(57)【要約】【課題】  ＳＡＷデバイスにおいて温度特性のばらつきを抑制しかつ量産に適した小型化を可能にする。【解決手段】  オイラー角表示で（０°，θ，０°＜｜ψ｜＜９０°）、好ましくは（０°，θ，９°＜｜ψ｜＜４６°）、より好ましくは（０°，９５°＜θ＜１５５°，３３°＜｜ψ｜＜４６°）の面内回転ＳＴカット水晶板からなる水晶基板１１の主面に、ＳＡＷの波長λに対してＨ／λ≦０．０８５となる厚さＨの交差指電極１２ａ，１２ｂからなるシングル型のＩＤＴ１３を形成する。これにより、ストップバンドの上限モードで励振させ、製造上のばらつきを含めて、使用温度範囲（０〜７０℃）で周波数変動幅Δｆabを２５ｐｐｍ以下に抑えた良好な温度特性が得られる。【選択図】  図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
面内回転ＳＴカット水晶板からなる水晶基板と、前記水晶基板の主面に形成された少なくとも１組の交差指電極からなるＩＤＴとを備え、
前記交差指電極の膜厚Ｈが、前記ＩＤＴにより励振される弾性表面波（ＳＡＷ）の波長λに対してＨ／λ≦０．０８５に設定されていることを特徴とする弾性表面波素子。
【請求項２】
前記水晶基板のオイラー角が（０°，θ，０°＜｜ψ｜＜９０°）であることを特徴とする請求項１に記載の弾性表面波素子。
【請求項３】
前記水晶基板のオイラー角が（０°，θ，９°＜｜ψ｜＜４６°）であることを特徴とする請求項２に記載の弾性表面波素子。
【請求項４】
前記水晶基板のオイラー角が（０°，９５°＜θ＜１５５°，３３°＜｜ψ｜＜４６°）であることを特徴とする請求項３に記載の弾性表面波素子。
【請求項５】
請求項１乃至４のいずれかに記載の弾性表面波素子を備えることを特徴とする弾性表面波デバイス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、弾性表面波（ＳＡＷ：surface acoustic wave ）を利用したＳＡＷ素子及びかかるＳＡＷ素子を有するＳＡＷデバイスに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、圧電基板の表面に形成した交差指電極からなるＩＤＴ（すだれ状トランスデューサ）により励振する弾性表面波を利用したＳＡＷ素子を備える共振子、フィルタ、発振器等のＳＡＷデバイスが、様々な電子機器に幅広く利用されている。最近は、携帯通信機器などの発達により、通信の高速化に対応したＳＡＷデバイスの高周波化及び高精度化と共に、小型化が要求されている。
【０００３】
ＳＡＷ素子の圧電基板には、一般に高い温度安定性を有する水晶が利用されており、中でも周波数温度特性の良好なＳＴカット水晶板が多く使用されている。図３に例示するように、水晶の直交する３つの結晶軸を電気軸（Ｘ軸）、機械軸（Ｙ軸）、光学軸（Ｚ軸）とし、オイラー角（φ，θ，ψ）が（０°，０°，０°）の水晶Ｚ板１をＸ軸周りに角度θ＝１１３〜１３５°回転させて得られる新しい座標軸（Ｘ，Ｙ´，Ｚ´）に沿って切り出したものがＳＴカット水晶板２である。
【０００４】
ＳＡＷ素子の周波数温度特性を向上させるために、ＳＴカット水晶板２をＺ´軸周りに角度ψ回転させた面内回転ＳＴカット水晶板３が知られている。面内回転ＳＴカット水晶板３は、温度特性が３次関数で表されることから、オイラー角を（０°，θ＝１１３〜１３５°，ψ＝±（４０°〜４９°））に設定し、かつその温度特性を変曲点周りに回転させて、使用温度範囲における周波数変動幅を最小に調整したＳＡＷ装置が提案されている（例えば、特許文献１を参照）。
