WO2010116783A1 - 弾性波装置 - Google Patents

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WO2010116783A1
WO2010116783A1 PCT/JP2010/051570 JP2010051570W WO2010116783A1 WO 2010116783 A1 WO2010116783 A1 WO 2010116783A1 JP 2010051570 W JP2010051570 W JP 2010051570W WO 2010116783 A1 WO2010116783 A1 WO 2010116783A1
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dielectric layer
electrode
film
acoustic wave
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PCT/JP2010/051570
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Inventor
中橋　憲彦
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株式会社村田製作所
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    • H03H9/145—Driving means, e.g. electrodes, coils for networks using surface acoustic waves
    • H03H9/14538—Formation
    • H03H9/14541—Multilayer finger or busbar electrode

Definitions

  • the present invention relates to an acoustic wave device used for a resonator, a bandpass filter, and the like, and more specifically, a structure in which a LiNbO 3 substrate is used as a piezoelectric body and a dielectric layer such as a SiO 2 layer is laminated on the piezoelectric body. It is related with the elastic wave apparatus which has.
  • elastic wave devices such as boundary acoustic wave devices and surface acoustic wave devices have been used for band filters of communication equipment.
  • FIG. 23 and 24 are a plan view for explaining the boundary acoustic wave device described in Patent Document 1 and a schematic partial cutaway front sectional view showing an enlarged main part thereof.
  • the boundary acoustic wave device 1001 includes a LiNbO 3 substrate 1002.
  • An IDT electrode 1003 is formed on the LiNbO 3 substrate 1002.
  • a polycrystalline silicon oxide film 1004 is stacked so as to cover the IDT electrode 1003.
  • a polycrystalline silicon film 1005 is stacked on the polycrystalline silicon oxide film 1004.
  • the boundary acoustic wave excited by the IDT electrode 1003 propagates while concentrating energy in the polycrystalline silicon oxide film 1004 laminated between the LiNbO 3 substrate 1002 and the polycrystalline silicon film 1005. Therefore, a boundary acoustic wave device having a so-called three-medium structure in which a polycrystalline silicon film / polycrystalline silicon oxide film / LiNbO 3 substrate is laminated in this order is formed.
  • Patent Document 1 since the polycrystalline silicon film 1005 is laminated on the polycrystalline silicon oxide film 1004, the boundary acoustic wave excited by the IDT electrode 1003 can be reliably confined in the polycrystalline silicon oxide film 1004. Is described.
  • Patent Document 2 an electrode made of a laminated metal film obtained by laminating a first layer and a second layer in this order on a piezoelectric body, and a dielectric layer covering the electrode, A surface acoustic wave device is disclosed.
  • the acoustic impedance of the dielectric layer is Za
  • the acoustic impedance of the first layer of the electrode is smaller than 2Za
  • the acoustic impedance of the second layer of the electrode is higher than 2Za.
  • the relative ratio of the thickness of the second layer to the total thickness of the laminated structure including the first layer and the second layer is in the range of 15 to 85%.
  • SiO 2 is given as an example of the material of the dielectric layer
  • Al is given as an example of the material of the first layer
  • Pt is given as an example of the material of the second layer.
  • the reflection coefficient did not increase because the acoustic impedance ratio between Al and SiO 2 of the dielectric layer was approximately 1.
  • the reflection coefficient can be increased.
  • Al can be formed thick, the resistance can be lowered, and the insertion loss can be reduced.
  • the boundary acoustic wave device 1001 described in Patent Document 1 the boundary acoustic wave propagates by concentrating energy in the polycrystalline silicon oxide film 1004 laminated between the LiNbO 3 substrate 1002 and the polycrystalline silicon film 1005.
  • spurious due to higher order modes of boundary acoustic waves appeared. It has been found that the magnitude of the spurious due to this higher-order mode becomes smaller as the polycrystalline silicon oxide film 1004 is made thinner.
  • the boundary acoustic wave device 1001 has a problem that the absolute value of the frequency temperature coefficient (TCF) increases.
  • TCF frequency temperature coefficient
  • the transverse wave sound velocity of the polycrystalline silicon oxide film 1004 is slower than the transverse wave sound velocity of the polycrystalline silicon film 1005 and the LiNbO 3 substrate 1002. Since the polycrystalline silicon oxide film 1004 having a low shear wave velocity is sandwiched between the polycrystalline silicon film 1005 having a high transverse wave velocity and the LiNbO 3 substrate 1002, the boundary acoustic wave excited by the IDT electrode 1003 is reliably polycrystalline. It can be confined in the silicon oxide film 1004. For this reason, the fundamental mode and the higher order mode of the boundary acoustic wave propagate in the polycrystalline silicon oxide film 1004.
  • the basic mode is a mode in which an antinode exists in the polycrystalline silicon oxide film 1004, which is a so-called zero-order mode.
  • the high-order mode is a mode in which there is one node in the polycrystalline silicon oxide film 1004 and there are two antinodes having different displacement directions above and below the node, which is a so-called primary mode.
  • Patent Document 2 only the specific laminated structure is disclosed as an electrode structure capable of increasing the reflection coefficient and reducing the insertion loss in the surface acoustic wave device. There is no description of a configuration that suppresses spurious due to higher-order modes.
  • an elastic wave device SiO 2 film is formed to cover the IDT electrode, when the thickness of the SiO 2 film, spurious is increased by the high-order mode, and improvement of the frequency-temperature characteristic, with higher order modes There was a trade-off with the suppression of spurious.
  • An object of the present invention is an elastic wave device having a structure in which a dielectric layer composed of a SiO 2 layer is laminated on a piezoelectric material composed of a LiNbO 3 substrate, which eliminates the above-mentioned drawbacks of the prior art, and has a frequency temperature
  • An object of the present invention is to provide an elastic wave device having excellent characteristics and capable of sufficiently suppressing spurious due to higher-order modes.
  • the piezoelectric body made of the LiNbO 3 substrate, the first dielectric layer made of the SiO 2 layer laminated on the piezoelectric body, and the first dielectric layer are laminated.
  • ⁇ is in the range of 5 ° ⁇ ⁇ ⁇ 30 °
  • the wavelength of the elastic wave is ⁇
  • the film thickness of the first electrode film is h
  • the normalized film thickness h / lambda and ⁇ is, which satisfies Expression (1) below, the elastic wave device is provided.
  • the Euler angle ⁇ of the LiNbO 3 substrate is in the range of 105 ° ⁇ ⁇ 120 °. In that case, it is possible to suppress the unwanted mode response that appears in the vicinity of the response of the elastic wave mainly composed of the SH wave. In other words, when the elastic wave device is a boundary acoustic wave device using a boundary acoustic wave mainly composed of SH waves, the electromechanical coupling coefficient of the Stoneley wave, which is an unnecessary mode, can be reduced, thereby suppressing the unwanted mode response. it can.
  • the normalized film thickness h / ⁇ is 0.0295 or more. In this case, leakage of the basic mode can be more effectively prevented.
  • the second dielectric layer is at least one selected from the group consisting of silicon nitride, aluminum oxide, aluminum nitride, silicon oxynitride, and diamond-like carbon. It is a kind of dielectric material, and is composed of a dielectric material having a slow shear wave velocity of 5000 m / sec or more.
  • the IDT electrode further includes a third electrode film, and the third electrode film includes Au, Ag, Cu, Ta, and W. , Ni, Fe, Cr, Mo, and Ti, and one kind of metal selected from the group consisting of alloys containing these metals as main components. In this case, the reflection coefficient of the IDT electrode can be increased.
  • the piezoelectric body made of the LiNbO 3 substrate has a negative frequency temperature coefficient (TCF), but the first dielectric layer made of the SiO 2 layer has a positive frequency temperature coefficient (TCF). Therefore, the absolute value of the frequency temperature coefficient (TCF) can be reduced, and the Euler angle ⁇ of the LiNbO 3 substrate is within the specific range, and the IDT electrode has the laminated structure, and Pt or The normalized film thickness h / ⁇ where h is the thickness of the first electrode film made of an alloy containing Pt as the main component and ⁇ is the wavelength of the elastic wave whose main component is the SH wave is the above formula (1). Therefore, spurious due to the higher order mode can be reliably suppressed.
  • TCF negative frequency temperature coefficient
  • TCF positive frequency temperature coefficient
  • FIG. 1A and FIG. 1B are a partially cutaway enlarged front sectional view showing an essential part of a boundary acoustic wave device according to an embodiment of the present invention and a schematic plan view showing an electrode structure.
  • FIG. 2 is a diagram illustrating transmission characteristics of the boundary acoustic wave device according to the embodiment of the present invention.
  • FIG. 3 is a diagram illustrating transmission characteristics of the boundary acoustic wave device according to the embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 is a diagram showing the relationship between the normalized film thickness h / ⁇ of the first electrode film of the IDT electrode, the Euler angle ⁇ of the LiNbO 3 substrate, and the higher-order mode response in an embodiment of the present invention. It is.
  • FIG. 1A and FIG. 1B are a partially cutaway enlarged front sectional view showing an essential part of a boundary acoustic wave device according to an embodiment of the present invention and a schematic plan view showing an electrode structure.
  • FIG. 2 is a diagram
  • FIG. 5 is a diagram showing the relationship between the fast transverse wave sound speed and the slow transverse wave sound speed ⁇ in a LiNbO 3 substrate with Euler angles of (0 °, 90 °, ⁇ ).
