KR102554129B1 - 탄성파 디바이스들 - Google Patents
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Abstract
양호한 TCF를 갖고, 공진자 Q 또는 임피던스비를 개선할 수 있는 탄성파 디바이스가 제공된다. 탄성파 디바이스는 이산화 규소(SiO2)를 70질량% 이상 포함하는 기판(11), 기판(11) 상에 배치되고 LiTaO3 결정 또는 LiNbO3 결정을 포함하는 압전 박막(12), 및 압전 박막(12)에 접하도록 배치된 인터디지털 트랜스듀서 전극(13)을 포함한다.
Description
본 발명은 탄성파 디바이스에 관한 것이다.
최근, 휴대 전화들 및 스마트폰들이 대중화되고, 거의 50개만큼의 많은 밴드(band)가 2.4GHz 이하에 집중하여, 인접 밴드들이 간격이 매우 좁아지게 된다. 따라서, 인접한 밴드에 서로 간섭하지 않도록, 급준한 주파수 특성들을 갖고, 온도 특성들이 더 양호한 필터들 및 듀플렉서들에 대한 강한 요구가 존재한다. 또한, 급준한 주파수 특성들을 갖는 필터들 및 듀플렉서들을 실현하기 위해서는, 큰 임피던스비들 및 높은 Q들을 갖는 공진자들에 대한 요구가 존재한다. 여기서, Q는 필터의 급준성을 나타내는 파라미터인데, 급준성뿐만 아니라, 필터의 삽입 손실에도 영향을 미친다. Q가 높을수록, 삽입 손실이 작아질 수 있고, 휴대 전화들 및 스마트폰들의 전지 소모가 감소될 수 있다. 따라서, 이러한 필터들은, 양호한 삽입 손실, 양호한 온도 특성들, 및 큰 급준성을 갖도록 요구되고, 그 공진자들은, 높은 Q들 및 큰 임피던스비들을 갖도록 요구된다. 또한, Q들의 값들은 임피던스비들에 비례하고, 대역(bandwidth)들에 반비례하여, 대역들이 실질적으로 동일한 경우, Q와 임피던스비는 비례 관계에 있다는 것이 이해될 것이다.
탄성 표면파(SAW) 필터의 대역은 SAW 필터에 사용되는 압전 기판의 전기 기계 결합 계수(electromechanical coupling coefficient)(coupling factor)에 의존한다. 따라서, 그 각각이 필터의 대역에 필요한 결합 계수를 갖는 LT(LiTaO3 결정) 또는 LN(LiNbO3 결정)으로 이루어지는 다수의 압전 기판들이 종래 사용되었다. 그러나, 이 기판들은 -40ppm/℃부터 -120ppm/℃로의 범위인 TCF(thermal coefficient of frequency)들을 가질 수 있고, 이는 양호한 것으로 간주되지 않을 수 있다. TCF(thermal coefficient of frequency)의 이론식은, 이하와 같이 정의될 수 있다는 것이 이해될 것이다:
그리고, V(T)는 여기 음속(excitation phase velocity)이다. 또한, 실제 측정은, TCF = (f(45°C) - f(25°C))/(20 x f(25°C))를 나타낼 수 있고, 여기서, f(T)는 측정되는 주파수이며, 공진자에 대해 공진 주파수 및/또는 반공진(anti-resonant) 주파수가 측정될 수 있는 반면, 필터에 대해 중심 주파수가 측정될 수 있다. 주파수가 실제로 측정되지만 선형으로 변하지 않을 경우, 측정 온도 범위 내의 최대 주파수 변화량을 측정 온도 범위로 제산하여, 1도당 주파수 변화량을 얻을 수 있다는 것이 이해될 것이다.
따라서, 필요한 결합 계수 및 양호한 TCF를 얻기 위해서, 본 발명자들 등은 먼저 마이너스의 TCF를 갖는 LT/LN 기판과, 플러스의 TCF를 가지는 SiO2 박막을 조합하여, SiO2 박막/고밀도 전극/LT 또는 LN 기판 구조를 형성하고, 그 후 전극으로부터 기인한 SiO2 박막 상의 볼록부들을 제거해서 표면을 평탄화함으로써 제조된 탄성 표면파 필터를 개발해왔다(예를 들어, 비특허문헌 1 참조). 이 구조에 의하면, 비교적 양호한 -10ppm/℃의 TCF가 얻어지고, 게다가, LT/LN 기판 단체의 특성과 동일한 임피던스비 및 Q와 같은 특성이 얻어질 수 있다. 이 공진자의 임피던스비 및 Q는 각각 약 60dB 및 800일 수 있다.
수정 기판은, 양호한 주파수 온도 계수를 갖지만; 압전 성질을 나타내는 그 결합 계수가 작을 수 있고, 스마트폰이나 휴대 전화에 필요한 필터의 대역 요건을 충족하지 않을 것이라는 것이 이해될 것이다. 또한, AlN(질화 알루미늄) 막의 벌크파를 이용한 필터에 따르면, 공진자의 Q가 2000일 수 있고, 이는 SAW 필터와 비교하면 필터 특성이 급준할 수 있는 반면, 주파수 온도 계수는 -30ppm/℃일 수 있고, 이는 그렇게 양호한 것은 아닐 수 있다.
Michio Kadota, Takeshi Nakao, Kenji Nishiyama, Norio Taniguchi and Toshiyuki Fuyutsume, "Small Surface Acoustic Wave Duplexer Having Good Temperature Characteristics," Institute of Electronics, Information and Communication Engineers (IEICE) TRANSACTIONS A, 2013, Vol.J96-A, No.6, pp.301-308
비특허문헌 1에 기재된 탄성파 필터에서는, 비교적 양호한 TCF가 얻어질 수 있지만; SiO2 박막이 주상 구조 다결정 막이기 때문에, 그 공진자의 Q 및 임피던스비의 양들은, LT나 LN 기판 단체의 것들과 유사하고, 주파수 특성의 급준성은 아직 불충분하다는 과제들이 있었다.
본 발명은 이와 같은 과제에 착안해서 이루어진 것이고, 양호한 TCF를 갖고, 그 공진자의 Q 및 임피던스비를 개선시킬 수 있는 탄성파 디바이스를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상술한 바와 같은 목적을 달성하기 위해서, 본 발명에 따른 탄성파 디바이스는, 탄성 표면파를 이용하는 탄성파 디바이스일 수 있으며, 이산화 규소(SiO2)를 70질량% 이상 포함하는 기판과, 기판 상에 배치된 LiTaO3 또는 LiNbO3 결정으로 이루어지는 압전 박막과, 압전 박막에 접하도록 배치된 인터디지털 트랜스듀서 전극을 포함하고, 여기서, 압전 박막은 압전 박판을 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 탄성파 디바이스에서, 기판은 바람직하게, LT나 LN의 횡파 음속(shear wave phase velocity)에 가까운, 3,400m/s로부터 4,800m/s로의 범위인 벌크파의 횡파 음속을 가질 수 있다. 이 기판들 대부분은, 등방성이며, x 축, y 축 및 z 축에서 이방성은 아니지만, 압전 단결정인 수정 기판은 이방성일 수 있고, 상이한 성질을 가질 수 있다. 이러한 이유로, 그러한 수정 기판을 사용한 경우에는, 수정 기판을 따라 전파하는 탄성 표면파의 음속(phase velocity)이, 압전 박막을 따라 전파하는 탄성 표면파의 음속보다도 빨라지도록 그 수정 기판을 구성하는 것이 바람직하다. 또한, 그 음속들 간의 차이는, 바람직하게 300m/s 이상일 수 있고, 보다 바람직하게 600m/s 이상일 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 탄성파 디바이스에서, 탄성 표면파는 바람직하게 누설 탄성 표면파(LSAW)일 수 있다. 또한 추가로, LSAW의 SH(shear horizontal) 성분은 바람직하게 50% 이상일 수 있고, 보다 바람직하게 65% 이상일 수 있다. 또한, 탄성 표면파는, 4,500m/s 이상의 음속을 갖는 S파일 수 있다. 사용한 탄성 표면파가 누설 탄성 표면파인지 여부는, 기판의 오일러 각들에 의해 이론적으로 결정될 수 있다는 것이 이해될 것이다.
이산화 규소(SiO2)를 70질량% 이상 포함하는 기판은, 탄성 표면파(SAW)에 대하여 플러스의 TCF가 얻어질 수 있다. 따라서, 본 발명에 따른 탄성파 디바이스에서는, 마이너스의 TCF를 갖는 LiTaO3 (LT) 또는 LiNbO3 (LN) 결정으로 이루어지는 압전 박막을, 플러스의 TCF를 갖는 기판 상에 배치하는 것은, 제로 ppm/℃에 가까운 양호한 TCF를 허용할 수 있다. 또한, LT 또는 LN으로 이루어지는 압전 박막을, 누설 탄성 표면파(LSAW)를 여기시키는 오일러 각들을 갖도록 구성하는 반면 기판을, LT 또는 LN의 LSAW에 가능하게 되는 음속과 유사하거나 또는 그 이상의 음속에 대한 오일러 각들을 갖도록 구성하는 것은, 압전 박막에서의 누설 성분이 없는 LSAW 모드가 사용될 수 있게 할 수 있다. 따라서, LT 또는 LN 기판 단체에서의 특성보다, 예를 들어 15로부터 20dB 더 큰 임피던스비를 얻을 수 있다. 또한, 이 임피던스비는, 동일한 대역 하의 Q에서는 6배에서 10배에 대응할 수 있고, 따라서 우수한 급준성 및 삽입 손실 특성들을 얻을 수 있다. 또한, 결합 계수는, 그 차이가 작을 수 있지만, 압전 박막 그 자체의 것보다 크도록 구성될 수 있다.
본 발명에 따른 탄성파 디바이스는, 기판과 압전 박막 사이에, 접지된 단락 전극 및/또는 절연성 접합 막을 포함할 수 있다. 이 경우, 디바이스는: 인터디지털 트랜스듀서 전극/압전 박막/기판 구조; 인터디지털 트랜스듀서 전극/압전 박막/접합 막/기판 구조; 인터디지털 트랜스듀서 전극/압전 박막/단락 전극/기판 구조; 인터디지털 트랜스듀서 전극/압전 박막/단락 전극/접합 막/기판 구조; 또는, 인터디지털 트랜스듀서 전극/압전 박막/접합 막/단락 전극/기판 구조와 같은 구조를 가질 수 있다. 이 경우, 디바이스는 단락 전극이나 접합 막을 포함하여도, 그 우수한 특성들을 손상시키지 않고, 양호한 TCF 및 높은 Q 및 임피던스비를 얻을 수 있다. 특히, 단락 전극을 갖는 경우에는, 결합 계수가 증가될 수 있고, 누설 탄성 표면파의 전파 손실이 저감될 수 있다. 접합 막은 바람직하게, 흡음성이 없고, 단단한 재료로 이루어질 수 있다는 것이 이해될 것이다. 예를 들어, 접합 막은 Si 막이나 SiO2 막으로부터 이루어질 수 있다.
본 발명에 따른 탄성파 디바이스에서, 인터디지털 트랜스듀서 전극은, 적어도 하부가 압전 박막에 매립되게 하도록, 및/또는, 적어도 상부가 압전 박막으로부터 돌출되게 하도록 구성될 수 있다. 이 경우, 디바이스는 임의의 구조에서도, 우수한 특성들을 갖고, 높은 임피던스비를 얻을 수 있다. 특히, 인터디지털 트랜스듀서 전극의 전체 부분 또는 하부가 압전 박막에 매립되는 구조에서, 음속이 빨라지게 되고, 따라서 고주파화에 유리할 수 있다. 이 경우, 압전 박막과 기판 사이가 전기적으로 단락될 수 있다는 것이 이해될 것이다.
본 발명에 따른 탄성파 디바이스에서, 기판은, 바람직하게 이산화 규소(SiO2)를 80질량% 이상 포함할 수 있고, 보다 바람직하게 99질량% 이상 100질량% 미만을 포함할 수 있다. 기판은 보다 바람직하게 SiO2를 100질량% 포함하는 용융 석영일 수 있고, 훨씬 더 바람직하게 압전 단결정인 수정 기판으로 이루어질 수 있다. 또한, 기판은, 전파하는 탄성 표면파가 3,400m/s 내지 4,800m/s 범위의 음속을 갖도록 허용할 수 있다. 또한, 기판은, 수정 기판을 제외하는 등방성의 기판으로 이루어질 수 있고, 압전 박막은, 0.001mm 이상 0.01mm 미만의 두께를 가질 수 있다. 또한, 기판은, 수정 기판으로 이루어질 수 있고, 전파하는 탄성 표면파가 4,500m/s 이상 또는 4,800m/s 이상 또는 5,000m/s 이상의 음속을 갖도록 허용할 수 있다. 이 구성들 중 임의의 것은 우수한 특성들을 제공하고, 양호한 TCF, 높은 Q 및 임피던스비를 얻을 수 있다. 수정 기판은 등방성 기판의 것보다 큰 플러스의 TCF를 갖기 때문에, 압전 박막에서 임의의 두께가 수용될 수 있다는 것이 이해될 수 있다.
수정 기판을 제외한 등방성 기판에서는, 탄성파의 전파 방향(propagation direction)에 의존성은 없지만, 이방성인 수정을 사용한 기판에서는, 수정 기판의 특성들은 방위각이나 전파 방향(오일러 각들)에 의존하여 상이해질 수 있고, 따라서 적합한 오일러 각들을 선택하는 것은 중요하다. 본 발명에 따른 탄성파에 대해서는, 먼저, 파워 플로우 앵글(PFA)이 제로일 수 있도록 오일러 각들을 선택하는 것이 바람직할 수 있다. 이는 오일러 각들이 제로로부터 크게 어긋나면, 탄성파가 인터디지털 트랜스듀서 전극에 대해 비스듬한 방향으로 전파할 수 있기 때문이다. PFA가 대략 제로를 나타낼 수 있게 하는 오일러 각들의 예는, (0°±5°, 0°-180°, 40°±12°), (10°±5°, 0°-180°, 42°±8°), (20°±5°, 0°-180°, 50°±8°), (0°±5°, 0°-180°, 0°±5°), (10°±5°, 0°-180°, 0°±5°), (20°±5°, 0°-180°, 0°±5°), (0°±5°, 0°-180°, 90°±5°), (10°±5°, 0°-180°, 90°±5°), (20°±5°, 0°-180°, 90°±5°) 및 그것과 등가인 방위각들을 포함할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 탄성파 디바이스에서, 기판은, (0°±5°, 0°-125°, 0°±5°), (0°±5°, 0°-36°, 90°±5°), (0°±5°, 172°-180°, 90°±5°), (0°±5°, 120°-140°, 30°-49°), (0°±5°, 25°-105°, 0°±5°), (0°±5°, 0°-45°, 15°-35°), (0°±5°, 10°-20°, 60°-70°), (0°±5°, 90°-180°, 30°-45°), (0°±5°, 0°±5°, 85°-95°), (90°±5°, 90°±5°, 25°-31°), 및 (0°±5°, 90°±5°, -3° 내지 3°)와 같은 오일러 각들을 가질 수 있다. 또한 추가로, 기판은, (20°±5°, 120°±10°, 115°±10°), (0°±5°, 90°±5°, 0°±10°), (0°±5°, 90°±5°, 75°±10°), (0°±5°, 0°±5°, 0°±10°), 및 (0°±5°, 0°±5°, 60°±10°)와 같은 오일러 각들을 가질 수 있다. 이 경우들은 양호한 TCF를 제공할 수 있다.
