CN108141198A - 弹性波装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种即使在频率调整膜的膜厚发生了变化的情况下也不易产生SH波杂散的大小的变动的弹性波装置。弹性波装置(1)在LiNbO3基板(2)上设置有IDT电极(3)、电介质膜(6)以及频率调整膜(7)。LiNbO3基板(2)的欧拉角为(0°±5°的范围内，θ±1.5°的范围内，0°±10°的范围内)，IDT电极(3)具有主电极，在将主电极的用由IDT电极(3)的电极指间距决定的波长λ进行标准化而成的膜厚设为T并将主电极的材料与Pt的密度比设为r时，主电极的膜厚T和欧拉角的θ满足式(1)。式(1)：θ＝‑0.05°/(T/r‑0.04)+31.35°。
Description
技术领域
本发明涉及在LiNbO3基板上层叠有IDT电极、电介质膜以及频率调整膜的弹性波装置。
背景技术
在下述的专利文献1中公开了利用瑞利波的弹性波装置。在该弹性波装置中，在LiNbO3基板上层叠有SiO2膜，使得覆盖IDT电极。进而，在SiO2膜上设置有频率调整用的SiN膜。通过调整SiN膜的厚度，从而可谋求弹性波装置的频率的调整。
在先技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2012-186808号公报
发明内容
发明要解决的课题
在专利文献1记载的弹性波装置中，若SiN膜的膜厚变动，则成为杂散(Spurious)的SH波的响应会变化。因此，在为了进行频率调整而SiN膜的膜厚发生了变化的情况下，有时被抑制的SH波杂散会产生得较大。
本发明的目的在于，提供一种即使频率调整膜的膜厚变化也不易产生SH波杂散的大小的变动的弹性波装置。
用于解决课题的技术方案
本发明涉及的弹性波装置具备：LiNbO3基板；IDT电极，设置在所述LiNbO3基板；电介质膜，设置在所述LiNbO3基板上，使得覆盖所述IDT电极；以及频率调整膜，设置在所述电介质膜上，所述LiNbO3基板的欧拉角为(0°±5°的范围内，θ±1.5°的范围内，0°±10°的范围内)，所述IDT电极具有主电极，在将通过由所述IDT电极的电极指间距决定的波长λ进行标准化而成的所述主电极的膜厚设为T并将所述主电极的材料与Pt的密度比设为r时，所述主电极的膜厚T和所述欧拉角的θ满足下述的式(1)。
式(1)：θ＝-0.05°/(T/r-0.04)+31.35°
在本发明涉及的弹性波装置的某个特定的方面中，所述θ处于25°以上且31°以下的范围内。在该情况下，即使是频率调整膜的膜厚薄的情况，也能够更加有效地抑制SH波杂散的变动。
在本发明涉及的弹性波装置的另一个特定的方面中，所述主电极为从包含Pt、Au、W、Ta、Mo以及Cu的组之中选择出的一种金属或将该金属作为主体的合金。
在本发明涉及的弹性波装置的又一个特定的方面中，所述频率调整膜的膜厚大于0且为0.025λ以下。在该情况下，能够使用频率调整灵敏度高的区域。因此，能够降低频率调整工序的成本。
在本发明涉及的弹性波装置的又一个特定的方面中，所述频率调整膜的膜厚为0.005λ以下。
在本发明涉及的弹性波装置的另一个特定的方面中，所述电介质膜包含SiO2等氧化硅。在该情况下，能够减小频率温度系数TCF的绝对值。
在本发明涉及的弹性波装置的又一个特定的方面中，所述频率调整膜包含SiN等氮化硅。
在本发明涉及的弹性波装置的又一个特定的方面中，所述IDT电极具有所述主电极和包含所述主电极以外的金属的其他电极层。
在本发明涉及的弹性波装置的另一个特定的方面中，是具有所述IDT电极的带通型滤波器。
在本发明涉及的弹性波装置的又一个特定的方面中，所述IDT电极的合计膜厚为0.25λ以下。
在本发明涉及的弹性波装置的另一个特定的方面中，所述氧化硅的厚度比所述IDT电极厚。