  • FIG. 6 is a diagram showing a relationship between a fast shear wave sound velocity and a slow shear wave sound velocity ⁇ in a LiNbO 3 substrate having an Euler angle of (0 °, 95 °, ⁇ ).
  • FIG. 7 is a diagram showing the relationship between the fast transverse wave sound velocity and the slow transverse wave sound velocity ⁇ in a LiNbO 3 substrate with Euler angles of (0 °, 100 °, ⁇ ).
  • FIG. 8 is a diagram showing the relationship between the fast transverse wave sound velocity and the slow transverse wave sound velocity ⁇ in a LiNbO 3 substrate with Euler angles of (0 °, 105 °, ⁇ ).
  • FIG. 9 is a diagram showing a relationship between a fast shear wave sound velocity and a slow shear wave sound velocity ⁇ in a LiNbO 3 substrate having an Euler angle of (0 °, 110 °, ⁇ ).
  • FIG. 10 is a diagram showing the relationship between the fast shear wave sound velocity and the slow shear wave sound velocity ⁇ in a LiNbO 3 substrate having an Euler angle of (0 °, 115 °, ⁇ ).
  • FIG. 11 is a diagram showing a relationship between a fast shear wave sound velocity and a slow shear wave sound velocity ⁇ in a LiNbO 3 substrate having an Euler angle of (0 °, 120 °, ⁇ ).
  • FIG. 12 is a diagram showing the relationship between the fast transverse wave sound velocity and the slow transverse wave sound velocity ⁇ in a LiNbO 3 substrate with Euler angles of (0 °, 125 °, ⁇ ).
  • FIG. 13 is a diagram showing a relationship between a fast shear wave sound velocity and a slow shear wave sound velocity ⁇ in a LiNbO 3 substrate having an Euler angle of (0 °, 130 °, ⁇ ).
  • FIG. 14 is a diagram showing the relationship between the Euler angle ⁇ and the frequency temperature coefficient (TCF) in the boundary acoustic wave device according to one embodiment of the present invention.
  • FIG. 15 is a schematic plan sectional view showing the electrode structure of the boundary acoustic wave device according to one embodiment of the present invention.
  • FIG. 16 is a diagram showing impedance characteristics when the Euler angles of the LiNbO 3 substrate are (0 °, 90 °, 0 °) in the boundary acoustic wave device according to one embodiment of the present invention.
  • FIG. 17 is a diagram showing the phase characteristics when the Euler angles of the LiNbO 3 substrate are (0 °, 90 °, 0 °) in the boundary acoustic wave device according to one embodiment of the present invention.
  • FIG. 18 is a diagram showing impedance characteristics when the Euler angles of the LiNbO 3 substrate are (0 °, 100 °, 0 °) in the boundary acoustic wave device according to one embodiment of the present invention.
  • FIG. 19 is a diagram showing phase characteristics when the Euler angles of the LiNbO 3 substrate are (0 °, 100 °, 0 °) in the boundary acoustic wave device according to one embodiment of the present invention.
  • FIG. 20 is a diagram showing impedance characteristics when the Euler angles of the LiNbO 3 substrate are (0 °, 127 °, 0 °) in the boundary acoustic wave device according to one embodiment of the present invention.
  • FIG. 19 is a diagram showing phase characteristics when the Euler angles of the LiNbO 3 substrate are (0 °, 100 °, 0 °) in the boundary acoustic wave device according to one embodiment of the present invention.
  • FIG. 20 is a diagram showing impedance characteristics when the Euler angles
  • FIG. 21 is a diagram illustrating phase characteristics when the Euler angles of the LiNbO 3 substrate are (0 °, 127 °, 0 °) in the boundary acoustic wave device according to the embodiment of the present invention.
  • FIG. 22 is a schematic front sectional view for explaining a surface acoustic wave device according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 23 is a schematic plan view of a conventional boundary acoustic wave device.
  • FIG. 24 is a schematic partial cutaway front sectional view showing an enlarged main part of a conventional boundary acoustic wave device.
  • FIG. 1 (a) is a partially cutaway enlarged front sectional view showing a main part of a boundary acoustic wave device according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 1 (b) shows an electrode structure of the boundary acoustic wave device. It is a typical top view.
  • the boundary acoustic wave device 1 is a boundary acoustic wave device using a boundary acoustic wave mainly composed of SH waves.
  • a boundary acoustic wave device using a boundary acoustic wave mainly composed of SH waves.
  • the slowest bulk wave is the slow transverse wave.
  • the boundary acoustic wave device 1 includes a piezoelectric body 2 made of a LiNbO 3 substrate.
  • a first dielectric layer 6 made of a SiO 2 layer is laminated on the piezoelectric body 2.
  • IDT electrodes 3 A to 3 C are formed at the interface between the piezoelectric body 2 and the first dielectric layer 6.
  • FIG. 1A one electrode finger portion of the IDT electrode 3B is enlarged and shown in a sectional view.
  • IDT electrodes 3A to 3C are sequentially arranged on the piezoelectric body 2 along the boundary acoustic wave propagation direction.
  • Reflectors 4 and 5 are disposed on both sides of the IDT electrodes 3A to 3C in the boundary acoustic wave propagation direction. Therefore, in this embodiment, a 3IDT type longitudinally coupled resonator type boundary acoustic wave filter is configured.
  • the boundary acoustic wave device 1 of the present embodiment is a 3IDT type longitudinally coupled resonator type boundary acoustic wave filter having a balance-unbalance conversion function.
  • the IDT electrodes 3A to 3C have a plurality of electrode fingers that are inserted into each other.
  • one electrode finger 3a of the IDT electrode 3B is shown enlarged.
  • the IDT electrodes 3A to 3C and the reflectors 4 and 5 are made of an appropriate metal material.
  • the electrode fingers 3a of the IDT electrode 3B are arranged in order from the piezoelectric body 2 side: a Ti film 11a, a Pt film 11b, a Ti film 11c, and an Al film.
  • the film 11d, the Ti film 11e, the Pt film 11f, and the Ti film 11g are made of a laminated metal film obtained by laminating in this order.
  • the Pt film 11b, the Al film 11d, and the Pt film 11f are relatively thicker than the Ti films 11a, 11c, 11e, and 11g.
  • the Pt film 11b, the Al film 11d, and the Pt film 11f are main electrode films and constitute a laminated structure in the present invention.
  • the Pt films 11b and 11f correspond to the first electrode film in the present invention
  • the Al film 11d corresponds to the second electrode film.
  • the first electrode film constituting the laminated structure may be a film made of an alloy containing Pt as a main component.
  • the second electrode film may be a film made of an alloy containing Al as a main component.
  • the first electrode film may have a plurality of Pt films 11b and 11f.
  • the film thickness h of the first electrode film refers to the total thickness of all the Pt films. That is, the film thickness h of the first electrode film in the stacked structure refers to the total thickness of the plurality of first electrode films when there are a plurality of first electrode films in the stacked structure.
  • the stacked structure may have a plurality of second electrode films.
  • the Ti film 11a functions as an adhesion layer that improves the adhesion of the IDT electrode 3B to the piezoelectric body 2.
  • the Ti films 11c and 11e are formed as barrier layers that suppress diffusion between the upper and lower electrode films. That is, the Ti films 11c and 11e are formed to suppress the diffusion of atoms between the Pt films 11b and 11f and the Al film 11d. Further, the Ti film 11g is formed as an adhesion layer that adheres the first dielectric layer 6 and the Pt film 11f.
  • the IDT electrode 3B is entirely formed of such a laminated metal film, and the IDT electrodes 3A and 3C and the reflectors 4 and 5 are also formed of the same laminated metal film.
  • the first dielectric layer 6 is laminated on the upper surface of the piezoelectric body 2 so as to cover the IDT electrodes 3A to 3C.
  • a second dielectric layer 7 is laminated thereon.
  • the second dielectric layer 7 is made of a SiN layer.
  • the first dielectric layer 6 made of the SiO 2 layer and the second dielectric layer 7 made of the SiN layer can be formed by an appropriate thin film forming method such as vapor deposition or sputtering.
  • the second dielectric layer 7 may be formed by a substrate bonding method as disclosed in JP-A-10-84247.
  • the thickness of the first dielectric layer 6 is not particularly limited, but is preferably about 0.2 ⁇ to 0.7 ⁇ , where ⁇ is the wavelength of the boundary acoustic wave mainly composed of SH waves. . Since the SiO 2 layer as the first dielectric layer 6 has a slower transverse sound velocity than the SiN layer as the second dielectric layer 7 and the LiNbO 3 substrate as the piezoelectric body 2, it is excited by the IDT electrodes 3A to 3C. A boundary acoustic wave mainly composed of SH waves is generated between the SiN layer as the second dielectric layer 7 and the LiNbO 3 substrate as the piezoelectric body 2, that is, the first dielectric layer composed of the SiO 2 layer. 6 is concentrated in energy and propagates. In order to enable such propagation, the thickness of the first dielectric layer 6 is preferably about 0.2 ⁇ to 0.7 ⁇ .
  • the thickness of the second dielectric layer 7 is set so that the boundary acoustic wave is sufficiently confined. That is, the thickness is set such that the displacement of the boundary acoustic wave becomes smaller in the thickness direction of the second dielectric layer 7 and the displacement of the boundary acoustic wave on the surface of the second dielectric layer 7 becomes substantially zero.
