WO2022168797A1 - 弾性波装置 - Google Patents
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Definitions
- the present invention relates to elastic wave devices.
- Patent Literature 1 discloses an example of an elastic wave device.
- a supporting substrate a high acoustic velocity film, a low acoustic velocity film and a piezoelectric layer are laminated in this order.
- An IDT (Interdigital Transducer) electrode is provided on the piezoelectric layer.
- the high acoustic velocity film is made of SiNx . Higher-order modes are suppressed by setting x ⁇ 0.67.
- An object of the present invention is to provide an elastic wave device capable of suppressing higher-order modes in a wide band.
- An acoustic wave device comprises a crystal substrate, a silicon nitride film provided on the crystal substrate, a piezoelectric layer provided on the silicon nitride film, and a piezoelectric layer provided on the piezoelectric layer. and an IDT electrode having a plurality of electrode fingers.
- FIG. 1 is a front cross-sectional view showing part 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 invention.
- FIG. 3 is a schematic diagram showing a coordinate system of Euler angles.
- FIG. 4 is a diagram showing phase characteristics of elastic wave devices according to the first embodiment and the comparative example of the present invention.
- FIG. 5 is a front sectional view showing part of an elastic wave device according to a modification of the first embodiment of the invention.
- FIG. 6 is a diagram showing the relationship between ⁇ in the Euler angle of the quartz substrate, the thickness t of the silicon nitride film, and the Z ratio.
- FIG. 7 is a diagram showing the relationship between ⁇ , the thickness t of the silicon nitride film, and the phase of the higher-order mode when ⁇ in the Euler angle of the quartz substrate is 185° to 190°.
- FIG. 8 is an enlarged view of FIG.
- FIG. 9 is a diagram showing the relationship between ⁇ , the thickness t of the silicon nitride film, and the phase of the higher-order mode when ⁇ in the Euler angle of the quartz substrate is 190° to 240°.
- FIG. 10 is a stereographic projection showing the symmetry of elastic vibration in a quartz crystal.
- FIG. 11 is a diagram showing phase characteristics of elastic wave devices according to the second and third embodiments of the present invention.
- FIG. 1 is a front cross-sectional view showing part of the elastic wave device according to the first embodiment of the present invention.
- FIG. 2 is a plan view of the elastic wave device according to the first embodiment.
- 1 is a cross-sectional view taken along line II in FIG.
- the acoustic wave device 1 has a piezoelectric substrate 2.
- the piezoelectric substrate 2 includes a quartz substrate 3 , a silicon nitride film 4 , a low acoustic velocity film 5 and a lithium tantalate layer 6 . More specifically, a silicon nitride film 4 is provided on the crystal substrate 3 . A low-temperature velocity film 5 is provided on the silicon nitride film 4 . A lithium tantalate layer 6 is provided on the low-temperature film 5 .
- the piezoelectric layer of the piezoelectric substrate is not limited to the lithium tantalate layer, and may be, for example, a lithium niobate layer.
- An IDT electrode 7 is provided on the lithium tantalate layer 6 .
- elastic waves are excited.
- a pair of reflectors 8A and 8B are provided on both sides of the lithium tantalate layer 6 in the elastic wave propagation direction.
- the acoustic wave device 1 of this embodiment is a surface acoustic wave resonator.
- the elastic wave device according to the present invention is not limited to elastic wave resonators, and may be a filter device or a multiplexer having a plurality of elastic wave resonators.
- the low sound velocity film 5 shown in FIG. 1 is a relatively low sound velocity film. More specifically, the acoustic velocity of the bulk wave propagating through the low velocity film 5 is lower than the acoustic velocity of the bulk wave propagating through the lithium tantalate layer 6 .
- the low sound velocity film 5 is a silicon oxide film.
- the material of the low sound velocity film 5 is not limited to the above. can also be used.
- the piezoelectric substrate 2 includes the quartz substrate 3 and the lithium tantalate layer 6.
- the difference in coefficient of linear expansion in the piezoelectric substrate 2 can be reduced, and the frequency temperature characteristic can be improved.
- the low-temperature velocity film 5 is a silicon oxide film, the absolute value of the temperature coefficient of frequency (TCF) in the piezoelectric substrate 2 can be reduced, and the frequency temperature characteristics can be further improved. Note that the low sound velocity film 5 may not necessarily be provided.
- the lithium tantalate layer 6 preferably has a cut angle of 20° X-propagation for rotated Y-cut to 60° X-propagation for rotated Y-cut.
- the cut angle is preferably from the rotation Y cut 20° X propagation to the rotation Y cut 60° X propagation.
- the acoustic velocity of the bulk wave propagating through the crystal substrate 3 is lower than the acoustic velocity of the elastic wave propagating through the lithium tantalate layer 6 . More specifically, the sound velocity of the slow transverse wave propagating through the crystal substrate 3 is lower than the sound velocity of the surface acoustic wave propagating through the lithium tantalate layer 6 .
- the relationship between the speed of sound in the crystal substrate 3 and the lithium tantalate layer 6 is not limited to the above.
