JP6248600B2 - 弾性波デバイス - 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デバイスに関し、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デバイスに関する。
従来より、共振子や帯域フィルタとして、弾性波デバイス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デバイスが開示されている。この弾性表面波デバイスでは、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デバイス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。
特許文献１に記載の弾性表面波デバイスでは、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、弾性表面波デバイスのエネルギーが誘電体基板に漏れる。そのため、弾性波デバイスの特性が損なわれるという問題があった。
本発明の目的は、特性が良好であり、かつ高次モードによる影響を抑制し得る弾性波デバイスを提供することにある。
本発明に係る弾性波デバイスは、圧電膜を有する弾性波デバイスであって、支持基板と、上記支持基板の上面に形成されており、上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、上記高音速膜上に積層されており、上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、上記低音速膜上に積層された圧電膜と、上記圧電膜の一方面に形成されているＩＤＴ電極とを備える。本発明では、上記支持基板の上面が粗面であり、高音速膜を含み、かつ高音速膜より上方の構造部分において、利用する弾性波であるメインモードのエネルギー集中度が９９．９％以上であり、かつ、スプリアスとなる高次モードのエネルギー集中度が９９．５％以下とされている。
本発明に係る弾性波デバイスのある特定の局面では、上記支持基板の上面の表面粗さＲａが１ｎｍ以上である。この場合には、上記支持基板の高音速膜が形成されている側の面が平滑である場合と比較して、より一層高次モードの影響を抑制することができる。
本発明に係る弾性波デバイスの他の特定の局面では、上記支持基板の上面の表面粗さＲａが２５ｎｍ以上である。この場合には、上記支持基板の高音速膜が形成されている側の面が平滑である場合と比較して、より一層高次モードの影響を抑制することができる。さらに、表面粗さがばらついたとしても、高次モードの強度が変動し難い。
本発明に係る弾性波デバイスのさらに他の特定の局面では、上記支持基板の上面の表面粗さＲａが２５ｎｍ以上、８０ｎｍ以下である。この場合には、より一層高次モードの影響を抑制することができる。さらに、支持基板の高音速膜が形成されている側の表面粗さがばらついたとしても、高次モードの強度が変動し難い。
本発明に係る弾性波デバイスのある特定の局面では、メインモードの反共振周波数における音速をＶ１［ｍ／ｓ］、高音速膜の音速をＶｈ［ｍ／ｓ］、弾性波の波長λ［ｍ］で規格化された高音速膜の膜厚をＴｈ（＝高音速膜厚／λ）としたときに、下記の各ＶｈにおいてＶ１とＴｈが以下の関係式を満たしている。
・４２００≦Ｖｈ＜４４００の場合；
Ｖ１≦１２５．９×Ｔｈ２−１０２．０×Ｔｈ＋３７１５．０
・４４００≦Ｖｈ＜４６００の場合；
Ｖ１≦２９６．３×Ｔｈ２−２５３．０×Ｔｈ＋３７４２．２
・４６００≦Ｖｈ＜４８００の場合；
Ｖ１≦５０６．１×Ｔｈ２−３９１．５×Ｔｈ＋３７５９．２
・４８００≦Ｖｈ＜５０００の場合；
Ｖ１≦７６８．０×Ｔｈ２−５５２．４×Ｔｈ＋３７７６．８
・５０００≦Ｖｈ＜５２００の場合；
Ｖ１≦８４８．５×Ｔｈ２−５４１．６×Ｔｈ＋３７６７．８
・５２００≦Ｖｈ＜５４００の場合；
Ｖ１≦１０６５．２×Ｔｈ２−７０９．４×Ｔｈ＋３７９２．８
・５４００≦Ｖｈ＜５６００の場合；
Ｖ１≦１１９７．１×Ｔｈ２−６９５．０×Ｔｈ＋３７７９．８
・５６００≦Ｖｈ＜５８００の場合；
Ｖ１≦１３９３．８×Ｔｈ２−８４３．８×Ｔｈ＋３８０１．５
・５８００≦Ｖｈ＜６０００の場合；
Ｖ１≦１７１３．７×Ｔｈ２−１１９３．３×Ｔｈ＋３８９６．１
・６０００≦Ｖｈの場合；
Ｖ１≦１８３９．９×Ｔｈ２−１０２８．７×Ｔｈ＋３８１４．１
Ｖ１≦１２５．９×Ｔｈ２−１０２．０×Ｔｈ＋３７１５．０
・４４００≦Ｖｈ＜４６００の場合；
Ｖ１≦２９６．３×Ｔｈ２−２５３．０×Ｔｈ＋３７４２．２
・４６００≦Ｖｈ＜４８００の場合；
Ｖ１≦５０６．１×Ｔｈ２−３９１．５×Ｔｈ＋３７５９．２
・４８００≦Ｖｈ＜５０００の場合；
Ｖ１≦７６８．０×Ｔｈ２−５５２．４×Ｔｈ＋３７７６．８
・５０００≦Ｖｈ＜５２００の場合；
Ｖ１≦８４８．５×Ｔｈ２−５４１．６×Ｔｈ＋３７６７．８
・５２００≦Ｖｈ＜５４００の場合；
Ｖ１≦１０６５．２×Ｔｈ２−７０９．４×Ｔｈ＋３７９２．８
・５４００≦Ｖｈ＜５６００の場合；
Ｖ１≦１１９７．１×Ｔｈ２−６９５．０×Ｔｈ＋３７７９．８
・５６００≦Ｖｈ＜５８００の場合；
Ｖ１≦１３９３．８×Ｔｈ２−８４３．８×Ｔｈ＋３８０１．５
・５８００≦Ｖｈ＜６０００の場合；
Ｖ１≦１７１３．７×Ｔｈ２−１１９３．３×Ｔｈ＋３８９６．１
・６０００≦Ｖｈの場合；
Ｖ１≦１８３９．９×Ｔｈ２−１０２８．７×Ｔｈ＋３８１４．１
本発明に係る弾性波デバイスの他の特定の局面では、高次モードの音速をＶ２［ｍ／ｓ］、高音速膜の音速をＶｈ［ｍ／ｓ］、弾性波の波長λ［ｍ］で規格化された高音速膜の膜厚をＴｈ（＝高音速膜厚／λ）としたときに、下記の各ＶｈにおいてＶ２とＴｈが以下の関係式を満たしている。
・Ｖｈ＜４２００の場合；
Ｖ２≧１８７．０×Ｔｈ２−１３７．０×Ｔｈ＋３９１９．７
・４２００≦Ｖｈ＜４４００の場合；
Ｖ２≧−１１５．０×Ｔｈ２＋５１５．０×Ｔｈ＋３７９６．４
・４４００≦Ｖｈ＜４６００の場合；
Ｖ２≧−２６８．４×Ｔｈ２＋８９８．０×Ｔｈ＋３７２８．８
・４６００≦Ｖｈ＜４８００の場合；
Ｖ２≧−３５２．８×Ｔｈ２＋１１２５．２×Ｔｈ＋３７２６．８
・４８００≦Ｖｈ＜５０００の場合；
Ｖ２≧−５６８．７×Ｔｈ２＋１５６４．３×Ｔｈ＋３６５７．２
・５０００≦Ｖｈ＜５２００の場合；
Ｖ２≧−４３４．２×Ｔｈ２＋１３９２．６×Ｔｈ＋３８０８．２
