(57)【要約】【課題】  周波数温度特性に優れた薄膜構造の高結合擬似弾性表面波基板および高周波帯の挿入損失を低下させる弾性表面波機能素子を提供する。【解決手段】  LiNbO3基板上にSiO2膜の薄膜層を形成するとともに、前記LiNbO3基板の回転Ｙ板のカット角度を−１０度から＋３０度とし、前記薄膜層の膜厚寸法をＨ、前記弾性表面波の動作中心周波数の波長をλとしたときに、Ｈ／λの値を０．１１５から０．３１とした。その結果、レーレー型の弾性表面波よりも早い速度の擬似弾性表面波に対する電気機械結合係数ｋ２を０．２０以上にでき、かつ周波数温度特性を−３０から＋３０ppm／℃の各範囲とすることができ、電気機械結合係数ｋ２が大きく、周波数温度特性の優れた機能素子を得ることができる。【選択図】    図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電気機械結合係数の大きな圧電性あるいは電歪性基板上に、温度変化に対する弾性表面波の周波数の変動特性が前記基板と逆の特性である薄膜が積層された弾性表面波基板であって、
前記基板は、回転Ｙ板のカット角度が−１０度以上で＋３０度以下の範囲で、レーレー型の弾性表面波よりも速い伝搬速度を有する擬似弾性表面波が、Ｘ軸方向あるいは前記Ｘ軸方向に対してプラス・マイナス５度の範囲で伝搬するLiNbO3基板であり、
前記薄膜の膜厚をＨ、前記擬似弾性表面波の動作中心周波数での波長をλとしたときに、Ｈ／λの値が０．０５から０．３５の範囲であることを特徴とする弾性表面波基板。
【請求項２】
前記基板の回転Ｙ板のカット角度が０度以上で＋２０度以下であり、前記Ｈ／λの値が０．１から０．３５の範囲である請求項１記載の弾性表面波基板。
【請求項３】
前記基板の回転Ｙ板のカット角度が＋２０度以上で＋３０度以下であり、前記Ｈ／λの値が０．１５から０．３５の範囲である請求項１記載の弾性表面波基板。
【請求項４】
周波数温度特性（ＴＣＦ）が、２５℃で測定した、−３０ppm／℃から＋３０ppm／℃である請求項１ないし３のいずれかに記載の弾性表面波基板。
【請求項５】
前記擬似弾性表面波の電気機械結合係数ｋ２が、０．１５５以上であり、レーレー波成分の電気機械結合係数ｋＲ２が０．０１以下である請求項４記載の弾性表面波基板。
【請求項６】
前記基板の回転Ｙ板のカット角度が−１０度以上で−５度以下であり、前記Ｈ／λの値が０．０７から０．３１の範囲である請求項５記載の弾性表面波基板。
【請求項７】
前記基板の回転Ｙ板のカット角度が−５度以上で＋１０度以下であり、前記Ｈ／λの値が０．１１５から０．３１の範囲である請求項５記載の弾性表面波基板。
【請求項８】
前記基板の回転Ｙ板のカット角度が＋１０度以上で＋１５度以下であり、前記Ｈ／λの値が０．１６から０．３１の範囲である請求項５記載の弾性表面波基板。
【請求項９】
前記基板の回転Ｙ板のカット角度が＋１５度以上で＋２０度以下であり、前記Ｈ／λの値が０．２から０．３１の範囲である請求項５記載の弾性表面波基板。
【請求項１０】
前記基板の回転Ｙ板のカット角度が＋２０度以上で＋３０度以下であり、前記Ｈ／λの値が０．２５から０．３１の範囲である請求項５記載の弾性表面波基板。
【請求項１１】
請求項１ないし１０のいずれかに記載の弾性表面波基板を用い、
励振または受信領域では、前記基板の表面と前記薄膜との境界面に、擬似弾性表面波を励振または受信するための電極が、すだれ状電極（Inter-Digital Electrode）として形成されており、
伝搬領域では、前記基板の表面と前記薄膜との境界面に、前記基板と前記薄膜とを電気的に短絡させる構造または短絡型のグレーティング電極構造を有することを特徴とする弾性表面波機能素子。
【請求項１２】
電気機械結合係数の大きな圧電性あるいは電歪性基板上に、温度変化に対する弾性表面波の周波数の変動特性が前記基板と逆の特性である薄膜が積層された基板を有し、
前記基板は、回転Ｙ板のカット角度が−１０度以上で＋３０度以下の範囲で、レーレー型の弾性表面波よりも速い伝搬速度を有する擬似弾性表面波が、Ｘ軸方向あるいは前記Ｘ軸方向に対してプラス・マイナス５度の範囲で伝搬するLiNbO3基板であり、
前記薄膜の膜厚寸法をＨ、前記弾性表面波の動作中心周波数での波長をλとしたときに、励起または受信領域では、Ｈ／λの値が０から０．３５の範囲であり、伝搬領域では、Ｈ／λの値が０．０５から０．３５の範囲であることを特徴とする弾性表面波機能素子。
【請求項１３】
前記励振または受信領域では、前記基板の表面と前記薄膜との境界面に、擬似弾性表面波を励振または受信するための電極が、すだれ状電極（Inter-Digital Electrode）として形成されており、
前記伝搬領域では、前記基板表面と前記薄膜との境界面が、電気的に短絡させる構造または短絡型のグレーティング電極構造を有する請求項１２記載の弾性表面波機能素子。
【請求項１４】
