JP2011135468A - 弾性境界波装置及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】不要波が抑圧されており、高性能な弾性境界波装置を提供する。
【解決手段】弾性境界波装置１は、圧電体からなる第１の媒質１１と、第１の媒質１１の上に形成されており、窒化ケイ素からなる第２の媒質１２と、第１の媒質１１と第２の媒質１２との間に形成されており、酸化ケイ素からなる第３の媒質１３と、第２の媒質１２の上に形成されている吸音層と、第１の媒質１１と第３の媒質１３との間に形成されているＩＤＴ電極１６とを備えている。第２の媒質１２の波長規格化厚みｈ２／λは０．６０×（ｈ３／λ）^２−１．２４×（ｈ３／λ）＋０．９４よりも小さい。
【選択図】図２

Description

本発明は、弾性境界波装置及びその製造方法に関する。特には、本発明は、圧電体からなる第１の媒質と、第１の媒質の上に形成されており、窒化ケイ素からなる第２の媒質と、第１の媒質と第２の媒質との間に形成されており、酸化ケイ素からなる第３の媒質と、第１の媒質と第３の媒質との間に形成されているＩＤＴ電極とを備える弾性境界波装置及びその製造方法に関する。

近年、外乱に対する特性変化が小さい弾性波装置として、所謂３媒質型の弾性境界波装置が注目されている。

３媒質型の弾性境界波装置は、圧電体からなる第１の媒質と、第１の媒質の上に形成されている第２の媒質と、第１の媒質と第２の媒質との間に形成されている第３の媒質とを備えている。第１の媒質と第３の媒質との間には、ＩＤＴ電極が形成されている。このＩＤＴ電極において発生する弾性波が第１の媒質と第３の媒質の境界付近を伝搬する弾性境界波となる。

ところで、弾性境界波装置の構成によっては、ＩＤＴ電極において、ＳＨ波やＳＶ波などの複数種類の弾性波が生じることがある。例えば、ＳＨ波の基本モードを利用した弾性境界波装置においては、ＳＨ波の基本モード以外のＳＶ波などの弾性波は、スプリアスとなる場合がある。このため、従来、利用する弾性波以外の弾性波に起因するスプリアスを抑圧する技術が種々提案されている。

例えば、下記の特許文献１には、スプリアスとなるストンリー波を抑制するために、圧電基板のカット角θ、ＩＤＴ電極の膜厚及び酸化ケイ素膜の膜厚を所定の範囲内とすることが記載されている。

特開２００７−２６７３６６号公報

しかしながら、上記特許文献１に記載の弾性境界波装置では、圧電基板のカット角θ、ＩＤＴ電極の膜厚及び酸化ケイ素膜の膜厚のうちのひとつが決定されると、その他の２つも自動的に決定されてしまう。このため、不要波を抑圧しようとすると、使用する弾性波の伝搬特性などが悪化してしまい、弾性境界波装置の性能が低下してしまう場合があった。

本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、その目的は、不要波が抑圧されており、高性能な弾性境界波装置を提供することにある。

本発明に係る弾性境界波装置は、第１の媒質と、第２の媒質と、第３の媒質と、吸音層と、ＩＤＴ電極とを備えている。第１の媒質は、圧電体からなる。第２の媒質は、第１の媒質の上に形成されている。第２の媒質は、窒化ケイ素からなる。第３の媒質は、第１の媒質と第２の媒質との間に形成されている。第３の媒質は、酸化ケイ素からなる。吸音層は、第２の媒質の上に形成されている。ＩＤＴ電極は、第１の媒質と第３の媒質との間に形成されている。第２の媒質の弾性境界波の波長により規格化された厚みをｈ２／λとし、第３の媒質の弾性境界波の波長により規格化された厚みをｈ３／λとしたときに、第２の媒質の波長規格化厚みｈ２／λが０．６０×（ｈ３／λ）^２−１．２４×（ｈ３／λ）＋０．９４よりも小さい。

