DE112013002520T5

DE112013002520T5 - Bauelement für elastische Wellen

Info

Publication number: DE112013002520T5
Application number: DE201311002520
Authority: DE
Inventors: c/o Murata Manufacturing Co. L Kimura Tetsuya; c/o Murata Manufacturing Co. Lt Kadota Michio
Original assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Priority date: 2012-05-15
Filing date: 2013-05-13
Publication date: 2015-01-29
Anticipated expiration: 2033-05-14
Also published as: CN104303417A; US9929717B2; CN104303417B; WO2013172287A1; JP5817928B2; JPWO2013172287A1; US20150061466A1; DE112013002520B4

Abstract

Eine Aufgabe besteht darin, ein Bauelement für elastische Wellen bereitzustellen, das mit einer Plattenwelle arbeitet und dessen Eigenschaften sich bei Veränderungen der Dicke einer Interdigitaltransducer-Elektrode nur sehr wenig verändern. Ein Bauelement für elastische Wellen 1 enthält ein piezoelektrisches Substrat 6 und eine Interdigitaltransducer-Elektrode 7, die in einem piezoelektrischen Vibrationsabschnitt des piezoelektrischen Substrats 6 angeordnet ist und durch das piezoelektrische Substrat 6 hindurch verläuft.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Bauelement für elastische Wellen, das ein piezoelektrisches Substrat mit einer Dicke von maximal einer Wellenlänge einer sich ausbreitenden elastischen Welle enthält.
ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
Es sind bereits verschiedene Bauelemente für elastische Wellen, die mit einer Plattenwelle, wie zum Beispiel einer Lamb-Welle, arbeiten, vorgeschlagen worden. Durch Anordnen einer Interdigitaltransducer-(IDT)-Elektrode auf einem dünnen piezoelektrischen Substrat können verschiedene Eigenschaften elastischer Wellen mit Hilfe einer Plattenwelle erhalten werden. Zum Beispiel beschreibt Patentdokument 1 eine Technik, bei der unter Verwendung des A1-Modus Eigenschaften elastischer Wellen von einer hohen Schallgeschwindigkeit von 10000 m/s oder mehr erreicht werden können.
Patentdokument 2 offenbart ein Bauelement für elastische Wellen, das mit dem SH-Modus einer Plattenwelle arbeitet. In Patentdokument 2 heißt es, dass unter Verwendung des SH-Modus Breitbandeigenschaften erreicht werden können.
ZITIERUNGSLISTE
Patentdokumente

Patentdokument 1: Japanisches Patent Nr. 4613960
Patentdokument 2: Japanische ungeprüfte Patentanmeldungspublikation Nr. 2002-152007

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
TECHNISCHE AUFGABE
Bei einem herkömmlichen Bauelement für elastische Wellen, das mit einer ebenen Welle arbeitet, besteht das Problem, dass sich die Eigenschaften bei Änderungen der Dicke des piezoelektrischen Substrats oder der Elektrode signifikant ändern. Genauer gesagt tendiert ein elektromechanischer Kopplungskoeffizient (d. h. eine Bandbreite, eine Schallgeschwindigkeit und ein Sperrbereich) zu einer signifikanten Änderung, wenn sich die Dicke des piezoelektrischen Substrats oder der Elektrode ändert. Das bedeutet, dass es schwierig ist, Bauelemente für elastische Wellen, die gewünschte Eigenschaften haben, in stabiler Weise herzustellen.
Um eine große Bandbreite zu erreichen, ist es notwendig, das Metallisierungsverhältnis oder die Dicke der IDT-Elektrode zu reduzieren. In diesem Fall verstärkt sich der Effekt eines Widerständeverlusts der Elektrode in einem hohen Frequenzband, wie zum Beispiel einem GHz-Band. Darum hat das Bauelement für elastische Wellen, das als ein Resonator ausgebildet ist, das Problem eines erhöhten Resonanzwiderstände, und das Bauelement für elastische Wellen, das als ein Filter ausgebildet ist, hat das Problem erhöhter Verluste.
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung eines Bauelements für elastische Wellen, das weniger für Änderungen der Eigenschaften bei Veränderungen der Dicke eines piezoelektrischen Substrats oder einer Elektrode anfällig ist.
LÖSUNG DER AUFGABE
Ein Bauelement für elastische Wellen gemäß der vorliegenden Erfindung enthält ein piezoelektrisches Substrat mit einer Dicke von maximal einer Wellenlänge einer sich ausbreitenden elastischen Welle und eine IDT-Elektrode. Die IDT-Elektrode verläuft durch das piezoelektrische Substrat.
Gemäß einem konkreten Aspekt des Bauelements für elastische Wellen gemäß der vorliegenden Erfindung besteht das piezoelektrische Substrat aus LiNbO₃. Dies kann die fraktionale Bandbreite vergrößern.
Gemäß einem weiteren konkreten Aspekt des Bauelements für elastische Wellen gemäß der vorliegenden Erfindung liegt ein Euler-Winkel θ von LiNbO₃ im Bereich von 100° bis 140°. In diesem Fall kann die fraktionale Bandbreite einer horizontalen Scher(SH)-Welle, die eine Plattenwelle ist, weiter vergrößert werden.
Gemäß einem weiteren konkreten Aspekt des Bauelements für elastische Wellen gemäß der vorliegenden Erfindung ist ein Metallisierungsverhältnis der IDT-Elektrode maximal 0,5. In diesem Fall kann die fraktionale Bandbreite der SH-Welle, die eine Plattenwelle ist, weiter vergrößert werden.
Gemäß einem weiteren konkreten Aspekt des Bauelements für elastische Wellen gemäß der vorliegenden Erfindung besteht die IDT-Elektrode hauptsächlich aus einem Metall, das aus folgender Gruppe ausgewählt ist: Al, Cu, W, Au, Pt, Ta, Mo und Ni. Da diese Metalle niedrige elektrische Widerstände haben, ist es möglich, den Resonanzwiderstand oder Verlust des Bauelements für elastische Wellen zu reduzieren.