또한, 보다 높은 Q들 및 임피던스비들의 특성들을 얻기 위해서, 이하의 음속들, 오일러 각들, 및 막 두께들이 바람직할 수 있다. 본 발명에 따른 탄성파 디바이스에서, 기판은, 전파하는 탄성파가 4,500m/s 이상의 음속을 가질 수 있고, (0°±5°, 70°-165°, 0°±5°) 또는 (0°±5°, 95°-155°, 90°±5°)의 오일러 각들을 가질 수 있다. 바람직하게, 기판은, 4,800m/s 이상의 음속으로 전파하는 탄성파를 가질 수 있고, (0°±5°, 90°-150°, 0°±5°) 또는 (0°±5°, 103°-140°, 90°±5°)의 오일러 각들을 가질 수 있고, 또한 5,000m/s 이상의 음속으로 전파하는 탄성파를 가질 수 있고, (0°±5°, 100°-140°, 0°±5°) 또는 (0°±5°, 110°-135°, 90°±5°)의 오일러 각들을 가질 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 탄성파 디바이스에서, 기판은, 레일리(Rayleigh)파나 LSAW에 대한 플러스의 TCF를 제공할 수 있는 (0°±5°, 0°-132°, 0°±5°), (0°±5°, 0°-18°, 0°±5°), (0°±5°, 42°-65°, 0°±5°) 또는 (0°±5°, 126°-180°, 0°±5°)의 오일러 각들을 가질 수 있고, 압전 박막은, LiTaO2 결정으로 이루어지고, (0°±5°, 82°-148°, 0°±5°)의 오일러 각들을 가질 수 있다. 이 경우, 기판은 바람직하게 (0°±5°, 0°-12°, 0°±5°), (0°±5°, 44°-63°, 0°±5°), 또는 (0°±5°, 135°-180°, 0°±5°)의 오일러 각들을 가질 수 있다. 또한, 압전 박막은, 바람직하게 (0°±5°, 90°-140°, 0±5°)의 오일러 각들을 가질 수 있다. 이 조합에서는, 특히 양호한 TCF가 얻어질 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 탄성파 디바이스에서, 기판은, 레일리파나 LSAW에 대해 플러스의 TCF를 제공할 수 있는 (0°±5°, 0°-42°, 90°±5°), (0°±5°, 170°-190°, 90°±5°), (0°±5°, 0°-45°, 90°±5°), 또는 (0°±5°, 123°-180°, 90°±5°)의 오일러 각들을 가질 수 있고, 압전 박막은, LiTaO3 결정으로 이루어지고, (0°±5°, 80°-148°, 0°±5°)의 오일러 각들을 가질 수 있다. 이 경우, 기판은, 바람직하게 (0°±5°, 0°-34°, 90°±5°) 또는 (0°±5°, 126°-180°, 90°±5°)의 오일러 각들을 가질 수 있다. 또한, 압전 박막은, 바람직하게 (0°±5°, 90°-140°, 0°±5°), 보다 바람직하게 (0°±5°, 95°-143°, 0°±5°), 훨씬 더 바람직하게 (0°±5°, 103°-125°, 0°±5°)의 오일러 각들을 가질 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 탄성파 디바이스에서, 기판은, 고음속 LSAW를 갖는 (1°-39°, 100°-150°, 0°-20° 또는 70°-120° 또는 160°-180°)의 오일러 각들을 가질 수 있고, 압전 박막은, LiTaO3 결정으로 이루어지고, (0°±5°, 80°-148°, 0°±5°)의 오일러 각들을 가질 수 있다. 또한 추가로, 기판은, 5,000m/s 전후의 고음속 패스트 시어(fast shear)를 갖는 (20°±5°, 120°±10°, 115°±10°), (0°±5°, 90°±5°, 0°±10°), (0°±5°, 90°, 75°±10°), (0°±5°, 0°, 0°±10°), 또는 (0°±5°, 0°, 60°±10°)의 오일러 각들을 가질 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 탄성파 디바이스에서, 기판은, (0°±5°, 0°-23°, 0°±5°), (0°±5°, 32°-69°, 0°±5°), (0°±5°, 118°-180°, 0°±5°), (0°±5°, 0°-62°, 90°±5°), (0°±5°, 118°-180°, 90°±5°), (0°±5°, 0°-72°, 30°-60°), 또는 (0°±5°, 117°-180°, 30°-60°)의 오일러 각들을 가질 수 있고, 압전 박막은, LiTaO3 결정으로 이루어지고, (0°±5°, 80°-148°, 0°±5°)의 오일러 각들을 가질 수 있다. 이 경우, 기판의 오일러 각들은, 바람직하게 (0°±5°, 0°-12°, 0°±5°), (0°±5°, 37°-66°, 0°±5°), (0°±5°, 132°-180°, 0°±5°), (0°±5°, 0°-50°, 90°±5°), (0°±5°, 126°-180°, 90°±5°), (0°±5°, 0°-17°, 30°-60°), (0°±5°, 35°-67°, 30°-60°), 또는 (0°±5°, 123°-180°, 30°-60°)일 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 탄성파 디바이스에서, 압전 박막은, LiTaO3 결정으로 이루어지고, (90°±5°, 90°±5°, 33°-55°) 또는 (90°±5°, 90°±5°, 125°-155°)의 오일러 각들을 가질 수 있다. 또한, 압전 박막은, LiNbO3 결정으로 이루어지고, (90°±5°, 90°±5°, 38°-65°) 또는 (90°±5°, 90°±5°, 118°-140°)의 오일러 각들을 가질 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 탄성파 디바이스에서, 압전 박막은, LiTaO3 결정으로 이루어지고, 탄성파의 파장의 0.001배 내지 2배의 두께를 가질 수 있다. 이 경우, 압전 박막의 두께가, 바람직하게 탄성파의 파장의 0.01배 내지 0.6배, 보다 바람직하게 그의 0.02배 내지 0.6배, 훨씬 더 바람직하게 그의 0.03배 내지 0.4배, 또는 또한 훨씬 더 바람직하게 그의 0.03배 내지 0.3배일 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 탄성파 디바이스에서, 기판은, 레일리파나 LSAW에 대해 플러스의 TCF를 제공할 수 있는 (0°±5°, 0°-132°, 0°±5°), (0°±5°, 0°-18°, 0°±5°), (0°±5°, 42°-65°, 0°±5°), 또는 (0°±5°, 126°-180°, 0°±5°)의 오일러 각들을 가질 수 있고, 압전 박막은, LiNbO3 결정으로 이루어지고, (0°±5°, 75°-165°, 0°±5°)의 오일러 각들을 가질 수 있고, 바람직하게 (0°±5°, 100°-160°, 0°±5°)의 오일러 각들을 가질 수 있다. 이 경우, 기판은 바람직하게 (0°±5°, 0°-12°, 0°±5°), (0°±5°, 44°-63°, 0°±5°), 또는 (0°±5°, 135°-180°, 0°±5°)의 오일러 각들을 가질 수 있다. 또한, 이 경우, 압전 박막은, 바람직하게 탄성 표면파의 파장의 0.001배 내지 2배, 보다 바람직하게 0.01배 내지 0.6배, 훨씬 더 바람직하게 0.012배 내지 0.6배, 또한 훨씬 더 바람직하게 0.02배 내지 0.5배, 또는 게다가 또한 훨씬 더 바람직하게 0.03배 내지 0.33배의 두께를 가질 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 탄성파 디바이스에서, 기판은 레일리파나 LSAW에 대해 플러스의 TCF를 제공할 수 있는 (0°±5°, 0°-42°, 90°±5°), (0°±5°, 90°-155°, 90°±5°), (0°±5°, 0°-45°, 90°±5°), 또는 (0°±5°, 123°-180°, 90°±5°)의 오일러 각들을 가질 수 있고, 압전 박막은, LiNbO3 결정으로 이루어지고, (0°±5°, 70°-170°, 0°±5°)의 오일러 각들을 가질 수 있다. 이 경우, 기판은 바람직하게 (0°±5°, 0°-34°, 90°±5°) 또는 (0°±°, 126°-180°, 90°±5°)의 오일러 각들을 가질 수 있다. 또한, 이 경우, 압전 박막은, 바람직하게 탄성 표면파의 파장의 0.001배 내지 2배, 보다 바람직하게 0.01배 내지 0.5배, 훨씬 더 바람직하게 0.02배 내지 0.33배, 또한 훨씬 더 바람직하게 0.06배 내지 0.3배의 두께를 가질 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 탄성파 디바이스에서, 기판은, (1°-39°, 100°-150°, 0°-20° 또는 70°-120° 또는 160°-180°)의 오일러 각들을 가질 수 있고, 압전 박막은, LiNbO3 결정으로 이루어지고, (0°±5°, 95°-160°, 0°±5°)의 오일러 각들을 가질 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 탄성파 디바이스에서, 기판은, (1°-39°, 70°-150°, 0°-20° 또는 70°-120° 또는 160°-180°)의 오일러 각들을 가질 수 있고, 압전 박막은, LiNbO3 결정으로 이루어지고, (0°±5°, 25°-51°, 0°±5°)의 오일러 각들을 가질 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 탄성파 디바이스에서, 기판은, (0°±5°, 90°-178°, 0°±5°) 또는 (0°±5°, 80°-160°, 90°±5°)의 오일러 각들을 가질 수 있고, 압전 박막은, LiNbO3 결정으로 이루어지고, 레일리파를 여기시키는, (0°±5°, 35°-70°, 0°±5°), 바람직하게 (0°±5°, 45°-63°, 0°±5°), 또는 보다 바람직하게 (0°±5°, 48°-60°, 0°±5°)의 오일러 각들을 가질 수 있다. 또한, 이 경우, LSAW 및 레일리파에 대해 플러스의 TCF를 제공하는 기판은 바람직하게 (0°±5°, 90°-178°, 0°±5°) 또는 (0°±5°, 125°-160°, 90°±5°)의 오일러 각들을 가질 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 탄성파 디바이스에서, 기판은, (0°±5°, 0°-16°, 0°±5°), (0°±5°, 42°-64°, 0°±5°), (0°±5°, 138°-180°, 0°±5°), (0°±5°, 0°-30°, 90°±5°), (0°±5°, 130°-180°, 90°±5°), (0°±5°, 0°-28°, 30°-60°), (0°±5°, 42°-70°, 30°-60°), 또는 (0°±5°, 132°-180°, 30°-60°)의 오일러 각들을 가질 수 있고, 압전 박막은 LiNbO3 결정으로 이루어지고, (0°±5°, 75°-165°, 0°±5°), 또는 보다 바람직하게 (0°±5°, 90°-160°, 0°±5°)의 오일러 각들을 가질 수 있다. 이 경우, 기판의 오일러 각들은, 보다 바람직하게 (0°±5°, 43°-61°, 0°±5°), (0°±5°, 147°-180°, 0°±5°), (0°±5°, 0°-15°, 90°±5°), (0°±5°, 134°-180°, 90°±5°), (0°±5°, 0°-23°, 30°-60°), (0°±5°, 43°-67°, 30°-60°), 또는 (0°±5°, 137°-180°, 30°-60°)일 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 탄성파 디바이스에서, 기판은, (0°±5°, 32°-118°, 0°±5°), (0°±5°, 0°-30°, 90°±5°), (0°±5°, 173°-180°, 90°±5°), 또는 (0°±5°, 0°-142°, 30°-60°)의 오일러 각들을 가질 수 있고, 압전 박막은 LiNbO3 결정으로 이루어지고, (0°±5°, 35°-70°, 0°±5°), 또는 바람직하게 (0°±5°, 45°-63°, 0°±5°)의 오일러 각들을 가질 수 있다. 이 경우, 기판의 오일러 각들은 바람직하게 (0°±5°, 40°-102°, 0°±5°), (0°±5°, 0°-17°, 90°±5°), (0°±5°, 175°-180°, 90°±5°), 또는 (0°±5°, 13°-130°, 30°-60°)일 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 탄성파 디바이스에서, 이용되는 탄성 표면파는 기본 또는 0-th 모드이거나, 또는 고차 모드일 수 있다. 고차 모드가 이용되는 경우, 압전 박막은, 바람직하게 탄성 표면파의 파장의 0.35배 내지 9.3배의 두께를 가질 수 있다. 또한, 기판과 압전 박막 사이에 단락 전극이 제공되는 경우에는, 압전 박막은, 탄성 표면파의 파장의 0.5배 내지 9배의 두께를 가질 수 있다. 이 경우들에서, 높은 임피던스비를 얻을 수 있다.
여기서, 오일러 각들 (φ, θ, ψ)은 오른손 좌표계이며, 기판이나 압전 박막의 절단면과, 탄성 표면파의 전파 방향을 표현한다. 즉, 기판을 구성하는 결정이나, LT 또는 LN의 결정 축들 X, Y, 및 Z에 대하여, 회전축으로서 Z 축에 대해 X 축을 반시계 방향으로 φ 회전함으로써, X' 축을 얻을 수 있다. 이어서, 회전축으로서 그 X' 축에 대해 Z축을 반시계 방향으로 θ 회전함으로써 Z' 축을 얻을 수 있다. 그 후, Z' 축을 법선으로서 정의하고 X' 축을 포함하는 면을, 기판이나 압전 박막의 절단면으로서 정의한다. 또한, 회전축으로서 Z' 축에 대해 X' 축을 반시계 방향으로 ψ 회전함으로써 얻어진 방향을, 탄성 표면파의 전파 방향으로서 정의한다. 또한, 이 회전들은 Y 축의 이동을 초래하고, X' 축 및 Z' 축과 수직한 Y' 축으로서 정의된 축을 제공한다.
오일러 각들의 이러한 정의들에 따라, 예를 들어 40° 회전 Y판 X 방향 전파는, (0°, 130°, 0°)의 오일러 각들로 표현될 수 있고, 40° 회전 Y판 90° X 방향 전파는, (0°, 130°, 90°)의 오일러 각들로 표현될 수 있다.
본 발명에 따른 탄성파 디바이스에서, 기판 및 압전 박막은, 상술한 오일러 각들뿐만 아니라, 결정학적으로 등가인 오일러 각들을 갖는 것일 수 있다는 것이 이해될 것이다. 이 경우에도, 보다 양호한 TCF 및 더 높은 Q 및 임피던스비의 특성을 얻을 수 있다. 또한, 기판이나 압전 박막을 원하는 오일러 각들로 잘라낼 때, 오일러 각들의 각 성분에 대하여 최대로 대략 ± 0.5°의 오차가 포함될 수 있다. IDT의 형상은, 전파 방향 ψ에 대하여, 대략 ± 3°의 오차를 포함할 수 있다. 탄성파의 특성들은, 오일러 각들 (φ, θ, ψ) 중, φ 및 ψ에 대해서는, 실질적으로 ± 5°의 어긋남에 의해 야기되는 특성차는 실질적으로 포함하지 않는다.
본 발명에 따르면, 양호한 TCF를 갖고, 공진자가 Q 및 임피던스비를 가질 수 있게 하는 탄성파 디바이스를 제공하는 것이 가능할 수 있다.
달리 설명되지 않는 경우, Al-IDT는 두께 0.08 파장을 갖는 알루미늄 전극을 포함하는 인터디지털 트랜스듀서 전극으로 지칭할 수 있다. 도면들에서:
도 1a, 도 1b 및 도 1c는 각각 Al-IDT/압전 기판을 갖는 종래의 탄성파 디바이스, 본 발명의 실시예에 따른 탄성파 디바이스, 및 본 발명의 탄성파 디바이스의, 접합 막을 갖는 대안적인 예를 도시하는 사시도들이다;
도 2a 및 도 2b는 각각 종래의 탄성파 공진자의 Al-IDT/(0°, 110°, 0°) LT 기판, 및 Al-IDT/(0°, 132°, 0°) LT 기판의, 임피던스 (Z)의 주파수 특성들을 나타내는 그래프들이다; 그래프들에서, 최소 Z 및 최대 Z에 대한 주파수들은 각각, 공진 주파수 (fr) 및 각각 반공진 (fa)로서 지칭되고, 대응하는 Z들은 각각 Zr 및 Za로서 지칭된다; 대역은 (fa - fa)/fr로 표현되고 임피던스비는 20 × Log (Za/Zr)로 표현된다;
도 3a 및 도 3b는 각각 Al-IDT/(0°, 110°, 0°) LT 박막(0.15 파장 두께)/(0°, 130°, 90°) 수정 기판의 구조를 갖는 탄성파 공진자, 및 Al-IDT/(0°, 120°, 0°) LT 박막(0.15 파장 두께)/(0°, 130°, 0°) 수정 기판의 구조를 갖는 탄성파 공진자의, 임피던스 (Z)의 주파수 특성들을 나타내는 그래프들이다;
도 4a 및 도 4b는 각각 Al-IDT/(0°, 110°, 0°) LT 박막(0.15 파장 두께)/(0°, 130°, 30°) 수정 기판의 구조를 갖는 탄성파 공진자, 및 Al-IDT/(0°, 110°, 0°) LT 박막(0.15 파장 두께)/(0°, 130°, 60°) 수정 기판의 구조를 갖는 탄성파 공진자의, 임피던스 (Z)의 주파수 특성들을 나타내는 그래프들이다;
도 5는 (0°, 130°, ψ) 수정 기판에서, 레일리파 및 LSAW의 음속들이 전파 방향 ψ에 의존할 수 있음을 나타내는 그래프이다;
도 6a 및 도 6b는 각각 Al-IDT/(0°, 132°, 0°) LT 박막/(110)Si 기판의 구조를 갖는 탄성파 공진자, 및 Al-IDT/(0°, 132°, 0°) LT 박막/c-사파이어 기판의 구조를 갖는 탄성파 공진자의, 임피던스 (Z)의 주파수 특성들을 나타내는 그래프들이다;
도 7a, 도 7b 및 도 7c는 (0°, θ, 0°) 수정 기판에서, 각각 레일리파 및 LSAW의 음속들, 레일리파와 LSAW의 TCF들, 및 LSAW의 종파의 변위 성분 U1, SH 성분 U2, 및 SV(shear vertical) 성분 U3 간의 기판 표면에서의 변위 비율들이 θ에 의존할 수 있음을 나타내는 그래프들이다;
도 8a, 도 8b 및 도 8c는 (0°, θ, 90°) 수정 기판에서, 각각 레일리파 및 LSAW의 음속들, 레일리파 및 LSAW의 TCF들, LSAW의 종파의 변위 성분 U1, SH 성분 U2, 및 SV(shear vertical) 성분 U3 간의 기판 표면에서의 변위 비율들이 θ에 의존할 수 있음을 나타내는 그래프들이다;
도 9는 (φ, θ, ψ) 수정 기판에서, 여러가지 φ 및 θ에 대한 음속들이 ψ에 의존할 수 있음을 나타내는 그래프이다;
도 10a, 도 10b 및 도 10c는 (0°, θ, 0°) LT 기판에서, 각각 레일리파 및 LSAW의 음속들(그래프에서, 실선 (vf) 및 파선(vm)은 각각 LT 기판 표면이 전기적으로 개방한 경우 및 LT 기판 표면이 단락한 경우의 음속들에 대응함), 레일리파 및 LSAW의 전기 기계 결합 계수(coupling factor), 및 LSAW의 TCF가 θ에 의존할 수 있음을 나타내는 그래프들이다;
도 11a 및 도 11b는 Al-IDT/(0°, θ, 0°) LT 박막(0.15 파장 두께)/(0°, 115°-145°, 0°) 수정 기판의 구조를 갖는 탄성파 공진자의 대역, 및 임피던스비 각각이 θ에 의존할 수 있음을 나타내는 그래프들이다(각 그래프에서 표시된 θ는, 수정 기판의 θ에 대응함);
도 12a 및 도 12b는 Al-IDT/(0°, 110°, 0°) LT 박막(0.15 파장 두께)/(0°, θ, 0°) 수정 기판의 구조를 갖는 탄성파 공진자의, Al 두께가 0.08 파장일 때 및 Al 두께가 0.2 파장일 때 임피던스비들 각각이 θ에 의존할 수 있음을 나타내는 그래프들이다(공진 및 반공진 주파수들 간에서, 실선은 리플이 없는 특성을 나타내고, 파선은 리플이 있는 특성을 나타냄);
도 13a 및 도 13b는 Al-IDT/(0°, 110°, 0°) LT 박막(0.15 파장 두께)/(0°, 130°, 0°) 수정 기판을 갖는 탄성파 공진자의, Al 두께가 0.08 파장 및 0.2 파장일 때 대역들 및 임피던스비 각각이 LT 막 두께에 의존할 수 있음을 나타내는 그래프들이다;
도 14a 및 도 14b는 Al-IDT/(0°, θ, 0°) LT 박막(0.15 파장 두께)/(0°, 100°-175°, 90°) 수정 기판의 구조를 갖는 탄성파 공진자의 대역 및 임피던스비 각각이 θ에 의존할 수 있음을 나타내는 그래프들이다(각 그래프에서 표시된 θ는, 수정 기판의 θ에 대응함);
도 15a 및 도 15b는 Al-IDT/(0°, 110°, 0°) LT 박막/(0°, θ, 90°) 수정 기판의 구조를 갖는 탄성파 공진자의, LT 두께가 0.15 파장이고 Al 두께가 0.08 파장일 때(도 15a), LT 두께가 0.15 파장이고 Al 두께가 0.1 파장 및 LT 두께가 1.25 파장 및 2 파장이고 Al 두께가 0.2 파장일 때(도 15b), 임피던스비들이 θ에 의존할 수 있음을 나타내는 그래프들이고(공진 및 반공진 주파수들 간에서, 실선은 리플이 없는 특성을 나타내고, 파선은 리플이 있는 특성을 나타냄), 도 15c는 도 15b에서, 수정 기판에서의 θ=125.25°일 때의 임피던스 (Z)의 주파수 특성을 나타내는 그래프이다;
