JP4967393B2 - 弾性表面波装置 - Google Patents

Description

本発明は、例えば共振子や帯域フィルタとして用いられる弾性表面波装置に関し、より詳細には、ＬｉＮｂＯ_３基板上にＩＤＴ電極及び酸化ケイ素膜が形成されている構造を有し、かつＳＨ波を利用した弾性表面波装置に関する。

携帯電話機のＲＦ段などに用いられている帯域フィルタでは、広帯域でありかつ良好な温度特性を有することが求められている。そのため、従来、回転Ｙ板Ｘ伝搬のＬｉＴａＯ_３基板や回転Ｙ板Ｘ伝搬のＬｉＮｂＯ_３基板からなる圧電性基板上に、ＩＤＴ電極が形成されており、かつＩＤＴ電極を被覆するように、酸化ケイ素膜を形成した弾性表面波装置が用いられている。この種の圧電性基板は、周波数温度係数が負の値を有し、温度特性を改善するために、正の周波数温度特性を有する酸化ケイ素膜がＩＤＴ電極を被覆するように形成されている。

しかしながら、このような構造において、ＩＤＴ電極を汎用されているＡｌまたはＡｌを主成分とする合金などにより形成した場合、ＩＤＴ電極において、十分な反射係数を得ることができなかった。そのため、共振特性にリップルが生じがちであるという問題があった。

このような問題を解決するものとして、下記の特許文献１には、電気機械結合係数Ｋ^２が０．０２５以上のＬｉＮｂＯ_３からなる圧電性基板上に、Ａｌよりも密度の大きい金属を主体とするＩＤＴ電極が形成されており、該ＩＤＴ電極が形成されている残りの領域に第１の酸化ケイ素膜がＩＤＴ電極と等しい膜厚に形成されており、該ＩＤＴ電極及び第１の酸化ケイ素膜を被覆するように第２の酸化ケイ素膜を積層した弾性表面波装置が開示されている。

また、Ａｌよりも密度の大きい金属としてＣｕを用いてＩＤＴ電極において、電極膜厚を、表面波の波長λとした時に、０．００５８λ〜０．１１λとし、第２の酸化ケイ素膜の膜厚を０．１５λ〜０．４λとし、ＬｉＮｂＯ_３基板の方位を、オイラー角表示で（０±５°，６２°〜１６７°，０±１０°）とすることにより、主として利用するモードの電気機械結合係数を大きくすることができ、スプリアスとなるモードの電気機械結合係数を小さくすることができるとされている。また、特許文献１に記載の弾性境界波装置では、ＩＤＴ電極の密度が、第１の酸化ケイ素膜の密度の１．５倍以上とされており、それによってＩＤＴ電極の反射係数が十分に高められ、共振特性上に現れるリップルを抑圧することができるとされている。
ＷＯ２００５−０３４３４７

共振子や帯域フィルタとして用いられる弾性表面波装置では、用途によっては、電気機械結合係数が小さい圧電性基板を用いることが望まれる。すなわち、圧電性基板の電気機械結合係数が大きい場合、帯域幅を広げることができるが、用途によっては、むしろ帯域幅が適度に狭いことが求められることがある。このような場合、利用する弾性表面波の電気機械結合係数が適度に小さいことが求められる。

特許文献１に記載の弾性表面波装置では、前述のように、ＩＤＴ電極の膜厚、第２の酸化ケイ素膜の膜厚及びＬｉＮｂＯ_３基板の方位を選択することにより、利用する弾性表面波の電気機械結合係数を大きくでき、スプリアスとなるモードの電気機械結合係数を小さくすることが記載されている。

他方、従来、圧電性基板の伝搬方向を調整することにより、すなわちオイラー角表示の（φ，θ，ψ）におけるψを変更することにより、主として利用する弾性表面波のモードの電気機械結合係数を小さくし得ることが知られている。

従って、特許文献１に記載の弾性表面波装置において、例えばＳＨ波を利用しようとする場合に、用途に応じてＳＨ波の電気機械結合係数Ｋ_ＳＡＷを小さくするには、オイラー角表示（φ，θ，ψ）におけるψを変更すればよいと考えられる。

しかしながら、特許文献１に記載の弾性表面波装置において、ＬｉＮｂＯ_３基板のψを変更すると、レイリー波の応答が大きくなり、レイリー波によるスプリアスが大きくなることが分かった。

