DE10392848B4

DE10392848B4 - Einkristallsubstrat und Schneidverfahren davon

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Publication number: DE10392848B4
Application number: DE10392848.0T
Authority: DE
Inventors: Valentin Cherednick; Dvoešerstov Mičail; Yong-Lim Choi
Original assignee: LG Innotek Co Ltd
Current assignee: LG Innotek Co Ltd
Priority date: 2002-06-26
Filing date: 2003-06-25
Publication date: 2016-07-21
Anticipated expiration: 2023-06-26
Also published as: JP4058044B2; US20050146243A1; DE10392848T5; AU2003237051A1; WO2004004119A1; JP2005532013A; CN100468966C; CN1656677A; US7233095B2

Abstract

Ein Einkristallsubstrat, das folgendes aufweist: ein Langasit-Substrat mit einer SAW-Ausbreitungsoberfläche; und Eingangs- und Ausgangs-IDTs mit Elektroden auf der Oberfläche zum Auslösen und/oder Detektieren von akustischen Oberflächenwellen, wobei eine Richtung der Oberflächenwellenausbreitung parallel zu einer X'-Achse ist, und das Substrat ferner eine Z'-Achse senkrecht zu der Oberfläche und eine Y'-Achse parallel zu der Oberfläche und senkrecht zu der X'-Achse besitzt, wobei das Langasit-Substrat eine Kristallorientierung definiert durch modifizierte Achsen X, Y und Z besitzt, wobei die relative Orientierung der Achsen X', Y' und Z' durch Eulerwinkel ϕ, θ und ψ definiert ist, wobei ϕ 0° ist, θ in einem Bereich von 12° ≤ θ ≤ 17° ist und ψ in einem Bereich von 73° ≤ ψ ≤ 78° ist.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine SAW- bzw. AOFW-(Surface Acoustic Wave bzw. akustische Oberflächenwelle)-Einrichtung, und im Besonderen auf ein Einkristallsubstrat und ein Schneid- bzw. Schnittverfahren davon mit optimalen Parametercharakteristiken bzw. -kennlinien durch Vorsehen von optimalen Schneid- bzw. Schnittorientierungen eines Einkristallsubstrats zur Verwendung in den SAW-Einrichtungen.
HINTERGRUNDTECHNIK
In den kürzlich vergangenen Jahren ist die Nachfrage nach mobilen Kommunikationsterminals als ein drahtloses Kommunikationsmittel, wie z. B. ein Autotelefon, ein Mobiltelefon in einem Zug und auf der Straße, weltweit explosionsartig angestiegen. Um die mobile Kommunikation möglich zu machen, muss nicht nur das Netzwerksystem selbst, sondern müssen ebenfalls Terminals, um direkt mit Anwendern eine Schnittstelle zu bilden, eine kleine Größe, ein leichtes Gewicht, einen niedrigen Stromverbrauch und eine hohe Leistungsfähigkeit besitzen.
Tatsächlich sind Teile kleiner Größe, die in den Terminals verwendet werden, diejenigen, die zu der Größenreduzierung der mobilen Terminals beitragen. Im Besonderen werden SAW-Einrichtungen derzeit als Band-Pass-Filter, Resonatoren, Verzögerungsleitungen und Convolver bzw. Faltungseinrichtungen in einem breiten Bereich von HF- bzw. RF- und ZF-Anwendungen, z. B. drahtlose, zellulare Kommunikation und Kabel-TV, verwendet.
Im Allgemeinen ist die SAW eine Materialwelle, die durch Bewegungen von Teilchen in Anwesenheit von thermischen, mechanischen und elektrischen Kräften von außen erzeugt wird und nur im Festkörper oder einer Flüssigkeit existiert.
Grundsätzlich können Wellen in drei Arten eingeteilt werden: Longitudinalwellen, bei denen die Richtung der Wellenausbreitung parallel zu der Teilchenverschiebung ist, Transversalwellen, bei denen die Richtung der Wellenausbreitung senkrecht zu der Teilchenverschiebung (Oszillation) ist, und Scherwellen, die erhalten werden, indem man horizontale Vektoren und vertikale Vektoren addiert.
Das effektivste und allgemeinste Verfahren zum Erzeugen und Detektieren der SAW-Einrichtung aus einem piezoelektrischen Substrat ist das Herstellen von IDT-(InterDigital Transducer bzw. Interdigitalwandler)-Strukturen. Der IDT richtet Metallelektroden parallel auf dem piezoelektrischen Substrat auf und das Muster zu dieser Zeit ist ähnlich dem Zeitimpulsmuster.
Zumeist wird der IDT von jeder Elektrode durch Aluminiumabscheidung hergestellt und manchmal wird ebenfalls eine Aluminiumlegierung verwendet, um die Spannungs-Widerstand-Eigenschaft zu erhöhen. Ebenfalls wird Ti oder eine spezifische Legierung verwendet, um die Kontakteigenschaft von Aluminium zu verbessern. Im Allgemeinen liegt die Breite des verwendeten Aluminiums in einem Bereich von 0,5 μm bis 15 μm.
1 ist eine schematische perspektivische Ansicht einer SAW-Einrichtung der verwandten Technik.
Wie in 1 gezeigt ist, wenn eine alternierende Signalspannung an einen Eingangs-IDT 101 angelegt wird, wird ein elektrisches Feld zwischen anderen Nachbar-Elektroden mit unterschiedlicher Polarität erzeugt und ein piezoelektrischer Effekt wird auf der Oberfläche eines Substrats 104 erzeugt. Als ein Ergebnis wird die Oberfläche des Substrats 104 gewandelt bzw. transformiert und eine SAW breitet sich nach beiden Richtungen des Eingangs-IDT 101 aus.
2 ist ein schematisches Diagramm, das die Transformierung zeigt, die auf das Innere des piezoelektrischen Substrats aufgrund der SAW gemäß der verwandten Technik aufgebracht wird bzw. wirkt.
Wie in der Zeichnung dargestellt ist, wenn sich die SAW ausbreitet, wird das Substrat transformiert und die SAW wird in Form von mechanischer Energie übertragen.
Dann detektiert ein Ausgangs-IDT 102 auf der gegenüberliegenden Seite die Energie, wenn die SAW sich ausgebreitet hat, und zwar unter Verwendung des inversen piezoelektrischen Effekts, von wo die Energie zu jeder Elektrode gebildet wird.
Andererseits, um unnötige reflektive bzw. reflektierte Wellen zu blocken bzw. zu sperren, können beide Enden der Oberfläche des Substrats 104 mit einem akustischen Absorber 103 überzogen bzw. beschichtet sein.
Als akustischer Absorber kann Gummi, Silizium- bzw. Silikongel, photoempfindlicher Film oder Polyamid verwendet werden und die Form des Überzugs ist ebenfalls mannigfaltig.
Deshalb werden Charakteristiken bzw. Kennlinien der SAW-Einrichtung bestimmt durch Eingangs-/Ausgangs-IDT-Muster zum Wandeln von elektrischen Signalen in mechanische Energien oder mechanische Energien in elektrische Signale und dadurch, wie die Mustergrößen eingestellt werden.
Gewöhnlicherweise wird die SAW-Einrichtung mit dem obigen Aufbau als der Band-Pass-Filter verwendet. Diese Anwendung hat sich als sehr günstig herausgestellt, um Gewicht und Größe zu verringern, Zuverlässigkeit zu erhöhen und Strom- bzw. Leistungsverbrauch zu verringern. Typischerweise verwendete SAW-Filter sind transversale SAW-Filter mit zwei IDTs, die auf dem piezoelektrischen Substrat bei bzw. unter einem vorbestimmten Abstand angeordnet sind, Resonatorfilter, die mit einem Resonator auf dem piezoelektrischen Substrat angebracht sind, und Kombinationsfilter.
