JPWO2018151146A1 - 弾性波素子およびその製造方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】小型化が可能で、比較的容易に作製することができ、有害物質を用いることなく実用化可能で、弾性表面波の伝搬損失を抑えることができ、周波数温度特性および速度分散特性に優れ、すだれ状電極の反射係数の増加を抑制可能な、弾性波素子およびその製造方法を提供する。【解決手段】圧電基板１１の両面に設けられた１対の電極１２と、圧電基板１１の一方の表面１１ａに、電極１２を覆うよう設けられた誘電体膜１３とを有している。あるいは、圧電基板１１の一方の表面１１ａに設けられたすだれ状電極３１と、すだれ状電極３１の上、すだれ状電極３１の隙間、および／または、圧電基板１１の他方の表面１１ｂに設けられた誘電体膜１３とを有している。誘電体膜１３は、伝搬する横波の音速が、圧電基板１１を伝搬する遅い横波の音速の２／３倍以下であり、弾性表面波速度が１０１０ｍ／ｓ以上である。【選択図】図１

Description

本発明は、弾性波素子およびその製造方法に関する。
従来の薄膜を用いた弾性表面波素子として、圧電基板の裏面に、音響インピーダンスの異なる薄膜層を配置することにより、圧電基板の厚み方向に漏洩する弾性表面波を反射させて、Ｑ値（尖鋭度）の劣化を抑制するものがある（例えば、特許文献１参照）。また、保護膜として、圧電基板表面に、圧電基板とほぼ同じ横波速度を有する、ＳｉＯ２膜などの誘電体薄膜を設け、表面波素子の表面を保護するものもある（例えば、特許文献２参照）。
また、疑似弾性表面波が伝搬する圧電基板の表面に、すだれ状電極（インターデジタルトランスジューサ、IDT）として、圧電基板よりも遅い横波速度を有するＡｕ薄膜を用いた弾性表面波素子も、本発明者により開発されている（例えば、非特許文献１参照）。また、弾性表面波が伝搬する基板上に設けられたすだれ状電極の導体電極上あるいは導体電極間に、グレーティング構造からなり、弾性表面波の伝搬速度が１０００ｍ／ｓ以下の超低速薄膜、あるいは、ＴｅＯ２薄膜を付着させて、反射係数を変化させた弾性表面波素子も、本発明者により開発されている（例えば、特許文献３参照）。また、圧電基板上に配置されたすだれ状電極上に、質量付加効果の大きな誘電体膜を付着させた弾性波素子が提案されている（例えば、特許文献４参照）。また、回転Ｙ−Ｘ伝搬のＬｉＮｂＯ３基板に、Ａｇなどの金属膜、或いはゲルマニュウム酸ビスマスなどの伝搬速度の遅い薄膜を付着させた構造の基板が提案されている。（例えば、特許文献５参照）。
従来、周波数温度特性（Temperature Coefficient of Frequency; TCF）の良好な圧電基板を用いた振動子や共振器として、水晶振動子が一般的に用いられている。しかし、水晶は、電気機械結合係数が小さく、広帯域のフィルタや、広い周波数範囲を必要とする可変周波数発信器などには使用することができない。また、電気結合機械係数の大きなLiNbO3やLiTaO3などの圧電体単結晶は、周波数温度特性が大きいため実用的ではない。そこで、この大きな温度特性を補償するために、正の周波数温度特性を有する大きな膜厚比（Ｈ／λｅｆｆ、ここで、λｅｆｆは動作波長、Ｈは膜厚）のSiO2膜を、圧電基板上に付着させた弾性表面波基板が、本発明者により開発されている（例えば、特許文献６参照）。また、圧電薄膜を用いた薄膜共振器でも、ゼロTCFを得るために、SiO2薄膜を付着した基板が開発されている。また、１２８°回転ＹカットＸ伝搬の弾性表面波基板の伝搬路上に、正の周波数温度特性を有するTeO２薄膜を付着させることにより、遅延時間温度特性を改善した弾性表面波デバイスが開発されている（例えば、非特許文献２参照）。
特開２００７−２２８０１１号公報 特開２０１１−１３０５１３号公報 特開２００７−２９５５０４号公報 国際公開ＷＯ２０１２／１０２１３１号 特開昭５９−１５６０１３号公報 特開２００６−２０３８３９号公報
しかしながら、特許文献１に記載の弾性波素子は、薄膜層として、圧電体基板の縦波速度の３倍以上のダイヤモンド薄膜を基板裏面に用いているため、圧電体基板の厚さを制御するのが困難であり、弾性表面波の伝搬損失が小さくならない、スプリアス特性が悪いという課題があった。また、特許文献２に記載の弾性波素子は、誘電体薄膜から成る保護膜の横波速度が、圧電基板の横波速度とほぼ同じであるため、保護膜が弾性波エネルギーを表面に集中させる膜ではない、周波数温度特性の改善を目的とした膜ではない、という課題があった。
また、非特許文献１に記載の弾性表面波素子は、−１０°〜５０°回転ＹカットＸ伝搬のＬｉＴａＯ３基板上に、厚い膜厚のＡｕ膜を用いて、疑似弾性表面波を、基板の遅い横波速度より遅い速度で伝搬する弾性表面波とすることにより、伝搬減衰が零の基板を得るものであるが、すだれ状電極の膜厚が大きくなるため、弾性表面波の伝搬損失が増加する、すだれ状電極の反射係数が大きくなる、周波数温度特性の改善を目的とした膜ではない、という課題があった。また、特許文献３に記載の弾性表面波素子は、反射を制御する構造であるが、伝搬損失が大きいことや、ＴｅＯ２薄膜を用いる場合には、ＴｅＯ２が有害物質であることから、実用化が困難であるという課題があった。また、特許文献４に記載の弾性波素子では、誘電体膜は、質量付加効果を大きくし、電気機械結合係数を大きくするためのものであり、周波数温度特性や速度分散特性を改善するものではないという課題があった。また、特許文献５に記載の弾性表面波素子では、誘電体膜は導波路構造の膜であり、すだれ状電極上に付着した構造ではない、弾性表面波共振器構造ではない、また周波数温度特性の改善を目的とした薄膜ではない、などの課題があった。
また、特許文献６に記載の弾性表面波基板では、圧電基板上に付着した正の周波数温度特性をもつＳｉＯ２膜により周波数温度特性を改善するためには、ＳｉＯ２膜の膜厚を大きくする必要があり、伝搬損失が増大し、作製も困難であるという課題があった。また、非特許文献２に記載の弾性表面波デバイスでは、TeO２薄膜がすだれ状電極上に付着した構造ではない、弾性表面波共振器構造ではない、正の周波数温度特性を有するＴｅＯ２薄膜を作製するのが困難であることや、ＴｅＯ２が有害物質であることから、実用化が困難であるという課題があった。
本発明は、このような課題に着目してなされたもので、弾性波基板の大きな速度分散特性を用いて周波数温度特性を改善する、全く新しい着想に基づく発明であり、小型化が可能で、比較的容易に作製することができ、有害物質を用いることなく実用化可能で、弾性表面波の伝搬損失を抑えることができ、周波数温度特性および速度分散特性に優れ、すだれ状電極の反射係数の増加を抑制可能な、弾性波素子およびその製造方法を提供することを目的とする。
上記目的を達成するために、本発明に係る弾性波素子は、圧電基板と、前記圧電基板の両面にそれぞれ設けられた１対の電極と、前記圧電基板の少なくともいずれか一方の表面に、その表面に設けられた電極を覆うよう設けられた誘電体膜とを有し、前記誘電体膜は、伝搬する横波の音速が、前記圧電基板を伝搬する遅い横波の音速の２／３倍以下であり、かつ弾性表面波速度が１０１０ｍ／ｓ以上であることを特徴とする。この場合、弾性波が前記圧電基板の各表面に対して垂直方向に伝搬し、周波数温度特性が、−２０ｐｐｍ／℃から＋５ｐｐｍ／℃の範囲であることが好ましい。また、各電極は、伝搬する横波の音速が、前記圧電基板を伝搬する遅い横波の音速の２／３倍以下であり、かつ弾性表面波速度が１０１０ｍ／ｓ以上であってもよい。
また、本発明に係る弾性波素子は、圧電基板と、前記圧電基板の一方の表面に設けられたすだれ状電極と、前記すだれ状電極上、前記すだれ状電極の隙間の前記圧電基板の一方の表面、および／または、前記圧電基板の他方の表面に設けられた誘電体膜とを有し、前記誘電体膜は、伝搬する横波の音速が、前記圧電基板を伝搬する遅い横波の音速の２／３倍以下であり、かつ弾性表面波速度が１０１０ｍ／ｓ以上であってもよい。この場合、弾性波が前記圧電基板の各表面に沿って、および／または、前記圧電基板の各表面に対して垂直方向に伝搬し、周波数温度特性が、−２０ｐｐｍ／℃から＋５ｐｐｍ／℃の範囲であることが好ましい。また、前記すだれ状電極は、伝搬する横波の音速が、前記圧電基板を伝搬する遅い横波の音速の２／３倍以下であり、かつ弾性表面波速度が１０１０ｍ／ｓ以上であってもよい。
本発明に係る弾性波素子は、例えば、弾性波振動子、弾性波共振器、バルク波共振器、圧電薄膜共振器、弾性表面波振動子、弾性表面波共振器、弾性波フィルタ素子、弾性表面波フィルタ素子、温度特性に優れた共振器、遅延線、温度補償を必要としない高感度センサーなどを構成することができる。圧電基板は、圧電体単結晶基板、圧電性セラミックス基板、支持基板上に圧電体単結晶を貼り付けた構造の基板、または、支持基板上に付着した圧電性薄膜構造の基板から成っていても良い。また、使用する弾性波は、レイリー波、縦波、横波、縦波を主成分とする疑似縦波、横波を主成分とする疑似横波、圧電基板の遅い横波より遅い伝搬速度の弾性表面波、ラブ波、ラム波、圧電基板の遅い横波より速い伝搬速度の擬似弾性表面波、または、圧電基板の速い横波速度より速い伝搬速度の疑似弾性縦波表面波である。
本発明に係る弾性波素子は、少なくとも誘電体膜の横波の音速が、圧電基板を伝搬する遅い横波の音速の２／３倍以下であるため、弾性表面波用の素子として構成されるときには、圧電基板中に漏洩する弾性波のエネルギー放射がゼロとなる弾性表面波とすると共に、速度分散性の大きな基板とすることができる。また、疑似弾性表面波の伝搬減衰が零となる回転角を得て、速度分散性の大きな基板を得ることができる。また、周波数温度特性を零の値に近づけることができる。また、素子の小型化が可能である。これにより、弾性表面波を使用する場合には、その伝搬損失を抑えて、圧電基板の表面に弾性表面波のエネルギーを集中させることができ、Ｑ値および速度分散性を大きくすることができる。また、電極や誘電体膜の厚みを薄くすることができるため、製作が容易、かつ小型化が可能である。
本発明に係る弾性波素子は、誘電体膜により、すだれ状電極の反射係数の増加を抑制することもできる。また、薄い誘電体膜で、伝搬損失の小さい、大きな反射係数を得ることもできる。また、各電極やすだれ状電極、誘電体膜を用いて大きな速度分散性を得るとともに、それらを周波数温度特性が負の値を有する圧電基板に設けることにより、周波数温度特性を零に近い値または正の値に改善することができ、優れた周波数温度特性を得ることができる。また、すだれ状電極および誘電体膜の速度分散特性を利用することにより、広い帯域幅および低損失特性を有するフィルタを構成することができると共に、そのフィルタの分散特性を制御することもできる。本発明に係る弾性波素子は、誘電体膜として、ＴｅＯ２などの有害物質を用いる必要がなく、安全性の高い他の材料を用いて実用化することができる。
本発明に係る弾性波素子は、前記圧電基板を伝搬する弾性波の波長をλｅｆｆ、各電極または前記すだれ状電極の厚みをｈ、前記誘電体膜の膜厚をＨとすると、ｈ／λｅｆｆ＝０．００５〜０．３、Ｈ／λｅｆｆ＝０．０１〜０．３であってもよい。この場合、特に、速度分散性が大きくなるため、周波数温度特性をさらに改善することができる。このため、より優れた周波数温度特性および速度分散特性を得ることができる。
本発明に係る弾性波素子で、前記圧電基板は、３３°〜３９°回転ＹカットＸ伝搬のＬｉＮｂＯ３基板、１６１°〜１６７°回転ＹカットＸ伝搬のＬｉＮｂＯ３基板、ＬｉＮｂＯ３基板、４４°〜５０°回転ＹカットＸ伝搬のＬｉＴａＯ３基板、１６２°〜１６８°回転ＹカットＸ伝搬のＬｉＴａＯ３基板、ＬｉＴａＯ３基板、ランガサイト基板、水晶基板、ＺｎＯ基板、圧電性セラミックス基板、ＡｌＮ薄膜基板、ＺｎＯ薄膜基板、圧電性セラミックス薄膜基板、または、ＳｃＡｌＮ薄膜基板であり、前記誘電体膜は、（Ｂｉ２Ｏ３）Ｘ（ＳｉＯ２またはＧｅＯ２）（１−Ｘ）膜［ここで、Ｘ＝０．３〜１．０］、Ｂｉを含む化合物膜、ＢＳＯ膜、ＢＧＯ膜、Ｉｎ２Ｏ３膜、または、Ｉｎを含む化合物膜から成り、各電極または前記すだれ状電極は、Ａｕ、Ａｕ／Ｃｒ、Ａｇ、Ａｇ／Ｃｒ、Ｂｉ、Ｂｉ／Ｃｒ、Ｉｎ、もしくは、これらのうちの２種以上の合金、または、通常の電極またはすだれ状電極として、Ａｌ、Ｚｎ、Ｒｕ、Ｃｒ、Ｃｕ／Ｃｒ、Ｐｔ、Ｐｔ／Ｃｒ、Ｐｔ／Ｔｉ、もしくは、これらのうちの２種以上の合金から成っていてもよい。また、各電極またはすだれ状電極は、Ａｕ、Ａｕ／Ｃｒ、Ａｇ、Ａｇ／Ｃｒ、Ｂｉ、Ｂｉ／Ｃｒ、Ｉｎ、もしくは、これらのうちの２種以上の合金の上に、Ａｌ、Ｚｎ、Ｒｕ、Ｃｒ、Ｃｕ／Ｃｒ、Ｐｔ、Ｐｔ／Ｃｒ、Ｐｔ／Ｔｉ、もしくは、これらのうちの２種以上の合金から成る電極膜を有していてもよい。この場合、速度分散性をさらに大きくすることができ、より優れた周波数温度特性および速度分散特性を得ることができる。
また、本発明に係る弾性波素子で、前記圧電基板は、−１０°〜７５°回転ＹカットＸ伝搬のＬｉＮｂＯ３基板、１２０°〜１７０°回転ＹカットＸ伝搬のＬｉＮｂＯ３基板、Ｙ−Ｚ ＬｉＮｂＯ３基板、Ｘカット３５°〜４５°Ｙ伝搬のＬｉＮｂＯ３基板、Ｘカット１６０°〜１７５°Ｙ伝搬のＬｉＮｂＯ３基板、ＬｉＮｂＯ３基板、−１０°〜６０°回転ＹカットＸ伝搬のＬｉＴａＯ３基板、Ｘカット３５°〜４５°Ｙ伝搬のＬｉＴａＯ３基板、ＬｉＴａＯ３基板、ランガサイト基板、水晶基板、ＺｎＯ基板、圧電性セラミックス基板、ＡｌＮ薄膜基板、ＺｎＯ薄膜基板、圧電性セラミックス薄膜基板、または、ＳｃＡｌＮ薄膜基板であり、前記誘電体膜は、前記すだれ状電極上に設けられ、（Ｂｉ２Ｏ３）Ｘ（ＳｉＯ２またはＧｅＯ２）（１−Ｘ）膜［ここで、Ｘ＝０．３〜１．０］、Ｂｉを含む化合物膜、ＢＳＯ膜、ＢＧＯ膜、Ｉｎ２Ｏ３膜、または、Ｉｎを含む化合物膜から成り、前記すだれ状電極は、Ａｕ、Ａｕ／Ｃｒ、Ａｇ、Ａｇ／Ｃｒ、Ｂｉ、Ｂｉ／Ｃｒ、Ｉｎ、もしくは、これらのうちの２種以上の合金、または、Ａｌ、Ｚｎ、Ｒｕ、Ｃｒ、Ｃｕ／Ｃｒ、Ｐｔ、Ｐｔ／Ｃｒ、Ｐｔ／Ｔｉ、もしくは、これらのうちの２種以上の合金から成っていてもよい。また、すだれ状電極は、Ａｕ、Ａｕ／Ｃｒ、Ａｇ、Ａｇ／Ｃｒ、Ｂｉ、Ｂｉ／Ｃｒ、Ｉｎ、もしくは、これらのうちの２種以上の合金の上に、Ａｌ、Ｚｎ、Ｒｕ、Ｃｒ、Ｃｕ／Ｃｒ、Ｐｔ、Ｐｔ／Ｃｒ、Ｐｔ／Ｔｉ、もしくは、これらのうちの２種以上の合金から成る電極膜を有していてもよい。この場合にも、速度分散性をさらに大きくすることができ、より優れた周波数温度特性および速度分散特性を得ることができる。
