JP6798543B2 - 弾性波装置 - Google Patents

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Description

本発明は、共振子や高周波フィルタなどに用いられる弾性波装置に関する。
従来、共振子や高周波フィルタとして弾性波装置が広く用いられている。
下記の特許文献１，２には、ＬｉＮｂＯ３基板上に、ＩＤＴ電極が設けられた弾性波装置が開示されている。特許文献１，２では、上記ＩＤＴ電極を覆うようにＳｉＯ２膜が設けられている。上記ＳｉＯ２膜により、周波数温度特性を改善することができるとされている。また、特許文献１では、上記ＩＤＴ電極が、Ａｌよりも密度の大きい金属により形成されている。他方、特許文献２では、上記ＩＤＴ電極として、Ｐｔ膜上にＡｌ膜が積層された積層金属膜が記載されている。
ＷＯ２００５／０３４３４７ Ａ１ 特開２０１３−１４５９３０号公報
しかしながら、特許文献１のように単層構造のＩＤＴ電極を用いた場合、電極指抵抗が大きくなり、損失が大きくなることがあった。他方、特許文献２のように、積層金属膜により形成されたＩＤＴ電極では、十分な周波数温度特性が得られない場合があった。また、周波数温度特性を改善するためにＳｉＯ２膜を設けた場合、高次モードによるスプリアスが発生することがあった。そのため、従来、低損失、周波数温度特性の改善及び高次モードによるスプリアスの抑制という課題を全て解決することができる弾性波装置を得ることが困難であった。
本発明の目的は、低損失であり、周波数温度特性に優れており、かつ高次モードによるスプリアスが生じ難い、弾性波装置を提供することにある。
本発明に係る弾性波装置は、圧電基板と、前記圧電基板上に設けられたＩＤＴ電極と、前記ＩＤＴ電極を覆うように前記圧電基板上に設けられた誘電体層と、を備え、前記ＩＤＴ電極が、第１の電極層と、該第１の電極層上に積層された第２の電極層とを有し、前記第１の電極層が、前記第２の電極層を構成している金属及び前記誘電体層を構成している誘電体よりも密度の高い金属若しくは合金により構成されており、前記圧電基板が、ＬｉＮｂＯ３により構成されており、前記圧電基板のオイラー角（０°±５°，θ，０°±１０°）において、θが８°以上、３２°以下の範囲内にある。好ましくは、前記圧電基板のオイラー角のθは、１２°以上、２６°以下であり、その場合には、高次モードによるスプリアスをより一層抑制することができる。
本発明に係る弾性波装置のある特定の局面では、前記ＩＤＴ電極によって励振された前記圧電基板を伝搬する弾性波の主モードが、レイリー波を利用しており、前記第１の電極層の厚みは、ＳＨ波の音速が前記レイリー波の音速より遅くなる厚みとされている。この場合、通過帯域近傍における不要波を抑制することができる。
本発明に係る弾性波装置の別の特定の局面では、前記第１の電極層が、Ｐｔ、Ｗ、Ｍｏ、Ｔａ、Ａｕ、Ｃｕ及びこれらの金属の合金からなる群から選択された少なくとも１種である。
本発明に係る弾性波装置の他の特定の局面では、前記第１の電極層が、Ｐｔ又はＰｔを主成分とする合金により構成されており、前記第１の電極層の厚みが、０．０４７λ以上である。
本発明に係る弾性波装置のさらに別の特定の局面では、前記第１の電極層が、Ｗ又はＷを主成分とする合金により構成されており、前記第１の電極層の厚みが、０．０６２λ以上である。
本発明に係る弾性波装置のさらに他の特定の局面では、前記第１の電極層が、Ｍｏ又はＭｏを主成分とする合金により構成されており、前記第１の電極層の厚みが、０．１４４λ以上である。
本発明に係る弾性波装置のさらに他の特定の局面では、前記第１の電極層が、Ｔａ又はＴａを主成分とする合金により構成されており、前記第１の電極層の厚みが、０．０７４λ以上である。
本発明に係る弾性波装置のさらに他の特定の局面では、前記第１の電極層が、Ａｕ又はＡｕを主成分とする合金により構成されており、前記第１の電極層の厚みが、０．０４２λ以上である。
本発明に係る弾性波装置のさらに他の特定の局面では、前記第１の電極層が、Ｃｕ又はＣｕを主成分とする合金により構成されており、前記第１の電極層の厚みが、０．１３６λ以上である。
本発明に係る弾性波装置のさらに他の特定の局面では、前記第２の電極層が、Ａｌ又はＡｌを主成分とする合金により構成されている。この場合には、電極指の抵抗を抑制することができ、より一層低損失とすることができる。
本発明に係る弾性波装置のさらに他の特定の局面では、前記第２の電極層の厚みが、０．０１７５λ以上である。この場合には、電極指の抵抗を抑制することができ、より一層低損失とすることができる。
