JPS6341449B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、表面波トランスデユーサに関するも
のである。

本発明の目的は、音の伝搬速度が速く、かつ実
効的電気機械結合係数が大きい複合材料を、量産
に適した構成で提供するものであつて、高周波領
域での表面波トランスデユーサの性能の向上を目
的とするものである。

表面波トランスデユーサは圧電性基板上に櫛形
電極を形成することによつて得られるが、この電
極の寸法は表面波の波長（λ）に比例している。
この波長（λ）は、λ＝ｖ／なる関係式によつ
て定まる。ここでｖは表面波の伝搬速度、は表
面波トランスデユーサの周波数である。したがつ
て、周波数（）が高い場合には波長（λ）が短
く、すなわち電極寸法が小さくなり、トランスデ
ユーサ製造時の歩留りの低下につながるので、高
周波領域で用いられる表面波トランスデユーサ用
基板としては、なるべく音の伝搬速度の大きいも
のが望ましいことになる。

従来、表面波トランスデユーサ基板として、圧
電体である酸化亜鉛ZnOの皮膜を有する石英ガラ
ス等の各種のガラス基板が用いられているが、こ
れらの場合、音の伝搬速度はかなり速く、またト
ランスデユーサの性能を決める基本的な因子であ
る実効的電気機械結合係数K²もあまりよい値を
得ることができなかつた。たとえば、ZnOの皮膜
を有する石英ガラス基板の場合、音の伝搬速度ｖ
は約2.7Km／秒で、係数K²は約３％であつた。

一方、音の伝搬速度が速い材料としては、窒化
アルミニウムなどの圧電材料がある。これらは音
の伝搬速度ｖが６Km／秒と速いため、櫛形電極の
加工が容易である。しかしながら、窒化アルミニ
ウム膜の形成が容易でないという難点がある。

本発明は上記欠点を解消するためになされたも
のであり、以下本発明の詳細について図面を用い
て説明する。

第１図ａは本発明にかかる表面波トランスデユ
ーサの要部断面図であり、同図ｂは平面図であ
る。すなわち、本発明にかかる表面波トランスデ
ユーサは、第１図ａに示すように、表面を圧電薄
膜１１で被覆した非圧電性基板１２からなる多層
構造基板と、上記圧電薄膜の表面に付着させたイ
ンターデジタル電極１３で構成されている。そし
て、インターデジタル電極１３は、第１図ｂが示
すごとく、櫛形電極指の中および線間を等しくし
たスプリツト構造をとることを特徴としている。

発明者らは、この種の多層構造において、上記
圧電薄膜１１中の表面波たとえばレーリー波の音
速を上記非圧電性基板１２中の表面波たとえばレ
ーリ波の音速より小さくなるような圧電薄膜およ
び非圧電性基板を用いると、高結合でかつ不要振
動の少ないトランスデユーサが実現されることを
発見した。

本発明はかかる発見にもとづいて高結合でかつ
不要振動の少ない高周波用の表面波トランスデユ
ーサを与えるものであり、またこれはさらに
UHF帯の表面波フイルタの新しい有効な構成を
与えるものである。

本発明の主旨をよりよく理解されるために、具
体例につき以下説明する。

第１図の構成において、非圧電性基板１２とし
て、表面波の音速約６Km／秒の（0112）面のサフ
アイヤ単結晶板を用い、圧電性薄膜１１として、
上記サフアイヤ単結晶板上にたとえばCVD法あ
るいはPVD法でエピタキシヤル成長させた表面
波の音速約2.6Km／秒の（0112）面のZnO薄膜を
用いる。この場合、インターデジタル電極１３の
周期をＰとすると、周期Ｐの長さに相当する通常
のレーリー波の表面波以外に、周期Ｐの1/3の長
さに相当する波長の表面波が強力に励振されるこ
とを、発明者らは発明した。

