DE2821748A1

DE2821748A1 - COMPONENT FOR TRANSMISSION OF ELECTROMECHANICAL SURFACE WAVES

Info

Publication number: DE2821748A1
Application number: DE19782821748
Authority: DE
Inventors: Clarence John Dunnrowicz; Thomas Edward Parker
Original assignee: Raytheon Co
Current assignee: Raytheon Co
Priority date: 1977-06-02
Filing date: 1978-05-18
Publication date: 1978-12-14
Also published as: CA1118883A; IT7849468A0; FR2393465A1; GB1596077A

Description

LANDWCHnCTR. 3T SOOT MÜNCHEU 2
TiIL. O : O / C-3 CV J 4AGRICULTURAL CTR. 3T SOOT MUNICH 2
TiIL. O: O / C-3 CV J 4

München, den 16. Mai 1976 W Anwaltsaktenz.: 27 - Pat. 204Munich, May 16, 1976 W Attorney's file: 27 - Pat. 204

Raytheon Company , 141 Spring Street, Lexington, Massachusetts, Vereinigte Staaten von AmerikaRaytheon Company, 141 Spring Street, Lexington, Massachusetts, United States of America

Bauelement zur übertragung elektromechanischer Oberflächenwellen. Component for the transmission of electromechanical surface waves.

Die Erfindung betrifft Bauelemente zur Übertragung elektromechanischer Oberflächenwellen im akustischen Bereich und insbesondere den Aufbau von Wandlern, die für das Ausbreiten und das Aufnehmen der Oberflächenwellen auf den Bauelementen sorgen.The invention relates to components for the transmission of electromechanical Surface waves in the acoustic range and in particular the construction of transducers that are responsible for the propagation and picking up the surface waves on the components care for.

Eei der Konstruktion von Bauelementen, die mit elektromechanischen Oberflächenwellen arbeiten, ist es nahe-zu immer erwünscht, einen oder mehrere interdigitale Wandler zu verwenden, um auf einem piezoelektrischen Substrat oder auf einem nicht piezoelektrischen Substrat, das mit einem Film eines piezoelektrischen Materials überzogen ist, die Oberflächenwellen auszubreiten und aufzufangen.Eei the construction of components using electromechanical Work surface waves, it is almost always desirable to use one or more interdigital transducers, around on a piezoelectric substrate or on a non-piezoelectric substrate covered with a film a piezoelectric material is coated, the surface waves spread and catch.

Derartige Wandler sind gewöhnlich aus zwei Gruppen kammartig ineinandergreifender Metallstreifen oder Finger aufgebaut, die auf der Oberfläche des Substrats oder des piezoelektrischen Films angebracht sind. Die Länge der Finger eines jeden Wandlers kann gleichmäßig oder unterschiedlich gemacht werden, je nach der gewünschten Frequenzcharakteristik.Such transducers are usually made up of two groups of metal strips or fingers interlocking in a comb-like manner, which are attached to the surface of the substrate or the piezoelectric film. The length of the fingers of each transducer can be made uniform or different, depending on the desired frequency characteristic.

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Derartige Wandler arbeiten zwar hinsichtlich der Ausbreitung und des Empfangs der Oberflächenwellen gut, doch bedingt die physikalische Anwesenheit des Wandlers auf dem Substrat oder dem piezoelektrischen Film, daß unerwünschte Reflexionen der Dberflächenwellen entstehen, die zum Wandler hin oder an ihm vorbeilaufen oder von ihm selbst ausgesandt werden. Derartige Reflexionen rufen eine Verzerrung in der Übertragungsfunktion des mit einem solchen Wandler bestückten Bauelementes hervor.Such transducers work well with regard to the propagation and reception of the surface waves, but they cause it physical presence of the transducer on the substrate or the piezoelectric film that unwanted reflections of the Surface waves arise that run towards or past the transducer or are emitted by the transducer itself. Such Reflections cause a distortion in the transfer function of the component equipped with such a transducer.

