JP2005065160A - 弾性表面波デバイス及びその製造方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】高速なSHタイプの表面波を利用した弾性表面波デバイスであって、オイラー角が(0°,θ(但しθは125〜142°),90°)で表される水晶基板上にIDT電極を形成する際に、そのIDT電極の膜厚を調整してその水晶基板の所定温度における周波数温度係数をマイナスにしてから、そのIDT電極上を当該所定温度においてプラスの周波数温度係数を有する薄膜で覆う。これによって、デバイス全体の周波数温度係数TCFが零となり、更に二次温度係数βが改善されるため、高周波化が容易で、かつ優れた温度特性を有する弾性表面波デバイスを提供できる。
【選択図】 図6
Description
そして、その中央のIDT電極20に電気信号を加えると、圧電基板10の表面上で電気信号から弾性表面波(Surface Acoustic Wave:以下、適宜SAWと略す)への変換・逆変換が行われる。反射器電極30,30は、圧電基板10の表面上で発生した弾性表面波を反射させ、共振させるものである。これを利用して共振子や、バンドパスフィルタ等を構成することが可能となっている。
このSHタイプの弾性表面波は、レイリー波等と異なり、IDT電極20等により表面波伝搬方向と垂直かつ基板10表面に平行な変位成分のエネルギーを基板表面に閉じ込めた波動モードであり、レイリー波等と比べて音速(伝搬速度)が大きいことから、弾性表面波デバイスの高周波化には不可欠なものとなっている。
f=v/λ(但し、vは弾性表面波の伝搬速度、λは波長)
の関係であることが知られているため、そのデバイスの高周波化を達成する(中心周波数fを高くする)には、波長λを小さく、つまり波長λの長さを決定する電極指間のピッチを小さくすれば良いが、製造装置の限界により制限されるため、伝搬速度vが大きな弾性表面波を利用することで効果的に目的を達成できるからである。
そのため、従来では、例えば以下の特許文献2に示すように、STWの周波数温度係数(以下、適宜TCF:temperature coefficient frequencyという)がプラスとなる37°〜45°回転Yカットの水晶基板と、TCFがマイナスである薄膜を用い、水晶基板のカット角に応じた膜厚の薄膜を水晶基板上に形成することによってTCFを零にして(相殺して)周波数温度特性を改善するような手法が提案されている。なお、TCFは以下の式で表され、一般に室温付近の温度に対する周波数の傾きである。
また、同じく以下の特許文献3では、SHタイプである漏洩弾性表面波の遅延時間温度係数(以下、適宜TCD:Temperature coefficient of delay)がマイナスの値を持つオイラー角(0,123〜177,90)の水晶基板上に、TCDがプラスの圧電薄膜を形成することによってTCDを零にして周波数温度特性を改善すると共に、デバイスの広帯域化等に寄与する電気機械結合係数k2を大きくするオイラー角と薄膜(ZnO膜)の膜厚の関係を明らかにしている。なお、TCDは表面波の位相速度と群速度がほぼ等しいため、TCD=−TCFの関係にある。
また、いずれの従来例も室温付近の温度に対する傾きを示すTCFやTCDにのみ注目し、所望の温度範囲における周波数変動量に大きく影響する二次温度係数βについては全く配慮されていない。
上記課題を解決するために発明1の弾性表面波デバイスは、
オイラー角が(0°,θ(但しθは125〜142°),90°)で、かつSHタイプの表面波を励振させる水晶基板上に、その水晶基板の所定温度における周波数温度係数TCFをマイナスにすべく所定膜厚のIDT電極を備えると共に、そのIDT電極を前記所定温度における周波数温度係数TCFがプラスの薄膜で覆ってなるを特徴とするものである。
また、その水晶基板の所定温度における周波数温度係数TCFが所定膜厚のIDT電極によってマイナスに制御されると共に、そのIDT電極が前記所定温度においてプラスの周波数温度係数TCFを有する薄膜で覆われているため、後の実施の形態で詳述するように、所定温度、すなわち使用環境温度範囲の中心で周波数温度係数TCFが補正されて零となるため、その温度範囲の周波数変動を小さくすることができる。