本発明に係る弾性波素子は、各電極または前記すだれ状電極が設けられた前記圧電基板と、前記誘電体膜との間にＳｉＯ２膜もしくは温度補償用誘電体膜を有していてもよく、また、前記誘電体膜の上にＳｉＯ２膜を有していてもよい。この場合、非常に薄い膜厚のＳｉＯ２膜もしくは温度補償用誘電体膜を用いることにより、優れた温度特性が得られる。ＳｉＯ２膜は、例えば、その膜厚をＨ、圧電基板を伝搬する弾性波の波長をλｅｆｆとすると、Ｈ／λｅｆｆ＝０．００５〜０．１５である。温度補償用誘電体膜は、温度補償可能なものであればいかなる材質から成っていてもよく、例えば、ＳｉＯＦ、ランガサイト系薄膜、不純物を含むＳｉＯ２等から成っている。
本発明に係る弾性波素子で、各電極または前記すだれ状電極は、Ａｕ、Ａｕ／Ｃｒ、Ａｇ、Ａｇ／Ｃｒ、Ｂｉ、Ｂｉ／Ｃｒ、Ｉｎ、もしくは、これらのうちの２種以上の合金から成る、または、Ａｌ、Ｚｎ、Ｒｕ、Ｃｒ、Ｃｕ、Ｃｕ／Ｃｒ、Ｐｔ、Ｐｔ／Ｔｉ、もしくは、これらのうちの２種以上の合金から成る、または、Ａｕ、Ａｕ／Ｃｒ、Ａｇ、Ａｇ／Ｃｒ、Ｂｉ、Ｂｉ／Ｃｒ、Ｉｎ、もしくは、これらのうちの２種以上の合金の上に、Ａｌ、Ｚｎ、Ｒｕ、Ｃｒ、Ｃｕ、Ｃｕ／Ｃｒ、Ｐｔ、Ｐｔ／Ｃｒ、Ｐｔ／Ｔｉ、もしくは、これらのうちの２種以上の合金から成る電極膜を有していてもよい。これらの場合、すだれ状電極の横波の音速が、圧電基板のものよりも非常に遅いため、速度分散性をさらに大きくすることができる。
本発明に係る弾性波素子は、圧電基板と、前記圧電基板の両面にそれぞれ設けられた１対の電極とを有し、各電極は、金属電極膜から成り、伝搬する横波の音速が、前記圧電基板を伝搬する遅い横波の音速の２／３倍以下であり、かつ弾性表面波速度が１０１０ｍ／ｓ以上であり、周波数温度特性が、−２０ｐｐｍ／℃から＋５ｐｐｍ／℃の範囲であり、前記圧電基板を伝搬する弾性波の波長をλｅｆｆ、各電極の厚みをｈとすると、ｈ／λｅｆｆ＝０．００５〜０．３であってもよい。また、本発明に係る弾性波素子は、圧電基板と、前記圧電基板の一方の表面に設けられたすだれ状電極とを有し、前記すだれ状電極は、金属電極膜から成り、伝搬する横波の音速が、前記圧電基板を伝搬する遅い横波の音速の２／３倍以下であり、かつ弾性表面波速度が１０１０ｍ／ｓ以上であり、周波数温度特性が、−２０ｐｐｍ／℃から＋５ｐｐｍ／℃の範囲であり、前記圧電基板を伝搬する弾性波の波長をλｅｆｆ、前記すだれ状電極の厚みをｈとすると、ｈ／λｅｆｆ＝０．００５〜０．３であってもよい。
この場合、金属電極膜から成る正負の各電極またはすだれ状電極の音速が、圧電基板を伝搬する遅い横波の音速の２／３倍以下であるため、弾性表面波用の素子として構成されるときには、圧電基板中に漏洩する弾性波のエネルギー放射がゼロとなる弾性表面波とすると共に、速度分散性の大きな基板とすることができる。また、疑似弾性表面波の伝搬減衰が零となる回転角と膜厚の基板を得て、速度分散性の大きな基板を得ることができる。また、素子の小型化が可能である。これにより、弾性表面波を使用する場合には、その伝搬損失を抑えて、圧電基板の表面に弾性表面波のエネルギーを集中させることができ、Ｑ値および速度分散性を大きくすることができる。このように、誘電体膜を用いなくとも、速度分散性を大きくすることができ、優れた周波数温度特性を得ることができる。また、ＴｅＯ２などの有害物質を用いる必要がなく、安全性の高い他の材料を用いて実用化することができる。
また、この場合、前記圧電基板は、３３°〜３９°回転ＹカットＸ伝搬のＬｉＮｂＯ３基板、１６１°〜１６７°回転ＹカットＸ伝搬のＬｉＮｂＯ３基板、−１０°〜７５°回転ＹカットＸ伝搬のＬｉＮｂＯ３基板、１２０°〜１７０°回転ＹカットＸ伝搬のＬｉＮｂＯ３基板、Ｙ−Ｚ ＬｉＮｂＯ３基板、Ｘカット３５°〜４５°Ｙ伝搬のＬｉＮｂＯ３基板、Ｘカット１６０°〜１７５°Ｙ伝搬のＬｉＮｂＯ３基板、ＬｉＮｂＯ３基板、−１０°〜６０°回転ＹカットＸ伝搬のＬｉＴａＯ３基板、Ｘカット３５°〜４５°Ｙ伝搬のＬｉＴａＯ３基板、４４°〜５０°回転ＹカットＸ伝搬のＬｉＴａＯ３基板、１６２°〜１６８°回転ＹカットＸ伝搬のＬｉＴａＯ３基板、ＬｉＴａＯ３基板、ランガサイト基板、水晶基板、ＺｎＯ基板、圧電性セラミックス基板、ＡｌＮ薄膜基板、ＺｎＯ薄膜基板、圧電性セラミックス薄膜基板、または、ＳｃＡｌＮ薄膜基板であり、各電極または前記すだれ状電極は、Ａｕ、Ａｕ／Ｃｒ、Ａｇ、Ａｇ／Ｃｒ、Ｂｉ、Ｂｉ／Ｃｒ、Ｉｎ、もしくは、これらのうちの２種以上の合金、または、Ａｕ、Ａｕ／Ｃｒ、Ａｇ、Ａｇ／Ｃｒ、Ｂｉ、Ｂｉ／Ｃｒ、Ｉｎ、もしくは、これらのうちの２種以上の合金の上に、Ａｌ、Ｚｎ、Ｒｕ、Ｃｒ、Ｃｕ／Ｃｒ、Ｐｔ、Ｐｔ／Ｃｒ、Ｐｔ／Ｔｉ、もしくは、これらのうちの２種以上の合金から成る電極膜を有していてもよい。これにより、より優れた周波数温度特性および速度分散特性を得ることができる。
本発明に係る弾性波素子は、前記すだれ状電極の交互に配置された電極の本数を２Ｎ＋１本、伝搬する弾性波の動作中心波長をλＮ、そのときの前記弾性波の速度をＶＮ、前記弾性波の波長がλｎ＝λＮ［１＋｛Ｎ−（ｎ−１）｝δ］のときの前記弾性波の速度をＶｎとし（ここで、ｎ＝１〜２Ｎ＋１）、Ｎδの値を０．００５〜０．３、ａｎの値を０．８〜１．２とすると、ｎ本目の電極の幅は、Ｌｎ＝Ｘｎ／２＝ａｎ（λｎ／４）×（Ｖｎ／ＶＮ）、隣り合う電極の中心間隔はＸｎ＝ａｎ（λｎ／２）×（Ｖｎ／ＶＮ）であってもよい。この場合にも、速度分散性を大きくすることができる。
本発明に係る弾性波素子の製造方法は、各電極もしくは前記すだれ状電極、および／または前記誘電体膜を、前記弾性波素子の中心動作温度より１００℃以上高い温度、または、前記弾性波素子の中心動作温度より１００℃以上低い温度で蒸着して形成することを特徴とする。
本発明に係る弾性波素子の製造方法によれば、蒸着時の温度を制御することにより、１対の電極またはすだれ状電極、および誘電体膜に歪が発生し、それぞれの弾性波速度を大きく変化させることができる。これにより、弾性波素子の周波数温度特性をさらに大きく改善することができ、優れた周波数温度特性を有する弾性波素子を製造することができる。
本発明によれば、小型化が可能で、比較的容易に作製することができ、有害物質を用いることなく実用化可能で、弾性表面波の伝搬損失を抑えることができ、周波数温度特性および速度分散特性に優れ、すだれ状電極の反射係数の増加を抑制可能な、弾性波素子およびその製造方法を提供することができる。
本発明の第１の実施の形態の弾性波素子を示す断面図である。 本発明の第１の実施の形態の弾性波素子の、支持基板を有する変形例を示す断面図である。 本発明の第１の実施の形態の弾性波素子の、多層構造の誘電体膜反射器を有する変形例を示す断面図である。 本発明の第２の実施の形態の弾性波素子を示す（Ａ）断面図、（Ｂ）誘電体膜を省略した平面図である。 本発明の第２の実施の形態の弾性波素子の、多層構造の誘電体膜反射器を有する変形例を示す断面図である。 本発明の第２の実施の形態の弾性波素子の、すだれ状電極側の圧電基板表面に誘電体膜が設けられていない変形例を示す断面図である。 本発明の第２の実施の形態の弾性波素子の、圧電基板の表面に沿って弾性表面波または擬似弾性表面波が伝搬する変形例を示す（Ａ）断面図、（Ｂ）誘電体膜を省略した平面図である。 本発明の第２の実施の形態の弾性波素子の、支持基板を有する圧電基板の表面に沿って弾性表面波または擬似弾性表面波が伝搬する変形例を示す（Ａ）断面図、（Ｂ）誘電体膜を省略した平面図である。 本発明の第２の実施の形態の弾性波素子の、すだれ状電極を挟むよう１対の反射器を設けた変形例を示す（Ａ）断面図、（Ｂ）誘電体膜を省略した平面図である。 本発明の第１または第２の実施の形態の弾性波素子の、３６°回転ＹカットＸ伝搬のＬｉＮｂＯ３基板上にＡｌ電極を設け、さらにその上にＢｉ２Ｏ３から成る誘電体膜（膜厚：Ｈ）を設けたときの、膜厚比Ｈ／λｅｆｆ（λｅｆｆは動作波長）に対する疑似弾性縦波速度（Ｖｅｆｆ）の変化を示すグラフである。 本発明の第１または第２の実施の形態の弾性波素子の、１６４°回転ＹカットＸ伝搬のＬｉＴａＯ３基板上にＡｌ電極を設け、さらにその上にＢｉ２Ｏ３から成る誘電体膜（膜厚：Ｈ）を設けたときの、膜厚比Ｈ／λｅｆｆ（λｅｆｆは動作波長）に対する疑似弾性横波速度（Ｖｅｆｆ）の変化を示すグラフである。 本発明の第１または第２の実施の形態の弾性波素子の、３６°回転ＹカットＸ伝搬のＬｉＴａＯ３基板上にＡｌ電極を設け、さらにその上にＢｉ２Ｏ３から成る誘電体膜（膜厚：Ｈ）を設けたときの、膜厚比Ｈ／λｅｆｆ（λｅｆｆは動作波長）に対する疑似弾性表面波の速度（Ｖｅｆｆ）の変化を示すグラフである。 従来の、３６°回転ＹカットＸ伝搬のＬｉＴａＯ３基板上に、Ｃｕ／Ｃｒ構造のすだれ状電極を設けた弾性波素子の、（Ａ）２０℃、（Ｂ）３５℃での共振アドミッタンス特性を示すグラフである（横軸は周波数）。 本発明の第２の実施の形態の弾性波素子の、３６°回転ＹカットＸ伝搬のＬｉＴａＯ３基板上に、Ｃｕ／Ｃｒ構造のすだれ状電極を設け、さらにその上にＢｉ２Ｏ３から成る誘電体膜を設けたときの、（Ａ）２０℃、（Ｂ）３５℃での共振アドミッタンス特性を示すグラフである（横軸は周波数）。 本発明の第３の実施の形態の弾性波素子を示す（Ａ）断面図、（Ｂ）誘電体膜を省略した平面図である。 本発明の第４の実施の形態の弾性波素子の、１対の電極を有する構成の断面図である。 本発明の第４の実施の形態の弾性波素子の、すだれ状電極を有する構成の（Ａ）断面図、（Ｂ）平面図である。 本発明の第４の実施の形態の弾性波素子の、１０°回転ＹカットＸ伝搬のＬｉＮｂＯ３基板上に、Ａｕ／Ｃｒ金属膜から成るすだれ状電極を設けた弾性波素子の、（Ａ）２０℃、（Ｂ）３０℃での共振アドミッタンス特性を示すグラフである（横軸は周波数）。 本発明の第１乃至第４の実施の形態の弾性波素子の、ＹカットＸ伝搬のＬｉＮｂＯ３基板の表面にＡｌ膜を付着し、さらにその上にＢＳＯ薄膜（膜厚：Ｈ）またはＢｉ２Ｏ３薄膜（膜厚：Ｈ）を付着したとき、および、ＹカットＸ伝搬のＬｉＮｂＯ３基板の表面にＡｕ薄膜（膜厚：ｈ）を付着したときの、Ｈ／λｅｆｆ、ｈ／λｅｆｆ（λｅｆｆは動作波長）に対する（Ａ）擬似弾性表面波の伝搬速度、（Ｂ）擬似弾性表面波の伝搬減衰、（Ｃ）圧電基板の電気機械結合係数ｋ２の変化を示すグラフである。 本発明の第１乃至第３の実施の形態の弾性波素子の、ＹカットＸ伝搬のＬｉＴａＯ３基板の表面にＡｌ膜を付着し、さらにその上にＢｉ２Ｏ３薄膜（膜厚：Ｈ）またはＢＳＯ薄膜（膜厚：Ｈ）を付着したとき、および、ＹカットＸ伝搬のＬｉＴａＯ３基板の表面にＢｉ薄膜（膜厚：ｈ）を付着し、さらにその上にＡｌ膜を付着したときの、Ｈ／λｅｆｆ、ｈ／λｅｆｆ（λｅｆｆは動作波長）に対する（Ａ）擬似弾性表面波の伝搬速度、（Ｂ）擬似弾性表面波の伝搬減衰、（Ｃ）圧電基板の電気機械結合係数ｋ２の変化を示すグラフである。 本発明の第１乃至第４の実施の形態の弾性波素子の、１２０°〜１７０°のＹカットＸ伝搬のＬｉＮｂＯ３基板の表面にＡｌ薄膜のすだれ状電極を付着し、さらにその上にＢＳＯ薄膜（膜厚：Ｈ）を付着したときの、（Ａ）回転角に対する伝搬速度、（Ｂ）Ｈ／λｅｆｆ（λｅｆｆは動作波長）に対する電気機械結合係数ｋ２、（Ｃ）回転角１５０°のときのＨ／λｅｆｆに対する伝搬速度の変化を示すグラフである。
以下、図面に基づいて、本発明の実施の形態について説明する。
［本発明の第１の実施の形態の弾性波素子の構成］
図１乃至図３は、本発明の第１の実施の形態の弾性波素子を示している。
図１に示すように、本発明の第１の実施の形態の弾性波素子１０は、圧電基板１１と１対の電極１２と誘電体膜１３とを有している。
圧電基板１１は、平板構造の基板または圧電薄膜から成っている。圧電基板１１は、３３°〜３９°回転ＹカットＸ伝搬のＬｉＮｂＯ３基板、１６１°〜１６７°回転ＹカットＸ伝搬のＬｉＮｂＯ３基板、ＬｉＮｂＯ３基板、４４°〜５０°回転ＹカットＸ伝搬のＬｉＴａＯ３基板、１６２°〜１６８°回転ＹカットＸ伝搬のＬｉＴａＯ３基板、ＬｉＴａＯ３基板、ランガサイト基板、水晶基板、ＺｎＯ基板、圧電性セラミックス基板、ＡｌＮ薄膜基板、ＺｎＯ薄膜基板、圧電性セラミックス薄膜基板、または、ＳｃＡｌＮ薄膜基板から成っている。
正負１対の電極１２は、圧電基板１１の両面１１ａ、１１ｂにそれぞれ設けられている。各電極１２は、Ａｕ、Ａｕ／Ｃｒ、Ａｇ、Ａｇ／Ｃｒ、Ｂｉ、Ｂｉ／Ｃｒ、Ｉｎ、または、これらのうちの２種以上の合金から成っている。このとき、各電極１２は、それぞれ伝搬する横波の音速が、圧電基板１１を伝搬する遅い横波の音速の２／３倍以下であり、かつ弾性表面波速度が１０１０ｍ／ｓ以上になっていてもよい。また、各電極１２は、通常の電極から成り、Ａｌ、Ｚｎ、Ｒｕ、Ｃｒ、Ｃｕ、Ｃｕ／Ｃｒ、Ｐｔ、Ｐｔ／Ｃｒ、Ｐｔ／Ｔｉ、または、これらのうちの２種以上の合金から成っていてもよい。また、各電極１２と通常の電極との組合せであってもよい。
誘電体膜１３は、圧電基板１１の一方の表面１１ａに、その表面に設けられた電極１２のみを覆うよう設けられている。誘電体膜１３は、（Ｂｉ２Ｏ３）Ｘ（ＳｉＯ２またはＧｅＯ２）（１−Ｘ）膜［ここで、Ｘ＝０．３〜１．０］、Ｂｉを含む化合物膜、ＢＳＯ膜、ＢＧＯ膜、Ｉｎ２Ｏ３膜、または、Ｉｎを含む化合物膜から成っている。
誘電体膜１３は、それぞれ伝搬する横波の音速が、圧電基板１１を伝搬する遅い横波の音速の２／３倍以下であり、かつ弾性表面波速度が１０１０ｍ／ｓ以上になっている。弾性波素子１０は、各電極１２間に電圧を印加することにより、弾性波が圧電基板１１の各表面に対して垂直方向に伝搬するようになっている。また、弾性波素子１０は、周波数温度特性が、−２０ｐｐｍ／℃から＋５ｐｐｍ／℃の範囲になっている。
弾性波素子１０は、動作共振周波数をｆ０、圧電基板１１を伝搬する弾性波の波長（動作波長）をλｅｆｆ、その弾性波の速度をＶｅｆｆ、圧電基板１１と誘電体膜１３と電極１２の全体の膜厚をＬとしたとき、ｆ０＝Ｖｅｆｆ／λｅｆｆ、および、Ｌ＝（λｅｆｆ／２）×（２Ｎ＋１）（Ｎは、０を含む整数）となる。
なお、図２に示すように、弾性波素子１０で、誘電体膜１３が、圧電基板１１の一方の表面１１ａに、その表面に設けられた電極１２、および、電極１２が設けられていない部分を覆うよう設けられており、さらに、圧電基板１１の他方の表面１１ｂの両端にそれぞれ設けられた１対の支持基板２１を有していてもよい。この場合、弾性波により、各支持基板２１の間の圧電基板１１が振動するようになっている。
また、図３に示すように、弾性波素子１０で、圧電基板１１の両面１１ａ、１１ｂに、それぞれの表面に設けられた各電極１２を覆うよう誘電体膜１３ａ、１３ｂが設けられており、圧電基板１１の他方の表面１１ｂの側に設けられた誘電体膜１３ｂが、弾性波を反射する第１反射膜２２ａおよび第２反射膜２２ｂを有する多層構造を成しており、さらに、その多層構造の誘電体膜１３ｂを覆うよう設けられた支持基板２１を有していてもよい。
［本発明の第２の実施の形態の弾性波素子の構成］
図４乃至図９は、本発明の第２の実施の形態の弾性波素子を示している。
図４に示すように、本発明の第２の実施の形態の弾性波素子３０は、圧電基板１１とすだれ状電極３１と誘電体膜１３とを有している。なお、以下の説明では、本発明の第１の実施の形態の弾性波素子１０と同一の構成には同一の符号を付して、重複する説明を省略する。
