DE112012000503T5

DE112012000503T5 - Oberflächenschallwellen-Bauelement

Info

Publication number: DE112012000503T5
Application number: DE112012000503T
Authority: DE
Inventors: Tetsuya Kimura; Michio Kadota
Original assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Priority date: 2011-01-19
Filing date: 2012-01-17
Publication date: 2013-12-24
Anticipated expiration: 2032-01-18
Also published as: US20130300253A1; WO2012099083A1; DE112012000503B4; CN103329436B; US8680744B2; JPWO2012099083A1; CN103329436A; JP5617936B2

Abstract

Es wird ein Oberflächenschallwellen-Bauelement bereitgestellt, das ausgezeichnete Eigenschaften besitzt und sich leicht herstellen lässt. Ein Oberflächenschallwellen-Bauelement (10) hat ein piezoelektrisches Substrat (101) aus Lithiumniobat. Das piezoelektrische Substrat (101) hat mehrere Rinnen (110) in seiner Oberfläche. Jede Rinne (110) hat einen Finger der IDT-Elektrode (102), der aus Kupfer besteht. Die IDT-Elektrode (102) hat eine erste Elektrodenschicht (102i), die in die Rinnen (110) eingebettet ist, und eine zweite Elektrodenschicht (102o), die aus der Oberfläche des piezoelektrischen Substrats (101) herausragt. Die normalisierte Elektrodendicke Di der ersten Elektrodenschicht (102i) liegt im Bereich von 1,0% bis 12,0%, und die normalisierte Elektrodendicke Do der zweiten Elektrodenschicht (102o) liegt im Bereich von 1,0% bis 9,0%. Die normalisierte Elektrodendicke D der gesamten IDT-Elektrode (102) liegt im Bereich von 6,0% bis 13,0%.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Oberflächenschallwellen-Bauelement mit einem piezoelektrischen Substrat und IDT-Interdigital-Transducer-Elektroden auf der Oberfläche des piezoelektrischen Substrats.
STAND DER TECHNIK
In der Vergangenheit haben Forscher verschiedene Oberflächenschallwellen-Bauelemente entwickelt, die ein piezoelektrisches Substrat und eine IDT-Elektrode auf der Oberfläche des piezoelektrischen Substrats aufweisen. Zum Beispiel offenbart Patentdokument 1 ein Oberflächenschallwellen-Bauelement, das ein piezoelektrisches Substrat und mehrere Elektrodenfinger hat, die teilweise in der Dickenrichtung so eingebettet sind, dass sie aus der Oberfläche herausragen.
Patentdokument 1 spricht davon, dass verschiedene bekannte piezoelektrische Substrate und Materialien für Elektrodenfinger verwendet werden können, und spezifiziert darüber hinaus die erforderliche Tiefe von Rinnen, in denen die Elektrodenfinger ausgebildet werden, und die erforderliche Gleichmäßigkeit der Dicke der Elektrodenfinger.
Zitierungsliste
Patentdokument

Patentdokument 1: Japanische ungeprüfte Patentanmeldungspublikation Nr. 2006-270906

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
TECHNISCHES PROBLEM
Das Auswählen des Materials für die Elektrodenfinger und der Tiefe der Rinnen gemäß den in Patentdokument 1 spezifizierten Anforderungen kann jedoch zu schlechten Eigenschaften des Oberflächenschallwellen-Bauelements führen, weil die Leistungsparameter des Bauelements, zum Beispiel das Bandbreitenverhältnis, der Resonanzgütefaktor und die Störeigenschaften mit der Kombination des Materials für das piezoelektrische Substrat und dem für die Elektrodenfinger schwanken.
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist darum die Bereitstellung eines Oberflächenschallwellen-Bauelements, das verbesserte Eigenschaften bietet und das sich leicht mit ausgewählten Kombinationen von Materialien herstellen lässt.
Lösung des Problems
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Oberflächenschallwellen-Bauelement mit einem piezoelektrischen Substrat mit Rinnen in seiner Oberfläche und eine IDT-Elektrode mit einer ersten Elektrodenschicht in den Rinnen und einer zweiten Elektrodenschicht außerhalb der Rinnen. Das piezoelektrische Substrat besteht aus Lithiumniobat. Die IDT-Elektrode, die die erste und die zweite Elektrodenschicht aufweist, besteht aus Kupfer oder einem Metall auf der Basis von Kupfer oder einer Legierung, die Kupfer als den Hauptbestandteil enthält. Man kann sagen, dass eine IDT-Elektrode auf Kupfer basiert, wenn Kupfer mehr als 50 Gewichts-% der gesamten IDT-Elektrode ausmacht. Wenn die Dicke einer Elektrode, die durch die Wellenlänge von Oberflächenschallwellen normalisiert ist, als eine „normalisiert Elektrodendicke” definiert ist, dann ist die IDT-Elektrode so hergestellt, dass die Werte der normalisierten Elektrodendicke Do und Di der zweiten bzw. ersten Elektrodenschicht die folgenden Beziehungen (i), (ii) und (iii) erfüllen.

(i) 1,0% ≤ Do ≤ 9,0%
(ii) 1,0% ≤ Di ≤ 12,0%
(iii) 6,0% ≤ (Do + Di) ≤ 13,0%

Diese Konfiguration erhöht die Schallgeschwindigkeit der resultierenden elastischen Wellen, hält das Bandbreitenverhältnis der elastischen Wellen auf einem hohen Niveau und reduziert Störwellen.
