Title:
Bauelement für elastische Wellen
Document Type and Number:
Kind Code:
B4

Abstract:

Bauelement (1) für elastische Wellen mit einem piezoelektrischen Film (5), umfassend:
ein Stützsubstrat (2),
einen Film mit hoher Schallgeschwindigkeit (3) mit einer höheren Schallgeschwindigkeit als eine elastische Welle des piezoelektrischen Films (5),
einen Film mit niedriger Schallgeschwindigkeit (4) mit einer geringeren Schallgeschwindigkeit als eine elastische Welle des piezoelektrischen Films (5),
wobei der piezoelektrische Film (5) auf den Film mit niedriger Schallgeschwindigkeit (4) laminiert ist und
eine IDT-Elektrode (6) auf einer Fläche des piezoelektrischen Films (5) ausgebildet ist,
wobei in dem Fall, wo die Schallgeschwindigkeit des Hauptmodus bei einer Antiresonanzfrequenz als V1 [m/s] angenommen wird, die Schallgeschwindigkeit in dem Film mit hoher Schallgeschwindigkeit als Vh [m/s] angenommen wird, und eine Filmdicke des Films mit hoher Schallgeschwindigkeit, die mit einer Wellenlänge λ [m] der elastischen Welle normalisiert wird, als Th (= Dicke des Films mit hoher Schallgeschwindigkeit / λ) angenommen wird, V1 und Th die folgenden relationalen Ausdrücke bei jeder Vh erfüllen, wie unten beschrieben:
• Wenn 4200 ≤ Vh < 4400: V1 ≤ 125,9 × Th2 – 102,0 × Th + 3715,0
• Wenn 4400 ≤ Vh < 4600: V1 ≤ 296,3 × Th2 – 253,0 × Th + 3742,2
• Wenn 4600 ≤ Vh < 4800: V1 ≤ 506,1 × Th2 – 391,5 × Th + 3759,2 ...





Inventors:
Iwamoto, Hideki (Nagaokakyo-shi, JP)
Kido, Syunsuke (Nagaokakyo-shi, JP)
Application Number:
DE112013003118T
Publication Date:
12/07/2017
Filing Date:
06/17/2013
Assignee:
Murata Manufacturing Co., Ltd. (Kyoto-fu, Nagaokakyo-shi, JP)
International Classes:
H03H9/145; H01L41/047; H01L41/08; H03H9/25
Attorney, Agent or Firm:
CBDL Patentanwälte, 47051, Duisburg, DE
Claims:
1. Bauelement (1) für elastische Wellen mit einem piezoelektrischen Film (5), umfassend:
ein Stützsubstrat (2),
einen Film mit hoher Schallgeschwindigkeit (3) mit einer höheren Schallgeschwindigkeit als eine elastische Welle des piezoelektrischen Films (5),
einen Film mit niedriger Schallgeschwindigkeit (4) mit einer geringeren Schallgeschwindigkeit als eine elastische Welle des piezoelektrischen Films (5),
wobei der piezoelektrische Film (5) auf den Film mit niedriger Schallgeschwindigkeit (4) laminiert ist und
eine IDT-Elektrode (6) auf einer Fläche des piezoelektrischen Films (5) ausgebildet ist,
wobei in dem Fall, wo die Schallgeschwindigkeit des Hauptmodus bei einer Antiresonanzfrequenz als V1 [m/s] angenommen wird, die Schallgeschwindigkeit in dem Film mit hoher Schallgeschwindigkeit als Vh [m/s] angenommen wird, und eine Filmdicke des Films mit hoher Schallgeschwindigkeit, die mit einer Wellenlänge λ [m] der elastischen Welle normalisiert wird, als Th (= Dicke des Films mit hoher Schallgeschwindigkeit / λ) angenommen wird, V1 und Th die folgenden relationalen Ausdrücke bei jeder Vh erfüllen, wie unten beschrieben:
• Wenn 4200 ≤ Vh < 4400: V1 ≤ 125,9 × Th2 – 102,0 × Th + 3715,0
• Wenn 4400 ≤ Vh < 4600: V1 ≤ 296,3 × Th2 – 253,0 × Th + 3742,2
• Wenn 4600 ≤ Vh < 4800: V1 ≤ 506,1 × Th2 – 391,5 × Th + 3759,2
• Wenn 4800 ≤ Vh < 5000: V1 ≤ 768,0 × Th2 – 552,4 × Th + 3776,8
• Wenn 5000 ≤ Vh < 5200: V1 ≤ 848,5 × Th2 – 541,6 × Th + 3767,8
• Wenn 5200 ≤ Vh < 5400: V1 ≤ 1065,2 × Th2 – 709,4 × Th + 3792,8
• Wenn 5400 ≤ Vh < 5600: V1 ≤ 1197,1 × Th2 – 695,0 × Th + 3779,8
• Wenn 5600 ≤ Vh < 5800: V1 ≤ 1393,8 × Th2 – 843,8 × Th + 3801,5
• Wenn 5800 ≤ Vh < 6000: V1 ≤ 1713,7 × Th2 – 1193,3 × Th + 3896,1
• Wenn 6000 ≤ Vh: V1 ≤ 1839,9 × Th2 – 1028,7 × Th + 3814,1

2. Bauelement (1) für elastische Wellen mit einem piezoelektrischen Film (5), umfassend:
ein Stützsubstrat (2),
einen Film mit hoher Schallgeschwindigkeit (3) mit einer höheren Schallgeschwindigkeit als eine elastische Welle des piezoelektrischen Films (5),
einen Film mit niedriger Schallgeschwindigkeit (4) mit einer geringeren Schallgeschwindigkeit als eine elastische Welle des piezoelektrischen Films (5),
wobei der piezoelektrische Film (5) auf den Film mit niedriger Schallgeschwindigkeit (4) laminiert ist und
eine IDT-Elektrode (6) auf einer Fläche des piezoelektrischen Films (5) ausgebildet ist,
wobei in dem Fall, wo die Schallgeschwindigkeit des Modus hoher Ordnung als V2 [m/s] angenommen wird, die Schallgeschwindigkeit in dem Film mit hoher Schallgeschwindigkeit als Vh [m/s] angenommen wird, und die Filmdicke des Films mit hoher Schallgeschwindigkeit, die mit der Wellenlänge λ [m] der elastischen Welle normalisiert wird, als Th (= Dicke des Films mit hoher Schallgeschwindigkeit/λ) angenommen wird, V2 und Th die folgenden relationalen Ausdrücke bei jeder Vh erfüllen, wie unten beschrieben:
• Wenn Vh < 4200: V2 ≥ 187,0 × Th2 – 137,0 × Th + 3919,7
• Wenn 4200 ≤ Vh < 4400: V2 ≥ –115,0 × Th2 + 515,0 × Th + 3796,4
• Wenn 4400 ≤ Vh < 4600: V2 ≥ –268,4 × Th2 + 898,0 × Th + 3728,8
• Wenn 4600 ≤ Vh < 4800: V2 ≥ –352,8 × Th2 + 1125,2 × Th + 3726,8
• Wenn 4800 ≤ Vh < 5000: V2 ≥ –568,7 × Th2 + 1564,3 × Th + 3657,2
• Wenn 5000 ≤ Vh < 5200: V2 ≥ – 434,2 × Th2 + 1392,6 × Th + 3808,2
• Wenn 5200 ≤ Vh < 5400: V2 ≥ –576,5 × Th2 + 1717,1 × Th + 3748,3
• Wenn 5400 ≤ Vh < 5600: V2 ≥ –602,9 × Th2 + 1882,6 × Th + 3733,7
• Wenn 5600 ≤ Vh < 5800: V2 ≥ –576,9 × Th2 + 2066,9 × Th + 3703,7
• Wenn 5800 ≤ Vh < 6000: V2 ≥ –627,0 × Th2 + 2256,1 × Th + 3705,7

3. Bauelement (1) für elastische Wellen mit einem piezoelektrischen Film (5), umfassend:
ein Stützsubstrat (2),
einen Film mit hoher Schallgeschwindigkeit (3) mit einer höheren Schallgeschwindigkeit als eine elastische Welle des piezoelektrischen Films (5),
einen Film mit niedriger Schallgeschwindigkeit (4) mit einer geringeren Schallgeschwindigkeit als eine elastische Welle des piezoelektrischen Films (5),
wobei der piezoelektrische Film (5) auf den Film mit niedriger Schallgeschwindigkeit (4) laminiert ist und
eine IDT-Elektrode (6) auf einer Fläche des piezoelektrischen Films (5) ausgebildet ist,
wobei in dem Fall, wo die Schallgeschwindigkeit des Modus hoher Ordnung als V2 [m/s] angenommen wird, die Schallgeschwindigkeit in dem Film mit hoher Schallgeschwindigkeit als Vh [m/s] angenommen wird, und die Filmdicke des Films mit hoher Schallgeschwindigkeit, die mit der Wellenlänge λ [m] der elastischen Welle normalisiert wird, als Th (= Dicke des Films mit hoher Schallgeschwindigkeit/λ) angenommen wird, V2 und Th die folgenden relationalen Ausdrücke bei jeder Vh erfüllen, wie unten beschrieben:
• Wenn Vh < 4200: V2 ≥ 197,8 × Th2 – 158,0 × Th + 4128,5
• Wenn 4200 ≤ Vh < 4400: V2 ≥ –119,5 × Th2 + 523,8 × Th + 3992,7
• Wenn 4400 ≤ Vh < 4600: V2 ≥ –274,0 × Th2 + 908,9 × Th + 3924,2
• Wenn 4600 ≤ Vh < 4800: V2 ≥ –372,3 × Th2 + 1162,9 × Th + 3910,9
• Wenn 4800 ≤ Vh < 5000: V2 ≥ –573,4 × Th2 + 1573,9 × Th + 3852,8
• Wenn 5000 ≤ Vh < 5200: V2 ≥ –443,7 × Th2 + 1411,0 × Th + 4000,5
• Wenn 5200 ≤ Vh < 5400: V2 ≥ –557,0 × Th2 + 1679,2 × Th + 3964,2
• Wenn 5400 ≤ Vh < 5600: V2 ≥ –581,0 × Th2 + 1840,1 × Th + 3951,6
• Wenn 5600 ≤ Vh < 5800: V2 ≥ –570,7 × Th2 + 2054,7 × Th + 3908,8
• Wenn 5800 ≤ Vh < 6000: V2 ≥ –731,1 × Th2 + 2408,0 × Th + 3857,0

4. Bauelement (1) für elastische Wellen nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der piezoelektrische Film (5) aus einem aus LiTaO, oder LiNbO3 gefertigt ist.

5. Bauelement (1) für elastische Wellen nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei der eine Film mit niedriger Schallgeschwindigkeit (4) aus einem aus Siliziumoxid, Glas, Siliziumoxynitrid, Tantaloxid oder einer Verbindung, in der Fluor, Kohlenstoff oder Bor zu dem Siliziumoxid gegeben ist, gefertigt ist.

6. Bauelement (1) für elastische nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei der eine Film mit hoher Schallgeschwindigkeit (3) aus einem aus Aluminiumnitrid, Aluminiumoxid, Siliziumcarbid, Siliziumnitrid und Diamant gefertigt ist.