- the IDT electrode 7 has a first busbar 16 and a second busbar 17 and a plurality of first electrode fingers 18 and a plurality of second electrode fingers 19 .
- the first busbar 16 and the second busbar 17 face each other.
- One end of each of the plurality of first electrode fingers 18 is connected to the first bus bar 16 .
- One end of each of the plurality of second electrode fingers 19 is 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 7, the reflector 8A and the reflector 8B may be made of a laminated metal film, or may be made of a single layer metal film.
- ⁇ be the wavelength defined by the electrode finger pitch of the IDT electrode 7 .
- the thickness of the lithium tantalate layer 6 is 1 ⁇ or less. As a result, the excitation efficiency can be favorably increased.
- the electrode finger pitch is the center-to-center distance between adjacent electrode fingers.
- the piezoelectric substrate 2 includes a crystal substrate 3 , a silicon nitride film 4 and a lithium tantalate layer 6 .
- a mode near 2.2 times the resonance frequency can be made a leaky mode.
- high-order modes can be suppressed in a wide band. Details of this effect will be shown below by comparing the present embodiment and a comparative example.
- the comparative example differs from the first embodiment in that the piezoelectric substrate is a laminate of a silicon substrate, a silicon nitride film, a silicon oxide film, and a lithium tantalate layer. Phase characteristics were compared between the elastic wave device 1 having the configuration of the first embodiment and the elastic wave device of the comparative example. Design parameters of the elastic wave device 1 having the configuration of the first embodiment are as follows.
- Crystal substrate 3 Crystal substrate 3; Euler angles ( ⁇ , ⁇ , ⁇ ) (0°, 200°, 90°) Silicon nitride film 4; thickness: 2 ⁇ m Low sound velocity film 5; material: SiO 2 , thickness: 300 nm Lithium tantalate layer 6; material... LiTaO3 , thickness...400 nm IDT electrode 7; Layer structure: Ti layer/AlCu layer/Ti layer from the lithium tantalate layer 6 side, thickness: 12 nm/100 nm/4 nm from the lithium tantalate layer 6 side, wavelength ⁇ : 2 ⁇ m, duty: 0.5
- the orientation of the crystal substrate 3 is represented by Euler angles. It should be pointed out that the Euler angle coordinate system is the coordinate system shown in FIG. 3 and is different from the polar coordinate system.
- the initial coordinate axes are indicated by the X-axis, Y-axis and Z-axis, and the respective vectors after the rotational movements of ⁇ °, ⁇ ° and ⁇ ° are indicated by X 1 , X 2 and X 3 .
- FIG. 4 is a diagram showing phase characteristics of the elastic wave devices of the first embodiment and the comparative example.
- the high-order mode near 2.2 times the resonance frequency could not be suppressed.
- the first embodiment it can be seen that high-order modes can be suppressed in a wide band including around 2.2 times the resonance frequency.
- the piezoelectric substrate 2 the lithium tantalate layer 6 is indirectly provided on the silicon nitride film 4 via the low-temperature film 5 .
- the piezoelectric substrate 2 does not have to have the low acoustic velocity film 5 .
- the piezoelectric substrate 22 is a laminate of the quartz substrate 3, silicon nitride film 4 and lithium tantalate layer 6.
- lithium tantalate layer 6 is provided directly on silicon nitride film 4 . Also in this case, high-order modes can be suppressed in a wide band, as in the first embodiment.
- the Z ratio and the phase of the higher mode were measured each time the thickness of the silicon nitride film 4 was changed.
- the Z ratio is the impedance ratio. Specifically, the Z ratio is obtained by dividing the impedance at the antiresonant frequency by the impedance at the resonant frequency.
- the measured high-order mode phase is the phase component of the impedance of the maximum mode among the spurious modes occurring at 1.15 to 3 times the resonance frequency, including around 2.2 times the resonance frequency.
- the thickness of the silicon nitride film 4 was changed in increments of 0.05 ⁇ in the range of 0.1 ⁇ or more and 2.5 ⁇ or less. As a result, the relationship between the thickness of the silicon nitride film 4, the Z ratio, and the phase of the higher mode was determined. In the following, the thickness of the silicon nitride film 4 is assumed to be t.
- ⁇ in the Euler angles ( ⁇ , ⁇ , ⁇ ) of the crystal substrate 3 was varied to obtain the above relationships for each ⁇ .
- ⁇ was set to 0° and ⁇ was set to 90°.
- ⁇ was changed in increments of 1° in the range of 185° or more and 190° or less, and was changed in increments of 5° in the range of 190° or more and 240° or less.
- FIG. 6 is a diagram showing the relationship between ⁇ at the Euler angle of the quartz substrate, the thickness t of the silicon nitride film, and the Z ratio.
- a dashed-dotted line B1 and a dashed-dotted line B2 in FIG. 6 indicate the slope of the change in the Z ratio with respect to the change in the thickness t of the silicon nitride film 4 .
- the Z ratio increases as the thickness t of the silicon nitride film 4 increases regardless of the Euler angle ⁇ of the crystal substrate 3 .