VORTEILHAFTE EFFEKTE DER ERFINDUNG
Bei dem Bauelement für elastische Wellen gemäß der vorliegenden Erfindung verläuft die IDT-Elektrode durch das piezoelektrische Substrat. Das heißt, selbst wenn die Dicken des piezoelektrischen Substrats und der Elektrode variiert werden, sind die resultierenden Veränderungen der fraktionalen Bandbreite und der Schallgeschwindigkeit sehr gering. Dies erleichtert die Herstellung eines Bauelements für elastische Wellen mit gewünschten Eigenschaften.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine vordere Querschnittsansicht eines Bauelements für elastische Wellen gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
2 zeigt eine Beziehung zwischen der Dicke eines piezoelektrischen LiNbO₃-Substrats mit einem Euler-Winkel θ von 120° und einer Elektrode, der fraktionalen Bandbreite und dem Metallisierungsverhältnis.
3 zeigt eine Beziehung zwischen der Dicke des piezoelektrischen LiNbO₃-Substrats mit einem Euler-Winkel θ von 120° und der Elektrode, der Schallgeschwindigkeit und dem Metallisierungsverhältnis.
4 zeigt eine Beziehung zwischen der Dicke des piezoelektrischen LiNbO₃-Substrats mit einem Euler-Winkel θ von 120° und der Elektrode, dem Sperrbereich und dem Metallisierungsverhältnis.
5 zeigt eine Beziehung zwischen der fraktionalen Bandbreite und der Dicke des piezoelektrischen LiNbO₃-Substrats mit einem Euler-Winkel θ von 120° und einer IDT-Elektrode mit einem Metallisierungsverhältnis von 0,3.
6 zeigt eine Beziehung zwischen der Schallgeschwindigkeit und der Dicke des piezoelektrischen LiNbO₃-Substrats mit einem Euler-Winkel θ von 120° und der IDT-Elektrode mit einem Metallisierungsverhältnis von 0,3.
7 zeigt eine Beziehung zwischen dem Sperrbereich und der Dicke des piezoelektrischen LiNbO₃-Substrats mit einem Euler-Winkel θ von 120° und der IDT-Elektrode mit einem Metallisierungsverhältnis von 0,3.
8 zeigt eine Beziehung zwischen der Dicke des piezoelektrischen Substrats, dem Metallisierungsverhältnis und der fraktionalen Bandbreite in einem Bauelement für elastische Wellen eines Vergleichsbeispiels.
9 zeigt eine Beziehung zwischen der Dicke des piezoelektrischen Substrats, dem Metallisierungsverhältnis und der Schallgeschwindigkeit bei dem Bauelement für elastische Wellen des Vergleichsbeispiels.
10 zeigt eine Beziehung zwischen der Dicke des piezoelektrischen Substrats, dem Metallisierungsverhältnis und dem Sperrbereich bei dem Bauelement für elastische Wellen des Vergleichsbeispiels.
11 zeigt eine Beziehung zwischen dem Euler-Winkel θ von LiNbO₃, dem Metallisierungsverhältnis und der fraktionalen Bandbreite in der ersten Ausführungsform.
12 zeigt eine Beziehung zwischen der Dicke einer IDT-Elektrode aus Cu und dem piezoelektrischen Substrat, dem Metallisierungsverhältnis und der fraktionalen Bandbreite in einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
13 zeigt eine Beziehung zwischen der Dicke der IDT-Elektrode aus Cu und dem piezoelektrischen Substrat, dem Metallisierungsverhältnis und der Schallgeschwindigkeit in der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
14 zeigt eine Beziehung zwischen dem Euler-Winkel θ von LiNbO₃, dem Metallisierungsverhältnis und der fraktionalen Bandbreite im Fall der Verwendung der IDT-Elektrode aus Cu.
15 zeigt eine Beziehung zwischen der Dicke einer IDT-Elektrode aus W und dem piezoelektrischen Substrat, dem Metallisierungsverhältnis und der fraktionalen Bandbreite in einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
16 zeigt eine Beziehung zwischen der Dicke der IDT-Elektrode aus W und dem piezoelektrischen Substrat, dem Metallisierungsverhältnis und der Schallgeschwindigkeit in der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
17 zeigt eine Beziehung zwischen dem Euler-Winkel θ von LiNbO₃, dem Metallisierungsverhältnis und der fraktionalen Bandbreite im Fall der Verwendung der IDT-Elektrode aus W.
18 zeigt eine Beziehung zwischen der Dicke einer IDT-Elektrode aus Ta und dem piezoelektrischen Substrat, dem Metallisierungsverhältnis und der fraktionalen Bandbreite in einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
19 zeigt eine Beziehung zwischen der Dicke der IDT-Elektrode aus Ta und dem piezoelektrischen Substrat, dem Metallisierungsverhältnis und der Schallgeschwindigkeit in der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
20 zeigt eine Beziehung zwischen dem Euler-Winkel θ von LiNbO₃, dem Metallisierungsverhältnis und der fraktionalen Bandbreite im Fall der Verwendung der IDT-Elektrode aus Ta.
21 zeigt eine Beziehung zwischen der Dicke einer IDT-Elektrode aus Mo und dem piezoelektrischen Substrat, dem Metallisierungsverhältnis und der fraktionalen Bandbreite in einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
22 zeigt eine Beziehung zwischen der Dicke der IDT-Elektrode aus Mo und dem piezoelektrischen Substrat, dem Metallisierungsverhältnis und der Schallgeschwindigkeit in der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
23 zeigt eine Beziehung zwischen dem Euler-Winkel θ von LiNbO₃, dem Metallisierungsverhältnis und der fraktionalen Bandbreite im Fall der Verwendung der IDT-Elektrode aus Mo.
