JP7207526B2 - 弾性波装置 - Google Patents

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Description

本発明は、弾性波装置に関する。
従来、弾性波装置は携帯電話機のフィルタなどに広く用いられている。下記の特許文献１には、弾性波装置の一例が開示されている。この弾性波装置においては、支持基板、高音速膜、低音速膜及び圧電膜がこの順序で積層されており、圧電膜上にＩＤＴ電極（Ｉｎｔｅｒ Ｄｉｇｉｔａｌ Ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ）が設けられている。上記積層構造が設けられていることにより、Ｑ値が高められている。
国際公開第２０１２／０８６６３９号
しかしながら、上記の弾性波装置においては、用いる支持基板の面方位を、例えばＳｉ（１１１）とした場合などには、高次モードを十分に抑制することができないおそれがあった。
本発明の目的は、高次モードを効果的に抑制することができる、弾性波装置を提供することにある。
本発明に係る弾性波装置のある広い局面では、シリコン基板である支持基板と、前記支持基板上に設けられている窒化ケイ素膜と、前記窒化ケイ素膜上に設けられている酸化ケイ素膜と、前記酸化ケイ素膜上に設けられており、ＹカットＸ伝搬のタンタル酸リチウムを用いた圧電体層と、前記圧電体層上に直接的にまたは間接的に設けられており、複数の電極指を有するＩＤＴ電極とが備えられており、前記ＩＤＴ電極の電極指ピッチにより規定される波長をλとしたときに、前記圧電体層の膜厚が１λ以下であり、前記圧電体層のオイラー角が、（０±５°の範囲内，θ，０±５°の範囲内）または（０±５°の範囲内，θ，１８０±５°の範囲内）であり、前記圧電体層のオイラー角におけるθが、互いに等価である９５．５°≦θ＜１１７．５°または－８４．５°≦θ＜－６２．５°であり、前記圧電体層のオイラー角におけるθと、前記窒化ケイ素膜の膜厚との関係が、下記の表１または表２に示す組み合わせである。
Figure 0007207526000001
Figure 0007207526000002
本発明に係る弾性波装置の他の広い局面では、シリコン基板である支持基板と、前記支持基板上に設けられている窒化ケイ素膜と、前記窒化ケイ素膜上に設けられている酸化ケイ素膜と、前記酸化ケイ素膜上に設けられており、ＹカットＸ伝搬のタンタル酸リチウムを用いた圧電体層と、前記圧電体層上に設けられており、複数の電極指を有するＩＤＴ電極とが備えられており、前記ＩＤＴ電極の電極指ピッチにより規定される波長をλとしたときに、前記圧電体層の膜厚が１λ以下であり、前記圧電体層のオイラー角が、（０±５°の範囲内，θ，０±５°の範囲内）であり、前記圧電体層のオイラー角におけるθが１１７．５°≦θ＜１２９．５°であり、前記圧電体層のオイラー角におけるθと、前記窒化ケイ素膜の膜厚との関係が、下記の表３に示す組み合わせである。
Figure 0007207526000003
本発明に係る弾性波装置のさらに他の広い局面では、シリコン基板である支持基板と、前記支持基板上に設けられている窒化ケイ素膜と、前記窒化ケイ素膜上に設けられている酸化ケイ素膜と、前記酸化ケイ素膜上に設けられており、ＹカットＸ伝搬のタンタル酸リチウムを用いた圧電体層と、前記圧電体層上に設けられており、複数の電極指を有するＩＤＴ電極とが備えられており、前記ＩＤＴ電極の電極指ピッチにより規定される波長をλとしたときに、前記圧電体層の膜厚が１λ以下であり、前記圧電体層のオイラー角が、（０±５°の範囲内，θ，０±５°の範囲内）であり、前記圧電体層のオイラー角におけるθが８５．５°≦θ＜９５．５°であり、前記圧電体層のオイラー角におけるθと、前記窒化ケイ素膜の膜厚との関係が、下記の表４に示す組み合わせである。
Figure 0007207526000004
本発明に係る弾性波装置によれば、高次モードを効果的に抑制することができる。
図１は、本発明の第１の実施形態に係る弾性波装置の平面図である。 図２は、本発明の第１の実施形態に係る弾性波装置の、ＩＤＴ電極における一対の電極指付近を示す、図１中のＩ－Ｉ線に沿う正面断面図である。 図３は、シリコン基板の（１１１）面を説明するための模式図である。 図４は、圧電体層のオイラー角におけるθが９６°である場合の、窒化ケイ素膜の膜厚と高次モードの位相との関係を示す図である。 図５は、圧電体層のオイラー角におけるθが９７°≦θ≦１０３°である場合の、窒化ケイ素膜の膜厚と高次モードの位相との関係を示す図である。 図６は、圧電体層のオイラー角におけるθが１０４°≦θ≦１１０°である場合の、窒化ケイ素膜の膜厚と高次モードの位相との関係を示す図である。 図７は、圧電体層のオイラー角におけるθが１１１°≦θ≦１１７°である場合の、窒化ケイ素膜の膜厚と高次モードの位相との関係を示す図である。 図８は、支持基板の伝搬角Ψと高次モードの位相との関係を示す図である。 図９は、図８の拡大図である。 図１０は、支持基板の伝搬角Ψと高次モードの位相との関係を示す図である。 図１１は、本発明の第２の実施形態に係る弾性波装置の、ＩＤＴ電極における一対の電極指付近を示す正面断面図である。 図１２は、本発明の第１の実施形態及び第２の実施形態の弾性波装置の位相特性を示す図である。 図１３は、図１２の拡大図である。 図１４は、圧電体層のオイラー角におけるθ及び窒化ケイ素層の膜厚と、レイリー波の位相との関係を示す図である。 