JP4003434B2 - 表面波装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、水晶基板を用いた表面波装置に関し、特に、水晶基板上に圧電薄膜を積層してなる表面波基板を用いた表面波装置の改良に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、例えば移動体通信機器の帯域フィルタなどに表面波装置が広く用いられている。表面波（以下、ＳＡＷ）装置は、圧電体と接するように少なくとも一対のくし歯電極を形成してなる少なくとも１つのインターデジタルトランスデューサ（以下、ＩＤＴ）を形成した構造を有する。
【０００３】
また、近年、圧電薄膜を用いたＳＡＷ装置も種々提案されている。すなわち、ガラス基板や圧電基板などの弾性体基板上に圧電薄膜を形成してなる表面波基板を用いたＳＡＷ装置が提案されている。
【０００４】
上記圧電薄膜及び弾性体基板を積層してなる表面波基板を用いた構成では、図２２（ａ）及び（ｂ）並びに図２３（ａ）及び（ｂ）に示す４種類の構造が知られている。すなわち、図２２（ａ）に示すＳＡＷ装置１０１では、弾性体基板１０２上に圧電薄膜１０３が形成されており、圧電薄膜１０３上にＩＤＴ１０４が形成されている。他方、図２２（ｂ）に示すＳＡＷ装置１０５では、ＩＤＴ１０４が圧電薄膜１０３の下面に、すなわち弾性体基板１０２と圧電薄膜１０３との間の界面に形成されている。
【０００５】
また、図２３（ａ）に示すＳＡＷ装置１０６では、弾性体基板１０２上に、短絡電極１０７が形成されており、該短絡電極１０７上に圧電薄膜１０３が積層されている。ＩＤＴ１０４は、圧電薄膜１０３上に形成されている。すなわち、ＳＡＷ装置１０６は、図２２（ａ）に示したＳＡＷ装置１０１において、弾性体基板１０２と圧電薄膜１０３との界面に短絡電極１０７を挿入した構造に相当する。
【０００６】
図２３（ｂ）に示すＳＡＷ装置１０８では、短絡電極１０７が圧電薄膜１０３上に形成されている。また、ＩＤＴ１０４が弾性体基板１０２と圧電薄膜１０３との間の界面に形成されている。従って、ＳＡＷ装置１０８は、図２２（ｂ）に示したＳＡＷ装置１０５において、圧電薄膜１０３の上面に短絡電極１０７を形成した構造に相当する。
【０００７】
上記ＳＡＷ装置１０１，１０５，１０６，１０８を、ＩＤＴ１０４の形成位置及び短絡電極１０７の有無のみを異ならせ、他の構成は同一とし、圧電薄膜としてＺｎＯ薄膜、弾性体基板としてガラス基板を用いた場合の電気機械結合係数を図２４に示す。
【０００８】
図２４では、上記４種類のＳＡＷ装置におけるＺｎＯ薄膜の規格化された膜厚Ｈ／λに対する電気機械結合係数の変化が示されている。なお、本明細書において、Ｈは圧電薄膜の厚みを、λは励振される表面波の波長を示す（単位はいずれも同じ）。
【０００９】
また、実線ＡがＳＡＷ装置１０１の結果を、破線ＢがＳＡＷ装置１０５の結果を、一点鎖線ＣはＳＡＷ装置１０６の結果を、二点鎖線ＤがＳＡＷ装置１０８の結果を示す。
【００１０】
図２４から明らかなように、Ｈ／λを選択することにより、ＳＡＷ装置１０５，１０８において、ＳＡＷ装置１０１，１０６に比べて大きな電気機械結合係数の得られることがわかる。
【００１１】
従って、従来、ガラス基板１０２上にＺｎＯ薄膜１０３を形成した構造では、ＩＤＴ１０４をガラス基板１０２とＺｎＯ薄膜１０３との間の界面に形成したほうが大きな電気機械係合係数が得られるとされていた。なお、図２４中のセザワ波と記載してある波は、レイリー波の高次モードの表面波である。
【００１２】
また、ＩＥＥＥ ＵＬＴＲＡＳＯＮＩＣＳ ＳＹＭＰＯＳＩＵＭ（１９９７）２６１〜２６６頁や日本学術振興会弾性波素子技術第１５０委員会５９回研究資料（１９９８）２３〜２８頁〔以下、文献１と略す。〕には、本発明者により、水晶基板上にＺｎＯ薄膜を形成してなる表面波基板を用いた場合の弾性表面波の各種特性が示されている。図２５（ａ）及び（ｂ）並びに図２６を参照してこれを説明する。この先行技術には、周波数時間温度特性ＴＣＦがプラスの値をもつカット角及び伝搬方向の水晶基板上に、周波数温度係数ＴＣＦがマイナスのＺｎＯ薄膜を形成することにより、ＴＣＦがゼロである表面波基板が得られることが理論と実験とにより確認されている。
【００１３】
なお、この文献１における理論は、ＩＥＥＥ ｔｒａｎｓ．Ｓｏｎｉｃｓ ＆Ｕｌｔｒａｓｏｎ．ｖｏｌ．ＳＵ−１５，No. ４（１９６８）２０９頁〜に基づいている。
【００１４】
