JP7078000B2 - 弾性波装置 - Google Patents
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Description
本発明は、高音速部材上にタンタル酸リチウムからなる圧電層が直接または間接に積層されている弾性波装置に関する。
従来、タンタル酸リチウムからなる、薄い圧電層を有する弾性波装置が提案されている。下記の特許文献１に記載の弾性波装置では、高音速部材、低音速膜、圧電膜及びＩＤＴ電極がこの順序で積層されている。高音速部材及び低音速膜を用いることにより、圧電膜に弾性波を閉じ込めることが可能とされている。
特許文献１に記載の弾性波装置では、上記積層構造を有するため、Ｑ特性を改善することが可能とされている。
しかしながら、特許文献１に記載の弾性波装置では、ＩＤＴ電極に用いる金属の密度、ヤング率、膜厚によっては帯域外にスプリアスが生じることがあった。
本発明の目的は、帯域外スプリアスが小さい弾性波装置を提供することにある。
本願の第１の発明は、高音速部材と、前記高音速部材上に積層されており、タンタル酸リチウムからなる圧電層と、前記圧電層上に設けられたＩＤＴ電極とを備え、前記高音速部材を伝搬するバルク波の音速が、前記圧電層を伝搬する弾性波の音速よりも高く、前記高音速部材を伝搬する速い横波バルク音速Ｖｓｕｂが、下記の式（１）から求められるＳＨ０モードの音速Ｖｓｈ０と、ＳＨ０モード以上の音速を有するスプリアスとなるモードの音速Ｖｓｐに対し、Ｖｓｈ０≦Ｖｓｕｂ≦Ｖｓｐである、弾性波装置である。
式（１）において、Ｖｓｈ０及びＶｓｐの場合の係数は下記の表１に示す通りである。
本願の第２の発明は、高音速部材と、前記高音速部材上に積層されており、シリコン酸化物からなる中間層と、前記中間層上に積層されており、タンタル酸リチウムからなる圧電層と、前記圧電層上に設けられたＩＤＴ電極とを備え、前記高音速部材を伝搬するバルク波の音速が、前記圧電層を伝搬する弾性波の音速よりも高く、前記高音速部材を伝搬する速い横波バルク音速Ｖｓｕｂが、下記の式（２）から求められるＳＨ０モードの音速Ｖｓｈ０と、ＳＨ０モード以上の音速を有するスプリアスとなるモードの音速Ｖｓｐに対し、Ｖｓｈ０≦Ｖｓｕｂ≦Ｖｓｐである、弾性波装置である。
式（２）において、Ｖｓｈ０及びＶｓｐの場合の係数は下記の表２に示す通りである。
本願の第１及び第２の発明によれば、帯域外スプリアスを小さくすることができる。
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（ａ）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り、（ｂ）は、その平面図である。
弾性波装置１は、高音速部材２としてＳｉ支持基板を有する。高音速部材２上に、ＬｉＴａＯ３層である圧電層３が積層されている。圧電層３上に、ＩＤＴ電極４および反射器５，６が設けられている。それによって、弾性波共振子が構成されている。
ＩＤＴ電極４の電極指ピッチで定まる波長をλとしたときに、圧電層３の厚みは１λ以下とされている。このような、非常に薄い圧電層３であっても、高音速部材２上に積層されているため、弾性波を圧電層３に閉じ込めることが可能とされている。すなわち、高音速部材２は、Ｓｉのような高音速材料からなる。高音速材料を伝搬するバルク波の音速は、圧電層３を伝搬する弾性波の音速よりも高い。したがって、弾性波を圧電層３に閉じ込めることが可能とされている。
