(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも頂部電極層と、圧電層と、下部電極層と、弾性基板層と、後部電極層とを備え、前記頂部電極層は、前記圧電層の表面上に配置され、前記下部電極層は、前記圧電層の裏面上に配置され、前記頂部電極層又は前記下部電極層のいずれか一方が、少なくとも２方向で、導電領域と非導電領域とを交互に配した電極パターンにパターン化されており、残りの一方は、パターン化されていないことを特徴とする２次元の表面弾性波を同時に生成して伝播する装置。
【請求項２】
前記下部電極層と前記弾性基板層との間に、緩衝層が配置されることを特徴とする請求項１に記載の２次元の表面弾性波を同時に生成して伝播する装置。
【請求項３】
前記電極パターンは、２つの直線の電極片を格子に設けた格子状のパターンであることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の２次元の表面弾性波を同時に生成して伝播する装置。
【請求項４】
前記電極パターンは、同心で環状の電極片を設けた円状のパターンであることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の２次元の表面弾性波を同時に生成して伝播する装置。
【請求項５】
前記電極片の幅は、該電極片間の間隔とほぼ等しいことを特徴とする請求項３又は請求項４に記載の２次元の表面弾性波を同時に生成して伝播する装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
本発明は、遅延線、フィルター、パルスプロセッサ、および他の超短波装置・回路に使用される表面弾性波（ＳＡＷ）装置に関し、より詳細には、圧電層の表面上あるいは裏面上のいずれか一方の面にパターン化された電極層を設け、他方の面にはパターン化されていない電極層を設けて２次元のＳＡＷを同時に生成し伝播する装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ＳＡＷ装置および、これに関連する主題は、下記の公報で記述されている。
【０００３】
米国特許第３９５５１６０号；
米国特許第４４３７０３１号；
米国特許第４４５６８４７号；
米国特許第４４９１８１１号；
米国特許第４５０７５８１号；
米国特許第４５３１１０７号；
ドランスフィールド（Ｄｒａｎｓｆｉｅｌｄ）他著，「高周波数弾性表面波の励起，検出，減衰」，物理の音響，原理，方法，Ｗ．Ｐ．マソン（Ｗ．Ｐ．Ｍａｓｏｎ）とＲ．Ｎ．サーストン（Ｒ．Ｎ．Ｔｈｕｒｓｔｏｎ）編集，アカデミック・プレス（Ａｃａｄｅｍｉｃ  Ｐｒｅｓｓ）、１９７０年，Ｖｏｌ．ＶＩＩ，２１９頁〜２７２頁；
デイ（Ｄａｙ）他著，「環状の圧電気表面波」，音波と超音波に関するＩＥＥＥ会報，１９７２年１０月，Ｖｏｌ．ＳＵ−１９，Ｎｏ．４，４６１頁〜４６６頁；
シー（Ｓｈｉｈ）他著，「強誘電体フィルム複合構造のＳＡＷ特性の理論研究」，超音波，強誘電体，そして周波数制御に関するＩＥＥＥ会報，１９９８年３月，Ｖｏｌ．４５，Ｎｏ．２，３０５頁〜３１６頁；
ＳＡＷ装置は、圧電基板上に形成される変換器によって電気信号を、弾性表面波に変換し、弾性表面波が、基板の表面上を伝搬するように構成されている。この装置は、圧電結晶、リチウムナイオベート（ＬｉＮｂＯ３）、石英などの圧電物質か、圧電セラミック物質、エピタキシャル（Ｐｂ（ＺｒＴｉ）Ｏ３）（以下「ＰＺＴ」という）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）などか、もしくはシリコン上の酸化亜鉛（ＺｎＯ）のような非圧電基板上に積み重ねられる圧電薄膜によって構成される。このＳＡＷ装置は、一対の電気ＳＡＷ変換器と、それらの間に設けられたＳＡＷ伝搬路とを含む。通常、ＳＡＷ伝搬路は、両方の変換器に普通に使用され、研磨された圧電基板の一部で構成される。
【０００４】
