DE2821791C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein akustisches Oberflächenwellenbauelement mit den Merkmalen des Oberbegriffes von Anspruch 1 und Anspruch 2.

Oberflächenbauelemente dieser Art sind aus der US-Patentschrift 39 83 517 bekannt.

Die Reflexionsgitteranordungen der bekannten Oberflächenbauelemente nach dieser Schrift enthalten entweder parallele Rillen des Substrates oder parallele Metallstreifen auf dem Substrat als Reflexionsgitter zur Bestimmung von im Winkel zueinander verlaufenden Ausbreitungswegabschnitten für die Oberflächenwellen auf dem Substrat, derart, daß sich die Oberflächenwellen von einem elektroakustischen Wandler weg oder auf diesen hin ausbreiten können.

Die reflektierenden Rillen oder Streifen sind gewöhnlich so angeordnet, daß die Reflexionen benachbarter Rillen oder Streifen in der Phase addierend wirken, so daß das Gitter stark reflektiert. Unglücklicherweise wird von jeder einzelnen Rille oder jedem einzelnen Streifen innerhalb des Gitters nur ein sehr kleiner Anteil der Energie, die in der hineinlaufenden Welle enthalten ist, reflektiert. Die gesamte Reflexionsfähigkeit des Gitters könnte dadurch verbessert werden, daß mehr Reflexionsgitterelemente zugefügt werden. Dadurch allerdings nimmt die Bandbreite des Reflexionsgitters ab, und zwar im allgemeinen umgekehrt proportional zur Zahl der Reflexionsgitterelemente. Somit sind mit einem sehr stark reflektierenden Gitter nur sehr geringe Bandbreiten zu erzielen. Bei vielen Vorrichtungen, wie etwa Filtern, ist es jedoch wünschenswert, sowohl eine hohe Reflexionsfähigkeit, als auch eine große Bandbreite zu haben. Mit den bekannten Reflexionsgittern ist es häufig nicht möglich, ein Oberflächenwellenfilter zu bauen, das diesen beiden Forderungen genügt. Wird eine geringere Anzahl von Reflexionsgitterelementen in den Reflexionsgittern verwendet, um die benötigte Bandbreite zu erzielen, dann werden die in der Vorrichtung entstehenden Verluste häufig größer als gewünscht wegen der Verluste an Signalenergie an den Reflektorgittern.

Bei Verwendung von Reflexionsgittern aus Metallstreifen ist die Reflexionsfähigkeit je Element abhängig von der Art des piezoelektrischen Materials des Substrats aufgrund der piezoelektrischen Verluste festgelegt. Unter Verwendung von Metallstreifen hergestellte Gitter ergeben periodische Körperschwingungen und örtlich verteilte Störungen, und folglich haben sie Reflexionskoeffizienten, die durch Erhöhen der Dicke des Metalls gesteigert werden können. Die nichtlinearen Auswirkungen auf die Wellen und die Umwandlung von Oberflächenenergie in Körperschwingungsenergie macht sich jedoch bemerkbar, wenn die Metallstreifendicke über einen bestimmten Grenzwert ansteigt.

Durch die Erfindung soll die Aufgabe gelöst werden, ein akustisches Oberflächenwellenbauelement mit den Merkmalen des Oberbegriffes von Patentanspruch 1 bzw. von Patentanspruch 2 so auszugestalten, daß bei geringen Eigenverlusten eine große Bandbreite und eine niedrige nichtlineare Verzerrung der Oberflächenwellen erreicht werden und möglichst wenig Oberflächenwellenenergie in Körperschwingungsenergie umgesetzt wird.

Diese Aufgabe wird bei einer gattungsgemäßen Anordnung erfindungsgemäß in einer ersten Art und Weise durch das kennzeichnende Merkmal von Patentanspruch 1 und in einer zweiten Art und Weise durch das kennzeichnende Merkmal von Patentanspruch 2 gelöst.

Vorteilhafte Ausgestaltungen von in der vorliegenden Art ausgebildeten akustischen Oberflächenwellenbauelementen sind in den Ansprüchen 3 bis 6 gekennzeichnet.

