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1. (WO2005069485) DISPOSITIF A ONDES ACOUSTIQUES DE LIMITE
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弾性境界波装置

技術分野

[0001] 本発明は、ストンリ一波を利用した弾性境界波装置に関し、より詳細には、圧電体と 誘電体との境界に電極が配置された構造のストンリ一波を利用した弾性境界波装置 に関する。

背景技術

[0002] 従来、携帯電話用の RFフィルタ及び IFフィルタ、並びに VCO用共振子及びテレビ ジョン用 VIFフィルタなどに、各種弾性表面波装置が用いられている。弾性表面波装 置は、媒質表面を伝搬するレイリー波や第 1漏洩波などの弾性表面波を利用してい る。

[0003] 弾性表面波は、媒質表面を伝搬するため、媒質の表面状態の変化に敏感である。

従って、媒質の弾性表面波伝搬面を保護するために、該伝搬面に臨む空洞を設け たパッケージに弾性表面波素子が気密封止されていた。このような空洞を有するパッ ケージが用いられていたため、弹¾表面波装置のコストは高くならざるを得な力つた。 また、パッケージの寸法は、弾性表面波素子の寸法よりも大幅に大きくなるため、弾 性表面波装置は大きくならざるを得な力つた。

[0004] 他方、弾性波の中には、上記弾性表面波以外に、固体間の境界を伝搬する弾性 境界波が存在する。

[0005] 例えば、下記の非特許文献 1には、 126° 回転 Y板 X伝搬の LiTaO 3基板上に IDT が形成されており、 IDTと LiTaO 3基板上に SiO 2膜が所定の厚みに形成されている 弾性境界波装置が開示されている。ここでは、ストンリ一波と称されている SV+P型 の弾性境界波が伝搬することが示されている。なお、非特許文献 1では、上記 SiO 2 膜の膜厚を 1. Ο λ ( λは弾性境界波の波長)とした場合、電気機械結合係数は 2% になることが示されている。

[0006] 弾性境界波は、固体間の境界部分にエネルギーが集中した状態で伝搬する。従つ て、上記 LiTaO基板の底面及び SiO膜の表面にはエネルギーがほとんど存在しな

いため、基板や薄膜の表面状態の変化により特性が変化しない。従って、空洞形成 ノッケージを省略することができ、弾性波装置のサイズを低減することができる。

[0007] 他方、下記の非特許文献 2には、 128° 回転 Y板 X伝搬の LiNbO 3基板上に、 SiO

2膜を形成した構造にぉ、て、ストンリ一波と称されて、る境界波が伝搬することが示 されている。非特許文献 2における解析によれば、 SiO 2が本来の状態では、 SiO 2層 と LiNbO 3基板との境界に変位は集中しないため境界波とはならず、 SiO 2の弹性的 性質を表すラメ定数; zを、 SiO 2の本来の値である 0· 3119 X 10nN/m2から、 0. 4

679 X ΙΟ^Ν/πι2に変更することにより変位が境界に集中し、境界波となることが示 されている。また、非特許文献 2の実験結果によれば、 SiO 2層の形成条件を種々変 更したとしても、境界波が伝搬可能な SiO 2膜を形成することはできない旨が示されて いる。

特干文献 1:「Piezoelectric AcousticBoundary Waves Propagating Along the Interface Between Si02 and LiTa03」IEEE Trans. Sonics and

ultrason.,VOL.SU-25,No.6,1978 IEEE

非特許文献 2 :「層状構造基板における圧電性境界波」中条、山之内、柴山、信学技 報、 US80— 4、 1980

発明の開示

[0008] 弾性境界波装置では、電気機械結合係数が大き!ヽこと、伝搬損失、パワーフロー 角及び周波数温度係数が小さいことが求められる。弾性境界波の伝搬に伴う損失、 すなわち、伝搬損失は、境界波フィルタの挿入損失を劣化させたり、境界波共振子 の共振抵抗や共振周波数におけるインピーダンスと反共振周波数におけるインピー ダンスのインピーダンス比を劣化させたりする。従って、伝搬損失は小さいほど望まし い。

[0009] パワーフロー角は、境界波の位相速度の方向と、境界波のエネルギーが進む群速 度の方向の違いを表す角度である。パワーフロー角が大きい場合、 IDTをパワーフロ 一角に合わせて傾斜した状態に配置する必要がある。従って、電極設計が煩雑とな る。また、角度ずれによる損失が発生し易くなる。

[0010] さらに、温度により境界波装置の動作周波数が変化すると、境界波フィルタの場合

には、実用可能な通過帯域や阻止帯域が減少する。共振子の場合には、上記温度 による動作周波数の変化は、発振回路を構成した場合の異常発振の原因となる。そ のため、 1°Cあたりの周波数変化量 TCFは小さ、ほど望まし、。

[0011] 例えば、境界波を送受信する送信用 IDTと受信用 IDTとが設けられている領域の 伝搬方向外側に反射器を配置することにより、低損失の共振器型フィルタを構成す ることができる。この共振器型フィルタの帯域幅は、境界波の電気機械結合係数に依 存する。電気機械結合係数 k2が大きければ広帯域のフィルタを得ることができ、小さ ければ狭帯域なフィルタとなる。従って、境界波装置に用いられる境界波の電気機械 結合係数 k2は、用途に応じて適切な値とすることが必要である。携帯電話の RFフィ ルタなどを構成するには、電気機械結合係数 k2は 5%以上であることが求められる。

[0012] し力しながら、上記非特許文献 1に示されているストンリ一波を用いた弾性境界波 装置では、電気機械結合係数は 2%と小さかった。

[0013] また、非特許文献 2に記載の SiO 2 /LiNbO 3構造では、圧電性が大きな LiNbO 3 基板が用いられている。従って、非特許文献 1に記載の弾性境界波装置に比べて大 きな電気機械結合係数 k2を得られると考えられるが、境界波が伝搬可能となるよう〖こ SiO 2膜を形成することは極めて難しぐ非特許文献 2では、実際に SiO 2膜を成膜し、 ストンリ一波を実測した結果は示されて、な、。

[0014] 本発明の目的は、上述した従来技術の現状に鑑み、電気機械結合係数が十分な 大きさを有し、伝搬損失及びパワーフロー角が小さぐ周波数温度係数が小さぐ つ簡単な工法で製造することができる、ストンリ一波を利用した弾性境界波装置を提 供することにある。

[0015] 第 1の発明は、圧電体と、前記圧電体の一面に積層された誘電体と、前記圧電体と 誘電体との間の境界に配置された電極とを備え、該境界を伝搬するストンリー波を利 用した弾性境界波装置において、前記誘電体を伝搬する遅い横波の音速及び前記 圧電体を伝搬する遅、横波の音速よりもストンリ一波の音速を低くするように、前記電 極の厚みが決定されて、ることを特徴とする。

[0016] 第 2の発明は、圧電体と、前記圧電体の一面に積層された誘電体と、前記圧電体と 誘電体との間の境界に配置された電極とを備え、該境界を伝搬するストンリー波を利 用した弾性境界波装置において、前記誘電体を伝搬する遅い横波の音速及び前記 圧電体を伝搬する遅、横波の音速よりもストンリ一波の音速を低くするように、前記電 極を構成するストリップのデューティ比が決定されていることを特徴とする。

[0017] 第 3の発明は、 LiNbO 3を主成分とする圧電体と、前記圧電体の一面に積層されて 、る誘電体と、前記圧電体と前記誘電体との間の境界に配置された電極とを備え、 該境界を伝搬するストンリー波を利用した弾性境界波装置であって、前記 LiNbO 3を 主成分とする圧電体のオイラー角( φ , θ , φ )が下記の表 1の各範囲にあり、音速が 3757mZ秒より低いストンリ一波を利用したことを特徴とする。

[0018] [表 1]

φ ( ° ) θ ( ° ) Φ (。 )

30 90 225

30 270 135

30 270 315

90 90 135

90 90 315

90 270 45

90 270 225

150 90 45

150 90 225

150 270 135

150 270 315

210 90 135

210 90 315

210 270 45

210 270 225

270 90 45

270 90 225

270 270 135

270 270 315

330 90 135

330 90 315

330 270 45

330 270 225

第 2,第 3の発明に係る弾性境界波装置のある特定の局面では、前記誘電体を伝 搬する遅!、横波の音速及び前記圧電体を伝搬する遅、横波の音速よりもストンリー 波の音速を低くするように、前記電極の厚みが決定されて、る。

[0020] 第 3の発明の他の特定の局面では、前記誘電体を伝搬する遅い横波の音速及び 前記圧電体を伝搬する遅、横波の音速よりもストンリ一波の音速を低くするように、前 記電極を構成するストリップのデューティ比が決定されている。

[0021] 第 4の発明は、 LiNbO 3を主成分とする圧電体と、前記圧電体の一面に積層されて おり、誘電体と、前記圧電体と誘電体との間の境界に配置された電極とを備え、ストン リー波を利用した弾性境界波装置であって、前記電極の密度を p (kgZm3)、電極 の膜厚を H (え)、ストンリ一波の波長を λとしたときに、 Η> 1/{ 1/ (3 Χ 107 Χ ρ— 2 · 22+0. 017)-0. 4}とされていることを特徴とする。