本発明に係る弾性波装置のさらに他の特定の局面では、前記誘電体層が、ＳｉＯ２とＳｉＮのうち少なくとも一方の前記誘電体により構成されている。より好ましくは、前記誘電体層が、ＳｉＯ２により構成されている。この場合には、周波数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他の特定の局面では、前記誘電体層の膜厚が、０．３０λ以上である。この場合には、周波数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他の特定の局面では、前記ＩＤＴ電極のデュ−ティ比が、０．４８以上である。この場合には、高次モードによるスプリアスをより一層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他の特定の局面では、前記ＩＤＴ電極のデュ−ティ比が、０．５５以上である。この場合には、高次モードによるスプリアスをより一層抑制することができる。
本発明によれば、低損失であり、周波数温度特性に優れており、かつ高次モードによるスプリアスが生じ難い、弾性波装置を提供することができる。
図１（ａ）は、本発明の一実施形態に係る弾性波装置の模式的正面断面図であり、図１（ｂ）は、その電極構造を示す模式的平面図である。 図２は、本発明の一実施形態に係る弾性波装置の電極部を拡大した模式的正面断面図である。 図３は、Ｐｔ膜上にＡｌ膜を積層した積層金属膜において、Ａｌ膜の膜厚と、シート抵抗との関係を示す図である。 図４は、第２の電極層であるＡｌ膜の膜厚と周波数温度係数（ＴＣＦ）との関係を示す図である。 図５は、誘電体層であるＳｉＯ２膜の膜厚と周波数温度係数（ＴＣＦ）との関係を示す図である。 図６（ａ）は、ＳｉＯ２の膜厚が０．２６λのときのインピーダンス特性を示す図であり、図６（ｂ）はその位相特性を示す図である。 図７（ａ）は、ＳｉＯ２の膜厚が０．３０λのときのインピーダンス特性を示す図であり、図７（ｂ）はその位相特性を示す図である。 図８（ａ）は、ＳｉＯ２の膜厚が０．３４λのときのインピーダンス特性を示す図であり、図８（ｂ）はその位相特性を示す図である。 図９（ａ）は、ＳｉＯ２の膜厚が０．３８λのときのインピーダンス特性を示す図であり、図９（ｂ）はその位相特性を示す図である。 図１０は、ＳｉＯ２膜の膜厚と高次モードの最大位相との関係を示す図である。 図１１（ａ）は、オイラー角（０°，θ，０°）において、θ＝２４°のときのインピーダンス特性を示す図であり、図１１（ｂ）はその位相特性を示す図である。 図１２（ａ）は、オイラー角（０°，θ，０°）において、θ＝２８°のときのインピーダンス特性を示す図であり、図１２（ｂ）はその位相特性を示す図である。 図１３（ａ）は、オイラー角（０°，θ，０°）において、θ＝３２°のときのインピーダンス特性を示す図であり、図１３（ｂ）はその位相特性を示す図である。 図１４（ａ）は、オイラー角（０°，θ，０°）において、θ＝３６°のときのインピーダンス特性を示す図であり、図１４（ｂ）はその位相特性を示す図である。 図１５（ａ）は、オイラー角（０°，θ，０°）において、θ＝３８°のときのインピーダンス特性を示す図であり、図１５（ｂ）はその位相特性を示す図である。 図１６は、オイラー角（０°，θ，０°）において、θと高次モードの最大位相との関係を示す図である。 図１７（ａ）〜図１７（ｃ）は、Ｐｔ膜の膜厚が、それぞれ、０．０１５λ、０．０２５λ、０．０３５λのときのオイラー角（０°，θ，０°）におけるθとＳＨ波の比帯域との関係を示す図である。 図１８（ａ）〜図１８（ｃ）は、Ｐｔ膜の膜厚が、それぞれ、０．０５５λ、０．０６５λ、０．０７５λのときのオイラー角（０°，θ，０°）におけるθとＳＨ波の比帯域との関係を示す図である。 図１９は、Ｐｔ膜の膜厚と、レイリー波及びＳＨ波の音速との関係を示す図である。 図２０（ａ）は、実験例で作製した弾性波装置のインピーダンス特性を示す図であり、図２０（ｂ）は、その位相特性を示す図である。 図２１は、Ｗ膜の膜厚と、レイリー波及びＳＨ波の音速との関係を示す図である。 図２２は、Ｍｏ膜の膜厚と、レイリー波及びＳＨ波の音速との関係を示す図である。 図２３は、Ｔａ膜の膜厚と、レイリー波及びＳＨ波の音速との関係を示す図である。 図２４は、Ａｕ膜の膜厚と、レイリー波及びＳＨ波の音速との関係を示す図である。 図２５は、Ｃｕ膜の膜厚と、レイリー波及びＳＨ波の音速との関係を示す図である。 図２６（ａ）は、デュ−ティ比が０．５０のときのインピーダンス特性を示す図であり、図２６（ｂ）は、その位相特性を示す図である。 図２７（ａ）は、デュ−ティ比が０．６０のときのインピーダンス特性を示す図であり、図２７（ｂ）は、その位相特性を示す図である。 図２８（ａ）は、デュ−ティ比が０．７０のときのインピーダンス特性を示す図であり、図２８（ｂ）は、その位相特性を示す図である。 図２９は、ＩＤＴ電極のデュ−ティ比と高次モードの最大位相との関係を示す図である。