- the thickness t of the silicon nitride film 4 is preferably t ⁇ 0.65 ⁇ .
- variations in the Z ratio can be reduced, and the Z ratio can be increased. Therefore, the electrical characteristics of the elastic wave device 1 can be stably enhanced.
- FIG. 7 is a diagram showing the relationship between ⁇ , the thickness t of the silicon nitride film, and the phase of the higher-order mode when ⁇ in the Euler angle of the quartz substrate is 185° to 190°.
- FIG. 8 is an enlarged view of FIG.
- FIG. 9 is a diagram showing the relationship between ⁇ , the thickness t of the silicon nitride film, and the phase of the higher-order mode when ⁇ in the Euler angle of the quartz substrate is 190° to 240°.
- the phase shown in FIGS. 7 to 9 is the phase component of the impedance of the maximum mode among the spurious modes occurring at 1.15 to 3 times the resonance frequency, including around 2.2 times the resonance frequency. be.
- the Euler angles ( ⁇ , ⁇ , ⁇ ) of the crystal substrate 3 are (within the range of 0° ⁇ 2.5°, ⁇ , within the range of 90° ⁇ 2.5°), and the Euler angle of the crystal substrate 3 is It is preferable that the relationship between ⁇ at the angle and the thickness t of the silicon nitride film 4 be one of the combinations shown in Table 1. As a result, the Z ratio can be stably increased, and high-order modes can be effectively suppressed.
- the acoustic velocity of bulk waves propagating through the crystal substrate 3 is lower than the acoustic velocity of elastic waves propagating through the lithium tantalate layer 6 .
- higher-order modes can be leaked from the crystal substrate 3, and the higher-order modes can be effectively suppressed.
- the Euler angles (0°, 200°, 90°) of the crystal substrate 3 of the elastic wave device 1 whose phase characteristics are shown in FIG.
- the acoustic velocity of the bulk wave propagating through the crystal substrate 3 is lower than the sound speed of an elastic wave propagating through
- Tables 2 to 14 indicate that each angle of the Euler angles ( ⁇ , ⁇ , ⁇ ) is within a range of ⁇ 2.5°. More specifically, in Table 2, ⁇ is within the range of ⁇ 2.5° ⁇ 2.5°, and in Table 3, ⁇ is in the range of 2.5° ⁇ 7.5°. Within range. Thus, in Tables 2 to 14, ⁇ increases in increments of 5°. In Table 14, ⁇ is within the range of 57.5° ⁇ 62.5°. Each table shows the range of ⁇ when the range of ⁇ is constant and the range of ⁇ is changed in increments of 5°.
- the range of ⁇ when ⁇ 2.5° ⁇ 2.5° is shown, and ⁇ is stated as 5°, the range of ⁇ is indicated when 2.5° ⁇ 7.5°.
- ⁇ is described as 175°, it indicates the range of ⁇ when 172.5° ⁇ 177.5°.
- the range of ⁇ in each table is also within the range of -2.5° or more of the lower limit and +2.5° or less of the upper limit.
- the acoustic velocity of the bulk wave propagating through the crystal substrate 3 is is lower than the sound velocity of the elastic wave propagating through the lithium tantalate layer 6 .
- the crystal symmetry of crystal is D 3 6 or D 3 4 in Schoenfries notation, or a point group of 32 in international notation. It is shown in Document 1 (Hiroshi KAMEIYAMA, Symmetry of Elastic Vibration in Quartz Crystal, Japanese Journal of Applied Physics, Volume 23, Number S1) that crystals have high symmetry with respect to polar coordinates ( ⁇ , ⁇ ). .
- various properties f( ⁇ , ⁇ ) related to elastic vibration such as sound velocity, elastic constant, displacement or frequency constant, are invariant due to symmetry operations.
- FIG. 10 is a stereographic projection showing the symmetry of elastic vibration in a quartz crystal.
- the inversion operation I is added to the symmetry operation of the crystal point group D 3 -32, it is the same as the stereographic projection of the crystal point group D 3d -3m (bar above 3).
- the black circular plots are the upper hemisphere equivalent points
- the white circular plots are the lower hemisphere equivalent points
- the oval plots are the two-fold rotation axis
- the triangular plots are the three It is a rotation axis.
- the 3-fold rotation axis in FIG. 10 corresponds to the Z-axis in Euler angle notation.
- multiple axes such as 0° and 60° (2 ⁇ /6) extend perpendicular to the Z-axis.
- the behavior of elastic vibration matches each time it is rotated in the ⁇ direction by 120° (4 ⁇ /6) around the Z axis. Then, the speed of sound from 0° to 60° and the speed of sound from 60° to 120° are symmetrical about the 60° axis. Therefore, as shown in Tables 2 to 14, by showing the orientations of the Euler angles when ⁇ is 0° to 60°, the other orientations are assumed to be equivalent to the above orientations.
- Euler angles characteristics can be expressed.
