DE68921811T2

DE68921811T2 - Akustische Oberflächenwellenanordnungen.

Info

Publication number: DE68921811T2
Application number: DE68921811T
Authority: DE
Inventors: Yoshiro Fujiwara; Kazushi Hashimoto; Kiyoshi Satoh
Original assignee: Fujitsu Ltd
Current assignee: Fujitsu Ltd
Priority date: 1988-07-27
Filing date: 1989-07-27
Publication date: 1995-07-13
Anticipated expiration: 2009-07-28
Also published as: EP0353073A2; US4978879A; EP0353073B1; DE68921811D1; EP0353073A3

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein akustisches Oberflächenwellenelement, das für einen Spannungsgesteuerten Oszillator (VCO), einen Resonator, ein Filter und dergleichen von Kommunikationsgeräten, wie von einem Autotelefon und einem schnurlosen Telefon, und von Audiogeräten, wie von einem Videobandrecorder (VTR), verwendet werden kann. In den obigen Geräten findet zur Zeit ein akustisches Oberflächenwellenelement mit einer Frequenz zwischen 10 MHz und 1 GHz häufige Verwendung und muß zum Beispiel für einen VCO einen breiteren Frequenzabweichungsbereich und eine ausgezeichnete Stabilitätscharakteristik gegenüber Temperatur haben.
Eine akustische Oberflächenwellenverzögerungsleitung ist bekannt, die ein Substrat aus einem Ausbreitungsmedium und eine Oberflächenschicht aus einem Medium umfaßt, das eine temperaturabhängige Verzögerungszeit hat, die zu jener des Substrats entgegengesetzt ist, so daß die Temperaturabhängigkeit des Substrats reduziert ist (japanische ungeprüfte Patentveröffentlichung (Kokai) Nr. 47-37154, veröffentlicht am 30. November 1972). Diese Offenbarung bezieht sich auf eine allgemeine Reduzierung einer temperaturabhängigen Verzögerungszeit eines Ausbreitungsmediums und wird nur durch eine Kombination aus einem geschmolzenen Quarz- Aluminium veranschaulicht. Als Ausbreitungsmedien werden Lithiumniobat, Lithiumtantalat und Cadmiumsulfid genannt.
Für die obige Oberflächenschicht ist eine Siliziumdioxidschicht vorgeschlagen worden, um eine temperaturabhängige Verzögerungszeit von Ausbreitungsmedien einer akustischen Oberflächenwellenvorrichtung zu reduzieren (US- Patent Nr. 3,965,444, herausgegeben am 22. Juni 1976). Als piezoelektrische Materialien, die für die Ausbreitungsmedien verwendet werden, werden Lithiumniobat mit YZ-Schnitt und Lithiumtantalat mit YZ-Schnitt genannt (col. 4, 1.2-4 von USP' 444), aber solch eine akustische Oberflächenwellenvorrichtung ist schwer herzustellen, da im Fall von Lithiumtantalat mit YZ-Schnitt (die Schallgeschwindigkeit darin beträgt 3230 m/s) hK (h = Filmdicke der Siliziumdioxidschicht und K = 2π/λ, wobei λ = akustische Wellenlänge) bei 150 MHz 3 wird (col. 4, 1.31-35 von USP' 444), und somit muß die Dicke der Siliziumdioxidschicht wenigstens 10,3 um betragen. Eine Siliziumdioxidschicht mit einer Dicke von 10 um führt unter anderen Nachteilen zu einer erhöhten Spannung in der Schicht und einer längeren Abscheidungszeit (zum Beispiel etwa 11 Stunden bei einer Abscheidungsrate von 150 Ängström/min).
Ferner ist ein akustisches Oberflächenwellenelement mit einer Kombination aus SiO&sub2;/LiTaO&sub3; bekannt (japanische ungeprüfte Patentveröffentlichung (Kokai) Nr. 55-159612, veröffentlicht am 11. Dezember 1980). Bei dieser Erfindung wird LiTaO&sub3; mit X-Schnitt mit einer akustischen Ausbreitungsrichtung von 112º zu der Y-Achse verwendet. Dieses akustische Oberflächenwellenelement erreichte einen großen elektromechanischen Kopplungsfaktor von 1,44%, aber für ein akustisches Oberflächenwellenelement, bei dem ein Einkristall aus LiTaO&sub3; verwendet wird, ist dies ein kleiner elektromechanischer Kopplungsfaktor und gestattet dem akustischen Oberflächenwellenelement nur einen schmalen Frequenzabweichungsbereich. Ferner wird der elektromechanische Kopplungsfaktor in Abhängigkeit von der Dicke der SiO&sub2;- Schicht verändert, und somit ist es schwierig, diesen Typ von akustischem Oberflächenwellenelement herzustellen. Des weiteren ergibt sich das Problem, daß mit einer Erhöhung der Dicke der SiO&sub2;-Schicht die Induktivitätskomponente reduziert und der Ersatzserienwiderstand vergrößert wird, wodurch schließlich ein Schwingungsstop herbeigeführt wird.
