JP2009524955A - 電子音響部材 - Google Patents

Abstract

単結晶のＬｉＮｂＯ３からなる基板を有する電子音響部材が提案される。この第２オイラー角μに関しては以下のことが該当する。−７４°≦μ≦−５２°または２３°≦μ≦３６°。第１オイラー角λに関しては、
【数１】

が、また第３オイラー角θに関しては
【数２】

が該当する。

Description

単結晶のＬｉＮｂＯ_３の結晶面はたとえば、文献ＤＥ １９６４１６６２Ｂ４から公知である。

本発明の課題は、周波数の温度係数が低く（たとえば共振周波数または中心周波数）、また意図しない音波の放射による損失がより少ない、音波により作動する部材を提案することである。

音波により作動する部材はとりわけ、変換器を備える共振器を有することが可能であり、この中で音波が電気的に励起可能である。変換器は通常、電極グリッドを有する。電極はその際、波動の広がり方向に対して垂直に配置される金属帯である。変換器は、変換器の作動領域の音波の確認に適している２つの音響反射板の間に配置されることが可能である。部材は、通過領域と少なくとも１つの閉鎖領域とを有する。

上記の部材は、表面音響波の励起用に適していることが可能である。しかし、上記部材は、英語で「Ｇｕｉｄｅｄ ｂｕｌｋ ａｃｏｕｓｔｉｃ ｗａｖｅ」またはＧＢＡＷと呼ばれる誘導バルク音波の励起に適していることも可能である。

結晶面は、３つのオイラー角により示されることが可能である。オイラー角については、後ほど図１に基づいて説明する。これ以降、第１オイラー角はλ、第２オイラー角はμおよび第３オイラー角はθで示される。

単結晶ＬｉＮｂＯ_３では、結晶面に応じてせん断波および／またはレイリー波が励起可能である。電子音響結合係数Ｋ^２は、せん断波に関しては結晶面（０°，μ，０°）で

の際、またレイリー波に関しては結晶面（０°，μ，０°）で

である際に、実質的にゼロであることが確認された。つまり、そこでは各波動が全く励起されない、またはきわめて弱いということである。それぞれ偏向が異なる波は強く励起される。結晶の対称性により、オイラー角（０°，μ，０°）、（０°，μ＋１８０°，０°）、（０°，μ−１８０°，０°）は、音響特性に関して同等である。

第１の好適な実施形態に係り、単結晶ＬｉＮｂＯ_３からなる基板を有する電子音響部材が提示され、この第２のオイラー角μに関しては、−７４°≦μ≦−５２°が該当する。
第１オイラー角λは、

である。第３オイラー角θに関しては、

である。
実質的にゼロであるオイラー角とは、特に−５°から＋５°の間にある角度領域のことをいう。これは角λおよびθに関して当てはまる。しかし、−３°から＋３°の間の角度領域であることも可能である。

第１オイラー角λに関しては、好適にはλ＝０°が該当する。第３オイラー角θに関しては、好適にはθ＝０°が該当する。基板の境界面では水平の偏波のせん断波が励起可能であり、これは好適な変形例ではＧＢＡＷである。水平偏向は、せん断波が実質的には横方向の面に偏波していることを意味する。特に有利であるのはこの場合、６７°≦μ≦−６１°の角度範囲である。

せん断波は第１に、横方向面Ｘ、Ｙにおいて波動の広がる方向Ｘを実質的に横断して偏波している成分を含む。また、横方向面に対して垂直に偏波する波の成分が存在することも可能である。

部材は好適には、せん断波がメインモードとして伝播可能である変換器を有する。変換器は、そのアドミタンス曲線が主共振の共振周波数ｆ_Ｒ以下では副共振を有さないことを特徴とする。ｆ_Ｒと１．５ｆ-_Ｒとの間の周波数領域では、副共振はわずかな強度しか持たない。

第２の好適な実施形態に係り、単結晶ＬｉＮｂＯ_３からなる基板を有する電子音響部材が提供され、その第２オイラー角μに関しては、２３°≦μ≦３６°が該当する。第１オイラー角λに関しては、好適には

が当てはまる。第３オイラー角θに関しては好適には

が該当する。この場合、基板の境界面ではレイリー波が励起可能であり、これは好適な変形例ではＧＢＡＷである。特に有利であるのは、この場合２８°≦μ≦３２°の角度範囲である。

レイリー波は第１に、矢状面（Ｘ，Ｚ）において横方向面に対して実質的に垂直に偏波している成分を含む。また、波の伝播方向Ｘを横断して偏波している小さな波動成分が存在することが可能である。

部材は好適には、レイリー波がメインモードとして伝播可能である変換器を有する。変換器は、そのアドミタンス曲線が主共振における共振周波数ｆ_Ｒ以下では副共振を有さないことを特徴とする。

以下に、第１および第２実施形態に係り部材の実施例を説明する。
基板上には、波長λ_０を有する音波を励起するための電極が形成されている金属層が配置されている。これは、部材の通過領域にある周波数における波長である。電極は、変換器の周期的電極グリッドを形成することが可能であり、波動伝播方向で測定された２つの反対の極性を有する電極間の距離は半波長である。

