JP2010193429A - 弾性波装置 - Google Patents

Abstract

【課題】周波数温度特性を改善することができ、かつ高次モードスプリアスを充分に抑圧することが可能とされている、弾性波装置を得る。
【解決手段】ＬｉＮｂＯ_３からなる圧電体２と、圧電体２上に積層されたＳｉＯ_２層６と、圧電体２とＳｉＯ_２層６との界面に設けられたＩＤＴ電極３とを備え、ＬｉＮｂＯ_３のオイラー角（φ，θ，ψ）のφ及びθが、それぞれφ＝０°及び８０°≦θ≦１３０でありＳＨ波を主成分とする弾性波を用いる弾性波装置において、ψが、５°≦ψ≦３０°の範囲内にされている弾性波装置１。
【選択図】図１

Description

本発明は、共振子や帯域フィルタなどに用いられる弾性波装置に関し、より詳細には、圧電体としてＬｉＮｂＯ_３を用い、圧電体上にＳｉＯ_２層などの誘電体が積層されている構造を有する弾性波装置に関する。

従来、弾性境界波装置や弾性表面波装置などの弾性波装置が、通信機器の帯域フィルタなどに用いられている。

この種の弾性境界波装置の一例が、下記の特許文献１に開示されている。図２４及び図２５は、特許文献１に記載の弾性境界波装置を説明するための平面図及びその要部を示す模式的部分切欠拡大断面図である。

弾性境界波装置１００１は、ＬｉＮｂＯ_３基板１００２を有する。ＬｉＮｂＯ_３基板１００２上に、ＩＤＴ電極１００３が形成されている。ＩＤＴ電極１００３を覆うように、多結晶酸化ケイ素膜１００４が積層されている。多結晶酸化ケイ素膜１００４上に、多結晶ケイ素膜１００５が積層されている。

ＩＤＴ電極１００３で励振された弾性境界波が、ＬｉＮｂＯ_３基板１００２と多結晶ケイ素膜１００５との間に積層された多結晶酸化ケイ素膜１００４中にエネルギーを集中させて伝搬する。従って、多結晶ケイ素膜／多結晶酸化ケイ素膜／ＬｉＮｂＯ_３がこの順序で積層されている、いわゆる三媒質構造の弾性境界波装置が形成されている。

特許文献１は、多結晶酸化ケイ素膜上に多結晶ケイ素膜１００５が積層されているので、ＩＤＴ電極１００３で励振されている弾性波を確実に多結晶酸化ケイ素膜に閉じ込めることができることを記載している。

他方、下記の特許文献２は、ＬｉＮｂＯ_３基板上に、ＩＤＴ電極が形成されており、ＩＤＴ電極を覆うようにＳｉＯ_２膜が積層された弾性表面波装置を記載している。この弾性表面波装置では、ＳｉＯ_２膜の形成により、周波数温度係数ＴＣＦの絶対値が小さくされている。また、表面波の波長をλとした場合、ＳｉＯ_２膜の膜厚を０．２４λから０．３５λと厚くすると、高次モードによるスプリアスが大きく現れることが記載されている。

ＷＯ９８／５２２７９ ＷＯ２００７／１４５０５７

特許文献１に記載の弾性境界波装置では、ＬｉＮｂＯ_３基板１００２と多結晶ケイ素膜１００５との間に積層された、多結晶酸化ケイ素膜１００４中にエネルギーを集中させて弾性境界波が伝搬するが、高次モードによるスプリアスが現れるという問題があった。この高次モードスプリアスの大きさは、多結晶酸化ケイ素膜の膜厚を薄くすると、小さくなることがわかってきている。しかしながら、多結晶酸化ケイ素膜の膜厚を小さくすると、弾性境界波装置１００１では、周波数温度係数ＴＣＦの絶対値が大きくなるという問題があった。すなわち、高次モードスプリアスの抑圧と、周波数温度特性の改善とはトレードオフの関係にあった。

特許文献１に記載の弾性境界装置では、多結晶酸化ケイ素膜の横波音速は、多結晶ケイ素膜及びＬｉＮｂＯ_３基板の横波音速より遅い。低速の多結晶酸化ケイ素膜を高音速の多結晶ケイ素膜及びＬｉＮｂＯ_３基板が挟んでいる構造であるので、ＩＤＴ電極で励振される弾性境界波を確実に多結晶酸化ケイ素膜に閉じ込めることができる。この構造を弾性境界波の基本モードと高次モードが伝搬する。

基本モードとは、多結晶酸化ケイ素膜の外側に向かう方向が、変位が小さくなる方向であり、多結晶酸化ケイ素膜中に腹が１箇所存在するモードであり、いわゆる０次モードである。高次モードとは、多結晶酸化ケイ素膜の外側に向かう方向が、変位が減衰する方向であり、多結晶酸化ケイ素膜中に節が１箇所あり、節の上下それぞれ変位の向きが異なる２箇所の腹が存在するモードであり、いわゆる１次モードである。

多結晶酸化ケイ素膜中に複数の節を有している高次モードも存在し得る。しかし、上記高次モード以外の高次モードの応答は小さいため問題とはならない。

また、特許文献２では、上記の通り、ＳｉＯ_２膜の膜厚を０．２４λから０．３５λと厚くすると、高次モードによるスプリアスが大きく現れることが記載されている。

従って、特許文献２に記載のような弾性表面波装置においても、周波数温度特性を改善するために、ＳｉＯ_２膜を厚くすると、高次モードスプリアスが大きくなり、周波数温度特性の改善と、高次モードスプリアスの抑圧とはトレードオフの関係にあった。