図２５（ａ）は、上記文献１に記載されている２９°４５′回転Ｙ板３５°Ｘ伝搬〔オイラー角（０°、１１９°４５′、３５°）〕の水晶基板における図２２（ａ）のＳＡＷ装置のＴＣＦのＺｎＯ膜厚依存性を示し、図２５（ｂ）は、上記文献１に記載されている４２°４５′回転Ｙ板３５°Ｘ伝搬〔オイラー角（０°、１３２°４５′、３５°）〕における図２２（ａ）のＳＡＷ装置のＴＣＦのＺｎＯ膜厚依存性を示す。また、図２６は、圧電薄膜としてＺｎＯ薄膜、弾性体基板として水晶基板を用いたＳＡＷ装置のレイリー波とスプリアス波であるセザワ波の電気機械結合係数を示す。図２６における実線Ａ〜Ｃは、それぞれ、図２２（ａ）、図２２（ｂ）及び図２３（ａ）に示す構造のＳＡＷ装置のレイリー波の電気機械結合係数を示し、破線Ａ″、Ｃ″及びＤ″は、図２２（ａ）、図２３（ａ）及び図２３（ｂ）の構造を有するＳＡＷ装置におけるスプリアスとなるセザワ波の電気機械結合係数の変化を示す。
【００１５】
図２５（ａ）及び（ｂ）から、図２２（ａ）のＳＡＷ装置では、規格化されたＺｎＯ膜の膜厚を選択することにより、ＴＣＦがゼロとなることがわかる。
下記の表１は、上述した先行技術に記載の図２２（ａ）のＳＡＷ装置（Ａｌ／ＺｎＯ／水晶の積層構造）と、従来より知られているＴＣＦの良好なＳＡＷ装置との比較を示す。
【００１６】
【表１】

【００１７】
図２６及び表１から、図２２（ａ）のＳＡＷ装置は、ＳＴ−Ｘ水晶基板やＬａ₃Ｇａ₅ＳｉＯ₁₄基板よりも大きい、１％程度の電気機械結合係数Ｋ² が得られ、同等の電気機械係合係数Ｋ² を有するＬｉ₂Ｂ₄Ｏ₇ 基板に比べて、音速が２０％程度低いことがわかる。このことは、図２２（ａ）のＳＡＷ装置により、トランスバーサル型ＳＡＷフィルタを構成した場合、ＳＴ−Ｘ水晶基板やＬａ₃Ｇａ₅ＳｉＯ₁₄基板の場合よりも低損失であり、Ｌｉ₂Ｂ₄Ｏ₇ 基板の場合よりも小型でかつ温度による周波数偏差が小さいことを意味している。
【００１８】
ところで、図２６において、圧電薄膜としてＺｎＯ薄膜、弾性体基板として水晶基板を用いた場合、図２２（ｂ）のＳＡＷ装置におけるレイリー波の電気機械結合係数は、図２２（ａ）及び図２３（ａ）のＳＡＷ装置におけるレイリー波の電気機械結合係数よりも小さいことが示されており、この傾向は弾性体基板としてガラス基板を用いた場合の傾向と反している。
【００１９】
このように、図２２（ａ）及び図２３（ａ）のＳＡＷ装置は、良好なＴＣＦと大きな電気機械結合係数を併せ持つため、これを用いることにより、移動体通信機器の帯域フィルタなどの表面波装置の高性能化を図ることができる。
【００２０】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、図２２（ａ）及び図２３（ａ）のＳＡＷ装置においても、なお、電気機械結合係数が不足し、表面波装置に要求される特性を十分に満たすことができないという問題があった。移動体通信では、従来のアナログ方式からディジタル方式、そして符号拡散方式との方式が移行しつつある。例えば、ディジタル方式や符号拡散方式に用いられる中間周波数フィルタでは、低群遅延偏差と低挿入損失が要求される。群遅延偏差の小さい表面波装置による帯域フィルタとして、トランスバーサル型フィルタが知られているが、従来の表面波基板でトランスバーサル型フィルタを構成した場合、電気機械結合係数が不足し、上記要求に答えることはできなかった。
【００２１】
本発明の目的は、水晶基板及び圧電薄膜を積層してなる表面波基板を用いたＳＡＷ装置において、スプリアスが小さく、温度特性が良好であり、かつ電気機械結合係数が大きなＳＡＷ装置を提供することにある。
【００２２】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記課題を達成するために成されたものであり、本願の広い局面によれば、オイラー角（φ、θ、ψ）において、φが−２．５°±５°、θが１１６°±５°及びψが＋２．５°±５°の範囲にある水晶基板と、前記水晶基板上に形成された圧電薄膜と、前記圧電薄膜に接するように形成されたくし歯電極とを備え、前記圧電薄膜の膜厚をＨ、表面波の波長をλとしたときに、圧電薄膜の規格化膜厚Ｈ／λが０．２０以上とされていることを特徴とする、表面波としてレイリー波を利用している表面波装置が提供される。
【００２３】
