DE19648307B4

DE19648307B4 - Oberflächenwellenbauelement

Info

Publication number: DE19648307B4
Application number: DE19648307A
Authority: DE
Inventors: Michio Nagaokakyo Kadota
Original assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Priority date: 1995-11-21
Filing date: 1996-11-21
Publication date: 2007-10-31
Anticipated expiration: 2016-11-22
Also published as: JPH09205337A; US5965969A; JP3168925B2; CN1167193C; DE19648307A1; CN1159099A

Abstract

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

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Oberflächenwellenbauelement 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 beispielsweise als Bandpaßfilter in mobilen Kommunikationsgeräten 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 piezoelektrischen Substanz gebildet ist. Solche Oberflächenwellenbauelemente wurden bei verschiedenen Anwendungsformen neben Bandpaßfiltern beispielsweise als Resonatoren oder Verzögerungsleitungen verwendet.
Als Substratmaterialien von Oberflächenwellenbauelementen sind piezoelektrische Einkristalle bekannt, beispielsweise LiNbO₃, LiTaO₃ und Quarz. Bisher wurde eine Struktur realisiert, bei der ein IDT auf einem Substrat, das aus einem beliebigen 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 gebildet ist, und bei dem Kammzahn-Elektroden auf dem piezoelektrischen Dünnfilm gebildet sind. Diese Veröffentlichung beschreibt, daß eine Oberflächenwelle mit einer Schallgeschwindigkeit, 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 aufgrund des ST-Schnitts ausbreiten.
Oberflächenwellenbauelemente, die Quarzsubstrate verwenden, weisen ein Problem dahingehend auf, daß, obwohl das Quarzsubstrat eine gute Temperaturcharakteristik zeigt, die Rayleigh-Welle, die eine der Oberflächenwellen ist, die durch das Quarzsubstrat angeregt werden, eine geringe Schallgeschwindigkeit aufweist.
Es ist unterdessen bekannt, daß bei einem Oberflächenwellenbauelement, 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 Übertragung zu einem großen Ausmaß gedämpft. Aus diesem Grund wurde es bisher als schwierig betrachtet, die Leck-Eleastizitätsoberflächenwellen in der Praxis zu verwenden.
Folglich wurden trotz der guten Temperaturcharakteristik, die dieselben zeigen, Quarzsubstrate aufgrund der geringen Schallgeschwindigkeit der Rayleigh-Welle, wenn diese verwendet 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 Oberflächenwellenbauelement und beschreibt, daß eine Oberflächenwelle mit einer hohen Schallgeschwindigkeit mit einem Quarzsubstrat verwendet werden kann, d.h. durch das Verwenden eines Quarzsubstrats, 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 Oberflächenwellen 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, tatsächlich eine Kombination von zwei Oberflächenwellen ist, die nahe beieinander liegen, und daher das bekannte Bauelement Schwierigkeiten bei seiner Anwendung auf einen Oberflächenwellenresonator usw. aufweist.
Spezieller wurde ein Ergebnis, das in 14 gezeigt ist, durch das Herstellen eines Oberflächenwellenbauelements gemäß den Bedingungen, die in der obigen Veröffentlichung beschrieben sind, und durch das Messen einer Dämpfung-Über-Frequenz-Charakteristik des Oberflächenwellenbauelements erhalten. Die Charakteristik, die in 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 betrug, und die normierte Filmdicke der Kammzahn-Elektrode 0,0207 betrug. H ist die Dicke eines piezoelektrischen Dünnfilms und λ ist die Wellenlänge einer Oberflächenwelle.
