JPWO2009139108A1 - 弾性境界波装置 - Google Patents

Abstract

周波数温度係数ＴＣＦの改善と高次モードスプリアスの抑圧とを両立し得る三媒質構造の弾性境界波装置を提供する。圧電基板２上に、誘電体からなる第１の媒質層３、及び第１の媒質層３を形成している誘電体と音速が異なる誘電体からなる第２の媒質層４が積層されており、圧電基板２と第１の媒質層３との界面にＩＤＴ電極５が配置されており、圧電基板２の速い横波のバルク波をＶ１、弾性境界波の高次モードの***振点の音速をＶａとしたときに、Ｖａ＞Ｖ１である弾性境界波装置１。

Description

本発明は、圧電基板と、誘電体との界面を伝搬する弾性境界波を利用した弾性境界波装置に関し、より詳細には、誘電体からなる第１の媒質層上に他の誘電体からなる第２の媒質層が積層された三媒質構造の弾性境界波装置に関する。

近年、弾性表面波装置に代わり、弾性境界波装置が注目されている。弾性境界波装置では、空洞を有するパッケージを必要としない。そのため、弾性境界波装置を用いることにより、共振子やフィルタの小型化を図ることができる。

下記の特許文献１には、圧電基板上に第１，第２の媒質層が積層された、三媒質構造の弾性境界波装置が開示されている。図８に示すように、圧電基板１００１上にインターデジタル電極（図示せず）が形成されており、該圧電基板１００１上に、多結晶酸化ケイ素膜が第１の媒質層１００２として積層されている。第１の媒質層１００２上に、第２の媒質層１００３として多結晶ケイ素膜が積層されている。ＩＤＴ電極は、上記圧電基板と多結晶酸化ケイ素膜との界面に配置されている。

図８に示すように、多結晶ケイ素膜の形成により、ＩＤＴ電極で励振される弾性境界波のエネルギーが、図８に示すように、多結晶酸化ケイ素膜からなる第１の媒質層１００２に閉じ込めることができる。

また、多結晶ケイ素膜の膜質が劣化した場合であっても、電気特性の劣化が生じ難い。さらに、多結晶酸化ケイ素膜及び多結晶ケイ素膜によりＩＤＴ電極が保護されるため、信頼性が高められる。また、三媒質構造を利用することにより、高周波化を進めることができる。
ＷＯ９８／５２２７９

しかしながら、特許文献１に記載のような三媒質構造の弾性境界波装置では、高次モードによるスプリアスが生じがちであるという問題があった。この高次モードスプリアスの大きさは、酸化ケイ素膜の膜厚により変化する。

もっとも、酸化ケイ素膜の膜厚を薄くすることにより、スプリアスを小さくすることができる。

しかしながら、酸化ケイ素膜の膜厚を小さくすると、弾性境界波装置の周波数温度係数ＴＣＦが負の値になり、かつ該ＴＣＦの絶対値が大きくなるという問題があった。すなわち、高次モードスプリアスの抑圧とＴＣＦの改善とは、トレードオフの関係にあった。

本発明の目的は、上述した従来技術の欠点を解消し、高次モードスプリアスを抑圧することができ、しかも周波数温度係数ＴＣＦの絶対値が小さい、良好な温度特性を有する三媒質構造の弾性境界波装置を提供することにある。

本発明によれば、圧電基板と、前記圧電基板上に積層されており、誘電体からなる第１の媒質層と、前記第１の媒質層の上面に積層されており、第１の媒質層を形成している前記誘電体とは音速が異なる誘電体からなる第２の媒質層と、前記圧電基板と、前記第１の媒質層との界面に配置されたＩＤＴ電極とを備える弾性境界波装置であって、前記圧電基板の速い横波バルク波の音速をＶ１、弾性境界波の高次モードの***振点の音速をＶａとしたときに、Ｖａ＞Ｖ１であることを特徴とする、弾性境界波装置が提供される。

本発明に係る弾性境界波装置では、高次モードの共振点での音速をＶｒとしたとき、好ましくは、Ｖｒ＞Ｖ１であり、それによって、高次モードスプリアスをより効果的に抑圧することができる。