Um den SAW-Filter zu entwickeln, sollten Technologien, die beim Elektrodendesignen, Muster- bzw. Strukturbilden, SMD-Packen, Messen von HF-Charakteristiken bzw. -Kennlinien und Schaltungsdesignen zur Verwendung beim Impedanzanpassen organisch miteinander korreliert und systematisiert werden.
Im Allgemeinen werden Quarz, Lithiumniobat (LiNbO₃), ST-Quarz und Lithiumtantalat (LiTaO₃) verwendet, um das SAW-Einkristallsubstrat, das beim Muster- bzw. Strukturbilden für die SAW-Ausbreitung verwendet wird, herzustellen.
Da der SAW-Filter in großem Maße durch die Eigenschaften von denjenigen piezoelektrischen Einkristallsubstraten beeinflusst wird, die akustische Oberflächenwellen erzeugen und ausbreiten, ist es sehr wichtig, spezifische Orientierungen für unterschiedliche Eigenschaften aufzustellen und die Substrate demgemäß zu schneiden.
Die zu betrachtenden bzw. zu berücksichtigenden Eigenschaften sind SAW-Geschwindigkeit, SAW-Kopplungskoeffizient, Leistungsstromwinkel bzw. -flußwinkel (pfa), Beugungs- oder Strahlaufweitungskoeffizient, Y (Gamma) oder Temperaturkoeffizient der Verzögerung. Abhängig von diesen Eigenschaften kann oder kann nicht die SAW-Einrichtung Hochfrequenz bzw. Radiofrequenz erhalten. Besonders der Temperaturkoeffizient der Verzögerung der ersten Ordnung (tcd) unter anderen Eigenschaften ist sehr sensitiv für Frequenzveränderung und somit ist die Nützlichkeit der SAW-Einrichtung als ein Temperatursensor sehr hoch.
3 ist ein schematisches Diagramm einer SAW-Einrichtung der verwandten Technik, die als ein Temperatursensor bzw. -fühler verwendet wird.
Wie in 3 dargestellt ist, gibt es einen Eingangs-IDT und einen Ausgangs-IDT auf einem Einkristallsubstrat. Wenn eine Spannung an den Eingangs-IDT angelegt wird, werden elektrische Signale in mechanische Energien gewandelt und eine SAW breitet sich entlang dem Einkristallsubstrat aus. Hier, falls die Temperatur verändert wird, wird ebenfalls die Frequenz der sich auszubreitenden SAW verändert. Dann wird die SAW mit einer veränderten Frequenz, die nun in der Form von mechanischer Energie ist bzw. vorliegt, zurück in elektrische Signale bei dem Ausgangs-IDT gewandelt und daraus ausgegeben.
Die Frequenzen der Ausgangssignale werden durch einen Verstärker verstärkt und die verstärkten Signale werden drahtlos übertragen. Wenn die übertragenen Signale empfangen werden, werden die Frequenzen der Signale gemessen und Temperaturen entsprechend den Frequenzen werden detektiert (oder abgefühlt bzw. gesenst).
Das folgende Ergebnis wird erhalten durch Anwenden von Quarz-Eulerwinkeln des Einkristallsubstrats, d. h. ϕ = 0°, θ = 15,7° und ψ = 0°, an die SAW-Einrichtung.
Vs (km/s) = 3,948582, Vo (km/s) = 3,95077, K2 (%) = 0,1108, pfa (Grad) = 0, tcd (ppm/C) = 0,25181, tcd2 (1e-9/C^2) = –1,8167, loss_s (dB/λ) = 0,0003059 und loss_o (dB/λ) = 0,0003297.
Dabei sind Vs und Vo Phasengeschwindigkeiten für (kurz)geschlossene bzw. geöffnete (freie) Oberfläche, K2 ist der Kopplungskoeffizient, pfa ist der Leistungsstrom- bzw. Leistungsflußwinkel, tcd und tcd2 sind Temperaturkoeffizienten der Verzögerung der ersten bzw. zweiten Ordnung und loss_s und loss_o sind Ausbreitungsverluste für kurzgeschlossene bzw. geöffnete Oberfläche.
Andererseits, wird das folgende Ergebnis durch Anwenden von Lithiumtantalat-(LiTaO₃)-Eulerwinkel auf das Einkristallsubstrat erhalten, d. h. ϕ = 10°, θ = 23,6° und ψ = 78,8°, auf die SAW-Einrichtung.
Vs (km/s) = 2,969688, Vo (km/s) = 2,972704, K2 (%) = 0,2029, pfa (Grad) = 0,03048, tcd (ppm/C) = –0,06127 und tcd2 (1e-9/C^2) = –3,496.
Kurz gesagt, wenn die obigen Quarz-Substrat-Eulerwinkel oder Lithiumtantalat-Substrat-Eulerwinkel auf den Temperatursensor angewendet werden, obwohl die Eigenschaften nicht großen Veränderungen unterworfen sind, kann man nicht einen optimalen Temperaturkoeffizienten erhalten, der für die SAW-Einrichtung erforderlich ist, um als der Temperatursensor verwendet zu werden.
Deshalb ist es sehr wichtig, spezifische Orientierungen gemäß unterschiedlichen Materialeigenschaften des Einkristallsubstrats, nämlich Quarz-, Langasit- oder LithiumtantalatSubstrat einzustellen, wenn es auf die SAW-Einrichtung angewandt wird, und das Substrat demgemäß zu schneiden. Ebenfalls, falls die SAW-Einrichtung niedrigere Werte als gefordert besitzt, werden Leistungsfähigkeiten der SAW-Einrichtung folglich verschlechtert.
Im Hinblick auf den Stand der Technik wird auf die US-Patentschrift US 6 140 738 A hingewiesen, aus welcher eine akustische Oberflächenwellenanordnung bekannt ist. Diese weist eine Interdigital-Elektrode auf einer Oberfläche eines Substrats auf, wobei das Substrat ein zur Punktgruppe 32 gehörender Langasit-Einkristall ist. Dabei werden eine Kombination aus dem Schnittwinkel des aus dem Einkristall geschnittenen Substrats und die Ausbreitungsrichtung der akustischen Oberflächenwellen optimiert. Dies ermöglicht es, eine akustische Oberflächenwellenanordnung aus einem Substrat mit einem Temperaturkoeffizienten der SAW-Geschwindigkeit, TCV, dessen Absolutwert klein ist, einem großen elektromechanischen Kopplungsfaktor k² und einer niedrigen SAW-Geschwindigkeit zu erhalten.
Ferner ist aus der EP 0 704 967 A2 ist eine akustische Oberflächenwellenvorrichtung bekannt, welche folgendes aufweist: ein piezoelektrisches Substrat, das solche Schnittwinkel aufweist, dass das Substrat ein natürliches unidirektionales Einphasen-Wandlerverhalten aufweist; und eine direktionalitätsumgekehrte Elektrodenstruktur, die auf einer Oberfläche des piezoelektrischen Substrats ausgebildet ist und eine Basisstruktur aufweist, in der positive und negative Elektrodenfinger, die jeweils eine Breite von etwa λ/8 aufweisen, wobei λ eine Wellenlänge einer akustischen Oberflächenwelle ist, nacheinander mit einem Kantenabstand von etwa λ/8 angeordnet sind, und schwebende Elektrodenfinger, die jeweils eine Breite von etwa 3λ/8 aufweisen, mit einem Kantenabstand von etwa λ/8 in Bezug auf positive Elektrodenfinger angeordnet sind, worin λ eine Wellenlänge einer akustischen Oberflächenwelle ist und die positiven und negativen Elektrodenfinger an zwei Anschlüsse einer Signalquelle oder einer Last mit 180°-Phasendifferenz angeschlossen werden können.
