JP2009284554A - 弾性表面波装置、通信用フィルタ及び移動通信装置 - Google Patents

Abstract

【課題】安価な材料で、比較的薄い膜厚で微細な電極が形成できる弾性表面波装置を提供する。
【解決手段】圧電基板上にすだれ状電極５〜７が形成された弾性表面波装置において、前記すだれ状電極５〜７を形成する電極材料の主成分が銅であり、かつ前記圧電基板が略１５°回転Ｙ軸カット−Ｘ方向伝搬ＬｉＮｂＯ₃基板であり、かつ弾性表面波の伝搬モードがラブ波モードであることを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、弾性表面波装置、通信用フィルタ及び移動通信装置に係り、特にその電極材料に関するものである。

ラブ波のモードは一般に通常のレーリー波、ＳＨ型のリーキー波に比べて結合係数が大きく、低損失で広帯域特性を得ることができるという特長を有している。

従来の高結合ラブ波型弾性表面波装置は、例えば下記非特許文献１により報告されている。通常、電極材料として用いられるＡｌは密度が小さいため、ラブ波を得ようとすると非常に厚い膜厚が必要となり、デバイス作製上、行程時間が掛かりすぎる、微細なすだれ状電極（ＩＤＴ）を形成できない等の問題を有している。下記非特許文献１記載の弾性表面波装置では、密度の大きいＢＯＧ膜、Ａｇ、Ａｕ、Ｐｔ電極をＬｉＮｂＯ₃基板上に設けて、ラブ波型のモードを生成している。

特開２００２−１５２００３号公報 特開平６−１６４３０６号公報 特開平５−２６７９８１号公報

１９８２年電子情報通信学会 超音波研究会資料 ＵＳ８２−３５ ７−１４頁

前述のように上記非特許文献1記載の弾性表面波装置では、ＢＧＯ膜、Ａｇ、Ａｕ、Ｐｔ電極をＬｉＮｂＯ₃基板上に設け、ラブ波型のモードを生成している。しかしこの弾性表面波装置は、ＢＧＯ膜を形成する場合にプロセスが１工程増える。また他の電極材料をＩＤＴに用いる場合では、その材料ならびにデバイスのコストが高くなるという欠点を有する。

本発明の目的は、このような従来技術の欠点を解消し、安価な材料で、比較的薄い膜厚で微細な電極が形成できる弾性表面波装置、通信用フィルタ及び移動通信装置を提供することにある。

上記目的を達成するため本発明の第１の手段は、圧電基板上にすだれ状電極が形成された弾性表面波装置において、前記すだれ状電極を形成する電極材料の主成分が銅であり、かつ前記圧電基板が略１５°回転Ｙ軸カット−Ｘ方向伝搬ＬｉＮｂＯ₃基板であり、かつ弾性表面波の伝搬モードがラブ波モードであることを特徴とするものである。

本発明の第２の手段は、圧電基板とその上に形成されたすだれ状電極とを有する弾性表面波装置と、入出力ポートを備えた通信用フィルタにおいて、前記弾性表面波装置が第１の手段の弾性表面波装置であることを特徴とするものである。

本発明の第３の手段は、圧電基板とその上に形成されたすだれ状電極とを有する弾性表面波装置と、入出力ポートを備えた移動通信装置において、前記弾性表面波装置が第１の手段の弾性表面波装置であることを特徴とするものである。

