JP2009010927A - 弾性境界波基板とその基板を用いた弾性境界波機能素子。 - Google Patents
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Abstract
【課題】基板内部に弾性波のエネルギーを閉じ込めることにより、小型の素子を得る。
【解決手段】圧電基板１上にすだれ状電極３、誘電体薄膜４、更に誘電体薄膜５を付着さた基板であり、基板内部に弾性波のエネルギーを閉じ込めた基板を得ることができる。特に、薄膜４として、ＳｉＯ２薄膜、薄膜５として、ＡｌＮ薄膜を用いることにより、大きな電気機械結合係数（ｋ２）と周波数温度特性に優れた基板を電極３の膜厚、薄膜４、薄膜５の膜厚を最適の値とすることにより得ることが出来る。
【選択図】図２
【解決手段】圧電基板１上にすだれ状電極３、誘電体薄膜４、更に誘電体薄膜５を付着さた基板であり、基板内部に弾性波のエネルギーを閉じ込めた基板を得ることができる。特に、薄膜４として、ＳｉＯ２薄膜、薄膜５として、ＡｌＮ薄膜を用いることにより、大きな電気機械結合係数（ｋ２）と周波数温度特性に優れた基板を電極３の膜厚、薄膜４、薄膜５の膜厚を最適の値とすることにより得ることが出来る。
【選択図】図２
Description
本発明は、基板表面と電極部にエネルギーを集中させて伝搬する弾性境界波基板とその基板を用いた弾性境界波機能素子に関する。
圧電性基板上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、弾性表面波を用いているため、弾性表面波の送受信表面、伝搬路表面をフリーにする必要があり、パッケージが必要である。一方、基板内部にエネルギーを閉じ込めた弾性境界波を用いることにより、パッケージの要らない機能素子が可能となる。弾性境界波を解析した最初の研究論文として、Ｒ．Ｓｔｏｎｅｌｅｙ：Ｒ．Ｓｏｃ．Ｐｒｏｃ．Ｌｏｎｄｏｎ Ｓｅｒ．Ａ．，１０６（１９２４）４１６がある。また、圧電性基板と薄膜を組み合わせた論文として、Ｋ．Ｙａｍａｎｏｕｃｈｉ，Ｋ．Ｉｗａｈａｓｈｉ ａｎｄ Ｋ．Ｓｈｉｂａｙａｍ，“Ｐｉｅｚｏｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｂｏｕｎｄａｒｙ Ｗａｖｅｓ ａｌｏｎｇ ｔｈｅ Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ ｂｅｔｗｅｅｎ ＳｉＯ２ ａｎｄ ＬｉＴａＯ３”、ＩＥＥＥ Ｔｒａｎａｃｔｉｏｎｓ．Ｓｏｎｉｃｓ ａｎｄ Ｕｔｒａｓｏｎｉｃｓ，Ｖｏｌ．ＳＵ−２５，Ｎｏ，６，１９７８，ｐｐ．３８４−３８９、がある。この論文では、一層の薄膜のみを用いているため、境界に境界波がトラップされる条件が厳しく、実用までには至らなかった。
本特許は、これらの欠陥を取り除くために考案されたものである。
本特許は、これらの欠陥を取り除くために考案されたものである。
弾性表面波を用いたフィルタでは、送受電極部と伝搬路を表面フリーの条件にするためパッケージが必要であり、素子がやや大きくなる欠陥がる。本特許は基板内部に弾性波のエネルギーを閉じ込めることにより、小型の素子を得ることを目的としている。
本特許は、圧電基板上に金属電極、誘電体薄膜、更に誘電体薄膜を付着させた構造の基板とすることにより、圧電基板にはエネルギーを放射しない、また薄膜表面には変位の無い、大きな電気機械結合係数と周波数温度特性（ＴＣＦ）に優れた基板を得ることを目的としている。
実施例の１は、図１、図２のように、圧電性或いは電歪性基板１、或いは基板上に圧電薄膜を付着させた圧電性薄膜基板１の上に、金属膜２、或いは図３のようにすだれ状電極３を付着させ、その上に誘電体薄膜或いは圧電性薄膜４、その上に誘電体薄膜５或いは圧電性薄膜５或いは金属薄膜５を付着させた基板であって、弾性波のエネルギーが基板１の表面と金属膜２或いはすだれ状電極３の境界面付近に集中し、基板の厚さ方向へのエネルギー放射が零であり、また薄膜５の表面のエネルギー（変位）が零である構造の弾性境界波基板、或いは全体の一部のエネルギーが基板に放射する構造の弾性境界波基板、或いは薄膜５の表面にも全体のエネルギー（変位）の一部が存在する構造の弾性境界波基板、及びこれらの弾性境界波基板を用いた機能素子が、実施例の１である。