[0022] 第 4の発明のある特定の局面では、上記電極の密度 ρは、 4711kgZm3以上とさ れている。

[0023] 第 5の発明は、 LiNbO 3を主成分とする圧電体と、前記圧電体の一面に積層されて おり、誘電体と、前記圧電体と誘電体との間の境界に配置された電極とを備え、ストン リー波を利用した弾性境界波装置であって、前記電極の密度を p (kgZm3)、電極 の膜厚を Η ( λ )、ストンリー波の波長をえとしたときに、 Η>0. 03 λ力つ p > 2699k gZm3とされて、ることを特徴とする。

[0024] 第 1一第 5の発明に係る弾性境界波装置では、好ましくは、前記電極が、 Ag、 Au、 Cu、 Fe、 Mo、 Ni、 Ta、 W、 Ti及び Ptから選択された少なくとも 1種からなる電極層を 主体とする。

[0025] 第 1の発明に係る弾性境界波装置では、圧電体と、圧電体の一面に積層された誘 電体と、圧電体と誘電体との間の境界に配置された電極とが備えられ、誘電体を伝 搬する遅、横波の音速及び圧電体を伝搬する遅、横波の音速よりもストンリ一波の 音速を低くするように、電極の厚みが決定されている。

[0026] また、本願の第 2の発明では、圧電体と、圧電体の一面に積層された誘電体と、圧 電体と誘電体との間の境界に配置された電極とが備えられており、誘電体を伝搬す る遅、横波の音速及び圧電体を伝搬する遅、横波の音速よりもストンリ一波の音速 を低くするように、電極を構成するストリップのデューティ比が決定されて、る。

[0027] 従って、第 1,第 2の発明によれば、上記電極の厚みまたはストリップのデューティ 比が上記のように決定されているため、ストンリ一波が誘電体と圧電体を伝搬する弾

性境界波装置を提供することが可能となる。

[0028] 第 3の発明に係る弾性境界波装置では、 LiNbO 3を主成分とする圧電体が用いら れており、該圧電体の一面に誘電体が積層されており、圧電体と誘電体との間の境 界に電極が配置されており、上記圧電体のオイラー角( φ , θ , φ )が、表 1の各範囲 にあり、音速が 3757mZ秒よりも低いストンリ一波が利用されている。従って、後述の 実施例の説明から明らかなように、スプリアスを効果的に抑圧することができ、ストンリ 一波の電気機械結合係数 k2を大きくすることができる。

[0029] 第 2,第 3の発明にお、て、誘電体を伝搬する遅、横波の音速及び圧電体を伝搬 する遅、横波の音速よりもストンリ一波の音速が低くなるように電極の厚みが決定さ れている場合には、あるいはデューティ比が決定されている場合には、ストンリ一波が 誘電体と圧電体との境界を確実に伝搬する弾性境界波装置を提供することができる

[0030] 第 4の発明では、 LiNbO 3を主成分とする圧電体の一面に誘電体が積層されており

、圧電体と誘電体との間の境界に電極が配置されており、電極の密度 pと、電極の 膜厚 H ( λ )とストンリー波の波長 λとの間に、 Η> 1/{ 1/ (3 Χ 107 Χ ρ— 2· 22 + 0. 0 17)— 0. 4}の関係があるため、ストンリ一波を利用しており、かつストンリ一波の電気 機械結合係数が適切な弾性境界波装置を提供することができる。特に、電極の密度 力 4711kgZm3以上の場合には、伝搬損失が 0となる電極の膜厚を小さくするこ とができ、それによつて電極を容易に形成することができる。

[0031] 第 5の発明では、 LiNbO 3を主成分とする圧電体の一面に誘電体が積層されており

、圧電体と誘電体との間の境界に電極が配置されており、電極の密度 pと、電極の 膜厚 H (又)と、ス卜ンリー波の波長又との間に、 H>0. 03 力つ p > 2699kg/m3 とされて、るため、 AUりも重、電極を用いてストンリ一波が伝搬される弾性境界波装 置を提供することが可能となる。

[0032] 本発明にお、て、電極が、 Ag、 Au、 Cu、 Fe、 Mo、 Ni、 Ta、 W、 Ti及び Ptから選 択された少なくとも 1種カゝらなる電極層を主体とする場合には、本発明に従って、スト ンリ一波を利用した境界波装置を提供することができ、該電極層を構成している金属 以外の金属力もなる少なくとも 1層の第 2の電極層がさらに備えられている場合には、

第 2の電極層を構成する金属材料を選択することにより、電極と誘電体もしくは圧電 体との密着性を高めたり、耐電力性を高めたりすることが可能となる。

図面の簡単な説明

[図 1]図 1は本発明の一実施形態に係る弾性境界波装置を示す正面断面図である。

[図 2]図 2は本発明の一実施形態に係る弾性境界波装置で電極として構成されてい る IDT及び反射器を示す模式的平面図である。

[図 3]図 3は実施例 1で作製された表 1の弾性境界波装置 A1のインピーダンス一周波 数特性を示す図である。

[図 4]図 4は実施例 1で作製された表 1の弾性境界波装置 A2のインピーダンス一周波 数特性を示す図である。

[図 5]図 5は実施例 1で作製された表 1の弾性境界波装置 A3のインピーダンス一周波 数特性を示す図である。

[図 6]図 6は実施例 1で作製された表 1の弾性境界波装置 A4のインピーダンス一周波 数特性を示す図である。

[図 7]図 7は実施例 1で作製された表 1の弾性境界波装置 A5のインピーダンス一周波 数特性を示す図である。

[図 8]図 8は実施例 1で作製された表 1の弾性境界波装置 A6のインピーダンス一周波 数特性を示す図である。

[図 9]図 9は実施例 1で作製された表 1の弾性境界波装置 A7のインピーダンス一周波 数特性を示す図である。

[図 10]図 10は(φ , 0° , 0° )の LiNbO 3基板上に Au電極を形成し、 SiO 2膜を形成 した構造において、オイラー角の φと、音速 Vとの関係を示す各図である。

[図 11]図 11は(φ , 0° , 0° )の LiNbO 3基板上に Au電極を形成し、 SiO 2膜を形成 した構造において、オイラー角の φと、電気機械結合係数 k2との関係を示す図である

[図 12]図 12は(φ , 0° , 0° )の LiNbO 3基板上に Au電極を形成し、 SiO 2膜を形成 した構造において、オイラー角の φと、伝搬損失 αとの関係を示す図である。

[図 13]図 13は(φ , 0° , 0° )の LiNbO基板上に Au電極を形成し、 SiO膜を形成 した構造において、オイラー角の φと、周波数温度係数 TCFとの関係を示す図であ る。

[図 14]図 14は(φ , 0° , 0° )の LiNbO 3基板上に Au電極を形成し、 SiO 2膜を形成 した構造において、オイラー角の φと、パワーフロー角 PFAとの関係を示す図である

[図 15]図 15は(φ , 0° , 90° )の LiNbO 3基板上に Au電極を形成し、 SiO 2膜を形 成した構造において、オイラー角の φと、音速 Vとの関係を示す図である。

[図 16]図 16は(φ , 0° , 90° )の LiNbO 3基板上に Au電極を形成し、 SiO 2膜を形 成した構造において、オイラー角の φと、電気機械結合係数 k2との関係を示す図で ある。

[図 17]図 17は(φ , 0° , 90° )の LiNbO 3基板上に Au電極を形成し、 SiO 2膜を形 成した構造において、オイラー角の φと、伝搬損失 αとの関係を示す図である。

[図 18]図 18は(φ , 0° , 90° )の LiNbO 3基板上に Au電極を形成し、 SiO 2膜を形 成した構造において、オイラー角の φと、周波数温度係数 TCFとの関係を示す図で ある。

[図 19]図 19は(φ , 0° , 90° )の LiNbO 3基板上に Au電極を形成し、 SiO 2膜を形 成した構造において、オイラー角の φと、パワーフロー角 PFAとの関係を示す図であ る。

[図 20]図 20は(φ , 90° , 0° )の LiNbO 3基板上に Au電極を形成し、 SiO 2膜を形 成した構造において、オイラー角の φと、音速 Vとの関係を示す図である。

[図 21]図 21は(φ , 90° , 0° )の LiNbO 3基板上に Au電極を形成し、 SiO 2膜を形 成した構造において、オイラー角の φと、電気機械結合係数 k2との関係を示す図で ある。

[図 22]図 22は(φ , 90° , 0° )の LiNbO 3基板上に Au電極を形成し、 SiO 2膜を形 成した構造において、オイラー角の φと、伝搬損失 αとの関係を示す図である。

[図 23]図 23は(φ , 90° , 0° )の LiNbO 3基板上に Au電極を形成し、 SiO 2膜を形 成した構造において、オイラー角の φと、周波数温度係数 TCFとの関係を示す図で ある。

[図 24]図 24は(φ, 90° , 0° )の LiNbO 3基板上に Au電極を形成し、 SiO 2膜を形 成した構造において、オイラー角の φと、パワーフロー角 PFAとの関係を示す図であ る。

