WO2020204036A1 - 弾性波装置 - Google Patents

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WO2020204036A1
WO2020204036A1 PCT/JP2020/014839 JP2020014839W WO2020204036A1 WO 2020204036 A1 WO2020204036 A1 WO 2020204036A1 JP 2020014839 W JP2020014839 W JP 2020014839W WO 2020204036 A1 WO2020204036 A1 WO 2020204036A1
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layer
acoustic impedance
elastic wave
piezoelectric
metal layer
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翔 永友
克也 大門
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株式会社村田製作所
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    • H03H9/00Networks comprising electromechanical or electro-acoustic devices; Electromechanical resonators
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    • HELECTRICITY
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    • H03H9/00Networks comprising electromechanical or electro-acoustic devices; Electromechanical resonators
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    • H03H9/02535Details of surface acoustic wave devices
    • H03H9/02543Characteristics of substrate, e.g. cutting angles
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    • H03H9/125Driving means, e.g. electrodes, coils
    • H03H9/145Driving means, e.g. electrodes, coils for networks using surface acoustic waves
    • H03H9/14538Formation
    • H03H9/14541Multilayer finger or busbar electrode

Definitions

  • the present invention relates to an elastic wave device.
  • Patent Document 1 discloses an example of an elastic wave device.
  • a support substrate, a hypersonic film, a low sound velocity film, and a piezoelectric film are laminated in this order, and an IDT electrode (Inter Digital Transducer) is provided on the piezoelectric film.
  • the Q value is increased by providing the laminated structure.
  • An object of the present invention is to provide an elastic wave device capable of enhancing Q characteristics.
  • the energy confinement layer and the lithium tartrate of Y-cut X propagation provided on the energy confinement layer and having a cut angle of ⁇ 10 ° or more and 65 ° or less.
  • the IDT electrode is provided with a piezoelectric layer using the above, and an IDT electrode provided on the piezoelectric layer, the IDT electrode has a plurality of electrode fingers, and the plurality of electrode fingers are an Al layer or an alloy containing Al.
  • It is composed of a laminate having an Al metal layer which is a layer and a high acoustic impedance metal layer having a Young ratio of 200 GPa or more and a higher acoustic impedance than Al, and the high acoustic impedance metal layer is more than the Al metal layer.
  • the thickness of each layer of the electrode finger is standardized by the density of the Al metal layer and the Young's ratio and the total of the standardized film thickness is T, the following equation 1 is satisfied.
  • a Y-cut X-propagated tantalic acid provided on the energy confinement layer and the energy confinement layer and having a cut angle of ⁇ 10 ° or more and 65 ° or less.
  • a piezoelectric layer using lithium and an IDT electrode provided on the piezoelectric layer are provided, the IDT electrode has a plurality of electrode fingers, and the plurality of electrode fingers include an Al layer or Al.
  • the high acoustic impedance metal layer which is located closer to the piezoelectric layer, is a Mo layer, a W layer, or a Ru layer, satisfies the following formula 2, and has each coefficient of the formula 2 and the high acoustic impedance.
  • the combinations of metals constituting the metal layer are the combinations shown in Table 1 below.
  • the Q characteristic can be enhanced.
  • FIG. 1 is a front sectional view of an elastic wave device according to a first embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a plan view of the elastic wave device according to the first embodiment of the present invention.
  • 3 (a) to 3 (c) are diagrams showing the relationship between the Young's modulus of the M layer, which is a metal layer corresponding to the high acoustic impedance metal layer, and the Q value.
  • FIG. 4 is a diagram showing Q characteristics for each film thickness of the piezoelectric layer when the IDT electrode is composed of only the Al layer.
  • FIG. 5 is a diagram showing Q characteristics when the IDT electrode is composed of only the Al layer or the Mo layer and the Al layer, and the film thickness of the piezoelectric layer is 0.4 ⁇ .
  • FIG. 1 is a front sectional view of an elastic wave device according to a first embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a plan view of the elastic wave device according to the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 6 is a diagram showing Q characteristics when the IDT electrode is composed of only the Al layer or the Mo layer and the Al layer, and the film thickness of the piezoelectric layer is 0.3 ⁇ .
  • FIG. 7 is a diagram showing Q characteristics when the IDT electrode is composed of only the Al layer or the W layer and the Al layer, and the film thickness of the piezoelectric layer is 0.4 ⁇ .
  • FIG. 8 is a diagram showing Q characteristics when the IDT electrode is composed of only the Al layer or the W layer and the Al layer, and the film thickness of the piezoelectric layer is 0.3 ⁇ .
  • FIG. 9 is a diagram showing Q characteristics when the IDT electrode is composed of only an Al layer or a Ru layer and an Al layer, and the film thickness of the piezoelectric layer is 0.4 ⁇ .
  • FIG. 10 is a diagram showing Q characteristics when the IDT electrode is composed of only an Al layer or a Ru layer and an Al layer, and the film thickness of the piezoelectric layer is 0.3 ⁇ .
  • FIG. 11 is a diagram showing the relationship between the film thickness of the Al layer and the normalized conductivity.
  • FIG. 12 is a diagram showing the relationship between the thickness of the piezoelectric layer made of LiTaO 3 and the specific band.
  • FIG. 13 is a diagram showing the relationship between the film thickness of the piezoelectric layer made of LiTaO 3 , the wavelength ratio film thickness of the low sound velocity film made of SiO 2 , and the electromechanical coupling coefficient.
  • FIG. 14 is a front sectional view of an elastic wave device according to a first modification of the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 15 is a front sectional view of an elastic wave device according to a second modification of the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 16 is a front sectional view of an elastic wave device according to a third modification
  • FIG. 1 is a front sectional view of an elastic wave device according to a first embodiment of the present invention.
  • the elastic wave device 1 has a piezoelectric substrate 2.
  • the piezoelectric substrate 2 of the present embodiment has an energy confinement layer 3 and a piezoelectric layer 7 provided on the energy confinement layer 3.
  • the energy confinement layer 3 of the present embodiment is a laminate of a hypersonic support substrate 5 as a hypersonic material layer and a hypersonic film 6 provided on the hypersonic support substrate 5.
  • the piezoelectric layer 7 is a piezoelectric layer using lithium tantalate propagating in Y-cut X and having a cut angle of ⁇ 10 ° or more and 65 ° or less.
  • the IDT electrode 8 is provided on the piezoelectric layer 7 of the piezoelectric substrate 2.
  • An elastic wave is excited by applying an AC voltage to the IDT electrode 8.
  • a pair of reflectors 9A and 9Bs are provided on both sides of the IDT electrode 8 on the piezoelectric substrate 2 in the elastic wave propagation direction.
  • the elastic wave device 1 of the present embodiment is an elastic wave resonator.
  • the elastic wave device 1 according to the present invention is not limited to the elastic wave resonators, and may be a filter device having a plurality of elastic wave resonators.
  • the bass velocity film 6 is a relatively low sound velocity film. More specifically, the sound velocity of the bulk wave propagating in the bass velocity film 6 is lower than the sound velocity of the bulk wave propagating in the piezoelectric layer 7.
  • the bass velocity film 6 is a silicon oxide film. Silicon oxide is represented by SiO x . x is any positive number. In the elastic wave device 1, the silicon oxide constituting the bass velocity film 6 is SiO 2 .
  • the material of the bass velocity film 6 is not limited to the above, and the main component is, for example, glass, silicon nitride, tantalum oxide, or a compound obtained by adding fluorine, carbon, boron, hydrogen, or silanol group to silicon oxide. Materials can be used.
  • the hypersonic material layer is a layer made of a material having a relatively high sound velocity. More specifically, the sound velocity of the bulk wave propagating in the hypersonic material layer is higher than the sound velocity of the elastic wave propagating in the piezoelectric layer 7.
  • Examples of the material of the treble velocity support substrate 5 which is the treble velocity material layer include aluminum oxide, silicon carbide, silicon nitride, silicon nitride, silicon, sapphire, lithium tantalate, lithium niobate, crystal, alumina, zirconia, and cozy.
