DE10006241A1

DE10006241A1 - Substratplättchen aus Langasit/Langatat mit einem Kristallschnitt mit hohem Kopplungsfaktor und niedriger Ausbreitungsgeschwindigkeit für Oberflächenwellen

Info

Publication number: DE10006241A1
Application number: DE10006241A
Authority: DE
Inventors: Ulrike Roesler
Original assignee: Siemens Corp
Current assignee: Siemens Corp
Priority date: 1999-02-23
Filing date: 2000-02-11
Publication date: 2001-02-08
Also published as: WO2000051233A2; US20020017828A1; WO2000051233A3; JP2002543633A; EP1153478A2

Abstract

Substratplättchen aus Langasit bzw. Langatat mit einem Kristallschnitt (x 1 , x 2 , x 3 ) für Langasit in einem Bereich um die Euler-Winkelkombination (10 , 140 , 166 ) oder den dazu äquivalenten Euler-Winkelkombinationen bzw. mit speziellen Winkelkombinationen des Langatats.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Substratplättchen für ins besondere auch frequenzstabile Oberflächenwellen- (OFW)Bauelemente, wobei das Substratplättchen aus einem Lan gasit-/Langatat-Einkristall besteht und die für das Bauele ment vorgesehene Oberfläche des Substratplättchens ein sol cher Kristallschnitt ist, mit dem dieses OFW-Bauelement, be zogen auf diese Oberfläche, einen hohen elektromechanischen Kopplungsfaktor und niedrige Ausbreitungsgeschwindigkeit für Oberflächenwellen hat, sowie insbesondere auch von Tempera tur-Änderungen unabhängige Frequenzstabilität des OFW- Bauelements gewährleistet.

Auch Langasit und Langatat werden als Kristallmaterial wie Quarz, Lithiumniobat/-tantalat und dgl. für Oberflächenwellen- Bauelemente als Substratplättchen verwendet. Solche Oberflä chenwellen-Bauelemente dienen als (Hochfrequenz-)Filter, Ver zögerungsleitungen, Identifizierungsmarken und Sensoren für vielerlei Anwendungen. Auf der mindestens einen ebenen Fläche des Substratplättchens sind für ein solches Bauelement Elek trodenstrukturen jeweils vorgegebener Art und Ausführung auf gebracht. Mittels Wandler-Elektrodenstrukturen können bei eingeprägtem elektrischem Signal in der ebenen Fläche des Kristalls akustische Wellen erzeugt werden, die je nach vor liegenden Randbedingungen jeweilige Wellenform haben, insbe sondere Rayleigh-Wellen, Scherwellen oder dgl. sind. Eine solche Welle läuft an der Oberfläche mit einer materialspezi fischen und vom Kristallschnitt abhängigen Geschwindigkeit, die auch von der jeweiligen Temperatur des Kristalls abhängig sein kann. Bilden diese Elektrodenstrukturen ein elektroaku stisches Resonanzsystem, so ist auch die Frequenzstabilität eines solchen Oberflächenwellen-Bauelements temperaturabhän gig. Für einen jeweiligen Kristallschnitt kann das Kri stallmaterial die Eigenschaft haben, daß die an sich durch die gewählte Struktur des Wandlersystems bestimmte Haupt- Wellenausbreitungsrichtung tatsächlich um einen Beam- Steering-Winkel geschwenkt ist.