【０００５】
更に、特許文献１に記載の面内回転ＳＴカット水晶板を用いたＳＡＷ装置において、ＩＤＴの電極幅のばらつきに対する共振周波数の変動を少なくするために、ＩＤＴの電極ピッチに対する電極幅の比率を０．５以上、０．６５以下にすることが知られている（例えば、特許文献２を参照）。
【０００６】
他方、ＩＤＴにより励振されるＳＡＷの代表的なものはレイリー波であるが、計算によりストップバンドと呼ばれる２つの周波数解を得られることが知られている。レイリー波が励振されるＳＡＷ素子は、その低い方（下限モード）又は高い方（上限モード）のいずれかの周波数を使用する。これらの周波数を比較すると、上限モードの方が下限モードよりも、周波数温度特性の２次温度係数の絶対値が小さく、ＩＤＴの電極膜厚を増加させたときに２次温度係数の絶対値の変化も小さいことが知られている（例えば、非特許文献１を参照）。従って、上限モードの方が周波数温度特性が良好で、高周波化に適していることが分かっている。
【０００７】
ところが、ＳＴカット水晶基板を用いたＳＡＷ素子は、ＩＤＴがＳＡＷの１波長中に２本の電極指を設けたシングル型の場合、ＳＡＷがストップバンドの上限モードではなく、下限モードでのみ励振される。そこで、ＳＡＷの１波長中に３本又はそれ以上の電極指を設けた反射反転型のＩＤＴ電極を有し、ストップバンドの上限モードでの励振を可能にしたＳＡＷ装置が知られている（例えば、特許文献３を参照）。
【０００８】
また、ＳＴカット水晶基板にＩＤＴとその両側に反射器とを設けたＳＡＷ素子は、アルミニウムで形成した反射器の電極当たりの反射係数が０．０２程度であり、高い反射効率を得るためには電極本数が増えて、小型化を妨げるという問題がある。そこで、オイラー角が（０°、１１３°〜１３５°、０°）であるＳＴカット水晶基板、又は（０°、１１３°〜１３５°、±（４０°〜４９°））である面内回転ＳＴカット水晶基板を用いてレイリー波を励起し、かつＩＤＴを形成する金属材料よりも重い金属材料で反射器を形成することにより、チップサイズを小型化しかつ周波数温度特性を良好にしたＳＡＷチップが知られている（例えば、特許文献４を参照）。
【０００９】
【非特許文献１】信学技報、社団法人電子情報通信学会、ＵＳ９９−２０（１９９９−０６）、ｐ．３７−４２
【特許文献１】特開２００３−１５２４８７号公報
【特許文献２】特開２００３−２５８６０１号公報
【特許文献３】特開２００２−１００９５９号公報
【特許文献４】特開２００５−１８４３４０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
一般に、ＳＴカット水晶基板を用いたＳＡＷ素子は、発振周波数がＩＤＴの電極ピッチにより決定され、その高周波化にはＩＤＴの電極ピッチを小さくする必要がある。ＩＤＴの設計では、電極ピッチを小さくする際に、それと同時に電極幅及び電極膜厚も比例して小さくするのが通例である。しかしながら、それではＩＤＴの抵抗値も大きくなり、ＳＡＷ素子のインピーダンスが大きくなるので好ましくない。
【００１１】
これに対し、ＩＤＴの電極膜厚を大きくすれば、一般に発振周波数が大きく降下するという、当業者によく知られた問題を生じる。そこで、更にＩＤＴの電極幅を微細にして高周波化しようとすれば、一般に採用されているウエットエッチングによる製造工程では、加工精度の問題を生じ、製造歩留まりを低下させてコストの増加を招く虞がある。特に上述した反射反転型のＩＤＴを有するＳＡＷ素子の場合、高周波化しようとすると、シングル型のＩＤＴよりも更に電極幅を微細化する必要がある。また、ＩＤＴの電極膜厚を大きくすることによって、周波数温度特性における２次温度係数の絶対値が大きくなり、その結果、却って水晶基板に固有の温度安定性を損ねる虞がある（例えば、非特許文献１を参照）。
