FR2474243A1 - Dispositif generateur d'ondes acoustiques de surface - Google Patents
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Abstract
LA PRESENTE INVENTION CONCERNE UN DISPOSITIF GENERATEUR D'ONDES ACOUSTIQUES DE SURFACE QUI COMPREND UN SUBSTRAT A MULTICOUCHES. LE SUBSTRAT COMPREND AU MOINS UNE COUCHE D'OXYDE DE ZINC PIEZOELECTRIQUE 5, UNE COUCHE INTERMEDIAIRE 3 EN OXYDE DE SILICIUM ET UNE BASE 2 EN A-ALO. CE DISPOSITIF PEUT FONCTIONNER DANS LES ULTRA-HAUTES FREQUENCES.
Description
1.
La présente invention concerne un dispositif généra-
teur d'ondes acoustiques de surface, et, plus particulière-
ment, une construction de dispositif générateur d'ondes
acoustiques de surface.
Les dispositifs générateurs d'ondes acoustiques de
surface sont obtenus par construction d'une électrode lamel-
laire sur une base piézoélectrique. La largeur de cette élec-
trode est proportionnelle à la longueur d'onde (À) de l'onde acoustique de surface. Cette longueur d'onde (<) est donnée par la relation X=v/f o v est la vitesse de propagation de
l'onde acoustique de surface (son) et f la fréquence de l'on-
de acoustique. Par conséquent, dans le cas o la fréquence (f)
est élevée, la longueur d'onde (X) est petite; les dimen-
sions de l'électrode doivent alors être petites, ce qui con-
duit à diminuer le débit de ces dispositifs. Il existe donc un besoin de bases pour des dispositifs générateurs d'ondes acoustiques de surface devant être utilisés dans la zone des hautes fréquences pour la propagation la plus rapide possible
des sons.
Dans le passé, diverses sortes de verre, par exemple
du quartz fondu comportant une couche d'oxyde de zinc piézo-
électrique ont été utilisées comme base des dispositifs géné-
rateurs d'ondes acoustiques de surface. Mais dans ce cas, la vitesse de propagation du son est extrêmement petite et le 2. coefficient de couplage électromagnétique effectif K, facteur fondamental des caractéristiques de ces dispositifs, ne peut
avoir une valeur satisfaisante.
Par exemple, pour une base en quartz fondu comportant une couche d'oxyde de zinc, la vitesse de propagation du son
(v) est d'environ 2,7 km/s et le coefficient K2 d'environ 3 %.
Un matériau bien connu ayant un coefficient de cou-
plage (K 2) élevé est le LiNbO3 cristallin. La valeur de K
pour LiNbO3 cristallin est au plus de 5 à 6 %, selon l'orien-
tation des cristaux. La vitesse de propagation du son est au plus de 4 km/s. Cependant, le coefficient de température de la fréquence TC(f) (= (l/f) (af/aT), (o f est une fréquence de l'onde acoustique de surface et T une température), facteur important déterminant les caractéristiques d'un dispositif générateur d'ondes acoustiques de surface est -77 ppm/0C et par conséquent l'absence de stabilité de la température est un inconvénient.
D'autre part, comme matériau propageant le son rapide-
ment, il existe un matériau piézoélectrique tel que le nitru-
re d'aluminium. Pour le nitrure d'aluminium, la vitesse de pro-
pagation du son atteint 6 km/s, et par conséquent les dimen-
sions d'une électrode lamellaire sont relativement importantes et une telle électrode peut être traitée facilement. Mais la
formation d'un film de nitrure d'aluminium n'est pas facile.
Comme autre exemple d'un tel matériau, un substrat en couches constitué d'une base en a-alumine monocristalline et d'une
couche monocristalline d'oxyde de zinc piézoélectrique à crois-
sance directe et épitaxiale placée sur la couche précédente a
été jusqu'ici étudié. Cependant, pour la production de la cou-
che monocristalline, il est nécessaire d'élever la températu-
re de la base à une valeur atteignant 5000C, ou plus, et cela
soulève des problèmes de production ainsi que d'autres pro-
blèmes. A une température inférieure à 5000C,la cristallinité
est inférieure. En outre, la vitesse de croissance de la cou-
che cristalline est faible et d'au plus 100 A/mn, et par
conséquent, la fabrication demande beaucoup de temps.
