WO2013081026A1 - 弾性表面波装置 - Google Patents

Abstract

　ＬｉＮｂＯ_３基板を伝搬するラヴ波を用いることができ、かつ低損失化を図り得る弾性表面波装置を提供する。　ＬｉＮｂＯ_３基板２上にＩＤＴ電極３が形成されており、ＩＤＴ電極３を覆うように酸化ケイ素膜４からなる誘電体層が設けられており、ＩＤＴ電極３がＡｌを主体とし、かつＬｉＮｂＯ_３基板２の上面において、ＩＤＴ電極３の電極指３ａ，３ａ間に溝２ａが形成されており、ＬｉＮｂＯ_３基板２を伝搬するラヴ波を用いている、弾性表面波装置１。

Description

弾性表面波装置

　本発明は、ＬｉＮｂＯ_３基板を用いた弾性表面波装置に関し、より詳細には、ＬｉＮｂＯ_３基板を伝搬するラヴ波を用いた弾性表面波装置に関する。

　従来、ＬｉＮｂＯ_３基板を伝搬するラヴ波を利用した弾性表面波装置が種々提案されている。例えば、下記の特許文献１には、このような弾性表面波装置の一例が開示されている。

　特許文献１では、ＬｉＮｂＯ_３基板上に、ＡｕからなるＩＤＴ電極が形成されている。このＩＤＴ電極を覆うようにＳｉＯ_２膜が形成されている。特許文献１では、質量の大きなＡｕからなるＩＤＴ電極を用いることにより、ＬｉＮｂＯ_３基板を伝搬するラヴ波を利用することが可能とされている。

特開平５－３３５８７９号公報

　しかしながら、特許文献１に記載の弾性表面波装置では、質量の大きなＡｕからなるＩＤＴ電極を用いているため、損失が大きいという問題があった。すなわち、質量の大きなＡｕからなるＩＤＴ電極を用いた構造では、ＩＤＴ電極の厚みは比較的薄い。そのため、電気抵抗が高くなり、損失が大きくなるという問題があった。

　本発明の目的は、ＬｉＮｂＯ_３基板を伝搬するラヴ波を利用しており、低損失化を図り得る弾性表面波装置を提供することにある。

　本発明に係る弾性表面波装置は、ＬｉＮｂＯ_３基板と、前記ＬｉＮｂＯ_３基板上に形成されたＩＤＴ電極と、前記ＩＤＴ電極を覆うように設けられた誘電体層とを備える。本発明では、前記ＩＤＴ電極がＡｌを主体とし、かつ前記ＬｉＮｂＯ_３基板の上面においてＩＤＴ電極の電極指間に溝が形成されており、ＬｉＮｂＯ_３基板を伝搬するラヴ波を用いている。ＩＤＴ電極が、Ａｌを主体とするとは、ＡｌがＩＤＴ電極全体の５０質量％を超えることを意味する。ＩＤＴ電極は、ＡｌまたはＡｌを主成分とする合金からなる電極層を主たる電極層として含むものであってもよく、従たる電極層として他の電極層が形成されていてもよい。他方、主たる電極層とは、複数の電極層からなる場合、重量比でＩＤＴ電極全体の５０重量％を超える１以上の電極層をいうものとする。

　本発明に係る弾性表面波装置の他の特定の局面では、前記ＩＤＴ電極が、ＡｌまたはＡｌを主成分とする合金からなる。このように、本発明では、ＩＤＴ電極はＡｌまたはＡｌを主成分とする合金からなる単一層の電極であってもよい。

　なお、Ａｌを主成分とする合金とは、重量比でＡｌを５０重量％を超えて含む合金をいうものとする。

　本発明に係る弾性表面波装置のさらに別の特定の局面では、前記誘電体層が、酸化ケイ素膜からなる。酸化ケイ素膜からなる場合、周波数温度特性を改善することができる。

　本発明に係る弾性表面波装置では、上記酸化ケイ素膜上に形成された第２の誘電体層がさらに形成されていてもよい。このような第２の誘電体層が形成されている場合、第２の誘電体層の厚みを調整することにより周波数を調整することができる。

