DE69028003T2

DE69028003T2 - Akustische Oberflächenwellenanordnung

Info

Publication number: DE69028003T2
Application number: DE69028003T
Authority: DE
Inventors: Hideharu Ieki; Koji Kimura; Atsushi Sakurai
Original assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Priority date: 1989-04-14
Filing date: 1990-04-17
Publication date: 1997-01-30
Anticipated expiration: 2010-04-18
Also published as: CA2014675A1; EP0392879A2; EP0392879A3; EP0392879B1; DE69028003D1; CA2014675C; US5162690A

Description

Die Erfindung betrifft ein akustisches Oberflächenwellen- Bauelement, und spezieller, jedoch nicht ausschließlich, betrifft sie ein akustisches Oberflächenwellen-Bauelement mit einem piezoelektrischen Substrat und Aluminiumelektroden, die auf dem piezoelektrischen Substrat vorhanden sind.
In den letzten Jahren werden in großem Umfang akustische Oberflächenwellen-Bauelemente wie Filter, Resonatoren oder dergleichen verwendet, die akustische Oberflächenwellen verwenden, die nachfolgend als SAW (Surface Acoustic Wave) bezeichnet werden.
Ein derartiges akustisches Oberflächenwellen-Bauelement verfügt im allgemeinen über ein piezoelektrisches Substrat, das auf seiner Oberfläche mit kammförmig angeordneten Wandlern und/oder Gitterreflektoren, wie durch Metallstreifen gebildet, versehen ist.
Das piezoelektrische Substrat wird aus einem einkristallinen Material wie aus einem Quarzkristall, Lithiumtantalat (LiTaO&sub3;), Lithiumniobat (LiNbO&sub3;) oder Lithiumtetraborat (Li&sub2;B&sub4;O&sub7;) oder aus dem Material ZnO/Al&sub2;O&sub3; hergestellt, das aus einem Substrat aus Saphir (Al&sub2;O&sub3;) und einem darauf ausgebildeten Film aus Zinkoxid (ZnO) besteht.
Die vorstehend angegebenen kammförmig ausgebildeten Wandler und die Gitterreflektoren werden im allgemeinen aus Aluminium hergestellt, das leicht durch Photolithographie bearbeitet werden kann und das aufgrund seines kleinen spezifischen Gewichts einen kleinen Effekt aufgrund der trägen Masse der Elektrode aufweist und das über hohe Leitfähigkeit verfügt.
Jedoch wurde erkannt, daß dann, wenn ein Signal mit hohem Spannungspegel an ein akustisches Oberflächenwellenbauelement wie ein SAW-Filter oder einen Resonator angelegt wird, die Aluminiumelektroden starken Spannungen durch die akustischen Oberflächenwellen ausgesetzt sind, was zu Wanderung führt. Derartige durch Spannungen hervorgerufene Wanderung wird als Spannungswanderung bezeichnet, im Unterschied zur Elektrowanderung. Die Spannungswanderung führt zu elektrischen Kurzschlüssen, zu einer Erhöhung des Einfügungsverlustes, zu einer Verringerung des Gütefaktors (Q) des Resonators und dergleichen. Derartige Spannungswanderung tritt leicht auf, wenn die Frequenz ansteigt, was ein wesentliches Problem insbesondere bei einem akustischen Oberflächenwellen-Bauelement hervorruft, das im Hochfrequenzbereich verwendet wird.
Insbesondere für einen Resonator ist es erforderlich, die Verstärkung einer Oszillatorschaltung zum Anlegen eines Signals mit sehr hohem Spannungspegel zu erhöhen, um für stabile Schwingung zu sorgen. Bei einem Resonator mit Reflektoren, die an den beiden Seiten eines Wandlers oder einiger derselben vorhanden sind, sind Oberflächenwellen zwischen die Reflektoren eingegrenzt, und stehende Wellen wirken auf die Wandler und Reflektoren ein, wodurch sie starke Spannungen auf diese ausüben. Demgemäß wird im Resonator Spannungswanderung besonders leicht hervorgerufen. Zu diesem Zweck wurde ein herkömmlicher SAW-Resonator in unvermeidlicher Weise mit einer Spannung mit niedrigem Pegel betrieben, um derartige Spannungswanderung auf das Minimum zu unterdrükken. Demgemäß war es unmöglich, das T/R-Verhältnis (Trägersignal/Rauschsignal-Verhältnis) zu erhöhen oder ESB(Einseitenband)-Phasenstörungen zu unterdrücken.
Bei SAW-Filtern tritt Spannungswanderung bei Transmissionsfiltern, die ein Signal mit hohem Spannungspegel erhalten, besonders leicht auf.
Um die vorstehend angegebene Spannungswanderung zu verhindem, wird dem Elektrodenmaterial Aluminium eine kleine Menge an Cu, Ti, Ni, Mg, Pd oder dergleichen zugegeben. Jedoch wurde durch diese Gegenmaßnahme keine zufriedenstellende Wirkung erzielt.