本発明の目的は、上述した従来技術の欠点を解消し、ＬｉＮｂＯ_３上にＳｉＯ_２層が積層されている構造を有する弾性波装置であって、ＳｉＯ_２層の形成により周波数温度特性を改善することができ、かつ高次モードスプリアスを充分に抑圧することが可能とされている、弾性波装置を提供することにある。

本発明によれば、ＬｉＮｂＯ_３からなる圧電体と、前記圧電体上に積層された誘電体層と、前記圧電体と前記誘電体との界面に設けられたＩＤＴ電極とを備え、前記ＬｉＮｂＯ_３基板のオイラー角の（φ，θ，ψ）において、φ及びθが、それぞれφ＝０°及び８０°≦θ≦１３０でありＳＨ波を主成分とする弾性波を用いる弾性波装置において、ψが、５°≦ψ≦３０°の範囲内にされている弾性波装置が提供される。

本発明に係る弾性波装置のある特定の局面では、前記誘電体層がＳｉＯ_２層であり、前記ＳｉＯ_２層に積層されており、ＳｉＯ_２層よりも音速が高い第２の誘電体層をさらに備え、弾性波としてＳＨ型弾性境界波を用いた弾性境界波装置が提供される。この場合には、ＳＨ型弾性境界波を用いた弾性境界波装置において、周波数温度特性の改善と、高次モードスプリアスの抑圧とを果たすことが可能となる。

弾性境界波装置の場合、好ましくは、ＬｉＮｂＯ_３のオイラー角のθは、１０５°≦θ≦１２０°の範囲にあり、その場合には、ＳＨ型弾性境界波の応答の近傍に現れる不要モード応答を抑制することができる。すなわち、不要モードであるストンリー波の電気機械結合係数が小さくされている。

本発明の弾性波装置が弾性境界波装置である場合、上記第２の誘電体層を構成する材料としては、好ましくは、ケイ素、窒化ケイ素、酸化アルミニウム、窒化アルミニウム、酸窒化ケイ素及びダイヤモンドライクカーボンからなる群から選択された少なくとも１種であって、遅い横波音速が５０００ｍ／秒以上の誘電体材料が用いられる。この場合には、これらの誘電体材料の横波音速が、ＳｉＯ_２の横波音速よりも速いため、かつ、ＬｉＮｂＯ_３基板の横波音速がＳｉＯ_２の横波音速より速いためＳＨ型弾性境界波を確実にＳｉＯ_２層側に閉じ込めることができる。

また、本発明に係る型弾性波装置の他の特定の局面では、前記誘電体層がＳｉＯ_２層であり、前記弾性波としてＳＨ型弾性表面波が利用される弾性表面波装置が提供される。この場合には、弾性表面波装置において、周波数温度特性を改善しかつ高次モードスプリアスを抑圧することが可能となる。

本発明の弾性波装置が弾性表面波装置である場合、ＬｉＮｂＯ_３のオイラー角のθは、好ましくは８０°〜９０°の範囲とされ、その場合、ＳＨ型表面波の応答の近傍に現れる不要モードの応答を抑制することができる。すなわち、不要モードであるレイリー波の電気機械結合係数を小さくすることができる。

弾性表面波装置の場合、ＳｉＯ_２層に積層された第２の誘電体層がさらに備えられてもよく、その場合には、該誘電体層の積層により、下方のＳｉＯ_２層及びＩＤＴ電極を保護することができる。

本発明に係る弾性波装置のさらに他の特定の局面では、上記ＩＤＴ電極が、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｐｔ、Ｔａ、Ｗ、Ｎｉ、Ｆｅ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｔｉ及びこれらの金属の１種を主成分とする合金からなる群から選択された１種の金属からなる電極膜もしくは、前記電極膜を構成する金属とは異なる金属からなる第２の電極膜と前記電極膜とが積層された積層構造を主体とする。この場合には、ＩＤＴ電極の反射係数を大きくすることができる。好ましくは、上記積層構造が、それぞれが、ＰｔもしくはＡｌまたはこれらの金属を主成分とする合金からなる、複数の電極膜を含む。この場合には、高信頼性かつ低抵抗のＩＤＴ電極とすることができる。

本発明に関する弾性波装置では、ＬｉＮｂＯ_３からなる圧電体が負の周波数温度係数を有するが、ＳｉＯ_２層が正の周波数温度係数を有するため、周波数温度係数ＴＣＦの絶対値を小さくすることができる。しかもＳｉＯ_２膜の膜厚を周波数温度係数ＴＣＦの絶対値を小さくするように選択した場合であっても、ＬｉＮｂＯ_３基板のオイラー角ψが上記特定の範囲内であるため、高次モードスプリアスを確実に抑圧することができる。