　上記第２の誘電体層としては、好ましくは、窒化ケイ素、酸窒化ケイ素及び窒化アルミニウムからなる群から選択された少なくとも１種の誘電体を用いることができる。

　本発明に係る弾性表面波装置のさらに別の特定の局面では、前記ＩＤＴ電極と前記ＬｉＮｂＯ_３基板との間に形成された密着層をさらに備える。密着層の形成により、ＩＤＴ電極のＬｉＮｂＯ_３基板への接合強度を高めることができる。

　上記密着層としては、好ましくは、Ｔｉ、Ｎｉまたはこれらを主成分とする合金が用いられる。これらを主成分とする合金とは、これらの金属の含有割合が重量比で５０重量％である合金をいうものとする。密着層がＴｉ、Ｎｉまたはこれらの金属を主成分とする合金からなる場合、ＩＤＴ電極のＬｉＮｂＯ_３基板への密着性をより一層高めることができる。

　本発明では、ＩＤＴ電極の上面に保護層が設けられていてもよい。それによって、ＩＤＴ電極の保護を図り得る。好ましくは、保護層が、Ａｌよりも難エッチング性材料からなる。それによって、ＬｉＮｂＯ_３基板に溝を形成する際にエッチングを施したり、あるいはＡｌを主体とするＩＤＴ電極の形成に際してエッチングを施したりした場合、ＩＤＴ電極を構成しているＡｌを主体とする金属部分の損傷を抑制することができる。

　本発明に係る弾性表面波装置のさらに別の特定の局面では、ＬｉＮｂＯ_３基板の第２オイラー角θが７０°～１０５°の範囲内にある。

　本発明に係る弾性表面波装置のさらに別の特定の局面では、ＩＤＴ電極の電極指のピッチで定められる波長をλとしたときに、溝の深さが０．０４λ以上である。

　本発明に係る弾性表面波装置のさらに別の特定の局面では、ＩＤＴ電極の電極指のピッチで定められる波長をλとしたときに、ＩＤＴ電極の厚みが、０．１２５λ以上である。

　本発明に係る弾性表面波装置のさらに別の特定の局面では、ＩＤＴ電極の電極指のピッチで定められる波長をλとしたときに、誘電体層の厚みが、０．１λ以下である。

　本発明に係る弾性表面波装置では、ＬｉＮｂＯ_３基板の上面において、ＩＤＴ電極の電極指間に溝が形成されており、ＩＤＴ電極がＡｌを主体とするため、ＬｉＮｂＯ_３基板を伝搬するラヴ波を利用した弾性表面波装置を提供することができる。しかも、ＩＤＴ電極がＡｌを主体とするため、特許文献１に記載の弾性表面波装置に比べ、低損失化を図ることができる。

図１（ａ）及び図１（ｂ）は本実施形態の一実施形態に係る弾性表面波装置の部分切欠き正面断面図及びその電極構造を拡大して示す模式的正面断面図である。 図２は、本発明の一実施形態に係る弾性表面波装置の電極構造を示す模式的平面図である。 図３は、本発明の一実施形態に係る弾性表面波装置のインピーダンス特性を示す図である。 図４は、本発明の一実施形態に係る弾性表面波装置における溝の深さと、ストップバンドの幅との関係を示す図である。 図５は、本発明の一実施形態の変形例に係る弾性表面波装置の要部を示す模式的正面断面図である。 図６は、本発明の一実施形態に係る弾性表面波装置における溝の深さと、励振されるラヴ波の音速との関係を示す図である。 図７は、本発明の一実施形態に係る弾性表面波装置におけるＩＤＴ電極の厚みと、励振されるラヴ波の音速との関係を示す図である。 図８は、本発明の一実施形態に係る弾性表面波装置における誘電体層の厚みと、励振されるラヴ波の高次モードの音速との関係を示す図である。 図９は、本発明の一実施形態に係る弾性表面波装置におけるＬｉＮｂＯ_３基板のオイラー角θと、比帯域幅との関係を示す図である。

