DE112010003229B4

DE112010003229B4 - Oberflächenschallwellenvorrichtung

Info

Publication number: DE112010003229B4
Application number: DE112010003229.7T
Authority: DE
Inventors: Kenji Nishiyama; Takeshi Nakao; Michio Kadota
Original assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Priority date: 2009-07-17
Filing date: 2010-07-05
Publication date: 2015-07-30
Anticipated expiration: 2030-07-06
Also published as: WO2011007690A1; US20120104897A1; DE112010003229T5; CN102474238B; CN102474238A; US8427032B2; JP5187444B2; JPWO2011007690A1

Abstract

Oberflächenschallwellenvorrichtung (1), die Folgendes umfasst: ein piezoelektrisches Substrat (2); eine IDT-Elektrode (3), die auf dem piezoelektrischen Substrat (2) angeordnet ist; einen ersten Isolierfilm (7), der so angeordnet ist, dass er die Oberseite der IDT-Elektrode (3) und die Oberfläche des piezoelektrischen Substrates bedeckt; und mindestens einen zweiten Isolierfilm (8), der auf dem ersten Isolierfilm (7) angeordnet ist, wobei – ein Film, der die Räume zwischen den Elektrodenfingern der IDT-Elektrode (3) ausfüllt, aus der aus dem ersten Isolierfilm (7) und einem weiteren Film (6) bestehenden Gruppe ausgewählt ist, – die Oberflächenschallwellenvorrichtung (1) einen Modus höherer Ordnung einer SH-Welle nutzt; und – die Schallgeschwindigkeit einer Oberflächenschallwelle in mindestens einem Isolierfilm (7, 8), der sich näher an der IDT-Elektrode (3) befindet als ein Isolierfilm, der sich an der äußersten Fläche des mindestens einen zweiten Isolierfilms befindet, höher eingestellt ist als die Schallgeschwindigkeit einer Oberflächenschallwelle, die sich in dem Isolierfilm ausbreitet, der sich an der äußersten Fläche des mindestens einen zweiten Isolierfilms befindet, wobei der Isolierfilm, der sich an der äußersten Fläche befindet, aus Siliciumoxid besteht, seine Dicke 45 % bis 85 % der Wellenlänge der Oberflächenschallwelle beträgt, der Isolierfilm oder die Isolierfilme außer dem Isolierfilm, der sich an der äußersten Fläche befindet, aus wenigstens einem Isoliermaterial bestehen, das aus der Gruppe bestehend aus Siliciumnitrid, Aluminiumoxid und Siliciumcarbid ausgewählt ist, und seine Dicke 5 % bis 21 % der Wellenlänge der Oberflächenschallwelle beträgt.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Oberflächenschallwellenvorrichtung, die für einen Resonator, ein Filter oder dergleichen verwendet wird, und insbesondere betrifft die Erfindung eine Oberflächenschallwellenvorrichtung, in der mehrere Isolierfilme auf einer IDT-Elektrode gestapelt sind.
ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
Oberflächenschallwellenvorrichtungen sind bisher weithin für Resonatoren, Bandfilter und dergleichen verwendet worden.
Zum Beispiel offenbart das unten beschriebene PTL 1 ein Oberflächenschallwellenresonatorfilter, das in 14 gezeigt ist. Ein Oberflächenschallwellenresonatorfilter 1001 enthält ein in X-Richtung geschnittenes LiTaO₃-Substrat 1002. Eine Elektrodenstruktur, die IDT-Elektroden 1003 und 1004 und Reflektoren 1005 und 1006 enthält, ist auf dem in X-Richtung geschnittenen LiTaO₃-Substrat 1002 angeordnet. Ein SiO₂-Film 1007 ist so angeordnet, daß er die Elektrodenstruktur bedeckt.
In dieser Offenbarung wird eine Antwort des Grundschwingungsmodus einer Oberflächenschallwelle verwendet, und die Dicke H des SiO₂-Films 1007 wird auf den Bereich eingestellt, der durch die Formel 5 % < H/λ < 15 % dargestellt wird, wobei λ die Wellenlänge einer Oberflächenschallwelle ist. Es wird beschrieben, dass dadurch die Frequenz-Temperatur-Kennlinie verbessert werden kann und der elektromechanische Kopplungskoeffizient vergrößert werden kann. Nach PTL 2 ist anstelle des SiO₂-Films eine Glasschicht vorgesehen, welche weiter eine Frequenzeinstellschicht aus einem Glas trägt.
Zitierungsliste
Patentliteratur

PTL 1: JP H07-254835 A
PTL 2: DE 11 2007 001 259 T5

Kurzdarstellung der Erfindung
Technisches Problem
In den zurückliegenden Jahren sind in zunehmendem Maße elektronische Bauelemente verwendet worden, die mit höheren Frequenzen arbeiten. Um die Verwendung höherer Frequenzen zu erlauben, ist es notwendig, in dem Oberflächenschallwellenresonatorfilter 1001 den Elektrodenfingerabstand der IDT-Elektroden 1003 und 1004 zu verkleinern. Jedoch kann das Verkleinern des Elektrodenfingerabstandes zu Schwierigkeiten bei der Verarbeitung der IDTs 1003 und 1004 führen, und der Produktionsertrag könnte verringert werden. Des Weiteren besteht das Problem, dass die Stehstoßspannung verringert werden könnte, was zu einer verminderten Zuverlässigkeit führt.