数ギガヘルツの高周波数をもつ弾性波は、電磁波の約１０−５倍の速さで、基板表面上を移動する。表面弾性波は、このように電源の超短波周波数を保持している間は、緩慢な音の特性を持つ。これらの特性を利用するＳＡＷ装置は、遅延線、フィルター、パルスプロセッサ、および他の超短波装置・回路を使用することができる。
【０００５】
ＳＡＷ遅延線では、遅延時間は、表面弾性波の速度と、圧電表面上を表面弾性波が移動する距離とによって決定される。
【０００６】
ＳＡＷフィルターでは、フィルターの周波数特性は、主としてＳＡＷの音速と、入出力変換器の電極パターンとによって決定される。
【０００７】
一般に、変換器の電極パターンは、複数の平行な電極片を備える。その電極片の方向は、波先の方向を決定する。
【０００８】
単フェーズ変換器では、すべての電極片は、１つの電極片と、電極片の間の隙間領域が、１波長領域を定義するように、単フェーズを維持している。
【０００９】
インターディジタル変換器では、電極片は半波長の間隔で設計されており、２つのフェーズ制御が実行される。とりわけ、複数の電極フィンガー（電極片）を持つ、２つの櫛形状電極は、互いに、対向し、噛み合い、そして相反するフェーズで維持される。２つの電極片と電極片間の２つの隙間領域は、１波長領域を定義する。一般に、電極片と電極片間の隙間領域はすべて、λ／４と同じ幅ｌを有する。ここで、λはＳＡＷの波長を表す。
【００１０】
従来の変換器は、表面弾性波を１次元で生成する。すなわち、表面弾性波は一般に１方向にのみ移動する。本発明の目的は、２次元の表面弾性波を同時に生成して伝播することができる、すなわち同時に生成された複数の表面弾性波が２方向（あるいは複数方向）に同時に移動することができる新型のＳＡＷ装置を開発することにある。
【００１１】
本発明の上記目的は、少なくとも頂部電極層と、圧電層と、下部電極層と、弾性基板層と、後部電極層とを備え、前記頂部電極層は、前記圧電層の表面上に配置され、前記下部電極層は、前記圧電層の裏面上に配置され、前記頂部電極層又は前記下部電極層のいずれか一方が、少なくとも２方向で、導電領域及び非導電領域の隙間領域を交互に配した電極パターンにパターン化されており、残りの一方は、パターン化されていないことを特徴とする２次元の表面弾性波を同時に生成して伝播する装置を提供することによって達成される。
【００１２】
また、本発明の上記目的は、前記下部電極層と前記弾性基板層との間に、緩衝層が配置されることを特徴とする２次元の表面弾性波を同時に生成して伝播する装置を提供することによって、効果的に達成される。
【００１３】
また、本発明の上記目的は、前記電極パターンは、２つの直線の電極片を格子に設けたパターンであることを特徴とする２次元の表面弾性波を同時に生成して伝播する装置を提供することによって、より効果的に達成される。
【００１４】
また、本発明の上記目的は、前記電極パターンは、電極片を同心で環状に設けたパターンであることを特徴とする２次元の表面弾性波を同時に生成して伝播する装置を提供することによって、より効果的に達成される。
【００１５】
さらにまた、本発明の上記目的は、前記電極片の幅は、該電極片間の間隔とほぼ等しいことを特徴とする２次元の表面弾性波を同時に生成して伝播する装置を提供することによって、より効果的に達成される。
【００１９】
本発明に係る表面弾性波装置は、非圧電基板上に積み重ねられる圧電層に基づいて設計される、すなわち圧電層の表面上あるいは裏面上のいずれか一方の面にパターン化された電極層を設け、他方の面にはパターン化されていない電極層を設ける。これにより、表面弾性波装置は、単相の１次元変換器を用いても、２次元の表面弾性波を同時に生成して伝播することができる。
【００２０】
【発明の実施の形態】
