弾性境界波装置
【課題】 安価な水晶基板を用い、しかもＳＨ型弾性境界波を利用することが可能であり、電気機械結合係数Ｋ2等の物性や特性を高めること等が可能な弾性境界波装置を提供する。
【解決手段】 水晶基板２上に、少なくともＩＤＴ４が形成されており、ＩＤＴ４を覆うように、誘電体３が形成されており、水晶基板２と誘電体３との界面を弾性境界波が伝搬する弾性境界波装置であって、ＩＤＴ４の厚みは、ＳＨ型境界波の音速は、水晶基板２を伝搬する遅い横波及び誘電体３を伝搬する遅い横波の各音速よりも低音速となるように設定されており、かつ水晶基板２のオイラー角が、図１３に示されている斜線を付した領域内とされている、弾性境界波装置１。
【解決手段】 水晶基板２上に、少なくともＩＤＴ４が形成されており、ＩＤＴ４を覆うように、誘電体３が形成されており、水晶基板２と誘電体３との界面を弾性境界波が伝搬する弾性境界波装置であって、ＩＤＴ４の厚みは、ＳＨ型境界波の音速は、水晶基板２を伝搬する遅い横波及び誘電体３を伝搬する遅い横波の各音速よりも低音速となるように設定されており、かつ水晶基板２のオイラー角が、図１３に示されている斜線を付した領域内とされている、弾性境界波装置１。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、第１，第２の媒質間の境界を伝搬する弾性境界波を利用した弾性境界波装置に関し、より詳細には、第１の媒質が水晶であり、第２の媒質が誘電体である弾性境界波装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、テレビション受像機、携帯電話器などの様々な電子機器において、発振子や帯域フィルタを構成するために弾性表面波装置が広く用いられている。弾性表面波装置では、圧電基板上に、少なくとも１つのＩＤＴ（インターデジタルトランスデューサ）が形成されている。この圧電基板としては、ＬｉＴａＯ3基板や水晶基板などが用いられている。
【０００３】
ＬｉＴａＯ3基板を用いた弾性表面波フィルタに比べて、水晶基板を用いた弾性表面波フィルタは、狭帯域用途に適している。そこで、水晶基板を用いた弾性表面波共振子が従来広く用いられている。この種の弾性表面波共振子では、オイラー角で（０°，１２０°〜１４０°，０°）、すなわちＳＴカットＸ伝搬の水晶基板上に、Ａｌからなるくし形電極を形成することにより、ＩＤＴが構成されていた。
【０００４】
弾性表面波共振子では、共振周波数と反共振周波数との差、すなわち帯域幅は狭いことが望ましいものの、狭帯域フィルタである共振子とはいえ、所望の特性を得るには、ある程度の帯域幅を有することが望ましい。また、狭帯域フィルタでは、帯域幅が狭いため、通過帯域が温度に対して非常に敏感となる。従って、通過帯域の温度依存性が少ないことが望ましい。従来、これらの要求を考慮し、水晶基板として、ＳＴカットＸ伝搬の水晶基板が用いられていた。
【０００５】
また、弾性表面波共振子の共振周波数と反共振周波数との差は、圧電基板の電気機械結合係数Ｋ2に比例し、ＳＴカットＸ伝搬の水晶基板の電気機械結合係数Ｋ2は約０．１４％であった。
【０００６】
しかしながら、上記のような弾性表面波共振子では、弾性表面波を励振する必要があるため、水晶基板上に形成された電極上に振動を妨げないための空洞を設けねばならなかった。そのため、パッケージが高価となり、かつ大型にならざるを得なかった。また、パッケージから生じた金属粉などが電極に落下し、短絡不良を起こすおそれがあった。
【０００７】
これに対して、下記の特許文献１に記載の弾性境界波装置では、第１，第２の媒質間を伝搬する弾性境界波を利用しているため、パッケージの小型化及び低コスト化を果たすことができ、かつ上記のような短絡不良が生じるおそれがない。
【０００８】
特許文献１に記載の弾性境界波装置では、Ｓｉ系材料からなる第１の基板上に、くし形電極が形成されており、かつ該くし形電極を覆うように、圧電性の第２の基板が貼り合わされている。ここでは、Ｓｉ系基板として、Ｓｉ基板、アモルファスシリコン基板またはポリシリコン基板などが挙げられている。また、第２の基板を構成する圧電材料としては、ＬｉＮｂＯ3、ＬｉＴａＯ3、水晶などが例示されている。そして、特許文献１では、弾性境界波としてのストンリー波を利用することにより、パッケージの小型化及びコストダウンを図ることができるとされている。
【０００９】
他方、下記の特許文献２には、第１，第２の媒質のうち一方が圧電材料からなり、他方が圧電材料または非圧電材料からなる弾性境界波装置が示されている。そして、第１，第２の媒質間において、弾性境界波としてのＳＨ波、すなわち純粋横インターフェース波を伝搬させる構成が示唆されている。上記圧電材料としては、タンタル酸リチウム、ニオブ酸リチウムとともに、ＳＴカットＸ伝搬の水晶が示されている。
【００１０】
また、下記の特許文献３には、圧電体と誘電体とを積層し、両者の界面に電極を形成した弾性境界波装置において、圧電体を伝搬する遅い横波の音速と、誘電体を伝搬する遅い横波の音速よりも、ＳＨ型弾性境界波の音速を低音速とすることにより、ＳＨ型弾性境界波を伝搬させ得ることが開示されている。
【特許文献１】特開平１０−８４２４６号公報
【特許文献２】特表２００３−５１２６３７号公報
【特許文献３】ＷＯ２００４−０７０９４６
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
特許文献１には、上記のように、水晶を用いた弾性境界波装置は開示されているものの、特許文献１で用いられている弾性境界波はストンリー波であった。ストンリー波を用いた場合には、弾性表面波装置並みの大きな電気機械結合係数を得ることが困難であり、またＩＤＴや反射器の反射係数も十分な大きさとなり難い。従って、特許文献１に記載の弾性境界波装置では、十分な帯域幅を得ることが困難であった。
【００１２】
他方、特許文献２では、上記のようなＳＨ型の弾性境界波を利用することは示唆されているものの、特許文献２では、ＳＨ型の境界波が利用される具体的な条件については何ら示されていない。
【００１３】
特許文献３には、上記のように、圧電体と誘電体を積層した弾性境界波装置において、ＳＨ型弾性境界波を利用した構成は示されているものの、全体としては、ＬｉＴａＯ3やＬｉＮｂＯ3などの圧電単結晶が示されているにすぎない。圧電体としてＬｉＴａＯ3やＬｉＮｂＯ3を用い、誘電体としてＳｉＯ2を用いた場合、弾性境界波装置の群遅延時間温度係数（ＴＣＤ）が小さい条件を得ることができる。しかしながらＬｉＴａＯ3やＬｉＮｂＯ3の本来のＴＣＤが大きいため、弾性境界波装置のＴＣＤには製造ばらつきを生じ易い。一方圧電体としての水晶を用いた場合には水晶のＴＣＤが小さいので、弾性境界波装置のＴＣＤの製造ばらつきを低減できると考えられるが、水晶を用いた場合のＳＨ型境界波を利用する上での具体的な構成については特に示されていない。
【００１４】
本発明の目的は、上述した従来技術の現状に鑑み、パッケージの小型化及び低コスト化を果たし得るだけでなく、水晶基板を用いて構成されており、ＳＨ型の弾性境界波を利用しており、電気機械結合係数などの様々な物性や特性において優れている弾性境界波装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
本願の第1の発明によれば、水晶基板と、前記水晶基板上に形成されたＩＤＴと、前記ＩＤＴを覆うように前記水晶基板上に形成された誘電体とを有し、前記水晶基板と前記誘電体との境界において弾性境界波が伝搬される弾性境界波装置であって、前記弾性境界波の音速が前記水晶基板を伝搬する遅い横波よりも低音速であり、かつ前記誘電体を伝搬する遅い横波よりも低音速となるように、前記ＩＤＴの厚みが設定されており、前記水晶基板のオイラー角が、図１３において斜線で示された領域にあることを特徴とする、弾性境界波装置が提供される。
【００１６】
本願の第２の発明によれば、水晶基板と、前記水晶基板上に形成されたＩＤＴと、前記ＩＤＴを覆うように前記水晶基板上に形成された誘電体とを有し、前記水晶基板と前記誘電体との境界において弾性境界波が伝搬される弾性境界波装置であって、前記弾性境界波の音速が前記水晶基板を伝搬する遅い横波よりも低音速であり、かつ前記誘電体を伝搬する遅い横波よりも低音速となるように、前記ＩＤＴの厚みが設定されており、前記水晶基板のオイラー角が、図１４において斜線で示された領域にあることを特徴とする、弾性境界波装置が提供される。
【００１７】
本願の第３の発明によれば、水晶基板と、前記水晶基板上に形成されたＩＤＴと、前記ＩＤＴを覆うように前記水晶基板上に形成された誘電体とを有し、前記水晶基板と前記誘電体との境界において弾性境界波が伝搬される弾性境界波装置であって、前記弾性境界波の音速が前記水晶基板を伝搬する遅い横波よりも低音速であり、かつ前記誘電体を伝搬する遅い横波よりも低音速となるように、前記ＩＤＴの厚みが設定されており、前記水晶基板のオイラー角が、図１５において斜線で示された領域にあることを特徴とする、弾性境界波装置が提供される。
【００１８】
第１の発明のある特定の局面では、前記オイラー角が、図１４において斜線を付した領域にある。
【００１９】
第１，第２の発明のある特定の局面では、前記オイラー角が、図１５において斜線を付した領域にある。
【００２０】
第１〜第３の発明（以下、本発明と総称する。）のある特定の局面によれば、前記弾性境界波の音速が、前記水晶を伝搬する遅い横波の音速よりも遅くかつ前記誘電体を伝搬する遅い横波の音速よりも遅くなるように、前記ＩＤＴの電極指の厚み及び電極指の幅が設定されている。
【００２１】
本発明において、上記ＩＤＴは、適宜の導電性材料により形成されるが、本発明のある特定の局面では、前記ＩＤＴが、Ｎｉ、Ｍｏ、Ｆｅ、Ｃｕ、Ｗ、Ａｇ、Ｔａ、Ａｕ及びＰｔからなる群から選択された少なくとも１種の金属からなる。
【００２２】
本発明に係る弾性境界波装置において、上記誘電体膜を構成する材料は特に限定されないが、好ましくは、多結晶シリコンまたはアモルファスシリコンが用いられる。
【００２３】
また、上記誘電体は、シリコン系材料からなる必要は必ずしもなく、窒化アルミニウム、ガラス、四ホウ酸リチウム、ニオブ酸リチウム、タンタル酸リチウム、サファイア、窒化シリコン及びアルミナからなる群から選択された１種により構成され得る。
