DE10216842B4

DE10216842B4 - Substrat für SAW-Bauelemente mit hoher Bandbreite

Info

Publication number: DE10216842B4
Application number: DE2002116842
Authority: DE
Inventors: Dr. Rösler Ulrike
Original assignee: Epcos AG
Current assignee: SnapTrack Inc
Priority date: 2002-04-16
Filing date: 2002-04-16
Publication date: 2012-10-25
Anticipated expiration: 2022-04-17
Also published as: DE10216842A1

Abstract

Mit oberflächennahen akustischen Wellen arbeitendes Bauelement – mit einem piezoelektrischen Substrat – mit einer Metallisierung, die im Abstand zueinander auf dem Substrat aufgebrachte metallische Streifen umfasst – mit einem aus Streifenbreite b und Streifenabstand d ermittelten mittleren Metallisierungsverhältnis η, wobei η = b/(d + b) – bei dem eine zur Wellenlänge λ in Bezug gesetzte relative Metallisierungshöhe h/λ einen Wert von 9–13% aufweist – bei dem das Substrat einen Wafer oder eine Schicht aus einkristallinem LiTaO3 umfas Orientierung aufweist, die einem um die x-Achse rotierten zur y Achse bemessenen Schnittwinkel α mit dem Winkelbereich 46° ≤ α ≤ 47° entspricht – bei dem das mittlere Metallisierungsverhältnis η zwischen 0,35 und 0,75 beträgt.

Description

SAW Bauelemente (Oberflächenwellenbauelemente) nutzen zum Erreichen hoher Güte einkristalline Substrate, insbesondere solche aus Lithiumtantalat und Lithiumniobat. Da die Richtung des piezoelektrischen Effekts relativ zu den Kristallachsen der einkristallinen piezoelektrischen Materialien orientiert ist, sind auch die Eigenschaften aus solchen Einkristallen geschnittener Substrate (Wafer) von dem gewählten Schnittwinkel abhängig bzw. von der Orientierung des Schnittwinkels relativ zu den Kristallachsen. Für einen um die x-Achse rotierten Schnitt, bei dem der Winkel zwischen der Oberflächennormale des Wafers und der kristallographischen y-Achse angegeben wird, ein sogenannter yx-Schnitt, wurde beispielsweise für Lithiumtantalat gefunden, daß minimale Ausbreitungsverluste der SAW bei einem Schnittwinkel von 36° erhalten werden. Diese aufgrund von theoretischen Überlegungen gefundene optimale Schnitt ist jedoch nur optimal für eine angenommene ideale Metallisierung mit einer Schichtdicke 0. Aus einem Artikel von V. S. Plessky und C. S. Hartmann in Proc. 1993 IEEE Ultrasonics Symp., pp. 1239–1242, ist es bekannt, daß es bei einer realen Metallisierung, wie sie für Bauelemente unvermeidlich ist, zu einer erhöhten Volumenwellenabstrahlung ins Substratinnere hinein kommt. Dies äußert sich bei SAW-Bauelementen in erhöhten Verlusten, insbesondere in einer erhöhten Einfügedämpfung.
In der US 6,037,847 A wird vorgeschlagen, für ein SAW-Bauelement mit einer realen Metallisierung ein Lithiumtantalatsubstrat zu verwenden, dessen Schnittwinkel bei 39° oder mehr, jedoch unterhalb von 46° gewählt wird. Einkristalline Substrate, die einen in diesem Bereich liegenden Schnittwinkel und eine reale Metallisierung in einer auf die Wellenlänge λ bezogenen Höhe von 3 bis 15% (für Aluminium) aufweisen, erlauben die Herstellung von SAW-Bauelementen, die einen minimierten Verlust bei gleichzeitig hohem Q-Faktor aufweisen sollen. Minimale Verluste werden beispielsweise bei einem Schnittwinkel von ca. 42° erhalten. Um einen akzeptablen elektroakustischen Kopplungskoeffizienten K² und damit eine ausreichend hohe Bandbreite für SAW-Bauelemente zu erzielen, muß der Schnittwinkel gemäß dem US Patent unterhalb von 46° gewählt werden. Aus dem Dokument geht auch hervor, daß sich eine maximale Kopplungskonstante und minimale Verluste mit den untersuchten Schnittwinkeln bei endlichen Schichthöhen im angegebenen Bereich nicht gleichzeitig realisieren lassen.