図１５は、圧電体層のオイラー角におけるθ及び酸化アルミニウム層の膜厚と、レイリー波の位相との関係を示す図である。 図１６は、圧電体層のオイラー角におけるθ及び窒化アルミニウム層の膜厚と、レイリー波の位相との関係を示す図である。 図１７は、圧電体層のオイラー角におけるθが１１８°である場合の、窒化ケイ素膜の膜厚と高次モードの位相との関係を示す図である。 図１８は、圧電体層のオイラー角におけるθが１１９°≦θ≦１２２°である場合の、窒化ケイ素膜の膜厚と高次モードの位相との関係を示す図である。 図１９は、圧電体層のオイラー角におけるθが１２３°≦θ≦１２６°である場合の、窒化ケイ素膜の膜厚と高次モードの位相との関係を示す図である。 図２０は、圧電体層のオイラー角におけるθが１２７°≦θ≦１２９°である場合の、窒化ケイ素膜の膜厚と高次モードの位相との関係を示す図である。 図２１は、圧電体層のオイラー角におけるθが１３０°である場合の、窒化ケイ素膜の膜厚と高次モードの位相との関係を示す図である。 図２２は、圧電体層のオイラー角におけるθが７５°≦θ≦８５°である場合の、窒化ケイ素膜の膜厚と高次モードの位相との関係を示す図である。 図２３は、圧電体層のオイラー角におけるθが８６°≦θ≦８８°である場合の、窒化ケイ素膜の膜厚と高次モードの位相との関係を示す図である。 図２４は、圧電体層のオイラー角におけるθが８９°≦θ≦９５°である場合の、窒化ケイ素膜の膜厚と高次モードの位相との関係を示す図である。 図２５は、本発明の第５の実施形態に係る弾性波装置の、ＩＤＴ電極における一対の電極指付近を示す正面断面図である。 図２６は、圧電体層のオイラー角におけるθ及びＳｉＮ保護膜の膜厚と、レイリー波及び高次モードの位相との関係を示す図である。 図２７は、圧電体層のオイラー角におけるθ及びＡｌ２Ｏ３保護膜の膜厚と、レイリー波及び高次モードの位相との関係を示す図である。 図２８は、圧電体層のオイラー角におけるθ及びＡｌＮ保護膜の膜厚と、レイリー波及び高次モードの位相との関係を示す図である。
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は、本発明の第１の実施形態に係る弾性波装置の平面図である。
弾性波装置１は圧電性基板２を有する。圧電性基板２上にはＩＤＴ電極３が設けられている。ＩＤＴ電極３に交流電圧を印加することにより、弾性波が励振される。圧電性基板２上におけるＩＤＴ電極３の弾性波伝搬方向両側には、一対の反射器８Ａ及び反射器８Ｂが設けられている。本実施形態の弾性波装置１は弾性波共振子である。もっとも、本発明に係る弾性波装置１は弾性波共振子には限定されず、複数の弾性波共振子を有するフィルタ装置や、該フィルタ装置を含むマルチプレクサなどであってもよい。
ＩＤＴ電極３は、対向し合う第１のバスバー１６及び第２のバスバー１７を有する。ＩＤＴ電極３は、第１のバスバー１６にそれぞれ一端が接続されている複数の第１の電極指１８を有する。さらに、ＩＤＴ電極３は、第２のバスバー１７にそれぞれ一端が接続されている複数の第２の電極指１９を有する。複数の第１の電極指１８と複数の第２の電極指１９とは互いに間挿し合っている。
ＩＤＴ電極３は、圧電性基板２側から、Ｔｉ層、Ａｌ層及びＴｉ層がこの順序で積層された積層金属膜からなる。反射器８Ａ及び反射器８Ｂの材料も、ＩＤＴ電極３と同様の材料である。なお、ＩＤＴ電極３、反射器８Ａ及び反射器８Ｂの材料は上記に限定されない。あるいは、ＩＤＴ電極３、反射器８Ａ及び反射器８Ｂは単層の金属膜からなっていてもよい。
図２は、第１の実施形態に係る弾性波装置の、ＩＤＴ電極３における一対の電極指付近を示す、図１中のＩ－Ｉ線に沿う正面断面図である。
弾性波装置１の圧電性基板２は、支持基板４と、支持基板４上に設けられている窒化ケイ素膜５と、窒化ケイ素膜５上に設けられている酸化ケイ素膜６と、酸化ケイ素膜６上に設けられている圧電体層７とを有する。圧電体層７上に、上記ＩＤＴ電極３、反射器８Ａ及び反射器８Ｂが設けられている。
本実施形態の支持基板４はシリコン基板である。支持基板４の面方位はＳｉ（１１１）である。ここで支持基板４の面方位とは支持基板４の圧電体層７側の面方位である。Ｓｉ（１１１）とは、ダイヤモンド構造を有するシリコンの結晶構造において、ミラー指数［１１１］で表される結晶軸に直交する（１１１）面においてカットした基板であることを示す。なお、（１１１）面は、図３に示す面である。もっとも、その他の結晶学的に等価な面も含む。本実施形態では、支持基板４の（１１１）面のオイラー角は（－４５°，－５４．７°，Ψ）である。ここで、支持基板４のオイラー角におけるΨは、支持基板４の伝搬角である。支持基板４の伝搬角とは、（１１１）面において弾性波伝搬方向とシリコンの結晶軸［１－１０］とのなす角である。結晶の対称性から、Ψ＝Ψ＋１２０°となる。
弾性波装置１において、窒化ケイ素膜５を構成する窒化ケイ素はＳｉＮであり、酸化ケイ素膜６を構成する酸化ケイ素はＳｉＯ２である。もっとも、窒化ケイ素膜５における窒素の比率及び酸化ケイ素膜６における酸素の比率は上記に限定されない。
圧電体層７はタンタル酸リチウム層である。より具体的には、圧電体層７には、ＹカットＸ伝搬のＬｉＴａＯ３が用いられている。ここで、ＩＤＴ電極３の電極指ピッチにより規定される波長をλとしたときに、圧電体層７の膜厚は１λ以下である。なお、ある層（膜）の「膜厚」とは、その層の厚み方向の大きさのことであり、支持基板４、窒化ケイ素膜５、酸化ケイ素膜６、及び、圧電体層７が積層されている方向の大きさのことである。圧電体層７のオイラー角は、（０±５°の範囲内，θ，０±５°の範囲内）または（０±５°の範囲内，θ，１８０±５°の範囲内）である。圧電体層７のオイラー角におけるθは、互いに等価である、９５．５°≦θ＜１１７．５°または－８４．５°≦θ＜－６２．５°である。
