專利名稱：聲邊界波裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及利用在第一、第二介質(zhì)之間的邊界傳播的聲邊界波的聲邊界波裝置，具體說，是涉及第一介質(zhì)是石英，第二介質(zhì)是電介質(zhì)的聲邊界波裝置。

背景技術(shù)：
以往以來，在電視接收機、移動電話等各種各樣的電子設(shè)備中，為了構(gòu)成振蕩器及帶通濾波器，特性表面波裝置被廣泛使用。聲表面波裝置中，在壓電基板上，至少形成一種IDT(交叉指型變換器)。作為該壓電基板，使用LiTaO3基板或石英基板等。
與使用LiTaO3基板的聲表面波濾波器相比較，使用石英基板的聲表面波濾波器適用于窄頻帶用途。因此，使用石英基板的聲表面波諧振器目前被廣泛地使用著。在這種聲表面波諧振器中，在歐拉角為(0°，120°～140°，0°)、即，ST切割X傳播的石英基板上，形成由Al構(gòu)成的梳形電極，由此構(gòu)成IDT。
在聲表面波諧振器中，雖說諧振頻率和反諧振頻率的差即頻帶寬度較窄是理想的，但是作為窄頻帶濾波器的諧振器，為了得到所期望的特性，理想的是具有一定程度的頻帶寬度。另外，在窄頻帶濾波器中，由于頻帶寬度窄，因此，通過頻帶相對應(yīng)溫度非常敏感。所以，最好能夠減少通過頻帶的溫度依賴性，目前，考慮這些要求，作為石英基板，使用ST切割X傳播的石英基板。
另外，聲表面波諧振器的諧振頻率和反諧振頻率的差，與壓電基板的機電耦合系數(shù)K2成比例，ST切割X傳播的石英基板的機電耦合系數(shù)K2約為0.14％。
但是，由于在如上所述的聲表面波諧振器中，必須激勵聲表面波，所以在形成于石英基板上的電極上必須設(shè)有不妨礙振動的空穴。因此，封裝昂貴，而且不得不是大型的。還有，由封裝產(chǎn)生的金屬粉末等落在電極上，可能會引起短路不良。
對此，下述的專利文獻1所述的聲邊界波裝置中，由于利用在第一、第二介質(zhì)之間傳播的聲邊界波，因此能夠?qū)崿F(xiàn)封裝小型化及低成本化，并且不必擔心產(chǎn)生上述的短路不良。
專利文獻1所述的聲邊界波裝置，在由Si系材料構(gòu)成的第一基板上，形成有梳形電極，而且，以覆蓋該梳形電極的方式貼合壓電性的第二基板。這里，作為Si系基板，可以舉出Si基板、非晶硅基板或者多晶硅基板等。另外，作為構(gòu)成第二基板的壓電材料，例如有LiNbO3、LiTaO3、石英等。而且，專利文獻1中，通過利用作為聲邊界波的斯通利波(Stoneley waves)，能夠?qū)崿F(xiàn)封裝的小型化及成本降低。
另一方面，在下述的專利文獻2中，表示了第一、第二介質(zhì)中的一方由壓電材料構(gòu)成，另一方由壓電材料或者非壓電材料構(gòu)成的聲邊界波裝置。而且，暗示了其構(gòu)成為在第一、第二介質(zhì)之間，傳播作為聲邊界波的SH波，即純橫邊界波。作為上述壓電材料，例如有鉭酸鋰、鈮酸鋰，及ST切割X傳播的石英。
另外，在下述的專利文獻3中公開有在將壓電體和電介質(zhì)層積，在兩者的界面上形成電極的聲邊界波裝置中，將SH型聲邊界波的聲速設(shè)定為比壓電體中傳播的慢橫波的聲速和電介質(zhì)中傳播的慢橫波的聲速低的聲速，由此，使SH型聲邊界波能夠傳播。
專利文獻1日本特開平10-84246號公報 專利文獻2日本特表2003-512637號公報 專利文獻3WO2004-070946 如上所述，雖然專利文獻1中公示了使用石英的聲邊界波裝置，然而，在專利文獻1中使用的聲邊界波是斯特利波。在使用斯特利波的情況下，難于得到像聲表面波裝置那樣的較大的機電耦合系數(shù)，另外IDT及反射器的反射系數(shù)也難于達到足夠大。所以，在專利文獻1中所述的聲邊界波裝置中，難于得到足夠的頻帶寬度。
另一方面，在專利文獻2中，雖然提示了利用上述的SH型的聲邊界波，但是在專利文獻2中沒有對利用SH型聲邊界波的具體條件進行任何表示。
如上所述，在專利文獻3中，在將壓電體和電介質(zhì)層積的聲邊界波裝置中，雖然示出了利用SH型聲邊界波的構(gòu)成，但是作為整體，只不過表示了LiNbO3及LiTaO3等壓電單晶。在使用LiNbO3及LiTaO3作為壓電體、使用SiO3作為電介質(zhì)時，能夠得到聲邊界波裝置的組延遲時間溫度系數(shù)(TCD)小的條件。然而由于LiNbO3及LiTaO3本來的TCD較大，因此在聲邊界波裝置的TCD中容易產(chǎn)生制造的參差不齊。由于在使用作為一方壓電體的石英時石英的TCD較小，所以認為，能夠減少聲邊界波裝置的TCD的制造的離散。但是關(guān)于在利用使用石英的情況下利用SH型邊界波方面的具體的構(gòu)成，沒有特別表示。