すなわち、本発明は、従来高速なSHタイプの弾性表面波を励振可能なオイラー角の水晶基板に関し、周波数温度係数TCFがプラスであると考えられていたオイラー角であっても電極膜厚とθとの関係によっては、マイナスに逆転する現象が発生すること並びにその境界線を具体的に発見したことによってなされたものであり、このような現象に適応した構成とすることで高周波化と温度特性の向上を確実に発揮することが可能となる。
〔発明2〕
発明2の弾性表面波デバイスは、
発明1に記載の弾性表面波デバイスにおいて、前記薄膜が酸化珪素(SiO2)、又は窒化珪素(Si3N4)、あるいは窒化チタン(TiN)のいずれかを主成分とする材料からなることを特徴とするものである。
〔発明3〕
発明3の弾性表面波デバイスは、
請求項1又は2に記載の弾性表面波デバイスにおいて、前記IDT電極がAlを主成分とする材料からなり、かつ、前記オイラー角のうちθと前記IDT電極の規格化膜厚(H/λ(H=実膜厚、λ=波長))とが、下記の式で表される関係にあることを特徴とする弾性表面波デバイス。
−4.919222×10−1×θ2+4.466510×10×θ−1.520615×103
すなわち、本発明は、高速なSHタイプの弾性表面波を励振可能なオイラー角の水晶基板を用いた際に、電極膜厚の調整によって周波数温度係数TCFをマイナスとすることができる範囲を数式を用いて具体的に特定したものであり、これによって、発明1と同様に高周波化と温度特性の向上を確実に発揮することができる。
発明4の弾性表面波デバイスは、
発明3に記載の弾性表面波デバイスにおいて、前記IDT電極の規格化膜厚(H/λ)が0.1以下であることを特徴とするものである。
〔発明5〕
発明5の弾性表面波デバイスの製造方法は、
オイラー角が(0°,θ(但しθは125〜142°),90°)で表される水晶基板上にIDT電極を形成した後、そのIDT電極を薄膜で覆うようにした弾性表面波デバイスの製造方法において、
前記水晶基板上にIDT電極を形成する際に、そのIDT電極の膜厚を調整してその水晶基板の所定温度における周波数温度係数TCFをマイナスしてから、そのIDT電極上を前記所定温度においてプラスの周波数温度係数TCFを有する薄膜で覆うようにしたことを特徴とするものである。
〔発明6〕
発明6の弾性表面波デバイスの製造方法は、
発明5に記載の弾性表面波デバイスの製造方法において、前記薄膜を酸化珪素(SiO2)、又は窒化珪素(Si3N4)、あるいは窒化チタン(TiN)のいずれかを主成分とする材料から形成するようにしたことを特徴とするものである。
〔発明7〕
発明7のバンドパスフィルタは、
発明1〜4のいずれかの弾性表面波デバイスからなることを特徴とするものである。
〔発明8〕
発明8のSAW共振子は、
発明1〜4のいずれかの弾性表面波デバイスからなることを特徴とするものである。
また、SiO2等の絶縁性に優れた薄膜を利用することによって電極の保護とショート対策も同時に達成されるため、製造歩留まりも向上する。
図1は本発明に係る弾性表面波デバイス100の実施の一形態を示す平面図、図2は、そのA−A線断面図である。
図示するように、この弾性表面波デバイス100は、水晶基板からなる矩形状の圧電基板10の上面中央部分にAl等の導電性薄膜からなるIDT電極20が備えられていると共に、そのIDT電極20の両側に、同じくAl等の導電性薄膜からなる梯子状をした反射器電極30,30がそれぞれ備えられ、さらに、これらIDT電極20,反射器電極30,30全体が薄膜40によって覆われた構造となっている。
ここで、これら各電極体21,21は、互いに平行に延びる複数の電極指21a、21a、21aの端部をバスパー21bで連結した櫛形形状となっており、本実施の形態でいう波長λとは、図示するように隣接する電極指21a、21a間のピッチPの2倍(λ=2P)をいい、電極の膜厚Hとは、これらIDT電極20、反射器電極30,30の厚さ方向の高さをいう。
図中右肩上がりのラインL1は室温(25℃)における周波数温度係数TCFが零となる組み合わせを示した境界線であり、このラインL1よりも左側の組み合わせがTCFマイナスとなる領域、右側の組み合わせがTCFプラスとなる領域である。
そして、本発明は水晶基板10側のオイラー角θと規格化電極膜厚H/λとの関係として、このTCFマイナス領域のうちラインL1、L2、L3で囲まれた斜線塗り潰し領域Rとなるように設定したものである。