本願の別の広い局面によれば、オイラー角（φ、θ、ψ）において、−１９°＜φ＜＋１５°、かつ、１０７°＜θ＜１２５°、かつ、−１０°＜ψ＜１５°である水晶基板と、前記水晶基板上に形成された圧電薄膜と、前記圧電薄膜に接するように形成されたくし歯電極とを備え、前記水晶基板のオイラー角が、図６において斜線のハッチングを付して示す、レイリー波のパワーフロー角ＰＦＡが−２．５°〜＋２．５°となる範囲にあり、図７において斜線のハッチングを付して示す、表面波装置の周波数温度係数ＴＣＦが−５ｐｐｍ／℃〜＋５ｐｐｍ／℃となる範囲にあり、図８において斜線のハッチングを付して示す、レイリー波の電気機械結合係数Ｋ^２が０．８％以上となる範囲にあり、図１８において斜線のハッチングを付して示す、利用しようとする表面波と利用しない不要表面波のパワーフロー角の差ΔＰＦＡが＋１°以上、−１°以下となる範囲にあり、前記圧電薄膜の膜厚をＨ、表面波の波長をλとしたときに、圧電薄膜の規格化膜厚Ｈ／λが０．０５以上とされており、かつ、前記圧電薄膜の周波数温度係数ＴＣＦがマイナスの値を有することを特徴とする、表面波としてレイリー波を利用している表面波装置が提供される。
【００２４】
本発明のある特定の局面では、圧電薄膜がマイナス面で前記基板及び／またはくし歯電極に接しているように構成される。
【００２５】
本発明のさらに他の特定の局面では、圧電薄膜上に形成された短絡電極がさらに備えられる。
【００２９】
なお、本発明においては、水晶基板の上述した特定のオイラー角に対して結晶学的に等価なオイラー角の水晶基板を用いてもよい。
【００３０】
本発明において、上記圧電薄膜は、好ましくは、ＺｎＯ、ＡｌＮ、Ｔａ₂Ｏ₅ 及びＣｄＳからなる群から選択した１種により構成される。
【００３１】
【発明の実施の形態】
図１（ａ）及び（ｂ）は、本発明の一実施例に係る表面波装置を示す平面図及び要部を拡大して示す部分切欠正面断面図である。
【００３２】
表面波装置１では、水晶基板２上に、インターデジタルトランスデューサ（ＩＤＴ）３，４が形成されている。ＩＤＴ３，４は、それぞれ、一対のくし歯電極３ａ，３ｂ，４ａ，４ｂを有する。ＩＤＴ３，４は表面波伝搬方向において所定距離を隔てて配置されている。すなわち、本実施例の表面波装置１は、周知のトランスバーサル型表面波フィルタと同様にＩＤＴ３，４が構成されている。
【００３３】
本実施例の特徴は、ＩＤＴ３，４を覆うように、圧電薄膜５が積層されており、該圧電薄膜５の膜厚をＨ、表面波波長をλとしたときに、圧電薄膜５の規格化膜厚Ｈ／λが０．０５以上とされていることにあり、それによって電気機械結合係数Ｋ² が大きくされており、かつ温度特性も良好とされている。これを、以下においてより詳細に説明する。
【００３４】
本願発明者らは、弾性体基板として水晶基板を用い、該水晶基板上に圧電薄膜としてＺｎＯ薄膜を形成してなる表面波基板を用いた表面波装置、特に前述した図２２（ｂ）及び図２３（ｂ）に示した積層構造を有する表面波装置の特性について、弾性体基板としてガラス基板を用いた場合の傾向と反対であることに疑念を抱き、前述した先行技術とは別の角度から検討した。
【００３５】
図２及び図３は、圧電薄膜としてＺｎＯ薄膜、弾性体基板としてオイラー角（０、１１９°４５′、３５°）のＸ伝搬水晶基板を用いた場合の、図２２（ａ），（ｂ）及び図２３（ａ），（ｂ）の構造を有する各ＳＡＷ装置を伝搬するレイリー波における、ＺｎＯ薄膜の規格化された厚みと、電気機械結合係数との関係を示し、図４及び図５は、レイリー波近傍に発生するスプリアス波における、ＺｎＯ薄膜の規格化された厚みと電気機械結合係数の関係を示す。
【００３６】
なお、図２及び図４では、ＺｎＯ薄膜のオイラー角は（０°、０°、０°）とし、図３及び図５では、ＺｎＯ薄膜のオイラー角は（０°、１８０°、０°）とし、ＺｎＯ薄膜の極性を反転している。
【００３７】
ここで、図２〜図５の結果は、上記先行技術に記載のｃａｍｂｅｌｌらの手法ではなく、文献（電子通信学会論文誌Ｖｏｌ．Ｊ６８−Ｃ Ｎｏｌ（１９８５）２１〜２７頁）に提案されている有限要素法を利用して求め、電気機械結合係数Ｋ² は、上記有限要素法により自由表面の音速Ｖｆと、短絡表面の音速Ｖｍとを導出し、下記の式（１）により求めた。
【００３８】
Ｋ² ＝２×（Ｖｆ−Ｖｍ）／Ｖｆ…式（１）
図２〜図５において、図２２（ｂ）のＳＡＷ装置のレイリー波のＺｎＯ薄膜の厚さが０．０５λを超えると、ＺｎＯ薄膜を形成しない場合に比べて電気機械結合係数Ｋ² は大きくなる。
【００３９】
また、上記ＺｎＯ薄膜の厚みが０．２０λ〜０．２４λの範囲を超えると、図２２（ｂ）のＳＡＷ装置のレイリー波の電気機械結合係数Ｋ² は、図２２（ａ）及び図２３（ａ）及び（ｂ）のＳＡＷ装置のレイリー波の電気機械係合決数Ｋ² よりも大きくなる。特に、ＺｎＯ薄膜の厚みが０．５λ付近では、図２２（ａ）のＳＡＷ装置のレイリー波の電気機械結合係数の３倍に達する。
【００４０】
