CN1293702C - 适合用于千兆赫频带的弹性表面波元件 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种适合用于千兆赫频带的弹性表面波元件。使用Cu合金形成梳齿状电极部(13)、(14)，在将在压电基板(12)的X轴方向上传输的表面波的波长定为λ、将梳齿状电极部(13)、(14)的膜厚定为H时，梳齿状电极部(13)、(14)的规格化膜厚H/λ为0.045以上至0.070以下，通过将压电基板(12)定为以X轴为中心的从Y轴朝向Z轴方向的旋转切断角度θ为52.0°以上至58.0°以下的旋转Y切割LiTaO3基板，可使反射系数(S11)的值为0.88以上。由此，可得到在GHz频带中插入损耗小的、谐振特性良好的弹性表面波元件。

Description

适合用于千兆赫频带的弹性表面波元件
技术领域
本发明涉及可使高频频带中的谐振特性提高的弹性表面波元件。
背景技术
弹性表面波元件是利用机械的振动能量只集中在固体表面附近而传输的弹性表面波的电子部件，可用于构成滤波器、谐振器或双工机等。
近年来，携带电话机等的移动体通信终端的小型化和轻量化正在快速地进展，故越来越要求实现在这些移动体通信终端上安装的电子部件的小型化。
弹性表面波元件具有在压电基板的表面上使由导电性良好且比重小的材料构成的一对梳齿状电极(IDT(叉指变换器)电极)对置并以彼此不同的方式并排了各自的梳齿部的结构。具有这样的单纯的结构的弹性表面波元件是非常适合于使在移动体通信终端上安装的滤波器、谐振器或双工机实现小型化的元件。
在现有的弹性表面波元件中，作为表面波的激励效率高的、此外在高频频带中表面波的传输损耗小的压电基板材料，使用了LiTaO3单晶的36°旋转Y切割板，其中使表面波的传输方向为X方向。
在表面波的频率为几百MHz(兆赫)以下的频带时，由使用了LiTaO3单晶的36°旋转Y切割板压电基板形成的弹性表面波元件的表面波的激励效率高，此外在高频频带中表面波的传输损耗小。
但是，近年来，如果在携带电话机等中GHz(千兆赫)频带的工作为必要的，则已认识到由使用了LiTaO3单晶的36°旋转Y切割板压电基板形成的弹性表面波元件不一定是最佳的元件。
如果变成在GHz频带中的工作，则通过使电极膜厚增加，可使外观上的电机械耦合系数增大，可实现滤波器的宽频带化，但从电极朝向基板内部发射的主体波增大，表面波的传输损耗增大，在专利文献1中记载了这些情况。即，记载了在GHz频带中的工作中电极的附加质量的效应显著地显现出来的情况。
此外，在专利文献1中示出了，由于在GHz频带中电极的附加质量的效应显著地显现出来，故为了使弹性表面波元件的传输损耗为最小，最好使作为压电基板使用的LiTaO3单晶的切割角θ比36°大、具体地说为39°～46°。
此外，在现有的弹性表面波元件的梳齿状电极部的材料中，一般使用导电性良好且比重小的Al或以Al为主要成分的合金。
但是，为了将弹性表面波元件用作例如位于发送放大器的后级的、被施加大的功率的RF部(高频部)的天线双工机，对弹性表面波元件要求耐高功率的性能。再者，伴随移动体通信终端的高频化，也要求弹性表面波元件的工作频率从几百MHz成为几GHz。
因此，也提出了用Cu或以Cu为主要成分的合金来形成梳齿状电极部以代替用Al或以Al为主要成分的合金来形成。
例如，在专利文献2中记载了用低电阻且耐应力迁移的性能高的Cu或以Cu为主要成分的合金来形成弹性表面波元件的梳齿状电极部。
【专利文献1】