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。
なお、本明細書に記載の各実施形態は、例示的なものであり、異なる実施形態間において、構成の部分的な置換または組み合わせが可能であることを指摘しておく。
図１（ａ）は、本発明の一実施形態に係る弾性波装置の模式的正面断面図であり、図１（ｂ）は、その電極構造を示す模式的平面図である。図２は、本発明の一実施形態に係る弾性波装置の電極部を拡大した模式的正面断面図である。
弾性波装置１は、圧電基板２を有する。圧電基板２は、主面２ａを有する。圧電基板２は、ＬｉＮｂＯ３により構成されている。圧電基板２のオイラー角（０°±５°，θ，０°±１０°）において、θは８°以上、３２°以下の範囲内にある。従って、弾性波装置１では、高次モードによるスプリアスの発生を抑制することができる。
上記θは、３０°以下であることが好ましく、２８°以下であることがより好ましく、１２°以上、２６°以下であることがさらに好ましい。その場合には、高次モードによるスプリアスの発生をより一層抑制することができる。
圧電基板２の主面２ａ上には、ＩＤＴ電極３が設けられている。弾性波装置１は、ＩＤＴ電極３により励振される弾性波としてレイリー波を主モードとして利用している。なお、本明細書においては、図１（ｂ）に示すように、上記ＩＤＴ電極３の電極指のピッチによって定まる縦モードの基本波である弾性表面波の波長をλとしている。
より具体的に、圧電基板２上には、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３と、ＩＤＴ電極３の弾性波伝搬方向両側に配置された反射器４，５が形成されている。それによって、１ポート型弾性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ない。複数の共振子を組み合わせて、フィルタが構成されていてもよい。このようなフィルタとしては、ラダー型フィルタ、縦結合共振子型フィルタ、ラチス型フィルタ等が挙げられる。
ＩＤＴ電極３は、第１，第２のバスバーと、複数本の第１，第２の電極指とを有する。複数本の第１，第２の電極指は、弾性波伝搬方向と直交する方向に延びている。複数本の第１の電極指と、複数本の第２の電極指とは、互いに間挿し合っている。また、複数本の第１の電極指は、第１のバスバーに接続されており、複数本の第２の電極指は、第２のバスバーに接続されている。
図２に示すように、ＩＤＴ電極３は、第１及び第２の電極層３ａ，３ｂを有する。第１の電極層３ａ上に、第２の電極層３ｂが積層されている。第１の電極層３ａは、第２の電極層３ｂを構成している金属及び誘電体層６を構成している誘電体よりも密度の高い金属若しくは合金により構成されている。
第１の電極層３ａは、Ｐｔ、Ｗ、Ｍｏ、Ｔａ、Ａｕ、Ｃｕなどの金属又は合金からなる。第１の電極層３ａは、Ｐｔ又はＰｔを主成分とする合金からなることが好ましい。
第２の電極層３ｂは、Ａｌ又はＡｌを主成分とする合金からなる。電極指の抵抗を小さくし、より一層低損失とする観点から、第２の電極層３ｂは、第１の電極層３ａより抵抗率の低い金属又は合金からなることが好ましい。従って、第２の電極層３ｂは、Ａｌ又はＡｌを主成分とする合金により構成されていることが好ましい。なお、本明細書において主成分とは、５０重量％以上含まれている成分のことをいうものとする。電極指の抵抗を小さくし、より一層低損失とする観点から、第２の電極層３ｂの膜厚は、０．０１７５λ以上であることが好ましい。また、第２の電極層３ｂの膜厚は、０．２λ以下とすることが望ましい。
ＩＤＴ電極３は、第１及び第２の電極層３ａ，３ｂに加えて、さらに他の金属が積層された積層金属膜であってもよい。上記他の金属としては、特に限定されないが、Ｔｉ、ＮｉＣｒ、Ｃｒなどの金属又は合金が挙げられる。Ｔｉ、ＮｉＣｒ、Ｃｒなどからなる金属膜は、第１の電極層３ａと第２の電極層３ｂとの接合力を高める密着層であることが好ましい。