Wie aus 14 zu sehen ist, erscheint die normale Ray leigh-Welle bei einer Frequenz, die durch einen Pfeil A angezeigt ist, wobei eine weitere Oberflächenwelle bei einer Frequenz, die durch einen Pfeil B angezeigt ist, angeregt wird. Hierbei ist ein Wert, der normalen Rayleigh-Welle, die durch den Pfeil A angezeigt ist, etwa 0,625 mal einem 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 14 angezeigt ist. Jedoch ist die Form 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 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 japanische ungeprüfte Patentveröffentlichung Nr. 61-222312 beschreibt, 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, tatsächlich in der zusammengesetzten Form von zwei Wellen, die nahe beieinanderliegen, vorhanden, weshalb notwendigerweise ein Tal zwischen den zwei Wellen erzeugt wird. Selbst wenn ein Oberflächenwellenresonator durch die Verwendung einer solchen Welle mit einer höheren Schallgeschwindigkeit aufgebaut wird, können folglich keine zufriedenstellenden Charakteristika erhalten werden. Wenn ein Resonator durch die Verwendung einer solchen Welle mit einer höheren Schallgeschwindigkeit hergestellt wird, muß ferner die Anzahl von Paaren von Interdigitalelektroden erhöht sein, woraus ein weiteres Problem dahingehend entsteht, daß die Größe des Resonators erhöht ist.
Die US-A-4,501,987 geht von herkömmlichen SAW-Wandlern aus. Diese verwenden verschiedene Glassubstrate, wie z.B. Quarzglas, mit einem Film von Zinkoxid als einem piezoelektrischen Element. Diese weisen jedoch einen nichtausreichenden effektiven elektromechanischen Kopplungskoeffizienten k² auf. Die Verwendung von Aluminiumnitrid als piezoelektrischen Film sei im Hinblick auf die Erzeugung eines Films aus Aluminiumnitrid schwierig. Um nun eine hohe akustische Ausbreitungsgeschwindigkeit und eine große effektive elektromechanische Kopplung auf der einen und eine Eignung zur Massenproduktion auf der anderen Seite miteinander zu verbinden, wird vorgeschlagen, ein nicht-piezoelektrisches Substrat mit einer Beschichtung eines piezoelektrischen Films zu verwenden. Insbesondere wird offenbart, daß der piezoelektrische Film aus Zinkoxid direkt auf dem nicht-piezoelektrischen Substrat aufgebracht sein soll. Anders ausgedrückt, besteht eine Erkenntnis dieser Schrift darin, daß gerade die Kombination eines piezoelektrischen Films und eines nicht-piezoelektrischen Substrats in einer Verbesserung der Kopplung und einer Unterdrückung nicht notwendiger Schwingungen führt, was insbesondere auch dadurch zum Ausdruck kommt, daß dort darauf hingewiesen wird, daß zur Erzielung der Verbesserung das nicht-piezoelektrische Substrat eine höhere Phasengeschwindigkeit aufweisen muß als der piezoelektrische Film. Zwei Ausführungsbeispiele werden gesondert beschrieben, nämlich die Verwendung von Saphir als Substrat und die Verwendung von Silizium als dem Substrat. Während es nun bei der Aufbringung des Zinkoxids auf Silizium allgemein keine Probleme gibt, sei es schwierig, den Zinkoxid-Film auf einem Siliziumsubstrat epitaktisch aufzuwachsen. Aus diesem Grund wird die Siliziumoberfläche vor der Aufbringung des Zinkoxids mit einem Quarzfilm von 100 bis 1.000 Å Dicke gebildet, so daß derselbe nicht die Ausbreitungscharakteristika der akustischen Oberflächenwelle beeinträchtige.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Oberflächenwellenbauelement unter Verwendung eines Quarzsubstrats zu schaffen, das eine hohe Schallgeschwindigkeit ausnutzen kann, für einen Betrieb bei einer höheren Frequenz geeignet ist und zufriedenstellende Resonanz- und Filter-Charakteristika sicherstellt.
Diese Aufgabe wird durch ein Oberflächenwellenbauelement gemäß Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
Als ein Ergebnis der Durchführung intensiver Studien hinsichtlich des Lösens der obigen Aufgabe wurde die vorliegende Erfindung basierend auf der Erkenntnis erreicht, daß die obige Aufgabe durch die Verbindung eines zusammengesetzten Substrats, das ein Quarzsubstrat aufweist, auf dem ein piezoelektrischer Dünnfilm, beispielsweise ZnO, gebildet ist, und durch die Ausnutzung von Leck-Elastizitätsoberflächenwellen eines Modes höherer Ordnung mit einer hohen Schallgeschwindigkeit gelöst werden kann.
