JPH09130192A

JPH09130192A - 表面波装置

Info

Publication number: JPH09130192A
Application number: JP8228781A
Authority: JP
Inventors: Michio Kadota; 道雄門田
Original assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Priority date: 1995-09-01
Filing date: 1996-08-29
Publication date: 1997-05-16
Anticipated expiration: 2016-08-29
Also published as: JP3341596B2

Abstract

(57)【要約】【課題】水晶基板を用いて従来より電気機械結合係数
が大きいＳＡＷ装置提供する。【解決手段】水晶基板１０上にＺｎＯ薄膜１２を形成
し、ＺｎＯ薄膜１２上にくし歯電極１３ａ，１３ｂ，１
４ａ，１４ｂを形成してなり、ＺｎＯ薄膜１２の規格化
膜厚Ｈ／λを０．０５以上としたＳＡＷ装置。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、水晶基板を用いた
表面波装置に関し、特に、水晶基板上に圧電薄膜を積層
してなる表面波基板を用いた表面波装置の改良に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】従来より、例えば移動体通信機器の帯域
フィルタなどに表面波装置が広く用いられている。表面
波（以下、ＳＡＷ）装置は、圧電体と接するように少な
くとも一対のくし歯電極よりなる少なくとも１つのイン
ターデジタルトランスデューサ（以下、ＩＤＴ）を形成
した構造を有する。

【０００３】また、近年、圧電薄膜を用いたＳＡＷ装置
も種々提案されている。すなわち、ガラス基板や圧電基
板上に圧電薄膜を形成してなる表面波基板を用いたＳＡ
Ｗ装置が提案されている。

【０００４】上記圧電薄膜と、ガラス基板とを用いた構
成では、図１（ａ），（ｂ）及び図２（ａ），（ｂ）に
示す４種類の構造が知られている。すなわち、図１
（ａ）に示すＳＡＷ装置１では、ガラス基板２上に圧電
薄膜としてＺｎＯ薄膜３が形成されており、ＺｎＯ薄膜
３上にＩＤＴ４が形成されている。他方、図１（ｂ）に
示すＳＡＷ装置５では、ＩＤＴ４が、ＺｎＯ薄膜３の下
面に、すなわちガラス基板２とＺｎＯ薄膜３との間の界
面に形成されている。

【０００５】また、図２（ａ）に示すＳＡＷ装置６で
は、ガラス基板２上に、短絡電極７が形成されており、
該短絡電極７上にＺｎＯ薄膜３が積層されている。ＩＤ
Ｔ４は、このＺｎＯ薄膜３上に形成されている。すなわ
ち、ＳＡＷ装置６は、図１（ａ）に示したＳＡＷ装置１
において、ガラス基板２とＺｎＯ薄膜３との界面に短絡
電極７を挿入した構造に相当する。

【０００６】図２（ｂ）に示すＳＡＷ装置８では、短絡
電極７がＺｎＯ薄膜３上に形成されている。また、ＩＤ
Ｔ４がガラス基板２とＺｎＯ薄膜３との間の界面に形成
されている。従って、ＳＡＷ装置８は、図１（ｂ）に示
したＳＡＷ装置５において、ＺｎＯ薄膜３の上面に上記
短絡電極７を形成した構造に相当する。

【０００７】上記ＳＡＷ装置１，５，６，８を、ＩＤＴ
４の形成位置及び短絡電極７の有無のみを異ならせ、他
の構成は同一とした場合の電気機械結合係数を図３に示
す。図３では、上記４種類のＳＡＷ装置１，５，６，８
におけるＺｎＯ薄膜の規格化された膜厚Ｈ／λに対する
電気機械結合係数の変化が示されている。なお、本明細
書において、ＨはＺｎＯ薄膜の厚みを、λは励振される
表面波の波長を示す。また、実線ＡがＳＡＷ装置１の結
果を、破線ＢがＳＡＷ装置５の結果を、一点鎖線ＣがＳ
ＡＷ装置６の結果を、二点鎖線ＤがＳＡＷ装置８の結果
を示す。

【０００８】図３から明らかなように、Ｈ／λを選択す
ることにより、ＳＡＷ装置５，８において、ＳＡＷ装置
１，６に比べて大きな電気機械結合係数の得られること
がわかる。従って、従来、ガラス基板２上にＺｎＯ薄膜
３を形成した構造では、ＩＤＴ４をガラス基板２とＺｎ
Ｏ薄膜３との間の界面に形成した方が大きな電気機械結
合係数が得られるとされていた。なお、図３中のセザワ
波と記してある波はレイリー波の高次モードの表面波で
ある。

【０００９】また、Ｊｐｎ．Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．
Ｖｏｌ．３２（１９９３）２３３３〜２３３６頁には、
ＬｉＮｂＯ₃ 圧電単結晶基板上にＺｎＯ薄膜を構成して
なる表面波基板を用いた場合のＩＤＴや短絡電極の位置
による電気機械結合係数の変化が示されている。これ
を、図４（ａ），（ｂ）及び図５（ａ），（ｂ）を参照
して説明する。

