DE102006019961A1

DE102006019961A1 - Elektroakustisches Bauelement

Info

Publication number: DE102006019961A1
Application number: DE102006019961A
Authority: DE
Inventors: Jaroslaw Konopka; Werner Dr. Ruile; Ulrike Dr. Rösler
Original assignee: Epcos AG
Current assignee: SnapTrack Inc
Priority date: 2006-04-28
Filing date: 2006-04-28
Publication date: 2007-10-31
Anticipated expiration: 2026-04-29
Also published as: US7696674B2; JP5323681B2; US20090108961A1; DE102006019961B4; WO2007124732A1; JP2009535869A

Abstract

Es wird ein mit geführten akustischen Wellen arbeitendes elektroakustisches Bauelement mit einem ersten Substrat (S1), einem zweiten Substrat (S2), einer Metallschicht (MS) und einer Zwischenschicht (ZS) angegeben. Das erste Substrat (S1) besteht aus einem Einkristall-LiTaO<SUB>3</SUB>. Die Metallschicht (MS) ist zwischen dem ersten Substrat (S1) und der Zwischenschicht (ZS) angeordnet. Die Zwischenschicht (ZS) ist zwischen der Metallschicht (MS) und dem zweiten Substrat (S2) angeordnet. Der Kristallschnitt des Einkristall-LiTaO<SUB>3</SUB> ist so gewählt, dass für den zweiten Eulerwinkel µ gilt: -100° <= µ <= -40° oder -160° <= µ <= -130°. Für den ersten Eulerwinkel lambda gilt vorzugsweise lambda = 0° und für den dritten Eulerwinkel Theta gilt vorzugsweise -10° <= Theta < 0°, Theta = 0° oder 0° < Theta <= 10°.

Description

Kristallschnitte der LiTaO₃-Einkristalle sind z. B. für Oberflächenwellenbauteile aus der Druckschrift WO 00219522 A1 oder US 2006/0055283 A1 bekannt.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein mit geführten akustischen Wellen arbeitendes Bauelement anzugeben, in dem durch ungewünschte Nebenmoden auftretende Störungen sehr gering sind.
Es wird ein mit GBAW arbeitendes Bauelement mit einem ersten Substrat, einem zweiten Substrat, einer Metallschicht und einer Zwischenschicht angegeben. GBAW steht für Guided Bulk Acoustic Wave, d. g. geführte akustische Volumenwellen. Das erste Substrat besteht aus einem Einkristall-LiTaO₃. Die Metallschicht ist zwischen dem ersten Substrat und der Zwischenschicht angeordnet. Die Zwischenschicht ist zwischen der Metallschicht und dem zweiten Substrat angeordnet. Der Kristallschnitt des Einkristall-LiTaO₃ ist so gewählt, dass eine bevorzugte akustische Mode unterstützt und eine zu unterdrückende akustische Mode unterdrückt wird. Bevorzugte Kristallschnitte des Einkristall-LiTaO₃ sind nachstehend angegeben.
Die Ausbreitungsgeschwindigkeit der Welle ist im Substrat und im zweiten Substrat vorzugsweise größer als in der Zwischenschicht. Dadurch entsteht ein Wellenleiter, dessen Mantel durch die beiden Substrate und dessen Kern durch die Zwischenschicht und die Metallschicht gebildet ist. Zum Kern des Wellenleiters gehört außerdem ein an die jeweilige Grenzfläche der Zwischenschicht angrenzender Bereich des ersten und des zweiten Substrats, wobei die Dicke dieses Bereichs etwa eine Wellenlänge beträgt.
Die Metallschicht ist vorzugsweise zur Bildung von akustisch wirksamen Strukturen (z. B. elektroakustische Wandler und Reflektoren), Kontaktflächen sowie Verbindungsleitungen strukturiert. Das Bauelement kann insbesondere einen Resonator mit einem Wandler aufweisen, in dem die akustische Welle elektrisch anregbar ist. Ein Wandler weist i. d. R. ein Elektrodengitter auf. Die Elektroden sind dabei senkrecht zur Wellenausbreitungsrichtung angeordnete Metallstreifen. Der Wandler kann zwischen zwei akustischen Reflektoren angeordnet sein, die zum Lokalisieren der akustischen Welle im aktiven Bereich des Wandlers geeignet sind. Das Bauelement weist einen Durchlassbereich und mindestens einen Sperrbereich auf.
Ein Resonator kann durch eine Admittanzkurve und einen elektroakustischen Kopplungskoeffizient K² charakterisiert werden. Die Admittanzkurve weist bei der Frequenz f_R eine Resonanz (Serienresonanz) und bei der Frequenz f_a,R eine Antiresonanz (Parallelresonanz) auf. Der Kopplungskoeffizient kann nach der Formel K² = π²(f_a,R – f_R)/4f_a,R bestimmt werden.
Die akustische Reflexion an einer Elektrode kann durch einen Reflexionskoeffizienten R charakterisiert werden. Die auf die Rayleighwelle bezogenen Parameter K und R sind nachstehend mit dem Index „RW" und die auf die Scherwelle bezogenen Parameter K und R mit dem Index „SH" versehen.