In einer bevorzugten Konfiguration des Oberflächenschallwellen-Bauelements gemäß der vorliegenden Erfindung betragen die Euler-Winkel des piezoelektrischen Substrats (ϕ = 0° ± 5°, 80° ≤ θ ≤ 110°, ψ = 0° ± 5°).
Diese Konfiguration reduziert des Weiteren die Rayleigh-Wellen, die eine Ursache von Störwellen darstellen.
In einer weiteren bevorzugten Konfiguration des Oberflächenschallwellen-Bauelements gemäß der vorliegenden Erfindung wird eine Öffnungsfläche der Rinnen des piezoelektrischen Substrats kleiner, je tiefer die Fläche unter die Oberfläche vordringt, und ein Winkel α zwischen der Oberfläche und Seitenflächen der Rinnen erfüllt eine Beziehung 50° ≤ α ≤ 70°.
Diese Konfiguration erhöht des Weiteren das Bandbreitenverhältnis der resultierenden elastischen Wellen.
In einer weiteren bevorzugten Konfiguration des Oberflächenschallwellen-Bauelements gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein Siliziumoxidfilm auf dem piezoelektrischen Substrat ausgebildet, um die IDT-Elektrode zu bedecken, und eine Oberfläche des Siliziumoxidfilms gegenüber dem piezoelektrischen Substrat ist im Wesentlichen flach.
Diese Konfiguration verbessert die Frequenz-Temperatur-Kennlinie des Oberflächenschallwellen-Bauelements.
In einer weiteren bevorzugten Konfiguration des Oberflächenschallwellen-Bauelements gemäß der vorliegenden Erfindung liegt eine Dicke des Siliziumoxidfilms, die durch eine Wellenlänge der Oberflächenschallwellen normalisiert ist, die sich auf dem Oberflächenschallwellen-Bauelement ausbreiten, in einen Bereich von 5% bis 35%.
Diese Konfiguration verbessert des Weiteren die Frequenz-Temperatur-Kennlinie des Oberflächenschallwellen-Bauelements.
Vorteilhafte Auswirkungen der Erfindung
Die vorliegende Erfindung stellt ein Oberflächenschallwellen-Bauelement bereit, das ausgezeichnete Eigenschaften hat und sich leicht herstellen lässt.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG
1 enthält eine Draufsicht, eine seitliche Querschnittsansicht und eine vergrößerte teilweise Ansicht des seitlichen Querschnitts eines Resonators mit einer Einzelöffnung, der ein Oberflächenschallwellen-Bauelement gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist.
2 ist eine Karte, die das Verhalten der Schallgeschwindigkeit als eine Funktion der Werte der normalisierten Elektrodendicke Do und Di der zweiten bzw. der ersten Elektrodenschicht 102o und 102i zeigt.
3 enthält Diagramme der Schallgeschwindigkeit im Verhältnis zum Euler-Winkel θ in einer Variationsbreite von 70° bis 110° für eine bestimmte normalisierte Elektrodendicke D. Die normalisierte Elektrodendicke D beträgt 6%, 7% oder 8%.
4 enthält Diagramme der Schallgeschwindigkeit im Verhältnis zum Euler-Winkel θ in einer Variationsbreite von 70° bis 110° für eine bestimmte normalisierte Elektrodendicke D. Die normalisierte Elektrodendicke D beträgt 9%, 10% oder 11%.
5 enthält Diagramme der Schallgeschwindigkeit im Verhältnis zum Euler-Winkel θ in einer Variationsbreite von 70° bis 110° für eine bestimmte normalisierte Elektrodendicke D. Die normalisierte Elektrodendicke D beträgt 12% oder 13%.
6 ist eine Karte, die das Verhalten des Bandbreitenverhältnisses von SH(Scherhorizontal)-Wellen als eine Funktion der Werte der normalisierten Elektrodendicke Do und Di der zweiten bzw. der ersten Elektrodenschicht 102o und 102i zeigt.
7 enthält Diagramme der Energiekonzentration, d. h. des Prozentsatzes der Oberflächenschallwellenenergie in einer Tiefe von 1λ unter der Oberfläche des piezoelektrischen Substrats 101 zur gesamten angeregten Energie, im Verhältnis zu den Anteilen der Werte der normalisierten Elektrodendicke Do und Di der zweiten bzw. der ersten Elektrodenschicht 102o und 102i. Die normalisierte Elektrodendicke D beträgt 10%, 8% oder 12%.
8 veranschaulicht die Impedanzkennlinien von SAW-Resonatoren mit einer Einzelöffnung, von denen einer dieser Ausführungsform entspricht, ein anderer das Vergleichsbeispiel 1 ist, d. h. eine Struktur, in der die gesamten Elektroden 102 eingebettet sind, und ein weiterer das Vergleichsbeispiel 2 ist, d. h. eine Struktur, in der die Elektroden 102 auf der Oberfläche liegen.
9 zeigt Diagramme des Bandbreitenverhältnisses von Rayleigh-Wellen im Verhältnis zum Euler-Winkel θ in einer Variationsbreite von 70° bis 110° für verschiedene Anteile der Werte der normalisierten Elektrodendicke Do und Di der zweiten bzw. der ersten Elektrodenschicht 102o und 102i. Die normalisierte Elektrodendicke D beträgt 10%.
10 ist eine vergrößerte teilweise Seitenansicht eines Oberflächenschallwellen-Bauelements 10A gemäß einer weiteren Konfiguration derselben Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
11 ist ein Kennliniendiagramm, das Kurvenverläufe des Bandbreitenverhältnisses von SH-Wellen als eine Funktion des Winkels α, der durch die Seitenflächen der in die Oberfläche des piezoelektrischen Substrats geschnittenen Rinnen gebildet wird, und des Euler-Winkels θ zeigt.