Ferner wird von einer Struktur aus SiO&sub2;/36º Y-X LiTaO&sub3; für eine akustische Oberflächenwellenvorrichtung berichtet (W. Chujo et al, "SiO&sub2;/LiTaO&sub3; , LiNbO&sub3; Structure Acoustic Surface Wave Materials Fabricated by Plasma CVD Method", Dentsu Gakkai Cho-ompa Kenkyu Shiryo US 80-3, April 1980, S. 15-20; und W. Chujo et al, "SiO&sub2;/LiTaO&sub3; , LiNbO&sub3; Structure Acoustic Surface Wave Materials Fabricated by Plasma CVD Method", Dentsu Gakkai Cho-ompa Kenkyu Shiryo US 79-16, Juni 1978, S. 25-30). Hier wird von einem Null-Temperaturkoeffizienten von einer Verzögerung (TCD) bei T/λ = 0,11 berichtet (T ist die Filmdicke der Siliziumdioxidschicht, und λ ist eine Wellenlänge). Durch Experimente der jetzigen Erfinder wurde herausgefunden, daß eine relativ dicke Aluminiumschicht erforderlich ist, um einen TCD von Null bei T/λ (wobei T eine Dicke der Siliziumdioxidschicht ist) von etwa 0,11 zu erhalten, und t/λ (wobei t eine Dicke einer Aluminiumschicht ist) wird größer als 0,05, wodurch die Schwingungscharakteristiken gemindert werden.
Quarz kann als Substrat eines akustischen Oberflächenwellenelements verwendet werden, um bei -20ºC bis +70ºC einen TCD von nicht mehr als 100 ppm zu erhalten, aber Quarz hat einen sehr kleinen elektromechanischen Kopplungsfaktor und ist für einen VCO mit einem breiten Frequenzabweichungsbereich nicht geeignet.
EP-A-0 034 351 offenbart eine akustische Oberflächenwellenvorrichtung gemäß der Präambel des beiliegenden Anspruches 1. Das Substrat hat einen X-Schnitt, und die Ausbreitungsrichtung ist zwischen 80º und 180º gewählt, von der Y-Achse hin zu der Z-Achse gemessen.
Gemäß der vorliegenden Erfindung ist ein akustisches Oberflächenwellenelement vorgesehen, mit:-
einem Substrat aus einem Einkristall Lithiumtantalat mit X-, Y- und Z-Kristallachsen und einer oberen Oberfläche und Seitenwänden;
Elektroden, die auf der oberen Oberfläche des Substrats gebildet sind, so daß eine akustische Oberflächenwelle ausgebreitet wird und eine Schwingung der akustischen Oberflächenwelle mit einer vorbestimmten Frequenz auftritt; und
einer Schicht aus Siliziumdioxid, die die Elektroden und das Substrat bedeckt;
dadurch gekennzeichnet, daß:-
das Substrat ein um 36º rotiertes Substrat mit Y- Schnitt ist und die akustische Oberflächenwelle in der Richtung der X-Achse des Substrats ausgebreitet wird;
die Elektroden eine Dicke haben, die gleich 1 bis 4% von einer Wellenlänge der akustischen Oberflächenwelle bei der Schwingung beträgt; und
die Siliziumdioxidschicht durch Plasma-CVD abgeschieden ist, welche Siliziumdioxidschicht einen Brechungsindex von 1,445 bis 1,486 und eine Dicke hat, die gleich 16 bis 26% von der Wellenlänge der akustischen Oberflächenwelle bei der Schwingung beträgt.
Ein akustisches Oberflächenwellenelement, das die vorliegende Erfindung verkörpert, ist zum Beispiel zur Schwingung mit einer Frequenz in einem Bereich von 70 MHz bis 1 GHz geeignet.
Figuren 1A und 1B sind Drauf- und Schnittansichten eines akustischen Oberflächenwellenelements, das die vorliegende Erfindung verkörpert;
Fig. 2 zeigt ein um 36º rotiertes Einkristall Lithiumtantalat mit Y-Schnitt mit einer Ausbreitung einer akustischen Oberflächenwelle in der Richtung der X-Achse;
Fig. 3 zeigt ein Y-Z-Substrat;
Fig. 4A und 4B zeigen jeweilige Schnittansichten von einein akustischen Oberflächenwellenelement, das die vorliegende Erfindung verkörpert, und von einem vorher betrachteten Oberflächenwellenelement;
Fig. 5 zeigt die Charakteristiken eines akustischen Oberflächenwellenelements bezüglich der Dicke der Elektroden;
Fig. 6 zeigt die Charakteristiken eines akustischen Oberflächenwellenelements in Abhängigkeit von den Verfahren zum Bilden der Siliziumdioxidschicht;
Fig. 7 zeigt die Charakteristiken der Siliziumdioxidschicht in Abhängigkeit von dem Strömungsratenverhältnis von N&sub2;O/SiH&sub4;;
Fig. 8 zeigt die Charakteristiken eines akustischen Oberflächenwellenelements bezüglich der Dicke der Siliziumdioxidschicht;
Fig. 9 zeigt die Veränderung der Schwingungsfrequenz bezüglich der Temperatur;
Fig. 10 zeigt die Temperaturcharakteristik der Schwingungsfrequenz bezüglich dem Brechungsindex der Siliziumdioxidschicht;
Fig. 11 zeigt den Brechungsindex der Siliziumdioxidschicht bezüglich der Temperatur des Substrats während der Plasma-CVD;
Fig. 12 zeigt die Temperaturcharakteristik der Schwingungsfrequenz bezüglich der Dicke der Siliziumdioxidschicht, bei der der Brechungsindex der Siliziumdioxidschicht verändert wird;
Fig. 13 zeigt die Temperaturcharakteristik der Schwingungsfrequenz bezüglich der Dicke der Siliziumdioxidschicht, bei der das Strömungsverhältnis von N&sub2;O/SiH&sub4; verändert wird;
Fig. 14 zeigt den elektromechanischen Kopplungsfaktor bezüglich der Dicke der Siliziumdioxidschicht;
Fig. 15 zeigt die Veränderungsrate der Schwingungsfrequenz bezüglich der Steuerspannung;
Fig. 16 zeigt die Schwingungsfrequenz bezüglich der Dicke der Siliziumoxidschicht;
Fig. 17 zeigt die Veränderungsrate der Schwingungsfrequenz bezüglich der Dicke der Tantalpentoxidschicht;
Fig. 18 zeigt die Veränderungsrate der Schwingungsfrequenz bezüglich der Dicke der Siliziumnitridschicht;