  • the thickness at which the displacement can be regarded as substantially zero is, for example, 1 ⁇ or more, where ⁇ is the wavelength of the boundary acoustic wave mainly composed of SH waves.
  • the electrode structure including the IDT electrodes 3A to 3C described above can also be formed using a known photolithography method.
  • boundary acoustic wave device 1 of the present embodiment excitation was performed by the IDT electrodes 3A to 3C provided at the interface between the piezoelectric body 2 made of the LiNbO 3 substrate and the first dielectric layer 6 made of the SiO 2 layer.
  • a boundary acoustic wave mainly composed of SH waves propagates while concentrating energy in the first dielectric layer 6.
  • the second dielectric layer 7 is made of a SiN layer, and the speed of the transverse wave sound is made faster than that of the first dielectric layer 6 made of the SiO 2 layer. Therefore, the boundary acoustic wave hardly leaks to the second dielectric layer 7 made of the SiN layer, and the boundary acoustic wave reliably concentrates energy in the first dielectric layer 6 made of the SiO 2 layer. Propagate.
  • the frequency temperature coefficient (TCF) of the LiNbO 3 substrate that is the piezoelectric body 2 is a negative value, but the frequency temperature coefficient (TCF) of the SiO 2 layer that is the first dielectric layer 6.
  • TCF the absolute value of the frequency temperature coefficient (TCF) can be reduced as a whole. Therefore, it is possible to reduce frequency fluctuation due to temperature change.
  • ⁇ 0 ⁇ 2 °, 80 ° ⁇ ⁇ ⁇ 130 °, 5 ° ⁇ ⁇ ⁇
  • the standardized film thickness h / ⁇ satisfies the following expression (1), whereby spurious due to higher-order modes can be effectively suppressed. It is most preferable that ⁇ is 0 °, but it may be 0 ⁇ 2 ° in consideration of manufacturing variations.
  • ⁇ represents the wavelength of the boundary acoustic wave mainly composed of the SH wave.
  • the total film thickness h of the Pt film in the laminated structure of the IDT electrode means the thickness when the Pt layer is one layer, and the total thickness of the plurality of layers when there are a plurality of layers.
  • GSM1900 reception filters of Experimental Examples 1 and 2 below were produced.
  • the specification of the reception filter of GSM1900 of a mobile phone is as follows.
  • Passband 1930-1900MHz Insertion loss in the passband: 2.5 dB or less
  • Low stopband 1830-1910 MHz Attenuation amount in the low band stop band: 12 dB or more
  • High band stop band 2010-2070 MHz
  • Attenuation in the high side stop band 12 dB or more
  • the boundary acoustic wave device 1 of Experimental Example 1 having the following configuration was manufactured so as to satisfy the above specifications.
  • Electrode film thickness and electrode configuration of IDT electrodes 3A to 3C Film thickness of the upper Pt film 11f in the laminated structure: 31 nm Standardized film thickness: 0.0178 Lower Pt film 11b thickness: 31 nm Standardized film thickness: 0.0178 Film thickness of the Al film 11d: 260 nm Standardized film thickness: 0.0149 Film thickness of Ti films 11a, 11c, 11e, and 11g as adhesion layers and barrier layers: 40 nm Standardized film thickness: 0.023
  • the absolute value of the electrode film thickness and the electrode configuration of the IDT electrodes 3A to 3C were the same as in Experimental Example 1.
  • the normalized film thicknesses of the Pt films 11a, 11c, 11e, and 11g were 0.0206.
  • the film thickness of the first dielectric layer 6 made of the SiO 2 layer was 590 nm.
  • the normalized film thickness of the first dielectric layer 6 is 0.339 ⁇ in Experimental Example 1 and 0.304 ⁇ in Experimental Example 2.
  • the film thickness of the second dielectric layer 7 made of the SiN layer was 2200 nm.
  • the normalized film thickness of the second dielectric layer 7 is 1.264 ⁇ in Experimental Example 1 and 1.134 ⁇ in Experimental Example 2.
  • the electrode finger crossing width in the IDT electrodes 3A to 3C was set to 42 ⁇ .
  • the total number of electrode fingers in the IDT electrode 3B is 36.
  • the total number of electrode fingers was 19.
  • a narrow pitch electrode finger portion is provided at an end portion adjacent to the IDT electrode 3B, and three electrode fingers at the end portion adjacent to the IDT electrode 3B constitute a narrow pitch electrode finger portion. Electrode finger to be used.
  • the number of electrode fingers in the reflectors 4 and 5 was 61.
  • the duty ratio of the IDT electrodes 3A to 3C was 0.50.
  • FIG. 2 shows the transmission characteristics of Experimental Example 1
  • FIG. 3 shows the transmission characteristics of Experimental Example 2.
  • the arrow A indicates the response in the basic mode
  • the arrow B indicates the response in the higher-order mode.
  • the response in the higher order mode is 15 dB.
  • the response in the high-order mode is 25 dB.
  • the standard for blocking in the GSM system is an insertion loss in the pass band +23 dB. In general, since the insertion loss in the passband is about 2 dB, the response in the higher-order mode needs to be at least 25 dB. Therefore, it is preferable to suppress the response of the higher order mode to the level of the higher order mode shown in FIG.
  • FIG. 4 shows that in the structure of the above embodiment, in the IDT electrodes 3A to 3C, the total thickness of the Pt films 11b and 11f as the first electrode films in the stacked structure is h, and the SH wave is the main component.
  • the change in the response of the higher-order mode when the normalized film thickness h / ⁇ when the wavelength of the boundary acoustic wave is ⁇ and the Euler angle ⁇ of the LiNbO 3 substrate that is the piezoelectric body 2 is changed is shown.
  • symbols X1 to X15 in FIG. 4 indicate that the level of the response in the higher-order mode is an area in the range shown in Table 1 below.
  • the normalized film thickness h / ⁇ was changed in the range of 0.0295 to 0.0365, that is, 2.95% to 3.65%. Further, the propagation direction ⁇ was changed in the range of 0 ° to 15 °.
  • the region where the response level in the higher order mode is 25 dB or more is the above X1 to X9, which is the upper left region from the broken line C in FIG.
  • Such a region is represented by the following formula (1).
  • the Euler angle ⁇ is in the range of 0 ° to 30 °.
  • the thickness of the first electrode film is h and the wavelength of the boundary acoustic wave mainly composed of the SH wave is ⁇
  • the normalized film thickness h / ⁇ is within a range satisfying the above formula (1).
  • the first dielectric layer 6 composed of a relatively low sound velocity medium SiO 2 layer is formed on the piezoelectric body 2 composed of a LiNbO 3 substrate that is a relatively high sound velocity medium.
  • the elastic boundary wave is confined in the first dielectric layer 6 by the waveguide effect by being sandwiched between the second dielectric layer 7 made of the SiN layer. Therefore, when the sound velocity of the propagating elastic boundary wave becomes faster than the sound velocity of the relatively high sound velocity medium, the elastic boundary wave becomes a leakage mode and the attenuation is increased.
  • the response decreases because the sound speed of the higher-order mode exceeds the fast transverse wave sound speed of the LiNbO 3 substrate, and the higher-order mode leaks toward the LiNbO 3 substrate. This is probably because of this. Therefore, if the fast shear wave sound speed of the LiNbO 3 substrate can be slowed, the response of the higher order mode can be reduced.
  • FIGS. 5 to 13 show the dependence of Euler angles (0 °, ⁇ , ⁇ ) on various ⁇ of the sound velocity of the fast transverse wave and the slow transverse wave of the LiNbO 3 substrate.
  • ⁇ the sound velocity of the fast transverse wave and the slow transverse wave of the LiNbO 3 substrate.
  • the film thickness of the IDT electrodes 3A to 3C becomes too thin, the mass of the IDT electrodes 3A to 3C becomes small and the waveguide effect is lost. As a result, the basic mode may be leaked. Accordingly, in the IDT electrodes 3A to 3C, it is desirable that the normalized film thickness h / ⁇ of the first electrode film in the laminated structure which is the main configuration is larger than a certain value.
  • the chemical film thickness h / ⁇ is preferably 0.0295 or more, that is, 2.95% or more. In that case, it has been confirmed that the leakage of the fundamental mode is remarkably reduced.
  • TCF frequency temperature coefficient
  • the frequency temperature characteristic is not deteriorated, in other words, while the improvement effect of the frequency temperature characteristic by the formation of the first dielectric layer 6 made of the SiO 2 layer is ensured, the higher order It can be seen that spurious due to the mode can be suppressed.
  • the boundary acoustic wave device As a boundary acoustic wave device according to an embodiment of the present invention, a 1-port boundary acoustic wave resonator having the electrode structure shown in FIG. 15 was prepared.
  • the boundary acoustic wave resonator 21 includes an IDT electrode 23 and reflectors 24 and 25 disposed on both sides of the IDT electrode 23 in the boundary acoustic wave propagation direction.
  • the IDT electrode 23 is subjected to cross width weighting as shown in the figure.
  • a first dielectric layer made of an SiO 2 layer and a second dielectric layer made of an SiN layer are laminated so as to cover the IDT electrode 23 as in the above embodiment.
  • the resonance characteristic was measured by changing the Euler angle ⁇ .