12 ist eine vergrößerte teilweise Seitenansicht eines Oberflächenschallwellen-Bauelements 10B mit einem Oberschichtfilm 103.
13 ist ein Diagramm, das die Beziehung zwischen der Dicke eines SiO₂-Films, die durch die Wellenlänge von Oberflächenschallwellen normalisiert ist, und Frequenz-Temperatur-Kennlinien (Frequenz-Temperaturkoeffizient, TCF) zeigt.
BESCHREIBUNG VON AUSFÜHRUNGSFORMEN
Im Folgenden wird ein Oberflächenschallwellen-Bauelement gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung mit Bezug auf die Zeichnungen beschrieben. 1(A) ist eine Draufsicht eines Resonators mit einer Einzelöffnung, der ein Oberflächenschallwellen-Bauelement gemäß dieser Ausführungsform ist. 1(B) ist eine seitliche Querschnittsansicht entlang der Linie A-A' von 1(A) und 1(C) ist eine vergrößerte teilweise Ansicht des seitlichen Querschnitts. Es ist zu beachten, dass ein Resonator mit einer Einzelöffnung nicht die einzige mögliche Ausführungsform des Oberflächenschallwellen-Bauelements gemäß der vorliegenden Erfindung ist. Zum Beispiel kann das Oberflächenschallwellen-Bauelement gemäß der vorliegenden Erfindung auch ein Oberflächenschallwellenfilter sein.
Ein Oberflächenschallwellen-Bauelement 10 hat ein plattenförmiges piezoelektrisches Substrat 101. Das piezoelektrische Substrat 101 besteht aus Lithiumniobat (LiNbO₃). Das piezoelektrische Substrat 101 ist ein Substrat „mit Y-Schnitt”, d. h. die geschnittene Oberfläche und die Richtung der sich ausbreitenden elastischen Wellen werden durch Euler-Winkel beschrieben (0°, 90°, 0°).
Eine IDT-Elektrode 102, d. h. ein Paar interdigitaler Kammelektroden, befindet sich auf dem piezoelektrischen Substrat 101. Das Oberflächenschallwellen-Bauelement 10 führt die Funktionen des Oberflächenschallwellen-Bauelements 10 aus, indem es elastische Wellen an der IDT-Elektrode 102 anregt und die elastischen Wellen auf der Oberfläche des piezoelektrischen Substrats 101 als Oberflächenschallwellen ausbreitet.
Wie in 1 veranschaulicht, ist die in dieser Ausführungsform verwendete IDT-Elektrode 102 ein Stapel aus einer ersten Elektrodenschicht 102i und einer zweiten Elektrodenschicht 102o.
Die erste Elektrodenschicht 102i ist in Rinnen 110 ausgebildet, die in die Oberfläche des piezoelektrischen Substrats 101 geschnitten sind. Die erste und die zweite Elektrodenschicht 102i und 102o bestehen jeweils aus Cu.
Die erste und die zweite Elektrodenschicht 102i und 102o können auch aus einer Cu-Legierung anstatt aus reinem Cu bestehen, solange der Hauptbestandteil Cu ist. Man kann sagen, dass die IDT-Elektrode 102 Cu als den Hauptbestandteil enthält, wenn Cu mehr als 50 Gewichts-% der gesamten IDT-Elektrode ausmacht. Wenn zum Beispiel die IDT-Elektrode 102 aus einem einschichtigen Metallfilm besteht, so besteht dieser Metallfilm aus Cu oder einer Legierung, die Cu als den Hauptbestandteil enthält. Man kann sagen, dass eine Legierung Cu als den Hauptbestandteil enthält, wenn die Legierung Cu in einem Gewichtsverhältnis von mehr als 50 Gewichts-% enthält. Ti, Ni, NiCr, Ta oder ein ähnliches Material kann in der Form einer Grenzschicht zwischen dem piezoelektrischen Substrat und dem Cu angeordnet sein. Es ist ebenfalls möglich, ein anderes Metall als Cu oder einen Isolierfilm beispielsweise zur Frequenzjustierung auf der Oberseite anzuordnen oder eine Laminatstruktur wie Cu/Ti/Cu/Ti/Cu/Ti ... zu verwenden, solange das Hauptmaterial Cu ist.
Der Abstand der IDT-Elektrode 102 wird auf den gleichen Wert eingestellt wie die Wellenlänge λ der sich ausbreitenden elastischen Wellen. Diese Wellenlänge λ wird durch die Frequenz der sich ausbreitenden elastischen Wellen und die Phasengeschwindigkeit (Schallgeschwindigkeit) bestimmt, was weiter unten noch beschrieben wird.
Die IDT-Elektrode 102 ist so ausgebildet, dass sie eine Breite von etwa ¼ der Wellenlänge λ der elastischen Wellen hat.
Eine solche Konfiguration erlaubt es dem Bauelement, Oberflächenschallwellen, primär SH-Wellen, anzuregen, die sich senkrecht zu der Richtung ausbreiten, in der sich die Finger der IDT-Elektrode 102 erstrecken.