Durch die Wandler bedingte Reflexionen haben drei verschiedene Ursachen. Die erste Ursache kann durch das Metall des Wandlers bedingt sein, sofern es andere Elastizitätseigenschaften als das Substrat hat, so daß dann die Diskontinuität der akustischen Impedanz der Vorrichtung im Bereich des Wandlers zu einer Fehlanpassung zwischen Wandler und Substrat führt. Die zweite Ursache ist der niedrige elektrische Widerstand des Metalls des Wandlers, wodurch das piezoelektrische Feld des Substrats kurzgeschlossen wird, was eine Veränderung der Geschwindigkeit der Oberflächenwellen und damit eine Reflexion im Bereich des Wandlers zur Folge hat. Die dritte Ursache ist die physikalische Anwesenheit des Metalls, die eine periodische topographische Schwankung an der Oberfläche des Substrats bedeutet .Reflections caused by the transducers have three different causes. The first cause may be through the metal of the transducer be conditional, provided that it has other elastic properties than the substrate, so that then the discontinuity of the acoustic The impedance of the device in the area of the transducer leads to a mismatch between transducer and substrate. The second cause is the low electrical resistance of the metal of the transducer, creating the piezoelectric field of the substrate is short-circuited, causing a change in the speed of the surface waves and thus a reflection in the area of the Converter has the consequence. The third cause is the physical presence of the metal, which is a periodic topographical Means fluctuation on the surface of the substrate.

Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, ein mit akustischen Oberflächenwellen arbeitendes Bauelement, auf dem ein oder mehrere Wandler angebracht sind, zu schaffen, bei dem die Reflexion der Dberflächenwellen an den Wandlern beträchtlich verringert ist.The invention is therefore based on the object of an acoustic Surface wave working component on which one or several transducers are attached, in which the reflection of the surface waves on the transducers is considerable is decreased.

Es ist ferner Aufgabe der Erfindung, ein mit akustischen Oberflächenwellen arbeitendes Bauelement zu schaffen, dessen Übertragungsfunktion nur eine minimale Verzerrung aufweist.It is also an object of the invention to provide a surface acoustic wave to create working component, its transfer function has minimal distortion.

Die Lösung für die vorstehend genannte Aufgabe läßt sich erhalten durch die Kombination eines Substrats, das eine Ober-The solution to the above problem can be obtained by combining a substrate that has a top

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fläche hat, auf dem sich Oberflächenwellen ausbreiten können, während Wandler an das Oberflächenwellen führende Mittel angekoppelt sind, wobei die topographischen Oberflächenwellenausbreitungseigenschaften im Bereich der Wandler praktisch konstant sind. Der Wandler wird vorzugsweise durch ein Metall dargestellt, das gleiche elastische Eigenschaften wie das Substrat hat. Bevorzugte Materialien sind Aluminium für das Metall des Wandlers und Quarz für das Substrat. Die Oberfläche des Substrates kann dabei im wesentlichen eben sein.has an area on which surface waves can propagate, while transducers are coupled to the surface wave guiding means are, where the topographic surface wave propagation properties are practically constant in the area of the transducers. The transducer is preferably made by a metal shown the same elastic properties as that Has substrate. Preferred materials are aluminum for the metal of the transducer and quartz for the substrate. The surface the substrate can be essentially flat.

Die Aufgabe der Erfindung kann auch gelöst werden durch eine Kombination eines Substrats mit einer Oberfläche, die sich zur Ausbreitung von Oberflächenwellen eignet, und wenigstens einem Wandler, der mit dem Substrat gekoppelt ist und eine Vielzahl ineinandergreifender paralleler Leiterstreifen aufweist, die wenigstens zum Teil in das Substrat eingebettet sind. Die obere Fläche eines jeden Streifens sollte mit der Oberfläche des Substrats im wesentlichen bündig sein. Die Metallstreifen des Wandlers sind in zahlreiche, zueinander parallele Nuten oder Rillen eingefügt, die eine bestimmte Distanz in die Oberfläche des Substrats eingegraben sind. Wie im ersteren Fall haben das Substrat und die Leiterstreifen praktisch die gleichen elastischen Eigenschaften. Das Substrat kann Quarz, vorzugsweise ST-geschnittener Quarz sein, während die Metallstreifen aus Aluminium hergestellt sind.The object of the invention can also be achieved by a combination of a substrate with a surface that extends suitable for the propagation of surface waves, and at least one transducer which is coupled to the substrate and a Has a large number of interlocking parallel conductor strips, which are at least partially embedded in the substrate. The top surface of each strip should line up with the Surface of the substrate be substantially flush. The metal strips of the transducer are in numerous, to each other parallel grooves or grooves are inserted, which are dug a certain distance into the surface of the substrate. As in the former case, the substrate and the conductor strips have practically the same elastic properties. That The substrate can be quartz, preferably ST-cut quartz, while the metal strips are made of aluminum.

