弹性波元件的制作方法

1.本技术涉及用于电脑、通信设备等当中的高频振荡源的弹性波元件。


背景技术：

2.目前，作为各种电子设备中尤其是以无线用基准信号的形式搭载的振荡源，主要使用的大多是at切割的水晶谐振器，在高频率下使用的情况下，是通过pll倍频至规定频率来使用。此外，在需要高频率、噪声等较少的信号的情况下，有时也将利用弹性表面波的弹性表面波元件直接用作振荡源。
3.at切割形成的水晶谐振器能在稳定的宽温度范围内获得频率特性，因此被用作许多电子设备的振荡源，但在作为高频振荡源使用的情况下，需要减薄厚度、提升平坦度等高精度的加工技术。
4.另一方面，弹性表面波利用的是压电(水晶)基板的表层面上产生的纵波或横波，其频率具有与相位速度成正比、与波长成反比的特性。使用该弹性表面波的弹性表面波元件在以规定的切割角形成的水晶基板的表面上形成将多个电极指配置为梳形状而成的激振电极，通过调整该激振电极的厚度、各电极指的间距来获得规定的振荡频率。
5.专利文献1揭示的压电装置使用的是旋转y切割的水晶基板中产生的弹性波模态，呈在水晶基板的表面具有梳形状的激振电极、在背面具有频率调整用的薄膜的结构。
6.专利文献2、3揭示了一种用于振荡弹性波的振荡器。尤其是专利文献3中的振荡器呈频率温度特性在25℃附近具有拐点的3次曲线。
7.专利文献4揭示了一种使用以欧拉角显示而规定的旋转y切割的水晶基板来构成的高频率型振荡器。
8.专利文献5揭示了一种在以规定的欧拉角切割而成的水晶基板中确定了水晶基板的板厚以及水晶基板上形成的电极膜的厚度的弹性波元件。【现有技术文献】【专利文献】
9.【专利文献1】日本专利特开昭57-68925号公报【专利文献2】日本专利特开2003-258596号公报【专利文献3】日本专利第4465464号公报【专利文献4】日本专利第4306668号【专利文献5】日本专利第5563378号


技术实现要素：

【发明要解决的问题】
10.在上述at切割形成的水晶谐振器中，振荡频率的精度较高，但在倍频至规定频率时，存在产生相位噪声、信号的时间性的偏移或波动等造成的抖动等问题。另一方面，弹性表面波元件能够直接振荡高频率，所以相位噪声、抖动等不成问题，但振荡频率的精度与at
切割水晶谐振器相比存在改善的余地。
11.专利文献1至4记载的以往的利用板波的振荡器是规定以欧拉角表示的规定旋转角加以切割而成。专利文献2、3记载的振荡器中，水晶基板的切割角是由2个轴的旋转角度规定的，因此在制造的容易性、频率温度特性的偏差等方面存在问题。再者，专利文献2至4揭示的振荡器呈在压电基板的表面配置有梳形状的激振电极的结构，在水晶基板的背面未设置用于调整频率的薄膜等。
12.另一方面，在利用板波的弹性波元件的情况下，我们知道此处产生的振动波(板波)呈横波与纵波耦合而成的振动模态，因横波与纵波的耦合程度而存在多个振动模态。这种板波下的振动模态不同于以往的瑞利波，除了希望作为弹性波元件使用的振动模态(以下称为主振动)以外，有时还存在相位速度不同的振动模态(以下称为不需要的振动)。该不需要的振动中的电信号向机械振动的转换效率(以下称为机电耦合系数k2)较大，在主振动与反射系数的符号相等的情况下，在构成弹性波元件时，存在不需要的振动的品质因数为2以上而且等效串联电阻r1比主振动的等效串联电阻r1低的情况。再者，所谓品质因数(figure of merit)，是弹性波元件的q值除以容量比γ得到的，表示从电气端子观察机械性弹性的波元件时的振动的强度。由此，在利用振荡电路进行振荡时成为异常振荡的原因。此外，在平时常用的科尔皮兹振荡电路中，在上述不需要的振动相较于主振动而言处于低频侧的情况下，有可能发生异常振荡。