実施例の２は、特許請求の範囲１において、基板の厚さ方向へのエネルギー放射が全体のエネルギーの１／８以下であり、また薄膜５の表面のエネルギーが全体のエネルギーの１／８以下である構造の弾性境界波基板、及びこれらの弾性境界波基板を用いた機能素子が、実施例の２である。
実施例の３は、特許請求範囲の請求項１、請求項２において、基板１の圧電性或いは電歪性基板或いは圧電性薄膜基板として、１２０°〜１３６°回転Ｙ−Ｘ伝搬ＬｉＮｂＯ３、回転−１０°〜９０°Ｙ−Ｘ伝搬ＬｉＮｂＯ３、Ｙ−Ｚ ＬｉＮｂＯ３、回転２５°〜５５°Ｙ−Ｘ伝搬ＬｉＴａＯ３、Ｘ−１１２°Ｙ ＬｉＴａＯ３、回転０°〜９０°Ｙ−Ｘ伝搬ＫＮｂＯ３、ランガサイト、リチュウムテトラボレート、水晶、ＢＧＯ、ＢＳＯ、ＺｎＯ／基板、ＡｌＮ／基板、ＡｌＮ／Ｓｉ、ＺｎＯ／Ｓｉ、であり、これらの基板の伝搬方向として、伝搬軸が±５０°の範囲にある基板であり、また誘電体薄膜４或いは圧電体薄膜４として、ＴｅＯ２薄膜及びＴｅｘＯｙ薄膜、ＳｉＯ２薄膜及びＳｉｘＯｙ薄膜、ＨｆＯ２薄膜、ＢＧＯ薄膜，ＢＧＳ薄膜、ＬｉＮｂＯ３薄膜、ＬｉＴａＯ３薄膜、Ｔａ２Ｏ５薄膜、ＺｎＯ薄膜、ＡｌＮ薄膜、Ａｌ２Ｏ３薄膜、ガラス薄膜、であり、また誘電体薄膜５或いは圧電体薄膜５或いは金属薄膜５として、ＳｉＯ２薄膜、ＡｌＮ薄膜、Ａｌ２Ｏ３薄膜、ダイヤモンド薄膜、ＳｉＣ薄膜、Ｓｉ３Ｎ４薄膜、ＬｉＮｂＯ３薄膜、ＬｉＴａＯ３薄膜、ベリリューム金属薄膜、Ｓｉ、或いは誘電体薄膜４より大きな横波速度をもつ誘電体薄膜、圧電性薄膜或いは金属・半導体薄膜を用いた構造の弾性境界波基板及びこれらの弾性境界波基板を用いた機能素子が、実施例の３である。
実施例の４は、特許請求範囲の請求項１、請求項２、請求項３において、金属薄膜２或いは、電極膜３として、Ａｌ薄膜、Ｃｕ薄膜、Ａｕ薄膜，Ａｇ薄膜、Ｍｏ薄膜，Ｗ薄膜，Ｒｈ薄膜、Ｐｔ薄膜、Ｐｂ薄膜及びこれらの合金からなる構造の弾性境界波基板、及びこれらの基板を用いた弾性境界波機能素子が実施例の４である。
実施例の５は、特許請求範囲の請求項１、請求項２、請求項３、請求項４において、薄膜５の上に、更に上記の薄膜６、薄膜７など多層の薄膜を付着させた構造の弾性境界波基板及びこれらの弾性境界波基板を用いた機能素子、或いは、薄膜６〜Ｎの横波速度が薄膜４の横波速度より大きな横波速度をもつ薄膜を用いた構造の弾性境界波基板、及びこれらの弾性境界波基板を用いた機能素子が、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、薄膜４として、基板と逆の周波数温度特性をもつＳｉＯ２薄膜或いはガラスなどの薄膜、薄膜５として、ＡｌＮ薄膜或いはＡｌ２Ｏ３薄膜、ＳｉＣ薄膜、また、金属膜２、電極膜３としてＡｌ薄膜、Ｃｕ薄膜、Ａｕ薄膜，Ａｇ薄膜、また、圧電基板１として、回転−１０°〜７０°Ｙ−Ｘ伝搬ＬｉＮｂＯ３基板、或いは回転３０°〜６０°Ｙ−Ｘ伝搬のＬｉＴａＯ３基板を用いた構造の弾性境界波基板、及びこれらの弾性境界波基板を用いた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、境界波の中心周波数での波長をλとして、金属電極膜２、３の膜厚Ｈ２／λ、或いはＨ３／λとして、０．００５〜０．２５の範囲、誘電体膜４の膜厚Ｈ４／λとして、０．００５〜３．５の範囲、薄膜５の膜厚Ｈ５／λとして、０．００５〜３．５の範囲、また薄膜５の上の薄膜の膜厚Ｈ６〜Ｎ／λとして、０．００〜３．５の範囲にある境界波基板、及びこれらの基板を用いた弾性境界波機能素子が、実施例の７である。
実施例の８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、請求項７において、金属膜２、或いはすだれ状電極３と薄膜４の間に、薄膜４より遅い横波速度の薄膜１１でその膜厚Ｈｓｄ／λが、０．００５〜０．２００の範囲の薄膜を付着させ、その上に薄膜４、薄膜５、薄膜Ｈ６〜Ｎを付着させた構造の弾性境界波基板、或いは薄膜１１がグレーティング構造からなる弾性境界波基板、及びこれらの弾性境界波基板を用いた機能素子が、実施例の８である。
実施例の９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、請求項７、請求項８において、金属膜２、或いはすだれ状電極３と薄膜４の間に、薄膜４より早い横波速度の薄膜２２でその膜厚Ｈｈｄ／λが、０．００５〜０．２００の範囲の薄膜を付着させ、その上に薄膜４、薄膜５、薄膜Ｈ６〜Ｎを付着させた構造の弾性境界波基板、或いは薄膜１１がグレーティング構造からなる弾性境界波基板、及びこれらの弾性境界波基板を用いた機能素子が実施例の９である。
