DE19648307A1 - Oberflächenwellenbauelement - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Oberflächen­ wellenbauelement unter Verwendung eines Quarzsubstrats, und insbesondere auf ein Oberflächenwellenbauelement, das durch das Laminieren eines piezoelektrischen Dünnfilms auf einem Quarzsubstrat gebildet ist und Leck-Elastizitätsoberflächenwellen eines Modes höherer Ordnung verwendet.

Bisher wurden Oberflächenwellenbauelemente verbreitet bei­ spielsweise als Bandpaßfilter in mobilen Kommunikationsgerä­ ten verwendet. Das Oberflächenwellenbauelement weist eine Struktur auf, bei der zumindest ein Interdigitalwandler (IDT; IDT = Interdigital Transducer), der zumindest ein paar von Kammzahn-Elektroden aufweist, in Kontakt mit einer pie­ zoelektrischen Substanz gebildet ist. Solche Oberflächenwel­ lenbauelemente wurden bei verschiedenen Anwendungsformen ne­ ben Bandpaßfiltern beispielsweise als Resonatoren oder Ver­ zögerungsleitungen verwendet.

Als Substratmaterialien von Oberflächenwellenbauelementen sind piezoelektrische Einkristalle bekannt, beispielsweise LiNbO₃, LiTaO₃ und Quarz. Bisher wurde eine Struktur reali­ siert, bei der ein IDT auf einem Substrat, das aus einem be­ liebigen dieser Materialien besteht, um die Rayleigh-Wellen anzuregen, gebildet ist.

Die japanische ungeprüfte Patentveröffentlichung Nr. 61- 222312 offenbart ein Oberflächenwellenbauelement, bei dem ein piezoelektrischer Dünnfilm auf einem Quarzsubstrat ge­ bildet ist, und bei dem Kammzahn-Elektroden auf dem piezo­ elektrischen Dünnfilm gebildet sind. Diese Veröffentlichung beschreibt, daß eine Oberflächenwelle mit einer Schallge­ schwindigkeit, die etwa 1,7 mal so groß wie die der normalen Rayleigh-Welle ist, verwendet werden kann, indem ein Quarz­ substrat verwendet wird, das in einem Eulerschen Winkel, der auf im wesentlichen 90° gesetzt ist, ST-geschnitten ist, und indem die Elektroden derart gebildet sind, daß sich die Oberflächenwellen in eine Richtung in einem Winkel von im wesentlichen 90° relativ zu der Ausbreitungsrichtung auf­ grund des ST-Schnitts ausbreiten.

Oberflächenwellenbauelemente, die Quarzsubstrate verwenden, wiesen ein Problem dahingehend auf, daß, obwohl das Quarz­ substrat eine gute Temperaturcharakteristik zeigt, die Rayleigh-Welle, die eine der Oberflächenwellen ist, die durch das Quarzsubstrat angeregt werden, eine geringe Schallge­ schwindigkeit aufweist.

Es ist unterdessen bekannt, daß bei einem Oberflächenwellen­ bauelement, das ein Quarzsubstrat verwendet, neben der Rayleigh-Welle auch Leck-Elastizitätsoberflächenwellen angeregt werden, wobei die Schallgeschwindigkeiten dieser Leck-Elastizitätsoberflächenwellen relativ hoch sind. Jedoch werden die Leck-Elastizitätsoberflächenwellen während der Übertra­ gung zu einem großen Ausmaß gedämpft. Aus diesem Grund wurde es bisher als schwierig betrachtet, die Leck-Elastizitätsoberflächenwellen in der Praxis zu verwenden.

Folglich wurden trotz der guten Temperaturcharakteristik, die dieselben zeigen, Quarzsubstrate aufgrund der geringen Schallgeschwindigkeit der Rayleigh-Welle, wenn diese ver­ wendet wird, und der Schwierigkeit beim Verwenden von Leck-Elastizitätsoberflächenwellen, bisher nicht als Materialien betrachtet, die für Oberflächenwellenbauelemente, die bei einer höheren Frequenz betrieben werden, geeignet sind.

Wie oben erwähnt wurde, offenbart die japanische ungeprüfte Patentveröffentlichung Nr. 61-222312 ein Oberflächenwellen­ bauelement und beschreibt, daß eine Oberflächenwelle mit ei­ ner hohen Schallgeschwindigkeit mit einem Quarzsubstrat ver­ wendet werden kann, d. h. durch das Verwenden eines Quarz­ substrats, das in einem Eulerschen Winkel, der auf im we­ sentlichen 90° gesetzt ist, ST-geschnitten ist, und durch das Bilden der Elektroden derart, daß sich die Oberflächen­ wellen in einer Richtung in einem Winkel von im wesentlichen 90° relativ zu der Ausbreitungsrichtung aufgrund des ST-Schnitts ausbreitet. Es wurde jedoch herausgestellt, daß diese Oberflächenwelle, die im Stand der Technik als gemäß dem offenbarten Verfahren verwendbar beschrieben ist, tat­ sächlich eine Kombination von zwei Oberflächenwellen ist, die nahe beieinander liegen, und daher das bekannte Bauele­ ment Schwierigkeiten bei seiner Anwendung auf einen Oberflä­ chenwellenresonator usw. aufweist.

Spezieller wurde ein Ergebnis, das in Fig. 14 gezeigt ist, durch das Herstellen eines Oberflächenwellenbauelements ge­ mäß den Bedingungen, die in der obigen Veröffentlichung be­ schrieben sind, und durch das Messen einer Dämpfung-Über-Frequenz-Charakteristik des Oberflächenwellenbauelements er­ halten. Die Charakteristik, die in Fig. 14 gezeigt ist, ist das Ergebnis eines Oberflächenwellenbauelements, bei dem ein verwendetes Quarzsubstrat Eulersche Winkel (0°, 132,75°, 90°) aufwies, die normierte Filmdicke H/λ von ZnO 0,242 be­ trug, und die normierte Filmdicke der Kammzahn-Elektrode 0,0207 betrug. H ist die Dicke eines piezoelektrischen Dünn­ films und λ ist die Wellenlänge einer Oberflächenwelle.