- the equivalent orientations are 1) and 2) below. 1) Euler angles when rotated 0°, 120° or 240° in the ⁇ direction about the Z axis. 2) Euler angles when rotated 60°, 180° or 300° in the ⁇ direction about the Z axis and then reversed (relationship between the front and back of the crystal substrate).
- a second embodiment and a third embodiment of the present invention are shown with reference to FIG.
- the second embodiment differs from the first embodiment only in that the acoustic velocity of bulk waves propagating through the crystal substrate 3 is higher than the acoustic velocity of elastic waves propagating through the lithium tantalate layer 6 .
- the Euler angles ( ⁇ , ⁇ , ⁇ ) of the crystal substrate 3 in the second embodiment are different from those in the first embodiment.
- the Euler angles ( ⁇ , ⁇ , ⁇ ) of the crystal substrate 3 are different from those of the elastic wave device having the phase characteristics shown in FIG.
- the elastic wave device of the third embodiment has substantially the same configuration as the elastic wave device of the first embodiment.
- the phase characteristics of the elastic wave device having the configuration of the second embodiment and the elastic wave device having the configuration of the third embodiment were compared.
- the design parameters of each elastic wave device are as follows.
- Silicon nitride film 4 thickness: 2 ⁇ m Low sound velocity film 5; material: SiO 2 , thickness: 300 nm Lithium tantalate layer 6; material... LiTaO3 , thickness...400 nm IDT electrode 7; Layer structure: Ti layer/AlCu layer/Ti layer from the lithium tantalate layer 6 side, thickness: 12 nm/100 nm/4 nm from the lithium tantalate layer 6 side, wavelength ⁇ : 2 ⁇ m, duty: 0.5
- the Euler angles ( ⁇ , ⁇ , ⁇ ) of the crystal substrate 3 are set to (0°, 180°, 90°).
- the sound velocity of slow transverse waves propagating through the crystal substrate 3 is 3915.4 m/s.
- the acoustic velocity of surface acoustic waves propagating through the lithium tantalate layer 6 is 3900 m/s. Therefore, the sound velocity of the slow transverse wave propagating through the crystal substrate 3 is higher than the sound velocity of the surface acoustic wave propagating through the lithium tantalate layer 6 .
- the Euler angles ( ⁇ , ⁇ , ⁇ ) of the crystal substrate 3 are set to (0°, 200°, 60°).
- the sound velocity of slow transverse waves propagating through the crystal substrate 3 is 3538.2 m/s.
- the acoustic velocity of surface acoustic waves propagating through the lithium tantalate layer 6 is 3900 m/s. Therefore, the sound velocity of the slow transverse wave propagating through the crystal substrate 3 is lower than the sound velocity of the surface acoustic wave propagating through the lithium tantalate layer 6 .
