JP2010088132A

JP2010088132A - 弾性表面波装置

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Publication number: JP2010088132A
Application number: JP2009298849A
Authority: JP
Inventors: Masaki Sobu; 正樹蘇武; Yoshiichi Kihara; 芳一木原; Katsunori Osanai; 勝則小山内; Yukio Hirokawa; 行夫広川
Original assignee: TDK Corp
Current assignee: TDK Corp
Priority date: 2009-12-28
Filing date: 2009-12-28
Publication date: 2010-04-15
Anticipated expiration: 2025-07-21
Also published as: JP4873199B2

Abstract

【課題】添加物を含む圧電基板を用いたＳＡＷ装置についてより適切な基板カット角を示し、電気特性を向上させる。
【解決手段】単結晶圧電基板と、この圧電基板の表面に設けたアルミニウムを主成分とする材料により形成された交差指状電極とを備えた弾性表面波装置であって、交差指状電極の厚さｈを当該交差指状電極の電極間隔λで規格化した規格化膜厚ｈ／λが７〜１１％であり、単結晶圧電基板は、タンタル酸リチウム基板であり、添加物として鉄を含み、かつ、Ｘ軸を中心にＹ軸からＺ軸方向に４６°±０．３°の範囲の角度で回転させた方位を有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、弾性表面波装置に係り、特に単結晶圧電基板に添加物を加えて弾性表面波装置を構成する場合の好適な基板カット角に関する。

圧電効果によって発生する弾性表面波（Surface Acoustic Wave／ＳＡＷ）を利用した弾性表面波装置（以下、ＳＡＷ装置という）は、小型軽量で信頼性に優れることから、フィルタや共振器などの電子デバイスとして携帯電話機その他の電子機器に広く利用されている。

かかるＳＡＷ装置は、一般に、高周波信号を印加することにより弾性表面波を励振する電極と、この電極により励振されて伝搬された弾性表面波を受け、これを再び電気信号に変換することにより特定周波数の信号を抽出する電極とを圧電基板上に形成してなり、特定周波数の信号を抽出するフィルタや共振器、デュプレクサ等の信号処理デバイスを構成することが可能である。
また、フィルタや共振器としての最適な電気特性を得るため、使用する圧電基板のカット角について種々の提案がなされている（下記特許文献参照）。

特表２００４−５０７９６０号公報特開平９−１６７９３６号公報

ところで、圧電基板は圧電性とともに焦電性を一般に併せ持つ。このため、温度変化に伴って基板表面に不均一な電荷分布が生じ、デバイスの電気特性を劣化させたり、あるいは電荷の蓄積により微細なＩＤＴ電極間で放電が生じ、電極指がダメージを受け、更には静電破壊を起すこともある。

したがってこのような焦電性に伴う問題を解消する一つの方法として、圧電基板に鉄（Ｆｅ）等の微量添加物が添加されることがある。添加物を加えることにより圧電基板の体積抵抗率を下げ、電荷の蓄積を防ぎ、焦電特性を改善するのである。

ところが、このように微量添加物を含む圧電基板を使用したＳＡＷ装置の電気特性を種々検討したところ、添加物を含む基板と含まない基板とでは最適な基板カット角が異なることを本発明者は見出した。すなわち、上記のような添加物を含む基板にあっては、基板カット角に関する従来の（添加物を含まない基板についての）設計手法をそのまま用いることは適切ではなく、添加物を含む基板に特有の好適なカット角が存在する。よって、添加物を含む基板を使用したＳＡＷ装置にはこの点で電気特性を更に向上させる余地がある。

したがって、本発明の目的は、添加物を含む圧電基板を使用したＳＡＷ装置についてより適切なカット角を提示し、当該ＳＡＷ装置の電気特性を更に向上させることにある。

前記課題を解決し目的を達成するため、本発明に係るＳＡＷ装置は、単結晶圧電基板と、この圧電基板の表面に設けたアルミニウム（Ａｌ）を主成分とする材料（Ａｌ又はＡｌ合金）により形成されたＩＤＴ（交差指状電極）とを備えたＳＡＷ装置であって、前記単結晶圧電基板は、添加物を含み、かつ、Ｘ軸を中心にＹ軸からＺ軸方向に４２°〜４８°（より好ましくは４６°±０．３°）の範囲の角度で回転させた方位を有する。

添加物を含む圧電基板を使用してＳＡＷ装置（例えばＳＡＷフィルタ）を構成する場合には、当該圧電基板のカット角を上記のように設定すれば、高いＱ値と通過帯域における低い挿入損失を有する良好な電気特性を備えたＳＡＷ装置を実現することが出来る。尚、この点については後の実施形態の説明において測定結果（図３〜５）に基づいてさらに述べる。

