JPWO2020184466A1 - 弾性波装置 - Google Patents

Abstract

高精度に音速を調整することができ、音響損失が生じがたい、弾性波装置を提供する。
支持基板２上に、エネルギー閉じ込め層３、圧電膜４及びＩＤＴ電極７が積層されており、圧電膜４と、支持基板２との間の少なくとも一部に設けられており、かつ圧電膜４と異なる材料からなる音速調整膜１１，１２が設けられている、弾性波装置１。

Description

本発明は、音速調整膜を有する弾性波装置に関する。

従来、弾性波の音速を部分的に異ならせるための音速調整膜を有する弾性波装置が知られている。例えば下記の特許文献１に記載の弾性波装置では、第１の電極指と第２の電極指とが弾性波伝搬方向から見た場合に重なっている交差領域内の両端近傍に、第１，第２のエッジ領域が設けられている。この第１，第２のエッジ領域の音速を低めるために、第１，第２のエッジ領域において、第１，第２の電極指に、質量を付加するための金属膜が積層されている。また、下記の特許文献２では、エッジ領域において、第１，第２の電極指に、誘電体膜を積層した構造が示されている。

ＷＯ２０１１／０８８９０４Ａ１ 特開２０１５−１１１９２３号公報

特許文献１や特許文献２に記載の弾性波装置では、金属や誘電体からなる音速調整膜を、第１，第２の電極指上に積層しているものであるため、高い精度で音速調整膜を形成することが困難であった。そのため、高い精度で音速を調整することが困難であった。また、電極指に比較的厚い音速調整膜を積層すると、音響損失が大きくなる。そのため、電気機械結合係数やＱ特性が劣化するおそれもあった。

本発明の目的は、高い精度で音速を調整することができ、音響損失が生じがたい、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、支持基板と、圧電膜と、前記圧電膜上に設けられたＩＤＴ電極と、前記圧電膜と前記支持基板との間に設けられており、前記圧電膜にエネルギーを閉じ込めるためのエネルギー閉じ込め層と、前記圧電膜と前記支持基板との間の少なくとも一部に設けられており、かつ前記圧電膜と異なる材料からなる音速調整膜とを備える、弾性波装置である。

本発明によれば、高精度に音速を調整することができ、かつ音響損失が生じがたい、弾性波装置を提供することができる。

図１（ａ）及び図１（ｂ）は、本発明の第１の実施形態の弾性波装置の要部を説明するための平面図及び正面断面図である。 図２は、本発明の第１の実施形態の弾性波装置の電極構造を模式的に示す平面図である。 図３は、本発明の第２の実施形態に係る弾性波装置の要部を示す正面断面図である。 図４（ａ）及び図４（ｂ）は、本発明の第３の実施形態の弾性波装置の要部を説明するための平面図及び正面断面図である。 図５（ａ）及び図５（ｂ）は、本発明の第４の実施形態の弾性波装置の要部を説明するための平面図及び正面断面図である。 図６は、本発明の第５の実施形態の弾性波装置の要部を説明するための正面断面図である。 図７は、本発明の第６の実施形態に係る弾性波装置の要部を示す正面断面図である。

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。

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）及び図１（ｂ）は、本発明の第１の実施形態に係る弾性波装置の要部を示す平面図及び正面断面図であり、図２は、本実施形態の弾性波装置の電極構造を示す模式的に示す平面図である。

図１（ａ）及び図１（ｂ）に示すように、弾性波装置１は支持基板２を有する。支持基板２上に、エネルギー閉じ込め層３が積層されている。エネルギー閉じ込め層３上に圧電膜４が積層されている。圧電膜４は、対向し合う第１の主面４ａと、第２の主面４ｂとを有する。第２の主面４ｂがエネルギー閉じ込め層３に接するように圧電膜４がエネルギー閉じ込め層３に積層されている。圧電膜４の第１の主面４ａ上にＩＤＴ電極７が設けられている。

図１（ａ）及び図１（ｂ）では、ＩＤＴ電極７が設けられている部分を示しているが、実際には、図２に示すように、ＩＤＴ電極７の弾性波伝搬方向両側に、反射器８，９が設けられている。それによって、弾性波共振子が構成されている。