Wie aus Fig. 14 zu sehen ist, erscheint die normale Rayleigh-Welle bei einer Frequenz, die durch einen Pfeil A an­ gezeigt ist, wobei eine weitere Oberflächenwelle bei einer Frequenz, die durch einen Pfeil B angezeigt ist, angeregt wird. Hierbei ist ein Wert, der das Ergebnis einer Multipli­ kation der Frequenz der normalen Rayleigh-Welle, die durch den Pfeil A angezeigt ist, mit 7,4 λ ist, etwa 0,625 mal ei­ nem Wert, der das Ergebnis einer Multiplikation der Frequenz der Oberflächenwelle, die durch den Pfeil B angezeigt ist, mit 7,4 λ ist.

Folglich ist es offensichtlich, daß die Welle, die eine hohe Schallgeschwindigkeit aufweist, die in der oben genannten japanischen ungeprüften Patentveröffentlichung Nr. 61-222312 beschrieben ist, der Welle entspricht, die durch den Pfeil B in Fig. 14 angezeigt ist. Jedoch ist die Existenz der Welle, die durch den Pfeil B angezeigt ist, bereits durch eine SSB-Welle und eine ST-Welle bekannt, die in enger Beziehung zueinander erscheinen, wie dargestellt ist. Da diese zwei unterschiedlichen Wellen nahe beieinanderliegen, wie durch den Pfeil B in Fig. 14 angezeigt ist, existiert zwischen den zwei Wellen ein Tal, das durch einen Pfeil C angezeigt ist.

In anderen Worten heißt das, obwohl die oben genannte japa­ nische ungeprüfte Patentveröffentlichung Nr. 61-222312 be­ schreibt, daß eine Welle einer höheren Schallgeschwindigkeit als die normale Rayleigh-Welle A verwendet werden kann, die Welle einer höheren Schallgeschwindigkeit, die gemäß dem Stand der Technik als anwendbar vorgeschlagen wurde, tat­ sächlich in der zusammengesetzten Form von zwei Wellen, die nahe beieinanderliegen, erscheint, weshalb notwendigerweise ein Tal zwischen den zwei Wellen erzeugt wird. Selbst wenn ein Oberflächenwellenresonator durch die Verwendung einer solchen Welle mit einer höheren Schallgeschwindigkeit aufge­ baut wird, können folglich keine zufriedenstellenden Charak­ teristika erhalten werden. Wenn ein Resonator durch die Ver­ wendung einer solchen Welle mit einer höheren Schallge­ schwindigkeit hergestellt wird, muß ferner die Anzahl von Paaren von Interdigitalelektroden erhöht sein, woraus ein weiteres Problem dahingehend entsteht, daß die Größe des Re­ sonators erhöht ist.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Oberflächenwellenbauelement unter Verwendung eines Quarzsub­ strats zu schaffen, das eine hohe Schallgeschwindigkeit aus­ nutzen kann, für einen Betrieb bei einer höheren Frequenz geeignet ist und zufriedenstellende Resonanz- und Filter-Charakteristika sicherstellt.

Diese Aufgabe wird durch ein Oberflächenwellenbauelement ge­ mäß Anspruch 1 sowie ein Oberflächenwellenbauelement gemäß Anspruch 6 gelöst.

Als ein Ergebnis der Durchführung intensiver Studien hin­ sichtlich des Lösens der obigen Aufgabe wurde die vorliegen­ de Erfindung basierend auf der Erkenntnis erreicht, daß die obige Aufgabe durch die Verbindung eines zusammengesetzten Substrats, das ein Quarzsubstrat aufweist, auf dem ein pie­ zoelektrischer Dünnfilm, beispielsweise ZnO, gebildet ist, und durch die Ausnutzung von Leck-Elastizitätsoberflächenwellen eines Modes höherer Ordnung mit einer hohen Schallge­ schwindigkeit gelöst werden kann.

Spezieller wird gemäß einem ersten breiten Aspekt der vor­ liegenden Erfindung ein Oberflächenwellenbauelement geschaf­ fen, das ein Quarzsubstrat, einen piezoelektrischen Dünn­ film, der auf dem Quarzsubstrat gebildet ist, und Kammzahn-Elektroden, die in Kontakt mit dem piezoelektrischen Dünn­ film gebildet sind, aufweist, wobei der piezoelektrische Dünnfilm in einer solchen Dicke ausgebildet ist, die das Anregen von Leck-Elastizitätsoberflächenwellen eines Modes höherer Ordnung ermöglicht, so daß das Oberflächenwellen­ bauelement mit Leck-Elastizitätsoberflächenwellen eines Mo­ des höherer Ordnung wirksam ist.

Bisher wurde es als schwierig betrachtet, Leck-Elastizitätsoberflächenwellen aufgrund der großen Dämpfung während der Übertragung in der Praxis zu verwenden. Ungeachtet des in der Technik geläufigen Wissens haben die Erfinder dieser An­ meldung in Betracht gezogen, daß die Dämpfung von Leck-Elastizitätsoberflächenwellen durch das richtige Auswählen des Schnittwinkels eines Quarzsubstrats und der Ausbreitungs­ richtung der Wellen reduziert sein würde, und daß eine höhe­ re Schallgeschwindigkeit erhalten werden könnte, indem die Leck-Elastizitätsoberflächenwellen eines Modes höherer Ord­ nung verwendet werden. Basierend auf dieser Betrachtung stellten die Erfinder Prototypen von Oberflächenwellenbau­ elementen unter Verwendung von Leck-Elastizitätsoberflächenwellen eines Modes höherer Ordnung her und testeten diesel­ ben. Als Ergebnis wurde herausgefunden, daß ein Oberflächen­ wellenbauelement, das eine hohe Schallgeschwindigkeit er­ zeugt und für einen Betrieb bei höheren Frequenzen geeignet ist, durch das Bilden eines piezoelektrischen Dünnfilms, beispielsweise ZnO auf einem Quarzsubstrat, erhalten werden kann, indem Kammzahn-Elektroden in Kontakt mit dem piezo­ elektrischen Dünnfilm gebildet werden, und indem die Dicke des piezoelektrischen Dünnfilms gesteuert wird, um das Anre­ gen von Leck-Elastizitätsoberflächenwellen eines Modes hö­ herer Ordnung zu ermöglichen.