圧電基板１１は、平板構造の基板または圧電薄膜から成っている。圧電基板１１は、−１０°〜７５°回転ＹカットＸ伝搬のＬｉＮｂＯ３基板、１２０°〜１７０°回転ＹカットＸ伝搬のＬｉＮｂＯ３基板、ＬｉＮｂＯ３基板、−５°〜６０°回転ＹカットＸ伝搬のＬｉＴａＯ３基板、ＬｉＴａＯ３基板、ランガサイト基板、水晶基板、ＺｎＯ基板、ＡｌＮ薄膜基板、ＺｎＯ薄膜基板、または、ＳｃＡｌＮ薄膜基板から成っている。
すだれ状電極３１は、圧電基板１１の一方の表面１１ａに設けられている。すだれ状電極３１は、Ａｕ、Ａｕ／Ｃｒ、Ａｇ、Ａｇ／Ｃｒ、Ｂｉ、Ｂｉ／Ｃｒ、Ｉｎ、または、これらのうちの２種以上の合金から成っている。このとき、すだれ状電極３１は、それぞれ伝搬する横波の音速が、圧電基板１１を伝搬する遅い横波の音速の２／３倍以下であり、かつ弾性表面波速度が１０１０ｍ／ｓ以上になっていてもよい。また、すだれ状電極３１は、通常の電極から成り、Ａｌ、Ｚｎ、Ｒｕ、Ｃｒ、Ｃｕ、Ｃｕ／Ｃｒ、Ｐｔ、Ｐｔ／Ｃｒ、Ｐｔ／Ｔｉ、または、これらのうちの２種以上の合金から成っていてもよい。また、すだれ状電極３１と通常の電極との組合せであってもよい。
すだれ状電極３１は、正極側バスバー４１ａと負極側バスバー４２ａと複数の正電極４１ｂと複数の負電極４２ｂとを有している。正極側バスバー４１ａおよび負極側バスバー４２ａは、所定の間隔を開けて、互いに平行に並んで配置されている。各正電極４１ｂは、正極側バスバー４１ａに沿って互いに間隔をあけて、正極側バスバー４１ａから負極側バスバー４２ａに向かって垂直に伸びるよう設けられている。各負電極４２ｂは、負極側バスバー４２ａに沿って互いに間隔をあけて、負極側バスバー４２ａから正極側バスバー４１ａに向かって垂直に伸びるよう設けられている。各正電極４１ｂおよび各負電極４２ｂは、正極側バスバー４１ａおよび負極側バスバー４２ａに沿って、互いに接触しないよう、交互に等周期あるいは異なる周期で配置されている。
誘電体膜１３は、すだれ状電極３１の上、すだれ状電極３１の隙間の圧電基板１１の一方の表面１１ａ、および／または、圧電基板１１の他方の表面１１ｂに設けられている。誘電体膜１３は、それぞれ伝搬する横波の音速が、圧電基板１１を伝搬する遅い横波の音速の２／３倍以下であり、かつ弾性表面波速度が１０１０ｍ／ｓ以上になっている。弾性波素子３０は、弾性波が圧電基板１１の各表面に沿って、および、圧電基板１１の表面に対して垂直方向に伝搬するようになっている。また、弾性波素子３０は、周波数温度特性が、−２０ｐｐｍ／℃から＋５ｐｐｍ／℃の範囲になっている。
また、図５に示すように、弾性波素子３０は、圧電基板１１の他方の表面１１ｂにも、弾性波を反射する第１反射膜２２ａおよび第２反射膜２２ｂを有する多層構造の誘電体膜１３ｂが設けられており、さらに、その多層構造の誘電体膜１３ｂを覆うよう設けられた支持基板２１を有していてもよい。この場合、弾性波素子３０は、弾性波が圧電基板１１の各表面に沿って伝搬するようになっている。また、図６に示すように、弾性波素子３０は、圧電基板１１の一方の表面１１ａの側には誘電体膜１３が設けられておらず、圧電基板１１の他方の表面１１ｂにのみ誘電体膜１３が設けられ、さらに、その誘電体膜１３を覆うよう設けられた誘電体から成る反射膜４３と、その反射膜４３を覆うよう設けられた支持基板２１とを有していてもよい。反射膜４３は、横波速度が圧電基板１１よりも大きく、弾性波を反射可能になっている。この場合、弾性波素子３０は、弾性波が圧電基板１１の各表面に沿って伝搬するようになっている。
また、図７に示すように、弾性波素子３０は、誘電体膜１３が薄膜から成り、圧電基板１１の表面に沿って弾性表面波が伝搬するよう構成されていてもよい。また、図８に示すように、弾性波素子３０は、支持基板２１を有し、誘電体膜１３が薄膜から成り、圧電基板１１の表面に沿って弾性表面波または擬似弾性表面波が伝搬するよう構成されていてもよい。また、図９に示すように、弾性波素子３０は、多数本電極指から成る１対の反射器４４を有し、各反射器４４が圧電基板１１の一方の表面１１ａに、すだれ状電極３１を挟むよう設けられた共振器から成っていてもよい。誘電体膜１３は、すだれ状電極３１だけでなく、各反射器４４も覆うよう設けられている。この場合にも、圧電基板１１の表面に沿って弾性表面波が伝搬するようになっている。
［本発明の第１および第２の実施の形態の弾性波素子の作用］
次に、本発明の第１および第２の実施の形態の弾性波素子１０、３０の作用について説明する。
弾性波素子１０、３０は、例えば、弾性波振動子、弾性波共振器、バルク波共振器、圧電薄膜共振器、弾性表面波振動子、弾性表面波共振器、弾性波フィルタ素子、弾性表面波フィルタ素子、温度特性に優れた共振器、遅延線、温度補償を必要としない高感度センサーなどを構成することができる。また、使用する弾性波は、レイリー波、縦波、横波、縦波を主成分とする疑似縦波、横波を主成分とする疑似横波、圧電基板の遅い横波速度より遅い伝搬速度の弾性表面波、ラブ波、ラム波、圧電基板の遅い横波より速い伝搬速度の擬似弾性表面波、または、圧電基板の速い横波速度より速い伝搬速度の疑似弾性縦波表面波である。
弾性波素子１０、３０は、少なくとも誘電体膜１３の横波の音速が、圧電基板１１を伝搬する遅い横波の音速の２／３倍以下であるため、弾性表面波用の素子として構成されるときには、圧電基板１１中に漏洩する弾性波のエネルギー放射がゼロとなる弾性表面波とすると共に、速度分散性の大きな基板とすることができる。また、疑似弾性表面波の伝搬減衰が零となる回転角を得て、速度分散性の大きな基板を得ることができる。また、素子の小型化が可能である。これにより、弾性表面波を使用する場合には、その伝搬損失を抑えて、圧電基板１１の表面に弾性表面波のエネルギーを集中させることができ、Ｑ値および速度分散性を大きくすることができる。また、電極１２や誘電体膜１３の厚みを薄くすることができるため、製作が容易、かつ小型化が可能である。
また、弾性波素子１０、３０は、誘電体膜１３を設けることにより、中心周波数の調整および温度補償を行うことができる。これにより、例えば、すだれ状電極３１を１対有する場合に、中心周波数が高い方のすだれ状電極３１の上に誘電体膜１３を設けて、中心周波数の調整を行うことにより、各すだれ状電極３１で励振または受信する弾性表面波の中心周波数が等しくなるようにすることができる。また、この方法により、フィルタの周波数調整を行うことができる。
また、弾性波素子１０、３０は、各電極１２またはすだれ状電極３１が設けられた圧電基板１１と、誘電体膜１３との間にＳｉＯ２膜もしくは温度補償用誘電体膜を有していてもよく、また、誘電体膜１３の上にＳｉＯ２膜を有していてもよい。この場合、非常に薄い膜厚のＳｉＯ２膜もしくは温度補償用誘電体膜を用いることにより、優れた温度特性が得られる。ＳｉＯ２膜は、例えば、その膜厚をＨ、圧電基板を伝搬する弾性波の波長をλｅｆｆとすると、Ｈ／λｅｆｆ＝０．００５〜０．１５である。温度補償用誘電体膜は、例えば、ＳｉＯＦ、ランガサイト系薄膜、不純物を含むＳｉＯ２等である。
［周波数温度特性（ＴＣＦ）］
弾性波素子１０、３０の周波数温度特性（ＴＣＦ）は、
ＴＣＦ＝ＴＣＶ−α （１）
で与えられる。ここで、ＴＣＶは速度温度係数、αは伝搬方向の線膨張係数である。ＴＣＶは、温度ｔ１のときの速度をＶｔ１、温度ｔ２のときの速度をＶｔ２としたとき、
ＴＣＶ＝［（Ｖｔ１−Ｖｔ２）／Ｖｔ１］／（ｔ１−ｔ２） （２）
で与えられる。
一般に、多くの物質は、温度の上昇と共に伸びるため、αは正の値となる。また、温度の上昇と共に、物質は柔らかくなるため、ＴＣＶは負の値となる。弾性波素子１０、３０で用いられるＬｉＮｂＯ３単結晶基板のＴＣＦは、−５０ｐｐｍ／℃から−１００ｐｐｍ／℃の範囲であり、ＬｉＴａＯ３単結晶基板のＴＣＦは、−２５ｐｐｍ／℃から−５０ｐｐｍ／℃の範囲である。そこで、従来、ゼロＴＣＦを得るために、正の周波数温度特性を有するＳｉＯ２薄膜が用いられている。
図１に示す構造で、３６°回転ＹカットＸ伝搬のＬｉＮｂＯ３圧電基板１１の両面１１ａ、１１ｂに、１対の電極１２としてＡｌ膜（膜厚：ｈ）を、膜厚比ｈ／λｅｆｆ＝０．０１（ここで、λｅｆｆは動作波長）で設けた疑似弾性縦波共振器上に、Ｂｉ２Ｏ３から成る誘電体膜１３（膜厚：Ｈ）を設けたときの、膜厚比Ｈ／λｅｆｆに対する疑似弾性縦波速度（Ｖｅｆｆ）をシミュレーションにより求め、図１０に示す。図１０に示すように、膜厚比Ｈ／λｅｆｆが減少するにつれて、疑似弾性縦波速度（Ｖｅｆｆ）が大きく増加しており、大きな負の速度分散性を示すことが確認された。
また、同様に、１６４°回転ＹカットＸ伝搬のＬｉＴａＯ３圧電基板１１の両面１１ａ、１１ｂに、それぞれ１対の電極１２としてＡｌ膜（膜厚：ｈ）を、膜厚比ｈ／λｅｆｆ＝０．０１で設けた疑似弾性横波共振器上に、Ｂｉ２Ｏ３から成る誘電体膜１３（膜厚：Ｈ）を設けたときの、膜厚比Ｈ／λｅｆｆに対する疑似弾性横波速度（Ｖｅｆｆ）をシミュレーションにより求め、図１１に示す。図１１に示すように、大きな負の速度分散性を示すことが確認された。
また、半無限平面の３６°回転ＹカットＸ伝搬のＬｉＴａＯ３基板（圧電基板１１）の表面１１ａに、すだれ状電極３１としてＡｌ膜（膜厚：ｈ）を、膜厚比ｈ／λｅｆｆ＝０．０１で設けた疑似弾性表面波共振器上に、Ｂｉ２Ｏ３から成る誘電体膜１３（膜厚：Ｈ）を設けたときの、膜厚比Ｈ／λｅｆｆに対する疑似弾性表面波速度（Ｖｅｆｆ）をシミュレーションにより求め、図１２に示す。図１２に示すように、大きな負の速度分散性を示すことが確認された。
このような大きな負の速度分散性は、誘電体膜１３を伝搬する横波の音速が、圧電基板１１を伝搬する遅い横波の音速の２／３倍以下であることによるものと考えられる。また、各電極１２またはすだれ状電極３１の厚みをｈとすると、各電極１２またはすだれ状電極３１に対しても同様に、大きな負の速度分散性を示すことが確認された。
図１〜図９、図１５〜図１７に対応する共振器、変換器では、圧電基板１１、各電極１２、すだれ状電極３１、および誘電体膜１３のＴＣＦは、それぞれ単独では、αが正の値、ＴＣＶが負の値であり、全体でも負のＴＣＦしか得られない。弾性波素子の構造は、誘電体膜１３、各電極１２、すだれ状電極３１の膜厚が、圧電基板１１の、支持基板２１の厚さより非常に薄いため、圧電基板１１、支持基板２１の伝搬方向および面内方向の線膨張係数の値に引きずられて、誘電体膜１３、各電極１２、すだれ状電極３１は、温度の変化により熱歪を生じる。圧電基板１１あるいは支持基板２１の伝搬方向の線膨張係数が正の値のときは、温度の増加に対して、λｅｆｆは、正の線膨張係数の大きさに従って増加する。従って、λｅｆｆの増加と誘電体膜１３、各電極１２、すだれ状電極３１の熱歪により、Ｈ／λｅｆｆ、ｈ／λｅｆｆの値は減少する。このとき、図１０〜図１２、図１９〜図２１のグラフから、Ｖの値が増加し、速度分散によるＴＣＶが正の値となり、（２）式のＴＣＶが増加して正の値に近づくことになる。このため、誘電体膜１３、各電極１２、すだれ状電極３１を設けることにより、誘電体膜１３、各電極１２またはすだれ状電極３１の膜厚が小さくとも、周波数温度特性が大きく改善される。このように、弾性波素子１０、３０では、圧電基板１１、支持基板２１、各電極１２またはすだれ状電極３１、および誘電体膜１３の周波数温度特性が負の値であっても、速度分散性と熱歪とを考慮することにより、ゼロに近い周波数温度特性が得られる。
なお、各電極１２やすだれ状電極３１、誘電体膜１３を蒸着する時の温度を変えることにより、誘電体膜１３中の歪を大きくすることができるため、周波数温度特性の改善効果がさらに大きくなると考えられる。このときの蒸着温度としては、例えば、弾性波素子１０、３０の中心動作温度より１００℃以上高い温度、または、弾性波素子１０、３０の中心動作温度より１００℃以上低い温度であることが好ましい。
３６°回転ＹカットＸ伝搬のＬｉＴａＯ３基板（圧電基板１１）上に、Ｃｕ／Ｃｒ構造のすだれ状電極３１を設けた従来の弾性波素子を作製し、２０℃および３５℃での共振アドミッタンス特性を調べた結果を、それぞれ図１３（Ａ）および（Ｂ）に示す。また、３６°回転ＹカットＸ伝搬のＬｉＴａＯ３基板（圧電基板１１）上に、Ｃｕ／Ｃｒ構造のすだれ状電極３１を設け、さらにその上にＢｉ２Ｏ３から成る誘電体膜１３を設けた弾性波素子３０を作製し、２０℃および３５℃での共振アドミッタンス特性を調べた結果を、それぞれ図１４（Ａ）および（Ｂ）に示す。
図１３に示す共振アドミッタンス特性の各温度でのピーク位置から、周波数温度特性ＴＣＦを求めると、ＴＣＦ＝−２５ｐｐｍ／℃となる。このことから、誘電体膜１３を有さず、大きな分散性が得られない弾性波素子では、圧電基板１１のＴＣＦとほぼ等しい値しか得られないことが確認された。これに対し、図１４から周波数温度特性ＴＣＦを求めると、ＴＣＦ＝−５ｐｐｍ／℃となり、誘電体膜１３を設けることにより、周波数温度特性が＋２０ｐｐｍ／℃改善することが確認された。なお、図１２に、図１３、図１４の弾性波素子３０から得られた速度の結果を、×印で示す。図１２に示すように、理論値と良く一致していることが確認された。
［本発明の第３の実施の形態の弾性波素子の構成］
図１５は、本発明の第３の実施の形態の弾性波素子を示している。
図１５に示すように、本発明の第３の実施の形態の弾性波素子５０は、圧電基板１１とすだれ状電極３１と誘電体膜１３とを有している。なお、以下の説明では、本発明の第１および第２の実施の形態の弾性波素子１０、３０と同一の構成には同一の符号を付して、重複する説明を省略する。
すだれ状電極３１は、分散型のものである。弾性波素子５０は、すだれ状電極３１の交互に配置された正電極４１ｂと負電極４２ｂの本数を２Ｎ＋１本、伝搬する弾性波の動作中心波長をλＮ、そのときの弾性波の速度をＶＮ、弾性波の波長がλｎ＝λＮ［１＋｛Ｎ−（ｎ−１）｝δ］のときの弾性波の速度をＶｎとし（ここで、ｎ＝１〜２Ｎ＋１）、Ｎδの値を０．００５〜０．３、ａｎの値を０．８〜１．２とすると、ｎ本目の電極の幅は、Ｌｎ＝Ｘｎ／２＝ａｎ（λｎ／４）×（Ｖｎ／ＶＮ）、隣り合う電極の中心間の間隔はＸｎ＝ａｎ（λｎ／２）×（Ｖｎ／ＶＮ）であってもよい。この場合、広帯域の弾性波変換器、弾性表面波変換器を得ることができる。
［本発明の第４の実施の形態の弾性波素子の構成］
図１６および図１７は、本発明の第４の実施の形態の弾性波素子を示している。
図１６および図１７に示すように、本発明の第４の実施の形態の弾性波素子７０は、圧電基板１１と、１対の電極１２またはすだれ状電極３１とを有している。なお、以下の説明では、本発明の第１および第２の実施の形態の弾性波素子１０、３０と同一の構成には同一の符号を付して、重複する説明を省略する。
