JP2020205574A - 弾性波素子およびその製造方法 - Google Patents

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山之内 和彦
Kazuhiko Yamanouchi
和彦 山之内
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Abstract

【課題】小型化が可能で、比較的容易に作製することができ、有害物質を用いることなく実用化可能で、弾性表面波の伝搬損失を抑えることができ、周波数温度特性および速度分散特性に優れ、すだれ状電極の反射係数の増加を抑制可能な、弾性波素子およびその製造方法を提供する。【解決手段】圧電基板11の両面に設けられた1対の電極12と、圧電基板11の一方の表面11aに、電極12を覆うよう設けられた誘電体膜13とを有している。あるいは、圧電基板11の一方の表面11aに設けられたすだれ状電極31と、すだれ状電極31の上、すだれ状電極31の隙間、および/または、圧電基板11の他方の表面11bに設けられた誘電体膜13とを有している。誘電体膜13は、誘電体を伝搬する横波の音速が、圧電基板11を伝搬する遅い横波の音速の2/3倍以下であり、かつ誘電体の線膨張係数の最大値が、基板の線膨張係数の最大値の5/6以下である。【選択図】図1

Description

本発明は、弾性波素子およびその製造方法に関する。
従来の薄膜を用いた弾性表面波素子として、圧電基板の裏面に、音響インピーダンスの異なる薄膜層を配置することにより、圧電基板の厚み方向に漏洩する弾性表面波を反射させて、Q値(尖鋭度)の劣化を抑制するものがある(例えば、特許文献1参照)。また、保護膜として、圧電基板表面に、圧電基板とほぼ同じ横波速度を有する、SiO膜などの誘電体薄膜を設け、表面波素子の表面を保護するものもある(例えば、特許文献2参照)。
また、疑似弾性表面波が伝搬する圧電基板の表面に、すだれ状電極(インターデジタルトランスジューサ、IDT)として、圧電基板よりも遅い横波速度を有するAu薄膜を用いた弾性表面波素子も、本発明者により開発されている(例えば、非特許文献1参照)。また、弾性表面波が伝搬する基板上に設けられたすだれ状電極の導体電極上あるいは導体電極間に、グレーティング構造からなり、弾性表面波の伝搬速度が1000m/s以下の超低速薄膜、あるいは、TeO薄膜を付着させて、反射係数を変化させた弾性表面波素子も、本発明者により開発されている(例えば、特許文献3参照)。また、圧電基板上に配置されたすだれ状電極上に、質量付加効果の大きな誘電体膜を付着させた弾性波素子が提案されている(例えば、特許文献4参照)。また、回転Y−X伝搬のLiNbO基板に、Agなどの金属膜、或いはゲルマニュウム酸ビスマスなどの伝搬速度の遅い薄膜を付着させた構造の基板が提案されている。(例えば、特許文献5参照)。
従来、周波数温度特性(Temperature Coefficient of Frequency; TCF)の良好な圧電基板を用いた振動子や共振器として、水晶振動子が一般的に用いられている。しかし、水晶は、電気機械結合係数が小さく、広帯域のフィルタや、広い周波数範囲を必要とする可変周波数発信器などには使用することができない。また、電気機械結合係数の大きなLiNbO3やLiTaO3などの圧電体単結晶は、周波数温度特性が大きいため実用的ではない。そこで、この大きな温度特性を補償するために、正の周波数温度特性を有する大きな膜厚比(H/λeff、ここで、λeffは動作波長、Hは膜厚)のSiO2膜を、圧電基板上に付着させた弾性表面波基板が、本発明者により開発されている(例えば、特許文献6参照)。また、圧電薄膜を用いた薄膜共振器でも、ゼロTCFを得るために、SiO2薄膜を付着した基板が開発されている。また、128°回転YカットX伝搬の弾性表面波基板の伝搬路上に、正の周波数温度特性を有するTeO薄膜を付着させることにより、遅延時間温度特性を改善した弾性表面波デバイスが開発されている(例えば、非特許文献2参照)。
特開2007−228011号公報 特開2011−130513号公報 特開2007−295504号公報 国際公開WO2012/102131号 特開昭59−156013号公報 特開2006−203839号公報
しかしながら、特許文献1に記載の弾性波素子は、薄膜層として、圧電体基板の縦波速度の3倍以上のダイヤモンド薄膜を基板裏面に用いているため、圧電体基板の厚さを制御するのが困難であり、弾性表面波の伝搬損失が小さくならない、スプリアス特性が悪いという課題があった。また、特許文献2に記載の弾性波素子は、誘電体薄膜から成る保護膜の横波速度が、圧電基板の横波速度とほぼ同じであるため、保護膜が弾性波エネルギーを表面に集中させる膜ではない、周波数温度特性の改善を目的とした膜ではない、という課題があった。
また、非特許文献1に記載の弾性表面波素子は、−10°〜50°回転YカットX伝搬のLiTaO基板上に、厚い膜厚のAu膜を用いて、疑似弾性表面波を、基板の遅い横波速度より遅い速度で伝搬する弾性表面波とすることにより、伝搬減衰が零の基板を得るものであるが、すだれ状電極の膜厚が大きくなるため、弾性表面波の伝搬損失が増加する、すだれ状電極の反射係数が大きくなる、周波数温度特性の改善を目的とした膜ではない、という課題があった。また、特許文献3に記載の弾性表面波素子は、反射を制御する構造であるが、伝搬損失が大きいことや、TeO薄膜を用いる場合には、TeOが有害物質であることから、実用化が困難であるという課題があった。また、特許文献4に記載の弾性波素子では、誘電体膜は、質量付加効果を大きくし、電気機械結合係数を大きくするためのものであり、周波数温度特性や速度分散特性を改善するものではないという課題があった。また、特許文献5に記載の弾性表面波素子では、誘電体膜は導波路構造の膜であり、すだれ状電極上に付着した構造ではない、弾性表面波共振器構造ではない、また周波数温度特性の改善を目的とした薄膜ではない、などの課題があった。
また、特許文献6に記載の弾性表面波基板では、圧電基板上に付着した正の周波数温度特性をもつSiO膜により周波数温度特性を改善するためには、SiO膜の膜厚を大きくする必要があり、伝搬損失が増大し、作製も困難であるという課題があった。また、非特許文献2に記載の弾性表面波デバイスでは、TeO薄膜がすだれ状電極上に付着した構造ではない、弾性表面波共振器構造ではない、正の周波数温度特性を有するTeO薄膜を作製するのが困難であることや、TeOが有害物質であることから、実用化が困難であるという課題があった。
本発明は、このような課題に着目してなされたもので、弾性波基板と誘電体膜の大きな速度差とを用いた大きな速度分散特性と基板と誘電体薄膜の線膨張係数の差を用いて周波数温度特性を改善する、全く新しい着想に基づく発明であり、小型化が可能で、比較的容易に作製することができ、実用化が可能で、弾性表面波の伝搬損失を抑えることができ、周波数温度特性および速度分散特性に優れ、すだれ状電極の反射係数の増加を抑制可能な、弾性波素子およびその製造方法を提供することを目的とする。
上記目的を達成するために、本発明に係る弾性波素子は、圧電基板と、前記圧電基板の両面にそれぞれ設けられた1対の電極と、前記圧電基板の少なくともいずれか一方の表面に、その表面に設けられた電極を覆うよう設けられた誘電体膜とを有し、前記誘電体膜は、誘電体を伝搬する横波の音速の最大値が、前記圧電基板を伝搬する遅い横波の音速の2/3倍以下の誘電体膜TVYであり、かつ前記誘電体の線膨張係数の最大値が、基板の線膨張係数の最大値の5/6以下である誘電体膜TBYからなる誘電体膜TVBYであることを特徴とする。この場合、誘電体膜前記圧電基板を伝搬する遅い横波の音速の2/3倍以下である誘電体膜TVYと前記誘電体の線膨張係数の最大値が、基板の線膨張係数の最大値の5/6以下である誘電体膜TBYを組み合わせ誘電体膜FBVYでも良い。誘電体膜TVBY、或いは、誘電体膜FVBYの場合、弾性波が前記圧電基板の各表面に対して垂直方向に伝搬し、周波数温度特性が、−20ppm/℃から+5ppm/℃の範囲であることが好ましい。
また、上記誘電体膜は、誘電体膜TVBY、或いは誘電体膜FVBEであり、かつ各電極は、各電極を伝搬する横波の音速の最大値が、前記圧電基板を伝搬する遅い横波の音速の2/3倍以下の電極TVEであり、かつ前記電極の線膨張係数の最大値が、基板の線膨張係数の最大値の5/6以下である電極TBEを組み合わせた構造からなる誘電体膜・電極複合誘電体膜電極膜FVBEであっても良いことを特徴とする。