24 zeigt eine Beziehung zwischen der Dicke einer IDT-Elektrode aus Ni und dem piezoelektrischen Substrat, dem Metallisierungsverhältnis und der fraktionalen Bandbreite in einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
25 zeigt eine Beziehung zwischen der Dicke der IDT-Elektrode aus Ni und dem piezoelektrischen Substrat, dem Metallisierungsverhältnis und der Schallgeschwindigkeit in der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
26 zeigt eine Beziehung zwischen dem Euler-Winkel θ von LiNbO₃, dem Metallisierungsverhältnis und der fraktionalen Bandbreite im Fall der Verwendung der IDT-Elektrode aus Ni.
27 zeigt eine Beziehung zwischen der Dicke einer IDT-Elektrode aus Au und dem piezoelektrischen Substrat, dem Metallisierungsverhältnis und der fraktionalen Bandbreite in einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
28 zeigt eine Beziehung zwischen der Dicke der IDT-Elektrode aus Au und dem piezoelektrischen Substrat, dem Metallisierungsverhältnis und der Schallgeschwindigkeit in der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
29 zeigt eine Beziehung zwischen der Dicke einer IDT-Elektrode aus Pt und dem piezoelektrischen Substrat, dem Metallisierungsverhältnis und der fraktionalen Bandbreite in einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
30 zeigt eine Beziehung zwischen der Dicke der IDT-Elektrode aus Pt und dem piezoelektrischen Substrat, dem Metallisierungsverhältnis und der Schallgeschwindigkeit in der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
31(a) bis 31(c) sind schematische vordere Querschnittsansichten, die ein Verfahren zum Herstellen eines Bauelements für elastische Wellen gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung veranschaulichen.
32(a) bis 32(c) sind schematische vordere Querschnittsansichten, die ebenfalls das Verfahren zum Herstellen des Bauelements für elastische Wellen gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung veranschaulichen.
33(a) bis 33(c) sind schematische vordere Querschnittsansichten, die ebenfalls das Verfahren zum Herstellen des Bauelements für elastische Wellen gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung veranschaulichen.
34 ist eine schematische Querschnittsansicht, die eine Struktur, bei der die IDT-Elektrode über eine Oberseite des piezoelektrischen Substrats hervorsteht, und die den Betrag des Vorstands veranschaulicht.
35 zeigt eine Beziehung zwischen dem Betrag des Vorstands der IDT-Elektrode, der fraktionalen Bandbreite und dem Metallisierungsverhältnis.
36 ist eine schematische Querschnittsansicht, die eine Struktur veranschaulicht, bei der die Dicke h/λ der IDT-Elektrode kleiner als die Dicke d/λ des piezoelektrischen Substrats ist.
37 zeigt eine Beziehung zwischen dem Metallisierungsverhältnis, der Dicke h/λ (%) der IDT-Elektrode und der fraktionalen Bandbreite (%), wenn d/λ 10% ist.
BESCHREIBUNG VON AUSFÜHRUNGSFORMEN
Die vorliegende Erfindung wird nun durch Beschreibung konkreter Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung mit Bezug auf die Zeichnungen erläutert.
1 ist eine Querschnittsansicht eines Bauelements für elastische Wellen gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Ein Bauelement für elastische Wellen 1 enthält ein Stützsubstrat 2. Das Stützsubstrat 2 enthält ein Basissubstrat 3, eine Klebstoffschicht 4 auf dem Basissubstrat 3 und eine Stützschicht 5 auf der Klebstoffschicht 4. Eine Oberseite der Stützschicht 5 hat einen konkaven Abschnitt 5a. Ein piezoelektrisches Substrat 6 ist auf dem Stützsubstrat 2 so angeordnet, dass es dem konkaven Abschnitt 5a zugewandt ist. Das piezoelektrische Substrat 6 hat mehrere Durchgangsöffnungen 6a, die durch das Substrat von seiner Oberseite zu seiner Unterseite verlaufen. Die Durchgangsöffnungen 6a sind mit einem Metallmaterial gefüllt, um eine IDT-Elektrode 7 zu bilden. Das heißt, die Dicke der IDT-Elektrode 7 ist die gleiche wie die des piezoelektrischen Substrats 6.
Als ein Material zum Bilden des piezoelektrischen Substrats 6 kann ein geeignetes piezoelektrisches Material verwendet werden, das eine Plattenwelle erregen kann. Zu Beispielen des piezoelektrischen Materials gehören LiNbO₃, LiTaO₃ und Quarzkristall. In der vorliegenden Ausführungsform besteht das piezoelektrische Substrat 6 aus LiNbO₃. In der vorliegenden Erfindung kann das piezoelektrische Substrat 6 eine piezoelektrische dünne Platte oder ein piezoelektrischer Dünnfilm sein, der durch Abscheiden gebildet wird.
Die IDT-Elektrode 7 besteht aus einem geeigneten Metallmaterial. Bevorzugt wird ein Metall verwendet, das aus folgender Gruppe ausgewählt ist: Al, Cu, W, Au, Pt, Ta, Mo und Ni. Alternativ kann die IDT-Elektrode 7 ein Mehrschichtkörper sein, der durch diese Metalle gebildet wird. Da diese Metalle niedrige elektrische Widerstände haben, ist es möglich, Verluste in dem Bauelement für elastische Wellen 1 zu reduzieren.
Bei dem Bauelement für elastische Wellen 1 verläuft die IDT-Elektrode 7 durch das piezoelektrische Substrat 6. Darum kann eine Plattenwelle durch Erregen der IDT-Elektrode 7 erregt werden. Da, wie nachstehend beschrieben, die IDT-Elektrode 7 durch das piezoelektrische Substrat 6 in dem Bauelement für elastische Wellen 1 der vorliegenden Ausführungsform verläuft, ändern sich Eigenschaften, wie zum Beispiel eine fraktionale Bandbreite, eine Schallgeschwindigkeit und ein Sperrbereich, nur schwer im Fall von Veränderungen der Elektrodendicke. Es ist zu beachten, dass in der vorliegenden Ausführungsform eine Dicke h der IDT-Elektrode 7 im Wesentlichen die gleiche wie eine Dicke d des piezoelektrischen Substrats 6 ist.