Les problèmes exposés ci-dessus ont été résolus par 3. le dispositif de la présente invention. Ainsi,un objet de la présente invention est de prévoir des dispositifs générateurs d'ondes acoustiques de surface o la vitesse de propagation
du son est élevée et o le coefficient de couplage électro-
mécanique effectif est amélioré. Un autre objet de la présente invention est de prévoir un dispositif générateur d'ondes acoustiques de surface ayant
des caractéristiques de température améliorées.
Un autre objet de la présente invention est de pré-
voir des dispositifs générateurs d'ondes acoustiques, de sur-
face qui aient de meilleures caractéristiques dans la zone
des hautes fréquences.
Un autre objet de la présente invention est de prévoir un dispositif générateur d'ondes acoustiques de surface ayant
une structure permettant leur fabrication en série.
D'autres objets, caractéristiques et avantages de la
présente invention apparaîtront plus complètement dans la des-
cription suivante.
Selon la présente invention, on prévoit un substrat
multicouche qui comprend une couche d'oxyde de zinc piézoélec-
trique, une couche intermédiaire d'oxyde de silicium et une base en oalumine. La présente invention prévoit ainsi un
dispositif générateur d'ondes acoustiques de surface qui com-
prend un substrat à multicouche.
La présente invention sera bien comprise lors de la
description suivante faite en liaison avec les dessins ci-
joints dans lesquels:
La figure 1 est une vue en coupe partielle d'un dis-
positif générateur d'ondes acoustiques de surface selon la présente invention; La figure 2 est une courbe représentant la relation
entre l'épaisseur de la couche d'oxyde de zinc piézoélectri-
que et le coefficient de couplage électromécanique effectif; La figure 3 est une courbe représentant la relation
entre l'épaisseur de la couche d'oxyde de zinc piézoélectri-
que et la vitesse de propagation du son; La figure 4 est une courbe représentant la relation 4. entre l'épaisseur de la couche d'oxyde de silicium et le coefficient de température de la fréquence;
La figure 5 est une vue en coupe partielle d'un au-
tre mode de réalisation du dispositif de la présente inven-
tion; et La figure 6 est une courbe représentant la relation
entre l'épaisseur de la couche d'oxyde de zinc piézoélectri-
que et le coefficient de couplage électromécanique effectif
du mode de réalisation représenté en figure 5.
En liaison avec la figure 1, qui représente une vue en coupe du dispositif 1 de la présente invention, une couche d'oxyde de silicium 3 est formée sur une base 2 en cristal unique d'a-alumine (c'est-à-dire base dite à saphir) par dépôt de vapeurs et, sur une partie de cette couche, une électrode de court-circuit 4 est formée. L'électrode 4 est constituée d'une couche métallique ayant une petite épaisseur par rapport
à la longueur d'onde À. Puis une couche d'oxyde de zinc pié-
zoélectrique 5 est déposée par vapeur; enfin une électrode
lamellaire 6 est déposée sur la couche 5 de façon à se trou-
ver opposée à l'électrode 4. La couche d'oxyde de zinc, piézo-
électrique 5 peut être formée avec une orientation suivant
l'axe C, même à des températures de la base (substrat) rela-
tivement basses par la technique classique de pulvérisation.
La couche d'oxyde de silicium 3 produit un effet caractéris-
tique tel que la couche d'oxyde de zinc piézoélectrique 5 peut
être formée sous la forme polycristalline à la vitesse éle-
o vée de 100 à 1000 A/mn pour une température aussi basse que
-200'C car elle n'est plus influencée par le réseau cris-
tallin de la base 2 en a-alumine.