Aus dem Stand der Technik, z. B. Jpn. J. Appl. Phys. Volume 37 (1998) pp. 2909-2913 und der DE-C-195 32 602, sind bereits für bestimmte Anwendungen als geeignet angesehene bzw. ausgewähl te Kristallschnitte für OFW-Substratplättchen bekannt. Insbe sondere die zweitgenannte Druckschrift gibt die Temperaturei genschaft einzelner Kristallschnitte des Langasits an. Es sind dies solche Kristallschnitte, die, nämlich für Tempera tursensoren, besonders hohe Temperaturabhängigkeit der elek trischen Bauelement-Werte aufweisen. Spezielle Kristall schnitte für Filter und dgl. sind in der WO 97/25776 mit Eu ler-Winkeln λ = -15° bis +10°, µ = 120° bis 165° und θ = 20° bis 45° beschrieben. Zum Langatat sei auf IEEE, Frequ. Con trol. Symp. (1998) pp. 742-765 verwiesen.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, unabhängig von be reits bekannten, für jeweilige Anwendungen günstigen Kri stallschnitten für Langasit und Langatat, solche Kristall schnitte für Substratplättchen für Oberflächenwellen- Bauelemente zu finden, die möglichst großen Kopplungsfaktor, kleine Ausbreitungsgeschwindigkeit der (ausgewählten) Ober flächenwelle und auch möglichst nahe gegen Null gehenden Beam- Steering-Winkel haben. Dies soll möglichst für alle diese drei Eigenschaften beim jeweiligen gesuchten/gefundenen Kri stallschnitt der Fall sein. Insbesondere sollen Oberflächen wellen-Bauelemente mit diesen Kristallschnitten auch tempera turstabile/-invariante Eigenschaft und als Resonanzbauelemen te hohe Frequenzstabilität haben. Bei hohem Kopplungsfaktor läßt sich (bei konstanter Einfügungsdämpfung) große Filter bandbreite erreichen. Insbesondere soll (dafür) bei einem er findungsgemäßen Kristallschnitt die Ausbreitungsgeschwindig keit einer Volumenwelle in diesem Material mit erfindungsge mäßem Kristallschnitt um ein wesentliches Maß verschieden (größer) sein als die niedrige Fortpflanzungsgeschwindigkeit für die jeweilige vorgesehene Oberflächenwelle im Kristall schnitt bzw. des Oberflächenwellen-Bauelements.

Diese Aufgabe wird mit Kristallschnitten mit Euler- Winkelkombinationen gemäß den Angaben der Patentansprüche ge löst und weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegen stand von Unteransprüchen.

Das bekannte Langasit und Langatat, in etwa mit der Zusammen setzung La₃Ga₅SiO₁₄ bzw. La₃Ga_5,5Ta_0,5O₁₄ bilden beide einen trigonalen Kristall bzw. haben eine Kristall-Elementarzelle mit trigonaler Symmetrie mit schiefwinkligem x,y,z- Koordinatensystem mit den Winkeln, 120°, 90°, 90° dieser Ach sen zueinander. Diesem Kristall-Koordinatensystem wird in der Praxis als Basis für die Erfassung und Angabe der einzelnen Materialgrößen und deren weitere Verwendung ein rechtwinkli ges Koordinatensystem, hier mit X, Y und Z bezeichnet, zuge ordnet. Dabei sind die Z-Achse als mit der z-Achse und die X- Achse als mit der x-Achse zusammenfallend bzw. jeweils zuein ander parallel ausgerichtet definiert. Hierzu sei auch auf Standards on Piezoelectric Crystals (1949) und Nye, Physical Properties of Crystals, Oxford Science Publications, CLARENDON Press Oxford (1985), Appendix B, insbesondere Sei ten 276 bis 281 hingewiesen.

Für den Fachmann steht jedoch zur Wahl, mit welcher Orientie rung er ein Substratplättchen mit einer bestimmten Oberfläche zur Lösung der oben genannten Aufgabe aus einem Langasit- Einkristall herausschneidet und welche Richtung auf dieser bestimmten Oberfläche er für die Anregung einer Oberflächen welle vorsieht. Zur Kennzeichnung dieses Kristallschnittes und dieser Richtung wird der Oberfläche des Substratplätt chens ein eigenes rechtwinkliges Achsensystem, hier mit x1, x2 und x3 bezeichnet, zugeordnet. Der eindeutige Bezug des rechtwinkligen Kristall-Koordinatensystems X, Y, Z und dieses Achsensystems x₁, x₂, x₃ des Kristallschnittes zueinander ist in bekannter Weise durch die jeweilige Angabe der Euler- Winkel λ, µ und θ definiert und quantitativ eindeutig fest legbar.

Für ein Substratplättchen eines Oberflächenwellen-Bauelements bzw. für die mit den Strukturen versehene Oberfläche ist es Praxis, die x1-Richtung als von der Wandlerstruktur bestimmte Haupt-Wellenausbreitungsrichtung (bei Beam-Steering-Winkel = 0) zusammenfallen zu lassen.

Zur weiteren Erläuterung der Erfindung seien auch die Figuren hinzugezogen.

Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung eines piezoelek trischen Oberflächenwellen-Bauelements bzw. seines Substrat plättchens.

Fig. 2 zeigt das bereits rechtwinklige Koordinatensystem X, Y, Z des Kristalls und die Lage der Euler-Winkel.