本実施形態の特徴は以下の構成を有することにある。１）圧電性基板２が、シリコン基板である支持基板４、窒化ケイ素膜５、酸化ケイ素膜６及びＹカットＸ伝搬のタンタル酸リチウムを用いた圧電体層７がこの順序で積層された積層体からなること。２）圧電体層７の膜厚が１λ以下であること。３）圧電体層７のオイラー角におけるθと、窒化ケイ素膜５の膜厚との関係が、下記の表５または表６に示す組み合わせであること。それによって、高次モードを抑制することができる。この詳細を以下において説明する。なお、表５に示す場合を説明した後に、表６に示す場合を説明する。
Figure 0007207526000005
Figure 0007207526000006
第１の実施形態と同様の積層構造を有する弾性波装置において、圧電体層のオイラー角におけるθ及び窒化ケイ素膜の膜厚と、高次モードの位相との関係を求めた。表５には、高次モードが－７０°以下となり、高次モードを効果的に抑制することができる、θ及び窒化ケイ素膜の膜厚の範囲を示している。ここで、弾性波装置の条件は以下の通りである。
支持基板：材料…シリコン（Ｓｉ）、面方位…Ｓｉ（１１１）、（１１１）面におけるオイラー角…（－４５°，－５４．７°，４６°）
窒化ケイ素膜：膜厚…０．０００５λ以上、１．５λ以下
酸化ケイ素膜：膜厚…０．１５λ
圧電体層：材料…ＹカットＸ伝搬のＬｉＴａＯ３、膜厚…０．２λ、オイラー角…（０°，９６°≦θ≦１１７°，０°）
ＩＤＴ電極：材料…圧電性基板側からＴｉ／Ａｌ／Ｔｉ、各層の膜厚…圧電性基板側から０．００６λ／０．０５λ／０．００２λ
ＩＤＴ電極の波長λ：２μｍ
なお、図４～図７には、圧電体層のオイラー角におけるθを９６°≦θ≦１１７°の範囲において変化させた場合の結果を示す。なお、例えばθがθ１である場合に高次モードなどのスプリアスの抑制の効果がある場合、θ１±０．５°程度の範囲内であれば同様の効果があることがわかっている。よって、表５には、９５．５°≦θ＜９６．５°の範囲の場合から、１１６．５°≦θ＜１１７．５°の範囲の場合までを記載している。同様に、表５以外の表においても、θ±０．５°以内の範囲として記載する場合がある。
図４は、圧電体層のオイラー角におけるθが９６°である場合の、窒化ケイ素膜の膜厚と高次モードの位相との関係を示す図である。図５は、圧電体層のオイラー角におけるθが９７°≦θ≦１０３°である場合の、窒化ケイ素膜の膜厚と高次モードの位相との関係を示す図である。図６は、圧電体層のオイラー角におけるθが１０４°≦θ≦１１０°である場合の、窒化ケイ素膜の膜厚と高次モードの位相との関係を示す図である。図７は、圧電体層のオイラー角におけるθが１１１°≦θ≦１１７°である場合の、窒化ケイ素膜の膜厚と高次モードの位相との関係を示す図である。
図４に示すように、θが９６°の場合には、窒化ケイ素膜の膜厚が０．０００５λ以上、０．７４６λ以下の範囲内の場合において、高次モードの位相が－７０°以下となっている。この結果が表５に示されている。同様に、図５～図７に示すように、圧電体層のオイラー角におけるθを９７°から１°刻みで１１７°まで変化させた場合において、高次モードの位相が－７０°以下となる窒化ケイ素膜の膜厚の範囲を表５に示す。以上のように、圧電体層のオイラー角におけるθと、窒化ケイ素膜の膜厚との関係が、表５に示す組み合わせである本実施形態においては、高次モードを効果的に抑制できることがわかる。このように高次モードを抑制できることは、以下の理由によるものと考えられる。
例えば、共振周波数の２倍付近の高次モードはレイリー系のモードであり、伝搬方向成分と、深さ方向成分とを有する。圧電体層を構成する圧電体のカット角のある一定の範囲においては、レイリー波の結合係数が小さくなる。同様に、圧電体のカット角は高次モードにも影響すると考えられる。加えて、高次モードに対しては、支持基板を構成するシリコンの面方位も影響していると考えられる。そのため、波が支持基板まで到達する程度の窒化ケイ素膜の膜厚とすることにより、高次モードを抑制することができると考えられる。
圧電体層７のオイラー角におけるθが９５．５°≦θ＜１１７．５°の場合と等価である－８４．５°≦θ＜－６２．５°の場合においても、上記と同様に高次モードを抑制することができる。よって、θと窒化ケイ素膜５の膜厚との関係が、表６に示す組み合わせである場合においても、高次モードを抑制することができる。
ところで、上記においては、支持基板の（１１１）面における伝搬角Ψが４６°の場合を示したが、これに限定されない。以下の構成を有することにより、圧電体層のオイラー角におけるθが９５．５°≦θ＜１１７．５°または－８４．５°≦θ＜－６２．５°の場合において、高次モードをより一層に抑制することができる。１）窒化ケイ素膜の膜厚が０．５λ以下であり、支持基板の面方位がＳｉ（１１１）であること。２ａ）圧電体層のオイラー角が（０±５°の範囲内，θ，０±５°の範囲内）であり、ｎを任意の整数（０，±１，±２）とし、圧電体層のオイラー角におけるθが９５．５°≦θ＜１１７．５°、または、－８４．５°≦θ＜－６２．５°のときに、支持基板の伝搬角Ψが６０°±５０°＋１２０°×ｎの範囲内であること。２ｂ）圧電体層のオイラー角が（０±５°の範囲内，θ，１８０±５°の範囲内）であり、ｎを任意の整数（０，±１，±２）とし、圧電体層のオイラー角におけるθが９５．５°≦θ＜１１７．５°のとき、または、θが－８４．５°≦θ＜－６２．５°のときに、支持基板の伝搬角Ψが０°±５０°＋１２０°×ｎの範囲内であること。この詳細を説明する。なお、上記２ａ）の場合を説明した後に、上記２ｂ）の場合を説明する。