In anderen Worten basiert die vorliegende Erfindung auf der experimentell bestätigten Erkenntnis gemäß dem oben genann­ ten Konzept, das der Erfindung dieser Anmeldung zugrunde liegt. Ein solches Konzept ist nicht einfach eine Erweite­ rung der in der Vergangenheit üblichen technischen Meinung, daß die praktische Verwendung von Leck-Elastizitätsoberflächenwellen aufgrund der großen Dämpfung während der Übertra­ gung schwierig ist. Folglich sei bemerkt, daß die vorliegen­ de Erfindung weit davon entfernt ist, auf gewöhnlichen Rou­ tineexperimenten zu basieren.

Gemäß einem spezifischen Aspekt der vorliegenden Erfindung liegt, wenn der piezoelektrische Dünnfilm eine Dicke von H aufweist, und der Mode höher Ordnung der Leck-Elastizitätsoberflächenwellen eine Wellenlänge von λ aufweist, die nor­ mierte Dicke H/λ des piezoelektrischen Dünnfilms bezüglich dieser Wellenlänge in dem Bereich von 0,28 bis 0,6. Bei ei­ nem zusammengesetzten Substrat, das durch das Laminieren eines piezoelektrischen Dünnfilms auf einem Quarzsubstrat gebildet ist, können die Leck-Elastizitätsoberflächenwellen des Modes höherer Ordnung sicher angeregt werden, indem die normierte Dicke H/λ des piezoelektrischen Dünnfilms einge­ stellt wird, um in den oben genannten spezifischen Bereich zu fallen. Obwohl ein numerischer Wert der normierten Dicke H/λ des piezoelektrischen Films von der Art des verwendeten piezoelektrischen Dünnfilms, dem Schnittwinkel des Quarzsub­ strats, usw., abhängt, können die Leck-Elastizitätsoberflä­ chenwellen eines Modes höherer Ordnung sicher angeregt wer­ den, indem der numerische Wert nicht kleiner als 0,28 einge­ stellt wird.

Der piezoelektrische Dünnfilm kann aus jedem geeigneten Ma­ terial gebildet sein, solange derselbe piezoelektrische Eigenschaften zeigt. Üblicherweise wird ein Dünnfilm aus ZnO, AlN, Ta₂O₅, CdS oder dergleichen verwendet. Wie in Anspruch 2 definiert ist, wird vorzugsweise ein Dünnfilm aus ZnO als der piezoelektrische Dünnfilm verwendet.

Bei einer bevorzugten Form des Oberflächenwellenbauelements gemäß dem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung besteht der piezoelektrische Dünnfilm aus ZnO, wobei die normierte Dicke H/λ des piezoelektrischen Dünnfilms aus ZnO in dem Be­ reich von 0,28 bis 0,6 liegt.

Gemäß einem zweiten breiten Aspekt der vorliegenden Erfin­ dung ist ein Oberflächenwellenbauelement geschaffen, das ein Quarzsubstrat, einen piezoelektrischen Dünnfilm, der auf dem Quarzsubstrat gebildet ist, und Kammzahn-Elektroden, die in Kontakt mit dem piezoelektrischen Dünnfilm gebildet sind, aufweist, wobei das Quarzsubstrat, der piezoelektrische Dünnfilm und die Kammzahn-Elektroden ausgebildet sind, um Leck-Elastizitätsoberflächenwellen eines Modes höherer Ord­ nung anzuregen und zu verhindern, daß die Leck-Elastizitätsoberflächenwellen eines Modes höherer Ordnung während der Übertragung gedämpft werden.

Bei dem Oberflächenwellenbauelement gemäß dem zweiten brei­ ten Aspekt der vorliegenden Erfindung besteht der piezoelek­ trische Dünnfilm ebenfalls vorzugsweise aus ZnO.

Ferner liegt bei dem Oberflächenwellenbauelement gemäß dem zweiten breiten Aspekt die normierte Dicke H/λ des piezo­ elektrischen Dünnfilms vorzugsweise in dem Bereich von 0,28 bis 0,6. Dies ermöglicht, daß die Leck-Elastizitätsoberflä­ chenwellen des Modes höherer Ordnung zuverlässig angeregt werden.

Bei einer bevorzugten Form des Oberflächenwellenbauelements gemäß dem zweiten breiten Aspekt der vorliegenden Erfindung besteht, wie bei dem obigen bevorzugten Ausführungsbeispiel der piezoelektrische Dünnfilm aus ZnO und weist eine nor­ mierte Dicke H/λ des piezoelektrischen Dünnfilms aus ZnO in dem Bereich 0,28 bis 0,6 auf.

Bei dem Oberflächenwellenbauelement gemäß dem zweiten brei­ ten Aspekt der vorliegenden Erfindung kann der piezoelektri­ sche Dünnfilm aus einem Material hergestellt sein, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus AlN, Ta₂O₅ und CdS be­ steht.

Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend bezugnehmend auf die beiliegenden Zeich­ nungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1A und 1B eine schematische Draufsicht und eine par­ tielle Schnittansicht eines Oberflächenwellenfil­ ters als ein Ausführungsbeispiel eines Oberflächen­ wellenbauelements, das die vorliegende Erfindung verkörpert;

Fig. 2 einen Graph, der die Beziehung zwischen den Schall­ geschwindigkeiten von Oberflächenwellen und der normierten Dicke H/λ eines ZnO-Dünnfilms in aus Quarzsubstraten und piezoelektrischen ZnO-Dünnfil­ men zusammengesetzten Substraten, bei der Verwen­ dung eines Quarzsubstrats mit den Eulerschen Win­ keln (0°, 141°, 0°);

Fig. 3 einen Graph, der die Beziehung zwischen der nor­ mierten Dicke H/λ eines Zno-Dünnfilms und einer Temperaturcharakteristik TCD in Oberflächenwellen­ elementen, die gemäß dem Ausführungsbeispiel 1 her­ gestellt sind, zeigt;

Fig. 4 einen Graph, der die Beziehung zwischen der nor­ mierten Dicke H/λ eines ZnO-Dünnfilms und dem elek­ tromechanischen Koppelkoeffizienten in den Oberflä­ chenwellenbauelementen, die gemäß dem Ausführungs­ beispiel 1 hergestellt sind, zeigt;

Fig. 5 einen Graph, der die Beziehung zwischen der nor­ mierten Dicke H/λ eines ZnO-Dünnfilms und des elek­ tromechanischen Koppelkoeffizienten bei den Ober­ flächenwellenbauelementen, die gemäß dem Ausfüh­ rungsbeispiel 1 hergestellt sind, zeigt;

Fig. 6 einen Graph, der die Beziehung zwischen den Schall­ geschwindigkeiten von Oberflächenwellen und der normierten Dicke H/λ eine ZnO-Dünnfilms in aus Quarzsubstraten und piezoelektrischen ZnO-Dünnfil­ men zusammengesetzten Substraten, bei der Verwen­ dung eines Quarzsubstrats mit den Eulerschen Win­ keln (0°, 132,75°, 89°) zeigt;

Fig. 7 einen Graph, der die Beziehung zwischen der nor­ mierten Dicke H/λ eines ZnO-Dünnfilms und einer Temperaturcharakteristik TCD bei Oberflächenwel­ lenbauelementen, die gemäß dem Ausführungsbeispiel 2 hergestellt sind, zeigt;

Fig. 8 einen Graph, der die Beziehung zwischen der nor­ mierten Dicke H/λ eines Zno-Dünnfilms und dem elek­ tromechanischen Koppelkoeffizienten in den Oberflä­ chenwellenbauelementen, die gemäß dem Ausführungs­ beispiel 2 hergestellt sind, zeigt;

Fig. 9 einen Graph, der die Beziehung zwischen der nor­ mierten Dicke H/λ eines ZnO-Dünnfilms und dem elek­ tromechanischen Koppelkoeffizienten in den Oberflä­ chenwellenbauelementen, die gemäß dem Ausführungs­ beispiel 2 hergestellt sind, zeigt;

Fig. 10 einen Graph, der die Beziehung zwischen den Schall­ geschwindigkeiten der Oberflächenwellen und der normierten Dicke H/λ eines ZnO-Dünnfilms in aus Quarzsubstraten und piezoelektrischen ZnO-Dünnfilmen zusammengesetzten Substraten zeigt, bei der Verwendung eines Quarzsubstrats mit den Eulerschen Winkeln (0°, 150°, 0°);

Fig. 11 einen Graph, der die Beziehung zwischen der nor­ mierten Dicke H/λ eines ZnO-Dünnfilms und dem elek­ tromechanischen Koppelkoeffizienten bei Oberflä­ chenwellenbauelementen, die gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel hergestellt sind, zeigt.

Fig. 12 einen Graph, der die Beziehung zwischen der nor­ mierten Dicke H/λ eines ZnO-Dünnfilms und dem elek­ tromechanischen Koppelkoeffizienten bei den Ober­ flächenwellenbauelementen, die gemäß dem Ausfüh­ rungsbeispiel 3 hergestellt sind, zeigt;

Fig. 13 einen Graph, der die Beziehung zwischen der nor­ mierten Dicke H/λ eines ZnO-Dünnfilms und einer Temperaturcharakteristik TCD bei den Oberflächen­ wellenbauelementen, die gemäß dem Ausführungsbei­ spiel 3 hergestellt sind, zeigt; und

Fig. 14 ein Diagramm einer Dämpfung-Über-Frequenz-Charakteristik zum Erklären einer Oberflächenwelle einer hohen Schallgeschwindigkeit, die bei einem Oberflä­ chenwellenbauelement, das gemäß dem Stand der Tech­ nik bekannt ist, verwendet ist.

Ein Oberflächenwellenbauelement, das die vorliegende Erfin­ dung verkörpert, weist hinsichtlich seiner spezifischen Form keine speziellen Begrenzungen auf. Das Oberflächenwellenbau­ element kann beispielsweise als ein Oberflächenwellenfilter aufgebaut sein, das ein transversales Bandpaßfilter ist, das schematisch in den Fig. 1A und 1B gezeigt ist. Ein Oberflächenwellenfilter 1 ist aus einem Oberflächenwellen­ substrat 2 aufgebaut, auf dem IDTs 3, 4 mit einer vorbe­ stimmten Beabstandung zwischen denselben gebildet sind. Die IDTs 3, 4 weisen jeweilige Paare von Kammzahnelektroden 3a, 3b, 4a, 4b auf, wobei die jeweiligen Paare dieser Elektroden in einer interdigitalen Beziehung angeordnet sind. Das Ober­ flächenwellensubstrat 2 weist eine Struktur auf, bei der ein piezoelektrischer Dünnfilm 2b auf einem Quarzsubstrat 2a ge­ bildet ist. Bei einer derartigen Struktur können die IDTs 3, 4 auf entweder der oberen oder der unteren Oberfläche des piezoelektrischen Dünnfilms 2b gebildet sein. Ferner können Kurzschlußelektroden (nicht dargestellt) auf der oberen und unteren Oberfläche des piezoelektrischen Dünnfilms 2b gebil­ det sein.

Es sei hier bemerkt, daß das Oberflächenwellenbauelement, das die vorliegende Erfindung verkörpert, nicht auf das oben genannte Oberflächenwellenfilter begrenzt ist, wobei die vorliegende Erfindung auch auf andere Oberflächenwellenbau­ elemente, beispielsweise Oberflächenwellenresonatoren und Oberflächenwellen-Verzögerungsleitungen, anwendbar ist.