  • a medium containing the above materials as a main component such as light, mulite, steatite, forsterite, magnesia, DLC (diamond-like carbon) film, or diamond, can be used.
  • the elastic wave device 1 of the present embodiment has a configuration in which the piezoelectric layer 7 is laminated on the energy confinement layer 3 which is a laminate of the high sound velocity support substrate 5 and the low sound velocity film 6, the energy of the elastic wave is piezoelectricized. It can be effectively confined to the body layer 7 side.
  • the bass velocity film 6 does not necessarily have to be provided.
  • the piezoelectric layer 7 is indirectly provided on the hypersonic material layer via the hypersonic film 6, but the piezoelectric layer 7 is directly provided on the hypersonic material layer. You may.
  • FIG. 2 is a plan view of the elastic wave device according to the first embodiment.
  • the IDT electrode 8 has a first bus bar 16 and a second bus bar 17 facing each other.
  • the IDT electrode 8 has a plurality of first electrode fingers 18 each having one end connected to the first bus bar 16. Further, the IDT electrode 8 has a plurality of second electrode fingers 19 each having one end connected to the second bus bar 17.
  • the plurality of first electrode fingers 18 and the plurality of second electrode fingers 19 are interleaved with each other.
  • the IDT electrode 8 is composed of a laminate having an Al metal layer 15 and a high acoustic impedance metal layer 14.
  • the Al metal layer 15 is an Al layer or an alloy layer containing Al.
  • the Al metal layer 15 is an Al layer.
  • the high acoustic impedance metal layer 14 in the IDT electrode 8 is a metal layer having a Young's modulus of 200 GPa or more and a higher acoustic impedance than Al.
  • the high acoustic impedance metal layer 14 in the elastic wave device 1 is a Mo layer, a W layer, or a Ru layer.
  • the high acoustic impedance metal layer 14 is not limited to the above.
  • the high acoustic impedance metal layer 14 is located closer to the piezoelectric layer 7 than the Al metal layer 15.
  • the electrode finger pitch of the IDT electrode 8 refers to the distance between the center of the electrode fingers of the IDT electrode 8.
  • T be the total of the standardized film thicknesses obtained by standardizing the film thicknesses of the electrode fingers of the IDT electrode 8 by the density and Young's modulus of the Al metal layer 15.
  • T is the total of the above-mentioned normalized film thicknesses of any electrode finger among the plurality of electrode fingers of the IDT electrode 8.
  • the T of the first electrode finger 18 and the T of the second electrode finger 19 are the same.
  • the wavelength ratio film thickness of the Al metal layer 15 is t 0 , the density is ⁇ 0 , and the Young's modulus is Y 0 .
  • the inventors of the present application define the plurality of first electrode fingers 18 and the plurality of second electrodes of the IDT electrode 8 standardized by the density ⁇ 0 of the Al metal layer 15 and the Young's modulus Y 0 by defining as described above. It has been found that the total T of the film thickness of each layer of the electrode finger 19 can be expressed as follows.
  • the film thickness standardized by the density ⁇ 0 and Young's modulus Y 0 of the Al metal layer 15 may be simply referred to as the standardized film thickness.
  • the elastic wave device 1 satisfies the following equation 1 in relation to the total T of the normalized film thicknesses of each layer of the electrode fingers of the IDT electrode 8 and the wavelength ratio film thickness t LT of the piezoelectric layer 7.
  • each coefficient of Equation 2 is a value as shown in Table 2 below.
  • the feature of this embodiment is that it has the following configuration.
  • the first electrode finger 18 and the second electrode finger 19 of the IDT electrode 8 are made of a laminate having an Al metal layer 15 and a high acoustic impedance metal layer 14, and the high acoustic impedance metal layer 14 is formed from the Al metal layer 15. Is also located on the piezoelectric layer 7 side.
  • the Young's modulus of the high acoustic impedance metal layer 14 is 200 GPa or more.
  • t LT ⁇ 1 ⁇ and satisfy the above equation 1.
  • the combination of the metals satisfying the above formula 2 and constituting each coefficient of the formula 2 and the high acoustic impedance metal layer 14 is the combination shown in the above table 2. Thereby, the Q characteristic can be enhanced and the energy loss can be effectively reduced. This will be described below.
  • the Q characteristic is a characteristic represented by f ⁇ Q, which is the product of the frequency f and the Q value.
  • the film thickness when the film thickness is t, the film thickness may be expressed as t / ⁇ ⁇ 100 (%).
  • FIGS. 3A to 3C 1) In the laminate in which the high acoustic impedance metal layer 14 constitutes the first electrode finger 18 and the second electrode finger 19 of the IDT electrode 8, the Al metal It will be explained that the Q value can be increased by being located closer to the piezoelectric layer 7 than the layer 15 and by 2) the Young's ratio of the high acoustic impedance metal layer 14 being 200 GPa or more. It will be described with reference to FIGS. 4 to 10 that 3) t LT ⁇ 1 ⁇ , and by satisfying the above equation 1, the Q characteristic can be enhanced and the energy loss can be reduced. Further, using FIG.
  • the metal layer corresponding to the high acoustic impedance metal layer in the first embodiment is referred to as the M layer.
  • the M layer the metal layer corresponding to the high acoustic impedance metal layer in the first embodiment.
  • a simulation was performed by the finite element method with different densities and Young's modulus of the M layer. The above simulation was performed under the condition that the elastic wave device does not have a low sound velocity film and the piezoelectric layer is directly provided on the high sound velocity support substrate. More specifically, the conditions are as follows.
  • Layer structure of IDT electrode From the piezoelectric layer side, M layer / Al layer M layer density: 2.7 g / cm 3 , 5.4 g / cm 3 , 8.1 g / cm 3 , 10.8 g / cm 3 , 13.5 g / cm 3 , 16.2 g / cm 3 , 18.9 g / cm 3 or 21.6 g / cm 3 Film thickness of M layer: 2%, 4% or 6% Al layer film thickness: 7% Piezoelectric layer material: 42 ° Y-cut lithium tantalate (42Y-LiTaO 3 ) Piezoelectric layer film thickness: 0.3 ⁇ Layer composition of energy confinement layer: Hypersonic support substrate Material of hypersonic support substrate: Z-cut X propagation crystal
  • 3 (a) to 3 (c) are diagrams showing the relationship between the Young's modulus of the M layer, which is a metal layer corresponding to the high acoustic impedance metal layer, and the Q value.
  • the film thickness of the M layer is 2%, and the dependence of the Q value on the Young's modulus of the M layer in each case where the density of the M layer is different is shown.
  • the film thickness of the M layer is 4%, and the dependence of the Q value on the Young's modulus of the M layer in each case where the density of the M layer is different is shown.
  • FIG. 3C the film thickness of the M layer is 6%, and the dependence of the Q value on the Young's modulus of the M layer in each case where the density of the M layer is different is shown.
  • the Q value is stable and high when the Young's modulus of the M layer is 200 GPa or more regardless of the density of the M layer.
  • the Q value is stably increased. You can see that. Therefore, in the first embodiment shown in FIG. 1, since the Young's modulus of the high acoustic impedance metal layer 14 is 200 GPa or more, the Q value can be stably increased.
  • FIG. 4 shows the Q characteristic of an elastic wave device different from that of the first embodiment in that the IDT electrode is composed of only an Al layer.
  • the conditions of the elastic wave device for which the Q characteristic was measured are as follows. When viewed from the elastic wave propagation direction, the region where the adjacent electrode fingers of the IDT electrode overlap is defined as the crossing region. The dimension of the crossing region along the direction orthogonal to the elastic wave propagation direction is defined as the crossing width.