すなわち、従来、TCFがプラスとされているオイラー角(0°,123〜177°,90°)の水晶基板上にはTCFがマイナスの薄膜、例えばZnO膜等を形成するか、あるいは、TCFがマイナスとされているオイラー角(0°,θ<126.1°,90°)の水晶基板上にはTCFがプラスの薄膜、例えば、SiO2膜等を形成することでTCFを零とし、同時に電気機械結合係数k2を大きくする構造が取られているが、図5に示すように、角度θが125°以上であっても、電極膜厚によってTCFがマイナスとなり得ることが分かった。
次に、図6は、オイラー角(0°,127°,90°)の水晶基板上に備えた規格化電極膜厚H/λ及びその上に形成されるSiO2膜の規格化膜厚と二次温度係数βの関係を示したものである。尚、この二次温度係数βとは、周波数温度変化率を、
(f−f0)/f0=a(T−T0)+b(T−T0)2
と表したときの、bにあたる係数である。ここで、fは周波数、T0は基準温度、f0は基準温度T0における周波数、aは周波数温度係数TCFである。
そして、実線Aに示すように電極を単に厚くすることによって基板表面への質量負荷効果により表面波の変位分布は変化し、二次温度係数βの改善、つまりβを零に近づけることが可能である。しかしながら前述したように製造上の制限により、規格化電極膜厚H/λは0.10が限界であることから、電極のみによる二次温度係数の改善効果は小さい。
図8は、オイラー角(0°,127°,90°)の水晶基板上に備えた規格化電極膜厚H/λ及びその上に形成されるSiO2膜の規格化膜厚と表面波の音速の関係を示したものである。
この図からも分かるように、SiO2膜の膜厚に対する音速の降下量は、電極の膜厚に対する音速のそれと比較して小さく、SiO2膜により温度特性の補正を行ったとしても音速の低下は抑えられ、弾性表面波デバイスの高周波化を阻害するものではない。
Claims (8)
- オイラー角が(0°,θ(但しθは125〜142°),90°)で、かつSHタイプの表面波を励振させる水晶基板上に、その水晶基板の所定温度における周波数温度係数TCFをマイナスにすべく所定膜厚のIDT電極を備えると共に、そのIDT電極を前記所定温度における周波数温度係数TCFがプラスの薄膜で覆ってなることを特徴とする弾性表面波デバイス。
- 請求項1に記載の弾性表面波デバイスにおいて、
前記薄膜が酸化珪素(SiO2)、又は窒化珪素(Si3N4)、あるいは窒化チタン(TiN)のいずれかを主成分とする材料からなることを特徴とする弾性表面波デバイス。 - 請求項1又は2に記載の弾性表面波デバイスにおいて、
前記IDT電極がAlを主成分とする材料からなり、かつ、前記オイラー角のうちθと前記IDT電極の規格化膜厚(H/λ(H=実膜厚、λ=波長))とが、下記の式で表される関係にあることを特徴とする弾性表面波デバイス。
H/λ>−4.418215×10−6×θ4+2.407644×10−3×θ3
−4.919222×10−1×θ2+4.466510×10×θ−1.520615×103 - 請求項3に記載の弾性表面波デバイスにおいて、
前記IDT電極の規格化膜厚(H/λ)が0.1以下であることを特徴とする弾性表面波デバイス。 - オイラー角が(0°,θ(但しθは125〜142°),90°)で表される水晶基板上にIDT電極を形成した後、そのIDT電極を薄膜で覆うようにした弾性表面波デバイスの製造方法において、
前記水晶基板上にIDT電極を形成する際に、そのIDT電極の膜厚を調整してその水晶基板の所定温度における周波数温度係数TCFをマイナスにしてから、そのIDT電極上を当該所定温度においてプラスの周波数温度係数TCFを有する薄膜で覆うようにしたことを特徴とする弾性表面波デバイスの製造方法。 - 請求項5に記載の弾性表面波デバイスの製造方法において、
前記薄膜を酸化珪素(SiO2)、又は窒化珪素(Si3N4)、あるいは窒化チタン(TiN)のいずれかを主成分とする材料から形成するようにしたことを特徴とする弾性表面波デバイスの製造方法。 - 請求項1〜4のいずれかの弾性表面波デバイスからなることを特徴とするバンドパスフィルタ。
- 請求項1〜4のいずれかの弾性表面波デバイスからなることを特徴とするSAW共振子。
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