上記圧電基板は、典型的にはタンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ₃／以下、ＬＴと記す）基板またはニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ₃／以下、ＬＮと記す）基板である。ただし必ずしもこれらに限定されず、水晶その他の圧電基板であっても良い。

一方、上記添加物としては、例えば鉄（Ｆｅ）、マンガン（Ｍｎ）、銅（Ｃｕ）およびチタン（Ｔｉ）が挙げられる。これらのうちの２種類以上を含んでいても良い。また、これらのうち特にＦｅは、上記圧電基板（ＬＴ，ＬＮ）に対し均一に混合しやすく、良好な結晶品質を得られる点で好ましい。尚、Ｆｅを上記添加物として使用する場合にはその添加物の添加率を、１．２４ｗｔ％以下とすることが望ましい。この場合、３．６×１０¹⁰Ω・ｃｍ以上の体積抵抗率を有する圧電基板が得られる。Ｆｅの添加率が１．２４ｗｔ％を超えると圧電基板の体積抵抗率が低減しすぎることで、基板に電気が流れやすくなり、ＩＤＴ１２の電極指同士が短絡し、電気特性が劣化する。

圧電基板は圧電性とともに一般に焦電性を有するから、温度変化に伴い基板表面に不均一な電荷分布が生じ、この電荷が蓄積されるとＳＡＷ装置の製造時や各種電子機器に実装された後における実使用時に特性劣化やＩＤＴ部の放電による電極へのダメージを引き起こすことが危惧される。これに対し、上記のようにＦｅ等の添加物を圧電基板に加えれば、当該基板の体積抵抗を下げ、かかる問題を回避して信頼性に優れたＳＡＷ装置を製造することが出来る。しかも、当該基板のカット角を本発明に従い上記範囲内に設定することにより、電気特性に優れたＳＡＷ装置を実現することが可能となる。

尚、上記のように添加物の添加によって焦電特性の改善が可能となるが、本発明は添加物の目的を焦電特性の改善に限定するものではない。すなわち、焦電特性の改善でなく他の目的で添加されていたとしても、結果として添加物を含めば本発明にいう上記圧電基板に該当する。このような基板であっても添加物を含むことには変わりはなく、本発明が提示する上記カット角を備えることによって同様に本発明が意図する良好な電気特性が得られるからである。

圧電基板の表面に形成する電極（ＩＤＴ）の外形寸法については、例えば、ＩＤＴの厚さｈを当該ＩＤＴの電極間隔λで規格化した値である規格化膜厚ｈ／λが略７〜１１％（ｈ／λ≒０．０７〜０．１１）となるよう構成することが好ましい。ただし、本発明におけるＩＤＴの外形寸法は、必ずしも当該範囲に限定されるものではなく、他の値（例えばｈ／λ＝１％〜１５％）を採っても良い。

本発明のＳＡＷ装置には、例えばＩＤＴ又はこれと反射器を含むＳＡＷ共振器、ＳＡＷフィルタ、及びＳＡＷデュプレクサ等の圧電性基板上に発生される弾性表面波を利用する各種のデバイスが含まれる。

本発明によれば、添加物を加えた圧電基板を使用しＳＡＷ装置を構成する場合に、より適切な基板カット角を提示することができ、良好な電気特性（高Ｑ、低挿入損失等）を備えたＳＡＷ装置を得ることが可能となる。

本発明の他の目的、特徴および利点は、以下の本発明の実施の形態の説明により明らかにする。

本発明の一実施形態に係るＳＡＷ装置を示す模式図である。単結晶圧電基板の切出し角を説明する概念図である。添加物としてＦｅを添加したＬｉＴａＯ₃単結晶基板のカット角と、共振抵抗との関係を示す線図である。添加物としてＦｅを添加したＬｉＴａＯ₃単結晶基板のカット角と、反共振抵抗との関係を示す線図である。添加物としてＦｅを添加したＬｉＴａＯ₃単結晶基板のカット角と、共振抵抗‐反共振抵抗比との関係を示す線図である。

図１は、本発明の一実施形態に係るＳＡＷ装置を示す概念図である。同図に示すようにこのＳＡＷ装置は、ＬＴ（ＬｉＴａＯ₃）単結晶基板１１の表面にＩＤＴ（交差指状電極）１２を設けてなるもので、ＬＴ基板１１には微量添加物としてＦｅを添加してある。Ｆｅを添加する方法としては、例えばチョクラルスキー法において基板（ウエハ）を構成する単結晶を生成する場合に、溶融したＬＴ材料中にＦｅを加える等の方法によれば良い。

