JP2006203839A

JP2006203839A - 温度高安定薄膜構造弾性表面波基板とその基板を用いた弾性表面波機能素子

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Publication number: JP2006203839A
Application number: JP2005044709A
Authority: JP
Inventors: Kazuhiko Yamanouchi; 和彦山之内
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2005-01-23
Filing date: 2005-01-23
Publication date: 2006-08-03

Abstract

【課題】温度の変化に対する中心周波数の変化の小さい、擬似弾性表面波を用いたフィルタを提供する。
【解決手段】電気機械結合係数の大きなＬｉＮｂＯ_３、ＬｉＴａＯ_３基板上に膜厚がＨ_１の金属膜２を付着させた後、膜厚がＨ_２で正の周波数温度特性をもつＳｉＯ_２などの薄膜３を付着させた構造とする。この基板を伝搬する弾性表面波として、レーレー波より速い速度をもつ擬似弾性表面波を用い、圧電性基板１として、ＬｉＮｂＯ_３の場合、回転Ｙ板のカット角がマイナス２５度から１８０度の範囲のＬｉＮｂＯ_３基板、ＬｉＴａＯ_３の場合、２５度から４５度の範囲であり、かつ弾性表面波の伝搬方向がＸ軸或いはＸ軸からプラス・マイナス５度の範囲であり、薄膜２の膜厚Ｈ_１／λ（λ：弾性表面波の動作周波数での波長）が０．００５から０．２の範囲であり、薄膜３の膜厚Ｈ_２／λ（λ：弾性表面波の動作周波数での波長）が０．００５から０．６の範囲でとする。
【選択図】図１

Description

本発明は周波数温度特性（ＴＣＦ）が零或いは零に近い値をもつ温度安定性に優れたＳｉＯ_２／電極膜／圧電体基板を用いた擬似弾性表面波を用いた弾性表面波フィルタ及び機能素子に関する。

圧電性基板表面にすだれ状電極を設けた弾性表面波変換器を用いた弾性表面波フィルタ及び弾性表面波機能素子は、テレビの中間周波数帯のフィルタ、移動体通信用のフィルタとして、広く応用されている。これらのフィルタでは、比較的帯域幅が広い特性が要求される。また、温度の変化に対する周波数特性の変化の小さいフィルタ及び変換器が要求されている。しかし、従来のフィルタは電気機械結合係数（ｋ^２）の大きな圧電体基板が用いられているが、ｋ^２の大きな基板は一般に温度特性が悪く、温度安定性に欠ける。一方、温度安定性に優れた弾性表面波基板として、ＳＴ−カット水晶、ＬＳＴ−カット水晶などが提案されている。しかし、これらの単結晶基板は、高安定の発振器として有用であるが、電気機械結合係数が小さいので、広い帯域幅をもち、挿入損失の小さいフィルタには向かない。

発明が解決しようとする課題

一方、温度安定性に優れ、かつ大きな電気機械結合係数をもつ基板として、ＬｉＮｂＯ_３、ＬｉＴａＯ_３基板表面に、逆の温度特性をもつＳｉＯ_２膜を付着させたＳｉＯ_２／ＬｉＮｂＯ_３、ＳｉＯ_２／ＬｉＴａＯ_３基板が考案され（文献：山之内、岩橋、柴山：ＷａｖｅＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ，３，（１９７９−１２）及び、文献：山之内、端山：ＩＥＥＥ，Ｔｒａｎｓ．ｏｎＳｏｎｉｃｓａｎｄＵｌｒａｓｏｎ．，Ｖｏｌ−ＳＵ，Ｎｏ．−１，Ｊａｎ．１９８４）実験により好結果が得られている。この基板は、高安定の発振器及び通常の両方向性のすだれ状電極を用いたフィルタとしての応用が提案されている。しかし、この基板より更に大きなｋ^２をもち、かつ薄い膜厚の薄膜構造基板で温度安定性に優れた基板が要求されている。

