JP2005354650A

JP2005354650A - 弾性表面波デバイス

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Publication number: JP2005354650A
Application number: JP2004226365A
Authority: JP
Inventors: Makoto Furuhata; 誠古畑
Original assignee: Seiko Epson Corp
Current assignee: Seiko Epson Corp
Priority date: 2004-02-05
Filing date: 2004-08-03
Publication date: 2005-12-22

Abstract

【課題】ＩＤＴなどの弾性表面波励振手段若しくは弾性表面波検出手段、或いは、反射器などの弾性表面波反射手段を個別に最適化することにより、デバイス性能を容易に向上させることが可能な弾性表面波デバイスを提供する。
【解決手段】本発明の弾性表面波デバイス１００は、圧電体１０３の表面に周期的に形成された複数の励振電極を含む弾性表面波励振手段若しくは複数の検出電極を含む弾性表面波検出手段１０４と、前記表面に周期的に形成された複数の反射電極を含む弾性表面波反射手段１０５とを備えた弾性表面波デバイスにおいて、励振電極若しくは前記検出電極１０４ａ，１０４ｂのラインスペース比Ｌ／（Ｌ＋Ｓ）と、反射電極１０５ａのラインスペース比Ｌ／（Ｌ＋Ｓ）とが異なることを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は弾性表面波デバイスに係り、特に、圧電体の表面に周期的に形成された複数の電極を備えた弾性表面波デバイスの構造に関する。

一般に、通信機器や各種信号処理には、共振子やフィルタなどを構成する弾性表面波デバイスが用いられている。この弾性表面波デバイスは、ＺｎＯなどの圧電体の圧電性を用いるものである。従来の弾性表面波デバイスにおいては、圧電体の表面上にＩＤＴ（インタディジタル変換子、例えば櫛歯状電極）などで構成される弾性表面波励振手段若しくは弾性表面波検出手段や反射器などで構成される弾性表面波反射手段が形成され、これらのＩＤＴや反射器を相互に結線するためのバスバーや、このバスバーをボンディングパッドへ結線するための配線が設けられる。通常の弾性表面波デバイスでは、デバイスチップをケーシングの内部に密封した状態で配置し、このデバイスチップに形成されたボンディングパッドと、ケーシングに設けられた外部端子とが導電ワイヤで導電接続されるようになっている。

特に、シリコン基板などの基板上に圧電体薄膜を成膜し、この圧電体薄膜の表面上に上記のＩＤＴや反射器を構成する積層構造の弾性表面波デバイスが知られている（例えば、以下の非特許文献１及び２参照）。このような積層構造のデバイスでは、基板の表面領域に種々の半導体素子をモノリシックに形成したり、或いは、シリコン基板上に薄膜構造を形成したりすることによって、種々の半導体素子や配線を形成することによって半導体集積回路を構成することができる。通常、通信回路や各種信号処理回路においては、多くの部分が半導体集積回路として構成されるため、例えば、半導体集積回路が構成されるシリコン基板上に上記の弾性表面波デバイスを構成することが、通信回路や信号処理回路の小型化を進める上で重要なポイントになるものと考えられる。このため、従来から、半導体集積回路を構成してなるシリコン基板上に形成された弾性表面波デバイスが提案されている（例えば、以下の特許文献１及び２参照）。
三露常男・他４名「薄膜弾性表面波ディバイス」松下技報(National Technical Report) Vol.22 No.6 Dec 1976 P.905-923 Ｓ．Ｊ．Ｍａｒｔｉｎ・他２名「ＨＩＧＨＱ，ＴＥＭＰＥＲＡＴＵＲＥＳＴＡＢＬＥＺｎＯ−ｏｎ−ＳＩＬＩＣＯＮＳＡＷＲＥＳＯＮＡＴＯＲＳ」１９８０ＵＬＴＲＡＳＯＮＩＣＳＳＹＭＰＯＳＩＵＭＰ．１１３−Ｐ．１１７特開平６−１２５２２６号公報特開２０００−１５１４５１号公報

ところで、前述の弾性表面波デバイスでは、ＩＤＴなどの弾性表面波励振手段若しくは弾性表面波検出手段によって励振若しくは検出される弾性表面波においては、圧電体の圧電性や弾性係数、弾性表面波の波長などによって、弾性表面波の伝播速度が変化し、励振若しくは検出時における電気機械結合係数や反射器の反射電極の弾性表面波に対する反射係数が変化する。さらに、圧電体薄膜を用いる積層型のデバイスでは、圧電体薄膜の厚さによってもこれらの特性が変化する。

この場合に、ＩＤＴなどの弾性表面波励振手段若しくは弾性表面波検出手段と、反射器などの弾性表面波反射手段とが設けられてなる弾性表面波デバイスにおいては、各手段の構造寸法が弾性表面波励振手段の励振効率若しくは弾性表面波検出手段の検出効率と、弾性表面波反射手段の反射効率とに与える影響が相互に異なる。

しかしながら、従来の弾性表面波デバイスでは、このような励振効率若しくは検出効率（電気機械結合係数）と反射効率の双方を同時に向上させるという観点からの構造提案がなされていなかった。すなわち、従来構造では、各手段の励振効率若しくは検出効率と、反射効率とを別々に向上させるという配慮がなされておらず、これらの効率の結果として生ずるデバイス性能の向上を必ずしも充分に図ることができなかった。

そこで、本発明は上記問題点を解決するものであり、ＩＤＴなどの弾性表面波励振手段若しくは弾性表面波検出手段、或いは、反射器などの弾性表面波反射手段を個別に最適化することにより、デバイス性能を容易に向上させることが可能な弾性表面波デバイスを提供することにある。