Ausführungsbeispiel 1

Fig. 2 ist ein Graph, der die Schallgeschwindigkeiten der Oberflächenwellen, die in Oberflächenwellensubstraten er­ zeugt werden, die jeweils ein Quarzsubstrat aufweisen, auf dem ein piezoelektrischer Dünnfilm aus ZnO gebildet ist. Das verwendete Quarzsubstrat wies die Eulerschen Winkel (0°, 141°, 0°) und Abmessungen eines Durchmessers von 7,62 mm und einer Dicke von 0,5 mm auf. Die Oberflächenwellensubstrate wurden durch das Bilden von ZnO-Dünnfilmen in verschiedenen Dicken über die gesamten Oberflächen der Quarzsubstrate her­ gestellt.

Die Schallgeschwindigkeiten der Oberflächenwellen in den so­ mit hergestellten, unterschiedlichen Oberflächenwellensub­ straten mit den ZnO-Dünnfilmen verschiedener Dicken wurden gemessen. Die Messung der Schallgeschwindigkeiten wurde wie folgt durchgeführt.

Messung der Schallgeschwindigkeiten: IDTs die den Wellen­ längenbereich von 7 µm bis 52 µm abdecken, wurden auf jedem der Oberflächenwellensubstrate gebildet, wobei die Schall­ geschwindigkeit aus der Mittenfrequenz eines resultierenden SAW-Filters bestimmt wurde.

Wie aus Fig. 2 offensichtlich ist, werden, wenn die normier­ te Dicke H/λ des ZnO-Dünnfilms Null ist, das heißt, wenn kein ZnO-Dünnfilm gebildet ist, nur die Rayleigh-Welle und ein Basismode (LSAW 1) der Leck-Elastizitätsoberflächenwel­ len angeregt. Im Gegensatz hierzu werden bei den Oberflä­ chenwellensubstraten, die jeweils das Quarzsubstrat aufwei­ sen, auf dem der ZnO-Dünnfilm gebildet ist, ferner eine Sezawa-Welle als eine Rayleigh-Welle eines Modes höherer Ord­ nung und Leck-Elastizitätsoberflächenwellen eines Modes hö­ herer Ordnung (LSAW 2) angeregt.

Wie ferner aus Fig. 2 offensichtlich ist, wird, wenn die normierte Dicke H/λ des ZnO-Dünnfilms nicht kleiner als 0,28 ist, die Leck-Elastizitätsoberflächenwelle des Modes höherer Ordnung (LSAW 2) angeregt, wobei dieselbe eine relativ hohe Schallgeschwindigkeit zeigt. Wenn die normierte Dicke H/λ des ZnO-Dünnfilms beispielsweise 0,32 beträgt, beträgt die Schallgeschwindigkeit 5000 m/s, was das 1,6fache eines maxi­ malen Werts der Schallgeschwindigkeit der Rayleigh-Welle ist, d. h. der Schallgeschwindigkeit, 3170 m/s, der Rayleigh-Welle in dem Quarzsubstrat ohne den ZnO-Dünnfilm.

Folglich ist es offensichtlich, daß, wenn das Oberflächen­ wellensubstrat, das durch das Bilden eines ZnO-Dünnfilms auf einem Quarzsubstrat mit den Eulerschen Winkeln (0°, 141°, 0°) hergestellt ist, verwendet wird, ein Oberflächenwellen­ bauelement mit einer hohen Schallgeschwindigkeit erhalten werden kann, indem die normierte Dicke H/λ des ZnO-Dünnfilms nicht kleiner als 0,28 gewählt wird.

Fig. 3 ist ein Graph, der die Beziehung zwischen einer Tem­ peraturcharakteristik (TCD) und der normierten Dicke H/λ ei­ nes ZnO-Dünnfilms bei den Oberflächenwellenbauelementen, die jeweils aus dem Oberflächenwellensubstrat aufgebaut sind, das durch das Bilden eines piezoelektrischen Dünnfilms auf einem Quarzsubstrat mit den Eulerschen Winkeln (0°, 141°, 0°) hergestellt ist, zeigt. Wie aus Fig. 3 zu sehen ist, verschiebt sich im Gegensatz zu der TCD in dem Quarzsubstrat ohne den ZnO-Dünnfilm die TCD in den Oberflächenwellensub­ straten auf die die ZnO-Dünnfilme laminiert sind, zu der po­ sitiven Seite hin. Es ist daher offensichtlich, daß der TCD-Wert durch die Verwendung eines Quarzsubstrates mit ei­ nem negativen TCD-Wert und das Laminieren eines ZnO-Dünnfilms auf das selbe ±0 angenähert werden kann, weshalb ein Oberflächenwellenbauelement mit einer guten Temperaturcha­ rakteristik erhalten werden kann.

Die Fig. 4 und 5 zeigen Graphen, die jeweils die Beziehung zwischen dem mikromechanischen Koppelkoeffizienten und der normierten Dicke H/λ eines ZnO-Dünnfilms in den Oberflächen­ wellenbauelementen zeigen, die jeweils aus dem Oberflächen­ wellensubstrat aufgebaut sind, das durch das Bilden eines piezoelektrischen Dünnfilms auf einem Quarzsubstrat mit den Eulerschen Winkeln (0°, 141°, 0°) hergestellt wurde. Fig. 4 zeigt die resultierenden Charakteristika, wenn IDTs, d. h. Kammzahnelektroden, auf der oberen Oberfläche des ZnO-Dünnfilms gebildet wurden, während Fig. 5 resultierende Charak­ teristika zeigt, wenn die IDTs auf der oberen Oberfläche des ZnO-Dünnfilms gebildet wurden und Kurzschlußelektroden an der Grenzfläche zwischen dem ZnO-Dünnfilm und dem Quarzsub­ strat gebildet wurden.

Wie aus den Fig. 4 und 5 offensichtlich ist, werden in jedem der Oberflächenwellenbauelemente Leck-Elastizitätsoberflächenwellen des Modes höherer Ordnung LSAW 2 angeregt, wobei ein relativ großer elektromechanischer Koppelkoeffizient er­ halten wird.

