JP2013240105A - 弾性表面波装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】電気機械結合係数を高めることができ、帯域フィルタとして用いた場合、通過帯域内最大挿入損失を小さくすることができる、弾性表面波装置を提供する。
【解決手段】圧電基板2上に電極3及び誘電体層10が積層されており、電極3が、AgまたはCuからなる第1の電極膜3aと、Alからなる第2の電極膜3bとを有し、第1の電極膜3aの規格化膜厚h/λがAgの場合には0.01以上、0.03以下、Al膜の規格化膜厚h/λが0.06以上、0.17以下であり、誘電体層10の規格化膜厚h/λが0.2未満とされている、弾性表面波装置。
【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表面波装置に関し、より詳細には、圧電基板上にIDT電極及び誘電体膜が形成されている弾性表面波装置に関する。
従来、通信機器の共振子や帯域フィルタとして弾性表面波装置が広く用いられている。
例えば、下記の特許文献1には、圧電基板上にIDT電極及びSiOからなる誘電体膜を積層してなる弾性表面波装置が開示されている。ここでは、SiO膜をIDT電極を覆うように形成することにより、周波数温度係数TCFの絶対値を小さくして温度特性を改善することができるとされている。また、IDT電極が種々の金属膜を積層した構造を有しているので、各金属膜の膜厚を特定の範囲とすることにより、表面波の反射強度を調整することができるとされている。なお、SiOからなる誘電体膜の膜厚は、弾性表面波の波長λの20〜40%程度とされている。
特表2008−522514号公報
しかしながら、特許文献1に記載の弾性表面波装置では、挿入損失が小さくないため、より一層挿入損失を小さくすることが求められている。また、誘電体膜の厚みが、波長の20%〜40%程度と比較的厚い。従って、電気機械結合係数がさほど大きくなく、帯域フィルタとして用いた場合、広帯域化を図ることが困難であった。
本発明の目的は、上述した従来技術の欠点を解消し、挿入損失を充分小さくすることができる、弾性表面波装置を提供することにある。
本願の第1の発明に係る弾性表面波装置は、圧電基板と、前記圧電基板上に形成されており、Ag膜と、Ag膜上に積層されたAl膜とを有するIDT電極と、前記圧電基板上において前記IDT電極を覆うように設けられた誘電体層とを備える。ここでは、弾性表面波の波長をλとしたときに、前記Al膜の規格化膜厚h/λが0.06≦h/λ≦0.17であり、前記Ag膜の規格化膜厚h/λが0.01≦h/λ≦0.03であり、前記誘電体層の規格化膜厚h/λが前記IDT電極の規格化膜厚≦h/λ<0.2とされている。好ましくは、誘電体層の規格化膜厚h/λは、前記IDT電極の規格化膜厚≦h/λ<0.16とされている。
本願の第2の発明に係る弾性表面波装置は、圧電基板と、前記圧電基板上に形成されており、Cu膜と、Cu膜上に積層されたAl膜とを有するIDT電極と、前記圧電基板上において前記IDT電極を覆うように設けられた誘電体層とを備える。ここでは、弾性表面波の波長をλとしたときに、前記Al膜の規格化膜厚h/λが0.06≦h/λ≦0.164であり、前記Cu膜の規格化膜厚h/λが0.012≦h/λ≦0.036であり、前記誘電体層の規格化膜厚h/λが前記IDT電極の規格化膜厚≦h/λ<0.2とされている。好ましくは、誘電体層の規格化膜厚h/λは、前記IDT電極の規格化膜厚≦h/λ<0.16とされている。
第1,第2の発明に係る弾性表面波装置では、好ましくは、圧電基板がLiTaOからなり、誘電体層が酸化珪素からなる。その場合には、周波数温度係数の絶対値を小さくすることができ、温度特性を改善することができる。
LiTaOのカット角は36°〜49°の範囲にある。そのため、伝搬損失をより一層小さくすることができ、例えば帯域フィルタとして用いた場合フィルタ特性をより一層改善することができる。
