JP5713025B2 - 弾性波装置及びその製造方法 - Google Patents

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Description

本発明は、共振子や帯域フィルタなどに用いられる弾性波装置及びその製造方法に関し、より詳細には、支持基板と圧電体層との間に他の材料が積層されている構造を有する弾性波装置及びその製造方法に関する。
従来より、共振子や帯域フィルタとして、弾性波装置が広く用いられており、近年では、高周波化が求められている。下記の特許文献１には、誘電体基板上に、硬質誘電体層、圧電膜及びＩＤＴ電極をこの順序で積層してなる弾性表面波装置が開示されている。この弾性表面波装置では、硬質誘電体層を誘電体基板と圧電膜との間に配置することにより、弾性表面波の高音速化が図られている。それによって弾性表面波装置の高周波化が可能であるとされている。
なお、特許文献１では、上記硬質誘電体層と、圧電膜との間に、等電位層を設けた構造も開示されている。等電位層は、金属または半導体からなる。等電位層は、圧電膜と硬質誘電体層との界面における電位を等電位化するために設けられている。
特開２００４−２８２２３２
特許文献１に記載の弾性表面波装置では、硬質誘電体層の形成により高音速化が図られている。しかしながら、伝搬損失が少なからず存在し、弾性表面波を効果的に圧電薄膜中に閉じ込めることができていないため、弾性表面波装置のエネルギーが誘電体基板に漏れ、そのためＱ値を高めることができないという問題があった。
本発明の目的は、Ｑ値の高い弾性波装置及びその製造方法を提供することにある。
本発明に係る圧電膜を有する弾性波装置は、圧電膜を伝搬する弾性波音速より伝搬するバルク波音速が高速である高音速支持基板と、高音速支持基板上に積層されており、圧電膜を伝搬するバルク波音速より伝搬するバルク波音速が低速である低音速膜と、低音速膜上に積層された圧電膜と、圧電膜の一方面に形成されているＩＤＴ電極とを備える。
本発明に係る圧電膜を有する弾性波装置は、圧電膜を伝搬する弾性波のエネルギーの一部が、低音速膜および高音速支持基板中に分布することを特徴とする。
本発明に係る圧電膜を有する弾性波装置は、支持基板と、前記支持基板上に形成されており、前記圧電膜を伝搬する弾性波音速より伝搬するバルク波音速が高速である高音速膜と、前記高音速膜上に積層されており、前記圧電膜を伝搬するバルク波音速より伝搬するバルク波音速が低速である低音速膜と、前記低音速膜上に積層された圧電膜と、前記圧電膜の一方面に形成されているＩＤＴ電極とを備える。
本発明に係る圧電膜を有する弾性波装置は、圧電膜を伝搬する弾性波のエネルギーの一部が、低音速膜および高音速膜中に分布することを特徴とする。
本発明に係る弾性波装置のある特定の局面では、上記低音速膜が、酸化ケイ素、あるいは酸化ケイ素を主成分とする膜からなる。この場合には、周波数温度係数ＴＣＦの絶対値を小さくすることができる。また、電気機械結合係数を大きくすることができ、比帯域を拡大することができる。すなわち、温度特性の改善と、比帯域の拡大とを同時に実現することができる。
本発明に係る弾性波装置の他の特定の局面では、前記圧電膜の膜厚が、ＩＤＴ電極の電極周期で定まる弾性波の波長をλとしたときに、１．５λ以下とされている。この場合には、圧電膜の膜厚を１．５λ以下の範囲内で選択することにより、電気機械結合係数を容易に調整することができる。
本発明に係る弾性波装置の他の特定の局面では、前記圧電膜の膜厚が、ＩＤＴ電極の電極周期で定まる弾性波の波長をλとしたときに、０．０５λ〜０．５λの範囲内で選択することにより、広い範囲で電気機械結合係数を容易に調整できる。
本発明に係る弾性波装置のさらに他の特定の局面では、前記低音速膜の膜厚が、ＩＤＴ電極の電極周期で定まる弾性波の波長をλとしたときに、２λ以下である。この場合には、低音速膜の膜厚を２λ以下の範囲内で選択することにより、電気機械結合係数を容易に調整することができる。また、低音速膜の膜応力による弾性波装置の反りが低減される。従って、設計の自由度を高めることができるとともに、取り扱いやすい高品質な弾性波装置を提供できる。
本発明に係る弾性波装置のさらに別の特定の局面では、前記圧電膜が、オイラー角（０±５°，θ，ψ）の単結晶タンタル酸リチウムからなり、オイラー角（０±５°，θ，ψ）が図１７に示す複数の領域Ｒ１のいずれかの範囲内にある。この場合には、弾性波のうちのＳＨ成分の電気機械結合係数を２％以上とすることができる。従って、電気機械結合係数を十分に高めることができる。
本発明に係る弾性波装置のさらに別の特定の局面では、前記圧電膜が、オイラー角（０±５°，θ，ψ）の単結晶タンタル酸リチウムからなり、オイラー角（０±５°，θ，ψ）が図１８に示す複数の領域Ｒ２のいずれかの範囲内にある。この場合には、使用するＳＨ成分の電気機械結合係数を高め、スプリアスとなるＳＶ波を効果的に抑制することができる。
本発明に係る弾性波装置のさらに別の特定の局面では、前記支持基板の線膨張係数が、前記圧電膜の線膨張係数よりも小さい。この場合には、温度特性をより一層改善することができる。
本発明に係る弾性波装置のさらに別の特定の局面では、前記低音速膜の固有音響インピーダンスが、前記圧電膜の固有音響インピーダンスよりも小さい。この場合には、さらに比帯域を拡大することができる。
本発明に係る弾性波装置のさらに他の特定の局面では、前記圧電膜および前記ＩＤＴ電極の上に誘電体膜が形成されており、前記圧電膜を弾性表面波が伝搬する。
本発明に係る弾性波装置のさらに別の特定の局面では、前記圧電膜および前記ＩＤＴ電極の上に誘電体膜が形成されており、前記圧電膜と前記誘電体膜との境界を弾性境界波が伝搬する。
本発明に係る弾性波装置のさらに他の特定の局面では、前記圧電膜および前記低音速膜および前記高音速膜および前記支持基板の少なくとも１つの境界に、密着層、下地膜、低音速層及び高音速層の内の少なくとも１つの層が形成されている。
本発明に係る弾性波装置の製造方法は、支持基板を用意する工程と、前記支持基板上に、圧電体を伝搬する弾性波音速より伝搬するバルク波音速が高速である高音速膜を形成する工程と、前記高音速膜上に、圧電体を伝搬するバルク波音速より伝搬するバルク波音速が低速である低音速膜を形成する工程と、前記低音速膜上に、圧電体層を形成する工程と、前記圧電体層の一方面にＩＤＴ電極を形成する工程とを備える。
本発明に係る弾性波装置の製造方法のある特定の局面では、支持基板上に、高音速膜、低音速膜および圧電体層を形成する工程が、下記の（ａ）〜（ｅ）の工程を備える。
（ａ）前記圧電体層よりも厚みの厚い圧電基板の一方面からイオン注入する工程。
（ｂ）前記イオン注入が行われた圧電基板の前記一方の面に低音速膜を形成する工程。
（ｃ）前記低音速膜の前記圧電基板と反対側の面に高音速膜を形成する工程。
（ｄ）前記高音速膜の前記低音速膜が積層されている側の面と反対側の面に支持基板を接合する工程。