[図 25]図 25は(φ, 90° , 90° )の LiNbO 3基板上に Au電極を形成し、 SiO 2膜を形 成した構造において、オイラー角の φと、音速 Vとの関係を示す図である。

[図 26]図 26は(φ, 90° , 90° )の LiNbO 3基板上に Au電極を形成し、 SiO 2膜を形 成した構造において、オイラー角の φと、電気機械結合係数 k2との関係を示す図で ある。

[図 27]図 27は(φ, 90° , 90° )の LiNbO 3基板上に Au電極を形成し、 SiO 2膜を形 成した構造において、オイラー角の φと、伝搬損失 αとの関係を示す図である。

[図 28]図 28は(φ, 90° , 90° )の LiNbO 3基板上に Au電極を形成し、 SiO 2膜を形 成した構造において、オイラー角の φと、周波数温度係数 TCFとの関係を示す図で ある。

[図 29]図 29は(φ, 90° , 90° )の LiNbO 3基板上に Au電極を形成し、 SiO 2膜を形 成した構造において、オイラー角の φと、パワーフロー角 PFAとの関係を示す図であ る。

[図 30]図 30は(0° , 0, 0° )の LiNbO 3基板上に Au電極を形成し、 SiO 2膜を形成 した構造において、オイラー角の Θと、音速 Vとの関係を示す図である。

[図 31]図 31は(0° , 0, 0° )の LiNbO 3基板上に Au電極を形成し、 SiO 2膜を形成 した構造において、オイラー角の 0と、電気機械結合係数 k2との関係を示す図である

[図 32]図 32は(0° , 0, 0° )の LiNbO 3基板上に Au電極を形成し、 SiO 2膜を形成 した構造において、オイラー角の 0と、伝搬損失 αとの関係を示す図である。

[図 33]図 33は(0° , 0, 0° )の LiNbO 3基板上に Au電極を形成し、 SiO 2膜を形成 した構造において、オイラー角の 0と、周波数温度係数 TCFとの関係を示す図であ る。

[図 34]図 34は(0° , 0, 0° )の LiNbO 3基板上に Au電極を形成し、 SiO 2膜を形成 した構造において、オイラー角の Θと、パワーフロー角 PFAとの関係を示す図である

[図 35]図 35は(0° , 0, 90° )の LiNbO 3基板上に Au電極を形成し、 SiO 2膜を形 成した構造において、オイラー角の 0と、音速 Vとの関係を示す図である。

[図 36]図 36は(0° , 0, 90° )の LiNbO 3基板上に Au電極を形成し、 SiO 2膜を形 成した構造において、オイラー角の Θと、電気機械結合係数 k2との関係を示す図で ある。

[図 37]図 37は(0° , 0, 90° )の LiNbO 3基板上に Au電極を形成し、 SiO 2膜を形 成した構造において、オイラー角の 0と、伝搬損失 αとの関係を示す図である。

[図 38]図 38は(0° , 0, 90° )の LiNbO 3基板上に Au電極を形成し、 SiO 2膜を形 成した構造において、オイラー角の Θと、周波数温度係数 TCFとの関係を示す図で ある。

[図 39]図 39は(0° , 0, 90° )の LiNbO 3基板上に Au電極を形成し、 SiO 2膜を形 成した構造において、オイラー角の Θと、パワーフロー角 PFAとの関係を示す図であ る。

[図 40]図 40は(90° , 0, 0° )の LiNbO 3基板上に Au電極を形成し、 SiO 2膜を形 成した構造において、オイラー角の Θと、音速 Vとの関係を示す図である。

[図 41]図 41は(90° , 0, 0° )の LiNbO 3基板上に Au電極を形成し、 SiO 2膜を形 成した構造において、オイラー角の 0と、電気機械結合係数 k2との関係を示す図で ある。

[図 42]図 42は(90° , 0, 0° )の LiNbO 3基板上に Au電極を形成し、 SiO 2膜を形 成した構造において、オイラー角の Θと、伝搬損失 αとの関係を示す図である。

[図 43]図 43は(90° , 0, 0° )の LiNbO 3基板上に Au電極を形成し、 SiO 2膜を形 成した構造において、オイラー角の Θと、周波数温度係数 TCFとの関係を示す図で ある。

[図 44]図 44は(90° , 0, 0° )の LiNbO 3基板上に Au電極を形成し、 SiO 2膜を形 成した構造において、オイラー角の Θと、パワーフロー角 PFAとの関係を示す図であ る。

[図 45]図 45は(90° , 0, 90° )の LiNbO基板上に Au電極を形成し、 SiO膜を形 成した構造において、オイラー角の Θと、音速 Vとの関係を示す図である。

[図 46]図 46は(90° , 0 , 90° )の LiNbO 3基板上に Au電極を形成し、 SiO 2膜を形 成した構造において、オイラー角の 0と、電気機械結合係数 k2との関係を示す図で ある。

[図 47]図 47は(90° , 0 , 90° )の LiNbO 3基板上に Au電極を形成し、 SiO 2膜を形 成した構造において、オイラー角の 0と、伝搬損失 αとの関係を示す図である。

[図 48]図 48は(90° , 0 , 90° )の LiNbO 3基板上に Au電極を形成し、 SiO 2膜を形 成した構造において、オイラー角の 0と、周波数温度係数 TCFとの関係を示す図で ある。

[図 49]図 49は(90° , 0 , 90° )の LiNbO 3基板上に Au電極を形成し、 SiO 2膜を形 成した構造において、オイラー角の Θと、パワーフロー角 PFAとの関係を示す図であ る。

[図 50]図 50は(0° , 0° , φ )の LiNbO 3基板上に Au電極を形成し、 SiO 2膜を形成 した構造において、オイラー角の φと、音速 Vとの関係を示す図である。

[図 51]図 51は(0° , 0° , φ )の LiNbO 3基板上に Au電極を形成し、 SiO 2膜を形成 した構造において、オイラー角の φと、電気機械結合係数 k2との関係を示す図である

[図 52]図 52は(0° , 0° , φ )の LiNbO 3基板上に Au電極を形成し、 SiO 2膜を形成 した構造において、オイラー角の φと、伝搬損失 (Xとの関係を示す図である。

[図 53]図 53は(0° , 0° , φ )の LiNbO 3基板上に Au電極を形成し、 SiO 2膜を形成 した構造において、オイラー角の φと、周波数温度係数 TCFとの関係を示す図であ る。

[図 54]図 54は(0° , 0° , φ )の LiNbO 3基板上に Au電極を形成し、 SiO 2膜を形成 した構造において、オイラー角の φと、パワーフロー角 PFAとの関係を示す図である

[図 55]図 55は(0° , 90° , φ )の LiNbO 3基板上に Au電極を形成し、 SiO 2膜を形 成した構造において、オイラー角の φと、音速 Vとの関係を示す図である。

[図 56]図 56は(0° , 90° , φ )の LiNbO基板上に Au電極を形成し、 SiO膜を形 成した構造において、オイラー角の φと、電気機械結合係数 k2との関係を示す図で ある。

[図 57]図 57は(0° , 90° , φ )の LiNbO 3基板上に Au電極を形成し、 SiO 2膜を形 成した構造において、オイラー角の φと、伝搬損失 0との関係を示す図である。

[図 58]図 58は(0° , 90° , φ )の LiNbO 3基板上に Au電極を形成し、 SiO 2膜を形 成した構造において、オイラー角の φと、周波数温度係数 TCFとの関係を示す図で ある。

[図 59]図 59は(0° , 90° , φ )の LiNbO 3基板上に Au電極を形成し、 SiO 2膜を形 成した構造において、オイラー角の φと、パワーフロー角 PFAとの関係を示す図であ る。

[図 60]図 60は(90° , 0° , φ )の LiNbO 3基板上に Au電極を形成し、 SiO 2膜を形 成した構造において、オイラー角の φと、音速 Vとの関係を示す図である。

[図 61]図 61は(90° , 0° , φ )の LiNbO 3基板上に Au電極を形成し、 SiO 2膜を形 成した構造において、オイラー角の φと、電気機械結合係数 k2との関係を示す図で ある。

[図 62]図 62は(90° , 0° , φ )の LiNbO 3基板上に Au電極を形成し、 SiO 2膜を形 成した構造において、オイラー角の φと、伝搬損失 aとの関係を示す図である。

[図 63]図 63は(90° , 0° , φ )の LiNbO 3基板上に Au電極を形成し、 SiO 2膜を形 成した構造において、オイラー角の φと、周波数温度係数 TCFとの関係を示す図で ある。

[図 64]図 64は(90° , 0° , φ )の LiNbO 3基板上に Au電極を形成し、 SiO 2膜を形 成した構造において、オイラー角の φと、パワーフロー角 PFAとの関係を示す図であ る。

[図 65]図 65は(90° , 90° , φ )の LiNbO 3基板上に Au電極を形成し、 SiO 2膜を形 成した構造において、オイラー角の φと、音速 Vとの関係を示す図である。