すなわち、特許文献１に記載の弾性表面波装置では、前述したように、主たるモードの電気機械結合係数を大きくすることができ、かつスプリアスとなるモードの電気機械結合係数を小さくするために、ＩＤＴ電極の膜厚、第２の酸化ケイ素膜の膜厚及び基板方位の範囲を調整することが示されているものの、ＳＨ波を利用するに際し、その電気機械結合係数を適度に小さくするために、ψを変更すると、ＩＤＴ電極の膜厚、第２の酸化ケイ素膜の膜厚及び基板方位を上記のように設定したとしても、レイリー波によるスプリアスが大きくなるという問題のあることが分かった。

本発明の目的は、上述した従来技術の欠点を解消し、温度特性を改善するために、ＩＤＴ電極を被覆するように酸化ケイ素膜が形成されている弾性表面波装置において、ＳＨ波を利用し、かつＳＨ波の電気機械結合係数を適度な範囲にしたとしても、レイリー波によるスプリアスの影響が生じ難い、弾性表面波装置を提供することにある。

本発明によれば、オイラー角（０°±５°，θ，ψ）のＬｉＮｂＯ_３基板と、前記ＬｉＮｂＯ_３基板上に形成されており、Ｃｕを主体とする少なくとも１つのＩＤＴ電極を含む電極と、前記電極が形成されている領域を除いた残りの領域において、前記電極と等しい厚みとなるように形成されている第１の酸化ケイ素膜と、前記電極及び第１の酸化ケイ素膜を被覆するように形成された第２の酸化ケイ素膜とを備え、前記電極の密度が、前記第１の絶縁膜の密度の１．５倍以上である、ＳＨ波を利用した弾性表面波装置であって、前記第２の酸化ケイ素膜の膜厚が０．１５λ〜０．４０λの範囲にあり、前記オイラー角（０°±５°，θ，ψ）のψが１０°〜３０°の範囲にあり、かつθ及びψが、ＩＤＴ電極の膜厚が０．０５λの場合において添付の図５に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 _ＳＡＷ ^２ が０．０１％以下となる領域の範囲内にあり、かつＩＤＴ電極の膜厚が０．０５λ以外の場合には、ＩＤＴ電極の膜厚を弾性波の波長で規格化した膜厚をｘとしたときに、図５の斜線で付したハッチングの領域について、図５のθを、下記の式（１）で表されるθ_ｘに変換して得られる、レイリー波の電気機械結合係数Ｋ _ＳＡＷ ^２ が０．０１％以下となる領域内にあることを特徴とする、弾性表面波装置が提供される。

また、本発明においては、好ましくは、上記オイラー角のψは１０°〜２５°の範囲とされる。

本発明に係わる弾性表面波装置では、オイラー角で（０°±５°，θ，ψ）のＬｉＮｂＯ_３基板上に、Ｃｕを主体とする少なくとも一つのＩＤＴ電極を含む電極が形成されており、前記電極が形成されている領域を除いた残りの領域において、第１の酸化ケイ素膜が電極と等しい厚みとなるように形成されており、該電極及び第１の酸化ケイ素膜を被覆するように第２の酸化ケイ素膜が形成されている。従って、第１，第２の酸化ケイ素膜により、周波数温度特性が改善されている。

しかも、上記ＩＤＴ電極がＣｕを主体とし、その密度が第１の酸化ケイ素膜の密度の１．５倍以上とされているので、特許文献１に記載の弾性表面波装置の場合と同様に共振特性上に現れるリップルを抑圧することができる。

加えて、第２の酸化ケイ素膜の膜厚が０．１５λ〜０．４０λの範囲にあり、オイラー角のψが１０°〜３０°の範囲にあり、かつθ及びψがＩＤＴ電極の膜厚が０．０５λの場合において、図５にハッチングを付して示した領域の範囲内にあり、０．０５λ以外の場合には、ＩＤＴ電極の膜厚を弾性波の波長で規格化した膜厚をｘとしたときに、図５の斜線でハッチングを付した領域について、図５のθを下記の式（１）で表されるθ_ｘに変換して得られる領域内にあるため、ＳＨ波の電気機械結合係数を用途に応じた適度な範囲としつつ、レイリー波によるスプリアスを効果的に抑圧することができる。