Ein Kristallschnitt kann durch drei Euler-Winkel angegeben werden. Die Euler-Winkel sind nachstehend anhand von 1 erläutert. Der erste Euler-Winkel wird im Folgenden mit λ, der zweite Euler-Winkel mit μ und der dritte Euler-Winkel mit θ bezeichnet.
Im Einkristall-LiTaO₃ ist je nach Kristallschnitt zumindest ein Wellentyp, ausgewählt aus einer Scherwelle und einer Rayleigh-Welle, anregbar. Im angegebenen Bauelement wird allerdings vorzugsweise nur einer dieser Wellentypen angeregt, wobei der andere Welletyp im Wesentlichen unterdrückt wird. Der anzuregende Welletyp wird als Hauptmode und der zu unterdrückende Wellentyp als Nebenmode bezeichnet.
Die Scherwelle umfasst eine Komponente, die in der Lateralebene X, Y im Wesentlichen quer zu der Ausbreitungsrichtung X der Welle polarisiert ist. Außerdem kann eine kleine Wellenkomponente vorhanden sein, die senkrecht zur Lateralebene polarisiert ist.
Die Rayleigh-Welle umfasst eine Komponente, die im Wesentlichen senkrecht zur Lateralebene polarisiert ist. Außerdem kann eine kleine Wellenkomponente vorhanden sein, die in der Lateralebene quer zu der Ausbreitungsrichtung X der Welle polarisiert ist.
Es wurde festgestellt, dass Kristallschnitte existieren, bei denen jeweils ein Wellentyp bevorzugt angeregt wird, wobei der elektroakustische Kopplungskoeffizient K² für den anderen Wellentyp besonders klein eingestellt werden kann. Die für den jeweiligen Wellentyp optimale Schnittwinkelkombination, die eine gute Unterdrückung des anderen Wellentyps ermöglicht, hängt dabei nicht nur vom Kristallschnitt, sondern auch vom Material und Zusammensetzung der Metallschicht, der Zwischenschicht und des zweiten Substrats ab.
Beispielsweise beträgt im Falle des Bauelements mit einer relativ dicken Metallschicht aus Al, einer planarisierten Zwischenschicht aus SiO₂ und dem zweiten Substrat aus Si der elektroakustische Kopplungskoeffizient K² im Wesentlichen Null a) für die Scherwelle beim Kristallschnitt (0°, μ, θ) des LiTaO₃ mit |θ| ≤ 10° und μ ≈ –142°, und b) für die Rayleigh-Welle beim Kristallschnitt (0°, μ, θ) mit |θ| ≤ 10° und μ ≈ –54°.
Dies bedeutet, dass die jeweilige Welle im Bauelement nicht oder nur sehr schwach angeregt wird. Somit kann eine als Nebenmode auftretende Welle bei bestimmten, nachstehend angegebenen Kristallschnitten im Wesentlichen unterdrückt werden.
Gemäß einer ersten bevorzugten Ausführungsform wird für das erste Substrat der zweite Eulerwinkel μ im Bereich –100° ≤ μ ≤ –40° gewählt. Für den ersten Eulerwinkel λ gilt vorzugsweise: λ = 0°. Für den dritten Eulerwinkel θ gilt vorzugsweise: θ = 0° oder |θ| < 10°. An der Grenzfläche des Substrats ist in diesem Fall eine horizontal polarisierte Scherwelle als Hauptmode anregbar, die in einer vorteilhaften Variante eine GBAW darstellt. Die horizontale Polarisation bedeutet, dass die Scherwelle im Wesentlichen in einer Lateralebene polarisiert ist.
Besonders vorteilhaft ist in diesem Fall der Winkelbereich –56° ≤ μ ≤ –48°, insbesondere wenn die Elektroden des Bauelements aus einem relativ leichten, z. B. Al-haltigen Material bestehen und dabei insbesondere keine W-Schicht aufweisen.
Das Bauelement weist vorzugsweise einen Wandler auf, in dem eine Scherwelle als Hauptmode ausbreitungsfähig ist. Der Wandler zeichnet sich dadurch aus, dass seine Admittanzkurve in der Nähe der Resonanzfrequenz f_R bei der Hauptresonanz keine Nebenresonanzen aufweist.
Gemäß einer zweiten bevorzugten Ausführungsform wird für das erste Substrat der zweite Eulerwinkel μ im Bereich –150° ≤ μ ≤ –130° gewählt. Für den ersten Eulerwinkel λ gilt vorzugsweise: λ = 0°. Für den dritten Eulerwinkel θ gilt vorzugsweise: θ = 0° oder |θ| < 10°. An der Grenzfläche des Substrats ist in diesem Fall eine Rayleigh-Welle als Hauptmode anregbar, die in einer vorteilhaften Variante eine GBAW darstellt. Besonders vorteilhaft ist in diesem Fall der Winkelbereich –146° ≤ μ ≤ –136°, insbesondere wenn die Elektroden des Bauelements aus einem relativ leichten, z. B. Al-haltigen Material bestehen und dabei insbesondere keine W-Schicht aufweisen.