前記励振または受信領域では、擬似弾性表面波の電気機械結合係数ｋ２が、０．１１５以上であり、前記伝搬領域では、２５℃で測定した周波数温度特性（ＴＣＦ）が、−３０ppm／℃から＋３０ppm／℃である請求項１２または１３記載の弾性表面波機能素子。
【請求項１５】
前記すだれ状電極が、Ａｌ、Ｃｕ、Ｔｉ、Ｗ、Ｍｏ、Ｃｒ、Ａｕ、Ａｇのいずれかの金属、または前記いずれか２種以上の金属の組み合わせ若しくは合金で形成されている請求項１１または１３記載の弾性表面波機能素子。
【請求項１６】
前記伝搬領域では、前記基板と前記薄膜とを電気的に短絡させる構造として、Ａｌ、Ｃｕ、Ｔｉ、Ｗ、Ｍｏ、Ｃｒ、Ａｕ、Ａｇのいずれかの金属、または前記いずれか２種以上の金属の組み合わせ若しくは合金で形成された導電層が設けられている請求項１１または１３記載の弾性表面波機能素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、擬似弾性表面波が回転Ｙ板のカット面上をＸ軸方向へ伝搬するLiNbO3基板の前記Ｙカット面にSiO2などの薄膜が形成された弾性表面波基板に係り、特に温度特性に優れた弾性表面波基板および弾性表面波機能素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
圧電性基板表面にすだれ状電極（Inter-Digital Electrode）を設けた弾性表面波機能素子は、テレビの中間周波数帯のフィルターや移動体通信用のフィルターなどとして広く応用されている。前記弾性表面波機能素子は、圧電作用を有する基板の表面に、弾性表面波を励起する電極と、前記弾性表面波を受信する電極とを有している。
【０００３】
弾性表面波機能素子に使用される圧電体基板として、従来は、電気機械結合係数（electro mechanical coupling constant）ｋ２の大きな材料が使用されている。しかし前記電気機械結合係数ｋ２の大きい材料を基板として用いた弾性表面波機能素子は、一般に温度特性が悪く、即ち温度安定性に欠けるという問題がある。
【０００４】
またＳＴ−カット水晶、ＬＳＴ−カット水晶などの単結晶の圧電体の基板を用いたものは、温度安定性に優れているが、その反面、電気機械結合係数ｋ２が小さい。そのためフィルターとして使用されたときの挿入損失が大きく、また広い帯域幅をもつフィルターなどには使用することもできない。
【０００５】
そこで、温度安定性に優れ、かつ大きな電気機械結合係数ｋ２をもつ基板として、LiNbO3基板、LiTaO3基板を用い、その表面に線膨張係数の小さく、かつ逆の温度特性をもつSiO2膜を付着させたSiO2／LiNbO3基板、SiO2／LiTaO3基板などが考案されている。これらは、以下の非特許文献１や、非特許文献２に好結果が得られるものとして記載されている。これらの基板は、高安定の発振器及び通常の両方向性のすだれ状電極を用いたフィルターとしての応用が提唱されている。
【０００６】
しかし、上記従来のものよりも更に大きな電気機械結合係数ｋ２をもち、かつ温度安定性に優れた基板が必要とされている。
【非特許文献１】山之内、岩橋、柴山著「Wave Electronics，3，（1979−12）」
【非特許文献２】山之内、端山著「IEEE，Trans．on Sonics and Ulrason．，Vol-SU-31，No．1，Jan．1984」」
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は上記従来の課題を解決するためのものであり、従来以上に大きな電気機械結合係数ｋ２をもち、かつ温度特性が良好な弾性表面波基板および弾性表面波機能素子を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、電気機械結合係数の大きな圧電性あるいは電歪性基板上に、温度変化に対する弾性表面波の周波数の変動特性が前記基板と逆の特性である薄膜が積層された弾性表面波基板であって、
前記基板は、回転Ｙ板のカット角度が−１０度以上で＋３０度以下の範囲で、レーレー型の弾性表面波よりも速い伝搬速度を有する擬似弾性表面波が、Ｘ軸方向あるいは前記Ｘ軸方向に対してプラス・マイナス５度の範囲で伝搬するLiNbO3基板であり、
前記薄膜の膜厚をＨ、前記擬似弾性表面波の動作中心周波数での波長をλとしたときに、Ｈ／λの値が０．０５から０．３５の範囲であることを特徴とするものである。
【０００９】
さらに好ましくは、前記基板の回転Ｙ板のカット角度が０度以上で＋２０度以下であり、前記Ｈ／λの値が０．１から０．３５の範囲であり、または、前記基板の回転Ｙ板のカット角度が＋２０度以上で＋３０度以下であり、前記Ｈ／λの値が０．１５から０．３５の範囲である。
【００１０】
回転Ｙ板のカット角度とＨ／λを前記範囲内で選択すると、２５℃で測定した周波数温度特性（ＴＣＦ）を零にすることが可能になり、または前記周波数温度特性を小さくすることができる。
【００１１】
本発明の弾性表面波基板の好ましい範囲は、周波数温度特性（ＴＣＦ）が、２５℃で測定した、−３０ppm／℃から＋３０ppm／℃である。さらには、前記擬似弾性表面波の電気機械結合係数ｋ２が、０．１５５以上であり、レーレー波成分の電気機械結合係数ｋＲ２が０．０１以下である。