第１の実施形態と同様の積層構造を有する弾性波装置において、圧電体層のオイラー角におけるθ、窒化ケイ素膜の膜厚及び支持基板の伝搬角Ψと、高次モードの位相との関係を求めた。弾性波装置の条件は以下の通りである。
支持基板：材料…シリコン（Ｓｉ）、面方位…Ｓｉ（１１１）、（１１１）面におけるオイラー角…（－４５°，－５４．７°，０°≦Ψ＜３６０°）
窒化ケイ素膜：膜厚…０．５λ以下
酸化ケイ素膜：膜厚…０．１５λ
圧電体層：材料…ＹカットＸ伝搬のＬｉＴａＯ３、膜厚…０．２λ、オイラー角…（０°，９６°≦θ≦１１７°,０°）
ＩＤＴ電極：材料…圧電性基板側からＴｉ／Ａｌ／Ｔｉ、各層の膜厚…圧電性基板側から０．００６λ／０．０５λ／０．００２λ
ＩＤＴ電極の波長λ：２μｍ
図８は、支持基板の伝搬角Ψと高次モードの位相との関係を示す。図９は、図８の拡大図である。ここで、Ψ＝Ψ＋１２０°であるため、図８においてはΨが０°～１２０°の場合を示している。
図８に示すように、伝搬角Ψの大きさに関わらず高次モードの位相は－７７°未満となっており、高次モードは十分に抑制されている。特に、図９に示すように、Ψが１０°以上である場合には、高次モードの位相の値がより一層小さくなっていることがわかる。同様に、Ψが１１０°以下である場合において高次モードの位相の値がより一層小さくなっている。Ψが６０°±５０°＋１２０°×ｎの範囲内である場合に、高次モードをより一層抑制できることがわかる。
さらに、図８に示すように、支持基板の伝搬角Ψが２６°に近づくように大きくなるほど、高次モードの位相の値が急激に小さくなっており、２６°≦Ψ≦６０°の場合には高次モードの位相はさらにより一層抑制されている。同様に、Ψが９４°に近づくように小さくなるほど、高次モードの位相の値が急激に小さくなっており、６０°≦Ψ≦９４°の場合には高次モードはさらにより一層抑制されている。よって、Ψが６０°±３４°＋１２０°×ｎの範囲内である場合には、高次モードをさらにより一層抑制することができる。（０°，－８４°≦θ≦－６３°,０°）のときも同様である。
次に、図８の関係を求めたときの弾性波装置の条件から、圧電体層のオイラー角の（φ，θ，ψ）におけるψの条件のみを異ならせて、ψ、窒化ケイ素膜の膜厚及び支持基板の伝搬角Ψと、高次モードの位相との関係を求めた。
圧電体層：材料…ＹカットＸ伝搬のＬｉＴａＯ３、膜厚…０．２λ、オイラー角…（０°，９６°≦θ≦１１７°,１８０°）
図１０は、支持基板の伝搬角Ψと高次モードの位相との関係を示す図である。
図１０に示すように、伝搬角Ψの大きさに関わらず高次モードの位相は－７７°未満となっており、高次モードは十分に抑制されている。特にΨが－５０°以上である場合には、高次モードの位相の値がより一層小さくなっていることがわかる。同様に、Ψが５０°以下である場合において高次モードの値がより一層小さくなっている。Ψが０°±５０°＋１２０°×ｎの範囲内である場合に、高次モードをより一層抑制できることがわかる。
さらに、図１０に示すように、伝搬角Ψが－３４°に近づくように大きくなるほど、高次モードの位相の値が急激に小さくなっており、－３４°≦Ψ≦０°の場合には高次モードの位相はさらにより一層抑制されている。同様に、Ψが３４°に近づくように小さくなるほど、高次モードの位相の値が急激に小さくなっており、０°≦Ψ≦３４°の場合には高次モードはさらにより一層抑制されている。よって、Ψが０°±３４°＋１２０°×ｎの範囲内である場合には、高次モードをさらにより一層抑制することができる。
図１１は、第２の実施形態に係る弾性波装置の、ＩＤＴ電極における一対の電極指付近を示す正面断面図である。
本実施形態は、圧電体層７とＩＤＴ電極３との間に誘電体層２８が設けられている点において第１の実施形態と異なる。第１の実施形態では、圧電体層７上に直接的にＩＤＴ電極３が設けられているが、本実施形態のように、圧電体層７上に誘電体層２８を介して間接的にＩＤＴ電極３が設けられていてもよい。
誘電体層２８を伝搬するバルク波の音速は、圧電体層７を伝搬する弾性波の音速よりも高い。本実施形態においては、誘電体層２８は窒化ケイ素層である。なお、誘電体層２８は相対的に高音速であればよく、窒化ケイ素層には限定されない。
ここで、以下において、第２の実施形態の構成を有する弾性波装置及び第１の実施形態の構成を有する弾性波装置の位相特性を示す。各弾性波装置の条件は以下の通りである。
支持基板：材料…シリコン（Ｓｉ）、面方位…Ｓｉ（１１１）、（１１１）面におけるオイラー角…（－４５°，－５４．７°，４７°）
窒化ケイ素膜：膜厚…０．１５λ
酸化ケイ素膜：膜厚…０．１５λ
圧電体層：材料…ＹカットＸ伝搬のＬｉＴａＯ３、膜厚…０．２λ、オイラー角…（０°，１１０°，０°）
ＩＤＴ電極：材料…圧電性基板側からＴｉ／Ａｌ／Ｔｉ、各層の膜厚…圧電性基板側から０．００６λ／０．０５λ／０．００２λ
ＩＤＴ電極の波長λ：２μｍ