【発明の効果】
【００２４】
第１の発明によれば、水晶基板と誘電体の界面にＩＤＴが配置されており、弾性境界波の音速が、水晶基板及び誘電体を伝搬する各遅い横波よりも低音速となるようにＩＤＴの厚みが決定されており、水晶基板のオイラー角が図１３の斜線で示された領域内にあるため、ＬｉＮｂＯ3やＬｉＴａＯ3に比べて安価である水晶を用い、弾性境界波装置を提供することができる。従って、弾性境界波素子のコストを低減することができる。しかも、弾性境界波として利用するＳＨ型の境界波の電気機械結合係数Ｋ2を高めることが可能となる。よって、十分な帯域幅を有する弾性境界波装置を提供することができる。
【００２５】
第２の発明によれば、水晶基板と誘電体の界面にＩＤＴが配置されており、弾性境界波の音速が、水晶基板及び誘電体を伝搬する各遅い横波よりも低音速となるようにＩＤＴの厚みが決定されており、水晶基板のオイラー角が図１４の斜線で示された領域内にあるため、ＬｉＮｂＯ3やＬｉＴａＯ3よりも安価な水晶を用いてＳＨ型境界波を利用した弾性境界波装置を提供することができる。従って、弾性境界波装置のコストを低減することができる。しかも、利用するＳＨ型境界波の群遅延時間温度係数ＴＣＤを小さくすることができる。しかも、水晶自体のＴＣＤは小さいため、ＴＣＤの補正による製造ばらつきも小さくすることができる。
【００２６】
第３の発明によれば、水晶基板と誘電体の界面にＩＤＴが配置されており、弾性境界波の音速が、水晶基板及び誘電体を伝搬する各遅い横波よりも低音速となるようにＩＤＴの厚みが決定されており、水晶基板のオイラー角が図１５の斜線で示された領域内にあるため、ＬｉＮｂＯ3やＬｉＴａＯ3よりも安価な水晶を用いて、ＳＨ型境界波を利用した弾性境界波装置を提供することができる。従って、弾性境界波装置のコストを低減することができる。しかも、オイラー角が上記特定の範囲とされているので、ＳＨ型境界波のパワーフロー角ＰＦＡを小さくすることが可能となる。
【００２７】
第１の発明において、水晶基板のオイラー角が図１４において斜線を付した領域内にも位置している場合には、電気機械結合係数Ｋ2を大きくし得るだけでなく群遅延時間温度係数ＴＣＤを小さくすることも可能となる。しかも、水晶自体のＴＣＤは小さいため、ＴＣＤの補正による製造ばらつきも小さくすることができる。
【００２８】
第１，第２の発明において、水晶基板のオイラー角が、図１５において斜線を付した領域内にある場合には、電気機械結合係数Ｋ2を大きくし、かつパワーフロー角ＰＦＡを小さくすることができ、さらに、オイラー角が、図１３〜図１５において斜線を付した各領域内に位置している場合には、電気機械結合係数Ｋ2を大きくし、群遅延時間温度係数ＴＣＤ及びパワーフローＰＦＡを小さくすることが可能となる。しかも、水晶自体のＴＣＤは小さいため、ＴＣＤの補正による製造ばらつきも小さくすることができる。
【００２９】
本発明において、弾性境界波の音速が、水晶を伝搬する遅い横波の音速よりも遅くかつ誘電体を伝搬する遅い横波の音速よりも遅くなるように、ＩＤＴの厚み及び線路幅が設定されている場合には、それによって伝搬損失を小さくすることが可能となる。
【００３０】
ＩＤＴが、Ｎｉ、Ｍｏ、Ｆｅ、Ｃｕ、Ｗ、Ａｇ、Ｔａ、Ａｕ及びＰｔからなる群から選択された少なくとも１種の金属からなる場合には、その膜厚を適正にする、すなわち弾性境界波の音速を水晶及び誘電体の遅い横波の音速より遅くなるようにすることにより弾性境界波を問題なく励振することができる。
【００３１】
また、上記誘電体が、多結晶シリコンまたはアモルファスシリコンからなる場合には、電気機械結合係数Ｋ2を高めることができ、群遅延時間温度係数ＴＣＤ及びパワーフロー角ＰＦＡを小さくすることができる条件を示すオイラー角範囲を比較的広くすることができる。従って、特性の良好な弾性境界波装置を容易に提供することが可能となる。
【００３２】
誘電体膜が、窒化アルミニウム、ガラス、四ホウ酸リチウム、ニオブ酸リチウム、タンタル酸リチウム、サファイア、窒化シリコン及びアルミナからなる群から選択された１種により構成されている場合、多結晶シリコンやアモルファスシリコンを用いた場合と同様に、電気機械結合係数Ｋ2を大きくでき、群遅延時間温度係数ＴＣＤ及びパワーフロー角ＰＦＡを小さくすることができる条件を示すオイラー角範囲が比較的広い弾性境界波装置を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３３】
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。
【００３４】
図１（ａ）及び（ｂ）は、本発明の一実施形態に係る弾性境界波装置の模式的正面断面図及び模式的平面断面図である。
【００３５】
本実施形態の弾性境界波装置１は、水晶基板２と、水晶基板２に積層されたポリシリコンからなる誘電体３とを有する。水晶基板２と誘電体３との間には、図１（ｂ）に模式的に示されている電極構造が形成されている。この電極構造は、ＩＤＴ４と、ＩＤＴ４の弾性境界波伝搬方向両側に配置された反射器５，６とを有する。ＩＤＴ４及び反射器５，６は、後述する金属により構成されている。ＩＤＴ４には、図示のように、交差幅重み付けが施されている。なお、ＩＤＴ４は重み付けされていなくてもよい。
【００３６】
本実施形態の弾性境界波装置１は、上記電極構造を有する１ポート型の弾性境界波共振子である。
【００３７】
また、弾性境界波装置１では、水晶基板２を伝搬する遅い横波よりもＳＨ型弾性境界波の音速が低音速となるように、かつ誘電体３を伝搬する遅い横波よりもＳＨ型弾性境界波の音速が低音速となるように、ＩＤＴ４の厚みが設定されている。そのため、ＳＨ型の弾性境界波を利用した弾性境界波装置１が構成されている。
【００３８】
水晶基板２のような圧電体と、誘電体３との界面にＩＤＴを形成した構造において、圧電体及び誘電体を伝搬する各遅い横波の音速よりも、ＳＨ型弾性境界波の音速を低くすることにより、ＳＨ型弾性境界波を界面に伝搬させ得ることは、例えば、前述した特許文献３などに開示されている。
【００３９】
上記弾性境界波装置１において、ＩＤＴ４及び反射器５，６を構成する電極材料として、Ｎｉ、Ｍｏ、Ｆｅ、Ｃｕ、Ｗ、Ａｇ、Ｔａ、ＡｕまたはＰｔを用いた場合の、電極の厚みと、ＳＨ波を主成分とするＳＨ型境界波の音速、電気機械結合係数Ｋ2、伝搬損失α及び周波数温度係数ＴＣＦとの関係を求めた。結果を図２〜図６に示す。なお、図２〜図６に示した結果は、以下の条件に従って文献「A method for estimating optimal cuts and propagation directions for excitation and propagation direction for excitation of piezoelectric surface waves」（J.J.Campbell and W.R.Jones,IEEE Trans.Sonics and Ultrason.,bol.SU-15(1968)pp.209-217）に開示されている方法をもとに計算することにより求めた。
【００４０】
計算条件
誘電体（ＳｉＮ）／ＩＤＴ／水晶基板
誘電体としてのＳｉＮの厚みは無限大とし、水晶基板の厚みも無限大とした。また、水晶基板の結晶方位は、５５°Ｙカット９０°Ｘ伝搬（オイラー角で（０°，１４５°，９０°）とした。
【００４１】
回転Ｙ板Ｘ伝搬の水晶基板における縦波、速い横波及び遅い横波の音速は、それぞれ、５７９９、４８８１及び４１３９ｍ／秒であり、ＳｉＮを伝搬する縦波、遅い横波の音速は、それぞれ、１０６４２及び５９７３ｍ／秒である。
【００４２】
なお、開放境界の場合には、水晶基板と電極、電極と誘電体との境界における変位、電位、電束密度の法線成分及び上下方向の応力が連続で、水晶基板と誘電体の厚さを無限とし、電極の比誘電率を１として音速と伝搬損失を求めた。また、短絡境界の場合には、誘電体と電極、電極と水晶基板との各境界における電位を０とした。また、電気機械結合係数Ｋ2は、下記の式（１）により求めた。なお、式（１）においてＶｆは開放境界の音速、Ｖｍは短絡境界の音速である。
【００４３】
Ｋ2＝２｜Ｖｆ−Ｖｍ｜／Ｖｆ …式（１）
周波数温度係数ＴＣＦについては、２０℃、２５℃及び３０℃における境界波の音速Ｖ〔２５℃〕、Ｖ〔２５℃〕及びＶ〔３０℃〕により、下記の式（２）により求めた。
【００４４】
ＴＣＦ＝Ｖ〔２５℃〕-1×｛（Ｖ〔３０℃〕−Ｖ〔２０℃〕）÷１０℃｝−αｓ …式（２）
また、群遅延時間温度係数ＴＣＤについては、下記の式（２Ａ）に従って求めた。
【００４５】
ＴＣＤ＝−Ｖ〔２５℃〕-1×｛（Ｖ〔３０℃〕−Ｖ〔２０℃〕）÷１０℃｝＋αｓ …式（２Ａ）
なお、式（２）及び式（２Ａ）において、αｓは境界波伝搬方向における水晶基板の線膨張係数である。
【００４６】
また、水晶基板の任意のオイラー角（φ，θ，ψ）におけるパワーフロー角ＰＦＡは、ψ−０．５°、ψ及びψ＋０．５°における境界波の音速Ｖに基づき式（３）により求めた。
【００４７】
ＰＦＡ＝ｔａｎ-1｛Ｖ〔ψ〕-1×（Ｖ〔ψ＋０．５°〕−Ｖ〔ψ−０．５°〕）｝ …式（３）
図２は、上記のようにして求められたＩＤＴの厚みと、ＳＨ型境界波の電気機械結合係数との関係を示す図である。図３は、ＩＤＴの厚みと、周波数温度係数ＴＣＦとの関係を示す。図４は、ＩＤＴの厚みとパワーフロー角ＰＦＡとの関係を示す。図５は、ＩＤＴの厚みと、ＳＨ型境界波の音速との関係を示し、図６は、ＩＤＴの厚みと伝搬損失αとの関係を示す。
【００４８】
