WO2007010663A1

WO2007010663A1 - 弾性境界波装置

Info

Publication number: WO2007010663A1
Application number: PCT/JP2006/309464
Authority: WO
Inventors: Hajime Kando
Original assignee: Murata Manufacturing Co., Ltd.
Priority date: 2005-07-22
Filing date: 2006-05-11
Publication date: 2007-01-25
Also published as: KR20080008396A; EP1909392A1; JP2007036344A; JP4001157B2; US20080111450A1; EP1909392A4; CN101213743A; CN101213743B; US7489064B2; KR20090130873A

Abstract

　安価な水晶基板を用い、しかもＳＨ型弾性境界波を利用することが可能であり、電気機械結合係数Ｋ2等の物性や特性を高めること等が可能な弾性境界波装置を提供する。　水晶基板２上に、少なくともＩＤＴ４が形成されており、ＩＤＴ４を覆うように、誘電体３が形成されており、水晶基板２と誘電体３との界面を弾性境界波が伝搬する弾性境界波装置であって、ＩＤＴ４の厚みは、ＳＨ型境界波の音速は、水晶基板２を伝搬する遅い横波及び誘電体３を伝搬する遅い横波の各音速よりも低音速となるように設定されており、かつ水晶基板２のオイラー角が、図１３に示されている斜線を付した領域内とされている、弾性境界波装置１。

Description

明細書

弾性境界波装置

技術分野

[0001] 本発明は、第 1,第 2の媒質間の境界を伝搬する弾性境界波を利用した弾性境界波装置に関し、より詳細には、第 1の媒質が水晶であり、第 2の媒質が誘電体である弾性境界波装置に関する。

背景技術

[0002] 従来、テレビシヨン受像機、携帯電話器などの様々な電子機器にぉ、て、発振子や帯域フィルタを構成するために弾性表面波装置が広く用いられてヽる。弾性表面波装置では、圧電基板上に、少なくとも 1つの IDT (インターデジタルトランスデューサ）が形成されている。この圧電基板としては、 LiTaO

3基板や水晶基板などが用いられている。

[0003] LiTaO基板を用いた弾性表面波フィルタに比べて、水晶基板を用いた弾性表面

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波フィルタは、狭帯域用途に適している。そこで、水晶基板を用いた弾性表面波共振子が従来広く用いられている。この種の弾性表面波共振子では、オイラー角で (0° , 120° 〜140° , 0° )、すなわち STカット X伝搬の水晶基板上に、 A1からなるくし形電極を形成することにより、 IDTが構成されていた。

[0004] 弾性表面波共振子では、共振周波数と反共振周波数との差、すなわち帯域幅は狭いことが望ましいものの、狭帯域フィルタである共振子とはいえ、所望の特性を得るには、ある程度の帯域幅を有することが望ましい。また、狭帯域フィルタでは、帯域幅が狭いため、通過帯域が温度に対して非常に敏感となる。従って、通過帯域の温度依存性が少ないことが望ましい。従来、これらの要求を考慮し、水晶基板として、 ST カット X伝搬の水晶基板が用いられて、た。

[0005] また、弾性表面波共振子の共振周波数と反共振周波数との差は、圧電基板の電気機械結合係数 K²に比例し、 STカット X伝搬の水晶基板の電気機械結合係数 K²は約 0. 14%であった。

[0006] し力しながら、上記のような弾性表面波共振子では、弾性表面波を励振する必要があるため、水晶基板上に形成された電極上に振動を妨げないための空洞を設けねばならな力つた。そのため、ノッケージが高価となり、かつ大型にならざるを得なかつた。また、ノ^ケージから生じた金属粉などが電極に落下し、短絡不良を起こすおそれがあった。

[0007] これに対して、下記の特許文献 1に記載の弾性境界波装置では、第 1,第 2の媒質間を伝搬する弾性境界波を利用して、るため、ノッケージの小型化及び低コストィ匕を果たすことができ、かつ上記のような短絡不良が生じるおそれがない。

[0008] 特許文献 1に記載の弾性境界波装置では、 Si系材料からなる第 1の基板上に、くし形電極が形成されており、かつ該くし形電極を覆うように、圧電性の第 2の基板が貼り合わされている。ここでは、 Si系基板として、 Si基板、アモルファスシリコン基板またはポリシリコン基板などが挙げられている。また、第 2の基板を構成する圧電材料としては、 LiNbO、 LiTaO、水晶などが例示されている。そして、特許文献 1では、弾性

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境界波としてのストンリ一波を利用することにより、ノッケージの小型化及びコストダウンを図ることができるとされて、る。

[0009] 他方、下記の特許文献 2には、第 1,第 2の媒質のうち一方が圧電材料力なり、他方が圧電材料または非圧電材料からなる弾性境界波装置が示されて!/ヽる。そして、第 1,第 2の媒質間において、弾性境界波としての SH波、すなわち純粋横インターフエース波を伝搬させる構成が示唆されている。上記圧電材料としては、タンタル酸リチウム、ニオブ酸リチウムとともに、 STカット X伝搬の水晶が示されている。

[0010] また、下記の特許文献 3には、圧電体と誘電体とを積層し、両者の界面に電極を形成した弾性境界波装置において、圧電体を伝搬する遅い横波の音速と、誘電体を伝搬する遅い横波の音速よりも、 SH型弾性境界波の音速を低音速とすることにより、 S H型弾性境界波を伝搬させ得ることが開示されている。