【００１０】図４（ａ）は、図１（ａ）に示したＳＡＷ
装置１におけるガラス基板２をＬｉＮｂＯ₃ 圧電単結晶
基板に置き換えた構造のＳＡＷ装置についてのＺｎＯ薄
膜の相対的膜厚ｋｈ（ｋは２π／λ、ｈはＺｎＯ薄膜の
膜厚）と電気機械結合係数Ｋ ² との関係を示す。なお、
実線＋はＬｉＮｂＯ₃ のプラス面上にＺｎＯ薄膜を形成
した場合を、破線−は、ＬｉＮｂＯ₃ のマイナス面にＺ
ｎＯ薄膜を形成した場合の特性である。同様に、図４
（ｂ）は、図１（ｂ）に示したＳＡＷ装置５のガラス基
板２をＬｉＮｂＯ₃ 圧電単結晶基板に置き換えた場合の
電気機械結合係数Ｋ² を示す図であり、実線はＬｉＮｂ
Ｏ₃ のプラス面上にＺｎＯ薄膜を形成した場合、破線は
マイナス面上にＺｎＯ薄膜を形成した場合の特性を示
す。さらに、図５（ａ）は、図２（ａ）に示したＳＡＷ
装置６のガラス基板２を、図５（ｂ）は図２（ｂ）に示
したＳＡＷ装置８のガラス基板２を、それぞれ、ＬｉＮ
ｂＯ₃圧電単結晶基板に置き換えた場合の電気機械結合
係数Ｋ² の変化を示す図である。

【００１１】図４及び図５から明らかなように、ＬｉＮ
ｂＯ₃ 圧電単結晶基板上に圧電薄膜としてＺｎＯ薄膜を
形成した構造においても、図４（ｂ）及び図５（ｂ）か
ら明らかなように、ＩＤＴを圧電単結晶基板とＺｎＯ薄
膜との間の界面に形成した方が、大きな電気機械結合係
数Ｋ² を実現し得ることがわかる。

【００１２】すなわち、従来、ガラス基板や圧電基板上
にＺｎＯ薄膜を形成した表面波基板を用いる場合、大き
な電気機械結合係数を得るにはＩＤＴを圧電薄膜と基板
との間に形成すべきと考えられていた。

【００１３】他方、用途によっては、電気機械結合係数
が大きいだけでなく、温度特性が良好である、すなわち
温度変化による特性の変化が小さい表面波基板が求めら
れており、温度特性が良好な基板材料としては水晶が知
られている。しかしながら、水晶基板は電気機械結合係
数が比較的小さいという問題があった。

【００１４】前述したように、水晶基板は良好な温度特
性を有する。例えば、回転Ｙカット水晶基板では、図１
０に示すように、オイラー角と、ＴＣＤ及び伝搬損失と
の間に図示のような関係のあることが知られている。こ
こで、ＴＣＤとは、遅延時間の温度による変化率（単位
はｐｐｍ／℃）を示す。

【００１５】なお、図１０において、実線Ａは、回転Ｙ
カット水晶基板上で漏洩弾性表面波を励振した場合のＴ
ＣＤを、実線Ｂは伝搬損失を、破線Ｃはレイリー表面波
のＴＣＤを示す。但し、レイリー波の伝搬損失はゼロで
ある。

【００１６】図１０に示すＴＣＤ及び伝搬損失特性が知
られているため、従来、図１０に示すオイラー角が１３
０度近辺の回転Ｙカット水晶基板が用いられていた。す
なわち、ＴＣＤが０付近のカット角の水晶基板が用いら
れ、該水晶基板上にＩＤＴを形成してなるＳＡＷ装置
が、温度特性の良好なＳＡＷ装置として用いられてい
た。

【００１７】しかしながら、上記のように構成された水
晶基板を用いたＳＡＷ装置においても、やはり、電気機
械結合係数が小さく、従って、例えばＳＡＷフィルタを
構成した場合には、低挿入損失あるいは広帯域のフィル
タ特性を得ることが困難であった。

【００１８】

【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、水晶
基板及び圧電薄膜を積層してなる表面波基板を用いたＳ
ＡＷ装置において、電気機械結合係数をさらに高め得る
構造を備えたものを提供することにある。

【００１９】また、本発明の他の目的は、温度特性が良
好であり、かつ電気機械結合係数がより一層大きなＳＡ
Ｗ装置を提供することにある。

【００２０】

【課題を解決するための手段】本発明は、上記課題を達
成するためになされたものであり、本願の第１の発明の
広い局面によれば、水晶基板と、前記水晶基板上に形成
された圧電薄膜と、前記圧電薄膜上に形成されたくし歯
電極とを備え、圧電薄膜の膜厚をＨ、表面波の波長をλ
としたときに、圧電薄膜の規格化膜厚Ｈ／λが０．０５
以上とされていることを特徴とする、表面波装置が提供
される。