Spezieller wird gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung 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 der piezoelektrische Dünnfilm in einer solchen Dicke ausgebildet ist, die das Anregen von Leck-Elastizitätsoberflächenwellen eines Modes höherer Ordnung ermöglicht, so daß das Oberflächenwellenbauelement mit Leck-Elastizitätsoberflächenwellen eines Modes 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 Anmeldung in Betracht gezogen, daß die Dämpfung von Leck-Elastizitätsoberflächenwellen durch das richtige Auswählen des Schnittwinkels eines Quarzsubstrats und der Ausbreitungsrichtung der Wellen reduziert sein würde, und daß eine höhere Schallgeschwindigkeit erhalten werden könnte, indem die Leck-Elastizitätsoberflächenwellen eines Modes höherer Ordnung verwendet werden. Basierend auf dieser Betrachtung stellten die Erfinder Prototypen von Oberflächenwellenbauelementen unter Verwendung von Leck-Elastizitätsoberflächenwellen eines Modes höherer Ordnung her und testeten diesel ben. Als Ergebnis wurde herausgefunden, daß ein Oberflächenwellenbauelement, das eine hohe Schallgeschwindigkeit erzeugt 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 piezoelektrischen Dünnfilm gebildet werden, und indem die Dicke des piezoelektrischen Dünnfilms so dimensieniert wird, dass das Anregen von Leck-Eleastizitätsoberflächenwellen eines Modes höherer Ordnung ermöglicht wird.
In anderen Worten basiert die vorliegende Erfindung auf der experimentell bestätigten Erkenntnis gemäß dem oben genannten Konzept, das der Erfindung dieser Anmeldung zugrunde liegt. Ein solches Konzept ist nicht einfach eine Erweiterung der in der Vergangenheit üblichen technischen Meinung, daß die praktische Verwendung von Leck-Elastizitätsoberflächenwellen aufgrund der großen Dämpfung während der Übertragung schwierig ist.
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 normierte Dicke H/λ des piezoelektrischen Dünnfilms bezüglich dieser Wellenlänge in dem Bereich von 0,28 bis 0,6. Bei einem 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 eingestellt 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 Quarzsubstrats, usw., abhängt, können die Leck-Elastizitätsoberflä chenwellen eines Modes höherer Ordnung sicher angeregt werden, indem der numerische Wert nicht kleiner als 0,28 eingestellt wird.
Der piezoelektrische Dünnfilm kann aus jedem geeigneten Material 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 Bereich von 0,28 bis 0,6 liegt.
Gemäß einem zweiten breiten Aspekt der vorliegenden Erfindung 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 Ordnung anzuregen und zu verhindern, daß die Leck-Elastizitätsoberflächenwellen eines Modes höherer Ordnung während der Übertragung gedämpft werden.
Bei dem Oberflächenwellenbauelement gemäß dem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung besteht der piezoelektrische Dünnfilm ebenfalls vorzugsweise aus ZnO.
Ferner liegt bei dem Oberflächenwellenbauelement gemäß dem zweiten Aspekt die normierte Dicke H/λ des piezoelektrischen Dünnfilms vorzugsweise in dem Bereich von 0,28 bis 0,6. Dies ermöglicht, daß die Leck-Elastizitätsoberflächenwellen des Modes höherer Ordnung zuverlässig angeregt werden.
Bei einer bevorzugten Form des Oberflächenwellenbauelements gemäß dem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung besteht, wie bei dem obigen bevorzugten Ausführungsbeispil, der piezoelektrische Dünnfilm aus ZnO und weist eine normierte Dicke H/λ des piezoelektrischen Dünnfilms aus ZnO in dem Bereich 0,28 bis 0,6 auf.