Ｆｅの添加によりＬＴ基板１１の体積抵抗率は低下する。この場合、Ｆｅの添加量を調整することによって上記ＬＴ基板１１の体積抵抗率が３．６×１０¹⁰〜１．５×１０¹⁴Ω・ｃｍの範囲内になるようにすることが望ましい。体積抵抗率を１．５×１０¹⁴Ω・ｃｍ以下とすることによりＬＴ基板１１への電荷の蓄積を防ぎ、放電によって電極１２がダメージを受けたり静電破壊が生じることを防止する一方、体積抵抗率を３．６×１０¹⁰Ω・ｃｍ以上とすることによりＩＤＴ１２の電極指同士が短絡することを防ぐためである。

図２はＬＴ基板の切出し角（カット角）を示す概念図であり、結晶軸Ｘ、ＹおよびＺを有するＬＴ単結晶を、結晶軸Ｘの回りにＹ軸からＺ軸方向に回転角θだけ回転させた角度で切り出した状態を示している。このような単結晶圧電基板をθ回転Ｙ‐Ｘ基板と称すれば、本実施形態ではθを４６°とした基板、すなわち上記ＬＴ基板１１として４６°回転Ｙ‐Ｘ基板を使用する。尚、実際の作製にあたっては製造誤差（公差）を含むことから、本実施形態にいうθが４６°とは、４６°±０．３°（４５．７°≦θ≦４６．３°）の範囲内の角度を含む。本実施形態でθを４６°とするのは次の理由に基づく。

図３は、添加物としてＦｅを含むＬＴ単結晶のθ回転Ｙ‐Ｘ基板上に共振器を形成した場合の基板の切出し角（カット角）θと当該共振器の共振抵抗値との関係を、図４は基板カット角θと反共振抵抗値との関係を、また図５は基板カット角θと共振抵抗‐反共振抵抗比との関係をそれぞれ示すものである。尚、測定に用いた共振器（ＩＤＴ）の電極はＡｌにより形成し、電極の規格化膜厚ｈ／λ（ｈは電極厚、λは電極間隔である）は７％、９％および１１％とした。図３から図５の各線図において、ｈ／λ＝７％とした場合を「●」点で、ｈ／λ＝９％とした場合を「△」点で、ｈ／λ＝１１％とした場合を「×」点でそれぞれ示している。

これらの線図から明らかなように、Ｆｅを含むＬＴ単結晶基板では、基板カット角θが４２°、４４°および４８°の場合と較べて４６°のときに最も低い共振抵抗と、最も高い反共振抵抗並びに共振抵抗‐反共振抵抗比が得られることが分かった。したがって本実施形態のＳＡＷ装置では、上記基板カット角θを特に好ましい構成例として４６°とする。これによりＦｅを含むＬＴ単結晶基板の表面に電気特性（高Ｑおよび低挿入損失）に優れたＳＡＷ共振器を形成することが出来る。

尚、上記ＩＤＴ１２はＡｌにより形成することとしたが、Ａｌ合金によるものとしても良い。ＩＤＴ電極寸法は、規格化膜厚ｈ／λを７〜１１％としたが、他の値（例えば１％〜１５％）を採ることも可能である。また、前記図１では示していないが、基板１１の表面にはＩＤＴ１２のほか、反射器や導体線路、入出力用の電極パッド等が備えられる。さらに上記ＬＴ基板１１上に複数の共振器を形成してＳＡＷフィルタやＳＡＷデュプレクサ等を構成することが出来るが、各共振器の接続構造、ＩＤＴ電極の配置構造等は、様々な構造を採ることが可能であり特に限定されない。

以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明はこれらに限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載の範囲内で種々の変更を行うことができることは当業者に明らかである。

１１Ｆｅを添加したＬＴ単結晶基板
１２ＩＤＴ電極

Claims

単結晶圧電基板と、この圧電基板の表面に設けたアルミニウムを主成分とする材料により形成された交差指状電極とを備えた弾性表面波装置であって、
前記交差指状電極の厚さｈを当該交差指状電極の電極間隔λで規格化した規格化膜厚ｈ／λが７〜１１％であり、
前記単結晶圧電基板は、タンタル酸リチウム基板であり、添加物として鉄を含み、かつ、Ｘ軸を中心にＹ軸からＺ軸方向に４６°±０．３°の範囲の角度で回転させた方位を有する
ことを特徴とする弾性表面波装置。