Anhand der Zeichnung werden nachfolgend Ausführungsbeispiele der Erfindung erläutert. Es zeigt

Fig. 1 eine Draufsicht auf eine erste Ausführungsform eines akustischen Oberflächenwellenbauelementes vorliegender Art in Gestalt einer Filtervorrichtung;

Fig. 2 eine Draufsicht auf eine zweite Ausführungsform;

Fig. 3 A bis 3 C eine Folge von Querschnittsansichten, die den Herstellungsgang des ersten Ausführungsbeispieles wiedergeben;

Fig. 4 A bis 4 G eine Folge von Querschnittsdarstellungen, welche die Herstellung des Ausführungsbeispiels nach Fig. 2 erläutern;

Fig. 5 A bis 5 E eine Querschnittsfolge zur Erläuterung einer weiteren Herstellungsweise eines Oberflächenwellenbauelementes nach Fig. 2, und

Fig. 6 A bis 6 E eine Querschnittsfolge zur Erläuterung eines wieder anderen Herstellungsganges zur Bildung eines Oberflächenwellenbauelementes nach Fig. 2.

Die Fig. 1 zeigt die Draufsicht eines Oberflächenwellenfilters. Auf die Erregung von einer äußeren elektrischen Signalquelle hin breiten sich vom Wandler 20 Oberflächenwellen in zwei entgegengesetzten Richungen auf die Reflexionsgitter 12 und 13 hin aus, wie dies durch Pfeile angedeutet ist. Die Oberflächenwellensignale, die an den Reflexionsgittern 13 und 12 eintreffen, werden dort in einem um 90° gedrehten Winkel in Richtung auf die Reflexionsgitter 15 und 14 reflektiert. Schließlich reflektieren die Reflexionsgitter 15 und 14 die Oberflächenwellensignale abermals mit einer Drehung um 90°, so daß sie dann am Ausgangswandler 22 aufgefangen und wieder in elektrische Signale umgesetzt werden, die dann an einen äußeren Schaltkreis geführt werden.

Wegen der frequenzselektiven Eigenschaften der Reflexionsgitter 12 bis 15, des Eingangswandlers 20 und des Ausgangswandlers 22 werden bevorzugt nur diejenigen Oberflächenwellen zwischen Eingangs- und Ausgangswandler 20, 22 übertragen, deren Frequenz innerhalb des Durchlaßbandes der Vorrichtung liegt. Der überwiegende Energieanteil in den Oberflächenwellen, deren Frequenz außerhalb des Durchlaßbandes liegt, wird von den Reflexionsgittern 12 bis 15 nicht reflektiert, sondern in Körperschwingungen umgesetzt oder in anderer Weise abgebaut, so daß sie den Ausgangswandler 22 nicht erreicht. Es sei vermerkt, daß bei der Gestaltung gem. Fig. 1 im wesentlichen die gesamte Oberflächenwellenenergie mit innerhalb des Durchlaßbandes liegender Frequenz, welche sich vom Eingangswandler 20 her ausbreitet, dann den Ausgangswandler 22 erreicht, wenn die Reflexionsgitter hinreichend gut reflektieren, denn die in beiden Richtungen sich vom Eingangswandler 20 ausbreitenden Wellen werden zum Ausgangswandler 22 hin umgelenkt. In den bisher gebräuchlichen Vorrichtungen gelangt im wesentlichen nur die Hälfte der Energie der von dem Eingangswandler ausgehenden Oberflächenwellen schließlich zum Ausgangswandler, während die andere Hälfte verlorengeht. Eingangswandler 20 und Ausgangswandler 22 sind hier als ineinandergreifende Finger dargestellt mit jeweils zwei Fingern pro Polanschluß. Üblicherweise werden wesentlich mehr Finger je Anschlußkontakt verwendet; die Vereinfachung dient lediglich der Klarheit bei der Darstellung.

