WO2014034222A1

WO2014034222A1 - 弾性波装置

Info

Publication number: WO2014034222A1
Application number: PCT/JP2013/065862
Authority: WO
Inventors: 山本　大輔
Original assignee: 株式会社村田製作所
Priority date: 2012-08-28
Filing date: 2013-06-07
Publication date: 2014-03-06

Abstract

　比帯域幅やインピーダンス比などの電気的特性の変動が生じ難い弾性波装置を提供する。　圧電基板２上に金属酸化物からなる酸化物誘電体層３が設けられており、該酸化物誘電体層３上にＩＤＴ電極４が設けられており、ＩＤＴ電極４の酸化物誘電体層３に接する部分を構成している金属が、酸化物誘電体層３の金属酸化物を構成している金属に比べて酸化力が弱い金属もしくは合金からなる、弾性波装置１。

Description

弾性波装置

　本発明は、弾性表面波装置や弾性境界波装置などの弾性波装置に関し、より詳細には、圧電基板とＩＤＴ電極との間に金属酸化物からなる酸化物誘電体層が設けられている弾性波装置に関する。

　従来、弾性表面波や弾性境界波を利用したさまざまな弾性波装置が共振器や帯域フィルタに用いられている。例えば下記の特許文献１には、圧電基板上にＳｉＯ_２膜及びＡｌからなるＩＤＴ電極をこの順序で積層してなる弾性表面波装置が開示されている。

　また、下記の特許文献２には、水晶からなる圧電基板上にＴｉＯ膜及びＡｌからなるＩＤＴ電極をこの順序で積層してなる弾性表面波装置が開示されている。

　特許文献１では、ＳｉＯ_２膜をＩＤＴ電極の下方に設けることにより耐潮解性が改善されている。特許文献２では、ＴｉＯ膜をＩＤＴ電極の下地に設けることにより、周波数調整及び焦電破壊の抑制が果されている。

特開２０１１－３５８７２号公報特開２００３－２６４４４８号公報

　特許文献１や特許文献２に記載のように、従来、圧電基板とＩＤＴ電極との間にＳｉＯ_２やＴｉＯなどの金属酸化物からなる酸化物誘電体層を設けた構造が知られている。

　しかしながら、圧電基板とＩＤＴ電極との間に金属酸化物層を配置した弾性波装置により、共振子や帯域フィルタを構成した場合、その電気的特性が十分でないという問題があった。例えば、弾性波共振子では、インピーダンス比が小さくなったり、比帯域幅が狭くなったりするという問題があった。

　本発明の目的は、圧電基板とＩＤＴ電極との間に酸化物誘電体層が設けられている弾性波装置であって、インピーダンス比や比帯域幅などの電気的特性の変動が生じ難い、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、圧電基板と、圧電基板上に設けられており、金属酸化物からなる酸化物誘電体層と、酸化物誘電体層上に設けられており、かつ金属からなるＩＤＴ電極とを備える。本発明では、ＩＤＴ電極の酸化物誘電体層と接している部分の金属が、前記金属酸化物の金属の酸化力よりも弱い金属もしくは合金からなる。

　本発明に係る弾性波装置のある特定の局面では、上記ＩＤＴ電極が、複数の金属膜を積層してなる積層金属膜からなり、上記積層金属膜の最下層であって前記酸化物誘電体層と接する金属膜を構成している金属は、前記金属酸化物の金属よりも酸化力が弱い金属もしくは合金である。

　本発明に係る弾性波装置の他の特定の局面では、上記酸化物誘電体層が、酸化ケイ素からなる。この場合には、周波数温度特性を改善することができる。また、酸化ケイ素膜の膜厚を調整することにより電気機械結合係数を小さくする方向に調整することができる。

　本発明に係る弾性波装置のさらに他の特定の局面では、上記ＩＤＴ電極を覆うように、誘電体層がさらに備えられている。この誘電体層が設けられている場合には、ＩＤＴ電極を外部から保護したり、あるいは弾性波装置の周波数温度特性を調整したりすることができる。