13.在专利文献5记载的弹性波元件中，可以通过所确定的欧拉角、水晶基板的板厚等使1次及2次温度系数接近零值。然而，在所述范围的欧拉角下，使3次温度系数接近零值是有极限的。这样的弹性波元件中，相较于主振动而言在低频侧存在机电耦合系数k2较大的不需要的振动。因此，在所述科尔皮兹振荡电路中存在以相较于主振动而言靠低频侧的振动模态进行振荡这一问题。
14.因此，本技术的目的在于提供一种在加入了基于特定欧拉角的旋转角的旋转y切割的水晶基板中使相较于主振动而言处于低相位速度侧的振动模态的机电耦合系数k2小于主振动而且将主振动的1次及2次温度系数大致设为零值、在此基础上能获得更接近零值的3次温度系数的弹性波元件。
15.此外，本技术的目的在于提供一种能够直接振荡高频率而且在宽的温度范围内获得比at切割振荡器优异的振荡频率的精度、能够防止不需要的振动造成的异常振荡的弹性波元件。【解决问题的技术手段】
16.本技术揭示的弹性波元件具备：水晶基板，它是从具有由x轴、y轴及z轴构成的三维晶向的水晶体使y轴及z轴绕x轴旋转而切出，以由右手系欧拉角(φ,θ,ψ)规定的旋转角切割而成；以及至少1个梳形激振电极，其使该水晶基板激振板波，其中，所述水晶基板在旋转角φ＝0
±2°
、θ＝17.5
°
～19.5
°
、ψ＝0
±2°
的范围内加以切割，所述板波选择相位速度为3500～4000m/s的范围的振动模态，在将所述水晶基板的板厚设为h、将板波的波长设为λ的情况下，标准化的板厚h/λ为1.5＜h/λ＜2.0的范围。此处，所谓标准化(也称为归一化(normalization))的板厚h/λ，是出于通过用水晶基板的板厚h(单位m)除以波长λ(单位m)而以与设计频率(＝λ)无关的方式规定h尺寸这一目的加以定义的，以下记作标准化板厚h/λ。此外，后文叙述的标准化激振电极膜厚hs/λ、标准
化背面电极膜厚hb/λ也是一样的。【发明的效果】
17.根据本技术揭示的弹性波元件，是由借助以往未确定的旋转角θ下的右手系欧拉角(φ＝0
±2°
,θ＝17.5
°
～19.5
°
,ψ＝0
±2°
)切割而成的水晶基板构成的。在这样的以欧拉角切割而成的水晶基板中，通过选择相位速度设定为3500～4000m/s的范围、标准化的板厚h/λ为1.5＜h/λ＜2.0的范围的板波，可以使在25℃下作泰勒展开时的1次温度系数α、2次温度系数β、3次温度系数γ分别接近零值。以下展示α、β、γ与频率偏差δf/f的关系中的泰勒展开式。δf/f＝α(t－t0) β(t－t0)2 γ(t－t0)3t0：基准温度由此，能在比以往的弹性波元件、at切割振荡器宽的范围内提高振荡频率的精度，而且能以基波来获得高频率的振荡。进而，得到了具备相位噪声和抖动少的良好的频率特性的弹性波元件。此外，通过设为所述构成，能使相位速度v比主振动低的所有不需要的振动的机电耦合系数k2相较于主振动而言做到极小。由此，能在比以往的弹性波谐振器、at切割振荡器宽的范围内提高振荡频率的精度，而且能抑制不需要的振动造成的异常振荡。
附图说明