図１２は、第１の実施形態及び第２の実施形態の弾性波装置の位相特性を示す図である。図１３は、図１２の拡大図である。図１２及び図１３において、実線は第２の実施形態の結果を示し、破線は第１の実施形態の結果を示す。
図１２及び図１３に示すように、第１の実施形態及び第２の実施形態においては、高次モードを効果的に抑制することができている。特に、第２の実施形態では、高次モードをより一層抑制できていることがわかる。第２の実施形態においては、高音速な誘電体層が設けられているため、高次モードの音速は高くなる。それによって、高次モードがバルク方向に漏洩するため、高域側の高次モードをより一層抑制することができる。
ここで、例えば、メインモードとしてＳＨ波などを用いる場合には、レイリー波がスプリアスとなる。誘電体層２８がＳｉＮ層である場合において、後述する構成を有することにより、スプリアスとしてのレイリー波をも抑制することができる。この詳細を説明する。
第２の実施形態の構成を有する弾性波装置の、圧電体層のオイラー角におけるθ及び誘電体層の膜厚と、レイリー波の位相との関係を求めた。弾性波装置の条件は以下の通りである。
支持基板：材料…シリコン（Ｓｉ）、面方位…Ｓｉ（１１１）、（１１１）面におけるオイラー角…（－４５°，－５４．７°，４７°）
窒化ケイ素膜：膜厚…０．１５λ
酸化ケイ素膜：膜厚…０．１５λ
圧電体層：材料…ＹカットＸ伝搬のＬｉＴａＯ３、膜厚…０．２λ、オイラー角…（０°，９６°≦θ≦１１７°，０°）
ＩＤＴ電極：材料…圧電性基板側からＴｉ／Ａｌ／Ｔｉ、各層の膜厚…圧電性基板側から０．００６λ／０．０５λ／０．００２λ
ＩＤＴ電極の波長λ：２μｍ
誘電体層：材料…ＳｉＮ、膜厚…０．００２５λ以上、０．０９７５λ以下
図１４は、誘電体層が窒化ケイ素層である場合の、圧電体層のオイラー角におけるθ及び窒化ケイ素層の膜厚と、レイリー波の位相との関係を示す図である。
図１４に示す、ハッチングにより示した範囲以外の範囲は、レイリー波の位相が－７０°以下となる範囲である。ここで、図１４に示す関係を下記の式１により示す。なお、式１においては、窒化ケイ素層の膜厚をＳｉＮ膜厚と記載する。
Figure 0007207526000007
圧電体層のオイラー角におけるθ及び窒化ケイ素層の膜厚は、式１により導出されるレイリー波の位相が－７０°以下となる範囲内の角度及び膜厚であることが好ましい。この場合には、高次モードを抑制できることに加えて、レイリー波をも効果的に抑制することができる。
上述したように、誘電体層は窒化ケイ素層には限定されない。例えば、誘電体層が酸化アルミニウム層または窒化アルミニウム層である場合にも、高次モードに加えてレイリー波を効果的に抑制することができる。これを以下において示す。
圧電体層のオイラー角におけるθ及び酸化アルミニウム層の膜厚と、レイリー波の位相との関係を求めた。他方、圧電体層のオイラー角におけるθ及び窒化アルミニウム層の膜厚と、レイリー波の位相との関係を求めた。なお、弾性波装置の条件は、誘電体層の材料がＡｌ２Ｏ３またはＡｌＮである点以外においては、図１４の関係を求めた条件と同じである。
図１５は、誘電体層が酸化アルミニウム層である場合の、圧電体層のオイラー角におけるθ及び酸化アルミニウム層の膜厚と、レイリー波の位相との関係を示す図である。
図１５に示す、ハッチングにより示した範囲以外の範囲は、レイリー波の位相が－７０°以下となる範囲である。ここで、図１５に示す関係を下記の式２により示す。なお、式２においては、酸化アルミニウム層の膜厚をＡｌ２Ｏ３膜厚と記載する。
Figure 0007207526000008
圧電体層のオイラー角におけるθ及び酸化アルミニウム層の膜厚は、式２により導出されるレイリー波の位相が－７０°以下となる範囲内の角度及び膜厚であることが好ましい。この場合には、高次モードを抑制できることに加えて、レイリー波をも効果的に抑制することができる。
図１６は、誘電体層が窒化アルミニウム層である場合の、圧電体層のオイラー角におけるθ及び窒化アルミニウム層の膜厚と、レイリー波の位相との関係を示す図である。
図１６に示す、ハッチングにより示した範囲以外の範囲は、レイリー波の位相が－７０°以下となる範囲である。ここで、図１６に示す関係を下記の式３により示す。なお、式３においては、窒化アルミニウム層の膜厚をＡｌＮ膜厚またはＡｌＮβと記載する。
Figure 0007207526000009
圧電体層のオイラー角におけるθ及び窒化アルミニウム層の膜厚は、式３により導出されるレイリー波の位相が－７０°以下となる範囲内の角度及び膜厚であることが好ましい。この場合には、高次モードを抑制できることに加えて、レイリー波をも効果的に抑制することができる。
ところで、第１の実施形態及び第２の実施形態においては、圧電体層のオイラー角におけるθが９５．５≦θ＜１１７．５°の場合を示した。以下において、１１７．５°≦θ＜１２９．５°または８５．５°≦θ＜９５．５°の場合においても、高次モードを抑制することができる構成を示す。１１７．５°≦θ＜１２９．５°である点以外は第１の実施形態と同様の構成を有する第３の実施形態の詳細を、図１７～図２１を用いて説明する。８５．５°≦θ＜９５．５°である点以外は第１の実施形態と同様の構成を有する第４の実施形態の詳細を、図２２～図２４を用いて説明する。
第３の実施形態の弾性波装置は、以下の構成を有することにより、高次モードを抑制することができる。１）圧電性基板がシリコン基板である支持基板、窒化ケイ素膜、酸化ケイ素膜、及びタンタル酸リチウムを用いた圧電体層がこの順序で積層された積層体からなること。２）圧電体層の膜厚が１λ以下であること。３）圧電体層のオイラー角におけるθと、窒化ケイ素膜の膜厚との関係が、下記の表７に示す組み合わせであること。