図１６に示す形態では、１対の電極１２は、金属電極膜から成り、圧電基板１１の両面１１ａ、１１ｂにそれぞれ設けられている。各電極１２は、Ａｕ、Ａｕ／Ｃｒ、Ａｇ、Ａｇ／Ｃｒ、Ｂｉ、Ｂｉ／Ｃｒ、Ｉｎ、Ｐｂ、Ｐｂ／Ｃｒ、または、これらのうちの２種以上の合金から成っている。また、各電極１２は、伝搬する横波の音速が、圧電基板１１を伝搬する遅い横波の音速の２／３倍以下であり、かつ弾性表面波速度が１０１０ｍ／ｓ以上になっている。弾性波素子７０は、圧電基板１１を伝搬する弾性波の波長をλｅｆｆ、各電極１２の厚みをｈとすると、ｈ／λｅｆｆ＝０．００５〜０．３になっている。なお、各電極１２は、金属電極膜と通常の電極と組み合わせた電極であってもよい。
また、図１７に示す形態では、圧電基板１１は平行平板構造であり、すだれ状電極３１は、金属電極膜から成り、圧電基板１１の一方の表面１１ａに設けられている。または、圧電基板１１は半無限平面構造であり、すだれ状電極３１は、金属電極膜から成り、圧電基板１１の表面１１ａに設けられている。すだれ状電極３１は、Ａｕ、Ａｕ／Ｃｒ、Ａｇ、Ａｇ／Ｃｒ、Ｂｉ、Ｂｉ／Ｃｒ、Ｉｎ、または、これらのうちの２種以上の合金から成っている。また、すだれ状電極３１は、伝搬する横波の音速が、圧電基板１１を伝搬する遅い横波の音速の２／３倍以下であり、かつ弾性表面波速度が１０１０ｍ／ｓ以上になっている。弾性波素子７０は、圧電基板１１を伝搬する弾性波の波長をλｅｆｆ、すだれ状電極３１の厚みをｈとすると、ｈ／λｅｆｆ＝０．００５〜０．３になっている。なお、すだれ状電極３１は、金属電極膜と通常の電極と組み合わせた電極であってもよい
次に、作用について説明する。
弾性波素子７０は、金属電極膜から成る各電極１２またはすだれ状電極３１の横波の音速が、圧電基板１１を伝搬する遅い横波の音速の２／３倍以下であるため、弾性表面波用の素子として構成されるときには、圧電基板１１中に漏洩する弾性波のエネルギー放射がゼロとなる弾性表面波とすると共に、速度分散性の大きな基板とすることができる。また、疑似弾性表面波の伝搬減衰が零となる回転角を得て、速度分散性の大きな基板を得ることができる。また、素子の小型化が可能である。これにより、弾性表面波を使用する場合、あるいは、伝搬減衰が零の擬似弾性表面波を用いる場合には、その伝搬損失を抑えて、圧電基板１１の表面に弾性表面波のエネルギーを集中させることができ、Ｑ値および速度分散性を大きくすることができる。このように、誘電体膜を用いなくとも、速度分散性を大きくすることができ、優れた周波数温度特性を得ることができる。また、ＴｅＯ２などの有害物質を用いる必要がなく、安全性の高い他の材料を用いて実用化することができる。
なお、弾性波素子７０は、圧電基板１１の他方の表面１１ｂの両端にそれぞれ設けられた１対の支持基板を有していてもよい。これは、例えば、図２から誘電体膜１３を取り除いた構造に対応しており、弾性波により、各支持基板の間の圧電基板１１が振動するようになっている。また、弾性波素子７０は、圧電基板１１の他方の表面１１ｂの電極１２を覆うよう設けられた、弾性波を反射する第１反射膜および第２反射膜を有する多層構造から成る誘電体と、その多層構造の誘電体を覆うよう設けられた支持基板を有していてもよい。これは、例えば、図３から誘電体膜１３ａ、１３ｂを取り除いた構造に対応している。
また、弾性波素子７０は、圧電基板１１の他方の表面１１ｂを覆うよう設けられた、弾性波を反射する第１反射膜および第２反射膜を有する多層構造の誘電体と、その多層構造の誘電体を覆うよう設けられた支持基板とを有していてもよい。これは、例えば、図５から誘電体膜１３ａを取り除いた構造に対応しており、弾性波が圧電基板１１の各表面に沿って伝搬するようになっている。また、弾性波素子７０は、圧電基板１１の他方の表面１１ｂを覆うよう設けられた、誘電体から成る反射膜と、その反射膜を覆うよう設けられた支持基板とを有していてもよい。反射膜は、横波速度が圧電基板１１よりも大きく、弾性波を反射可能になっている。これは、例えば、図６から誘電体膜１３を取り除いた構造に対応しており、弾性波が圧電基板１１の各表面に沿って伝搬するようになっている。また、弾性波素子７０は、多数本電極指から成る１対の反射器を有し、各反射器が圧電基板１１の一方の表面１１ａに、すだれ状電極３１を挟むよう設けられた共振器から成っていてもよい。これは、例えば、図９から誘電体膜１３を取り除いた構造に対応しており、圧電基板１１の表面に沿って弾性表面波または擬似弾性表面波が伝搬するようになっている。
１０°回転ＹカットＸ伝搬のＬｉＮｂＯ３基板（圧電基板１１）上に、Ａｕ／Ｃｒ金属膜から成るすだれ状電極３１を設けた弾性波素子７０を作製し、２０℃および３０℃での共振アドミッタンス特性を調べた結果を、それぞれ図１８（Ａ）および（Ｂ）に示す。図１８に示す共振アドミッタンス特性の各温度でのピーク位置から、周波数温度特性ＴＣＦを求めると、ＴＣＦ＝−１５ｐｐｍ／℃となる。この結果を、図１３に示すような従来構造の弾性波素子の結果と比較すると、すだれ状電極３１として前記すだれ状電極膜を用いることにより、誘電体膜がなくても、周波数温度特性が＋３０ｐｐｍ／℃改善することが確認された。
ＹカットＸ伝搬のＬｉＮｂＯ３基板から成る圧電基板１１の表面に、ｈＡｌ／λｅｆｆ＝０．０１のＡｌ膜（膜厚：ｈＡｌ）を付着し、さらにその上に、誘電体膜１３としてＢＳＯ薄膜（膜厚：Ｈ）またはＢｉ２Ｏ３薄膜（膜厚：Ｈ）を付着させたもの、および、ＹカットＸ伝搬のＬｉＮｂＯ３基板から成る圧電基板１１の表面に、すだれ状電極３１として金属膜のＡｕ薄膜（膜厚：ｈ）を付着させたものについて、シミュレーションを行った。シミュレーションでは、Ｈ／λｅｆｆ、ｈ／λｅｆｆ（ここで、λｅｆｆは動作波長）に対する擬似弾性表面波の伝搬速度、伝搬減衰、および圧電基板１１の電気機械結合係数ｋ２の変化をそれぞれ求め、それらの結果を図１９（Ａ）〜（Ｃ）に示す。
図１９（Ａ）に示すように、ｈ／λｅｆｆ＝０．０１のとき、Ａｕ薄膜では、伝搬速度が４１００ｍ／ｓから３７００ｍ／ｓまで、約３５０ｍ／ｓ低下していることが確認された。同様に、ＢＳＯ薄膜およびＢｉ２Ｏ３薄膜では、約１５０ｍ／ｓ低下していることが確認された。薄膜の膜厚がゼロのときの弾性表面波の速度をｖｏ、薄膜の膜厚がＨ、ｈのときの弾性表面波の速度をｖＨとすると、ＢＳＯ、Ａｕ、Ｂｉ２Ｏ３薄膜を用いることにより、Ｈ／λｅｆｆ、ｈ／λｅｆｆ＝０．０１のときに、０．０３３≦（ｖｏ−ｖＨ）／ｖｏ≦０．０９の大きい速度分散性を有することが確認された。
また、図１９（Ｂ）に示すように、Ａｕ薄膜では、ｈ／λｅｆｆ＝０．００５以上では、伝搬減衰がゼロ、ＢＳＯ薄膜およびＢｉ２Ｏ３薄膜では、ｈＡｌ／λｅｆｆ＝０．０１のＡｌ膜が付着しているため、伝搬減数がゼロの弾性表面波が得られることが確認された。また、図１９（Ｃ）に示すように、いずれの薄膜でも、従来にはないほどの、大きい電気機械結合係数ｋ２が得られることが確認された。
次に、ＹカットＸ伝搬のＬｉＴａＯ３基板から成る圧電基板１１の表面に、電極材料として、ｈＡｌ／λｅｆｆ＝０．０１のＡｌ膜（膜厚：ｈＡｌ）を付着し、さらにその上に誘電体膜１３としてＢｉ２Ｏ３薄膜（膜厚：Ｈ）もしくはＢＳＯ薄膜（膜厚：Ｈ）を付着させたもの、および、ＹカットＸ伝搬のＬｉＴａＯ３基板から成る圧電基板１１の表面に、導体のＢｉ薄膜（膜厚：ｈ）を付着し、さらにその上にｈＡｌ／λｅｆｆ＝０．０１のＡｌ膜（膜厚：ｈＡｌ）を付着させたものについて、シミュレーションを行った。シミュレーションでは、Ｈ／λｅｆｆ、ｈ／λｅｆｆに対する擬似弾性表面波の伝搬速度、伝搬減衰、および圧電基板１１の電気機械結合係数ｋ２の変化をそれぞれ求め、それらの結果を図２０（Ａ）〜（Ｃ）に示す。
図２０（Ａ）に示すように、Ｂｉ、Ｂｉ２Ｏ３、ＢＳＯ薄膜を用いることにより、大きな速度分散性が得られることが確認された。また、図２０（Ｂ）に示すように、Ｂｉ２Ｏ３薄膜およびＢＧＯ薄膜は、それぞれＨ／λｅｆｆ＝０．０６以上のとき、伝搬減衰がゼロとなり、Ｂｉ薄膜では、ｈ／λｅｆｆ＝０．０４以上のとき、伝搬減衰がゼロとなり、圧電基板１１の表面にエネルギーが閉じ込められた弾性表面波が得られることが確認された。また、図２０（Ｃ）に示すように、いずれの薄膜でも、従来にはないほどの、大きい電気機械結合係数ｋ２が得られることが確認された。このように、電極材料となるＡｌ膜を挟んだり載せたりしても、導体のＢｉ薄膜、誘電体膜１３のＢｉ２Ｏ３薄膜またはＢＧＯ薄膜を用いることにより、伝搬減衰のない弾性表面波が得られることが確認された。なお、Ｂｉは導体であるため、Ａｌ電極の下面に付着させる必要がある。
次に、回転角が１２０°〜１７０°のＹカットＸ伝搬のＬｉＮｂＯ３基板（伝搬する横波の音速が４０８０ｍ／ｓ）から成る圧電基板１１の表面に、すだれ状電極３１として、ｈ／λｅｆｆ＝０．０１のＡｌ薄膜（膜厚：ｈ）を付着させ、さらにその上にＢＳＯ膜（膜厚：Ｈ）を付着させたものについて、シミュレーションを行った。シミュレーションでは、回転角に対する伝搬速度、Ｈ／λｅｆｆ＝０．０２のときの回転角に対する電気機械結合係数ｋ２、回転角１５０°のときのＨ／λｅｆｆに対する伝搬速度の変化をそれぞれ求め、それらの結果を図２１（Ａ）〜（Ｃ）を示す。
図２１（Ａ）に示すように、回転角が１３０°〜１５０°の範囲では、レイリー波と横波表面波の伝搬速度が同一であり、縮退しており、スプリアス特性の無い基板が得られることが確認された。また、図２１（Ｂ）に示すように、大きい電気機械結合係数ｋ２が得られることが確認された。また、図２１（Ｃ）に示すように、Ｈ／λｅｆｆ＝０．０１に対して、速度差は１３０ｍ／ｓと大きな値になっており、周波数温度特性を大きく改善した基板が得られることが確認された。
１０ 弾性波素子（第１の実施の形態）
１１ 圧電基板
１１ａ 一方の表面
１１ｂ 他方の表面
１２ 電極
１３ 誘電体膜
２１ 支持基板
２２ａ 第１反射膜
２２ｂ 第２反射膜

３０ 弾性波素子（第２の実施の形態）
３１ すだれ状電極
４１ａ 正極側バスバー
４１ｂ 正電極
４２ａ 負極側バスバー
４２ｂ 負電極
４３ 反射膜
４４ 反射器

５０ 弾性波素子（第３の実施の形態）
７０ 弾性波素子（第４の実施の形態）
本発明は、弾性波素子およびその製造方法に関する。
従来の薄膜を用いた弾性表面波素子として、圧電基板の裏面に、音響インピーダンスの異なる薄膜層を配置することにより、圧電基板の厚み方向に漏洩する弾性表面波を反射させて、Ｑ値（尖鋭度）の劣化を抑制するものがある（例えば、特許文献１参照）。また、保護膜として、圧電基板表面に、圧電基板とほぼ同じ横波速度を有する、ＳｉＯ２膜などの誘電体薄膜を設け、表面波素子の表面を保護するものもある（例えば、特許文献２参照）。
また、疑似弾性表面波が伝搬する圧電基板の表面に、すだれ状電極（インターデジタルトランスジューサ、ＩＤＴ）として、圧電基板よりも遅い横波速度を有するＡｕ薄膜を用いた弾性表面波素子も、本発明者により開発されている（例えば、非特許文献１参照）。また、弾性表面波が伝搬する基板上に設けられたすだれ状電極の導体電極上あるいは導体電極間に、グレーティング構造からなり、弾性表面波の伝搬速度が１０００ｍ／ｓ以下の超低速薄膜、あるいは、ＴｅＯ２薄膜を付着させて、反射係数を変化させた弾性表面波素子も、本発明者により開発されている（例えば、特許文献３参照）。また、圧電基板上に配置されたすだれ状電極上に、質量付加効果の大きな誘電体膜を付着させた弾性波素子が提案されている（例えば、特許文献４参照）。また、回転Ｙ−Ｘ伝搬のＬｉＮｂＯ３基板に、Ａｇなどの金属膜、或いはゲルマニュウム酸ビスマスなどの伝搬速度の遅い薄膜を付着させた構造の基板が提案されている。（例えば、特許文献５参照）。
従来、周波数温度特性（Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ Ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ ｏｆ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ；ＴＣＦ）の良好な圧電基板を用いた振動子や共振器として、水晶振動子が一般的に用いられている。しかし、水晶は、電気機械結合係数が小さく、広帯域のフィルタや、広い周波数範囲を必要とする可変周波数発信器などには使用することができない。また、電気結合機械係数の大きなＬｉＮｂＯ３やＬｉＴａＯ３などの圧電体単結晶は、周波数温度特性が大きいため実用的ではない。そこで、この大きな温度特性を補償するために、正の周波数温度特性を有する大きな膜厚比（Ｈ／λｅｆｆ、ここで、λｅｆｆは動作波長、Ｈは膜厚）のＳｉＯ２膜を、圧電基板上に付着させた弾性表面波基板が、本発明者により開発されている（例えば、特許文献６参照）。また、圧電薄膜を用いた薄膜共振器でも、ゼロＴＣＦを得るために、ＳｉＯ２薄膜を付着した基板が開発されている。また、１２８°回転ＹカットＸ伝搬の弾性表面波基板の伝搬路上に、正の周波数温度特性を有するＴｅＯ２薄膜を付着させることにより、遅延時間温度特性を改善した弾性表面波デバイスが開発されている（例えば、非特許文献２参照）。
特開２００７−２２８０１１号公報 特開２０１１−１３０５１３号公報 特開２００７−２９５５０４号公報 国際公開ＷＯ２０１２／１０２１３１号 特開昭５９−１５６０１３号公報 特開２００６−２０３８３９号公報
Ｋ．Ｙａｍａｎｏｕｃｈｉ，"Ｈｉｇｈ Ｃｏｕｐｌｉｎｇ ａｎｄ Ｚｅｒｏ ＴＣＦ ＳＨ−ＳＡＷ ａｎｄ ＳＨ−Ｂｏｕｎｄａｒｙ ＳＡＷ Ｕｓｉｎｇ Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅｓ／Ｒｏｔａｔｅｄ Ｙ−Ｘ ＬｉＴａＯ３ ａｎｄ ＳｉＯ２／Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅｓ／Ｒｏｔａｔｅｄ Ｙ−Ｘ ＬｉＴａＯ３"，２０１２ ＩＥＥＥ Ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃｓ Ｓｙｍｐｏｓｉｕｍ Ｐｒｏｃ．，ｐ．１０６１−１０６４ Ｎ．Ｄｅｗａｎ，ｅｔ ａｌ．，"Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｓｔａｂｌｅ ＬｉＮｂＯ３ ｓｕｒｆａｃｅ ａｃｏｕｓｔｉｃ ｗａｖｅ ｄｅｖｉｃｅ ｗｉｔｈ ｄｉｏｄｅ ｓｐｕｔｔｅｒｅｄ ａｍｏｒｐｈｏｕｓ ＴｅＯ２ ｏｖｅｒ−ｌａｙｅｒ"，ＡＰＰＬＩＥＤ ＰＨＹＳＩＣＳ ＬＥＴＴＥＲＳ，２００５，８６，２２３５０
しかしながら、特許文献１に記載の弾性波素子は、薄膜層として、圧電体基板の縦波速度の３倍以上のダイヤモンド薄膜を基板裏面に用いているため、圧電体基板の厚さを制御するのが困難であり、弾性表面波の伝搬損失が小さくならない、スプリアス特性が悪いという課題があった。また、特許文献２に記載の弾性波素子は、誘電体薄膜から成る保護膜の横波速度が、圧電基板の横波速度とほぼ同じであるため、保護膜が弾性波エネルギーを表面に集中させる膜ではない、周波数温度特性の改善を目的とした膜ではない、という課題があった。