実施例の１１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、請求項７、請求項８、請求項９において、金属膜２、或いはすだれ状電極３と薄膜４の間に、薄膜４より早い横波速度の薄膜３３でその膜厚Ｈｈｄ／λが、０．００５〜０．２００の範囲の薄膜を付着させ、その上に薄膜４を付着させた構造の弾性表面波基板、或いは薄膜１１がグレーティング構造からなる弾性境界波基板、及びこれらの弾性表面波基板を用いた機能素子が、実施例の１０である。
実施例の１１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、請求項７、請求項８、請求項９、請求項１０において、薄膜４、薄膜５、薄膜Ｈ６〜Ｎ、薄膜１１、２２、３３の作製法として、抵抗加熱蒸着法、スパッター法、溶液を基板表面にスピンコーティングし加熱分解により目的の薄膜を作製する方法、ＭＯＣＶＤ法により作製された薄膜を用いた構造の弾性境界波基板、及びこれらの弾性境界波基板を用いた機能素子が実施例の１１である。
実施例の１２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、請求項７、請求項８、請求項９、請求項１０、請求項１１において、電極３の構造として、反射電極をもつ共振器、すだれ状電極共振器、一方向性すだれ状電極、分散型すだれ状電極を用いた構造の弾性境界波機能素子が実施例の１１である。
上記の基板の例として、ＡｌＮ／ＳｉＯ２／Ａｌ／Ｙ−Ｘ ＬｉＮｂＯ３構造の基板の変位分布を図３に示す。図で、各膜厚は、Ｈ２／λ＝０．０５、Ｈ４／λ＝０．８、Ｈ５／λ＝２．０の場合であり、電気機械結合係数ｋ２＝０．１０，周波数温度特性（ＴＣＦ）＝７ｐｐｍ／℃の特性が得られる。また、基板上の電極部分、及び薄膜部分にエネルギーが集中していることが判る。
図４は、ＡｌＮ／ＳｉＯ２／Ｃｕ／１２８°Ｙ−Ｘ ＬｉＮｂＯ３構造の基板の変位分布を示す。図で、Ｈ２、Ｈ３／λ＝０．０５、Ｈ４／λ＝１．０、Ｈ５／λ＝２．０の場合であり、ｋ２＝０．０５５，周波数温度特性（ＴＣＦ）＝２２ｐｐｍ／℃の特性が得られる。図から、基板上の電極部分、及び薄膜部分にエネルギーが集中していることが判る。
図５は、ＡｌＮ／ＳｉＯ２／Ｃｕ／３６°Ｙ−Ｘ ＬｉＴａＯ３構造の基板の変位分布である。図で、Ｈ２、Ｈ３／λ＝０．０５、Ｈ４／λ＝０．６、Ｈ５／λ＝１．５〜２．０の場合であり、ｋ２＝０．０５６，周波数温度特性（ＴＣＦ）＝−０ｐｐｍ／℃の特性が得られる。図から、基板上の電極部分、及び薄膜部分にエネルギーが集中していることが判る。
図６は、ＡｌＮ／ＳｉＯ２／Ａｌ、Ｃｕ，Ａｇ，Ａｕ／Ｙ−Ｘ ＬｉＮｂＯ３基板の弾性境界波の存在領域を示す図であり、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｕ、Ａｌ電極をパラメーターとして、横軸が電極膜厚Ｈ２／λ、Ｈ３／λ、縦軸がＳｉＯ２薄膜Ｈ４／λであり、ＡｌＮ膜厚Ｈ５／λ＝１．０〜２．０とした場合の存在領域を示す曲線であり、図の矢印の方向が弾性境界波が存在する領域である。例として、Ａｌ電極の場合は、Ｈ２／λ＝０．０５では、ＳｉＯ２膜厚Ｈ４／λ＝０．４５以上で弾性境界波領域が存在することを示す。
図７は、ＡｌＮ／ＳｉＯ２／電極／Ｙ−ＸＬｉＮｂＯ３基板の電極膜厚Ｈ２、Ｈ３／λ＝０．０５の場合の種々の金属に対する、薄膜５としてＨ５／λ＝１．０〜２．０のＡｌＮ薄膜とした場合のＳｉＯ２薄膜の膜厚Ｈ４／λに対する周波数温度特性（ＴＣＦ）を示す。図からＡｕでは、零周波数温度特性は得られないこと、また、Ｃｕ電極では、ＳｉＯ２膜Ｈ４／λ＝１．２で零周波数温度特性が得られることが判る。上記の結果は、電極膜として、Ａｌ，Ｃｕ，Ａｇ，Ａｕ、誘電体膜として、ＳｉＯ２、ＡｌＮ膜を取り上げて得た結果であるが、薄膜５の横波速度が薄膜４より早い横波速度の場合は同様の境界波が得られるので本特許に含まれる。
以上の例では、最上部の薄膜ＡｌＮの膜厚Ｈ５／λ＝１．０〜２．０と十分に厚いとした場合の境界波について解析を行ったが、実用のデバイスでは、境界波となる最上部の膜厚が出来るだけ薄い場合のデバイスが必要であり、請求項７の最上部の膜厚として示した範囲、即ちＨ５／λ＝０．００５〜３．５の範囲での境界波の存在する最小膜厚の解析結果及び実験結果を示す。