  • Layer structure of IDT electrode Al layer Wavelength of IDT electrode ⁇ : 2 ⁇ m Logarithm of electrode fingers of IDT electrode: 100 pairs Cross width of IDT electrode: 15 ⁇ Number of electrode fingers of the reflector: 10 Piezoelectric layer material: 55 ° Y-cut lithium tantalate (55Y-LiTaO 3 ) Piezoelectric layer film thickness: 0.15 ⁇ or more, 0.3 ⁇ or less Layer structure of energy confinement layer: Hypersonic support substrate / Hypersonic film Material of hypersonic film: Silicon oxide
  • FIG. 4 is a diagram showing Q characteristics for each film thickness of the piezoelectric layer when the IDT electrode is composed of only the Al layer.
  • the broken line shows the result when the film thickness of the piezoelectric layer is 300 nm
  • the alternate long and short dash line shows the result when the film thickness of the piezoelectric layer is 400 nm
  • the alternate long and short dash line shows the result when the film thickness of the piezoelectric layer is 400 nm.
  • the result when the film thickness of the piezoelectric layer is 500 nm is shown
  • the solid line shows the result when the film thickness of the piezoelectric layer is 600 nm.
  • the film thickness of the electrode finger of the IDT electrode having the maximum Q characteristic exists regardless of the film thickness of the piezoelectric layer. If the film thickness of the electrode finger is too thin with respect to the film thickness of the piezoelectric layer, the reflection coefficient becomes small and the Q characteristic becomes low. On the other hand, if the film thickness of the electrode finger is too thick, a large amount of energy is distributed in the metal layer of the IDT electrode, which has a relatively large loss of acoustic energy, and the Q characteristic deteriorates. Therefore, there is a film thickness of the electrode finger at which the Q characteristic has the maximum value.
  • the film thickness of the piezoelectric layer is increased, a relatively large amount of acoustic energy is distributed in the piezoelectric single crystal having a small acoustic loss. Therefore, in the range where energy confinement is established, the maximum value of the Q characteristic that can be achieved increases as the wavelength ratio film thickness of the piezoelectric layer increases.
  • the film thickness of the electrode finger of the IDT electrode when the Q characteristic takes the maximum value is T 0 .
  • the Q characteristic becomes higher and the electrical resistance value of the electrode finger becomes lower.
  • T 0 varies depending on the film thickness of the piezoelectric layer.
  • the present inventors using a wavelength ratio thickness t LT of the piezoelectric layer, to derive the following approximate expression for obtaining the T 0.
  • T 0 in the following approximate expression is a wavelength ratio film thickness.
  • the IDT electrode shows the Q characteristics of an elastic wave device composed of a laminate of an Al layer as an Al metal layer and a Mo layer as a high acoustic impedance metal layer.
  • the conditions of the elastic wave device are as follows.
  • Layer structure of IDT electrode Mo layer / Al layer from the piezoelectric layer side Wavelength ⁇ of IDT electrode: 2 ⁇ m
  • Logarithm of electrode fingers of IDT electrode 100 pairs
  • Cross width of IDT electrode 15 ⁇
  • Number of electrode fingers of the reflector 10
  • Piezoelectric layer material 55 ° Y-cut lithium tantalate (55Y-LiTaO 3 )
  • Piezoelectric layer film thickness 0.3 ⁇ or 0.4 ⁇
  • Layer structure of energy confinement layer Hypersonic support substrate / Hypersonic film Material of hypersonic film: Silicon oxide
  • the film thickness of the Mo layer is 0%, 1%, 2% or 3%
  • the film thickness of the Al layer is changed to change the thickness of the electrode finger of the IDT electrode.
  • the change of the Q characteristic when the total T of the film thickness of each layer is changed is shown.
  • FIG. 5 is a diagram showing Q characteristics when the IDT electrode is composed of only the Al layer or the Mo layer and the Al layer, and the film thickness of the piezoelectric layer is 0.4 ⁇ .
  • FIG. 6 is a diagram showing Q characteristics when the IDT electrode is composed of only the Al layer or the Mo layer and the Al layer, and the film thickness of the piezoelectric layer is 0.3 ⁇ .
  • the alternate long and short dash line shows the result when the film thickness of the Mo layer is 1%
  • the alternate long and short dash line shows the result when the film thickness of the Mo layer is 2%
  • the solid line shows the result of the Mo layer.
  • the result when the film thickness is 3% is shown.
  • the broken line shows the result when the IDT electrode is composed of only the Al layer.
  • the film thickness T 0 of the electrode finger of the IDT electrode when the Q characteristic takes the maximum value when the IDT electrode is composed of only the Al layer is shown by a linear broken line as a normalized film thickness. .. The same applies to the figures showing the Q characteristics after FIG.
  • the IDT electrode is used when at least the standardized film thickness relationship is T ⁇ T 0. It can be seen that the Q characteristic is superior to the case where only the Al layer is formed. The same applies to the case shown in FIG. As described above, when T ⁇ T 0 , the Q characteristic can be enhanced. Therefore, the energy loss can be reduced.
  • the equation 1 can be derived by applying the above approximation equation of T 0 .
  • the Q characteristic can be enhanced and the energy loss can be reduced. Further, in the following, it will be shown that the Q characteristic can be enhanced by satisfying Equation 1 even when the high acoustic impedance metal layer is other than the Mo layer.
  • FIGS. 7 to 7 The conditions for obtaining the Q characteristics shown in FIGS. 5 and 6 and the Q characteristics of the elastic wave device under the same conditions except that the Mo layer of the IDT electrode is made of another high acoustic impedance metal layer are shown in FIGS. 7 to 7 below. It is shown in FIG.
  • the high acoustic impedance metal layer was the W layer
  • the film thickness of the W layer was 0.5%, 1% or 2%.
  • the high acoustic impedance metal layer was the Ru layer
  • the film thickness of the Ru layer was 1%, 2% or 3%.
  • FIG. 7 is a diagram showing Q characteristics when the IDT electrode is composed of only the Al layer or the W layer and the Al layer, and the film thickness of the piezoelectric layer is 0.4 ⁇ .
  • FIG. 8 is a diagram showing Q characteristics when the IDT electrode is composed of only the Al layer or the W layer and the Al layer, and the film thickness of the piezoelectric layer is 0.3 ⁇ .
  • the alternate long and short dash line shows the result when the film thickness of the W layer is 0.5%
  • the alternate long and short dash line shows the result when the film thickness of the W layer is 1%
  • the solid line is W.
  • the result when the film thickness of the layer is 2% is shown.
  • the broken line shows the result when the IDT electrode is composed of only the Al layer.
  • the W layer which is a high acoustic impedance metal layer
  • the IDT electrode is It can be seen that the Q characteristic is superior to the case where only the Al layer is formed. The same applies to the case shown in FIG. As described above, even when the high acoustic impedance metal layer is the W layer, the Q characteristic can be enhanced and the energy loss can be reduced by satisfying the above equation 1.
  • FIG. 9 is a diagram showing Q characteristics when the IDT electrode is composed of only an Al layer or a Ru layer and an Al layer, and the film thickness of the piezoelectric layer is 0.4 ⁇ .
  • FIG. 10 is a diagram showing Q characteristics when the IDT electrode is composed of only an Al layer or a Ru layer and an Al layer, and the film thickness of the piezoelectric layer is 0.3 ⁇ .
  • the alternate long and short dash line shows the result when the film thickness of the Ru layer is 1%
  • the alternate long and short dash line shows the result when the film thickness of the Ru layer is 2%
  • the solid line shows the result of the Ru layer.
  • the result when the film thickness is 3% is shown.
  • the broken line shows the result when the IDT electrode is composed of only the Al layer.
  • the Ru layer which is a high acoustic impedance metal layer
  • the IDT electrode is It can be seen that the Q characteristic is superior to the case where only the Al layer is formed. The same applies to the case shown in FIG. As described above, even when the high acoustic impedance metal layer is the Ru layer, the Q characteristic can be enhanced and the energy loss can be reduced by satisfying the above equation 1.
  • the Q characteristic may be enhanced.
  • the inventors of the present application have found a condition capable of enhancing the Q characteristic in both the case of T ⁇ T 0 and the case of T> T 0 . More specifically, when T ⁇ T 0 , the metal satisfying the following formula 2 and constituting each coefficient and the high acoustic impedance metal layer in the formula 2 is a combination shown in Table 2 above. In both cases where T> T 0 , the Q characteristic can be enhanced. That is, when T takes any value, the Q characteristic can be enhanced. Therefore, the energy loss can be reduced even more reliably.
