CN1585266A - 表面声波器件及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种可实现高频率化且能发挥优良温度特性的新型表面声波器件及其制造方法。该表面声波器件是利用高速SH型表面波的器件，其在欧拉角由(0°，θ(其中，θ为125°～142°)，90°)表示的石英基板上形成IDT电极时，调整该IDT电极的膜厚，使该石英基板在规定温度时的频率温度系数TCF为负数，之后，用在该规定温度时具有正的频率温度系数的薄膜覆盖在该IDT电极上。这样，由于可使器件整体的频率温度系数TCF为零，并且可改善二次温度系数β，因而可提供容易实现高频率化且具有优良温度特性的表面声波器件。

Description

表面声波器件及其制造方法
技术领域
本发明涉及正在研究作为移动电话等移动通信的带通滤波器和基准时钟谐振器等广泛应用的表面声波器件及其制造方法等。
背景技术
专利文献1：特开昭61-73409号公报
专利文献2：特开2002-76835号公报
专利文献3：特开平10-224172号公报
非专利文献1：中村僖良ら、“横波(SH型)弹性表面波の研究とその通信用デバイスヘの応用”、[online]、[平成15年8月18日検索]、インタ一ネット<http：//www.ecei.tohoku.ac.jp/～nakamura/shsaw.html>
非专利文献2：平成7年日本学術振興会産学協同研究支援事業実施報告書第132～137頁「High Performance GHz Range SurfaceTransverse Wave Resonant Devices.Applications to Low NoiseMicrowave Oscillators and Communication System」
相关的以往的表面声波器件，例如，如图9所示，结构为：在压电性弹性体基板(压电基板)10上具有将由导电性膜形成的至少一对梳型电极交叉而成的IDT(叉指换能器：Inter Digital Transducer)电极20，并且，在其两侧分别具有同样由导电性膜形成的梯子型反射器电极30、30。
而且，如果向该中央的IDT电极20施加电信号，则在压电基板10的表面上进行从电信号到表面声波(Surface Acoustic Wave：以下简称为SAW)的变换和逆变换。反射器电极30、30使在压电基板10的表面上产生的表面声波反射和谐振。利用这一点，可构成谐振器、带通滤波器等。
作为这种在表面声波器件中利用的表面声波，以与基板10表面垂直的位移和表面波传播方向的位移为主要分量的瑞利波(Rayleigh Wave)，和在把能量放射到基板内部的同时进行传播的泄漏表面声波(Leaky Wave)是具有代表性的，此外公知的有SH(横波)型表面声波。
该SH型表面声波与瑞利波等不同，它是使用IDT电极20等把与表面波传播方向垂直且与基板10表面平行的位移分量的能量封闭到基板表面的波动模式，与瑞利波等相比，由于声速(传播速度)大，因而在实现表面声波器件的高频率化方面是必不可少的。
即，由于已经知道该表面声波器件的中心频率f具有以下关系：
f＝v/λ(其中，v是表面声波的传播速度，λ是波长)，
因而为了实现该器件的高频率化(提高中心频率f)，可以减小波长λ，即减小决定波长λ的长度的电极指间的间距，然而，由于受制造装置的极限的限制，因而通过利用传播速度v大的表面声波，可有效地达到目的。
而且，作为这种传播速度大的SH型表面波，例如，已经知道有：例如上述专利文献1等所示的旋转Y板即石英ST切割基板的+90°X传播的横波型泄漏表面声波；非专利文献1中所述的单纯横波表面声波即BGS波(Bleustein-Gulyaev-Shimizu wave)；拉夫波(Love wave)；或者在非专利文献2中所述的由石英基板激励的STW(表面横波：SurfaceTransverse Wave：传播速度为5100m/s)等。