斯かる実情に鑑み、本発明の弾性表面波デバイスは、圧電体の表面に周期的に形成された複数の励振電極を含む弾性表面波励振手段若しくは複数の検出電極を含む弾性表面波検出手段と、前記表面に周期的に形成された複数の反射電極を含む弾性表面波反射手段とを備えた弾性表面波デバイスにおいて、電極幅をＬ、電極間隙をＳとしたとき、前記励振電極若しくは前記検出電極のラインスペース比Ｌ／（Ｌ＋Ｓ）と、前記反射電極のラインスペース比Ｌ／（Ｌ＋Ｓ）とが異なることを特徴とする。

従来の弾性表面波デバイスでは、ＩＤＴなどの弾性表面波励振手段若しくは弾性表面波検出手段や反射器などの弾性表面波反射手段を圧電体の表面上に形成する場合には、複数の励振電極、検出電極、反射電極が周期的に配列されたパターンとなるように構成するが、このとき、それぞれのラインスペース比、すなわち、電極の幅をＬ、電極間の間隙をＳとしたとき、Ｌ／（Ｌ＋Ｓ）で表される値、がほぼ０．５になるようにしていた。すなわち、電極幅Ｌと電極間隙Ｓとがほぼ等しくなるようにしていた。

ところが、例えば、弾性表面波励振手段若しくは弾性表面波検出手段の電気機械結合係数は電極面積にほぼ比例するので、圧電体の表面に全面的に電極を形成した場合の電気機械結合係数がａ％であるとすると、弾性表面波デバイスを構成したときの実際の電気機械結合係数はａ／２％となってしまう。そして、このような電極面積の減少による電気機械結合係数の低下量は、結合係数が大きな圧電体、例えば、ＺｎＯやＬｉＮｂＯ₃などの高い圧電性を有する圧電体を用いるほど大きなものとなる。ただし、上記のラインスペース比が或る程度高くなると弾性表面波の高調波成分が発生しやすくなるので、結果としてデバイス特性が悪化する。したがって、一般的には、ラインスペース比を０．５よりもやや高くすることによってデバイス性能を向上させることが可能である。ここで、一般的といっているのは、振動モードとして一般的に有効と思われる領域で用いる場合のことであり、例えば、電気機械結合係数が比較的高い領域で用いる場合のことである。この比較的電気機械結合係数が高い領域とは、典型的には、基板上に圧電体薄膜を形成する場合であれば、基本波（レイリー波）を用いるときには、圧電体薄膜の規格化された膜厚が０．７以下の領域、或いは、２次波（セザワ波）を用いるときには、同膜厚が０．７以上の領域である。

一方、反射電極のラインスペース比Ｌ／（Ｌ＋Ｓ）もまた、従来構造ではほぼ０．５となるように構成されていたが、弾性表面波反射手段の反射効率は、このラインスペース比によって変化する。この変化態様は圧電体を構成する素材、圧電体薄膜の厚さ、振動モードなどによっても様々であるが、一般的には、ラインスペース比が０．５よりも小さい方が高くなる傾向にある。ただし、ラインスペース比が小さくなりすぎると、電気的摂動効果が低下して反射効率も低下する。したがって、一般的には、ラインスペース比を０．５よりもやや小さくすることによってデバイス性能を向上させることができる。ここで、一般的といっているのは、振動モードとして一般的に有効と思われる領域で用いる場合のことであり、例えば、電気機械結合係数が比較的高い領域で用いる場合のことである。この比較的電気機械結合係数が高い領域とは、典型的には、基板上に圧電体薄膜を形成する場合であれば、基本波（レイリー波）を用いるときには、圧電体薄膜の規格化された膜厚が０．７以下の領域、或いは、２次波（セザワ波）を用いるときには、同膜厚が０．７以上の領域である。

以上のように、電極のラインスペース比については、弾性表面波励振手段の励振効率若しくは弾性表面波検出手段の検出効率を高めるために好適な値と、弾性表面波反射手段の反射効率を高めるために好適な値とが相互に異なる。さらに、このラインスペース比による上記各効率に与える影響の度合は、他のパラメータ、例えば、圧電体の素材や厚さが変化することによっても変動し、この変動態様も弾性表面波励振手段若しくは弾性表面波検出手段と、弾性表面波反射手段とでは相互に異なる。

そこで、本発明においては、励振電極若しくは検出電極のラインスペース比と反射電極のラインスペース比とを異ならしめるようにした。このことにより、励振効率若しくは検出効率の向上と、反射効率の向上とを、両電極のラインスペース比の同一性による制約を受けずに図ることができるため、従来構造よりもデバイス性能の向上を図ることが容易になるという利点がある。例えば、励振効率若しくは検出効率の向上による電気機械結合係数の向上と、反射効率の向上による弾性表面波の減衰量の低減とを共に図ることができる。なお、このことは、電気機械結合係数及び反射係数の向上により、電極数を減らすことができるため、デバイスを小型化できるという利点に繋がる。

本発明において、前記励振電極若しくは前記検出電極のラインスペース比は前記反射電極のラインスペース比よりも大きいことが好ましい。このように構成することで、一般的には、両ラインスペース比を同一にした場合よりも電気機械結合係数と反射係数のいずれか少なくとも一方を向上させることができるため、デバイス性能を向上させることができる。なお、電気機械結合係数又は反射係数の向上は、デバイス性能の向上とともに、電極数の低減にも寄与し、デバイスの小型化にも繋がる。ここで、一般的といっているのは、振動モードとして一般的に有効と思われる領域で用いる場合のことであり、例えば、電気機械結合係数が比較的高い領域で用いる場合のことである。この比較的電気機械結合係数が高い領域とは、典型的には、基板上に圧電体薄膜を形成する場合であれば、基本波（レイリー波）を用いるときには、圧電体薄膜の規格化された膜厚が０．７以下の領域、或いは、２次波（セザワ波）を用いるときには、同膜厚が０．７以上の領域である。