本発明に係る弾性境界波装置のある特定の局面では、前記第２の媒質層の音速が、前記第１の媒質層の音速よりも速くされている。この場合には、導波路効果が高められ、弾性境界波装置の特性をより改善することができる。

本発明に係る弾性境界波装置では、上記圧電基板は、好ましくは、ＬｉＮｂＯ_３単結晶またはＬｉＴａＯ_３単結晶からなり、その場合には、電気機械結合係数を高めることができる。従って、弾性境界波装置の特性を改善することができる。

本発明に係る弾性境界波装置の別の特定の局面では、前記第１の媒質層の音速が、前記ＬｉＮｂＯ_３の遅い横波音速と、第２の媒質層の音速の内速い方の音速よりも遅くされている。その場合には、導波路効果が高められ、弾性境界波装置の特性をより一層向上させることができる。

本発明に係る弾性境界波装置において、第１の媒質層を構成する材料としては、好ましくは、ＳｉＯ_２またはＳｉＯＮが用いられる。ＬｉＮｂＯ_３などの圧電単結晶の周波数温度係数ＴＣＦは、負の値であるが、ＳｉＯ_２やＳｉＯＮの周波数温度係数ＴＣＦは正の値である。従って、弾性境界波装置の周波数温度係数ＴＣＦの絶対値を小さくすることができる。

本発明に係る弾性境界波装置において、好ましくは、第２の媒質層は、ＳｉＯ_２、ＳｉＮ、ＳｉＯＮ、ＡｌＮ、ＡｌＯ、Ｓｉ、ＳｉＣ、ＤＬＣ（ダイヤモンドドライクカーボン）及びポリシリコンからなる群から選択された少なくとも１種の材料からなる。その場合には、導波路効果が高められ、弾性境界波装置の特性をさらに改善することができる。

本発明に係る弾性境界波装置における上記ＩＤＴ電極を構成する材料としては、好ましくは、Ａｌ、Ｔｉ、Ｆｅ、Ｃｕ、Ａｇ、Ｔａ、Ａｕ及びＰｔからなる群から選択された１種の金属または該金属を主体とする合金からなる金属膜を含む。その場合には、ＩＤＴ電極の反射係数を高めたり、あるいは導電性を高めたりすることができ、それによって弾性境界波装置の特性をより一層改善することができる。

本発明に係る弾性境界波装置において前記ＩＤＴ電極は、Ａｌ、Ｔｉ、Ｆｅ、Ｃｕ、Ａｇ、Ｔａ、Ａｕ及びＰｔからなる群から選択された１種の金属または該金属を主体とする合金からなる複数種の金属膜を積層してなる積層金属膜からなるものであってもよい。
（発明の効果）

本発明に係る弾性境界波装置では、圧電基板の速い横波のバルク波の音速Ｖ１よりも弾性境界波高次モードの***振点での音速Ｖａが速くされているため、高次モードスプリアスを抑圧することができる。従って、第１の媒質層を構成する材料の膜厚を薄くせずとも、高次モードスプリアスを抑圧することができるので、高次モードスプリアスの抑圧と、第１の媒質層を構成する材料の選択による周波数温度係数ＴＣＦの改善とを両立することができる。よって、高次モードスプリアスの影響が少なく、かつ温度変化による特性の変化が少ない、弾性境界波装置を提供することが可能となる。

図１（ａ）及び（ｂ）は、本発明の一実施形態に係る弾性境界波装置の正面断面図及び電極構造を示す模式的平面図である。 図２は、本発明の一実施形態の弾性境界波装置についての第１の実験例の結果を示し、インピーダンスと周波数との関係を示す図である。 図３は、本発明の一実施形態の弾性境界波装置についての第１の実験例の結果を示し、高次モードが表われる部分のインピーダンスと音速との関係を示す図である。 図４は、本発明の一実施形態の弾性境界波装置についての第１の実験例の結果を示し、高次モードが表われる部分の位相と音速との関係を示す図である。 図５は、第２の実験例における音速と位相との関係を示す図である。 図６は、第３の実験例における音速と位相との関係を示す図である。 図７は、第４の実験例における音速と位相との関係を示す図である。 図８は、従来の弾性境界波装置を説明するための模式図である。