従って、周波数温度特性の改善と、高次モードスプリアスの抑圧とを両立することが可能となる。

（ａ）及び（ｂ）は、本発明の一実施形態に係る弾性境界波装置の要部を示す部分切欠拡大正面断面図及び電極構造を示す模式的平面図である。 （ａ）は、オイラー角（０°，１１５°，ψ）、但しψが０°、５°または１０°であるＬｉＮｂＯ_３を用いた弾性境界波装置のインピーダンス特性を示し、（ｂ）は、その位相特性を示す図である。 （ａ）は、オイラー角（０°，１１５°，ψ）、但しψが１５°、２０°または２５°であるＬｉＮｂＯ_３を用いた弾性境界波装置のインピーダンス特性を示し、（ｂ）は、その位相特性を示す図である。 （ａ）は、オイラー角（０°，１１５°，ψ）、但しψが３０°であるＬｉＮｂＯ_３を用いた弾性境界波装置のインピーダンス特性を示し、（ｂ）は、その位相特性を示す図である。 オイラー角（０°，１１５°，０°）のＬｉＮｂＯ_３を用いた弾性境界波装置における高次モードの位相が最大となる音速と、高次モードスプリアスの応答の強度との関係を示す図である。 オイラー角（０°，１１５°，５°）のＬｉＮｂＯ_３を用いた弾性境界波装置における高次モードの位相が最大となる音速と、高次モードスプリアスの応答の強度との関係を示す図である。 オイラー角（０°，１１５°，１０°）のＬｉＮｂＯ_３を用いた弾性境界波装置における高次モードの位相が最大となる音速と、高次モードスプリアスの応答の強度との関係を示す図である。 オイラー角（０°，１１５°，１５°）のＬｉＮｂＯ_３を用いた弾性境界波装置における高次モードの位相が最大となる音速と、高次モードスプリアスの応答の強度との関係を示す図である。 オイラー角（０°，１１５°，２０°）のＬｉＮｂＯ_３を用いた弾性境界波装置における高次モードの位相が最大となる音速と、高次モードスプリアスの応答の強度との関係を示す図である。 オイラー角が（０°，８０°，ψ）であるＬｉＮｂＯ_３における速い横波音速と遅い横波音速のψとの関係を示す図である。 （ａ）及び（ｂ）は、それぞれ、オイラー角が（０°，９０°，ψ）及び（０°，１００°，ψ）であるＬｉＮｂＯ_３における速い横波音速と遅い横波音速のψとの関係を示す図である。 （ａ）及び（ｂ）は、それぞれ、オイラー角が（０°，１１０°，ψ）及び（０°，１１５°，ψ）であるＬｉＮｂＯ_３における速い横波音速と遅い横波音速のψとの関係を示す図である。 オイラー角が（０°，１２０°，ψ）であるＬｉＮｂＯ_３における速い横波音速と遅い横波音速のψとの関係を示す図である。 オイラー角が（０°，１３０°，ψ）であるＬｉＮｂＯ_３における速い横波音速と遅い横波音速のψとの関係を示す図である。 弾性境界波装置において、ＬｉＮｂＯ_３のオイラー角のψと、周波数温度係数ＴＣＦとの関係を示す図である。 弾性境界波装置において、ＬｉＮｂＯ_３のオイラー角が（０°，９０°，０°）の場合のインピーダンス特性を示す図である。 弾性境界波装置において、ＬｉＮｂＯ_３のオイラー角が（０°，９０°，０°）の場合の位相特性を示す図である。 弾性境界波装置において、ＬｉＮｂＯ_３のオイラー角が（０°，１００°，０°）の場合のインピーダンス特性を示す図である。 弾性境界波装置において、ＬｉＮｂＯ_３のオイラー角が（０°，１００°，０°）の場合の位相特性を示す図である。 弾性境界波装置において、ＬｉＮｂＯ_３のオイラー角が（０°，１２７°，０°）の場合のインピーダンス特性を示す図である。 弾性境界波装置において、ＬｉＮｂＯ_３のオイラー角が（０°，１２７°，０°）の場合の位相特性を示す図である。 本発明の他の実施形態としての弾性表面波装置を説明するための模式的正面断面図である。 （ａ）及び（ｂ）は、本発明の第２の実施形態としての弾性表面波装置におけるオイラー角（０°，８６°，ψ）において、ψを変化させた場合のインピーダンスと伝搬角ψとの関係及び位相特性と伝搬角ψとの関係をそれぞれ示す図である。 従来の弾性境界波装置の模式的平面図である。 従来の弾性境界波装置の要部を拡大して示す部分切欠正面断面図である。

以下、図面を参照しつつ、本発明の具体的な実施形態を説明することにより、本発明を明らかにする。

図１（ａ）は、本発明の一実施形態に係る弾性境界波装置の部分切欠拡大正面断面図であり、図１（ｂ）は、該弾性境界波装置の電極構造を示す模式的平面図である。

図１（ａ）に示すように、弾性境界波装置１は、ＬｉＮｂＯ_３からなる圧電体２を有する。圧電体２上に、ＳｉＯ_２層６が積層されている。

圧電体２とＳｉＯ_２層６との界面に、ＩＤＴ電極３が形成されている。図１（ａ）では、ＩＤＴ電極３の１本の電極指部分が拡大して断面図で示されている。実際には、図１（ｂ）に示されているように、圧電体２上には、ＩＤＴ電極３と、ＩＤＴ電極３の弾性境界波伝搬方向両側に配置された反射器４，５とが配置されている。ＩＤＴ電極３は、交叉幅重み付けが施されたＩＤＴ電極であり、互いに間挿し合う複数本の電極指を有する。図１（ａ）では、１本の電極指３ａが拡大して示されている。

図１（ｂ）に示すように、上記重み付けは、ＩＤＴ電極３の端部における交叉幅Ｗ_０に比べ、ＩＤＴ電極３の弾性境界波伝搬方向中央における交叉幅Ｗ_１が大きくなるように施されている。すなわち、交叉幅Ｗ_１が最大交叉幅であり、ＩＤＴ電極３の端部に向うにつれ、交叉幅が順次小さくなるように、交叉幅重み付けが施されている。反射器４，５は、グレーティング反射器である。

上記ＩＤＴ電極３及び反射器４，５により、１ポート型弾性境界波共振子の電極構造が形成されている。

上記ＩＤＴ電極３及び反射器４，５は適宜の金属材料からなる。本実施形態では、図１（ａ）に拡大して示されているように、ＩＤＴ電極３の電極指３ａは、圧電体２側から順に、Ｔｉ膜１１ａ、Ｐｔ膜１１ｂ、Ｔｉ膜１１ｃ、Ａｌ膜１１ｄ、Ｔｉ膜１１ｅ，Ｐｔ膜１１ｆ及びＴｉ膜１１ｇをこの順序で積層することにより得られた積層金属膜からなる。

