DE4115080C2 - Oberflächenwellenanordnung mit verminderter Abhängigkeit der Eigenschaften gegenüber herstellungsbedingten Ungenauigkeiten - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Oberflächenwellenan­ ordnung und hat die Verminderung der Abhängigkeit Frequenzgenauigkeit und der Resonatorgüte gegenüber herstellungsbedingten Unge­ nauigkeiten der Fingerbreite zum Gegenstand.

Oberflächenwellenanordnungen haben auf der Oberfläche eines piezoelektrischen Substrats wie Quarz oder Lithiumniobat bzw. -tantalat angeordnete Struk­ turen, die zur elektrischen Erzeugung von Oberflächenwellen, zur Beeinflussung solcher akustischer Oberflächenwellen und zur Umwandlung derartiger Oberflächenwellen in elektrische Signale dienen. Verwendet werden solche Anordnungen als Oberflächenwellenfilter, als Oberflächenwellen-Laufzeitlei­ tungen, als Oberflächenwellenresonatoren und dgl.

Im vorliegenden Falle ist der Begriff "Oberflächenwellen" als allgemein zu verstehen und schließt Rayleighwellen, Bleustein­ wellen, SSB-Wellen und dgl. ein, die in der Oberfläche und/­ oder im Substrat nahe der Oberfläche derselben als akustische Wellen laufen.

Die erwähnten Strukturen sind Anordnungen von im Regelfall pa­ rallel zueinander angeordneten Metallstreifen, die photolitho­ grafisch auf die Substratoberfläche aufgebracht werden, wobei im wesentlichen das Ätzverfahren und das Verfahren der Abhebe­ technik (lift-off) zu verwenden sind. Im Regelfall bestehen die Strukturen aus mit einer Periodenabmessung p angeordneten Streifen, wobei die Metallstreifen selbst eine Breite b haben. D. h. es ist zwischen einander gegenüberstehenden Kanten zweier benachbarter Streifen ein (Streifen-) Zwischenraum p - b vorhanden. Es ist auch üblich, das Metallisierungs­ verhältnis eta = b/p anzugeben.

Zur elektroakustischen und zur akustoelektrischen Umwandlung werden Wandlerstrukturen verwendet, die aus interdigital an­ geordneten Metallstreifen bestehen. Für Resonatoren kommen (zusätlich) Reflektorstrukturen in Frage, die aus wiederum parallel zueinander angeordneten Metallstreifen bestehen, die jedoch nicht notwendigerweise irgendwie elektrisch angeschlos­ sen sein müssen. Es sind dies die beiden wichtigsten Ausbil­ dungen für vorliegend in Betracht kommende Strukturen.

Die Fig. 1 zeigt einen aus der US 4 144 507 bekannten Ober­ flächenwellen-Resonator mit einzelnen Teilstrukturen. Mit 2 und 3 sind Reflektorstrukturen bezeichnet. Die Strukturen 6 und 7 sind Wandlerstrukturen, die als Eingang und Ausgang des Resonators verwendet werden können. Mit 8 sind die einzelnen Metallstreifen bezeichnet, die periodisch nebeneinander ange­ ordnet sind. Die Periode dieser Anordnung ist mit p bezeich­ net. Die einzelnen Streifen 8 haben eine Breite b und im Re­ gelfall ist bei einer solchen Oberflächenwellenstruktur das Verhältnis eta = b/p konstant gewählt.

Die Fig. 2 zeigt als Seitenansicht der Fig. 1 in vergrößer­ tem Maßstab den in der Fig. 1 mit dem Doppelpfeil A-A' kenntlichen Abschnitt der Teilstruktur 3 der Fig. 1. Auf der Oberfläche des mit 4 bezeichneten Substrats sind die Metall­ streifen 8 im Querschnitt zu sehen. Es sind wieder die Ab­ messungen b und p der Breite und der Periode der Streifen und ihrer Anordnung zueinander angegeben. Als photolitographisch aufgebrachte Metallstreifen haben diese Streifen 8 eine Dicke, die vorgegeben werden kann und die zu einem gewissen Maß in die Eigenschaften einer jeweiligen Oberflächenwellenstruktur eingeht. In der Regel ist die Dicke d aufgrund der photolito­ graphischen Herstellung für alle Metallstreifen 8 im wesent­ lichen gleich groß.