[図 66]図 66は(90° , 90° , φ )の LiNbO 3基板上に Au電極を形成し、 SiO 2膜を形 成した構造において、オイラー角の φと、電気機械結合係数 k2との関係を示す図で ある。

[図 67]図 67は(90° , 90° , φ )の LiNbO 3基板上に Au電極を形成し、 SiO 2膜を形 成した構造において、オイラー角の φと、伝搬損失 0との関係を示す図である。

[図 68]図 68は(90° , 90° , φ )の LiNbO 3基板上に Au電極を形成し、 SiO 2膜を形 成した構造において、オイラー角の φと、周波数温度係数 TCFとの関係を示す図で ある。

[図 69]図 69は(90° , 90° , φ )の LiNbO 3基板上に Au電極を形成し、 SiO 2膜を形 成した構造において、オイラー角の φと、パワーフロー角 PFAとの関係を示す図であ る。

[図 70]図 70は実施例 3において Agカゝらなる電極を用いて構成された弾性境界波装 置における電極膜厚とストンリ一波の音速との関係を示す図である。

[図 71]図 71は実施例 3において Agカゝらなる電極を用いて構成された弾性境界波装 置における電極膜厚とストンリ一波の伝搬損失 0Cとの関係を示す図である。

[図 72]図 72は実施例 3において Agカゝらなる電極を用いて構成された弾性境界波装 置における電極膜厚とストンリ一波の電気機械結合係数 k2との関係を示す図である。

[図 73]図 73は実施例 3において Agカゝらなる電極を用いて構成された弾性境界波装 置における電極膜厚とストンリ一波の周波数温度係数 TCFとの関係を示す図である

[図 74]図 74は実施例 3において A1からなる電極を用いて構成された弾性境界波装 置における電極膜厚とストンリ一波の音速との関係を示す図である。

[図 75]図 75は実施例 3において A1からなる電極を用いて構成された弾性境界波装 置における電極膜厚とストンリ一波の伝搬損失 0Cとの関係を示す図である。

[図 76]図 76は実施例 3において A1からなる電極を用いて構成された弾性境界波装 置における電極膜厚とストンリ一波の電気機械結合係数 k2との関係を示す図である。

[図 77]図 77は実施例 3において A1からなる電極を用いて構成された弾性境界波装 置における電極膜厚とストンリ一波の周波数温度係数 TCFとの関係を示す図である

[図 78]図 78は実施例 3において Auからなる電極を用いて構成された弾性境界波装 置における電極膜厚とストンリ一波の音速との関係を示す図である。

[図 79]図 79は実施例 3において Auからなる電極を用いて構成された弾性境界波装 置における電極膜厚とストンリ一波の伝搬損失 OCとの関係を示す図である。

[図 80]図 80は実施例 3において Auからなる電極を用いて構成された弾性境界波装 置における電極膜厚とストンリ一波の電気機械結合係数 k2との関係を示す図である。

[図 81]図 81は実施例 3において Auからなる電極を用いて構成された弾性境界波装 置における電極膜厚とストンリ一波の周波数温度係数 TCFとの関係を示す図である

[図 82]図 82は実施例 3において Crからなる電極を用いて構成された弾性境界波装 置における電極膜厚とストンリ一波の音速との関係を示す図である。

[図 83]図 83は実施例 3において Crからなる電極を用いて構成された弾性境界波装 置における電極膜厚とストンリ一波の伝搬損失 OCとの関係を示す図である。

[図 84]図 84は実施例 3において Crからなる電極を用いて構成された弾性境界波装 置における電極膜厚とストンリ一波の電気機械結合係数 k2との関係を示す図である。

[図 85]図 85は実施例 3において Crからなる電極を用いて構成された弾性境界波装 置における電極膜厚とストンリ一波の周波数温度係数 TCFとの関係を示す図である

[図 86]図 86は実施例 3において Cuからなる電極を用いて構成された弾性境界波装 置における電極膜厚とストンリ一波の音速との関係を示す図である。

[図 87]図 87は実施例 3において Cuからなる電極を用いて構成された弾性境界波装 置における電極膜厚とストンリ一波の伝搬損失 OCとの関係を示す図である。

[図 88]図 88は実施例 3において Cuからなる電極を用いて構成された弾性境界波装 置における電極膜厚とストンリ一波の電気機械結合係数 k2との関係を示す図である。

[図 89]図 89は実施例 3において Cuからなる電極を用いて構成された弾性境界波装 置における電極膜厚とストンリ一波の周波数温度係数 TCFとの関係を示す図である

[図 90]図 90は実施例 3において Feからなる電極を用いて構成された弾性境界波装 置における電極膜厚とストンリ一波の音速との関係を示す図である。

[図 91]図 91は実施例 3にお、て Feからなる電極を用、て構成された弾性境界波装 置における電極膜厚とストンリ一波の伝搬損失 OCとの関係を示す図である。

[図 92]図 92は実施例 3において Feからなる電極を用いて構成された弾性境界波装 置における電極膜厚とストンリ一波の電気機械結合係数 k2との関係を示す図である。

[図 93]図 93は実施例 3において Feからなる電極を用いて構成された弾性境界波装 置における電極膜厚とストンリ一波の周波数温度係数 TCFとの関係を示す図である

[図 94]図 94は実施例 3において Moからなる電極を用いて構成された弾性境界波装 置における電極膜厚とストンリ一波の音速との関係を示す図である。

[図 95]図 95は実施例 3において Moからなる電極を用いて構成された弾性境界波装 置における電極膜厚とストンリ一波の伝搬損失 OCとの関係を示す図である。

[図 96]図 96は実施例 3において Moからなる電極を用いて構成された弾性境界波装 置における電極膜厚とストンリ一波の電気機械結合係数 k2との関係を示す図である。

[図 97]図 97は実施例 3において Moからなる電極を用いて構成された弾性境界波装 置における電極膜厚とストンリ一波の周波数温度係数 TCFとの関係を示す図である

[図 98]図 98は実施例 3において Mからなる電極を用いて構成された弾性境界波装 置における電極膜厚とストンリ一波の音速との関係を示す図である。

[図 99]図 99は実施例 3において Mからなる電極を用いて構成された弾性境界波装 置における電極膜厚とストンリ一波の伝搬損失 OCとの関係を示す図である。

[図 100]図 100は実施例 3において N ゝらなる電極を用いて構成された弾性境界波 装置における電極膜厚とストンリ一波の周波数温度係数 TCFとの関係を示す図であ る。

[図 101]図 101は実施例 3において Taカゝらなる電極を用いて構成された弾性境界波 装置における電極膜厚とストンリ一波の音速との関係を示す図である。

[図 102]図 102は実施例 3において Taカゝらなる電極を用いて構成された弾性境界波 装置における電極膜厚とストンリ一波の伝搬損失 ocとの関係を示す図である。

[図 103]図 103は実施例 3において Taカゝらなる電極を用いて構成された弾性境界波 装置における電極膜厚とストンリ一波の電気機械結合係数 k2との関係を示す図であ る。

[図 104]図 104は実施例 3において Taカゝらなる電極を用いて構成された弾性境界波 装置における電極膜厚とストンリ一波の周波数温度係数 TCFとの関係を示す図であ る。

[図 105]図 105は実施例 3において Wからなる電極を用いて構成された弾性境界波 装置における電極膜厚とストンリ一波の音速との関係を示す図である。

[図 106]図 106は実施例 3において Wからなる電極を用いて構成された弾性境界波 装置における電極膜厚とストンリ一波の伝搬損失 ocとの関係を示す図である。

[図 107]図 107は実施例 3において Wからなる電極を用いて構成された弾性境界波 装置における電極膜厚とストンリ一波の電気機械結合係数 k2との関係を示す図であ る。

[図 108]図 108は実施例 3において Wからなる電極を用いて構成された弾性境界波 装置における電極膜厚とストンリ一波の周波数温度係数 TCFとの関係を示す図であ る。

[図 109]図 109は実施例 3において Tiカゝらなる電極を用いて構成された弾性境界波 装置における電極膜厚とストンリ一波の音速との関係を示す図である。

[図 110]図 110は実施例 3におヽて Tiカゝらなる電極を用いて構成された弾性境界波 装置における電極膜厚とストンリ一波の伝搬損失 ocとの関係を示す図である。

[図 111]図 111は実施例 3にお、て Ti力もなる電極を用、て構成された弾性境界波 装置における電極膜厚とストンリ一波の電気機械結合係数 k2との関係を示す図であ る。

[図 112]図 112は実施例 3におヽて Tiカゝらなる電極を用いて構成された弾性境界波 装置における電極膜厚とストンリ一波の周波数温度係数 TCFとの関係を示す図であ る。

[図 113]図 113は実施例 3におヽて Ptからなる電極を用ヽて構成された弾性境界波 装置における電極膜厚とストンリ一波の音速との関係を示す図である。

[図 114]図 114は実施例 3にお、て Ptからなる電極を用、て構成された弾性境界波 装置における電極膜厚とストンリ一波の伝搬損失 ocとの関係を示す図である。

[図 115]図 115は実施例 3におヽて Ptからなる電極を用ヽて構成された弾性境界波 装置における電極膜厚とストンリ一波の電気機械結合係数 k2との関係を示す図であ る。

