DE69113781T2 - Kristallschnittwinkel für lithiumtantalatkristall für neue akustische oberflächenwellenanordnungen. - Google Patents

Description

• Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine optimale Ausrichtung der Schallwellenausbreitung auf einem für akustische Oberflächenwellenanwendungen (SAW = surface acoustic wave) eingesetzten Lithium-Tantalat-Kristall, z.B. natürliche Einphasenrichtwandler. SAW-Bauteile werden für zahlreiche Anwendungen eingesetzt, z.B. Widerstände, Resonatoren, gekoppelte Resonatorfilter, quer eingebaute Filter u.ä.
• Der Einsatz der akustischen Oberflächenwellentechnik für die Signalverarbeitung hat zu einer Vielzahl von Geräten geführt, die typischerweise im VHF- und UHF-Bereich Anwendung finden. Dazu gehören Filter, Resonatoren, Verzögerungsleitungen, Widerstände und zahlreiche andere Arten von Bauteilen. Prozesse zur Herstellung dieser Elemente sind allseits bekannt, und zu diesen Bauteilen zählen typischerweise auch kammartig ineinandergreifende Elektroden.
• Die Ausbreitungsrichtungen von akustischen Oberflächenwellen werden bei jedem Kristall vollständig und eindeutig durch die Eulerschen Winkel Lambda, My und Theta definiert. Die ersten beiden Winkel Lambda und My definieren den Kristallschliff, während der dritte Winkel Theta die Ausbreitungsrichtung der akustischen Welle in diesem Schliff bestimmt. Auf diese Weise wird die Richtung der Schallwellenausbreitung im Kristall eindeutig durch die drei Eulerschen Winkelwerte festgelegt - siehe Holstein, H., Classical Mechanics, New York, (1950) (Addison-Wesley).
• Bei der Festlegung der gewünschten Kristallschliffe von Bauteilen für akustische Oberflächenwellenanwendungen geht es bei den bisher bekannten Verfahren in erster Linie darum, eine Kristallorientierung zu finden, die sich durch eine gute Kopplung zwischen der Spannung an den Elektroden und der Schallwelle im Kristall selbst, eine geringe Beam- Steuerung und eine gute Temperaturbeständigkeit auszeichnet. Dieses Kriterium wurde zur Erstellung einer Tabelle mit theoretischen Eigenschaften akustischer Oberflächenwellen bei unterschiedlichen Orientierungen einer Vielzahl von Oberflächenwellenmaterialien und einzelnen in Frage kommenden Kristallschliffen benutzt. Diese enorme Arbeit wurde von Slobodnik et al. ausgeführt und kann im Microwave Acoustic Handbook 1A und 2, Air Force Cambridge Research Labs, Oktober 1973 und Oktober 1974 eingesehen werden.
• 1985 offenbarte Peter V. Wright seine Entdeckung des natürlichen Einphasen-Richtwandlers, "The Natural Single Phase Unidirectional Transducer, A New Low Loss SAW Structure", 1985 Ultrasonics Symposium Proceedings, S. 58-63. Wright hatte festgestellt, daß er bei der Auswahl von Kristallschliffen mit Hilfe eines zusätzlichen Kriteriuns, dar die von Slobodnik et al. angegebenen Kriterien ergänzt und von diesen nicht berücksichtigt wurde, in der Lage war, durch die Verwendung von zwei Elektroden pro Wellenlänge eine Unidirektionalität bei SAW-Wandlern einzuführen. Die Unidirektionalität ist das direkte Ergebnis der Einführung einer Trennung zwischen den Transduktions- und Reflexionszentren. Die gewünschte Trennung, wie sie in US-Patent Nr. 4 599 587 beschrieben wird, beträgt 45º Wrights Entdeckung führte in der Folge zu US-Patent Nr. 4 670 681, das Wright am 2. Juni 1987 erteilt wurde, sowie US-Patent Nr.