- FIG. 11 is a diagram showing phase characteristics of elastic wave devices according to the second embodiment and the third embodiment.
- the higher-order mode is -78 deg. can be suppressed to less than
- the higher-order mode is -75 deg. can be suppressed to less than
- the high-order mode is -78 deg. can be suppressed to less than
- the high-order mode can be leaked from the crystal substrate 3, and the high-order mode can be further suppressed in a wide band.
- SYMBOLS 1 Acoustic wave device 2
- Piezoelectric substrate 3 Crystal substrate 4
- Silicon nitride film 5 Low-temperature velocity film 6
- Lithium tantalate layer 7
- IDT electrodes 8A, 8B Reflectors 16, 17... First and second Bus bars 18, 19...
- First and second electrode fingers 22 Piezoelectric substrate
Abstract
広い帯域において高次モードを抑制することができる、弾性波装置を提供する。 本発明の弾性波装置1は、水晶基板3と、水晶基板3上に設けられている窒化ケイ素膜4と、窒化ケイ素膜4上に設けられているタンタル酸リチウム層6(圧電体層)と、タンタル酸リチウム層6上に設けられており、複数の第1,第2の電極指18,19を有するIDT電極7とを備える。
Description
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、低音速膜及び圧電体層が、この順序において積層されている。圧電体層上にIDT(Interdigital Transducer)電極が設けられている。高音速膜はSiNxからなる。x<0.67とすることにより、高次モードの抑制が図られている。
しかしながら、特許文献1に記載された弾性波装置においては、広い帯域において高次モードを抑制することは困難であった。
本発明の目的は、広い帯域において高次モードを抑制することができる、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は、水晶基板と、前記水晶基板上に設けられている窒化ケイ素膜と、前記窒化ケイ素膜上に設けられている圧電体層と、前記圧電体層上に設けられており、複数の電極指を有するIDT電極とを備える。
本発明に係る弾性波装置によれば、広い帯域において高次モードを抑制することができる。
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一部を示す正面断面図である。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。なお、図1は、図2中のI-I線に沿う断面図である。
図1に示すように、弾性波装置1は圧電性基板2を有する。圧電性基板2は、水晶基板3と、窒化ケイ素膜4と、低音速膜5と、タンタル酸リチウム層6とを含む。より具体的には、水晶基板3上に窒化ケイ素膜4が設けられている。窒化ケイ素膜4上に低音速膜5が設けられている。低音速膜5上にタンタル酸リチウム層6が設けられている。なお、圧電性基板が有する圧電体層は、タンタル酸リチウム層に限られず、例えばニオブ酸リチウム層であってもよい。
タンタル酸リチウム層6上にはIDT電極7が設けられている。IDT電極7に交流電圧を印加することにより、弾性波が励振される。図2に示すように、タンタル酸リチウム層6上における弾性波伝搬方向両側には、1対の反射器8A及び反射器8Bが設けられている。このように、本実施形態の弾性波装置1は弾性表面波共振子である。もっとも、本発明に係る弾性波装置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やマルチプレクサであってもよい。
図1に示す低音速膜5は、相対的に低音速な膜である。より具体的には、低音速膜5を伝搬するバルク波の音速は、タンタル酸リチウム層6を伝搬するバルク波の音速よりも低い。本実施形態では、低音速膜5は酸化ケイ素膜である。もっとも、低音速膜5の材料は上記に限定されず、例えば、ガラス、酸窒化ケイ素、酸化リチウム、五酸化タンタル、または、酸化ケイ素にフッ素、炭素やホウ素を加えた化合物を主成分とする材料を用いることもできる。
上記のように、圧電性基板2は、水晶基板3及びタンタル酸リチウム層6を含む。これにより、圧電性基板2中における線膨張係数の差を小さくすることができ、周波数温度特性を向上させることができる。さらに、低音速膜5は酸化ケイ素膜であるため、圧電性基板2における周波数温度係数(TCF)の絶対値を小さくすることができ、周波数温度特性をより一層改善することができる。なお、低音速膜5は必ずしも設けられていなくともよい。