Mit 10 ist in Fig. 1 das Langasit- bzw. Langatat- Kriställplättchen des Oberflächenwellen-Bauelements 1 be zeichnet. Auf der ausgewählten Oberfläche 11 ist eine Ober flächenwellenstruktur 12 dargestellt, die (vereinfacht) als eine Wandlerstruktur 112 und eine Reflektorstruktur 212 wie dergegeben ist. Mittels der Wandlerstruktur 112 kann bei ent sprechend an dieser anliegendem elektrischen Signal in der Oberfläche 11 eine akustische Welle 13 erzeugt werden, die (wiederum beim Beam-Steering-Winkel = 0) in der mit der Achse x1 angegebenen Haupt-Wellenausbreitungsrichtung fortschrei tet. Dazu orthogonal sind die weiteren Achsen x₂ und x₃ ori entiert. Dieses Achsensystem x₁, x₂, x₃ kennzeichnet den Kri stallschnitt der Oberfläche 11.

In Fig. 2 sind die Achsen X, Y und Z des Kristalls in per spektivischer Ansicht dargestellt. In dieses Kristallkoordi natensystem sind die Achsen x₁ bis x₃ des Kristallschnittes der Fläche 11 der Fig. 1 zusätzlich eingetragen. Diese Ori entierung der Kristallschnittachsen zu den Kristallachsen X, Y, Z ist durch die Euler-Winkel λ, µ und θ eindeutig be schrieben. Aus dem Kristallkoordinatensystem X, Y, Z erhält man durch die drei definitionsgemäß aufeinanderfolgenden Win keldrehungen λ, µ und θ die Orientierung des Achsensystems x₁, x₂, x₃. Dazu wird zunächst die Ebene der Achsen X und Y um die Achse Z herum um den Winkel λ gedreht. Dies ergibt als Zwischenstadium das Achsensystem x₁', x₂', x₃'. Dann wird die Ebene mit der Z-Achse und der x₂'-Achse um die Achse x₁' um den Winkel µ gedreht. Daraus ergibt sich die Achsenanordnung x₁' = x₁", x₂", x₃". Mit dem dritten Euler-Winkel θ wird nunmehr die Ebene mit den Achsen x₁" und x₂" um die Achse x₃" gedreht und dies ergibt das Achsensystem x₁, x₂, x₃ des Kristallschnittes, d. h. der Oberfläche 11.

Erfindungsgemäße Kristallschnitte mit dem hohen Kopplungsfak tor und niedriger, wenig temperaturabhängiger Ausbreitungsge schwindigkeit der akustischen Oberflächen-Welle 13 und damit mit hoher Frequenzstabilität eines Hochfrequenz-Bauelements sind gekennzeichnet durch Euler-Winkel für Langasit im jewei ligen Bereich von λ = 10° bis 14°, µ = 130° bis 150° und θ = größer 160° bis 175°. Kristallschnitte mit in diese Bereiche fallenden Euler-Winkeln und allen dazu kristallographisch äquivalenten Euler-Winkelkombinationen haben sehr geringen linearen Temperaturkoeffizienten der zusätzlich auch noch niedrigen Ausbreitungsgeschwindigkeit v von etwa 2680 m/s der akustischen Welle 13 und des dazu relativ hohen elektroaku stischen Kopplungsfaktors von etwa 0,45 bis 0,5%. Niedrige Geschwindigkeit der Welle ermöglicht es, ein Oberflächenwel len-Bauelement mit vorgegebener Eigenschaft schon mit einem vergleichsweise kleinen/kurzen Substratplättchen zu realisie ren und ein solches Bauelement hat durch den höheren Kopp lungsfaktor eine höhere erzielbare Frequenzbandbreite bei vergleichsweise niedriger Einfügungsdämpfung.

Hinzu kommt noch, daß der Beam-Steering-Winkel besonders klein ist für ein Bauelement mit in diese erfindungsgemäßen Winkelbereiche fallenden Euler-Winkeln des Kristallschnittes. Eine hinsichtlich der Aufgabenstellung bzw. der mit der Er findung erzielten Vorteile besonders günstige Wahl einer Eu ler-Winkelkombination für Langasit ist die mit (λ, µ, θ) = (10, 140, 166) mit einer Toleranzbreite von ±5° für die Winkel µ und θ. Der Winkel λ ist zumindest möglichst innerhalb der Herstellungsgenauigkeit des Kristallschnittes einzuhalten. Kristallographisch und damit in ihren oben genannten Eigen schaften für die Lösung der der Erfindung zugrundeliegenden Aufgabe gleichwertig sind dazu die äquivalenten Euler- Winkelkombinationen. Dies gilt wieder mit der oben angegebe nen Winkeltoleranz für die äquivalenten Winkelkombinationen. Die oben genannte Winkel-Kombination (10, 140, 166) sei (l₀, m₀, t₀), worin l, m und t für λ, µ und θ stehen. Äquivalente zu l₀, m₀, t₀ sind:

