JP2010088109A

JP2010088109A - 弾性波素子と、これを用いた電子機器

Info

Publication number: JP2010088109A
Application number: JP2009194006A
Authority: JP
Inventors: Rei Goto; 令後藤; Hidekazu Nakanishi; 秀和中西; Hiroyuki Nakamura; 弘幸中村
Original assignee: Panasonic Corp
Current assignee: Panasonic Corp
Priority date: 2008-09-05
Filing date: 2009-08-25
Publication date: 2010-04-15
Also published as: US8084916B2; US20100060102A1

Abstract

【課題】高次モードのスプリアスを抑制する。
【解決手段】弾性波素子５は圧電体６と、圧電体６の上に配置されて弾性波を励振させる櫛歯電極７と、圧電体６の上に櫛歯電極７を覆うように設けられた誘電体層８を備える。この誘電体層８は、下から上に向けて横波が伝搬する速度が連続的に速くなる媒質からなる組成変化部分を含む。この構成により、誘電体層８内を伝搬する高次モードによるスプリアスをより高い周波数に移すことができ、高次モードによるスプリアスによる影響を低減できる。
【選択図】図１

Description

本発明は、弾性波素子と、これを用いた電子機器に関するものである。

従来の弾性波素子を図７を用いて説明する。図７は弾性波素子の断面模式図である。図７において、従来の弾性波素子１は、圧電体２と圧電体２上に形成された櫛歯電極３と、櫛歯電極３を覆うように設けられた誘電体層４とを有する。

なお、この出願に関する先行技術文献情報としては、例えば、特許文献１が知られている。

国際公開第２００７／０４６２３６号

このような従来の弾性波素子１において、誘電体層４として、ＳｉＯ₂などの横波の伝搬速度が比較的遅い媒質を用いることにより、圧電体２と誘電体層４との境界に弾性波のエネルギーを閉じ込めて波を伝搬することが開示されている。しかしながら、弾性波素子１内に主要波を閉じ込めようと誘電体層の膜厚を主要波の波長λの０．８倍以上とすると、主要波の周波数付近に高次モードのスプリアスが発生するという問題があった。

そこで本発明の目的は、高次モードのスプリアスが抑制された弾性波素子を提供することにある。

そして、この目的を達成するために本発明の弾性波素子は圧電体と、圧電体の上に配置されて弾性波を励振させる櫛歯電極と、圧電体の上に櫛歯電極を覆うように設けられた誘電体層を備える。この誘電体層は、下から上に向けて横波が伝搬する速度が連続的に速くなる媒質からなる組成変化部分を含む。

本発明の弾性波素子において、誘電体層の上面付近の媒質は横波が伝搬する速度が速い媒質であるので、誘電体層内を伝搬する高次モードによるスプリアスをより高い周波数に移すことができ、高次モードによるスプリアスによる影響を低減できる。また、誘電体層の組成が上下に明確に分かれている弾性波素子と比較して、本発明の弾性波素子は、製造工程において、スパッタの回数等を少なくすることができ、生産性を向上させることができるのである。

本発明の実施の形態１における弾性波素子の断面模式図従来の弾性波素子の音速特性を示す図従来の弾性波素子の断面模式図本発明の実施の形態１における誘電体層８内の組成を示す図本発明の実施の形態１の主要波と従来の主要波の変位分布を示す図本発明の実施の形態１における誘電体層８内の他の組成を示す図従来の弾性波素子の断面模式図

（実施の形態１）
以下、本発明の実施の形態１における弾性波素子について図面を参照しながら説明する。

図１は、実施の形態１における弾性波素子の断面模式図である。

図１において、弾性波素子５は、圧電体６と、この圧電体６の上に設けられた櫛歯電極７と、圧電体６の上に櫛歯電極７を覆うように設けられた誘電体層８を備える。

圧電体６は、例えば、水晶、ニオブ酸リチウム系、タンタル酸リチウム系、又はニオブ酸カリウム系の圧電単結晶基板からなる。

櫛歯電極７は、例えば、アルミニウム、銅、銀、金、チタン、タングステン、白金、モリブデン又はクロムからなる単体金属、又はこれらを含む合金、若しくはこれら金属の積層構造である。