Figure 0007207526000010
図４～図７の関係を求めたときの弾性波装置の条件から、圧電体層のオイラー角におけるθの条件のみを異ならせて、θ及び窒化ケイ素膜の膜厚と、高次モードの位相との関係を求めた。
圧電体層：材料…ＹカットＸ伝搬のＬｉＴａＯ３、膜厚…０．２λ、オイラー角…（０°，１１８°≦θ≦１２９°，０°）
図１７は、圧電体層のオイラー角におけるθが１１８°である場合の、窒化ケイ素膜の膜厚と高次モードの位相との関係を示す図である。図１８は、圧電体層のオイラー角におけるθが１１９°≦θ≦１２２°である場合の、窒化ケイ素膜の膜厚と高次モードの位相との関係を示す図である。図１９は、圧電体層のオイラー角におけるθが１２３°≦θ≦１２６°である場合の、窒化ケイ素膜の膜厚と高次モードの位相との関係を示す図である。図２０は、圧電体層のオイラー角におけるθが１２７°≦θ≦１２９°である場合の、窒化ケイ素膜の膜厚と高次モードの位相との関係を示す図である。図２１は、圧電体層のオイラー角におけるθが１３０°である場合の、窒化ケイ素膜の膜厚と高次モードの位相との関係を示す図である。
図１７に示すように、θが１１８°の場合には、窒化ケイ素膜の膜厚が０．０００５λ以上、０．０９２λ以下の範囲内または０．１６６λ以上、０．５９７λ以下の範囲内において、高次モードの位相が－７０°以下となっている。この結果が表７に示されている。同様に、図１８～図２０に示すように、圧電体層のオイラー角におけるθを１１９°から１°刻みで１２９°まで変化させた場合において、高次モードの位相が－７０°以下となる窒化ケイ素膜の膜厚の範囲を表７に示す。
他方、図２１に示すように、θが１３０°の場合においては、窒化ケイ素膜の膜厚が１．５λ以下の範囲において高次モードの位相が－７０°を超えており、高次モードの位相を十分に抑制することは困難である。以上のように、圧電体層のオイラー角におけるθと、窒化ケイ素膜の膜厚との関係が、表７に示す組み合わせである場合においては、高次モードを効果的に抑制できることがわかる。
第４の実施形態の弾性波装置は、以下の構成を有することにより、高次モードを抑制することができる。１）圧電性基板がシリコン基板である支持基板、窒化ケイ素膜、酸化ケイ素膜、及びタンタル酸リチウムを用いた圧電体層がこの順序で積層された積層体からなること。２）圧電体層の膜厚が１λ以下であること。３）圧電体層のオイラー角におけるθと、窒化ケイ素膜の膜厚との関係が、下記の表８に示す組み合わせであること。
Figure 0007207526000011
図４～図７の関係を求めたときの弾性波装置の条件から、圧電体層のオイラー角におけるθの条件のみを異ならせて、θ及び窒化ケイ素膜の膜厚と、高次モードの位相との関係を求めた。
圧電体層：材料…ＹカットＸ伝搬のＬｉＴａＯ３、膜厚…０．２λ、オイラー角…（０°，８６°≦θ≦９５°，０°）
図２２は、圧電体層のオイラー角におけるθが７５°≦θ≦８５°である場合の、窒化ケイ素膜の膜厚と高次モードの位相との関係を示す図である。図２３は、圧電体層のオイラー角におけるθが８６°≦θ≦８８°である場合の、窒化ケイ素膜の膜厚と高次モードの位相との関係を示す図である。図２４は、圧電体層のオイラー角におけるθが８９°≦θ≦９５°である場合の、窒化ケイ素膜の膜厚と高次モードの位相との関係を示す図である。
図２２に示すように、θが７５°≦θ≦８５°の場合には、窒化ケイ素膜の膜厚が１．５λ以下の範囲において高次モードの位相が－７０°を超えており、高次モードの位相を十分に抑制することは困難である。
これに対して、図２３に示すように、θが８６°の場合には、窒化ケイ素膜の膜厚が０．０００５λ以上、０．０３λ以下の範囲内または０．４３λ以上、０．４６λ以下の範囲内において、高次モードの位相が－７０°以下となっている。この結果が表８に示されている。同様に、図２３及び図２４に示すように、圧電体層のオイラー角におけるθを８７°から１°刻みで９５°まで変化させた場合において、高次モードの位相が－７０°以下となる窒化ケイ素膜の膜厚の範囲を表８に示す。以上のように、圧電体層のオイラー角におけるθと、窒化ケイ素膜の膜厚との関係が、表８に示す組み合わせである場合においては、高次モードを効果的に抑制できることがわかる。
図２５は、第５の実施形態に係る弾性波装置の、ＩＤＴ電極における一対の電極指付近を示す正面断面図である。
本実施形態は、ＩＤＴ電極３を覆うように、圧電体層７上に設けられている保護膜３９を有する点において第１の実施形態と異なる。本実施形態の保護膜３９の材料は窒化ケイ素である。より具体的には、保護膜３９は、材料をＳｉＮとするＳｉＮ保護膜である。なお、保護膜３９を構成する窒化ケイ素における窒素の比率は上記に限定されない。あるいは、保護膜３９の材料は窒化ケイ素には限定されず、例えば、窒化アルミニウムや酸化アルミニウムであってもよい。
本実施形態の弾性波装置は、後述する構成を有することにより、高次モードを抑制できることに加えて、スプリアスとしてのレイリー波をも抑制することができる。この詳細を説明する。
第５の実施形態の構成を有する弾性波装置の、圧電体層のオイラー角におけるθ及び保護膜の膜厚と、レイリー波の位相との関係を求めた。弾性波装置の条件は以下の通りである。
支持基板：材料…シリコン（Ｓｉ）、面方位…Ｓｉ（１１１）、（１１１）面におけるオイラー角…（－４５°，－５４．７°，４６°）