上記積層金属膜において、Ｐｔ膜１１ｂ、Ａｌ膜１１ｄ及びＰｔ膜１１ｆが、Ｔｉ膜１１ａ，１１ｃ，１１ｅ，１１ｇに比べて相対的に厚くされている。これらのＰｔ膜１１ｂ、Ａｌ膜１１ｄ及びＰｔ膜１１ｆが、主たる電極膜である。Ｔｉ膜１１ａは、ＩＤＴ電極３の圧電基板への密着性を高める密着層として機能する。Ｔｉ膜１１ｃ，１１ｅは、両側の電極膜間における拡散を抑制するバリア層として形成されている。すなわち、Ｐｔ膜１１ｂ，１１ｆと、Ａｌ膜１１ｄとの間の原子の拡散を抑制するために、Ｔｉ膜１１ｃ，１１ｅが形成されている。さらに、Ｔｉ膜１１ｇは、ＳｉＯ_２層とＰｔ膜とを密着させる密着層として形成されている。ＩＤＴ電極３は、全体がこのような積層金属膜により形成されており、反射器４，５も同じ積層金属膜により形成される。

もっとも、本発明において、ＩＤＴ電極は、積層金属膜で形成される必要は必ずしもない。また、ＩＤＴ電極３を形成する金属材料についても特に限定されるものでもないが、好ましくは、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｐｔ、Ｔａ、Ｗ、Ｎｉ、Ｆｅ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｔｉまたはこれらの金属の１種を主成分とする合金からなる金属材料が主体となる電極膜材料として用いられる。この場合ＩＤＴ電極３がこのような電極膜のみから形成されていてもよく、図１（ａ）に示したＴｉ膜１１ａ，１１ｃ，１１ｅ，１１ｇなどのように、密着層、バリア層または保護層として、主体となる電極膜であるＡｌ膜やＰｔ膜など以外の電極膜が積層されていてもよい。

上記金属材料を用いることにより、ＩＤＴ電極の反射係数を高めたり、導電性を高めたりすることができ、それによって弾性境界波装置の特性をより一層改善することができる。

より好ましくは、上記主たる電極膜として、Ｐｔ及びＡｌが本実施形態で用いられ、その場合には、反射係数と導電性とをより効果的に高めることができる。

本実施形態の弾性境界波装置１では、上記ＩＤＴ電極３を覆うように、圧電体２の上面にＳｉＯ_２層６が積層されており、さらにＳｉＯ_２層６の上に第２の誘電体層７が積層されている。本実施形態では、第２の誘電体層７はＳｉＮ膜からなる。

上記ＳｉＯ_２層６及びＳｉＮ膜からなる第２の誘電体層７は、蒸着、スパッタリング等の適宜の薄膜形成方法により形成することができる。第２の誘電体層７は、特開平１０−８４２４７号公報に示されているように、基板貼り合わせ工法により形成してもよい。

ＳｉＯ_２層６の厚みについては、特に限定されるものではないが、境界波の波長をλとすると０．２λ〜０．７λ程度とされる。ＳｉＯ_２層６は、ＳｉＮやＬｉＮｂＯ_３よりも横波音速が遅いため、ＩＤＴ電極３で励振された弾性境界波が、ＳｉＮとＬｉＮｂＯ_３との間、すなわち上記ＳｉＯ_２層６中にエネルギーに集中させて伝搬する。このような伝搬を可能とするために、ＳｉＯ_２の厚みは、上記のような０．２λ〜０．７λ程度とされる。もっとも、この厚みは、限定的なものではない。

ＳｉＮ膜７の厚みは、弾性境界波が十分に閉じ込められる厚みに設定する。すなわち、ＳｉＮ膜７の厚み方向に向かって、弾性境界波の変位が小さくなり、ＳｉＮ膜７の表面における弾性境界波の変位が略ゼロとなる厚みに設定する。変位が略ゼロとみなせる厚みは、例えば１λ以上である。

また、前述したＩＤＴ電極３を含む電極構造についても、公知のフォトリソグラフィー法を用いて形成することができる。

本実施形態の弾性境界波装置１では、上記ＬｉＮｂＯ_３からなる圧電体２と、ＳｉＯ_２層６との界面に設けられたＩＤＴ電極３により励振された弾性境界波が、ＳｉＯ_２層６中にエネルギーを集中させて伝搬する。ここで、誘電体層７は、ＳｉＮ膜からなり、その横波音速がＳｉＯ_２層６の横波音速よりも速くされている。従って、弾性境界波が、ＳｉＮ膜からなる誘電体層７側には漏洩し難いので、確実に上記ＳｉＯ_２層６中にエネルギーを集中させて弾性境界波を伝搬させることが可能とされている。

さらに、弾性境界波装置１では、ＬｉＮｂＯ_３の周波数温度係数ＴＣＦは負の値であるが、ＳｉＯ_２層の周波数温度係数ＴＣＦは正の値であるため、全体として周波数温度係数の絶対値を小さくすることができる。よって、温度変化による周波数変動を小さくすることが可能とされている。

加えて、ＬｉＮｂＯ_３基板のオイラー角（φ，θ，ψ）のφ及びθが、それぞれφ＝０°及び８０°≦θ≦１３０でありＳＨ波を主成分とする弾性波を用いる弾性波装置において、ψが、５°≦ψ≦３０°の範囲内にあるため、後述する実験例から明らかなように、高次モードスプリアスを効果的に抑圧することができる。これを、図２〜図１５を参照してより具体的に説明する。

図１（ａ）及び（ｂ）に示した弾性境界波装置１、すなわち１ポート型弾性境界波共振子を種々の伝搬角（ψ）のＬｉＮｂＯ_３を用いて作製し、インピーダンス特性及び位相特性を測定した。