金属層は好適にはタングステン層を含み、これの波長に対する厚さは最大１０％であり、好適な変形例では１％から６．５％の間である。タングステン層は特に、波長に対して５％であることが可能である。

また、電極はアルミニウムまたはアルミニウム合金を含むことが可能である。たとえば、少なくとも１つのアルミニウム層を有することが可能であるが、その他の層、特に銅の層を有することが可能である。電極の全体の高さは、たとえば波長の１０％までであることが可能である。

部材は誘導バルク音波により作動する部材として構築されていることが可能であり、好適にはさらなる追加の基板と、第１基板上で電極と配置されており特に平坦化層として適している中間層とを含む。

追加の基板は、少なくとも１つの外層により代替可能である。追加の基板に関して述べたことは外層に関しても該当する。外層は異なる材料からなる複数の層を含むことが可能である。

追加の基板に向けられた中間層の境界面は、平面である、ないしは平面化されていることが好適である。これにより、第１基板と金属層と中間層とを含む第１ウエハが、ウエハ直接ボンディング（Ｄｉｒｅｃｔ Ｗａｆｅｒ Ｂｏｎｄｉｎｇ）により第２基板と接続されることが可能である。

金属層は基板と中間層との間に配置されている。中間層は金属層と追加の基板との間に配置されている。波動の伝播速度は、好適には基板および追加の基板内では中間層内より高い。

部材の音響的に作動する領域における第１基板の表面の金属化面の割合は好適には０．３から０．７の間であるが、この範囲に限定はされない。

基板および追加の基板はそれぞれ、好適には少なくとも７．５λ_０の厚さを有する。追加の基板はシリコン、特に結晶面（０°，０°，０°）のシリコンからなることが可能で
ある。

電子音響部材の周波数ｆの温度応答はテイラー展開により示すことが可能である。

ｄｆは、温度差ΔＴの場合の部材の温度による周波数のずれである。これは、たとえば室温ないしは所定の基準温度からの温度のずれであることが可能である。この式の線形項前の係数ＴＣＦ１は、線形温度係数として示される。この式の二次項の前の係数ＴＣＦ２は、二次温度係数として示される。曲線ｄｆ／ｆ（ΔＴ）は、係数ＴＣＦ２が小さい場合、実質的に直線である。

結晶面、電極の金属化部分の高さおよび部材の音響作動領域における金属化面の割合は、好適には線形温度係数ＴＣＦ１が小さく、好適には実質的にゼロであるように選択される。

中間層は好適にはＳｉＯ_ｘ、その際１．６≦ｘ≦２．１であるが、しかしその他の材料から選択されていることも可能である。波長に対する中間層の厚さは２０％から２００％の間である。このような比較的厚い中間層の長所は、これにより部材においてパラメータＴＣＦ１に比較的低い値が得られることである。たとえば、第１実施形態に係る部材において以下のことがいえる。層の相対厚さ２５％の中間層に関してはＴＣＦ１＝−３３ｐｐｍ／Ｋ、層の相対厚さ１５０％の中間層に関してはＴＣＦ１＝−２３ｐｐｍ／Ｋである。第２実施形態に係る部材においては以下の通り決定された。層の相対厚さ２５％の中間層に関してはＴＣＦ１＝−３５ｐｐｍ／Ｋ、層の相対厚さ１５０％の中間層に関してはＴＣＦ１＝−２０ｐｐｍ／Ｋ。

比較的厚い中間層の長所はさらに、電極端部において比較的高い波動の反射係数Ｒが得られることである。第２実施形態に係る部材内の短絡電極グリッドに関しては以下の通り決定された。層の相対厚さ２５％の中間層に関してはＲ＝９．３４％、層の相対厚さ１５０％の中間層に関してはＲ＝１５．０７％。部材の作動領域内の金属化面の割合は、その際０．５であった。電極は相対厚さ５％のタングステンからなる。

電子音響部材において比較的高い電子音響結合係数Ｋ^２を得ることが可能である。その際、第１実施形態に係る部材におけるせん断波に関してはＫ^２＞１２％であり、第２実施形態に係る部材におけるレイリー波に関してはＫ^２＞６％である。

第１実施形態に係る部材では結合係数Ｋについて、層の相対厚さ２５％の中間層に関してはＫ^２＝１５．０８％、層の相対厚さ１５０％の中間層に関してはＫ^２＝１２．３４％が決定され、その際部材の作動領域内の金属化面の割合は０．５であった。

第２実施形態に係る部材では、層の相対厚さ２５％の中間層に関してはＫ^２＝７．７４％、層の相対厚さ１５０％の中間層に関してはＫ^２＝６．３１％が決定され、その際部材の作動領域内の金属化面の割合は０．５であった。