Das Bauelement weist vorzugsweise einen Wandler auf, in dem eine Rayleigh-Welle als Hauptmode ausbreitungsfähig ist. Der Wandler zeichnet sich dadurch aus, dass seine Admittanzkurve in der Nähe der Resonanzfrequenz f_R bei der Hauptresonanz keine Nebenresonanzen aufweist.
Im Folgenden sind beispielhafte Ausgestaltungen des Bauelements gemäß der ersten und der zweiten Ausführungsform angegeben, die sich durch besonders stabile Temperatureigenschaften auszeichnen. Das Bauelement ist aber auf diese Beispiele nicht begrenzt.
Das erste Substrat und das zweite Substrat weisen jeweils vorzugsweise eine Dicke von mindestens 10 Wellenlängen λ₀ auf. Das zweite Substrat kann in einer Variante als eine Schicht ausgebildet sein, die z. B. eine Dicke von mindestens 0,5 λ₀ aufweist.
Es ist vorteilhaft, wenn die zum zweiten Substrat gewandte Grenzfläche der Zwischenschicht plan bzw. planarisiert ist. Somit kann ein erster Wafer, der das erste Substrat, die Metallschicht und die Zwischenschicht umfasst, mit dem zweiten Substrat mittels Direct Wafer Bonding verbunden werden.
Das zweite Substrat, die Zwischenschicht und die Metallschicht können jeweils mehrere verschiedene Teilschichten aufweisen.
Die Metallschicht weist Elektroden zur Anregung einer akustischen Welle mit der Wellenlänge λ₀ auf. Gemeint ist dabei die Wellenlänge bei einer Frequenz, die im Durchlassbereich des Bauelements liegt. Die Elektroden können ein periodisches Elektrodengitter des Wandlers bilden, wobei der in Wellenausbreitungsrichtung gemessene Abstand zwischen zwei entgegengesetzt gepolten Elektroden eine halbe Wellenlänge beträgt.
Die Elektroden bilden meist ein periodisches Elektrodengitter des Wandlers, wobei der in Wellenausbreitungsrichtung gemessene Abstand zwischen zwei entgegengesetzt gepolten Elektroden eine halbe Wellenlänge beträgt.
Für die nachstehend erläuterten Beispiele zur Berechnung von Kristallschnitten gilt θ = 0° und λ₀ = 2,5 μm.
Die Metallschicht enthält vorzugsweise eine Schicht aus einem schweren Material wie z.B. Wolfram, deren auf die Wellenlänge bezogene Dicke maximal 10% und in einer vorteilhaften Varian te zwischen 1% und 6,5% beträgt. Die W-Schicht kann insbesondere auf die Wellenlänge bezogen 5% dick sein.
Die Elektroden können außerdem Al oder eine Al-Legierung umfassen. Sie können z. B. mindestens eine Al-Schicht, aber auch weitere Schichten, insbesondere eine Cu-Schicht aufweisen. Die Gesamthöhe der Elektroden kann z. B. bis zu 10% der Wellenlänge betragen.
Als Al-Elektroden werden Elektroden bezeichnet, die aus Aluminium bestehen. Das in Zusammenhang mit Al-Elektroden Gesagte gilt grundsätzlich für Elektroden, die nur Schichten aus relativ leichten Metallen aufweisen oder die insgesamt relativ leicht sind. Als W-Elektroden werden Elektroden bezeichnet, die eine Schicht aus Wolfram aufweisen. Als Al/W-Elektroden werden Elektroden bezeichnet, die eine Schicht aus W und eine Schicht aus Al aufweisen. Das in Zusammenhang mit W- und Al/W-Elektroden Gesagte gilt grundsätzlich für Elektroden, die mindestens eine Schicht aus relativ schweren Metall aufweisen oder die insgesamt relativ schwer sind.
Der Anteil der metallisierten Fläche auf der Oberfläche des ersten Substrats im akustisch aktiven Bereich des Bauelements beträgt vorzugsweise zwischen 0,3 und 0,7, ist aber nicht auf diesen Bereich beschränkt. In den nachstehend erläuterten Beispielen wurde der Anteil der metallisierten Fläche im aktiven Bereich des Bauelements 0,5 gewählt.
Das zweite Substrat kann aus Si oder Glas sein. In den nachstehend erläuterten Beispielen wurde Si mit dem Kristallschnitt (0°, 0°, 0°) gewählt. Andere Si-Kristallschnitte kommen aber auch in Betracht.
Die Scherwelle kann im Winkelbereich –180° ≤ μ < –160° sowie –95° < μ ≤ 0° als Hauptmode betrachtet werden. In diesen Bereichen ist für die Scherwelle ein Kopplungskoeffizient von bis zu ca. 6,5% erreichbar.
Die Rayleigh-Welle kann im Winkelbereich –160° < μ < –95° als Hauptmode betrachtet werden. In diesen Bereichen ist für die Rayleigh-Welle ein Kopplungskoeffizient von bis zu ca. 3% erreichbar.
Es existieren Schnittwinkelbereiche, in dem die zu unterdrückende Nebenmode nur sehr schwach mit K² < 0,05% gekoppelt ist.
