KR100499544B1 - 표면탄성파소자 - Google Patents

Abstract

본 발명은 통신기기 등에 사용되는 주파수 선별용 필터, 고안정도의 발진기에 사용되는 공진자 등의 소자 등에 쓰이는 표면 탄성파 소자에 관한 것으로, 작은 지연시간 온도계수와 비교적 큰 전기기계 결합계수를 가지며, 화학적으로 안정한 기판재료를 가지는 표면 탄성파 소자를 제공하는 것을 목적으로 하며, 여기서는 란가사이트 기판을 이용하고, 란가사이트의 단결정으로부터의 절단 각도 및 표면 탄성파 전파방향이, 오일러각(Eulerian angles) 표시로 (180°+ α, 40°+β, 20°+γ)으로 하였을 때 α=-2°∼+ 6°, β=-4°∼+ 9°, γ=-l°∼+ 9°이거나, 혹은 (9°+ α, 150°+β, 37°+γ)으로 하였을 때 α=-6°∼6°, β=-5°∼5°, γ=-5°∼5°이거나, 혹은 (0°+α, 140°+β, 24°+γ)으로 하였을 때 α=-5°∼5°, β=-5°∼5°, γ=-5°∼5°이거나, 또는 이들과 등가의 방위이다.

Description

표면 탄성파 소자{SURFACE ACOUSTIC WAVE ELEMENT}

본 발명은 통신기기 등에 사용되는 주파수 선별용 필터, 높은 안정도의 발진기에 사용되는 공진자 등의 소자 등에 쓰이는 표면 탄성파 소자에 관한 것이다.

종래에는 표면 탄성파 소자용의 기판으로서는 일반적으로 니오브산 리튬, 탄탈산 리튬, 사붕소산 리튬(예를 들면, 일본 특허공개 제 85-41315호 공보 참조), 수정 등의 압전성(壓電性) 단결정을 적당한 절단면에서 절단 및 연마한 기판이 사용되고 있었다.

표면 탄성파 소자에 사용되는 압전 기판에 중요한 성능으로서 지연시간 온도계수(TCD)와 전기기계 결합계수(K²)를 들 수 있다. TCD는 0에 가까울수록, 또한 K²는 클수록 표면 탄성파 소자용 기판으로서 바람직하다. 종래, 표면 탄성파 소자용 기판으로서는 일반적으로 니오브산 리튬(LiNbO₃), 탄탈산 리튬(LiTaO₃), 사붕소산 리튬(Li₂B₄O₇), 수정 등의 압전성 단결정을 적당한 절단면에서 절단 및 연마한 기판이 사용되어 왔다. LiNbO₃(예를 들면, 128°Y컷트-X전파(propagation))의 경우, K²는 5.5%로 크지만, TCD가 74ppm/℃로 크기 때문에 온도 변화에 따른 주파수의 드리프트(drift)가 발생하여 좁은 대역 특성이 요구되는 필터나, 높은 안정 정밀도가 요구되는 발진기 등에는 사용할 수가 없었다. 또한, Li₂B₄O₇ (예를 들면, 45°X 컷트-Z전파)의 경우, K²는 1%이고, TCD는 Oppm/℃이지만, 기판이 물에 용해되고, 또한 조해성(潮解性)을 갖기 때문에, 가공이 어렵거나 또는 신뢰성이 떨어지는 등의 문제를 지니고 있었다. 또한, ST 컷트 수정은 TCD가 0이지만, K²가 0.1%로 작기 때문에, 넓은 대역의 필터를 얻을 수 없었다.

표면 탄성파 소자에 대한 고성능화, 고주파화의 요구에 의해, TCD가 0에 가깝고, 보다 큰 K²를 가지며, 화학적으로 안정한 기판재료가 요구되고 있다.