概略図に基づいて部材について説明する。これは正確な縮尺を示してはいない。
図１に基づきオイラー角を説明する。結晶物理学的座標系（ｘ，ｙ，ｚ）の軸線は、単結晶の単位格子の結晶軸（ａ，ｂ，ｃ）に沿って合わせられる。第１オイラー角λは、ｚ
軸を中心とする座標系の回転を示す。図１を参照のこと。一度回転された座標系は（ｘ’，ｙ’，ｚ）で示される。第２オイラー角μは、一度回転された座標系のｘ’軸を中心とする回転を示す。その際、座標系（ｘ’，ｙ’’，Ｚ）に移行する。第３オイラー角θは、二度回転された座標系のＺ軸を中心とする回転を示す。ここで得られた座標系（Ｘ，Ｙ，Ｚ）のＸ軸は、音波の伝播方向とされる方向に合わせられている。音波は平面Ｘ、Ｙで広がり、これは基板の平面断面でもある。Ｚ軸はこの平面に対する垂線である。

図２では、変換器Ｗ１を有する部材が部分的に示されており、この中で誘導バルク音波、すなわちＧＢＡＷが励起可能である。

第１基板は、既述の結晶面を有するニオブ酸リチウムである。第１基板Ｓ１には、変換器Ｗ１とこれと電気接続している接触面ＫＦ１とを有する金属層が配置されている。変換器は電極Ｅ１、Ｅ２を含み、第１電極Ｅ１および第２電極Ｅ２は音波伝播方向ｘに交互に配置されている。これはそれぞれ、横方向面でこの方向に対して垂直に延伸する。

金属層の構造Ｅ１、Ｅ２、ＫＦ１には、第１基板Ｓ１のこれらの構造のない表面で終端する中間層ＺＳが被せられている。中間層ＺＳの高さは少なくとも金属層と同じである。

接触面ＫＦ１は、第２基板Ｓｉと中間層ＺＳを通されるスルーホールＤＫにより外側から接触可能である。このスルーホールは、表面が金属化されている穴として構成されている。金属化部分は、第２基板Ｓ２の覆われていない部分にも載せられており、外側接点ＡＥを形成する。

部材は、図２に示されている例に限定されない。

結晶面におけるオイラー角の説明である。 ＧＢＡＷにより作動する部材の例である。

符号の説明

ＡＥ 外側電極
ＤＫ スルーホール
Ｅ１、Ｅ２ 電極
ＫＦ１ 接触面
Ｓ１ 第１基板
Ｓ２ 第２基板
ＺＳ 中間層
Ｘ 波動伝播方向
Ｙ、Ｚ 空間方向
ｘ、ｘ’、ｙ、ｙ’、ｙ’’、ｚ 空間方向
λ 第１オイラー角
μ 第２オイラー角
θ 第３オイラー角

Claims (15)

1. 単結晶ＬｉＮｂＯ_３からなる基板を有し、
   その第１オイラー角λに関しては、
   

   

   であり、
   その第２オイラー角μに関しては、−７４°≦μ≦−５２°であり、
   その第３オイラー角θに関しては、
   

   

   である、
   電子音響部材。
2. 水平方向に偏向されるせん断波が励起可能である、請求項１に記載の部材。
3. 単結晶ＬｉＮｂＯ_３からなる基板を有し、
   その第１オイラー角λに関しては、
   

   

   であり、
   その第２オイラー角μに関しては、２３°≦μ≦３６°であり、
   その第３オイラー角θに関しては、
   

   

   である、
   電子音響部材。
4. レイリー波が励起可能である、請求項３に記載の部材。
5. 波長λ_０の音波の励起のための電極を有し、前記基板上に配置される金属層を有する、請求項１から４のいずれか一項に記載の部材。
6. 前記金属層がタングステン層を含み、波長に対するその厚さは最大１０％である、請求項５に記載の部材。
7. 誘導バルク音波により作動し、
   追加の基板と中間層とを含み、
   前記金属層が、前記基板と前記中間層との間に配置されており、
   前記中間層が、前記金属層と前記追加の基板との間に配置されており、
   前記基板および前記追加の基板内の波動の伝播速度が、前記中間層内の伝播速度より高い、
   請求項５または６に記載の部材。
8. 誘導バルク音波により作動し、
   外層と中間層とを含み、
   前記金属層が、前記基板と前記中間層との間に配置されており、
   前記中間層が、前記金属層と前記外層との間に配置されており、
   前記基板および前記外層内の波動の伝播速度が、前記中間層内の伝播速度より高い、
   請求項５または６に記載の部材。
9. 前記中間層がＳｉＯ_ｘからなり、１．６≦ｘ≦２．１である、請求項７または８に記載の部材。
10. 前記中間層がＳｉＯ_ｘからなり、１．９５≦ｘ≦２．０５である、請求項９に記載の部材。
11. 前記中間層の厚さが、波長λ_０に対して２０％から２００％である、請求項６から１０のいずれか一項に記載の部材。
12. 前記追加の基板がＳｉからなる、請求項６から１１に記載の部材。
13. 前記基板および前記追加の基板がそれぞれ少なくとも１０λ_０の厚さを有する、請求項６から１２のいずれか一項に記載の部材。
14. 第２オイラー角μに関しては、６７°≦μ≦−６１°である、請求項１に記載の部材。
15. 第２オイラー角μに関しては、２８°≦μ≦３２°である、請求項３に記載の部材。

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