図８は、ＡｌＮ／ＳｉＯ２／Ａｌ／Ｙ−Ｘ ＬｉＮｂＯ３基板でＨＡｌ／λ＝０．０５の場合のＡｌＮ膜厚に対する伝搬速度の変化を示したもので、ＳｉＯ２膜厚ＨＳｉＯ２／λ＝０．４付近以下では、ＡｌＮ膜厚の変化に対する伝搬速度の変化が一定となる領域が遅い横波より小さい領域では存在しないので境界波が存在しないこと、またＳｉＯ２膜厚ＨＳｉＯ２／λ＝０．５以上の場合、膜厚ＨＡｌＮ／λ＝０．５以上では、ＡｌＮ膜厚の変化に対する伝搬速度の変化はほぼ一定となる領域が存在するので、境界波が存在すること、また、０．５以上のＡｌＮ膜は、不要であること、かつ最上部に厚い膜を付着させることは、境界波基板の割れ、
るだけ薄いＨＡｌＮ／λとして、０．５とすることで、最適の基板が得られる。
図９は、ＡｌＮ／ＳｉＯ２／Ｃｕ／Ｙ−Ｘ ＬｉＮｂＯ３基板でＨＣｕ／λ＝０．０４の場合のＡｌＮ膜厚に対する伝搬速度の変化を示したもので、ＳｉＯ２膜厚ＨＳｉＯ２／λ＝０．１５付近以下では、境界波が存在しないこと、またＳｉＯ２膜厚ＨＳｉＯ２／λ＝０．２以上の場合、膜厚ＨＡｌＮ／λ＝０．４以上では、殆どＨＣｕ／λに対する伝搬速度の変化は無くなり、境界波となるので、０．４以上のＡｌＮ膜は、不要であること、かつ厚い膜を付着させることは、境界波基板の割れ、最上部膜の亀裂、剥離を伴うので基板の悪影響を与える結果となるので、出来るだけ薄いＨ／λとして、０．４とすることで、最適の基板が得られる。
図１０は、ＡｌＮ／ＳｉＯ２／Ｃｕ／１０°Ｙ−Ｘ ＬｉＮｂＯ３基板でＨＣｕ／λ＝０．０３の場合のＡｌＮ膜厚に対する伝搬速度の変化を示したもので、ＳｉＯ２膜厚ＨＳｉＯ２／λ＝０．２５付近以下では、境界波が存在しないこと、またＳｉＯ２膜厚ＨＳｉＯ２／λ＝０．３５付近以上の場合、膜厚ＨＡｌＮ／λ＝０．４５以上では、膜厚ＨＡｌＮ／λの変化に対する伝搬速度の変化は殆ど無くなり、境界波となるので、０．５以上のＡｌＮ膜は、不要であること、かつ厚い膜を付着させることは、境界波基板の割れ、最上部膜の亀裂、剥離を伴うので基板の悪影響を与える結果となるので、出来るだけ薄いＨ／λとして、０．５とすることで、最適の基板が得られる。。
図１１は、境界波を得るためのＳｉＯ２膜厚に対する最上部ＡｌＮ膜の最小値をＨＣｕ／λ（図では、Ｃｕ＝０．１はＨＣｕ／λ＝０．１に対応する）をパラメーターとした、ＡｌＮ／ＳｉＯ２／Ｃｕ／Ｙ−Ｘ ＬｉＮｂＯ３基板について、境界波の得られる条件して、プロット条件に示すような条件、即ち、ＡｌＮ膜の変化（Ｈｉ／λ−Ｈｉ＋１／λ）に対する速度の変化（ｖｉ＋１−ｖｉ）／ｖｉの値が１０−３した場合の境界波が得られるＡｌＮとＳｉＯ２最小膜厚の関係を示した図であり、境界波はこの曲線より上の領域で存在することを示している。例えば、ＳｉＯ２膜厚ＨＳｉＯ２／λ＝０．５では、ＨＣｕ／λＣｕ＝０．０５の場合、ＨＡｌＮ／λ＝０．４５以上が境界波の存在範囲となることを示す。
図１２は、境界波を得るためのＳｉＯ２膜厚に対する最上部ＡｌＮ膜の最小値をＨＣｕ／λ（図では、Ｃｕ＝０．３はＨＣｕ／λ＝０．０３７５に対応する）をパラメーターとした、ＡｌＮ／ＳｉＯ２／Ｃｕ／３６°Ｙ−Ｘ ＬｉＴａＯ３基板について、境界波の得られる条件して、プロット条件に示すような条件、即ち、ＡｌＮ膜の変化（Ｈｉ／λ−Ｈｉ＋１／λ）に対する速度の変化（ｖｉ＋１−ｖｉ）／ｖｉの値が１０−３した場合の境界波が得られるＡｌＮとＳｉＯ２最小膜厚の関係を示した図であり、境界波はこの曲線より上の領域で存在することを示している。例えば、ＳｉＯ２膜厚ＨＳｉＯ２／λ＝０．４では、ＨＣｕ／λＣｕ＝０．０３７５の場合、ＨＡｌＮ／λ＝０．５以上が境界波の存在範囲となることを示す。
図１３は、ＡｌＮ／ＳｉＯ２／Ｃｕ電極／Ｙ−ＸＬｉＮｂＯ３基板を用いた共振器の実験結果であり、電極３として、Ｈ３／λ＝０．０４のＣｕ、薄膜４としてＨ４／λ＝０．２２５のＳｉＯ２を付着させた上に薄膜５として、ＡｌＮ薄膜を付着させ、その膜厚Ｈ５／λを大きくして行った場合の共振中心周波数の変化であり、Ｈ５／λ＝０．５以上では、殆ど中心周波数は変化せず、ＡｌＮ表面の変位は殆ど零であり、弾性境界波になっていることが判る。
図１４は、図１３に示した弾性境界波共振器のアドミッタンスの周波数特性である。
図から良好な共振特性が得られていることが判る。また、ＡｌＮ表面に伝搬減衰の大きなレジストを付着させても特性変化はなかった。