发明效果
在本发明涉及的弹性波装置中，即使是频率调整膜的膜厚发生了变化的情况，也不易产生由SH波造成的杂散的大小的变动。
附图说明
图1(a)以及图1(b)是本发明的一个实施方式涉及的弹性波装置的俯视图以及将主要部分放大示出的局部放大正面剖视图。
图2是将本发明的一个实施方式的变形例涉及的弹性波装置中的IDT电极的电极指放大示出的剖视图。
图3是示出LiNbO3基板的欧拉角的θ为25°且IDT电极中的Pt膜的膜厚为0.0475λ的弹性波谐振器中的S参数的频率特性的图。
图4是示出LiNbO3基板的欧拉角的θ为25°且IDT电极中的Pt膜的膜厚为0.0475λ的弹性波谐振器中的阻抗特性的图。
图5是示出LiNbO3基板的欧拉角的θ为25°且IDT电极中的Pt膜的膜厚为0.0475λ的弹性波装置中的、作为频率调整膜的SiN膜的膜厚与SH波的相对频带的关系的图。
图6是示出LiNbO3基板的欧拉角的θ为28°且IDT电极中的Pt膜的膜厚为0.055λ的弹性波装置中的、作为频率调整膜的SiN膜的膜厚与SH波的相对频带的关系的图。
图7是将图6的纵轴的相对频带的比例尺放大示出的图。
图8是示出LiNbO3基板的欧拉角的θ为30°且IDT电极中的Pt膜的膜厚为0.0775λ的弹性波装置中的、作为频率调整膜的SiN膜的膜厚与SH波的相对频带的关系的图。
图9是将图8的纵轴的比例尺放大示出的图。
图10是示出LiNbO3基板的欧拉角的θ为38°且IDT电极中的Pt膜的膜厚为0.02λ的弹性波装置中的、作为频率调整膜的SiN膜的膜厚与SH波的相对频带的关系的图。
图11是示出SiN膜的膜厚与瑞利波的声速的关系的图。
图12是示出SH波的相对频带成为极小的θ与Pt膜的膜厚的关系的图。
具体实施方式
以下，边参照附图边对本发明的具体的实施方式进行说明，从而使本发明变得明确。
另外，需要预先指出的是，本说明书记载的各实施方式是例示性的，能够在不同的实施方式间进行结构的部分置换或组合。
图1(a)以及图1(b)是本发明的一个实施方式涉及的弹性波装置的俯视图以及将主要部分放大示出的局部放大正面剖视图。
弹性波装置1具有LiNbO3基板2。在LiNbO3基板2上设置有IDT电极3。IDT电极3具有多根电极指3a。在IDT电极3的弹性波传播方向两侧设置有反射器4、5。由此，构成了单端口型弹性波谐振器。弹性波装置1利用了瑞利波。
在弹性波装置1中，在LiNbO3基板2上设置有电介质膜6，使得覆盖IDT电极3。在本实施方式中，电介质膜6包含SiO2。
在电介质膜6上，作为频率调整膜7而设置有SiN膜。
因为电介质膜6包含SiO2，所以在弹性波装置1中，频率温度系数TCF的绝对值被设得小。不过，电介质膜6也可以由SiON等其他电介质材料形成。
通过调整频率调整膜7的厚度，从而能够进行弹性波装置1的频率调整。即，通过将频率调整膜7的厚度减薄，从而能够向降低谐振频率、反谐振频率的方向进行频率调整。
频率调整膜7不限于SiN，也可以包含SiON等其他材料。因为膜声速适当且容易加工，所以优选使用SiN膜。
弹性波装置1的特征在于，IDT电极3具有主电极，在将主电极的膜厚设为T并将主电极材料与Pt的密度比设为r时，LiNbO3基板2的欧拉角处于(0°±5°的范围内，θ±1.5°的范围内，0°±10°的范围内)，且主电极的厚度T和欧拉角的θ满足下述的式(1)。由此，即使频率调整膜7的厚度发生了变化，成为杂散的SH波的相对频带也被设得小。
式(1)：θ＝-0.05°/(T/r-0.04)+31.35°
在弹性波装置1中，若SiN膜的膜厚变化，则成为杂散的SH波的相对频带会变化。SH波的相对频带用产生由SH波造成的响应的频率和SH波的谐振频率与反谐振频率之差的比表示，对应于机电耦合系数。若相对频带变大，则由SH波造成的响应产生得大。参照图3～图10对其进行说明。