作製した弾性境界波共振子の仕様は、以下の通りである。

ＬｉＮｂＯ_３基板のオイラー角：（０°，１１５°，ψ）。伝搬角ψを０°、５°、１０°、１５°、２０°、２５°及び３０°とした。

ＩＤＴ電極の電極指のピッチで定まる波長λ＝１．９μｍ
ＩＤＴ電極の膜厚：Ｐｔ膜１１ｂ，１１ｆの膜厚＝３１ｎｍ、Ａｌ膜１１ｄの膜厚＝３００ｎｍ、Ｔｉ膜１１ａ，１１ｃ，１１ｅ，１１ｇの膜厚＝１０ｎｍ
ＩＤＴ電極におけるデューティ＝０．５
電極指の対数＝６０対
対向し合うバスバーの間隔＝３０λ
ＩＤＴ電極のアポダイズ比（最小交叉幅Ｗ_０／最大交叉幅Ｗ_１）＝０．４０
ＳｉＯ_２層の膜厚＝７１２ｎｍ
ＳｉＮからなる誘電体層７の膜厚＝２０００ｎｍ
反射器の電極指の本数＝各５１本

各図において、横軸は、周波数と波長の積で表される音速である。ＡはＳＨ型境界波の基本モードによる応答で、Ｂは高次モードによる応答である。

図２（ａ）及び（ｂ）は、伝搬角ψが、０°，５°または１０°の場合の各弾性境界波装置のインピーダンス特性及び位相特性をそれぞれ示す。図２において、実線がψ＝０°の場合の結果を、破線がψ＝５°の場合の結果を、一点鎖線がψ＝１０°の場合の結果を示す。

同様に、図３（ａ）及び（ｂ）は、伝搬角ψが１５°、２０°及び２５°の場合の各弾性境界波装置のインピーダンス特性及び位相特性をそれぞれ示す。実線がψ＝１５°、破線がψ＝２０°、一点鎖線がψ＝２５°の場合の結果を示す。

また、図４（ａ）及び（ｂ）は、伝搬角ψが３０°の弾性境界波装置のインピーダンス特性及び位相特性をそれぞれ示す。

図２（ａ），（ｂ）〜図４（ａ），（ｂ）から明らかなように、オイラー角（０°，１１５°，ψ）のＬｉＮｂＯ_３を用いた場合、伝搬角ψが０°から３０°と大きくなるにつれて、例えば図２（ａ）及び（ｂ）で示す矢印Ｂで示す高次モードの応答が小さくなっていくことがわかる。なお、矢印Ａは、基本モードの応答を示す。矢印Ｂは高次モードの応答を示す。

従って、オイラー角（０°，１１５°，ψ）のＬｉＮｂＯ_３基板を用いた場合、伝搬角ψを０°より大きくし、より好ましくは、５°〜３０°の範囲とすることにより、伝搬角ψ＝０°すなわちＸ伝搬の場合に比べて、高次モードスプリアスを抑圧し得ることがわかる。また、図２（ａ），（ｂ）〜図４（ａ），（ｂ）の結果を考慮し、位相特性において、高次モードの位相特性が最大となる音速と、そのときの位相値とを求めた。高次モードの位相特性が最大となる音速を、適宜、高次モードの音速と略すこととする。また、このときの位相値を高次モードレスポンスの強度とする。

高次モードの音速と高次モードレスポンスの強度をプロットした結果を、図５〜図９に示す。

図５〜図９に示す結果を得るにあたっては、同一の圧電ウェハー内で、波長や線幅が異なるＩＤＴ電極を有する多数の種類の１ポート型弾性境界波共振子を作製した。これらの１ポート型弾性境界波共振子の特性を測定した。図５〜図９における×印は、同じオイラー角で加工条件が異なる弾性境界波共振子の高次モードの位相が最大となる高次モードの音速と、高次モードの応答の強度が最大である場合の位相値との関係をプロットしたものであり、ＩＤＴの波長λを１．５μｍ、１．６μｍ、１．７μｍ、１．８μｍ、１．９μｍ、２．０μｍ及び２．１μｍと変化させたフォトマスクを用い、１枚のウェハー上に形成された多数の弾性境界波共振子の特性を示すものである。

図５〜９から明らかなように、どの伝搬角ψにおいても、高次モードの音速がある値以上になると、高次モードの応答の強度が急激に小さくなることがわかる。すなわち、高次モードの応答の強度が小さくなる高次モードの音速のしきい値が存在する。ψの値毎の高次モード音速のしきい値を比較すると、ψが５°以上の範囲では、ψが０°における高次モード音速のしきい値より小さくなることがわかる。

これは、三媒質構造の上記弾性境界波装置１では、相対的に低音速の媒質であるＳｉＯ_２層６が、相対的に高音速の媒質であるＬｉＮｂＯ_３からなる圧電体２と、ＳｉＮ膜からなる第２の誘電体層７との間で挟まれているので、導波路効果により、弾性境界波が閉じ込められていることによると考えられる。すなわち、上記三媒質構造において、ＳＨ型弾性境界波の基本モードの音速が、ＬｉＮｂＯ_３やＳｉＮの横波音速よりも高くなった場合には、ＳＨ型弾性境界波の基本モードが漏洩モードとなり、減衰が大きくなる。これに対して、高次モードの位相が最大となる音速がある一定値以上になると、高次モードレスポンスの強度が小さくなるのは、高次モードの音速が、ＬｉＮｂＯ_３の速い横波音速を超えたことにより、高次モードがＬｉＮｂＯ_３側へ漏洩しているためと考えられる。