この場合、各電極は、各電極を伝搬する遅い横波の音速の2/3倍以下ある電極膜TVE、或いは前記電極膜の線膨張係数の最大値が、基板の線膨張係数の最大値の5/6以下である電極膜TBEを組み合わせた複合電極膜FE、或いは一方が電極TVE,或いは電極TBEであっても良い。
また、本発明に係る弾性波素子は、圧電基板と、前記圧電基板の一方の表面に設けられたすだれ状電極と、前記すだれ状電極上、前記すだれ状電極の隙間の前記圧電基板の一方の表面、および/または、前記圧電基板の他方の表面に設けられた誘電体膜とを有し、前記誘電体は、誘電体を伝搬する横波の音速の最大値が、前記圧電基板を伝搬する遅い横波の音速の2/3倍以下の誘電体膜TVYであり、かつ前記誘電体の線膨張係数の最大値が、基板の線膨張係数の最大値の5/6以下である誘電体膜TBYからなる誘電体膜TVBYであることを特徴とする。この場合、誘電体膜前記圧電基板を伝搬する遅い横波の音速の2/3倍以下である誘電体膜TVYと前記誘電体の線膨張係数の最大値が、基板の線膨張係数の最大値の5/6以下である誘電体膜TBYを組み合わせた誘電体膜FVBYでも良い。誘電体膜TVBY、或いは、誘電体膜FVBYの場合、弾性波が前記圧電基板の各表面に沿って伝搬し、および/または、前記圧電基板の各表面に対して垂直に伝搬し、周波数温度特性が、−20ppm/℃から+5ppm/℃の範囲であることが好ましい。
また、誘電体膜は、上記誘電体膜TVBY、或いは、誘電体膜FVBYであり、かつ、すだれ状電極は、すだれ状電極を伝搬する横波の音速の最大値が、前記圧電基板を伝搬する遅い横波の音速の2/3倍以下の電極TVSEであり、かつ前記電極の線膨張係数の最大値が、基板の線膨張係数の最大値の5/6以下である電極TBSEからなるすだれ状電極TVBSEを組み合わせた構造であっても良いことを特徴とする。
この場合、すだれ状電極は、すだれ状電極を伝搬する遅い横波の音速の2/3倍以下ある電極膜TVSEと前記電極膜の線膨張係数の最大値が、基板の線膨張係数の最大値の5/6以下である電極膜TBSEを組み合わせた複合電極膜FVBSEでも良い。
また、誘電体膜と各電極或いはすだれ状電極を用いる場合は、誘電体膜が基板の線膨張係数の最大値の5/6以下である誘電体膜であり、電極が伝搬する遅い横波の音速の2/3倍以下ある電極膜、或いは誘電体膜が伝搬する遅い横波の音速の2/3倍以下ある誘電体膜であり、電極膜が基板の線膨張係数の最大値の5/6以下である電極膜であっても良いことを特徴としている。
本発明に係る弾性波素子は、例えば、弾性波振動子、弾性波共振器、バルク波共振器、圧電薄膜共振器、弾性表面波振動子、弾性表面波共振器、弾性波フィルタ素子、弾性表面波フィルタ素子、温度特性に優れた共振器、遅延線、温度補償を必要としない高感度センサーなどを構成することができる。圧電基板は、圧電体単結晶基板、圧電性セラミックス基板、支持基板上に圧電体単結晶を貼り付けた構造の基板、または、支持基板上に付着した圧電性薄膜構造の基板から成っていても良い。また、使用する弾性波は、レイリー波、縦波、横波、縦波を主成分とする疑似縦波、横波を主成分とする疑似横波、圧電基板の遅い横波より遅い伝搬速度の弾性表面波、ラブ波、ラム波、圧電基板の遅い横波より速い伝搬速度の擬似弾性表面波、または、圧電基板の速い横波速度より速い伝搬速度の疑似弾性縦波表面波である。
本発明に係る弾性波素子は、少なくとも誘電体膜が、誘電体膜TVBY或いは、誘電体膜FVBYであるため、弾性表面波用の素子として構成されるときには、圧電基板中に漏洩する弾性波のエネルギー放射がゼロとなる弾性表面波とすると共に、速度分散性の大きな基板とすることができる。また、疑似弾性表面波の伝搬減衰が零となる回転角を得て、伝搬損失の小さな、速度分散性の大きな基板を得ることができる。また、周波数温度特性を零の値に近づけることができる。また、素子の小型化が可能である。これにより、弾性表面波を使用する場合には、その伝搬損失を抑えて、圧電基板の表面に弾性表面波のエネルギーを集中させることができ、Q値および速度分散性を大きくすることができる。また、電極や誘電体膜の厚みを薄くすることができるため、製作が容易、かつ小型化が可能である。
本発明に係る弾性波素子は、上記の誘電体膜TVBY, FVBYにより、すだれ状電極の反射係数の増加を抑制することもできる。また、薄い誘電体膜で、伝搬損失の小さい、大きな反射係数を得ることもできる。また、各電極やすだれ状電極、誘電体膜を用いて大きな速度分散性を得るとともに、それらを周波数温度特性が負の値を有する圧電基板に設けることにより、周波数温度特性を零に近い値または正の値に改善することができ、優れた周波数温度特性を得ることができる。また、すだれ状電極および誘電体膜の速度分散特性を利用することにより、広い帯域幅および低損失特性を有するフィルタを構成することができると共に、そのフィルタの分散特性を制御することもできる。
本発明に係る弾性波素子は、前記圧電基板を伝搬する弾性波の波長をλeff、各電極または前記すだれ状電極の厚みをh、前記誘電体膜TFY,誘電体膜FYの膜厚をHとすると、h/λeff=0.005〜0.3、h2/λeff=0.005〜0.3, h/λeff=0.005〜0.3、 H/λeff=0.01〜0.3であってもよい。この場合、特に、速度分散性が大きくなるため、周波数温度特性をさらに改善することができる。このため、より優れた周波数温度特性および速度分散特性を得ることができる。

本発明に係る弾性波素子で、前記圧電基板は、33°〜39°回転YカットX伝搬のLiNbO基板、161°〜167°回転YカットX伝搬のLiNbO基板、LiNbO基板、44°〜50°回転YカットX伝搬のLiTaO基板、162°〜168°回転YカットX伝搬のLiTaO基板、LiTaO基板、ランガサイト基板、水晶基板、ZnO基板、圧電性セラミックス基板、AlN薄膜基板、ZnO薄膜基板、圧電性セラミックス薄膜基板、またはScAlN薄膜基板であり、上記圧電基板上に電極或いは、すだれ状電極が設けられ、更にその上に誘電体膜が設けられ、
前記誘電体膜は、前記圧電基板を伝搬する遅い横波の音速の2/3倍以下の誘電体膜TVYであり、かつ前記誘電体の線膨張係数の最大値が、基板の線膨張係数の最大値の5/6以下である誘電体膜TBYからなる誘電体膜TVBYである構造、または、誘電体膜TVY。或いは、誘電体膜TVY、或いは誘電体膜TBYとして、
(Bi(SiOまたはGeO(1−X)膜[ここで、X=0.3〜1.0]、Biを含む化合物膜、BSO膜、BGO膜、In膜、または、Inを含む化合物からなる誘電体膜を用いた誘電体膜TFYである構造、もしくは、TeO2, SiO2, ZnO,
誘電体を伝搬する横波の音速の最大値が、前記圧電基板を伝搬する遅い横波の音速の2/3倍以下の誘電体膜TVY(膜厚:HTV)と基板の線膨張係数の最大値の5/6以下である誘電体膜TBY(膜厚:HTB)とを組み合わせた誘電体膜FVBYからなる構造、
もしくは、誘電体膜TVYとして、(Bi(SiOまたはGeO(1−X)膜[ここで、X=0.3〜1.0]、Biを含む化合物膜、BSO膜、BGO膜、In膜、または、Inを含む化合物膜からなる誘電体膜TVY(膜厚:hVY)と誘電体膜の線膨張係数が5/6以下の誘電体膜TBYの膜厚をhBYとして、膜厚比、hSY/(hBY+hVY)=0.1から0.6の範囲である誘電体膜からなる構造であり、誘電体膜TBYとして、ZnO,AlN、SiC, SiN, ダイヤモンド、SiO2を用いた誘電体薄膜FYからなる構造、また、上記誘電体膜とをを組み合わせた各電極或いはすだれ状電極として、Cr,Ti,Si,Pt,W、Cである各すだれ電極TBSE,
もしくは、前記すだれ状電極を伝搬する横波の音速の最大値が、前記圧電基板を伝搬する遅い横波の音速の2/3倍以下の電極(膜厚:hV)と基板の線膨張係数の最大値の5/6以下であるすだれ状電極TBE(膜厚:hB)とを組み合わせた電極FVBSEからなる構造,もしくは、従来は、基板とAuの密着性をよくするため、非常に薄い10nm以下のAu/Cr 膜が用いられ、そのCr厚は無視され、その特性は、Au膜厚として、その特性が評価されてきたが、本特許では、密着性とすだれ状電極TBSE(膜厚:hB)として、