符号の説明

１…弾性境界波装置
２…圧電基板
３…第１の媒質層
４…第２の媒質層
５…ＩＤＴ電極
６，７…反射器

以下、図面を参照しつつ、本発明の具体的な実施形態を説明することにより、本発明を明らかにする。

図１（ａ）及び（ｂ）は、本発明の一実施形態に係る弾性境界波装置の正面断面図及び電極構造を示す模式的平面断面図である。

弾性境界波装置１は、ＬｉＮｂＯ_３単結晶からなる圧電基板２を有する。圧電基板２を構成する材料は、ＬｉＮｂＯ_３単結晶に限定されず、ＬｉＴａＯ_３単結晶や水晶などを用いてもよい。

ＬｉＮｂＯ_３やＬｉＴａＯ_３は、負の周波数温度係数ＴＣＦを有する。従って、後述するＳｉＯ_２と組み合わせることにより、弾性境界波装置１の周波数温度係数ＴＣＦの絶対値を小さくすることができる。

圧電基板２上に、第１の媒質層３及び第２の媒質層４がこの順序で積層されている。すなわち、本実施形態の弾性境界波装置１は、三媒質構造を有する。

第１の媒質層３は誘電体からなり、本実施形態ではＳｉＯ_２からなる。なお、第１の媒質層３に用いられる誘電体は、ＳｉＯ_２に限定されないが、好ましくは、正の周波数温度係数を有するＳｉＯ_２やＳｉＯＮが用いられる。それによって、温度変化による特性の変化を小さくすることができる。

第２の媒質層４は、第１の媒質層３とは音速が異なる誘電体からなる。本実施形態では、第２の媒質層４は、ＳｉＯＮからなる。媒質層４を構成する材料としては、第２の媒質層４を形成している誘電体とは音速が異なる適宜の材料を用いることができる。第１の媒質層３がＳｉＯ_２以外の材料からなる場合には、第２の媒質層４はＳｉＯ_２により形成されていてもよい。

第２の媒質層４を構成する誘電体としては、ＳｉＯ_２、ＳｉＮ、ＳｉＯＮ、ＡｌＮ、ＡｌＯ、Ｓｉ、ＳｉＣ、ＤＬＣ（ダイヤモンドドライクカーボン）及びポリシリコンからなる群から選択された少なくとも１種の材料を好適に用いることができる。上記群から選択された１種の材料を用いることにより、導波路効果を高めることができ、良好な特性を得ることができる。

圧電基板２と、第１の媒質層３との界面に、ＩＤＴ電極５及び反射器６，７が形成されている。すなわち、弾性境界波装置１は、電極構造として、ＩＤＴ電極５及び反射器６，７を有する。

図１（ｂ）に示すように、ＩＤＴ電極５の境界波伝搬方向両側に、上記反射器６，７が配置されており、それによって、１ポート型の弾性境界波共振子が構成されている。

もっとも、本発明の弾性境界波装置は、上記弾性境界波共振子に限らず、弾性境界波フィルタなどの様々な弾性境界波装置に適用することができる。従って、電極構造は、実現する弾性境界波装置の機能に応じて適宜変形される。

前述したように、特許文献１に記載の三媒質構造を有する従来の弾性境界波装置では、高次モードリップルが生じるという問題があった。そして、ＳｉＯ_２からなる第１の媒質層の膜厚を薄くすれば、高次モードリップルを抑圧し得るものの、周波数温度係数ＴＣＦが悪化しがちであった。

