JP4356675B2 - 弾性表面波デバイス - Google Patents

Description

本発明は、水晶基板を用いた弾性表面波デバイスにおいて、広帯域で優れた周波数温度特性を得ることを目的とした弾性表面波デバイスに関する。

近年、弾性表面波（Surface Acoustic Wave：以下、ＳＡＷ）デバイスは移動体通信用端末や車載用機器等の部品として幅広く利用され、広帯域で周波数温度特性が優れていることが強く要求されている。
従来のＳＡＷデバイスとしてＳＴカット水晶基板を用いたＳＡＷデバイスがある。ＳＴカット水晶基板は結晶Ｘ軸を回転軸としてＸＺ面を結晶Ｚ軸より反時計方向を正として４２．７５°回転した面（ＸＺ'面）を持つ水晶板のカット名であり、結晶Ｘ軸方向に伝搬するレイリー波と呼ばれる（Ｐ＋ＳＶ）波であるＳＡＷ（以下、ＳＴカット水晶ＳＡＷと称す）を利用する。ＳＴカット水晶ＳＡＷデバイスの用途は、発振素子として用いられるＳＡＷ共振子や、移動体通信端末のＲＦ段とＩＣ間に配置されるＩＦ用フィルタなど幅広く存在する。図７はＳＴカット水晶ＳＡＷ共振子１の構造を示しており、ＳＴカット水晶基板４上にそれぞれ互いに間挿し合う複数本の電極指を有する櫛型電極２ａ，２ｂを配置し、当該櫛型電極を一対組み合わせて構成されるすだれ状電極（ＩＤＴ：Interdigital Transducer）の両側にＳＡＷを反射する為のグレーティング反射器３ａ、３ｂを配置している。ＩＤＴやグレーティング反射器３ａ、３ｂの電極材料はＡｌ、又はＡｌを主成分とする合金で形成される。

前記ＳＴカット水晶ＳＡＷデバイスは、周波数温度特性の１次温度係数が零であり、その特性は２次曲線で表され、頂点温度を使用温度範囲の中心に位置するように調整すると周波数変動量が格段に小さくなるので周波数安定性に優れていることが一般的に知られている。
特許第３３５３７４２号 Michio Kadota,"Small-sized resonator IF filter using shear horizontal wave on heavy metal film/quartz substrate", IEEE International Frequency Control Symp. Proc.,pp.50〜54 (2002)

しかしながら、前述のＳＴカット水晶ＳＡＷデバイスは、１次温度係数は零であるが、２次温度係数は−３．２（１０^−８／℃^２）と比較的大きいので、使用温度範囲を拡大すると周波数変動量が極端に大きくなってしまうという問題があった。また、ＳＴカット水晶ＳＡＷデバイスは電気機械結合係数ｋ^２が小さく、フィルタを構成する際には広帯域な特性を実現するのが困難であった。

また、広帯域化を図るべくＬｉ_２Ｂ_４Ｏ_７のように電気機械結合係数ｋ^２の大きい圧電基板を用いると周波数温度特性が劣化し、動作温度範囲における挿入損失や通過帯域近傍の減衰量等の保障規格のマージンを大きく確保しなければならず、製造歩留まりが悪化してしまうという問題があった。

これに対し、特許文献１及び非特許文献１では、ＳＴカット水晶ＳＡＷの伝搬方向に対して９０°面内回転した方向に伝搬するＳＨ波を利用し、且つ電極材料を圧電基板よりも比重の大きな金属、例えばＷ、Ｔａ等を用いることで、ＳＴカット水晶ＳＡＷよりも大きな電気機械結合係数が得られ、フィルタを構成した場合に広帯域な特性を実現できるとされている。

しかしながら、特許文献１及び非特許文献１に開示されているＳＡＷデバイスにおいては、ＳＴカット水晶ＳＡＷデバイスよりも広帯域な特性を実現できるものの、周波数温度特性の２次温度係数についてはＳＴカット水晶ＳＡＷデバイスとほぼ同等であり、使用温度範囲を拡大すると周波数変動量が大きくなってしまうという問題は解決されないままであった。

本発明は上記問題点を解決するためになされたものであって、圧電基板に水晶基板を用いＳＨ（shear horizontal）波を利用したＳＡＷデバイスにおいて、広帯域で且つ優れた周波数温度特性を実現することを目的とする。
また、本発明の目的として、上記のようなＳＡＷデバイスを用いた複合デバイスを提供することも挙げることができる。