・５２００≦Ｖｈ＜５４００の場合；
Ｖ２≧−５７６．５×Ｔｈ２＋１７１７．１×Ｔｈ＋３７４８．３
・５４００≦Ｖｈ＜５６００の場合；
Ｖ２≧−６０２．９×Ｔｈ２＋１８８２．６×Ｔｈ＋３７３３．７
・５６００≦Ｖｈ＜５８００の場合；
Ｖ２≧−５７６．９×Ｔｈ２＋２０６６．９×Ｔｈ＋３７０３．７
・５８００≦Ｖｈ＜６０００の場合；
Ｖ２≧−６２７．０×Ｔｈ２＋２２５６．１×Ｔｈ＋３７０５．７
Ｖ２≧１８７．０×Ｔｈ２−１３７．０×Ｔｈ＋３９１９．７
・４２００≦Ｖｈ＜４４００の場合；
Ｖ２≧−１１５．０×Ｔｈ２＋５１５．０×Ｔｈ＋３７９６．４
・４４００≦Ｖｈ＜４６００の場合；
Ｖ２≧−２６８．４×Ｔｈ２＋８９８．０×Ｔｈ＋３７２８．８
・４６００≦Ｖｈ＜４８００の場合；
Ｖ２≧−３５２．８×Ｔｈ２＋１１２５．２×Ｔｈ＋３７２６．８
・４８００≦Ｖｈ＜５０００の場合；
Ｖ２≧−５６８．７×Ｔｈ２＋１５６４．３×Ｔｈ＋３６５７．２
・５０００≦Ｖｈ＜５２００の場合；
Ｖ２≧−４３４．２×Ｔｈ２＋１３９２．６×Ｔｈ＋３８０８．２
・５２００≦Ｖｈ＜５４００の場合；
Ｖ２≧−５７６．５×Ｔｈ２＋１７１７．１×Ｔｈ＋３７４８．３
・５４００≦Ｖｈ＜５６００の場合；
Ｖ２≧−６０２．９×Ｔｈ２＋１８８２．６×Ｔｈ＋３７３３．７
・５６００≦Ｖｈ＜５８００の場合；
Ｖ２≧−５７６．９×Ｔｈ２＋２０６６．９×Ｔｈ＋３７０３．７
・５８００≦Ｖｈ＜６０００の場合；
Ｖ２≧−６２７．０×Ｔｈ２＋２２５６．１×Ｔｈ＋３７０５．７
また、本発明に係る弾性波デバイスのさらに他の特定の局面では、高次モードの音速をＶ２［ｍ／ｓ］、高音速膜の音速をＶｈ［ｍ／ｓ］、弾性波の波長λ［ｍ］で規格化された高音速膜の膜厚をＴｈ（＝高音速膜厚／λ）としたときに、下記の各ＶｈにおいてＶ２とＴｈが以下の関係式を満たしている。
・Ｖｈ＜４２００の場合；
Ｖ２≧１９７．８×Ｔｈ２−１５８．０×Ｔｈ＋４１２８．５
・４２００≦Ｖｈ＜４４００の場合；
Ｖ２≧−１１９．５×Ｔｈ２＋５２３．８×Ｔｈ＋３９９２．７
・４４００≦Ｖｈ＜４６００の場合；
Ｖ２≧−２７４．０×Ｔｈ２＋９０８．９×Ｔｈ＋３９２４．２
・４６００≦Ｖｈ＜４８００の場合；
Ｖ２≧−３７２．３×Ｔｈ２＋１１６２．９×Ｔｈ＋３９１０．９
・４８００≦Ｖｈ＜５０００の場合；
Ｖ２≧−５７３．４×Ｔｈ２＋１５７３．９×Ｔｈ＋３８５２．８
・５０００≦Ｖｈ＜５２００の場合；
Ｖ２≧−４４３．７×Ｔｈ２＋１４１１．０×Ｔｈ＋４０００．５
・５２００≦Ｖｈ＜５４００の場合；
Ｖ２≧−５５７．０×Ｔｈ２＋１６７９．２×Ｔｈ＋３９６４．２
・５４００≦Ｖｈ＜５６００の場合；
Ｖ２≧−５８１．０×Ｔｈ２＋１８４０．１×Ｔｈ＋３９５１．６
・５６００≦Ｖｈ＜５８００の場合；
Ｖ２≧−５７０．７×Ｔｈ２＋２０５４．７×Ｔｈ＋３９０８．８
・５８００≦Ｖｈ＜６０００の場合；
Ｖ２≧−７３１．１×Ｔｈ２＋２４０８．０×Ｔｈ＋３８５７．０
Ｖ２≧１９７．８×Ｔｈ２−１５８．０×Ｔｈ＋４１２８．５
・４２００≦Ｖｈ＜４４００の場合；
Ｖ２≧−１１９．５×Ｔｈ２＋５２３．８×Ｔｈ＋３９９２．７
・４４００≦Ｖｈ＜４６００の場合；
Ｖ２≧−２７４．０×Ｔｈ２＋９０８．９×Ｔｈ＋３９２４．２
・４６００≦Ｖｈ＜４８００の場合；
Ｖ２≧−３７２．３×Ｔｈ２＋１１６２．９×Ｔｈ＋３９１０．９
・４８００≦Ｖｈ＜５０００の場合；
Ｖ２≧−５７３．４×Ｔｈ２＋１５７３．９×Ｔｈ＋３８５２．８
・５０００≦Ｖｈ＜５２００の場合；
Ｖ２≧−４４３．７×Ｔｈ２＋１４１１．０×Ｔｈ＋４０００．５
・５２００≦Ｖｈ＜５４００の場合；
Ｖ２≧−５５７．０×Ｔｈ２＋１６７９．２×Ｔｈ＋３９６４．２
・５４００≦Ｖｈ＜５６００の場合；
Ｖ２≧−５８１．０×Ｔｈ２＋１８４０．１×Ｔｈ＋３９５１．６
・５６００≦Ｖｈ＜５８００の場合；
Ｖ２≧−５７０．７×Ｔｈ２＋２０５４．７×Ｔｈ＋３９０８．８
・５８００≦Ｖｈ＜６０００の場合；
Ｖ２≧−７３１．１×Ｔｈ２＋２４０８．０×Ｔｈ＋３８５７．０
本発明に係る弾性波デバイスの他の特定の局面では、上記支持基板を伝搬するバルク波音速が、上記高音速膜を伝搬するバルク波音速よりも遅い。この場合には、基板が低音速であるため、高次モードが基板側により確実に漏洩する。そのため、高次モードの影響をより効果的に抑制することができる。
本発明に係る弾性波デバイスのさらに他の特定の局面では、上記支持基板と上記高音速膜との間に積層されている媒質層をさらに備える。
本発明に係る弾性波デバイスのさらに他の特定の局面では、上記媒質層を伝搬するバルク波音速が、上記圧電膜を伝搬するバルク波音速よりも遅い。この場合には、上記媒質層に高次モードが漏洩しやすい。そのため、上記媒質層により高次モードを漏洩させることができる。よって、支持基板の材料の選択度の自由度を高めることができる。
本発明に係る弾性波デバイスのさらに他の局面では、上記媒質層が酸化ケイ素からなる。この場合には、周波数温度係数ＴＣＦの絶対値を低め、温度特性を改善することもできる。
本発明に係る弾性波デバイスのさらに別の特定の局面では、上記圧電膜が、タンタル酸リチウム単結晶またはニオブ酸リチウム単結晶からなる。この場合には、イオン注入法を用い、圧電膜としての圧電体の薄膜を容易に形成することができる。また、カット角を選択することにより、様々な特性の弾性波デバイスを容易に提供することができる。
本発明に係る弾性波デバイスのさらに別の特定の局面では、上記支持基板が、シリコンからなる。この場合には、支持基板の粗面化を容易に行うことができる。また、シリコンは熱伝導率が高いため、良好な放熱性を得ることができる。よって、良好な耐電力性を得ることができる。
本発明に係る弾性波デバイスでは、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おり、さらに高音速膜を含み、高音速膜より上方の構造部分において、メインモード及び高次モードのエネルギー集中度が上記特定の範囲とされているため、利用する弾性波のエネルギーを圧電膜及び低音速膜が積層されている部分に効果的に閉じ込めることができる。加えて、スプリアスとなる高次モードを高音速膜の支持基板側に漏洩させることができる。さらに、支持基板の上面が粗面であるため、支持基板の上面に達した高次モードが支持基板側に散乱するため、高次モードスプリアスをより一層抑制することが可能となる。よって、利用する弾性波による良好な共振特性やフィルタ特性などを得ることができ、しかも高次モードによる所望でない応答を抑制することが可能となる。
