(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と前記基板上に形成された第一薄膜と、前記第二薄膜に接するように形成されたくし歯電極とを備え、前記第一薄膜上に第二薄膜を設けた弾性表面波素子において、
回転角が２８°回転Ｙカットから４５°回転ＹカットからなるいわゆるＳＴカット水晶基板であり、弾性表面波の伝搬方向がＸ方向となるように前記第一薄膜に接するように形成された前記くし歯電極を備え、前記第一薄膜が酸化亜鉛（ＺｎＯ）、前記第二薄膜が酸化シリコン（ＳｉＯ2）であり、レイリー波あるいはレイリー波の高次モードであるセザワ波（１次、２次、３次以上）を用いることを特徴とする弾性表面波素子。
【請求項２】
弾性表面波の波長λおよび薄膜の厚みｈを定義すると、前記第一薄膜の酸化亜鉛の２πｈ／λで定義される規格化厚ｋｈ（ＺｎＯ）比が０．１から２の範囲にあり、前記第二薄膜の酸化シリコン（ＳｉＯ2）の２πｈ／λで定義される規格化厚ｋｈ（ＳｉＯ2）比が０．１から２の範囲にある請求項１に記載の弾性表面波素子。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、水晶基板を用いた弾性表面波素子に関し、特に、水晶基板上に薄膜を積層して弾性表面波を利用した弾性表面波素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
圧電体の表面を伝播する表面弾性波を利用する表面弾性波素子は、固有の透過帯域を有し、しかも小型であり部品点数も少ないため、携帯電話等の通信機器用のバンドパスフィルター等や基準クロックとして共振子へ応用されている。典型的な表面弾性波素子は、表面弾性波を発生させるために、圧電体の表面上に入力出力の１対の櫛型電極(interdigital transducer)を備える構造を有する。入力櫛型電極に印加された交流電力は圧電体表面上で機械的エネルギーに変換されるが、電極が櫛型であるため圧電体内に疎密が発生して弾性波となり、圧電体表面を伝播して出力櫛型電極へと到達する。そして、到達した表面弾性波は出力櫛型電極により再び電気的エネルギーに変換され出力される。表面弾性波素子が有する透過帯域の中心周波数ｆ0は、櫛型電極の間隔λ0と圧電体表面上の弾性波の伝搬速度Ｖとから、
ｆ0＝Ｖ／λ0
で与えられる。
【０００３】
水晶基板、特にいわゆるＳＴカット水晶Ｘ伝搬基板は良好な温度依存性を表す周波数温度係数（ＴＣＦ）を持つために共振子ならびにフィルターに用いられている。しかしながら、基板の結合係数が小さいために透過帯域の広いフィルターを作るのに困難があった。また広帯域のフィルターを作製するのに一般的には結合係数の大きいタンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ3）やニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ3）が用いられるが、周波数温度係数（ＴＣＦ）が水晶よりも悪いという欠点がある。
【０００４】
また良好な動作のためには、電気機械変換の性能を表す電気機械結合係数Ｋ2、並びに伝搬時の減衰による損失を表す伝搬損失の値が、それぞれ所定の範囲内に適合していることが必要である。
【０００５】
ＴＣＦを良好にするため、薄膜を積層しＴＣＦがマイナスとプラスの膜を用いて２次の温度係数を０とする試みは以前からなされている。例えば特開平７−１５２７４の如くニオブ酸リチウム、タンタル酸リチウムで温度補正を行っている。また、特開平１０−２２４１７２の如く遅延時間温度係数（ＴＣＤ）がマイナスのカット角となるよう水晶基板を選択し、プラスのＴＣＤを持つ圧電薄膜によりリーキー波を用いてＴＣＦの良好な表面波装置が種々提案されている。