【００１２】
前記周波数温度特性（ＴＣＦ）と前記電気機械結合係数ｋ２の範囲は、回転Ｙ板のカット角度とＨ／λを以下の（１）ないし（５）のいずれかの範囲内に設定することにより達成できる。
【００１３】
（１）前記基板の回転Ｙ板のカット角度が−１０度以上で−５度以下であり、前記Ｈ／λの値が０．０７から０．３１の範囲、
（２）前記基板の回転Ｙ板のカット角度が−５度以上で＋１０度以下であり、前記Ｈ／λの値が０．１１５から０．３１の範囲、
（３）前記基板の回転Ｙ板のカット角度が＋１０度以上で＋１５度以下であり、前記Ｈ／λの値が０．１６から０．３１の範囲、
（４）前記基板の回転Ｙ板のカット角度が＋１５度以上で＋２０度以下であり、前記Ｈ／λの値が０．２から０．３１の範囲、
（５）前記基板の回転Ｙ板のカット角度が＋２０度以上で＋３０度以下であり、前記Ｈ／λの値が０．２５から０．３１の範囲、
また、本発明の弾性表面波機能素子は、前記いずれかに記載の弾性表面波基板を用い、
励振または受信領域では、前記基板の表面と前記薄膜との境界面に、擬似弾性表面波を励振または受信するための電極が、すだれ状電極（Inter-Digital Electrode）として形成されており、
伝搬領域では、前記基板の表面と前記薄膜との境界面が、電気的に短絡させる構造または短絡型のグレーティング電極構造を有することを特徴とするものである。
【００１４】
さらに本発明の弾性表面波機能素子は、電気機械結合係数の大きな圧電性あるいは電歪性基板上に、温度変化に対する弾性表面波の周波数の変動特性が前記基板と逆の特性である薄膜が積層された基板を有し、
前記基板は、回転Ｙ板のカット角度が−１０度以上で＋３０度以下の範囲で、レーレー型の弾性表面波よりも速い伝搬速度を有する擬似弾性表面波が、Ｘ軸方向あるいは前記Ｘ軸方向に対してプラス・マイナス５度の範囲で伝搬するLiNbO3基板であり、
前記薄膜の膜厚寸法をＨ、前記弾性表面波の動作中心周波数での波長をλとしたときに、励起または受信領域では、Ｈ／λの値が０から０．３５の範囲であり、伝搬領域では、Ｈ／λの値が０．０５から０．３５の範囲であることを特徴とするものである。
【００１５】
この場合も、前記励振または受信領域では、前記基板の表面と前記薄膜との境界面に、擬似弾性表面波を励振または受信するための電極が、すだれ状電極（Inter-Digital Electrode）として形成されており、
前記伝搬領域では、前記基板表面と前記薄膜との境界面が、電気的に短絡させる構造または短絡型のグレーティング電極構造を有するものである。
【００１６】
前記のように構成すれば、励振または受信領域において、電気機械結合係数ｋ２を大きくでき、前記伝搬領域において周波数温度特性（ＴＣＦ）を小さくした弾性表面波機能素子を得ることができる。
【００１７】
さらに励振または受信領域と、伝搬領域において、Ｈ／λを好ましい範囲に設定すれば、前記励振または受信領域では、擬似弾性表面波の電気機械結合係数ｋ２が、０．１１５以上であり、前記伝搬領域では、２５℃で測定した周波数温度特性（ＴＣＦ）が、−３０ppm／℃から＋３０ppm／℃である弾性表面波機能素子を得ることが可能である。
【００１８】
また、前記弾性表面波機能素子においては、前記すだれ状電極が、Ａｌ、Ｃｕ、Ｔｉ、Ｗ、Ｍｏ、Ｃｒ、Ａｕ、Ａｇのいずれかの金属、または前記いずれか２種以上の金属の組み合わせ若しくは合金で形成され、前記伝搬領域では、前記基板と前記薄膜とを電気的に短絡させる構造として、Ａｌ、Ｃｕ、Ｔｉ、Ｗ、Ｍｏ、Ｃｒ、Ａｕ、Ａｇのいずれかの金属、または前記いずれか２種以上の金属の組み合わせ若しくは合金で形成された導電層が設けられているものが好ましい。
【００１９】
よって、前記いずれかの弾性表面波機能素子をフィルターとして用いれば、周波数特性が広帯域で、且つ挿入損失の低いものとなる。
【発明の効果】
【００２０】
本発明の弾性表面波基板および弾性表面波素子は、広い帯域幅で、低挿入損失で、かつ温度安定性に優れたフィルター、高性能の弾性表面波共振器及びＶＣＯなどの弾性波機能素子、あるいは高性能の半導体素子と組み合わせた素子として使用することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
図１は、本発明の実施の形態である弾性表面波基板の構造を示す断面図である。
異方性の圧電材料であるLiNbO3のＸ軸の種結晶で育成した単結晶においては、Ｙ軸方向を零度として、前記Ｙ軸方向を基準とした所定の回転Ｙ板のカット面において弾性表面波がＸ軸方向または、Ｘ軸方向に対してプラス・マイナス５度の範囲内で伝搬する場合を考える。
【００２２】
このような、回転Ｙカット面で弾性表面波がＸ軸方向へ伝搬するLiNbO3基板の解析と実験は山之内、柴山著「Journal of Applied Physics，Vol．43，N0．3，March1972、pp．856−862」によって、発表されている。