Angesichts der oben beschriebenen Situation des Standes der Technik ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Oberflächenschallwellenvorrichtung bereitzustellen, die selbst bei verstärkter Verwendung höherer Frequenzen in größeren Stückzahlen produziert werden kann und deren Zuverlässigkeit, wie zum Beispiel eine Stehstoßspannung, nicht so leicht vermindert wird.
Lösung des Problems
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird eine Oberflächenschallwellenvorrichtung nach Anspruch 1 bereitgestellt.
Gemäß einem konkreten Aspekt der Oberflächenschallwellenvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung besteht der zweite Isolierfilm, der sich an der äußersten Fläche befindet, aus Siliciumoxid, seine Dicke beträgt 45 % bis 85 % der Wellenlänge der Oberflächenschallwelle, der Isolierfilm oder die Isolierfilme außer dem Isolierfilm, der sich an der äußersten Fläche befindet, bestehen aus einem einzelnen Isoliermaterial, das aus der Gruppe bestehend aus Siliciumnitrid, Aluminiumoxid und Siliciumcarbid ausgewählt ist, und seine Dicke beträgt 5 % bis 21 % der Wellenlänge der Oberflächenschallwelle. In diesem Fall können eine Verringerung des Produktionsertrages und eine Verringerung der Zuverlässigkeit gemindert werden. Des Weiteren kann eine Antwort des Modus höherer Ordnung einer verwendeten SH-Welle weiter verstärkt werden, und der störende Grundschwingungsmodus kann wirksamer unterdrückt werden.
Gemäß einem weiteren konkreten Aspekt der Oberflächenschallwellenvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung enthält der mindestens eine zweite Isolierfilm einen zweiten Isolierfilm; der zweite Isolierfilm besteht aus Siliciumoxid; und der erste Isolierfilm besteht aus einem Isoliermaterial, das aus der Gruppe bestehend aus Siliciumnitrid, Aluminiumoxid und Siliciumcarbid ausgewählt ist. In diesem Fall kann die Isolierfilm-Stapelstruktur vereinfacht werden, da das Bauelement nur einen einzigen zweiten Isolierfilm enthält.
Gemäß einem weiteren konkreten Aspekt der Oberflächenschallwellenvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung besteht das piezoelektrische Substrat aus einem LiNbO₃-Substrat, und die Euler-Winkel des LiNbO₃-Substrats liegen im Bereich von (0°, 62° bis 165°, 0°). In diesem Fall kann der elektromechanische Kopplungskoeffizient des Modus höherer Ordnung weiter vergrößert werden, und die Antwort des Grundschwingungsmodus kann weiter verringert werden. Besonders bevorzugt liegen die Euler-Winkel des LiNbO₃-Substrats im Bereich von (0°, 99° bis 164°, 0°), und in einem solchen Fall kann der Gütefaktor des Modus höherer Ordnung weiter erhöht werden.
Nutzeffekte der Erfindung
Da bei der Oberflächenschallwellenvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung der Modus höherer Ordnung einer SH-Welle verwendet wird, kann im Vergleich zu dem Fall, wo der Grundschwingungsmodus verwendet wird, die Verwendung höherer Frequenzen verstärkt werden. Da des Weiteren die Schallgeschwindigkeit einer Oberflächenschallwelle in dem Isolierfilm, der sich näher an der IDT-Elektrode befindet als ein Isolierfilm, der sich an der äußersten Fläche des mindestens einen zweiten Isolierfilms befindet, höher eingestellt ist als die Schallgeschwindigkeit einer Oberflächenschallwelle, die sich in dem Isolierfilm ausbreitet, der sich an der äußersten Fläche des mindestens einen zweiten Isolierfilms befindet, kann die Größenordnung der Antwort des Modus höherer Ordnung auf einen ausreichenden Pegel vergrößert werden, und die Antwort des störenden Grundschwingungsmodus kann unterdrückt werden.
Folglich können höhere Frequenzen verwendet werden, ohne dass der Elektrodenfingerabstand der IDT-Elektrode besonders verkleinert wird, und es ist außerdem möglich, dank des Modus höherer Ordnung gute Kennlinien zu erhalten. Darum können selbst bei verstärkter Nutzung höherer Frequenzen eine Verringerung des Produktionsertrages und eine Verringerung der Zuverlässigkeit gemindert werden.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1(a) und 1(b) sind eine schematische teilweise Querschnittsansicht von vorn bzw. eine Draufsicht, die einen wesentlichen Teil einer Oberflächenschallwellenvorrichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigen.
2 ist eine schematische teilweise Querschnittsansicht von vorn zum Veranschaulichen eines wesentlichen Teils einer Oberflächenschallwellenvorrichtung gemäß einem Modifizierungsbeispiel der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
3 ist eine schematische teilweise Querschnittsansicht von vorn zum Veranschaulichen einer üblichen Struktur einer herkömmlichen Oberflächenschallwellenvorrichtung, die zum Vergleich hergestellt wurde.
4 ist ein Diagramm, das die Impedanzkennlinien und die Phasenkennlinien eines herkömmlichen üblichen Oberflächenschallwellenresonators zeigt.
5 ist ein Schaubild, das eine Verteilung der Energieverschiebung im Grundschwingungsmodus und im Modus höherer Ordnung in einer herkömmlichen üblichen Oberflächenschallwellenvorrichtung zeigt.
6 ist ein Diagramm, das die Impedanzkennlinien und die Phasenkennlinien von Oberflächenschallwellenresonatoren in den Fällen zeigt, wo die Dicke des SiN-Films als einem ersten Isolierfilm auf 0 % (kein SiN-Film vorhanden), 10 % und 20 % der Wellenlänge λ eingestellt ist.