Weitere Ziele der Erfindung lassen sich erreichen, indem eine Kombination aus einem Substrat aus piezoelektrischem Material geschaffen wird, von dem wenigstens eine Oberfläche für die Ausbreitung von Oberflächenwellen geeignet ist, auf welcher erste und zweite Gruppen von zueinander im wesentlichen parallelen Rillen oder Nuten vorgesehen sind, die sich eine bestimmte Tiefe in die Substratoberfläche hinein erstrecken, wobei die Gruppen von Nuten mit einer Vielzahl von Metallstreifen angefüllt sind, die einem ersten und einem zweiten Wandler angehören, und eine Oberfläche der Metallstreifen mit der Substratoberfläche im wesentlichen bündig ist. Wenigstens eini-Further objects of the invention can be achieved by using a combination of a substrate made of piezoelectric material is created, of which at least one surface is suitable for the propagation of surface waves, on which first and second groups of mutually substantially parallel grooves or grooves are provided, which are a certain Extending deep into the substrate surface with the groups of grooves filled with a plurality of metal strips which are associated with a first and a second transducer, and a surface of the metal strips with the Substrate surface is essentially flush. At least some-

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ge Metallstreifen eines jeden Wandlers sind elektrisch mit anderen Streifen innerhalb des Wandlers so verbunden, daß zwei Gruppen gebildet sind. Bei einer bevorzugten Ausführungsform wie einer Oszillatorvorrichtung mit akustischen Oberflächenwellen sind Verstärkereinrichtungen zwischen den ersten und den zweiten Wandler eingeschaltet. Auch hier wiederum kann das Substrat aus Quarz bestehen, beispielsweise ST-geschnittenem Quarz, während die Metallstreifen aus Aluminium sind.ge metal strips of each converter are electrically connected other strips within the transducer so that two groups are formed. In a preferred embodiment such as a surface acoustic wave oscillator device amplifier devices are connected between the first and the second converter. Again, you can the substrate is made of quartz, for example ST-cut quartz, while the metal strips are made of aluminum.

Die Erfindung kann auch durch folgende Verfahrensschritte verwirklicht werden. Ein Substrat aus einem piezoelektrischen Material wird wenigstens zum Teil mit einer ersten Metallschicht überdeckt, wonach Teile der ersten Metallschicht in Form von parallelen Streifen in einer oder in mehreren Zonen dieser ersten Metallschicht beseitigt werden. Anschließend werden Teile des unter den beseitigten Bereichen der ersten Metallschicht befindlichen Substrats bis zu einer vorbestimmten Tiefe entfernt, so daß im Substrat zahlreiche parallele Rillen oder Nuten entstehen, die dann durch die entfernten Bereiche der ersten Metallschicht hindurch mit einer zweiten Metallschicht angefüllt werden im wesentlichen bis in die Höhe der Substratoberfläche. Endlich werden die noch verbliebenen Bereiche der ersten Metallschicht und auch die nicht erwünschten Bereiche der zweiten Metallschicht beseitigt. Man verwendet dabei Quarz für das Substrat und für die zweite Metallschicht Aluminium, während die erste Metallschicht aus Vanadium gebildet ist.The invention can also be implemented by the following method steps will. A substrate made of a piezoelectric material is at least partially covered with a first metal layer covered, after which parts of the first metal layer in the form of parallel strips in one or more zones this first metal layer can be eliminated. Subsequently, parts of the eliminated areas are the first Metal layer located substrate removed to a predetermined depth, so that numerous parallel grooves in the substrate or grooves are formed which then pass through the removed areas of the first metal layer with a second metal layer are filled essentially up to the level of the substrate surface. Finally the remaining areas are the first metal layer and also the undesired areas of the second metal layer are eliminated. One uses quartz for the substrate and aluminum for the second metal layer, while the first metal layer is made of vanadium is.

