WO2017068835A1 - 弾性波装置 - Google Patents

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Definitions

  • the present invention relates to an acoustic wave device in which an IDT electrode, a dielectric film, and a frequency adjustment film are stacked on a LiNbO 3 substrate.
  • the ⁇ is in the range of 25 ° to 31 °. In this case, even if the thickness of the frequency adjustment film is thin, the fluctuation of the SH wave spurious can be more effectively suppressed.
  • the acoustic wave device 1 has a LiNbO 3 substrate 2.
  • An IDT electrode 3 is provided on the LiNbO 3 substrate 2.
  • the IDT electrode 3 has a plurality of electrode fingers 3a.
  • Reflectors 4 and 5 are provided on both sides of the IDT electrode 3 in the elastic wave propagation direction. Thereby, a 1-port elastic wave resonator is configured.
  • the elastic wave device 1 uses Rayleigh waves.
  • the thickness of the SiO 2 film as the dielectric film is not particularly limited, it may be thicker than the IDT electrode and about 0.6 ⁇ or less. If the thickness of the SiO 2 film is within this range, good frequency temperature characteristics can be obtained. In addition, the resonance frequency is hardly lowered.

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Abstract

周波数調整膜の膜厚が変化した場合であっても、SH波スプリアスの大きさの変動が生じ難い、弾性波装置を提供する。 LiNbO基板2上に、IDT電極3、誘電体膜6及び周波数調整膜7が設けられている、弾性波装置1。LiNbO基板2のオイラー角が(0°±5°の範囲内、θ±1.5°の範囲内、0°±10°の範囲内)であり、IDT電極3は主電極を有し、主電極のIDT電極3の電極指ピッチで定まる波長λで規格化してなる膜厚をT、主電極の材料とPtとの密度比をrとしたときに、主電極の膜厚Tと、オイラー角のθとが、式(1)を満たしている。 式(1):θ=-0.05°/(T/r-0.04)+31.35°

Description

弾性波装置
 本発明は、LiNbO基板上に、IDT電極、誘電体膜及び周波数調整膜が積層されている、弾性波装置に関する。
 下記の特許文献1には、レイリー波を利用している弾性波装置が開示されている。この弾性波装置では、LiNbO基板上において、SiO膜がIDT電極を覆うように積層されている。さらに、SiO膜上に、周波数調整用のSiN膜が設けられている。SiN膜の厚みを調整することにより、弾性波装置の周波数の調整が図られる。
特開2012-186808号公報