Ein Teil des piezoelektrischen Substrats 6, wo die IDT-Elektrode 7 angeordnet ist, bildet einen piezoelektrischen Vibrationsabschnitt. Der piezoelektrische Vibrationsabschnitt ist akustisch von dem Stützsubstrat 2 isoliert. Genauer gesagt, erlaubt es der konkave Abschnitt 5a dem piezoelektrischen Vibrationsabschnitt, über dem Stützsubstrat 2 zu schwimmen.
Das Bauelement für elastische Wellen 1 der vorliegenden Ausführungsform wurde in der folgenden Weise hergestellt, und die Eigenschaften des Bauelements für elastische Wellen 1 wurden durch Variieren der Dicke h der IDT-Elektrode 7 und der Dicke d des piezoelektrischen Substrats 6 beurteilt.
In der folgenden Beschreibung wird die Dicke h der IDT-Elektrode 7 als eine normalisierte Dicke h/λ ausgedrückt, die durch Normalisieren der Dicke h mit einer Wellenlänge λ erhalten wird. Gleichermaßen wird die Dicke d des piezoelektrischen Substrats 6 als eine normalisierte Dicke d/λ ausgedrückt, die durch Normalisieren der Dicke d mit einer Wellenlänge λ erhalten wird. In 2 und den anschließenden Zeichnungen werden d/λ und h/λ in Prozent ausgedrückt.
Das Bauelement für elastische Wellen 1, das in dem folgenden experimentellen Beispiel hergestellt wurde, ist ein Einzelport-Resonator für elastische Wellen, der mit einer Plattenwelle arbeitet. Eine fraktionale Bandbreite bezieht sich auf einen Wert, der durch Normalisieren des Frequenzbereichs zwischen einer Resonanzfrequenz und einer Antiresonanzfrequenz des Einzelport-Resonators für elastische Wellen mit der Resonanzfrequenz erhalten wird. Wie allgemein bekannt ist, ist eine fraktionale Bandbreite mit einem elektromechanischen Kopplungskoeffizienten korreliert. Das heißt, eine große fraktionale Bandbreite bedeutet einen großen elektromechanischen Kopplungskoeffizienten.
Des Weiteren bezieht sich in der folgenden Beschreibung eine Schallgeschwindigkeit auf eine Phasengeschwindigkeit (m/s), die der Resonanzfrequenz des Einzelport-Resonators für elastische Wellen entspricht.
Des Weiteren bezieht sich ein Sperrbereich auf einen Sperrbereich, der durch Elektrodenfinger des Einzelport-Resonators für elastische Wellen gebildet wird. Wie allgemein bekannt ist, ist ein Sperrbereich mit einem Reflexionskoeffizienten jedes Elektrodenfingers korreliert. Das heißt, ein großer Sperrbereich bedeutet einen großen Reflexionskoeffizienten.
LiNbO₃ mit Euler-Winkeln (0°, 120°, 0°) wurde für das Bauelement für elastische Wellen 1 verwendet. Al wurde als ein Material zum Bilden der IDT-Elektrode 7 verwendet. Die Anzahl von Paaren von Elektrodenfingern der IDT-Elektrode 7 betrug 50.
Mehrere verschiedene Arten von Bauelementen für elastische Wellen 1 wurden durch Variieren der Dicke d/λ des piezoelektrischen Substrats 6 = der Dicke h/λ der IDT-Elektrode 7 und des Metallisierungsverhältnisses der IDT-Elektrode 7 in dem oben beschriebenen Bauelement für elastische Wellen 1 hergestellt. 2 bis 4 sind Kurvendiagramme, die Beziehungen zwischen der Dicke d/λ des piezoelektrischen Substrats 6 und der Dicke h/λ der IDT-Elektrode 7, dem Metallisierungsverhältnis, der fraktionalen Bandbreite, der Schallgeschwindigkeit und dem Sperrbereich in den mehreren Bauelementen für elastische Wellen, die wie oben beschrieben hergestellt wurden, zeigen.
Wie in den 2 bis 4 zu sehen, gibt es, wenn die IDT-Elektrode 7 aus Al verwendet wird, selbst dann, wenn die Dicke d/λ des piezoelektrischen Substrats 6 und die Dicke h/λ der IDT-Elektrode 7 ungeachtet des Metallisierungsverhältnisses um 50% geändert werden, praktisch keine Veränderung der fraktionalen Bandbreite, der Schallgeschwindigkeit und des Sperrbereichs.
Die fraktionale Bandbreite, die Schallgeschwindigkeit und der Sperrbereich in den 2 bis 4 erscheinen unverändert, wenn sich die Dicke d/λ des piezoelektrischen Substrats 6 und die Dicke h/λ der IDT-Elektrode 7 ändern. Jedoch ändern sich die fraktionale Bandbreite, die Schallgeschwindigkeit und der Sperrbereich in der Tat ein wenig. Die 5 bis 7 sind Kurvendiagramme, die die Eigenschaften für das Metallisierungsverhältnis = 0,3 in den 2 bis 4 zeigen. Es ist zu beachten, dass die Skala der vertikalen Achse in den 5 bis 7 vergrößert dargestellt ist. Wie in den 5 bis 7 zu sehen, neigt die fraktionale Bandbreite dazu, sich geringfügig zu verringern, wenn die Dicke d/λ des piezoelektrischen Substrats 6 und die Dicke h/λ der IDT-Elektrode 7 bis auf 50% zunehmen. Andererseits nimmt die Schallgeschwindigkeit geringfügig zu, wenn die Dicke d/λ = h/λ zunimmt. Der Sperrbereich wird ebenfalls größer, wenn d/λ = h/λ zunimmt. Insbesondere verbreitert sich der Sperrbereich signifikant, wenn d/λ = h/λ 30% überschreitet. Solange aber d/λ = h/λ maximal 30% beträgt, ändert sich die Breite des Sperrbereichs sehr wenig, wenn sich d/λ = h/λ ändert.
