(57)【要約】【課題】高い品質係数（Ｑ値が数千以上）を有し、かつ、ｋ２が２〜６％の範囲である境界弾性波装置を実現することのできる技術を提供する。【解決手段】所定のカット角θを有するθＹＸ−ＬＮ単結晶圧電基板１の表面に、境界弾性波の波長λの交差指形変換器（ＩＤＴ）、酸化珪素膜５、および窒化アルミニウム膜６が形成された境界弾性波共振器において、酸化珪素膜５の膜厚ｈ１およびカット角θ等を最適化する。例えば１２７．５°≦θ≦１２９．５°かつ２０％≦ｈ１／λ≦１００％とする。【選択図】図３
2011041127.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ニオブ酸リチウム圧電単結晶を主成分とし、θ回転Ｙカットに切り出された平面を有する第１の媒質と、
窒化物質を主成分とする第３の媒質と、
前記第１の媒質と前記第３の媒質とに挟まれ、酸化珪素を主成分とする第２の媒質と、
前記第１の媒質と前記第２の媒質とに挟まれ、かつ、前記第１の媒質の前記平面上に形成された交差指形変換器および反射器と、
を有し、前記交差指形変換器は主に境界弾性波を励振する弾性波装置であって、
前記境界弾性波の波長をλ、前記第２の媒質の厚さをｈ１、前記交差指形変換器の厚さをｈｍとしたとき、１％≦ｈｍ／λ≦８％であること、さらに、
１２４．５°≦θ＜１２５．５°かつ２０％≦ｈ１／λ≦４５％、
１２５．５°≦θ＜１２６．５°かつ２０％≦ｈ１／λ≦４５％、
１２６．５°≦θ＜１２７．５°かつ２０％≦ｈ１／λ≦４７％、
１２６．５°≦θ＜１２７．５°かつ８７％≦ｈ１／λ≦１００％、
１２７．５°≦θ＜１２８．５°かつ２０％≦ｈ１／λ≦１００％、
１２８．５°≦θ＜１２９．５°かつ２０％≦ｈ１／λ≦１００％、
１２９．５°≦θ＜１３０．５°かつ２０％≦ｈ１／λ≦７５％、
１３０．５°≦θ＜１３１．５°かつ２０％≦ｈ１／λ≦６１％、
１３１．５°≦θ≦１３２．５°かつ３３％≦ｈ１／λ≦５７％
の不等号式群のひとつに当てはまることを特徴とする弾性波装置。
【請求項２】
ニオブ酸リチウム圧電単結晶を主成分とし、θ回転Ｙカットに切り出された平面を有する第１の媒質と、
窒化物質を主成分とする第３の媒質と、
前記第１の媒質と前記第３の媒質とに挟まれ、酸化珪素を主成分とする第２の媒質と、
前記第１の媒質と前記第２の媒質とに挟まれ、かつ、前記第１の媒質の前記平面上に形成された交差指形変換器および反射器と、
を有し、前記交差指形変換器は主に境界弾性波を励振する弾性波装置であって、
前記境界弾性波の波長をλ、前記第２の媒質の厚さをｈ１、前記交差指形変換器の厚さをｈｍとしたとき、１％≦ｈｍ／λ≦８％であること、さらに、
１２４．５°≦θ＜１２５．５°かつ５５％≦ｈ１／λ≦７３％、
１２５．５°≦θ＜１２６．５°かつ５９％≦ｈ１／λ≦８３％、
１２６．５°≦θ＜１２７．５°かつ６３％≦ｈ１／λ≦１００％、
１２７．５°≦θ＜１２８．５°かつ６７％≦ｈ１／λ≦１００％、
１２８．５°≦θ＜１２９．５°かつ７５％≦ｈ１／λ≦１００％、
１２９．５°≦θ＜１３０．５°かつ８５％≦ｈ１／λ≦１００％、
１３０．５°≦θ＜１３１．５°かつ９３％≦ｈ１／λ≦１００％、
１３１．５°≦θ≦１３２．５°かつ９５％≦ｈ１／λ≦１００％
の不等号式群のひとつに当てはまることを特徴とする弾性波装置。
【請求項３】
ニオブ酸リチウム圧電単結晶を主成分とし、θ回転Ｙカットに切り出された平面を有する第１の媒質と、
窒化物質を主成分とする第３の媒質と、
前記第１の媒質と前記第３の媒質とに挟まれ、酸化珪素を主成分とする第２の媒質と、
前記第１の媒質と前記第２の媒質とに挟まれ、かつ、前記第１の媒質の前記平面上に形成された交差指形変換器および反射器と、
を有し、前記交差指形変換器は主に境界弾性波を励振する弾性波装置であって、
前記境界弾性波の波長をλ、前記第２の媒質の厚さをｈ１、前記交差指形変換器の厚さをｈｍとしたとき、１％≦ｈｍ／λ≦８％であること、さらに、
５％≦ｈ１／λ＜１５％かつ６５°≦θ≦９５°、
１５％≦ｈ１／λ＜２５％かつ３５°≦θ≦１３５°、
２５％≦ｈ１／λ≦９５％かつ２５°≦θ≦１４５°
の不等号式群のひとつに当てはまることを特徴とする弾性波装置。
【請求項４】
請求項３記載の弾性波装置において、さらに、
５％≦ｈ１／λ＜２５％かつ７５°≦θ≦８５°、
２５％≦ｈ１／λ≦９５％かつ６５°≦θ≦９５°
の不等号式群のひとつに当てはまることを特徴とする弾性波装置。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか１項に記載の弾性波装置において、前記交差指形変換器はアルミニウムを主成分とする金属で構成されていることを特徴とする弾性波装置。
【請求項６】
請求項１〜４のいずれか１項に記載の弾性波装置において、前記反射器は開放型反射器であることを特徴とする弾性波装置。
【請求項７】
請求項１〜４のいずれか１項に記載の弾性波装置において、前記反射器は短絡型反射器であることを特徴とする弾性波装置。
【請求項８】
請求項１〜４のいずれか１項に記載の弾性波装置において、前記第３の媒質の結晶のＣ軸の向きは、ランダムであることを特徴とする弾性波装置。
【請求項９】
請求項１〜４のいずれか１項に記載の弾性波装置において、前記第３の媒質はアモルファス状態であることを特徴とする弾性波装置。