• 4 670 680, das Andle am 2. Juni 1987 erteilt wurde. Im US- Patent Nr. 4 670 681 offenbarte Wright einen Quarzkristallschliff, der für natürliche Einphasen-Richtwandler-Anwendungen geeignet ist. Im US-Patent 4 670 680 offenbarte Andle einen zweiten Quarzkristallschliff, der ebenfalls für natürliche Einphasen-Richtwandler-Anwendungen geeignet ist.
• Die Erfinder haben offenbart, daß ein Lithium-Tantalat-Kristall mit einem nach den Eulerschen Winkeln Lambda gleich ca. 0º, My gleich ca. 90º und Theta gleich ca. +141,25º ausgeführten Schliff (eine bisher noch nicht offenbarte Orientierung des Kristalls) zu den oben dargestellten erforderlichen Vorteilen führt, wenn Elektroden auf einem Lithium-Tantalat-Kristall angebracht werden. Darüber hinaus verbindet der entdeckte Kristallschliff das Kriterium für die Ausführung natürlicher Einphasen-Richtwandler mit einer verbesserten Kopplung zwischen dem Potential auf den Elektroden und den Oberflächenwellen in dem Kristall. Dieser Vorteil einer verbesserten Kopplung ermöglicht die Verwirklichung von SAW-Bauteilen mit normierten Bandbreiten, die größer sind als diejenigen Bandbreiten, die mit Hilfe der in US-Patent Nr. 4 670 680 und Nr. 4 670 681 dargestellten Kristallschliffe möglich sind. Ebenfalls ermöglicht wird hierdurch der Bau von Wandlern mit zwei Elektroden pro Wellenlänge mit einem erwünschten symmetrischen Eingangsleitwertfunktion und einer flachen Suszeptanzregion. Siehe hierzu US-Patent Nr. 4 599 587, erteilt am 8. Juli 1986 und bezeichnet als "Impedance Element for a detailed description of the desired conductance and susceptance".
• Es ist ein Ziel der vorliegenden Erfindung, ein Lithium- Tantalat-Kristall mit einer im wesentlichen ebenen Oberfläche darzustellen, definiert durch die Eulerschen Winkelwerte Lambda = ca. 0º und My = ca. 90º, wobei die Ausbreitungsrichtung durch den Winkel Theta mit ca. +141,25º definiert wird. Dieser Schliff hat wesentliche Vorteile gegenüber Kristallschliffen, wie sie bisheriger Stand der Technik waren. Zu diesen Vorteilen gehören eine Trennung der Transduktions- und Reflexionszentren um ca. 45º sowie eine verstärkte Kopplung zwischen dem Potential auf den Elektroden und den Wellen innerhalb des Kristalls.
• Es ist ebenfalls Ziel der vorliegenden Erfindung, ein Oberflächenwellenbauteil darzustellen, das aus ineinandergreifenden Elektroden auf der ebenen Oberfläche des Lithium-Tantalat-Kristalls besteht, wobei diese Fläche durch die Eulerschen Winkel Lambda = ca. 0º und My= ca. 90º definiert wird, und wobei die Ausbreitungsrichtung vom Eulerschen Winkel Theta = ca. +141,25º definiert wird, woraus sich eine unidirektionale Ausbreitungscharakteristik ergibt.
• Es ist weiterhin Ziel der vorliegenden Erfindung, den Kristall mit den Eulerschen Winkeln Lambda = ca. 0º, My = ca. 90º und Theta = ca. +141,25º in der Form eines Wafers darzustellen, um Bauteile für akustische Oberflächenwellen herzustellen.
• Fig. 1 ist eine Darstellung der Eulerschen Winkel für einen offenbarten Schliff eines Lithium-Tantalat- Kristalls mit den Eulerschen Winkeln Lambda = ca. 0º und My = ca. 90º sowie mit dem die Ausbreitungsrichtung definierenden Eulerschen Winkel Theta = ca. +141,25º.
• Fig. 2 zeigt eine perspektivische Darstellung eines akustischen Oberflächenwellenwandlers mit ineinander verzahnten Elektroden auf dem offenbarten Schliff eines Lithium-Tantalat-Kristalls mit den Eulerschen Winkeln Lambda = 0º und My = 90º und dem die Ausbreitungsrichtung definierenden Eulerschen Winkel Theta = +141,25º.
