JPWO2012090698A1 - 弾性表面波装置 - Google Patents
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Abstract
不要波に起因する周波数特性の低下が抑制された弾性表面波装置を提供する。弾性表面波装置１は、圧電基板２１と、圧電基板２１の上に形成されているＩＤＴ電極２２と、第１の誘電体層２３と、第２の誘電体層２４とを備えている。第１の誘電体層２３は、圧電基板２１の上に形成されている。第１の誘電体層２３は、酸化ケイ素からなる。第２の誘電体層２４は、第１の誘電体層２３の上に形成されている。第２の誘電体層２４は、第１の誘電体層２３よりも速い音速を有する。弾性表面波装置１は、第３の誘電体層２５をさらに備えている。第３の誘電体層２５は、第１の誘電体層２３と圧電基板２１との間に形成されている。第３の誘電体層２５は、圧電基板２１の表面２１ａ並びにＩＤＴ電極２２の上面２２ａ及び側面２２ｂ、２２ｃを覆っている。
Description
本発明は、共振子や帯域フィルタなどに用いられる弾性表面波装置に関する。
従来、例えば、共振子やフィルタ装置として、弾性表面波を利用した弾性表面波装置が広く利用されるようになってきている。例えば、下記の特許文献１には、このような弾性表面波装置の一例として、圧電基板の上に形成されており、ＩＤＴ電極を覆うように形成されたＳｉＯ２膜と、ＳｉＯ２膜の上に形成されたＳｉＮ膜とを備える弾性表面波装置が開示されている。
この特許文献１に記載された弾性表面波装置は、ＩＤＴ電極を覆うように形成されたＳｉＯ２膜を有するため、優れた周波数温度特性を有する。また、特許文献１に記載された弾性表面波装置では、ＳｉＯ２膜の上に形成されているＳｉＮ膜の厚みを調整することにより、弾性表面波装置の周波数特性を調整することができる。従って、周波数精度を向上することができる。
しかしながら、特許文献１に記載の弾性表面波装置では、不要波に起因して、例えば、共振周波数と***振周波数との間にスプリアスが生じたり、通過帯域内にスプリアスが生じたりするという問題がある。
本発明は、係る点に鑑みてなされたものであり、その目的は、不要波に起因する周波数特性の低下が抑制された弾性表面波装置を提供することにある。
本発明に係る弾性表面波装置は、圧電基板と、ＩＤＴ電極と、第１の誘電体層と、第２の誘電体層とを備えている。ＩＤＴ電極は、圧電基板の上に形成されている。第１の誘電体層は、圧電基板の上に形成されている。第１の誘電体層は、酸化ケイ素からなる。第２の誘電体層は、第１の誘電体層の上に形成されている。第２の誘電体層は、第１の誘電体層よりも速い音速を有する。本発明に係る弾性表面波装置は、第３の誘電体層をさらに備えている。第３の誘電体層は、第１の誘電体層と圧電基板との間に形成されている。第３の誘電体層は、圧電基板の表面並びにＩＤＴ電極の上面及び側面を覆っている。
本発明に係る弾性表面波装置のある特定の局面では、第３の誘電体層の厚みは、ＩＤＴ電極の電極指間ピッチにより決まる波長の１．５％以上である。この構成では、不要波に起因する周波数特性の低下をより効果的に抑制することができる。
本発明に係る弾性表面波装置の他の特定の局面では、第３の誘電体層の厚みは、第１の誘電体層の厚み以下である。
本発明に係る弾性表面波装置の別の特定の局面では、第３の誘電体層は、窒化ケイ素、酸窒化ケイ素、ダイヤモンド、アルミナまたは窒化アルミニウムからなる。