Bei dem Oberflächenwellenbauelement gemäß dem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung kann der piezoelektrische Dünnfilm aus einem Material hergestellt sein, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus AlN, Ta₂O₅ und CdS besteht.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend bezugnehmend auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
1A und 1B eine schematische Draufsicht und eine partielle Schnittansicht eines Oberflächenwellenfilters als ein Ausführungsbeispiel eines Oberflächenwellenbauelements, das die vorliegende Erfindung verkörpert;
2 einen Graph, der die Beziehung zwischen den Schallgeschwindigkeiten von Oberflächenwellen und der normierten Dicke H/λ eines ZnO-Dünnfilms in aus Quarzsubstraten und piezoelektrischen ZnO-Dünnfilmen zusammengesetzten Substraten, bei der Verwendung eines Quarzsubstrats mit den Eulerschen Winkeln (0°, 141°, 0°);
3 einen Graph, der die Beziehung zwischen der normierten Dicke H/λ eines ZnO-Dünnfilms und einer Temperaturcharakteristik TCD in Oberflächenwellenelementen, die gemäß dem Ausführungsbeispiel 1 hergestellt sind, zeigt;
4 einen Graph, der die Beziehung zwischen der normierten Dicke H/λ eines ZnO-Dünnfilms und dem elektromechanischen Koppelkoeffizienten in den Oberflächenwellenbauelementen, die gemäß dem Ausführungsbeispiel 1 hergestellt sind, zeigt;
5 einen Graph, der die Beziehung zwischen der normierten Dicke H/λ eines ZnO-Dünnfilms und des elektromechanischen Koppelkoeffizienten bei den Oberflächenwellenbauelementen, die gemäß dem Ausführungsbeispiel 1 hergestellt sind, zeigt;
6 einen Graph, der die Beziehung zwischen den Schallgeschwindigkeiten von Oberflächenwellen und der normierten Dicke H/λ eine ZnO-Dünnfilms in aus Quarzsubstraten und piezoelektrischen ZnO-Dünnfilmen zusammengesetzten Substraten, bei der Verwendung eines Quarzsubstrats mit den Eulerschen Winkeln (0°, 132,75°, 89°) zeigt;
7 einen Graph, der die Beziehung zwischen der normierten Dicke H/λ eines ZnO-Dünnfilms und einer Temperaturcharakteristik TCD bei Oberflächenwellenbauelementen, die gemäß dem Ausführungsbeispiel 2 hergestellt sind, zeigt;
8 einen Graph, der die Beziehung zwischen der normierten Dicke H/λ eines ZnO-Dünnfilms und dem elektromechanischen Koppelkoeffizienten in den Oberflächenwellenbauelementen, die gemäß dem Ausführungsbeispiel 2 hergestellt sind, zeigt;
9 einen Graph, der die Beziehung zwischen der normierten Dicke H/λ eines ZnO-Dünnfilms und dem elektromechanischen Koppelkoeffizienten in den Oberflächenwellenbauelementen, die gemäß dem Ausführungsbeispiel 2 hergestellt sind, zeigt;
10 einen Graph, der die Beziehung zwischen den Schallgeschwindigkeiten 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°);
11 einen Graph, der die Beziehung zwischen der normierten Dicke H/λ eines ZnO-Dünnfilms und dem elektromechanischen Koppelkoeffizienten bei Oberflächenwellenbauelementen, die gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel hergestellt sind, zeigt.
12 einen Graph, der die Beziehung zwischen der normierten Dicke H/λ eines ZnO-Dünnfilms und dem elektromechanischen Koppelkoeffizienten bei den Oberflächenwellenbauelementen, die gemäß dem Ausführungsbeispiel 3 hergestellt sind, zeigt;
13 einen Graph, der die Beziehung zwischen der normierten Dicke H/λ eines ZnO-Dünnfilms und einer Temperaturcharakteristik TCD bei den Oberflächenwellenbauelementen, die gemäß dem Ausführungsbeispiel 3 hergestellt sind, zeigt; und
14 ein Diagramm einer Dämpfung-Über-Frequenz-Charakteristik zum Erklären einer Oberflächenwelle einer hohen Schallgeschwindigkeit, die bei einem Oberflächenwellenbauelement, das gemäß dem Stand der Technik bekannt ist, verwendet ist.
Ein Oberflächenwellenbauelement, das die vorliegende Erfindung verkörpert, weist hinsichtlich seiner spezifischen Form keine speziellen Begrenzungen auf. Das Oberflächenwellenbauelement kann beispielsweise als ein Oberflächenwellenfilter aufgebaut sein, das ein transversales Bandpassfilter ist, das schematisch in den 1A und 1B gezeigt ist. Ein Oberflächenwellenfilter 1 ist aus einem Oberflächenwellensubstrat 2 aufgebaut, auf dem IDTs 3, 4 mit einer vorbestimmten 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 Oberflächenwellensubstrat 2 weist eine Struktur auf, bei der ein piezoelektrischer Dünnfilm 2b auf einem Quarzsubstrat 2a gebildet 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 gebildet 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 Oberflächenwellenbauelemente, beispielsweise Oberflächenwellenresonatoren und Oberflächenwellen-Verzögerungsleitungen, anwendbar ist.
