(57)【要約】【課題】優れた温度特性を保ちながら良好な減衰量を確保することが可能な弾性表面波デバイスを提供することを目的とする。【解決手段】本発明は圧電単結晶基板としてのタンタル酸リチウム基板２の面上に櫛型電極３および反射電極４が形成され、内部応力が圧縮方向に８０ＭＰａ以上５００ＭＰａ以下である二酸化シリコン膜５を少なくとも前記櫛型電極３６および反射電極４を被覆するように形成することにより、優れた温度特性を実現しながら良好な減衰量を確保した弾性表面波デバイスを提供することができる。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧電単結晶基板の面上に櫛型電極および反射電極が形成され、内部応力が圧縮方向に８０ＭＰａ以上５００ＭＰａ以下である二酸化シリコン膜を少なくとも前記櫛型電極および反射電極を被覆するように形成した弾性表面波デバイス。
【請求項２】
二酸化シリコン膜の内部応力を圧縮方向に１１０ＭＰａ以上２００ＭＰａ以下とした請求項１に記載の弾性表面波デバイス。
【請求項３】
圧電単結晶基板をタンタル酸リチウムで構成した請求項１に記載の弾性表面波デバイス。
【請求項４】
二酸化シリコン膜をスパッタリング法で形成した請求項１に記載の弾性表面波デバイス。
【請求項５】
櫛型電極および反射電極の膜厚をＨ、表面波の波長をλとした時、電極の膜厚比を２％≦Ｈ／λ≦１０％とした請求項１に記載の弾性表面波デバイス。
【請求項６】
二酸化シリコン膜の膜厚をｈ、表面波の波長をλとした時、二酸化シリコン膜の膜厚比を１％≦ｈ／λ≦３５％とした請求項１に記載の弾性表面波デバイス。
【請求項７】
圧電単結晶基板の片面に櫛型電極および反射電極が形成され、内部応力が圧縮方向に８０ＭＰａ以上５００ＭＰａ以下である二酸化シリコン膜を少なくとも前記櫛型電極および反射電極を被覆するように形成し、前記圧電単結晶基板の他面に前記二酸化シリコン膜の膜厚と同等の二酸化シリコン膜を形成した弾性表面波デバイス。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は電子機器に用いる弾性表面波デバイスに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、携帯電話に使用される動作周波数の高周波化に伴い送信帯域と受信帯域の周波数幅が非常に狭くなってきている。例えば米国のシステムであるＰＣＳ（Ｐｅｒｓｏｎａｌ  Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ  Ｓｙｓｔｅｍ）では送信帯域と受信帯域の周波数幅は２０ＭＨｚと非常に狭く、比帯域にして１％である。
【０００３】
従って、このようなシステムでＳＡＷ共用器のようなＳＡＷフィルタを利用する弾性表面波デバイスを実現するためには、この１％という狭い比帯域で周波数特性を急峻にすることと、ＳＡＷフィルタの温度特性の改善が求められる。
【０００４】
従来、圧電単結晶基板であるタンタル酸リチウム基板の上に櫛型電極を形成した弾性表面波フィルタの温度特性を改善する手段としては、二酸化シリコン膜を用いたものが公知である（例えば、特許文献１参照）。この方法はタンタル酸リチウム基板の上に櫛型電極および反射電極を形成し、櫛型電極および反射電極を覆うように二酸化シリコン膜を形成することにより、温度特性に優れた弾性表面波デバイスを提供可能にしている。
【０００５】
【特許文献１】
特開平２−３７１８５号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の前記弾性表面波デバイスではタンタル酸リチウム基板の温度特性とは逆の温度特性を持つ二酸化シリコン膜の効果により温度特性の改善はできるものの二酸化シリコン膜の形成に伴って周波数特性において十分な減衰量を確保することが困難であることが確認されている。従って、優れた温度特性を保ちながら、良好な減衰量を確保することが可能な弾性表面波デバイスが要求されている。