誘電体層８は、圧電体６と誘電体層８の境界面側から誘電体層８の上面側に向けて、組成が連続的に異なる組成変化部分（図示せず）を含む。この組織変化部分は、下から上に向けて横波が伝搬する速度が連続的に速くなる媒質からなる。尚、特許請求の範囲でいう「下から上に向けて」とは、「誘電体層８の下面（圧電体６側の面）側から誘電体層８の上面側に向けて」を意味する。

例えば、誘電体層８は、圧電体６と誘電体層８の境界面付近において酸化シリコンのみからなる部分を有し、その上に酸化シリコン濃度が下から上に向けて連続的に小さくなり、かつ、窒化シリコン濃度が下から上に向けて連続的に大きくなる組成変化部分を有し、その上に窒化シリコンからなる部分を有する。尚、誘電体層８は、酸化シリコンのみからなる部分、または窒化シリコンのみからなる部分を有さず、誘電体層８の全てが上記組成変化部分であっても良い。

また、組成変化部分は、更に酸窒化シリコンを含んでも良い。このとき、組成変化部分の下端と上端との間における酸窒化シリコン濃度は、組成変化部分の下端と上端における酸窒化シリコン濃度よりも大きい。

尚、誘電体層８の膜厚は主要波の波長λの０．８倍以上である。これにより、主要波を、櫛歯電極７の付近に閉じ込めることができる。尚、誘電体層８の膜厚が主要波の波長以上であれば、ほぼ完全に主要波を弾性波素子５の内部に閉じ込めることができる。

図７の従来の弾性波素子１において、圧電体２として１５度回転Ｙカットニオブ酸リチウムを用い、櫛歯電極３として金を用い、誘電体層４として酸化ケイ素を用いた場合の、主要波の波長λで規格化した誘電体層４の膜厚Ｈ／λと、波の速度Ｖとの関係を図２に示す。

尚、櫛歯電極３の膜厚は０．０６λとした。この図２により、横波主体のモードであるＳＨ波である主要波の他に、レイリーモードや高次モードが多数存在することがわかる。

主要波以外のモードはスプリアスとして弾性波素子１の周波数特性を劣化させるので、これらを抑制することが望ましい。このとき、レイリーモードによるスプリアスは圧電体２のカット角を変化させることで抑制することが可能である。しかし、高次モードは、結合係数の高いＳＨ成分を主成分とするモードが含まれるために、カット角を制御することにより抑制することは困難である。

高次モードは、誘電体層４の上面および圧電体２と誘電体層４の境界において反射を繰り返し、誘電体層４内にエネルギーが閉じ込められながら伝搬することで発生する。そのため高次モードが伝搬する速度は誘電体層４の膜厚に大きく依存する。即ち、図２に示すように、誘電体層４の膜厚がλ以上であると、高次モードが伝搬する速度が遅くなる。これにより、主要波の周波数付近に高次モードによるスプリアスが発生するという問題があった。

本発明における実施の形態１の弾性波素子５において、誘電体層８の上面付近は横波が伝搬する速度が速い媒質であるので、誘電体層８内を伝搬する高次モードによるスプリアスをより高い周波数に移すことができ、高次モードによるスプリアスによる影響を低減できる。また、図３に示すような圧電体１０の上にＳｉＯ₂層１２とその上にＳｉＮ層１３とを順に有する弾性波素子９、即ち誘電体層の組成が上下に明確に分かれている弾性波素子９と比較して、本発明の弾性波素子８は、製造工程において、スパッタの回数等を少なくすることができ、生産性を向上させることができるのである。

次に、図４に示す組成分布を有する誘電体層８を備えた弾性波素子５の特性と従来の弾性波素子１の特性を（表１）と図５に示す。ここで、従来の誘電体層４と実施の形態１の誘電体層８の厚みを共に１λとした。

図４は、膜厚１λの誘電体層８の全てが組成変化部分であった場合の誘電体層８の組成分布である。図４に示すように、誘電体層８において、圧電体６と誘電体層８との境界からの高さをｘ３とすると、ｘ３＝０において酸化ケイ素と窒化ケイ素の比率が１：０、ｘ３＝１λにおいて酸化ケイ素と窒化ケイ素の比率が０：１となるように、連続的に組成が変化し、組成の変化は線形であるとする。