發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明是鑒于上述現(xiàn)有的技術(shù)狀況而開發(fā)的，其目的在于提供一種聲邊界波裝置，其不僅可以實現(xiàn)封裝的小型化及低成本化，而且使用石英基板的構(gòu)成，利用SH型的聲邊界波，機電耦合系數(shù)等各種物理性能及特性優(yōu)越。
根據(jù)本發(fā)明第一方面，提供一種聲邊界波裝置，其特征在于，具有石英基板、形成于所述石英基板上的IDT、以及以覆蓋所述IDT的方式形成于所述石英基板上的電介質(zhì)，在所述石英基板和所述電介質(zhì)的邊界傳播聲邊界波，以所述聲邊界波的聲速與在所述石英基板中傳播的慢橫波相比是低聲速，而且與所述電介質(zhì)中傳播的慢橫波相比為低聲速的方式，設(shè)定所述IDT的厚度，所述石英基板的歐拉角，處于圖13中用斜線所示的范圍內(nèi)。
根據(jù)本發(fā)明第二方面，一種聲邊界波裝置，其特征在于，具有石英基板、形成于所述石英基板上的IDT、以及以覆蓋所述IDT的方式形成于所述石英基板上的電介質(zhì)，在所述石英基板和所述電介質(zhì)的邊界傳播聲邊界波，以所述聲邊界波的聲速與在所述石英基板中傳播的慢橫波相比是低聲速，而且與所述電介質(zhì)中傳播的慢橫波相比為低聲速的方式，設(shè)定所述IDT的厚度，所述石英基板的歐拉角處于圖14中用斜線所示的范圍內(nèi)。
根據(jù)本發(fā)明第三方面，提供一種聲邊界波裝置，其特征在于，其有石英基板、形成于所述石英基板上的IDT、以及以覆蓋所述IDT的方式形成于所述石英基板上的電介質(zhì)，在所述石英基板和所述電介質(zhì)的邊界傳播聲邊界波，以所述聲邊界波的聲速與在所述石英基板中傳播的慢橫波相比是低聲速，而且與所述電介質(zhì)中傳播的慢橫波相比為低聲速的方式，設(shè)定所述IDT的厚度，所述石英基板的歐拉角處于圖15中用斜線所示的范圍內(nèi)。
在第一發(fā)明的某特定局面中，上述歐拉角處于圖14中附加了斜線的范圍內(nèi)。
在第一、第二發(fā)明的某特定方面，上述歐拉角處于圖15中附加了斜線的范圍內(nèi)。
根據(jù)第一～第三發(fā)明(以下統(tǒng)稱為本發(fā)明)的某特定方面，以上述聲邊界波的聲速比在上述石英中傳播的慢橫波的聲速慢而且比在上述電介質(zhì)中傳播的慢橫波的聲速慢的方式，設(shè)定上述IDT的電極指的厚度及電極指的寬度。
本發(fā)明中，上述IDT，由適宜的導(dǎo)電材料構(gòu)成，在本發(fā)明的某特定方面，上述IDT從由Ni、Mo、Fe、Cu、W、Ag、Ta、Au及Pt構(gòu)成的組中選擇出至少一種金屬而構(gòu)成。
在本發(fā)明的聲邊界波裝置中，構(gòu)成上述電介質(zhì)膜的材料沒有特別限定，但優(yōu)選使用多晶硅或者非晶硅。
另外，上述電介質(zhì)不一定必須由硅系材料構(gòu)成，可以由從氮化鋁、玻璃、四硼酸鋰、鈮酸鋰、鉭酸鋰、藍寶石、氮化硅及鋁構(gòu)成的組中選擇出的一種構(gòu)成。
根據(jù)發(fā)明的第一方面，由于在石英基板和電介質(zhì)的界面上配置IDT，以聲邊界波的聲速與在石英基板及電介質(zhì)中傳播的各個慢橫波的聲速相比成為低聲速的方式?jīng)Q定IDT的厚度，使石英基板的歐拉角處于圖13中附加了斜線的范圍內(nèi)，因此，可以提供使用與LiNbO3及LiTaO3相比廉價的石英而提供聲邊界波裝置。所以，能夠降低聲邊界波元件的成本。并且，可以提高作為聲邊界波而利用的SH型的邊界波的機電耦合系數(shù)K2。由此，能夠提供一種具有足夠的頻帶寬度的聲邊界波裝置。
根據(jù)發(fā)明的第二方面，由于在石英基板和電介質(zhì)的界面上配置IDT，以聲邊界波的聲速與在石英基板和電介質(zhì)中傳播的慢橫波相比是低聲速的方式，決定IDT的厚度，使石英基板的歐拉角處于圖14中附加了斜線的范圍內(nèi)，因此，可以提供一種聲邊界波裝置，其使用了比LiNbO3及LiTaO3廉價的石英且利用了SH型邊界波。由此，能夠降低聲邊界波元件的成本。并且，能夠減小利用SH型邊界波的組延遲時間溫度系數(shù)TCD。還有，因為石英本身的TCD較小，因此也能夠減小因TCD的校正引起的制造離散。