【請求項１０】
請求項１〜４のいずれか１項に記載の弾性波装置において、前記第３の媒質は窒化アルミニウム膜であることを特徴とする弾性波装置。
【請求項１１】
請求項１または２記載の弾性波装置において、前記境界弾性波は漏洩境界弾性波であることを特徴とする弾性波装置。
【請求項１２】
請求項３または４記載の弾性波装置において、前記境界弾性波は非漏洩境界弾性波であることを特徴とする弾性波装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、弾性波装置に関し、特に、圧電性物質と境界弾性波用交差指形変換器（Inter-Digital Transducer；ＩＤＴ）とを備え、高周波用通信機器の共振器やフィルタ等の固体回路素子を構成する境界弾性波装置に適用して有効な技術に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
境界弾性波装置は、中空パッケージを不要にできるため、また温度補償膜として酸化珪素を用いることができるため、小型で優れた温度安定性を有する。
【０００３】
例えば国際特許公開ＷＯ  ９８／０５２２７９号パンフレット（特許文献1）には、漏洩境界弾性波を対象に、ニオブ酸リチウム圧電単結晶を主成分とし、θ回転Ｙカットに切り出され、弾性波の伝搬方向をＸ軸方向とした基板（以下、θＹＸ−ＬＮ単結晶圧電基板と略す）上に、ＩＤＴ、酸化珪素膜、および多結晶珪素膜を具備した境界弾性波共振器において、伝搬損失とカット角、および伝搬損失と多結晶珪素膜の膜厚との関係が開示されている。また、多結晶珪素膜の代わりに窒化アルミニウム膜を用いることができることも開示されている。
【０００４】
また、特開平１０−８４２４７号公報（特許文献２）には、漏洩境界弾性波を対象に、θＹＸ−ＬＮ単結晶圧電基板上にＩＤＴ、酸化珪素膜、および単結晶珪素基板を具備した境界弾性波装置において、伝搬損失とカット角との関係が開示されている。
【０００５】
また、国際特許公開ＷＯ  ０５／０６９４８５号パンフレット（特許文献３）および国際特許公開ＷＯ  ０６／１１４９３０号パンフレット（特許文献４）には、境界弾性波を対象とする、伝搬損失の小さい境界弾性波装置が開示されている。
【０００６】
また、J. J. Campbell and W. R. Jones, “A method for estimating optimal cuts and propagation directions for excitation of piezoelectric surface waves”, IEEE Trans. Sonics and Ultrason., Vol. SU-15 pp. 209-217 (1968)（非特許文献１）には、境界弾性波の伝搬損失を推測する手法が報告されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】国際特許公開ＷＯ  ９８／０５２２７９号パンフレット
【特許文献２】特開平１０−８４２４７号公報
【特許文献３】国際特許公開ＷＯ  ０５／０６９４８５号パンフレット
【特許文献４】国際特許公開ＷＯ  ０６／１１４９３０号パンフレット
【非特許文献】
【０００８】
【非特許文献１】J. J. Campbell and W. R. Jones, “A method for estimating optimal cuts and propagation directions for excitation of piezoelectric surface waves”, IEEE Trans. Sonics and Ultrason., Vol. SU-15 pp. 209-217 (1968)
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
一般に、高周波フィルタには、高い品質係数（Ｑ値）および製造の容易さが要求される。特に、携帯電話に代表される通信機器用途では数千以上のＱ値が求められている。
【００１０】
本発明者らが検討しているＩＤＴにおいて励振／共振する主な境界弾性波は、漏洩境界弾性波である。境界弾性波共振器では、スプリアス弾性波として、ストンリー波型境界弾性波、遅い横波バルク波、速い横波バルク波、および縦波バルク波が発生する。密度の小さい金属によってＩＤＴを構成した境界弾性波共振器では、漏洩境界弾性波は遅い横波バルク波の音速と速い横波バルク波の音速との間の音速を有する。概ね４０００〜４８００ｍ／ｓの間の音速を有する。つまり、低周波側の比較的近くに遅い横波バルク波が、それよりさらに低周波にストンリー波型境界弾性波が、高周波側の比較的近くに速い横波バルク波が、それよりさらに高周波に縦波バルク波が発生する。そのため高周波フィルタを実現する場合は、主信号の近くに発生する遅い横波バルク波および速い横波バルク波を抑圧する必要がある。さらに、θＹＸ−ＬＮ単結晶圧電基板を用いた境界弾性波共振器の電気特性を調べたところ、遅い横波バルク波は音速４０００ｍ／ｓ近傍であり、そのため遅い横波バルク波は漏洩境界弾性波の直列共振周波数の直下に発生し、かつ、ＩＤＴと強く結合しているという結果が得られた。遅い横波バルク波と漏洩境界弾性波との音速差が小さいほどフィルタ特性に悪影響を与えるため、高周波フィルタを実現するには、漏洩境界弾性波を遅い横波バルク波より充分高い音速にする必要がある。