OFFENBARUNG DER ERFINDUNG
Ein Ziel der Erfindung besteht darin, wenigstens die obigen Probleme und/oder Nachteile zu lösen und wenigstens die im Folgenden beschriebenen Vorteile vorzusehen.
Demzufolge besteht ein Ziel der vorliegenden Erfindung darin, die vorhergehenden Probleme zu lösen, indem man ein Einkristallsubstrat und ein Schneid- bzw. Schnittverfahren davon vorsieht, und zwar mit optimalen Parametereigenschaften, indem man optimale Schneid- bzw. Schnittorientierungen für Langasit-, Quarz- und Lithiumtantalat-Einkristallsubstraten zur Verwendung in der SAW-Einrichtung vorsieht.
Die vorhergehenden und weitere Ziele und Vorteile werden durch Vorsehen eines Einkristallsubstrats verwirklicht, das folgendes aufweist: ein Langasit-Substrat mit einer SAW-Ausbreitungsoberfläche; Eingangs- und Ausgangs-IDTs mit Elektroden auf der Oberfläche zum Starten bzw. Auslösen und/oder Detektieren von akustischen Oberflächenwellen, wobei eine Richtung der Oberflächenwellenausbreitung parallel zu einer X'-Achse ist, und wobei das Substrat ferner eine Z'-Achse normal zu der Oberfläche und eine Y'-Achse parallel zu der Oberfläche und senkrecht zu der X'-Achse besitzt, wobei das Langasit-Substrat eine Kristallorientierung definiert durch modifizierte Achsen X, Y und Z besitzt, wobei die relative Orientierung der Achsen X', Y' und Z' durch die Eulerwinkel ϕ, θ und ψ definiert ist bzw. wird, bei denen ϕ in einem Bereich von 8° ≤ ϕ ≤ 25° ist, θ in einem Bereich von 15° ≤ θ ≤ 30° ist, und ψ in einem Bereich von 55° ≤ ψ ≤ 85° ist, oder wobei ψ = 0°, θ in einem Bereich von 12° ≤ 0 ≤ 17° ist und ψ in einem Bereich von 73° ≤ ψ ≤ 78° ist.
Vorzugsweise sind die optimalen Eulerwinkel des Langasit ϕ = 10°, θ = 23,6° und ψ = 78,8°; oder ϕ = 0°, θ = 14,6° und ψ = 76,2°.
Ebenfalls weist ein Einkristallsubstrat folgendes auf: ein Quarz-Substrat mit einer SAW-Ausbreitungsoberfläche; und Eingangs- und Ausgangs-IDTs mit Elektroden auf der Oberfläche zum Auslösen bzw. Starten und/oder Detektieren von akustischen Oberflächenwellen, wobei eine Richtung der Oberflächenwellenausbreitung parallel zu einer X'-Achse ist, und das Substrat ferner eine Z'-Achse normal zu der Oberfläche und eine Y'-Achse parallel zu der Oberfläche und senkrecht zu der X'-Achse besitzt, wobei das Quarz-Substrat eine Kristallorientierung besitzt, die durch modifizierte Achsen X, Y und Z definiert ist, wobei die relative Orientierung der Achsen X', Y' und Z' durch Eulerwinkel ϕ, θ und ψ definiert ist, in denen ϕ in einem Bereich von –5° ≤ ϕ ≤ +5° ist, θ in einem Bereich von 60° ≤ θ ≤ 80° ist und ψ in einem Bereich von –5° ≤ ψ ≤ +5° ist, oder wobei ϕ gleich 0°, θ in einem Bereich von 17° ≤ θ ≤ 23° und ψ in einem Bereich von 10° ≤ ψ ≤ 20° ist.
Vorzugsweise sind die optimalen Eulerwinkel des Quarz ϕ = 0°, θ = 70,5° und ψ = 0°; oder ϕ = 0°, θ = 20° und ψ = 13,7°.
Ebenfalls weist ein Einkristallsubstrat folgendes auf: ein Lithiumtantalat-Substrat mit einer SAW-Ausbreitungsoberfläche; und Eingangs- und Ausgangs-IDTs mit Elektroden auf der Oberfläche zum Auslösen bzw. Starten und/oder Detektieren von akustischen Oberflächenwellen, wobei eine Richtung der Oberflächenwellenausbreitung parallel zu einer X'-Achse ist, und das Substrat ferner eine Z'-Achse normal zu der Oberfläche und eine Y'-Achse parallel zu der Oberfläche und senkrecht zu der X'-Achse besitzt, wobei das Lithiumtantalat-Substrat eine Kristallorientierung besitzt, die durch modifizierte Achsen X, Y und Z definiert wird, wobei die relative Orientierung der Achsen X', Y' und Z' durch Eulerwinkel ϕ, θ und ψ definiert wird, in denen ϕ in einem Bereich von –5° ≤ ϕ ≤ +5° ist, θ in einem Bereich von 70° ≤ θ ≤ 90° ist und ψ in einem Bereich von 85° ≤ ψ ≤ 95° ist, oder wobei ϕ in einem Bereich von –5° ≤ ϕ ≤ +5° ist, θ in einem Bereich von 160° ≤ θ ≤ 180° ist und ψ in einem Bereich von 85° ≤ ψ ≤ 95° ist, oder wobei ϕ in einem Bereich von –5° ≤ ϕ ≤ +5° ist, θ in einem Bereich von 20° ≤ θ ≤ 40° ist und ψ in einem Bereich von 5° ≤ ψ ≤ 25° ist.
Vorzugsweise sind die optimalen Eulerwinkel des Lithiumtantalats ϕ = 0°, θ = 79° und ψ = 90°; ϕ = 0°, θ = 168° und ψ = 90°; oder ϕ = 0°, θ = 30° und ψ = 16,5°.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung weist ein Verfahren zum Schneiden eines Einkristallsubstrats folgende Schritte auf:

(a) Definieren einer Kristallorientierung auf der Grundlage von modifizierten Achsen X, Y und Z für die Oberfläche des Einkristallsubstrats, an bzw. auf der bzw. dem sich die akustischen Oberflächenwellen ausbreiten;
(b) Definieren von X', Y' und Z'-Achsen auf dem Einkristallsubstrat, in dem eine Richtung der Oberflächenwelle der Ausbreitung parallel zur X'-Achse ist und die Z'-Achse normal zu der Oberflächenwelle und die Y'-Achse parallel zu der Oberfläche und normal zu der X'-Achse ist;
(c) Definieren der X', Y' und Z'-Achsen, die bei (b) definiert wurden, als relative Orientierungs-Eulerwinkel von Kristallen, ϕ, θ und ψ; und
(d) Einstellen eines Bereichs von ϕ, θ und ψ, die bei (c) definiert wurden, in einen optimalen Bereich.

Vorzugsweise ist das Einkristallsubstrat ein Langasit-Substrat, ein Quarz-Substrat oder ein Lithiumtantalat-Substrat.
Zusätzliche Vorteile, Ziele und Merkmale der Erfindung werden teils in der folgenden Beschreibung ausgeführt werden und werden teils Durchschnittsfachleuten auf eine Prüfung des Folgenden hin offenbar werden oder können von einer Ausübung der Erfindung erfahren werden. Die Ziele und Vorteile der Erfindung können realisiert und erreicht werden, wie besonders in den beigefügten Patentansprüchen hervorgehoben ist.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die Erfindung wird im Detail unter Bezugnahme auf die folgenden Zeichnungen beschrieben, in denen gleichartige Bezugszeichen gleichartige Elemente bezeichnen. In den Zeichnungen:
1 ist eine schematische perspektivische Ansicht einer SAW-Einrichtung der verwandten Technik;
2 ist schematisches Diagramm, das die Transformierung, die auf das Innere des piezoelektrischen Substrats aufgrund von akustischen Oberflächenwellen der verwandten Technik aufgebracht bzw. bewirkt wird, darstellt;
3 ist ein schematisches Diagramm einer SAW-Einrichtung der verwandten Technik, die als Temperatursensor verwendet wird;
<Ausführungsbeispiel 1: Langasit-Substrat>
4 ist eine Konturkarte von pfa, wenn der Eulerwinkel ϕ = 10° in einem Langasitsubstrat der SAW-Einrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
5 ist eine Konturkarte von tcd wenn der Eulerwinkel ϕ = 10° in dem Langasit-Substrat der SAW-Einrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
6 ist Flussdiagramm, das ein Simulationsverfahren eines Einkristallsubstrats einer SAW-Einrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung darstellt.
