KR100200179B1 - 표면파 장치 - Google Patents

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KR100200179B1
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미찌오 가도따
나오끼 미조구찌
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무라따 야스따가
가부시키가이샤 무라타 세이사쿠쇼
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    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
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    • H03H9/00—Networks comprising electromechanical or electro-acoustic devices; Electromechanical resonators
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    • H03H9/02543—Characteristics of substrate, e.g. cutting angles
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Abstract

본 발명은 산화탄탈리튬(LiTaO3) 단결정기판 2위에, 적어도 1개의 교차지트랜스듀서(interdigital transducer : IDT)5를 형성하고, 이 교차지 트랜스듀서 5를 덮을 수 있게 산화연(ZnO)박막 6을 형성하여 이루어지며, ZnO 박막의 막두께를 H로, 여진되는 러브파의 파장을 λ로 나타낼때, H/λ비가 0.01∼0.2의 범위가 되는 러브파를 이용한 표면파 장치.

Description

표면파 장치
제1a도는 본 발명의 실시예에 따른 표면파 장치를 나타낸 사시도이며.
제1b도는 제1a도의 B-B선을 따라 자른 단면도이고;
제2도는 본 발명의 실험예에 따른 표면과 공진자에 있어서의 H/λ비에 대한 표면파 위상 속도의 의존성을 나타낸 것이며,
제3도는 본 발명의 실험예에 따른 표면과 공진자에 있어서의 H/λ비에 대한 전기기계 결합계수 K의 의존성을 나타낸 것이고,
제4도는 본 발명의 실험예에 따른 표면파 공진자에 있어서의 전형적인 임피던스의 주파수 특성을 나타낸 것이며,
제5도는 본 발명의 실험예에 따른 표면파 공진자에 있어서의 온도에 대한 공진 주파수의 변화를 나타내는 것이고,
제6도는 Y-커트 X-전파(Y-cut X-propagation) 산화니오브리튬(LiNbO3) 기판의 회전각을 변화시켰을 경우의 H(ZnO)/λ 비에 대한 전기기계 결합계수 K의 의존성을 나타낸 것이며,
제7도는 금속화도(金屬化度 : metallization ratio)를 나타내기 위한 전극의 일부분의 부분 확대 평면도이고,
제8도는 본 발명의 실시예에 따른 표면과 공진자와 종래의 표면파 공진자의 금속화도에 대한 전기기계 결합계수 K의 의존성을 나타낸 것이며,
제9도는 종래의 러브파를 이용한 표면파 공진자의 H(Au)/λ 비에 대한 위상 속도의 의존성을 나타낸 것이고,
제10도는 종래의 러브파를 이용한 표면과 공진자에 있어서 H(Au)/λ 비에 대한 전기기계 결합계수 K의 의존성을 나타낸 것이며,
제11도는 본 발명의 다른 실시예에 따른 표면과 공진자의 H/λ 비에 대한 위상 속도의 의존성을 나타낸 것이고,
제12도는 본 발명의 상기 실시예에 따른 표면과 공진자의 H/λ 비에 대한 전기기계 결합계수 K의 의존성을 나타낸 것이며,
제13도는 36。 Y-커트 산화탄탈리튬(LiTaO3) 기판 위에 산화아연(ZnO) 박막을 형성한 경우, 산화아연 박막의 상대적 막두께 H/λ 비와 표면파의 음속과의 관계를 나타낸 것이고,
제14도는 36。 회전 Y-커트 산화탄탈리튬(LiTaO3) 기판 위에 산화아연(ZnO) 박막을 형성한 경우, 산화아연 박막의 막두께 H/λ 비와 전기기계 결합계수 K의 관계를 나타낸 것이며,
제15도는 36。 회전 Y-커트 산화탄탈리튬(LiTaO3) 기판 위에 황화카드늄(CdS) 박막을 형성한 경우, 황화카드늄 박막의 상대적 막두께 H/λ 비와 전기기계 결합계수 K의 관계를 나타낸 것이고,
제16도는 본 발명이 적용되는 전형적인 표면파 장치를 보여주는 사시도이다.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
1 : 표면파 장치 2 : Y-커트 X-전파의 LiNbO3기판 2
3, 4 : 빗전극 5 : IDT
6 : 산화아연(ZnO) 박막
본 발명은 러브파(Love wave)를 이용한 표면파 장치에 관한 것이며, 더욱 상세하게는, 산화아연(ZnO)이나 산하탄탈(Ta2O5)의 압전박막(壓電薄膜)/전극/압전단결정 기판(壓電單結晶 基板)으로 이루어지는 3층 구조를 갖는 표면파 장치에 관한 것이다.
예를 들어, VHF(초단파) 또는 UHF(극초단파) 주파수대의 휴대용 무전 통신기에서는 소형화, 경량화 및 저소비전력화가 요구되고 있다. 특히, 이러한 휴대용 무전 통신기에서 채널 선택용으로 이용되는 국부발진기(local oscillator)는 다채널 통신(multichannel communication)에 대응하기 위하여 광대역화(wide band)가 또한 요구된다. 따라서, 상기 국부발진기의 중요한 부분인 전압제어형 발전기(voltage controlled oscillator : VCO)도 또한 소형화, 경량화, 저소비전력화 및 광대역화를 요구하고 있다.
