JPH08316779A - 弾性表面波素子 - Google Patents

弾性表面波素子

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JPH08316779A
JPH08316779A JP14131095A JP14131095A JPH08316779A JP H08316779 A JPH08316779 A JP H08316779A JP 14131095 A JP14131095 A JP 14131095A JP 14131095 A JP14131095 A JP 14131095A JP H08316779 A JPH08316779 A JP H08316779A
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JP
Japan
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acoustic wave
surface acoustic
propagation direction
cut
sapphire substrate
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Application number
JP14131095A
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English (en)
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Naoki Tanaka
直樹 田中
Hiroshi Okano
寛 岡野
Tatsuro Usuki
辰朗 臼杵
Kenichi Shibata
賢一 柴田
Taizo Kobayashi
泰三 小林
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Sanyo Electric Co Ltd
Original Assignee
Sanyo Electric Co Ltd
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 単結晶サファイア基板上に圧電膜を形成して
なる弾性表面波素子に於いて、従来よりも高音速が得ら
れるカット面及び弾性表面波伝搬方向を見出し、これに
よって高周波数対応の弾性表面波素子を提供する。 【構成】 単結晶サファイア基板のカット面及び弾性表
面波伝搬方向を、オイラー角表示で(0°,50°,9
0°)及びこれと実質的に等価な範囲とする。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、単結晶サファイア基板
上に圧電膜を形成してなる弾性表面波素子に関するもの
である。
【0002】
【従来の技術】携帯用電話機等の通信機器に於いては、
共振器フィルター、信号処理用遅延線等の回路素子とし
て、弾性表面波素子が用いられている。弾性表面波素子
は、例えば圧電性を有する基板の表面に櫛形の電極や反
射器を形成し、電気信号と弾性表面波の相互の変換を行
なうものである。一般に、弾性表面波素子の圧電基板に
於いては、電気機械結合係数が大きいこと、伝搬損失が
小さいこと等が要求される。
【0003】ところで、近年の通信機器の高周波化に伴
って、ギガヘルツ帯で使用可能な弾性表面波素子へのニ
ーズが高まっている。弾性表面波素子の中心周波数f0
は、弾性表面波の伝搬速度Vと波長λとの関係で次式に
よって表わされる。
【数3】f0=V/λ ここで、波長λは、電極のピッチdによって決まる(λ
=4d)。従って、弾性表面波素子の高周波化に対応す
るには、音速(弾性表面波伝搬速度)の大きな材料を使用
する方法や、電極ピッチを狭小化する方法が考えられ
る。
【0004】従来は、弾性表面波素子の基板材料とし
て、タンタル酸リチウム(LiTaO3)や、ニオブ酸リチ
ウム(LiNbO3)などが用いられてきた。タンタル酸リ
チウム基板の36°Y−カットX伝搬では、音速が41
32m/s、ニオブ酸リチウム基板の64°Y−カット