【００２３】
LiNbO3基板においてＸ軸方向へ伝搬する横波の弾性波は、速い横波と遅い横波とを有する。前記文献では、前記遅い横波より遅いモードの波がレーレ一波（Rayleigh waves）とされている。従来のフィルターなどで使用されている弾性表面波のほとんどがレーレー波である。また、前記文献などには、レーレ一波より速い速度で且つ前記速い横波と前記遅い横波との間の速度を持つ擬似弾性表面波（piezo electric leaky surface waves）が存在すると記載されている。
【００２４】
また、前記擬似弾性表面波は基板内部にエネルギーが放射されるために伝搬減衰する。LiNbO3の単結晶の場合、前記単結晶の回転Ｙ板のＹカット面を零度のカット面とし、前記零度のカット面を基準として回転させたときの回転角度が４１度付近のカット面において、表面Ｏｐｅｎの場合の伝搬減衰がほぼ零となる。また、カット面において、LiNbO3基板上に導電層を配置して、電気的に短絡させた場合には、回転角度が６４度付近のカット面において前記伝搬減衰が零となり、それ以外の回転角度のカット面では伝搬減衰が大きくなると記載されている。
【００２５】
前記伝搬減衰とは、基板の内部に擬似弾性表面波がエネルギーの一部を基板中に放射することに起因して、前記擬似弾性表面波が基板の表面に沿って伝搬するときに減衰していく程度を意味する。これは単位波長（λ）あたりの振幅の減衰量（ｄＢ）によって、表され、その単位は（ｄＢ／λ）である。前記回転Ｙ板のカット角度が−１０度から＋３０度の範囲では、前記伝搬減衰が０．８（ｄＢ／λ）と大きな値となる領域が存在し、このような領域では、擬似弾性表面波基板として使用しにくい。
【００２６】
さらに、前記文献では、回転角度が−１０度から＋３０度の範囲にあるＹカット面においては、２５℃における周波数温度特性（ＴＣＦ）が−８０ppm／℃と大きい値を示す。
【００２７】
前記周波数温度特性ＴＣＦ（Temperature Coefficient of Frequency）とは、２５℃における弾性表面波の伝搬速度をｖ（ｍ／ｓ）、温度変化に対する伝搬速度の変化量を（∂ｖ／∂Ｔ）、線膨張係数をαとしたときに、周波数温度特性（ＴＣＦ）は、｛１／ｖ・（∂ｖ／∂Ｔ）−α｝（１／℃）で表される。
【００２８】
そこで、図１に示すように、この実施の形態の弾性表面波基板では、LiNbO3基板の表面に、温度変化に対する弾性表面波の周波数の変動特性が前記LiNbO3基板と逆の特性である薄膜としてSiO2膜を形成している。すなわち、圧電単結晶材料であるLiNbO3基板の上に熔融石英を蒸着やスパッター法などを用いて付着させることにより、SiO2の薄膜が形成されている。
【００２９】
ここで、「温度変化に対する弾性表面波の周波数の変動特性が前記基板と逆の特性である」とは、前記LiNbO3基板は温度が高くなるにしたがって駆動中心周波数が低くなるが、SiO2は温度が高くなるにしたがって駆動中心周波数が高くなることを意味している。すなわちLiNbO3基板は、温度が高くなると弾性表面波の伝搬速度が遅くなると同時に線膨張係数が正のために波長が長くなるため、駆動中心周波数が低くなる。一方、SiO2は、線膨張がほとんど零であるが、温度が高くなると伝搬速度が速くなるため、波長が短くなって駆動中心周波数が高くなる。
【００３０】
本発明の実施の形態は、前記のように、LiNbO3基板のＹカット面に、温度変化に対する弾性表面波の周波数の変動特性が前記基板と逆の特性であるSiO2の薄膜を形成することにより、周波数温度特性（ＴＣＦ）を零またはきわめて小さくできること（図９参照）に着目したものである。さらに、前記LiNbO3基板とSiO2の薄膜とを電気的に短絡すること、具体的には、前記基板と前記薄膜との界面に、図１１に示すようなすだれ状電極３ａ，３ｂを形成すること、また伝搬路は電気的に短絡された構造または短絡型のグレーティング電極４，４を形成することにより、伝搬減衰を低減させることができること（図４）に着目したものである。
【００３１】
ここで、基板と薄膜との間を電気的に短絡することとは、基板と薄膜との境界面に均一な膜厚で一定の面積を有する導電層が挟まれて形成されていること、または、前記すだれ状電極３ａ，３ｂや短絡型のグレーティング電極４，４が挟まれて形成されていることを意味する。
【００３２】
また本明細書でのすだれ状電極とは、弾性表面波の伝搬方向（Ｘ軸方向）に直交する方向へ延びる複数の細長い電極（ストリップ電極）の一端どうしが交互に電気的に接続されているものであり、図１１に示すように、励振または受信領域５では、一方のすだれ状電極３ａの各ストリップ電極と他方のすだれ状電極３ｂの各ストリップ電極とが、交互に配置されている構造である。
【００３３】
また、短絡型のグレーティング電極とは、図１１に示すように、弾性表面波の伝搬方向（Ｘ軸方向）に直交する方向へ延びる複数の細長い電極（ストリップ電極）の両端どうしが互いに短絡されているものを意味する。図１１に示す擬似弾性表面波機能素子では、伝搬領域に形成された前記短絡型のグレーティング電極４，４により反射器が形成されている。