本発明に係る弾性表面波装置のさらに他の特定の局面では、第２の誘電体層は、窒化ケイ素、酸窒化ケイ素、ダイヤモンド、アルミナまたは窒化アルミニウムからなる。
本発明に係る弾性表面波装置のさらに別の特定の局面では、圧電基板は、ＬｉＮｂＯ３またはＬｉＴａＯ３からなる。
本発明に係る弾性表面波装置のまたさらに他の特定の局面では、圧電基板は、１２０°〜１３０°ＹカットＸ伝搬のＬｉＮｂＯ３基板からなる。この構成では、レイリー波をメインモードとして利用し、ＳＨ波を不要波としたときに、不要波であるＳＨ波に起因する周波数特性の低下をより効果的に抑制することができる。
本発明に係る弾性表面波装置のまたさらに別の特定の局面では、圧電基板は、−１０°〜１０°ＹカットＸ伝搬のＬｉＮｂＯ３基板からなる。この構成では、ＳＨ波をメインモードとして利用し、レイリー波を不要波としたときに、不要波であるレイリー波に起因する周波数特性の低下をより効果的に抑制することができる。
本発明に係る弾性表面波装置では、第１の誘電体層と圧電基板との間に形成されており、圧電基板の表面並びにＩＤＴ電極の上面及び側面を覆う第３の誘電体層が設けられている。このため、不要波に起因する周波数特性の低下が抑制されている。
以下、本発明を実施した好ましい形態について、図１に示すラダー型の弾性表面波フィルタ装置１を例に挙げて説明する。但し、弾性表面波フィルタ装置１は、単なる例示である。本発明は、弾性表面波フィルタ装置１に何ら限定されない。本発明に係る弾性表面波装置は、例えば、弾性表面波分波器であってもよいし、弾性表面波共振子であってもよい。また、本発明に係る弾性表面波装置は、例えば縦結合共振子型弾性表面波フィルタ装置であってもよい。
図１に示すように、弾性表面波フィルタ装置１は、第１及び第２の信号端子１１，１２を有する。第１及び第２の信号端子１１，１２は、直列腕１３によって接続されている。直列腕１３において、複数の直列腕共振子Ｓ１〜Ｓ４が直列に接続されている。直列腕共振子Ｓ２には、キャパシタＣ１が並列に接続されている。直列腕１３とグラウンド電位とは、並列腕１４〜１６により接続されている。並列腕１４〜１６のそれぞれには、並列腕共振子Ｐ１〜Ｐ３が設けられている。並列腕共振子Ｐ１とグラウンド電位との間には、インダクタＬ１が接続されている。並列腕共振子Ｐ２とグラウンド電位との間には、インダクタＬ２が接続されている。インダクタＬ１．Ｌ２とグラウンド電位との間には、インダクタＬ４が接続されている。並列腕共振子Ｐ３とグラウンド電位との間には、インダクタＬ３が接続されている。
直列腕共振子Ｓ１〜Ｓ４及び並列腕共振子Ｐ１〜Ｐ３のそれぞれは、１または複数の弾性表面波共振子により構成されている。その弾性表面波共振子２０の略図的平面図を図２に示し、図３に一部分を拡大した略図的断面図を示す。
弾性表面波共振子２０は、圧電基板２１を有する。圧電基板２１は、例えば、ＬｉＮｂＯ３やＬｉＴａＯ３により形成することができる。圧電基板２１は、例えば、１２０°〜１３０°ＹカットＸ伝搬のＬｉＮｂＯ３基板や−１０°〜１０°ＹカットＸ伝搬のＬｉＮｂＯ３基板により構成することができる。