본 발명은 상기 사정을 감안하여 작은 TCD와 비교적 큰 K²를 가지며, 화학적으로 안정한 기판재료를 가지는 표면 탄성파 소자를 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기 목적을 달성하는 본 발명의 제 1 표면 탄성파 소자는, 란가사이트(La₃Ga₅SiO₁₄) 단결정 기판상에 표면 탄성파를 여진(exciting), 수신, 또는 반사하기 위한 금속막을 형성한 표면 탄성파 소자로서, 란가사이트 기판의 단결정으로부터의 절단 각도 및 표면 탄성파 전파방향이, 오일러각 표시로 (180°+ α, 40°+ β, 20°+γ)로 하였을 때 α=-2°∼+ 6°, β=-4°∼+ 9°, γ=-1°∼+ 9°이거나, 또는 이것과 등가의 방위인 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 목적을 달성하는 본 발명의 제 2 표면 탄성파 소자는, 란가사이트(La₃Ga₅SiO₁₄)단결정 기판상에 표면 탄성파를 여진, 수신, 또는 반사하기 위한 금속박막을 형성한 표면 탄성파 소자로서, 란가사이트 기판의 단결정부터의 절단 각도 및 표면 탄성파 전파방향이, 오일러각 표시로 (9°+ α, 150°+ β, 37°+γ)로 하였을 때 α=-6°∼6°, β=-5°∼5°, γ=-5°∼5°, 또는 이것과 등가의 방위인 것을 특징으로 한다.

여기에서, 본 발명의 제 2 표면 탄성파 소자는, 상기 란가사이트 기판의 단결정으로부터의 절단 각도 및 표면 탄성파 전파방향이 오일러각 표시로 (13.4°, 150.5°, 37.2°)이거나, 또는 이것과 등가의 방위인 것이 특히 바람직하다.

또한, 상기 목적을 달성하는 본 발명의 제 3 표면 탄성파 소자는, 란가사이트(La₃Ga₅SiO₁₄) 단결정 기판상에 표면 탄성파를 여진, 수신, 또는 반사하기 위한 금속박막을 형성한 표면 탄성파 소자로서, 란가사이트 기판의 단결정으로부터의 절단 각도 및 표면 탄성파 전파방향이, 오일러각 표시로 (0°+ α, 140°+ β, 24°+γ)로 하였을 때 α= -5°∼5°, β=-5°∼5°, γ=-5°∼5°이거나, 또는 이것과 등가의 방위인 것을 특징으로 한다.

본 발명의 제 3 표면 탄성파 소자는, 상기 란가사이트 기판의 단결정으로부터의 절단 각도 및 표면 탄성파 전파방향이 오일러각 표시로 (0°, 140°, 24°)이거나, 또는 이것과 등가의 방위인 것이 특히 바람직하다.

본 발명자들은 압전성을 갖는 단결정인 란가사이트(La₃Ga₅SiO₁₄)의 특정한 절단면에서의 전파방위에 금속막을 형성한 표면 탄성파 소자가, 작은 지연시간 온도계수와 비교적 큰 전기기계 결합계수를 가지고, 화학적으로 안정한 것을 발견함으로써 본 발명에 이르게 된 것이다.

본 발명에 의하면, 작은 지연시간 온도계수와 비교적 큰 전기기계 결합계수를 가지고, 화학적으로 안정한 기판재료를 가지는 표면 탄성파 소자를 얻을 수 있다.

도 1은 전송형 SAW 필터의 모식도이다.

란가사이트 단결정 기판(10)상에 한쌍의 빗살형 전극을 형성하고, 이중 한쪽(여진용 전극(20))에 고주파 전압을 인가하면 표면 탄성파가 여진되어 수신전극(30)에 도달한다. 이 입출력간의 주파수 특성에 의해 밴드 패스 필터 특성을 나타내고, 압전 결정의 특성에 의해 이 필터의 온도특성이 결정된다.

란가사이트 단결정상의 표면 탄성파의 특성을 계산하는 것에 필요한 정수(constant)로서, 20℃에서의 밀도, 탄성 정수, 압전 정수, 유전율 및 선팽창 계수를 하기 표 1에 나타내었다.

또한, 표 2에는 각 정수의 1차 및 2차 온도계수를 나타내었다.

이하, 우선 본 발명의 제 1 실시 형태에 대해서 설명한다.