Fig. 19 zeigt die Veränderungsrate der Schwingungsfrequenz bezüglich der Ätzzeit der Siliziumdioxidschicht;
Fig. 20A bis 20C zeigen die außerordentlichen Schwingungen der Elemente mit und ohne Pyroelektrizitätsverhinderungsfilm;
Fig. 21 zeigt den Temperaturveränderungsplan zum Prüfen der außerordentlichen Schwingungen durch Pyroelektrizität; und
Fig. 22 und 23 zeigen die Anzahl der außerordentlichen Schwingungen durch Pyroelektrizität bezüglich der Arten und der Dicke der Pyroelektrizitätsverhinderungsfilme.
Die folgende Tabelle zeigt elektromechanische Kopplungsfaktoren und Temperaturkoeffizienten der Schwingungsfrequenz (TCF) von verschiedenen Einkristallsubstraten. Tabelle Kristall Schnittrichtung Kopplungsfaktor TCF Quarz
Aus der obigen Tabelle ist ersichtlich, daß das 36º-Y- X-Substrat (Schnitt von einem Y-Substrat, das um die X-Achse hin zu der Z-Achse um 36º rotiert wurde) aus einem LiTaO&sub3;- Einkristall einen höheren Kopplungsfaktor als das aus Quarz, aber einen niedrigeren TCF hat; einen höheren Kopplungsfaktor als das 112º-Y-X-Substrat aus LiTaO&sub3;-Einkristall, aber einen etwas niedrigeren TCF hat; und einen etwas niedrigeren Kopplungsfaktor als das 128º-Y-X-Substrat aus LiNbO&sub3;-Einkristall, aber einen höheren TCF hat. Eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann durch Verwendung dieses 36º-Y-X-Substrats aus LiTaO&sub3;-Einkristall ein effektives und stabiles akustisches Oberflächenwellenelement vorsehen, wenn die Dicke von Elektroden ausgehend von einer Wellenlänge der schwingenden akustischen Oberflächenwelle festgelegt wird und über den Elektroden und dem Substrat durch Plasma-CVD eine Siliziumdioxidschicht init einer Dicke abgeschieden wird, die ausgehend von der Wellenlänge der schwingenden akustischen Oberflächenwelle festgelegt ist.
Figuren 1A und 1B zeigen ein akustisches Oberflächenwellenelement, das die vorliegende Erfindung verkörpert. In diesen Figuren bezeichnet 1 ein akustisches Oberflächenwellenelement, 2 ein Substrat aus 36º-Y-X-LiTaO&sub3;-Einkristall, 3 Steuerelektroden, 4 Reflexionselektroden, 5 eine Siliziumdioxidschicht, 6 einen Ätzstopper, 7 einen Isolator zum Einstellen einer Schwingungsfrequenz, 8 einen Pyroelektrizitätsverhinderungsfilm, 9 Drähte, 10 Stifte zum Herausnehmen, 11 einen Träger und 12 ein Haftmittel.
Figur 2 zeigt ein Substrat 2 aus 36º-Y-X-LiTaO&sub3;-Einkristall, das eine Hauptoberfläche hat, die die Richtungen X und Z' und den rechten Winkel zu der Hauptoberfläche in der Richtung von Y' umfaßt, während die X-, Y- und Z-Achsen die Kristallachsen des LiTaO&sub3; sind. Wie in Fig. 2 zu sehen ist, ist die Y'-Achse um die X-Achse hin zu der Z-Achse um 36º rotiert. Die Elektroden 3 und 4 sind auf der Hauptoberfläche des Substrats 2 so gebildet, daß eine akustische Oberflächenwelle in der Richtung der X-Achse ausgebreitet wird. Zum Vergleich zeigt Fig. 3 ein Y-Z-Substrat, das senkrecht zu der Y-Achse geschnitten ist, d. h., in der Ebene der X- und Z-Achsen, bei dem Elektroden auf einer Hauptoberfläche des Substrats so gebildet sind, daß eine akustische Oberflächenwelle in der Richtung der Z-Achse ausgebreitet wird.
Die Steuerelektroden 3 haben die Form von Fingern, und die Reflexionselektroden 4 haben die Form von Gittern, wie in Fig. 1A gezeigt. Die Finger der Steuerelektroden 3 und die Gitter der Reflexionselektroden 4 sind mit einer Teilung von 1/2λ angeordnet (wobei X eine Wellenlänge einer akustischen Oberflächenwelle bei einer gewünschten Schwingungsfrequenz ist), wie in Fig. 4A gezeigt. Figur 4B zeigt eine vorher betrachtete Anordnung von Elektroden, bei der die Teilung zwischen den Steuerelektroden 3 und den Reflexionselektroden 4 7/8λ beträgt. Wenn zum Beispiel die Schwingungsfrequenz 150 MHz beträgt, beträgt die Breite der Finger und des Gitters der Elektroden 6,6 um und deren Teilung 13,2 um. Die Anzahl der Finger der Steuerelektroden beläuft sich auf 70 Paare und die Anzahl der Gitter der Reflexionselektroden auf 50 Paare. Durch die in Fig. 4A gezeigte Anordnung der Elektroden ist die Energie der akustischen Oberflächenwelle in dem Substrat eingeschlossen, und eine Schwingung wird durch eine vielfache Reflexion von ihr verursacht. Die Schwingung enthält im wesentlichen keine ungewollten Komponenten, und der Q-Wert (Stabilität) der Schwingung ist im Vergleich zu jenem der in Fig. 4B gezeigten Anordnung besser.
