JP3835286B2 - 圧電材料、圧電デバイス用基板及び表面弾性波装置 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
この発明は、表面弾性波フィルター、バルク波フィルター、共振子、振動子等に好適に用いられる圧電材料、圧電デバイス用基板及び表面弾性波装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
表面弾性波フィルター等の圧電デバイスに用いられる圧電デバイス用基板は、単結晶圧電材料を所定のカット方位で切断加工することにより、製作されており、そして、この基板に、表面弾性波を励振するための櫛歯型等の電極を形成することにより、表面弾性波装置が製作されている。
【0003】
この単結晶圧電材料において、要求される特性として、電気機械結合係数k2が大きいこと、遅延時間温度係数TCDがゼロに近いこと、単結晶の育成や作成過程が容易であること、等が挙げられる。
【0004】
従来より単結晶圧電材料として広く用いられていた水晶やランタン・ガリウム・ニオブ系酸化物単結晶であるランガナイト等は、TCDがゼロであるという優れた特性(即ち零温度特性)を持つ。
【0005】
また、k2の大きい圧電材料として、ニオブ酸リチウム(LN)やタンタル酸リチウム(LT)等が開発されている(例えば特開平11−106294号公報参照)。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、現在使用されている上述のような圧電材料において、水晶やランガナイト等では、TCDがゼロであるという優れた特性を有する反面、k2が小さいという欠点があり、LNやLT等では、k2が大きいという特性を有する反面、TCDも大きいという欠点があった。このようにk2が小さい圧電材料は、表面弾性波装置の広帯域化への対応が困難になる。また、TCDが大きい圧電材料は、温度変化に対する特性変化(帯域周波数の変化)が大きいという欠点を有している。
【0007】
この発明は、このような技術背景に鑑みてなされたもので、その目的は、電気機械結合係数k2が大きく且つ遅延時間温度係数TCDがゼロに近いという特性を有する単結晶圧電材料、圧電デバイス用基板及びこれを用いた表面弾性波装置を提供することにある。
【0008】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、請求項1の発明に係る圧電材料は、組成式がNdCa4O(BO3)3で表される単結晶からなり、遅延時間温度係数の絶対値が30ppm/℃以下であることを特徴としている。
【0009】
請求項2の発明に係る圧電デバイス用基板は、上記請求項1記載の圧電材料で形成されていることを特徴としている。
【0010】
請求項3の発明に係る表面弾性波装置は、上記請求項2記載の圧電デバイス用基板に、表面弾性波を励振するための電極が設けられていることを特徴としている。
【0011】
【発明の実施の形態】
この発明に係る圧電材料は、潮解性がなく安定である上、電気機械結合係数k2が大きく、且つ遅延時間温度係数TCDがゼロに近い(つまりTCDの絶対値が小さい)という優れた特性を有している。したがって、この発明に係る圧電材料は、圧電デバイス用基板を製作するための材料として特に好適に用いることができる。
【0012】
この圧電材料は、組成式がNdCa4O(BO3)3で表される単結晶からなるものである。この圧電材料を構成するNd(ネオジム)及びCa(カルシウム)において、Ndは希土類元素に属するものであり、Caはアルカリ土類金属元素に属するものであるから、この圧電材料は、希土類・アルカリ土類金属・オキシボレート系単結晶からなる圧電材料の一種であると言える。
【0013】
この発明に係る圧電材料は、NdとCaが化学量論数比で1:4に厳密に設定されているNdCa4O(BO3)3単結晶からなるものをはじめ、Nd以外の希土類元素(即ち、Sc、Y、La、Ce、Pr、Pm、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Lu)から選択された1種又は2種以上の元素を不純物として含有したNdCa4O(BO3)3単結晶からなるものであっても良い。この場合において、選択された元素は、固溶元素として含有されていても良く、例えば、Ndと置換される置換型固溶元素として、あるいは侵入型固溶元素として含有されていても良い。
【0014】