本発明は上述のような構成になっており、安価な材料で、比較的薄い膜厚で微細な電極が形成できる。

本発明の実施形態に係る弾性表面波装置の電極パターンを示す平面図である。 ＹＸ−ＬＮ基板上にＣｕ電極ならびにＡｌ電極を形成した場合の電極の膜厚比とラブ波モードの音速との関係を示す特性図である。 基板上に電極を形成した状態を示す一部拡大断面図である。 本発明の実施例１での、１５°ＹＸ−ＬＮ基板上にＣｕ電極を形成した場合の膜厚比とラブ波モードの音速との関係を示す特性図である。 本発明の実施例１での、１ポート弾性表面波共振子の平面図である。 ０°ＹＸ−ＬＮ基板および１５°ＹＸ−ＬＮ基板を用いて作製した１ポート弾性表面波共振子のアドミタンス特性図である。 スカラポテンシャル法を用いて各横モードの速度を計算し、実験値の不要応答と比較した図である。 本発明の実施例２での、１ポート弾性表面波共振子の等価回路図である。 本発明の実施例２での、フィルタの段数Ｎと、CopとCosとの比r(＝Cop/ Cos)を変化させたときの周波数特性の変化を示す図である。 本発明の実施例２での、周波数特性のδ依存性を示す特性図である。 本発明の実施例２での、４段のラダー型弾性表面波フィルタの概略構成図である。 本発明の実施例２での、４段のラダー型弾性表面波フィルタの設計仕様を示す図である。 このラダー型弾性表面波フィルタの周波数特性図である。 本発明の実施例３での、音速特性、結合係数特性、減衰定数特性、温度特性を示す図である。 本発明の実施例４での、1ポート型弾性表面波共振器における膜厚比と結合係数k²との関係を示す特性図である。

本発明の実施形態を図とともに説明する。図１は、本発明の実施形態に係る弾性表面波装置における電極パターンの平面図である。同図に示すように、弾性表面波装置１００は、圧電基板（例えばＬｉＮｂＯ₃基板）上に設けられた第１の縦結合２重モード弾性表面波フィルタ１と、第２の縦結合２重モード弾性表面波フィルタ２と、第１の弾性表面波共振器３と、第２の弾性表面波共振器４とから主に構成されている。

前記第１の弾性表面波フィルタ１は、弾性表面波の伝搬方向Ａに沿って近接配置された３個のＩＤＴ５，６，７と、そのＩＤＴ５，６，７列の両側に配置された反射器８,９とから構成されている。各ＩＤＴ５，６，７は、対向する一対の電極指１０と、同じ側の電極指１０どうしを連結するバスバー部１１とから構成されている。

前記第２の弾性表面波フィルタ２も同様に、弾性表面波の伝搬方向Ａに沿って近接配置された３個のＩＤＴ１２，１３，１４と、そのＩＤＴ１２，１３，１４列の両側に配置された反射器１５,１６とから構成されている。この第２の弾性表面波フィルタ２は、前記第１の弾性表面波フィルタ１における中央のＩＤＴ６とは位相を反転させたＩＤＴ１３を備えている。

前記第１の弾性表面波共振器３は、１個のＩＤＴ１７と、そのＩＤＴ１７の両側に配置された反射器１８,１９とから構成されている。前記第２の弾性表面波共振器４も同様に、１個のＩＤＴ２０と、そのＩＤＴ２０の両側に配置された反射器２１,２２とから構成されている。

前記ＩＤＴ５，６，７の相互間の音響結合によって発生する１次及び３次の振動モードを利用する第１の弾性表面波フィルタ１と平衡信号端子２３との間に前記第１の弾性表面波共振器３が直列に接続されている。同様に第２の弾性表面波フィルタ２と平衡信号端子２４との間に前記第２の弾性表面波共振器４が直列に接続されている。２つの平衡信号端子２３，２４の間には、マッチング用のインダクタンス素子２５が接続されている。

このような弾性表面波装置において、まず、Ｃｕ電極をＬｉＮｂＯ₃基板上に設けた場合のラブ波生成条件について検討した。無限長ＩＤＴの入力アドミタンスを計算することにより、ＩＤＴ中を伝搬するＳＡＷ（弾性表面波）の共振周波数に対応する音速(Ｖｒ)と反共振周波数に対応する音速(Ｖａ)を求めることができる。

この手法を用い、Ｙ軸カット−Ｘ方向伝搬ＬｉＮｂＯ₃基板上に形成したすだれ状Ｃｕ電極中を伝搬する各共振モード(ラブモードおよびレイリーモード)について、音速の膜厚依存性を計算した。その結果をＡｌ電極の場合と併せて図２に示す。ただし、材料音数は、国立天文台：理科年表（第７３冊）（１９９９）とY. Nakagawa, K. Yamanouchi and K. Shibayama: "Third-OrderElastic Constants of Lithium Niobate", J. Appl. Phys.,44(1973) pp.3969-3974より引用した。