Bei bestimmten Werten der Euler-Winkels kann erzielt werden, dass im Bauelement nur eine reine Wellenmode ausbreitungsfähig ist. Z. B. der Schnittwinkel mit μ = –54° zeichnet sich bei der Ausführung mit Al-Elektroden dadurch aus, dass dabei im Wesentlichen die reine Scherwelle ausbreitungsfähig ist. Bei der Ausführung mit W-Elektroden ist dies der Fall beim Schnittwinkel mit μ = –75°.
Der Schnittwinkel mit μ = –142° zeichnet sich bei der Ausführung mit Al-Elektroden dadurch aus, dass dabei im Wesentlichen die reine Rayleigh-Welle ausbreitungsfähig ist. Bei der Ausführung mit W-Elektroden ist dies der Fall beim Schnittwinkel mit μ = –135°.
Der Temperaturgang der Frequenz f des elektroakustischen Bauelements kann durch eine Taylor-Reihe beschrieben werden: df/f = T0 + TCF1 ΔT + TCF2 (ΔT)2 + ... df ist die temperaturbedingte Abweichung der Frequenz des Bauelements bei einer Temperaturdifferenz ΔT. Dies kann z. B. die Temperaturabweichung von Raumtemperatur bzw. einer vorgegebenen Referenztemperatur sein. Der Koeffizient TCF1 vor dem linearen Term dieser Reihe wird als linearer Temperaturkoeffizient bezeichnet. T0 ist eine temperaturunabhängige Konstante. Der Koeffizient TCF2 vor dem quadratischen Term dieser Reihe wird als quadratischer Temperaturkoeffizient bezeichnet. Es wird angenommen, dass der Koeffizient TCF2 klein ist. Die Kurve df/f(ΔT) ist in diesem Fall im Wesentlichen eine Gerade.
Der Kristallschnitt, die Metallisierungshöhe der Elektroden und der Anteil der metallisierten Fläche im akustisch aktiven Bereich des Bauelements wird vorzugsweise so gewählt, dass der lineare Temperaturkoeffizient TCF1 klein ist.
Die Zwischenschicht ist vorzugsweise aus SiO_x mit 1,6 ≤ x ≤ 2,1, kann aber auch aus einem anderen Material gewählt sein. Die auf die Wellenlänge bezogene Dicke der Zwischenschicht kann z. B. zwischen 20% und 200% betragen. Als besonders vorteilhaft erweist der Bereich zwischen 20% und 80%, in dem für die Hauptmode (je nach Bauelement Scherwelle oder Rayleighwelle) ein relativ hoher Koeffizient K² der elektroakustischen Kopplung, und zwar K² > 4% erzielt werden kann. Dies ist der Fall für Al-Elektroden mit einer relativen Dicke von 7,2%. Die relative Dicke d_EL der Al-Elektroden zwischen 3% und 16% und insbesondere die Dicke von ca. 10% ist vorteilhaft.
Bei einer relativen Dicke d_ZS der Zwischenschicht, die zwischen 30% und 60% beträgt, kann bei μ ≈ –48° für die Hauptmode (hier Scherwelle) sogar K_SH ² > 5% und ein Reflexionskoeffizient R_SH > 1,5% erzielt werden. Als Optimum wird der Dickenbereich (40 ± 5)% betrachtet, wobei in diesem Fall die Dicke der Al-Elektroden von 16% bevorzugt ist.
Bei der relativen Dicke d_ZS der Zwischenschicht, die zwischen 40% und 55% beträgt, kann bei μ ≈ –54° für die Hauptmode (Scherwelle) der Kopplungskoeffizient K_SH ² zwischen 5,35% und 5,63% und R_SH ≈ 2,0% erzielt werden.
Der Vorteil einer relativ dicken Zwischenschicht liegt darin, dass relativ niedrige Werte für den Parameter TCF1 erzielt werden können. Der Vorteil einer solchen Zwischenschicht besteht außerdem darin, dass ein relativ hoher Reflexionskoeffizient R_SH bzw. R_RW der anzuregenden Welle an einer Elektrodenkante erzielt werden kann.
Für verschiedene Schnittwinkel des Lithiumtantalats wurde bestimmt: R_SH liegt im Bereich zwischen 0% und 3% und R_RW im Bereich zwischen 0% und 1,3%. Der elektroakustische Kopplungskoeffizient kann je nach Schnittwinkel für die Scherwelle zwischen 0% und 6,49% und für die Rayleigh-Welle zwischen 0% und 3% eingestellt werden.
Für ein kurzgeschlossenes Elektrodengitter im Bauelement gemäß der ersten Ausführungsform mit der relativen Schichtdicke 40% wurde bestimmt: R_SH = 1,8 ... 3,0% und K_SH ² = 1,5 bis 6,5%, wobei im Bereich –90° ≤ μ ≤ –40° bestimmt wurde K² > 5%. Der Bereich –56° ≤ μ ≤ –48° zeichnet sich dabei durch einen besonders niedrigen Wert des elektroakustischen Kopplungskoeffizienten der zu unterdrückenden Rayleigh-Welle, für die gilt R_RW < 0,2% und K_RW ² ≤ 0,02%. Die Elektroden waren aus Al mit der relativen Dicke von 7,2%.