また同じく、この発明に係る圧電材料は、Ca以外のアルカリ土類金属元素(即ち、Be、Mg、Sr、Ba、Ra)から選択された1種又は2種以上の元素を不純物として含有したNdCa4O(BO3)3単結晶からなるものであっても良い。この場合において、選択された元素は、固溶元素として含有されていても良く、例えば、Caと置換される置換型固溶元素として、あるいは侵入型固溶元素として含有されていても良い。
【0015】
また同じく、この発明に係る圧電材料は、希土類元素及びアルカリ土類金属元素以外の元素を不純物として含有したNdCa4O(BO3)3単結晶からなるものであっても良い。
【0016】
もとより、この発明に係る圧電材料は、製造上不可避の不純物を含有したNdCa4O(BO3)3単結晶からなるものであっても良いことは言うまでもない。
【0017】
而して、この発明に係る圧電材料は、TCDの絶対値を30ppm/℃以下(即ち、TCDを+30〜−30ppm/℃の範囲内)にすることができる。
【0018】
この圧電材料において、TCDの上限値は20ppm/℃であることが望ましく、特に15ppm/℃であることが望ましく、更に10ppm/℃であることが望ましく、5ppm/℃であることがより一層望ましい。
【0019】
一方、TCDの下限値は、−20ppm/℃であることが望ましく、特に−15ppm/℃であることが望ましく、更に−10ppm/℃であることが望ましく、−5ppm/℃であることがより一層望ましい。
【0020】
このTCD(単位:ppm/℃)の値は、25℃における値であり、次式(i)で算出される。
【0021】
TCD=α−(1/VS)(∂VS/∂T)…(i)
【0022】
上記(i)式において、VSは表面弾性波の伝搬速度、Tは温度であり、右辺の第1項であるαは伝搬方向の熱膨張係数である。また、同右辺の第2項をβをすると、βは次式(ii)で算出される。
【0023】
β=(1/VS(25℃))[(VS(35℃)−VS(15℃))/20]…(ii)
【0024】
上記(ii)式において、VS(25℃)、VS(35℃)及びVS(15℃)は、それぞれ25℃、35℃及び15℃における表面弾性波の伝搬速度である。
【0025】
ところで、NdCa4O(BO3)3単結晶は単斜晶系に属するものである。一般的に、単斜晶系に属する結晶の結晶軸(a軸、b軸及びc軸)と、表面弾性波特性の評価に用いる直交座標軸(X軸、Y軸及びZ軸)との関係は、b軸をY軸に、c軸をZ軸にとり、右手直交になるようにX軸をとると決められている。
【0026】
この発明では、圧電材料は、例えばY軸に直交するか又はこれに近い面でカットされた場合、表面弾性波の伝搬方向を適切に選択することによって、TCDの絶対値を所定値以下に確実に設定することができる。但し、この発明では、圧電材料はこのようなカット方位でカットされているものに限定されるものではない。例えば、X軸に直交するか又はこれに近い面でカットされていても良いし、Z軸に直交するか又はこれに近い面でカットされていても良く、要するにTCDの絶対値が所定値以下になる伝搬方向が得られるようにカットされていれば良い。
【0027】
なお、この明細書では、X軸に直交する面でカットすることを「Xカット」と呼び、Y軸に直交する面でカットすることを「Yカット」と呼び、Z軸に直交する面でカットすることを「Zカット」と呼ぶ。
【0028】
この圧電材料は、これがバルク状である場合には圧電デバイス用基板として用いることができる。このバルク状圧電材料の単結晶育成方法については、特に限定されるものではなく、各種チョクラルスキー(Cz)法をはじめ、ブリッジマン法、フローティング・ゾーン法(浮遊帯域溶融法)等の様々な育成方法を適用することができるが、特にCz法により育成することが望ましい。すなわち、Cz法によれば、大口径で且つ高品質の単結晶を育成することができる上、当該単結晶の育成を高速に且つ容易に行うことができるからである。
【0029】
また、特に、この圧電材料は、Y軸方向に育成された単結晶からなることが、当該単結晶のカット方位決定作業(いわゆる方位出し作業)を容易に行えるようになる点等で、望ましい。なお、圧電材料がCz法により育成された単結晶からなるものである場合には、当該単結晶の引き上げ方向がその育成方向となる。
【0030】
また、この圧電材料は、任意の基板上に形成される単結晶薄膜として用いることができる。この場合においてその成膜方法は、特に限定されるものではなく様々な成膜方法を適用することができる。
【0031】
この発明に係る圧電デバイス用基板は、上述したバルク状圧電材料を所定のカット方位でカットしてそのカット面を研磨加工することにより、製作することができる。
【0032】