根據(jù)發(fā)明的第三方面，由于在石英基板和電介質(zhì)的界面上配置IDT，以聲邊界波的聲速與在石英基板及電介質(zhì)中傳播的各個慢橫波相比成為第聲速的方式?jīng)Q定IDT的厚度，使石英基板的歐拉角處于圖15中附加了斜線的范圍內(nèi)，因此，可以提供使用了比LiNbO3及LiTaO3廉價的石英且利用SH型邊界波的聲邊界波裝置。而且，由于歐拉角設(shè)定在上述特定的范圍內(nèi)，因此可以減小SH型邊界波的通量角PFA。
在第一發(fā)明中，在石英基板的歐拉角也位于圖14中附加斜線的范圍內(nèi)的情況下，不僅可以增大機電耦合系數(shù)K2，而且還可以減小組延遲時間溫度系數(shù)TCD。而且，由于石英本身的TCD較小，所以還能夠減小因TCD的修正造成的制造的離散。
在第一、第二發(fā)明中，在石英基板的歐拉角位于圖15中附加了斜線的范圍內(nèi)的情況下，可以增大機電耦合系數(shù)K2而且減小通量角PFA。再有，在石英基板的歐拉角位于圖13～15中附加了斜線的范圍內(nèi)的情況下，可以增大機電耦合系數(shù)K2，減小組延遲時間溫度系數(shù)TCD及通量角PFA。并且，由于石英本身的TCD較小，所以能夠減小因TCD的修正而造成的制造的離散。
本發(fā)明中，在以聲邊界波的聲速比在石英中傳播的慢橫波的聲速慢而且比在電介質(zhì)中傳播的慢橫波的聲速慢的方式，設(shè)定IDT的厚度及線路寬度的情況下，可以藉此減少傳播損失。
在IDT由從Ni、Mo、Fe、Cu、W、Ag、Ta、Au及Pt所構(gòu)成的組中選擇出至少一種金屬而構(gòu)成的情況下，對其膜厚進行適宜地設(shè)定，即使聲邊界波的聲速變得比石英及電介質(zhì)的慢橫波的聲速慢，由此能夠?qū)⒙曔吔绮o問題地進行激勵。
還有，在上述電介質(zhì)由多晶硅或者非晶硅構(gòu)成的情況下，能夠提高機電耦合系數(shù)K2，而且可以將表示能夠減小組延遲時間溫度系數(shù)TCD及通量角PFA的條件的歐拉角范圍進行比較寬的設(shè)定。所以，可以容易地提供特性優(yōu)良的聲邊界波裝置。
可以提供如下的聲邊界波裝置即在電介質(zhì)膜由從氮化鋁、玻璃、四硼酸鋰、鈮酸鋰、鉭酸鋰、藍寶石、氮化硅及鋁構(gòu)成的組中選擇出的一種構(gòu)成的情況下，同使用多晶硅或者非晶硅的情況一樣，能夠增大機電耦合系數(shù)K2，使表示能夠使組延遲時間溫度系數(shù)TCD及通量角PFA變小的條件的歐拉角范圍比較寬。



圖1(a)及圖1(b)是本發(fā)明的一實施方式的聲邊界波裝置的示意性正面剖視圖及示意性俯視剖視圖。
圖2是表示實施方式的聲邊界裝置的分析結(jié)果，并表示改變構(gòu)成IDT的金屬材料時的IDT的厚度和機電耦合系數(shù)K2的關(guān)系的圖。
圖3是表示實施方式的聲邊界裝置的分析結(jié)果，并表示改變構(gòu)成IDT的金屬材料時的IDT的厚度和頻率溫度系數(shù)TCF的關(guān)系的圖。
圖4是表示實施方式的聲邊界裝置的分析結(jié)果，并表示改變構(gòu)成IDT的金屬材料時的IDT的厚度和通量角PFA關(guān)系的圖。
圖5是表示實施方式的聲邊界裝置的分析結(jié)果，并表示改變構(gòu)成IDT的金屬材料時的IDT的厚度和SH型邊界波的聲速V的關(guān)系的圖。
圖6是表示實施方式的聲邊界裝置的分析結(jié)果，并表示變化構(gòu)成IDT的金屬材料時的IDT的厚度和傳播損失α的關(guān)系的圖。
圖7是表示本發(fā)明的實施方式中，改變電介質(zhì)材料時的IDT的厚度和機電耦合系數(shù)K2的關(guān)系的圖。
圖8是表示本發(fā)明的實施方式中，改變電介質(zhì)材料時的IDT的厚度和機電耦合系數(shù)K2的關(guān)系的圖。
圖9是表示本發(fā)明的實施方式中，改變電介質(zhì)材料時的IDT的厚度和頻率溫度系數(shù)TCF的關(guān)系的圖。
圖10是表示本發(fā)明的實施方式中，改變電介質(zhì)材料時的IDT的厚度和通量角PFA的關(guān)系的圖； 圖11是表示本發(fā)明的實施方式中，改變電介質(zhì)材料時的IDT的厚度和SH型邊界波的聲速V的關(guān)系的圖。
圖12是表示本發(fā)明的實施方式中，改變電介質(zhì)材料時的IDT的厚度和傳播損失α的關(guān)系的圖。
圖13是表示在實施方式中，使用歐拉角(0°、θ、ψ)的石英基板時的θ及ψ與機電耦合系數(shù)K2的關(guān)系的圖。
圖14是表示在實施方式中，使用歐拉角(0°、θ、ψ)的石英基板時的θ及ψ和頻率溫度系數(shù)TCF的關(guān)系的圖。