図５、図６から明らかなように、上述したいずれの金属を用いた場合においても、ＩＤＴの厚みを、ＳＨ型境界波の音速は、上記縦波、速い横波及び遅い横波のうち最も遅い波の音速である４１３９ｍ／秒以下となるように厚くすることにより、ＳＨ型境界波の伝搬損失αが０となり、低損失となることがわかる。一例として、ＩＤＴがＡｕからなる場合を説明する。図５から明らかなように、ＡｕからなるＩＤＴを用いた場合、音速を４１３９ｍ／秒よりも遅くするには、ＩＤＴの厚みは０．０５λ程度以上とすればよいことがわかる。そして、図６から明らかなように、ＩＤＴがＮｉからなる場合、ＩＤＴの厚みが０．０５λ以上となれば、伝搬損失αがほぼ０となることがわかる。なお、図５においてＳＨ型境界波の音速が４１３９ｍ／秒より低下する各種金属の膜厚と、図６において伝搬損失αが次第に減少しほぼ０となる点の各種金属の膜厚とは完全に一致しない。これはＳＨ型境界波の音速が水晶の速い横波の音速（４８８１ｍ／秒）よりも低下するようにＩＤＴの膜厚が設定された時点で伝搬損失αが急激に低下し、金属によっては０に近い値を示すためである。伝搬損失αは０であることが好ましいため、図５においてＳＨ型境界波の音速が４１３９ｍ／秒より低下するようにＩＤＴの膜厚を設定することがより好ましい。もっとも図５においてＳＨ型境界波の音速が４１３９ｍ／秒より低下する領域でなくとも、ＩＤＴに対して実際に用いる金属について、図６において伝搬損失αが実用上問題のないレベルに低下する範囲にＩＤＴの設計膜厚範囲を設定し、その他の条件を鑑みてＩＤＴの膜厚を決定することにより特性の優れた弾性境界波装置を得ることができる。
【００４９】
このように、従来、水晶基板を用いた弾性境界波装置においてＳＨ型境界波を伝搬させることができないと考えられていた水晶基板のオイラー角においても、ＳＨ型境界波をほとんど損失を発生させることなく伝搬させ得ることがわかる。
【００５０】
また、図２と、図５とを比較すれば明らかなように、ＳＨ型境界波の音速が４１３９ｍ／秒よりも遅くなるＩＤＴの厚みとした場合、いずれの金属からなるＩＤＴを用いた場合であっても、電気機械結合係数Ｋ2を十分大きくし得ることがわかる。
【００５１】
また、図３、図４を、図５と比較することにより、ＩＤＴの厚みを、ＳＨ型境界波の音速が４１３９ｍ／秒以下となるように設定した場合、ＴＣＦやＰＦＡが十分に小さくされ得ることもわかる。
【００５２】
よって、図２〜図６の結果から、上記実施形態において、ＩＤＴを構成する金属材料の如何にかかわらず、ＳＨ型境界波の音速が、水晶基板を伝搬する遅い横波よりも低音速であり、かつＳｉＮを伝搬する遅い横波よりも低音速となるようにＩＤＴの厚みを設定すれば、ＳＨ型境界波をほとんど無損失で伝搬させることができ、しかも十分大きな電気機械結合係数Ｋ2を得たり、周波数温度係数ＴＣＦやパワーフロー角ＰＦＡを小さくし得ることがわかる。
【００５３】
図７〜図１２は、ＳｉＮ以外に、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、ガラス（ＢＧＬ）、四ホウ酸リチウム（ＬＢＡ）、ニオブ酸リチウム（ＬＮＫ）、タンタル酸リチウム（ＬＴＫ）、サファイア（ＳＡＰＰ）、ポリシリコン（ＳＩＰ）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）またはアルミナ（Ａｌ2Ｏ3）を用いた場合のＩＤＴの厚みと、ＳＨ型境界波の音速、電気機械結合係数Ｋ2、伝搬損失及び周波数温度係数ＴＣＦとの関係を示す。
【００５４】
図７〜図１２に示す結果は、水晶基板／ＩＤＴ／誘電体の積層構造において、水晶基板の厚さを無限大とし、水晶基板のカット角を、上述した計算例と同様に、５５°Ｙカット９０°Ｘ伝搬〔オイラー角で（０°，１４５°，９０°）〕とし、誘電体の厚みを無限大として求めた。
【００５５】
図７〜図１２の結果は、図２〜図６に示す結果を求めた場合と同様にして計算して求められた。
【００５６】
上記水晶基板の遅い横波の音速は、前述したように４１３９ｍ／秒である。なお、上記各誘電体材料を構成する遅い横波の音速は、４１３９ｍ／秒よりも速い。従って、ＳＨ型境界波の音速が４１３９ｍ／秒よりも遅くなれば、ＳＨ型境界波を伝搬させることができる。言い換えれば、図１１において、音速Ｖが４１３９ｍ／秒以下となるＩＤＴの厚みの範囲を選択すれば、ＳＨ型境界波を利用することができる。そして、図１２と図１１とを比較すれば明らかなように、誘電体の材料を種々異ならせた場合であっても、ＩＤＴの厚みを、ＳＨ型境界波を伝搬させ得る条件、すなわちＳＨ型境界波の音速Ｖが４１３９ｍ／秒よりも遅くなる範囲とされている場合、伝搬損失αはほぼ０となる。従って、図５及び図６に示した計算結果の場合と同様に、誘電体をＳｉＮ以外の材料とした場合であっても、ＳＨ型境界波の音速を４１３９ｍ／秒よりも遅くなるようにＩＤＴの厚みを設定することにより、ＳＨ型境界波をほぼ無損失で伝搬させ得ることがわかる。
【００５７】
また、ＩＤＴの厚みをこのように設定した場合、図７から明らかなように、ＳＨ型境界波の電気機械結合係数Ｋ2を十分大きくすることができる。例えば、誘電体として、ＡｌＮを用いた場合には、図１２から明らかなように、ＩＤＴの厚みを０．０２λ以上とすることにより、ＳＨ型境界波の損失をほぼ０とすることができ、その場合、図７から明らかなように、電気機械結合係数Ｋ2を０．０５％以上とし得ることがわかる。
【００５８】
図７〜図１２から明らかなように、誘電体材料をＳｉＮ以外の他の材料に変更した場合においても、同様に、十分大きな電気機械結合係数Ｋ2の得られることがわかる。
【００５９】
図２〜図６及び図７〜図１２の結果から、ＩＤＴを構成する材料や誘電体を構成する材料を種々変更した場合であっても、オイラー角（０°，１４５°，９０°）の水晶基板を用いた場合、ＩＤＴの厚みを、ＳＨ型境界波の音速が４１３９ｍ／秒以下となるように設定することにより、十分大きな電気機械結合係数Ｋ2、小さな群遅延時間温度係数ＴＣＤ及びＰＦＡを実現し得ることがわかった。
【００６０】
次に、水晶基板２のオイラー角を種々変更し、弾性境界波共振子としての弾性境界波装置１を作製した場合の電気機械結合係数Ｋ2、周波数温度係数ＴＣＦ、パワーフロー角ＰＦＡ及びＳＨ型境界波の音速Ｖの変化を計算した。結果を図１３〜図１６に示す。
【００６１】
なお、条件は以下の通りである。
【００６２】
構造：誘電体２は多結晶Ｓｉで構成した。水晶基板については、オイラー角を種々変更し、その厚みは無限大とした。
【００６３】
ＩＤＴはＡｕからなり、その厚みは０．０７λとした。
【００６４】
なお、図１に示した弾性境界波装置１により発振器を作製した場合、電気機械結合係数Ｋ2が大きいほど発振しやすくなる。本願発明者によれば、電気機械結合係数Ｋ2が０．０８％より小さいと、発振させることが困難となることが確かめられている。
【００６５】
従って、水晶基板のオイラー角（０°，θ，ψ）において、θ，ψを図１３に示す斜線で付したハッチングの領域内とすることにより、電気機械結合係数Ｋ2を０．０８％以上とすることができ、弾性境界波装置１を用いて良好に発振させ得ることがわかる。
【００６６】
また、この誘電体を伝搬する横波では、群遅延時間温度係数ＴＣＤは正の値である。他方、水晶では、群遅延時間温度係数ＴＣＤは負の値となる。群遅延時間ＴＣＢは、横波の音速の音速温度係数をＴＣＶｓ、ＳＨ型境界波の伝搬方向における材料の線膨張係数をαｓとすると、次の式で表わされる。
【００６７】
ＴＣＤ＝αｓ−ＴＣＶｓ …式（４）
誘電体／ＩＤＴ／水晶基板の構造を有する弾性境界波装置において、厚さ１００λ程度の水晶基板上に、ＩＤＴをフォトリソグラフィー法により形成し、誘電体をスパッタリング法などの堆積法で十分に振動が閉じ込められる厚み、例えば０．８λ程度の厚みに形成した場合、式（４）において線膨張係数αｓとして、誘電体の線膨張係数は無視でき、水晶基板の線膨張係数が支配的となる。横波成分が支配的なＳＨ型の弾性境界波において、弾性境界波の群遅延時間温度係数ＴＣＤは誘電体と水晶基板の横波の音速間の値となる。弾性境界波装置に用いられる誘電体材料の音速温度係数ＴＣＶｓは、−１０〜−４０ｐｐｍ／℃程度に分布している。図１３〜図１６に示した結果を求める際に用いたポリシリコンのＴＣＶｓは約−２５ｐｐｍ／℃である。
【００６８】
従って、図１３〜図１６において、ＴＣＶが＋１５よりも小さい（ＴＣＦが−１５よりも大きい。ポリシリコンのＴＣＶｓが−２５であるため、差が＋１０となり、ＴＣＶ＝−１０である誘電体と組み合わせた際にＴＣＤ＝０と概算）水晶のカット角を用いることにより、音速温度係数ＴＣＶが負の誘電体と組み合わせて、群遅延時間温度係数ＴＣＤがほぼ０の弾性境界波装置の得られることがわかる。従って、図１４において、ＴＣＦが−１５ｐｐｍ／℃よりも大きい領域、すなわち図１４の斜線で示した領域内のオイラー角の水晶基板を用いれば、群遅延時間温度係数ＴＣＤがほぼ０の弾性境界波装置を提供し得ることがわかる。
【００６９】
パワーフロー角ＰＦＡとは、弾性境界波の位相速度の方向と、弾性境界波のエネルギーが進む群速度の方向の違いを表わす角度である。パワーフロー角ＰＦＡが大きいと、ＩＤＴをパワーフロー角に合わせて傾斜して配置する必要があり、電極設計が複雑となる。また、角度ずれによる損失も発生しやすくなる。従って、弾性境界波では、パワーフロー角ＰＦＡが小さいことが望ましい。
【００７０】
そして、このパワーフロー角ＰＦＡの値は、±６°以下であれば、上記角度ずれによる損失が著しく小さくなる。従って、図１５に示す斜線で付した領域とすれば、パワーフロー角ＰＦＡを−６°より大きく、＋６°より小さくすることができ、それによって上記損失を効果的に抑制し得ることがわかる。
【００７１】
なお、図１３〜図１６は、ＩＤＴ電極がＡｕの場合の結果を示しているが、ＩＤＴの電極材料の種類が変わった場合においても、電気機械結合係数などの絶対値はともかくとして、図１３〜図１６と同様の傾向があることが本願発明者により確かめられている。例えば、ＣｕからなるＩＤＴを用いた場合、図１３〜図１６に示す等高線分布と等高線の分布自体は同様であることが確かめられている。
【００７２】
なお、本発明は、図１（ａ），（ｂ）に示したような弾性境界波共振子に限定されず、ラダー型フィルタ、縦結合共振子型フィルタ、横結合共振子型フィルタ、トランスバーサル型フィルタ、弾性境界波光スイッチ、弾性境界波光フィルタなどの様々な弾性境界波を用いた装置に広く適用することができる。
【００７３】
水晶基板を用いた狭帯域の弾性表面波フィルタ、特に共振子型弾性表面波フィルタやラダー型弾性表面波フィルタにおいて十分大きな減衰量を得るには、電極の反射係数が大きいことが必要である。水晶基板を用いた表面波フィルタでは、通常、Ａｌからなる電極が用いられており、その厚みは表面波の波長をλとしたとき０．７λ以上であり、その場合の電極指１本あたりの反射係数は約０．０８であった。