Aus der WO 02/19522 A1 sind Untersuchungen bekannt, wie sich die Verluste eines auf Lithiumtantalat aufgebauten SAW Bauelements ausgewählten Schnittwinkeln von 36°, 42° und 48° verhalten.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein mit oberflächennahen akustischen Wellen arbeitendes Bauelement anzugeben, welches in Kombination mit einem geeignet gewählten Kristallschnitt hohe Bandbreiten bei gleichzeitig niedrigen Ausbreitungsverlusten ermöglicht.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einem Bauelement nach Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung gehen aus weiteren Ansprüchen hervor.
Wie prinzipiell bereits aus der genannten US 6,037,847 A bekannt, lassen sich auf Bauelementsubstraten mit bekannten Kristallschnitten keine realen SAW-Bauelemente realisieren, die gleichzeitig bezüglich einer maximalen Kopplung und minimalen Ausbreitungsverlusten optimiert sind. Die Erfinder haben nun Versuche angestellt, Bauelemente hin auf eine maximale Kopplung zu optimieren und haben dabei festgestellt, wie prinzipiell ebenfalls bereits bekannt, daß eine maximale Kopplung auf einem Substrat mit einem gegebenen Kristall schnitt nur bei einer bestimmten Metallisierungsstärke erreicht wird. Wird ein Bauelement jedoch nach minimalen Verlusten hin optimiert, so liegen dafür geeignete Metallisierungshöhen in davon verschiedenen Bereichen, die nicht optimale Kopplung aufweisen.
Überraschend haben die Erfinder nun gefunden, daß sich doch Substrate finden lassen, die bei geeigneter Metallisierung eine maximale Kopplung bei minimalen Verlusten aufweisen. Für Lithiumtantalateinkristalle mit yx-Schnitt wird für einen Schnittwinkelbereich von mehr als 46° und maximal 47° ein Bereich gefunden, in dem eine maximale Kopplung mit minimalen Verlusten bei der gleichen Metallisierungsstärke erreichbar ist. Auf diese Weise werden erstmals SAW-Bauelemente gefunden, die eine maximale Kopplung und damit eine maximale Bandbreite bei gleichzeitig minimalen Verlusten aufweisen.
Ein erfindungsgemäßes Bauelement weist eine zur Wellenlänge λ in Bezug gesetzte relative Metallisierungshöhe h/λ von 9–13% auf. Dabei wird das mittlere Metallisierungsverhältnis η zwischen 0,35 und 0,75 gewählt.
Außerhalb der von der Erfindung umfaßten Bereiche lassen sich wie gesagt die genannten Optimierungsziele nicht gleichzeitig in einem realen SAW-Bauelement mit gegebener Metallisierung erreichen. Wie bereits bekannt, hat die Höhe der Metallisierung Auswirkungen auf die Reflexion, auf die Geschwindigkeit der Oberflächenwelle, auf den ohmschen Widerstand und auf die Ausbreitungsverluste des Bauelements. Ein Großteil dieser Effekte ist auf die rein mechanisch wirkende Massenbelegung der Oberfläche zurückzuführen und ist dementsprechend von der Dichte der verwendeten Metallisierung abhängig. Wird eine überwiegend aus Aluminium bestehende Metallisierung bei erfindungsgemäßen Bauelementen eingesetzt, so erhält man auf Substraten innerhalb der angegebenen Schnittwinkelbereiche optimale Metallisierungsdicken bei auf die Wellenlängen bezogenen relativen Metallisierungshöhen (= Höhe der Metallisierung: λ) bei einem Wert von 9 bis 13%. Innerhalb dieser relativen Metallisierungshöhen werden für die beiden zu optimierenden Parameter die optimalen Ergebnisse erhalten. Bei Bauelementen mit einer von Aluminium abweichenden Metallisierung werden die optimalen Ergebnisse mit anderen relativen Metallisierungshöhen erzielt. In einfacher Näherung können die optimalen Metallisierungshöhen dann ausgehend von der für Aluminium gefundenen optimalen Metallisierungshöhe durch lineare Interpolation in Abhängigkeit vom Verhältnis der beiden Dichten indirekt proportional zur mittleren Dichte der Metallisierung erhalten werden.