【０００７】
本発明は優れた温度特性を保ちながら良好な減衰量を確保することが可能な二酸化シリコン膜を形成した弾性表面波デバイスを実現することを目的としている。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
この課題を解決するために本発明の請求項１に記載の発明は、圧電単結晶基板の面上に櫛型電極および反射電極が形成され、内部応力が圧縮方向に８０ＭＰａ以上３００ＭＰａ以下である二酸化シリコン膜を少なくとも前記櫛型電極および反射電極を被覆するように形成した弾性表面波デバイスであり、内部応力を圧縮方向に８０ＭＰａ以上とすることで優れた温度特性を保ちながら、周波数特性において良好な減衰量を確保することが可能な弾性表面波デバイスを実現することができる。
【０００９】
本発明の請求項２に記載の発明は、二酸化シリコン膜の内部応力を圧縮方向に１１０ＭＰａ以上２００ＭＰａ以下とした請求項１に記載の弾性表面波デバイスであり、内部応力を圧縮方向に１１０ＭＰａ以上２００ＭＰａ以下とすることで二酸化シリコン膜の膜剥がれを生じさせずに周波数特性において、より良好な減衰量を確保することが可能な弾性表面波デバイスを実現することができる。
【００１０】
本発明の請求項３に記載の発明は、圧電単結晶基板をタンタル酸リチウムで構成した請求項１に記載の弾性表面波デバイスであり、音速が速く結合係数が大きい弾性表面波デバイスを実現することができる。
【００１１】
本発明の請求項４に記載の発明は、二酸化シリコン膜をスパッタリング法で形成した請求項１に記載の弾性表面波デバイスであり、特性の安定化と量産性を向上することができる。
【００１２】
本発明の請求項５に記載の発明は、櫛型電極および反射電極の膜厚をＨ、表面波の波長をλとした時、電極の膜厚比を２％≦Ｈ／λ≦１０％とした請求項１に記載の弾性表面波デバイスであり、電極の膜厚比を限定することによって二酸化シリコン膜の形成に伴う周波数特性の劣化を小さくするとともに温度特性が良好な弾性表面波デバイスを実現することができる。
【００１３】
本発明の請求項６に記載の発明は、二酸化シリコン膜の膜厚をｈ、表面波の波長をλとした時、二酸化シリコン膜の膜厚比を１％≦ｈ／λ≦３５％とした請求項１に記載の弾性表面波デバイスであり、温度特性の良好な弾性表面波デバイスを実現することができる。
【００１４】
本発明の請求項７に記載の発明は、圧電単結晶基板の片面に櫛型電極および反射電極が形成され、内部応力が圧縮方向に８０ＭＰａ以上５００ＭＰａ以下である二酸化シリコン膜を少なくとも前記櫛型電極および反射電極を被覆するように形成し、前記圧電単結晶基板の他面に前記二酸化シリコン膜の膜厚と同等の二酸化シリコン膜を形成した弾性表面波デバイスであり、基板の他面に二酸化シリコン膜を形成することにより櫛型電極および反射電極上の二酸化シリコン膜の応力を制御することが可能な弾性表面波デバイスを実現することができる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の弾性表面波デバイスについて実施の形態および図面を用いて説明する。
【００１６】
（実施の形態１）
本発明の実施の形態１および図１〜図６を用いて請求項１〜５に記載の発明について説明する。
【００１７】
図１は本発明の実施の形態１における弾性表面波デバイスの構成を示す平面図であり、図２は図１のＸ−Ｙ部における断面図である。図３はスパッタリング条件である基板に印加するバイアス電力と二酸化シリコン膜の内部応力の関係を示し、図４〜図６は図１および図２に示す弾性表面波デバイスを用いて、図３の製膜条件で導出した応力の値をパラメータとし、二酸化シリコンの膜厚比がｈ／λ＝２０％の時の二酸化シリコンの膜応力の値（電極の膜厚比がＨ／λ＝２％、７％、１０％）を変化させた時の周波数特性を示した特性図である。