この発明者らの発見した強力な表面波の周波数
は、従来のレーリー波の３〜４倍の範囲にある。
たとえば、ZnO薄膜の膜厚ｈをｈ／Ｐ＝0.1，イ
ンターデジタル電極の周期を18.4μmにすると、
従来のリーレー波の周波数は280MHzであるが、
上記新規な表面波は930MHzであることを発明者
らは確認した。

発明者らは、この種の新規な表面波の励振と、
他のモードの振動の励振状況をZnO圧電薄膜の膜
厚を変えて詳細に調べた結果、この種の構造で励
振される振動は、上記レーリー波の基本モードと
３次高調波、レーリー波の高次モードとこの高次
モードの３次高調波の４種類があり、また上記新
規な表面波は高次モードの３次高調波であること
を確認した。たとえば、上記の具体例では、レー
リー波の基本モードが280MHz、この基本モード
の３次高調波が630MHz、レーリー波の高次モー
ドが377MHz、発明者らの発見にかかる高次モー
ドの３次高調波が930MHzである。上記高次モー
ドの３次高調波は励振周波数が高く、UHF帯用
の表面波デバイスたとえばフイルタ、発振器の形
成に有効である。この場合、実用性を高めるには
高次モードの３次高調波以外の３種の振動は不要
振動でスプレアスの原因になるが、発明者らはス
プレアスの抑制にはZnO薄膜の膜厚，結晶性，非
圧電性基板の材料結晶性などに最適条件であるこ
とを発見し、これらの発見に基づき、スプレアス
のない高結合のトランスデユーサを実現した。

すなわち、本発明にかかる振動モードは圧電薄
膜中の音速より非圧電性基板中の音速が速い場合
に、効果的に励振され、たとえばZnO圧電薄膜の
場合には、非圧電性基板としては、α―アルミナ
たとえばサフアイヤあるいはシリコンが最適であ
る。α―アルミナの場合、たとえば（0112）面サ
フアイヤ単結晶を用い、この上に（1120）面の
ZnO圧電薄膜をたとえばスパツタリング蒸着法に
よりエピタキシヤル成長させ、さらにその上にイ
ンターデジタル電極を形成して第１図に示す多層
構造からなるトランスデユーサを作る。インター
デジタル電極はたとえば真空蒸着法でアルミニウ
ムを蒸着し、この蒸着膜をたとえばホトエツチン
グ技術でインターデジタル電極の構造に加工す
る。この場合、たとえばZnO圧電薄膜の厚さを変
えると励振するレーリー波の基本モード、この基
本モードの３次高調波は強度が弱く、上記スプレ
アスの発生には影響がなく、もつとも影響を強く
受けるのはレーリー波の高次モードであることを
発明者らは確認し、さらに最適のZnOの膜厚範囲
があることを見出した。