また、弾性波装置１では、音速調整膜１１，１２が設けられている。音速調整膜１１，１２は、伝搬する弾性波の音速を調整するために設けられている。本実施形態の弾性波装置１では、音速調整膜１１，１２を設けることにより、部分的に音速を異ならせることが可能とされている。しかも、後述するように、音響損失が生じがたく、従って、電気機械結合係数やＱ特性の劣化が生じがたい。以下、弾性波装置１の詳細を説明する。

支持基板２は、絶縁体や半導体などからなる。このような材料は特に限定されず、例えばＳｉ、Ａｌ_２Ｏ_３などを挙げることができる。エネルギー閉じ込め層３は、相対的に音響インピーダンスが低い低音響インピーダンス層３ａ，３ｃ，３ｅと、相対的に音響インピーダンスが高い高音響インピーダンス層３ｂ，３ｄとを有する。低音響インピーダンス層３ａ，３ｃ，３ｅと、高音響インピーダンス層３ｂ，３ｄとが交互に積層されている。

低音響インピーダンス層３ａ，３ｃ，３ｅを構成する材料及び高音響インピーダンス層３ｂ，３ｄを構成する材料は、上記音響インピーダンス関係を満たす限り、特に限定されない。低音響インピーダンス層３ａ，３ｃ，３ｅの材料としては、例えば、酸化珪素、酸窒化珪素などを挙げることができる。高音響インピーダンス層３ｂ，３ｄの材料としては、金属や、Ａｌ_２Ｏ_３などの誘電体を挙げることができる。

エネルギー閉じ込め層３の上面に、圧電膜４が積層されている。圧電膜４は、ＬｉＮｂＯ_３やＬｉＴａＯ_３などの圧電単結晶、または圧電セラミックスにより構成し得る。本実施形態では、ＬｉＮｂＯ_３が用いられている。

ＩＤＴ電極７は、第１，第２の櫛型電極５，６を有する。第１の櫛型電極５は、複数本の第１の電極指５ａと、第１のバスバー５ｂとを有する。第２の櫛型電極６は、複数本の第２の電極指６ａと、第２のバスバー６ｂとを有する。複数本の第１の電極指５ａと、複数本の第２の電極指６ａとが、互いに間挿し合っている。

ＩＤＴ電極７は、Ａｌ、Ｃｕ、Ｗ、Ｍｏなどの金属もしくはこれらの金属を主体とする合金により構成することができる。また、複数の金属膜を積層してなる積層金属膜を用いてもよい。もっとも、ＩＤＴ電極７の材料は特に限定されない。

ＩＤＴ電極７における電極指ピッチで定まる波長をλとする。圧電膜４の厚みは、好ましくは１．５λ以下とされる。このような薄い圧電膜４の場合、発生した弾性波を、エネルギー閉じ込め層３を用いて圧電膜４内に効果的に閉じ込めることができる。エネルギー閉じ込め層３では、低音響インピーダンス層３ａ，３ｃ，３ｅのうち少なくとも一層が、高音響インピーダンス層３ｂ，３ｄのうちの少なくとも一層よりも圧電膜４側に位置しておればよい。それによって、弾性波を反射し、圧電膜４に弾性波のエネルギーを効果的に閉じ込めることができる。

なお、エネルギー閉じ込め層３における低音響インピーダンス層及び高音響インピーダンス層の積層数は特に限定されない。

音速調整膜１１，１２は、ＩＤＴ電極７において、交差幅方向において、音速が異なる領域を設けるために配置されている。ＩＤＴ電極７においては、弾性波伝搬方向に見たときに、第１の電極指５ａと、第２の電極指６ａとが重なっている領域が交差領域である。この交差領域において、弾性波が励振される。

交差領域において、第１，第２の電極指５ａ，６ａが延びる方向中央に位置する中央領域に比べて、中央領域の両側に位置する第１，第２のエッジ領域Ａ，Ｂの音速が、音速調整膜１１，１２により、低められている。すなわち、音速調整膜１１，１２が設けられている領域が、第１，第２のエッジ領域Ａ，Ｂであり、図１（ａ）に示すように、第１，第２のエッジ領域Ａ，Ｂは、弾性波伝搬方向に沿って延びている長方形の形状を有する領域となっている。この領域に、音速調整膜１１，１２が設けられている。