도 16a 및 도 16b는 Al-IDT/(0°, 110°, 0°) LT 박막/(0°, 128°, 90°) 수정 기판의 구조를 갖는 탄성파 공진자의, Al 두께가 0.08 파장 및 0.2 파장일 때 대역들 및 임피던스비 각각이 LT 막 두께에 의존할 수 있음을 나타내는 그래프들이다;
도 17a는 Al-IDT/(0°, 110°, 0°) LT 박막(0.15 파장 두께)/(0°, 45°, 0°) 수정 기판의 구조를 갖는 탄성파 공진자의 임피던스 (Z)의 주파수 특성이 LT 막 두께에 의존할 수 있음을 나타내는 그래프이고, 도 17b는 Al 두께가 0.12 파장 및 0.2 파장일 때 임피던스비들이 LT 막 두께에 의존할 수 있음을 나타내는 그래프이다;
도 18은 Al-IDT/(0°, 110°, 0°) LT 박막/(20°, 120°, 115°) 수정 기판 및, Al-IDT/(0°, 110°, 0°) LT 박막/(0°, 130°, 0°) 수정 기판의 구조들을 갖는 탄성파 공진자들의 임피던스비들이 LT 막 두께에 의존할 수 있음을 나타내는 그래프이다;
도 19a, 도 19b 및 도 19c는 (0°, θLT, 0°) LT 박막(0.15 파장 두께)/(0°, θquartz, 0°) 수정 기판 기판 구조, (0°, θLT, 0°) LT 박막(0.15 파장 두께)/(0°, θquartz, 90°) 수정 기판 구조, (0°, θLT, 0°) LT 박막(0.15 파장 두께)/(0°, θquartz, 30°-60°) 수정 기판 구조 각각이, θLT=80°, 125° 및 148°일 때의, TCF들의 θquartz에 의존할 수 있음을 나타내는 그래프들이다;
도 20a, 도 20b 및 도 20c는 (0°, θ, 0°) LN 기판의 표면이 전기적으로 개방(Vf) 및 단락(Vm)일 때의 레일리파와 LSAW의 음속들, 레일리파 및 LSAW 전기 기계 결합 계수, 및 레일리파 및 LSAW TCF들 각각이 θ에 의존할 수 있음을 나타내는 그래프들이다;
도 21은 Al-IDT/(0°, 131°, 0°) LN 박막(0.15 파장 두께)/(0°, 115°, 90°) 수정 기판의 구조를 갖는 탄성파 공진자의, 임피던스 (Z)의 주파수 특성을 나타내는 그래프이다;
도 22a는 Al-IDT/(0°, θ, 0°) LN 박막(0.15 파장 두께)/(0°, 130°, 0°) 수정 기판의 구조를 갖는 탄성파 공진자의, LSAW 및 레일리파 임피던스비들이 θ에 의존할 수 있음을 나타내는 그래프이고 도 22b는 Al-IDT/(0°, 131°, 0°) LN 박막(0.15 파장 두께)/(0°, θ, 0°) 수정 기판의 구조를 갖는 탄성파 공진자의, Al 두께가 0.08 파장 및 0.2 파장일 때, LSAW 임피던스비가 θ에 의존할 수 있고 Al-IDT/(0°, 55°, 0°) LN 박막(0.15 파장 두께)/(0°, θ, 0°) 수정 기판의 구조를 갖는 탄성파 공진자의, Al 두께가 0.08 파장일 때, 레일리파 임피던스비가 θ에 의존할 수 있음을 나타내는 그래프이다(공진 및 반공진 주파수들 간에서, 실선은 리플이 없는 특성을 나타내고, 파선은 리플이 있는 특성을 나타냄);
도 23a 및 도 23b는 Al-IDT/(0°, 131°, 0°) LN 박막/(0°, 130°, 0°) 수정 기판의 구조를 갖는 탄성파 공진자의, Al 두께가 0.08 파장 및 0.2 파장일 때 대역 및 임피던스비 각각이 LN 막 두께에 의존할 수 있음을 나타내는 그래프들이다;
도 24a는 Al-IDT/(0°, θ, 0°) LN 박막(0.15 파장 두께)/(0°, 130°, 90°) 수정 기판의 구조를 갖는 탄성파 공진자의, LSAW 및 레일리파 임피던스비들이 θ에 의존할 수 있음을 나타내는 그래프이고, 도 24b는 Al-IDT/(0°, 131°, 0°) LN 박막(0.15 파장 두께)/(0°, θ, 90°) 수정 기판의 구조를 갖는 탄성파 공진자의, Al 두께가 0.08 파장 및 0.2 파장일 때, LSAW 임피던스비가 θ에 의존할 수 있고, Al-IDT/(0°, 38°, 0°) LN 박막(0.15 파장 두께)/(0°, θ, 90°) 수정 기판의 구조를 갖는 탄성파 공진자의, Al 두께가 0.08 파장일 때, 레일리파 임피던스비가 θ에 의존할 수 있음을 나타내는 그래프이다(공진 및 반공진 주파수들 간에서, 실선은 리플이 없는 특성을 나타내고, 파선은 리플이 있는 특성을 나타냄);
도 25a 및 도 25b는 Al-IDT/(0°, 131°, 0°) LN 박막/(0°, 115°, 90°) 수정 기판의 구조를 갖는 탄성파 공진자의, Al 두께가 0.08 파장 및 0.2 파장일 때 대역 및 임피던스비 각각이 LN 막 두께에 의존할 수 있음을 나타내는 그래프들이다;
도 26a, 도 26b 및 도 26c는 (0°, θLN, 0°) LN 박막(0.15 파장 두께)/(0°, θquartz, 0°) 수정 기판 구조, (0°, θLN, 0°) LN 박막(0.15 파장 두께)/(0°, θquartz, 90°) 수정 기판 구조, 및 (0°, θLN, 0°) LN 박막(0.15 파장 두께)/(0°, θquartz, 30°-60°) 수정 기판 구조 각각이, θLT=38°, 85° 및 154°일 때의, TCF들의 θquartz에 의존할 수 있음을 나타내는 그래프들이다;
도 27은 Al-IDT/(90°, 90°, ψ) LT 박막(0.15 파장 두께)/(0°, 132.75°, 90°) 수정 기판 및, Al-IDT/(90°, 90°, ψ) LN 박막(0.15 파장 두께)/(0°, 132.75°, 90°) 수정 기판의 구조들을 갖는 종파형 누설 탄성 표면파 공진자들의 임피던스비들이 ψ에 의존할 수 있음을 나타내는 그래프이다;
도 28은 Al-IDT/(0°, 110°, 0°) LT 박막(0.15 파장 두께)/용융 석영 기판의 구조를 갖는 탄성파 공진자의 임피던스 (Z)의 주파수 특성을 나타내는 그래프이다;
도 29는 Al-IDT/(0°, 110°, 0°) LT 박막(0.15 파장 두께)/각종 기판들의 구조들을 갖는 탄성파 공진자들의 임피던스비들이 LT 막 두께에 의존할 수 있음을 나타내는 그래프이다;
도 30은 Al-IDT/(0°, 110°, 0°) LT 박막/SiO2 막/고음속 기판 및, Al-IDT/(0°, 131°, 0°) LN 박막/SiO2 막/고음속 기판의 구조들을 갖는 탄성파 공진자들의 임피던스비들이 SiO2 막 두께에 의존할 수 있음을 나타내는 그래프이다;
도 31a 및 도 31b는 각종 IDT들/(0°, 110°, 0°) LT 박막(0.15 파장 두께)/(0°, 132.75°, 90°) 수정 기판들의 구조들을 갖는 탄성파 공진자들의 대역 및 임피던스비 각각이 여러가지 재료로 이루어진 인터디지털 트랜스듀서 전극들의 두께(electrode thickness)에 의존할 수 있음을 나타내는 그래프들이다;
도 32a 및 도 32b는 각종 IDT들/(0°, 110°, 0°) LT 박막(0.15 파장 두께)/(0°, 132.75°, 90°) 수정 기판들의 구조들을 갖는 탄성파 공진자들의 대역 및 임피던스비 각각이, 여러가지 재료들로 이루어진 인터디지털 트랜스듀서 전극들의 메탈라이제이션비(metalization ratio)에 의존할 수 있음을 나타내는 그래프들이다(메탈라이제이션비=2×전극 폭/파장);
도 33a, 도 33b, 도 33c 및 도 33d는 각각 IDT/압전 박막/기판 구조, IDT/압전 박막/단락 전극/기판 구조, 압전 박막/IDT/기판 구조(상부 부분은 기판에 매립된 IDT를 나타내고, 하부 부분은 압전 박막에 매립된 IDT를 나타냄), 및 단락 전극/압전 박막/IDT/기판 구조(상부 부분은 기판에 매립된 IDT를 나타내고, 하부 부분은 압전 박막에 매립된 IDT를 나타냄)를 갖는 탄성파 디바이스들의 정면도들이다;
도 34a 및 도 34b는 (0°, 110°, 0°) LT 박막 및, (0°, 132.75°, 90°) 수정 기판을 갖는 도 33a 내지 도 33d에 나타내는 각 구조의 탄성파 공진자의 대역 및 임피던스비 각각이 LT 막 두께에 의존할 수 있음을 나타내는 그래프들이다;
도 35는 (0°, 110°, 0°) LT 박막 및, (0°, 132.75°, 90°) 수정 기판을 포함하고, Al-IDT의 일부 또는 전부가 LT 박막에 매립되는 구조 및, Al-IDT가 LT 박막에 매립되지 않는 구조를 갖는 탄성파 공진자들의 임피던스비들이 LT 막 두께에 의존할 수 있음을 나타내는 그래프이다;
도 36a, 도 36b 및 도 36c는 Al-IDT/(0°, 110°, 0°) LT 박막(0.15 파장 두께)/접합 막/(0°, 132.75°, 90°) 수정 기판의 구조를 갖는 탄성파 공진자의 음속, 대역, 및 임피던스비 각각이, 접합 막 두께에 의존할 수 있음을 나타내는 그래프들이다;
도 37a, 도 37b, 도 37c 및 도 37d는 Al-IDT/(0°, 110°, 0°) LT 박막(0.15 파장 두께)/SiO2/SixNy/(0°, 132.75°, 90°) 수정 기판, Al-IDT/(0°, 110°, 0°) LT 박막(0.15 파장 두께)/SixNy/SiO2/(0°, 132.75°, 90°) 수정 기판, 및 Al-IDT/(0°, 110°, 0°) LT 박막(0.15 파장 두께)/ZnO/SiO2/(0°, 132.75°, 90°) 수정 기판, 및 Al-IDT/(0°, 110°, 0°) LT 박막(0.15 파장 두께)/Ta2O5/SiO2/(0°, 132.75°, 90°) 수정 기판의 구조들을 갖는 탄성파 공진자들의 임피던스비들 각각이, SiO2의 막 두께에 의존할 수 있음을 나타내는 그래프들이다;
도 38a 및 도 38b는 Al-IDT/(0°, 110°, 0°) LT 박막(0.15 파장 두께)/SiO2/SixNy/접합 막의 제3 층/(0°, 132.75°, 90°) 수정 기판, 및 Al-IDT/(0°, 110°, 0°) LT 박막(0.15 파장 두께)/SixNy/SiO2/접합 막의 제3 층/(0°, 132.75°, 90°) 수정 기판의 구조들을 갖는 탄성파 공진자들의, 접합 막의 제3 층(제3 층 막)이 각종 재료들로 이루어질 때의 임피던스비들이, 제3 층 막 두께에 의존할 수 있음을 나타내는 그래프들이다;
도 39는 Al-IDT/(0°, 110°, 0°) LT 박막(0.15 파장 두께)/(0°, 132.75°, 90°) 수정 기판의 구조를 갖는 탄성파 공진자의 임피던스 (Z)의 주파수 특성을 나타내는 그래프이다;
도 40은 각종 IDT들/(0°, 110°, 0°) LT 박막(0.15 파장 두께)/(0°, 132.75°, 90°) 수정 기판의 구조들을 갖는 탄성파 공진자들의, 고차 모드들에서의 임피던스비들이, 여러가지 재료로 이루어진 인터디지털 트랜스듀서 전극들의 두께(electrode thickness)에 의존할 수 있음을 나타내는 그래프이다;
도 41은 Au-IDT/(0°, 110°, 0°) LT 박막/(0°, 132.75°, 90°) 수정 기판 및, Au-IDT/(0°, 110°, 0°) LT 박막/단락 전극/(0°, 132.75°, 90°) 수정 기판의 구조들을 갖는 탄성파 공진자들의 임피던스비들이 LT 막 두께에 의존할 수 있음을 나타내는 그래프이다;
도 42a 및 도 42b는 Al-IDT/(0°, 110°, 0°) LT 박막/(0°, θ, 0°) 수정 기판, 및 Al-IDT/(0°, 110°, 0°) LT 박막/(0°, θ, 90°) 수정 기판의 구조들을 갖는 탄성파 공진자들의, 각종 LT 막 두께에 대한 고차 모드 (1-th)에서 임피던스비들이 θ에 의존할 수 있음을 나타내는 그래프들이다; 및
도 43은 본 발명의 실시예에 따른 탄성파 디바이스를 제조하는 방법을 나타내는 측면도들을 도시한다.
도 1a, 도 1b 및 도 1c는 각각 Al-IDT/압전 기판을 갖는 종래의 탄성파 디바이스, 본 발명의 실시예에 따른 탄성파 디바이스, 및 본 발명의 탄성파 디바이스의, 접합 막을 갖는 대안적인 예를 도시하는 사시도들이다;
도 2a 및 도 2b는 각각 종래의 탄성파 공진자의 Al-IDT/(0°, 110°, 0°) LT 기판, 및 Al-IDT/(0°, 132°, 0°) LT 기판의, 임피던스 (Z)의 주파수 특성들을 나타내는 그래프들이다; 그래프들에서, 최소 Z 및 최대 Z에 대한 주파수들은 각각, 공진 주파수 (fr) 및 각각 반공진 (fa)로서 지칭되고, 대응하는 Z들은 각각 Zr 및 Za로서 지칭된다; 대역은 (fa - fa)/fr로 표현되고 임피던스비는 20 × Log (Za/Zr)로 표현된다;
도 3a 및 도 3b는 각각 Al-IDT/(0°, 110°, 0°) LT 박막(0.15 파장 두께)/(0°, 130°, 90°) 수정 기판의 구조를 갖는 탄성파 공진자, 및 Al-IDT/(0°, 120°, 0°) LT 박막(0.15 파장 두께)/(0°, 130°, 0°) 수정 기판의 구조를 갖는 탄성파 공진자의, 임피던스 (Z)의 주파수 특성들을 나타내는 그래프들이다;
도 4a 및 도 4b는 각각 Al-IDT/(0°, 110°, 0°) LT 박막(0.15 파장 두께)/(0°, 130°, 30°) 수정 기판의 구조를 갖는 탄성파 공진자, 및 Al-IDT/(0°, 110°, 0°) LT 박막(0.15 파장 두께)/(0°, 130°, 60°) 수정 기판의 구조를 갖는 탄성파 공진자의, 임피던스 (Z)의 주파수 특성들을 나타내는 그래프들이다;
도 5는 (0°, 130°, ψ) 수정 기판에서, 레일리파 및 LSAW의 음속들이 전파 방향 ψ에 의존할 수 있음을 나타내는 그래프이다;
도 6a 및 도 6b는 각각 Al-IDT/(0°, 132°, 0°) LT 박막/(110)Si 기판의 구조를 갖는 탄성파 공진자, 및 Al-IDT/(0°, 132°, 0°) LT 박막/c-사파이어 기판의 구조를 갖는 탄성파 공진자의, 임피던스 (Z)의 주파수 특성들을 나타내는 그래프들이다;
도 7a, 도 7b 및 도 7c는 (0°, θ, 0°) 수정 기판에서, 각각 레일리파 및 LSAW의 음속들, 레일리파와 LSAW의 TCF들, 및 LSAW의 종파의 변위 성분 U1, SH 성분 U2, 및 SV(shear vertical) 성분 U3 간의 기판 표면에서의 변위 비율들이 θ에 의존할 수 있음을 나타내는 그래프들이다;
도 8a, 도 8b 및 도 8c는 (0°, θ, 90°) 수정 기판에서, 각각 레일리파 및 LSAW의 음속들, 레일리파 및 LSAW의 TCF들, LSAW의 종파의 변위 성분 U1, SH 성분 U2, 및 SV(shear vertical) 성분 U3 간의 기판 표면에서의 변위 비율들이 θ에 의존할 수 있음을 나타내는 그래프들이다;
도 9는 (φ, θ, ψ) 수정 기판에서, 여러가지 φ 및 θ에 대한 음속들이 ψ에 의존할 수 있음을 나타내는 그래프이다;
도 10a, 도 10b 및 도 10c는 (0°, θ, 0°) LT 기판에서, 각각 레일리파 및 LSAW의 음속들(그래프에서, 실선 (vf) 및 파선(vm)은 각각 LT 기판 표면이 전기적으로 개방한 경우 및 LT 기판 표면이 단락한 경우의 음속들에 대응함), 레일리파 및 LSAW의 전기 기계 결합 계수(coupling factor), 및 LSAW의 TCF가 θ에 의존할 수 있음을 나타내는 그래프들이다;
도 11a 및 도 11b는 Al-IDT/(0°, θ, 0°) LT 박막(0.15 파장 두께)/(0°, 115°-145°, 0°) 수정 기판의 구조를 갖는 탄성파 공진자의 대역, 및 임피던스비 각각이 θ에 의존할 수 있음을 나타내는 그래프들이다(각 그래프에서 표시된 θ는, 수정 기판의 θ에 대응함);
도 12a 및 도 12b는 Al-IDT/(0°, 110°, 0°) LT 박막(0.15 파장 두께)/(0°, θ, 0°) 수정 기판의 구조를 갖는 탄성파 공진자의, Al 두께가 0.08 파장일 때 및 Al 두께가 0.2 파장일 때 임피던스비들 각각이 θ에 의존할 수 있음을 나타내는 그래프들이다(공진 및 반공진 주파수들 간에서, 실선은 리플이 없는 특성을 나타내고, 파선은 리플이 있는 특성을 나타냄);
도 13a 및 도 13b는 Al-IDT/(0°, 110°, 0°) LT 박막(0.15 파장 두께)/(0°, 130°, 0°) 수정 기판을 갖는 탄성파 공진자의, Al 두께가 0.08 파장 및 0.2 파장일 때 대역들 및 임피던스비 각각이 LT 막 두께에 의존할 수 있음을 나타내는 그래프들이다;
도 14a 및 도 14b는 Al-IDT/(0°, θ, 0°) LT 박막(0.15 파장 두께)/(0°, 100°-175°, 90°) 수정 기판의 구조를 갖는 탄성파 공진자의 대역 및 임피던스비 각각이 θ에 의존할 수 있음을 나타내는 그래프들이다(각 그래프에서 표시된 θ는, 수정 기판의 θ에 대응함);
도 15a 및 도 15b는 Al-IDT/(0°, 110°, 0°) LT 박막/(0°, θ, 90°) 수정 기판의 구조를 갖는 탄성파 공진자의, LT 두께가 0.15 파장이고 Al 두께가 0.08 파장일 때(도 15a), LT 두께가 0.15 파장이고 Al 두께가 0.1 파장 및 LT 두께가 1.25 파장 및 2 파장이고 Al 두께가 0.2 파장일 때(도 15b), 임피던스비들이 θ에 의존할 수 있음을 나타내는 그래프들이고(공진 및 반공진 주파수들 간에서, 실선은 리플이 없는 특성을 나타내고, 파선은 리플이 있는 특성을 나타냄), 도 15c는 도 15b에서, 수정 기판에서의 θ=125.25°일 때의 임피던스 (Z)의 주파수 특성을 나타내는 그래프이다;
도 16a 및 도 16b는 Al-IDT/(0°, 110°, 0°) LT 박막/(0°, 128°, 90°) 수정 기판의 구조를 갖는 탄성파 공진자의, Al 두께가 0.08 파장 및 0.2 파장일 때 대역들 및 임피던스비 각각이 LT 막 두께에 의존할 수 있음을 나타내는 그래프들이다;
도 17a는 Al-IDT/(0°, 110°, 0°) LT 박막(0.15 파장 두께)/(0°, 45°, 0°) 수정 기판의 구조를 갖는 탄성파 공진자의 임피던스 (Z)의 주파수 특성이 LT 막 두께에 의존할 수 있음을 나타내는 그래프이고, 도 17b는 Al 두께가 0.12 파장 및 0.2 파장일 때 임피던스비들이 LT 막 두께에 의존할 수 있음을 나타내는 그래프이다;
도 18은 Al-IDT/(0°, 110°, 0°) LT 박막/(20°, 120°, 115°) 수정 기판 및, Al-IDT/(0°, 110°, 0°) LT 박막/(0°, 130°, 0°) 수정 기판의 구조들을 갖는 탄성파 공진자들의 임피던스비들이 LT 막 두께에 의존할 수 있음을 나타내는 그래프이다;
도 19a, 도 19b 및 도 19c는 (0°, θLT, 0°) LT 박막(0.15 파장 두께)/(0°, θquartz, 0°) 수정 기판 기판 구조, (0°, θLT, 0°) LT 박막(0.15 파장 두께)/(0°, θquartz, 90°) 수정 기판 구조, (0°, θLT, 0°) LT 박막(0.15 파장 두께)/(0°, θquartz, 30°-60°) 수정 기판 구조 각각이, θLT=80°, 125° 및 148°일 때의, TCF들의 θquartz에 의존할 수 있음을 나타내는 그래프들이다;
도 20a, 도 20b 및 도 20c는 (0°, θ, 0°) LN 기판의 표면이 전기적으로 개방(Vf) 및 단락(Vm)일 때의 레일리파와 LSAW의 음속들, 레일리파 및 LSAW 전기 기계 결합 계수, 및 레일리파 및 LSAW TCF들 각각이 θ에 의존할 수 있음을 나타내는 그래프들이다;
도 21은 Al-IDT/(0°, 131°, 0°) LN 박막(0.15 파장 두께)/(0°, 115°, 90°) 수정 기판의 구조를 갖는 탄성파 공진자의, 임피던스 (Z)의 주파수 특성을 나타내는 그래프이다;
도 22a는 Al-IDT/(0°, θ, 0°) LN 박막(0.15 파장 두께)/(0°, 130°, 0°) 수정 기판의 구조를 갖는 탄성파 공진자의, LSAW 및 레일리파 임피던스비들이 θ에 의존할 수 있음을 나타내는 그래프이고 도 22b는 Al-IDT/(0°, 131°, 0°) LN 박막(0.15 파장 두께)/(0°, θ, 0°) 수정 기판의 구조를 갖는 탄성파 공진자의, Al 두께가 0.08 파장 및 0.2 파장일 때, LSAW 임피던스비가 θ에 의존할 수 있고 Al-IDT/(0°, 55°, 0°) LN 박막(0.15 파장 두께)/(0°, θ, 0°) 수정 기판의 구조를 갖는 탄성파 공진자의, Al 두께가 0.08 파장일 때, 레일리파 임피던스비가 θ에 의존할 수 있음을 나타내는 그래프이다(공진 및 반공진 주파수들 간에서, 실선은 리플이 없는 특성을 나타내고, 파선은 리플이 있는 특성을 나타냄);
도 23a 및 도 23b는 Al-IDT/(0°, 131°, 0°) LN 박막/(0°, 130°, 0°) 수정 기판의 구조를 갖는 탄성파 공진자의, Al 두께가 0.08 파장 및 0.2 파장일 때 대역 및 임피던스비 각각이 LN 막 두께에 의존할 수 있음을 나타내는 그래프들이다;