本発明において、前記励振電極若しくは前記検出電極のラインスペース比が０．５５〜０．７の範囲内に設定されていることが好ましい。これによれば、ラインスペース比が上記範囲内にあることによって電気機械結合係数が高くなり、デバイス性能が向上する。上記範囲を下回ると、ラインスペース比が０．５である従来デバイスとの差異がほとんどなくなり、上記範囲を上回ると、電気機械結合係数が低下するとともに高調波成分が発生しやすくなり、却ってデバイス性能が悪化する。

本発明において、前記反射電極のラインスペース比が０．２５〜０．４５の範囲内に設定されていることが好ましい。これによれば、ラインスペース比が上記範囲内にあることによって反射係数が高くなり、デバイス性能が向上する。上記範囲を下回ると、反射電極による電気的摂動効果が低下して反射効率が悪くなり、上記範囲を上回ると、従来構造の反射係数との差異がほとんどなくなる。

次に、本発明の弾性表面波デバイスは、圧電体の表面に周期的に形成された複数の励振電極を含む弾性表面波励振手段若しくは複数の検出電極を含む弾性表面波検出手段を備えた弾性表面波デバイスにおいて、電極幅をＬ、電極間隙をＳとしたとき、前記励振電極若しくは前記検出電極のラインスペース比Ｌ／（Ｌ＋Ｓ）が０．５５〜０．７の範囲内に設定されていることを特徴とする。

次に、本発明の弾性表面波デバイスは、圧電体の表面に周期的に形成された複数の反射電極を含む弾性表面波反射手段を備えた弾性表面波デバイスにおいて、電極幅をＬ、電極間隙をＳとしたとき、前記反射電極のラインスペース比Ｌ／（Ｌ＋Ｓ）が０．２５〜０．４５の範囲内に設定されていることを特徴とする。

上記各発明においては、基板と、該基板上に形成された、前記圧電体としての圧電体薄膜とを有することが好ましい。これによれば、基板上に形成された圧電体薄膜を有する構造とすることにより、製造が容易になるとともに、基板上に形成される他の回路構造との一体化を図ることが可能になる。例えば、半導体基板を用いることで、半導体集積回路と弾性表面波デバイスとの一体化が可能になる。

また、本発明の弾性表面波デバイスは、圧電体の表面に周期的に形成された複数の励振電極を含む弾性表面波励振手段若しくは複数の検出電極を含む弾性表面波検出手段を備えた弾性表面波デバイスにおいて、電極幅をＬ、電極間隙をＳとしたとき、前記励振電極若しくは前記検出電極のラインスペース比Ｌ／（Ｌ＋Ｓ）が０．２５〜０．４５の範囲内に設定されていることを特徴とする。この発明によれば、基本波（レイリー波）を用いる場合であって、特に圧電体の膜厚が０．７以上５以下のときに、従来よりも高い電気機械結合係数を得ることができる。

また、上記各発明においては、前記基板と前記圧電体薄膜との間に絶縁層を有することが好ましい。基板と圧電体薄膜との間に絶縁層を介在させることにより、導電性を有する素材で構成される基板、基板上に導電パターンなどの導電体が形成されてなる基板、或いは、半導体基板などを用いても、基板若しくは基板上の導電体の導電性が弾性表面波デバイスの特性に与える影響を低減できる。

さらに、上記各発明においては、前記圧電体は、ＺｎＯ、ＡｌＮ、ＰＺＴ、ＬｉＮｂＯ₃、ＴａＮｂＯ₃、ＫＮｂＯ₃から選ばれたいずれか一の素材で構成されていることが好ましい。これらの材料は、最も典型的な圧電体である水晶よりも高い圧電性を呈するため、高性能の弾性表面波デバイスを構成することができる。

次に、添付図面を参照して本発明の実施形態について詳細に説明する。図１は本発明に係る実施形態の弾性表面波デバイス１００の断面構造を模式的に示す概略断面図、図２は弾性表面波デバイス１００の平面形状を示す概略平面図である。

この実施形態では、シリコン基板などの半導体基板、ガラス基板、セラミックス基板などの種々の素材で構成された基板１０１の表面上に、ＳｉＯ₂、ＴｉＯ₂、Ｔａ₂Ｏ₅などで構成された絶縁層１０２が形成され、この絶縁層１０２の上に圧電体薄膜１０３が形成されている。圧電体薄膜１０３を構成する素材としては、圧電性を有するものであれば如何なるものでも用いることができるが、特に、ＺｎＯ、ＡｌＮ、ＰＺＴ（Ｐｂ−Ｚｎ−Ｔｉ）、ＬｉＮｂＯ₃、ＴａＮｂＯ₃、ＫＮｂＯ₃などの高い圧電性を有する素材を用いることが望ましい。圧電体薄膜１０３の厚さは特に限定されないが、弾性表面波の波長λで規格化された膜厚ｋｈｐ＝２πｔｐ／λ（ｔｐは圧電体の厚さ）としては、０．００５〜２．５程度である。ここで、弾性表面波の波長λは０．４〜２０μｍ程度である。特に圧電体薄膜としてＺｎＯを用いた場合、比較的薄くても高い電気機械結合係数の得られる範囲として、規格化された膜厚ｋｈｐで０．０４〜０．５の範囲が挙げられる。