課題を解決するための手段

本発明は、高結合の圧電性基板表面に逆の温度特性をもつ薄膜を付着させることにより温度超高度安定でかつ広帯域の低挿入損失のフィルタ、広帯域電圧制御発振器、遅延線などを得ることを目的としている。ＳｉＯ_２／電極／回転Ｙ−カット面・Ｘ軸伝搬ＬｉＮｂＯ_３・ＬｉＴａＯ_３基板で、その回転カット角がＹカット面を中心（零度）として、マイナス２５度からプラス６８度の範囲であり、伝搬方向がＸ軸であり、
その上に電極を付着させた後、ＳｉＯ_２膜の膜厚として、薄膜の膜厚をＨ_２、弾性表面波の動作中心周波数の波長をλとして、Ｈ_２／λの値が０．０５から０．６の範囲で良好な周波数温度特性が得られる。特に膜厚が、０．１から０．４の値付近のレーレー波より速い速度をもつ擬似弾性表面波を用いた擬似弾性表面波基板では、零周波数温度特性（ＴＣＦ）と大きなｋ^２が得られることを用いることにより、広い帯域幅をもち、しかも温度の変化に対する周波数の変化の小さい、低挿入損失の高周波の弾性表面波フィルタ及び弾性表面波機能素子を得ることを目的としている。特に、上記のＳｉＯ_２／ＬｉＮｂＯ_３基板において、ＳｉＯ_２とＬｉＮｂＯ_３の間に正規型のすだれ状電極を作成した素子、多位相型の一方向性の変換器を作成した素子、内部反射型一方向性すだれ状電極弾性表面波変換器を作成した素子、“すだれ状電極”を用いた共振器、反射器を付加した共振器などを構成することにより、擬似弾性表面波でありながら、伝搬減衰が零で、大きなｋ^２と零周波数温度特性の基板を得ることにより、低挿入損失フィルタ、集積型のすだれ状電極を用いた低挿入損失フィルタ、内部反射型の一方向性すだれ状電極弾性表面波変換器を用いたフィルタ、共振器構造のすだれ状電極弾性表面波変換器を用いた低挿入損失のフィルタ、或いはこの共振器をラダー型或いはラティス型に構成した低挿入損失フィルタが得られる。
特に、ＧＨｚ帯では、ＳｉＯ_２の膜厚を１μｍ以下としても良好な温度特性をもつ基板が得られるので、実用上有用である。また、ＬｉＮｂＯ_３基板にＨ_２／λの値で、０．４以下のＳｉＯ_２薄膜を付着させた基板では、擬似弾性表面波の電気機械結合係数ｋ^２が、０．２以上と非常に大きいこと、またＬｉＴａＯ_３基板でも０．０８以上のｋ^２が得られるので、広帯域の零周波数温度特性フィルタが得られる。また、擬似弾性表面波でありながら、ＬｉＮｂＯ_３ではマイナス２５度から６４度カットでは、Ｈ_２／λの値が０．１３以上では、界面短絡条件では、伝搬減衰が零となるので、温度特性に優れた広帯域特性・低挿入損失のフィルタが得られる。また、ＬｉＴａＯ_３でも、カット角が２５度から４５度の範囲で界面短絡条件及び開放の条件で、伝搬減衰が０．０１以下となるので、挿入損失が小さくなる。また、これらの基板では、薄膜による伝搬損失が重要であるが、実験の結果、１ＧＨｚの周波数でも、０．０１ｄＢ／λ以下と非常に小さい。また、薄膜をつけたことによる膜厚に対する速度の変化も小さいので、零温度特性付近の膜厚での膜厚に対する中心周波数の変化も非常に小さいフィルタが得られる。