また、圧電デバイス用基板は、任意の基板上に上述した圧電材料が薄膜として形成されていても良い。
【0033】
この発明に係る表面弾性波装置は、圧電デバイス用基板上に表面弾性波を励振するための電極を設けることにより、製作することができる。
【0034】
この表面弾性波装置としては、例えば、図1に示した共振器型表面弾性波装置や図2に示したトランスバーサル型表面弾性波装置が挙示される。
【0035】
図1に示した共振器型表面弾性波装置では、表面弾性波を励振するための電極として、複数個の平行な電極指を有する一対の櫛歯型の励振電極(Inter Digital Transducer)(2)が、電極指を相互に噛み合わせた態様にして圧電デバイス用基板(1)の一主面に設けられている。この一対の櫛歯型励振電極(2)は導電性材料から形成されている。この導電性材料としては、例えば、アルミニウム(その合金を含む。)、チタン、ニッケル、金、プラチナ等の金属やこれらの合金が好適に用いられる。また、同図の鎖線に示すように、前記櫛歯型励振電極(2)の表面弾性波伝搬路の両端に、表面弾性波を反射するための反射器(3)が設けられていても良い。
【0036】
図2に示したトランスバーサル型表面弾性波装置では、表面弾性波(5)を励振するための電極として、図1と同じく、一対の櫛歯型励振電極(2)が電極指を相互に噛み合わせた態様にして圧電デバイス用基板(1)の一主面に設けられている。さらに、この一対の櫛歯型励振電極(2)に隣接して、表面弾性波(5)を受信するための一対の櫛歯型受信電極(2’)が設けられている。
【0037】
なお、図1及び図2において、(4)は前記櫛歯型励振電極(2)に印加するための高周波信号源である。
【0038】
この発明において、櫛歯型励振電極(2)、受信電極(2’)及び反射器(3)の形成方法としては、特に限定されるものではなく、様々な公知の形成方法を適用することができる。例えば、基板(1)の主面上に電極となる金属を真空蒸着法により被着形成したのち、リフトオフ法及び/又はエッチング法により電極を形成することができる。
【0039】
【実施例】
次に、この発明の具体的実施例について説明する。
【0040】
<第1単結晶の育成>
NdCa4O(BO3)3単結晶を高周波誘導加熱型Cz法により育成した。この単結晶を、説明の便宜上「第1単結晶」という。用いたるつぼはイリジウム(Ir)製の円筒形のものである。用いた原料は純度99.99%の炭酸カルシウム(CaCO3)、酸化ネオジム(Nd2O3)、純度99.95%の酸化ホウ素(B2O3)であり、これらを8:1:3のモル比で混合し、1100℃で24時間焼結したものを前記るつぼに充填した。イリジウム製のるつぼは約800℃以上の高温では酸素と反応し、揮発するため、アルゴンガス雰囲気中で育成を行った。以下にその育成条件を示す。
【0041】
・シード結晶…NdCa4O(BO3)3結晶
・引き上げ方向…Y軸
・育成温度…約1480℃
・結晶回転速度…20rpm
・引き上げ速度…2.0mm/h
【0042】
こうして育成されたロッド状の第1単結晶は、クラックが生じておらず高品質なものであった。また、この第1単結晶は、その組成式においてNdとCaを化学量論数比(Nd:Ca)で1:4の割合で含有しているものである。
【0043】
<第2単結晶の育成>
不純物としてGdを含有したNdCa4O(BO3)3単結晶を高周波誘導加熱型Cz法により育成した。この単結晶を、説明の便宜上「第2単結晶」という。用いたるつぼはイリジウム(Ir)製の円筒形のものである。用いた原料は純度99.99%の炭酸カルシウム(CaCO3)、酸化ガドリニウム(Gd2O3)、酸化ネオジム(Nd2O3)、純度99.95%の酸化ホウ素(B2O3)であり、これらを8:0.1:0.9:3のモル比で混合し、1100℃で24時間焼結したものを前記るつぼに充填した。イリジウム製のるつぼは約800℃以上の高温では酸素と反応し、揮発するため、アルゴンガス雰囲気中で育成を行った。以下にその育成条件を示す。
【0044】
・シード結晶…NdCa4O(BO3)3結晶
・引き上げ方向…Y軸
・育成温度…約1480℃
・結晶回転速度…20rpm
・引き上げ速度…2.0mm/h
【0045】
こうして育成されたロッド状の第2単結晶は、クラックが生じておらず高品質なものであった。また、この第2単結晶は、その組成式においてNd及びGdとCaを化学量論数比[(Nd+Gd):Ca]で1:4の割合で含有しているものである。この第2単結晶において、不純物であるGdは、Ndと置換された置換型固溶元素として単結晶中に含まれていると推察される。