[図 116]図 116は実施例 3におヽて Ptからなる電極を用いて構成された弾性境界波 装置における電極膜厚とストンリ一波の周波数温度係数 TCFとの関係を示す図であ る。

[図 117]図 117は実施例 3におヽて電極の密度を種々異ならせて弾性境界波装置を 作製した場合の電極の密度と、ストンリ一波の伝播損失が 0となる電極膜厚との関係 を示す図である。

[図 118]図 118は実施例 4においてオイラー角(φ , 30° , 0° )の LiNbO 3基板上に

Au電極及び SiO 2膜を形成してなる弾性境界波装置におけるオイラー角の φと、音 速との関係を示す図である。

[図 119]図 119は実施例 4においてオイラー角(φ , 30° , 0° )の LiNbO 3基板上に

Au電極及び SiO 2膜を形成してなる弾性境界波装置におけるオイラー角の φと、周 波数温度係数 TCFとの関係を示す図である。

[図 120]図 120は実施例 4においてオイラー角(φ , 30° , 0° )の LiNbO 3基板上に

Au電極及び SiO 2膜を形成してなる弾性境界波装置におけるオイラー角の φと、電 気機械結合係数 k2との関係を示す図である。

[図 121]図 121は実施例 4においてオイラー角(φ , 30° , 0° )の LiNbO 3基板上に

Au電極及び SiO 2膜を形成してなる弾性境界波装置におけるオイラー角の φと、パ ヮーフロー角 PFAとの関係を示す図である。

[図 122]図 122は実施例 4においてオイラー角(φ, 30° , 0° )の LiNbO 3基板上に

Au電極及び SiO 2膜を形成してなる弾性境界波装置におけるオイラー角の φと、伝 搬損失 0との関係を示す図である。

[図 123]図 123は実施例 4においてオイラー角(0° , 30° , φ )の LiNbO 3基板上に

Au電極及び SiO 2膜を形成してなる弾性境界波装置におけるオイラー角の φと、音 速との関係を示す図である。

[図 124]図 124は実施例 4においてオイラー角(0° , 30° , φ )の LiNbO基板上に Au電極及び SiO 2膜を形成してなる弾性境界波装置におけるオイラー角の φと、周 波数温度係数 TCFとの関係を示す図である。

[図 125]図 125は実施例 4においてオイラー角(0° , 30° , φ )の LiNbO 3基板上に

Au電極及び SiO 2膜を形成してなる弾性境界波装置におけるオイラー角の φと、電 気機械結合係数 k2との関係を示す図である。

[図 126]図 126は実施例 4においてオイラー角(0° , 30° , φ )の LiNbO 3基板上に

Au電極及び SiO 2膜を形成してなる弾性境界波装置におけるオイラー角の φと、パ ヮーフロー角 PFAとの関係を示す図である。

[図 127]図 127は実施例 4においてオイラー角(0。, 30° , φ )の LiNbO 3基板上に

Au電極及び SiO 2膜を形成してなる弾性境界波装置におけるオイラー角の φと、伝 搬損失 との関係を示す図である。

符号の説明

[0034] 1…弾性境界波装置

2…圧電体

3…誘電体

4· ··電極としての IDT

5, 6…電極としての反射器

発明を実施するための最良の形態

[0035] 以下、図面を参照しつつ、本発明の具体的な実施例を説明することにより、本発明 を明らかにする。

[0036] 2つの固体層間に弾性境界波を伝搬させるには、固体層間に境界波のエネルギー が集中する条件を満たす必要がある。

[0037] 一般に、高速の領域と、低速の領域とが存在する場合、波動は音速の遅い部分に 集中して伝搬する。そこで、本願発明者は、 2つの固体層間に配置された電極材料と して、密度が大きぐ低音速である Auや Cuなどの金属からなる材料を利用し、電極 の厚みを増加させることにより、固体層間を伝搬する境界波の音速を低音速化すれ ば、固体層間へのエネルギー集中条件を満たし得ることを見出し、本発明をなすに 至った。

[0038] 従来、固体内を伝搬するバルタ波には、縦波と、速い横波と、遅い横波の 3種類が あることが知られており、それぞれ、 P波、 SH波、 SV波と呼ばれている。なお、 SH波 と SV波のいずれが遅い横波になるかは、基体の異方性によって変わる。これら 3種 類のバルタ波のうち、もっとも低音速のバルタ波力遅い横波である。なお、 SiO 2のよ うに固体が等方体の場合には、横波は 1種のみ伝搬するので、この横波が遅い横波 となる。

[0039] 他方、圧電基板などの異方性基体を伝搬する弾性境界波では、大抵の場合には、 P波、 SH波及び SV波の 3つの変位成分が結合しながら伝搬し、主要成分により弹 性境界波の種類が分類される。例えば、上記ストンリ一波は、 P波と SV波とが主体の 弾性境界波であり、 SH型境界波は、 SH成分が主体である弾性境界波である。なお 、条件によっては、 SH波成分や、 P波もしくは SV波成分が結合せずに伝搬すること もめる。

[0040] 弾性境界波では、上記 3つの変位成分が結合しながら伝搬するため、例えば、 SH 波よりも高音速の弾性境界波では、 SH成分と SV成分とが漏洩し、 SV波よりも高音 速の弾性境界波では、 SV成分が漏洩することとなる。この漏洩成分が、境界波の伝 搬損失の原因となる。

[0041] そこで、 2つの固体層の双方の遅い横波の音速よりも、ストンリ一波の音速を低速化 すれば、ストンリ一波のエネルギーを、 2つの固体層間に配置した電極付近に集中さ せ、電気機械結合係数 k2の大きいストンリ一波を伝搬させることができ、伝搬損失 0の 条件を得ることができる。密度の大きな電極材料は音速が遅いので、ストンリ一波を 低速ィ匕するには、密度の大きな電極を用いることが望ましい。本発明は、このような考 えに基づヽてなされたものである。

[0042] そして、少なくとも一方の固体を圧電体、他方の固体を圧電体を含む誘電体とする ことにより、固体間に配置した電極によりストンリ一波が励振される。電極としては、「 弾性表面波工学」柴山幹夫、電子情報通信学会、 p57— 58に開示されるくし形電極 や、すだれ状電極 (インターデジタルトランスデューサ、 IDT)を用いることができる。

[0043] 図 1は、本発明の一実施形態に係る弾性境界波装置の略図的正面断面図であり、 図 2はその電極構造を示す平面図である。弾性境界波装置 1では、板状の圧電体 2 の上面に、誘電体 3が積層されている。圧電体 2と誘電体 3との境界に電極として、 ID T4及び反射器 5, 6が配置されている。反射器 5, 6は IDT4の表面波伝搬方向両側 に配置されており、それによつて本実施形態では、境界波共振子が構成されている。

[0044] 本実施形態の弾性境界波装置 1の特徴は、上記誘電体 3を伝搬する遅ヽ横波の 音速及び圧電体 2を伝搬する遅い横波の音速よりもストンリ一波の音速を低くするよう に、 IDT4及び反射器 5, 6の厚みが厚くされていることにある。

[0045] 本実施形態では、電極の厚みが、厚くされ、それによつてストンリー波の音速力圧 電体 2及び誘電体 3を伝搬する各遅い横波の音速よりも低められ、それによつて、スト ンリ一波のエネルギーが圧電体 2と誘電体 3との境界に集中する。従って、電気機械 結合係数 k2の大きなストンリ一波を、伝搬損失力 S小さい状態で伝搬させることができ る。

[0046] なお、電極の厚みを厚くすることによりストンリ一波を伝搬させることができるだけで なぐ本発明では、後述するように電極を構成するストリップのデューティ比を制御す ることによつても、ストンリ一波の音速を、圧電体 2及び誘電体 3を伝搬する各遅い横 波の音速よりも低くし、ストンリ一波を境界に集中させて伝搬させることも可能である。

[0047] なお、上記ストリップのデューティ比とは、ストリップの幅を L、隣接しているストリップ 間のスペースの中心と、次の隣接するストリップ間のスペースの中心との間の中心間 距離を Pとした時、 LZPで表される値である。

[0048] 図 1に示した構成は、圧電体 2と、誘電体 3との間に電極として IDT4及び反射器 5, 6を配置した簡潔な構成である。この構成により、非常に多くの材料を用いてストンリ 一波を利用した弾性境界波装置を構成することができる。例えば、非特許文献 2に記 載した SiO 2 ZIDT電極 Zl28° 回転 Y板 X伝搬 LiNbO 3構造では、ストンリ一波は 確認されて、なヽが、電極の厚みが薄、場合にはストンリー波を形成することができ なくとも、電極の厚みを厚くすることによりストンリ一波を存在させることができる。以下 、具体的な実施例に基づき、本発明をより詳細に説明する。

[0049] 〔実施例 1〕

オイラー角(0° , 38° , 0° )すなわち 128° Y板 X伝搬の LiNbO 3基板を圧電体

2として用意した。この LiNbO基板上に、密着層として、蒸着法により NiCr膜を形成

した。次に、密着層上に、蒸着法により Au膜を形成し、リフトオフ法によりパターニン グし、 IDT4及び反射器 5, 6を形成した。また、上記 IDT4及び反射器 5, 6を覆うよう に、 RFマグネトロンスパッタリング法により、 200°Cの成膜温度で SiO 2膜を形成した。