　以下、図面を参照しつつ、本発明の具体的な実施形態を説明することにより、本発明を明らかにする。

　図１（ａ）は、本実施形態の弾性表面波装置の部分切欠き正面断面図であり、（ｂ）は、その要部を拡大して示す模式的正面断面図である。

　弾性表面波装置１は、ＬｉＮｂＯ_３基板２を有する。ＬｉＮｂＯ_３基板２上には、ＩＤＴ電極３が形成されている。なお、図１（ａ）では、ＩＤＴ電極３が形成されている部分のみを図示している。もっとも、本実施形態では、図２に示す電極構造が、ＬｉＮｂＯ_３基板２上に形成されている。すなわち、ＩＤＴ電極３と、ＩＤＴ電極３の弾性表面波伝搬方向両側に配置された反射器６，７とを備える。それによって、弾性表面波共振子が構成されている。

　図１（ａ）に示すように、ＩＤＴ電極３は、複数本の電極指３ａを有する。隣り合う電極指３ａ間において、ＬｉＮｂＯ_３基板２の上面には、溝２ａが形成されている。

　溝２ａは、ＬｉＮｂＯ_３基板２をエッチングすることにより形成することができる。

　本実施形態では、ＩＤＴ電極３は、ＡｌまたはＡｌを主成分とする合金からなる。もっとも、ＩＤＴ電極３は、Ａｌを主体とする限り特に限定されるものではない。Ａｌを主体とするとは、ＩＤＴ電極３の全体のうち、Ａｌが５０重量％を超えるＩＤＴ電極をいうものとする。例えば、ＩＤＴ電極３が単一層の金属膜からなる場合には、ＡｌまたはＡｌを主成分とする合金からなる。Ａｌを主成分とする合金とは、重量比でＡｌを５０重量％を超える割合でＡｌを含む合金をいうものとする。

　また、複数の金属膜からなる場合には、全体の５０重量％を占める割合が、ＡｌまたはＡｌを主成分とする合金からなるものであればよい。この場合においても、ＩＤＴ電極３全体の５０重量％を超える割合でＡｌを含む。

　Ａｌを主成分とする合金をＡｌと共に形成する金属としては、Ｃｕ，Ｓｉ，Ｍｇ，Ｍｎ，Ｆｅ，Ｚｎなどを挙げることができる。

　ＬｉＮｂＯ_３基板２の上面を覆うように、第１の誘電体層として、酸化ケイ素膜４が形成されている。酸化ケイ素膜４を覆うように、第２の誘電体層として、窒化ケイ素膜５が形成されている。

　なお、反射器６，７が形成されている部分においても、図１（ａ）と同様の構造とされている。すなわち反射器６，７の隣り合う電極指間において、ＬｉＮｂＯ_３基板２上に溝が形成されている。

　本実施形態の弾性表面波装置１での特徴は、ＬｉＮｂＯ_３基板２を用い、質量が軽いＡｌまたはＡｌを主成分とする合金からなるＩＤＴ電極３を用いているにもかかわらず、上記溝２ａを形成したことにより、ラヴ波を利用することが可能とされていることにある。これを、具体的な実験例に基づき説明する。

　ＬｉＮｂＯ_３基板２として、オイラー角（０°，８５°，０°）のＬｉＮｂＯ_３基板を用意した。上記ＬｉＮｂＯ_３基板２の上面に、弾性表面波の波長λとしたときに、０．１λの深さの溝２ａを形成した。また、ＩＤＴ電極３は、Ａｌからなり、その厚みは、０．２λとした。ＩＤＴ電極３におけるデューティーは０．７とした。従って、ＩＤＴ電極３の電極指３ａ，３ａ間のピッチはλ／２であるが、溝２ａの幅は０．１５λ、ＩＤＴ電極３の電極指３ａの幅は０．３５λとなる。