圖15是表示在實施方式中，使用歐拉角(0°、θ、ψ)的石英基板時的θ及ψ和通量角PFA的關(guān)系的圖。
圖16是表示在實施方式中，使用歐拉角(0°、θ、ψ)的石英基板時的θ及ψ和聲速的關(guān)系的圖； 圖17是表示在歐拉角(0°、127、和90°)的石英基板上，將金屬及SiN層壓的結(jié)構(gòu)中的金屬的厚度和反射系數(shù)的關(guān)系的圖。
圖中1～聲邊界波裝置，2～石英基板，3～電介質(zhì)，4～IDT，5、6～反射器。

具體實施例方式 下面，參照附圖，對本發(fā)明的具體實施方式
進行說明，由此使本發(fā)明明了化。
圖1(a)及圖(b)是關(guān)于本發(fā)明的實施方式的聲邊界波裝置的示意性正面剖視圖及示意性俯視剖視圖。
本實施方式的聲邊界波裝置1，具有石英基板2和由層積在石英基板2上的多晶硅構(gòu)成的電介質(zhì)3。在石英基板2和電介質(zhì)3之間，形成如圖1(b)示意性表示的電極構(gòu)造。該電極構(gòu)造具有IDT4和配置在IDT4的聲邊界波傳播方向兩側(cè)的反射器5、6。IDT4及反射器5、6，由后述的金屬構(gòu)成。對IDT4，如圖所示，實施交叉寬度加權(quán)，另外，也可以不對IDT實施加權(quán)。
本實施方式的聲邊界波裝置1是具有上述電極構(gòu)造的單通道(ポ一ト)型聲邊界波諧振器。
另外，在聲邊界波裝置1中，以SH型聲邊界波的聲速比在石英基板2中傳播的慢橫波的聲速低的方式，而且以SH型聲邊界波的聲速比在電介質(zhì)3中傳播的慢橫波的聲速低的方式，設(shè)定IDT4的厚度。為此，構(gòu)成利用SH型的聲邊界波的聲邊界波裝置1。
在石英基板2那樣的壓電體和電介質(zhì)3的界面上形成有IDT的結(jié)構(gòu)中，通過使SH型聲邊界波的聲速比在壓電體及電介質(zhì)中傳播的各個慢橫波的聲速低，所以SH型聲邊界波能夠在界面上傳播，這在例如上述專利文獻3等中已被公示。
在上述聲邊界波裝置1中，作為構(gòu)成IDT4及反射器5、6的電極材料，求出在使用Ni、Mo、Fe、Cu、W、Ag、Ta、Au或者Pt時的、電極的厚度，與將SH型波作為主要成分的SH型邊界波的聲速、機電耦合系數(shù)K2、傳播損失α及頻率溫度系數(shù)TCF之間的關(guān)系。其結(jié)果如圖2～圖6所示。另外，圖2～圖6所示的結(jié)果，按照以下條件根據(jù)文獻(A method forestimating optimal cuts and propagation direction for excitation andpropagation direction for excitation of piezoelectric surface waves)(J.J.Campbell and W.R.Jones，IEEE Trans.Sonics and Ultrason.bol.SU-15(1968)pp.207-217) (一種對用于激發(fā)壓電表面波的最優(yōu)截至和傳播方向以及傳播方向進行評價的方法)(J.J.Campbell and W.R.Jones，IEEE Trans.聲學和超聲學.卷SU-15(1968)pp.207-217) 中所表示的方法計算而求出。
計算條件 電介質(zhì)(SiN)/IDT/石英基板 假設(shè)作為電介質(zhì)的SiN的厚度無限大，石英基板的厚度也無限大。另外，假設(shè)石英基板的結(jié)晶方位為55°Y切割90°X傳播歐拉角(0°，145°，90°)。
旋轉(zhuǎn)Y板X傳播的石英基板中的縱波、快橫波及慢橫波的聲速，分別為5799、4881及4139m/秒，在SiN中傳播的縱波、慢橫波的聲速分別為10624及5973m/秒。
還有，在開放邊界的情況下，在石英基板和電極、電極和電介質(zhì)的邊界中的位移、電位、電流密度的法線成分及上下方向的應(yīng)力是連續(xù)的，假設(shè)石英基板和電介質(zhì)的厚度無限大，再將電極的比電容率設(shè)定為1，求出聲速和傳播損失。另外，在邊界短路的情況下，將石英基板和電極，電極和電介質(zhì)的各個邊界中的電位設(shè)定為0。另外，機電耦合系數(shù)K2通過下面所述的式(1)求得。另外，式(1)中，Vf為邊界開放的聲速，Vm為邊界短路的聲速。
K2＝2|Vf-Vm|/Vf…式(1) 關(guān)于頻率溫度系數(shù)TCF，根據(jù)20℃、25℃、30℃的邊界波的聲速V〔25℃〕、V〔25℃〕及V〔30℃〕，通過下述的式(2)求得。