図１５は、ＡｌＮ／ＳｉＯ２／Ｃｕ電極／３６°Ｙ−Ｘ ＬｉＴａＯ３基板を用いた共振器の実験結果であり、電極３として、Ｈ３／λ＝０．０３７のＣｕ、薄膜４としてＨ４／λ＝０．２５のＳｉＯ２を付着させた上に薄膜５として、ＡｌＮ薄膜を付着させ、その膜厚Ｈ５／λを大きくして行った場合のアドミッタンスの周波数特性であり、ＨＡｌＮ／λ＝０．７８（ＡｌＮ＝６．３μｍ）の基板表面に伝搬損失の大きなホトレジスト膜を３μｍ付着させない特性と付着させた特性には殆ど変化関係が無かったことから、最上部表面には、殆ど変位のない境界波になっていることが解る。この場合も最上部の膜厚は、ＨＡｌＮ／λ＝０．７８で十分であることが解る。また、この基板の場合、不要波が殆ど発生していないことから、回転Ｙ−Ｘ ＬｉＴａＯ３基板では不要波の無い良好なフィルタ特性を容易に得ることができる。
図１６は、ＴｅＯ２薄膜λ／４グレーティング薄膜反射器を用いた一方向性すだれ状電極フィルタの実験結果であり、基板は、ＡｌＮ／ＳｉＯ２／ＴｅＯ２グレーティング薄膜／Ｙ−Ｘ ＬｉＮｂＯ３構造であり、ＡｌＮ膜厚５．６λ、ＳｉＯ２膜厚０．３λ、Ｃｕ電極膜厚０．０３λであり、良好な一方向特性と低損失特性が得られている。
図１７は、特許請求の範囲１０において、回転Ｙ−Ｘ伝搬の基板１の上に電極膜２、３、その上に薄膜４より大きな横波速度をもつＡｌＮ薄膜２２をパラメーターとして、Ｈｈｓ／λ＝０，０．０５，０．０７５，０．１を付着させ、その上にＳｉＯ２薄膜をＨ／λ＝０〜２．０まで付着させ、その上にＡｌＮ膜をＨ／λ＝１．５を付着させた境界波の周波数温度特性であり、零周波数温度特性の得られるＳｉＯ２膜厚が、ＡｌＮ２２が零の場合の半分の値で得られることが判る。
以上は、薄膜４より横波速度の大きな薄膜として、ＡｌＮを取り上げて示したが、薄膜４より大きな横波速度をもつ種々の薄膜を用いることにより、同様の結果が得られるので、異なる薄膜の組み合わせも本特許に含まれる。
図４は、ＡｌＮ／ＳｉＯ２／Ｃｕ／１２８°Ｙ−Ｘ ＬｉＮｂＯ３構造の基板の変位分布を示す。図で、Ｈ２、Ｈ３／λ＝０．０５、Ｈ４／λ＝１．０、Ｈ５／λ＝２．０の場合であり、ｋ２＝０．０５５，周波数温度特性（ＴＣＦ）＝２２ｐｐｍ／℃の特性が得られる。図から、基板上の電極部分、及び薄膜部分にエネルギーが集中していることが判る。
図５は、ＡｌＮ／ＳｉＯ２／Ｃｕ／３６°Ｙ−Ｘ ＬｉＴａＯ３構造の基板の変位分布である。図で、Ｈ２、Ｈ３／λ＝０．０５、Ｈ４／λ＝０．６、Ｈ５／λ＝１．５〜２．０の場合であり、ｋ２＝０．０５６，周波数温度特性（ＴＣＦ）＝−０ｐｐｍ／℃の特性が得られる。図から、基板上の電極部分、及び薄膜部分にエネルギーが集中していることが判る。
図６は、ＡｌＮ／ＳｉＯ２／Ａｌ、Ｃｕ，Ａｇ，Ａｕ／Ｙ−Ｘ ＬｉＮｂＯ３基板の弾性境界波の存在領域を示す図であり、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｕ、Ａｌ電極をパラメーターとして、横軸が電極膜厚Ｈ２／λ、Ｈ３／λ、縦軸がＳｉＯ２薄膜Ｈ４／λであり、ＡｌＮ膜厚Ｈ５／λ＝１．０〜２．０とした場合の存在領域を示す曲線であり、図の矢印の方向が弾性境界波が存在する領域である。例として、Ａｌ電極の場合は、Ｈ２／λ＝０．０５では、ＳｉＯ２膜厚Ｈ４／λ＝０．４５以上で弾性境界波領域が存在することを示す。
図７は、ＡｌＮ／ＳｉＯ２／電極／Ｙ−ＸＬｉＮｂＯ３基板の電極膜厚Ｈ２、Ｈ３／λ＝０．０５の場合の種々の金属に対する、薄膜５としてＨ５／λ＝１．０〜２．０のＡｌＮ薄膜とした場合のＳｉＯ２薄膜の膜厚Ｈ４／λに対する周波数温度特性（ＴＣＦ）を示す。図からＡｕでは、零周波数温度特性は得られないこと、また、Ｃｕ電極では、ＳｉＯ２膜Ｈ４／λ＝１．２で零周波数温度特性が得られることが判る。上記の結果は、電極膜として、Ａｌ，Ｃｕ，Ａｇ，Ａｕ、誘電体膜として、ＳｉＯ２、ＡｌＮ膜を取り上げて得た結果であるが、薄膜５の横波速度が薄膜４より早い横波速度の場合は同様の境界波が得られるので本特許に含まれる。
以上の例では、最上部の薄膜ＡｌＮの膜厚Ｈ５／λ＝１．０〜２．０と十分に厚いとした場合の境界波について解析を行ったが、実用のデバイスでは、境界波となる最上部の膜厚が出来るだけ薄い場合のデバイスが必要であり、請求項７の最上部の膜厚として示した範囲、即ちＨ５／λ＝０．００５〜３．５の範囲での境界波の存在する最小膜厚の解析結果及び実験結果を示す。