　酸化ケイ素膜４として、厚み０．１λのＳｉＯ_２膜を形成した。なお、ここで言う厚みは、図１（ｂ）に示すように、ＩＤＴ電極３の上面から酸化ケイ素膜４の上面までの距離Ｈである。酸化ケイ素膜４は、正の周波数温度特性を有する。他方、ＬｉＮｂＯ_３は負の周波数温度特性を有する。従って、酸化ケイ素膜４の形成により、弾性表面波装置１の周波数温度係数の絶対値を小さくすることができる。

　第２の誘電体層としての窒化ケイ素膜５として、厚み０．２λのＳｉＮ膜を成膜した。ＳｉＯ_２膜及びＳｉＮ膜は、スパッタリング法により成膜した。前記スパッタリング法としては、特にＳｉＯ_２膜の質が向上するため、バイアススパッタ法が望ましい。そして、スパッタ後にエッチングバック等を行って、ＳｉＯ_２膜の表面を平坦化する。また、ＩＤＴ電極３は、溝２ａが形成された圧電基板上にフォトリソグラフィーにより形成した。上記のようにして得られた弾性表面波装置１の共振特性を図３に示す。また、この弾性表面波装置１の共振周波数における音速は、３８００ｍ／秒であった。従って、ＬｉＮｂＯ_３基板を伝搬する遅い横波音速よりも遅いため、ラヴ波が励振されていることがわかる。

　また、図３より比帯域幅は、共振周波数の約５％であり、インピーダンス比は約６０ｄＢと良好である。すなわち、５％以上の幅のストップバンドが得られており、十分に高い反射係数が得られている。

　図４は、弾性波表面波装置１における溝の深さと、ストップバンドの幅との関係を示す。なお、ストップバンドの幅は共振周波数に対する割合（％）で示し、溝の深さ（％）はＬｉＮｂＯ_３基板の上面からの深さであり、λに対する割合（％）で示した。図４に示されるように、ＩＤＴ電極間に溝が形成されていない場合、２％程度のストップバンドしか得ることができず、当該ストップバンド以上の帯域を得ることができないため、広帯域のフィルタを作製できない。しかしながら、ＩＤＴ電極間に溝を設けることにより、２％よりも大きなストップバンド、すなわち十分に高い反射係数が得られるため、本発明によれば、広帯域化が可能となる。本構造によって十分に高い反射係数が得られる理由については、後述する。

　図６は、弾性波表面波装置１における溝の深さと、励振されるラヴ波の音速との関係を示す。図６に示されるように、溝の深さを４％（０．０４λ）以上とすることにより、励振されるラヴ波の音速がＬｉＮｂＯ_３基板の遅い横波音速である４０５０ｍ／秒よりも遅くなる。このため、ラヴ波が漏洩しにくく、ラヴ波を効果的に閉じ込めることができる。

　図７は、弾性波表面波装置１における、ＩＤＴ電極の厚みと、励振されるラヴ波の音速との関係を示す。図７に示されるように、ＩＤＴ電極の厚みを１２．５％（０．１２５λ）以上とすることにより、励振されるラヴ波の音速がＬｉＮｂＯ_３基板の遅い横波音速である４０５０ｍ／秒よりも遅くなる。このため、ラヴ波が漏洩しにくく、ラヴ波を効果的に閉じ込めることができる。