本発明に係る弾性境界波装置のある特定の局面では、第３の媒質の波長規格化厚みｈ３／λは、０．２〜０．８の範囲内にある。第３の媒質の波長規格化厚みｈ３／λが０．２を下回ると、第１の媒質のバルク波音速に対して、弾性境界波の音速が速くなりすぎ、使用する弾性境界波が第１の媒質側に漏洩する場合がある。また、第３の媒質の波長規格化厚みｈ３／λが０．８より大きいと、使用する弾性境界波の高次モードに起因するスプリアスが生じる場合がある。

本発明に係る弾性境界波装置の別の特定の局面では、第２の媒質の波長規格化厚みｈ２／λが０．３３×(ｈ３／λ) ^２−０．６９×(ｈ３／λ)＋０．５５よりも大きい。この構成によれば、ＳＨ波を第３の媒質中により効果的に閉じ込めることができる。従って、弾性境界波装置をより高性能化することができる。

本発明に係る弾性境界波装置のさらに他の特定の局面では、吸音層は、樹脂組成物からなる。

本発明に係る弾性境界波装置のさらに別の特定の局面では、圧電体は、ＬｉＮｂＯ_３またはＬｉＴａＯ_３である。

本発明に係る弾性境界波装置の製造方法は、圧電体を用意する工程と、圧電体上にＩＤＴ電極を形成する工程と、圧電体の上にＩＤＴ電極を覆うように酸化ケイ素膜を形成する酸化ケイ素膜形成工程と、酸化ケイ素膜上に窒化ケイ素膜を形成する窒化ケイ素膜形成工程と、窒化ケイ素膜上に吸音層を形成する工程とを備える。本発明に係る弾性境界波装置の製造方法では、酸化ケイ素膜形成工程及び窒化ケイ素膜形成工程において、酸化ケイ素膜と窒化ケイ素膜とを、ＳＨ波が酸化ケイ素膜内に閉じ込められる弾性波となり、ＳＶ波が窒化ケイ素膜表面にエネルギー分布を有する弾性波となるように形成する。

本発明に係る弾性境界波装置の製造方法のある特定の局面では、酸化ケイ素膜形成工程及び窒化ケイ素膜形成工程において、酸化ケイ素膜と窒化ケイ素膜とを、窒化ケイ素膜の弾性境界波の波長により規格化された厚みをｈ２／λとし、酸化ケイ素膜の弾性境界波の波長により規格化された厚みをｈ３／λとしたときに、窒化ケイ素膜の波長規格化厚みｈ２／λが０．６０×（ｈ３／λ）^２−１．２４×（ｈ３／λ）＋０．９４よりも小さくなるように形成する。

本発明では、第２の媒質の波長規格化厚みｈ２／λが０．６０×（ｈ３／λ）^２−１．２４×（ｈ３／λ）＋０．９４よりも小さい。このため、ＳＶ波を、第２の媒質の表面にエネルギー分布を持つ弾性波とすることができる。よって、ＳＶ波が吸音層により吸音される。従って、ＳＶ波を抑圧することができる。また、ＳＶ波の抑圧を第２及び第３の媒質の厚みの設定のみで行うため、設計自由度が高い。このため、ＳＶ波の抑圧と、使用する弾性波の高い伝搬特性との両立を図ることが容易である。従って、本発明によれば、不要波が抑圧されており、高性能な弾性境界波装置を提供することができる。

本発明を実施した一実施形態に係る弾性境界波装置の略図的平面図である。 本発明を実施した一実施形態に係る弾性境界波装置の略図的断面図である。 第２の媒質の波長規格化厚みと、ＳＨ波およびＳＶ波各々について、第２の媒質の波長規格化膜厚が１．２の場合の音速に対する相対音速との関係を表すグラフである。 ＳＶ波が第２の媒質の表面にエネルギー分布を持つ弾性波となる条件を表すグラフである。 ＳＨ波が第２の媒質の表面にエネルギー分布を持たず、弾性境界波となる条件を表すグラフである。

以下、本発明を実施した好ましい形態について、図１及び図２に示す弾性境界波装置１を例に挙げて説明する。但し、弾性境界波装置１は、単なる例示である。本発明は、弾性境界波装置１に何ら限定されない。