ＩＤＴ電極４及び反射器５，６は、様々な金属もしくは合金からなる。このような金属としては、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｒｕ、Ｗ、Ｉｒ及びこれらの金属を主体とする合金からなる群から選択された少なくとも１種の金属が好適に用いられる。その場合には、電気機械結合係数及びＱ値の双方を高くすることができる。
また、ＩＤＴ電極４及び反射器５，６は、複数の金属膜を積層してなる積層金属膜であってもよい。このような積層金属膜に用いられる金属についても特に限定されず、前述した金属の他、Ｔｉ、Ａｌ、Ｃｕなどを用いることができる。
本実施形態では、ＩＤＴ電極４及び反射器５，６は、圧電層３と反対側、すなわち上面側から、Ｔｉ／Ｍｏ／Ｔｉがこの順序で積層されている。
弾性波装置１の特徴は、高音速部材２を伝搬する速い横波バルク音速Ｖｓｕｂが、下記の式（１）から求められるＳＨ０モードの音速Ｖｓｈ０と、ＳＨ０モード以上の音速を有するスプリアスとなるモードの音速Ｖｓｐに対し、Ｖｓｈ０≦Ｖｓｕｂ≦Ｖｓｐであることにある。Ｖｓｈ０≦Ｖｓｕｂであるため、またＶｓｕｂ≦Ｖｓｐであるため、ＳＨ０モードの弾性波を圧電層３に効果的に閉じ込めることができ、他方、上記スプリアスとなる波を高音速部材２側に漏洩させることができる。それによって、スプリアスを小さくすることができる。
本願発明者は、上記音速関係を満たす上で、上述の式（１）において、Ｖｓｈ０及びＶｓｐの場合の係数を下記表３に示す通りとすればよいことを見出した。
ＳＨ０モードの音速Ｖｓｈ０（ｋｍ／秒）は、圧電層３の膜厚Ｔｐｉｅｚｏ（λ）及び第２オイラー角θ（°）と、ＩＤＴ電極４における、膜厚Ｔｅ（λ）、密度ρ（ｇ／ｃｍ３）及びヤング率Ｙ（ＧＰａ）とから算出することができる。ＳＨ０モードよりも速い音速を有するスプリアスモードの音速についても、同様にして求めることができる。
したがって、上記のようにして求められるＶｓｈ０及びＶｓｐが、Ｖｓｈ０≦Ｖｓｕｂ≦Ｖｓｐとなるように、表３に示す係数を用いることにより、スプリアスを低減することができる。
弾性波装置１のように、薄い圧電層３を用いた構造では、弾性波の音響エネルギーは、圧電層３及びＩＤＴ電極４に極度に集中する。そのため、圧電層３において様々なプレートモードが生じ得る。通常、これらのうちの１つのプレートモードをメインの共振モードとして利用する。本実施形態では、ＳＨ０モードを利用している。この場合、残りのプレートモードは全てスプリアスとなる。したがって、残りのモードは特性劣化の原因となるため、抑制されることが望ましい。
他方、上記様々なプレートモードの音速依存性は、ＩＤＴ電極４の構造、圧電層３におけるカット角及び圧電層３の膜厚で決定され、モードごとに異なる。
本願発明者は、ＬｉＴａＯ３を圧電層３として用い、かつＳＨ０モードをメインのモードとして利用する場合に、ＳＨ０モードよりも高速のスプリアスとなるモードを、高音速部材２としての支持基板側に漏洩させる条件を以下の通りとするＦＥＭ（有限要素法）シミュレーションにより求めた。
電極指ピッチで定まる波長＝１μｍ
電極指本数＝無限周期
デューティ比＝０．５
電極指本数＝無限周期
デューティ比＝０．５
次に、具体的な実験例につき説明する。