도 24a는 Al-IDT/(0°, θ, 0°) LN 박막(0.15 파장 두께)/(0°, 130°, 90°) 수정 기판의 구조를 갖는 탄성파 공진자의, LSAW 및 레일리파 임피던스비들이 θ에 의존할 수 있음을 나타내는 그래프이고, 도 24b는 Al-IDT/(0°, 131°, 0°) LN 박막(0.15 파장 두께)/(0°, θ, 90°) 수정 기판의 구조를 갖는 탄성파 공진자의, Al 두께가 0.08 파장 및 0.2 파장일 때, LSAW 임피던스비가 θ에 의존할 수 있고, Al-IDT/(0°, 38°, 0°) LN 박막(0.15 파장 두께)/(0°, θ, 90°) 수정 기판의 구조를 갖는 탄성파 공진자의, Al 두께가 0.08 파장일 때, 레일리파 임피던스비가 θ에 의존할 수 있음을 나타내는 그래프이다(공진 및 반공진 주파수들 간에서, 실선은 리플이 없는 특성을 나타내고, 파선은 리플이 있는 특성을 나타냄);
도 25a 및 도 25b는 Al-IDT/(0°, 131°, 0°) LN 박막/(0°, 115°, 90°) 수정 기판의 구조를 갖는 탄성파 공진자의, Al 두께가 0.08 파장 및 0.2 파장일 때 대역 및 임피던스비 각각이 LN 막 두께에 의존할 수 있음을 나타내는 그래프들이다;
도 26a, 도 26b 및 도 26c는 (0°, θLN, 0°) LN 박막(0.15 파장 두께)/(0°, θquartz, 0°) 수정 기판 구조, (0°, θLN, 0°) LN 박막(0.15 파장 두께)/(0°, θquartz, 90°) 수정 기판 구조, 및 (0°, θLN, 0°) LN 박막(0.15 파장 두께)/(0°, θquartz, 30°-60°) 수정 기판 구조 각각이, θLT=38°, 85° 및 154°일 때의, TCF들의 θquartz에 의존할 수 있음을 나타내는 그래프들이다;
도 27은 Al-IDT/(90°, 90°, ψ) LT 박막(0.15 파장 두께)/(0°, 132.75°, 90°) 수정 기판 및, Al-IDT/(90°, 90°, ψ) LN 박막(0.15 파장 두께)/(0°, 132.75°, 90°) 수정 기판의 구조들을 갖는 종파형 누설 탄성 표면파 공진자들의 임피던스비들이 ψ에 의존할 수 있음을 나타내는 그래프이다;
도 28은 Al-IDT/(0°, 110°, 0°) LT 박막(0.15 파장 두께)/용융 석영 기판의 구조를 갖는 탄성파 공진자의 임피던스 (Z)의 주파수 특성을 나타내는 그래프이다;
도 29는 Al-IDT/(0°, 110°, 0°) LT 박막(0.15 파장 두께)/각종 기판들의 구조들을 갖는 탄성파 공진자들의 임피던스비들이 LT 막 두께에 의존할 수 있음을 나타내는 그래프이다;
도 30은 Al-IDT/(0°, 110°, 0°) LT 박막/SiO2 막/고음속 기판 및, Al-IDT/(0°, 131°, 0°) LN 박막/SiO2 막/고음속 기판의 구조들을 갖는 탄성파 공진자들의 임피던스비들이 SiO2 막 두께에 의존할 수 있음을 나타내는 그래프이다;
도 31a 및 도 31b는 각종 IDT들/(0°, 110°, 0°) LT 박막(0.15 파장 두께)/(0°, 132.75°, 90°) 수정 기판들의 구조들을 갖는 탄성파 공진자들의 대역 및 임피던스비 각각이 여러가지 재료로 이루어진 인터디지털 트랜스듀서 전극들의 두께(electrode thickness)에 의존할 수 있음을 나타내는 그래프들이다;
도 32a 및 도 32b는 각종 IDT들/(0°, 110°, 0°) LT 박막(0.15 파장 두께)/(0°, 132.75°, 90°) 수정 기판들의 구조들을 갖는 탄성파 공진자들의 대역 및 임피던스비 각각이, 여러가지 재료들로 이루어진 인터디지털 트랜스듀서 전극들의 메탈라이제이션비(metalization ratio)에 의존할 수 있음을 나타내는 그래프들이다(메탈라이제이션비=2×전극 폭/파장);
도 33a, 도 33b, 도 33c 및 도 33d는 각각 IDT/압전 박막/기판 구조, IDT/압전 박막/단락 전극/기판 구조, 압전 박막/IDT/기판 구조(상부 부분은 기판에 매립된 IDT를 나타내고, 하부 부분은 압전 박막에 매립된 IDT를 나타냄), 및 단락 전극/압전 박막/IDT/기판 구조(상부 부분은 기판에 매립된 IDT를 나타내고, 하부 부분은 압전 박막에 매립된 IDT를 나타냄)를 갖는 탄성파 디바이스들의 정면도들이다;
도 34a 및 도 34b는 (0°, 110°, 0°) LT 박막 및, (0°, 132.75°, 90°) 수정 기판을 갖는 도 33a 내지 도 33d에 나타내는 각 구조의 탄성파 공진자의 대역 및 임피던스비 각각이 LT 막 두께에 의존할 수 있음을 나타내는 그래프들이다;
도 35는 (0°, 110°, 0°) LT 박막 및, (0°, 132.75°, 90°) 수정 기판을 포함하고, Al-IDT의 일부 또는 전부가 LT 박막에 매립되는 구조 및, Al-IDT가 LT 박막에 매립되지 않는 구조를 갖는 탄성파 공진자들의 임피던스비들이 LT 막 두께에 의존할 수 있음을 나타내는 그래프이다;
도 36a, 도 36b 및 도 36c는 Al-IDT/(0°, 110°, 0°) LT 박막(0.15 파장 두께)/접합 막/(0°, 132.75°, 90°) 수정 기판의 구조를 갖는 탄성파 공진자의 음속, 대역, 및 임피던스비 각각이, 접합 막 두께에 의존할 수 있음을 나타내는 그래프들이다;
도 37a, 도 37b, 도 37c 및 도 37d는 Al-IDT/(0°, 110°, 0°) LT 박막(0.15 파장 두께)/SiO2/SixNy/(0°, 132.75°, 90°) 수정 기판, Al-IDT/(0°, 110°, 0°) LT 박막(0.15 파장 두께)/SixNy/SiO2/(0°, 132.75°, 90°) 수정 기판, 및 Al-IDT/(0°, 110°, 0°) LT 박막(0.15 파장 두께)/ZnO/SiO2/(0°, 132.75°, 90°) 수정 기판, 및 Al-IDT/(0°, 110°, 0°) LT 박막(0.15 파장 두께)/Ta2O5/SiO2/(0°, 132.75°, 90°) 수정 기판의 구조들을 갖는 탄성파 공진자들의 임피던스비들 각각이, SiO2의 막 두께에 의존할 수 있음을 나타내는 그래프들이다;
도 38a 및 도 38b는 Al-IDT/(0°, 110°, 0°) LT 박막(0.15 파장 두께)/SiO2/SixNy/접합 막의 제3 층/(0°, 132.75°, 90°) 수정 기판, 및 Al-IDT/(0°, 110°, 0°) LT 박막(0.15 파장 두께)/SixNy/SiO2/접합 막의 제3 층/(0°, 132.75°, 90°) 수정 기판의 구조들을 갖는 탄성파 공진자들의, 접합 막의 제3 층(제3 층 막)이 각종 재료들로 이루어질 때의 임피던스비들이, 제3 층 막 두께에 의존할 수 있음을 나타내는 그래프들이다;
도 39는 Al-IDT/(0°, 110°, 0°) LT 박막(0.15 파장 두께)/(0°, 132.75°, 90°) 수정 기판의 구조를 갖는 탄성파 공진자의 임피던스 (Z)의 주파수 특성을 나타내는 그래프이다;
도 40은 각종 IDT들/(0°, 110°, 0°) LT 박막(0.15 파장 두께)/(0°, 132.75°, 90°) 수정 기판의 구조들을 갖는 탄성파 공진자들의, 고차 모드들에서의 임피던스비들이, 여러가지 재료로 이루어진 인터디지털 트랜스듀서 전극들의 두께(electrode thickness)에 의존할 수 있음을 나타내는 그래프이다;
도 41은 Au-IDT/(0°, 110°, 0°) LT 박막/(0°, 132.75°, 90°) 수정 기판 및, Au-IDT/(0°, 110°, 0°) LT 박막/단락 전극/(0°, 132.75°, 90°) 수정 기판의 구조들을 갖는 탄성파 공진자들의 임피던스비들이 LT 막 두께에 의존할 수 있음을 나타내는 그래프이다;
도 42a 및 도 42b는 Al-IDT/(0°, 110°, 0°) LT 박막/(0°, θ, 0°) 수정 기판, 및 Al-IDT/(0°, 110°, 0°) LT 박막/(0°, θ, 90°) 수정 기판의 구조들을 갖는 탄성파 공진자들의, 각종 LT 막 두께에 대한 고차 모드 (1-th)에서 임피던스비들이 θ에 의존할 수 있음을 나타내는 그래프들이다; 및
도 43은 본 발명의 실시예에 따른 탄성파 디바이스를 제조하는 방법을 나타내는 측면도들을 도시한다.
이하, 도면들을 참조하여, 본 발명의 실시예들이 설명될 것이다. 도 1 내지 도 43은, 본 발명의 실시예들에 따른 탄성파 디바이스들을 나타낸다. 도 1b에 도시하는 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 탄성파 디바이스(10)는, 기판(11)과, 그 기판(11) 상에 배치된 압전 박막(12)과, 그 압전 박막(12) 상에 배치된 인터디지털 트랜스듀서(IDT) 전극(13)을 포함한다.
기판(11)은, SiO2를 70질량% 이상 포함한다. 기판(11)은, 예를 들어 수정, 파이렉스(등록 상표) 유리, 용융 석영, 붕규산 유리, 합성 석영, 석영 유리 등으로 이루어진다. 압전 박막(12)은, LiTaO3 결정(LT) 또는 LiNbO3 결정(LN)으로 이루어진다. 또한, 탄성파 공진자의 경우, 다수의 전극 핑거로 이루어지는 반사기들(14)이 인터디지털 트랜스듀서 전극(13)을 끼우도록 배치될 수 있다.
인터디지털 트랜스듀서(IDT) 전극(13)은, 1쌍의 전극 핑거(21)를 포함하고, 그 각각은 버스 바와, 버스 바의 길이 방향에 대하여 수직 방향으로 신장하고, 버스 바에 접속된 복수의 전극 핑거(21)를 포함한다. 각각의 IDT(13)는, 서로 교대하게(맞물리게) 배치되는 복수의 전극 핑거(21)를 포함한다. 각각의 IDT(13)는, 전극 핑거들(21) 사이에 대략 일정한 피치를 갖는다. 전극 핑거(21)의 수가 m개인 경우, (m-1)/2=N은 쌍 수(pair number)로서 지칭될 수 있다. 인접하는 전극 핑거들(21)(의 중앙) 간의 길이를 l로 정의하는 경우, 2l=λ이 1 주기가 될 수 있고, 탄성파 디바이스에 의해 여기되는 탄성파의 파장에 대응한다.
각각의 반사기(14)는, 탄성 표면파의 전파 방향을 따르고, 인터디지털 트랜스듀서 전극(13)으로부터 떨어져 간격을 두어 인터디지털 트랜스듀서 전극(13)을 양측으로부터 끼우도록 배치된다. 각각의 반사기(14)는, 1쌍의 버스 바와, 버스 바들 간에 놓이고 연장되는 복수의 전극 핑거를 포함한다. 각각의 반사기(14)는, 인터디지털 트랜스듀서 전극(13)의 각 전극 핑거 피치와 대략 동일한 각 전극 핑거의 피치를 갖고, 피치는 일정하게 유지된다.
비교를 위하여, 도 1a는, 종래의 탄성파 디바이스(50)를 나타낸다는 것이 이해될 것이다. 도 1a에 도시하는 바와 같이, 종래의 탄성파 디바이스(50)는, LT나 LN으로 이루어지는 압전 기판(51) 상에 인터디지털 트랜스듀서 전극(IDT)(52)이 형성된 구조를 갖는다. 또한, 인터디지털 트랜스듀서 전극(52)을 끼우도록 1쌍의 반사기(53)가 제공된다.
이하에서는, 오일러 각들 (φ, θ, ψ)은 단지 (φ, θ, ψ)로서 표현될 수 있다는 것이 이해될 것이다. 또한, 압전 박막(12)이나 인터디지털 트랜스듀서 전극들(13 및 52)의 두께는, 사용하는 탄성파 디바이스의 파장 λ에 대한 배율로서 나타낼 수 있다. 또한, 기판(11)으로서는, 달리 언급되지 않는 한, 수정 기판(11)이 사용된다. 또한, 이하에 나타내는 기판(11)이나 압전 박막(12)의 오일러 각들은, 결정학적으로 등가인 오일러 각들일 수 있다.
[각 LT, LN, 및 수정 기판들의 특성들의 구체적 예들]
도 2a 및 도 2b는, 도 1a에 나타내는 종래의 탄성파 디바이스에 기초하여, (0°, 110°, 0°) LT 기판을 갖는 압전 기판(51) 및 (0°, 132°, 0°) LT 기판을 갖는 압전 기판(51) 상에 0.08 파장 두께를 갖고 Al로 이루어진 인터디지털 트랜스듀서 전극(52)이 형성된, 제조된 SAW 공진자에 의해 얻어진 임피던스 (Z)의 주파수 특성들을 각각 나타낸다.
도 2a에 도시하는 바와 같이, (0°, 110°, 0°) LT 기판이 사용되는 경우, 공진 주파수 fr과 반공진 주파수 fa 사이에 큰 리플들이 있다. fr과 fa 사이의 대역 BW(BW = (fa - fr)/fr)는 5.2%이었고, 공진 임피던스와 반공진 임피던스 사이의 비(Z비)는 53dB이었다. 또한, 도 2b에 도시하는 바와 같이, (0°, 132°, 0°) LT 기판에서, fr과 fa 사이의 리플들은 감소되었다. BW는 3.8%이었고, 임피던스비는 63dB이었다.
도 3a 및 도 3b는, 도 1b에 나타내는 탄성파 디바이스(10)에서, LT 압전 박막(12)과 수정 기판(11)을 조합함으로써, (0°, 110°, 0°) LT 박막(12)(0.15 파장 두께)/(0°, 130°, 90°) 수정 기판(11) 구조 및, (0°, 120°, 0°) LT 박막(12)(0.15 파장 두께)/(0°, 130°, 0°) 수정 기판(11) 구조 상에 0.08 파장 두께를 갖고 Al로 이루어진 인터디지털 트랜스듀서 전극(13)이 형성된, 얻어진 임피던스 (Z)의 주파수 특성들을 각각 나타낸다.
도 3a에 도시하는 바와 같이, (0°, 110°, 0°) LT 박막(12)(0.15 파장 두께)/(0°, 130°, 90°) 수정 기판(11)의 경우, LT의 오일러 각들이 도 2a의 것들과 동일함에도 불구하고, 리플이 없어지고, 따라서 상당한 개선이 달성되었다. 구체적으로, 대역(BW)은 6.1%이고, 이는 대략 20% 더 넓고, 임피던스비는 77.5dB이고, 이는 24.5dB 더 크다. 이 임피던스비의 증가는, 10배 이상 Q에 대응한다. 또한, 도 3b에 도시하는 바와 같이, (0°, 120°, 0°) LT 박막(12)(0.15 파장 두께)/(0°, 130°, 0°) 수정 기판(11) 구조에서, BW는 5.5%이고, 임피던스비는 77.0dB이며, 이는 도 2b의 것들과 비교하여, BW가 넓어졌고, 임피던스비가 15dB 등 상당히 개선되었다. 이들의 임피던스비의 증가들은, 10배 이상 Q에 대응한다. 그 결과, 수정 기판(11)을 사용하는 것은, LT 기판 단체 단독인 경우에 비하여, 매우 우수한 급준성 및 삽입 손실의 특성들을 제공할 수 있다고 말할 수 있다. 또한, 결합 계수는, 비록 차이가 작을 수 있지만, 증가될 수 있다.
(0°, 130°, 90°) 수정 기판(11)이나 (0°, 130°, 0°) 수정 기판(11)은, LSAW와 레일리파 둘 다를 여기시킬 수 있다는 것이 이해될 수 있다(도 5, 도 7 및 도 8 참조); 그러나, 도 3의 특성들은 LSAW를 사용하여 얻어졌다. 레일리파를 사용할 때, SAW에서는, 반응이 확인되지 않았거나 또는 작은 리스폰스만이 확인되었다.
도 4a 및 도 4b는, (0°, 110°, 0°) LT 박막(12)(0.15 파장 두께)/(0°, 130°, 30°) 수정 기판(11) 구조 및 (0°, 110°, 0°) LT 박막(12)(0.15 파장 두께)/(0°, 130°, 60°) 수정 기판(11) 구조 상에 0.08 파장 두께를 갖고 Al로 이루어진 인터디지털 트랜스듀서 전극(13)을 형성하는 것에 의해, 얻어진 임피던스 (Z)의 주파수 특성들을 각각 나타낸다. 도 4a 및 도 4b 둘 다에서 알 수 있듯이, 대역 내에 큰 리플들이 있고, 양호한 특성이 얻어질 수 없다. 그러나, 수정의 ψ이, 85°, 95°, - 5° 및 5°일 때에는, 도 3a 및 도 3b에서 발견된 것들과 유사한 특성들이 얻어질 수 있다. 위와 같이, Al 두께와 오일러 각들에 따라서는, 큰 리플들이 발생할 수 있고 따라서 Al 두께와 오일러 각들이 어떻게 선택되어야 하는지가 중요할 수 있다.
도 5는, (0°, 130°, ψ) 수정 기판(11)에서의, 레일리파 및 LSAW의 음속들이 전파 방향 ψ에 의존할 수 있음을 나타낸다. 도 5에 도시한 바와 같이, ψ=0° 및 90°일 때 수정 기판(11)에서의 LSAW 음속들은 약 5,000m/s만큼 높지만, ψ=30° 및 60°에서의 LSAW 음속들은 약 3,800m/s만큼 낮다. 전파 방향 ψ에 대한 음속 V의 접선 δV/δψ이 0일 때, PFA(power flow angle(파워 플로우 앵글))=0이 얻어질 수 있다는 것이 이해될 것이다. 도 5의 레일리파에 의해 ψ=0°, 35° 및 90°에서, 그리고 누설 탄성 표면파에 의해 ψ=0°, 42° 및 90° 근방에서, PFA=0이 된다.
도 3 내지 도 5에 도시한 바와 같이, 사용한 LT 박막(12)에 의한 LSAW 음속이 4100m/s인 반면, 3,800m/s만큼 낮은 LSAW 음속을 갖는 (0°, 130°, 30°) 및 (0°, 130°, 60°) 수정 기판들(11)이 사용된 경우에는, Al 두께가 0.08 파장일 때는, 양호한 특성이 얻어질 수 없다. 대조적으로, 5,000m/s만큼 높은 LSAW 음속을 갖는 (0°, 130°, 0°) 및 (0°, 130°, 90°) 수정 기판(11)이 사용된 경우에는, 양호한 특성이 얻어질 수 있다. 또한, 도 2 및 도 3에 도시한 바와 같이, (0°, 132°, 0°) LT 기판과 비교할 때, 더 큰 누설 성분을 가질 수도 있는 (0°, 110°, 0°) LT 기판이 더 큰 특성 개선을 제공할 수 있다. 그 결과, 특성 향상의 큰 원인은, LT 박막(12)의 것보다 LSAW가 높아질 수 있게 하는 수정 기판(11)을 접합함으로써, LT 박막(12)의 LSAW의 누설 성분이 제로가 되는 것으로 생각된다.
도 6a 및 도 6b는, 고음속을 갖는 (110) 면 (001) 방향 전파 Si 기판 및 c 사파이어 기판에, 각각 (0°, 132°, 0°) LT 박막(0.15 파장 두께)을 접합하고, 그 후 그 상에 0.08 파장 두께를 갖는 Al로 이루어진 인터디지털 트랜스듀서 전극을 형성한 SAW 공진자들에서 얻어진 임피던스 (Z)의 주파수 특성들을 나타낸다. 도 6a에 도시하는 바와 같이, Si 기판을 사용한 경우, BW는 4.4%이었고, 임피던스비는 69dB이었다. 또한, 도 6b에 도시하는 바와 같이, 사파이어 기판을 사용한 경우, BW는 5.7%이었고, 임피던스비는 68dB이었다.
도 6a 및 도 6b에 나타내는 특성들은, 도 2b의 LT 기판 단체의 SAW 공진자의 그 특성들이 비해, BW는 더 넓고, 임피던스비는 5로부터 6dB로 더 양호한 것을 나타낸다; 그러나, 도 3에 도시하는 LT 박막(12)/수정 기판(11) 구조의 것들이, 보다 양호하다. 수정, LT, LN 등의 압전 기판을 사용하면, 레일리파뿐만 아니라, LSAW가 여기되지만, 압전성이 없는 Si 기판이나 사파이어 기판을 사용하면, SAW 모드들 중 레일리파만이 여기될 수 있다. 따라서, Si 기판이나 사파이어 기판을 사용하는 것 보다, 수정 기판(11)을 사용하여 양호한 특성들이 얻어질 수 있는 이유는, 사용한 수정 기판(11)이 LT 박막(12)과 같은 LSAW를 사용하고 있는 것과 대조적으로, Si 기판이나 사파이어 기판은, LT 박막보다 벌크파의 더 큰 횡파 음속을 갖고 사용한 LT 박막의 LSAW와는 다른 레일리파를 사용하기 때문인 것으로 생각된다.
그 결과, 사용하는 LT, LN 등의 압전 박막(12)에 대하여, 벌크파의 횡파 음속이 근접하고, 그 횡파 음속보다 SH 성분을 주성분으로 포함하는 고음속을 갖는 기판을 하지 기판으로서 사용하고 이 하지 기판을 접합함으로써, 양호한 특성들이 얻어질 수 있다. 압전 박막(12)과 기판 사이의 LSAW 음속차가 클수록, 더 바람직하다. 예를 들어, 그 차이는 바람직하게 300m/s 이상이고, 보다 바람직하게 600m/s 이상이다.
도 7a 및 도 7b는, (0°, θ, 0°) 수정 기판(11)의 레일리파와 LSAW의, 음속들 및 TCF들의 θ 의존성을 각각 나타낸다. 또한, 도 7c는, LSAW의 종파의 변위 성분 U1, SH 성분 U2 및 SV 성분 U3의 기판 표면에서의 변위의 비율들을 나타낸다. 도 7a에 도시하는 바와 같이, θ=70°-165°에서 4,500m/s 이상, θ=90°-150°에서 4,800m/s 이상, 및 θ=100°-140°에서 5,000m/s 이상의 고음속이 각각 얻어질 수 있다. 또한, 도 7b에 도시하는 바와 같이, 레일리파에 대해, θ=0°-132°에서 TCF가 플러스가 되고, LSAW에 대해, θ=0°-18°, 43°-66°, 및 132°-180°에서 TCF가 플러스가 된다. LSAW에서 마이너스의 TCF를 갖는 LT 및 LN과의 조합에서는, 레일리파나 LSAW에서 TCF가 플러스가 되는 오일러 각을 갖는 수정 기판(11)이 바람직하고, 제로 ppm/℃에 가까운 양호한 TCF를 얻을 수 있다. 보다 바람직하게, +5ppm/℃ 이상의 TCF들을 갖는, 레일리파에 대해 θ=0°-130°에서, LSAW에 대해 θ=0°-16°, 44°-65°, 및 135°-180°에서, 수정 기판(11)과 조합하여, 보다 양호한 TCF를 얻을 수 있다. 또한, 도 7c에 도시하는 바와 같이, LSAW 음속이 큰 θ=70°-165°에서, SH 성분(U2 성분)이 50% 이상과 같이 증가하는 것으로 발견된다.