18.图1为表示本技术的一实施方式的弹性波元件的外观的立体图。图2为用于说明图1所示的弹性波元件的切割角的右手系欧拉角坐标图。图3为表示图1所示的弹性波元件中产生的多个板波的振动模态下的相位速度v的分散的图表。图4为针对各标准化板厚h/λ通过计算求出旋转角θ与1次温度系数α的关系的图表。图5为针对各标准化板厚h/λ通过计算求出旋转角θ与2次温度系数β的关系的图表。图6为针对各标准化板厚h/λ通过计算求出旋转角θ与3次温度系数γ的关系的图表。图7为针对各标准化激振电极膜厚hs/λ通过计算求出标准化板厚h/λ与1次温度系数α的关系的图表。图8为针对各标准化激振电极膜厚hs/λ通过计算求出标准化板厚h/λ与2次温度系数β的关系的图表。图9为针对各标准化激振电极膜厚hs/λ通过计算求出标准化板厚h/λ与3次温度系数γ的关系的图表。图10为表示相位速度v与导纳y的关系的图表。图11为通过计算值及实验值来表示各振动模态下的相位速度v的表。图12为针对各旋转角θ通过计算及实验求出标准化板厚h/λ与1次温度系数α的关系的图表。图13为针对各旋转角θ通过计算及实验求出标准化板厚h/λ与2次温度系数β的关系的图表。图14为针对各旋转角θ通过计算及实验求出标准化板厚h/λ与3次温度系数γ的关系的图表。图15为针对各标准化激振电极膜厚hs/λ通过计算值和实验值对标准化板厚h/λ与1次
温度系数α的关系进行比较的图表。图16为针对各标准化激振电极膜厚hs/λ通过计算值和实验值对标准化板厚h/λ与2次温度系数β的关系进行比较的图表。图17为针对各标准化激振电极膜厚hs/λ通过计算值和实验值对标准化板厚h/λ与3次温度系数γ的关系进行比较的图表。图18为表示作为α,β＝0这一组合的1例的实测数据的图表。图19为表示另一实施方式中的弹性波元件的外观的立体图。
具体实施方式
19.下面，根据附图，对本技术揭示的弹性波元件的一实施方式进行说明。如图1所示，本实施方式的弹性波元件11具备薄板状的水晶基板12、形成于该水晶基板12的表面12a的激振电极13、以及形成于水晶基板12的背面12b的背面电极14。
20.水晶基板12是从具有由x轴、y轴及z轴构成的三维晶向的水晶体使y轴及z轴绕x轴旋转而切出的，将旋转后的y轴设为y'轴，将旋转后的z轴设为z'轴。
21.所述水晶基板12以右手系欧拉角(φ＝0
±2°
,θ＝17.5
°
～19.5
°
,ψ＝0
±2°
)切割形成为规定板厚。此外，由于水晶基板的晶体的对称性，相对于规定旋转角θ而言，φ或ψ＝0下的α、β、γ的φ及ψ的微分值变为零值，因此，若φ＝0
±2°
、ψ＝0
±2°
，则频率温度特性的变化极小。关于欧拉角的容许的范围，
±
2.0
°
的范围几乎不影响频率温度特性，这在专利文献3中也有记载。
22.所述激振电极13是使梳形激振电极15、16成对而构成的。所述梳形激振电极15、16具备沿水晶基板12的长边方向相互平行延伸的基电极部15a、16a和从该基电极部15a、16a各自的一侧面朝相对的长边方向延伸的多个电极指15b、16b。如此，激振电极13配置为从一基电极部15a延伸的电极指15b与从另一基电极部16a延伸的电极指16b成不接触状态。所述电极指15b与电极指16b之间的距离(间距)根据要激振的板波的波长λ来设定。此外，所述间距相对于所述波长λ而言为λ/2左右。该激振电极13通过以梳形激振电极15与16的极性不同的方式施加电压而在邻接的电极指之间产生交变电场，从而在水晶基板12内激发板波。
23.所述水晶基板12通过旋转y切割将板厚h较薄地形成到与要激振的板波的波长λ大致相同的程度。所述板厚h根据激振电极13及背面电极14的厚度的关系、以主振动满足规定的频率温度特性的方式加以调整。同时，设定为相较于主振动而言靠低相位速度侧的不需要的振动的机电耦合系数k2比主振动小。
24.如图1所示，所述激振电极13是形成于水晶基板12的表面12a的大致中央部的以金(au)或铝(al)为主成分的金属膜，以成为规定厚度的方式成膜而形成。此外，也可以在隔着该激振电极13的长边方向的两侧设置反射器(未图示)。通过设置反射器，可以将通过所述激振电极13激发出的板波关在两侧设置的反射器之间而获得较大的共振。