Au電極の膜厚をhAu、Crの膜厚をhcrとしたとき、hcr/(h8E+hAu)=0.15から0.6の範囲のAu/Cr構造のすだれ状電極FVBSEからなる構造、もしくは、すだれ状電極TBSE(膜厚:hB)Cr,Ti,Si,Pt,W、Cを用いた、各々の膜厚をhseとしたとき、hse/(h8B+hse) =0.1から0.6の範囲のAu/(Si,Pt,W、C)、 Ag/(Cr,Ti,Si,Pt,W、C),Bi/(Cr、T、Si,Pt,W、C)、InSb/(Cr、Ti,Si,Pt,W、C)の電極TBSE構造のすだれ状電極FVBSEからなる構造、または、前記圧電基板を伝搬する遅い横波の音速の2/3倍以下の各電極TVEである構造、或いは、各電極の線膨張係数の最大値が、基板の線膨張係数の最大値の5/6以下である各電極TBEからなる各電極TEである構造のいずれかの条件に合致する膜として、通常のすだれ状電極、Al、Zn、Ru、Cr、Cu/Cr、Pt、Pt/Cr、Pt/Ti、もしくは、これらのうちの2種以上の合金から成っていてもよい。また、この場合、速度分散性をさらに大きくすることができ、より優れた周波数温度特性および速度分散特性を得ることができる
また、本発明に係る弾性波素子で、前記圧電基板は、−10°〜75°回転YカットX伝搬のLiNbO基板、120°〜170°回転YカットX伝搬のLiNbO基板、Y−Z LiNbO基板、Xカット35°〜45°Y伝搬のLiNbO基板、Xカット160°〜175°Y伝搬のLiNbO基板、LiNbO基板、−10°〜60°回転YカットX伝搬のLiTaO基板、Xカット35°〜45°Y伝搬のLiTaO基板、LiTaO基板、ランガサイト基板、水晶基板、ZnO基板、圧電性セラミックス基板、AlN薄膜基板、ZnO薄膜基板、圧電性セラミックス薄膜基板、または、ScAlN薄膜基板であり、
前記誘電体膜は、前記すだれ状電極上に設けられ、
前記誘電体膜は、前記圧電基板を伝搬する遅い横波の音速の2/3倍以下の誘電体膜TVYであり、かつ前記誘電体の線膨張係数の最大値が、基板の線膨張係数の最大値の5/6以下である誘電体膜TBYからなる誘電体膜TVBYである構造、または、誘電体膜TVBY、TVY、TBYとして、(Bi(SiOまたはGeO(1−X)膜[ここで、X=0.3〜1.0]、Biを含む化合物膜、BSO膜、BGO膜、In膜、または、Inを含む化合物からなる誘電体膜を用いた誘電体膜TFYである構造、もしくは、 誘電体を伝搬する横波の音速の最大値が、前記圧電基板を伝搬する遅い横波の音速の2/3倍以下の誘電体膜TVY(膜厚:HTV)と基板の線膨張係数の最大値の5/6以下である誘電体膜TBY(膜厚:HTB)とを組み合わせた誘電体膜FYからなる構造、もしくは、誘電体膜TVYと誘電体膜の線膨張係数が8ppm/°C以下の誘電体膜8Yとを用いた誘電体膜FYからなる構造、もしくは、誘電体膜TVYとして、(Bi(SiOまたはGeO(1−X)膜[ここで、X=0.3〜1.0]、Biを含む化合物膜、BSO膜、BGO膜、In膜、または、Inを含む化合物膜からなる誘電体膜TVY(膜厚:hVY)と誘電体膜の線膨張係数が8ppm/°C以下の誘電体膜8Yの膜厚をh8Yとして、膜厚比、hSY/(h8Y+hVY)=0.1から0.6の範囲である誘電体膜からなる構造であり、誘電体膜TBYとして、ZnO,AlN、SiC, SiN, ダイヤモンド、SiO2を用いた誘電体薄膜FYからなる構造、また、
前記誘電体膜とを組み合わせた構造の前記すだれ状電極は、前記圧電基板を伝搬する遅い横波の音速の2/3倍以下の前記すだれ状電極TVSEであり、かつ前記すだれ状電極の線膨張係数の最大値が、基板の線膨張係数の最大値の5/6以下である前記すだれ状電極TBSEからなる前記すだれ状電極TSEである構造、または、
各すだれ状電極TBSE として、Cr,Ti,Si,Pt,W、Cである各すだれ電極TBSE,
もしくは、前記すだれ状電極を伝搬する横波の音速の最大値が、前記圧電基板を伝搬する遅い横波の音速の2/3倍以下の電極(膜厚:hV)と基板の線膨張係数の最大値の5/6以下であるすだれ状電極TBE(膜厚:hB)とを組み合わせた電極FVBSEからなる構造,もしくは、従来は、基板とAuの密着性をよくするため、非常に薄い10nm以下のAu/Cr 膜が用いられ、そのCr厚は無視され、その特性は、Au膜厚として、その特性が評価されてきたが、本特許では、密着性とすだれ状電極TBSE(膜厚:hB)として、
Au電極の膜厚をhAu、Crの膜厚をhcrとしたとき、hcr/(h8E+hAu)=0.15から0.6の範囲のAu/Cr構造のすだれ状電極FVBSEからなる構造、もしくは、すだれ状電極TBSE(膜厚:hB)Cr,Ti,Si,Pt,W、Cを用いた、各々の膜厚をhseとしたとき、hse/(h8B+hse) =0.1から0.6の範囲のAu/(Si,Pt,W、C)、 Ag/(Cr,Ti,Si,Pt,W、C),Bi/(Cr、T、Si,Pt,W、C)、InSb/(Cr、Ti,Si,Pt,W、C)の電極TBSE構造のすだれ状電極FVBSEからなる構造、または、前記圧電基板を伝搬する遅い横波の音速の2/3倍以下の各電極TVEである構造、或いは、各電極の線膨張係数の最大値が、基板の線膨張係数の最大値の5/6以下である各電極TBEからなる各電極TEである構造のいずれかの条件に合致する、通常のすだれ状電極、Al、Zn、Ru、Cr、Cu/Cr、Pt、Pt/Cr、Pt/Ti、もしくは、これらのうちの2種以上の合金から成っていてもよい。また、この場合、速度分散性をさらに大きくすることができ、より優れた周波数温度特性および速度分散特性を得ることができる
本発明に係る弾性波素子は、各電極または前記すだれ状電極が設けられた前記圧電基板と、前記誘電体膜との間にSiO膜もしくは温度補償用誘電体膜を有していてもよく、また、前記誘電体膜の上にSiO膜を有していてもよい。この場合、非常に薄い膜厚のSiO膜もしくは温度補償用誘電体膜を用いることにより、優れた温度特性が得られる。SiO膜は、例えば、その膜厚をH、圧電基板を伝搬する弾性波の波長をλeffとすると、H/λeff=0.005〜0.15である。温度補償用誘電体膜は、温度補償可能なものであればいかなる材質から成っていてもよく、例えば、SiOF、ランガサイト系薄膜、不純物を含むSiO等から成っている。
本発明に係る弾性波素子で、前記誘電体膜と前記各電極または前記すだれ状電極を組み合わせた構造の電極、或いはすだれ状電極は、前記圧電基板を伝搬する遅い横波の音速の2/3倍以下の各電極TVEまたは前記すだれ状電極TVSEであり、かつ各電極または前記すだれ状電極の線膨張係数の最大値が、基板の線膨張係数の最大値の5/6以下である各電極TBEまたは前記すだれ状電極TBSEからなる各電極TEまたは前記すだれ状電極TSEである構造、または、
各すだれ状電極TBSE として、Cr,Ti,Si,Pt,W、Cである各すだれ電極TBSE,
もしくは、前記すだれ状電極を伝搬する横波の音速の最大値が、前記圧電基板を伝搬する遅い横波の音速の2/3倍以下の電極(膜厚:hV)と基板の線膨張係数の最大値の5/6以下であるすだれ状電極TBE(膜厚:hB)とを組み合わせた電極FVBSEからなる構造,もしくは、従来は、基板とAuの密着性をよくするため、非常に薄い10nm以下のAu/Cr 膜が用いられ、そのCr厚は無視され、その特性は、Au膜厚として、その特性が評価されてきたが、本特許では、密着性とすだれ状電極TBSE(膜厚:hB)として、
Au電極の膜厚をhAu、Crの膜厚をhcrとしたとき、hcr/(h8E+hAu)=0.15から0.6の範囲のAu/Cr構造のすだれ状電極FVBSEからなる構造、もしくは、すだれ状電極TBSE(膜厚:hB)Cr,Ti,Si,Pt,W、Cを用いた、各々の膜厚をhseとしたとき、hse/(h8B+hse) =0.1から0.6の範囲のAu/(Si,Pt,W、C)、 Ag/(Cr,Ti,Si,Pt,W、C),Bi/(Cr、T、Si,Pt,W、C)、InSb/(Cr、Ti,Si,Pt,W、C)の電極TBSE構造のすだれ状電極FVBSEからなる構造、または、前記圧電基板を伝搬する遅い横波の音速の2/3倍以下の各電極TVEである構造、或いは、各電極の線膨張係数の最大値が、基板の線膨張係数の最大値の5/6以下である各電極TBEからなる各電極TEである構造のいずれかの条件に合致する場合の電極として、通常のすだれ状電極、Al、Zn、Ru、Cr、Cu/Cr、Pt、Pt/Cr、Pt/Ti、もしくは、これらのうちの2種以上の合金から成っていてもよい。また、この場合、速度分散性をさらに大きくすることができ、より優れた周波数温度特性および速度分散特性を得ることができる