  • the Al metal layer 15 in the IDT electrode 8 shown in FIG. 1 is an Al layer, and the film thickness of the Al layer is 85 nm or more.
  • the electric resistance value can be stabilized even when the film thickness of the Al layer varies during the formation of the Al layer. This will be described with reference to FIG. 11 below. Note that FIG. 11 shows a standardized conductivity in which the conductivity is standardized by the film thickness of the Al layer.
  • FIG. 11 is a diagram showing the relationship between the film thickness of the Al layer and the normalized conductivity.
  • each plot shows the normalized conductivity at each film thickness of the Al layer.
  • the broken line in FIG. 11 shows the relationship of Equation 3 described later.
  • the thicker the film thickness of the Al layer and the closer to 85 nm the higher the normalized conductivity. It can be seen that the normalized conductivity is constant when the film thickness of the Al layer is 85 nm or more. Therefore, the electric resistance value can be stabilized by setting the film thickness of the Al layer to 85 nm or more.
  • the relationship between the film thickness of the Al layer and the normalized conductivity shown in FIG. 11 can be expressed by the following formula 3.
  • the i and metal species, the h i as the thickness of the metal species i, and electrical conductivity kappa, the kappa sat is the saturation conductivity.
  • the metal type i is Al.
  • the film thickness of the LiTaO 3 film as the piezoelectric layer 7 is in the range of 0.05 ⁇ or more and 0.5 ⁇ or less, the specific band changes significantly. Therefore, the electromechanical coupling coefficient can be adjusted in a wider range. Therefore, in order to widen the adjustment range of the electromechanical coupling coefficient and the specific band, the film thickness of the piezoelectric layer 7 is preferably within the range of 0.05 ⁇ or more and 0.5 ⁇ or less.
  • the electromechanical coupling coefficient can be further increased when the film thickness of the LiTaO 3 film as the piezoelectric layer 7 is in the range of 0.05 ⁇ or more and 0.35 ⁇ or less. This makes it possible to keep spurs away. Therefore, the film thickness of the piezoelectric layer 7 is more preferably in the range of 0.05 ⁇ or more and 0.35 ⁇ or less.
  • the energy confinement layer 3 is a laminate of the hypersonic support substrate 5 and the low sound velocity film 6, but the configuration of the energy confinement layer 3 is not limited to this.
  • first to third modifications of the first embodiment in which the configuration of the energy confinement layer is different from that of the first embodiment will be shown.
  • the Q characteristic can be enhanced and the energy loss can be reduced as in the first embodiment.
  • the piezoelectric substrate 22A has a hypersonic support substrate 5 and a piezoelectric layer 7 directly provided on the hypersonic support substrate 5.
  • the energy confinement layer of this modification is the hypersonic support substrate 5.
  • the piezoelectric substrate 22B has a support substrate 24, a hypersonic film 25 provided on the support substrate 24, and a low sound velocity film 25 provided on the hypersonic film 25. It has a film 6 and a piezoelectric layer 7 provided on the hypersonic film 6.
  • the hypersonic material layer of this modification is the hypersonic film 25.
  • the energy confinement layer 23 is a laminate of a hypersonic film 25 and a low sound velocity film 6.
  • Examples of the material of the treble speed film 25 include aluminum oxide, silicon carbide, silicon nitride, silicon nitride, silicon, sapphire, lithium tantalate, lithium niobate, crystal, alumina, zirconia, cordierite, mulite, steatite, and the like.
  • a medium containing the above materials as a main component such as forsterite, magnesia, DLC (diamond-like carbon) film, or diamond, can be used.
  • Examples of the material of the support substrate 24 include piezoelectric materials such as aluminum oxide, lithium tantalate, lithium niobate, and crystal, alumina, magnesia, silicon nitride, aluminum nitride, silicon carbide, zirconia, cordierite, mulite, and steatite.
  • piezoelectric materials such as aluminum oxide, lithium tantalate, lithium niobate, and crystal, alumina, magnesia, silicon nitride, aluminum nitride, silicon carbide, zirconia, cordierite, mulite, and steatite.
  • Various ceramics such as forsterite, dielectrics such as sapphire, diamond and glass, semiconductors or resins such as silicon and gallium nitride can be used.
  • the piezoelectric substrate 22C is a support substrate 24, an acoustic reflection film 26 provided on the support substrate 24, and a piezoelectric body provided on the acoustic reflection film 26. It has a layer 7.
  • the energy confinement layer of this modification is the acoustic reflection film 26.
  • the acoustic reflection film 26 is a laminate of a plurality of acoustic impedance layers. More specifically, the acoustic reflection film 26 includes a low acoustic impedance layer 27A and a low acoustic impedance layer 27B having a relatively low acoustic impedance, and a high acoustic impedance layer 28A and a high acoustic impedance layer 28B having a relatively high acoustic impedance. And have. In this modification, the low acoustic impedance layer and the high acoustic impedance layer are alternately laminated in the acoustic reflection film 26.
  • the low acoustic impedance layer 27A is the layer located closest to the piezoelectric layer 7 in the acoustic reflection film 26.
  • the acoustic reflection film 26 has two layers each of a low acoustic impedance layer and a high acoustic impedance layer. However, the acoustic reflection film 26 may have at least one low acoustic impedance layer and one high acoustic impedance layer.
  • Silicon oxide, aluminum, or the like can be used as the material of the low acoustic impedance layer.
  • a metal such as platinum or tungsten or a dielectric material such as aluminum nitride or silicon nitride can be used.