ＩＤＴ電極３を覆うように、圧電基板２の主面２ａ上に誘電体層６が設けられている。誘電体層６を構成する材料としては、特に限定されない。誘電体層６を構成する材料としては、酸化ケイ素、窒化ケイ素、酸窒化ケイ素、窒化アルミニウム、酸化タンタル、酸化チタン又はアルミナなどの適宜の材料が用いられる。周波数温度特性をより一層改善する観点から、誘電体層６を構成する材料としては、ＳｉＯ２とＳｉＮのうち少なくとも一方であることが好ましい。より好ましくは、ＳｉＯ２である。
周波数温度特性をより一層改善する観点から、誘電体層６の膜厚は、０．３０λ以上とすることが好ましい。また、誘電体層６の膜厚は、０．５０λ以下とすることが望ましい。
弾性波装置１においては、上記のように圧電基板２が、ＬｉＮｂＯ３により構成されており、圧電基板２のオイラー角（０°±５°，θ，０°±１０°）において、θが８°以上、３２°以下の範囲内にある。また、ＩＤＴ電極３が密度の高い第１の電極層３ａを下層とする積層金属膜により構成されている。さらに、ＩＤＴ電極３を覆うように誘電体層６が設けられている。従って、本発明によれば、低損失であり、周波数温度特性に優れており、かつ高次モードによるスプリアスが生じ難い弾性波装置を提供することができる。以下、この点につき、図３〜図２９を参照しつつ、より詳細に説明する。
図３は、Ｐｔ膜上にＡｌ膜を積層した積層金属膜において、Ａｌ膜の膜厚と、シート抵抗との関係を示す図である。図３より、Ａｌ膜の膜厚の増加とともに、シート抵抗が小さくなっていることがわかる。なお、シート抵抗は、Ａｌ膜の膜厚が７０ｎｍ（λ＝２．０μｍの場合は０．０３５λ、λ＝４．０μｍの場合は０．０１７５λ）のとき、０．５（Ω／ｓｑ．）であり、Ａｌ膜の膜厚が１７５ｎｍ（λ＝２．０μｍの場合は０．０８７５λ、λ＝４．０μｍの場合は０．０４３７５λ）のとき、０．２（Ω／ｓｑ．）であった。また、シート抵抗は、Ａｌ膜の膜厚が３５０ｎｍ（λ＝２．０μｍの場合は０．１７５λ、λ＝４．０μｍの場合は０．０８７５λ）のとき、０．１（Ω／ｓｑ．）であった。
このような積層金属膜を、弾性波装置１のようなデバイスに用いる場合、デバイスの損失を小さくする観点から、シート抵抗を十分に小さくすることが望ましい。具体的にシート抵抗は、好ましくは０．５（Ω／ｓｑ．）以下であり、より好ましくは０．２（Ω／ｓｑ．）以下であり、さらに好ましくは０．１（Ω／ｓｑ．）以下である。従って、上記積層金属膜におけるＡｌ膜の膜厚は、好ましくは７０ｎｍ以上であり、より好ましくは１７５ｎｍ以上であり、さらに好ましくは３５０ｎｍ以上である。なお、後述する周波数温度特性の劣化を抑制する観点から、上記積層金属膜におけるＡｌ膜の膜厚は、０．２λ以下とすることが望ましい。
図４は、第２の電極層であるＡｌ膜の膜厚と周波数温度係数（ＴＣＦ）との関係を示す図である。なお、図４は、図１及び図２に示す構造において、以下のように設計した弾性波共振子を用いたときの結果である。
圧電基板２…ＬｉＮｂＯ３基板、オイラー角（０°，３８°，０°）
第１の電極層３ａ…Ｐｔ膜、膜厚：０．０２λ
第２の電極層３ｂ…Ａｌ膜
ＩＤＴ電極３…デューティ比：０．５０
誘電体層６…ＳｉＯ２膜、膜厚Ｄ：０．３λ
弾性波…主モード：レイリー波
図４より、Ａｌ膜の膜厚が大きいほど、ＴＣＦが劣化していることがわかる。具体的に、波長λが２．０μｍ（周波数：１．８ＧＨｚ相当）のときのＡｌ膜の膜厚に対するＴＣＦの劣化量（ΔＴＣＦ）は下記の表１のようになる。また、波長λが４．０μｍ（周波数：９００ＭＨｚ相当）のときのＡｌ膜の膜厚とＴＣＦの劣化量（ΔＴＣＦ）は、下記の表２のようになる。
図５は、誘電体層である酸化ケイ素（ＳｉＯ２）膜の膜厚と周波数温度係数（ＴＣＦ）との関係を示す図である。なお、図５は、図１及び図２に示す構造において、以下のように設計した弾性波共振子を用いたときの結果である。
圧電基板２…ＬｉＮｂＯ３基板、オイラー角（０°，３８°，０°）
第１の電極層３ａ…Ｐｔ膜、膜厚：０．０２λ
第２の電極層３ｂ…Ａｌ膜：０．１０λ
ＩＤＴ電極３…デューティ比：０．５０
誘電体層６…ＳｉＯ２膜
弾性波…主モード：レイリー波
図５に示すように、ＳｉＯ２膜の膜厚Ｄを厚くするに従い、ＴＣＦが改善していることがわかる。なお、この関係から、Ａｌ膜の付加に伴うＴＣＦの劣化分を補償するために必要なＳｉＯ２膜の膜厚Ｄの増加分（ΔＳｉＯ２）を求めた。結果を下記の表１及び表２に示す。表１はλ＝２．０μｍ（周波数：１．８ＧＨｚ相当）、表２はλ＝４．０μｍ（周波数：９００ＭＨｚ相当）の場合の結果である。
Figure 0006798543
Figure 0006798543
従って、シート抵抗を改善するためにＡｌ膜を設ける場合、十分なシート抵抗値を得るためには、１０〜２０ｐｐｍ／℃程度のＴＣＦの劣化を伴う。このＴＣＦの劣化を補償するためには、ＳｉＯ２膜の膜厚Ｄを波長比で０．０５λ〜０．１０λ程度厚くする必要がある。