【００１１】
また、本発明者らが検討しているＩＤＴにおいて励振／共振する主な境界弾性波は、漏洩境界弾性波であり、弾性的な伝搬損失を有する。従って、境界弾性波装置において充分高いＱ値を得るためには、材料、膜厚、カット角等の境界弾性波共振器の構造を最適化することにより、ＩＤＴにおける伝搬損失を最小（弾性的なＱ値を最大）にする必要がある。
【００１２】
さらに、ＵＭＴＳ携帯電話システムでは、ＲＦ帯において急峻なフィルタ特性を有する分波器が必要とされている。最も送受信間隔の狭いバンド２（送受信間隔１％程度）から最も広いバンド４（送受信間隔１７％程度）まで、さまざまバンドがあり、それらに適した電気機械結合係数（以下ｋ２と略す）を有する境界弾性波を必要とする。ｋ２が送受信間隔の２倍と一致するとき、最も急峻なフィルタ特性を実現することができる。例えば上記特許文献１および２に記載された境界弾性波は８％以上の大きいｋ２を有する。しかしながら、ｋ２が２〜８％の境界弾性波が必要とされているにもかかわらず、未だ２〜８％のｋ２を有する境界弾性波は実現されていない。
【００１３】
上記特許文献１には、図２４に示すようなθＹＸ−ＬＮ単結晶圧電基板５１上にＩＤＴ５２、酸化珪素膜５３、および多結晶珪素膜５４を具備した境界弾性波共振器において、図２５（上記特許文献１の第１０図（ｃ））に示すように、弾性的なＱ値が千以上（伝搬損失が０．０５６ｄＢ以下の範囲）となるカット角θおよび多結晶珪素膜の膜厚ｈ１の値が記されている。すなわち、０.５８５λ≦ｈ１かつ２３°≦θ≦９５°（本願発明における表記では１０３°≦θ≦１８５°）とした境界弾性波装置が開示されている。ここで、λは境界弾性波の波長である。しかしながら、前提としてＱ値を千以上としたこの範囲では、用途が最近の通信機器に代表される、例えば２ＧＨｚクラスの高周波フィルタにおいて十分な精度は得られない。
【００１４】
また、上記特許文献１で対象としている多結晶珪素膜は、導電性と低い抵抗値を有する。そのため、図２５に示したカット角θおよび多結晶珪素膜の膜厚ｈ１の値をそのまま用いたとしても、弾性的なＱ値を最近の境界弾性波装置に要求される数千〜１万程度まで高めることはできない。
【００１５】
また、上記特許文献１の１２頁には、多結晶珪素膜に代えて窒化アルミニウム膜を用いることができることも開示されている。しかし、窒化アルミニウム膜を用いた境界弾性波共振器における弾性的なＱ値が数千以上となるカット角θおよび多結晶珪素膜の膜厚ｈ１の関係については記載されていない。窒化アルミニウムや窒化珪素に代表される窒化物質を主成分とする膜の弾性定数は多結晶珪素膜の弾性定数より格段に大きいため、上記特許文献１の多結晶珪素膜に関する記載からこの関係を類推することは不可能である。
【００１６】
また、上記特許文献２には、最上層に単結晶珪素基板を用いており、単結晶珪素基板は導電性と低い抵抗値を有するため、境界弾性波装置のＱ値を高めることはできない。また、単結晶珪素基板を最上層に形成するには特殊な製造装置を必要とするため、その製造においてコストの増加やＴＡＴの増加などの課題が生じる。
【００１７】
本発明の目的は、高い品質係数（Ｑ値が数千以上）を有し、かつ、ｋ２が２〜６％の範囲である境界弾性波装置を実現することのできる技術を提供することにある。
【００１８】
また、本発明の目的は、高い品質係数（Ｑ値が数千以上）を有し、かつ、ｋ２が２〜６％の範囲である境界弾性波装置を容易に製造することのできる技術を提供することにある。
【００１９】
本発明の前記ならびにその他の目的と新規な特徴は、本明細書の記述および添付図面から明らかになるであろう。
【課題を解決するための手段】
【００２０】
本願において開示される発明のうち、代表的なものの一実施の形態を簡単に説明すれば、次のとおりである。
【００２１】
この実施の形態は、ニオブ酸リチウム圧電単結晶を主成分とし、θ回転Ｙカットに切り出された平面を有し、弾性波の伝搬方向をＸ軸と平行な方向とするθＹＸ−ＬＮ単結晶圧電基板上に、ＩＤＴ、酸化珪素膜、および多結晶珪素膜を具備した境界弾性波共振器を有する弾性波装置である。
【００２２】
ＩＤＴは主に境界弾性波を励振し、境界弾性波の波長をλ、酸化珪素膜の厚さをｈ１、ＩＤＴの厚さをｈｍとしたとき、１％≦ｈｍ／λ≦８％であること、さらに、１２４．５°≦θ＜１２５．５°かつ２０％≦ｈ１／λ≦４５％、１２５．５°≦θ＜１２６．５°かつ２０％≦ｈ１／λ≦４５％、１２６．５°≦θ＜１２７．５°かつ２０％≦ｈ１／λ≦４７％、１２６．５°≦θ＜１２７．５°かつ８７％≦ｈ１／λ≦１００％、１２７．５°≦θ＜１２８．５°かつ２０％≦ｈ１／λ≦１００％、１２８．５°≦θ＜１２９．５°かつ２０％≦ｈ１／λ≦１００％、１２９．５°≦θ＜１３０．５°かつ２０％≦ｈ１／λ≦７５％、１３０．５°≦θ＜１３１．５°かつ２０％≦ｈ１／λ≦６１％、１３１．５°≦θ≦１３２．５°かつ３３％≦ｈ１／λ≦５７％の不等号式群のひとつに当てはまることを特徴とするものである。
【００２３】