また、非特許文献１に記載の弾性表面波素子は、−１０°〜５０°回転ＹカットＸ伝搬のＬｉＴａＯ３基板上に、厚い膜厚のＡｕ膜を用いて、疑似弾性表面波を、基板の遅い横波速度より遅い速度で伝搬する弾性表面波とすることにより、伝搬減衰が零の基板を得るものであるが、すだれ状電極の膜厚が大きくなるため、弾性表面波の伝搬損失が増加する、すだれ状電極の反射係数が大きくなる、周波数温度特性の改善を目的とした膜ではない、という課題があった。また、特許文献３に記載の弾性表面波素子は、反射を制御する構造であるが、伝搬損失が大きいことや、ＴｅＯ２薄膜を用いる場合には、ＴｅＯ２が有害物質であることから、実用化が困難であるという課題があった。また、特許文献４に記載の弾性波素子では、誘電体膜は、質量付加効果を大きくし、電気機械結合係数を大きくするためのものであり、周波数温度特性や速度分散特性を改善するものではないという課題があった。また、特許文献５に記載の弾性表面波素子では、誘電体膜は導波路構造の膜であり、すだれ状電極上に付着した構造ではない、弾性表面波共振器構造ではない、また周波数温度特性の改善を目的とした薄膜ではない、などの課題があった。
また、特許文献６に記載の弾性表面波基板では、圧電基板上に付着した正の周波数温度特性をもつＳｉＯ２膜により周波数温度特性を改善するためには、ＳｉＯ２膜の膜厚を大きくする必要があり、伝搬損失が増大し、作製も困難であるという課題があった。また、非特許文献２に記載の弾性表面波デバイスでは、ＴｅＯ２薄膜がすだれ状電極上に付着した構造ではない、弾性表面波共振器構造ではない、正の周波数温度特性を有するＴｅＯ２薄膜を作製するのが困難であることや、ＴｅＯ２が有害物質であることから、実用化が困難であるという課題があった。
本発明は、このような課題に着目してなされたもので、弾性波基板の大きな速度分散特性を用いて周波数温度特性を改善する、全く新しい着想に基づく発明であり、小型化が可能で、比較的容易に作製することができ、有害物質を用いることなく実用化可能で、弾性表面波の伝搬損失を抑えることができ、周波数温度特性および速度分散特性に優れ、すだれ状電極の反射係数の増加を抑制可能な、弾性波素子およびその製造方法を提供することを目的とする。
上記目的を達成するために、本発明に係る弾性波素子は、圧電基板と、前記圧電基板の両面にそれぞれ設けられた１対の電極と、前記圧電基板の少なくともいずれか一方の表面に、その表面に設けられた電極を覆うよう設けられた誘電体膜とを有し、前記圧電基板は、３３°〜３９°回転ＹカットＸ伝搬のＬｉＮｂＯ３基板、１６１°〜１６７°回転ＹカットＸ伝搬のＬｉＮｂＯ３基板、ＬｉＮｂＯ３基板、４４°〜５０°回転ＹカットＸ伝搬のＬｉＴａＯ３基板、１６２°〜１６８°回転ＹカットＸ伝搬のＬｉＴａＯ３基板、ＬｉＴａＯ３基板、ランガサイト基板、水晶基板、ＺｎＯ基板、圧電性セラミックス基板、ＡｌＮ薄膜基板、ＺｎＯ薄膜基板、圧電性セラミックス薄膜基板、または、ＳｃＡｌＮ薄膜基板であり、前記誘電体膜は、伝搬する横波の音速が、前記圧電基板を伝搬する遅い横波の音速の２／３倍以下であり、かつ弾性表面波速度が１０１０ｍ／ｓ以上であり、（Ｂｉ２Ｏ３）Ｘ（ＳｉＯ２またはＧｅＯ２）（１−Ｘ）膜［ここで、Ｘ＝０．３〜１．０］、Ｂｉを含む化合物膜、ＢＳＯ膜、ＢＧＯ膜、Ｉｎ２Ｏ３膜、または、Ｉｎを含む化合物膜から成ることを特徴とする。この場合、弾性波が前記圧電基板の各表面に対して垂直方向に伝搬し、周波数温度特性が、−２０ｐｐｍ／℃から＋５ｐｐｍ／℃の範囲であることが好ましい。また、各電極は、伝搬する横波の音速が、前記圧電基板を伝搬する遅い横波の音速の２／３倍以下であり、かつ弾性表面波速度が１０１０ｍ／ｓ以上であってもよい。また、各電極または前記すだれ状電極は、Ａｕ、Ａｕ／Ｃｒ、Ａｇ、Ａｇ／Ｃｒ、Ｂｉ、Ｂｉ／Ｃｒ、Ｉｎ、もしくは、これらのうちの２種以上の合金、または、通常の電極またはすだれ状電極として、Ａｌ、Ｚｎ、Ｒｕ、Ｃｒ、Ｃｕ／Ｃｒ、Ｐｔ、Ｐｔ／Ｃｒ、Ｐｔ／Ｔｉ、もしくは、これらのうちの２種以上の合金から成っていてもよい。また、各電極またはすだれ状電極は、Ａｕ、Ａｕ／Ｃｒ、Ａｇ、Ａｇ／Ｃｒ、Ｂｉ、Ｂｉ／Ｃｒ、Ｉｎ、もしくは、これらのうちの２種以上の合金の上に、Ａｌ、Ｚｎ、Ｒｕ、Ｃｒ、Ｃｕ／Ｃｒ、Ｐｔ、Ｐｔ／Ｃｒ、Ｐｔ／Ｔｉ、もしくは、これらのうちの２種以上の合金から成る電極膜を有していてもよい。この場合、速度分散性をさらに大きくすることができ、より優れた周波数温度特性および速度分散特性を得ることができる。
また、本発明に係る弾性波素子は、圧電基板と、前記圧電基板の一方の表面に設けられたすだれ状電極と、前記すだれ状電極上に設けられた誘電体膜とを有し、前記圧電基板は、−１０°〜７５°回転ＹカットＸ伝搬のＬｉＮｂＯ３基板、１２０°〜１７０°回転ＹカットＸ伝搬のＬｉＮｂＯ３基板、Ｙ−Ｚ ＬｉＮｂＯ３基板、Ｘカット３５°〜４５°Ｙ伝搬のＬｉＮｂＯ３基板、Ｘカット１６０°〜１７５°Ｙ伝搬のＬｉＮｂＯ３基板、ＬｉＮｂＯ３基板、−１０°〜６０°回転ＹカットＸ伝搬のＬｉＴａＯ３基板、Ｘカット３５°〜４５°Ｙ伝搬のＬｉＴａＯ３基板、ＬｉＴａＯ３基板、ランガサイト基板、水晶基板、ＺｎＯ基板、圧電性セラミックス基板、ＡｌＮ薄膜基板、ＺｎＯ薄膜基板、圧電性セラミックス薄膜基板、または、ＳｃＡｌＮ薄膜基板であり、前記誘電体膜は、伝搬する横波の音速が、前記圧電基板を伝搬する遅い横波の音速の２／３倍以下であり、かつ弾性表面波速度が１０１０ｍ／ｓ以上であり、（Ｂｉ２Ｏ３）Ｘ（ＳｉＯ２またはＧｅＯ２）（１−Ｘ）膜［ここで、Ｘ＝０．３〜１．０］、Ｂｉを含む化合物膜、ＢＳＯ膜、ＢＧＯ膜、Ｉｎ２Ｏ３膜、または、Ｉｎを含む化合物膜から成っていてもよい。この場合、弾性波が前記圧電基板の各表面に沿って、および／または、前記圧電基板の各表面に対して垂直方向に伝搬し、周波数温度特性が、−２０ｐｐｍ／℃から＋５ｐｐｍ／℃の範囲であることが好ましい。また、前記すだれ状電極は、伝搬する横波の音速が、前記圧電基板を伝搬する遅い横波の音速の２／３倍以下であり、かつ弾性表面波速度が１０１０ｍ／ｓ以上であってもよい。また、前記すだれ状電極は、Ａｕ、Ａｕ／Ｃｒ、Ａｇ、Ａｇ／Ｃｒ、Ｂｉ、Ｂｉ／Ｃｒ、Ｉｎ、もしくは、これらのうちの２種以上の合金、または、Ａｌ、Ｚｎ、Ｒｕ、Ｃｒ、Ｃｕ／Ｃｒ、Ｐｔ、Ｐｔ／Ｃｒ、Ｐｔ／Ｔｉ、もしくは、これらのうちの２種以上の合金から成っていてもよい。また、すだれ状電極は、Ａｕ、Ａｕ／Ｃｒ、Ａｇ、Ａｇ／Ｃｒ、Ｂｉ、Ｂｉ／Ｃｒ、Ｉｎ、もしくは、これらのうちの２種以上の合金の上に、Ａｌ、Ｚｎ、Ｒｕ、Ｃｒ、Ｃｕ／Ｃｒ、Ｐｔ、Ｐｔ／Ｃｒ、Ｐｔ／Ｔｉ、もしくは、これらのうちの２種以上の合金から成る電極膜を有していてもよい。この場合にも、速度分散性をさらに大きくすることができ、より優れた周波数温度特性および速度分散特性を得ることができる。
本発明に係る弾性波素子は、例えば、弾性波振動子、弾性波共振器、バルク波共振器、圧電薄膜共振器、弾性表面波振動子、弾性表面波共振器、弾性波フィルタ素子、弾性表面波フィルタ素子、温度特性に優れた共振器、遅延線、温度補償を必要としない高感度センサーなどを構成することができる。圧電基板は、圧電体単結晶基板、圧電性セラミックス基板、支持基板上に圧電体単結晶を貼り付けた構造の基板、または、支持基板上に付着した圧電性薄膜構造の基板から成っていても良い。また、使用する弾性波は、レイリー波、縦波、横波、縦波を主成分とする疑似縦波、横波を主成分とする疑似横波、圧電基板の遅い横波より遅い伝搬速度の弾性表面波、ラブ波、ラム波、圧電基板の遅い横波より速い伝搬速度の擬似弾性表面波、または、圧電基板の速い横波速度より速い伝搬速度の疑似弾性縦波表面波である。
本発明に係る弾性波素子は、少なくとも誘電体膜の横波の音速が、圧電基板を伝搬する遅い横波の音速の２／３倍以下であるため、弾性表面波用の素子として構成されるときには、圧電基板中に漏洩する弾性波のエネルギー放射がゼロとなる弾性表面波とすると共に、速度分散性の大きな基板とすることができる。また、疑似弾性表面波の伝搬減衰が零となる回転角を得て、速度分散性の大きな基板を得ることができる。また、周波数温度特性を零の値に近づけることができる。また、素子の小型化が可能である。これにより、弾性表面波を使用する場合には、その伝搬損失を抑えて、圧電基板の表面に弾性表面波のエネルギーを集中させることができ、Ｑ値および速度分散性を大きくすることができる。また、電極や誘電体膜の厚みを薄くすることができるため、製作が容易、かつ小型化が可能である。
本発明に係る弾性波素子は、誘電体膜により、すだれ状電極の反射係数の増加を抑制することもできる。また、薄い誘電体膜で、伝搬損失の小さい、大きな反射係数を得ることもできる。また、各電極やすだれ状電極、誘電体膜を用いて大きな速度分散性を得るとともに、それらを周波数温度特性が負の値を有する圧電基板に設けることにより、周波数温度特性を零に近い値または正の値に改善することができ、優れた周波数温度特性を得ることができる。また、すだれ状電極および誘電体膜の速度分散特性を利用することにより、広い帯域幅および低損失特性を有するフィルタを構成することができると共に、そのフィルタの分散特性を制御することもできる。本発明に係る弾性波素子は、誘電体膜として、ＴｅＯ２などの有害物質を用いる必要がなく、安全性の高い他の材料を用いて実用化することができる。
本発明に係る弾性波素子は、前記圧電基板を伝搬する弾性波の波長をλｅｆｆ、各電極または前記すだれ状電極の厚みをｈ、前記誘電体膜の膜厚をＨとすると、ｈ／λｅｆｆ＝０．００５〜０．３、Ｈ／λｅｆｆ＝０．０１〜０．３であってもよい。この場合、特に、速度分散性が大きくなるため、周波数温度特性をさらに改善することができる。このため、より優れた周波数温度特性および速度分散特性を得ることができる。
本発明に係る弾性波素子は、各電極または前記すだれ状電極が設けられた前記圧電基板と、前記誘電体膜との間にＳｉＯ２膜もしくは温度補償用誘電体膜を有していてもよく、また、前記誘電体膜の上にＳｉＯ２膜を有していてもよい。この場合、非常に薄い膜厚のＳｉＯ２膜もしくは温度補償用誘電体膜を用いることにより、優れた温度特性が得られる。ＳｉＯ２膜は、例えば、その膜厚をＨ、圧電基板を伝搬する弾性波の波長をλｅｆｆとすると、Ｈ／λｅｆｆ＝０．００５〜０．１５である。温度補償用誘電体膜は、温度補償可能なものであればいかなる材質から成っていてもよく、例えば、ＳｉＯＦ、ランガサイト系薄膜、不純物を含むＳｉＯ２等から成っている。
本発明に係る 弾性波素子で、各電極または前記すだれ状電極は、Ａｕ、Ａｕ／Ｃｒ、Ａｇ、Ａｇ／Ｃｒ、Ｂｉ、Ｂｉ／Ｃｒ、Ｉｎ、もしくは、これらのうちの２種以上の合金から成る、または、Ａｌ、Ｚｎ、Ｒｕ、Ｃｒ、Ｃｕ、Ｃｕ／Ｃｒ、Ｐｔ、Ｐｔ／Ｔｉ、もしくは、これらのうちの２種以上の合金から成る、または、Ａｕ、Ａｕ／Ｃｒ、Ａｇ、Ａｇ／Ｃｒ、Ｂｉ、Ｂｉ／Ｃｒ、Ｉｎ、もしくは、これらのうちの２種以上の合金の上に、Ａｌ、Ｚｎ、Ｒｕ、Ｃｒ、Ｃｕ、Ｃｕ／Ｃｒ、Ｐｔ、Ｐｔ／Ｃｒ、Ｐｔ／Ｔｉ、もしくは、これらのうちの２種以上の合金から成る電極膜を有していてもよい。これらの場合、すだれ状電極の横波の音速が、圧電基板のものよりも非常に遅いため、速度分散性をさらに大きくすることができる。
本発明に関する弾性波素子は、圧電基板と、前記圧電基板の両面にそれぞれ設けられた１対の電極とを有し、各電極は、金属電極膜から成り、伝搬する横波の音速が、前記圧電基板を伝搬する遅い横波の音速の２／３倍以下であり、かつ弾性表面波速度が１０１０ｍ／ｓ以上であり、周波数温度特性が、−２０ｐｐｍ／℃から＋５ｐｐｍ／℃の範囲であり、前記圧電基板を伝搬する弾性波の波長をλｅｆｆ、各電極の厚みをｈとすると、ｈ／λｅｆｆ＝０．００５〜０．３であってもよい。また、本発明に関する弾性波素子は、圧電基板と、前記圧電基板の一方の表面に設けられたすだれ状電極とを有し、前記すだれ状電極は、金属電極膜から成り、伝搬する横波の音速が、前記圧電基板を伝搬する遅い横波の音速の２／３倍以下であり、かつ弾性表面波速度が１０１０ｍ／ｓ以上であり、周波数温度特性が、−２０ｐｐｍ／℃から＋５ｐｐｍ／℃の範囲であり、前記圧電基板を伝搬する弾性波の波長をλｅｆｆ、前記すだれ状電極の厚みをｈとすると、ｈ／λｅｆｆ＝０．００５〜０．３であってもよい。
この場合、金属電極膜から成る正負の各電極またはすだれ状電極の音速が、圧電基板を伝搬する遅い横波の音速の２／３倍以下であるため、弾性表面波用の素子として構成されるときには、圧電基板中に漏洩する弾性波のエネルギー放射がゼロとなる弾性表面波とすると共に、速度分散性の大きな基板とすることができる。また、疑似弾性表面波の伝搬減衰が零となる回転角と膜厚の基板を得て、速度分散性の大きな基板を得ることができる。また、素子の小型化が可能である。これにより、弾性表面波を使用する場合には、その伝搬損失を抑えて、圧電基板の表面に弾性表面波のエネルギーを集中させることができ、Ｑ値および速度分散性を大きくすることができる。このように、誘電体膜を用いなくとも、速度分散性を大きくすることができ、優れた周波数温度特性を得ることができる。また、ＴｅＯ２などの有害物質を用いる必要がなく、安全性の高い他の材料を用いて実用化することができる。
また、この場合、前記圧電基板は、３３°〜３９°回転ＹカットＸ伝搬のＬｉＮｂＯ３基板、１６１°〜１６７°回転ＹカットＸ伝搬のＬｉＮｂＯ３基板、−１０°〜７５°回転ＹカットＸ伝搬のＬｉＮｂＯ３基板、１２０°〜１７０°回転ＹカットＸ伝搬のＬｉＮｂＯ３基板、Ｙ−Ｚ ＬｉＮｂＯ３基板、Ｘカット３５°〜４５°Ｙ伝搬のＬｉＮｂＯ３基板、Ｘカット１６０°〜１７５°Ｙ伝搬のＬｉＮｂＯ３基板、ＬｉＮｂＯ３基板、−１０°〜６０°回転ＹカットＸ伝搬のＬｉＴａＯ３基板、Ｘカット３５°〜４５°Ｙ伝搬のＬｉＴａＯ３基板、４４°〜５０°回転ＹカットＸ伝搬のＬｉＴａＯ３基板、１６２°〜１６８°回転ＹカットＸ伝搬のＬｉＴａＯ３基板、ＬｉＴａＯ３基板、ランガサイト基板、水晶基板、ＺｎＯ基板、圧電性セラミックス基板、ＡｌＮ薄膜基板、ＺｎＯ薄膜基板、圧電性セラミックス薄膜基板、または、ＳｃＡｌＮ薄膜基板であり、各電極または前記すだれ状電極は、Ａｕ、Ａｕ／Ｃｒ、Ａｇ、Ａｇ／Ｃｒ、Ｂｉ、Ｂｉ／Ｃｒ、Ｉｎ、もしくは、これらのうちの２種以上の合金、または、Ａｕ、Ａｕ／Ｃｒ、Ａｇ、Ａｇ／Ｃｒ、Ｂｉ、Ｂｉ／Ｃｒ、Ｉｎ、もしくは、これらのうちの２種以上の合金の上に、Ａｌ、Ｚｎ、Ｒｕ、Ｃｒ、Ｃｕ／Ｃｒ、Ｐｔ、Ｐｔ／Ｃｒ、Ｐｔ／Ｔｉ、もしくは、これらのうちの２種以上の合金から成る電極膜を有していてもよい。これにより、より優れた周波数温度特性および速度分散特性を得ることができる。