7 ist ein Diagramm, das die Beziehung zwischen der Dicke eines SiO₂-Films als einem zweiten Isolierfilm und dem elektromechanischen Kopplungskoeffizienten im Grundschwingungsmodus und im Modus höherer Ordnung in einer Oberflächenschallwellenvorrichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
8 ist ein Diagramm, das die Beziehung zwischen der Dicke eines SiO₂-Films (%) und der Schallgeschwindigkeit der Oberflächenschallwelle im Modus höherer Ordnung zeigt.
9 ist ein Diagramm, das die Beziehung zwischen der Dicke eines SiN-Films als einem ersten Isolierfilm und dem elektromechanischen Kopplungskoeffizienten im Grundschwingungsmodus und im Modus höherer Ordnung in einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
10 ist ein Diagramm, das die Beziehung zwischen der Dicke eines SiN-Films und dem Ausbreitungsverlust im Modus höherer Ordnung zeigt.
11 ist ein Diagramm, das die Beziehung zwischen dem θ von Euler-Winkeln (0°, θ, 0°) eines LiNbO₃-Substrats und dem elektromechanischen Kopplungskoeffizienten im Grundschwingungsmodus und im Modus höherer Ordnung in der Oberflächenschallwellenvorrichtung gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
12 ist ein Diagramm, das die Beziehung zwischen dem θ von Euler-Winkeln (0°, θ, 0°) des LiNbO₃-Substrats und dem Ausbreitungsverlust im Modus höherer Ordnung in der Oberflächenschallwellenvorrichtung gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
13 ist ein Diagramm, das die Impedanzkennlinien und die Phasenkennlinien von Oberflächenschallwellenvorrichtungen in den Fällen zeigt, wo die Euler-Winkel eines LiNbO₃-Substrats auf (0°, 86°, 0°), (0°, 131°, 0°) und (0°, 155°, 0°) in der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung eingestellt sind.
14 ist eine Querschnittsansicht von vorn zum Veranschaulichen einer herkömmlichen Oberflächenschallwellenvorrichtung.
Beschreibung von Ausführungsformen
Die vorliegende Erfindung wird im Folgenden anhand der Beschreibung konkreter Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung mit Bezug auf die Zeichnungen erklärt.
1(a) und 1(b) sind eine schematische teilweise Querschnittsansicht von vorn bzw. eine Draufsicht, die eine Oberflächenschallwellenvorrichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigen.
Eine Oberflächenschallwellenvorrichtung 1 enthält ein piezoelektrisches Substrat 2. In dieser Ausführungsform besteht das piezoelektrische Substrat 2 aus einem LiNbO₃-Substrat.
Eine IDT-Elektrode 3 und Reflektoren 4 und 5 sind auf dem piezoelektrischen Substrat 2 angeordnet. Die Reflektoren 4 und 5 sind auf beiden Seiten der IDT-Elektrode 3 in der Ausbreitungsrichtung einer Oberflächenschallwelle angeordnet, um einen Oberflächenschallwellenresonator vom Ein-Port-Typ zu bilden.
Ein Siliciumoxid-Film 6 mit der gleichen Dicke wie die IDT-Elektrode 3 ist so angeordnet, dass er die Räume zwischen Elektrodenfingern der IDT-Elektrode 3 ausfüllt. Gleichermaßen ist der Siliciumoxid-Film 6 so angeordnet, dass er die Räume zwischen Elektrodenfingern der Reflektoren 4 und 5 mit der gleichen Dicke wie die Reflektoren 4 und 5 ausfüllt.
Des Weiteren ist ein erster Isolierfilm 7, der aus einem Siliciumnitrid-Film besteht, so angeordnet, dass er die Oberseite der IDT-Elektrode 3 bedeckt. Ein zweiter Isolierfilm 8, der aus Siliciumoxid besteht, ist auf dem ersten Isolierfilm 7 angeordnet.
Die Oberflächenschallwellenvorrichtung 1 gemäß dieser Ausführungsform nutzt die Antwort des Modus höherer Ordnung einer SH-Welle. Dementsprechend kann im Vergleich zu dem Fall, wo die Antwort des Grundschwingungsmodus verwendet wird, die Verwendung höherer Frequenzen verstärkt werden, da die Schallgeschwindigkeit des Modus höherer Ordnung höher ist als die des Grundschwingungsmodus. Oder anders ausgedrückt: Es können höhere Frequenzen verwendet werden, ohne den Elektrodenfingerabstand der IDT-Elektrode 3 besonders zu verkleinern. Folglich ist es selbst in dem Fall, wo die Verwendung höherer Frequenzen verstärkt wird, nicht notwendig, die Genauigkeit der Elektrodenverarbeitung besonders zu erhöhen, wodurch eine Steigerung des Produktionsertrages ermöglicht wird. Da des Weiteren die Stehstoßspannung nicht so leicht vermindert wird, wird auch die Zuverlässigkeit nicht so leicht vermindert.
Außerdem ist in der Oberflächenschallwellenvorrichtung 1 gemäß dieser Ausführungsform die Schallgeschwindigkeit einer Oberflächenschallwelle in dem ersten Isolierfilm 7, der sich auf der Seite der IDT-Elektrode 3 befindet, höher eingestellt als die Schallgeschwindigkeit einer Oberflächenschallwelle in dem zweiten Isolierfilm 8, der sich an der äußersten Fläche befindet. Darum kann, wie weiter unten noch beschrieben wird, die Größenordnung der Antwort des Modus höherer Ordnung auf einen ausreichenden Pegel vergrößert werden, und die Antwort des störenden Grundschwingungsmodus kann unterdrückt werden. Folglich können gute Resonanzkennlinien unter Verwendung des Modus höherer Ordnung erhalten werden. Das wird weiter unten noch genauer beschrieben.