  • FIGS. 16 and 17 show impedance characteristics and phase characteristics when Euler angles are (0 °, 90 °, 0 °), and FIGS. 18 and 19 show Euler angles (0 °, 100 °, 0 °).
  • FIGS. 20 and 21 show the impedance characteristics and phase characteristics when the Euler angles are (0 °, 127 °, 0 °).
  • the impedance ratio is 60 dB or more in the response of the fundamental mode indicated by the arrow A, regardless of whether the Euler angle ⁇ is 90 °, 100 °, or 127 °. It can be seen that a large electromechanical coupling coefficient is secured. Accordingly, the Euler angle ⁇ only needs to be within a range of 90 ° to 127 °. Thereby, the insertion loss can be sufficiently reduced.
  • the second dielectric layer 7, namely as a dielectric material of a relatively high sound speed, which is laminated over the first dielectric layer 6, showed SiN, than SiO 2
  • An appropriate dielectric having a high shear wave velocity and a shear wave velocity of at least 5000 m / sec can be used.
  • Examples of such a dielectric include SiN, aluminum oxide (Al 2 O 3 ), aluminum nitride (AlN), silicon (Si), silicon oxynitride (SiON), and diamond-like carbon (DLC).
  • the IDT electrode has an essential configuration of a laminated structure including a first electrode film made of Pt or an alloy containing Pt as a main component and a second electrode film made of Al or an alloy containing Al as a main component.
  • a third electrode film made of another metal such as a Ti film may be further laminated.
  • a metal include Au, Ag, Cu, Ta, W, Ni, Fe, Cr, Mo, and Ti, or an alloy containing these metals as a main component.
  • an appropriate metal having a higher density than SiO 2 can be used. By using a metal denser than SiO 2, it is possible to enhance the reflection coefficient of the IDT electrode.
  • a metal layer other than the first and second metal films may be laminated as a barrier layer for preventing mutual diffusion between adjacent electrode films, and adjacent to each other.
  • the electrode structure that is, the electrode structure itself constituting the resonator and the filter is not particularly limited, and electrode structures of various elastic wave devices other than the illustrated electrode structure are used. Can do.
  • the present invention can be applied not only to a boundary acoustic wave device but also to a surface acoustic wave device using a surface acoustic wave mainly composed of an SH wave.
  • FIG. 22 is a front cross-sectional view schematically showing a surface acoustic wave device as a second embodiment of the present invention.
  • the IDT electrode 33 is formed on the piezoelectric body 32.
  • a first dielectric layer 36 made of a SiO 2 layer is formed so as to cover the IDT electrode 33.
  • the electrode structure of the IDT electrode 33 is the same as that of the IDT electrodes 3A to 3C shown in FIG.
  • reflectors 34 and 35 are disposed on both sides of the IDT electrode 33 in the surface acoustic wave propagation direction. Therefore, a 1-port surface acoustic wave resonator is formed.
  • a first dielectric layer and a second dielectric layer made of SiO 2 are laminated on a piezoelectric body made of a LiNbO 3 substrate according to the present invention, and the above formula (1
  • the spurious due to the higher-order mode can be suppressed while improving the frequency temperature characteristics.
  • the X axis is rotated ⁇ counterclockwise with the Z axis as an axis to obtain the Xa axis.
  • the Z axis is rotated counterclockwise by ⁇ to obtain the Z ′ axis.
  • the surface including the Xa axis and having the Z ′ axis as a normal line was defined as a cut surface of the substrate.
  • the axis X ′ direction obtained by rotating the Xa axis counterclockwise about the Z ′ axis is defined as the propagation direction of the elastic wave.
  • the crystal axes X, Y, and Z of the LiNbO 3 substrate given as the initial values of the Euler angles are such that the Z axis is parallel to the c axis, and the X axis is parallel to any one of three equivalent a axes,
  • the Y axis is the normal direction of the plane including the X axis and the Z axis.