実施例の１は、図１のように、負の周波数温度特性をもつ圧電性基板１の上に膜厚がＨ_１の金属膜・すだれ状電極・グレーティング電極２を付着させた後、その膜厚がＨ_２の正の周波数温度特性をもつ薄膜３を付着させた構造の基板であって、
この基板を伝搬する弾性表面波として、レーレー型の弾性表面波より速い速度をもつブランチの擬似弾性表面波を用いた擬似弾性表面波基板であって、圧電性基板１として、回転Ｙ板のカット角がマイナス２５度から１８０度の範囲のＬｉＮｂＯ_３基板であり、かつ弾性表面波の伝搬方向がＸ軸或いはＸ軸からプラス・マイナス５度の範囲であり、薄膜２の膜厚Ｈ_１／λ（λ：弾性表面波の動作周波数での波長）が０．００５から０．２の範囲であり、薄膜３の膜厚Ｈ_２／λ（λ：弾性表面波の動作周波数での波長）が０．００５から０．６の範囲である擬似弾性表面波基板、及びこれらの基板を用いた弾性表面波機能素子が実施例の１である。
実施例の２は、図１のように、負の周波数温度特性をもつ圧電性基板１の上に膜厚がＨ_１の金属膜・すだれ状電極・グレーティング電極２を付着させた後、その膜厚がＨ_２の正の周波数温度特性をもつ薄膜３を付着させた構造の基板であって、
この基板を伝搬する弾性表面波として、レーレー型の弾性表面波より速い速度をもつブランチの擬似弾性表面波を用いた擬似弾性表面波基板であって、圧電性基板１として、回転Ｙ板のカット角が２５度から４５度の範囲のＬｉＴａＯ_３基板であり、かつ弾性表面波の伝搬方向がＸ軸或いはＸ軸からプラス・マイナス５度の範囲であり、薄膜２の膜厚Ｈ_１／λ（λ：弾性表面波の動作周波数での波長）が０．００５から０．２の範囲であり、薄膜３の膜厚Ｈ_２／λ（λ：弾性表面波の動作周波数での波長）が０．００５から０．６の範囲である擬似弾性表面波基板、或いはカット角が２５度から３６度の範囲で薄膜２の膜厚がＨ_１／λが０．００５から０．２、薄膜３の膜厚が零の擬似弾性表向波基板及びこれらの基板を用いた弾性表面波機能素子が実施例の２である。
実施例の３は、負の周波数温度特性をもつ圧電性基板１の上に膜厚がＨ_１の金属膜・すだれ状電極・グレーティング電極２を付着させた後、その膜厚がＨ_２の正の周波数温度特性をもつ薄膜３を付着させたた構造の基板であって、圧電性基板１として、Ｘ−カット・１１２°ＬｉＴａＯ_３基板であり、かつ弾性表面波の伝搬方向が１１２°からプラス・マイナス５度の範囲であり、薄膜２の膜厚Ｈ_１／λ（λ：弾性表面波の動作周波数での波長）が０．００５から０．２の範囲であり、薄膜３の膜厚Ｈ_２／λ（λ：弾性表面波の動作周波数での波長）が０．００５から０．６の範囲である弾性表向波基板及びこれらの基板を用いた弾性表面波機能素子が実施例の３である。
実施例の４は、特許請求の範囲の請求項１、請求項２、請求項３において、薄膜２として、アルミニューム薄膜、銅薄膜、タングステン薄膜、チタン薄膜、或いはアルミニューム金属膜と銅、チタン、或いは銅とチタン、クロムなどとの組み合わせ金属薄膜、また薄膜３として、ＳｉＯ_２薄膜、正の局波数温度特許をもつガラス、などからなる擬似弾性表面波基板及びこれらの弾性表面波基板を用いた弾性表面波機能素子が実施例の４である。
実施例の５は、特許請求の範囲の請求項１、請求項２、請求項３、請求項４において、周波数温度特性が−２５ｐｐｍ／℃から＋１０ｐｐｍ／℃であり、かつ理論解析による、擬似弾性表面波の伝搬減衰が０．０５ｄＢ／λ以下からなる擬似弾性表面波基板及びこれらの弾性表面波基板を用いた弾性表面波機能素子が実施例の５である。
実施例の６は、特許請求の範囲の請求項１、請求項２、請求項３、請求項４、請求項５において、弾性表面波を励振する“すだれ状電極”部分のＳｉＯ_２薄膜の膜厚と、弾性表面波が伝搬する部分、或いは弾性表面波を反射させる周期構造の電極部分のＳｉＯ_２の膜厚が同じ構造及び異なる構造の弾性表面波基板とこれらの弾性表面波基板を用いた弾性表面波機能素子、及びこの弾性表面波が擬似弾性表面波である擬似弾性表面波基板、及びこれらの弾性表面波基板を用いた弾性表面波機能素子が実施例の６である。
実施例の７は、特許請求の範囲の請求項１、請求項２、請求項３、請求項４、請求項５、請求項６において、上記の薄膜基板を用いた高周波帯の多位相型一方向性“すだれ状電極”弾性表面波変換器を用いたフィルタ、集積型のすだれ状電極を用いたフィルタ、内部反射型の一方向性すだれ状電極弾性表面波変換器を用いたフィルタ、共振器構造の“すだれ状電極”弾性表面波変換器を用いたフィルタ或いはこの共振器をラダー型に用いたフィルタ或いはラティス型に用いたフィルタ、或いは、すだれ状電極がタップ電極からなるマッチドフィルタが実施例の７である。