In jüngerer Zeit wurde ein Substrat aus einem Quarzkristall mit Y-Schnitt (LST-Schnitt) mit einem Drehwinkel von ungefähr 105º als Substrat für ein akustisches Oberflächenwellen-Bauelement mit hervorragenden Temperatureigenschaften in Betracht gezogen. Ein akustisches Oberflächenwellen-Bauelement, das durch ein solches Substrat eines Quarzkristalls mit LST-Schnitt gebildet ist, ist gegenüber einem solchen hinsichtlich der Temperatureigenschaften überlegen, das durch einen Quarzkristall mit ST-Schnitt gebildet wird, wobei sich akustische Oberflächen-Streuwellen (LSAW = Leakage Surface Acoustic Waves) an der Oberfläche des Substrats ausbreiten.
Jedoch ist es bekannt, daß dann, wenn ein derartiges Quarzkristallsubstrat mit LST-Schnitt auf einen Resonator angewandt wird, z.B. dessen Gütefaktor abrupt verringert ist, was die Eigenschaften verschlechtert, wenn die Dicke der Aluminiumelektroden 1% der Wellenlänge der akustischen Oberflächenwellen überschreitet, obwohl keine spezielle Schwierigkeit auftritt, wenn ein Quarzkristallsubstrat mit ST- Schnitt verwendet wird, selbst wenn die Dicke der Aluminiumelektroden ungefähr 2% der Wellenlänge der akustischen Oberflächenwellen beträgt. Wenn die Dicke von auf einem Kristallsubstrat mit LST-Schnitt vorhandenen Aluminiumelektroden verringert wird, um eine derartige Eigenschaftsverschlechterung zu vermeiden, steigt der scheinbare elektrische spezifische Widerstand an, da im allgemeinen die Elektroden bildendes polykristallines Aluminium große Korngröße aufweist. Demgemäß steigt der Einfügungsverlust an und der Gütefaktor nimmt ab. Derartige Nachteile sind insbesondere im Hochfrequenzbereich kurzer Wellenlängen beachtlich.
Die folgenden Dokumente wurden vom Europäischen Patentamt genannt: EP-A-246626, die ein SAW-Bauelement mit einem piezoelektrischen Substrat und einem Satz Metallelektroden mit Laminatstruktur, die auf dem Substrat ausgebildet sind, beschreibt; und JP-A-63114144 (Zusammenfassung in englisch), das die Herstellung eines Halbleiter-Bauelements zum Verringern von Kristallkorngrenzen-Defekten in Aluminiumelektroden offenbart.
Die Erfinder haben ferner den Grund für die oben angegebene Spannungswanderung untersucht. Spannungswanderung kann durch Massetransport über Korngrenzen in Elektroden aus amorphem, polykristallinem Aluminium hervorgerufen werden.
Demgemäß zielt die Erfindung darauf hin, ein akustisches Oberflächenwellen-Bauelement zu schaffen, das Aluminiumelektroden aufweist, für die Spannungswanderung verringert ist.
Gemäß einer Erscheinungsform schafft die Erfindung ein akustisches Oberflächenwellen-Bauelement mit: einem piezoelektrischen Substrat mit einer Oberfläche und einer Elektrodenschicht, die auf der Oberfläche des piezoelektrischen Substrats ausgebildet ist; dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrodenschicht einen Aluminiumfilm aufweist, der epitaktisch so aufgewachsen ist, daß er im wesentlichen eine einzelne kristallographische Ausrichtung aufweist, und daß der Aluminiumfilm ein Film mit (311)-Ausrichtung ist.
Es wird angenommen, daß ein Aluminiumfilm, der auf solche Weise kristallographisch in konstanten Richtungen ausgerichtet ist, Eigenschaften zeigt, die denen eines Einkristallfilms ähnlich sind. Demgemäß führt ein derartiger Aluminiumfilm kaum zu Spannungswanderung. Bei einem die Erfindung verkörpernden Bauelement ist es daher möglich, elektrische Kurzschlüsse wie auch ein Ansteigen des Einfügungsverlusts, hervorgerufen durch Spannungswanderung, zu verhindern.
Gemäß einer anderen Erscheinungsform schafft die Erfindung einen akustischen Oberflächenwellen-Resonator mit: einem piezoelektrischen Substrat mit einer Oberfläche und mindestens einem Wandler und mindestens zwei Reflektoren, die so angeordnet sind, daß der Wandler dazwischen liegt, wobei der Wandler und die Reflektoren auf der Oberfläche des piezoelektrischen Substrats ausgebildet sind; dadurch gekennzeichnet, daß der Wandler einen Aluminiumfilm aufweist, der epitaktisch so aufgewachsen ist, daß er im wesentlichen eine einzelne kristallographische Ausrichtung aufweist, und daß der Aluminiumfilm ein Film mit (311)-Ausrichtung ist.