また、ＩＤＴは主に境界弾性波を励振し、境界弾性波の波長をλ、酸化珪素膜の厚さをｈ１、ＩＤＴの厚さをｈｍとしたとき、１％≦ｈｍ／λ≦８％であること、さらに、１２４．５°≦θ＜１２５．５°かつ５５％≦ｈ１／λ≦７３％、１２５．５°≦θ＜１２６．５°かつ５９％≦ｈ１／λ≦８３％、１２６．５°≦θ＜１２７．５°かつ６３％≦ｈ１／λ≦１００％、１２７．５°≦θ＜１２８．５°かつ６７％≦ｈ１／λ≦１００％、１２８．５°≦θ＜１２９．５°かつ７５％≦ｈ１／λ≦１００％、１２９．５°≦θ＜１３０．５°かつ８５％≦ｈ１／λ≦１００％、１３０．５°≦θ＜１３１．５°かつ９３％≦ｈ１／λ≦１００％、１３１．５°≦θ≦１３２．５°かつ９５％≦ｈ１／λ≦１００％の不等号式群のひとつに当てはまることを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００２４】
本願において開示される発明のうち、代表的なものの一実施の形態によって得られる効果を簡単に説明すれば以下のとおりである。
【００２５】
高い品質係数（Ｑ値が数千以上）を有し、かつ、ｋ２が２〜６％の範囲である境界弾性波装置を実現することができる。また、高い品質係数（Ｑ値が数千以上）を有し、かつ、ｋ２が２〜６％の範囲である境界弾性波装置を容易に製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】本発明の実施の形態１による境界弾性波共振器の要部平面図である。
【図２】図１のI−I′線に沿った要部断面図である。
【図３】本発明の実施の形態１による電極指の膜厚、酸化珪素膜の膜厚、窒化アルミニウム膜の膜厚、界面の起伏量、電極指の線幅、電極指の間隙、および励起される境界弾性波の波長の定義を説明する図である。
【図４】本発明の実施の形態１による３媒質構造の境界弾性波共振器の解析に用いたモデル図である。
【図５】（ａ）および（ｂ）はそれぞれ本発明の実施の形態１による境界弾性波共振器のθ＝１２５°の場合の１／Ｑとｈ１／λとの関係を示すグラフ図およびｋ２とｈ１／λとの関係を示すグラフ図である。
【図６】（ａ）および（ｂ）はそれぞれ本発明の実施の形態１による境界弾性波共振器のθ＝１２６°の場合の１／Ｑとｈ１／λとの関係を示すグラフ図およびｋ２とｈ１／λとの関係を示すグラフ図である。
【図７】（ａ）および（ｂ）はそれぞれ本発明の実施の形態１による境界弾性波共振器のθ＝１２７°の場合の１／Ｑとｈ１／λとの関係を示すグラフ図およびｋ２とｈ１／λとの関係を示すグラフ図である。
【図８】（ａ）および（ｂ）はそれぞれ本発明の実施の形態１による境界弾性波共振器のθ＝１２８°の場合の１／Ｑとｈ１／λとの関係を示すグラフ図およびｋ２とｈ１／λとの関係を示すグラフ図である。
【図９】（ａ）および（ｂ）はそれぞれ本発明の実施の形態１による境界弾性波共振器のθ＝１２９°の場合の１／Ｑとｈ１／λとの関係を示すグラフ図およびｋ２とｈ１／λとの関係を示すグラフ図である。
【図１０】（ａ）および（ｂ）はそれぞれ本発明の実施の形態１による境界弾性波共振器のθ＝１３０°の場合の１／Ｑとｈ１／λとの関係を示すグラフ図およびｋ２とｈ１／λとの関係を示すグラフ図である。
【図１１】（ａ）および（ｂ）はそれぞれ本発明の実施の形態１による境界弾性波共振器のθ＝１３１°の場合の１／Ｑとｈ１／λとの関係を示すグラフ図およびｋ２とｈ１／λとの関係を示すグラフ図である。
【図１２】（ａ）および（ｂ）はそれぞれ本発明の実施の形態１による境界弾性波共振器のθ＝１３２°の場合の１／Ｑとｈ１／λとの関係を示すグラフ図およびｋ２とｈ１／λとの関係を示すグラフ図である。
【図１３】本発明の実施の形態２による境界弾性波の存在するｈ１／λおよびカット角θの範囲を示したグラフ図である。
【図１４】本発明の実施の形態２による境界弾性波共振器のｈ１／λ＝１０％の場合の境界弾性波のｋ２を示すグラフ図である。
【図１５】本発明の実施の形態２による境界弾性波共振器のｈ１／λ＝２０％の場合の境界弾性波のｋ２を示すグラフ図である。
【図１６】本発明の実施の形態２による境界弾性波共振器のｈ１／λ＝３０％の場合の境界弾性波のｋ２を示すグラフ図である。
【図１７】本発明の実施の形態２による境界弾性波共振器のｈ１／λ＝４０％の場合の境界弾性波のｋ２を示すグラフ図である。
【図１８】本発明の実施の形態２による境界弾性波共振器のｈ１／λ＝５０％の場合の境界弾性波のｋ２を示すグラフ図である。
【図１９】本発明の実施の形態２による境界弾性波共振器のｈ１／λ＝６０％の場合の境界弾性波のｋ２を示すグラフ図である。
【図２０】本発明の実施の形態２による境界弾性波共振器のｈ１／λ＝７０％の場合の境界弾性波のｋ２を示すグラフ図である。
【図２１】本発明の実施の形態２による境界弾性波共振器のｈ１／λ＝８０％の場合の境界弾性波のｋ２を示すグラフ図である。
【図２２】本発明の実施の形態２による境界弾性波共振器のｈ１／λ＝９０％の場合の境界弾性波のｋ２を示すグラフ図である。
【図２３】短絡型反射器の反射率と開放型反射器の反射率とを比較したグラフ図である。
【図２４】本発明者らが検討した境界弾性波共振器の一例を示す要部断面図である。
【図２５】本発明者らが検討した弾性的なＱ値が千以上（伝搬損失が０．０５６ｄＢ以下の範囲）となるカット角θの範囲を示すグラフ図である。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