発明の効果

本発明の効果一例として、図２が種々のＡｌ膜厚に対するＴＣＦであり、ほぼＨ_２／λがほぼ０．２で零ＴＣＦが得られることが判る。また、図３はＣｕ膜厚に対するＴＣＦであり、Ｈ_２／λがほぼ０．２で零ＴＣＦが得られることが判る。
図４は、３６度ＬｉＴａＯ_３基板を用いたＡｌ膜厚をパラメーターとした、ＳｉＯ_２膜厚に対するＴＣＦの特性を示す。Ａｌ膜厚が大きくなるとＴＣＦが零となるＳｉＯ_２膜厚が薄くなることが判る。一方、図５は、Ａｌ膜厚Ｈ_１／λ＝０．１，回転角をパラメーターとした、ＳｉＯ_２膜厚Ｈ_２／λに対する伝搬減衰を示しており、３０度、３３度の場合、小さい伝搬減衰の基板が得られることが判る。
図６は、Ａｌ／ＬｉＴａＯ_３構造基板の回転角をパラメーターとした場合のＡｌ膜厚Ｈ_１／λに対する伝搬減衰を示す。図から３４度がら３８度カット角が伝搬減衰が小さいことが判る。
図７は、３６度ＬｉＴａＯ_３基板を用いたＣｕ膜厚をパラメーターとした、ＳｉＯ_２膜厚に対するＴＣＦの特性を示す。Ａｌ膜厚が大きくなると零ＴＣＦのＳｉＯ_２膜厚は小さくなることが判る。
図８は、ＳｉＯ_２／Ｃｕ／Ｘ−カット・１１２°Ｙ伝搬のＬｉＴａＯ_３基板を用いたＣｕ膜厚をパラメーターとした、ＳｉＯ_２膜厚に対するＴＣＦの特性を示す。十分厚いＣｕ膜厚でもＴＣＦが零となるＳｉＯ_２膜厚が得られることが判る。
本発明のフィルタ及び機能素子を用いることにより、広い帯域幅、低挿入損失、かつ温度安定性に優れた弾性表面波フィルタ、高性能の弾性表面波共振器及びＶＣＯなどの弾性波機能素子、高性能の半導体素子と組み合わせた素子が得られる。
また、回転Ｙ板のカット角については、金属膜、ＳｉＯ_２薄膜の音響特性により、最適のカット角がそれぞれ異なるので、最適のカット角を求めて目的とするデバイスを作製する。

圧電性単結晶上に２層の薄膜をもつ構造の基板の図である。ＳｉＯ_２／Ａｌ／５°Ｙ−ＸＬｉＮｂＯ_３基板のＨ_１／λ（Ａｌ膜厚）をパラメーターとした場合のＨ_２／λ（ＳｉＯ_２膜厚）に対するＴＣＦＳｉＯ_２／Ｃｕ／５°Ｙ−ＸＬｉＮｂＯ_３基板のＨ_１／λ（Ａｌ膜厚）をパラメーターとした場合のＨ_２／λ（ＳｉＯ_２膜厚）に対するＴＣＦＡｌ／３６°Ｙ−ＸＬｉＴａＯ_３基板のＨ_１／λ（Ａｌ膜厚）をパラメーターとした場合のＨ_２／λ（ＳｉＯ_２膜厚）に対するＴＣＦＳｉＯ_２／Ａｌ／回転Ｙ−ＸＬｉＴａＯ_３基板のＡｌ膜厚をＨ_１／λ＝０．１で回転角をパラメーターとした場合のＨ_２／λ（ＳｉＯ_２膜厚）に対する伝搬減減衰（ｄＢ／λ）Ａｌ／３６°Ｙ−ＸＬｉＴａＯ_３基板の回転角をパラメーターとした場合のＨ_１／λ（Ａｌ膜厚）Ｈ_１／λ（Ａｌ_２膜厚）に対する伝搬減衰（ｄＢ／λ）Ｃｕ／３６°Ｙ−ＸＬｉＴａＯ_３基板のＨ_１／λ（Ｃｕ膜厚）をパラメーターとした場合のＨ_２／λ（ＳｉＯ_２膜厚）に対するＴＣＦＳｉＯ_２／Ｃｕ／Ｘ−カット・１１２°Ｙ伝搬のＬｉＴａＯ_３基板のＨ_１／λ（Ｃｕ膜厚）をパラメーターとした場合のＨ_２／λ（ＳｉＯ_２膜厚）に対するＴＣＦ