図１に示されるように、従来のインターディジタル変換器は、２つの電極１，２から成り、各電極は、複数の導電フィンガー３，４を有するアームを備えている。そのフィンガーはアームから伸びる電極片であり、フィンガー間の非導電隙間領域で、非導電表面に沿って、交互に間隔を設けて配置されている。図１で示されるように、各導電フィンガーの幅と、それらの間の非導電の隙間は、λ／４に等しい。ここでλはＳＡＷの波長である。ＳＡＷ装置の作動周波数の上限は、変換器を決めるために使用されるフォトリソグラフィック技術の能力によって決定される。
【００２１】
単フェーズ変換器の構造は、図２Ａに示されるように、所定のフォトリソグラフィック能力のための可能な作動周波数を２倍にする。図２Ａでは、単フェーズ変換器は、フィンガー間の非導電の隙間領域８を伴って、アームから伸びる複数の導電フィンガー７を有する導電アーム６を備える。図示されるように、フィンガー間の間隔、並びに、各フィンガーの幅はλ／２である。ここで、λはＳＡＷの波長である。
【００２２】
層構造での単フェーズの１次元変換器の側面図を、図２Ｂに示す。この変換器は、フィンガー７を備え、図２Ａで図示されるようなパターン化された頂部電極層を備える。この下に、変換器は、酸化亜鉛（ＺｎＯ）層９と、アルミニウム（Ａｌ）下部電極層１０と、二酸化ケイ素（ＳｉＯ２）緩衝層１１と、シリコン層１２と、アルミニウム（Ａｌ）電極層１３とを備える。一般に、酸化亜鉛（ＺｎＯ）層９の厚さは、電極フィンガー７間の間隔よりも、一般には３〜１０倍小さいので、その電界線は平行である。
【００２３】
対照的に、単結晶構造で単フェーズの１次元変換器が、図２Ｃに示される。この場合、電極フィンガー７間の間隔は、結晶の厚さよりもずっと小さい。従って、電界の周縁は、図示されるようになる。図２Ｃでは、導電フィンガー７を備え、単フェーズにパターン化された電極層は、リチウムナイオベート（ＬｉＮｂＯ３）基板１４上に配置され、後部電極１５は、リチウムナイオベート（ＬｉＮｂＯ３）基板の後側に積み重ねられる。層状の結晶構造と単結晶構造との間の電界パターンに存在する、固有な差異が、層状構造の単フェーズ変換器を、単結晶構造の対応物よりも効果的にする。
【００２４】
図３Ａ、図３Ｂ、および図３Ｃは、２次元のＳＡＷ装置の構成の実施態様に適した基板の側面概略図を示す。図３Ａでは、基板は、頂部電極層１６（アルミニウム（Ａｌ）、金（Ａｕ）等）と、圧電層１７（酸化亜鉛（ＺｎＯ）、ＰＺＴ、リチウムナイオベート（ＬｉＮｂＯ３）、リチウムタンタレート（ＬｉＴａＯ３）等）と、下部電極層１８（アルミニウム（Ａｌ）、金（Ａｕ）等）と、緩衝層１９（二酸化ケイ素（ＳｉＯ２）、窒化ケイ素（Ｓｉ３Ｎ４）、ダイアモンド等）と、弾性基板層２０（サファイア、シリコン（Ｓｉ）、ガリウムヒ素（ＧａＡｓ）、リン化インジウム（ＩｎＰ）、融解石英、ガラス等）と、後部電極層２１（アルミニウム（Ａｌ）、金（Ａｕ）等）とを備える。図３Ｂでは、緩衝層１９はなく、一方、図３Ｃでは、下部電極層１８と緩衝層１９の両方がない。
【００２５】
「弾性基板層」という用語には、応力とひずみの間に線形的な関係を持つ、いかなる基板をも意味する。従って、弾性ＳＡＷは、その上を移動することができる。
【００２６】
図４Ａ，図４Ｂは、典型的な電界パターンを有する２次元のＳＡＷ装置の実施例を示す側面概略図である。
【００２７】
図５，図６は、２次元のＳＡＷ装置用のパターン化された電極層の平面図を示す。
【００２８】
第１実施例では、図４Ａに示されるように、図３Ａの基板の頂部電極層１６は、パターン化された電極層２２として使用し、圧電層１７の表面上に配置され、また、下部電極層１８はパターン化しない電極層で、圧電層１７の裏面上に配置されている。なお、この頂部電極層１６をパターン化した電極層２２は、図５，図６に示されるように、導電領域と非導電領域とが交互に配される電極パターンにパターン化される。図４Ａは、単相モードで作動する第１実施例用の電界パターンを示す。すなわち、図示するように、パターン化された電極層２２は全て同位相に維持されるため、電極層２２は同位相の電極であることが分かります。
【００２９】