【０００６】
また、特開昭６１−２２２３１２号公報には、９０°Ｘ伝搬のいわゆるＳＴＷ（Surface Transverse Wave 表面横波）を用いた水晶基板上に圧電薄膜を形成し、該圧電薄膜上にＩＤＴ電極を形成してなる表面波装置の記載がある。これにより結合係数の上昇およびＴＣＦの改善が図られるとの記載がある。また温度補正を薄膜によって行なうことはそれ以前から公知である。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、いわゆるゼロ温度係数を持つＳＴカットＸ伝搬水晶は元々のＴＣＦの１次温度係数αが０であるため、ＳＴカットＸ伝搬水晶に温度補正を試みさらにＴＣＦを改善した例はなく、温度補正をした場合の特性というのは明らかになっていない。またＷ−ＣＤＭＡのような広帯域のフィルターを必要とする場合、ＳＴカットＸ伝搬水晶は結合係数ｋ２が小さいため、設計が困難である。そこで本発明の目的は、前記公報の欠点を補完し水晶基板を用いた弾性表面波素子であって、温度特性が良好で、広帯域化に適した弾性表面波素子を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明の弾性表面波素子は、水晶基板と、前記水晶基板上に形成された第一薄膜と、前記第一薄膜に接するように形成されたくし歯電極とを備え、前記第一薄膜上に第二薄膜を設けたことを特徴とする弾性表面波素子が得られる。
【０００９】
これによれば、水晶基板に前記水晶基板上に温度補正を行なうための第一薄膜と第二薄膜という補正膜が設けられており、逆符号の遅延時間温度係数（ＴＣＤ）を持つ第一薄膜と第二薄膜を用いることにより周波数温度特性（ＴＣＦ）を改善することが可能となる。
【００１０】
また、前記第一薄膜が酸化亜鉛（ＺｎＯ）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ3）、タンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ3）、ニオブ酸カリウム（ＫＮｂＯ3）のいずれかの圧電薄膜からなる。
【００１１】
このような構成とすることにより、第一薄膜に水晶よりも結合係数の大きい圧電薄膜を用いることで、広帯域の弾性表面波素子が得られる。
【００１２】
また、前記第二薄膜が酸化シリコン（ＳｉＯ2）、窒化シリコン（Ｓｉ3Ｎ4）、窒化チタン（ＴｉＮ）などの酸化物あるいは窒化物である。
【００１３】
このような構成によれば、前記第二薄膜が絶縁性を持つことにより、くし歯電極がショートせず、第一薄膜と逆符号を持つことによりＴＣＦの１次温度係数αを０にすることが可能となる。
【００１４】
また、回転角が２８°回転Ｙカットから４５°回転ＹカットからなるいわゆるＳＴカット水晶基板であり、前記弾性表面波の伝搬方向がＸ方向となるように前記第一薄膜に接するように形成された前記くし歯電極を備え、前記第一薄膜が酸化亜鉛（ＺｎＯ）、前記第二薄膜が酸化シリコン（ＳｉＯ2）である弾性表面波素子において、レイリー波あるいはレイリー波の高次モードであるセザワ波（１次、２次、３次）を用いる。
【００１５】
この構成によれば、ＴＣＦの１次温度係数αが０であるＳＴカットＸ伝搬水晶基板を用いることにより、ＺｎＯ薄膜とＳｉＯ2薄膜の組み合わせで、また結合係数の高い、広帯域な弾性表面波素子が可能となる。
【００１６】
また、弾性表面波の波長λおよび薄膜の厚みｈを定義すると前記第一薄膜の酸化亜鉛の２πｈ／λで定義される規格化膜厚ｋｈ（ＺｎＯ）比が０．１から２．０の範囲にあり、前記第二薄膜の酸化シリコン（ＳｉＯ2）の２πｈ／λで定義される規格化膜厚ｋｈ（ＳｉＯ2）比０．１から２．０の範囲にある。