【００２１】本願の第１の発明にかかる表面波装置で
は、上記のように水晶基板上に圧電薄膜が形成されてお
り、くし歯電極は該圧電薄膜上に形成されている。すな
わち、従来、非圧電基板あるいは圧電基板と圧電薄膜と
を積層してなる表面波基板を用いる場合、ＩＤＴやくし
歯電極は基板と圧電薄膜との間に形成すべきであり、そ
の方が電気機械結合係数を大きくし得ると考えられてい
た。しかしながら、本願発明者は、圧電基板である水晶
基板の場合には、水晶基板上に圧電薄膜を形成し、圧電
薄膜上にくし歯電極を形成した方が、電気機械結合係数
を高め得ることを見出し、さらに、その場合の圧電薄膜
を上記特定の厚みとすれば、より一層電気機械結合係数
を高め得ることを見出し、本願の第１発明をなすに至っ
た。

【００２２】上記表面波装置おいては、好ましくは、水
晶基板と圧電薄膜との間に形成された短絡電極がさらに
備えられる。本願の第２の発明の広い局面によれば、水
晶基板と、前記水晶基板上に形成された圧電薄膜と、前
記圧電薄膜に接するように形成されたくし歯電極とを備
え、前記水晶基板として、遅延時間温度特性ＴＣＤがマ
イナスの値をもつカット角及び伝搬方向の水晶基板が用
いられていることを特徴とする、表面波装置が提供され
る。

【００２３】第２の発明では、後述の実施形態の説明か
ら明らかなように、水晶基板としては、遅延時間温度特
性ＴＣＤがマイナスの値を持つカット角及び伝搬方向の
水晶基板が用いられ、他方、圧電薄膜が水晶基板上に積
層されている。圧電薄膜は、通常、遅延時間温度特性Ｔ
ＣＤがプラスの値を有する。従って、本発明の上記表面
波装置では、遅延時間温度特性ＴＣＤが、水晶基板と圧
電薄膜とにより相殺されるため、良好な温度特性が実現
される。

【００２４】他方、後述するように、遅延時間温度特性
ＴＣＤがマイナスの値を持つカット角及び伝搬方向の水
晶基板は、遅延時間温度特性ＴＣＤがゼロに近いカット
角及び伝搬方向の水晶基板に比べて、大きな電気機械結
合係数を有する。よって、第２の発明によれば、温度特
性が良好であり、かつより大きな電気機械結合係数を有
する表面波装置を提供することができる。

【００２５】第２の発明の別の特定的な局面によれば、
上記くし歯電極は、圧電薄膜上に形成され、従って第１
の発明の場合と同様に、より一層大きな電気機械結合係
数を実現することができる。

【００２６】さらに、第２の発明の別の特定的な局面に
よれば、水晶基板と、圧電薄膜との間に形成された短絡
電極がさらに備えられ、それによって電気機械結合係数
が高められる。

【００２７】また、第２の発明のさらに別の局面によれ
ば、圧電薄膜の膜厚Ｈ、表面波の波長λとしたときに、
圧電薄膜の規格化された膜厚Ｈ／λが０．０３以上とさ
れ、それによって電気機械結合係数がより一層高められ
る。

【００２８】また、本願の第１，第２発明では、上記圧
電薄膜は、ＺｎＯ、ＡｌＮ、Ｔａ₂Ｏ₅ 及びＣｄＳから
なる群から選択した一種により構成され得る。もっと
も、他の圧電薄膜を用いてもよい。上述した材料からな
る圧電薄膜は、遅延時間温度特性ＴＣＤはプラスの値を
有する。従って、本願の第２の発明では、圧電薄膜を上
記材料から構成することにより、前述したように温度特
性が良好なＳＡＷ装置を構成することができる。

【００２９】本願の第１，第２の発明にかかるＳＡＷ装
置は、ＳＡＷフィルタ、ＳＡＷ共振子、ＳＡＷ遅延線な
ど種々のＳＡＷデバイスに適用し得る。

【００３０】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照しつつ本発明の
前提となる技術を参考例１，２として先ず説明する。

【００３１】参考例１まず、７６．２ｍｍ径×０．５ｍｍの寸法を有するＳＴ
カットＸ方向伝搬水晶基板を用いて、下記の３種類のＳ
ＡＷ装置を作製した。

【００３２】ＳＡＷ装置１１…上記水晶基板上にＺｎＯ
薄膜を全面に形成し、その上に所定距離を隔てて２個の
ＩＤＴを形成し、ＳＡＷフィルタを作製した。すなわ
ち、図９（ａ）に示すように、圧電薄膜１２上におい
て、所定距離を隔ててＩＤＴ１３，１４を形成した。Ｉ
ＤＴ１３，１４は、それぞれ、一対のくし歯電極１３
ａ，１３ｂ及び１４ａ，１４ｂを有する。また、このＳ
ＡＷ装置１１では、図９（ｂ）に示すように、上記水晶
基板１０上にＺｎＯ薄膜１２が形成されている。

【００３３】ＳＡＷ装置１２…ＳＡＷ装置１１とは異な
り、水晶基板とＺｎＯ薄膜との間にＩＤＴを形成したこ
とを除いては、ＳＡＷ装置１と同様にしてＳＡＷ装置２
を形成した。