なお、基板１０１が導電性を有するシリコン基板などの導電性基板である場合、或いは、基板１０１上に導電層が形成されている場合には、圧電体薄膜１０３の下面を等電位化できるため、弾性表面波デバイスの特性向上を図ることができる。これらの場合、絶縁層１０２を薄くする（例えば、ＩＤＴの電極の配列周期或いは弾性表面波の波長よりも圧電体薄膜１０３と絶縁層１０２の厚さの合計を小さくする）ことが好ましい。また、上記と同様の理由で、基板１０１として導電性基板を用いる場合において上記絶縁層１０２を形成しないこと、或いは、絶縁層１０２と圧電体薄膜１０３との間に導電層（例えば、Ａｌ等の金属膜や酸素過多にした導電性のＺｎＯ膜など）を形成することが好ましい。

この圧電体薄膜１０３の表面上には、弾性表面波の励振及び検出を行うための励振検出電極１０４ａ，１０４ｂ（上記の励振電極又は検出電極に相当する。）を備えた弾性表面波励振検出手段１０４（上記の弾性表面波励振手段又は弾性表面波検出手段に相当する。）が形成されている。この弾性表面波励振検出手段１０４は、図示例の場合、励振検出電極１０４ａと１０４ｂとが交互に配列されている。複数の励振検出電極１０４ａは接続端子１０４Ａに導電接続され、同一電位が与えられ、また、複数の励振検出電極１０４ｂは接続端子１０４Ｂに導電接続され、同一電位が与えられるようになっている。この弾性表面波励振検出手段１０４は、本実施形態ではインタディジタル変換子（ＩＤＴ）によって構成されている。具体的には、図示例において一対の櫛歯状電極が相互に噛み合う形状で対向配置されている。なお、以下の記述において、上記の弾性表面波励振検出手段１０４を単に「ＩＤＴ１０４」という。

また、この弾性表面波励振検出手段１０４によって生ずる弾性表面波の伝播方向（図示例では左右方向）の両側には、それぞれ反射電極１０５ａを備えた弾性表面波反射手段１０５が設けられている。この弾性表面波反射手段１０５は、複数の反射電極１０５ａを上記伝播方向に配列させたグレーティング反射器である。弾性表面波反射手段１０５において、反射電極１０５ａ同士は相互に導電接続されている。実際には反射電極１０５ａを数十本以上設けることで、高い反射率が得られる。なお、以下の記述において、上記の弾性表面波反射手段１０５を単に「反射器１０５」という。

図３は、本実施形態の弾性表面波デバイス１００の弾性表面波の伝播速度Ｖ［ｍ／ｓ］における圧電体薄膜１０３の膜厚ｋｈｐに対する依存性を示すものである。このグラフにおいて低速側（グラフの下側）にある線はレイリー波のデータを示し、高速側（グラフの上側）にある線は２次波（セザワ波）のデータを示す。いずれの場合にも、圧電体薄膜１０３の膜厚ｋｈｐが小さくなるほど伝播速度が向上する。

図４は、本実施形態の弾性表面波デバイス１００の弾性表面波の電気機械結合係数Ｋ²（％）における圧電体薄膜１０３の膜厚ｋｈｐに対する依存性を示すものである。このグラフにおいて低Ｋ²側（グラフの下側）にある線はレイリー波のデータを示し、高Ｋ²側（グラフの上側）にある線は２次波（セザワ波）のデータを示す。本実施形態においては、基本波（レイリー波）と２次波（セザワ波）のいずれを用いることも可能である。ただし、セザワ波の方が高Ｋ²のため、セザワ波を用いることで、デバイスの高性能化を図ることができ、また、ＩＤＴの電極数や反射電極数を低減することが可能になるので、デバイスの小型化を図ることができる。

本実施形態においては、励振検出電極１０４ａ，１０４ｂのラインスペース比と、反射電極１０５ａのラインスペース比とは相互に異なっている。ここで、ラインスペース比は、電極幅をＬ、電極間隙をＳとしたとき、Ｌ／（Ｌ＋Ｓ）で表される。従来においては、図５（ａ）に示すように、電極幅Ｌと電極間隙Ｓとがほぼ同じで、ラインスペース比は約０．５であった。しかし、本実施形態では、図５（ｂ）に示すように、励振検出電極１０４ａ，１０４ｂの電極幅Ｌは電極間隙Ｓより大きく、そのラインスペース比は０．５より大きい。また、本実施形態では、図５（ｃ）に示すように、反射電極１０５ａの電極幅Ｌは電極間隙Ｓより小さく、そのラインスペース比は０．５より小さい。

上記の励振検出電極や反射電極の電極幅Ｌ及び電極間隙Ｓは、通常、０．１〜５μｍの範囲内にあり、シングル電極構造の場合、弾性表面波の波長λは０．４〜２０μｍとなる。ただし、本発明の励振検出電極はシングル電極構造に限らず、ダブル（スプリット）電極構造であってもよく、また、一方の電極１０４ａをシングル電極とし、他方の電極１０４ｂをダブル電極構造としてもよい。これらの場合には、電極幅Ｌ及び電極間隙Ｓと弾性表面波の波長λの関係が上記と異なってくる。シングル電極構造以外の場合においては、その構造上、電極幅Ｌ及び電極間隔Ｓが周期的に変動するように構成されるときもあるが、このときには、その変動周期内で電極幅Ｌと電極間隔Ｓをそれぞれ合算した値で上記ラインスペース比を定義する。また、シングル電極構造でも、所定の変動周期で電極幅Ｌ及び電極間隙Ｓが変動するように構成することは可能であり、このときも、上記と同様に、その変動周期内で電極幅Ｌと電極間隔Ｓをそれぞれ合算した値で上記ラインスペース比を定義すればよい。