【００３４】
また、この実施の形態は、回転Ｙ板のカット角度と、Ｈ／λ（ＨはSiO2の薄膜の膜厚、λは駆動中心周波数）とを選ぶことにより、レーレー波の電気機械結合係数ｋＲ２を零または零に近い値にできること（図８）、擬似弾性表面波の電気機械結合係数ｋ２を大きくできること（図３）に着目したものである。この弾性表面波基板は、レーレー波がほとんど励振されず、擬似弾性表面波の励振を高めることができ、スプリアス特性に優れ、さらに広帯域の特性を有するフィルターなどの使用に適したものとなる。
【００３５】
以上の特性は、単結晶の回転Ｙ板のＹ軸方向を０度のカット面としたときに回転Ｙ板の回転角度が−１０度以上で＋３０度以下のLiNbO3基板を用い、Ｈ／λを０．０５〜０．３５の範囲内とすることによって得ることができる。また、好ましくは、回転Ｙ板のカット角度が０度以上で＋２０度以下であり、Ｈ／λの値が０．１から０．３５の範囲である。あるいは、回転Ｙ板のカット角度が＋２０度以上で＋３０度以下の場合、好ましくはＨ／λの値が０．１５から０．３５の範囲である。また、電気機械結合係数ｋ２を高くし、レーレー波の電気機械結合係数ｋＲ２を低くするためには、いずれの場合もＨ／λの上限が０．３１であることが好ましい。
【００３６】
以上の詳細な特性例として、回転角度が＋１０度の場合を用いて説明すると、図９に示すように、Ｈ／λ＝０では、ＴＣＦ＝−８０ppm／℃であり、図４に示すように前記基板と前記薄膜との界面が電気的に短絡されている界面短絡（SHORT）と、短絡されていない界面開放（OPEN）の双方において、伝搬減衰が０．８dB／λとなり、良好な特性は得られない。一方、Ｈ／λ＝０．２では、図９に示すように界面短絡（SHORT）ではＴＣＦが０ppm／℃に近い値であり、また図４に示すように、界面短絡（SHORT）の場合は、Ｈ／λ＝０．２では伝搬減衰がほぼ０dB／λの擬似弾性表面波基板が得られる。
【００３７】
ここで、前記基板と前記薄膜との界面に、弾性表面波を励振するためのすだれ状電極または受信のためのすだれ状電極を設けた場合、また弾性表面波伝搬経路に、短絡型のグレーティング電極を設けた場合には、前記界面短絡（SHORT）の条件に対応するので、前記電極上を伝搬する擬似弾性表面波の伝搬減衰を零にできまたは零に近くできる。
【００３８】
なお、前記電極は、アルミニウム（Ａｌ）、銅（Ｃｕ）、チタン（Ｔｉ）、タングステン（Ｗ）、モリブデン（Ｍｏ）、クロム（Ｃｒ）、金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）のいずれかの金属膜、あるいは前記のいずれか２種以上を組み合わせた金属膜または合金で形成される。好ましくは、励振電極または受信電極をＡｌあるいはＣｕで形成し、伝搬領域に位置する前記反射器などの電極をＡｌあるいはＣｕで形成することが好ましい。前記電極をＣｕで形成すると、挿入損失を低減でき、電極をＡｌとＴｉなどの金属を組み合わせると、大きな電力が与えられたときに電極に疲労破壊が生じるのを防止できる。
【００３９】
LiNbO3の弾性、圧電、誘電の各定数としては、Smithらが測定した定数（R.T.Smith et al，J．Appl．Phys．，vol．42、No.6，1971，pp．2219−2229）と、Warnerらが測定した定数（A.W.Warner et al，J．Acoust．Soc．Amer．，Vo1．42，No.6，1967，pp．1223−1231）、温度特性についてはSmithらの定数（SiO2の定数と温度特性についてはM.J. Mcskimin（J.Appl. Phys．，vol．24、pp．988〜997,1953））がある。解析はLiNbO3についてはSmithとWarnerの定数、温度特性はSmithの定数（SiO2についてはMcskiminの定数）で解析を行ったが、LiNbO3については実験結果が、よりSmithらの定数に近いことから、以下においては、Smithの定数を用いて計算した結果を実験結果を含めて説明する。
【００４０】
図２は、Ｈ／λと、周波数温度特性（ＴＣＦ）との関係を示す図、図３は、Ｈ／λと、擬似弾性表面波の電気機械結合係数ｋ２との関係を示す図、図４、図５および図６は、Ｈ／λと、擬似弾性表面波の伝搬減衰との関係を示す図、図７は、Ｈ／λと、弾性表面波の伝搬速度との関係を示す図、図８は、Ｈ／λと、擬似弾性表面波よりも伝搬速度が遅いレーレー波成分の電気機械結合係数ｋＲ２との関係を示す図である。なお、図２、図４および図７は、LiNbO3基板の回転Ｙ板のカット角度が＋１０度のとき、図５は前記回転角度が０度のとき、図６は前記回転角度が＋５度のときであり、図３と図８は、前記回転角度を、０度から４０度の範囲で５度ごとに変化させた場合を示している。いずれも弾性表面波の伝搬方向がＸ軸方向である。
【００４１】
