JP4507819B2 - 弾性表面波デバイス - Google Patents

Description

本発明は、弾性表面波デバイスに関し、特にＳＴカット水晶基板上に形成した電極表面を覆うＳｉＯ_２膜の膜厚を最適化したＳＨ型弾性表面波デバイスに関するものである。

近年、弾性表面波デバイスは通信分野で広く利用され、高性能、小型、量産性等の優れた特徴を有することから特に携帯電話機等に多く用いられている。
図５は、弾性表面波フィルタ（ＳＡＷフィルタ）の１つである縦結合１次−２次二重モードＳＡＷフィルタ（以下、二重モードＳＡＷフィルタと称す）の構成を示す概略平面図である。圧電基板２１の主表面上に表面波の伝搬方向に沿ってＩＤＴ電極２２、２３を近接配置すると共に、該ＩＤＴ電極２２、２３の両側にグレーティング反射器（以下、反射器と称す）２４ａ、２４ｂを配設する。ここで、ＩＤＴ電極２２、２３はそれぞれ互いに間挿し合う複数の電極指を有する一対の櫛形電極から形成されている。そして、ＩＤＴ電極２２の一方の櫛形電極を入力端子ＩＮに接続すると共に、他方の櫛形電極を接地し、ＩＤＴ電極２３の一方の櫛形電極を出力端子ＯＵＴに接続し、他方の櫛形電極を接地して、二重モードＳＡＷフィルタを構成する。

圧電基板としては回転ＹカットＸ伝搬のタンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ_３）、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ_３）、ＳＴカット水晶基板等が広く用いられ、ＩＤＴ電極、反射器にはアルミニウム合金等の電極膜が、表面波の波長λで規格化した膜厚として数％から１０％の厚さで付着されている。

しかし、圧電基板にＩＤＴ電極等を配設して構成したＳＡＷデバイスに振動、衝撃等が加わると、ＩＤＴ電極、反射器等の電極膜から金属粉末が剥離し、ＩＤＴ電極の電極指間に再付着して櫛形電極同志を短絡させ、ＳＡＷフィルタの特性を劣化させることがしばしばあった。
この問題を解決するために、電極膜を保護する手段としてＩＤＴ電極、反射器の表面を覆うようにＳｉＯ_２膜を形成した構造が発明された。

しかし、ＩＤＴ電極、反射器の表面を所定のＳｉＯ_２膜で覆うだけでは、ＳｉＯ_２膜の付加により挿入損失が増大するという新たな問題が生じた。
この挿入損失の増加を低減する手段として、ＳｉＯ_２膜の規格化膜厚Ｈｓと圧電基板のＬｉＴａＯ_３のカット角θとの関係が、特開２００４−４０６３６号公報に開示されている。
特開２００２−３３００５１号公報 特開２００４−４０６３６号公報

しかしながら、前記先行技術においては、ＳＡＷデバイスの周波数が２．５ＧＨｚ、５ＧＨｚと高くになるに連れて、該ＳＡＷデバイスの表面を覆うＳｉＯ_２膜が薄くなり、例えばＳＡＷデバイスにハンドリング装置等の接触部が触れる際にＳｉＯ_２膜が破損するおそれがあり、機械的強度が弱くなるという問題があった。
また、前記先行技術においては、第２の実施例として端面反射型の縦結合共振子フィルタの平面図（図８）を示し、ＳＨタイプの表面波を利用した端面反射型の表面波フィルタであると記述してあるのみで、ＳＴカット水晶を用いたＳＨ型弾性表面波デバイス関しては、挿入損失を低減するＳｉＯ_２膜の膜厚Ｈｓについては何ら記述されおらず、この先行技術のみではＳＨ型弾性表面波デバイスの最適膜厚を決めることは出来ないという問題があった。