【００１２】
また、上記特許文献１に記載される面内回転ＳＴカット水晶板を用いたＳＡＷ素子は、電極１本当たりの反射係数が０．０１５程度で、ＳＴカット水晶板よりも小さくなる。そのために電極指の本数が多くなり、ＳＡＷ素子のチップサイズを小型化することが困難になるという問題がある。
【００１３】
本願出願人は、オイラー角（０°，θ，ψ）の面内回転ＳＴカット水晶板について更に様々検討した結果、角度ψを適当に選択し、より好ましくは更に角度θを適当に選択することによって、シングル型のＩＤＴでレイリー波をストップバンドの上限モードで励振できることを見出した。更に、その場合にＩＤＴの電極指の反射係数がＳＴカット水晶板と同程度であることが分かった。
【００１４】
また、上記非特許文献１に記載される解析方法を利用することにより、面内回転ＳＴカット水晶板において、使用温度範囲（０〜７０°）における温度変化に対する周波数の変動幅Δｆ即ち温度特性は、角度ψに依存してばらつきを生じることが分かった。即ち、角度ψを様々に変えて温度特性の変化を観察したとき、角度ψの変化に対する周波数変動幅Δｆの変化を最小にできることを見出した。また、角度ψの変化による周波数変動幅Δｆの変化は、ＩＤＴの電極膜厚の変動に影響を受けることが分かった。この場合、角度ψの変化に対して、ＩＤＴの電極膜厚が大きいほど、Δｆの変動は大きくなり、逆にＩＤＴの電極膜厚が小さいほど、Δｆの変動は小さくなる。
【００１５】
他方、工業的なＳＡＷ素子の大量製造においては、当然ながら製造上許容され得る誤差範囲即ち公差を考慮する必要がある。上述したように、面内回転角度ψの変化による周波数変動幅Δｆには、ＩＤＴの電極膜厚が大きく影響することから、その製造誤差またはばらつきを考慮しなければ、実用上角度ψの変動による温度特性のばらつきを抑制したＳＡＷ素子を実現することは困難である。
【００１６】
そこで本発明の目的は、かかる従来技術の問題を解消することにある。そして、本願発明者らは、上述したように面内回転ＳＴカット水晶板を用いたＳＡＷ素子について様々に研究し、周波数温度特性に関連して面内回転角度ψ、ＩＤＴの電極ピッチ、膜厚及び線幅の相互の関係を十分に検討した結果、その知見に基づいて本発明を案出するに至ったものである。従って、本発明の目的は、面内回転ＳＴカット水晶板を用いたＳＡＷ素子において、特に製造上の誤差やばらつきを考慮しつつ、角度ψの変動による温度特性のばらつきを抑制し、しかも製造上の負担を少なくして量産に適した小型化を可能にするＳＡＷ素子及びＳＡＷデバイスを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
本発明によれば、上記目的を達成するために、面内回転ＳＴカット水晶板からなる水晶基板と、該水晶基板の主面に形成された少なくとも１組の交差指電極からなるＩＤＴとを備え、交差指電極の膜厚Ｈを、ＩＤＴにより励振されるＳＡＷの波長λに対してＨ／λ≦０．０８５に設定したＳＡＷ素子が提供される。
【００１８】
本願発明者らは、このように面内回転ＳＴカット水晶板を使用し、かつＳＡＷの波長に対するＩＤＴの電極膜厚比Ｈ／λを設定することによって、後述するように、通常の使用温度範囲においてＳＡＷ素子の周波数温度特性、即ち周波数変動幅を小さく抑制できることを見出した。これにより、使用温度範囲においてＩＤＴの電極膜厚の変動に対して、温度特性のばらつきを抑制することができる。