以下、図面を参照しつつ、本発は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。
（第１の実施形態）
図１（ａ）は、本発明の第１の実施形態としての弾性表面波デバイスの模式正面断面図である。
図１（ａ）は、本発明の第１の実施形態としての弾性表面波デバイスの模式正面断面図である。
弾性表面波デバイス１は、支持基板２を有する。支持基板２の上面２ａ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、ＩＤＴ電極６は圧電膜５の下面に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、圧電体、誘電体または半導体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。
上記支持基板２の上面２ａは、粗面である。上面２ａが粗面であることによる作用等の詳細については、図２１を参照して後述する。
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るように機能する。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、窒化ケイ素またはダイヤモンド等のさまざまな高音速材料を用いることができる。
上記ＩＤＴ電極の電極指の周期で定まる弾性波の波長をλとする。本実施形態では、高音速膜を含み、高音速膜より上方の構造部分において、利用する弾性波であるメインモードのエネルギー集中度は９９．９％以上であり、かつ、スプリアスとなる高次モードのエネルギー集中度は９９．５％以下とされている。すなわち、利用する弾性波であるメインモードが高音速膜よりも上方の構造部分に確実に閉じ込められる。他方、スプリアスとなる高次モードは支持基板側に漏洩する。それによって、後述するように、利用する弾性波すなわちメインモードのエネルギーを、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ことができ、かつスプリアスとなる高次モードを高音速膜３の支持基板２側に漏洩させることが可能とされている。
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。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。
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。
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、適宜の圧電材料により形成することができるが、好ましくは、圧電単結晶からなる。圧電単結晶を用いた場合、オイラー角を選択することにより様々な特性の弾性波デバイスを容易に提供し得る。より好ましくは、タンタル酸リチウム単結晶またはニオブ酸リチウム単結晶が用いられ、その場合には、オイラー角を選択することにより弾性表面波デバイス１の共振特性やフィルタ特性をより一層高めることができる。
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。
本実施形態の弾性波表面波デバイス１の特徴は、上記高音速膜３、低音速膜４及び圧電膜５が上記のように積層されており、かつ、高音速膜を含み、高音速膜より上方の構造部分において、利用する弾性波であるメインモードのエネルギー集中度は９９．９％以上であり、かつ、スプリアスとなる高次モードのエネルギー集中度は９９．５％以下とされていることにある。それによって、利用する弾性波すなわちメインモードを効果的に閉じ込め、かつ高次モードスプリアスを効果的に抑制し得る。これを、以下において説明する。
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。なお、高音速膜３と圧電膜５との間に低音速膜４が配置されているため、高音速膜上に圧電膜を形成した構造に比べ、弾性波の音速は低下する。しかしながら、本願発明の構造においては、圧電膜および低音速膜を適切に選択することにより、圧電膜単体よりも高音速化が可能となる。すなわち、本願発明の構造においても高周波化は可能である。
さらに、本実施形態では、高音速膜を含み、高音速膜より上方の構造部分において、利用する弾性波であるメインモードのエネルギー集中度は９９．９％以上であり、かつ、スプリアスとなる高次モードのエネルギー集中度は９９．５％以下であるため、高音速膜３までの部分に弾性波のエネルギーを閉じ込めるとともに、高次モードを高音速膜３の支持基板２側に漏洩させることができる。これを、図２〜図８を参照して説明する。
図２〜図５は、利用する弾性波であるメインモードのエネルギー分布を示す図であり、図６〜８は、高次モードのエネルギー分布を示す図である。なお、図２〜図８の結果は、以下の弾性表面波デバイス１を前提とした有限要素法により得られた結果である。上から順に、ＩＤＴ電極６：Ａｌ電極、厚み０．０８λ／圧電膜５：ＹカットＬｉＴａＯ３のＬｉＴａＯ３単結晶膜、厚み０．２５λ／低音速膜４：酸化ケイ素膜、厚み０．３４λ／高音速膜３：窒化アルミニウム膜、厚み０．１λ〜３．０λの間で変化させた／支持基板２：ガラス基板。
図２〜図５及び図６〜図８において、図の縦方向は弾性表面波デバイス１の厚み方向である。破線Ａが高音速膜３の上面の位置を、破線Ｂが高音速膜３の下面の位置を示す。
図２、図３、図４及び図５は、高音速膜３を構成している窒化アルミニウム膜の膜厚を、それぞれ、０．２λ、０．５λ、１．０λ、３．０λとした場合のメインモードである弾性波のエネルギー分布を示す。ここで利用している弾性波は、図２〜図５におけるＵ２成分、すなわちＳＨ波である。
図２から明らかなように、窒化アルミニウム膜からなる高音速膜３の膜厚が０．２λである場合、利用するメインモードであるＵ２成分が高音速膜３の下面よりも下方に漏洩していることがわかる。これに対して、図３〜図５に示すように、高音速膜３を構成している窒化アルミニウム膜の膜厚が０．５λ以上の場合には、高音速膜３の下面よりも上方にＵ２成分すなわちＳＨ波のエネルギーが良好に閉じ込められていることがわかる。従って、高音速膜３の膜厚を０．５λ以上とすることによりメインモードすなわち使用する弾性波のエネルギーを効果的に閉じ込め得ることがわかる。ここで、メインモードのエネルギーは９９．９％以上閉じ込められている。すなわち、メインモードのエネルギー集中度は９９．９％以上である。