図１は、本実施形態に係る弾性境界波装置の略図的平面図である。図２は、本実施形態に係る弾性境界波装置の一部の略図的断面図である。

図１に示す弾性境界波装置１は、弾性境界波共振子である。もっとも、本発明の弾性境界波装置は、弾性境界波共振子に限定されない。本発明の弾性境界波装置は、例えば、弾性境界波フィルタ装置であってもよい。

図２に示すように、弾性境界波装置１は、第１〜第３の媒質１１〜１３を備えている。第１の媒質１１は、圧電体からなる。第１の媒質１１を構成する圧電体の種類は特に限定されない。第１の媒質１１を構成する圧電体は、例えば、ＬｉＮｂＯ_３、ＬｉＴａＯ_３、水晶などであってもよい。

第２の媒質１２は、第１の媒質１１の上方に形成されている。第２の媒質１２は、ＳｉＮなどの窒化ケイ素からなる。

第３の媒質１３は、第１の媒質１１と第２の媒質１２との間に形成されている。第３の媒質１３は、ＳｉＯ_２などの酸化ケイ素からなる。

本実施形態においては、第２及び第３の媒質１２，１３は、ｈ２／λ＜０．６０×（ｈ３／λ）^２−１．２４×（ｈ３／λ）＋０．９４を満たすように形成されている。また、本実施形態では、第２及び第３の媒質１２，１３は、ｈ２／λ＞０．３３×(ｈ３／λ) ^２−０．６９×(ｈ３／λ)＋０．５５を満たすように形成されている。

但し、ｈ２／λは、ＩＤＴ電極１６のピッチで規定される弾性境界波の波長λで規格化された第２の媒質１２の波長規格化厚みである。ｈ３／λは、ＩＤＴ電極１６のピッチで規定される弾性境界波の波長λで規格化された第３の媒質１３の波長規格化厚みである。

第３の媒質１３の波長規格化厚みｈ３／λは、０．２〜０．８の範囲内にあることが好ましい。第３の媒質１３の波長規格化厚みｈ３／λが小さすぎると、第１の媒質１１のバルク波音速よりも、第１の媒質１１と第３の媒質１３の境界付近を伝搬する弾性境界波の音速が速くなりすぎ、弾性境界波が第１の媒質１１側に漏洩してしまう場合がある。また、第３の媒質１３の波長規格化厚みｈ３／λが大きすぎると、使用する弾性境界波（ＳＨ波の基本モード）の高次モードに起因するスプリアスが生じることがある。

図１及び図２に示すように、第１の媒質１１と第３の媒質１３との間には、ＩＤＴ電極１６と、ＩＤＴ電極１６の弾性波伝搬方向の両側に設けられている反射器１９ａ、１９ｂとが設けられている。ＩＤＴ電極１６は、互いに間挿し合う一対のくし歯電極１６ａ、１６ｂを有する。ＩＤＴ電極１６及び反射器１９ａ、１９ｂの材質は、導電性を有するものである限りにおいて特に限定されない。ＩＤＴ電極１６及び反射器１９ａ、１９ｂは、例えば、Ａｌ，Ａｇ，Ａｕ，Ｐｔ，Ｎｉ，Ｃｒ，Ｃｕなどの金属や、それらの金属を一種以上含む合金により形成することができる。また、ＩＤＴ電極１６及び反射器１９ａ、１９ｂは、例えば、複数の導電膜を有する導電膜積層体により構成されていてもよい。

図２に示すように、第２の媒質１２の上には、吸音層１４が形成されている。吸音層１４は、吸音層１４に到達した弾性波を吸音する層である。吸音層１４の材質は、吸音層１４に到達した弾性波を吸音可能なものである限りにおいて特に限定されない。吸音層１４は、例えば、エポキシ、ポリイミドなどの樹脂を含む樹脂組成物により形成することができる。

本実施形態の弾性境界波装置１は、ＳＨ波（基本モード）を弾性境界波として利用する装置である。弾性境界波装置１では、ＳＨ波（基本モード）以外のＳＶ波などの弾性波は、不要波とされている。このため、弾性境界波装置１の高性能化を図るためには、利用するＳＨ波を第３の媒質１３中に閉じ込める一方、不要波となるＳＶ波を第２の媒質１２側に漏洩させて、吸音層１４により吸音させる必要がある。