Erfindungsgemäß wird ein Bauelement zusätzlich zum Schnittwinkel und der Metallisierungshöhe noch bezüglich des Metallisierungsverhältnisses optimiert. Dieser auch als eta (η) bezeichnete Parameter gibt in Wandler- oder Reflektorstrukturen das Verhältnis der mit der Metallisierung belegten Oberfläche relativ zur Gesamtoberfläche an. Bei einem Metallisierungsverhältnis eta von 0,5 sind beispielsweise 50% der Oberfläche von Metallisierung belegt. Die Erfinder haben nun gefunden, daß optimale und den gewünschten Anforderungen entsprechende Bauelementeigenschaften mit Metallisierungsverhältnissen zwischen 0,35 und 0,75 erhalten werden können. Insbesondere die elektroakustische Kopplung eines realen SAW-Bauelements ist auch vom gewählten Metallisierungsverhältnis abhängig, während die Verluste überwiegend von der gewählten Metallisierungshöhe bestimmt werden. Für erfindungsgemäße ausgewählte Kristallschnitte ergeben sich dementsprechend eine Reihe geeigneter Kombinationen von Eta und relativer Metallisierungshöhe, in denen die gewünschten Eigenschaften optimale Werte annehmen.
Da das Metallisierungsverhältnis auch unter anderen Gesichtspunkten zu optimieren ist, ist es wünschenswert, einen Kristallschnitt aufzufinden, in dem eine geringere Abhängigkeit von eta gegeben ist. Ein diesbezüglich optimaler Kristallschnitt wird bei 46,5° erhalten. Bei diesem Schnittwinkel wird eine maximale Menge geeigneter Wertepaare bezüglich Eta und relativer Metallisierungshöhe erhalten, die die gewünschten Anforderungen (Erzielen einer Kopplung gewünschter Höhe mit einem Verlust unterhalb eines gegebenen Grenzwerts) gleichzeitig erfüllen. Für die weiteren im erfindungsgemäßen Schnittwinkelbereich liegenden Schnittwinkel lassen sich zwar die gleichen Optimierungsergebnisse erzielen, jedoch stehen dort weniger geeignete Wertepaare zur Verfügung, so daß bereits geringfügiges Abweichen von den optimalen Werten zu einer deutlicheren Verschlechterung führt als bei dem besonders bevorzugten Schnittwinkel von 46,5°. Dies ermöglicht es auch, die geeigneten Parameter mit höherer Toleranz einzustellen als bei anderen Schnittwinkeln, bzw. ermöglicht eine größere Freiheit in der Parameterwahl beim Bauelement-Design.
Eine erhöhte Kopplungskonstante hat insbesondere bei SAW-Bauelementen eine Erhöhung der nutzbaren Bandbreite für solche Filteranwendungen zur Folge, die auf dem Resonatorprinzip funktionieren. Ein SAW-Filter mit hoher Bandbreite und hoher Güte ist daher insbesondere als Resonator ausgebildet, bei dem zumindest ein Interdigitalwandler zwischen zwei Reflektoren angeordnet ist. Hier wird die Bandbreite insbesondere auch vom Stoppband des Reflektors bestimmt.
Für ein aus Eintorresonatoren aufgebautes Filter, beispielsweise ein Reaktanzfilter in Abzweigtechnik, ist die Bandbreite des Filters in etwa durch den doppelten Abstand zwischen dem Pol und der Nullstelle der Admittanz eines einzelnen Eintorresonators gegeben. Der Pol-Nullstellenabstand wiederum ist von der Kopplung abhängig. Als weiterer Vorteil ergibt sich bei einem als Resonator und insbesondere als Eintorresonator ausgebildeten erfindungsgemäßen Bauelement, daß aufgrund der niedrigen Verluste bei der gegebenen Metallisierung und dem erfindungsgemäßen Substratschnitt ein Bauelement mit hoher Güte erhalten werden kann. Aus einem Resonator hoher Güte läßt sich ein Bandpaßfilter realisieren, welches eine hohe Flankensteilheit am Paßband aufweist. Dies wiederum ermöglicht eine hohe Selektion, da das Filter im Bereich einer steilen Flanke viel schneller von minimaler Dämpfung im Durchlaßbereich auf die im Stoppband erforderliche Dämpfung übergeht. Filter mit hoher Selektion können insbesondere zur Abgrenzung zweier Frequenzbänder mit geringem Abstand zueinander eingesetzt werden.