Die IDT-Elektrode 102 ist so hergestellt, dass ihre Dicke die unten gezeigten Formeln 1, 2 und 3 erfüllt. Die hier erwähnte Dicke enthält die tatsächlichen mittleren Dickenmessungen der IDT-Elektrode 102, die durch die Wellenlänge λ der elastischen Wellen (Werte der normalisierten Elektrodendicke (%))normalisiert sind. Die normalisierte Elektrodendicke der zweiten Elektrodenschicht 102o, die der Abschnitt der IDT-Elektrode 102 ist, der aus dem piezoelektrischen Substrat 101 herausragt, ist mit Do bezeichnet, und die der ersten Elektrodenschicht 102i, die der Abschnitt ist, der in die Rinnen 110 eingebettet ist, ist mit Di bezeichnet. Die Gesamtdicke der IDT-Elektrode 102 ist mit D bezeichnet (= Do + Di). 1,0% ≤ Do ≤ 9,0% (Formel 1) 1,0% ≤ Di ≤ 12,0% (Formel 2) 6,0% ≤ D ≤ 13,0% (Formel 3)
Das Ausbilden der IDT-Elektrode 102 in einer solchen Weise, dass diese Abmessungen entstehen, bringt Vorteile mit sich, einschließlich der, die später im vorliegenden Text beschrieben werden.
Diese erste und zweite Elektrodenschicht 102i und 102o können hergestellt werden, indem man die erste Elektrodenschicht 102i und dann die zweite Elektrodenschicht 102o übergangslos ausbildet oder die zweite Elektrodenschicht 102o in einem separaten Arbeitsgang ausbildet, nachdem die erste Elektrodenschicht 102i ausgebildet wurde. In dieser Ausführungsform werden die erste Elektrodenschicht 102i und dann die zweite Elektrodenschicht 102o übergangslos ausgebildet. Oder anders ausgedrückt: Die erste Elektrodenschicht 102i und die zweite Elektrodenschicht 102o werden integral ausgebildet.
2 ist eine Karte, die das Verhalten der Schallgeschwindigkeit als eine Funktion der Werte der normalisierten Elektrodendicke Do und Di der zweiten bzw. der ersten Elektrodenschicht 102o und 102i zeigt.
Die 3 bis 5 enthalten Diagramme der Schallgeschwindigkeit im Verhältnis zum Euler-Winkel θ in einer Variationsbreite von 70° bis 110° für eine bestimmte normalisierte Elektrodendicke D. Die normalisierte Elektrodendicke D wurde von 6% bis 13% variiert. In den 3(A), 3(B) und 3(C) beträgt die normalisierte Elektrodendicke D 6%, 7% bzw. 8%. In den 4(A), 4(B) und 4(C) beträgt die normalisierte Elektrodendicke D 9%, 10% bzw. 11%. In den 5(A) und 5(B) beträgt die normalisierte Elektrodendicke D 12% bzw. 13%. Die veranschaulichten Ergebnisse stammen aus einer Simulation unter Verwendung der Finite-Elemente-Methode.
Wie in den 2 bis 5 gezeigt, beträgt die Schallgeschwindigkeit mindestens 2600 m/s, wenn die Dickenwerte die durch die Formeln (1), (2) und (3) oben definierten Bedingungen erfüllen. Insbesondere wenn die normalisierte Elektrodendicke Do der zweiten Elektrodenschicht 102o 10% oder weniger beträgt, beträgt die Schallgeschwindigkeit 2800 m/s oder mehr.
Da auf diese Weise hohe Schallgeschwindigkeiten möglich sind, wird die Obergrenze der Wellenlänge λ für eine feste Frequenz gegenüber der mit niedrigeren Schallgeschwindigkeiten erhöht. Das bedeutet, dass der Abstand der IDT-Elektrode vergrößert werden kann. Infolge dessen kann die Produktionsausbeute gesteigert werden. Eine Verschlechterung der Fähigkeit, elektrische Leistung zu verarbeiten, oder eine Verschlechterung der anti-elektrostatischen Eigenschaften aufgrund eines Kurzschlusses zwischen den Elektroden oder andere Defekte können ebenfalls verhindert werden, wodurch es möglich wird, ein extrem zuverlässiges Bauelement herzustellen.
Wenn zum Beispiel ein Oberflächenschallwellen-Bauelement 1 gemäß den oben erwähnten Bedingungen hergestellt wird, so beträgt die Schallgeschwindigkeit mindestens 2600 m/s, und somit können Hochfrequenzwellen von 2,6 GHz mit einer Wellenlänge λ von nur 1 μm ausgebreitet werden, d. h. die Mindestbreite der Elektrode 102, die zum Erreichen dieser Frequenz benötigt ist, beträgt 0,25 μm. Insbesondere wenn die normalisierte Elektrodendicke Do der zweiten Elektrodenschicht 102o 10% oder weniger beträgt, beträgt die Schallgeschwindigkeit 2800 m/s oder mehr, und Hochfrequenzwellen von 2,8 GHz können mit einer Wellenlänge λ von nur 1 μm ausgebreitet werden, d. h. die Mindestbreite der Elektrode 102, die zum Erreichen dieser höheren Frequenz benötigt ist, beträgt 0,25 μm.
In der i-Linien- und KrF-Linien-Fotolitografie, die Prozesse sind, die heute weithin bei der Produktion von SAW-Bauelementen verwendet werden, beträgt die kleinste erreichbare Elektrodenbreite 0,25 μm (eine Wellenlänge λ von 1 μm). Das bedeutet, dass SAW-Bauelemente für hohe Frequenzen wie die oben genannte auf einfache Weise durch einen derzeitigen Standardprozess zum Herstellen von SAW-Bauelementen hergestellt werden können.