Ausführungsbeispiel 2

Oberflächenwellenbauelemente wurden auf die gleiche Art und Weise wie bei dem Ausführungsbeispiel 1 hergestellt, mit der Ausnahme, daß Quarzsubstrate, die Eulersche Winkel (0°, 132,75°, 89°) aufweisen und mit 89° ST-geschnitten sind, für die Übertragung verwendet wurden. Jedes der verwendeten Quarzsubstrate wies die Abmessungen von 7,62 mm Durchmesser und 0,5 mm Dicke auf.

Fig. 6 zeigt die Beziehung zwischen den Schallgeschwindig­ keiten der Oberflächenwellen und der normierten Dicke H/λ eines ZnO-Dünnfilms in den Oberflächenwellenbauelementen bei denen die ZnO-Dünnfilme in unterschiedlichen Dicken ausge­ bildet wurden. Wie aus Fig. 6 offensichtlich ist, wird, wenn das Quarzsubstrat mit dem oben genannten Schnittwinkel ver­ wendet wird, die Leck-Elastizitätsoberflächenwellen eines Modes höherer Ordnung LSAW 2 ebenfalls angeregt, wenn die normierte Dicke H/λ des ZnO-Dünnfilms nicht kleiner als 0,28 ist. Wenn die normierte Dicke H/λ des ZnO-Dünnfilms 0,6 übersteigt, werden Sezawa-Wellen eines Modes höherer Ordnung Sezawa 2 angeregt, und nicht die Leck-Elastizitätsoberflächenwelle des Modes höherer Ordnung LSAW 2.

Folglich ist es offensichtlich, daß bei den Oberflächenwel­ lenbauelementen gemäß dem Ausführungsbeispiel 2 die Leck-Elastizitätsoberflächenwellen des Modes höherer Ordnung durch das Auswählen der normierten Dicke H/λ des ZnO-Dünnfilms, um in dem Bereich von 0,28 bis 0,6 zu liegen, ange­ regt werden, wodurch die Leck-Elastizitätsoberflächenwellen des Modes höherer Ordnung, die eine größere Schallgeschwin­ digkeit als die maximale Schallgeschwindigkeit, die von den Rayleigh-Wellen verfügbar ist, aufweisen, verwendet werden können.

Fig. 7 ist ein Graph entsprechend Fig. 3, der die Beziehung zwischen einer Temperaturcharakteristik TCD und der normier­ ten Dicke H/λ eines ZnO-Dünnfilms in den obigen Oberflächen­ wellenbauelementen darstellt. Wie aus Fig. 7 offensichtlich ist, ist es bei den Oberflächenwellenbauelementen, die je­ weils durch das Bilden eines ZnO-Dünnfilms auf einem Quarz­ substrat mit den Eulerschen Winkeln (0°, 132,75°, 89°) ge­ bildet sind, ebenfalls möglich, die Temperaturcharakteristik TCD zu der positiven Seite zu verschieben, indem die Dicke des ZnO-Dünnfilms erhöht wird. Es ist daher offensichtlich, daß, wie bei dem Ausführungsbeispiel 1, ein Oberflächenwel­ lenbauelement durch eine Kombination eines Quarzsubstrates mit einem negativen Wert der Temperaturcharakteristik TCD und einem ZnO-Dünnfilm einen Temperaturcharakteristikwert von etwa ±0 aufweist.

Die Fig. 8 und 9 sind Graphen, entsprechend den Fig. 4 bzw. 5, die jeweils die Beziehung zwischen dem elektromechani­ schen Koppelkoeffizienten und der normierten Dicke H/λ eines ZnO-Dünnfilms in den Oberflächenwellenbauelementen darstel­ len, die durch das Bilden eines piezoelektrischen Dünnfilms auf einem Quarzsubstrat mit den Eulerschen Winkeln (0°, 132,75°, 89°) gebildet sind.

Es ist offensichtlich, daß, wenn ein Quarzsubstrat mit den Eulerschen Winkeln (0°, 132,75°, 89°) verwendet ist, eben­ falls ein Oberflächenwellenbauelement mit einem angemessen großen elektromechanischen Koppelkoeffizienten erhalten wer­ den kann, indem ein ZnO-Dünnfilm auf das Quarzsubstrat lami­ niert wird.

Fig. 8 zeigt die resultierenden Charakteristika bei der Bil­ dung von Kammzahnelektroden auf der oberen Oberfläche des ZnO-Dünnfilms während Fig. 9 die resultierenden Charakteri­ stika bei der Bildung von Kammzahnelektroden auf der unteren Oberfläche des ZnO-Dünnfilms zeigt.

Ausführungsbeispiel 3

Oberflächenwellenbauelemente wurde auf die gleiche Art und Weise wie bei dem Ausführungsbeispiel 1 hergestellt, mit der Ausnahme, daß Quarzsubstrate, die die Eulerschen Winkel (0°, 150°, 0°) aufweisen, verwendet wurden. Fig. 10 zeigt die Be­ ziehung zwischen den Schallgeschwindigkeiten der Oberflä­ chenwellen und der normierten Dicke H/λ eines ZnO-Dünnfilms bei den Oberflächenwellenbauelementen, bei denen ZnO-Dünnfilme in verschiedenen Dicken auf den Quarzsubstraten, die derartige Eulersche Winkel aufweisen, gebildet wurden.

Wie aus Fig. 10 offensichtlich ist, wird bei der Verwendung des Quarzsubstrates mit den Eulerschen Winkeln (0°, 150°, 0°) die Leck-Elastizitätsoberflächenwelle des Modes höherer Ordnung LSAW 2 ebenfalls angeregt, wobei eine sehr hohe Schallgeschwindigkeit erhalten werden kann, wenn die nor­ mierte Dicke H/λ des ZnO-Dünnfilms in dem Bereich von 0,28 bis 0,6 liegt.

