CN102474238B

CN102474238B - 声表面波装置

Info

Publication number: CN102474238B
Application number: CN201080032018.XA
Authority: CN
Inventors: 西山健次; 中尾武志; 门田道雄
Original assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Priority date: 2009-07-17
Filing date: 2010-07-05
Publication date: 2015-03-11
Anticipated expiration: 2030-07-05
Also published as: WO2011007690A1; US20120104897A1; DE112010003229T5; CN102474238A; US8427032B2; JP5187444B2; JPWO2011007690A1; DE112010003229B4

Abstract

本发明提供一种声表面波装置，即使谋求高频化也难以产生成品率变差和浪涌电压耐受性等可靠性变差，而且能获得良好的频率特性。声表面波装置(1)中，在压电基板(2)上形成IDT电极(3)，在IDT电极(3)上层叠第1绝缘膜(7)、和至少1层的第2绝缘膜(8)，利用SH波的高阶模式，且比起位于最外表面的第2绝缘膜(8)的声表面波的音速，位于较最外表面的绝缘膜(8)更接近IDT电极(3)的一侧的第1绝缘膜(7)的声表面波的音速更快。

Description

声表面波装置

技术领域

本发明涉及在谐振器和滤波器等中所使用的声表面波(surface acoustic wave)装置，更详细地，涉及在IDT电极上层叠有多层绝缘膜的声表面波装置。

背景技术

现有技术中，在谐振器和频带滤波器等中广泛使用声表面波装置。

例如，在下述的专利文献1中，公开了图14所示的声表面波谐振滤波器。该声表面波谐振滤波器1001具有X切LiTaO₃基板1002。在X切LiTaO₃基板1002上形成有由IDT电极1003、1004以及反射器1005、1006构成的电极构造。按照覆盖该电极构造的方式来层叠SiO₂膜1007。

在此，在使用声表面波的基于基本模式的响应，设声表面波的波长为λ时，SiO₂膜1007的膜厚H被设为5％＜H/λ＜15％的范围。由此，能谋求频率温度特性的改善以及机电耦合系数的增大。

先行技术文献

专利文献

专利文献1：JP特开平07-254835号公报

发明的概要

发明要解决的课题

近年来，在电子设备中，高频化更进一步推进。在声表面波谐振滤波器1001中，为了谋求高频化，在IDT电极1003、1004中，需要缩窄电极指间距。但是，若缩窄电极指间距，则会导致IDT1003以及1004的加工困难，可能会降低成品率。另外，会产生浪涌电压耐受性降低、可靠性降低的问题。

发明内容

本发明的目的在于，鉴于上述现有技术的现状，提高一种即使在谋求了高频化的情况下，也能提高成品率且难以降低浪涌电压耐受性等的可靠性的声表面波装置。

用于解决课题的手段

根据本发明提供一种声表面波装置，具备：压电基板；形成于所述压电基板上的IDT电极；在所述压电基板上按照覆盖所述IDT电极的上表面的方式而形成的第1绝缘膜；和在所述第1绝缘膜上形成的至少一层的第2绝缘膜，所述声表面波装置利用SH波的高阶模式，并且，与在所述至少一层的第2绝缘膜中的位于最外表面的绝缘膜中传播的声表面波的音速相比，位于较该最外表面的绝缘膜而更接近IDT电极的一侧的至少一层的绝缘膜的声表面波的音速更快。

在本发明所涉及的声表面波装置的某特定的局面下，位于所述最外表面的绝缘膜由氧化硅构成，且其膜厚为所述声表面波的波长的45％以上且85％以下，最外表面的绝缘膜以外的绝缘膜由从氮化硅、氧化铝以及碳化硅构成的组中选择出的一种绝缘材料构成，且膜厚为声表面波的波长的5％以上且21％以下。这种情况下，不仅难以产生成品率以及可靠性的降低，还能使所利用的SH波的基于高阶模式的响应进一步增大，且能更加有效地抑制成为寄生的基本模式。