【００１９】
或る実施例では、オイラー角が（０°，θ，０°＜｜ψ｜＜９０°）の水晶基板を用いることにより、ＳＡＷ素子をストップバンドの上限モードで励振させることが可能で、それにより電極膜厚を大きくしても周波数降下を抑制することができる。従って、優れた周波数温度特性を有しかつそのばらつきを抑制でき、高周波化及び高精度化の可能なＳＡＷ素子を実現することができる。
【００２０】
別の実施例では、水晶基板のオイラー角を（０°，θ，９°＜｜ψ｜＜４６°）にすることにより、更に優れた周波数温度特性を発揮させ、かつ温度変化に対する周波数変動量をより小さくすることができる。更に別の実施例では、水晶基板のオイラー角を（０°，９５°＜θ＜１５５°，３３°＜｜ψ｜＜４６°）にすることにより、更に一層優れた周波数温度特性を得ることができる。
【００２１】
本発明の別の側面によれば、上述した本発明のＳＡＷ素子を備えることにより、優れた周波数温度特性を有し、高周波化及び高精度化が可能で小型化に適したＳＡＷデバイスが提供される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
以下に、添付図面を参照しつつ、本発明の好適な実施例について詳細に説明する。
図１（Ａ）は、本発明を適用した１ポート型共振子用のＳＡＷ素子１０を示している。ＳＡＷ素子１０は、図８に関連して上述した面内回転ＳＴカット水晶板からなる矩形の水晶基板１１を有する。水晶基板１１の主面には、その略中央に１対の交差指電極１２ａ、１２ｂからなるＳＡＷ励振用のＩＤＴ１３が形成され、その長手方向の両側にそれぞれ格子状の反射器１４、１４が形成されている。前記交差指電極及び反射器は、加工性及びコストの観点からＡｌからなる電極膜で形成されている。別の実施例では、前記電極膜にＡｌ／Ｃｕ膜を用いることもできる。
【００２３】
図１（Ｂ）は、ＳＡＷの伝搬方向に沿って交差指電極１２ａ、１２ｂの断面を示している。本実施例では、前記交差指電極の膜厚をＨ、ＩＤＴ１３により励振されるＳＡＷの波長をλとしたとき、それらの比即ち膜厚比Ｈ／λが０．０８５となるように、好ましくは０．０６〜０．０７となるように、ＩＤＴ１３を形成する。このように膜厚比を設定することによって、所定の使用温度範囲（０〜７０℃）において、膜厚Ｈの変動に対する周波数変動幅の変化を、２５ｐｐｍ程度まで小さくし、温度特性のばらつきを抑制することができる。更に、交差指電極１２ａ、１２ｂの反射係数を、上記特許文献１の面内回転ＳＴカット水晶板を用いた従来のＳＡＷ装置とは異なり、ＳＴカット水晶板と同程度に大きくすることができる。
【００２４】
また、本実施例において、ＩＤＴ１３の電極ピッチ即ち隣接する交差指電極間の中心距離をｐ、電極１２ａ、１２ｂのＳＡＷ伝搬方向における線幅をｄとすると、それらの比η＝ｄ／ｐは０．８程度に設定するのが好ましい。これにより、ＳＡＷ素子１０自体の小型化やＩＤＴ１３が狭ピッチ化した場合でも、該ＩＤＴを水晶基板１１にパターニングする際に、前記交差指電極の線幅が狭小化し過ぎて加工精度が低下したり断線する虞を解消し又は軽減することができる。従って、水晶基板１１即ちＳＡＷ素子１０の小型化が、製造上ＩＤＴの形成に過度の負担を強いることはない。
【００２５】
本発明のような面内回転ＳＴカット水晶板の場合、ＩＤＴの電極線幅と電極ピッチとの比ηを本実施例のように大きくすると、却って温度変化に対する周波数変動幅が大きくなり、温度特性を悪くする虞がある（例えば、特許文献２を参照）。しかしながら、本発明によれば、ＩＤＴの膜厚比を上述したように設定することにより、その製造上の誤差やばらつきを考慮しても、周波数変動幅のばらつきを抑制し、良好な温度特性を維持することができる。