本発明に係る弾性波素子は、前記すだれ状電極の交互に配置された電極の本数を2N+1本、伝搬する弾性波の動作中心波長をλ、そのときの前記弾性波の速度をV、前記弾性波の波長がλn=λ[1+{N−(n−1)}δ]のときの前記弾性波の速度をVとし(ここで、n=1〜2N+1)、Nδの値を0.005〜0.3、aの値を0.8〜1.2とすると、n本目の電極の幅は、L=X/2=a(λ/4)×(V/V)、隣り合う電極の中心間隔はX=a(λ/2)×(V/V)であってもよい。この場合にも、速度分散性を大きくすることができる。
本発明に係る弾性波素子の製造方法は、各電極もしくは前記すだれ状電極、および/または前記誘電体膜を、前記弾性波素子の中心動作温度より100℃以上高い温度、または、前記弾性波素子の中心動作温度より100℃以上低い温度で蒸着して形成することを特徴とする。
本発明に係る弾性波素子の製造方法によれば、蒸着時の温度を制御することにより、1対の電極またはすだれ状電極、および誘電体膜に歪が発生し、それぞれの弾性波速度を大きく変化させることができる。これにより、弾性波素子の周波数温度特性をさらに大きく改善することができ、優れた周波数温度特性を有する弾性波素子を製造することができる。
本発明によれば、小型化が可能で、比較的容易に作製することができ、実用化可能で、弾性表面波の伝搬損失を抑えることができ、周波数温度特性および速度分散特性に優れ、すだれ状電極の反射係数の増加を抑制可能な、弾性波素子およびその製造方法を提供することができる。
本発明の第1の実施の形態の弾性波素子を示す断面図である。 本発明の第1の実施の形態の弾性波素子の、支持基板を有する変形例を示す断面図である。 本発明の第1の実施の形態の弾性波素子の、多層構造の誘電体膜反射器を有する変形例を示す断面図である。 本発明の第2の実施の形態の弾性波素子を示す(A)断面図、(B)誘電体膜を省略した平面図である。 本発明の第2の実施の形態の弾性波素子の、多層構造の誘電体膜反射器を有する変形例を示す断面図である。 本発明の第2の実施の形態の弾性波素子の、すだれ状電極側の圧電基板表面に誘電体膜が設けられていない変形例を示す断面図である。 本発明の第2の実施の形態の弾性波素子の、圧電基板の表面に沿って弾性表面波または擬似弾性表面波が伝搬する変形例を示す(A)断面図、(B)誘電体膜を省略した平面図である。 本発明の第2の実施の形態の弾性波素子の、支持基板を有する圧電基板の表面に沿って弾性表面波または擬似弾性表面波が伝搬する変形例を示す(A)断面図、(B)誘電体膜を省略した平面図である。 本発明の第2の実施の形態の弾性波素子の、すだれ状電極を挟むよう1対の反射器を設けた変形例を示す(A)断面図、(B)誘電体膜を省略した平面図である。 本発明の第1または第2の実施の形態の弾性波素子の、164°回転YカットX伝搬のLiTaO基板上に、金属膜TVE であるAu金属膜(膜厚h)を設けた場合、及び、金属膜TVE であるAu金属膜と線膨張係数の小さいCr金属膜(膜厚:hCr)とを設けた場合であり、膜厚比、hAu/(hAu+hCr)=0.3)の場合の複合電極膜FE(膜厚h)を設けた場合の、膜厚比h/λeff(λeffは動作波長)に対する疑似弾性横波速度(Veff)の変化を示すグラフである。 本発明の第1または第2の実施の形態の弾性波素子の、36°回転YカットX伝搬のLiTaO基板上にAl電極を設け、さらにその上に、誘電体膜TVY であるBi2O3誘電体膜膜(膜厚:HBO)を設けた場合、及び、誘電体TVY であるBiO膜と線膨張係数の小さいZnO誘電体(膜厚:HZo)とを組み合わせた複合誘電体膜FY(膜厚:H)を設けたときの、膜厚比、Hzo/(HBo;+HZo)=0.3の場合の、膜厚比H/λeff(λeffは動作波長)に対する疑似弾性表面波の速度(Veff)の変化を示すグラフである。 本発明の第1または第2の実施の形態の弾性波素子の誘電体膜TVY であるBi2O3誘電体膜(膜厚:HBO)と線膨張係数の小さいZnO誘電体膜(膜厚:HZnO)とを組み合わせた複合誘電体膜FY(膜厚:H)を用いた場合の、膜厚比HZnO/(HZnO+HBO) の変化に対する線膨張係数の減少割合を示す図である 本発明の第1または第2の実施の形態の弾性波素子の誘電体膜TVY であるAu膜(膜厚:HAu)と線膨張係数の小さいSiO2誘電体膜(膜厚:HSiO2)とを組み合わせた複合誘電体膜FY(膜厚:H)を用いた場合の、膜厚比HSiO2/(HAu+HZnO) の変化に対する線膨張係数の減少割合を示す図である。 本発明の第2の実施の形態の弾性波素子を示す(A)断面図、(B)誘電体膜を省略した平面図である。 10°回転Y-X伝搬のLiTaO3の基板上に、Au/Cr構造すだれ状電極、さらにその上にBi2O3を設けたときの(A)20°C、(B)30°Cでの共振アドミッタンス特性を示すグラフである。(横軸は周波数)
以下、図面に基づいて、本発明の実施の形態について説明する。
[本発明の第1の実施の形態の弾性波素子の構成]
図1乃至図3は、本発明の第1の実施の形態の弾性波素子を示している。
図1に示すように、本発明の第1の実施の形態の弾性波素子10は、圧電基板11と1対の電極12と誘電体膜13とを有している。
圧電基板11は、平板構造の基板または圧電薄膜から成っている。圧電基板11は、33°〜39°回転YカットX伝搬のLiNbO基板、161°〜167°回転YカットX伝搬のLiNbO基板、LiNbO基板、44°〜50°回転YカットX伝搬のLiTaO基板、162°〜168°回転YカットX伝搬のLiTaO基板、LiTaO基板、ランガサイト基板、水晶基板、ZnO基板、圧電性セラミックス基板、AlN薄膜基板、ZnO薄膜基板、圧電性セラミックス薄膜基板、または、ScAlN薄膜基板から成っている。
正負1対の電極12は、圧電基板11の両面11a、11bにそれぞれ設けられている。
各導体電極12は、導体を伝搬する横波の音速の最大値が、前記圧電基板を伝搬する遅い横波の音速の2/3倍以下の電極TVEであり、かつ前記導体の線膨張係数の最大値が、基板の線膨張係数の最大値の5/6以下の電極TBEの電極TVBE、または、電極TVBEとして、また、
各すだれ状電極TBSE として、Cr,Ti,Si,Pt,W、Cである各すだれ電極TBSE,
もしくは、前記すだれ状電極を伝搬する横波の音速の最大値が、前記圧電基板を伝搬する遅い横波の音速の2/3倍以下の電極(膜厚:hV)と基板の線膨張係数の最大値の5/6以下であるすだれ状電極TBE(膜厚:hB)とを組み合わせた電極FVBSEからなる構造,もしくは、従来は、基板とAuの密着性をよくするため、非常に薄い10nm以下のAu/Cr 膜が用いられ、そのCr厚は無視され、その特性は、Au膜厚として、その特性が評価されてきたが、本特許では、密着性とすだれ状電極TBSE(膜厚:hB)として、
Au電極の膜厚をhAu、Crの膜厚をhcrとしたとき、hcr/(h8E+hAu)=0.15から0.6の範囲のAu/Cr構造のすだれ状電極FVBSEからなる構造、もしくは、すだれ状電極TBSE(膜厚:hB)Cr,Ti,Si,Pt,W、Cを用いた、各々の膜厚をhseとしたとき、hse/(h8B+hse) =0.1から0.6の範囲のAu/(Si,Pt,W、C)、 Ag/(Cr,Ti,Si,Pt,W、C),Bi/(Cr、T、Si,Pt,W、C)、InSb/(Cr、Ti,Si,Pt,W、C)の電極TBSE構造のすだれ状電極FVBSEからなる構造、または、前記圧電基板を伝搬する遅い横波の音速の2/3倍以下の各電極TVEである構造、或いは、各電極の線膨張係数の最大値が、基板の線膨張係数の最大値の5/6以下である各電極TBEからなる各電極TEである構造のいずれかの条件に合致する場合の電極として、通常のすだれ状電極、Al、Zn、Ru、Cr、Cu/Cr、Pt、Pt/Cr、Pt/Ti、もしくは、これらのうちの2種以上の合金から成っていてもよい。また、この場合、速度分散性をさらに大きくすることができ、より優れた周波数温度特性および速度分散特性を得ることができる
誘電体膜13は、圧電基板11の一方の表面11aに、その表面に設けられた電極12のみを覆うよう設けられている。誘電体膜13は、誘電体を伝搬する横波の音速の最大値が、前記圧電基板を伝搬する遅い横波の音速の2/3倍以下であり、かつ前記誘電体の線膨張係数の最大値が、基板の線膨張係数の最大値の5/6以下である誘電体膜からなっている。
また、一方の面の誘電体膜は、誘電体膜TBYであり、他方も面の誘電体膜は、誘電体膜TBY出会っても良い。