【００１８】
図１、図２における弾性表面波デバイス１は圧電単結晶基板であるタンタル酸リチウム基板２の上に弾性表面波が伝播するように櫛型電極３と反射電極４をアルミニウムもしくはアルミニウムを主成分とする合金材料にて形成し、この櫛型電極３と反射電極４を覆うようにスパッタリング法を用いて二酸化シリコン膜５を形成する。前記櫛型電極３には信号入出力のための露出電極部６を設けている。この時、電極の膜厚をＨ、二酸化シリコン膜５の膜厚をｈとした。また圧電単結晶基板としてはニオブ酸リチウム、ニオブ酸カリウム、水晶、ランガサイト系単結晶基板などを用いることができる。
【００１９】
本実施の形態１における二酸化シリコン膜５を形成する手法としてはスパッタリング法を用い、膜応力を制御する方法としてはタンタル酸リチウム基板２に印加するバイアス電力を制御することによって行った。図３はスパッタリング法におけるタンタル酸リチウム基板２の上に印加するバイアス電力とその時の二酸化シリコン膜５の内部応力の関係を示した特性図である。横軸がタンタル酸リチウム基板２に印加するバイアス電力（Ｗ）、縦軸が膜応力（ＭＰａ）としている。この時の正符号は圧縮応力としている。
【００２０】
図３の結果より、タンタル酸リチウム基板２に印加するバイアス電力が０Ｗの時の膜応力が８０ＭＰａ程度であるのに対して、バイアスが５００Ｗの時の膜応力が２００ＭＰａ程度となっており、印加するバイアス電力の値を大きくすることによって二酸化シリコン膜５の圧縮応力が大きくなっていることがわかる。
【００２１】
このようにタンタル酸リチウム基板２に印加するバイアス電力を制御することによって二酸化シリコン膜５への圧縮応力を制御できることを示している。更にはスパッタリング法においてはタンタル酸リチウム基板２に印加するバイアス電力を制御するだけではなく、ガス圧、基板温度などを制御することによっても同様の効果が得られるが、バイアス電力を制御する方法が最も制御性、生産性の観点から優れている。
【００２２】
この制御性および量産性の良いスパッタリング法を用いることによって、二酸化シリコン膜５の内部応力管理と成膜コストを下げることができることから生産性を向上させることが可能となる。
【００２３】
次に、二酸化シリコン膜５の内部応力の測定方法を以下に記述する。厚さ４００μｍ±２０μｍの２インチのタンタル酸リチウム基板２を用意する。光学的平滑面上に前記のタンタル酸リチウム基板２を載せ、面に垂直方向に光を入射した時、タンタル酸リチウム基板２と平滑面の間の光の干渉で生じるニュートン環の間隔の測定により、タンタル酸リチウム基板２の変形を測定し、曲率半径を決定してタンタル酸リチウム基板２の初期の反り量を導出する。
【００２４】
その後、このタンタル酸リチウム基板２の上に二酸化シリコン膜５をスパッタリング法にて１μｍの膜厚に形成し、同様の手法でタンタル酸リチウム基板２の反り量を測定する。
【００２５】
このようにして、二酸化シリコン膜５の形成前、形成後のタンタル酸リチウム基板２の反り量を計測し、その値を（数１）に代入することによって導出した値を内部応力の値とした。
【００２６】
また、この時の０を内部応力フリーの状態とし正方向側を圧縮応力と定義した。
【００２７】
【数１】
2004242182.tif 000003
【００２８】
なお、この内部応力の測定をする時同時にシリコン基板を入れ、シリコン基板の上にも二酸化シリコン膜５を形成し、同じ測定方法によって内部応力を測定しながら補正を加えることで、より高精度な内部応力の測定をすることができる。その理由はシリコン基板の品質が一定していることと、他の要因によるシリコン基板の反り等の発生が無いためである。
【００２９】