【0046】
<第3単結晶の育成>
不純物としてMgを含有したNdCa4O(BO3)3単結晶を高周波誘導加熱型Cz法により育成した。この単結晶を、説明の便宜上「第3単結晶」という。用いたるつぼはイリジウム(Ir)製の円筒形のものである。用いた原料は純度99.99%の炭酸カルシウム(CaCO3)、純度99.99%の炭酸マグネシウム(MgCO3)、酸化ネオジム(Nd2O3)、純度99.95%の酸化ホウ素(B2O3)であり、これらを7.76:0.24:1:3のモル比で混合し、1100℃で24時間焼結したものを前記るつぼに充填した。イリジウム製のるつぼは約800℃以上の高温では酸素と反応し、揮発するため、アルゴンガス雰囲気中で育成を行った。以下にその育成条件を示す。
【0047】
・シード結晶…NdCa4O(BO3)3結晶
・引き上げ方向…Y軸
・育成温度…約1480℃
・結晶回転速度…20rpm
・引き上げ速度…2.0mm/h
【0048】
こうして育成されたロッド状の第3単結晶(すなわち、不純物としてMgを含有したNdCa4O(BO3)3単結晶)は、クラックが生じておらず高品質なものであった。また、この第3単結晶は、その組成式においてNdとCa及びMgを化学量論数比[Nd:(Ca+Mg)]で1:4の割合で含有しているものである。この第3単結晶において、不純物であるMgは、Caと置換された置換型固溶元素として単結晶中に含まれていると推察される。
【0049】
<VS、k2及びTCDの測定>
[実施例1] 上記の第1単結晶をZ軸に直交する面でカットして該カット面を鏡面加工することにより、圧電デバイス用基板を製作した。そして、図1に示した共振器型表面弾性波装置を製作すべく、この基板の主面(即ちカット面)に一対の櫛歯型励振電極を形成した。なお、この櫛歯型励振電極において、電極指間隔は9μm、電極指幅は9μm、電極指対数は20である。
【0050】
次いで、この表面弾性波装置に対して、ZカットY伝搬の表面弾性波の伝搬速度VS、電気機械結合係数k2及び遅延時間温度係数TCDを測定した。
【0051】
なお、TCDの値は上記(i)及び(ii)により算出した。TCDの測定に用いた中心周波数は約105MHzである。一方、VS及びk2の測定は、インピーダンスアナライザを用い、アドミタンスの実部(コンダクタンス)Gとその虚部(サセプタンス)Bの周波数特性(放射アドミタンス特性)を測定することにより、行った。ここで、VSの値は次式(iii)により算出し、k2は次式(iv)により算出した。
【0052】
VS=f0×λ…(iii)
k2=π/(4N)×(G/B)f=f0…(iv)
【0053】
上記(iii)式において、f0は中心周波数であり、λは波長(電極指幅の4倍)である。上記(iv)式において、Nは電極指対数である。
【0054】
以上の測定により得られたVS、k2及びTCDを以下に示す。
【0055】
・VS…3900m/s
・k2…1.1%
・TCD…15ppm/℃(但し、25℃における。)
【0056】
[実施例2] 上記の第1単結晶をY軸に直交する面でカットして該カット面を鏡面加工することにより、圧電デバイス用基板を製作した。そして、図1に示した共振器型表面弾性波装置を製作すべく、この基板の主面(即ちカット面)に一対の櫛歯型励振電極を形成し、YカットX伝搬のVS、k2及びTCDを測定した。TCDの測定に用いた中心周波数は約92MHzである。その結果を以下に示す。なお、この櫛歯型励振電極において、電極指間隔、電極指幅及び電極指対数は、上記実施例1と同じである。また、TCD、VS及びk2の測定方法についても上記実施例1と同じである。
【0057】
・VS…3450m/s
・k2…0.5%
・TCD…5ppm/℃(但し、25℃における。)
【0058】
[実施例3] 上記の第1単結晶をX軸に直交する面でカットして該カット面を鏡面加工することにより、圧電デバイス用基板を製作した。そして、図1に示した共振器型表面弾性波装置を製作すべく、この基板の主面(即ちカット面)に一対の櫛歯型励振電極を形成し、XカットY伝搬のVS、k2及びTCDを測定した。TCDの測定に用いた中心周波数は約95MHzである。その結果を以下に示す。なお、この櫛歯型励振電極において、電極指間隔、電極指幅及び電極指対数は、上記実施例1と同じである。また、TCD、VS及びk2の測定方法についても上記実施例1と同じである。
【0059】
・VS…3550m/s
・k2…0.5%
・TCD…13ppm/℃(但し、25℃における。)
【0060】