図６〜図９は、図ごとにＳｉＯ２膜の膜厚を変化させたときにおいて、（ａ）は、周波数と波長の積で表される音速を変化させたときのインピーダンスの大きさを示す図であり、（ｂ）はその位相特性を示す図である。なお、図６〜図９において、ＳｉＯ２膜の膜厚Ｄを波長で規格化した値は、それぞれ順に、０．２６λ、０．３０λ、０．３４λ、０．３８λである。また、図６〜図９は、図１及び図２に示す構造において、以下のように設計した弾性波共振子を用いたときの結果である。
圧電基板２…ＬｉＮｂＯ３基板、オイラー角（０°，３８°，０°）
第１の電極層３ａ…Ｐｔ膜、膜厚：０．０２λ
第２の電極層３ｂ…Ａｌ膜、膜厚：０．１０λ
ＩＤＴ電極３…デューティ比：０．５０
誘電体層６：ＳｉＯ２膜
弾性波…主モード：レイリー波
図６〜図９より、ＳｉＯ２膜の膜厚を厚くするに従い、音速４７００ｍ／ｓ付近における高次モードのスプリアスが大きくなっていることがわかる。なお、この高次モードの影響によるデバイス全体の特性の劣化を抑制するためには、高次モードの最大位相を−２５°以下にする必要がある。
図１０は、ＳｉＯ２膜の膜厚と高次モードの最大位相との関係を示す図である。なお、図１０は、図６〜図９と同じ設計の弾性波共振子を用いたときの結果である。
図１０に示すように、ＳｉＯ２の膜厚を０．３０λ以上とすると、高次モードの最大位相が−２５°より大きくなっていることがわかる。そのため、Ａｌ膜の付加によるＴＣＦの劣化を補償するために、ＳｉＯ２膜を０．３０λ以上とすると、高次モードが大きくなり帯域外特性が劣化することとなる。従って、従来、低損失、ＴＣＦの改善及び良好な帯域外特性を全て満たす弾性波共振子を得ることができなかった。
図１１〜図１５において、（ａ）は、圧電基板のオイラー角（０°，θ，０°）において、θを変化させたときのインピーダンス特性を示す図であり、（ｂ）はその位相特性を示す図である。なお、図１１〜図１５において、θは、それぞれ順に、２４°、２８°、３２°、３６°、３８°である。また、図１１〜図１５は、図１及び図２に示す構造において、以下のように設計した弾性波共振子を用いたときの結果である。電極層および誘電体層の膜厚は、波長λで規格化して示している。
圧電基板２…ＬｉＮｂＯ３基板、オイラー角（０°，θ，０°）
第１の電極層３ａ…Ｐｔ膜、膜厚：０．０２λ
第２の電極層３ｂ…Ａｌ膜、膜厚：０．１０λ
ＩＤＴ電極３…デューティ比：０．５０
誘電体層６…ＳｉＯ２膜、膜厚Ｄ：０．４０λ
弾性波…主モード：レイリー波
図１１〜図１５より、θを小さくするにつれて、高次モードのスプリアスが小さくなっていることがわかる。
また、図１６は、オイラー角（０°，θ，０°）において、θと高次モードの最大位相との関係を示す図である。なお、図１６は、図１１〜図１５と同じ設計の弾性波共振子を用いたときの結果である。図１６より、θが、８°以上、３２°以下のとき高次モードの最大位相が−２５°以下となっていることがわかる。すなわち、θが、８°以上、３２°以下のとき、ＳｉＯ２膜の膜厚が０．４０λと厚くとも、高次モードのスプリアスの発生を十分に抑制できることがわかる。好ましくは、オイラー角のθが１２°以上、２６°以下であることが望ましく、その場合には、高次モードのスプリアスをより一層抑制することができる。
このように、本願発明は、上記構成に加えて、オイラー角（０°，θ，０°）において、θを８°以上、３２°以下とすることで、低損失、ＴＣＦの改善及び良好な帯域外特性の全てを満たす弾性波共振子が得られることを本願発明者らによって見出されたものである。
もっとも、図１１〜図１５より、θを小さくするに従いメインの共振付近（音速：３７００ｍ／ｓ付近）に大きなスプリアスが発生していることがわかる。これは、主モードであるレイリー波に加えて、不要波となるＳＨ波が励振されたことによるスプリアスである。このスプリアスは、ＳＨ波の電気機械結合係数を小さくすることで抑圧することができる。
図１７（ａ）〜図１７（ｃ）及び図１８（ａ）〜図１８（ｃ）は、Ｐｔ膜の膜厚を変化させたときのオイラー角（０°，θ，０°）におけるθとＳＨ波の比帯域との関係を示す図である。なお、図１７（ａ）〜図１７（ｃ）及び図１８（ａ）〜図１８（ｃ）において、Ｐｔ膜の膜厚は、それぞれ順に０．０１５λ、０．０２５λ、０．０３５λ、０．０５５λ、０．０６５λ、０．０７５λである。また、図１７及び図１８は、図１及び図２に示す構造において、以下のように設計した弾性波共振子を用いたときの結果である。
圧電基板２…ＬｉＮｂＯ３基板、オイラー角（０°，θ，０°）
