圧電基板、弾性表面波素子、電子部品、及び圧電基板の製造方法、
【課題】縦型漏洩弾性表面波の伝搬減衰が小さな圧電基板、この圧電基板を利用した弾性表面波素子及び電子部品、前記圧電基板の製造方法を提供する。
【解決手段】縦型漏洩弾性表面波を励振するための圧電基板１０は、圧電結晶中の一価陽イオンをプロトンと交換するプロトン交換処理が可能な圧電材料からなり、前記圧電材料をプロトン交換処理することにより形成されたプロトン交換層１１と、このプロトン交換層内のプロトンを前記一価陽イオンと交換する逆プロトン交換処理することにより、前記プロトン交換層の上層側に、圧電基板の表面に露出するように形成された逆プロトン交換層１２と、を備える。
【解決手段】縦型漏洩弾性表面波を励振するための圧電基板１０は、圧電結晶中の一価陽イオンをプロトンと交換するプロトン交換処理が可能な圧電材料からなり、前記圧電材料をプロトン交換処理することにより形成されたプロトン交換層１１と、このプロトン交換層内のプロトンを前記一価陽イオンと交換する逆プロトン交換処理することにより、前記プロトン交換層の上層側に、圧電基板の表面に露出するように形成された逆プロトン交換層１２と、を備える。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、圧電基板に縦型漏洩弾性表面波を伝搬させる技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
携帯電話などの移動体通信機器のさらなる進化に伴い、フィルタやデュプレクサなどの弾性表面波（Surface Acoustic Wave:ＳＡＷ）デバイスの高性能化が要求されている。特に、高周波化、広帯域化のために、高速、高結合のＳＡＷモード、基板構造、圧電材料が要請されており、国内外で広く研究開発が行われている。
【０００３】
縦型漏洩弾性表面波（Longitudinal-type Leaky SAW：ＬＬＳＡＷ、縦波型漏洩弾性表面波、第二漏洩弾性表面波などとも呼ばれる）は、バルク縦波に近い位相速度を有しており、ＳＡＷデバイスの高周波化に有利な伝搬モードの一つである。しかし、ＳＨ波とＳＶ波のバルク波を漏洩しながら伝搬するため、非常に大きい伝搬減衰を有している。大きな電気機械結合係数Ｋ２（理論値：１２．９％）を有すると報告されているＸカット３６°回転Ｙ伝搬のＬｉＮｂＯ３（以下、ＬＮと記す）上、短絡表面の伝搬減衰理論値は４ｄＢ／波長（λ）に達する。ＬＮやＴｉＴａＯ３（以下、ＬＴと記す）上のＬＬＳＡＷの低損失化の手法として、基板方位、電極膜厚の最適化が試みられている（非特許文献１、非特許文献２）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【非特許文献１】"GHz-band surface acoustic wave devices using the second leaky mode", J. Appl. Phis., vol.36, no.9B, pp.6083-6087, 1997.
【非特許文献２】"ＬｉＮｂO３の縦波形漏洩弾性表面波の共振器特性-有限要素-解析解結合法による解析", 信学会基礎・境界ソサイエティ大会, A-195, p.196, 1996.
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明はこのような事情の下になされたものであり、その目的は、縦型漏洩弾性表面波の伝搬減衰が小さな圧電基板、この圧電基板を利用した弾性表面波素子及び電子部品、前記圧電基板の製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明に係る縦型漏洩弾性表面波の励振用の圧電基板は、圧電結晶中の一価陽イオンをプロトンと交換するプロトン交換処理が可能な圧電材料からなり、縦型漏洩弾性表面波を励振するための圧電基板であって、
前記圧電材料をプロトン交換処理することにより形成されたプロトン交換層と、
このプロトン交換層内のプロトンを前記一価陽イオンと交換する逆プロトン交換処理することにより、前記プロトン交換層の上層側に、圧電基板の表面に露出するように形成された逆プロトン交換層と、を備えることを特徴とする。
【０００７】
上述の圧電基板は、以下の特徴を備えていてもよい。
（ａ）前記逆プロトン交換層を形成する前の初期のプロトン交換層の厚さは、縦型漏洩弾性表面波の波長をλとすると、０．１λ〜１０λの範囲であり、前記逆プロトン交換層の厚さは０．０５λ〜１λの範囲であること。
（ｂ）前記圧電材料は、ニオブ酸リチウムまたはタンタル酸リチウムであること。
（ｃ）前記圧電材料は、面方位が３６°Ｘカット、Ｙ伝搬のニオブ酸リチウムであること。
【０００８】
また、本発明に係わる弾性表面波素子は、上述の縦型漏洩弾性表面波の励振用の圧電基板より得られた圧電片の逆プロトン交換層の表面に、縦型漏洩弾性表面波を励振させるためのＩＤＴ電極を備えることを特徴とする。
そして、本発明に係わる電子部品は、当該弾性表面波素子を備えることを特徴とする。
【０００９】
また、他の発明に係わる縦型漏洩弾性表面波の励振用の圧電基板の製造方法は、圧電材料基板の被処理面を、２００〜４００℃に加熱されたプロトン源の溶液と接触させて、この被処理面に、前記圧電材料を構成する圧電結晶中の一価陽イオンをプロトンと交換してなるプロトン交換層を形成するプロトン交換処理工程と、
このプロトン交換層が形成された面を、２００〜４００℃に加熱され、前記プロトンと交換されたものと同種の一価陽イオンを含むイオン源と接触させて、当該プロトン交換層の上層側の被処理面に、前記プロトンを元の圧電結晶の一価陽イオンと交換してなる逆プロトン交換層を形成する逆プロトン交換処理工程と、を含むことを特徴とする。
【００１０】
上記圧電基板の製造方法は、以下の特徴を備えていてもよい。
（ｄ）前記プロトン交換処理工程及び逆プロトン交換処理工程のプロトン源濃度、処理温度、処理時間は、縦型漏洩弾性表面波の波長をλとしたとき、前記逆プロトン交換層を形成する前のプロトン交換層の初期の厚さが０．１λ〜１０λの範囲となり、前記逆プロトン交換層の厚さが０．０５λ〜１λの範囲となるように調整されること。
（ｅ）前記圧電材料は、ニオブ酸リチウムまたはタンタル酸リチウムであること。
（ｆ）前記圧電材料は、面方位が３６°Ｘカット、Ｙ伝搬のニオブ酸リチウムであること。
（ｇ）前記圧電材料基板を３００℃以上の温度に加熱して、前記プロトン交換層を拡散させる熱処理工程を含むこと。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、圧電基板の表面に露出している逆プロトン交換層の下層側に、逆プロトン交換層に比べて弾性定数の低いプロトン交換層を形成することにより、前記逆プロトン交換層の表面を伝搬する縦型漏洩弾性表面波の伝搬減衰を低減できる。この結果、当該圧電基板を利用して挿入損失の小さい弾性表面波フィルタやＱ値の大きな弾性表面波共振子を構成することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】発明の実施の形態に係わる圧電基板の構成を示す模式図である。
【図２】前記圧電基板を用いたＳＡＷフィルタの構成例を示す平面図である。
【図３】前記圧電基板を用いたＳＡＷ共振子の構成例を示す平面図である。
【図４】実験に用いたＳＡＷフィルタの平面図である。
【図５】実施例及び比較例に係わるＳＡＷフィルタの挿入損失の周波数特性を示す特性図である。
【図６】実施例及び比較例に係わるＳＡＷ共振子のアドミタンスの周波数特性を示す特性図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
＜圧電基板＞