以下の実施の形態において、便宜上その必要があるときは、複数のセクションまたは実施の形態に分割して説明するが、特に明示した場合を除き、それらはお互いに無関係なものではなく、一方は他方の一部または全部の変形例、詳細、補足説明等の関係にある。
【００２８】
また、以下の実施の形態において、要素の数等（個数、数値、量、範囲等を含む）に言及する場合、特に明示した場合および原理的に明らかに特定の数に限定される場合等を除き、その特定の数に限定されるものではなく、特定の数以上でも以下でも良い。さらに、以下の実施の形態において、その構成要素（要素ステップ等も含む）は、特に明示した場合および原理的に明らかに必須であると考えられる場合等を除き、必ずしも必須のものではないことは言うまでもない。同様に、以下の実施の形態において、構成要素等の形状、位置関係等に言及するときは、特に明示した場合および原理的に明らかにそうでないと考えられる場合等を除き、実質的にその形状等に近似または類似するもの等を含むものとする。このことは、上記数値および範囲についても同様である。
【００２９】
また、以下の実施の形態を説明するための全図において、同一機能を有するものは原則として同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。
【００３０】
（実施の形態１）
本実施の形態１による境界弾性波装置について図１〜図１２を用いて説明する。図１は境界弾性波共振器の要部平面図、図２は図１のI−I′線に沿った要部断面図、図３は電極指の膜厚、酸化珪素膜の膜厚、窒化アルミニウム膜の膜厚、界面の起伏量、電極指の線幅、電極指の間隔、および励起される境界弾性波の波長の定義を説明する図、図４は３媒質構造の境界弾性波共振器の解析に用いたモデル図、図５はθ＝１２５°の場合の境界弾性波の伝搬特性を示すグラフ図、図６はθ＝１２６°の場合の境界弾性波の伝搬特性を示すグラフ図、図７はθ＝１２７°の場合の境界弾性波の伝搬特性を示すグラフ図、図８はθ＝１２８°の場合の境界弾性波の伝搬特性を示すグラフ図、図９はθ＝１２９°の場合の境界弾性波の伝搬特性を示すグラフ図、図１０はθ＝１３０°の場合の境界弾性波の伝搬特性を示すグラフ図、図１１はθ＝１３１°の場合の境界弾性波の伝搬特性を示すグラフ図、図１２はθ＝１３２°の場合の境界弾性波の伝搬特性を示すグラフ図である。
【００３１】
図１および図２に示すように、本実施の形態１による境界弾性波共振器は、一開口共振器であって、櫛形電極上に形成された２種類の膜の存在を除いて、従来の表面弾性波共振器の構成と同じである。すなわち、θＹＸ−ＬＮ単結晶圧電基板（第１の媒質）１の表面に、アルミニウムを主成分とする金属膜により櫛形の２つのＩＤＴ（櫛形電極）１４がパターニングされている。それぞれのＩＤＴ１４はバスバー２および電極指３により構成されており、電極指３が互いに間挿された２つのＩＤＴ１４間に高周波信号が加えられる。隣接する電極指３の間には所定の幅の間隙Ｓが設けられている。ＩＤＴ１４の両側にはアルミニウムを主成分とする金属膜で形成された反射器４ａ，４ｂが設置されている。ＩＤＴ１４および反射器４ａ，４ｂの上には酸化珪素膜（第２の媒質）５が形成されており、酸化珪素膜５の上には窒化アルミニウム膜（第３の媒質）６が形成されている。
【００３２】
ＩＤＴ１４を構成する電極指３の膜厚は、例えば０．０７０μｍ、電極指３の線幅Ｌは、例えば０．５μｍ、電極指３の間隔Ｓは、例えば０．５μｍ、電極ピッチ（電極指３の周期）λは、例えば２μｍ、電極指３の対数は、例えば１００対である。また、開口長は、例えば１０λである。また、酸化珪素膜５の膜厚は、例えば１．４μｍ、窒化アルミニウム膜６の膜厚は、例えば６μｍである。
【００３３】
本実施の形態１による境界弾性波共振器の特徴は、θＹＸ−ＬＮ単結晶圧電基板１、酸化珪素膜５、および窒化アルミニウム膜６の３媒質構造を成し、境界弾性波が閉じこめられる媒質（酸化珪素膜５）と、電気信号と機械信号との変換を行う媒質（θＹＸ−ＬＮ単結晶圧電基板１）とを分けて、境界弾性波が閉じこめられる媒質に非圧電非金属膜を用い、酸化珪素膜５の膜厚、およびカット角等を以下に述べるように所定の範囲とすることにある。なお、本願発明が、ＩＤＴ１４の構造または個数、あるいは電極指３の膜厚に関して限定されるものではないことはいうまでもない。
【００３４】
次に、境界弾性波共振器シミュレーション技術を用いて、本実施の形態１による境界弾性波装置の境界弾性波の伝搬特性を求める手法について説明する。
【００３５】
まず、図３に示すように、境界弾性波共振器の電極指３の膜厚をｈｍ、電極指３の線幅をＬ、電極指３の間隔をＳ、酸化珪素膜５の膜厚をｈ１、窒化アルミニウム膜６の膜厚をｈ２、および界面７の起伏量をｈΔとし、さらに励起される境界弾性波の波長（電極ピッチと一致）をλと定義する。
【００３６】
酸化珪素膜５と窒化アルミニウム膜６との界面７は電極指３の膜厚ｈｍに依存して波打っている。そのため、ここでは、酸化珪素膜５の膜厚ｈ１を電極指３の上面から界面７の最下面までの距離、窒化アルミニウム膜６の膜厚ｈ２を界面７の最上面から窒化アルミニウム膜６の表面の最下面までの距離で定義した。
【００３７】