第1の発明に係る弾性表面波装置では、上記特定の膜厚のAg膜と、上記特定の膜厚のAl膜とを積層してなるIDT電極が形成されている。さらに、誘電体層の規格化膜厚が上記特定の範囲とされている。このため、電気機械結合係数kを充分大きくすることができ、例えば帯域フィルタとして用いた場合、フィルタ特性の改善、特に広帯域化を図ることができる。加えて、挿入損失を充分に小さくすることができ、かつIDT電極の反射係数を高めることができる。
第2の発明に係る弾性表面波装置では、上記特定の膜厚のCu膜と、上記特定の膜厚のAl膜とを積層してなるIDT電極が形成されている。さらに、誘電体層の規格化膜厚が上記特定の範囲とされている。このため、電気機械結合係数kを充分大きくすることができ、例えば帯域フィルタとして用いた場合、フィルタ特性の改善、特に広帯域化を図ることができる。加えて、挿入損失を充分に小さくすることができ、かつIDT電極の反射係数を高めることができる。
図1は、本発明の第1の実施形態に係る弾性表面波装置の電極構造を示す模式的断面図である。 図2は、本発明の第1の実施形態の弾性表面波装置において、誘電体膜を取り除き、下方の電極構造を模式的に示す平面図である。 図3は、本発明の一実施形態の弾性表面波装置の減衰特性を示す図である。 図4は、本発明の第1の実施形態についての実験例において、Al膜の規格化膜厚h/λ(%)を変化させた場合の減衰特性の変化を示す図である。 図5は、本発明の第1の実施形態において、IDT電極を構成しているAl膜の規格化膜厚h/λ(%)を変化させた場合の通過帯域内の最大挿入損失の変化を示す図である。 図6は、本発明の第2の実施形態の弾性表面波装置において、IDT電極を構成しているPtの規格化膜厚h/λ(%)を変化させた場合の減衰特性の変化を示す図である。 図7は、本発明の第2の実施形態において、IDT電極を構成しているPt膜の規格化膜厚h/λ(%)を変化させた場合の通過帯域内の最大挿入損失の変化を示す図である。 図8は、本発明の第2の実施形態において、IDT電極を構成しているPt膜の規格化膜厚h/λ(%)を変化させた場合の反射係数の変化を示す図である。 図9は、本発明の第3の実施形態の弾性表面波装置において、SiOの規格化膜厚を変化させた場合の弾性表面波装置の減衰特性の変化を示す図である。 図10は、本発明の第3の実施形態において、SiOの規格化膜厚h/λ(%)を変化させた場合の電気機械結合係数k%及び周波数温度係数TCFの変化を示す図である。 図11は、本発明の第3の実施形態の弾性表面波装置において、LiTaOのカット角を変化させた場合の集中度及び通過帯域内最大挿入損失の変化を示す図である。 図12は、本発明の第3の実施形態の弾性表面波装置において、LiTaOのカット角を変化させた場合の減衰特性の変化を示す図である。 図13は、図11及び図12に示した特性を得るのに用いた弾性表面波装置の電極構造を示す模式的平面図である。 図14は、図16に示す1ポート型弾性表面波共振子における、LiTaO基板のカット角と、弾性表面波の集中度及び通過帯域内最大挿入損失との関係を示す図である。 図15は、図16に示した1ポート型弾性表面波共振子における、LiTaO基板のカット角を変化させた場合のインピーダンス特性の変化を示す図である。 図16は、図14及び図15に示した特性を得るのに用いた1ポート型弾性表面波共振子の電極構造を示す模式的平面図である。
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は、本発明の一実施形態に係る弾性表面波装置の模式的断面図であり、図2は、その電極構造を示す模式的平面図である。