7 stellt Temperaturabhängigkeiten für Eulerwinkel (10°, 23,6° und 78,8°) in dem Langasit-Substrat der SAW-Einrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung dar;
8 stellt Temperaturabhängigkeiten für Eulerwinkel (0°, 138,5° und 26,6°) in einem Langasit-Substrat der SAW-Einrichtung der verwandten Technik dar;
9 ist eine Konturkarte des Ausbreitungsverlustes für LGS PSAW, wenn der Eulerwinkel ϕ = 0° im Langasit-Substrat der SAW-Einrichtung gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
<Ausführungsbeispiel 2: Quarz-Substrat>
10 zeigt eine Beziehung zwischen dem Kopplungskoeffizienten (K2) und dem Temperaturkoeffizienten der Verzögerung der ersten Ordnung (tcd) dar, wenn die Eulerwinkel ϕ = 0°, θ = θ° (θ° bezeichnet einen beliebigen Winkel) und ψ = 0° in einem Quarz-Substrat der SAW-Einrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
11 zeigt eine Beziehung zwischen der Phasengeschwindigkeit für eine geöffnete Oberfläche (Vo) und dem Temperaturkoeffizienten der Verzögerung zweiter Ordnung (tcd2) dar, wenn die Eulerwinkel ψ = 0°, θ = θ° (θ° bezeichnet einen beliebigen Winkel) und ψ = 0° in dem Quarz-Substrat der SAW-Einrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
12 zeigt eine Abhängigkeit einer Frequenz von einer Temperatur, wenn die Eulerwinkel ϕ = 0°, θ = 70,5° und ψ = 0° in dem Quarz-Substrat der SAW-Einrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
13 stellt einen minimalen Ausbreitungsverlust dar, wenn die Eulerwinkel ϕ = 0°, θ = 20° und ψ = 13,7° in dem Quarz-Substrat der SAW-Einrichtung gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
<Ausführungsbeispiel 3: Lithiumtantalat-Substrat>
14 zeigt eine Beziehung zwischen dem Kopplungskoeffizienten (K2) und dem Temperaturkoeffizienten der Verzögerung der ersten Ordnung (tcd), wenn die Eulerwinkel ϕ = 0°, θ = θ° (θ° bezeichnet einen beliebigen Winkel) und ψ = 90° in einem Lithiumtantalat-Substrat der SAW-Einrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
15 zeigt eine Beziehung zwischen der Phasengeschwindigkeit für eine geöffnete Oberfläche (Vo) und dem Temperaturkoeffizienten der Verzögerung zweiter Ordnung (tcd2), wenn die Eulerwinkel ϕ = 0°, θ = θ° (θ° bezeichnet einen beliebigen Winkel) und ψ = 90° in dem Lithiumtantalat-Substrat der SAW-Einrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
16 zeigt die Abhängigkeit einer Frequenz von einer Temperatur, wenn die Eulerwinkel ψ = 0°, θ = 79° und ψ = 90° in dem Lithiumtantalat-Substrat der SAW-Einrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
17 zeigt eine Beziehung zwischen dem Kopplungskoeffizienten (K2) und dem Temperaturkoeffizienten der Verzögerung erster Ordnung (tcd) wenn die Eulerwinkel ϕ = 0°, θ = θ° (θ° bezeichnet einen beliebigen Winkel) und ψ = 90° in einem Lithiumtantalat-Substrat der SAW-Einrichtung gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
18 zeigt eine Beziehung zwischen der Phasengeschwindigkeit für eine geöffnete Oberfläche (Vo) und dem Temperaturkoeffizienten der Verzögerung zweiter Ordnung (tcd2), wenn die Eulerwinkel ψ = 0°, θ = θ° (θ° bezeichnet einen beliebigen Winkel) und ψ = 90° in dem Lithiumtantalat-Substrat der SAW-Einrichtung gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
19 zeigt eine Abhängigkeit einer Frequenz von einer Temperatur, wenn die Eulerwinkel ϕ = 0°, θ = 168° und ψ = 90° in dem Lithiumtantalat-Substrat der SAW-Einrichtung gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
20 stellt eine Beziehung zwischen dem Kopplungskoeffizienten (K2) und dem Temperaturkoeffizienten der Verzögerung erster Ordnung (tcd) dar, wenn die Eulerwinkel ϕ = 0°, θ = 30° und ψ = ψ° (ψ° bezeichnet einen beliebigen Winkel) in einem Lithiumtantalat-Substrat der SAW-Einrichtung gemäß einem noch weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
21 zeigt eine Beziehung zwischen der Phasengeschwindigkeit für eine geöffnete Oberfläche (Vo) und dem Temperaturkoeffizienten der Verzögerung zweiter Ordnung (tcd2), wenn die Eulerwinkel ϕ = 0°, θ = 30° und ψ = ψ° (ψ° bezeichnet einen beliebigen Winkel) in dem Lithiumtantalat-Substrat der SAW-Einrichtung gemäß einem noch weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
22 ist eine Konturkarte von pfa, wenn die Eulerwinkel ϕ = 0°, θ = 30° und ψ = ψ° (ψ° bezeichnet einen beliebigen Winkel) in dem Lithiumtantalat-Substrat der SAW-Einrichtung gemäß einem noch weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
23 zeigt die Abhängigkeit einer Frequenz von einer Temperatur, wenn die Eulerwinkel ϕ = 0°, θ = 30° und ψ = 16,5° in dem Lithiumtantalat-Substrat der SAW-Einrichtung gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung; und
24 ist ein erläuterndes Diagramm von Eulerwinkeln der verwandten Technik.
BESTE ART ZUM AUSFÜHREN DER ERFINDUNG
Die folgende detaillierte Beschreibung wird ein Einkristallsubstrat und ein Schneide- bzw. Schnittverfahren davon gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen vorstellen.
<Ausführungsbeispiel 1>
4 ist eine Konturkarte von pfa, wenn der Eulerwinkel ϕ = 10° in einem Langasit-Substrat der SAW-Einrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, und 5 ist eine Konturkarte von tcd, wenn der Eulerwinkel ϕ = 10° ist.
Wie in den Zeichnungen dargestellt ist, sind diejenigen Punkte, in denen pfa und tcd gleichzeitig gleich Null sind, ungefähr θ = 23,6° und ψ = 78,8°.
6 ist ein Flussdiagramm, das ein Simulationsverfahren eines Einkristallsubstrats einer SAW-Einrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung darstellt.
Unter Bezugnahme auf 6 ist das Simulationsverfahren bzw. -prozeß des Einkristallsubstrats wie unten beschrieben. Der Anwender gibt zuerst Material- und Temperaturkonstanten des Kristalls, Temperatur, Suchbereiche und Eulerwinkel ein (S11).
Der Anwender transformiert dann die Konstanten von dem kristallographischen Koordinatensystem zu dem Arbeitskoordinatensystem (S12). Danach sucht der Anwender Lösungen einer Dispersionsgleichung für die Bulk- bzw. Innen-Wellen, d. h. V_S1, V_S2, V₁ (S13).