Für viele Anwendungsfälle derartiger Filter ist ein relativ breites Durchlaßbad wie auch eine geringe Einfügungsdämpfung wichtig. Wenn in einem Reflexionsgitter bisher so viele Reflektorelemente verwendet wurden, wie es erforderlich war, um die Einfügungsdämpfung unter dem zulässigen Wert zu halten, dann stellt sich eine zu geringe Bandbreite ein, so daß der Einsatz von Oberflächenwellenfiltern bei gewissen Anwendungsfällen nicht möglich war. Mit der hier angegebenen Konstruktion ist die Reflektion je Gitter wesentlich erhöht gegenüber den bisher bekannten Reflexionsgittern von gleichen Abmessungen und mit derselben Zahl der reflektierenden Elemente.

Jedes der in Fig. 1 gezeigten Reflektiorgitter 12 bis 15 ist so aufgebaut, daß eine Anzahl elektrisch parallel geschalteter Leiterstreifen 16 in Verbindung mit Rillen oder Nuten zwischen den Streifen angeordnet ist. Dabei ist die Breite der Streifen und der Rillen praktisch gleich der halben Wellenlänge der zu reflektierenden Oberflächenwellen. Damit reflektieren sowohl die Leiterstreifen 16, als auch die Rillen 17. Mit der beschriebenen Anordnung von Leiterstreifen 16 und Rillen 17 zueinander befinden sich die von den Leiterstreifen 16 reflektierten Oberflächenwellen in Phase mit den von den Rillen 17 reflektierten.

Bei einem Ausführungsbeispiel ist das Substrat aus Lithiumniobat, während als Material der Leiterstreifen 16 Aluminium verwendet wird. Die Leiterstreifen 16 stellen einen Kurzschluß des piezoelektrischen Effekts dar, was Reflexionen hervorruft, die um etwa 180° phasengedreht gegenüber denen sind, die von den Rillen 17 hervorgebracht werden und die durch den topographischen Reflexionsmechanismus bedingt sind. Wenn Aluminium verwendet wird, können die Leiterstreifen 16 relativ dick sein, wodurch die topographische Reflexion der benachbarten Rillen 17 verstärkt wird.

Es sollen nun die Querschnittsdarstellungen der Fig. 3 A bis 3 C betrachtet werden, die ein Verfahren zur Herstellung der Reflektionsgitter 12 bis 15 nach Fig. 1 wiedergeben. Ein Substrat 10 mit wenigstens einer glatten freiliegenden Oberfläche, das geeignet ist für eine Oberflächenwellenausbreitung, wird auf dieser Oberfläche mit einer Aluminiumschicht 102 überzogen. Die Aluminiumbeschichtung 102 kann durch Aufdampfen, im Sputtverfahren oder in jeder sonst dafür bekannten geeigneten Art und Weise aufgebracht werden. Auf die Aluminiumschicht 102 wird dann eine Schicht eines Photoresistmaterials 104 aufgebracht. Anschließend wird die Photoresistschicht 104 maskiert, belichtet und anschließend in dem in Fig. 3 B dargestellten Muster chemisch entfernt. Die freiliegenden Abschnitte der Aluminiumschicht 102 werden durch die Öffnungen der Photoresistschicht 104 beispielsweise durch Sputterätzen beseitigt, so daß Leiterstreifen 16 gemäß Fig. 3 B zurückbleiben. Als nächstes werden entsprechend der Darstellung der Fig. 3 C Rillen 17 in das Substrat 10 zwischen die Leiterstreifen 16 in einer gewünschten Tiefe eingegraben. Dies kann beispielsweise durch Ionenätzung erfolgen.