第２実施例では、図４Ｂに示されるように、図３Ａの基板の頂部電極層１６は、パターン化されない電極層で、圧電層１７の表面上に配置され、また、下部電極層１８は、パターン化された電極層２２として使用し、圧電層１７の裏面上に配置されている。なお、この下部電極層１８をパターン化した電極層２２も、図５，図６に示されるように、導電領域と非導電領域とが交互に配される電極パターンにパターン化される。図４Ｂは、単相モードで作動する第２実施例用の電界パターンを示す。すなわち、図示するように、パターン化された電極層２２は全て同位相に維持されるため、電極層２２は同位相の電極であることが分かります。
【００３０】
図５で示されるようなパターン化された電極層は、２つの直線の電極片２３，２４を有しており、これらの電極片２３，２４は、電極片間に隙間領域２５が形成されるように配置されている。電極片２３，２４は、互いに電気的に接触しており、その結果、パターン化された電極層は、例えば標準的なフォトリソグラフィと、メタリゼーション（ｍｅｔａｌｌｉｚａｔｉｏｎ）プロセスを使用して製造することができる。実施例では、この電極片２３，２４は、互いに９０度に方向付けされている、すなわち電極パターンが格子状となるように電極片２３，２４が配置されている。本発明に係る装置は、電極片２３，２４をこのように配置することにより、ｘ，ｙ方向に同時に２つの異なる超音波の波長λ１，λ２を生成し伝播する、すなわち２次元の表面弾性波を同時に生成し伝播することができる。
【００３１】
この電極片２３，２４は、同じ電位であり、１つの高周波電源の異なる周波数で反応（共振）する。従って、本発明に係る装置は、２つの弾性表面波が、２つの周波数成分を含む１つの高周波電源を設けることによって生成される。もし高周波電源が１つの周波数成分しか含まないのならば、電極片が同じ超音波の波長を定義しない限り、１つの表面弾性波しか生成されない。
【００３２】
なお、図５で示される電極層の電極パターンを、他の電極パターンに変更してもよい。すなわち、電極層は、２以上の直線の電極片を有しており、これらの電極片を、電極片間に隙間領域が形成されるように、図５に示す角度とは異なる角度（すなわち９０°以外の角度）で配置してパターン化する、すなわち網状にパターン化してもよい。なお、これら２以上の直線の電極片は、それぞれ異なる幅を有していてもよい。このように電極片を配置することにより、図５に示す電極層とは異なる方向および、異なる波長で複数の超音波の波長を同時に生成し、伝播することができる。
【００３３】
図６で示されるパターン化された電極層は、電極片２６を有しており、この電極片２６は、電極片間に隙間領域２７が形成されるように、同心で環状の形状を有している。また、この電極片２６は、放射状片２８によって、それぞれ電気的に接続されている。このようにパターン化された電極層を用いると、ラジアル方向に複数の超音波の波長λ３を同時に生成し、伝播することができる。
【００３４】
一般に、２次元の単フェーズＳＡＷ装置は、図３Ａ〜図３Ｃに図示される、どの基板を使って製造してもよい。例えば、図５，図６で図示される方法で、頂部電極層１６がパターン化され、または下部電極層１８がパターン化される。
【００３５】
圧電層１７は、多結晶物質でも、単結晶物質でもよい。圧電層１７は、例えば酸化亜鉛（ＺｎＯ）、ＰＺＴ、リチウムナイオベート（ＬｉＮｂＯ３）、リチウムタンタレート（ＬｉＴａＯ３）等によって形成してもよい。
【００３６】
緩衝層１９は、二酸化ケイ素（ＳｉＯ２）、窒化ケイ素（Ｓｉ３Ｎ４）、ダイアモンドフィルム等のような、誘電体薄膜である。この層は、一般に結晶度や、圧電層の組織を改良したものが備えられる。それはＳＡＷの速度を上昇させるのにも使用することができる。
【００３７】
両方の電極層は、アルミニウム（Ａｌ）、金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）、チタン（Ｔｉ）のような金属薄膜か、酸化亜鉛：アルミニウムドープ（Ａｌ：ＺｎＯ）、スズドープ酸化インジウム（ＩＴＯ）、アンチモンドープ酸化スズ（ＡＴＯ）のような導電性の酸化薄膜か、もしくはｐ−タイプシリコンのような半導体フィルムで構成される。