従って、ＬｉＮｂＯ_３の速い横波音速を低くすることができれば、高次モードレスポンスを小さくすることができると考えられる。本実施形態では、上記伝搬角ψが５°以上とされているため、ＬｉＮｂＯ_３の速い横波音速が充分に低くなり、それによって高次モードスプリアスが抑圧されていると考えられる。

上記抑制は、図１０〜図１４によっても裏付けられる。

図１０〜図１４は、オイラー角（０°，θ，ψ）のＬｉＮｂＯ_３における伝搬角ψと、速い横波音速及び遅い横波音速との関係を示す図である。なお、実線が速い横波音速、一点鎖線が遅い横波音速を示す。

図１０は、それぞれオイラー角（０°，８０°，ψ）の場合の結果を、図１１（ａ）及び（ｂ）は、それぞれ、オイラー角が（０°，９０°，ψ）及び（０°，１００°，ψ）の場合の結果を、図１２（ａ）及び（ｂ）は、それぞれ、オイラー角が（０°，１１０°，ψ）及び（０°，１１５°，ψ）、図１３はオイラー角が（０°，１２０°，ψ）の場合の結果を、図１４は、オイラー角が（０°，１３０°，ψ）の場合の結果を示す。

図１０〜図１４から明らかなように、オイラー角のθが８０°〜１３０°のいずれかの場合においても、ψが０°より大きくなり、３０°に向うにつれて、速い横波音速が低くなっていくことがわかる。従って、上述したように、伝搬角ψを大きくすることにより、高次モードレスポンスの強度を小さくし得ることがわかる。

また、図１０〜図１４から明らかなように、オイラー角（０°，θ，ψ）において、オイラー角のθが８０°から１３０°のどの値であっても、同様に、速い横波音速が伝搬角ψの増加に伴って低下するため、上記実施形態と同様に、高次モードスプリアスを抑圧し得ることがわかる。

上記の通り、オイラー角（０°，１１５°，ψ）の場合の上記実施形態における速い横波音速の伝搬角ψに対する依存性と、図５〜図９における高次モードの位相最大となる音速と、高次モードレスポンスの強度との関係を考慮する。この場合、それぞれの伝搬角ψにおけるＬｉＮｂＯ_３の速い横波音速と高次モードの位相最大となる音速の閾値が対応しており、ψを大きくして速い横波音速を小さくすることにより、高次モードを抑圧し得ることがわかる。

また、図１０〜図１４より、上記ＬｉＮｂＯ_３の速い横波音速は、ψが５°より小さい範囲では、ψが０°の場合とほとんど変わらない。これに対して、ψが５°以上であると速い横波音速が大きく低下していく。従って、ψは５°以上とされている。

また、ψが大きくなりすぎると、基本モードの電気機械結合係数ｋ^２が低下するため、ψは、基本モードの電気機械結合係数の低下を避けるためには、大きくないことが好ましい。もっとも、ψの上限値については、用途によっても変わり、電気機械結合係数ｋ^２が小さいことが求められる、例えば狭帯域フィルタに用いる場合には、上限値はかなり大きくすることができる。

本実施形態の弾性境界波装置が使用される主な用途であるＲＦフィルタでは、適度な電気機械結合係数ｋ^２の大きさが求められるため、伝搬角ψは３０°より小さいことが望ましい。従って、本発明では、ψは、５°以上、３０°以下とされている。

なお、図１０〜図１４の結果から明らかなように、オイラー角のθが変化しても、伝搬角ψが大きくなるにつれてＬｉＮｂＯ_３の速い横波音速が、遅くなる点において共通している。従って、θは１１５°に限らず、８０°≦θ≦１３０°の範囲であればよく、また、この範囲であれば、ＳＨ型弾性境界波の電気機械結合係数も高くされている。より好ましくは、θは、１０５°≦θ≦１２０°の範囲とすれば、不要モードを抑制することができる。

なお、本実施形態では、第２の誘電体層７は、ＳｉＯ_２膜よりも横波音速が高いＳｉＮ膜により形成されていたが、横波音速が５０００ｍ／秒以上の適宜の誘電体により第２の誘電体層７を形成することが好ましい。この場合には、これらの誘電体材料の横波音速が、ＳｉＯ_２の横波音速よりも速いため、ＳＨ型弾性境界波を確実にＳｉＯ_２層側に閉じ込めることができる。

このような誘電体材料としては、窒化ケイ素（ＳｉＮ）、酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、ケイ素（Ｓｉ）、酸窒化ケイ素（ＳｉＯＮ）、ダイヤモンドライクカーボン（ＤＬＣ）などからなる群から選択された１種の誘電体材料を好適に用いることができる。それによって、弾性境界波を誘電体層よりも内側に確実に閉じ込めることができる。

また、第２の誘電体層７に代えて、これらの群から選択された１種の誘電体層と、さらに上記群から選択された他の誘電体材料からなる１以上の誘電体層とを積層した積層誘電体層を用いてもよい。

また、上記実施形態では、ＩＤＴ電極において、電極膜間の密着性を高めたり、金属の相互拡散を防止するためのバリア層としてＴｉ膜１１ａ，１１ｃ，１１ｅ，１１ｇが形成されていたが、Ｔｉ以外に、ＮｉＣｒからなる密着層やその他の金属により密着層やバリア層を形成してもよい。

もっとも、好ましくは、本実施形態のように、Ｐｔからなる電極膜とＡｌからなる電極膜との間に、あるいはＰｔ膜やＡｌ膜とＬｉＮｂＯ_３との間、Ｐｔ膜やＡｌ膜とＳｉＯ_２層との間に、Ｔｉ膜が積層される。それによって、信頼性を高めることができ、さらに、低抵抗であるため、損失の低減を図ることができる。