そこで、本願発明者らは、ＳｉＯ_２膜の膜厚を薄くせずとも、高次モードリップルを抑圧し得る構造について検討した。その結果、圧電基板２の速い横波バルク波の音速をＶ１、弾性境界波の高次モードの***振点の音速をＶａとしたときに、Ｖａ＞Ｖ１とすれば、高次モードリップルを効果的に抑圧し得ることを見出し、本発明をなすに至った。以下、具体的な実験例に基づいて、Ｖａ＞Ｖ１とすることにより、第１の媒質層３の厚みを薄くせずとも、高次モードリップルを抑圧し得ることを説明する。

（第１の実験例）
図２は、弾性境界波装置１において、第１の媒質層３としてのＳｉＯ_２膜の規格化膜厚を４７．５％、４４．７％、４２．２％、４０．０％、３８．０％及び３６．２％とした場合の各インピーダンス特性を示す図である。ここで、ＬｉＮｂＯ_３単結晶からなる圧電基板２としては、結晶方位がオイラー角で（０°，１０５°，０°）のＬｉＮｂＯ_３を用いた。また、ＩＤＴ電極５を含む電極構造を、Ｐｔ膜、Ａｌ膜及びＰｔ膜をこの順序で積層した積層金属膜により構成し、その規格化膜厚を、Ｐｔ／Ａｌ／Ｐｔ＝１．１％／８．６％／１．１％とした。また、ＩＤＴ電極５における電極指の対数は６０、デューティ比は０．５、それぞれのＳｉＯ_２規格化膜厚に対応した境界波の波長λはそれぞれ１．６μｍ、１．７μｍ、１．８μｍ、１．９μｍ、２．０μｍ、２．１μｍとした。反射器６，７における電極指の本数は５０とした。第２の媒質層４としてのＳｉＯＮ膜の規格化膜厚は１５８％とした。なお、上記では、ＩＤＴ電極を構成する膜の規格化膜厚とＳｉＯＮ膜の規格化膜厚はλ＝１．９μｍにおける規格化膜厚を示した。
図２における周波数（ＭＨｚ）は上記電極波長λを用いて、音速Ｖ（ｍ／秒）＝λ（μｍ）×ｆ（ＭＨｚ）により音速Ｖ（ｍ／秒）に変換できる。

図３は、高次モードが表われている部分を示すインピーダンスと音速との関係を示す図である。図３から明らかなように、ＳｉＯ_２膜の規格化膜厚が変化すると、高次モードにおける共振点の音速Ｖｒ及び***振点におけるＶａは変動する。ＳｉＯ_２の規格化膜厚が４７．５％〜３６．２％で共振点の音速はＶｒ＝４７００〜４７８０ｍ／秒に位置しており、Ｖａは４７３０〜４７８０ｍ／秒である。

なお、***振点における音速Ｖａとは、オープングレーティングサーキットモデルに基づき計算することにより得られる音速の値であり、共振点の音速Ｖｒはショートグレーティングサーキットモデルに基づき計算することにより得られた音速の値である。

また、上記圧電基板２の速い横波バルク波の音速Ｖ１は、４７５０ｍ／秒である。ただし、オイラー角により速い横波バルク波音速は変化する。

図３から明らかなように、ＳｉＯ_２膜の規格化膜厚が４７．５％及び４４．７％の場合には、高次モードの***振点における音速Ｖａは、４７５０ｍ／秒よりも遅くなり、その場合、高次モードスプリアスの大きさは、それぞれ、約２６ｄＢ及び２８ｄＢである。

これに対して、高次モード***振点の音速Ｖａが４７５０ｍ／秒となるＳｉＯ_２の規格化膜厚が４２．２％の場合には、高次モードスプリアスは２９ｄＢと著しく小さくなる。さらに、高次モードの***振点における音速Ｖａが４７５０ｍ／秒よりも速くなる、ＳｉＯ_２膜の規格化膜厚が４０．０％、３８．０％及び３６．２％の場合には、高次モードスプリアスの大きさは、３０ｄＢ前後に位置している。