En liaison avec les figures 2 et 3, on décrira en détail les caractéristiques d'un dispositif générateur d'ondes acoustiques de surface dans lequel la base en a-alumine de
l'exemple précédent est une base ayant un plan (0112),disposi-
tif qui est construit-par dépôt sur ladite base d'une couche d'oxyde de silicium ayant une petite épaisseur par rapport à la longueur d'onde (À) de l'onde acoustique de surface, puis
par dépôt séquentiel sur celle-ci d'une électrode de court-
5. circuit constituée par exemple d'aluminium, d'une couche
d'oxyde de zinc polycristallin piézoélectrique et d'une élec-
trode lamellaire composée par exemple d'aluminium. L'élec-
trode de court circuit et l'électrode lamellaire sont formées chacune à une épaisseur inférieure au 1/50 environ de la lon-
gueur d'onde de sorte qu'elles ne peuvent influencer les ca-
ractéristiques de l'onde. Parmi les caractéristiques du dispo-
sitif générateur d'ondes acoustiques, les plus importantes sont le coefficient de couplage électromécanique effectif (K2) et
la vitesse de propagation du son (V). En liaison avec la figu-
re 2, la courbe 7 représente une relation entre le coefficient de couplage électromécanique effectif (K) et kd dans le cas o une onde acoustique se propage dans la direction de l'axe <o011> de la base en a- alumine du dispositif précédent, o kd est défini par l'équation kd = 2ird/X, d étant l'épaisseur de la couche en oxyde de zinc piézoélectrique, À la longueur d'onde de l'onde acoustique de surface et k une constante
d'onde à 2rr/X. En liaison avec la figure 3, la courbe 8 repré-
sente une relation entre la vitesse de propagation de l'onde acoustique de surface (V) et kd pour le même cas que le cas
précédent. Des courbes 7 et 8 on déduit que, lorsque l'épais-
seur de la couche d'oxyde de zinc piézoélectrique (d) est ré-
glée de façon à satisfaire la relation 0,8<kd<3,7 le coeffi-
cient (K) et la vitesse de propagation du son (V) tombent dans les plages suivantes 3 % < K2 < 5,5 % et 4,8 km/s <v -< 6,7 km/s respectivement. De cette façon, il est possible
d'obtenir un dispositif générateur d'ondes acoustiques de sur-
face dans lequel le coefficient K2 est égal ou supérieur au
coefficient K pour le dispositif classique cité ci-dessus com-
prenant une base en quartz fondu avec une couche d'oxyde de zinc piézoélectrique appliquée directement sur celle-ci, et dans lequel la vitesse de propagation du son est au moins 1,8 fois supérieure à celle du dispositif classique. Lorsque l'épaisseur de la couche d'oxyde de zinc piézoélectrique (d)
est réglée de façon que la relation 0,84 < kd < 2,45 soit sa-
tisfaite, un dispositif générateur d'ondes acoustiques de sur-
face peut alors être obtenu dans lequel la valeur K2 est
2474243.
6. au moins multipliée par 4/3 et la vitesse de propagation
du son est d'au moins 1,9 fois supérieure à celle du dispo-
sitif classique. En outre,lorsque l'épaisseur de la couche d'oxyde de zinc piézoélectrique (d) est réglée de façon à satisfaire la condition 0, 98 < kd < 1,75, on obtient alors
un dispositif générateur d'ondes acoustiques de surface ex-
cellent avec un coefficient K multiplié par 5/3 et une vi-
tesse de propagation du son (v) au moins 2,0 fois plus gran-
de par rapport aux valeurs obtenues avec le dispositif clas-
sique.
Le coefficient de température de la fréquence TC(f),
caractéristique importante pour un dispositif générateur d'on-
des acoustiques de surface en dehors de v et K2 sera mainte-
nant décrit en détail. En liaison avec la figure 4, on décri-
ra la caractéristique d'un dispositif générateur d'ondes
acoustiques de surface dans lequel la base en a-alumine du mo-
de de réalisation représenté en figure 1 comporte un plan (0,112), dispositif étant construit en disposant sur la base
une couche d'oxyde de silicium, puis en déposant sur celle-
ci une électrode de court-circuit, une couche d'oxyde de zinc
piézoélectrique et une électrode lamellaire, dans cet ordre.
En figure 4, la courbe 9 représente la relation entre le coef-
ficient de température de la fréquence TC(f) et kd' dans le
cas o une-onde acoustique de surface se propage dans la di-
rection de l'axe <0111> de la base en a-alumine du disposi-
tif et o l'épaisseur (d) de la couche d'oxyde de zinc satis-
fait la relation kd=l. En figure 4, kd' est en abscisse, et défini par la relation kd'=2ud'/X, o d' est l'épaisseur de la couche d'oxyde de silicium. De la courbe 9 on déduit que,
lorsque l'épaisseur de la couche d' est réglée de façon à sa-
tisfaire la relation 2 < kd' < 9, on obtient alors
-20 ppm/0C TC(f) 20 ppm/0C. De cette façon, on peut obte-
nir un dispositif générateur d'ondes acoustiques de surface perfectionné dont le coefficient de température est réduit
à environ 1/4 ou moins par rapport au dispositif classique.