第２図の曲線２１は（1120）ZnO（0112）サフ
アイヤ構造について、たとえばZnOの〔0001〕方
向に表面波を伝搬させZnO膜厚（励振される表面
波の波長との比ｈ／λで示す）を変えたときの、
スプレアス振動の強度を示す。これから明らかな
ように、ｈ／λが0.5以上になるとスプレアス強
度（高次モード）が主振動（高次モードの高周
波）よりも大きくなつて実用に供しないが、ｈ／
λが0.5よりも小さい、たとえば0.3ではスプレア
スが発生しない。さらにZnO膜厚を薄くしてたと
えば、ｈ／λ＜0.13にすると高次モードの強度が
急に弱くなり、このモードが励振されない。した
がつて、ZnOの膜厚範囲は、0.13＜ｈ／λ≦0.5で
ある。図の曲線２２は、本発明にかかる主振動の
電気機械結合係数（K²，以下結合係数と称する）
を、曲線２３はその音速を示す。５Km／秒以上の
高音速でかつ結合係数も高結合圧電単結晶たとえ
ばLiNbO₃（結合係数約５％）に匹敵することが
わかる。一方、非圧電基板としてサフアイヤ結晶
の（0001）面を用いて、ZnO単結晶膜をエピタキ
シヤル成長させると、（0001）面ZnO膜が成長す
る。ところが、これらの結晶方位の組合せでは、
この種の高次モードが強く励振されず、トランス
デユーサは形成されない。しかるに、発は、ZnO
圧電薄膜を、単結晶を用いずに多結晶構造にする
と、ZnO薄膜のＣ軸が非圧電性基板に垂直であれ
は、上記の高次モードが有効に励振されることを
発見した。この種の構造は、たとえばα―アルミ
ナの表面をアモルフアス状態にして、この表面に
たとえばスパツタリング蒸着でZnO薄膜を形成し
て得る。スパツタリング蒸着はたとえばZnOの焼
結ターゲツトを用いて、４×10^-2Torrのアルゴ
ンと酸素の混合ガス中で実施する。この場合、蒸
着速度をたとえば0.2〜0.3μm／時、蒸着中の基板
温度を150〜180℃にする。また、α―アルミナの
基板として、たとえばサフアイヤ単結晶板の表面
に、ごく薄くたとえば100〜1000Åの石英膜を蒸
着してアモルフアス層を形成してもよい。この場
合には、表面波の伝播に影響がない範囲の厚さ
ｈ／λ≪１にすることが重要である。

第３図は、Ｃ軸多結晶ZnO薄膜の表面をアモル
フアス化したサフアイヤに形成し、その上にイン
ターデジタル電極を設けた多層構造における本発
明にかかる高次モードの特性を示す。

同図の曲線３１は主振動とスプレアスとの強度
比、３２は結合係数、３３は音速を示す。この場
合、最適の膜厚は図から0.13＜ｈ／λ≦0.4の範
囲内にあることがわかる。この場合も、第２図の
場合と同様ｈ／λ＜0.13では、主振動の高次モー
ドが励振されない。ｈ／λ＝0.4で主振動とスプ
レアスの強度比が１、ｈ／λ＞0.4ではスプレア
ス強度が主振動より大きくなり、実用にならな
い。第２図，第３図におけるｈ／λ0.13はこの
種の構造における高次モードのカツトオフ点で、
発明者らの詳細な調査により、このカツトオフ点
より大きいｈ／λでは伝搬損失の小さい発明者ら
の発見による高次モードが発生するが、カツトオ
フ点より小さいときには、この種のモードは伝搬
損が大きいいわゆるリーキー波になることを確認
した。

以上の例では、非圧電性基板としてサフアイヤ
を述べたが、ここでシリコン基板についても述べ
る。

すなわち、シリコン基板上には、ZnO薄膜がエ
ピタキシヤル成長しにくいから、ZnOのＣ軸配向
膜を圧電薄膜として用いる。ZnOのＣ軸配向膜は
たとえば前述したようなスパツタリング蒸着で形
成する。シリコン基板は（001）面、（111）面を
用いる。シリコンの表面は、表面波の伝搬特性に
影響を与えない程度ｈ／λ≪１、たとえば100〜
1000Åの石英膜を付けてから、上記ZnO薄膜をス
パツタ蒸着する。これは複数個のトランスデユー
サ間の電気絶縁性を大きくする作用を示す。第４
図は、シリコン基板の場合の本発明にかかる主振
動の表面波特性で、曲線４１はスプレアス強度、
同４２は結合係数、同４３は音速を示す。同図に
おいては、インターデジタル電極をZnO薄膜の表
面に設けたとき（曲線４１ａ，４２ａ）と、ZnO
薄膜の裏面に設けたとき（同４１ｂ，４２ｂ）、
およびZnO薄膜の表面にインターデジタル電極
を、また裏面に対向電極を設けたとき４１，４２
ｃと全く逆の位置関係にあるとき４１ｄ，４２ｄ
の４種の特性を示す。これらの電極構成は、Ｃ軸
配向のZnO薄膜を上述したスパツタリング蒸着法
で形成する。なお、ZnO薄膜は通常インターデジ
タル電極上たとえはアルミニウム蒸着膜インター
デジタル電極上にエピタキシヤル成長しないた
め、エピタキシヤルZnO薄膜を用いることはでき
ない。同図から電極構成により、スプレアスの励
振強度は多少異なるが、いずれの場合も、ZnO薄
膜が0.13＜ｈ／λ≦0.47の範囲内にあればスプレ
アスも少なく、実用的であることがわかる。