 特許文献1に記載の弾性波装置では、SiN膜の膜厚が変動すると、スプリアスとなるSH波の応答が変化する。従って、周波数調整のためにSiN膜の膜厚が変化した場合に、抑制されていたSH波スプリアスが、大きく発生してしまうことがあった。
 本発明の目的は、周波数調整膜の膜厚が変化しても、SH波スプリアスの大きさの変動が生じ難い、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、LiNbO基板と、前記LiNbO基板に設けられたIDT電極と、前記IDT電極を覆うように、前記LiNbO基板上に設けられた誘電体膜と、前記誘電体膜上に設けられた周波数調整膜とを備え、前記LiNbO基板のオイラー角が、(0°±5°の範囲内,θ±1.5°の範囲内,0°±10°の範囲内)であり、前記IDT電極が主電極を有し、前記IDT電極の電極指ピッチで定まる波長λにより規格化してなる前記主電極の膜厚をT、前記主電極の材料とPtとの密度比をrとしたときに、前記主電極の膜厚Tと前記オイラー角のθとが下記の式(1)を満たしている。
 式(1):θ=-0.05°/(T/r-0.04)+31.35°
 本発明に係る弾性波装置のある特定の局面では、前記θが25°以上、31°以下の範囲内にある。この場合には、周波数調整膜の膜厚が薄い場合であっても、SH波スプリアスの変動をより一層効果的に抑制することができる。
 本発明に係る弾性波装置の他の特定の局面では、前記主電極が、Pt、Au、W、Ta、Mo及びCuからなる群から選択された1種の金属または該金属を主体とする合金である。
 本発明に係る弾性波装置のさらに他の特定の局面では、前記周波数調整膜の膜厚が、0より大きく、0.025λ以下である。この場合には、周波数調整感度が高い領域を使用することができる。従って、周波数調整工程のコストを低減することができる。
 本発明に係る弾性波装置のさらに他の特定の局面では、前記周波数調整膜の膜厚が、0.005λ以下である。
 本発明に係る弾性波装置の他の特定の局面では、前記誘電体膜が、SiOなどの酸化ケイ素からなる。この場合には、周波数温度係数TCFの絶対値を小さくすることができる。
 本発明に係る弾性波装置のさらに他の特定の局面では、前記周波数調整膜がSiNなどの窒化ケイ素からなる。
 本発明に係る弾性波装置のさらに他の特定の局面では、前記IDT電極が、前記主電極と、前記主電極以外の金属からなる他の電極層を有する。
 本発明に係る弾性波装置の別の特定の局面では、前記IDT電極を有する帯域通過型フィルタである。
 本発明に係る弾性波装置のさらに別の特定の局面では、前記IDT電極の合計膜厚は、0.25λ以下である。
 本発明に係る弾性波装置の他の特定の局面では、前記酸化ケイ素の厚みは、前記IDT電極よりも厚い。
 本発明に係る弾性波装置では、周波数調整膜の膜厚が変化した場合であっても、SH波によるスプリアスの大きさの変動が生じ難い。
図1(a)及び図1(b)は、本発明の一実施形態に係る弾性波装置の平面図及び要部を拡大して示す部分拡大正面断面図である。 図2は、本発明の一実施形態の変形例に係る弾性波装置におけるIDT電極の電極指を拡大して示す断面図である。 図3は、LiNbO基板のオイラー角のθが25°であり、IDT電極におけるPt膜の膜厚が0.0475λである弾性波共振子における、Sパラメータの周波数特性を示す図である。 図4は、LiNbO基板のオイラー角のθが25°であり、IDT電極におけるPt膜の膜厚が0.0475λである弾性波共振子における、インピーダンス特性を示す図である。 図5は、LiNbO基板のオイラー角のθが25°であり、IDT電極におけるPt膜の膜厚が0.0475λである弾性波装置における、周波数調整膜としてのSiN膜の膜厚と、SH波の比帯域との関係を示す図である。 図6は、LiNbO基板のオイラー角のθが28°であり、IDT電極におけるPt膜の膜厚が0.055λである弾性波装置における、周波数調整膜としてのSiN膜の膜厚と、SH波の比帯域との関係を示す図である。 図7は、図6の縦軸の比帯域のスケールを拡大して示す図である。 図8は、LiNbO基板のオイラー角のθが30°であり、IDT電極におけるPt膜の膜厚が0.0775λである弾性波装置における、周波数調整膜としてのSiN膜の膜厚と、SH波の比帯域との関係を示す図である。 