また、タンタル酸リチウム層6は、カット角が回転Yカット20°X伝搬~回転Yカット60°X伝搬であることが好ましい。それによって、電気機械結合係数及びQ値が良好な弾性波素子を得ることができる。同様に、圧電体層がニオブ酸リチウム層である場合においても、カット角が回転Yカット20°X伝搬~回転Yカット60°X伝搬であることが好ましい。
本実施形態においては、水晶基板3を伝搬するバルク波の音速は、タンタル酸リチウム層6を伝搬する弾性波の音速よりも低い。より具体的には、水晶基板3を伝搬する遅い横波の音速は、タンタル酸リチウム層6を伝搬する弾性表面波の音速よりも低い。もっとも、水晶基板3及びタンタル酸リチウム層6における音速の関係は上記に限定されない。
図2に示すように、IDT電極7は、第1のバスバー16及び第2のバスバー17と、複数の第1の電極指18及び複数の第2の電極指19とを有する。第1のバスバー16及び第2のバスバー17は互いに対向している。第1のバスバー16に、複数の第1の電極指18の一端がそれぞれ接続されている。第2のバスバー17に、複数の第2の電極指19の一端がそれぞれ接続されている。複数の第1の電極指18及び複数の第2の電極指19は互いに間挿し合っている。IDT電極7、反射器8A及び反射器8Bは、積層金属膜からなっていてもよく、あるいは単層の金属膜からなっていてもよい。
ここで、IDT電極7の電極指ピッチにより規定される波長をλとする。タンタル酸リチウム層6の厚みは1λ以下である。これにより、励振効率を好適に高めることができる。なお、電極指ピッチとは、隣り合う電極指同士の中心間距離である。
本実施形態の特徴は、圧電性基板2が、水晶基板3、窒化ケイ素膜4及びタンタル酸リチウム層6を含み構成されていることにある。上記構成を有することにより、例えば共振周波数の2.2倍付近などのモードを、漏洩モードとすることができる。それによって、広い帯域において高次モードを抑制することができる。この効果の詳細を、本実施形態と比較例とを比較することにより、以下において示す。
比較例は、圧電性基板が、シリコン基板、窒化ケイ素膜、酸化ケイ素膜及びタンタル酸リチウム層の積層体である点において、第1の実施形態と異なる。第1の実施形態の構成を有する弾性波装置1及び比較例の弾性波装置において、位相特性を比較した。なお、第1の実施形態の構成を有する弾性波装置1の設計パラメータは以下の通りである。
水晶基板3;オイラー角(φ,θ,ψ)…(0°,200°,90°)
窒化ケイ素膜4;厚み…2μm
低音速膜5;材料…SiO2、厚み…300nm
タンタル酸リチウム層6;材料…LiTaO3、厚み…400nm
IDT電極7;層構成…タンタル酸リチウム層6側からTi層/AlCu層/Ti層、厚み…タンタル酸リチウム層6側から12nm/100nm/4nm、波長λ…2μm、デューティ…0.5
窒化ケイ素膜4;厚み…2μm
低音速膜5;材料…SiO2、厚み…300nm
タンタル酸リチウム層6;材料…LiTaO3、厚み…400nm
IDT電極7;層構成…タンタル酸リチウム層6側からTi層/AlCu層/Ti層、厚み…タンタル酸リチウム層6側から12nm/100nm/4nm、波長λ…2μm、デューティ…0.5
本明細書では、特に断りのない場合には、水晶基板3の方位をオイラー角により示す。オイラー角の座標系は、図3に示す座標系であって、極座標系とは異なることを指摘しておく。なお、図3では、初期の座標軸をX軸、Y軸、Z軸により示し、φ°、θ°及びψ°の回転動作後の各ベクトルをX1、X2及びX3により示す。
図4は、第1の実施形態及び比較例の弾性波装置の位相特性を示す図である。
図4中の矢印Aに示すように、比較例においては、共振周波数の2.2倍付近における高次モードを抑制することができていない。これに対して、第1の実施形態においては、共振周波数の2.2倍付近を含め、広い帯域において高次モードを抑制できていることがわかる。
ところで、圧電性基板2においては、タンタル酸リチウム層6は、窒化ケイ素膜4上に、低音速膜5を介して間接的に設けられている。もっとも、圧電性基板2は、低音速膜5を有しなくともよい。例えば、図5に示す第1の実施形態の変形例においては、圧電性基板22は、水晶基板3、窒化ケイ素膜4及びタンタル酸リチウム層6の積層体である。圧電性基板22においては、窒化ケイ素膜4上に直接的にタンタル酸リチウム層6が設けられている。この場合においても、第1の実施形態と同様に、広い帯域において高次モードを抑制することができる。
ここで、第1の実施形態の構成を有する弾性波装置1において、窒化ケイ素膜4の厚みを変化させる毎に、Z比及び高次モードの位相を測定した。Z比はインピーダンス比である。具体的には、Z比は、反共振周波数におけるインピーダンスを、共振周波数におけるインピーダンスにより割ることによって求められる。測定した高次モードの位相は、共振周波数の2.2倍付近を含む、共振周波数の1.15倍~3倍に生じるスプリアスモードのうち、最大となるモードのインピーダンスの位相成分である。なお、窒化ケイ素膜4の厚みは、0.1λ以上、2.5λ以下の範囲において、0.05λ刻みで変化させた。これにより、窒化ケイ素膜4の厚みと、Z比及び高次モードの位相との関係を求めた。以下においては、窒化ケイ素膜4の厚みをtとする。
さらに、水晶基板3のオイラー角(φ,θ,ψ)におけるθを変化させ、該θ毎の上記各関係を求めた。なお、水晶基板3のオイラー角におけるφは0°とし、ψは90°とした。θは、185°以上、190°以下の範囲において、1°刻みで変化させ、190°以上、240°以下の範囲において、5°刻みで変化させた。
図6は、水晶基板のオイラー角におけるθ及び窒化ケイ素膜の厚みtと、Z比との関係を示す図である。図6中の一点鎖線B1及び一点鎖線B2は、窒化ケイ素膜4の厚みtの変化に対するZ比の変化の傾きを示す。