圧電基板２１の主面２１ａの上には、ＩＤＴ電極２２が形成されている。ＩＤＴ電極２２は、互いに間挿し合っている一対のくし歯状電極により形成されている。ＩＤＴ電極２２は、適宜の導電材料により形成することができる。ＩＤＴ電極２２は、例えば、Ａｌ，Ｐｔ，Ａｕ，Ａｇ，Ｃｕ，Ｎｉ，Ｔｉ，Ｃｒ及びＰｄからなる群から選ばれた金属、もしくは、Ａｌ，Ｐｔ，Ａｕ，Ａｇ，Ｃｕ，Ｎｉ，Ｔｉ，Ｃｒ及びＰｄからなる群から選ばれた一種以上の金属を含む合金により形成することができる。また、ＩＤＴ電極２２は、上記金属や合金からなる複数の導電層の積層体により構成することもできる。
主面２１ａの上には、第１の誘電体層２３が形成されている。第１の誘電体層２３は、酸化ケイ素からなる。このため、第１の誘電体層２３は、圧電基板２１とは正負が異なる周波数温度係数（ＴＣＦ：Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ Ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ ｏｆ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ）を有する。よって、第１の誘電体層２３を設けることにより、弾性表面波共振子２０の周波数温度特性を改善できる。その結果、弾性表面波フィルタ装置１の周波数温度特性を改善することができる。
第１の誘電体層２３の厚みは、ＩＤＴ電極２２において励振される弾性波が弾性表面波となる程度であれば特に限定されない。第１の誘電体層２３の厚みは、例えば、電極厚み〜０．５λ(λはＩＤＴ電極の電極指間ピッチにより定まる波長)程度とすることができる。
第１の誘電体層２３の上には、第２の誘電体層２４が形成されている。第１の誘電体層２３は、この第２の誘電体層２４により覆われている。第２の誘電体層２４は、第１の誘電体層２３よりも速い音速を有する。第２の誘電体層２４は、例えば、窒化ケイ素、酸窒化ケイ素、ダイヤモンド、アルミナまたは窒化アルミニウムにより形成することができる。この第２の誘電体層２４の厚みを調整することにより、弾性表面波共振子２０の周波数特性を調整できる。その結果、弾性表面波フィルタ装置１の周波数特性を調整することができる。従って、第２の誘電体層２４を設けることにより、弾性表面波フィルタ装置１を高い周波数精度で製造することができる。また、製造後において、フィルタ特性などの周波数特性を容易に調整することができる。
なお、第２の誘電体層２４の厚みは、ＩＤＴ電極２２において励振される弾性波が弾性表面波となる程度であれば特に限定されない。第２の誘電体層２４の厚みは、例えば、０．００２λ〜０．０５λ(λはＩＤＴ電極の電極指間ピッチにより定まる波長)程度とすることができる。
さらに、本実施形態では、第１の誘電体層２３と圧電基板２１との間に、第３の誘電体層２５が形成されている。この第３の誘電体層２５によって、圧電基板２１の主面２１ａ及びＩＤＴ電極２２の上面２２ａ及び側面２２ｂ、２２ｃが直接覆われている。第３の誘電体層２５は、圧電基板２１の主面２１ａ及びＩＤＴ電極２２の上面２２ａ及び側面２２ｂ、２２ｃと接触している。
第３の誘電体層２５は、第１の誘電体層２３とは異なる誘電体からなる。第３の誘電体層２５は、例えば、窒化ケイ素、酸窒化ケイ素、ダイヤモンド、アルミナまたは窒化アルミニウムにより形成することができる。なお、第３の誘電体層２５は、第１の誘電体層２３よりも速い音速を有していてもよいし、遅い音速を有していてもよい。
第３の誘電体層２５の厚みは、第１の誘電体層２３の厚み以下であって、ＩＤＴ電極２２の電極指間ピッチにより決まる波長の１．５％以上であることが好ましい。