上記第１の実施形態の弾性波装置１の実施例１を以下のパラメータで用意した。
高音速部材２；Ｓｉからなる支持基板、オイラー角は（－４５°，－５４．７°，６０°）。
圧電層３；４２°ＹカットＸ伝搬のＬｉＴａＯ３、厚み０．２λ。
ＩＤＴ電極４及び反射器５，６の積層構造；上からＴｉ膜／Ｍｏ膜／Ｔｉ膜の積層金属膜、厚みは、Ｔｉ膜＝λの０．２％／Ｍｏ膜＝λの５．２％／Ｔｉ膜＝λの０．６％。
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上記実施例１において、前述した式（１）に基づき、ＳＨ０モードの音速Ｖｓｈ０と、Ｖｓｐとを求めた。Ｖｓｈ０＝４３１９ｍ／秒であり、Ｖｓｐ＝５８８４ｍ／秒である。なお、Ｖｓｕｂ＝５８４４ｍ／秒である。
他方、ＩＤＴ電極の構成を上方から順に、Ｔｉ膜／Ａｌ膜／Ｐｔ膜を積層してなる積層金属膜とし、上記実施例１と共振周波数が揃うように、各層の厚みをＴｉ膜＝λの０．２％／Ａｌ膜＝λの５％／Ｐｔ膜＝λの２％とする比較例１を計算した。比較例１の弾性波装置におけるＳＨ０モードの音速Ｖｓｈ０を求めたところ、Ｖｓｈ０＝４０１０ｍ／秒であった。また、Ｖｓｐ＝５７２７ｍ／秒であった。
上記実施例１及び比較例１の弾性波装置のインピーダンス特性を図２に示す。図２から明らかなように、いずれも３７００ＭＨｚ付近にＳＨ０モードの応答が表れており、さらに５７００ＭＨｚ－６０００ＭＨｚ付近に、スプリアスが表れている。このスプリアスは、ＳＨ０モードの次に速い音速を有するモードであり、Ｓ０ラム波と呼ばれているモードである。
図２の実線が実施例１の結果を示し、破線が比較例１の結果を示す。実線と破線とを比較すれば明らかなように、実施例１では、５７００ＭＨｚ－６０００ＭＨｚ付近におけるスプリアスが比較例１の場合に比べ小さくなっていることがわかる。
これは、実施例１ではＶｓｈ０≦Ｖｓｕｂ≦Ｖｓｐであることによる。
前述したように、ＳＨ０モードや、Ｓ０ラム波等のプレートモードの音速は、圧電層３における膜厚、カット角、ＩＤＴ電極の膜厚、密度及び弾性率（ヤング率）により決定される。なお、積層金属膜の場合には、各金属層のＩＤＴ電極に占める体積比から、材料毎のパラメータの体積平均を用いればよい。実用的には、ＩＤＴ電極のテーパー角は多くの場合直角に近く、電極指線幅は一定とみなされ得る。即ち体積比は膜厚比で代用されてもよい。ここで、本発明で計算された音速と、実際のスプリアスの位置から推定される音速が必ずしも一致するとは限らないことに留意しなければならない。前者は理想的プレートモードの音速であって支持基板の影響を受けないものであるのに対し、後者はプレートモードと支持基板の混合的な作用の結果生じたものであるからである。
上記実施形態では、ＳＨ０モードを利用し、Ｓ０ラム波のスプリアスが小さくなっていることを示したが、影響を小さくし得るスプリアスはＳ０ラム波に限定されない。
また、上記式（１）におけるθは第２オイラー角であるが、好ましくは、第２オイラー角θは、１２０°≦θ≦１６０°であることが望ましい。カット角で表現すると、ＹカットＸ伝搬において、カット角は、－１０°以上、＋６５°以下の範囲であることが望ましい。なお、第２オイラー角θは、θ＝４２°とθ＝１３２°は等価であり、本発明においては、このような等価な第２オイラー角であってもよい。
