DE3208239A1

DE3208239A1 - Elastische oberflaechenwellen ausbildendes element

Info

Publication number: DE3208239A1
Application number: DE19823208239
Authority: DE
Inventors: Ryuichi Asai; Shoichi Minagawa; Takeshi Tokyo Okamoto
Original assignee: Clarion Co Ltd
Current assignee: Faurecia Clarion Electronics Co Ltd
Priority date: 1981-03-05
Filing date: 1982-03-05
Publication date: 1982-11-25
Anticipated expiration: 2002-03-06
Also published as: JPS5856515A; NL8200935A; FR2509927B1; DE3237358A1; FR2514567A1; JPH025327B2; JPS5844806A; JPH027525B2; JPS5863214A; DE3208239C2; JPH027526B2; JPS5861686A; FR2514567B1; JPS5856514A; GB2095948B; GB2110033A; US4449107A; GB2095948A; NL8203917A; JPS5856513A

Description

Hs

PATENTANWÄLTE DiPL.-InG. H-W-Ki CKmAKM", I>LEt.--3?HYS. Dr. K. FlNCKE

Dipl.-Ing. F. A.Weickmann, Dipl.-Chem. B. Huber Dr. Ing. H. Liska

8000 MÜNCHEN 86, DEN 5. ΜδΓΖ 1982

POSTFACH 860 820
MÖHLSTRASSE 22, RUFNUMMER

P/tlt.

Clarion Co., Ltd.

35-2 Hakusan 5-chome, Bunkyo-ku

Tokyo / Japan

Elastische Oberfläonenwellen ausbildendes Element

- G-

Elastische Oberflächenwellen ausbildendes Element

Die Erfindung betrifft ein elastische Oberflächenwellen ausbildendes Element, das einen derartigen Aufbau hat, dass es mit einem hohen Wirkungsgrad arbeiten kann.

In der letzten Zeit sind in starkem Masse verschiedene elastische Oberflächenwellen aufbildende Elemente entwickelt worden, die mit einer elastischen Oberflächenwelle arbeiten, die sich längs der Oberfläche eines elastischen Materials fortpflanzt. Der Grund dafür besteht darin, dass

1. eine elastische Oberflächenwelle eine Wellenbewegung ist, die sich dicht längs der Oberfläche eines Materials fortpflanzt, 2. die Fortpflanzungsgeschwindigkeit einer elastischen Oberflächenwelle das etwa 10 -fache der Geschwindigkeit einer elektromagnetischen Welle beträgt, so dass eine Miniaturisierung und eine hohe Konzentration des Elementes möglich sind,und 3. erwartet wird, ein neues Element kombiniert mit einer integrierten Schaltung zu verwirklichen.

Fig. 1 der zugehörigen Zeichnung zeigt ein Beispiel eines herkömmlichen elastische Oberflächenwellen ausbildenden Elementes mit einem piezoelektrischen einkristallinien Substrat 1 aus LiNbO, und mit kammförmigen Elektroden und 3, die auf dem Substrat 1 vorgesehen sind, wobei eine der Elektroden, beispielsweise die Elektrode 2, als Eingangselektrode dient, während die andere Elektrode 3 als Ausgangselektrode dient. Eine elastische Oberflächenwelle, die über die Eingangselektrode 2 erregt wird, pflanzt sich längs des piezoelektrischen einkristallinen Substrats 1 aus LiNbO, fort und wird an der Ausgangselektrode 3 abgenommen .

■-Ψ -

Ein elastische Oberflächenwellen ausbildendes Element mit dieser Anordnung hat aufgrund seines hohen elektromagnetischen Kopplungskoeffizienten K bei der Verwendung in Filtern usw. mit kammförmigen Elektroden verschiedene Vorteile, wie beispielsweise die Verwirklichung einer Breitbandcharakteristik, einer leichten Anpassung oder Abstimmung, einer Verringerung der Einführungsverluste, eine: Abnahme der Anzahl der Zähne der kammförmigen Elektroden und einer Miniaturisierung des Elementes mit der sich daraus ergebenden Abnahme der Herstellungskosten. Ein derartiger Aufbau des Substrates aus dem einkristallinien Material LiNbO₃ hat jedoch den Nachteil, dass die Fortpflanzungsgeschwindigkeit und der elektromechanische Kopplungskoeffizient des Elementes im wesentlichen entsprechend der Richtung der kristallinen Ausrichtung der Oberfläche des Substrates festliegen und dass die Fortpflanzungsrichtung der elastischen Oberflächenwelle durch die Richtung der kristallografischen Ausrichtung bestimmt ist.

Om diesen Nachteil zu beseitigen und den Kennwerten eine gewisse Flexibilität zu geben, ist beispielsweise ein Zinkoxid/Siliciumelement vorgeschlagen worden. Der elektromechanische Kopplungskoeffizient K kann jedoch selbst durch ein derartiges Element verglichen mit dem einkristallinen Substrat aus LiNbO₃ nicht verbessert werden.

Durch die Erfindung sollen die oben beschriebenen Schwierigkeiten bei herkömmlichen derartigen Elementen bese tigt werden.

Dazu wird- durch die Erfindung ein elastische Oberflächenwellen ausbildendes Element vorgeschlagen, bei dem eine piezoelektrische Schicht, die eine Zinkoxidscnicht umfasst, auf einer Siliciumplatte als Substratmaterial ausgebildet ist,

- y-

■ die längs einer zur (11O)-Fläche((110)-orientiertes Silicium) parallelen Fläche oder längs anderer Flächen geschnitten ist, wobei eine dielektrische Schicht zwischen der Siliciumplatte und der piezoelektrischen Schicht vorgesehen ist, falls dieses notwendig ist.

Das erfindungsgemässe elastische Oberflächenwellen ausbildende Element umfasst ein (110)-orientiertes Siliciumsubstrat, eine Zinkoxidschicht, die auf dem Substrat aufgewachsen ist,und Elektroden, die auf der Zinkoxidschicht ausgebildet sind.

Im folgenden werden anhand der zugehörigen Zeichnung bevorzugte Ausführungsbeispiel der Erfindung näher beschrieben: 15

Fig. 1 zeigt in einer Schnittansicht ein herkömmliches Element.

Fig. 2 zeigen in Schnittansichten bevorzugte Ausführungs- ^{und 3} beispiele der Erfindung.

Fig. 4 zeigt ein Kennliniendiagramm der in den Fig. und 3 dargestellten Ausführungsbeispiele der Erfindung.

zeigt in einer Schnittansicht ein weiteres Ausführungsbeispiel des erfindungsgemässen Elementes.

zeigt ein Kennliniendiagramm des in Fig. 5 dargestellten Ausführungsbeispiels.

zeigen in Schnittansichten weitere Ausführungsbeispiele der Erfindung.

25	Fig.	5
30	Fig.	6
	Fig. 9 u.	7, 10

3:

Fig. 8 zeigen Kennliniendiagramme der in den Fig. 7, 9 und _und ^₀ 3_arg_estellten Ausführungsbeispiele.

Fig. 12,14, zeigen in Schnittansichten weitere Ausführungs-',''„' beispiele der Erfindung.

Fig. 13,15, zeigen die Kennliniendiagramme der in den Fig. 12, 14, 16, 18, 20, 2.
Ausführungsbeispiele.

"' ,:" 12, 14, 16, 18, 20, 22 und 23 dargestellten und λ 4

Fig. 25,27,

το τη η Ii

beispiele der Erfindung.

Fig. 26 zeigen Kennliniendiagramme der in den Fig. 25, 27, 29, 30
beispiele.

Fig. 25,27, zeigen in Schnittansichten weitere Ausführungs-29,30 u.31

und 28 27, 29, 30 und 31 dargestellten Ausführungs-

Fig. 32,34, zeigen in Schnittansichten weitere Ausführungs^u* beispiele der Erfindung.

Fig. 33 zeigen die Kennliniendiagramme der in den Fig. ^un 32, 34, 36 und 37 dargestellten Ausführungsbeispiele.

Fig. 38,40, zeigen in Schnittansichten weitere Ausführungs-42 und 43 beispiele der Erfindung und

Fig. 39 zeigen die Kennliniendiagramme der in d η Fig.

^{und 41} 38, 40, 42 und 43 dargestellten Ausführ lngsbeisplel-e.

Fig. 2 ze-igt in einer Schnittansicht ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemässen elastische Oberflächenwellen ausbildenden Elementes mit einem (110)-orientier^en Siliciumsubstrat 4, einer Zinkoxidschicht 5, die so ausgebildet ist, dass ihre gebildete piezoelektrische Achse vertu ^l zur Oberfläche des Siliciumsubstrats 4 liegt, und mit kamm-

;d

förmigen Elektroden 6 und 7, die auf der Oberfläche der Zinkoxidschicht 5 vorgesehen sind.