他方、図６、図７及び図８は、窒化アルミニウム膜からなる高音速膜３の膜厚をそれぞれ、０．５λ、１．０λ及び２．０λとしたときの高次モードのエネルギー分布を示す。ここでは、高次モードのＵ２成分＋Ｕ３成分がスプリアスとして問題となる。図８に示されているように、窒化アルミニウム膜の膜厚が２．０λの場合には、Ｕ２成分及びＵ３成分が高音速膜３よりも上方に大きなエネルギーで分布していることがわかる。これに対して、窒化アルミニウム膜の膜厚が１．０λ以下である図６及び図７の場合には、高次モードの高音速膜３上方へのエネルギー集中度はメインモードに比べて低くなっており、Ｕ２成分及びＵ３成分が高音速膜３の支持基板２側にかなり漏洩していることがわかる。
従って、利用する弾性波であるメインモードのエネルギー集中度は９９．９％以上であり、かつ、スプリアスとなる高次モードのエネルギー集中度は９９．５％以下であるようにするために、窒化アルミニウム膜の膜厚を０．５λ〜１．０λの範囲とすれば、メインモードのエネルギーを閉じ込めつつ、高次モードを高音速膜３から支持基板２側に漏洩させることができる。従って、メインモードすなわち弾性表面波による良好な特性を得ることができ、かつ高次モードによる帯域外のスプリアスを効果的に抑制し得ることがわかる。
ところで、弾性波エネルギーの支持基板２側への漏洩の有無を判定する指標の一つとして、エネルギー集中度が知られている。図９は、高音速膜３の膜厚を変化させた場合のメインモードと高次モードのエネルギー集中度を示す図である。
図９の縦軸は、メインモード及び高次モードの各エネルギー集中度（％）を示す。ここで、エネルギー集中度とは、ＩＤＴ電極６／圧電膜５／低音速膜４／高音速膜３の積層構造内に閉じ籠もっているモードのエネルギーの、該モードの全エネルギーに対する割合を示す。このエネルギー集中度が１００％であれば、支持基板２側にエネルギーが漏洩していないことを意味する。１００％より低い場合には、集中度低下分は、支持基板２側に漏洩しているエネルギーの割合を意味することとなる。エネルギー集中度の計算方法としては、図２〜図８に示したエネルギー分布を所望の深さ（高音速膜３の下層）まで積分したエネルギーをＥ１、全エネルギーをＥ＿ｔｏｔａｌとしたときに、エネルギー集中度（％）＝（Ｅ１／Ｅ＿ｔｏｔａｌ×１００）で計算される。
図９から明らかなように、高音速膜の膜厚を、０．５λ以上とすれば、メインモードのエネルギー集中度はほぼ１００％となる。従って、メインモードを効果的に閉じ込め得ることがわかる。また、高音速膜３の膜厚を１．２λ以下とすることにより、高次モードを漏洩させ得ることがわかる。
従って図９から明らかなように、高音速膜３の膜厚は、０．５λ以上、１．２λ以下であることが必要であることがわかる。
なお、高次モードを漏洩させ、スプリアスを抑圧するには、高次モードのエネルギー集中度を９９．５％以下、より好ましくは９８％以下とすることが望ましい。従って、１．２λ以下の膜厚であれば、高次モードのエネルギー集中度を１００％未満とすることができるため、上記のように高次モードを支持基板側に漏洩させることができる。もっとも、
より好ましくは、高音速膜３の膜厚を１．０λ以下とすることにより、高次モードの上記
エネルギー集中度を９９．５％以下とすることができ、膜厚を０．８λ以下とすることに
より高次モードのエネルギー集中度を９８％以下とすることができる。従って、高音速膜
３の膜厚の上限は、１．０λ以下とすることが好ましく、より好ましくは０．８λ以下と
することが望ましい。
より好ましくは、高音速膜３の膜厚を１．０λ以下とすることにより、高次モードの上記
エネルギー集中度を９９．５％以下とすることができ、膜厚を０．８λ以下とすることに
より高次モードのエネルギー集中度を９８％以下とすることができる。従って、高音速膜
３の膜厚の上限は、１．０λ以下とすることが好ましく、より好ましくは０．８λ以下と
することが望ましい。
なお、図２〜図９に示す結果は、圧電膜５がＬｉＴａＯ３単結晶、低音速膜４が酸化ケイ素、高音速膜３が窒化アルミニウム膜の場合についての評価結果である。しかしながら、本発明においては、圧電膜５、低音速膜４及び高音速膜３を他の材料で構成した場合においても、図２〜図９と同様の結果が得られることが確かめられている。
図１７は、Ａｌ電極膜厚を０．０８λ、ＹカットＬＴの厚みを０．０１λ〜０．０５λ、低音速膜厚を０．０５λ〜２．００λ、高音速膜の音速を４２００ｍ／秒としたときのメインモードの音速とエネルギー集中度と、高速膜厚の膜厚との関係を示す図である。メインモードのエネルギーは、メインモードの音速が速くなると、より漏洩しやすくなり、また、高音速膜の膜厚が薄くなると漏洩しやすくなることが分かる。ここで、メインモードのエネルギー集中度が９９．９９％となる場合の、高音速膜厚とメインモードの音速の関係をプロットした。これを図１８に示す。なお、メインモードの音速とは、反共振周波数における音速のことを意味する。
この図１８において、メインモードの音速が、プロットされている値より遅くなるようにすれば、メインモードのエネルギー集中度は９９．９９％を満足する。ここで、図１８におけるプロットの結果からメインモードの音速をｙ、高音速膜の膜厚をｘとして近似すると、図１９に示すように、ｙ＝１２５．９ｘ２−１０２．０ｘ＋３７１５．０が得られる。ただし、Ｒ２＝１．０である。すなわち、メインモードの反共振周波数における音速をＶ１［ｍ／ｓ］、弾性表面波の波長λ［ｍ］で規格化された高音速膜の膜厚をＴｈ（＝高音速膜厚／λ）としたとき、次の関係式を満足するようにすればよい。
Ｖ１≦１２５．９×Ｔｈ２−１０２．０×Ｔｈ＋３７１５．０・・・（１）
同様にして、高音速膜の音速Ｖｈ［ｍ／ｓ］を場合分けして、それぞれの高音速膜の音速Ｖｈにおける、メインモードの反共振周波数における音速Ｖ１と、弾性表面波の波長λ［ｍ］で規格化された高音速膜の膜厚Ｔｈとの関係を算出した。結果を以下に示す。
・４４００≦Ｖｈ＜４６００の場合；
Ｖ１≦２９６．３×Ｔｈ２−２５３．０×Ｔｈ＋３７４２．２
・４６００≦Ｖｈ＜４８００の場合；