통상적으로, 탄성표면파(surface acoustic waves)를 이용한 표면파 공진자(surface wave resonator)로서는 레일리파(Rayleigh wave)를 이용한 것을 널리 사용하고 있다. 그러나, 레일리파를 이용한 표면파 공진자에서는, 전기기계 결합계수 K가 작기 때문에 광대역화를 꾀하기가 어려웠다. 따라서 전기기계 결합계수 K가 크고, 광대역화를 실현할 수가 있는 장치로서 러브파를 이용한 표면파 공진자가 주목받고 있다.
러브파를 이용한 종래의 표면파 공진자는 Y-커트 X-전파(Y-cut X-propagation)의 산화니오브리튬(LiNbO3) 기판 위에 금(Au), 은(Ag) 또는 백금(Pt)의 박막(薄膜)으로 이루어지는 교차지 트랜스듀서(interdigital transducer : 이하 'IDT'라고 한다)를 형성한 구조를 갖는다. IDT는 서로 맞끼워지는 복수개의 전극지(electrode finger)를 갖는 한쌍의 빗전극(comb electrode)으로 이루어진다. 이런 구조에 따르면, LiNbO3보다 느린 음속을 갖는 금속을 LiNbO3기판 위에 형성하여, 2층 구조에 의해 러브파를 여진(勵振)시키고(들뜨게 만들고)있다. 기판보다 음속이 느린 전극들은 전술한 바 있는 금, 은 또는 백금과 같은 금속들이 재료로서 사용되어 왔다.
예를 들어, 이러한 표면과 공진자가 금(Au) 전극이나 Y-커트 X-전파의 LiNbO3기판을 사용하는 경우, 전기기계 결합계수 K가 약 58%로 큰 값을 가지며, 이로 인하여 광대역화가 꾀할 수 있게 된다.
그러나, 이런 경우 금(Au), 은(Ag) 또는 백금(Pt)등의 금속들은 매우 비싸기 때문에 표면파 공진자의 비용이 높아진다는 문제가 있었다.
더우기, 전극/ LiNbO3기판의 2층 구조를 갖는 러브파를 이용한 종래의 표면파 공진자로서는 낮은 주파수를 갖는 장치를 구성하는 것이 어렵다는 문제도 있었다. 예를 들어, 금속 전극으로서 금(Au)을, 기판으로서 Y-커트 X-전파 LiNbO3기판을 사용한 경우, 각각의 전극의 막두께를 H(Au)로 하고, 여진되는 러브파의 파장을 λ로 나타날 때, 저주파수에서는 H(Au)/λ비가 0.025 이상이 되지 않는 경우 러브파는 여진되지 않는다. 그러므로, 저주파수에서는 전극의 막두께를 H/λ비=0.025 이상으로 증가시켜야만 한다. 그러나 이러한 경우, 사이드 에칭(side etching)이나 에칭액(etching solution)이 저항체(resist)와 전극사이에 스며들어서, 희망하는 주파수대에서 전극지를 만드는 것이 어렵고, 희망하는 특성을 갖는 표면파 장치를 얻기가 어렵다.
더우기, Au 전극을 사용한 종래의 러브파 장치에서는, 공진 주파수의 온도 의존성이 비교적 커서 온도 변화에 따라 특성의 변동이 비교적 크다는 문제도 있었다.
그러므로, 본 발명의 목적은 값싼 전극재료를 사용하여 구성할 수가 있고, 전극의 막두께를 증가시키지 않고도 더 낮은 주파수에서 사용할 수가 있으며, 공진 주파수의 온도에 의한 변화도을 감소시킬 수 있는 구조를 갖춘 러브파를 이용한 표면파 장치를 제공하는데 있다.
넓은 견지에서, 본 발명에 따른 러브파를 이용한 표면파 장치는 압전기판과 상기의 압전기판 위에 형성된 적어도 1개의 IDT 및 상기의 IDT를 덮기 위해 압전기판 위에 형성되며 압전기판을 구성하고 있는 재료에 비해 표면파의 전파 속도가 더 느린 재료로 만든 압전박막으로 이루어진다. 이런 구조의 표면파 장치에서는, 박막의 막두께를 H로, 여진되는 러브파의 파장을 λ로 나타낼때, H/λ비가 0.01∼0.2의 범위에 있다.
전술한 압전기판으로는, 예를 들어, LiNbO3기판, 바람직하게는 0∼30。회전 Y-커트 X-전파의 LiNbO3기판 또는 LiTaO3기판, 바람직하게는 36。회전 Y-커트 LiTaO3기판이 사용된다.
