜７のカット角、厚み、ＩＤＴ電極９のピッチｐおよび／または厚みの最適化等により、共振周波数および***振周波数の間において低減されてよい。しかしながら、上述の通り、フィルタの通過帯域を構成するためには共振周波数の異なる共振子を組み合わせる必要がある。ここで、これらスプリアス低減の最適構成を一方の共振子に合わせると、他方の共振子の最適構成から外れてしまい、結果として、弾性波装置１全体としてはスプリアスの影響が大きくなってしまう可能性がある。

図３に、共振周波数をピッチのみを用いて異ならせて構成した場合の共振子特性を示す。具体的にはピッチを０．９２９μｍ，１．０１８μｍ，１．１７５μｍとした。実現する帯域幅が狭い場合は、少なくとも２つの異なる共振周波数を備える共振子でフィルタを実現できるが、帯域幅が広い場合には、図３に示すように、複数の（この例では３つの）共振周波数を備える共振子を必要とする。

図３において横軸は周波数、縦軸はインピーダンスの位相を示す。位相の立ち上がり（位相の山の低周波数側の境界）は、概ね、共振周波数に対応する。位相の立ち下がり（位相の山の高周波数側の境界）は、概ね、***振周波数に対応する。また、この共振子を用いて帯域通過フィルタを形成する場合の帯域も図中に示している。図３からも明らかなように通過帯域内にもスプリアスが発生している様子が確認できる。

ここで、圧電膜７の厚みを変化させたときの共振子のスプリアス発生周波数をシミュレーションによって求めた。以下も同様だが、シミュレーションは有限要素法（ＦＥＭ）で行なった。ＦＥＭはソフトによる依存性は少ないが、例えば、ＡＮＳＹＳ Ｍｅｃａｎｉｃａｌ Ｖｅｒ１９．０を用いてもよい。シミュレーションの基本モデルは下記の通りである。
支持基板３：Ｓｉ基板
多層膜５：８層
第１層１１：材料 ＳｉＯ_２，厚み ０．２μｍ ，層数 ４
第２層１３：材料 ＨｆＯ_２，厚み ０．１７μｍ ，層数 ４
圧電膜７：材料 １１４°Ｙ回転Ｘ伝搬ＬＴ基板
ＩＤＴ電極９：材料 Ａｌ，Ｄｕｔｙ ０．５，厚み ０．１３μｍ
なお、所望の共振周波数を実現できるように、上述の条件においてピッチｐを調整している。

図４に、３つの共振周波数（５０５０ＭＨｚ、５２５０ＭＨｚ、５４５０ＭＨｚ）を実現する共振子について、圧電膜７の厚みとスプリアスの周波数との相関を示す。なお、共振周波数はピッチｐの変更のみで実現している。参考までに、図４中に、図３で示した３つの共振周波数を用いて実現するフィルタについて通過帯域を右端に両矢印で示している。通過帯域は具体的には５．０５ＧＨｚ～５．３５ＧＨｚである。

図４において横軸は圧電膜の厚みｔＬＴ（単位：μｍ）、縦軸はスプリアスの周波数ｆｓｐ（単位：ＭＨｚ）である。各厚みにおいて、プロットは、インピーダンスの絶対値の極値が生じる周波数においてなされており、スプリアスの周波数だけでなく、共振点の周波数（共振周波数）もプロットされている。従って、上述した共振周波数近傍において横軸に概略平行に並ぶ複数のプロットは、共振周波数を示している。また、残りの複数のプロット（概略、横軸に対して傾斜する方向に並んでいる複数のプロット）は、スプリアスの周波数を示している。図４に示す通り、圧電膜の厚みをいずれの値に設定した場合であってもスプリアスが共振周波数近傍を含めて多く生じている様子を確認できる。

これに対して、弾性波装置１によれば、スプリアスの影響を低減させることができる。その結果を図５に示す。図５は、図４の結果からＤｕｔｙを０．３～０．５５まで変化させてスプリアス最少となるよう調整した場合の結果を示すものである。具体的には、共振周波数５４５０ＭＨｚを実現する共振子Ｒ１のＤｕｔｙを０．３とし、共振周波数５２５０ＭＨｚを実現する共振子Ｒ２のＤｕｔｙを０．３とし、共振周波数５０５０ＭＨｚを実現する共振子Ｒ３のＤｕｔｙを０．５５とし、それぞれの共振子Ｒ１～Ｒ３において生じるスプリアスの周波数をプロットした。

