JP7080671B2 - 弾性表面波デバイス - Google Patents

Description

本発明は、ＳＡＷ（surface acoustic wave：弾性表面波）を利用した弾性表面波デバイスに関する。

近年の携帯電話などの移動体通信システムの進化によって、狭帯域且つ急峻な減衰特性を有するＳＡＷフィルタの要求が強まっている。そのため電気機械結合係数ｋ^２や周波数温度特性の指標である周波数温度係数（ＴＣＦ：Temperature Coefficients of Frequency）について良好な値を得るための様々な改善手法が報告されている。その改善手法として、波長程度の厚さの圧電基板と高音速基板とを貼り合わせた基板を用いてＳＡＷフィルタを構成することが報告されている。このような貼り合わせた基板を用いる手法は、ＳＡＷフィルタのみならず、ＳＡＷ共振器などの他の弾性表面波デバイスの特性を改善する手法としても知られている。

非特許文献１では、４２°Ｙ-Ｘ ＬｉＴａＯ_３基板、アモルファスＳｉＯ_２膜、ＡｌＮ基板及びＳｉ層を上からこの順に貼り合わせた基板を用いたＳＡＷ共振器について示されている。そのような構成とすることで、アモルファスＳｉＯ_２の温度補償効果、高音速基板であるＡｌＮによる振動エネルギーの閉じ込め、及びＳｉによる放熱によって、４２°Ｙ-Ｘ ＬｉＴａＯ_３基板単体でＳＡＷ共振器を構成する場合に比べて、Ｑ値、ｋ^２及びＴＣＦの各特性について改善される旨が記載されている。しかしこれらの特性について、より簡略な構造で改善することが求められている。

また、非特許文献２においては３６°Ｙ-Ｘ ＬｉＴａＯ_３基板、ＡＴ-９０°Ｘの水晶基板を上からこの順に接合した基板（説明の便宜上、ＬＴ水晶接合基板とする）を用いてLeakyＳＡＷ（ＬＳＡＷ）共振器を構成することが報告されており、このＬＴ水晶接合基板を用いることで、ＬｉＴａＯ_３基板単体でＬＳＡＷ共振器を構成する場合に比べて、Ｑ値、ｋ^２及びＴＣＦについて改善できるとされている。既述のＬＴ水晶接合基板を備えるＬＳＡＷ共振器について、上記のＬｉＴａＯ_３の基板の厚さ／λ＝０．１５、当該ＬｉＴａＯ_３基板上に形成されたＡｌ（アルミニウム）である櫛形電極（ＩＤＴ：Inter Digital Transducer）の厚さ／λ＝０．０９のときに、共振のＱ値は１２０５０、比帯域幅は５．７％である。なお、λは弾性表面波の波長である。ＬｉＴａＯ_３基板単体でＬＳＡＷ共振器を構成する場合における共振のＱ値が１３５０、比帯域幅が４．４％であるため、ＬＴ水晶接合基板を用いることで、Ｑ値は大きく上昇し、比帯域幅も上昇することになる。

これらのＱ値及び比帯域幅は、１周期分のＩＤＴの両側に周期境界条件として無限周期構造を、当該ＩＤＴの底面に完全整合層を夫々仮定した条件で、ＦＥＭ（finite element method）により計算した結果である。また、ＴＣＦについては明確に示されていないが、基板表面が短絡している条件での計算値が±２ｐｐｍ／℃程度であると考えられる。しかし、このＬＴ水晶接合基板について、基板上にＩＤＴが設けられた条件にすると、ＴＣＦはマイナス方向にシフトし、悪化してしまうことが分かっている。また、このＬＳＡＷ共振器のＩＤＴについての厚さを比較的大きくした場合、共振周波数のＴＣＦ、反共振周波数のＴＣＦが各々悪化してしまう。これらのＴＣＦの値の悪化を防ぐためには、ＬｉＴａＯ_３基板の厚さをより小さくしなければならないが、ＬｉＴａＯ_３基板の厚さを小さくするとｋ^２が悪化してしまう。従って、このようなＬＴ水晶接合基板を用いた構成のデバイスについても、各特性を良好な値にすることが難しい。

ところで、上記のアモルファスＳｉＯ_２（酸化シリコン）を備えるＳＡＷデバイスとしては特許文献１にも記載されている。この特許文献１では、単結晶圧電基板、アモルファスＳｉＯ_２である無機薄膜層、水晶を上からこの順に積層して表面弾性波素子を構成することについて示されており、上記の無機薄膜層は、単結晶圧電基板と水晶との接合界面におけるゴミを取り込むために設けられ、１／２波長以下にすることが示されている。この特許文献１には、無機薄膜層を設けず、単結晶基板と水晶とを直接貼り合わせて表面弾性波素子を構成することについても記載されており、その場合は、単結晶圧電基板上に設けた櫛形電極を２００ＭＨｚで励振させるために、当該単結晶圧電基板についての厚さを１／４波長～３波長とすることが示されている。

しかし発明の実施の形態で示すように本発明者の検証により、単結晶圧電基板及びアモルファスＳｉＯ_２の各々の厚さの組み合わせでデバイスの特性が変化することが確認されており、特許文献１には各層の厚さについて、適切な各厚さの組み合わせについては検討されていない。さらに、上記のように特許文献１のＳＡＷデバイスは２００ＭＨｚで使用するものであり、ＧＨｚ帯域で使用される場合の適切な構成については示唆されていない。

特開平６-３２６５５３号公報

Tsutomu Takai et al. "I.H.P.SAW Technology and its Application to Microacoustic Components(Invited), " Ultrasonic Symp.(2017) LiNb03・LiTa03薄板と水晶基板の接合によるリーキー系SAWの高結合化 第46回ＥＭシンポジウム ＥＭ46－2－01

本発明は、上記の事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、周波数温度特性を含む各特性について良好な弾性表面波デバイスを提供することである。

本発明の弾性表面波デバイスは、
水晶層と、
前記水晶層上に積層された、厚さが１００ｎｍより大きいアモルファス酸化シリコン層と、
前記アモルファス酸化シリコン層上に積層された圧電層と、
前記圧電層上に形成され、当該圧電層に弾性表面波を励振するための櫛形電極と、を備え、
前記弾性表面波の波長をλとすると、
０．１≦前記アモルファス酸化シリコン層の厚さ／λ≦１であり、
０．０８＜圧電層の厚さ／λ≦１であり、
前記アモルファス酸化シリコン層は前記水晶層と前記圧電層とに接し、且つ当該水晶層及び当該圧電層の配列方向に分割されていないことを特徴とする。