図6に示すように、水晶基板3のオイラー角におけるθがいずれの場合においても、窒化ケイ素膜4の厚みtが厚くなるほど、Z比が大きくなっている。一点鎖線B1及び一点鎖線B2に示すように、t<0.65λである場合よりも、t≧0.65λである場合に、Z比の変化が小さくなっていることがわかる。よって、窒化ケイ素膜4の厚みtは、t≧0.65λであることが好ましい。これにより、Z比のばらつきを小さくすることができ、かつZ比を大きくすることができる。従って、弾性波装置1の電気的特性を安定的に高めることができる。一方で、t≦2.5λであることが好ましい。それによって、窒化ケイ素膜4を好適に形成することができ、生産性を高めることができる。
図7は、水晶基板のオイラー角におけるθが185°~190°の場合における、θ及び窒化ケイ素膜の厚みtと、高次モードの位相との関係を示す図である。図8は、図7を拡大した図である。図9は、水晶基板のオイラー角におけるθが190°~240°の場合における、θ及び窒化ケイ素膜の厚みtと、高次モードの位相との関係を示す図である。なお、図7~図9に示す位相は、共振周波数の2.2倍付近を含む、共振周波数の1.15倍~3倍に生じるスプリアスモードのうち、最大となるモードのインピーダンスの位相成分である。
図7に示すように、水晶基板3のオイラー角におけるθが187°≦θ<190°の場合には、窒化ケイ素膜4の厚みtが0.1λ≦t≦2.5λである場合において、高次モードの位相を-70deg.未満に抑制できることがわかる。一方で、θが185°≦θ<186.5°の範囲においては、窒化ケイ素膜4の厚みtが以下に示す範囲内である場合に、高次モードの位相を-70deg.未満に抑制できる。なお、上記の通り、0.65λ≦t≦2.5λであることが好ましいため、0.65λ≦t≦2.5λにおいて高次モードを抑制できる範囲を示す。図7及び図8に示すように、185°≦θ<185.5°の場合には、0.65λ≦t≦1.15λ、1.55λ≦t≦2.05λまたは2.45λ≦t≦2.5λであればよい。185.5°≦θ<186.5°の場合には、0.65λ≦t≦1.25λ、1.45λ≦t≦2.1λまたは2.35λ≦t≦2.5λであればよい。なお、186.5°≦θ<187°の場合には、0.65λ≦t≦2.5λであればよい。
他方、図9に示すように190°≦θ≦240°場合には、窒化ケイ素膜4の厚みtが0.65λ≦t≦2.5λであれば、高次モードの位相を-70deg.未満に抑制できることがわかる。
なお、水晶基板3のオイラー角におけるφが0°±2.5以内の範囲の場合、及びψが90°±2.5以内の範囲の場合には、上記のZ比及び高次モードに対する影響が小さいことがわかっている。以上より、水晶基板3のオイラー角(φ,θ,ψ)が(0°±2.5°の範囲内,θ,90°±2.5°の範囲内)であり、水晶基板3のオイラー角におけるθ及び窒化ケイ素膜4の厚みtの関係が、表1に示すいずれかの組み合わせであることが好ましい。それによって、安定的にZ比を大きくすることができ、かつ高次モードを効果的に抑制することができる。
上述したように、第1の実施形態においては、水晶基板3を伝搬するバルク波の音速は、タンタル酸リチウム層6を伝搬する弾性波の音速よりも低い。それによって、高次モードを水晶基板3から漏洩させることができ、高次モードを効果的に抑制することができる。なお、図4において位相特性を示した弾性波装置1の水晶基板3のオイラー角(0°,200°,90°)は、上記の音速の関係となる一例である。例えば、水晶基板3のオイラー角が、表2~表14に示す(φ,θ,ψ)の範囲内である場合においても、水晶基板3を伝搬するバルク波の音速が、タンタル酸リチウム層6を伝搬する弾性波の音速よりも低くなる。
なお、表2~表14においては、オイラー角(φ,θ,ψ)の各角度は、±2.5°以内の範囲内であることを示す。より具体的には、表2においては、φが-2.5°≦φ<2.5°の範囲内であり、表3においては、φが2.5°≦φ<7.5°の範囲内である。このように、表2~表14において、φは5°刻みで大きくなっている。表14においては、φは57.5°≦φ≦62.5°の範囲内である。各表においては、φの範囲を一定とし、ψの範囲を5°刻みで変化させた場合の、それぞれのθの範囲を示している。より具体的には、例えば各表において、ψが0°と記載されている場合には、-2.5°≦ψ<2.5°である場合のθの範囲が示されており、ψが5°と記載されている場合には、2.5°≦ψ<7.5°である場合のθの範囲が示されている。ψが175°と記載されている場合には、172.5°≦ψ≦177.5°である場合のθの範囲が示されている。各表におけるθの範囲も、記載された下限値の-2.5°以上、上限値の+2.5°以下の範囲内であることを示す。
さらに、水晶基板3のオイラー角が、表2~表14に示す(φ,θ,ψ)の範囲と等価なオイラー角の範囲内である場合においても、水晶基板3を伝搬するバルク波の音速が、タンタル酸リチウム層6を伝搬する弾性波の音速よりも低くなる。なお、水晶の結晶の対称性は、シェーンフリース表記においてD3
6またはD3
4、あるいは国際表記において32の点群となる。水晶が極座標(θ,φ)に対して高い対称性を有することは、文献1(Hiroshi KAMEYAMA, Symmetry of Elastic Vibration in Quartz Crystal, Japanese Journal of Applied Physics, Volume 23, Number S1)に示されている。以下において、対称操作によって、音速、弾性定数、変位または周波数定数などの弾性振動に関わる諸々の性質f(θ,φ)が不変であることを表す。
図10は、水晶の結晶における弾性振動の対称性を示したステレオ投影図である。なお、図10では、結晶点群D3-32の対称操作に反転操作Iが加わっているため、結晶点群D3d-3m(3の上にバー)のステレオ投影図と同一になっている。図10においては、黒色の円形のプロットが上半球の等価点であり、白色の円形のプロットが下半球の等価点であり、楕円形のプロットが2回回転軸であり、三角形のプロットが3回回転軸である。