Wenn die Erfindung auf einen Resonator angewandt wird, ist es möglich, eine durch Spannungswanderung hervorgerufene Verringerung des Resonatorgütefaktors zu verhindern. Die Lebensdauer des Bauelements kann durch Unterdrücken von Spannungswanderung verlängert werden.
Im allgemeinen tritt Spannungswanderung deutlich bei zunehmender Frequenz auf. Bei einem die Erfindung verkörpernden Bauelement kann derartige Spannungswanderung jedoch unterdrückt werden, wodurch das akustische Oberflächenwellen- Bauelement im Hochfrequenzbereich gute Eigenschaften beibehält.
Ferner ist es möglich, Spannungswanderung selbst dann zu unterdrücken, wenn ein Signal mit hohem Spannungspegel angelegt wird. Demgemäß kann ein die Erfindung verkörperndes Bauelement in der Praxis auf eine Schaltung mit hohem Signalpegel angewandt werden. Wenn die Erfindung auf einen akustischen Oberflächenwellen-Resonator angewandt wird, ist es daher möglich, ohne Schwierigkeiten ein Signal mit hohem Spannungspegel anzulegen, wodurch das T/R-Verhältnis verbessert werden kann und ESB-Phasenstörungen verringert werden können. Ferner ist es möglich, den Resonator mit stabiler Schwingung zu betreiben, und er kann in übersteuertem Zustand mit erhöhter Verstärkung verwendet werden.
Die Erfindung kann auch in einem Transmissionsfilter verkörpert werden, an das ein Hochspannungssignal angelegt wird. Demgemäß ist gemäß einer anderen Erscheinungsform der Erfindung ein akustisches Oberflächenwellen-Filter mit folgendem geschaffen: einem piezoelektrischen Substrat mit einer Oberfläche und einem Eingangswandler und einem Ausgangswandler, die auf der Oberfläche des piezoelektrischen Substrats ausgebildet sind; dadurch gekennzeichnet, daß der Eingangs- und der Ausgangswandler jeweilige Aluminiumfilme aufweisen, von denen jeder epitaktisch so aufgewachsen ist, daß er im wesentlichen eine einzelne kristallographische Ausrichtung aufweist, und daß jeder Aluminiumfilm ein Film mit (311)- Ausrichtung ist.
Vorzugsweise wird das piezoelektrische Substrat durch ein Einkristallsubstrat wie ein Quarzkristall-Substrat, ein LiTaO&sub3;-Substrat, ein LiNbO&sub3;-Substrat oder ein Li&sub2;B&sub4;O&sub7;-Substrat oder ein ZnO/Al&sub2;O&sub3;-Substrat gebildet, das dadurch hergestellt wird, daß ein ZnO-Dünnfilm epitaktisch auf ein Saphirsubstrat aufgewachsen wird.
Wenn das piezoelektrische Substrat aus einem Quarzkristall- Substrat hergestellt wird, wird vorzugsweise ein Substrat aus einem rotierten Y-Kristallschnitt verwendet.
Vorzugsweise ist der Rotationswinkel des rotierten Y-Kristallschnitts, der das Substrat bildet, im Bereich von 25º bis 39º ausgewählt.
Vorzugsweise ist der Drehwinkel des für das Substrat verwendeten rotierenden Y-Kristallschnitts im Bereich von 103º bis 107º ausgewählt. Dadurch ist ein akustisches Oberflächenwellen-Bauelement geschaffen, auf dessen Substrat sich akustische Oberflächen-Streuwellen ausbreiten. Der Aluminiumfilm, der kristallographisch in konstanter Richtung ausgerichtet ist, zeigt Eigenschaften ähnlich denjenigen eines einkristallinen Films. Demgemäß kann gute elektrische Leitfähigkeit selbst dann aufrechterhalten werden, wenn die Dicke des Aluminiumfilms verringert wird, da dieser keine Ansammlung von Körnern darstellt. Daher ist es möglich, gute Temperatureigenschaften zu erzielen, wie sie ursprünglich bei einem akustischen Oberflächenwellen-Bauelement vorhanden sind, das aus einem Quarzkristall-Substrat mit LST-Schnitt besteht, was insbesondere für den Hochfrequenzbereich gilt. Demgemäß ist es möglich, mit einem Substrat aus einem Quarzkristall mit LST-Schnitt ein akustisches Oberflächenwellen- Bauelement zu realisieren, das in einem Hochfrequenzbereich verwendet werden kann.
Wenn das piezoelektrische Substrat aus Li&sub2;B&sub4;O&sub7; hergestellt wird, ist es bevorzugt, ein Substrat aus einem X-Kristallschnitt mit einem Rotationswinkel von 45º zu verwenden.