なお、第１〜第３の誘電体層２３〜２５の形成方法は、特に限定されない。第１〜第３の誘電体層２３〜２５は、例えば、スパッタリング法やＣＶＤ法などにより形成することができる。
以上説明したように、本実施形態では、第１の誘電体層２３と圧電基板２１との間に、圧電基板２１の主面２１ａ及びＩＤＴ電極２２の上面２２ａ及び側面２２ｂ、２２ｃを覆う第３の誘電体層２５が形成されている。このため、この第３の誘電体層２５の厚みを変化させることによって、ＩＤＴ電極２２によって励振される複数種類の弾性表面波の音速関係をずらすことができる。従って、不要な弾性表面波に起因するスプリアスの周波数を、特性発現に利用するメインモードの共振周波数や***振周波数から遠ざけることができる。
例えば、１２０°〜１３０°ＹカットＸ伝搬のＬｉＮｂＯ３基板により圧電基板２１を構成し、レイリー波をメインモード、ＳＨ波を不要波としたときに、不要波であるＳＨ波に起因するスプリアスの周波数位置を、メインモードであるレイリー波の共振周波数と***振周波数の間の周波数帯域の外側や、レイリー波によって形成される通過帯域の外に配置することが可能となる。その結果、高い周波数特性を実現することができる。
また、例えば、−１０°〜１０°ＹカットＸ伝搬のＬｉＮｂＯ３基板により圧電基板２１を構成し、ＳＨ波をメインモード、レイリー波を不要波としたときに、不要波であるレイリー波に起因するスプリアスの周波数位置を、メインモードであるＳＨ波の共振周波数と***振周波数の間の周波数帯域の外側や、ＳＨ波によって形成される通過帯域の外に配置することが可能となる。その結果、高い周波数特性を実現することができる。
以下、この効果について、具体例を参照しながら詳細に説明する。
まず、以下の設計パラメータで、上記説明の弾性表面波共振子２０と実質的に同様の構成を有する弾性表面波共振子を、第３の誘電体層の厚みを種々変化させて複数作製し、メインモードであるレイリー波の共振周波数及び***振周波数並びに不要波であるＳＨ波に起因するスプリアスの周波数位置とを測定した。また、レイリー波の***振周波数に対するＳＨ波に起因するスプリアスの周波数の比（Ｆ（ＳＨ）／Ｆａ）を算出した。結果を図４及び図５に示す。なお、図４及び図５において、横軸は、第３の誘電体層の波長（λ）で規格化した厚みである。また、図６において、第３の誘電体層の波長規格化厚みが２．５％であるときの位相特性を実線で示し、第３の誘電体層の波長規格化厚みが０％であるときの位相特性を破線で示す。
（弾性表面波共振子の設計パラメータ）
圧電基板：１２９°ＹカットＸ伝搬のＬｉＮｂＯ３基板
ＩＤＴ電極の構成：Ｔｉ膜（厚み：１０ｎｍ）／ＡｌＣｕ膜（厚み：１３０ｎｍ、Ｃｕ含有率：１０質量％）／Ｔｉ膜（厚み：１０ｎｍ）／Ｐｔ膜（厚み：８０ｎｍ）／ＮｉＣｒ膜（厚み：１０ｎｍ）／圧電基板
ＩＤＴ電極の波長（λ）：４．０μｍ
ＩＤＴ電極のＤｕｔｙ：０．４８
第１の誘電体層：厚み１１００ｎｍのＳｉＯ２膜
第２の誘電体層：厚み４０ｎｍのＳｉ３Ｎ４膜
第３の誘電体層：厚みが０ｎｍ、５０ｎｍ、１００ｎｍまたは１５０ｎｍのＳｉ３Ｎ４膜
圧電基板：１２９°ＹカットＸ伝搬のＬｉＮｂＯ３基板
ＩＤＴ電極の構成：Ｔｉ膜（厚み：１０ｎｍ）／ＡｌＣｕ膜（厚み：１３０ｎｍ、Ｃｕ含有率：１０質量％）／Ｔｉ膜（厚み：１０ｎｍ）／Ｐｔ膜（厚み：８０ｎｍ）／ＮｉＣｒ膜（厚み：１０ｎｍ）／圧電基板
ＩＤＴ電極の波長（λ）：４．０μｍ
ＩＤＴ電極のＤｕｔｙ：０．４８
第１の誘電体層：厚み１１００ｎｍのＳｉＯ２膜