【００１７】
この構成によれば、前記ＺｎＯの膜厚ｋｈ比とＳｉＯ2の膜厚ｋｈ比をある特定の範囲内とすることで、ＴＣＦが良好な弾性表面波素子を作製することが可能となる。
【００１８】
また、前記くし歯電極の電極膜がアルミ膜またはアルミ膜を主成分とする合金またはアルミ膜及び少なくとも一層以上の金属化合物薄膜からなる電極膜の膜厚Hと弾性表面波の波長λからなる規格化膜厚（H／λ）が０．００３から０．０５の間にある。
【００１９】
この構成によれば、前記電極膜の厚み（Ｈ／λ）を０．００３から０．０５の間とすることにより伝搬損失の少ない弾性表面波素子を作製することが可能となる。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好適な実施の形態を添付図面に基づいて詳細に説明する。
【００２１】
図１は本発明の弾性表面波素子の上面図を示し、図２は本発明の弾性表面波素子の図１におけるＡ−Ａ面の断面図を示す。ここで用いられた水晶基板は３３°Ｙカットであり、Ｘ方向へ弾性表面波を伝搬するため、オイラー角表示では（０、１２３、０）の水晶基板１０である。水晶基板１０上へは酸化亜鉛（ＺｎＯ）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）等の圧電薄膜及び例えばＡｌ2Ｏ3などの酸化物系やＳｉ3Ｎ4などの窒化物系の薄膜が形成されている。ここで水晶基板１０上に形成された圧電膜はＺｎＯ膜１３とする。ＺｎＯ膜１３上にはＡｌ等の電極が配線されており、櫛歯電極（ＩＤＴ）１１およびＩＤＴ１２が配置されており、いわゆるトランスバーサル型のＳＡＷフィルターを構成している。ＩＤＴ１１，ＩＤＴ１２とＺｎＯ膜１３の上には絶縁膜として二酸化シリコン（ＳｉＯ2膜）１４が形成されている。ここでは簡単のため図１のＩＤＴはいわゆるシングル電極としてある。
【００２２】
ＺｎＯ膜については、ｃ軸配向のＺｎＯ膜あるいはエピタキシャル配向のＺｎＯ膜であれば十分圧電性があり、弾性表面波素子として良い。またＳｉＯ2膜については多結晶膜でピンホールが存在しなければ、絶縁膜、保護膜として十分機能し、信頼性の良い弾性表面波素子として機能する。ＺｎＯ膜とＳｉＯ2膜は温度変化に対する伝搬速度が異符号であるため、温度変化を相殺して伝搬速度が安定する。その際、水晶はゼロ温度係数を持つため、ほぼＺｎＯ膜とＳｉＯ2膜で考えれば良いという利点がある。
【００２３】
図３は本発明の弾性表面波素子のＳＡＷフィルタの周波数特性であるである。横軸は周波数を示し、縦軸は挿入損失である。図３（ａ）において線３０が本発明のＳＡＷフィルタの特性を示す。第一のピーク３１はレイリー波およびセザワ波１次モードのピークが表れており、第二のピーク３２はセザワ波３２のピークを表している。ここで用いるのはピーク３２である。ピーク３１は十分抑圧されており、良好な特性を示している。またピーク３２を拡大した波形を図３（ｂ）に示す。通過帯域幅が十分広くなっている。ここで膜の厚みをｈ、表面波の波長をλとするとＺｎＯ膜１３の規格化膜厚ｋｈ（２πｈ／λ）は０．８、ＳｉＯ2膜１４の規格化膜厚ｋｈは０．５である。ピークの強度、通過帯域幅についてはｋｈの選択により変わる。表面波としてはレイリー波、セザワ波（１次、２次、３次以上）を用いることが可能である。
【００２４】
図４は本発明のＳＡＷフィルターのオイラー角を示す図である。ここでは図の見易さのため、オイラー角は（０、１２３、０）であり、いわゆる一般的なＳＴカットである。Ｙ軸回りに基板を回転させ、図４の様に角度が示される。
【００２５】