Ｖ１≦５０６．１×Ｔｈ２−３９１．５×Ｔｈ＋３７５９．２
・４８００≦Ｖｈ＜５０００の場合；
Ｖ１≦７６８．０×Ｔｈ２−５５２．４×Ｔｈ＋３７７６．８
・５０００≦Ｖｈ＜５２００の場合；
Ｖ１≦８４８．５×Ｔｈ２−５４１．６×Ｔｈ＋３７６７．８
・５２００≦Ｖｈ＜５４００の場合；
Ｖ１≦１０６５．２×Ｔｈ２−７０９．４×Ｔｈ＋３７９２．８
・５４００≦Ｖｈ＜５６００の場合；
Ｖ１≦１１９７．１×Ｔｈ２−６９５．０×Ｔｈ＋３７７９．８
・５６００≦Ｖｈ＜５８００の場合；
Ｖ１≦１３９３．８×Ｔｈ２−８４３．８×Ｔｈ＋３８０１．５
・５８００≦Ｖｈ＜６０００の場合；
Ｖ１≦１７１３．７×Ｔｈ２−１１９３．３×Ｔｈ＋３８９６．１
・６０００≦Ｖｈの場合；
Ｖ１≦１８３９．９×Ｔｈ２−１０２８．７×Ｔｈ＋３８１４．１
Ｖ１≦２９６．３×Ｔｈ２−２５３．０×Ｔｈ＋３７４２．２
・４６００≦Ｖｈ＜４８００の場合；
Ｖ１≦５０６．１×Ｔｈ２−３９１．５×Ｔｈ＋３７５９．２
・４８００≦Ｖｈ＜５０００の場合；
Ｖ１≦７６８．０×Ｔｈ２−５５２．４×Ｔｈ＋３７７６．８
・５０００≦Ｖｈ＜５２００の場合；
Ｖ１≦８４８．５×Ｔｈ２−５４１．６×Ｔｈ＋３７６７．８
・５２００≦Ｖｈ＜５４００の場合；
Ｖ１≦１０６５．２×Ｔｈ２−７０９．４×Ｔｈ＋３７９２．８
・５４００≦Ｖｈ＜５６００の場合；
Ｖ１≦１１９７．１×Ｔｈ２−６９５．０×Ｔｈ＋３７７９．８
・５６００≦Ｖｈ＜５８００の場合；
Ｖ１≦１３９３．８×Ｔｈ２−８４３．８×Ｔｈ＋３８０１．５
・５８００≦Ｖｈ＜６０００の場合；
Ｖ１≦１７１３．７×Ｔｈ２−１１９３．３×Ｔｈ＋３８９６．１
・６０００≦Ｖｈの場合；
Ｖ１≦１８３９．９×Ｔｈ２−１０２８．７×Ｔｈ＋３８１４．１
図１０は、高音速膜の膜厚と、利用する弾性波すなわちメインモードの音速と、利用する高音速膜の音速との関係を有限要素法により求めた結果を示す図である。ちなみに、図１０における、高音速膜の音速が４２００ｍ／秒であるときの関係が、前述の式（１）である。以下、同様にして、各高音速膜の音速における、高音速膜厚とメインモードの音速の関係を算出したものを示したものが図１０となっている。なお前提とした構造は以下の通りである。
上から順に、ＩＤＴ電極６：Ａｌ電極、膜厚は０．０８λ／圧電膜５：ＹカットＬｉＴａＯ３単結晶、膜厚は０．０１λ〜０．５０λ／低音速膜４：酸化ケイ素膜、膜厚は０．０５λ〜２．００λ／高音速膜３：音速が４２００ｍ／秒〜６０００ｍ／秒の各種高音速膜、膜厚は１．６λ未満／支持基板２：ガラス基板。
なお、高音速膜の音速は、高音速膜を構成する材料を種々異ならせることにより変化させることができるが、図１０では、４２００ｍ／秒〜６０００ｍ／秒の範囲の複数種の高音速膜についての結果を示した。
図１０のメインモードの音速とは、高音速膜の音速が４２００ｍ／秒〜６０００ｍ／秒のいずれかの場合のメインモードの支持基板２側への漏洩が始まるときのメインモードの音速を示す。図１０に示した各曲線よりもメインモードの音速が遅くなれば、メインモードを高音速膜３よりも上方に完全に閉じ込めることができる。従って、良好なデバイス特性を得ることができる。このようなメインモードの音速のコントロールは、ＩＤＴ電極６、圧電膜５、低音速膜４の各膜厚及び材料を選択することにより実現することができる。一例として、下記の第１の構造例の弾性表面波デバイスを構成した場合、メインモードの音速は３８００ｍ／秒程度となる。
（第１の構造例）
ＩＤＴ電極６：Ａｌ膜、厚み０．０８λ／圧電膜５：ＹカットＬｉＴａＯ３単結晶、厚み０．２５λ／低音速膜４：ＳｉＯ２、厚み０．３５λ／高音速膜３：窒化アルミニウム膜、音速５８００ｍ／秒。
ＩＤＴ電極６：Ａｌ膜、厚み０．０８λ／圧電膜５：ＹカットＬｉＴａＯ３単結晶、厚み０．２５λ／低音速膜４：ＳｉＯ２、厚み０．３５λ／高音速膜３：窒化アルミニウム膜、音速５８００ｍ／秒。
また、図１１は、高音速膜の音速が５８００ｍ／秒である場合の高音速膜の膜厚と、メインモードの音速との関係を示す図である。図１１の曲線は、高音速膜の音速が５８００ｍ／秒の場合のメインモードが漏洩を開始する音速を示す。この曲線よりも上方では、メインモードが漏洩し、良好な弾性波特性を得ることができない。他方、上記メインモードの音速が３８００ｍ／秒の場合には、図１１の破線Ｄで示す位置にメインモードの音速が位置する。従って、この場合、高音速膜の膜厚は０．６λ以上とすべきことがわかる。
上記の第１の構造例から明らかなように、高音速膜３の音速、高音速膜３の膜厚及びメインモードの音速を制御することにより、メインモードをより一層完全に効果的に閉じ込めることができる。
なお、図１０及び図１１においても、ＩＤＴ電極６をＡｌで構成し、圧電膜５がＬｉＴａＯ３、低音速膜４が酸化ケイ素により構成されていたが、他の材料を用いた場合においても同様の関係が成立することが本願発明者らにより確かめられている。すなわち、他の構造、材料を用いた場合にも図１０を参照することにより最適膜厚を設定することができる。
次に、高次モードのエネルギーを支持基板２側へ漏洩させるための条件を検討した。前提とした構造は以下の第２の構造例の通りである。
（第２の構造例）
ＩＤＴ電極６：Ａｌ膜、膜厚は変化させた／圧電膜５：ＹカットＬｉＴａＯ３単結晶、膜厚は０．０１λ〜０．５０λ／低音速膜４：酸化ケイ素、膜厚は０．０５λ〜２．００λ／高音速膜３：音速が４２００ｍ／秒〜６０００ｍ／秒の各種高音速膜、膜厚は１．６λ以下／支持基板２：ガラス基板。
ＩＤＴ電極６：Ａｌ膜、膜厚は変化させた／圧電膜５：ＹカットＬｉＴａＯ３単結晶、膜厚は０．０１λ〜０．５０λ／低音速膜４：酸化ケイ素、膜厚は０．０５λ〜２．００λ／高音速膜３：音速が４２００ｍ／秒〜６０００ｍ／秒の各種高音速膜、膜厚は１．６λ以下／支持基板２：ガラス基板。
ここで、図１０を導いた場合と同様にして、高次モードのエネルギー集中度と高音速膜厚と、高次モードの音速の関係をプロットした。これを図２０に示す。この図２０の結果を用い、高次モードのエネルギー集中度が９９．５％以下を満足するように、この関係を設定し、図１９と同様にして、関係式を算出した。そして、高音速膜の音速Ｖｈ［ｍ／ｓ］を場合分けして、それぞれの高音速膜の音速Ｖｈにおける、高次モードの音速Ｖ２と、弾性表面波の波長λ［ｍ］で規格化された高音速膜の膜厚Ｔｈとの関係を算出した。結果を以下に示す。
・Ｖｈ＜４２００の場合；