[0050] IDT4の電極指の対数は 50. 5対、 1つの反射器の電極指の本数は 51本とした。

[0051] また、 IDT4における電極指交差幅は、 30 λとした。他方、反射器 5, 6における開 口長 Α (図 2参照)は、 30. 5えとした。なお、 λは、 IDT4及び反射器 5, 6における電 極指の配置周期である。なお、 IDT4及び反射器 5, 6におけるデューティ比は 0. 5と した。

上記のようにして、但し下記の表 2に示すように、 NiCr膜、 Au膜及び SiO 2膜を種 々異ならせ、 1ポート型弾性境界波装置 1を作製した。

[0052] [表 2]


[0053] 上記のようにして作製された表 2の Al— A7の各弾性境界波装置のインピーダンス 周波数特性を測定した。結果を図 3—図 9に示す。なお、図 3—図 9の縦軸のインピ 一ダンスは、

[0054] [数 1]

2 0 1 o g 1 0 I Z I 〔d B〕

[0055] で表される値である。

[0056] また、図 3—図 9において、横軸は、ストンリ一波の応答の共振周波数で規格ィ匕され た周波数である。

[0057] 図 3—図 9から明らかなように、上記表 2に示した A1— A7で示される弾性境界波装 置では、反共振点におけるインピーダンス Zaと、共振点におけるインピーダンス Zrと の比 ZaZZrは 50— 60dBであり、優れた共振特性を示すことがわ力る。

[0058] 他方、電極材料として、 A1のみを用い、他は上記弾性境界波装置と同様にして弹 性境界波装置を作製したところ、高次スプリアスモードの応答のみが確認され、ストン リー波の応答は確認できな力つた。この結果は、前述した非特許文献 2における実験 結果と一致する。なお、ストンリ一波の応答の確認は、チップ表面にダンピング材を密 着し、減衰の有無により評価した。

[0059] 上記実験結果から明らかなように、 AUりも重い電極、すなわち Auを主体とする電 極を用い、その厚み Hを 0. 03 λ以上とすることにより、従来実現できな力つた SiO 2

/LiNbO 3基板におけるストンリ一波の応答を確認することができ、優れた共振特性 の得られることがゎカゝる。

[0060] また、回転 Y板 X伝搬の LiTaO 3基板や水晶基板を圧電体 2として用いた場合にも

、 Au膜の厚みを 0. 03 λ以上とすれば、ストンリ一波を伝搬し得ることを確認した。さ らに、他の圧電基板においても、同様に、 Au膜の厚みを 0. 03 λ以上とすること〖こよ り同様にストンリ一波を伝搬させ得ることを確認した。

[0061] 図 3—図 9において、ストンリ一波の応答の共振周波数は、規格ィ匕された値である 1

. 0である。ストンリ一波の応答よりも低周波側における応答は、 SH型弾性境界波に よるスプリアス応答であり、ストンリ一波の応答よりも高周波側の複数の応答は、高次 スプリアスモードによる応答である。

[0062] 高次スプリアスモードによる応答は、特願 2003— 114592などに記載の方法により 抑帘 Uすることができる。

[0063] 〔実施例 2〕

実施例 1においては、ストンリ一波による応答よりも、低周波側において、 SH型の弹 性境界波によるスプリアス応答が生じていた。実施例 2では、このスプリアス応答の抑 制を図った。

[0064] すなわち、 SH型弾性境界波によるスプリアスを抑圧するために、 LiNbO 3基板のォ イラ一角と、ストンリー波及び SH型の弾性境界波の音速 V、電気機械結合係数 k2、 伝搬損失 、周波数温度係数 TCF及びパワーフロー角 PFAとの関係をそれぞれ求 め 7こ。お、十算【こ際し飞 ί¾、「A method for estimating optimal cuts and

propagation directions for

excitation and propagation directions for excitation of piezoelectric surface wavesj (J.J.Campbell and W.R.Jones, IEEE Trans. Sonics and

Ultrason.,Vol.SU-15(1968)pp.209-217)に開示された手法を元に、開放境界の場合 は、 SiO 2と Au、 Auと LiNbO 3の境界における変位、電位、電束密度の法線成分、上 下方向の応力が連続で、 SiO 2と LiNbO 3の厚さを無限とし、 Auの比誘電率を 1として 音速と伝搬損失を求めた。また、短絡境界の場合は、 SiO 2と Au、 Auと LiNbO 3の境 界における電位が 0として求めた。また、電気機械結合係数 k2は〔1〕式により求めた。 なお、 Vfは開放境界の音速である。

k2 = 2x I Vf— V I Zvf〜〔i〕

[0065] 周波数温度係数 TCFは、 20、 25、 30°Cにおける位相速度 V〔20°C〕、 V〔25°C〕及 び V〔30°C〕より〔2〕式により求めた。

[0066] TCF=V〔25°C〕— 1 X { V〔30°C〕—V [20°C] ) ÷ 10°C}— dS' · .〔2〕

ここで、 dSは境界波伝搬方向における LiNbO 3基板の線膨張係数である。

[0067] また、任意のオイラー角( φ , θ , φ )におけるパワーフロー角 PFAは、 φ 0. 5° 、 φ、 φ +0. 5° における位相速度 Vより〔3〕式を求めた。

[0068] PFA=tan"1{V[ (^ ] "1 X (ν[ +0. 5° 〕— ν〔φ— 0. 5° 〕)}···〔3〕

[0069] なお、前提とした構造は、 LiNbO 3基板上に、 Au電極を形成し、 SiO 2膜を形成した 構造である。 Au電極の膜厚は 0. 07えとし、オイラー角(0° , 0° , φ )、(0。 , 90 。,)、(90。, 0。, φ )、(90。, 90。, φ )、(0。, 0 , 0。)、(0。, 0 , 90。) 、(90。, 0 , 0。;)、(90。, 0 , 90。;)、( φ , 0。, 0。;)、( φ , 0。, 90。;)、( φ , 9 0。, 0。)及び(φ , 90。, 90。)であり、 φ、 θ、 φはそれぞれ 0。一 180。である

[0070] 図 10—図 69に結果を示す。

[0071] なお、図 10—図 69において、添え字として小文字 mが付されている値は、 SiO 2膜 と LiNbO 3基板との間に金属膜を配置した短絡境界における計算値を示し、添え字と して fが付与されている値は、金属膜の比誘電率を 1として求めた仮想的な開放境界 における計算値である。接頭文字として、 U2を付されている値は、 SH型の弾性境界 波の計算値であり、 U3が付与されている値力 Sストンリ一波の計算値である。

[0072] ストンリ一波を利用する場合、 SH型の弾性境界波はスプリアス応答となり、通過帯 域においてリップルを発生させたり、帯域外減衰量を劣化させたりする。 SH型の弹 性境界波の電気機械結合係数 k2が 2%以下であれば、該 SH型境界波スプリアスに よる特性劣化は小さくなり、比較的広い用途にストンリ一波を用いた境界波装置を利 用することができる。さらに、 SH型境界波の電気機械結合係数 k2が 1%以下であれ ば、より広い用途に利用し得るストンリ一波を用いた弾性境界波装置を提供すること ができる。さらに好ましくは、 SH型境界波の電気機械結合係数 k2が 0. 1%以下であ れば、 SH型弾性境界波スプリアスの影響をほとんど受けなくなるため、大きな減衰量 が要求されるフィルタや僅かな共振スプリアス応答が許容され得ない高精度の共振 子などに、ストンリ一波を利用した本発明の弾性境界波装置を用いることができる。