本発明の他の弾性表面波デバイスは、
水晶層と、
前記水晶層上に積層された、厚さが１００ｎｍより大きいアモルファス酸化シリコン層と、
前記アモルファス酸化シリコン層上に積層された圧電層と、
前記圧電層上に形成され、当該圧電層に２ＧＨｚ以上の弾性表面波を励振するための櫛形電極と、を備え、
前記弾性表面波の波長をλとすると、
前記アモルファス酸化シリコン層の厚さ／λ≦１であり、
前記アモルファス酸化シリコン層は前記水晶層と前記圧電層とに接し、且つ当該水晶層及び当該圧電層の配列方向に分割されていないことを特徴とする。

本発明によれば、水晶層、アモルファス酸化シリコン層、圧電層、櫛形電極を順に積層した弾性表面波デバイスについて、アモルファス酸化シリコン層の厚さ、圧電層の厚さを適切な値とすることで良好な特性を得る。また、２ＧＨｚ以上の弾性表面波を励振する弾性表面波デバイスについて、アモルファス酸化シリコン層の厚さを適切な値とすることで、周波数温度特性やその他の各特性について良好なものとすることができる。

本発明のＳＡＷデバイスの一例であるラダー型フィルタの平面図である。 前記ラダー型フィルタの縦断側面図である。 ＳＡＷの速度とＳＡＷデバイスを構成する各層の厚さとの関係を示すグラフ図である。 ＳＡＷの速度とＳＡＷデバイスを構成する各層の厚さとの関係を示すグラフ図である。 Ｑ値とＳＡＷデバイスを構成する各層の厚さとの関係を示すグラフ図である。 Ｑ値とＳＡＷデバイスを構成する各層の厚さとの関係を示すグラフ図である。 Ｑ値とＳＡＷデバイスを構成する各層の厚さとの関係を示す等高線図である。 Ｑ値とＳＡＷデバイスを構成する各層の厚さとの関係を示す等高線図である。 電気機械結合係数とＳＡＷデバイスを構成する各層の厚さとの関係を示すグラフ図である。 電気機械結合係数とＳＡＷデバイスを構成する各層の厚さとの関係を示す等高線図である。 ＴＣＦとＳＡＷデバイスを構成する各層の厚さとの関係を示すグラフ図である。 ＴＣＦとＳＡＷデバイスを構成する各層の厚さとの関係を示すグラフ図である。 ＴＣＦとＳＡＷデバイスを構成する各層の厚さとの関係を示す等高線図である。 ＴＣＦとＳＡＷデバイスを構成する各層の厚さとの関係を示す等高線図である。 ＴＣＦとＳＡＷデバイスを構成する各層の厚さとの関係を示す等高線図である。 ＴＣＦとＳＡＷデバイスを構成する各層の厚さとの関係を示す模式図である。 ＴＣＦとＳＡＷデバイスを構成する各層の厚さとの関係を示す模式図である。 オイラー角の表記を説明するための模式図である。 ＳＡＷの伝搬方向とＱ値との関係を示すグラフ図である。

本発明の弾性表面波デバイスの一実施形態である、複数のＳＡＷ（surface acoustic wave：弾性表面波）共振子１をラダー型に組み合わせた、ラダー型フィルタ１０を図１に示している。このラダー型フィルタ１０においては、入力ポート１１と出力ポート１２との間に３つのＳＡＷ共振子１が互いに直列となるように各々直列腕として配置され、これらＳＡＷ共振子１、１間に１つのＳＡＷ共振子１が並列に、各々並列腕として接続されている。なお、各ＳＡＷ共振子１については簡略化して描画している。図中１３は接地ポートである。図中１４は、各々のＳＡＷ共振子１、１同士あるいはＳＡＷ共振子１と各ポート１１、１２、１３とを電気的に接続する引き回し電極である。

ＳＡＷ共振子１は、ＩＤＴ電極１５と、弾性表面波（以下、「弾性波」と言う）の伝搬方向においてこのＩＤＴ電極１５の両側に形成された反射器１６、１６と、を備えている。ＩＤＴ電極１５は、弾性波の伝搬方向に沿って各々伸びると共に弾性波の伝搬方向に対して互いに直交する方向に離間するように配置された一対のバスバー１７、１７と、これらバスバー１７、１７間において互いに交差するように櫛歯状に形成された複数本の電極指１８と、を備えている。ＩＤＴ電極１５は、一対のバスバー１７、１７のうち一方側のバスバー１７から伸びる電極指１８と、当該電極指１８に隣接して他方側のバスバー１７から伸びる電極指１８と、が弾性波の伝搬方向に沿って交互に配置されて正規型電極をなしている。図中２１は反射器バスバー、２２は反射器電極指である。ＩＤＴ電極１５、反射器１６、引き回し電極１４、各ポート１１、１２、１３、反射器バスバー２１及び反射器電極指２２を電極膜２３として記載する場合が有る。この電極膜２３は例えばＡｌ（アルミニウム）により構成されており、基板３上に形成されている。

図２は図１のＡ－Ａ矢視断面であり、ＩＤＴ電極１５の電極指１８及び基板３の縦断側面を示している。この図２に示すように、互いに隣接する２本の電極指１８、１８の各々の幅寸法と、これら電極指１８、１８間の離間寸法と、からなる周期長が基板３上を伝搬する弾性波の周波数に対応する。具体的には、前記周期長は、所望の周波数における弾性波の波長λと同じ寸法となっている。この例では、基板３表面を伝搬するＳＨ型の弾性表面波の周波数ｆが２ＧＨｚ以上となるように、周期長λが構成されている。具体的には、上記の弾性表面波の速度をＶｓとするとｆ＝Ｖｓ／λであるため、例えばＶｓが４０００ｍ／秒である場合には、λは２μｍ以下に設定される。