Vorteilhaft kann ein erfindungsgemäßes Bauelement auch als DMS-Filter ausgebildet sein. Auch dort wird mit der Erfindung ein Filter erhöhter Bandbreite und hoher Güte realisiert, welches ebenfalls eine hohe Flankensteilheit und damit eine gute Selektion aufweist.
Weiterhin ist es möglich, die Erfindung bei Filtern und Filteranordnungen einzusetzen, die aus Kombinationen unterschiedlicher, Resonatoren einschließender Filterelemente bestehen und keiner einheitlichen Technik zugeordnet sind. Möglich ist es beispielsweise, Reaktanzelemente mit DMS-Filtern zu verschalten und so Filter in gemischter Technik zu realisieren. Auch bei diesen Kombinationen werden die erfindungsgemäßen vorteilhaften Eigenschaften erhalten, die ja im wesentlichen von dem gewählten Kristallschnitt der Substratoberfläche und der darauf aufgebrachten Metallisierung abhängig sind.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen und der dazugehörigen Figuren näher erläutert.
1A, 1B und 1C zeigen anhand von Diagrammen den Verlauf von Ausbreitungsdämpfung und Bandbreite in Abhängigkeit von Metallisierungsparametern auf einem Lithiumtantalatsubstrat mit 36° yx-Schnitt.
2 zeigt den Verlauf dieser Eigenschaften für ein Lithiumtantalatsubstrat mit 42° yx-Schnitt.
3 zeigt das gleiche Diagramm für ein Substrat mit 46° yx-Schnitt.
4 zeigt das Diagramm für ein Lithiumtantalatsubstrat mit 46,5° yx-Schnitt.
5 zeigt das Diagramm für ein Lithiumtantalatsubstrat mit 47° yx-Schnitt.
6A zeigt ein als Wandler ausgebildetes erfindungsgemäßes Bauelement.
6B zeigt schematisch ein als Eintorresonator ausgebildetes erfindungsgemäßes Bauelement.
7 zeigt ein aus Eintorresonatoren aufgebautes Reaktanzfilter.
8 zeigt ein DMS-Filter.
9 zeigt einen Zweitorresonator.
1A und 1B zeigen anhand eines Diagramms die aus einer Simulation ermittelten Werte für zwei zu optimierenden Parameter in Abhängigkeit von den Metallisierungsparametern eta (Metallisierungsverhältnis) und der relativen Metallisierungshöhe h/λ. Die in dem Diagramm eingezeichneten Linien geben an, für welche Metallisierungsparameterpaare eta und h/λ der gleiche Wert für den zu optimierenden Parameter, beispielsweise für die Dämpfung, erhalten wird. Die Dämpfung ist in dB/λ angegeben. Der zweite abgebildete Parameter ist in Promille angegeben und steht für die berechnete Bandbreite. Diese Bandbreite wurde aus einem Vergleich (Minimumbildung) des von der elektroakustischen Kopplung abhängigen zweifachen Pol-Nullstellenabstands und der Stoppbandbreite eines Reflektors (abhängig von der Reflektivität eines Elektrodenstreifens) bestimmt. Die eingezeichneten Werte entsprechen also bei einer Mittenfrequenz von beispielsweise 1 GHz einer in MHz angegeben Bandbreite.
Auf der x-Achse ist das Metallisierungsverhältnis eta aufgetragen, auf der y-Achse die relative Metallisierungshöhe h/λ einer Aluminiummetallisierung in Prozent. Es zeigt sich, daß die Kurvenscharen für die Dämpfung annähernd parallel zur x-Achse verlaufen, so daß die Dämpfung dominierend von der relativen Metallisierungshöhe abhängig ist. Für den dargestellten Kristallschnitt 36° yx Lithiumtantalat liegt entsprechend den theoretischen Vorhersagen der Bereich minimaler Dämpfung bei einer Metallisierungshöhe 0. Mit zunehmender Metallisierungshöhe verschlechtert (erhöht) sich die Dämpfung.