Ausführungsbeispiel 1
2 ist ein Graph, der die Schallgeschwindigkeiten der Oberflächenwellen, die in Oberflächenwellensubstraten erzeugt 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 hergestellt.
Die Schallgeschwindigkeiten der Oberflächenwellen in den somit 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 Wellenlängenbereich von 7 μm bis 52 μm abdecken, wurden auf jedem der Oberflächenwellensubstrate gebildet, wobei die Schallgeschwindigkeit aus der Mittenfrequenz eines resultierenden SAW-Filters bestimmt wurde.
Wie aus 2 offensichtlich ist, werden, wenn die normierte 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-Elastizitätsoberflächenwellen angeregt. Im Gegensatz hierzu werden bei den Oberflächenwellensubstraten, die jeweils das Quarzsubstrat aufweisen, auf dem der ZnO-Dünnfilm gebildet ist, ferner eine Sezawa-Welle als eine Rayleigh-Welle eines Modes höherer Ordnung und Leck-Elastizitätsoberflächenwellen eines Modes höherer Ordnung (LSAW 2) angeregt.
Wie ferner aus 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 1,6-fache eines maximalen 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 Oberflächenwellensubstrat, das durch das Bilden eines ZnO-Dünnfilms auf einem Quarzsubstrat mit den Eulerschen Winkeln (0°, 141°, 0°) hergestellt ist, verwendet wird, ein Oberflächenwellenbauelement mit einer hohen Schallgeschwindigkeit erhalten werden kann, indem die normierte Dicke H/λ des ZnO-Dünnfilms nicht kleiner als 0,28 gewählt wird.
3 ist ein Graph, der die Beziehung zwischen einer Temperaturcharakteristik (TCD) und der normierten Dicke H/λ eines 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 3 zu sehen ist, verschiebt sich im Gegensatz zu der TCD in dem Quarzsubstrat ohne den ZnO-Dünnfilm die TCD in den Oberflächenwellensubstraten auf die die ZnO-Dünnfilme laminiert sind, zu der positiven Seite hin. Es ist daher offensichtlich, daß der TCD-Wert durch die Verwendung eines Quarzsubstrates mit einem negativen TCD-Wert und das Laminieren eines ZnO-Dünnfilms auf das selbe ±0 angenähert werden kann, weshalb ein Oberflächenwellenbauelement mit einer guten Temperaturcharakteristik erhalten werden kann.
Die 4 und 5 zeigen Graphen, die jeweils die Beziehung zwischen dem mikromechanischen Koppelkoeffizienten und der normierten Dicke H/λ eines ZnO-Dünnfilms in den Oberflächenwellenbauelementen zeigen, 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 wurde. 4 zeigt die resultierenden Charakteristika, wenn IDTs, d.h. Kammzahnelektroden, auf der oberen Oberfläche des ZnO-Dünnfilms gebildet wurden, während 5 resultierende Charakteristika zeigt, wenn die IDTs auf der oberen Oberfläche des ZnO-Dünnfilms gebildet wurden und Kurzschlußelektroden an der Grenzfläche zwischen dem ZnO-Dünnfilm und dem Quarzsubstrat gebildet wurden.
Wie aus den 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.
6 zeigt die Beziehung zwischen den Schallgeschwindigkeiten der Oberflächenwellen und der normierten Dicke H/λ eines ZnO-Dünnfilms in den Oberflächenwellenbauelementen bei denen die ZnO-Dünnfilme in unterschiedlichen Dicken ausgebildet wurden. Wie aus 6 offensichtlich ist, wird, wenn das Quarzsubstrat mit dem oben genannten Schnittwinkel verwendet 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 Oberflächenwellenbauelementen 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, angeregt werden, wodurch die Leck-Elastizitätsoberflächenwellen des Modes höherer Ordnung, die eine größere Schallgeschwindigkeit als die maximale Schallgeschwindigkeit, die von den Rayleigh-Wellen verfügbar ist, aufweisen, verwendet werden können.