将LiNbO3基板的欧拉角(0°，θ，0°)中的θ设为25°、将由IDT电极3的电极指间距决定的波长λ设为4.0μm、将构成IDT电极的Pt膜的厚度设为190nm(0.0475λ)而制作出的弹性波谐振器的S参数的频率特性示于图3，阻抗特性示于图4。在各个图中，实线的特性示出作为频率调整膜的SiN膜的膜厚为40nm(0.01λ)的情况，虚线的特性示出10nm(0.0025λ)的情况。在实线的特性中，只能观察到瑞利波的响应，但是在虚线中，在810MHz附近产生了由SH波造成的杂散。这是因为，通过改变SiN膜的膜厚从而SH波的相对频带变大了的缘故。
接着，使LiNbO3基板的欧拉角(0°，θ，0°)中的θ和构成IDT电极3的Pt膜的膜厚进行各种变化，从而制作了多种弹性波装置。在该多种弹性波装置中，使作为频率调整膜的SiN膜的膜厚变化，并求出了SH波的相对频带的变化。图5示出欧拉角的θ为25°且Pt膜的膜厚为0.0475λ的情况下的结果。另外，λ是由IDT电极3的电极指间距决定的波长。
根据图5明确可知，若SiN膜的膜厚超过0.005λ，则SH波的相对频带大致成为0。另一方面，在SiN膜的膜厚为0.005λ以下时，随着SiN膜的膜厚变薄，相对频带变大，因此有时会在器件特性产生由SH波造成的杂散。因此，在θ＝25°且Pt膜的膜厚为0.0475λ的情况下，关于SiN膜的膜厚，优选在0.005λ以上的范围内使SiN膜的膜厚变化来进行频率调整。
图6示出欧拉角的θ为28°且Pt膜的膜厚为0.055λ的情况下的结果，图7是将图6的纵轴的比例尺放大示出的图。根据图6以及图7可明确，在θ为28°且Pt膜的膜厚为0.055λ的情况下，在SiN膜的膜厚为0.0075λ的情况下SH波的相对频带成为0。而且，根据图7可明确，在SiN膜的膜厚为0.0025λ以上且0.025λ以下的范围内，SH波的相对频带为大致0.002％以下，非常小。
图8是示出欧拉角的θ为30°且Pt膜的膜厚为0.0775λ的情况下的SiN膜的膜厚与SH波的相对频带的关系的图，图9是将图8的纵轴的比例尺放大示出的图。
根据图8以及图9明确可知，即使在该情况下，在SiN膜的膜厚为0.0025λ以上且0.025λ以下的范围内，SH波的相对频带也大致变为0。
图10示出除θ和电极的膜厚的关系以外的部分是与在专利文献1中公开的相同的条件且欧拉角的θ为38°、Pt膜的膜厚为0.02λ的情况下的SiN膜的膜厚与SH波的相对频带的关系。根据图10明确可知，在SiN膜的膜厚为0.01λ以下时，随着SiN膜的膜厚变薄，SH波的相对频带变大。可知，若进行频率调整，使得SiN膜的膜厚变薄，直至SiN膜的膜厚为0.01λ以下的范围为止，则SH波的相对频带的大小大幅变化。因此，在专利文献1的结构中，不能可靠地提供特性偏差少的弹性波装置。
相对于此，在图3～图9所示的例子中，可知即使进行频率调整，使得SiN膜的膜厚变薄，直至厚度为0.025λ以下，特别是0.005λ以下为止，SH波的相对频带的大小的变化也非常小。另外，在SiN膜的膜厚为0λ的情况下，将失去频率调整功能，因此SiN膜的膜厚至少大于0。
另一方面，图11是示出SiN膜的膜厚与瑞利波的声速的关系的图。根据该图可明确，SiN膜的膜厚与瑞利波的声速的关系成为向上凸的曲线，SiN膜的膜厚越薄，相对于SiN膜的厚度的变动的频率的变动越大，即，频率调整的灵敏度变得越高。在弹性波装置中，近年来，要求更进一步的低成本化。因此，在频率调整工序中，要求使用频率调整的灵敏度高的条件。即，要求在SiN膜的膜厚尽可能薄的范围进行频率调整。
如前所述，通过选择LiNbO3基板的欧拉角的θ和Pt膜的膜厚，从而即使将SiN膜的膜厚变薄至0.025λ以下，特别是0.005λ以下的范围而进行频率调整，也能够减小由SH波造成的杂散的大小的变化。