여기에서는 표 1 및 표 2에 나타낸 정수를 사용하여 압전 기판 표면에서의 뉴턴의 운동방정식, 압전 방정식, 준정전에 근사한 막스웰의 방정식을 연성하여 풀어, TCD의 절대값이 5ppm이하가 되고 전기기계 결합계수 K²가 0.3%이상이 되는 각도의 범위로서, 오일러각 표시로 (180°+ α, 40°+β, 20°+γ)로 했을 때 α=-2°∼+6°, β=-4°∼+9°, γ=-1°∼+9°이거나, 또는 이것과 등가의 방위가 바람직하다는 것을 발견했다(도 2 내지 도 4).

TCD=γ-(1/v)(δV/δT) … (1)

V : 온도 T=25℃에서의 표면 탄성파의 음속

T : 온도

γ: 고려중인 절단면, 전파방향의 열팽창율

여기에서, 전극 재료의 막두께 h로서는 표면 탄성파의 파장을 λ로 했을 경우에 h/λ=0.005 내지 0.2의 범위가 바람직하다. 또한, 전극재료로서는 알루미늄이 적합하고, 그 밖의 재료로서는 금이어도 좋고, 알루미늄 + 티탄이어도 좋으며, 또는 알루미늄 + 구리이어도 적합하다.

도 1의 모식도에 나타낸 전송형 표면 탄성파 필터의 패턴을, 오일러각 표시로 (180°, 40°, 20°)로 표시되는 절단면 및 전파방향으로 포토리소그라피공정을 행하여 형성하였다.

이 경우의 빗살형 전극의 선폭, 선 사이는 각각 4μm이고, 입출력의 전극 쌍의 수는 각각 30쌍이며, 빗살형 전극의 개구 길이는 400μm이다. 전극의 재료로는 알루미늄을 사용하고, 그 막두께는 스퍼터링법으로 2400Å(h/λ= 1.5%)으로 하였다. 이 소자를 금속팩키지에 설치하고, 송수신용 빗살형 전극을 와이어-본딩으로 이끌어 내어 네트워크 분석기에 접속시켰다. 또한, 이 디바이스를 항온조에 넣고, -20℃ 내지 80℃의 온도범위에서의 중심 주파수의 변화를 측정한 결과 도 5에 도시한 특성을 얻을 수 있었고, 25℃에서의 TCD(=-TCF)=3ppm/℃임이 확인되었다.

다음에 본 발명의 제 2 의 실시형태에 대해서 설명한다.

여기에서는 표 1 및 표 2에 나타낸 정수를 사용하여, 압전 기판 표면에서의 뉴턴의 운동 방정식, 압전 방정식, 준정전에 근사한 막스웰의 방정식을 연성하여 풀어, TCD의 절대값이 7ppm이하가 되고 전기기계 결합계수 K²가 0.1%이상이 되는 각도의 범위로서, 오일러각 표시로 (9°+ α, 150°+ β, 37°+ γ)로 했을 때 α=-6°∼6°, β=-5°∼5°, γ=-5°∼5°이거나, 또는 이것과 등가의 방위가 가장 적합함을 발견했다. 또한, 상세하게 검토한 결과, 오일러각 표시로 (13.4°, 150.5°, 37.2°), 또는 이것과 등가의 방위인 경우에는, TCD이 0ppm/℃이면서 K²가0.45%인 적합한 방위인 것을 발견하였다(도 6 내지 도 8).

여기에서, TCD는 전술한 (1)식으로 표시된다. 또한, 전술한 제 1 실시형태와 마찬가지로, 전극재료의 막두께 h로서는 표면 탄성파의 파장을 λ로 했을 경우에, h/λ= 0.005 내지 0.2의 범위가 바람직하다. 또한, 전극재료로서는 알루미늄이 적합하고, 그 밖의 재료로서는 금이어도 좋고, 알루미늄 + 티탄이어도 좋으며, 또는 알루미늄 + 구리도 적합하다.