窒化ケイ素膜：膜厚…０．１５λ
酸化ケイ素膜：膜厚…０．１５λ
圧電体層：材料…ＹカットＸ伝搬のＬｉＴａＯ３、膜厚…０．２λ、オイラー角…（０°，９６°≦θ≦１１７°，０°）
ＩＤＴ電極：材料…圧電性基板側からＴｉ／Ａｌ／Ｔｉ、各層の膜厚…圧電性基板側から０．００６λ／０．０５λ／０．００２λ
ＩＤＴ電極の波長λ：２μｍ
保護膜：材料…ＳｉＮ、膜厚…０．００５λ以上、０．０５λ以下
図２６は、圧電体層のオイラー角におけるθ及びＳｉＮ保護膜の膜厚と、レイリー波及び高次モードの位相との関係を示す図である。
図２６に示す、ハッチングにより示した範囲以外の範囲は、高次モードの位相が－７０°以下であり、かつレイリー波の位相が－７０°以下となる範囲である。ここで、図２６に示す、圧電体層のオイラー角におけるθ及びＳｉＮ保護膜の膜厚と、レイリー波の位相との関係を下記の式４により示す。同様に、θ及びＳｉＮ保護膜の膜厚と、高次モードの位相との関係を下記の式５により示す。なお、式４及び式５においては、ＳｉＮ保護膜の膜厚を単にＳｉＮ保護膜と記載する。
Figure 0007207526000012
Figure 0007207526000013
本実施形態においては、圧電体層のオイラー角におけるθ及びＳｉＮ保護膜の膜厚が、式４により導出されるレイリー波の位相が－７０°以下となり、かつ式５により導出される高次モードの位相が－７０°以下となる範囲内の角度及び膜厚である。それによって、高次モードを抑制できることに加えて、レイリー波をも効果的に抑制することができる。
式４により導出されるレイリー波の位相の下限としては、－９０°とすることが好ましい。それによって、レイリー波をより確実に、かつ効果的に抑制することができる。式５により導出される高次モードの位相の下限としては、－９０°とすることが好ましい。それによって、高次モードをより確実に、かつ効果的に抑制することができる。後述する式６及び式８並びに式７及び式９においても同様である。
ここで、保護膜はＳｉＮ保護膜には限定されない。例えば、保護膜の材料が酸化アルミニウムまたは窒化アルミニウムである場合にも、高次モードに加えてレイリー波を効果的に抑制することができる。これらを第５の実施形態の第１の変形例及び第２の変形例として、以下において示す。第１の変形例においては、保護膜は、材料をＡｌ２Ｏ３とするＡｌ２Ｏ３保護膜である。第２の変形例においては、保護膜は、材料をＡｌＮとするＡｌＮ保護膜である。もっとも、保護膜を構成する酸化アルミニウムまたは窒化アルミニウムにおける酸素または窒素の比率は上記に限定されない。
圧電体層のオイラー角におけるθ及びＡｌ２Ｏ３保護膜の膜厚と、レイリー波及び高次モードの位相との関係を求めた。なお、弾性波装置の条件は、保護膜の材料がＡｌ２Ｏ３である点以外においては、図２６の関係を求めた条件と同じである。
保護膜：材料…Ａｌ２Ｏ３、膜厚…０．００５λ以上、０．０５λ以下
図２７は、圧電体層のオイラー角におけるθ及びＡｌ２Ｏ３保護膜の膜厚と、レイリー波及び高次モードの位相との関係を示す図である。
図２７に示す、ハッチングにより示した範囲以外の範囲は、高次モードの位相が－７０°以下であり、かつレイリー波の位相が－７０°以下となる範囲である。ここで、図２７に示す、圧電体層のオイラー角におけるθ及びＡｌ２Ｏ３保護膜の膜厚と、レイリー波の位相との関係を下記の式６により示す。同様に、θ及びＡｌ２Ｏ３保護膜の膜厚と、高次モードの位相との関係を下記の式７により示す。なお、式６及び式７においては、Ａｌ２Ｏ３保護膜の膜厚を単にＡｌ２Ｏ３保護膜と記載する。
Figure 0007207526000014
Figure 0007207526000015
第１の変形例においては、圧電体層のオイラー角におけるθ及びＡｌ２Ｏ３保護膜の膜厚は、式６により導出されるレイリー波の位相が－７０°以下となり、かつ式７により導出される高次モードの位相が－７０°以下となる範囲内の角度及び膜厚である。それによって、高次モードを抑制できることに加えて、レイリー波をも効果的に抑制することができる。
他方、圧電体層のオイラー角におけるθ及びＡｌＮ保護膜の膜厚と、レイリー波及び高次モードの位相との関係を求めた。なお、弾性波装置の条件は、保護膜の材料がＡｌＮである点以外においては、図２６の関係を求めた条件と同じである。
保護膜：材料…ＡｌＮ、膜厚…０．００５λ以上、０．０５λ以下
図２８は、圧電体層のオイラー角におけるθ及びＡｌＮ保護膜の膜厚と、レイリー波及び高次モードの位相との関係を示す図である。
図２８に示す、ハッチングにより示した範囲以外の範囲は、レイリー波の位相が－７０°以下となる範囲である。ここで、図２８に示す、圧電体層のオイラー角におけるθ及びＡｌＮ保護膜の膜厚と、レイリー波の位相との関係を下記の式８により示す。同様に、θ及びＡｌＮ保護膜の膜厚と、高次モードの位相との関係を下記の式９により示す。なお、式８及び式９においては、ＡｌＮ保護膜の膜厚を単にＡｌＮ保護膜と記載する。
Figure 0007207526000016
Figure 0007207526000017
第２の変形例においては、圧電体層のオイラー角におけるθ及びＡｌＮ保護膜の膜厚は、式８により導出されるレイリー波の位相が－７０°以下となり、かつ式９により導出される高次モードの位相が－７０°以下となる範囲内の角度及び膜厚である。それによって、高次モードを抑制できることに加えて、レイリー波をも効果的に抑制することができる。