TCF＝V〔25℃〕-1×{(V〔30℃〕-V〔20℃〕÷10℃)}-αs …式(2) 另外，關(guān)于組延遲時間溫度系數(shù)TCD，通過下述的式(2A)求得。
TCD＝-V〔25℃〕-1×{(V(30℃)-V(20℃)÷10℃}+αs …式(2A) 另外，ZAI式(2)及式(2A)中，αs為邊界波傳播方向上的石英基板的線膨脹系數(shù)。
還有，石英基板的任意的歐拉角(，θ，ψ)中的通量角PFA，根據(jù)ψ-0.5°，ψ及ψ+0.5°中的邊界波的聲速，通過下式(3)求出。
PFA＝tan-1{V〔ψ〕-1×(V〔ψ+0.5°〕-V〔ψ-0.5°〕)}…式(3) 圖2是表示以上述方式求出的IDT的厚度和SH型邊界波的機電耦合系數(shù)的關(guān)系的圖。圖3表示IDT的厚度和頻率溫度系數(shù)TCF的關(guān)系。圖4表示IDT的厚度和通量角PFA的關(guān)系。圖5表示IDT的厚度和SH型邊界波的聲速的關(guān)系。圖6表示IDT的厚度和傳播損失α的關(guān)系。
由圖5、圖6可知，無論在使用上述的哪種金屬時，都SH型邊界波的聲速成為上述縱波、快橫波及慢橫波中的最慢的波的聲速即4139m/秒的方式，設(shè)定IDT的厚度，由此，SH型邊界波的傳播損失α為0，可知為低損失。作為一例，對使用由Au構(gòu)成的IDT的情況進行說明。由圖5可知，在使用由Au構(gòu)成的IDT時，要使聲速變?yōu)楸?139m/秒更慢，只要將IDT的厚度設(shè)定為0.05λ以上即可。而且，由圖6可知，IDT由Ni構(gòu)成時，只要IDT的厚度在0.05λ以上，則傳播損失α大致為0。另外，圖5中的SH型邊界波的聲速低于4139m/秒的各種金屬的膜厚、和圖6中的傳播損失α逐漸減少達到大致為0的點的各種金屬的膜厚完全不一致。這是因為，在設(shè)定了IDT的膜厚以使SH型邊界波的聲速低于石英的較快的橫波的聲速(4881m/秒)的時點，傳播損失α急劇下降，因金屬不同而顯示接近0的值。優(yōu)選傳播損失α為0，因此更優(yōu)選在圖5中，以SH型邊界波的聲速低于4139m/秒的方式設(shè)定IDT的膜厚。特別是在圖5中，即使不使SH型邊界波的聲速低于4139m/秒的區(qū)域，對于相對于IDT實際所使用的金屬，在圖6中，在傳播損失α下降到實用上沒問題的水平的范圍內(nèi)設(shè)定IDT的設(shè)計膜厚范圍，并鑒于其他條件決定IDT的膜厚，由此能夠得到特性優(yōu)越的聲邊界波裝置。
這樣，可知，即使在目前被認為在使用石英基板的聲邊界波裝置中，不能夠傳播SH型邊界波的石英基板的歐拉角內(nèi)，也可以幾乎不產(chǎn)生損失地傳播SH型邊界波。
還有，將圖2和圖5進行比較可知，在以SH型邊界波的聲速比4139m/秒低的方式設(shè)定IDT的厚度時，即使為使用由任一金屬構(gòu)成的IDT的情況，也可以使機電耦合系數(shù)K2充分增大。
另外，通過將圖3、圖4與圖5進行比較，可知以SH型邊界波的聲速成為4139m/秒以下的方式設(shè)定IDT的厚度時，TCF及PFA也可以充分減小。
由此，由圖2～圖6的結(jié)果可知，在上述實施方式中，不管構(gòu)成IDT的金屬材料是哪一種，只要以SH型邊界波的聲速是比在石英基板中傳播的慢橫波更低的聲速，而且，比在SiN中傳播的慢橫波更低的聲速的方式設(shè)定IDT的厚度，就可以使SH型邊界波幾乎無損失地進行傳播，并且還能夠得到充分大的機電耦合系數(shù)K2，可以使頻率溫度系數(shù)TCF及通量角PFA變小。
圖7～圖12是表示除SiN以外，使用氮化鋁(AlN)、玻璃(BGL)、四硼酸鋰(LBA)、鈮酸鋰(LNK)、鉭酸鋰(LTK)、藍寶石(SAPP)、多晶硅(SiP)、氧化鋅(ZnO)或者鋁(Al2O3)時的IDT的厚度、和SH型邊界波的聲速、機電耦合系數(shù)K2、傳播損失及頻率溫度系數(shù)TCF的關(guān)系。
圖7～圖12所示的結(jié)果如下求出，即在石英基板/IDT/電介質(zhì)的層積結(jié)構(gòu)中，將石英基板的厚度設(shè)定為無限大，將石英基板的切割角設(shè)定為與上述計算例一樣，為55°Y切割90°X傳播〔歐拉角(0°，145°，90°)〕，且將電介質(zhì)的厚度設(shè)定為無限大。
圖7～圖12所示的結(jié)果與求圖2～圖6所示的結(jié)果的情況同樣進行計算而求出。