特に、オイラー角のψが１０°〜２５°の範囲にある場合には、ＳＨ波の電気機械結合係数を１０〜１６％程度の範囲の値とすることができる。

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（ａ）は、本発明の一実施形態に係る弾性表面波装置の模式的平面図であり、（ｂ）はその要部を示す部分切欠拡大正面断面図である。

弾性表面波装置１は、回転Ｙ板Ｘ伝搬のＬｉＮｂＯ_３基板２を用いて構成されている。ＬｉＮｂＯ_３基板２の結晶方位は、オイラー角で（０°，θ，ψ）とされている。

また、ＬｉＮｂＯ_３基板２上には、図１（ｂ）に示すように、ＩＤＴ電極３が形成されている。図１（ａ）に示すように、ＩＤＴ電極３の表面波伝搬方向両側には、反射器４，５が形成されている。

これらの電極が形成されている領域の残りの領域には、第１の酸化ケイ素膜６が形成されている。第１の酸化ケイ素膜６の膜厚は、ＩＤＴ電極３及び反射器４，５の膜厚と等しくされている。そして、これらの電極及び第１の酸化ケイ素膜６を覆うように第２の酸化ケイ素膜７が形成されている。

弾性表面波装置１では、ＬｉＮｂＯ_３基板は、負の周波数温度係数を有する。これに対して、酸化ケイ素膜６，７は、正の周波数温度係数を有する。従って、周波数特性を改善することができる。

加えて、ＩＤＴ電極３を含む電極の密度が、第１の酸化ケイ素膜６の密度の１．５倍以上とされている。すなわち、本実施形態では、ＩＤＴ電極３は、Ｃｕにより形成されている。従って、ＩＤＴ電極３の密度は８．９３ｇ／ｃｍ^３であり、他方第１の酸化ケイ素膜の密度は２．２１ｇ／ｃｍ^３である。

従って、前述した特許文献１に開示されているように、ＩＤＴ電極３の反射係数を高めることができる。それによって、共振特性上に現れるリップルを抑圧することが可能とされている。

本実施形態の弾性表面波装置１の特徴は、さらに、第２の酸化ケイ素膜の膜厚が０．１５λ〜０．４０λの範囲にあり、（０°±５°，θ，ψ）のψが１０〜３０°の範囲にあり、かつθ及びψが、ＩＤＴ電極の膜厚が０．０５λの場合において、添付の図５にハッチングを付して示した領域の範囲内にあり、ＩＤＴ電極の膜厚が０．０５λ以外の場合には、図５のハッチングが付された領域について、図５のθの値を、下記の式（１）で表されるθ_ｘに変換して得られた領域内にあることを特徴とする。それによって、ＳＨ波の電気機械結合係数を適度な大きさに調整することができ、しかもレイリー波によるスプリアスを効果的に抑圧することができる。これを、具体的な実験例に基づき説明する。

オイラー角表示で（０°，８４°〜９４°，０°〜３０°）のＬｉＮｂＯ_３において励振されるＳＨ波及びスプリアスとなるレイリー波について、電気機械結合係数Ｋ_ＳＡＷと、基板方位のθ及びψとの関係を有限要素法を用いて計算し、求めた。なお、図１（ａ），（ｂ）に示したように、ＩＤＴ電極の周囲に酸化ケイ素膜が形成されており、さらに上面に第２の酸化ケイ素膜が積層されている構造とし、電極材料はＣｕとした。

結果を図２及び図３に示す。図２は、ＳＨ波の電気機械結合係数の基板方位のψによる変化を示す図であり、図３は、レイリー波の電気機械結合係数Ｋ_ＳＡＷ ^２の基板方位のψによる変化を示す図である。

図２から明らかなように、基板方位のψを０°から変更することにより、ＳＨ波の電気機械結合係数Ｋ_ＳＡＷ ^２を小さくし得ることが分かる。基板方位のψを変更することにより、弾性表面波の電気機械結合係数Ｋ_ＳＡＷ ^２が変化することは従来より知られていた。

本実施形態は、利用するＳＨ波の電気機械結合係数Ｋ_ＳＡＷ ^２が適度な範囲にあることが求められる用途に応じた弾性表面波装置を提供するものである。例えば、ディプレクサの送信側帯域フィルタや受信側帯域フィルタでは、通過帯域に隣接して、他方のフィルタの通過帯域が位置するため、通過帯域幅は余り広くないことが求められる。従って、例えばＳＨ波を利用する場合、その電気機械結合係数は、１０〜１６％程度であることが好ましい。