本実施形態の弾性境界波装置において、上記ＬｉＮｂＯ_３の伝搬角ψを変化させた場合、周波数温度特性は劣化しないことを図１５を参照して説明する。

周知のように、ＳｉＯ_２膜は、ＬｉＮｂＯ_３と組み合わせて用いられた場合、周波数温度係数ＴＣＦの絶対値を小さくするように作用し、それによって温度による周波数特性の変化を抑制する。

図１５は、本実施形態の弾性境界波装置１と、比較のために用意した伝搬角ψ＝０°の弾性境界波装置の周波数温度係数ＴＣＦを示す図である。図１５から明らかなように、伝搬角ψ＝０°の場合に比べ、上記実施形態に従ってψが５°、１０°、１５°、２０°及び３０°とされた場合においても、周波数温度係数ＴＣＦはほとんど変化していない。従って、周波数温度特性の劣化を招くことなく、言い換えればＳｉＯ_２層の形成による周波数温度特性の向上効果を得つつ、本発明に従って高次モードスプリアスを抑圧し得ることがわかる。

なお、図１６〜図２１は、オイラー角が（０°，９０°，０°）、（０°，１００°，０°）、（０°，１２７°，０°）の各場合の比較例として用意した弾性境界波装置のインピーダンス特性及び位相特性をそれぞれ示す。

図１６及び図１７が、θ＝９０°の場合の結果を、図１８及び図１９が、θ＝１００°の結果を、図２０及び図２１が、オイラー角のθ＝１２７°の場合の結果をそれぞれ示す。

ＳＨ型弾性境界波装置の基本モードによる応答をＡ、高次モードによる応答をＢで示す。

図１６〜図２１から明らかなように、オイラー角のθが９０°、１００°または１２７°の場合のいずれにおいても、基本モードのインピーダンス比、すなわち反共振周波数におけるインピーダンスの共振周波数におけるインピーダンスに対する比は６０ｄＢ以上であり、上記実施形態すなわちθ＝１１５°の場合のインピーダンス比と同等である。従って、オイラー角のθが、９０°〜１２７°の範囲であれば、上記実施形態と同様に、基本モードの応答は充分な大きさとなることがわかる。さらに高次モードによるスプリアスの応答が大きいことが問題であることがわかる。よって、本発明においては、好ましくは、オイラー角のθは９０°〜１２７°の範囲内であれば、オイラー角のψを５°以上、３０°以下とすることにより、高次モードスプリアスを抑圧し、充分な大きさの基本モードによる応答を得ることができることがわかる。

（弾性表面波装置の実施形態）
図１（ａ），（ｂ）に示す実施形態では、ＳｉＯ_２層中にエネルギーを集中させて伝搬する弾性境界波が利用されていたが、本発明の弾性波装置は、弾性表面波を利用した弾性表面波装置であってもよい。

図２２は、本発明の第２の実施形態としての弾性表面波装置を模式的に示す正面断面図である。なお、本実施形態の弾性表面波装置２１では、圧電体２２上に、ＩＤＴ電極２３が形成されている。ＩＤＴ電極２３を覆うように、ＳｉＯ_２層２６が形成されている。ここで、ＩＤＴ電極２３の電極構造は、図１（ｂ）に示したＩＤＴ電極３と同様とされている。また、ＩＤＴ電極２３の弾性表面波伝搬方向両側に、反射器２４，２５が配置されている。従って、１ポート型の弾性表面波装置が構成されている。

本実施形態では、上記ＩＤＴ電極２３及び反射器２４，２５を覆うように、温度特性改善膜として、ＳｉＯ_２層２６が形成されている。ＳｉＯ_２層２６は、周波数温度係数ＴＣＦの絶対値を小さくするために設けられているものであり、弾性境界波を閉じ込める必要はないため、その膜厚は、弾性表面波の波長をλとしたとき０．１６λ〜０．３０λ程度とされている。

本実施形態においても、ＩＤＴ電極２３を構成する金属材料については、本実施形態では、上から順に、Ｔｉ膜、Ｃｕ膜及びＮｉＣｒ膜をこの順序で積層した積層金属膜を用いたが、前述した実施形態と同様に、適宜の金属材料によりＩＤＴ電極２３を形成することができる。

本実施形態においても、ＬｉＮｂＯ_３基板からなる圧電体２２のオイラー角（φ，θ，ψ）の伝搬角であるψが５°〜３０°の範囲とされており、それによって高次モードスプリアスを抑圧することができる。これを、図２３（ａ），（ｂ）に示す。

本実験例では、ＬｉＮｂＯ_３基板として、オイラー角が（０°，８６°，ψ）のＬｉＮｂＯ_３を用い、ＩＤＴ電極としてＴｉ／Ｃｕ／ＮｉＣｒの膜厚が１０／９０／１７（単位はｎｍ）の積層金属膜を用いた。ＩＤＴ電極２３のアポダイズ比については上記実施形態の弾性境界波装置１と同様とした。なお、波長λは、１．６μｍとした。

ＳｉＯ_２層２６の膜厚は４５０ｎｍすなわち、０．２８λとした。反射器２４，２５は、上記実施形態と同様にグレーティング反射器により形成した。

図２３（ａ）及び（ｂ）は、それぞれ、上記のようにして作製された複数種の弾性表面波装置のインピーダンス特性及び位相特性を示す。実線がψ＝０°の場合の結果を、破線がψ＝１０°の場合の結果を、一点鎖線がψ＝２０°の場合の結果を示す。

図２３（ａ）及び（ｂ）から明らかなように、矢印Ｄで示す高次モードの応答が、伝搬角ψが０°の場合に比べ、１０°及び２０°になると著しく小さくなっていることがわかる。これに対して、矢印Ｃで示す基本モードの応答はさほど劣化していないことがわかる。