7. Bauelement (1) für elastische Wellen nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die Schallgeschwindigkeit der Volumenwelle, die sich in dem Stützsubstrat (2) ausbreitet, niedriger ist als die Schallgeschwindigkeit der Volumenwelle, die sich in dem Film mit hoher Schallgeschwindigkeit (3) ausbreitet.

8. Bauelement (1) für elastische Wellen nach einem der Ansprüche 1 bis 7, ferner umfassend:
einen zweiten Film mit niedriger Schallgeschwindigkeit, der zwischen das Stützsubstrat (2) und den Film mit hoher Schallgeschwindigkeit (3) laminiert ist und in dem sich eine Volumenwelle mit einer geringeren Schallgeschwindigkeit ausbreitet als die Volumenwelle, die sich in dem piezoelektrischen Film (5) ausbreitet.

Description:
TECHNISCHES GEBIET DER ERFINDUNG

Die vorliegende Erfindung betrifft Bauelemente für elastische Wellen, die in Resonatoren, Bandpassfiltern und dergleichen verwendet werden, und betrifft insbesondere Bauelemente für elastische Wellen mit einer Struktur, bei der ein weiteres Material zwischen ein Stützsubstrat und eine piezoelektrische Schicht laminiert wird.

ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK

Bauelemente für elastische Wellen werden seit Jahren als Resonatoren, Bandpassfilter und dergleichen verwendet. Seit einiger Zeit wird verlangt, dass sie mit höheren Frequenzen arbeiten als früher. Das unten zitierte Patentdokument 1 offenbart ein Oberflächenschallwellenbauelement, bei dem auf einem dielektrischen Substrat eine harte dielektrische Schicht, ein piezoelektrischer Film und eine IDT(Interdigitaltransducer)-Elektrode – in dieser Reihenfolge – laminiert sind. In dem offenbarten Oberflächenschallwellenbauelement ist die harte dielektrische Schicht zwischen dem dielektrischen Substrat und dem piezoelektrischen Film angeordnet, um die Schallgeschwindigkeit einer Oberflächenschallwelle zu erhöhen. In Zusammenhang heißt es in Patentdokument 1, dass die oben beschriebene Konfiguration es dem Oberflächenschallwellenbauelement ermöglicht, bei höheren Frequenzen zu arbeiten.

Patentdokument 1 offenbart ferner eine Struktur, bei der eine potenzialgleiche Schicht zwischen einer harten dielektrischen Schicht und einem piezoelektrischen Film angeordnet ist. Die potenzialgleiche Schicht besteht aus einem Metall oder einem Halbleiter. Die potenzialgleiche Schicht hat den Zweck, ein Potenzial an einer Grenzfläche zwischen dem piezoelektrischen Film und der harten dielektrischen Schicht auszugleichen.

Zitierungsliste Patentdokument

  • Patentdokument 1: Japanische ungeprüfte Patentanmeldungspublikation Nr. 2004-282232

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG Technisches Problem

Mit dem in Patentdokument 1 offenbarten Oberflächenschallwellenbauelement wird beabsichtigt, durch Ausbilden der harten dielektrischen Schicht eine höhere Schallgeschwindigkeit zu erreichen. Es entsteht jedoch ein beträchtlicher Ausbreitungsverlust, und die Oberflächenschallwelle kann nicht wirksam auf die Grenzen eines piezoelektrischen Dünnfilms beschränkt werden. Darum entweicht Energie des Oberflächenschallwellenbauelement in das dielektrische Substrat. Dadurch entsteht das Problem, dass die Eigenschaften eines Bauelements für elastische Wellen verschlechtert werden.

Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, Bauelemente für elastische Wellen mit günstigen Eigenschaften bereitzustellen.

Lösung des Problems

Die Erfindung ist in den Ansprüchen definiert. Gemäß der vorliegenden Erfindung beträgt in einer oberen Struktursektion, die den Film mit hoher Schallgeschwindigkeit enthält, ein Energiekonzentrationsverhältnis eines Hauptmodus, der während des Gebrauchs eine elastische Welle ist, mindestens 99,9 %, und ein Energiekonzentrationsverhältnis eines Modus hoher Ordnung, der ein Störsignal ist, beträgt maximal 99,5 %.

In dem Bauelement für elastische Wellen gemäß einem konkreten Aspekt der vorliegenden Erfindung erfüllen in dem Fall, wo die Schallgeschwindigkeit des Hauptmodus bei einer Antiresonanzfrequenz als V1 [m/s] angenommen wird, die Schallgeschwindigkeit in dem Film mit hoher Schallgeschwindigkeit als Vh [m/s] angenommen wird, und eine Filmdicke des Films mit hoher Schallgeschwindigkeit, die mit einer Wellenlänge λ [m] der elastischen Welle normalisiert wird, als Th (= Dicke des Films mit hoher Schallgeschwindigkeit / λ) angenommen wird, V1 und Th die folgenden relationalen Ausdrücke bei jeder Vh, wie unten beschrieben.

  • • Wenn 4200 ≤ Vh < 4400: V1 ≤ 125,9 × Th2 – 102,0 × Th + 3715,0
  • • Wenn 4400 ≤ Vh < 4600: V1 ≤ 296,3 × Th2 – 253,0 × Th + 3742,2
  • • Wenn 4600 ≤ Vh < 4800: V1 ≤ 506,1 × Th2 – 391,5 × Th + 3759,2
  • • Wenn 4800 ≤ Vh < 5000: V1 ≤ 768,0 × Th2 – 552,4 × Th + 3776,8
  • • Wenn 5000 ≤ Vh < 5200: V1 ≤ 848,5 × Th2 – 541,6 × Th + 3767,8
  • • Wenn 5200 ≤ Vh < 5400: V1 ≤ 1065,2 × Th2 – 709,4 × Th + 3792,8
  • • Wenn 5400 ≤ Vh < 5600: V1 ≤ 1197,1 × Th2 – 695,0 × Th + 3779,8
  • • Wenn 5600 ≤ Vh < 5800: V1 ≤ 1393,8 × Th2 – 843,8 × Th + 3801,5
  • • Wenn 5800 ≤ Vh < 6000: V1 ≤ 1713,7 × Th2 – 1193,3 × Th + 3896,1
  • • Wenn 6000 ≤ Vh: V1 ≤ 1839,9 × Th2 – 1028,7 × Th + 3814,1

In dem Bauelement für elastische Wellen gemäß einem weiteren konkreten Aspekt der vorliegenden Erfindung erfüllen in dem Fall, wo die Schallgeschwindigkeit des Modus hoher Ordnung als V2 [m/s] angenommen wird, die Schallgeschwindigkeit in dem Film mit hoher Schallgeschwindigkeit als Vh [m/s] angenommen wird, und die Filmdicke des Films mit hoher Schallgeschwindigkeit, die mit der Wellenlänge λ [m] der elastischen Welle normalisiert wird, als Th (= Dicke des Films mit hoher Schallgeschwindigkeit/λ) angenommen wird, V2 und Th die folgenden relationalen Ausdrücke bei jeder Vh, wie unten beschrieben.

  • • Wenn Vh < 4200: V2 ≥ 187,0 × Th2 – 137,0 × Th + 3919,7
  • • Wenn 4200 ≤ Vh < 4400: V2 ≥ –115,0 × Th2 + 515,0 × Th + 3796,4
  • • Wenn 4400 ≤ Vh < 4600: V2 ≥ –268,4 × Th2 + 898,0 × Th + 3728,8
  • • Wenn 4600 ≤ Vh < 4800: V2 ≥ –352,8 × Th2 + 1125,2 × Th + 3726,8
  • • Wenn 4800 ≤ Vh < 5000: V2 ≥ –568,7 × Th2 + 1564,3 × Th + 3657,2
  • • Wenn 5000 ≤ Vh < 5200: V2 ≥ –434,2 × Th2 + 1392,6 × Th + 3808,2
  • • Wenn 5200 ≤ Vh < 5400: V2 ≥ –576,5 × Th2 + 1717,1 × Th + 3748,3
  • • Wenn 5400 ≤ Vh < 5600: V2 ≥ –602,9 × Th2 + 1882,6 × Th + 3733,7
  • • Wenn 5600 ≤ Vh < 5800: V2 ≥ –576,9 × Th2 + 2066,9 × Th + 3703,7
  • • Wenn 5800 ≤ Vh < 6000: V2 ≥ –627,0 × Th2 + 2256,1 × Th + 3705,7

In dem Bauelement für elastische Wellen gemäß einem weiteren konkreten Aspekt der vorliegenden Erfindung erfüllen in dem Fall, wo die Schallgeschwindigkeit des Modus hoher Ordnung als V2 [m/s] angenommen wird, die Schallgeschwindigkeit in dem Film mit hoher Schallgeschwindigkeit als Vh [m/s] angenommen wird, und die Filmdicke des Films mit hoher Schallgeschwindigkeit, die mit der Wellenlänge λ [m] der elastischen Welle normalisiert wird, als Th (= Dicke des Films mit hoher Schallgeschwindigkeit/λ) angenommen wird, V2 und Th die folgenden relationalen Ausdrücke bei jeder Vh, wie unten beschrieben.

  • • Wenn Vh < 4200: V2 ≥ 197,8 × Th2 – 158,0 × Th + 4128,5
  • • Wenn 4200 ≤ Vh < 4400: V2 ≥ –119,5 × Th2 + 523,8 × Th + 3992,7
  • • Wenn 4400 ≤ Vh < 4600: V2 ≥ –274,0 × Th2 + 908,9 × Th + 3924,2
  • • Wenn 4600 ≤ Vh < 4800: V2 ≥ –372,3 × Th2 + 1162,9 × Th + 3910,9
  • • Wenn 4800 ≤ Vh < 5000: V2 ≥ –573,4 × Th2 + 1573,9 × Th + 3852,8
  • • Wenn 5000 ≤ Vh < 5200: V2 ≥ –443,7 × Th2 + 1411,0 × Th + 4000,5
  • • Wenn 5200 ≤ Vh < 5400: V2 ≥ –557,0 × Th2 + 1679,2 × Th + 3964,2
  • • Wenn 5400 ≤ Vh < 5600: V2 ≥ –581,0 × Th2 + 1840,1 × Th + 3951,6
  • • Wenn 5600 ≤ Vh < 5800: V2 ≥ –570,7 × Th2 + 2054,7 × Th + 3908,8
  • • Wenn 5800 ≤ Vh < 6000: V2 ≥ –731,1 × Th2 + 2408,0 × Th + 3857,0

In dem Bauelement für elastische Wellen gemäß einem weiteren konkreten Aspekt der vorliegenden Erfindung ist die Schallgeschwindigkeit der Volumenwelle, die sich in dem Stützsubstrat ausbreitet, niedriger als die Schallgeschwindigkeit der Volumenwelle, die sich in dem Film mit hoher Schallgeschwindigkeit ausbreitet. In diesem Fall fließt, weil die Schallgeschwindigkeit in dem Substrat niedriger ist, der Modus hoher Ordnung sicherer in Richtung der Substratseite ab. Dadurch ist es möglich, den Einfluss des Modus hoher Ordnung wirksamer zu unterdrücken.