一方、ＳＴカット水晶板上に励起されるＳＨ型弾性表面波について、オイラー角と規格化電極膜厚との関係が、特開２００２−３３００５１号公報に開示されている。これを簡単に説明すると、ＳＴカット水晶基板上をＺ’軸方向に伝搬するＳＨ型弾性表面波の伝搬速度は、レイリー波のそれよりも約１．６倍と速く高周波化に適している。そして、オイラー角(０°,１１０°〜１５０°，９０°±２°)、ＳＴカット９０°Ｘ軸伝搬の水晶基板（回転角では２０〜６０°回転Ｙ板）に電極材料としてアルミニウムを用いた場合、電極の膜厚の変化に対する伝搬速度の変化の割合が小さいこと、電気機械結合係数がレイリー波のそれに比べて１．５倍以上大きいこと、反射器１本当たりの反射係数が３０％を超え、数本の反射器で十分な反射率を確保できると記されている。
以上２つの先行技術を利用しても、ＳＴカット水晶基板上のＳＨ型弾性表面波デバイスに関し、挿入損失を低減するＳｉＯ_２膜の最適化膜厚Ｈｓを推測することは難しいという問題があった。

本発明は、ＳＨ型弾性表面波デバイスの挿入損失を低減するためになされたものあり、以下の形態又は適用例として実現することが可能である。
第１の形態は、オイラー角（０°，１２６°，９０°±２°）の水晶基板上に少なくともの１つのＩＤＴ電極を配置すると共に、少なくとも前記ＩＤＴ電極を構成する電極指を覆うようにＳｉＯ ₂ 膜を付着して構成したＳＨ型弾性表面波デバイスであって、前記ＳｉＯ ₂ 膜の膜厚Ｈが９％λ≦Ｈ＜１０％λ（λは波長）に設定されていることを特徴とするＳＨ型弾性表面波デバイス。
第２の形態は、オイラー角（０°，１２６°，９０°±２°）の水晶基板上に少なくともの１つのＩＤＴ電極と複数のグレーティング反射器とを配置すると共に、該ＩＤＴ電極及びグレーティング反射器を覆うようにＳｉＯ ₂ 膜を付着して構成したＳＨ型弾性表面波デバイスであって、前記ＳｉＯ ₂ 膜の膜厚Ｈが９％λ≦Ｈ＜１０％λ（λは波長）に設定されていることを特徴とするＳＨ型弾性表面波デバイス。
第３の形態は、オイラー角（０°，１２６°，９０°±２°）の水晶基板上にアルミニウム合金からなる、少なくともの１つのＩＤＴ電極と複数のグレーティング反射器とを配置すると共に、該ＩＤＴ電極及びグレーティング反射器を覆うようにＳｉＯ２膜を付着して構成したＳＨ型弾性表面波デバイスであって、前記ＳｉＯ ₂ 膜の膜厚Ｈが９％λ≦Ｈ＜１０％λ（λは波長）に設定されていることを特徴とするＳＨ型弾性表面波デバイス。
第４の形態は、オイラー角（０°，１２６°，９０°±２°）の水晶基板上に膜厚が２％λから４．５％λの範囲のアルミニウム合金からなる、少なくともの１つのＩＤＴ電極と複数のグレーティング反射器とを配置すると共に、該ＩＤＴ電極及びグレーティング反射器を覆うようにＳｉＯ ₂ 膜を付着して構成したＳＨ型弾性表面波デバイスであって、前記ＳｉＯ ₂ 膜の膜厚Ｈが９％λ≦Ｈ＜１０％λ（λは波長）に設定されていることを特徴とするＳＨ型弾性表面波デバイス。
第５の形態は、第１乃至４に記載の形態において、前記ＳＨ型弾性表面波デバイスが１次−２次縦結合二重モードＳＡＷフィルタであることを特徴とするＳＨ型弾性表面波デバイス。
第６の形態は、第１乃至４に記載の形態において、前記ＳＨ型弾性表面波デバイスが１次−３次縦結合二重モードＳＡＷフィルタであることを特徴とするＳＨ型弾性表面波デバイス。
第７の形態は、第１乃至４に記載の形態において、前記ＳＨ型弾性表面波デバイスがＳＡＷ共振子であることを特徴とするＳＨ型弾性表面波デバイス。
適用例１の発明は、オイラー角（０°，１１０°〜１５０°，９０°±２°）の水晶基板上に少なくともの１つのＩＤＴ電極を配置すると共に、少なくとも前記ＩＤＴ電極を構成する電極指を覆うようにＳｉＯ₂膜を付着して構成したＳＨ型弾性表面波デバイスであって、前記ＳｉＯ₂膜の膜厚Ｈが８％λ＜Ｈ＜１０％λ（λは波長）に設定したＳＨ型弾性表面波デバイスである。
適用例２の発明は、オイラー角（０°，１１０°〜１５０°，９０°±２°）の水晶基板上に少なくともの１つのＩＤＴ電極と複数のグレーティング反射器とを配置すると共に、該ＩＤＴ電極及びグレーティング反射器を覆うようにＳｉＯ₂膜を付着して構成したＳＨ型弾性表面波デバイスであって、前記ＳｉＯ₂膜の膜厚Ｈが８％λ＜Ｈ＜１０％λ（λは波長）に設定されているＳＨ型弾性表面波デバイスである。
適用例３の発明は、オイラー角（０°，１１０°〜１５０°，９０°±２°）の水晶基板上にアルミニウム合金からなる、少なくともの１つのＩＤＴ電極と複数のグレーティング反射器とを配置すると共に、該ＩＤＴ電極及びグレーティング反射器を覆うようにＳｉＯ₂膜を付着して構成したＳＨ型弾性表面波デバイスであって、前記ＳｉＯ₂膜の膜厚Ｈが８％λ＜Ｈ＜１０％λに設定されているＳＨ型弾性表面波デバイスである。
適用例４の発明は、オイラー角（０°，１１０°〜１５０°，９０°±２°）の水晶基板上に膜厚が２％λから４．５％λの範囲のアルミニウム合金からなる、少なくともの１つのＩＤＴ電極と複数のグレーティング反射器とを配置すると共に、該ＩＤＴ電極及びグレーティング反射器を覆うようにＳｉＯ₂膜を付着して構成したＳＨ型弾性表面波デバイスであって、前記ＳｉＯ₂膜の膜厚Ｈが８％λ＜Ｈ＜１０％λに設定されているＳＨ型弾性表面波デバイスである。
適用例５の発明は、前記ＳＨ型弾性表面波デバイスが１次−２次縦結合二重モードＳＡＷフィルタである適用例１乃至４に記載のＳＨ型弾性表面波デバイスである。
適用例６の発明は、前記ＳＨ型弾性表面波デバイスが１次−３次縦結合二重モードＳＡＷフィルタである適用例１乃至４に記載のＳＨ型弾性表面波デバイスである。
適用例７の発明は、前記ＳＨ型弾性表面波デバイスがＳＡＷ共振子である適用例１乃至４に記載のＳＨ型弾性表面波デバイスである。