【００７４】
これに対して、本発明では、ＳｉＮの膜厚をλとしたとき、ＩＤＴの電極指１本あたりの反射係数は図１７に示す通りとなる。すなわち、図１７は、様々な電極によりＩＤＴを形成した場合の電極を構成している金属の厚みと、反射係数との関係を示す図である。図１７から明らかなように、Ｃｕを用いた場合、厚みが０．０７λ以上であれば、反射係数は０．０８以上となる。また、その他の金属を用いた場合には、反射係数は図示の範囲では全て０．０８以上である。
【００７５】
従って、十分大きな減衰量を確実に得ることができる。
【００７６】
また、ＩＤＴを含む各種電極が、上述した各種金属により形成され得るが、電極は、他の電極層をさらに積層した構造を有していてもよい。すなわち、密着性や耐電力性を高めるために、Ｔｉ、Ｃｒ、ＮｉＣｒ、Ｎｉなどからなる薄い層を積層してもよい。このように積層される薄い電極層を、誘電体との界面や、水晶基板との界面に配置したり、複数の金属層間に配置することにより、密着性や耐電力性などを高めることができる。
【００７７】
また、ＩＤＴの厚みの設定については、水晶基板上にＩＤＴを構成するための金属膜を形成した後、逆スパッタ、イオンビームミリング、ＲＩＥまたはウェットエッチングなどの様々な方法で容易に調整することができる。
【００７８】
また、本発明に係る弾性境界波装置では、上記誘電体の水晶基板とは反対側の面にさらに誘電体とは異なる誘電体が積層されていてもよい。
【００７９】
また、水晶基板／ＩＤＴ／誘電体からなる構造の外側に、弾性境界波装置の強度を高めるために、あるいは腐食性ガスの進入を防止するために保護層を形成してもよい。保護層としては、ポリイミド、エポキシ樹脂、酸化チタン、窒化アルミ、酸化アルミニウムなどの適宜の絶縁性材料、あるいはＡｕ、ＡｌまたはＷなどの金属膜を用いることができる。また、場合によっては、本発明に係る弾性境界波装置は、パッケージに封入されていてもよい。
【００８０】
なお、本明細書において、オイラー角、結晶軸及び等価なオイラー角とは以下の内容を意味するものとする。
【００８１】
オイラー角
本明細書において、基板の切断面と、境界波の鉄板方向を表現するオイラー角（φ，θ，ψ）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３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、水晶の結晶軸Ｘ、Ｙ、Ｚに対し、Ｚ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ψ回転した軸Ｘ′方向を表面波の伝搬方向とした。また、Ｙ軸が上記回転により移動して得られるＸ′軸とＺ′軸と垂直な軸をＹ′軸とした。
【００８２】
結晶軸
また、オイラー角の初期値として与える水晶の結晶軸Ｘ、Ｙ、Ｚは、Ｚ軸をｃ軸と平行とし、Ｘ軸を等価な３方向のａ軸のうち任意の一つと平行とし、Ｙ軸はＸ軸とＺ軸を含む面の法線方向とした。
【００８３】
等価なオイラー角
なお、本発明における水晶基板のオイラー角（φ，θ，ψ）は結晶学的に等価であればよい。例えば、文献（日本音響学会誌３６巻３号、１９８０年、１４０〜１４５頁）によれば、三方晶系３ｍ点群に属する結晶であるので、下記の式〔１００〕が成り立つ。
【００８４】
Ｆ（φ，θ，ψ）＝Ｆ（６０°−φ，−θ，ψ）
＝Ｆ（６０°＋φ，−θ，１８０°−ψ）
＝Ｆ（φ，１８０°＋θ，１８０°−ψ）
＝Ｆ（φ，θ，１８０°＋ψ） …式〔１００〕
ここで、Ｆは、電気機械結合係数Ｋｓ2、伝搬損失、ＴＣＦ、ＰＦＡ、ナチュラル一方向性などの任意の表面波特性である。ＰＦＡの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、符号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、水晶は３２点群に属する結晶であるが、式〔１００〕が成り立つ。
【００８５】
例えば、オイラー角（３０°，θ，ψ）の表面波伝搬特性は、オイラー角（９０°，１８０°−θ，１８０°−ψ）の表面波伝搬特性と等価である。また、例えば、オイラー角（３０°，９０°，４５°）の表面波伝搬特性は、表１に示すオイラー角の表面波伝搬特性と等価である。
【００８６】
基板表面に圧電膜を形成した場合、厳密には式〔１００〕の通りとはならないが、実用上問題ない程度に同等の表面波伝搬特性が得られる。
【００８７】
【表１】
【図面の簡単な説明】
【００８８】
【図１】（ａ）及び（ｂ）は、本発明の一実施形態の弾性境界波装置の模式的正面断面図及び模式的平面断面図。
【図２】実施形態の弾性境界波装置の解析結果を示し、ＩＤＴを構成する金属材料を変化させた場合のＩＤＴの厚みと、電気機械結合係数Ｋ2との関係を示す図。
【図３】実施形態の弾性境界波装置の解析結果を示し、ＩＤＴを構成する金属材料を変化させた場合のＩＤＴの厚みと、周波数温度係数ＴＣＦとの関係を示す図。
【図４】実施形態の弾性境界波装置の解析結果を示し、ＩＤＴを構成する金属材料を変化させた場合のＩＤＴの厚みと、パワーフロー角ＰＦＡとの関係を示す図。
【図５】実施形態の弾性境界波装置の解析結果を示し、ＩＤＴを構成する金属材料を変化させた場合のＩＤＴの厚みとＳＨ型境界波の音速Ｖとの関係を示す図。
【図６】実施形態の弾性境界波装置の解析結果を示し、ＩＤＴを構成する金属材料を変化させた場合のＩＤＴの厚みと、伝搬損失αとの関係を示す図。
【図７】本発明の実施形態において、誘電体の材料を変化させた場合のＩＤＴの厚みと電気機械結合係数Ｋ2との関係を示す図。
【図８】本発明の実施形態において、誘電体の材料を変化させた場合のＩＤＴの厚みと電気機械結合係数Ｋ2との関係を示す図。
【図９】本発明の実施形態において、誘電体の材料を変化させた場合のＩＤＴの厚みと周波数温度係数ＴＣＦとの関係を示す図。
【図１０】本発明の実施形態において、誘電体の材料を変化させた場合のＩＤＴの厚みとパワーフローＰＦＡとの関係を示す図。
【図１１】本発明の実施形態において、誘電体の材料を変化させた場合のＩＤＴの厚みとＳＨ型境界波の音速Ｖとの関係を示す図。
【図１２】本発明の実施形態において、誘電体の材料を変化させた場合のＩＤＴの厚みと伝搬損失αとの関係を示す図。
【図１３】実施形態において、オイラー角（０°，θ，ψ）の水晶基板を用いた場合のθ及びψと電気機械結合係数Ｋ2との関係を示す図。
【図１４】実施形態において、オイラー角（０°，θ，ψ）の水晶基板を用いた場合のθ及びψと周波数温度係数ＴＣＦとの関係を示す図。
【図１５】実施形態において、オイラー角（０°，θ，ψ）の水晶基板を用いた場合のθ及びψとパワーフロー角ＰＦＡとの関係を示す図。
【図１６】実施形態において、オイラー角（０°，θ，ψ）の水晶基板を用いた場合のθ及びψと音速との関係を示す図。
【図１７】オイラー角（０°，１２７と，９０°）の水晶基板上に、金属及びＳｉＮを積層した構造における金属の厚みと、反射係数との関係を示す図。
【符号の説明】
【００８９】
１…弾性境界波装置
２…水晶基板
３…誘電体
４…ＩＤＴ
５，６…反射器
【技術分野】
【０００１】
本発明は、第１，第２の媒質間の境界を伝搬する弾性境界波を利用した弾性境界波装置に関し、より詳細には、第１の媒質が水晶であり、第２の媒質が誘電体である弾性境界波装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、テレビション受像機、携帯電話器などの様々な電子機器において、発振子や帯域フィルタを構成するために弾性表面波装置が広く用いられている。弾性表面波装置では、圧電基板上に、少なくとも１つのＩＤＴ（インターデジタルトランスデューサ）が形成されている。この圧電基板としては、ＬｉＴａＯ3基板や水晶基板などが用いられている。
【０００３】
ＬｉＴａＯ3基板を用いた弾性表面波フィルタに比べて、水晶基板を用いた弾性表面波フィルタは、狭帯域用途に適している。そこで、水晶基板を用いた弾性表面波共振子が従来広く用いられている。この種の弾性表面波共振子では、オイラー角で（０°，１２０°〜１４０°，０°）、すなわちＳＴカットＸ伝搬の水晶基板上に、Ａｌからなるくし形電極を形成することにより、ＩＤＴが構成されていた。
【０００４】
弾性表面波共振子では、共振周波数と反共振周波数との差、すなわち帯域幅は狭いことが望ましいものの、狭帯域フィルタである共振子とはいえ、所望の特性を得るには、ある程度の帯域幅を有することが望ましい。また、狭帯域フィルタでは、帯域幅が狭いため、通過帯域が温度に対して非常に敏感となる。従って、通過帯域の温度依存性が少ないことが望ましい。従来、これらの要求を考慮し、水晶基板として、ＳＴカットＸ伝搬の水晶基板が用いられていた。
【０００５】
また、弾性表面波共振子の共振周波数と反共振周波数との差は、圧電基板の電気機械結合係数Ｋ2に比例し、ＳＴカットＸ伝搬の水晶基板の電気機械結合係数Ｋ2は約０．１４％であった。
【０００６】
しかしながら、上記のような弾性表面波共振子では、弾性表面波を励振する必要があるため、水晶基板上に形成された電極上に振動を妨げないための空洞を設けねばならなかった。そのため、パッケージが高価となり、かつ大型にならざるを得なかった。また、パッケージから生じた金属粉などが電極に落下し、短絡不良を起こすおそれがあった。
【０００７】
これに対して、下記の特許文献１に記載の弾性境界波装置では、第１，第２の媒質間を伝搬する弾性境界波を利用しているため、パッケージの小型化及び低コスト化を果たすことができ、かつ上記のような短絡不良が生じるおそれがない。
【０００８】
特許文献１に記載の弾性境界波装置では、Ｓｉ系材料からなる第１の基板上に、くし形電極が形成されており、かつ該くし形電極を覆うように、圧電性の第２の基板が貼り合わされている。ここでは、Ｓｉ系基板として、Ｓｉ基板、アモルファスシリコン基板またはポリシリコン基板などが挙げられている。また、第２の基板を構成する圧電材料としては、ＬｉＮｂＯ3、ＬｉＴａＯ3、水晶などが例示されている。そして、特許文献１では、弾性境界波としてのストンリー波を利用することにより、パッケージの小型化及びコストダウンを図ることができるとされている。