（ｅ）前記圧電基板を加熱しつつ、前記圧電基板の注入イオン濃度が最も高い高濃度イオン注入部分において、圧電膜と残りの圧電基板部分とを分離し、前記低音速膜側に圧電膜を残存させる工程。
本発明に係る弾性波装置の製造方法のさらに別の特定の局面では、前記残りの圧電基板部分を分離した後に、前記低音速膜上に積層されている前記圧電膜を加熱し、圧電性を回復させる工程がさらに備えられている。この場合には、加熱により圧電膜の圧電性を回復させることができるので、良好な特性の弾性波装置を提供することできる。
本発明に係る弾性波装置の製造方法のさらに別の特定の局面では、前記支持基板を接合するに先立ち、前記高音速膜の前記低音速膜とは反対側の面を鏡面加工する工程がさらに備えられている。この場合には、高音速膜と支持基板の接合を強化することができる。
本発明に係る弾性波装置では、支持基板と圧電膜との間に、高音速膜及び低音速膜が配置されているため、Ｑ値を高めることが可能となる。従って、高いＱ値を有する弾性波装置を提供することが可能となる。
また、本発明に係る製造方法によれば、Ｑ値の高い、本発明の弾性波装置を提供することが可能となる。
図１（ａ）は、本発明の第１の実施形態に係る弾性表面波装置の模式的正面断面図であり、図１（ｂ）は、その電極構造示す模式的平面図である。 図２は、第１の実施形態、第１の比較例及び第２の比較例の弾性表面波装置のインピ−ダンス特性を示す図である。 図３は、第１の実施形態、第１の比較例及び第２の比較例の弾性表面波装置のインピ−ダンススミスチャートを示す図である。 図４（ａ）及び図４（ｂ）は、本発明の第１の実施形態の弾性表面波装置における、ＡｌＮの膜厚とエネルギーの集中の様子に関する、ＩＤＴ電極部分におけるシミュレーション結果を示す図である。 図５は、第１の実施形態の弾性表面波装置及び第１及び第２の比較例の弾性表面波装置のインピ−ダンス特性をＦＥＭによりシミュレーションした結果を示す図である。 図６は、第１の実施形態及び第１，第２の比較例の弾性表面波装置におけるＱ値と周波数との関係をＦＥＭによりシミュレーションの結果を示す図である。 図７は、本発明の弾性表面波装置におけるＬｉＴａＯ３からなる圧電膜の膜厚と、音速と、ＳｉＯ２からなる低音速膜の規格化膜厚との関係を示す図である。 図８は、本発明の弾性表面波装置におけるＬｉＴａＯ３からなる圧電膜の膜厚と、ＳｉＯ２からなる低音速膜の規格化膜厚と、電気機械結合係数との関係を示す図である。 図９は、本発明の弾性表面波装置におけるＬｉＴａＯ３からなる圧電膜の膜厚と、ＳｉＯ２からなる低音速膜の規格化膜厚と、ＴＣＶとの関係を示す図である。 図１０は、本発明の弾性表面波装置におけるＬｉＴａＯ３からなる圧電膜の膜厚と、ＳｉＯ２からなる低音速膜の規格化膜厚と、比帯域との関係を示す図である。 図１１は、第３の比較例〜第５の比較例の弾性表面波装置における比帯域ＢＷと、ＴＣＦとの関係を示す図である。 図１２は、本発明の第１の実施形態の弾性表面波装置における比帯域と周波数温度係数ＴＣＶと、ＳｉＯ２からなる低音速膜の規格化膜厚との関係を示す図である。 図１３は、本発明の第２の実施形態の弾性表面波装置におけるＬｉＴａＯ３からなる圧電膜の厚みと、共振点における音速及び反共振点における音速との関係を示す図である。 図１４は、本発明の第２の実施形態の弾性表面波装置におけるＬｉＴａＯ３からなる圧電膜の厚みと、比帯域との関係を示す図である。 図１５は、本発明の第３の実施形態の弾性表面波装置におけるＳｉＯ２膜の規格化膜厚と、高音速膜の材質との関係を示す図である。 図１６は、本発明の第３の実施形態の弾性表面波装置におけるＳｉＯ２膜の規格化膜厚と、電気機械結合係数と、高音速膜の材質との関係を示す図である。 図１７は、本発明の第４の実施形態の弾性表面波装置におけるオイラー角（０±５°，θ，ψ）のＬｉＴａＯ３膜において、Ｕ２（ＳＨ）モードを主成分とする弾性表面波モードの電気機械結合係数が２％以上である複数の領域Ｒ１を示す図である。 図１８は、本発明の第５の実施形態の弾性表面波装置におけるオイラー角（０±５°，θ，ψ）のＬｉＴａＯ３膜において、Ｕ２モードを主成分とする弾性表面波モードの電気機械結合係数が２％以上であり、かつスプリアスとなるＵ３（ＳＶ）モードを主成分とする弾性表面波モードの電気機械結合係数が１％以下となる複数の領域Ｒ２を示す図である。 図１９（ａ）〜図１９（ｃ）は、本発明の第６の実施形態の弾性表面波装置における、低音速膜の固有音響インピーダンスと比帯域との関係を示す図である。 図２０（ａ）〜図２０（ｃ）は、本発明の第６の実施形態の弾性表面波装置における、低音速膜の固有音響インピーダンスと弾性表面波の音速との関係を示す図である。 図２１（ａ）〜図２１（ｅ）は、本発明の第１の実施形態の弾性表面波装置の製造方法を説明するための各正面断面図である。 図２２（ａ）〜図２２（ｃ）は、本発明の第１の実施形態の弾性表面波装置の製造方法を説明するための各正面断面図である。 図２３は、本発明の第７の実施形態に係る弾性表面波装置の模式的正面断面図である。 図２４は、本発明の第８の実施形態に係る弾性表面波装置の模式的正面断面図である。 図２５は、本発明の第９の実施形態に係る弾性表面波装置の模式的正面断面図である。 図２６は、本発明の第１０の実施形態の弾性表面波装置における圧電薄膜の厚みを変化させた場合のＳｉＯ２膜の膜厚と、Ｑｍａｘ値との関係を示す図である。 図２７は、本発明の第１１の実施形態としての弾性表面波装置の模式的正面断面図である。 図２８は、本発明の第１２の実施形態に係る弾性境界波装置の模式的正面断面図である。 図２９は、本発明の第１３の実施形態に係る弾性境界波装置の模式的正面断面図である。
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、本発明の第１の実施形態としての弾性表面波装置の模式的正面断面図である。
弾性表面波装置１は、支持基板２を有する。支持基板２上に、音速が相対的に高い高音速膜３が積層されている。高音速膜３上に、音速が相対的に低い低音速膜４が積層されている。また、低音速膜４上に圧電膜５が積層されている。この圧電膜５の上面にＩＤＴ電極６が積層されている。なお、圧電膜５の下面にＩＤＴ電極６が積層されていてもよい。
上記支持基板２は、高音速膜３、低音速膜４、圧電膜５及びＩＤＴ電極６を有する積層構造を支持し得る限り、適宜の材料により構成することができる。このような材料としては、サファイア、リチウムタンタレート、リチュウムニオベイト、水晶等の圧電体、アルミナ、マグネシア、窒化ケイ素、窒化アルミニウム、炭化ケイ素、ジルコニア、コージライト、ムライト、ステアタイト、フォルステライト等の各種セラミック、ガラス等の誘電体またはシリコン、窒化ガリウム等の半導体及び樹脂基板等を用いることができる。本実施形態では、支持基板２は、ガラスからなる。