도 8a 및 도 8b는, (0°, θ, 90°) 수정 기판(11)의 레일리파와 LSAW에 대한, 음속들 및 TCF들의 θ 의존성을 각각 나타낸다. 또한, 도 8c는, LSAW의 종파의 변위 성분 U1, SH 성분 U2, 및 SV 성분 U3 간의 기판 표면에서의 변위의 비율들을 나타낸다. 도 8a에 도시하는 바와 같이, θ=90°-150°에서 4,500m/s 이상, θ=103°-143°에서 4,800m/s 이상, 및 θ=110°-135°에서 5,000m/s 이상의 고음속들이 각각 얻어진다. 또한, 도 8b에 도시하는 바와 같이, 레일리파에 대해서는, θ=0°-42° 및 170°-180°에서 TCF가 플러스가 되고, LSAW에 대해서는, θ=0°-41° 및 123°-180°에서 TCF가 플러스가 된다. LSAW에서 마이너스의 TCF를 갖는 LT 및 LN과의 조합에서는, 레일리파나 LSAW에서 TCF가 플러스가 되는 오일러 각을 갖는 수정 기판(11)이 바람직하고, 제로 ppm/℃에 가까운 양호한 TCF를 얻을 수 있다. 보다 바람직하게, +5ppm/℃의 TCF들을 갖는, 레일리파에 대해 θ=0°-39° 및 172°-180°에서, 또는 LSAW에 대해 θ=0°-39° 및 126°-180°에서, 수정 기판(11)과 조합하여, 보다 양호한 TCF들을 얻을 수 있다. 또한, 도 8c에 도시하는 바와 같이, LSAW 음속이 큰 θ=85°-165°에서, SH 성분(U2 성분)이 65% 이상과 같이 증가하는 것으로 발견된다.
도 9는, 각종 오일러 각들의 수정 기판들(11)의 음속들을 나타낸다. 도 9에 나타내는 것과 같은 오일러 각들을 갖는 수정 기판들(11)에 따르면, ψ=0°-20°, 70°-120° 및 160°-180°에서, 4,500m/s 이상과 같은 고음속들이 얻어질 수 있다. 또한, 도시하고 있지 않으나, (1°-39°, 100°-150°, 0°-20°), (1°-39°, 100°-150°, 70°-120°), 및 (1°-39°, 100°-150°, 160°-180°)의 오일러 각들에 의해, 고음속들을 갖는 LSAW들이 얻어질 수 있다.
탄성파 디바이스들은 바람직하게는, LSAW가 비스듬히 전파하지 않도록, 파워 플로우 앵글이 제로에 가까운 방향(LSAW의 전파 방향의 접선에서 제로를 갖는 전파 방향)을 갖는 기판을 사용할 수 있다. 도 9에 나타내는 바와 같이 오일러 각들을 갖는 수정 기판(11)에 따르면, 파워 플로우 앵글이 제로에 가까운 방향들은, (0°±5°, θ, 35°±8°), (10°±5°, θ, 42°±8°), (20°±5°, θ, 50°±8°), (0°±5°, θ, 0°±5°), (10°±5°, θ, 0°±5°), (20°±5°, θ, 0°±5°), (0°±5°, θ, 90°±5°), (10°±5°, θ, 90°±5°), 및 (20°±5°, θ, 90°±5°)이며, 바람직하게 이들의 오일러 각들을 갖는 기판이 사용될 수 있다.
[
LT
박막/수정 기판의 구조를 갖는 탄성파
디바이스들의
구체적 예들]
도 10a 및 도 10b는, (0°, θ, 0°) LT 기판의 레일리파와 LSAW에 대한, 음속들 및 전기 기계 결합 계수(결합 계수: coupling factor)들의 θ 의존성을 나타낸다. 또한, 도 10c는, (0°, θ, 0°) LT 기판에 대한, TCF들의 θ 의존성을 나타낸다. 도 10a 및 도 10b에 도시하는 바와 같이, LT 기판에서는 일반적으로, 작은 누설 성분, 및 4% 이상의 결합 계수를 갖는, θ=120°-146°에서의 LSAW가 사용된다. 이 경우, 음속 Vm(기판 표면이 전기적으로 단락될 때의 음속)은 4,000 내지 4,100m/s 범위이다. 그러나, 필터의 대역은, 사용하는 기판의 결합 계수에 의존하고 따라서, 원하는 대역을 충족시키는 결합 계수가 선택될 필요가 있다. 본 발명의 실시예의 탄성파 디바이스(10)에 따르면, LT는 LT 밑에 배치되고 LT의 음속과 유사하거나 또는 더 높은 음속을 갖는 기판과 함께 사용되어, 누설 성분이 감소될 수 있고, 따라서 더 큰 결합 계수를 허용하는 θ=65°-148°를 사용하고, 그 후 약 3,700 내지 4,100m/s의 음속 또는 더 고음속을 갖는 수정 기판(11)을 사용하여, 양호한 특성들이 얻어질 수 있다.
또한, 도 10c에 도시하는 바와 같이, LT 기판의 LSAW에 대한 임의의 TCF는 마이너스이고, -30 내지 -70ppm/℃ 범위이다. LT 기판 단체에 의해 사용되는 θ=120°-146°에서의 LSAW에 대한 TCF들은, 약 -33ppm/℃이지만, 레일리파나 LSAW에 대해 플러스의 TCF를 갖는 수정 기판(11), 즉 도 7에 나타내는 것과 같이 레일리파에 대해 (0°, 0°-130°, 0°) 기판, 및 LSAW에 대해 (0°, 132°-180°, 0°) 기판뿐만 아니라, 도 8에 나타내는 것과 같이 레일리파에 대해 (0°, 0°-39°, 90°) 및 (0°, 172°-180°) 기판들, 및 LSAW에 대해 (0°, 0°-41°, 90°) 및 (0°, 123°-180°, 90°) 기판들과 LT 기판을 조합함으로써, LT 기판 단체의 TCF의 1/3 이하와 같은 양호한 TCF를 얻을 수 있다.
도 11a 및 도 11b는, (0°, θ, 0°) LT 박막(12)(0.15 파장 두께)/(0°, 115°-145°, 0°) 수정 기판(11) 구조 상에 0.08 파장의 두께를 갖는 Al로 이루어진 인터디지털 트랜스듀서 전극(13)이 형성된 탄성파 디바이스(10)에 의해, 얻어진 공진자 대역들 및 임피던스비들 각각의, LT에서의 θ 의존성을 나타낸다. 또한, 도 11a 및 도 11b의 그래프들에서 표시된 θ는, 수정 기판(11)의 θ에 대응한다는 것이 이해될 것이다. 도 11a에 도시하는 바와 같이, LT에서의 θ=82°-148°에서, 3.5%의 대역이 얻어진다. 또한, 도 11b에 도시하는 바와 같이, LT에서의 θ=85°-148°에서 70dB 이상, LT에서의 θ=90°-140°에서 73dB 이상, 및 LT에서의 θ=95°-135°에서 75dB 이상의 임피던스비들이 각각 얻어진다.
도 12a 및 도 12b는 Al 두께가 0.08 파장일 때(도 12a), 및 Al 두께가 0.2 파장일 때(도 12b), (0°, 110°, 0°) LT 박막(12)(0.15 파장 두께)/(0°, θ, 0°) 수정 기판(11) 구조 상에 Al로 이루어진 인터디지털 트랜스듀서 전극(13)이 형성된 탄성파 디바이스들(10)에 의해 얻어진 임피던스비들의, 수정에서의 θ 의존성을 각각 나타낸다. 도 12a에서는, 공진자의 fr 내지 fa 간의 대역 내에서, 실선은 리플이 없는 특성을 나타내고, 파선은 리플이 있는 특성을 나타낸다. 수정의 (0°, 115°-145°, 0°)에서, 양호한 임피던스비들이 얻어질 수 있지만 다른 각들에서는, 리플이 관찰될 수 있다. 그러나, 도 12b에서는 대부분, 리플은 관찰되지 않고, 임의의 방위각에서도 큰 임피던스가 얻어질 수 있다. 따라서, Al 전극 두께로 인해, 임피던스비의 θ 의존성이 상이할 수 있다. 도시하고 있지 않으나, 0.08 파장 이상의 Al 전극 두께에 의해, 0.2 파장의 Al 전극 두께의 특성에 가까운 특성이 얻어질 수 있다는 것이 이해될 것이다. Al 전극이 0.08 파장의 두께를 가질 때, 도 7b에 도시된 바와 같이, 수정의 LSAW가 플러스가 될 수 있게 하는 범위를 고려하면, 수정 기판(11)이 바람직하게 (0°, 132°-145°, 0°)에 있고, 보다 바람직하게 (0°, 135°-145°, 0°)에 있을 수 있다. 이 경우, 마이너스의 TCF를 갖는 LT 박막(12)과, 플러스의 TCF를 갖는 수정 기판(11)을 조합함으로써, 탄성파 디바이스(10)의 TCF를 상당히 개선할 수 있다. 특히, 수정 기판(11)이 (0°, 135°-145°, 0°)에 있을 때에는, 보다 양호한 TCF가 얻어질 수 있다.
도 13a 및 도 13b는, (0°, 110°, 0°) LT 박막(12)/(0°, 130°, 0°) 수정 기판(11) 구조 상에 0.08 파장 및 0.2 파장의 두께들을 갖고 Al로 이루어진 인터디지털 트랜스듀서 전극(13)이 형성된 탄성파 디바이스(10)에 대해서, 탄성파 공진자 대역들 및 임피던스비들 각각이 LT 막 두께에 의존할 수 있음을 나타낸다. 도 13a에 도시하는 바와 같이, 0.02 파장 내지 2 파장의 LT 막 두께에서, 3% 이상의 대역이 얻어진다. 또한, 도 13b에 도시하는 바와 같이, Al 두께가 0.08 파장일 때, 0.01 내지 0.6 파장의 LT 막 두께에서 70dB 이상, 0.02 내지 0.4 파장의 LT 막 두께에서 73dB 이상, 및 0.03 내지 0.3 파장의 LT 막 두께에서 75dB 이상의 임피던스비들이 각각 얻어진다. 한편, Al 두께가 0.2 파장일 때는, 2 파장 이하의 LT 막 두께에서 70dB, 0.02 내지 0.043 파장의 LT 막 두께에서 73dB 이상, 및 0.03 내지 0.33 파장의 LT 막 두께에서 75dB의 임피던스비들이 각각 얻어질 수 있다. Al 두께가 0.1 내지 0.3 파장일 때의 값들은, Al 두께가 2 파장일 때와 대략 동일한 값들이라는 것이 이해될 것이다.
도 14a 및 도 14b는, (0°, θ, 0°) LT 박막(12)(0.15 파장 두께)/(0°, 100°-175°, 90°) 수정 기판(11) 상에 0.08 파장의 두께를 갖고 Al로 이루어진 인터디지털 트랜스듀서 전극(13)이 형성된 탄성파 디바이스(10)에 대해서, 탄성파 공진자의 대역들 및 임피던스비들 각각이, LT에서의 θ에 의존할 수 있음을 나타낸다. 도 14a 및 도 14b의 그래프들에서 표시된 θ는, 수정 기판(11)의 θ에 대응한다는 것이 이해될 것이다. 도 14a에 도시하는 바와 같이, 수정 기판(11)의 θ=165° 및 θ=175°의 경우들을 제외하면, LT의 θ=75°-155°에서 3.5%의 대역이 얻어진다. 또한, 도 14b에 도시하는 바와 같이, LT의 θ=80°-152°에서 70dB 이상, θ=90°-140°에서 73dB 이상, θ=95°-135°에서 75dB 이상, 및 LT의 θ=103°-125°에서 대략 77dB의 임피던스비들이 각각 얻어진다.
도 15a는, (0°, 120°, 0°) LT 박막(12)(0.15 파장 두께)/(0°, θ, 90°) 수정 기판(11) 구조 상에 0.08 파장 두께를 갖고 Al로 이루어진 인터디지털 트랜스듀서 전극(13)이 형성된 탄성파 디바이스(10)에 대해서, 탄성파 공진자의 임피던스비들이 수정 기판(11)의 θ에 의존할 수 있음을 나타낸다. 도면에서, 공진자의 대역 내에, 실선은 리플이 없는 특성을 나타내고, 파선은 리플이 있는 특성을 나타낸다. 한편, 도 15b는, LT 두께가 0.15 파장이고 Al 두께가 0.1 파장 및 LT 두께가 1.25 파장 및 2 파장이고 Al 두께가 0.2 파장일 때, 임피던스비들과 오일러 각들 사이의 관계를 나타낸다.
Al 두께가 0.08 파장인 도 15a에서는, (0 °, 100°-165°, 90°) 수정에서, 양호한 임피던스비가 얻어진다. 도 8b를 고려하여, 0.08 파장의 Al 두께 근방에서는, 수정의 레일리파나 LSAW가 플러스의 TCF를 가질 수 있게 하는 수정 기판(11)의 오일러 각들이 바람직하게 (0°, 123°-165°, 90°±5°)이고, TCF가 +5ppm/℃ 이상이 될 수 있게 하는 수정의 오일러 각들이 보다 바람직하게 (0°, 126°-165°, 90°±5°)이고, TCF가 +7ppm/℃ 이상이 될 수 있게 하는 수정의 오일러 각들이 훨씬 더 바람직하게 (0°, 127°-165°, 90°±5°)이다. 이 경우, 마이너스의 TCF를 갖는 LT 박막(12)과, 플러스의 TCF를 갖는 수정 기판(11)을 조합함으로써, 탄성파 디바이스(10)의 TCF를 상당히 개선할 수 있다. 특히, 수정 기판(11)이 (0°, 127°-165°, 0°)일 때에는, 보다 양호한 TCF가 얻어질 수 있다.
도 15c는, Al 두께가 0.1 파장일 때, (0°, 120°, 0°) LT 박막(12)(0.15 파장 두께)/(0°, 125.25°, 90°) 수정 기판(11) 구조의 주파수 특성들을 나타낸다. 이 수정의 방위각에서는, 특정한 Al 두께에서 대역 내에 리플이 발생하고 있어, 도 15b의 임피던스비가 다른 방위각보다 작게 된다. 특히, (0°, 126°, 0°) LT 박막(12)과의 조합이 큰 리플이 용이하게 야기할 수 있기 때문에, (0°, 126°, 0°) LT 박막(12)과 (0°, 125.25°, 90°) 수정 기판(11)과의 조합은 피하는 것이 바람직할 수 있다.
도 16a 및 도 16b는, (0°, 110°, 0°) LT 박막(12)/(0°, 128°, 90°) 수정 기판(11) 구조 상에 0.08 파장 및 0.2 파장의 두께들을 갖고 Al로 이루어진 인터디지털 트랜스듀서 전극(13)이 형성된 탄성파 디바이스(10)에 대해서, 탄성파 공진자 대역들 및 임피던스비들 각각이, LT 막 두께들에 의존할 수 있음을 나타낸다. 도 16a에 도시하는 바와 같이, 도 13a의 것들과 실질적으로 동일한 특성들이 얻어지고, 0.04 파장 이상 2 파장 이하의 LT 막 두께에서, 3% 이상의 대역이 얻어질 수 있다. 또한, 도 16b에 도시하는 바와 같이, 도 13b의 것들과 실질적으로 동일한 특성들이 얻어질 수 있고, Al 두께가 0.08 파장일 때, 0.01 내지 0.6 파장의 LT 막 두께에서 70dB 이상, 0.02 내지 0.4 파장의 LT 막 두께에서 73dB 이상, 및 0.03 내지 0.3 파장의 LT 막 두께에서 75dB 이상의 임피던스비들이 각각 얻어질 수 있다. 한편, Al 두께가 0.2 파장일 때, 2 파장 이하의 LT 막 두께에서 70dB, 0.02 내지 0.043 파장의 LT 막 두께에서 73dB 이상, 및 0.03 내지 0.33 파장의 LT 막 두께에서 75dB 이상의 임피던스비들이 각각 얻어질 수 있다. Al 두께가 0.1 파장 이하일 때의 값들은 0.08 파장의 것들과 유사하고, Al 두께가 0.1 내지 0.3 파장일 때의 값들은, Al 두께가 0.2 파장일 때의 것들과 실질적으로 동일하다는 것이 이해될 것이다.
도 17a 및 도 17b에, (0°, 110°, 0°) LT 박막(12)/(0°, 45°, 0°) 수정 기판(11) 구조 상에 0.12 파장 및 0.2 파장의 두께들을 갖고 Al로 이루어진 인터디지털 트랜스듀서 전극들(13)을 형성한 탄성파 디바이스들(10)에 의해, 각각, LT 박막(12)이 0.15 파장의 두께를 가질 때 임피던스 (Z)의 주파수 특성들 및, 임피던스비들이 LT 막 두께들에 의존한다는 것을 나타낸다. 여기서, 사용한 (0°, 45°, 0°) 수정 기판(11)은, 25ppm/℃인 레일리파의 플러스의 TCF, 3270m/s인 레일리파의 음속, 및 3950m/s인 LSAW의 음속을 갖는다. 도 17a에 도시하는 바와 같이, 주파수는 3GHz만큼 낮으나; 75dB의 양호한 임피던스비가 얻어진다. 또한, 도 17b에 도시하는 바와 같이, 0.43 파장의 LT 막 두께에서, 70dB 이상의 임피던스비들이 얻어질 수 있다. 위와 같이, Al 전극 두께를 조금 증가되게 함으로써, 느린 LSAW 음속을 갖는 기판에 의해서도 양호한 특성들을 얻을 수 있다.
도 18은, (0°, 110°, 0°) LT 박막(12)/(20°, 120°, 115°) 수정 기판(11) 구조 및, (0°, 110°, 0°) LT 박막(12)/(0°, 130°, 0°) 수정 기판(11) 구조 상에 0.08 파장의 두께를 갖고 Al로 이루어진 인터디지털 트랜스듀서 전극(13)이 형성된 탄성파 디바이스(10)에 대해서, 임피던스비들이 LT 막 두께들에 의존할 수 있음을 나타낸다. 여기서, 사용한 (20°, 120°, 115°) 수정 기판(11)은, 5000m/s 전후의 고음속을 갖는 S파(fast shear wave)를 여기시키는 방위각을 갖고, (0°, 130°, 0°) 수정 기판(11)은, 고음속을 갖는 LSAW를 여기시키는 방위각을 갖는다. 도 18에 도시하는 바와 같이, (0°, 130°, 0°) 수정 기판(11)은, LT 두께가 0.8 파장 이하일 때에만 70dB 이상의 임피던스비를 허용하는 반면, 고음속의 S파를 갖는 (20°, 120°, 115°) 수정 기판(11)은, 10 파장의 LT 두께에 의해서도 72dB의 임피던스비를 허용하고, 도시하고 있지 않으나, 20 파장의 LT 두께에 의해서도 70dB의 임피던스비가 얻어질 수 있다. 이러한 고음속 S파의 오일러 각들은, 예를 들어 (20°±5°, 120°±10°, 115°±10°), (0°±5°, 90°±5°, 0°±10°), (0°±5°, 90°, 75°±10°), (0°±5°, 0°, 0°±10°), 또는 (0°±5°, 0°, 60°±10°)이다.
도 19a 내지 도 19c는 각각, (0°, θLT, 0°) LT 박막(12)(0.15 파장 두께)/(0°, θquartz, 0°) 수정 기판(11) 구조, (0°, θLT, 0°) LT 박막(12)(0.15 파장 두께)/(0°, θquartz, 90°) 수정 기판(11) 구조, 및 (0°, θLT, 0°) LT 박막(12)(0.15 파장 두께)/(0°, θquartz, 30°-60°) 수정 기판(11) 구조에 의해 얻어지는, TCF들의 θquartz 의존성을 나타낸다. 도 19c에서의 수정 기판(11)의 "30-60°"라는 표현은 전파 방향을 지칭한다. PFA=0에서의 전파 방향이 조금씩 변화할 수 있지만; PFA=0에서의 임의의 전파 방향은 30° 내지 60° 범위 내에 속한다. 최적 방위각들 (0°, 80°-148°, 0°) 중, LT 박막(12)에 대한 도시된 오일러 각들은, 도 10c에 나타내는 TCF들의 절댓값들의 실질적 최댓값을 나타내는 (0°, 125°, 0°)이고, 최솟값을 나타내는 (0°, 80°, 0°) 및 (0°, 148°, 0°)이다. 도 19a 내지 도 19c에 도시하는 바와 같이, LT 박막(12)의 TCF들의 절반에서, 실용적인 -20ppm/℃ 내지 +20 ppm/℃ 범위를 실현할 수 있는 방위각들은, (0°±5°, 0°-23°, 0°±5°), (0°±5°, 32°-69°, 0°±5°), (0°±5°, 118°-180°, 0°±5°), (0°±5°, 0°-62°, 90°±5°), (0°±5°, 118°-180°, 90°±5°), (0°±5°, 0°-72°, 30°-60°), 및 (0°±5°, 117°-180°, 30°-60°)이다. 보다 양호한 -10ppm/℃ 내지 +10ppm/℃ 범위를 실현할 수 있는 수정 기판(11)의 방위각들은, (0°±5°, 0°-12°, 0°±5°), (0°±5°, 37°-66°, 0°±5°), (0°±5°, 132°-180°, 0°±5°), (0°±5°, 0°-50°, 90°±5°), (0°±5°, 126°-180°, 90°±5°), (0°±5°, 0°-17°, 30°-60°), (0°±5°, 35°-67°, 30°-60°), 및 (0°±5°, 123°-180°, 30°-60°)이다.