図9は、図8の縦軸のスケールを拡大して示す図である。 図10は、LiNbO基板のオイラー角のθが38°であり、IDT電極におけるPt膜の膜厚が0.02λである弾性波装置における、周波数調整膜としてのSiN膜の膜厚と、SH波の比帯域との関係を示す図である。 図11は、SiN膜の膜厚と、レイリー波の音速との関係を示す図である。 図12は、SH波の比帯域が極小となる、θとPt膜の膜厚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。
 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、本発明の一実施形態に係る弾性波装置の平面図及び要部を拡大して示す部分拡大正面断面図である。
 弾性波装置1は、LiNbO基板2を有する。LiNbO基板2上にIDT電極3が設けられている。IDT電極3は、複数本の電極指3aを有する。IDT電極3の弾性波伝搬方向両側に、反射器4,5が設けられている。それによって、1ポート型弾性波共振子が構成されている。弾性波装置1は、レイリー波を利用している。
 弾性波装置1では、IDT電極3を覆うように、LiNbO基板2上に誘電体膜6が設けられている。本実施形態では、誘電体膜6は、SiOからなる。
 誘電体膜6上に、周波数調整膜7として、SiN膜が設けられている。
 誘電体膜6がSiOからなるため、弾性波装置1では、周波数温度係数TCFの絶対値が小さくされている。もっとも、誘電体膜6は、SiONなどの他の誘電体材料により形成されていてもよい。
 周波数調整膜7の厚みを調整することにより、弾性波装置1の周波数調整を行うことができる。すなわち、周波数調整膜7の厚みを薄くすることにより、共振周波数や反共振周波数を低める方向に周波数調整を行うことができる。
 周波数調整膜7は、SiNに限らず、SiONなどの他の材料により構成されていてもよい。好ましくは、膜音速が適切であり加工しやすいため、SiN膜が用いられる。
 弾性波装置1の特徴は、IDT電極3が、主電極を有し、主電極の膜厚をT、主電極材料とPtとの密度比をrとしたときに、LiNbO基板2のオイラー角が、(0°±5°の範囲内、θ±1.5°の範囲内、0°±10°の範囲内)にあり、かつ主電極の厚みTと、オイラー角のθとが下記の式(1)を満たしていることにある。それによって、周波数調整膜7の厚みが変化したとしても、スプリアスとなるSH波の比帯域が小さくされている。
 式(1):θ=-0.05°/(T/r-0.04)+31.35°
 弾性波装置1では、SiN膜の膜厚が変化すると、スプリアスとなるSH波の比帯域が変化する。SH波の比帯域とは、SH波による応答が発生する周波数と、SH波の共振周波数と反共振周波数の差の比で表され、電気機械結合係数に対応する。比帯域が大きくなるとSH波による応答が大きく発生することになる。これを図3~図10を参照して説明する。
 LiNbO基板のオイラー角(0°,θ,0°)におけるθを25°とし、IDT電極3の電極指ピッチで定まる波長λを4.0μm、IDT電極を構成しているPt膜の厚みを190nm(0.0475λ)として作製した弾性波共振子のSパラメータの周波数特性を図3、インピーダンス特性を図4に示す。それぞれの図中において、実線の特性は周波数調整膜としてのSiN膜の膜厚が40nm(0.01λ)、破線の特性は10nm(0.0025λ)の場合を示している。実線の特性ではレイリー波の応答しか見られていないが、破線では810MHz付近にSH波によるスプリアスが発生している。これはSiN膜の膜厚を変えることによりSH波の比帯域が大きくなったためである。
 次に、LiNbO基板のオイラー角(0°,θ,0°)におけるθと、IDT電極3を構成しているPt膜の膜厚を種々変化させ、複数種の弾性波装置を作製した。この複数種の弾性波装置において、周波数調整膜としてのSiN膜の膜厚を変化させ、SH波の比帯域の変化を求めた。図5はオイラー角のθが25°であり、Pt膜の膜厚が0.0475λの場合の結果を示す。なお、λは、IDT電極3の電極指ピッチで定まる波長である。