Genauer gesagt, können Oberflächenschallwellen-Bauelemente für UMTS-BAND 7 (2,6 GHz) oder LTE-Band Klasse 13 (2,8 GHz), die das höchste Frequenzband verwenden, das von SAW-Filtern und anderen SAW-Bauelementen verlangt wird, durch einen gewöhnlichen und herkömmlichen Produktionsprozess hergestellt werden. Oder anders ausgedrückt: Das Oberflächenschallwellen-Bauelement gemäß dieser Ausführungsform beseitigt die herkömmliche Notwendigkeit spezieller und teurer Produktionssysteme für die Produktion solcher Bauelemente. Des Weiteren sind die hergestellten Oberflächenschallwellen-Bauelemente trotz solcher hohen Frequenzen überaus zuverlässig.
Es ist zu beachten, dass in einigen der Ergebnisse einer Simulation, wie in den 2, 3, 4 und 5 oben veranschaulicht, die normalisierte Elektrodendicke Do der zweiten Elektrodenschicht 102o 0% beträgt oder die normalisierte Elektrodendicke Di der ersten Elektrodenschicht 102i 0% beträgt. Oder anders ausgedrückt: Einige der veranschaulichten Ergebnisse stammen von Bauelementen, in der sich die IDT-Elektrode 102 vollständig in dem piezoelektrischen Substrat 101 befindet oder die gesamte IDT-Elektrode 102 auf der flachen Oberfläche des piezoelektrischen Substrats 101 liegt. Unter diesen Bedingungen sollte jedoch die Verwendung des Bauelements aus Gründen wie zum Beispiel den folgenden eingeschränkt werden.
6 ist eine Karte, die das Verhalten des Bandbreitenverhältnisses von SH-Wellen als eine Funktion der Werte der normalisierten Elektrodendicke Do und Di der zweiten bzw. der ersten Elektrodenschicht 102o und 102i zeigt.
Das Bandbreitenverhältnis und der elektromechanische Kopplungskoeffizient eines Oberflächenschallwellen-Bauelements sind miteinander korreliert: Je höher das Bandbreitenverhältnis ist, desto höher ist der elektromechanische Kopplungskoeffizient. Das Bandbreitenverhältnis ist eine normalisierte Bandbreite eines Resonators, der dieses Oberflächenschallwellen-Bauelement enthält, und wird durch Dividieren der Breite des Bereichs von der Antiresonanzfrequenz zur Resonanzfrequenz, d. h. der Differenz zwischen der Antiresonanz- und der Resonanzfrequenzen, durch die Resonanzfrequenz berechnet. Je höher das Bandbreitenverhältnis ist, desto breiter ist das Frequenzband, das das Oberflächenschallwellen-Bauelement verwenden kann.
Wie in 6 gezeigt, ist, wenn die normalisierte Elektrodendicke Di der ersten Elektrodenschicht 102i 0% beträgt, das Bandbreitenverhältnis kleiner, als wenn die normalisierte Elektrodendicke Di der ersten Elektrodenschicht 102i 1% oder mehr beträgt, und zwar ungeachtet der normalisierten Elektrodendicke Do der zweiten Elektrodenschicht 102o. Oder anders ausgedrückt: Das Ausbilden der IDT-Elektrode 102 auf der Oberfläche des piezoelektrischen Substrats 101 führt zu einem kleineren Bandbreitenverhältnis als das Einbetten der IDT-Elektrode 102 mindestens teilweise auf eine zuvor festgelegte Tiefe unter der Oberfläche des piezoelektrischen Substrats 101. Das heißt, eine Struktur, in der die normalisierte Elektrodendicke Di der ersten Elektrodenschicht 102i 1,0% oder mehr beträgt (1,0% ≤ Di), d. h. eine Struktur, in der die IDT-Elektrode 102 mindestens teilweise auf eine zuvor festgelegte Tiefe unter der Oberfläche des piezoelektrischen Substrats 101 eingebettet ist, stellt ein Oberflächenschallwellen-Bauelement mit verbesserten Eigenschaften bereit. Insbesondere gewährleistet das Einstellen der normalisierten Elektrodendicke Do der zweiten Elektrodenschicht 102o auf 10% oder weniger, dass das Bandbreitenverhältnis von SH-Wellen mit jeder Kombination von Dickenmessungen, einschließlich der oben spezifizierten Bedingungen, 0,18 (18%) beträgt, wodurch die Eigenschaften des Oberflächenschallwellen-Bauelements weiter verbessert werden.
7 enthält Diagramme der Energiekonzentration eines SAW-Resonators mit einer Einzelöffnung, wie weiter unten noch beschrieben wird. Mit der normalisierten Elektrodendicke D auf 10%, 8% oder 12% zeigen dieses Diagramme den Prozentsatz der Oberflächenschallwellenenergie in einer Tiefe von 1λ unter der Oberfläche des piezoelektrischen Substrats 101 zur angeregten Gesamtenergie am dem Antiresonanzpunkt im Verhältnis zu den Anteilen der Werte der normalisierten Elektrodendicke Do und Di der zweiten bzw. der ersten Elektrodenschicht 102o und 102i. In den 7(A), 7(B) und 7(C) beträgt die normalisierte Elektrodendicke D 10%, 8% bzw. 12%.
Wie in 7 gezeigt, ist, wenn die normalisierte Elektrodendicke Do der zweiten Elektrodenschicht 102o 0% beträgt, die Energiekonzentration viel kleiner, als wenn die normalisierte Elektrodendicke Do der zweiten Elektrodenschicht 102o 1% oder mehr beträgt, und zwar ungeachtet der normalisierten Elektrodendicke D. Das bedeutet, dass nahe dem Antiresonanzpunkt Energie in Richtung der Tiefe des piezoelektrischen Substrats abfließt und es einen erheblichen Ausbreitungsverlust von Oberflächenschallwellen gibt. Die Energiekonzentration beträgt 80 oder mehr, insbesondere wenn die normalisierte Elektrodendicke Do der zweiten Elektrodenschicht 102o 1% oder mehr beträgt; in einem solchen Fall können Oberflächenwellen effizient erzeugt werden.