[
LN
박막/수정 기판의 구조를 갖는 탄성파
디바이스들의
구체적 예들]
도 20a 및 도 20b는, (0°, θ, 0°) LN 기판의 레일리파와 LSAW의, 음속들 및 전기 기계 결합 계수들 각각의 θ 의존성을 나타낸다. 또한, 도 20c는, (0°, θ, 0°) LN 기판의 레일리파와 LSAW의, TCF들의 θ 의존성을 나타낸다. 도 20a 및 도 20b에 도시하는 바와 같이, LN 기판들은 일반적으로 작은 누설 성분 및 큰 결합 계수를 허용하는, θ=131°-154°에서의 LSAW나, 큰 결합 계수를 허용하는 θ=90° 근방에서의 LSAW나, 기판 표면에 음속들이 늦을 수 있게 하는 전극에 의해, 누설 성분을 갖지 않는 러브파를 사용한다. 사용하는 LSAW의 음속 Vm은, 4,150 내지 4,450m/s 범위이다.
또한, 도 20c에 도시하는 바와 같이, LN 기판의 LSAW의 TCF들의 임의의 하나는 마이너스이며, LN 기판 단체에서 사용되고 있는 θ=131°-154°나 θ=90° 근방의 LSAW의 TCF들은, -73 내지 -93ppm/℃ 범위만큼 불량하다.
도 21은, 4,250m/s의 LSAW 음속을 갖는 (0°, 131°, 0°) LN 박막(12)(0.15 파장 두께)이, 5,040m/s의 LSAW 음속을 갖는 (0°, 115°, 90°) 수정 기판(11)(도 8a 참조)과 조합되고, 그 후 LN 박막(12) 상에 0.08 파장의 두께를 갖고 Al로 이루어진 인터디지털 트랜스듀서 전극(13)이 형성된 탄성파 공진자에 의해, 얻어진 임피던스 (Z)의 주파수 특성들을 나타낸다. 도 21에 도시하는 바와 같이, 임피던스비는, 79.3dB이며, LN 기판 단체의 종래 SAW특성보다 19dB 더 크다. 위와 같이, LN을 사용해도, LT의 경우와 유사하게, 양호한 특성들이 얻어질 수 있다. 즉, 더 큰 결합 계수를 갖는 LN 박막(12)을 사용하고, 그 후 약 LSAW 음속 또는 더 높은 음속을 갖는 수정 기판(11)을 사용하여, 양호한 특성들이 얻어질 수 있다.
도 22a는, (0°, θ, 0°) LN 박막(12)(0.15 파장 두께)/(0°, 130°, 0°) 수정 기판(11) 구조 상에 0.08 파장 및 0.2 파장의 두께들을 갖고 Al로 이루어진 인터디지털 트랜스듀서 전극들이 형성된 탄성파 디바이스들(10)에 대해서, LSAW 및 레일리파에 대하여 얻어진 탄성파 공진자 임피던스비들이, LN에서의 θ에 의존할 수 있음을 나타낸다. 도 22a에서, LSAW의 경우, 0.08 파장과 0.2 파장의 Al 두께를 갖는 공진자들의 임피던스비들이 도시되고, 중앙 주위에 넓어지고 임피던스비 70dB 위의 실선들이 리플이 없는 양호한 특성을 나타내는 반면, 양측에 배치되고 70dB 아래의 파선들이 리플이 있는 특성들을 나타낸다. Al 두께가 0.8 파장이고, LN에 대해 θ=100°-160°일 때, 및 Al 두께가 0.2 파장이고, LN에 대해 θ=70°-165°일 때, 큰 임피던스비들이 얻어진다. 0.06 파장으로부터 0.09 파장으로의 범위인 Al 두께는, 0.08 파장의 Al 두께의 것들과 동일한 임피던스비들을 제공할 수 있다. 0.09 파장으로부터 0.22 파장으로의 범위인 Al 두께는, 0.2 파장의 Al 두께의 것들과 동일한 임피던스비들을 제공할 수 있다. 한편, 레일리파의 경우, 0.08 파장의 Al 두께를 갖는 공진자들의 임피던스비들이 나타나고, 예를 들어 LN에 대해 θ=35°-70°에서 70dB 이상, 및 θ=45°-63°에서 75dB 이상으로서 큰 임피던스비들이 얻어질 수 있다.
도 22b는, (0°, 131°, 0°) LN 박막(12)(0.15 파장 두께)/(0°, θ, 0°) 수정 기판(11) 구조 상에 0.08 파장 및 0.2 파장의 두께들을 갖고 Al로 이루어진 인터디지털 트랜스듀서 전극들(13)이 형성된 탄성파 디바이스들(10)에 의해, LSAW에 대하여 얻어진 탄성파 공진자들의 임피던스비들; 및 (0°, 55°, 0°) LN 박막(12)(0.15 파장 두께)/(0°, θ, 0°) 수정 기판(11) 구조 상에 0.08 파장의 두께를 갖고 Al로 이루어진 인터디지털 트랜스듀서 전극이 형성된 탄성파 디바이스(10)에 의해, 레일리파에 대하여 얻어진 탄성파 공진자들의 임피던스비들의, 수정 기판(11)에 대한 θ 의존성을 나타낸다. 도면에서, 양측으로 나뉜 75dB 아래의 임피던스비들을 나타내는 것은, 대역 내에 리플들을 포함하는 특성인 반면, 75dB의 임피던스비 위의 값들을 나타내는 것은 리플을 포함하지 않는 양호한 특성이다. 도 22b에 도시하는 바와 같이, (0°, 131°, 0°) LN 박막(12)은, 0.08 파장의 Al 두께에서도, 수정에 대해 θ=120°-145°에서, 큰 임피던스비들을 얻을 수 있지만, Al 두께가 0.2 파장일 때에는, 전방위각에서 큰 임피던스비들이 얻어질 수 있다. 0.06 파장으로부터 0.09 파장으로의 범위인 Al 두께는, 0.08 파장의 Al 두께의 것들과 동일한 임피던스비들을 제공할 수 있다는 것이 이해될 수 있다. 0.09 파장으로부터 0.22 파장으로의 범위인 Al 두께는, 0.2 파장의 Al 두께의 것들과 동일한 임피던스비들을 제공할 수 있다. Al 두께가 0.08 파장일 때에는, 도 7b로부터, 수정 기판(11)에 대한 LSAW의 TCF가 플러스가 될 수 있게 하는 오일러 각들은, (0°, 132°-180°, 0°±5°)로서 발견될 수 있고, +5ppm/℃의 TCF에 대한 오일러 각들은, (0°, 135°-180°, 0°±5°)로서 발견될 수 있다. 이 경우, 마이너스의 TCF를 갖는 LT 박막(12)과, 플러스의 TCF를 갖는 수정 기판(11)을 조합함으로써, 탄성파 디바이스(10)의 TCF를 상당히 개선할 수 있다. 도 7b 및 도 22b의 결과들로부터, TCF들과 임피던스비들을 고려하면, 수정 기판(11)의 오일러 각들은 바람직하게 (0°, 132°-145°, 0°±5°)이고, 보다 바람직하게 (0°, 135°-145°, 0°±5°)일 수 있다. 한편, 도 22b에 도시하는 바와 같이, (0°, 55°, 0°) LN 박막(12)은, 실선으로 나타낸 바와 같이, (0°, 90°-178°, 0°±5°)의 수정 기판(11)의 오일러 각들에서, 70dB의 임피던스비를 얻을 수 있다. 또한, 파선 부분은 리플의 존재를 나타내고, 70dB 이하의 임피던스비를 특성으로 나타낸다. 이 수정 기판(11)의 방위각들에서는, LSAW 또는 레일리파의 어느 하나가, 플러스의 TCF를 나타낸다.
도 23a 및 도 23b는, (0°, 131°, 0°) LN 박막(12)/(0°, 130°, 0°) 수정 기판(11) 구조 상에 0.08 파장 및 0.2 파장의 두께들을 갖고 Al로 이루어진 인터디지털 트랜스듀서 전극(13)이 형성된 탄성파 디바이스들(10)에 대해서, 탄성파 공진자 대역들 및 임피던스비들 각각이, LN 막 두께들에 의존할 수 있음을 나타낸다. 도 23a에 도시하는 바와 같이, 0.03 파장 내지 2 파장의 LN의 막 두께에서, 7% 이상의 대역이 얻어진다. 또한, 도 23b에 도시하는 바와 같이, Al 두께가 0.08 파장일 때, 0.012 내지 0.6 파장의 LN 막 두께에서 70dB 이상, 0.02 내지 0.5 파장의 LN 막 두께에서 73dB 이상, 및 0.03 내지 0.33 파장의 LN 막 두께에서 75dB의 임피던스비들이 얻어질 수 있다. Al 두께가 0.2 파장일 때, 0.012 내지 2 파장의 LN 막 두께에서 70dB 이상, 0.02 내지 0.7 파장의 LN 막 두께에서 73dB 이상, 및 0.03 내지 0.4 파장의 LN 막 두께에서 75dB 이상의 임피던스비들이 얻어질 수 있다.
도 24a는, (0°, θ, 0°) LN 박막(12)(0.15 파장 두께)/(0°, 130°, 90°) 수정 기판(11) 구조 상에 0.08 파장 및 0.2 파장의 두께들을 갖고 Al로 이루어진 인터디지털 트랜스듀서 전극이 형성된 탄성파 디바이스(10)에 대해서, LSAW 및 레일리파에 대하여 얻어진 탄성파 공진자 임피던스비들이, LN에서의 θ에 의존할 수 있음을 나타낸다. 도 24a에서, LSAW의 경우, 0.08 파장과 0.2 파장의 Al 두께들을 갖는 공진자들의 임피던스비들이 도시되고, 70dB 이상의 임피던스비 위이고 중앙의 실선들이 대역 내에 리플이 없는 특성들을 나타내는 반면, 양측에 배치되고 70dB 아래의 파선들이 리플이 있는 특성들을 나타낸다. Al 두께가 0.8 파장이고 LN에 대해 θ=95°-155°일 때, 및 Al 두께가 0.2 파장이고 LN에 대해 θ = 95°-155°일 때, 큰 임피던스비들이 얻어질 수 있다. 0.06 파장으로부터 0.09 파장으로의 범위인 Al 두께는, 0.08 파장의 Al 두께의 것들과 동일한 임피던스비들을 제공할 수 있다는 것이 이해될 수 있다. 0.09 파장으로부터 0.22 파장으로의 범위인 Al 두께는, 0.2 파장의 Al 두께의 것들과 동일한 임피던스비들을 제공할 수 있다. 한편, 레일리파의 경우, 0.08 파장의 Al 두께를 갖는 공진자들의 임피던스비들이 표시되고, 예를 들어 LN에 대해 θ=25°-51°에서 70dB 이상, 및 θ=29°-47°에서 75dB 이상으로서 큰 임피던스비들이 얻어질 수 있다.
도 24b는, (0°, 131°, 0°) LN 박막(12)(0.15 파장 두께)/(0°, θ, 90°) 수정 기판(11) 상에 0.08 파장 및 0.2 파장의 두께들을 갖고 Al로 이루어진 인터디지털 트랜스듀서 전극들(13)이 형성된 탄성파 디바이스들(10)에 의해, LSAW에 대하여 얻어진 탄성파 공진자들의 임피던스비들; 및 (0°, 38°, 0°) LN 박막(12)(0.15 파장 두께)/(0°, θ, 90°) 수정 기판(11) 상에 0.08 파장의 두께를 갖고 Al로 이루어진 인터디지털 트랜스듀서 전극이 형성된 탄성파 디바이스(10)에 의해, 레일리파에 대하여 얻어진 탄성파 공진자들의 임피던스비들의, 수정 기판(11)에 대한 θ 의존성을 나타낸다. 도 24b에 도시하는 바와 같이, LSAW의 경우, 70dB 이상의 임피던스비 위이고 중앙의 실선들이 대역 내에 리플이 없는 특성들을 나타내는 반면, 양측에 배치되고 70dB 아래의 파선들이 리플이 있는 특성들을 나타낸다. Al 두께가 0.8 파장이고 수정에 대해 θ=90°-155°일 때, 및 Al 두께가 0.2 파장이고 전방위각일 때, 큰 임피던스비들이 얻어질 수 있다. 0.06 파장으로부터 0.09 파장으로의 범위인 Al 두께는, 0.08 파장의 Al 두께의 것들과 동일한 임피던스비들을 제공할 수 있다는 것이 이해될 수 있다. 0.09 파장으로부터 0.22 파장으로의 범위인 Al 두께는, 0.2 파장의 Al 두께의 것들과 동일한 임피던스비들을 제공할 수 있다. 한편, 도 8b로부터, 수정 기판(11)에 대해, LSAW의 TCF가 플러스가 될 수 있게 하는 오일러 각들은, (0°, 123°-180°, 90°±5°)로서 발견될 수 있고, +5ppm/℃의 TCF에 대한 오일러 각들은, (0°, 126°-180°, 90°±5°)로서 발견될 수 있다. 이 경우, 마이너스의 TCF를 갖는 LT 박막(12)과, 플러스의 TCF를 갖는 수정 기판(11)을 조합함으로써, 탄성파 디바이스(10)의 TCF를 상당히 개선할 수 있다. 도 8b 및 도 24b의 결과들로부터, TCF들과 임피던스비들을 고려하면, 수정 기판(11)의 오일러 각들은 바람직하게 (0°, 123°-155°, 90°±5°)이고, 보다 바람직하게 (0°, 126°-155°, 90°±5°)일 수 있다. 훨씬 더 바람직한 것은, 수정에 대해 LSAW의 TCF가 +7ppm/℃ 이상이 될 수 있게 하는 (0°, 127°-155°, 90°±5°)이다. 한편, 레일리파의 경우, (0°, 80°-160°, 90°±5°)의 오일러 각에서 70dB, 및 (0°, 115°-145°, 90°±5°)의 오일러 각에서 75dB의 임피던스비들이 각각 얻어질 수 있다. LSAW나 레일리파가 플러스 TCF를 나타낼 수 있게 하는 방위각들을 고려하면, 수정 기판(11)의 오일러 각들은, 바람직하게 (0°, 125°-160°, 90°±5°)일 수 있다.
도 25a 및 도 25b는, (0°, 131°, 0°) LN 박막(12)/(0°, 115°, 90°) 수정 기판(11) 상에 0.08 파장 및 0.2 파장의 두께들을 갖고 Al로 이루어진 인터디지털 트랜스듀서 전극(13)이 형성된 탄성파 디바이스들(10)에 대해서, 탄성파 공진자 대역들 및 임피던스비들 각각이, LN 막 두께에 의존할 수 있음을 나타낸다. 도 25a에 도시하는 바와 같이, 0.012 파장 내지 2 파장의 LN 막 두께에서, 5% 이상의 대역이 얻어진다. 또한, 도 25b에 도시하는 바와 같이, Al 두께가 0.08 파장일 때, 0.01 내지 0.5 파장의 LN 막 두께에서 70dB 이상, 0.02 내지 0.33 파장의 LN 막 두께에서 73dB 이상, 및 0.06 내지 0.3 파장의 LN 막 두께에서 75dB의 임피던스비들이 각각 얻어질 수 있다. 한편, Al 두께가 0.2 파장일 때, 0.01 내지 2 파장의 LN 막 두께에서 70dB 이상, 0.02 내지 0.43 파장의 LN 막 두께에서 73dB 이상, 및 0.06 내지 0.36 파장의 LN 막 두께에서 75dB 이상의 임피던스비들이 각각 얻어질 수 있다.
도 26a 내지 도 26c는 각각, (0°, θLN, 0°) LN 박막(12)(0.15 파장 두께)/(0°, θquartz, 90°) 수정 기판(11) 구조, (0°, θLN, 0°) LN 박막(12)(0.15 파장 두께)/(0°, θquartz, 90°) 수정 기판(11) 구조, 및 (0°, θLN, 0°) LN 박막(12)(0.15 파장 두께)/(0°, θquartz, 30°-60°) 수정 기판(11) 구조에 의해 얻어진, TCF들의 θquartz 의존성을 나타낸다. 도 26c의 수정 기판(11)의 "30-60°"라는 표현은 전파 방향을 지칭한다. PFA=0에서의 전파 방향이 조금씩 변화할 수 있지만; PFA=0에서의 임의의 전파 방향은 30° 내지 60° 범위 내에 속한다. 최적 방위각들 (0°±5°, 75-165°, 0°±5°) 중 LN 박막(12)에 대해 도시된 오일러 각들은, 도 20c에 나타내는 TCF들의 절댓값의 최솟값을 나타내는 (0°, 154°, 0°), 최댓값을 나타내는 (0°, 85°, 0°), 및 레일리파의 최적 방위를 나타내는 (0°, 38°, 0°)이다. 도 26a 내지 도 26c에 도시하는 바와 같이, TCF가 실용적인 -20ppm/℃ 내지 +20ppm/℃의 범위를 실현할 수 있는 방위각들은, LSAW에 대해, (0°±5°, 0°-16°, 0°±5°), (0°±5°, 42°-64°, 0°±5°), (0°±5°, 138°-180°, 0°±5°), (0°±5°, 0°-30°, 90°±5°), (0°±5°, 130°-180°, 90°±5°), (0°±5°, 0°-28°, 30°-60°), (0°±5°, 42°-70°, 30°-60°), (0°±5°, 132°-180°, 30°-60°)이다. 레일리파에 대해서는, 방위각들은 (0°±5°, 32°-118°, 0°±5°), (0°±5°, 0°-30°, 90°±5°), (0°±5°, 173°-180°, 90°±5°), 및 (0°±5°, 0°-142°, 30-60°)이다. 보다 양호한 -10ppm/℃ 내지 +10ppm/℃의 범위를 실현할 수 있는 수정 기판(11)의 방위각들은, LSAW에 대해서는, (0°±5°, 43°-61°, 0°±5°), (0°±5°, 147°-180°, 0°±5°), (0°±5°, 0°-15°, 90°±5°), (0°±5°, 134°-180°, 90°±5°), (0°±5°, 0°-23°, 30°-60°), (0°±5°, 43°-67°, 30°-60°), 및 (0°±5°, 137°-180°, 30°-60°)이다. 레일리파에 대해서는, 방위각들은 (0°±5°, 40°-102°, 0°±5°), (0°±5°, 0°-17°, 90°±5°), (0°±5°, 175°-180°, 90°±5°), (0°±5°, 13°-130°, 30-60°)이다.
도 27은, (90°, 90°, ψ) LT 박막(12)(0.15 파장 두께)/(0°, 132.75°, 90°) 수정 기판(11) 구조 및, (90°, 90°, ψ) LN 박막(12)(0.15 파장 두께)/(0°, 132.75°, 90°) 수정 기판(11) 상에 0.08 파장의 두께를 갖고 Al로 이루어진 인터디지털 트랜스듀서 전극(13)이 형성된, 종파형의 누설 탄성 표면파 공진자들의 탄성파 디바이스들(10)에 대해서, 임피던스비들이 LT에서의 ψ에 의존할 수 있음을 나타낸다. 도 27에 도시하는 바와 같이, LT 박막(12)에 대해서는 ψ=33°-55° 및 125°-155°에서, 그리고 LN 박막(12)에 대해서는 ψ=38°-65° 및 118°-140°에서 70dB 이상의 임피던스비들이 얻어질 수 있다.
[수정 기판 이외의
기판들에 대한 논의
]
기판(11)에 사용되는 수정 이외의 재료들이 이하에 논의된다. 도 28은, 기판(11)으로서 용융 석영 기판을 사용하고, (0°, 110°, 0°) LT 박막(12)(0.15 파장 두께)/용융 석영 기판 구조 상에, 0.08 파장의 두께를 갖고 Al로 이루어진 인터디지털 트랜스듀서 전극(13)이 형성된 탄성파 디바이스(10)에 대해서, 임피던스 (Z)의 주파수 특성들을 나타낸다. 또한, 표 7은 용융 석영 등의, 기판(11)의 박막에 사용되는 각종 재료들의 상수들을 나타낸다. 표 7에 리스트된 바와 같이, 사용한 용융 석영은, 100질량%의 SiO2를 포함하고, 약 3,757m/s의 벌크파의 횡파 음속을 갖는다. 도 28에 도시하는 바와 같이, 용융 석영 기판에서, 76dB의 양호한 임피던스비가 얻어질 수 있다. 표 7에 리스트된 바와 같이, SiO2 막의 상수들은 용융 석영의 것들과 같다. SiO를 포함하는 막은, SiOF나 SiON 등의 막으로 예시화될 수 있고, 화학식 SiOxZy의 화합물- Z는 SiO 이외의 성분이고 x/(x+y)는 30% 이상임 -을 포함하는 막을 나타낸다. 이 막은, SiO2 막과 같은 특성들을 제공할 수 있다.