また、ＺｎＯ薄膜の厚みが０．２７λ〜０．３１λの範囲を超えると、図２３（ｂ）のＳＡＷ装置のレイリー波の電気機械結合係数は、図２２（ａ）及び図２３（ａ）のＳＡＷ装置におけるレイリー波の電気機械結合係数よりも大きくなる。
【００４１】
以上の計算結果は、弾性体基板としてガラス基板を用いた場合の図２４の結果と同様であり、図２５に示した前述した文献１における理論値とは傾向が異なる。
【００４２】
また、ＺｎＯ薄膜のオイラー角を（０°、０°、０°）とした場合は、ＺｎＯ薄膜のオイラー角を（０°、１８０°、０°）とした場合よりも、レイリー波の電気機械結合係数Ｋ² は大きく、スプリアスの電気機械結合係数Ｋ² が小さい傾向がある。
【００４３】
以上の計算により、図２２（ｂ）及び図２３（ｂ）の構造のＳＡＷ表面波装置を、水晶基板上にＺｎＯ薄膜を形成してなる表面波基板を用いることにより、電気機械結合係数Ｋ² を大幅に高め得ることがわかる。
【００４４】
ところで、表面波基板の代表的な評価項目としては、電気機械結合係数Ｋ² だけでなく、パワーフロー角ＰＦＡ及び周波数温度特性ＴＣＦが挙げられる。また、圧電薄膜としてＺｎＯ薄膜を、弾性体基板として水晶基板を用いた図２２（ａ）〜図２３（ｂ）に示した各積層構造を有するＳＡＷ装置では、レイリー波の１１０％程度の音速を持つスプリアス波が生じる。従って、スプリアス波の電気機械結合係数Ｋ_SP ² も重要な評価項目となる。
【００４５】
すなわち、表面波基板では、ＰＦＡ、ＴＣＦ及びＫ_SP ² が小さいことが望ましい。
そこで、弾性体基板として水晶基板を用い、圧電薄膜としてＺｎＯ薄膜を用いた図２２（ｂ）の構造、すなわち図１（ｂ）と同じ構造のＳＡＷ装置において、水晶基板のオイラー角（０°、θ、ψ）及びＺｎＯ薄膜の厚み、レイリー波のパワーフロー角ＰＦＡ、周波数温度係数ＴＣＦ、レイリー波の電気機械結合係数Ｋ² と、スプリアス波の電気機械結合係数Ｋ_SP ² との関係を、有限要素法を用いて計算した。結果を、図６〜図９、図１０〜図１３及び図１４〜図１７を参照して説明する。
【００４６】
図６〜図９は、ＺｎＯ／Ａｌ／水晶基板を伝搬する表面波の基板方位依存性を示す図であり、この場合ＺｎＯの規格化膜厚は０．２０λとされている。図６はレイリー波のパワーフロー角、図７はレイリー波の周波数温度係数ＴＣＦ、図８はレイリー波の電気機械結合係数Ｋ² を、図９はスプリアス波の電気機械結合係数Ｋ_SP ² の方位依存性をそれぞれ示す。
【００４７】
図６〜図９の等高線は、それぞれ、上記パワーフロー角ＰＦＡ、周波数温度係数ＴＣＦ、電気機械結合係数Ｋ² 及びＫ_SP ² が同じ部分であることを意味する。図１０〜図１３及び図１４〜図１７も同様の結果を示すものであるが、図１０〜図１３はＺｎＯ膜の規格化膜厚が０．２５λとされており、図１４〜図１７では、ＺｎＯ膜の規格化膜厚が０．３０λとされている。
【００４８】
図６〜図１７において、斜線が交差しているハッチングで示す各矢印Ｘで示す領域は、電気機械結合係数Ｋ² が小さいなどの理由により当初は、計算値が得られなかった条件である。図６、図１０、図１４及び図７、図１１、図１５におけるＰＦＡ及びＴＣＦは下記の式（２）及び（３）によりそれぞれ求めた値である。
【００４９】
ＰＦＡ＝ｔａｎ^-1（Ｖｆ^-1×∂Ｖｆ／∂ψ）…式（２）
ＴＣＦ＝Ｖｆ^-1×∂Ｖｆ／∂Ｔ−α…式（３）
式（２）において、ψは表面波の伝搬方向（度）、Ｔは温度（℃）、αは表面波の伝搬方向における熱膨張係数を示す。
【００５０】
図６、図１０及び図１４より、パワーフロー角ＰＦＡが、−２．５〜＋２．５°と小さい条件は、図６の太線Ｙ１，Ｙ２で囲まれた斜線のハッチングを付した領域であることがわかる。
【００５１】
また、図７、図１１、図１５より、周波数温度係数ＴＣＦが、−２５〜＋２５ｐｐｍ／℃と小さい条件は、図７の線Ｔ１，Ｔ２で囲まれており、かつ斜線のハッチングを付して示した領域であることがわかる。特に、Ｌｉ₂Ｂ₄Ｏ₇ 基板よりも小さい−５〜＋５ｐｐｍ／℃となる条件は、図７の線Ｔ３，Ｔ４、図１１の線Ｔ５，Ｔ６、図１５の線Ｔ７，Ｔ８で囲まれた領域であることがわかる。
【００５２】
また、電気機械結合係数Ｋ² は、前述のようにＺｎＯ膜厚を０．０５λ以上とすればＺｎＯ薄膜を形成しない場合に比べて大きくできるが、オイラー角を調整することでさらなる改善が可能となる。例えば、図８において、太線Ｋで囲んだ範囲は結合係数が０．８％以上となり、従来の図２２（ａ）のＳＡＷ装置の結合係数と同等もしくはそれ以上の値を示す。ＺｎＯ膜厚を増加すると全てのオイラー角で結合係数が増加するが、特定の膜厚において、結合係数の大きい範囲は図８の太線Ｋで囲まれた範囲となる。
【００５３】