第２の誘電体層：厚み４０ｎｍのＳｉ３Ｎ４膜
第３の誘電体層：厚みが０ｎｍ、５０ｎｍ、１００ｎｍまたは１５０ｎｍのＳｉ３Ｎ４膜
図４及び図５に示す結果から、第３の誘電体層の波長規格化厚みが大きくなるに従って、レイリー波の共振周波数及び***振周波数並びにＳＨ波に起因するスプリアスの周波数は、いずれも高周波数側にシフトすることが分かる。しかしながら、第３の誘電体層の波長規格化厚みの変化量に対する、レイリー波の共振周波数及び***振周波数の変化量は相対的に小さく、第３の誘電体層の波長規格化厚みの変化量に対する、ＳＨ波に起因するスプリアスの周波数の変化量は相対的に大きい。このため、第３の誘電体層が形成されていない場合（第３の誘電体層の波長規格化厚み＝０％である場合）は、ＳＨ波に起因するスプリアスの周波数が、レイリー波の共振周波数と***振周波数との間の周波数帯に位置しているが、第３の誘電体層の波長規格化厚みが大きくなると、ＳＨ波に起因するスプリアスの周波数が、レイリー波の共振周波数と***振周波数との間の周波数帯よりも高域側に位置することとなる。具体的には、図４に示すグラフからも分かるように、第３の誘電体層の波長規格化厚みを１．５％以上とすることによって、ＳＨ波に起因するスプリアスの周波数を、レイリー波の共振周波数と***振周波数との間の周波数帯よりも高域側に位置させることができる。このため、不要波であるＳＨ波に起因するスプリアスによる周波数特性の劣化を効果的に抑制することができる。
また、上述のように、レイリー波の周波数特性とＳＨ波の周波数特性とは、第３の誘電体層の波長規格化厚みに対する変化態様が異なるものであるため、ＳＨ波をメインモードとして利用し、レイリー波を不要波とするときにおいても同様に、第３の誘電体層を設けることによって、不要波に起因するスプリアスによる周波数特性の劣化を効果的に抑制できる。
次に、実施例として、下記の設計パラメータで上記弾性表面波フィルタ装置１と同様の構成を有する弾性表面波フィルタ装置を作成し、挿入損失を測定した。結果を、図７に破線で示す。
また、比較例として、第３の誘電体層を設けなかったこと以外は、上記実施例に係る弾性表面波フィルタ装置と同様の構成を有する弾性表面波フィルタ装置を作成し、挿入損失を測定した。結果を、図７に実線で示す。
（実施例における設計パラメータ）
圧電基板：１２９°ＹカットＸ伝搬のＬｉＮｂＯ３基板
ＩＤＴ電極の構成：Ｔｉ膜（厚み：１０ｎｍ）／ＡｌＣｕ膜（厚み：１３０ｎｍ、Ｃｕ含有率：１０質量％）／Ｔｉ膜（厚み：１０ｎｍ）／Ｐｔ膜（厚み：８０ｎｍ）／ＮｉＣｒ膜（厚み：１０ｎｍ）／圧電基板
第１の誘電体層：厚み１０００ｎｍのＳｉＯ２膜
第２の誘電体層：厚み４０ｎｍのＳｉ３Ｎ４膜
第３の誘電体層：厚み１００ｎｍのＳｉ３Ｎ４膜
圧電基板：１２９°ＹカットＸ伝搬のＬｉＮｂＯ３基板
ＩＤＴ電極の構成：Ｔｉ膜（厚み：１０ｎｍ）／ＡｌＣｕ膜（厚み：１３０ｎｍ、Ｃｕ含有率：１０質量％）／Ｔｉ膜（厚み：１０ｎｍ）／Ｐｔ膜（厚み：８０ｎｍ）／ＮｉＣｒ膜（厚み：１０ｎｍ）／圧電基板
第１の誘電体層：厚み１０００ｎｍのＳｉＯ２膜
第２の誘電体層：厚み４０ｎｍのＳｉ３Ｎ４膜
第３の誘電体層：厚み１００ｎｍのＳｉ３Ｎ４膜