本発明のＳＨ型弾性表面波デバイスは、電極表面を覆うＳｉＯ_２膜の膜厚を最適化したため、電極の剥離を防ぐと共にＳＨ型弾性表面波デバイスの振動損失を低減できるので、高性能化できるという利点がある。

図１は本発明に係るＳＨ型弾性表面波を用いた縦結合二重モードＳＡＷフィルタの実施の形態を示す平面図であって、オイラー角(０°,１２６°，９０°)のＳＴカット水晶基板１の主表面上にＳＨ型弾性表面波の伝搬方向（Ｚ’軸）に沿って２つのＩＤＴ電極２、３を近接配置すると共に、該ＩＤＴ電極２、３の両側に反射器４ａ、４ｂを配設して縦結合二重モードＳＡＷフィルタを形成する。ＩＤＴ電極２、３はそれぞれ互いに間挿し合う複数本の電極指を有する一対の櫛形電極により形成され、ＩＤＴ電極２の一方の櫛形電極は入力端子ＩＮに接続すると共に、他方の櫛形電極は接地する。さらに、ＩＤＴ電極３の一方の櫛形電極は出力端子ＯＵＴに接続すると共に、他方の櫛形電極は接地する。そして、該ＩＤＴ電極２、３、反射器４ａ、４ｂの全面を覆うようにＳｉＯ_２膜を付着して縦結合型二重モードＳＡＷフィルタを構成する。