図３は、第３の媒質１３が波長規格化膜厚ｈ３／λ＝０．２のＳｉＯ_２膜である場合の、弾性境界波装置１における第２の媒質の波長規格化厚みと、ＳＨ波及びＳＶ波の弾性境界波の音速に対する相対音速との関係を表すグラフである。但し、図３に示すデータは、吸音層１４を設けていない場合のデータである。

本発明者は、図３に示すように、ＩＤＴ電極１６のピッチで定められる波長λで規格化された第２の媒質１２の波長規格化厚み（ｈ２／λ）が変化したときの、ＳＨ波及びＳＶ波の相対音速の挙動が異なることに着目した。具体的には、図３に示すように、ＳＨ波は、第２の媒質１２の波長規格化厚みｈ２／λが小さくなっても相対音速はそれほど変化しない。それに対して、ＳＶ波は、第２の媒質１２の波長規格化厚みｈ２／λが約０．６より小さくなると、相対音速が急激に低下する。第２の媒質１２の厚みが変化することによる相対音速の低下は、第２の媒質１２の表面にエネルギー分布を持たない境界波には起こりえず、第２の媒質１２の表面にエネルギー分布を持つ表面波に見られる性質である。すなわち、相対音速の低下は、弾性波のエネルギーが第２の媒質１２の表面に分布している、ということを意味する。

図３より、ＳＨ波は、第２の媒質１２の波長規格化厚みｈ２／λが小さくなっても、第２の媒質１２の表面１２ａにエネルギー分布を持つ弾性波となりにくいのに対して、ＳＶ波は、第２の媒質１２の波長規格化厚みｈ２／λが小さくなると、第２の媒質１２の表面１２ａにエネルギー分布を持つ弾性波となりやすいことが分かる。この結果から、本発明者は、第３の媒質１３の波長規格化厚みに対する第２の媒質１２の波長規格化厚みを所定以下とすることで、ＳＨ波を弾性境界波として第３の媒質１３内に閉じ込めつつ、不要波であるＳＶ波を、第２の媒質１２の表面１２ａにエネルギー分布を持つ弾性波とできることに想到した。すなわち、弾性境界波装置の特性を劣化させることなく、不要波を抑制することができる。

そして、本発明者は、第３の媒質１３の波長規格化厚みｈ３／λが０．２，０．３，０．４，０．５，０．６，０．７及び０．８であるときのそれぞれにおいて、ＳＶ波の相対音速が、第２の媒質の波長規格化膜厚が１．２の場合の音速に比べて０．０５％変化するときの第２の媒質１２の波長規格化厚みｈ２／λを求めた。その結果を図４に示す。

図４に示すように、ＳＶ波の相対音速が、第２の媒質の波長規格化膜厚が１．２の場合の音速に比べて０．０５％変化するときの第２の媒質１２の波長規格化厚みｈ２／λと第３の媒質１３の波長規格化厚みｈ３／λとの関係は、下記曲線Ｃ１により好適に近似された。

曲線Ｃ１：ｈ２／λ＝０．６０×（ｈ３／λ）^２−１．２４×（ｈ３／λ）＋０．９４

すなわち、図４において、下記曲線Ｃ１よりも第２の媒質１２の波長規格化厚みｈ２／λが大きい領域においては、ＳＶ波は、第２の媒質１２の表面１２ａにエネルギー分布を持たない弾性境界波となる。一方、図４において、下記曲線Ｃ１よりも第２の媒質１２の波長規格化厚みｈ２／λが小さい領域においては、ＳＶ波は、第２の媒質１２の表面１２ａにエネルギー分布を持つ。

従って、ｈ２／λ＜０．６０×（ｈ３／λ）^２−１．２４×（ｈ３／λ）＋０．９４が満たされるように、第２及び第３の媒質１２，１３が形成されている本実施形態の弾性境界波装置１では、不要波であるＳＶ波を第２の媒質１２の表面１２ａにまで漏洩させることができる。その結果、吸音層１４により吸音させることができる。従って、ＳＶ波に起因するスプリアスを抑圧することができる。