도 1의 모식도에 나타낸 전송형 표면 탄성파 필터의 패턴을, 오일러각 표시로 (13.4°, 150.5°, 37.2°)로 표시되는 절단면 및 전파방향으로 포토리소그라피 공정을 행하여 형성하였다.

이 경우의 빗살형 전극의 선폭 및 선사이는 각각 4μm이고, 입출력의 전극쌍의 수는 각각 30쌍이며, 빗살형 전극의 개구 길이는 400μm이다. 전극의 재료로는 알루미늄을 사용하고, 그 막두께는 스퍼터링법으로 2400Å(h/λ= 1.5%)으로 하였다. 이 소자를 금속팩키지에 설치하고, 송수신용 빗살형 전극을 와이어 본딩으로 이끌어 내어 네트워크 분석기에 접속시켰다. 또한, 이 장치를 항온조내에 넣고, -20℃ 내지 80℃의 온도범위에서의 중심 주파수의 변화를 측정한 결과, 도 9에 나타낸 특성을 얻을 수 있었고, 25℃에서 TCD(=-TCF)는 거의 0ppm/℃임이 확인되었다.

다음에 본 발명의 제 3 실시형태에 대하여 설명한다.

여기에서는 표 1 및 표 2에 나타낸 정수를 사용하여, 압전기판 표면에서의 뉴턴의 운동 방정식, 압전 방정식, 준정전에 근사한 막스웰의 방정식을 연성하여 풀어, 오일러각 표시로 (-5°∼5°, 140°, 24°)의 범위 (도 10 참조), (0°, 135°∼145°, 24°)의 범위(도 11 참조) 및 (0°, 140°, 19°∼29°)의 범위(도 12참조), 또는 그들의 범위와 등가의 방위의 범위에서 25℃의 온도에서의 TCD의 절대값이 5ppm/℃이하가 되고, 전기기계 결합계수 K²가 0.3%이상이 됨을 발견했다. 또한, 상세하게 검토한 결과, 오일러각 표시로 (0°, 140°, 24°), 또는 이것과 등가의 방위인 경우에는 TCD가 0 ppm/℃이면서 K²가 0. 375%이고, SAW(표면 탄성파) 디바이스용으로서 가장 적합한 방위임을 발견했다.

여기에서 TCD는 전술한 (1)식으로 표시된다. 또한, 전술한 제 1 실시형태, 제 2 실시형태의 경우와 마찬가지로 전극재료의 막두께 h로서는, 표면 탄성파의 파장을 λ로 했을 경우에 h/λ= 0.005 내지 0.2의 범위가 가장 적합하다. 또한, 전극재료로서는 알루미늄이 적합하고, 그 밖의 재로로서는 금이어도 좋고, 알루미늄 + 티탄이어도 좋으며, 또는 알루미늄 + 구리가 적합하다. 또한, 금, 몰리브덴, 텅스텐 등의 금속도 광범위하게 적합하다.

도 1의 모식도에 나타낸 전송형의 표면 탄성파 필터의 패턴을, 오일러각 표시로 (0°, 140°, 24°)로 표시되는 절단면 및 전파방향으로 포토리소그라피 공정을 행하여 형성하였다.

이 경우의 빗살형 전극의 선폭 및 선사이는 각각 4μm이고, 입출력의 전극쌍의 수는 각각 30쌍이며, 빗살형 전극의 개구 길이는 400μm이다. 전극재료로는 알루미늄을 이용하고, 그 막두께는 스퍼터법으로 2400Å(h/λ= 1.5%)로 하였다. 이 소자를 금속팩키지에 설치하고, 송수신용 빗살형 전극을 와이어 본딩으로 이끌어 내어 네트워크 분석기에 접속시켰다. 또한 이 디바이스를 항온조내에 넣고, -20℃ 내지 80℃의 온도범위에서의 중심 주파수의 변화를 측정한 결과 도 13에 도시한 특성을 얻을 수 있고, 25℃에서 TCD(=-TCF)는 거의 0ppm/℃임이 확인되었다.