本発明に係る弾性波素子は、前記すだれ状電極の交互に配置された電極の本数を２Ｎ＋１本、伝搬する弾性波の動作中心波長をλＮ、そのときの前記弾性波の速度をＶＮ、前記弾性波の波長がλｎ＝λＮ［１＋｛Ｎ−（ｎ−１）｝δ］のときの前記弾性波の速度をＶｎとし（ここで、ｎ＝１〜２Ｎ＋１）、Ｎδの値を０．００５〜０．３、ａｎの値を０．８〜１．２とすると、ｎ本目の電極の幅は、Ｌｎ＝Ｘｎ／２＝ａｎ（λｎ／４）×（Ｖｎ／ＶＮ）、隣り合う電極の中心間隔はＸｎ＝ａｎ（λｎ／２）×（Ｖｎ／ＶＮ）であってもよい。この場合にも、速度分散性を大きくすることができる。
本発明に係る弾性波素子の製造方法は、各電極もしくは前記すだれ状電極、および／または前記誘電体膜を、前記弾性波素子の中心動作温度より１００℃以上高い温度、または、前記弾性波素子の中心動作温度より１００℃以上低い温度で蒸着して形成することを特徴とする。
本発明に係る弾性波素子の製造方法によれば、蒸着時の温度を制御することにより、１対の電極またはすだれ状電極、および誘電体膜に歪が発生し、それぞれの弾性波速度を大きく変化させることができる。これにより、弾性波素子の周波数温度特性をさらに大きく改善することができ、優れた周波数温度特性を有する弾性波素子を製造することができる。
本発明によれば、小型化が可能で、比較的容易に作製することができ、有害物質を用いることなく実用化可能で、弾性表面波の伝搬損失を抑えることができ、周波数温度特性および速度分散特性に優れ、すだれ状電極の反射係数の増加を抑制可能な、弾性波素子およびその製造方法を提供することができる。
本発明の第１の実施の形態の弾性波素子を示す断面図である。 本発明の第１の実施の形態の弾性波素子の、支持基板を有する変形例を示す断面図である。 本発明の第１の実施の形態の弾性波素子の、多層構造の誘電体膜反射器を有する変形例を示す断面図である。 本発明の第２の実施の形態の弾性波素子を示す（Ａ）断面図、（Ｂ）誘電体膜を省略した平面図である。 本発明の第２の実施の形態の弾性波素子の、多層構造の誘電体膜反射器を有する変形例を示す断面図である。 本発明の第２の実施の形態の弾性波素子の、すだれ状電極側の圧電基板表面に誘電体膜が設けられていない変形例を示す断面図である。 本発明の第２の実施の形態の弾性波素子の、圧電基板の表面に沿って弾性表面波または擬似弾性表面波が伝搬する変形例を示す（Ａ）断面図、（Ｂ）誘電体膜を省略した平面図である。 本発明の第２の実施の形態の弾性波素子の、支持基板を有する圧電基板の表面に沿って弾性表面波または擬似弾性表面波が伝搬する変形例を示す（Ａ）断面図、（Ｂ）誘電体膜を省略した平面図である。 本発明の第２の実施の形態の弾性波素子の、すだれ状電極を挟むよう１対の反射器を設けた変形例を示す（Ａ）断面図、（Ｂ）誘電体膜を省略した平面図である。 本発明の第１または第２の実施の形態の弾性波素子の、３６°回転ＹカットＸ伝搬のＬｉＮｂＯ３基板上にＡｌ電極を設け、さらにその上にＢｉ２Ｏ３から成る誘電体膜（膜厚：Ｈ）を設けたときの、膜厚比Ｈ／λｅｆｆ（λｅｆ ｆは動作波長）に対する疑似弾性縦波速度（Ｖｅｆｆ）の変化を示すグラフである。 本発明の第１または第２の実施の形態の弾性波素子の、１６４°回転ＹカットＸ伝搬のＬｉＴａＯ３基板上にＡｌ電極を設け、さらにその上にＢｉ２Ｏ３から成る誘電体膜（膜厚：Ｈ）を設けたときの、膜厚比Ｈ／λｅｆｆ（λｅｆｆは動作波長）に対する疑似弾性横波速度（Ｖｅｆｆ）の変化を示すグラフである。 本発明の第１または第２の実施の形態の弾性波素子の、３６°回転ＹカットＸ伝搬のＬｉＴａＯ３基板上にＡｌ電極を設け、さらにその上にＢｉ２Ｏ３から成る誘電体膜（膜厚：Ｈ）を設けたときの、膜厚比Ｈ／λｅｆｆ（λｅｆｆは動作波長）に対する疑似弾性表面波の速度（Ｖｅｆｆ）の変化を示すグラフである。 従来の、３６°回転ＹカットＸ伝搬のＬｉＴａＯ３基板上に、Ｃｕ／Ｃｒ構造のすだれ状電極を設けた弾性波素子の、（Ａ）２０℃、（Ｂ）３５℃での共振アドミッタンス特性を示すグラフである（横軸は周波数）。 本発明の第２の実施の形態の弾性波素子の、３６°回転ＹカットＸ伝搬のＬｉＴａＯ３基板上に、Ｃｕ／Ｃｒ構造のすだれ状電極を設け、さらにその上にＢｉ２Ｏ３から成る誘電体膜を設けたときの、（Ａ）２０℃、（Ｂ）３５℃での共振アドミッタンス特性を示すグラフである（横軸は周波数）。 本発明の第３の実施の形態の弾性波素子を示す（Ａ）断面図、（Ｂ）誘電体膜を省略した平面図である。 本発明の第４の実施の形態の弾性波素子の、１対の電極を有する構成の断面図である。 本発明の第４の実施の形態の弾性波素子の、すだれ状電極を有する構成の（Ａ）断面図、（Ｂ）平面図である。 本発明の第４の実施の形態の弾性波素子の、１０°回転ＹカットＸ伝搬のＬｉＮｂＯ３基板上に、Ａｕ／Ｃｒ金属膜から成るすだれ状電極を設けた弾性波素子の、（Ａ）２０℃、（Ｂ）３０℃での共振アドミッタンス特性を示すグラフである（横軸は周波数）。 本発明の第１乃至第４の実施の形態の弾性波素子の、ＹカットＸ伝搬のＬｉＮｂＯ３基板の表面にＡｌ膜を付着し、さらにその上にＢＳＯ薄膜（膜厚：Ｈ）またはＢｉ２Ｏ３薄膜（膜厚：Ｈ）を付着したとき、および、ＹカットＸ伝搬のＬｉＮｂＯ３基板の表面にＡｕ薄膜（膜厚：ｈ）を付着したときの、Ｈ／λｅｆｆ、ｈ／λｅｆｆ（λｅｆｆは動作波長）に対する（Ａ）擬似弾性表面波の伝搬速度、（Ｂ）擬似弾性表面波の伝搬減衰、（Ｃ）圧電基板の電気機械結合係数ｋ２の変化を示すグラフである。 本発明の第１乃至第３の実施の形態の弾性波素子の、ＹカットＸ伝搬のＬｉＴａＯ３基板の表面にＡｌ膜を付着し、さらにその上にＢｉ２Ｏ３薄膜（膜厚：Ｈ）またはＢＳＯ薄膜（膜厚：Ｈ）を付着したとき、および、ＹカットＸ伝搬のＬｉＴａＯ３基板の表面にＢｉ薄膜（膜厚：ｈ）を付着し、さらにその上にＡｌ膜を付着したときの、Ｈ／λｅｆｆ、ｈ／λｅｆｆ（λｅｆｆは動作波長）に対する（Ａ）擬似弾性表面波の伝搬速度、（Ｂ）擬似弾性表面波の伝搬減衰、（Ｃ）圧電基板の電気機械結合係数ｋ２の変化を示すグラフである。 本発明の第１乃至第４の実施の形態の弾性波素子の、１２０°〜１７０°のＹカットＸ伝搬のＬｉＮｂＯ３基板の表面にＡｌ薄膜のすだれ状電極を付着し、さらにその上にＢＳＯ薄膜（膜厚：Ｈ）を付着したときの、（Ａ）回転角に対する伝搬速度、（Ｂ）Ｈ／λｅｆｆ（λｅｆｆは動作波長）に対する電気機械結合係数ｋ２、（Ｃ）回転角１５０°のときのＨ／λｅｆｆに対する伝搬速度の変化を示すグラフである。
以下、図面に基づいて、本発明の実施の形態について説明する。
［本発明の第１の実施の形態の弾性波素子の構成］
図１乃至図３は、本発明の第１の実施の形態の弾性波素子を示している。
図１に示すように、本発明の第１の実施の形態の弾性波素子１０は、圧電基板１１と１対の電極１２と誘電体膜１３とを有している。
圧電基板１１は、平板構造の基板または圧電薄膜から成っている。圧電基板１１は、３３°〜３９°回転ＹカットＸ伝搬のＬｉＮｂＯ３基板、１６１°〜１６７°回転ＹカットＸ伝搬のＬｉＮｂＯ３基板、ＬｉＮｂＯ３基板、４４°〜５０°回転ＹカットＸ伝搬のＬｉＴａＯ３基板、１６２°〜１６８°回転ＹカットＸ伝搬のＬｉＴａＯ３基板、ＬｉＴａＯ３基板、ランガサイト基板、水晶基板、ＺｎＯ基板、圧電性セラミックス基板、ＡｌＮ薄膜基板、ＺｎＯ薄膜基板、圧電性セラミックス薄膜基板、または、ＳｃＡｌＮ薄膜基板から成っている。
正負１対の電極１２は、圧電基板１１の両面１１ａ、１１ｂにそれぞれ設けられている。各電極１２は、Ａｕ、Ａｕ／Ｃｒ、Ａｇ、Ａｇ／Ｃｒ、Ｂｉ、Ｂｉ／Ｃｒ、Ｉｎ、または、これらのうちの２種以上の合金から成っている。このとき、各電極１２は、それぞれ伝搬する横波の音速が、圧電基板１１を伝搬する遅い横波の音速の２／３倍以下であり、かつ弾性表面波速度が１０１０ｍ／ｓ以上になっていてもよい。また、各電極１２は、通常の電極から成り、Ａｌ、Ｚｎ、Ｒｕ、Ｃｒ、Ｃｕ、Ｃｕ／Ｃｒ、Ｐｔ、Ｐｔ／Ｃｒ、Ｐｔ／Ｔｉ、または、これらのうちの２種以上の合金から成っていてもよい。また、各電極１２と通常の電極との組合せであってもよい。
誘電体膜１３は、圧電基板１１の一方の表面１１ａに、その表面に設けられた電極１２のみを覆うよう設けられている。誘電体膜１３は、（Ｂｉ２Ｏ３）Ｘ（ＳｉＯ２またはＧｅＯ２）（１−Ｘ）膜［ここで、Ｘ＝０．３〜１．０］、Ｂｉを含む化合物膜、ＢＳＯ膜、ＢＧＯ膜、Ｉｎ２Ｏ３膜、または、Ｉｎを含む化合物膜から成っている。
誘電体膜１３は、それぞれ伝搬する横波の音速が、圧電基板１１を伝搬する遅い横波の音速の２／３倍以下であり、かつ弾性表面波速度が１０１０ｍ／ｓ以上になっている。弾性波素子１０は、各電極１２間に電圧を印加することにより、弾性波が圧電基板１１の各表面に対して垂直方向に伝搬するようになっている。また、弾性波素子１０は、周波数温度特性が、−２０ｐｐｍ／℃から＋５ｐｐｍ／℃の範囲になっている。
弾性波素子１０は、動作共振周波数をｆ０、圧電基板１１を伝搬する弾性波の波長（動作波長）をλｅｆｆ、その弾性波の速度をＶｅｆｆ、圧電基板１１と誘電体膜１３と電極１２の全体の膜厚をＬとしたとき、ｆ０＝Ｖｅｆｆ／λｅｆｆ、および、Ｌ＝（λｅｆｆ／２）×（２Ｎ＋１）（Ｎは、０を含む整数）となる。
なお、図２に示すように、弾性波素子１０で、誘電体膜１３が、圧電基板１１の一方の表面１１ａに、その表面に設けられた電極１２、および、電極１２が設けられていない部分を覆うよう設けられており、さらに、圧電基板１１の他方の表面１１ｂの両端にそれぞれ設けられた１対の支持基板２１を有していてもよい。この場合、弾性波により、各支持基板２１の間の圧電基板１１が振動するようになっている。
また、図３に示すように、弾性波素子１０で、圧電基板１１の両面１１ａ、１１ｂに、それぞれの表面に設けられた各電極１２を覆うよう誘電体膜１３ａ、１３ｂが設けられており、圧電基板１１の他方の表面１１ｂの側に設けられた誘電体膜１３ｂが、弾性波を反射する第１反射膜２２ａおよび第２反射膜２２ｂを有する多層構造を成しており、さらに、その多層構造の誘電体膜１３ｂを覆うよう設けられた支持基板２１を有していてもよい。
［本発明の第２の実施の形態の弾性波素子の構成］
図４乃至図９は、本発明の第２の実施の形態の弾性波素子を示している。
図４に示すように、本発明の第２の実施の形態の弾性波素子３０は、圧電基板１１とすだれ状電極３１と誘電体膜１３とを有している。なお、以下の説明では、本発明の第１の実施の形態の弾性波素子１０と同一の構成には同一の符号を付して、重複する説明を省略する。
圧電基板１１は、平板構造の基板または圧電薄膜から成っている。圧電基板１１は、−１０°〜７５°回転ＹカットＸ伝搬のＬｉＮｂＯ３基板、１２０°〜１７０°回転ＹカットＸ伝搬のＬｉＮｂＯ３基板、ＬｉＮｂＯ３基板、−５°〜６０°回転ＹカットＸ伝搬のＬｉＴａＯ３基板、ＬｉＴａＯ３基板、ランガサイト基板、水晶基板、ＺｎＯ基板、ＡｌＮ薄膜基板、ＺｎＯ薄膜基板、または、ＳｃＡｌＮ薄膜基板から成っている。
すだれ状電極３１は、圧電基板１１の一方の表面１１ａに設けられている。すだれ状電極３１は、Ａｕ、Ａｕ／Ｃｒ、Ａｇ、Ａｇ／Ｃｒ、Ｂｉ、Ｂｉ／Ｃｒ、Ｉｎ、または、これらのうちの２種以上の合金から成っている。このとき、すだれ状電極３１は、それぞれ伝搬する横波の音速が、圧電基板１１を伝搬する遅い横波の音速の２／３倍以下であり、かつ弾性表面波速度が１０１０ｍ／ｓ以上になっていてもよい。また、すだれ状電極３１は、通常の電極から成り、Ａｌ、Ｚｎ、Ｒｕ、Ｃｒ、Ｃｕ、Ｃｕ／Ｃｒ、Ｐｔ、Ｐｔ／Ｃｒ、Ｐｔ／Ｔｉ、または、これらのうちの２種以上の合金から成っていてもよい。また、すだれ状電極３１と通常の電極との組合せであってもよい。
すだれ状電極３１は、正極側バスバー４１ａと負極側バスバー４２ａと複数の正電極４１ｂと複数の負電極４２ｂとを有している。正極側バスバー４１ａおよび負極側バスバー４２ａは、所定の間隔を開けて、互いに平行に並んで配置されている。各正電極４１ｂは、正極側バスバー４１ａに沿って互いに間隔をあけて、正極側バスバー４１ａから負極側バスバー４２ａに向かって垂直に伸びるよう設けられている。各負電極４２ｂは、負極側バスバー４２ａに沿って互いに間隔をあけて、負極側バスバー４２ａから正極側バスバー４１ａに向かって垂直に伸びるよう設けられている。各正電極４１ｂおよび各負電極４２ｂは、正極側バスバー４１ａおよび負極側バスバー４２ａに沿って、互いに接触しないよう、交互に等周期あるいは異なる周期で配置されている。
誘電体膜１３は、すだれ状電極３１の上、すだれ状電極３１の隙間の圧電基板１１の一方の表面１１ａ、および／または、圧電基板１１の他方の表面１１ｂに設けられている。誘電体膜１３は、それぞれ伝搬する横波の音速が、圧電基板１１を伝搬する遅い横波の音速の２／３倍以下であり、かつ弾性表面波速度が１０１０ｍ／ｓ以上になっている。弾性波素子３０は、弾性波が圧電基板１１の各表面に沿って、および、圧電基板１１の表面に対して垂直方向に伝搬するようになっている。また、弾性波素子３０は、周波数温度特性が、−２０ｐｐｍ／℃から＋５ｐｐｍ／℃の範囲になっている。
また、図５に示すように、弾性波素子３０は、圧電基板１１の他方の表面１１ｂにも、弾性波を反射する第１反射膜２２ａおよび第２反射膜２２ｂを有する多層構造の誘電体膜１３ｂが設けられており、さらに、その多層構造の誘電体膜１３ｂを覆うよう設けられた支持基板２１を有していてもよい。この場合、弾性波素子３０は、弾性波が圧電基板１１の各表面に沿って伝搬するようになっている。また、図６に示すように、弾性波素子３０は、圧電基板１１の一方の表面１１ａの側には誘電体膜１３が設けられておらず、圧電基板１１の他方の表面１１ｂにのみ誘電体膜１３が設けられ、さらに、その誘電体膜１３を覆うよう設けられた誘電体から成る反射膜４３と、その反射膜４３を覆うよう設けられた支持基板２１とを有していてもよい。反射膜４３は、横波速度が圧電基板１１よりも大きく、弾性波を反射可能になっている。この場合、弾性波素子３０は、弾性波が圧電基板１１の各表面に沿って伝搬するようになっている。
また、図７に示すように、弾性波素子３０は、誘電体膜１３が薄膜から成り、圧電基板１１の表面に沿って弾性表面波が伝搬するよう構成されていてもよい。また、図８に示すように、弾性波素子３０は、支持基板２１を有し、誘電体膜１３が薄膜から成り、圧電基板１１の表面に沿って弾性表面波または擬似弾性表面波が伝搬するよう構成されていてもよい。また、図９に示すように、弾性波素子３０は、多数本電極指から成る１対の反射器４４を有し、各反射器４４が圧電基板１１の一方の表面１１ａに、すだれ状電極３１を挟むよう設けられた共振器から成っていてもよい。誘電体膜１３は、すだれ状電極３１だけでなく、各反射器４４も覆うよう設けられている。この場合にも、圧電基板１１の表面に沿って弾性表面波が伝搬するようになっている。
［本発明の第１および第２の実施の形態の弾性波素子の作用］
次に、本発明の第１および第２の実施の形態の弾性波素子１０、３０の作用について説明する。