基板３は、水晶層３１、アモルファスＳｉＯ_２層３２、圧電層（圧電基板）であるＬｉＴａＯ_３（以下、ＬＴと記載する場合が有る）層３３が下方側から、この順に積層されて構成されており、圧電層３３上には既述の電極膜２３が積層されている。圧電層３３について、この例では３６°回転Ｙカット－Ｘ軸伝播ＬｉＴａＯ_３（３６°Ｙ－Ｘ ＬｉＴａＯ_３）により構成されている。水晶層（水晶基板）３１としてはＡＴカットされた水晶で、９０°Ｘ軸伝搬であるものによって構成されている。後に詳しく述べるオイラー角で表記すると、（φ、θ、ψ）＝（０°、１２５．２５°、９０°）である。

なお、この水晶層３１については圧電層３３に接合されることで、基板３の表面のエネルギーがバルク波として漏れてＱ値を低下させることを抑制できる方位のものが選択されればよく、上記のオイラー角であるものには限られない。後にこの水晶層３１の方位とデバイスのＱ値との関連を調べた実験について説明する。また水晶層３１について、ウェーハの表裏を区別してφ＝０°、θ＝－５４．７５°、及びφ＝０°、θ＝１２５．２５°が考えられるが、結晶の対称性から同等の性質を持つため、θ＝１２５．２５°であるものについて、ＡＴカットの代表として示す。また、ψについても１８０°の対称性から、φ＝０°、θ＝－５４．７５°、ψ＝９０°と、φ＝０°、θ＝－５４．７５°、ψ＝－９０°とは互いに同等の性質を持ち、さらにこれらの対称性（θ、ψ）を組み合わせたものも同等の性質を持つこととなる。つまり、θ、ψについては各々、上記した各値から選択することができ、θ、ψの各組み合わせから、互いに同等の性質を得ることができる。

また、上記のアモルファスＳｉＯ_２層３２は、温度補償効果によりＴＣＦを改善するために設けられている。そして、以下に述べる試験で示すように、このアモルファスＳｉＯ_２層３２の厚さを調整することで、ＴＣＦ以外のデバイスの各特性についても調整できることが確認された。そして、温度補償効果を十分に得るためにこのアモルファスＳｉＯ_２層３２の厚さは、例えば１００ｎｍより大きい。なお、ここで言うアモルファスＳｉＯ_２層３２の厚さとは、後述のλで除すことで規格化した厚さではなく、実際のアモルファスＳｉＯ_２層３２の厚さである。

（第１の試験）
図２に示した基板３及び電極指１８を構成する電極膜２３からなる積層体について、圧電層３３の厚さ（ｈＬＴ／λ）、アモルファスＳｉＯ_２層３２の厚さ（ｈＳｉＯ_２／λ）を各々変更して、デバイスの特性のこれらの厚さに対する依存性を調べる第１の試験を行った。シミュレーションによるこの第１の試験においては、λ＝２．１μｍ、電極膜２３の厚さ（ｈＡｌ／λ）＝０．０６とした。また、ｈＬＴ／λは０．０２～１の範囲内で変更し、ｈＳｉＯ_２／λは０～１の範囲内で変更した。図３～図１５のグラフは、この試験結果を示している。

図３のグラフは、電極指１８を互いに短絡させたとする場合の弾性波の伝搬速度Ｖshort（単位：ｍ／秒）と、ｈＬＴ／λと、ｈＳｉＯ_２／λとの関係を示している。このグラフにおいては、Ｖshortを縦軸に、ｈＬＴ／λを横軸に夫々設定し、互いに異なる線種を用いてｈＳｉＯ_２／λの値を示している。ｈＳｉＯ_２／λは、上記の範囲内において０．１刻みで変更して試験を行っているが、図示の便宜上、一部のｈＳｉＯ_２／λの値における試験結果は表示を省略している。なお、ｈＳｉＯ_２／λ＝０は、アモルファスＳｉＯ_２層３２が設けられていないことを示す。また、図４のグラフは電極指１８、１８間開放での伝搬速度Ｖopen（単位：ｍ／秒）と、ｈＬＴ／λと、ｈＳｉＯ_２／λとの関係を示している。このグラフにおいては、Ｖopenを縦軸に、横軸にｈＬＴ／λに夫々設定し、図３と同様に各線種によってｈＳｉＯ_２／λを示している。

図３、図４に示すようにｈＳｉＯ_２／λ＝０の場合は、ｈＬＴ／λが０付近の値から大きくなるにつれてＶshort、Ｖopenの値が夫々下降すると共に、下降の具合は次第に緩やかになる。ｈＳｉＯ_２／λ＝０．１～１の場合は、ｈＬＴ／λが０付近において、ｈＳｉＯ_２／λ＝０の場合よりもＶshort、Ｖopenの値が各々小さい。そしてｈＬＴ／λが０付近から大きくなるにつれてＶshort、Ｖopenの値が夫々上昇する。ただしｈＳｉＯ_２／λの値によっては、Ｖopenは一旦下降してから上昇する。そして、ｈＬＴ／λが大きくなるにつれて、次第にＶshort、Ｖopenの上昇の具合は緩やかになる。また、ｈＬＴ／λが大きくなるにつれて、ｈＳｉＯ_２／λ＝０．１～１の場合におけるＶshort、Ｖopenの値は、ｈＳｉＯ_２／λ＝０の場合におけるＶshort、Ｖopenの値に夫々漸近する。

以上のように、アモルファスＳｉＯ_２層３２を設けることでＶshort、Ｖopenが低下する結果となった。特にｈＬＴ／λが比較的小さい場合は、Ｖshort、Ｖopenの値が大きく低下する。このようにＶshort、Ｖopenが低下するということは、電極指１８、１８間の距離を小さくすることができることであり、同じ周波数帯域でＳＡＷデバイスの小型化を図ることができる。ただし、ｈＳｉＯ_２／λ＝０．１～１且つｈＬＴ／λ≦０．０８である場合に、各グラフの線の傾きが比較的急峻である。つまり、ｈＬＴ／λの僅かな変化によりＶshort、Ｖopenの値が大きく変化する。デバイスを製造するにあたってはデバイスの各部の寸法に製造上の誤差が生じ得るので、当該誤差がデバイスの特性に大きく影響することを避けるようにすることが求められる。そのために、この図３、図４のグラフからｈＬＴ／λ＞０．０８とすることが好ましいと考えられる。