Das Bauelement für elastische Wellen gemäß einem weiteren konkreten Aspekt der vorliegenden Erfindung enthält ferner einen zweiten Film mit niedriger Schallgeschwindigkeit. Der zweite Film mit niedriger Schallgeschwindigkeit ist zwischen dem Stützsubstrat und dem Film mit hoher Schallgeschwindigkeit laminiert. Ferner ist der zweite Film mit niedriger Schallgeschwindigkeit enthalten, in dem sich eine Volumenwelle mit einer geringeren Schallgeschwindigkeit ausbreitet als die Volumenwelle, die sich in dem piezoelektrischen Film ausbreitet. In diesem Fall ist es wahrscheinlich, dass der Modus hoher Ordnung in den zweiten Film mit niedriger Schallgeschwindigkeit entweicht. Dementsprechend kann der Modus hoher Ordnung stärker durch den zweiten Film mit niedriger Schallgeschwindigkeit entweichen. Dadurch kann der Freiheitsgrad bei der Auswahl eines Materials für das Stützsubstrat erhöht werden.

In dem Bauelement für elastische Wellen gemäß einem weiteren konkreten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird der piezoelektrische Film aus Lithiumtantalat-Einkristall oder Lithiumniobat-Einkristall gebildet. In diesem Fall kann ein Dünnfilm aus einer piezoelektrischen Substanz als ein piezoelektrischer Film auf einfache Weise unter Verwendung einer Ionenimplantationstechnik gebildet werden. Darüber hinaus können auf einfache Weise Bauelemente für elastische Wellen mit verschiedenen Eigenschaften durch Auswählen eines Schnittwinkels bereitgestellt werden.

Vorteilhafte Effekte der Erfindung

In dem Bauelement für elastische Wellen gemäß der vorliegenden Erfindung werden ein Film mit hoher Schallgeschwindigkeit und ein Film mit niedriger Schallgeschwindigkeit zwischen einem Stützsubstrat und einem piezoelektrischen Film angeordnet. Weil ferner Energiekonzentrationsverhältnisse des Hauptmodus und des Modus hoher Ordnung jeweils innerhalb der oben angegebenen Bereiche in einer oberen Struktursektion, die den Film mit hoher Schallgeschwindigkeit enthält, liegen, kann die Energie der elastischen Welle während des Gebrauchs wirksam innerhalb der Grenzen eines Abschnitts gehalten werden, wo der piezoelektrische Film und der Film mit niedriger Schallgeschwindigkeit laminiert sind. Außerdem kann der Modus hoher Ordnung, der ein Störsignal ist, in Richtung der Stützsubstratseite des Films mit hoher Schallgeschwindigkeit entweichen, wodurch es möglich wird, die Störsignale des Modus hoher Ordnung zu unterdrücken. Somit können durch die elastische Welle während des Gebrauchs günstige Resonanzeigenschaften, Filtereigenschaften und so weiter erhalten werden. Darüber hinaus ist es möglich, eine unerwünschte Reaktion durch den Modus hoher Ordnung zu unterdrücken.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

1(a) ist eine schematische Querschnittsansicht eines Oberflächenschallwellenbauelements gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, und 1(b) ist eine schematische Grundrissansicht, die eine Elektrodenstruktur des Oberflächenschallwellenbauelements veranschaulicht.

2 ist ein schematisches Schaubild, das eine Energieverteilung einer SH(Scherhorizontal)-Welle als einen Hauptmodus des Oberflächenschallwellenbauelements veranschaulicht, das heißt eine Energieverteilung einer U2-Komponente in dem Fall, wo eine Filmdicke eines Films mit hoher Schallgeschwindigkeit 0,2 λ beträgt.

3 ist ein schematisches Schaubild, das eine Energieverteilung einer SH-Welle als einen Hauptmodus des Oberflächenschallwellenbauelements veranschaulicht, das heißt eine Energieverteilung einer U2-Komponente in dem Fall, wo eine Filmdicke eines Films mit hoher Schallgeschwindigkeit 0,5 λ beträgt.

4 ist ein schematisches Schaubild, das eine Energieverteilung einer SH-Welle als einen Hauptmodus des Oberflächenschallwellenbauelements veranschaulicht, das heißt eine Energieverteilung einer U2-Komponente in dem Fall, wo eine Filmdicke eines Films mit hoher Schallgeschwindigkeit 1,0 λ beträgt.

5 ist ein schematisches Schaubild, das eine Energieverteilung einer SH-Welle als einen Hauptmodus des Oberflächenschallwellenbauelements veranschaulicht, das heißt eine Energieverteilung einer U2-Komponente in dem Fall, wo eine Filmdicke eines Films mit hoher Schallgeschwindigkeit 3,0 λ beträgt.

6 ist ein schematisches Schaubild, das eine Energieverteilung von U2 + U3-Komponenten als einen Modus hoher Ordnung in dem Fall veranschaulicht, wo eine Filmdicke eines Films mit hoher Schallgeschwindigkeit 0,5 λ beträgt.

7 ist ein schematisches Schaubild, das eine Energieverteilung von U2 + U3-Komponenten als einen Modus hoher Ordnung in dem Fall veranschaulicht, wo eine Filmdicke eines Films mit hoher Schallgeschwindigkeit 1,0 λ beträgt.

8 ist ein schematisches Schaubild, das eine Energieverteilung von U2 + U3-Komponenten als einen Modus hoher Ordnung in dem Fall veranschaulicht, wo eine Filmdicke eines Films mit hoher Schallgeschwindigkeit 2,0 λ beträgt.

9 ist ein Schaubild, das eine Beziehung zwischen einer Filmdicke eines Films mit hoher Schallgeschwindigkeit und einem Energiekonzentrationsverhältnis einer Oberflächenschallwelle in der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung veranschaulicht.

10 ist ein Schaubild, das eine Beziehung zwischen einer Filmdicke eines Films mit hoher Schallgeschwindigkeit, der Schallgeschwindigkeit eines Hauptmodus, der während des Gebrauchs eine elastische Welle ist, und einer Schallgeschwindigkeit in jedem Film mit hoher Schallgeschwindigkeit veranschaulicht.

11 ist ein Schaubild, das eine Beziehung zwischen einer Filmdicke eines Films mit hoher Schallgeschwindigkeit und einer Schallgeschwindigkeit eines Hauptmodus, der während des Gebrauchs eine elastische Welle ist, veranschaulicht.

12 ist ein Schaubild, das eine Beziehung zwischen einer Filmdicke eines Films mit hoher Schallgeschwindigkeit, der Schallgeschwindigkeit eines Modus hoher Ordnung und der Schallgeschwindigkeit in jedem Film mit hoher Schallgeschwindigkeit während des Gebrauchs veranschaulicht.

13 ist ein Schaubild, das eine Beziehung zwischen einer Filmdicke eines Films mit hoher Schallgeschwindigkeit und einer Schallgeschwindigkeit eines Hauptmodus, der während des Gebrauchs eine elastische Welle ist, sowie einer Schallgeschwindigkeit eines Modus hoher Ordnung, der ein Störsignal ist, veranschaulicht.

14 ist ein Schaubild, das eine Beziehung zwischen einer Filmdicke eines Films mit hoher Schallgeschwindigkeit, der Schallgeschwindigkeit eines Modus hoher Ordnung und einer Schallgeschwindigkeit in jedem Film mit hoher Schallgeschwindigkeit während des Gebrauchs veranschaulicht.

15 ist ein Schaubild, das eine Beziehung zwischen einer Filmdicke eines Films mit hoher Schallgeschwindigkeit und einer Schallgeschwindigkeit eines Hauptmodus, der während des Gebrauchs eine elastische Welle ist, sowie einer Schallgeschwindigkeit eines Modus hoher Ordnung, der ein Störsignal ist, veranschaulicht.

16 ist eine schematische Querschnittsansicht eines Oberflächenschallwellenbauelements gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.

17 ist ein Schaubild, das eine Beziehung zwischen der Schallgeschwindigkeit eines Hauptmodus, einem Energiekonzentrationsverhältnis davon und einer Filmdicke jedes Films mit hoher Schallgeschwindigkeit veranschaulicht.

18 ist ein Schaubild, das eine Beziehung zwischen einer Filmdicke eines Films mit hoher Schallgeschwindigkeit und einer Schallgeschwindigkeit eines Hauptmodus veranschaulicht.

19 ist ein Schaubild zum Erläutern einer Näherungsgleichung, die eine Beziehung zwischen einer Filmdicke eines Films mit hoher Schallgeschwindigkeit und einer Schallgeschwindigkeit eines Hauptmodus ausdrückt, wie in 18 veranschaulicht.

20 ist ein Schaubild, das eine Beziehung zwischen der Schallgeschwindigkeit eines Modus hoher Ordnung, einem Energiekonzentrationsverhältnis davon und einer Filmdicke jedes Films mit hoher Schallgeschwindigkeit veranschaulicht.

21 ist ein Schaubild, das ebenfalls eine Beziehung zwischen der Schallgeschwindigkeit eines Modus hoher Ordnung, einem Energiekonzentrationsverhältnis davon und einer Filmdicke jedes Films mit hoher Schallgeschwindigkeit veranschaulicht.

22 ist eine schematische Querschnittsansicht, die ein Grenzschallwellenbauelement gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung veranschaulicht.

23 ist eine schematische Querschnittsansicht eines Grenzschallwellenbauelements gemäß einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.

BESCHREIBUNG VON AUSFÜHRUNGSFORMEN

Im Weiteren wird die vorliegende Erfindung anhand einer Beschreibung konkreter Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung mit Bezug auf die Zeichnungen erläutert.

1(a) ist eine schematische Querschnittsansicht eines Oberflächenschallwellenbauelements gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.

Ein Oberflächenschallwellenbauelement 1 enthält ein Stützsubstrat 2. Ein Film 3 mit hoher Schallgeschwindigkeit für eine relativ mit hoher Schallgeschwindigkeit ist auf das Stützsubstrat 2 laminiert. Ein Film 4 mit niedriger Schallgeschwindigkeit für eine relativ niedrige Schallgeschwindigkeit ist auf den Film 3 mit hoher Schallgeschwindigkeit laminiert. Ferner ist ein piezoelektrischer Film 5 auf den Film 4 mit niedriger Schallgeschwindigkeit laminiert. Eine IDT-Elektrode 6 ist auf eine Oberseite des piezoelektrischen Films 5 laminiert. Die IDT-Elektrode 6 kann an eine Unterseite des piezoelektrischen Films 5 laminiert sein.

Das Stützsubstrat 2 kann aus jedem zweckmäßigen Material bestehen, solange das Substrat eine laminierte Struktur stützen kann, die den Film 3 mit hoher Schallgeschwindigkeit, den Film 4 mit niedriger Schallgeschwindigkeit, den piezoelektrischen Film 5 und die IDT-Elektrode 6 enthält. Als ein solches Material kann eine piezoelektrische Substanz, ein Dielektrikum, ein Halbleiter oder dergleichen verwendet werden. In der vorliegenden Ausführungsform besteht das Stützsubstrat 2 aus Glas.