弾性波素子10は、各電極12間に電圧を印加することにより、弾性波が圧電基板11の各表面に対して垂直方向に伝搬するようになっている。また、弾性波素子10は、周波数温度特性が、−20ppm/℃から+5ppm/℃の範囲になっている。
弾性波素子10は、動作共振周波数をf、圧電基板11を伝搬する弾性波の波長(動作波長)をλeff、その弾性波の速度をVeff、圧電基板11と誘電体膜13と電極12の全体の膜厚をLとしたとき、f=Veff/λeff、および、L=(λeff/2)×(2N+1)(Nは、0を含む整数)となる。
なお、図2に示すように、弾性波素子10で、誘電体膜13が、圧電基板11の一方の表面11aに、その表面に設けられた電極12、および、電極12が設けられていない部分を覆うよう設けられており、さらに、圧電基板11の他方の表面11bの両端にそれぞれ設けられた1対の支持基板21を有していてもよい。この場合、弾性波により、各支持基板21の間の圧電基板11が振動するようになっている。
また、図3に示すように、弾性波素子10で、圧電基板11の両面11a、11bに、それぞれの表面に設けられた各電極12を覆うよう誘電体膜13a、13bが設けられており、圧電基板11の他方の表面11bの側に設けられた誘電体膜13bが、弾性波を反射する第1反射膜22aおよび第2反射膜22bを有する多層構造を成しており、さらに、その多層構造の誘電体膜13bを覆うよう設けられた支持基板21を有していてもよい。
[本発明の第2の実施の形態の弾性波素子の構成]
図4乃至図9は、本発明の第2の実施の形態の弾性波素子を示している。
図4に示すように、本発明の第2の実施の形態の弾性波素子30は、圧電基板11とすだれ状電極31と誘電体膜13とを有している。なお、以下の説明では、本発明の第1の実施の形態の弾性波素子10と同一の構成には同一の符号を付して、重複する説明を省略する。
圧電基板11は、平板構造の基板または圧電薄膜から成っている。圧電基板11は、−10°〜75°回転YカットX伝搬のLiNbO基板、120°〜170°回転YカットX伝搬のLiNbO基板、LiNbO基板、−5°〜60°回転YカットX伝搬のLiTaO基板、LiTaO基板、ランガサイト基板、水晶基板、ZnO基板、AlN薄膜基板、ZnO薄膜基板、または、ScAlN薄膜基板から成っている。
すだれ状電極31は、圧電基板11の一方の表面11aに設けられている。
すだれ状電極31は、前記圧電基板を伝搬する遅い横波の音速の2/3倍以下の前記すだれ状電極TVSEであり、かつ前記すだれ状電極の線膨張係数の最大値が、基板の線膨張係数の最大値の5/6以下である前記すだれ状電極TBSEからなる前記すだれ状電極TSEである構造、または、
各すだれ状電極TBSE として、Cr,Ti,Si,Pt,W、Cである各すだれ電極TBSE,
もしくは、前記すだれ状電極を伝搬する横波の音速の最大値が、前記圧電基板を伝搬する遅い横波の音速の2/3倍以下の電極(膜厚:hV)と基板の線膨張係数の最大値の5/6以下であるすだれ状電極TBE(膜厚:hB)とを組み合わせた電極FVBSEからなる構造,もしくは、従来は、基板とAuの密着性をよくするため、非常に薄い10nm以下のAu/Cr 膜が用いられ、そのCr厚は無視され、その特性は、Au膜厚として、その特性が評価されてきたが、本特許では、密着性とすだれ状電極TBSE(膜厚:hB)として、
Au電極の膜厚をhAu、Crの膜厚をhcrとしたとき、hcr/(h8E+hAu)=0.15から0.6の範囲のAu/Cr構造のすだれ状電極FVBSEからなる構造、もしくは、すだれ状電極TBSE(膜厚:hB)Cr,Ti,Si,Pt,W、Cを用いた、各々の膜厚をhseとしたとき、hse/(h8B+hse) =0.1から0.6の範囲のAu/(Si,Pt,W、C)、 Ag/(Cr,Ti,Si,Pt,W、C),Bi/(Cr、T、Si,Pt,W、C)、InSb/(Cr、Ti,Si,Pt,W、C)の電極TBSE構造のすだれ状電極FVBSEからなる構造、または、前記圧電基板を伝搬する遅い横波の音速の2/3倍以下の各電極TVEである構造、或いは、各電極の線膨張係数の最大値が、基板の線膨張係数の最大値の5/6以下である各電極TBEからなる各電極TEである構造のいずれかの条件に合致する、通常のすだれ状電極、Al、Zn、Ru、Cr、Cu/Cr、Pt、Pt/Cr、Pt/Ti、もしくは、これらのうちの2種以上の合金から成っていてもよい。また、この場合、速度分散性をさらに大きくすることができ、より優れた周波数温度特性および速度分散特性を得ることができる
すだれ状電極31は、正極側バスバー41aと負極側バスバー42aと複数の正電極41bと複数の負電極42bとを有している。正極側バスバー41aおよび負極側バスバー42aは、所定の間隔を開けて、互いに平行に並んで配置されている。各正電極41bは、正極側バスバー41aに沿って互いに間隔をあけて、正極側バスバー41aから負極側バスバー42aに向かって垂直に伸びるよう設けられている。各負電極42bは、負極側バスバー42aに沿って互いに間隔をあけて、負極側バスバー42aから正極側バスバー41aに向かって垂直に伸びるよう設けられている。各正電極41bおよび各負電極42bは、正極側バスバー41aおよび負極側バスバー42aに沿って、互いに接触しないよう、交互に等周期あるいは異なる周期で配置されている。
誘電体膜13は、すだれ状電極31の上、すだれ状電極31の隙間の圧電基板11の一方の表面11a、および/または、圧電基板11の他方の表面11bに設けられている。誘電体膜13は、誘電体を伝搬する横波の音速の最大値が、前記圧電基板を伝搬する遅い横波の音速の2/3倍以下であり、かつ前記誘電体の線膨張係数の最大値が、基板の線膨張係数の最大値の5/6以下である誘電体膜からなっている。弾性波素子30は、弾性波が圧電基板11の各表面に沿って、および、圧電基板11の表面に対して垂直方向に伝搬するようになっている。また、弾性波素子30は、周波数温度特性が、−20ppm/℃から+5ppm/℃の範囲になっている。
また、図5に示すように、弾性波素子30は、圧電基板11の他方の表面11bにも、弾性波を反射する第1反射膜22aおよび第2反射膜22bを有する多層構造の誘電体膜13bが設けられており、さらに、その多層構造の誘電体膜13bを覆うよう設けられた支持基板21を有していてもよい。この場合、弾性波素子30は、弾性波が圧電基板11の各表面に沿って伝搬するようになっている。また、図6に示すように、弾性波素子30は、圧電基板11の一方の表面11aの側には誘電体膜13が設けられておらず、圧電基板11の他方の表面11bにのみ誘電体膜13が設けられ、さらに、その誘電体膜13を覆うよう設けられた誘電体から成る反射膜43と、その反射膜43を覆うよう設けられた支持基板21とを有していてもよい。反射膜43は、横波速度が圧電基板11よりも大きく、弾性波を反射可能になっている。この場合、弾性波素子30は、弾性波が圧電基板11の各表面に沿って伝搬するようになっている。
また、図7に示すように、弾性波素子30は、誘電体膜13が薄膜から成り、圧電基板11の表面に沿って弾性表面波が伝搬するよう構成されていてもよい。また、図8に示すように、弾性波素子30は、支持基板21を有し、誘電体膜13が薄膜から成り、圧電基板11の表面に沿って弾性表面波または擬似弾性表面波が伝搬するよう構成されていてもよい。また、図9に示すように、弾性波素子30は、多数本電極指から成る1対の反射器44を有し、各反射器44が圧電基板11の一方の表面11aに、すだれ状電極31を挟むよう設けられた共振器から成っていてもよい。誘電体膜13は、すだれ状電極31だけでなく、各反射器44も覆うよう設けられている。この場合にも、圧電基板11の表面に沿って弾性表面波が伝搬するようになっている。
[本発明の第1および第2の実施の形態の弾性波素子の作用]
次に、本発明の第1および第2の実施の形態の弾性波素子10、30の作用について説明する。
弾性波素子10、30は、例えば、弾性波振動子、弾性波共振器、バルク波共振器、圧電薄膜共振器、弾性表面波振動子、弾性表面波共振器、弾性波フィルタ素子、弾性表面波フィルタ素子、温度特性に優れた共振器、遅延線、温度補償を必要としない高感度センサーなどを構成することができる。また、使用する弾性波は、レイリー波、縦波、横波、縦波を主成分とする疑似縦波、横波を主成分とする疑似横波、圧電基板の遅い横波速度より遅い伝搬速度の弾性表面波、ラブ波、ラム波、圧電基板の遅い横波より速い伝搬速度の擬似弾性表面波、または、圧電基板の速い横波速度より速い伝搬速度の疑似弾性縦波表面波である。