上述石英基板的慢橫波的聲速如前所述為4139m/秒。另外，構(gòu)成上述各個電介質(zhì)的材料的慢橫波的聲速比4139m/秒快。所以，只要SH型邊界波的聲速比4139m/秒慢，就可以傳播SH型邊界波。換言之，在圖11中，只要選擇聲速V為4139m/秒以下的IDT的厚度范圍，就能夠利用SH型邊界波，而且，將圖12和圖11進行比較可以明了，即使在電介質(zhì)的材料為各種不同的材料時，將IDT的厚度設(shè)定為SH型邊界波能夠傳播的條件，即SH型邊界波的聲速V比4139m/秒慢的范圍內(nèi)時，傳播損失α也大致成為0。而且可知，與圖5及圖6所示的計算結(jié)果的情況一樣，即使在以SiN以外的材料作為電介質(zhì)的情況下，通過以SH型邊界波的聲速比4139m/秒慢的方式設(shè)定IDT的厚度，也可以使SH型邊界波幾乎無損失地進行傳播。
另外，在以這樣的方式設(shè)定IDT的厚度時，由圖7所示可知，能夠使SH型邊界波的機電耦合系數(shù)K2充分大。例如，作為電介質(zhì)，在使用AlN的情況下，由圖12可知，通過將IDT的厚度設(shè)定為在0.02λ以上，則可以使得SH型邊界波的損失大致為0，此時，由圖7可知，能夠使機電耦合系數(shù)K2在0.05以上。
由圖7～圖12可知，即使在將電介質(zhì)的材料變更為SiN以外的其他材料的情況下，同樣地，可以得到足夠大的機電耦合系數(shù)K2。
由圖2～圖6及圖7～圖12的結(jié)果可知，即使在將構(gòu)成IDT的材料及構(gòu)成電介質(zhì)的材料進行了種種變更的情況下，在使用歐拉角(0°，145°，90°)的石英基板時，通過以SH型邊界波的聲速為4139m/秒以下的方式設(shè)定IDT的厚度，則可以實現(xiàn)足夠大的機電耦合系數(shù)、較小的組延遲時間溫度系數(shù)TCD及PFA。
接著，將石英基板2的歐拉角進行種種變更，計算在制造作為聲邊界波諧振器的聲邊界波裝置1時的機電耦合系數(shù)K2、頻率溫度系數(shù)TCF、功率流角PFA及SH型邊界波的聲速V的變化。其結(jié)果如圖13～圖16所示。
另外，有關(guān)條件如下。
結(jié)構(gòu)電介質(zhì)2由多晶Si構(gòu)成。對于石英基板，將歐拉角進行種種變更，其厚度設(shè)為無限大。
IDT由Au形成，其厚度設(shè)為0.07λ。
另外，在利用圖1所示的聲邊界波裝置1制造振蕩器時，機電耦合系數(shù)K2越大越容易形成振蕩。根據(jù)本專利發(fā)明者的確認，如果機電系數(shù)結(jié)合K2比0.08％小，則振蕩形成困難。
所以可知，通過使石英基板的歐拉角(0°，θ，ψ)中的θ，ψ處在圖13所示的附加了斜線的區(qū)域內(nèi)，能夠使機電系數(shù)K2達到0.08％以上，用聲邊界波裝置1可以良好地形成振蕩。
另外，就在該電介質(zhì)傳播的橫波的而言，組延遲時間溫度系數(shù)TCD為正值。另一方面，就石英而言，組延遲時間溫度系數(shù)TCD為負值。如果將橫波的聲速的聲速溫度系數(shù)設(shè)為TCVs、將SH型邊界波的傳播方向上的材料的線膨脹系數(shù)設(shè)為αs，則組延遲時間TCB用下式表示。
TCD＝αs-TCVs…式(4) 在具有電介質(zhì)/IDT/石英基板的結(jié)構(gòu)的聲邊界波裝置中，在厚度為100λ左右的石英基板上，通過光刻法形成IDT，用噴鍍法等堆積法將電介質(zhì)形成為充分封閉了振動的厚度，例如0.8λ左右的厚度時，式(4)中，作為線膨脹系數(shù)αs，電介質(zhì)的線膨脹系數(shù)可以忽略，石英基板的線膨脹系數(shù)成為支配性的。在橫波成分支配的SH型聲邊界波中，聲邊界波的組延遲時間溫度系數(shù)TCD成為電介質(zhì)和石英基板的橫波的聲速之間的值。在聲邊界波裝置中使用的電介質(zhì)材料的聲速溫度系數(shù)TCVs，按照-10～-40ppm/℃大小分布。在求出圖13～圖16所示的結(jié)果時所使用的多晶硅的TCVs約為-25ppm/℃。
所以可知，在圖13～圖16中，TCV比+15小(TCF比-15大。因為多晶硅的TCVs為-25，因此形成差值+10，在和TCV＝-10的電介質(zhì)組合時估計TCD＝0)的石英的切割角，通過將聲速溫度系數(shù)TCV和負的電介質(zhì)這，可以得到組延遲時間溫度系數(shù)TCD大致為0的聲邊界波裝置。所以可知，在圖14中，只要使用TCF比-15ppm/℃大的區(qū)域，即圖14的用斜線表示的區(qū)域內(nèi)的歐拉角的石英基板，則能夠提供組延遲時間溫度系數(shù)TCD大致為0的聲邊界波裝置。