Die Fig. 2 zeigt die Draufsicht auf ein weiteres Ausführungsbeispiel des Oberflächenwellenfilters mit Reflektorgittern. Die grundsätzliche Funktionsweise dieser Ausführungform entspricht der der zuerst beschriebenen nach Fig. 1, wobei auch hier geringe Einfügungsverluste auftreten und ein relativ breites Durchlaßband erzielt wird. Allerdings ist der Aufbau der Reflektorgitter anders. Die Reflektorgitter 32 bis 35 sind jeweils als eine Anzahl paralleler Rillen oder Nuten im Substrat 30 ausgebildet, wobei wenigstens einige Rillen wenigstens zum Teil mit einem leitenden Material, wie Metall, angefüllt sind. Die sich dadurch ergebenden Metallstreifen sind miteinander nicht in Verbindung. Wie bei dem Ausführungsbeispiel der Fig. 1 kann ein Substrat aus Lithiumniobat mit Leiterstreifen aus Aluminium verwendet werden. Wie auch bei dem erstbeschriebenen Ausführungsbeispiel erzeugen die Rillen eine topographische Reflexion der ankommenden Oberflächenwellen. Die Metallstreifen reflektieren aus zwei physikalischen Gründen, dem Kurzschließen des piezoelektrischen Effekts und der elektrischen Regenerierung der Oberflächenwellen. Die aus diesen beiden Gründen reflektierten Wellen sind zueinander um 180° phasenverschoben. Der Reflexionskoeffizient der auf der Regeneration beruhenden Wellen ist jedoch höher als derjenige, der auf dem Kurzschließen des piezoelektrischen Effektes beruht. Die Oberflächenwellen, die durch Regeneration erzeugt werden, sind in Phase mit den durch die topographische Wirkung der Rillen hervorgerufen, so daß für sie eine Addition der Amplitude eintritt und damit erhöhte Reflexionsfähigkeit aufgrund der Anwesenheit des Metalls in den Nuten. Es ist zu bevorzugen, daß die Leiterstreifen dünn sind, so daß nur eine minimale Schwächung der topographischen Reflexion durch die Rillen eintritt.

In einer anderen Beziehung hat es sich als vorteilhaft herausgestellt, in Rillen einen Quarzsubstrates Streifen aus Gold vorzusehen. Dabei kann zwischen dem Quarz und den Goldstreifen eine dünne Chromschicht angeordnet werden, wodurch die Haftung des Goldes auf dem Quarzsubstrat verbessert wird. Für den Fall von Goldstreifen in einem Quarzsubstrat rufen die Goldstreifen Reflexionen hervor aufgrund ihrer Masse und der topographischen Wirkungen. Das piezoelektrische Kurzschließen aufgrund des Vorhandenseins der Goldstreifen ist praktisch vernachlässigbar. Die aufgrund der Massenbelastung entstehenden reflektierten Oberflächenwellen sind um 180° phasenverschoben gegenüber den durch die topographische Wirkung erzeugten. Wenn jedoch die Goldstreifen in den Rillen vertieft liegen und nicht die gesamte Rille ausfüllen, kann die topographische Wirkung sehr klein gehalten werden. Die reflektierten Oberflächenwellen aufgrund der Massenbelastung befinden sich in Phase mit denen, die durch die topographische Wirkung der Rillen hervorgerufen sind, so daß der wirksame Reflexionskoeffizient des Gitters durch die vertieft liegenden Goldstreifen gesteigert wird.

Die Bildfolge von Querschnitten der Fig. 4 A bis 4 G zeigt die Herstellungsschritte beim Fertigen der Reflexionsgitter gemäß Fig. 2. Das dargestellte Verfahren, was in Fig. 4 A bis 4 G gezeigt ist, eignet sich besonders für säurelösliche Substrate.