以上の説明で明らかなように、本発明にかかる
トランスデユーサは、高周波用のトランスデユー
サとして有効で、とりわけスプレアスが小さく、
かつ大きい結合係数の特長を生かした高帯域，低
損失の表面波フイルタ，発振器等の形成に有効で
ある。たとえば、前述したサフアイヤ基板の具体
例で、トランスデユーサ電極の最小線巾が2.3μm
（インターデジタル電極の周期18.4μm）で、トラ
ンスデユーサの動作周波数が930MHzである。こ
れに対して従来の圧電単結晶たとえば水晶を用い
て通常のレーリー波を励振させると、930MHzの
動作周波数を得るには、トランスデユーサの線巾
は0.83μmとサブミクロンの範囲になり、その加
工は、量産性を問題にする場合は、容易なことで
はない。しかるに、本発明によるトランスデユー
サでは最小線巾が1μm以上あり、通常のホトエツ
チング技術で加工でき、量産性に優れているとい
う特長がある。

第５図に本発明にかかるトランスデユーサを用
いたUHF帯帯域通過フイルタの周波数スペクト
ラムの特性例を示す。（11２０）ZnO／（01１２）
サフアイヤ構造，表面波の伝播方向ZnOの
〔0001〕方向，ZnOの膜厚ｈ／λ＝0.228，インタ
ーデジタル電極の周期Ｐ＝18.4μmの場合である。

以上、非圧電性基板として、シリコンやサフア
イヤを使用した場合を代表させて、本発明につい
て説明したが、圧電性薄膜より音速が速ければよ
く、たとえばMgO，AlN，Si₃N₄，SiCなどで構
成することも可能であり、またこれらは単結晶，
セラミツクス，ガラスいずれでも有効である。さ
らに、圧電薄膜もZnO薄膜以外に、CdS，ZnS，
CaSeなどでもこれらの膜中の表面波の音速が非
圧電性基板の音速より遅ければよい。

以上の説明で明らかなごとく、本発明にかかる
表面波トランスデユーサは、UHF帯の表面波デ
バイスの形成に有効で、UHF帯のテレビジヨン
チユーナをはじめ各種無線機器などに広範囲に使
用して有用なものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明にかかる表面波トランスデユー
サの構造を示す図であり、同図ａは要部断面図、
同図ｂは要部平面図である。第２図，第３図およ
び第４図は本発明にかかる表面波トランスデユー
サにおいて、それぞれサフアイヤ基板、α―アル
ミナ基板、シリコン基板を使用したときの表面波
特性の例を示す図、第５図はUHF帯帯域フイル
タとしての周波数スペクトラムの一例を示す図で
ある。 １１……圧電薄膜、１２……非圧電性基板、１
３……インターデジタル電極。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 表面を圧電薄膜で被覆した非圧電性基板から
   なる多層構造基板と、上記圧電薄膜の表面あるい
   は裏面に形成されているインターデイジタル電極
   とを有する表面波トランスデユーサにおいて、上
   記非圧電性基板が（01１２）面のサフアイヤ結晶
   で構成され、かつ上記圧電薄膜が（11２０）面の
   ZnO単結晶薄膜であつて、上記インターデイジタ
   ル電極がスプリツト構造であることを特徴とする
   表面波トランスデユーサ。 ２ ZnO単結晶薄膜の膜厚ｈが0.13＜ｈ／λ≦0.5
   （ただし、λは表面波の波長）の範囲内であるこ
   とを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の表面
   波トランスデユーサ。