Zum Aluminiumfilm kann eine kleine Menge einer Zumischung wie Cu, Ti, Ni, Mg, Pd oder dergleichen zugegeben sein, um Spannungswanderung weiter wirkungsvoll zu unterdrücken. Der Gehalt einer solchen Zumischung ist vorzugsweise im Bereich von 0,1 bis 10 Gewichtsprozent ausgewählt.
Die obigen und weitere Merkmale der Erfindung sind speziell in den beigefügten Ansprüchen dargelegt, und sie werden zusammen mit Vorteilen derselben unter Berücksichtigung der folgenden detaillierten Beschreibung einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung deutlicher, die unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen erfolgt, in denen:
Fig. 1 eine Draufsicht ist, die ein akustisches Oberflächenwellen-Bauelement gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung zeigt;
Fig. 2 das Übertragungs-Ansprechverhalten des in Fig. 1 dargestellten akustischen Oberflächenwellen-Bauelements im 50- Ω-System zeigt;
Fig. 3 ein Schaltbild eines Systems ist, das zum Bewerten der Spannungsbeständigkeit akustischer Oberflächenwellen- Bauelemente verwendet wird;
Fig. 4 eine Kurve zeigt, die dazu verwendet wird, das Ende der durch Spannungswanderung hervorgerufenen Lebensdauer zu bestimmen;
Fig. 5A eine Photographie eines Aluminiumfilms gemäß einem Beispiel der Erfindung zeigt, die mittels Reflexionsbeugung hochenergetischer Elektronen (RHEED) aufgenommen wurde;
Fig. 5B ein erläuterndes Diagramm zu Fig. 5A ist;
Fig. 6A eine mittels des RHEED-Verfahrens aufgenommene Photographie eines Aluminiumfilms gemäß einem Bezugsbeispiel ist;
Fig. 6B ein erläuterndes Diagramm zu Fig. 6A ist;
Fig. 7A eine mit dem RHEED-Verfahren aufgenommene Photographie eines Aluminiumfilms gemäß einem anderen Beispiel der Erfindung ist;
Fig. 7B ein erläuterndes Diagramm zu Fig. 7A ist und
Fig. 8 ein Kurvenbild ist, das die Beziehung zwischen der Dicke von Aluminiumelektroden beim in Fig. 7A dargestellten Beispiel und dem spezifischen Widerstand derselben zeigt.
Gemäß Fig. 1 verfügt ein akustisches Oberflächenwellen-Bauelement 1 über ein piezoelektrisches Substrat 2. Dieses piezoelektrische Substrat 2 ist an seiner Oberfläche mit z.B. zwei kammförmig ausgebildeten Wandlern 3 und 4 und zwei Beugungsreflektoren 5 und 6 versehen, die so positioniert sind, daß sie die Wandler 3 und 4 umfassen. Der kammförmige Wandler 3 verfügt über ein Paar Kammelektroden 7 und 8. Elektrodenfinger in der Kammelektrode 7 stehen teilweise solchen gegenüber, die in der Kammelektrode 8 vorhanden sind. Andererseits verfügt der kammförmige Wandler 4 über ein Paar Kammelektroden 9 und 10. Elektrodenfinger in der Kammelektrode 9 stehen teilweise solchen in der Kammelektrode 10 gegenüber. Zuleitungsanschlüsse 11, 12, 13 und 14 sind mit den Kammelektroden 7, 8, 9 bzw. 10 verbunden.
Die Reflektoren 5 und 6 bestehen aus Gitterelektroden, die aus einer Anzahl paralleler Metallstreifen 15 bzw. 16 bestehen.
Ein derartiges akustisches Oberflächenwellen-Bauelement 1 ist sowohl auf einen SAW-Resonator mit zwei Anschlüssen als auch ein SAW-Filter mit zwei Anschlüssen anwendbar. Um das Bauelement auf einen SAW-Resonator mit zwei Anschlüssen anzuwenden, kann einer der Wandler 3 und 4 weggelassen werden.
Die Reflektoren 5 und 6 können durch eine Anzahl von Nuten gebildet werden, die im piezoelektrischen Substrat 2 vorhanden sind. Wenn das akustische Oberflächenwellen-Bauelement 1 auf ein SAW-Filter angewandt wird, dient andererseits einer der Wandler 3 und 4 als Eingangswandler und der andere dient als Ausgangswandler. Im Fall eines Filters können die Reflektoren 5 und 6 weggelassen werden. Ferner können die Filter mit drei oder mehr Wandlern versehen sein.
Das in Fig. 1 dargestellte Beispiel eines akustischen Oberflächenwellen-Bauelements 1 wird nun entsprechend dem Herstellablauf desselben im einzelnen beschrieben.
Ein piezoelektrisches Substrat 2 wurde aus einem spiegelglatt polierten Substrat aus einem rotierenden Y-Quarzkristallschnitt mit einem Rotationswinkel von 33,5º hergestellt. Auf der Oberfläche dieses piezoelektrischen Substrats 2 wurde durch Elektronenstrahl-Abscheidung ein Aluminiumfilm von ungefähr 1000 Å Dicke hergestellt.