Der Film 3 mit hoher Schallgeschwindigkeit beschränkt eine Oberflächenschallwelle auf einen Abschnitt, wo der piezoelektrische Film 5 und der Film 4 mit niedriger Schallgeschwindigkeit laminiert sind. In der vorliegenden Ausführungsform besteht der Film 3 mit hoher Schallgeschwindigkeit aus Aluminiumnitrid. Es ist jedoch zu beachten, dass, solange die elastische Welle in der oben beschriebenen Weise innerhalb bestimmter Grenzen gehalten werden kann, verschiedene Arten von Materialien mit hoher Schallgeschwindigkeit verwendet werden können, wie zum Beispiel Aluminiumnitrid, Aluminiumoxid, Siliziumcarbid, Siliziumnitrid, Diamant und dergleichen.

Gemäß der vorliegenden Ausführungsform beträgt in einer oberen Struktursektion, die den Film mit hoher Schallgeschwindigkeit enthält, ein Energiekonzentrationsverhältnis eines Hauptmodus, der während des Gebrauchs eine elastische Welle ist, mindestens 99,9 % und ein Energiekonzentrationsverhältnis eines Modus hoher Ordnung, der ein Störsignal ist, beträgt maximal 99,5 %. Oder anders ausgedrückt: Die Hauptmodus, der während des Gebrauchs eine elastische Welle ist, wird mit absoluter Sicherheit innerhalb der oberen Struktursektion auf dem Film mit hoher Schallgeschwindigkeit gehalten. Ferner der Modus hoher Ordnung, der ein Störsignal ist, entweicht in Richtung der Stützsubstratseite. Dadurch kann, wie später noch beschrieben wird, Energie der elastischen Welle während des Gebrauchs, das heißt Energie des Hauptmodus, auf die Grenzen eines Abschnitts beschränkt werden, wo der piezoelektrische Film 5 und der Film 4 mit niedriger Schallgeschwindigkeit laminiert sind, und der Modus hoher Ordnung, der ein Störsignal ist, kann in Richtung der Seite des Stützsubstrats 2 des Films 3 mit hoher Schallgeschwindigkeit entweichen.

Es ist zu beachten, dass in dieser Spezifikation ein Film mit hoher Schallgeschwindigkeit einen Film meint, in dem sich eine Volumenwelle mit einer höheren Schallgeschwindigkeit ausbreitet als eine elastische Welle, die sich in dem piezoelektrischen Film 5 ausbreitet. Ferner meint ein Film mit niedriger Schallgeschwindigkeit einen Film, in dem sich eine Volumenwelle mit einer geringeren Schallgeschwindigkeit ausbreitet als eine Volumenwelle, die sich in dem piezoelektrischen Film 5 ausbreitet. Volumenwellenmodi, die die Schallgeschwindigkeit einer jeden der Volumenwellen bestimmen, sind entsprechend Nutzungsmodi einer elastischen Welle definiert, die sich in dem piezoelektrischen Film 5 ausbreitet. Tabelle 1 unten zeigt einen Fall, wo der Film 3 mit hoher Schallgeschwindigkeit und der Film 4 mit niedriger Schallgeschwindigkeit mit Bezug auf eine Volumenwellenausbreitungsrichtung isotrop sind. Das heißt entsprechend einem jeden der Hauptmodi der elastischen Welle, die in der linken Spalte von Tabelle 1 beschrieben sind, ist jeder der Volumenwellenmodi in der rechten Tabellenspalte definiert, wodurch die hohe Schallgeschwindigkeit und die niedrige Schallgeschwindigkeit bestimmt werden. Eine P-Welle meint eine Longitudinalwelle, und eine S-Welle meint eine Transversalwelle.

In Tabelle 1 unten meint U1 eine elastische Welle, deren Hauptkomponente eine P-Welle ist, U2 meint eine elastische Welle, deren Hauptkomponente eine SH-Welle ist, und U3 meint eine elastische Welle, deren Hauptkomponente eine SV(Schervertikal)-Welle ist. Tabelle 1 Entsprechung zwischen einem Elastische-Wellen-Modus in einem piezoelektrischen Film und einem Volumenwellenmodus in einem dielektrischen Film (wenn das Material des dielektrischen Films isotrop ist)

Hauptmodus der elastischen Welle, die sich in dem piezoelektrischen Film ausbreitet Modus der Volumenwelle, die sich in dem dielektrischen Film ausbreitet U1 P-Welle U2 S-Welle U3 + U1 S-Welle

In dem Fall, wo der Film 4 mit niedriger Schallgeschwindigkeit und der Film 3 mit hoher Schallgeschwindigkeit mit Bezug auf die Volumenwellenausbreitungseigenschaften anisotrop sind, sind die Volumenwellenmodi, die die hohe Schallgeschwindigkeit und die niedrige Schallgeschwindigkeit bestimmen, wie in Tabelle 2 unten gezeigt definiert. Unter den Volumenwellenmodi wird eine Welle, bei der die Schallgeschwindigkeit der SH-Welle und der SV-Welle langsamer sind, als eine langsame Transversalwelle bezeichnet, während die schnellere Welle als eine schnellere Transversalwelle bezeichnet wird. Welche davon eine langsamere Transversalwelle wird, richtet sich nach der Anisotropie der Materialien. Im Fall von LiTaO3, LiNbO3 oder dergleichen, die einem rotierten Y-Schnitt nahe kommen, wird unter den Volumenwellen die SV-Welle eine langsamere Transversalwelle, und die SH-Welle wird eine schnellere Transversalwelle. Tabelle 2 Entsprechung zwischen einem Elastische-Wellen-Modus in einem piezoelektrischen Film und einem Volumenwellenmodus in einem dielektrischen Film (wenn das Material des dielektrischen Films anisotrop ist)

Hauptmodus der elastischen Welle, die sich in dem piezoelektrischen Film ausbreitet Modus der Volumenwelle, die sich in dem dielektrischen Film ausbreitet U1 P Welle U2 SH-Welle U3 + U1 SV-Welle

Als ein Material zum Herstellen des Films 4 mit niedriger Schallgeschwindigkeit kann ein zweckmäßiges Material verwendet werden, in dem sich eine Volumenwelle mit einer geringeren Schallgeschwindigkeit ausbreitet als eine Volumenwelle, die sich in dem piezoelektrischen Film 5 ausbreitet. Als ein solches Material kann Siliziumoxid, Glas, Siliziumoxynitrid, Tantaloxid, eine Verbindung, in der Fluor, Kohlenstoff oder Bor zu dem Siliziumoxid gegeben wird, oder dergleichen verwendet werden.

Der Film mit niedriger Schallgeschwindigkeit und der Film mit hoher Schallgeschwindigkeit werden jeweils aus einem zweckmäßigen dielektrischen Material gebildet, das die hohe Schallgeschwindigkeit und die niedrige Schallgeschwindigkeit, die in der oben besprochenen Weise bestimmt werden, realisieren kann.

Der piezoelektrische Film 5 kann aus einem zweckmäßigen piezoelektrischen Material gebildet werden und besteht bevorzugt aus einem piezoelektrischen Einkristall. In dem Fall, wo der piezoelektrische Einkristall verwendet wird, können Bauelemente für elastische Wellen mit verschiedenen Eigenschaften auf einfache Weise durch Auswählen der Euler-Winkel hergestellt werden. Ein Lithiumtantalat-Einkristall oder Lithiumniobat-Einkristall wird besonders bevorzugt verwendet, wodurch Resonanzeigenschaften, Filtereigenschaften und so weiter des Oberflächenschallwellenbauelements 1 durch Auswählen der Euler-Winkel weiter verbessert werden können.

In der vorliegenden Ausführungsform besteht die IDT-Elektrode 6 aus Al. Es ist jedoch zu beachten, dass die IDT-Elektrode 6 aus jedem zweckmäßigen Metallmaterial gebildet werden kann, wie zum Beispiel Al, Cu, Pt, Au, Ag, Ti, Ni, Cr, Mo, W, einer Legierung mit einem dieser Metalle als eine Hauptkomponente oder dergleichen. Ferner kann die IDT-Elektrode 6 eine Struktur haben, bei der mehrere Metallfilme, die aus diesen Metallen oder ihren Legierungen bestehen, laminiert sind.

Obgleich in 1(a) schematisch veranschaulicht, wird eine Elektrodenstruktur, wie in 1(b) veranschaulicht, auf dem piezoelektrischen Film 5 gebildet. Oder anders ausgedrückt: Gebildet werden die IDT-Elektrode 6 und Reflektoren 7 und 8, die auf beiden Seiten der IDT-Elektrode 6 in einer Oberflächenschallwellenelektrodenrichtung angeordnet sind. Dadurch wird ein Oberflächenschallwellenresonator vom Einzelport-Typ konfiguriert. Es ist jedoch zu beachten, dass in der vorliegenden Erfindung die Elektrodenstruktur, die die IDT-Elektrode enthält, auf keine bestimmte beschränkt ist, und die Struktur kann so variiert werden, dass ein zweckmäßiger Resonator, ein Abzweigfilter, in dem Resonatoren kombiniert sind, ein Längskopplungsfilter, ein Gitterfilter, ein Transversalfilter und so weiter konfiguriert werden können.

Das Oberflächenschallwellenbauelement 1 der vorliegenden Ausführungsform ist dadurch gekennzeichnet, dass der Film 3 mit hoher Schallgeschwindigkeit, der Film 4 mit niedriger Schallgeschwindigkeit und der piezoelektrische Film 5 in der oben besprochenen Weise laminiert sind und dass in einer oberen Struktursektion, die den Film mit hoher Schallgeschwindigkeit enthält, das Energiekonzentrationsverhältnis des Hauptmodus, der während des Gebrauchs eine elastische Welle ist, mindestens 99,9 % beträgt und das Energiekonzentrationsverhältnis des Modus hoher Ordnung, der ein Störsignal ist, maximal 99,5 % beträgt. Dadurch kann die elastische Welle während des Gebrauchs, das heißt der Hauptmodus, wirksam eingegrenzt werden, und die Störsignale des Modus hoher Ordnung können wirksam unterdrückt werden, was im Folgenden ausführlich beschrieben wird.

Es ist dem Fachmann seit langem bekannt, dass das Anordnen eines Films mit hoher Schallgeschwindigkeit auf einer Unterseite eines piezoelektrischen Substrats die Schallgeschwindigkeit einer elastischen Welle erhöhen kann, weil sich ein Teil der elastischen Welle ausbreitet, während Energie in dem Film mit hoher Schallgeschwindigkeit verteilt wird.

