JP2006203408A - 弾性表面波デバイス - Google Patents

Abstract

【課題】水晶基板を用いたＳＡＷデバイスにおいて、通電時の周波数変動を抑圧したＳＡＷデバイスを提供することを目的とする。
【解決手段】圧電基板１と、圧電基板１上にＡｌ又はＡｌを主成分とする合金の金属膜で形成したＩＤＴ２とを備え、励振波をＳＨ波とした弾性表面波デバイスであって、圧電基板１は、回転Ｙカット水晶基板のカット角θを結晶Ｚ軸より反時計方向に−６４．０°＜θ＜−４９．３°の範囲に設定し、且つ、弾性表面波の伝搬方向を結晶Ｘ軸に対し９０°±５°とした水晶平板であり、ＩＤＴ２の電極指間スペースには溝１２が形成され、溝１２の深さをＨｐ、金属膜１１の膜厚をＨｍとした時に、弾性表面波の波長λで基準化した電極膜厚Ｈ／λを０．０４＜Ｈ／λ＜０．１２（ただし、Ｈ＝Ｈｐ＋Ｈｍ）の範囲に設定する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、水晶基板を用いた弾性表面波デバイスにおいて、通電時の周波数変動を抑圧した弾性表面波デバイスに関する。

近年、弾性表面波（Surface Acoustic Wave：以下、ＳＡＷ）デバイスは移動体通信用端末や車載用機器等の部品として幅広く利用され、小型で、Ｑ値が高く、周波数温度特性が優れていること等が強く要求されている。

これらの要求を実現するＳＡＷデバイスとして、ＳＴカット水晶基板を用いたＳＡＷデバイスがある。ＳＴカット水晶基板は結晶Ｘ軸を回転軸としてＸＺ面を結晶Ｚ軸より反時計方向に４２．７５°回転した面（ＸＺ'面）を持つ水晶板のカット名であり、結晶Ｘ軸方向に伝搬するレイリー波と呼ばれる（Ｐ＋ＳＶ）波であるＳＡＷ（以下、ＳＴカット水晶ＳＡＷと称す）を利用する。ＳＴカット水晶ＳＡＷデバイスの用途は、発振素子として用いられるＳＡＷ共振子や、移動体通信端末のＲＦ段とＩＣ間に配置されるＩＦ用フィルタなど幅広く存在する。

ＳＴカット水晶ＳＡＷデバイスが小型でＱ値の高いデバイスを実現できる理由として、ＳＡＷの反射を効率良く利用できる点が挙げられる。以下、図２に示すＳＴカット水晶ＳＡＷ共振子を例に説明する。図２は（ａ）にＳＴカット水晶ＳＡＷ共振子の平面図、（ｂ）にＩＤＴの断面図を示しており、ＳＴカット水晶基板１０１上にそれぞれ互いに間挿し合う複数本の電極指を有するくし形電極（以下、ＩＤＴと称す）１０２を配置し、該ＩＤＴ１０２の両側にＳＡＷを反射する為のグレーティング反射器１０３ａ、１０３ｂを配置している。ＳＴカット水晶ＳＡＷは圧電基板の表面に沿って伝搬する波であるので、グレーティング反射器１０３ａ、１０３ｂにより効率良く反射され、ＳＡＷのエネルギーをＩＤＴ１０２内に十分閉じ込めることができるので、小型で且つＱ値の高いデバイスが得られる。

更に、ＳＡＷデバイスを使用する上で重要な要素に周波数温度特性がある。上述のＳＴカット水晶ＳＡＷにおいては、周波数温度特性の１次温度係数が零であり、その特性は２次曲線で表され、頂点温度を使用温度範囲の中心に位置するように調整すると周波数変動量が格段に小さくなるので周波数安定性に優れていることが一般的に知られている。

しかしながら、前記ＳＴカット水晶ＳＡＷデバイスは、１次温度係数は零であるが、２次温度係数は−０．０３４（ｐｐｍ／℃^２）と比較的大きいので、使用温度範囲を拡大すると周波数変動量が極端に大きくなってしまうという問題があった。

前記問題を解決する手法として、Meirion Lewis,“Surface Skimming Bulk Wave,SSBW”, IEEE Ultrasonics Symp. Proc.,pp.744〜752 (1977)及び特公昭６２−０１６０５０号に開示されたＳＡＷデバイスがある。このＳＡＷデバイスは、図３に示すように回転Ｙカット水晶基板のカット角θを結晶Ｚ軸より反時計方向に−５０°回転した付近に設定し、且つ、ＳＡＷの伝搬方向を結晶Ｘ軸に対して垂直方向（Ｚ'軸方向）にしたことが特徴である。なお、前述のカット角をオイラー角で表示する場合は（０°，θ＋９０°，９０°）＝（０°，４０°，９０°）となる。このＳＡＷデバイスは、圧電基板の表面直下を伝搬するＳＨ波をＩＤＴによって励起し、その振動エネルギーを電極直下に閉じ込めることを特徴としていて、周波数温度特性が３次曲線となり、使用温度範囲における周波数変動量が極めて少なくなるので良好な周波数温度特性が得られる。

