JP2009077149A - 弾性境界波装置 - Google Patents

Abstract

【課題】不要波による不要応答を抑制した弾性境界波装置を提供する。
【解決手段】本発明の弾性境界波装置は、圧電材料層と、前記圧電材料層の上に配置された電極と、前記電極を覆うように前記圧電材料層の上に形成された第１誘電体層と、前記第１誘電体層の上に形成された第２誘電体層とを備え、前記第２誘電体層の音速は、前記第１誘電体層の音速よりも速く、前記第１誘電体層は、アルミナ、ダイヤモンドライクカーボン、炭化珪素及びダイヤモンドからなる群から選ばれるいずれか１種を主成分として含む材料から形成されていることを特徴とする。
【選択図】図２

Description

本発明は、音速の異なる第１、第２の誘電体層間の境界を伝搬する弾性境界波を利用した弾性境界波装置に関する。

レーリー波等の弾性表面波を利用した弾性表面波装置では、小型化及び軽量化を進めることができ、かつ周波数調整が不要である。従って、弾性表面波装置は、携帯電話用ＲＦフィルタ若しくはＩＦフィルタ、ＶＣＯ（Voltage Controlled Oscillator）用共振子又はテレビ用ＶＩＦ(Video Inter-Frequency)フィルタ等に広く用いられている。

弾性表面波は、誘電体表面を伝搬する性質を有するため、誘電体の表面状態の変化に敏感である。従って、弾性表面波が伝搬するフィルタでは、弾性表面波が伝搬するチップ表面を保護しなければならない。そのため、弾性表面波フィルタでは、フィルタ表面に空洞が設けられたパッケージを用いて、弾性表面波装置を気密封止する必要があった。このようなパッケージは一般にコストが高くつき、且つパッケージの寸法が弾性表面波フィルタの寸法よりも大幅に大きくならざるを得なかった。

上記のような空洞を有するパッケージを不要とするフィルタとして、弾性境界波装置が提案されている（例えば、特許文献１〜４参照。）。これらの各弾性境界波装置は、圧電性基板の上に電極が配置され、さらにその圧電性基板の上にその電極を覆うように誘電体層が形成された構成であり、弾性境界波を利用するものであるため、空洞を有するパッケージを必要としない。従って、弾性波装置の小型化及びコストの低減を果たすことができる。

また、上記弾性境界波装置において、圧電性基板の上に形成された誘電体層を第１誘電体層と第２誘電体層とからなる２層構造とすることが提案されている（例えば、特許文献５、６参照。）。この２層構造でも、圧電性基板と第１誘電体層の両方に変位を持つ境界波と呼ばれる弾性波が励振する。この場合、第２誘電体層の音速は、第１誘電体層の音速よりも速いことが必要である。この条件を満たすことで、弾性波を第１誘電体層に閉じ込めることができる。
特開平８−３３０８８１号公報 特開平９−２７５３２３号公報 特開２００１−４４７８７号公報 特開２００４−３１２１９８号公報 国際公開第９８／５２２７９号パンフレット 国際公開第２００４／０９５６９９号パンフレット

しかし、従来の弾性境界波装置には、アドミッタンスの絶対値の周波数応答において図３に示すように、目的とする周波数よりも高い周波数で不要波が発生する問題があった。不要波による不要応答が存在すると、弾性境界波装置をフィルタとして利用した場合、通過帯域外での抑制レベルが低下する原因となり、弾性境界波装置の実用化には大きな障害となる。

本発明の弾性境界波装置は、圧電材料層と、前記圧電材料層の上に配置された電極と、前記電極を覆うように前記圧電材料層の上に形成された第１誘電体層と、前記第１誘電体層の上に形成された第２誘電体層とを含む弾性境界波装置であって、前記第２誘電体層の音速は、前記第１誘電体層の音速よりも速く、前記第１誘電体層は、アルミナ、ダイヤモンドライクカーボン、炭化珪素及びダイヤモンドからなる群から選ばれるいずれか１種を主成分として含む材料から形成されていることを特徴とする。