弾性波素子１０、３０は、例えば、弾性波振動子、弾性波共振器、バルク波共振器、圧電薄膜共振器、弾性表面波振動子、弾性表面波共振器、弾性波フィルタ素子、弾性表面波フィルタ素子、温度特性に優れた共振器、遅延線、温度補償を必要としない高感度センサーなどを構成することができる。また、使用する弾性波は、レイリー波、縦波、横波、縦波を主成分とする疑似縦波、横波を主成分とする疑似横波、圧電基板の遅い横波速度より遅い伝搬速度の弾性表面波、ラブ波、ラム波、圧電基板の遅い横波より速い伝搬速度の擬似弾性表面波、または、圧電基板の速い横波速度より速い伝搬速度の疑似弾性縦波表面波である。
弾性波素子１０、３０は、少なくとも誘電体膜１３の横波の音速が、圧電基板１１を伝搬する遅い横波の音速の２／３倍以下であるため、弾性表面波用の素子として構成されるときには、圧電基板１１中に漏洩する弾性波のエネルギー放射がゼロとなる弾性表面波とすると共に、速度分散性の大きな基板とすることができる。また、疑似弾性表面波の伝搬減衰が零となる回転角を得て、速度分散性の大きな基板を得ることができる。また、素子の小型化が可能である。これにより、弾性表面波を使用する場合には、その伝搬損失を抑えて、圧電基板１１の表面に弾性表面波のエネルギーを集中させることができ、Ｑ値および速度分散性を大きくすることができる。また、電極１２や誘電体膜１３の厚みを薄くすることができるため、製作が容易、かつ小型化が可能である。
また、弾性波素子１０、３０は、誘電体膜１３を設けることにより、中心周波数の調整および温度補償を行うことができる。これにより、例えば、すだれ状電極３１を１対有する場合に、中心周波数が高い方のすだれ状電極３１の上に誘電体膜１３を設けて、中心周波数の調整を行うことにより、各すだれ状電極３１で励振または受信する弾性表面波の中心周波数が等しくなるようにすることができる。また、この方法により、フィルタの周波数調整を行うことができる。
また、弾性波素子１０、３０は、各電極１２またはすだれ状電極３１が設けられた圧電基板１１と、誘電体膜１３との間にＳｉＯ２膜もしくは温度補償用誘電体膜を有していてもよく、また、誘電体膜１３の上にＳｉＯ２膜を有していてもよい。この場合、非常に薄い膜厚のＳｉＯ２膜もしくは温度補償用誘電体膜を用いることにより、優れた温度特性が得られる。ＳｉＯ２膜は、例えば、その膜厚をＨ、圧電基板を伝搬する弾性波の波長をλｅｆｆとすると、Ｈ／λｅｆｆ＝０．００５〜０．１５である。温度補償用誘電体膜は、例えば、ＳｉＯＦ、ランガサイト系薄膜、不純物を含むＳｉＯ２等である。
［周波数温度特性（ＴＣＦ）］
弾性波素子１０、３０の周波数温度特性（ＴＣＦ）は、
ＴＣＦ＝ＴＣＶ−α （１）
で与えられる。ここで、ＴＣＶは速度温度係数、αは伝搬方向の線膨張係数である。ＴＣＶは、温度ｔ１のときの速度をＶｔ１、温度ｔ２のときの速度をＶｔ２としたとき、
ＴＣＶ＝［（Ｖｔ１−Ｖｔ２）／Ｖｔ１］／（ｔ１−ｔ２） （２）
で与えられる。
一般に、多くの物質は、温度の上昇と共に伸びるため、αは正の値となる。また、温度の上昇と共に、物質は柔らかくなるため、ＴＣＶは負の値となる。弾性波素子１０、３０で用いられるＬｉＮｂＯ３単結晶基板のＴＣＦは、−５０ｐｐｍ／℃から−１００ｐｐｍ／℃の範囲であり、ＬｉＴａＯ３単結晶基板のＴＣＦは、−２５ｐｐｍ／℃から−５０ｐｐｍ／℃の範囲である。そこで、従来、ゼロＴＣＦを得るために、正の周波数温度特性を有するＳｉＯ２薄膜が用いられている。
図１に示す構造で、３６°回転ＹカットＸ伝搬のＬｉＮｂＯ３圧電基板１１の両面１１ａ、１１ｂに、１対の電極１２としてＡｌ膜（膜厚：ｈ）を、膜厚比ｈ／λｅｆｆ＝０．０１（ここで、λｅｆｆは動作波長）で設けた疑似弾性縦波共振器上に、Ｂｉ２Ｏ３から成る誘電体膜１３（膜厚：Ｈ）を設けたときの、膜厚比Ｈ／λｅｆｆに対する疑似弾性縦波速度（Ｖｅｆｆ）をシミュレーションにより求め、図１０に示す。図１０に示すように、膜厚比Ｈ／λｅｆｆが減少するにつれて、疑似弾性縦波速度（Ｖｅｆｆ）が大きく増加しており、大きな負の速度分散性を示すことが確認された。
また、同様に、１６４°回転ＹカットＸ伝搬のＬｉＴａＯ３圧電基板１１の両面１１ａ、１１ｂに、それぞれ１対の電極１２としてＡｌ膜（膜厚：ｈ）を、膜厚比ｈ／λｅｆｆ＝０．０１で設けた疑似弾性横波共振器上に、Ｂｉ２Ｏ３から成る誘電体膜１３（膜厚：Ｈ）を設けたときの、膜厚比Ｈ／λｅｆｆに対する疑似弾性横波速度（Ｖｅｆｆ）をシミュレーションにより求め、図１１に示す。図１１に示すように、大きな負の速度分散性を示すことが確認された。
また、半無限平面の３６°回転ＹカットＸ伝搬のＬｉＴａＯ３基板（圧電基板１１）の表面１１ａに、すだれ状電極３１としてＡｌ膜（膜厚：ｈ）を、膜厚比ｈ／λｅｆｆ＝０．０１で設けた疑似弾性表面波共振器上に、Ｂｉ２Ｏ３から成る誘電体膜１３（膜厚：Ｈ）を設けたときの、膜厚比Ｈ／λｅｆｆに対する疑似弾性表面波速度（Ｖｅｆｆ）をシミュレーションにより求め、図１２に示す。図１２に示すように、大きな負の速度分散性を示すことが確認された。
このような大きな負の速度分散性は、誘電体膜１３を伝搬する横波の音速が、圧電基板１１を伝搬する遅い横波の音速の２／３倍以下であることによるものと考えられる。また、各電極１２またはすだれ状電極３１の厚みをｈとすると、各電極１２またはすだれ状電極３１に対しても同様に、大きな負の速度分散性を示すことが確認された。
図１〜図９、図１５〜図１７に対応する共振器、変換器では、圧電基板１１、各電極１２、すだれ状電極３１、および誘電体膜１３のＴＣＦは、それぞれ単独では、αが正の値、ＴＣＶが負の値であり、全体でも負のＴＣＦしか得られない。弾性波素子の構造は、誘電体膜１３、各電極１２、すだれ状電極３１の膜厚が、圧電基板１１の、支持基板２１の厚さより非常に薄いため、圧電基板１１、支持基板２１の伝搬方向および面内方向の線膨張係数の値に引きずられて、誘電体膜１３、各電極１２、すだれ状電極３１は、温度の変化により熱歪を生じる。圧電基板１１あるいは支持基板２１の伝搬方向の線膨張係数が正の値のときは、温度の増加に対して、λｅｆｆは、正の線膨張係数の大きさに従って増加する。従って、λｅｆｆの増加と誘電体膜１３、各電極１２、すだれ状電極３１の熱歪により、Ｈ／λｅｆｆ、ｈ／λｅｆｆの値は減少する。このとき、図１０〜図１２、図１９〜図２１のグラフから、Ｖの値が増加し、速度分散によるＴＣＶが正の値となり、（２）式のＴＣＶが増加して正の値に近づくことになる。このため、誘電体膜１３、各電極１２、すだれ状電極３１を設けることにより、誘電体膜１３、各電極１２またはすだれ状電極３１の膜厚が小さくとも、周波数温度特性が大きく改善される。このように、弾性波素子１０、３０では、圧電基板１１、支持基板２１、各電極１２またはすだれ状電極３１、および誘電体膜１３の周波数温度特性が負の値であっても、速度分散性と熱歪とを考慮することにより、ゼロに近い周波数温度特性が得られる。
なお、各電極１２やすだれ状電極３１、誘電体膜１３を蒸着する時の温度を変えることにより、誘電体膜１３中の歪を大きくすることができるため、周波数温度特性の改善効果がさらに大きくなると考えられる。このときの蒸着温度としては、例えば、弾性波素子１０、３０の中心動作温度より１００℃以上高い温度、または、弾性波素子１０、３０の中心動作温度より１００℃以上低い温度であることが好ましい。
３６°回転ＹカットＸ伝搬のＬｉＴａＯ３基板（圧電基板１１）上に、Ｃｕ／Ｃｒ構造のすだれ状電極３１を設けた従来の弾性波素子を作製し、２０℃および３５℃での共振アドミッタンス特性を調べた結果を、それぞれ図１３（Ａ）および（Ｂ）に示す。また、３６°回転ＹカットＸ伝搬のＬｉＴａＯ３基板（圧電基板１１）上に、Ｃｕ／Ｃｒ構造のすだれ状電極３１を設け、さらにその上にＢｉ２Ｏ３から成る誘電体膜１３を設けた弾性波素子３０を作製し、２０℃および３５℃での共振アドミッタンス特性を調べた結果を、それぞれ図１４（Ａ）および（Ｂ）に示す。
図１３に示す共振アドミッタンス特性の各温度でのピーク位置から、周波数温度特性ＴＣＦを求めると、ＴＣＦ＝−２５ｐｐｍ／℃となる。このことから、誘電体膜１３を有さず、大きな分散性が得られない弾性波素子では、圧電基板１１のＴＣＦとほぼ等しい値しか得られないことが確認された。これに対し、図１４から周波数温度特性ＴＣＦを求めると、ＴＣＦ＝−５ｐｐｍ／℃となり、誘電体膜１３を設けることにより、周波数温度特性が＋２０ｐｐｍ／℃改善することが確認された。なお、図１２に、図１３、図１４の弾性波素子３０から得られた速度の結果を、×印で示す。図１２に示すように、理論値と良く一致していることが確認された。
［本発明の第３の実施の形態の弾性波素子の構成］
図１５は、本発明の第３の実施の形態の弾性波素子を示している。
図１５に示すように、本発明の第３の実施の形態の弾性波素子５０は、圧電基板１１とすだれ状電極３１と誘電体膜１３とを有している。なお、以下の説明では、本発明の第１および第２の実施の形態の弾性波素子１０、３０と同一の構成には同一の符号を付して、重複する説明を省略する。
すだれ状電極３１は、分散型のものである。弾性波素子５０は、すだれ状電極３１の交互に配置された正電極４１ｂと負電極４２ｂの本数を２Ｎ＋１本、伝搬する弾性波の動作中心波長をλＮ、そのときの弾性波の速度をＶＮ、弾性波の波長がλｎ＝λＮ［１＋｛Ｎ−（ｎ−１）｝δ］のときの弾性波の速度をＶｎとし（ここで、ｎ＝１〜２Ｎ＋１）、Ｎδの値を０．００５〜０．３、ａｎの値を０．８〜１．２とすると、ｎ本目の電極の幅は、Ｌｎ＝Ｘｎ／２＝ａｎ（λｎ／４）×（Ｖｎ／ＶＮ）、隣り合う電極の中心間の間隔はＸｎ＝ａｎ（λｎ／２）×（Ｖｎ／ＶＮ）であってもよい。この場合、広帯域の弾性波変換器、弾性表面波変換器を得ることができる。
［本発明の第４の実施の形態の弾性波素子の構成］
図１６および図１７は、本発明の第４の実施の形態の弾性波素子を示している。
図１６および図１７に示すように、本発明の第４の実施の形態の弾性波素子７０は、圧電基板１１と、１対の電極１２またはすだれ状電極３１とを有している。なお、以下の説明では、本発明の第１および第２の実施の形態の弾性波素子１０、３０と同一の構成には同一の符号を付して、重複する説明を省略する。
図１６に示す形態では、１対の電極１２は、金属電極膜から成り、圧電基板１１の両面１１ａ、１１ｂにそれぞれ設けられている。各電極１２は、Ａｕ、Ａｕ／Ｃｒ、Ａｇ、Ａｇ／Ｃｒ、Ｂｉ、Ｂｉ／Ｃｒ、Ｉｎ、Ｐｂ、Ｐｂ／Ｃｒ、または、これらのうちの２種以上の合金から成っている。また、各電極１２は、伝搬する横波の音速が、圧電基板１１を伝搬する遅い横波の音速の２／３倍以下であり、かつ弾性表面波速度が１０１０ｍ／ｓ以上になっている。弾性波素子７０は、圧電基板１１を伝搬する弾性波の波長をλｅｆｆ、各電極１２の厚みをｈとすると、ｈ／λｅｆｆ＝０．００５〜０．３になっている。なお、各電極１２は、金属電極膜と通常の電極と組み合わせた電極であってもよい。
また、図１７に示す形態では、圧電基板１１は平行平板構造であり、すだれ状電極３１は、金属電極膜から成り、圧電基板１１の一方の表面１１ａに設けられている。または、圧電基板１１は半無限平面構造であり、すだれ状電極３１は、金属電極膜から成り、圧電基板１１の表面１１ａに設けられている。すだれ状電極３１は、Ａｕ、Ａｕ／Ｃｒ、Ａｇ、Ａｇ／Ｃｒ、Ｂｉ、Ｂｉ／Ｃｒ、Ｉｎ、または、これらのうちの２種以上の合金から成っている。また、すだれ状電極３１は、伝搬する横波の音速が、圧電基板１１を伝搬する遅い横波の音速の２／３倍以下であり、かつ弾性表面波速度が１０１０ｍ／ｓ以上になっている。弾性波素子７０は、圧電基板１１を伝搬する弾性波の波長をλｅｆｆ、すだれ状電極３１の厚みをｈとすると、ｈ／λｅｆｆ＝０．００５〜０．３になっている。なお、すだれ状電極３１は、金属電極膜と通常の電極と組み合わせた電極であってもよい
次に、作用について説明する。
弾性波素子７０は、金属電極膜から成る各電極１２またはすだれ状電極３１の横波の音速が、圧電基板１１を伝搬する遅い横波の音速の２／３倍以下であるため、弾性表面波用の素子として構成されるときには、圧電基板１１中に漏洩する弾性波のエネルギー放射がゼロとなる弾性表面波とすると共に、速度分散性の大きな基板とすることができる。また、疑似弾性表面波の伝搬減衰が零となる回転角を得て、速度分散性の大きな基板を得ることができる。また、素子の小型化が可能である。これにより、弾性表面波を使用する場合、あるいは、伝搬減衰が零の擬似弾性表面波を用いる場合には、その伝搬損失を抑えて、圧電基板１１の表面に弾性表面波のエネルギーを集中させることができ、Ｑ値および速度分散性を大きくすることができる。このように、誘電体膜を用いなくとも、速度分散性を大きくすることができ、優れた周波数温度特性を得ることができる。また、ＴｅＯ２などの有害物質を用いる必要がなく、安全性の高い他の材料を用いて実用化することができる。
なお、弾性波素子７０は、圧電基板１１の他方の表面１１ｂの両端にそれぞれ設けられた１対の支持基板を有していてもよい。これは、例えば、図２から誘電体膜１３を取り除いた構造に対応しており、弾性波により、各支持基板の間の圧電基板１１が振動するようになっている。また、弾性波素子７０は、圧電基板１１の他方の表面１１ｂの電極１２を覆うよう設けられた、弾性波を反射する第１反射膜および第２反射膜を有する多層構造から成る誘電体と、その多層構造の誘電体を覆うよう設けられた支持基板を有していてもよい。これは、例えば、図３から誘電体膜１３ａ、１３ｂを取り除いた構造に対応している。
また、弾性波素子７０は、圧電基板１１の他方の表面１１ｂを覆うよう設けられた、弾性波を反射する第１反射膜および第２反射膜を有する多層構造の誘電体と、その多層構造の誘電体を覆うよう設けられた支持基板とを有していてもよい。これは、例えば、図５から誘電体膜１３ａを取り除いた構造に対応しており、弾性波が圧電基板１１の各表面に沿って伝搬するようになっている。また、弾性波素子７０は、圧電基板１１の他方の表面１１ｂを覆うよう設けられた、誘電体から成る反射膜と、その反射膜を覆うよう設けられた支持基板とを有していてもよい。反射膜は、横波速度が圧電基板１１よりも大きく、弾性波を反射可能になっている。これは、例えば、図６から誘電体膜１３を取り除いた構造に対応しており、弾性波が圧電基板１１の各表面に沿って伝搬するようになっている。また、弾性波素子７０は、多数本電極指から成る１対の反射器を有し、各反射器が圧電基板１１の一方の表面１１ａに、すだれ状電極３１を挟むよう設けられた共振器から成っていてもよい。これは、例えば、図９から誘電体膜１３を取り除いた構造に対応しており、圧電基板１１の表面に沿って弾性表面波または擬似弾性表面波が伝搬するようになっている。