図1に示すように、本実施形態の弾性表面波装置1は、圧電基板2を有する。本実施形態では、圧電基板2は、44.5°Y−XのLiTaO基板からなる。圧電基板2上には電極3が形成されている。電極3として、図2に示す電極構造が形成されている。すなわち、弾性表面波伝搬方向に順に第1〜第3のIDT電極4,5,6が設けられている。各IDT電極4,5または6は、互いに間挿し合う電極指を有する。IDT電極4〜6が設けられている領域の弾性表面波伝搬方向両側に反射器7,8が形成されている。それによって、3IDT型の縦結合共振子型の弾性表面波フィルタが構成されている。
図1では、上記電極構造のうちIDT電極5の1本の電極指がその断面構造を示すために、電極3の代表として示されている。
電極3は、Pt膜3aとAl膜3bとを圧電基板側からこの順序で積層した積層金属膜からなる。IDT電極5のピッチで定まる波長をλとしたときに、Pt膜3aの規格化膜厚h/λは0.01とされており、Al膜3bの規格化膜厚h/λは0.07とされている。
また、必ずしも必須ではないが、電極3と圧電基板2との界面に、電極3が設けられている領域の下方には、密着層9が形成されている。密着層9はTiからなり、その規格化膜厚h/λは0.005とされている。密着層9は、電極3を圧電基板2に対して強固に密着させるために設けられている。密着層9は必ずしも設けられずともよい。密着層9は、電極3よりも圧電基板2に対して密着性を高め得る適宜の材料、例えばTi、Ni、NiCr、Cr、Cuなどにより形成することができる。なお、後述する変形例のように、Cu膜が下方に位置する電極3を用いた場合には、密着層9はCu以外の材料により形成すればよい。
また、Pt膜3aを下方の電極層として用いているが、Au、Ag、Cu、Ta、WまたはMoなどの他の金属あるいはこれらの金属を主体とする合金を用いてもよい。
また、電極3を覆うように、誘電体層10が形成されている。誘電体層10は、本実施形態では、SiOからなる。IDT電極5のピッチで定まる波長をλとしたときに、誘電体層10であるSiO膜の規格化膜厚h/λは0.12とされている。もっとも、SiO以外の酸化珪素を用いてもよく、また酸化珪素以外に、SiOなどを用いてもよい。SiOのx及びyは整数である。
なお、必須ではないが、IDT電極4とIDT電極5とが隣り合っている部分及びIDT電極5とIDT電極6とが隣り合っている部分において、IDT電極4,5,6の端部の複数本の電極指のピッチが、残りの電極指のピッチよりも相対的に狭くされている。このような相対的にピッチが狭い電極指部は、狭ピッチ電極指部Nと称されているものである。図2において、狭ピッチ電極指部Nは必ずしも設けられずともよい。
本実施形態の弾性表面波装置1の特徴は、IDT電極4〜6及び反射器7,8を含む電極構造において、電極3に代表して示すように、上記Pt膜3aとAl膜3bの積層構造を用いたこと、上記Pt膜3aの規格化膜厚及びAl膜3bの規格化膜厚並びに誘電体層10の規格化膜厚が上記特定の値とされていることにある。それによって、挿入損失を十分に小さくして、さらに、電気機械結合係数kを十分大きくすることができる。これを、具体的な実験例に基づき説明する。
図3は、上記弾性表面波装置1の減衰特性を示す図である。図3に示した特性は、IDT電極4〜6及び反射器7,8を下記の表1に示すように設計した場合の特性である。
Figure 2013240105
図3から明らかなように、通過帯域における最大挿入損失が約1.4dBであり、通過帯域内における挿入損失を小さくし得ることがわかる。なお、周波数温度係数TCFは約−26ppm/℃であり、一般的なLiTaO基板上にIDT電極を形成した弾性表面波装置におけるTCFの値約−35ppm/℃に比べてTCFの絶対値を小さくすることができる。
上記のように、通過帯域内における挿入損失を小さくし得るのは、上記電極3のPt膜3a及びAl膜3bの規格化膜厚及び誘電体層10の規格化膜厚を上記特定の値としたことによる。これを具体的な実験例に基づき説明する。