另外，在这种利用传播速度大的SH型表面波的器件的情况下，可比较容易地实现高频率化，然而如图10所示，与使用ST切割瑞利波的器件相比，由于频率随温度的变动大，因而具有相对温度的可靠性不足的缺点。
因此，以往，例如如上述专利文献2所示，提出一种方法，该方法通过使用STW的频率温度系数(以下称为TCF：temperature coefficientof frequency)为正数的37°～45°旋转Y切割石英基板以及TCF为负数的薄膜，把与石英基板的切割角对应的膜厚的薄膜形成在石英基板上，以使TCF为零(抵消)，从而改善频率温度特性。另外，TCF由下式表示，一般是指频率对室温附近温度的斜度。
TCF＝f-1(f/T)[ppm/℃]
并且，同样在上述专利文献3中，通过在SH型的泄漏表面声波的延迟时间温度系数(以下称为TCD：Temperature coefficient of delay)具有负值的欧拉角(0°，123°～177°，90°)的石英基板上形成TCD为正数的压电薄膜，以使TCD为零，从而改善频率温度特性，同时，明确了使有助于器件宽带化等的机电耦合系数k2增大的欧拉角和薄膜(ZnO膜)的膜厚的关系。另外，由于表面波的相速度和群速度大致相等，因而TCD具有以下关系：TCD＝-TCF。
然而，这样通过利用频率温度系数TCF或延迟时间温度系数TCD为负数或正数的薄膜来改善频率温度特性的以往方法，由于计算值是在忽视基板上形成的IDT电极等的电极膜厚的影响的理想状态下的计算值，因而可知，与实际获得的TCF或TCD大为不同。
即，由于表面声波的能量集中在基板表面，因而容易受到电极膜厚的影响，单独的基板的温度特性和电极形成后的温度特性大为不同，仅由基板的欧拉角不能确定TCF或TCD，因而可知，如以往那样，仅由基板的欧拉角来选择温度系数校正用的薄膜是不合适的。
并且，所有以往例都仅关注表示相对于室温附近的温度的斜度的TCF和TCD，完全没有考虑对期望温度范围内的频率变动量有很大影响的二次温度系数β。
发明内容
因此，本发明是为了有效解决这种课题而提出的，其主要目的是提供容易实现高频率化且能发挥优良温度特性的新型表面声波器件及其制造方法。
[发明1]
为了解决上述课题，发明1的表面声波器件，其特征在于，在欧拉角为(0°，θ(其中，θ为125°～142°)，90°)且激励SH型表面波的石英基板上具有规定膜厚的IDT电极，以使该石英基板在规定温度时的频率温度系数TCF为负数，并且，用在上述规定温度时的频率温度系数TCF为正数的薄膜覆盖该IDT电极。
这样，首先，本发明由于可通过使用由欧拉角(0°，θ(其中，θ为125°～142°)，90°)表示的石英基板来激励STW等高速SH型表面声波，因而可容易地实现高频率化。
并且，由于该石英基板在规定温度时的频率温度系数TCF被规定膜厚的IDT电极控制为负数，并且该IDT电极由在上述规定温度时具有正的频率温度系数TCF的薄膜覆盖，因而如后面的实施方式中所详细说明的那样，由于在规定温度、即使用环境温度范围的中心把频率温度系数TCF校正为零，因而可减小该温度范围的频率变动。
此外，如后面的实施方式所详细说明的那样，由于使二次温度系数β接近零，因而使用环境温度范围内的频率温度变动量进一步减小，可进行稳定的动作。
即，本发明是通过具体发现以下现象及该现象的边界线而提出的，其中，该现象为：对于可激励以往高速SH型表面声波的欧拉角的石英基板，即使是频率温度系数TCF被视为正数的欧拉角，根据电极膜厚和θ的关系，也会发生反转为负数的现象，通过采用适应这种现象的结构，可确实实现高频率化和温度特性的改善。
并且，该薄膜不仅具有改善基板侧的频率温度特性的效果，而且同时也具有通过保护电极和避免短路而提高成品率等的效果。
[发明2]
发明2的表面声波器件的特征在于，在发明1所述的表面声波器件中，上述薄膜由以氧化硅(SiO2)、氮化硅(Si3N4)或者氮化钛(TiN)中的任意一种为主要成分的材料形成。