特許文献 1：特開平 10 - 84246号公報

特許文献 2 :特表 2003— 512637号公報

特許文献 3： WO2004 -070946

発明の開示

[0011] 特許文献 1には、上記のように、水晶を用いた弾性境界波装置は開示されているものの、特許文献 1で用いられている弾性境界波はストンリー波であった。ストンリ一波を用いた場合には、弾性表面波装置並みの大きな電気機械結合係数を得ることが困難であり、また IDTや反射器の反射係数も十分な大きさとなり難い。従って、特許文献 1に記載の弾性境界波装置では、十分な帯域幅を得ることが困難であった。

[0012] 他方、特許文献 2では、上記のような SH型の弾性境界波を利用することは示唆されているものの、特許文献 2では、 SH型の境界波が利用される具体的な条件については何ら示されていない。

[0013] 特許文献 3には、上記のように、圧電体と誘電体を積層した弾性境界波装置において、 SH型弾性境界波を利用した構成は示されているものの、全体としては、 LiTa Oや LiNbOなどの圧電単結晶が示されているにすぎない。圧電体として LiTaOや

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LiNbOを用い、誘電体として SiOを用いた場合、弾性境界波装置の群遅延時間温

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度係数 (TCD)が小さい条件を得ることができる。しカゝしながら LiTaOや LiNbOの

3 3 本来の TCDが大き、ため、弾性境界波装置の TCDには製造ばらつきを生じ易、。一方圧電体としての水晶を用いた場合には水晶の TCDが小さいので、弾性境界波装置の TCDの製造ばらつきを低減できると考えられる力水晶を用いた場合の SH 型境界波を利用する上での具体的な構成にっ、ては特に示されて、な、。

[0014] 本発明の目的は、上述した従来技術の現状に鑑み、ノッケージの小型化及び低コストィ匕を果たし得るだけでなぐ水晶基板を用いて構成されており、 SH型の弾性境界波を利用しており、電気機械結合係数などの様々な物性や特性にお!ヽて優れて!/ヽる弾性境界波装置を提供することにある。

[0015] 本願の第 1の発明によれば、水晶基板と、前記水晶基板上に形成された IDTと、前記 IDTを覆うように前記水晶基板上に形成された誘電体とを有し、前記水晶基板と前記誘電体との境界において弾性境界波が伝搬される弾性境界波装置であって、前記弾性境界波の音速が前記水晶基板を伝搬する遅い横波よりも低音速であり、かつ前記誘電体を伝搬する遅、横波よりも低音速となるように、前記 IDTの厚みが設定されており、前記水晶基板のオイラー角力図 13において斜線で示された領域にあることを特徴とする、弾性境界波装置が提供される。

[0016] 本願の第 2の発明によれば、水晶基板と、前記水晶基板上に形成された IDTと、前記 IDTを覆うように前記水晶基板上に形成された誘電体とを有し、前記水晶基板と前記誘電体との境界において弾性境界波が伝搬される弾性境界波装置であって、前記弾性境界波の音速が前記水晶基板を伝搬する遅い横波よりも低音速であり、かつ前記誘電体を伝搬する遅、横波よりも低音速となるように、前記 IDTの厚みが設定されており、前記水晶基板のオイラー角力図 14において斜線で示された領域にあることを特徴とする、弾性境界波装置が提供される。

[0017] 本願の第 3の発明によれば、水晶基板と、前記水晶基板上に形成された IDTと、前記 IDTを覆うように前記水晶基板上に形成された誘電体とを有し、前記水晶基板と前記誘電体との境界において弾性境界波が伝搬される弾性境界波装置であって、前記弾性境界波の音速が前記水晶基板を伝搬する遅い横波よりも低音速であり、かつ前記誘電体を伝搬する遅、横波よりも低音速となるように、前記 IDTの厚みが設定されており、前記水晶基板のオイラー角力図 15において斜線で示された領域にあることを特徴とする、弾性境界波装置が提供される。

[0018] 第 1の発明のある特定の局面では、前記オイラー角が、図 14において斜線を付した領域にある。

[0019] 第 1,第 2の発明のある特定の局面では、前記オイラー角が、図 15において斜線を付した領域にある。

[0020] 第 1〜第 3の発明（以下、本発明と総称する。）のある特定の局面によれば、前記弾性境界波の音速が、前記水晶を伝搬する遅い横波の音速よりも遅くかつ前記誘電体を伝搬する遅!、横波の音速よりも遅くなるように、前記 IDTの電極指の厚み及び電極指の幅が設定されている。

[0021] 本発明において、上記 IDTは、適宜の導電性材料により形成されるが、本発明のある特定の局面では、前記 IDTが、 Ni、 Mo、 Fe、 Cu、 W、 Ag、 Ta、 Au及び Ptからなる群力選択された少なくとも 1種の金属力なる。

[0022] 本発明に係る弾性境界波装置にお!ヽて、上記誘電体膜を構成する材料は特に限定されないが、好ましくは、多結晶シリコンまたはアモルファスシリコンが用いられる。

[0023] また、上記誘電体は、シリコン系材料力なる必要は必ずしもなぐ窒化アルミ-ゥム、ガラス、四ホウ酸リチウム、ニオブ酸リチウム、タンタル酸リチウム、サファイア、窒化シリコン及びアルミナカゝらなる群カゝら選択された 1種により構成され得る。