図4は、上記実施形態と同様にして、但しAl膜3bの規格化膜厚h/λを0.015、0.030、0.045、0.060、0.075、0.085または0.100とした場合の各弾性表面波装置の減衰特性を示す図である。また、図5は、Al膜3bの規格化膜厚h/λが上記それぞれの値の場合の弾性表面波装置における通過帯域内最大挿入損失とAl膜の規格化膜厚h/λとの関係を示す図である。図5のA1〜A7は図4中のA1〜A7に対応する。
図4及び図5から明らかなように、Al膜3bの規格化膜厚h/λが小さくなるにつれて、通過帯域内の最大挿入損失が大きくなっていくことがわかる。これは、IDT電極の電極指抵抗が大きくなっていくためと考えられる。特に、Al膜3bの規格化膜厚h/λが0.06よりも小さくなると、通過帯域内の最大挿入損失が著しく悪化し、かつAl膜の膜厚の変化に対し、最大挿入損失が悪化する度合いが大きくなることがわかる。従って、Al膜3bの規格化膜厚h/λは、良好なフィルタ特性を得るためには、0.06以上であることが必要であることがわかる。
図6は、上記実施形態の弾性表面波装置と同様にして構成されており、但しPt膜3aの規格化膜厚h/λを、0.005、0.010、0.015または0.020とした場合の弾性表面波装置の減衰特性を示す図であり、図7はPt膜3aの規格化膜厚h/λと通過帯域内に最大挿入損失との関係を示す図である。また、図8は、Pt膜の規格化膜厚h/λと反射係数との関係を示す図である。なお、図7及び図8中のB1〜B4は図6中のB1〜B4に対応している。
図6及び図7から明らかなように、Pt膜3aの規格化膜厚h/λが厚くなると、通過帯域内最大挿入損失が大きくなることがわかる。これは、弾性表面波の音速が低下し、それによって通過帯域内最大挿入損失が悪化することによると考えられる。特に、Pt膜3aの規格化膜厚h/λが0.015より大きくなると、通過帯域内最大挿入損失が著しく悪くなる。従って、良好なフィルタ特性を得るには、Pt膜3aの規格化膜厚h/λは0.015以下であることが必要である。
他方、図8から明らかなように、Pt膜3aの規格化膜厚h/λが薄くなると、反射係数が低下することがわかる。縦結合共振子型弾性表面波フィルタを帯域フィルタとして用いる場合、電極指の反射係数は0.04よりも大きいことが求められる。従って、図8から明らかなように、Pt膜の規格化膜厚h/λを0.005以上とすれば、反射係数を十分に大きくし得ることがわかる。よって、良好なフィルタ特性を得るには、Pt膜3aの規格化膜厚は0.005≦h/λ≦0.015の範囲とすればよいことがわかる。
図9は、上記実施形態と同様にして、但しSiOからなる誘電体層10の規格化膜厚h/λを0.11、0.16、0.20、0.25、0.30または0.35とした場合の弾性表面波装置の減衰特性を示す。また、図10は、上記のようにSiO膜を変化させた場合のSiO膜の規格化膜厚h/λと電気機械結合係数k及び周波数温度係数TCFとの関係を示す図である。図10のC1〜C6は、それぞれ図9中のC1〜C6に対応している。
図9から明らかなように、SiO膜の規格化膜厚h/λを変化させることにより、特に規格化膜厚h/λを厚くすると、弾性表面波装置の通過帯域は低域側にシフトし、かつ帯域幅は若干狭くなっていくことがわかる。これは、図10に示すように、SiO膜の規格化膜厚が厚くなると、電気機械結合係数kが低くなることによる。また、図10から明らかなように、SiO膜の規格化膜厚h/λが0.20を超えると、電気機械結合係数が低下する度合いが若干高くなることがわかる。従って、十分大きな電気機械結合係数を得、帯域幅を十分な広さとするには、SiO膜の規格化膜厚h/λを0.20以下とし、それによって電気機械結合係数kを6.9%以上とすることが必要である。
他方、SiO膜の規格化膜厚h/λが薄くなると、周波数温度係数TCFの絶対値が大きくなることがわかる。これは、SiO膜の周波数温度係数TCFは正の値であり、LiTaOの周波数温度係数TCFが負の値であるため、SiO膜を積層したことによりTCFの絶対値を小さくする効果が、SiO膜の規格化膜厚h/λが薄くなることにより低下することによる。従って、求められる温度特性に応じて、SiO膜の膜厚を選択することが望ましいが、SiO膜を誘電体層10として積層することにより、SiO膜を有しない弾性表面波装置に比べて、周波数温度係数TCFの絶対値を小さくすることができる。すなわち、温度特性を改善することができる。