第１の電極層３ａ…Ｐｔ膜
第２の電極層３ｂ…Ａｌ膜、膜厚：０．１０λ
ＩＤＴ電極３…デューティ比：０．５０
誘電体層６…ＳｉＯ２膜、膜厚Ｄ：０．３５λ
弾性波…主モード：レイリー波
なお、比帯域（％）は、比帯域（％）＝｛（反共振周波数−共振周波数）／共振周波数｝×１００で求めた。比帯域（％）は、電気機械結合係数（Ｋ２）と比例関係にある。
図１７（ａ）〜図１７（ｃ）より、Ｐｔ膜の膜厚が０．０１５λ〜０．０３５λの範囲では、Ｐｔ膜の膜厚が厚くなるに従い、ＳＨ波の電気機械結合係数が極小値となるθが大きくなっていることがわかる。他方、図１８（ａ）より、Ｐｔ膜の膜厚が０．０５５λのとき、ＳＨ波の電気機械結合係数が極小値となるθが２７°と小さくなっていることがわかる。また、図１８（ｂ）より、Ｐｔ膜の膜厚が、０．０６５λのとき、θが２９°であることがわかる。また、図１８（ｃ）より、Ｐｔ膜の膜厚が、０．０７５λのとき、θが３０°であることがわかる。
従って、上記高次モードのスプリアスを十分に抑制できるオイラー角θを３２°以下とするためには、少なくともＰｔ膜の膜厚を０．０３５λより大きくする必要があることがわかる。
なお、Ｐｔ膜の膜厚が、０．０３５λ〜０．０５５λの間で、ＳＨ波の電気機械結合係数の極小値が大きく変化する理由については、図１９を用いて説明することができる。
図１９は、Ｐｔ膜の膜厚と、レイリー波及びＳＨ波の音速との関係を示す図である。図中、実線は主モードであるレイリー波の結果を示しており、破線は、不要波となるＳＨ波の結果を示している。なお、図１９は、図１及び図２に示す構造において、以下のよう設計した弾性波共振子を用いたときの結果である。
圧電基板２…ＬｉＮｂＯ３基板、オイラー角（０°，２８°，０°）
第１の電極層３ａ…Ｐｔ膜
第２の電極層３ｂ…Ａｌ膜、膜厚：０．１０λ
ＩＤＴ電極３…デューティ比：０．６０
誘電体層６…ＳｉＯ２膜、膜厚Ｄ：０．３５λ
弾性波…主モード：レイリー波
図１９より、Ｐｔ膜の膜厚が０．０４７λより小さいとき、レイリー波の音速＜ＳＨ波の音速であることがわかる。他方、０．０４７λ以上では、ＳＨ波の音速＜レイリー波の音速となっていることがわかる。このことから、Ｐｔの膜厚が０．０４７λのときを境に、ＳＨ波とレイリー波との音速関係が変化し、その結果ＳＨ波の電気機械結合係数が極小値となるθが低められていることがわかる。すなわち、Ｐｔの膜厚が０．０４７λ以上のとき、θを３２°以下とすることができ、かつＳＨ波の電気機械結合係数を極小にすることができる。
従って、本発明においては、第１の電極層３ａの膜厚は、ＳＨ波の音速が、レイリー波の音速より低くなるような厚みとされていることが好ましい。具体的に、第１の電極層３ａとしてＰｔ膜を用いる場合は、Ｐｔ膜の膜厚が０．０４７λ以上であることが好ましい。この場合、ＳＨ波の電気機械結合係数を小さくすることができ、通過帯域近傍（音速：３７００ｍ／ｓ付近）の不要波の発生を抑制することができる。なお、電極の合計厚みが厚くなると電極のアスペクト比が大きくなり、形成が困難になることから、Ａｌを含めた電極の合計膜厚は、０．２５以下であることが望ましい。
図２１は、Ｗ膜の膜厚と、レイリー波及びＳＨ波の音速との関係を示す図である。図中、実線は主モードであるレイリー波の結果を示しており、破線は、不要波となるＳＨ波の結果を示している。なお、図２１は、第１の電極層３ａとしてＷ膜を所定の厚みで形成したこと以外は図１９と同様にして設計した弾性波共振子を用いたときの結果である。
図２１より、Ｗ膜を用いる場合は、Ｗ膜の膜厚が０．０６２λのときを境に、レイリー波の音速とＳＨ波の音速とが逆転していることがわかる。そのため、Ｗ膜を用いる場合は、Ｗ膜の膜厚が０．０６２λ以上のとき、オイラー角θを３２°以下とすることができ、かつ電気機械結合係数を極小にすることができる。
従って、第１の電極層３ａとしてＷ膜を用いる場合は、Ｗ膜の膜厚が０．０６２λ以上であることが好ましい。この場合、ＳＨ波の電気機械結合係数を小さくすることができ、通過帯域近傍（音速：３７００ｍ／ｓ付近）の不要波の発生を抑制することができる。
図２２は、Ｍｏ膜の膜厚と、レイリー波及びＳＨ波の音速との関係を示す図である。図中、実線は主モードであるレイリー波の結果を示しており、破線は、不要波となるＳＨ波の結果を示している。なお、図２２は、第１の電極層３ａとしてＭｏ膜を所定の厚みで形成したこと以外は図１９と同様にして設計した弾性波共振子を用いたときの結果である。