Ferner wird in der vorliegenden Erfindung, weil der Film 4 mit niedriger Schallgeschwindigkeit zwischen dem Film 3 mit hoher Schallgeschwindigkeit und dem piezoelektrischen Film 5 angeordnet ist, die Schallgeschwindigkeit der elastischen Welle verringert. Die Energie der elastischen Welle wird im Wesentlichen in einem Medium mit niedriger Schallgeschwindigkeit konzentriert. Dementsprechend kann die Wirksamkeit beim Eingrenzen der Energie der elastischen Welle innerhalb des piezoelektrischen Films 5 und innerhalb der IDT auf den Raum, wo die elastische Welle erregt wird, erhöht werden. Dadurch ist es gemäß der vorliegenden Ausführungsform möglich, im Vergleich zu einem Fall, wo der Film 4 mit niedriger Schallgeschwindigkeit nicht vorhanden ist, den Verlust zu reduzieren und einen Q-Wert zu erhöhen. Es ist zu beachten, dass, weil der Film 4 mit niedriger Schallgeschwindigkeit zwischen dem Film 3 mit hoher Schallgeschwindigkeit und dem piezoelektrischen Film 5 angeordnet ist, die Schallgeschwindigkeit der elastischen Welle im Vergleich zu einer Struktur, bei der der piezoelektrische Film auf dem Film mit hoher Schallgeschwindigkeit ausgebildet ist, verringert wird. Jedoch kann mit der Struktur der vorliegenden Erfindung – im Vergleich zu der Struktur, die nur den piezoelektrischen Film enthält – die Schallgeschwindigkeit erhöht werden, indem man den piezoelektrischen Film und den Film mit niedriger Schallgeschwindigkeit zweckmäßig auswählt. Oder anders ausgedrückt: Ein Betrieb bei höheren Frequenzen kann mit der Struktur der vorliegenden Erfindung ebenfalls realisiert werden.

Darüber hinaus beträgt in der vorliegenden Ausführungsform in einer oberen Struktursektion, die den Film mit hoher Schallgeschwindigkeit enthält, das Energiekonzentrationsverhältnis des Hauptmodus, der während des Gebrauchs eine elastische Welle ist, mindestens 99,9 %, und das Energiekonzentrationsverhältnis des Modus hoher Ordnung, der ein Störsignal ist, beträgt maximal 99,5 %. Dementsprechend ist es möglich, die Energie der elastischen Welle auf eine Sektion einzugrenzen, die bis zu dem Film 3 mit hoher Schallgeschwindigkeit hinab reicht, und den Modus hoher Ordnung in Richtung der Seite des Stützsubstrats 2 des Films 3 mit hoher Schallgeschwindigkeit entweichen zu lassen. Dies wird im Weiteren anhand von 2 bis 8 beschrieben.

2 bis 5 sind Schaubilder, die jeweils eine Energieverteilung des Hauptmodus veranschaulichen, der während des Gebrauchs eine elastische Welle ist, und 6 bis 8 sind Schaubilder, die jeweils eine Energieverteilung des Modus hoher Ordnung veranschaulichen. Die in den 2 bis 8 veranschaulichten Resultate sind jene, die durch eine Finite-Element-Methode auf der Grundlage des Oberflächenschallwellenbauelements 1 der folgenden Konfiguration erhalten wurden, und zwar – in der Reihenfolge von oben her beschrieben – die IDT-Elektrode 6: Al-Elektrode, Dicke 0,08 λ / der piezoelektrische Film 5: LiTaO3-Einkristallfilm aus Y-geschnittenem LiTaO3, Dicke 0,25 λ / der Film mit niedriger Schallgeschwindigkeit 4: Siliziumoxidfilm, Dicke 0,34 λ / der Film mit hoher Schallgeschwindigkeit 3: Aluminiumnitridfilm, Dicke wurde zwischen 0,1 λ und 3,0 λ variiert / das Stützsubstrat 2: Glassubstrat. Es ist zu beachten, dass „λ“ eine Wellenlänge der elastischen Welle ist, die durch die Periode von Elektrodenfingern der IDT-Elektrode bestimmt wurde.

In den 2 bis 5 und den 6 bis 8 ist die vertikale Richtung jeder Zeichnung eine Dickenrichtung des Oberflächenschallwellenbauelements 1. In jeder Zeichnung bezeichnet eine durchbrochene Linie A eine Position der Oberseite des Films 3 mit hoher Schallgeschwindigkeit, und eine durchbrochene Linie B bezeichnet eine Position der Unterseite des Films 3 mit hoher Schallgeschwindigkeit.

Die 2 bis 5 veranschaulichen jeweils eine Energieverteilung der elastischen Welle als einen Hauptmodus, wenn die Filmdicke eines Aluminiumnitridfilms, der den Film 3 mit hoher Schallgeschwindigkeit bildet, auf 0,2 λ, 0,5 λ, 1,0 λ oder 3,0 λ eingestellt wird. Die hier verwendete elastische Welle ist eine U2-Komponente, die in den 2 bis 5 gezeigt, das heißt eine SH-Welle.

Wie aus 2 ersichtlich ist, versteht es sich, dass, wenn die Filmdicke des Films 3 mit hoher Schallgeschwindigkeit, der aus dem Aluminiumnitridfilm besteht, 0,2 λ beträgt, die U2-Komponente als ein Hauptmodus während des Gebrauchs nach unten über die Unterseite des Films 3 mit hoher Schallgeschwindigkeit hinaus entweicht. Im Gegensatz dazu ist, wie in den 3 bis 5 gezeigt, wenn die Filmdicke des Aluminiumnitridfilms, aus dem der Film 3 mit hoher Schallgeschwindigkeit besteht, mindestens 0,5 λ beträgt, zu erkennen, dass die Energie der U2-Komponente, das heißt die Energie der SH-Welle, zweckmäßigerweise an einer Oberseite über der Unterseite des Films 3 mit hoher Schallgeschwindigkeit eingegrenzt wird. Somit ist zu erkennen, dass die Energie des Hauptmodus, das heißt die Energie der elastischen Welle während des Gebrauchs, wirksam innerhalb eines Bereichs eingegrenzt werden kann, indem man die Dicke des Films 3 mit hoher Schallgeschwindigkeit auf mindestens 0,5 λ einstellt. In diesem Fall werden mindestens 99,9 % der Hauptmodus-Energie eingegrenzt. Oder anders ausgedrückt: Das Energiekonzentrationsverhältnis des Hauptmodus beträgt mindestens 99,9 %.

Ferner veranschaulichen die 6 bis 8 jeweils eine Energieverteilung eines Modus hoher Ordnung, wenn die Filmdicke des Films 3 mit hoher Schallgeschwindigkeit, der aus Aluminiumnitridfilm besteht, auf 0,5 λ, 1,0 λ oder 2,0 λ eingestellt wird. In diesem Fall sind die U2 + U3-Komponenten des Modus hoher Ordnung ein Problem, weil sie Störsignale sind. Wie in 8 gezeigt, ist zu erkennen, dass, wenn die Filmdicke des Aluminiumnitridfilms 2,0 λ beträgt, die U2 und U3-Komponenten mit großer Energie an der Oberseite über dem Film 3 mit hoher Schallgeschwindigkeit verteilt sind. Im Gegensatz dazu ist in 6 und in 7, wo die Filmdicke des Aluminiumnitridfilms maximal 1,0 λ beträgt, das Energiekonzentrationsverhältnis des Modus hoher Ordnung in Richtung der Oberseite des Films 3 mit hoher Schallgeschwindigkeit niedriger als der Hauptmodus, und es ist zu erkennen, dass die U2 + U3-Komponenten in hohem Maße in Richtung der Seite des Stützsubstrats 2 des Films 3 mit hoher Schallgeschwindigkeit entweichen.

Wenn also die Filmdicke des Aluminiumnitridfilms auf einen Bereich von 0,5 λ bis 1,0 λ eingestellt wird, um das Energiekonzentrationsverhältnis des Hauptmodus als die elastische Welle während des Gebrauchs als mindestens 99,9 % anzunehmen und das Energiekonzentrationsverhältnis des Modus hoher Ordnung, der ein Störsignal ist, mit maximal 99,5 % anzunehmen, so ist es möglich, die Hauptmodus-Energie einzugrenzen und den Modus hoher Ordnung des Films 3 mit hoher Schallgeschwindigkeit in Richtung der Seite des Stützsubstrats 2 entweichen zu lassen. Dadurch können, wie zu erkennen ist, günstige Eigenschaften, die durch den Hauptmodus, das heißt durch die Oberflächenschallwelle, bewirkt werden, erhalten werden, und Außerband-Störsignale, die durch den Modus hoher Ordnung verursacht werden, können wirksam unterdrückt werden.

Nebenbei bemerkt, ist als einer der Indizes zum Bestimmen des Vorhandenseins oder Fehlens des Entweichens von Energie elastischer Wellen in Richtung der Seite des Stützsubstrats 2 ein Energiekonzentrationsverhältnis bestens bekannt. 9 ist ein Schaubild, das Energiekonzentrationsverhältnisse des Hauptmodus und des Modus hoher Ordnung veranschaulicht, wenn die Filmdicke des Films 3 mit hoher Schallgeschwindigkeit geändert wird.

In 9 stellt die vertikale Achse jedes Energiekonzentrationsverhältnis (%) des Hauptmodus und des Modus hoher Ordnung dar. Hier bezeichnet ein „Energiekonzentrationsverhältnis“ eine Energierate eines Modus, der innerhalb einer laminierten Struktur der IDT-Elektrode 6, des piezoelektrischen Films 5, des Films 4 mit niedriger Schallgeschwindigkeit und des Films 3 mit hoher Schallgeschwindigkeit eingegrenzt wird, mit Bezug auf die Gesamtenergie der Modus. Wenn ein Energiekonzentrationsverhältnis 100 % beträgt, so heißt das, dass keine Energie in Richtung der Seite des Stützsubstrats 2 entweicht. Wenn das Verhältnis niedriger als 100 % ist, so meint der Betrag der Verringerung des Verhältnisses eine Energierate, die in Richtung der Seite des Stützsubstrats 2 entweicht. Ein Energiekonzentrationsverhältnis kann durch folgendes Verfahren berechnet werden: In dem Fall, wo Energie, die durch Integrieren jeder der in den 2 bis 8 gezeigten Energieverteilungen erhalten wird, bis eine gewünschte Tiefe erreicht ist (bis hinab zu einer unteren Schicht des Films mit hoher Schallgeschwindigkeit 3), als „E1“ angenommen wird, und die Gesamtenergie als „E_total“ angenommen wird, kann das Verhältnis wie folgt berechnet werden: Energiekonzentrationsverhältnis (%) = (E1/E_total × 100).

Wie aus 9 zu erkennen ist, ist, wenn die Filmdicke des Films mit hoher Schallgeschwindigkeit mindestens 0,5 λ beträgt, das Energiekonzentrationsverhältnis des Hauptmodus im Wesentlichen 100 %. Dementsprechend versteht es sich, dass der Hauptmodus wirksam eingegrenzt werden kann. Wenn der Weiteren die Filmdicke des Films 3 mit hoher Schallgeschwindigkeit auf maximal 1,2 λ eingestellt wird, so ist zu erkennen, dass der Modus hoher Ordnung entweichen kann.

Dadurch, wie aus 9 zu erkennen ist, versteht es sich, dass die Dicke des Films 3 mit hoher Schallgeschwindigkeit nicht geringer als 0,5 λ und nicht größer als 1,2 λ zu sein braucht.