[0024] (発明の効果）

第 1の発明によれば、水晶基板と誘電体の界面に IDTが配置されており、弾性境界波の音速が、水晶基板及び誘電体を伝搬する各遅、横波よりも低音速となるように IDTの厚みが決定されており、水晶基板のオイラー角が図 13の斜線で示された領域内にあるため、 LiNbOや LiTaOに比べて安価である水晶を用い、弾性境界波装

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置を提供することができる。従って、弾性境界波素子のコストを低減することができる oしかも、弾性境界波として利用する SH型の境界波の電気機械結合係数 K²を高めることが可能となる。よって、十分な帯域幅を有する弾性境界波装置を提供することができる。

[0025] 第 2の発明によれば、水晶基板と誘電体の界面に IDTが配置されており、弾性境界波の音速が、水晶基板及び誘電体を伝搬する各遅、横波よりも低音速となるように IDTの厚みが決定されており、水晶基板のオイラー角が図 14の斜線で示された領域内にあるため、 LiNbOや LiTaOよりも安価な水晶を用いて SH型境界波を利用し

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た弾性境界波装置を提供することができる。従って、弾性境界波装置のコストを低減することができる。し力も、利用する SH型境界波の群遅延時間温度係数 TCDを小さくすることができる。し力も、水晶自体の TCDは小さいため、 TCDの補正による製造ばらつきも/ Jヽさくすることができる。

[0026] 第 3の発明によれば、水晶基板と誘電体の界面に IDTが配置されており、弾性境界波の音速が、水晶基板及び誘電体を伝搬する各遅、横波よりも低音速となるように IDTの厚みが決定されており、水晶基板のオイラー角が図 15の斜線で示された領域内にあるため、 LiNbOや LiTaOよりも安価な水晶を用いて、 SH型境界波を利用

3 3

した弾性境界波装置を提供することができる。従って、弾性境界波装置のコストを低減することができる。し力も、オイラー角が上記特定の範囲とされているので、 SH型境界波のパワーフロー角 PF Aを小さくすることが可能となる。

[0027] 第 1の発明において、水晶基板のオイラー角が図 14において斜線を付した領域内にも位置してヽる場合には、電気機械結合係数 K²を大きくし得るだけでなく群遅延時間温度係数 TCDを小さくすることも可能となる。し力も、水晶自体の TCDは小さいため、 TCDの補正による製造ばらつきも小さくすることができる。

[0028] 第 1,第 2の発明において、水晶基板のオイラー角が、図 15において斜線を付した領域内にある場合には、電気機械結合係数 K²を大きくし、かつパワーフロー角 PFA を小さくすることができ、さらに、オイラー角が、図 13〜図 15において斜線を付した各領域内に位置している場合には、電気機械結合係数 K²を大きくし、群遅延時間温度係数 TCD及びパワーフロー PFAを小さくすることが可能となる。しかも、水晶自体の TCDは小さいため、 TCDの補正による製造ばらつきも小さくすることができる。

[0029] 本発明にお、て、弾性境界波の音速が、水晶を伝搬する遅、横波の音速よりも遅くかつ誘電体を伝搬する遅!、横波の音速よりも遅くなるように、 IDTの厚み及び線路幅が設定されている場合には、それによつて伝搬損失を小さくすることが可能となる。

[0030] IDTが、 Ni、 Mo、 Fe、 Cu、 W、 Ag、 Ta、 Au及び Ptからなる群から選択された少なくとも 1種の金属カゝらなる場合には、その膜厚を適正にする、すなわち弾性境界波の音速を水晶及び誘電体の遅い横波の音速より遅くなるようにすることにより弾性境界波を問題なく励振することができる。

[0031] また、上記誘電体が、多結晶シリコンまたはアモルファスシリコン力なる場合には、電気機械結合係数 K²を高めることができ、群遅延時間温度係数 TCD及びパワーフロー角 PFAを小さくすることができる条件を示すオイラー角範囲を比較的広くすることができる。従って、特性の良好な弾性境界波装置を容易に提供することが可能となる。

[0032] 誘電体膜が、窒化アルミニウム、ガラス、四ホウ酸リチウム、ニオブ酸リチウム、タンタル酸リチウム、サファイア、窒化シリコン及びアルミナ力もなる群力も選択された 1種により構成されている場合、多結晶シリコンやアモルファスシリコンを用いた場合と同様に、電気機械結合係数 K²を大きくでき、群遅延時間温度係数 TCD及びパワーフロ一角 PFAを小さくすることができる条件を示すオイラー角範囲が比較的広い弾性境界波装置を提供することができる。

図面の簡単な説明

[0033] [図 1]図 1 (a)及び (b)は、本発明の一実施形態の弾性境界波装置の模式的正面断面図及び模式的平面断面図である。 [図 2]図 2は、実施形態の弾性境界波装置の解析結果を示し、 IDTを構成する金属材料を変化させた場合の IDTの厚みと、電気機械結合係数 K²との関係を示す図である。

[図 3]図 3は、実施形態の弾性境界波装置の解析結果を示し、 IDTを構成する金属材料を変化させた場合の IDTの厚みと、周波数温度係数 TCFとの関係を示す図である。

[図 4]図 4は、実施形態の弾性境界波装置の解析結果を示し、 IDTを構成する金属材料を変化させた場合の IDTの厚みと、パワーフロー角 PFAとの関係を示す図である。