25.背面电极14形成于与所述激振电极13相反那一侧即水晶基板12的背面12b。该背面电极14是在水晶基板12的背面12b使au等金属材料或者介电材料以成为规定厚度的方式成膜而形成的。所述金属材料除了au以外还可以使用al、ta、cu等，介电材料可以使用sio2、zno、ta2o5等。由这样的材料形成的背面电极14通过改变厚度来进行振荡频率的微调，而且，通过与所述板厚h及所述激振电极13的厚度关系，在主振动中保持3次温度特性。
26.图2展示了右手系欧拉角的坐标系(φ,θ,ψ)。此处，φ表示绕z轴的旋转角，θ表示绕x'轴(使x轴绕z轴作φ旋转得到的轴)的旋转角，ψ表示绕z”轴(使z轴绕x'轴作θ旋转得到的轴)的旋转角。此外，以欧拉角(φ＝0
°
,θ＝0
°
,ψ＝0
°
)表示的水晶基板是具有与水晶的z轴(光轴)垂直的主面的旋转z切割基板。下面，在弹性波元件11的各种解析中使用该坐标系来进行说明。图3针对在以欧拉角(φ＝0
°
,θ＝19.5
°
,ψ＝0
°
)切割而成的水晶基板12内传播的板波展示了以波长λ和梳形激振电极的厚度hs表示的标准化激振电极膜厚(hs/λ)＝0、以波长λ和背面电极的厚度hb表示的标准化背面电极膜厚(hb/λ)＝0下的分散曲线。
27.图3将横轴设为波数k与板厚h的积而展示了纵波、快横波、慢横波、电磁波耦合而成的板波的分散曲线。板波是所述各个波复杂地耦合而成的波，存在相位速度v为10000m/s以上的快振动模态到3000m/s左右的慢振动模态这多种多样的无数振动模态。在本技术揭示的弹性波元件中，从所述多个振动模态当中选择使用机电耦合系数k2大、满足规定的频率温度特性这样的振动模态。图3中，以实线展示有本技术中使用的振动模态，以虚线展示有不需要的振动模态。本技术中选择的是以实线表示的、在5.0～7.5的kh下相位速度v为3500～4500m/s的振动模态。该选择的振动模态是从板波振动中的相位速度v较低一方开始数而机电耦合系数k2达到最大的振动模态，进而也是从板波振动中的相位速度v较低一方开始数而品质因数达到2以上的最初的振动模态。相位速度v比所述振动模态慢的所有振动模态的机电耦合系数k2为0.02％以下，极小，因此出现在相位速度v比主振动低那一侧的振动模态的品质因数不会在2以上。
28.图4至图6是针对在以欧拉角(0
°
,θ,0
°
)、标准化板厚(h/λ)规定的水晶基板内传播的板波展示了本技术中使用的振动模态下的频率温度特性(1次温度系数α、2次温度系数β、3次温度系数γ)、与旋转角θ、h/λ的关系的图表。这些图表所示的曲线是在h/λ为1.63、1.70、1.77这3个条件下将θ设为16
°
到21
°
的范围进行计算得到的值。此外，设定hs/λ＝0.0027，电极材料使用的是au。如图4所示，在h/λ＝1.7的情况下，在θ＝18.3附近α大致变为零值，如图5及图6所示，β、γ在整个θ范围内都大致为零值。因而得知，旋转角θ仅影响α，对β和γ几乎不产生影响。
29.图7至图9中，使用欧拉角(0
°
,18.5
°
,0
°
)的水晶基板、针对每一hs/λ通过计算求出了改变h/λ时的弹性波元件的频率温度特性(1次温度系数α、2次温度系数β、3次温度系数γ)的关系。hs/λ的设定使用的是au，是以0.0013、0.0026、0.0039、0.0052、0.0065这5个条件来进行的。如图7所示，对应于所述5个条件的hs/λ的α在h/λ＝1.65～1.75附近大致变为零值。如图8所示，β在h/λ为1.5～1.8的范围内分布在零值附近。如图9所示，γ在h/λ为1.5～2.0的范围内大致为零值。此外，图8及图9中，在h/λ的下限及上限附近见到较大的暴涨、暴跌现象。这是与邻接于主振动的振动模态的耦合所引起的，hs/λ导致h/λ发生变化。在发生这样的变化的范围内，制造时的弹性波元件的频率温度特性的偏差容易增大，因此在生产上不太理想。因而，根据上述计算结果，通过将对应于所述5个条件的hs/λ的h/λ设定为1.5～2.0的范围，可以满足规定的频率温度特性。