上記高音速膜３は、弾性表面波を圧電膜５及び低音速膜４が積層されている部分に閉じ込め、高音速膜３より下の構造に漏れないように機能する。本実施形態では、高音速膜３は、窒化アルミニウムからなる。もっとも、上記弾性波を閉じ込め得る限り、窒化アルミニウム、酸化アルミニウム、炭化ケイ素、窒化ケイ素、酸窒化ケイ素、ＤＬＣ膜またはダイヤモンド、前記材料を主成分とする媒質、前記材料の混合物を主成分とする媒質等のさまざまな高音速材料を用いることができる。弾性表面波を圧電膜５及び低音速膜４が積層されている部分に閉じ込めるには、高音速膜３の膜厚は厚いほど望ましく、弾性表面波の波長のλの０．５倍以上、さらには１．５倍以上であることが望ましい。
なお、本明細書において、高音速膜とは、圧電膜５を伝搬する表面波や境界波の弾性波よりも、該高音速膜中のバルク波の音速が高速となる膜を言うものとする。また、低音速膜とは、圧電膜５を伝搬するバルク波よりも、該低音速膜中のバルク波の音速が低速となる膜を言うものとする。また、ある構造上のＩＤＴ電極からは様々な音速の異なるモードの弾性波が励振されることになるが、圧電膜５を伝搬する弾性波とは、フィルタや共振子の特性を得るために利用する特定のモードの弾性波を示す。上記バルク波の音速を決定するバルク波のモードは、圧電膜５を伝搬する弾性波の使用モードに応じて定義される。高音速膜３及び低音速膜４がバルク波の伝搬方向に関し等方性の場合には、下記の表１に示すようになる。すなわち、下記の表１の左軸の弾性波の主モードに対し下記の表１の右軸のバルク波のモードにより、上記高音速及び低音速を決定する。Ｐ波は縦波であり、Ｓ波は横波である。
なお、下記の表１において、Ｕ１はＰ波を主成分とし、Ｕ２はＳＨ波を主成分とし、Ｕ３はＳＶ波を主成分とする弾性波を意味する。
Figure 0005713025
上記低音速膜４及び高音速膜３がバルク波の伝搬性において異方性である場合には下記の表２に示すように高音速及び低音速を決定するバルク波のモードが決まる。なお、バルク波のモードのうち、ＳＨ波とＳＶ波のより遅い方が遅い横波と呼ばれ、速い方が速い横波と呼ばれる。どちらが遅い横波になるかは、材料の異方性により異なる。回転Ｙカット付近のＬｉＴａＯ３やＬｉＮｂＯ３では、バルク波のうちＳＶ波が遅い横波、ＳＨ波が速い横波となる。
Figure 0005713025
本実施形態では、上記低音速膜４は酸化ケイ素からなり、その膜厚は、ＩＤＴ電極の電極周期で定まる弾性波の波長をλとすると、０．３５λである。
上記低音速膜４を構成する材料としては圧電膜５を伝搬するバルク波よりも低音速のバルク波音速を有する適宜の材料を用いることができる。このような材料としては、酸化ケイ素、ガラス、酸窒化ケイ素、酸化タンタル、また、酸化ケイ素にフッ素や炭素やホウ素を加えた化合物など、前記材料を主成分とした媒質を用いることができる。
上記低音速膜及び高音速膜は、上記のように決定される高音速及び低音速を実現し得る適宜の誘電体材料からなる。
圧電膜５は、本実施形態では、３８．５°ＹカットのＬｉＴａＯ３すなわちオイラー角で（０°，１２８．５°、０°）のＬｉＴａＯ３からなり、膜厚は、ＩＤＴ電極６の電極周期で定まる弾性表面波の波長をλとすると、０．２５λである。もっとも、圧電膜５は、他のカット角のＬｉＴａＯ３により形成してもよく、あるいはＬｉＴａＯ３以外の圧電単結晶により形成してもよい。
ＩＤＴ電極６は、本実施形態では、Ａｌからなる。もっとも、ＩＤＴ電極６は、Ａｌ、Ｃｕ、Ｐｔ、Ａｕ、Ａｇ、Ｔｉ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗまたはこれらの金属のいずれかを主体とする合金などの適宜の金属材料により形成することができる。また、ＩＤＴ電極６は、これらの金属もしくは合金からなる複数の金属膜を積層した構造を有していてもよい。
図１（ａ）では略図的に示しているが、圧電膜５上に、図１（ｂ）に示す電極構造が形成されている。すなわち、ＩＤＴ電極６と、ＩＤＴ電極６の弾性表面波電極方向両側に配置された反射器７，８が形成されている。それによって、１ポート型弾性表面波共振子が構成されている。もっとも、本発明におけるＩＤＴ電極を含む電極構造は特に限定されず、適宜の共振子や共振子を組み合わせたラダーフィルタ、縦結合フィルタ、ラチス型フィルタ、トランスバーサル型フィルタを構成するように変形し得る。
本実施形態の弾性表面波装置１の特徴は、上記高音速膜３、低音速膜４及び圧電膜５が積層されていることにある。それによってＱ値の増大を図ることができる。この理由は、以下の通りである。
従来、圧電基板の下面に高音速膜を配置することにより、弾性表面波の一部が高音速膜中にエネルギーを分布させながら伝搬するため、弾性表面波の高音速化を図り得ることが知られている。
これに対して、本願発明では、上記高音速膜３と、圧電膜５との間に上記低音速膜４が配置されているため、弾性波の音速が低下する。弾性波は本質的に低音速な媒質にエネルギーが集中する。従って、圧電膜５内及び弾性波が励振されているＩＤＴ内への弾性波エネルギーの閉じ込め効果を高めることができる。そのため、低音速膜４が設けられていない場合に比べて、本実施形態によれば、損失を低減し、Ｑ値を高めることができる。また、高音速膜３は、弾性波を圧電膜５及び低音速膜４が積層されている部分に閉じ込め、高音速膜３より下の構造に漏れないように機能している。即ち、本願の構造では、フィルタや共振子の特性を得るために利用する特定のモードの弾性波のエネルギーは圧電膜５及び低音速膜４の全体に分布し、高音速膜３の低音速膜側の一部にも分布し、支持基板２には分布しないことになる。高音速膜により弾性波を閉じ込めるメカニズムは非漏洩なＳＨ波であるラブ波型の表面波の場合と同様のメカニズムであり、例えば、文献「弾性表面波デバイスシミュレーション技術入門」、橋本研也、リアライズ社、Ｐ９０-Ｐ９１に記載されている。前記メカニズムは、音響多層膜によるブラッグ反射器を用いた閉じ込めるメカニズムとは異なる。
加えて、本実施形態では、低音速膜４が酸化ケイ素からなるため、温度特性を改善することができる。ＬｉＴａＯ３の弾性定数は負の温度特性を有し、酸化ケイ素は正の温度特性を有する。従って、弾性表面波装置１では、ＴＣＦの絶対値を小さくすることができる。加えて、酸化ケイ素の固有音響インピーダンスはＬｉＴａＯ３の固有音響インピーダンスより小さい。従って、電気機械結合係数の増大すなわち比帯域の拡大と、周波数温度特性の改善との双方を図ることができる。
さらに、圧電膜５の厚み及び高音速膜３及び低音速膜４の厚みを調整することにより、後述するように、電気機械結合係数を広い範囲内で調整することができる。従って、設計の自由度を高めることができる。
次に上記実施形態の弾性表面波装置の具体的な実験例を説明し、上記実施形態の作用効果を明らかにする。
上記第１の実施形態の弾性表面波装置１と、下記の第１及び第２の比較例の弾性表面波装置を作成した。
第１の実施形態：上から順に、Ａｌ電極（厚み０．０８λ）／３８．５°ＹカットのＬｉＴａＯ３薄膜（厚み０．２５λ）／酸化ケイ素膜（厚み０．３５λ）／窒化アルミニウム膜（１．５λ）／ガラスからなる支持基板。
第１の比較例：上から順にＡｌからなる電極（厚み０．０８λ）／３８．５°ＹカットのＬｉＴａＯ３基板。第１の比較例では、厚み３５０μｍのＬｉＴａＯ３基板上に上記Ａｌからなる電極を形成した。