上記で、高次モードスプリアスの大きさは、高次モードの***振点と主モードの***振点とのインピーダンス比で表わしている。図２から主モードの***振点のインピーダンスが６５ｄＢであることがわかる。図３からＳｉＯ_２膜の規格化膜厚が４７．５％の場合には、高次モードの***振点のインピーダンスが３９ｄＢであることがわかる。従って、高次モードのインピーダンスと主モードのインピーダンスの比は６５ｄＢ−３９ｄＢ＝２６ｄＢとなるので、高次モードスプリアスの大きさは、２６ｄＢとしている。

図４は、高次モードが現れている部分を示す位相と音速との関係を示す図である。図４から明らかなように、ＳｉＯ_２膜の規格化膜厚が４７．５％及び４４．７％の場合には、高次モードの***振点における音速Ｖａは、４７５０ｍ／秒よりも遅くなり、その場合、高次モードの最大位相は、それぞれ、約１０°及び−１０°である。

これに対して、高次モードの***振点における音速Ｖａが４７５０ｍ／秒となるＳｉＯ_２膜の規格化膜厚が４２．２％の場合には、高次モードの最大位相は−３５°と著しく小さくなる。さらに、高次モードの***振点における音速Ｖａが４７５０ｍ／秒より速くなるＳｉＯ_２膜の規格化膜厚が４０．０％、３８．０％及び３６．２％の場合には、高次モードの最大位相は−４５°〜−５５°に位置している。

従って、図２〜図４から明らかなように、Ｖａ＞Ｖ１とすることにより、高次モードスプリアスを効果的に抑圧し得ることがわかる。

なお、高次モード共振点の音速Ｖｒは、高次モード***振点の音速Ｖａよりも遅くなる。すなわち、Ｖａ＞Ｖｒである。従って、Ｖｒ＞Ｖ１とすれば、Ｖａ＞Ｖ１となるため、Ｖａ＞Ｖ１とすることにより、高次モードスプリアスをより確実に抑制することができる。

（第２の実験例）
次に、ＩＤＴ電極５のデューティを０．４、０．４５、０．５、０．５５及び０．６とされていることを除いては、第１の実験例と同様にして、複数種の弾性境界波装置を作製した。これらの弾性境界波装置における高次モードの位相特性を図５に示す。

図５から明らかなように、デューティ＝０．６の場合、高次モードの***振点の音速Ｖａは４７５０ｍ／秒付近である。これに対して、デューティ＝０．４の場合の高次モードの***振点の音速Ｖａは４８６０ｍ／秒付近に存在するはずである。もっとも、４８６０ｍ／秒付近における***振点が不明瞭となっている。これは、高次モードの音速が速くなり、ＬｉＮｂＯ_３側へ漏洩していることにより、***振点が不明瞭になっているためである。その結果、デューティ＝０．４の場合、音速が４７５０ｍ／秒付近において、最大位相が−４０度と非常に小さくなっていること、すなわち、高次モードスプリアスを効果的に抑圧し得ることがわかる。

（第３の実験例）
圧電基板２側から、順に、ＩＤＴ電極５を含む電極を、Ｐｔ／Ａｌ／Ｐｔの順序で積層してなる積層金属膜により形成した。ここで、Ａｌ膜の規格化膜厚を８．６％とし、両側のＰｔ膜の規格化膜厚の合計は一定とし、第１の媒質層３側のＰｔ膜の規格化膜厚を２．２％、１．６５％、１．１％、０．５５％または０％と変化させた。なお、両側のＰｔ膜の規格化膜厚の合計は２．２％とした。

上記のようにして、作製された複数種の弾性境界波装置における音速と位相との関係を図６に示す。

図６から明らかなように、図６に示されている全範囲において、高次モードの***振点の音速Ｖａが、４７５０ｍ／秒よりも速くなり、最大位相が小さくなっていることがわかる。従って、高次モードスプリアスの応答を抑圧し得ることがわかる。

（第４の実験例）
ＩＤＴ電極５を含む電極を、圧電基板２側からＡｌ膜／Ｐｔ膜／Ａｌ膜の順に、Ａｌ、Ｐｔ及びＡｌをこの順序で積層した積層金属膜により形成した。ここでは、両側のＡｌ膜の膜厚の合計は規格化膜厚で８．６％と一定とし、Ｐｔ膜の規格化膜厚は２．２％とし、第１の媒質層３側のＡｌの規格化膜厚を０％、２．０４％、４．０８％、６．１２％または８．６％と変化させ、複数種の弾性境界波装置を作製した。