　図８は、弾性波表面波装置１における誘電体層の厚みと、励振されるラヴ波の高次モードの音速との関係を示す。図８に示されるように、誘電体層の厚みが８％、６％、４％、２％である場合は、それぞれ、高次モードが観測されなかった。この結果から、誘電体層の厚みを１０％（０．１λ）以下とすることにより、高次モードに起因するスプリアスの発生を抑制できることが分かる。なお、誘電体層の厚みが１０％（０．１λ）以下である場合に、高次モードが観測されなかったのは、高次モードの音速が、ＬｉＮｂＯ_３基板の速い横波音速よりも速くなり、ＬｉＮｂＯ_３基板側に漏洩したためであると考えられる。

　図９は、弾性波表面波装置１におけるＬｉＮｂＯ_３基板のオイラー角θと、比帯域幅との関係を示す。図９に示されるように、ＬｉＮｂＯ_３基板のオイラー角θを７０°～１０５°とすることにより、ラヴ波の比帯域を広く保ちつつ、レイリー波の比帯域幅を０．３％以下に抑制できることが分かる。

　なお、図６～図９に示されるデータは、以下の条件のときのデータである。
　誘電体層の材料：ＳｉＯ_２
　ＩＤＴ電極の材料：Ａｌ
　第２の誘電体層：厚みが２％（０．０２λ）のＳｉＮ膜
　Ｄｕｔｙ比：０．７
　温度：２５℃
　図６～図８におけるオイラー角θ：８５°
　図７～図９における溝の深さ：１０％（０．１λ）
　図６，８，９におけるＩＤＴ電極の厚み：２０％（０．２λ）
　図６，７，９における誘電体層の厚み：１０％（０．１λ）

　前述のように、従来、ＬｉＮｂＯ_３基板を用いてラヴ波を励振する場合、ＩＤＴ電極として質量の高いＡｕを用いなければならなかった。そのため、損失が大きくなるという問題があった。これに対して、本実施形態によれば、質量の軽いＡｌを主体とするＩＤＴ電極３を用いればよい。従って、ＩＤＴ電極３の厚みを厚くして、さらにデューティー比も大きくして、低損失化を図ることができる。ここで、ＩＤＴ電極の厚みを０．２λ、デューティー比を０．７０とした構造のものであっても、溝が形成されていない場合には、反共振周波数がカットオフされてしまい、良好なインピーダンス特性を得ることができないことがＦＥＭのシミュレーション計算により確認されている。これに対し、本実施形態では、図３に示すように、良好なインピーダンス特性を得ることができる。

　また、ＩＤＴ電極を覆うように誘電体層、特にＳｉＯ_２膜を形成した場合、十分な反射係数を得るためには、前述のように、質量の高いＡｕ電極を用いる必要があった。そのため、電極膜厚及びデューティー比が制限され、損失が大きくなってしまうという問題がある。損失の劣化を防ぐためにＡｌなどの材料をＩＤＴ電極として用いた場合、電極上に形成された誘電体層、例えばＳｉＯ_２膜とＡｌ電極の密度がほぼ同じであるため、高い反射係数が得られない。このため、従来の構造では、損失の低減と反射係数の拡大とを両立することができなかった。これに対し、本発明によれば、ＩＤＴ電極間に溝を形成することにより、反射係数に与える要因が、ＩＤＴ電極とＳｉＯ_２膜間の密度差ではなく、ＬｉＮｂＯ_３基板とＳｉＯ_２膜間の密度差となる。故に、十分高い反射係数を得ることができる。加えて、Ａｌ電極を用いているため、低損失化も達成できる。

　図５は、上記実施形態の変形例に係る弾性表面波装置の要部を示す模式的正面断面図である。本変形例では、ＩＤＴ電極３とＬｉＮｂＯ_３基板２との間に密着層８が形成されている。密着層８は本発明においては必須の構成ではない。もっとも、密着層８を設けることにより、ＩＤＴ電極３のＬｉＮｂＯ_３基板２への密着強度を高めることができる。このような密着層８は、例えば、Ｎｉ、Ｃｒまたはこれらを主体とする合金により形成することができる。