【０００９】
他方、下記の特許文献２には、第１，第２の媒質のうち一方が圧電材料からなり、他方が圧電材料または非圧電材料からなる弾性境界波装置が示されている。そして、第１，第２の媒質間において、弾性境界波としてのＳＨ波、すなわち純粋横インターフェース波を伝搬させる構成が示唆されている。上記圧電材料としては、タンタル酸リチウム、ニオブ酸リチウムとともに、ＳＴカットＸ伝搬の水晶が示されている。
【００１０】
また、下記の特許文献３には、圧電体と誘電体とを積層し、両者の界面に電極を形成した弾性境界波装置において、圧電体を伝搬する遅い横波の音速と、誘電体を伝搬する遅い横波の音速よりも、ＳＨ型弾性境界波の音速を低音速とすることにより、ＳＨ型弾性境界波を伝搬させ得ることが開示されている。
【特許文献１】特開平１０−８４２４６号公報
【特許文献２】特表２００３−５１２６３７号公報
【特許文献３】ＷＯ２００４−０７０９４６
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
特許文献１には、上記のように、水晶を用いた弾性境界波装置は開示されているものの、特許文献１で用いられている弾性境界波はストンリー波であった。ストンリー波を用いた場合には、弾性表面波装置並みの大きな電気機械結合係数を得ることが困難であり、またＩＤＴや反射器の反射係数も十分な大きさとなり難い。従って、特許文献１に記載の弾性境界波装置では、十分な帯域幅を得ることが困難であった。
【００１２】
他方、特許文献２では、上記のようなＳＨ型の弾性境界波を利用することは示唆されているものの、特許文献２では、ＳＨ型の境界波が利用される具体的な条件については何ら示されていない。
【００１３】
特許文献３には、上記のように、圧電体と誘電体を積層した弾性境界波装置において、ＳＨ型弾性境界波を利用した構成は示されているものの、全体としては、ＬｉＴａＯ3やＬｉＮｂＯ3などの圧電単結晶が示されているにすぎない。圧電体としてＬｉＴａＯ3やＬｉＮｂＯ3を用い、誘電体としてＳｉＯ2を用いた場合、弾性境界波装置の群遅延時間温度係数（ＴＣＤ）が小さい条件を得ることができる。しかしながらＬｉＴａＯ3やＬｉＮｂＯ3の本来のＴＣＤが大きいため、弾性境界波装置のＴＣＤには製造ばらつきを生じ易い。一方圧電体としての水晶を用いた場合には水晶のＴＣＤが小さいので、弾性境界波装置のＴＣＤの製造ばらつきを低減できると考えられるが、水晶を用いた場合のＳＨ型境界波を利用する上での具体的な構成については特に示されていない。
【００１４】
本発明の目的は、上述した従来技術の現状に鑑み、パッケージの小型化及び低コスト化を果たし得るだけでなく、水晶基板を用いて構成されており、ＳＨ型の弾性境界波を利用しており、電気機械結合係数などの様々な物性や特性において優れている弾性境界波装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
本願の第1の発明によれば、水晶基板と、前記水晶基板上に形成されたＩＤＴと、前記ＩＤＴを覆うように前記水晶基板上に形成された誘電体とを有し、前記水晶基板と前記誘電体との境界において弾性境界波が伝搬される弾性境界波装置であって、前記弾性境界波の音速が前記水晶基板を伝搬する遅い横波よりも低音速であり、かつ前記誘電体を伝搬する遅い横波よりも低音速となるように、前記ＩＤＴの厚みが設定されており、前記水晶基板のオイラー角が、図１３において斜線で示された領域にあることを特徴とする、弾性境界波装置が提供される。
【００１６】
本願の第２の発明によれば、水晶基板と、前記水晶基板上に形成されたＩＤＴと、前記ＩＤＴを覆うように前記水晶基板上に形成された誘電体とを有し、前記水晶基板と前記誘電体との境界において弾性境界波が伝搬される弾性境界波装置であって、前記弾性境界波の音速が前記水晶基板を伝搬する遅い横波よりも低音速であり、かつ前記誘電体を伝搬する遅い横波よりも低音速となるように、前記ＩＤＴの厚みが設定されており、前記水晶基板のオイラー角が、図１４において斜線で示された領域にあることを特徴とする、弾性境界波装置が提供される。
【００１７】
本願の第３の発明によれば、水晶基板と、前記水晶基板上に形成されたＩＤＴと、前記ＩＤＴを覆うように前記水晶基板上に形成された誘電体とを有し、前記水晶基板と前記誘電体との境界において弾性境界波が伝搬される弾性境界波装置であって、前記弾性境界波の音速が前記水晶基板を伝搬する遅い横波よりも低音速であり、かつ前記誘電体を伝搬する遅い横波よりも低音速となるように、前記ＩＤＴの厚みが設定されており、前記水晶基板のオイラー角が、図１５において斜線で示された領域にあることを特徴とする、弾性境界波装置が提供される。
【００１８】
第１の発明のある特定の局面では、前記オイラー角が、図１４において斜線を付した領域にある。
【００１９】
第１，第２の発明のある特定の局面では、前記オイラー角が、図１５において斜線を付した領域にある。
【００２０】
第１〜第３の発明（以下、本発明と総称する。）のある特定の局面によれば、前記弾性境界波の音速が、前記水晶を伝搬する遅い横波の音速よりも遅くかつ前記誘電体を伝搬する遅い横波の音速よりも遅くなるように、前記ＩＤＴの電極指の厚み及び電極指の幅が設定されている。
【００２１】
本発明において、上記ＩＤＴは、適宜の導電性材料により形成されるが、本発明のある特定の局面では、前記ＩＤＴが、Ｎｉ、Ｍｏ、Ｆｅ、Ｃｕ、Ｗ、Ａｇ、Ｔａ、Ａｕ及びＰｔからなる群から選択された少なくとも１種の金属からなる。
【００２２】
本発明に係る弾性境界波装置において、上記誘電体膜を構成する材料は特に限定されないが、好ましくは、多結晶シリコンまたはアモルファスシリコンが用いられる。
【００２３】
また、上記誘電体は、シリコン系材料からなる必要は必ずしもなく、窒化アルミニウム、ガラス、四ホウ酸リチウム、ニオブ酸リチウム、タンタル酸リチウム、サファイア、窒化シリコン及びアルミナからなる群から選択された１種により構成され得る。
【発明の効果】
【００２４】
第１の発明によれば、水晶基板と誘電体の界面にＩＤＴが配置されており、弾性境界波の音速が、水晶基板及び誘電体を伝搬する各遅い横波よりも低音速となるようにＩＤＴの厚みが決定されており、水晶基板のオイラー角が図１３の斜線で示された領域内にあるため、ＬｉＮｂＯ3やＬｉＴａＯ3に比べて安価である水晶を用い、弾性境界波装置を提供することができる。従って、弾性境界波素子のコストを低減することができる。しかも、弾性境界波として利用するＳＨ型の境界波の電気機械結合係数Ｋ2を高めることが可能となる。よって、十分な帯域幅を有する弾性境界波装置を提供することができる。
【００２５】
第２の発明によれば、水晶基板と誘電体の界面にＩＤＴが配置されており、弾性境界波の音速が、水晶基板及び誘電体を伝搬する各遅い横波よりも低音速となるようにＩＤＴの厚みが決定されており、水晶基板のオイラー角が図１４の斜線で示された領域内にあるため、ＬｉＮｂＯ3やＬｉＴａＯ3よりも安価な水晶を用いてＳＨ型境界波を利用した弾性境界波装置を提供することができる。従って、弾性境界波装置のコストを低減することができる。しかも、利用するＳＨ型境界波の群遅延時間温度係数ＴＣＤを小さくすることができる。しかも、水晶自体のＴＣＤは小さいため、ＴＣＤの補正による製造ばらつきも小さくすることができる。
【００２６】
第３の発明によれば、水晶基板と誘電体の界面にＩＤＴが配置されており、弾性境界波の音速が、水晶基板及び誘電体を伝搬する各遅い横波よりも低音速となるようにＩＤＴの厚みが決定されており、水晶基板のオイラー角が図１５の斜線で示された領域内にあるため、ＬｉＮｂＯ3やＬｉＴａＯ3よりも安価な水晶を用いて、ＳＨ型境界波を利用した弾性境界波装置を提供することができる。従って、弾性境界波装置のコストを低減することができる。しかも、オイラー角が上記特定の範囲とされているので、ＳＨ型境界波のパワーフロー角ＰＦＡを小さくすることが可能となる。
【００２７】
第１の発明において、水晶基板のオイラー角が図１４において斜線を付した領域内にも位置している場合には、電気機械結合係数Ｋ2を大きくし得るだけでなく群遅延時間温度係数ＴＣＤを小さくすることも可能となる。しかも、水晶自体のＴＣＤは小さいため、ＴＣＤの補正による製造ばらつきも小さくすることができる。
【００２８】
第１，第２の発明において、水晶基板のオイラー角が、図１５において斜線を付した領域内にある場合には、電気機械結合係数Ｋ2を大きくし、かつパワーフロー角ＰＦＡを小さくすることができ、さらに、オイラー角が、図１３〜図１５において斜線を付した各領域内に位置している場合には、電気機械結合係数Ｋ2を大きくし、群遅延時間温度係数ＴＣＤ及びパワーフローＰＦＡを小さくすることが可能となる。しかも、水晶自体のＴＣＤは小さいため、ＴＣＤの補正による製造ばらつきも小さくすることができる。
【００２９】
本発明において、弾性境界波の音速が、水晶を伝搬する遅い横波の音速よりも遅くかつ誘電体を伝搬する遅い横波の音速よりも遅くなるように、ＩＤＴの厚み及び線路幅が設定されている場合には、それによって伝搬損失を小さくすることが可能となる。
【００３０】
ＩＤＴが、Ｎｉ、Ｍｏ、Ｆｅ、Ｃｕ、Ｗ、Ａｇ、Ｔａ、Ａｕ及びＰｔからなる群から選択された少なくとも１種の金属からなる場合には、その膜厚を適正にする、すなわち弾性境界波の音速を水晶及び誘電体の遅い横波の音速より遅くなるようにすることにより弾性境界波を問題なく励振することができる。
【００３１】
また、上記誘電体が、多結晶シリコンまたはアモルファスシリコンからなる場合には、電気機械結合係数Ｋ2を高めることができ、群遅延時間温度係数ＴＣＤ及びパワーフロー角ＰＦＡを小さくすることができる条件を示すオイラー角範囲を比較的広くすることができる。従って、特性の良好な弾性境界波装置を容易に提供することが可能となる。
【００３２】
誘電体膜が、窒化アルミニウム、ガラス、四ホウ酸リチウム、ニオブ酸リチウム、タンタル酸リチウム、サファイア、窒化シリコン及びアルミナからなる群から選択された１種により構成されている場合、多結晶シリコンやアモルファスシリコンを用いた場合と同様に、電気機械結合係数Ｋ2を大きくでき、群遅延時間温度係数ＴＣＤ及びパワーフロー角ＰＦＡを小さくすることができる条件を示すオイラー角範囲が比較的広い弾性境界波装置を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３３】