【００３４】ＳＡＷ装置１３…ＳＡＷ装置１１におい
て、ＺｎＯ薄膜と水晶基板との間に界面の全面にＡｌよ
りなる短絡電極を形成し、その他はＳＡＷ装置１１と同
様とした。

【００３５】上記ＳＡＷ装置１１〜１３において、Ｚｎ
Ｏ薄膜の厚みを種々変更し、ＺｎＯ薄膜の厚みと電気機
械結合係数との関係を測定した。結果を図６に示す。図
６において、破線Ｄ、実線Ｅ及び一点鎖線Ｆが、それぞ
れ、ＳＡＷ装置１１，１２，１３の結果を示す。なお、
図６の横軸は、ＺｎＯ薄膜の規格化された膜厚Ｈ／λを
示す。

【００３６】図６から明らかなように、ＺｎＯ薄膜の膜
厚を調整することにより、ＳＡＷ装置１３において最も
大きな電気機械結合係数が得られ、次に、ＳＡＷ装置１
１において大きな電気機械結合係数が得られ、ＳＡＷ装
置１２ではＺｎＯ薄膜を形成することにより逆に電気機
械結合係数が小さくなることがわかる。すなわち、図６
に示す結果は、ＳＴカットＸ方向伝搬水晶基板では、Ｚ
ｎＯの形成されていない水晶に比べ、ＩＤＴをＺｎＯ膜
と水晶の間に形成すると電気機械結合係数が小さくな
り、一方ＩＤＴをＺｎＯ薄膜の上に形成した場合に、大
きな電気機械結合係数の得られることを示し、より好ま
しくは、短絡電極をさらに水晶基板とＺｎＯ薄膜との間
の界面に挿入することにより、より大きな電気機械結合
係数の得られることを示している。

【００３７】参考例２７６．２ｍｍ径×０．５ｍｍの寸法の１６５°回転Ｙ板
Ｘ方向伝搬（オイラー角では０°，７５°，０°）の水
晶基板を用い、下記のＳＡＷ装置１４〜１６を作製し
た。

【００３８】ＳＡＷ装置１４…基板材料を上記回転Ｙ板
Ｘ方向伝搬水晶基板としたしことを除いては前述した参
考例１のＳＡＷ装置１１と同様に構成した。ＳＡＷ装置１５…水晶基板として、上記回転Ｙ板Ｘ方向
伝搬水晶基板を用いたことを除いては参考例１で作製し
たＳＡＷ装置１２と同様に構成した。

【００３９】ＳＡＷ装置１６…上記回転Ｙ板Ｘ方向伝搬
水晶基板を用いたことを除いては、参考例１で作製した
ＳＡＷ装置１３と同様にしてＳＡＷ装置１６を構成し
た。上記ＳＡＷ装置１４〜１６において、ＺｎＯ薄膜の膜厚
を種々異ならせ、電気機械結合係数を測定した。結果を
図７に示す。

【００４０】図７において、破線ＧはＳＡＷ装置１４の
特性を、実線ＨはＳＡＷ装置１５の結果を、一点鎖線Ｉ
はＳＡＷ装置１６の結果を示す。図７から明らかなよう
に、回転Ｙ板Ｘ方向伝搬水晶基板を用いた場合において
も、参考例１の場合と同様に、ＩＤＴ、すなわち、くし
歯電極をＺｎＯ薄膜と水晶基板との間に形成するより
も、ＺｎＯ薄膜上に形成した場合の方が大きな電気機械
結合係数の得られることがわかる。また、一点鎖線Ｉ及
び破線Ｇの特性を比較すれば明らかなように、さらに水
晶基板とＺｎＯ薄膜との間に短絡電極を形成することに
より、より一層大きな電気機械結合係数の得られること
がわかる。

【００４１】上述した参考例１及び２の結果から、カッ
ト角が異なる水晶基板を用いた場合であっても、水晶基
板上にＺｎＯ薄膜を形成してなる表面波基板を用いる場
合には、くし歯電極をＺｎＯ薄膜上に形成することによ
り大きな電気機械結合係数の得られることがわかる。上
記参考例１，２を前提として、さらに電気機械結合係数
を高め得る、本発明の実験例につき説明する。

【００４２】実験例１先ず、７６．２ｍｍ径×０．５ｍｍの寸法を有する１１
５°回転Ｙ板からなる水晶基板を用いた。このカット角
の水晶基板は、漏洩弾性表面波において最も大きな電気
機械結合係数を得られることが知られている基板材料の
一つである。また、漏洩弾性表面波の伝搬方向はＸ方向
である。

【００４３】上記１１５°回転Ｙ板Ｘ方向伝搬水晶基板
を用い、下記の漏洩弾性表面波を用いたＳＡＷ装置１７
〜１９を作製した。ＳＡＷ装置１７…上記水晶基板を用いたことを除いて
は、ＳＡＷ装置１１と同様にして構成した。

【００４４】ＳＡＷ装置１８…上記水晶基板を用いたこ
とを除いては、ＳＡＷ装置１２と同様にしてＳＡＷ装置
１８を作製した。ＳＡＷ装置１９…上記特定の水晶基板を用いたことを除
いては、ＳＡＷ装置１３と同様にしてＳＡＷ装置１９を
作製した。