第２の比較例：上から順にＡｌ電極（厚み０．０８λ）／３８．５°ＹカットのＬｉＴａＯ３膜の厚み０．５λ／窒化アルミニウム膜（厚み１．５λ）／ガラスからなる支持基板。
なお、第１の実施形態及び第１及び第２の比較例の弾性表面波装置において、電極は図１（ｂ）で示した１ポート型弾性表面波共振子構造の電極とした。また、ＩＤＴ電極の電極周期で定まる弾性表面波の波長λは、２μｍとした。上記３８．５°ＹカットＬｉＴａＯ３を伝搬する弾性表面波の主たるモードはＵ２モードであり、音速は約３９５０ｍ／秒である。また、回転ＹカットのＬｉＴａＯ３を伝搬するバルク波の音速は、Ｙカット上であれば回転する角度によらず一定で、ＳＶバルク波（遅い横波）が３３６７ｍ/秒、ＳＨバルク波（速い横波）が４２１２ｍ/秒である。また、第１の実施形態及び第２の比較例における窒化アルミニウム膜は等方膜であり、窒化アルミニウム膜におけるバルク波（Ｓ波）の音速は６０００ｍ／秒である。また、第１の実施形態で作成した低音速膜４としての酸化ケイ素膜は等方膜であり、酸化ケイ素におけるバルク波（Ｓ波）の音速は３７５０ｍ／秒である。従って、圧電体を伝搬する表面波の主モードがＵ２モードであるため、以下の条件を満たす。（１）高音速膜のバルク波（Ｓ波）音速：６０００ｍ/秒＞表面波の主たるモード（Ｕ２）の音速：３９５０ｍ/秒かつ、（２）低音速膜のバルク波（Ｓ波）音速：３７５０ｍ/秒＜圧電膜を伝搬するバルク波（ＳＨ）音速：４２１２ｍ／秒
図２は、上記第１の実施形態、第１及び第２比較例の弾性表面波装置のインピ−ダンス周波数特性を示し、図３はインピ−ダンススミスチャートを示す。
また、下記の表３に、上記第１の実施形態、第１及び第２の比較例の弾性表面波装置の共振周波数におけるＱ値、反共振周波数おけるＱ値、比帯域幅及び共振周波数についてのＴＣＦを実測によりそれぞれ求めた。
結果を下記の表３に示す。
Figure 0005713025
図２及び図３において、実線が第１の実施形態の結果を、破線が第２の比較例の結果を、一点鎖線が第１の比較例の結果を示す。
図２及び図３から明らかなように、第１の比較例に比べ、第２の比較例及び第１の実施形態によれば、山谷比が大きくなることがわかる。なお、山谷比とは共振周波数におけるインピ−ダンスに対する反共振周波数におけるインピ−ダンスの比を示し、この値が高いほどＱ値が高く、挿入損失が小さいフィルタを構成し得る。特に、第１の実施形態によれば、第２の比較例に比べて、山谷比は、さらに大きくなることがわかる。また、第２の比較例に比べて、第１の実施形態によれば、共振周波数と反共振周波数との周波数差、すなわち比帯域を大きくできることがわかる。
具体的には、表３から明らかなように、第１の実施形態によれば、第１の比較例及び第２の比較例に比べ、共振周波数におけるＱ値を高めることができ、特に反共振周波数におけるＱ値を大幅に高め得ることがわかる。すなわち、Ｑ値が高い１ポート型弾性表面波共振子を構成し得るので、上記弾性表面波装置１を用いて、挿入損失が小さいフィルタを構成し得ることがわかる。また、比帯域は、第１の比較例において３．２％、第２の比較例において４．１％であった。これに対して、上記第１の実施形態では、４．４％と広くなることがわかる。
加えて、表３から明らかなように、酸化ケイ素膜が形成されているため、第１の実施形態によれば、第１及び第２の比較例に比べて、ＴＣＦの絶対値を大幅に小さくし得ることがわかる。
図５及び図６において、一点鎖線が第１の実施形態を、破線が第１の比較例を、実線が第２の比較例のＦＥＭシミュレーションによる結果を示す。ＦＥＭシミュレーションは１ポート共振子を想定し、デューティ＝０．５、公差幅２０λ、対数１００対を前提としている。
前述した実験結果と同様に、ＦＥＭによるシミュレーション結果においても、図６から明らかなように、Ｑ値を第１及び第２の比較例に比べて高め得ることがわかる。
従って、上記第１の実施形態及び第１及び第２の比較例についての実験結果及び上記ＦＥＭによるシミュレーション結果から明らかなように、酸化ケイ素からなる低音速膜４を窒化アルミニウムからなる高音速膜３とＬｉＴａＯ３からなる圧電膜５との間に配置することにより、Ｑ値を高め得る効果を確認することができた。このように、Ｑ値を高め得るのは、高音速膜３の形成により弾性表面波エネルギーを圧電膜５及び低音速膜４及び高音速膜３内に効率的に閉じ込めるとともに、低音速膜４の形成により、弾性表面波エネルギーのＩＤＴ電極外への漏れを抑制する効果を高め得るためと考えられる。
従って、上記のように低音速膜４を圧電膜５と高音速膜３との間に配置したことにより得られる効果であるため、圧電膜を構成する材料については、上記３８．５°ＹカットＬｉＴａＯ３に限定されるものではない。他のカット角のＬｉＴａＯ３を用いた場合でも同様の効果を得ることができる。また、ＬｉＴａＯ３以外のＬｉＮｂＯ３等の他の圧電単結晶やＺｎＯ、ＡｌＮ等の圧電薄膜、ＰＺＴ等の圧電セラミクスを用いた場合においても同様の効果を得ることができる。
また、高音速膜３は、弾性表面波のエネルギーの大部分を圧電膜５及び低音速膜４が積層されている部分に閉じ込める役割を果たしている。従って、窒化アルミニウム膜はＣ軸配向した異方性のある膜でもよく、また窒化アルミニウム膜に限らず、前述した種々の高音速膜３を構成し得る材料を用いた場合においても、同様の効果を得ることができることを予想することができる。
また、低音速膜の酸化ケイ素は、圧電膜を伝搬するバルク波の音速よりバルク波の音速が低い限り、特に限定されるものではない。従って、低音速膜４を構成する材料は、酸化ケイ素に限定されない。よって、前述した低音速膜４を構成し得る材料として例示した様々な材料を用いることができる。
（第２の実施形態）
第２の実施形態として、以下の構成の弾性表面波装置について、その特性を有限要素法でシミュレーションした。電極構造は図１（ｂ）と同様とした。
ＩＤＴ電極は、厚み０．０８λのＡｌ膜とした。圧電膜は、３８．５°ＹカットのＬｉＴａＯ３からなり、その厚みは０〜３λの範囲とした。低音速膜は、酸化ケイ素からなり、その厚みは０〜２λとした。高音速膜は酸化アルミニウムからなり、その厚みは１．５λとした。支持基板はアルミナからなる。
結果を図７〜図１０に示す。
図７は、ＬｉＴａＯ３の膜厚と、使用するモードであるＵ２モードの音速と、酸化ケイ素膜の規格化膜厚との関係を示す図である。また、図８は、ＬｉＴａＯ３の膜厚と、使用するモードであるＵ２モードの電気機械結合係数ｋ２と、酸化ケイ素膜の規格化膜厚との関係を示す図である。
図７から明らかなように、酸化ケイ素膜の規格化膜厚の膜厚が０．０、すなわち酸化ケイ素膜を形成していない場合に比べ、酸化ケイ素膜を形成することにより、ＬｉＴａＯ３からなる圧電膜の厚みが０．０５λ〜０．５λの広い範囲にわたり、音速のばらつきが少ないことがわかる。
また、図８より、酸化ケイ素膜を形成していない場合に比べ、酸化ケイ素膜を形成することにより、ＬｉＴａＯ３膜の膜厚が０．３５λ以下と薄い場合であっても、酸化ケイ素膜の膜厚を制御することにより、電気機械結合係数ｋ２を０．０８以上と高めることがわかる。