在本发明所涉及的声表面波装置的其它的特定的局面下，所述至少一层的第2绝缘膜由一层的第2绝缘膜构成，该第2绝缘膜由氧化硅构成，第1绝缘膜由从氮化硅、氧化铝以及碳化硅构成的组中选择出的一种绝缘材料构成。在该情况下，由于仅有一层的第2绝缘膜，因此能起到简化绝缘膜层叠构造的作用。

在本发明所涉及的声表面波装置的另外的特定的局面下，所述压电基板由LiNbO₃基板构成，该LiNbO₃基板的欧拉角为(0°，62°～165°，0°)的范围。这种情况下，能进一步提高高阶模式的机电耦合系数，且能进一步缩小基本模式的响应。更优选地，所述LiNbO₃基板的欧拉角为(0°，99°～164°，0°)的范围，这种情况下，能进一步提高高阶模式的Q值。

发明的效果

本发明所涉及的声表面波装置由于利用了SH波的高阶模式，因此与利用了基本模式的情况相比，能进一步实现高频化。而且，由于比起在至少一层的第2绝缘膜中的位于最外表面的绝缘膜中传播的声表面波的音速，位于较最外表面的绝缘膜而更接近IDT电极的一侧的绝缘膜的声表面波的音速更快，因此能使基于利用的高阶模式的响应充分大，且能抑制成为寄生的基本模式的响应。

因此，即使不太缩窄IDT电极的电极指间距，也能谋求高频化，而且，能获得基于该高阶模式的良好的特性。因此，即使在提高高频化的情况下，也难以产生成品率的降低，且也难以产生可靠性的降低。

附图说明

图1(a)以及(b)是表示本发明的一个实施方式所涉及的声表面波装置的主要部分的示意性的部分主视截面图以及俯视图。

图2是用于说明本发明的实施方式的变形例所涉及的声表面波装置的主要部分的示意性的部分主视截面图。

图3是用于说明为了进行比较而准备的现有的声表面波装置的一般构造的示意性的部分主视截面图。

图4是表示现有的一般的声表面波谐振器的阻抗特性以及相位特性的图。

图5是示意性地表示现有的一般的声表面波中的基本模式以及高阶模式的能量的移位分布的图。

图6是表示在将作为第1绝缘膜的SiN的膜厚分别设为波长λ的0％(没有形成SiN膜的情况)、10％以及20％的情况下的声表面波谐振器的阻抗特性以及相位特性的图。

图7是表示在本发明的一个实施方式的声表面波装置中，作为第2绝缘膜的SiO2的膜的膜厚、和基本模式以及高阶模式的机电耦合系数的关系的图。

图8是表示SiO₂膜的膜厚(％)与高阶模式的声表面波的音速之间的关系的图。

图9是表示在本发明的第1实施方式中，作为第1绝缘膜的SiN膜的膜厚、与基本模式以及高阶模式的机电耦合系数之间的关系的图。

图10是表示SiN膜的膜厚与高阶模式的传播损失的关系的图。

图11是表示在本发明的实施方式的声表面波装置中，LiNbO₃基板的欧拉角(0°，θ，0°)的θ、和基本模式以及高阶模式的机电耦合系数之间的关系的图。

图12是表示在本发明的实施方式的声表面波装置中，LiNbO₃基板的欧拉角(0°，θ，0°)的θ、高阶模式的传播损失之间的关系的图。

图13是表示在本发明的实施方式中，将LiNbO₃基板的欧拉角分别设为(0°，86°，0°)、(0°，131°，0°)、以及(0°，155°，0°)的情况下的声表面波装置的阻抗特性以及相位特性的图。