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。
【００３４】
図１（ａ）及び（ｂ）は、本発明の一実施形態に係る弾性境界波装置の模式的正面断面図及び模式的平面断面図である。
【００３５】
本実施形態の弾性境界波装置１は、水晶基板２と、水晶基板２に積層されたポリシリコンからなる誘電体３とを有する。水晶基板２と誘電体３との間には、図１（ｂ）に模式的に示されている電極構造が形成されている。この電極構造は、ＩＤＴ４と、ＩＤＴ４の弾性境界波伝搬方向両側に配置された反射器５，６とを有する。ＩＤＴ４及び反射器５，６は、後述する金属により構成されている。ＩＤＴ４には、図示のように、交差幅重み付けが施されている。なお、ＩＤＴ４は重み付けされていなくてもよい。
【００３６】
本実施形態の弾性境界波装置１は、上記電極構造を有する１ポート型の弾性境界波共振子である。
【００３７】
また、弾性境界波装置１では、水晶基板２を伝搬する遅い横波よりもＳＨ型弾性境界波の音速が低音速となるように、かつ誘電体３を伝搬する遅い横波よりもＳＨ型弾性境界波の音速が低音速となるように、ＩＤＴ４の厚みが設定されている。そのため、ＳＨ型の弾性境界波を利用した弾性境界波装置１が構成されている。
【００３８】
水晶基板２のような圧電体と、誘電体３との界面にＩＤＴを形成した構造において、圧電体及び誘電体を伝搬する各遅い横波の音速よりも、ＳＨ型弾性境界波の音速を低くすることにより、ＳＨ型弾性境界波を界面に伝搬させ得ることは、例えば、前述した特許文献３などに開示されている。
【００３９】
上記弾性境界波装置１において、ＩＤＴ４及び反射器５，６を構成する電極材料として、Ｎｉ、Ｍｏ、Ｆｅ、Ｃｕ、Ｗ、Ａｇ、Ｔａ、ＡｕまたはＰｔを用いた場合の、電極の厚みと、ＳＨ波を主成分とするＳＨ型境界波の音速、電気機械結合係数Ｋ2、伝搬損失α及び周波数温度係数ＴＣＦとの関係を求めた。結果を図２〜図６に示す。なお、図２〜図６に示した結果は、以下の条件に従って文献「A method for estimating optimal cuts and propagation directions for excitation and propagation direction for excitation of piezoelectric surface waves」（J.J.Campbell and W.R.Jones,IEEE Trans.Sonics and Ultrason.,bol.SU-15(1968)pp.209-217）に開示されている方法をもとに計算することにより求めた。
【００４０】
計算条件
誘電体（ＳｉＮ）／ＩＤＴ／水晶基板
誘電体としてのＳｉＮの厚みは無限大とし、水晶基板の厚みも無限大とした。また、水晶基板の結晶方位は、５５°Ｙカット９０°Ｘ伝搬（オイラー角で（０°，１４５°，９０°）とした。
【００４１】
回転Ｙ板Ｘ伝搬の水晶基板における縦波、速い横波及び遅い横波の音速は、それぞれ、５７９９、４８８１及び４１３９ｍ／秒であり、ＳｉＮを伝搬する縦波、遅い横波の音速は、それぞれ、１０６４２及び５９７３ｍ／秒である。
【００４２】
なお、開放境界の場合には、水晶基板と電極、電極と誘電体との境界における変位、電位、電束密度の法線成分及び上下方向の応力が連続で、水晶基板と誘電体の厚さを無限とし、電極の比誘電率を１として音速と伝搬損失を求めた。また、短絡境界の場合には、誘電体と電極、電極と水晶基板との各境界における電位を０とした。また、電気機械結合係数Ｋ2は、下記の式（１）により求めた。なお、式（１）においてＶｆは開放境界の音速、Ｖｍは短絡境界の音速である。
【００４３】
Ｋ2＝２｜Ｖｆ−Ｖｍ｜／Ｖｆ …式（１）
周波数温度係数ＴＣＦについては、２０℃、２５℃及び３０℃における境界波の音速Ｖ〔２５℃〕、Ｖ〔２５℃〕及びＶ〔３０℃〕により、下記の式（２）により求めた。
【００４４】
ＴＣＦ＝Ｖ〔２５℃〕-1×｛（Ｖ〔３０℃〕−Ｖ〔２０℃〕）÷１０℃｝−αｓ …式（２）
また、群遅延時間温度係数ＴＣＤについては、下記の式（２Ａ）に従って求めた。
【００４５】
ＴＣＤ＝−Ｖ〔２５℃〕-1×｛（Ｖ〔３０℃〕−Ｖ〔２０℃〕）÷１０℃｝＋αｓ …式（２Ａ）
なお、式（２）及び式（２Ａ）において、αｓは境界波伝搬方向における水晶基板の線膨張係数である。
【００４６】
また、水晶基板の任意のオイラー角（φ，θ，ψ）におけるパワーフロー角ＰＦＡは、ψ−０．５°、ψ及びψ＋０．５°における境界波の音速Ｖに基づき式（３）により求めた。
【００４７】
ＰＦＡ＝ｔａｎ-1｛Ｖ〔ψ〕-1×（Ｖ〔ψ＋０．５°〕−Ｖ〔ψ−０．５°〕）｝ …式（３）
図２は、上記のようにして求められたＩＤＴの厚みと、ＳＨ型境界波の電気機械結合係数との関係を示す図である。図３は、ＩＤＴの厚みと、周波数温度係数ＴＣＦとの関係を示す。図４は、ＩＤＴの厚みとパワーフロー角ＰＦＡとの関係を示す。図５は、ＩＤＴの厚みと、ＳＨ型境界波の音速との関係を示し、図６は、ＩＤＴの厚みと伝搬損失αとの関係を示す。
【００４８】
図５、図６から明らかなように、上述したいずれの金属を用いた場合においても、ＩＤＴの厚みを、ＳＨ型境界波の音速は、上記縦波、速い横波及び遅い横波のうち最も遅い波の音速である４１３９ｍ／秒以下となるように厚くすることにより、ＳＨ型境界波の伝搬損失αが０となり、低損失となることがわかる。一例として、ＩＤＴがＡｕからなる場合を説明する。図５から明らかなように、ＡｕからなるＩＤＴを用いた場合、音速を４１３９ｍ／秒よりも遅くするには、ＩＤＴの厚みは０．０５λ程度以上とすればよいことがわかる。そして、図６から明らかなように、ＩＤＴがＮｉからなる場合、ＩＤＴの厚みが０．０５λ以上となれば、伝搬損失αがほぼ０となることがわかる。なお、図５においてＳＨ型境界波の音速が４１３９ｍ／秒より低下する各種金属の膜厚と、図６において伝搬損失αが次第に減少しほぼ０となる点の各種金属の膜厚とは完全に一致しない。これはＳＨ型境界波の音速が水晶の速い横波の音速（４８８１ｍ／秒）よりも低下するようにＩＤＴの膜厚が設定された時点で伝搬損失αが急激に低下し、金属によっては０に近い値を示すためである。伝搬損失αは０であることが好ましいため、図５においてＳＨ型境界波の音速が４１３９ｍ／秒より低下するようにＩＤＴの膜厚を設定することがより好ましい。もっとも図５においてＳＨ型境界波の音速が４１３９ｍ／秒より低下する領域でなくとも、ＩＤＴに対して実際に用いる金属について、図６において伝搬損失αが実用上問題のないレベルに低下する範囲にＩＤＴの設計膜厚範囲を設定し、その他の条件を鑑みてＩＤＴの膜厚を決定することにより特性の優れた弾性境界波装置を得ることができる。
【００４９】
このように、従来、水晶基板を用いた弾性境界波装置においてＳＨ型境界波を伝搬させることができないと考えられていた水晶基板のオイラー角においても、ＳＨ型境界波をほとんど損失を発生させることなく伝搬させ得ることがわかる。
【００５０】
また、図２と、図５とを比較すれば明らかなように、ＳＨ型境界波の音速が４１３９ｍ／秒よりも遅くなるＩＤＴの厚みとした場合、いずれの金属からなるＩＤＴを用いた場合であっても、電気機械結合係数Ｋ2を十分大きくし得ることがわかる。
【００５１】
また、図３、図４を、図５と比較することにより、ＩＤＴの厚みを、ＳＨ型境界波の音速が４１３９ｍ／秒以下となるように設定した場合、ＴＣＦやＰＦＡが十分に小さくされ得ることもわかる。
【００５２】
よって、図２〜図６の結果から、上記実施形態において、ＩＤＴを構成する金属材料の如何にかかわらず、ＳＨ型境界波の音速が、水晶基板を伝搬する遅い横波よりも低音速であり、かつＳｉＮを伝搬する遅い横波よりも低音速となるようにＩＤＴの厚みを設定すれば、ＳＨ型境界波をほとんど無損失で伝搬させることができ、しかも十分大きな電気機械結合係数Ｋ2を得たり、周波数温度係数ＴＣＦやパワーフロー角ＰＦＡを小さくし得ることがわかる。
【００５３】
図７〜図１２は、ＳｉＮ以外に、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、ガラス（ＢＧＬ）、四ホウ酸リチウム（ＬＢＡ）、ニオブ酸リチウム（ＬＮＫ）、タンタル酸リチウム（ＬＴＫ）、サファイア（ＳＡＰＰ）、ポリシリコン（ＳＩＰ）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）またはアルミナ（Ａｌ2Ｏ3）を用いた場合のＩＤＴの厚みと、ＳＨ型境界波の音速、電気機械結合係数Ｋ2、伝搬損失及び周波数温度係数ＴＣＦとの関係を示す。
【００５４】
図７〜図１２に示す結果は、水晶基板／ＩＤＴ／誘電体の積層構造において、水晶基板の厚さを無限大とし、水晶基板のカット角を、上述した計算例と同様に、５５°Ｙカット９０°Ｘ伝搬〔オイラー角で（０°，１４５°，９０°）〕とし、誘電体の厚みを無限大として求めた。
【００５５】
図７〜図１２の結果は、図２〜図６に示す結果を求めた場合と同様にして計算して求められた。
【００５６】
上記水晶基板の遅い横波の音速は、前述したように４１３９ｍ／秒である。なお、上記各誘電体材料を構成する遅い横波の音速は、４１３９ｍ／秒よりも速い。従って、ＳＨ型境界波の音速が４１３９ｍ／秒よりも遅くなれば、ＳＨ型境界波を伝搬させることができる。言い換えれば、図１１において、音速Ｖが４１３９ｍ／秒以下となるＩＤＴの厚みの範囲を選択すれば、ＳＨ型境界波を利用することができる。そして、図１２と図１１とを比較すれば明らかなように、誘電体の材料を種々異ならせた場合であっても、ＩＤＴの厚みを、ＳＨ型境界波を伝搬させ得る条件、すなわちＳＨ型境界波の音速Ｖが４１３９ｍ／秒よりも遅くなる範囲とされている場合、伝搬損失αはほぼ０となる。従って、図５及び図６に示した計算結果の場合と同様に、誘電体をＳｉＮ以外の材料とした場合であっても、ＳＨ型境界波の音速を４１３９ｍ／秒よりも遅くなるようにＩＤＴの厚みを設定することにより、ＳＨ型境界波をほぼ無損失で伝搬させ得ることがわかる。