所謂通量角PFA，就是表示聲邊界波的相位速度的方向和聲邊界波的能量進入的群速度的方向的差異的角度。如果通量角PFA變大，就必須使IDT與通量角一致而傾斜地配置，使電極設(shè)計變復(fù)雜。因此，在聲邊界波中，理想的是其通量角PFA較小。
而且可知，只要該通量角PFA的值在±6°以下，則由上述角度偏差造成的損失可明顯減小。所以，只要在圖5所示的附加了斜線的區(qū)域內(nèi)，則可以使通量角PFA大于-6°、小于+6°，由此，能夠有效地抑制上述損失。
另外，圖13～圖16表示IDT為Au時的結(jié)果，即使在IDT的電極材料的種類變化時，總之作為機電耦合系數(shù)等的絕對值，本申請發(fā)明人確認具有與圖13～圖16同樣的傾向。例如，使用Cu形成IDT時，確認等高線的分布本身與圖13～圖16中表示的等高線分布是同樣的。
另外，本發(fā)明不限于圖1(a)、(b)所示的聲邊界波諧振器，其能夠廣泛適用于使用階梯型濾波器、縱耦合諧振器型濾波器、橫耦合諧振器型濾波器、橫向型濾波器、聲邊界波光開關(guān)、聲邊界波光濾波器等各種各樣的聲邊界波的裝置。
在使用石英基板的窄頻帶的聲表面波濾波器，特別是諧振器型聲表面波濾波器和階梯型聲表面波濾波器中，為了得到足夠大的衰減量，電極的反射系數(shù)必須要大。在石英基板的表面波濾波器中，通常使用由Al構(gòu)成的電極，其厚度在將表面波的波長設(shè)為λ時為0.7λ以上，此時的電極指平均一根的反射系數(shù)約為0.08。
與此相對，本發(fā)明中，將SiN的膜厚設(shè)為λ，IDT的電極指平均一根的反射系數(shù)如圖17所示。即，圖17是表示由各種各樣的電極形成IDT時的構(gòu)成電極的金屬的厚度和反射系數(shù)的關(guān)系的圖。由圖17可知，在使用Cu時，只要厚度在0.07λ以上，其反射系數(shù)則可達到0.08以上。另外，在使用其他的金屬的情況下，反射系數(shù)在圖示的范圍內(nèi)，全部在0.08以上。
所以，能夠確實地得到充分大的衰減量。
還有，含有IDT的各種電極，可以通過上述各種金屬形成，但電極也可以具有進一步層積其他的電極層的結(jié)構(gòu)。即，為了提高密合性和耐電性，也可以將由Ti、Cr、NiCr、Ni等構(gòu)成的薄的層進行層積而成。將這樣層積而成的薄電極層配置在與電介質(zhì)的界面、和/或與石英基板的界面上，或配置在多個金屬層之間，由此能夠提高密接性和耐電性等。
再有，關(guān)于IDT的厚度的設(shè)定，在石英基板上形成用于構(gòu)成IDT的金屬膜后，用逆濺射法、離子束研磨法、RIE或者蝕刻法等各種方法則能夠容易地進行調(diào)整。
另外，在本發(fā)明的聲邊界波裝置中，也可以在和上述電介質(zhì)的石英基板相反側(cè)的面上還層積與電介質(zhì)不同的電介質(zhì)。
另外，在由石英基板/IDT/電介質(zhì)構(gòu)成的結(jié)構(gòu)的外側(cè)，為了提高聲邊界波裝置的強度，或者為了防止腐蝕性氣體的進入，也可以形成保護層。作為保護層，可以使用聚亞胺、環(huán)氧樹脂、氧化鈦、氮化鋁、氧化鋁等適宜的絕緣性材料，或者使用Au、Al及W等金屬膜。另外，根據(jù)情況，本發(fā)明的聲邊界波裝置也可以封入封裝內(nèi)。
另外，在本說明書中，所謂歐拉角、結(jié)晶軸及等價的歐拉角，其意義如下所述。
歐拉角 在本說明書中，表示基板的切斷面和邊界波的鐵板方向的歐拉角(，θ，ψ)，使用文獻(聲波元件技術(shù)手冊)(日本學術(shù)振興會聲波元技術(shù)第150委員會、第一版第一次印刷、平成3年11月30日發(fā)行、第549頁)記載的右手系歐拉角。也就是說，對于石英的結(jié)晶軸X，Y，Z，以Z軸為軸使X軸繞逆時針旋轉(zhuǎn)而得到Xa軸。接著，以Xa軸為軸使Z軸繞逆時針旋轉(zhuǎn)θ而得到Z′軸。將包含Xa軸、以Z′軸作為法線的面作為基板的切斷面。而且，將以Z′軸為軸使Xa軸繞逆時針旋轉(zhuǎn)ψ的軸X′方向作為表面波的傳播方向。另外，將Y軸通過上述旋轉(zhuǎn)進行移動所得到的與X′軸和Z′軸垂直的軸作為Y′軸。
結(jié)晶軸 再有，作為歐拉角的初始值而賦予的石英的結(jié)晶軸X，Y，Z，將Z軸設(shè)定為與c軸平行，將X軸設(shè)定為與等價的三個方向的a軸中的任意一個平行，Y軸作為包含X軸和Z軸的面的法線方向。
等價的歐拉角 另外，本發(fā)明中的石英基板的歐拉角(，θ，ψ)可以為結(jié)晶學上的等價。例如，根據(jù)文獻(日本音響學會雜志第36卷)第3號，1980年，第140～150頁)，由于是屬于三方晶系3m點組的結(jié)晶，因此下述的公式(100)成立。