Für ein kurzgeschlossenes Elektrodengitter im Bauelement gemäß der zweiten Ausführungsform mit der relativen Schichtdicke 40% im Bereich –150° ≤ μ ≤ –130° wurde bestimmt: R_RW > 0,5% und R_SH < 0,1%. Für die anzuregende Rayleigh-Welle wurde bestimmt: K_RW ² > 1,5%. Für die zu unterdrückende Scherwelle wurde bestimmt: K_SH ² < 0,4%. Die Elektroden waren aus Al mit der relativen Dicke von 7,2%.
Es gelingt also, im elektroakustischen Bauelement für die anzuregende Wellenmode einen relativ hohen elektroakustischen Kopplungskoeffizienten K² sowie einen relativ hohen Reflexionskoeffizienten R zu erzielen, wobei die entsprechenden Werte für die zu unterdrückende Mode gering bleiben.
Ein mit GBAW arbeitendes Bauelement weist insgesamt einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten auf, der zwischen dem des ersten und des zweiten Substrats liegt. Für das für die Anregung der Scherwelle optimierte Bauelement mit μ ≈ –54°, die Zwischenschicht aus SiO₂ mit der relativen Dicke d_ZS ≈ 40% und Al-Elektroden der relativen Dicke d_EL ≈ 7,2% wurde bestimmt: K_SH ² = 5,63%, R_SH = 2,01%, TCF1 = –7 ... +7 ppm/K.
Das Bauelement mit μ ≈ –54°, Al-Elektroden der relativen Dicke d_EL ≈ 7,2% und d_ZS ∊ (50%; 70%) zeichnet sich durch stabile thermische Eigenschaften aus, wobei sein Koeffizient TCF1 im Bereich –15,5 ... 13,0 ppm/K liegt. Der Bereich der relativen Dicke d_ZS zwischen 60% und 65% wird im Hinblick auf die thermische Stabilität als besonders vorteilhaft betrachtet. Dabei wurde der Koeffizient TCF1 bestimmt, der zwischen –7 ppm/K und 7 ppm/K liegt. Für die Dicke d_ZS ≈ 62,5% wurde bestimmt: K_SH ² = 4,8%, R_SH = 1,8%.
Für das Bauelement mit μ ≈ –54°, Al-Elektroden der relativen Dicke d_EL ≈ 7,2% erweist sich außerdem der Bereich der relativen Dicke d_ZS als vorteilhaft, der zwischen 140% und 160% liegt.
Im Falle des für die Scherwelle als Hauptmode ausgelegten GBAW-Bauelements kann es vorteilhaft sein, wenn der Anteil η der metallisierten Oberfläche des ersten Substrats im aktiven Wandlerbereich unterhalb von 0,5 und insbesondere zwischen 0,25 und 0,3 liegt. Dabei kann ein besonders hoher Reflexionskoeffizient R_SH bis zu 2,95% und K_SH ² von ca. 5,2% erzielt werden.
Für ein vorteilhaftes Bauelement mit μ ≈ –54° kann angegeben werden: d_EL = 10%, η = 0,3, d_ZS = 40%. Für dieses Bauelement wurde R_SH = 2,93%, K_SH ² zwischen 5,41% und 5,89% und TCF1 zwischen –19,5 ppm/K und –5,1 ppm/K berechnet.
Für ein weiteres vorteilhaftes Bauelement mit μ ≈ –54° kann angegeben werden: d_EL = 10%, η = 0,3, d_ZS = 62,5%. Für dieses Bauelement wurde R_SH = 2,5%, K_SH ² zwischen 4,0% und 5,0% und TCF1 zwischen –3,3 ppm/K und 11,1 ppm/K berechnet.
Für das Bauelement mit μ ≈ –142°, Al-Elektroden der relativen Dicke d_EL ≈ 7,2% und d_ZS ∊ (20%; 200%) wurde für die Rayleigh-Welle der Kopplungskoeffizient K_RW ² ≈ 2%, der Reflexionskoeffizient R_RW ≈ 0,6% bestimmt. Als besonders vorteilhaft erweist sich der Bereich der relativen Dicke d_ZS, der zwischen 30% und 80% liegt.
Für das für die Anregung der Rayleigh-Welle optimierte Bauelement mit μ ≈ –142°, die Zwischenschicht aus SiO₂ mit der relativen Dicke d_ZS ≈ 40% und Al-Elektroden der Dicke d_EL 7,2% bei η = 0,5 wurde bestimmt: K_RW ² = 1,97%, R_RW = 0,6%, TCF1 = –45 ... –25 ppm/K.