弾性波素子10、30は、誘電体膜13が設けられ、誘電体を伝搬する横波の音速の最大値が、圧電基板11を伝搬する遅い横波の音速の2/3倍以下であるため、弾性表面波用の素子として構成されるときには、圧電基板11中に漏洩する弾性波のエネルギー放射がゼロとなる弾性表面波とすると共に、速度分散性の大きな基板とすることができる。また、疑似弾性表面波の伝搬減衰が零となる回転角を得て、速度分散性の大きな基板を得ることができる。また、素子の小型化が可能である。これにより、弾性表面波を使用する場合には、その伝搬損失を抑えて、圧電基板11の表面に弾性表面波のエネルギーを集中させることができ、Q値および速度分散性を大きくすることができる。また、電極12や誘電体膜13の厚みを薄くすることができるため、製作が容易、かつ小型化が可能である。
また、弾性波素子10、30は、誘電体膜13を設けることにより、中心周波数の調整および温度補償を行うことができる。これにより、例えば、すだれ状電極31を1対有する場合に、中心周波数が高い方のすだれ状電極31の上に誘電体膜13を設けて、中心周波数の調整を行うことにより、各すだれ状電極31で励振または受信する弾性表面波の中心周波数が等しくなるようにすることができる。また、この方法により、フィルタの周波数調整を行うことができる。
また、弾性波素子10、30は、各電極12またはすだれ状電極31が設けられた圧電基板11と、誘電体膜13との間にSiO膜もしくは温度補償用誘電体膜を有していてもよく、また、誘電体膜13の上にSiO膜を有していてもよい。この場合、非常に薄い膜厚のSiO膜もしくは温度補償用誘電体膜を用いることにより、優れた温度特性が得られる。SiO膜は、例えば、その膜厚をH、圧電基板を伝搬する弾性波の波長をλeffとすると、H/λeff=0.005〜0.15である。温度補償用誘電体膜は、例えば、SiOF、ランガサイト系薄膜、不純物を含むSiO等である。
[周波数温度特性(TCF)]
弾性波素子10、30の周波数温度特性(TCF)は、
TCF=TCV−α (1)
で与えられる。ここで、TCVは速度温度係数、αは伝搬方向の線膨張係数である。TCVは、温度tのときの速度をVt1、温度tのときの速度をVt2としたとき、
TCV=[(Vt1−Vt2)/Vt1]/(t−t) (2)
で与えられる。
一般に、多くの物質は、温度の上昇と共に伸びるため、αは正の値となる。また、温度の上昇と共に、物質は柔らかくなるため、TCVは負の値となる。弾性波素子10、30で用いられるLiNbO単結晶基板のTCFは、−50ppm/℃から−100ppm/℃の範囲であり、LiTaO単結晶基板のTCFは、−25ppm/℃から−50ppm/℃の範囲である。そこで、従来、ゼロTCFを得るために、正の周波数温度特性を有するSiO薄膜が用いられている。
図1に示す構造で、164°回転YカットX伝搬のLiTaO圧電基板11の両面11a、11bに、それぞれ1対の電極12としてAu膜(膜厚:hAU)を設けた場合、及び厚いCr膜(膜厚:hCr)とAu膜厚を設け、( Au+Cr)の膜厚をh、膜厚比、hCR/h=0.3の場合の速度Veffの低下を示す図が、図10であり、大きなCr膜厚でも速度の低下は、Auのみの場合と変わらず、大きな速度低下が見られる。
図11は、36°回転YカットX伝搬のLiTaO3基板にAl電極を設け、さらにその上に、誘電体TVYであるBiO3誘電体膜(膜厚:HBO)を設けた場合、及び誘電体膜TVYであるBi2O3と線膨張係数の小さいZnO誘電体膜(膜厚:HZO)とを組み合わせた複合膜FY(膜厚:H)を設けたときの、HZO/(HBo+HZO)=0.3の場合の、膜厚比H/λeffに対する疑似弾性表面波の速度(Veff)の変化を示す図であり、Bi2O3/ZnO膜を用いた場合でも、大きな速度の低下が見られる。
一方、図12のBi2O3/ZnOのように、線膨張係数は、11ppm/°Cから、8ppm/°Cと小さくなっている。また、図13のように、SiO2/Auを用いた場合は、14pp/°Cから8.5ppm/°Cと大きな線膨張係数の低下がみられる。
このような大きな負の速度分散性は、誘電体を伝搬する横波の音速の最大値が、前記圧電基板を伝搬する遅い横波の音速の2/3倍以下であり、かつ前記誘電体の線膨張係数の最大値が、基板の線膨張係数の最大値の5/6以下である誘電体膜13からなっていることによるものであると考えられる。また、各電極12またはすだれ状電極31の厚みをhとすると、各電極12またはすだれ状電極31に対しても同様に、大きな負の速度分散性を示すことが確認された。
10°回転YカットX伝搬のLiTaO基板(圧電基板11)上に、Au/Cr構造のすだれ状電極31を設け、さらにその上にBiから成る誘電体膜13を設けた弾性波素子30を作製し、20℃および30℃での共振アドミッタンス特性を調べた20°C(A)及び30°C(B)の結果を図16.15(A) 及び(B)示す。図から、Au/Cr電極でない場合とBi2O3誘電体膜がない場合の周波数温度係数=−30ppm/°Cから、Au/Cr電極及びBi2O3誘電体膜がある場合の周波数温度係数=−10ppm/°Cと零温度特性に近づいており、改善されていることがわかる。
図1〜図9、図14に対応する共振器、変換器では、圧電基板11、各電極12、すだれ状電極31、および誘電体膜13のTCFは、それぞれ単独では、αが正の値、TCVが負の値であり、全体でも負のTCFしか得られない。弾性波素子の構造は、誘電体膜13、各電極12、すだれ状電極31の膜厚が、圧電基板11の、支持基板21の厚さより非常に薄いため、圧電基板11、支持基板21の伝搬方向および面内方向の線膨張係数の値に引きずられて、誘電体膜13、各電極12、すだれ状電極31は、温度の変化により熱歪を生じる。圧電基板11あるいは支持基板21の伝搬方向の線膨張係数が正の値のときは、温度の増加に対して、λeffは、正の線膨張係数の大きさに従って増加する。
しかし、誘電体の線膨張係数の最大値が、基板の線膨張係数の最大値の5/6以下である誘電体膜であり、温度上昇に対して、基板の伸びより膜厚の増加は小さい。従って、λeffの増加と誘電体膜13、各電極膜12、すだれ状電極膜31の熱歪により、H/λeff、h/λeffの値は減少する。このとき、図10〜図12のグラフから、Vの値が増加し、速度分散によるTCVの値が正の方向にシフトし、(2)式のTCVが増加方向にシフトして正の値に近づくことになる。このため、誘電体膜13、各電極12、すだれ状電極31を設けることにより、周波数温度特性が大きく改善される。このように、弾性波素子10、30では、圧電基板11、支持基板21、各電極12またはすだれ状電極31、および誘電体膜13の周波数温度特性が負の値であっても、速度分散性と熱歪とを考慮することにより、ゼロに近い周波数温度特性が得られる。また、電極膜の線膨張係数の最大値が、基板の線膨張係数の最大値の5/6以下であることから、熱歪により、電極膜の密度が減少することにより、誘電体膜の速度が増大する方向にシフトし、周波数温度特性が正の方向にシフトすると考えられる。
図14は、本発明の第2の実施の形態の弾性波素子を示している。
図14に示すように、本発明の第2の実施の形態の弾性波素子50は、圧電基板11とすだれ状電極31と誘電体膜13とを有している。なお、以下の説明では、本発明の第1および第2の実施の形態の弾性波素子10、30と同一の構成には同一の符号を付して、重複する説明を省略する。
なお、各電極12やすだれ状電極31、誘電体膜13を蒸着する時の温度を変えることにより、誘電体膜13中の歪を大きくすることができるため、周波数温度特性の改善効果がさらに大きくなると考えられる。このときの蒸着温度としては、例えば、弾性波素子10、30の中心動作温度より100℃以上高い温度、または、弾性波素子10、30の中心動作温度より100℃以上低い温度であることが好ましい。
すだれ状電極31は、分散型のものである。弾性波素子50は、すだれ状電極31の交互に配置された正電極41bと負電極42bの本数を2N+1本、伝搬する弾性波の動作中心波長をλ、そのときの弾性波の速度をV、弾性波の波長がλn=λ[1+{N−(n−1)}δ]のときの弾性波の速度をVとし(ここで、n=1〜2N+1)、Nδの値を0.005〜0.3、aの値を0.8〜1.2とすると、n本目の電極の幅は、L=X/2=a(λ/4)×(V/V)、隣り合う電極の中心間の間隔はX=a(λ/2)×(V/V)であってもよい。この場合、広帯域の弾性波変換器、弾性表面波変換器を得ることができる。