上記実施形態の製造方法は以下の通りである。本実施形態では、最初に、基板１０１の上に絶縁層１０２を構成する。この絶縁層１０２は、例えば、基板１０１がシリコン基板であれば、基板１０１を熱酸化することによって構成することができる。また、基板１０１上に絶縁材料をスパッタリング法やＣＶＤ法などによって成膜してもよい。未硬化の樹脂や水ガラスなどを塗布して乾燥・焼成してもよい。

この絶縁層１０２上に形成される圧電体薄膜１０３は、スパッタリング法やＣＶＤ法などで成膜される。特に、高品位の薄膜を形成するには、ＲＦマグネトロンスパッタリング法やＭＯＣＶＤ（有機金属ＣＶＤ）法などによって成膜されることが好ましい。

次に、圧電体薄膜１０３の表面上にアルミニウムなどの導電体を蒸着法やスパッタリング法などにより成膜し、フォトリソグラフィ法によってレジストなどをマスクとしてパターニングすることによりＩＤＴ１０４及び反射器１０５を形成する。このときのパターニングには、例えば、ＫＯＨなどのアルカリ溶液を用いる。このＩＤＴ１０４及び反射器１０５は、励振検出電極１０４ａ，１０４ｂのラインスペース比と、反射電極１０５ａのラインスペース比とが異なるように、パターニングされる。このパターニングは両ラインスペース比が上述のようになるように行われるが、形成パターン以外は通常のパターニング工程と何等変わることのない条件で実施できる。

本実施形態は、ＩＤＴ１０４が入力ポートと出力ポートとを兼ねた１ポート型の共振子であるが、入力ポートとして励振電極を備えた弾性表面波励振手段を有し、出力ポートとして検出電極を備えた弾性表面波検出手段を有する２ポート型共振子を構成することもできる。この場合、弾性表面波反射手段は、弾性表面波励振手段と弾性表面波検出手段の配列方向の両側にそれぞれ構成される。

また、上記実施形態では、基板１０１上に絶縁層１０２を介して圧電体薄膜１０３を形成してなるが、基板１０１上に直接圧電体薄膜１０３を形成してもよい。また、絶縁層１０２と圧電体薄膜１０３との間、或いは、基板１０１と圧電体薄膜１０３との間に、弾性表面波の伝播領域全体に亘って形成された導電層を設けてもよい。この導電層は、圧電体薄膜１０３における上記各電極の形成された表面とは反対側の表面の電位勾配を低減するものであり、これによって、成膜の容易な薄い圧電膜でも電気機械結合係数が高い値を示すようになるため、弾性表面波デバイスの伝播特性を向上させることができる。

図７は、弾性表面波として基本波（レイリー波）を用いた場合において、圧電体薄膜１０３としてＺｎＯを用いたときの、上記実施形態の電気機械結合係数Ｋ²と、ＩＤＴ１０４のラインスペース比Ｌ／（Ｌ＋Ｓ）との関係を示すグラフである。ここで、圧電体薄膜１０３の規格化された膜厚ｋｈｐは０．５５としてある。このグラフに示されるように、電気機械結合係数Ｋ²は、全体としてはラインスペース比が大きくなるほど増大するが、ラインスペース比が０．７弱から低下し、０．７を越えると急激に低下する。ラインスペース比が０．７を越えると、弾性表面波の高周波成分が出やすくなるという問題点もある。したがって、ＩＤＴ１０４のラインスペース比は、０．５５〜０．７の範囲内に設定されることが好ましい。

図８は、弾性表面波として基本波（レイリー波）を用いた場合において、圧電体薄膜１０３としてＺｎＯを用いたときの、上記実施形態の反射器１０５の反射電極１０５ａ一本当たりの反射係数τと、反射電極１０５ａのラインスペース比Ｌ／（Ｌ＋Ｓ）との関係を示すグラフである。ここで、圧電体薄膜１０３の規格化された膜厚ｋｈｐは０．５５としてある。このグラフに示されるように、ラインスペース比が０．５より小さくなると反射係数τが増大し、ラインスペース比が０．３付近まで増大し続ける。ラインスペース比が０．２５を下回ると、電気的摂動効果が低下して反射係数も小さくなる。したがって、反射器１０５のラインスペース比は、０．２５〜０．４５の範囲内に設定されることが好ましい。

図９は、弾性表面波として２次波（セザワ波）を用いた場合において、圧電体薄膜１０３としてＺｎＯを用いたときの、上記実施形態の電気機械結合係数Ｋ²と、ＩＤＴ１０４のラインスペース比Ｌ／（Ｌ＋Ｓ）との関係を示すグラフである。ここで、圧電体薄膜１０３の規格化された膜厚ｋｈｐは１．２としてある。このグラフに示されるように、電気機械結合係数Ｋ²は、全体としてはラインスペース比が大きくなるほど増大するが、ラインスペース比が０．７弱から低下し、０．７を越えると急激に低下する。ラインスペース比が０．７を越えると、弾性表面波の高周波成分が出やすくなるという問題点もある。したがって、ＩＤＴ１０４のラインスペース比は、０．５５〜０．７の範囲内に設定されることが好ましい。

図１０は、弾性表面波として２次波（セザワ波）を用いた場合において、圧電体薄膜１０３としてＺｎＯを用いたときの、上記実施形態の反射器１０５の反射電極１０５ａ一本当たりの反射係数τと、反射電極１０５ａのラインスペース比Ｌ／（Ｌ＋Ｓ）との関係を示すグラフである。ここで、圧電体薄膜１０３の規格化された膜厚ｋｈｐは１．２としてある。このグラフに示されるように、ラインスペース比が０．５より小さくなると反射係数τが増大し、ラインスペース比が０．３付近まで増大し続ける。ラインスペース比が０．２５を下回ると、電気的摂動効果が低下して反射係数も小さくなる。したがって、反射器１０５のラインスペース比は、０．２５〜０．４５の範囲内に設定されることが好ましい。