본 발명자는 LiNbO3기판이나 LiTaO3기판 위에 전극을 형성하고, 다시 전극 위에 압전기판에 비교하여 더 느린 표면파의 전파 속도를 갖는 압전박막을 형성한 3층 구조를 이용함으로써, 전극의 막두께와 전극재료의 질량과의 관계에 심한 제약을 받지 않으면서도 러브파를 여진시킬 수 있음을 밝혀내고, 본 발명을 완성하게 되었다.
본 발명에 따르면, 상기의 압전기판 위에 적어도 1개의 IDT가 형성되어 있으며, 상기의 IDT를 덮는 박막이 형성되어 있다. 더우기, 박막의 막두께 H와 여진되는 러브파의 파장을 λ와의 H/λ비가 0.01∼0.2의 범위 내에 있고, 따라서 전극의 막두께를 변동시켜도 확실히 충분한 크기의 전기기계 결합계수를 갖도록 러브파를 여진시킬 수가 있으며, 이는 후술하는 실시예에서 명백히 밝혀진다.
상기의 H/λ비가 0.01∼0.2의 범위로 되어 있는 것은, 0.01 미만에서는 러브파를 여진시킬 수 없기 때문이며, 반면, 0.2를 넘으면 전기기계 결합계수가 작아져서 광대역화를 도모할 수가 없기 때문이다.
압전기판 보다도 표면파의 전파 속도가 느린 재료로 만든 압전박막으로서는, 예를 들어, 산화아연(ZnO) 박막, 황화카드뮴(CdS) 박막, 산하탄탈(Ta2O5)박막 등의 압전 박막을 들 수 있다.
바람직하기로는 H/λ비가 36。회전 Y-커트 LiTaO3기판을 압전기판으로 사용한 경우 0.02∼0.13의 범위가 좋다. 반면, 압전기판을 ZnO 박막으로 만든 경우 H/λ비가 0.01∼0.13의 범위가 좋고, CdS 박막을 사용하는 경우에는, H/λ비가 0.01∼0.10의 범위가 좋다.
또 1∼36。회전 Y-커트 X-전파 LiTaO3기판을 압전기판으로 사용하는 경우H/λ비가 0.05∼0.2의 범위가 바람직하다.
본 발명에 따르면, 압전박막/IDT/압전기판의 3층 구조에 의해 러브파가 여진되는 표면파 장치를 얻을 수 있다. 더우기, 이런 구조에 따르면, 여진되는 러브파의 파장 λ에 대한 박막의 막두께 H의 비, H/λ비를 0.01∼0.2의 범위로 함으로써, 전기기계 결합계수 K를 적어도 40%까지 증가시키고, 넓은 주파수대의 표면파 공진자를 구성할 수 있다. 게다가, 전극의 막두께를 일정하게 유지한 채로 H/λ비를 변경함으로써 공진 주파수를 변화시키는 것이 가능해진다. 따라서, 보다 낮은 공진 주파수를 갖는 표면파 공진자를 제공하는 것이 가능해지며, 이는 종래의 Au 전극/Y-커트 X-전파 LiNbO3기판의 2층 구조를 갖는 러브파를 이용한 표면파 공지자로서는 획득하기 얻려웠던 공진주파수에 해당된다.
또 본 발명에 따른 표면파 장치에서는, 고유주파수(frequency characteristics)의 온도 의존성이 종래의 러브파를 이용한 표면파 공진자에 비하여 감소되며, 따라서 온도 변화에 대하여 안전한 표면파 장치를 제공할 수 있다.
그러므로, 본 발명에 따르면, 공진과 같은 전기적 특성 뿐만 아니라 온도 특성도 뛰어난 표면파 장치를 얻는 것이 가능해진다.
바람직하게는, 상기의 IDT 및 박막은, 압전단결정 기판(piezoelectric single-crystalline substrate)의 + 면에 형성시키는 것이 좋고, 이로써 보다 큰 전기기계 결합계수 K를 얻을 수 있다. 여진에서 기판의 +면이란 것은 기판에 응력을 가하였을 때 + 전하가 주로 충전되는 면을 나타낸 것이다. 본 발명자는, LiNbO3기판 위에 IDT 및 상술한 박막을 형성한 3층 구조에 있어서, 기판의 극성에 의해 발생되는 표면파의 전파 특성의 차이를 조사했다. 그결과, IDT 및 박막을 LiNbO3기판의 +면에 형성했을때, -면에 형성했을 때에 비해 보다 큰 전기기계 결합계수 K를 얻을 수가 있었고, 박막의 막두께 H에 대한 전기기계 결합계수 K의 허용치도 크다는 것을 발견했다. 따라서, IDT 및 박막을 LiNbO3기판 등과 같은 압전단결정 기판의 +면 위에 형성하는 것이 바람직하다.
표면과 공진자 외에, 본 발명은 또 러브파를 이용한 표면파 필터(surface filter)와 같은 다른 형태의 표면파 장치에도 적용할 수가 있다.
이하, 본 발명의 다른 목적들, 특징, 분야 및 효과 등을 도면을 참고하여 본 발명의 비제한적 실시예를 들어 보다 더 상세하게 설명한다.