10 弾性波素子(第1の実施の形態)
11 圧電基板
11a 一方の表面
11b 他方の表面
12 電極
13 誘電体膜
21 支持基板
22a 第1反射膜
22b 第2反射膜

30 弾性波素子(第2の実施の形態)
31 すだれ状電極
41a 正極側バスバー
41b 正電極
42a 負極側バスバー
42b 負電極
43 反射膜
44 反射器

Claims (29)

  1. 圧電基板と、
    前記圧電基板の両面にそれぞれ設けられた1対の電極と、
    前記圧電基板の少なくともいずれか一方の表面に、その表面に設けられた電極を覆うよう設けられた誘電体膜とを有し、
    前記誘電体膜は、前記誘電体を伝搬する横波の音速の最大値が、前記圧電基板を伝搬する遅い横波の音速の2/3倍以下であり、かつ前記誘電体の線膨張係数の最大値が、基板の線膨張係数の最大値の5/6以下であることを特徴とする弾性波素子。
  2. 圧電基板と、
    前記圧電基板の両面にそれぞれ設けられた1対の電極と、
    前記圧電基板の少なくともいずれか一方の表面に、その表面に設けられた電極を覆うよう設けられた誘電体膜とを有し、
    前記誘電体膜は、前記誘電体を伝搬する横波の音速の最大値が、前記圧電基板を伝搬する遅い横波の音速の2/3倍以下である誘電体膜と前記誘電体の線膨張係数の最大値が、基板の線膨張係数の最大値の5/6以下である誘電体膜とを組み合わせた誘電体膜であることを特徴とする弾性波素子。
  3. 前記圧電基板の両面にそれぞれ設けられた1対の電極と、
    前記圧電基板の少なくともいずれか一方の表面に、その表面に設けられた電極を覆うよう設けられた誘電体膜とを有し、
    前記誘電体膜は、前記誘電体を伝搬する横波の音速の最大値が、前記圧電基板を伝搬する遅い横波の音速の2/3倍以下である誘電体膜であり、電極膜は、前記電極膜の線膨張係数の最大値が、基板の線膨張係数の最大値の5/6以下である電極膜である構造、或は、誘電体膜は、基板の線膨張係数の最大値の5/6以下である誘電体膜であり、電極
    膜が、基板の線膨張係数の最大値の5/6以下である誘電体膜である構造を特徴とする弾性波素子。
  4. 前記圧電基板の両面にそれぞれ設けられた1対の電極と、
    前記圧電基板の表面に、その表面に設けられた電極を覆うよう設けられた誘電体膜とを有し、一方の面の誘電体膜は、前記誘電体膜は、前記誘電体を伝搬する横波の音速の最大値が、前記圧電基板を伝搬する遅い横波の音速の2/3倍以下である誘電体膜であり、他方の面の電極膜は、前記電極膜の線膨張係数の最大値が、基板の線膨張係数の最大値の5/6以下である電極膜である構造であることを特徴とする弾性波素子。
  5. 弾性波が前記圧電基板の各表面に対して垂直方向に伝搬し、周波数温度特性が、−20ppm/℃から+5ppm/℃の範囲であることを特徴とする請求項1、乃至4記載の弾性波素子。
  6. 前記圧電基板を伝搬する弾性波の波長をλeff、各電極または前記すだれ状電極の厚みをh、前記誘電体膜の膜厚をHとすると、h/λeff=0.005〜0.3、H/λeff=0.01〜0.3であることを特徴とする請求項1乃至5のいずれか1項に記載の弾性波素子。
  7. 圧電基板と、
    前記圧電基板の一方の表面に設けられた金属体すだれ状電極と、
    前記すだれ状電極上、及び、前記すだれ状電極の隙間の前記圧電基板表面に誘電体膜を有し、前記誘電体膜は、前記誘電体を伝搬する横波の音速の最大値が、前記圧電基板を伝搬する遅い横波の音速の2/3倍以下であり、かつ前記誘電体の線膨張係数の最大値が、基板の線膨張係数の最大値の5/6以下であることを特徴とする弾性波素子。
  8. 圧電基板と、
    前記圧電基板の一方の表面に設けられた金属体すだれ状電極と、
    前記すだれ状電極上、及び、前記すだれ状電極の隙間の前記圧電基板表面に誘電体膜を有し、
    前記誘電体膜は、前記誘電体を伝搬する横波の音速の最大値が、前記圧電基板を伝搬する遅い横波の音速の2/3倍以下である誘電膜と、前記誘電体の線膨張係数の最大値が、基板の線膨張係数の最大値の5/6以下である誘電膜を組み合わせた構造であることを特徴とする弾性波素子。
  9. 、圧電基板と、
    前記圧電基板の一方の表面に設けられた金属体すだれ状電極と、
    前記すだれ状電極上、及び、前記すだれ状電極の隙間の前記圧電基板の表面に設けられた誘電体膜とを有し、前記誘電体膜は、前記誘電体を伝搬する横波の音速の最大値が、前記圧電基板を伝搬する遅い横波の音速の2/3倍以下である誘電体膜であり、電極膜は、前記電極膜の線膨張係数の最大値が、基板の線膨張係数の最大値の5/6以下である電極膜である構造、或は、誘電体膜は、基板の線膨張係数の最大値の5/6以下である誘電体膜であり、電極膜が、基板の線膨張係数の最大値の5/6以下である誘電体膜である構造を特徴とする弾性波素子。
  10. 圧電基板と、
    前記圧電基板の一方の表面に設けられた金属体すだれ状電極と、
    前記すだれ状電極上、及び、前記すだれ状電極の隙間の前記圧電基板の表面に設けられた前記誘電体膜とを有し、
    各電極は、前記各電極を伝搬する横波の音速の最大値が、前記圧電基板を伝搬する遅い横波の音速の2/3倍以下である、かつ前記各電極の線膨張係数の最大値が、基板の線膨張係数の最大値の5/6以下であることを特徴とする請求項7乃至9記載の弾性波素子。
  11. 圧電基板と、
    前記圧電基板の一方の表面に設けられた金属体すだれ状電極と、
    前記すだれ状電極上に設けられた前記誘電体膜とを有し、
    各電極は、前記各電極を伝搬する横波の音速の最大値が、前記圧電基板を伝搬する遅い横波の音速の2/3倍以下である、かつ前記各電極の線膨張係数の最大値が、基板の線膨張係数の最大値の5/6以下であることを特徴とする請求項7乃至10記載の弾性波素子。
  12. 弾性波が前記圧電基板の各表面に沿って、および/または、前記圧電基板の各表面に対して垂直方向に伝搬し、周波数温度特性が、−20ppm/℃から+5ppm/℃の範囲であることを特徴とする請求項7乃至11記載の弾性波素子。
  13. 前記圧電基板を伝搬する弾性波の波長をλeff、各電極または前記すだれ状電極の厚みをh、前記誘電体膜の膜厚をHとすると、h/λeff=0.005〜0.3、H/λeff=0.01〜0.3であることを特徴とする請求項7乃至12記載の弾性波素子。
  14. 前記圧電基板は、33°〜39°回転YカットX伝搬のLiNbO基板、161°〜167°回転YカットX伝搬のLiNbO基板、LiNbO基板、44°〜50°回転YカットX伝搬のLiTaO基板、162°〜168°回転YカットX伝搬のLiTaO基板、LiTaO基板、ランガサイト基板、水晶基板、ZnO基板、圧電性セラミックス基板、AlN薄膜基板、ZnO薄膜基板、圧電性セラミックス薄膜基板、または、ScAlN薄膜基板であり、基板上に各電極を設け、各電極上に前記誘電体膜を設けた構造であり、
    前記誘電体膜は、前記圧電基板を伝搬する遅い横波の音速の2/3倍以下の誘電体膜であり、かつ前記誘電体の線膨張係数の最大値が、基板の線膨張係数の最大値の5/6以下である誘電体膜からなる誘電体膜である構造、または、前記圧電基板を伝搬する遅い横波の音速の2/3倍以下の誘電体膜として、(Bi(SiOまたはGeO(1−X)膜[ここで、X=0.3〜1.0]、Biを含む化合物膜、BSO膜、BGO膜、In膜、または、Inを含む化合物からなる誘電体膜を用いた誘電体膜である構造、または、上記誘電体膜膜と組み合わせた各電極として、前記圧電基板を伝搬する遅い横波の音速の2/3倍以下のAu,Ag,Bi,InSb、また各電極の線膨張係数の最大値が、基板の線膨張係数の最大値の5/6以下であることを特徴とするCr,Ti,Si,Pt,W、Cである上記誘電体膜とを組み合わせた各電極、もしくは、前記電極膜を伝搬する横波の音速の最大値が、前記圧電基板を伝搬する遅い横波の音速の2/3倍以下電極膜、或いは圧電基板と線膨張係数の最大値の5/6以下である電極を用いた電極膜を組み合わせた電極からなる構造であることを特徴とする、請求項1乃至6の弾性波素子。
  15. 圧電基板と、
    前記圧電基板の両面にそれぞれ設けられた1対の電極と、
    前記圧電基板の少なくともいずれか一方の表面に、その表面に設けられた電極を覆うよう設けられた誘電体膜とを有し、