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Abstract

Q特性を高めることができる、弾性波装置を提供する。 弾性波装置1においては、エネルギー閉じ込め層3、カット角が-10°以上、65°以下であるYカットX伝搬のタンタル酸リチウムを用いた圧電体層7及びIDT電極8がこの順序で積層されている。IDT電極8の複数の電極指は、Al金属層15と、ヤング率が200GPa以上であり、Alより音響インピーダンスが高い高音響インピーダンス金属層14とを有する積層体からなる。高音響インピーダンス金属層14はAl金属層15より圧電体層7側に位置する。電極指ピッチにより規定される波長λにより、圧電体層7の波長比膜厚tLTは、tLT≦1λで表される。電極指の各層の膜厚をAl金属層15の密度及びヤング率により規格化した各規格化膜厚の合計Tについて、下記の式1を満たす。 T≦0.1125tLT+0.0574…式1

Description

弾性波装置
 本発明は、弾性波装置に関する。
 従来、弾性波装置は携帯電話機のフィルタなどに広く用いられている。下記の特許文献1には、弾性波装置の一例が開示されている。この弾性波装置においては、支持基板、高音速膜、低音速膜及び圧電膜がこの順序で積層されており、圧電膜上にIDT電極(Inter Digital Transducer)が設けられている。上記積層構造が設けられていることにより、Q値が高められている。
国際公開2012/086639号
 上記の弾性波装置のIDT電極として、一般的に知られるAl電極を適用すると、Q値を高めることについて一定の効果が得られる。しかしながら、Alのヤング率は比較的小さいため、得られるQ値には限界があり、そのようなQ値では、所望のQ値に対して不十分な場合もあった。
 本発明の目的は、Q特性を高めることができる、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のある広い局面では、エネルギー閉じ込め層と、前記エネルギー閉じ込め層上に設けられており、カット角が-10°以上、65°以下であるYカットX伝搬のタンタル酸リチウムを用いた圧電体層と、前記圧電体層上に設けられているIDT電極とを備え、前記IDT電極が複数の電極指を有し、前記複数の電極指が、Al層またはAlを含む合金層であるAl金属層と、ヤング率が200GPa以上であり、かつAlよりも音響インピーダンスが高い高音響インピーダンス金属層とを有する積層体からなり、前記高音響インピーダンス金属層が、前記Al金属層よりも前記圧電体層側に位置しており、前記IDT電極の電極指ピッチにより規定される波長をλとし、前記圧電体層の波長比膜厚をtLTとしたときに、tLT≦1λであり、前記電極指の各層の膜厚を前記Al金属層の密度及びヤング率により規格化した各規格化膜厚の合計をTとしたときに、下記の式1を満たす。
 T≦0.1125tLT+0.0574…式1
 本発明に係る弾性波装置の他の広い局面では、エネルギー閉じ込め層と、前記エネルギー閉じ込め層上に設けられており、カット角が-10°以上、65°以下であるYカットX伝搬のタンタル酸リチウムを用いた圧電体層と、前記圧電体層上に設けられているIDT電極とを備え、前記IDT電極が複数の電極指を有し、前記複数の電極指が、Al層またはAlを含む合金層であるAl金属層と、ヤング率が200GPa以上であり、かつAlよりも音響インピーダンスが高い高音響インピーダンス金属層とを有する積層体からなり、前記高音響インピーダンス金属層が、前記Al金属層よりも前記圧電体層側に位置しており、前記高音響インピーダンス金属層が、Mo層、W層またはRu層であり、下記の式2を満たし、前記式2の各係数及び前記高音響インピーダンス金属層を構成する金属の組み合わせが、下記の表1に示す組み合わせである。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000003
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000004
 本発明に係る弾性波装置によれば、Q特性を高めることができる。
図1は、本発明の第1の実施形態に係る弾性波装置の正面断面図である。 図2は、本発明の第1の実施形態に係る弾性波装置の平面図である。 図3(a)~図3(c)は、高音響インピーダンス金属層に相当する金属層である、M層のヤング率と、Q値との関係を示す図である。 図4は、IDT電極がAl層のみからなる場合における、圧電体層の膜厚毎のQ特性を示す図である。 図5は、IDT電極がAl層のみまたはMo層及びAl層からなり、圧電体層の膜厚が0.4λである場合の、Q特性を示す図である。 図6は、IDT電極がAl層のみまたはMo層及びAl層からなり、圧電体層の膜厚が0.3λである場合の、Q特性を示す図である。 図7は、IDT電極がAl層のみまたはW層及びAl層からなり、圧電体層の膜厚が0.4λである場合の、Q特性を示す図である。 図8は、IDT電極がAl層のみまたはW層及びAl層からなり、圧電体層の膜厚が0.3λである場合の、Q特性を示す図である。 図9は、IDT電極がAl層のみまたはRu層及びAl層からなり、圧電体層の膜厚が0.4λである場合の、Q特性を示す図である。 図10は、IDT電極がAl層のみまたはRu層及びAl層からなり、圧電体層の膜厚が0.3λである場合の、Q特性を示す図である。 図11は、Al層の膜厚と規格化導電率との関係を示す図である。 図12は、LiTaOからなる圧電体層の厚みと、比帯域との関係を示す図である。 図13は、LiTaOからなる圧電体層の膜厚と、SiOからなる低音速膜の波長比膜厚と、電気機械結合係数との関係を示す図である。 図14は、本発明の第1の実施形態の第1の変形例に係る弾性波装置の正面断面図である。 図15は、本発明の第1の実施形態の第2の変形例に係る弾性波装置の正面断面図である。 図16は、本発明の第1の実施形態の第3の変形例に係る弾性波装置の正面断面図である。
 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。
 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は、本発明の第1の実施形態に係る弾性波装置の正面断面図である。
 弾性波装置1は圧電性基板2を有する。本実施形態の圧電性基板2は、エネルギー閉じ込め層3と、エネルギー閉じ込め層3上に設けられている圧電体層7とを有する。本実施形態のエネルギー閉じ込め層3は、高音速材料層としての高音速支持基板5と、高音速支持基板5上に設けられている低音速膜6との積層体である。圧電体層7は、カット角が-10°以上、65°以下であるYカットX伝搬のタンタル酸リチウムを用いた圧電体層である。
 圧電性基板2の圧電体層7上にはIDT電極8が設けられている。IDT電極8に交流電圧を印加することにより、弾性波が励振される。圧電性基板2上におけるIDT電極8の弾性波伝搬方向両側には、一対の反射器9A及び反射器9Bが設けられている。本実施形態の弾性波装置1は弾性波共振子である。もっとも、本発明に係る弾性波装置1は弾性波共振子には限定されず、複数の弾性波共振子を有するフィルタ装置などであってもよい。
 上記低音速膜6は相対的に低音速な膜である。より具体的には、低音速膜6を伝搬するバルク波の音速は、圧電体層7を伝搬するバルク波の音速よりも低い。本実施形態においては、低音速膜6は酸化ケイ素膜である。酸化ケイ素はSiOで表される。xは任意の正数である。弾性波装置1においては、低音速膜6を構成する酸化ケイ素はSiOである。なお、低音速膜6の材料は上記に限定されず、例えば、ガラス、酸窒化ケイ素、酸化タンタル、または、酸化ケイ素にフッ素、炭素やホウ素、水素、あるいはシラノール基を加えた化合物を主成分とする材料を用いることができる。
 上記高音速材料層は相対的に高音速な材料からなる層である。より具体的には、高音速材料層を伝搬するバルク波の音速は、圧電体層7を伝搬する弾性波の音速よりも高い。高音速材料層である高音速支持基板5の材料としては、例えば、酸化アルミニウム、炭化ケイ素、窒化ケイ素、酸窒化ケイ素、シリコン、サファイア、タンタル酸リチウム、ニオブ酸リチウム、水晶、アルミナ、ジルコニア、コージライト、ムライト、ステアタイト、フォルステライト、マグネシア、DLC(ダイヤモンドライクカーボン)膜またはダイヤモンドなど、上記材料を主成分とする媒質を用いることができる。
 本実施形態の弾性波装置1は、高音速支持基板5及び低音速膜6の積層体であるエネルギー閉じ込め層3上に圧電体層7が積層された構成を有するため、弾性波のエネルギーを圧電体層7側に効果的に閉じ込めることができる。なお、低音速膜6は必ずしも設けられていなくともよい。本実施形態では、高音速材料層上に、低音速膜6を介して間接的に圧電体層7が設けられているが、高音速材料層上に直接的に圧電体層7が設けられていてもよい。