図２２より、Ｍｏ膜を用いる場合は、Ｍｏ膜の膜厚が０．１４４λのときを境に、レイリー波の音速とＳＨ波の音速とが逆転していることがわかる。そのため、Ｍｏ膜を用いる場合は、Ｍｏ膜の膜厚が０．１４４λ以上のとき、オイラー角θを３２°以下とすることができ、かつ電気機械結合係数を極小にすることができる。
従って、第１の電極層３ａとしてＭｏ膜を用いる場合は、Ｍｏ膜の膜厚が０．１４４λ以上であることが好ましい。この場合、ＳＨ波の電気機械結合係数を小さくすることができ、通過帯域近傍の不要波の発生を抑制することができる。
図２３は、Ｔａ膜の膜厚と、レイリー波及びＳＨ波の音速との関係を示す図である。図中、実線は主モードであるレイリー波の結果を示しており、破線は、不要波となるＳＨ波の結果を示している。なお、図２３は、第１の電極層３ａとしてＴａ膜を所定の厚みで形成したこと以外は図１９と同様にして設計した弾性波共振子を用いたときの結果である。
図２３より、Ｔａ膜を用いる場合は、Ｔａ膜の膜厚が０．０７４λのときを境に、レイリー波の音速とＳＨ波の音速とが逆転していることがわかる。そのため、Ｔａ膜を用いる場合は、Ｔａ膜の膜厚が０．０７４λ以上のとき、オイラー角θを３２°以下とすることができ、かつ電気機械結合係数を極小にすることができる。
従って、第１の電極層３ａとしてＴａ膜を用いる場合は、Ｔａ膜の膜厚が０．０７４λ以上であることが好ましい。この場合、ＳＨ波の電気機械結合係数を小さくすることができ、通過帯域近傍の不要波の発生を抑制することができる。
図２４は、Ａｕ膜の膜厚と、レイリー波及びＳＨ波の音速との関係を示す図である。図中、実線は主モードであるレイリー波の結果を示しており、破線は、不要波となるＳＨ波の結果を示している。なお、図２４は、第１の電極層３ａとしてＡｕ膜を所定の厚みで形成したこと以外は図１９と同様にして設計した弾性波共振子を用いたときの結果である。
図２４より、Ａｕ膜を用いる場合は、Ａｕ膜の膜厚が０．０４２λのときを境に、レイリー波の音速とＳＨ波の音速とが逆転していることがわかる。そのため、Ａｕ膜を用いる場合は、Ａｕ膜の膜厚が０．０４２λ以上のとき、オイラー角θを３２°以下とすることができ、かつ電気機械結合係数を極小にすることができる。
従って、第１の電極層３ａとしてＡｕ膜を用いる場合は、Ａｕ膜の膜厚が０．０４２λ以上であることが好ましい。この場合、ＳＨ波の電気機械結合係数を小さくすることができ、通過帯域近傍の不要波の発生を抑制することができる。
図２５は、Ｃｕ膜の膜厚と、レイリー波及びＳＨ波の音速との関係を示す図である。図中、実線は主モードであるレイリー波の結果を示しており、破線は、不要波となるＳＨ波の結果を示している。なお、図２５は、第１の電極層３ａとしてＣｕ膜を所定の厚みで形成したこと以外は図１９と同様にして設計した弾性波共振子を用いたときの結果である。
図２５より、Ｃｕ膜を用いる場合は、Ｃｕ膜の膜厚が０．１３６λのときを境に、レイリー波の音速とＳＨ波の音速とが逆転していることがわかる。そのため、Ｃｕ膜を用いる場合は、Ｃｕ膜の膜厚が０．１３６λ以上のとき、オイラー角θを３２°以下とすることができ、かつ電気機械結合係数を極小にすることができる。
従って、第１の電極層３ａとしてＣｕ膜を用いる場合は、Ｃｕ膜の膜厚が０．１３６λ以上であることが好ましい。この場合、ＳＨ波の電気機械結合係数を小さくすることができ、通過帯域近傍の不要波の発生を抑制することができる。
図２６〜図２８において、（ａ）は、デュ−ティ比を変化させたときのインピーダンス特性を示す図であり、（ｂ）はその位相特性を示す図である。なお、図２６〜図２８において、デュ−ティ比は、それぞれ順に、０．５０、０．６０及び０．７０のときの結果である。また、図２６〜図２８は、図１及び図２に示す構造において、以下のように設計した弾性波共振子を用いたときの結果である。
圧電基板２…ＬｉＮｂＯ３基板、オイラー角（０°，２８°，０°）
第１の電極層３ａ…Ｐｔ膜、膜厚：０．０６λ
第２の電極層３ｂ…Ａｌ膜、膜厚：０．１０λ
誘電体層６…ＳｉＯ２膜、膜厚Ｄ：０．３２λ
弾性波…主モード：レイリー波
図２６〜図２８より、デュ−ティ比が大きいほど高次モードのスプリアスが抑制されていることがわかる。
図２９は、ＩＤＴ電極のデュ−ティ比と高次モードの最大位相との関係を示す図である。なお、図２９は、図２６〜図２８と同じ設計の弾性波共振子を用いたときの結果である。図２９より、デュ−ティ比が０．４８以上のとき、高次モードの強度が−２５°以下となっていることがわかる。また、デュ−ティ比が０．５５以上では、高次モードの強度が−６０°以下となっていることがわかる。従って、高次モードのスプリアスをより一層抑制する観点から、ＩＤＴ電極３のデューティ比は、０．４８以上であることが好ましく、０．５５以上であることがより好ましい。なお、デューティ比が大きくなると隣接する電極指間のギャップが小さくなることから、デュ−ティ比は、０．８０以下であることが望ましい。