7 ist ein Graph entsprechend 3, der die Beziehung zwischen einer Temperaturcharakteristik TCD und der normierten Dicke H/λ eines ZnO-Dünnfilms in den obigen Oberflächenwellenbauelementen darstellt. Wie aus 7 offensichtlich ist, ist es bei den Oberflächenwellenbauelementen, die jeweils durch das Bilden eines ZnO-Dünnfilms auf einem Quarzsubstrat mit den Eulerschen Winkeln (0°, 132,75°, 89°) gebildet 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 Oberflächenwellenbauelement durch eine Kombination eines Quarzsubstrates mit einem negativen Wert der Temperaturcharakteristik TCD und einem ZnO-Dünnfilm einen Temperaturcharakteristikwert von etwa ±0 aufweist.
Die 8 und 9 sind Graphen, entsprechend den 4 bzw. 5, die jeweils die Beziehung zwischen dem elektromechanischen Koppelkoeffizienten und der normierten Dicke H/λ eines ZnO-Dünnfilms in den Oberflächenwellenbauelementen darstellen, 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, ebenfalls ein Oberflächenwellenbauelement mit einem angemessen großen elektromechanischen Koppelkoeffizienten erhalten werden kann, indem ein ZnO-Dünnfilm auf das Quarzsubstrat laminiert wird.
8 zeigt die resultierenden Charakteristika bei der Bildung von Kammzahnelektroden auf der oberen Oberfläche des ZnO-Dünnfilms während 9 die resultierenden Charakteristika bei der Bildung von Kammzahnelektroden auf der unteren Oberfläche des ZnO-Dünnfilms zeigt.
Ausführungsbeispiel 3
Oberflächenwellenbauelemente wurden 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. 10 zeigt die Beziehung zwischen den Schallgeschwindigkeiten der Oberflächenwellen 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 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 normierte Dicke H/λ des ZnO-Dünnfilms in dem Bereich von 0,28 bis 0,6 liegt.
Die 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. 11 zeigt die resultierenden Charakteristika bei der Verwendung von Kammzahnelektroden auf der oberen Oberfläche des ZnO-Films, während 12 die resultierenden Charakteristika, wenn Kammzahnelektroden auf der oberen Oberfläche des ZnO-Dünnfilms gebildet wurden, und Kurzschlußelektroden aus Al auf der gesamten Grenzfläche zwischen dem ZnO-Dünnfilm und dem Quarzsubstrat gebildet wurden, zeigt.
Wie aus den 11 und 12 offensichtlich ist, kann auch bei der Verwendung des Quarzsubstrates mit den Eulerschen Winkeln (0°, 150°, 0°) ein Oberflächenwellenbauelement mit dem angemessen großen elektromechanischen Koppelkoeffizienten erhalten werden, indem ein Oberflächenwellensubstrat verwendet wird, das durch das Bilden eines ZnO-Films auf dem Quarzsubstrat aufgebaut ist.
13 ist ein Graph, der die Beziehung zwischen einer Temperaturcharakteristik 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 13 offensichtlich ist, ist bei diesen Oberflächenwellenbauelementen die Temperaturcharakteristik 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 daher offensichtlich, daß durch eine Kombination eines Quarzsubstrates mit einem negativen Wert der Temperaturcharakteristik TCD und einem ZnO-Dünnfilm ein Oberflächenwellenbauelement mit einem Temperaturcharakteristikwert TCD von etwa ±0 erhalten werden kann.
Wie oben beschrieben wurde, ist es mit dem Oberflächenwellenbauelement gemäß dem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung möglich, eine Oberflächenwelle, die eine höhere Schallgeschwindigkeit und einen größeren elektromagnetischen Koppelkoeffizienten aufweist, als mit herkömmlichen Oberflächenwellenbauelementen, die aus einem Quarzsubstrat aufgebaut 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-Elastizitätsoberflächenwellen 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 piezoelektrischen Dünnfilm gebildet sind, sind das Quarzsubstrat, der piezoelektrische Dünnfilm und die Kammzahnelektroden derart ausgebildet, um Leck-Elastizitätsoberflächenwellen eines Modes höherer Ordnung anzuregen und eine Dämpfung der Leck-Elastizitätsoberflächenwellen des Modes höherer Ordnung während der Übertragung zu verhindern. Daher ist es möglich, eine Oberflächenwelle zu verwenden, die eine höhere Schallgeschwindigkeit und einen größeren elektromechanischen 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 normierten Dicke H/λ des piezoelektrischen Dünnfilms, um in dem Bereich von 0,28 bis 0,6 zu liegen, ebenfalls der Mode höherer Ordnung der Leck-Elastizitätsoberflächenwellen wie bei dem vorher genannten Bauelement sicher angeregt werden.