Je nach der gestellten Aufgabe als Filter, als Verzögerungs­ leitung, als Resonator oder dgl. bedarf es für die jeweiligen Strukturen der Oberflächenwellenanordnung eines Strukturde­ signs, das durch Computerberechnungen ermittelt wird. Die heutigen Methoden zur Ermittlung des geeignetsten Designs sind schon sehr weit fortentwickelt, so daß mit nach derartigen Be­ rechnungsmethoden konzipierten Strukturen vorgegebene Eigen­ schaften der zu erstellenden Oberflächenwellenanordnung tat­ sächlich erzielt werden können. An sich ist auch die Herstel­ lungstechnologie für solche Anordnungen weit entwickelt. Den­ noch läßt es sich aber nicht vermeiden, daß selbst sehr kleine Ungenauigkeiten, z. B. der Einhaltung der Breite der Metall­ streifen, d. h. der Fingerbreite, zu merklichen Ungenauigkei­ ten und Streuungsbreiten der Eigenschaften führen, nämlich weil solche Oberflächenwellenanordnungen außerordentlich hoch­ präzise Bauelemente der Elektronik sind.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, Maßnahmen zur Verminderung der Abhängigkeit der Frequenzgenauigkeit oder der Resonatorgüte eine Oberflächenwellenanordnung gegenüber her­ stellungsbedingten Ungenauigkeiten der Breite der hergestell­ ten Metallstreifen der Strukturen anzugeben, und zwar dies für eine Oberflächenwellenstruktur mit einem jeweils vorgegebenen Design.

Diese Aufgabe wird mit dem Gegenstand des Anspruchs 1 gelöst.

Die Erfindung geht davon aus, daß für die Oberflächenwellenanordnung mit den verlangten Ei­ genschaften nicht nur das diese Eigenschaften erfüllende De­ sign der Strukturen auf dem vorgegebenen Substrat vorliegen, sondern daß auch das Metall für die Metallstreifen und das anzuwendende (photolithografische) Herstellungsverfahren der Strukturen vorgegeben sind und eine Wahl der Dicke der Me­ tallstreifen getroffen ist. Es sind dies völlig übliche Vor­ gaben.

Es ist bekannt gewesen, daß das oben erwähnte Verhältnis eta = b/p für die Eigenschaften einer Oberflächenwellenanordnung nicht uninteressant ist. Es ist an sich relativ problemlos, die Periodenabmessung p wenigstens soweit herstellungsbedingt konstant bzw. in engen Toleranzen zu halten, daß von dieser Seite her mit Ungenauigkeiten der Eigenschaften der Anordnung nur in untergeordnetem Maße zu rechnen ist, nämlich weil sich Schwankungen der Abmessung p weitgehend herausmitteln. Durch herstellungsbedingte Ungenauigkeiten der Breite b der Metall­ streifen hervorgerufenen Störungen der Charakteristik der An­ ordnung ist bisher durch Maßnahmen zur Verhinderung solcher Ungenauigkeiten so gut wie möglich und unter entsprechendem Technologieaufwand entgegengewirkt worden.

Ausführungbeispiele der Erfindung werden anhand der nach­ folgend beschriebenen Figuren erläutert.

Fig. 1 zeigt wie schon erwähnt eine bekannte Oberflächen­ wellenanordnung.

Fig. 2 zeigt eine Seitenansicht der Anordnung nach Fig. 1 im Schnitt und als vergrößerter Ausschnitt A-A'.

Fig. 3 zeigt ein Diagramm der Abhängigkeit der Ausbreitungs­ geschwindigkeit v vom Verhältnis eta = Breite/Periode der Anordnung der Streifen.

Fig. 4 zeigt ein Diagramm der Abhängigkeit des Reflexions­ vermögens der Streifen, wieder in Abhängigkeit von dem Verhältnis eta und

Fig. 5 zeigt für die Ausbreitungsgeschwindigkeit (Kurve 1) und für das Reflexionsvermögen (Kurve 2), bei welchem Wertepaar des auf der Absisse aufgetragenen Verhält­ nisses eta und des auf die Ordinate aufgetragenen Verhältnisses Dicke der Streifen/doppelte Perioden­ abmessung jeweils das Optimum bzw. die maximale In­ varianz der Ausbreitungsgeschwindigkeit v und des Reflexionsvermögens rho für ein vorgegebenes Design liegt.