• Der neu entdeckte Kristallschliff mit den Eulerschen Winkein Lambda = ca. 0º und My = ca. 90º sowie dem die Ausbreitungsrichtung der Welle bestimmenden Winkel Theta ca. 141,25º eines Lithium-Tantalat-Kristalls führt zu einer verbesserten Leistung von Bauteilen für akustische Oberflächenwellen (SAW-Bauteile) . Insbesondere bewirkt der neu entdeckte Kristallschliff eine Trennung zwischen dem Transduktions- und dem Reflexionszentrum von rund 45º, entsprechend der gewünschten Trennung, wie sie in US-Patent Nr. 4 599 587 mit der Bezeichnung "Impedance Element" beschrieben wird. Diese Trennung ermöglicht die Herstellung von SAW-Bauteilen mit natürlichen Einphasen-Richtwandlern und größeren Bandbreiten, als dies bei den bisher offenbarten Quarzkristallschliffen möglich war (siehe US-Patent Nr. 4 670 680 und Nr. 4 670 681).
• Es gibt zahlreiche unterschiedliche Arten von Lithium-Tantalat-Kristallsubstraten, die im allgemeinen in Form von Wafern geschliffen werden, Wafer sind dünne Scheiben mit zwei im wesentlichen planaren Flächen, wobei mindestens eine dieser planaren Flächen in eine bestimmte Richtung geschliffen wird, wobei sich ein Schliff ergibt, der über bestimmte gewünschte Eigenschaften einschließlich temperaturbeständige Frequenz, Verzögerung, Geschwindigkeit, Kopplungskoeffizient usw. verfügt. Die Oberfläche des Kristalls, auf die die Elektroden gesetzt werden sollen, wird vor Anbringen der Elektroden geglättet und poliert.
• SAW-Bauteile werden für zahlreiche Anwendungen eingesetzt, z.B. Widerstände, Resonatoren, gekoppelte Resonatorfilter usw. Es ist dabei wichtig, den Kristall so zu schleifen, daß zwischen der Spannung an den Elektroden und den akustischen Wellen im Kristall selbst eine gute Kopplung vorhanden ist. Eine geringe Beam-Steuerung und eine gute Temperaturstabilität sind von Vorteil. Die Richtungen für die Ausbreitung akustischer Wellen in einem beliebigen Kristall werden vollständig durch die Eulerschen Winkel Lambda (λ), My (u) und Theta (θ) definiert. Die ersten beiden Winkel Lambda und My definieren den Kristallschliff, während der dritte Winkel Theta die Richtung der Ausbreitung der akustischen Welle auf diesem Schliff bestimmt. Die Ausbreitungsrichtung der akustischen Wellen im Kristall wird also eindeutig durch die Eulerschen Winkel definiert. Es gibt für akustische Wellen unterschiedliche Ausbreitungseigenschaften in unterschiedlichen Oberflächenmaterialien je nach Kristallschliff. Zu diesen Eigenschaften gehören Geschwindigkeit, Kopplungskoeffizient, Größe des Fließwinkels der elektromechanischen Kraft und die Phase der mechanischen Verschiebungen der freien Oberfläche sowie das elektrische Oberflächenpotential. Darüber hinaus gehören zu diesen Eigenschaften der Verzögerungstemperaturkoeffizient, Nebenresonanzen, Diffraktionseigenschaften, dielektrische Konstanten u.ä.
• Fig. 1 zeigt den Lithium-Tantalat-Kristall mit einer von den Eulerschen Winkeln Lambda (λ) = ca. 0º und My (u) = ca.