Beim Herstellen eines derartigen Aluminiumfilms wurden die Abscheidungsrate und die Temperatur des Substrats 2 generell zu 10 Å/sek. bzw. +160ºC gewählt. Jedoch hat sich die Möglichkeit herausgestellt, daß der Aluminiumfilm kristallographisch in konstanter Richtung ausgerichtet wird, wenn die Abscheidungsrate erhöht wird und die Temperatur des Substrats 2 erniedrigt wird. Im Ergebnis eines von den Erfindem ausgeführten Versuchs wurde ein Aluminiumfilm mit (311)-Ausrichtung erhalten, wenn die Abscheidungsrate auf 40 Å/sek. eingestellt wurde und die Temperatur des Substrats 2 auf 80ºC eingestellt wurde.
Durch Reflexionsbeugung hochenergetischer Elektronen (RHEED) wurde klargestellt, daß epitaktisch die (311)-Ebene dieses Aluminiumfilms aufgewachsen wurde. Fig. 5A zeigt eine mittels dieses RHEED-Verfahrens aufgenommene Photographie des Aluminiumfilms, und Fig. 5B ist ein erläuterndes Diagramm zu Fig. 5A.
In Fig. 5B bezeichnet die Zahl 17 den direkten Elektronenstrahlfleck, und in einem Bereich 18 ist ein Reflexionsmuster beobachtbar. Wie es in den Fig. 5A und 5B dargestellt ist, treten im Reflexionsmuster aufgrund der Periodizität der Kristallstruktur des Aluminiumfilms Flecke auf. Demgemäß kann bestätigt werden, daß der auf die vorstehend genannte Weise erhaltene Aluminiumfilm epitaktisch aufgewachsen war.
Andernfalls wurde ebenfalls bestätigt, daß ein Aluminiumfilm, der unter den vorstehend angegebenen Bedingungen mit einer Abscheidungsrate von 10 Å/sek. und einer Substrattemperatur von +160ºC abgeschieden wurde, nicht epitaktisch aufgewachsen war, sondern daß sich dieser im Zustand mit zufähiger Ausrichtung (amorph) befand. Fig. 6A zeigt eine mittels des RHEED-Verfahrens aufgenommene Photographie eines solchen Bezugsbeispiels, und Fig. 6b ist ein erläuterndes Diagramm zu Fig. 6A.
In Fig. 6B bezeichnet die Zahl 19 einen direkten Elektronenstrahlfleck, und in einem Bereich 20 ist ein Reflexionsmuster beobachtbar. Im Reflexionsmuster, das in Form eines Rings oder Halos vorliegt, erscheint kein Fleck. Wenn ein derartiges ring- oder haloförmiges Reflexionsmuster erhalten wird, kann der Aluminiumfilm als polykristallin oder amorph angesehen werden.
Sowohl das vorstehend angegebene Beispiel zur Erfindung als auch das Bezugsbeispiel wurde auf die folgende Weise bearbeitet.
Der Aluminiumfilm wurde mittels Photolithographie bearbeitet, um zwei kammförmige Wandler 3 und 4 wie auch durch Gitterelektroden auf der Oberfläche eines piezoelektrischen Substrats 2 ausgebildete Reflektoren 5 und 6 herzustellen, wie es in Fig. 1 dargestellt ist.
Bei einem so erhaltenen akustischen Oberflächenwellen-Bauelement betrug die Wellenlänge der akustischen Oberflächenwellen ungefähr 4,7 µm, und die Breite jedes Elektrodenfingers betrug ungefähr 1,17 µm, während die Schlitzweite ungefähr 100 Wellenlänge betrug. Jede der Kammelektroden 7, 8, 9 und 10 in den Wandlern 3 und 4 verfügte über 50 Elektrodenfinger, während jeder der Reflektoren 5 und 6 über 300 Metallstreifen verfügte.
Fig. 2 zeigt das Übertragungs-Ansprechverhalten eines SAW- Resonators mit zwei Anschlüssen im 50-Ω-System gemäß dem auf die vorstehende Weise erhaltenen Beispiel. Wie es aus der Fig. 2 ersichtlich ist, erscheint der Dämpfungspeak bei einer Frequenz von ungefähr 674 MHz. Der Einfügungsverlust bei dieser Peakfrequenz betrug ungefähr 6 dB. In Fig. 2 repräsentiert die linke vertikale Linie die relative Dämpfung, mit einem Einfügungsverlust von 0 dB bei der Peakfrequenz. Die Eigenschaften eines gemäß dem Bezugsbeispiel hergestellten SAW-Resonator waren im wesentlichen den in Fig. 2 dargestellten ähnlich.