F(φ，θ，ψ)＝F(60°-φ，-θ，ψ) ＝F(60°+φ，-θ，180°-ψ) ＝F(φ，180°+θ，180°-ψ) ＝F(φ，θ，180°+ψ)…式〔100〕 這里，F(xiàn)為機電耦合系數(shù)K2、傳播損失、TCF、PFA、自然方向性等任意的表面波特性。PFA的自然方向性是指，例如將傳播方向正負反轉(zhuǎn)時，因為雖然符號改變，但其絕對量相同，因此認為實際上是等價的，石英是屬于32點組的石英，因此，公式(100)成立。
例如，歐拉角(30°，θ，+ψ)的表面波傳播特性和歐拉角(90°，180°-θ，180°-ψ)的表面波傳播特性等價。另外，例如，歐拉角(30°，90°，45°)的表面波傳播特性和表1所示的歐拉角的表面波傳播特性等價。
在基板表面上形成壓電膜時，不嚴格如式〔100〕那樣，也可得到實用上沒有問題的程度同等的表面波傳播特性。
〔表1〕 [表1]
權(quán)利要求
1.一種聲邊界波裝置，其特征在于，
具有石英基板、形成于所述石英基板上的IDT、以及以覆蓋所述IDT的方式形成于所述石英基板上的電介質(zhì)，在所述石英基板和所述電介質(zhì)的邊界傳播聲邊界波，
以所述聲邊界波的聲速與在所述石英基板中傳播的慢橫波相比是低聲速，而且與所述電介質(zhì)中傳播的慢橫波相比為低聲速的方式，設(shè)定所述IDT的厚度，
所述石英基板的歐拉角，處于圖13中用斜線所示的范圍內(nèi)。
2.一種聲邊界波裝置，其特征在于，
具有石英基板、形成于所述石英基板上的IDT、以及以覆蓋所述IDT的方式形成于所述石英基板上的電介質(zhì)，在所述石英基板和所述電介質(zhì)的邊界傳播聲邊界波，
以所述聲邊界波的聲速與在所述石英基板中傳播的慢橫波相比是低聲速，而且與所述電介質(zhì)中傳播的慢橫波相比為低聲速的方式，設(shè)定所述IDT的厚度，
所述石英基板的歐拉角處于圖14中用斜線所示的范圍內(nèi)。
3.一種聲邊界波裝置，其特征在于，
其有石英基板、形成于所述石英基板上的IDT、以及以覆蓋所述IDT的方式形成于所述石英基板上的電介質(zhì)，在所述石英基板和所述電介質(zhì)的邊界傳播聲邊界波，
以所述聲邊界波的聲速與在所述石英基板中傳播的慢橫波相比是低聲速，而且與所述電介質(zhì)中傳播的慢橫波相比為低聲速的方式，設(shè)定所述IDT的厚度，
所述石英基板的歐拉角處于圖15中用斜線所示的范圍內(nèi)。
4.如權(quán)利要求1所述的聲邊界波裝置，其特征在于，
所述歐拉角處于圖14中附加了斜線的范圍內(nèi)。
5.如權(quán)利要求1、2及4中任一項所述的聲邊界波裝置，其特征在于，
所述歐拉角處于圖15中附加了斜線的范圍內(nèi)。
6.如權(quán)利要求1～5中任一項所述的聲邊界波裝置，其特征在于，
以所述聲邊界波的聲速比在所述石英中傳播的慢橫波的聲速慢而且比在所述電介質(zhì)中傳播的慢橫波的聲速慢的方式，設(shè)定所述IDT的電極指的厚度及電極指的寬度。
7.如權(quán)利要求1～6中任一項所述的聲邊界波裝置，其特征在于，
所述IDT，使用將從由Ni、Mo、Fe、Cu、W、Ag、Ta、Au及Pt構(gòu)成的組中選擇出至少一種金屬作為主要成分而包含的IDT電極，而構(gòu)成。
8.如權(quán)利要求1～7中任一項所述的聲邊界波裝置，其特征在于，
所述電介質(zhì)由多晶硅或者非晶硅構(gòu)成。
9.如權(quán)利要求1～7中任一項所述的聲邊界波裝置，其特征在于，
所述電介質(zhì)由從氮化鋁、玻璃、四硼酸鋰、鈮酸鋰、鉭酸鋰、藍寶石、氮化硅及鋁構(gòu)成的組中選擇出的一種構(gòu)成。
全文摘要
本發(fā)明公開一種聲邊界波裝置(1)，其在石英基板(2)上至少形成IDT(4)、以覆蓋IDT(4)的方式形成電介質(zhì)(3)，在石英基板(2)和電介質(zhì)(3)的邊界傳播聲邊界波，以SH型邊界波的聲速比在石英基板(2)中傳播的慢橫波及在電介質(zhì)(3)中傳播的慢橫波的各聲速低的方式設(shè)定IDT(4)的厚度，而且石英基板(2)的歐拉角處于圖13中所示的附加了的斜線的范圍內(nèi)。從而能夠使用廉價的石英基板，而且利用SH型聲邊界波，并能夠提高機電耦合系數(shù)K2等物理性能及特性。
文檔編號H03H9/145GK101213743SQ200680024148
公開日2008年7月2日 申請日期2006年5月11日 優(yōu)先權(quán)日2005年7月22日
發(fā)明者神藤始 申請人:株式會社村田制作所