本申请发明人考虑到上述的方面，不仅是前述的图3～图9，还使Pt膜的膜厚与LiNbO3基板2的欧拉角的θ进行各种变化，并求出了该情况下的SH波的相对频带。下述的表1示出能够将SH波的相对频带设为最小的情况下的欧拉角的θ与Pt膜的膜厚的组合。
[表1]
若描绘该表1所示的结果，则如图12所示。
另外，在图12中，点A1相当于欧拉角的θ＝25°且Pt膜的膜厚为0.0475λ的情况，即，相当于图5所示的结果。点A2相当于欧拉角的θ＝28°且Pt膜的膜厚为0.055λ的情况，即，相当于图6所示的结果的情况。点A3相当于欧拉角的θ＝30°且Pt膜的膜厚为0.0775λ的情况，即，相当于图8所示的情况。
因此，如果在图12所示的实线A上，则能够将SH波的相对频带设为最小。若用式子表示该实线A，则成为式(1A)。
式(1A)：θ＝-0.05°/(TPt-0.04)+31.35°
即，在将Pt膜的膜厚设为TPt时，在膜厚TPt与欧拉角的θ满足上述式(1A)的情况下，能够将SH波的相对频带设为极小。本申请发明人对Pt以外的主电极材料也进行了各种研究。即，对Au、W、Ta、Mo以及Cu也进行了同样的研究。其结果，确认了在使用了这些金属的情况下，在将用由IDT电极3的电极指间距决定的波长进行标准化而成的膜厚设为T时，只要代替上述的式(1A)中的TPt而使用T/r即可。另外，r＝主电极材料的密度与Pt的密度比。因此，在主电极包含Pt的情况下，成为r＝1，在包含密度比Pt高的金属的情况下，成为r＞1。因而，如果选择欧拉角的θ和主电极的膜厚T，使得满足前述的式(1)，则能够将SH波的相对频带设为最小。因此，能够有效地抑制由于SiN膜的膜厚变动而由SH波的响应造成的影响。因而，能够高精度地进行频率调整，而且也不易产生弹性波装置的特性的偏差。
优选地，欧拉角的θ设为25°以上且31°以下的范围。根据图5～图9可知，欧拉角θ越小，SiN膜的膜厚变薄的情况下的SH波的相对频带的变动越大，但如果θ为25°以上，则SiN膜的厚度为0.005λ附近处的SH波的相对频带变得充分小。因此，能够更有效地抑制由SH波造成的杂散。另一方面，根据图12可知，若θ变大，则IDT的主电极的膜厚变厚。若主电极的膜厚变得过厚，则有时成本会变高，或者电极指的宽度产生偏差的情况下的特性偏差会变大。因此，根据上述理由，更优选地，期望TPt设为0.1λ以下。因而，更优选地，期望θ设为30.5°以下的范围。
另一方面，如图11所示，SiN膜越薄，由SiN膜的膜厚变化造成的声速变动量越大。即，在SiN膜薄的情况下，频率调整的灵敏度高。因而，像上述实施方式那样，通过在SiN膜的膜厚为0.01λ以下的薄的范围进行频率调整，从而能够得到大的频率调整范围。
此外，频率调整能够通过对SiN膜进行蚀刻或者通过SiN膜的成膜时的厚度调整来进行。如上所述，通过使用SiN膜薄的区域，从而能够缩短上述蚀刻、成膜的时间。因此，还能够降低制造成本。
如上所述，在上述实施方式中，能够使用频率调整灵敏度高的SiN膜的膜厚区域进行频率调整。关于上述SiN膜的膜厚，只要大于0且为0.025λ以下则优选，但是更优选为0.01λ以下，进一步优选为0.005λ以下。由此，能够更加有效地提高频率调整灵敏度。
另外，作为电介质膜的SiO2膜的厚度没有特别限定，但只要设为比IDT电极厚且为0.6λ以下程度即可。如果SiO2膜的厚度在该范围内，则能够得到良好的频率温度特性。此外，也不易产生谐振频率的下降等。
另外，IDT电极3可以是包含Pt等主电极材料的单层电极，也可以由层叠金属膜形成。例如，像在图2将电极指3a的部分放大示出的变形例那样，也可以具有层叠了NiCr膜11、作为主电极的Pt膜12、作为扩散防止膜的Ti膜13、以及用于提高导电性的AlCu合金膜14的构造。