X伝搬では、音速が4419m/sである。現在の量産
レベルでのパターニング技術の限界を電極ピッチ0.6
μmとすれば、これらの基板を用いた弾性表面波素子の
中心周波数は、夫々1.72GHz、1.84GHzが上
限となる。
【0005】弾性表面波素子の高周波化に対する近年の
更なる要求に応じるには、更に高い音速の基板を開発す
ることが不可欠である。そこで、タンタル酸リチウムや
ニオブ酸リチウムよりも高音速が得られるサファイアを
基板として用いた弾性表面波素子の研究が行なわれてい
る。サファイアはそれ自身、圧電性を持たないため、酸
化亜鉛(ZnO)や窒化アルミニウム(AlN)などの圧電薄
膜を基板表面に1層あるいは数層成膜し、この圧電薄膜
によって弾性表面波を励振させる。現在、弾性表面波素
子の基板として使用されている単結晶サファイアのカッ
ト面は、主に図9に示すC面と図10に示すR面であ
る。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、サファ
イア基板を用いた従来の弾性表面波素子においても、C
面およびR面での最大音速が夫々5700m/s及び5
880m/sであって(図3、図4参照)、更に高い音速
のカット面が存在する可能性がある。この様な最適なカ
ット面や弾性表面波伝搬方向については、未だ十分な研
究が為されていない。本発明の目的は、単結晶サファイ
ア基板を用いた弾性表面波素子に於いて、従来よりも高
音速が得られるカット面及び弾性表面波伝搬方向を見出
し、これによって高周波数対応の弾性表面波素子を提供
することである。
【0007】
【課題を解決する為の手段】一般に単結晶基板に於いて
は、カット面或いは弾性表面波伝搬方向によって音速が
変化することが知られており、サファイア基板に於いて
も、C面およびR面よりも高音速を持つ面方位が存在す
るものと考えられる。そこで本発明では、サファイア基
板のカット面及び弾性表面波伝搬方向を種々に変えて、
夫々の伝搬速度を理論的に計算し、その結果に基づい
て、最適なカット面及び弾性表面波伝搬方向を有する弾
性表面波素子を完成した。
【0008】尚、弾性表面波伝搬速度の計算において
は、従来より知られている一般的な解法( 例えば、J.J.
Campbell, W.R.Jones,"A Method for Estimating Optim
al Crystal Cuts and Propagation Directions for Exc
itation of Piezoelectric Surface Waves", IEEE tran
saction on Sonics and Ultrasonics, vol.SU-15, No.
4, pp209-217,(1968)参照)を採用し、コンピュータシミ
ュレーションによって、カット面及び弾性表面波伝搬方
向の最適値を求めた。そして、最適なカット面及び弾性
表面波伝搬方向については、実際に弾性表面波素子を試
作して、その特性を実測したところ、シミュレーション
結果と符合する測定値が得られた。これによって、コン
ピュータシミュレーションの妥当性が裏付けられる。
【0009】本発明に係る弾性表面波素子は、単結晶サ
ファイア基板のカット面及び弾性表面波伝搬方向を、オ
イラ角表示で(0°,θ,ψ)及びこれと実質的に等価な
範囲とするとき、θ及びψを下記数4の範囲に設定した
ものである。
【数4】 32°+90°×m≦θ≦72°+90°×m 63°+180°×n≦ψ≦117°+180°×n 但し、m及びnは整数(0,1,2,3,…)である。
【0010】又、具体的構成に於いて、θ及びψは下記
数5の値に設定される。
【数5】θ=50°+90°×m ψ=90°+180°×n 但し、m及びnは整数(0,1,2,3,…)である。
【0011】
【作用及び効果】上記数4で表わされるカット面及び伝
搬方向を有する弾性表面波素子によれば、従来のR面に
おける音速の最大値(5880m/s)を越える音速が得
られる。更に上記数5で表わされるカット面及び伝搬方
向を有する弾性表面波素子によれば、最大の音速(60
60m/s)が得られることになる。従って、本発明に
よれば、従来の電極微細加工技術及び圧電体材料を用い