[図 5]図 5は、実施形態の弾性境界波装置の解析結果を示し、 IDTを構成する金属材料を変化させた場合の IDTの厚みと SH型境界波の音速 Vとの関係を示す図である。

[図 6]図 6は、実施形態の弾性境界波装置の解析結果を示し、 IDTを構成する金属材料を変化させた場合の IDTの厚みと、伝搬損失 (Xとの関係を示す図である。

[図 7]図 7は、本発明の実施形態において、誘電体の材料を変化させた場合の IDT の厚みと電気機械結合係数 K²との関係を示す図である。

[図 8]図 8は、本発明の実施形態において、誘電体の材料を変化させた場合の IDT の厚みと電気機械結合係数 K²との関係を示す図である。

[図 9]図 9は、本発明の実施形態において、誘電体の材料を変化させた場合の IDT の厚みと周波数温度係数 TCFとの関係を示す図である。

[図 10]図 10は、本発明の実施形態において、誘電体の材料を変化させた場合の ID Tの厚みとパワーフロー PFAとの関係を示す図である。

[図 11]図 11は、本発明の実施形態において、誘電体の材料を変化させた場合の ID Tの厚みと SH型境界波の音速 Vとの関係を示す図である。

[図 12]図 12は、本発明の実施形態において、誘電体の材料を変化させた場合の ID Tの厚みと伝搬損失 aとの関係を示す図である。

[図 13]図 13は、実施形態において、オイラー角（0° , θ , φ )の水晶基板を用いた場合の Θ及び φと電気機械結合係数 K²との関係を示す図である。 [図 14]図 14は、実施形態において、オイラー角（0° , θ , φ )の水晶基板を用いた場合の Θ及び φと周波数温度係数 TCFとの関係を示す図である。

[図 15]図 15は、実施形態において、オイラー角（0° , θ , φ )の水晶基板を用いた場合の Θ及び φとパワーフロー角 PFAとの関係を示す図である。

[図 16]図 16は、実施形態において、オイラー角（0° , θ , φ )の水晶基板を用いた場合の Θ及び φと音速との関係を示す図である。

[図 17]図 17は、オイラー角（0° , 127と， 90° )の水晶基板上に、金属及び SiNを積層した構造における金属の厚みと、反射係数との関係を示す図である。

符号の説明

[0034] 1…弾性境界波装置

2…水晶基板

3…誘電体

4- --IDT

5, 6…反射器

発明を実施するための最良の形態

[0035] 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。

[0036] 図 1 (a)及び (b)は、本発明の一実施形態に係る弾性境界波装置の模式的正面断面図及び模式的平面断面図である。

[0037] 本実施形態の弾性境界波装置 1は、水晶基板 2と、水晶基板 2に積層されたポリシリコンからなる誘電体 3とを有する。水晶基板 2と誘電体 3との間には、図 1 (b)に模式的に示されている電極構造が形成されている。この電極構造は、 IDT4と、 IDT4の弾性境界波伝搬方向両側に配置された反射器 5, 6とを有する。 IDT4及び反射器 5 , 6は、後述する金属により構成されている。 IDT4には、図示のように、交差幅重み付けが施されている。なお、 IDT4は重み付けされていなくてもよい。

[0038] 本実施形態の弾性境界波装置 1は、上記電極構造を有する 1ポート型の弾性境界波共振子である。

[0039] また、弾性境界波装置 1では、水晶基板 2を伝搬する遅ヽ横波よりも SH型弾性境界波の音速が低音速となるように、かつ誘電体 3を伝搬する遅い横波よりも SH型弾性境界波の音速が低音速となるように、 IDT4の厚みが設定されている。そのため、 S H型の弾性境界波を利用した弾性境界波装置 1が構成されている。

[0040] 水晶基板 2のような圧電体と、誘電体 3との界面に IDTを形成した構造において、圧電体及び誘電体を伝搬する各遅!ヽ横波の音速よりも、 SH型弾性境界波の音速を低くすることにより、 SH型弾性境界波を界面に伝搬させ得ることは、例えば、前述した特許文献 3などに開示されて、る。

[0041] 上記弾性境界波装置 1にお!/ヽて、 IDT4及び反射器 5, 6を構成する電極材料として、 Ni、 Mo、 Fe、 Cu、 W、 Ag、 Ta、 Auまたは Ptを用いた場合の、電極の厚みと、 S H波を主成分とする SH型境界波の音速、電気機械結合係数 K²、伝搬損失 α及び周波数温度係数 TCFとの関係を求めた。結果を図 2〜図 6に示す。なお、図 2〜図 6 に不した結果【ま、以下の条件に従って文献「A method for estimating optimal cuts an d propagation directions for

excitation and propagation direction for excitation of piezoelectric surface wavesj (J.J.Campbell and W.R.Jones, IEEE Trans. Sonics and

Ultrason.,bol.SU-15(1968)pp.209-217)に開示されている方法をもとに計算することにより求めた。

[0042] 計算条件

誘電体 (SiN) ZIDTZ水晶基板

誘電体としての SiNの厚みは無限大とし、水晶基板の厚みも無限大とした。また、水晶基板の結晶方位は、 55° Yカット 90° X伝搬 (オイラー角で (0° , 145° , 90 ° )とした。

[0043] 回転 Y板 X伝搬の水晶基板における縦波、速、横波及び遅、横波の音速は、それぞれ、 5799、 4881及び 4139mZ秒であり、 SiNを伝搬する縦波、遅い横波の音速は、それぞれ、 10642及び 5973mZ秒である。