特开2001-251157号公报(第4页、第7图、第8图、第5页、第12图、第6页)
【专利文献2】
特开2002-26685号公报(第3页、第1图)
但是，只是在专利文献1的图8和作为其说明的说明书的段落(0035)、(0036)中记载了研究实际上形成弹性表面波元件并作为压电基板的材料使用的LiTaO3单晶的切割角θ与最小插入损耗的关系的结果。该结果是使用专利文献1的图7中示出的弹性表面波滤波器得到的，是将梳状电极的膜厚固定于相当于被激励的弹性表面波的10％的约0.4μm的情况的结果。
此外，在专利文献1中，在图12和作为其说明的说明书的段落(0046)、(0047)中示出了电极膜厚与弹性表面波滤波器的传输损耗的关系。但是，图12的结果是使用Al或Al-1％Cu合金形成梳状电极的条件下的传输损耗的计算值，不是实验值。
此外，在专利文献1的段落(0050)中记载了使用Cu形成梳状电极时的较为理想的电极膜厚的范围。但是，在专利文献1中没有记载成为规定该膜厚范围的根据的实验值或计算值的任一个。
即，迄今为止，在使用LiTaO3单晶作为压电基板的材料并使用Cu或Cu合金形成弹性表面波元件时，还未能求出得到良好的特性用的LiTaO3单晶的切割角θ与最小膜厚的关系。
发明内容
本发明是为了上述现有的课题而进行的，其目的在于，通过具有由通过测定实际上形成的弹性表面波元件的谐振特性而确定的规定的值的切割角的LiTaO3单晶构成的压电基板和规定的值的规格化膜厚的电极，提供既能抑制插入损耗、又能与以往相比使GHz频带中的谐振特性提高的弹性表面波元件。
本发明的特征在于：在具有压电基板、在上述压电基板的表面上激励起表面波的电极部和使上述表面波反射的反射器的弹性表面波元件中，上述电极部具有梳齿状电极部和连接到上述梳齿状电极部上的连接电极部，上述梳齿状电极部具有由以薄膜方式形成的Cu或Cu合金构成的层，在将上述表面波的波长定为λ、将上述梳齿状电极部的膜厚定为H时，上述梳齿状电极部的规格化膜厚H/λ为0.050以上至0.065以下，上述压电基板是以X轴为中心的从Y轴朝向Z轴方向的旋转切断角度θ为52.4°以上至58.0°以下的旋转Y切割LiTaO3基板，在上述压电基板的X轴方向上传输上述表面波。
本发明中的梳齿状电极部的规格化膜厚H/λ与上述压电基板的旋转切断角度θ的值是以弹性表面波元件的反射系数S11的值为评价基准来求出的。
反射系数S11是用在弹性表面波谐振器的信号输入电极与接地电极之间施加了信号时的反射电压对于入射电压的比来求出的，在理想的谐振器的情况下，在反谐振频率中反射系数S11为1。由于这意味着在反谐振频率中阻抗为无限大，谐振器的Q为无限大，故成为反射系数S11越接近于1特性越良好的谐振器。
具体地说，在将反谐振频率的输入信号输入到弹性表面波元件中时，求出反射系数S11为0.88以上的梳齿状电极部的规格化膜厚H/λ的值和上述压电基板的旋转切断角度θ的值，确定了本发明的弹性表面波元件。
由此，只要是本发明的弹性表面波元件，就能在GHz频带的高频信号中可靠地发挥良好的谐振特性。因而，如果使用本发明的弹性表面波元件，则可形成显示出陡峭的衰减特性的滤波器。
此外，在本发明的弹性表面波元件中使用Cu或Cu合金来形成梳齿状电极部。因而，即使实现梳齿状电极部的微细化，也能抑制电阻的增加，可减小滤波器的插入损耗。此外，即使在应力因高频化而增大的情况下，也难以发生Cu原子的移动，可使弹性表面波元件的耐应力迁移的性能得到提高。
再者，由于在本发明中能使规格化膜厚H/λ厚到0.045以上至0.070以下，故可减小上述电极部中的电阻，可抑制弹性表面波元件的插入损耗。