Eine eingehende Beschreibung der Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung an einem Ausführungsbeispiel vorgenommen. Es zeigen:A detailed description of the invention is given below with reference to the drawing using an exemplary embodiment. Show it:

Fig. 1 in perspektivischer Ansicht einenFig. 1 in a perspective view

Oszillator für akustische Oberflächenwellen, von dem eine Ecke weggebrochen ist, undSurface acoustic wave oscillator with a corner broken away is and

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Fig. 2Α eine Folge von Querschnittsdarstellungen,Fig. 2Α a sequence of cross-sectional representations,

bis 2Eto 2E

aus denen die Herstellungsstufen eines der im Oszillator der Figur 1 verwendeten Wandlers deutlich werden.from which the manufacturing stages of one of the stages used in the oscillator of FIG Converter become clear.

In der Figur 1 ist ein Oszillator für akustische Oberflächenwellen gezeigt, bei dem die Erfindung angewendet ist. Zum Oszillator gehören zwei Haupt-Betriebselemente, die mit den akustischen Oberflächenwellen arbeitende Verzögerungsleitung und der Rückkopplungsverstärker 11.In the figure 1 is an oscillator for surface acoustic waves to which the invention is applied. The oscillator has two main operating elements that interact with the Surface acoustic wave delay line and the feedback amplifier 11.

Die Verzögerungsleitung 5 ist mit einem Eingangswandler 14 und einem Ausgangswandler 12 ausgerüstet, die sich auf einem piezoelektrischen Substrat 10 befinden. Die durch den Eingangswandler 14 erzeugten Oberflächenwellen wandern zum Ausgangswandler 12 mit einer Zeitverzögerung, die durch den Abstand zwischen den beiden Wandlern und die Ausbreitungsgeschwindigkeit der Oberflächenwellen auf dem Substrat 10 bestimmt ist. Die Oberflächenwellen, die am Ausgangswandler 12 ankommen, werden vom Verstärker 11 verstärkt und anschließend zum Eingangswandler 14 zurückgekoppelt, Der Verstärker 11 ist so angeschlossen, daß die Phase der Oberflächenwellen, die vom Eingangswandler 14 aus dem Rückkopplungssignal erzeugt werden, derart ist, daß die Oberflächenwellen ständig neu angeregt werden und so stets vom Eingangswandler 14 zum Ausgangswanler 12 laufen. Eingangswandler 14 und Ausgangswandler 12 sind als Teile der Verzögerungsleitung 5 für die akustischen Oberflächenwellen nach der Lehre der Erfindung hergestellt. Bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel wird als Metall für die Finger oder Zinken beider Wandler Aluminium verwendet, während das Substrat 10 aus einem ST-geschnittenen Quarz besteht, Man nimmt diese beiden Materialien, weil sie gleiche elastische Eigenschaften haben, womit eine relativ gute akustische Anpassung des Aluminiums an den Quarz erzielt ist. Außerdem hat der ST-geschnittene Quarz einen relativ niedrigen piezoelektrischen Kopplungskoeffizienten, verglichen mit anderen bekannten piezoelektrischen Werkstoffen, die allgemein für Oberflächenwellenvorrichtungen verwendet werden. Dies hat denThe delay line 5 is provided with an input transducer 14 and an output transducer 12 located on a piezoelectric substrate 10. The through the input transducer 14 generated surface waves migrate to the output transducer 12 with a time delay that is determined by the Distance between the two transducers and the propagation speed of the surface waves on the substrate 10 are determined is. The surface waves that arrive at the output transducer 12, are amplified by the amplifier 11 and then fed back to the input transducer 14. The amplifier 11 is connected so that the phase of the surface waves generated by the input transducer 14 from the feedback signal, is such that the surface waves are constantly re-excited and so always from the input transducer 14 to the output transducer 12 run. Input transducer 14 and output transducer 12 are part of the delay line 5 for the surface acoustic waves manufactured according to the teaching of the invention. In the preferred embodiment, the metal for the The fingers or prongs of both transducers use aluminum, while the substrate 10 is made of an ST-cut quartz, These two materials are chosen because they have the same elastic properties, which means a relatively good acoustic match of the aluminum is achieved on the quartz. In addition, the ST cut quartz has a relatively low piezoelectric Coupling coefficients compared to others known piezoelectric materials generally used for surface acoustic wave devices. This has the

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Vorteil, daß die piezoelektrische Kurzschlußwirkung aufgrund des Metalls nur gering ist.Advantage that the piezoelectric short-circuit effect due to of the metal is only slight.