 図5から明らかなように、SiN膜の膜厚が、0.005λを超えると、SH波の比帯域がほぼ0となることがわかる。他方、SiN膜の膜厚が、0.005λ以下では、SiN膜の膜厚が薄くなるにつれて比帯域が大きくなっているため、デバイス特性にSH波によるスプリアスが生じることがある。従って、θ=25°であり、Pt膜の膜厚が0.0475λの場合には、SiN膜の膜厚を0.005λ以上の範囲内で、SiN膜の膜厚を変化させて周波数調整することが好ましい。
 図6は、オイラー角のθが28°であり、Pt膜の膜厚が0.055λの場合の結果を示し、図7は、図6の縦軸のスケールを拡大して示す図である。図6及び図7から明らかなように、θが28°であり、Pt膜の膜厚が0.055λの場合には、SiN膜の膜厚が、0.0075λの場合にSH波の比帯域が0となっている。そして、図7から明らかなように、SiN膜の膜厚が、0.0025λ以上、0.025λ以下の範囲内において、SH波の比帯域がほぼ0.002%以下と非常に小さい。
 図8は、オイラー角のθが30°であり、Pt膜の膜厚が0.0775λの場合のSiN膜の膜厚と、SH波の比帯域との関係を示す図であり、図9は図8の縦軸のスケールを拡大して示す図である。
 図8及び図9から明らかなように、この場合においても、SiN膜の膜厚が、0.0025λ以上、0.025λ以下の範囲内において、SH波の比帯域がほぼ0となっていることがわかる。
 図10は、特許文献1で開示されているものと、θと電極との膜厚との関係を除く部分については同じ条件であり、オイラー角のθが38°であり、Pt膜の膜厚が0.02λである場合のSiN膜の膜厚と、SH波の比帯域との関係を示す。図10から明らかなように、SiN膜の膜厚が、0.01λ以下では、SiN膜の膜厚が薄くなるにつれて、SH波の比帯域が大きくなっていくことがわかる。SiN膜の膜厚が0.01λ以下の範囲まで、SiN膜の膜厚を薄くなるように周波数調整を行うと、SH波の比帯域の大きさが大きく変化することがわかる。従って、特許文献1の構成では特性ばらつきの少ない弾性波装置を確実に提供することができない。
 これに対して、図3~図9に示した例では、SiN膜の膜厚を0.025λ以下、特に、0.005λ以下まで厚みを薄くするように周波数調整を行っても、SH波の比帯域の大きさの変化が非常に小さいことがわかる。なお、SiN膜の膜厚が0λの場合には、周波数調整機能を有さなくなってしまうので、少なくとも、SiN膜の膜厚は0より大きい。
 他方、図11は、SiN膜の膜厚と、レイリー波の音速との関係を示す図である。この図から明らかなように、SiN膜の膜厚とレイリー波の音速の関係は上に凸の曲線となっており、SiN膜の膜厚が薄いほどSiN膜の厚みの変動に対する周波数の変動が大きい、つまり周波数調整の感度が高くなっている。弾性波装置では、近年、より一層の低コスト化が求められている。従って、周波数調整工程においては、周波数調整の感度が高い条件を使用することが求められている。つまり、SiN膜の膜厚ができる限り薄い範囲で周波数調整を行うことが求められている。
 前述したように、LiNbO基板のオイラー角のθと、Pt膜の膜厚とを選択することにより、SiN膜の膜厚が0.025λ以下、特に、0.005λ以下の範囲まで薄くして周波数調整を行ったとしても、SH波によるスプリアスの大きさの変化を小さくすることができる。
 本願発明者は、上記の点を勘案し、前述した図3~図9だけでなく、Pt膜の膜厚と、LiNbO基板2のオイラー角のθとを種々変化させ、その場合のSH波の比帯域を求めた。下記の表1は、SH波の比帯域を最小とすることができる場合のオイラー角のθとPt膜の膜厚との組み合わせを示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
 この表1に示した結果をプロットすると、図12に示すとおりとなる。
 なお、図12において、点A1は、オイラー角のθ=25°であり、Pt膜の膜厚が0.0475λの場合に相当し、すなわち図5に示した結果に相当する。点A2は、オイラー角のθ=28°であり、Pt膜の膜厚が0.055λの場合、すなわち図6に示す結果の場合に相当する。点A3は、オイラー角のθ=30°であり、Pt膜の膜厚が0.0775λの場合、すなわち、図8に示す場合に相当する。