図９は、ＬｉＴａＯ３膜の膜厚と、周波数温度係数ＴＣＶと酸化ケイ素膜の規格化膜厚との関係を示す図である。図１０は、ＬｉＴａＯ３膜の膜厚と、比帯域と酸化ケイ素膜の規格化膜厚との関係を示す図である。
なお、ＴＣＦ＝ＴＣＶ−αである。αは伝搬方向における線膨張係数を示し、ＬｉＴａＯ３の場合、約１６ｐｐｍ／℃である。
図９から明らかなように、酸化ケイ素膜を形成することにより、酸化ケイ素膜を形成しない場合に比べて、ＴＣＶの絶対値を一層小さくし得ることがわかる。加えて、図１０から明らかなように、ＬｉＴａＯ３からなる圧電膜の膜厚が０．３５λ以下と薄い場合であっても、酸化ケイ素膜の膜厚を調整することにより、比帯域を調整し得ることがわかる。
また、酸化ケイ素膜の厚みが２λより厚くなると、応力が発生して弾性表面波装置に反りが生じて、取り扱いが困難になるなどの不具合が発生する。従って、酸化ケイ素膜の厚みは２λ以下とするのがよい。
従来、ＬｉＴａＯ３上にＩＤＴを形成し、さらにＩＤＴ上に酸化ケイ素を形成した積層構造を用いることにより、弾性表面波装置におけるＴＣＦの絶対値を小さくし得ることがしられていた。しかしながら、図１１から明らかなようにＴＣＶの絶対値を小さくしようとした場合、すなわちＴＣＦの絶対値を小さくしようとした場合、比帯域の拡大と、ＴＣＦの絶対値の低減とを両立することができなかった。それに対して、高音速膜と低音速膜とを積層してなる本発明の構造を用いることにより、ＴＣＦの絶対値の低減と、比帯域の拡大とを図ることができる。これを、図１１及び図１２を参照して説明する。
図１１は、従来の弾性表面波装置として、下記の第３〜第５の比較例の弾性表面波装置における比帯域とＴＣＦとの関係を示す図である。
第３の比較例：Ａｌからなる電極／４２°ＹカットのＬｉＴａＯ３の積層構造、ＳＨ波を利用。
第４の比較例：酸化ケイ素膜／Ｃｕからなる電極／３８．５°ＹカットのＬｉＴａＯ３基板の積層構造、ＳＨ波を利用。
第５の比較例：酸化ケイ素膜／Ｃｕからなる電極／１２８°ＹカットのＬｉＮｂＯ３基板の積層構造、ＳＶ波を利用。
図１１から明らかなように、第３比較例〜第５の比較例のいずれにおいても、比帯域ＢＷが大きくなるにつれて、ＴＣＦの絶対値が大きくなっていることがわかる。
図１２は、上記第２の実施形態の各酸化ケイ素膜厚の水準において、弾性表面波装置のＬｉＴａＯ３の規格化膜厚を０．１〜０．５λの範囲で変化させた場合における比帯域ＢＷ（％）と、周波数温度係数ＴＣＶの関係を示す図である。図１２から明らかなように、本実施形態では、比帯域ＢＷを大きくした場合であっても、ＴＣＶの絶対値は大きくならないことがわかる。すなわち、酸化ケイ素膜の膜厚を調整することにより、比帯域を大きくしかつ周波数温度係数ＴＣＶの絶対値を小さくし得ることがわかる。
すなわち、ＬｉＴａＯ３からなる圧電膜に、低音速膜４及び高音速膜３を積層することにより、特に低音速膜として酸化ケイ素膜を形成することにより、比帯域が広く、かつ温度特性の良好な弾性波装置を提供し得ることがわかる。
上記支持基板２の線膨張係数は、圧電膜５の線膨張係数よりも小さいことが好ましい。それによって、圧電膜５において生じた熱による膨張が、支持基板２により拘束される。従って、弾性波装置の周波数温度特性をより一層改善することができる。
図１３及び図１４は第２の実施形態の構造において、ＬｉＴａＯ３からなる圧電膜の厚みを変化させた場合の音速及び比帯域の変化を示す各図である。
図１３及び図１４から明らかなように、ＬｉＴａＯ３の厚みが１．５λ以上では、音速及び比帯域はほぼ変化していない。これは、弾性表面波のエネルギーが、圧電膜内に閉じ込められて、低音速膜４や高音速膜３側には分布していないことによるものであり、このため、低音速膜４や高音速膜３の効果がなくなっている。よって、圧電膜の厚みは１．５λ以下とすることがより好ましい。それによって、弾性表面波のエネルギーを低音速膜４に十分に分布させることができ、よりＱ値を高め得ると考えられる。
上記図７〜図１４の結果から、酸化ケイ素膜の厚み及びＬｉＴａＯ３からなる圧電膜の厚みを調整することにより、電気機械結合係数を広い範囲内で調整し得ることがわかる。さらに、ＬｉＴａＯ３からなる圧電膜の厚みが０．０５λ〜０．５λの範囲では、電気機械結合係数をより広い範囲で調整可能であることがわかる。従って、ＬｉＴａＯ３からなる圧電膜の厚みは、０．０５λ〜０．５λの範囲が望ましい。
従来、電気機械結合係数を調整するには、使用する圧電体のカット角を調整する必要があった。しかしながら、カット角すなわちオイラー角を変更すると、音速、温度特性及びスプリアス特性等の他の材料特性も同時に変化する。従って、これらの特性を同時に満足することが困難であり、設計の最適化が困難であった。
しかしながら、第２の実施形態の上記結果から明らかなように、本発明によれば、同一のカット角の圧電単結晶を圧電膜として用いた場合においても、酸化ケイ素膜すなわち低音速膜の厚みと、圧電膜の厚みとを調整することにより電気機械結合係数を自由に調整することができる。よって、設計の自由度を大幅に高めることができる。従って、音速、電気機械結合係数、周波数温度特性及びスプリアス特性等のさまざまな特性を同時に満たすことが容易に可能となり、所望の特性の弾性表面波装置を容易に提供することできる。
（第３の実施形態）
第３の実施形態として、第１の実施形態と同様の弾性表面波装置を作製した。ただし、材料及び膜厚は以下の通りとした。
ＩＤＴ電極６として厚み０．０８λのＡｌ膜／圧電膜４として厚み０．２５λのＬｉＴａＯ３膜／低音速膜４として厚み０〜２λの範囲の酸化ケイ素膜／高音速膜の積層構造とした。高音速膜として、窒化ケイ素膜、酸化アルミニウム膜及びダイヤモンドを用いた。高音速膜３の膜厚は１．５λとした。
図１５及び図１６は、第３の実施形態における酸化ケイ素膜の膜厚と、音速及び電気機械結合係数ｋ２との関係をそれぞれ示す図である。
窒化ケイ素膜のバルク波（Ｓ波）の音速は６０００ｍ／秒であり、酸化アルミニウムにおけるバルク波（Ｓ波）の音速は６０００ｍ／秒である。また、ダイヤモンドにおけるバルク波（Ｓ波）の音速は１２８００ｍ／秒である。
図１５及び図１６から明らかなように、高音速膜４が、前述した高音速膜４の条件を満たす限り、高音速膜４の材質及び酸化ケイ素膜の膜厚を変更したとしても、電気機械結合係数及び音速はほとんど変化しないことがわかる。特に、電気機械結合係数は、酸化ケイ素膜の膜厚が０．１λ以上であれば、高音速膜の材質の如何に関わらず、酸化ケイ素膜の膜厚が０．１λ〜０．５λの範囲内でほとんど変わらないことがわかる。また、図１５より、酸化ケイ素膜の膜厚が０．３λ以上、２λ以下の範囲において、高音速膜の材質の如何に関わらず、音速が変わらないことがわかる。
従って、本発明において、高音速膜の材質は、上記条件を満たす限り特に限定されないことがわかる。
（第４の実施形態）
第４の実施形態では、圧電膜のオイラー角（０°，θ，ψ）を変化させ、Ｕ２成分（ＳＨ成分）を主体とした弾性表面波の電気機械結合係数を求めた。