도 29는, 기판(11)으로서, 파이렉스 글래스, 붕규산 유리, 합성 석영, 용융 석영, 및 석영 유리가 사용되고, (0°, 110°, 0°) LT 박막(12)(0.15 파장 두께)/각각의 기판(11) 상에, 0.08 파장의 두께를 갖고 Al로 이루어진 인터디지털 트랜스듀서 전극(13)이 형성된 탄성파 디바이스들(10)에 대해서, 임피던스비들이 LT 막 두께들에 의존할 수 있음을 나타낸다. 도 29에 도시하는 바와 같이, LT 막 두께가 0.52 파장 이하일 때 높은 SiO2의 함유율을 갖는 용융 석영, 합성 석영 및 석영 유리로 이루어진 기판들에서, 또한 LT 막 두께가 0.34 파장 이하일 때 대략 70 내지 80질량%의 SiO2의 함유율을 갖는 파이렉스 글래스 및 붕규산 유리로 이루어진 기판들에서, 70dB 이상이 양호한 임피던스비가 얻어질 수 있다. LT 박막 대신 LN 박막을 사용한 경우에도, 마찬가지의 특성들이 얻어질 수 있다는 것이 확인된다.
도 30은, (0°, 110°, 0°) LT 박막(12)/SiO2 막/고음속 기판 및, (0°, 131°, 0°) LN 박막(12)/SiO2 막/고음속 기판 상에, 0.08 파장의 두께를 갖고 Al로 이루어진 인터디지털 트랜스듀서 전극(13)이 형성된 탄성파 디바이스들(10)에 대해서, LSAW의 임피던스비들이 SiO2 막 두께에 의존할 수 있음을 나타낸다. 표 7에 리스트된 사파이어나 알루미나(Al2O3) 등으로 이루어진, 5,900m/s 이상의 횡파 음속을 갖는 고음속 기판 상에 LT나 LN 박막을 형성하는 것만으로는, 도 6b에 도시된 c 사파이어 기판의 예과 유사한, 70dB 이하와 같은 불량한 임피던스비를 얻을 수 있다. 그러나, 고음속 기판과 박막 사이의 경계에, 0.15 파장의 SiO2 막을 추가로 형성함으로써, LT 박막에 대해 73dB, 및 LN 박막에 대해 78dB의 큰 임피던스비들을 얻을 수 있다. 또한, SiO2 막의 두께가 0.3 파장 이상일 경우, LT 박막에 대해 75dB, 및 LN 박막에 대해 79dB의 큰 임피던스비들이 얻어질 수 있다. 두꺼운 SiO2 막이 형성된 기판은 휘어질 수 있기 때문에, 너무 두꺼운 SiO2 막은 바람직하지 않다. 따라서, SiO2 막의 막 두께는, 1 파장 이하이고, 가능하면 0.5 파장 이하인 것이 바람직하다.
[
인터디지털
트랜스듀서
전극들에 관한 논의]
인터디지털 트랜스듀서 전극(13)의 최적인 두께들 및 메탈라이제이션비들에 대해서 이하에서 논의된다. 도 31a 및 도 31b는, (0°, 110°, 0°) LT 박막(12)(0.15 파장 두께)/(0°, 132.75°, 90°) 수정 기판(11) 구조 상에 여러가지 재료로 이루어진 인터디지털 트랜스듀서 전극들(13)이 형성된 탄성파 디바이스들(10)에 대해서, 탄성파 공진자 대역들 및 임피던스비들 각각이, 인터디지털 트랜스듀서 전극(13)의 두께에 의존할 수 있음을 나타낸다. Al, Cu, Mo 및 Pt로 이루어진 인터디지털 트랜스듀서 전극들(13)이 사용된다. 또한, 인터디지털 트랜스듀서 전극들(13)의 메탈라이제이션비들은 0.5가 되도록 설정된다.
도 31a에 도시하는 바와 같이, 인터디지털 트랜스듀서 전극(13)이 재료들 중 임의의 하나로 이루어지는 경우에도, 0.005 내지 0.2 파장의 전극 두께에서, 4% 이상의 대역이 얻어질 수 있다. 또한, 도 31b에 도시하는 바와 같이, 인터디지털 트랜스듀서 전극(13)이 2,699kg/m3의 밀도를 갖는 Al로 이루어질 경우, 0.005-0.32 파장의 전극 두께에서 70dB 이상, 및 0.005-0.25 파장의 전극 두께에서 75dB 이상의 임피던스비들이 얻어질 수 있다. 또한 추가로, 인터디지털 트랜스듀서 전극(13)이 8,930kg/m3의 밀도를 갖는 Cu로 이루어질 경우, 0.005-0.20 파장의 전극 두께에서 70dB 이상, 0.005-0.19 파장의 전극 두께에서 73dB 이상, 및 0.005-0.18 파장의 전극 두께에서 75dB 이상의 임피던스비들이 얻어질 수 있다.
또한 추가로, 인터디지털 트랜스듀서 전극(13)이 10,219kg/m3의 밀도를 갖는 Mo로 이루어질 경우, 0.005-0.28 파장의 전극 두께에서 70dB 이상, 0.005-0.27 파장의 전극 두께에서 73dB 이상, 및 0.005-0.20 파장의 전극 두께에서 75dB 이상의 임피던스비들이 얻어질 수 있다. 또한 더욱 추가로, 인터디지털 트랜스듀서 전극(13)이 21,400kg/m3의 밀도를 갖는 Pt로 이루어질 경우, 0.005-0.20 파장의 전극 두께에서 70dB 이상, 0.005-0.13 파장의 전극 두께에서 73dB 이상, 및 0.005-0.11 파장의 전극 두께에서 75dB 이상의 임피던스비들이 얻어질 수 있다.
위와 같이, 전극의 종류에 따라, 최적인 두께가 상이할 수 있고, 밀도가 낮을수록, 큰 임피던스비들을 확보하기 위해 최적 두께의 범위가 넓어진다. 이는, 최적 두께의 범위는 전극의 밀도에 의존할 수 있다는 것을 의미한다. 표 8은 최적 두께 범위와 전극 밀도 사이의 관계들을 나타낸다. 표 8에서, "A"는 70dB 이상의 임피던스비들을 얻는 조건들을 나타내고, "B"는 73dB 이상의 임피던스비들을 얻는 조건들을 나타내고, "A"는 75dB 이상의 임피던스비들을 얻는 조건들을 나타낸다. 합금이나 다층 전극 막을 사용하는 경우에는, 전극 두께와 이론적인 전극 밀도로부터 평균 밀도를 구하고, 그 후 평균 밀도에 기초하여, 표 8로부터 최적인 전극 두께를 구할 수 있다. 표 8에 리스트된 관계들은 압전 박막(12)이 LN으로 이루어질 경우에 적용될 수 있다는 것이 확인된다.
도 32a 및 도 32b는, (0°, 110°, 0°) LT 박막(12)(0.15 파장 두께)/(0°, 132.75°, 90°) 수정 기판(11) 구조 상에 각 재료들의 인터디지털 트랜스듀서 전극들(13)이 형성된 탄성파 디바이스들(10)에 대해서, 탄성파 공진자 대역들 및 임피던스비들 각각이, 전극 메탈라이제이션비들에 의존할 수 있음을 나타낸다. 각 인터디지털 트랜스듀서 전극들(13)에 대해, 도 31b로부터 구한 최적 막 두께들이 설정된다. 즉, 전극 두께들은, 인터디지털 트랜스듀서 전극(13)이 Al로 이루어질 때 0.08 파장, Cu일 때 0.045 파장, Mo일 때 0.05 파장, 및 Pt일 때 0.03 파장으로 설정된다.
도 32a에 도시하는 바와 같이, 인터디지털 트랜스듀서 전극(13)이 재료들 중 임의의 하나로 이루어질 경우에도, 메탈라이제이션비가 0.5보다 약간 작은 곳에서, 가장 넓은 대역이 얻어진다. 또한, 도 32b에 도시하는 바와 같이, 전극 종류에 따라, 임피던스비가 높아질 수 있게 하는 메탈라이제이션비, 즉 최적인 메탈라이제이션비가 상이할 수 있다. 표 9는, 최적 메탈라이제이션비와 전극 밀도 사이의 관계들을 나타낸다. 표 9에서, "A"는 높은 임피던스비들(대략 75.5dB 이상)을 얻는 조건들을 나타내고, "B"는 보다 높은 임피던스비들(대략 76.5dB 이상)을 얻는 조건들을 나타내고, "C"는 가장 높은 임피던스비들(대략 77.5dB 이상)을 얻는 조건들을 나타낸다. 합금이나 다층 전극 막을 사용하는 경우에는, 전극 두께와 이론적인 전극 밀도로부터 평균 밀도를 구하고, 그 후 평균 밀도에 기초하여, 표 9로부터 최적인 메탈라이제이션비를 구할 수 있다. 표 9에 리스트된 관계들은, 압전 박막(12)이 LN으로 이루어질 경우에도 적용될 수 있다는 것이 확인된다.
[수정 기판, 압전 박막,
인터디지털
트랜스듀서
전극 및 단락 전극의 배치들의 대안적인 예들]
도 1b는, IDT(인터디지털 트랜스듀서 전극)(13)/압전 박막(12)/수정 기판(11) 구조를 갖는 구조의 탄성파 디바이스(10)를 나타내고 있지만, 단락 전극(32)을 포함하는, 도 33a 내지 도 33d에 도시한 바와 같은 다른 구조들이 고려될 수 있다. 도 33a 내지 도 33d는, 압전 박막(12)이 LiTaO3 결정(LT)으로 이루어지고, 기판(11)이 수정으로 이루어지는 예들을 나타낸다는 것이 이해될 것이다. 도 33a는 IDT(13)/압전 박막(12)(LT)/기판(11)을 갖는 구조를 나타내고, 도 1b의 것과 동일한 구조를 나타낸다. 도 33b는 IDT(13)/압전 박막(12)(LT)/단락 전극(32)/기판(11) 구조를 나타낸다. 도 33c는 압전 박막(12)(LT)/IDT(13)/기판(11) 구조들을 나타내며, 여기서 IDT(13)는 기판(11)에 매립되고(상부 부분), 압전 박막(12)에 매립된다(하부 부분). 도 33d는 압전 박막(12)(LT)/IDT(13)/기판(11) 구조들을 나타내며, 여기서 IDT(13)는 기판(11)에 매립되고(상부 부분), 압전 박막(12)에 매립된다(하부 부분).
도 34a 및 도 34b는, 도 33a 내지 도 33d에 도시된 것과 같은 4개 타입의 구조를 갖는 탄성파 디바이스들(10)에 의해 각각 얻어진 탄성파 공진자 대역들 및 임피던스비들이 LT 막 두께에 의존할 수 있음을 나타낸다. 여기서, 압전 박막(12)은, (0°, 110°, 0°) LT 박막이며, 수정 기판(11)은, (0°, 132.75°, 90°) 수정 기판이며, IDT(13)는, 0.08 파장의 두께를 갖는 Al 전극이다. 단락 전극(31)은, 수정 기판(11) 및 압전 박막(12)의 표면 전체를 덮도록 얇은 전극면들로서 제공되고, 그 전극면들 모두가 전기적으로 단락된다는 것이 이해될 것이다. 또한, 단락 전극(31)은, IDT(13)에는 접속되지 않는 플로팅 전극일 수 있다.
도 34a에 도시하는 바와 같이, LT 막 두께가 어떻게 되든, 도 33a의 IDT/LT/수정 구조에 의해 가장 넓은 대역이 얻어진다. 또한, 도 34b에 도시하는 바와 같이, 도 33a의 IDT/LT/수정 구조 및 도 33b의 IDT/LT/단락 전극/수정 구조에 의해, 큰 임피던스비들이 얻어진다. 요구되는 대역은 용도에 따라 상이하지만, 그러한 임피던스비가 기계적 Q에 크게 영향을 줄 수 있기 때문에, 큰 임피던스비가 더 양호할 것이라는 것이 이해될 것이다. 따라서, 도 33b에 나타낸 구조이어도, 도 33a에 나타낸 것과 동일한 구조적 조건 하에서 얻어지는 것과 유사한 효과를 얻을 수 있는 것으로 고려된다.
또한, 도 35에 도시하는 바와 같이, 탄성파 디바이스(10)는, 압전 박막(12)에 전체가 매립되는 IDT(13)의 구조, 또는 압전 박막(12)에 매립되는 하부 부분 및 압전 박막(12)으로부터 돌출되는 상부 부분의 구조를 가질 수 있다. 도 35는, 위에서 언급된 그 2개의 구조 및 도 33a의 구조에 의해 얻어진 임피던스비들이 압전 박막(12)의 막 두께들에 의존할 수 있음을 나타낸다. 여기서, 압전 박막(12)은, (0°, 110°, 0°) LT 박막이며, 수정 기판(11)은, (0°, 132.75°, 90°) 수정 기판이며, IDT(13)는, 0.08 파장의 두께를 갖는 Al 전극이다. 도 35에 도시하는 바와 같이, 0.5 파장 이하의 LT 막 두께에서의 구조들 중 임의의 하나에서, 임피던스비들이 얻어진다. 또한, 도 35에 도시하는 바와 같이, 압전 박막(12)에 IDT(13)을 매립한 구조에서는, 매립하고 있지 않는 구조에 비해, 빠른 음속을 허용할 수 있고, 고주파화에 유리한 것으로 고려된다.
[접합 막들을 갖는 대안적인 예들]
도 1c에 도시하는 바와 같이, 탄성파 디바이스(10)는, 수정 기판(11)과 압전 박막(12) 사이에, 절연성 접합 막(32)을 포함할 수 있다. 접합 막(32)은, 바람직하게는 작은 흡음성을 갖는 단단한 재료로 이루어질 수 있는데, 예컨대 5산화 탄탈륨(Ta2O5), 산화 아연(ZnO), 이산화실리콘(SiO2), 다결정 Si, 질화 실리콘(SixNy, 여기서 x 및 y는 정수들임) 등으로 이루어질 수 있다.
도 36a 내지 도 36c는, (0°, 110°, 0°) LT 박막(12)(0.15 파장 두께)/접합 막(32)/(0°, 132.75°, 90°) 수정 기판(11) 상에 0.08 파장의 두께를 갖고 Al로 이루어진 인터디지털 트랜스듀서 전극(13)이 형성된 탄성파 디바이스들(10)에 대해서, 탄성파 공진자 음속들, 대역들 및 임피던스비들 각각이 접합 막(32)의 막 두께들에 의존할 수 있음을 나타낸다. 접합 막(32)으로서는, 5산화 탄탈륨(Ta2O5), 산화 아연(ZnO), 이산화 실리콘(SiO2), 다결정 Si 및 질화 실리콘(SixNy, 여기서 x 및 y는 정수들임)을 사용한다. 표 7은 사용한 접합 막들(32)의 재료 상수들을 나타낸다. 표 7은 여기서 논의되지 않지만, 접합 막들(32)에 대해 사용될 수 있는 재료 상수들을 또한 나타낸다는 것이 이해될 것이다.
도 36a 내지 도 36c에 도시하는 바와 같이, 접합 막(32)이, 벌크 횡파 음속 [(C44 E/밀도)1/2]이 수정의 음속보다 상당히 늦은 Ta2O5나 ZnO로 이루어질 경우에는, 접합 막(32)의 막 두께가 증가함에 따라, SAW의 음속이 급격하게 감소하고, 대역이 급격하게 좁아지고, 임피던스비가 급격하게 감소한다. 또한, 접합 막(32)이, 횡파 음속이 빠른 SixNy로 이루어질 경우에는, 접합 막(32)의 막 두께가 증가함에 따라, SAW의 음속이 증가하고, 대역이 조금 감소하고, 임피던스비가 조금 감소한다. 또한, 접합 막(32)이, 횡파 음속이 수정의 음속에 가까운 다결정 Si나 SiO2로 이루어질 경우에는, 접합 막(32)의 두께가 증가함에 따라, SAW의 음속이 조금 변하고, 대역이 조금 좁아지지만, 임피던스비는, 접합 막(32)의 3 파장의 두께에 도달할 때까지, 큰 변동을 갖는 것으로 간주되지 않는다. 특히 플러스의 TCF를 갖는 SiO2로 이루어질 경우에는, 접합 막(32)은 TCF 개선에 유효하다. TCF는, 0.1 파장 이상의 SiO2 막에서 +5ppm/℃, 및 0.2 파장 이상의 SiO2 막에서 +10ppm/℃ 개선된다. 또한, 수정의 방위각 θ가 대략 ±10° 어긋나는 경우에도, 동일한 TCF가 얻어질 수 있다. 게다가, 도 36c에 도시하는 바와 같이, SiO2 막이 1.2 파장 아래인 경우, 임피던스비의 열화가 없다. 또한, 도 36b에 도시하는 바와 같이, SiO2 막이 0.3 파장 아래인 경우, 대역에 감소는 나타나지 않고, 따라서 0.5 파장에서도 94%의 대역을 확보할 수 있다. 또한, 상술한 SiO로 주로 형성된 SiOxZy 막에 의해서도, SiO2의 것들과 같은 특성들이 얻어질 수 있다.
표 7 및 도 36은 접합 막(32)과 그 최적 두께 사이의 관계가 벌크 횡파 음속에 의존하고 있다는 것을 나타낸다. 접합 막(32)을 사용한 탄성파 디바이스(10)의 특성들에 따르면, 도 36c에 도시하는 바와 같이, 접합 막(32) 두께가 0.34 파장 이하의 두께를 가질 때, 벌크 횡파 음속에는 실질적으로 관계없이, 큰 임피던스비가 얻어질 수 있다. 그러나, 위의 양보다 두께가 커질 경우, 접합 막(32)의 최적 두께는, 접합 막(32)의 벌크 횡파 음속에 크게 의존한다. 또한, 접합 막(32)의 두께가 0.13 파장 이하일 경우, 더 큰 임피던스비가 얻어질 수 있고, 접합 막(32)의 두께가 0.04 파장 이하일 경우, 훨씬 더 큰 임피던스비가 얻어질 수 있다.
표 10은, 접합 막(32)의 횡파 음속과, 접합 막(32)의 최적 막 두께 사이의 관계들을 나타낸다. 표 10에서, "A"는 높은 임피던스비들(대략 70dB 이상)을 얻는 조건들을 나타내고, "B"는 보다 높은 임피던스비들(대략 73dB 이상)을 얻는 조건들을 나타내고, "C"는 가장 높은 임피던스비들(대략 75dB 이상)을 얻는 조건들을 나타낸다. 표 10에 리스트된 관계들은, 압전 박막(12)이 LN으로 이루어질 경우에도 적용될 수 있다는 것이 확인된다.
[다수의 접합 막인 경우의 대안적인 예들]
접합 층(32)이 2층인 경우에 대해서 이하에서 논의된다. (0°, 110°, 0°) LT 박막(12)(0.15 파장 두께)/접합 막(32)의 제1 층/접합 막(32)의 제2 층/(0°, 132.75°, 90°) 수정 기판(11) 상에 0.08 파장의 두께를 갖고 Al로 이루어진 인터디지털 트랜스듀서 전극(13)이 형성된 탄성파 디바이스(10)에 대해서, 공진자 임피던스비가, 접합 막(32)의 제1 층 및 제2 층의 막 두께들에 어떻게 의존할 수 있는지가 평가된다. 그 후, 표 10에 리스트된 상이한 횡파 음속들을 갖는 4종의 재료가, 각각 Vs1, Vs2, Vs3 및 Vs4로서 분류되고 이들 중 2개에 대해 접합 막(32)의 제1 층 및 제2 층으로서 다양하게 조합된 것에 대해 평가가 이루어진다. 또한, Vs1이 Ta2O5, Vs2가 ZnO, Vs3가 SiO2, Vs4가 SixNy인 경우들이 검토된다.