また、本実施形態では、第３の媒質１３の波長規格化膜厚ｈ３／λに対する第２の媒質１２の波長規格化膜厚ｈ２／λが所定以下であることのみによりＳＶ波を抑圧できるため、設計自由度が高い。従って、不要波の抑圧と、高性能化との両立を容易に図ることができる。

また、本発明者は、第３の媒質１３の波長規格化厚みｈ３／λが０．２、０．３、０．４、０．５、０．６、０．７および０．８であるときのそれぞれにおいて、ＳＨ波の相対音速が、第２の媒質の波長規格化膜厚が１．２の場合の音速に比べて０．０５％変化するときの第２の媒質１２の波長規格化厚みｈ２／λを求めた。その結果を図５に示す。

図５に示すように、ＳＨ波の相対音速が、第２の媒質の波長規格化膜厚が１．２の場合の音速に比べて０．０５％変化するときの第２の媒質１２の波長規格化厚みｈ２／λと第３の媒質１３の波長規格化厚みｈ３／λとの関係は、下記曲線Ｃ２により好適に近似された。

曲線Ｃ２：ｈ２／λ＝０．３３×(ｈ３／λ) ^２−０．６９×(ｈ３／λ)＋０．５５

すなわち、図５において、下記曲線Ｃ２よりも第２の媒質１２の波長規格化厚みｈ２／λが大きい領域においては、ＳＨ波は、第２の媒質１２の表面１２ａにエネルギー分布を持たない弾性境界波となる。一方、図５において、下記曲線Ｃ２よりも第２の媒質１２の波長規格化厚みｈ２／λが小さい領域においては、ＳＨ波は、第２の媒質１２の表面１２ａにエネルギー分布を持つ。

従って、ｈ２／λ＞０．３３×(ｈ３／λ) ^２−０．６９×(ｈ３／λ)＋０．５５が満たされるように、第２及び第３の媒質１２，１３が形成されている本実施形態の弾性境界波装置１では、利用する弾性波であるＳＨ波を第３の媒質１３中に効果的に閉じ込めることができる。従って、より高性能な弾性境界波装置１を実現することができる。

このように、本実施形態では、ｈ２／λ＜０．６０×（ｈ３／λ）^２−１．２４×（ｈ３／λ）＋０．９４及びｈ２／λ＞０．３３×(ｈ３／λ) ^２−０．６９×(ｈ３／λ)＋０．５５の両方が満たされるように第２及び第３の媒質１２，１３が形成されている。このため、ＳＶ波に起因するスプリアスが抑圧されており、高性能な弾性境界波装置１を実現することができる。

なお、本実施形態の弾性境界波装置１は、例えば、以下のような方法で製造することができる。まず、第１の媒質１１を構成する圧電体を用意する。次に、圧電体上にＩＤＴ電極１６を形成する。ＩＤＴ電極１６の形成方法は特に限定されず、例えば、スパッタリング法やＣＶＤ法などの気相成長法と、フォトリソグラフィー法などのパターニング方法とを組み合わせることによりＩＤＴ電極１６を形成することができる。

次に、圧電体の上に、ＩＤＴ電極１６を覆うように、第３の媒質１３を構成する酸化ケイ素膜を形成し（酸化ケイ素膜形成工程）、さらに、酸化ケイ素膜の上に、第２の媒質１２を構成する窒化ケイ素膜を形成する（窒化ケイ素膜形成工程）。酸化ケイ素膜及び窒化ケイ素膜の形成方法は特に限定されない。酸化ケイ素膜及び窒化ケイ素膜は、例えば、スパッタリング法やＣＶＤ法などの気相成長法等により形成することができる。

最後に、窒化ケイ素膜の上に、吸音層１４を形成ことにより、弾性境界波装置１を完成させることができる。なお、吸音層１４の形成は、例えば、塗布法により行うことができる。