Figur 5 zeigt ein Kapazitätsverhältnis γ, die Stabilität Q und den Temperaturkoeffizienten der Schwingungsfrequenz von einer Schwingung bezüglich einer Dicke von Elektroden, die in diesem Fall aus Aluminium bestehen. Bei einem VCO ist die Breite der Frequenzabweichung breiter, wenn das Kapazitätsverhältnis γ kleiner ist, und deshalb ist das Kapazitätsverhältnis γ vorzugsweise klein und t/λ (wobei t die Dicke der Elektroden und λ die Wellenlänge der schwingenden akustischen Oberflächenwelle ist) nicht kleiner als 1%, wie aus der oberen grafischen Darstellung von Fig. 5 hervorgeht. Die Stabilität Q ist vorzugsweise nicht kleiner als 500, und deshalb beträgt t/λ nicht mehr als 4%. Nach diesen Schwingungscharakteristiken liegt die Dicke der Aluminiumelektroden vorzugsweise bei t/λ zwischen 1 und 4%. Die untere grafische Darstellung zeigt den Temperaturkoeffizienten der Schwingungsfrequenz des Oszillators bezüglich der Dicke der Elektroden, wenn die Dicke der Siliziumdioxidschicht so eingestellt ist, daß der Temperaturkoeffizient der Schwingungsfrequenz des Oszillators Null wird, wenn t/λ = 3% beträgt. Diese grafische Darstellung zeigt, daß vom Gesichtspunkt einer verbesserten Effektivität des Temperaturkoeffizienten der Schwingungsfrequenz ein t/λ von nicht weniger als 1% vorzuziehen ist. Deshalb geht aus dem Obigen hervor, daß t/λ (wobei t die Dicke der Elektroden ist) vorzugsweise 1 bis 4%, besser 2% bis 3% beträgt.
Die Materialien der Elektroden sind nicht auf Aluminium begrenzt und umfassen eine Aluminium-Silizium-Legierung (10 Gewichts-% oder weniger Si), Aluminium-Kupfer-Legierung (10 Gewichts-% oder weniger Cu), Aluminium-Titan-Legierung (10 Gewichts-% oder weniger Ti), Aluminium-Titan-Kupfer-Legierung (10 Gewichts-% oder weniger Ti + Cu) und irgendeine Doppelschicht aus den obigen Aluminium-Legierungen und Titan, etc. Die Elektroden können auf irgendeine herkömmliche Weise gebildet sein, zum Beispiel durch Abscheiden von Aluminium und anschließendes Mustern.
Die Siliziumdioxidschicht ist vorzugsweise durch ein energiegestütztes chemisches Dampfabscheidungsverfahren, wie durch Plasma-CVD, gebildet. Figur 6 zeigt Charakteristiken eines Oszillators, wenn die Siliziumdioxidschicht durch Plasma-CVD und durch HF-Magnetronzerstäubung gebildet ist. Wenn die Siliziumdioxidschicht durch Magnetronzerstäubung gebildet ist, wird der Schwingungspegel mit zunehmender Dicke der Siliziumdioxidschicht gemindert, wie in Fig. 6 zu sehen ist, und die Schwingung stoppt, bevor der Temperaturkoeffizient Null erreicht. Deshalb ist die Magnetronzerstäubung für den Zweck der vorliegenden Erfindung nicht sehr effektiv. Die Unterschiede von Schichten, die durch Plasma-CVD und HF-Magnetronzerstäubung gebildet wurden, können aus der abgeschiedenen Schicht per se und/oder den Charakteristiken des Oszillators, bei dem die Schicht verwendet wird, leicht herausgefunden werden.
Figur 7 zeigt die Charakteristiken der Siliziumdioxidschicht, die durch Plasma-CVD gebildet ist. Als Quellengase wurden Stickstoffsuboxid (N&sub2;O) und Silan (SiH&sub4;) verwendet. Es erfolgte die Reaktion, wie durch die folgende Formel gezeigt:
SiH&sub4; + 2N&sub2;O -- SiO&sub2; + 2H&sub2; + 2N&sub2;
Die Strömungsrate von N&sub2;O war konstant und betrug 0,25 sccm, und das Strömungsratenverhältnis zwischen N&sub2;O und SiH&sub4; wurde verändert. Die obere grafische Darstellung zeigt die Ätzrate, die mittlere grafische Darstellung den Brechungsindex und die untere grafische Darstellung die Abscheidungsrate. Wenn in Fig. 7 das Strömungsratenverhältnis von N&sub2;O/SiH&sub4; niedriger als 5/1 ist, wird die Ätzrate verringert und der Brechungsindex erhöht, so daß die Siliziumdioxidschicht siliziumreich wird. Dementsprechend wurde das Strömungsratenverhältnis von N&sub2;O/SiH&sub4; von 5/1 oder darüber verwendet, wenn auch die Abscheidungsrate niedrig wurde.
Figur 8 zeigt den Schwingungspegel und die Temperaturcharakteristik der Schwingungsfrequenz bezüglich der Dicke der Siliziumdioxidschicht. Die Dicke der Siliziumdioxidschicht wird ausgedrückt als T/λ (wobei T eine Dicke der Siliziumdioxidschicht und 1 eine Wellenlänge der schwingenden akustischen Oberflächenwelle ist). Die Temperaturcharakteristik der Schwingungsfrequenz wird in der Einheit "ppm/ºC" ausgedrückt, d. h., Differenz der Schwingungsfrequenz in ppm pro Temperaturveränderung von 1ºC. Das akustische Oberflächenwellenelement, das für die Messung verwendet wurde, hatte Aluminiumelektroden mit einer Dicke von 3% von λ. In Fig. 8 ist ersichtlich, daß mit einer Siliziumdioxidschicht, die durch Plasma-CVD mit einem Strömungsratenverhältnis von N&sub2;O/SiH&sub4; von nicht niedriger als 5/1 abgeschieden wurde, im wesentlichen keine Verringerung des Schwingungspegels eintritt und ein Temperaturkoeffizient von Null nahe T/λ = 20% erhalten wird.
Figur 9 zeigt die Veränderung der Schwingungsfrequenz bezüglich der Temperatur bei dem obigen Temperaturkoeffizienten Null. In Fig. 9 ist die Veränderung der Schwingungsfrequenz ausgezeichnet und liegt innerhalb von 10 ppm bei einem Temperaturbereich zwischen -10ºC und +45ºC.