即，这些材料在形成薄膜时，表现出正的频率温度系数TCF，通过利用这种材料作为薄膜，并适当调整其膜厚，可容易地进行表面声波器件的一次温度系数的校正。
[发明3]
发明3的表面声波器件的特征在于，在发明1或2所述的表面声波器件中，上述IDT电极由以Al为主要成分的材料形成，并且上述欧拉角中的θ与上述IDT电极的标准化膜厚(H/λ(H＝实际膜厚，λ＝波长))具有由下述公式表示的关系：
H/λ＞-4.418215×10-6×θ4+2.407644×10-3×θ3-4.919222×10-1×θ2+4.466510×10×θ-1.520615×103
即，本发明使用公式具体确定下述范围，即，在使用可激励高速SH型表面声波的欧拉角的石英基板时，通过电极膜厚的调整，可使频率温度系数TCF为负的范围，这样，与发明1相同，可确实实现高频率化和温度特性的改善。
[发明4]
发明4的表面声波器件的特征在于，在发明3所述的表面声波器件中，上述IDT电极的标准化膜厚(H/λ)小于等于0.1。
[发明5]
发明5的表面声波器件的制造方法，在欧拉角由(0°，θ(其中，θ为125°～142°)，90°)表示的石英基板上形成IDT电极之后，用薄膜覆盖该IDT电极，其特征在于，在上述石英基板上形成IDT电极时，调整该IDT电极的膜厚，使该石英基板在规定温度时的频率温度系数TCF为负数，之后，用在上述规定温度时具有正的频率温度系数TCF的薄膜覆盖在该IDT电极上。
这样，可容易地获得可激励STW等SH型高速波且可在大的温度范围内发挥优良温度特性的表面声波器件。
[发明6]
发明6的表面声波器件的制造方法的特征在于，在发明5所述的表面声波器件的制造方法中，上述薄膜由以氧化硅(SiO2)、氮化硅(Si3N4)或者氮化钛(TiN)中的任意一种为主要成分的材料形成。
这样，由于与发明2相同，可容易地进行基板的频率温度系数TCF的校正，因而可更可靠地获得可激励高速SH型表面声波且可在大的温度范围内发挥优良温度特性的表面声波器件。
[发明7]
发明7的带通滤波器的特征在于，由发明1～4中的任意一项的表面声波器件构成。
这样，由于可实现高频率化和温度特性的改善，因而可获得高性能且高可靠性的带通滤波器。
[发明8]
发明8的SAW谐振器的特征在于，由发明1～4中的任意一项的表面声波器件构成。
这样，由于可实现高频率化和温度特性的改善，因而可获得高性能且高可靠性的SAW谐振器。
根据本发明，由于可把频率温度系数TCF容易且可靠地调整到零，因而能够以该顶点温度作为使用环境温度范围的中心来减小频率变动量，同时由于也能使二次温度系数β接近零，因而可进一步减小频率变动量。
并且，由于通过利用SiO2等绝缘性优良的薄膜来同时实现保护电极和防止短路，因而制造成品率也提高。
附图说明
图1是表示根据本发明的表面声波器件的一个实施方式的平面图。
图2是沿图1中的A-A线的剖面图。
图3是表示表面声波器件的石英基板的切出方位的图。
图4是表示石英基板相对电极膜厚的一次温度特性变化的曲线图。
图5是表示TCF随欧拉角θ和电极膜厚H/λ的变化而变化的曲线图。
图6是表示单独的电极的膜厚和具有薄膜的电极膜厚与二次温度系数的关系的曲线图。
图7是表示仅具有电极的石英基板的频率温度特性和使用SiO2膜实施温度校正后的频率温度特性的曲线图。
图8是表示在石英基板上具有的标准化电极膜厚H/λ及在其上形成的SiO2膜的标准化膜厚与表面波的声速的关系的曲线图。
图9是表示以往的表面声波器件的一例的透视图。
图10是表示频率温度变化率的曲线图。
符号说明
10：压电基板(石英基板)；20：IDT电极；21：电极体；21a：电极指；21b：母线；30：反射器电极；40：薄膜；100：表面声波器件。
具体实施方式
以下，参照附图对本发明的最佳实施方式进行详细说明。