Wie oben beschrieben, sind die 5 bis 7 vergrößerte Ansichten der Eigenschaften für das Metallisierungsverhältnis = 0,3 in den 2 bis 4. In der Praxis, wie in den 2 bis 4 veranschaulicht, gibt es selbst dann, wenn sich d/λ = h/λ verändert, praktisch keine Veränderung der fraktionalen Bandbreite, der Schallgeschwindigkeit und des Sperrbereichs.
Darum ist es selbst dann, wenn d/λ = h/λ während der Herstellung in einem gewissen Grad variiert, möglich, das Bauelement für elastische Wellen 1 mit stabilen Eigenschaften herzustellen. Oder anders ausgedrückt: Es ist möglich, die Fertigungstoleranz zu verbreitern.
Die 8 bis 10 zeigen Veränderungen der fraktionalen Bandbreite, der Schallgeschwindigkeit und des Sperrbereichs bei Veränderungen der Dicke eines piezoelektrischen Substrats in einem herkömmlichen Bauelement für elastische Wellen, das für Vergleichszwecke hergestellt wurde. Eine IDT-Elektrode aus Al und mit einer Dicke von 0,06 λ (6%) wurde auf dem piezoelektrischen Substrat ausgebildet. Die andere Konfiguration ist die gleiche wie die der oben beschriebenen Ausführungsform.
Wie in den 8 bis 10 zu sehen, verändern sich die fraktionale Bandbreite, die Schallgeschwindigkeit und der Sperrbereich signifikant bei Veränderungen der Dicke d/λ des piezoelektrischen Substrats, wenn das Metallisierungsverhältnis irgendwo zwischen 0,1 und 0,9 liegt.
Als Nächstes wurden Veränderungen der Kennlinien untersucht, wenn θ in den Euler-Winkeln (φ, θ, ψ) von LiNbO₃ in dem Bauelement für elastische Wellen 1 der Ausführungsform variiert wurde. 11 zeigt das Ergebnis. Wie gezeigt, wurde θ in den Euler-Winkeln (0°, θ, 0°) von LiNbO₃ variiert. Die Dicke d/λ von LiNbO₃ betrug 10%, und die Dicke h/λ der IDT-Elektrode 7 aus Al betrug ebenfalls 10%. Das Metallisierungsverhältnis der IDT-Elektrode 7 wurde von 0,1 zu 0,9 geändert.
Wie in 11 zu sehen, ist die fraktionale Bandbreite am größten, wenn der Euler-Winkel θ etwa 120° beträgt. 11 zeigt, dass die fraktionale Bandbreite insbesondere vergrößert werden kann, wenn der Euler-Winkel θ im Bereich von 90° bis 150° liegt. Die fraktionale Bandbreite kann auf 0,2 oder mehr vergrößert werden, wenn der Euler-Winkel θ im Bereich von 100° bis 140° liegt und das Metallisierungsverhältnis maximal 0,5 beträgt.
Darum ist es bevorzugt, dass der Euler-Winkel θ in folgendem Bereich liegt: 0° ± 5°, 90° bis 150°, 0° ± 5°. Es ist besonders bevorzugt, dass die Euler-Winkel in diesem Bereich liegen und das Metallisierungsverhältnis maximal 0,5 beträgt.
Wie oben beschrieben, ändern sich bei dem Bauelement für elastische Wellen des Vergleichsbeispiels die Eigenschaften signifikant bei Veränderungen der Dicke des piezoelektrischen Substrats. Insbesondere verringert sich die fraktionale Bandbreite, wenn die Dicke des piezoelektrischen Substrats zunimmt. Um Breitbandeigenschaften zu erreichen, muss die Dicke des piezoelektrischen Substrats minimiert werden. Jedoch wird das piezoelektrische Substrat durch das Verringern der Dicke des piezoelektrischen Substrats beim Herstellungsprozess oder während der Nutzung bruchanfälliger. Dies erschwert die praktische Nutzung.
In dem Vergleichsbeispiel verringert das Reduzieren der Dicke des piezoelektrischen Substrats der Schallgeschwindigkeit. Um also eine gewünschte Frequenzkennlinie zu erreichen, ist es notwendig, den Elektrodenfinger-Mittenabstand der IDT-Elektrode zu verkleinern. Dies erfordert eine hochpräzise Technik zur Herstellung der IDT-Elektrode und kann zu einem kleineren Verhältnis von nicht-defekten Produkten oder höheren Kosten führen. Außerdem kann die IDT-Elektrode durch die äußere Einwirkung von Kräften oder statischer Elektrizität beschädigt werden.
Jedoch verändern sich in der oben beschriebenen Ausführungsform die Eigenschaften selbst dann nur sehr wenig, wenn die Dicke d/λ des piezoelektrischen Substrats 6 und die Dicke h/λ der IDT-Elektrode 7 sich ändern. Dies erleichtert die Herstellung und vereinfacht die Erreichung höherer Frequenzen.
Bei dem Bauelement für elastische Wellen des Vergleichsbeispiels verändern sich die Eigenschaften signifikant bei Veränderungen nicht nur der Dicke des piezoelektrischen Substrats, sondern auch der Dicke der IDT-Elektrode. Dem Fachmann ist das bereits bekannt. Insbesondere, wenn die Elektrodendicke zunimmt, neigt die Schallgeschwindigkeit der Plattenwelle zum Abnehmen. Wenn des Weiteren die Elektrodendicke zunimmt, so verringert sich der Widerstandsverlust der Elektrodenfinger. Das heißt, auch wenn die Resonanzeigenschaften verbessert werden, verringert sich die Wellenlänge aufgrund eines Verringerns der Schallgeschwindigkeit. In dem Vergleichsbeispiel vergrößern sich selbst dann, wenn die normalisierte Dicke h/λ der Elektrode vergrößert wird, die Dicke und die Breite der Elektrode in der Praxis nicht. Darum ist es schwierig, die Eigenschaften des Bauelements für elastische Wellen des Vergleichsbeispiels zu verbessern. Außerdem führt eine Abnahme der Schallgeschwindigkeit zu einer Erhöhung der Herstellungskosten, wie oben beschrieben. Außerdem wird das Bauelement für elastische Wellen anfällig für von außen einwirkende statische Elektrizität.