Ｖ２≧１８７．０×Ｔｈ２−１３７．０×Ｔｈ＋３９１９．７
・４２００≦Ｖｈ＜４４００の場合；
Ｖ２≧−１１５．０×Ｔｈ２＋５１５．０×Ｔｈ＋３７９６．４
・４４００≦Ｖｈ＜４６００の場合；
Ｖ２≧−２６８．４×Ｔｈ２＋８９８．０×Ｔｈ＋３７２８．８
・４６００≦Ｖｈ＜４８００の場合；
Ｖ２≧−３５２．８×Ｔｈ２＋１１２５．２×Ｔｈ＋３７２６．８
・４８００≦Ｖｈ＜５０００の場合；
Ｖ２≧−５６８．７×Ｔｈ２＋１５６４．３×Ｔｈ＋３６５７．２
・５０００≦Ｖｈ＜５２００の場合；
Ｖ２≧−４３４．２×Ｔｈ２＋１３９２．６×Ｔｈ＋３８０８．２
・５２００≦Ｖｈ＜５４００の場合；
Ｖ２≧−５７６．５×Ｔｈ２＋１７１７．１×Ｔｈ＋３７４８．３
・５４００≦Ｖｈ＜５６００の場合；
Ｖ２≧−６０２．９×Ｔｈ２＋１８８２．６×Ｔｈ＋３７３３．７
・５６００≦Ｖｈ＜５８００の場合；
Ｖ２≧−５７６．９×Ｔｈ２＋２０６６．９×Ｔｈ＋３７０３．７
・５８００≦Ｖｈ＜６０００の場合；
Ｖ２≧−６２７．０×Ｔｈ２＋２２５６．１×Ｔｈ＋３７０５．７
Ｖ２≧１８７．０×Ｔｈ２−１３７．０×Ｔｈ＋３９１９．７
・４２００≦Ｖｈ＜４４００の場合；
Ｖ２≧−１１５．０×Ｔｈ２＋５１５．０×Ｔｈ＋３７９６．４
・４４００≦Ｖｈ＜４６００の場合；
Ｖ２≧−２６８．４×Ｔｈ２＋８９８．０×Ｔｈ＋３７２８．８
・４６００≦Ｖｈ＜４８００の場合；
Ｖ２≧−３５２．８×Ｔｈ２＋１１２５．２×Ｔｈ＋３７２６．８
・４８００≦Ｖｈ＜５０００の場合；
Ｖ２≧−５６８．７×Ｔｈ２＋１５６４．３×Ｔｈ＋３６５７．２
・５０００≦Ｖｈ＜５２００の場合；
Ｖ２≧−４３４．２×Ｔｈ２＋１３９２．６×Ｔｈ＋３８０８．２
・５２００≦Ｖｈ＜５４００の場合；
Ｖ２≧−５７６．５×Ｔｈ２＋１７１７．１×Ｔｈ＋３７４８．３
・５４００≦Ｖｈ＜５６００の場合；
Ｖ２≧−６０２．９×Ｔｈ２＋１８８２．６×Ｔｈ＋３７３３．７
・５６００≦Ｖｈ＜５８００の場合；
Ｖ２≧−５７６．９×Ｔｈ２＋２０６６．９×Ｔｈ＋３７０３．７
・５８００≦Ｖｈ＜６０００の場合；
Ｖ２≧−６２７．０×Ｔｈ２＋２２５６．１×Ｔｈ＋３７０５．７
図１２は、高音速膜の膜厚と、高次モードの音速と、高音速膜の音速との関係を示す。図１２における、各高音速膜の音速であるときの関係が、上述の関係式である。すなわち、図１２の各曲線は、高音速膜の音速が４２００ｍ／秒〜６０００ｍ／秒の範囲のいずれかの場合に、高次モードが支持基板２側へ漏洩が始まるときの高次モードの音速を示す。図１２に示されている曲線よりも高次モードの音速が速くなると、高次モードが支持基板２側へ漏洩することとなる。それによって、高次モードを高音速膜３よりも下方に漏洩させることができ、スプリアスを抑制することができる。このような高次モードの音速のコントロールは、ＩＤＴ電極６、圧電膜５、低音速膜４の膜厚及び材料をコントロールすることにより達成し得る。一例として、以下の構造の弾性表面波デバイスを挙げる。この場合に、メインモードの音速は３８００ｍ／秒となり、高次モードの音速は５２４０ｍ／秒となる。
高音速膜３の音速が５８００ｍ／秒の場合のメインモード及び高次モードの漏洩が開始する音速を図１３に示す。図１３は、高音速膜の膜厚と、メインモード及び高次モードの音速との関係を示し、すなわちメインモード及び高次モードが漏洩を開始する際の音速を示す。
図１３から明らかなように、高音速膜の膜厚が０．６λ以上であれば、メインモードの音速が３８００ｍ／秒である場合、メインモードを効果的に閉じ込めることができる。他方、高次モードの影響を抑制するには、高音速膜の膜厚を１．０５λ以下とすればよいことがわかる。第２の構造例においても、他の構造、材料を用いた場合にも図１２を参照することにより最適膜厚を設定することが可能となる。
図１４は図１２に相当する図である。すなわち、図１２の結果を得るのに用いた第２の構造例を前提とし、高次モードが支持基板２側へ漏洩し始める際の高次モードの音速と、高音速膜の膜厚と、高音速膜の音速との関係を示す。ただし、ここでは、支持基板２側へ高次モードが２．０％以上漏洩する時点での高次モードの音速を縦軸とした。従って、図１２の場合に比べ、図１４に示した結果では、高次モードがより一層支持基板２側へ漏洩することとなる。すなわち、図１４に示す各曲線よりも高次モードの音速を速めるように高音速膜３の膜厚を設定すれば、高次モードを支持基板２側へ効果的に漏洩させることができる。
また、図１４の導出は、図１０および図１２を導いた場合と同様にして行った。図２０を参照し、かつ高次モードのエネルギー集中度が９８％以下を満足するように、この関係を設定し、図１９と同様にして、関係式を算出した。そして、高音速膜の音速Ｖｈ［ｍ／ｓ］を場合分けして、それぞれの高音速膜の音速Ｖｈにおける、高次モードの音速Ｖ２と、弾性表面波の波長λ［ｍ］で規格化された高音速膜の膜厚Ｔｈとの関係を算出した。結果を以下に示す。
・Ｖｈ＜４２００の場合；
Ｖ２≧１９７．８×Ｔｈ２−１５８．０×Ｔｈ＋４１２８．５
・４２００≦Ｖｈ＜４４００の場合；
Ｖ２≧−１１９．５×Ｔｈ２＋５２３．８×Ｔｈ＋３９９２．７
・４４００≦Ｖｈ＜４６００の場合；
Ｖ２≧−２７４．０×Ｔｈ２＋９０８．９×Ｔｈ＋３９２４．２
・４６００≦Ｖｈ＜４８００の場合；
Ｖ２≧−３７２．３×Ｔｈ２＋１１６２．９×Ｔｈ＋３９１０．９
・４８００≦Ｖｈ＜５０００の場合；
Ｖ２≧−５７３．４×Ｔｈ２＋１５７３．９×Ｔｈ＋３８５２．８
・５０００≦Ｖｈ＜５２００の場合；
Ｖ２≧−４４３．７×Ｔｈ２＋１４１１．０×Ｔｈ＋４０００．５
・５２００≦Ｖｈ＜５４００の場合；
Ｖ２≧−５５７．０×Ｔｈ２＋１６７９．２×Ｔｈ＋３９６４．２
・５４００≦Ｖｈ＜５６００の場合；
Ｖ２≧−５８１．０×Ｔｈ２＋１８４０．１×Ｔｈ＋３９５１．６
・５６００≦Ｖｈ＜５８００の場合；
Ｖ２≧−５７０．７×Ｔｈ２＋２０５４．７×Ｔｈ＋３９０８．８
・５８００≦Ｖｈ＜６０００の場合；
Ｖ２≧−７３１．１×Ｔｈ２＋２４０８．０×Ｔｈ＋３８５７．０
Ｖ２≧１９７．８×Ｔｈ２−１５８．０×Ｔｈ＋４１２８．５
・４２００≦Ｖｈ＜４４００の場合；
Ｖ２≧−１１９．５×Ｔｈ２＋５２３．８×Ｔｈ＋３９９２．７
・４４００≦Ｖｈ＜４６００の場合；
Ｖ２≧−２７４．０×Ｔｈ２＋９０８．９×Ｔｈ＋３９２４．２
・４６００≦Ｖｈ＜４８００の場合；
Ｖ２≧−３７２．３×Ｔｈ２＋１１６２．９×Ｔｈ＋３９１０．９
・４８００≦Ｖｈ＜５０００の場合；