図２から明らかなように、ＳＨ波の電気機械結合係数を、１０〜１６％の範囲程度とするには、ψは１０〜３０°の範囲とすればよいことがわかる。

もっとも、図３から明らかなように、基板方位のψを０°からそれ以外の値に変更すると、スプリアスとなるレイリー波の電気機械結合係数Ｋ_ＳＡＷ ^２の基板方位のθに対する依存性が変化することがわかった。従って、ψ＝０°の場合に、レイリー波の電気機械結合係数Ｋ_ＳＡＷ ^２が小さくなる基板方位θを選択したとしても、ψを０°からずらした際に、レイリー波の電気機械結合係数Ｋ_ＳＡＷ ^２が変化することとなる。そのため、ＳＨ波の電気機械結合係数Ｋ_ＳＡＷ ^２を適度な大きさとするようにψを変化させた場合、レイリー波の電気機械結合係数Ｋ_ＳＡＷ ^２が変化し、レイリー波によるスプリアスが大きく現れることがあった。

そこで、本願発明者は、図２及び図３の結果を踏まえて、ＬｉＮｂＯ_３基板の方位におけるψ及びθを変更し、レイリー波の電気機械結合係数Ｋ_ＳＡＷ ^２を小さくし得るか否かを検討した。結果を図４〜図６に示す。

なお、図４においては、ＣｕからなるＩＤＴ電極の膜厚を０．０６λとし、酸化ケイ素膜の膜厚は０．３λ、ＩＤＴ電極のデューティは０．５０とした。図５及び図６では、ＩＤＴ電極のデューティ及び第２の酸化ケイ素膜の膜厚は図４の場合と同じとしたが、ＩＤＴ電極を構成しているＣｕの膜厚を、それぞれ、０．０５λ及び０．０４λとした。

図４〜図６において、斜線のハッチングを付して示した領域内においては、レイリー波の電気機械結合係数Ｋ_ＳＡＷ ^２は０．０１％以下であった。なお、ＳＨ波を利用する場合、レイリー波の電気機械結合係数が０．０１％を超えると、レイリー波によるスプリアスがフィルタ特性上において無視できない程大きくなることが確かめられている。すなわち、図４〜図６において斜線のハッチングを付した領域内であれば、レイリー波の電気機械結合係数を小さくすることができ、レイリー波によるスプリアスを効果的に抑制し得ることがわかる。

また、図４〜図６から明らかなように、ＩＤＴ電極の膜厚が変化すると、ハッチングを付した領域が変化することがわかる。本願発明者は、図４〜図６の結果から、ＩＤＴ電極の膜厚が０．０５λである場合には、図５の斜線のハッチングを付して示した領域となるが、それ以外の膜厚の場合には、θを、上述した式（１）で表されるθｘとして得られる相当の領域内とすればよいことを見出した。

従って、図５の斜線のハッチングを付して示した領域内あるいは上述した式（１）で表されるθ_ｘに変換して得られる領域内となるようにψ及びθを選択すれば、レイリー波によるスプリアスを効果的に抑圧することができる。

次に、本願発明者らは、ＬｉＮｂＯ_３基板の方位θ及びψを変化させた場合、パワーフロー角がそれに伴って変化することを見出した。図７は、ＩＤＴ電極がＣｕからなり、膜厚が０．０６λ、第２の酸化ケイ素膜の膜厚が０．３λ、ＩＤＴ電極のデューティ比が０．５０の場合の基板方位のθ及びψを変化させた場合のパワーフロー角の変化を示す図である。

図７から明らかなように、基板方位のψを１０°〜２５°の範囲とすれば、パワーフロー角の絶対値を１°以下とすることができ、好ましいことがわかる。より好ましくは、ψを１０°〜２２．５°の範囲とすれば、パワーフロー角の絶対値を０．５°以下とすることができ、さらに好ましくは、ψを１５°〜２１°の範囲内とすることにより、パワーフロー角の絶対値を０．２５°以下とすることができ、望ましいことがわかる。