[0044] なお、開放境界の場合には、水晶基板と電極、電極と誘電体との境界における変位、電位、電束密度の法線成分及び上下方向の応力が連続で、水晶基板と誘電体の厚さを無限とし、電極の比誘電率を 1として音速と伝搬損失を求めた。また、短絡境界の場合には、誘電体と電極、電極と水晶基板との各境界における電位を 0とした。また、電気機械結合係数 K²は、下記の式（1)により求めた。なお、式（1)において Vfは開放境界の音速、 Vmは短絡境界の音速である。

[0045] K²= 2 I Vf-Vm | /Vf …式（1)

周波数温度係数 TCFについては、 20°C、 25°C及び 30°Cにおける境界波の音速 V [25°C]、 V [25°C]及び V〔30°C〕〖こより、下記の式（2)により求めた。

[0046] TCF=V [25°C] ^_1 X { (V[30°C] -V [20°C] ) ÷ 10°C} - a s …式（2)

また、群遅延時間温度係数 TCDについては、下記の式（2A)に従って求めた。

[0047] TCD= -V [25°C]^_1 X { (V[30°C] -V [20°C] ) ÷ 10°C} + a s …式（2A) なお、式（2)及び式（2A)において、 a sは境界波伝搬方向における水晶基板の線膨張係数である。

[0048] また、水晶基板の任意のオイラー角（ φ , θ , φ )におけるパワーフロー角 PFAは、

φ -0. 5° 、 φ及び φ +Ο. 5° における境界波の音速 Vに基づき式（3)により求めた。

[0049] PFA=tan— ^νί φ Γ (ν〔φ +0. 5° 〕一 ν〔φ — 0. 5° 〕）} …式（3) 図 2は、上記のようにして求められた IDTの厚みと、 SH型境界波の電気機械結合係数との関係を示す図である。図 3は、 IDTの厚みと、周波数温度係数 TCFとの関係を示す。図 4は、 IDTの厚みとパワーフロー角 PFAとの関係を示す。図 5は、 IDT の厚みと、 SH型境界波の音速との関係を示し、図 6は、 IDTの厚みと伝搬損失 aとの関係を示す。

[0050] 図 5、図 6から明らかなように、上述したいずれの金属を用いた場合においても、 ID Tの厚みを、 SH型境界波の音速は、上記縦波、速い横波及び遅い横波のうち最も遅い波の音速である 4139mZ秒以下となるように厚くすることにより、 SH型境界波の伝搬損失 aが 0となり、低損失となることがわかる。一例として、 IDTが Auからなる場合を説明する。図 5から明らかなように、 Auカゝらなる IDTを用いた場合、音速を 41 39mZ秒よりも遅くするには、 IDTの厚みは 0. 05 λ程度以上とすればよいことがわかる。そして、図 6から明らかなように、 IDTが Niからなる場合、 IDTの厚みが 0. 05 λ以上となれば、伝搬損失 aがほぼ 0となることがわかる。なお、図 5において SH型境界波の音速が 4139mZ秒より低下する各種金属の膜厚と、図 6において伝搬損失 αが次第に減少しほぼ 0となる点の各種金属の膜厚とは完全に一致しない。これは SH型境界波の音速が水晶の速、横波の音速 (4881mZ秒)よりも低下するように IDTの膜厚が設定された時点で伝搬損失 ocが急激に低下し、金属によっては 0に近い値を示すためである。伝搬損失 αは 0であることが好ましいため、図 5において SH 型境界波の音速が 4139mZ秒より低下するように IDTの膜厚を設定することがより好まし、。もっとも図 5にお、て SH型境界波の音速が 4139mZ秒より低下する領域でなくとも、 IDTに対して実際に用いる金属について、図 6において伝搬損失 αが実用上問題のないレベルに低下する範囲に IDTの設計膜厚範囲を設定し、その他の条件を鑑みて IDTの膜厚を決定することにより特性の優れた弾性境界波装置を得ることができる。

[0051] このように、従来、水晶基板を用いた弾性境界波装置において SH型境界波を伝搬させることができな、と考えられて、た水晶基板のオイラー角にお、ても、 SH型境界波をほとんど損失を発生させることなく伝搬させ得ることがわ力る。

[0052] また、図 2と、図 5とを比較すれば明らかなように、 SH型境界波の音速が 4139mZ 秒よりも遅くなる IDTの厚みとした場合、 V、ずれの金属からなる IDTを用いた場合であっても、電気機械結合係数 K²を十分大きくし得ることがわかる。

[0053] また、図 3、図 4を、図 5と比較することにより、 IDTの厚みを、 SH型境界波の音速が 4139mZ秒以下となるように設定した場合、 TCFや PFAが十分に小さくされ得ることもわかる。

[0054] よって、図 2〜図 6の結果から、上記実施形態において、 IDTを構成する金属材料の如何にかかわらず、 SH型境界波の音速が、水晶基板を伝搬する遅い横波よりも低音速であり、かつ SiNを伝搬する遅い横波よりも低音速となるように IDTの厚みを設定すれば、 SH型境界波をほとんど無損失で伝搬させることができ、しかも十分大きな電気機械結合係数 K²を得たり、周波数温度係数 TCFやパワーフロー角 PFAを /J、さくし得ることがゎカゝる。