 従って、図12に示す実線A上であれば、SH波の比帯域を最小とすることができる。この実線Aを式で表すと式(1A)の通りとなる。
 式(1A):θ=-0.05°/(TPt-0.04)+31.35°
 すなわち、Pt膜の膜厚をTPtとしたときに、膜厚TPtと、オイラー角のθとが、上記式(1A)を満たしている場合、SH波の比帯域を極小とすることができる。本願発明者は、Pt以外の主電極材料についても種々検討した。すなわち、Au、W、Ta、Mo及びCuについても同様の検討を行った。その結果、これらの金属を用いた場合、IDT電極3の電極指ピッチで定まる波長で規格化してなる膜厚をTとしたとき、上述した式(1A)におけるTPtに代えて、T/rを用いればよいことを確かめた。なお、r=主電極材料の密度と、Ptとの密度比である。従って、主電極がPtからなる場合、r=1となり、Ptよりも密度の高い金属からなる場合には、r>1となる。よって、前述した式(1)を満たすように、オイラー角のθと、主電極の膜厚Tとを選択すれば、SH波の比帯域を最小とすることができる。従って、SiN膜の膜厚変動によるSH波の応答による影響を効果的に抑制することができる。よって、高精度に周波数調整を行うことができ、しかも弾性波装置の特性のばらつきも生じ難い。
 好ましくは、オイラー角のθは、25°以上、31°以下の範囲とされる。図5~9からわかるように、オイラー角θが小さいほど、SiN膜の膜厚が薄くなった場合のSH波の比帯域の変動が大きくなるが、θが25°以上であればSiN膜の厚み0.005λ付近におけるSH波の比帯域は十分に小さくなる。従って、SH波によるスプリアスをより効果的に抑えることができる。他方、図12からわかるように、θが大きくなるとIDTの主電極の膜厚が厚くなる。主電極の膜厚が厚くなりすぎると、コストが高くついたり、電極指の幅がばらついた場合の特性ばらつきが大きくなったりすることがある。従って、上記理由によりTPtは、より好ましくは、0.1λ以下とすることが望ましい。よって、より好ましくは、θは30.5°以下の範囲とすることが望ましい。
 他方、図11に示したように、SiN膜が薄くなるほど、SiN膜の膜厚変化による音速変動量は大きくなっている。すなわち、周波数調整の感度は、SiN膜が薄いほうが高い。よって、上記実施形態のように、SiN膜の膜厚が0.01λ以下の薄い範囲で周波数調整を行うことにより、大きな周波数調整範囲を得ることができる。
 また、周波数調整は、SiN膜をエッチングすることにより、あるいはSiN膜の成膜時の厚み調整により行うことができる。上記のように、SiN膜が薄い領域を用いることにより、上記エッチングや成膜の時間を短縮することができる。従って、製造コストを低減することもできる。
 上記の通り、上記実施形態では、周波数調整感度の高いSiN膜の膜厚領域を用いて周波数調整を行うことができる。上記SiN膜の膜厚は、0より大きく、0.025λ以下であれば好ましいが、より好ましくは、0.01λ以下であり、さらに好ましくは、0.005λ以下である。それによって、周波数調整感度をより一層効果的に高めることができる。
 なお、誘電体膜としてのSiO膜の厚みは、特に限定されないが、IDT電極よりも厚く、0.6λ以下程度とすればよい。SiO膜の厚みがこの範囲内であれば、良好な周波数温度特性を得ることができる。また、共振周波数の低下等も生じ難い。
 なお、IDT電極3は、Ptなどの主電極材料からなる単層電極であってもよいが、積層金属膜により形成されてもよい。例えば、図2に電極指3aの部分を拡大して示す変形例のように、NiCr膜11、主電極としてのPt膜12、拡散防止膜としてのTi膜13、及び導電性を高めるためのAlCu合金膜14を積層した構造を有していてもよい。
 上記Pt膜12が、主電極である。主電極とは、IDT電極の中で最も大きな質量を占める電極層であり、LiNbO基板2上に設けられた際に、レイリー波の充分大きな応答および反射を得ることを可能とする電極である。このような主電極を構成する材料としては、好ましくは、Pt、Au、W、Ta、Mo及びCuからなる群から選択された1種の金属または該金属を主体とする合金を用いることができる。金属を主体とする合金とは、合金において、当該金属が50重量%を超える割合で含有されている合金をいうものとする。