Ｖ２≧−５７３．４×Ｔｈ２＋１５７３．９×Ｔｈ＋３８５２．８
・５０００≦Ｖｈ＜５２００の場合；
Ｖ２≧−４４３．７×Ｔｈ２＋１４１１．０×Ｔｈ＋４０００．５
・５２００≦Ｖｈ＜５４００の場合；
Ｖ２≧−５５７．０×Ｔｈ２＋１６７９．２×Ｔｈ＋３９６４．２
・５４００≦Ｖｈ＜５６００の場合；
Ｖ２≧−５８１．０×Ｔｈ２＋１８４０．１×Ｔｈ＋３９５１．６
・５６００≦Ｖｈ＜５８００の場合；
Ｖ２≧−５７０．７×Ｔｈ２＋２０５４．７×Ｔｈ＋３９０８．８
・５８００≦Ｖｈ＜６０００の場合；
Ｖ２≧−７３１．１×Ｔｈ２＋２４０８．０×Ｔｈ＋３８５７．０
図１４において、高音速膜の音速が５８００ｍ／秒の場合について、高音速膜の膜厚とメインモード及び高次モードの音速との関係を図１５に示す。図１５の実線がメインモード、破線が高次モードが漏洩を開始する音速を示す。図１５から明らかなように、高音速膜の膜厚を０．６λ以上とすることによりメインモードを効果的に閉じ込めることができる。また、０．８５λ以下とすることにより、高次モードを充分に漏洩させることができる。従って、好ましくは、高音速膜の膜厚は０．６λ〜０．８５λの範囲とすることが望ましい。また、他の構造や材料を用いた場合にも図１４を参照することにより最適膜厚を設定することができる。これにより、図１２の条件よりも、高次モードの影響をより一層抑制することができる。
なお、図１５は高音速膜の音速が５８００ｍ／秒の場合につき説明したが、高音速膜の音速が他の場合の値においても同様であることが本願発明者により確かめられている。
図１に示した弾性表面波デバイス１では、好ましくは、支持基板２の音速が、遅いことが望ましい。それによって、より多くの高次モードのエネルギーを支持基板２側へ漏洩させることができる。従って、好ましくは、支持基板２の音速は、高音速膜３の音速よりも遅いことが望ましい。
図１に示した弾性表面波デバイス１では、支持基板２の上面２ａが粗面であることにより、上記支持基板２の粗面に到達したバルク波は粗面の凹凸により散乱する。よって、上記支持基板上面２ａが平滑である場合と比較して、より一層高次モードの影響を抑制することができる。
図２１は、支持基板の表面粗さＲａと位相ｍａｘとの関係を示す図である。なお、本明細書における表面粗さＲａは、ＪＩＳ Ｂ ０６０１において定義されている値である。図２１において、位相ｍａｘが大きい程、高次モードの強度は大きい。
図２１に示すように、支持基板の表面粗さＲａが１ｎｍ以上であると高次モードの強度を小さくできる。
従って、支持基板の表面粗さＲａは、好ましくは１ｎｍ以上であることが望ましい。
支持基板の表面粗さＲａが２５ｎｍ以上においては、支持基板の表面粗さＲａの変化に対し、高次モードの強度の変動は小さい。よって、支持基板の表面粗さＲａがばらついたとしても、高次モードの強度が変動し難い。
従って、支持基板の表面粗さＲａは、より好ましくは２５ｎｍ以上であることが望ましい。
支持基板の表面粗さＲａが８０ｎｍよりも大きい場合、粗面の凹凸を吸収するために、支持基板と接する層の厚みを大きくする必要があり、かつ平坦化の追加工程が必要となる。
従って、支持基板の表面粗さＲａは、さらにより好ましくは２５ｎｍ以上、８０ｎｍ以下であることが望ましい。
上記第１の実施形態では、支持基板２としてガラス基板を用いたが、ガラスに代えてアルミナを用いてもよい。
また、支持基板として、高抵抗なシリコンを用いてもよい。この場合、基板との容量結合を小さくすることができ、弾性表面波デバイスの挿入損失が改善されるため、シリコン支持基板の抵抗率は１００Ωｃｍ以上であることが好ましい。さらには、シリコン支持基板の抵抗率が１０００Ωｃｍ以上であれば、デバイスとしてアルミナやガラスと同等の挿入損失を得ながら、加工性が向上するので、製造プロセスの自由度が増して、より好ましい。さらには、抵抗率が４０００Ωｃｍであれば、弾性表面波デバイスのフィルタ特性をより改善できるため、より好ましい。
（第２の実施形態）
図１６は、本発明の第２の実施形態としての弾性表面波デバイスの模式正面断面図である。
図１６は、本発明の第２の実施形態としての弾性表面波デバイスの模式正面断面図である。
図１６に示すように、高音速膜３と支持基板２との間に媒質層９を積層してもよい。媒質層９としては、上記低音速膜４と同様の材料を用いることができる。本実施形態では、媒質層９は酸化ケイ素からなる。酸化ケイ素を用いた場合には、周波数温度係数ＴＣＦの絶対値を低め、温度特性を改善することもできる。
上記媒質層９を配置した場合、上記媒質層９は上記圧電膜５を伝搬するバルク波音速よりも上記媒質層９を伝搬するバルク波音速は低速である第２の低音速膜となる。このため、上記媒質層９に高音速膜３側から高次モードを効果的に漏洩させることができる。従って、アルミナのように高音速の支持基板材料を用いて支持基板２を構成した場合であっても、高次モードを高音速膜３より下方に漏洩させることができる。従って、上記媒質層９を用いた場合には、支持基板２を構成する材料の選択の自由度を高めることができる。
ＬｉＴａＯ３単結晶やＬｉＮｂＯ３単結晶などを用いた場合には、イオン注入及びイオン注入部分からの剥離法を用いるプロセスにより、厚みの薄い圧電薄膜を容易に得ることができる。
（第３及び第４の実施形態）
上述してきた各実施形態では弾性表面波デバイスにつき説明したが、本発明は、弾性境界波デバイスなどの他の弾性波デバイス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２２は、第３の実施形態としての弾性境界波デバイス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。
上述してきた各実施形態では弾性表面波デバイスにつき説明したが、本発明は、弾性境界波デバイスなどの他の弾性波デバイス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２２は、第３の実施形態としての弾性境界波デバイス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２３は、第４の実施形態としてのいわゆる三媒質構造の弾性境界波デバイス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デバイスが構成されている。