図５はＴＣＦ（周波数温度係数）がほぼ０となるｋｈの選択範囲を模式的に示す。プラスの温度係数を持つＺｎＯとマイナスの温度係数を持つＳｉＯ2、およびゼロ温度係数を持つ水晶を用いるとＴＣＦがゼロ付近となるｋｈ比の選択範囲は図の斜線で示される部分５１となる。
【００２６】
図６はＳｉＯ2膜のｋｈをある値に定めた場合のＴＣＦを示す。ここでは例として２本の曲線を示す。線７０はＳｉＯ2膜のｋｈが０．８の場合、線７１はＳｉＯ2膜のｋｈが１．０の場合を示している。どちらもＺｎＯ膜がある厚みになった際にＴＣＦがゼロとなるポイントがある。
【００２７】
以上のように、規格化膜厚ｋｈ（ＺｎＯ）比が０．１から２の範囲にあり、前記第二薄膜の酸化シリコン（ＳｉＯ2）の２πｈ／λで定義される規格化膜厚ｋｈ（ＳｉＯ2）比０．１から２の範囲にあることが好ましい。
【００２８】
図７にはＺｎＯおよびＳｉＯ2により温度補正をした後の温度特性と通常の水晶における温度特性を示した図である。線８１は一般的なＳＴカット水晶による弾性表面波素子の温特である。３３°Ｙカット水晶基板にＺｎＯおよびＳｉＯ2を成膜した場合、線８０のように若干改善が見られる。
【００２９】
電極についてはAlのみでなく、Al-CuあるいはAl-Si、Al-Ti等の合金あるいはＡｌ/Ｔｉ等、Ａｌ／ＴｉＮ等の積層膜を設けることも可能である。その場合も電極膜の最適なＨ／λについては若干異なる。
【００３０】
絶縁膜についてはＳｉＯ2などが一般的ではあるが、Ｓｉ3Ｎ4等の窒化物やその他の酸化物を設けるのも好ましい。また圧電膜についても窒化アルミニウム（ＡｌＮ）および酸化タンタル、ニオブ酸リチウム、タンタル酸リチウム、ニオブ酸カリウムなど様々な圧電膜が使用可能である。
【００３１】
使用する弾性表面波はレイリー波、セザワ波（１次、２次、３次以上）が用いられると良いが、漏洩弾性波なども使用可能である。
【００３２】
本発明の弾性表面波素子は弾性表面波共振子、フィルタ、遅延線などに適用可能である。
【００３３】
基板としては水晶基板が周波数温度特性が良いため望ましいが、ガラス基板、サファイア基板、あるいはその他のセラミックス基板なども利用可能である。
【００３４】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、水晶基板を用い、圧電膜および絶縁膜の温度補正膜を利用し、ある膜厚を持つ電極により、レイリー波およびセザワ波を弾性表面波として利用することによって、周波数温度特性（ＴＣＦ）が良好で、広帯域な弾性表面波素子を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の弾性表面波素子の上面図である。
【図２】本発明の弾性表面波素子の断面図である。
【図３】本発明の弾性表面波素子の周波数特性の一例である。
【図４】本発明の弾性表面波素子の水晶のカット角を示す図である。
【図５】本発明の弾性表面波素子のZnO膜規格化膜厚およびＳｉＯ2膜規格化膜厚において、周波数温度特性TCFの良好な範囲の関係を示す図である。
【図６】本発明の弾性表面波素子のカット角及び薄膜付与時の温度特性の改善を示す図である
【図７】本発明の弾性表面波素子と通常のＳＴカット水晶基板を用いた場合の温度特性を示す図である。
【符号の説明】
１０    水晶基板
１１    くし歯電極（ＩＤＴ）
１２    くし歯電極（ＩＤＴ）
１３    ＺｎＯ膜
１４    ＳｉＯ2膜
３０    グラフの線
５１    ＴＣＦが良好な範囲の選択部分
７０、７１  グラフの線
８０、８１  温特の線
【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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