上記目的を達成するための本発明に係る弾性表面波デバイスは、圧電基板と、該圧電基板上に形成したＩＤＴとを備え、励振波をＳＨ波とした弾性表面波デバイスであって、前記圧電基板は、そのカット角θを結晶Ｘ軸を回転軸とした結晶Ｚ軸の回転角度とし、結晶＋Ｚ軸から結晶＋Ｙ軸側へ回転させる方向を前記カット角θが負となる回転方向として、−６２°≦θ≦−５１°の範囲に設定し、且つ、弾性表面波の伝搬方向を結晶Ｘ軸に対し９０°±５°とした水晶平板からなる回転Ｙカット水晶基板であり、前記ＩＤＴがＷ又はＷを主成分とする合金にて形成されていることを特徴とした。このような構成の弾性表面波デバイスによれば、頂点温度を実用的な範囲に設定することができる。このため、周囲温度が実用的な範囲において、広帯域で周波数温度特性が優れた弾性表面波デバイスを実現することができる。

また、上記のような構成の弾性表面波デバイスでは、励振する弾性表面波の波長をλ、電極膜厚をＨ、前記ＩＤＴを構成する電極指のライン占有率をｍｒとした時に、弾性表面波の波長を基準とした基準化膜厚Ｈ／λと電極指のライン占有率ｍｒとの積を、０．００１≦Ｈ／λ・ｍｒ＜０．０２７の範囲内となるように定めることが望ましい。このような構成の弾性表面波デバイスによれば、従来の弾性表面波デバイスに比べて２次温度係数を良好な値とすることができる。このため、カット角θを結晶Ｘ軸を回転軸とした結晶Ｚ軸の回転角度とし、結晶＋Ｚ軸から結晶＋Ｙ軸側へ回転させる方向を前記カット角θが負となる回転方向として、−６２°≦θ≦−５１°の範囲に設定し、且つ、弾性表面波の伝搬方向を結晶Ｘ軸に対し９０°±５°とした水晶平板からなる回転Ｙカット水晶基板において、Ｈ／λ・ｍｒを０．００１≦Ｈ／λ・ｍｒ＜０．０２７と設定した場合には、周囲温度が実用的な範囲において、広帯域で周波数温度特性が優れた弾性表面波デバイスとすることができる。

また上記目的を達成するための複合デバイスは、上記構成を有する弾性表面波デバイスを用いた発振回路、モジュール等であれば良い。このような構成の複合デバイスであれば、上記構成の弾性表面波デバイスに作用する効果を得ることができる。

以下、本発明のＳＡＷデバイスに係る実施の形態について、図面を参照しつつ詳細に説明する。なお、以下に示す実施の形態は、本発明に係る一部の実施形態であって、その主要部を変えない限りにおいて本発明は種々の形態をとるものとする。
まず、図１を参照して本発明に係るＳＡＷ共振子１００について説明する。なお、図１（Ａ）は、ＳＡＷ共振子の平面構成を示す図であり、図１（Ｂ）は同図（Ａ）におけるＡ−Ａ断面を示す図である。本実施形態のＳＡＷ共振子１００は、弾性表面波を励起させるためのＳＡＷ素子片１０と、このＳＡＷ素子片１０を実装するパッケージ１１０とを基本構成とする。

前記ＳＡＷ素子片１０は、圧電基板１２の一方の主面にすだれ状電極（ＩＤＴ）１４と、当該ＩＤＴ１４を弾性表面波の伝播方向に挟み込むグレーティング反射器（以下、単に反射器という）２２（２２ａ，２２ｂ）とが形成されて成る。
前記ＩＤＴ１４は、弾性表面波の伝播方向に沿って配置されるバスバー１６（１６ａ，１６ｂ）と、当該バスバー１６に対して垂直に形成された複数の電極指２０（２０ａ，２０ｂ）とによって形成される櫛型電極を一対、互いの電極指２０が交差し合うように配置した構成とされる。また、前記反射器２２は、前記電極指２０に平行に形成された複数の導体ストリップを互いに連結した構成とされる。また、前記櫛型電極には、前記バスバー１６に対してそれぞれ、ＩＤＴ１４に対する入出力電力を供給あるいは出力するための入出力パッド１８（１８ａ，１８ｂ）が設けられている。このような構成の電極パターンを一主面に形成される圧電基板１２は、図２に示すように、回転Ｙカット水晶板のカット角θをＺ軸より反時計方向を正として−５２°回転した付近に設定し、ＳＡＷの伝播方向を結晶Ｘ軸に対してほぼ垂直（９０°±５°）のＺ´軸方向にした水晶平板である。よって、このような構成のＳＡＷ素子片１０によって励振される弾性表面波（ＳＡＷ）は、ＳＨ波となる。なお、前記カット角をオイラー角表示で（φ，θ，ψ）として表す場合には、（０°±５°，３８°，９０°±５°）となる。ここで、φについて０°±５°という表現をしているが、この範囲は製造段階での誤差の範囲であり、ＳＡＷ素子片、あるいはＳＡＷ共振子としての特性に影響を与えるものでは無い。