さらに、図９、図１３及び図１７から、スプリアス波の電気機械結合係数Ｋ_SP ² が０〜０．１と小さい条件は、太線Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３で囲まれた領域であることがわかる。
【００５４】
表面波の反射を生じないダブル電極のみでＩＤＴを構成した場合、ＣＤＭＡ−ＩＦフィルタなどで要求される相対挿入損失３０ｄＢ以下にスプリアス応答を抑制するには、電気機械結合係数Ｋ_SP ² は上記のように０．１％以下とする必要がある。ここで、相対挿入損失とはレイリー波応答の挿入損失とスプリアス波応答の挿入損失との差である。
【００５５】
また、本願発明者らは、スプリアス波の反射係数はレイリー波の反射係数の１０倍以上であることを実験により確認した。このため、表面波の反射を生じるシングル電極や一方向性電極などでＩＤＴを構成した場合、スプリアス波は表面波の反射係数が大きいため、ＩＤＴ単体で共振動作を起こし、僅かな電気機械結合係数Ｋ_SP ² でも、帯域外に大きなスプリアスを生じる。
【００５６】
図２８は、アメリカ合衆国特許第４１６２４６５号に開示されているλ／１６幅のストリップと３λ／１６λ幅の２本のストリップを半波長区間に配置した一方向性電極を、入力側及び出力側にそれぞれ１００対づつ配置したときの、スプリアス波の電気機械結合係数Ｋ_SP ² とスプリアス波の相対挿入損失との関係を示す。このとき、ＺｎＯ薄膜の厚みは、０．３λ、Ａｌからなる電極の厚みは０．０２λ、水晶基板オイラー角は（０°、１１６°、０°）である。
【００５７】
図２８から、スプリアス応答を相対挿入損失３０ｄＢ以下に抑制するには、電気機械結合係数Ｋ_SP ² を０．００８％以下に抑制する必要があることがわかる。そこで、本願発明者は、水晶基板のオイラー角（φ、θ、ψ）を種々変更して、スプリアス波を抑制し得る範囲を実験により確かめた。結果を図２９〜図３１を参照して説明する。なお、ここでは、ＺｎＯ薄膜の厚みは０．３λ、Ａｌからなる電極厚みは０．０２λとした。
【００５８】
図２９は、スプリアス波の電気機械結合係数Ｋ_SP ² とアルミ膜厚との基板方位θとの関係を示す。スプリアス波の電気機械結合係数Ｋ_SP ² を０．００８％以下とするには、図２９より、基板方位θを、１０７°＜θ＜１２５°とすればよいことがわかる。また、好ましくは、θは、１１６°±５°とされ、その場合には、スプリアス波の電気機械結合係数Ｋ_SP ² が０．００５％以下となる。
【００５９】
また、図３０はスプリアス波の電気機械結合係数Ｋ_SP ² と基板方位φとの関係を示す。図３０より、スプリアス波の電気機械結合係数Ｋ_SP ² を０．００８％以下とするには、基板方位φを、−１９°〜＋１５°の範囲とすればよいことがわかる。また、好ましくは、φを、−２．５°±５°の範囲すれば、スプリアス波の電気機械結合係数Ｋ_SP ² を０．００５％以下とし得ることがわかる。
【００６０】
図３１は、スプリアス波の電気機械結合係数Ｋ_SP ² と伝搬方位ψとの関係を示す。図３１より、スプリアス波の電気機械結合係数Ｋ_SP ² を０．００８％以下とするには、伝搬方位ψを、−１０°〜＋１５°とすればよいことがわかる。また、好ましくは、ψを、＋２．５°±５°の範囲とすれば、スプリアス波の電気機械結合係数Ｋ_SP ² を０．００５％以下とし得ることがわかる。
【００６１】
表２は、λ／１６幅のストリップと３λ／１６λ幅の２本のストリップを半波長区間に配置した一方向性電極を、入力側及び出力側にそれぞれ４０対づつ配置した場合の実験値を示す。
【００６２】
【表２】

【００６３】
なお、図２８〜図３１に示したようにスプリアス波の電気機械結合係数Ｋ_SP ² を低くする効果は、図１（ｂ）の構造だけでなく、図２２（ａ）に示すように圧電薄膜上にくし歯電極を形成した構造においても発揮されることが確かめられている。従って、本発明では、くし歯電極は圧電薄膜と接するように形成されればよい。
【００６４】
従って、水晶基板上に圧電薄膜が形成されており、該圧電薄膜と接するようにくし歯電極が形成されている表面波装置において、上記水晶基板のオイラー角を、上述した各範囲に設定することにより、ＰＦＡ、ＴＣＦ及びＫ_SP ² が小さく、レイリー波の電気機械結合係数Ｋ² が大きい表面波装置を提供し得ることがわかる。
【００６５】
次に、具体的な実験例につき説明する。
ところで、パワーフロー角とは、表面波の位相速度の方向と群速度の方向の差を示す角度であり、パワーフロー角が存在する場合、表面波のエネルギーはくし歯電極の電極指の垂線方向に対し、パワーフロー角だけずれて伝搬する。このときの表面波エネルギーの損失Ｌ_PFA は、下記の式（４）で表される。