图14是用于说明现有的声表面波的主视截面图。

具体实施方式

下面，参照附图来说明本发明的具体的实施方式，由此来使本发明明确。

声表面波装置1具有压电基板2。在本实施方式中，压电基板2由LiNbO₃基板构成。

在压电基板2上，设有IDT电极3以及反射器4、5。在IDT电极3的声表面波传播方向的两侧设有反射器4、5，构成单端口型的声表面波谐振器。

按照填满IDT电极3的电极指间的方式，形成与IDT电极3相同厚度的氧化硅膜6。同样地，按照填满反射器4、5的电极指间的方式，以与反射器4、5相同的膜厚形成上述氧化硅膜6。

另一方面，按照覆盖IDT电极3的上表面的方式，形成由氮化硅膜构成的第1绝缘膜7。另外，在第1绝缘膜7上形成由氧化硅构成的第2绝缘膜8。

本实施方式的声表面波装置1利用SH波的高阶模式的响应。因此，与利用基于基本模式的响应的情况相比，由于高阶模式的音速快于基本模式的音速，因此能谋求高频化。换言之，能不太缩窄IDT电极3的电极指间距地来谋求高频化。因此，即使在谋求高频化的情况下，由于不用太提高电极加工精度，因此能提高成品率。另外，由于浪涌电压耐受性也难以降低，因此可靠性也难以降低。

此外，在本实施方式的声表面波装置1中，比起位于最外表面的第2绝缘膜8中的声表面波的音速，位于IDT电极3侧的第1绝缘膜7的声表面波的音速更快。因此，如后所述，能充分增大基于高阶模式的响应，且能抑制成为寄生的基本模式的响应。因此，能获得利用了高阶模式的良好的谐振特性。在下面对此进行更具体的说明。

图3是表示现有的一般的声表面波装置的示意性的部分主视截面图。在声表面波1101中，在压电基板1102上形成IDT电极1103，按照覆盖IDT电极1103的方式形成氧化硅膜1104。在图4中示出具有这样的压电基板/IDT电极/氧化硅膜的层叠构造的声表面波装置1101的阻抗特性以及相位特性的一例。

图5是表示图3所示的现有的一般的声表面波装置1101中的基本模式以及高阶模式的移位分布的示意图。如图5所明示那样，可知在基本模式中，移位成为最大的是形成有IDT电极1103的部分。与此相对，基于高阶模式的移位成为最大的是移位为-1.0附近的氧化硅膜1104的最外表面。

该高阶模式相当于所谓的瑞利波的妹泽波(sezawa wave)。其中，在本发明中举出的高阶模式是SH波(具有与基板平行方向的移位的横波)，其与通过P波(在波的传播方向具有移位的纵波)和SV波(在基板的纵深方向具有移位的横波)结合出的妹泽波在波的模式上不同。

如图4所明示明了那样，在声表面波装置1101中，不仅是箭头A所示的基本模式，还出现了箭头B所示的基于高阶模式的响应。但是，由于与基于基本模式的响应A相比，基于高阶模式的响应B较小，因此不能利用高阶模式来获得良好的谐振特性。

与此相对，在本实施方式的声表面波装置1中，能使基于高阶模式的响应较大，能抑制基于基本模式的响应。参照图6来对其进行说明。

用以下的要领来作成上述实施方式的声表面波装置1。作为压电基板采用切角为-4°的Y-X LiNbO₃基板即欧拉角为(0°，86°，0°)的LiNbO₃基板，通过Cu膜来形成IDT电极3以及反射器4、5。Cu膜的膜厚设为声表面波的波长λ的5％。作为氧化硅膜6的SiO₂膜的厚度与IDT电极3一样设为波长的5％。另外，作为第1绝缘膜7的SiN膜的膜厚设为波长λ的0％、10％或20％，将作为第2绝缘膜8的SiO₂膜的膜厚设为波长λ的50％。在图6中示出如此获得的3种声表面波装置的阻抗特性以及相位特性。