図３は本発明の第２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１１では、高音速部材２としてのＳｉ支持基板とＬｉＴａＯ３からなる圧電層３との間に、酸化ケイ素からなる中間層１２が設けられている。その他の構造は、弾性波装置１１は弾性波装置１と同様である。
酸化ケイ素からなる中間層１２を伝搬するバルク波の音速は、圧電層３を伝搬するバルク波の音速よりも低い。なお、中間層１２の材料は酸化ケイ素に限られず、例えば、酸化ケイ素に少量のフッ素、炭素、ホウ素、窒素、水素を加えた化合物や、酸化ケイ素を主成分とし、シラノール基を含む材料を挙げることができる。また、中間層１２は低音速材料からなる複数の層を有する多層構造であってもよい。複数の層の間にチタンやニッケルなどからなる接合層を含んでいてもよい。この場合の中間層１２の厚みは多層構造全体の厚みを示すものとする。
第２の実施形態の弾性波装置１１においても、Ｖｓｈ０≦Ｖｓｕｂ≦Ｖｓｐとされているため、スプリアスとなるモードを小さくすることができる。もっとも、積層構造が異なるため、Ｖｓｈ０及びＶｓｐを求める下記式（２）における係数は下記の表４に示す通りとなる。
図４は、第２の実施形態についての実施例２の弾性波装置と、比較例２の弾性波装置のインピーダンス特性を示す図である。
実施例２の構成は以下の通りである。
電極指ピッチで定まる波長＝２μｍ
電極指本数＝無限周期
デューティ比＝０．５
電極指本数＝無限周期
デューティ比＝０．５
高音速部材２；Ｓｉからなる支持基板、オイラー角は（０°，－４５°，３０°）。
中間層１２；ＳｉＯ２膜、厚み０．２λ
圧電層３；５０°ＹカットＸ伝搬のＬｉＴａＯ３、厚み０．２λ。
ＩＤＴ電極４及び反射器５，６の積層構造；Ａｌ膜／Ｒｕ膜、膜厚Ａｌ膜＝λの４％、Ｒｕ膜＝λの４％。すなわち、ＩＤＴ電極４における絶対膜厚は波長のλの８％であることした。
中間層１２；ＳｉＯ２膜、厚み０．２λ
圧電層３；５０°ＹカットＸ伝搬のＬｉＴａＯ３、厚み０．２λ。
ＩＤＴ電極４及び反射器５，６の積層構造；Ａｌ膜／Ｒｕ膜、膜厚Ａｌ膜＝λの４％、Ｒｕ膜＝λの４％。すなわち、ＩＤＴ電極４における絶対膜厚は波長のλの８％であることした。
上記実施形態２の弾性波装置におけるＶｓｈ０及びＶｓｐは、上述した式（２）及び表４から以下の通りとなる。
Ｖｓｈ０＝３４５８ｍ／秒
Ｖｓｐ＝５６４０ｍ／秒
なお、Ｖｓｕｂは５５７５ｍ／秒である。
Ｖｓｐ＝５６４０ｍ／秒
なお、Ｖｓｕｂは５５７５ｍ／秒である。
比較のために、比較例２の弾性波装置を用意した。比較例２では、ＩＤＴ電極及び反射器の積層構造を、Ａｌ膜／Ｒｕ膜とし、膜厚をＡｌ膜＝λの４％／Ｒｕ膜＝λの６％とした。その他の構成は実施例２と同様とした。
比較例２では、Ｖｓｈ０＝３２５９ｍ／秒となり、Ｖｓｐ＝５４９８ｍ／秒となる。
図４の実線が実施例２の結果を示し、破線が比較例２の結果を示す。図４から明らかなように、実施例２及び比較例２において１８００－２１００ＭＨｚ付近にＳＨ０モードの応答が表れている。そして、２７００－３０００ＭＨｚ付近にＳ０モードのスプリアスが表れている。そして、比較例２に比べて、実施例２によれば、このスプリアスを著しく小さくし得ることがわかる。
比較例２では、Ｖｓｐ≦Ｖｓｕｂとなっている。そのため、スプリアスが閉じこもってしまい、大きな応答となって表れている。