Fig. 3 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung mit einer dielektrisches Schicht 8 aus einer Siliciumdioxidschicht beispielsweise, die zwischen dem Siliciumsubstrat 4 und der Zinkoxidschicht 5 angeordnet ist. Die Siliciumdioxidschicht kann dadurch aufwachsen, dass das Siliciumsubstrat 4 einer Wärmebehandlung in einer oxidierenden Atmosphäre ausgesetzt wird.

Die in den Fig. 2 und 3 dargestellten Elemente werden nach dem folgenden Verfahren hergestellt.

Zunächst wird das (110)-orientierte Siliciumsubstrat gebildet. Die Zinkoxidschicht 5 mit einer Stärke von 6,8 μπι und einer C-Achsenorientierung wird dann auf dem Siliciumsubstrat 4 durch Hochfrequenzaufdampfen ausgebildet. Bei dem in Fig. 3 dargestellten Ausführungsbeispiel wird vorher eine dielektrisehe Schicht 8 aus Siliciumdioxid auf dem Silciumsubstrat 4 durch die beschriebene Wärmebehandlung gebildet. Anschliessend wird über der Zinkoxidschicht 5 durch Gleichstromaufdampfen eine Aluminiumschicht gebildet, die danach teilweise -durch Fotoätzen entfernt wird, um kammförmige Elektroden 6 und 7 auszubilden, von denen die Elektrode 6 als Eingangselektrode dient, während die andere Elektrode 7 als Ausgangselektrode dient. In diesem Fall hat jeder Zahn der kammförmigen Elektroden eine Breite von etwa 6μΐη, wobei die Elektrodenteilung etwa 24 μπι beträgt.

An der Eiiigangselektrode 6 eines elastische Oberflächenwellen ausbildenden Elementes, das nach dem oben beschriebenen Verfahren hergestellt ist, liegt ein Signal von einem geeigneten bei den folgenden Ausführungsbeispielen nicht dargestellten Signalgenerator G, das als elastische Ober-

flächenwelle eine Sezawa-Welle erzeugt, die sich zur /"O01_7-Achsenrichtung der Zinkoxidschicht 5 fortpflanzt und durch das Signal erregt wird. Die elastische Oberflächenwelle pflanzt sich daher längs der Oberfläche der Zinkoxidschicht 5 fort, bis sie die Ausgangselektrode 7 erreicht.

Fig. 4 zeigt die Kennlinie der in den Fig. 2 und 3 dargestellten Ausführungsbeispiele der Erfindung,wobei auf der Abszisse der Wert aufgetragen ist, der dadurch erhalten wird, dass die standardisierte Stärke h in der Gleichung 2 Tr η/λ. ( λ = Wellenlänge des elastische Oberflächenwellen ausbildenden Elementes) eingesetzt wird, während auf der Ordinate der Quadratwert K² des elektromechanischen Kopplungskoeffizienten K in Prozent aufgetragen ist. Wenn die elektrische Leitfähigkeit an der Grenze zwischen dem Siliciumsubstrat 4 und der Zinkoxidschicht 5 bei dem in Fig. 2 dargestellten Aufbau hoch ist und wenn die elektrische Leitfähigkeit an der Oberfläche des Siliciumsubstrates 4 hoch ist, sowie die Stärke H der dielektrischen Schicht 8 kleiner als die Stärke h der Zinkoxidschicht 5 bei dem in Fig. 3 dargestellten Aufbau ist, hat die Kennlinie einen Verlauf, wie er in Fig. 4 durch die Kurve A- dargestellt ist. Dabei ist die Kurve A- die einer Sezawa-Welle unter den elastischen Oberflächenwellen. Die gerade Linie B- zeigt die K² Kennlinie, die dann erhalten wird, wenn ein LiNbO, Substrat zur Erreichung des Maximalwertes von 5,5 % benutzt wird.

Aus der in Fig. 4 dargestellten Kennlinie ergibt sich, dass dann, wenn eine elastische Oberflächenwelle sich zur /*001.7-Achsenrichtung auf der Oberfläche der Zinkoxidschicht 5 fortpflanzen kann, ein elektromechanischer Kopplungskoeffizient, der gross genug ist, um einen hohen Wirkungsgrad des Elementes zu verwirklichen, dadurch ernalten werden kann, dass die Stärke h Jer Zinkoxidschicht 5 so bestimmt wird,

dass die Beziehung 0, 9 < 2 TT h/M < 3,0 erfüllt ist. Wenn beispielsweise der Abszissenwert 2Trh/X gleich 1,78 gewählt ist, wird ein Wert für K² von 6 % erhalten. Dieser Wert ist im wesentlichen gleich dem theoretischen Wert. 5

Der elektromechanische Kopplungskoeffizient K kann in der gewünschten Weise dadurch bestimmt werden, dass die Stärke h der Zinkoxidschicht 5, die Orientierung des Siliciumsubstrats 4, die Fortpflanzungsachse der elastischen Oberflächenwelle und andere Faktoren geändert werden.

Die zwischen dem Siliciumsubstrat 4 und der Zinkoxidschicht 5 angeordnete dielektrische Schicht 8 dient dazu, die Oberflächeneigenschaften des Siliciumsubstrates 4 zu stabilisieren und bewirkt somit eine stabile Funktion des Elementes.

Fig. 7 zeigt eine Schnittansicht eines weiteren Ausführungsbeispiels des erfindungsgemässen elastische Oberflächenwellen ausbildenden Elementes, wobei gleiche Bezugszeichen wie in Fig. 2 gleiche oder ähnliche Bauteile bezeichnen. Eine Zinkoxidschicht 5A ist so ausgebildet, dass sie die kammförmigen Eingangs- und Ausgangselektroden 6 und 7 vollständig überdeckt, die auf dem Siliciumsubstrat 4 ausgebildet sind,und dass ihre piezoelektrische Achse senkrecht zur Oberfläche des Siliciumsubtrates 4 verläuft.

Fig. 8 zeigt die Kennlinie, die bei dem in Fig. 7 dargestellten Ausführungsbeispiel erhalten wird. Der Wert K² ändert sich in der durch die Kurve A2 dargestellten Weise auf Änderungen in der Stärke h der Zinkoxidschicht 5A ansprechend. Diese Kurve A~ -bezieht sich gleichfalls auf eine Sezawa-Welle.

Die Kurve B₂ zeigt die K² Kennlinie, die dann erhalten wird, wenn eine Sezawa-Welle in /00λ]-Achsenrichtung des Siliciums bei einem (100)-orientierten Siliciumsubstrat angeregt wird.

3; -: -19

Aus den in Fig. 8 dargestellten Kennlinien ist ersichtlich, dass dann, wenn sich eine elastische Oberflächenwelle in /"001_7-Achsenrichtung des Siliciums fortpflanzt, ein elektromechanischer Kopplungskoeffizient, der gross genug ist, um einen hohen Wirkungsgrad des Elementes zu verwirklichen, dadurch erhalten werden kann, dass die Stärke h der Zinkoxidschicht 5A so bestimmt wird, dass die Beziehung 1,2 < 2iihM ^ 3,0 erfüllt ist.

Fig. 9 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei dem eine dielektrische Schicht 8, beispielsweise aus Siliciumdioxid auf der Oberfläche der Zinkoxidschicht 5A vorgesehen ist.

Fig. 10 zeigt in einer Schnittansicht noch ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemässen elastische Oberflächenwellen ausbildenden Elementes, bei dem eine Metallschicht 15 auf der Zinkoxidschicht 5A ausgebildet ist.

Wenn eine Sezawa-Welle, d.h. eine Art von einer elastischen Oberflächenwelle in /00Λ]-Achsenrichtung des Siliciums über die Eingangselektrode 6 des elastische Oberflächenwellen ausbildenden Elementes mit dem oben beschriebenen Aufbau angeregt wird, werden die in Fig. 11 dargestellten Kennlinien erhalten. Wenn die Stärke H der Metallschicht 15 in Fig. 10 verglichen mit der Wellenlänge der elastischen Oberflächenwelle ausreichend klein ist, ändert sich der Wert K² in der durch die Kurve A, dargestellten Wf Lse mit einer Änderung der Stärke h der Zinkoxidschicht 5... Die Kurve A- bezieht sich gleichfalls auf eine Sezawa-Welle, d.h. auf'..eine Art einer elastischen Oberflächenwelle.

Die Kurve B₃ zeigt die K² Kennlinie, die eic- erhalten wird, wenn ein (100)-orientiertes Siliciumsubstrat verwandt wird und eine Sezawa-Welle in /001.7-Achsenrichtung C^1-1S Siliciums angeregt wird.