図２（ａ）はＡｌ電極を使用した場合、図２（ｂ）はＣｕ電極を使用した場合の特性図である。同図において膜厚比（ｈ／ｐ）は、図１に示した同じ方向を向いて延びている隣の電極指１０、１０のピッチ（電極指ピッチ）をｐとし、図３に示すように圧電基板２６上の電極２７の膜厚をｈしたときの比率［％］を示している。

図２より、電極の材料および膜厚比に関係なくラブモードのＶｒとＶａの差が大きく、強い電気機械結合係数を有していることが分かる。非漏洩のラブモードを伝搬させるためには、Ｖｒ，Ｖａ＜ＶＢ（遅い横波の速度）の条件を満足する必要がある。図２（ａ）から分かるように、Ａｌ電極の場合膜厚比（ｈ／ｐ）＞２４％とする必要がある。これに対してＣｕ電極の場合は図２（ｂ）に示すように膜厚比（ｈ／ｐ）＞１０％でこの条件を満足する。従って、Ｃｕ電極を用いると微細加工をする上で有利であることが分かる。

ところで、Ｃｕ電極を用いた場合、膜厚比（ｈ／ｐ）が約１０％の付近でレイリーモードのＶｒとＶａの差がほとんどなく、レイリーモードの結合が非常に小さな領域が存在する。ここでは、スプリアスとなるレイリーモードがほとんど励振されない。この範囲に電極膜厚を制御すれば低損失、広帯域で、レイリーモードによるスプリアスを抑圧した共振子を作製することができる。しかし、レイリーモードが励振されない膜厚の範囲が非常に狭く、設計が容易でない。

文献 A. Isobe, M. Hikita, K, Asai and A, Sumioka: "Grating-Mode-Type Wide-Band SAW Resonators for VCOs", Proc. 1998 IEEE Ultrason. Symp., pp.111-114によると、Ａｌ電極の場合、１５°回転Ｙ軸カットＸ方向伝搬ＬｉＮｂＯ₃基板（以下、１５°ＹＸ−ＬＮ基板と略記）を使うことによって、抑圧可能な範囲を大きく拡大できることが報告されている。

そこでこの１５°ＹＸ−ＬＮ基板とＣｕ電極とを組み合わせた場合の、音速Ｖｒ，Ｖａに対する膜厚依存特性を図４に示した。この図から明らかなように、広い膜厚比の範囲でレイリーモードによるスプリアスをほとんど抑圧できることが分かる。

この１５°ＹＸ−ＬＮ基板とＣｕ電極とを用いて、図５に示すような仕様の１ポート弾性表面波共振子を作製した。Ｃｕ電極２７の形成には、電子線直接露光法および電極材料を選ばないリフトオフ法を用いた。電極の膜厚は約３００ｎｍで、膜厚比（ｈ／ｐ）は１５％である。

作製した弾性表面波共振子のアドミタンス特性を図６に示す。同図（ａ）は０°ＹＸ−ＬＮ基板とＣｕ電極とを組み合わせた場合、同図（ｂ）は１５°ＹＸ−ＬＮ基板とＣｕ電極とを組み合わせた場合の特性図である。

図６（ｂ）より、Ｑが１２８、γが３．７と見積もられた。これは比帯域幅［（ｆa−ｆr）／ｆa］で約１２％に相当し、非常に広帯域な共振子であると言える。また同図（ａ）に示す０°ＹＸ−ＬＮ基板上で大きく発生していたレイリーモードによるスプリアス（楕円部分参照）が、１５°ＹＸ−ＬＮ基板上では大幅に低減されていることが分かる。

しかし、共振周波数付近にレイリーモード以外の多くの不要応答が確認できる。これは弾性表面波共振子の斜めの伝搬による横モードの応答であると考えられる。それを確認するために、スカラポテンシャル法を用いて各横モードの速度を計算した。実験値の不要応答と比較したものを図７に示す。図中の丸印は計算により求めた横モードを、縦棒は主モードを表している。