本発明の弾性境界波装置は、不要波による不要応答を抑制することができる。

本発明の弾性境界波装置は、圧電材料層と、圧電材料層の上に配置された電極と、電極を覆うように圧電材料層の上に形成された第１誘電体層と、第１誘電体層の上に形成された第２誘電体層とを備え、第２誘電体層の音速は、第１誘電体層の音速よりも速く設定されている。これにより、弾性境界波を第１誘電体層内に閉じ込めることができる。

また、上記第１誘電体層は、アルミナ、ダイヤモンドライクカーボン、炭化珪素及びダイヤモンドからなる群から選ばれるいずれか１種を主成分として含む材料から形成されている。これにより、不要波による不要応答を抑制することができる。本明細書で「主成分として含む」とは、５０重量％以上含むことをいう。

上記第２誘電体層は、上記第１誘電体層とは異なる材料から形成され、且つ第２誘電体層は、アルミナ、ダイヤモンドライクカーボン、炭化珪素及びダイヤモンドからなる群から選ばれるいずれか１種を主成分として含む材料から形成されていることが好ましい。これらを第２誘電体層に用いることにより、より確実に第２誘電体層の音速を第１誘電体層の音速よりも速く設定することができる。なお、第２誘電体層と第１誘電体層とを同じ材料で形成し、且つ第２誘電体層の音速を第１誘電体層の音速よりも速く設定することも製造法的には可能である。例えば、プラズマＣＶＤの成長圧力を変化させることにより、同じ材料であっても音速の異なる物質を作製することができる。

また、弾性境界波の波長をλとしたとき、第２誘電体層の厚さはλ以上であることが好ましい。これにより、弾性境界波を確実に第１誘電体層の内部に閉じ込めることができる。

上記圧電材料層としては、圧電基板、圧電薄膜等を用いることができ、圧電材料層は、ＬｉＮｂＯ₃又はＬｉＴａＯ₃から形成されていることが好ましい。これらは、ｋ²がある程度大きいからである。ＬｉＮｂＯ₃又はＬｉＴａＯ₃の結晶方位としては、ｋ²、温度特性、伝搬ロス等を考慮して選択すればよい。

上記第１誘電体層及び上記第２誘電体層の形成方法としては、例えば、スパッタリング、ＣＶＤ等を用いることができる。

以下、本発明の実施形態を図面に基づき説明する。

図１は、本発明の弾性境界波装置の一例を示す平面図である。図１において、弾性境界波装置１０は、櫛形電極１４と反射器１５とを備えている。図１では、後述する第１誘電体層、第２誘電体層を透過して圧電基板１１上に配置された櫛形電極１４等の回路構成が見えるように図示してある。

図２は、図１のＩ−Ｉ線の断面図である。図２において弾性境界波装置１０は、圧電基板１１と、圧電基板１１の上に配置された櫛形電極１４と、櫛形電極１４を覆うように圧電基板１１の上に形成された第１誘電体層１２と、第１誘電体層１２の上に形成された第２誘電体層１３とを備えている。また、櫛形電極１４の弾性境界波伝搬方向の両側には、反射器１５が配置されている。

弾性境界波装置１０では、櫛形電極１４に入力信号を印加することにより、弾性境界波Ｑが励振され、弾性境界波Ｑは、図２で模式的に示すように、圧電基板１１と第１誘電体層１２との界面Ｐを伝搬する。このためには、第２誘電体層１３の音速は、第１誘電体層１２の音速よりも速いことが必要である。また、弾性境界波Ｑの波長をλとしたとき、第２誘電体層１３の厚さは１．０λ以上であることが好ましい。これにより、弾性境界波Ｑを確実に第１誘電体層１２の内部に閉じ込めることができる。