30.图10展示了欧拉角(0
°
,19.5
°
,0
°
)、h/λ＝1.7、hs/λ＝0.00266、不带成为频率调整用砝码的背面电极、以300对(600根)梳形激振电极构成弹性波元件的情况下的导纳y特性的一例。图11是针对所述弹性波元件、对于波形被观测到的振动模态将相位速度v与计算值进行比较。由此得知，相位速度v是大致一致的，获得了充分的解析精度。此外，像根据图10
及图11而明确的那样，相较于主振动而言靠低速度侧的所有不需要的振动在激振水平上都极小。在主振动以外，波形较大的模态处于相位速度v＝5700m/s附近位置(振动模态3)。该振动模态中，机电耦合系数k2比主振动小，等效串联电阻r1比主振动高，还有频率比主振动高，因此对于振荡电路中的振荡没有影响。
31.图12至图14针对电极材料使用au、hs/λ＝0.00266、以无背面电极的方式构成弹性波元件、在θ＝18.5、19.5、20.0、20.5这4个条件下改变h/λ时的α、β、γ的关系进行了计算值与实验值的比较。关于α，如图12所示，在4个θ下的h/λ为1.5左右时大致变为零值。关于β，如图13所示，θ＝18.5、19.5、20.0、20.5为大致重叠在一起的曲线，在h/λ为1.6～1.7的范围内大致为零值。实验值也表现出同样的倾向。关于γ，如图14所示，θ＝18.5、19.5、20.0、20.5为大致重叠在一起的曲线，在h/λ为1.3～2.0的范围内大致为零值。实验值比计算值大一些，但约为0.3
×
10-10
左右，极小。对应于各θ，β、γ的变动较少，可以仅对α进行大幅修正。因此，要满足规定的频率温度特性，通过在β＝0的h/λ下修正切割角来设定α＝0即可。因而，如图12至图14所示，通过设定θ＝18.5、h/λ＝1.67，将获得满足了规定的频率温度特性的弹性波元件。但上述条件是电极材料使用au、设定hs/λ＝0.00266的情况，须根据电极材料和hs/λ来采用α＝β＝0的各最佳组合。再者，实验中在au电极之下使用了cr作为触点金属，但cr的厚度极薄，因此不影响频率温度特性的验证。所述触点金属另外还可以使用镍(ni)、钛(ti)或者它们的合金等。
32.图15至图17针对电极材料使用au、在hs/λ＝0.00266、0.00532下改变h/λ时的α、β、γ的关系进行了计算值与实验值的比较。根据图15至图17，对应于hs/λ，α和β发生变动，γ的变动极小。因而，如前文所述，通过根据hs/λ在β＝0的h/λ上以α＝0的方式修正θ，可以在维持较小的γ的情况下做到α＝β＝0，因此能满足规定的频率温度特性。
33.如以上所说明，根据本技术揭示的弹性波元件，确认了以下事实：可以振荡高频率的基波，而且具有与at切割的水晶谐振器同等以上的频率温度特性。此外，比本技术揭示中使用的主振动低的相位速度v的所有不需要的振动的机电耦合系数k2为0.02以下，极小。因此，如图10所示，不需要的振动的等效串联电阻r1极高，品质因数也不会超过2。因而，可以防止在一般的兰姆波中成为问题的相较于主振动而言靠低频侧的不需要的振动造成的振荡误差。因此，振荡电路中不需要频率特性调整电路(lc滤波电路等)，可以使用标准的科尔皮兹振荡电路等简单的电路。图18展示弹性波元件的频率温度特性的最佳结果的一例。制造条件为欧拉角(0