【００２６】
本実施例の水晶基板１１は、オイラー角（０°，θ，０°＜｜ψ｜＜９０°）の面内回転ＳＴカット水晶板であり、そのＸ´軸方向がＳＡＷの伝搬方向と一致するように形成される。これにより、温度特性のばらつきを抑制することに加えて、本実施例のようなシングル型ＩＤＴにおいてストップバンドの上限モードで励振させることが可能であり、電極膜厚を大きくしても、周波数降下を抑制することができる。従って、電極ピッチをより小さくして高周波化、高精度化を図ることができる。
【００２７】
水晶基板１１は、より好ましくはオイラー角が（０°，θ，９°＜｜ψ｜＜４６°）であり、更に、従来のＳＴカット水晶板よりも優れた周波数温度特性を発揮し、温度変化に対する周波数変動量を小さくする効果が得られる。更に好ましくは、水晶基板１１のオイラー角が（０°，９５°＜θ＜１５５°，３３°＜｜ψ｜＜４６°）であり、より一層優れた周波数温度特性を得ることができる。
【００２８】
オイラー角が（０°，９５°＜θ＜１５５°，３３°＜｜ψ｜＜４６°）の面内回転ＳＴカット水晶基板にＩＤＴを形成した、図１に示す本実施例のＳＡＷ素子の周波数温度特性を、上記非特許文献１に記載の解析方法を用いてシミュレーションした。その結果を図２乃至図７に示す。
【００２９】
図２は、ＩＤＴの電極線幅対電極ピッチ比η＝０．８に設定した場合に、使用温度範囲（０〜７０℃）における膜厚比Ｈ／λの変化に関する周波数変動幅Δｆの変化を示している。同図において、実線で示すΔｆは、膜厚比Ｈ／λがＩＤＴの電極膜厚Ｈなどの製造誤差やばらつきを含まない理想的な最適値で製造された場合である。これに対し、破線で示すΔｆは、膜厚比Ｈ／λがＩＤＴの製造誤差やばらつきによる変動幅を２％と仮定とした場合である。従って、実線と破線間の数値の差は、製造誤差やばらつきによる膜厚比Ｈ／λの変動幅が周波数変動幅Δｆに与える影響を示すことになる。また、ｐ０は、従来のＳＴカット水晶板を用いた場合を示している。
【００３０】
同図から、η＝０．８において、膜厚比Ｈ／λの変動幅が無い理想的な場合には、Ｈ／λ＝０．０４５〜０．１０５の範囲全体で、周波数変動幅Δｆが１０ｐｐｍ以下に安定して小さく抑制されていることが分かる。これに対し、膜厚比Ｈ／λの変動幅が２％の場合には、周波数変動幅Δｆが、Ｈ／λ＝０．０６〜０．０７において安定して２０ｐｐｍ以下に小さく抑制されているが、Ｈ／λ＞０．０８５では急激に上昇し始める傾向が見られる。膜厚比Ｈ／λの変動幅の大小に拘わらず、それが周波数変動幅Δｆの変化に与える影響は、図２の破線と同じ傾向を示すと考えられる。従って、周波数変動幅Δｆは、膜厚比Ｈ／λ≦０．０８５において、ＩＤＴの製造誤差やばらつきによる変動幅を考慮しても、従来のＳＴカット水晶板を用いた場合に比較して安定して良好に抑制されることが分かる。
【００３１】
図３及び図４は、それぞれ電極線幅対ピッチ比η＝０．７、０．６に設定した場合に、前記使用温度範囲における膜厚比Ｈ／λの変化に関する周波数変動幅Δｆの変化を示している。図３及び図４においても、実線は、膜厚比Ｈ／λがＩＤＴの製造誤差やばらつきを含まない理想的な最適値で製造された場合のΔｆであるのに対し、破線は、膜厚比Ｈ／λがＩＤＴの製造誤差やばらつきによる変動幅を２％と仮定とした場合のΔｆである。これらの場合にも、図２と同様の結果が得られた。即ち、膜厚比Ｈ／λの変動幅が０の場合には、周波数変動幅Δｆが全体として略１５ｐｐｍ以下に安定して小さく抑制されている。これに対し、膜厚比Ｈ／λの変動幅が２％の場合には、Ｈ／λ＞０．０８５において、周波数変動幅Δｆが急激に上昇する傾向が見られる。これらの結果から、本発明によれば、電極線幅対ピッチ比ηを比較的大きくしても、電極膜厚比Ｈ／λの変化に対して温度特性のばらつきを良好に抑制し得ることが分かる。