(l₀, m₀, t₀ + 180) = (10, 140, 346)
(l₀, m₀ + 180, 180 - t₀) = (10, 320, 14)
(l₀, m₀ + 180, 360 - t₀) = (10, 320, 194)
(l₀ + 120, m₀, t₀) = (130, 140, 166)
(l₀ + 120, m₀, t₀ + 180) = (130, 140, 346)
(l₀ + 120, m₀ + 180, 180 - t₀) = (130, 320, 14)
(l₀ + 120, m₀ + 180, 360 - t₀) = (130, 320, 194)

und entsprechend weitere Kombinationen, von denen nachfolgend nur noch die sich ergebenden Winkelkombinationen angegeben werden.

(250, 140, 166)	(110, 140, 14)
(250, 140, 346)	(110, 140, 194)
(250, 320, 14)	(110, 320, 166)
(250, 320, 194)	(110, 320, 346)
(230, 140, 14)	(350, 140, 14)
(230, 140, 194)	(350, 140, 194)
(230, 320, 166)	(350, 320, 166)
(230, 320, 346)	(350, 320, 346)
(50, 220, 14)	(70, 220, 166)
(50, 220, 194)	(70, 220, 346)
(50, 40, 166)	(70, 40, 14)
(50, 40, 346)	(70, 40, 194)
(170, 220, 14)	(190, 220, 166)
(170, 220, 194)	(190, 220, 346)
(170, 40, 166)	(190, 40, 14)
(170, 40, 346)	(190, 40, 194)
(290, 220, 14)	(310, 220, 166)
(290, 220, 194)	(310, 220, 346)
(290, 40, 166)	(310, 40, 14)
(290, 40, 346)	(310, 40, 194)

Das hinsichtlich des Erfindungsgedankens prinzipiell gleich artige Langatat als einkristallines Material für Substrat plättchen für Oberflächenwellenelemente hat für die Lösung derselben oben genannten Aufgabe andere Euler- Winkelkombinationen, die nachfolgend angegeben sind. Erfin dungsgemäße Kristallschnitte des Langatats mit hohem Kopp lungsfaktor und besonders geringer Ausbreitungsgeschwindig keit sowie wenigstens nahezu beim Wert Null liegendem Beam- Steering-Winkel sind (λ₀, µ₀, θ₀) mit den speziellen Winkel werten in ° wie folgt:
(0, 80-110, 0) mit Toleranzbereich ±5° für λ und θ,
(0, 20-80, 32,5 ±5)
(0-20, 130-150, 155-180)
(30, 60, 0) mit jeweils ±5° Winkeltoleranz
(10 ±5, 35 ±10, 26 ±5)
(20 ±5, 30-70, 17 ±5)
und zu diesen vorangehenden Euler-Winkel-Kombinationen die jeweils dazu kristallographischen (Winkel-)Äquivalente, die wie zum Langasit angegeben, aufzufinden bzw. definiert sind.

Speziell die Winkel-Kombination (0, 90, 0) (mit zugehörigem Toleranzbereich) zeichnet sich durch eine besonders niedrige Ausbreitungsgeschwindigkeit für Oberflächenwellen mit wenig über 2200 m/s und einen Kopplungsfaktor von 0,54% aus. Solche Eigenschaft kann insbesondere dafür benutzt werden zu verhin dern, daß im Substratplättchen zusätzlich auftretende Volu menwellen keinen Einfluß auf die Eigenschaft des Oberflächen wellen-Bauelements, z. B. als Resonator, haben. Die oben an zweiter und dritter Stelle genannten Euler- Winkelkombinationen zeichnen sich besonders dadurch aus, daß die frequenzmäßig nächstliegende Volumenwelle weit entfernt von der Frequenz einer Oberflächenwelle liegt und somit gera de diese Schnitte besonders geeignet sind für Oberflächenwel len-Filter mit besonders großer nutzbarer Bandbreite. Beson ders hohen Kopplungsfaktor von sogar 0,7%, und zwar dies bei verschwindendem Beam-Steering-Winkel hat insbesondere ein Kristallschnitt mit den Euler-Winkeln (10, 140, 167,5) mit einer Wellenausbreitungsgeschwindigkeit von ca. 2540 m/s. Der Beam-Steering-Winkel ist (für Langatat) nicht zu vernachläs sigen, denn z. B. bei der Winkel-Kombination (40, 40, 0) be trägt dieser mehr als 9°.