Um den Modus hoher Ordnung entweichen zu lassen und die Störsignale zu unterdrücken, ist es bevorzugt, dass das Energiekonzentrationsverhältnis des Modus hoher Ordnung maximal 99,9 λ, besonders bevorzugt maximal 98 % beträgt. Dementsprechend kann, wenn die Filmdicke maximal 1,2 λ beträgt, das Energiekonzentrationsverhältnis des Modus hoher Ordnung auf weniger als 100 % gebracht werden, wodurch es möglich wird, den Modus hoher Ordnung in Richtung der Stützsubstratseite in der oben besprochenen Weise entweichen zu lassen. Es ist zu beachten, dass das Energiekonzentrationsverhältnis des Modus hoher Ordnung besonders bevorzugt werden auf maximal 99,5 % gebracht werden kann, indem man die Filmdicke des Films 3 mit hoher Schallgeschwindigkeit auf maximal 1,0 λ einstellt, und das Energiekonzentrationsverhältnis des Modus hoher Ordnung kann auf maximal 98 % gebracht werden, indem man die Filmdicke auf maximal 0,8 λ bringt. Dementsprechend es ist bevorzugt, dass eine Obergrenze der Filmdicke des Films 3 mit hoher Schallgeschwindigkeit maximal 1,0 λ, besonders bevorzugt maximal 0,8 λ beträgt.

Die in den 2 bis 9 veranschaulichten Resultate sind Beurteilungsresultate in dem Fall, wo der piezoelektrische Film 5 ein LiTaO3-Einkristall ist, der Film 4 mit niedriger Schallgeschwindigkeit Siliziumoxid ist und der Film 3 mit hoher Schallgeschwindigkeit Aluminiumnitrid ist. Jedoch wurde in der vorliegenden Erfindung bestätigt, dass die gleiche Resultate wie die in 2 bis 9 veranschaulichten selbst dann erhalten werden können, wenn der piezoelektrische Film 5, der Film 4 mit niedriger Schallgeschwindigkeit, und der Film 3 mit hoher Schallgeschwindigkeit aus anderen Materialien gebildet werden.

17 ist ein Diagramm, das eine Beziehung zwischen der Schallgeschwindigkeit eines Hauptmodus, einem Energiekonzentrationsverhältnis davon und der Filmdicke des Films mit hoher Schallgeschwindigkeit in dem Fall veranschaulicht, wo die Al-Elektrodenfilmdicke 0,08 λ beträgt, die Y-geschnittene LT-Dicke 0,01 λ bis 0,5 λ beträgt, der Film mit niedriger Schallgeschwindigkeit 0,05 λ bis 2,00 λ dick ist und eine Schallgeschwindigkeit in dem Film mit hoher Schallgeschwindigkeit 4200 m/s beträgt. Folgendes ist in der Zeichnung zu sehen: Je höher die Schallgeschwindigkeit des Hauptmodus ist, so nimmt die Wahrscheinlichkeit zu, dass die Hauptmodus-Energie entweicht; Je geringer die Filmdicke des Films mit hoher Schallgeschwindigkeit ist, desto größer ist die Wahrscheinlichkeit, dass die Hauptmodus-Energie entweicht. Hier ist die Beziehung zwischen der Dicke des Films mit hoher Schallgeschwindigkeit und der Hauptmodus-Schallgeschwindigkeit für den Fall aufgetragen, wo das Hauptmodus-Energiekonzentrationsverhältnis 99,99 % beträgt. Das Resultat dessen ist in 18 veranschaulicht. „Hauptmodus-Schallgeschwindigkeit“ meint eine Schallgeschwindigkeit bei einer Antiresonanzfrequenz.

In 18 in dem Fall, wo die Schallgeschwindigkeit des Hauptmodus niedriger ist als die aufgetragenen Werte, erfüllt das Energiekonzentrationsverhältnis des Hauptmodus 99,99 %. In dem Fall, wo die Schallgeschwindigkeit des Hauptmodus als „y“ angenommen wird und die Filmdicke des Films mit hoher Schallgeschwindigkeit als „x“ angenommen wird, um eine Näherungsgleichung aus dem in 18 aufgetragenen Ergebnis zu erhalten, wird eine Gleichung von y = 125,9x2 – 102,0x + 3.715,0 erhalten, wie in 19 gezeigt. In diesem Fall ist R2 1,0. Oder anders ausgedrückt: In dem Fall, wo die Schallgeschwindigkeit des Hauptmodus bei einer Antiresonanzfrequenz als V1 [m/s] angenommen wird und die Filmdicke des Films mit hoher Schallgeschwindigkeit, die mit der Wellenlänge λ [m] der Oberflächenschallwelle normalisiert wurde, als Th (= Dicke des Films mit hoher Schallgeschwindigkeit/λ) angenommen wird, ist es ausreichend, dass der folgende relationale Ausdruck erfüllt ist. V1 ≤ 125,9 × Th2 – 102,0 × Th + 3715.0(1)

Es ist jedoch zu beachten, dass, obgleich Ausdruck (1) einen Ergebnis im Fall von Vh = 4200 darstellt, wenn die Schallgeschwindigkeit in dem Film mit hoher Schallgeschwindigkeit als Vh [m/s] angenommen wird, die Erfinder der vorliegenden Erfindung bestätigt haben, dass es ausreicht, Ausdruck (1) im Bereich von 4200 ≤ Vh < 4400 zu erfüllen.

Gleichermaßen wurde die Schallgeschwindigkeit Vh [m/s] in dem Film mit hoher Schallgeschwindigkeit wie folgt in mehrere Bereiche geteilt, und eine Beziehung zwischen der Schallgeschwindigkeit V1 des Hauptmodus bei einer Antiresonanzfrequenz und der Filmdicke Th des Films mit hoher Schallgeschwindigkeit, die mit der Wellenlänge λ [m] der elastischen Welle bei jeder Schallgeschwindigkeit Vh in dem Film mit hoher Schallgeschwindigkeit normalisiert wird, wurde berechnet. Die einzelnen Berechnungsergebnisse waren wie folgt.

  • • Wenn 4400 ≤ Vh < 4600: V1 ≤ 296,3 × Th2 – 253,0 × Th + 3742,2
  • • Wenn 4600 ≤ Vh < 4800: V1 ≤ 506,1 × Th2 – 391,5 × Th + 3759,2
  • • Wenn 4800 ≤ Vh < 5000: V1 ≤ 768,0 × Th2 – 552,4 × Th + 3776,8
  • • Wenn 5000 ≤ Vh < 5200: V1 ≤ 848,5 × Th2 – 541,6 × Th + 3767,8
  • • Wenn 5200 ≤ Vh < 5400: V1 ≤ 1065,2 × Th2 – 709,4 × Th + 3792,8
  • • Wenn 5400 ≤ Vh < 5600: V1 ≤ 1197,1 × Th2 – 695,0 × Th + 3779,8
  • • Wenn 5600 ≤ Vh < 5800: V1 ≤ 1393,8 × Th2 – 843,8 × Th + 3801,5
  • • Wenn 5800 ≤ Vh < 6000: V1 ≤ 1713,7 × Th2 – 1193,3 × Th + 3896,1
  • • Wenn 6000 ≤ Vh: V1 ≤ 1839,9 × Th2 – 1028,7 × Th + 3814,1

10 ist ein Diagramm, das eine Beziehung zwischen einer Filmdicke eines Films mit hoher Schallgeschwindigkeit, der Schallgeschwindigkeit einer elastischen Welle während des Gebrauchs, das heißt der Geschwindigkeit eines Hauptmodus, und einer Schallgeschwindigkeit jedes Films mit hoher Schallgeschwindigkeit während des Gebrauchs veranschaulicht; die Beziehung wurde durch eine Finite-Element-Methode ermittelt. Es ist anzumerken, dass in 10 die Beziehung, wenn die Schallgeschwindigkeit in dem Film mit hoher Schallgeschwindigkeit 4200 m/s beträgt, dem oben genannten Ausdruck (1) entspricht. Gleichermaßen wurde jede der Beziehungen zwischen der Dicke des Films mit hoher Schallgeschwindigkeit und der Hauptmodus-Schallgeschwindigkeit bei Schallgeschwindigkeit jedes Films mit hoher Schallgeschwindigkeit nacheinander berechnet, und das Ergebnis dessen ist in 10 veranschaulicht. Jede der Berechnungen wurde auf der Grundlage der nachstehend beschriebenen Struktur ausgeführt.

Der Reihe nach von oben her, die IDT-Elektrode 6: Al-Elektrode, Filmdicke 0,08 λ / der piezoelektrische Film 5: Y-geschnittener LiTaO3-Einkristall, Filmdicke 0,01 λ bis 0,50 λ / der Film 4 mit niedriger Schallgeschwindigkeit: Siliziumoxidfilm, Filmdicke 0,05 λ bis 2,00 λ / der Film 3 mit hoher Schallgeschwindigkeit: verschiedene Arten von Filmen mit hoher Schallgeschwindigkeit, mit Schallgeschwindigkeiten von 4200 m/s bis 6000 m/s, Filmdicke weniger als 1,6 λ / das Stützsubstrat 2: Glassubstrat.

Die Schallgeschwindigkeit in dem Film mit hoher Schallgeschwindigkeit kann verändert werden, indem man den Film mit hoher Schallgeschwindigkeit aus verschiedenen Materialien herstellt; 10 veranschaulicht die Berechnungsergebnisse entsprechend mehreren Arten der Filme mit hoher Schallgeschwindigkeit im Bereich von 4200 m/s bis 6000 m/s.

Die Hauptmodus-Schallgeschwindigkeit in 10 bezeichnet die Schallgeschwindigkeit des Hauptmodus in einem Moment, wenn der Hauptmodus beginnt, in Richtung der Seite des Stützsubstrats 2 in einem Fall zu entweichen, wo die Schallgeschwindigkeit in dem Film mit hoher Schallgeschwindigkeit irgend einen Wert im Bereich von 4200 m/s bis 6000 m/s annimmt. Wenn die Hauptmodus-Schallgeschwindigkeit niedriger ist als die jeweiligen in 10 gezeigten gekrümmten Linien, so kann der Hauptmodus vollständig auf einen Abschnitt über dem Film 3 mit hoher Schallgeschwindigkeit eingegrenzt werden, wodurch günstige Bauelementeigenschaften erhalten werden können. Die oben angesprochene Steuerung der Hauptmodus-Schallgeschwindigkeit kann durch Auswählen der Filmdicken und Materialien der IDT-Elektrode 6, des piezoelektrischen Films 5 und des Films 4 mit niedriger Schallgeschwindigkeit realisiert werden. Beispielsweise beträgt in dem Fall, wo ein Oberflächenschallwellenbauelement aus der unten beschriebenen beispielhaften ersten Struktur besteht, die Hauptmodus-Schallgeschwindigkeit ungefähr 3800 m/s.

(Beispiel der ersten Struktur)

Die IDT-Elektrode 6: Al-Film, Dicke 0,08 λ / der piezoelektrische Film 5: Y-geschnittener LiTaO3-Einkristall, Dicke 0,25 λ / der Film 4 mit niedriger Schallgeschwindigkeit: SiO2, Dicke 0,35 λ / der Film 3 mit hoher Schallgeschwindigkeit: Aluminiumnitridfilm, die Schallgeschwindigkeit beträgt 5800 m/s.