図５のグラフは、共振点におけるＱ値（Ｑｒ）と、ｈＬＴ／λと、ｈＳｉＯ_２／λとの関係を示しており、Ｑｒを縦軸に、ｈＬＴ／λを横軸に夫々設定し、図３、図４と同様にグラフの各線種によりｈＳｉＯ_２／λの値を示している。図６のグラフは、反共振点におけるＱ値（Ｑａ）と、ｈＬＴ／λと、ｈＳｉＯ_２／λとの関係を示しており、Ｑａを縦軸に、ｈＬＴ／λを横軸に夫々設定し、図５と同様に各線種によりｈＳｉＯ_２／λの値を示している。

図５のグラフにおけるＱｒの変化の概略を述べると、ｈＳｉＯ_２／λ＝０～１の各値において、ｈＬＴ／λが０付近の値から大きくなるにつれてＱｒは上昇し、その後は急激に下降する。この上昇後に下降するグラフの変曲点を見ると、ｈＳｉＯ_２／λ＝０である場合よりも、ｈＳｉＯ_２／λ＝０．１～１である場合の方が、ｈＬＴ／λに関して高い値となっている。図６のグラフにおけるＱａの変化の概略を述べると、ｈＳｉＯ_２／λ＝０～０．９の各値において、ｈＬＴ／λが０付近の値から大きくなるにつれてＱａが上昇するが、その後、Ｑａは下降する。この上昇後に下降するグラフの変曲点を見ると、ｈＳｉＯ_２／λ＝０である場合よりも、ｈＳｉＯ_２／λ＝０．１～０．９である場合の方が、ｈＬＴ／λに関して高い値となっている。また、ｈＳｉＯ_２／λ＝１の場合は、ｈＬＴ／λが０付近の値から大きくなるにつれてＱａが上昇した後、上昇が頭打ちとなり、Ｑａは概ね一定で推移する。この結果から、０．１≦ｈＳｉＯ２／λ≦１とすることで、ｈＬＴ／λ≦１の範囲内において、ｈＬＴ／λの上昇と共にＱｒ、Ｑａが降下する範囲について狭めるかあるいは無くすことができるので、ｈＬＴ／λの設定の自由度を高くすることができる。

ＱｒとｈＬＴ／λとｈＳｉＯ_２／λとの関係について、図５とは異なる態様で、図７に示している。また、ＱａとｈＬＴ／λとｈＳｉＯ_２／λとの関係について、図６とは異なる態様で図８に示している。これら図７、図８についてはＸ軸にｈＬＴ／λを、Ｙ軸にｈＳｉＯ_２／λを夫々設定すると共に、Ｑ値（Ｑｒ及びＱａ）の分布を等高線で各々表している。等高線で囲まれた各領域のＱ値の範囲を識別できるように、当該各領域に当該Ｑ値の範囲に応じた模様を付して示している。

２ＧＨｚ以上の周波数帯域でＳＡＷデバイスとして使用するために、実用上はＱ値＞１０００とすることが求められる。図５～図８より、ＱｒまたはＱａが５０００～６０００と非常に高くなる領域がｈＬＴ／λ＜０．８の範囲内に存在していることから、ｈＬＴ／λをそのような範囲に設定することが好ましいと考えられる。また、ｈＬＴ／λ＜０．５において、Ｑｒ及びＱａが共に５０００～６０００と非常に高くなる領域が存在することが分かる。従って、ｈＬＴ／λ＜０．５とすることが良好なＱ値を得るために特に好ましいことが分かる。なお、圧電層３３と水晶層３１とを積層させて基板３を構成しているのは、これらの層のうち一方のみにより基板を構成するよりも特性を向上させるためであるが、ｈＬＴ／λが大きすぎると圧電層３３の特性が支配的になり、各層を積層させる効果が低下してしまうので、それを防ぐ観点からもｈＬＴ／λを、ｈＬＴ／λ＜０．５という比較的小さい範囲に設定することが好ましい。

図９のグラフは、電気機械結合係数ｋ^２（単位：％）とｈＬＴ／λとｈＳｉＯ_２／λとの関係を示している。グラフの縦軸、横軸にｋ^２、ｈＬＴ／λを夫々設定し、図３などと同様に、互いに異なる線種を用いてｈＳｉＯ_２／λの値を示している。上記のｋ^２に関しては、下記の式１に従って計算している。式中のｆｒは共振点の周波数、ｆａは反共振点の周波数である。
ｋ^２＝（π／２・ｆｒ／ｆａ）／ｔａｎ（π／２・ｆｒ／ｆａ）・・・式１

各ｈＳｉＯ_２／λのグラフの波形を見ると、ｈＬＴ／λが０付近から上昇するにつれて、ｋ^２について急激に上昇した後に頭打ちとなり、その後は緩やかに下降している。なお、図９で表示していないｈＳｉＯ_２／λ＝０．２、０．４、０．６、０．８のグラフについても、そのような変化を示すグラフとなっている。なお、ｈＳｉＯ２／λ＝０．１であるときにｋ^２は１３．１３％と、最大値を示した。

このｋ^２については、ＳＡＷデバイスが搭載される機器に応じて適切な値が有るが、一般的に高い値であることが、汎用性が大きいので好ましい。さらに、既述のようにデバイスの製造時の誤差を考慮して、ｈＬＴ／λの変化量に対してｋ^２の値の変化量が小さいことが好ましい。例えば０．０８＜ｈＬＴ／λ＜０．５、且つｈＳｉＯ_２／λ＜０．５で、およそ８％以上という実用上有効なｋ^２が得られ、且つｈＬＴ／λの変化量に対するｋ^２の値の変化量が比較的低いことが、この図９のグラフから確認することができるので、このような範囲内にｈＬＴ／λ及びｈＳｉＯ_２／λを設定することが好ましい。

また、図１０は試験で得られたｈＬＴ／λとｈＳｉＯ_２／λとｋ^２との関係を等高線図として表示したものであり、図８と同様にＸ軸にｈＬＴ／λを、Ｙ軸にｈＳｉＯ_２／λを夫々設定しており、等高線によってｋ^２の分布を示している。この図１０に示すように０．1≦ｈＳｉＯ_２／λ≦０．３の範囲において、ｋ^２が１２～１３％と非常に高い領域が存在する。従って、ＳＡＷデバイスのｋ^２を高くするためには、そのように０．１≦ｈＳｉＯ_２／λ≦０．３とすることが特に好ましい。