Die IDT-Elektrode 7 besteht in der oben beschriebenen Ausführungsform aus Al. In der vorliegenden Erfindung können verschiedene Metallmaterialien verwendet werden, um die IDT-Elektrode 7 zu bilden, wie oben beschrieben. Die folgende Beschreibung zeigt, dass sich selbst dann, wenn das Elektrodenmaterial ein anderes Metall als Al ist, die Eigenschaften nur sehr gering bei Veränderungen der Dicke d/λ des piezoelektrischen Substrats 6 und der Dicke h/λ der IDT-Elektrode 7 ändern, wie in der oben beschriebenen Ausführungsform.
[Wenn die IDT-Elektrode 7 aus Cu besteht]
Die IDT-Elektrode 7 bestand aus Cu. Die anderen Punkte waren die gleichen wie die der oben beschriebenen Ausführungsform. Die 12 und 13 zeigen Beziehungen zwischen der Dicke d/λ des piezoelektrischen Substrats 6 = der Elektrodendicke h/λ, dem Metallisierungsverhältnis, der fraktionalen Bandbreite und der Schallgeschwindigkeit in einem Bauelement für elastische Wellen, das in der gleichen Weise wie die oben beschriebene Ausführungsform konfiguriert ist, außer dass die IDT-Elektrode 7 aus Cu besteht.
Wie in den 12 und 13 zu sehen, verändern sich die fraktionale Bandbreite und die Schallgeschwindigkeit selbst dann, wenn die IDT-Elektrode aus Cu besteht, nur sehr wenig bei Veränderungen der Dicke d/λ des piezoelektrischen Substrats 6 und der Elektrodendicke h/λ.
14 zeigt eine Beziehung zwischen dem variierenden Eulerwinkel θ von LiNbO₃ und der fraktionalen Bandbreite im Fall von d/λ = h/λ = 0,1 λ (10%). Wie in 14 zu sehen, kann selbst dann, wenn die IDT-Elektrode 7 aus Cu besteht, die fraktionale Bandbreite effektiv vergrößert werden, wie im Fall von 11, wenn der Euler-Winkel θ im Bereich von 100° bis 140° liegt. Wenn θ in diesem Bereich liegt und das Metallisierungsverhältnis maximal 0,5 beträgt, so kann die fraktionale Bandbreite 0,2 oder mehr betragen.
[Wenn die IDT-Elektrode 7 aus W besteht]
Die IDT-Elektrode 7 bestand aus W. Die anderen Punkte waren die gleichen wie die in der oben beschriebenen Ausführungsform. Die 15 und 16 zeigen Beziehungen zwischen der Dicke d/λ des piezoelektrischen Substrats 6 = der Elektrodendicke h/λ, dem Metallisierungsverhältnis, der fraktionalen Bandbreite und der Schallgeschwindigkeit in einem Bauelement für elastische Wellen, das in der gleichen Weise wie die oben beschriebene Ausführungsform konfiguriert ist, außer dass die IDT-Elektrode 7 aus W besteht.
Wie in den 15 und 16 zu sehen, verändern sich die fraktionale Bandbreite und die Schallgeschwindigkeit selbst dann, wenn die IDT-Elektrode aus W besteht, nur sehr wenig bei Veränderungen der Dicke d/λ des piezoelektrischen Substrats 6 und der Elektrodendicke h/λ.
17 zeigt eine Beziehung zwischen dem variierenden Eulerwinkel θ von LiNbO₃ und der fraktionalen Bandbreite im Fall von d/λ = h/λ = 0,1 λ. Wie in 17 zu sehen, kann selbst dann, wenn die IDT-Elektrode 7 aus W besteht, die fraktionale Bandbreite effektiv vergrößert werden, wie im Fall von 11, wenn der Euler-Winkel θ im Bereich von 90° bis 150° liegt. Wenn θ in diesem Bereich liegt und das Metallisierungsverhältnis maximal 0,5 beträgt, so kann die fraktionale Bandbreite 0,2 oder mehr betragen.
[Wenn die IDT-Elektrode 7 aus Ta besteht]
Die IDT-Elektrode 7 bestand aus Ta. Die anderen Punkte waren die gleichen wie die in der oben beschriebenen Ausführungsform. Die 18 und 19 zeigen Beziehungen zwischen der Dicke d/λ des piezoelektrischen Substrats 6 = der Elektrodendicke h/λ, dem Metallisierungsverhältnis, der fraktionalen Bandbreite und der Schallgeschwindigkeit in einem Bauelement für elastische Wellen, das in der gleichen Weise wie die oben beschriebene Ausführungsform konfiguriert ist, außer dass die IDT-Elektrode 7 aus Ta besteht.
Wie in den 18 und 19 zu sehen, verändern sich die fraktionale Bandbreite und die Schallgeschwindigkeit selbst dann, wenn die IDT-Elektrode aus Ta besteht, nur sehr wenig bei Veränderungen der Dicke d/λ des piezoelektrischen Substrats 6 und der Elektrodendicke h/λ.
20 zeigt eine Beziehung zwischen dem variierenden Eulerwinkel θ von LiNbO₃ und der fraktionalen Bandbreite im Fall von d/λ = h/λ = 10% (0,1 λ). Wie in 20 zu sehen, kann selbst dann, wenn die IDT-Elektrode 7 aus Ta besteht, die fraktionale Bandbreite effektiv vergrößert werden, wie im Fall von 11, wenn der Euler-Winkel θ im Bereich von 100° bis 140° liegt. Wenn θ in diesem Bereich liegt und das Metallisierungsverhältnis maximal 0,5 beträgt, so kann die fraktionale Bandbreite 0,2 oder mehr betragen.