次に、図１、図２に示す弾性表面波デバイス１を用い、実施の形態１で導出した内部応力の値をパラメータとして各電極（櫛型電極３と反射電極４）の膜厚比について弾性表面波フィルタの周波数特性の測定を行った。その結果を図４〜図６に示す。
【００３０】
図４は電極（櫛型電極３と反射電極４）の膜厚比（Ｈ／λ）＝２％、二酸化シリコン膜５の膜厚比（ｈ／λ）＝２０％の時の二酸化シリコン膜５の膜応力の値を変化させた時の周波数特性を示した図である。横軸に周波数（ＭＨｚ）、縦軸に減衰量（ｄＢ）を示している。
【００３１】
この時、電極（櫛型電極３と反射電極４）の膜厚比（Ｈ／λ）＝２％よりも小さい場合には電極の膜厚が薄すぎるために電極の形成が困難になる。図４からわかるように、二酸化シリコン膜５の膜応力が８０ＭＰａの時の減衰量は二酸化シリコン膜５を形成していない時の特性と比較して約１／２になっている。またこの減衰量が−１０ｄＢよりも小さくなると弾性表面波デバイス１として実用できなくなることがわかっている。
【００３２】
また、二酸化シリコン膜５の内部応力の圧縮度合いが小さくなるにつれて減衰量は大きくなっていき、内部応力が２００ＭＰａの時の減衰量は二酸化シリコン膜５を形成していない時の減衰量とほぼ同等レベルを実現していることがわかる。
【００３３】
しかしながら、５００ＭＰａを超えると二酸化シリコン膜５にクラックなどが発生するために実用化することは困難である。
【００３４】
次に、図５は電極の膜厚比がＨ／λ＝７％、二酸化シリコン膜５の膜厚比がｈ／λ＝２０％の時の二酸化シリコン膜５の膜応力の値を変化させた時の周波数特性を示した図である。図５からわかるように、電極の膜厚比がＨ／λ＝２％の時と同様で二酸化シリコン膜５の膜応力が８０ＭＰａの時の減衰量は二酸化シリコン膜５を形成していない時の特性と比較して約１／２になっている。その後、膜応力の圧縮度合いが小さくなるにつれて減衰量は大きくなっていき、内部応力が２００ＭＰａの時の減衰量は二酸化シリコン膜５を形成していない時の減衰量とほぼ同等レベルを実現していることがわかる。
【００３５】
また同様に、図６は電極の膜厚比がＨ／λ＝１０％、二酸化シリコン膜５の膜厚比がｈ／λ＝２０％の時の二酸化シリコン膜５の内部応力の値を変化させた時の周波数特性を示した図である。図６からわかるように、電極の膜厚比がＨ／λ＝２％，７％の時と同様で二酸化シリコン膜５の内部応力が８０ＭＰａの時の減衰量は二酸化シリコン膜５を形成していない時の特性と比較して約１／２になっていることがわかる。膜応力の圧縮度合いが小さくなるにつれて減衰量は大きくなっていき、内部応力が１１２ＭＰａの時の減衰量は二酸化シリコン膜５を形成していない時の減衰量の約３／４まで回復していることがわかる。また電極の膜厚比がＨ／λ＝１０％よりも大きくなると二酸化シリコン膜５の温度特性の改善が困難となることがわかった。
【００３６】
これらの結果から、二酸化シリコン膜５の内部応力を制御することは特性の変化に良い影響を与えることがわかったが、内部応力を制御した時には問題が２つ生じる。
【００３７】
その一つ目は圧縮側に大きな内部応力を負荷した時、タンタル酸リチウム基板２に大きな内部応力が生じて二酸化シリコン膜５、櫛型電極３および反射電極４にクラックが発生したり、加工中や組み立て後にタンタル酸リチウム基板２自体が破損してしまうということである。本実施の形態１において、圧縮側の最大の内部応力は５００ＭＰａであるが、この内部応力値においては二酸化シリコン膜５のクラックおよびタンタル酸リチウム基板２の破損は生じていない。
【００３８】
２つ目は圧縮側の内部応力を小さくした時に、内部応力はフリーの状態に近づくため膜剥がれが生じるということである。本実施の形態１における圧縮方向の内部応力の最小値は８０ＭＰａであるがこの応力値における膜剥がれは生じないことをテープを使用した引張り試験において確認している。