これらの弾性境界波装置における音速と位相との関係を図７に示す。なお、デューティ＝０．５０とし、ＳｉＯ_２の規格化膜厚は４０％とし、その他は、第１の実験例と同様とした。

図７から明らかなように、全範囲において、高次モード***振点の音速Ｖａが４７５０ｍ／秒よりも速くされており、最大位相が小さくなっていることがわかる。従って、高次モードスプリアスの応答を効果的に抑圧し得ることがわかる。

第３及び第４の実験から明らかなように、ＩＤＴ電極は、複数の金属膜を積層してなる積層金属膜により形成されていてもよい。この場合、積層金属膜は、Ａｌ、Ｔｉ、Ｆｅ、Ｃｕ、Ａｇ、Ｔａ、Ａｕ及びＰｔからなる群から選択された１種の金属または該金属を主体とする合金からなる複数種の金属膜を積層したものが用いられる。すなわち、上記群から選択された１種の金属または該金属を主体とする合金からなる第１の金属膜と、上記群から選択された１種の金属または該金属を主体とする合金であって、第１の金属膜と異なる金属材料からなる第２の金属膜とを含む積層金属膜を用いてもよい。

Claims (9)

1. 圧電基板と、
   前記圧電基板上に積層されており、誘電体からなる第１の媒質層と、
   前記第１の媒質層の上面に積層されており、第１の媒質層を形成している前記誘電体とは音速が異なる誘電体からなる第２の媒質層と、
   前記圧電基板と、前記第１の媒質層との界面に配置されたＩＤＴ電極とを備える弾性境界波装置であって、
   前記圧電基板の速い横波バルク波の音速をＶ１、弾性境界波の高次モードの***振点の音速をＶａとしたときに、Ｖａ＞Ｖ１であることを特徴とする、弾性境界波装置。
2. 前記高次モードの共振点の音速をＶｒとしたとき、Ｖｒ＞Ｖ１である、請求項１に記載の弾性境界波装置。
3. 前記第２の媒質層の音速が、前記第１の媒質層の音速よりも速い、請求項１または２に記載の弾性境界波装置。
4. 前記圧電基板がＬｉＮｂＯ_３単結晶またはＬｉＴａＯ_３単結晶からなる、請求項１〜３のいずれか１項に記載の弾性境界波装置。
5. 前記第１の媒質層の音速が、前記ＬｉＮｂＯ_３の遅い横波音速と、第２の媒質層の音速の内速い方の音速よりも遅い、請求項４に記載の弾性境界波装置。
6. 前記第１の媒質層が、ＳｉＯ_２またはＳｉＯＮからなる、請求項１〜５のいずれか１項に記載の弾性境界波装置。
7. 前記第２の媒質層が、ＳｉＯ_２、ＳｉＮ、ＳｉＯＮ、ＡｌＮ、ＡｌＯ、Ｓｉ、ＳｉＣ、ＤＬＣ（ダイヤモンドドライクカーボン）及びポリシリコンからなる群から選択された少なくとも１種の材料からなる、請求項１〜６のいずれか１項に記載の弾性境界波装置。
8. 前記ＩＤＴ電極が、Ａｌ、Ｔｉ、Ｆｅ、Ｃｕ、Ａｇ、Ｔａ、Ａｕ及びＰｔからなる群から選択された１種の金属または該金属を主体とする合金からなる金属膜を含む、請求項１〜７のいずれか１項に記載の弾性境界波装置。
9. 前記ＩＤＴ電極が、Ａｌ、Ｔｉ、Ｆｅ、Ｃｕ、Ａｇ、Ｔａ、Ａｕ及びＰｔからなる群から選択された１種の金属または該金属を主体とする合金からなる複数種の金属膜を積層してなる積層金属膜からなる請求項８に記載の弾性境界波装置。

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