図１に示すように、本発明の縦型漏洩弾性表面波（以下、ＬＬＳＡＷと記す）の励振用の圧電基板１は、プロトン交換処理や逆プロトン交換処理が行われていない圧電材料の未処理層１３の上層側に、当該圧電材料をプロトン交換処理して形成したプロトン交換層１２、このプロトン交換層１２の上層側の一部を逆プロトン交換処理して形成した逆プロトン交換層１１を備えている。そしてこの逆プロトン交換層１１が圧電基板１の表面に露出しており、ＬＬＳＡＷを伝搬させる伝搬面となる。
【００１４】
本発明の圧電基板１の材料として利用可能な圧電材料は、プロトン交換処理及び逆プロトン交換処理を実施可能な圧電材料であり、具体例としてはニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ３：ＬＮ）やタンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ３：ＬＴ）、ニオブ酸カリウム（ＫＮｂＯ３）、ＭｇＯドープＬＮなどを挙げることができる。また圧電基板１において、ＬＬＳＡＷの伝搬減衰の程度は、圧電材料基板のカット方向及びＬＬＳＡＷの伝搬方向に依存する。後述の実施例に示すように例えばＬＮでは、Ｘカット３６°回転Ｙ伝搬基板（以下、３６°Ｘ-Ｙ ＬＮと記す）のとき伝搬減衰を低減可能なことを実験的に確認している。
【００１５】
プロトン交換層１２は、ＬＮやＬＴを構成するリチウムイオン（Ｌｉ＋）、ニオブ酸カリウムを構成するカリウムイオン（Ｋ＋）など一価陽イオンの一部または全部がプロトン（Ｈ＋）と交換されるプロトン交換処理を行って形成された層である。また、逆プロトン交換層１１は、上記プロトン交換層１２の圧電基板１の表面側の一部のプロトンが、プロトン交換処理にて交換された一価陽イオン（Ｌｉ＋やＫ＋など）と同種のイオンによって逆交換される逆プロトン交換処理を行って形成された層である。
【００１６】
プロトン交換層１２は、圧電材料を構成する圧電結晶中の一価陽イオン（ＬＮやＬＴの場合、リチウムイオン）の一部がプロトンと交換されて、圧電性が低下する一方、弾性定数が低くなっている。一方、プロトン交換層１２を逆プロトン交換処理して形成される逆プロトン交換層１１は、圧電結晶中のプロトンがプロトン交換処理される前のものと同種の一価陽イオンと交換され、圧電性が回復すると共に、プロトン交換層１１に比べて弾性定数も高くなる。
【００１７】
このように逆プロトン交換層１１の下層側に、当該逆プロトン交換層１１よりも弾性定数の低いプロトン交換層１２を配置すると、ＬＬＳＡＷの伝搬減衰を低減することができることが分かっている。このようにＬＬＳＡＷの伝搬減衰が低減する理由は未だ不明であるが、圧電基板の異方性を実効的に変化させることができることなどが関連しているのではないかと考えている。
【００１８】
圧電基板１の表面の逆プロトン交換層１１の厚さは、縦型漏洩弾性表面波の波長をλとすると、０．０５λ〜１λの範囲が好ましい。逆プロトン交換層１１の厚さが０．０５λよりも薄いと、圧電性が確認されにくくなり、１λよりも厚いとプロトン交換層１１を設けた効果が現れにくくなってしまう。また、この逆プロトン交換層１１を形成する前の初期のプロトン交換層１２の厚さは前記λに対して０．１λ〜１０λの範囲が好ましい。プロトン交換層１２の厚さが０．１λよりも薄いと、逆プロトン交換層１１の形成時に中間層を形成しにくいという問題があり、１０λよりも厚いと圧電性を確保しにくくなる。ここで、逆プロトン交換層１１を形成する際の加熱により、プロトン交換層１２が拡散するため、プロトン交換層１２と逆プロトン交換層１１との合計の厚さは、逆プロトン交換層１１を形成する前のプロトン交換交換層１２の初期の厚さよりも厚くなっている。
【００１９】
また、プロトン交換層１２におけるＬｉ＋やＫ＋などの一価陽イオンのプロトンへの交換率は１０〜１００％の範囲が好ましい。プロトンへの交換率が１０％よりも低いと、プロトン交換層を設けた効果が見えにくくなる。また、逆プロトン交換層１１に残存しているプロトン、即ち、前述の交換率は、０〜９０％の範囲が好ましい。この値が９０％よりも高いと圧電性を確保しにくいという問題がある。
【００２０】
そして逆プロトン交換層１１が形成されている面に、例えば後述のＩＤＴ（Inter-Digital Transducer）電極をＬＬＳＡＷの伝搬方向に対向させて配置し、トランスバーサル型のＳＡＷフィルタを構成すると、ＩＤＴ電極の電極子間隔に応じた周波数を持つＬＬＳＡＷを圧電基板１の表面（逆プロトン交換層１１の表面）に励振させ、伝搬させることができる。背景技術でも述べたように、ＬＬＳＡＷは、レイリー型のＳＡＷ（レイリー波）や漏洩弾性表面波（Leaky SAW：ＬＳＡＷ）よりも位相速度が速く、高周波化に適した伝搬モードである。
【００２１】
＜製造方法＞
１．プロトン交換処理工程
プロトン交換処理は、例えば、２００〜４００℃に加熱した安息香酸、ピロリン酸、リン酸、硫酸、安息香酸リチウムで希釈した安息香酸などのプロトン源に、圧電材料基板を１０分〜１００時間程度浸漬することなどにより行われる。圧電基板の一面側だけにプロトン交換層を形成する場合には、圧電材料基板の他方側の面はマスクする。
【００２２】
このプロトン交換処理により、圧電材料中の一価陽イオンがプロトンと交換され、プロトン交換層が圧電材料基板の表面に形成される。既述の通り当該処理時に形成されるプロトン交換層の初期の厚さは０．１λ〜１０λの範囲であることが好ましい。
【００２３】
プロトン交換層の厚さは、処理温度や処理時間、プロトン源の希釈量にて調整され、処理温度を高くし、処理時間を長くし、希釈量を減らす程、厚いプロトン交換層を形成できる。但し、基板のカットによっては、プロトン源の希釈量を減らしすぎると、圧電材料基板の表面にクラックを生ずる場合があるため、クラックが生じない程度の希釈量にて処理する必要がある。また、プロトン交換処理した圧電材料基板を、３００℃以上の酸素雰囲気や不活性ガス雰囲気中などで０．５〜６時間程度熱処理してプロトンを拡散させ、プロトン交換層の厚さやプロトン交換率を調整してもよい（熱処理工程）。一方、一価陽イオン（Ｌｉ＋やＫ＋など）のプロトンへの交換率は、プロトン源の希釈量により調整され、希釈量を減らす程、交換率を高くすることができる。
【００２４】
２．逆プロトン交換処理工程
逆プロトン交換処理は、例えば、２００〜４００℃に加熱され、前記プロトン処理にてプロトンと交換された一価陽イオンを含むイオン源にプロトン交換処理後の圧電材料基板を１〜８０時間程度、浸漬することなどにより行われる。ＬＮやＬＴの逆プロトン交換処理を行う場合には、イオン源としてＬｉＮＯ３、ＮａＮＯ３、ＫＮＯ３の等モル溶融液などを利用できる。
【００２５】
このプロトン交換処理により、プロトン交換層中のプロトンが元の圧電材料の一価陽イオンと逆プロトン交換され、逆プロトン交換層がプロトン交換層の上層側の圧電材料基板表面に形成される。
逆プロトン交換層の厚さは、処理温度を高くし、処理時間を長くする程、厚い逆プロトン交換層を形成できる。これらのパラメータの調整により、既述の０．０５λ〜１λの厚さの逆プロトン交換層が形成される。一方、逆プロトン交換層のプロトン交換率（言い替えると、一価陽イオンに逆交換されなかったプロトンの残存率）は、イオン源中の一価イオン濃度（例えば前記等モル溶融液の場合Ｌｉ＋イオン濃度）を減らす程、低くする（プロトンの残存率を高くする）ことができる。
【００２６】