Ausgangspunkt ist die Erkenntnis, daß für die Aus­ breitungsgeschwindigkeit der akustischen Welle in einer hin­ sichtlich Design, Substrat, Metall und Herstellungsverfahren sowie der Dicke der Streifen vorgegebenen Anordnung eine wie in Fig. 3 angegebene Abhängigkeit dieser Geschwindigkeit von dem Metallisierungsverhältnis eta besteht. Als Substrate kom­ men insbesondere die für frequenzgenaue Bauteile überwiegend verwendeten AT-Schnitte des Quarz in Betracht. Als Metalle kommen vorzugsweise Aluminium und Aluminium-Kupferlegierungen in Frage. Die Dicke einer solchen Metallisierung beträgt min­ destens etwa 1% der Periodizität p. Es wurde festgestellt, daß diese Abhängigkeit ein Minimum hat, was bedeutet, daß für den Wert eta, d. h. für das Verhältnis der Breite zur Periode der Streifen, ein Bereich angegeben werden kann, in dem Schwan­ kungen des Wertes eta, d. h. Schwankungen der Breite der Me­ tallstreifen minimalen Einfluß auf den Wert der Ausbreitungs­ geschwindigkeit haben, d. h. die Ausbreitungsgeschwindigkeit in diesem Bereich größte Invarianz aufweist. Da die Ausbrei­ tungsgeschwindigkeit v der akustischen Welle wesentlich be­ stimmend für die Frequenzgenauigkeit der Oberflächenwellen­ anordnung ist, kann also auch für die Frequenzgenauigkeit ein Wert von eta als Maß für den Bereich größter Invarianz angege­ ben werden.

Es wurde auch festgestellt, daß für das Reflexionsvermögen rho der Metallstreifen, aus denen die Strukturen bestehen, eine Abhängigkeit vom Wert eta besteht, nämlich wie dies die Fig. 4 zeigt. Auch diese Abhängigkeit weist ein Extremum auf, in dessen Umgebung größte Invarianz des Reflexionsvermögens eines solchen Metallstreifens gegenüber Schwankungen des Wertes eta bestehen. Das Reflexionsvermögen rho eines Streifens geht in die Resonatorgüte einer Resonator-Oberflächenwellenanordnung ein.

Mit den Maßnahmen des Anspruches 1 kann somit wahlweise opti­ mal verminderte Abhängigkeit der Frequenzgenauigkeit oder op­ timal verminderte Abhängigkeit der Resonatorgüte erzielt wer­ den. Die in dem Anspruch 1 enthaltene Alternative für jeweils eines der Optima ist dadurch bedingt, daß das Minimum für die Ausbreitungsgeschwindigkeit v und das Maximum für das Refle­ xionsvermögen rho im Regelfall bei voneinander verschiedenen Werten für eta liegen. Man kann noch eine Kompromißlösung erreichen, wenn man einen Wert eta wählt, der zwischen diesen beiden eta-Optima von Geschwindigkeit und Reflexionsvermögen liegt.

Die Weiterbildung der Erfindung gemäß dem Anspruch 3 beruht auf der weiteren Erkenntnis, daß in der im Rahmen der Lösung gemäß Patentan­ spruch 1 noch wählbaren Dicke der Metallisierung der Metall­ streifen noch eine Größe zur Disposition steht. Tatsächlich konnte gefunden werden, daß durch zusätzliche Wahl eines op­ timalen Wertes der Dicke d der Metallstreifen eine optimale Gesamtlösung hinsichtlich Frequenzgenauigkeit und Resonator­ güte erzielt werden kann, was für alle Resonator-Oberflächen­ wellenanordnungen von ganz besonderer Bedeutung ist.

Diese Weiterbildung der Erfindung beruht auf weiteren Untersu­ chungen, die dahin gingen, die in Fig. 3 für eine Metallisie­ rungsdicke angegebene Abhängigkeit auch für andere Dickenwerte als Parameter zu ermitteln. Desgleichen wurde für die in Fig. 2 angegebene Abhängigkeit das Kennlinienfeld für wiederum die Dicke als Parameter ermittelt.

Die Fig. 5 zeigt die Kombination der beiden vorgegebenen Kenn­ linienfelder. In Fig. 5 sind wieder über der Größe eta als Ab­ sisse und für das Verhältnis d/2p als Ordinate diejenigen zwei Kurven aufgetragen, die sich ergeben für den vom Verhältnis d/2p abhängigen Verlauf des jeweils optimalen Wertes von eta: für die Geschwindigkeit v (Kurve 1) und für das Reflexionsver­ mögen (Kurve 2). Es hat sich gezeigt, daß es in der Regel für diese beiden Kurven 1 und 2 jeweils einen Schnittpunkt gibt, der angibt, bei welchem Verhältnis eta und welchem Verhältnis d/2p optimal verminderte Abhängigkeit sowohl der Frequenzge­ nauigkeit als auch der Resonatorgüte vorliegt, nämlich für eine Oberflächenwellenanordnung mit im übrigen vorgegebenem Design, Substrat, Metall und Herstellungsverfahren.