  • Euler angles ( ⁇ , ⁇ , ⁇ ) in this specification include crystallographically equivalent Euler angles. Since LiNbO 3 is a crystal belonging to the 3m point group of the trigonal system, the following equation holds.

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Abstract

　周波数温度特性を改善することができ、かつ高次モードによるスプリアスを十分に抑圧することができる、弾性波装置を得る。　弾性波装置１は、ＬｉＮｂＯ３基板からなる圧電体２と、ＳｉＯ２層からなる第１の誘電体層６と、第２の誘電体層７と、圧電体２と第１の誘電体層６との界面に設けられたＩＤＴ電極３Ａ～３Ｃとを備える。ＩＤＴ電極３Ａ～３Ｃは、ＰｔまたはＰｔを主成分とする合金からなる少なくとも１層の第１の電極膜と、ＡｌまたはＡｌを主成分とする合金からなる第２の電極膜とが積層された積層構造を主体としている。ＬｉＮｂＯ３基板のオイラー角（φ，θ，ψ）のφ及びθは、それぞれ、φ＝０±２°及び８０°≦θ≦１３０°の範囲内にある。ψは５°≦ψ≦３０°の範囲内にある。規格化膜厚ｈ／λとψとは、下記の式（１）を満たしている。　ｈ／λ×１００≦０．００１９×ψ２＋０．０１１５×ψ＋３．０　………式（１）

Description

弾性波装置
　本発明は、共振子や帯域フィルタなどに用いられる弾性波装置に関し、より詳細には、圧電体としてＬｉＮｂＯ３基板を用い、圧電体上にＳｉＯ２層などの誘電体層が積層されている構造を有する弾性波装置に関する。
　従来、弾性境界波装置や弾性表面波装置などの弾性波装置が、通信機器の帯域フィルタなどに用いられている。
　この種の弾性境界波装置の一例が、下記の特許文献１に開示されている。図２３及び図２４は、特許文献１に記載の弾性境界波装置を説明するための平面図及びその要部を拡大して示す模式的部分切欠正面断面図である。
　弾性境界波装置１００１は、ＬｉＮｂＯ３基板１００２を有する。ＬｉＮｂＯ３基板１００２上に、ＩＤＴ電極１００３が形成されている。ＩＤＴ電極１００３を覆うように、多結晶酸化ケイ素膜１００４が積層されている。多結晶酸化ケイ素膜１００４上に、多結晶ケイ素膜１００５が積層されている。
　ＩＤＴ電極１００３で励振された弾性境界波が、ＬｉＮｂＯ３基板１００２と多結晶ケイ素膜１００５との間に積層された多結晶酸化ケイ素膜１００４中にエネルギーを集中させて伝搬する。従って、多結晶ケイ素膜／多結晶酸化ケイ素膜／ＬｉＮｂＯ３基板がこの順序で積層されている、いわゆる三媒質構造の弾性境界波装置が形成されている。
　特許文献１は、多結晶酸化ケイ素膜１００４上に多結晶ケイ素膜１００５が積層されているので、ＩＤＴ電極１００３で励振されている弾性境界波を確実に多結晶酸化ケイ素膜１００４に閉じ込めることができることを記載している。
　他方、下記の特許文献２には、圧電体上に、第１の層と、第２の層とをこの順序で積層してなる積層金属膜からなる電極と、該電極を覆う誘電体層とを含む弾性表面波装置が開示されている。この弾性表面波装置では、誘電体層の音響インピーダンスがＺａであり、電極の第１の層の音響インピーダンスが２Ｚａより小さく、電極の第２の層の音響インピーダンスは２Ｚａより高くされており、第１の層と第２の層とからなる積層構造の全体の厚みに対する第２の層の厚みの相対的な割合が１５～８５％の範囲とされている。ここでは、誘電体層の材料の例としてＳｉＯ２、第１の層の材料の例としてＡｌ、第２の層の材料の例としてＰｔが挙げられている。
　Ａｌからなる単層の電極の場合、Ａｌと誘電体層のＳｉＯ２との音響インピーダンス比がほぼ１であるため、反射係数は高くならなかった。これに対して、上記積層構造を有する電極では、反射係数を高めることができる。加えて、Ａｌを厚く形成することができるので、抵抗を低くすることができ、ひいては挿入損失を小さくすることができる。
ＷＯ９８／５２２７９ ＷＯ２００６／０５８５７９
　特許文献１に記載の弾性境界波装置１００１では、ＬｉＮｂＯ３基板１００２と多結晶ケイ素膜１００５との間に積層された、多結晶酸化ケイ素膜１００４中にエネルギーを集中させて弾性境界波が伝搬するが、弾性境界波の高次モードによるスプリアスが現れるという問題があった。この高次モードによるスプリアスの大きさは、多結晶酸化ケイ素膜１００４の膜厚を薄くすると、小さくなることがわかってきている。しかしながら、多結晶酸化ケイ素膜１００４の膜厚を薄くすると、弾性境界波装置１００１では、周波数温度係数（ＴＣＦ）の絶対値が大きくなるという問題があった。
　特許文献１に記載の弾性境界装置１００１では、多結晶酸化ケイ素膜１００４の横波音速は、多結晶ケイ素膜１００５及びＬｉＮｂＯ３基板１００２の横波音速より遅い。横波音速が低速の多結晶酸化ケイ素膜１００４が、横波音速が高速の多結晶ケイ素膜１００５及びＬｉＮｂＯ３基板１００２により挟まれているため、ＩＤＴ電極１００３で励振される弾性境界波を確実に多結晶酸化ケイ素膜１００４に閉じ込めることができる。このため、弾性境界波の基本モードと高次モードは、多結晶酸化ケイ素膜１００４中を伝搬する。
　基本モードとは、多結晶酸化ケイ素膜１００４中に腹が１箇所存在するモードであり、いわゆる０次モードである。高次モードとは、多結晶酸化ケイ素膜１００４中に節が１箇所あり、節の上下それぞれ変位の向きが異なる２箇所の腹が存在するモードであり、いわゆる１次モードである。
　多結晶酸化ケイ素膜１００４中に複数の節を有している高次モードも存在し得る。しかし、上記高次モード以外の高次モードの応答は小さいため問題とはならない。
　なお、上記特許文献２では、弾性表面波装置において、反射係数の増大及び挿入損失の低減を図ることができる電極構造として、上記特定の積層構造が開示されているだけであり、弾性波装置における高次モードによるスプリアスを抑圧する構成については何ら記載されていない。
　前述した通り、ＳｉＯ２膜がＩＤＴ電極を覆うように形成されている弾性波装置では、ＳｉＯ２膜を厚くすると、高次モードによるスプリアスが大きくなり、周波数温度特性の改善と、高次モードによるスプリアスの抑圧とはトレードオフの関係にあった。
　本発明の目的は、上述した従来技術の欠点を解消し、ＬｉＮｂＯ３基板からなる圧電体上にＳｉＯ２層からなる誘電体層が積層されている構造を有する弾性波装置であって、周波数温度特性が優れており、かつ高次モードによるスプリアスを充分に抑圧し得る弾性波装置を提供することにある。
　本発明によれば、ＬｉＮｂＯ３基板からなる圧電体と、圧電体上に積層されたＳｉＯ２層からなる第１の誘電体層と、第１の誘電体層に積層されており、第１の誘電体層よりも音速が速い第２の誘電体層と、圧電体と第１の誘電体層との界面に設けられたＩＤＴ電極とを備え、ＩＤＴ電極が、ＰｔまたはＰｔを主成分とする合金からなる少なくとも１層の第１の電極膜と、ＡｌまたはＡｌを主成分とする合金からなる第２の電極膜とが積層された積層構造を主体としており、ＬｉＮｂＯ３基板のオイラー角（φ，θ，ψ）のφ及びθが、それぞれ、φ＝０±２°及び８０°≦θ≦１３０°の範囲内にあり、ＳＨ波を主成分とする弾性波を用いる弾性波装置であって、ψが５°≦ψ≦３０°の範囲内にあり、弾性波の波長をλ、第１の電極膜の膜厚をｈとすると、規格化膜厚ｈ／λとψとが、下記の式（１）を満たしている、弾性波装置が提供される。
　ｈ／λ×１００≦０．００１９×ψ２＋０．０１１５×ψ＋３．０　　………式（１）
　本発明に係る弾性波装置の特定の局面では、ＬｉＮｂＯ３基板のオイラー角のθは、１０５°≦θ≦１２０°の範囲内にある。その場合には、ＳＨ波を主成分とする弾性波の応答の近傍に現れる不要モード応答を抑制することができる。すなわち、弾性波装置が、ＳＨ波を主成分とする弾性境界波を用いる弾性境界波装置である場合には、不要モードであるストンリー波の電気機械結合係数を小さくできるため、不要モード応答を抑制できる。
　本発明に係る弾性波装置の他の特定の局面では、規格化膜厚ｈ／λが０．０２９５以上である。この場合には、基本モードの漏洩をより効果的に防止することができる。
　本発明に係る弾性波装置のさらに他の特定の局面では、第２の誘電体層が、窒化ケイ素、酸化アルミニウム、窒化アルミニウム、酸化窒化ケイ素、及びダイヤモンドライクカーボンからなる群から選択された少なくとも１種の誘電体材料であって、遅い横波音速が、５０００ｍ／秒以上の誘電体材料からなる。
　また、本発明に係る弾性波装置のさらに別の他の特定の局面では、ＩＤＴ電極が、第３の電極膜をさらに有し、第３の電極膜が、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｔａ、Ｗ、Ｎｉ、Ｆｅ、Ｃｒ、Ｍｏ、及びＴｉ並びにこれらの金属を主成分とする合金からなる群から選択された１種の金属からなる。この場合には、ＩＤＴ電極の反射係数を大きくすることができる。
　本発明に係る弾性波装置では、ＬｉＮｂＯ３基板からなる圧電体が負の周波数温度係数（ＴＣＦ）を有するが、ＳｉＯ２層からなる第１の誘電体層が正の周波数温度係数（ＴＣＦ）を有するため、周波数温度係数（ＴＣＦ）の絶対値を小さくすることができ、しかもＬｉＮｂＯ３基板のオイラー角のψが上記特定の範囲内にあり、かつＩＤＴ電極が上記積層構造を有し、ＰｔまたはＰｔを主成分とする合金からなる第１の電極膜の膜厚をｈ、ＳＨ波を主成分とする弾性波の波長をλとしたときの規格化膜厚ｈ／λが上記式（１）を満たす範囲内とされているため、高次モードによるスプリアスを確実に抑圧することができる。