また前述の熱処理工程は、プロトン交換処理工程の後、逆プロトン交換処理工程の前に行う場合のみに限られない。例えば逆プロトン交換処理工程の後に行ってもよいし、プロトン交換処理工程の後と逆プロトン交換処理工程との合計２回行ってもよい。プロトン交換処理を行った後において、圧電材料基板中のプロトンの濃度は、プロトン交換層１２にて高く、圧電材料基板の本体である未処理層１３にて低くなっており、これらの層１２、１３の境界を挟んで急激に変化している。プロトン交換処理工程の後に熱処理工程を設けると、プロトン交換層１２内のプロトンが未処理層１３側に拡散して、プロトン濃度が圧電材料基板の深さ方向に向けて徐々に低下する傾斜状の境界層が形成される。
【００２７】
また、逆プロトン交換処理工程を行った後においても同様であり、逆プロトン交換層１１ではプロトンの濃度が低く、プロトン交換層１２との境界を挟んで急激にプロトン濃度が上昇する。このあとに熱処理工程を設けることにより、プロトン交換層１２のプロトンが逆プロトン交換層１１に拡散して、プロトン濃度が逆プロトン交換層１１からプロトン交換層１２へ向けて徐々に上昇する傾斜状の境界層が形成される。
【００２８】
この熱処理工程を実施するタイミングを（１）プロトン交換処理工程の後、逆プロトン交換処理工程の前に１回だけ行う場合、（２）プロトン交換処理工程の後には行わず、逆プロトン交換処理工程の後に１回だけ行う場合、（３）プロトン交換処理工程の後と、逆プロトン交換処理工程の後とに１回ずつ、合計２回行う場合、と変化させることにより、プロトン濃度の傾斜の度合いや逆プロトン交換層１１、プロトン交換層１２の厚さを適宜調整することができる。またこれらの熱処理により、プロトン交換層１２が厚くなり、逆プロトン交換層１１や未処理層１３との厚さの比を調整できる。そして、逆プロトン交換層１１とプロトン交換層１２との境界、及びプロトン交換層１２と、圧電材料基板の本体である未処理層１３との境界におけるプロトン濃度を傾斜状に変化させることにより、スプリアスの抑制に寄与できる場合がある。
【００２９】
以上に説明した工程により、圧電材料の未処理層１３の上層側にプロトン交換層１２と逆プロトン交換層１１とがこの順に積層され、当該逆プロトン交換層１１が表面に露出した圧電基板１を製造できる。
【００３０】
＜弾性表面波素子＞
以上に説明した圧電基板１を利用して圧電片１０を形成すると、例えばＩＤＴ電極を用いることにより圧電片１０の表面にＬＬＳＡＷを伝搬させることができる。図２は、ＬＬＳＡＷの伝搬路を挟んで、当該ＬＬＳＡＷの伝搬方向に、２つのＩＤＴ電極２１ａ、２１ｂを対向するように設けた弾性表面波素子であるＳＡＷフィルタ２の構成例を示している。
【００３１】
各ＩＤＴ電極２１ａ、２１ｂは、ＬＬＳＡＷの伝搬方向に沿って伸びる２本のバスバー２１１を備え、各バスバー２１１から、例えばＬＬＳＡＷの伝搬方向と直交する方向に伸びる電極指２１３、２１４を互い違いに交差指状に配した構成となっている。そして例えば不平衡入出力の場合は、一方側のＩＤＴ電極２１ａのバスバー２１１が入力ポートに接続され、他方側のＩＤＴ電極２１ｂのバスバー２１１が出力ポートに接続され、残るバスバー２１２は接地される（また平衡入出力の場合は両方のバスバー２１１、２１２が入出力ポートに接続される）。
【００３２】
このＳＡＷフィルタ２おいて、隣り合う電極指２１３、２１４の中心間の距離をλ／２［μｍ］、ＬＬＳＡＷの位相速度をＶ［ｍ／ｓ］とすると、通過帯域の中心周波数はｆ０＝Ｖ×１０−３／λ［ＧＨｚ］となる。
本例の圧電基板１を利用して形成した圧電片１０はＬＬＳＡＷの伝搬減衰が小さく、電気機械結合係数Ｋ２が大きく、挿入損失の小さなＳＡＷフィルタ２を得ることができる。
【００３３】
ここでＳＡＷフィルタ２に適用可能なＩＤＴ電極の構成は、図２に示した例に限られるものではない。電極指２１３、２１４の交差幅を変化させるなどの重み付けや、浮き電極などの一方向性変換器を設けてもよいし、電極指２１３、２１４の間隔を連続的に変化させる傾斜型のＩＤＴ電極としてもよく、各種のＩＤＴ電極を適用することができる。
【００３４】
また、電極指２１３、２１４の幅や本数、ＩＤＴ電極２１ａ、２１ｂの距離（ＬＬＳＡＷの伝搬路長）は、ＳＡＷフィルタ２の仕様に応じて適宜、設定することがでる。即ち、圧電片１０の材料として本発明の圧電基板１を利用することにより、逆プロトン交換層１１やプロトン交換層１２を備えない従来の圧電基板と比較して、ＩＤＴ電極２１ａ、２１ｂを設計する上での新たな制約が発生するものではない。
【００３５】
また本発明の圧電基板１を用いた圧電片１０にＩＤＴ電極を設けてなる弾性表面波素子の例は、ＳＡＷフィルタ２に限定されるものではない。例えば図３に示すＳＡＷ共振子３に適用した場合も本発明の技術的範囲に含まれる。図３は、圧電片１０上に１組のＩＤＴ電極３１を設け、当該ＩＤＴ電極３１を構成するバスバー３１１、３１２に各々入力ポート、出力ポートを接続してなる１ポート型のＳＡＷ共振子３である。図３中、３１３、３１４は各バスバー３１１、３１２に接続された電極指であり、３２はグレーティング反射器である。
【００３６】
このＳＡＷ共振子３において、隣り合う電極指３１３、３１４の中心間の距離をλ／２［μｍ］、ＬＬＳＡＷの位相速度をＶ［ｍ／ｓ］とすると、共振周波数はｆｒ＝Ｖ×１０−３／λ［ＧＨｚ］となる。
本例の圧電基板１を利用して形成した圧電片１０によるとＬＬＳＡＷの伝搬減衰が小さく、電気機械結合係数Ｋ２が大きいと共に、応答が大きくて急峻な（Ｑ値が大きい）ＳＡＷ共振子３を得ることができる。
【００３７】
ここでＳＡＷ共振子３の構成についても図３に示したものに限られるものではなく、例えば複数のＩＤＴ電極３１をＬＬＳＡＷの伝搬方向に並べて構成される縦結合型の２重モードフィルタや、ＩＤＴ電極３１をＬＬＳＡＷの伝搬方向と直交する方向に並べて構成される横結合型の２重モードフィルタを構成してもよい。
【００３８】
＜電子部品＞
以上に説明したＳＡＷフィルタ２はそれ単体でフィルタ機能を持つ電子部品として利用される。また、ＳＡＷ共振子３は例えば周知のコルピッツ回路内に組み込まれることにより発振器として利用してもよいし、複数のＳＡＷ共振子３をラダー状に接続したラダー型フィルタや、送信信号、受信信号の帯域に応じて通過帯域の異なるラダー型フィルタを組み合わせて構成されるデュプレクサなどとして利用するなど、各種の電子部品として利用してもよい。
【００３９】
本実施の形態に係わる圧電基板によれば以下の効果がある。圧電基板１の表面に露出している逆プロトン交換層１１の下層側に、逆プロトン交換層１１に比べて弾性定数の低いプロトン交換層１２を形成することにより、前記逆プロトン交換層１１の表面を伝搬するＬＬＳＡＷの伝搬減衰を低減できる。この結果、当該圧電基板１を利用して挿入損失の小さいＳＡＷフィルタ２や、Ｑ値の大きなＳＡＷ共振子３を構成することができる。
【実施例】
【００４０】
＜実験１＞
図１の構成を備える圧電基板１及び、プロトン交換処理、逆プロトン交換処理を行っていない圧電基板を用いてＳＡＷフィルタ４を作製し、各圧電基板の電気機械結合係数及び、ＳＡＷフィルタ４の周波数特性を測定した。
Ａ．実験条件
厚さ０．５ｍｍの３６°Ｘ-Ｙ ＬＮの圧電材料基板を２５０℃のプロトン溶液（安息香酸リチウムを安息香酸で希釈した溶液（Ｌｉ：１．０ｍｏｌ％））中に５時間浸漬してプロトン交換処理を行い、プロトン交換層１２を形成した。レーザー光導波の屈折率分布に基づいて決定したプロトン交換層１２の初期の厚さは１．７μｍ（後述のようにＬＬＳＡＷの波長λは３．６μｍなので、０．４７λ）であった。しかる後、当該圧電材料基板を３００℃のＬｉＮＯ３、ＮａＮＯ３、ＫＮＯ３の等モル溶融液に９時間浸漬して逆プロトン交換処理を行い、プロトン交換層１２の上層に逆プロトン交換層１１を形成した。逆プロトン交換層１１の厚さは１．１μｍ（同じく０．３λ）であった。
【００４１】
（実施例１）