図１１のグラフは、共振点におけるＴＣＦ（単位：ｐｐｍ／℃）とｈＬＴ／λとｈＳｉＯ_２／λとの関係を示しており、当該共振点におけるＴＣＦ（以降、ＴＣＦ－ｆｒと記載する）を縦軸に、ｈＬＴ／λを横軸に夫々設定している。図１２のグラフは、反共振点におけるＴＣＦ（単位：ｐｐｍ／℃）と、ｈＬＴ／λと、ｈＳｉＯ_２／λとの関係を示しており、当該反共振点におけるＴＣＦ（以降、ＴＣＦ－ｆａと記載する）を縦軸に、ｈＬＴ／λを横軸に夫々設定している。これらの図１１、図１２のグラフにおいては、図３、図４のグラフと同様に、互いに異なる線種を用いて、ｈＳｉＯ_２／λの値を示している。なお、ＴＣＦ－ｆｒ及びＴＣＦ－ｆａについては０ｐｐｍ／℃に近いほど好ましい。

図１１より、ｈＳｉＯ_２／λ＝０である場合、ｈＬＴ／λが０付近から上昇するにつれてＴＣＦ－ｆｒは上昇し、ｈＬＴ／λが０．１程度となった後は、当該ＴＣＦ－ｆｒは緩やかに下降する。そして、ｈＬＴ／λが比較的低い範囲内において、ＴＣＦ－ｆｒ＝０ｐｐｍとなっている。その一方で、ｈＳｉＯ_２／λ＝０．１～１である場合、ｈＬＴ／λが０付近においてＴＣＦ－ｆｒは０ｐｐｍ／℃以上であり、ｈＬＴ／λが０付近から上昇するにつれてＴＣＦ－ｆｒは下降し、ｈＬＴ／λが０．４となるまでにＴＣＦ－ｆｒ＝０ｐｐｍ／℃となっている。さらにｈＬＴ／λが上昇すると、ｈＳｉＯ_２／λ＝０．１～１である場合のＴＣＦ－ｆｒは、ｈＳｉＯ_２／λ＝０である場合のＴＣＦ－ｆｒに漸近する。また、０．８＞ｈＬＴ／λにおいて当該ｈＬＴ／λが任意の値をとるときに、ｈＳｉＯ_２／λの値が大きいほど、ＴＣＦ－ｆｒの値が大きい。

図１２より、ｈＳｉＯ_２／λ＝０である場合、ｈＬＴ／λが０付近から上昇するにつれてＴＣＦ－ｆａは次第に下降する。そしてｈＬＴ／λが０付近であるとき、ＴＣＦ－ｆａは最も０ｐｐｍ／℃に近いが、当該０ｐｐｍ／℃よりも低い値となっている。その一方で、ｈＳｉＯ_２／λ＝０．１～１である場合は、ｈＬＴ／λが０付近であるときにＴＣＦ－ｆａは０ｐｐｍ／℃より高く、当該ｈＬＴ／λが０付近から上昇するにつれてＴＣＦ－ｆａは急激に下降した後、緩やかに下降する。ｈＳｉＯ_２／λ＝０．１～０．８である場合のＴＣＦ－ｆａは、そのように緩やかに下降する途中、ｈＬＴ／λ＝０．０８～０．３の範囲において０ｐｐｍ／℃以下となる。ｈＳｉＯ_２／λ＝０．９である場合のＴＣＦ－ｆａは、上記のように緩やかに下降し、ｈＬＴ／λ＝０．４～０．６において０ｐｐｍ／℃に漸近する。またｈＳｉＯ_２／λ＝１である場合、ＴＣＦ－ｆａは上記のように緩やかに下降した後、緩やかに上昇する。また、ｈＬＴ／λ＝０．８付近を除いたｈＬＴ／λの各範囲において、ｈＳｉＯ_２／λが大きいほど、ＴＣＦ－ｆａの値が大きい。

図１１のグラフからは、０．１≦ｈＳｉＯ_２／λ≦１とすることで、ｈＳｉＯ２／λ＝０とする場合に比べて、ＴＣＦ－ｆｒについて０ｐｐｍ／℃となるｈＬＴ／λの値を大きくすることができることが示された。また、図１２のグラフから０．１≦ｈＳｉＯ_２／λ≦１とすることで、ｈＳｉＯ_２／λ＝０とする場合に比べて、ＴＣＦ－ｆａ＝０ｐｐｍ／℃あるいは０ｐｐｍ／℃付近となるｈＬＴ／λの値を大きくすることができることが示された。ｈＬＴ／λの値が小さすぎると、ＳＡＷ用ウェーハの製造工程において圧電層３３を形成することが困難となる場合が有る。従って、０．１≦ｈＳｉＯ_２／λ≦１とすることで、ＳＡＷデバイスについて良好な温度特性を得ると共に、製造を容易にすることができることが確認された。

なお、上記のｈＬＴ／λの値が小さいと圧電層３３の形成が困難となる理由について、以下に詳しく説明する。２ＧＨｚ以上ではλが約２μｍ以下となるため、圧電層３３の厚さの実寸（＝ｈＬＴ）は極めて小さくなり、そのバラツキであるΔｈＬＴ／ｈＬＴ（ΔｈＬＴはｈＬＴの誤差）が大きな問題となる。少しでもｈＬＴ／λが大きい方が、上記のバラツキ（ΔｈＬＴ／ｈＬＴ）の特性への影響が緩和される。これについては次の試算にてより明確になる。λ＝２μｍとし、ΔｈＬＴ＝０．０１μｍであり、ｈＳｉＯ_２＝０の場合、図１１のグラフよりＴＣＦ－ｆｒ＝０となるｈＬＴ＝０．０８λ＝０．１６μｍであり、従ってΔｈＬＴ／ｈＬＴ＝０．０１／０．１６となる。一方、ｈＳｉＯ_２＝０．１の場合、ｈＬＴ＝０．１８λ＝０．３６μｍであり、従ってΔｈＬＴ／ｈＬＴ＝０．０１／０．３６となるので、厚みのバラツキを小さくできる。