3 ist eine schematische teilweise Querschnittsansicht von vorn, die einen wesentlichen Teil einer herkömmlichen üblichen Oberflächenschallwellenvorrichtung zeigt. In einer Oberflächenschallwellenvorrichtung 1101 ist eine IDT-Elektrode 1103 auf einem piezoelektrischen Substrat 1102 angeordnet, und ein Siliciumoxid-Film 1104 ist so angeordnet, dass er die IDT-Elektrode 1103 bedeckt. 4 zeigt ein Beispiel der Impedanzkennlinien und der Phasenkennlinien der Oberflächenschallwellenvorrichtung 1101, die eine solche Stapelstruktur aus piezoelektrischem Substrat, IDT-Elektrode und Siliciumoxid-Film aufweist.
5 ist ein Schaubild, das eine Verteilung der Verschiebung im Grundschwingungsmodus und im Modus höherer Ordnung in der herkömmlichen üblichen Oberflächenschallwellenvorrichtung 1101, die in 3 gezeigt ist, zeigt.
Wie aus 5 zu erkennen ist, ist im Grundschwingungsmodus die Verschiebung an dem Abschnitt am höchsten, in dem die IDT-Elektrode 1103 angeordnet ist. Im Gegensatz dazu ist die Verschiebung im Modus höherer Ordnung an der äußersten Fläche des Siliciumoxid-Films 1104 am höchsten, wo die Verschiebung in der Nähe von –1,0 liegt.
Dieser Modus höherer Ordnung entspricht einer Sezawa-Welle, die ein Modus höherer Ordnung einer Rayleigh-Welle ist. Jedoch ist der Modus höherer Ordnung, der in der vorliegenden Erfindung verwendet wird, eine SH-Welle (Transversalwelle mit einer Verschiebung in einer Richtung parallel zur Ebene des Substrats), und sein Wellenmodus unterscheidet sich von dem einer Sezawa-Welle, der aus einer Kombination einer P-Welle (Längswelle mit einer Verschiebung in der Ausbreitungsrichtung der Welle) und einer SV-Welle (Transversalwelle mit einer Verschiebung in der Richtung der Substrattiefe) besteht.
Wie aus 4 zu erkennen ist, erscheint in der Oberflächenschallwellenvorrichtung 1101 zusätzlich zu einer Antwort des Grundschwingungsmodus, die durch den Pfeil A angedeutet ist, eine Antwort des Modus höherer Ordnung, die durch den Pfeil B angedeutet ist. Jedoch ist im Vergleich zur Antwort A des Grundschwingungsmodus die Antwort B des Modus höherer Ordnung klein, und darum ist es unter Verwendung des Modus höherer Ordnung nicht möglich, gute Resonanzkennlinien zu erhalten.
Im Gegensatz dazu kann in der Oberflächenschallwellenvorrichtung 1 gemäß dieser Ausführungsform die Antwort des Modus höherer Ordnung verstärkt werden, und die Antwort des Grundschwingungsmodus kann unterdrückt werden. Das wird mit Bezug auf 6 beschrieben.
Oberflächenschallwellenvorrichtungen 1 gemäß der Ausführungsform wurden wie im Folgenden beschrieben hergestellt. Als piezoelektrisches Substrat 2 wurde ein Y-X-LiNbO₃-Substrat mit einem Schnittwinkel von –4°, d. h. ein LiNbO₃-Substrat mit Euler-Winkeln (0°, 86°, 0°), verwendet, und eine IDT-Elektrode 3 und Reflektoren 4 und 5 wurden aus einem Cu-Film gebildet. Die Dicke des Cu-Films wurde auf 5 % der Wellenlänge λ einer Oberflächenschallwelle eingestellt. Die Dicke eines SiO₂-Films, der als ein Siliciumoxid-Film 6 diente, wurde wie bei der IDT-Elektrode 3 auf 5 % der Wellenlänge eingestellt. Des Weiteren wurde die Dicke eines SiN-Films, der als ein erster Isolierfilm 7 diente, auf 0 %, 10 % oder 20 % der Wellenlänge λ eingestellt. Die Dicke eines SiO₂-Films, der als ein zweiter Isolierfilm 8 diente, wurde auf 50 % der Wellenlänge λ eingestellt. Die Impedanzkennlinien und die Phasenkennlinien der auf diese Weise erhaltenen drei Arten von Oberflächenschallwellenvorrichtungen sind in 6 gezeigt.
Wie aus 6 zu erkennen ist, kann im Vergleich zu dem Fall, wo die Dicke des SiN-Films 0 % beträgt, d. h. wo der erste Isolierfilm 7 nicht vorhanden ist, durch Erhöhen der Dicke des SiN-Films auf 10 % und auf 20 % die Antwort des Grundschwingungsmodus verringert werden. Insbesondere kann in dem Fall, wo die Dicke des SiN-Films auf 20 % eingestellt ist, im Vergleich zum Spitze-Tal-Verhältnis der Antwort des Grundschwingungsmodus das Spitze-Tal-Verhältnis der Antwort des Modus höherer Ordnung deutlich vergrößert werden, und die Antwort des Modus höherer Ordnung kann weiter verstärkt werden, während die Antwort des Grundschwingungsmodus deutlich verringert werden kann.