前記パッケージ１１０は、上記ＳＡＷ素子片１０を実装するベース１１２と、当該ベース１１２の開口部を封止するための蓋体（リッド）１２０とから成る。前記ベース１１２は、内部にすりばち型の階段状に形成したキャビティを有し、当該キャビティには前記ＳＡＷ素子片１０を実装するための実装用端子１１４（１１４ａ，１１４ｂ）が形成されている。また、前記リッド１２０は、前記ベース１１２の開口部を気密に封止するための平板であり、構成部材として前記ベース１１２と熱膨張係数の近い部材で形成することが望ましい。

本実施形態で示すＳＡＷ共振子１００は、上記構成のＳＡＷ素子片１０をその能動面を上にした状態で、上記構成のベース１１２に対して接着剤等を用いて搭載し、ＳＡＷ素子片１０に形成された入出力パッド１８とベース１１２に形成された実装用端子１１４とを金属ワイヤ１１６（１１６ａ，１１６ｂ）にて接続することで実装が成される。ベース１１２にＳＡＷ素子片１０を実装した後、ベース１１２の開口部を図示しないリッド１２０によって封止することでＳＡＷ共振子１００の体を成す。

上記のような構成のＳＡＷ共振子１００において、本発明では、圧電基板１２に形成する励振電極、すなわち、ＩＤＴ１４、反射器２２、及び入出力パッド１８を形成する際の構成材料を、Ｗ（タングステン）、又はＷを主成分とする合金とした。図３は、ＩＤＴ１４の部分拡大断面図を示しており、以下に示す実施例においては、ＩＤＴ１４上を励振するＳＡＷの波長をλとする。また、ＩＤＴ１４等の電極の膜厚、電極膜厚Ｈを波長λで基準化した値、すなわち基準化膜厚をＨ／λで表すこととする。また、電極指幅Ｌを電極指幅Ｌと電極指間スペースＳとの和で除した値（Ｌ／（Ｌ＋Ｓ））、すなわちライン占有率をｍｒで表すこととする。

上記のような構成のＳＡＷ共振子１００において、圧電基板１２のカット角と、基準化膜厚とライン占有率との積（Ｈ／λ・ｍｒ）とを調整することにより頂点温度を良好に保ち、２次温度特性を従来のＳＴカット水晶基板上にＡｌ膜を形成したＳＡＷ素子片を搭載したＳＡＷ共振子よりも良好に保つことが可能となる。

まず、図４を参照して基準化膜厚とライン占有率（Ｈ／λ・ｍｒ）と、頂点温度Ｔｐとの関係の調査結果について説明する。図４は、基準化膜厚とライン占有率（Ｈ／λ・ｍｒ）と、頂点温度Ｔｐとの関係について、回転Ｙカット水晶板のカット角θをＺ軸より反時計方向を正として−５０．０°から−６３°まで１°間隔で計算した時の計算結果を示す。なお、Ｚ´軸については、上記と同様にＳＡＷの伝播方向を結晶Ｘ軸に対してほぼ垂直（９０°±５°）としている。オイラー角表示で（φ，θ，ψ）として表す場合には、（０°±５°，２７°≦θ≦４０°，９０°±５°）となる。

このように計算した結果から、頂点温度を実用的範囲、すなわち０℃〜７０℃程度の範囲とすることができるθのカット角を抽出する。図４から読み取れるように、頂点温度が０℃〜７０℃の範囲は破線で囲った範囲である。したがって、頂点温度をこの範囲内に設定することができるθのカット角は、回転Ｙカット水晶板において０．００１≦Ｈ／λ・ｍｒ≦０．０３０の範囲で−６２°≦θ≦―５１°となる。なお、これをオイラー角で表示した場合には、（０°±５°，２８°≦θ≦３９°，９０°±５°）となる。ここで、回転Ｙカット水晶板におけるカット角θを−５１°より大きくすると頂点温度Ｔｐを常温付近（０℃〜７０℃の範囲）に設定できず、カット角θを−６２°より小さくすると基準化膜厚Ｈ／λに対する頂点温度Ｔｐの感度が著しく高くなり、頂点温度を制御するのが非常に困難となる。従って、カット角θをθ＞−５１°及びθ＜−６２°とするのは実用的ではない。