[0055] 図 7〜図 12は、 SiN以外に、窒化アルミニウム（A1N)、ガラス（BGL)、四ホウ酸リチゥム（LBA)、ニオブ酸リチウム（LNK)、タンタル酸リチウム（LTK)、サファイア（SAP P)、ポリシリコン（SIP)、酸化亜鉛 (ZnO)またはアルミナ (Al O )を用いた場合の ID

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Tの厚みと、 SH型境界波の音速、電気機械結合係数 K²、伝搬損失及び周波数温度係数 TCFとの関係を示す。

[0056] 図 7〜図 12に示す結果は、水晶基板 ZIDTZ誘電体の積層構造において、水晶基板の厚さを無限大とし、水晶基板のカット角を、上述した計算例と同様に、 55° Y カット 90° X伝搬〔オイラー角で（0° , 145° , 90° ；)〕とし、誘電体の厚みを無限大として求めた。

[0057] 図 7〜図 12の結果は、図 2〜図 6に示す結果を求めた場合と同様にして計算して求められた。

[0058] 上記水晶基板の遅い横波の音速は、前述したように 4139mZ秒である。なお、上記各誘電体材料を構成する遅い横波の音速は、 4139mZ秒よりも速い。従って、 S H型境界波の音速が 4139mZ秒よりも遅くなれば、 SH型境界波を伝搬させることができる。言い換えれば、図 11において、音速 V力 139mZ秒以下となる IDTの厚みの範囲を選択すれば、 SH型境界波を利用することができる。そして、図 12と図 11とを比較すれば明らかなように、誘電体の材料を種々異ならせた場合であっても、 IDT の厚みを、 SH型境界波を伝搬させ得る条件、すなわち SH型境界波の音速 V力 13 9m/秒よりも遅くなる範囲とされている場合、伝搬損失 αはほぼ 0となる。従って、図 5及び図 6に示した計算結果の場合と同様に、誘電体を SiN以外の材料とした場合であっても、 SH型境界波の音速を 4139mZ秒よりも遅くなるように IDTの厚みを設定することにより、 SH型境界波をほぼ無損失で伝搬させ得ることがわかる。

[0059] また、 IDTの厚みをこのように設定した場合、図 7から明らかなように、 SH型境界波の電気機械結合係数 K²を十分大きくすることができる。例えば、誘電体として、 A1N を用いた場合には、図 12から明らかなように、 IDTの厚みを 0. 02 λ以上とすることにより、 SH型境界波の損失をほぼ 0とすることができ、その場合、図 7から明らかなように、電気機械結合係数 Κ²を 0. 05%以上とし得ることがわかる。

[0060] 図 7〜図 12から明らかなように、誘電体材料を SiN以外の他の材料に変更した場合においても、同様に、十分大きな電気機械結合係数 K²の得られることがわかる。

[0061] 図 2〜図 6及び図 7〜図 12の結果から、 IDTを構成する材料や誘電体を構成する材料を種々変更した場合であっても、オイラー角（0° , 145° , 90° )の水晶基板を用いた場合、 IDTの厚みを、 SH型境界波の音速が 4139mZ秒以下となるように設定することにより、十分大きな電気機械結合係数 K²、小さな群遅延時間温度係数 TC D及び PFAを実現し得ることがわ力つた。

[0062] 次に、水晶基板 2のオイラー角を種々変更し、弾性境界波共振子としての弾性境界波装置 1を作製した場合の電気機械結合係数 K²、周波数温度係数 TCF、パワーフロー角 PFA及び SH型境界波の音速 Vの変化を計算した。結果を図 13〜図 16に示す。

[0063] なお、条件は以下の通りである。

構造:誘電体 2は多結晶 Siで構成した。水晶基板については、オイラー角を種々変更し、その厚みは無限大とした。

IDTは Auからなり、その厚みは 0. 07えとした。

[0064] なお、図 1に示した弾性境界波装置 1により発振器を作製した場合、電気機械結合係数 K²が大きいほど発振しやすくなる。本願発明者によれば、電気機械結合係数 K² が 0. 08%より小さいと、発振させることが困難となることが確かめられている。

[0065] 従って、水晶基板のオイラー角（0° , θ , φ )において、 θ , φを図 13に示す斜線で付したハッチングの領域内とすることにより、電気機械結合係数 K²を 0. 08%以上とすることができ、弾性境界波装置 1を用いて良好に発振させ得ることがわ力る。

[0066] また、この誘電体を伝搬する横波では、群遅延時間温度係数 TCDは正の値である。他方、水晶では、群遅延時間温度係数 TCDは負の値となる。群遅延時間 TCBは、横波の音速の音速温度係数を TCVs、 SH型境界波の伝搬方向における材料の線膨張係数を ex sとすると、次の式で表わされる。

[0067] TCD= a s -TCVs …式（4)

誘電体 ZIDTZ水晶基板の構造を有する弾性境界波装置において、厚さ ΙΟΟ λ 程度の水晶基板上に、 IDTをフォトリソグラフィ一法により形成し、誘電体をスパッタリング法などの堆積法で十分に振動が閉じ込められる厚み、例えば 0. 8 λ程度の厚みに形成した場合、式 (4)において線膨張係数 ex sとして、誘電体の線膨張係数は無視でき、水晶基板の線膨張係数が支配的となる。横波成分が支配的な SH型の弾性境界波にぉヽて、弾性境界波の群遅延時間温度係数 TCDは誘電体と水晶基板の横波の音速間の値となる。弾性境界波装置に用いられる誘電体材料の音速温度係数 TCVsは、 10〜― 40ppmZ°C程度に分布している。図 13〜図 16に示した結果を求める際に用、たポリシリコンの TCVsは約 25ppmZ°Cである。