Figur 10 zeigt die Temperaturcharakteristik der Schwingungsfrequenz bezüglich des Brechungsindex, wobei die durchgehende Linie A die Dicke der Siliziumdioxidschicht kennzeichnet, bei der ein Temperaturkoeffizient von Null bei einem Brechungsindex von 1,46 erhalten wird (bei einem Brechungsindex von 1,46 ist die Dicke der Siliziumdioxidschicht, bei der ein Temperaturkoeffizient von Null erhalten wird, minimal), und die gestrichelte Linie B die Dicke der Siliziumdioxidschicht kennzeichnet, bei der ein Temperaturkoeffizient von +5 ppm/ºC bei einem Brechungsindex von 1,46 erhalten wird. Da die gewünschte Temperaturcharakteristik der Schwingungsfrequenz innerhalb von +3 ppm/ºC liegt, beträgt der Brechungsindex der Siliziumdioxidschicht vorzugsweise 1,445 bis 1,486, aber wie in Fig. 11 ersichtlich ist, kann ein kleiner Brechungsindex der Siliziumdioxidschicht erhalten werden, indem die Temperatur des Substrats während der Abscheidung eingestellt wird, wenn es auch schwierig ist, die Temperatur des Substrats für einen kleinen Brechungsindex zu steuern, und deshalb ist ein Brechungsindex in dem Bereich von 1,450 bis 1,486 vorzuziehen.
Figur 12 zeigt eine Veränderung der Schwingungsfrequenz bezüglich der Dicke der Siliziumdioxidschicht T/λ, wobei der Brechungsindex der Siliziumdioxidschicht und die Dicke der Aluminiumelektroden (t) verändert wurden. Bei dem Oszillator, der durch die durchgehende Linie C in Fig. 12 gezeigt ist, beträgt der Brechungsindex 1,46 und t/λ 4%. Bei jenem, der durch die gestrichelte Linie D gezeigt ist, beträgt der Brechungsindex 1,46 und t/λ 3%. Bei jenem, der durch die Strichpunktlinie E gezeigt ist, beträgt der Brechungsindex 1,46 und t/λ 1%. Bei jenem, der durch die Zweipunkt-Strichlinie F gezeigt ist, beträgt der Brechungsindex 1,75 und t/λ 3%. Wie zuvor beschrieben, beträgt die Dicke der Elektroden vorzugsweise 1% bis 4% als t/λ, und wenn die Linien C, D, E und F von diesem Gesichtspunkt aus betrachtet werden, wird deshalb die Temperaturcharakteristik der Schwingungsfrequenz mit T/λ verändert, und somit liegt T/λ für einen Temperaturkoeffizienten der Schwingungsfrequenz innerhalb von ±5 ppm/ºC vorzugsweise zwischen 18% und 24%.
Figur 13 zeigt die Temperaturcharakteristik der Schwingungsfrequenz bezüglich der Dicke der Siliziumdioxidschicht (T/λ), wobei die Strichpunktlinie ein Strömungsratenverhältnis von N&sub2;O/SiH&sub4; von 5/1, die gestrichelte Linie ein Strömungsratenverhältnis von 10/1 und die durchgehende Linie ein Strömungsratenverhältnis von 20/1 kennzeichnet. Diese Figur zeigt, daß die Temperaturcharakteristik der Schwingungsfrequenz durch Ändern des Strömungsratenverhältnisses von N&sub2;O/SiH&sub4; verändert wird.
Aus den obigen Daten gelangt man zu folgenden Schlußfolgerungen.
1) Um einen Temperaturkoeffizienten Null der Schwingungsfrequenz bei einem Verhältnis der Dicke der Elektroden zu der Schwingungsfrequenz (t/λ) von 1 bis 4% zu erhalten, beträgt das Verhältnis der Dicke der Siliziumdioxidschicht zu der Schwingungsfrequenz (T/λ) vorzugsweise 18% bis 24%.
2) Die Abweichung des Verhältnisses der Dicke der Siliziumdioxidschicht zu der Schwingungsfrequenz (T/λ) liegt vorzugsweise innerhalb von ±1%, wenn das Strömungsratenverhältnis von N&sub2;O/SiH&sub4; berücksichtigt wird.
3) Um den Temperaturkoeffizienten der Schwingungsfrequenz in den Bereich von ±5 ppm/ºC herabzudrücken, beträgt das Verhältnis der Dicke der Siliziumdioxidschicht zu der Schwingungsfrequenz (T/λ) vorzugsweise 17% bis 25%.
4) Um den Temperaturkoeffizienten der Schwingungsfrequenz in den Bereich von ±5 ppm/ºC herabzudrücken, wenn die Abweichung des Verhältnisses der Dicke der Siliziumdioxidschicht zu der Schwingungsfrequenz (T/λ) berücksichtigt wird, liegt das Verhältnis der Dicke der Siliziumdioxidschicht zu der Schwingungsfrequenz (T/λ) vorzugsweise zwischen 16% und 26% und der Brechungsindex vorzugsweise zwischen 1,455 und 1,486, wie oben beschrieben. Ein vorzuziehendes Verhältnis der Dicke der Siliziumdioxidschicht zu der Schwingungsfrequenz (T/λ) liegt innerhalb von 18% bis 22%.
Figur 14 zeigt den elektromechanischen Kopplungsfaktor bezüglich des Verhältnisses der Dicke der Siliziumdioxidschicht zu der Schwingungsfrequenz (T/λ), wobei die durchgehende Linie ein 36º-Y-X-Substrat zur Verwendung in einer Ausführungsform der Erfindung kennzeichnet und die gestrichelte Linie ein 112º-Y-X-Substrat darstellt. Es ist ersichtlich, daß die Veränderung des elektromechanischen Kopplungsfaktors des 36º-Y-X-Substrats viel kleiner als jene des 112º-Y-X-Substrats ist.