この図より、Ｓ０からＳ２モードまでは非常によく一致していることが分かり、従ってこれらのスプリアスが横モードによるものであることが確認された。よって、弾性表面波共振子の構造(例えば電極の膜厚比や開口幅等)を最適化し、これらのスプリアス抑圧が可能である。

以上、０度と１５度回転Ｙ軸カットＸ方向伝搬の場合に関して説明を行ったが、詳しい解析によると、０度超え８０度までの回転ＹＸ−ＬＮ基板とＣｕ電極を組み合わせる条件で、レーリーモードのスプリアスが比較的小さく、ラブモードの波が得られることが解った。

本実施例では、高結合ラブ波を有するＹＸ−ＬＮ基板上の電極材料として、Ｃｕを利用することを検討した。その結果、Ｃｕ電極を用いるとＡｌ電極の半分以下の膜厚で非漏洩のラブモードが励振されることが分かった。また、０度超え８０度までの回転ＹＸ−ＬＮ基板を用いることによって、レイリーモードによる不要応答をほぼ抑圧することができるという効果がある。さらに、Ｃｕ電極と１５°ＹＸ−ＬＮ基板を用いて１ポート弾性表面波共振子を作製することにより、レイリーモードがほぼ抑圧され、γ＝３．７という非常に小さな容量比を得ることができた。

実施例２では、Ｃｕ電極と１５°ＹＸ−ＬＮ基板を用いた１ポート弾性表面波共振子の広帯域性を利用した、ラダー型弾性表面波フィルタを作製した。

ラダー型弾性表面波フィルタの周波数特性と各パラメータとの関係を明かにするため、1ポート弾性表面波共振子を図８のＲＬＣ共振回路でモデル化した。ただし、この回路においてＱおよびγは、前記実施例１で得られた値(Ｑ＝１２８,γ＝３．７)となるようにした。

まず、フィルタの段数Ｎと、CopとCosとの比r(＝Cop/ Cos)を変化させたときの周波数特性の変化を図９に示す。ここでCosおよびCopは、それぞれ直列腕共振子および並列腕共振子の静電容量である。また、直列腕共振子の共振周波数frsと並列腕共振子の反共振周波数fapは一致させており、(2πfrs)²CosCopRo²＝１（Ro;外部回路の特性インピーダンス）の条件で整合をとっている。

図９（ａ）は、ｒ＝１としてフィルタの段数Ｎを変化させた場合の周波数特性の変化を示す図である。図９（ｂ）は、Ｎ＝４としてキャパシタンスフィルタの比r(＝Cop/ Cos)を変化させた場合の周波数特性の変化を示す図である。

これらの図から明らかなように、フィルタの段数ＮおよびCopとCosとの比r(＝Cop/ Cos)の値が小さい程、低損失で広帯域となるが、帯域外抑圧が悪化することから、Ｎ＝４、ｒ＝０．５が適当である。

Ｎ＝４、ｒ＝０．５の条件で、周波数特性のδ依存性について検討し、その結果を図１０に示す。この図から明らかなように、frs＝fapの条件から僅かにずらすことによって、ある程度のディップを許容して帯域を拡大することができる。しかも、多少ずらした方が帯域端が急峻になるようであるので、本実施例ではδ(＝(frs-fap)/frs)＝５％とした。

図１１は、本実施例に係る４段のラダー型弾性表面波フィルタの概略構成図である。同図に示すようにラダー型弾性表面波フィルタは、直列腕共振子ｒｅｓ１，ｒｅｓ３，ｒｅｓ１と並列腕共振子ｒｅｓ２，ｒｅｓ２を梯子状に接続した構成になっている。このラダー型弾性表面波フィルタの３種の共振子（ｒｅｓ１，ｒｅｓ２，ｒｅｓ３）の具体的な設計仕様などをまとめて図１２に示す。

図１３は、このラダー型弾性表面波フィルタの周波数特性図である。同図に示すように、このフィルタの挿入損失は中心周波数fc＝７５１ＭＨｚにおいて０．９ｄＢであり、３ｄＢ帯域幅Δf＝ １０５ＭＨｚ(Δf/fc＝１４％)と、極めて低損失で広帯域なフィルタ特性が得られることが確認された。