Die Fig. 11 und 12 zeigen jeweils die Beziehung zwischen dem elektromechanischen Koppelkoeffizienten und der normierten Dicke H/λ des ZnO-Dünnfilms bei den Oberflächenbauelementen, die wie oben erwähnt hergestellt sind. Fig. 11 zeigt die re­ sultierenden Charakteristika bei der Verwendung von Kamm­ zahnelektroden auf der oberen Oberfläche des ZnO-Films, wäh­ rend Fig. 12 die resultierenden Charakteristika, wenn Kamm­ zahnelektroden auf der oberen Oberfläche des ZnO-Dünnfilms gebildet wurden, und Kurzschlußelektroden aus Al auf der ge­ samten Grenzfläche zwischen dem ZnO-Dünnfilm und dem Quarz­ substrat gebildet wurden, zeigt.

Wie auf den Fig. 11 und 12 offensichtlich ist, kann auch bei der Verwendung des Quarzsubstrates mit den Eulerschen Win­ keln (0°, 150°, 0°) ein Oberflächenwellenbauelement mit dem angemessen großen elektromechanischen Koppelkoeffizienten erhalten werden, indem ein Oberflächenwellensubstrat verwen­ det wird, das durch das Bilden eines ZnO-Films auf dem Quarzsubstrat aufgebaut ist.

Fig. 13 ist ein Graph, der die Beziehung zwischen einer Tem­ peraturcharakteristik TCD und der normierten Dicke H/λ eines ZnO-Dünnfilms bei den Oberflächenwellenbauelementen zeigt, die Quarzsubstrate mit den Eulerschen Winkeln (0°, 150°, 0°) verwenden. Wie aus Fig. 13 offensichtlich ist, ist bei die­ sen Oberflächenwellenbauelementen die Temperaturcharakteri­ stik TCD der Leck-Elastizitätsoberflächenwellen des Modes höherer Ordnung LSAW 2 ebenfalls zu der positiven Seite hin verschoben, indem der ZnO-Dünnfilm gebildet ist. Es ist da­ her offensichtlich, daß durch eine Kombination eines Quarz­ substrates mit einem negativen Wert der Temperaturcharakte­ ristik TCD und einem ZnO-Dünnfilm ein Oberflächenwellenbau­ element mit einem Temperaturcharakteristikwert TCD von etwa ±0 erhalten werden kann.

Wie oben beschrieben wurde, ist es mit dem Oberflächenwel­ lenbauelement gemäß dem ersten Aspekt der vorliegenden Er­ findung möglich, eine Oberflächenwelle, die eine höhere Schallgeschwindigkeit und einen größeren elektromagnetischen Koppelkoeffizienten aufweist, als mit herkömmlichen Oberflä­ chenwellenbauelementen, die aus einem Quarzsubstrat aufge­ baut sind und die Rayleigh-Welle verwenden, erhalten werden können, zu verwenden, wenn ein piezoelektrischer Dünnfilm auf einem Quarzsubstrat gebildet ist, Kammzahnelektroden in Kontakt mit dem piezoelektrischen Dünnfilm gebildet sind, und die Dicke des piezoelektrischen Dünnfilms ausgewählt ist, um das Anregen von Leck-Elastizitätsoberflächenwellen eines Modes höherer Ordnung zu ermöglichen. Ferner kann das Oberflächenwellenbauelement ohne weiteres für einen Betrieb bei höheren Frequenzen angepaßt werden.

Speziell durch das Auswählen der normierten Dicke H/λ des piezoelektrischen Dünnfilms, um in dem Bereich von 0,28 bis 0,26 zu liegen, können die Leck-Elastizitätsoberflächenwel­ len eines Modes höherer Ordnung sicher angeregt werden.

Bei dem Oberflächenwellenbauelement gemäß dem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung, das einen Aufbau aufweist, bei dem ein piezoelektrischer Dünnfilm auf einem Quarzsubstrat gebildet ist und Kammzahnelektroden in Kontakt mit dem pie­ zoelektrischen Dünnfilm gebildet sind, sind das Quarzsub­ strat, der piezoelektrische Dünnfilm und die Kammzahnelek­ troden derart ausgebildet, um Leck-Elastizitätsoberflächenwellen eines Modes höherer Ordnung anzuregen und eine Dämp­ fung der Leck-Elastizitätsoberflächenwellen des Modes höhe­ rer Ordnung während der Übertragung zu verhindern. Daher ist es möglich, eine Oberflächenwelle zu verwenden, die eine hö­ here Schallgeschwindigkeit und einen größeren elektromecha­ nischen Koppelkoeffizienten aufweist, als bei herkömmlichen Oberflächenwellenbauelementen, die aus einem Quarzsubstrat aufgebaut sind und die Rayleigh-Welle verwenden, erhalten werden können. Ferner kann das Oberflächenwellenbauelement ohne weiteres für einen Betrieb bei einer höheren Frequenz angepaßt werden.

Bei dem Oberflächenwellenbauelement gemäß dem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung kann durch das Auswählen der nor­ mierten Dicke H/λ des piezoelektrischen Dünnfilms, um in dem Bereich von 0,28 bis 0,6 zu liegen, ebenfalls der Mode höhe­ rer Ordnung der Leck-Elastizitätsoberflächenwellen wie bei dem vorher genannten Bauelement sicher angeregt werden.