如图6所明确那样，可知与SiN膜的膜厚为0％即不存在第1绝缘膜7的情况相比，通过使SiN膜的膜厚厚到10％以及20％，能获得更小的基本模式的响应。特别是在将SiN膜的膜厚设为20％的情况，与基本模式的峰谷比相比，能使高阶模式的响应的峰谷比非常大，能进一步增大基于高阶模式的响应，另一方面，能使基于基本模式的响应相当小。

这是由于通过由在SiO₂膜构成的第2绝缘膜8和IDT电极之间插入由SiN膜构成的第1绝缘膜7，能以更高的强度来激励声表面波的音速快于基本模式的音速的高阶模式。即认为是：由于比起位于最外表面的第2绝缘膜8中的声表面波的音速，靠近IDT电极3侧的第1绝缘膜7中的声表面波的音速更快，因此能充分地激励声表面波的音速比基本模式更快的高阶模式，另一方面，声表面波的音速较慢的基本模式的激励相对受到了抑制。

因此，如上述实施方式所示那样，通过将与声表面波的音速相对较慢的第2绝缘膜8相比，声表面波的音速相对较快的第1绝缘膜7配置于位于最外表面第2绝缘膜8的内侧，能使高阶模式的响应充分大，且能抑制基本模式的响应。

另外，在本发明中，如图1(a)所示，覆盖IDT电极3的第1绝缘膜7是指覆盖IDT电极3的上表面的绝缘膜。因此，氧化硅膜6并不相当于第1绝缘膜。

在图1(a)的构造中，按照填满IDT电极3的电极指之间的方式来形成氧化硅膜6，在图2所示的变形例中，省略了绝缘膜6，第1绝缘膜7形成为填满电极指之间的空隙。本来，根据图1(a)所示的构造，由于氧化硅膜6的上表面与IDT电极3的上表面为同一面，因此能通过堆叠法在上表面形成平坦的第1绝缘膜7。另外，在图2所示的变形例中，能省略在电极指之间形成氧化硅膜6的工序。因此，能提高生产性。

另外，在上述实施方式中，在第1绝缘膜7上层叠了一层的第2绝缘膜8，但也可以如图1(a)中作为假想线的C所示那样，第2绝缘膜8具有由多层绝缘膜8a、8b构成的层叠构造。

即，假设第2绝缘膜8具有层叠了第2绝缘膜8a以及第2绝缘膜8b的构造，在这种情况下，只要与位于最外表面的第2绝缘膜8a相比，位于IDT电极3侧的绝缘膜中的第1绝缘膜7以及第2绝缘膜8b中的至少一层的绝缘膜的声表面波的音速更快即可。

另外，在上述实施方式中，用氧化硅来形成最外表面的绝缘膜即第2绝缘膜8，并用氮化硅膜来形成位于内侧的第1绝缘膜7，但构成绝缘膜的材料的组合并不限于此。例如，位于最外表面的绝缘膜也可以不仅由可以氧化硅形成，还可以用氮化硅、氧化铝或碳化硅来形成。

另外，只要位于最外表面的绝缘膜8的内侧的至少一层的绝缘膜比最外表面的绝缘膜的声表面波的音速要快，就能用氮化硅、氧化铝、碳化硅等适宜的绝缘性材料来形成。

优选地，最外表面8的绝缘膜8如上述实施方式那样由氧化硅构成，位于IDT电极3侧的第1绝缘膜7由从氮化硅、氧化铝以及碳化硅构成的组中选择出的一种绝缘性材料构成。这种情况下，第1绝缘膜7的音速相对于第2绝缘膜8的音速之间的音速比充分地快到1.1～1.5。因此，能有效地激励高阶模式，能抑制基本模式，进而，能抑制高阶模式的向最外表面的第2绝缘膜8侧的泄漏。

另外，作为压电基板2，并不限于LiNbO₃基板，也可以使用LiTaO₃基板或水晶基板。

在压电基板2如LiNbO₃基板或LiTaO₃基板这样具有负的频率温度系数的情况下，优选第1、第2绝缘膜7、8中的至少一个绝缘膜由具有正的频率温度系数的氧化硅膜构成。由此，能抑制声表面波装置1的温度变化引起的频率特性变化，因而能改善温度特性。