Der Grund dafür ist, dass durch Anordnen des ersten Isolierfilms 7, der aus einem SiN-Film besteht, zwischen dem zweiten Isolierfilm 8, der aus einem SiO₂-Film besteht, und der IDT-Elektrode 3 der Modus höherer Ordnung, bei dem die Schallgeschwindigkeit der Oberflächenschallwelle höher ist als die Schallgeschwindigkeit des Grundschwingungsmodus, mit hoher Intensität angeregt werden kann. Das heißt, da die Schallgeschwindigkeit der Oberflächenschallwelle in dem ersten Isolierfilm 7, der näher an der Seite der IDT-Elektrode 3 liegt, höher ist als die Schallgeschwindigkeit der Oberflächenschallwelle in dem zweiten Isolierfilm 8, der sich an der äußersten Fläche befindet, wird der Modus höherer Ordnung, bei dem die Schallgeschwindigkeit der Oberflächenschallwelle höher ist als die im Grundschwingungsmodus, ausreichend angeregt, während die Anregung des Grundschwingungsmodus, bei dem die Schallgeschwindigkeit der Oberflächenschallwelle relativ gering ist, unterdrückt wird.
Folglich kann, wie in der oben beschriebenen Ausführungsform, die Antwort des Modus höherer Ordnung ausreichend vergrößert werden, indem der erste Isolierfilm 7, in dem die Schallgeschwindigkeit der Oberflächenschallwelle im Vergleich zu dem zweiten Isolierfilm 8, in dem die Schallgeschwindigkeit der Oberflächenschallwelle relativ gering ist, relativ hoch ist, weiter innen angeordnet wird als der zweite Isolierfilm 8, der sich an der äußersten Fläche befindet; und die Antwort des Grundschwingungsmodus kann unterdrückt werden.
Es ist zu beachten, dass sich in der vorliegenden Erfindung der erste Isolierfilm 7, der die IDT-Elektrode 3 bedeckt, auf einen Isolierfilm bezieht, der die Oberseite der IDT-Elektrode 3 bedeckt, wie in 1(a) gezeigt. Folglich entspricht der Siliciumoxid-Film 6 nicht dem ersten Isolierfilm.
In der in 1(a) gezeigten Struktur ist der Siliciumoxid-Film 6 so angeordnet, dass er die Räume zwischen Elektrodenfingern der IDT-Elektrode 3 ausfüllt. Jedoch kann, wie in einem in 2 gezeigten Modifizierungsbeispiel, der Isolierfilm 6 weggelassen werden, und der erste Isolierfilm 7 kann so angeordnet werden, dass er die Räume zwischen Elektrodenfingern ausfüllt. Gemäß der in 1(a) gezeigten Struktur kann ein erster Isolierfilm 7 mit einer flachen Oberseite auf einfache Weise durch ein Abscheidungsverfahren ausgebildet werden, da die Oberseite des Siliciumoxid-Films 6 und die Oberseite der IDT-Elektrode 3 miteinander bündig sind. Des Weiteren kann gemäß dem in 2 gezeigten Modifizierungsbeispiel ein Prozess zum Ausbilden eines Siliciumoxid-Films 6 zwischen Elektrodenfingern weggelassen werden, wodurch die Produktivität erhöht werden kann.
Des Weiteren ist in der oben beschriebenen Ausführungsform ein einzelner zweiter Isolierfilm 8 auf dem ersten Isolierfilm 7 angeordnet. Jedoch kann, wie durch die Linie C als eine gedachte Linie in 1(a) angedeutet, der zweite Isolierfilm 8 eine Stapelstruktur aufweisen, die mehrere Isolierschichten 8a und 8b enthält.
Das heißt, wenn wir annehmen, dass der zweite Isolierfilm 8 eine Struktur hat, in der ein zweiter Isolierfilm 8a und ein zweiter Isolierfilm 8b gestapelt sind, so muss in diesem Fall die Schallgeschwindigkeit einer Oberflächenschallwelle in einem Isolierfilm, der sich näher an der IDT-Elektrode 3 befindet als der zweite Isolierfilm 8a, der sich an der äußersten Fläche befindet, d. h. in dem ersten Isolierfilm 7 oder in dem zweiten Isolierfilms 8b oder in beiden, höher sein als die Schallgeschwindigkeit der Oberflächenschallwelle in dem zweiten Isolierfilm 8a an der äußersten Fläche.
Des Weiteren besteht in der oben beschriebenen Ausführungsform der zweite Isolierfilm 8, der der Isolierfilm an der äußersten Fläche ist, aus Siliciumoxid, und der erste Isolierfilm 7, der sich weiter innen befindet, besteht aus einem Siliciumnitrid-Film. Jedoch ist die Kombination der Materialien, aus denen die Isolierfilme bestehen, nicht darauf beschränkt. Zum Beispiel braucht der Isolierfilm, der sich an der äußersten Fläche befindet, nicht nur aus Siliciumoxid zu bestehen, sondern kann auch aus Siliciumnitrid, Aluminiumoxid oder Siliciumcarbid bestehen.
Des Weiteren kann der mindestens eine Isolierfilm, der sich weiter innen befindet als der Isolierfilm 8 an der äußersten Fläche, aus einem geeigneten Isoliermaterial bestehen, wie zum Beispiel Siliciumnitrid, Aluminiumoxid oder Siliciumcarbid, solange die Schallgeschwindigkeit der Oberflächenschallwelle höher ist als die des Isolierfilms an der äußersten Fläche.