2:3

Aus den in Fig. 11 dargestellten Kennlinien ist ersichtlich, dass dann, wenn sich die elastische Oberflächenwelle in /"001_7-Achsenrichtung des Siliciums fortpflanzt, ein elektromechanischer Kopplungskoeffizient, der gross genug ist, um einen hohen Wirkungsgrad des Elementes zu verwirklichen, dadurch erhalten werden kann, dass die Stärke h der Zinkoxidschicht 5A die Beziehung 1,0^ 2"h/4^2,6 erfüllt.

Die Metallschicht 15 muss nicht die gesamte Zinkoxidschicht 5A überdecken, es reicht aus, wenn sie wenigstens die Teile direkt über den kammförmigen Elektroden 6 un 7 überdeckt.

Bei einer derartigen Anordnung kann der elektromechanische Kopplungskoeffizient K in der gewünschten Weise dadurch bestimmt werden, dass die Stärke h der Zinkoxidschicht 5A, die Orientierung des Siliciumsubstrats 4, die Fortpflanzungsachse der elastischen Oberflächenwelle usw. geändert werden.

Fig. 12 zeigt in einer Schnittansicht ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemässen elastische Oberflächenwellen ausbildenden Elementes, wobei gleiche Bezugszeichen wie in Fig. gleiche oder ähnliche Bauteile bezeichnen. Bei dem in Fig. dargestellten Ausführungsbeispiel ist ein (100)-orientiertes Siliciumsubstrat 4A vorgesehen.

Dieses Element wird nach dem folgenden Verfahren hergestellt.

Es wird das (100)-orientierte Siliciumsubstrat 4A gebildet und eine Zinkoxidschicht 5, die 4 bis 11 um stark und cachsenorientiert ist, wird auf dem Siliciumsubstrat 4A durch Hochfrequenzaufdampfen aufwachsen gelassen. Eine Aluminiumschicht wird über der gesamten Zinkoxidschicht 5 durch ein

: ο.

Gleichstromaufdampfen aufwachsen gelassen und danach teilweise entfernt, um kammförmige Elektroden 6 und 7 zu bilden, von denen die Elektrode 6 als Eingangselektrode dient, während die andere Elektrode 7 als Ausgangselektrode dient. In diesem Fall ist jeder Zahn der Elektroden 6 und 7 3 bis 9 μΐη breit und beträgt die Elektrodenteilung 12 bis 38 μπι.

über die Eingangselektrode 6 des elastische Oberflächenwellen ausbildenden Elementes mit dem oben beschriebenen Aufbau wird eine Sezawa-Welle , d.h. eine Art einer elastischen Oberflächewelle in /011_7-Achsenrichtung des Siliciums angeregt. Dementsprechend pflanzt sich die elastische Oberflächenwelle längs der Oberfläche der Zinkoxidschicht 5 bis zum Erreichen der Ausgangselektrode 7 fort.

Fig. 13 zeigt die Kennlinie, die bei dem in Fig. 12 dargestellten Ausführungsbeispiel erhalten wird. Wenn die elektrische Leitfähigkeit in der Nähe der Grenzfläche zwisehen dem Siliciumsubstrat 4A und der Zinkoxidschicht 5 in Fig. 12 gross ist, ändert sich die Kennlinie in der durch die Kurve A₄ in Fig. 13 dargestellten Weise. Die Kurve A₄ bezieht sich gleichfalls auf eine Sezawa-Welle. Die gerade Linie B. zeigt den maximalen Wert von K² von 5,5 %, der dann erhalten wird, wenn ein LiNbO₃ Substrat verwandt wird.

Aus der in Fig. 13 dargestellten Kennlinie ist ersj ;htlich, dass dann, wenn sich die elastische Oberflächenwelle in /"001_7-Achsenrichtung des Siliciums fortpflanzt, ein elektromechanischer Kopplungskoeffizient, der gross genug ist, um einen hohen Wirkungsgrad des Elementes zu verwirklichen, dadurch erhalten werden kann, dass die Stärke h der Zinkoxidschicht 5 so bestimmt wird, dass die Beziehung 0,9 -C 2Trh/A<3,5 erfüll+- ist.

Pig. 14 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei dem eine dielektrische Schicht 8, beispielsweise aus Siliciumdioxid auf dem (100)-orientierten Siliciumsubstrat 4A durch Oxidieren des Siliciumsubstrates ausgebildet ist. 5

Wenn eine Sezawa-Welle, d.h. eine Art einer elastischen Oberflächenwelle über die Eingangselektrode 6 des elastische Oberflächenwellen ausbildenden Elementes mit der oben beschriebenen Anordnung in /011_7-Achsenrichtung des Siliciums angeregt wird, wird die in Fig. 15 dargestellte Kennlinie erhalten. Wenn die elektrische Leitfähigkeit an der Oberfläche des Siliciumsubstrates 4A gross ist und die Stärke H der dielektrischen Schicht 8 verglichen mit der Stärke h der Zinkoxidschicht 5 in Fig. 14 klein ist, ändert sich die Kennlinie in der durch die Kurve Ac in Fig. 15 dargestellten Weise. Die Kurve A^ bezieht sich gleichfalls auf die Sezawa-Welle. Die gerade Linie B₁- zeigt den maximalen Wert von K², der dann erhalten wird, wenn ein LiNbO₃ Substrat verwandt wird.

Aus der in Fig. 15 dargestellten Kennlinie ist ersichtlich, dass dann, wenn sich die elastische Oberflächenwelle in /01 λ]-Achsenrichtung des Siliciums fortpflanzt, ein elektromechanischer Kopplungskoeffizient, der gross genug ist, um einen hohen Wirkungsgrad des Elementes zu verwirklichen, dadurch erhalten werden kann, dass die Stärke h der Zinkoxidschicht 5 so bestimmt wird, dass sie die Beziehung 0,9 4 2-rrh//l < 3,5 erfüllt.

Fig. 16 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei dem eine Metallschicht 15 auf dem (100)-orientierten Siliciumsubstrat 4A ausgebildet ist.

Wenn eine Sezawa-Welle über die Eingangselektrode 6 des elastische Oberflächenwellen ausbildenden Elementes mit dem oben beschriebenen Aufbau in /01 \J-Achsenrichtung des

Siliciums angeregt wird, wird die in Fig. 17 dargestellte Kennlinie erhalten. Wenn die Stärke H¹ der Metallschicht 15, verglichen mit der Wellenlänge der elastischen Oberflächenwelle bei dem in Fig.16 dargestellten Ausführungsbeispiel aureichend klein ist, ändert sich die Kennlinie in der durch die Kurve Ag in Fig. 17 dargestellten Weise. Die Kurve A_g bezieht sich gleichfalls auf eine Sezawa-Welle.

Die Kurve B_ß zeigt die K² Kennlinie, die dann erhalten wird, wenn ein (100)-orientiertes Siliciumsubstrat verwandt wird und eine Sezawa-Welle in /0017-Achsenrichtung angeregt wird.

Aus den in Fig. 17 dargestellten Kennlinien ist ersichtlich, dass dann, wenn sich die elastische Oberflächenwelle in /011.7-Achsenrichtung des Siliciums fortpflanzt, ein hoher elektromechanischer Kopplungskoeffizient, der gross genug ist, um einen hohen Wirkungsgrad des Elementes zu verwirkliehen, dadurch erhalten werden kann, dass die Stärke h der Zinkoxidschicht 5 so bestimmt wird, dass die Beziehung 0,9 <i 2 Ti h//L < 3,5 erfüllt ist.

Fig. 18 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei dem eine Zinkoxidschicht 5 auf einem (100)-orientierten Siliciumsubstrat 4A aufgewachsen ist und kammförmige Elektroden 6 und 7 auf der Zinkoxidschicht 5 vorgesehen sind.

Wenn eine Sezawa-Welle, d.h. eine Art einer elastischen Oberflächenwelle in /011_7-Achsenrichtung des Siliciums über die Eingangselektrode 6 des elastische Oberflächenwellen ausbildenden Elementes mit dem oben beschriebenen Aufbau angeregt vird, wird die in Fig. 19 dargestellte Kennlinie erhalten. Der '.Terkt K² ändert sich in <. ">r durch die Kurve A^ dargestellten Weise mit der Stärke der Zink-

.133

oxidschicht 5. Die Kurve A₇ bezieht sich gleichfalls auf eine Sezawa-Welle.

Die Kurve B₇ zeigt die K² Kennlinie, die dann erhalten wird/ wenn ein (100)-orientiertes Siliciumsubstrat verwandt wird und die Sezawa-Welle in /Ö01_7-Achsenrichtung des Siliciums angeregt wird.