図１１は、上記実施形態の弾性表面波デバイスの挿入損失及びインピーダンスの周波数依存性について、ＩＤＴ１０４及び反射器１０５のラインスペース比を共に同一（０．５）とした場合（図示点線）と、ＩＤＴ１０４のラインスペース比を０．６とし、反射器１０５のラインスペース比を０．４とした場合（図示実線）とを比較したグラフである。このグラフを見れば、挿入損失が低減し、インピーダンスが低下して、デバイス特性が向上していることがわかる。

なお、上記実施形態では、ＩＤＴ１０４のラインスペース比が０．５より大きいとともに、反射器１０５のラインスペース比が０．５より小さく設定されているが、ＩＤＴ１０４のラインスペース比のみが０．５より大きく構成されていてもよく、また、反射器１０５のラインスペース比のみが０．５より小さく構成されていてもよい。いずれの場合でも、電気機械結合係数又は反射効率を高めることができるので、デバイス性能を向上させることが可能である。

図６は、上記実施形態とは異なる構造の弾性表面波デバイス２００の構造を示す概略平面図である。このデバイス２００は、上記実施形態と同様の基板２０１、絶縁層２０２、圧電体薄膜２０３を有するので、これらの説明は省略する。

このデバイス２００では、圧電体薄膜２０３の表面上に弾性表面波励振手段（以下、単に「ＩＤＴ」という。）２０４Ｘと、弾性表面波検出手段（以下、単に「ＩＤＴ」という。）２０４Ｙとが弾性表面波の伝播方向に離間して配置されている。また、ＩＤＴ２０４Ｘ及びＩＤＴ２０４Ｙに対して上記伝播方向の両側には、それぞれ吸音材２０５が配置されている。吸音材２０５は、圧電体薄膜２０３の端面反射を防止するためにその端面近傍にて弾性表面波を減衰させるためのものであり、シリコーンゴムなどの合成ゴムや軟質樹脂などを圧電体薄膜の表面上に塗布若しくは密着させたものである。

ＩＤＴ２０４Ｘには、複数の励振電極２０４Ｘａ，２０４Ｘｂと、励振電極２０４Ｘａに導電接続される接続端子２０４ＸＡと、励振電極２０４Ｘｂに導電接続される接続端子２０４ＸＢとが設けられている。また、ＩＤＴ２０４Ｙには、複数の検出電極２０４Ｙａ，２０４Ｙｂと、検出電極２０４Ｙａに導電接続される接続端子２０４ＹＡと、検出電極２０４Ｙｂに導電接続される接続端子２０４ＹＢとが設けられている。この実施形態は弾性表面波フィルタであり、ＩＤＴ２０４Ｘの接続端子２０４ＸＡ，２０４ＸＢ間に交流信号を印加すると、励振電極２０４Ｘａ，２０４Ｘｂによって弾性表面波が励振され、この弾性表面波はＩＤＴ２０４Ｙの検出電極２０４Ｙａ，２０４Ｙｂによって検出され、接続端子２０４ＹＡ，２０４ＹＢ間に交流信号が現れるようになっている。

この実施形態では、ＩＤＴ２０４Ｘ，２０４Ｙが設けられている一方、反射器は形成されていない。ＩＤＴ２０４Ｘ，２０４Ｙにおいては、先に説明した実施形態と同様に、ＩＤＴ２０４Ｘ，２０４Ｙのラインスペース比が０．５よりも大きい値を有するように、具体的には、ラインスペース比が０．５５〜０．７の範囲内になるように構成されている。これによって、弾性表面波の励振効率及び検出効率を高めることができ、損失の少ない高効率のフィルタを構成できる。なお、ＩＤＴ２０４Ｘと２０４Ｙのいずれか一方のみが上記のラインスペース比を有するものであってもよい。

いままで説明してきた弾性表面波デバイスでは、上述のように、ＩＤＴの電極幅のラインスペース比を０．５より大きくした領域で電気機械結合係数が高く、反射器の電極幅のラインスペース比を０．５より小さくした領域で反射係数が高くなっていた。ところが、一般に、弾性表面波デバイスにおいては、弾性表面波のモード、或いは、圧電体構造に応じてその入出力特性が変化するため、常に上記のような傾向が得られるとは限らない。

図１２には、基本波（レイリー波）を用いた弾性表面波デバイスのＩＤＴの入出力特性を示す。この特性は、絶縁基板上に形成された圧電体（ＺｎＯ）を有する弾性表面波デバイスに対しキャンベルの方法（C. Cambell: Surface Acoustic Wave Devices and Their Signal Processing Application / Academic Press Inc., New York, 1989）を適用することにより計算して得たものである。ここで、縦軸は弾性表面波の伝播速度ｖ［ｍ／ｓ］及び電気機械結合係数Ｋ^２［％］であり、横軸は圧電体であるＺｎＯの規格化された膜厚ｋｈｐ＝２πｔｐ／λ（ｔｐは圧電体の厚さ）である。また、電気機械結合係数を示す図示実線はラインスペース比Ｌ／（Ｌ＋Ｓ）＝０．４のときのデータを示し、図示一点鎖線はラインスペース比Ｌ／（Ｌ＋Ｓ）＝０．６のときのデータを示す。なお、図示点線は、ラインスペース比Ｌ／（Ｌ＋Ｓ）＝０．５の場合の電気機械結合係数をｋｈｐの一部領域について示すものである。