Figur 15 zeigt eine Veränderungsrate der Schwingungsfrequenz bezüglich einer Steuerspannung, wobei die durchgehende Linie ein Verhältnis der Dicke der Siliziumdioxidschicht zu der Schwingungsfrequenz (T/λ) von 19,5% kennzeichnet, die gestrichelte Linie jenes von 20,0% und die Strichpunktlinie jenes von 20,5%. Es ist ersichtlich, daß die Veränderungsrate der Schwingungsfrequenz der jeweiligen Elemente bei einer Spannung von 5 V oder weniger fast linear mit der Steuerspannung verändert wird, und der Anstieg der Linie beträgt etwa 0,1%/V.
Unter Verwendung zum Beispiel eines 36º-Y-X-Substrats aus LiTaO&sub3; in einem akustischen Oberflächenwellenelement für einen VCO mit einer Schwingungsfrequenz von 155 MHz beträgt die Breite der Frequenzabweichung 900 ppm/V bis 1200 ppm/V, welche viel breiter ist als jene eines 112º-Y-X-Substrats aus LiTaO&sub3; mit 50 ppm/V bis 150 ppm/V; und der Temperaturkoeffizient der Schwingungsfrequenz liegt innerhalb von 15 ppm/ºC und kann durch Auswählen der Dicke der Elektroden und der Bedingungen der Plasma-CVD der Siliziumdioxidschicht auf Null gebracht werden.
Unter erneuter Bezugnahme auf Fig. 1B sind die Elektroden 3 durch die Drähte 9 und die Stifte 10 mit einer äußeren Schaltung elektrisch verbunden, und die Siliziumdioxidschicht 5 ist lokal geätzt, so daß die Drähte 9 auf die Elektroden 3 gebondet werden können. Das lokale Ätzen erfolgt vorzugsweise durch Naßätzen, um zu gewährleisten, daß die Elektroden 3 nicht beschädigt werden, aber unvermeidlich werden die Elektroden leicht geätzt, welches nicht günstig ist. Um dieses ungünstige Ätzen während des lokalen Ätzens der Siliziumdioxidschicht zu vermeiden, kann ein Ätzstopper aus einem Metall 6 vor dem Abscheiden der Siliziumdioxidschicht 5 gebildet werden, so daß die Elektroden 3 während des lokalen Ätzens der Siliziumdioxidschicht 5 nicht beschädigt werden. Das Metall des Ätzstoppers 6 kann zum Beispiel Chrom, Nickel, Kobalt etc. sein.
Ferner ist in Fig. 1B ein Isolator zum Einstellen einer Schwingungsfrequenz 7 vorzugsweise aus Tantalpentoxid vorgesehen. Die Einstellung der Schwingungsfrequenz kann ausgeführt werden, indem die Breite oder Dicke der Elektroden etc. eingestellt wird, aber dies ist schwierig, wenn die Muster der Elektroden fein sind. Um diese Schwierigkeit zu lösen, wird in einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung nach dem oder besonders während des Messens oder Überwachens der Schwingungsfrequenz eines Elements eine Isolierschicht 7 über der Siliziumdioxidschicht 5 mit einer geeigneten Dicke abgeschieden, so daß die Schwingungsfrequenz auf eine gewünschte Frequenz eingestellt wird. Dieses Verfahren zum Einstellen der Schwingungsfrequenz ist leicht, effektiv und präzise. Falls zum Beispiel ein Siliziumoxidfilm über der Siliziumdioxidschicht 5 durch Elektronenstrahlverdampfung abgeschieden wird, ist die Schallgeschwindigkeit in dem Lithiumtantalat schneller als in der Siliziumdioxidschicht und dem Siliziumoxidfilm in jener Reihenfolge, und als Resultat wird die Schwingungsfrequenz des akustischen Oberflächenwellenelements aus Lithiumtantalat durch das Vorhandensein der Siliziumdioxidschicht reduziert, welche durch das Vorhandensein des Siliziumoxidfilms weiter reduziert wird. Der Siliziumoxidfilm kann zum Beispiel durch einen Film aus Tantalpentoxid oder Siliziumnitrid ersetzt werden. Alternativ kann die Oberfläche der Siliziumdioxidschicht 5 geätzt werden, um die Schwingungsfrequenz des Elements zu erhöhen. Deshalb kann durch diese Verfahren zum Einstellen der Schwingungsfrequenz, besonders in Kombination mit einem gleichzeitigen Überwachen der Schwingungsfrequenz, ein akustisches Oberflächenwellenelement mit einer gewünschten Schwingungsfrequenz erhalten werden.
Figur 16 zeigt die Schwingungsfrequenz eines akustischen Oberflächenwellenelements mit einem Siliziumoxidfilm, der über der Siliziumdioxidschicht 5 (3,75 um dick) durch Elektronenstrahlverdampfung als Isolator 7 zum Einstellen der Schwingungsfrequenz gebildet ist, bezüglich der Dicke des Siliziumoxidfilms 7. Es ist ersichtlich, daß die Schwingungsfrequenz des Elements von 178,0 MHz auf 176,64 MHz reduziert wurde (Reduzierung um 1,36 MHz), wenn der Siliziumoxidfilm 7 eine Dicke von 0,2 um hatte, und deshalb kann die Schwingungsfrequenz von 177 MHz durch einen Siliziumdie Schwingungsfrequenz von 177 MHz durch einen Siliziumoxidfilm mit einer Dicke von 0,15 um erhalten werden.
Figur 17 zeigt die Veränderungsrate der Schwingungsfrequenz eines akustischen Oberflächenwellenelements mit einem Tantalpentoxidfilm als Isolator 7 zum Einstellen der Schwingungsfrequenz bezüglich der Dicke des Tantalpentoxidfilms 7. Die Veränderungsrate der Schwingungsfrequenz betrug etwa -0,29%, wenn der Tantalpentoxidfilm eine Dicke von 0,005 um hatte, und etwa -0,58% bei einer Dicke von 0,01 um.