図10における3回回転軸が、オイラー角表記においてのZ軸に相当する。図10においては、0°や60°(2π/6)などの複数の軸が、Z軸と垂直に延びている。図10に示すように、水晶の結晶では、Z軸を中心に、φ方向に120°(4π/6)回転させる毎に、弾性振動の挙動が一致する。そして、60°の軸を中心に、0°~60°の音速及び60°~120°の音速が対称になる。従って、表2~表14のように、φが0°~60°である場合のオイラー角の方位を示すことにより、他の方位は上記方位と等価であるものとして、水晶の全方位(全オイラー角)の特性を表現できる。ここで、等価な方位は、以下の1)及び2)となる。1)Z軸を中心にφ方向に0°、120°または240°回転させたときのオイラー角。2)Z軸を中心にφ方向に60°、180°または300°回転させて、さらに反転操作(水晶基板の表裏の関係)したときのオイラー角。
以下において、水晶基板3を伝搬するバルク波の音速が、タンタル酸リチウム層6を伝搬する弾性波の音速よりも低いことにより、高次モードを広い帯域において効果的に抑制できる効果の詳細を示す。
図1を援用して、本発明の第2の実施形態及び第3の実施形態を示す。第2の実施形態は、水晶基板3を伝搬するバルク波の音速が、タンタル酸リチウム層6を伝搬する弾性波の音速よりも高い点のみにおいて、第1の実施形態と異なる。より具体的には、第2の実施形態における水晶基板3のオイラー角(φ,θ,ψ)が第1の実施形態と異なる。第3の実施形態は、水晶基板3のオイラー角(φ,θ,ψ)が、図4に示す位相特性を有する弾性波装置と異なる。もっとも、第3の実施形態の弾性波装置は、実質的には、第1の実施形態の弾性波装置と同様の構成を有する。
第2の実施形態の構成を有する弾性波装置及び第3の実施形態の構成を有する弾性波装置の位相特性を比較した。なお、上記各弾性波装置の設計パラメータは以下の通りである。
窒化ケイ素膜4;厚み…2μm
低音速膜5;材料…SiO2、厚み…300nm
タンタル酸リチウム層6;材料…LiTaO3、厚み…400nm
IDT電極7;層構成…タンタル酸リチウム層6側からTi層/AlCu層/Ti層、厚み…タンタル酸リチウム層6側から12nm/100nm/4nm、波長λ…2μm、デューティ…0.5
低音速膜5;材料…SiO2、厚み…300nm
タンタル酸リチウム層6;材料…LiTaO3、厚み…400nm
IDT電極7;層構成…タンタル酸リチウム層6側からTi層/AlCu層/Ti層、厚み…タンタル酸リチウム層6側から12nm/100nm/4nm、波長λ…2μm、デューティ…0.5
第2の実施形態においては、水晶基板3のオイラー角(φ,θ,ψ)を(0°,180°,90°)とした。この場合、水晶基板3を伝搬する遅い横波の音速は3915.4m/sである。タンタル酸リチウム層6を伝搬する弾性表面波の音速は3900m/sである。よって、水晶基板3を伝搬する遅い横波の音速は、タンタル酸リチウム層6を伝搬する弾性表面波の音速よりも高い。
第3の実施形態においては、水晶基板3のオイラー角(φ,θ,ψ)を(0°,200°,60°)とした。この場合、水晶基板3を伝搬する遅い横波の音速は3538.2m/sである。タンタル酸リチウム層6を伝搬する弾性表面波の音速は3900m/sである。よって、水晶基板3を伝搬する遅い横波の音速は、タンタル酸リチウム層6を伝搬する弾性表面波の音速よりも低い。
図11は、第2の実施形態及び第3の実施形態の弾性波装置の位相特性を示す図である。
図11に示すように、第2の実施形態においては、矢印Cに示す帯域以外においては、高次モードを-78deg.未満に抑制することができている。もっとも、第2の実施形態では、矢印Cに示す帯域においても、高次モードを-75deg.未満に抑制することができている。他方、第3の実施形態では、矢印Cに示す帯域を含めて、広い帯域において高次モードを-78deg.未満に抑制することができている。このように、第2及び第3の実施形態では、高次モードを水晶基板3から漏洩させることができ、広い帯域において、高次モードをより一層抑制することができる。
1…弾性波装置
2…圧電性基板
3…水晶基板
4…窒化ケイ素膜
5…低音速膜
6…タンタル酸リチウム層
7…IDT電極
8A,8B…反射器
16,17…第1,第2のバスバー
18,19…第1,第2の電極指
22…圧電性基板
2…圧電性基板
3…水晶基板
4…窒化ケイ素膜
5…低音速膜
6…タンタル酸リチウム層
7…IDT電極
8A,8B…反射器
16,17…第1,第2のバスバー
18,19…第1,第2の電極指
22…圧電性基板
Claims (8)
- 水晶基板と、
前記水晶基板上に設けられている窒化ケイ素膜と、
前記窒化ケイ素膜上に設けられている圧電体層と、
前記圧電体層上に設けられており、複数の電極指を有するIDT電極と、
を備える、弾性波装置。 - 前記圧電体層は、タンタル酸リチウム層またはニオブ酸リチウム層である、請求項1に記載の弾性波装置。
- 前記圧電体層のカット角が、回転Yカット20°X伝搬~回転Yカット60°X伝搬である、請求項2に記載の弾性波装置。
- 前記窒化ケイ素膜及び前記圧電体層の間に設けられている低音速膜をさらに備え、
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1~3のいずれか1項に記載の弾性波装置。 - 前記低音速膜が酸化ケイ素膜である、請求項4に記載の弾性波装置。
- 前記水晶基板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低い、請求項1~5のいずれか1項に記載の弾性波装置。
- 前記水晶基板のオイラー角(φ,θ,ψ)が(0°±2.5°の範囲内,θ,90°±2.5°の範囲内)であり、前記水晶基板のオイラー角におけるθが、185°≦θ≦240°である、請求項6に記載の弾性波装置。
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NENP | Non-entry into the national phase |
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