上記のグラフを見れば明らかなように、電気機械結合係数は、圧電体の規格化された膜厚ｋｈｐによって大きく変化する。そして、例えば、膜厚ｋｈｐが０．７より小さい領域では、ＩＤＴのラインスペース比Ｌ／（Ｌ＋Ｓ）＝０．４の場合（図示実線）よりも、ラインスペース比Ｌ／（Ｌ＋Ｓ）＝０．６の場合（図示一点鎖線）において電気機械結合係数が大きくなる。したがって、この領域では、基本的に上記の実施形態と同じ傾向を示すことになる。なお、図７ではｋｈｐが０．５５の場合を示しているので、図１２に示すデータと整合している。

一方、膜厚ｋｈｐが０．７より大きい領域（ｋｈｐが約５までの領域）では、ＩＤＴのラインスペース比Ｌ／（Ｌ＋Ｓ）＝０．６の場合（図示一点鎖線）よりも、ラインスペース比Ｌ／（Ｌ＋Ｓ）＝０．４の場合（図示実線）において電気機械結合係数が大きくなる。したがって、この領域では、上記実施形態とは逆の傾向を示すことになる。このように、レイリー波を用いる場合には、電気機械結合係数の大小は、ＩＤＴのラインスペース比Ｌ／（Ｌ＋Ｓ）が０．５より大きいか小さいかだけでなく、膜厚ｋｈｐの大きさによっても影響を受けることになる。

具体的には、基本波（レイリー波）を用いる場合において、膜厚ｋｈｐが０より大きく０．７以下の場合には、ラインスペース比Ｌ／（Ｌ＋Ｓ）が０．５より大きいことが好ましく、特に０．５５以上０．７以下であることが望ましい。但し、圧電体の素材やＩＤＴ構造などによっては膜厚ｋｈｐが０．７近傍において上記傾向が確実に得られない場合もあるので、膜厚ｋｈｐが０より大きく０．６以下のときに上記のラインスペース比の範囲にあることがさらに望ましい。

一方、膜厚ｋｈｐが０．７より大きく５以下である場合には、ラインスペース比Ｌ／（Ｌ＋Ｓ）が０．５より小さいことが好ましく、特に０．２５以上０．４５以下であることが望ましい。但し、圧電体の素材やＩＤＴ構造などによっては膜厚ｋｈｐが０．７近傍において上記傾向が確実に得られない場合もあるので、膜厚ｋｈｐが０．８以上５以下のときに上記のラインスペース比の範囲にあることがさらに望ましい。

次に、図１３に示す２ポート型のＳＡＷ共振子を構成する弾性表面波デバイス３００を、ＩＤＴのラインスペース比Ｌ／（Ｌ＋Ｓ）を変えて複数種類作成し、ネットワークアナライザにて挿入損失を測定した。ここで、弾性表面波デバイス３００は、シリコン基板３０１状に絶縁膜３０２を介して圧電体薄膜（ＺｎＯ）３０３を形成したものである。圧電体薄膜３０３上には、励振電極３０４Ｘａと３０４Ｘｂとを有するＩＤＴ３０４Ｘと、検出電極３０４Ｙａと３０４Ｙｂとを有するＩＤＴ３０４Ｙとが設けられている。ここで、ＩＤＴ３０４Ｘにおいては、励振電極３０４Ｘａに導電接続された接続パッド３０４ＸＡ及び励振電極３０４Ｘｂに導電接続された接続パッド３０４ＸＢが設けられ、ＩＤＴ３０４Ｙにおいては、検出電極３０４Ｙａに導電接続された接続パッド３０４ＹＡ及び励振電極３０４Ｙｂに導電接続された接続パッド３０４ＹＢが設けられている。また、ＩＤＴ３０４ＸとＩＤＴ３０４Ｙとの配列方向の両側にはそれぞれ反射電極３０５ａを備えた反射器３０５が形成されている。なお、上記ＩＤＴ３０４Ｘ及び３０４Ｙでは電極対の数は４０対ずつとし、反射器３０５では電極数を５０本とした。

上記の弾性表面波デバイス３００において、ＩＤＴ３０４Ｘに所定の入力信号を導入して、ＩＤＴ３０４Ｙから出力される信号を検出した。ここで、圧電体薄膜３０３の膜厚ｋｈｐ＝２．０とし、ラインスペース比Ｌ／（Ｌ＋Ｓ）を０．４、０．５、０．６としたものをそれぞれ作成した。この弾性表面波デバイス３００の共振周波数は、２次波（１次のセザワ波）を用いる場合には５２０ＭＨｚ、基本波（レイリー波）を用いる場合には３２０ＭＨｚであった。

図１４は、上記の弾性表面波デバイス３００において２次波（１次のセザワ波）を用いた場合の、挿入損失とラインスペース比Ｌ／（Ｌ＋Ｓ）との関係を示すグラフである。このグラフからわかるように、ラインスペース比が増大するほど、挿入損失は小さくなり、特性が向上している。これは、上記の図９に示すデータと同じ傾向を示している。

図１５は、上記の弾性表面波デバイス３００において基本波（レイリー波）を用いた場合の、挿入損失とラインスペース比Ｌ／（Ｌ＋Ｓ）との関係を示すグラフである。このグラフからわかるように、ラインスペース比が減少するほど、挿入損失は小さくなり、特性が向上している。これは、上記の図７及び図１２に示す特性と整合している。