再有，如果使上述梳齿状电极部的规格化膜厚H/λ为0.050以上至0.065以下，使上述压电基板成为以X轴为中心的从Y轴朝向Z轴方向的旋转切断角度θ为52.4°以上至58.0°以下的旋转Y切割LiTaO3基板，则在输入了反谐振频率的输入信号时，S11显示出0.90以上，可得到GHz频带的高频信号中的谐振特性变得更为良好的弹性表面波元件。
或者，即使使上述梳齿状电极部的规格化膜厚H/λ为0.050以上至0.065以下，使上述压电基板成为以X轴为中心的从Y轴朝向Z轴方向的旋转切断角度θ为50.0°以上至59.5°以下的旋转Y切割LiTaO3基板，在上述压电基板的X轴方向上传输上述表面波，也能使输入了反谐振频率的输入信号时的S11为0.88以上。
附图说明
图1是示出本发明的弹性表面波元件的实施方式的平面图。
图2是说明单晶压电基板的切割角用的示意图。
图3是使用本发明的弹性表面波元件形成的T型滤波器的等效电路图。
图4是使用本发明的弹性表面波元件形成的π型滤波器的等效电路图。
图5是示出压电基板的切割角θ和梳齿状电极部的规格化膜厚H/λ与弹性表面波元件的S11特性的关系的曲线图。
具体实施方式
图1是示出本发明的实施方式的弹性表面波元件的平面图。
符号11表示弹性表面波元件，该弹性表面波元件具有作为谐振器的功能。
符号12表示压电基板。在本实施方式中，压电基板12由LiTaO3来形成。
在压电基板12上形成了梳齿状电极部13和梳齿状电极部14。在梳齿状电极部13和梳齿状电极部14中形成了分别在与图示X3方向相反的方向上延伸的梳齿部13a和在图示X3方向上延伸的梳齿部14a。隔开规定的间隔并在图示X方向上以彼此不同的方式并排了梳齿状电极部13的梳齿部13a和梳齿状电极部14的梳齿部14a。
此外，在梳齿状电极部13和梳齿状电极部14上导电性地连接了将弹性表面波元件与外部的电路连接用的连接电极部15、16。
梳齿状电极部13和连接电极部15构成电极部17，梳齿状电极部14和连接电极部16构成电极部18。
在图1中示出的实施方式中，梳齿状电极部13的梳齿部13a和梳齿状电极部14的梳齿部14a具有相同的宽度尺寸W1，间隔宽度P1也是一定的值。此外，梳齿部13a和梳齿部14a以L1的长度尺寸交叉。再有，宽度尺寸W1为0.1μm以上至1.5μm以下，间隔宽度P1为0.1μm以上至1.5μm以下，长度尺寸L1为16μm以上至100μm以下。
在本实施方式中，梳齿状电极部13和梳齿状电极部14由Cu或Cu合金来形成。再有，这里所说的Cu合金是例如在Cu中含有少量的Ag、Sn、C的合金。作为添加元素的Ag、Sn、C的含有量在Cu合金的比重与纯粹的Cu的比重大致相同的范围内即可。具体地说，如果Cu合金中的添加元素的质量％为0.5质量％以上至10.0质量％以下，则该Cu合金的比重与纯粹的Cu的比重大致相同。
再者，在梳齿状电极部13和梳齿状电极部14的图示X方向和图示X方向的相反一侧隔开规定的距离形成了在图示X方向上并排了多个长方形的电极(条)19a的反射器19、19。在图1中，构成反射器19的各电极的端部相互间呈开放状。但是，也可将构成反射器19的各电极的端部相互间短路。
可用与梳齿状电极部13、14相同的材料形成连接电极部15、16和反射器19、19，也可用Au等其它的导电性材料来形成。