逆プロトン交換層１１が形成された圧電片１０の表面に、図４に示すダブル電極構造のＩＤＴ電極４１ａ、４１ｂを設けてＳＡＷフィルタ４を構成した。ダブル電極構造のＩＤＴ電極４１ａ、４１ｂでは、各バスバー４１１、４１２から電極指４１３、４１４が２本毎に交互に伸び出している。電極指４１３、４１４の配置周期（ＬＬＳＡＷの波長）はλ＝３．６μｍ、開口長（バスバー４１１、４１２の交差幅）は５０λ、ＬＬＳＡＷの伝搬路長はＬ＝５０λであり、バスバー４１１、４１２の対数（ダブル電極構造では４本で１対）はＮ＝１０、３０、５０と変化させた。伝搬路は、図４に示す自由表面のＳＡＷフィルタ４と、伝搬路表面に電極膜を形成して短絡表面としたＳＡＷフィルタ４（図示せず）との２種類のものを用意し、両伝搬路表面の位相速度の差から電気機械結合係数を求めた。また当該ＳＡＷフィルタ４を用いてＬＬＳＡＷの伝搬減衰やＳＡＷフィルタ４の挿入損失の周波数特性を測定した。
（比較例１）
プロトン交換処理、逆プロトン交換処理を行っていない３６°Ｘ-Ｙ ＬＮを用いた点以外は、実施例１と同様の条件でＳＡＷフィルタ４を作製し、電気機械結合係数、ＬＬＳＡＷの伝搬減衰、ＳＡＷフィルタ４の挿入損失の周波数特性を計測した。
【００４２】
Ｂ．実験結果
実施例１、比較例１のＳＡＷフィルタ４（Ｎ＝１０、３０）において、レイリー波及びＬＬＳＡＷの伝搬速度から算出した電気機械結合係数を表１に示す。また、当該ＳＡＷフィルタ４にＬＬＳＡＷを伝搬させたときの伝搬減衰を表２に示す。さらに図５には、実施例１、比較例１に係わるＳＡＷフィルタ４（Ｎ＝１０）の挿入損失の周波数特性を示してある。図中、横軸は周波数［ＧＨｚ］、縦軸は挿入損失［ｄＢ］であり、実施例１の結果を一点鎖線、比較例１の結果を実線で示した。
（表１）
（表２）
【００４３】
表１によれば、実施例１では、レイリー波の電気機械結合係数が、プロトン交換処理、逆プロトン交換処理を行っていない比較例１における電気機械結合係数の８割程度まで回復している。これは、プロトン交換処理によって低減した圧電性が逆プロトン交換処理によってほぼ回復した結果であると考えられる。また、実施例１では、比較例１に比べてＬＬＳＡＷの電気機械結合係数の値が大きく、より効率的に圧電片１０の表面に供給された電気エネルギーがＬＬＳＡＷの機械エネルギーに変換されているといえる。
【００４４】
また表２に示したＬＬＳＡＷの伝搬減衰について見てみると、実施例１の伝搬減衰の値（０．１８ｄＢ／λ）は、未処理の３６°Ｘ-Ｙ ＬＮを用いた比較例２の伝搬減衰の値（０．４８ｄＢ／λ）の３７．５％にまで低減されている。このことから、圧電片１０に逆プロトン交換層１１、プロトン交換層１２が形成されている圧電基板１は、これらの層１１、１２が形成されていない圧電基板に比べて伝搬減衰が小さいという特性を有している。
【００４５】
さらに図５によれば、実施例１、比較例１の何れのＳＡＷフィルタ４にもレイリー波及びＬＬＳＡＷの通過帯域を確認することができる。これらのうち、レイリー波の通過帯域の中心周波数における挿入損失は、実施例１と比較例１との間で大きな差は見られず、実施例１で２６．６ｄＢ、比較例１で２３．７ｄＢであった。
【００４６】
これに対して、ＬＬＳＡＷの通過帯域においては、実施例１（中心周波数１．８５ＧＨｚ、位相速度６，６５０ｍ／ｓ）の挿入損失が２４．７ｄＢ、比較例１（中心周波数２．０ＧＨｚ、位相速度７，１９０ｍ／ｓ）の挿入損失が４７．５ｄＢであり、比較例１に比べて実施例１の挿入損失が約２３ｄＢも低い。
これらのことから、圧電基板１を利用して形成したＳＡＷフィルタ４は、レイリー波と同等程度にまで挿入損失を低減し、レイリー波（中心周波数約０．９４ＧＨｚ）の２倍近い周波数のＬＬＳＡＷを伝搬させることが可能であることが分かる。
【００４７】
＜実験２＞
図１の構成を備える圧電基板１及び、プロトン交換処理、逆プロトン交換処理を行っていない圧電基板を用いてＳＡＷ共振子３を作製し、周波数特性を測定した。
Ａ．実験条件
（実施例２）
実施例１と同様の圧電基板１を利用して得た圧電片１０上に、図３に示したものと同様のＩＤＴ電極３１及びグレーティング反射器３２配置してＳＡＷ共振子３を構成した。電極指３１３、３１４の配置周期（ＬＬＳＡＷの波長）はλ＝３．６μｍ、開口長（電極指３１３、３１４の交差幅）はＷ＝１５λ、電極指３１３、３１４の対数（２本で１対）はＮ＝１００、各グレーティング反射器３２の電極指数はＮＲ＝５０である。このＳＡＷ共振子３を用いてアドミタンスの周波数特性を測定した。
（比較例２）
プロトン交換処理、逆プロトン交換処理を行っていない３６°Ｘ-Ｙ ＬＮを用いた点以外は、実施例２と同様の条件でＳＡＷ共振子３を作製し、アドミタンスの周波数特性を測定した。
【００４８】
Ｂ．実験結果
実施例２、比較例２に係わるＳＡＷ共振子３のアドミタンスの周波数特性を図６に示す。図中、横軸は周波数［ＧＨｚ］、縦軸はアドミタンスの振幅の絶対値［Ｓ］であり、実施例１の結果を一点鎖線で示し、比較例１の結果を実線で示した。
【００４９】
図６に示した結果によれば、実施例２、比較例２のいずれについてもレイリー波の共振点、反共振点、並びにＬＬＳＡＷの共振点、反共振点が確認された。そして、ＬＬＳＡＷの共振点、反共振点につい実施例２、比較例２を比べると、何れの点においても実施例２の方が比較例２よりもアドミタンスの振幅が大きな応答が得られている。また、ＬＬＳＡＷの共振点、反共振点についてＱ値を計算したところ、Ｑ値は表３のようになった。
（表３）
表３によれば、共振点、反共振点のいずれの点においても実施例２の方が急峻な周波数応答が得られ、より安定した周波数応答が得られるＳＡＷ共振子３であるといえる。
【符号の説明】
【００５０】
１ 圧電基板
１０ 圧電片
１１ 逆プロトン交換層
１２ プロトン交換層
１３ 未処理層
２ ＳＡＷフィルタ
２１ａ、２１ｂ
ＩＤＴ電極
３ ＳＡＷ共振子
３１ ＩＤＴ電極
４ ＳＡＷフィルタ
４１ａ、４１ｂ
ＩＤＴ電極
【技術分野】
【０００１】
本発明は、圧電基板に縦型漏洩弾性表面波を伝搬させる技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
携帯電話などの移動体通信機器のさらなる進化に伴い、フィルタやデュプレクサなどの弾性表面波（Surface Acoustic Wave:ＳＡＷ）デバイスの高性能化が要求されている。特に、高周波化、広帯域化のために、高速、高結合のＳＡＷモード、基板構造、圧電材料が要請されており、国内外で広く研究開発が行われている。
【０００３】
縦型漏洩弾性表面波（Longitudinal-type Leaky SAW：ＬＬＳＡＷ、縦波型漏洩弾性表面波、第二漏洩弾性表面波などとも呼ばれる）は、バルク縦波に近い位相速度を有しており、ＳＡＷデバイスの高周波化に有利な伝搬モードの一つである。しかし、ＳＨ波とＳＶ波のバルク波を漏洩しながら伝搬するため、非常に大きい伝搬減衰を有している。大きな電気機械結合係数Ｋ２（理論値：１２．９％）を有すると報告されているＸカット３６°回転Ｙ伝搬のＬｉＮｂＯ３（以下、ＬＮと記す）上、短絡表面の伝搬減衰理論値は４ｄＢ／波長（λ）に達する。ＬＮやＴｉＴａＯ３（以下、ＬＴと記す）上のＬＬＳＡＷの低損失化の手法として、基板方位、電極膜厚の最適化が試みられている（非特許文献１、非特許文献２）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【非特許文献１】"GHz-band surface acoustic wave devices using the second leaky mode", J. Appl. Phis., vol.36, no.9B, pp.6083-6087, 1997.
【非特許文献２】"ＬｉＮｂO３の縦波形漏洩弾性表面波の共振器特性-有限要素-解析解結合法による解析", 信学会基礎・境界ソサイエティ大会, A-195, p.196, 1996.