Avec une épaisseur de la couche d'oxyde de silicium ajustée de façon à satisfaire la relation 3,2 < kd' < 6,3, on obtient 7.
un dispositif perfectionné dont le coefficient de températu-
re est réduit à environ 1/8 ou moins par rapport au dispo-
sitif classique. En outre, lorsque l'épaisseur de la couche d'oxyde de silicium d' est réglée de façon à satisfaire la relation 3,9 < kd' < 5,3, on obtient alors un dispositif ex- cellent dont le coefficient de température de la fréquence
est réduit à 1/20 ou moins par rapport au dispositif clas-
sique. Alors que la description précédente est axée sur le
cas o l'épaisseur d de la couche d'oxyde de zinc piézoélec-
trique satisfait la condition kd=l, le même effet par rap-
port à cette caractéristique peut sensiblement être obtenu lorsque l'épaisseur d de la couche se trouve dans la plage
0,8 c kd < 3,7.
Dans la figure 5, on a représenté un autre mode de
réalisation de la présente invention, o le dispositif géné-
rateur d'ondes acoustiques de surface est construit par dé-
pôt de vapeurs d'oxyde de silicium pour former une couche
13 sur une base 12 en a-alumine ayant une face (0112), forma-
tion d'une électrode lamellaire 14 sur une partie de la
couche, puis dépôt de vapeurs d'oxyde de zinc piézoélectri-
que pour former une couche 15 et enfin dépôt sur la couche *Drécédente d'une électrode de court-circuit 16 constituée d'un film métallique ayant une petite épaisseur par rapport à la longueur d'onde X de façon que l'électrode 16 se trouve
opposée à l'électrode 14.
Le dispositif générateur d'ondes acoustiques de sur-
face 11 sera maintenant décrit en détail. Lorsque l'épaisseur de la couche d'oxyde de silicium d' est suffisamment petite par rapport à la longueur d'onde X de l'onde acoustique de
surface, la vitesse de propagation du son v dans le disposi-
tif 11 ne présente aucune différence importante par rapport
à celle du dispositif 1 de la figure 1 et est presque iden-
tique à la valeur donnée par la courbe 8 de la figure 3.
D'autre part, le coefficient de couplage électromécanique effectif K2 est donnée par la courbe 17 de la figure 6. Dans les courbes 8 et 17-on voit que, lorsque l'épaisseur de la couche d'oxyde de zinc piézoélectrique (d) est réglée de 8.
façon à satisfaire la relation 0,8 < kd < 1,85, le coeffi-
cient K2 et la vitesse de propagation du son v pour le dispo-
sitif 1 tombent dans les fourchettes suivantes
3 % < K2 < 5,3 % et 5,3 km/s < v < 6,7.km/s respectivement.
De cette façon, on peut obtenir un dispositif égal ou supé- rieur, s'agissant du coefficient K, au dispositif classique cité précédemment comprenant une base en quartz fondu avec
une couche d'oxyde de zinc piézoélectrique disposée directe-
ment sur cette base; de plus, la vitesse de propagation du
son est d'au moins deux fois plus grande que dans le dispo-
sitif classique. Lorsque l'épaisseur d de la couche d'oxyde de zinc piézoélectrique d est réglée de façon à satisfaire la relation 0,84 < kd < 1,58, on obtient alors un dispositif perfectionné dont le coefficient K est au moins 4/3 fois plus grand et la vitesse de propagation du son aumoins 2,0 fois plus grande par rapport au dispositif classique. En outre, lorsque l'épaisseur d de la couché d'oxyde de zinc piézoélectrique est ajustée de façon à satisfaire la-relation 0,95 < kd < 1,30, on obtient un excellent dispositif dont le
coefficient K2 est au moins 5/3 fois plus grand et la vites-
se de propagation du son au moins 2,1 fois plus grande que
dans le dispositif classique.