Die zweite Kurvenschar gibt an, auf welchen ”Höhenlinien” die gleiche Bandbreite erhalten wird. Auch diese ist primär von der Metallisierungshöhe abhängig, zeigt jedoch noch eine zusätzliche, aber nicht so starke Abhängigkeit vom Metallisierungsverhältnis. Ausgehend von einem beliebigen Wert für eta ergibt sich mit zunehmender relativer Metallisierungshöhe ein Anstieg der Kopplung, die schließlich bei ca. 10% relativer Metallisierungshöhe ein Maximum erreicht. Bei weiter zunehmender relativer Metallisierungshöhe verschlechtert sich die Kopplung wieder. Allein aus dieser Darstellung wird klar, daß bei einem 36° yx geschnittenen Lithiumtantalatsubstrat sich eine maximale Kopplung mit minimalen Verlusten nicht vereinbaren läßt.
Während in 1A und 1B jeweils für einen Parameter eine Kurvenschar für eine Vielzahl von Werten dargestellt ist, sind in 1C beide Parameter in einer gemeinsamen Figur dargestellt, wobei der besseren Übersichtlichkeit wegen für jeden Parameter nur noch zwei Kurven für Werte im jeweils interessanten Bereich minimaler Ausbreitungsdämpfung und im Bereich maximaler Kopplung dargestellt sind.
2 zeigt ein ähnliches Diagramm für ein metallisiertes Lithiumtantalatsubstrat mit einem 42° yx-Schnitt. Wie aus der bereits genannten US 6,037,847 A bekannt, wird mit einer gängigen Metallisierungshöhe von ca. 7% ein Minimum bezüglich der Verluste erreicht. Dieses befindet sich ungefähr mittig zwischen den beiden eingezeichneten Linien mit dem niedrigsten Wert (entsprechend einer Dämpfung von 0,001 dB pro λ). Bei dieser Metallisierungshöhe wird theoretisch auf einem idealen Substrat keinerlei Dämpfung beobachtet.
Betrachtet man dagegen die Kurvenschar für die Kopplung auf diesem Substrat, so zeigt sich auch hier, daß eine maximale Kopplung bei einer höheren relativen Metallisierungshöhe erhalten wird, die über der optimalen Metallisierungshöhe für minimale Verluste liegt. Damit läßt sich auf diesem für minimale Verluste bekannten Schnitt kein Bauelement realisieren, welches gleichzeitig eine maximale Kopplung aufweist.
3 zeigt die entsprechenden berechneten Werte für ein erfindungsgemäßes Substrat mit einem 46° yx-Schnitt auf Lithiumtantalat. Der Übersichtlichkeit halber sind für jeden Parameter nur zwei Kurvenscharen eingezeichnet, nämlich bezüglich der Dämpfung die Linien für 0,02 und 0,01 dB/λ sowie für die Bandbreite die Linien für 65 und 68 Promille. Aus der Figur geht klar hervor, daß die Bereiche für maximale Kopplung und minimale Dämpfung weitgehend deckungsgleich sind. Ein idealer Bereich, der erfindungsgemäß auf die zwei Parameter optimiert ist, ist beispielsweise die Schnittfläche zwischen einer ersten Fläche, die von dem Bandbreiten 68 begrenzt ist und einer zweiten Fläche, die von dem Dämpfungswert 0,001 begrenzt ist. Je nach vorrangigem Optimierungsziel können weitere Schnittmengen als erfindungsgemäß angesehen werden, die bezüglich eines der beiden Parameter geringere Anforderungen erfüllen müssen. Sicher ist jedoch, daß die optimalen Werte für beide Parameter in der Schnittmenge der inneren Kurvenscharen aufgefunden werden können. Weiterhin zeigt sich aus der Figur, daß auch bezüglich des Metallisierungsverhältnisses eine gewisse Variationsbreite verbleibt, innerhalb der beide Parameter einzeln oder zusammen optimiert werden können. Optimale Werte werden beispielsweise zwischen eta = 0,4 und eta = 0,6 erhalten. Doch auch ein Metallisierungsverhältnis bis etwa 0,73 ergibt noch brauchbare Werte.
4 zeigt das Diagramm für ein Lithiumtantalatsubstrat mit 46,5° yx-Schnitt. Im Vergleich zu 3 zeigt sich, daß die Schnittmenge optimaler Werte hier eine noch größere Fläche abdeckt und sich somit eine größere Menge an Wertepaaren in der zweidimensionalen Darstellung ergibt. Bei diesem Schnittwinkel können sowohl bezüglich eta als auch bezüglich der relativen Metallisierungshöhe optimale Werte mit höherer Toleranz erhalten bzw. es kann eine größere Anzahl geeigneter Wertepaare erhalten werden. Wie sich insbesondere im Vergleich mit der nächsten 5 zeigt, stellt ein yx geschnittenes Lithiumtantalat Substrat mit einem Schnittwinkel von ca. 46,5° das optimale Substrat dar, bei dem mit einer realen Metallisierungsstärke von ca. 8 bis 14% optimale Werte bezüglich Bandbreite und Dämpfung erhalten werden können.