[실시예 1]
제1a도는 본 발명의 실시예에 따른 표면파 장치 1을 나타낸 사시도이며, 제1b도는 제1a도의 B-B선을 따라 자른 단면도이다.
표면파 장치 1은 러브파를 이용한 표면파 공진자의 도구로서 이용되는 것이다. 이 표면파 장치 1은 Y-커트 X-전파의 LiNbO3기판 2와 LiNbO3기판 2의 윗면에 빗전극 3과 4의 다수개의 전극지가 서로 맞끼워지도록 배열되어 있는 IDT 5를 포함하고 있다. IDT 5는 본 실시예에서는 알루미늄(Al)으로 이루어지지만, 다른 금속재료, 예를 들어, 구리(Cu), 니켈(Ni)등의 금속재료로 만들어져도 무방하다.
IDT 5를 덮기 위해, LiNbO3기판 위에 산화아연(ZnO) 박막 6이 형성되어 있다. 본 실시예에 따르면, ZnO 박막 6의 막두께를 H로, 여진받는 러브파의 파장을 λ라고 할때, H/λ비가 0.05∼0.2의 범위가 되며, 이는 후술하는 실험 예에서도 명백해진다.
H/λ비를 0.05∼0.2의 범위로 해야하는 이유는 이하의 실험예에 근거하여 설명한다.
LiNbO3기판 2로서 폭 2.0㎜, 길이 1.8㎜ 및 두께 0.5㎜의 것을 마련하고, 기판의 윗면에 전극지 사이의 핏치와 두께를 변화시켜 다양한 IDT 5와 ZnO 박막 6을 형성하여, 여러 형태의 표면파 공진자를 만들었다. 이렇게 하여 얻은 표면파 공진자에 대하여, 위상 속도 및 전기기계 결합계수 K를 측정했다. 그 결과를 제2도 및 제3도에 나타내었다. 제2도는 위상 속도를 나타낸 것으로 open 곡선은 IDT 판 위가 전기적으로 개방된 상태에서의 값이며, short 곡선은 IDT 판 위가 전기적으로 폐쇄된 상태에서의 값을 나타낸다.
제2도와 제3도에서 알수 있는 바와 같이, H(ZnO)/λ비가 0.05 이상일때 러브파가 여진되고 있다. 또 전기기계 결합계수 K가 0.05에서 적어도 50%로서 비교적 높고, H(ZnO)/λ가 커짐에 따라 감소하지만, 상기 비가 0.2에서는 여전히 40%이상이었다. 따라서 본 발명에서는 H/λ비가 0.05∼0.2의 범위로 하는 것이 필요하다.
하기의 표 1은 종래의 러브파를 이용한 표면파 공진자, 레일리파를 이용한 표면파 공진자 및 본 실시예의 러브파를 이용한 표면파 공진자의 전기기계 결합계수 K, 주파수의 온도 의존성(공진 주파수를 fr로, 공진 주파수의 변화량을 △fr로 나타낸 경우, 단위 온도에서의 △fr/fr비의 변화율, 단위는 ppm)을 나타낸 것이다.
표 1에서, LN은 LiNbO3기판을, Y-X는 Y-커트 X-전파 기판을 나타낸 것이다.
비교를 위하여, 전극으로서 Au를 사용하고, 기판으로서는 Y-커트 X-전파의 LiNbO기판을 사용한 종래의 러브파를 이용한 표면파 장치에 있어서의 위상 속도 및 전기기계 결합계수 K와 전극의 막두께(Au)/λ와의 관계를 제9도와 10도에 나타내었다. 제9도에서 open 곡선은 IDT 판 위가 전기적으로 개방된 상태에서의 값이며, short 곡선은 IDT 판 위가 전기적으로 폐쇄된 상태에서의 값을 나타낸다.
표 1, 제9도 및 제10도에서 명백히 알 수 있는 바와 같이, LiNbO기판과 기판 위의 Au 전극으로 이루어진 종래의 표면파 공진자에서는, H(Au)/λ비가 적어도 0.025이상이 아니면 러브파가 여진되지 않는다. 따라서, 전극의 막두께를 증가시키지 않으면(파장은 증가되었다), 저주파수의 표면파 공진자를 얻는 것이 불가능하였다.
또 표 1에서 명백하게 알수 있는 바와 같이, 레일리파를 이용한 종래의 표면파 공진자에서는 전기기계 결합계수 K가 기판의 종류와 관계없이 기껏해서 30%이고, 따라서 광대역화를 꾀할 수 없다는 것을 알 수 있다.
반면, 본 실시예에 따른 표면파 공진자에서는, H/λ비가 0.09일때와 0.16일때, 전기기계 결합계수 K가 적어도 40%로 높고, 광대역화를 쉽게 꾀할 수 있다는 것을 알 수 있다.
게다가, 제3도에서도 알 수 있는 바와같이, 전극의 막두께를 일정하게 한경우도, ZnO 박막의 막두께가 바뀜으로써 전기기계 결합계수 K가 변동하기 때문에 저주파수의 장치를 전극의 막두께를 증가시키지 않고서도 제작할 수 있다.