Bevorzugt besteht der Isolierfilm 8 an der äußersten Fläche aus Siliciumoxid, wie in der oben beschriebenen Ausführungsform, und der erste Isolierfilm 7, der sich auf der Seite der IDT-Elektrode 3 befindet, besteht aus einem Isoliermaterial, das aus der Gruppe bestehend aus Siliciumnitrid, Aluminiumoxid und Siliciumcarbid ausgewählt ist. In diesem Fall ist das Verhältnis der Schallgeschwindigkeit in dem ersten Isolierfilm 7 zur Schallgeschwindigkeit in dem zweiten Isolierfilm 8 auf etwa 1,1 bis 1,5 eingestellt, was ausreichend hoch ist. Folglich kann der Modus höherer Ordnung effektiv angeregt werden, und der Grundschwingungsmodus kann unterdrückt werden. Des Weiteren ist es möglich, ein Entweichen des Modus höherer Ordnung zu der Seite des zweiten Isolierfilms 8 an der äußersten Fläche zu hemmen.
Des Weiteren ist das piezoelektrische Substrat 2 nicht auf das LiNbO₃-Substrat beschränkt. Stattdessen kann auch ein LiTaO₃-Substrat oder ein Quarzsubstrat verwendet werden.
In dem Fall, wo das piezoelektrische Substrat 2 einen negativen Frequenz-Temperaturkoeffizienten hat, wie in einem LiNbO₃-Substrat oder LiTaO₃-Substrat, besteht bevorzugt mindestens ein Isolierfilm, d. h. der erste Isolierfilm 7 und/oder der zweite Isolierfilm 8, aus einem Siliciumoxid-Film mit einem positiven Frequenz-Temperaturkoeffizienten. Dadurch ist es möglich, eine Veränderung der Frequenzkennlinien infolge einer Temperaturveränderung in der Oberflächenschallwellenvorrichtung 1 zu unterdrücken. Folglich können die Temperaturkennlinien verbessert werden.
Des Weiteren ist das Elektrodenmaterial, aus dem die IDT-Elektrode 3 und die Reflektoren 4 und 5 bestehen, nicht auf Cu beschränkt, und ist es möglich, ein Metall, wie zum Beispiel Au, Pt, Ta oder W, oder eine Legierung, die hauptsächlich aus einem dieser Metalle besteht, zu verwenden. Des Weiteren können die IDT-Elektrode 3 und die Reflektoren 4 und 5 aus einem gestapelten Metallfilm bestehen, in dem mehrere Metallfilme gestapelt sind. Bevorzugt hat die IDT-Elektrode 3 eine Dichte, die höher ist als die von Al, und die Dichte der IDT-Elektrode 3 beträgt mindestens das 1,5-fache der Dichte des zweiten Isolierfilms 8. Dadurch kann der Reflexionskoeffizient ausreichend erhöht werden. Wenn sie weniger als das 1,5-fache beträgt, so ist die Reflexion unzureichend, und wenn ein Resonator gebildet wird, so entsteht eine hohe Welligkeit nahe dem Antiresonanzpunkt.
7 ist ein Diagramm, das die Änderung des elektromechanischen Kopplungskoeffizienten im Grundschwingungsmodus und im Modus höherer Ordnung in dem Fall zeigt, wo die Dicke des SiO₂-Films, der als der zweite Isolierfilm 8 dient, in der in 6 gezeigten Oberflächenschallwellenvorrichtung, bei der die Dicke des SiN-Films 20 % der Wellenlänge der Oberflächenschallwelle beträgt, verändert wird. Um eine ausreichend kräftige Antwort zu erhalten, beträgt 2der elektromechanische Kopplungskoeffizient Ksaw im Allgemeinen zweckmäßigerweise mindestens 7,5 %. Wie aus 7 zu erkennen ist, kann der 2elektromechanische Kopplungskoeffizient Ksaw im Modus höherer Ordnung mindestens 7,5 % betragen, wenn die Dicke des SiO₂-Films auf mindestens 45 % der Wellenlänge λ eingestellt ist. Folglich ist es wünschenswert, die Dicke des SiO₂-Films auf mindestens 45 % der Wellenlänge λ einzustellen. Des Weiteren ist zu erkennen, dass mit zunehmender Dicke des SiO₂-Films der elektromechanische 2Kopplungskoeffizient Ksaw im Grundschwingungsmodus kleiner wird. Folglich ist die Dicke des SiO₂-Films vorzugsweise so groß wie möglich, solange sie mindestens 45 % der Wellenlänge λ beträgt. Wenn jedoch die Dicke des SiO₂-Films zu groß wird, so wird die Schallgeschwindigkeit kleiner, wie in 8 gezeigt, was zu der Möglichkeit führt, dass die Verwendung höherer Frequenzen nicht verstärkt werden kann. Um also die hohe Schallgeschwindigkeit zu nutzen, die ein Schlüsselmerkmal des Modus höherer Ordnung ist, beträgt die Schallgeschwindigkeit der Oberflächenschallwelle im Modus höherer Ordnung bevorzugt mindestens 4.000 m/s, d. h. mindestens das 1,1-fache der Grundwelle. Dementsprechend beträgt die Dicke des SiO₂-Films zweckmäßigerweise maximal 85 % von λ. Darum beträgt die Dicke des SiO₂-Films bevorzugt 45 % bis 85 % der Wellenlänge λ.