図８は、ＡｌＮ／ＳｉＯ２／Ａｌ／Ｙ−Ｘ ＬｉＮｂＯ３基板でＨＡｌ／λ＝０．０５の場合のＡｌＮ膜厚に対する伝搬速度の変化を示したもので、ＳｉＯ２膜厚ＨＳｉＯ２／λ＝０．４付近以下では、ＡｌＮ膜厚の変化に対する伝搬速度の変化が一定となる領域が遅い横波より小さい領域では存在しないので境界波が存在しないこと、またＳｉＯ２膜厚ＨＳｉＯ２／λ＝０．５以上の場合、膜厚ＨＡｌＮ／λ＝０．５以上では、ＡｌＮ膜厚の変化に対する伝搬速度の変化はほぼ一定となる領域が存在するので、境界波が存在すること、また、０．５以上のＡｌＮ膜は、不要であること、かつ最上部に厚い膜を付着させることは、境界波基板の割れ、
図９は、ＡｌＮ／ＳｉＯ２／Ｃｕ／Ｙ−Ｘ ＬｉＮｂＯ３基板でＨＣｕ／λ＝０．０４の場合のＡｌＮ膜厚に対する伝搬速度の変化を示したもので、ＳｉＯ２膜厚ＨＳｉＯ２／λ＝０．１５付近以下では、境界波が存在しないこと、またＳｉＯ２膜厚ＨＳｉＯ２／λ＝０．２以上の場合、膜厚ＨＡｌＮ／λ＝０．４以上では、殆どＨＣｕ／λに対する伝搬速度の変化は無くなり、境界波となるので、０．４以上のＡｌＮ膜は、不要であること、かつ厚い膜を付着させることは、境界波基板の割れ、最上部膜の亀裂、剥離を伴うので基板の悪影響を与える結果となるので、出来るだけ薄いＨ／λとして、０．４とすることで、最適の基板が得られる。
図１０は、ＡｌＮ／ＳｉＯ２／Ｃｕ／１０°Ｙ−Ｘ ＬｉＮｂＯ３基板でＨＣｕ／λ＝０．０３の場合のＡｌＮ膜厚に対する伝搬速度の変化を示したもので、ＳｉＯ２膜厚ＨＳｉＯ２／λ＝０．２５付近以下では、境界波が存在しないこと、またＳｉＯ２膜厚ＨＳｉＯ２／λ＝０．３５付近以上の場合、膜厚ＨＡｌＮ／λ＝０．４５以上では、膜厚ＨＡｌＮ／λの変化に対する伝搬速度の変化は殆ど無くなり、境界波となるので、０．５以上のＡｌＮ膜は、不要であること、かつ厚い膜を付着させることは、境界波基板の割れ、最上部膜の亀裂、剥離を伴うので基板の悪影響を与える結果となるので、出来るだけ薄いＨ／λとして、０．５とすることで、最適の基板が得られる。。
図１１は、境界波を得るためのＳｉＯ２膜厚に対する最上部ＡｌＮ膜の最小値をＨＣｕ／λ（図では、Ｃｕ＝０．１はＨＣｕ／λ＝０．１に対応する）をパラメーターとした、ＡｌＮ／ＳｉＯ２／Ｃｕ／Ｙ−Ｘ ＬｉＮｂＯ３基板について、境界波の得られる条件して、プロット条件に示すような条件、即ち、ＡｌＮ膜の変化（Ｈｉ／λ−Ｈｉ＋１／λ）に対する速度の変化（ｖｉ＋１−ｖｉ）／ｖｉの値が１０−３した場合の境界波が得られるＡｌＮとＳｉＯ２最小膜厚の関係を示した図であり、境界波はこの曲線より上の領域で存在することを示している。例えば、ＳｉＯ２膜厚ＨＳｉＯ２／λ＝０．５では、ＨＣｕ／λＣｕ＝０．０５の場合、ＨＡｌＮ／λ＝０．４５以上が境界波の存在範囲となることを示す。
図１２は、境界波を得るためのＳｉＯ２膜厚に対する最上部ＡｌＮ膜の最小値をＨＣｕ／λ（図では、Ｃｕ＝０．３はＨＣｕ／λ＝０．０３７５に対応する）をパラメーターとした、ＡｌＮ／ＳｉＯ２／Ｃｕ／３６°Ｙ−Ｘ ＬｉＴａＯ３基板について、境界波の得られる条件して、プロット条件に示すような条件、即ち、ＡｌＮ膜の変化（Ｈｉ／λ−Ｈｉ＋１／λ）に対する速度の変化（ｖｉ＋１−ｖｉ）／ｖｉの値が１０−３した場合の境界波が得られるＡｌＮとＳｉＯ２最小膜厚の関係を示した図であり、境界波はこの曲線より上の領域で存在することを示している。例えば、ＳｉＯ２膜厚ＨＳｉＯ２／λ＝０．４では、ＨＣｕ／λＣｕ＝０．０３７５の場合、ＨＡｌＮ／λ＝０．５以上が境界波の存在範囲となることを示す。
図１３は、ＡｌＮ／ＳｉＯ２／Ｃｕ電極／Ｙ−ＸＬｉＮｂＯ３基板を用いた共振器の実験結果であり、電極３として、Ｈ３／λ＝０．０４のＣｕ、薄膜４としてＨ４／λ＝０．２２５のＳｉＯ２を付着させた上に薄膜５として、ＡｌＮ薄膜を付着させ、その膜厚Ｈ５／λを大きくして行った場合の共振中心周波数の変化であり、Ｈ５／λ＝０．５以上では、殆ど中心周波数は変化せず、ＡｌＮ表面の変位は殆ど零であり、弾性境界波になっていることが判る。
図１４は、図１３に示した弾性境界波共振器のアドミッタンスの周波数特性である。
図から良好な共振特性が得られていることが判る。また、ＡｌＮ表面に伝搬減衰の大きなレジストを付着させても特性変化はなかった。