Aus den in Fig. 19 dargestellten Kennlinien ist ersichtlich, dass dann, wenn sich die elastische Oberflächenwelle in /01 Ij⁷-Achsenrichtung des Siliciums fortpflanzt, ein elektromechanischer Kopplungskoeffizient, der gross genug ist, um einen hohen Wirkungsgrad des Elementes zu verwirklichen, dadurch erhalten werden kann, dass die Stärke h der Zinkoxidschicht 5 so bestimmt wird, dass die Beziehung 1,0·*. 2 ΊΤ h/U. C 3,5 erfüllt ist.

Fig. 20 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei dem kammförmige Elektroden 6 und 7 auf einem (100)-orientierten Siliciumsubstrat vorgesehen sind und eine Zinkoxidschicht 5A auf dem Siliciumsubstrat 4 so aufwachsen gelassen ist, dass sie die Elektroden 6 und 7 vollständig überdeckt.

Wenn eine Sezawa-Welle, d.h. eine Art einer elastischen Oberflächenwelle in /01 \J-Achsenrichtung des Siliciums über die Eingangselektrode 6 des elastische Oberflächenwellen ausbildenden Elementes mit dem oben beschriebenen Aufbau angeregt wird, wird die in Fig. 21 dargestellte Kennlinie erhalten. Der Wert K² ändert sich in der durch die Kurve- A₃ dargestellten Weise mit der Stärke h der Zinkoxidschicht 5A. Die Kurve A_g bezieht sich ebenfalls auf eine Sezawa-Welle.

Die Kurve B₀ zeigt die K² Kennlinie, die dann erhalten ο

wird, wenn ein (100)-orientiertes Siliciumsubstrat verwandt wird und die Sezawa-Welle in /UOi7-Achsenrichtung des Siliciums angeregt wird.
5

Aus den in Fig. 21 dargestellten Kennlinien ist ersichtlich, dass dann, wenn sich die elastische Oberflächenwelle in /Öl t7-Achsenrichtung des Siliciums fortpflanzt, ein elektromechanischer Kopplu· gskoeffizient, der gross genug ist, um einen hohen Wirkungsgrad des Elementes zu verwirklichen, dadurch erhalten werden kann, dass die Stärke h der Zinkoxidschicht 5A so bestimmt wird, dass die Beziehung 2 ίΤh/Ί < 3,0 erfüllt ist.

Fig. 22 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei dem eine dielektrische Schicht 8 beispielsweise aus Siliciumdioxid auf der Oberfläche der Zinkoxidschicht 5A in Fig. 20 aufwachsen gelassen ist.

Fig. 23 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei dem weiterhin eine Metallschicht 15 auf der Zinkoxidschicht 5A auf dem (100)-orientierten Siliciumsubstrat 4A ausgebildet ist.

Wenn eine Sezawa-Welle über die Eingangselektrode 6 des elastische Oberflächenwellen ausbildenden Elementes mit dem oben beschriebenen Aufbau in /"01 λ]-Achsenrichtung des Siliciums angeregt wird, wird die in Fig. 24 dargestellte Kenntlinie erhalten. Wenn die Stärke H¹ der Metallsc! icht 15 in Fig. 23 verglichen mit der Wellenlänge der elastischen Oberflächenwelle ausreichend klein ist, ändert sich der Wert K² in der durch die Kurve A₉ dargestellten Weise mit der Stärke h der Zinkoxidschicht 5A. Die Kurve α bezieht sich gleichfalls auf die Sezawa-Welle.

Die Kurve B„ zeigt die K² Kennlinie/ die dann erhalten wird, wenn ein (100)-orientiertes Siliciumsubstrat verwandt wird und die Sezawa-Welle in /"011J7-Achsenrichtung angeregt wird.

Aus den in Fig. 24 dargestellten Kennlinien ist ersichtlich, dass dann, wenn sich die elastische Oberflächenwelle in /*011_7~Achsenrichtung des Siliciums fortpflanzt, ein elektromechanischer Kopplungskoeffizient, der gross genug ist, um einen hohen Wirkungsgrad des Elementes zu verwirkliehen, dadurch erhalten werden kann, dass die Stärke h der Zinkoxidschicht 5A so bestimmt wird, dass die Beziehung 1,0 < 2 ti h/A * 2, 6 erfüllt ist.

Bei den oben beschriebenen Ausführungsbeispielen war die piezoelektrische Achse der Zinkoxidschicht 5 oder 5A senkrecht, zum Siliciumsubstrat 4 oder 4A angeordnet. Es hat sich jedoch herausgestellt, dass im wesentlichen gleiche Kennwerte oder Kennlinien selbst dann erhalten werden können, wenn die piezoelektrische Achse zur vertikalen Linie bezüglich der Substratoberfläche innerhalb eines Bereiches von 10° schräg liegt und wenn die Schnittfläche des Siliciumsubstrates 4 und die Fortpflanzungsachse zum Anregen der elastischen Oberflächenwelle innerhalb eines Bereiches von einigen Grad von der (110)-Fläche und der /O01_7-Achse jeweils abweichen.

Weiterhin ist zu erwarten, dass das Element selbst dann einen hohen Wirkungsgrad zeigt, wenn die elektrische Leitfähigkeit an der Grenze zwischen dem Siliciumsubstrat und der Zinkoxidschicht nicht so gross ist oder wenn das im Siliciumsubstrat und der Zinkoxidschicht erzeugte elektrische Potential ausgenutzt wird, statt kammförmige Elektroden vorzusehen.

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Aus dem Obigen ist ersichtlich, dass gemäss der Erfindung durch die Verwendung eines (110)- oder (100)-orientierten Siliciumsubstrates, das Aufwachsen einer eine Zinkoxidschicht umfassenden piezoelektrischen Schicht auf dem Substrat und das Anordnen einer dielektrischen Schicht zwischen dem Substrat und der piezoelektrischen Schicht, falls dieses notwendig sein sollte, flexibel der elektromechanische Koppl ngskoeffizient auf einen gewünschten Wert festgelegt werden kann. Wenn daher das Element in einem Filter,das kammförmige Elektroden aufweist, verwandt wird, ist es möglich, ein elastische Oberflächenwelle ausbildendes Element mit einem hohen Wirkungsgrad zu erhalten, das verschiedene Vorteile, nämlich die Verwirklichung einer Breitbandcharakteristik, einer leichten Abstimmung, einer Verringerung der Einfügungsverluste, einer Abnahme der Anzahl der Zähne der kammförmigen Elektroden, einer Miniaturisierung des Elementes, einer Verringerung der Herstellungskosten usw. beibehält.

Die erfindungsgemässe Ausbildung ist insbesondere deswegen zweckmässig, da sie es möglich macht, ein miniaturisiertes und hochkonzentriertes Element zu erhalten, indem das Substrat für eine integrierte Schaltung gemeinsam als Siliciumsubstrat benutzt wird.

Fig. 5 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei dem ein Substrat 14 aus Silicium von einer Metellschicht 15 mit einer Stärke h^ überzogen ist. Das Substrat 14 ist weiterhin von einer Zinkoxidschicht 13 mit einer Stärke h überzogen. Eine kammförmige Elektrode 11 ist anschliessend auf der Zinkoxidschicht 13 ausgebildet, um eine elastische Oberflächenwelle anzuregen und laufenzulassen. In diesem Fall dient (110)-orientiertes Silicium als Substrat 14 und wird als elastische Oberflächenwelle eine Sezawa-Welle verwandt. Wenn bei der in Fig. 5 dargestellten Anordnung

eines elastische Oberflächenwellen ausbildenden Elementes die Stärke h.. der Metallschicht 15 verglichen mit der Wellenlänge der elastischen Oberflächenwelle ausreichend klein ist, kann die Beziehung zwischen den Quadratwert K² des elektromechanischen Kopplungskoeffizienten K und der Stärke h der Zinkoxidschicht 13 durch die Kurve 6 in Fig. 6 ausgedrückt werden. Die Kurve 6 ist die Kurve einer Sezawa-Welle, die angeregt wird und sich längs der Oberfläche des Siliciumsubstrates 14 in /001_7-Achsenrichtung, d.h. auf die Bodenfläche zu fortpflanzt. In Fig. 6 ist auf der Ordinate der Quadratwert K² des elektromechanischen Kopplungskoeffizienten K in Prozent aufgetragen, während auf der Abszisse der Wert aufgetragen ist, der dann erhalten wird, wenn die Stärke h der Zinkoxidschicht 13 in die Formel 2 77 h/4 eingesetzt wird. Dieser Wert ist eine dimensionslose Zahl. Die Kurve 7 in Fig. 6 zeigt die Beziehung zwischen dem Quadratwert des elektromechanischen Kopplungskoeffizienten K und der Stärke h der Zinkoxidschicht, die dann erhalten wird, wenn ein (100)-orientiertes Siliciumsubstrat 14 verwandt wird, wie es in Fig. 5 dargestellt ist und eine Sezawa-Welle angeregt wird, die sich in /01 Oj-Achsenrichtung fortpflanzt.