另外，关于构成IDT电极3以及反射器4、5的电极材料，并不限定于Cu，能使用Au、Pt、Ta、W等的金属或以这些金属为主体的合金。另外，也可以通过层叠多层金属膜而成的层叠金属膜来形成IDT电极3以及反射器4、5。优选地，IDT电极3的密度比Al大，IDT电极3的密度为第2绝缘膜8的1.5倍以上。由此，能使反射系数充分大。假如不足1.5倍，则反射会不足，在形成谐振器时，在反谐振点附近产生较大的波动。

图7是在图6所示的SiN膜的膜厚为声表面波的波长的20％的声表面波装置中，使作为第2绝缘膜8的SiO₂膜的膜厚变化的情况下的基本模式以及高阶模式的机电耦合的变化的图。一般，为了获得充分大的响应，期望机电耦合系数K_saw ²为7.5％以上。如图7所明确那样，若使SiO₂膜的膜厚为波长λ的45％以上，则能使高阶模式的机电耦合系数K_saw ²为7.5％以上。因此，期望SiO₂膜的膜厚为波长λ的45％以上。另外可知，随着SiO₂膜的膜厚变厚，基本模式的机电耦合系数K_saw ²变小。因此，虽然SiO₂膜的膜厚只要是波长λ的45％以上，就越大越为优选，但若过大的话，就会像图8所示那样，音速降低，有可能不再能高频化。因而，为了充分发挥高阶模式的最大的特征即高音速性，优选高阶模式的声表面波的音速为4000m/秒以上，即成为基波的1.1倍以上的条件，因而期望SiO₂膜的膜厚为85％以下。因而，优选SiO₂膜的膜厚为波长λ的45％以上、且85％以下。

另一方面，图9是表示不仅将SiN膜的膜厚设为图6所示的0、10％或20％，而是更细微的变化情况下的基本模式以及高阶模式的机电耦合系数的变化的图。

如图9所明确那样，可知若设由SiN构成的第1绝缘膜7的厚度为波长λ的5％以上，则能使基本模式的机电耦合系数K_saw ²小到7.5％以下。因此，可知为了抑制基于基本模式的响应，SiN膜的膜厚期望为波长λ的5％以上。

另外可知，在由SiN膜构成的第1绝缘膜7的厚度为波长λ的20％以下的范围中，能使基于高阶模式的响应为7.5％以上。因此，由SiN膜构成的第1绝缘膜7的厚度若在波长λ的0％以上且20％以下的范围中，则能使机电耦合系数K_saw ²为7.5％以上，因此，SiN膜的膜厚只要能使基于高阶模式的响应充分大则没有特别的限定。本来，如图10所示，若SiN膜的膜厚过厚，则泄漏分量会变大。图10是表示SiN膜的膜厚与高阶模式的传播损失的关系的图，由于在这种声表面波装置中期望传播损失为0.25dB/λ以下，因此，期望SiN膜的膜厚为波长λ的21％以下。因此，期望SiN膜的膜厚的上限设为21％以下。

在上述实施方式的声表面波装置1中，除了使作为第1绝缘膜7的SiN膜的膜厚为波长的10％、作为第2绝缘膜8的SiO₂膜的膜厚为60％、以及LiNbO₃基板的欧拉角以外，与图6所示的实验中的声表面波装置同样，求取进一步使LiNbO₃基板的欧拉角θ变化的情况下的基本模式以及高阶模式的机电耦合系数K_saw ²的变化。在图11中示出结果。

如图11所明确那样，只要欧拉角(0°，θ，0°)的θ在62°～165°的范围内，就能使高阶模式的机电耦合系数K_saw ²为7.5％以上。另一方面，可知在该范围内，基于基本模式的响应的机电耦合系数K_saw ²小到4％以下。