　本発明に係る弾性波装置によれば、ＩＤＴ電極の酸化物誘電体層と接している部分を構成している金属が、該酸化物誘電体層を構成している金属よりも酸化力が弱い金属もしくは合金からなるため、インピーダンス比や比帯域幅などのような電気的特性の変動が生じ難い弾性波装置を提供することが可能となる。

図１（ａ）及び図１（ｂ）は、本発明の一実施形態の弾性波装置の要部を示す略図的部分切欠正面断面図及びその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波装置のインピーダンス特性及び比較例の弾性波装置のインピーダンス特性を示す図である。図３は、本発明の一実施形態及び比較例の各弾性波装置のリターンロス特性を示す図である。図４は、ＩＤＴ電極の最下層の金属膜が酸化される前の、比較例の弾性波装置におけるＩＤＴ電極の要部を示す電子顕微鏡写真である。図５は、ＩＤＴ電極の最下層の金属膜が酸化された後の、比較例の弾性波装置におけるＩＤＴ電極の要部を示す電子顕微鏡写真である。図６は、本発明の一実施形態に係る弾性波装置のＩＤＴ電極の要部を拡大して示す電子顕微鏡写真である。図７は、ＩＤＴ電極の最下層の金属膜に図４，５の比較例の材料で用いた場合、最下層の金属膜が酸化される前後での、インピーダンス特性を示す図である。図８は、金属の酸化力を示すエリンガム図である。

　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、本発明の第１の実施形態に係る弾性波装置の要部を略図的に示す部分切欠正面断面図である。

　図１（ａ）に示すように、本実施形態の弾性波装置１では、圧電基板２上に酸化物誘電体層３が積層されている。酸化物誘電体層３上にＩＤＴ電極４が形成されている。図１（ａ）では、ＩＤＴ電極４の１本の電極指が設けられている部分の横断面が図示されている。実際には図１（ｂ）に模式的平面図で示すように、酸化物誘電体層３上に、ＩＤＴ電極４と、ＩＤＴ電極４の表面波伝搬方向両側に配置された反射器５，６とが形成されている。それによって、弾性波装置１では、弾性波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４を覆うように誘電体層７が形成されている。誘電体層７を被覆するように保護膜８が形成されている。

　本実施形態では、圧電基板２が、ＬｉＮｂＯ_３からなる。もっとも圧電基板２は、ＬｉＴａＯ_３や水晶などの他の圧電単結晶により形成されていてもよい。また、圧電基板２は圧電セラミックスにより構成されてもよい。

　酸化物誘電体層３は、本実施形態では、ＳｉＯ_２からなる。また、ＩＤＴ電極４は下方から順に金属膜４ａ、金属膜４ｂ、金属膜４ｃ、金属膜４ｄ、金属膜４ｅをこの順序で積層した構造を有する。すなわち、ＩＤＴ電極４は積層金属膜からなる。反射器５，６も同じ積層金属膜により構成されている。

　上記金属膜４ａ～４ｅは、本実施形態では以下の材料からなる。

　金属膜４ａ＝ＮｉＣｒ、金属膜４ｂ＝Ｐｔ、金属膜４ｃ＝Ｔｉ、金属膜４ｄ＝ＡｌＣｕ合金、金属膜４ｅ＝Ｔｉ。

　本実施形態では、ＳｉＯ_２からなる誘電体層７を用いた。誘電体層７が、ＩＤＴ電極４を被覆しているため、本実施形態では、周波数温度係数の絶対値を小さくすることができる。また保護膜８は、本実施形態ではＳｉＮからなる。保護膜８により耐湿性を改善することが可能とされている。圧電基板は負の線膨張係数を持つ材料であることに対し、誘電体層は圧電基板の線膨張係数と極性が反対である正の線膨張係数を持つ材料であることから、圧電基板と誘電体層とが温度変化に対して膨張を相殺することができる。これにより、本実施形態は、温度特性を安定化できる効果を有する。