境界弾性波共振器の共振周波数は、境界弾性波の伝搬速度および電極ピッチλの比で決まる。θＹＸ−ＬＮ単結晶圧電基板１上に存在する境界弾性波の音速は４３００ｍ／ｓ前後であり、２ＧＨｚ帯で電極ピッチλは約２μｍになる。このときの電極指３の線幅Ｌと電極指３の間隔Ｓは比較的自由に設定できる。しかし、量産性を考慮すると電極指３の線幅Ｌおよび電極指３の間隔Ｓは共に大きい方がよい。すなわち、電極指３の線幅Ｌおよび電極指３の間隔Ｓが０．５μｍのとき、最小加工寸法が最も大きくなり、量産性に優れる。
【００３８】
境界弾性波の伝搬損失は、電極指３の間隔Ｓの影響を強く受ける。例えば前述した非特許文献１に記載された計算手法では、電極を一様な金属膜で近似するため、電極の総重量が２倍となり質量負荷を過剰に取り込んでしまう、電極指３の端部での境界弾性波の反射／局在が考慮できない、酸化珪素膜５と窒化アルミニウム膜６との界面７の形状が考慮できない等の問題がある。そこで、本発明者らは、前述した特許文献１に記載された境界弾性波共振器シミュレーション技術を用いて、ＩＤＴ１４の形状等、全ての効果を考慮して、境界弾性波の伝搬特性を詳細に検討した。
【００３９】
ところで、最近の境界弾性波装置に要求される弾性的な高いＱ値を得るためには、市販の成膜装置を用いた酸化珪素膜５の成膜工程において発生する酸化珪素膜５の表面の起伏量、換言すると界面７の起伏量ｈΔの大きさを無視することができない。
【００４０】
そこで、本発明者らは、界面７の起伏量ｈΔは、酸化珪素膜５の成膜条件により０＜ｈΔ＜ｈｍの範囲で変化することから、実際の境界弾性波共振器では、界面７の起伏量ｈΔが０（ｈΔ＝０）のときの形状と界面７の起伏量ｈΔがｈｍ（ｈΔ＝ｈｍ）のときの形状との間で弾性特性を示すことに着目し、また、界面７の起伏量ｈΔは小さい方が低損失であることに着目した。そして、図４に示すように、最も悪い条件であるｈΔ＝ｈｍにおいて、Ｑ値の良くなるカット角θおよびｈ１／λの値を求めた。これらの結果を用いることにより、酸化珪素膜５や窒化アルミニウム膜６の形成に特殊な成膜条件や成膜装置を用いる必要がなくなるため、境界弾性波共振器を容易に製造することができる。
【００４１】
この他、高いＱ値を得るためには、導波路膜の膜質劣化についても配慮する必要がある。また、境界弾性波共振器は、直列共振周波数および並列共振周波数の両方で高Ｑ値であることが望ましい。本発明者らはこれらの点を考慮して、その両端周波数でのＱ値、つまり、直列共振Ｑおよび並列共振Ｑにおいて境界弾性波を評価した。
【００４２】
また、成膜装置で形成される酸化珪素膜５は、通常多孔質膜である。多孔質膜の膜質を評価するパラメータは、前述した特許文献１に記載されている密度減少率δを用いた。酸化珪素膜５の弾性定数Ｃ１１，Ｃ４４および密度ｐは、
Ｃ１１＝Ｃｏ１１×ｅ−３×δ
Ｃ４４＝Ｃｏ４４×ｅ−３．９×δ
ｐ＝ｐｏ×（１−δ）
で表わされる。ここで、Ｃｏ１１、Ｃｏ４４、およびｐｏには最も緻密な酸化珪素である石英ガラスの弾性定数および密度の値を用いた。
【００４３】
酸化珪素膜５の密度減少率δは、成膜温度およびガス比率を最適化してスパッタリング法により酸化珪素膜５を形成することにより、概ねδ＝０.０１５程度まで小さくすることができる。本発明者らはこの点を考慮して、密度減少率δ＝０．０１５の場合の境界弾性波を検討した。また電極指３の線幅Ｌと電極指３の間隔Ｓの比は１とした。
【００４４】
前述のように定義した電極指３の膜厚ｈｍ、酸化珪素膜５の膜厚ｈ１、カット角θ、酸化珪素膜５の密度減少率δ、および界面７の起伏量ｈΔを考慮して、境界弾性波装置の境界弾性波の共振特性を境界弾性波共振器シミュレーション技術により求めた。その結果の一例を図５〜図１２に示す。図５〜図１２には、δ＝０．０１５およびｈｍ／λ＝８％の場合に、カット角θを変えて、共振／反共振が１／Ｑ≦０．０００１の条件を満たすｈ１／λの範囲を求めた結果を示している。
【００４５】
図５に示すθ＝１２５°の場合、直列共振Ｑは、５５％≦ｈ１／λ≦７３％において、１００００以上である。また、並列共振Ｑは、２０％≦ｈ１／λ≦４５％において、１００００以上である。ｋ２は、全てのｈ１／λにおいて、２％より大きい。
【００４６】
図６に示すθ＝１２６°の場合、直列共振Ｑは、５９％≦ｈ１／λ≦８３％において、１００００以上である。また、並列共振Ｑは、２０％≦ｈ１／λ≦４５％において、１００００以上である。ｋ２は、全てのｈ１／λにおいて、２％より大きい。
【００４７】
図７に示すθ＝１２７°の場合、直列共振Ｑは、６３％≦ｈ１／λ≦１００％において、１００００以上である。また、並列共振Ｑは、２０％≦ｈ１／λ≦４７％および８７％≦ｈ１／λ≦１００％において、１００００以上である。ｋ２は、全てのｈ１／λにおいて、２％より大きい。
【００４８】
図８に示すθ＝１２８°の場合、直列共振Ｑは、６７％≦ｈ１／λ≦１００％において、１００００以上である。また、並列共振Ｑは、全てのｈ１／λ（２０％≦ｈ１／λ≦１００％）において、１００００以上である。ｋ２は、全てのｈ１／λにおいて、２％より大きい。
【００４９】
図９に示すθ＝１２９°の場合、直列共振Ｑは、７５％≦ｈ１／λ≦１００％において、１００００以上である。また、並列共振Ｑは、全てのｈ１／λ（２０％≦ｈ１／λ≦１００％）において、１００００以上である。ｋ２は、全てのｈ１／λにおいて、２％より大きい。
【００５０】