なお、上述してきた実施形態及び実験例では、ＩＤＴ電極３を含む電極はＣｕにより構成されていたが、本発明においては、電極はＣｕを主体とする限り、様々に変形することができる。すなわち、上記のようにＣｕ単層からなる電極膜を用いてもよく、あるいはＣｕ膜とＣｕ以外の他の金属もしくは合金膜とを積層した積層膜により電極を形成してもよい。積層膜の場合には、Ｃｕ膜が電極の主体となる厚みに形成されておればよい。また、Ｃｕに限らず、Ｃｕを主成分とする合金によりＩＤＴ電極を形成してもよく、Ｃｕを主体とする合金からなる電極膜を主たる電極層として有する積層膜により電極を形成してもよい。

さらに、前述した１ポート型弾性表面波共振子やデュプレクサの帯域フィルタ部に限らず、様々な共振子や様々な回路構成の表面波フィルタに本発明を適用することができる。

（ａ），（ｂ）は、本発明の一実施形態に関わる弾性表面波装置の模式的平面図及びその要部を拡大して示す部分切欠拡大正面断面図。 ＬｉＮｂＯ_３基板のオイラー角（０°，θ，ψ）におけるθ及びψを変化させた場合のＳＨ波の電気機械結合係数の変化を示す図。 ＬｉＮｂＯ_３基板のオイラー角（０°，θ，ψ）におけるθ及びψを変化させた場合のレイリー波の電気機械結合係数の変化を示す図。 ＩＤＴ電極のデューティが０．５０、第２の酸化ケイ素膜の膜厚が０．３λであり、ＩＤＴ電極を構成しているＣｕの膜厚が０．０６λである場合の電気機械結合係数Ｋ_ＳＡＷ ^２が０．０１％以下となる場合の基板方位のθ及びψの範囲を示す図。 ＩＤＴ電極のデューティが０．５０、第２の酸化ケイ素膜の膜厚が０．３λであり、ＩＤＴ電極を構成しているＣｕの膜厚が０．０５λである場合の電気機械結合係数Ｋ_ＳＡＷ ^２が０．０１％以下となる場合の基板方位のθ及びψの範囲を示す図。 ＩＤＴ電極のデューティが０．５０、第２の酸化ケイ素膜の膜厚が０．３λであり、ＩＤＴ電極を構成しているＣｕの膜厚が０．０４λである場合の電気機械結合係数Ｋ_ＳＡＷ ^２が０．０１％以下となる場合の基板方位のθ及びψの範囲を示す図。 ＬｉＮｂＯ_３基板の方位のθ及びψによるパワーフロー角の変化を示す図。

符号の説明

１…弾性表面波装置
２…ＬｉＮｂＯ_３基板
３…ＩＤＴ電極
４，５…反射器
６…第１の酸化ケイ素膜
７…第２の酸化ケイ素膜

Claims (2)

1. オイラー角（０°±５°，θ，ψ）のＬｉＮｂＯ_３基板と、
   前記ＬｉＮｂＯ_３基板上に形成されており、Ｃｕを主体とする少なくとも１つのＩＤＴ電極を含む電極と、
   前記電極が形成されている領域を除いた残りの領域において、前記電極と等しい厚みとなるように形成されている第１の酸化ケイ素膜と、
   前記電極及び第１の酸化ケイ素膜を被覆するように形成された第２の酸化ケイ素膜とを備え、
   前記電極の密度が、前記第１の絶縁膜の密度の１．５倍以上である、ＳＨ波を利用した弾性表面波装置であって、
   前記第２の酸化ケイ素膜の膜厚が０．１５λ〜０．４０λの範囲にあり、前記オイラー角（０°±５°，θ，ψ）のψが１０°〜３０°の範囲にあり、かつθ及びψが、ＩＤＴ電極の膜厚が０．０５λの場合において添付の図５に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 _ＳＡＷ ^２ が０．０１％以下となる領域の範囲内にあり、かつＩＤＴ電極の膜厚が０．０５λ以外の場合には、ＩＤＴ電極の膜厚を弾性波の波長で規格化した膜厚をｘとしたときに、図５の斜線で付したハッチングの領域を、図５のθを下記の式（１）で表されるθ_ｘに変換して得られる、レイリー波の電気機械結合係数Ｋ _ＳＡＷ ^２ が０．０１％以下となる領域内にあることを特徴とする、弾性表面波装置。
   

   
2. 前記オイラー角のψが１０〜２５°の範囲にある、請求項１に記載の弾性表面波装置。

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