Im Sinne der Erfindung sind die Metallfinger oder-Zinken des Eingangswandlers 14 und des Ausgangswandlers 12 in die Oberfläche des Substrats 10 derart versenkt, daß die Oberfläche des Metalls der beiden Wandler mit der Substratoberfläche praktisch bündig ist. Auf diese Weise erzielt man aufgrund der guten akustischen Anpassung zwischen den Metallfingern und dem Substrat, daß praktisch keine Reflexion der Gberflächenwellen aufgrund periodischer topographischer Schwankungen auftreten, da die Fläche über den Wandlern glatt ist und durchgehend gleiche elastische Eigenschaften vorliegen. Mit einem in der Figur 1 gezeigten Bauelement zur Leitung von Oberflächenwellen mit Wandlern, treten praktisch keine Reflexionen an den Wandlern mehr auf. Aus diesem Grunde ist auch die früheren Bauelementen dieser Gattung anhaftende Verzerrung der Durchlaßbandcharakteristik beseitigt.For the purposes of the invention, the metal fingers or prongs of the input transducer 14 and of the output transducer 12 are in the surface of the substrate 10 sunk in such a way that the surface of the metal of the two transducers with the substrate surface is practically flush. In this way, due to the good acoustic match between the metal fingers and the Substrate that practically no reflection of the surface waves occur due to periodic topographical fluctuations, since the area above the transducers is smooth and continuously the same elastic properties are present. With one in the figure 1 shown component for conducting surface waves with converters, there are practically no more reflections on the converters. Because of this, the earlier components distortion of the passband characteristic inherent in this genus is eliminated.

Es wird als nächstes die Folge der Querschnittsdarstellungen nach Figur 2A bis 2E betrachtet, die ein Herstellungsverfahren für die Wandler in einem Bauelement gemäß Figur 1 verdeutlichen. In der Figur 2A ist ein Substrat 10 eines ST-geschnittenen Quarzes gezeigt, der wenigstens eine Oberfläche aufweist, auf der sich Oberflächenwellen ausbreiten können. Das Substrat 10 wird als nächstes mit einer Schicht aus Vanadium 16 überzogen, wozu eine Anzahl verschiedener bekannter Metallüberzugstechniken verwendet werden kann. Die Dicke der Vanadiumschicht soll etwa 300 Ά betragen. Auf die Vanadiumschicht 16 wird dann eine Schicht eines Fotowiderstandes 18 aufgebracht. Anschließend wird der Fotowiderstand 16 maskiert, mit einer entwickelnden Bestrahlung belichtet und auf chemischem Wege nach dem in Figur 2B dargestellten Muster beseitigt. Die Teile der Vanadiumschicht 16, die durch die öffnungen in der Fotowxderstandsschicht 18 freiliegen, werden beispielsweise im Ionenstrahlätzverfahren abgebaut.The sequence of cross-sectional representations according to FIGS. 2A to 2E will next be considered, which illustrate a manufacturing method for the transducers in a component according to FIG. FIG. 2A shows a substrate 10 of an ST-cut quartz which has at least one surface on which surface waves can propagate. The substrate 10 is next coated with a layer of vanadium 16 using a number of different known metal coating techniques. The thickness of the vanadium layer should be about 300 Ά . A layer of a photoresistor 18 is then applied to the vanadium layer 16. The photoresistor 16 is then masked, exposed to developing radiation and removed chemically according to the pattern shown in FIG. 2B. The parts of the vanadium layer 16 which are exposed through the openings in the photoresist layer 18 are broken down, for example, in the ion beam etching process.