次に、以上を踏まえて、図１及び図２に示す構造において、以下のような弾性波共振子を設計した。
圧電基板２…ＬｉＮｂＯ３基板、オイラー角（０°，２８°，０°）
第１の電極層３ａ…Ｐｔ、膜厚：０．０６λ
第２の電極層３ｂ…Ａｌ、膜厚：０．１０λ
ＩＤＴ電極３…デューティ比：０．５０
誘電体層６…ＳｉＯ２、膜厚Ｄ：０．４０λ
弾性波…主モード：レイリー波
図２０（ａ）は、上記のように設計した弾性波共振子のインピーダンス特性を示す図であり、図２０（ｂ）は、その位相特性を示す図である。
図２０（ａ）及び図２０（ｂ）より、本弾性波共振子では、高次モード及びＳＨ波のスプリアスが抑制されていることがわかる。また、本弾性波共振子は、Ａｌの厚みが十分に厚いため低損失である。さらに、本弾性波共振子では、ＴＣＦは−２０．７ｐｐｍ／℃であり、ＴＣＦも良好であった。
以上より、低損失、ＴＣＦの改善、かつ高次モードのスプリアス抑制及び通過帯域近傍の不要波の抑制の全てを満たす弾性波共振子を作製できていることが確認できた。
なお、図３〜図２９を用いた実験例は、オイラー角（０°，θ，０°）の結果を示しているが、オイラー角（０°±５°，θ，０°±１０°）の範囲において同様の結果が得られることが確認できている。
１…弾性波装置
２…圧電基板
２ａ…主面
３…ＩＤＴ電極
３ａ，３ｂ…第１，第２の電極層
４，５…反射器
６…誘電体層

Claims (8)

  1. 圧電基板と、
    前記圧電基板上に設けられたＩＤＴ電極と、
    前記ＩＤＴ電極を覆うように前記圧電基板上に設けられた誘電体層と、
    を備え、
    前記ＩＤＴ電極が、第１の電極層と、該第１の電極層上に積層された第２の電極層とを有し、前記第１の電極層が、前記第２の電極層を構成している金属及び前記誘電体層を構成している誘電体よりも密度の高い金属若しくは合金により構成されており、
    前記圧電基板が、ＬｉＮｂＯ３により構成されており、
    前記圧電基板を伝搬する弾性表面波の主モードは、レイリー波であり、
    前記圧電基板のオイラー角（０°±５°，θ，０°±１０°）において、θが８°以上、３２°以下の範囲内にあり、
    前記第２の電極層が、Ａｌ又はＡｌを主成分とする合金により構成されており、
    前記第１の電極層が、Ｐｔ、Ａｕ、Ｃｕ及びこれらの金属の合金からなる群から選択された少なくとも１種であり、
    前記第１の電極層が、Ｐｔ又はＰｔを主成分とする合金により構成されている場合には、
    前記第１の電極層の厚みが、前記ＩＤＴ電極の電極指のピッチによって定まる弾性表面波の波長をλとしたときに、０．０４７λ以上であり、
    前記ＩＤＴ電極の厚みが、０．２５λ以下であり、
    前記第１の電極層が、Ａｕ又はＡｕを主成分とする合金により構成されている場合には、
    前記第１の電極層の厚みが、０．０４２λ以上であり、
    前記ＩＤＴ電極の厚みが、０．２５λ以下であり、
    前記第１の電極層が、Ｃｕ又はＣｕを主成分とする合金により構成されている場合には、
    前記第１の電極層の厚みが、０．１３６λ以上であり、
    前記ＩＤＴ電極の厚みが、０．２５λ以下である、弾性波装置。
  2. 前記第２の電極層の厚みが、前記ＩＤＴ電極の電極指のピッチによって定まる弾性表面波の波長をλとしたときに、０．０１７５λ以上、０．２λ以下である、請求項１に記載の弾性波装置。
  3. 前記圧電基板の前記オイラー角のθが、１２°以上、２６°以下の範囲内にある、請求項１又は２に記載の弾性波装置。
  4. 前記誘電体層が、ＳｉＯ２とＳｉＮのうち少なくとも一方の前記誘電体により構成されている、請求項１〜３のいずれか１項に記載の弾性波装置。
  5. 前記誘電体層が、ＳｉＯ２により構成されている、請求項４に記載の弾性波装置。
  6. 前記誘電体層の膜厚が、前記ＩＤＴ電極の電極指のピッチによって定まる弾性表面波の波長をλとしたときに、０．３０λ以上、０．５０λ以下である、請求項５に記載の弾性波装置。
  7. 前記ＩＤＴ電極のデュ−ティ比が、０．４８以上、０．８０以下である、請求項１〜６のいずれか１項に記載の弾性波装置。
  8. 前記ＩＤＴ電極のデュ−ティ比が、０．５５以上、０．８０以下である、請求項１〜７のいずれか１項に記載の弾性波装置。
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