【００５７】
また、ＩＤＴの厚みをこのように設定した場合、図７から明らかなように、ＳＨ型境界波の電気機械結合係数Ｋ2を十分大きくすることができる。例えば、誘電体として、ＡｌＮを用いた場合には、図１２から明らかなように、ＩＤＴの厚みを０．０２λ以上とすることにより、ＳＨ型境界波の損失をほぼ０とすることができ、その場合、図７から明らかなように、電気機械結合係数Ｋ2を０．０５％以上とし得ることがわかる。
【００５８】
図７〜図１２から明らかなように、誘電体材料をＳｉＮ以外の他の材料に変更した場合においても、同様に、十分大きな電気機械結合係数Ｋ2の得られることがわかる。
【００５９】
図２〜図６及び図７〜図１２の結果から、ＩＤＴを構成する材料や誘電体を構成する材料を種々変更した場合であっても、オイラー角（０°，１４５°，９０°）の水晶基板を用いた場合、ＩＤＴの厚みを、ＳＨ型境界波の音速が４１３９ｍ／秒以下となるように設定することにより、十分大きな電気機械結合係数Ｋ2、小さな群遅延時間温度係数ＴＣＤ及びＰＦＡを実現し得ることがわかった。
【００６０】
次に、水晶基板２のオイラー角を種々変更し、弾性境界波共振子としての弾性境界波装置１を作製した場合の電気機械結合係数Ｋ2、周波数温度係数ＴＣＦ、パワーフロー角ＰＦＡ及びＳＨ型境界波の音速Ｖの変化を計算した。結果を図１３〜図１６に示す。
【００６１】
なお、条件は以下の通りである。
【００６２】
構造：誘電体２は多結晶Ｓｉで構成した。水晶基板については、オイラー角を種々変更し、その厚みは無限大とした。
【００６３】
ＩＤＴはＡｕからなり、その厚みは０．０７λとした。
【００６４】
なお、図１に示した弾性境界波装置１により発振器を作製した場合、電気機械結合係数Ｋ2が大きいほど発振しやすくなる。本願発明者によれば、電気機械結合係数Ｋ2が０．０８％より小さいと、発振させることが困難となることが確かめられている。
【００６５】
従って、水晶基板のオイラー角（０°，θ，ψ）において、θ，ψを図１３に示す斜線で付したハッチングの領域内とすることにより、電気機械結合係数Ｋ2を０．０８％以上とすることができ、弾性境界波装置１を用いて良好に発振させ得ることがわかる。
【００６６】
また、この誘電体を伝搬する横波では、群遅延時間温度係数ＴＣＤは正の値である。他方、水晶では、群遅延時間温度係数ＴＣＤは負の値となる。群遅延時間ＴＣＢは、横波の音速の音速温度係数をＴＣＶｓ、ＳＨ型境界波の伝搬方向における材料の線膨張係数をαｓとすると、次の式で表わされる。
【００６７】
ＴＣＤ＝αｓ−ＴＣＶｓ …式（４）
誘電体／ＩＤＴ／水晶基板の構造を有する弾性境界波装置において、厚さ１００λ程度の水晶基板上に、ＩＤＴをフォトリソグラフィー法により形成し、誘電体をスパッタリング法などの堆積法で十分に振動が閉じ込められる厚み、例えば０．８λ程度の厚みに形成した場合、式（４）において線膨張係数αｓとして、誘電体の線膨張係数は無視でき、水晶基板の線膨張係数が支配的となる。横波成分が支配的なＳＨ型の弾性境界波において、弾性境界波の群遅延時間温度係数ＴＣＤは誘電体と水晶基板の横波の音速間の値となる。弾性境界波装置に用いられる誘電体材料の音速温度係数ＴＣＶｓは、−１０〜−４０ｐｐｍ／℃程度に分布している。図１３〜図１６に示した結果を求める際に用いたポリシリコンのＴＣＶｓは約−２５ｐｐｍ／℃である。
【００６８】
従って、図１３〜図１６において、ＴＣＶが＋１５よりも小さい（ＴＣＦが−１５よりも大きい。ポリシリコンのＴＣＶｓが−２５であるため、差が＋１０となり、ＴＣＶ＝−１０である誘電体と組み合わせた際にＴＣＤ＝０と概算）水晶のカット角を用いることにより、音速温度係数ＴＣＶが負の誘電体と組み合わせて、群遅延時間温度係数ＴＣＤがほぼ０の弾性境界波装置の得られることがわかる。従って、図１４において、ＴＣＦが−１５ｐｐｍ／℃よりも大きい領域、すなわち図１４の斜線で示した領域内のオイラー角の水晶基板を用いれば、群遅延時間温度係数ＴＣＤがほぼ０の弾性境界波装置を提供し得ることがわかる。
【００６９】
パワーフロー角ＰＦＡとは、弾性境界波の位相速度の方向と、弾性境界波のエネルギーが進む群速度の方向の違いを表わす角度である。パワーフロー角ＰＦＡが大きいと、ＩＤＴをパワーフロー角に合わせて傾斜して配置する必要があり、電極設計が複雑となる。また、角度ずれによる損失も発生しやすくなる。従って、弾性境界波では、パワーフロー角ＰＦＡが小さいことが望ましい。
【００７０】
そして、このパワーフロー角ＰＦＡの値は、±６°以下であれば、上記角度ずれによる損失が著しく小さくなる。従って、図１５に示す斜線で付した領域とすれば、パワーフロー角ＰＦＡを−６°より大きく、＋６°より小さくすることができ、それによって上記損失を効果的に抑制し得ることがわかる。
【００７１】
なお、図１３〜図１６は、ＩＤＴ電極がＡｕの場合の結果を示しているが、ＩＤＴの電極材料の種類が変わった場合においても、電気機械結合係数などの絶対値はともかくとして、図１３〜図１６と同様の傾向があることが本願発明者により確かめられている。例えば、ＣｕからなるＩＤＴを用いた場合、図１３〜図１６に示す等高線分布と等高線の分布自体は同様であることが確かめられている。
【００７２】
なお、本発明は、図１（ａ），（ｂ）に示したような弾性境界波共振子に限定されず、ラダー型フィルタ、縦結合共振子型フィルタ、横結合共振子型フィルタ、トランスバーサル型フィルタ、弾性境界波光スイッチ、弾性境界波光フィルタなどの様々な弾性境界波を用いた装置に広く適用することができる。
【００７３】
水晶基板を用いた狭帯域の弾性表面波フィルタ、特に共振子型弾性表面波フィルタやラダー型弾性表面波フィルタにおいて十分大きな減衰量を得るには、電極の反射係数が大きいことが必要である。水晶基板を用いた表面波フィルタでは、通常、Ａｌからなる電極が用いられており、その厚みは表面波の波長をλとしたとき０．７λ以上であり、その場合の電極指１本あたりの反射係数は約０．０８であった。
【００７４】
これに対して、本発明では、ＳｉＮの膜厚をλとしたとき、ＩＤＴの電極指１本あたりの反射係数は図１７に示す通りとなる。すなわち、図１７は、様々な電極によりＩＤＴを形成した場合の電極を構成している金属の厚みと、反射係数との関係を示す図である。図１７から明らかなように、Ｃｕを用いた場合、厚みが０．０７λ以上であれば、反射係数は０．０８以上となる。また、その他の金属を用いた場合には、反射係数は図示の範囲では全て０．０８以上である。
【００７５】
従って、十分大きな減衰量を確実に得ることができる。
【００７６】
また、ＩＤＴを含む各種電極が、上述した各種金属により形成され得るが、電極は、他の電極層をさらに積層した構造を有していてもよい。すなわち、密着性や耐電力性を高めるために、Ｔｉ、Ｃｒ、ＮｉＣｒ、Ｎｉなどからなる薄い層を積層してもよい。このように積層される薄い電極層を、誘電体との界面や、水晶基板との界面に配置したり、複数の金属層間に配置することにより、密着性や耐電力性などを高めることができる。
【００７７】
また、ＩＤＴの厚みの設定については、水晶基板上にＩＤＴを構成するための金属膜を形成した後、逆スパッタ、イオンビームミリング、ＲＩＥまたはウェットエッチングなどの様々な方法で容易に調整することができる。
【００７８】
また、本発明に係る弾性境界波装置では、上記誘電体の水晶基板とは反対側の面にさらに誘電体とは異なる誘電体が積層されていてもよい。
【００７９】
また、水晶基板／ＩＤＴ／誘電体からなる構造の外側に、弾性境界波装置の強度を高めるために、あるいは腐食性ガスの進入を防止するために保護層を形成してもよい。保護層としては、ポリイミド、エポキシ樹脂、酸化チタン、窒化アルミ、酸化アルミニウムなどの適宜の絶縁性材料、あるいはＡｕ、ＡｌまたはＷなどの金属膜を用いることができる。また、場合によっては、本発明に係る弾性境界波装置は、パッケージに封入されていてもよい。
【００８０】
なお、本明細書において、オイラー角、結晶軸及び等価なオイラー角とは以下の内容を意味するものとする。
【００８１】
オイラー角
本明細書において、基板の切断面と、境界波の鉄板方向を表現するオイラー角（φ，θ，ψ）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３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、水晶の結晶軸Ｘ、Ｙ、Ｚに対し、Ｚ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ψ回転した軸Ｘ′方向を表面波の伝搬方向とした。また、Ｙ軸が上記回転により移動して得られるＸ′軸とＺ′軸と垂直な軸をＹ′軸とした。
【００８２】
結晶軸
また、オイラー角の初期値として与える水晶の結晶軸Ｘ、Ｙ、Ｚは、Ｚ軸をｃ軸と平行とし、Ｘ軸を等価な３方向のａ軸のうち任意の一つと平行とし、Ｙ軸はＸ軸とＺ軸を含む面の法線方向とした。
【００８３】
等価なオイラー角
なお、本発明における水晶基板のオイラー角（φ，θ，ψ）は結晶学的に等価であればよい。例えば、文献（日本音響学会誌３６巻３号、１９８０年、１４０〜１４５頁）によれば、三方晶系３ｍ点群に属する結晶であるので、下記の式〔１００〕が成り立つ。
【００８４】
Ｆ（φ，θ，ψ）＝Ｆ（６０°−φ，−θ，ψ）
＝Ｆ（６０°＋φ，−θ，１８０°−ψ）
＝Ｆ（φ，１８０°＋θ，１８０°−ψ）
＝Ｆ（φ，θ，１８０°＋ψ） …式〔１００〕
ここで、Ｆは、電気機械結合係数Ｋｓ2、伝搬損失、ＴＣＦ、ＰＦＡ、ナチュラル一方向性などの任意の表面波特性である。ＰＦＡの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、符号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、水晶は３２点群に属する結晶であるが、式〔１００〕が成り立つ。
【００８５】
例えば、オイラー角（３０°，θ，ψ）の表面波伝搬特性は、オイラー角（９０°，１８０°−θ，１８０°−ψ）の表面波伝搬特性と等価である。また、例えば、オイラー角（３０°，９０°，４５°）の表面波伝搬特性は、表１に示すオイラー角の表面波伝搬特性と等価である。