 図2は、第1の実施形態に係る弾性波装置の平面図である。
 IDT電極8は、対向し合う第1のバスバー16及び第2のバスバー17を有する。IDT電極8は、第1のバスバー16にそれぞれ一端が接続されている複数の第1の電極指18を有する。さらに、IDT電極8は、第2のバスバー17にそれぞれ一端が接続されている複数の第2の電極指19を有する。複数の第1の電極指18と複数の第2の電極指19とは互いに間挿し合っている。
 図1に示すように、IDT電極8はAl金属層15と、高音響インピーダンス金属層14とを有する積層体からなる。Al金属層15は、Al層またはAlを含む合金層である。本実施形態では、Al金属層15はAl層である。IDT電極8における高音響インピーダンス金属層14は、ヤング率が200GPa以上であり、かつAlよりも音響インピーダンスが高い金属層である。弾性波装置1における高音響インピーダンス金属層14は、Mo層、W層またはRu層である。もっとも、高音響インピーダンス金属層14は上記に限定されない。高音響インピーダンス金属層14は、Al金属層15よりも圧電体層7側に位置している。
 ところで、IDT電極8の電極指ピッチにより規定される波長をλとし、圧電体層7の波長比膜厚をtLTとしたときに、tLT≦1λである。電極指ピッチとは、IDT電極8の電極指中心間距離をいう。
 IDT電極8の電極指の各層の膜厚をAl金属層15の密度及びヤング率により規格化した各規格化膜厚の合計をTとする。なお、Tは、IDT電極8が有する複数の電極指のうちの任意の電極指における上記規格化膜厚の合計である。本実施形態では、いずれの第1の電極指18のT及び第2の電極指19のTも同じである。ここで、任意の金属種iの波長比膜厚をt、密度をρ、ヤング率をYとする。iは0以上の正数であり、i=0がAl金属層15を構成する金属種である。Al金属層15の波長比膜厚はt、密度はρ、ヤング率はYである。本願発明者らは、上記のように定義づけすることにより、Al金属層15の密度ρ及びヤング率Yにより規格化したIDT電極8の複数の第1の電極指18及び複数の第2の電極指19の各層の膜厚の合計Tを、以下のように表すことができることを見出した。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000005
 以下においては、Al金属層15の密度ρ及びヤング率Yにより規格化した膜厚を単に規格化膜厚と記載することがある。ここで、弾性波装置1では、IDT電極8の電極指の各層の規格化膜厚の合計Tと、圧電体層7の波長比膜厚tLTとの関係において、下記の式1を満たす。
 T≦0.1125tLT+0.0574…式1
 さらに、弾性波装置1は下記の式2を満たす。なお、高音響インピーダンス金属層14がMo層である場合、W層である場合、Ru層である場合のそれぞれにおいては、式2の各係数は下記の表2に示す通りの値である。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000006
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000007
 もっとも、式1を満たしていればよく、必ずしも式2を満たしていなくともよい。
 本実施形態の特徴は以下の構成を有することにある。1)IDT電極8の第1の電極指18及び第2の電極指19がAl金属層15及び高音響インピーダンス金属層14を有する積層体からなり、高音響インピーダンス金属層14がAl金属層15よりも圧電体層7側に位置していること。2)高音響インピーダンス金属層14のヤング率が200GPa以上であること。3)tLT≦1λであり、上記式1を満たすこと。4)上記式2を満たし、式2の各係数及び高音響インピーダンス金属層14を構成する金属の組み合わせが、上記表2に示す組み合わせであること。それによって、Q特性を高めることができ、エネルギーの損失を効果的に低くすることができる。これを以下において説明する。
 なお、本明細書においてQ特性は、周波数fとQ値との積である、f×Qにより表す特性である。以下においては、膜厚をtとしたときに、膜厚をt/λ×100(%)として表すことがある。
 図3(a)~図3(c)を用いて、1)高音響インピーダンス金属層14がIDT電極8の第1の電極指18及び第2の電極指19を構成する積層体において、Al金属層15よりも圧電体層7側に位置すること、及び、2)高音響インピーダンス金属層14のヤング率が200GPa以上であることにより、Q値を高めることができることを説明する。図4~図10を用いて、3)tLT≦1λであり、上記式1を満たすことにより、Q特性を高めることができ、エネルギーの損失を低くすることができることを説明する。さらに、図6などを用いて、4)上記式2を満たし、式2の各係数及び高音響インピーダンス金属層14を構成する金属の組み合わせが、上記表2に示す組み合わせであることによって、より確実にQ値を高めることができることを示す。
 ここで、第1の実施形態における高音響インピーダンス金属層に相当する金属層をM層とする。M層のヤング率とQ値との関係を求めるために、M層の密度及びヤング率を異ならせて、有限要素法によるシミュレーションを行った。なお、上記シミュレーションは、弾性波装置が低音速膜を有さず、高音速支持基板上に直接的に圧電体層が設けられている条件において行った。より具体的には、条件は以下の通りである。
 IDT電極の層構成:圧電体層側から、M層/Al層
 M層の密度:2.7g/cm、5.4g/cm、8.1g/cm、10.8g/cm、13.5g/cm、16.2g/cm、18.9g/cmまたは21.6g/cm
 M層の膜厚:2%、4%または6%
 Al層の膜厚:7%
 圧電体層の材料:42°Yカットのタンタル酸リチウム(42Y-LiTaO
 圧電体層の膜厚:0.3λ
 エネルギー閉じ込め層の層構成:高音速支持基板
 高音速支持基板の材料:ZカットX伝搬の水晶
 図3(a)~図3(c)は、高音響インピーダンス金属層に相当する金属層である、M層のヤング率と、Q値との関係を示す図である。図3(a)においては、M層の膜厚を2%とし、M層の密度を異ならせたそれぞれの場合における、M層のヤング率に対するQ値の依存性を示す。図3(b)においては、M層の膜厚を4%とし、M層の密度を異ならせたそれぞれの場合における、M層のヤング率に対するQ値の依存性を示す。図3(c)においては、M層の膜厚を6%とし、M層の密度を異ならせたそれぞれの場合における、M層のヤング率に対するQ値の依存性を示す。
 図3(a)に示すように、M層の密度がいずれの場合においても、M層のヤング率が200GPa以上であれば、Q値が安定して高くなることがわかる。同様に、図3(b)及び図3(c)に示すように、M層の膜厚が異なる場合においても、M層のヤング率が200GPa以上であれば、Q値が安定して高くなることがわかる。よって、図1に示す第1の実施形態においては、高音響インピーダンス金属層14のヤング率が200GPa以上であるため、Q値を安定して高めることができる。
 図4において、IDT電極がAl層のみからなる点において第1の実施形態と異なる弾性波装置のQ特性を示す。Q特性を測定した弾性波装置の条件は以下の通りである。なお、弾性波伝搬方向から見て、IDT電極における隣り合う電極指が重なり合っている領域を交叉領域とする。交叉領域の、弾性波伝搬方向に直交する方向に沿う寸法を交叉幅とする。
 IDT電極の層構成:Al層
 IDT電極の波長λ:2μm
 IDT電極の電極指の対数:100対
 IDT電極の交叉幅:15λ
 反射器の電極指の本数:10本
 圧電体層の材料:55°Yカットのタンタル酸リチウム(55Y-LiTaO
 圧電体層の膜厚:0.15λ以上、0.3λ以下
 エネルギー閉じ込め層の層構成:高音速支持基板/低音速膜
 低音速膜の材料:酸化ケイ素
 図4は、IDT電極がAl層のみからなる場合における、圧電体層の膜厚毎のQ特性を示す図である。図4においては、破線は、圧電体層の膜厚が300nmの場合の結果を示し、一点鎖線は、圧電体層の膜厚が400nmの場合の結果を示し、二点鎖線は、圧電体層の膜厚が500nmの場合の結果を示し、実線は、圧電体層の膜厚が600nmの場合の結果を示す。