• 90º sowie Theta (θ) = ca. +150º, bevorzugt 141,25º definierten Oberfläche. Der Kristallschliff wird wie folgt mit Hilfe der drei Eulerschen Winkel definiert. Der erste Winkel, Lambda, ist eine nach der Rechte-Hand-Regel ausgeführte positive Drehung um die z-Achse, wodurch sich die neuen Achsen x', y' und z' ergeben. Bei dem dargestellten Schliff ist Lambda = 0º, so daß die neuen Achsen x', y' und z' den ursprünglichen Achsen x, y und z entsprechen. Der zweite Winkel My ist eine positive Drehung um die y'-Achse und führt zu den neuen Achsen x'', y'' und z''. Bei dem dargestellten Schliff ist My 90º, so daß die neuen Achsen x'', y'' und z'' jeweils den vorhergehenden Achsen x', z' und y' entsprechen. Der dritte und letzte Winkel Theta ist eine Drehung um die z''-Achse und ergibt die Achsen x''', y''' und z'''. Bei dem hier dargestellten Schliff ist Theta 141,25º, und die neue Achse z''' entspricht der Achse z''. Die Ausbreitungsrichtung entlang der x'''-Achse wird durch die Eulerschen Winkel vorgegeben.
• Fig. 2 zeigt einen Wafer aus Lithium-Tantalat-Kristall (10) mit der neuen Ausbreitungsrichtung der akustischen Wellen auf dem Schliff von ca. +141,25º sowie beispielhaft, aber nicht auf diese Ausführung beschränkt, einen Wandler mit zwei Elektroden (14) pro Wellenlänge, angebracht auf der planaren Fläche (12) des Kristalls als erfindungsgemäßes neues Akustikwellenbauteil mit der Eigenschaft, daß sich Wellen unidirektional ausbreiten. Das in Fig. 2 gezeigte unidirektionale Bauteil wird durch Schleifen eines Wafers (10) mit den Eulerschen Winkeln Lambda = ca. 0º, My = ca. 90º und Theta = ca. 141,25º aus einem Lithium-Tantalat-Kristall mit nachfolgendem Polieren der Oberfläche des besagten Wafers zum Erhalt einer planaren Oberfläche des besagten Wafers hergestellt. Danach werden auf die planare Oberfläche (12) des Wafers zwei kammartig ineinandergreifende Metallelektroden (12) aufgebracht. Ein derartiger Wandler auf dem hier offenbarten Kristallschliff hat eine symmetrische Eingangsleitwertfunktion und eine flache Suszeptanzregion. Diese Eigenschaft läßt sich dadurch erhalten, daß die Trennung des Transduktions- und des Reflexionszentrums der neu entdeckten Orientierung rund 45º beträgt und somit der gewünschten Trennung entspricht, wie sie im US-Patent Nr. 4 599 587 mit der Bezeichnung "Impedance Element" beschrieben wurde.
• Auf diese Weise wurde ein Lithium-Tantalat-Kristall mit im wesentlichen planaren Oberflächen offenbart, definiert durch die speziellen Eulerschen Winkel Lambda = ca. 0º und My = ca. 90º sowie durch den die Wellenausbreitungsrichtung bestimmenden Winkel Theta = ca. +130º bis ca. +150º, optimal +141,25º. Die neue Orientierung ermöglicht einen guten Kopplungskoeffizienten zwischen der Spannung an den auf der Kristalloberfläche anliegenden Elektroden und den akustischen Wellen im Kristall selbst, zeichnet sich durch eine geringe Beam-Steuerung sowie eine gute Temperaturstabilität aus und erlaubt die Herstellung eines unidirektionalen Wandlers.
• Die Erfindung wurde zwar hier in einer bevorzugten Ausgestaltung beschrieben, die Ausführung der Erfindung ist jedoch in keiner Weise auf diese Ausgestaltung beschränkt und beinhaltet ausdrücklich alle Alternativen, Modifikationen und Entsprechungen, wie sie vom Schutzumfang der Erfindung laut beiliegender Ansprüche abgedeckt werden. So ist zum Beispiel aufgrund der Kristallsymmetrie der durch die Eulerschen Winkel Lambda, My und Theta mit ihren Werten 0º, +90º und +141,25º definierte Lithium-Tantalat-Schliff in der Praxis gleichzusetzen mit den sieben zusätzlichen Lithium-Tantalat-Kristallschliffen (0º, +90º, -141,25º), (0º, 90º, +141,25º), (0º, -90º, -141,25º), (0º, +90º, +38,75º), (0º, +90º, -38,75º), (0º, 90º, +38,75º) und 0º, -90º, 38,75º) . Darüber hinaus sollen diese besagten Modifizierungen auch geringe Änderungen der hier offenbarten Werte der Eulerschen Winkel beinhalten.