積層構造は、ＩＤＴ電極６／圧電膜５／低音速膜４／高音速膜３／支持基板２とした。ＩＤＴ電極６として、厚み０．０８λのＡｌを用いた。圧電膜として、厚み０．２５λのＬｉＴａＯ３を用いた。低音速膜４として０．３５λの厚みの酸化ケイ素を用いた。高音速膜３として厚み１．５λの窒化アルミニウム膜を用いた。支持基板２としてガラスを用いた。
上記構造において、圧電膜のオイラー角（０°，θ，ψ）のθ及びψを変化させてなる多数の弾性表面波装置について、電気機械結合係数をＦＥＭにより求めた。その結果、Ｕ２成分（ＳＨ成分）を主体とするモードの電気機械結合係数ｋ２が２％以上となる範囲は、図１７に示す複数の領域Ｒ１の範囲内であることが確かめられた。なお、オイラー角（０°±５、θ、ψ）の範囲内で同様の結果となった。
すなわち、図１７の複数の領域Ｒ１の範囲内のオイラー角のＬｉＴａＯ３を用いれば、Ｕ２成分を主体とした振動の電気機械結合係数は２％以上となる。従って、帯域幅の広い帯域フィルタを、本発明の弾性表面波装置を用いて構成し得ることがわかる。
（第５の実施形態）
第４の実施形態と同じ構造を前提として、ＦＥＭにより、Ｕ３成分（ＳＶ成分）を主体とする弾性表面波の電気機械結合係数を求めた。そして、Ｕ２（ＳＨ成分）を主体とするモードの電気機械結合係数が２％以上であり、かつＵ３（ＳＶ成分）を主体とするモードの電気機械結合係数が１％以下となるオイラー角の範囲を求めた。結果を図１８に示す。図１８に示す複数の領域Ｒ２の範囲内であれば、Ｕ２（ＳＨ成分）を主体としたモードの電気機械結合係数が２％以上であり、かつＵ３成分（ＳＶ成分）を主体とするモードの電気機械結合係数が１％以下である。従って、複数の領域Ｒ２の範囲内にあるオイラー角のＬｉＴａＯ３を用いることにより、利用するＵ２モードの電気機械結合係数が大きくかつスプリアスとなるＵ３モードの電気機械結合係数を小さくすることができる。従って、より一層良好なフィルタ特性を有する帯域フィルタを、構成することができる。
（第６の実施形態）
第２の実施形態と同様に、第６の実施形態として、以下の構成の弾性表面波装置についてシミュレーションした。下記の表４に示すように、低音速膜の横波音速と低音速膜の横波の固有音響インピーダンスを１０の水準に亘って変化させた場合のＵ２成分を主体とする表面波の特性を、有限要素法でシミュレーションした。なお、低音速膜の横波音速と固有音響インピーダンスは低音速膜の密度及び弾性定数を変化させた。また、表４に記されていない低音速膜の材料定数は全て酸化ケイ素の材料定数を使用した。
Figure 0005713025
なお、表４において１．１１Ｅ＋０３は１．１１×１０３を意味する。すなわちａＥ＋ｂはａ×１０ｂを示す。
電極構造は図１（ｂ）と同様とし、弾性表面波装置の構造は、ＩＤＴ電極／圧電膜／低音速膜／高音速膜／支持基板の積層構造とした。ＩＤＴ電極は、厚み０．０８λのＡｌ膜とした。圧電膜は、４０°ＹカットのＬｉＴａＯ３からなる。この圧電膜の厚みが０．１λ、０．４λ、０．６λである場合において、それぞれ表４に示す１０の水準を計算した。低音速膜の厚みは０.４λとした。高音速膜は酸化アルミニウムからなり、その厚みは１．５λとした。支持基板はアルミナ基板からなる。
図１９（ａ）〜（ｃ）は、第６の実施形態における、低音速膜の固有音響インピーダンスと比帯域との関係を示す図である。図中の各水準は低音速膜の横波音速が変化した場合の挙動を示し、各水準の比帯域は圧電膜の固有音響インピーダンスが低音速膜の固有音響インピーダンスと同じ場合における比帯域で規格化している。固有音響インピーダンスは、バルク波の音速と媒質の密度の積で表され、第６の実施形態の場合、圧電膜のバルク波はＳＨバルク波であり、音速は４２１２ｍ／ｓであり、密度は７．４５４×１０３ｋｇ／ｍ３であるので、圧電膜の固有音響インピーダンスは、３．１４×１０７Ｎ・ｓ／ｍ３となる。なお、低音速膜及び圧電膜の固有音響インピーダンスを算出する際に使用するバルク波の音速は、前記表１及び表２の左軸の弾性表面波の主モードに対し、前記表１及び表２の右軸のバルク波のモードにより決定される。
また、図２０（ａ）〜（ｃ）は、第６の実施形態における、低音速膜の横波の固有音響インピーダンスと伝搬する弾性表面波の音速との関係を示す図である。
図１９（ａ）〜（ｃ）より、圧電膜の厚みにかかわらず、低音速膜の固有音響インピーダンスが圧電膜の固有音響インピーダンスより小さいほど比帯域が大きくなることがわかる。これは、低音速膜の固有音響インピーダンスが圧電膜の固有音響インピーダンスより小さいため、一定の応力に対する圧電膜の変位がより一層大きくなり、より大きな電荷を発生させるため、等価的により大きな圧電性が得られるためである。すなわち、固有音響インピーダンスの大小だけで得られる効果であるため、弾性表面波の振動モードや圧電膜の種類や低音速膜の種類によらず、低音速膜の固有音響インピーダンスが圧電膜の固有インピーダンスより小さい場合、より大きな比帯域の弾性表面波素子を得ることができる。
本発明の第１〜第６の実施形態では上から、ＩＤＴ電極６、圧電膜５、低音速膜４、高音速膜３、支持基板２がこの順序で積層されていた。もっとも、伝搬する弾性表面波や境界波に大きな影響が無い範囲内において、各層の間にＴｉやＮｉＣｒ等の密着層、下地膜または任意の媒質が存在してもよく、その場合にも、同様の効果を得られる。例えば、圧電膜５と低音速膜４の間に表面波の波長に比べて十分薄い新たな高音速膜を形成してもよく、同様の効果が得られる。また、高音速膜３と支持基板２との間には、主に利用する弾性表面波のエネルギーは分布していない。よって、高音速膜３と支持基板２との間には、どのような媒質をどのような厚みで形成してもよく、同様の効果が得られる。
以下の第７及び第８の実施形態は、このような媒質層をさらに備える弾性表面波装置についての実施形態である。
（第７の実施形態）
図２３に示す第７の実施形態に係る弾性表面波装置２１では、媒質層２２が、支持基板２と高音速膜３との間に積層されている。その他の構成は、第１の実施形態と同様である。従って、第１の実施形態の説明を援用することとする。従って、弾性表面波装置２１では、上から順に、ＩＤＴ電極６、圧電膜５、低音速膜４、高音速膜３、媒質層２２及び支持基板２がこの順序で積層されている。
媒質層２２としては、誘電体、圧電体、半導体または金属などのいずれの材料を用いてもよい。その場合であっても、第１の実施形態と同様の効果を得ることができる。もっとも、媒質層２２が金属からなる場合には、比帯域を小さくすることができる。従って、比帯域が小さい用途では、媒質層２２が金属からなることが好ましい。
（第８の実施形態）
図２４に示す第８の実施形態の弾性表面波装置２３では、支持基板２と高音速膜３との間に、媒質層２２及び媒質層２４が積層されている。すなわち、上から順に、ＩＤＴ電極６、圧電膜５、低音速膜４、高音速膜３、媒質層２２、媒質層２４及び支持基板２がこの順序で積層されている。媒質層２２及び媒質層２４以外は、第１の実施形態と同様に構成されている。