Obgleich nicht veranschaulicht, können ähnliche Eigenschaften erreicht werden, wie groß die normalisierte Elektrodendicke D auch immer ist, solange die normalisierte Elektrodendicke D im Bereich von 6% bis 13% liegt (d. h. 6,0% ≤ D ≤ 13,0%).
Auf diese Weise stellt eine Konfiguration, in der die normalisierte Elektrodendicke Do der zweiten Elektrodenschicht 102o 1% oder mehr beträgt (1,0% ≤ Do), d. h. eine Struktur, in der die IDT-Elektrode 102 mindestens teilweise aus der Oberfläche des piezoelektrischen Substrats 101 mit der exponierten Dicke bei 1% oder mehr herausragt, ein Oberflächenschallwellen-Bauelement mit verbessertes Eigenschaften bereit.
8 veranschaulicht die Impedanzkennlinien von SAW-Resonatoren mit einer Einzelöffnung, von denen einer dieser Ausführungsform entspricht, ein anderer das Vergleichsbeispiel 1 ist, d. h. eine Struktur, in der die gesamte Elektrode 102 eingebettet ist, und ein weiterer das Vergleichsbeispiel 2 ist, d. h. eine Struktur, in der die Elektrode 102 auf der Oberfläche liegt. In 8 beträgt die normalisierte Elektrodendicke D 10%, und die Konfiguration gemäß dieser Ausführungsform ist eine, in der die normalisierte Elektrodendicke Do der zweiten Elektrodenschicht 102o 8% beträgt und die normalisierte Elektrodendicke Di der ersten Elektrodenschicht 102i 2% beträgt.
Wie in 8 gezeigt, besitzt Vergleichsbeispiel 1, d. h. eine Struktur, in der die gesamte IDT-Elektrode 102 eingebettet ist, eine geringe Steilheit am Antiresonanzpunkt für SH-Wellen. Das liegt daran, dass, wie oben beschrieben, nahe dem Antiresonanzpunkt die Konzentration von Oberflächenschallwellenenergie gering ist und Energie in Richtung der Tiefe des piezoelektrischen Substrats abfließt. Dadurch wird die Impedanz am Antiresonanzpunkt niedriger und das Impedanzverhältnis des Antiresonanzpunktes zum Resonanzpunkt (Breite des Bereichs vom Maximum zum Minimum) kleiner, wodurch die Kennlinie des Resonators beeinflusst wird.
Mit Bezug auf das Vergleichsbeispiel 2, das eine Struktur ist, in der sich die IDT-Elektrode 102 auf der Oberfläche befindet, ist das Ansprechen auf Rayleigh-Wellen sehr hoch, und die Resonanz und Antiresonanz mit Rayleigh-Wellen ist stark. Wie ebenfalls aus den 3, 4 und 5 zu sehen ist, ist die Frequenz im Vergleich zu der in dieser Ausführungsform oder dem Vergleichsbeispiel 1 extrem niedrig. Dieser Resonator lässt sich schwieriger herstellen als die anderen, weil eine kürzere Wellenlänge erforderlich ist, um die gleiche Frequenz zu erreichen. Des Weiteren ist das Bandbreitenverhältnis oder die Differenz zwischen der Antiresonanzfrequenz und der Resonanzfrequenz klein. Somit kann diese Struktur kein Breitband-Oberflächenschallwellen-Bauelement bereitstellen.
Im Gegensatz dazu verursacht die Konfiguration gemäß dieser Ausführungsform nur ein geringes Ansprechen auf Rayleigh-Wellen und keine Resonanz oder Antiresonanz mit Rayleigh-Wellen. Die Breite des Bereichs vom Maximum zum Minimum an den Resonanz- und Antiresonanzpunkten für SH-Wellen ist größer als die im Vergleichsbeispiel 1, wodurch der Einfluss anderer Störwellen beseitigt wird. Des Weiteren ist das Bandbreitenverhältnis höher als das im Vergleichsbeispiel 2, wodurch ausgezeichnete Resonanzeigenschaften gewährleistet werden.
Obgleich nicht veranschaulicht, können ähnliche Eigenschaften erreicht werden, wenn die normalisierte Elektrodendicke D im Bereich von 6% bis 13% liegt (d. h. 6,0% ≤ D ≤ 13,0%), und die Werte der normalisierten Elektrodendicke Do und Di der zweiten bzw. der ersten Elektrodenschicht 102o und 102i beide 1% oder mehr betragen.
Auf diese Weise stellt die in dieser Ausführungsform beschriebene Konfiguration ein Oberflächenschallwellen-Bauelement bereit, das ausgezeichnete Eigenschaften aufweist, wie zum Beispiel einen hinreichend hohen elektromechanischen Kopplungskoeffizienten, ausgezeichnete Resonanzeigenschaften und weniger Störwellen, einschließlich Rayleigh-Wellen.
Obgleich sich die obige Beschreibung auf Fällen konzentriert, wo der Euler-Winkel θ 90° beträgt, können ähnliche Vorteile erreicht werden, wenn der Euler-Winkel θ in einem bestimmten Bereich liegt. Gute Eigenschaften des Bauelements werden gewährleistet, wenn dieser Winkel in den Bereich fällt, der insbesondere weiter unten genannt wird.