また、SiO膜の膜厚が、IDT電極4〜6の膜厚よりも薄くなると、SiO膜の上面に、下方にIDT電極が設けられている部分と設けられていない部分との間で段差が生じる。そのため、損失が増大したり、周波数温度特性が劣化するおそれがある。従って、SiO膜の膜厚は、IDT電極の膜厚よりは厚くする必要がある。上記に述べたとおり、SiO膜の規格化膜厚が0.2以下とした場合、Ptの規格化膜厚が0.015以下であることから、Alの規格化膜厚は0.185以下とする必要がある。
図4〜図10から明らかなように、電極3がPt膜3aとAl膜3bとからなる場合、Al膜3bの規格化膜厚は0.06以上、0.185以下であることが必要である。さらに、Pt膜3aの規格化膜厚は0.005以上、0.015以下であり、SiO膜からなる誘電体層10の規格化膜厚h/λは、0.20以下とすることにより、良好なフィルタ特性及び周波数温度特性を得られることがわかる。
図11は、図13に示す電極構造を有する弾性表面波装置において、LiTaO基板のカット角を変化させた場合のカット角と弾性表面波の集中度及び通過帯域内最大挿入損失との関係を示す図である。また図12は、LiTaO基板のカット角を変化させた場合の弾性表面波装置の減衰特性を示す図である。図13の電極構造において、弾性表面波共振子R1〜R3は1ポート型の弾性波共振子である。また、弾性表面波フィルタF1,F2では、それぞれ弾性表面波伝搬方向に順に第1〜第3のIDT電極が設けられている。第1〜第3のIDT電極が設けられている領域の弾性表面波伝搬方向両側に反射器が形成されている。それによって、3IDT型の縦結合共振子型の弾性表面波フィルタが構成されている。また、第1〜第3のIDT電極ではIDT電極同士が隣り合っている部分において、端部の複数本の電極指のピッチが残りの電極指のピッチよりも相対的に狭くされている、狭ピッチ電極指部N1、N21、N23、N3が設けられている。図13に示す弾性表面波装置は、入力ポートと出力ポート間において、入力ポートに弾性表面波共振子R1が直列に接続され、これに弾性表面波フィルタF1,F2がそれぞれ並列に接続されている。さらに弾性表面波フィルタF1と出力ポート間との接続点、および弾性表面波フィルタF2ともう一方の出力ポート間との接続点と、グラウンドとの間には、弾性表面波共振子R2および弾性表面波共振子R3が、それぞれ接続されている。これにより、不平衡―平衡変換機能を有する弾性表面波フィルタが構成されている。なお、図13の構造の設計パラメータは以下の通りである。
Figure 2013240105
Figure 2013240105
Figure 2013240105
図11と図12から明らかなように、カット角が42°付近において通過帯域内最大挿入損失が最も小さくなり、42°よりも小さくなるほど、また42°よりも大きくなるほど、通過帯域内最大挿入損失が大きくなっている。また、弾性表面波の集中度は、カット角が42°付近で最も高く、42°から遠ざかるにつれて集中度が低下していることがわかる。
図11から、良好なフィルタ特性を得るには、すなわち通過帯域内最大挿入損失を1.8dB以下とするには、カット角は36°〜49°の範囲とすればよいことがわかる。従って、本発明においては、好ましくは、LiTaO基板を圧電基板として用いる場合、カット角は36°〜49°の範囲とすることが望ましいことがわかる。
図14は、図16に示す電極構造を有する1ポート型弾性表面波共振子R4において、LiTaO基板のカット角を変化させた場合のカット角と弾性表面波の集中度及び通過帯域内最大挿入損失との関係を示す図である。また図15は、LiTaO基板のカット角を変化させた場合の弾性表面波共振子のインピーダンス特性を示す図である。図16に示す構造の設計パラメータは以下の通りである。