Im Falle des für die Rayleigh-Welle als Hauptmode ausgelegten GBAW-Bauelements kann es vorteilhaft sein, wenn der Anteil η der metallisierten Oberfläche des ersten Substrats im aktiven Wandlerbereich unterhalb von 0,5 und insbesondere zwischen 0,3 und 0,5 liegt. Dabei kann für die Rayleigh-Welle ein besonders hoher Kopplungskoeffizient K_RW ² von ca. 2% erzielt werden. Für 0,25 ≤ η ≤ 0,30 wurde für die Rayleigh-Welle ein Reflexionskoeffizient R_RW von ca. 0,95% und ein Kopplungskoeffizient K_RW ² von ca. 1,97% bestimmt.
Für ein vorteilhaftes Bauelement mit μ ≈ –142° kann daher angegeben werden: d_EL = 7,2%, η = 0,3, d_ZS = 40%. Für dieses Bauelement wurde für die Rayleigh-Welle R_RW = 0,94% und K_RW ² zwischen 1,97% und 2,34%, und TCF1 zwischen –40,0 ppm/K und –25,3 ppm/K berechnet.
Als Nächstes wird ein GBAW-Bauelement mit schweren Elektroden aus Wolfram beschrieben. In diesem Fall kann bei –120° < μ < –30° die Scherwelle und bei –150° < μ < –130° die Rayleigh-Welle als Hauptmode betrachtet werden.
Für das Bauelement mit der relativen Elektrodendicke d_EL = 7,2% und der relativen Dicke der Zwischenschicht 10% ≤ d_ZS ≤ 80% wurde 28% ≤ R_SH ≤ 35% und 4,3% ≤ K_SH ² ≤ 5,07% berechnet. Der Bereich 20% ≤ d_ZS ≤ 60% ist vorteilhaft im Hinblick auf einen besonders hohen Wert von R_SH ≥ 32%. Für das vorteilhafte Bauelement mit d_ZS = 10% wurde R_SH = 28,65% und (K_SH ²)_max = 5,07% bestimmt.
Im weiteren vorteilhaften Bauelement mit der relativen Schichtdicke d_ZS = 40% und μ = –48° stellt die horizontal polarisierte Scherwelle die Hauptmode dar. Für den Bereich 2% ≤ d_EL ≤ 12% wurde 4,0% ≤ K_SH ² ≤ 7,4% und 9% ≤ R_SH ≤ 46% bestimmt. Für die relative Dicke d_EL der W-Elektroden ist der Bereich 2,0% ≤ d_EL ≤ 3,5% besonders vorteilhaft. Für den Wert d_EL = 2% wurde R_SH = 9,49% und (K_SH ²)_max = 6,64% berechnet.
Des weiteren wurden Bauelemente mit –180° ≤ μ ≤ 0°, d_ZS = 40% und W-Elektroden mit η = 0,5 und d_EL = 2% untersucht. In diesem Fall ist je nach Kristallschnitt eine Scherwelle, eine Rayleighwelle und eine gemischte Rayleigh-Scherwelle ausbreitungsfähig. Im für die Scherwelle ausgelegten Bauelement können die Werte R_SH ≥ 8,5% und K_SH ² ≥ 6% erzielt werden. Im für die Rayleigh-Welle ausgelegten Bauelement können die Werte 2,0% ≤ R_RW ≤ 3,0% und 2,5% ≤ K_RW ² ≤ 3,5% erzielt werden.
Die Scherwelle dominiert im Bereich –110° ≤ μ ≤ –30°, wobei für den bevorzugten Wert μ = –75°, d_EL = 2% und d_ZS = 40% der Kopplungskoeffizient K_SH ² bis 7,64%, der Reflexionskoeffizient R_SH bis 9,92% und TCF1 zwischen –9,5 ppm/K und 4,5 ppm/K erzielt werden kann.
Für das Bauelement mit dem Schnittwinkel μ = –75° wird der Bereich 30% ≤ d_ZS ≤ 60% als vorteilhaft für eine Temperaturkompensation, der Bereich 30% ≤ d_ZS ≤ 70% als vorteilhaft in Bezug auf einen hohen Wert von R_SH ≥ 9,5% und der Bereich 20% ≤ d_ZS ≤ 80% als vorteilhaft in Bezug auf einen hohen Wert von K_SH ² ≥ 7,3% betrachtet. Der Bereich 40% ≤ d_ZS ≤ 50% ist bevorzugt, da in diesem Fall ein besonders niedriger Wert von TCF1 zwischen –9,5 ppm/K und 7,18 ppm/K erzielt werden kann. Für diesen Bereich wurde K_SH ² von ca. 7,63% und R_SH zwischen 9,82% und 9,97% bestimmt.
Für das Bauelement mit dem Schnittwinkel μ = –75° wird der Bereich der relativen Dicke der W-Elektroden 1% ≤ d_EL ≤ 8% als vorteilhaft betrachtet. Dabei kann ein Reflexionskoeffizient R_SH bis zu 35,8% erzielt werden. Der Kopplungskoeffizient K_SH ² für die Scherwelle liegt dabei für η = 0,5 zwischen 5,0% und 7,6%. Besonders vorteilhaft ist der Bereich 0,4 ≤ η ≤ 0,5, für den R_SH ≥ 9,7% und K_SH ² ≥ 7,5% bestimmt wurde.