【００６６】
Ｌ_PFA ＝１０×ｌｏｇ₁₀〔｛Ｗ−ｔａｎ（ＰＦＡ）｝／Ｗ〕 （ｄＢ／λ）…式（４）
式（４）において、Ｗは表面波の波長をλで規格化されたくし歯電極の交差幅を示す。
【００６７】
従って、前述したように、表面波基板ではパワーフロー角ＰＦＡは０°であることが望ましい。しかしながら、ＰＦＡが存在する場合、くし歯電極の設計難度は高くなるが、図２１に示すように、表面波基板１１上におけるくし歯電極１２の電極指配置角θ_strip と、ＰＦＡとを一致させることにより、θ_strip とＰＦＡとの差に起因する挿入損失の劣化を抑制することができる。反対に、電極指の配置角度とＰＦＡが異なっていると、挿入損失は劣化することになる。
【００６８】
本発明に係る表面波基板では、レイリー波の１１０％程度の音速を有するスプリアス波が存在する。電極指配置角度θ_stripを、レイリー波のパワーフロー角ＰＦＡと一致させた上記くし歯電極では、レイリー波とスプリアス波のパワーフロー角の差をΔＰＦＡとすると、ΔＰＦＡに起因するスプリアス波の損失Ｌ_PFASP は式（４）と同様に、下記の式（５）により表される。
【００６９】
Ｌ_PFASP ＝１０×ｌｏｇ₁₀〔｛Ｗ−ｔａｎ（ΔＰＦＡ）｝／Ｗ〕 （ｄＢ／λ）…式（５）
式（５）より、ΔＰＦＡを大きくすることにより、スプリアス波の応答を抑圧し得ることがわかる。例えば、Ｗ＝１０λのくし歯電極において、表面波が２００λ伝搬すると、ΔＰＦＡが１°の場合、１．５ｄＢ程度スプリアス波を抑圧することができる。
【００７０】
図１８〜図２０は、ΔＰＦＡの基板依存性を示す図である。図１８〜図２０は、図６〜図１７の場合と同様に、ＺｎＯ／Ａｌ／水晶基板の構造のＳＡＷ装置において、ＺｎＯ膜の厚みを０．２０λ、０．２５λ及び０．３０λとした場合のそれぞれΔＰＦＡの基板依存性を示す。図１８〜図２０における等高線は、ΔＰＦＡが同じ値であることを示し、図１８〜図２０より、ΔＰＦＡが−１°以下及び＋１°以上となる条件は、ΔＰＦＡが−１°または＋１°を示す線Ｐの外側の領域であることがわかる。
【００７１】
図２７はＺｎＯの規格化膜厚が０．３λ、オイラー角（φ、１１７°、０°）である場合のレイリー波の電気機械結合係数Ｋ²とスプリアス波の電気機械結合係数Ｋ_sp ²の基板方位φ依存性である。図２７よりスプリアス波の電気機械結合係数Ｋ_sp ²が０〜０．１％と小さい条件はφが−３５°〜＋３５°、＋８５°〜＋１５５°であることがわかる。
【００７２】
本発明の基本原理は、前述した文献１に記載のように、周波数温度特性ＴＣＦがプラスの値を有するカット角及び伝搬方向の水晶基板上に、ＴＣＦがマイナスの値を有する圧電薄膜を形成することにより、水晶基板の温度特性と圧電薄膜の温度特性とを相殺し、良好な周波数温度特性を得ることにある。従って、好ましくは、上記圧電薄膜としては、ＴＣＦがマイナスの値を有するものが用いられる。
【００７３】
なお、上記実施例では、圧電薄膜として、ＺｎＯ薄膜を形成した場合につき説明したが、ＺｎＯ薄膜の他、ＴＣＦがプラスである圧電薄膜、例えばＡｌＮ、Ｔａ₂Ｏ₅ またはＣｄＳなどからなる圧電薄膜を用いてもよい。
【００７４】
さらに、水晶基板については、圧電薄膜が積層される側の面がプラス面及びマイナス面のいずれであってもよい。
また、水晶基板上に圧電薄膜を形成した場合の弾性表面波は、若干ＳＨ方向の変位成分を有することがあるが、本願明細書においては、便宜上、このようにレイリー波が変形した弾性表面波を含めてレイリー波と称していることを指摘しておく。
【００７５】
また、本願に示した計算値はＺｎＯ薄膜の緻密性が良好な条件での計算値である。ＺｎＯ膜の緻密性が低い場合は、ＺｎＯ膜の膜厚が薄い場合の計算値と近い値となることを指摘しておく。
【００７６】
【発明の効果】
本発明に係る表面波装置では、オイラー角（φ、θ、ψ）が、上記特定の範囲にある水晶基板上に圧電薄膜が形成されており、該圧電薄膜に接するようにくし歯電極が形成されており、圧電薄膜の規格化膜厚Ｈ／λが０．０５以上とされているので、スプリアスの電気機械結合係数が小さく、従ってスプリアスを効果的に抑圧することができ、レイリー波の電気機械結合係数Ｋ² が大きい表面波装置を提供することができる。
【００７７】
また、本発明において、特に、水晶基板のオイラー角において、φが−２．５°±５°、θが１１６°±５°及びψが＋２．５°±５°の範囲にある場合には、スプリアスの電気機械結合係数を０．００５％以下とすることができ、より一層効果的にスプリアスを抑圧することができる。