Als nächstes stellt der Anwender dann die Geschwindigkeits- und Dämpfungs- bzw. Abschwächungsanfangswerte (S14) ein und bildet die Dispersionsgleichung (S15).
Die Dispersionsgleichung wird als eine Gleichung für Wurzeln β gebildet (S16). Der Anwender berechnet dann die Wurzeln von βⁱ (S17).
Unter den berechneten Wurzeln wählt der Anwender eine Wurzel von Im βⁱ < 0 aus, die äquivalent zu y von den komplexen Wurzeln von x + jy ist (S18).
Darauffolgend berechnet der Anwender ein Quadrat eines Absolutwerts der Randbedingungsfunktion (S19). Danach bestimmt der Anwender, ob oder ob nicht das berechnete Quadrat eines Absolutwertes der Randbedingungsfunktion ein minimaler Wert ist (S20).
Dabei, falls er ein minimaler Wert ist, berechnet der Anwender die Hauptcharakteristiken bzw. -kennlinien der Welle (S21). Und das Simulationsverfahren des Einkristallsubstrats einer SAW-Einrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung endet. Falls er es nicht ist, verändert der Anwender die Werte der Geschwindigkeit und Dämpfung bzw. Abschwächung (S22) und wiederholt die Schritte S14 bis S20.
Die folgenden sind die Ergebnisse der Hauptcharakteristiken der gemäß dem Simulationsprozess, wie in 6 gezeigt, berechneten Welle bezüglich der Eulerwinkel (10°, 23,6°, 78,8°).
Eine exaktere Berechnung durch die Simulation der Eulerwinkel ergibt das folgende Ergebnis für jeden Parameter, wobei gegeben ist, dass die Eulerwinkel ϕ = 10°, θ = 23,6° und ψ = 78,8° sind. Vs (km/s) = 2,969688, Vo (km/s) = 2,972704, K2 (%) = 0,2029, pfa (Grad) = 0,03048, tcd (ppm/C) = –0,06127 und tcd2 (1e-9/C^2) = –3,496.
Dabei sind Vs und Vo Phasengeschwindigkeiten für kurzgeschlossene bzw. geöffnete (freie) Oberfläche, K2 ist der Kopplungskoeffizient, pfa ist der Power- bzw. Leistungsstromwinkel bzw. -flusswinkel, tcd und tcd2 sind die Temperaturkoeffizienten der Verzögerung erster bzw. zweiter Ordnung.
Hier ist es besser, ein hohes optimales K2 zu haben und optimale Werte für pfa, tcd und tcd2 sind vorzugsweise nahe bei Null. Vs und Vo haben andererseits unterschiedliche optimale Werte abhängig von den Fällen. Und dies beruht darauf, dass Vs- und Vo-Werte verändert werden, wenn eine gewünschte bzw. erforderliche Frequenz gemäß f = v/λ fixiert wird, wobei f, v und λ Frequenz, Geschwindigkeit bzw. Wellenlänge der Welle ist.
Jedoch, da es sehr schwierig ist, alle erforderlichen optimalen Werte für die Parameter zu erfüllen, werden gewöhnlicherweise ungefähr optimale Werte verwendet. Die besten Bereiche der Eulerwinkel sind 8° ≤ ϕ ≤ 25°, 15° ≤ θ ≤ 30° und 55° ≤ ψ ≤ 85°.
7 stellt Temperaturabhängigkeiten für Eulerwinkel (10°, 23,6° und 78,8°) in dem Langasit-Substrat der SAW-Einrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung dar und 8 stellt Temperaturabhängigkeiten für Eulerwinkel (0°, 138,5° und 26,6°) in dem Langasit-Substrat der SAW-Einrichtung der verwandten Technik dar.
Wenn man die 7 und 8 vergleicht, findet man, dass Temperaturabhängigkeiten für die Langasit-Eulerwinkel stabil sind.
Deshalb, innerhalb der vorgeschlagenen Orientierungsgruppen, ist es immer möglich, ähnliche Werte für andere zwei Winkel für irgendwelche Orientierungen zu linden. Ebenfalls ist die Kombination der zwei Werte besser, um Temperaturstabilität zu verbessern und Einsatzverluste bzw. Verluste des Einsetzens zu verringern.
9 ist eine Konturkarte des Ausbreitungsverlustes für LGS SAW, wenn der Eulerwinkel ϕ = 0° in dem Langasit-Substrat der SAW-Einrichtung gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
Wie in der Zeichnung dargestellt ist, wird der minimale Verlust erhalten, wenn der Eulerwinkel θ = 0°, θ = 14,6° und ψ = 76,2° ist.
Gemäß den aus der Simulation erhaltenen Parameter-Werten unter Verwendung der Eulerwinkel (0°, 14,6°, 76,2°) gilt Vs (km/s) = 3,402727, Vo (km/s) = 3,04514, K2 (%) = 0,1585, pfa (Grad) = –4,556, tcd (ppm/C) = 30,176, tcd2 (1e-9/C^2) = 51,942, loss_s (dB/λ) = 0,0006225 und loss_o (dB/λ) = 2,19E-05. Dabei sind Vs und Vo Phasengeschwindigkeiten für kurzgeschlossene bzw. geöffnete (freie) Oberfläche, K2 ist der Kopplungskoeffizient, pfa ist der Leistungsflusswinkel bzw. Leistungsstromwinkel, tcd und tcd2 sind Temperaturkoeffizienten der Verzögerung erster bzw. zweiter Ordnung und loss_s und loss_o sind Ausbreitungsverluste für kurzgeschlossene bzw. geöffnete Oberfläche.
Als solches besitzt das Langasit-Einkristallsubstrat auf der SAW-Einrichtung einen niedrigeren Verlust und einen hohen Kopplungskoeffizienten und zeigt gute Temperaturstabilitäten in einem breiten Bereich von Arbeitstemperaturen.
Jedoch, da es sehr schwierig ist, alle geforderten optimalen Werte für die Parameter zu erfüllen, werden gewöhnlicherweise ungefähr optimale Werte verwendet. Die besten Bereiche von Eulerwinkel sind ϕ = 0°, 12° ≤ θ ≤ 17° und 73° ≤ ψ ≤ 78°.
<Ausführungsbeispiel 2>
10 zeigt eine Beziehung zwischen dem Kopplungskoeffizienten (K2) und dem Temperaturkoeffizienten der Verzögerung erster Ordnung (tcd), wenn die Eulerwinkel ϕ = 0°, θ = θ° (θ° bezeichnet einen beliebigen Winkel) und ψ = 0° in einem Quarz-Substrat der SAW-Einrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, und 11 zeigt eine Beziehung zwischen der Phasengeschwindigkeit (Vo) und dem Temperaturkoeffizienten der Verzögerung zweiter Ordnung (tcd2), wenn Eulerwinkel ψ = 0°, θ = θ° (θ° bezeichnet einen beliebigen Winkel) und ψ = 0°.
Wie in den 10 und 11 dargestellt ist, entspricht der Maximalwert des Kopplungskoeffizienten dem Fall, dass der Eulerwinkel θ ≈ 70°.
Gemäß den von der Simulation erhaltenen Parameter-Werten unter Verwendung der Eulerwinkel (0°, 70,5°, 0°), gilt Vs (km/s) = 3,205561, Vo (km/s) = 3,208859, K2 (%) = 0,2056, pfa (Grad) = 0, tcd (ppm/C) = –27,78, tcd2 (1e-9/C^2) = 2,5308 und Gamma = 1,214.
Um die SAW-Einrichtung als einen Temperatursensor zu verwenden, und um ihre Anwendbarkeit und Nützlichkeit zu erhöhen, sollten der Kopplungskoeffizient und der Temperaturkoeffizient der Verzögerung erster Ordnung groß sein, der Temperaturkoeffizient der Verzögerung zweiter Ordnung und pfa (Leistungsstromwinkel) sollten nahe bei Null sein und der Gamma-Wert sollte nahe bei –1 sein.