図５において、共振子Ｒ１～Ｒ３の共振周波数を示すＬ１～Ｌ３にいずれのスプリアスも重ならない領域（以下、スプリアスフリー領域という）がある。具体的には共振子Ｒ３のスプリアスの一モードＭ３（三角形のプロットからなる複数の配列のうちＭ３の引き出し線が指しているもの）と共振子Ｒ１のスプリアスの一モードＭ１（円形のプロットからなる複数の配列のうちＭ１の引き出し線が指しているもの）との間に、点線で囲うようなスプリアスフリー領域が確認できる。このような領域は図４においては確認できなかった。このように、周波数をピッチｐのみではなく、Ｄｕｔｙも異ならせることで、共振周波数近傍にスプリアスが発生しないスプリアスフリー領域を作り出すことができることを確認した。具体的には、圧電膜７の厚みを０．４１４μｍ±０．０１μｍとしたときに、共振周波数近傍におけるスプリアスの発生を抑制できる。

また、共振周波数よりも高周波数側において発生するスプリアスの強度も小さくすることができる。図９（ａ）および図９（ｂ）に、共振子Ｒ１と共振子Ｒ３とにおいて生じるスプリアスの周波数と基板厚みとの関係を示す。バブルの大きさがスプリアス強度を示している。この図からも基板の厚みを上述の範囲内にすることで、共振周波数よりも高周波数側、ひいては、フィルタの通過帯域よりも高周波数側におけるスプリアス強度を小さくすることができることが分かる。

このような、モードＭ１とモードＭ３とで挟まれるスプリアスフリー領域を実現する共振周波数とＤｕｔｙとの関係を図６（ａ）および図６（ｂ）に示す。図６（ａ）および図６（ｂ）は、一般化するために、フィルタを構成するために用いられる複数の共振子のうち１つの共振子の共振周波数で規格化したときの、当該１つの共振子および他の少なくとも１つの共振子の規格化周波数をスプリアスフリー領域に位置させることのできる条件をシミュレーションしたものである。図６（ａ）および図６（ｂ）において、横軸は規格化周波数（単位なし）、縦軸はＤｕｔｙ（単位なし）である。

図６（ａ）は、低周波数側の共振子を基準とした共振周波数とＤｕｔｙとの相関を示す線図であり、図６（ｂ）は、高周波数側の共振子を基準とした共振周波数とＤｕｔｙとの相関を示す線図である。

図６（ａ）および図６（ｂ）は、具体的には、以下のようにして求めた。

シミュレーションの条件として、共振周波数を５０５０ＭＨｚ～５４５０ＭＨｚの範囲で種々設定するとともに、Ｄｕｔｙを０．２～０．７の範囲で種々設定した。また、設定されたＤｕｔｙによって、設定された共振周波数が実現されるようにピッチｐを設定した。すなわち、共振周波数およびＤｕｔｙ（ならびにピッチｐ）が互いに異なる複数の共振子を想定した。複数の共振子の他の条件は、上述した条件と同様である。

上記のように設定した複数の共振子のそれぞれについて、モードＭ１およびＭ３のスプリアスの発生周波数をシミュレーションによって求めた。別の観点では、共振子毎に、図５のようにプロットされる特性を算出した。そして、共振子毎に、モードＭ１およびＭ３のスプリアスが位置しないスプリアスフリー領域が確保されているか否か判定した。具体的には、概略、厚みｔＬＴが０．４０～０．４２、かつ周波数が５０５０ＭＨｚ～５４５０ＭＨｚの範囲に、モードＭ１およびＭ３（並びに他のモード）の発生周波数が位置するか否か判定し、位置しなければ、スプリアスフリー領域が確保されていると判定した。

共振周波数毎に、スプリアスフリー領域が確保される上限のＤｕｔｙと、スプリアスフリー領域が確保される下限のＤｕｔｙとを求めた。図６（ａ）および図６（ｂ）では、求められた上限および下限のＤｕｔｙが破線で示されている。図６（ａ）は、上述した周波数範囲の下限である５０５０ＭＨｚによって横軸が規格化されている。図６（ｂ）は、上述した周波数範囲の上限である５４５０ＭＨｚによって横軸が規格化されている。

２以上の共振子のＩＤＴ電極９を設計する際に、図６（ａ）および／または図６（ｂ）において破線で囲まれた閉空間内に座標が位置するようにＤｕｔｙと共振周波数との組み合わせを決定してよい。そして、所望の共振周波数を指定のＤｕｔｙで実現できるようにピッチｐを調整してよい。なお、本件は板波を用いていることから、共振周波数ｆｒは、例えば、４ＧＨｚ以上である。