１０°回転ＹカットＸ伝搬のＬｉＮｂＯ３基板（圧電基板１１）上に、Ａｕ／Ｃｒ金属膜から成るすだれ状電極３１を設けた弾性波素子７０を作製し、２０℃および３０℃での共振アドミッタンス特性を調べた結果を、それぞれ図１８（Ａ）および（Ｂ）に示す。図１８に示す共振アドミッタンス特性の各温度でのピーク位置から、周波数温度特性ＴＣＦを求めると、ＴＣＦ＝−１５ｐｐｍ／℃となる。この結果を、図１３に示すような従来構造の弾性波素子の結果と比較すると、すだれ状電極３１として前記すだれ状電極膜を用いることにより、誘電体膜がなくても、周波数温度特性が＋３０ｐｐｍ／℃改善することが確認された。
ＹカットＸ伝搬のＬｉＮｂＯ３基板から成る圧電基板１１の表面に、ｈＡｌ／λｅｆｆ＝０．０１のＡｌ膜（膜厚：ｈＡｌ）を付着し、さらにその上に、誘電体膜１３としてＢＳＯ薄膜（膜厚：Ｈ）またはＢｉ２Ｏ３薄膜（膜厚：Ｈ）を付着させたもの、および、ＹカットＸ伝搬のＬｉＮｂＯ３基板から成る圧電基板１１の表面に、すだれ状電極３１として金属膜のＡｕ薄膜（膜厚：ｈ）を付着させたものについて、シミュレーションを行った。シミュレーションでは、Ｈ／λｅｆｆ、ｈ／λｅｆｆ（ここで、λｅｆｆは動作波長）に対する擬似弾性表面波の伝搬速度、伝搬減衰、および圧電基板１１の電気機械結合係数ｋ２の変化をそれぞれ求め、それらの結果を図１９（Ａ）〜（Ｃ）に示す。
図１９（Ａ）に示すように、ｈ／λｅｆｆ＝０．０１のとき、Ａｕ薄膜では、伝搬速度が４１００ｍ／ｓから３７００ｍ／ｓまで、約３５０ｍ／ｓ低下していることが確認された。同様に、ＢＳＯ薄膜およびＢｉ２Ｏ３薄膜では、約１５０ｍ／ｓ低下していることが確認された。薄膜の膜厚がゼロのときの弾性表面波の速度をｖｏ、薄膜の膜厚がＨ、ｈのときの弾性表面波の速度をｖＨとすると、ＢＳＯ、Ａｕ、Ｂｉ２Ｏ３薄膜を用いることにより、Ｈ／λｅｆｆ、ｈ／λｅｆｆ＝０．０１のときに、０．０３３≦（ｖｏ−ｖＨ）／ｖｏ≦０．０９の大きい速度分散性を有することが確認された。
また、図１９（Ｂ）に示すように、Ａｕ薄膜では、ｈ／λｅｆｆ＝０．００５以上では、伝搬減衰がゼロ、ＢＳＯ薄膜およびＢｉ２Ｏ３薄膜では、ｈＡｌ／λｅｆｆ＝０．０１のＡｌ膜が付着しているため、伝搬減数がゼロの弾性表面波が得られることが確認された。また、図１９（Ｃ）に示すように、いずれの薄膜でも、従来にはないほどの、大きい電気機械結合係数ｋ２が得られることが確認された。
次に、ＹカットＸ伝搬のＬｉＴａＯ３基板から成る圧電基板１１の表面に、電極材料として、ｈＡｌ／λｅｆｆ＝０．０１のＡｌ膜（膜厚：ｈＡｌ）を付着し、さらにその上に誘電体膜１３としてＢｉ２Ｏ３薄膜（膜厚：Ｈ）もしくはＢＳＯ薄膜（膜厚：Ｈ）を付着させたもの、および、ＹカットＸ伝搬のＬｉＴａＯ３基板から成る圧電基板１１の表面に、導体のＢｉ薄膜（膜厚：ｈ）を付着し、さらにその上にｈＡｌ／λｅｆｆ＝０．０１のＡｌ膜（膜厚：ｈＡｌ）を付着させたものについて、シミュレーションを行った。シミュレーションでは、Ｈ／λｅｆｆ、ｈ／λｅｆｆに対する擬似弾性表面波の伝搬速度、伝搬減衰、および圧電基板１１の電気機械結合係数ｋ２の変化をそれぞれ求め、それらの結果を図２０（Ａ）〜（Ｃ）に示す。
図２０（Ａ）に示すように、Ｂｉ、Ｂｉ２Ｏ３、ＢＳＯ薄膜を用いることにより、大きな速度分散性が得られることが確認された。また、図２０（Ｂ）に示すように、Ｂｉ２Ｏ３薄膜およびＢＧＯ薄膜は、それぞれＨ／λｅｆｆ＝０．０６以上のとき、伝搬減衰がゼロとなり、Ｂｉ薄膜では、ｈ／λｅｆｆ＝０．０４以上のとき、伝搬減衰がゼロとなり、圧電基板１１の表面にエネルギーが閉じ込められた弾性表面波が得られることが確認された。また、図２０（Ｃ）に示すように、いずれの薄膜でも、従来にはないほどの、大きい電気機械結合係数ｋ２が得られることが確認された。このように、電極材料となるＡｌ膜を挟んだり載せたりしても、導体のＢｉ薄膜、誘電体膜１３のＢｉ２Ｏ３薄膜またはＢＧＯ薄膜を用いることにより、伝搬減衰のない弾性表面波が得られることが確認された。なお、Ｂｉは導体であるため、Ａｌ電極の下面に付着させる必要がある。
次に、回転角が１２０°〜１７０°のＹカットＸ伝搬のＬｉＮｂＯ３基板（伝搬する横波の音速が４０８０ｍ／ｓ）から成る圧電基板１１の表面に、すだれ状電極３１として、ｈ／λｅｆｆ＝０．０１のＡｌ薄膜（膜厚：ｈ）を付着させ、さらにその上にＢＳＯ膜（膜厚：Ｈ）を付着させたものについて、シミュレーションを行った。シミュレーションでは、回転角に対する伝搬速度、Ｈ／λｅｆｆ＝０．０２のときの回転角に対する電気機械結合係数ｋ２、回転角１５０°のときのＨ／λｅｆｆに対する伝搬速度の変化をそれぞれ求め、それらの結果を図２１（Ａ）〜（Ｃ）を示す。
図２１（Ａ）に示すように、回転角が１３０°〜１５０°の範囲では、レイリー波と横波表面波の伝搬速度が同一であり、縮退しており、スプリアス特性の無い基板が得られることが確認された。また、図２１（Ｂ）に示すように、大きい電気機械結合係数ｋ２が得られることが確認された。また、図２１（Ｃ）に示すように、Ｈ／λｅｆｆ＝０．０１に対して、速度差は１３０ｍ／ｓと大きな値になっており、周波数温度特性を大きく改善した基板が得られることが確認された。
１０ 弾性波素子（第１の実施の形態）
１１ 圧電基板
１１ａ 一方の表面
１１ｂ 他方の表面
１２ 電極
１３ 誘電体膜
２１ 支持基板
２２ａ 第１反射膜
２２ｂ 第２反射膜
３０ 弾性波素子（第２の実施の形態）
３１ すだれ状電極
４１ａ 正極側バスバー
４１ｂ 正電極
４２ａ 負極側バスバー
４２ｂ 負電極
４３ 反射膜
４４ 反射器
５０ 弾性波素子（第３の実施の形態）
７０ 弾性波素子（第４の実施の形態）

Claims (16)

  1. 圧電基板と、
    前記圧電基板の両面にそれぞれ設けられた１対の電極と、
    前記圧電基板の少なくともいずれか一方の表面に、その表面に設けられた電極を覆うよう設けられた誘電体膜とを有し、
    前記誘電体膜は、伝搬する横波の音速が、前記圧電基板を伝搬する遅い横波の音速の２／３倍以下であり、かつ弾性表面波速度が１０１０ｍ／ｓ以上であることを
    特徴とする弾性波素子。
  2. 弾性波が前記圧電基板の各表面に対して垂直方向に伝搬し、周波数温度特性が、−２０ｐｐｍ／℃から＋５ｐｐｍ／℃の範囲であることを特徴とする請求項１記載の弾性波素子。
  3. 各電極は、伝搬する横波の音速が、前記圧電基板を伝搬する遅い横波の音速の２／３倍以下であり、かつ弾性表面波速度が１０１０ｍ／ｓ以上であることを特徴とする請求項１または２記載の弾性波素子。
  4. 圧電基板と、
    前記圧電基板の一方の表面に設けられたすだれ状電極と、
    前記すだれ状電極上、前記すだれ状電極の隙間の前記圧電基板の一方の表面、および／または、前記圧電基板の他方の表面に設けられた誘電体膜とを有し、
    前記誘電体膜は、伝搬する横波の音速が、前記圧電基板を伝搬する遅い横波の音速の２／３倍以下であり、かつ弾性表面波速度が１０１０ｍ／ｓ以上であることを
    特徴とする弾性波素子。
  5. 弾性波が前記圧電基板の各表面に沿って、および／または、前記圧電基板の各表面に対して垂直方向に伝搬し、周波数温度特性が、−２０ｐｐｍ／℃から＋５ｐｐｍ／℃の範囲であることを特徴とする請求項４記載の弾性波素子。
  6. 前記すだれ状電極は、伝搬する横波の音速が、前記圧電基板を伝搬する遅い横波の音速の２／３倍以下であり、かつ弾性表面波速度が１０１０ｍ／ｓ以上であることを特徴とする請求項４または５記載の弾性波素子。
  7. 前記圧電基板を伝搬する弾性波の波長をλｅｆｆ、各電極または前記すだれ状電極の厚みをｈ、前記誘電体膜の膜厚をＨとすると、ｈ／λｅｆｆ＝０．００５〜０．３、Ｈ／λｅｆｆ＝０．０１〜０．３であることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の弾性波素子。
  8. 前記圧電基板は、３３°〜３９°回転ＹカットＸ伝搬のＬｉＮｂＯ３基板、１６１°〜１６７°回転ＹカットＸ伝搬のＬｉＮｂＯ３基板、ＬｉＮｂＯ３基板、４４°〜５０°回転ＹカットＸ伝搬のＬｉＴａＯ３基板、１６２°〜１６８°回転ＹカットＸ伝搬のＬｉＴａＯ３基板、ＬｉＴａＯ３基板、ランガサイト基板、水晶基板、ＺｎＯ基板、圧電性セラミックス基板、ＡｌＮ薄膜基板、ＺｎＯ薄膜基板、圧電性セラミックス薄膜基板、または、ＳｃＡｌＮ薄膜基板であり、
    前記誘電体膜は、（Ｂｉ２Ｏ３）Ｘ（ＳｉＯ２またはＧｅＯ２）（１−Ｘ）膜［ここで、Ｘ＝０．３〜１．０］、Ｂｉを含む化合物膜、ＢＳＯ膜、ＢＧＯ膜、Ｉｎ２Ｏ３膜、または、Ｉｎを含む化合物膜から成り、
    各電極または前記すだれ状電極は、Ａｕ、Ａｕ／Ｃｒ、Ａｇ、Ａｇ／Ｃｒ、Ｂｉ、Ｂｉ／Ｃｒ、Ｉｎ、もしくは、これらのうちの２種以上の合金、または、Ａｌ、Ｚｎ、Ｒｕ、Ｃｒ、Ｃｕ／Ｃｒ、Ｐｔ、Ｐｔ／Ｃｒ、Ｐｔ／Ｔｉ、もしくは、これらのうちの２種以上の合金から成ることを
    特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載の弾性波素子。
  9. 前記圧電基板は、−１０°〜７５°回転ＹカットＸ伝搬のＬｉＮｂＯ３基板、１２０°〜１７０°回転ＹカットＸ伝搬のＬｉＮｂＯ３基板、Ｙ−Ｚ ＬｉＮｂＯ３基板、Ｘカット３５°〜４５°Ｙ伝搬のＬｉＮｂＯ３基板、Ｘカット１６０°〜１７５°Ｙ伝搬のＬｉＮｂＯ３基板、ＬｉＮｂＯ３基板、−１０°〜６０°回転ＹカットＸ伝搬のＬｉＴａＯ３基板、Ｘカット３５°〜４５°Ｙ伝搬のＬｉＴａＯ３基板、ＬｉＴａＯ３基板、ランガサイト基板、水晶基板、ＺｎＯ基板、圧電性セラミックス基板、ＡｌＮ薄膜基板、ＺｎＯ薄膜基板、圧電性セラミックス薄膜基板、または、ＳｃＡｌＮ薄膜基板であり、
    前記誘電体膜は、前記すだれ状電極上に設けられ、（Ｂｉ２Ｏ３）Ｘ（ＳｉＯ２またはＧｅＯ２）（１−Ｘ）膜［ここで、Ｘ＝０．３〜１．０］、Ｂｉを含む化合物膜、ＢＳＯ膜、ＢＧＯ膜、Ｉｎ２Ｏ３膜、または、Ｉｎを含む化合物膜から成り、
    前記すだれ状電極は、Ａｕ、Ａｕ／Ｃｒ、Ａｇ、Ａｇ／Ｃｒ、Ｂｉ、Ｂｉ／Ｃｒ、Ｉｎ、もしくは、これらのうちの２種以上の合金、または、Ａｌ、Ｚｎ、Ｒｕ、Ｃｒ、Ｃｕ／Ｃｒ、Ｐｔ、Ｐｔ／Ｃｒ、Ｐｔ／Ｔｉ、もしくは、これらのうちの２種以上の合金から成ることを
    特徴とする請求項４乃至６のいずれか１項に記載の弾性波素子。
  10. 各電極または前記すだれ状電極は、Ａｕ、Ａｕ／Ｃｒ、Ａｇ、Ａｇ／Ｃｒ、Ｂｉ、Ｂｉ／Ｃｒ、Ｉｎ、もしくは、これらのうちの２種以上の合金から成る、または、Ａｌ、Ｚｎ、Ｒｕ、Ｃｒ、Ｃｕ、Ｃｕ／Ｃｒ、Ｐｔ、Ｐｔ／Ｔｉ、もしくは、これらのうちの２種以上の合金から成る、または、Ａｕ、Ａｕ／Ｃｒ、Ａｇ、Ａｇ／Ｃｒ、Ｂｉ、Ｂｉ／Ｃｒ、Ｉｎ、もしくは、これらのうちの２種以上の合金の上に、Ａｌ、Ｚｎ、Ｒｕ、Ｃｒ、Ｃｕ、Ｃｕ／Ｃｒ、Ｐｔ、Ｐｔ／Ｃｒ、Ｐｔ／Ｔｉ、もしくは、これらのうちの２種以上の合金から成る電極膜を有することを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載の弾性波素子。
  11. 圧電基板と、
    前記圧電基板の両面にそれぞれ設けられた１対の電極とを有し、
    各電極は、金属電極膜から成り、伝搬する横波の音速が、前記圧電基板を伝搬する遅い横波の音速の２／３倍以下であり、かつ弾性表面波速度が１０１０ｍ／ｓ以上であり、
    周波数温度特性が、−２０ｐｐｍ／℃から＋５ｐｐｍ／℃の範囲であり、前記圧電基板を伝搬する弾性波の波長をλｅｆｆ、各電極の厚みをｈとすると、ｈ／λｅｆｆ＝０．００５〜０．３であることを
    特徴とする弾性波素子。
  12. 圧電基板と、
    前記圧電基板の一方の表面に設けられたすだれ状電極とを有し、
    前記すだれ状電極は、金属電極膜から成り、伝搬する横波の音速が、前記圧電基板を伝搬する遅い横波の音速の２／３倍以下であり、かつ弾性表面波速度が１０１０ｍ／ｓ以上であり、
    周波数温度特性が、−２０ｐｐｍ／℃から＋５ｐｐｍ／℃の範囲であり、前記圧電基板を伝搬する弾性波の波長をλｅｆｆ、前記すだれ状電極の厚みをｈとすると、ｈ／λｅｆｆ＝０．００５〜０．３であることを
    特徴とする弾性波素子。
  13. 前記圧電基板は、３３°〜３９°回転ＹカットＸ伝搬のＬｉＮｂＯ３基板、１６１°〜１６７°回転ＹカットＸ伝搬のＬｉＮｂＯ３基板、−１０°〜７５°回転ＹカットＸ伝搬のＬｉＮｂＯ３基板、１２０°〜１７０°回転ＹカットＸ伝搬のＬｉＮｂＯ３基板、Ｙ−Ｚ ＬｉＮｂＯ３基板、Ｘカット３５°〜４５°Ｙ伝搬のＬｉＮｂＯ３基板、Ｘカット１６０°〜１７５°Ｙ伝搬のＬｉＮｂＯ３基板、ＬｉＮｂＯ３基板、−１０°〜６０°回転ＹカットＸ伝搬のＬｉＴａＯ３基板、Ｘカット３５°〜４５°Ｙ伝搬のＬｉＴａＯ３基板、４４°〜５０°回転ＹカットＸ伝搬のＬｉＴａＯ３基板、１６２°〜１６８°回転ＹカットＸ伝搬のＬｉＴａＯ３基板、ＬｉＴａＯ３基板、ランガサイト基板、水晶基板、ＺｎＯ基板、圧電性セラミックス基板、ＡｌＮ薄膜基板、ＺｎＯ薄膜基板、圧電性セラミックス薄膜基板、または、ＳｃＡｌＮ薄膜基板であり、
    各電極または前記すだれ状電極は、Ａｕ、Ａｕ／Ｃｒ、Ａｇ、Ａｇ／Ｃｒ、Ｂｉ、Ｂｉ／Ｃｒ、Ｉｎ、もしくは、これらのうちの２種以上の合金、または、Ａｕ、Ａｕ／Ｃｒ、Ａｇ、Ａｇ／Ｃｒ、Ｂｉ、Ｂｉ／Ｃｒ、Ｉｎ、もしくは、これらのうちの２種以上の合金の上に、Ａｌ、Ｚｎ、Ｒｕ、Ｃｒ、Ｃｕ、Ｃｕ／Ｃｒ、Ｐｔ、Ｐｔ／Ｃｒ、Ｐｔ／Ｔｉ、もしくは、これらのうちの２種以上の合金から成る電極膜を有することを
    特徴とする請求項１１または１２記載の弾性波素子。
  14. 前記すだれ状電極の交互に配置された電極の本数を２Ｎ＋１本、伝搬する弾性波の動作中心波長をλＮ、そのときの前記弾性波の速度をＶＮ、前記弾性波の波長がλｎ＝λＮ［１＋｛Ｎ−（ｎ−１）｝δ］のときの前記弾性波の速度をＶｎとし（ここで、ｎ＝１〜２Ｎ＋１）、Ｎδの値を０．００５〜０．３、ａｎの値を０．８〜１．２とすると、
    ｎ本目の電極の幅は、Ｌｎ＝Ｘｎ／２＝ａｎ（λｎ／４）×（Ｖｎ／ＶＮ）、隣り合う電極の中心間隔はＸｎ＝ａｎ（λｎ／２）×（Ｖｎ／ＶＮ）であることを
    特徴とする請求項４、５、６、９、１２または１３記載の弾性波素子。
  15. 各電極または前記すだれ状電極が設けられた前記圧電基板と、前記誘電体膜との間にＳｉＯ２膜もしくは温度補償用誘電体膜を有すること、または、前記誘電体膜の上にＳｉＯ２膜を有することを特徴とする請求項１乃至１４のいずれか１項に記載の弾性波素子。
  16. 請求項１乃至１５のいずれか１項に記載の弾性波素子の製造方法であって、
    各電極もしくは前記すだれ状電極、および／または前記誘電体膜を、前記弾性波素子の中心動作温度より１００℃以上高い温度、または、前記弾性波素子の中心動作温度より１００℃以上低い温度で蒸着して形成することを特徴とする弾性波素子の製造方法。


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