従って、図２３から、弾性表面波装置においても、同様に伝搬角ψを大きくすることにより、高次モードスプリアスを抑圧し得ることがわかる。

本願発明者の実験によれば、ψが５°以上、３０°以下であれば、同様に、高次モードスプリアスを効果的に抑圧し得ることが確かめられている。従って、弾性表面波装置の場合にも、ψは、５°以上、３０°以下とされる。

また、弾性表面波の場合には、オイラー角のθが、８０°〜１３０°の範囲で変化しても、弾性境界波装置の場合と同様に、高次モードスプリアスを抑圧し得る効果はさほど変わらなかった。他方、弾性表面波装置では、オイラー角（０°，θ，ψ）の場合、θは８０°〜９０°の範囲内であれば、ＳＨ型表面波の応答の近傍に現れる不要モードの応答を抑制することができる。

なお、本明細書において、基板の切断面と境界波の伝搬方向を表現するオイラー角（φ，θ，ψ）は、文献「弾性波素子技術ハンドブック」（日本学術振興会弾性波素子技術第１５０委員会、第１版第１刷、平成１３年１１月３０日発行、５４９頁）記載の右手系オイラー角を用いた。

すなわち、ＬｉＮｂＯ_３の結晶軸Ｘ、Ｙ，Ｚに対し、Ｚ軸を軸としてＸ軸を反時計廻りにφ回転しＸａ軸を得る。

次に、Ｘａ軸を軸としてＺ軸を反時計廻りにθ回転しＺ´軸を得る。

Ｘａ軸を含み、Ｚ´軸を法線とする面を基板の切断面とした。

そして、Ｚ´軸を軸としてＸａ軸を反時計廻りにψ回転した軸Ｘ´方向を弾性波の伝搬方向とした。

また、オイラー角の初期値として与えるＬｉＮｂＯ_３の結晶軸Ｘ，Ｙ，Ｚは、Ｚ軸をｃ軸と平行とし、Ｘ軸を等価な３方向のａ軸のうち任意の１つと平行とし、Ｙ軸はＸ軸とＺ軸を含む面の法線方向とする。

なお、本明細書におけるオイラー角（θ，φ，ψ）は、結晶学的に等価なオイラー角を含むものとする。ＬｉＮｂＯ_３は三方晶系の３ｍ点群に属する結晶であるため、以下の式が成り立つ。

Ｆ（φ，θ，ψ）＝Ｆ（６０°＋φ，−θ，ψ）
＝Ｆ（６０°−φ，−θ，１８０°−ψ）
＝Ｆ（φ，１８０°＋θ，１８０°−ψ）
＝Ｆ（φ，θ，１８０°＋ψ）

１…弾性境界波装置
２…圧電体
３…ＩＤＴ電極
３ａ…電極指
４，５…反射器
６…ＳｉＯ_２層
７…第２の誘電体層
１１ａ，１１ｃ，１１ｅ，１１ｇ…Ｔｉ膜
１１ｂ…Ｐｔ膜
１１ｄ…Ａｌ膜
１１ｆ…Ｐｔ膜
２１…弾性表面波装置
２２…圧電体
２３…ＩＤＴ電極
２４，２５…反射器
２６…ＳｉＯ_２層

Claims (9)

1. ＬｉＮｂＯ_３からなる圧電体と、
   前記圧電体上に積層された誘電体層と、
   前記圧電体と前記誘電体との界面に設けられたＩＤＴ電極とを備え、
   前記ＬｉＮｂＯ_３基板のオイラー角の（φ，θ，ψ）において、φ及びθが、それぞれφ＝０°及び８０°≦θ≦１３０でありＳＨ波を主成分とする弾性波を用いる弾性波装置において、ψが、５°≦ψ≦３０°の範囲内にされている弾性波装置。
2. 前記誘電体層がＳｉＯ_２層であり、前記ＳｉＯ_２層に積層されており、ＳｉＯ_２層よりも音速が高い第２の誘電体層をさらに備え、弾性波としてＳＨ型弾性境界波が用いられる弾性境界波装置である、請求項１に記載の弾性波装置。
3. 前記ＬｉＮｂＯ_３のオイラー角のθが１０５°≦θ≦１２０°の範囲にある、請求項２に記載の弾性波装置。
4. 前記第２の誘電体層が、ケイ素、窒化ケイ素、酸化アルミニウム、窒化アルミニウム、酸窒化ケイ素及びダイヤモンドライクカーボンからなる群から選択された少なくとも１種であって、遅い横波音速が５０００ｍ／秒以上の誘電体材料からなる、請求項２または３に記載の弾性波装置。
5. 前記誘電体層がＳｉＯ_２層であり、前記弾性波としてＳＨ型弾性表面波が利用される弾性表面波装置である、請求項１に記載の弾性波装置。
6. 前記ＬｉＮｂＯ_３のオイラー角のθが８０°≦θ≦９０°の範囲にある、請求項５に記載の弾性波装置。
7. 前記ＳｉＯ_２層に積層された第２の誘電体層をさらに備える、請求項５または６に記載の弾性波装置。
8. 前記ＩＤＴ電極が、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｐｔ、Ｔａ、Ｗ、Ｎｉ、Ｆｅ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｔｉ及びこれらの金属の１種を主成分とする合金からなる群から選択された１種の金属からなる電極膜もしくは、前記電極膜を構成する金属とは異なる金属からなる第２の電極膜と前記電極膜とが積層された積層構造を主体とする、請求項１〜７のいずれか１項に記載の弾性波装置。
9. 前記積層構造が、それぞれがＰｔもしくはＡｌまたはこれらの金属を主成分とする合金からなる、複数の電極膜を含む、請求項８に記載の弾性波装置。

Images