Die japanischen ungeprüfte Patentveröffentlichung Nr. 61- 2223 12 beschreibt, daß eine Welle mit einer höheren Schall­ geschwindigkeit als die normale Rayleigh-Welle in einem Oberflächenwellenbauelement, das ein Quarzsubstrat verwen­ det, genutzt werden kann, wobei jedoch die Oberflächenwelle, die bei dem bekannten Bauelement gemäß dem offenbarten Ver­ fahren verwendet wird, tatsächlich eine Kombination einer SSB-Welle und einer STW-Welle ist, wobei in der Frequenzcha­ rakteristik notwendigerweise ein Tal zwischen zwei benach­ barten Spitzen erzeugt ist. Wenn das bekannte Bauelement als ein Oberflächenwellenresonator oder ein Oberflächenwellen­ filter verwendet wird, können daher keine zufriedenstellen­ den Charakteristika erhalten werden. Wenn ein Resonator un­ ter Verwendung des bekannten Bauelements hergestellt wird, muß ferner die Anzahl von Paaren von Interdigitalelektroden erhöht sein, was ein weiteres Problem dahingehend zur Folge hat, daß die Größe des Resonators erhöht ist. Im Gegensatz dazu wird bei dem Oberflächenwellenbauelement gemäß dem er­ sten und dem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung kein solches Tal in der Frequenzcharakteristik erzeugt, da die Leck-Elastizitätsoberflächenwellen des Modes höherer Ordnung verwendet werden, d. h., da die benutzte Oberflächenwelle keine Kombination von zwei Wellen ist. Wenn ein Oberflächen­ wellenresonator oder ein Oberflächenwellenfilter durch die Verwendung des Oberflächenwellenbauelements gemäß dem ersten oder dem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung aufgebaut ist, können folglich zufriedenstellende Resonanz- und Filte­ rungscharakteristika erhalten werden. Da eine angemessene Resonanzcharakteristik ferner ohne ein Erhöhen der Anzahl von Paaren der Interdigitalelektroden erhalten werden kann, kann die Größe des Oberflächenwellenbauelements reduziert sein.

Folglich schafft die vorliegende Erfindung ein Oberflächen­ wellenbauelement, das für einen Betrieb bei einer höheren Frequenz geeignet ist. Da ein Quarzsubstrat mit einer guten Temperaturcharakteristik verwendet ist, ist es ferner mög­ lich, ohne weiteres ein Oberflächenwellenbauelement zu schaffen, das eine gute Temperaturcharakteristik aufweist, d. h., das stabile Charakteristika ungeachtet von Temperatur­ änderungen in der Umgebung zeigen kann.

Claims (10)

1. Oberflächenwellenbauelement (1) mit folgenden Merkmalen:
einem Quarzsubstrat (2a);
einem piezoelektrischen Dünnfilm (2b), der auf dem Quarzsubstrat (2a) gebildet ist; und
Kammzahnelektroden (3a, 3b, 4a, 4b), die in Kontakt mit dem piezoelektrischen Dünnfilm (2b) gebildet sind,
wobei der piezoelektrische Dünnfilm (2b) in einer sol­ chen Dicke ausgebildet ist, die die Erzeugung von Leck-Elastizitätsoberflächenwellen eines Modes höherer Ord­ nung ermöglicht, so daß das Oberflächenwellenbauelement mit Leck-Elastizitätsoberflächenwellen eines Modes höhe­ rer Ordnung wirksam ist.

2. Oberflächenwellenbauelement gemäß Anspruch 1, bei dem der piezoelektrische Dünnfilm (2b) aus ZnO besteht.

3. Oberflächenwellenbauelement gemäß Anspruch 1, bei dem, wenn der piezoelektrische Dünnfilm (2b) eine Dicke von H aufweist, und die Leck-Elastizitätsoberflächenwellen des Modes höherer Ordnung eine Wellenlänge von λ aufweisen, die normierte Dicke H/λ des piezoelektrischen Dünnfilms (2b) bezüglich der Wellenlänge in dem Bereich von 0,28 bis 0,6 liegt.

4. Oberflächenwellenbauelement gemäß Anspruch 1, bei dem der piezoelektrische Dünnfilm aus ZnO besteht, und, wenn der piezoelektrische Dünnfilm (2b) eine Dicke von H auf­ weist und die Leck-Elastizitätsoberflächenwellen des Mo­ des höherer Ordnung eine Wellenlänge von λ aufweisen, die normierte Dicke H/λ des piezoelektrischen Dünnfilms (2b) bezüglich der Wellenlänge in dem Bereich von 0,28 bis 0,6 liegt.

5. Oberflächenwellenbauelement gemäß Anspruch 1 oder 3, bei dem der piezoelektrische Dünnfilm (2b) aus einem Mate­ rial besteht, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus AlN, Ta₂O₅ und CdS besteht.

6. Oberflächenwellenbauelement mit folgenden Merkmalen:
einem Quarzsubstrat (2a);
einem piezoelektrischen Dünnfilm (2b), der auf dem Quarzsubstrat (2a) gebildet ist und;
Kammzahnelektroden (3a, 3b, 4a, 4b), die in Kontakt mit dem piezoelektrischen Dünnfilm (2b) gebildet sind,
wobei das Quarzsubstrat (2a), der piezoelektrische Dünn­ film (2b) und die Kammzahnelektroden (3a, 3b, 4a, 4b) ausgebildet sind, um Leck-Elastizitätsoberflächenwellen eines Modes höherer Ordnung zu erzeugen und um zu ver­ hindern, daß die Leck-Elastizitätsoberflächenwellen des Modes höherer Ordnung während der Übertragung gedämpft werden.

7. Oberflächenwellenbauelement gemäß Anspruch 6, bei dem der piezoelektrische Dünnfilm (2b) aus ZnO besteht.

8. Oberflächenwellenbauelement gemäß Anspruch 6, bei dem, wenn der piezoelektrische Dünnfilm (2b) eine Dicke von H aufweist und die Leck-Elastizitätsoberflächenwellen des Modes höherer Ordnung eine Wellenlänge von λ aufweisen, die normierte Dicke H/λ des piezoelektrischen Dünnfilms (2b) bezüglich der Wellenlänge in dem Bereich von 0,28 bis 0,6 liegt.

9. Oberflächenwellenbauelement gemäß Anspruch 6, bei dem der piezoelektrische Dünnfilm aus ZnO besteht, und bei dem, wenn der piezoelektrische Dünnfilm (2b) eine Dicke von H aufweist, und die Leck-Elastizitätsoberflächenwel­ len des Modes höherer Ordnung eine Wellenlänge von λ aufweisen, die normierte Dicke H/λ des piezoelektrische Dünnfilms (2b) bezüglich der Wellenlänge in dem Bereich von 0,28 bis 0,6 liegt.

10. Oberflächenwellenbauelement gemäß Anspruch 6 oder 8, bei dem der piezoelektrische Dünnfilm (2b) aus einem Mate­ rial besteht, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus AlN, Ta₂O₅ und CdS besteht.