【００７８】
特に、圧電薄膜の規格化膜厚Ｈ／λが０．２０以上の場合には、レイリー波の電気機械結合係数Ｋ² をより一層大きくすることができる。
圧電薄膜がマイナス面で、水晶基板及び／またはくし歯電極に接している場合には、すなわち圧電薄膜のプラス面が上面となるように構成することにより、電気機械結合係数Ｋ² をさらに大きくすることができる。
【００７９】
また、圧電薄膜上に短絡電極がさらに形成されていてもよく、その場合においても、本発明に従って電気機械結合係数Ｋ² の大きな表面波装置を構成することができる。
【００８０】
また、水晶基板のオイラー角が、図６の線Ｙ１，Ｙ２で囲まれた範囲にある場合には、パワーフロー角を±２．５°とすることができる。
水晶基板のオイラー角が、図７の線Ｔ１，Ｔ２で囲まれた範囲の場合には、表面波装置の周波数温度係数ＴＣＦを±２５ｐｐｍ／℃とすることができ、温度依存性の少ない表面波装置を提供することができる。特に、水晶基板のオイラー角が図７の線Ｔ３，Ｔ４で囲まれた範囲にある場合には、表面波装置の周波数温度係数ＴＣＦを±５ｐｐｍ／℃とすることができる。
【００８１】
さらに、水晶基板のオイラー角が、図８の線Ｋで囲まれた範囲にある場合には、レイリー波の電気機械結合係数Ｋ² を０．８％以上とすることができる。
圧電薄膜の周波数温度係数ＴＣＦがマイナスの値を有する場合には、水晶基板の周波数温度係数と相殺されて、温度依存性の少ない表面波装置を容易に構成することができる。
【００８２】
水晶基板のオイラー角が、図１８の線Ｐで囲まれた範囲にある場合には、利用しようとする表面波と利用しない不要表面波とのパワーフロー角の差ΔＰＦＡが±１°の範囲とされるので、特性に優れた表面波装置を提供することができる。特に、隣り合うＩＤＴ間の距離Ｌ₁₁が、ＩＤＴの電極指交差幅をＷとしたときに、Ｌ₁₁＞Ｗ／ｔａｎ（ΔＰＦＡ）である場合には、不要表面波の影響をより効果的に抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ）及び（ｂ）は、本発明の一実施例に係る表面波装置を説明するための概略構成図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は要部断面図。
【図２】各種積層構造のＳＡＷ装置においてオイラー角（０°、１１９．７５°、３５°）の水晶基板上にオイラー角（０°、０°、０°）のＺｎＯ膜を形成したときのレイリー波のＺｎＯ規格化膜厚と電気機械結合係数Ｋ² との関係を示す図。
【図３】各種積層構造のＳＡＷ装置においてオイラー角（０°、１１９．７５°、３５°）の水晶基板上にオイラー角（０°、１８０°、０°）のＺｎＯ膜を形成したときのレイリー波のＺｎＯ規格化膜厚とレイリー波の電気機械結合係数Ｋ² との関係を示す図。
【図４】各種積層構造のＳＡＷ装置においてオイラー角（０°、１１９．７５°、３５°）の水晶基板上にオイラー角（０°、０°、０°）のＺｎＯ膜を形成したときのレイリー波のＺｎＯ規格化膜厚とスプリアス波の電気機械結合係数Ｋ_Sp ² との関係を示す図。
【図５】各種積層構造のＳＡＷ装置においてオイラー角（０°、１１９．７５°、３５°）の水晶基板上にオイラー角（０°、１８０°、０°）のＺｎＯ膜を形成したときのレイリー波のＺｎＯ規格化膜厚とスプリアス波の電気機械結合係数Ｋ_Sp ² との関係を示す図。
【図６】ＺｎＯの規格化膜厚が０．２０λである場合の、レイリー波のパワーフロー角の基板方位依存性を示す図。
【図７】ＺｎＯの規格化膜厚が０．２０λである場合の、レイリー波の周波数温度係数ＴＣＦの基板方位依存性を示す図。
【図８】ＺｎＯの規格化膜厚が０．２０λである場合の、レイリー波の電気機械結合係数Ｋ² の基板方位依存性を示す図。
【図９】ＺｎＯの規格化膜厚が０．２０λである場合の、スプリアス波の電気機械結合係数Ｋ_SP ² の基板方位依存性を示す図。
【図１０】ＺｎＯの規格化膜厚が０．２５λである場合の、レイリー波のパワーフロー角の基板方位依存性を示す図。
【図１１】ＺｎＯの規格化膜厚が０．２５λである場合の、レイリー波の周波数温度係数ＴＣＦの基板方位依存性を示す図。
【図１２】ＺｎＯの規格化膜厚が０．２５λである場合の、レイリー波の電気機械結合係数Ｋ² の基板方位依存性を示す図。
【図１３】ＺｎＯの規格化膜厚が０．２５λである場合の、スプリアス波の電気機械結合係数Ｋ_SP ² の基板方位依存性を示す図。
【図１４】ＺｎＯの規格化膜厚が０．３０λである場合の、レイリー波のパワーフロー角の基板方位依存性を示す図。