[0073] 図 10— 69において、 SH型境界波の電気機械結合係数 k2が 2%以下となるォイラ 一角は、(0° , 0° , 0° )—(0° , 0° , 180° ;)、(0° , 90° , 49° )—(0° , 90 。 , 131° ;)、(90° , 0° , 0° )—(90° , 0° , 180° ;)、(90° , 90° , 48° )—( 0。, 90。, 131。)、(0。,—32。, 0。)ー(0。, 47。, 0。)、(0。, 0。, 90。 )ー(0。, 180。, 90。;)、(90。,—39。, 0。)ー(90。, 39。, 0。;)、(90。, 0 ° , 90° )— (90° , 180° , 90° ) , (0° , 0° , 0° )— (180° , 0° , 0° )、(0 ° , 0° , 90。)ー(180。, 0。, 90。 ) , (0。 , 90。 , 90。)ー(180。, 90。, 9 0° )の範囲であり、 SH型境界波の k2が 1%以下となるオイラー角は、(0° , 0° , 1 2. 5° )—(0° , 0° , 47. 5)、(0° , 0° , 62. 5° )—(0° , 0° , 107. 5° )、(0 。, 0。, 132. 5。)ー(0。, 0。, 167. 5。)、(0。, 90。, 56。)ー(0。, 90。 , 125。;)、(90。, 0。,—18。)ー(90。, 0。, 18。;)、(90。, 0。, 42。)ー(9 0° , 0° , 78。 ) , (90。 , 0。 , 102。)ー(90。 , 0。 , 138。 ) , (90。, 0。, 16 2。)ー(90。, 0。, 180。;)、(90。, 90。, 57。)ー(90。, 90。, 127。;)、(0 。, 13。, 0。)ー(0。, 42。,0。)、(0。,0。, 90。)ー(0。, 180。, 90。;)、 (90。 ,—32。 , 0。)ー(90。, 32。,0。 ), (90。 , 70。 , 90。)ー(90。 , 110 。 , 90° ;)、(12° , 0° , 0° )—(48° , 0° , 0° ;)、(72° , 0° , 0° )—(107° , 0。,0。;)、(132。,0。,0。)ー(167。,0。,0。;)、(—18。,0。, 90。)ー( 18。,0。, 90。;)、(42。, 0。, 90。)ー(78。,0。, 90。;)、(102。,0。, 90 。)ー(138。,0。, 90。;)、(0。, 90。, 90。)ー(180。, 90。, 90。)の範囲 であり、 SH型境界波の k2が 0.1%以下となるオイラー角は、(0° , 0° , 26° )—(0 。,0。, 36。;)、(0。,0。,86。ト(0。,0。, 96。;)、(0。, 0。, 146。)一 ( 0° , 0° , 156。)、(0。 , 90。 , 80。)ー(0。 , 90。 , 111。 ), (90。, 90。, 1 10。)ー(90。, 90。, 119。)、(0。, 26。,0。)ー(0。, 34。,0。)、(0。, 0 。, 90。)ー(0。, 180。, 90。;)、(90。,—14。, 0。)ー(90。, 14。,0。)、( 26。,0。,0。)ー(34。,0。,0。;)、(86。,0。,0。)ー(94。,0。,0。)、( 146。,0。,0。)ー(154。,0。,0。;)、(—6。, 0。, 90。)ー(6。,0。, 90。 )、(54° , 0° , 90° )—(66° , 0° , 90° ;)、(114° , 0° , 90° )—(126° , 0 。 , 90° ;)、(—7° , 90° , 90° )—(7° , 90° , 90° ;)、(53° , 90° , 90° )—( 67° , 90° , 90° ;)、(113° , 90° , 90° )—(127° , 90° , 90° )である。

[0074] 上記オイラー角の範囲の LiNbO 3基板を用いることにおいてもスプリアス応答が小さ く、ある!/、はスプリアスが発生しな、ストンリー波を用いた弾性境界波装置を提供する ことができる。

[0075] なお、図 10— 69の計算結果の全ての条件において、ストンリ一波の伝搬損失 U3— am, U3— afは 0であり、良好な伝搬特性を示した。

[0076] また、ストンリ一波の音速 U3— Vmは 3000— 3400mZ秒付近に集中しており、力 ット角による変化は小さ、ことがわかる。

[0077] 従って、カット角を変更した場合であっても伝搬損失が 0となる電極膜厚 Hを、後述 の式 (4)により得られることがわ力る。

[0078] また、ストンリ一波の周波数温度係数 U3-TCFmは、—30—- 40ppmZ°Cに集中 しており、カット角による変化はあまり大きくないことがわかる。従って、カット角を変更 した場合であっても、周波数温度係数 TCFが小さくなる電極膜厚 Hを式 (4)により決

定し得ることがゎカゝる。

[0079] 〔実施例 3〕

実施例 2における計算方法を用い、圧電体 2としてオイラー角(0° , 30° , 0° ) , すなわち 120° Y板 X伝搬の LiNbO 3基板を用い、誘電体 3として、薄膜形成が容易 であること、 LiNbO 3の TCFを打ち消すことができることを考慮して、 SiO 2膜を選択し た。様々な密度の電極材料を用いて電極を構成し、弾性境界波装置を作製した。こ のようにして得られた弾性境界波装置における電極膜厚と、ストンリ一波の音速 V、伝 搬損失 a (dBZ )、電気機械結合係数 k2 (%)及び周波数温度係数 TCFとの関係 を求めた。結果を図 70—図 116に示す。なお、パワーフロー角 PFAは、いずれにお いてもゼロであった。

[0080] 120° Y板 X伝搬の LiNbO 3における縦波の音速、遅い横波の音速、遅い横波の 音速は、それぞれ、 6547、 4752及び 403 lmZ秒である。他方、 SiO 2における縦波

、遅い横波の音速は、それぞれ、 5960mZ秒及び 3757mZ秒である。図 70—図 1 16によれば、ストンリー波の音速力上記各音速のうち最も遅い 3757mZ秒以下と なるような電極膜厚では、ストンリ一波の伝搬損失 αは 0となっていることがわかる。す なわち、単に密度の大きな電極材料を用いただけではストンリー波の伝搬損失 αは 0 とはならず、電極膜厚を厚くし、ストンリ一波の音速を 3757mZ秒よりも遅くすること により、伝搬損失 (Xが 0となることがわかる。

[0081] 従って、本発明においては、好ましくは、電極膜厚は、ストンリー波の音速力上記 各音速のうち最も遅、音速よりも遅くされ得る厚みとされ、それによつてストンリ一波の 伝搬損失 0Cを 0とすることができる。

[0082] さらに、本発明においては、密度の大きな材料力もなる電極を用いることにより、電 極における横波の音速が遅くなり、電極にストンリ一波のエネルギーが集中することと なる。従って、電極に印加される電気エネルギーとストンリ一波の電気エネルギーが 効率的に結合するため、大きな電気機械結合係数が得られる。また、電極にェネル ギ一が集中するため、電極を構成する電極指により反射されるストンリー波の反射係 数も高められる。ストンリ一波の電極指による反射係数が高められると、グレーティン グ反射器を構成する電極指の本数を少なくすることができる。従って、弾性境界波装

置の小型化を進めることができる。さらに、反射器の反射帯域を広げることも可能であ る。

[0083] IDT4を構成する電極指の反射がない場合には、 IDT4のコンダクタンスの周波数 特性は左右対称の sine関数で表現される。他方、電極指の反射がある場合には、コ ンダクタンスの周波数特性は非対称となり、帯域の低周波側、または帯域の高周波 側のコンダクタンスが大きくなる。電極指の反射が大きくなるほど、上記周波数特性の 非対称性が高められることになる。

[0084] 上記のような内部反射を有する IDTを用いて、例えば、入力側 IDTと、出力側 IDT を境界波伝搬方向に配置し、これらの設けられて、る領域の両側に反射器を配置し た縦結合型のフィルタを構成した場合には、コンダクタンス特性の非対称性を反映し たフィルタ通過帯域が形成されることになる。この場合、電極指の反射係数が高くな るほど、急峻な帯域を設計することができる。このように、 IDTを構成する電極指の反 射係数を高めることができれば、より急峻なフィルタ特性を容易に得ることができる。

[0085] 図 117は、電極材料の密度 pと、ストンリ一波の伝搬損失が 0となる電極膜厚 Hとの 関係を示す図である。なお、下記の表 3は、電極材料として用いられる種々の金属の 密度を示す。

[0086] [表 3]


[0087] 図 117から明らかなように、下記の式 (4)を満たすような膜厚及び電極材料を用 ることにより、ストンリ一波の伝搬損失を 0とすることができる。

Η [ λ ] > 1/{ 1/ (3 Χ 197 Χ "2· 22+0. 017)— 0. 4} · ··式(4)

[0088] また、この種の弾性境界波装置を製造する場合、 LiNbO 3基板などの圧電基板上 にリフトオフ法やドライエッチなどのフォトリソグラフ工法により IDTなどの電極を形成 し、電極上にスパッタ、蒸着または CVDなどの薄膜形成法により SiO 2など力もなる誘 電体膜を形成する。そのため、 IDTの厚さに起因して、誘電体膜の上面に凹凸が生 じる。また、誘電体膜が斜めに成長したり、誘電体膜の膜質が不均一になったりする おそれがあった。このような凹凸、斜め方向への成長膜質の不均一性が生じると、弾 性境界波装置の特性が劣化する。

[0089] 上記特性の劣化を避けるには、電極の膜厚が薄いことが望ましい。本願発明者らの 検討によれば、電極の膜厚 Hが 0. 1 λ以上になると、品質の優れた誘電体薄膜を形 成することが困難となる。特に、電極膜厚が 0. 25 λ以上になると、電極のアスペクト 比が 1以上となり、電極を安価なドライエッチ工程やリフトオフ工程で形成することも難 しくなる。さらに、誘電体薄膜の形成に利用し得る工法や装置が限定されることになり 、汎用的な RFマグネトロンスパッタにより誘電体薄膜を形成することが困難となる。従 つて、電極膜厚は、 0. 25 λ以下であることが好ましぐより好ましくは 0. 1 λ以下であ る。

[0090] 図 117から明らかなように、密度 ρ力 711kgZm3以上の電極材料を用いると、ス トンリー波の伝搬損失が 0となる電極膜厚 Hの厚みを 0. 25 λ以下とすることができ、 密度 ρが 7316kg/m3以上の電極材料を用いると、伝搬損失が 0となる電極膜厚 H の大きさを 0. 10 λ以下とすることができる。従って、本発明においては、好ましくは、 電極材料の密度 p i 4711kgZm3以上、より好ましくは 7316kgZm3以上である。