音速調整膜１１，１２は、エネルギー閉じ込め層３の上面に位置している。音速調整膜１１，１２は、エネルギー閉じ込め層３上でのパターン形成により設けることができる。従って、音速調整膜１１，１２を高精度に形成することができ、音速を高精度に調整することが可能となる。しかも、第１，第２の電極指５ａ，６ａ上に他の膜を付加するものではないため、音響損失による、電気機械結合係数やＱ特性の劣化も生じがたい。このような音速調整膜１１，１２の材料としては、適宜の材料を用いることができる。例えば、Ａｕ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｔａ、ＮｂまたはＷなどの金属もしくはこれらの金属を主体とする合金、あるいはこれらの金属の酸化物などを好適に用いることができる。本実施形態では、音速調整膜１１，１２による質量付加作用により、第１，第２のエッジ領域Ａ，Ｂにおける音速を、中央領域における音速よりも低くすることが可能とされている。それによって、横モードによるリップルを抑制することができる。

本実施形態では、音速調整膜１１，１２は、エネルギー閉じ込め層３と、圧電膜４との界面において、圧電膜４に接するように設けられていた。従って、第１，第２のエッジ領域Ａ，Ｂにおける音速を効果的に低めることができる。このような音速調整膜１１，１２は、エネルギー閉じ込め層３の上面に積層するように形成してもよく、あるいは、圧電膜４の第２の主面４ｂ上にパターン形成し、エネルギー閉じ込め層３を形成した後に、支持基板２と積層してもよい。いずれの形成方法においても、平坦な面上に音速調整膜１１，１２をパターン形成すればよい。従って、音速調整膜１１，１２を高精度に形成することができる。なお、音速調整膜１１，１２と、圧電膜４の間には、密着層が形成されていてもよい。

図３は、本発明の第２の実施形態に係る弾性波装置の要部を示す正面断面図である。第２の実施形態の弾性波装置２１では、音速調整膜１１，１２が、エネルギー閉じ込め層３内に設けられている。図３では、エネルギー閉じ込め層３は略図的に示しているが、実際には、第１の実施形態のエネルギー閉じ込め層３と、同様に構成されている。従って、複数の高音響インピーダンスと、複数の低音響インピーダンス層とが交互に積層されている。

第２の実施形態の弾性波装置２１では、音速調整膜１１，１２が、エネルギー閉じ込め層３内に設けられている。すなわち、音速調整膜１１，１２は、圧電膜４の第２の主面４ｂに直接接していない。このように、音速調整膜１１，１２は、圧電膜４の第２の主面４ｂと、支持基板２との間の任意の位置に形成することができるが、圧電膜４から１／２λ〜１λの距離に形成すると、より好ましい。

また、弾性波装置２１では、音速調整膜１１，１２は、第１，第２のエッジ領域Ａ，Ｂではなく、第１，第２のバスバー５ｂ，６ｂが設けられている部分の下方に位置している。このように本発明に係る弾性波装置では、第１，第２のエッジ領域Ａ，Ｂに限らず、他の部分の音速を異ならせるように、音速調整膜１１，１２が設けられてもよい。また、音速調整膜１１，１２は、音速を高くするために設けられてもよい。材料としては、アルミナ、ＳｉＣ、ダイヤモンドなどを用いることができる。

図４（ａ）及び図４（ｂ）は、第３の実施形態に係る弾性波装置３１の要部を示す平面図及び正面断面図である。

弾性波装置３１では、弾性波装置２１と同様に、音速調整膜１１，１２が、第１，第２のバスバー５ｂ，６ｂの下方に位置するように設けられている。もっとも、音速調整膜１１，１２は、圧電膜４の第２の主面４ｂに接するように設けられている。このように、音速調整膜１１，１２は、第１，第２のエッジ領域Ａ，Ｂ以外の部分の音速を異ならせる場合にも、圧電膜４の第２の主面４ｂに接するように設けられていてもよい。