[Wenn die IDT-Elektrode 7 aus Mo besteht]
Die IDT-Elektrode 7 bestand aus Mo. Die anderen Punkte waren die gleichen wie die in der oben beschriebenen Ausführungsform. Die 21 und 22 zeigen Beziehungen zwischen der Dicke d/λ des piezoelektrischen Substrats 6 = der Elektrodendicke h/λ, dem Metallisierungsverhältnis, der fraktionalen Bandbreite und der Schallgeschwindigkeit in einem Bauelement für elastische Wellen, das in der gleichen Weise wie die oben beschriebene Ausführungsform konfiguriert ist, außer dass die IDT-Elektrode 7 aus Mo besteht.
Wie in den 21 und 22 zu sehen, verändern sich die fraktionale Bandbreite und die Schallgeschwindigkeit selbst dann, wenn die IDT-Elektrode aus Mo besteht, nur sehr wenig bei Veränderungen der Dicke d/λ des piezoelektrischen Substrats 6 und der Elektrodendicke h/λ.
23 zeigt eine Beziehung zwischen dem variierenden Eulerwinkel θ von LiNbO₃ und der fraktionalen Bandbreite im Fall von d/λ = h/λ = 10% (0,1 λ). Wie in 23 zu sehen, kann selbst dann, wenn die IDT-Elektrode 7 aus Mo besteht, die fraktionale Bandbreite effektiv vergrößert werden, wie im Fall von 11, wenn der Euler-Winkel θ im Bereich von 100° bis 140° liegt. Wenn θ in diesem Bereich liegt und das Metallisierungsverhältnis maximal 0,5 beträgt, so kann die fraktionale Bandbreite 0,2 oder mehr betragen.
[Wenn die IDT-Elektrode 7 aus Ni besteht]
Die IDT-Elektrode 7 bestand aus Ni. Die anderen Punkte waren die gleichen wie die in der oben beschriebenen Ausführungsform. Die 24 und 25 zeigen Beziehungen zwischen der Dicke d/λ des piezoelektrischen Substrats 6 = der Elektrodendicke h/λ, dem Metallisierungsverhältnis, der fraktionalen Bandbreite und der Schallgeschwindigkeit in einem Bauelement für elastische Wellen, das in der gleichen Weise wie die oben beschriebene Ausführungsform konfiguriert ist, außer dass die IDT-Elektrode 7 aus Ni besteht.
Wie in den 24 und 25 zu sehen, verändern sich die fraktionale Bandbreite und die Schallgeschwindigkeit selbst dann, wenn die IDT-Elektrode aus Ni besteht, nur sehr wenig bei Veränderungen der Dicke d/λ des piezoelektrischen Substrats 6 und der Elektrodendicke h/λ.
26 zeigt eine Beziehung zwischen dem variierenden Eulerwinkel θ von LiNbO₃ und der fraktionalen Bandbreite im Fall von d/λ = h/λ = 10% (0,1 λ). Wie in 26 zu sehen, kann selbst dann, wenn die IDT-Elektrode 7 aus Ni besteht, die fraktionale Bandbreite effektiv vergrößert werden, wie im Fall von 11, wenn der Euler-Winkel θ im Bereich von 100° bis 140° liegt. Wenn θ in diesem Bereich liegt und das Metallisierungsverhältnis maximal 0,5 beträgt, so kann die fraktionale Bandbreite 0,2 oder mehr betragen.
[Wenn die IDT-Elektrode 7 aus Au besteht]
Die IDT-Elektrode 7 bestand aus Au. Die anderen Punkte waren die gleichen wie die in der oben beschriebenen Ausführungsform. Die 27 und 28 zeigen Beziehungen zwischen der Dicke d/λ des piezoelektrischen Substrats 6 = der Elektrodendicke h/λ, dem Metallisierungsverhältnis, der fraktionalen Bandbreite und der Schallgeschwindigkeit in einem Bauelement für elastische Wellen, das in der gleichen Weise wie die oben beschriebene Ausführungsform konfiguriert ist, außer dass die IDT-Elektrode 7 aus Au besteht.
Wie in den 27 und 28 zu sehen, verändern sich die fraktionale Bandbreite und die Schallgeschwindigkeit selbst dann, wenn die IDT-Elektrode aus Au besteht, nur sehr wenig bei Veränderungen der Dicke d/λ des piezoelektrischen Substrats 6 und der Elektrodendicke h/λ.
[Wenn die IDT-Elektrode 7 aus Pt besteht]
Die IDT-Elektrode 7 bestand aus Pt. Die anderen Punkte waren die gleichen wie die in der oben beschriebenen Ausführungsform. Die 29 und 30 zeigen Beziehungen zwischen der Dicke d/λ des piezoelektrischen Substrats 6 = der Elektrodendicke h/λ, dem Metallisierungsverhältnis, der fraktionalen Bandbreite und der Schallgeschwindigkeit in einem Bauelement für elastische Wellen, das in der gleichen Weise wie die oben beschriebene Ausführungsform konfiguriert ist, außer dass die IDT-Elektrode 7 aus Pt besteht.
Wie in den 29 und 30 zu sehen, verändern sich die fraktionale Bandbreite und die Schallgeschwindigkeit selbst dann, wenn die IDT-Elektrode aus Pt besteht, nur sehr wenig bei Veränderungen der Dicke d/λ des piezoelektrischen Substrats 6 und der Elektrodendicke h/λ.
Obgleich die Dicke des piezoelektrischen Substrats die gleiche ist wie die Elektrodendicke (d/λ = h/λ) in der oben beschriebenen Ausführungsform, ist die vorliegende Erfindung nicht darauf beschränkt. 34 veranschaulicht eine Struktur, bei der die IDT-Elektrode 7 über das piezoelektrische Substrat 6 hervorsteht. 35 zeigt eine Beziehung zwischen dem Betrag des Vorstands ΔT (%) in 34 und der fraktionalen Bandbreite (%), wenn das Metallisierungsverhältnis 0,1 bis 0,5 beträgt. Wie in 35 zu sehen, wenn die Betrag des Vorstands ΔT (%) klein ist, ändert sich die fraktionale Bandbreite nur sehr wenig, wie im Fall von d/λ = h/λ.