図１０に示すθ＝１３０°の場合、直列共振Ｑは、８５％≦ｈ１／λ≦１００％において、１００００以上である。また、並列共振Ｑは、２０％≦ｈ１／λ≦７５％において、１００００以上である。ｋ２は、全てのｈ１／λにおいて、２％より大きい。
【００５１】
図１１に示すθ＝１３１°の場合、直列共振Ｑは、９３％≦ｈ１／λ≦１００％において、１００００以上である。また並列共振Ｑは、２０％≦ｈ１／λ≦６１％において、１００００以上である。ｋ２は、全てのｈ１／λにおいて、２％より大きい。
【００５２】
図１２に示すθ＝１３２°の場合、直列共振Ｑは、９５％≦ｈ１／λ≦１００％において、１００００以上である。また、並列共振Ｑは、３３％≦ｈ１／λ≦５７％において、１００００以上である。ｋ２は、全てのｈ１／λにおいて、２％より大きい。
【００５３】
図５〜図１２における評価点は離散的ではあるが、Ｑ値およびｋ２はこれらのパラメータに対して連続に変化するため、評価点間でも内挿することにより、容易にＱ値を知ることができる。
【００５４】
このように、本実施の形態１によれば、所定のカット角θを有するθＹＸ−ＬＮ単結晶圧電基板１を用いて、酸化珪素膜５の膜厚ｈ１およびカット角θ等を最適化することにより、高い品質係数（Ｑ値が数千以上）で、かつ、ｋ２が２〜６％を有する境界弾性波装置を提供することができる。また、境界弾性波共振器の製造に汎用の製造装置等を用いることができるので、境界弾性波装置を容易に製造することができる。
【００５５】
（実施の形態２）
本実施の形態２による境界弾性波装置について図１３〜図２３を用いて説明する。図１３は境界弾性波の存在するｈ１／λおよびカット角θの範囲を示したグラフ図、図１４はｈ１／λ＝１０％の場合の境界弾性波のｋ２を示したグラフ図、図１５はｈ１／λ＝２０％の場合の境界弾性波のｋ２を示したグラフ図、図１６はｈ１／λ＝３０％の場合の境界弾性波のｋ２を示したグラフ図、図１７はｈ１／λ＝４０％の場合の境界弾性波のｋ２を示したグラフ図、図１８はｈ１／λ＝５０％の場合の境界弾性波のｋ２を示したグラフ図、図１９はｈ１／λ＝６０％の場合の境界弾性波のｋ２を示したグラフ図、図２０はｈ１／λ＝７０％の場合の境界弾性波のｋ２を示したグラフ図、図２１はｈ１／λ＝８０％の場合の境界弾性波のｋ２を示したグラフ図、図２２はｈ１／λ＝９０％の場合の境界弾性波のｋ２を示したグラフ図、図２３は短絡型反射器の反射率と開放型反射器の反射率とを比較したグラフ図である。
【００５６】
本実施の形態２による境界弾性波共振器は、ニオブ酸リチウム圧電単結晶を主成分とし、θ回転Ｙカットに切り出され、弾性波の伝搬方向をＸ軸と直交する方向とした基板（以下θＹＺ′−ＬＮ単結晶圧電基板と略す）を用いていることを除いては、前述した実施の形態１による境界弾性波共振器の構成と同じである。
【００５７】
本実施の形態２による境界弾性波共振器の特徴は、θＹＺ′−ＬＮ単結晶圧電基板、酸化珪素膜、および窒化アルミニウム膜の３媒質構造を成し、境界弾性波が閉じこめられる媒質（酸化珪素膜）と、電気信号と機械信号との変換を行う媒質（θＹＺ′−ＬＮ単結晶圧電基板）とを分けて、境界弾性波が閉じこめられる媒質に非圧電非金属膜を用い、酸化珪素膜の膜厚、およびカット角等を以下に述べるような所定の範囲とすることにある。本願発明が、ＩＤＴの構造または個数、あるいは電極指の膜厚に関して限定されるものではないことはいうまでもない。
【００５８】
次に、境界弾性波共振器シミュレーション技術により得られた境界弾性波装置の境界弾性波の伝搬特性の一例を説明する。
【００５９】
図１３は、δ＝０．００およびｈｍ／λ＝４％の場合に、直列共振点および並列共振点におけるＱ値が共に１００００以上となる境界弾性波の存在するｈ１／λおよびカット角θの範囲を示したグラフ図である。縦軸を音速とし、境界弾性波が存在する場合、その音速を○印で示している。比較のため、２個の横波バルク波の音速を一点破線で図１３に記入している。図１３に示すように、ｈ１／λが大きくなるに従い、徐々に高いＱ値の境界弾性波が存在するカット角θの範囲が広くなる。なお、図１３に記載した境界弾性波は全てストンリー波型境界弾性波であり、高いＱ値、かつ、ｋ２＞２％の漏洩境界弾性波は存在しなかった。
【００６０】
図１４〜図２２は、境界弾性波のｋ２のカット角θ依存性を示したグラフ図である。
【００６１】
図１４に示すｈ１／λ＝１０％の場合、ｋ２は、７５°≦θ≦８５°において、２％以上である。また、直列共振Ｑおよび並列共振Ｑは、共に６５°≦θ≦９５°において、１００００以上である。
【００６２】
図１５に示すｈ１／λ＝２０％の場合、ｋ２は、７５°≦θ≦８５°において、２％以上である。また、直列共振Ｑおよび並列共振Ｑは、共に３５°≦θ≦１３５°において、１００００以上である。
【００６３】
図１６に示すｈ１／λ＝３０％の場合、ｋ２は、６５°≦θ≦９５°において、２％以上である。また、直列共振Ｑおよび並列共振Ｑは、共に２５°≦θ≦１４５°において、１００００以上である。
【００６４】
図１７に示すｈ１／λ＝４０％の場合、ｋ２は、６５°≦θ≦９５°において、２％以上である。また、直列共振Ｑおよび並列共振Ｑは、共に２５°≦θ≦１４５°において、１００００以上である。
【００６５】
図１８に示すｈ１／λ＝５０％の場合、ｋ２は、６５°≦θ≦９５°において、２％以上である。また直列共振Ｑおよび並列共振Ｑは、共に２５°≦θ≦１４５°において、１００００以上である。