Mit der Erkenntnis dieser Erfindung kann für jede Oberflächen­ wellenanordnungen mit den vorgenannten Vorgaben im ersten Falle ein Wert eta, d. h. eine Streifenbreite bei entsprechend dem Design vorgegebener Periodenabmessung p optimale Invarianz der Frequenzgenauigkeit oder Resonatorgüte angegeben werden. Es kann auch, wie oben angegeben, ein Kompromißwert für weit­ gehend optimale Invarianz von Frequenzgenauigkeit und Resona­ torgüte angegeben werden, und zwar dies bei gewählter Dicke der Metallstreifen. Es kann aber mit der Erfindung auch das gemeinsame Optimum für Frequenzgenauigkeit und Resonatorgüte angegeben werden, wenn außerdem auch noch die dafür erforder­ liche Dicke d der Metallisierung ermittelt wird.

Aus der vorangehenden Beschreibung geht hervor, wie der Fach­ mann vorzugehen hat, um die Erfindung auszuführen. Für den ersten Fall genügt es, die Kurve der Fig. 3 bzw. die Kurve der Fig. 4 zu ermitteln. Etwas mehr Aufwand erfordert es, die Kurven 1 und 2 der Fig. 5, d. h. den Schnittpunkt, der das gemeinsame Optimum angibt, festzustellen. Es sind dazu die Kennlinienfelder mit dem Parameter Dicke bzw. dem Verhältnis­ wert d/2p für die Geschwindigkeit und das Reflexionsvermögen zu ermitteln. Es empfiehlt sich, diese Kennlinienfelder für den Wert d/2p zu ermitteln, weil damit eine wie schon im Wert eta enthaltene Normierung erzielt ist und die Kurven der Fig. 5 damit eine allgemeine verwertbare Bemessungsunterlage sind.

Bezüglich der Lehre nach Anspruch 1 empfiehlt es sich, diese auf die einzelnen Strukturen 2, 3; 6, 7 einer ganzen Ober­ flächenwellenanordnung separat anzuwenden. D. h. man bestimmt für jeden der von dem Design umfaßten Wandler 6, 7, Reflek­ toren 2, 3 und dgl. das betreffende Optimum für sich genom­ men.

Auch hinsichtlich der dem Anspruch 3 ent­ sprechenden Bemessung der Dicke d der Metallstreifen 8 ist es von Vorteil, diese Bemessungen für die einzelnen Strukturen 2, 3; 6, 7 separat zu ermitteln.

Claims (4)

1. Oberflächenwellenanordnung mit verminderter Abhängigkeit des Frequenzgenauigkeit f(v) oder der Resonatorgüte Q(rho) gegenüber herstellungsbedingten Ungenauigkeiten der Metall­ streifenbreite (b), wobei die Oberflächenwellenanordnung auf einem Substrat (4) angeordnete Strukturen aus mit einer Periodizität (p) angeordneten Metallstreifen (8) mit ge­ wählter Dicke (d) des Metalls der Streifen hat, gekennzeichnet dadurch, daß für ein vorgegebenes Design mit vorgegebenem Substrat (4), vorgegebener Periode p, vorgegebenem Metall der Metall­ streifen (8) sowie vorgegebenem Herstellungsverfahren für die Metallstreifen (8) für die Strukturen (2, 3; 6, 7) der­ jenige Wert des Verhältnisses eta = b/p gewählt ist, für den abhängig von den Werten eta ein Extremwert für die Ober­ flächenwellen-Ausbreitungsgeschwindigkeit (v) oder für die Wellenreflexion (rho) an den Metallstreifen der jeweiligen Struktur vorliegt.

2. Oberflächenwellenanordnung nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß für die jeweilige der Strukturen (2, 3, 6, 7) das Ver­ hältnis eta für einen Extremwert separat gewählt ist.

3. Oberflächenwellenanordnung nach Anspruch 1 oder 2, ausge­ führt als Resonatoranordnung mit verminderter Abhängigkeit sowohl der Frequenzgenauigkeit als auch der Resonatorgüte, gekennzeichnet dadurch, daß zusätzlich die Dicke (d) der Metallstreifen (8) auf einen Wert bemessen ist, bei dem sich ein Verhältnis eta = b/p ergibt, bei dem sowohl der Extremwert für die Oberflä­ chenwellen-Ausbreitungsgeschwindigkeit als auch für die Wellenreflexion vorliegt (Schnittpunkt der Kurven 1 und 2 in Fig. 5).

4. Oberflächenwellenanordnung nach Anspruch 3, gekennzeichnet dadurch, daß für die jeweilige der Strukturen (2, 3; 6, 7) (auch) die Dicke (d) der Metallstreifen (8) separat bezüglich der Extremwerte bemessen ist.