弾性波装置１がラダー型フィルタを有している場合においては、例えば、複数の並列共振子Ｐのうち最も共振周波数の低い並列共振子の共振周波数を基準としたときに、複数の直列共振子Ｓおよび複数の並列共振子Ｐのうち少なくとも２以上のＤｕｔｙと共振周波数との関係が図６（ａ）に破線で示す範囲内であってよい。および／または、複数の直列共振子Ｓのうち最も共振周波数の高い直列共振子の共振周波数を基準としたときに、複数の直列共振子Ｓおよび複数の並列共振子Ｐのうち少なくとも２以上のＤｕｔｙと共振周波数との関係が図６（ｂ）に破線で示す範囲内であってよい。

なお、実現したい周波数差（共振周波数の差分）の区分が、図６（ａ）および／または図６（ｂ）に示す閉空間の規格化周波数方向における広がりよりも小さい場合は、閉空間の範囲内で自由に区分の起点を選ぶことができる。すなわち、図６（ａ）において、両矢印で示すように、例えば規格化周波数で４％に相当する区分Ａを実現する際は、規格周波数１．０～１．０４の範囲を用いてもよいし、規格周波数１．０４から始まる範囲を用いてもよい。

図６（ａ）において、破線の内部に位置する規格化周波数とＤｕｔｙとの組み合わせで共振子Ｒｘ１－Ｒｘ５を作成したときの条件を図７に、共振子の周波数特性を図８に示す。各共振子の図７に示す設計値以外の条件は下記の通りである。
支持基板３：Ｓｉ基板
多層膜５：８層
第１層：材料 ＳｉＯ_２，厚み ０．２μｍ
第２層：材料 ＨｆＯ_２，厚み ０．１７μｍ
圧電膜７：材料 １１４°Ｙ回転Ｘ伝搬ＬＴ基板，厚み ０．４０６μｍ
ＩＤＴ電極９：材料 Ａｌ，厚み ０．１３μｍ
ＩＤＴ電極９上の保護膜：材料 ＳｉＯ_２，厚み ０．０１３μｍ

図８からも明らかなように、各共振子ともに、他の共振子の共振周波数および***振周波数近傍に図３に示すようなスプリアスは確認されなかった。特に、ラダー型フィルタを構成する場合には、並列共振子の***振周波数と直列共振子の共振周波数とを略一致させて通過帯域を構成する。ここで、図８において、低周波数側の共振子の***振周波数と、高周波数側の共振子の共振周波数とが重なる共振子の組み合わせで確認すると、通過帯域近傍にスプリアスがないことを確認できる。

さらに、図８に示す共振子の特性によれば、***振周波数の高周波数側においても大きなスプリアスは確認されないことから、高周波数側に位置する他のフィルタ等への影響も低減することができることが分かる。

以上より、実施形態にかかる弾性波装置１によれば、板波を用いることで５ＧＨｚを超える高い共振周波数の共振子を複数、同一厚みの圧電膜７上に位置させることができ、かつ、スプリアスを低減した周波数特性を実現することができる。

また、ピッチｐとＤｕｔｙとの双方を異ならせて共振周波数を調整することで、ロスを低減した弾性波装置１を提供することができる。その理由としては、例えば、既述のように、圧電膜中を伝搬する弾性波の音速にＤｕｔｙが及ぼす影響は小さく、２つの共振子のそれぞれで最適設計が得られやすいことが挙げられる。また、例えば、下記のように、多層膜５の影響も挙げられる。

多層膜５を構成する第１層１１と第２層１３との膜厚は、ピッチｐを元に反射率を高めるように決定されている。ここで、上述の通り、フィルタの通過帯域を構成するために、ピッチｐ１とピッチｐ２との差は通常の弾性波装置に比べて大きくなる。このため、多層膜５の各層の厚みを一方の共振子に最適なように設定すると、他方の共振子の最適構成から大きく外れることとなる。所望の周波数差をピッチｐの調整のみで実現する場合には、２つの共振子でピッチｐの絶対値の差が大きくなるため、他方の共振子においてロスが大きくなることとなる。これに対して、弾性波装置１によれば、２つの共振子間でピッチｐの差を小さくすることができるので、多層膜の最適膜厚構成からのズレを低減し、その結果、ロスを低減することができる。