本願出願者は図１に示すように、オイラー角(０°,１２６°，９０°)のＳＴカット水晶基板上に波長λを２μｍ、ＩＤＴ電極２、３の電極対数をそれぞれ７０対、反射器４ａ、４ｂの本数をそれぞれ３６０本、ライン占有率Ｌ／（Ｌ+Ｓ）（Ｌはライン幅、Ｓはスペース幅）を０．５、ＩＤＴ電極２、３及び反射器の規格化膜厚をアルミニウム（Ａｌ）合金膜を用いて２．４％λ（λは波長）とし、ＩＤＴ電極２、３及び反射器の表面を覆うようにＳｉＯ_２膜を付着して構成したＳＨ型二重モードＳＡＷフィルタに関し、ＳｉＯ_２膜の規格化膜厚ＨとＳＨ型二重モードＳＡＷフィルタの挿入損失との関係を実験的に調べた。図２はＳｉＯ_２膜厚Ｈ（％λ）と挿入損失（ｄＢ）との関係を示す図である。ＳｉＯ_２膜厚Ｈを０（％λ）（ＳｉＯ_２膜が付着しない状態）から増加するに応じて、挿入損失は増大し、膜厚Ｈが８（％λ）近辺が最大となり、９（％λ）近辺ではＳｉＯ_２膜を付着しない状態とほぼ同じ挿入損失を呈する。そして、更に膜厚Ｈを厚くしていくと再び挿入損失が劣化していくことが判明した。

図３は、図２と同じパラメータを用いてＳｉＯ_２膜厚Ｈ（％λ）とＳＨ型弾性表面波の伝搬速度（ｍ／ｓ）との関係を示す図である。ＳｉＯ_２膜厚Ｈを０（％λ）から増加するに応じて、伝搬速度は減少し、膜厚Ｈが８（％λ）近辺が最小となり、９（％λ）近辺ではＳｉＯ_２膜を付着しない状態とほぼ同じ伝搬速度を呈し、更に膜厚Ｈを厚くしていくと再び伝搬速度が遅くなることすることが分かった。

図４は、図２と同じパラメータを用いてＳｉＯ_２膜厚Ｈ（％λ）とＳＨ型二重モードＳＡＷフィルタの３ｄＢ通過帯域幅（ｐｐｍ）との関係を示す図である。ＳｉＯ_２膜厚Ｈを０（％λ）から増加するに応じて、通過帯域幅は減少し、膜厚Ｈが８（％λ）近辺で最小となり、９（％λ）近辺ではＳｉＯ_２膜を付着しない状態とほぼ同じ通過帯域幅を呈し、更に膜厚Ｈを厚くしていくと再び通過帯域幅が減少していくことすることが分かった。

本発明に特徴は、保護膜としての作用するＳｉＯ_２膜を付着して構成したＳＨ型弾性表面波フィルタにおいて、その挿入損失の最小値はＳｉＯ_２膜の膜厚に応じて周期的に現れることを実験的に見出したことである。また、伝搬速度、通過帯域幅についても同様であった。従って、挿入損失を最小値とするＳｉＯ_２膜の厚い方を用いることにより、ますます高周波化が要求されるＳＡＷデバイスにあって、機械的に強い保護膜としての機能と振動損失を低減できる膜厚とを合わせて実現できるという極めて有効な手段を得た。

以上の説明ではＩＤＴ電極、反射器の電極材料としてＡｌ合金を用いた場合について説明したが、電極材料が金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）、タングステン（Ｗ）、タンタリウム（Ｔａ）に関しても実験したが、図２〜４と同様の現象を呈した。
また、以上では１次−２次縦結合二重モードＳＡＷフィルタについて説明したが、ＳＨ型弾性表面波を用いた１次−３次縦結合二重モードＳＡＷフィルタ、トランスバーサル型フィルタ、ＳＡＷ共振子に関しても図２〜４と同様の現象が生じることが分かった。