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明はこのような事情の下になされたものであり、その目的は、縦型漏洩弾性表面波の伝搬減衰が小さな圧電基板、この圧電基板を利用した弾性表面波素子及び電子部品、前記圧電基板の製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明に係る縦型漏洩弾性表面波の励振用の圧電基板は、圧電結晶中の一価陽イオンをプロトンと交換するプロトン交換処理が可能な圧電材料からなり、縦型漏洩弾性表面波を励振するための圧電基板であって、
前記圧電材料をプロトン交換処理することにより形成されたプロトン交換層と、
このプロトン交換層内のプロトンを前記一価陽イオンと交換する逆プロトン交換処理することにより、前記プロトン交換層の上層側に、圧電基板の表面に露出するように形成された逆プロトン交換層と、を備えることを特徴とする。
【０００７】
上述の圧電基板は、以下の特徴を備えていてもよい。
（ａ）前記逆プロトン交換層を形成する前の初期のプロトン交換層の厚さは、縦型漏洩弾性表面波の波長をλとすると、０．１λ〜１０λの範囲であり、前記逆プロトン交換層の厚さは０．０５λ〜１λの範囲であること。
（ｂ）前記圧電材料は、ニオブ酸リチウムまたはタンタル酸リチウムであること。
（ｃ）前記圧電材料は、面方位が３６°Ｘカット、Ｙ伝搬のニオブ酸リチウムであること。
【０００８】
また、本発明に係わる弾性表面波素子は、上述の縦型漏洩弾性表面波の励振用の圧電基板より得られた圧電片の逆プロトン交換層の表面に、縦型漏洩弾性表面波を励振させるためのＩＤＴ電極を備えることを特徴とする。
そして、本発明に係わる電子部品は、当該弾性表面波素子を備えることを特徴とする。
【０００９】
また、他の発明に係わる縦型漏洩弾性表面波の励振用の圧電基板の製造方法は、圧電材料基板の被処理面を、２００〜４００℃に加熱されたプロトン源の溶液と接触させて、この被処理面に、前記圧電材料を構成する圧電結晶中の一価陽イオンをプロトンと交換してなるプロトン交換層を形成するプロトン交換処理工程と、
このプロトン交換層が形成された面を、２００〜４００℃に加熱され、前記プロトンと交換されたものと同種の一価陽イオンを含むイオン源と接触させて、当該プロトン交換層の上層側の被処理面に、前記プロトンを元の圧電結晶の一価陽イオンと交換してなる逆プロトン交換層を形成する逆プロトン交換処理工程と、を含むことを特徴とする。
【００１０】
上記圧電基板の製造方法は、以下の特徴を備えていてもよい。
（ｄ）前記プロトン交換処理工程及び逆プロトン交換処理工程のプロトン源濃度、処理温度、処理時間は、縦型漏洩弾性表面波の波長をλとしたとき、前記逆プロトン交換層を形成する前のプロトン交換層の初期の厚さが０．１λ〜１０λの範囲となり、前記逆プロトン交換層の厚さが０．０５λ〜１λの範囲となるように調整されること。
（ｅ）前記圧電材料は、ニオブ酸リチウムまたはタンタル酸リチウムであること。
（ｆ）前記圧電材料は、面方位が３６°Ｘカット、Ｙ伝搬のニオブ酸リチウムであること。
（ｇ）前記圧電材料基板を３００℃以上の温度に加熱して、前記プロトン交換層を拡散させる熱処理工程を含むこと。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、圧電基板の表面に露出している逆プロトン交換層の下層側に、逆プロトン交換層に比べて弾性定数の低いプロトン交換層を形成することにより、前記逆プロトン交換層の表面を伝搬する縦型漏洩弾性表面波の伝搬減衰を低減できる。この結果、当該圧電基板を利用して挿入損失の小さい弾性表面波フィルタやＱ値の大きな弾性表面波共振子を構成することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】発明の実施の形態に係わる圧電基板の構成を示す模式図である。
【図２】前記圧電基板を用いたＳＡＷフィルタの構成例を示す平面図である。
【図３】前記圧電基板を用いたＳＡＷ共振子の構成例を示す平面図である。
【図４】実験に用いたＳＡＷフィルタの平面図である。
【図５】実施例及び比較例に係わるＳＡＷフィルタの挿入損失の周波数特性を示す特性図である。
【図６】実施例及び比較例に係わるＳＡＷ共振子のアドミタンスの周波数特性を示す特性図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
＜圧電基板＞
図１に示すように、本発明の縦型漏洩弾性表面波（以下、ＬＬＳＡＷと記す）の励振用の圧電基板１は、プロトン交換処理や逆プロトン交換処理が行われていない圧電材料の未処理層１３の上層側に、当該圧電材料をプロトン交換処理して形成したプロトン交換層１２、このプロトン交換層１２の上層側の一部を逆プロトン交換処理して形成した逆プロトン交換層１１を備えている。そしてこの逆プロトン交換層１１が圧電基板１の表面に露出しており、ＬＬＳＡＷを伝搬させる伝搬面となる。
【００１４】
本発明の圧電基板１の材料として利用可能な圧電材料は、プロトン交換処理及び逆プロトン交換処理を実施可能な圧電材料であり、具体例としてはニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ３：ＬＮ）やタンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ３：ＬＴ）、ニオブ酸カリウム（ＫＮｂＯ３）、ＭｇＯドープＬＮなどを挙げることができる。また圧電基板１において、ＬＬＳＡＷの伝搬減衰の程度は、圧電材料基板のカット方向及びＬＬＳＡＷの伝搬方向に依存する。後述の実施例に示すように例えばＬＮでは、Ｘカット３６°回転Ｙ伝搬基板（以下、３６°Ｘ-Ｙ ＬＮと記す）のとき伝搬減衰を低減可能なことを実験的に確認している。
【００１５】
プロトン交換層１２は、ＬＮやＬＴを構成するリチウムイオン（Ｌｉ＋）、ニオブ酸カリウムを構成するカリウムイオン（Ｋ＋）など一価陽イオンの一部または全部がプロトン（Ｈ＋）と交換されるプロトン交換処理を行って形成された層である。また、逆プロトン交換層１１は、上記プロトン交換層１２の圧電基板１の表面側の一部のプロトンが、プロトン交換処理にて交換された一価陽イオン（Ｌｉ＋やＫ＋など）と同種のイオンによって逆交換される逆プロトン交換処理を行って形成された層である。
【００１６】
プロトン交換層１２は、圧電材料を構成する圧電結晶中の一価陽イオン（ＬＮやＬＴの場合、リチウムイオン）の一部がプロトンと交換されて、圧電性が低下する一方、弾性定数が低くなっている。一方、プロトン交換層１２を逆プロトン交換処理して形成される逆プロトン交換層１１は、圧電結晶中のプロトンがプロトン交換処理される前のものと同種の一価陽イオンと交換され、圧電性が回復すると共に、プロトン交換層１１に比べて弾性定数も高くなる。
【００１７】
このように逆プロトン交換層１１の下層側に、当該逆プロトン交換層１１よりも弾性定数の低いプロトン交換層１２を配置すると、ＬＬＳＡＷの伝搬減衰を低減することができることが分かっている。このようにＬＬＳＡＷの伝搬減衰が低減する理由は未だ不明であるが、圧電基板の異方性を実効的に変化させることができることなどが関連しているのではないかと考えている。
【００１８】
圧電基板１の表面の逆プロトン交換層１１の厚さは、縦型漏洩弾性表面波の波長をλとすると、０．０５λ〜１λの範囲が好ましい。逆プロトン交換層１１の厚さが０．０５λよりも薄いと、圧電性が確認されにくくなり、１λよりも厚いとプロトン交換層１１を設けた効果が現れにくくなってしまう。また、この逆プロトン交換層１１を形成する前の初期のプロトン交換層１２の厚さは前記λに対して０．１λ〜１０λの範囲が好ましい。プロトン交換層１２の厚さが０．１λよりも薄いと、逆プロトン交換層１１の形成時に中間層を形成しにくいという問題があり、１０λよりも厚いと圧電性を確保しにくくなる。ここで、逆プロトン交換層１１を形成する際の加熱により、プロトン交換層１２が拡散するため、プロトン交換層１２と逆プロトン交換層１１との合計の厚さは、逆プロトン交換層１１を形成する前のプロトン交換交換層１２の初期の厚さよりも厚くなっている。
【００１９】
また、プロトン交換層１２におけるＬｉ＋やＫ＋などの一価陽イオンのプロトンへの交換率は１０〜１００％の範囲が好ましい。プロトンへの交換率が１０％よりも低いと、プロトン交換層を設けた効果が見えにくくなる。また、逆プロトン交換層１１に残存しているプロトン、即ち、前述の交換率は、０〜９０％の範囲が好ましい。この値が９０％よりも高いと圧電性を確保しにくいという問題がある。