て、より高周波数帯域で使用可能な弾性表面波素子を実
現することが可能である。
【0012】
【実施例】以下、本発明の一実施例につき、図面に沿っ
て詳述する。先ず、図6に基づいて、カット面及び弾性
表面波伝搬方向を特定するためのオイラー角(φ,θ,
ψ)について説明する。図示の如くサファイア単結晶の
結晶軸をa1軸、a2軸、及びc軸とするとき、c軸を回
転軸としてa1軸をa2軸側へ角度φだけ回転させて、こ
れを第1軸とする。次に第1軸を回転軸としてc軸を反
時計回りに角度θだけ回転させ、これを第2軸とする。
この第2軸を法線として第1軸を含む面方位でカット
し、基板とする。そして、該面方位にカットした基板に
おいて、第2軸を中心として第1軸を反時計回りに角度
ψだけ回転させた軸を第3軸とし、この第3軸を弾性表
面波伝搬方向とする。このとき、カット面及び弾性表面
波伝搬方向をオイラー角(φ,θ,ψ)と表わすのであ
る。
【0013】次に、シミュレーション結果について述べ
る。尚、音速の計算においては、サファイア基板の表面
に形成される圧電膜の存在は無視し、サファイア基板の
表面が自由面であると仮定した。この仮定の妥当性につ
いては後述する。
【0014】図1は、φ=0°、θ=50°でカットし
た本発明のサファイア基板の音速を、伝搬方向ψの関数
として表わしたものである。音速は180°の周期をも
って変動しており、ψ=−90°及び90°にて音速が
最大値6060m/sとなっている。一方、図3及び図
4は夫々、従来のサファイアC面及びR面における音速
を、伝搬方向ψの関数として表わしたものである。C面
及びR面での音速の最大値は夫々、5700m/s、5
880m/sである。
【0015】本発明(図1)と従来(図3及び図4)の比較
から、本発明のカット面を有するサファイア基板におい
ては、63°≦ψ≦117°の範囲でR面の最大値58
80m/sよりも高い音速が得られることがわかる。
尚、図1から明らかな様に、本発明のカット面における
音速は、伝搬方向ψに対して180°の周期性をもって
いるので、ψの最適値は上記数4或いは数5の範囲で表
わすことが出来る。
【0016】図2は、φ=0°、ψ=90°の条件で、
音速をθの関数として表わしたものである。音速は90
°の周期をもって変動しており、θ=−130°、−4
0°、50°及び140°にて音速が最大値6060m
/sとなっている。
【0017】又、32°≦θ≦72°の範囲で、R面で
の最大値5880m/sよりも大きな音速が得られるこ
とがわかる。図2から明らかなように、音速は、φ=0
°、ψ=90°の条件では、θに対して90°の周期性
をもっているので、θの最適値は上記数4或いは数5の
範囲で表わすことが出来る。
【0018】最後に、本発明を弾性表面波共振器に適用
した実施例について説明する。図7に示す如く弾性表面
波共振器は、φ=0°、θ=50°でカットしたサファ
イア基板(5)のカット面に、窒化アルミニウム(AlN)
からなる圧電膜(6)を形成している。該圧電膜(6)の表
面には、図8に示す如く櫛形電極(7)(8)を配置すると
共に、その両側に櫛形反射器(9)(10)を配置している。
これらの電極及び反射器は、線幅及び線間が共に1.0
μmであって、弾性表面波の伝搬方向ψが90°となる
向きに配置されている。
【0019】圧電膜(6)はECRデュアルイオンビーム
スパッタ装置を用いて成膜を行ない、本実施例では膜厚
を4000Åとした。また、電極(7)(8)及び反射器
(9)(10)は、圧電膜(6)と同じ装置を用いて2000Å
のアルミニウム膜を形成した後、フォトリソグラフィー
によってパターニングを行ない、櫛形に成形した。
【0020】又、本発明と従来の比較のために、サファ
イアC面に上記と同じ構成の窒化アルミニウム圧電膜及
び櫛形電極を形成した従来の弾性表面波共振器を作製
し、両者の通過特性を実測した。
【0021】図5は、上記本発明の基板を用いた弾性表
面波共振器の通過特性と、従来の弾性表面波共振器の通
過特性を表わしている。本発明の弾性表面波共振器は、
その中心周波数が1.56GHzであって、サファイア
C面を用いた従来の弾性表面波共振器の中心周波数1.