图1是表示根据本发明的表面声波器件100的一个实施方式的平面图，图2是图1的A-A线剖面图。
如图所示，该表面声波器件100采用以下结构：在由石英基板形成的矩形压电基板10的上面中央部分，具有由Al等导电性薄膜形成的IDT电极20，并且，在该IDT电极20的两侧，分别具有同样由Al等导电性薄膜形成的梯子状反射器电极30、30，而且，这些IDT电极20和反射器电极30、30整体由薄膜40覆盖。
并且，该IDT电极20配置成使至少一对梳形电极体21、21相互交叉(啮合)，一旦向该IDT电极20施加交流电压，则由于压电效应在相邻的电极指21a、21a之间的基板10表面上周期性地产生相互反相的变形，从而激励波长为λ的表面波。
此处，该各电极体21、21采用把相互平行延伸的多个电极指21a、21a、21a的端部用母线21b连接的梳形形状，本实施方式中所说的波长λ是指如图所示的相邻的电极指21a、21a之间的间距P的2倍(λ＝2P)，电极膜厚H是指这些IDT电极20和反射器电极30、30在厚度方向的高度。
并且，构成该矩形压电基板10的石英基板，为了激励STW，其表面的切出角和传播方向在图3所示的欧拉角(0°，125°～142°，90°)的范围内，并且，IDT电极20由Al构成，并通过其膜厚H设定成使频率温度系数TCF在由图5的线L1、线L2和线L3包围的阴影区域R内为负数。而且，图3是表示该石英基板的切出方位的图，在用以Z轴为中心并以逆时针方向为正而旋转的第一旋转角φ，和以旋转后的X轴为中心并以逆时针方向为正而旋转的第二旋转角θ来表示切断面M，并用以旋转后的Z轴为中心以逆时针方向为正而旋转的第三旋转角ψ来定义基板面内的表面传播方向的情况下，若用欧拉角表示，则表示为(φ，θ，ψ)。
图4是表示在使用欧拉角(0°，127°，90°)的石英基板时，标准化电极膜厚H/λ和在基准温度25℃时的频率温度系数TCF的关系的图，当H/λ在0.045(4.5％)附近时，TCF为零，即，顶点温度为该情况的基准温度、即25℃，当H/λ在0.045以上时，TCF为负数，当H/λ在0.045以下时为正数。而且，特别是，尽管未作图示，然而如果改变基准温度，则TCF相对电极膜厚的值发生变化。
图5表示欧拉角θ和标准化电极膜厚H/λ的关系。
图中右上方的线L1是表示室温(25℃)时的频率温度系数TCF为零的组合的边界线，该线L1左侧的组合是TCF为负数的区域，右侧的组合是TCF为正数的区域。
而且，本发明把石英基板10侧的欧拉角θ和标准化电极膜厚H/λ的关系设定成使θ和H/λ的组合在该TCF为负数的区域中由线L1、L2和L3包围的斜线阴影区域R内。
此处，线L2是表示由于抗蚀膜的厚度极限和热引起的抗蚀膜的变形等而导致的当前薄膜形成技术的电极膜厚上限即0.10(10％)的线，线L3是在单独的基板时，TCF为负数的θ的上限值。
即，以往，采用以下结构：通过在TCF为正数的欧拉角(0°，123°～177°，90°)的石英基板上形成TCF为负数的薄膜，例如形成ZnO膜等，或者在TCF为负数的欧拉角(0°，θ＜126.1°，90°＝的石英基板上形成TCF为正数的薄膜，例如形成SiO2膜等，使TCF为零，然而，如图5所示，可知：即使角度θ大于等于125°，根据电极膜厚，TCF也能为负数。
因此，如果在欧拉角θ为125°～142°，标准化电极膜厚H/λ小于等于0.10的范围内，把两者设定在图中阴影区域R内，则以往被视为正数的TCF为负数，因而，可知：通过利用TCF为正数的薄膜，可使TCF为零，即，可使顶点温度接近室温。
接着，图6表示在欧拉角为(0°，127°，90°)的石英基板上具有的标准化电极膜厚H/λ及在其上形成的SiO2膜的标准化膜厚与二次温度系数β的关系。而且，该二次温度系数β是把频率温度变化率表示为
(f-f0)/f0＝a(T-T0)+b(T-T0)2
时的与b对应的系数。式中，f是频率，T0是基准温度，f0是基准温度T0时的频率，a是频率温度系数TCF。