Das Substrat 30, das eine glatte Oberfläche besitzt und zur Ausbreitung akustischer Oberflächenwellen geeignet ist, erhält in einem bekannten Verfahren eine Überzugsschicht aus Chrom 110. Auf diese Chromschicht 110 wird eine Photoresistschicht 112 aufgebracht. Durch Maskieren der Photoresistschicht 112, Belichten und chemisch Entfernen wird das in Fig. 4 B gezeigte Muster erzeugt. Die Chromschicht 110 wird dann in den Bereichen weggeätzt, in denen die Photoresistschicht 112 zuvor beseitigt worden ist. Die dabei entstehenden Rillen werden durch die Öffnungen in der Photoresistschicht 112 und der Chromschicht 110 vorzugsweise durch Ionenätzung in das Substrat 30 hinein vertieft. Die Photoresistschicht 112 wird anschließend chemisch entfernt, und daraufhin wird eine durchgehende Photoresistschicht 114 auf die gesamten freiliegenden Flächen der noch verbliebenen Chromschicht 110 und der Rillen im Substrat 30 aufgebracht, wie dies Fig. 4 D erkennen läßt. Als nächstes läßt man Licht durch das Substrat 30 hindurch von der Unterseite her hindurchtreten und belichtet damit die Teile der Photoresistschicht 114, die die Nutzen oder Rillen des Substrats 30 anfüllen. Die belichteten Teile der Photoresistschicht 114 werden anschließend chemisch entfernt. Im Anschluß daran werden in dem in Fig. 4 E gezeigten Schritt die Teile der Chromschicht durch einen geeigneten Ätzvorgang an den freiliegenden Rändern leicht weggeätzt, so daß hinterschnittene Bereiche entstehen. Gemäß Fig. 4 F wird im nächsten Schritt durch Aufdampftechnik Aluminium 116 in den Rillen und auf der freiliegenden Oberfläche der Photoresistschicht 114 abgelagert. Das Ablagern wird beendet, wenn die Aluminiumschichtdicke 116 in den Rillen die Oberfläche des Substats 30 erreicht hat. In einem letzten Herstellungsschritt des Reflexionsgitters werden die noch verbliebenen Teile der Photoresistschicht 114, der Chromschicht 110 und die Bereiche der Aluminiumschicht 116, die auf der Photoresistschicht 114 abgelagert sind, chemisch entfernt, wobei dann das fertige Reflexionsgitter übrig bleibt, wie es in der Fig. 4 G gezeigt ist.

Für Substrate, die von Säuren nicht angelöst werden, beispielsweise Lithiumniobat, werden andere Herstellungstechniken angewandt. Dies ist in der Folge von Querschnittsdarstellungen der Fig. 5 A bis 5 E gezeigt. Die Oberfläche eines Substrats 30 wird mit einer Schicht Vanadium 122 und anschließend mit einer Schicht eines Photoresistmaterials 120 überzogen, wie es Fig. 5 A zeigt. Anschließend wird die Photoresistschicht 120 maskiert, belichtet und nach dem Muster gemäß Fig. 5B chemisch beseitigt. Teile der Vanadiumschicht 122 werden chemisch durch die Öffnungen, die in der Photoresistschicht 120 maskiert, belichtet und nach dem Muster gemäß Fig. 5 B chemisch beseitigt. Teile der Vanadiumschicht 122 werden chemisch durch die Öffnungen, die in der Photoresistschicht 120 entstanden sind, beseitigt. Die Nuten oder Rillen 124 werden, wie es die Fig. 5 C zeigt, durch Ionenätzung bis in das Substrat 30 hinein durch die offenen Teile der Photoresistschicht 120 und der Vanadiumschicht 122 hindurch vertieft. Eine Aluminiumschicht 126 wird dann in den Nuten 124 und auf der Oberseite der Photoresistschicht 120 niedergeschlagen, bis die im Substrat vorhandenen Rillen vollständig mit Aluminium ausgefüllt sind (siehe Fig. 5 D). Schließlich werden dann die noch verbliebenen Bereiche der Photoresistschicht 120 und der Vanadiumschicht 122 chemisch abgebaut, wodurch auch die auf der Photoresistschicht 120 aufliegenden Aluminiumschichtbereiche 126 entfernt werden. Dies zeigt Fig. 5 E.