Auf dem (110)-orientierten Siliciumsubstrat 14 wird eine Metallschicht 15 aus Aluminium durch Hochfrequenzaufdampfen ausgebildet. Danach wird eine Zinkoxidschicht 13, die 4 bis 11 μΐη stark und c-achsenorientiert ist, auf der Metallschicht 15 durch ein Gleichstromaufdampfen ausgebildet. Anschliessend wird ein Muster für die kammförmige Elektrode 11, die als Eingangselektrode dient, auf der Zinkoxidschicht 13 durch Fotoätzen gebildet. In diesem Fall hat jeder Zahn der kammförmigen Elektrode 11 eine Breite von 3 bis 13,5 μΐη und beträgt die Elektrodenteilung 12 bis 54 um. Unter Verwendung eines Substrates 14, das unter diesen Verhältnissen aus Silicium hergestellt wurde,

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wurde ein Experiment durchgeführt, bei dem eine elastische Oberflächenwelle angeregt wurde, die sich in /"001J⁷-Achsenrichtung, d.h. zur Bodenfläche fortpflanzt. Die mit X in Fig. 6 angegebenen Punkte zeigen die Werte, die durch dieses Experiment erhalten wurden, und die nahe an den theoretischen Werten liegen.

Aus Fig. 5 ist ersichtlich, dass dieses Ausführungsbeispiel eines elastische Oberflächenwellen ausbildenden Elementes eine Schichtung aus der Metallschicht 15 aus Aluminium, der Zinkoxidschicht 13 usw. umfasst, so dass eine freie Wahl des elektromechanischen Kopplungskoeffizienten K über eine passende Einstellung der Stärke h der Zinkoxidschicht 13 usw. möglich ist.

Aufgrund der Metallschicht 15 aus Aluminium kann der elektromechanische Kopplungskoeffizient K selbst dann frei gewählt werden, wenn der spezifische Widerstand des Siliciumsubstrates 14 gross ist, was zu einer Abnahme der Dämpfung der elastischen Oberflächenwelle führt, die durch den elektrischen Geräuscheffekt bewirkt wird.

Aus Fig. 6 ist ersichtlich, dass dann, wenn das Siliciumsubstrat 14 verwandt wird und eine elastische Oberflächenwelle angeregt wird, die sich in /001.7-Achsenrichtung, d.h. zur Bodenfläche fortpflanzt, der elektromechanische Kopplungskoeffizient K dadurch einen hohen Wert bekommen kann, dass die Stärke h der Zinkoxidschicht 13 se bestimmt wird, dass die Beziehung 0, 9 < 2 Ti h/A < 3, 5 erfüllt; ist.

Bei dem oben beschriebenen Ausführungsbeispiel verläuft die piezoelektrische Achse der Zinkoxidschicht 13 senkrecht bezüglich der Unterfläche des Siliciumsubst-x-ates 14. Wenn jedoch der Schräglagewinkel der piezoelektrischen Achse bezüglich der Unterflä~he des Siliciumsubstrat s 14 zwischen 80 und 110° liegt , ändern sich die Kennlinien des elastische Oberflächenwellen ausbildenden Elementes nicht wesentlich.

Obwohl weiterhin eine elastische Oberflächenwelle angeregt wurde, die sich in /uOiJ-Achsenrichtung, d.h. zur Unterfläche längs des Siliciumsubstrates 14 fortpflanzt, kann die Welle auch in anderen Richtungen angeregt werden und sich in anderen Richtungen fortpflanzen.

Die kammförmige Elektrode 11 kann durch Elektroden anderer Art ersetzt werden. Wenn eine kanunförmige Elektrode 11 verwandt wird, ist es notwendig, diese direkt über der Aluminiumschicht 15 anzuordnen, die auf dem Siliciumsubstrat 14 ausgebildet ist. Es ist ersichtlich möglich, ein Element mit hohem Wirkungsgrad selbst dann zu verwirklichen, wenn statt der Anordnung der Elektrode 11 das elektrische Potential ausgenutzt wird, das im Siliciumsubstrat 14 und in der Zinkoxidschicht 13 gebildet wird.

Da das vorliegende Ausführungsbeispiel das Siliciumsubstrat 14 verwendet, ist es möglich, dieses Substrat gemeinsam gleichfalls als Substrat einer integrierten Schaltung zu verwenden.

Obwohl weiterhin die (110)-Fläche und die /OOI^-Achse zum Schneiden des Siliciumsubstrates 14 und zum Anregen und Fortpflanzen der elastischen Oberflächenwelle jeweils gewählt wurden, treten wesentliche Änderungen der Kennlinien und Kennwerte selbst dann nicht auf, wenn diese Fläche und diese Achse etwas davon abweichen.

Durch eine Änderung der Schnittfläche des Siliciumsubstrates, der Fortpflanzungsrichtung, der Stärke der Schichten usw. kann ein noch grösserer elektromechanischer Kopplungskoeffizient erhalten werden.

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Fig. 25 zeigt in einer Schnittansicht ein weiteres Ausführungsbeispiel des erfindungsgemässen elastische Oberflächenwellen ausbildenden Elementes mit einem elastischen Element 27 beispielsweise aus Siliciumdioxid oder Saphir. Eine (110)-orientierte Siliciumschicht 25 überdeckt das elastische Element 27, während eine Zinkoxidschicht 26 so ausgebildet ist, dass ihre piezoelektrische Achse senkrecht zur Oberfläche der Siliciumschicht 25 verläuft. Kammförmige Elektroden 28, 29 sind auf der Zinkoxidschicht 26 vorgesehen.

Die Zinkoxidschicht 26 kann durch das bekannte Aufdampfen, durch chemisches Bedampfen und ähnliche Verfahren ausgebildet werden, während die kammförmigen Elektroden 28 und 29 dadurch gebildet werden können, dass ein Metall, wie Aluminium usw., durch ein bekanntes Niederschlagsverfahren aufgebracht wird.

Wenn eine Sezawa-Welle, d.h. eine Art einer elastischen Oberflächenwelle über die Eingangselektrode 28 des elastische Oberflächenwellen ausbildenden Elementes mit dem oben beschriebenen Aufbau in /001.7-Achsenrichtung des Siliciums 25 angeregt wird, pflanzt sich die elastische Oberflächenwelle längs der Zinkoxidschicht 26 fort, bis sie die Ausgangselektrode 29 erreicht.

Fig. 26 zeigt die Kennlinie, die bei dem in Fig. 25 dargestellten Ausführungsbeispiel erhalten wird, ft inn die elektrische Leitfähigkeit an der Grenze zwiscLen der Siliciumschicht 25 und der Zinkoxidschicht 26 gross ist, ändert sich der Quadratwert K² des elektromechanischen Kopplungskoeffizienten K in der durch die Kurve A._Q in Fig. 26 dargestellten Weise. Die Kurve A₁₀ wzieht sich auf die Sezawa-Welle unter den elastischen Oberflächenwellen.

Die gerade Linie B₁₀ zeigt den Wert von K², der durch ein Lithiumnioboxidetwa 5,5 % erreicht.

ein Lithiumnioboxid-LiNbOj-Substrat erhalten wird und

Aus der in Fig. 26 dargestellten Kennlinie ist ersichtlich, dass dann, wenn sich die elastische Oberflächenwelle in /D01_7-Achsenrichtung fortpflanzt, ein elektromechanischer Kopplungskoeffizient, der gross genug ist, um einen hohen Wirkungsgrad des Elementes zu verwirklichen, dadurch erhalten werden kann, dass die Stärke der Zinkoxidschicht 26 so bestimmt wird, dass die Beziehung 0,9-i 2 irh/λ ^ 3,0 erfüllt ist.

Fig. 27 zeigt eine Schnittansicht eines weiteren Ausführungsbeispiel des erfindungsgemässen elastische Oberflächenwellen ausbildenden Elementes mit einem (100)-orientierten Siliciumsubstrat 25A und einem Aufbau, der im übrigen gleich dem des in Fig. 25 dargestellten Elementes ist.

An der Eingangselektrode 28 des elastische Oberflächenwellen ausbildenden Elementes mit dem oben beschriebenen Aufbau wird eine Sezawa-Welle in /011J7-Achsenrichtung angeregt.