36 veranschaulicht eine Struktur, bei der die Dicke h/λ der IDT-Elektrode 7 kleiner ist als die Dicke d/λ des piezoelektrischen Substrats 6. 37 zeigt, wie sich die fraktionale Bandbreite bei Veränderungen von h/λ verändert, wenn das Metallisierungsverhältnis im Bereich von 0,1 bis 0,5 liegt und d/λ 10% ist. Wie in 37 zu sehen, verändert sich die fraktionale Bandbreite selbst dann nicht signifikant, wenn die Dicke h/λ der IDT-Elektrode 7 geringfügig kleiner ist als die Dicke d/λ des piezoelektrischen Substrats 6. Wie in den 35 und 37 zu sehen, braucht die Dicke des piezoelektrischen Substrats 6 nicht unbedingt die gleiche zu sein wie die der IDT-Elektrode 7.
(Herstellungsverfahren)
Für ein Verfahren zum Herstellen des Bauelements für elastische Wellen 1 bestehen keinerlei konkrete Beschränkungen; vielmehr kann das in den 31 bis 33 veranschaulichte Herstellungsverfahren zweckmäßig zum Bilden der Struktur mit dem konkaven Abschnitt 5a verwendet werden.
Zuerst wird, wie in 31(a) veranschaulicht, eine Opferschicht 11 auf einer Unterseite eines LiNbO₃-Substrats 6A gebildet. Die Opferschicht 11 kann aus einem geeigneten Material bestehen, wie zum Beispiel ZnO, das durch Ätzen entfernt werden kann.
Als Nächstes wird, wie in 31(b) veranschaulicht, die Stützschicht 5 gebildet, um die Opferschicht 11 zu bedecken. Ein Oxidfilm, wie zum Beispiel ein Siliziumoxidfilm, kann als die Stützschicht 5 verwendet werden.
Als Nächstes, wie in 31(c) veranschaulicht, wird das Basissubstrat 3 mit einer Unterseite der Stützschicht 5 verbunden, wobei sich die Klebstoffschicht 4 dazwischen befindet. Alternativ kann das Basissubstrat 3 direkt mit der Stützschicht 5 ohne die Klebstoffschicht 4 verbunden werden. Das Basissubstrat 3 kann aus einem geeigneten Isoliermaterial, wie zum Beispiel Si, bestehen.
Als Nächstes, wie in 32(a) veranschaulicht, wird das LiNbO₃-Substrat 6A poliert, um das piezoelektrische Substrat 6 zu bilden. Dann wird, wie in 32(b) veranschaulicht, ein Resist auf dem piezoelektrischen Substrat 6 ausgebildet und strukturiert. Auf diese Weise wird eine Resiststruktur 12 erhalten. Die Resiststruktur 12 hat Öffnungen 12a, die Abschnitten entsprechen, wo eine IDT-Elektrode ausgebildet werden soll.
Als Nächstes wird, wie in 32(c) veranschaulicht, das piezoelektrische Substrat 6 durch Ätzen strukturiert. Auf diese Weise werden die Durchgangsöffnungen 6a ausgebildet.
Dann wird, wie in 33(a) veranschaulicht, die verbliebene Resiststruktur 12 entfernt. Als Nächstes wird, wie in 33(b) veranschaulicht, Metall durch Sputtern oder dergleichen abgeschieden. Auf diese Weise wird ein Metallfilm 7a gebildet. Dann wird der Metallfilm 7a durch eine Poliertechnik, wie zum Beispiel CMP, so poliert, dass die Oberseite des piezoelektrischen Substrats 6 mit der Oberseite der IDT-Elektrode 7 bündig ist. Auf diese Weise wird die in 33(c) veranschaulichte Struktur erhalten. Dann wird die Opferschicht 11 durch Ätzen entfernt. Auf diese Weise wird das in 1 veranschaulichte Bauelement für elastische Wellen 1 erhalten.
Das Verfahren zum Herstellen des Bauelements für elastische Wellen 1 ist nicht auf das oben beschriebene Herstellungsverfahren beschränkt. Außerdem ist die Struktur für das akustische Entkoppeln des piezoelektrischen Substrats von dem Stützsubstrat nicht auf die oben beschriebene beschränkt.
Obgleich in den Ausführungsformen ein Einzelport-Resonator für elastische Wellen beschrieben wurde, ist die vorliegende Erfindung nicht nur auf Einzelport-Resonatoren für elastische Wellen anwendbar, sondern auch auf verschiedene Resonatoren für elastische Wellen und Filter für elastische Wellen, die mit einer Plattenwelle arbeiten.
Bezugszeichenliste

1: Bauelement für elastische Wellen
2: Stützsubstrat
3: Basissubstrat
4: Klebstoffschicht
5: Stützschicht
5a: konkaver Abschnitt
6: piezoelektrisches Substrat
6A: LiNbO₃-Substrat
6: Durchgangsloch
7: IDT-Elektrode
7A: Metallfilm
11: Opferschicht
12: Resiststruktur
12a: Öffnung

Claims

Bauelement für elastische Wellen, umfassend: ein piezoelektrisches Substrat mit einer Dicke von maximal einer Wellenlänge einer sich ausbreitenden elastischen Welle und eine Interdigitaltransducer-Elektrode, die durch das piezoelektrische Substrat hindurch verläuft.
Bauelement für elastische Wellen nach Anspruch 1, wobei das piezoelektrische Substrat aus LiNbO₃ besteht.
Bauelement für elastische Wellen nach Anspruch 2, wobei ein Euler-Winkel θ des LiNbO₃ im Bereich von 100° bis 140° liegt.
Bauelement für elastische Wellen nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei ein Metallisierungsverhältnis der Interdigitaltransducer-Elektrode maximal 0,5 beträgt.
Bauelement für elastische Wellen nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Interdigitaltransducer-Elektrode hauptsächlich aus einem Metall besteht, das aus folgender Gruppe ausgewählt ist: Al, Cu, W, Au, Pt, Ta, Mo und Ni.