Für das GBAW-Bauelement mit dem ersten Substrat, das den Kristallschnitt (0°, –75°, 0°) aufweist, und den W-Elektroden werden die folgenden Ausführungsbeispiele bevorzugt:

1) d_ZS = 40%, d_EL = 2%, η = 0,5, für die R_SH ≈ 9,82%, K_SH ² ≈ 7,64% ... 9,08% und –9,5 ppm/K ≤ TCF1 ≤ 4,5 ppm/K bestimmt wurde;
2) d_ZS = 50%, d_EL = 2%, η = 0,5, für die R_SH ≈ 9,97%, K_SH ² ≈ 7,62% ... 9,06 und –7,22 ppm/K ≤ TCF1 ≤ 7,18 ppm/K bestimmt wurde.

Die Rayleigh-Welle dominiert im Bereich –150° ≤ μ ≤ –130°, wobei der Wert μ = –135° bevorzugt ist. Der Bereich der relativen Dicken d_EL der W-Elektroden zwischen 2% und 10% ist dabei bevorzugt. Eine Variante mit d_EL = 2% und d_ZS = 40% ist besonders vorteilhaft. Für diese Variante wurde K_RW ² = 2,88%, R_RW = 1,88% und –28,1 ppm/K ≤ TCF1 ≤ –13,7 ppm/K bestimmt.
Für das Bauelement mit μ = –135° ist der Bereich der relativen Dicken der W-Elektroden d_EL ≈ 6% vorteilhaft, da in diesem Fall hohe Werte für die Koeffizienten K_RW ² ≥ 3,5% und R_RW ≥ 5,3% erzielt werden können. Die relative Dicke der W- Elektroden d_EL = 6% und die relative Dicke der Zwischenschicht d_ZS = 60% ist besonders vorteilhaft. Für diese Variante wurde K_RW ² = 3,60%, R_RW = 6,27% und TCF1 zwischen –20,6 ppm/K und –6,2 ppm/K bestimmt.
Für das Bauelement mit μ = –135° ist für das relative Metallisierungsverhältnis η der Bereich 0,4 ≤ η ≤ 0,5 bevorzugt. Für diesen Bereich wurde für die anzuregende Rayleighwelle K_RW ² = 3,6% und R ≥ 6,3% bestimmt.
Ferner können im Bauelement als Elektroden Al/W- oder AlCu/W-Elektroden, d. h. Elektroden mit einer Teilschicht aus Al bzw. AlCu und einer weiteren Teilschicht aus W, eingesetzt werden. In einer ersten vorteilhaften Variante kann z. B. die Dicke der W-Schicht von 2% und die Dicke der Al- bzw. AlCu-Schicht zwischen 0,4% und 10% gewählt werden. In einer zweiten vorteilhaften Variante kann z. B. die Dicke der W-Schicht von 6% und die Dicke der Al- bzw. AlCu-Schicht zwischen 0,4% und 6% gewählt werden. Im Prinzip kann das Verhältnis der Teilschichten beliebig eingestellt sein.
Das Bauelement wird anhand von schematischen und nicht maßstabsgetreuen Figuren erläutert. Es zeigen:
1 Erläuterungen zu den Euler-Winkeln bei einem Kristallschnitt;
2 ein beispielhaftes mit GBAW arbeitendes Bauelement
Die Euler-Winkel sind anhand von 1 erläutert. Die Achsen des kristallphysikalischen Koordinatensystems (x, y, z) werden entlang der Kristall-Achsen (a, b, c) einer Elementarzelle des Einkristalls ausgerichtet. Der erste Euler-Winkel λ beschreibt eine Drehung des Koordinatensystems um die z-Achse, siehe 1. Das einmal gedrehte Koordinatensystem wird als (x', y', z) bezeichnet. Der zweite Euler-Winkel μ beschreibt eine Drehung des einmal gedrehten Koordinatensystems um die x'-Achse. Dabei übergeht man zum Koordinatensystem (x', y'', Z). Der dritte Euler-Winkel θ beschreibt eine Drehung des zweimal gedrehten Koordinatensystems um die Z-Achse. Die X-Achse des nun erhaltenen Koordinatensystems (X, Y, Z) ist in die als Ausbreitungsrichtung der akustischen Welle vorgesehene Richtung ausgerichtet. Die akustische Welle breitet sich in der X,Y-Ebene aus, die auch als Schnittebene des Substrats bezeichnet wird. Die Z-Achse ist die Normale zu dieser Ebene.
In 2 ist ausschnittsweise ein Bauelement mit einem Wandler W1 gezeigt, in dem eine geführte akustische Volumenwelle – GBAW – anregbar ist.
Das erste Substrat S1 ist Lithiumtantalat mit einem der angegebenen Kristallschnitte. Auf dem ersten Substrat S1 ist eine Metallschicht MS angeordnet, die den Wandler W1 und eine elektrisch mit diesem verbundene Kontaktfläche KF1 aufweist. Der Wandler umfasst Elektroden E1, E2, wobei erste Elektroden E1 und zweite Elektroden E2 in Wellenausbreitungsrichtung X abwechselnd angeordnet sind. Sie erstrecken sich jeweils in der Lateralebene quer zu dieser Richtung.