上記のように、Ｒｕのようなヤング率の高い電極材料を用いて高音速部材と圧電層との間の望ましい音速関係を満たした場合においても、各電極層の膜厚比を調整することにより、スプリアスを効果的に小さくし得ることがわかる。
図５は、本発明の第３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２１では、ＩＤＴ電極４及び反射器５，６と圧電層３との間に、誘電体層２２が設けられている。この誘電体層２２が設けられていることを除いては、弾性波装置２１は弾性波装置１１と同様の構造を有する。このように、本発明においては、ＩＤＴ電極４と圧電層３との間に誘電体層２２が設けられてもよい。このような、誘電体層２２の材料としては、様々な誘電体を用いることができ、特に限定されない。もっとも、好ましくは、Ａｌ２Ｏ３、ＭｇＯ、ＢｅＯ、ＨｆＯ２、ＡｌＮ、ＳｉＮ、ＴｉＮ、ＺｒＮ、ＳｉＣ、ＴｉＣ、ＤＬＣ、Ｂ４Ｃ、ＴｉＢ２、ＺｒＢ２及びＮｂＢ２からなる群から選択された少なくとも１種の誘電体が用いられる。この場合には、Ｑ値をより一層高めることができ、かつ帯域外スプリアスをより一層小さくすることができる。
これを具体的な実験例に基づき説明する。
図６は第３の実施形態についての実施例３の弾性波装置と、実施例２の弾性波装置のインピーダンス特性を示す図である。
実施例３では、誘電体層２２として、厚み０．０１５λのＡｌ２Ｏ３膜を設けた。その他の構成は、実施例３の弾性波装置は、実施例２の弾性波装置と同様とした。
図６から明らかなように、実施例３によれば、実施例２よりもさらに２７００－３０００ＭＨｚ付近に表れるスプリアスを小さくし得ることがわかる。
上記第１～第３の実施形態では、高音速部材２としてＳｉ支持基板を用いたが、Ｓｉに限らず、他の高音速材料を用いてもよい。すなわち、ＬｉＴａＯ３を伝搬する弾性波の音速よりも、伝搬するバルク波の音速が高い様々な高音速材料を用いることができる。
高音速部材２は、Ｓｉ支持基板であったが、ゲルマニウム、ガリウム、ナイトライド及びシリコンカーバイド等の他の半導体を主体とするものであってもよい。半導体の場合、生産性を高めることができる。
また、高音速部材２は、水晶、スピネル、アルミナまたはダイヤモンド等の誘電体を主体とするものであってもよい。その場合には、抵抗損を小さくすることができる。
上記高音速材料からなる高音速部材２を支持する支持基板がさらに備えられていてもよい。すなわち、高音速部材２は支持基板を兼用しておらずともよい。
さらに、第３の実施形態における誘電体層２２は、ＩＤＴ電極４の電極指の下方だけでなく、電極指間のギャップに至るように設けられていてもよい。また、圧電層３の上面の全面を覆うように誘電体層２２が設けられていてもよい。
本発明の弾性波装置では、ＩＤＴ電極を覆うように保護膜が設けられていてもよい。このような保護膜を設けることにより、外部環境からの保護を図ることができる。また、保護膜による質量付加により、周波数特性を調整することもできる。このような保護膜としては、様々な誘電体を用いることができる。
第２の実施形態の弾性波装置１１では、低音速膜である中間層１２よりも横波音響インピーダンスが高い高音響インピーダンス層が、Ｓｉ支持基板からなる高音速部材２と、中間層１２との間に設けられてもよい。その場合には、Ｑ値をより一層高めることができる。このような高音響インピーダンス層を構成する材料は特に限定されないが、好ましくは、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、シリコン窒化物（ＳｉＮｘ）、ハフニウム窒化物（ＨｆＮ）、五酸化タンタル（Ｔａ２Ｏ５）、ハフニウム酸化物（ＨｆＯｘ）及びダイヤモンドライクカーボン（ＤＬＣ）等が好適に用いられる。その場合、Ｑ値をより一層高めることができる。