図２では、櫛形電極１４は、圧電基板１１の上に配置されているが、圧電基板１１と櫛形電極１４との間にさらに誘電体薄膜を配置してもよい。

次に、上記弾性境界波装置の不要応答の抑制効果を確認するために、シュミレーションを行った。具体的には、第１誘電体層と第２誘電体層とに各種の物質の物性を代入し、有限要素法（ＦＥＭ）による解析を行い、不要応答を計算した。第１誘電体層の厚さは１μｍ、第２誘電体層の厚さは２μｍとし、櫛形電極として厚さ０．２μｍのＣｕ電極を用い、電極周期は２μｍとした。また、圧電基板としてＬｉＮｂＯ₃基板を用いた。

続いて、図３に示すように共振点と不要波のそれぞれ極値でのアドミッタンスの絶対値ＹｆｒとＹｎとを求め、不要応答の減衰比により不要応答の評価を行った。不要応答の減衰比は次式（１）で計算した。

２０・ｌｏｇ₁₀（Ｙｎ／Ｙｆｒ） [ｄＢ] ・・・（１）
また、第１誘電体層と第２誘電体層に用いた各種の物質の物性値を表１に示す。なお、ダイヤモンドライクカーボンは、以下ＤＬＣと表示する場合がある。

また、各物質の音速は次式（２）で計算した。

（ヤング率／密度）^0.5 ・・・（２）
図４は、第１誘電体層にＴａ₂Ｏ₅とＳｉＯ₂とをそれぞれ用いた場合において、第２誘電体層の音速を変化させた時の不要応答の減衰比の変化を示した図である。図４から、第２誘電体層の音速が速くなると減衰比が小さくなり、減衰率が大きくなることが分かる。

図５は、第１誘電体層の音速を図４よりもさらに変化させるとともに、第１誘電体層のそれぞれの音速に対して、第２誘電体層の材料を変えて第２誘電体層の音速をも変化させた場合の不要応答の減衰比の変化を示した図である。図５から、第２誘電体層の音速を速くしても減衰比は第１誘電体層の音速で律速される値以下にはならないことが分かる。

図５において、第１誘電体層の音速が７０００ｍ／ｓｅｃの場合と、第２誘電体層がダイヤモンドの場合は減衰比がすでに小さく、減衰比の値が飽和していると考えられるので、これらの値を除いて回帰分析を行った。その結果、
不要応答の減衰比＝−５１．７２＋２０６８８５／第１誘電体層の音速＋６２４０２／第２誘電体層の音速 ・・・（３）
重相関係数Ｒ：０．９８４
となり、重相関係数Ｒの値が１に近く、かなり精度よく近似できることが分った。

図６は、減衰比のＦＥＭ解析値と、式（１）より求めた回帰分析の計算値とを比較した図である。図６では、ＦＥＭ解析値をドットで示し、回帰分析の計算値をラインで示した。図６から、ＦＥＭ解析値と回帰分析の計算値がよく一致しているのが分かる。

弾性境界波装置の設計上、不要波は共振点の１０％以下とする必要があり、式（１）より減衰比は−１０ｄＢ以下となる。これを式（３）に代入すると、
４１．７２＞２０６８８５／第１誘電体層の音速＋６２４０２／第２誘電体層の音速 ・・・（４）
となり、式（４）を満たす必要があることが分かる。即ち、式（４）を満たすように第１誘電体層と第２誘電体層の音速を調整することにより、不要応答を抑制できることが分かる。具体的には、第１誘電体層にアルミナ、ダイヤモンドライクカーボン、炭化珪素及びダイヤモンドからなる群から選ばれるいずれか１種を主成分として含む材料を用いることにより、式（４）を満たすことができ、不要波による不要応答を抑制することができる。これにより、通過帯域外での抑制が良好な弾性波フィルタを提供することができる。

次に、本発明を実施例に基づき具体的に説明する。但し、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。

（実施例１）
圧電基板に３４度回転ＹカットＸ伝搬のＬｉＮｂＯ₃基板を用い、第１誘電体層にアルミナスパッタ膜（厚さ：１μｍ）、第２誘電体層にＳｉＣスパッタ膜（厚さ：３μｍ）を用い、櫛形電極にＡｌ電極（厚さ：０．２μｍ）を用いた弾性境界波装置を作製した。