 図4に示すように、圧電体層がいずれの膜厚であっても、Q特性が最大値をとるIDT電極の電極指の膜厚が存在することがわかる。圧電体層の膜厚に対して電極指の膜厚が薄すぎると、反射係数は小さくなるため、Q特性は低くなる。他方、電極指の膜厚が厚すぎると、音響エネルギーの損失が比較的大きいIDT電極の金属層にエネルギーが多く分布することとなり、Q特性が劣化することとなる。そのため、Q特性が最大値をとる電極指の膜厚が存在する。また、圧電体層の膜厚が厚くなると、音響損失の小さい圧電単結晶に音響エネルギーが比較的多く分布することになる。そのため、エネルギー閉じ込めが成立する範囲においては、圧電体層の波長比膜厚が厚くなるほど達成可能なQ特性の最大値が大きい。ここで、IDT電極がAl層のみからなる場合の、Q特性が最大値をとるときのIDT電極の電極指の膜厚をTとする。電極指の膜厚をTまで厚くするにつれて、Q特性が高くなり、かつ電極指の電気抵抗値が低くなる。
 図4に示すように、Tは圧電体層の膜厚に応じて変動する。本願発明者らは、圧電体層の波長比膜厚tLTを用いた、Tを求める下記の近似式を導出した。なお、下記の近似式におけるTは波長比膜厚である。
 T≒0.1125tLT+0.0574
 図5及び図6において、IDT電極が、Al金属層としてのAl層と、高音響インピーダンス金属層としてのMo層との積層体からなる弾性波装置のQ特性を示す。該弾性波装置の条件は以下の通りである。
 IDT電極の層構成:圧電体層側からMo層/Al層
 IDT電極の波長λ:2μm
 IDT電極の電極指の対数:100対
 IDT電極の交叉幅:15λ
 反射器の電極指の本数:10本
 圧電体層の材料:55°Yカットのタンタル酸リチウム(55Y-LiTaO
 圧電体層の膜厚:0.3λまたは0.4λ
 エネルギー閉じ込め層の層構成:高音速支持基板/低音速膜
 低音速膜の材料:酸化ケイ素
 下記の図5及び図6においては、Mo層の膜厚が0%、1%、2%または3%のそれぞれの場合において、Al層の膜厚を変化させることにより、IDT電極の電極指の各層の膜厚の合計Tを変化させた場合のQ特性の変化を示す。
 図5は、IDT電極がAl層のみまたはMo層及びAl層からなり、圧電体層の膜厚が0.4λである場合の、Q特性を示す図である。図6は、IDT電極がAl層のみまたはMo層及びAl層からなり、圧電体層の膜厚が0.3λである場合の、Q特性を示す図である。図5及び図6においては、一点鎖線はMo層の膜厚が1%の場合の結果を示し、二点鎖線はMo層の膜厚が2%の場合の結果を示し、実線はMo層の膜厚が3%の場合の結果を示す。破線はIDT電極がAl層のみからなる場合の結果を示す。図5においては、IDT電極がAl層のみからなる場合の、Q特性が最大値をとるときのIDT電極の電極指の上記膜厚Tを、規格化膜厚として、直線状の破線により示す。図6以降のQ特性を示す図においても同様である。
 高音響インピーダンス金属層であるMo層がAl層よりも圧電体層側に積層されている場合、図5に示すように、少なくとも規格化膜厚の関係がT≦Tのときには、IDT電極がAl層のみからなる場合よりもQ特性が優位であることがわかる。図6に示す場合においても同様である。このように、T≦Tの場合には、Q特性を高めることができる。よって、エネルギーの損失を低くすることができる。
 ここで、T≦Tの関係において、上記のTの近似式を適用することにより、式1を導出することができる。
 T≦0.1125tLT+0.0574…式1
 式1を満たすことにより、Q特性を高めることができ、エネルギーの損失を低くすることができる。さらに、以下において、高音響インピーダンス金属層がMo層以外である場合においても、式1を満たすことによりQ特性を高められることを示す。
 図5及び図6に示すQ特性を求めた条件と、IDT電極のMo層を他の高音響インピーダンス金属層としたこと以外は同様の条件の弾性波装置のQ特性を、下記の図7~図10に示す。高音響インピーダンス金属層をW層とした場合においては、W層の膜厚を0.5%、1%または2%とした。高音響インピーダンス金属層をRu層とした場合においては、Ru層の膜厚を1%、2%または3%とした。
 図7は、IDT電極がAl層のみまたはW層及びAl層からなり、圧電体層の膜厚が0.4λである場合の、Q特性を示す図である。図8は、IDT電極がAl層のみまたはW層及びAl層からなり、圧電体層の膜厚が0.3λである場合の、Q特性を示す図である。図7及び図8においては、一点鎖線はW層の膜厚が0.5%の場合の結果を示し、二点鎖線はW層の膜厚が1%の場合の結果を示し、実線はW層の膜厚が2%の場合の結果を示す。破線はIDT電極がAl層のみからなる場合の結果を示す。
 高音響インピーダンス金属層であるW層がAl層よりも圧電体層側に積層されている場合、図7に示すように、少なくとも規格化膜厚の関係がT≦Tのときには、IDT電極がAl層のみからなる場合よりもQ特性が優位であることがわかる。図8に示す場合においても同様である。このように、高音響インピーダンス金属層がW層である場合においても、上記式1を満たすことにより、Q特性を高めることができ、エネルギーの損失を低くすることができる。
 図9は、IDT電極がAl層のみまたはRu層及びAl層からなり、圧電体層の膜厚が0.4λである場合の、Q特性を示す図である。図10は、IDT電極がAl層のみまたはRu層及びAl層からなり、圧電体層の膜厚が0.3λである場合の、Q特性を示す図である。図9及び図10においては、一点鎖線はRu層の膜厚が1%の場合の結果を示し、二点鎖線はRu層の膜厚が2%の場合の結果を示し、実線はRu層の膜厚が3%の場合の結果を示す。破線はIDT電極がAl層のみからなる場合の結果を示す。
 高音響インピーダンス金属層であるRu層がAl層よりも圧電体層側に積層されている場合、図9に示すように、少なくとも規格化膜厚の関係がT≦Tのときには、IDT電極がAl層のみからなる場合よりもQ特性が優位であることがわかる。図10に示す場合においても同様である。このように、高音響インピーダンス金属層がRu層である場合においても、上記式1を満たすことにより、Q特性を高めることができ、エネルギーの損失を低くすることができる。
 さらに、IDT電極の電極指の各層の膜厚の合計Tが規格化膜厚T以下の場合だけではなく、IDT電極の電極指の各層の膜厚の合計Tが規格化膜厚Tより大きい場合においても、Q特性を高めることができる場合がある。本願発明者らは、T≦Tの場合、及び、T>Tの場合の双方おいて、Q特性を高めることができる条件を見出した。より具体的には、下記の式2を満たし、かつ式2におけるそれぞれの各係数及び高音響インピーダンス金属層を構成する金属が上記表2に示す組み合わせであることにより、T≦Tの場合、及び、T>Tの場合の双方において、Q特性を高めることができる。すなわち、Tがあらゆる値をとる場合において、Q特性を高めることができる。従って、エネルギーの損失をより一層確実に低くすることができる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000008
 式2を満たし、かつ式2におけるそれぞれの各係数及び高音響インピーダンス金属層を構成する金属が上記表2に示す組み合わせである場合には、必ずしも式1を満たしていなくともよい。もっとも、式1を満たしていることが望ましい。
 ところで、図1に示すIDT電極8におけるAl金属層15がAl層であり、Al層の膜厚が85nm以上であることが好ましい。それによって、Al層の形成に際しAl層の膜厚にばらつきが生じた場合においても、電気抵抗値を安定させることができる。これを下記の図11を用いて説明する。なお、図11においては、導電率をAl層の膜厚により規格化した規格化導電率を示す。
 図11は、Al層の膜厚と規格化導電率との関係を示す図である。図11においては、各プロットがAl層の各膜厚における規格化導電率を示す。図11中の破線は、後述する式3の関係を示す。
 図11に示すように、Al層の膜厚が厚くなり、85nmに近づくほど、規格化導電率が高くなっていることがわかる。Al層の膜厚が85nm以上である場合においては、規格化導電率が一定となっていることがわかる。よって、Al層の膜厚を85nm以上とすることにより、電気抵抗値を安定させることができる。
 なお、図11に示すAl層の膜厚と規格化導電率との関係は、下記の式3により表すことができる。ここで、iを金属種とし、hを金属種iの膜厚とし、κを導電率とし、κsatを飽和導電率とする。もっとも、第1の実施形態では、金属種iはAlである。
 κ(h)=κsat{0.36ln(h)-0.6}…式3
 式3は、膜厚hが、導電率κが飽和導電率κsatとなる臨界膜厚hi-satよりも薄い場合の式である。膜厚hが臨界膜厚hi-satを超えると、導電率κについては、κ(h)=κsatの関係が成立する。臨界膜厚hi-satは、式3における{0.36ln(h)-0.6}が1となり、κ(h)=κsatが成立するときの膜厚hである。より具体的には、臨界膜厚hi-satは、約85.15nmである。このことからも明らかなように、Al層の膜厚を85nm以上とすることにより、導電率を安定させることができ、電気抵抗値を安定させることができる。