【００２０】
そして逆プロトン交換層１１が形成されている面に、例えば後述のＩＤＴ（Inter-Digital Transducer）電極をＬＬＳＡＷの伝搬方向に対向させて配置し、トランスバーサル型のＳＡＷフィルタを構成すると、ＩＤＴ電極の電極子間隔に応じた周波数を持つＬＬＳＡＷを圧電基板１の表面（逆プロトン交換層１１の表面）に励振させ、伝搬させることができる。背景技術でも述べたように、ＬＬＳＡＷは、レイリー型のＳＡＷ（レイリー波）や漏洩弾性表面波（Leaky SAW：ＬＳＡＷ）よりも位相速度が速く、高周波化に適した伝搬モードである。
【００２１】
＜製造方法＞
１．プロトン交換処理工程
プロトン交換処理は、例えば、２００〜４００℃に加熱した安息香酸、ピロリン酸、リン酸、硫酸、安息香酸リチウムで希釈した安息香酸などのプロトン源に、圧電材料基板を１０分〜１００時間程度浸漬することなどにより行われる。圧電基板の一面側だけにプロトン交換層を形成する場合には、圧電材料基板の他方側の面はマスクする。
【００２２】
このプロトン交換処理により、圧電材料中の一価陽イオンがプロトンと交換され、プロトン交換層が圧電材料基板の表面に形成される。既述の通り当該処理時に形成されるプロトン交換層の初期の厚さは０．１λ〜１０λの範囲であることが好ましい。
【００２３】
プロトン交換層の厚さは、処理温度や処理時間、プロトン源の希釈量にて調整され、処理温度を高くし、処理時間を長くし、希釈量を減らす程、厚いプロトン交換層を形成できる。但し、基板のカットによっては、プロトン源の希釈量を減らしすぎると、圧電材料基板の表面にクラックを生ずる場合があるため、クラックが生じない程度の希釈量にて処理する必要がある。また、プロトン交換処理した圧電材料基板を、３００℃以上の酸素雰囲気や不活性ガス雰囲気中などで０．５〜６時間程度熱処理してプロトンを拡散させ、プロトン交換層の厚さやプロトン交換率を調整してもよい（熱処理工程）。一方、一価陽イオン（Ｌｉ＋やＫ＋など）のプロトンへの交換率は、プロトン源の希釈量により調整され、希釈量を減らす程、交換率を高くすることができる。
【００２４】
２．逆プロトン交換処理工程
逆プロトン交換処理は、例えば、２００〜４００℃に加熱され、前記プロトン処理にてプロトンと交換された一価陽イオンを含むイオン源にプロトン交換処理後の圧電材料基板を１〜８０時間程度、浸漬することなどにより行われる。ＬＮやＬＴの逆プロトン交換処理を行う場合には、イオン源としてＬｉＮＯ３、ＮａＮＯ３、ＫＮＯ３の等モル溶融液などを利用できる。
【００２５】
このプロトン交換処理により、プロトン交換層中のプロトンが元の圧電材料の一価陽イオンと逆プロトン交換され、逆プロトン交換層がプロトン交換層の上層側の圧電材料基板表面に形成される。
逆プロトン交換層の厚さは、処理温度を高くし、処理時間を長くする程、厚い逆プロトン交換層を形成できる。これらのパラメータの調整により、既述の０．０５λ〜１λの厚さの逆プロトン交換層が形成される。一方、逆プロトン交換層のプロトン交換率（言い替えると、一価陽イオンに逆交換されなかったプロトンの残存率）は、イオン源中の一価イオン濃度（例えば前記等モル溶融液の場合Ｌｉ＋イオン濃度）を減らす程、低くする（プロトンの残存率を高くする）ことができる。
【００２６】
また前述の熱処理工程は、プロトン交換処理工程の後、逆プロトン交換処理工程の前に行う場合のみに限られない。例えば逆プロトン交換処理工程の後に行ってもよいし、プロトン交換処理工程の後と逆プロトン交換処理工程との合計２回行ってもよい。プロトン交換処理を行った後において、圧電材料基板中のプロトンの濃度は、プロトン交換層１２にて高く、圧電材料基板の本体である未処理層１３にて低くなっており、これらの層１２、１３の境界を挟んで急激に変化している。プロトン交換処理工程の後に熱処理工程を設けると、プロトン交換層１２内のプロトンが未処理層１３側に拡散して、プロトン濃度が圧電材料基板の深さ方向に向けて徐々に低下する傾斜状の境界層が形成される。
【００２７】
また、逆プロトン交換処理工程を行った後においても同様であり、逆プロトン交換層１１ではプロトンの濃度が低く、プロトン交換層１２との境界を挟んで急激にプロトン濃度が上昇する。このあとに熱処理工程を設けることにより、プロトン交換層１２のプロトンが逆プロトン交換層１１に拡散して、プロトン濃度が逆プロトン交換層１１からプロトン交換層１２へ向けて徐々に上昇する傾斜状の境界層が形成される。
【００２８】
この熱処理工程を実施するタイミングを（１）プロトン交換処理工程の後、逆プロトン交換処理工程の前に１回だけ行う場合、（２）プロトン交換処理工程の後には行わず、逆プロトン交換処理工程の後に１回だけ行う場合、（３）プロトン交換処理工程の後と、逆プロトン交換処理工程の後とに１回ずつ、合計２回行う場合、と変化させることにより、プロトン濃度の傾斜の度合いや逆プロトン交換層１１、プロトン交換層１２の厚さを適宜調整することができる。またこれらの熱処理により、プロトン交換層１２が厚くなり、逆プロトン交換層１１や未処理層１３との厚さの比を調整できる。そして、逆プロトン交換層１１とプロトン交換層１２との境界、及びプロトン交換層１２と、圧電材料基板の本体である未処理層１３との境界におけるプロトン濃度を傾斜状に変化させることにより、スプリアスの抑制に寄与できる場合がある。
【００２９】
以上に説明した工程により、圧電材料の未処理層１３の上層側にプロトン交換層１２と逆プロトン交換層１１とがこの順に積層され、当該逆プロトン交換層１１が表面に露出した圧電基板１を製造できる。
【００３０】
＜弾性表面波素子＞
以上に説明した圧電基板１を利用して圧電片１０を形成すると、例えばＩＤＴ電極を用いることにより圧電片１０の表面にＬＬＳＡＷを伝搬させることができる。図２は、ＬＬＳＡＷの伝搬路を挟んで、当該ＬＬＳＡＷの伝搬方向に、２つのＩＤＴ電極２１ａ、２１ｂを対向するように設けた弾性表面波素子であるＳＡＷフィルタ２の構成例を示している。
【００３１】
各ＩＤＴ電極２１ａ、２１ｂは、ＬＬＳＡＷの伝搬方向に沿って伸びる２本のバスバー２１１を備え、各バスバー２１１から、例えばＬＬＳＡＷの伝搬方向と直交する方向に伸びる電極指２１３、２１４を互い違いに交差指状に配した構成となっている。そして例えば不平衡入出力の場合は、一方側のＩＤＴ電極２１ａのバスバー２１１が入力ポートに接続され、他方側のＩＤＴ電極２１ｂのバスバー２１１が出力ポートに接続され、残るバスバー２１２は接地される（また平衡入出力の場合は両方のバスバー２１１、２１２が入出力ポートに接続される）。
【００３２】
このＳＡＷフィルタ２おいて、隣り合う電極指２１３、２１４の中心間の距離をλ／２［μｍ］、ＬＬＳＡＷの位相速度をＶ［ｍ／ｓ］とすると、通過帯域の中心周波数はｆ０＝Ｖ×１０−３／λ［ＧＨｚ］となる。
本例の圧電基板１を利用して形成した圧電片１０はＬＬＳＡＷの伝搬減衰が小さく、電気機械結合係数Ｋ２が大きく、挿入損失の小さなＳＡＷフィルタ２を得ることができる。
【００３３】
ここでＳＡＷフィルタ２に適用可能なＩＤＴ電極の構成は、図２に示した例に限られるものではない。電極指２１３、２１４の交差幅を変化させるなどの重み付けや、浮き電極などの一方向性変換器を設けてもよいし、電極指２１３、２１４の間隔を連続的に変化させる傾斜型のＩＤＴ電極としてもよく、各種のＩＤＴ電極を適用することができる。
【００３４】
また、電極指２１３、２１４の幅や本数、ＩＤＴ電極２１ａ、２１ｂの距離（ＬＬＳＡＷの伝搬路長）は、ＳＡＷフィルタ２の仕様に応じて適宜、設定することがでる。即ち、圧電片１０の材料として本発明の圧電基板１を利用することにより、逆プロトン交換層１１やプロトン交換層１２を備えない従来の圧電基板と比較して、ＩＤＴ電極２１ａ、２１ｂを設計する上での新たな制約が発生するものではない。
【００３５】
また本発明の圧電基板１を用いた圧電片１０にＩＤＴ電極を設けてなる弾性表面波素子の例は、ＳＡＷフィルタ２に限定されるものではない。例えば図３に示すＳＡＷ共振子３に適用した場合も本発明の技術的範囲に含まれる。図３は、圧電片１０上に１組のＩＤＴ電極３１を設け、当該ＩＤＴ電極３１を構成するバスバー３１１、３１２に各々入力ポート、出力ポートを接続してなる１ポート型のＳＡＷ共振子３である。図３中、３１３、３１４は各バスバー３１１、３１２に接続された電極指であり、３２はグレーティング反射器である。
【００３６】
このＳＡＷ共振子３において、隣り合う電極指３１３、３１４の中心間の距離をλ／２［μｍ］、ＬＬＳＡＷの位相速度をＶ［ｍ／ｓ］とすると、共振周波数はｆｒ＝Ｖ×１０−３／λ［ＧＨｚ］となる。