　従って、周波数温度特性の改善と、高次モードによるスプリアスの抑圧とを両立することが可能となる。
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要部を示す部分切欠拡大正面断面図及び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境界波装置の伝送特性を示す図である。 図３は、本発明の一実施形態に係る弾性境界波装置の伝送特性を示す図である。 図４は、本発明の一実施形態における、ＩＤＴ電極の第１の電極膜の規格化膜厚ｈ／λと、ＬｉＮｂＯ３基板のオイラー角のψと高次モードのレスポンスとの関係を示す図である。 図５は、オイラー角が（０°，９０°，ψ）であるＬｉＮｂＯ３基板における速い横波音速と遅い横波音速のψとの関係を示す図である。 図６は、オイラー角が（０°，９５°，ψ）であるＬｉＮｂＯ３基板における速い横波音速と遅い横波音速のψとの関係を示す図である。 図７は、オイラー角が（０°，１００°，ψ）であるＬｉＮｂＯ３基板における速い横波音速と遅い横波音速のψとの関係を示す図である。 図８は、オイラー角が（０°，１０５°，ψ）であるＬｉＮｂＯ３基板における速い横波音速と遅い横波音速のψとの関係を示す図である。 図９は、オイラー角が（０°，１１０°，ψ）であるＬｉＮｂＯ３基板における速い横波音速と遅い横波音速のψとの関係を示す図である。 図１０は、オイラー角が（０°，１１５°，ψ）であるＬｉＮｂＯ３基板における速い横波音速と遅い横波音速のψとの関係を示す図である。 図１１は、オイラー角が（０°，１２０°，ψ）であるＬｉＮｂＯ３基板における速い横波音速と遅い横波音速のψとの関係を示す図である。 図１２は、オイラー角が（０°，１２５°，ψ）であるＬｉＮｂＯ３基板における速い横波音速と遅い横波音速のψとの関係を示す図である。 図１３は、オイラー角が（０°，１３０°，ψ）であるＬｉＮｂＯ３基板における速い横波音速と遅い横波音速のψとの関係を示す図である。 図１４は、本発明の一実施形態に係る弾性境界波装置におけるオイラー角ψと、周波数温度係数（ＴＣＦ）との関係を示す図である。 図１５は、本発明の一実施形態に係る弾性境界波装置の電極構造を示す模式的に平面断面図である。 図１６は、本発明の一実施形態に係る弾性境界波装置の、ＬｉＮｂＯ３基板のオイラー角が（０°，９０°，０°）の場合のインピーダンス特性を示す図である。 図１７は、本発明の一実施形態に係る弾性境界波装置の、ＬｉＮｂＯ３基板のオイラー角が（０°，９０°，０°）の場合の位相特性を示す図である。 図１８は、本発明の一実施形態に係る弾性境界波装置の、ＬｉＮｂＯ３基板のオイラー角が（０°，１００°，０°）の場合のインピーダンス特性を示す図である。 図１９は、本発明の一実施形態に係る弾性境界波装置の、ＬｉＮｂＯ３基板のオイラー角が（０°，１００°，０°）の場合の位相特性を示す図である。 図２０は、本発明の一実施形態に係る弾性境界波装置の、ＬｉＮｂＯ３基板のオイラー角が（０°，１２７°，０°）の場合のインピーダンス特性を示す図である。 図２１は、本発明の一実施形態に係る弾性境界波装置の、ＬｉＮｂＯ３基板のオイラー角が（０°，１２７°，０°）の場合の位相特性を示す図である。 図２２は、本発明の他の実施形態に係る弾性表面波装置を説明するための模式的正面断面図である。 図２３は、従来の弾性境界波装置の模式的平面図である。 図２４は、従来の弾性境界波装置の要部を拡大して示す模式的部分切欠正面断面図である。
　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。
　図１（ａ）は、本発明の一実施形態に係る弾性境界波装置の要部を示す部分切欠拡大正面断面図であり、図１（ｂ）は、該弾性境界波装置の電極構造を示す模式的平面図である。
　弾性境界波装置１は、ＳＨ波を主成分とする弾性境界波を用いる弾性境界波装置である。なお、固体内を伝搬するバルク波には、縦波と、速い横波と、遅い横波の３種類があることが知られており、それぞれ、Ｐ波、ＳＨ波、ＳＶ波と呼ばれている。これら３種類のバルク波のうち、もっとも低音速のバルク波が、遅い横波である。
　図１（ａ）に示すように、弾性境界波装置１は、ＬｉＮｂＯ３基板からなる圧電体２を有する。圧電体２上に、ＳｉＯ２層からなる第１の誘電体層６が積層されている。
　圧電体２と第１の誘電体層６との界面に、ＩＤＴ電極３Ａ～３Ｃが形成されている。図１（ａ）では、ＩＤＴ電極３Ｂの１本の電極指部分が拡大して断面図で示されている。実際には、図１（ｂ）に示されているように、圧電体２上に、弾性境界波伝搬方向に沿って順に配置されたＩＤＴ電極３Ａ～３Ｃが配置されている。ＩＤＴ電極３Ａ～３Ｃの弾性境界波伝搬方向両側に、反射器４，５が配置されている。従って、本実施形態では、３ＩＤＴ型の縦結合共振子型弾性境界波フィルタが構成されている。ここで、ＩＤＴ電極３Ａ，３Ｃの各一端が不平衡端子１２に接続されており、各他端はグラウンド電位に接続されている。また、ＩＤＴ電極３Ｂの一端が第１の平衡端子１３に、他端が第２の平衡端子１４に接続されている。従って、本実施形態の弾性境界波装置１は、平衡－不平衡変換機能を有する３ＩＤＴ型の縦結合共振子型弾性境界波フィルタである。
　ＩＤＴ電極３Ａ～３Ｃは、互いに間挿し合う複数本の電極指を有する。図１（ａ）では、ＩＤＴ電極３Ｂの１本の電極指３ａが拡大して示されている。
　ＩＤＴ電極３Ａ～３Ｃ及び反射器４，５は適宜の金属材料からなる。本実施形態では、図１（ａ）に拡大して示されているように、ＩＤＴ電極３Ｂの電極指３ａは、圧電体２側から順に、Ｔｉ膜１１ａ、Ｐｔ膜１１ｂ、Ｔｉ膜１１ｃ、Ａｌ膜１１ｄ、Ｔｉ膜１１ｅ，Ｐｔ膜１１ｆ及びＴｉ膜１１ｇをこの順序で積層することにより得られた積層金属膜からなる。上記積層金属膜において、Ｐｔ膜１１ｂ、Ａｌ膜１１ｄ及びＰｔ膜１１ｆが、Ｔｉ膜１１ａ，１１ｃ，１１ｅ，１１ｇに比べて相対的に厚くされている。これらのＰｔ膜１１ｂ、Ａｌ膜１１ｄ及びＰｔ膜１１ｆが、主たる電極膜であり、本発明における積層構造を構成している。
　すなわち、Ｐｔ膜１１ｂ，１１ｆが、本発明における第１の電極膜に相当し、Ａｌ膜１１ｄが第２の電極膜に相当する。本発明において、上記積層構造を構成する第１の電極膜は、Ｐｔを主成分とする合金からなる膜であってもよい。同様に、第２の電極膜は、Ａｌを主成分とする合金からなる膜であってもよい。
　また、本実施形態のように、第１の電極膜は、複数のＰｔ膜１１ｂ，１１ｆを有していてもよい。この場合、第１の電極膜の膜厚ｈとは、全Ｐｔ膜の厚みの合計をいうものとする。すなわち、積層構造における第１の電極膜の膜厚ｈは、積層構造中の第１の電極膜が複数の場合、複数の第１の電極膜の合計の厚みをいうものとする。また、上記積層構造は、複数の第２の電極膜を有していてもよい。
　Ｔｉ膜１１ａは、ＩＤＴ電極３Ｂの圧電体２への密着性を高める密着層として機能する。Ｔｉ膜１１ｃ，１１ｅは、上下両側の電極膜間における拡散を抑制するバリア層として形成されている。すなわち、Ｐｔ膜１１ｂ，１１ｆと、Ａｌ膜１１ｄとの間の原子の拡散を抑制するために、Ｔｉ膜１１ｃ，１１ｅが形成されている。さらに、Ｔｉ膜１１ｇは、第１の誘電体層６とＰｔ膜１１ｆとを密着させる密着層として形成されている。ＩＤＴ電極３Ｂは、全体がこのような積層金属膜により形成されており、ＩＤＴ電極３Ａ，３Ｃと反射器４，５も同じ積層金属膜により形成される。
　本実施形態の弾性境界波装置１では、上記ＩＤＴ電極３Ａ～３Ｃを覆うように、圧電体２の上面に第１の誘電体層６が積層されており、さらに第１の誘電体層６の上に第２の誘電体層７が積層されている。本実施形態では、第２の誘電体層７はＳｉＮ層からなる。
　上記ＳｉＯ２層からなる第１の誘電体層６及びＳｉＮ層からなる第２の誘電体層７は、蒸着、スパッタリング等の適宜の薄膜形成方法により形成することができる。第２の誘電体層７は、特開平１０－８４２４７号公報に示されているように、基板貼り合わせ工法により形成してもよい。
　第１の誘電体層６の厚みについては、特に限定されるものではないが、ＳＨ波を主成分とする弾性境界波の波長をλとすると０．２λ～０．７λ程度であることが好ましい。第１の誘電体層６であるＳｉＯ２層は、第２の誘電体層７であるＳｉＮ層や圧電体２であるＬｉＮｂＯ３基板よりも横波音速が遅いため、ＩＤＴ電極３Ａ～３Ｃで励振されたＳＨ波を主成分とする弾性境界波が、第２の誘電体層７であるＳｉＮ層と圧電体２であるＬｉＮｂＯ３基板との間、すなわち上記ＳｉＯ２層からなる第１の誘電体層６中にエネルギーに集中させて伝搬する。このような伝搬を可能とするために、第１の誘電体層６の厚みは、０．２λ～０．７λ程度であることが好ましい。
　第２の誘電体層７の厚みは、弾性境界波が十分に閉じ込められる厚みに設定する。すなわち、第２の誘電体層７の厚み方向に向かって、弾性境界波の変位が小さくなり、第２の誘電体層７の表面における弾性境界波の変位が略ゼロとなる厚みに設定する。変位が略ゼロとみなせる厚みは、例えば、ＳＨ波を主成分とする弾性境界波の波長をλとすると１λ以上である。
　また、前述したＩＤＴ電極３Ａ～３Ｃを含む電極構造についても、公知のフォトリソグラフィー法を用いて形成することができる。