　弾性波装置１の特徴は、酸化物誘電体層３を構成している金属酸化物の金属よりも、ＩＤＴ電極４の酸化物誘電体層３と接している金属である、金属膜４ａを構成している金属の酸化力が弱いことにある。より具体的には、本実施形態では、酸化物誘電体層３の金属酸化物を構成している金属はＳｉである。他方、金属膜４ａはＮｉＣｒからなる。－３０℃～２６０℃程度の温度範囲では、ＮｉＣｒの酸化力は、Ｓｉの酸化力よりも弱い。これは図８に示す周知のエリンガム図（Ｅｌｌｉｎｇｈａｍ　ｄｉａｇｒａｍ）から明らかである。すなわち、金属の酸化力の強弱は、周知のエリンガム図より知ることができる。具体的には、酸化反応で起こった際のギブス自由エネルギー変化量を酸素１ｍｏｌ当たりで規格化すれば、ＮｉＣｒ合金の場合、例えば図８に示すエリンガム図の２６０℃の温度において、合金を構成しているＮｉ及びＣｒの酸化力がそれぞれ約－９００００[ｃａｌ・ｍｏｌ^－１]及び約－１６００００[ｃａｌ・ｍｏｌ^－１]であり、Ｓｉの酸化力である約－１８５０００[ｃａｌ・ｍｏｌ^－１]よりも値が小さい。従って、ＮｉＣｒ合金の酸化力はＳｉの酸化力よりも弱くなる。

　なお、図８から明らかなようにＴｉの酸化力はＳｉの酸化力よりも強い。

　ＩＤＴ電極の劣化を抑制するには、弾性波装置１の製造工程及び使用工程の温度範囲内において、上記酸化力の関係が満たされていればよい。このような温度範囲は、通常－３０℃～２６０℃程度である。

　本実施形態の弾性波装置１では、金属膜４ａがＮｉＣｒ合金からなり、その酸化力が、Ｓｉよりも弱いため、比帯域幅が変動し難い。また、インピーダンス比の変動も生じ難い。これを具体的な実験例に基づき説明する。

　弾性波装置１を以下の仕様で作成した。

　ＬｉＮｂＯ_３からなる圧電基板２上に、１１．０ｎｍの厚みのＳｉＯ_２膜を酸化物誘電体層３として形成した。酸化物誘電体層３の上面にＩＤＴ電極４を形成した。ＩＤＴ電極４における各金属膜の厚みは以下の通りとした。圧電基板２を平面視する方向において、ＩＤＴ電極から圧電基板へ向かう向きを下、反対を上とする。

　上から順にＴｉ／ＡｌＣｕ／Ｔｉ／Ｐｔ／ＮｉＣｒ＝１０／２００／２０／６１／１０（各膜厚の単位はｎｍ）。

　酸化物誘電体層３の上面から誘電体層７の上面までの膜厚が７３５ｎｍとなるように誘電体層７を形成した。さらに保護膜８については。厚み２２ｎｍのＳｉＮ膜を形成した。

　比較のために、金属膜４ａがＴｉ膜からなることを除いては、上記実施形態と同様にして、弾性波装置を作製した。上記実施形態及び比較例の弾性波装置のインピーダンス特性を図２に、リターンロス特性を図３に示す。図２及び図３における実線が実施形態の結果を示し、破線が比較例の結果を示す。なお、リターンロスとは、入力電力に対する反射電力の比である。リターンロスが小さければ、損失が小さいことになり、フィルタ特性が改善できることを示す。比帯域幅は、反共振周波数と共振周波数との周波数差を共振周波数で割った比率とする。

　図２に示す実験結果を、比較例と実施形態とで比較して検討する。比較例では、共振周波数が１６４２ＭＨｚを示し、反共振周波数が１７０９ＭＨｚを示し、比帯域幅が４．１％と算出される。本実施形態では、共振周波数が１６４８ＭＨｚを示し、反共振周波数が１７２５ＭＨｚを示し、比帯域幅が４．７％と算出される。従って、本実施形態の比帯域幅の値は、比較例の比帯域幅の値より大きく、かつ共振周波数の値が同等であるため、本実施形態は比較例よりも反共振周波数と共振周波数との間の周波数差を広くできることがわかる。