次に、基準化膜厚とライン占有率（Ｈ／λ・ｍｒ）と、２次温度特性ｂとの関係について説明する。図５は、回転Ｙカットの水晶板において、カット各θを−５０．０°〜−６３．０°の範囲で変化させた場合の、Ｈ／λ・ｍｒとｂとの関係を計算により求めた結果を示すものである。図５中に示すＨ／λ・ｍｒの軸に平行な破線は、−３．２（１０^−８／℃^２）を示すラインである。この値は、従来技術で示したＳＡＷデバイスにおける２次温度係数ｂであり、図中でこのラインよりも上の範囲、すなわち２次温度係数ｂが−３．２（１０^−８／℃^２）の絶対値よりも低くなる範囲において、本実施形態のＳＡＷ共振子１００は従来のＳＡＷデバイスよりも良好な温度係数を得ることができるといえる。カット角θが−６２°≦θ≦−５１°の範囲において２次温度係数ｂを−３．２（１０^−８／℃^２）の絶対値よりも低くするためには、図５から読みとれるように、Ｈ／λ・ｍｒの値が０．０２７よりも低くなるようにＨ／λとｍｒとを調整すれば良い。すなわち、Ｈ／λ・ｍｒ＜０．０２７の範囲となるように調整するのである。

以上より、カット角θを−６２°≦θ≦−５１°に設定し、ＳＡＷの伝播方向を結晶Ｘ軸に対しほぼ９０°にした回転Ｙカット水晶基板上にＷ膜で電極を形成したＳＡＷ共振子１００において、基準化膜厚とライン占有率との積Ｈ／λ・ｍｒを０．００１≦Ｈ／λ・ｍｒ≦０．０３０とすることにより頂点温度を常温付近（０℃〜７０℃程度の範囲）に容易に設定でき、Ｈ／λ・ｍｒ＜０．０２７とすることにより従来品より２次温度係数を小さくできる。したがって、Ｈ／λ・ｍｒを０．００１≦Ｈ／λ・ｍｒ＜０．０２７の範囲に設定すれば、頂点温度を常温付近に容易に設定でき、且つ、従来品よりも２次温度係数を小さくできる。具体的な実施例を挙げると、例えばＨ／λを０．０２とした場合に、ｍｒを０．０６と設定すると良い。この場合、Ｈ／λ・ｍｒは、０．０１２となり、上記範囲内とすることができる。なお、基準化膜厚Ｈ／λは、好適には、０．０１以上とすることが望ましい。電極膜厚を極端に薄く形成した場合には、電極自体の抵抗値が大きくなってしまい損失が増大してしまうからである。また、当然に、メタライゼーション比ｍｒについては、０、あるいは１という数値は調整の範囲外となる。ｍｒが０の場合には電極は無くなり、ｍｒが１の場合には正負電極がショートしてしまい、ＩＤＴの形態を成さなくなってしまうからである。

これまで、図１に示すような１ポートのＳＡＷ共振子についてのみ言及してきたが、２ポートＳＡＷ共振子、ＳＡＷ共振子の音響結合を利用した２重モードＳＡＷ（ＤＭＳ）フィルタ、ＳＡＷ共振子を直列腕と並列腕に梯子状に配置したラダー型ＳＡＷフィルタ、入力用ＩＤＴと出力用ＩＤＴを所定の間隙をあけて配置したトランスバーサル型ＳＡＷフィルタ等の種々の方式のＳＡＷデバイスにおいても、本発明を適用すれば同様の効果が得られるのは言うまでもない。