【００６６】
図１９に示すｈ１／λ＝６０％の場合、ｋ２は、６５°≦θ≦９５°において、２％以上である。また、直列共振Ｑおよび並列共振Ｑは、共に２５°≦θ≦１４５°において、１００００以上である。
【００６７】
図２０に示すｈ１／λ＝７０％の場合、ｋ２は、６５°≦θ≦９５°において、２％以上である。また、直列共振Ｑおよび並列共振Ｑは、共に２５°≦θ≦１４５°において、１００００以上である。
【００６８】
図２１に示すｈ１／λ＝８０％の場合、ｋ２は、６５°≦θ≦９５°において、２％以上である。また、直列共振Ｑおよび並列共振Ｑは、共に２５°≦θ≦１４５°において、１００００以上である。
【００６９】
図２２に示すｈ１／λ＝９０％の場合、ｋ２は、６５°≦θ≦９５°において、２％以上である。また、直列共振Ｑおよび並列共振Ｑは、共に２５°≦θ≦１４５°において、１００００以上である。
【００７０】
図１４〜図２２における評価点は離散的ではあるが、Ｑ値およびｋ２はこれらのパラメータに対して連続に変化するため、評価点間でも内挿することにより、容易にＱ値を知ることができる。
【００７１】
このように、本実施の形態２によれば、所定のカット角θを有するθＹＺ′−ＬＮ単結晶圧電基板を用いることにより、高い品質係数（Ｑ値が数千以上）で、かつ、ｋ２が２〜６％を有する境界弾性波装置を提供することができる。
【００７２】
なお、窒化アルミニウム膜の結晶のＣ軸の向きは、ランダムであることが望ましい。これは、ＩＤＴで発生させた機械振動の主成分であるＳＨ（Shear Horizontal）波成分を、窒化アルミニウム膜６内でＳＶ（Shear Vertical）波成分に変換させないためである。そのため、アモルファス状態の膜でも全く同様の効果を有する。また、配向膜または単結晶膜でも、窒化アルミウム膜６のＣ軸が、基板面にほぼ垂直である場合では、ＳＶ成分とＳＨ成分とが直交するため、同様の効果を有する。酸化珪素膜に関しても同じである。
【００７３】
また、ｈ２／２が境界弾性波の波長λの半分より小さい場合、窒化アルミニウム膜の表面の機械振動エネルギーが存在することから、表面弾性波が励振される。この表面弾性波の表面の機械振動エネルギーは、従来の表面弾性波の表面の機械振動エネルギーよりも極めて小さいことから、境界弾性波の優れた特性を一部有する。例えばハンドリングミスによる窒化アルミニウム膜の表面の損傷や不純物の付着に対して、損失または周波数ずれ等の電気特性の劣化が小さい。これにより、本願発明を表面弾性波装置に適用した場合、従来の表面弾性波装置よりも信頼性の高い表面弾性波装置を提供することができる。しかし、窒化アルミニウム膜を薄くするに従い、損傷や不純物に起因する伝搬損失は徐々に増加するため、共振器上では充分に厚くしたほうが望ましい。
【００７４】
また、本実施の形態２による圧電境界弾性波装置は、アルミニウムを主成分とする金属でＩＤＴを形成したが、電極材料をアルミニウムに限定するものではない。アルミニウムに銅、珪素、チタン等を混ぜた合金、またはそれらの多層膜であっても同様の効果が得られる。アルミニウムを主成分とする密度の小さい金属を用いることで、金属膜の膜厚や加工寸法等の製造ばらつきに起因する境界弾性波装置の動作周波数のばらつきを小さくすることができる。
【００７５】
図２３に、開放型反射器の反射率と短絡型反射器の反射率とを比較したグラフ図を示す。両者のカット角θは１２８°であり、また、反射器の材料はアルミニウムである。全ての膜厚で開放型反射器の方が短絡型反射器より大きい反射率を示した。このことから、カット角θが１２８°近傍の漏洩型の境界弾性波では、短絡型反射器を用いることにより、実効反射帯域幅を大きくすることができる。すなわち、前述した実施の形態１で説明した境界弾性波共振器では反射係数の大きい開放型反射器の反射器４ａ，４ｂを用いたが、短絡型反射器を用いることにより、いっそう損失の小さい境界弾性波共振器を提供することができる。
【００７６】
以上、本発明者によってなされた発明を実施の形態に基づき具体的に説明したが、本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることはいうまでもない。
【００７７】
例えば前述した実施の形態１および２では、境界弾性波を閉じこめる媒質として窒化アルミニウム膜を例にして説明したが、窒化物質を主成分とする窒化膜または高音速な酸化物質を主成分とする酸化膜であれば、同じ特性および効果を得ることができる。
【産業上の利用可能性】
【００７８】
本発明は、高周波用通信機器の共振器やフィルタ等の固体回路素子に用いられる弾性波装置に適用することができる。
【符号の説明】
【００７９】
１  θＹＸ−ＬＮ単結晶圧電基板（第１の媒質）
２  バスバー
３  電極指
４ａ，４ｂ  反射器
５  酸化珪素膜（第２の媒質）
６  窒化アルミニウム膜（第３の媒質）
７  界面
１４  交差指形変換器（ＩＤＴ）
５１  θＹＸ−ＬＮ単結晶圧電基板
５２  交差指形変換器（ＩＤＴ）
５３  酸化珪素膜
５４  多結晶珪素膜
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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