【００８６】
基板表面に圧電膜を形成した場合、厳密には式〔１００〕の通りとはならないが、実用上問題ない程度に同等の表面波伝搬特性が得られる。
【００８７】
【表１】
【図面の簡単な説明】
【００８８】
【図１】（ａ）及び（ｂ）は、本発明の一実施形態の弾性境界波装置の模式的正面断面図及び模式的平面断面図。
【図２】実施形態の弾性境界波装置の解析結果を示し、ＩＤＴを構成する金属材料を変化させた場合のＩＤＴの厚みと、電気機械結合係数Ｋ2との関係を示す図。
【図３】実施形態の弾性境界波装置の解析結果を示し、ＩＤＴを構成する金属材料を変化させた場合のＩＤＴの厚みと、周波数温度係数ＴＣＦとの関係を示す図。
【図４】実施形態の弾性境界波装置の解析結果を示し、ＩＤＴを構成する金属材料を変化させた場合のＩＤＴの厚みと、パワーフロー角ＰＦＡとの関係を示す図。
【図５】実施形態の弾性境界波装置の解析結果を示し、ＩＤＴを構成する金属材料を変化させた場合のＩＤＴの厚みとＳＨ型境界波の音速Ｖとの関係を示す図。
【図６】実施形態の弾性境界波装置の解析結果を示し、ＩＤＴを構成する金属材料を変化させた場合のＩＤＴの厚みと、伝搬損失αとの関係を示す図。
【図７】本発明の実施形態において、誘電体の材料を変化させた場合のＩＤＴの厚みと電気機械結合係数Ｋ2との関係を示す図。
【図８】本発明の実施形態において、誘電体の材料を変化させた場合のＩＤＴの厚みと電気機械結合係数Ｋ2との関係を示す図。
【図９】本発明の実施形態において、誘電体の材料を変化させた場合のＩＤＴの厚みと周波数温度係数ＴＣＦとの関係を示す図。
【図１０】本発明の実施形態において、誘電体の材料を変化させた場合のＩＤＴの厚みとパワーフローＰＦＡとの関係を示す図。
【図１１】本発明の実施形態において、誘電体の材料を変化させた場合のＩＤＴの厚みとＳＨ型境界波の音速Ｖとの関係を示す図。
【図１２】本発明の実施形態において、誘電体の材料を変化させた場合のＩＤＴの厚みと伝搬損失αとの関係を示す図。
【図１３】実施形態において、オイラー角（０°，θ，ψ）の水晶基板を用いた場合のθ及びψと電気機械結合係数Ｋ2との関係を示す図。
【図１４】実施形態において、オイラー角（０°，θ，ψ）の水晶基板を用いた場合のθ及びψと周波数温度係数ＴＣＦとの関係を示す図。
【図１５】実施形態において、オイラー角（０°，θ，ψ）の水晶基板を用いた場合のθ及びψとパワーフロー角ＰＦＡとの関係を示す図。
【図１６】実施形態において、オイラー角（０°，θ，ψ）の水晶基板を用いた場合のθ及びψと音速との関係を示す図。
【図１７】オイラー角（０°，１２７と，９０°）の水晶基板上に、金属及びＳｉＮを積層した構造における金属の厚みと、反射係数との関係を示す図。
【符号の説明】
【００８９】
１…弾性境界波装置
２…水晶基板
３…誘電体
４…ＩＤＴ
５，６…反射器
【特許請求の範囲】
【請求項１】
水晶基板と、
前記水晶基板上に形成されたＩＤＴと、
前記ＩＤＴを覆うように前記水晶基板上に形成された誘電体とを有し、
前記水晶基板と前記誘電体との境界において弾性境界波が伝搬される弾性境界波装置であって、
前記弾性境界波の音速が前記水晶基板を伝搬する遅い横波よりも低音速であり、かつ前記誘電体を伝搬する遅い横波よりも低音速となるように、前記ＩＤＴの厚みが設定されており、
前記水晶基板のオイラー角が、図１３において斜線で示された領域にあることを特徴とする、弾性境界波装置。
【請求項２】
水晶基板と、
前記水晶基板上に形成されたＩＤＴと、
前記ＩＤＴを覆うように前記水晶基板上に形成された誘電体とを有し、
前記水晶基板と前記誘電体との境界において弾性境界波が伝搬される弾性境界波装置であって、
前記弾性境界波の音速が前記水晶基板を伝搬する遅い横波よりも低音速であり、かつ前記誘電体を伝搬する遅い横波よりも低音速となるように、前記ＩＤＴの厚みが設定されており、
前記水晶基板のオイラー角が、図１４において斜線で示された領域にあることを特徴とする、弾性境界波装置。
【請求項３】
水晶基板と、
前記水晶基板上に形成されたＩＤＴと、
前記ＩＤＴを覆うように前記水晶基板上に形成された誘電体とを有し、
前記水晶基板と前記誘電体との境界において弾性境界波が伝搬される弾性境界波装置であって、
前記弾性境界波の音速が前記水晶基板を伝搬する遅い横波よりも低音速であり、かつ前記誘電体を伝搬する遅い横波よりも低音速となるように、前記ＩＤＴの厚みが設定されており、
前記水晶基板のオイラー角が、図１５において斜線で示された領域にあることを特徴とする、弾性境界波装置。
【請求項４】
前記オイラー角が、図１４において斜線を付した領域にある、請求項１に記載の弾性境界波装置。
【請求項５】
前記オイラー角が、図１５において斜線を付した領域にある、請求項１、２及び４のいずれか１項に記載の弾性境界波装置。
【請求項６】
前記弾性境界波の音速が、前記水晶を伝搬する遅い横波の音速よりも遅くかつ前記誘電体を伝搬する遅い横波の音速よりも遅くなるように、前記ＩＤＴの電極指の厚み及び電極指の幅が設定されている、請求項１〜５のいずれか１項に記載の弾性境界波装置。
【請求項７】
前記ＩＤＴが、Ｎｉ、Ｍｏ、Ｆｅ、Ｃｕ、Ｗ、Ａｇ、Ｔａ、Ａｕ及びＰｔからなる群から選択された少なくとも１種の金属を主成分として含むＩＤＴ電極を用いて構成されている、請求項１〜６のいずれか１項に記載の弾性境界波装置。
【請求項８】
前記誘電体が、多結晶シリコンまたはアモルファスシリコンからなる、請求項１〜７のいずれか１項に記載の弾性境界波装置。
【請求項９】
前記誘電体が、窒化アルミニウム、ガラス、四ホウ酸リチウム、ニオブ酸リチウム、タンタル酸リチウム、サファイア、窒化シリコン及びアルミナからなる群から選択された１種により構成されている、請求項１〜7のいずれか１項に記載の弾性境界波装置。
【請求項１】
水晶基板と、
前記水晶基板上に形成されたＩＤＴと、
前記ＩＤＴを覆うように前記水晶基板上に形成された誘電体とを有し、
前記水晶基板と前記誘電体との境界において弾性境界波が伝搬される弾性境界波装置であって、
前記弾性境界波の音速が前記水晶基板を伝搬する遅い横波よりも低音速であり、かつ前記誘電体を伝搬する遅い横波よりも低音速となるように、前記ＩＤＴの厚みが設定されており、
前記水晶基板のオイラー角が、図１３において斜線で示された領域にあることを特徴とする、弾性境界波装置。
【請求項２】
水晶基板と、
前記水晶基板上に形成されたＩＤＴと、
前記ＩＤＴを覆うように前記水晶基板上に形成された誘電体とを有し、
前記水晶基板と前記誘電体との境界において弾性境界波が伝搬される弾性境界波装置であって、
前記弾性境界波の音速が前記水晶基板を伝搬する遅い横波よりも低音速であり、かつ前記誘電体を伝搬する遅い横波よりも低音速となるように、前記ＩＤＴの厚みが設定されており、
前記水晶基板のオイラー角が、図１４において斜線で示された領域にあることを特徴とする、弾性境界波装置。
【請求項３】
水晶基板と、
前記水晶基板上に形成されたＩＤＴと、
前記ＩＤＴを覆うように前記水晶基板上に形成された誘電体とを有し、
前記水晶基板と前記誘電体との境界において弾性境界波が伝搬される弾性境界波装置であって、
前記弾性境界波の音速が前記水晶基板を伝搬する遅い横波よりも低音速であり、かつ前記誘電体を伝搬する遅い横波よりも低音速となるように、前記ＩＤＴの厚みが設定されており、
前記水晶基板のオイラー角が、図１５において斜線で示された領域にあることを特徴とする、弾性境界波装置。
【請求項４】
前記オイラー角が、図１４において斜線を付した領域にある、請求項１に記載の弾性境界波装置。
【請求項５】
前記オイラー角が、図１５において斜線を付した領域にある、請求項１、２及び４のいずれか１項に記載の弾性境界波装置。
【請求項６】
前記弾性境界波の音速が、前記水晶を伝搬する遅い横波の音速よりも遅くかつ前記誘電体を伝搬する遅い横波の音速よりも遅くなるように、前記ＩＤＴの電極指の厚み及び電極指の幅が設定されている、請求項１〜５のいずれか１項に記載の弾性境界波装置。
【請求項７】
前記ＩＤＴが、Ｎｉ、Ｍｏ、Ｆｅ、Ｃｕ、Ｗ、Ａｇ、Ｔａ、Ａｕ及びＰｔからなる群から選択された少なくとも１種の金属を主成分として含むＩＤＴ電極を用いて構成されている、請求項１〜６のいずれか１項に記載の弾性境界波装置。
【請求項８】
前記誘電体が、多結晶シリコンまたはアモルファスシリコンからなる、請求項１〜７のいずれか１項に記載の弾性境界波装置。
【請求項９】
前記誘電体が、窒化アルミニウム、ガラス、四ホウ酸リチウム、ニオブ酸リチウム、タンタル酸リチウム、サファイア、窒化シリコン及びアルミナからなる群から選択された１種により構成されている、請求項１〜7のいずれか１項に記載の弾性境界波装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図２】
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【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
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【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【公開番号】特開２００７−３６３４４（Ｐ２００７−３６３４４Ａ）
【公開日】平成１９年２月８日（２００７．２．８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００５−２１２５６１（Ｐ２００５−２１２５６１）
【出願日】平成１７年７月２２日（２００５．７．２２）
【出願人】（０００００６２３１）株式会社村田製作所 (3,635)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１９年２月８日（２００７．２．８）
【国際特許分類】
【出願日】平成１７年７月２２日（２００５．７．２２）
【出願人】（０００００６２３１）株式会社村田製作所 (3,635)
【Ｆターム（参考）】
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