[0068] 従って、図 13〜図 16において、 TCVが + 15よりも小さい（TCFがー 15よりも大きい。ポリシリコンの TCVsが一 25であるため、差が + 10となり、 TCV=— 10である誘電体と組み合わせた際に TCD = 0と概算)水晶のカット角を用いることにより、音速温度係数 TCVが負の誘電体と組み合わせて、群遅延時間温度係数 TCDがほぼ 0の弾性境界波装置の得られることがわかる。従って、図 14において、 TCFが— 15ppm Z°Cよりも大きい領域、すなわち図 14の斜線で示した領域内のオイラー角の水晶基板を用いれば、群遅延時間温度係数 TCDがほぼ 0の弾性境界波装置を提供し得ることがわ力ゝる。

[0069] パワーフロー角 PFAとは、弾性境界波の位相速度の方向と、弾性境界波のエネルギ一が進む群速度の方向の違いを表わす角度である。パワーフロー角 PFAが大きいと、 IDTをパワーフロー角に合わせて傾斜して配置する必要があり、電極設計が複雑となる。また、角度ずれによる損失も発生しやすくなる。従って、弾性境界波では、パワーフロー角 PFA力、さ、ことが望まし、。

[0070] そして、このパワーフロー角 PFAの値は、 ±6° 以下であれば、上記角度ずれによる損失が著しく小さくなる。従って、図 15に示す斜線で付した領域とすれば、パワーフロー角 PFAを— 6° より大きぐ +6° より小さくすることができ、それによつて上記損失を効果的に抑制し得ることがわ力る。

[0071] なお、図 13〜図 16は、 IDT電極が Auの場合の結果を示している力 IDTの電極材料の種類が変わった場合にお!、ても、電気機械結合係数などの絶対値はともかくとして、図 13〜図 16と同様の傾向があることが本願発明者により確かめられている。例えば、 Cuからなる IDTを用いた場合、図 13〜図 16に示す等高線分布と等高線の分布自体は同様であることが確かめられて！、る。

[0072] なお、本発明は、図 1 (a) , (b)に示したような弾性境界波共振子に限定されず、ラダー型フィルタ、縦結合共振子型フィルタ、横結合共振子型フィルタ、トランスバーサル型フィルタ、弾性境界波光スィッチ、弾性境界波光フィルタなどの様々な弾性境界波を用いた装置に広く適用することができる。

[0073] 水晶基板を用いた狭帯域の弾性表面波フィルタ、特に共振子型弾性表面波フィルタゃラダー型弾性表面波フィルタにおいて十分大きな減衰量を得るには、電極の反射係数が大きいことが必要である。水晶基板を用いた表面波フィルタでは、通常、 A1 力なる電極が用いられており、その厚みは表面波の波長をえとしたとき 0. 7 λ以上であり、その場合の電極指 1本あたりの反射係数は約 0. 08であった。

[0074] これに対して、本発明では、 SiNの膜厚を λとしたとき、 IDTの電極指 1本あたりの反射係数は図 17に示す通りとなる。すなわち、図 17は、様々な電極により IDTを形成した場合の電極を構成して!/、る金属の厚みと、反射係数との関係を示す図である。図 17から明らかなように、 Cuを用いた場合、厚みが 0. 07 λ以上であれば、反射係数は 0. 08以上となる。また、その他の金属を用いた場合には、反射係数は図示の範囲では全て 0. 08以上である。

[0075] 従って、十分大きな減衰量を確実に得ることができる。

また、 IDTを含む各種電極力上述した各種金属により形成され得る力電極は、他の電極層をさらに積層した構造を有していてもよい。すなわち、密着性ゃ耐電力性を高めるために、 Ti、 Cr、 NiCr、 Niなどからなる薄い層を積層してもよい。このように積層される薄い電極層を、誘電体との界面や、水晶基板との界面に配置したり、複数の金属層間に配置することにより、密着性ゃ耐電力性などを高めることができる。

[0076] また、 IDTの厚みの設定にっ、ては、水晶基板上に IDTを構成するための金属膜を形成した後、逆スパッタ、イオンビームミリング、 RIEまたはウエットエッチングなどの様々な方法で容易に調整することができる。

[0077] また、本発明に係る弾性境界波装置では、上記誘電体の水晶基板とは反対側の面にさらに誘電体とは異なる誘電体が積層されて、てもよ、。

また、水晶基板 ZIDTZ誘電体からなる構造の外側に、弾性境界波装置の強度を高めるために、あるいは腐食性ガスの進入を防止するために保護層を形成してもよい。保護層としては、ポリイミド、エポキシ榭脂、酸化チタン、窒化アルミ、酸化アルミ -ゥムなどの適宜の絶縁性材料、あるいは Au、 Aほたは Wなどの金属膜を用いることができる。また、場合によっては、本発明に係る弾性境界波装置は、パッケージに封入されていてもよい。