【００４５】上記ＳＡＷ装置１７〜１９のＺｎＯ薄膜の
厚みを種々異ならせ、その電気機械結合係数を測定し
た。結果を図８に示す。図８において、破線ＪはＳＡＷ
装置１７の結果を、実線ＫはＳＡＷ装置１８についての
結果を、一点鎖線ＬはＳＡＷ装置１９についての実験結
果を示す。

【００４６】また、図８に示した特性において、励振さ
れた表面波が漏洩弾性表面波である場合と、通常のレイ
リー波である場合との区別を図８に示した。すなわち、
図８から明らかなように、ＺｎＯ薄膜の規格化された膜
厚がＨ／λ＝０．１４未満（二点鎖線Ｍで示す位置）で
は、減衰を伴う漏洩弾性表面波が励振され、伝搬を用い
るトランスバーサル型等のＳＡＷ装置には使用すること
ができないことがわかった。但し、伝搬を必要としない
ＳＡＷ素子には使用できる可能性がある。従って、Ｚｎ
Ｏ薄膜の規格化された膜厚を０．１４以上とすることに
より、減衰の伴わない電気機械結合係数の大きなＳＡＷ
装置の得られることがわかる。

【００４７】また、図８から明らかなように、水晶基板
とＺｎＯ薄膜との間にくし歯電極を形成したＳＡＷ装置
１８では、漏洩弾性表面波を効果的に励振し得ないこと
がわかる。これに対して、ＩＤＴ、すなわちくし歯電極
をＺｎＯ薄膜上に形成してなるＳＡＷ装置１７，１９で
は、上記Ｈ／λを０．１４以上とすることにより、電気
機械結合係数が大きく、かつ減衰のない漏洩弾性表面波
を利用したＳＡＷ装置を提供し得ることがわかる。漏洩
弾性表面波の場合、図１０Ｂに示したように、基板のカ
ット角により減衰を示す伝搬定数が異なり、ここで示し
た１１５°回転Ｙ板Ｘ伝搬では、０．２ｄＢ／λの減衰
があるが、カット角によっては、減衰がゼロのところ
（例えば、１０５°回転Ｙ板や３０°回転Ｙ板のＸ伝
搬）がある。このようなカット角では、ＺｎＯ膜厚Ｈ／
λが０．０５より大きいところで減衰が伴わず、大きい
電気機械結合係数が得られる。

【００４８】なお、図６〜図８に示した結果を比較すれ
ば明らかなように、使用する水晶基のカット角と使用す
る表面波を励振し得るＺｎＯ薄膜の規格化された膜厚Ｈ
／λが異なることがわかり、前述したＳＴカットＸ方向
伝搬水晶基板、及び１６５°回転Ｙ板Ｘ方向伝搬水晶基
板のようにレイリー波表面波の場合、Ｈ／λを０．０５
以上とすればよいことが、さらに漏洩弾性表面波の場合
には、１１５°回転Ｙ板Ｘ伝搬水晶基板ではＨ／λが
０．１４以上、１０５°回転Ｙ板Ｘ伝搬水晶基板ではＨ
／λが０．０５以上とすればよい。従って、水晶基板上
にＺｎＯ薄膜を形成する場合、ＺｎＯ薄膜の規格化され
た膜厚Ｈ／λは０．０５以上とすることが望ましい。

【００４９】上記のように、使用した水晶基板として、
オイラー角の異なる回転Ｙ板を種々用いたため、オイラ
ー角が異なる水晶基板を用いた上記ＳＡＷ装置を多数種
類作成した。このようにして得たＳＡＷ装置の上記オイ
ラー角と電気機械結合係数Ｋ ² との関係を図１６（ａ）
に○印を付して示す。

【００５０】なお、図１６（ａ）の実線Ｎは漏洩表面波
の、破線Ｐはレイリー波の場合の回転Ｙ板Ｘ伝搬の水晶
基板自体の電気機械係合係数を示す。図中○印と●印
は、それぞれ、水晶の上にＺｎＯ膜を形成し、さらにそ
の上にＩＤＴを形成した構造におけるレイリー波と漏洩
弾性表面波の電気機械結合係数の自乗値Ｋ² を示してい
る。一方△印と▲印は、それぞれ、その構造にさらにＺ
ｎＯと水晶との境界に短絡電極を設けた場合のレイリー
波と漏洩弾性表面波の電気機械結合係数の自乗値Ｋ² を
示している。このようにＫ² は、カット角により、多少
異なる。また、図１６（ｂ）は、図１０と同じ図である
が、図１６（ａ）との比較のために図１６（ａ）の直下
に再度図示しているものである。

【００５１】実験例２図１０を参照して説明したように、従来、水晶基板を用
いたＳＡＷ装置を構成する場合、温度特性を良くするた
めには、ＴＣＤがゼロの近辺のカット角を有する水晶基
板を用いていたが、この場合充分大きな電気機械結合係
数を得ることができなかった。本願発明者は、図１０に
示すオイラー角と、ＴＣＤとの関係において、ＴＣＤが
マイナスである水晶基板と、ＺｎＯ薄膜とを組み合わせ
れば、良好なＴＣＤ及び大きな電気機械結合係数を得ら
れることを見出した。