　本実施形態の弾性境界波装置１では、上記ＬｉＮｂＯ３基板からなる圧電体２と、ＳｉＯ２層からなる第１の誘電体層６との界面に設けられたＩＤＴ電極３Ａ～３Ｃにより励振されたＳＨ波を主成分とする弾性境界波が、第１の誘電体層６中にエネルギーを集中させて伝搬する。ここで、第２の誘電体層７は、ＳｉＮ層からなり、その横波音速がＳｉＯ２層からなる第１の誘電体層６の横波音速よりも速くされている。従って、弾性境界波が、ＳｉＮ層からなる第２の誘電体層７側には漏洩し難く、弾性境界波は、ＳｉＯ２層からなる第１の誘電体層６中にエネルギーを確実に集中させて伝搬する。
　さらに、弾性境界波装置１では、圧電体２であるＬｉＮｂＯ３基板の周波数温度係数（ＴＣＦ）は負の値であるが、第１の誘電体層６であるＳｉＯ２層の周波数温度係数（ＴＣＦ）は正の値であるため、全体として周波数温度係数（ＴＣＦ）の絶対値を小さくすることができる。よって、温度変化による周波数変動を小さくすることが可能とされている。
　加えて、本実施形態の特徴は、圧電体２であるＬｉＮｂＯ３基板のオイラー角（φ，θ，ψ）が、φ＝０±２°、８０°≦θ≦１３０°、５°≦ψ≦３０°の範囲内とされており、かつＩＤＴ電極３Ａ～３Ｃが、Ｐｔ膜１１ｂ，１１ｆとＡｌ膜１１ｄとの積層構造を有し、Ｐｔ膜１１ｂ，１１ｆの合計の膜厚をｈとしたときの規格化膜厚ｈ／λが、下記の式（１）を満たすことにあり、それによって、高次モードによるスプリアスを効果的に抑圧することができる。なお、φは０°であることが最も好ましいが、製造ばらつきを考慮すると、０±２°であればよい。
　ｈ／λ×１００≦０．００１９×ψ２＋０．０１１５×ψ＋３．０　　………式（１）
　式（１）において、λはＳＨ波を主成分とする弾性境界波の波長を示す。
　なお、ＩＤＴ電極の積層構造における上記Ｐｔ膜の全体の膜厚ｈとは、Ｐｔ層が１層の場合にはその厚み、複数層の場合には複数層の厚みの合計をいうものとする。
　図２～図３１を参照して、周波数温度特性を改善しつつ、高次モードによるスプリアスを効果的に抑圧し得ることを明らかにする。
　上記実施形態に従って、以下の実験例１，２のＧＳＭ１９００の受信フィルタを作製した。なお、携帯電話機のＧＳＭ１９００の受信フィルタの仕様は、以下の通りである。
　通過帯域：１９３０～１９００ＭＨｚ
　通過帯域内挿入損失：２．５ｄＢ以下
　低域側阻止帯域：１８３０～１９１０ＭＨｚ
　低域側阻止帯域における減衰量：１２ｄＢ以上
　高域側阻止帯域：２０１０～２０７０ＭＨｚ
　高域側阻止帯域における減衰量：１２ｄＢ以上
　上記仕様を満たすように、以下の構成の実験例１の弾性境界波装置１を作製した。
　ＩＤＴ電極３Ａ～３Ｃの電極膜厚及び電極構成：
　積層構造における上方のＰｔ膜１１ｆの膜厚：３１ｎｍ
　規格化膜厚：０．０１７８
　下方のＰｔ膜１１ｂの膜厚：３１ｎｍ
　規格化膜厚：０．０１７８
　Ａｌ膜１１ｄの膜厚：２６０ｎｍ
　規格化膜厚：０．０１４９
　密着層及びバリア層としてのＴｉ膜１１ａ，１１ｃ，１１ｅ，１１ｇの膜厚：４０ｎｍ
　規格化膜厚：０．０２３
　また、以下に示す実験例２の弾性境界波装置も同様にして作製した。
　実験例２の弾性境界波装置では、ＩＤＴ電極３Ａ～３Ｃの電極の膜厚の絶対値及び電極構成は上記実験例１と同様とした。もっとも、ＩＤＴ電極３Ａ～３Ｃにおける電極指ピッチで定まる弾性境界波の波長λは、実験例１では、λ＝１．７μｍとし、実験例２では、λ＝１．４９μｍとした。従って、実験例２では、Ｐｔ膜１１ｆ，１１ｂの規格化膜厚は、それぞれ、０．０１６となり、Ａｌ膜１１ｄの規格化膜厚は０．０１３４とした。また、Ｐｔ膜１１ａ，１１ｃ，１１ｅ，１１ｇの各規格化膜厚は、０．０２０６とした。
　ＳｉＯ２層からなる第１の誘電体層６の膜厚は５９０ｎｍとした。第１の誘電体層６の規格化膜厚は、実験例１では０．３３９λ、実験例２では０．３０４λとなる。
　ＳｉＮ層からなる第２の誘電体層７の膜厚は２２００ｎｍとした。第２の誘電体層７の規格化膜厚は、実験例１では１．２６４λ、実験例２では１．１３４λとなる。
　なお、上記実験例２は、電極指ピッチで定まる弾性境界波の波長が１．７４μｍから１．９４μｍとしたこと、それに従って各層の膜厚の規格化膜厚が上記のように実験例１と若干異なることを除いては、実験例１と同様に構成した。
　ＩＤＴ電極３Ａ～３Ｃにおける電極指交叉幅は４２λとした。また、ＩＤＴ電極３Ｂにおける電極指の総本数は３６本とした。ＩＤＴ電極３Ｂでは、両側の端部に狭ピッチ電極指部を設け、各狭ピッチ電極指部における電極指の本数は、各３本とし、従って、残りの電極指の本数は３６－６＝３０本とした。
　ＩＤＴ電極３Ａ，３Ｃにおいては、電極指の総本数は１９本とした。ＩＤＴ電極３Ａ，３Ｃでは、ＩＤＴ電極３Ｂと隣り合う側の端部に狭ピッチ電極指部を設け、ＩＤＴ電極３Ｂと隣り合う側の端部の３本の電極指を狭ピッチ電極指部を構成する電極指とした。
　反射器４，５における電極指の本数は６１本とした。
　ＩＤＴ電極３Ａ～３Ｃにおけるデューティ比は０．５０とした。
　図２は上記実験例１の伝送特性を、図３は上記実験例２の伝送特性を示す。図２及び図３において、矢印Ａが基本モードによる応答であり、矢印Ｂが高次モードによる応答を示す。図２に示すように、実験例１では高次モードのレスポンスは１５ｄＢである。図３に示すように、実験例２では、高次モードのレスポンスは２５ｄＢである。ＧＳＭ系のブロッキングの規格は、通過帯域内の挿入損失＋２３ｄＢである。一般に、通過帯域内の挿入損失は約２ｄＢであるため、高次モードのレスポンスは少なくとも２５ｄＢが必要である。従って、図３に示す高次モードのレベルに、高次モードのレスポンスを抑制することが好ましい。
　図４は、上記実施形態の構造において、ＩＤＴ電極３Ａ～３Ｃにおいて、上記積層構造中の第１の電極膜であるＰｔ膜１１ｂ，１１ｆの厚みの合計の膜厚をｈ、ＳＨ波を主成分とする弾性境界波の波長をλとしたときの規格化膜厚ｈ／λと、圧電体２であるＬｉＮｂＯ３基板のオイラー角のψを変化させたときの高次モードのレスポンスの変化を示す。なお、図４における記号Ｘ１～Ｘ１５は、それぞれ、高次モードのレスポンスのレベルが下記の表１に示す範囲の領域であることを示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
　なお、図４においては、規格化膜厚ｈ／λは０．０２９５～０．０３６５、すなわち２．９５％～３．６５％の範囲で変化させた。また、伝搬方位ψは０°～１５°の範囲で変化させた。
　高次モードのレスポンスのレベルが２５ｄＢ以上となる領域は、上記Ｘ１～Ｘ９であり、図４の破線Ｃよりも左上の領域となる。このような領域は、以下の式（１）で表わされる。
　ｈ／λ×１００≦０．００１９×ψ２＋０．０１１５×ψ＋３．０　　………式（１）
　すなわち、上記式（１）の右辺は、図４の破線Ｃを近似することにより得られたものである。
　従って、式（１）を満たす範囲では、すなわちオイラー角（０°，１１５°，ψ）のＬｉＮｂＯ３基板を圧電体として用いた上記構造においては、オイラー角のψを０°～３０°の範囲とした場合、第１の電極膜の膜厚をｈ、ＳＨ波を主成分とする弾性境界波の波長をλとしたときの規格化膜厚ｈ／λを上記式（１）を満たす範囲とすることにより、高次モードのレスポンスを効果的に抑制し得ることがわかる。
　本実施形態の弾性境界波装置１では、相対的に低音速の媒質ＳｉＯ２層からなる第１の誘電体層６を、相対的に高音速の媒質であるＬｉＮｂＯ３基板からなる圧電体２と、ＳｉＮ層からなる第２の誘電体層７とで挟むことにより、導波路効果により弾性境界波を第１の誘電体層６に閉じ込めている。従って、伝搬する弾性境界波の音速が相対的に高音速の媒質の音速よりも速くなった場合には、弾性境界波が漏洩モードとなって減衰が大きくなる。高次モードの音速がある一定以上となると、レスポンスが小さくなるのは、高次モードの音速がＬｉＮｂＯ３基板の速い横波音速を超えることにより、高次モードがＬｉＮｂＯ３基板方向へ漏洩しているためと考えられる。従って、ＬｉＮｂＯ３基板の速い横波音速を遅くすることができれば、高次モードのレスポンスを小さくすることができる。
　図５～図１３は、ＬｉＮｂＯ３基板の速い横波の音速及び遅い横波の音速のオイラー角（０°，θ，ψ）の様々なψに対する依存性を示す。図５～図１３から明らかなように、θが９０°～１３０°の範囲内においては、θの値にかかわらず、ψが大きくなるほど速い横波音速が低くなり、ψを大きくするほど、高次モードのレスポンスを小さくすることができる。
　なお、ＬｉＮｂＯ３基板の速い横波音速のψに対する依存性は、ψが５°より小さい範囲では、ψ＝０°の場合とほとんど変わらない。もっとも、ψが５°を超えると、速い横波音速が大きく低下する。従って、ψは５°以上であることが必要である。
　もっとも、ψがあまり大きくなると、基本モードの電気機械結合係数が低下する。本発明者の検討によれば、ψが３０°よりも大きくなると、必要な電気機械結合係数を満たし得ないことがわかった。従って、用途によっても異なるが、例えば、携帯電話機のＲＦ段の帯域フィルタとして用いる場合には、必要となる電気機械結合係数を確保するには、ψは３０°以下であることが必要である。
　また、ＩＤＴ電極３Ａ～３Ｃの膜厚が薄くなりすぎると、ＩＤＴ電極３Ａ～３Ｃの質量が小さくなり、導波路効果が失われる。その結果、基本モードが漏洩するおそれがある。従って、ＩＤＴ電極３Ａ～３Ｃにおいて、主たる構成である上記積層構造における第１の電極膜の規格化膜厚ｈ／λはある程度の値以上大きいことが望ましく、本願発明者の実験によれば、規格化膜厚ｈ／λは、０．０２９５以上、すなわち２．９５％以上とすることが望ましく、その場合には、基本モードの漏洩を著しく小さくすることが確かめられている。