【００３８】
弾性基板層２０は、サファイア、チタン酸ストロンチウム（ＳｒＴｉＯ３）等のような結晶体物質か、融解石英、ガラス等のような弾性的なアイソトロピック物質の非結晶体か、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、ＰＺＴ、リチウムナイオベート（ＬｉＮｂＯ３）、リチウムタンタレート（ＬｉＴａＯ３）等のような導電物質か、またはケイ素（Ｓｉ）、ゲルマニウム（Ｇｅ）、ガリウムヒ素（ＧａＡｓ）、リン化インジウム（ＩｎＰ）、窒化アルミニウム（ＡＩＮ）、ガリウムナイトライド（ＧａＮ）等のような半導体物質でもよい。
【００３９】
２次元のＳＡＷ装置が、図３Ｃの基板を使って製造される場合、基板層は、導電物質でも、半導体物質でもよく、また頂部電極層はパターン化される。
【００４０】
これらの２次元のＳＡＷ装置は、従来のＳＡＷ装置よりも、より効率よく基板を使用することができ、またより多用性を有する。すなわち、本発明に係るＳＡＷ装置は、圧電層の表面または裏面のいずれか一方の面上にパターン化された電極層を設け、さらに他方の面上にはパターン化されていない電極層を設けている。これにより、単純な単相の電極パターンであっても、異なる周波数を有する２つの表面弾性波を生成し伝播することができる。従って、簡単な製作であっても、従来のＳＡＷ装置に較べ、２倍あるいは３倍の動作周波数を得ることができる。またＳＡＷの遅延線と、共振器と、フィルターに使用することができる。基板として半導体を使用することによって、同じチップ上のＳＡＷ装置と電気回路を一体化することも可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】  図１は、周知のインターディジタル変換器構造の上面図である。
【図２Ａ】  図２Ａは、幅λ／２の導電片と非導電片を伴う、周知の単フェーズ変換器構造を示す上面図である。
【図２Ｂ】  図２Ｂは、酸化亜鉛（ＺｎＯ）／ケイ素（Ｓｉ）の単フェーズ変換器用の典型的な電界パターンを図示する側面概略図である。
【図２Ｃ】  図２Ｃは、単フェーズのリチウムナイオベート（ＬｉＮｂＯ３）変換器用の典型的な電界パターンを図示する側面概略図である。
【図３Ａ】  図３Ａは、２次元のＳＡＷ装置の製作に適する基板の側面概略図である。
【図３Ｂ】  図３Ｂは、２次元のＳＡＷ装置の製作に適する他の基板の側面概略図である。
【図３Ｃ】  図３Ｃは、２次元のＳＡＷ装置の製作に適する他の基板の側面概略図である。
【図４Ａ】  図４Ａは、２次元のＳＡＷ装置の第１実施例用の典型的な電界パターンを示す側面概略図である。
【図４Ｂ】  図４Ｂは、２次元のＳＡＷ装置の第２実施例用の典型的な電界パターンを示す側面概略図である。
【図５】  図５は、２次元のＳＡＷ装置用のパターン化された電極層の上面図である。
【図６】  図６は、２次元のＳＡＷ装置用の環状のパターン化された電極層の上面図である。
【図１】
0003973553.tif 000002
【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図２Ｃ】
0003973553.tif 000005
【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
0003973553.tif 000007
【図３Ｃ】
0003973553.tif 000008
【図４Ａ】
0003973553.tif 000009
【図４Ｂ】
0003973553.tif 000010
【図５】
0003973553.tif 000011
【図６】
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