【図１５】ＺｎＯの規格化膜厚が０．３０λである場合の、レイリー波の周波数温度係数ＴＣＦの基板方位依存性を示す図。
【図１６】ＺｎＯの規格化膜厚が０．３０λである場合の、レイリー波の電気機械結合係数Ｋ² の基板方位依存性を示す図。
【図１７】ＺｎＯの規格化膜厚が０．３０λである場合の、スプリアス波の電気機械結合係数Ｋ_SP ² の基板方位依存性を示す図。
【図１８】ＺｎＯの規格化膜厚が０．２０λである場合の、ΔＰＦＡの基板方位依存性を示す図。
【図１９】ＺｎＯの規格化膜厚が０．２５λである場合の、ΔＰＦＡの基板方位依存性を示す図。
【図２０】ＺｎＯの規格化膜厚が０．３０λである場合の、ΔＰＦＡの基板方位依存性を示す図。
【図２１】表面波装置におけるくし歯電極の電極指配置角θ_strip とパワーフロー角ＰＦＡとの関係を説明するための模式図。
【図２２】（ａ）及び（ｂ）は、表面波装置における基板、圧電薄膜及びくし歯電極の積層構造例を説明するための模式的断面図。
【図２３】（ａ）及び（ｂ）は、表面波装置における基板、圧電薄膜及びくし歯電極の積層構造例を説明するための模式的断面図。
【図２４】従来の表面波装置におけるＺｎＯ薄膜の規格化された膜厚と、電気機械結合係数Ｋｓとの関係を示す図。
【図２５】（ａ）及び（ｂ）は、先行技術に記載の表面波装置のＺｎＯ膜厚に対する周波数温度係数ＴＣＦの依存性を示す図。
【図２６】先行技術に記載されている、ＺｎＯの規格化された膜厚Ｈ／λと電気機械結合係数との関係を示す図。
【図２７】ＺｎＯの規格化膜厚が０．３λ、オイラー角（φ、１１７°、０°）である場合のレイリー波の電気機械結合係数Ｋ²とスプリアス波の電気機械結合係数Ｋ_sp ²の基板方位φ依存性を示す図。
【図２８】スプリアス波の電気機械結合係数Ｋ_SP ² とスプリアス波の挿入損失の関係。
【図２９】スプリアス波の電気機械結合係数Ｋ_SP ² とアルミ膜厚と基板方位θの関係。
【図３０】スプリアス波の電気機械結合係数Ｋ_SP ² と基板方位φの関係。
【図３１】スプリアス波の電気機械結合係数Ｋ_SP ² と伝搬方位ψの関係。
【符号の説明】
１…表面波装置
２…水晶基板
３，４…ＩＤＴ
３ａ，３ｂ，４ａ，４ｂ…くし歯電極
５…圧電薄膜

Claims (6)

1. 表面波としてレイリー波を利用している表面波装置であって、
   オイラー角（φ、θ、ψ）において、φが−２．５°±５°、θが１１６°±５°及びψが＋２．５°±５°の範囲にある水晶基板と、前記水晶基板上に形成された圧電薄膜と、前記圧電薄膜に接するように形成されたくし歯電極とを備え、前記圧電薄膜の膜厚をＨ、表面波の波長をλとしたときに、圧電薄膜の規格化膜厚Ｈ／λが０．２０以上とされていることを特徴とする、表面波装置。
2. 表面波としてレイリー波を利用している表面波装置であって、
   オイラー角（φ、θ、ψ）において、−１９°＜φ＜＋１５°、かつ、１０７°＜θ＜１２５°、かつ、−１０°＜ψ＜１５°である水晶基板と、前記水晶基板上に形成された圧電薄膜と、前記圧電薄膜に接するように形成されたくし歯電極とを備え、
   前記水晶基板のオイラー角が、図６において斜線のハッチングを付して示す、レイリー波のパワーフロー角ＰＦＡが−２．５°〜＋２．５°となる範囲にあり、図７において斜線のハッチングを付して示す、表面波装置の周波数温度係数ＴＣＦが−５ｐｐｍ／℃〜＋５ｐｐｍ／℃となる範囲にあり、図８において斜線のハッチングを付して示す、レイリー波の電気機械結合係数Ｋ^２が０．８％以上となる範囲にあり、図１８において斜線のハッチングを付して示す、利用しようとする表面波と利用しない不要表面波のパワーフロー角の差ΔＰＦＡが＋１°以上、−１°以下となる範囲にあり、
   前記圧電薄膜の膜厚をＨ、表面波の波長をλとしたときに、圧電薄膜の規格化膜厚Ｈ／λが０．０５以上とされており、かつ、前記圧電薄膜の周波数温度係数ＴＣＦがマイナスの値を有することを特徴とする、表面波装置。
3. 前記圧電薄膜がマイナス面で前記基板及び／またはくし歯電極に接している、請求項１または２に記載の表面波装置。
4. 前記圧電薄膜上に形成された短絡電極をさらに備える、請求項１〜３のいずれかに記載の表面波装置。
5. 前記水晶基板のオイラー角が請求項１〜４のいずれか１項に記載のオイラー角に対して結晶学的に等価であることを特徴とする、表面波装置。
6. 前記圧電薄膜が、ＺｎＯ、ＡｌＮ、Ｔａ_２Ｏ_５及びＣｄＳからなる群から選択した１種からなる、請求項１〜５のいずれかに記載の表面波装置。

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