11 ist ein Diagramm, das eine Beziehung zwischen einer Filmdicke eines Films mit hoher Schallgeschwindigkeit und einer Schallgeschwindigkeit eines Hauptmodus in dem Fall veranschaulicht, wo die Schallgeschwindigkeit in dem Film mit hoher Schallgeschwindigkeit 5800 m/s beträgt. Eine gekrümmte Linie in 11 bezeichnet die Schallgeschwindigkeit in einem Moment, wo der Hauptmodus in einem Fall zu entweichen beginnt, wo die Schallgeschwindigkeit in dem Film mit hoher Schallgeschwindigkeit 5800 m/s beträgt. In einer Region über der gekrümmten Linie entweicht der Hauptmodus so, dass keine günstigen Eigenschaften der elastischen Welle erhalten werden können. Ferner befindet sich in einem Fall, wo die Schallgeschwindigkeit des Hauptmodus 3800 m/s beträgt, die Schallgeschwindigkeit des Hauptmodus auf einer Position, die durch eine durchbrochene Linie D angezeigt wird. Dementsprechend versteht es sich in diesem Fall, dass die Filmdicke des Films mit hoher Schallgeschwindigkeit nicht kleiner als 0,6 λ zu sein braucht.

Wie dem Beispiel der ersten Struktur zu entnehmen ist, kann der Hauptmodus durch Steuern der Schallgeschwindigkeit in dem Film 3 mit hoher Schallgeschwindigkeit, der Filmdicke des Films 3 mit hoher Schallgeschwindigkeit und der Schallgeschwindigkeit des Hauptmodus noch besser auf effektive Weise eingegrenzt werden.

Ferner bestand in den 10 und 11 die IDT-Elektrode aus Al, der piezoelektrische Film 5 bestand aus LiTaO3, und der Film 4 mit niedriger Schallgeschwindigkeit bestand aus Siliziumoxid; jedoch haben die Erfinder der vorliegenden Erfindung bestätigt, dass die gleiche Beziehung auch dann gilt, wenn andere Materialien verwendet werden. Oder anders ausgedrückt: Selbst in dem Fall, wo andere Strukturen und Materialien verwendet werden, kann unter Bezug auf 10 eine optimale Filmdicke eingestellt werden.

Als Nächstes wurde Untersuchungen durchgeführt, um die Bedingungen herauszufinden, unter denen Energie des Modus hoher Ordnung in Richtung der Seite des Stützsubstrats 2 entweicht. Ein Beispiel einer zweiten Struktur unten ist eine Struktur, anhand der die oben erwähnte Untersuchung durchgeführt wurde.

(Beispiel einer zweiten Struktur)

Die IDT-Elektrode 6: Al-Film, Filmdicke wurde variiert / der piezoelektrische Film 5: Y-geschnittener LiTaO3-Einkristall, Filmdicke 0,01 λ bis 0,50 λ / der Film 4 mit niedriger Schallgeschwindigkeit: Siliziumoxid, Filmdicke 0,05 λ bis 2,00 λ / der Film 3 mit hoher Schallgeschwindigkeit: verschiedene Arten von Filmen mit hoher Schallgeschwindigkeit für Schallgeschwindigkeiten von 4200 m/s bis 6000 m/s, Filmdicke maximal 1,6 λ / das Stützsubstrat 2: Glassubstrat.

In der gleichen Weise wie in dem Fall, in dem das Schaubild in 10 abgeleitet wurde, wurde eine Beziehung zwischen der Dicke des Films mit hoher Schallgeschwindigkeit und der Schallgeschwindigkeit des Modus hoher Ordnung in einem Fall aufgetragenen, wo das Energiekonzentrationsverhältnis des Modus hoher Ordnung 99,5 % betrug. Das Ergebnis davon ist in 20 gezeigt. Unter Verwendung des in 20 gezeigten Ergebnisses wurde die Beziehung so eingestellt, dass das Energiekonzentrationsverhältnis des Modus hoher Ordnung zufriedenstellend einen Wert von maximal 99,5 % annahm. Dann wurde die Schallgeschwindigkeit Vh [m/s] in dem Film mit hoher Schallgeschwindigkeit folgendermaßen in mehrere Bereiche geteilt, und eine Beziehung zwischen der Schallgeschwindigkeit V2 des Modus hoher Ordnung und der Filmdicke Th des Films mit hoher Schallgeschwindigkeit, die mit der Wellenlänge λ [m] der Oberflächenschallwelle bei jeder Schallgeschwindigkeit Vh in dem Film mit hoher Schallgeschwindigkeit normalisiert wurde, wurde berechnet. Jedes Berechnungsergebnis war wie folgt.

  • • Wenn Vh < 4200: V2 ≥ 187,0 × Th2 – 137,0 × Th + 3919,7
  • • Wenn 4200 ≤ Vh < 4400: V2 ≥ –115,0 × Th2 + 515,0 × Th + 3796,4
  • • Wenn 4400 ≤ Vh < 4600: V2 ≥ –268,4 × Th2 + 898,0 × Th + 3728,8
  • • Wenn 4600 ≤ Vh < 4800: V2 ≥ –352,8 × Th2 + 1125,2 × Th + 3726,8
  • • Wenn 4800 ≤ Vh < 5000: V2 ≥ –568,7 × Th2 + 1564,3 × Th + 3657,2
  • • Wenn 5000 ≤ Vh < 5200: V2 ≥ –434,2 × Th2 + 1392,6 × Th + 3808,2
  • • Wenn 5200 ≤ Vh < 5400: V2 ≥ –576,5 × Th2 + 1717,1 × Th + 3748,3
  • • Wenn 5400 ≤ Vh < 5600: V2 ≥ –602,9 × Th2 + 1882,6 × Th + 3733,7
  • • Wenn 5600 ≤ Vh < 5800: V2 ≥ –576,9 × Th2 + 2066,9 × Th + 3703,7
  • • Wenn 5800 ≤ Vh < 6000: V2 ≥ –627,0 × Th2 + 2256,1 × Th + 3705,7

12 ist ein Diagramm, das eine Beziehung zwischen einer Filmdicke eines Films mit hoher Schallgeschwindigkeit, der Schallgeschwindigkeit eines Modus hoher Ordnung und einer Schallgeschwindigkeit in jedem Film mit hoher Schallgeschwindigkeit veranschaulicht. Die Relation bei Schallgeschwindigkeit in jedem Film mit hoher Schallgeschwindigkeit in 12 entspricht den oben beschriebenen relationalen Ausdrücken. Das heißt, die gekrümmten Linien in 12 bezeichnen die Schallgeschwindigkeit des Modus hoher Ordnung in einem Moment, wo der Modus hoher Ordnung beginnt, in Richtung der Seite des Stützsubstrats 2 zu entweichen, in einem Fall, wo die Schallgeschwindigkeit in dem Film mit hoher Schallgeschwindigkeit einen Wert im Bereich von 4200 m/s bis 6000 m/s annimmt. Wenn die Schallgeschwindigkeit in dem Modus hoher Ordnung höher ist als die in 12 gezeigten gekrümmten Linien, so entweicht der Modus hoher Ordnung in Richtung der Seite des Stützsubstrats 2, wodurch es möglich wird, den Modus hoher Ordnung zu veranlassen, in Richtung der Unterseite unter den Film 3 mit hoher Schallgeschwindigkeit zu entweichen und die Störsignale zu unterdrücken. Diese Steuerung der Schallgeschwindigkeit in dem Modus hoher Ordnung kann durch Steuern der Filmdicken und Materialien der IDT-Elektrode 6, des piezoelektrischen Films 5 und des Films 4 mit niedriger Schallgeschwindigkeit realisiert werden. Als ein Beispiel wird ein Oberflächenschallwellenbauelement mit der unten angegebenen Struktur zitiert. In diesem Fall beträgt die Hauptmodus-Schallgeschwindigkeit 3800 m/s, und die Schallgeschwindigkeit in dem Modus hoher Ordnung beträgt 5240 m/s.

(Struktur)

Die IDT-Elektrode 6: Al-Film, Dicke 0,08 λ / der piezoelektrische Film 5: Y-geschnittener LiTaO3-Einkristall, Dicke 0,25 λ / der Film 4 mit niedriger Schallgeschwindigkeit: SiO2, Dicke 0,35 λ / der Film 3 mit hoher Schallgeschwindigkeit: Aluminiumnitridfilm, die Schallgeschwindigkeit beträgt 5800 m/s, Dicke 0,70 λ / Glasstützsubstrat.

13 zeigt die Schallgeschwindigkeit, wenn der Hauptmodus zu entweichen beginnt, und eine Schallgeschwindigkeit, wenn der Modus hoher Ordnung zu entweichen beginnt, in dem Fall, wo die Schallgeschwindigkeit in dem Film 3 mit hoher Schallgeschwindigkeit 5800 m/s beträgt. 13 ist ein Diagramm, das eine Beziehung zwischen der Filmdicke des Films mit hoher Schallgeschwindigkeit und einer Schallgeschwindigkeit des Hauptmodus sowie einer Schallgeschwindigkeit des Modus hoher Ordnung veranschaulicht, das heißt, das Schaubild zeigt die Schallgeschwindigkeit, wenn der Hauptmodus zu entweichen beginnt, sowie eine Schallgeschwindigkeit, wenn der Modus hoher Ordnung zu entweichen beginnt.

Wie aus 13 zu erkennen ist, kann in dem Fall, wo die Filmdicke des Films mit hoher Schallgeschwindigkeit mindestens 0,6 λ beträgt, der Hauptmodus wirksam eingegrenzt werden, wenn die Schallgeschwindigkeit des Hauptmodus 3800 m/s beträgt. Ferner wird festgestellt, dass, um den Modus hoher Ordnung zu unterdrücken, es ausreicht, dass die Filmdicke des Films mit hoher Schallgeschwindigkeit maximal 1,05 λ beträgt. Ferner kann in dem Beispiel einer zweiten Struktur selbst dann, wenn andere Strukturen und Materialien verwendet werden, unter Bezug auf 12 eine optimale Filmdicke eingestellt werden.

Ein Diagramm in 14 entspricht dem Diagramm in 12. Oder anders ausgedrückt: Auf der Grundlage des Beispiels einer zweiten Struktur, die verwendet wurde, um das in 12 gezeigte Ergebnis zu erhalten, zeigt 14 eine Beziehung zwischen der Schallgeschwindigkeit des Modus hoher Ordnung, wenn der Modus hoher Ordnung in Richtung der Seite des Stützsubstrats 2 zu entweichen beginnt, der Filmdicke des Films mit hoher Schallgeschwindigkeit, und einer Schallgeschwindigkeit in jedem Film mit hoher Schallgeschwindigkeit. Es ist zu beachten, dass in diesem Fall die vertikale Achse die Schallgeschwindigkeit des Modus hoher Ordnung in einem Moment darstellt, wo mindestens 2,0 % des Modus hoher Ordnung in Richtung der Seite des Stützsubstrats 2 entweicht.