    前記誘電体膜は、前記誘電体を伝搬する横波の音速の最大値が、前記圧電基板を伝搬する遅い横波の音速の2/3倍以下であり、かつ前記誘電体の線膨張係数の最大値が、基板の線膨張係数の最大値の5/6以下であるSiO膜とを組み合わせたことを特徴とする請求項1乃至6、乃至14の弾性波素子
  16. 前記圧電基板を伝搬する遅い横波の音速の2/3倍以下の電極としてのAu膜、と基板の線膨張係数の最大値の5/6以下である誘電体膜として、SiO膜を用いた構造であり、Au電極の膜厚をhAu、SiOの膜厚をhBYとしたとき、hBY/(hBY+hAu)=0.15から0.6の範囲のAu/SiO構造の電極・薄膜からなる構造の請求項1乃至6、乃至請求項14,15記載の弾性波素子。
  17. 前記圧電基板を伝搬する遅い横波の音速の2/3倍以下の電極膜としてAu膜、と基板の線膨張係数の最大値の5/6以下である電極膜として、Cr膜を用いた構造であり、Au電極の膜厚をhAu、Crの膜厚をhcrとしたとき、hcr/(h8E+hAu)=0.15から0.6の範囲のAu/Cr構造の電極からなる構造の請求項1乃至6、乃至13、14、15、16記載の弾性波素子。
  18. 各電極は、各電極または前記すだれ状電極の線膨張係数が基板の線膨張係数の5/6以下である前記電極として、Cr,Ti,Si,Pt,W、Cと圧電基板を伝搬する遅い横波の音速の2/3倍以下の電極膜Au,Ag,Bi,InSbとを組み合わせた構造であり、Au,Ag,Bi,InSb電極の膜厚をhAu、Cr,Ti,Si,Pt,W、C の膜厚をhcrとしたとき、hcr/(h8E+hAu)=0.15から0.6の範囲のAu/Cr構造の電極からなる構造の請求項1乃至6、乃至13、14,15、16、17記載の弾性波素子。
  19. 請求項13において、各電極の線膨張係数の最大値が、基板の線膨張係数の最大値の5/6以下である各電極TBEからなる各電極TEである構造のいずれかの条件に合致する場合の電極膜として、通常のすだれ状電極、Al、Zn、Ru、Cr、Cu/Cr、Pt、Pt/Cr、Pt/Ti、もしくは、これらのうちの2種以上の合金からなる構造の請求項1乃至6、乃至13、14,15,16,17,18記載の弾性波素子。
  20. 前記圧電基板は、−10°〜75°回転YカットX伝搬のLiNbO基板、120°〜170°回転YカットX伝搬のLiNbO基板、Y−Z LiNbO基板、Xカット35°〜45°Y伝搬のLiNbO基板、Xカット160°〜175°Y伝搬のLiNbO基板、LiNbO基板、−10°〜60°回転YカットX伝搬のLiTaO基板、Xカット35°〜45°Y伝搬のLiTaO基板、LiTaO基板、ランガサイト基板、水晶基板、ZnO基板、圧電性セラミックス基板、AlN薄膜基板、ZnO薄膜基板、圧電性セラミックス薄膜基板、または、ScAlN薄膜基板であり、
    前記誘電体膜は、前記圧電基板を伝搬する遅い横波の音速の2/3倍以下の誘電体膜であり、かつ前記誘電体の線膨張係数の最大値が、基板の線膨張係数の最大値の5/6以下である誘電体膜からなる誘電体膜である構造、または、前記圧電基板を伝搬する遅い横波の音速の2/3倍以下の誘電体膜として、(Bi(SiOまたはGeO(1−X)膜[ここで、X=0.3〜1.0]、Biを含む化合物膜、BSO膜、BGO膜、In膜、または、Inを含む化合物からなる誘電体膜を用いた誘電体膜である構造、または、上記誘電体膜膜と組み合わせた各すだれ状電極として、前記圧電基板を伝搬する遅い横波の音速の2/3倍以下のAu,Ag,Bi,InSb、また各すだれ状電極の線膨張係数の最大値が、基板の線膨張係数の最大値の5/6以下であることを特徴とするCr,Ti,Si,Pt,W、Cである上記誘電体膜とを組み合わせた各電極、もしくは、前記すだれ状電極膜を伝搬する横波の音速の最大値が、前記圧電基板を伝搬する遅い横波の音速の2/3倍以下電極膜、或いは圧電基板と線膨張係数の最大値の5/6以下である電極を用いたすだれ状電極を組み合わせた電極からなる構造であることを特徴とする、請求項7乃至13の弾性波素子。
  21. 圧電基板と、
    前記圧電基板の一方の表面に設けられた金属体すだれ状電極と、
    前記すだれ状電極上、及び、前記すだれ状電極の隙間の前記圧電基板表面に誘電体膜を有し、前記誘電体膜は、前記誘電体を伝搬する横波の音速の最大値が、前記圧電基板を伝搬する遅い横波の音速の2/3倍以下であり、かつ前記誘電体の線膨張係数の最大値が、基板の線膨張係数の最大値の5/6以下であるSiO膜とを組み合わせたことを特徴とする請求項7乃至13、乃至19の弾性波素子
  22. 前記圧電基板を伝搬する遅い横波の音速の2/3倍以下のすだれ状電極としてのAu膜と基板の線膨張係数の最大値の5/6以下である誘電体膜として、SiO2膜を用いた構造であり、Au電極の膜厚をhAu、SiOの膜厚をhBYとしたとき、hBY/(hBY+hAu)=0.15から0.6の範囲のAu/SiO構造の電極・薄膜からなる構造の請求項7,13乃至20記載の弾性波素子。
  23. 前記圧電基板を伝搬する遅い横波の音速の2/3倍以下のすだれ状電極としのAu膜と基板の線膨張係数の最大値の5/6以下であるすだれ状電極として、Cr膜を用いた構造であり、Au電極の膜厚をhAu、Crの膜厚をhcrとしたとき、hcr/(h8E+hAu)=0.15から0.6の範囲のAu/Cr構造のすだれ状電極からなる構造の請求項7乃至13、乃至20、21,記載の弾性波素子。
  24. 各前記すだれ状電極は、各電極または前記すだれ状電極の線膨張係数が基板の線膨張係数の5/6以下である前記すだれ状電極として、Cr,Ti,Si,Pt,W、Cと圧電基板を伝搬する遅い横波の音速の2/3倍以下の電極膜Au,Ag,Bi,InSbとを組み合わせた構造であり、Au,Ag,Bi,InSb電極の膜厚をhAu、Cr,Ti,Si,Pt,W、C の膜厚をhcrとしたとき、hcr/(h8E+hAu)=0.15から0.6の範囲のAu/Cr構造のすだれ状電極からなる構造の請求項7乃至13、22、23記載の弾性波素子。
  25. 請求項13において、各すだれ状電極の線膨張係数の最大値が、基板の線膨張係数の最大値の5/6以下である各電極TBEからなる各電極TEである構造のいずれかの条件に合致する場合の電極膜として、通常のすだれ状電極、Al、Zn、Ru、Cr、Cu/Cr、Pt、Pt/Cr、Pt/Ti、もしくは、これらのうちの2種以上の合金からなる構造の請求項7乃至13、22,23記載の弾性波素子。
  26. 誘電体膜と各電極或いはすだれ状電極からなる構造であり、誘電体膜が基板の線膨張係数の最大値の5/6以下である誘電体膜であり、各電極或いはすだれ状電極が伝搬する遅い横波の音速の2/3倍以下である電極膜である構造、或いは、誘電体膜が伝搬する遅い横波の音速の2/3倍以下である誘電体膜であり、各電極或いはすだれ状電極が基板の線膨張係数の最大値の5/6以下である電極膜である構造であることを特徴とする請求項7乃至13、20,21,22,23,24のいずれか1項に記載の弾性波素子。
  27. 前記すだれ状電極の交互に配置された電極の本数を2N+1本、伝搬する弾性波の動作中心波長をλ、そのときの前記弾性波の速度をV、前記弾性波の波長がλn=λ[1+{N−(n−1)}δ]のときの前記弾性波の速度をVとし(ここで、n=1〜2N+1)、Nδの値を0.005〜0.3、aの値を0.8〜1.2とすると、
    n本目の電極の幅は、L=X/2=a(λ/4)×(V/V)、隣り合う電極の中心間隔はX=a(λ/2)×(V/V)であることを特徴とする請求項1乃至25記載の弾性波素子。
  28. 各電極または前記すだれ状電極が設けられた前記圧電基板と、前記誘電体膜との間にSiO膜もしくは温度補償用誘電体膜を有すること、または、前記誘電体膜の上にSiO膜を有することを特徴とする請求項1乃至請求項25のいずれか1項に記載の弾性波素子。
  29. 請求項1乃至26のいずれか1項に記載の弾性波素子の製造方法であって、
    各電極もしくは前記すだれ状電極、および/または前記誘電体膜を、前記弾性波素子の中心動作温度より100℃以上高い温度、または、前記弾性波素子の中心動作温度より100℃以上低い温度で蒸着して形成することを特徴とする弾性波素子の製造方法。


























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