　さらに、本変形例では、保護層９がＩＤＴ電極３の上面に形成されている。保護層９としては、好ましくは、Ａｌよりも難エッチング性の材料が用いられる。それによって、ＩＤＴ電極３の形成に際してのエッチング時に、あるいはＩＤＴ電極３を形成した後に溝２ａを形成する場合には、溝２ａ形成時のエッチングに際し、ＩＤＴ電極３を保護することができる。

　上記保護層９を構成する材料としては、Ａｌよりも難エッチング性材料である、Ｃｕ，Ｔｉなどを好適に用いることができる。

　また、上記実施形態及び変形例では、弾性表面波共振子につき説明したが、本発明は、ＬｉＮｂＯ_３基板を用い、フィルタ等のラヴ波を利用する様々な弾性表面波装置に適用することができる。

１…弾性表面波装置
２…ＬｉＮｂＯ_３基板
２ａ…溝
３…ＩＤＴ電極
３ａ…電極指
４…酸化ケイ素膜
５…窒化ケイ素膜
６，７…反射器
８…密着層
９…保護層

Claims (14)

1. 　ＬｉＮｂＯ_３基板と、
   　前記ＬｉＮｂＯ_３基板上に形成されたＩＤＴ電極と、
   　前記ＩＤＴ電極を覆うように設けられた誘電体層とを備え、前記ＩＤＴ電極がＡｌを主体とし、かつ前記ＬｉＮｂＯ_３基板の上面においてＩＤＴ電極の電極指間に溝が形成されており、ＬｉＮｂＯ_３基板を伝搬するラヴ波を用いている、弾性表面波装置。
2. 　前記ＩＤＴ電極が、ＡｌまたはＡｌを主成分とする合金からなる電極層を主たる電極層として含む、請求項１に記載の弾性表面波装置。
3. 　前記ＩＤＴ電極が、ＡｌまたはＡｌを主成分とする合金からなる、請求項１に記載の弾性表面波装置。
4. 　前記誘電体層が、酸化ケイ素膜からなる、請求項１～３のいずれか１項に記載の弾性表面波装置。
5. 　前記酸化ケイ素膜上に形成された第２の誘電体層をさらに備える、請求項４に記載の弾性表面波装置。
6. 　前記第２の誘電体層が、窒化ケイ素、酸窒化ケイ素及び窒化アルミニウムからなる群から選択された少なくとも１種の誘電体からなる、請求項５に記載の弾性表面波装置。
7. 　前記ＩＤＴ電極と前記ＬｉＮｂＯ_３基板との間に形成された密着層をさらに備える、請求項１～６のいずれか１項に記載の弾性表面波装置。
8. 　前記密着層が、Ｔｉ、Ｎｉまたはこれらを主成分とする合金からなる、請求項７に記載の弾性表面波装置。
9. 　前記ＩＤＴ電極の上面に設けられた保護層をさらに備える、請求項１～８のいずれか１項に記載の弾性表面波装置。
10. 　前記保護層がＡｌよりも難エッチング性材料からなる、請求項９に記載の弾性表面波装置。
11. 　前記ＬｉＮｂＯ_３基板の第２オイラー角θが７０°～１０５°の範囲内にある、請求項１～１０のいずれか一項に記載の弾性表面波装置。
12. 　前記ＩＤＴ電極の電極指のピッチで定められる波長をλとしたときに、前記溝の深さが０．０４λ以上である、請求項１～１１のいずれか一項に記載の弾性表面波装置。
13. 　前記ＩＤＴ電極の電極指のピッチで定められる波長をλとしたときに、前記ＩＤＴ電極の厚みが、０．１２５λ以上である、請求項１～１２のいずれか一項に記載の弾性表面波装置。
14. 　前記ＩＤＴ電極の電極指のピッチで定められる波長をλとしたときに、前記誘電体層の厚みが、０．１λ以下である、請求項１～１３のいずれか一項に記載の弾性表面波装置。

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