なお、中間層１２は、酸化ケイ素からなるが、フッ素、ボロン及び窒素等の原子が含有されていてもよい。それによって温度特性を改善することができる。
１，１１，２１…弾性波装置
２…高音速部材
３…圧電層
４…ＩＤＴ電極
５，６…反射器
１２…中間層
２２…誘電体層
２…高音速部材
３…圧電層
４…ＩＤＴ電極
５，６…反射器
１２…中間層
２２…誘電体層
Claims (4)
- 高音速部材と、
前記高音速部材上に積層されており、タンタル酸リチウムからなる圧電層と、
前記圧電層上に設けられたＩＤＴ電極とを備え、
前記高音速部材を伝搬するバルク波の音速が、前記圧電層を伝搬する弾性波の音速よりも高く、
前記高音速部材を伝搬する速い横波バルク音速Ｖｓｕｂが、下記の式（１）から求められるＳＨ０モードの音速Ｖｓｈ０と、ＳＨ０モード以上の音速を有するスプリアスとなるモードの音速Ｖｓｐに対し、Ｖｓｈ０≦Ｖｓｕｂ≦Ｖｓｐである、弾性波装置。
式（１）において、ＶｍｏｄｅはＶｓｈ０またはＶｓｐであり、Ｖｓｈ０及びＶｓｐの場合の係数は下記の表１に示す通りであり、λは、前記ＩＤＴ電極の電極指ピッチで定まる波長であり、Ｔｐｉｅｚｏは圧電層の膜厚（λ）であり、ＴｅはＩＤＴ電極の膜厚（λ）であり、θは圧電層の第２オイラー角（°）であり、ＹはＩＤＴ電極のヤング率（ＧＰａ）であり、ρはＩＤＴ電極の密度（ｇ／ｃｍ３）である。
- 高音速部材と、
前記高音速部材上に積層されており、シリコン酸化物からなる中間層と、
前記中間層上に積層されており、タンタル酸リチウムからなる圧電層と、
前記圧電層上に設けられたＩＤＴ電極とを備え、
前記高音速部材を伝搬するバルク波の音速が、前記圧電層を伝搬する弾性波の音速よりも高く、
前記高音速部材を伝搬する速い横波バルク音速Ｖｓｕｂが、下記の式（２）から求められるＳＨ０モードの音速Ｖｓｈ０と、ＳＨ０モード以上の音速を有するスプリアスとなるモードの音速Ｖｓｐに対し、Ｖｓｈ０≦Ｖｓｕｂ≦Ｖｓｐである、弾性波装置。
式（２）において、ＶｍｏｄｅはＶｓｈ０またはＶｓｐであり、Ｖｓｈ０及びＶｓｐの場合の係数は下記の表２に示す通りであり、λは、前記ＩＤＴ電極の電極指ピッチで定まる波長であり、Ｔｐｉｅｚｏは圧電層の膜厚（λ）であり、Ｔｉｎｔは中間層の膜厚（λ）であり、ＴｅはＩＤＴ電極の膜厚（λ）であり、θは圧電層の第２オイラー角（°）であり、ＹはＩＤＴ電極のヤング率（ＧＰａ）であり、ρはＩＤＴ電極の密度（ｇ／ｃｍ３）である。
- 前記タンタル酸リチウムのカット角が、ＹカットＸ伝搬で、－１０°～＋６５°の範囲内にある、請求項１または２に記載の弾性波装置。
- 前記ＩＤＴ電極と、前記圧電層との間に、Ａｌ２Ｏ３、ＭｇＯ、ＢｅＯ、ＨｆＯ２、ＡｌＮ、ＳｉＮ、ＴｉＮ、ＺｒＮ、ＳｉＣ、ＴｉＣ、ＤＬＣ、Ｂ４Ｃ、ＴｉＢ２、ＺｒＢ２及びＮｂＢ２からなる群から選択された少なくとも１種の誘電体が配置されている、請求項１～３のいずれか１項に記載の弾性波装置。
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