しかしながら、前記ＳＨ波は基本的に基板内部に潜って進んでいく波である為、圧電基板表面に沿って伝搬するＳＴカット水晶ＳＡＷと比較してグレーティング反射器によるＳＡＷの反射効率が悪い。従って、小型で高ＱなＳＡＷデバイスを実現し難いという問題がある。また、前述の先行文献においてもＳＡＷの反射を利用しない遅延線としての応用については開示されているものの、ＳＡＷの反射を利用したデバイスへの応用は提案されておらず、発振素子やフィルタ素子としての実用化は困難であると言われていた。

この問題を解決すべく、特公平０１−０３４４１１号では、回転Ｙカット水晶基板のカット角θを−５０°付近に設定し、ＳＡＷの伝搬方向を結晶Ｘ軸に対し垂直方向（Ｚ'軸方向）にした圧電基板１１１上に８００±２００対もの多対のＩＤＴを形成することにより、グレーティング反射器を利用せずＩＤＴ１１２自体の反射だけでＳＡＷエネルギーを閉じ込め高Ｑ化を図った所謂多対ＩＤＴ型ＳＡＷ共振子が開示されている。

しかしながら、前記多対ＩＤＴ型ＳＡＷ共振子はグレーティング反射器を設けたＳＡＷ共振子と比較して効率的なエネルギー閉じ込め効果が得られず、高いＱ値を得るのに必要なＩＤＴ対数が８００±２００対と非常に多くなってしまうので、ＳＴカット水晶ＳＡＷ共振子よりもデバイスサイズが大きくなってしまい、近年の小型化の要求に応えることができないという問題があった。

また、前記特公平０１−０３４４１１号に開示されているＳＡＷ共振子においては、ＩＤＴにて励振されたＳＡＷの波長をλとした時、電極膜厚を２％λ以上、好ましくは４％λ以下にすることによりＱ値を高めることができるとされており、共振周波数２００ＭＨｚの場合、４％λ付近でＱ値が飽和に達するが、その時のＱ値は２００００程度しか得られずＳＴカット水晶ＳＡＷ共振子と比較してもほぼ同等のＱ値しか得られない。この原因として、膜厚が２％λ以上４％λ以下の範囲ではＳＡＷが圧電基板表面に十分集まっていないので反射が効率良く利用できないことが考えられる。

そこで、本発明者は特願２００４−３１０４５２号にて、回転Ｙカット水晶基板のカット角θを結晶Ｚ軸より反時計方向に−６４．０°＜θ＜−４９．３°の範囲に設定し、且つ、弾性表面波の伝搬方向を結晶Ｘ軸に対し９０°±５°とした水晶平板上に、Ａｌ又はＡｌを主成分とする合金からなるＩＤＴを形成し、該ＩＤＴのＳＡＷの波長で基準化した電極膜厚Ｈ／λを０．０４＜Ｈ／λ＜０．１２としたＳＡＷデバイスを発明した。当該発明によれば、本来、圧電基板内部に潜って進んでいく波を基板表面に集中させてグレーティング反射器等によりＳＡＷの反射を効率良く利用することができるので、従来のＳＴカット水晶ＳＡＷデバイスと比較して小型でＱ値が高く、且つ周波数温度特性に優れたＳＡＷデバイスが実現できる。
特公昭６２−０１６０５０号 特公平０１−０３４４１１号 特願２００４−３１０４５２号 Meirion Lewis,"Surface Skimming Bulk Wave,SSBW", IEEE Ultrasonics Symp. Proc.,pp.744〜752 (1977)

ところで、特許文献３で提案しているＳＡＷデバイスにおいて、共振周波数４３３ＭＨｚのＳＡＷ共振子を用いて通電試験を実施したところ、通電時の周波数変動が従来のＳＴカット水晶ＳＡＷデバイスよりも大きくなってしまうことが分かった。この原因として、特許文献３のＳＡＷデバイスの電極膜厚は従来のＳＴカット水晶デバイスよりも電極膜厚を厚くすることを特徴としているが、電極膜厚を厚くすると成膜時に膜にかかる応力が増加し、この応力を緩和するようにＡｌ原子が移動するストレスマイグレーションが生じ、これに起因して周波数変動が大きくなってしまうと考えられる。