검토 결과들 중, 도 37a 내지 도 37d는 제1 층 및 제2 층이 각각, Vs3 막 및 Vs4 막, Vs4 막 및 Vs3 막, Vs2 막 및 Vs3 막, 및 Vs1 막 및 Vs3 막으로서 가정된 경우의, Vs3(SiO2) 막의 막 두께 의존성의 결과들을 나타낸다. 각 도면에서의 수치들 각각은, 접합 막(32)의 층들 중, Vs3과는 다른 쪽의 막 두께(파장)를 나타낸다. 또한, 표 11은, 이들의 검토 결과들부터 구해진, 접합 막(32)의 제1 층 및 제2 층의 조합과 최적인 합계 막 두께 사이의 관계들을 나타낸다. 표 11에서, "A"는 높은 임피던스비들(대략 70dB 이상)을 얻는 조건들을 나타내고, "B"는 보다 높은 임피던스비들(대략 73dB 이상)을 얻는 조건들을 나타내고, "C"는 가장 높은 임피던스비들(대략 75dB 이상)을 얻는 조건들을 나타낸다. 양호한 임피던스비들을 얻기 위해, 접합 막(32)의 제1 층은 표 10에 리스트된 조건들을 충족해야 하고, 제1 층 및 제2 층의 합계 막 두께는, 표 11에 리스트된 조건을 충족해야 한다. 도 37a 내지 도 37d에 도시하는 바와 같이, 제2 층이 SiO2 막인 경우, 제1 층의 종류 및 두께를 대략 선택함으로써, SiO2 막이 1.5 파장 이하일 때, 75dB 이상의 임피던스비들이 얻어질 수 있다는 것이 이해될 것이다.
이어서, 접합층(32)이 3개 층을 갖는 경우에 대해서 이하에서 논의된다. (0°, 110°, 0°) LT 박막(12)(0.15 파장 두께)/접합 막(32)의 제1 층/접합 막(32)의 제2 층/접합 막(32)의 제3 층/(0°, 132.75°, 90°) 수정 기판(11) 상에 0.08 파장의 두께를 갖고 Al로 이루어진 인터디지털 트랜스듀서 전극(13)이 형성된 탄성파 디바이스(10)에 대해서, 공진자 임피던스비가, 접합 막(32)의 제3 층의 막 두께에 어떻게 의존할 수 있는지가 평가된다. 그 후, 표 10에 리스트된 상이한 횡파 음속들을 갖는 4종의 재료가, 각각 Vs1, Vs2, Vs3 및 Vs4로서 분류되고, 이들 중 3개에 대해 접합 막(32)의 제1 층, 제2 층 및 제3 층으로서 다양하게 조합한 것에 대해 평가가 이루어진다. 또한, Vs1이 Ta2O5, Vs2가 ZnO, Vs3가 SiO2, Vs4가 SixNy인 경우들이 검토된다.
검토 결과들 중, 도 38a는 접합 막(32)의 제1 층이 Vs3(0.1 파장 두께)이고, 제2 층이 Vs4(0.1 파장 두께)이고, 제3 층이 Vs1, Vs2, Vs3 또는 Vs4인 경우의 결과들을 나타낸다. 도 38a에 도시하는 바와 같이, 제3 층이 Vs1(Ta2O5) 막이나 Vs2(ZnO) 막이고, 1 파장 이하의 두께를 가질 때 70dB 이상의 임피던스비들이 얻어질 수 있고, 제3 층이 Vs3(SiO2) 막이나 Vs4(SixNy) 막이고, 5 파장 이하의 두께를 가질 때 대략 75dB의 임피던스비들이 얻어질 수 있다.
또한, 검토 결과들 중, 도 38b는 접합 막(32)의 제1 층이 Vs4(0.01 파장 두께)이고, 제2 층이 Vs3(0.1 파장 두께)이고, 제3 층이 Vs1, Vs2, Vs3 또는 Vs4인 경우의 결과들을 나타낸다. 도 38b에 도시하는 바와 같이, 제3 층이 Vs1(Ta2O5) 막이나 Vs2(ZnO) 막이고 1 파장 이하의 두께를 가질 때 70dB 이상의 임피던스비들이 얻어질 수 있고, 제3 층이 Vs3(SiO2) 막이나 Vs4(SixNy) 막이고 5 파장 이하의 두께를 가질 때 대략 73dB의 임피던스비들이 얻어질 수 있다.
또한, 표 12는, 이들의 검토 결과들로부터 구해진, 접합 막(32)의 제1 층 내지 제3 층의 조합과 최적인 합계 막 두께 사이의 관계들을 나타낸다. 표 12에서, "A"는 높은 임피던스비들(대략 70dB 이상)을 얻는 조건들을 나타내고, "B"는 보다 높은 임피던스비들(대략 73dB 이상)을 얻는 조건들을 나타낸다. 양호한 임피던스비들을 얻기 위해, 접합 막(32)의 제1 층은 표 10에 리스트된 조건들을 충족해야 하고, 제1 층 내지 제3 층의 합계 막 두께는, 표 12에 리스트된 조건들을 충족해야 한다. 접합 막(32)이 4층 이상을 포함하는 경우에도, 제1 층은 표 10의 조건들을 충족할 필요가 있다는 것이 이해될 것이다.
음속 등을 구하는 재료들의 상수들은, 공적으로 공표된 상수들에 기초한다는 것이 이해될 것이다. 또한, 박막이 2개 이상의 막을 갖는 혼합 막의 경우에는, 각각의 막의 산술 평균이 사용될 수 있다.
도 38a 및 도 38b에 도시하는 바와 같이, 제1 층 또는 제2 층이 SiO2 막인 경우, SiO2 막 이외의 층의 종류 및 두께를 대략 선택함으로써, SiO2 막이 1.5 파장 이하일 때, 75dB 이상의 임피던스비들이 얻어질 수 있다는 것이 이해될 것이다.
[탄성 표면파들의 고차
모드들이
이용되는
경우들에 관한 논의]
탄성 표면파들의 고차 모드들이 이용되는 경우에 대해서 이하에서 논의된다. 도 39는, (0°, 110°, 0°) LT 박막(12)(0.15 파장 두께)/(0°, 132.75°, 90°) 수정 기판(11) 구조 상에 0.6 파장의 두께를 갖고 Al로 이루어진 인터디지털 트랜스듀서 전극(13)이 형성된 탄성파 디바이스(10)에 대해서, 임피던스 (Z)의 주파수 특성들을 나타낸다. 도 39에 도시하는 바와 같이, 1.25GHz에 기본 모드(0-th)가 존재하고, 3.6GHz에 그 고차 모드(1-th)가 존재하는 것이 확인된다.
도 40은, 각종 재료들로 이루어지는 인터디지털 트랜스듀서 전극들(13)에 대해서, 고차 모드들에서의 탄성파 디바이스들(10)의 임피던스비들과 전극 두께들 사이의 관계들을 나타낸다. 이러한 경우에, 탄성파 디바이스들(10)은, (0°, 110°, 0°) LT 박막(12)(0.15 파장 두께)/(0°, 132.75°, 90°) 수정 기판(11) 구조 상에 0.6 파장의 두께를 갖는 각종 인터디지털 트랜스듀서 전극들(13)이 형성된 것을 사용한다. 도 40에 도시하는 바와 같이, 전극의 종류에 따라, 최적인 두께가 상이할 수 있고, 밀도가 낮을수록, 큰 임피던스비들을 허용하기 위해 최적 두께의 범위가 넓어지고, 최적 두께가 커진다. 표 13은 최적 두께 범위와 전극 밀도 사이의 관계들을 나타낸다. 표 13은, 인터디지털 트랜스듀서 전극(13)의 메탈라이제이션비가 0.5일 경우를 지칭한다.
인터디지털 트랜스듀서 전극(13)으로서 합금이나 다층 전극 막을 사용하는 경우에는, 전극 두께와 이론적인 전극 밀도로부터 평균 밀도를 구하고, 그 후 평균 밀도에 기초하여, 표 13으로부터 최적인 전극 두께를 구할 수 있다. 또한, 예를 들어 메탈라이제이션비가 0.25인 경우에는, 고려되는 전극 두께는, 표 13의 것에 2배가 될 수 있는데, 그 이유는 표 13은 메탈라이제이션비가 0.5인 경우를 지칭하고, 전극 두께는 0.5/0.25=2로서 계산될 수 있기 때문이다.
탄성 표면파의 고차 모드를 이용하는 경우에 대해, 압전 박막(12)의 두께가 논의된다. 도 41은, 도 33a에 나타내는 바와 같이 IDT(13)/압전 박막(12)/수정 기판(11) 구조 및, IDT(13)/압전 박막(12)/단락 전극(31)/수정 기판(11) 구조를 갖는 탄성파 디바이스(10)에 대해서, 임피던스비들이 압전 박막(12)의 막 두께들에 의존할 수 있음을 나타낸다. 여기서, 압전 박막(12)은, (0°, 110°, 0°) LT 박막이며, 수정 기판(11)은, (0°, 132.75°, 90°) 수정 기판이며, IDT(13)는, 0.2 파장의 두께를 갖는 Au 전극이다. 도 41에 도시하는 바와 같이, 단락 전극(31)을 갖지 않는 도 33a의 구조의 경우 0.35-9.3 파장의 LT 막 두께에서, 그리고 단락 전극(31)을 갖는 도 33b의 구조의 경우 0.5-9 파장의 LT 막 두께에서, 70dB 이상의 임피던스비들이 얻어질 수 있다. LT 박막 대신 LN 박막을 사용한 경우에도, 마찬가지의 특성들이 얻어지는 것이 확인된다.
도 42a 및 도 42b는, 각각 (0°, 110°, 0°) LT 박막(12)/(0°, θ, 0°) 수정 기판(11)(도 42a) 및 (0°, 110°, 0°) LT 박막(12)/(0°, θ, 90°) 수정 기판(11)(도 42b) 상에 Au로 이루어진 인터디지털 트랜스듀서 전극(13)이 형성된 탄성파 디바이스들(10)에 대해서, 고차 모드(1-th)의 탄성파 공진자 임피던스비들이, 수정 기판(11)에서의 θ에 의존할 수 있음을 나타낸다. 여기서, LT 두께는 4종류, 즉 0.5 파장(λ), 1λ, 2λ 및 4λ를 포함하도록 설정된다. 또한, 인터디지털 트랜스듀서 전극(13)의 두께는 0.2λ로 설정된다.
도 42a 및 도 42b에 도시하는 바와 같이, LT 막 두께가 0.5-4λ일 때, 거의 모든 θ 각도에 걸쳐, 대략 70dB 이상의 임피던스비들이 얻어질 수 있다. 이것은, 기본 모드일 경우와 마찬가지로, LT 막 두께가 두꺼워도, 인터디지털 트랜스듀서 전극(13)의 Au 두께는 0.2λ이고 비교적 두껍기 때문인 것으로 생각된다.
[본 발명의
실시예들에
따른 탄성파
디바이스들을
제조하는 방법들]
도 43에 도시하는 바와 같이, 탄성파 디바이스(10)는, 이하에 논의되는 바와 같이 제조될 수 있다. 먼저, LT 또는 LN을 갖는 압전 기판(12a)이 준비되고(도 43a 참조), 수정 기판(11) 상에 그 압전 기판(12a)이 접합된다(도 43b의 좌측 부분 참조). 대안적으로, 압전 기판(12a)과 수정 기판(11) 사이에, 단락 전극(31)이나 접합 막(32)을 형성하는 경우에는, 수정 기판(11) 위에 단락 전극(31)이나 접합 막(32)을 접합한 후, 그 위에 압전 기판(12a)을 접합한다(도 43b의 우측 부분 참조). 각 기판들 및 막들은, 접착제들을 사용하여 접합될 수 있지만, 이것들은 접합면을 플라스마 등으로 활성화하는 처리에 의해 접합될 수 있고, 이는 직접 접합 프로세스로서 알려져 있다.
접합 프로세스 후, 압전 기판(12a)을 연마하여 박막(압전 박막(12))이 되게 한다(도 43c 참조). 그 압전 박막(12)의 표면에, Al 등으로 이루어지는 전극 막을 형성하고, 그 위에 레지스트를 도포한다. 그 후, 패터닝(노광 및 현상) 및 에칭 프로세스들을 통해 레지스트를 제거하여, 인터디지털 트랜스듀서 전극(13) 및 반사기들(14)을 형성한다(도 43d 참조). 그 후, 불필요한 부분들이 제거되고, 탄성파 디바이스(10)가 제조된다(도 43e 참조). 도 43c 내지 도 43e는, 도 43b의 좌측 부분에 대응하는 프로세스들을 나타내고 있지만, 수정 기판(11)과 압전 박막(12) 사이에, 단락 전극(31)이나 접합 막(32)을 포함하는 탄성파 디바이스(10)가 제조될 수 있다는 것이 이해될 것이다.
참조 부호 목록
10 탄성파 디바이스
11 기판(수정 기판)
12 압전 박막(LT 박막 또는 LN 박막)
12a 압전 기판
13 인터디지털 트랜스듀서 전극(IDT)
21 전극 핑거
14 반사기
31 단락 전극
32 접합 막
50 종래의 탄성파 디바이스
51 압전 기판
52 인터디지털 트랜스듀서 전극(IDT)
53 반사기
10 탄성파 디바이스
11 기판(수정 기판)
12 압전 박막(LT 박막 또는 LN 박막)
12a 압전 기판
13 인터디지털 트랜스듀서 전극(IDT)
21 전극 핑거
14 반사기
31 단락 전극
32 접합 막
50 종래의 탄성파 디바이스
51 압전 기판
52 인터디지털 트랜스듀서 전극(IDT)
53 반사기
Claims (49)
- 탄성 표면파를 이용하는 탄성파 디바이스로서,
이산화 규소(SiO2)를 70질량% 이상 포함하는 기판;
상기 기판 상에 배치된, LiTaO3 결정 또는 LiNbO3 결정으로 이루어지는 압전 박막 - 상기 기판을 따라 전파하는 상기 탄성 표면파의 음속을 상기 압전 박막을 따라 전파하는 상기 탄성 표면파의 음속보다 크게 구성하도록 상기 기판의 오일러 각들 및 상기 압전 박막의 오일러 각들이 선택됨 - ; 및
상기 압전 박막에 접하도록 배치된 인터디지털 트랜스듀서 전극을 포함하는 탄성파 디바이스. - 제1항에 있어서,
상기 기판과 상기 압전 박막 사이에, 단락 전극 및/또는 절연성 접합 막을 추가로 포함하는 탄성파 디바이스. - 제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 압전 박막은 LiTaO3 결정을 포함하고, (90°±5°, 90°±5°, 33°-55°), (90°±5°, 90°±5°, 125°-155°)의 오일러 각들 또는 그와 결정학적으로 등가인 오일러 각들을 갖는 탄성파 디바이스. - 제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 기판은 (0°±5°, 0°-132°, 0°±5°), (0°±5°, 0°-18°, 0°±5°), (0°±5°, 42°-65°, 0°±5°), (0°±5°, 126°-180°, 0°±5°)의 오일러 각들 또는 그와 결정학적으로 등가인 오일러 각들을 갖고, 상기 압전 박막은 LiTaO3 결정을 포함하고, (0°±5°, 82°-148°, 0°±5°)의 오일러 각들 또는 그와 결정학적으로 등가인 오일러 각들을 갖는 탄성파 디바이스. - 제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 기판은 (0°±5°, 0°-42°, 90°±5°), (0°±5°, 170°-190°, 90°±5°), (0°±5°, 0°-45°, 90°±5°), (0°±5°, 123°-180°, 90°±5°)의 오일러 각들 또는 그와 결정학적으로 등가인 오일러 각들을 갖고, 상기 압전 박막은 LiTaO3 결정을 포함하고, (0°±5°, 80°-148°, 0°±5°)의 오일러 각들 또는 그와 결정학적으로 등가인 오일러 각들을 갖는 탄성파 디바이스. - 제5항에 있어서,
상기 기판은 (0°±5°, 126°-180°, 90°±5°)의 오일러 각들 또는 그와 결정학적으로 등가인 오일러 각들을 갖는 탄성파 디바이스. - 제5항에 있어서,
상기 압전 박막은 (0°±5°, 103°-125°, 0°±5°)의 오일러 각들 또는 그와 결정학적으로 등가인 오일러 각들을 갖는 탄성파 디바이스. - 제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 기판은 (1°-39°, 100°-150°, 0°-20° 또는 70°-120° 또는 160°-180°)의 오일러 각들 또는 그와 결정학적으로 등가인 오일러 각들을 갖고, 상기 압전 박막은 LiTaO3 결정을 포함하고, (0°±5°, 80°-148°, 0°±5°)의 오일러 각들 또는 그와 결정학적으로 등가인 오일러 각들을 갖는 탄성파 디바이스. - 제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 기판은 (0°±5°, 0°-23°, 0°±5°), (0°±5°, 32°-69°, 0°±5°), (0°±5°, 118°-180°, 0°±5°), (0°±5°, 0°-62°, 90°±5°), (0°±5°, 118°-180°, 90°±5°), (0°±5°, 0°-72°, 30°-60°), (0°±5°, 117°-180°, 30°-60°)의 오일러 각들 또는 그와 결정학적으로 등가인 오일러 각들을 갖고, 상기 압전 박막은 LiTaO3 결정을 포함하고, (0°±5°, 80°-148°, 0°±5°)의 오일러 각들 또는 그와 결정학적으로 등가인 오일러 각들을 갖는 탄성파 디바이스. - 제4항에 있어서,
상기 압전 박막은 상기 탄성 표면파의 0.001배 내지 2배 파장의 두께를 갖는 탄성파 디바이스. - 제4항에 있어서,
상기 압전 박막은 상기 탄성 표면파의 0.01배 내지 0.6배 파장의 두께를 갖는 탄성파 디바이스. - 제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 기판은 (0°±5°, 0°-42°, 90°±5°), (0°±5°, 90°-155°, 90°±5°), (0°±5°, 0°-45°, 90°±5°), (0°±5°, 123°-180°, 90°±5°)의 오일러 각들이 또는 그와 결정학적으로 등가인 오일러 각들을 갖고, 상기 압전 박막은 LiNbO3 결정을 포함하고, (0°±5°, 70°-170°, 0°±5°)의 오일러 각들 또는 그와 결정학적으로 등가인 오일러 각들을 갖는 탄성파 디바이스. - 제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 기판은 (1°-39°, 100°-150°, 0°-20° 또는 70°-120° 또는 160°-180°)의 오일러 각들 또는 그와 결정학적으로 등가인 오일러 각들을 갖고, 상기 압전 박막은 LiNbO3 결정을 포함하고, (0°±5°, 95°-160°, 0°±5°)의 오일러 각들 또는 그와 결정학적으로 등가인 오일러 각들을 갖는 탄성파 디바이스. - 제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 기판과 상기 압전 박막 사이에 배치되는, SiO2 또는 SiO를 30% 이상 포함하는 Si 함유막을 추가로 포함하고, 상기 기판은 5,900m/s 이상의 벌크파의 횡파 음속을 갖고, 상기 Si 함유막은 상기 탄성 표면파의 0.15배 내지 1배 파장의 두께를 갖는 탄성파 디바이스. - 제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 기판과 상기 압전 박막 사이에 배치되는, SiO2 또는 SiO를 30% 이상 포함하는 Si 함유막을 추가로 포함하고, 상기 기판은 5,900m/s 이상의 벌크파의 횡파 음속을 갖고, 상기 Si 함유막은 상기 탄성 표면파의 0.3배 내지 0.5배 파장의 두께를 갖는 탄성파 디바이스. - 제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 기판과 상기 압전 박막 사이에 배치되는 절연성 접합 막을 추가로 포함하고, 상기 접합 막은 0.34 파장 이상의 두께를 갖는 탄성파 디바이스. - 제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 기판과 상기 압전 박막 사이에 배치되는 절연성 접합 막을 추가로 포함하고, 상기 접합 막은 하나 이상의 층을 갖고, 상기 압전 박막에 가장 가까운 하나의 층은 그 벌크 횡파 음속에 따라 표 1에 나타내는 두께를 갖는 탄성파 디바이스.
표 1
- 제17항에 있어서,
상기 접합 막은 2개 층을 갖고, 상기 압전 박막에 더 가까운 하나의 층은 각 층의 벌크 횡파 음속에 따라 표 1에 나타내는 두께를 갖고, 각 층들의 합계 막 두께는 표 2에 나타내는 두께를 갖는 탄성파 디바이스.
표 2
- 제17항에 있어서,
상기 접합 막은 3개 층을 갖고, 상기 압전 박막에 가장 가까운 하나의 층은 각 층의 벌크 횡파 음속에 따라 표 1에 나타내는 두께를 갖고, 각 층들의 합계 막 두께는 표 3에 나타내는 두께를 갖는 탄성파 디바이스.
표 3
- 제16항에 있어서,
상기 압전 박막에 가장 가까운 상기 접합 막의 층 또는 두번째로 가까운 상기 접합 막의 층은, SiO2 또는 SiO를 30% 이상 포함하고, 상기 탄성 표면파의 0.001배 내지 1.2배 파장의 두께를 갖는 탄성파 디바이스. - 제16항에 있어서,
상기 압전 박막에 가장 가까운 상기 접합 막의 층 또는 두번째로 가까운 상기 접합 막의 층은, SiO2 또는 SiO를 30% 이상 포함하고, 상기 탄성 표면파의 0.001배 내지 0.3배 파장의 두께를 갖는 탄성파 디바이스. - 제17항에 있어서,
상기 접합 막은 4층을 포함하고, 상기 압전 박막에 가장 가까운 하나의 층은 그 벌크 횡파 음속에 따라 표 1에 나타내는 두께를 갖는 탄성파 디바이스. - 제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 탄성 표면파는 고차 모드를 갖고, 상기 인터디지털 트랜스듀서 전극은 그 밀도에 따라 표 4에 나타내는 두께를 갖는 탄성파 디바이스.
표 4
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