在图中，实线A表示在石英基板上仅具有电极的情况，虚线B表示标准化电极膜厚H/λ为0.05(5％)，并在其上形成SiO2膜的情况。而且，虚线B的横轴表示用λ对SiO2膜的膜厚进行标准化，并与标准化电极膜厚H/λ相加所得的值。
而且，如实线A所示，通过简单地加厚电极，表面波的位移分布由于在基板表面上的质量负荷效应而发生变化，从而可实现二次温度系数β的改善，即，使β接近零。然而如上所述，由于制造上的限制，标准化电极膜厚H/λ的极限为0.10，因而仅使用电极来改善二次温度系数的效果小。
因此，如果如虚线B所示采用以下结构：把电极形成为使TCF为负数，并在其上形成TCF为正数的SiO2膜，则可把TCF校正为零，即把顶点温度校正为接近室温，并且通过作用于整个基板表面的质量负荷效应，可改善二次温度系数，因而，如图10的虚线所示，可知：可实现与ST切割瑞利波器件同样的频率相对于温度变动小的表面声波器件。
图7表示仅具有电极的石英基板的频率温度特性(实线)和使用SiO2膜实施温度校正后的频率温度特性(虚线)。从该图可知，与单独的电极相比，通过设置SiO2膜等的薄膜，具有不仅使顶点温度向室温附近移动，而且可进一步改善二次温度系数的效果。
图8表示在欧拉角为(0°，127°，90°)的石英基板上具有的标准化电极膜厚H/λ及在其上形成的SiO2膜的标准化膜厚与表面波的声速的关系。
在图中，实线A表示在石英基板上仅具有电极的情况，虚线B表示标准化电极膜厚H/λ为0.05，在其上形成SiO2膜的情况。而且，虚线B的横轴表示：用λ对SiO2膜的膜厚进行标准化，并与标准化电极膜厚H/λ相加所得的值。
从该图可知，声速对SiO2膜的膜厚的下降量比声速对电极膜厚的下降量小，即使使用SiO2膜进行温度特性校正，也能抑制声速降低，并不会阻碍表面声波器件的高频率化。

Claims (8)

1.一种表面声波器件，其特征在于，在欧拉角为(0°，θ，90°)并且激励横波型表面波的石英基板上，具有规定膜厚的叉指换能器电极，以使该石英基板在规定温度时的频率温度系数TCF为负数，并且，用在上述规定温度时的频率温度系数TCF为正数的薄膜覆盖该叉指换能器电极，其中，θ为125°～142°。
2.根据权利要求1所述的表面声波器件，其特征在于，
上述薄膜由以氧化硅SiO2、氮化硅Si3N4或者氮化钛TiN中的任意一种为主要成分的材料形成。
3.根据权利要求1或2所述的表面声波器件，其特征在于，
上述叉指换能器电极由以铝为主要成分的材料形成，并且上述欧拉角中的θ与上述叉指换能器电极的标准化膜厚H/λ具有由下面的公式表示的关系：
H/λ＞-4.418215×10-6×θ4+2.407644×10-3×θ3-4.919222×10-1×θ2+4.466510×10×θ-1.520615×103，
其中，H＝实际膜厚，λ＝波长。
4.根据权利要求3所述的表面声波器件，其特征在于，
上述叉指换能器电极的标准化膜厚H/λ小于等于0.1。
5.一种表面声波器件的制造方法，在欧拉角由(0°，θ，90°)表示的石英基板上形成叉指换能器电极之后，用薄膜覆盖该叉指换能器电极，其中，θ为125°～142°，其特征在于，
在上述石英基板上形成叉指换能器电极时，调整该叉指换能器电极的膜厚，使该石英基板在规定温度时的频率温度系数TCF为负数，之后，用在该规定温度时具有正的频率温度系数TCF的薄膜覆盖在该叉指换能器电极上。
6.根据权利要求5所述的表面声波器件的制造方法，其特征在于，
上述薄膜由以氧化硅SiO2、氮化硅Si3N4或者氮化钛TiN中的任意一种为主要成分的材料形成。
7.一种带通滤波器，其特征在于，由权利要求1～4中的任何一项的表面声波器件构成。
8.一种表面声波谐振器，其特征在于，由权利要求1～4中的任何一项的表面声波器件构成。
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