12 zeigt die Abhängigkeit einer Frequenz von einer Temperatur, wenn die Eulerwinkel ϕ = 0°, θ = 70,5° und ψ = 0° im Quarz-Substrat der SAW-Einrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
Jedoch hat das Quarz-Einkristallsubstrat auf der SAW-Einrichtung nicht optimale Parameter-Werte, wie gefordert ist, so dass gewöhnlicherweise ungefähr bzw. näherungsweise optimale Werte verwendet werden. Die besten Bereiche der Eulerwinkel sind –5° ≤ ϕ ≤ +5°, 60° ≤ θ ≤ 80° und –5° ≤ ψ ≤ +5°.
13 stellt einen minimalen Ausbreitungsverlust für eine geöffnete (freie) Oberfläche dar, wenn Eulerwinkel ϕ = 0°, θ = 20° und ψ = 13,7° in dem Quarz-Substrat der SAW-Einrichtung gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
Wie in 13 dargestellt ist, wird der minimale Verlust erhalten, wenn der Eulerwinkel ϕ = 0° entspricht.
Ebenfalls gemäß den von der Simulation enthaltenen Parameter-Werten unter Verwendung der Eulerwinkel (0°, 20°, 13,7°), gilt Vs (km/s) = 3,861097, Vo (km/s) = 3,86422, K2 (%) = 0,1618, pfa (Grad) = –4,812, tcd (ppm/C) = 4,4367, tcd2 (1e-9/C^2) = –22,03, loss_s (dB/λ) = 0,0001331 und loss_o (dB/λ) = 7,50E-06.
Als solches besitzt das Quarz-Einkristallsubstrat auf der SAW-Einrichtung einen niedrigeren Verlust und einen hohen Kopplungskoeffizient verglichen mit der SAW-Einrichtung der verwandten Technik. Obwohl die pfa- und tcd-Werte etwas schlechter als die SAW-Einrichtung der verwandten Technik sind, haben sie überhaupt nicht einen großen Einfluss auf die Leistungsfähigkeiten der Einrichtung.
Jedoch, da es sehr schwierig ist, alle die geforderten optimalen Werte für die Parameter zu erfüllen, werden gewöhnlicherweise ungefähr bzw. näherungsweise optimale Werte verwendet. Die besten Bereiche von Eulerwinkeln sind ϕ = 0°, 17° ≤ θ ≤ 23° und 10° ≤ ψ ≤ 20°.
<Ausführungsbeispiel 3>
14 zeigt eine Beziehung zwischen dem Kopplungskoeffizienten (K2) und dem Temperaturkoeffizienten der Verzögerung erster Ordnung (tcd), wenn Eulerwinkel ϕ = 0°, θ = θ° (θ° bezeichnet einen beliebigen Winkel) und ψ = 90° in einem Lithiumtantalat-Substrat der SAW-Einrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, und 15 zeigt eine Beziehung zwischen der Phasengeschwindigkeit (Vo) und dem Temperaturkoeffizienten der Verzögerung zweiter Ordnung (tcd2), wenn die Eulerwinkel ϕ = 0°, θ = θ° (θ° bezeichnet einen beliebigen Winkel) und ψ = 90°.
Wie in den 14 und 15 dargestellt ist, entspricht der Maximum-Wert des Kopplungskoeffizienten, der von dem Temperaturkoeffizienten der Verzögerung erster und zweiter Ordnung abhängig ist, einem Fall, wenn θ = 79°.
Gemäß von der Simulation erhaltenen Parameter-Werten unter Verwendung der Eulerwinkel (0°, 79°, 90°), gilt Vs (km/s) = 3,247331, Vo (km/s) = 3,26343, K2 (%) = 0,9867, pfa (Grad) = 0, tcd (ppm/C) = 32,833, tcd2 (1e-9/C^2) = –19,419 und Gamma = –0,4199.
Um die SAW-Einrichtung als einen Temperatursensor zu verwenden und ihre Anwendbarkeit und Nützlichkeit zu erhöhen, sollten der Kopplungskoeffizient und der Temperaturkoeffizient der Verzögerung erster Ordnung groß sein, der Temperaturkoeffizient der Verzögerung zweiter Ordnung und pfa (Leistungsstromwinkel) sollte nahe bei Null sein, und der Gamma-Wert sollte nahe bei –1 sein.
16 zeigt die Abhängigkeit einer Frequenz von einer Temperatur, wenn die Eulerwinkel ϕ = 0°, θ = 79° und ψ = 90° in dem Lithiumtantalat-Substrat der SAW-Einrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
Jedoch hat das Lithiumtantalat-Einkristallsubstrat auf der SAW-Einrichtung nicht, wie erforderlich, die optimalen Parameter-Werte, so dass gewöhnlicherweise ungefähr optimale Werte verwendet werden. Die besten Bereiche der Eulerwinkel sind –5° ≤ ϕ ≤ +5°, 70° ≤ θ ≤ 90° und 85° ≤ ψ ≤ 95°.
17 zeigt eine Beziehung zwischen dem Kopplungskoeffizienten (K2) und dem Temperaturkoeffizienten der Verzögerung erster Ordnung (tcd), wenn die Eulerwinkel ϕ = 0°, = θ° (θ° bezeichnet einen beliebigen Winkel) und ψ = 90° in einen Lithiumtantalat-Substrat auf der SAW-Einrichtung gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, und 18 zeigt eine Beziehung zwischen der Phasengeschwindigkeit (Vo) und dem Temperaturkoeffizienten der Verzögerung zweiter Ordnung (tcd2), wenn die Eulerwinkel ϕ = 0°, θ = θ° (θ° bezeichnet einen beliebigen Winkel) und ψ = 90°.
Wie in den 17 und 18 dargestellt ist, entspricht der Maximum-Wert des Kopplungskoeffizienten, der von dem Temperaturkoeffizienten der Verzögerung erster und zweiter Ordnung abhängig ist, einem Fall, wenn θ = 168°.
Gemäß den von der Simulation erhaltenen Parameter-Werten unter Verwendung der Eulerwinkel (0°, 168°, 90°), gilt Vs (km/s) = 3,360127, Vo (km/s) = 3,383842, K2 (%) = 1,402, pfa (Grad) = 0, tcd (ppm/C) = 75,33, tcd2 (1e-9/C^2) = 0,78342 und Gamma = –1,113.
Um die SAW-Einrichtung als einen Temperatursensor zu verwenden und um ihre Anwendbarkeit und Nützlichkeit zu erhöhen, sollten der Kopplungskoeffizient und der Temperaturkoeffizient der Verzögerung erster Ordnung groß sein, der Temperaturkoeffizient der Verzögerung zweiter Ordnung und pfa (Leistungsstromwinkel) sollten nahe bei null sein und der Gamma-Wert sollte nahe bei –1 sein.
19 zeigt die Abhängigkeit einer Frequenz von einer Temperatur, wenn die Eulerwinkel ϕ = 0°, θ = 168° und ψ = 90° in dem Lithiumtantalat-Substrat der SAW-Einrichtung gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
Jedoch hat das Lithiumtantalat-Einkristallsubstrat auf der SAW-Einrichtung dieses Ausführungsbeispiels nicht, wie erforderlich, optimale Parameter-Werte, so dass gewöhnlicherweise ungefähr optimale Werte verwendet werden. Die besten Bereiche der Eulerwinkel sind –5°≤ ϕ ≤ +5°, 160° ≤ θ ≤ 180° und 85° ≤ ψ ≤ 95°.