　なお、図１４は、ＬｉＮｂＯ３基板を圧電体２として用いて構成された上記弾性境界波装置１における周波数温度係数（ＴＣＦ）と、ＬｉＮｂＯ３基板のオイラー角（０°，１１５°，ψ）のψとの関係を示す図である。図１４から明らかなように、ψ＝０°の場合に比べ、ψが５°、１０°、１５°、２０°及び３０°とされた場合においても、周波数温度係数（ＴＣＦ）はほとんど変化していないことがわかる。従って、上記実施形態によれば、周波数温度特性の劣化を招くことなく、言い換えれば、ＳｉＯ２層からなる第１の誘電体層６の形成による周波数温度特性の改善効果を確保しつつ、高次モードによるスプリアスを抑圧し得ることがわかる。
　次に、圧電体２であるＬｉＮｂＯ３基板のオイラー角のθの範囲が９０°～１２７°の範囲であることが好ましい理由について説明する。本発明の一実施形態に係る弾性境界波装置として、図１５に示す電極構造を有する１ポート型弾性境界波共振子を用意した。図１５において、弾性境界波共振子２１は、ＩＤＴ電極２３と、ＩＤＴ電極２３の弾性境界波伝搬方向両側に配置された反射器２４，２５とを有する。ＩＤＴ電極２３は図示のように交叉幅重み付けが施されている。このような構造を有し、ＩＤＴ電極２３を覆うように上記実施形態と同様にＳｉＯ２層からなる第１の誘電体層及びＳｉＮ層からなる第２の誘電体層が積層されている構造において、オイラー角のθを変化させ、共振特性を測定した。
　図１６及び図１７は、オイラー角が（０°，９０°，０°）の場合のインピーダンス特性及び位相特性を示し、図１８及び図１９は、オイラー角が（０°，１００°，０°）の場合のインピーダンス特性及び位相特性を示し、図２０及び図２１は、オイラー角が（０°，１２７°，０°）の場合のインピーダンス特性及び位相特性を示す。
　図１８～図２１から明らかなように、オイラー角のθが９０°，１００°及び１２７°のいずれの場合においても、矢印Ａで示す基本モードのレスポンスにおいてインピーダンス比が６０ｄＢ以上であり、十分な大きさの電気機械結合係数が確保されていることがわかる。従って、オイラー角θは、９０°～１２７°の範囲内にあればよい。それによって、挿入損失を十分に小さくすることができる。
　また、上記実施形態では、第２の誘電体層７、すなわち第１の誘電体層６の上方に積層される相対的に高音速の誘電体材料として、ＳｉＮを示したが、ＳｉＯ２よりも横波音速が早く、少なくとも５０００ｍ／秒以上の横波音速である適宜の誘電体を用いることができる。このような誘電体としては、ＳｉＮ、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、ケイ素（Ｓｉ）、酸化窒化ケイ素（ＳｉＯＮ）またはダイヤモンドライクカーボン（ＤＬＣ）などを挙げることができる。
　また、ＩＤＴ電極は、ＰｔもしくはＰｔを主成分とする合金からなる第１の電極膜と、ＡｌもしくはＡｌを主成分とする合金からなる第２の電極膜とを有する積層構造を必須の構成とするが、上記実施形態のように、Ｔｉ膜などの他の金属からなる第３の電極膜がさらに積層されていてもよい。このような金属としては、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｔａ、Ｗ、Ｎｉ、Ｆｅ、Ｃｒ、ＭｏまたはＴｉまたはこれらの金属を主成分とする合金が挙げられる。いずれにもしても、ＳｉＯ２に比べて密度が高い適宜の金属を用いることができる。ＳｉＯ２よりも密度の高い金属を用いることにより、ＩＤＴ電極における反射係数を高めることができる。
　また、上記実施形態のＴｉ層のように、隣り合う電極膜間における相互拡散を防止するためのバリア層として、第１，第２の金属膜以外の金属層を積層してもよく、隣り合う電極膜同士の密着性を高める密着層としてＴｉ層などの他の金属もしくは合金からなる金属層を設けてもよい。
　また、本発明における弾性境界波装置では、電極構造すなわち共振子やフィルタを構成する電極構造自体は特に限定されるものではなく、図示の電極構造以外の様々な弾性波装置の電極構造を用いることができる。
　さらに、本発明は、弾性境界波装置に限らず、ＳＨ波を主成分とする弾性表面波を利用した弾性表面波装置にも適用することができる。
　図２２は、本発明の第２の実施形態としての弾性表面波装置を模式的に示す正面断面図である。なお、本実施形態の弾性表面波装置３１では、圧電体３２上に、ＩＤＴ電極３３が形成されている。ＩＤＴ電極３３を覆うように、ＳｉＯ２層からなる第１の誘電体層３６が形成されている。ここで、ＩＤＴ電極３３の電極構造は、図１（ｂ）に示したＩＤＴ電極３Ａ～３Ｃと同様とされている。また、ＩＤＴ電極３３の弾性表面波伝搬方向両側に、反射器３４，３５が配置されている。従って、１ポート型の弾性表面波共振子が構成されている。このような弾性表面波装置３１においても、本発明に従ってＬｉＮｂＯ３基板からなる圧電体上に、ＳｉＯ２層からなる第１の誘電体層及び第２の誘電体層を積層し、上記式（１）を満たすように構成することにより、周波数温度特性を改善しつつ、高次モードによるスプリアスを抑圧することができる。
　なお、本明細書において、基板の切断面と弾性境界波の伝搬方向を表現するオイラー角（φ，θ，ψ）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１３年１１月３０日発行、５４９頁）記載の右手系オイラー角を用いた。
　すなわち、ＬｉＮｂＯ３基板の結晶軸Ｘ、Ｙ，Ｚに対し、Ｚ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ψ回転した軸Ｘ´方向を弾性波の伝搬方向とした。
　また、オイラー角の初期値として与えるＬｉＮｂＯ３基板の結晶軸Ｘ，Ｙ，Ｚは、Ｚ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１つと平行とし、Ｙ軸はＸ軸とＺ軸を含む面の法線方向とする。
　なお、本明細書におけるオイラー角（θ，φ，ψ）は、結晶学的に等価なオイラー角を含むものとする。ＬｉＮｂＯ３は三方晶系の３ｍ点群に属する結晶であるため、以下の式が成り立つ。
　　Ｆ（φ、θ，ψ）＝Ｆ（６０°＋φ，－θ，ψ）
　　　　　　　　　　＝Ｆ（６０°－φ，－θ，１８０°－ψ）
　　　　　　　　　　＝Ｆ（φ，１８０°＋θ，１８０°－ψ）
　　　　　　　　　　＝Ｆ（φ，θ，１８０°＋ψ）
　１…弾性境界波装置
　２…圧電体
　３Ａ～３Ｃ…ＩＤＴ電極
　３ａ…電極指
　４，５…反射器
　６…第１の誘電体層
　７…第２の誘電体層
　１１ａ…Ｔｉ膜
　１１ｂ…Ｐｔ膜
　１１ｃ…Ｔｉ膜
　１１ｄ…Ａｌ膜
　１１ｅ…Ｔｉ膜
　１１ｆ…Ｐｔ膜
　１１ｇ…Ｔｉ膜
　１２…不平衡端子
　１３，１４…第１，第２の平衡端子
　２１…弾性境界波共振子
　２３…ＩＤＴ電極
　２４，２５…反射器
　３１…弾性表面波装置
　３２…圧電体
　３３…ＩＤＴ電極
　３４，３５…反射器
　３６…第１の誘電体層

Claims (5)

  1. 　ＬｉＮｂＯ３基板からなる圧電体と、
    　前記圧電体上に積層されたＳｉＯ２層からなる第１の誘電体層と、
    　前記第１の誘電体層に積層されており、第１の誘電体層よりも音速が速い第２の誘電体層と、
    　前記圧電体と前記第１の誘電体層との界面に設けられたＩＤＴ電極とを備え、
    　前記ＩＤＴ電極が、ＰｔまたはＰｔを主成分とする合金からなる少なくとも１層の第１の電極膜と、ＡｌまたはＡｌを主成分とする合金からなる第２の電極膜とが積層された積層構造を主体としており、
    　前記ＬｉＮｂＯ３基板のオイラー角（φ，θ，ψ）のφ及びθが、それぞれ、φ＝０±２°及び８０°≦θ≦１３０°の範囲内にあり、ＳＨ波を主成分とする弾性波を用いる弾性波装置であって、
    　ψが５°≦ψ≦３０°の範囲内にあり、弾性波の波長をλ、第１の電極膜の膜厚をｈとすると、規格化膜厚ｈ／λとψとが、下記の式（１）を満たしている、弾性波装置。
    　ｈ／λ×１００≦０．００１９×ψ２＋０．０１１５×ψ＋３．０　　………式（１）
  2. 　前記ＬｉＮｂＯ３基板のオイラー角のθが１０５°≦θ≦１２０°の範囲内にある、請求項１に記載の弾性波装置。
  3. 　前記規格化膜厚ｈ／λが０．０２９５以上である、請求項１または２に記載の弾性波装置。
  4. 　前記第２の誘電体層が、窒化ケイ素、酸化アルミニウム、窒化アルミニウム、酸化窒化ケイ素、及びダイヤモンドライクカーボンからなる群から選択された少なくとも１種の誘電体材料であって、遅い横波音速が、５０００ｍ／秒以上の誘電体材料からなる、請求項１～３のいずれか１項に記載の弾性波装置。
  5. 　前記ＩＤＴ電極が、第３の電極膜をさらに有し、第３の電極膜が、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｔａ、Ｗ、Ｎｉ、Ｆｅ、Ｃｒ、Ｍｏ、及びＴｉ並びにこれらの金属を主成分とする合金からなる群から選択された１種の金属からなる、請求項１～４のいずれか１項に記載の弾性波装置。
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CN102610916A (zh) * 2012-03-01 2012-07-25 西安电子科技大学 具有陷波特性的小型超宽带天线
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