図１５は、ＡｌＮ／ＳｉＯ２／Ｃｕ電極／３６°Ｙ−Ｘ ＬｉＴａＯ３基板を用いた共振器の実験結果であり、電極３として、Ｈ３／λ＝０．０３７のＣｕ、薄膜４としてＨ４／λ＝０．２５のＳｉＯ２を付着させた上に薄膜５として、ＡｌＮ薄膜を付着させ、その膜厚Ｈ５／λを大きくして行った場合のアドミッタンスの周波数特性であり、ＨＡｌＮ／λ＝０．７８（ＡｌＮ＝６．３μｍ）の基板表面に伝搬損失の大きなホトレジスト膜を３μｍ付着させない特性と付着させた特性には殆ど変化関係が無かったことから、最上部表面には、殆ど変位のない境界波になっていることが解る。この場合も最上部の膜厚は、ＨＡｌＮ／λ＝０．７８で十分であることが解る。また、この基板の場合、不要波が殆ど発生していないことから、回転Ｙ−Ｘ ＬｉＴａＯ３基板では不要波の無い良好なフィルタ特性を容易に得ることができる。
図１６は、ＴｅＯ２薄膜λ／４グレーティング薄膜反射器を用いた一方向性すだれ状電極フィルタの実験結果であり、基板は、ＡｌＮ／ＳｉＯ２／ＴｅＯ２グレーティング薄膜／Ｙ−Ｘ ＬｉＮｂＯ３構造であり、ＡｌＮ膜厚５．６λ、ＳｉＯ２膜厚０．３λ、Ｃｕ電極膜厚０．０３λであり、良好な一方向特性と低損失特性が得られている。
図１７は、特許請求の範囲１０において、回転Ｙ−Ｘ伝搬の基板１の上に電極膜２、３、その上に薄膜４より大きな横波速度をもつＡｌＮ薄膜２２をパラメーターとして、Ｈｈｓ／λ＝０，０．０５，０．０７５，０．１を付着させ、その上にＳｉＯ２薄膜をＨ／λ＝０〜２．０まで付着させ、その上にＡｌＮ膜をＨ／λ＝１．５を付着させた境界波の周波数温度特性であり、零周波数温度特性の得られるＳｉＯ２膜厚が、ＡｌＮ２２が零の場合の半分の値で得られることが判る。
以上は、薄膜４より横波速度の大きな薄膜として、ＡｌＮを取り上げて示したが、薄膜４より大きな横波速度をもつ種々の薄膜を用いることにより、同様の結果が得られるので、異なる薄膜の組み合わせも本特許に含まれる。
１−圧電性基板、２−金属薄膜、３−すだれ状電極、４−誘電体薄膜、５−誘電体薄膜或いは金属薄膜、
Claims (12)
- 図１、図２のように、圧電性或いは電歪性基板１、或いは基板上に圧電薄膜を付着させた圧電性薄膜基板１の上に、金属膜２、或いは図３のようにすだれ状電極３を付着させ、その上に誘電体薄膜或いは圧電性薄膜４、その上に誘電体薄膜５或いは圧電性薄膜５或いは金属薄膜５を付着させた基板であって、弾性波のエネルギーが基板１の表面と金属膜２或いはすだれ状電極３の境界面付近に集中し、基板の厚さ方向へのエネルギー放射が零であり、また薄膜５の表面のエネルギー（変位）が零である構造の弾性境界波基板、或いは全体の一部のエネルギーが基板に放射する構造の弾性境界波基板、或いは薄膜５の表面にも全体のエネルギー（変位）の一部が存在する構造の弾性境界波基板、及びこれらの弾性境界波基板を用いた機能素子。
- 特許請求の範囲１において、基板の厚さ方向へのエネルギー放射が全体のエネルギーの１／８以下であり、また薄膜５の表面のエネルギーが全体のエネルギーの１／８以下である構造の弾性境界波基板、及びこれらの弾性境界波基板を用いた機能素子。
- 特許請求範囲の請求項１、請求項２において、基板１の圧電性或いは電歪性基板或いは圧電性薄膜基板として、１２０°〜１３６°回転Ｙ−Ｘ伝搬ＬｉＮｂＯ３、回転−１０°〜９０°Ｙ−Ｘ伝搬ＬｉＮｂＯ３、Ｙ−Ｚ ＬｉＮｂＯ３、回転２５°〜５５°Ｙ−Ｘ伝搬ＬｉＴａＯ３、Ｘ−１１２°Ｙ ＬｉＴａＯ３、回転０°〜９０°Ｙ−Ｘ伝搬ＫＮｂＯ３、ランガサイト、リチュウムテトラボレート、水晶、ＢＧＯ、ＢＳＯ、ＺｎＯ／基板、ＡｌＮ／基板、ＡｌＮ／Ｓｉ、ＺｎＯ／Ｓｉ、であり、これらの基板の伝搬方向として、伝搬軸が±５０°の範囲にある基板であり、また誘電体薄膜４或いは圧電体薄膜４として、ＴｅＯ２薄膜及びＴｅｘＯｙ薄膜、ＳｉＯ２薄膜及びＳｉｘＯｙ薄膜、ＨｆＯ２薄膜、ＢＧＯ薄膜，ＢＧＳ薄膜、ＬｉＮｂＯ３薄膜、ＬｉＴａＯ３薄膜、Ｔａ２Ｏ５薄膜、ＺｎＯ薄膜、ＡｌＮ薄膜、Ａｌ２Ｏ３薄膜、ガラス薄膜、であり、また誘電体薄膜５或いは圧電体薄膜５或いは金属薄膜５として、ＳｉＯ２薄膜、ＡｌＮ薄膜、Ａｌ２Ｏ３薄膜、ダイヤモンド薄膜、ＳｉＣ薄膜、Ｓｉ３Ｎ４薄膜、ＬｉＮｂＯ３薄膜、ＬｉＴａＯ３薄膜、ベリリューム金属薄膜、Ｓｉ、或いは誘電体薄膜４より大きな横波速度をもつ誘電体薄膜、圧電性薄膜或いは金属・半導体薄膜を用いた構造の弾性境界波基板及びこれらの弾性境界波基板を用いた機能素子。