Fig. 28 zeigt die Kennlinie, die von dem in Fig. 27 dargestellten Element erhalten wird, wobei dann, wenn die elektrische Leitfähigkeit an der Grenze zwischen dem Siliciumsubstrat 25A und der Zinkoxidschicht 26 gross ist, sich der Quadratwert K² des elektromechanischen Kopplungskoeffizienten K in der durch die A₁₁ dargestellten Weise ändert. Die Kurve A₁₁ bezieht sich auf eine Sezawa-Welle.

Die gerade Linie B.., zeigt den Maximalwert von K², der von einem Lithiumnioboxid-LiNi
kann und etwa 5,5 % erreicht.

von einem Lithiumnioboxid-LiNbOo-Substrat erhalten werden

Aus der in Fig. 28 dargestellten Kennlinie ist ersichtlich, dass dann, wenn sich die elastische Oberflächenwelle in /011.7-Achsenrichtung des Siliciums 25A fortpflanzt, ein elektromechanisrher Kopplungskoeffizient, der gross genug ist, um ei^an hohen Wirkungsgrad des Elementes zu verwirklichen, dadurch erhalten werden kann, dass die Stärke h der Zinkoxidschicht 25 so bestimmt wird, dass die Beziehung 0,9^2 TT h/A < 3,5 erfüllt ist.

Wenn insbesondere Saphir als elastisches Element 27 bei den in Fig. 25 ur I 27 dargestellten Ausführungsbeispielen verwandt wird, ist es möglich, leicht ein epitaxiales Wachstum einer einkristallinen Siliciumschicht 25 auf dem Saphir in einer SOS-,d.h. Silicium auf Saphir, Anordnung zu ermöglichen. Das SOS-Substrat, das in der oben beschriebenen Weise erzeugt wird, erlaubt die Herstellung eines elastische Oberflächenwellen ausbildenden Elementes und eines Halbleiterelementes auf demselben Substrat und im selben Arbeitsvorgang.

Wie es oben beschrieben wurde, bedeutet eine hohe elektrische Leitfähigkeit an der Grenze zwischen dem Siliciumsubstrat 25 und der Zinkoxidschicht 26, dass derselbe Effekt selbst dann erhalten werden kann, wenn eine Metallschicht 30 an der Grenze ausgebildet ist, wie es in Fig. 29 dar9estellt ist. Da weiterhin der Bahnwiderstand selbst dann herabgesetzt werden kann, wenn die Siliciumschicht 25 eine epitaxial aufgewachsene Schicht umfasst, kann derselbe Effekt erhalten werden.

Wenn Siliciumdioxid als elastisches Element 27 verwandt wird, bewirkt das Siliciumdioxid, dass der Temperaturkoeffizient des Elementes beseitigt wird, der durch die Siliciumschicht 25 und die Zinkoxidschicht 26 bestimmt ist, so dass es möglich ist, dass das Element als Ganzes einen kleinen Temperaturkoeffizienten hat. Es kann daher der Temperaturkoeffizient der Laufzeit herabgesetzt werden.

Die kammförmigen Elektroden 28 und 29 können in der Weise auf der Siliciumschicht 25 vorgesehen sein, wie es bei dem in Fig. 30 dargestellten Ausführungsbeispiel der Fall ist. Es ist auch möglich, einen Aufbau zu wählen, wie er in Fig. 31 dargestellt ist, bei dem eine Metallschicht 30 auf der Zinkoxidschicht 26 haftet, die die kammförmigen Elektroden 28 und 29 überdeckt.

Bei den in den Fig. 30 und 31 dargestellten Ausführungsbeispielen kann Siliciumdioxid vorgesehen sein, um die Siliciumschicht 25 zu schützen.

Bei den oben beschriebenen Ausführungsbeispielen ist die piezoelektrische Achse der Zinkoxidschicht 26 senkrecht zur Siliciumschicht 25 angeordnet. Es können jedoch im wesentlichen dieselben Kennlinien und Kennwerte selbst dann erhalten werden, wenn die piezoelektrische Achse von der Vertikallinie bezüglich der Substratfläche innerhalb eines Bereiches von 10° abweicht und wenn die Kristallfläche der Siliciumschicht 25 und die Fortpflanzungsachse zum Anregen der elastischen Oberflächenwelle innerhalb einiger Grad von der (110)-Fläche und der /*001_7-Achse jeweils abweichen.

Aus dem Obigen ist ersichtlich, dass bei diesen Ausführungsbeispielen der Erfindung durch das Vorsehen einer Siliciumschicht mit einer bestimmten Kristallorientierung und in Kontakt mit einem elastischen Element, durch das Aufwachsen

einer Zinkoxidschich+·. auf der Siliciumschicht und durch das Vorsehen von Elektroden in Kontakt mit der Zinkoxidschicht der elektromechanische Kopplungskoeffizient flexibel auf einen gewünschten Wert festgelegt werden kann. Die Möglichkeit der Festlegung des elektromechanischen Kopplungskoeffizienten erlaubt eine Abnahme der Impedanz eines elastische Oberflächenwellen ausbildenden Wandlers, eine leichte Abstimmung und die Verwirklichung eines elastische Ober^.. "chenwellen erzeugenden Elementes mit hohem Wirkungsgrad. Da die Anzahl der Elektrodenelemente eines elastische Oberflächenwellen ausbildenden Wandlers herabgesetzt werden kann, ist es gleichzeitig möglich, das Element zu miniaturisieren und die Herstellungskosten zu verringern.

Weiterhin kann der Temperaturkoeffizient dadurch klein gemacht werden, dass ein elastisches Element vorgesehen wird, was zu einer stabilen Funktion des elastische Oberflächenwellen ausbildenden Elementes führt.

Fig. 32 zeigt in einer Schnittansicht ein weiteres Ausführungsbeispiel des erfindungsgemässen elastische Oberflächenwellen ausbildenden Elementes mit einem (110)-orientierten Siliciumsubstrates 35. Eine Zinkoxidschicht 36 ist so ausgebildet, dass ihre piezoelektrische Achse senkrecht zur Oberfläche des Siliciumsubstrates 35 liegt. Eine dielektrische Schicht 37 beispielsweise aus Siliciumdioxid ist teilweise auf der Oberfläche der Zinkoxidschicht 36 aufgewachsen und kammförmige Elektroden 38 und 39 sind in derselbe: Schicht wie die dielektrische Schicht 37 und auf der Zinkoxidschicht 36 vorgesehen, die nicht durch die dielektrische Schicht 37 überzogen ist.

An der Eingangselektrode 38 des elastische Oberflächenwellen ausbildenden Elementes mit dem oben beschriebei ~*n Aufbau wird eine Sezawa-Welle, d.h. eine Art einer elasi_ischen Oberflächenwelle in /"001_7-Achsenrichtung des Siliciums 35

angeregt. Die elastische Oberflächenwelle pflanzt sich dann längs der Oberfläche der Zinkoxidschicht 36 fort, bis sie die Ausgangselektrode 39 erreicht.

Fig. 33 zeigt die Kennlinie, die bei dem in Fig. 32 dargestellten Ausführungsbeispiel erhalten werden kann, wobei dann, wenn die elektrische Leitfähigkeit an der Grenze zwischen dem Siliciumsubstrat 35 und der Zinkoxidschicht 36 hoch ist, sich der Quadratwert K² des elektromechanisehen Kopplungskoeffizienten K in der durch die Kurve A₁₂ in Fig. 33 dargestellten Weise ändert. Die Kurve A₁₂ bezieht sich unter den elastischen Oberflächenwellen auf die Sezawa-Welle.

Die gerade Linie B₁₂ zeigt den Maximalwert von K², der mit einem Lithiumnioboxid- Li
kann und etwa 5,5 % erreicht.

mit einem Lithiumnioboxid- LiNbO^-Substrat erhalten werden

Aus der in Fig. 33 dargestellten Kennlinie ist ersichtlich, dass dann, wenn sich die elastische Oberflächenwelle in der /00Λ]-Achsenrichtung des Siliciums 35 fortpflanzt, ein elektromechanischer Kopplungskoeffizient, der gross genug ist, um einen hohen Wirkungsgrad des Elementes zu verwirklichen, dadurch erhalten werden kann, dass die Stärke h der Zinkoxidschicht 36 so bestimmt wird, dass die Beziehung 0,9 2 2 Ii h/1 * 3,0 erfüllt ist.

Fig. 34 zeigt in einer Schnittansicht ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung mit einem (100)-orientierten Siliciumsubstrat 35A, wobei die übrigen Bezugszeichen sich auf dieselben-Bauteile wie in Fig. 32 beziehen.

Hinsichtlich der Eingangselektrode 38 des elastische Oberflächenwellen ausbildenen Elementes mit der oben beschriebenen Anordnung wird eine Sezawa-Welle, d.h. eine Art einer elastischen Oberflächenwelle in /011_7-Achsenrichtung des Siliciums 35A angeregt.