43GHzよりも高くなっており、より高い周波数帯域
で使用可能であることがわかる。
【0022】尚、図1及び図2の結果からは、(0°,
50°,90°)カットのサファイア基板の音速は60
60m/sであって、この値からは中心周波数が1.5
2GHzとなるが、実測値と比べて大きな誤差のないこ
とがわかる。これより、圧電膜の存在を無視した上記コ
ンピュータシミュレーションの妥当性が裏付けられる。
【0023】又、コンピュータシミュレーションによる
理論計算において、弾性表面波素子のモデル化に伴う多
少の誤差があったとしても、その誤差は図1乃至図4の
グラフの横軸方向には殆ど発生しないと考えられる。然
も、本発明の図1と従来の図3及び図4とを比較する上
では、両者に同じ大きさの誤差が含まれるから、上述の
角度範囲についての結論に影響はないと言える。
【0024】上記実施例の説明は、本発明を説明するた
めのものであって、特許請求の範囲に記載の発明を限定
し、或は範囲を減縮する様に解すべきではない。又、本
発明の各部構成は上記実施例に限らず、特許請求の範囲
に記載の技術的範囲内で種々の変形が可能である。例え
ば、本発明は、図7及び図8に示す弾性表面波共振器に
限らず、フィルターや遅延線など、あらゆる構造の弾性
表面波素子に実施できるのは言うまでもない。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の弾性表面波素子におけるサファイア基
板の音速を、伝搬方向ψを関数として表わすグラフであ
る。
【図2】本発明の弾性表面波素子におけるサファイア基
板の音速を、面方位θを関数として表わすグラフであ
る。
【図3】サファイアC面での音速を、伝搬方向ψを関数
として表わすグラフである。
【図4】サファイアR面での音速を、伝搬方向ψを関数
として表わすグラフである。
【図5】本発明に係る弾性表面波共振器の通過特性と、
従来の弾性表面波共振器の通過特性を表わすグラフであ
る。
【図6】オイラー角表示を説明する図である。
【図7】本発明を実施すべき弾性表面波共振器の構造を
表わす斜視図である。
【図8】櫛形電極及び反射器のパターンを示す平面図で
ある。
【図9】サファイアC面を示す斜視図である。
【図10】サファイアR面を示す斜視図である。
【符号の説明】
(5) サファイア基板 (6) 圧電膜 (7) 櫛形電極 (8) 櫛形電極
フロントページの続き (72)発明者 柴田 賢一 大阪府守口市京阪本通2丁目5番5号 三 洋電機株式会社内 (72)発明者 小林 泰三 大阪府守口市京阪本通2丁目5番5号 三 洋電機株式会社内

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 単結晶サファイア基板上に圧電膜を形成
    してなる弾性表面波素子に於いて、単結晶サファイア基
    板のカット面及び弾性表面波伝搬方向を、オイラ角表示
    で(0°,θ,ψ)及びこれと実質的に等価な範囲とする
    とき、θ及びψを下記数1の範囲に設定した弾性表面波
    素子。 【数1】 32°+90°×m≦θ≦72°+90°×m 63°+180°×n≦ψ≦117°+180°×n 但し、m及びnは整数(0,1,2,3,…)
  2. 【請求項2】 θ及びψは下記数2の値に設定される請
    求項1に記載の弾性表面波素子。 【数2】θ=50°+90°×m ψ=90°+180°×n 但し、m及びnは整数(0,1,2,3,…)
JP14131095A 1995-05-15 1995-05-15 弾性表面波素子 Pending JPH08316779A (ja)

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Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2011139215A (ja) * 2009-12-28 2011-07-14 Seiko Epson Corp 弾性表面波デバイス、発振器、モジュール装置
JP2011166567A (ja) * 2010-02-12 2011-08-25 Seiko Epson Corp 弾性表面波デバイス、発振器、モジュール装置
JP2011176546A (ja) * 2010-02-24 2011-09-08 Seiko Epson Corp 弾性表面波デバイス、発振器、モジュール装置
US8624690B2 (en) 2009-12-28 2014-01-07 Seiko Epson Corporation Surface acoustic wave device, oscillator, module apparatus
US8674790B2 (en) 2009-12-28 2014-03-18 Seiko Epson Corporation Surface acoustic wave device, oscillator, module apparatus

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