また、周波数変動の増大を避けるべく電極膜厚を薄くすると、Ｑ値が大幅に減少し、フィルタ等を構成したときに挿入損失が大きくなってしまうという問題が生じる。

本発明は上記問題点を解決するためになされたものであって、圧電基板に水晶基板を用いＳＨ波を利用したＳＡＷデバイスにおいて、Ｑ値を高め、優れた周波数温度特性を実現すると共に、通電時の周波数変動を抑圧したＳＡＷデバイスを提供することを目的とする。

上記課題を解決するために本発明に係るＳＡＷデバイスの請求項１に記載の発明は、 圧電基板と、該圧電基板上にＡｌ又はＡｌを主成分とする合金の金属膜で形成したＩＤＴとを備え、励振波をＳＨ波としたＳＡＷデバイスであって、前記圧電基板は回転Ｙカット水晶基板のカット角θを結晶Ｚ軸より反時計方向に−６４．０°＜θ＜−４９．３°の範囲に設定し、且つ、ＳＡＷの伝搬方向を結晶Ｘ軸に対し９０°±５°とした水晶平板であり、前記ＩＤＴの電極指間スペースには溝が形成され、溝の深さをＨｐ、金属膜の膜厚をＨｍとした時に、ＳＡＷの波長λで基準化した電極膜厚Ｈ／λを０．０４＜Ｈ／λ＜０．１２（ただし、Ｈ＝Ｈｐ＋Ｈｍ）の範囲に設定することを特徴としている。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の弾性表面波デバイスをモジュール装置、又は発振回路等に用いることを特徴としている。

本発明の請求項１によれば、ＩＤＴの電極指間スペースに溝を形成し、溝の深さをＨｐ、金属膜の膜厚をＨｍとした時に、ＳＡＷの波長λで基準化した電極膜厚Ｈ／λを０．０４＜Ｈ／λ＜０．１２（ただし、Ｈ＝Ｈｐ＋Ｈｍ）の範囲に設定することにより、特許文献３に記載のＳＡＷデバイスと比較して金属膜の膜厚を薄くすることができるので、通電時のストレスマイグレーション等を起因とする周波数変動を抑圧できると共に、Ｑ値が高く、周波数温度特性が優れたＳＡＷデバイスを実現できる。

本発明の請求項２によれば、前記ＳＡＷデバイスをモジュール装置、又は発振回路に用いることにより、高性能なモジュール装置、又は発振回路を提供することができる。

以下、本発明を図面に図示した実施の形態例に基づいて詳細に説明する。図１（ａ）は本発明に係るＳＡＷ共振子の平面図、図１（ｂ）は前記ＳＡＷ共振子のＩＤＴの断面図を示している。本発明のＳＡＷ共振子は、圧電基板１上に正電極指と負電極指とがそれぞれ互いに間挿し合うＩＤＴ２と、該ＩＤＴ２の両側にＳＡＷを反射する為のグレーティング反射器３ａ、３ｂとを配置する。そして、前記ＩＤＴ２の入出力パッド４ａ、４ｂとパッケージ６の入出力用端子とを金属ワイヤ５ａ、５ｂにより電気的に導通し、パッケージ６の開口部を蓋（リッド）で気密封止する。圧電基板１は、回転Ｙカット水晶基板のカット角θを結晶Ｚ軸より反時計方向に−６４．０°＜θ＜−４９．３°に設定し、ＳＡＷの伝搬方向を結晶Ｘ軸に対しほぼ垂直方向（９０°±５°）にした水晶平板であって、励振するＳＡＷはＳＨ波である。なお、ＩＤＴ２及びグレーティング反射器３ａ、３ｂの電極材料はＡｌ又はＡｌを主成分とする合金としている。

本発明の特徴は、図１（ｂ）に示すようにＩＤＴの電極指間スペースの水晶基板の表面に溝１２を形成したところにある。即ち、水晶基板の溝１２の深さをＨｐ、金属膜１１の厚さをＨｍとした時に、見かけ上の電極膜厚Ｈは（Ｈｐ＋Ｈｍ）となり、溝を形成することにより金属膜の膜厚を薄くできるので、通電時のストレスマイグレーション等を起因とする周波数変動を抑圧できる。ここで、ＳＡＷの波長λで基準化した電極膜厚Ｈ／λを０．０４＜Ｈ／λ＜０．１２の範囲に設定すれば、特許文献３に記載のように従来のＳＴカット水晶デバイスよりＱ値が高く、周波数温度特性の優れたＳＡＷデバイスを実現できる。

次に、本発明のＳＡＷ共振子の製造方法について説明すると、水晶基板上にＡｌ又はＡｌを主成分とする電極パターンを形成した後、ＣＦ_４ガス雰囲気中でスパッタリングすることにより電極指間の水晶基板表面をエッチングし溝を形成している。Ａｌは水晶に比べてエッチング速度が遅く、エッチングする際にＡｌ電極がそのまま溝形成用のマスクとして利用できるので、容易に溝を形成できる。