20 stellt eine Beziehung zwischen dem Kopplungskoeffizienten (k2) und dem Temperaturkoeffizienten der Verzögerung erster Ordnung (tcd) dar, wenn die Eulerwinkel ϕ = 0°, θ = 30° und ψ = ψ° (ψ° bezeichnet einen beliebigen Winkel) in einem Lithiumtantalat-Substrat der SAW-Einrichtung gemäß einem noch weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, und 21 zeigt eine Beziehung zwischen der Kopplungsphasengeschwindigkeit (Vo) und dem Temperaturkoeffizienten der Verzögerung zweiter Ordnung (tcd2), wenn die Eulerwinkel ϕ = 0°, θ = 30° und ψ = ψ° (ψ° bezeichnet einen beliebigen Winkel).
Wie in den 20 und 21 gezeigt ist, entspricht der maximale Kopplungskoeffizient einem Fall, wenn ψ = 16,5°.
22 ist eine Konturkarte von pfa, wenn die Eulerwinkel ϕ = 0°, θ = 30° und ψ = ψ° (ψ° bezeichnet einen beliebigen Winkel) in dem Lithiumtantalat-Substrat der SAW-Einrichtung gemäß einem noch weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
Wie in 22 dargestellt ist, ist der pfa-Wert bei ϕ = 0° und θ = 30° nahe bei Null, wenn ψ = 16,5°.
Gemäß von der Simulation erhaltenen Parameterwerten unter Verwendung der Eulerwinkel (0°, 30°, 16,5°) gilt, Vs (km/s) = 3,387511, Vo (km/s) = 3,418243, K2 (%) = 1,789, pfa (Grad) = 0,1585, tcd (ppm/C) = 70,869, tcd2 (1e-9/C^2) = –13,278 und Gamma 1,873.
Um die SAW-Einrichtung als einen Temperatursensor zu verwenden und um ihre Anwendbarkeit und Nützlichkeit zu erhöhen, sollte der Kopplungskoeffizient und der Temperaturkoeffizient der Verzögerung erster Ordnung groß sein, der Temperaturkoeffizient der Verzögerung zweiter Ordnung und pfa (Leistungsstromwinkel) sollte nahe bei Null sein und der Gamma-Wert sollte nahe bei –1 sein.
23 ist ein Graph, der die Abhängigkeit einer Frequenz von einer Temperatur zeigt, wenn die Eulerwinkel ϕ = 0°, θ = 30° und ψ = 16,5° in dem Lithiumtantalat-Substrat der SAW-Einrichtung gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
Jedoch hat das Lithiumtantalat-Einkristallsubstrat der SAW-Einrichtung nicht, wie erforderlich, optimale Parameterwerte, so dass gewöhnlicherweise ungefähr optimale Werte verwendet werden. Die besten Bereiche der Eulerwinkel sind –5° ≤ ϕ ≤ +5°, 20° ≤ θ ≤ 40° und 5° ≤ ψ ≤ 25°.
Das Folgende wird die Eulerwinkel erklären.
24 ist ein Diagramm, das die Eulerwinkel der verwandten Technik erklärt.
Wie in der Zeichnung dargestellt ist, ist angenommen, dass die Richtung der SAW-Ausbreitung parallel zur X'-Achse ist und eine Wafer(-Substrat)-Kontur ist auf einer Oberfläche parallel zu der Z'-Achse gezeichnet bzw. gezogen. Als solche ist die Richtung der Wellenausbreitung parallel zu einer Kante des Wafers, die senkrecht zu der X'-Achse ist bzw., d. h. senkrecht zu der X'-Achse.
Man setzt voraus, dass modifizierte Achsen X, Y und Z mit den Wafer-Umriss- bzw. -Kontur-Achsen X', Y' bzw. Z' zusammenfallen. Bei keiner Drehung wird der Wafer als Z-geschnitten angesehen, d. h. der Wafer ist mit der polierten Oberfläche normal zu der Z-Achse geschnitten, und die SAW breitet sich in der Richtung parallel zu der X-Achse aus.
Bei irgendeiner darauffolgenden Drehung werden die Wafer-Achsen X', Y' und Z' gedreht und die modifizierten Achsen X, Y und Z werden als fixiert angenommen. Zum Beispiel nimmt man an, dass die Eulerwinkel (ϕ, θ, ψ) = (0°, 135°, 28°), was ein Fall in der Nähe der Mitte des bezeichneten Bereichs ist. Dann würde die erste Drehung um die Z'-Achse (X' zu Y' hin) um ϕ stattfinden. Da ϕ = 0°, gibt es keine Drehung für diesen Fall.
Die nächste Drehung findet um die 'neue' X' statt. Hier sind die neuen Achsen immer mit dem Wafer gekoppelt, so dass irgendeine Drehung um eine Wafer-Achse stattfindet, die alle vorhergehenden Drehungen um θ umfasst.
Schließlich findet eine Drehung um Z' (X' zu Y' hin) um ψ statt, nämlich 28° für diesen Fall. Die Wafer-Achsen X', Y' und Z' sind definiert als relative Orientierungs-Eulerwinkel ϕ, θ, ψ.
Deshalb, innerhalb der vorgeschlagenen Orientierungsgruppen, ist es immer möglich, ähnliche Werte für andere zwei Winkel für irgendwelche Orientierungen zu finden. Ebenfalls ist die Kombination der zwei Werte bevorzugt, um Parameter-Charakteristiken bzw. -Kennlinien zu verbessern.
Gewerbliche Anwendbarkeit
Als Schlussfolgerung kann das Einkristallsubstrat und das Schneidverfahren davon vorteilhafterweise zum Erhalten von optimalen Parameter-Charakteristiken verwendet werden, und zwar durch Anwenden von optimalen SAW-Orientierungen des Einkristall-Lanthan-Galliumsilikats (La₃Ga₅SiO₁₄), das Langasit genannt wird, der SAW-Einrichtung.
Optimale Parameter-Charakteristiken können ebenfalls erhalten werden durch Anwenden von optimalen Schneidorientierungen des Quarz-Einkristallsubstrats, eines der Einkristallsubstrate, die in der SAW-Einrichtung verwendet werden.
Dasselbe Ergebnis kann durch Anwenden von optimalen Schneidorientierungen erhalten werden, um Lithiumtantalat (LiTaO₃) zu verwenden, eines der Einkristallsubstrate, die in der SAW-Einrichtung verwendet werden.
Ebenfalls wird das Einkristallsubstrat, z. B. in einem SAW-Filter und einem Sensor unter Verwendung von SAW, verwendet.

Claims

Ein Einkristallsubstrat, das folgendes aufweist: ein Langasit-Substrat mit einer SAW-Ausbreitungsoberfläche; und Eingangs- und Ausgangs-IDTs mit Elektroden auf der Oberfläche zum Auslösen und/oder Detektieren von akustischen Oberflächenwellen, wobei eine Richtung der Oberflächenwellenausbreitung parallel zu einer X'-Achse ist, und das Substrat ferner eine Z'-Achse senkrecht zu der Oberfläche und eine Y'-Achse parallel zu der Oberfläche und senkrecht zu der X'-Achse besitzt, wobei das Langasit-Substrat eine Kristallorientierung definiert durch modifizierte Achsen X, Y und Z besitzt, wobei die relative Orientierung der Achsen X', Y' und Z' durch Eulerwinkel ϕ, θ und ψ definiert ist, wobei ϕ 0° ist, θ in einem Bereich von 12° ≤ θ ≤ 17° ist und ψ in einem Bereich von 73° ≤ ψ ≤ 78° ist.
Das Einkristallsubstrat nach Anspruch 1, wobei optimale Eulerwinkel des Langasits ϕ = 0°, θ = 14,6° und ψ = 76,2° sind.