再有，利用溅射法或蒸镀法等的薄膜形成工艺和由抗蚀剂光刻进行的图形形成方法来形成梳齿状电极部13、14、连接电极部15、16和反射器19、19。此外，也可在梳齿状电极部13、14和反射器19、19的下层设置Ti等的基底膜。此外，也可在梳齿状电极部13、14和反射器19、19的上层形成由Cr等构成的防止氧化用的保护层。
如果将弹性表面波元件11的连接电极部15或连接电极部16的一方定为接地侧，从另一方输入高频信号，则在压电基板12的表面上激励起表面波，该表面波在图示X方向和与图示X方向反平行的方向上行进。上述表面波被反射器19、19反射，返回到梳齿状电极部13、14。弹性表面波元件11具有谐振频率和反谐振频率，在反谐振频率中阻抗最高。
在图2中示出在结晶轴X的周围以从Y轴至Z轴的方向上倾斜了旋转角θ的角度切出了具有结晶轴X、Y、Z的LiTaO3单晶的状态。将这样的压电基板称为θ旋转Y切割LiTaO3基板。再有，将角度θ表示为旋转切断角度或切割角。
在本实施方式的弹性表面波元件中，在将上述表面波的波长定为λ、将上述梳齿状电极部的膜厚定为H时，上述梳齿状电极部的规格化膜厚H/λ为0.045以上至0.070以下，上述压电基板是以X轴为中心的从Y轴朝向Z轴方向的旋转切断角度θ(切割角)为52.0°以上至58.0°以下的旋转Y切割LiTaO3基板。
如上所述，在GHz频带那样的高频区域中，梳齿状电极部13、14的膜厚H相对于在压电基板12的表面上被激励起的表面波的波长来说不能忽略。即，梳齿状电极部13、14的附加质量效应显著地显现出来。
在后述的实施例中，在实验上进行了证明，而如果梳齿状电极部13、14的规格化膜厚H/λ和旋转Y切割LiTaO3基板的旋转切断角度(切割角)在上述范围内，则弹性表面波元件11的反谐振频率中的反射系数S11为0.88以上。
即，在反谐振频率中的弹性表面波元件11的输入阻抗变大，可形成表面波的衰减小的、Q高的谐振器。因而，通过使用弹性表面波元件11，可形成显示出陡峭的衰减特性的滤波器。
此外，在本发明的弹性表面波元件中使用Cu或Cu合金来形成梳齿状电极部13、14。因而，即使实现梳齿状电极部13、14的微细化，也能抑制电阻的增加。此外，即使在应力因高频化而增大的情况下，也难以发生Cu原子的移动，可使弹性表面波元件11的耐应力迁移的性能得到提高。
再者，由于能使规格化膜厚H/λ厚到0.045以上至0.070以下，故可减小梳齿状电极部13、14中的电阻，可抑制弹性表面波元件11的插入损耗。
再有，如果使上述梳齿状电极部13、14的规格化膜厚H/λ为0.050以上至0.065以下，使压电基板12成为52.4°以上至58.0°以下的旋转切断角度θ的旋转Y切割LiTaO3基板，则在输入了反谐振频率的输入信号时，S11显示出0.90以上，GHz频带的高频信号中的谐振特性变得更为良好。
或者，即使形成了使梳齿状电极部13、14的规格化膜厚H/λ为0.050以上至0.065以下、使压电基板12成为切割角为50.0°以上至59.5°以下的旋转Y切割LiTaO3基板、在压电基板的X轴方向上传输上述表面波的弹性表面波元件，也能使对弹性表面波元件输入了反谐振频率的输入信号时的S11为0.88以上。
在图3和图4中示出使用图1中示出的弹性表面波元件11形成的滤波器的结构例。
在图3中用符号R1、R2、R3示出的是将图1中示出的弹性表面波元件11作为1个单位进行了标记的元件。图3中示出的滤波器是所谓的T型滤波器，是连接了3个弹性表面波元件的滤波器，弹性表面波元件R1和弹性表面波元件R2经各自的连接电极部串联地连接，将弹性表面波元件R1的一方的连接电极定为输入侧端子in，将弹性表面波元件R2的一方的连接电极定为输出侧端子out。弹性表面波元件R3的一方的连接电极连接在弹性表面波元件R1与弹性表面波元件R2之间，另一方的连接电极接地。