　また、インピーダンス比、すなわち反共振周波数におけるインピーダンスの共振周波数におけるインピーダンスに対する比も実施形態によれば比較例に比べて高められていることがわかる。これは、本実施形態と異なり比較例では、酸化により電界強度が変化して、結合係数が減少したため、インピーダンス比の値が低下していると考えられる。

　さらに、図３から明らかなように、１５５０～１８５０ＭＨｚの周波数帯域にわたり、特に１６００～１７５０ＭＨｚの周波数帯域において、比較例に比べ実施形態によればリターンロスが大幅に改善されていることがわかる。

　図４、図５は、上記比較例の弾性波装置におけるＩＤＴ電極の横断面を１８万倍の倍率で撮影した透過型電子顕微鏡写真である。図４は、ＩＤＴ電極の最下層の金属膜が酸化される前の状態を示す。図５は、ＩＤＴ電極の最下層の金属膜が酸化された後の状態を示す。図６は上記実施形態の弾性波装置におけるＩＤＴの電極指の横断面を同様にして撮影した電子顕微鏡写真である。

　図４と図５との比較から明らかなように、比較例の弾性波装置では、最下層の金属膜であるＴｉ膜の厚みがＳｉＯ_２の誘電体層７をスパッタする熱負荷工程でＴｉ膜が酸化されることなどによって厚くなることがわかる。比較例において、Ｔｉ膜の厚みは、酸化前の約１０ｎｍから酸化後の約３０ｎｍまで膨張したことが確かめられた。これに対して図６に示した電子顕微鏡写真では、最下層の金属膜であるＮｉＣｒ膜はＮｉＣｒ膜の酸化が抑制され、その厚みは約１０ｎｍと設計寸法であり、膨張していないことが確かめられている。

　上記図２及び図３の特性及び図４、図５及び図６から明らかなように、比較例の弾性波装置では、最下層の金属膜が酸化によって膨張し、電気抵抗の増加と、最下層の上層の金属膜と圧電基板との距離の増加とによりＩＤＴ電極の電界強度の低下が発生する。最下層の金属膜が酸化して膨張することでＩＤＴ電極の電界強度の低下が発生し、特性が変動しているものと考えられる。これに対して、実施形態の弾性波装置１では、最下層の金属膜の酸化が抑制され、その厚みがほとんど変化していない。従って、上記のような酸化による特性の劣化が生じていないと考えられる。これは、前述したとおり、ＮｉＣｒからなる金属膜４ａの酸化力がＳｉの酸化力よりも弱いことによると考えられる。すなわち、Ｔｉでは、酸化物誘電体層より酸化力が相対的に強いため、ＴｉＯ_２のような金属酸化物が形成され、それによって最下層の金属膜が上記のように膨張していると考えられる。これに対して、実施形態では、ＮｉＣｒ膜の酸化が生じ難いため、上記のような特性の変動が少ないと考えられる。また最下層の金属膜ＴｉがＴｉＯ_２に酸化されるときに、酸化物誘電体層３であるＳｉＯ_２が還元されてＳｉとなり、リターンロスやインピーダンス特性の変動が発生すると考えられる。

　ここで、ＩＤＴ電極の最下層の金属膜が酸化されることによるインピーダンス特性への影響を確認した実験結果を示す。実験では、ＩＤＴ電極が誘電体層で被覆されない構造を除いては、上記比較例と同様にして、弾性波装置を作製した。上記弾性波装置における、ＩＤＴ電極の最下層の金属膜の酸化前後のインピーダンス特性を図７に示す。図７において、破線が酸化前の測定結果を示し、実線が酸化後の測定結果を示す。実験では、酸化物誘電体層から酸素を奪ってＩＤＴ電極の最下層の金属膜が酸化するように加熱を加えて酸化後の状態を得た。図７から、ＩＤＴ電極の最下層の金属膜の酸化力が酸化物誘電体層の酸化力より強い場合、弾性波装置が加熱される影響で酸化が進み、その結果、弾性波装置のインピーダンス特性に変動が発生することが確かめられた。