なお、上述の例では、共振周波数の異なる共振子の例として、ラダー型フィルタを構成する直列共振子と並列共振子とを例に説明したが、この限りではない。例えば、同一厚みの圧電膜上に２以上の通過帯域の異なるフィルタを配置し、一方のフィルタを構成する共振子と他方のフィルタを構成する共振子とに本開示に係る技術を適用してもよい。また、１つのフィルタを構成する共振子と、それに接続される特性調整用の共振子とに本開示に係る技術を適用してもよい。

（別の実施形態）
上述の例では、多層膜５と支持基板３とを備える構成を例に説明したが、これらを備えなくてもよい。図１０に、本開示の他の実施形態に係る弾性波装置１Ａの模式的な断面図を示す。

弾性波装置１Ａは、圧電膜７が支持基板３に直接配置されており、かつ、圧電膜７のうちＩＤＴ電極９の位置と重なる位置において支持基板３に凹部３ｘが形成されている。すなわち、圧電膜７は支持基板３に空隙を介して支持されている「メンブレン」形状となっている。

図１１は、図９（ａ）の共振子において、多層膜をなくし、支持基板３の形状を図１０に示す形状とし、その他の設計は同様とした場合の圧電膜厚みとスプリアス周波数との関係を示す図である。バブルの大きさはスプリアス強度を示している。図からも明らかなように、多層膜を備える場合と、備えない場合（メンブレム形状の場合）との間に、スプリアスの強度や周波数は殆ど差異がないことを確認できた。

この結果によれば、多層膜は、板波を閉じ込めるために有用な構造ではあるが、今回検討した種類のスプリアスの低減に必須ではない（別の観点では多層膜が今回検討したスプリアスに及ぼす影響は少ない。）。

以上より、弾性波装置１に関する結果（例えば、図５～図９）は、主として圧電膜と電極指の設計に依存し、多層膜の有無、多層膜の材料や厚み、支持基板の有無、支持基板の材料や厚み等に対する依存性は低いものであることが分かった。

（別の実施形態）
上述の例では、圧電膜７としてカット角１１４°のＬＴを用いた場合を例に説明したが、他のカット角を用いたり、他の材料を用いたりしてもよい。

図１２（ａ）に、圧電膜７として１０６°Ｙ回転Ｘ伝搬ＬＴ基板を用いた場合の図４に相当する図を、図１２（ｂ）に、図５に相当する図を示す。これらの図から、カット角を異ならせた場合であっても、Ｄｕｔｙを調整することでスプリアスフリーとなる領域が出現することを確認した。

また、圧電膜として、１０５°Ｙ回転Ｘ伝搬ＬＮ基板（オイラー角（０°，１５°，０°））を用いた場合の図６（ａ）および図６（ｂ）に相当する図を図１３（ａ）および図１３（ｂ）に、図７および図８に相当する図を図１４（ａ）および図１４（ｂ）にそれぞれ示す。これらの図からＬＮ基板を用いた場合であっても同様にＤｕｔｙを調整することでスプリアスを低減することができることを確認できた。

なお、図１３（ａ）～図１４（ｂ）のシミュレーションにおいて、図１４（ａ）に示す設計値以外の条件は以下の通りである。
支持基板３：Ｓｉ基板
多層膜５：８層
第１層：材料 ＳｉＯ_２，厚み ０．２μｍ
第２層：材料 Ｔａ_２Ｏ_５，厚み ０．１４μｍ
圧電膜７：厚み ０．３８６μｍ
ＩＤＴ電極９：材料 Ａｌ，厚み ０．１１μｍ
ＩＤＴ電極９上の保護膜：材料 ＳｉＯ_２，厚み ０．０１３μｍ

また、この構成において、多層膜５の構成を以下のようにした場合も図１３（ａ）～図１４（ｂ）と同様の結果を得た。
多層膜５：８層
第１層：材料 ＳｉＯ_２，厚み ０．２μｍ
第２層：材料 Ｔａ_２Ｏ_５，厚み ０．１６μｍ

（別の実施形態）
図６（ａ）および図６（ｂ）において、Ｄｕｔｙを一定とした場合に、スプリアスフリー領域を保った状態で調整可能な共振周波数幅を確認した。その結果、Ｄｕｔｙを０．２９以上０．３１以下にすると調整可能な共振周波数幅を最大に広げることができることを確認した。このように、板波を用いた弾性波装置において、ＩＤＴ電極のＤｕｔｙを通常より小さい０．２９以上０．３１以下とすると、互いに異なる共振周波数を有する複数の共振子のそれぞれにおいて、スプリアスを低減することが容易化される。ひいては、複数の共振子を有する弾性波装置においてスプリアスを低減することが容易化される。この場合も、支持基板や多層膜は省略して、圧電膜をいわゆるメンブレン形状としてもよい。