또 전술한 방법에 따라 얻은 본 실시예의 표면파 공진자에서, 전극지 사이의 핏치가 4.5㎛이고, 전극지의 교차폭이 526㎛이며, 후술하게 되는 금속화도(metalization ratio)가 0.51인 25쌍의 전극지를 갖는 Al으로 형성되는 IDT 5와; 박막의 두께가 2.0㎛인 ZnO박막으로 이루어진 표면파 공진자에 대하여, 임피던스 고유 진동수 및 온도 변화에 따른 공진 주파수의 변화율 △fr/fr를 측정했다. 그 결과를 제4도와 제5도에 나타내었다.
제5도에서 명백히 알 수 있는 바와 같이, 본 실시예에 따른 표면파 공진자는 온도에 대한 주파수의 변화율 TCF가 -66ppm/℃이며, 이는 TCF값이 -112/℃(표 1참조)인 종래의 러브파를 이용한 표면파 공진자에 비하여 훨씬 좋은 것이다. 그러므로, 본 발명에 따른 공진 주파수의 온도 의존성을 감소시킬 수 있다.
또 상기한 바와 같은 IDT를 커드 각(cut angle)이 다른 3종류의 LiNbO기판 위에 형성하고, 전기기계 결합계수 K와 H/λ비와의 관계를 조사했다. 그 결과를 제6도에 나타내었다. 제6도에서, θ=0。, 15 및 30。는 각각 사용한 기판이, Y-커트 X-전파 LiNbO기판, 15。회전 Y-커트 X-전파 LiNbO기판 및 30。회전 Y-커트 X-전파 LiNbO기판이란 것을 보여준다. 제6도에서 명백하게 알 수 있듯이, 회전각이 30。까지의 범위 내에서, 사용한 모든 Y-커트 X-전파 LiNbO기판들은 H(ZnO)/λ비가 0.05∼0.25의 범위내에서 전기기계 결합계수 K가 충분한 크기가 된다는 것을 알 수 있다.
다음에 IDT에서의 금속화도에 의한 전기기계 결합계수의 변화를 실험을 통하여 확인하였다. 제7도에서 확대하여 나타낸 바와 같이, IDT에서, 전극지의 폭 a의 전극지 사이 핏치 b에 대한 비, 즉 금속화도(金屬火度 ; metallization ratio)=a/b를 변화시켜, ZnO 박막/Al으로 된 IDT/Y-커트 X-전파 LiNbO기판으로 구성된 표면파 공진자들의 샘플들를 준비하고, 전기기계 결합계수 K를 측정하였다. ZnO 박막의 막두께는 3㎛로 하고, Al으로 이루어진 IDT의 막두께는 3000Å으로 하였다.
그 결과를 표 2및 제8도에 나타내었다. 비교에 도움이 되게 하기 위해, 제8도에 있어서는, Y-커트 X-전파의 LiNbO기판과 그 기판 위에 막두께 1.0㎛의 Au 박막으로 이루어진 IDT를 형성한 종래의 표면과 공진자(금속화도=0.5)에 있어서의 전기기계 결합계수 K와 금속화도와의 관계를 나타내었다.
표 2 및 제8도에서 명백하게 알 수 있는 바와 같이, 본 실시예에 따른 표면파 공진자에서는, 금속화도가 0.1∼0.7인 경우에도 적어도 40%의 전기기계 결합계수 K를 얻을 수 있으며, 특히 금속화도가 0.2∼0.7인 경우에는, 금속화도가 높아짐에 따라 전기기계 결합계수 K가 높아진다.
Au 전극을 사용한 러브파 공진자에서는, 금속화도가 적어도 0.5가 아니면 여진되지 않는다. 상술한 바와 같이, 본 발명의 러브파를 이용한 표면파 공진자에서는, 금속화도를 기껏 0.5 이하로 하여도 전기기계 결합계수 K를 적어도 40%로 있다. 따라서 금속화도가 기껏해야 0.5인 경우에서도, 광대역의 표면파 공진자를 얻을 수 있다. 또 금속화도가 0.1이하인 경우 공진자를 제조하는 것은 어렵다. 한편, 금속화도가 0.7이상인 경우에는 전기기계 결합계수 K가 현저하게 저하한다. 그러므로, 금속화도는 0.1∼0.7의 범위가 바람직하다.
제6도를 참고로 하면, θ=15。에서 H(ZnO)/λ=0.11 근처에서 특성 곡선이 분단되어 있지만, 이는 상기의 H(ZnO)/λ비 부근에서 모드의 변화가 생긴 탓이라 여겨진다.
[실시예 2]
본 발명자는, 제1a도 및 1b도에서 나타낸 바와 같이, 러브파를 이용한 표면파 공진자에서, Y-커트 X-방향 전파의 LiNbO기판의 +면 위에 IDT와 ZnO 박막을 형성하는 경우와 -면 위에 이들을 형성한 경우에 비하여 전기기계 결합계수 K가 증가됨을 발견하였다.