また、図１１、図１２の各グラフからはｈＳｉＯ_２／λが大きいほど、ＴＣＦ－ｆｒ、ＴＣＦ－ｆａの値を高くシフトさせるように温度補償効果が得られていることが分かる。特にＴＣＦ－ｆａについては、アモルファスＳｉＯ_２層３２の追加による当該シフト量が大きい。ところで図１２より、ｈＳｉＯ_２／λ＝１であるときには、ｈＬＴ／λが任意の値であるときのＴＣＦ－ｆａの値と０ｐｐｍ／℃との差分が若干大きいので、ｈＳｉＯ_２／λを１より大きくすることは得策ではないと考えられる。従ってＴＣＦを適切な値とするために０＜ｈＳｉＯ_２／λ≦１とすることが有効である。

図１３の等高線図は図１１と同じく、ｈＬＴ／λとｈＳｉＯ_２／λとＴＣＦ－ｆｒとの関係を表している。また、図１４の等高線図は図１２と同じく、ｈＬＴ／λとｈＳｉＯ_２／λとＴＣＦ－ｆａとの関係を表している。これら図１３、図１４の等高線図については、Ｘ軸にｈＬＴ／λを、Ｙ軸にｈＳｉＯ_２／λを夫々設定している。そしてＴＣＦ（ＴＣＦ－ｆｒ及びＴＣＦ－ｆａ）に応じて等高線を引き、図７などと同様に等高線に囲まれる各領域に模様を付して、ＴＣＦの分布を示すものである。

図１３、図１４の等高線図において、ＴＣＦ－ｆｒ及びＴＣＦ－ｆａについて－１０ｐｐｍ／℃～＋１０ｐｐｍ／℃となる領域のｈＳｉＯ_２／λの範囲について見ると、ｈＬＴ／λが比較的小さい範囲においては当該ｈＳｉＯ_２／λの範囲が狭い。しかしｈＬＴ／λが比較的厚い、具体的にはｈＬＴ／λ≧０．２である場合、当該ｈＳｉＯ_２／λの範囲が広くなるので、ｈＬＴ／λについてはそのようにｈＬＴ／λ≧０．２とすることが好ましいことが分かる。

図１５には、ｈＬＴ／λとｈＳｉＯ_２／λと｜ＴＣＦ－ｆｒ｜＋｜ＴＣＦ－ｆａ｜との関係を等高線図として表示しており、Ｘ軸にｈＬＴ／λを、Ｙ軸にｈＳｉＯ_２／λを夫々設定し、｜ＴＣＦ－ｆｒ｜＋｜ＴＣＦ－ｆａ｜に応じて等高線を引いている。この図１５に示すように｜ＴＣＦ－ｆｒ｜＋｜ＴＣＦ－ｆａ｜の値が０～２０ｐｐｍと非常に低くなる領域が０．２≦ｈＬＴ／λ≦０．７、且つ０．４≦ｈＳｉＯ_２/λ≦１の範囲に存在する。従って、良好な周波数温度特性を得るためには、このような範囲内にｈＬＴ／λ及びｈＳｉＯ_２/λを設定することが好ましい。

なお、そのように｜ＴＣＦ－ｆｒ｜＋｜ＴＣＦ－ｆａ｜＝０～２０ｐｐｍとなる領域について、図１６に示すように七角形として近似する。この七角形は、Ｙ＝０．４～０．８の範囲内でＸ＝０．２、Ｘ＝０．２～０．３の範囲内でＹ＝０．４、Ｘ＝０．３～０．４の範囲内でＹ＝２Ｘ－０．２、Ｘ＝０．４～０．７の範囲内でＹ＝Ｘ＋０．２、Ｘ＝０．５～０．７の範囲内でＹ＝－０．５Ｘ＋１．２５、Ｘ＝０．３～０．５の範囲内でＹ＝１、及びＸ＝０．２～０．３の範囲内でＹ＝２Ｘ＋０．４の各線分で囲まれる領域である。つまり、グラフにおいて横軸（Ｘ軸）にｈＬＴ／λをとり、縦軸（Ｙ軸）にｈＳｉＯ_２／λをとったときに、上記の七角形の頂点の座標（ｈＬＴ／λ,ｈＳｉＯ_２／λ）は、（０．２，０．４）、（０．３，０．４）、（０．４，０．６）、（０．７，０．９）、（０．５，１．０）、（０．３，１．０）、（０．２，０．８）である。この七角形の領域内の値にｈＬＴ／λ、ｈＳｉＯ_２／λを夫々設定することが、特に好ましい。

なお、図１４～図１６で説明したＴＣＦを好ましい値とするｈＬＴ／λ及びｈＳｉＯ_２／λの各範囲、図９、図１０で説明したｋ^２を好ましい値とするｈＬＴ／λ及びｈＳｉＯ_２／λの各範囲は一致していないが、ｋ^２及びＴＣＦのうちのいずれをより重視したものにするかは場合によって異なるので、重視する方の好ましい範囲内にｈＬＴ／λ、ｈＳｉＯ_２／λを各々設定すればよい。
ところで、これらｋ^２及びＴＣＦについて共に良好な値を得るためには、図１７のグラフの五角形で示す範囲内にｈＬＴ／λ、ｈＳｉＯ_２／λを各々設定することが好ましい。図１７のグラフは、図１５に示したＴＣＦに関するグラフと図１０に示したｋ^２に関するグラフとを互いに重ね合わせることで、そのようにｋ^２及びＴＣＦについて共に良好な値を得る範囲を特定したものである。図１７のグラフは、上記のように横軸（Ｘ軸）にｈＬＴ／λをとり、縦軸（Ｙ軸）にｈＳｉＯ_２／λをとったものであり、上記の五角形の頂点の座標（ｈＬＴ／λ,ｈＳｉＯ_２／λ）は、（０．１，０．１）、（０．４，０．１）、（０．３，０．５）、（０．２，０．５）、（０．１，０．４）である。