9 zeigt Diagramme des Bandbreitenverhältnisses von Rayleigh-Wellen im Verhältnis zum Euler-Winkel θ in einer Variationsbreite von 70° bis 110° für verschiedene Anteile der Werte der normalisierten Elektrodendicke Do und Di der zweiten bzw. der ersten Elektrodenschicht 102o und 102i. Die normalisierte Elektrodendicke D beträgt 10%.
Wie in 9 gezeigt, hat das Bandbreitenverhältnis von Rayleigh-Wellen ein Minimum im Euler-Winkel θ-Bereich von 80° bis 110°, und zwar ungeachtet der Anteile der Werte der normalisierten Elektrodendicke Do und Di der zweiten bzw. der ersten Elektrodenschicht 102o und 102i.
Obgleich in 9 die normalisierte Elektrodendicke D 10% beträgt, können ähnliche Vorteile auch mit anderen Werten für die normalisierte Elektrodendicke D erreicht werden, einschließlich jener, durch die oben erwähnten Bedingungen für die Konfiguration gemäß dieser Ausführungsform spezifiziert sind.
Zusammenfassend ist zu sagen, dass ein Oberflächenschallwellen-Bauelement mit noch weniger Rayleigh-Störwellen und noch besseren Eigenschaften erhalten werden kann, wenn der Euler-Winkel θ im Bereich von 80° bis 110° liegt, während die oben erwähnten Bedingungen erfüllt sind.
Obgleich in der obigen Beschreibung die Seitenflächen der Rinnen 110 und jene der IDT-Elektrode 102 einen Winkel von 90° zur Oberfläche des piezoelektrischen Substrats 101 haben, es ist ebenfalls möglich, Rinnen 110A und die IDT-Elektrode 102A zu verwenden, wie in 10 veranschaulicht ist.
10 ist eine vergrößerte teilweise Seitenansicht eines Oberflächenschallwellen-Bauelements 10A gemäß einer weiteren Konfiguration dieser Ausführungsform.
Das Oberflächenschallwellen-Bauelement 10A gemäß einer weiteren Konfiguration dieser Ausführungsform ist so hergestellt, dass die Seitenflächen der Rinnen 110A und jene der ersten Elektrodenschicht der IDT-Elektrode 102A einen Winkel α haben und nicht von 90° zur Oberfläche eines piezoelektrischen Substrat 101A. Der Winkel α ist so gewählt, dass gewährleistet ist, dass die Ebenenfläche der Rinnen 110A und der IDT-Elektrode 102A am Boden (auf dem tiefsten Niveau) kleiner ist als auf der Ebene der Oberfläche des piezoelektrischen Substrats 101A. Oder anders ausgedrückt: In einer Seitenansicht wie in 10 bilden die Seitenflächen des eingebetteten Abschnitts der IDT-Elektrode 102A einen Winkel α von weniger als 90° mit der Oberfläche des piezoelektrischen Substrats 101A in der Elektrode 102A. Insbesondere führt das Einstellen des Winkels α auf einen Bereich von 50° bis 70° zu einer weiteren Verbesserung der Eigenschaften.
11 ist ein Kennliniendiagramm, das Kurvenverläufe des Bandbreitenverhältnisses von SH-Wellen als eine Funktion des Winkels α und des Euler-Winkels θ zeigt. In 11 liegt der Winkel α im Bereich von 50° bis 90°, und der Euler-Winkel θ beträgt 86°, 88°, 90°, 92° oder 94°. 11 ist für ein Bauelement, bei dem die normalisierte Elektrodendicke Do der zweiten Elektrodenschicht 102o 2% beträgt und die normalisierte Elektrodendicke Di der ersten Elektrodenschicht 102i 8% beträgt.
Wie in 11 gezeigt, erreicht das Bandbreitenverhältnis von SH-Wellen seinen Spitzenwert bei einem Winkel α im Bereich von 50° bis 70° und nimmt ab, wenn der Winkel 70° übersteigt und sich 90° nähert. Obgleich nicht veranschaulicht, wird ein ähnlicher Trend wie dieser bei jedem Euler-Winkel θ im Bereich von 80° bis 110° beobachtet.
Somit kann ein Oberflächenschallwellen-Bauelement erhalten werden, das ein größeres Bandbreitenverhältnis von SH-Wellen und bessere Eigenschaften aufweist, wenn der Winkel α die Beziehung 50° ≤ α ≤ 70° erfüllt, als mit anderen Winkeln.
Obgleich die obige Beschreibung nicht die Euler-Winkel ϕ und ψ im Detail bespricht, lassen sich die oben beschriebenen Vorteile erreichen, wenn diese Winkel im Bereich von ±5° liegen, d. h. wenn –5° ≤ ϕ ≤ +5° und –5° ≤ ψ ≤ +5°.
Es ist ebenfalls möglich, einen Oberschichtfilm zu bilden, der aus Siliziumoxid (SiO₂) oder einem ähnlichen Material besteht, um die IDT-Elektrode zu bedecken. 12 ist eine vergrößerte teilweise Seitenansicht eines Oberflächenschallwellen-Bauelements 10B mit einem Oberschichtfilm 103. Wie in 12 veranschaulicht, hat das Oberflächenschallwellen-Bauelement 10B einen Oberschichtfilm 103 aus Siliziumoxid (SiO₂) oder einem ähnlichen Material auf der Oberfläche auf der Seite der IDT-Elektrode 102 des piezoelektrischen Substrats 101. Eine solche Konfiguration verbessert die Frequenz-Temperatur-Kennlinie des Oberflächenschallwellen-Bauelements.