上述Pt膜12为主电极。主电极是指在IDT电极中占最大的质量的电极层，是在设置于LiNbO3基板2上时能够得到瑞利波的充分大的响应以及反射的电极。作为构成这样的主电极的材料，优选地，能够使用从包含Pt、Au、W、Ta、Mo以及Cu的组之中选择出的一种金属或将该金属作为主体的合金。将金属作为主体的合金是指在合金中以超过50重量％的比例含有该金属的合金。
上述NiCr膜11为了相对于LiNbO3基板2牢固地接合作为主电极的Pt膜12而设置。即，NiCr膜11设置为密接层。作为密接层，不限于NiCr膜，也可以使用Ti膜、Ni膜、Cr膜等。
Ti膜13为了抑制作为主电极的Pt膜12与AlCu合金膜14之间的相互扩散而设置。不限于Ti膜，也可以使用Ni膜、Cr膜、NiCr膜等。
AlCu合金膜14为了降低IDT电极3的电阻而设置。能够代替AlCu合金膜14而使用导电性比主电极高的适当的金属。
包含主电极和密接膜、扩散防止膜、AlCu膜的IDT电极的合计膜厚没有特别限定，但是，若电极变厚，则电极的长宽比变大，难以形成，因此期望设为0.25λ程度以下。
另外，即使在使用了如上所述的层叠金属膜的情况下，只要主电极的厚度T和欧拉角的θ满足上述式(1)，则与上述实施方式同样地，也能够有效地抑制由于频率调整膜的厚度变动而由SH波造成的响应的变动。
另外，在上述实施方式中，虽然对单端口型弹性波谐振器进行了说明，但是本发明涉及的弹性波装置不限定于单端口型弹性波谐振器。例如，也可以是具有多个IDT电极的纵向耦合谐振器型弹性波滤波器、具有多个弹性波谐振器的梯型滤波器等带通型滤波器。此外，本发明涉及的弹性波装置还能够应用于频带元件滤波器、陷波滤波器。
附图标记说明
1：弹性波装置；
2：LiNbO3基板；
3：IDT电极；
3a：电极指；
4、5：反射器；
6：电介质膜；
7：频率调整膜；
11：NiCr膜；
12：Pt膜；
13：Ti膜；
14：AlCu合金膜。
Claims (11)
1.一种弹性波装置，具备：
LiNbO3基板；
IDT电极，设置在所述LiNbO3基板；
电介质膜，设置在所述LiNbO3基板上，使得覆盖所述IDT电极；以及
频率调整膜，设置在所述电介质膜上，
所述LiNbO3基板的欧拉角为(0°±5°的范围内，θ±1.5°的范围内，0°±10°的范围内)，所述IDT电极具有主电极，在将通过由所述IDT电极的电极指间距决定的波长λ进行标准化而成的所述主电极的膜厚设为T并将所述主电极的材料与Pt的密度比设为r时，
所述主电极的膜厚T和所述欧拉角的θ满足下述的式(1)，
式(1)：θ＝-0.05°/(T/r-0.04)+31.35°。
2.根据权利要求1所述的弹性波装置，其中，
所述θ处于25°以上且31°以下的范围内。
3.根据权利要求1或2所述的弹性波装置，其中，
所述主电极为从包含Pt、Au、W、Ta、Mo以及Cu的组之中选择出的一种金属或将该金属作为主体的合金。
4.根据权利要求1～3中的任一项所述的弹性波装置，其中，
所述频率调整膜的膜厚大于0且为0.025λ以下。
5.根据权利要求4所述的弹性波装置，其中，
所述频率调整膜的膜厚为0.005λ以下。
6.根据权利要求1～5中的任一项所述的弹性波装置，其中，
所述电介质膜包含氧化硅。
7.根据权利要求1～6中的任一项所述的弹性波装置，其中，
所述频率调整膜包含氮化硅。
8.根据权利要求1～7中的任一项所述的弹性波装置，其中，
所述IDT电极具有所述主电极和包含所述主电极以外的金属的其他电极层。
9.根据权利要求1～8中的任一项所述的弹性波装置，其中，
所述弹性波装置是具有所述IDT电极的带通型滤波器。
10.根据权利要求1～9中的任一项所述的弹性波装置，其中，
所述IDT电极的合计膜厚为0.25λ以下。
11.根据权利要求6所述的弹性波装置，其中，
所述氧化硅的厚度比所述IDT电极厚。
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