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Im Anschluß daran werden gemäß der Darstellung der Figur 2C Nuten 20 von vorbestimmter Tiefe in das Substrat 10 hineingeätzt. Als günstige Tiefe hat sich 1500 ¹R erwiesen. Danach wird eine Schicht aus Aluminium 22 in den Nuten 20 und oben auf der Fotowiderstandsschicht 18 niedergeschlagen, bis das Aluminium in den Nuten bis in die Höhe der Oberfläche des Substrates 10 angewachsen ist. Es eignet sich dafür besonders die Aufdampftechnik. Als letztes werden die noch vorhandenen Bereiche der Vanadiumschicht 16 und des Fotowiderstandes 18 und die Teile der Aluminiumschicht 22 beseitigt, die auf der Fotowiderstandsschicht 18 abgelagert sind, was durch Abstreifen auf chemischem Wege geschieht, wobei der fertige Wandler zurückbleibt, wie es in der Figur 2E gezeigt ist.Subsequently, as shown in FIG. 2C, grooves 20 of a predetermined depth are etched into substrate 10. ^{1500 1} R has proven to be a favorable depth. A layer of aluminum 22 is then deposited in the grooves 20 and on top of the photoresist layer 18 until the aluminum in the grooves has grown to the level of the surface of the substrate 10. The vapor deposition technique is particularly suitable for this. Finally, the remaining areas of the vanadium layer 16 and the photoresistor 18 and the parts of the aluminum layer 22 that are deposited on the photoresist layer 18 are removed, which is done by chemical stripping, leaving the finished transducer, as shown in Figure 2E is shown.

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Claims

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i through .rjkennz'iiuhnet that at least one is practically free of reflection. ■ - ■ (■ W.nid I er · is gnl-oppelt with the substrate.

2. £ -. '"-.>1'.: Πι · Mi with a substrate on the surface of which elekLr-niiiPrii.iiu'j ^ he Oberf lächenwel"! -: n can spread, dadurt ι. ; ru | JM. . ·. ir-hnet that one or more converters with the Sulip! ■ -:> i: -! .- :! cii ^ lt are and the topographical surface wllf'lüUijl.'r ι- · i -iMgsbedingungen in the area of the transducer practically "■ 'on'-.

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BATH ORIGINAL

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8. The component according to claim 7, characterized in that at least one surface of each stripe with the substrate surface is flush.

9. The component according to claim 7, characterized in that the parallel grooves in the substrate extend a certain distance from the substrate surface into the substrate.

10. The component according to claim 9, characterized in that the conductive strips practically fill the grooves and one surface of each conductor strip with the substrate surface is flush.

11. The component according to claim 10, characterized in that the substrate and the conductor strips have the same elastic properties to have.

12. The component according to claim 10, characterized by quartz as the substrate and aluminum as the conductor strip.

13. The component according to claim 12, characterized in that the quartz is an ST-cut quartz.

14. Component with a substrate made of piezoelectric material, which has at least one surface on which Surface waves can propagate, characterized in that a first and a second group of parallel grooves or grooves extend from the surface a certain distance into the substrate and that a plurality of conductor strips the first and second groups of the grooves in the substrate fill and form a first and a second transducer, one surface of the metal strip is substantially flush with the substrate surface.

15. The component according to claim 14, characterized in that at least some metal strips of each transducer are electrical

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connected to other strips within the same transducer

16. The component according to claim 15, characterized in that the strips in each transducer are connected to form two groups.

17. The component according to claim 14, characterized in that amplifier means between the first and the second transducer are switched on.

18. The component according to claim 14, characterized in that the substrate made of quartz and the metal strips made of aluminum exist.

19. The component according to claim 16, characterized in that the quartz is ST-cut.

20. A method for producing a component according to any one of claims 1 to 19, characterized in that. a substrate of a piezoelectric material is coated at least in part with a first layer of metal, parts of which first metal layer removed in the form of parallel strips in one or more areas of the first metal layer that parts of the substrate which are located under the removed areas of the first metal layer, up to a predetermined Depth in the form of numerous parallel grooves in the substrate can be eliminated that the grooves are removed by the Areas of the first metal layer are filled with a second metal layer up to the original height the surface of the substrate and that the remaining parts of the first metal layer are removed.

21. The method according to claim 2C, characterized by quartz as Substrate and aluminum as a second metal layer.

22. The method according to claim 21, characterized in that vanadium is used as the first metal layer.

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