媒質層２２，２４は、誘電体、圧電体、半導体または金属などのいずれの材料を用いてもよい。その場合であっても、第８の実施形態においても、第１の実施形態の弾性表面波装置と同様の効果を得ることができる。
本実施形態では、圧電膜５、低音速膜４、高音速膜３及び媒質層２２からなる積層構造と、媒質層２４及び支持基板２からなる積層構造を別々に作製した後、両積層構造を接合する。しかる後、ＩＤＴ電極６を圧電膜５上に形成する。それによって、各積層構造を作製する際の製造上の制約条件に依存せずに、本実施形態の弾性表面波装置を得ることができる。従って、各層を構成する材料の選択の自由度を高めることができる。
上記２つの積層構造の接合に際しては、任意の接合方法を用いることができる。このような接合構造としては、親水化接合、活性化接合、原子拡散接合、金属拡散接合、陽極接合、樹脂やＳＯＧによる接合などの様々な方法を用いることができる。また、２つの積層構造間の接合界面が、高音速膜３よりも圧電膜５とは反対側に位置している。従って、高音速膜３の下方の利用する主たる弾性表面波のエネルギーが分布していない部分に上記接合界面が存在している。よって、弾性表面波伝搬特性が、上記接合界面の品質に影響されない。従って、安定かつ良好な共振特性やフィルタ特性を得ることができる。
（第９の実施形態）
図２５に示す弾性表面波装置３１では、上から順に、ＩＤＴ電極６、圧電膜５、低音速膜４、高音速膜としても機能する高音速支持基板３３がこの順序で積層されている。すなわち、高音速支持基板３３は、第１の実施形態における高音速膜３と支持基板２の双方を兼ねている。従って、高音速支持基板３３のバルク波音速は、圧電膜５を伝搬する弾性表面波の音速よりも高速とされている。よって、第１の実施形態と同様の効果を得ることができる。しかも、高音速支持基板３３が高音速膜及び支持基板を兼ねているため、部品点数の低減を図ることができる。
（第１０の実施形態）
第１０の実施形態として、弾性表面波装置として１ポート型弾性表面波共振子におけるＱ値と周波数との関係をＦＥＭによりシミュレーションした。
ここでは、第１の実施形態、すなわち図１に模式的正面断面図で示した弾性表面波装置として以下の構造を想定した。
上から順に、厚み０．１λのＡｌからなるＩＤＴ電極６／５０°ＹカットのＬｉＴａＯ３膜からなる圧電膜／低音速膜としてのＳｉＯ２膜／高音速膜としての厚み１．５λの窒化アルミニウム膜／厚み０．３λのＳｉＯ２膜／アルミナからなる支持基板がこの順序で積層されている構造とした。このシミュレーションでは、圧電膜としてのＬｉＴａＯ３膜の膜厚を、０．１５λ、０．２０λ、０．２５λまたは０．３０λと変化させた。また、低音速膜としてのＳｉＯ２膜の膜厚を、０〜２λの範囲で変化させた。
なお、ＩＤＴ電極のデューティは０．５とし、電極指交差幅は２０λ、電極指の対数は１００対とした。
比較のために、上から順に、厚み０．１λのＡｌからなるＩＤＴ電極／３８．５°ＹカットのＬｉＴａＯ３基板がこの順序で積層されている１ポート型弾性表面波共振子を用意した。すなわち、この比較例では、厚み３５０μｍの３８．５°ＹカットのＬｉＴａＯ３基板上にＡｌからなるＩＤＴ電極を有する電極構造が形成されている。
上記第１０の実施形態及び比較例の弾性表面波装置について、Ｑ値と周波数との関係をＦＥＭによるシミュレーションにより求めた。１ポート共振子のインピーダンスが最小になる共振周波数と、インピーダンスが最大となる反共振周波数の周波数範囲内で最も大きなＱ値をＱｍａｘ値とした。Ｑｍａｘ値が大きい程、低損失であることを示す。
上記比較例のＱｍａｘ値は８５７であった。上記実施形態におけるＬｉＴａＯ３の膜厚と、ＳｉＯ２の膜厚と、Ｑｍａｘとの関係を図２６に示す。
図２６から明らかなように、ＬｉＴａＯ３が０．１５λ、０．２０λ、０．２５λ及び０．３０λのいずれの場合においても、ＳｉＯ２からなる低音速膜の膜厚が０を超えると、Ｑｍａｘ値が高まっていることがわかる。また、上記比較例に対して、上記第１０の実施形態では、いずれの場合においても、Ｑｍａｘ値が効果的に高められていることがわかる。
（製造方法の実施形態）
第１の実施形態に係る弾性波装置は、前述したように、支持基板２上に、高音速膜３、低音速膜４、圧電膜５及びＩＤＴ電極６を備える。このような弾性波装置の製造方法は特に限定されない。もっとも、次に述べるイオン注入法を利用した製造方法を用いることにより、厚みの薄い圧電膜を有する弾性波装置１を容易に得ることができる。この製造方法の実施形態を、図２１及び図２２を参照して説明する。
まず、図２１（ａ）に示すように、圧電基板５Ａを用意する。圧電基板５Ａは、本実施形態では、ＬｉＴａＯ３からなる。圧電基板５Ａの片面から水素イオンを注入する。注入されるイオンは水素に限らず、ヘリウムなどを用いてもよい。
イオン注入に際してのエネルギーは特に限定されないが、本実施形態では１０７ＫｅＶ、ドーズ量は８×１０１６原子／ｃｍ２とする。
イオン注入を行うと、圧電基板５Ａ内において、厚み方向にイオン濃度分布が生じる。最もイオン濃度が高い部分を図２１（ａ）において破線で示す。破線で示すイオン濃度が最も高い部分である注入イオン高濃度部分５ａでは、後述するように加熱すると、応力により容易に分離する。このような注入イオン高濃度部分５ａにより分離する方法は、特表２００２−５３４８８６号において開示されている。
この工程において、上記注入イオン高濃度部分５ａにおいて圧電基板５Ａを分離し、圧電膜５を得る。圧電膜５は、注入イオン高濃度部分５ａからイオン注入を開始した圧電基板面との間の層である。なお、圧電膜５を研磨等の加工することもある。従って、上記注入イオン高濃度部分５ａからイオン注入側の圧電基板面までの距離は、最終的に形成する圧電膜の厚みと同等あるいは該厚みよりも若干大きな寸法とすればよい。
次に、図２１（ｂ）に示すように、圧電基板５Ａのイオン注入を行った側の面に、低音速膜４を成膜する。なお、あらかじめ形成した低音速膜を転写法等により圧電基板５Ａに貼り合わせてもよい。
次に、図２１（ｃ）に示すように、低音速膜４の圧電基板５Ａと反対側の面に高音速膜３を成膜する。高音速膜３についても、成膜法によらず、高音速膜を、転写法等により低音速膜４に貼り合わせてもよい。
さらに、図２１（ｄ）に示すように、高音速膜３の露出している面、すなわち低音速膜４とは反対側の面を鏡面加工する。鏡面加工により、後述する支持基板と高音速膜の接合強度を強化することができる。
しかる後、図２１（ｅ）に示すように、支持基板２を高音速膜３に接合する。
低音速膜４としては、上記第１の実施形態に従って酸化ケイ素膜を用いる。また、高音速膜３としては、窒化アルミニウム膜を用いる。
次に、図２２（ａ）に示すように、加熱した後、圧電基板５Ａのうち、注入イオン高濃度部分５ａよりも上方の圧電基板部分５ｂを分離する。前述したように、加熱により、上記注入イオン高濃度部分５ａを介して、応力を加えると、圧電基板５Ａが分離しやすくなる。この場合の加熱温度については、２５０℃〜４００℃程度とすればよい。