Fig. 3 zeigt ein System, das zum Bewerten der Spannungsbeständigkeit, d.h. der Unterdrückbarkeit von Spannungswanderung sowohl für das Beispiel als auch das Bezugsbeispiel verwendet wurde. Das in Fig. 3 dargestellte System ist so ausgebildet, daß es mit einem Leistungsverstärker 22 eine Leistungsverstärkung des Ausgangssignals eines Oszillators 21 vornimmt, wobei das Ausgangssignal des Spannungsverstärkers an einen SAW-Resonator 1 gegeben wird. Das Ausgangssignal P(t) des SAW-Resonators 1 wird in einen Leistungsmesser 23 eingegeben, der den Ausgangspegel mißt. Das Ausgangssignal des Leistungsmessers 23 wird über einen Computer 24 an den Oszillator 21 zurückgeführt, wodurch die Frequenz des Oszillators 21 so eingestellt wird, daß das an den SAW-Resonator 1 angelegte Signal ordnungsgemäß bei der Peakfrequenz des Übertragungs-Ansprechverhaltens liegt. Der SAW- Resonator 1 ist in einem Thermostatofen 25 aufgenommen, so daß er sich bei einer hohen Umgebungstemperatur von 85ºC befindet, um einen Zustand zu schaffen, der die Geschwindigkeit einer Verschlechterung des SAW-Resonators 1 erhöht.
Das Ausgangssignal des Leistungsverstärkers 22 wurde auf 1 W (50-Ω-System) eingestellt und der Anfangsausgangspegel P&sub0; wurde gemessen, um zu bestimmen, daß der SAW-Resonator 1 das Ende seiner Lebensdauer td erreicht hatte, wenn P(t) ≤ P&sub0; - 1 (dB) galt, wobei P(t) das nach dem Verstreichen einer bestimmten Zeit t erhaltene Ausgangssignal repräsentiert. Fig. 4 veranschaulicht eine allgemeine Kurve für das Ausgangssignal P(t). Demgemäß ist es zweckdienlich, die Abschätzung, daß der Resonator das Ende de Lebensdauer td erreicht hat, dahingehend vorzunehmen, daß die anfängliche Ausgangsleistung P&sub0; um 1 dB verringert ist.
Proben A, B und C wurden dadurch hergestellt, daß kammförmige Wandler 3 und 4 und Reflektoren 5 und 6 mit Aluminiumfilmen aus den folgenden Materialien hergestellt wurden:
A: zufällig ausgerichtetes, reines Aluminium
B: zufällig ausgerichtetes Aluminium, das 1 Gew.-% an Cu enthielt
C: reines Aluminium, das epitaktisch aufgewachsen war
Die Proben A und B entsprechen Bezugsbeispielen. Die Probe B wurde dadurch hergestellt, daß Cu, das Wanderungs-Unterdrückungwirkung aufweist, zu Aluminium zugegeben wurde. Die Probe C entspricht dem Beispiel der Erfindung.
Die Proben A, B und C wurden aus piezoelektrischen Quarzkristall-Substraten mit denselben Schnittwinkeln und mit Wandlern und Reflektoren mit denselben Mustern hergestellt.
Die Lebensdauern dieser Proben wurden mittels des in Fig. 3 dargestellten Systems bewertet, wobei die folgenden Ergebnisse erhalten wurden:
A: nicht mehr als 5 Minuten
B: ungefähr 150 Minuten
C: mindestens 900 Minuten
Die Lebensdauer der Probe B war wegen der Auswirkung der Zugabe von Cu ungefähr 30 mal länger als die der Probe A, während die Lebensdauer der Probe C wegen der Wirkung des Epitaxiewachstums des Aluminiumfilms weiter um ungefähr das 6-fache gegenüber der der Probe B verlängert war. Anders gesagt, war die Lebensdauer der Probe C, die aus reinem Aluminium hergestellt wurde, mindestens 180 mal länger als die der Probe A, die ebenfalls aus reinem Aluminium hergestellt war.
Dann wurde Cu, dessen Wanderungs-Unterdrückungswirkung mittels der Probe B bestätigt war, zur Probe C hinzugegeben. Eine Probe ähnlich der Probe C wurde dadurch hergestellt, daß ein Aluminium-Epitaxiefilm ausgebildet wurde, der ungefähr 1 Gewichtsprozent Cu enthielt. Es zeigte sich, daß das Zuführen einer Leistung von 1 W nicht zweckdienlich war, da die Lebensdauer dieser Probe zu lang war. Daher wurde eine Leistung von 2,5 W zugeführt, wobei klargestellt wurde, daß die Probe eine Lebensdauer von mindestens 8000 Minuten erreichte. Es kann allgemein gesagt werden, daß der Zunahmefaktor für die Leistung der dritten oder vierten Potenz entspricht und demgemäß der Zunahmefaktor hinsichtlich der Leistungszuführung von 2,5 W den Wert 2,5³ oder 2,5&sup4; hat, d.h. ungefähr das 15- bis ungefähr das 39-fache desjenigen im Fall einer Leistungszuführung von 1 W ist. Demgemäß entspricht die im Fall des Zuführens einer Leistung von 2,5 W erzielte Lebensdauer von mindestens 8000 Minuten einer Lebensdauer von mindestens 120000 bis mindestens 312000 Minuten, wie sie im Fall von 1 W erzielt würde.