Das Einkristallsubstrat nach Anspruch 2, wobei das Langasit-Substrat für eine SAW-Einrichtung als Temperatursensor ist, wobei ein Kopplungskoeffizient (K2) = 0,1585% ist, wobei ein Temperaturkoeffizient (tcd) der Verzögerung erster Ordnung 30,176 ppm/C ist, wobei ein Temperaturkoeffizient (tcd2) der Verzögerung zweiter Ordnung 51,942 1e-9/C^2 ist, und wobei pfa (Leistungsflusswinkel) –4,556 Grad ist.
Ein Einkristallsubstrat das folgendes aufweist: ein Quarz-Substrat mit einer SAW-Ausbreitungsoberfläche; und Eingangs- und Ausgangs-IDTs mit Elektroden auf der Oberfläche zum Auslösen und/oder Detektieren von akustischen Oberflächenwellen, wobei eine Richtung der Oberflächenwellenausbreitung parallel zu einer X'-Achse ist, und das Substrat ferner eine Z'-Achse senkrecht zu der Oberfläche und eine Y'-Achse parallel zu der Oberfläche und senkrecht zu der X'-Achse besitzt, wobei das Quarz-Substrat eine Kristallorientierung besitzt, die durch modifizierte Achsen X, Y und Z definiert ist, wobei die relative Orientierung der Achsen X', Y' und Z' durch Eulerwinkel ϕ, θ und ψ definiert ist, wobei ϕ in einem Bereich von –5° ≤ ϕ ≤ +5° ist, θ in einem Bereich von 60° ≤ θ ≤ 80° ist und ψ in einem Bereich von –5° ≤ ψ ≤ +5° ist.
Das Einkristallsubstrat nach Anspruch 4, wobei optimale Eulerwinkel des Quarz ϕ = 0°, θ = 70,5° und ψ = 0° sind.
Das Einkristallsubstrat nach Anspruch 5, wobei das Langasit-Substrat für eine SAW-Einrichtung als Temperatursensor ist, wobei ein Kopplungskoeffizient (K2) = 0,2056% ist, wobei ein Temperaturkoeffizient (tcd) der Verzögerung erster Ordnung –27,78 ppm/C ist, wobei ein Temperaturkoeffizient (tcd2) der Verzögerung zweiter Ordnung 2,5308 1e-9/C^2 ist, wobei pfa (Leistungsflusswinkel) 0 Grad ist, und wobei ein Gammawert 1,214 ist.
Ein Einkristallsubstrat, das folgendes aufweist: ein Quarz-Substrat mit einer SAW-Ausbreitungsoberfläche; und Eingangs- und Ausgangs-IDTs mit Elektroden auf der Oberfläche zum Auslösen und/oder Detektieren von akustischen Oberflächenwellen, wobei eine Richtung der Oberflächenwellenausbreitung parallel zu einer X'-Achse ist, und das Substrat ferner eine Z'-Achse senkrecht zu der Oberfläche und eine Y'-Achse parallel zu der Oberfläche und senkrecht zu der X'-Achse besitzt, wobei das Quarz-Substrat eine Kristallorientierung, definiert durch modifizierte Achsen X, Y und Z, besitzt, wobei die relative Orientierung der Achsen X', Y' und Z' durch Eulerwinkel ϕ, θ und ψ definiert ist, wobei ϕ 0° ist, θ in einem Bereich von 17° ≤ θ ≤ 23° ist und ψ in einem Bereich von 10° ≤ ψ ≤ 20° ist.
Das Einkristallsubstrat nach Anspruch 7, wobei optimale Eulerwinkel des Quarz ϕ = 0°, θ = 20° und ψ = 13,7° sind.
Das Einkristallsubstrat nach Anspruch 8, wobei das Langasit-Substrat für eine SAW-Einrichtung als Temperatursensor ist, wobei ein Kopplungskoeffizient (K2) = 0,1618% ist, wobei ein Temperaturkoeffizient (tcd) der Verzögerung erster Ordnung 4,4367 ppm/C ist, wobei ein Temperaturkoeffizient (tcd2) der Verzögerung zweiter Ordnung –22,03 1e-9/C^2 ist, und wobei pfa (Leistungsflusswinkel) –4,812 Grad ist.
Ein Einkristallsubstrat, das folgendes aufweist: ein Lithiumtantalat-Substrat mit einer SAW-Ausbreitungsoberfläche; und Eingangs- und Ausgangs-IDTs mit Elektroden auf der Oberfläche zum Auslösen und/oder Detektieren von akustischen Oberflächenwellen, wobei eine Richtung der Oberflächenwellenausbreitung parallel zu einer X'-Achse ist, und das Substrat ferner eine Z'-Achse senkrecht normal zu der Oberfläche und eine Y'-Achse parallel zu der Oberfläche und senkrecht zu der X'-Achse besitzt, wobei das Lithiumtantalat-Substrat eine Kristallorientierung definiert durch modifizierte Achsen X, Y und Z besitzt, wobei die relative Orientierung der Achsen X', Y' und Z' durch Eulerwinkel ϕ, θ und ψ definiert ist, wobei ϕ in einem Bereich von –5° ≤ ϕ ≤ +5°, θ in einem Bereich von 160° ≤ θ ≤ 180° ist und ψ in einem Bereich von 85° ≤ ψ ≤ 95° ist.
Das Einkristallsubstrat nach Anspruch 10, wobei optimale Eulerwinkel des Lithiumtantalat ψ = 0°, θ = 168° und ψ = 90° sind.
Das Einkristallsubstrat nach Anspruch 11, wobei das Langasit-Substrat für eine SAW-Einrichtung als Temperatursensor ist, wobei ein Kopplungskoeffizient (K2) = 1,402% ist, wobei ein Temperaturkoeffizient (tcd) der Verzögerung erster Ordnung 75,33 ppm/C ist, wobei ein Temperaturkoeffizient (tcd2) der Verzögerung zweiter Ordnung 0,78342 1e-9/C^2 ist, wobei pfa (Leistungsflusswinkel) 0 Grad ist, und wobei ein Gammawert –1,113 ist.
Ein Einkristallsubstrat, das folgendes aufweist: ein Lithiumtantalat-Substrat mit einer SAW-Ausbreitungsoberfläche; und Eingangs- und Ausgangs-IDTs mit Elektroden auf der Oberfläche zum Auslösen und/oder Detektieren von akustischen Oberflächenwellen, wobei eine Richtung der Oberflächenwellenausbreitung parallel zu einer X'-Achse ist, und das Substrat ferner eine Z'-Achse senkrecht zu der Oberfläche und eine Y'-Achse parallel zu der Oberfläche und senkrecht zu der X'-Achse besitzt, wobei das Lithiumtantalat-Substrat eine Kristallorientierung definiert durch modifizierte Achsen X, Y und Z besitzt, wobei die relative Orientierung der Achsen X', Y' und Z' durch Eulerwinkel ϕ, θ und ψ definiert ist, wobei ϕ in einem Bereich von –5° ≤ ϕ ≤ +5° ist, θ in einem Bereich von 20° ≤ θ ≤ 40° ist und ψ in einem Bereich von 5° ≤ ψ ≤ 25° ist.
Das Einkristallsubstrat nach Anspruch 13, wobei optimale Eulerwinkel des Lithiumtantalats ϕ = 0°, θ = 30° und ψ = 16,5° sind.
Das Einkristallsubstrat nach Anspruch 14, wobei ein Kopplungskoeffizient (K2) = 1,789% ist, wobei ein Temperaturkoeffizient (tcd) der Verzögerung erster Ordnung 70,869 ppm/C ist, wobei ein Temperaturkoeffizient (tcd2) der Verzögerung zweiter Ordnung –13,278 1e-9/C^2, wobei pfa (Leistungsflusswinkel) 0,1585 Grad ist, und wobei ein Gammawert 1,873 ist.