Vorteilhaft sind die nur einfach rotierten Schnitte (mit dem Euler-Winkel λ = 0°), weil Substratplättchen dieser Schnitte leichter herzustellen sind als sogenannte doppelrotierte Schnitte. Jedoch haben einige der doppelt rotierten Schnitte besonders günstige Eigenschaften für Substratplättchen für Oberflächenwellen-Bauelemente. Die spezielle Kombination (30, 60, 0) zeichnet sich aus durch einen vernachlässigbaren geringen Einfluß der nächstliegenden Volumenwelle. Deren Aus breitungsgeschwindigkeit ist mehr als 200 m/s verschieden von derjenigen einer Oberflächenwelle bei gleich großem Kopp lungsfaktor mit etwa 0,52°. Eine Euler-Winkelkombination in nerhalb der Kombination (10,25-45,26), speziell mit µ = 30° hat bei einem hohen Kopplungsfaktor 0,53% eine Ausbreitungs geschwindigkeit der Oberflächenwelle von nur ca. 2320 m/s. Auch bei dieser Kombination gewährleistet der große Abstand der Frequenz der nächsten Volumenwelle hohe nutzbare Band breite als Oberflächenwellen-Bauelement (etwa im Vergleich zu der Kombination (0, 90, 0)). Eine Winkel-Kombination des Berei ches (20, 30-70, 17) speziell die Kombination (20, 60, 16) hat eine ganz besonders niedrige Ausbreitungsgeschwindigkeit von nur 2300 m/s.

Claims

1. Substratplättchen (10) mit einem Kristallschnitt (λ, µ, θ) mit hohem Kopplungsfaktor und niedriger Oberflächenwellen- Ausbreitungsgeschwindigkeit, zu verwenden für ein elektroni sches Oberflächenwellen-Bauelement mit einer orientierten (x₁, x₂, x₃) Substrat-Oberfläche (11) für die Oberflächenwel lenstruktur (12) mit in der Richtung x₁ vorgesehener Oberflä chenwellen-Ausbreitung, gekennzeichnet dadurch, daß für Langasit diese Oberfläche (11) durch Euler- Winkel λ im Bereich von 10° bis 14°, µ im Bereich von 130° bis 150° und θ im Bereich von größer 160° bis kleiner 175° definiert ist.

2. Substratplättchen nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß die Oberfläche (11) durch die Euler-Winkel (λ, µ, θ) = (10°, 140°, 166°) mit einer jeweiligen Toleranzbreite der Winkel µ und θ von ±5° definiert ist.

3. Substratplättchen nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß die Oberfläche (11) durch eine solche Euler- Winkelkombination (λ, µ, θ) definiert ist, die eine äquivalente Euler-Winkelkombination zu einer Euler-Winkelkombination der Bereiche des Anspruchs 1 ist.

4. Substratplättchen nach Anspruch 2, gekennzeichnet dadurch, daß die Oberfläche (11) durch eine Euler- Winkelkombination definiert ist, die eine solche Euler- Winkelkombination ist, die ein Äquivalent der Euler- Winkelkombination (10°,140°,166°) mit einer Toleranzbreite von ±5° für die Winkel µ und θ ist.

5. Substratplättchen (10) mit einem Kristallschnitt (λ, µ, θ) mit hohem Kopplungsfaktor und niedriger Oberflächenwellen- Ausbreitungsgeschwindigkeit, zu verwenden für ein elektroni sches Oberflächenwellen-Bauelement mit einer orientierten (x₁, x₂, x₃) Substrat-Oberfläche (11) für die Oberflächenwel lenstruktur (12) mit in der Richtung x₁ vorgesehener Oberflä chenwellen-Ausbreitung, gekennzeichnet dadurch, daß für Langatat diese Oberfläche (11) definiert ist durch eine der Euler-Winkelkombinationen (λ₀, µ₀, θ₀) mit den folgenden speziellen Winkeln bzw. Winkelbereichen:
(0 ±5, 80-110, 0 ±5)
(0, 20-80, 32,5 ±5)
(0-20, 130-150, 155-180)
(30 ±5, 60 ±5, 0 ±5)
(10 ±5, 25-45, 26 ±5)
(20 ±5, 30-70, 17 ±5).

6. Substratplättchen nach Anspruch 5, gekennzeichnet dadurch, daß die Oberfläche (11) durch eine Euler- Winkelkombination definiert ist, die eine äquivalente Euler- Winkelkombination eines Kristallschnittes nach Anspruch 5 ist.