本発明に係るＳＨ型１次−２次縦結合二重モードＳＡＷフィルタ の構造を示した概略平面図である。 ＳｉＯ_２膜厚Ｈ（％λ）と挿入損失（ｄＢ）との関係を示す図である。 ＳｉＯ_２膜厚Ｈ（％λ）とＳＨ型弾性表面波の伝搬速度（ｍ／ｓ）との関係を示す図である。 ＳｉＯ_２膜厚Ｈ（％λ）とＳＨ型二重モードＳＡＷフィルタの３ｄＢ通過帯域幅（ｐｐｍ）との関係を示す図である。 従来の１次−２次縦結合二重モードＳＡＷフィルタ の構造を示した概略平面図である。

符号の説明

１ 圧電基板
２、３ ＩＤＴ電極
４ａ、４ｂ グレーティング反射器
５ ＳｉＯ_２膜

Claims (7)

1. オイラー角（０°，１２６°，９０°±２°）の水晶基板上に少なくともの１つのＩＤＴ電極を配置すると共に、少なくとも前記ＩＤＴ電極を構成する電極指を覆うようにＳｉＯ₂膜を付着して構成したＳＨ型弾性表面波デバイスであって、
   前記ＳｉＯ₂膜の膜厚Ｈが９％λ≦Ｈ＜１０％λ（λは波長）に設定されていることを特徴とするＳＨ型弾性表面波デバイス。
2. オイラー角（０°，１２６°，９０°±２°）の水晶基板上に少なくともの１つのＩＤＴ電極と複数のグレーティング反射器とを配置すると共に、該ＩＤＴ電極及びグレーティング反射器を覆うようにＳｉＯ₂膜を付着して構成したＳＨ型弾性表面波デバイスであって、
   前記ＳｉＯ₂膜の膜厚Ｈが９％λ≦Ｈ＜１０％λ（λは波長）に設定されていることを特徴とするＳＨ型弾性表面波デバイス。
3. オイラー角（０°，１２６°，９０°±２°）の水晶基板上にアルミニウム合金からなる、少なくともの１つのＩＤＴ電極と複数のグレーティング反射器とを配置すると共に、該ＩＤＴ電極及びグレーティング反射器を覆うようにＳｉＯ２膜を付着して構成したＳＨ型弾性表面波デバイスであって、
   前記ＳｉＯ₂膜の膜厚Ｈが９％λ≦Ｈ＜１０％λ（λは波長）に設定されていることを特徴とするＳＨ型弾性表面波デバイス。
4. オイラー角（０°，１２６°，９０°±２°）の水晶基板上に膜厚が２％λから４．５％λの範囲のアルミニウム合金からなる、少なくともの１つのＩＤＴ電極と複数のグレーティング反射器とを配置すると共に、該ＩＤＴ電極及びグレーティング反射器を覆うようにＳｉＯ₂膜を付着して構成したＳＨ型弾性表面波デバイスであって、
   前記ＳｉＯ₂膜の膜厚Ｈが９％λ≦Ｈ＜１０％λ（λは波長）に設定されていることを特徴とするＳＨ型弾性表面波デバイス。
5. 前記ＳＨ型弾性表面波デバイスが１次−２次縦結合二重モードＳＡＷフィルタであることを特徴とする請求項１乃至４に記載のＳＨ型弾性表面波デバイス。
6. 前記ＳＨ型弾性表面波デバイスが１次−３次縦結合二重モードＳＡＷフィルタであることを特徴とする請求項１乃至４に記載のＳＨ型弾性表面波デバイス。
7. 前記ＳＨ型弾性表面波デバイスがＳＡＷ共振子であることを特徴とする請求項１乃至４に記載のＳＨ型弾性表面波デバイス。

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