図２で示す実線および破線の曲線はSmithの定数を用いて計算した結果であるが、回転Ｙ板のカット角度が１０度の場合、ＴＣＦが０ppm／℃となるのは、LiNbO3基板とSiO2の薄膜の界面において基板表面を電気的に短絡させた界面短絡の場合（SHORT）が、Ｈ／λ＝０．１３のときであり、短絡させない界面開放の場合（OPEN）が、Ｈ／λ＝０．２６のときである。またLiNbO3基板とSiO2の薄膜の界面にすだれ状電極を形成して、弾性表面波を送受した時の中心周波数から求めた速度を「×」で示す。これから、すだれ状電極は短絡電極として動作していることが判る。この実験結果は、前記計算結果と一致していることが判る。
【００４２】
図２から、回転Ｙ板の回転角度が＋１０度で、界面短絡の場合、Ｈ／λ＝０．１３であれば、周波数温度特性（ＴＣＦ）が０であり、Ｈ／λを０．１１５以上で０．３１の範囲とすると、周波数温度特性（ＴＣＦ）が−３０ppm／℃から＋３０ppm／℃の範囲の擬似弾性表面基板を得ることができる。
【００４３】
図３に示すように擬似弾性表面波の電気機械結合係数（electro mechanical coupling constant）ｋ２は、回転角度が＋１０度で、界面短絡でＨ／λ＝０．１３のとき、すなわち周波数温度特性（ＴＣＦ）が０のとき、ｋ２＝０．２４以上の大きな値となる。また、Ｈ／λが０．１１５以上で０．３１の範囲でも、ｋ２を０．１９以上にできることが判る。
【００４４】
図４は前記回転角度が＋１０度のときの、伝搬減衰（Decay）を示しているが、界面短絡（SHORT）の場合、Ｈ／λ＝０．１３のとき伝搬減衰は零にきわめて近くなり、Ｈ／λが０．１１５以上で０．３１の範囲でも伝搬減衰を小さい値にできることが判る。なお、界面開放（OPEN）の場合、周波数温度特性（ＴＣＦ）が零になるＨ／λ＝０．２６のとき、伝搬減衰は約０．８dB／λであり、伝搬減衰が大きくなる。
【００４５】
従って、励振又は受信用のすだれ状電極、あるいは短絡電極または反射器を構成する短絡型のグレーティング電極が、LiNbO3基板とSiO2の薄膜との界面に設けられて、LiNbO3基板とSiO2の薄膜との界面が電気的に短絡された基板を用いたとき、前記基板の回転Ｙ板のカット角度を＋１０度とし、Ｈ／λを０．１１５以上で０．３１以下に設定すれば、周波数温度特性に優れ、電気機械結合係数ｋ２が大きく、伝搬減数が零に近いフィルターなどの弾性表面波機能素子を得ることができる。また、Ｈ／λを０．１５以上で０．２５以下に設定すれば、電気機械結合係数ｋ２を０．２１５以上にでき、一方において伝搬減衰を限りなく零に近づけることができる。
【００４６】
また、図７に示すように、界面短絡（SHORT）の場合は、Ｈ／λの変化に対する弾性表面波の伝搬速度の変化の幅が小さく、実用上有効であることが判る。なお、図７の「ｘ」印は、LiNbO3基板とSiO2の薄膜との界面にすだれ状電極を設けて、前記電極で励振される擬似弾性表面波の速度を求めた実験値であるが、これはSmithらの定数から計算した界面短絡（SHORT）の結果と近似していることが判る。
【００４７】
また、図８に示すように、回転Ｙ板のカット面の回転角度が＋１０度の場合、Ｈ／λの値が０．１１５〜０．３１の範囲にあるとき、レーレー波の電気機械結合係数ＫＲ２が、＋０．００２から０の範囲に収まり、スプリアス信号の殆どない弾性表面波基板を得ることができる。
【００４８】
図９は、界面短絡（SHORT）の場合の、Ｈ／λと擬似弾性表面波の周波数温度特性（ＴＣＦ）との解析結果を示す図であり、ここではＹカット面を−１０度から４０度の範囲で５度ごとに回転させた回転角度をパラメータとしている。
【００４９】
図９に示すように、回転角度が−１０度から＋１５度の範囲では、界面短絡の場合Ｈ／λが０．０５以上、０．２以下で周波数温度特性が零（ＴＣＦ＝０ppm／℃）と成り得ることが判る。また回転角度が−１０度から＋２５度の範囲では、Ｈ／λが０．０５以上、０．２５以下で、周波数温度特性が零となることが判る。さらに、回転角度が−１０度から＋３０度の範囲では、Ｈ／λが０．０５以上、０．３５以下で、周波数温度特性が零となることが判る。
【００５０】
上記のように、SiO2の薄膜の膜厚Ｈの変化による音響特性に起因して、LiNbO3基板の回転Ｙ板のカット面の最適な回転角度が異なることが判る。よって、最適の回転角度とSiO2の薄膜の膜厚Ｈとを選択して組み合わせることにより、目的とする弾性表面波機能素子を作製することが可能になる。
【００５１】
前記のように、LiNbO3基板とSiO2膜との界面にすだれ状電極または短絡電極あるいは短絡型のグレーティング電極を形成して前記基板と前記薄膜との界面において前記基板と薄膜との間を電気的に短絡させた場合、図９に示す周波数温度特性（ＴＣＦ）を−３０ppm／℃以上で＋３０ppm／℃以下にするには、基板の回転Ｙ板のカット角度と、Ｈ／λとの関係を以下のように設定すればよい。
【００５２】
（１）回転Ｙ板のカット角度が−１０度以上で−５度以下のとき、Ｈ／λは、０．０７以上で０．３１以下、
（２）回転Ｙ板のカット角度が−５度以上で＋１０度以下のとき、Ｈ／λは、０．１１５以上で０．３１以下、