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Fig. 35 zeigt die Ke \nlinie, die bei dem in Fig. 34 dargestellten Ausführungsbeispiel erhalten wird, wobei dann, wenn die elektrische Leitfähigkeit an der Grenze zwischen dem Siliciumsubstrat 35 und der Zinkoxidschicht 36 gross ist, sich der Quadratwert K² des elektromechanischen Kopplungskoeffizienten K in der durch die Kurve A₁-, dargestellten Weise ändert. Die Kurve A₁₃ bezieht sich unter den elastischen Oberflächenwellen auf die Sezawa-Welle.

Die gerade Linie B₁- zeigt den Maximalwert von K², der mit einem Lithiumnioboxid- Li
kann und etwa 5,5 % erreicht.

mit einem Lithiumnioboxid- LiNbO^-Substrat erhalten werden

Aus der Kennlinie von Fig. 35 ist ersichtlich, dass dann, wenn sich die elastische Oberflächenwelle in der /011_7-Achsenrichtung des Siliciums 35A fortpflanzt, ein elektromechanischer Kopplungskoeffizient, der gross genug ist, um einen hohen Wirkungsgrad des Elementes zu verwirklichen, dadurch erhalten werden kann, dass die Stärke h der Zinkoxidschicht 36 so bestimmt wird, dass die Beziehung 0,9 4. 2Tih/Ä 4 3,5 erfüllt ist.

Eine hohe elektrische Leitfähigkeit an der Grenze zwischen dem Siliciumsubstrat 35 und der Zinkoxidschicht 36, wie es oben beschrieben wurde, bedeutet, dass derselbe Effekt selbst dann erhalten werden kann, wenn eine Metallschicht 40 an der Grenze ausgebildet ist, wie es in Fig. 36 dargestellt ist ist.

Da der Bahnwiderstand selbst dann herabgesetzt werden kann, wenn das Siliciumsubstrat 35 eine epitaxial gewachsene Schicht umfasst, kann derselbe Effekt wie bei dem in Fig. 32 dargestellten Ausführungsbeispiel· erhalten wex.'.n.

Fig. 37 zeigt ein Ausführungsbeispiel der Erfii. ^Tung, bei dem eine dielektrische Schicht 37A aus Siliciumdioxid usw. mit

einer ausreichend kleinen Stärke verglichen mit der Wellenlänge der elastischen Oberflächenwelle eben oder flach aufgewachsen ist, so dass sie die kammförmigen Elektroden 38 und 39 vollständig über der Zinkoxidschicht 36 überdeckt. Auch mit diesem Aufbau kann derselbe Effekt wie bei den in Fig. 32 und 36 dargestellten Ausführungsbeispielen erreicht werden.

Das Siliciumdioxid, das die dielektrische Schicht 37 bildet, bewirkt, dass der Temperaturkoeffizient des Elementes verschwindet, der durch das Siliciumsubstrat 35 und die Zinkoxidschicht 36 bestimmt ist, so dass es möglich ist, dass das Element insgesamt einen kleinen Temperaturkoeffizienten hat.

Die kammförmigen Elektroden können auf dem Siliciumsubstrat vorgesehen sein und eine Metallschicht kann auf der Zinkoxidschicht so aufgebracht sein, dass sie die kammförmigen Elektroden überdeckt.

Bei den oben beschriebenen Ausführungsbeispielen lag die piezoelektrische Achse der Zinkoxidschicht 36 senkrecht zum Siliciumsubstrat 35. Selbst wenn die piezoelektrische Achse jedoch innerhalb eines Bereiches von 10° gegenüber der Vertikallinie bezüglich des Substrates 35 schräg liegt, können im wesentlichen dieselben Kennwerte erhalten werden. Selbst wenn weiterhin die Orientierung des Siliciumsubstrates 35 und die Portpflanzungsachse zum Anregen der elastischen Oberflächenwelle von der (110)- oder (100)-Fläche und der /001_7~ oder /011J-Achse jeweils um einige Grad abweichen, können im. wesentlichen die gleichen Kennwerte erhalten werden.

Fig. 38 zeigt in einer Schnittansicht ein weiteres Ausführungsbeispiel des erfindungsgemässen elastische Oberflächenwellen ausbildenden Elementes mit einem (110)-orientierten Siliciumsubstrates 45. Eine dielektrische Schicht 47 beispielsweise aus Siliciumdioxid, ist teilweise auf dem Siliciumsubstrat 45 aufgewachsen und eine Zinkoxidschicht 46 ist so ausgebildet, dass ihre piezoelektrische Achse senkrecht zum Siliciumsubstrat 45 und zur dielektrischen Schicht 47 lxegt, wobei kammförmige Elektroden 48 und 49 auf der Zinkoxidschicht 46 vorgesehen sind.

über die Eingangselektrode 48 des elastische Oberflächenwellen ausbildenden Elementes mit dem oben beschriebenen Aufbau wird eine Sezawa-Welle, d.h. eine Art einer elastisehen Oberflächenwelle in /00Ij-Achsenrichtung des Siliciums 45 angeregt, so dass diese längs der Oberfläche der Zinkoxidschicht 46 wandert, bis sie die Ausgangselektrode 49 erreicht.

Fig. 39 zeigt die Kennlinie , die bei dem in Fig. 38 dargestellten Ausführungsbeispiel erhalten wird, wobei dann, wenn die elektrische Leitfähigkeit an der Grenze zwischen dem Siliciumsubstrat 45 und der Zinkoxidschicht 46 gross ist, sich der Quadratwert K² des elektromechanischen Kopplungskoeff izienten K in der durch die Kurve A... dargestellten Weise ändert. Die Kurve A.- bezieht sich unter den elastischen Oberflächenwellen auf die Sezawa-Welle.

Die gerade Linie B₁₄ zeigt den Maximalwert von K², i_er mit einem Lithiumnioboxid- LiNbO^-Substrat erhalten werden kann und .etwa 5,5 % erreicht.

Aus der in Fig. 39 dargestellten Kennlinie is^ erkennbar, dass dann, wenn sich die elastische Oberflächenwelle in der /Ö01./-Achsenrichtung fortpflanzt, ein elek το-mechanischer Kopplungskoeffizient, der gross genug ist,

um einen hohen Wirkungsgrad des Elementes zu verwirklichen, dadurch gehalten werden kann, dass die Stärke h der Zinkoxidschicht 46 so bestimmt wird, dass die Beziehung 0,9 4. 2 Tih/A < 3,0 erfüllt ist.

Fig. 40 zeigt in einer Schnittansicht ein weiteres Ausführungsbeispiel des erfindungsgemässen elastische Oberflächenwellen ausbildenden Elementes mit einem (100)-orientierten Siliciumsubstrates 45A, wobei die anderen Bezugszeichen sich auf gleiche Bauteile wie in Fig. 38 beziehen.

Hinsichtlich der Eingangselektrode 48 des elastische Ober flächenwellen ausbildenden Elementes mit dem oben beschriebenen Aufbau wird eine Sezawa-Welle,d.h. eine Art einer elastischen Oberflächenwelle in /5117 Achsenrichtung des Siliciums 45A angeregt.

Fig. 41 zeigt die Kennlinie, die bei dem in Fig. 40 dargestellten Ausführungsbeispiel erhalten wird, wobei dann, wenn die elektrische Leitfähigkeit' an der Grenze zischen dem Siliciumsubstrat 45 und der Zinkoxidschicht 46 gross ist, sich der Quadratwert K² des elektromechanischen Kopplungskoeffizienten K in der durch die Kurve A₁₅ dargestellten Weise ändert. Die Kurve A₁₅ bezieht sich unter den elastischen Oberflächenwellen auf die Sezawa-Welle.

Die gerade Linie B₁- zeigt den Maximalwert von K², der mit einem Lithiumnioboxi
und etwa 5,5 % erreicht.

mit einem Lithiumnioboxid- LiNbO-j-Substrat erhalten wird

Aus der in Fig. 41 dargestellten Kennlinie ist ersichtlich, dass dann, wenn sich die elastische Oberflächenwelle in /0117-Achsenrichtung des Siliciums 45A fortpflanzt, ein elektromechanischer Kopplungskoeffizient, der gross genug

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ist, um einen hohen Wirkungsgrad des Elementes zu verwirklichen, dadurch erhalten werden kann, dass die Stärke h der Zinkoxidschicht 46 so bestimmt wird, dass die Beziehung 0,9 ^ 2 Tr h/Λ <C 3,5 erfüllt ist. 5

Eine hohe elektrische Leitfähigkeit an der Grenze zwischen dem Siliciumsubstrat 45 und der Zinkoxidschicht 46 bedeutet, dass es möglich ist, denselben Effekt auch dann zu erzielen, wenn eine Metallschicht 50 an der Grenze ausgebildet ist, wie es in Fig. 42 dargestellt ist.