Claims (12)

1. Lithium-Tantalat-Kristall für die Ausbreitung von akustischen Wellen, wobei dieser Kristall eine im wesentlichen planare Oberfläche hat, definiert durch die Eulerschen Winkel Lambda (λ) = ca. 0º und My (u) = ca. 90º sowie durch den die Richtung der Schallwellenausbreitung definierenden Winkel Theta (θ) = ca. +130º bis +150º oder den ihnen entsprechenden Aquivalenzwerten.

2. Lithium-Tantalat-Kristall nach Anspruch 1, wobei der die Richtung der Schallwellenausbreitung definierende Eulersche Winkel Theta (θ) bevorzugt etwa +141,25º groß ist.

3. Unidirektionales akustisches Oberflächenwellenbauteil mit kammartig ineinandergreifenden Elektroden auf der planaren Oberfläche des von den in Anspruch 1 genannten Eulerschen Winkeln definierten Lithium-Tantalat-Kristalls zur Erzielung einer unidirektionalen Übertragung.

4. Bauteil nach Anspruch 3, wobei der Kristall in Form eines Wafers vorliegt.

5. Kristall für die Ausbreitung akustischer Oberflächenwellen, bestehend aus einer dünnen Lithium-Tantalat- Scheibe mit einer Kristallorientierung um (1) die z-Achse der besagten Scheibe im Winkel Lambda (λ) = ca. 0º und (2) um die x-Achse der besagten Scheibe im Winkel My (u) von ca. 90º sowie mit einem Wellenausbreitungswinkel Theta (θ) von rund +130º bis rund +150º oder den ihnen entsprechenden Äquivalenzwerten.

6. Kristall für die Ausbreitung akustischer Oberflächenwellen nach Anspruch 5, wobei der Winkel Theta (θ) bevorzugt ca. +141,25º bzw. den entsprechenden Äquivalenzwert beträgt.

7. Methode zur Darstellung eines Lithium-Tantalat-Kristalls für die Ausbreitung akustischer Oberflächenwellen, bestehend aus den folgenden Schritten:

a) Formung eines Lithium-Tantalat-Kristallschliffs mit einer im wesentlichen planaren Oberfläche, und

b) Definition der planaren Oberfläche durch die Eulerschen Winkel Lambda (λ) = ca. 0º und My (u) = ca. 90º sowie durch den die Richtung der Wellenausbreitung definierenden Winkel Theta (θ) von ca. +130º bis ca. +150º bzw. den ihnen entsprechenden Äquivalenzwerten.

8. Methode zur Darstellung eines Lithium-Tantalat-Kristalls nach Anspruch 7, wobei der die Ausbreitungsrichtung der Akustikwellen definierende Eulersche Winkel Theta (θ) bevorzugt den Wert ca. 141,25º bzw. den entsprechenden Äquivalenzwert hat.

9. Methode zur Darstellung eines unidirektionalen akustischen Oberflächenwellenbauteils, bestehend aus den folgenden Schritten:

a) Formung eines Lithium-Tantalat-Kristallschliffs mit einer im wesentlichen planaren Oberfläche, und

b) Definition des besagten Kristalls durch die Eulerschen Winkel Lambda (λ) = ca. 0º und My (u) = ca. 90º sowie durch den Winkel Theta (θ) von ca. +130º bis ca. +150º bzw. den ihnen entsprechenden Äquivalenzwerten, und

c) Aufbringen verzahnter Elektroden auf die besagte planare Oberfläche zur Ausbreitung von akustischen Wellen in Richtung Theta (θ) = ca. +130º bis ca. 150º oder den entsprechenden Äquivalenzwerten, um eine unidirektionale Übertragung zu erhalten.

10. Methode nach Anspruch 9, weiterhin ergänzt durch den Schritt der Herstellung dieses besagten Kristalls in Form eines Wafers.

11. Methode zur Darstellung eines Kristallschliffs, bestehend aus den folgenden Schritten:

a) Formung des besagten Kristalls aus einer dünnen Lithium-Tantalat-Scheibe für die Ausbreitung von akustischen Oberflächenwellen

b) Drehung der Kristallorientierung der besagten Scheibe um (1) die z-Achse der besagten Scheibe um einen Winkel Lambda (λ) = ca. 0º und (2) um die x-Achse der besagten Scheibe um einen Winkel My (u) = ca. 90º, und

c) Festlegung der Richtung der Schallwellenausbreitung im besagten Kristall durch den Winkel Theta (θ) = ca. +130º bis ca. +150º oder den entsprechenden Äquivalenzwerten.

12. Methode zur Darstellung eines Kristallschliffs nach Anspruch 11, wobei der Winkel Theta (θ) bevorzugt ca. +141,25º oder den Aquivalenzwerten entspricht.