Andererseits ist 9 ein Diagramm, das die Änderung des elektromechanischen Kopplungskoeffizienten im Grundschwingungsmodus und im Modus höherer Ordnung zeigt, wenn die Dicke des SiN-Films nicht nur zu 1 %, 10 % oder 20 % geändert wird, wie in 6 gezeigt, sondern exakt geändert wird.
Wie aus 9 zu erkennen ist, kann der elektromechanische Kopplungskoeffizient 2Ksaw im Grundschwingungsmodus auf 7,5 % oder weniger verkleinert werden, wenn die Dicke des ersten Isolierfilms 7, der aus dem SiN-Film besteht, auf mindestens 5 % der Wellenlänge λ eingestellt ist. Um also die Antwort des Grundschwingungsmodus zu unterdrücken, wird die Dicke des SiN-Films zweckmäßigerweise auf mindestens 5 % der Wellenlänge λ eingestellt.
Des Weiteren ist zu erkennen, dass in dem Bereich, in dem die Dicke des ersten Isolierfilms 7, der aus dem SiN-Film besteht, maximal 20 % der Wellenlänge λ beträgt, die Antwort des Modus höherer Ordnung mindestens 7,5 % beträgt. Wenn also die Dicke des ersten Isolierfilms 7, der aus dem SiN-Film besteht, im Bereich von 0 % bis 20 % der Wellenlänge λ liegt, so kann der elektromechanische 2Kopplungskoeffizient Ksaw mindestens 7,5 % betragen. Darum unterliegt die Dicke des SiN-Films keiner besonderen Beschränkung für das Einstellen der Größenordnung der Antwort des Modus höherer Ordnung auf einen ausreichenden Pegel. Wenn aber, wie in 10 gezeigt, die Dicke des SiN-Films zu groß wird, so nimmt die Leckkomponente zu. 10 ist ein Diagramm, das die Beziehung zwischen der Dicke des SiN-Films und dem Ausbreitungsverlust im Modus höherer Ordnung zeigt. Bei dieser Art der Oberflächenschallwellenvorrichtung wird es als wünschenswert angesehen, den Ausbreitungsverlust auf maximal 0,25 dB/λ einzustellen. Folglich beträgt die Dicke des SiN-Films zweckmäßigerweise maximal 21 % der Wellenlänge λ. Darum beträgt die Obergrenze der Dicke des SiN-Films zweckmäßigerweise maximal 21 %.
In Oberflächenschallwellenvorrichtungen 1 gemäß der Ausführungsform wurde in der gleichen Weise wie bei den Oberflächenschallwellenvorrichtungen in dem in 6 gezeigten Experiment (außer dass die Dicke des SiN-Films als der erste Isolierfilm 7 auf 10 % der Wellenlänge eingestellt wurde und die Dicke des SiO₂-Films als der zweite Isolierfilm 8 auf 60 % eingestellt wurde, und mit Ausnahme der Euler-Winkel des LiNbO₃-Substrats) die Änderung des elektromechanischen 2Kopplungskoeffizienten Ksaw im Grundschwingungsmodus und im Modus höherer Ordnung in dem Fall gemessen, wo θ der Euler-Winkel des LiNbO₃-Substrats geändert wurde. Die entsprechenden Ergebnisse sind in 11 gezeigt.
Wie aus 11 zu erkennen ist, kann der elektromechanische Kopplungskoeffizient 2Ksaw des Modus höherer Ordnung mindestens 7,5 % betragen, wenn θ der Euler-Winkel (0°, θ, 0°) im Bereich von 62° bis 165° liegt. Andererseits ist zu erkennen, dass der elektromechanische Kopplungskoeffizient Ksaw² der Antwort des Grundschwingungsmodus mit maximal 4 % in diesem Bereich klein ist.
Als Nächstes wurde in der gleichen Weise wie in dem in 11 gezeigten Fall die Änderung des Ausbreitungsverlustes im Modus höherer Ordnung gemessen, als θ der Euler-Winkel geändert wurde. Die entsprechenden Ergebnisse sind in 12 gezeigt.
Bei dieser Art von Oberflächenschallwellenvorrichtung wird es als wünschenswert angesehen, den Ausbreitungsverlust auf maximal 0,25 dB/λ einzustellen. Wie aus 12 zu erkennen ist, beträgt der Ausbreitungsverlust maximal 0,25 dB/λ, wenn θ der Euler-Winkel auf den Bereich von 99° bis 164° eingestellt wird, und der Ausbreitungsverlust kann ausreichend verringert werden. Dadurch kann der Gütefaktor des Modus höherer Ordnung weiter erhöht werden.
Um die Ergebnisse mit Bezug auf die 6 bis 12 zu bestätigen, wurden die Oberflächenschallwellenvorrichtungen 1 als Oberflächenschallwellenresonatoren vom Ein-Port-Typ hergestellt, und die Impedanzkennlinien und die Phasenkennlinien wurden ausgewertet.
Piezoelektrisches Substrat: Es wurden drei Arten eines LiNbO₃-Substrats mit Euler-Winkeln von (0°, 86°, 0°), (0°, 131°, 0°) oder (0°, 155°, 0°) hergestellt.
IDT-Elektrode 3: Cu-Film, mit einer Dicke von 5 % der Wellenlänge Erster Isolierfilm: SiN-Film, mit einer Dicke von 10 % der Wellenlänge Zweiter Isolierfilm: SiO₂, Siliciumoxid-Film, mit einer Dicke von 60 % der Wellenlänge
Die Ergebnisse sind in 13 gezeigt.