본 발명에 의해 작은 TCD와 비교적 큰 K²를 가지며, 화학적으로 안정한 기판재료를 가지는 표면 탄성파 소자를 제공할 수 있다.

도 1은 전송형 SAW(표면 탄성파) 필터의 모식도이고;

도 2는 (175°∼185°, 40°, 20°)절단면에서의 K²와 TCD의 변화를 나타내는 그래프이고;

도 3은 (180°, 35°∼45°, 20°)절단면에서의 K²와 TCD의 변화를 나타내는 그래프이고;

도 4는 (180°, 40°, 15°∼25°)절단면에서의 K²와 TCD의 변화를 나타내는 그래프이고;

도 5는 중심 주파수의 온도 의존성을 나타내는 그래프이고;

도 6은 (3∼15°, 150.5°, 37.2°)절단면에서의 K²와 TCD의 변화를 나타내는 그래프이고;

도 7은 (10°, 146°∼156°, 37.2°)절단면에서의 K²와 TCD의 변화를 나타내는 그래프이고;

도 8은 (10°, 150.5°, 32°∼42°)절단면에서의 K²와 TCD의 변화를 나타내는 그래프이고;

도 9는 중심 주파수의 온도 의존성을 나타내는 그래프이고;

도 10은 (-5°∼5°, 140°, 24°)절단면에서의 K²와 TCD의 변화를 나타내는 그래프이고;

도 11은 (0°, 135°∼145°, 24°)절단면에서의 K²와 TCD의 변화를 나타내는 그래프이고;

도 12는 (0°, 140°, l9°∼29°)절단면에서의 K²와 TCD의 변화를 나타내는 그래프이고;

도 13은 중심 주파수의 온도 의존성을 나타내는 그래프이다.

Claims (5)

1. 란가사이트(La₃Ga₅SiO₁₄) 단결정 기판상에 표면 탄성파를 여진(勵振), 수신 또는 반사하기 위한 금속막을 형성한 표면 탄성파 소자로서,

   란가사이트 기판의 단결정으로부터의 절단 각도 및 표면 탄성파 전파(propagation)방향이, 오일러각 표시로 (180°+ α, 40°+ β, 20°+γ)로 하였을 때 α=-2°∼+ 6°, β=-4°∼+ 9°, γ=-1°∼+ 9°인 것을 특징으로 하는

   표면 탄성파 소자.
2. 란가사이트(La₃Ga₅SiO₁₄) 단결정 기판상에 표면 탄성파를 여진, 수신 또는 반사하기 위한 금속막을 형성한 표면 탄성파 소자로서,

   란가사이트 기판의 단결정으로부터의 절단 각도 및 표면 탄성파 전파방향이, 오일러각 표시로 (9°+ α, 150°+ β, 37°+γ)로 하였을 때 α=-6°∼6°, β=-5∼5°, γ=-5°∼5°이거나, 또는 이것과 등가의 방위인 것을 특징으로 하는

   표면 탄성파 소자.
3. 제 2 항에 있어서,

   상기 란가사이트 기판의 단결정으로부터의 절단 각도 및 표면 탄성파 전파방향이 오일러각 표시로 (13.4°, 150.5°, 37.2°)이거나, 또는 이것과 등가의 방위인 것을 특징으로 하는 표면 탄성파 소자.
4. 란가사이트(La₃Ga₅SiO₁₄) 단결정 기판상에 표면 탄성파를 여진, 수신 또는 반사하기 위한 금속막을 형성한 표면 탄성파 소자로서,

   란가사이트 기판의 단결정으로부터의 절단 각도 및 표면 탄성파 전파방향이, 오일러각 표시로 (0°+ α, 140°+ β, 24°+γ)로 하였을 때 α=-5°∼5°, β=-5∼5°, γ=-5°∼5°인 것을 특징으로 하는

   표면 탄성파 소자.
5. 제 4 항에 있어서,

   상기 란가사이트 기판의 단결정으로부터의 절단 각도 및 표면 탄성파 전파방향이 오일러각 표시로 (0°, 140°, 24°)인 것을 특징으로 하는 표면 탄성파 소자.