 上記NiCr膜11は、主電極であるPt膜12をLiNbO基板2に対して強固に接合するために設けられている。すなわち、NiCr膜11は密着層として設けられている。密着層としては、NiCr膜に限らず、Ti膜、Ni膜、Cr膜などを用いてもよい。
 Ti膜13は、主電極であるPt膜12と、AlCu合金膜14との間の相互拡散を抑制するために設けられている。Ti膜に限らず、Ni膜、Cr膜、NiCr膜などを用いてもよい。
 AlCu合金膜14は、IDT電極3の電気抵抗を低めるために設けられている。AlCu合金膜14に代えて、主電極よりも導電性が高い適宜の金属を用いることができる。
 主電極と密着膜、拡散防止膜、AlCu膜を含めたIDT電極の合計膜厚は特に限定されないが、電極が厚くなると電極のアスペクト比が大きくなり、形成が困難となることから、0.25λ程度以下とすることが望ましい。
 なお、上記のような積層金属膜を用いた場合においても、主電極の厚みTと、オイラー角のθとが上記式(1)を満たしておれば、上記実施形態と同様に、周波数調整膜の厚み変動によりSH波による応答の変動を効果的に抑制することができる。
 なお、上記実施形態では、1ポート型弾性波共振子につき説明したが、本発明に係る弾性波装置は、1ポート型弾性波共振子に限定されるものではない。例えば、複数のIDT電極を有する縦結合共振子型弾性波フィルタや、複数の弾性波共振子を有するラダー型フィルタなどの帯域通過型フィルタであってもよい。また、本発明に係る弾性波装置は、帯域素子フィルタやトラップフィルタにも適用することができる。
1…弾性波装置
2…LiNbO基板
3…IDT電極
3a…電極指
4,5…反射器
6…誘電体膜
7…周波数調整膜
11…NiCr膜
12…Pt膜
13…Ti膜
14…AlCu合金膜

Claims (11)

  1.  LiNbO基板と、
     前記LiNbO基板に設けられたIDT電極と、
     前記IDT電極を覆うように、前記LiNbO基板上に設けられた誘電体膜と、
     前記誘電体膜上に設けられた周波数調整膜とを備え、
     前記LiNbO基板のオイラー角が、(0°±5°の範囲内,θ±1.5°の範囲内,0°±10°の範囲内)であり、前記IDT電極が主電極を有し、前記IDT電極の電極指ピッチで定まる波長λにより規格化してなる前記主電極の膜厚をT、前記主電極の材料とPtとの密度比をrとしたときに、
     前記主電極の膜厚Tと前記オイラー角のθとが下記の式(1)を満たしている、弾性波装置。
     式(1):θ=-0.05°/(T/r-0.04)+31.35°
  2.  前記θが25°以上、31°以下の範囲内にある、請求項1に記載の弾性波装置。
  3.  前記主電極が、Pt、Au、W、Ta、Mo及びCuからなる群から選択された1種の金属または該金属を主体とする合金である、請求項1または2に記載の弾性波装置。
  4.  前記周波数調整膜の膜厚が、0より大きく、0.025λ以下である、請求項1~3のいずれか1項に記載の弾性波装置。
  5.  前記周波数調整膜の膜厚が、0.005λ以下である、請求項4に記載の弾性波装置。
  6.  前記誘電体膜が、酸化ケイ素からなる、請求項1~5のいずれか1項に記載の弾性波装置。
  7.  前記周波数調整膜が窒化ケイ素からなる、請求項1~6のいずれか1項に記載の弾性波装置。
  8.  前記IDT電極が、前記主電極と、前記主電極以外の金属からなる他の電極層を有する、請求項1~7のいずれか1項に記載の弾性波装置。
  9.  前記IDT電極を有する帯域通過型フィルタである、請求項1~8のいずれか1項に記載の弾性波装置。
  10. 前記IDT電極の合計膜厚は、0.25λ以下である、請求項1~9のいずれか1項に記載の弾性波装置。
  11. 前記酸化ケイ素の厚みは、前記IDT電極よりも厚い、請求項6に記載の弾性波装置。
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