接下来，与图11所示的情况相同地来求取使欧拉角的θ不同的情况下的高阶模式的传播损失的变化。在图12中示出结果。

说过在这种声表面波装置中，期望传播损失为0.25dB/λ以下。如图12所明确那样，可知只要使欧拉角的θ在99°～164°的范围内，传播损失就会成为0.25dB/λ以下，能充分缩小传播损失，由此能进一步提高高阶模式的Q值。

为了参照图6～图12来确认结果，以以下的条件制作作为单端口型的声表面波谐振器的上述声表面波装置1，并评价阻抗特性以及相位特性。

压电基板：准备欧拉角为(0°，86°，0°)、(0°，131°，0°)、或(0°，155°，0°)这3种类的LiNbO₃基板。

IDT电极3：Cu膜，厚度为波长的5％

第1绝缘膜：SiN膜，厚度为波长的10％

第2绝缘膜：SiO₂氧化硅膜，厚度为波长的60％

在图13中示出结果。

如图13所明确那样，确认了在使用欧拉角的θ为86°、131°以及155°的任一者的LiNbO₃基板的情况下，按照本发明都能使高阶模式的响应充分大，与此相对，能充分抑制基本模式的响应。可知特别是，与θ为86°的情况相比，在131°以及155°的情况下，能使基于高阶模式的响应更大，另一方面能使基于基本模式的响应更小，能较高地获得高阶模式的Q值。

另外，在上述的实施方式中，说明了单端口型声表面波谐振器，本发明并不限于单端口型声表面波谐振器，例如也能应用在下述这样的声表面波装置，即具有在压电基板上层叠了第1、第2绝缘膜的构造的纵耦合谐振器型声表面波滤波器等各种声表面波装置中。这种情况下，也能利用高阶模式来谋求高频化，因而也不用太提高电极形成精度，因此能提高成品率。另外，难以产生浪涌电压耐受性等的可靠性降低。此外，如上所述，能使基于高阶模式的响应充分大，能抑制基于基本模式的响应，因而能获得良好的滤波特性。

标号说明

1声表面波装置

2压电基板

3IDT电极

4、5反射器

6氧化硅膜

7、8第1、第2绝缘膜

8a、8b第2绝缘膜

Claims

1.一种声表面波装置，具备：

压电基板；

形成于所述压电基板上的IDT电极；

在所述压电基板上按照覆盖所述IDT电极的上表面的方式而形成的第1绝缘膜；和

在所述第1绝缘膜上形成的至少一层的第2绝缘膜，

所述声表面波装置按照利用SH波的高阶模式的方式构成压电基板、IDT电极、第1绝缘膜、以及至少一层的第2绝缘膜，

并且，与在所述至少一层的第2绝缘膜中的位于最外表面的绝缘膜中传播的声表面波的音速相比，位于较该最外表面的绝缘膜而更接近IDT电极的一侧的至少一层的绝缘膜的声表面波的音速更快，

位于所述最外表面的绝缘膜由氧化硅构成，且其膜厚为所述声表面波的波长的45％以上且85％以下，

最外表面的绝缘膜以外的绝缘膜由从氮化硅、氧化铝以及碳化硅构成的组中选择出的一种绝缘材料构成，且膜厚为声表面波的波长的5％以上且21％以下。

2.根据权利要求1所述的声表面波装置，其特征在于，

所述至少一层的第2绝缘膜由一层的第2绝缘膜构成，该第2绝缘膜由氧化硅构成，第1绝缘膜由从氮化硅、氧化铝以及碳化硅构成的组中选择出的一种绝缘材料构成。

3.根据权利要求1或2所述的声表面波装置，其特征在于，

所述压电基板由LiNbO₃基板构成，该LiNbO₃基板的欧拉角为(0°，62°～165°，0°)。

4.根据权利要求3所述的声表面波装置，其特征在于，

所述LiNbO₃基板的欧拉角为(0°，99°～164°，0°)。