Figur 18 zeigt die Veränderungsrate der Schwingungsfrequenz eines akustischen Oberflächenwellenelements mit einem Siliziumnitridfilm als Isolator 7 zum Einstellen der Schwingungsfrequenz bezüglich der Dicke des Siliziumnitridfilms 7. Die Veränderungsrate der Schwingungsfrequenz betrug etwa -0,67%, wenn der Siliziumnitridfilm eine Dicke von 0,18 um hatte, und etwa -1,1% bei einer Dicke von 0,3 um.
Figur 19 zeigt die Veränderungsrate der Schwingungsfrequenz eines akustischen Oberflächenwellenelements, bei dem die Siliziumdioxidschicht zum Einstellen der Schwingung geätzt wurde, bezüglich der Ätzzeit. Das Ätzen wurde durch Plasmaätzen in einer Atmosphäre aus Kohlenstofftetrafluorid oder einer Mischung aus Kohlenstofftetrafluorid mit einer angemessenen Menge Sauerstoff ausgeführt, durch die die Elektroden und Drähte zur Überwachung nicht korrodieren. Die Muster 1 bis 3 wurden unter den folgenden verschiedenen Ätzbedingungen geätzt: Tabelle Muster Frequenz MHz Strömungsrate von CF&sub4; SCCM Vakuum mTorr Leistung W
Die Veränderungsraten der Schwingungsfrequenz eines akustischen Oberflächenwellenelements werden linear mit der Ätzzeit verändert.
Unter erneuter Bezugnahme auf Fig. 1B hat das akustische Oberflächenwellenelement 1 gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung einen Pyroelektrizitätsverhinderungsfilm 8 an seinen Seitenwänden und seiner unteren Oberfläche. Pyroelektrizität tritt auf Grund einer Veränderung der Temperatur eines piezoelektrischen Materials auf und erzeugt elektrische Ladungen, die auf den Oberflächen des piezoelektrischen Materials gespeichert werden; dies ist unerwünscht, da dies eine Entladung und außerordentliche Schwingung verursachen kann. Der Pyroelektrizitätsverhinderungsfilm 8 kann aus dielektrischen Materialien wie Al&sub2;O&sub3;, SiO&sub2;, Ta&sub2;O&sub5;, B&sub4;C, SiC, TiC, TiO&sub2;, AIN, Si&sub3;N&sub4;; elektrischen Leitern wie Titan, Chrom, Gold; oder elektrisch leitfähigen Harzen hergestellt sein. Die Oberfläche des Lithiumtantalatsubstrats senkrecht zu der X-Achse des Lithiumtantalatkristalls ist theoretisch frei von Pyroelektrizität, aber geringfügige Defekte können durch Aussplittern während des Zertrennens entstehen, wodurch eine außerordentliche Schwingung verursacht wird, und deshalb wird jene Oberfläche vorzugsweise auch mit dem Pyroelektrizitätsverhinderungsfilm bedeckt. Die obere Oberfläche des Substrats ist zum Steuern der Temperaturcharakteristik des Elements in dieser Ausführungsform schon mit einer dielektrischen Schicht aus der Siliziumdioxidschicht 5 versehen, und deshalb ist auf dieser Oberfläche kein zusätzlicher dielektrischer Film zum Verhindern der Pyroelektrizität notwendig. Ferner sollte diese obere Oberfläche des Substrats auf Grund der Elektroden und Drähte kein elektrisch leitfähiges Material bedecken.
Figur 20A zeigt die außerordentliche Schwingung auf Grund von Pyroelektrizität eines akustischen Oberflächenwellenelements ohne eine Siliziumdioxidschicht 5 und eine Pyroelektrizitätsverhinderungsschicht 9, in der die Abszisse die Frequenz ist. Um die außerordentlichen Schwingungen auf Grund von Pyroelektrizität zu prüfen, wurde auf das Element ein Temperaturänderungsplan angewendet, wie in Fig. 21 gezeigt. Figur 20B zeigt die außerordentliche Schwingung auf Grund von Pyroelektrizität eines akustischen Oberflächenwellenelements mit einer Siliziumdioxidschicht 5 aber ohne eine Pyroelektrizitätsverhinderungsschicht 9. Es ist zu sehen, daß die außerordentliche Schwingung auf Grund von Pyroelektrizität durch die Siliziumdioxidschicht 5 beträchtlich reduziert wurde, aber noch auftrat. Figur 20C zeigt die außerordentliche Schwingung auf Grund von Pyroelektrizität eines akustischen Oberflächenwellenelements mit einer Siliziumdioxidschicht 5 und einer Pyroelektrizitätsverhinderungsschicht 9. Die außerordentliche Schwingung auf Grund von Pyroelektrizität wurde durch die Siliziumdioxidschicht 5 und die Pyroelektrizitätsverhinderungsschicht 9 vollkommen eliminiert.
Figuren 22 und 23 zeigen die Anzahl von außerordentlichen Schwingungen auf Grund von Pyroelektrizität in einer vorbestimmten Zeit von akustischen Oberflächenwellenelementen mit einer Siliziumdioxidschicht 5 und einer Pyroelektrizitätsverhinderungsschicht 9 aus verschiedenen dielektrischen Materialien bezüglich der Dicke der dielektrischen Schicht. Es ist ersichtlich, daß die außerordentliche Schwingung vollkommen verschwand, wenn die Dicke der dielektrischen Schicht 0,02 um oder mehr betrug.