 ところで、図12に示すように、圧電体層7としてのLiTaO膜の膜厚が、0.05λ以上、0.5λ以下の範囲では、比帯域が大きく変化する。従って、電気機械結合係数をより広い範囲で調整することができる。よって、電気機械結合係数及び比帯域の調整範囲を広げるためには、圧電体層7の膜厚が、0.05λ以上、0.5λ以下の範囲内であることが好ましい。
 図13に示すように、圧電体層7としてのLiTaO膜の膜厚が、0.05λ以上、0.35λ以下の範囲では、電気機械結合係数をより一層高くすることができる。これにより、スプリアスを遠ざけることができる。よって、圧電体層7の膜厚は、0.05λ以上、0.35λ以下の範囲内であることがより好ましい。
 図1に示すように、第1の実施形態においては、エネルギー閉じ込め層3は、高音速支持基板5及び低音速膜6の積層体であるが、エネルギー閉じ込め層3の構成はこれに限定されない。以下において、エネルギー閉じ込め層の構成が第1の実施形態と異なる、第1の実施形態の第1~第3の変形例を示す。第1~第3の変形例においても、第1の実施形態と同様に、Q特性を高めることができ、エネルギーの損失を低くすることができる。
 図14に示す第1の変形例においては、圧電性基板22Aは、高音速支持基板5と、高音速支持基板5上に直接的に設けられている圧電体層7とを有する。本変形例のエネルギー閉じ込め層は高音速支持基板5である。
 図15に示す第2の変形例においては、圧電性基板22Bは、支持基板24と、支持基板24上に設けられている高音速膜25と、高音速膜25上に設けられている低音速膜6と、低音速膜6上に設けられている圧電体層7とを有する。本変形例の高音速材料層は高音速膜25である。エネルギー閉じ込め層23は、高音速膜25及び低音速膜6の積層体である。
 高音速膜25の材料としては、例えば、酸化アルミニウム、炭化ケイ素、窒化ケイ素、酸窒化ケイ素、シリコン、サファイア、タンタル酸リチウム、ニオブ酸リチウム、水晶、アルミナ、ジルコニア、コージライト、ムライト、ステアタイト、フォルステライト、マグネシア、DLC(ダイヤモンドライクカーボン)膜またはダイヤモンドなど、上記材料を主成分とする媒質を用いることができる。
 支持基板24の材料としては、例えば、酸化アルミニウム、タンタル酸リチウム、ニオブ酸リチウム、水晶などの圧電体、アルミナ、マグネシア、窒化ケイ素、窒化アルミニウム、炭化ケイ素、ジルコニア、コージライト、ムライト、ステアタイト、フォルステライトなどの各種セラミック、サファイア、ダイヤモンド、ガラスなどの誘電体、シリコン、窒化ガリウムなどの半導体または樹脂などを用いることができる。
 図16に示す第3の変形例においては、圧電性基板22Cは、支持基板24と、支持基板24上に設けられている音響反射膜26と、音響反射膜26上に設けられている圧電体層7とを有する。本変形例のエネルギー閉じ込め層は音響反射膜26である。
 音響反射膜26は複数の音響インピーダンス層の積層体である。より具体的には、音響反射膜26は、相対的に音響インピーダンスが低い低音響インピーダンス層27A及び低音響インピーダンス層27Bと、相対的に音響インピーダンスが高い高音響インピーダンス層28A及び高音響インピーダンス層28Bとを有する。本変形例においては、音響反射膜26において、低音響インピーダンス層及び高音響インピーダンス層は交互に積層されている。なお、低音響インピーダンス層27Aが音響反射膜26において最も圧電体層7側に位置する層である。
 音響反射膜26は、低音響インピーダンス層及び高音響インピーダンス層をそれぞれ2層ずつ有する。もっとも、音響反射膜26は、低音響インピーダンス層及び高音響インピーダンス層をそれぞれ少なくとも1層ずつ有していればよい。
 低音響インピーダンス層の材料としては、酸化ケイ素またはアルミニウムなどを用いることができる。
 高音響インピーダンス層の材料としては、例えば、白金またはタングステンなどの金属や、窒化アルミニウムまたは窒化ケイ素などの誘電体を用いることができる。
1…弾性波装置
2…圧電性基板
3…エネルギー閉じ込め層
5…高音速支持基板
6…低音速膜
7…圧電体層
8…IDT電極
9A,9B…反射器
14…高音響インピーダンス金属層
15…Al金属層
16,17…第1,第2のバスバー
18,19…第1,第2の電極指
22A~22C…圧電性基板
23…エネルギー閉じ込め層
24…支持基板
25…高音速膜
26…音響反射膜
27A,27B…低音響インピーダンス層
28A,28B…高音響インピーダンス層

Claims (10)

  1.  エネルギー閉じ込め層と、
     前記エネルギー閉じ込め層上に設けられており、カット角が-10°以上、65°以下であるYカットX伝搬のタンタル酸リチウムを用いた圧電体層と、
     前記圧電体層上に設けられているIDT電極と、
    を備え、
     前記IDT電極が複数の電極指を有し、前記複数の電極指が、Al層またはAlを含む合金層であるAl金属層と、ヤング率が200GPa以上であり、かつAlよりも音響インピーダンスが高い高音響インピーダンス金属層と、を有する積層体からなり、
     前記高音響インピーダンス金属層が、前記Al金属層よりも前記圧電体層側に位置しており、
     前記IDT電極の電極指ピッチにより規定される波長をλとし、前記圧電体層の波長比膜厚をtLTとしたときに、tLT≦1λであり、
     前記電極指の各層の膜厚を前記Al金属層の密度及びヤング率により規格化した各規格化膜厚の合計をTとしたときに、下記の式1を満たす、弾性波装置。
     T≦0.1125tLT+0.0574…式1
  2.  エネルギー閉じ込め層と、
     前記エネルギー閉じ込め層上に設けられており、カット角が-10°以上、65°以下であるYカットX伝搬のタンタル酸リチウムを用いた圧電体層と、
     前記圧電体層上に設けられているIDT電極と、
    を備え、
     前記IDT電極が複数の電極指を有し、前記複数の電極指が、Al層またはAlを含む合金層であるAl金属層と、ヤング率が200GPa以上であり、かつAlよりも音響インピーダンスが高い高音響インピーダンス金属層と、を有する積層体からなり、
     前記高音響インピーダンス金属層が、前記Al金属層よりも前記圧電体層側に位置しており、
     前記高音響インピーダンス金属層が、Mo層、W層またはRu層であり、
     下記の式2を満たし、
     前記式2の各係数及び前記高音響インピーダンス金属層を構成する金属の組み合わせが、下記の表1に示す組み合わせである、弾性波装置。
    Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
    Figure JPOXMLDOC01-appb-T000002
  3.  前記Al金属層がAl層であり、前記Al金属層の膜厚が85nm以上である、請求項1または2に記載の弾性波装置。
  4.  前記エネルギー閉じ込め層が高音速材料層を有し、
     前記高音速材料層を伝搬するバルク波の音速が、前記圧電体層を伝搬する弾性波の音速よりも高い、請求項1~3のいずれか1項に記載の弾性波装置。
  5.  前記エネルギー閉じ込め層が、前記高音速材料層と前記圧電体層との間に設けられている低音速膜を有し、
     前記低音速膜を伝搬するバルク波の音速が、前記圧電体層を伝搬するバルク波の音速よりも低い、請求項4に記載の弾性波装置。
  6.  前記高音速材料層が高音速支持基板である、請求項4または5に記載の弾性波装置。
  7.  支持基板をさらに備え、
     前記高音速材料層が、前記支持基板と前記低音速膜との間に設けられている高音速膜である、請求項5に記載の弾性波装置。
  8.  支持基板をさらに備え、
     前記エネルギー閉じ込め層が、前記支持基板上に設けられている音響反射膜であり、
     前記音響反射膜が、相対的に音響インピーダンスが高い高音響インピーダンス層と、相対的に音響インピーダンスが低い低音響インピーダンス層と、を有し、前記高音響インピーダンス層及び前記低音響インピーダンス層が交互に積層されており、
     前記音響反射膜上に前記圧電体層が設けられている、請求項1~3のいずれか1項に記載の弾性波装置。
  9.  前記圧電体層の膜厚が0.05λ以上、0.5λ以下である、請求項1~8のいずれか1項に記載の弾性波装置。
  10.  前記圧電体層の膜厚が0.05λ以上、0.35λ以下である、請求項9に記載の弾性波装置。
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