ここで、水晶基板の溝の深さＨｐを０．０３λ、金属膜の膜厚Ｈｍを０．０３λとし、電極膜厚Ｈ＝Ｈｐ＋Ｈｍを０．０６λとして実際に試作実験したところ、金属膜だけで０．０６λの電極膜厚を形成した場合と比較して、通電時の周波数変動が減少することが確認された。

以上説明したように、本発明では特許文献３に記載のＳＡＷデバイスにおいて、電極指間スペースに溝を形成することにより金属膜の膜厚を薄くしたので、通電時の周波数変動を抑圧できると共に、Ｑ値が高く、優れた周波数温度特性を備えたＳＡＷデバイスを実現できる。

これまで、図１に示すような１ポートのＳＡＷ共振子についてのみ言及してきたが、２ポートＳＡＷ共振子、ＳＡＷ共振子の音響結合を利用した２重モードＳＡＷ（ＤＭＳ）フィルタ、ＳＡＷ共振子を直列腕と並列腕に梯子状に配置したラダー型ＳＡＷフィルタ、入力用ＩＤＴと出力用ＩＤＴを所定の間隙をあけて配置したトランスバーサル型ＳＡＷフィルタ等の種々の方式のＳＡＷデバイスにおいても、本発明を適用すれば同様の効果が得られるのは言うまでもない。

更に、上述のＳＡＷデバイスにおいて、ＩＤＴやグレーティング反射器上にＳｉＯ_２等の保護膜を施したり、電極の上部あるいは下部に密着層あるいは耐電力向上等の目的で別の金属薄膜を形成した場合においても、本発明と同様の効果を得られることは明らかである。また、センサ装置やモジュール装置、電圧制御ＳＡＷ発振器（ＶＣＳＯ）等の発振器に本発明のＳＡＷデバイスが適用できることは言うまでもない。

また、本発明のＳＡＷデバイスは、図１に示すようなＳＡＷチップとパッケージをワイヤボンディングした構造以外でも良く、ＳＡＷチップの電極パッドとパッケージの端子とを金属バンプで接続したフリップチップボンディング（ＦＣＢ）構造や、配線基板上にＳＡＷチップをフリップチップボンディングしＳＡＷチップの周囲を樹脂封止したＣＳＰ（Chip Size Package）構造、或いは、ＳＡＷチップ上に金属膜や樹脂層を形成することによりパッケージや配線基板を不要としたＷＬＣＳＰ（Wafer Level Chip Size Package）構造等にしても良い。更には、水晶デバイスを水晶又はガラス基板で挟んで積層封止したＡＱＰ（All Quartz Package）構造としても良い。前記ＡＱＰ構造は、水晶又はガラス基板で挟んだだけの構造であるのでパッケージが不要で薄型化が可能であり、低融点ガラス封止や直接接合とすれば接着剤によるアウトガスが少なくなりエージング特性に優れた効果を奏する。

本発明のＳＡＷ共振子を説明する図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）はＩＤＴの断面図である。 従来のＳＴカット水晶基板を用いたＳＡＷデバイスを説明する図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）はＩＤＴの断面図である。 従来の−５０°回転Ｙカット９０°Ｘ伝搬水晶基板を用いたＳＡＷデバイスを説明する図である。

符号の説明

１：圧電基板
２：ＩＤＴ
３ａ、３ｂ：グレーティング反射器
４ａ、４ｂ：入出力用パッド
５ａ、５ｂ：金属ワイヤ
６：パッケージ
１１：金属膜
１２：溝

Claims (2)

1. 圧電基板と、該圧電基板上にＡｌ又はＡｌを主成分とする合金の金属膜で形成したＩＤＴとを備え、励振波をＳＨ波とした弾性表面波デバイスであって、
   前記圧電基板は、回転Ｙカット水晶基板のカット角θを結晶Ｚ軸より反時計方向に−６４．０°＜θ＜−４９．３°の範囲に設定し、且つ、弾性表面波の伝搬方向を結晶Ｘ軸に対し９０°±５°とした水晶平板であり、
   前記ＩＤＴの電極指間スペースには溝が形成され、溝の深さをＨｐ、金属膜の膜厚をＨｍとした時に、弾性表面波の波長λで基準化した電極膜厚Ｈ／λを０．０４＜Ｈ／λ＜０．１２（ただし、Ｈ＝Ｈｐ＋Ｈｍ）の範囲に設定することを特徴とした弾性表面波デバイス。
2. 請求項１に記載の弾性表面波デバイスを用いることを特徴としたモジュール装置、又は発振回路。
   

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