이하에서, 실험에에 근거하여, IDT 및 ZnO 박막을 LiNbO기판의 +면에 형성하였을 때와 -면에 형성하였을 때의 러브파 전파 특성의 차이에 대하여 설명하겠다.
폭 2.0㎜, 길이 1.8㎜, 두께 0.5㎜의 LiNbO기판을 마련하고; 이 기판의 +면과 -면 위에 전극지 사이의 핏치를 변경시켜 다양한 IDT를 형성하고; 막의 두께를 변경시켜 여러가지 ZnO 박막을 형성하여, 여러가지의 표면파 공진자를 만들었다. 이렇게 하여 얻은 표면파 공진자에 대하여, 위상 속도 및 전기기계 결합계수 K를 측정했다. 그 결가를 제11도 및 제12도에 나타내었다. 이러한 도면에서, 실선은 LiNbO기판의 +면 (이하 '+면'이라 한다)위에 IDT 및 ZnO 박막이 형성되어 있는 샘플의 실험 결과를 나타낸 것이며, 점선은 LiNbO기판의 -면 (이하 '-면'이라 한다)위에 IDT 및 ZnO 박막이 형성되어 있는 샘플의 실험 결과를 나타낸 것이다. 제11도에서, open곡선은 IDT판 위가 전기적으로 개방된 상태에서의 값이며, short곡선은 IDT 판 위가 전기적으로 폐쇄된 상태에서의 값을 나타낸다.
제2도, 제3도, 제6도, 제8도, 제9도 및 제10도에서의 실험치들은 IDT의 존재를 고려하여 유한소법(Finite Element Method : FEM)을 사용하여 계산하였다. 반면, 제11도와 제12도에서의 실험치들은 제이, 제이. 캄벨과 그의 동료들에 의한 방법으로 계산하였다(J. J. Campbell and W. R. Jon : 압전기의 표면파의 여진을 위한 최적의 결정 절단법과 전파 방향을 추정하는 방법, IEEE trans, su-15, 4, p209(1968년 10월)). 제11도와 제12도에서의 실험치들이 FEM법에 의한 값들 보다도 다소 낮음을 보여준다.
제11도 및 제12도에서 명백하게 알 수 있는 바와 같이, +면 또는 -면의 어느 경우에도, ZnO 박막의 막두께를 H로 하고, 러브파의 파장을 λ로 나타낸 경우, H/λ비가 0.05 이상일때 러브파가 여진되고 있다. 또 전기기계 결합계수 K는 H/λ비가 0.11일때, +면 쪽에서는 약 48%, -면 쪽에서는 약 46%이고, H/λ비가 더 커짐에 따라 저하해간다. 결국, +면 쪽이 보다 큰 전기기계 결합계수 K를 얻을 수 있음을 알 수있다. 그리고, +면 쪽에서는 H/λ비가 0.2 이하이면 전기기계 결합계수 K가 40%의 목적 값을 능가한다.
또한, H(ZnO)/λ비에 대한 전기기계 결합계수 K의 경사가 +면 쪽에서 더 완만하고, ZnO 박막의 막두께에 대한 전기기계 결합계수 K의 허용도도 크다는 것을 알 수 있다.
다시, 제12도에서 보는 바와 같이, 전극의 막두께를 일정하게 한 경우에도, ZnO 박막의 막두께가 바뀜으로써 전기기계 결합계수 K가 변동하기 때문에, 저주파수의 표면파 공진자를 전극의 막두께를 증가시키지 않고서도 만들 수 있음을 알 수 있다.
또, 본 발명의 표면파 공진자에서는, 주파수 특성의 온도 의존성이 종래의 러브파를 이용한 표면파 공진자에 비하여 작다는 것도 확인되었다.
[실시예 3]
실시예 3은, 압전기판으로서, 36。회전 Y-커트 LiTaO기판(이하 'LiTaO기판'이라 약칭함)을 사용하여, 이 LiTaO기판위에 ZnO, CdS 또는 TaO박막등을 형성한 구조를 이용한 것이다.
36。회전 Y-커트 LiTaO기판은, 회전 Y-커트 리키 표면파(leaky surface)를 계산하는 과정에서, 시간 경과에 따른 진폭의 감소가 없는 절단각(cut angle)을 갖는 기판으로서 발견된 것이며, SH파용 표면파 기판으로서 보고 되고 있다(나까무라, 인미 및 시미즈의 연구에 의한 LiTaO에서의 SH 타입 및 레일러(Reyleigh)타입의 탄성표면파 [Nakamura, Inmi and Shimizu, JEICE Tech. Report(Japan), US77-42(1977)].
LiTaO기판의 온도특성 TCF가 약 -25∼-32ppm/℃이라는 것이 알려져 있다.
온도특성이 좋은 상기의 LiTaO기판 위에 다양한 막두께로 ZnO 박막을 형성하여 압전기판을 만들고, 러브파의 여진을 시도했다. 러브파의 여진은 LiTaO기판의 +면과 -면 위에 ZnO 박막을 형성한 두 경우 모두에 대해서 분석하였다.