Demgemäß war die Lebensdauer des Cu enthaltenden Aluminium- Epitaxiefilms ungefähr 130 bis 340 mal länger als die des reinen Aluminium-Epitaxiefilms. Es wurde erkannt, daß Cu durch Ti, Ni, Mg, Pd oder dergleichen ersetzt werden kann, um eine lange Lebensdauer des Aluminiumfilms zu erzielen. Im allgemeinen muß der Gehalt einer derartigen Zumischung auf mindestens 0,1 Gewichtsprozent eingestellt werden, um in der Praxis eine Auswirkung zu erzielen, während dieser Gehalt vorzugsweise nicht mehr als 10 Gewichtsprozent beträgt, damit der spezifische Widerstand des Aluminiumfilms nicht zunimmt.
Ein extrem dünner Film aus Ti, Cr oder dergleichen kann vorab als Unterschicht für den ausgerichteten Aluminiumfilm mit einer Dicke auf dem piezoelektrischen Substrat hergestellt werden, die die Ausrichtung des Aluminiumfilms nicht verhindert.
Während der Aluminium-Epitaxiefilm auf einem Substrat aus einem mit einem Winkel von 25º bis 39º rotierenden Y-Quarzkristallschnitt (311)-Ausrichtung erzielte, kann er auch auf einem Substrat ausgerichtet werden, das aus einem mit einem anderen Winkel rotierenden Kristall besteht.
Im allgemeinen müssen die Kristallgitter eines Substrats und eines Aluminiumfilms beinahe miteinander übereinstimmen, um Epitaxiewachstum des Aluminiumfilms zu erzielen. Da die Kristallgitter für ein Substrat aus einem Y-Kristallschnitt, der mit einem Winkel von ungefähr 30º rotiert, und der (311)-Ebene eines Aluminiumfilms beinahe übnereinstimmen, wird ein Aluminiumfilm, der epitaktisch auf ein Substrat aus einem Y-Quarzkristallschnitt, der mit einem Winkel von 25º bis 35º rotiert, aufgewachsen wird, mit Ausrichtung gemäß der (311)-Ebene aufgewachsen. Jedoch muß die (311)-Ebene des Aluminium-Epitaxiefilms nicht notwendigerweise parallel zur Oberfläche des Kristallsubstrats sein. Wenn die Schnittebene des Quarzkristallsubstrats außerhalb des vorstehend angegebenen Winkelbereichs liegt, ist der Aluminium-Epitaxiefilm so ausgerichtet, daß seine (311)-Ebene zur Schnittebene des Quarzkristallsubstrats geneigt ist. Demgemäß ist der Aluminiumfilm entsprechend dem Drehwinkel des das Substrat bildenden Kristallschnitts ausgerichtet, und demgemäß besteht für das Kristallsubstratmaterial keine spezielle Beschränkung auf einen rotierenden Y-Quarzkristallschnitt. Z.B. ist es möglich, epitaktisch einen Aluminiumfilm auf ein Substrat aus einem doppelt-rotierten Quarzkristallschnitt aufzuwachsen, wobei die (311)-Ebene des Aluminiumfilms im wesentlichen der Bedingung der Übereinstimmung zwischen den Kristallgittern genügt.
In Zusammenhang hiermit wurde ein spiegelglatt poliertes Substrat aus einem Y-Kristallschnitt (LST-Schnitt) mit einem Rotationswinkel von 105º als piezoelektrisches Substrat verwendet, das ähnlich wie beim obigen Beispiel behandelt wurde, um das in Fig. 1 dargestellte akustische Oberflächenwellen-Bauelement 1 zu erhalten. Ein derartiges Substrat aus einem Y-Quarzkristallschnitt mit einem Rotationswinkel von 105º verfügte über gute Temperatureigenschaften, wie oben beschrieben, während der Gütefaktor eines Resonators verringert war, wenn die Dicke darauf ausgebildeter Aluminiumelektroden 1% der Wellenlänge der akustischen Oberflächenwellen überschritt.
Das vorstehend angegebene Kristallsubstrat wurde als das in Fig. 1 dargestellte piezoelektrische Substrat 2 verwendet und auf diesem piezoelektrischen Substrat 2 wurde bei Bedingungen für Elektronenstrahl-Abscheidung, ähnlich denen im obigen Beispiel, ein Aluminiumfilm von ungefähr 400 Å Dicke (ungefähr 0,7% der Wellenlänge) hergestellt. Epitaktisches Wachstum eines solchen Aluminiumfilms wurde mittels des RHEED-Verfahrens dargestellt. Fig. 7A zeigt eine mittels des RHEED-Verfahrens aufgenommene Photographie des Aluminiumfilms, und Fig. 7B ist ein erläuterndes Diagramm zu Fig. 7A.