ここで、ＳＨ波が酸化ケイ素膜に閉じ込められる弾性波となり、ＳＶ波が窒化ケイ素膜の表面にエネルギー分布を有する弾性波となるように、窒化ケイ素膜と酸化ケイ素膜とを形成する。

具体的には、上記酸化ケイ素膜形成工程と窒化ケイ素膜形成工程とにおいて、ｈ２／λ＜０．６０×（ｈ３／λ）^２−１．２４×（ｈ３／λ）＋０．９４及びｈ２／λ＞０．３３×(ｈ３／λ)^２−０．６９×(ｈ３／λ)＋０．５５の両方が満たされるように酸化ケイ素膜と窒化ケイ素膜とを形成する。従って、上述の通り、ＳＶ波に起因するスプリアスが抑圧されており、高性能な弾性境界波装置１を製造することができる。

１…弾性境界波装置
１１…第１の媒質
１２…第２の媒質
１２ａ…第２の媒質の表面
１３…第３の媒質
１４…吸音層
１６…ＩＤＴ電極
１６ａ、１６ｂ…くし歯電極
１９ａ、１９ｂ…反射器

Claims (7)

1. 圧電体からなる第１の媒質と、
   前記第１の媒質の上に形成されており、窒化ケイ素からなる第２の媒質と、
   前記第１の媒質と前記第２の媒質との間に形成されており、酸化ケイ素からなる第３の媒質と、
   前記第２の媒質の上に形成されている吸音層と、
   前記第１の媒質と前記第３の媒質との間に形成されているＩＤＴ電極とを備える弾性境界波装置であって、
   前記第２の媒質の弾性境界波の波長により規格化された厚みをｈ２／λとし、前記第３の媒質の弾性境界波の波長により規格化された厚みをｈ３／λとしたときに、前記第２の媒質の波長規格化厚みｈ２／λが０．６０×（ｈ３／λ）^２−１．２４×（ｈ３／λ）＋０．９４よりも小さい、弾性境界波装置。
2. 前記第３の媒質の波長規格化厚みｈ３／λが０．２〜０．８の範囲内にある、請求項１に記載の弾性境界波装置。
3. 前記第２の媒質の波長規格化厚みｈ２／λが０．３３×(ｈ３／λ) ^２−０．６９×(ｈ３／λ)＋０．５５よりも大きい、請求項１または２に記載の弾性境界波装置。
4. 前記吸音層は、樹脂組成物からなる、請求項１〜３のいずれか一項に記載の弾性境界波装置。
5. 前記圧電体は、ＬｉＮｂＯ_３またはＬｉＴａＯ_３である、請求項１〜４のいずれか一項に記載の弾性境界波装置。
6. 圧電体を用意する工程と、
   前記圧電体上にＩＤＴ電極を形成する工程と、
   前記圧電体の上に前記ＩＤＴ電極を覆うように酸化ケイ素膜を形成する酸化ケイ素膜形成工程と、
   前記酸化ケイ素膜上に窒化ケイ素膜を形成する窒化ケイ素膜形成工程と、
   前記窒化ケイ素膜上に吸音層を形成する工程とを備え、
   前記酸化ケイ素膜形成工程及び前記窒化ケイ素膜形成工程において、前記酸化ケイ素膜と前記窒化ケイ素膜とを、ＳＨ波が前記酸化ケイ素膜内に閉じ込められる弾性波となり、ＳＶ波が前記窒化ケイ素膜表面にエネルギー分布を有する弾性波となるように形成する、弾性境界波装置の製造方法。
7. 前記酸化ケイ素膜形成工程及び前記窒化ケイ素膜形成工程において、前記酸化ケイ素膜と前記窒化ケイ素膜とを、前記窒化ケイ素膜の弾性境界波の波長により規格化された厚みをｈ２／λとし、前記酸化ケイ素膜の弾性境界波の波長により規格化された厚みをｈ３／λとしたときに、前記窒化ケイ素膜の波長規格化厚みｈ２／λが０．６０×（ｈ３／λ）^２−１．２４×（ｈ３／λ）＋０．９４よりも小さくなるように形成する、請求項６に記載の弾性境界波装置の製造方法。
   

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