本例の圧電基板１を利用して形成した圧電片１０によるとＬＬＳＡＷの伝搬減衰が小さく、電気機械結合係数Ｋ２が大きいと共に、応答が大きくて急峻な（Ｑ値が大きい）ＳＡＷ共振子３を得ることができる。
【００３７】
ここでＳＡＷ共振子３の構成についても図３に示したものに限られるものではなく、例えば複数のＩＤＴ電極３１をＬＬＳＡＷの伝搬方向に並べて構成される縦結合型の２重モードフィルタや、ＩＤＴ電極３１をＬＬＳＡＷの伝搬方向と直交する方向に並べて構成される横結合型の２重モードフィルタを構成してもよい。
【００３８】
＜電子部品＞
以上に説明したＳＡＷフィルタ２はそれ単体でフィルタ機能を持つ電子部品として利用される。また、ＳＡＷ共振子３は例えば周知のコルピッツ回路内に組み込まれることにより発振器として利用してもよいし、複数のＳＡＷ共振子３をラダー状に接続したラダー型フィルタや、送信信号、受信信号の帯域に応じて通過帯域の異なるラダー型フィルタを組み合わせて構成されるデュプレクサなどとして利用するなど、各種の電子部品として利用してもよい。
【００３９】
本実施の形態に係わる圧電基板によれば以下の効果がある。圧電基板１の表面に露出している逆プロトン交換層１１の下層側に、逆プロトン交換層１１に比べて弾性定数の低いプロトン交換層１２を形成することにより、前記逆プロトン交換層１１の表面を伝搬するＬＬＳＡＷの伝搬減衰を低減できる。この結果、当該圧電基板１を利用して挿入損失の小さいＳＡＷフィルタ２や、Ｑ値の大きなＳＡＷ共振子３を構成することができる。
【実施例】
【００４０】
＜実験１＞
図１の構成を備える圧電基板１及び、プロトン交換処理、逆プロトン交換処理を行っていない圧電基板を用いてＳＡＷフィルタ４を作製し、各圧電基板の電気機械結合係数及び、ＳＡＷフィルタ４の周波数特性を測定した。
Ａ．実験条件
厚さ０．５ｍｍの３６°Ｘ-Ｙ ＬＮの圧電材料基板を２５０℃のプロトン溶液（安息香酸リチウムを安息香酸で希釈した溶液（Ｌｉ：１．０ｍｏｌ％））中に５時間浸漬してプロトン交換処理を行い、プロトン交換層１２を形成した。レーザー光導波の屈折率分布に基づいて決定したプロトン交換層１２の初期の厚さは１．７μｍ（後述のようにＬＬＳＡＷの波長λは３．６μｍなので、０．４７λ）であった。しかる後、当該圧電材料基板を３００℃のＬｉＮＯ３、ＮａＮＯ３、ＫＮＯ３の等モル溶融液に９時間浸漬して逆プロトン交換処理を行い、プロトン交換層１２の上層に逆プロトン交換層１１を形成した。逆プロトン交換層１１の厚さは１．１μｍ（同じく０．３λ）であった。
【００４１】
（実施例１）
逆プロトン交換層１１が形成された圧電片１０の表面に、図４に示すダブル電極構造のＩＤＴ電極４１ａ、４１ｂを設けてＳＡＷフィルタ４を構成した。ダブル電極構造のＩＤＴ電極４１ａ、４１ｂでは、各バスバー４１１、４１２から電極指４１３、４１４が２本毎に交互に伸び出している。電極指４１３、４１４の配置周期（ＬＬＳＡＷの波長）はλ＝３．６μｍ、開口長（バスバー４１１、４１２の交差幅）は５０λ、ＬＬＳＡＷの伝搬路長はＬ＝５０λであり、バスバー４１１、４１２の対数（ダブル電極構造では４本で１対）はＮ＝１０、３０、５０と変化させた。伝搬路は、図４に示す自由表面のＳＡＷフィルタ４と、伝搬路表面に電極膜を形成して短絡表面としたＳＡＷフィルタ４（図示せず）との２種類のものを用意し、両伝搬路表面の位相速度の差から電気機械結合係数を求めた。また当該ＳＡＷフィルタ４を用いてＬＬＳＡＷの伝搬減衰やＳＡＷフィルタ４の挿入損失の周波数特性を測定した。
（比較例１）
プロトン交換処理、逆プロトン交換処理を行っていない３６°Ｘ-Ｙ ＬＮを用いた点以外は、実施例１と同様の条件でＳＡＷフィルタ４を作製し、電気機械結合係数、ＬＬＳＡＷの伝搬減衰、ＳＡＷフィルタ４の挿入損失の周波数特性を計測した。
【００４２】
Ｂ．実験結果
実施例１、比較例１のＳＡＷフィルタ４（Ｎ＝１０、３０）において、レイリー波及びＬＬＳＡＷの伝搬速度から算出した電気機械結合係数を表１に示す。また、当該ＳＡＷフィルタ４にＬＬＳＡＷを伝搬させたときの伝搬減衰を表２に示す。さらに図５には、実施例１、比較例１に係わるＳＡＷフィルタ４（Ｎ＝１０）の挿入損失の周波数特性を示してある。図中、横軸は周波数［ＧＨｚ］、縦軸は挿入損失［ｄＢ］であり、実施例１の結果を一点鎖線、比較例１の結果を実線で示した。
（表１）
（表２）
【００４３】
表１によれば、実施例１では、レイリー波の電気機械結合係数が、プロトン交換処理、逆プロトン交換処理を行っていない比較例１における電気機械結合係数の８割程度まで回復している。これは、プロトン交換処理によって低減した圧電性が逆プロトン交換処理によってほぼ回復した結果であると考えられる。また、実施例１では、比較例１に比べてＬＬＳＡＷの電気機械結合係数の値が大きく、より効率的に圧電片１０の表面に供給された電気エネルギーがＬＬＳＡＷの機械エネルギーに変換されているといえる。
【００４４】
また表２に示したＬＬＳＡＷの伝搬減衰について見てみると、実施例１の伝搬減衰の値（０．１８ｄＢ／λ）は、未処理の３６°Ｘ-Ｙ ＬＮを用いた比較例２の伝搬減衰の値（０．４８ｄＢ／λ）の３７．５％にまで低減されている。このことから、圧電片１０に逆プロトン交換層１１、プロトン交換層１２が形成されている圧電基板１は、これらの層１１、１２が形成されていない圧電基板に比べて伝搬減衰が小さいという特性を有している。
【００４５】
さらに図５によれば、実施例１、比較例１の何れのＳＡＷフィルタ４にもレイリー波及びＬＬＳＡＷの通過帯域を確認することができる。これらのうち、レイリー波の通過帯域の中心周波数における挿入損失は、実施例１と比較例１との間で大きな差は見られず、実施例１で２６．６ｄＢ、比較例１で２３．７ｄＢであった。
【００４６】
これに対して、ＬＬＳＡＷの通過帯域においては、実施例１（中心周波数１．８５ＧＨｚ、位相速度６，６５０ｍ／ｓ）の挿入損失が２４．７ｄＢ、比較例１（中心周波数２．０ＧＨｚ、位相速度７，１９０ｍ／ｓ）の挿入損失が４７．５ｄＢであり、比較例１に比べて実施例１の挿入損失が約２３ｄＢも低い。
これらのことから、圧電基板１を利用して形成したＳＡＷフィルタ４は、レイリー波と同等程度にまで挿入損失を低減し、レイリー波（中心周波数約０．９４ＧＨｚ）の２倍近い周波数のＬＬＳＡＷを伝搬させることが可能であることが分かる。
【００４７】
＜実験２＞
図１の構成を備える圧電基板１及び、プロトン交換処理、逆プロトン交換処理を行っていない圧電基板を用いてＳＡＷ共振子３を作製し、周波数特性を測定した。
Ａ．実験条件
（実施例２）
実施例１と同様の圧電基板１を利用して得た圧電片１０上に、図３に示したものと同様のＩＤＴ電極３１及びグレーティング反射器３２配置してＳＡＷ共振子３を構成した。電極指３１３、３１４の配置周期（ＬＬＳＡＷの波長）はλ＝３．６μｍ、開口長（電極指３１３、３１４の交差幅）はＷ＝１５λ、電極指３１３、３１４の対数（２本で１対）はＮ＝１００、各グレーティング反射器３２の電極指数はＮＲ＝５０である。このＳＡＷ共振子３を用いてアドミタンスの周波数特性を測定した。
（比較例２）
プロトン交換処理、逆プロトン交換処理を行っていない３６°Ｘ-Ｙ ＬＮを用いた点以外は、実施例２と同様の条件でＳＡＷ共振子３を作製し、アドミタンスの周波数特性を測定した。
【００４８】
Ｂ．実験結果
実施例２、比較例２に係わるＳＡＷ共振子３のアドミタンスの周波数特性を図６に示す。図中、横軸は周波数［ＧＨｚ］、縦軸はアドミタンスの振幅の絶対値［Ｓ］であり、実施例１の結果を一点鎖線で示し、比較例１の結果を実線で示した。
【００４９】
図６に示した結果によれば、実施例２、比較例２のいずれについてもレイリー波の共振点、反共振点、並びにＬＬＳＡＷの共振点、反共振点が確認された。そして、ＬＬＳＡＷの共振点、反共振点につい実施例２、比較例２を比べると、何れの点においても実施例２の方が比較例２よりもアドミタンスの振幅が大きな応答が得られている。また、ＬＬＳＡＷの共振点、反共振点についてＱ値を計算したところ、Ｑ値は表３のようになった。
（表３）
表３によれば、共振点、反共振点のいずれの点においても実施例２の方が急峻な周波数応答が得られ、より安定した周波数応答が得られるＳＡＷ共振子３であるといえる。
【符号の説明】
【００５０】
１ 圧電基板
１０ 圧電片
１１ 逆プロトン交換層
１２ プロトン交換層
１３ 未処理層
２ ＳＡＷフィルタ
２１ａ、２１ｂ
ＩＤＴ電極
３ ＳＡＷ共振子
３１ ＩＤＴ電極
４ ＳＡＷフィルタ
４１ａ、４１ｂ
ＩＤＴ電極