5 zeigt entsprechende Werte für ein Lithiumtantalatsubstrat mit einem yx-Schnittwinkel von 47°. Es zeigt sich, daß die für jeweils einen Parameters optimalen Bereiche auseinanderdriften, so daß die Schnittmenge, also die Anzahl geeigneter Wertepaare mit für beide Parameter optimalen Eigenschaften, geringer wird.
6A zeigt beispielhafte Metallisierungen für ein erfindungsgemäßes Bauelement in schematischer Draufsicht an. In der Figur sind nur die Metallisierungsstrukturen dargestellt, die hier insbesondere einen Interdigitalwandler IDT umfassen, der aus zwei kammähnlichen Elektrodenstrukturen besteht, die mit ihren Fingern ineinandergeschoben sind. Mit T1 und T2 sind die elektrischen Anschlüsse des Eintorresonators bezeichnet.
Beiderseits des Interdigitalwandlers IDT kann je ein Reflektor REF1 und REF2 angeordnet werden (siehe 6B), der aus einem Muster zueinander paralleler Reflektorstreifen besteht, die wie dargestellt elektrisch kurzgeschlossen sein können. Möglich ist es auch, einzelne, unverbundene Metallisierungsstreifen als Reflektoren REF einzusetzen. Diese Struktur wird als Eintorresonator bezeichnet.
In einem Eintorresonator ist üblicherweise der Abstand zwischen den Elektrodenfingern annähernd gleich und entspricht ungefähr dem Abstand der Reflektorstreifen in den Reflektoren. Möglich ist es jedoch auch, den von Elektrodenfingermitte zur Mitte des nächsten Elektrodenfingers bemessene Fingerperiode über die Länge des Interdigitalwandlers IDT zu variieren, deren konkrete Werte beispielsweise denen einer periodisch abgetasteten stetigen Funktion entsprechen. Diese kann linear sein oder ein Extremum im Bereich des Wandlers aufweisen. Im rechten Teil der 6B ist das für einen Eintorresonator üblicherweise verwendete Schaltungssymbol dargestellt.
Zum Erzielen eines Filters mit Paßbandcharakteristik können mehrere Eintorresonatoren in einer Abzweigschaltung zu einem Reaktanzfilter verschaltet werden. Eine solche in 7 dargestellte Abzweigschaltung besteht beispielsweise aus einem seriellen Arm, der zwischen den beiden Anschlüssen T1 und T2 verläuft. In diesem seriellen Arm sind mehrere Resonatoren – hier S1 bis S3 – in Serie geschaltet. Benachbart zu einzelnen seriellen Resonatoren S1, S2 oder S3 sind die Verzweigungsstellen für parallele Arme, in denen ebenfalls zumindest je ein paralleler Resonator P1, P2 angeordnet ist. Der parallele Arm verbindet jeweils die Verzweigungsstelle mit Bezugspotential, meist mit Masse. Ein Paßband wird erhalten, wenn die Resonanzfrequenz eines seriellen Resonators S ungefähr bei der Antiresonanzfrequenz eines parallelen Resonators P liegt. Das Paßband wird dann auf der niederfrequenten Seite von der Resonanzfrequenz des parallelen Resonators P, auf der hochfrequenten Seite dagegen von der Antiresonanzfrequenz eines seriellen Resonators S bestimmt. Damit ergibt sich eine Bandbreite, die dem doppelten Pol-Nullstellenabstand der Admittanz eines einzelnen Resonators entspricht, also dem Abstand zwischen Resonanzfrequenz (Nullstelle) und Antiresonanzfrequenz (Pol).
Zur Beeinflussung des Paßbands ist es weiterhin möglich, die Resonanzfrequenzen einzelner serieller Resonatoren und/oder einzelner paralleler Resonatoren gegeneinander zu verschieben. Möglich ist es auch, in die dargestellte Struktur weitere serielle oder parallele Resonatoren einzuführen oder auch eine ähnliche Struktur mit weniger als den dargestellten fünf Resonatoren zu realisieren.