Ein Verfahren zur Herstellung einer Oberflächenwellen leitenden Vorrichtung mit Reflexionsgittern, bei welchen Gold in den Rillen eines Quarzsubstrates eingelagert ist, ist in den Fig. 6A bis 6E gezeigt. Das Quarzsubstrat 30 wird mit einer geschlossenen Vanadiumschicht 132 und einer darüber ausgebreiteten Photoresistschicht 130 bedeckt wie auch bereits im vorher beschriebenen Verfahren. Genau wie im vorher beschriebenen Ablauf werden auch die Öffnungen durch die Photoresistschicht 130 und die Vanadiumschicht 132 hergestellt, sowie die Rillen 134 in das Substrat 30 eingeätzt, so daß ein Zustand gemäß Fig. 6 C entsteht. In den Nuten 134 und oben auf der Photoresistschicht 130 wird dann eine dünne Chromschicht 138 niedergeschlagen. Durch die Chromschicht wird die Haftung der Goldstreifen auf dem Quarzsubstrat verbessert, da Gold ohne weitere Hilfsmittel gewöhnlich nicht am Quarz haftet. Eine Goldschicht 136 wird dann auf der Chromschicht 138 abgelagert, und zwar in einer Dicke, die entsprechend der Erläuterung an früherer Stelle, geringer ist als die Tiefe der Rillen 134, so daß die Goldschicht 136 in den Rillen 134 vertieft leigt. Das fertige Reflexionsgitter ist in der Fig. 6 E dargestellt.

Claims (6)

1. Akustisches Oberflächenwellenbauelement mit einem für die Ausbreitung von Oberflächenwellen geeigneten Substrat (10), mit wenigstens einem elektroakustischen Wandler (20, 22), der auf einer Hauptfläche des Substrats angeordnet ist und mit einer Reflexionsgitteranordnung (12, 13, 14, 15), die sich im Ausbreitungsweg der von dem Wandler erzeugten akustischen Oberflächenwellen befindet und die eine Anzahl von im wesentlichen parallelen, durch Materialabtrag in dem Substrat hergestellten Rillen (17) und eine Anzahl von im wesentlichen parallelen Metallstreifen (16) aufweist, wobei die Breite dieser Rillen (17) und Metallstreifen (16) aufweist, im wesentlichen der halben Wellenlänge und der gegenseitige Mittenabstand im wesentlichen der ganzen Wellenlänge der zu reflektierenden Oberflächenwellen entspricht, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallstreifen (16) die Zwischenräume zwischen benachbarten Rillen (17) der genannten Anzahl von Rillen überdecken.

2. Akustisches Oberflächenwellenbauelement mit einem für die Ausbreitung von Oberflächenwellen geeigneten Substrat (30), mit wenigstens einem elektroakustischen Wandler (40, 44), der auf einer Hauptfläche des Substrats angeordnet ist, und mit einer Reflexionsgitteranordnung (32, 33, 34, 35) die sich im Ausbreitungsweg der von dem Wandler erzeugten akustischen Oberflächenwellen befindet und die eine Anzahl von im wesentlichen parallelen durch Materialabtrag in dem Substrat hergestellten Rillen (134) und eine Anzahl von im wesentlichen parallelen Metallstreifen (136, 138) aufweist, wobei die Breite dieser Rillen und Metallstreifen im wesentlichen der halben Wellenlänge und der gegenseitigen Mittenabstand im wesentlichen der ganzen Wellenlänge der zu reflektierenden Oberflächenwellen entspricht, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallstreifen (136, 138) den Boden von Rillen (134) der genannten Anzahl von Rillen bedecken.

3. Bauelement nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Höhe der Metallstreifen (136) kleiner ist als die Tiefe der Rillen (134).

4. Bauelement nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallstreifen (16 bzw. 136) aus einer Goldschicht bestehen und daß zwischen der Goldschicht und dem Substrat eine Chromschicht (138) vorgesehen ist.

5. Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß zur Bildung eines Oberflächenwellenfilters die Reflexionsgitteranordnung (12 bis 15 bzw. 32 bis 35) vier an den Ecken eines im wesentlichen rechteckigen Wellenausbreitungsweges angeordnete Reflexionsgitter enthält, wobei in den zwei gegenüberliegenden Rechteckseiten entsprechenden Wellenausbreitungswegabschnitten ein Eingangswandler (20 bzw. 40) und ein Ausgangswandler (22 bzw. 44) vorgesehen sind, die nach zwei entgegengesetzten Seiten Oberflächenwellen in den Wellenausbreitungsweg aussenden bzw. von einander entgegengesetzten Seiten her vom Wellenausbreitungsweg Oberflächenwellen empfangen.

6. Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Rillen (17 bzw. 127) durch Ionenätzung gebildet sind.