Die japanischen ungeprüfte Patentveröffentlichung Nr. 61-222312 beschreibt, daß eine Welle mit einer höheren Schallgeschwindigkeit als die normale Rayleigh-Welle in einem Oberflächenwellenbauelement, das ein Quarzsubstrat verwendet, genutzt werden kann, wobei jedoch die Oberflächenwelle, die bei dem bekannten Bauelement gemäß dem offenbarten Verfahren verwendet wird, tatsächlich eine Kombination einer SSB-Welle und einer STW-Welle ist, wobei in der Frequenzcharakteristik notwendigerweise ein Tal zwischen zwei benachbarten Spitzen erzeugt ist. Wenn das bekannte Bauelement als ein Oberflächenwellenresonator oder ein Oberflächenwellenfilter verwendet wird, können daher keine zufriedenstellen den Charakteristika erhalten werden. Wenn ein Resonator unter 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 ersten 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 Oberflächenwellenresonator 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 Filterungscharakteristika 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 Oberflächenwellenbauelement, das für einen Betrieb bei einer höheren Frequenz geeignet ist. Da ein Quarzsubstrat mit einer guten Temperaturcharakteristik verwendet ist, ist es ferner möglich, ohne weiteres ein Oberflächenwellenbauelement zu schaffen, das eine gute Temperaturcharakteristik aufweist, d.h., das stabile Charakteristika ungeachtet von Temperaturänderungen in der Umgebung zeigen kann.

Claims

Akustisches Oberflächenwellenbauelement (1), mit folgenden Merkmalen: einem piezoelektrischen Quarzsubstrat (2a); einem piezoelektrischen Dünnfilm (2b), der auf dem piezoelektrischen Quarzsubstrat (2a) gebildet ist; und einer Mehrzahl von Kammzahnelektroden (3a, 3b, 4a, 4b), die in Kontakt mit dem piezoelektrischen Dünnfilm (2b) gebildet sind; wobei der piezoelektrische Dünnfilm (2b) in einer solchen Dicke ausgebildet ist, die die Erzeugung von akustischen Leck-Elastizitätsoberflächenwellen eines Modes höherer Ordnung ermöglicht, so daß das Oberflächenwellenbauelement mit akustischen Leck-Elastizitätsoberflächenwellen eines Modes höherer Ordnung wirksam ist.
Oberflächenwellenbauelement gemäß Anspruch 1, bei dem, wenn der piezoelektrische Dünnfilm (2b) eine Dicke von H aufweist, und die akustischen Leck-Elastizitätsoberflächenwellen des Modes höherer Ordnung eine Wellenlänge von λ aufweisen, wobei die normierte Dicke H/λ des piezoelektrischen Dünnfilms (2b) bezüglich der Wellenlänge in dem Bereich von 0,28 bis 0,6 liegt.
Oberflächenwellenbauelement gemäß Anspruch 1 oder 2, bei dem der piezoelektrische Dünnfilm (2b) aus einem Material besteht, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus ZnO, AlN, Ta₂O₅ und CdS besteht.
Oberflächenwellenbauelement gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem die Schallgeschwindigkeit der akustischen Leck-Elastizitätsoberflächenwellen des Modes höherer Ordnung etwa 4000 m/s bis etwa 5000 m/s ist.
Oberflächenwellenbauelement gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das Quarzsubstrat (2a), der piezoelektrische Dünnfilm (2b) und die Kammzahnelektroden (3a, 3b, 4a, 4b) ausgebildet sind, um akustischen Leck-Elastizitätsoberflächenwellen eines Modes höherer Ordnung zu erzeugen, und um eine Dämpfung der akustischen Leck-Elastizitätsoberflächenwellen des Modes höherer Ordnung zu minimieren.