【００５２】なお、水晶基板のカット角及び伝搬方向
と、ＴＣＤとの関係は、いずれの水晶基板においても、
ＴＣＤがマイナスの領域は存在する。これを、図１１〜
図１４を参照して説明する。

【００５３】図１１は、ＳＴカット水晶基板における伝
搬方向のＸ軸からの角度θとＴＣＤとの関係を示し、図
１２はＸカット水晶基板の伝搬方向のＹ軸からの角度θ
とＴＣＤとの関係を、図１３はＹカット水晶基板の伝搬
方向のＸ軸からの角度θとＴＣＤとの関係を、図１４は
Ｚカット水晶基板の伝搬方向のＸ軸からの角度θとＴＣ
Ｄとの関係を示す。図１１〜図１４から明らかなよう
に、これらの水晶基板においても、伝搬方向角θを変更
することにより、ＴＣＤがマイナスとなる領域が存在す
ることがかわる。

【００５４】本願の第２の発明は、上記のようなＴＣＤ
がマイナスの値を示すカット角あるいは伝搬方向の水晶
基板を、ＴＣＤがプラスの値を示す圧電薄膜とを組み合
わせることにより、良好なＴＣＤと大きな電気機械結合
係数とを実現するものである。これを、回転Ｙ板からな
る水晶基板を例にとり、図１５を参照して説明する。

【００５５】まず、水晶基板として、７６．２ｍｍ径×
０．５ｍｍの寸法の基板を用意した。なお、この水晶基
板としては、１６５°回転Ｙ板Ｘ伝搬とＳＴカット３５
°伝搬の２種類を用意した。

【００５６】上記水晶基板上にＺｎＯ膜をＨ／λ＝０〜
０．５までの膜厚で成膜し、さらにその上に上記伝搬方
向に一致するようにＩＤＴを形成した。そのＳＡＷは特
性の遅延時間の温度特性（温度１５，２５，３５℃の３
点）を測定した。その結果を図１５に示す。１６５°回
転Ｙ板Ｘ伝搬では、Ｈ／λ＝０．３５近傍で、ＳＴカッ
ト３５°伝搬ではＺｎＯ膜厚Ｈ／λ＝０．１６近傍でＴ
ＣＤ＝０になるのがわかる。また、この膜厚での電気機
械結合係数は前述のように大きい値を示す。すなわち、
１６５°回転Ｙ板Ｘ伝搬の場合には、従来、電気機械結
合係数Ｋ² が０．２％、ＴＣＤ＝−３０ｐｐｍ／℃であ
ったものが、水晶基板にＨ／λ＝０．３５のＺｎＯ膜と
ＩＤＴを形成することにより、従来の５倍のＫ² ＝１．
０４％とＴＣＤ＝０ｐｐｍ／℃が得られた。また、Ｚｎ
Ｏ膜と水晶基板との間に短絡電極を設けることにより、
ＴＣＤ＝０ｐｐｍ／℃となり、Ｋ² はさらに大きい１．
３５％が得られる。

【００５７】一方、ＳＴカット３５°伝搬の場合にも、
従来、Ｋ² ＝０．１４％、ＴＣＤ＝−２０ｐｐｍ／℃で
あったのが、水晶基板上にＨ／λ＝０．１６のＺｎＯ膜
とＩＤＴを形成することにより、Ｋ² は４．８倍のＫ²
＝０．７７％とＴＣＤ＝０ｐｐｍ／℃が得られる。ま
た、ＺｎＯ膜と水晶基板との間に短絡電極を設けると、
さらにＫ² ＝０．８９％とＴＣＤ＝０ｐｐｍ／℃が得ら
れる。

【００５８】従って、本実験例から明らかなように、水
晶基板として、電気機械結合係数が大きなオイラー角の
水晶基板を用い、その場合にＴＣＤがマイナスの値を有
していたとしても、ＺｎＯ薄膜として水晶基板のＴＣＤ
のマイナスの値を相殺し得るプラスのＴＣＤを示すＺｎ
Ｏ薄膜を形成し、その上にＩＤＴを形成することによ
り、非常に大きな電気機械結合係数及び良好な温度特性
を有するＳＡＷ装置を構成し得ることがわかる。

【００５９】上記説明は、２種類の基板について説明し
たが、回転Ｙ板や、図１１〜図１４に示した他のカット
角の水晶基板を用いた場合においても、同様に、ＴＣＤ
がマイナスであっても、電気機械結合係数が大きなオイ
ラー角の水晶基板を用いることにより、電気機械結合係
数が大きくかつ温度特性が良好な表面波装置を構成し得
ることがわかる。すなわち、図１０に示したように、回
転Ｙ板Ｘ伝搬におけるレイリー波では、オイラー角
（０，０，０）〜（０，１３５，０）の範囲、漏洩表面
波ではオイラー角（０，０，０）〜（０，２０，０）、
（０，４５，０）〜（０，６５，０）、（０，１３５，
０）〜（０，１８０，０）の範囲がＴＣＤがマイナスの
範囲である。図１１に示したように、ＳＴカット水晶基
板を用いた場合には、オイラー角（０、１３２．７５±
５、０）から（０、１３２．７５±５、５０）の間、及
び（０、１３２．７５±５、１３０）から（０、１３
２．７５±５、１８０）の間で、ＴＣＤがマイナスの範
囲にある。