ところで、図２で説明した本発明の実施例であるＳＡＷデバイスと比較例のＳＡＷデバイスとについて、第１の試験により得られた具体的な数値を示して、特性の違いを説明しておく。比較例のＳＡＷデバイスは、アモルファスＳｉＯ_２層３２が設けられていないことを除いて、実施例であるＳＡＷデバイスと同様に構成されているものとする。従って、背景技術の項目で説明したＬＴ水晶接合基板に電極膜２３が設けられた構成である。この比較例のＳＡＷデバイスでは、ｈＬＴ／λ＝０．１８、ｈＡｌ／λ＝０．０６としたときに、Ｑｒ＝５１７５、Ｑａ＝４４１０、ｋ^２＝１２．９９％、ＴＣＦ－ｆｒ＝－３．４７ｐｐｍ／℃、ＴＣＦ－ｆａ＝－２７．３０ｐｐｍ／℃であった。それに対して実施例であるＳＡＷデバイスでは、ｈＬＴ／λ＝０．１８、ｈＡｌ／λ＝０．０６、ｈＳｉＯ_２／λ＝０．３のとき、Ｑｒ＝３８４７、Ｑａ＝３９５４、ｋ^２＝１２．５５％、ＴＣＦ－ｆｒ＝＋１１．９３ｐｐｍ／℃、ＴＣＦ－ｆａ＝－１１．３３ｐｐｍ／℃であった。従って、実施例のＳＡＷデバイスは比較例のＳＡＷデバイスに対して、Ｑ値及びｋ^２値を殆ど劣化させることなく、ＴＣＦが大幅に改善されたことになる。

また、実施例であるＳＡＷデバイスについて、ＴＣＦ－ｆｒ及びＴＣＦ－ｆａが最も０ｐｐｍ／℃に近づくパラメータを算出したところ、ｈＬＴ／λ＝０．１８、ｈＡｌ／λ＝０．０６、ｈＳｉＯ_２／λ＝０．８のとき、Ｑｒ＝４７１０、Ｑａ＝３９６３、ｋ^２＝９．５４％、ＴＣＦ－ｆｒ＝＋４．０６ｐｐｍ／℃、ＴＣＦ－ｆａ＝－０．４３ｐｐｍ／℃であった。従って、ｋ^２は、上記のようにｈＬＴ／λ＝０．１８、ｈＡｌ／λ＝０．０６、ｈＳｉＯ_２／λ＝０．３とした場合に比べて約０．７３倍となり減少するが、Ｑ値については略同等の値を維持しつつ、ＴＣＦ－ｆｒ、ＴＣＦ－ｆａ共に０ｐｐｍ／℃により近づく結果となった。従って、背景技術の項目で説明したようにＬＴ水晶接合基板における電極膜を形成することでＴＣＦが劣化する不具合について、実施例であるＳＡＷデバイスは改善することができる。

（第２の試験）
続いて、ＳＡＷデバイスの特性を確認するために行った第２の試験について説明する。この第２の試験においてはシミュレーションにより、水晶層３１、圧電層３３、電極指１８を構成する電極膜２３が下方側から、この順に積層されたＳＡＷデバイスを設定した。圧電層３３は、第１の試験と同様に３６°Ｙ－Ｘ ＬＴによって構成されている。また、λ＝２．１μｍ、ｈＬＴ／λ＝０．１５に夫々設定し、電極膜２３の厚さ（ｈＡｌ／λ）＝０．０９に設定した。そして、水晶層３１としてはＡＴカットされた水晶板とし、この水晶層３１における波の伝搬方向とＱ値（Ｑｒ及びＱａ）との関係を調べた。具体的に、オイラー角としての表記（φ、θ、ψ）でφ＝０°、θ＝１２５．２５°とし、ψについては０～３６０°の範囲内で変更した。

このオイラー角の表記について、図１８を参照して簡単に説明しておく。図中、互いに直交するＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸は水晶の結晶軸であり、互いに直交するｘ１軸、ｙ１軸、ｚ１軸については、方位を特定するために設定された座標系の座標軸である。Ｘ，Ｙ、Ｚがｘ１，ｙ１、ｚ１に各々一致した図１８（ａ）に示す状態は、φ＝０°、θ＝０°、ψ＝０°である。φは、この図１８（ａ）に示す状態から、Ｚ軸（この時点ではｚ１軸に一致している）を回転軸として、ｘ１、ｙ１、ｚ１の座標系を右ねじ方向に回転させた角度である（図１８（ｂ）参照）。θは、そのＺ軸回りの回転後にｘ１軸を回転軸としてｘ１、ｙ１、ｚ１の座標系を右ねじ方向に回転させた角度を示している（図１８（ｃ）参照）。このｚ１軸に垂直な面が、水晶層３１のカット面Ｃである。ψは、そのｘ１回りの回転後にｚ１軸を回転軸として、ｘ１、ｙ１、ｚ１の座標系を右ねじ方向に回転させた角度を示している（図１８（ｄ）参照）。このψの回転によって定まるｘ１軸の方向が波の伝搬方向（矢印Ｃ１として表示している）である。なお、座標系について右ねじ方向に回転すると説明したが、この右ねじ方向の回転とはφ、θ、ψについて各々＋の値をとる場合の回転であり、φ、θ、ψについて各々－の値をとるときは逆方向の回転である。

図１９に示すグラフに、この試験の結果を示している。グラフの横軸はθ（単位：°）をグラフの縦軸は１／Ｑとして夫々設定しており、実線でＱｒ、鎖線でＱａについての結果を夫々示している。このグラフに示すように、θが０°から上昇するにつれて１／Ｑｒ及び１／Ｑａの各々が上昇と下降とを概ね周期的に繰り返す結果となった。既述のように、ＳＡＷデバイスを２ＧＨｚ以上の帯域で使用する場合、Ｑ値＞１０００であることが好ましいので、１／Ｑｒ及び１／Ｑａは０．００１より低いことが好ましい。従って、グラフから－２０°（３４０°）≦ψ≦２０°、７０°≦ψ≦１１０°、１６０°≦ψ≦２００°及び２５０°≦ψ≦２９０°とすることが好ましい。また、－５°≦ψ≦５°、８５°≦ψ≦９５°、１７５°≦ψ≦１８５°及び２６５°≦ψ≦２７５°であるときには１／Ｑｒ及び１／Ｑａの値がより低くなるため、より好ましい。