Die Strukturen E1, E2, KF1 der Metallschicht sind mit einer Zwischenschicht ZS bedeckt, die mit der von diesen Strukturen frei bleibenden Oberfläche des ersten Substrats S1 abschließt. Die Zwischenschicht ZS ist mindestens so hoch wie diese Metallschicht.
Die Kontaktfläche KF1 ist mittels einer durch das zweite Substrat Si und die Zwischenschicht ZS durchgeführten Durchkontaktierung DK von außen kontaktierbar. Diese Durchkontaktierung stellt ein Loch dar, dessen Oberfläche mit einer Metallisierung bedeckt ist. Die Metallisierung liegt auch auf der frei liegenden Oberfläche des zweiten Substrats S2 auf und bildet einen Außenkontakt AE.
Das Bauelement ist nicht auf das in 2 gezeigte Beispiel begrenzt. Insbesondere sind Varianten möglich, die in den Patentanmeldungen DE 10 2005 055870.4 , DE 10 2005 055871.2 und DE 10 2005 055872.0 beschrieben sind.

AE: Außenelektrode
DK: Durchkontaktierung
E1, E2: Elektroden
KF1: Kontaktfläche
MS: Metallschicht
S1: erstes Substrat
S2: zweites Substrat
ZS: Zwischenschicht
X: Wellenausbreitungsrichtung
Y, Z: Raumrichtungen
x, x', y, y', y'', z: Raumrichtungen
λ: erster Euler-Winkel
μ: zweiter Euler-Winkel
θ: dritter Euler-Winkel

Claims

Elektroakustisches Bauelement, das mit geführten akustischen Volumenwellen arbeitet, – mit einem ersten Substrat (S1) aus einem Einkristall-LiTaO₃, einem zweiten Substrat (S2), einer Metallschicht (MS) und einer Zwischenschicht (ZS), – wobei die Metallschicht (MS) zwischen dem ersten Substrat (S1) und der Zwischenschicht (ZS) angeordnet ist, – wobei die Zwischenschicht (ZS) zwischen der Metallschicht (MS) und dem zweiten Substrat (S2) angeordnet ist, – wobei der Kristallschnitt des Einkristall-LiTaO₃ so gewählt ist, dass – für den ersten Eulerwinkel λ gilt: λ = 0°, – für den zweiten Eulerwinkel μ gilt: –100° ≤ μ ≤ –40°, – für den dritten Eulerwinkel θ gilt: –10° ≤ θ < 0°, θ = 0° oder 0° < θ ≤ 10°.
Bauelement nach Anspruch 1, in dem eine horizontal polarisierte Scherwelle anregbar ist.
Bauelement nach Anspruch 2, wobei gilt: –44° ≤ μ ≤ –64°.
Elektroakustisches Bauelement, das mit geführten akustischen Volumenwellen arbeitet, – mit einem ersten Substrat (S1) aus einem Einkristall-LiTaO₃, einem zweiten Substrat (S2), einer Metallschicht (MS) und einer Zwischenschicht (ZS), – wobei die Metallschicht (MS) zwischen dem ersten Substrat (S1) und der Zwischenschicht (ZS) angeordnet ist, – wobei die Zwischenschicht (ZS) zwischen der Metallschicht (MS) und dem zweiten Substrat (S2) angeordnet ist, – wobei der Kristallschnitt des Einkristall-LiTaO₃ so gewählt ist, dass – für den ersten Eulerwinkel λ gilt: λ = 0°, – für den zweiten Eulerwinkel μ gilt: –160° ≤ μ ≤ –130°, und – für den dritten Eulerwinkel θ gilt: –10° ≤ θ < 0°, θ = 0° oder 0° < θ ≤ 10°.
Bauelement nach Anspruch 4, in dem eine Rayleigh-Welle anregbar ist.
Bauelement nach Anspruch 5, wobei gilt: –146° ≤ μ ≤ –131°.
Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 6, mit einer auf dem ersten Substrat angeordneten Metallschicht, die Elektroden zur Anregung einer akustischen Welle mit der Wellenlänge λ₀ aufweist.
Bauelement nach Anspruch 7, wobei die Metallschicht eine W-Schicht enthält.
Bauelement nach Anspruch 7 oder 8, wobei die Metallschicht eine Al-Schicht enthält.
Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 9, – wobei die Zwischenschicht eine Planarisierungsschicht umfasst.
Bauelement nach Anspruch 10, wobei die Zwischenschicht aus SiO_x mit 1,6 ≤ x ≤ 2,1 ist.
Bauelement nach Anspruch 10 oder 11, wobei die Dicke der Zwischenschicht bezogen auf die Wellenlänge λ₀ zwischen 20% und 200% beträgt.
Bauelement nach einem der Ansprüche 10 bis 12, wobei das zweite Substrat aus Si ist.
Bauelement nach einem der Ansprüche 10 bis 13, wobei das erste Substrat und das zweite Substrat jeweils eine Dicke von mindestens 10 λ₀ aufweisen.
Bauelement nach Anspruch 2, wobei gilt: –65° ≤ μ ≤ –85°.