Figure 2013240105
図14と図15から明らかなように、カット角が44.5°付近においてインピーダンス特性が最もよくなり、44.5°よりも小さくなるほど、また44.5°よりも大きくなるほど、インピーダンス特性が劣化している。また、弾性表面波の集中度は、カット角が42°付近で最も高く、42°から遠ざかるにつれて集中度が低下していることがわかる。
よって、図14及び図15から、良好なインピーダンス特性を得るには、すなわちインピーダンス特性を57dB以上とするには、カット角は38°〜49°の範囲とすればよいことがわかる。従って、本発明における弾性表面波装置として1ポート共振子を用いる場合、LiTaO基板を圧電基板としたとき、カット角は38°〜49°の範囲とすることが望ましいことがわかる。
また、電極3にAu膜、Ag膜およびCu膜のいずれかを用いた場合においても、Pt膜の電極密度に比例するようにAu膜厚、Ag膜厚およびCu膜厚を調整すれば、本発明の効果は得られる。
具体的には、Ptの密度が21.45kg/m、Auの密度が19.32kg/mであるため、Ptの規格化膜厚の範囲0.005≦h/λ≦0.015に相当するAuの規格化膜厚範囲は0.0056≦h/λ≦0.017となる。
同様に、Agの密度が10.5kg/mであるため、Agの規格化膜厚範囲は0.01≦h/λ≦0.03となり、Cuの密度が8.96kg/mであるため、Cuの規格化膜厚範囲は0.012≦h/λ≦0.036となる。
なお、上記実施形態では、3IDT型の縦結合共振子型弾性表面波フィルタや1ポート型弾性表面波共振子につき説明したが、5IDT型の縦結合共振子型弾性表面波フィルタや、縦結合共振子型弾性表面波フィルタに直列に弾性表面波共振子を接続した構造であってもよい。また、上記1ポート型弾性波共振子を用いたラダー型フィルタであってもよい。
1…弾性表面波装置
2…圧電基板
3…電極
3a…Pt膜
3b…Al膜
4〜6…第1〜第3のIDT電極
7,8…反射器
9…密着層
10…誘電体層

Claims (5)

  1. LiTaOからなりカット角が36°〜49°の範囲にある圧電基板と、
    前記圧電基板上に形成されており、Ag膜と、Ag膜上に積層されたAl膜とを有する
    IDT電極と、
    前記圧電基板上において前記IDT電極を覆うように設けられた誘電体層とを備え、
    弾性表面波の波長をλとしたときに、前記Al膜の規格化膜厚h/λが0.06≦h/λ≦0.17であり、前記Ag膜の規格化膜厚h/λが0.01≦h/λ≦0.03であり、前記誘電体層の規格化膜厚h/λが前記IDT電極の規格化膜厚≦h/λ<0.2とされている、弾性表面波装置。
  2. 前記誘電体層の規格化膜厚h/λが前記IDT電極の規格化膜厚≦h/λ<0.16とされている、請求項1に記載の弾性表面波装置。
  3. LiTaOからなりカット角が36°〜49°の範囲にある圧電基板と、
    前記圧電基板上に形成されており、Cu膜と、Cu膜上に積層されたAl膜とを有する
    IDT電極と、
    前記圧電基板上において前記IDT電極を覆うように設けられた誘電体層とを備え、
    弾性表面波の波長をλとしたときに、前記Al膜の規格化膜厚h/λが0.06≦h/λ≦0.164であり、前記Cu膜の規格化膜厚h/λが0.012≦h/λ≦0.036であり、前記誘電体層の規格化膜厚h/λが前記IDT電極の規格化膜厚≦h/λ<0.2とされている、弾性表面波装置。
  4. 前記誘電体層の規格化膜厚h/λが前記IDT電極の規格化膜厚≦h/λ<0.16とされている、請求項3に記載の弾性表面波装置。
  5. 前記圧電基板がLiTaOからなり、前記誘電体層が酸化珪素からなる、請求項1〜4のいずれか1項に記載の弾性表面波装置。
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