（３）回転Ｙ板のカット角度が＋１０度以上で＋１５度以下のとき、Ｈ／λは、０．１６以上で０．３１以下、
（４）回転Ｙ板のカット角度が＋１５度以上で＋２０度以下のとき、Ｈ／λは、０．２以上で０．３１以下、
（５）回転Ｙ板のカット角度が＋２０度以上で＋３０度以下のとき、Ｈ／λは、０．２５以上で０．３１以下、
さらに、回転角度が０度以上で＋１０度以下のときも、Ｈ／λの最適な範囲は、０．１１５以上で０．３１以下であり、回転角度が＋５度以上で＋１５度以下のときの、Ｈ／λの最適な範囲も、０．１６以上で０．３１以下である。
【００５３】
図４、図５および図６は回転角度が＋１０度、０度、および＋５度のときを示しているが、これによると界面短絡において、伝搬減衰が零に近づく条件は、回転Ｙ板のカット角度に依存せず、Ｈ／λに依存していることが判る。図４，５，６によれば、前記（１）（２）（３）（４）（５）に示す範囲のうち、Ｈ／λが０．１１５以上であれば、伝搬減衰が低下していることが判り、Ｈ／λが０．１６以上であれば伝搬減衰が限りなく零に近いことが判る。よって、伝搬減衰を零に近づけるためには、前記（１）（２）においてもＨ／λを０．１３以上とすることが好ましく、さらに好ましくは０．１５以上である。
【００５４】
また、図８に示すように、Ｈ／λが０．１６から０．３１の範囲であれば、レーレー波の電気機械結合係数ｋＲ２が０．０１未満であり、レーレー波成分はほとんど励起されず、スプリアス特性に優れたものとなる。図８によれば、回転Ｙ板のカット角度が小さくなるにしたがって、ｋＲ２が零となるＨ／λが高い値に移行する。よって、前記（１）または（２）の場合、あるいは回転角度が０度から＋５度の場合に、Ｈ／λは、０．１５以上であることが好ましく、さらに好ましくは０．２以上である。
【００５５】
また、図３に示すように、回転Ｙ板のカット角度が−１０度以上で＋３０度以下の場合、Ｈ／λが０．３１以下であれば、擬似弾性表面波の電気機械結合係数ｋ２を０．１３５以上にできる。また、回転角度が＋２０度以下の場合に、Ｈ／λが０．３１以下であれば、擬似弾性表面波の電気機械結合係数ｋ２を０．１５５以上にでき、回転Ｙ板のカット角度が＋１５度以下の場合に、Ｈ／λが０．３１以下であれば、擬似弾性表面波の電気機械結合係数ｋ２を０．１７５以上にできる。
【００５６】
また、挿入損失を低減させて擬似弾性表面波の伝搬特性を向上させ、出力を高くするためには、電気機械結合係数ｋ２を０．２１５以上とすることが好ましい。そのためには、前記（１）の場合に、Ｈ／λを０．０７以上で０．２５以下とすることが好ましく、前記（２）の場合に、Ｈ／λを０．１１５以上で０．２５以下とすることが好ましく、前記（３）の場合に、Ｈ／λを０．１６以上で０．２３以下にすることが好ましい。
【００５７】
また、一般に、SiO2膜などの薄膜層での弾性表面波の伝搬損失は、単結晶の圧電材料であるLiNbO3基板より大きいと考えられている。一方、前記実施の形態では、周波数温度特性（ＴＣＦ）を加味してＨ／λを前記範囲に設定することによりSiO2膜の膜厚寸法Ｈは波長５μｍ以上（周波数８００ＭＨz）では１μｍと非常に薄いものとなり、薄膜層の伝搬損失を極めて小さく抑えることが可能である。また前記のように薄膜の形成は、既に半導体生産技術において用いられているように、良質の膜を高精度に形成することが可能である。
【００５８】
図１０はＴＴＥ（Triple Transit Echo）の実験結果を示す図である。図１０では、回転Ｙ板のカット角度を＋１０度とし、薄膜層を零の周波数温度特性（ＴＣＦ＝０）が得られる膜厚寸法（Ｈ／λ＝０．１３）とし、伝搬距離を６０λ（ただし、λ＝１０μｍ（約４００ＭＨｚ））とした場合である。なお、ＴＴＥとは入力側によって励振された表面波が受信側に達すると同時にその一部が反射され、これが入力側に戻ってさらに再反射する現象である。
【００５９】
図１０では５番目のＴＴＥが観測されており、これより伝搬減衰は０．０１dＢ／λ以下である。
【００６０】
以上のことから、例えば上記の界面短絡の条件を満たす反射器を備えた弾性表面波共振器とすることにより、高いＱ値の弾性表面波共振器を得ることができる。
【００６１】
この実施の形態では、SiO2膜を薄くして伝搬減衰の小さい膜とすることが可能であることから、周波数温度特性を零に近くでき、かつ大きな電気機械結合係数ｋ２をもつ擬似弾性表面波基板とすることができる。よって、これまでは得ることができなかった優れた周波数温度特性を持つ擬似弾性表面波機能素子、例えば広帯域のフィルター、マッチドフィルター、ＶＣＯなどを得ることが可能となる。
【００６２】
図１１は本発明の実施の形態として前記擬似弾性表面波基板を用いた弾性表面波機能素子の一例を示す斜視図である。
【００６３】
図１１に示す弾性表面波基板では、LiNbO3基板１の表面にSiO2の薄膜層２が成膜され、前記LiNbO3基板１と薄膜層２の界面に、擬似弾性表面波を励振又は受信するための一方の電極３ａと他方の電極３ｂとから成るすだれ状電極が形成されている。また前記励振または受信領域５の左右両側に、反射器として機能する一対の短絡型のグレーティング電極４，４が形成された伝搬領域６，７が位置している。