En outre, lorsque l'épaisseur d de la couche d'oxyde
de zinc satisfait la relation kd=l, le-coefficient de tempé-
rature de la fréquence TC(f) pour le dispositif 11 de la figure 5 est sensiblement égal à la valeur donnée par la courbe 9 de la figure 4. De plus, lorsque l'épaisseur d de la couche d'oxyde de zinc se trouve dans la plage 0,8 < kd <
1,85,un effet sensiblement identique est obtenu.
Dans chacun des exemples précédents, il a été fait men-
tion des caractéristiques dans le cas o la base en a-alumine comporte un plan (0112). Cependant, en cas d'utilisation d'un
autre plan cristallographiquement équivalent au plan précé-
dent,tel qu'un plan (1012), on obtient sensiblement le même
effet.
Alors que dans chacun des exemples précédents, on a
procédé à une description des caractéristiques dans le cas o
9. le sens de propagation de l'onde acoustique de surface est
identique à la direction-de l'axe <0111> de la base en a-alu-
mine, on peut obtenir sensiblement le même effet lorsque l'on-
de se propage dans le sens d'un axe cristallographiquement équivalent audit axe,tel que l'axe <0111>. Même lorsque l'on- de se propage dans une direction autre que les axes <0111> et <0111> de chacun des exemples précédents, o la base en a-alumine a une face (0112) le même effet peut sensiblement être obtenu que dans le cas de la propagation dans le sens <0111> de l'axe <0111>. Ainsi, par exemple, on a trouvé que, lorsque l'onde acoustique de surface se propage dans une direction faisant un angle de 50 avec l'axe <0111>, le coefficient K2 est réduit d'environ 0, 3 % et la vitesse de propagation du son d'environ 1 % par rapport au cas d'une propagation dans le sens de l'axe <0111>. Par conséquent, alors que la propagation de l'onde dans le sens de l'axe <0111> de la base en aalumine donne des valeurs maximum pour le coefficient de couplage électromécanique effectif et
la vitesse de propagation du son, aucun problème n'est soule-
vé sur le plan pratique même dans le cas d'une propagation dans les autres directions axiales. Alors que, dans chacun
des exemples précédents, la couche en oxyde de zinc piézo-
électrique est polycristalline et dans l'orientation de l'axe
C, la direction normale à la base en a-alumine est identi-
que à la direction de l'axe <0001> de la base polycristalli-
ne, on a trouvé que les mêmes caractéristiques pouvaient être sensiblement obtenues si l'angle entre la direction de l'axe <0001> et la direction perpendiculaire à la base en
a-alumine était inférieure à 10 .
Comme il apparait dans la description précédente, le
dispositif générateur d'ondes acoustiques de surface de la
présente invention a un coefficient de couplage électromagné-
tique effectif de valeur élevée, permet une haute vitesse de
propagation du son, et en outre a des caractéristiques excel-
lentes dans la zone des hautes fréquences, ainsi que d'excel-
lentes caractéristiques de température, et par conséquent peut trouver une vaste gamme d'applications. Le dispositif de la
2474243.
10.
présente invention présente également beaucoup d'autres avan-
tages sur le plan industriel, tels que le fait que le traite-
ment de l'électrode dans la fabrication de dispositifs desti-
nés à être utilisés dans la zone des hautes fréquences est facilité et que le temps nécessaire à la formation des cou-
ches d'oxyde de zinc piézoélectrique.peut être réduit.
La présente invention n'est pas limitée aux exemples de réalisation qui viennent d'être décrits, elle est au contraire susceptible de variantes et de modifications qui
apparaîtront à l'homme de l'art.
il.
Claims (15)
1 - Dispositif générateur d'ondes acoustiques de sur-
face comprenant un substrat à multicouche, caractérisé en ce que le substrat à multicouche comprend au moins, dans l'ordre suivant,une base en monocristal a-Al203, une couche intermé- diaire d'oxyde de silicium, un film métallique,une couche d'oxyde de zinc piézoélectrique, et une électrode lamellaire, l'épaisseur du film métallique étant très inférieure à X et la couche en oxyde de zinc ayant une épaisseur comprise entre 0,8/k et 3,7/k, o k est une constante d'onde égale à 2rr/,
X étant la longueur d'onde de l'onde acoustique de surface.