°
,18.33
°
,0
°
)、h/λ＝1.696、hs/λ＝0.0027、hb/λ＝0.0002。制造出的弹性波元件获得了α＝0.03
×
10-6
、β＝0.08
×
10-8
、γ＝0.32
×
10-10
的频率温度特性。该图18中规定了hb/λ的值作为实际的制造条件，但在图17之前，可以运用设定hb/λ＝0的情况下的水晶基板的欧拉角(φ,θ,ψ)、相位速度v、h/λ以及hs/λ等各种条件，确认了获得与hb/λ＝0的情况同等程度的频率温度特性。
34.此外，图1中省略了反射器，但也可以不设置反射器而是以使波长λ的板波以水晶基板12的长边方向的两端面为交界产生驻波的方式设定水晶基板12的尺寸来获得较大的共振。例如，可以像图19的(a)所示那样将水晶基板12的x轴方向的长度相对于波长λ设定为整数n倍，或者像图19的(b)所示那样减少相对的一侧的电极指的数量并将水晶基板12的x轴方向的长度相对于波长λ设定为(n－0.5倍)，由此来增大共振。所述水晶基板12接近z板，板波的传播方向与x轴平行，因此，在以水晶基板12的两端面为交界来产生驻波的情况下，
两端面成为水晶晶体的 x面、-x面。该面是在进行蚀刻冲压加工时最垂直地出现稳定的侧面的面，因此能形成大致垂直的反射面，从而能产生稳定的驻波。
35.本技术揭示的板波的振动模态是品质因数超过2的所述振动模态中的最低的频率模态，是以α、β、γ大致变为零值的方式设定欧拉角、h/λ、hs/λ。因此，可以利用标准的科尔皮兹振荡电路来进行稳定振荡。此外，如前文所述，比本技术揭示中使用的主振动低的相位速度v的所有不需要的振动的机电耦合系数k2为0.02以下，极小，因此能在宽的温度范围内获得相位噪声和抖动少的良好的频率特性。通常而言，若品质因数为2以上，则变为感应性的，所以能进行科尔皮兹振荡电路下的振荡，而反过来，若品质因数小于2，则电抗分量不会变为正也就是不会变为感应性的，所以无法进行使用科尔皮兹振荡电路的振荡。
36.在制造本技术揭示的弹性波元件11的工序中，设定主振动的品质因数为2以上而且不需要的振动的品质因数不到2这一条件，在该条件下决定水晶基板的板厚以及背面电极的厚度，由此，不需要的振动造成的振荡得到有效抑制，从而能获得更稳定的振荡特性。
37.此外，所述板波呈横波与纵波耦合而成的振动模态，根据该横波与纵波的耦合程度，存在图3所示那样的多个振动模态。这样的板波下的振动模态不同于以往的瑞利波，除了所需的主振动以外，有时还存在相位速度不同而且机电耦合系数k2较大的振动模态(不需要的振动)。在以该主振动与不需要的振动的反射系数的符号相等的方式构成弹性波元件时，不需要的振动的等效串联电阻r1有时比主振动模态的等效串联电阻r1低。由此，在利用振荡电路进行振荡时成为异常振荡的原因。
38.然而，如图11所示，本技术揭示的弹性波元件中选择的板波的振动模态(s3)在多个振动模态当中机电耦合系数k2最大，而且相对于相位速度v比所选择的振动模态低的振动模态的机电耦合系数k2(x)而言处于k2＞k2(x)的关系。因此，能够抑制利用振荡电路进行振荡时的异常振荡。符号说明
39.α
…
1次温度系数β
…
2次温度系数γ
…
3次温度系数λ
…
波长v
…
相位速度y
…
导纳h/λ
…
标准化板厚hs/λ
…
标准化激振电极膜厚hb/λ
…
标准化背面电极膜厚11
…
弹性波元件12
…
水晶基板13
…
激振电极14
…
背面电极15、16
…
梳形激振电极15a、16a
…
基电极部15b、16b
…
电极指。