在图4中用符号R4、R5、R6示出的是将图1中示出的弹性表面波元件11作为1个单位进行了标记的元件。在图4中，3个弹性表面波元件中的弹性表面波元件R5和弹性表面波元件R6并列地连接，在弹性表面波元件R5与弹性表面波元件R6之间插入了弹性表面波元件R4。
即，成为弹性表面波元件R4的一方的连接电极为输入侧端子in、另一方的连接电极为输出侧端子out、弹性表面波元件R5的一方的连接电极为输入侧端子in、另一方的连接电极接地了的状态，成为弹性表面波元件R6的一方的连接电极为输出侧端子out、另一方的连接电极接地了的状态。图4中示出的滤波器是所谓的π型滤波器。
(实施例)
在本发明中，利用反射系数S11评价了弹性表面波元件的谐振器特性。
反射系数S11是用在弹性表面波谐振器的信号输入电极与接地电极之间施加了信号时的反射电压对于入射电压的比来求出的，在理想的谐振器的情况下，在反谐振频率中反射系数S11为1。由于这意味着在反谐振频率中阻抗为无限大，谐振器的Q为无限大，故成为反射系数S11越接近于1特性越良好的谐振器。
在本实施例中，形成图中示出的形状的弹性表面波元件，研究了作为压电基板的材料的LiTaO3单晶的以X轴为中心的从Y轴朝向Z轴方向的旋转切断角度θ(切割角)和梳齿状电极部的规格化膜厚H/λ与弹性表面波元件的S11特性的关系。
以下示出实验条件。梳齿状电极部的梳齿部的宽度尺寸W1和反射器的各条的宽度尺寸W2：W1＝W2＝0.4μm～0.545μm
梳齿状电极部的梳齿部的间隔尺寸P1和反射器的各条的间隔尺寸P2：P2＝P1＝0.4μm～0.545μm
梳齿部13a和梳齿部14a的交叉长度尺寸L1：L1＝40×(弹性表面波的波长λ)＝40×2×(W1+P1)
梳齿状电极部的膜厚和各反射器的各条的膜厚：H＝0.095μm
梳齿状电极部的梳齿部的条数：200条
反射器的条的条数：50条
梳齿状电极部与反射器之间的距离L2：L2＝P1＝P2＝0.4μm～0.545μm
再有，压电基板的材料是LiTaO3。在本实施例中，将输入频率定为反谐振频率(在本实施例中，1.7GHz～2.1GHz)。此外，梳齿状电极部和反射器用Cu97.0Ag3.0合金来形成。
在图5中示出结果。如果看图5，则在梳齿状电极部的规格化膜厚H/λ为0.045以上至0.070以下、作为上述压电基板的材料的LiTaO3单晶的切割角为52.0°以上至58.0°以下时，反谐振频率中的反射系数S11为0.88以上。
即，反谐振频率中的阻抗增大，可形成Q高的谐振器。可形成显示出陡峭的衰减特性的滤波器。
再者，在梳齿状电极部的规格化膜厚H/λ为0.050以上至0.065以下、作为上述压电基板的材料的LiTaO3单晶的切割角为52.4°以上至58.0°以下时，反谐振频率中的S11显示出0.90以上，GHz频带区域的高频信号中的谐振特性变得更为良好。
或者，在梳齿状电极部的规格化膜厚H/λ为0.050以上至0.065以下、作为上述压电基板的材料的LiTaO3单晶的切割角为50.0°以上至59.5°以下的情况下，可知反谐振频率中的S11也能为0.88以上。
这样，在本发明中，通过使作为压电基板的材料的LiTaO3单晶的切割角的值成为比在专利文献1中作为合适的切割角示出的值大的值，这样使梳齿状电极部的规格化膜厚H/λ为0.045以上来降低弹性表面波元件的插入损耗，使S11特性为0.88以上以使谐振特性得到提高，可兼顾这两者。