2 - Dispositif selon la revendication en ce que l'épaisseur de la couche d'oxyde de
se entre 0,84/k et 2,45/k.
3 - Dispositif selon la revendication en ce que l'épaisseur de la couche d'oxyde de
se entre 0,98/k et 1,75/k.
4 - Dispositif selon la revendication en ce que l'épaisseur de la couche d'oxyde de
*comprise entre 2/k et 9/k.
- Dispositif selon la revendication en ce que l'épaisseur de la couche d'oxyde de
prise entre 3,2/k et 6,3/k.
6 - Dispositif selon la revendication 1, caractérisé
zinc est compri-
1, caractérisé
zinc est compri-
1, caractérisé silicium est 1, caractérisé
silicium est com-
1, caractérisé en
ce que l'épaisseur de la couche d'oxyde de silicium est compri-
se entre 3,9/k et 5,3/k.
7 - Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que la base en a-Al203 est constituée d'un monocristal ayant un plan cristallographique (0112) ou l'un des plans
cristallographiquement équivalents.
8 - Dispositif selon la revendication 7, caractérisé en ce qu'une direction de propagation de l'onde acoustique de surface est parallèle à un axe cristallographique <0111>
de la base en a-Al203 ou à l'un des axes cristallographique-
ment équivalents.
9 - Dispositif selon la revendication 8, caractérisé
en ce que la couche d'oxyde de zinc a une forme polycristal-
2474243.
12.
line, et en ce que l'angle entre l'axe <0001> du polycris-
tal et la direction perpendiculaire à la base en a-A1203 est
inférieur à 100.
- Dispositif générateur d'ondes acoustiques de sur-
face comprenant un substrat à multicouche, caractérisé en ce que le substrat à multicouche comprend au moins, dans l'ordre
suivant, une base en monocristal a-A1203, une couche intermé-
diaire en oxyde de silicium, une électrode lamellaire, une couche d'oxyde de zinc piézoélectrique et un film métallique l'épaisseur du film métallique étant très inférieure à À et la couche d'oxyde de zinc ayant une épaisseur qui est comprise entre 0,8/k et 1,85/k, o k est une constante d'onde égale à
2i/À,X étant la longueur d'onde de l'onde acoustique de sur-
face.
11 - Dispositif selon la revendication 10, caractéri-
sé en ce que, l'épaisseur de la couche d'oxyde de zinc est
comprise entre 0,84/k et 1,58/k.
12 - Dispositif selon la revendication 10, caractéri-
sé en ce que l'épaisseur de la couche d'oxyde de zinc est com-
prise entre 0,95/k et 1,30/k.
13 - Dispositif selon la revendication 10, caractéri-
sé en ce que l'épaisseur de la couche d'oxyde de silicium est
comprise entre 2/k et 9/k.
14 - Dispositif selon la revendication 10, caractérisé en ce que l'épaisseur de la couche d'oxyde de silicium est
comprise entre 3,2/k et 6,3/k.
- Dispositif selon la revendication 10, caractérisé en ce que l'épaisseur de la couche de silicium est comprise
entre 3,9/k et 5,3/k.
16 - Dispositif selon la revendication 10, caractéri-
sé en ce que la base en a-Al 203 est constituée d'un monocris-
tal ayant un plan cristallographique (0112) ou l'un des plans
cristallographiquement équivalents.
17 - Dispositif selon la revendication 16, caractéri-
sé en ce qu'une direction de propagation de l'onde acoustique de surface est parallèle à un axe cristallographique (0111) de la base en a-A1203 ou à l'un des axes cristallographiquement 13. équivalents.
18 - Dispositif selon la revendication 17, caractéri-
sé en ce que la couche d'oxyde de zinc a une forme polycris-
talline, et en ce que l'angle entre l'axe (0001) du polycris-
tal et la direction normale à la base en a-Al203 est infé-
rieur à 100.
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| DE2607837A1 (de) * | 1975-03-04 | 1976-09-16 | Murata Manufacturing Co | Wandler fuer elastische oberflaechenwellen |
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- 1980-12-19 GB GB8040768A patent/GB2069278B/en not_active Expired
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