（実施例２）
第２誘電体層にダイヤモンドライクカーボン（厚さ：３μｍ）を用いた以外は、実施例１と同様にして弾性境界波装置を作製した。

（実施例３）
第２誘電体層にダイヤモンド（厚さ：１μｍ）を用いた以外は、実施例１と同様にして弾性境界波装置を作製した。

（実施例４）
第１誘電体層にダイヤモンドライクカーボン（厚さ：１μｍ）を用い、第２誘電体層にＳｉＣスパッタ膜（厚さ：３μｍ）を用いた以外は、実施例１と同様にして弾性境界波装置を作製した。

（実施例５）
第２誘電体層にダイヤモンド（厚さ：１μｍ）を用いた以外は、実施例４と同様にして弾性境界波装置を作製した。

（実施例６）
第１誘電体層にＳｉＣスパッタ膜（厚さ：１μｍ）を用い、第２誘電体層にダイヤモンド（厚さ：１μｍ）を用いた以外は、実施例１と同様にして弾性境界波装置を作製した。

（比較例１）
第１誘電体層にＳｉＯ₂（厚さ：１μｍ）を用い、第２誘電体層にアルミナスパッタ膜（厚さ：２μｍ）を用いた以外は、実施例１と同様にして弾性境界波装置を作製した。

（比較例２）
第１誘電体層にサファイア（厚さ：１μｍ）を用い、第２誘電体層にＳｉＣスパッタ膜（厚さ：２μｍ）を用いた以外は、実施例１と同様にして弾性境界波装置を作製した。

実施例１〜６及び比較例１、２の弾性境界波装置を用いて、不要応答の減衰比を測定した。その結果を表２に示す。

表２から、本発明の実施例１〜６の弾性境界波装置は、従来の比較例１の弾性境界波装置に比べて、不要応答の減衰比が小さく（減衰率が大きく）、不要応答が小さいことが分かる。

以上のように、本発明の弾性境界波装置は、不要波による不要応答を抑制することができ、各種の共振器、フィルタ、デュープレクサ等に適用可能である。

本発明の弾性境界波装置の一例を示す平面図である。 図１のＩ−Ｉ線の断面図である。 アドミッタンスの絶対値の周波数特性を示す図である。 第２誘電体層の音速を変化させた時の不要応答の減衰比の変化を示した図である。 第１誘電体層の音速を変化させた時の不要応答の減衰比の変化を示した図である。 減衰比のＦＥＭ解析値と回帰分析の計算値とを比較した図である。

Claims (4)

1. 圧電材料層と、前記圧電材料層の上に配置された電極と、前記電極を覆うように前記圧電材料層の上に形成された第１誘電体層と、前記第１誘電体層の上に形成された第２誘電体層とを含む弾性境界波装置であって、
   前記第２誘電体層の音速は、前記第１誘電体層の音速よりも速く、
   前記第１誘電体層は、アルミナ、ダイヤモンドライクカーボン、炭化珪素及びダイヤモンドからなる群から選ばれるいずれか１種を主成分として含む材料から形成されていることを特徴とする弾性境界波装置。
2. 前記第２誘電体層は、前記第１誘電体層とは異なる材料から形成され、且つ、前記第２誘電体層は、アルミナ、ダイヤモンドライクカーボン、炭化珪素及びダイヤモンドからなる群から選ばれるいずれか１種を主成分として含む材料から形成されている請求項１に記載の弾性境界波装置。
3. 前記第２誘電体層は、前記第１誘電体層と同じ材料から形成されている請求項１に記載の弾性境界波装置。
4. 弾性境界波の波長をλとしたとき、前記第２誘電体層の厚さはλ以上である請求項１〜３のいずれか１項に記載の弾性境界波装置。

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