【００３９】
以上のことから、二酸化シリコン膜５の内部応力の値は８０ＭＰａ以上５００ＭＰａ以下の範囲において効果的であり、更により好ましくは１１０ＭＰａ以上２００ＭＰａ以下の範囲であった。
【００４０】
また、電極膜厚比（Ｈ／λ）と特性との関係を見た場合、図４〜図６に示されているように電極膜厚比（Ｈ／λ）の増加に伴って特性の劣化や周波数のシフトが大きくなっている。電極膜厚比（Ｈ／λ）＝１０％の時、内部応力が８０ＭＰａの時の減衰量は二酸化シリコン膜５を形成していない時の特性と比較して約１／２になっていることがわかる。減衰量としては−１０ｄＢを切っているため、これ以上膜厚比を増加させると特性が劣化することと考えられることから電極膜厚比（Ｈ／λ）の上限は１０％とした。
【００４１】
また、反対に電極膜厚比（Ｈ／λ）が小さい場合には特性の劣化も小さく非常に有効であると考えられるが、電極膜厚比（Ｈ／λ）＝１％の弾性表面波デバイスでは信号入出力のための露出電極部６が作製プロセス工程の途中に無くなってしまい特性の評価ができなかった。
【００４２】
従って、電極膜厚比（Ｈ／λ）の下限は２％とした。これよりも小さい場合には、電極の厚みが薄くなりすぎて製造プロセス途中において電極膜の膜減りが発生して電極膜が無くなってしまったり、電気的特性が得られないなどの問題が発生することになる。そして１０％より大きくなると温度特性が実用化できないレベルになるとともに二酸化シリコン膜５の効果が得られなくなることがわかった。
【００４３】
（実施の形態２）
本発明の実施の形態２および図７〜図９を用いて請求項６に記載の発明について説明する。
【００４４】
図７は二酸化シリコン膜５の膜厚比（ｈ／λ）を変化させた時の温度特性を示した図であり、図８は二酸化シリコン膜５の膜厚比（ｈ／λ）を変化させた時の周波数特性を示した図である。また図９は二酸化シリコン膜５の内部応力の値を変化させた時の温度特性を示している。
【００４５】
電気的特性については実施の形態１で述べたとおりであるが、電気的特性の向上とともに良好な温度特性が求められており、本発明の実施の形態２では温度特性を改善するための手段について説明する。基本的な弾性表面波デバイス１の構成は実施の形態１と同じ構成を有しており、詳細な説明は省略する。
【００４６】
一般的に、温度特性を支配する要因としては二酸化シリコン膜５の膜厚であることが知られている。そこで実用性のある二酸化シリコン膜５の膜厚比（ｈ／λ）である１％〜４０％の範囲において電気的特性の測定および温度特性の測定を行った。
【００４７】
図７は電極の膜厚比がＨ／λ＝４％、二酸化シリコン膜５の膜厚比がｈ／λ＝１，１０，２０，３５，４０％の時の温度特性を示した図である。横軸は二酸化シリコン膜５の膜厚比（ｈ／λ）（％）、縦軸は温度特性ＴＣＦ（ｐｐｍ／Ｋ）を示している。図７の結果より、弾性表面波フィルタの実用レベルは二酸化シリコン膜５の膜厚比が１％≦ｈ／λ≦３５％の範囲内であることが好ましい。通常、二酸化シリコン膜５を形成していない時の温度特性はタンタル酸リチウム基板２を使用した場合−３５ｐｐｍ／Ｋ程度であり、二酸化シリコン膜５を膜厚比（ｈ／λ）＝２０％で形成した時は−１２ｐｐｍ／Ｋ程度まで良くなることがわかる。
【００４８】
また、図８は電極の膜厚比がＨ／λ＝４％、二酸化シリコン膜５の膜厚比（ｈ／λ）＝０，１０，２０，３５％の時の周波数特性を示した図である。図７から二酸化シリコン膜５の膜厚比が０％の時は−３５ｐｐｍ／Ｋ程度であるのに対して二酸化シリコン膜５の膜厚比（ｈ／λ）を上げていくと温度特性が向上し３０％の時にはほぼ０ｐｐｍ／Ｋになることがわかった。
【００４９】
さらに、膜厚比（ｈ／λ）を上げていくと温度特性が正に逆転し更には正の方向へ進むと考えられる。
【００５０】