更に、上述のＳＡＷデバイスにおいて、ＩＤＴやグレーティング反射器上に陽極酸化膜、ＳｉＯ_２等の保護膜を施したり、電極の上部あるいは下部に密着層あるいは耐電力向上等の目的で別の金属薄膜を形成した場合においても、本発明と同様の効果を得られることは明らかである。また、センサ装置やモジュール装置、発振回路等に本発明のＳＡＷデバイスが適用できることは言うまでもない。例えば上記実施形態のＳＡＷデバイスを利用したＳＡＷ発振器としては、図６に示すようなものを挙げることができる。図６に示すＳＡＷ発振器２００は、ベース２１２とリッド２２０とから構成されるパッケージ２１０内に、ＳＡＷ素子片１０と、このＳＡＷ素子片１０の励振を制御するためのＩＣ２３０とを実装したものである。
また、電圧制御ＳＡＷ発振器（ＶＣＳＯ）等に本発明のＳＡＷデバイスを用いれば、容量比γを小さくできるので周波数可変幅を大きくとれる。

また、本発明のＳＡＷデバイスは、図１に示すようなＳＡＷ素子片とパッケージをワイヤボンディングした構造以外でも良く、例えばＳＡＷ素子片の入出力パッドとパッケージの実装用端子とを金属バンプで接続したフリップチップボンディング（ＦＣＢ）構造や、配線基板上にＳＡＷ素子片をフリップチップボンディングしＳＡＷ素子片の周囲を樹脂封止したＣＳＰ（Chip Size Package）構造、或いは、ＳＡＷ素子片上に金属膜や樹脂層を形成することによりパッケージや配線基板を不要としたＷＬＣＳＰ（Wafer Level Chip Size Package）構造等にしても良い。更には、水晶デバイスを水晶又はガラス基板で挟んで積層封止したＡＱＰ（All Quartz Package）構造としても良い。前記ＡＱＰ構造は、水晶又はガラス基板で挟んだだけの構造であるのでパッケージが不要で薄型化が可能であり、低融点ガラス封止や直接接合とすれば接着剤によるアウトガスが少なくなりエージング特性に優れた効果を奏する。

本発明のＳＡＷ共振子を説明する図であり、（Ａ）は平面図、（Ｂ）は同図（Ａ）のＡ−Ａ断面を示す図である。 本発明のＳＡＷ共振子に使用するＳＡＷ素子片を構成する圧電基板のカット角を説明するための図である。 ＩＤＴの断面を示す部分拡大断面図である。 本発明のＳＡＷ共振子のカット角θを−５０°〜−６３°とした時の基準化膜厚とライン占有率の積Ｈ／λ・ｍｒと頂点温度Ｔｐの関係を示す。 本発明のＳＡＷ共振子のカット角θを−５０°〜−６３°とした時の基準化膜厚とライン占有率の積Ｈ／λ・ｍｒと２次温度係数ｂの関係を示す。 本発明のＳＡＷ共振子を用いたＳＡＷ発振器を説明する図である。 従来のＳＴカット水晶基板を用いたＳＡＷデバイスを説明する図である。

符号の説明

１０………ＳＡＷ素子片、１２………圧電基板、１４………すだれ状電極（ＩＤＴ）、１６（１６ａ，１６ｂ）………バスバー、１８（１８ａ，１８ｂ）………入出力パッド、２０（２０ａ，２０ｂ）………電極指、２２（２２ａ，２２ｂ）………グレーティング反射器、１００………ＳＡＷ共振子、１１０………パッケージ、１１２………ベース、１１４（１１４ａ，１１４ｂ）………実装用端子、１１６（１１６ａ，１１６ｂ）………金属ワイヤ、１２０………リッド。

Claims (2)

1. 圧電基板と、該圧電基板上に形成したＩＤＴとを備え、励振波をＳＨ波とした弾性表面波デバイスであって、
   前記圧電基板は、そのカット角θを結晶Ｘ軸を回転軸とした結晶Ｚ軸の回転角度とし、結晶＋Ｚ軸から結晶＋Ｙ軸側へ回転させる方向を前記カット角θが負となる回転方向として、−６２°≦θ≦−５１°の範囲に設定し、且つ、弾性表面波の伝搬方向を結晶Ｘ軸に対し９０°±５°とした水晶平板からなる回転Ｙカット水晶基板であり、
   前記ＩＤＴがＷ又はＷを主成分とする合金にて形成されていることを特徴とし、
   励振する弾性表面波の波長をλ、電極膜厚をＨ、前記ＩＤＴを構成する電極指のライン占有率をｍｒとした時に、弾性表面波の波長を基準とした基準化膜厚Ｈ／λと電極指のライン占有率ｍｒとの積を、
   ０．００１≦Ｈ／λ・ｍｒ＜０．０２７
   の範囲内となるように定めることを特徴とした弾性表面波デバイス。
2. 請求項１に記載の弾性表面波デバイスを用いた発振回路、モジュールの複合デバイス。

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