- 特許請求範囲の請求項１、請求項２、請求項３において、金属薄膜２或いは、電極膜３として、Ａｌ薄膜、Ｃｕ薄膜、Ａｕ薄膜，Ａｇ薄膜、Ｍｏ薄膜，Ｗ薄膜，Ｒｈ薄膜、Ｐｔ薄膜、Ｐｂ薄膜及びこれらの合金からなる構造の弾性境界波基板、及びこれらの基板を用いた弾性境界波機能素子。
- 特許請求範囲の請求項１、請求項２、請求項３、請求項４において、薄膜５の上に、更に上記の薄膜６、薄膜７など多層の薄膜を付着させた構造の弾性境界波基板及びこれらの弾性境界波基板を用いた機能素子、或いは、薄膜６〜Ｎの横波速度が薄膜４の横波速度より大きな横波速度をもつ薄膜を用いた構造の弾性境界波基板、及びこれらの弾性境界波基板を用いた機能素子。
- 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、薄膜４として、基板と逆の周波数温度特性をもつＳｉＯ２薄膜或いはガラスなどの薄膜、薄膜５として、ＡｌＮ薄膜或いはＡｌ２Ｏ３薄膜、ＳｉＣ薄膜、また、金属膜２、電極膜３としてＡｌ薄膜、Ｃｕ薄膜、Ａｕ薄膜，Ａｇ薄膜、また、圧電基板１として、回転−１０°〜７０°Ｙ−Ｘ伝搬ＬｉＮｂＯ３基板、或いは回転３０°〜６０°Ｙ−Ｘ伝搬のＬｉＴａＯ３基板を用いた構造の弾性境界波基板、及びこれらの弾性境界波基板を用いた機能素子。
- 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、境界波の中心周波数での波長をλとして、金属電極膜２、３の膜厚をＨ２／λ、Ｈ３／λとして、その値が０．００５〜０．２５の範囲、誘電体膜４の膜厚Ｈ４／λとして、その値が０．００５〜３．５の範囲、薄膜５の膜厚Ｈ５／λとして、その値が０．００５〜３．５の範囲、また薄膜５の上の薄膜の膜厚Ｈ６〜Ｎ／λとして、その値が０．０〜３．５の範囲にある境界波基板、及びこれらの基板を用いた弾性境界波機能素子。
- 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、請求項７において、金属膜２、或いはすだれ状電極３と薄膜４の間に、薄膜４より遅い横波速度の薄膜１１でその膜厚Ｈｓｄ／λが、０．００５〜０．２００の範囲の薄膜を付着させ、その上に薄膜４、薄膜５、薄膜Ｈ６〜Ｎを付着させた構造の弾性境界波基板、或いは薄膜１１がグレーティング構造からなる弾性境界波基板及びこれらの弾性境界波基板を用いた機能素子。
- 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、請求項７、請求項８において、金属膜２、或いはすだれ状電極３と薄膜４の間に、薄膜４より早い横波速度の薄膜２２でその膜厚Ｈｈｄ／λが、０．００５〜０．２００の範囲の薄膜を付着させ、その上に薄膜４、薄膜５、薄膜Ｈ６〜Ｎを付着させた構造の弾性境界波基板、或いは薄膜１１がグレーティング構造からなる弾性境界波基板、及びこれらの弾性境界波基板を用いた機能素子。
- 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、請求項７、請求項８、請求項９において、金属膜２、或いはすだれ状電極３と薄膜４の間に、薄膜４より早い横波速度の薄膜３３でその膜厚Ｈｈｄ／λが、０．００５〜０．２００の範囲の薄膜を付着させ、その上に薄膜４を付着させた構造の弾性表面波基板、或いは薄膜１１がグレーティング構造からなる弾性境界波基板、及びこれらの弾性表面波基板を用いた機能素子。
- 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、請求項７、請求項８、請求項９、請求項１０において、薄膜４、薄膜５、薄膜Ｈ６〜Ｎ、薄膜１１、２２、３３の作製法として、抵抗加熱蒸着法、スパッター法、溶液を基板表面にスピンコーティングし加熱分解により目的の薄膜を作製する方法、ＭＯＣＶＤ法により作製された薄膜を用いた構造の弾性境界波基板、及びこれらの弾性境界波基板を用いた機能素子。
- 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、請求項７、請求項８、請求項９、請求項１０、請求項１１において、電極３の構造として、反射電極をもつ共振器、すだれ状電極共振器、一方向性すだれ状電極、分散型すだれ状電極を用いた構造の弾性境界波機能素子。
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