　以上から、本発明では、上記ＩＤＴ電極４の最下層の金属膜４ａを構成している金属が、酸化物誘電体層３を構成している金属酸化物の金属よりも弱い酸化力を持つ金属もしくは合金により構成されれば、上記と同様に特性の劣化を抑制し得ることができる。

　なお、本発明の実施形態は、最下層の金属膜はＮｉＣｒに限定されるものではない。また、ＩＤＴ電極４は積層金属膜により構成されていたが、積層金属膜ではなく、１種類の金属膜で構成されていてもよい。その場合には、該１種類の金属膜を構成している金属もしくは合金の酸化力が、金属酸化物からなる酸化物誘電体層３を構成している金属の酸化力よりも弱ければよい。

　また、上記のように、ＩＤＴ電極４の酸化物誘電体層３と接している部分の金属が合金からなる場合には、合金としての酸化力が酸化物誘電体層３を構成している金属の酸化力よりも弱ければよい。

　なお、上記実施形態では、酸化物誘電体層３はＳｉＯ_２により構成されていた。従って、周波数温度特性を改善することができる。もっとも、酸化物誘電体層３はＳｉＯ_２などの酸化ケイ素に限らず、Ａｌ_２Ｏ_３、Ｔａ_２Ｏ_５などにより形成されてもよい。

　また、本実施形態では、誘電体層７の形成により温度特性の改善が図られていたが、誘電体層７は必ずしも設けられずともよい。さらに、保護膜８についても、必ずしも設けられずともよい。もっとも、誘電体層７及び保護膜８を設けることにより、温度特性の改善や耐湿性の改善を図ることができる。

　また、上記実施形態では、弾性表面波を利用していたが、本発明は、弾性境界波装置にも適用することができる。さらに、ＩＤＴ電極４の両側に反射器５，６を設けた弾性波共振子に限らず弾性波フィルタなどのさまざまな弾性波装置に本発明を適用することができる。具体的には、入出力端子間に接続した直列腕に配置した直列腕弾性波共振子と、この直列腕と接地電位とに接続した並列腕に配置した並列腕弾性波共振子とが、組み合わされたラダー型弾性波フィルタに本発明の弾性波共振子を適応することができる。さらに、このラダー型弾性波フィルタを用いた分波装置、例えばデュプレクサ、にも本発明の弾性波共振子を適応することができる。なお、弾性波共振子のＩＤＴ電極の両側に設けられた反射器は必ずしも必要でなく、反射器は分波装置の設計に応じて設ければよい。

１…弾性波装置
２…圧電基板
３…酸化物誘電体層
４…ＩＤＴ電極
４ａ～４ｅ…金属膜
５，６…反射器
７…誘電体層
８…保護膜

Claims

　圧電基板と、
　前記圧電基板上に設けられており、かつ金属酸化物からなる酸化物誘電体層と、
　前記酸化物誘電体層上に設けられており、かつ金属からなるＩＤＴ電極とを備え、
　前記ＩＤＴ電極の前記酸化物誘電体層と接している部分の金属が、前記金属酸化物の金属よりも酸化力が弱い金属もしくは合金からなる、弾性波装置。
　前記ＩＤＴ電極が複数の金属層を積層してなる積層金属膜からなり、該積層金属膜の最下層であって前記酸化物誘電体層と接する金属膜が、前記金属酸化物の金属よりも酸化力が弱い金属もしくは合金からなる、請求項１に記載の弾性波装置。
　前記酸化物誘電体層が、酸化ケイ素からなる、請求項１または２に記載の弾性波装置。
　前記ＩＤＴ電極を覆うように設けられた誘電体層をさらに備える、請求項１～３のいずれか一項に記載の弾性波装置。