符号の説明

１−圧電体基板、２−金属薄膜、すだれ状電極、グレーティング電極、３−誘電体薄膜、

Claims

負の周波数温度特性をもつ圧電性基板１の上に膜厚がＨ_１の金属膜・すだれ状電極・グレーティング電極２を付着させた後、その膜厚がＨ_２の正の周波数温度特性（ＴＣＦ）をもつ薄膜３を付着させた構造の基板であって、この基板を伝搬する弾性表面波として、レーレー型の弾性表面波より速い速度をもつブランチの擬似弾性表面波を用いた擬似弾性表面波基板であって、圧電性基板１として、回転Ｙ板のカット角がマイナス２５度から１８０度の範囲のＬｉＮｂＯ_３基板であり、かつ弾性表面波の伝搬方向がＸ軸或いはＸ軸からプラス・マイナス５度の範囲であり、薄膜２の膜厚Ｈ_１／λ（λ：弾性表面波の動作周波数での波長）が０．００５から０．２の範囲であり、薄膜３の膜厚Ｈ_２／λ（λ：弾性表面波の動作周波数での波長）が０．００５から０．６の範囲である擬似弾性表面波基板、及びこれらの基板を用いた弾性表面波機能素子。
負の周波数温度特性をもつ圧電性基板１の上に膜厚がＨ_１の金属膜・すだれ状電極・グレーティング電極２を付着させた後、その膜厚がＨ_２の正の周波数温度特性をもつ薄膜３を付着させた構造の基板であって、この基板を伝搬する弾性表面波として、レーレー型の弾性表面波より速い速度をもつブランチの擬似弾性表面波を用いた擬似弾性表面波基板であって、圧電性基板１として、回転Ｙ板のカット角が２５度から４５度の範囲のＬｉＴａＯ_３基板であり、かつ弾性表面波の伝搬方向がＸ軸或いはＸ軸からプラス・マイナス５度の範囲であり、薄膜２の膜厚Ｈ_１／λ（λ：弾性表面波の動作周波数での波長）が０．００５から０．２の範囲であり、薄膜３の膜厚Ｈ_２／λ（λ：弾性表面波の動作周波数での波長）が０．００５から０．６の範囲である擬似弾性表面波基板、或いはカット角が２５度から３６度の範囲で薄膜２の膜厚がＨ_１／λが０．００５から０．２、薄膜３の膜厚が零の擬似弾性表面波基板、及びこれらの基板を用いた弾性表面波機能素子。
負の周波数温度特性をもつ圧電性基板１の上に膜厚がＨ_１の金属膜・すだれ状電極・グレーティング電極２を付着させた後、その膜厚がＨ_２の正の周波数温度特性をもつ薄膜３を付着させたた構造の基板であって、圧電性基板１として、Ｘ−カット・１１２°ＬｉＴａＯ_３基板であり、かつ弾性表面波の伝搬方向が１１２°からプラス・マイナス５度の範囲であり、薄膜２の膜厚Ｈ_１／λ（λ：弾性表面波の動作周波数での波長）が０．００５から０．２の範囲であり、薄膜３の膜厚Ｈ_２／λ（λ：弾性表面波の動作周波数での波長）が０．００５から０．６の範囲である弾性表面波基板及びこれらの基板を用いた弾性表面波機能素子。
特許請求の範囲の請求項１、請求項２、請求項３において、薄膜２として、アルミニューム薄膜、銅薄膜、タングステン薄膜、チタン薄膜、或いはアルミニューム金属膜と銅、チタン、或いは銅とチタン、クロムなどとの組み合わせ金属薄膜、また薄膜３として、ＳｉＯ_２薄膜、正の周波数温度特許をもつガラス、などからなる擬似弾性表面波基板及びこれらの弾性表面波基板を用いた弾性表面波機能素子。
特許請求の範囲の請求項１、請求項２、請求項３、請求項４において、周波数温度特性が−２５ｐｐｍ／℃から＋１０ｐｐｍ／℃であり、かつ理論解析による、擬似弾性表面波の伝搬減衰が０．０５ｄＢ／λ以下からなる擬似弾性表面波基板及びこれらの弾性表面波基板を用いた弾性表面波機能素子。
特許請求の範囲の請求項１、請求項２、請求項３、請求項４、請求項５において、弾性表面波を励振する“すだれ状電極”部分のＳｉＯ_２薄膜の膜厚と、弾性表面波が伝搬する部分、或いは弾性表面波を反射させる周期構造の電極部分のＳｉＯ_２の膜厚が同じ構造及び異なる構造の弾性表面波基板とこれらの弾性表面波基板を用いた弾性表面波機能素子、及びこの弾性表面波が擬似弾性表面波である擬似弾性表面波基板、及びこれらの弾性表面波基板を用いた弾性表面波機能素子。
特許請求の範囲の請求項１、請求項２、請求項３、請求項４、請求項５、請求項６において、上記の薄膜基板を用いた高周波帯の多位相型一方向性“すだれ状電極”弾性表面波変換器を用いたフィルタ、集積型のすだれ状電極を用いたフィルタ、内部反射型の一方向性すだれ状電極弾性表面波変換器を用いたフィルタ、共振器構造の“すだれ状電極”弾性表面波変換器を用いたフィルタ或いはこの共振器をラダー型に用いたフィルタ或いはラティス型に用いたフィルタ、或いは、すだれ状電極がタップ電極からなるマッチドフィルタ。