【００３２】
図５乃至図７は、それぞれ膜厚比Ｈ／λ＝０．０８、０．０７，０．０６に設定した場合に、電極線幅対電極ピッチ比ηに関する周波数変動幅Δｆの変化を示している。これらの各図においても、実線は、膜厚比Ｈ／λがＩＤＴの製造誤差やばらつきを含まない理想的な最適値で製造された場合のΔｆであり、破線は、膜厚比Ｈ／λがＩＤＴの製造誤差やばらつきによる変動幅を２％と仮定とした場合のΔｆである。また、これらの図面に示す各グラフの左端、即ちη＝０．４５における周波数変動幅Δｆは、それぞれ従来のＳＴカット水晶板を用いた場合とほぼ一致している。
【００３３】
図５乃至図７のいずれにおいても、膜厚比Ｈ／λの変動幅が０の場合には、周波数変動幅Δｆが全体として２０ｐｐｍ以下に安定して小さく抑制されている。膜厚比Ｈ／λの変動幅が２％の場合には、周波数変動幅Δｆが、電極線幅対電極ピッチ比η＜０．６５において比較的大きく変動するのに対し、η＝０．６５〜０．８５では略６０ｐｐｍ以下に安定している。これらの結果から分かるように、本発明の面内回転ＳＴカット水晶板において電極線幅対電極ピッチ比ηを大きく設定しても、ＩＤＴの膜厚比を上述したように設定することにより、温度特性のばらつきを良好に抑制し得ることが分かる。
【００３４】
以上、本発明の好適な実施例について説明したが、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、これに様々な変形・変更を加えて実施し得ることは当業者に明らかである。例えば、上記実施例の１ポート型、シングル型ＩＤＴ以外に、反射器を有しないものや、２ポート型、トランスバーサル型などの様々な構成を有するＳＡＷ素子についても、本発明は同様に適用することができる。また、共振器以外に発振器などの様々なＳＡＷデバイスにも適用し得ることは言うまでもない。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】（Ａ）図は本発明を適用したＳＡＷ素子を示す平面図、（Ｂ）図はそのＩ−Ｉ線における部分拡大断面図。
【図２】図１のＳＡＷ素子について、電極線幅対ピッチ比をη＝０．８とした場合の温度特性をＩＤＴの膜厚比Ｈ／λに関する周波数変動幅Δｆabで示す線図。
【図３】電極線幅対ピッチ比η＝０．７の場合の温度特性を示す図２の同様の線図。
【図４】電極線幅対ピッチ比η＝０．６の場合の温度特性を示す図２の同様の線図。
【図５】図１のＳＡＷ素子について、ＩＤＴの膜厚比をＨ／λ＝８％とした場合の温度特性を電極線幅対ピッチ比ηに関する周波数変動幅Δｆabで示す線図。
【図６】ＩＤＴ膜厚比Ｈ／λ＝７％の場合の温度特性を示す図５の同様の線図。
【図７】ＩＤＴ膜厚比Ｈ／λ＝６％の場合の温度特性を示す図５の同様の線図。
【図８】本発明に使用する面内回転ＳＴカット水晶板を示す説明図。
【符号の説明】
【００３６】
１…水晶Ｚ板、２…ＳＴカット水晶板、３…面内回転ＳＴカット水晶板、１０…ＳＡＷ素子、１１…水晶基板、１２ａ，１２ｂ…交差指電極、１３…ＩＤＴ、１４…反射器。
【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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