【００６０】また、図１２から明らかなように、回転Ｘ
カット水晶基板では、オイラー角が（９０、９０、０）
〜（９０、９０、３５）の範囲及び（９０、９０、１４
５）〜（９０、９０、１８０）の間でＴＣＤがマイナス
となっている。

【００６１】同様に、図１３に示されているように、回
転Ｙカット水晶基板では、オイラー角が（０、９０、
０）から（０、９０、３５）の間、及び（０、９０、１
４５）〜（０、９０、１８０）の間でＴＣＤがマイナス
となっている。また、図１４から明らかなように、Ｚカ
ット水晶基板では、オイラー角（０，０，φ）のφが
０、６０、１２０及び１８０以外の伝搬方向の場合にＴ
ＣＤの値がマイナスの値となっている。

【００６２】従って、上述した範囲で各水晶基板では、
ＴＣＤがマイナスの値を示すが、その範囲の中でも電気
機械結合係数の大きいカット角を選択し、ＴＣＤのマイ
ナスの値を相殺するように、プラスのＴＣＤ値を有する
ＺｎＯ薄膜を各水晶基板の上面に形成し、さらにＩＤＴ
を形成することにより、上記と同様に電気機械結合係数
が大きくかつ温度特性が良好な表面波装置を構成するこ
とができる。

【００６３】また、水晶基板のような単結晶の材料を用
いた場合には、そのカット角の異方性により、ＩＤＴか
らＩＤＴに向かう位相速度ベクトルの方向と実際のエネ
ルギーの伝搬方向が一致しなくなることがあり、この現
象をパワーフローといい、このとき生じる角度をパワー
フロー角という。このパワーフローを考慮した場合、パ
ワーフロー角が０であり、同時に、ＴＣＤがマイナスの
値を示すような角が０であるような水晶基板のカット角
が好ましい。この好ましいカット角は、オイラー角
（０，２５，０）〜（０，１０５，０）の間、（０，
０，１５）〜（０，４５，３５）の間、（０，１０，６
０）〜（０，２０，７０）の間、（０，９０，３０）〜
（０，１８０，４５）の間、（０，０，８５）〜（０，
０，９０）の間、（９０，９０，２５）〜（９０，９
０，３１）の間、（０，９０，−３）〜（０，９０，
３）の間であり、この場合ＴＣＤがマイナスでありかつ
パワーフロー角が０である。

【００６４】従って、上述した範囲で各水晶基板上にＺ
ｎＯ薄膜を形成し、さらにＩＤＴを形成することによ
り、電気機械結合係数が大きくかつ温度特性が良好で伝
搬方向に偏りのない表面波装置を構成することができ
る。

【００６５】なお、上記実験例では圧電薄膜としてＺｎ
Ｏ薄膜を形成した場合を説明したが、ＺｎＯ薄膜のほ
か、ＡｌＮ、Ｔａ₂ Ｏ₅ 、ＣｄＳなどのプラスのＴＣＤ
値を有する適宜の圧電薄膜を用いてもよい。

【００６６】さらに、水晶基板については、プラス面及
びマイナス面の何れを用いてもよいことを指摘してお
く。

【００６７】

【発明の効果】以上のように、本願の第１の発明では、
水晶基板上に形成された圧電薄膜上にくし歯電極が形成
されており、圧電薄膜の規格化膜厚Ｈ／λを０．０５以
上としているため、大きな電気機械結合係数の得られる
表面波装置を提供することができる。すなわち、従来、
大きな電気機械結合係数を得られるとされていた水晶基
板と圧電薄膜との間にくし歯電極を形成した構造に比べ
て、電気機械結合係数を飛躍的に高めることが可能とな
る。

【００６８】また、本願の第２の発明によれば、水晶基
板としてＴＣＤがマイナスの値をもつカット角及び伝搬
方向の水晶基板が用いられ、該水晶基板上に圧電薄膜が
形成されている。従って、圧電薄膜が通常プラスのＴＣ
Ｄ値を有するため、水晶基板のＴＣＤ値が圧電薄膜のＴ
ＣＤ値により相殺され、温度特性の良好な表面波装置を
得ることができる。よって、ＴＣＤ値がマイナスであっ
ても、電気機械結合係数の大きいカット角及び伝搬方向
の水晶基板を用いることにより、従来実現することがで
きなかった、温度特性が良好であり、しかも大きな電気
機械結合係数を有する表面波装置を提供することが可能
となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】（ａ）及び（ｂ）は、それぞれ、従来の表面波
装置におけるガラス基板、圧電薄膜及びＩＤＴの積層構
造を示す各断面図。