[0078] なお、本明細書において、オイラー角、結晶軸及び等価なオイラー角とは以下の内容を意味するものとする。

オイラー角

本明細書において、基板の切断面と、境界波の鉄板方向を表現するオイラー角（ φ , θ , φ)は、文献「弾性波素子技術ハンドブック」（日本学術振興会弾性波素子技術第 150委員会、第 1版第 1刷、平成 3年 11月 30日発行、 549頁)記載の右手系ォイラ一角を用いた。すなわち、水晶の結晶軸 X、 Υ、 Ζに対し、 Ζ軸を軸として X軸を反時計廻りに φ回転し Xa軸を得る。次に、 Xa軸を軸として Z軸を反時計廻りに Θ回転し Z' 軸を得る。 Xa軸を含み、 Z' 軸を法線とする面を基板の切断面とした。そして、 Z ' 軸を軸として Xa軸を反時計廻りに φ回転した軸 X' 方向を表面波の伝搬方向とした。また、 Y軸が上記回転により移動して得られる X' 軸と Z' 軸と垂直な軸を Y' 軸とした。

[0079] 結晶軸

また、オイラー角の初期値として与える水晶の結晶軸 X、 Y、 Ζは、 Ζ軸を c軸と平行とし、 X軸を等価な 3方向の a軸のうち任意の一つと平行とし、 Y軸は X軸と Z軸を含む面の法線方向とした。

[0080] 等価なオイラー角

なお、本発明における水晶基板のオイラー角（ φ , θ , φ )は結晶学的に等価であればよい。例えば、文献（日本音響学会誌 36卷 3号、 1980年、 140〜145頁）によれば、三方晶系 3m点群に属する結晶であるので、下記の式〔100〕が成り立つ。

[0081] Έ( φ , θ , φ ) =Έ(60° - φ , - θ , φ )

=F(60° + , - θ , 180° - φ )

=F , 180° + θ , 180° - φ )

=F , 0, 180° +φ) …式〔100〕ここで、 Fは、電気機械結合係数 Ks²、伝搬損失、 TCF、 PFA、ナチュラル一方向性などの任意の表面波特性である。 PFAのナチュラル一方向性は、例えば伝搬方向を正負反転してみた場合、符号は変わるものの絶対量は等しいので実用上等価であると考えられ、水晶は 32点群に属する結晶である力式〔100〕が成り立つ。

[0082] 例えば、オイラー角（30° , θ , φ )の表面波伝搬特性は、オイラー角（90° , 180 ° — 0 , 180° - φ )の表面波伝搬特性と等価である。また、例えば、オイラー角（3 0° , 90° , 45° )の表面波伝搬特性は、表 1に示すオイラー角の表面波伝搬特性と等価である。

[0083] 基板表面に圧電膜を形成した場合、厳密には式〔100〕の通りとはならないが、実用上問題ない程度に同等の表面波伝搬特性が得られる。

[0084] [表 1]

Φ (° ) Θ ) ゆ（° )

30 90 22b

30 270 135

30 270 315

90 90 135

90 90 315

90 270 45

90 270 225

150 90 45

150 90 225

150 270 135

150 270 315

210 90 135

210 90 315

210 270 45

210 270 225

270 90 45

270 90 225

270 270 )35

270 270 315

330 90 】35

330 90 315

330 270 45

330 270 225

Claims

請求の範囲

[1] 水晶基板と、

前記水晶基板上に形成された IDTと、

前記 IDTを覆うように前記水晶基板上に形成された誘電体とを有し、

前記水晶基板と前記誘電体との境界において弾性境界波が伝搬される弾性境界波装置であって、

前記弾性境界波の音速が前記水晶基板を伝搬する遅い横波よりも低音速であり、かつ前記誘電体を伝搬する遅、横波よりも低音速となるように、前記 IDTの厚みが設定されており、

前記水晶基板のオイラー角力図 13において斜線で示された領域にあることを特徴とする、弾性境界波装置。

[2] 水晶基板と、

前記水晶基板上に形成された IDTと、

前記水晶基板のオイラー角力図 14において斜線で示された領域にあることを特徴とする、弾性境界波装置。

[3] 水晶基板と、

前記水晶基板上に形成された IDTと、

前記水晶基板のオイラー角力図 15において斜線で示された領域にあることを特徴とする、弾性境界波装置。

[4] 前記オイラー角が、図 14において斜線を付した領域にある、請求項 1に記載の弹性境界波装置。

[5] 前記オイラー角が、図 15において斜線を付した領域にある、請求項 1、 2及び 4のいずれか 1項に記載の弾性境界波装置。

[6] 前記弾性境界波の音速が、前記水晶を伝搬する遅い横波の音速よりも遅くかつ前記誘電体を伝搬する遅!、横波の音速よりも遅くなるように、前記 IDTの電極指の厚み及び電極指の幅が設定されている、請求項 1〜5のいずれか 1項に記載の弾性境界波装置。

[7] 前記 IDTが、 Ni、 Mo、 Fe、 Cu、 W、 Ag、 Ta、 Au及び Ptからなる群から選択された少なくとも 1種の金属を主成分として含む IDT電極を用いて構成されている、請求項 1〜6のいずれか 1項に記載の弾性境界波装置。

[8] 前記誘電体が、多結晶シリコンまたはアモルファスシリコン力もなる、請求項 1〜7のいずれか 1項に記載の弾性境界波装置。

[9] 前記誘電体が、窒化アルミニウム、ガラス、四ホウ酸リチウム、ニオブ酸リチウム、タンタル酸リチウム、サファイア、窒化シリコン及びアルミナ力もなる群力も選択された 1 種により構成されている、請求項 1〜7のいずれか 1項に記載の弾性境界波装置。