図５（ａ）及び図５（ｂ）は、第４の実施形態に係る弾性波装置４１の要部を示す平面図及び正面断面図である。

弾性波装置４１では、ＩＤＴ電極７において、第１の電極指５ａの先端を結ぶ包絡線と、第２の電極指６ａの先端同士を結ぶ包絡線とが、第１，第２の電極指５ａ，６ａと直交する方向ではなく、直交する方向に対して傾斜している。それにともなって、第１，第２のバスバー５ｂ，６ｂの延びる方向も、弾性波伝搬方向に対し傾斜している。音速調整膜１１，１２についても、第１，第２のエッジ領域Ａ，Ｂが同様に傾斜しているため、平面視において、弾性波伝搬方向に傾斜するように設けられている。このように、ＩＤＴ電極７において、第１，第２のエッジ領域Ａ，Ｂが弾性波伝搬方向に対して傾斜している構造であってもよい。

ここで、第１の実施形態におけるＩＤＴ電極７は、傾斜構造を有しない正規型のＩＤＴ電極である。本実施形態の弾性波装置４１は、上記ＩＤＴ電極７における傾斜構造を除けば、第１の実施形態の弾性波装置１と同様に構成されている。従って、音速調整膜１１，１２により、音速を高精度に調整することが可能となり、第１，第２のエッジ領域Ａ，Ｂの音速を効果的に低めることができる。

図６は、第５の実施形態に係る弾性波装置５１の要部を示す正面断面図である。弾性波装置５１では、高音速材料層としての高音速膜５２と、低音速材料層としての低音速膜５３とを有するエネルギー閉じ込め層５４が用いられている。エネルギー閉じ込め層３に代えてエネルギー閉じ込め層５４が設けられていることを除いては、弾性波装置５１は、弾性波装置１と同様に構成されている。

高音速膜５２としては、伝搬するバルク波の音速が圧電膜４を伝搬する弾性波の音速よりも高い高音速材料からなる膜を用いることができる。このような高音速材料としては、窒化アルミニウム、酸化アルミニウム、炭化ケイ素、酸窒化ケイ素、ＤＬＣ膜またはダイヤモンド、上記材料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。

低音速膜５３は、低音速材料からなる。低音速材料とは、伝搬するバルク波の音速が、圧電膜４を伝搬するバルク波の音速よりも低い材料をいう。このような低音速材料としては、酸化ケイ素、ガラス、酸窒化珪素、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、上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５３及び高音速膜５２は、繰り返して積層されていてもよい。少なくとも１層の低音速膜５３よりも、少なくとも１層の高音速膜５２が支持基板２側に位置しておればよい。それによって、圧電膜４内に弾性波のエネルギーを効果的に閉じ込めることができる。

従って、高音速膜５２が、高音速材料からなる支持基板２と一体に形成されていてもよい。その場合においても、高音速部材上に、低音速膜５３及び圧電膜４が積層されていることになる。従って、圧電膜４内に弾性波のエネルギーを効果的に閉じ込めることができる。なお、例えば、高音速膜５２と支持基板２とが同一材料により一体に構成されていてもよい。

弾性波装置５１においても、音速調整膜１１，１２が、第１，第２のエッジ領域Ａ，Ｂの下方に設けられているため、第１，第２のエッジ領域Ａ，Ｂにおける音速を低めるように調整することができる。しかも、第１の実施形態の場合と同様に、音速調整膜１１，１２を高精度に形成することができ、かつ音響損失による電気機械結合係数やＱ特性の劣化も生じがたい。

図７は、第６の実施形態に係る弾性波装置の要部を示す正面断面図である。弾性波装置６１では、エネルギー閉じ込め層としてキャビティＸが中間層６２に設けられている。ここでは、支持基板２上に中間層６２は設けられている。中間層６２において、上方に開いた凹部が形成されて、キャビティＸが設けられている。このキャビティＸを覆うように、圧電膜４が、中間層６２上に積層されている。圧電膜４の第２の主面４ｂに、音速調整膜１１，１２が設けられている。音速調整膜１１，１２は、ＩＤＴ電極７における第１，第２のエッジ領域Ａ，Ｂの下方に設けられている。従って、本実施形態の弾性波装置６１においても、第１，第２のエッジ領域Ａ，Ｂの音速を効果的に低めることができる。