Dementsprechend entweicht in dem in 14 angezeigten Ergebnis der Modus hoher Ordnung stärker in Richtung der Seite des Stützsubstrats 2 als der Modus hoher Ordnung in 12. Oder anders ausgedrückt: Durch Einstellen der Filmdicke des Films 3 mit hoher Schallgeschwindigkeit dergestalt, dass die Schallgeschwindigkeit des Modus hoher Ordnung höher ist als die in 14 veranschaulichten gekrümmten Linien, ist es möglich, den Modus hoher Ordnung zu veranlassen, wirksam in Richtung der Seite des Stützsubstrats 2 zu entweichen.

Das Diagramm in 14 wird auf die gleiche Weise abgeleitet wie in dem Fall, wo die Diagramme in 10 und 12 abgeleitet wurden. Das heißt, eine Beziehung zwischen der Dicke des Films mit hoher Schallgeschwindigkeit und der Schallgeschwindigkeit in dem Modus hoher Ordnung wurde in einem Fall aufgetragen, wo das Energiekonzentrationsverhältnis des Modus hoher Ordnung 98 % betrug. Das Ergebnis dessen ist in 21 gezeigt. Wenden wir uns 21 zu. Die Beziehung wurde so eingestellt, dass das Energiekonzentrationsverhältnis des Modus hoher Ordnung zufriedenstellend einen Wert von maximal 98 % annahm. Dann wurde die Schallgeschwindigkeit Vh [m/s] in dem Film mit hoher Schallgeschwindigkeit folgendermaßen in mehrere Bereiche geteilt, und eine Beziehung zwischen der Schallgeschwindigkeit V2 des Modus hoher Ordnung und der Filmdicke Th des Films mit hoher Schallgeschwindigkeit, die mit der Wellenlänge λ [m] der Oberflächenschallwelle bei jeder Schallgeschwindigkeit Vh in dem Film mit hoher Schallgeschwindigkeit normalisiert wurde, wurde berechnet. Jedes Berechnungsergebnis war wie folgt.

  • • Wenn Vh < 4200: V2 ≥ 197,8 × Th2 – 158,0 × Th + 4128,5
  • • Wenn 4200 ≤ Vh < 4400: V2 ≥ –119,5 × Th2 + 523,8 × Th + 3992,7
  • • Wenn 4400 ≤ Vh < 4600: V2 ≥ –274,0 × Th2 + 908,9 × Th + 3924,2
  • • Wenn 4600 ≤ Vh < 4800: V2 ≥ –372,3 × Th2 + 1162,9 × Th + 3910,9
  • • Wenn 4800 ≤ Vh < 5000: V2 ≥ –573,4 × Th2 + 1573,9 × Th + 3852,8
  • • Wenn 5000 ≤ Vh < 5200: V2 ≥ –443,7 × Th2 + 1411,0 × Th + 4000,5
  • • Wenn 5200 ≤ Vh < 5400: V2 ≥ –557,0 × Th2 + 1679,2 × Th + 3964,2
  • • Wenn 5400 ≤ Vh < 5600: V2 ≥ –581,0 × Th2 + 1840,1 × Th + 3951,6
  • • Wenn 5600 ≤ Vh < 5800: V2 ≥ –570,7 × Th2 + 2054,7 × Th + 3908,8
  • • Wenn 5800 ≤ Vh < 6000: V2 ≥ –731,1 × Th2 + 2408,0 × Th + 3857,0

In dem Fall, wo die Schallgeschwindigkeit in dem Film mit hoher Schallgeschwindigkeit in 14 5800 m/s beträgt, ist eine Beziehung zwischen der Filmdicke des Films mit hoher Schallgeschwindigkeit und einer Schallgeschwindigkeit des Hauptmodus sowie einer Schallgeschwindigkeit des Modus hoher Ordnung in 15 veranschaulicht. In 15 bezeichnet eine durchgezogene Linie die Schallgeschwindigkeit, wenn der Hauptmodus zu entweichen beginnt, während eine gestrichelte Linie die Schallgeschwindigkeit bezeichnet, wenn der Modus hoher Ordnung zu entweichen beginnt. Wie aus 15 zu erkennen ist, wird es, wenn man die Dicke des Films mit hoher Schallgeschwindigkeit auf mindestens 0,6 λ einstellt, möglich, den Hauptmodus wirksam einzugrenzen. Wenn man ihn ferner auf maximal 0,85 λ einstellt, so wird es möglich, den Modus hoher Ordnung ausreichend entweichen zu lassen. Dementsprechend ist es bevorzugt, die Dicke des Films mit hoher Schallgeschwindigkeit auf einen Bereich von 0,6 λ bis 0,85 λ einzustellen. Ferner kann im Fall der Verwendung anderer Strukturen und Materialien eine optimale Filmdicke unter Bezug auf 14 eingestellt werden. Unter den hier beschriebenen Bedingungen kann der Modus hoher Ordnung stärker unterdrückt werden als unter den Bedingungen in 12.

Obgleich der Fall, wo die Schallgeschwindigkeit des Films mit hoher Schallgeschwindigkeit 5800 m/s beträgt, in 15 erläutert wird, haben die Erfinder der vorliegenden Erfindung bestätigt, dass die gleiche Erklärung auch dann gilt, wenn die Schallgeschwindigkeit in dem Film mit hoher Schallgeschwindigkeit andere Werte annimmt.

In dem in 1 veranschaulichten Oberflächenschallwellenbauelement 1 ist es bevorzugt, dass die Schallgeschwindigkeit in dem Stützsubstrat 2 niedrig ist. Dadurch wird es möglich, einen größeren Betrag der Energie des Modus hoher Ordnung in Richtung der Seite des Stützsubstrats 2 entweichen zu lassen. Insofern ist es bevorzugt, dass die Schallgeschwindigkeit in dem Stützsubstrat 2 niedriger ist als die in dem Film 3 mit hoher Schallgeschwindigkeit.

In der obigen Ausführungsform wird zwar ein Glassubstrat als das Stützsubstrat 2 verwendet, doch kann auch Aluminium anstelle von Glas verwendet werden. Außerdem kann, wie in 16 gezeigt, ein zweiter Film 9 mit niedriger Schallgeschwindigkeit zwischen den Film 3 mit hoher Schallgeschwindigkeit und das Stützsubstrat 2 laminiert werden. Das gleiche Material wie das des Films 4 mit niedriger Schallgeschwindigkeit kann als der zweite Film 9 mit niedriger Schallgeschwindigkeit verwendet werden. In der vorliegenden Ausführungsform besteht der zweite Film 9 mit niedriger Schallgeschwindigkeit aus Siliziumoxid. Das Verwenden des Siliziumoxids macht es möglich, den absoluten Wert eines Temperaturkoeffizienten der Resonanzfrequenz (TCF) zu verringern und die Temperatureigenschaften zu verbessern.

Das Verschieben des zweiten Films 9 mit niedriger Schallgeschwindigkeit macht es möglich, den Modus hoher Ordnung von der Seite des Films 3 mit hoher Schallgeschwindigkeit zu dem zweiten Film 9 mit niedriger Schallgeschwindigkeit wirksam entweichen zu lassen. Dadurch kann selbst dann, wenn das Stützsubstrat 2 unter Verwendung eines Stützsubstratmaterials mit hoher Schallgeschwindigkeit, wie zum Beispiel Aluminiumoxid, gebildet wird, der Modus hoher Ordnung nach unten unter den Film 3 mit hoher Schallgeschwindigkeit entweichen. Dementsprechend macht es die Verwendung des zweiten Films 9 mit niedriger Schallgeschwindigkeit möglich, den Freiheitsgrad bei der Auswahl eines Materials zum Herstellen des Stützsubstrats 2 zu vergrößern.

Im Fall der Verwendung eines LiTaO3-Einkristalls, eines LiNbO3-Einkristalls oder dergleichen kann ein piezoelektrischer Dünnfilm mit geringer Dicke auf einfache Weise durch einen Prozess erhalten werden, in dem eine Ionenimplantation und ein Ablöseverfahren zum Ablösen eines Films von dem ionenimplantierten Abschnitt ausgeführt wird.

(Dritte und vierte Ausführungsformen)

In den obigen Ausführungsformen wurde das Oberflächenschallwellenbauelement besprochen. Jedoch kann die vorliegende Erfindung auch auf andere Bauelemente für elastische Wellen angewendet werden, wie zum Beispiel ein Grenzschallwellenbauelement und dergleichen, und die gleichen Effekte wie jene, die in den obigen Ausführungsformen erhalten wurden, können auch erhalten werden, wenn die Erfindung auf jene Bauelemente angewendet wird. 22 ist eine schematische Querschnittsansicht, die ein Grenzschallwellenbauelement 43 gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung veranschaulicht. An die Unterseite des piezoelektrischen Films 5 werden der Film 4 mit niedriger Schallgeschwindigkeit, der Film 3 mit hoher Schallgeschwindigkeit und das Stützsubstrat 2 in dieser Reihenfolge von oben nach unten laminiert. Diese Struktur ist die gleiche wie die in der ersten Ausführungsform. Ferner wird, um eine Grenzschallwelle anzuregen, die IDT-Elektrode 6 an einer Grenzfläche zwischen dem piezoelektrischen Film 5 und einem Dielektrikum 44, das auf den piezoelektrischen Film 5 laminiert ist, gebildet.

23 ist eine schematische Querschnittsansicht, die ein Grenzschallwellenbauelement 45 mit einer sogenannten Drei-Medien-Struktur gemäß einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung veranschaulicht. Auch in dieser Ausführungsform werden an die Unterseite des piezoelektrischen Films 5 der Film 4 mit niedriger Schallgeschwindigkeit, der Film 3 mit hoher Schallgeschwindigkeit und das Stützsubstrat 2 laminiert. Zusätzlich zu dieser Struktur wird die IDT-Elektrode 6 an einer Grenzfläche zwischen dem piezoelektrischen Film 5 und einem Dielektrikum 46 gebildet. Ferner wird auf das Dielektrikum 46 ein Dielektrikum 47 laminiert, in dem sich eine Transversalwelle mit einer höheren Schallgeschwindigkeit ausbreitet als in dem Dielektrikum 46. Dadurch wird das Grenzschallwellenbauelement mit der sogenannten Drei-Medien-Struktur gebildet.

Wie die Grenzschallwellenbauelemente 43 und 45 kann ein Grenzschallwellenbauelement auch die gleichen Effekte wie jene erreichen, die in der ersten Ausführungsform erreicht wurden, indem eine laminierte Struktur, die aus dem Film 4 mit niedriger Schallgeschwindigkeit und dem Film 3 mit hoher Schallgeschwindigkeit besteht, an die Unterseite des piezoelektrischen Films 5 in der gleichen Weise laminiert wird wie in dem Oberflächenschallwellenbauelement 1 gemäß der ersten Ausführungsform.

Bezugszeichenliste

1
Oberflächenschallwellenbauelement
2
Stützsubstrat
3
Film mit hoher Schallgeschwindigkeit
4
Film mit niedriger Schallgeschwindigkeit
5
piezoelektrischer Film
6
IDT-Elektrode
7, 8
Reflektor
9
zweiter Film mit niedriger Schallgeschwindigkeit
43
Grenzschallwellenbauelement
44
Dielektrikum
45
Grenzschallwellenbauelement
46, 47
Dielektrikum