Wie aus 13 zu erkennen ist, wurde bestätigt, dass in dem Fall wo eines der LiNbO₃-Substrate mit θ der Euler-Winkel von 86°, 131° und 155° verwendet wird, die Antwort des Modus höherer Ordnung gemäß der vorliegenden Erfindung ausreichend verstärkt werden kann, während die Antwort des Grundschwingungsmodus ausreichend unterdrückt wird. Insbesondere kann im Vergleich zu dem Fall, wo θ 86° beträgt, die Antwort des Modus höherer Ordnung weiter verstärkt werden, wenn θ 131° oder 155° beträgt, während die Antwort des Grundschwingungsmodus weiter verringert werden kann. Dadurch kann der Gütefaktor des Modus höherer Ordnung erhöht werden.
In der oben beschriebenen Ausführungsform wurde für die Beschreibung ein Oberflächenschallwellenresonator vom Ein-Port-Typ verwendet. Jedoch ist die vorliegende Erfindung nicht auf den Oberflächenschallwellenresonator vom Ein-Port-Typ beschränkt, sondern kann auf verschiedene Oberflächenschallwellenvorrichtungen angewendet werden, wie zum Beispiel ein längsgekoppeltes Oberflächenschallwellenfilter vom Resonatortyp mit einer Struktur, in der ein erster und ein zweiter Isolierfilm auf einem piezoelektrischen Substrat angeordnet sind. In einem solchen Fall kann die Verwendung höherer Frequenzen unter Verwendung des Modus höherer Ordnung verstärkt werden, und folglich ist es nicht notwendig, die Genauigkeit der Elektrodenausbildung besonders zu erhöhen, wodurch eine Steigerung des Produktionsertrages ermöglicht wird. Des Weiteren wird die Zuverlässigkeit, wie zum Beispiel eine Stehstoßspannung, nicht so leicht vermindert. Außerdem kann, wie oben beschrieben, die Antwort des Modus höherer Ordnung ausreichend verstärkt werden, und die Antwort des Grundschwingungsmodus kann unterdrückt werden. Darum lassen sich gute Filterkennlinien und dergleichen erreichen.
Bezugszeichenliste

1: Oberflächenschallwellenvorrichtung
2: piezoelektrisches Substrat
3: IDT-Elektrode
4, 5: Reflektor
6: Siliciumoxid-Film
7, 8: erster Isolierfilm, zweiter Isolierfilm
8a, 8b: zweiter Isolierfilm

Claims

Oberflächenschallwellenvorrichtung (1), die Folgendes umfasst: ein piezoelektrisches Substrat (2); eine IDT-Elektrode (3), die auf dem piezoelektrischen Substrat (2) angeordnet ist; einen ersten Isolierfilm (7), der so angeordnet ist, dass er die Oberseite der IDT-Elektrode (3) und die Oberfläche des piezoelektrischen Substrates bedeckt; und mindestens einen zweiten Isolierfilm (8), der auf dem ersten Isolierfilm (7) angeordnet ist, wobei – ein Film, der die Räume zwischen den Elektrodenfingern der IDT-Elektrode (3) ausfüllt, aus der aus dem ersten Isolierfilm (7) und einem weiteren Film (6) bestehenden Gruppe ausgewählt ist, – die Oberflächenschallwellenvorrichtung (1) einen Modus höherer Ordnung einer SH-Welle nutzt; und – die Schallgeschwindigkeit einer Oberflächenschallwelle in mindestens einem Isolierfilm (7, 8), der sich näher an der IDT-Elektrode (3) befindet als ein Isolierfilm, der sich an der äußersten Fläche des mindestens einen zweiten Isolierfilms befindet, höher eingestellt ist als die Schallgeschwindigkeit einer Oberflächenschallwelle, die sich in dem Isolierfilm ausbreitet, der sich an der äußersten Fläche des mindestens einen zweiten Isolierfilms befindet, wobei der Isolierfilm, der sich an der äußersten Fläche befindet, aus Siliciumoxid besteht, seine Dicke 45 % bis 85 % der Wellenlänge der Oberflächenschallwelle beträgt, der Isolierfilm oder die Isolierfilme außer dem Isolierfilm, der sich an der äußersten Fläche befindet, aus wenigstens einem Isoliermaterial bestehen, das aus der Gruppe bestehend aus Siliciumnitrid, Aluminiumoxid und Siliciumcarbid ausgewählt ist, und seine Dicke 5 % bis 21 % der Wellenlänge der Oberflächenschallwelle beträgt.
Oberflächenschallwellenvorrichtung (1) nach Anspruch 1, wobei der mindestens eine zweite Isolierfilm (8) einen einzigen zweiten Isolierfilm umfasst, der zweite Isolierfilm aus Siliciumoxid besteht, und der erste Isolierfilm (7) aus wenigstens einem Isoliermaterial besteht, das aus der Gruppe bestehend aus Siliciumnitrid, Aluminiumoxid und Siliciumcarbid ausgewählt ist.
Oberflächenschallwellenvorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 2, wobei das piezoelektrische Substrat (2) aus einem LiNbO₃-Substrat besteht und die Euler-Winkel des LiNbO₃-Substrats (0°, 62° bis 165°, 0°) betragen.
Oberflächenschallwellenvorrichtung (1) nach Anspruch 3, wobei die Euler-Winkel des LiNbO₃-Substrats (0°, 99° bis 164°, 0°) betragen.