Claims

1. Ein akustisches Oberflächenwellenelement mit:-

einem Substrat aus einem Einkristall Lithiumtantalat mit X-, Y- und Z-Kristallachsen und einer oberen Oberfläche und Seitenwänden;

Elektroden, die auf der oberen Oberfläche des Substrats gebildet sind, so daß eine akustische Oberflächenwelle ausgebreitet wird und eine Schwingung der akustischen Oberflächenwelle mit einer vorbestimmten Frequenz auftritt; und

einer Schicht aus Siliziumdioxid, die die Elektroden und das Substrat bedeckt;

dadurch gekennzeichnet, daß:-

das Substrat ein um 36º rotiertes Substrat mit Y-Schnitt ist und die akustische Oberflächenwelle in der Richtung der X-Achse des Substrats ausgebreitet wird;

die Elektroden eine Dicke haben, die gleich 1 bis 4% von einer Wellenlänge der akustischen Oberflächenwelle bei der Schwingung beträgt; und

die Siliziumdioxidschicht durch Plasma-CVD abgeschieden ist, welche Siliziumdioxidschicht einen Brechungsindex von 1,445 bis 1,486 und eine Dicke hat, die gleich 16 bis 26% von der Wellenlänge der akustischen Oberflächenwelle bei der Schwingung beträgt.

2. Ein akustisches Oberflächenwellenelement nach Anspruch 1, bei dem die Siliziumdioxidschicht einen Brechungsindex von 1,450 bis 1,486 hat.

3. Ein akustisches Oberflächenwellenelement nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die Elektroden eine Dicke haben, die gleich 2 bis 3% von einer Wellenlänge der akustischen Oberflächenwelle bei der Schwingung beträgt.

4. Ein akustisches Oberflächenwellenelement nach Anspruch 1, 2 oder 3, bei dem die Siliziumdioxidschicht eine Dicke hat, die gleich 18 bis 22% von der Wellenlänge der akustischen Oberflächenwelle bei der Schwingung beträgt.

5. Ein akustisches Oberflächenwellenelement nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 4, das einen Temperaturkoeffizienten der Schwingungsfrequenz von nicht mehr als 5 ppm/ºC hat.

6. Ein akustisches Oberflächenwellenelement nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 5, das ferner einen über der Siliziumdioxidschicht abgeschiedenen Isolierfilm zum Einstellen der Schwingungsfrequenz hat.

7. Ein akustisches Oberflächenwellenelement nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 6, das ferner wenigstens an den Seitenwänden des Substrats eine dielektrische Schicht zum Verhindern von Pyroelektrizität hat.

8. Ein akustisches Oberflächenwellenelement nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 7, das ferner wenigstens an den Seitenwänden aber nicht auf der oberen Oberfläche des Substrats eine elektrische Leiterschicht zum Verhindern von Pyroelektrizität hat.

9. Ein akustisches Oberflächenwellenelement nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 8, das ferner einen Ätzstopper aus einem Metall auf den Elektroden und Außendrähte hat, die mit ihnen durch Fenster der Siliziumdioxidschicht verbunden sind, die auf dem Ätzstopper gebildet sind.