LiNbO기판과 ZnO 박막에 모두에서, 다음의 압전기본식, 운동방정식 및 맥스웰의 방정식이 성립한다.
러브파를 여진시키기 위해서는, 상기의 식이 ZnO 박막과 LiTaO3기판과의 경계에서, 각각의 경계조건을 충족시킬 만한 음속을 구하면 된다. 압전 기판위에 인터디지털 전극을 형성한 경우, 인터디지털 전극이 존재하는 경계에서 전기적 폐쇄된 경우의 음속 Vm과, 개방된 경우의 음속 Vf에서 전기기계 결합계수를 구할 수 있다.
제13도는 상기 LiTaO3기판위에 여러가지 막두께로 ZnO 박막을 형성하여 얻은 압전기판을 사용한 경우의 상기한 표면파의 음속 Vf, Vm을 측정한 결과를 보여준다. 또 제13도에서 ○과는, LiTaO3기판의 +면상에 ZnO 박막을 형성한 경우의 러브파의 음속을 나타낸 것으로, ○는 경계가 개방된 경우의 음속 Vf를,는 경게가 금속화된 경우의 음속 Vm이다. 한편, △와은, LiTaO3기판의 -면 위에 ZnO 박막을 형성한 경우의 러브파의 음속을 나타낸 것으로, △는 경계가 개방된 경우의 음속 Vf을,경계가 금속화된 경우의 음속 Vm이다.
제13도에서 알 수 있듯이, +면과 -면 어느쪽에 ZnO 박막을 형성한 경우에도 음속에 차이가 없다는 것을 알 수 있다.
또 제13도에서, X와, +는 각각 LiTaO3기판의 +면과 -면 위에 ZnO 박막을 형성한 경우의 레일리파의 음속을 나타낸 것이다. 경계가 개방된 경우의 음속 Vf와, 금속화된 경우인 음속 Vm과의 차이가 거의 없고, 전기기계 결합계수가 영(zero : 0)이며, 레일리파가 여진되지 않는다는 것을 알 수 있다. 더우기 레일리파의 성분은, 러브파의 음속 Vf와 Vm과의 사이에는 존재하지 않기 때문에 본 발명의 압전기판을 사용하면 레일리파 성분의 영향을 받기 어렵다는 것을 알 수 있다.
제14도는, 상술한 LiTaO3기판위에 ZnO 박막을 막두께로 형성한 경우의 전기기계 결합계수를 보여주는 도면이다. 제14도에서, ○는 LiTaO3기판의 +면 위에 ZnO 박막을 형성한 경우를 나타낸 것이며, △는 -면 위에 ZnO 박막을 형성한 경우의 결과를 나타낸 것이다. 제14도에서 알 수 있듯이, LiTaO3기판의 +면 위에 ZnO 박막을 형성한 경우에는, -면 위에 ZnO 박막을 형성한 구조에 비하여 전기기계 결합계수 Ks가 약간 크다.
물론, ZnO의 상대적 막두께 H/λ비를 0.02∼0.13의 범위로 하여 어느쪽 면위에 ZnO 박막을 형성하는 것이, 박막을 형성하지 않은 경우와 비교하여, 전기기계 결합계수를 22% 이상으로 만들 수가 있다.
따라서, ZnO 박막과 LiTaO3기판이 모두 양호한 온도특성 TCF(ZnO 박막의 TCF = -30ppm/℃, LiTaO3기판의 TCF = -25∼32ppm/℃)를 나타내기 때문에, 이 압전기판은 -25∼32ppm/℃정도의 양호한 온도특성 TCF를 가지며, 더우기 ZnO 막두께를 상기한 특정한 범위에서 선택하므로써, 전기기계 결합계수를 비교적 높일 수 있다는 것을 알 수 있다.
제15도는, ZnO 박막에 대신하여, 상기한 LiTaO3기판의 +면 위에 다양한 두께의 CdS 박막을 형성하여 얻은 압전기판을 사용한 경우의 러브파의 전기기계 결합계수를 보여준다. 제15도에서 명백하게 알 수 있는 바와 같이, CdS 박막의 막두께(H/λ)를 0.01∼0.10의 범위로 함으로써, CdS 박막을 형성하지 않은 경우와 비교하여 전기기계 결합계수를 24%이상으로 할 수 있으며, 따라서 러브파의 전기기계 결합계수가 높은 압전기판에 얻을 수 있다. 또 본 구현예의 압전기판에 있어서도, CdS 박막과 LiTaO3기판이 좋은 온도특성을 갖기 때문에(CdS의 TCF = -41ppm/℃), 역시 -25∼32ppm/℃정도의 양호한 온도 특성 TCF를 나타내고 있다.
더우기, 상술한 LiTaO3기판은, 이 LiTaO3기판과 비교하여 러브파의 음속이 더 느린 박막이 이 기판 위에 형성되어 있는 것이며, 상기한 박막을 구성하는 재료로서는, ZnO나 CdS외에도 Ta2O5등 다른 재료를 써서 무방하다.