Da der Bahnwiderstand selbst dann herabgesetzt werden kann, wenn das Siliciumsubstrat 45 eine epitaxial gewachsene Schicht umfasst, kann derselbe Effekt wie bei dem in Fig. 38 darjestellten Ausführungsbeispiel erhalten werden.

Fig. 43 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei dem eine dielektrische Schicht 47, beispielsweise aus Siliciumsdioxid usw. mit einer ausreichend kleinen Stärke verglichen mit der Wellenlänge der elastischen Oberflächenwelle über dem Silicium 45 oder 45A aufgewachsen ist. Dieser Aufbau liefert den gleichen Effekt wie die Ausführungsbeispiele .,die in Fig. 38 40 dargestellt sind.

Da das Siliciumdioxid, das die dielektrische Schicht bildet, bewirkt, dass der Temperaturkoeffizient des Elementes verschwindet, der durch das Siliciumsubstrat 45 und die Zinkoxidschicht 46 bestimmt ist, kann das Element als Ganzes einen kleinen Temperaturkoeffizienten haben.

Die kammförmigen Elektroden können auf dem Siiiciumsubstrat oder auf der dielektrischen Schicht vorgesehen sein, und 5 eine Metallschicht kann -uf der Zinkoxidschicht ε ■ aufgebracht sein, dass sie die kammförmigen Elektroden überdeckt.

Bei den oben beschriebenen Ausführungsbeispielen lag die piezoelektrische Achse der Zinkoxidschicht 46 senkrecht zum Siliciumsubstrat 45 oder 45A. Es können im wesentlichen gleiche Kennwerte selbst dann erhalten werden, wenn die piezoelektrische Achse innerhalb eines Bereiches von annähernd 10° schräg gegenüber der Vertikallinie bezüglich des Substrates 45 liegt. Es hat sich weiterhin herausgestellt, dass im wesentlichen gleiche Kennwerte auch dann erhalten werden können, wenn die Orientierung des Siliciumsubstrates 45 und die Fortpflanzungsachse zum Anregen der elastischen Oberflächenwelle innerhalb einiger Grade von der (110)— oder (100)-Fläche und der /001J- oder /01 \J-Achse jeweils abweichen.

Claims

Patentanwälte DiPL.-lNG.iHiWkiciMivjiKi^Dipx.sPHys. Dr, K. Fincke Dipl.-Ing. F. A.Weickmann, Dipl.-Chem. B. Huber Dr.-Ing. H. Liska 8000 MÜNCHEN 86 POSTFACH 860 820 MOHLSTRASSE 22 TELEFON (089) 980352 TELEX 522621 TELEGRAMM PATENTWEICKMANN MÜNCHEN P/ht. Clarion Co.»Ltd. 35-2 Hakusan 5-cliome, Bunkyo-ku Tokyo/Japan PATENTANSPRÜCHE

1. Elastische Oberflächenwellen ausbildendes Element, gekennzeichnet durch ein (110)-orientiertes Siliciumsubstrat (4), eine Zinkoxidschicht (5), die auf dem Substrat (4) aufgewachsen ist, und Elektroden (6, 7), die auf der Zinkoxidschicht (5) ausgebildet sind.

2. Elastische Oberflächenwellen ausbildendes Eiern nt, gekennzeichnet durch ein (11 O^-orientiertes Siliciumsubstrat (4), Elektroden (6, 7), die auf dem Substrat (4) ausgebildet sind, und eine Zinkoxidschicht (5A), die auf den Elektroden (6, 7) und dem Siliciumsubstrat (4) aufgewachsen ist.

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3. Elastische Oberflächenwellen ausbildendes Element, gekennzeichnet durch ein (100)-orientiertes Siliciumsubstrat (4A), eine Zinkoxidschicht (5), die auf dem Siliciumsubstrat (4A) aufgewachsen ist,und Elektroden (6, 7), die auf der Zinkoxidschicht (5) ausgebildet sind.

4. Elastische Oberflächenwellen ausbildendes Element, gekennzeichnet durch ein (100)-orientiertes Siliciumsubstrat (4A), Elektroden (6, 7), die auf dem

Substrat (4A) ausgebildet sind, und eine Zinkoxidschicht (5A), die auf den Elektroden (6, 7) und dem Siliciumsubstrat (4A) aufgewachsen ist.

5. Elastische Oberflächenwellen ausbildendes Element, gekennzeichnet durch ein (110)-orientiertes Siliciumsubstrat (4),eine Metallschicht (15), die wenigstens auf einem Teil des Substrates (4) ausgebildet ist, eine Zinkoxidschicht (5), die auf der Metallschicht (15) aufgewachsen ist, und Elektroden (6, 7), die auf der Zinkoxidschicht (5) ausgebildet sind.

6. Elastische Oberflächenwellen ausbildendes Element, gekennzeichnet durch ein elastisches Element (27), eine Siliciumschicht (25) mit einer bestimmten kristallinen Orientierung, die auf dem elastischen Element (27) ausgebildet ist, eine Zinkoxidschicht (26), die auf der Siliciumschicht (25) aufgewachsen ist,und Elektroden (28, 29), die auf der Zinkoxidschicht (26) ausgebildet sind.

7. Elastische Oberflächenwellen ausbildendes Element, gekennzeichnet durch ein Siliciumsubstrat mit einer bestimmten kristallinen Orientierung, eine Zinkoxidschicht, die auf dem Substrat aufgewachsen ist, und eine

dielektrische Schicht und Elektroden, die auf der Zinkoxidschicht ausgebildet sind.

8. Elastische Oberflächenwellen ausbildendes Element,. gekennzeichnet durch ein Siliciumsubstrat mit einer bestimmten kristallinen Orientierung, eine dielektrische Schicht,die wenigstens auf einem Teil des Substrates ausgebildet ist, eine Zinkoxidschicht, die in Kontakt mit de dielektrischen Schicht ausgebildet is^ und Elektroden, die auf der Zinkoxidschicht vorgesehen sind.

9. Element nach' Anspruch 2, gekennzeichnet durch eine Metallschicht (15), die auf der Zinkoxidschicht (5A) ausgebildet ist.

10. Elastische Oberflächenwellen ausbildendes Element, gekennzeichnet durch ein (110)-orientiertes Siliciumsubstrat (4), eine dielektrische Schicht (8), die auf dem Substrat (4) ausgebildet ist, eine Zinkoxidschicht (5), die auf der dielektrischen Schicht (8) ausge bildet ist, und Elektroden (6, 7), die auf der Zinkoxidschicht (5) ausgebildet sind.

11. Element nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet , dass die piezoelektrische Achse der Zinkoxidschicht (5) senkrecht zur Oberfläche des Siliciumsubstrates (4) verläuft.

12. Element nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass die piezoelektrische Achse der Zinkoxidschicht (5) innerhalb eines Bereiches von 10° schräg zur Vertikallinie bezüglich der Oberfläche des Siliciumsubstrates (4) verläuft.

13. Element nach Anspruch 1, 2, 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Zinkoxidschicht (5) eine derartige Stärke (h) bezüglich der Wellenlänge X der elastischen Oberflächenwelle hat, die sich im Element fortpflanzt, dass die Beziehung 0,9< 2 Π h/X < 3,0 erfüllt ist.

14. Element nach Anspruch 3, 4, 5, 6, 7, 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet , dass die Zinkoxidschicht (5) eine derartige Stärke (h) bezüglich der Wellenlänge X. der elastischen Oberflächenwelle hat, die sich in dem Element fortpflanzt, dass die Beziehung 0,9<2Tfh/A< 3,5 erfüllt ist.

15. Element nach Anspruch 1 oder 10, gekennzeichnet durch eine Einrichtung, die der Elektrode (6) ein Signal zum Fortpflanzen der elastischen Oberflächenwelle in /*001_/-Achsenrichtung der Zinkoxidschicht

(5) liefert.
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16. Element nach Anspruch 2 oder 9, gekennzeichnet durch eine Einrichtung, die der Elektrode

(6) ein Signal zum Erzeugen einer elastischen Oberflächenwelle liefert, die sich in /"001_7-Achsenrichtung des Siliciumsubstrates (4) fortpflanzt.

17. Element nach Anspruch 3, 4 oder 14, gekennzeichnet durch eine Einrichtung, die der Elektrode (6) ein Signal zum Erzeugen einer elastischen Oberflächenwelle liefert, die sich in /"011_7-Achsenrichtung des Siliciumsubstrates (4) fortpflanzt.