また、（表１）で示す弾性波素子の特性とは、主要波の音速および結合係数と、ＳＨ波を主成分とする１次の高次モードの速度および電気機械結合係数である。

（表１）により、高次モードの電気機械結合係数に関して、実施の形態１の弾性波素子は従来の弾性波素子に比べ大きく減少していることがわかる。即ち、実施の形態１の弾性波素子５によって、高次モードによるスプリアスのレベルを小さくし、周波数特性を向上させることが可能となる。また、（表１）により、高次モードの速度に関して、実施の形態１の弾性波素子５は従来の弾性波素子１に比べ高次モードを主要波から遠ざけることができることがわかる。本発明の実施の形態とすることで、主要波の速度が従来と比較して２３１ｍ／ｓ上昇しているのに対し、高次モードの速度は従来と比較して６８６ｍ／ｓも上昇している。これは主要波の周波数から高次モードのスプリアス周波数が離れていることを示し、周波数特性を向上させることが可能となる。

また、(表１)により、従来の弾性波素子１から本実施の形態１の弾性波素子５とすることで、主要波の電気機械結合係数が上昇していることがわかる。これは誘電体層８において圧電体６と誘電体層８との境界から離れるにつれてバルク波の伝搬速度の速い媒質となることで、効果的に主要波のエネルギーが弾性波素子１の中に閉じ込められているからであると考えられる。

次に、主要波における変位分布のＳＨ波成分に関して、従来の弾性波素子１と、本実施の形態１の弾性波素子５との比較結果を図５に示す。図５により、本実施の形態１の弾性波素子５の主要波のエネルギーの閉じ込め効率が従来の弾性波素子１より良化していることがわかる。エネルギーの閉じ込め効率が良化することで誘電体層８の膜厚をさらに薄くでき、生産性が向上する。

また、窒化ケイ素を厚く製膜する際に応力の蓄積によるウェハわれが問題となっていた。本実施の形態１によると、応力が分散して印加されるためにウェハにかかる応力を軽減することができ、ウェハ割れを抑え製品の歩留まりを向上させることが出来る。

図６は、膜厚１λの誘電体層８の全てが組成変化部分であった場合の誘電体層８の組成分布の他の実施例である。縦軸は、酸化ケイ素の濃度及び窒化ケイ素の濃度を示し、横軸は誘電体層８の下面からの距離を示す。

図６に示すように、誘電体層８の組成変化部分が連続的でなく段階的に組成変化している場合においても、同一組成である各段階の膜厚が主要波の波長λに対して８分の１倍より小さい場合であれば、高次モードのスプリアスを抑制することができるのである。

本実施の形態１の弾性波素子５を共振器（図示せず）に適用しても構わないし、ラダー型フィルタもしくはＤＭＳフィルタ等のフィルタ（図示せず）に適用しても構わない。さらに、弾性波素子５を、このフィルタと、フィルタに接続された半導体集積回路素子(図示せず)と、半導体集積回路素子（図示せず）に接続された再生装置とを備えた電子機器に適用しても良い。これにより、共振器、フィルタ、及び電子機器における通信品質を向上することができるのである。

本発明にかかる弾性波素子は、高次モードのスプリアスを抑制するという特徴を有し、携帯電話等の電子機器に適用可能である。

５弾性波素子
６圧電体
７櫛歯電極
８誘電体層

Claims

圧電体と、
前記圧電体の上に配置されて弾性波を励振させる櫛歯電極と、
前記圧電体の上に前記櫛歯電極を覆うように設けられた誘電体層を備え、
前記誘電体層は、下から上に向けて横波が伝搬する速度が連続的に速くなる媒質からなる組成変化部分を含む弾性波素子。
前記組成変化部分は、酸化シリコンと窒化シリコンを含み、酸化シリコン濃度が下から上に向けて連続的に小さくなり、かつ、前記窒化シリコン濃度が下から上に向けて連続的に大きくなる請求項１に記載の弾性波素子。
前記組成変化部分は、更に酸窒化シリコンを含み、前記組成変化部分の下端と上端との間における酸窒化シリコン濃度は、前記組成変化部分の下端と上端における酸窒化シリコン濃度よりも大きい請求項２に記載の弾性波素子。
前記圧電体は、ニオブ酸リチウム又はタンタル酸リチウム又はニオブ酸カリウムである請求項１に記載の弾性波素子。
前記誘電体層の膜厚は、前記弾性波の波長の０．８倍より大きい請求項１に記載の弾性波素子。
請求項１に記載の弾性波素子を搭載した電子機器。