13 ist ein Diagramm, das die Beziehung zwischen der Dicke eines SiO₂-Films, die durch die Wellenlänge von Oberflächenschallwellen normalisiert ist, und der Frequenz-Temperatur-Kennlinie (Frequenz-Temperaturkoeffizient, TCF) zeigt. Dieses Diagramm wurde auf folgende Weise erstellt: Es wurden Bauelemente mit der in 12 veranschaulichten Struktur hergestellt, bei denen die zweite und die erste Elektrodenschicht 102o und 102i der IDT-Elektrode 102 Werte der normalisierten Elektrodendicke Do und Di von 6% bzw. 2% hatten. Das piezoelektrische Substrat 101 wurde aus Lithiumniobat mit Euler-Winkeln von (0°, 90°, 0°) mit variierender normalisierter Dicke eines SiO₂-Films (der Oberschichtfilm 103 in 12) hergestellt, und der TCF der resultierenden Bauelemente wurde aufgetragen. Experimente haben bestätigt, dass ein Trend ähnlich dem in 13 mit jedem Satz Euler-Winkel und Dickenwerten der IDT-Elektrode innerhalb des Geltungsbereichs der hier offenbarten vorliegenden Erfindung zu beobachten ist.
Wie aus 13 zu erkennen ist, wird der TCF verbessert, je dicker der SiO₂-Film wird. Besonders bevorzugt liegt die normalisierte Dicke des SiO₂-Films im Bereich von 5% bis 35%. Der TCF eines Oberflächenschallwellen-Bauelements, der diese Bedingung erfüllt, ist besser als der eines Oberflächenschallwellen-Bauelements ohne SiO₂-Film.
Bevorzugt ist die Oberfläche dieses SiO₂-Films, d. h. die Oberfläche gegenüber dem piezoelektrischen Substrat 101, im Wesentlichen flach. Dies verhindert eine Beeinträchtigung der Eigenschaften des Oberflächenschallwellen-Bauelements infolge unbeabsichtigter Konsequenzen auf der Oberfläche des SiO₂-Films, wie zum Beispiel die Reflexion von Oberflächenschallwellen, weil dieser Film extrem glatt ist.
Der SiO₂-Film kann mit einem Film zur Frequenzjustierung beschichtet sein. Dieser Frequenzjustierfilm besteht zum Beispiel aus Siliziumnitrid (SiN) oder einem ähnlichen Material. Es ist ebenfalls möglich, einen Film aus Siliziumnitrid (SiN) oder einem ähnlichen Material zwischen der IDT-Elektrode und dem SiO₂-Film zu bilden, um Feuchtigkeit draußen zu halten oder zu verhindern, dass in der IDT-Elektrode enthaltenes Cu diffundiert.
Bezugszeichenliste

10, 10A, 10B: Oberflächenschallwellen-Bauelement
101: piezoelektrisches Substrat
102, 102A: IDT-Elektrode
102o: zweite Elektrodenschicht
102i: erste Elektrodenschicht
103: Oberschichtfilm
110, 110A: Rinnen

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

JP 2006-270906 [0004]

Claims

Oberflächenschallwellen-Bauelement, umfassend: ein piezoelektrisches Substrat mit Rinnen in seiner Oberfläche und eine IDT-Elektrode mit einer erste Elektrodenschicht in den Rinnen und einer zweiten Elektrodenschicht außerhalb der Rinnen, wobei: das piezoelektrische Substrat aus Lithiumniobat besteht die erste Elektrodenschicht und die zweite Elektrodenschicht aus Kupfer bestehen und, wenn eine Dicke einer Elektrode, die durch eine Wellenlänge von Oberflächenschallwellen normalisiert ist, als eine normalisierte Elektrodendicke definiert ist, die normalisierte Elektrodendicke Do der zweiten Elektrodenschicht und die normalisierte Elektrodendicke Di der ersten Elektrodenschicht folgende Beziehungen erfüllen: 1,0% ≤ Do ≤ 9,0%, 1,0% ≤ Di ≤ 12,0% und 6,0% ≤ (Do + Di) ≤ 13,0%.
Oberflächenschallwellen-Bauelement nach Anspruch 1, wobei Euler-Winkel des piezoelektrischen Substrats (ϕ = 0° ± 5°, 80° ≤ θ ≤ 110°, ψ = 0° ± 5°) betragen.
Oberflächenschallwellen-Bauelement nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, wobei eine Öffnungsfläche der Rinnen des piezoelektrischen Substrats kleiner wird, je tiefer die Fläche unter die Oberfläche reicht, und ein Winkel α zwischen der Oberfläche und Seitenflächen der Rinnen folgende Beziehung erfüllt: 50° ≤ α ≤ 70°.
Oberflächenschallwellen-Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 3, ferner umfassend: einen Siliziumoxidfilm auf dem piezoelektrischen Substrat, wobei der Siliziumoxidfilm die IDT-Elektrode bedeckt, wobei eine Oberfläche des Siliziumoxidfilms gegenüber dem piezoelektrischen Substrat im Wesentlichen flach ist.
Oberflächenschallwellen-Bauelement nach Anspruch 4, wobei eine Dicke des Siliziumoxidfilms, die durch eine Wellenlänge von Oberflächenschallwellen normalisiert ist, die sich auf dem Oberflächenschallwellen-Bauelement ausbreiten, in einen Bereich von 5% bis 35% liegt.