１…弾性波装置
２…圧電性基板
３…ＩＤＴ電極
４…支持基板
５…窒化ケイ素膜
６…酸化ケイ素膜
７…圧電体層
８Ａ，８Ｂ…反射器
１６，１７…第１，第２のバスバー
１８，１９…第１，第２の電極指
２８…誘電体層
３９…保護膜

Claims (9)

  1. シリコン基板である支持基板と、
    前記支持基板上に設けられている窒化ケイ素膜と、
    前記窒化ケイ素膜上に設けられている酸化ケイ素膜と、
    前記酸化ケイ素膜上に設けられており、ＹカットＸ伝搬のタンタル酸リチウムを用いた圧電体層と、
    前記圧電体層上に直接的にまたは間接的に設けられており、複数の電極指を有するＩＤＴ電極と、
    を備え、
    前記ＩＤＴ電極の電極指ピッチにより規定される波長をλとしたときに、前記圧電体層の膜厚が１λ以下であり、
    前記圧電体層のオイラー角が、（０°±５°の範囲内，θ，０°±５°の範囲内）または（０°±５°の範囲内，θ，１８０°±５°の範囲内）であり、前記圧電体層のオイラー角におけるθが、互いに等価である９５．５°≦θ＜１１７．５°または－８４．５°≦θ＜－６２．５°であり、
    前記窒化ケイ素膜の膜厚が０．０００５λ以上、０．５λ以下であり、
    前記支持基板の面方位がＳｉ（１１１）であり、前記支持基板の伝搬角をΨとし、ｎを任意の整数（０，±１，±２……）とし、
    前記圧電体層のオイラー角が（０°±５°の範囲内，θ，０°±５°の範囲内）の場合に、前記支持基板の伝搬角Ψが６０°±５０°＋１２０°×ｎの範囲内であり、
    前記圧電体層のオイラー角が（０°±５°の範囲内，θ，１８０°±５°の範囲内）の場合に、前記支持基板の伝搬角Ψが０°±５０°＋１２０°×ｎの範囲内である、弾性波装置。
  2. 前記圧電体層のオイラー角が（０°±５°の範囲内，θ，０°±５°の範囲内）の場合に、前記支持基板の伝搬角Ψが６０°±３４°＋１２０°×ｎの範囲内であり、
    前記圧電体層のオイラー角が（０°±５°の範囲内，θ，１８０°±５°の範囲内）の場合に、前記支持基板の伝搬角Ψが０°±３４°＋１２０°×ｎの範囲内である、請求項１に記載の弾性波装置。
  3. 前記圧電体層と前記ＩＤＴ電極との間に誘電体層が設けられており、
    前記誘電体層を伝搬するバルク波の音速が、前記圧電体層を伝搬する弾性波の音速よりも高い、請求項１または２に記載の弾性波装置。
  4. 前記誘電体層がＳｉＮ層であり、
    前記圧電体層のオイラー角におけるθ及び前記ＳｉＮ層の膜厚が、下記の式１により導出されるレイリー波の位相が－９０°以上、－７０°以下となる範囲内の角度及び膜厚である、請求項３に記載の弾性波装置。
    Figure 0007207526000018
  5. 前記誘電体層がＡｌ２Ｏ３層であり、
    前記圧電体層のオイラー角におけるθ及び前記Ａｌ２Ｏ３層の膜厚が、下記の式２により導出されるレイリー波の位相が－９０°以上、－７０°以下となる範囲内の角度及び膜厚である、請求項３に記載の弾性波装置。
    Figure 0007207526000019
  6. 前記誘電体層がＡｌＮ層であり、
    前記圧電体層のオイラー角におけるθ及び前記ＡｌＮ層の膜厚が、下記の式３により導出されるレイリー波の位相が－９０°以上、－７０°以下となる範囲内の角度及び膜厚である、請求項３に記載の弾性波装置。
    Figure 0007207526000020
  7. 前記ＩＤＴ電極を覆うように、前記圧電体層上に設けられている保護膜をさらに備え、
    前記保護膜が、材料をＳｉＮとするＳｉＮ保護膜であり、
    前記圧電体層のオイラー角におけるθ及び前記ＳｉＮ保護膜の膜厚が、下記の式４により導出されるレイリー波の位相が－９０°以上、－７０°以下となり、かつ下記の式５により導出される高次モードの位相が－９０°以上、－７０°以下となる範囲内の角度及び膜厚である、請求項１に記載の弾性波装置。
    Figure 0007207526000021
    Figure 0007207526000022
  8. 前記ＩＤＴ電極を覆うように、前記圧電体層上に設けられている保護膜をさらに備え、
    前記保護膜が、材料をＡｌ２Ｏ３とするＡｌ２Ｏ３保護膜であり、
    前記圧電体層のオイラー角におけるθ及び前記Ａｌ２Ｏ３保護膜の膜厚が、下記の式６により導出されるレイリー波の位相が－９０°以上、－７０°以下となり、かつ下記の式７により導出される高次モードの位相が－９０°以上、－７０°以下となる範囲内の角度及び膜厚である、請求項１に記載の弾性波装置。
    Figure 0007207526000023
    Figure 0007207526000024
  9. 前記ＩＤＴ電極を覆うように、前記圧電体層上に設けられている保護膜をさらに備え、
    前記保護膜が、材料をＡｌＮとするＡｌＮ保護膜であり、
    前記圧電体層のオイラー角におけるθ及び前記ＡｌＮ保護膜の膜厚が、下記の式８により導出されるレイリー波の位相が－９０°以上、－７０°以下となり、かつ下記の式９により導出される高次モードの位相が－９０°以上、－７０°以下となる範囲内の角度及び膜厚である、請求項１に記載の弾性波装置。
    Figure 0007207526000025
    Figure 0007207526000026
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