因而，只要是本发明的弹性表面波元件，就能在GHz频带的高频信号中可靠地发挥良好的谐振特性，可形成显示出陡峭的衰减特性的滤波器。
以上关于其较为理想的实施例叙述了本发明，但在不脱离本发明的范围的范围内可附加各种变更。
再有，上述的实施例毕竟是例示，并不限定本发明的权利要求的范围。
在以上已详细地说明的本发明的弹性表面波元件中，将在压电基板的X轴方向上传输的上述表面波的波长定为λ(μm)、将上述梳齿状电极部的膜厚定为H(μm)时，将上述梳齿状电极部的膜厚定为H时，上述梳齿状电极部的规格化膜厚H/λ为0.045以上至0.070以下，将上述压电基板定为以X轴为中心的从Y轴朝向Z轴方向的旋转切断角度θ(切割角)为52.0°以上至58.0°以下的旋转Y切割LiTaO3基板。由此，可使弹性表面波元件的反谐振频率中的反射系数S11为0.88以上。
在本发明中，通过将作为压电基板的材料的LiTaO3单晶的切割角的值和梳齿状电极部的规格化膜厚H/λ的值设定在上述范围内，可兼顾降低弹性表面波元件的插入损耗和使谐振特性得到提高这两者。因而，只要是本发明的弹性表面波元件，就能在GHz频带的高频信号中可靠地发挥良好的谐振特性，可形成显示出陡峭的衰减特性的滤波器。
再者，如果使梳齿状电极部的规格化膜厚H/λ为0.050以上至0.065以下，使作为压电基板的材料的LiTaO3单晶的切割角为52.4°以上至58.0°以下，则反谐振频率中的S11显示出0.90以上，GHz频带的高频信号中的谐振特性变得更为良好。
或者，在使梳齿状电极部的规格化膜厚H/λ为0.050以上至0.065以下、使作为压电基板的材料的LiTaO3单晶的切割角为50.0°以上至59.5°以下的情况下，也可使反谐振频率中的S11为0.88以上。
此外，本发明的弹性表面波元件使用Cu或Cu合金来形成。因而即使实现梳齿状电极部的微细化，也能抑制电阻的增加。此外，即使在应力因高频化而增大的情况下，也难以发生Cu原子的移动，可使弹性表面波元件的耐应力迁移的性能得到提高。

Claims (2)

1.一种弹性表面波元件，具有压电基板、在上述压电基板的表面上激励表面波的电极部和使上述表面波反射的反射器，其特征在于：
上述电极部具有梳齿状电极部和连接到上述梳齿状电极部上的连接电极部，上述梳齿状电极部具有由以薄膜方式形成的Cu或Cu合金构成的层，在将上述表面波的波长定为λ、将上述梳齿状电极部的膜厚定为H时，上述梳齿状电极部的规格化膜厚H/λ为0.050以上至0.065以下，上述压电基板是以X轴为中心的从Y轴朝向Z轴方向的旋转切断角度θ为52.4°以上至58.0°以下的旋转Y切割LiTaO3基板，在上述压电基板的X轴方向上传输上述表面波。
2.一种弹性表面波元件，具有压电基板、在上述压电基板的表面上激励表面波的电极部和使上述表面波反射的反射器，其特征在于：
上述电极部具有梳齿状电极部和连接到上述梳齿状电极部上的连接电极部，上述梳齿状电极部具有由以薄膜方式形成的Cu或Cu合金构成的层，在将上述表面波的波长定为λ、将上述梳齿状电极部的膜厚定为H时，上述梳齿状电极部的规格化膜厚H/λ为0.050以上至0.065以下，上述压电基板是以X轴为中心的从Y轴朝向Z轴方向的旋转切断角度θ为50.0°以上至59.5°以下的旋转Y切割LiTaO3基板，在上述压电基板的X轴方向上传输上述表面波。
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