8A zeigt eine weitere Möglichkeit einer Metallisierung, mit der ein erfindungsgemäßes Bauelement als DMS-Filter ausgebildet wird. Ein solches besteht aus drei Interdigitalwandlern, die im Prinzip wie der in 6 dargestellte Interdigitalwandler IDT ausgebildet sind. Je ein Anschluß eines Interdigitalwandlers IDT ist mit dem Signalein- oder -ausgang verbunden, der andere hingegen jeweils mit Masse. Die akustische Spur ist beiderseits von je einem Reflektor REF begrenzt, der ebenfalls, wie anhand von 6 beschrieben, anders gebildet sein kann. Jeder der Interdigitalwandler IDT besteht hier ebenso wie in 6 beispielsweise aus 20 bis 100 Elektrodenfingerpaaren.
Das in 8A dargestellte DMS-Filter kann durch Verwenden weiterer Interdigitalwandler erweitert und dadurch in der Selektion verbessert werden, wie z. B. ein Filter gemäß 8B. Dazu werden sowohl ein- wie ausgangsseitig eine entsprechende Anzahl von Interdigitalwandlern in einer Spur angeordnet. Ein Paßband wird in einem solchen DMS-Filter erhalten, indem durch geeignete Abstandswahl zwischen den Interdigitalwandlern untereinander sowie zwischen den Interdigitalwandlern und den Reflektoren Resonanzräume gebildet werden, wobei zumindest zwei Resonanzfrequenzen entstehen, die ein Paßband aufspannen.
9A zeigt eine weitere Metallisierungsmöglichkeit, bei der ein erfindungsgemäßes Bauelement als Zweitorresonator mit zwei Interdigitalwandlern IDT ausgebildet ist. Dieser muß nicht dem DMS-Filterprinzip gehorchen, so daß sowohl Elektrodenfinger als auch Reflektorstreifen auf einem gemeinsamen, der Fingerperiode entsprechenden Raster angeordnet sein können.
9B zeigt eine Variation der Anordnung aus 9A, bei der zwischen den äußeren Wandlern eine meist metallisierte Laufstrecke L angeordnet ist. Mit einer solchen Anordnung lassen sich Verzögerungsleitungen realisieren.
Neben den dargestellten Beispielen für Metallisierungen und den damit verwirklichten Bauelementtypen sind erfindungsgemäß weitere Strukturen möglich, auf die hier nicht im Einzelnen eingegangen wird. Möglich ist es auch, die dargestellten Strukturen oder Teile davon miteinander zu kombinieren und zu komplexen verschalteten Strukturen zu vereinen, die ebenfalls Filter mit Paßbandcharakteristik darstellen können. In allen Fällen werden Resonatoren und Filter mit hoher Güte und hoher Bandbreite bei gleichzeitig hoher Flankensteilheit des Paßbandes erhalten.
Auch für den Aufbau der Metallisierung kann die Erfindung frei variiert werden. Die in den Diagrammen als optimal dargestellten relativen Metallisierungshöhen beziehen sich auf Metallisierungen, die ausschließlich aus Aluminium aufgebaut sind. Metallisierungen aus anderen Metallen oder Mehrschichtmetallisierungen werden entsprechend ihrer gegenüber dem reinen Aluminium veränderten Massenbelegung auf der Oberfläche in anderen durch Interpolation erhältlichen Metallisierungshöhen aufgebracht.
Weitere vorteilhafte Metallisierungen bestehen beispielsweise aus Aluminiumlegierungen, die bis zu 2% Kupfer enthalten können. Möglich sind auch Mehrschichtsysteme, bei denen einzelne Schichten aus Aluminium oder Aluminiumlegierungen durch Diffusionssperrschichten und insbesondere durch mechanisch stabile Schichten voneinander getrennt sind. Solche Schichten können beispielsweise aus Kupfer ausgebildet werden. Solche Mehrschichtelektrodenstrukturen sind gegenüber reinen Aluminiumelektrodenstrukturen in der Haltbarkeit verbessert, sind leistungsverträglicher und weniger empfindlich gegenüber Elektro- und Akustomigration von Elektrodenmaterial. Die optimalen Metallisierungshöhen werden sowohl für Interdigitalwandler als auch für Reflektoren eingehalten und insbesondere für beide Elemente gleich gewählt, was für den einheitlichen Herstellungsprozeß der Interdigitalwandler und Reflektoren von Vorteil ist.