本発明において、エネルギー閉じ込め層は、このようなキャビティＸであってもよい。それによって、圧電膜４内に弾性波のエネルギーを効果的に閉じ込めることができる。

弾性波装置６１においても、音速調整膜１１，１２は、圧電膜４の第２の主面４ｂ上に設ければよいため、高精度に形成することができ、音速を高精度に調整することが可能となる。また、音速調整膜１１，１２の音響損失も生じがたいため、電気機械結合係数やＱ特性の劣化も生じがたい。

なお、上記中間層６２を構成する材料としては、酸化ケイ素に限らず、様々な誘電体材料を用いることができる。

１…弾性波装置
２…支持基板
３…エネルギー閉じ込め層
３ａ，３ｃ，３ｅ…低音響インピーダンス層
３ｂ，３ｄ…高音響インピーダンス層
４…圧電膜
４ａ…第１の主面
４ｂ…第２の主面
５…第１の櫛型電極
５ａ…第１の電極指
５ｂ…第１のバスバー
６…第２の櫛型電極
６ａ…第２の電極指
６ｂ…第２のバスバー
７…ＩＤＴ電極
８，９…反射器
１１，１２…音速調整膜
２１，３１，４１，５１，６１…弾性波装置
５２…高音速膜
５３…低音速膜
５４…エネルギー閉じ込め層
６２…中間層
Ｘ…キャビティ

Claims (10)

1. 支持基板と、
   圧電膜と、
   前記圧電膜上に設けられたＩＤＴ電極と、
   前記圧電膜と前記支持基板との間に設けられており、前記圧電膜にエネルギーを閉じ込めるためのエネルギー閉じ込め層と、
   前記圧電膜と前記支持基板との間の少なくとも一部に設けられており、かつ前記圧電膜と異なる材料からなる音速調整膜とを備える、弾性波装置。
2. 前記音速調整膜が、前記圧電膜に接するように設けられている、請求項１に記載の弾性波装置。
3. 前記ＩＤＴ電極が、間挿し合う第１及び第２の電極指を有し、弾性波伝搬方向にみたときに前記第１の電極指と前記第２の電極指とが重なっている領域を交差領域とした場合に、該交差領域が、前記第１，第２の電極指の延びる方向において中央に位置している中央領域と、前記中央領域の両側に配置されたエッジ領域とを有し、前記音速調整膜が、前記エッジ領域の下方において、前記弾性波伝搬方向に延びるように設けられている、請求項１または２に記載の弾性波装置。
4. 前記ＩＤＴ電極が正規型のＩＤＴ電極である、請求項１〜３のいずれか１項に記載の弾性波装置。
5. 前記エネルギー閉じ込め層が、相対的に音響インピーダンスが低い低音響インピーダンス層と、前記低音響インピーダンス層よりも前記支持基板側に配置されており、相対的に音響インピーダンスが高い、高音響インピーダンス層とを有する、請求項１〜４のいずれか１項に記載の弾性波装置。
6. 前記低音響インピーダンス層と、前記高音響インピーダンス層とが交互に複数層積層されている、請求項５に記載の弾性波装置。
7. 前記エネルギー閉じ込め層が、伝搬するバルク波の音速が、前記圧電膜を伝搬する弾性波の音速よりも高い、高音速材料層と、
   伝搬するバルク波の音速が、前記圧電膜を伝搬するバルク波の音速よりも低い、低音速材料からなる低音速材料層とを有する、請求項１〜４のいずれか１項に記載の弾性波装置。
8. 前記支持基板が高音速材料からなり、前記高音速材料層と前記支持基板とが同一材料により一体に構成されている、請求項７に記載の弾性波装置。
9. 前記エネルギー閉じ込め層が、前記圧電膜側において、前記ＩＤＴ電極が設けられている部分の下方に位置している開口部を有する、請求項１〜４のいずれか１項に記載の弾性波装置。
10. 前記エネルギー閉じ込め層に前記開口部を有する凹部が設けられている、請求項９に記載の弾性波装置。

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