[実施例4] 上記の第2単結晶をY軸に直交する面でカットして該カット面を鏡面加工することにより、圧電デバイス用基板を製作した。そして、図1に示した共振器型表面弾性波装置を製作すべく、この基板の主面(即ちカット面)に一対の櫛歯型励振電極を形成し、YカットX伝搬のVS、k2及びTCDを測定した。TCDの測定に用いた中心周波数は約92MHzである。その結果を以下に示す。なお、この櫛歯型励振電極において、電極指間隔、電極指幅及び電極指対数は、上記実施例1と同じである。また、TCD、VS及びk2の測定方法についても上記実施例1と同じである。
【0061】
・VS…3450m/s
・k2…0.4%
・TCD…30ppm/℃(但し、25℃における。)
【0062】
[実施例5] 上記の第3単結晶をY軸に直交する面でカットして該カット面を鏡面加工することにより、圧電デバイス用基板を製作した。そして、図1に示した共振器型表面弾性波装置を製作すべく、この基板の主面(即ちカット面)に一対の櫛歯型励振電極を形成し、YカットX伝搬のVS、k2及びTCDを測定した。TCDの測定に用いた中心周波数は約92MHzである。その結果を以下に示す。なお、この櫛歯型励振電極において、電極指間隔、電極指幅及び電極指対数は、上記実施例1と同じである。また、TCD、VS及びk2の測定方法についても上記実施例1と同じである。
【0063】
・VS…3450m/s
・k2…0.5%
・TCD…20ppm/℃(但し、25℃における。)
【0064】
<櫛歯型励振電極の製作>
櫛歯型励振電極は、公知の形成方法によって形成されたものである。すなわち、基板の主面上に電極となるアルミニウムを真空蒸着法により被着形成したのち、エッチング法によって前記の櫛歯型励振電極を形成した。
【0065】
<本発明品と従来品との対比>
ここで、上記実施例1〜5で得られた単結晶圧電材料であるNdCa4O(BO3)3単結晶と、従来の単結晶圧電材料である水晶(これを「比較例1」とする。)及びLN(これを「比較例2」とする。)とを、VS、k2及びTCDについて対比すると、表1のようになる。
【0066】
【表1】
【0067】
同表から明らかなように、NdCa4O(BO3)3単結晶は、不純物を含んでいるか否かにかかわらず、k2が大きく且つTCDがゼロに近い(つまりTCDの絶対値が小さい)という優れた特性を有するものであることが分かる。特に、NdCa4O(BO3)3単結晶は、上記第1単結晶のように、製造上不可避の不純物だけを含有したものである場合が、TCDをより一層ゼロに近づけることができできる点で、望ましいが、Nd以外の希土類元素から選択された1種又は2種以上の元素を不純物として、上記第2単結晶におけるGdの含有量以下で含有したものであっても、あるいはCa以外のアルカリ土類金属元素から選択された1種又は2種以上の元素を不純物として、上記第3単結晶におけるMgの含有量以下で含有したものであっても、TCDを所定の値以下に設定できることが分かる。したがって、このようなNdCa4O(BO3)3単結晶からなる圧電材料は、圧電デバイス用基板を製作するための材料として好適に用いることができることを確認し得た。
【0068】
【発明の効果】
上述の次第で、この発明に係る圧電材料は、電気機械結合係数k2が大きく且つ遅延時間温度係数TCDの絶対値が所定の値以下であるから、圧電デバイス用基板を製作するための材料として好適に用いることができる。
【0069】
さらに、この圧電材料で形成された圧電デバイス用基板に、表面弾性波を励振するための電極を形成することにより、優れた性能を有する表面弾性波装置を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】この発明に係る表面弾性波装置の一つである共振器型表面弾性波装置を説明するための平面図である。
【図2】この発明に係る表面弾性波装置の一つであるトランスバーサル型表面弾性波装置を説明するための平面図である。
【符号の説明】
1…圧電デバイス用基板
2…櫛歯型励振電極
2’…櫛歯型受信電極
3…反射器
4…高周波信号源
Claims (3)
- 組成式がNdCa4O(BO3)3で表される単結晶からなり、
遅延時間温度係数の絶対値が30ppm/℃以下であることを特徴とする圧電材料。 - 請求項1記載の圧電材料で形成されていることを特徴とする圧電デバイス用基板。
- 請求項2記載の圧電デバイス用基板に、表面弾性波を励振するための電極が設けられていることを特徴とする表面弾性波装置。
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