또, 실시예 3에서, 상기한 압전기판을 사용한 표면파 장치에 관하여, 표면파 장치의 구체적 구조, 즉 교차지 전극 등의 형성 등에 대해서는 통상적으로 알려진 종래의 방법에 따라서 행할 수 있다.
일례를 들면, 제16도에서 보는 바와 같은 단면(端面) 반사형 표면파 공진자 1에 있어서, 상기한 실시예의 압전기판을 사용함으로써, 온도특성이 양호하며, 또 공진 특성이 뛰어난 공진자를 제공할 수 있게된다. 또 제16도에서, 표면파 공진자 1은 본 발명이 적용되는 압전기판 2의 표면에 서로 맞끼울 수 있는 다수개의 전극지를 갖는 한쌍의 빗살 전극 3a, 3b를 형성한 것이다.
제11도와 제12도에서의 실험값들은 제이. 제이. 캄벨과의 그의 동료들에 의한 방법에 의해 얻은 값들임을 주목해야 한다.
본 발명이 이상의 실시예와 도면에 의해 상세히 설명되었다 할지라도, 이들 실시예와 도면에 의해 한정받는 것은 아니며, 또한 본 발명의 의도와 범위는 특허청구의 범위에만 한정되는 것이다.

Claims (13)

  1. 압전단결정의 기판 ; 상기의 압전단결정의 기판 위에 형성되어 있는 적어도 1개의 교차지 트랜스듀서(interdigital transducer : IDT, 및 상기의 압전단결정의 기판 보다 표면파 전파 속도가 더 느린 재료로 된 압전박막으로 이루어진 러브파를 이용한 표면파 장치에 있어서, 상기의 박막이 막두께를 H로, 여진되는 러브파의 파장을 λ로 나타내었을 때, H/λ비가 0.01∼0.2의 범위임을 특징으로 하는 러브파를 이용한 표면파 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기의 압전단결정의 기판보다 표면파 전파 속도가 더 느린 박막은 산화아연(ZnO), 황화카드늄(CdS)및 산화탄탈(Ta2O5)로 이루어진 군에서 선택됨을 특징으로 하는 러브파를 이용한 표면파 장치.
  3. 제1항에 있어서, 상기의 압전단결정의 기판은 0∼30。회전 Y-커트 X-전파의 산화탄탈리튬(LiTaO3)기판이며, 또 상기의 박막의 막두께를 H로, 여진되는 러브파의 파장을 λ로 나타내는 경우, H/λ비가 0.05∼0.2의 범위임을 특징으로 하는 러브파를 이용한 표면파 장치.
  4. 제3항에 있어서, 상기의 박막이 산화아연(ZnO) 박막임을 특징으로 하는 러브파를 이용한 표면파 장치.
  5. 제3항에 있어서, 상기의 교차지 트랜스듀서와 상기의 박막이 상기의 산화탄탈리튬(LiTaO3)기판의 +면 위에 형성되어 있음을 특징으로 하는 러브파를 이용한 표면파 장치.
  6. 제5항에 있어서, 상기의 박막이 산화아연(ZnO) 박막임을 특징으로 하는 러브파를 이용한 표면파 장치.
  7. 제3항에 있어서, 상기의 교차지 트랜스듀서가 서로 맞끼워지는 다수개의 전극지를 갖는 한쌍의 빗살전극을 구비하고 있으며, 또 전극지 사이의 핏치에 대한 상기 전극지의 폭의 비가 0.1∼0.7의 범위임에 특징으로 하는 러브파를 이용한 표면파 장치.
  8. 제7항에 있어서, 상기의 박막이 산화아연(ZnO) 박막임을 특징으로 하는 러브파를 이용한 표면파 장치.
  9. 제1항에 있어서, 상기의 압전단결정 기판이 36。회전 Y-커트 X-전파의 산화탄탈리튬(LiTaO3)기판이며, 상기의 박막의 막두께를 H로, 여진되는 러브파의 파장을 λ로 나타내는 경우, H/λ비가 0.01∼0.13의 범위임을 특징으로 하는 러브파를 이용한 표면파 장치.
  10. 제9항에 있어서, 상기의 박막이 산화아연(ZnO) 박막이며, 상기의 H/λ비가 0.02∼0.13의 범위임을 특징으로 하는 러브파를 이용한 표면파 장치.
  11. 제9항에 있어서, 상기의 박막이 황화카드늄(CdS) 박막이며, 상기의 H/λ비가 0.01∼0.10의 범위임을 특징으로 하는 러브파를 이용한 표면파 장치.
  12. 제9항에 있어서, 상기의 교차지 트랜스듀서와 상기의 박막이 상기의 산화탄탈리튬(LiTaO3)기판의 +면 위에 형성되어 있음을 특징으로 하는 러브파를 이용한 표면파 장치.
  13. 제9항에 있어서, 상기의 압전단결정 기판 보다 표면과 전파 속도가 더 느린 박막은 산화아연(ZnO), 황화카드늄(CdS)및 산화탄탈(Ta2O5)로 이루어진 군에서 선택됨을 특징으로 하는 러브파를 이용한 표면파 장치.
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