【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧電結晶中の一価陽イオンをプロトンと交換するプロトン交換処理が可能な圧電材料からなり、縦型漏洩弾性表面波を励振するための圧電基板であって、
前記圧電材料をプロトン交換処理することにより形成されたプロトン交換層と、
このプロトン交換層内のプロトンを前記一価陽イオンと交換する逆プロトン交換処理することにより、前記プロトン交換層の上層側に、圧電基板の表面に露出するように形成された逆プロトン交換層と、を備えることを特徴とする縦型漏洩弾性表面波の励振用の圧電基板。
【請求項２】
前記逆プロトン交換層を形成する前の初期のプロトン交換層の厚さは、縦型漏洩弾性表面波の波長をλとすると、０．１λ〜１０λの範囲であり、前記逆プロトン交換層の厚さは０．０５λ〜１λの範囲であることを特徴とする請求項１に記載の縦型漏洩弾性表面波の励振用の圧電基板。
【請求項３】
前記圧電材料は、ニオブ酸リチウムまたはタンタル酸リチウムであることを特徴とする請求項１または２に記載の縦型漏洩弾性表面波の励振用の圧電基板。
【請求項４】
前記圧電材料は、面方位が３６°Ｘカット、Ｙ伝搬のニオブ酸リチウムであることを特徴とする請求項３に記載の縦型漏洩弾性表面波の励振用の圧電基板。
【請求項５】
請求項１ないし４に記載の縦型漏洩弾性表面波の励振用の圧電基板より得られた圧電片の逆プロトン交換層の表面に、縦型漏洩弾性表面波を励振させるためのＩＤＴ電極を備えることを特徴とする弾性表面波素子。
【請求項６】
請求項５に記載の弾性表面波素子を備えることを特徴とする電子部品。
【請求項７】
圧電材料基板の被処理面を、２００〜４００℃に加熱されたプロトン源の溶液と接触させて、この被処理面に、前記圧電材料を構成する圧電結晶中の一価陽イオンをプロトンと交換してなるプロトン交換層を形成するプロトン交換処理工程と、
このプロトン交換層が形成された面を、２００〜４００℃に加熱され、前記プロトンと交換されたものと同種の一価陽イオンを含むイオン源と接触させて、当該プロトン交換層の上層側の被処理面に、前記プロトンを元の圧電結晶の一価陽イオンと交換してなる逆プロトン交換層を形成する逆プロトン交換処理工程と、を含むことを特徴とする縦型漏洩弾性表面波の励振用の圧電基板の製造方法。
【請求項８】
前記プロトン交換処理工程及び逆プロトン交換処理工程のプロトン源濃度、処理温度、処理時間は、縦型漏洩弾性表面波の波長をλとしたとき、前記逆プロトン交換層を形成する前のプロトン交換層の初期の厚さが０．１λ〜１０λの範囲となり、前記逆プロトン交換層の厚さが０．０５λ〜１λの範囲となるように調整されることを特徴とする請求項７に記載の縦型漏洩弾性表面波の励振用の圧電基板の製造方法。
【請求項９】
前記圧電材料は、ニオブ酸リチウムまたはタンタル酸リチウムであることを特徴とする請求項７または８に記載の縦型漏洩弾性表面波の励振用の圧電基板の製造方法。
【請求項１０】
前記圧電材料は、面方位が３６°Ｘカット、Ｙ伝搬のニオブ酸リチウムであることを特徴とする請求項９に記載の縦型漏洩弾性表面波の励振用の圧電基板の製造方法。
【請求項１１】
前記圧電材料基板を３００℃以上の温度に加熱して、前記プロトン交換層を拡散させる熱処理工程を含むことを特徴とする請求項７ないし１０の何れか一つに記載の縦型漏洩弾性表面波の励振用の圧電基板の製造方法。
【請求項１】
圧電結晶中の一価陽イオンをプロトンと交換するプロトン交換処理が可能な圧電材料からなり、縦型漏洩弾性表面波を励振するための圧電基板であって、
前記圧電材料をプロトン交換処理することにより形成されたプロトン交換層と、
このプロトン交換層内のプロトンを前記一価陽イオンと交換する逆プロトン交換処理することにより、前記プロトン交換層の上層側に、圧電基板の表面に露出するように形成された逆プロトン交換層と、を備えることを特徴とする縦型漏洩弾性表面波の励振用の圧電基板。
【請求項２】
前記逆プロトン交換層を形成する前の初期のプロトン交換層の厚さは、縦型漏洩弾性表面波の波長をλとすると、０．１λ〜１０λの範囲であり、前記逆プロトン交換層の厚さは０．０５λ〜１λの範囲であることを特徴とする請求項１に記載の縦型漏洩弾性表面波の励振用の圧電基板。
【請求項３】
前記圧電材料は、ニオブ酸リチウムまたはタンタル酸リチウムであることを特徴とする請求項１または２に記載の縦型漏洩弾性表面波の励振用の圧電基板。
【請求項４】
前記圧電材料は、面方位が３６°Ｘカット、Ｙ伝搬のニオブ酸リチウムであることを特徴とする請求項３に記載の縦型漏洩弾性表面波の励振用の圧電基板。
【請求項５】
請求項１ないし４に記載の縦型漏洩弾性表面波の励振用の圧電基板より得られた圧電片の逆プロトン交換層の表面に、縦型漏洩弾性表面波を励振させるためのＩＤＴ電極を備えることを特徴とする弾性表面波素子。
【請求項６】
請求項５に記載の弾性表面波素子を備えることを特徴とする電子部品。
【請求項７】
圧電材料基板の被処理面を、２００〜４００℃に加熱されたプロトン源の溶液と接触させて、この被処理面に、前記圧電材料を構成する圧電結晶中の一価陽イオンをプロトンと交換してなるプロトン交換層を形成するプロトン交換処理工程と、
このプロトン交換層が形成された面を、２００〜４００℃に加熱され、前記プロトンと交換されたものと同種の一価陽イオンを含むイオン源と接触させて、当該プロトン交換層の上層側の被処理面に、前記プロトンを元の圧電結晶の一価陽イオンと交換してなる逆プロトン交換層を形成する逆プロトン交換処理工程と、を含むことを特徴とする縦型漏洩弾性表面波の励振用の圧電基板の製造方法。
【請求項８】
前記プロトン交換処理工程及び逆プロトン交換処理工程のプロトン源濃度、処理温度、処理時間は、縦型漏洩弾性表面波の波長をλとしたとき、前記逆プロトン交換層を形成する前のプロトン交換層の初期の厚さが０．１λ〜１０λの範囲となり、前記逆プロトン交換層の厚さが０．０５λ〜１λの範囲となるように調整されることを特徴とする請求項７に記載の縦型漏洩弾性表面波の励振用の圧電基板の製造方法。
【請求項９】
前記圧電材料は、ニオブ酸リチウムまたはタンタル酸リチウムであることを特徴とする請求項７または８に記載の縦型漏洩弾性表面波の励振用の圧電基板の製造方法。
【請求項１０】
前記圧電材料は、面方位が３６°Ｘカット、Ｙ伝搬のニオブ酸リチウムであることを特徴とする請求項９に記載の縦型漏洩弾性表面波の励振用の圧電基板の製造方法。
【請求項１１】
前記圧電材料基板を３００℃以上の温度に加熱して、前記プロトン交換層を拡散させる熱処理工程を含むことを特徴とする請求項７ないし１０の何れか一つに記載の縦型漏洩弾性表面波の励振用の圧電基板の製造方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【公開番号】特開２０１３−３０８２９（Ｐ２０１３−３０８２９Ａ）
【公開日】平成２５年２月７日（２０１３．２．７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１６３４５２（Ｐ２０１１−１６３４５２）
【出願日】平成２３年７月２６日（２０１１．７．２６）
【新規性喪失の例外の表示】特許法第３０条第１項適用申請有り 山梨大学、平成２２年度山梨大学工学部電気電子システム工学科卒業論文発表会予稿集 情報通信システムコース、平成２３年２月１８日 電子情報通信学会、電子情報通信学会２０１１年総合大会講演論文集、平成２３年２月２８日 電気学会 電子回路技術委員会、第４０回ＥＭシンポジウム予稿集、平成２３年５月１９日
【出願人】（０００２３２４８３）日本電波工業株式会社 (1,148)
【出願人】（３０４０２３９９４）国立大学法人山梨大学 (223)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年２月７日（２０１３．２．７）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年７月２６日（２０１１．７．２６）
【新規性喪失の例外の表示】特許法第３０条第１項適用申請有り 山梨大学、平成２２年度山梨大学工学部電気電子システム工学科卒業論文発表会予稿集 情報通信システムコース、平成２３年２月１８日 電子情報通信学会、電子情報通信学会２０１１年総合大会講演論文集、平成２３年２月２８日 電気学会 電子回路技術委員会、第４０回ＥＭシンポジウム予稿集、平成２３年５月１９日
【出願人】（０００２３２４８３）日本電波工業株式会社 (1,148)
【出願人】（３０４０２３９９４）国立大学法人山梨大学 (223)
【Ｆターム（参考）】
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