[0091] また、図 72、図 76、図 80、図 84、図 88、図 92、図 96、図 103、図 107、図 111及 び図 115から明らかなように、上述した式 (4)の条件を満たす電極膜厚 Hにお、ても 、電気機械結合係数 k2は、 3-9. 4%の範囲と十分な大きさである。従って、上記式 (4)を満たす電極膜厚 Hにお、ても、十分な帯域幅の弾性境界波装置を提供するこ とがでさる。

[0092] また、図 73、図 77、図 81、図 85、図 89、図 93、図 97、図 100、図 104、図 108、 図 112及び図 116力ら明ら力なように、 Ag、 Au、 Cu、 Feゝ Taゝ W、 Ti及び Ptは、式( 4)を満たす電極膜厚 Hにおいて、 TCFの絶対値力 Oppm以下となることがわかる。 従って、好ましくは、電極材料として、 Ag、 Au、 Cu、 Fe、 Ta、 W、 Ti及び Ptからなる 群力 選択された 1種以上が周波数温度特性を改善し得るため好適に用いられる。

[0093] 〔実施例 4〕

次に、オイラー角( φ , 30° , 0° )及び(0° , 30° , φ )の LiNbO 3基板上に、そ れぞれ、厚み 0. 06えの Auからなる電極を形成し、さらに電極上に SiO 2膜を形成し た場合のオイラー角の φ及び φと、 SH型境界波及びストンリ一波の音速 V、電気機 械結合係数 k2、伝搬損失 Q;、周波数温度係数 TCF及びパワーフロー角 PFAとの関 係を求めた。図 118—図 122及び図 119一図 127に結果を示す。図 1 18—図 122 において、 U2は SH型境界波、 U3はストンリー波の結果を示す。なお、オイラー角( 0° —90° , 30° , 0° ;)及び(0ο , 30° , 0° —90° ;)の全範囲【こおヽて、伝搬 損失 αは OdBZ λであった。

[0094] 図 118—図 122力ら明ら力なように、 φ = 0° — 15° の範囲において、 SH型境界 波の電気機械結合係数 k2は 0. 3%以下と小さくなり、 = 0° において、 SH型境界 波の電気機械結合係数 k2がほぼ 0%となり、 SH型境界波によるスプリアス応答が非 常に小さくなることがわかる。また、 φ = 0° — 90° の範囲において、 TCFは— 37— — 33ppmZ°Cと良好であり、ストンリ一波の電気機械結合係数 k2は、 3. 5— 5%と十 分な大きさであり、従って狭帯域一中帯域の RFフィルタとして好適な弾性境界波フィ ルタを提供し得ることがわかる。また、 Φ = 0° — 90° の範囲において、ストンリ一波 のパワーフロー角 PFFは ± 1. 5° 以下と小さかった。

[0095] 図 123—図 127力ら明ら力なように、 φ = 0° — 14° の範囲において、 SH型境界 波の電気機械結合係数 k2は 0. 3%以下と小さくなり、 = 0° において SH型境界 波の電気機械結合係数がほぼ 0%となり、 SH型境界波によるスプリアス応答が非常 に小さくなることがわかる。また、 Φ = 0° — 90° の範囲において、 TCFは— 36—— 3 3ppm/°Cと良好であった。さらに、 φ = 0° — 45° の範囲において、ストンリ一波の 電気機械結合係数 k2は 3. 5— 5%と十分な大きさであり、従って、狭帯域一中帯域 の RFフィルタに好適な弾性境界波フィルタを提供し得ることがわかる。また、 φ = 0

。一 90。の範囲において、ストンリ一波のパワーフロー角は ± 1. 7。以下と小さか つた o

[0096] なお、本発明にお、て、誘電体と圧電体の厚さは上記計算の前提となったモデル のように無限である必要はなぐ弾性境界波のエネルギーが境界である電極付近に 十分に閉じこもる厚さを少なくとも有すればよぐすなわち、例えば 1 λ以上の厚みを 有すればよい。

[0097] また、本発明では、上記圧電体は、誘電体上に成膜された圧電膜であってもよヽ。

[0098] さらに、本発明に係る弾性境界波装置では、誘電体電極ー圧電体の積層構造の 積層方向外側に弾性境界波装置の強度を高めるため、あるいは腐食ガスなどの侵 入を防止するために保護層を形成してもよい。場合によっては、本発明の弾性境界 波装置は、ノッケージに封入されてもよい。

[0099] なお、上記保護層としては、酸化チタン、窒化アルミ、酸化アルミなどの絶縁性材料

、あるいは Au、 Aほたは Wなどの金属膜、ウレタン、エポキシ、シリコーンなどの榭脂 により構成され得る。

[0100] また、電極は、 Au、 Ag、 Cuまたは A1以外の他の金属、例えば、 Fe、 Ni、 W、 Ta、 Pt、 Mo、 Cr、 Ti、 ZnO及び ITOなどの導体膜で構成されてもよい。また、密着性や 耐電力性を高めるために、 Au、 Ag、 Cuもしくは Aほたはこれらの合金カゝらなる電極 層に、さらに Ti、 Crもしくは NiCr合金などの他の金属材料カゝらなる第 2の電極層を積 層してもよい。この場合第 2の電極層は、第 1の電極層と圧電体との間、あるいは第 1 の電極層と誘電体との間の、ずれか、または両方に配置してもよ!/、。

[0101] さらに、本発明において、電極は、導波路やバスバーなどを構成する面状の電極 膜であってもよぐ境界波を励振する IDTやくし型電極であってもよぐ境界波を反射 する反射器であってもよい。

[0102] なお、本明細書において、基板の切断面と境界波の伝搬方向を表現するオイラー 角(φ , θ , φ )は、文献「弾性波素子技術ハンドブック」(日本学術振興会弾性波素 子技術第 150委員会、第 1版第 1刷、平成 13年 11月 30日発行、 549頁)記載の右 手系オイラー角を用いた。すなわち、 LNの結晶軸 X、 Y、 Ζに対し、 Ζ軸を軸として X 軸を反時計廻りに φ回転し Xa軸を得る。次に、 Xa軸を軸として Z軸を反時計廻りに

Θ回転し Z' 軸を得る。 Xa軸を含み、 Z' 軸を法線とする面を基板の切断面とした。 そして、 Z' 軸を軸として Xa軸を反時計廻りに φ回転した軸 X' 方向を境界波の伝 搬方向とした。

[0103] また、オイラー角の初期値として与える LiNbO 3の結晶軸 X、 Y、 Ζは、 Ζ軸を c軸と平 行とし、 X軸を等価な 3方向の a軸のうち任意の 1つと平行とし、 Y軸は X軸と Z軸を含 む面の法線方向とする。

[0104] なお、本発明における LiNbO 3のオイラー角(φ, θ , φ)は結晶学的に等価であれ ばよい。例えば、「日本音響学会誌 36卷 3号、 1980年、 140— 145頁」によれば、 Li NbO 3は三方晶系 3m点群に属する結晶であるので (A)式が成り立つ。

[0105] F( , Θ , )=F(6O° —φ , —θ , φ )

=F(60° + , -θ , 180° -φ )

=F , 180° + θ , 180° -φ )

=F , θ , 180° + φ) …式 (Α) ここで、 Fは、電気機械結合係数 k2、伝搬損失、 TCF、 PFA、ナチュラル一方向性 などの任意の境界波特性である。 PFAやナチュラル一方向性は、例えば伝搬方向を 正負反転してみた場合、符合は変わるものの絶対量は等しいので実用上等価である と考えられる。なお、上記文献は表面波に関するものであるが、境界波に関しても結 晶の対称性は同様に扱える。例えば、オイラー角(30° , θ , φ)の境界波伝搬特性 は、オイラー角(90° , 180° —Θ , 180° —φ)の境界波伝搬特性と等価である。ま た、例えば、オイラー角(30° , 90° , 45° )の境界波伝搬特性は、下記の表 4に示 すオイラー角の境界波伝搬特性と等価である。

[0106] また、本発明にお、て計算に用いた電極の材料定数は多結晶体の値である力ェ ピタキシャル膜などの結晶体にぉ、ても、膜自体の結晶方位依存性より基板の結晶 方位依存性が境界波特性に対して支配的であるので式 (A)で表わされる等価なオイ ラー角の場合も、実用上問題ない程度に同等の境界波伝搬特性が得られる。

[0107] [表 4]

S o z osc

sic 06 oce

06 osc

918 QLZ

9CI QLZ OLZ

06 OLZ

06 OLZ

OAZ 0

9t 02,2 012

91C 06 012

06 ΟΐΖ

91δ OLZ 091

Π 091

9^ 06 091

9 06 OSl

OLZ 06

S OLZ 06

91C 06 06

SCI 06 06

91C OLZ οε

5CI OLZ o

ZZ 06 oe

( 。) ^ ( o) Θ ( 。) Φ

TSS6lO/l700Zdf/X3d S817690/S00Z OAV