【図２】（ａ）及び（ｂ）は、それぞれ、従来のＳＡＷ
装置におけるガラス基板、短絡電極、圧電薄膜及びＩＤ
Ｔの積層構造を説明するための各断面図。

【図３】図１及び図２に示したＳＡＷ装置における圧電
薄膜の規格化された膜厚と、電気機械結合係数との関係
を示す図。

【図４】（ａ）及び（ｂ）は、それぞれ、従来のＳＡＷ
装置において、ＬｉＮｂＯ₃ 基板上に圧電薄膜及びＩＤ
Ｔを形成した構造及びＬｉＮｂＯ₃ 基板上にＩＤＴ及び
圧電薄膜をこの順に積層した構造における、ＺｎＯ薄膜
の規格化された膜厚と電気機械結合係数との関係を示す
図。

【図５】（ａ）及び（ｂ）は、それぞれ、ＬｉＮｂＯ₃
基板上にＺｎＯ薄膜を形成してなる表面波基板において
ＩＤＴ及び短絡電極を異なる位置に形成した場合のＺｎ
Ｏ薄膜の規格化された膜厚と電気機械結合係数との関係
を示す図。

【図６】ＳＴカット水晶基板上に圧電薄膜とくし歯電極
とを形成した３種類の表面波装置のＺｎＯ薄膜の規格化
された膜厚と電気機械結合係数との関係を示す図。

【図７】１６５°回転Ｙ板Ｘ方向伝搬水晶基板上にＺｎ
Ｏ薄膜及びくし歯電極を形成した３種類の構造の表面波
装置のＺｎＯ薄膜の規格化された膜厚と電気機械結合係
数との関係を示す図。

【図８】１１５°回転Ｙ板からなる水晶基板上にＺｎＯ
薄膜及びくし歯電極を種々の形態に構成した表面波装置
におけるＺｎＯ薄膜の規格化された膜厚と電気機械結合
係数との関係を示す図。

【図９】（ａ）及び（ｂ）は、参考例及び本発明の一実
施形態として構成されるＳＡＷ装置の模式的平面図及び
くし歯電極が形成されている部分の部分切欠断面図。

【図１０】回転Ｙ板水晶基板におけるオイラー角とＴＣ
Ｄ及び伝搬損失との関係を示す図。

【図１１】ＳＴカット水晶基板における伝搬方向とＴＣ
Ｄとの関係を示す図。

【図１２】Ｘカット水晶基板の伝搬方向とＴＣＤとの関
係を示す図。

【図１３】Ｙカット水晶基板の伝搬方向とＴＣＤとの関
係を示す図。

【図１４】Ｚカット水晶基板の伝搬方向とＴＣＤとの関
係を示す図。

【図１５】１６５°回転Ｙ板Ｘ伝搬とＳＴカット３５°
伝搬水晶基板を用いた場合のＺｎＯ膜厚とＴＣＤとの関
係を示す図。

【図１６】（ａ）及び（ｂ）は、それぞれ、本願の第２
の発明の実施形態における回転Ｙ板水晶基板のオイラー
角と電気機械結合係数との関係を示す図、並びにオイラ
ー角とＴＣＤ及び伝搬損失との関係を示す図。

【符号の説明】１０…水晶基板１１…ＳＡＷ装置１２…ＺｎＯ薄膜１３，１４…ＩＤＴ１３ａ，１３ｂ，１４ａ，１４ｂ…くし歯電極

Claims

【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
た圧電薄膜と、前記圧電薄膜上に形成されたくし歯電極
とを備え、前記圧電薄膜の膜厚をＨ、表面波の波長をλ
としたときに、圧電薄膜の規格化膜厚Ｈ／λが０．０５
以上とされていることを特徴とする、表面波装置。
【請求項２】前記水晶基板と、前記圧電薄膜との間に
形成された短絡電極とをさらに備える、請求項１に記載
の表面波装置。
【請求項３】水晶基板と、前記水晶基板上に形成され
た圧電薄膜と、前記圧電薄膜に接するように形成された
くし歯電極とを備え、前記水晶基板として、群遅延時間温度特性ＴＣＤがマイ
ナスの値をもつカット角及び伝搬方向の水晶基板が用い
られていることを特徴とする、表面波装置。
【請求項４】前記くし歯電極が、前記圧電薄膜上に形
成されている、請求項３に記載の表面波装置。
【請求項５】前記水晶基板と、前記圧電薄膜との間に
形成された短絡電極をさらに備える、請求項４に記載の
表面波装置。
【請求項６】前記圧電薄膜の膜厚をＨ、表面波の波長
をλとしたときに、圧電薄膜の規格化された膜厚Ｈ／λ
が０．０３以上である、請求項３〜５のいずれかに記載
の表面波装置。
【請求項７】前記圧電薄膜が、ＺｎＯ、ＡｌＮ、Ｔａ
₂ Ｏ₅ 及びＣｄＳからなる群から選択した一種よりなる
圧電薄膜である、請求項１〜６のいずれかに記載の表面
波装置。