【００６４】
そして薄膜層２の膜厚寸法は、励振または受信領域５と伝搬領域６，７とで相違している。励振または受信領域５では、薄膜層２の膜厚寸法Ｈ０が擬似弾性表面波の電気機械結合係数ｋ２が大きくなる範囲に設定されており、前記伝搬領域６，７では、薄膜層２の膜厚寸法Ｈ１が周波数温度特性（ＴＣＦ）が小さくなるように設定されている。その結果、擬似弾性表面波に対する電気機械結合係数が大きく、周波数温度特性に優れた弾性表面波機能素子を得ることができる。この場合の、前記膜厚寸法Ｈ０とＨ１の組み合わせとしては以下が好ましい。
【００６５】
（６）基板の回転Ｙ板のカット角度が−１０度以上で−５度以下のとき、励振または受信領域５ではＨ０／λが０以上で０．２５以下、好ましくは０．０５以上で０．２５以下、伝搬領域６，７では、Ｈ１／λが０．０７以上で０．３１以下、好ましくは０．１５以上で０．３１以下、
（７）基板の回転Ｙ板のカット角度が−５度以上で＋１０度以下のとき、励振または受信領域５ではＨ０／λが０以上で０．２５以下、好ましくは０．０５以上で０．２５以下、伝搬領域６，７では、Ｈ１／λが０．１１５以上で０．３１以下、好ましくは０．１５以上で０．２５以下、
（８）基板の回転Ｙ板のカット角度が＋１０度以上で＋１５度以下のとき、励振または受信領域５ではＨ０／λが０以上で０．２３以下、好ましくは０．０５以上で０．２３以下、伝搬領域６，７では、Ｈ１／λが０．１６以上で０．３１以下、好ましくは０．１６以上で０．２３以下、
（９）基板の回転Ｙ板のカット角度が＋１５度以上で＋２０度以下のとき、励振または受信領域５ではＨ０／λが０以上で０．２以下、好ましくは０．０５以上で０．２以下、伝搬領域６，７では、Ｈ１／λが０．２以上で０．３１以下である。
【００６６】
前記のように設定すれば、励振または受信領域５において擬似弾性表面波の電気機械結合係数ｋ２を０．２以上、好ましくは０．２１５以上にでき、伝搬領域６，７では、２５℃における周波数温度特性が、−３０ppm／℃から＋３０ppm／℃にできる。
【００６７】
以上のSiO2／LiNbO3基板においては、SiO2膜とLiNbO3基板の間の界面に正規型のすだれ状電極を作成した素子、多位相型の一方向性の変換器を有する素子、一方向性のすだれ状電極で形成された内部反射型の弾性表面波変換器を有する素子、短絡型のグレーティング電極を用いた共振器、反射器を付加した共振器などを構成することができる。これらは、擬似弾性表面波を用い、伝搬減衰を零に近くでき、且つ大きな電気機械結合係数ｋ２と周波数温度特性の優れた素子とすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００６８】
【図１】本発明の弾性表面波基板の構造を示す断面図、
【図２】回転Ｙ板のカット角度が＋１０度のときの、Ｈ／λと周波数温度特性（ＴＣＦ）との関係を示す図、
【図３】回転Ｙ板のカット角度が０度から＋４０度のときの、Ｈ／λと擬似弾性表面波の電気機械結合係数ｋ２との関係を示す図、
【図４】回転Ｙ板のカット角度が＋１０度のときの、Ｈ／λと擬似弾性表面波の伝搬減衰との関係を示す図、
【図５】回転Ｙ板のカット角度が０度のときの、Ｈ／λと擬似弾性表面波の伝搬減衰との関係を示す図、
【図６】回転Ｙ板のカット角度が＋５度のときの、Ｈ／λと擬似弾性表面波の伝搬減衰との関係を示す図、
【図７】回転Ｙ板のカット角度が１０度のときの、Ｈ／λと伝搬速度との関係を示す図、
【図８】回転Ｙ板のカット角度が０度から＋４０度のときの、レーレー波成分の電気機械結合係数ｋＲ２との関係を示す図、
【図９】回転Ｙ板のカット角度が−１０度から＋４０度のときの、Ｈ／λと擬似弾性表面波の周波数温度（ＴＣＦ）との解析結果を示す図、
【図１０】零温度特性の得られる膜厚で、伝搬距離６０λ、λ＝５μｍ（約４００ＭＨｚ）において、５番目のＴＴＥ（トリプルトランジットエコー）が観測されていることを示す実験結果、
【図１１】本発明の実施の形態の弾性表面波機能素子を示す斜視図、
【符号の説明】
【００６９】
１  基板
２  薄膜層（SiO2膜）
３、３a、３ｂ  電極（すだれ状電極）
４  短絡型のグレーティング電極
Ｈ１、Ｈ０  SiO2の膜厚寸法
【図１】
2008092610.tif 000003
【図２】
2008092610.tif 000004
【図３】
2008092610.tif 000005
【図４】
2008092610.tif 000006
【図５】
2008092610.tif 000007
【図６】
2008092610.tif 000008
【図７】
2008092610.tif 000009
【図８】
2008092610.tif 000010
【図９】
2008092610.tif 000011
【図１０】
2008092610.tif 000012
【図１１】
2008092610.tif 000013