（別の実施形態）
圧電膜の厚みは、圧電膜の加工性等を考慮して０．３ｐ以上としてもよい。この場合には、所望の膜厚から差異の少ない厚みを実現することができるので、その結果、電気特性を良好なものとすることができる。また、圧電膜の厚みはスプリアスの影響を考えると０．６ｐ以下としてもよいため、０．３ｐ以上０．６ｐ以下としてもよい。

実施形態の説明では、２つの共振子の間で、ピッチとＤｕｔｙとの双方を互いに異ならせる態様を例に取った。ただし、２つの共振子は、Ｄｕｔｙのみが互いに異なっていてもよい。例えば、１つのフィルタ内において、複数の直列共振子は、フィルタの特性を微調整するために共振周波数が僅かにずらされることがある。このような場合において、複数の直列共振子間において、ピッチは同一で、Ｄｕｔｙが互いに異ならされてもよい。複数の並列共振子についても同様である。

１…弾性波装置
３…支持基板
５…多層膜
７…圧電膜
９…ＩＤＴ電極

Claims (5)

1. オイラー角（０°±２０°，－５°以上６５°以下、０°±１０°）又はこれと等価なオイラー角のタンタル酸リチウム単結晶からなる圧電膜と、
   前記圧電膜の上面に位置する、それぞれＩＤＴ電極を含む第１共振子および第２共振子と、
   を備え、
   前記圧電膜の厚みが、前記第１共振子および前記第２共振子のいずれの前記ＩＤＴ電極の電極指の周期の２倍よりも小さく、
   前記第１共振子と前記第２共振子とで前記電極指のＤｕｔｙが異なり、
   前記第１共振子は、前記第２共振子の共振周波数に比べて高い共振周波数を備え、
   前記第１共振子の前記電極指の周期は、第２共振子の前記電極指の周期に比べて小さく、
   前記第１共振子の前記電極指のＤｕｔｙは、第２共振子の前記電極指のＤｕｔｙに比べて小さく、
   複数の直列共振子と複数の並列共振子と、がラダー型に接続されたフィルタを構成しており、
   前記複数の直列共振子の少なくとも１つが、前記第１共振子であり、
   前記複数の並列共振子の少なくとも１つが、前記第２共振子であり、
   前記複数の並列共振子のうち最も共振周波数の低い並列共振子の共振周波数を基準としたときに、前記複数の直列共振子および前記複数の並列共振子のうち少なくとも２以上のＤｕｔｙと共振周波数との関係が図６（ａ）に破線で示す範囲内である、
   もしくは、
   前記複数の直列共振子のうち最も共振周波数の高い直列共振子の共振周波数を基準としたときに、前記複数の直列共振子および前記複数の並列共振子のうち少なくとも２以上のＤｕｔｙと共振周波数との関係が図６（ｂ）に破線で示す範囲内である、
   板波を利用する弾性波装置。
2. 前記第２共振子の前記電極指の周期を前記第１共振子の前記電極指の周期で割った比は、前記第１共振子の共振周波数を前記第２共振子の共振周波数で割った比よりも大きい、請求項１に記載の弾性波装置。
3. 支持基板と
   前記支持基板上に位置する多層膜と、を備え、
   前記圧電膜は、前記多層膜上に位置する、請求項１または２に記載の弾性波装置。
4. 前記圧電膜の下に交互に積層されている第１層および第２層を備え、
   前記第１層は、ＳｉＯ_２からなり、その厚みは０．２０μｍ±０．０１μｍであり、
   前記第２層は、ＨｆＯ_２からなり、その厚みは０．１７μｍ±０．０１μｍであり、
   前記圧電膜は、１１４°Ｙ回転Ｘ伝搬のタンタル酸リチウム単結晶からなる、請求項１乃至３のいずれかに記載の弾性波装置。
5. 前記圧電膜の厚みが、前記第１共振子および前記第２共振子のいずれの前記ＩＤＴ電極の電極指の周期よりも小さく、
   前記多層膜が、第１層と、該第１層よりも音響インピーダンスが高い第２層とを有し、
   前記第１共振子と前記第２共振子とはＤｕｔｙが０．２９以上０．３１以下である、請求項３に記載の弾性波装置。

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