なお、並列腕共振子および直列腕共振子のレイリーモードによる不要応答が微小ではあるが、それぞれ６７０ＭＨｚ、８１０ＭＨｚ付近に残存しているが、これは電極の膜厚を調整することにより解決できる。通過帯域の右肩部分（破線円内）に比較的大きな損失が確認できる。これについては現在のところ原因は不明であるが、共振子外への斜め放射によるものではないかと予測している。

実施例３では、基板としてＬｉＴａＯ₃を用い、その上にＣｕ電極を形成した場合について検討した。まず、ラブ波モードが得られ、レーリーモードスプリアスの小さいカット角について検討し、その結果を図１４に示す。同図（ａ）は基板のカット角と音速との関係を示す特性図、同図（ｂ）は基板のカット角と結合係数との関係を示す特性図、同図（ｃ）は基板のカット角と減衰定数との関係を示す特性図、同図（ｄ）は基板のカット角と温度との関係を示す特性図である。

これらの図を総合すると、ＬｉＴａＯ₃基板のカット角が４０°と１３０°付近において、レーリーモードのスプリアスが抑圧されている。さらに詳しい解析によると、ＬｉＴａＯ₃基板においてＣｕ電極を用いた場合は、Ａｌ電極を用いる場合よりも薄い膜厚で結合係数k²のピークが有る。またＣｕ電極を用いた場合は、基板のカット角が０°を超え８０°および１２０°〜１４０°のＬｉＴａＯ₃基板でラブ波モードが得られることが分かった。

実施例４では、４２°ＬｉＴａＯ₃基板上にＣｕ電極ならびにＡｌ電極を形成して1ポート型弾性表面波共振器を作製し、各共振器における膜厚比と結合係数k²との関係を調べ、その結果を図１５に示す。図中の黒印はＣｕ電極を用いた場合、白印はＡｌ電極を用いた場合を示している。この図から明らかなように、Ｃｕ電極を用いることによりＡｌ電極の場合よりも薄い膜厚で、高い結合係数が得られることが分かる。

本発明においてＣｕ電極とは、Ｃｕ単独、あるいはＳｉやＰｄなど他の元素を少量含んだＣｕを主成分とするものを含む。

本実施形態に係る弾性表面波装置は、その弾性表面波装置と、それに接続される入出力ポートを備えた携帯電話機などの移動通信装置の送信あるいは受信の通信用フィルタなどに適用することができる。

１：第１の縦結合２重モード弾性表面波フィルタ、２：第２の縦結合２重モード弾性表面波フィルタ、３：第１の弾性表面波共振器、４：第２の弾性表面波共振器、５，６，７：すだれ状電極、８，９：反射器、１０：電極指、１１：バスバー部、１２，１３，１４：すだれ状電極、１５，１６：反射器、１７：すだれ状電極、１８，１９：反射器、２０：すだれ状電極、２１，２２：反射器、２３，２４：平衡信号端子、２５：インダクタンス素子、２６：圧電基板、２７：電極、１００：弾性表面波装置，ｐ：電極指のピッチ、ｈ：電極の膜厚、ｒｅｓ１，ｒｅｓ２，ｒｅｓ３：共振子。

Claims (3)

1. 圧電基板上にすだれ状電極が形成された弾性表面波装置において、前記すだれ状電極を形成する電極材料の主成分が銅であり、かつ前記圧電基板が略１５°回転Ｙ軸カット−Ｘ方向伝搬ＬｉＮｂＯ₃基板であり、かつ弾性表面波の伝搬モードがラブ波モードであることを特徴とする弾性表面波装置。
2. 圧電基板とその上に形成されたすだれ状電極とを有する弾性表面波装置と、入出力ポートを備えた通信用フィルタにおいて、前記弾性表面波装置が請求項１に記載の弾性表面波装置であることを特徴とする通信用フィルタ。
3. 圧電基板とその上に形成されたすだれ状電極とを有する弾性表面波装置と、入出力ポートを備えた移動通信装置において、前記弾性表面波装置が請求項１に記載の弾性表面波装置であることを特徴とする移動通信装置。

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