図２で説明した基板３及び電極膜２３からなるＳＡＷデバイスの水晶層３１についても、θを上記のように示す範囲に設定することで、高いＱ値が得られると考えられる。なお（φ、θ、ψ）でφ＝０°、θ＝１２５．２５°としているが、φ、θについて、夫々この値から若干変化してもＱ値については大きく変化しないと考えられる。従ってφ、θについては例えば－２°≦φ≦２°、１２３．２５°≦θ≦１２７．２５の範囲内の値としてもＱ値を高くすることができると考えられる。また、結晶の対称性からθ＝－５４．２５°であってもよいと説明したが、この－５４．２５°から若干値が変化してもよく、－５６．７５°≦θ≦－５２．７５であってもよい。

ところで圧電層３３を構成するＬＴのカット角については、駆動させる縦波あるいは横波について大きく駆動させるものであればよく、上記のカット角に限られるものでは無い。例えば、３６°Ｙカットされたものとは若干異なるカットされたものを用いてもＳＡＷデバイスの特性は、既述した各実験結果から大きく変化しないと考えられる。例えば３１°～５０°ＹカットされたＬＴを圧電層３３として構成してもよい。また、この圧電層３３としてはＬＴに限られず、例えばＬｉＮｂＯ_３により構成してもよく、その場合においてもＳＡＷデバイスはＬＴを用いた場合と概ね同様の特性を得られると考えられる。

また、電極膜２３の厚さは上記の厚さには限られず、任意の厚さにすることができる。さらに電極膜２３の材料としては、上記のようにＡｌにより構成されることには限られず、Ａｕ（金）、Ｃｕ（銅）、Ｍｏ（モリブデン）、Ｗ（タングステン）、Ｐｔ（白金）、Ｓｃ（スカンジウム）、Ｔｉ（チタン）などの金属や、以上に挙げた金属を含む合金によって形成することができる。また、以上に挙げた金属の積層体によって電極膜２３を構成してもよい。ところで図２で説明した電極膜２３及び基板３の積層体は、図１に示したラダー型フィルタ１０以外にも、ラダー型フィルタを受信側フィルタ及び送信側フィルタに各々適用したデュプレクサや、あるいは共振子１を用いた発振器に適用することができる。つまり本発明のＳＡＷデバイスは、ラダー型フィルタ１０に限られるものではない。

１ ＳＡＷ共振子
１０ ラダー型フィルタ
１８ 電極指
２３ 電極膜
３ 基板
３１ 水晶層
３２ アモルファスＳｉＯ_２層
３３ 圧電層

Claims (9)

1. 水晶層と、
   前記水晶層上に積層された、厚さが１００ｎｍより大きいアモルファス酸化シリコン層と、
   前記アモルファス酸化シリコン層上に積層された圧電層と、
   前記圧電層上に形成され、当該圧電層に弾性表面波を励振するための櫛形電極と、を備え、
   前記弾性表面波の波長をλとすると、
   ０．１≦前記アモルファス酸化シリコン層の厚さ／λ≦１であり、
   ０．０８＜圧電層の厚さ／λ≦１であり、
   前記アモルファス酸化シリコン層は前記水晶層と前記圧電層とに接し、且つ当該水晶層及び当該圧電層の配列方向に分割されていないことを特徴とする弾性表面波デバイス。
2. 前記弾性表面波の周波数は２ＧＨｚ以上であることを特徴とする請求項１記載の弾性表面波デバイス。
3. 圧電層の厚さ／λ＜０．５であることを特徴とする請求項２記載の弾性表面波デバイス。
4. 前記アモルファス酸化シリコン層の厚さ／λ＜０．５であることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか一つに記載の弾性表面波デバイス。
5. 前記圧電層の厚さ／λをグラフの横軸に、前記アモルファス酸化シリコン層の厚さ／λをグラフの縦軸に夫々とったときに、（圧電層の厚さ／λ，アモルファス酸化シリコン層の厚さ／λ）＝（０．２，０．４）、（０．３，０．４）、（０．４，０．６）、（０．７，０．９）、（０．５，１．０）、（０．３，１．０）、（０．２，０．８）である各座標を直線で結んで得られる七角形の領域内に、当該圧電層の厚さ／λ、アモルファス酸化シリコン層の厚さ／λが各々含まれることを特徴とする請求項１または２記載の弾性表面波デバイス。
6. 前記圧電層の厚さ／λをグラフの横軸に、前記アモルファス酸化シリコン層の厚さ／λをグラフの縦軸に夫々とったときに、（圧電層の厚さ／λ，アモルファス酸化シリコン層の厚さ／λ）＝（０．１，０．１）、（０．４，０．１）、（０．３，０．５）、（０．２，０．５）、（０．１，０．４）である各座標を直線で結んで得られる五角形の領域内に、当該圧電層の厚さ／λ、アモルファス酸化シリコン層の厚さ／λが各々含まれることを特徴とする請求項１または２記載の弾性表面波デバイス。
7. 前記水晶層のカット面及び弾性表面波の伝搬方向がオイラー角表示（φ、θ、ψ）で、φについては－２°≦φ≦２°、
   θについては、１２３．２５°≦θ≦１２７．２５°または－５６．７５°≦θ≦－５２．７５°であり、且つ、
   ψについては、－２０°≦ψ≦２０°、７０≦ψ≦１１０°、１６０°≦ψ≦２００°あるいは２５０°≦ψ≦２９０°であることを特徴とする請求項１ないし６のいずれか一つに記載の弾性表面波デバイス。
8. 水晶層と、
   前記水晶層上に積層された、厚さが１００ｎｍより大きいアモルファス酸化シリコン層と、
   前記アモルファス酸化シリコン層上に積層された圧電層と、
   前記圧電層上に形成され、当該圧電層に２ＧＨｚ以上の弾性表面波を励振するための櫛形電極と、を備え、
   前記弾性表面波の波長をλとすると、
   前記アモルファス酸化シリコン層の厚さ／λ≦１であり、
   前記アモルファス酸化シリコン層は前記水晶層と前記圧電層とに接し、且つ当該水晶層及び当該圧電層の配列方向に分割されていないことを特徴とする弾性表面波デバイス。
9. 前記水晶層はＡＴカットされたことを特徴とする請求項１ないし８のいずれか一つに記載の弾性表面波デバイス。

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