図８の結果から、それぞれの膜厚比（ｈ／λ）における特性を見てみると、膜厚比（ｈ／λ）の上昇とともに特性が劣化していき膜厚比（ｈ／λ）が３５％の時の特性は膜厚比（ｈ／λ）が０％の時の特性と比較しても約１／２に減少していることがわかる。さらに膜厚比（ｈ／λ）を上げていくと特性は更に劣化した。
【００５１】
以上のことから、良好な電気的特性および温度特性を両立できる二酸化シリコン膜５の膜厚比（ｈ／λ）としては１％≦ｈ／λ≦３５％であった。１％よりも小さい場合には内部応力の条件を満足することが困難となる。
【００５２】
図９には電極の膜厚比（Ｈ／λ）＝４％、二酸化シリコン膜５の膜厚比（ｈ／λ）＝２０％の時の二酸化シリコン膜５の膜の内部応力の値を変化させた時の温度特性を示している。図９の結果より、内部応力の値を変化させたとしても−１０ｐｐｍ／Ｋ前後の温度特性値を実現していることから、内部応力を制御することで弾性表面波デバイス１の優れた温度特性を実現し、且つ良好な減衰量を実現する周波数特性が実現可能である。
【００５３】
特に、温度特性としては±２０ｐｐｍ／Ｋの範囲に制御することが最も好ましいことから、内部応力が１１０ＭＰａ以上２００ＭＰａ以下の範囲においてより優れた温度特性を示していることがわかる。
【００５４】
（実施の形態３）
本発明の実施の形態３および図１０を用いて請求項７に記載の発明について説明する。
【００５５】
図１０は本発明の実施の形態３における弾性表面波フィルタの周波数特性を示す特性図である。
【００５６】
本発明の実施の形態３における弾性表面波デバイス１における基本的な構成は図１に示した構成とほぼ同じであるが、異なっているところは圧電単結晶基板であるタンタル酸リチウム基板２の他面側に二酸化シリコン膜５の膜厚と同等の二酸化シリコン膜５が形成されたことである。このタンタル酸リチウム基板２の片面に形成した二酸化シリコン膜５の内部応力の制御だけでなく、片面に形成した二酸化シリコン膜５と同等の膜厚の二酸化シリコン膜５をタンタル酸リチウム基板２の他面側にも形成することによってタンタル酸リチウム基板２の内部応力の制御を行った。この結果を図１０に示す。
【００５７】
図１０の結果より、タンタル酸リチウム基板２の他面上に二酸化シリコン膜５を形成することによって電気特性の向上が見られた。よって、二酸化シリコン膜５を圧電単結晶基板の他面に形成することによって電気特性の向上が可能である。
【００５８】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、圧電単結晶基板の面上に櫛型電極および反射電極を形成し、少なくとも前記櫛型電極および反射電極を被覆するように二酸化シリコン膜の応力値を８０ＭＰａ以上５００ＭＰａ以下に制御して形成することによって、優れた温度特性を実現しながら良好な減衰量を確保することができる弾性表面波デバイスを実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態１における弾性表面波デバイスの平面図
【図２】同断面図
【図３】同バイアス電力と二酸化シリコン膜の内部応力の関係を示す特性図
【図４】同内部応力を変化させた時の周波数特性を示す特性図
【図５】同特性図
【図６】同特性図
【図７】本発明の実施の形態２における弾性表面波フィルタの温度特性を示す特性図
【図８】同周波数特性を示す特性図
【図９】同温度特性を示す特性図
【図１０】本発明の実施の形態３における弾性表面波フィルタの周波数特性を示す特性図
【符号の説明】
１  弾性表面波デバイス
２  タンタル酸リチウム基板
３  櫛型電極
４  反射電極
５  二酸化シリコン膜
６  露出電極部
【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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