本実施形態では、この加熱分離により、厚み５００ｎｍの圧電膜５を得る。このようにして、図２２（ｂ）に示すように、圧電膜５が低音速膜４上に積層されている構造を得る。しかる後、圧電性を回復させるために、４００℃〜５００℃の温度で３時間程度維持する加熱処理を行う。必要に応じて、この加熱処理に先立ち、分離後の圧電膜５の上面を研磨してもよい。
しかる後、図２２（ｃ）に示すように、ＩＤＴ電極６を含む電極を形成する。電極形成方法は、特に限定されず、蒸着、めっきまたはスパッタリング等の適宜の方法により行うことができる。
本実施形態の製造方法によれば、上記分離により、オイラー角が傾斜した圧電膜５を容易にかつ均一な厚みに形成することができる。
（第１１の実施形態）
第１の実施形態では、ＩＤＴ電極６／圧電膜５／低音速膜４／高音速膜３／支持基板２が上から順にこの順序で積層されていた。本発明においては、図２７に示す第１１の実施形態の弾性表面波装置４１のように、ＩＤＴ電極６を覆うように誘電体膜４２が積層されていてもよい。このような誘電体膜４２を積層することにより、周波数温度特性を調整したり、耐湿性を高めたりすることができる。
（第１２の実施形態）
上述してきた各実施形態では弾性表面波装置につき説明したが、本発明は、弾性境界波装置などの他の弾性波装置にも適用することができ、その場合であっても同様の効果を得ることができる。図２８は、第１２の実施形態としての弾性境界波装置４３を示す模式的正面断面図である。ここでは、圧電膜５の下方に、上から順に低音速膜４／高音速膜３／支持基板２が積層されている。この構造は、第１の実施形態と同様である。そして、弾性境界波を励振するために、圧電膜５と圧電膜５上に積層された誘電体４４との界面にＩＤＴ電極６が形成されている。
また、図２９は、いわゆる三媒質構造の弾性境界波装置４５の模式的正面断面図である。ここでも、圧電膜５の下方に低音速膜４／高音速膜３／支持基板２が積層されている構造に対し、圧電膜５と誘電体膜４６との界面にＩＤＴ電極６が形成されている。さらに、誘電体４６上に誘電体４６よりも横波音速が速い誘電体４７が積層されている。それによって、いわゆる三媒質構造の弾性境界波装置が構成されている。
弾性境界波装置４３，４５のように、弾性境界波装置においても、第１の実施形態の弾性表面波装置１と同様に、圧電膜５の下方に、低音速膜４／高音速膜３からなる積層構造を積層することにより、第１の実施形態と同様の効果を得ることができる。
１…弾性表面波装置
２…支持基板
３…高音速膜
４…低音速膜
５…圧電膜
５Ａ…圧電基板
５ａ…注入イオン高濃度部分
６…ＩＤＴ電極
７，８…反射器

Claims (17)

  1. 圧電膜を有する弾性波装置であって、
    支持基板と、
    前記支持基板上に形成されており、前記圧電膜を伝搬する弾性波音速より伝搬するバルク波音速が高速である高音速膜と、
    前記高音速膜上に積層されており、前記圧電膜を伝搬するバルク波音速より伝搬するバルク波音速が低速である低音速膜と、
    前記低音速膜上に積層された前記圧電膜と、
    前記圧電膜の一方面に形成されているＩＤＴ電極とを備える、弾性波装置。
  2. 前記圧電膜を伝搬する弾性波のエネルギーの一部が、前記低音速膜および前記高音速膜中に分布することを特徴とする、請求項１に記載の弾性波装置。
  3. 前記圧電膜の膜厚が、ＩＤＴ電極の電極周期で定まる弾性波の波長をλとしたときに、１．５λ以下とされている、請求項１または２に記載の弾性波装置。
  4. 前記圧電膜の膜厚が、ＩＤＴ電極の電極周期で定まる弾性波の波長をλとしたときに、０．０５λ〜０．５λの範囲とされている、請求項１または２に記載の弾性波装置。
  5. 前記低音速膜が、酸化ケイ素、あるいは酸化ケイ素を主成分とする膜からなる、請求項１〜４のいずれか１項に記載の弾性波装置。
  6. 前記低音速膜の膜厚が、ＩＤＴ電極の電極周期で定まる弾性波の波長をλとしたときに、２λ以下である、請求項１〜５のいずれか１項に記載の弾性波装置。
  7. 前記圧電膜が、オイラー角（０±５°，θ，ψ）の単結晶タンタル酸リチウムからなり、オイラー角（０±５°，θ，ψ）が図１７に示す複数の領域Ｒ１のいずれかの範囲内にある、請求項１〜６のいずれか１項に記載の弾性波装置。
  8. 前記圧電膜が、オイラー角（０±５°，θ，ψ）が、図１８の複数の領域Ｒ２のいずれかの範囲内にある、請求項７に記載の弾性波装置。
  9. 前記支持基板の線膨張係数が、前記圧電膜の線膨張係数よりも小さい、請求項１〜８のいずれか１項に記載の弾性波装置。
  10. 前記低音速膜の固有音響インピーダンスが、前記圧電膜の固有音響インピーダンスよりも小さい、請求項１〜９のいずれか１項に記載の弾性波装置。
  11. 前記圧電膜および前記ＩＤＴ電極の上に誘電体膜が形成されており、前記圧電膜を弾性表面波が伝搬する、請求項１〜１０のいずれか１項に記載の弾性波装置。
  12. 前記圧電膜および前記ＩＤＴ電極の上に誘電体膜が形成されており、前記圧電膜と前記誘電体膜との境界を弾性境界波が伝搬する、請求項１〜１０のいずれか１項に記載の弾性波装置。
  13. 前記圧電膜を含む積層構造において積層されている構成間の境界のうちの少なくとも１つの境界に、密着層、下地膜、低音速層及び高音速層の内の少なくとも１つの層がさらに形成されている、請求項１〜１２のいずれか１項に記載の弾性波装置。
  14. 支持基板を用意する工程と、
    前記支持基板上に、圧電体を伝搬する弾性波音速より伝搬するバルク波音速が高速である高音速膜を形成する工程と、
    前記高音速膜上に、圧電体を伝搬するバルク波音速より伝搬するバルク波音速が低速である低音速膜を形成する工程と、
    前記低音速膜上に、圧電体層を形成する工程と、
    前記圧電体層の一方面にＩＤＴ電極を形成する工程とを備える、弾性波装置の製造方法。
  15. 前記支持基板上に、前記高音速膜、前記低音速膜及び前記圧電体層を形成する工程が、
    （ａ）前記圧電体層よりも厚みの厚い圧電基板の一方面からイオン注入する工程と、
    （ｂ）前記イオン注入が行われた圧電基板の前記一方の面に低音速膜を形成する工程と、
    （ｃ）前記低音速膜の前記圧電基板と反対側の面に高音速膜を形成する工程と、
    （ｄ）前記高音速膜の前記低音速膜が積層されている側の面と反対側の面に支持基板を接合する工程と、
    （ｅ）前記圧電基板を加熱しつつ、前記圧電基板の注入イオン濃度が最も高い高濃度イオン注入部分において、圧電膜と残りの圧電基板部分とを分離し、前記低音速膜側に圧電膜を残存させる工程とを備える、請求項１４に記載の弾性波装置の製造方法。
  16. 前記残りの圧電基板部分を分離した後に、前記低音速膜上に積層されている前記圧電膜を加熱し、圧電性を回復させる工程をさらに備える、請求項１５に記載の弾性波装置の製造方法。
  17. 前記支持基板を接合するに先立ち、前記高音速膜の前記低音速膜と反対側の面を鏡面加工する工程とを備える、請求項１４または１５に記載の弾性波装置の製造方法。
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