図７に示すように、比較例（図７における実線）では、不要波であるＳＨ波に起因するスプリアスが通過帯域内の高域側部分に生じており、通過帯域内の高域側部分における挿入損失が大きくなっている。それに対して、実施例（図７における破線）では、スプリアスが通過帯域よりも高域側、すなわち通過帯域外に位置しており、通過帯域における高域側部分の挿入損失の増大が抑制され、結果として、通過帯域の挿入損失が改善されている。このことから、第３の誘電体層を設けることにより、通過帯域における挿入損失の増大を抑制することができる。
また、第１の誘電体層と圧電基板との間に形成されており、圧電基板の表面並びにＩＤＴ電極の上面及び側面を覆う第３の誘電体層が形成されている構成のものであれば、第２の誘電体層は省略されていてもよい。この場合でも、メインモードの周波数特性と不要波となるスプリアスの周波数特性が、第３の誘電体層の厚みに対して異なる挙動を示すことが確かめられており、したがって、本願の効果が得られることがわかる。
１…弾性表面波フィルタ装置
１１，１２…信号端子
１３…直列腕
１４〜１６…並列腕
２０…弾性表面波共振子
２１…圧電基板
２１ａ…主面
２２…ＩＤＴ電極
２２ａ…上面
２２ｂ、２２ｃ…側面
２３…第１の誘電体層
２４…第２の誘電体層
２５…第３の誘電体層
Ｐ１〜Ｐ３…並列腕共振子
Ｓ１〜Ｓ４…直列腕共振子
Ｃ１…キャパシタ
Ｌ１〜Ｌ４…インダクタ
１１，１２…信号端子
１３…直列腕
１４〜１６…並列腕
２０…弾性表面波共振子
２１…圧電基板
２１ａ…主面
２２…ＩＤＴ電極
２２ａ…上面
２２ｂ、２２ｃ…側面
２３…第１の誘電体層
２４…第２の誘電体層
２５…第３の誘電体層
Ｐ１〜Ｐ３…並列腕共振子
Ｓ１〜Ｓ４…直列腕共振子
Ｃ１…キャパシタ
Ｌ１〜Ｌ４…インダクタ
本発明では、第３の誘電体層の厚みは、ＩＤＴ電極の電極指間ピッチにより決まる波長の１．５％以上である。従って、不要波に起因する周波数特性の低下をより効果的に抑制することができる。
Claims (8)
- 圧電基板と、
前記圧電基板の上に形成されたＩＤＴ電極と、
前記圧電基板の上に形成されており、酸化ケイ素からなる第１の誘電体層と、
前記第１の誘電体層の上に形成されており、前記第１の誘電体層よりも速い音速を有する第２の誘電体層と、
を備える、弾性表面波装置であって、
前記第１の誘電体層と前記圧電基板との間に形成されており、前記圧電基板の表面並びに前記ＩＤＴ電極の上面及び側面を覆う第３の誘電体層をさらに備える弾性表面波装置。 - 前記第３の誘電体層の厚みは、前記ＩＤＴ電極の電極指間ピッチにより決まる波長の１．５％以上である、請求項１に記載の弾性表面波装置。
- 前記第３の誘電体層の厚みは、前記第１の誘電体層の厚み以下である、請求項１に記載の弾性表面波装置。
- 前記第３の誘電体層は、窒化ケイ素、酸窒化ケイ素、ダイヤモンド、アルミナまたは窒化アルミニウムからなる、請求項１〜３のいずれか一項に記載の弾性表面波装置。
- 前記第２の誘電体層は、窒化ケイ素、酸窒化ケイ素、ダイヤモンド、アルミナまたは窒化アルミニウムからなる、請求項１〜４のいずれか一項に記載の弾性表面波装置。
- 前記圧電基板は、ＬｉＮｂＯ３またはＬｉＴａＯ３からなる、請求項１〜５のいずれか一項に記載の弾性表面波装置。
- 前記圧電基板は、１２０°〜１３０°ＹカットＸ伝搬のＬｉＮｂＯ３基板からなる、請求項６に記載の弾性表面波装置。
- 前記圧電基板は、−１０°〜１０°ＹカットＸ伝搬のＬｉＮｂＯ３基板からなる、請求項６に記載の弾性表面波装置。
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