Weitere Variationsmöglichkeiten für die Elektrodenstrukturen sind die Verwendung von Passivierungsschichten, die auf der Oberfläche der Elektrodenstrukturen ausgebildet werden können und ebenfalls die Leistungsverträglichkeit verbessern können. Solche Passivierungsschichten können aus den Oxiden von Elektrodenmaterial oder anderen keramischen und in Dünnschichttechnik abscheidbaren Materialien bestehen, beispielsweise den Oxiden, Nitriden und Karbiden von Metallen oder Silizium. Wesentlich ist dabei stets, daß eine geeignete relative Metallisierungshöhe eingehalten wird, die sich bei Mehrschichtstrukturen auch additiv aus den entsprechend angepaßten und bezüglich der Massenbelegung gewichteten Anteilen der Einzelschichten ergeben kann. Ein geeignetes Metallisierungsverhältnis wird durch ein geeignetes Verhältnis von Elektrodenfingerbreite oder Breite der Reflektorstreifen zu lichtem Abstand zwischen den Elektrodenfingern oder Reflektorstreifen eingestellt. Variiert dieser Parameter, so ist ein den optimalen Werten entsprechender Mittelwert einzustellen.

Claims

Mit oberflächennahen akustischen Wellen arbeitendes Bauelement – mit einem piezoelektrischen Substrat – mit einer Metallisierung, die im Abstand zueinander auf dem Substrat aufgebrachte metallische Streifen umfasst – mit einem aus Streifenbreite b und Streifenabstand d ermittelten mittleren Metallisierungsverhältnis η, wobei η = b/(d + b) – bei dem eine zur Wellenlänge λ in Bezug gesetzte relative Metallisierungshöhe h/λ einen Wert von 9–13% aufweist – bei dem das Substrat einen Wafer oder eine Schicht aus einkristallinem LiTaO₃ umfasst, und bei dem eine Oberfläche des Substrats eine Orientierung aufweist, die einem um die x-Achse rotierten zur y Achse bemessenen Schnittwinkel α mit dem Winkelbereich 46° ≤ α ≤ 47° entspricht – bei dem das mittlere Metallisierungsverhältnis η zwischen 0,35 und 0,75 beträgt.
Bauelement nach Anspruch 1, bei dem die relative Metallisierungshöhe bei dem gegebenen Schnittwinkel und der gegebenen Zusammensetzung der Metallisierung so gewählt ist, dass sich eine maximale Kopplung ergibt.
Bauelement nach einem der Ansprüche 1 oder 2, bei dem der Schnittwinkel α 46,5° beträgt.
Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 3, aufweisend zumindest zwei Interdigitalwandler.
Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 4, – ausgebildet als Resonator, – mit zumindest einem zwischen zwei Reflektoren angeordneten Interdigitalwandler, – bei dem die Metallisierungen des zumindest einen Interdigitalwandlers und der Reflektoren eine einheitliche Metallisierungshöhe aufweisen.
Bauelement nach Anspruch 5, ausgebildet als Eintorresonator.
Bauelement nach Anspruch 5, mit zumindest zwei Interdigitalwandlern, ausgebildet als DMS Filter.
Bauelement nach einem der Ansprüche 5 bis 7, bei dem das Bauelement mit weiteren gleichartigen oder verschiedenen Resonatoren elektrisch seriell und/oder parallel zu einem Bandpassfilter verschaltet ist.
Bauelement nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem die Metallisierungen eine Mehrschichtstruktur besitzen, die zumindest eine Aluminiumschicht umfasst.
Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 9, – ausgebildet als Bandpassfilter, – mit einem Substrat, dessen Schnittwinkel α 46,5° beträgt, – mit einer relativen Metallisierungshöhe h/λ von 9–12%, – mit einer mittleren Metallisierungsverhältnis η zwischen 0,50 und 0,75 – mit einer Metallisierung, die aus Aluminium besteht oder Aluminium als Bestandteil aufweist.
Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 9, bei dem das piezoelektrische Substrat eine piezoelektrische Schicht umfaßt, die auf einem Träger aufgebracht ist.