以上のように、弾性表面波デバイスにおいて、弾性表面波の振動モード、圧電体の規格化された膜厚などによってラインスペース比のデバイス特性への影響は異なる。したがって、実際に用いる弾性表面波の振動モードやデバイス構造に応じて、ラインスペース比を最適化することが、ＳＡＷデバイスの性能向上にきわめて有効であることが理解できる。

尚、本発明の弾性表面波デバイスは、上述の図示例にのみ限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。例えば、上記の説明では、弾性表面波デバイスとして、基板上に圧電体薄膜が形成されてなる積層構造を有する弾性表面波デバイスについて説明したが、本発明はこのような積層構造を有するものに限らず、圧電体基板上に直接上記の弾性表面波励振手段、弾性表面波検出手段、或いは、弾性表面波反射手段などが形成されてなるものであっても構わない。

弾性表面波デバイスの実施形態の概略断面図。実施形態の弾性表面波速度と圧電体薄膜の膜厚ｋｈｐとの関係を示すグラフ。実施形態の電気機械結合係数と圧電体薄膜の膜厚ｋｈｐとの関係を示すグラフ。実施形態の概略平面図。従来構造のラインスペース比を説明するための説明図（ａ）及び実施形態のラインスペース比を説明するための説明図（ｂ）及び（ｃ）。実施形態とは異なる弾性表面波デバイスの他の実施形態の構成を示す概略平面図。実施形態のＩＤＴの電気機械結合係数とラインスペース比との関係を示すグラフ。実施形態の反射器の反射係数τとラインスペース比との関係を示すグラフ。実施形態のＩＤＴの電気機械結合係数とラインスペース比との関係を示すグラフ。実施形態の反射器の反射係数τとラインスペース比との関係を示すグラフ。実施形態と比較例の挿入損失及びインピーダンスを対比して示すグラフ。実施形態の弾性表面波速度及び電気機械結合係数と、圧電体薄膜の膜厚ｋｈｐとの関係を示すグラフ。２ポート型共振子として構成された弾性表面波デバイスの実施形態の構造を示す概略平面図。図１１に示す弾性表面波デバイスで実測した２次波の挿入損失とＩＤＴのラインスペース比との関係を示すグラフ。図１１に示す弾性表面波デバイスで実測した基本波の挿入損失とＩＤＴのラインスペース比との関係を示すグラフ。

符号の説明

１００…弾性表面波デバイス、１０１…基板、１０２…絶縁層、１０３…圧電体薄膜、１０４…弾性表面波励振検出手段、１０４ａ，１０４ｂ…励振検出電極、１０５…弾性表面波反射手段、１０５ａ…反射電極、Ｌ…電極幅、Ｓ…電極間隙、ｋｈｐ…圧電体薄膜の規格化された膜厚。

Claims

圧電体の表面に周期的に形成された複数の励振電極を含む弾性表面波励振手段若しくは複数の検出電極を含む弾性表面波検出手段と、前記表面に周期的に形成された複数の反射電極を含む弾性表面波反射手段とを備えた弾性表面波デバイスにおいて、電極幅をＬ、電極間隙をＳとしたとき、前記励振電極若しくは前記検出電極のラインスペース比Ｌ／（Ｌ＋Ｓ）と、前記反射電極のラインスペース比Ｌ／（Ｌ＋Ｓ）とが異なることを特徴とする弾性表面波デバイス。
前記励振電極若しくは前記検出電極のラインスペース比は、前記反射電極のラインスペース比よりも大きいことを特徴とする請求項１に記載の弾性表面波デバイス。
前記励振電極若しくは前記検出電極のラインスペース比が０．５５〜０．７の範囲内に設定されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の弾性表面波デバイス。
前記反射電極のラインスペース比が０．２５〜０．４５の範囲内に設定されていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の弾性表面波デバイス。
圧電体の表面に周期的に形成された複数の励振電極を含む弾性表面波励振手段若しくは複数の検出電極を含む弾性表面波検出手段を備えた弾性表面波デバイスにおいて、電極幅をＬ、電極間隙をＳとしたとき、前記励振電極若しくは前記検出電極のラインスペース比Ｌ／（Ｌ＋Ｓ）が０．５５〜０．７の範囲内に設定されていることを特徴とする弾性表面波デバイス。
圧電体の表面に周期的に形成された複数の反射電極を含む弾性表面波反射手段を備えた弾性表面波デバイスにおいて、電極幅をＬ、電極間隙をＳとしたとき、前記反射電極のラインスペース比Ｌ／（Ｌ＋Ｓ）が０．２５〜０．４５の範囲内に設定されていることを特徴とする弾性表面波デバイス。
圧電体の表面に周期的に形成された複数の励振電極を含む弾性表面波励振手段若しくは複数の検出電極を含む弾性表面波検出手段を備えた弾性表面波デバイスにおいて、電極幅をＬ、電極間隙をＳとしたとき、前記励振電極若しくは前記検出電極のラインスペース比Ｌ／（Ｌ＋Ｓ）が０．２５〜０．４５の範囲内に設定されていることを特徴とする弾性表面波デバイス。
基板と、該基板上に形成された、前記圧電体としての圧電体薄膜とを有することを特徴とする請求項１乃至７のいずれか一項に記載の弾性表面波デバイス。
前記基板と前記圧電体薄膜との間に絶縁層を有することを特徴とする請求項８に記載の弾性表面波デバイス。
前記圧電体は、ＺｎＯ、ＡｌＮ、ＰＺＴ、ＬｉＮｂＯ₃、ＴａＮｂＯ₃、ＫＮｂＯ₃、ＰＭＮ−ＰＴやＰＮＮ−ＰＴのリラクサ系から選ばれたいずれか一の素材で構成されていることを特徴とする請求項１乃至９のいずれか一項に記載の弾性表面波デバイス。