弾性境界波デバイス４３，４５のように、弾性境界波デバイスにおいても、第１の実施形態の弾性表面波デバイス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…弾性表面波デバイス
２…支持基板
２ａ…上面
３…高音速膜
４…低音速膜
５…圧電膜
６…ＩＤＴ電極
７，８…反射器
９…媒質層
４３…弾性境界波デバイス
４４…誘電体
４５…弾性境界波デバイス
４６，４７…誘電体
２…支持基板
２ａ…上面
３…高音速膜
４…低音速膜
５…圧電膜
６…ＩＤＴ電極
７，８…反射器
９…媒質層
４３…弾性境界波デバイス
４４…誘電体
４５…弾性境界波デバイス
４６，４７…誘電体
Claims (12)
- 圧電膜を有する弾性波デバイスであって、
支持基板と、
前記支持基板の上面に形成されており、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、
前記支持基板の上面が粗面であり、
メインモードの反共振周波数における音速をＶ１［ｍ／ｓ］、高音速膜の音速をＶｈ［ｍ／ｓ］、弾性波の波長λ［ｍ］で規格化された高音速膜の膜厚をＴｈ（＝高音速膜厚／λ）としたときに、以下の各ＶｈにおいてＶ１とＴｈが以下の関係式を満たす、弾性波デバイス。
・４２００≦Ｖｈ＜４４００の場合；
Ｖ１≦１２５．９×Ｔｈ ２ −１０２．０×Ｔｈ＋３７１５．０
・４４００≦Ｖｈ＜４６００の場合；
Ｖ１≦２９６．３×Ｔｈ ２ −２５３．０×Ｔｈ＋３７４２．２
・４６００≦Ｖｈ＜４８００の場合；
Ｖ１≦５０６．１×Ｔｈ ２ −３９１．５×Ｔｈ＋３７５９．２
・４８００≦Ｖｈ＜５０００の場合；
Ｖ１≦７６８．０×Ｔｈ ２ −５５２．４×Ｔｈ＋３７７６．８
・５０００≦Ｖｈ＜５２００の場合；
Ｖ１≦８４８．５×Ｔｈ ２ −５４１．６×Ｔｈ＋３７６７．８
・５２００≦Ｖｈ＜５４００の場合；
Ｖ１≦１０６５．２×Ｔｈ ２ −７０９．４×Ｔｈ＋３７９２．８
・５４００≦Ｖｈ＜５６００の場合；
Ｖ１≦１１９７．１×Ｔｈ ２ −６９５．０×Ｔｈ＋３７７９．８
・５６００≦Ｖｈ＜５８００の場合；
Ｖ１≦１３９３．８×Ｔｈ ２ −８４３．８×Ｔｈ＋３８０１．５
・５８００≦Ｖｈ＜６０００の場合；
Ｖ１≦１７１３．７×Ｔｈ ２ −１１９３．３×Ｔｈ＋３８９６．１
・６０００≦Ｖｈの場合；
Ｖ１≦１８３９．９×Ｔｈ２−１０２８．７×Ｔｈ＋３８１４．１ - 前記支持基板の上面の表面粗さＲａが１ｎｍ以上である、請求項１に記載の弾性波デバイス。
- 前記支持基板の上面の表面粗さＲａが２５ｎｍ以上である、請求項１に記載の弾性波デバイス。
- 前記支持基板の上面の表面粗さＲａが２５ｎｍ以上、８０ｎｍ以下である、請求項１に記載の弾性波デバイス。
- 高次モードの音速をＶ２［ｍ／ｓ］、高音速膜の音速をＶｈ［ｍ／ｓ］、弾性波の波長λ［ｍ］で規格化された高音速膜の膜厚をＴｈ（＝高音速膜厚／λ）としたときに、以下の各ＶｈにおいてＶ２とＴｈが以下の関係式を満たす、請求項１〜４のいずれか１項に記載の弾性波デバイス。
・Ｖｈ＜４２００の場合；
Ｖ２≧１８７．０×Ｔｈ２−１３７．０×Ｔｈ＋３９１９．７
・４２００≦Ｖｈ＜４４００の場合；
Ｖ２≧−１１５．０×Ｔｈ２＋５１５．０×Ｔｈ＋３７９６．４
・４４００≦Ｖｈ＜４６００の場合；
Ｖ２≧−２６８．４×Ｔｈ２＋８９８．０×Ｔｈ＋３７２８．８
・４６００≦Ｖｈ＜４８００の場合；
Ｖ２≧−３５２．８×Ｔｈ２＋１１２５．２×Ｔｈ＋３７２６．８
・４８００≦Ｖｈ＜５０００の場合；
Ｖ２≧−５６８．７×Ｔｈ２＋１５６４．３×Ｔｈ＋３６５７．２
・５０００≦Ｖｈ＜５２００の場合；
Ｖ２≧−４３４．２×Ｔｈ２＋１３９２．６×Ｔｈ＋３８０８．２
・５２００≦Ｖｈ＜５４００の場合；
Ｖ２≧−５７６．５×Ｔｈ２＋１７１７．１×Ｔｈ＋３７４８．３
・５４００≦Ｖｈ＜５６００の場合；
Ｖ２≧−６０２．９×Ｔｈ２＋１８８２．６×Ｔｈ＋３７３３．７
・５６００≦Ｖｈ＜５８００の場合；
Ｖ２≧−５７６．９×Ｔｈ２＋２０６６．９×Ｔｈ＋３７０３．７
・５８００≦Ｖｈ＜６０００の場合；
Ｖ２≧−６２７．０×Ｔｈ２＋２２５６．１×Ｔｈ＋３７０５．７ - 高次モードの音速をＶ２［ｍ／ｓ］、高音速膜の音速をＶｈ［ｍ／ｓ］、弾性波の波長λ［ｍ］で規格化された高音速膜の膜厚をＴｈ（＝高音速膜厚／λ）としたときに、以下の各ＶｈにおいてＶ２とＴｈが以下の関係式を満たす、請求項１〜４のいずれか１項に記載の弾性波デバイス。
・Ｖｈ＜４２００の場合；
Ｖ２≧１９７．８×Ｔｈ２−１５８．０×Ｔｈ＋４１２８．５
・４２００≦Ｖｈ＜４４００の場合；
Ｖ２≧−１１９．５×Ｔｈ２＋５２３．８×Ｔｈ＋３９９２．７
・４４００≦Ｖｈ＜４６００の場合；
Ｖ２≧−２７４．０×Ｔｈ２＋９０８．９×Ｔｈ＋３９２４．２
・４６００≦Ｖｈ＜４８００の場合；
Ｖ２≧−３７２．３×Ｔｈ２＋１１６２．９×Ｔｈ＋３９１０．９
・４８００≦Ｖｈ＜５０００の場合；
Ｖ２≧−５７３．４×Ｔｈ２＋１５７３．９×Ｔｈ＋３８５２．８
・５０００≦Ｖｈ＜５２００の場合；
Ｖ２≧−４４３．７×Ｔｈ２＋１４１１．０×Ｔｈ＋４０００．５
・５２００≦Ｖｈ＜５４００の場合；
Ｖ２≧−５５７．０×Ｔｈ２＋１６７９．２×Ｔｈ＋３９６４．２
・５４００≦Ｖｈ＜５６００の場合；
Ｖ２≧−５８１．０×Ｔｈ２＋１８４０．１×Ｔｈ＋３９５１．６
・５６００≦Ｖｈ＜５８００の場合；
Ｖ２≧−５７０．７×Ｔｈ２＋２０５４．７×Ｔｈ＋３９０８．８
・５８００≦Ｖｈ＜６０００の場合；
Ｖ２≧−７３１．１×Ｔｈ２＋２４０８．０×Ｔｈ＋３８５７．０ - 前記支持基板を伝搬するバルク波音速が、前記高音速膜を伝搬するバルク波音速よりも遅い、請求項１〜６のいずれか１項に記載の弾性波デバイス。
- 前記支持基板と前記高音速膜との間に積層されている媒質層をさらに備える、請求項１〜７のいずれか１項に記載の弾性波デバイス。
- 前記媒質層を伝搬するバルク波音速が、前記圧電膜を伝搬するバルク波音速よりも遅い、請求項８に記載の弾性波デバイス。
- 前記媒質層が酸化ケイ素からなる、請求項９に記載の弾性波デバイス。
- 前記圧電膜が、タンタル酸リチウム単結晶またはニオブ酸リチウム単結晶からなる、請求項１〜１０のいずれか１項に記載の弾性波デバイス。
- 前記支持基板がシリコンからなる、請求項１〜１１のいずれか１項に記載の弾性波デバイス。
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