In Fig. 7B bezeichnet die Zahl 26 den direkten Elektronenstrahlfleck, und in einem Bereich 27 tritt ein Reflexionsmuster auf. Flecke, die Epitaxiewachstum des Aluminiumfilms anzeigen, zeigen sich in diesem Reflexionsmuster.
Dann wurde der Aluminiumfilm mittels Photolithographie bearbeitet, um den in Fig. 1 dargestellten SAW-Resonator 1 mit zwei Anschlüssen herzustellen. Dieser Resonator 1 war dem des obigen Beispiels ähnlich, mit der Ausnahme, daß die Wellenlänge der akustischen Oberflächenwellen ungefähr 5,9 µm betrug, die Breite jedes Elektrodenfingers 1,47 µm betrug und jede der die Reflektoren 5 und 6 bildenden Gitterelektroden mit 500 Metallstreifen versehen war.
Der SAW-Resonator 1 zeigte Eigenschaften, die den in Fig. 2 dargestellten im wesentlichen ähnlich waren.
Die Lebensdauer dieses Resonators wurde mittels des in Fig. 3 dargestellten Systems, ähnlich wie beim obigen Beispiel, bewertet.
Die Lebensdauer einer Probe mit Wandlern 3 und 4 und Reflektoren 5 und 6, die auf einem Epitaxiefilm aus reinem Aluminium ausgebildet waren, betrug mindestens 800 Minuten, wenn Leistung von 1 W zugeführt wurde. Die Lebensdauer einer anderen Probe mit Wandlern 3 und 4 und Reflektoren 5 und 6, die auf einem epitaktischen Aluminiumfilm ausgebildet waren, der 1 Gewichtsprozent an Cu enthielt, war beim Zuführen einer Leistung von 1 W zu lang. Diese Probe erzielte bei einer zugeführten Leistung von 2,5 W eine Lebensdauer von mindestens 7000 Minuten. Diese Lebensdauer entspricht einer solchen von mindestens 105000 bis ungefähr 273000 Minuten, wie sie im Fall des Zuführens einer Leistung von 1 W erzielt würde, entsprechend dem oben angegebenen Erhöhungsfaktor.
Ähnlich wie beim obigen Beispiel beträgt die Menge an Cu, die zum Aluminium-Epitaxiefilm hinzuzufügen ist, vorzugsweise 0,1 bis 10 Gewichtsprozent. Ferner kann Cu durch Ti, Ni, Mg, Pd oder dergleichen ersetzt werden.
Ein Kristallsubstrat mit LST-Schnitt vom selben Typ wie oben angegeben, wurde als piezoelektrisches Substrat verwendet und auf dem Substrat wurde ein zufällig ausgerichteter Aluminiumfilm mit einer Dicke von 400 Å hergestellt, um auf ähnliche Weise einen SAW-Resonator mit zwei Anschlüssen als Bezugsbeispiel herzustellen. Dieser Resonator wies großen Einfügungsverlust auf und er zeigte keine Eigenschaften, die von Natur aus bei einem SAW-Resonator mit zwei Anschlüssen vorliegen müssen.
Fig. 8 zeigt die Beziehung zwischen der Filmdicke und dem spezifischen elektrischen Widerstand sowohl eines Aluminium- Epitaxiefilms als auch eines Aluminiumfilms mit zufälliger Ausrichtung. In Fig. 8 repräsentiert die horizontale Linie die Filmdicke (Å) und die vertikale Linie repräsentiert den spezifischen Widerstand (Ω cm). Die durchgezogene Linie zeigt den Aluminium-Epitaxiefilm, und die gestrichelte Linie zeigt den Aluminiumfilm mit zufälliger Ausrichtung.
Wie es in Fig. 8 dargestellt ist, behält der Aluminium-Epitaxiefilm (durchgezogene Linie) bei einer Filmdicke von 400 Å seinen niedrigen Widerstand, während der Aluminiumfilm mit zufälliger Ausrichtung (gestrichelte Linie) bei einer Filmdicke von 400 Å bereits einen sehr hohen Widerstand aufweist. Dies kann daher rühren, daß der Aluminiumfilm mit zufälliger Ausrichtung, der aus einem Aggregat von Körnern besteht, Inselstruktur zeigt und keine gute elektrische Leitung zeigen kann, wenn seine Dicke verringert wird.
Obwohl das piezoelektrische Substrat gemäß der obigen Beschreibung aus einem Kristall besteht, kann es alternativ aus LiNbO&sub3;, Li&sub2;B&sub4;O&sub7;, ZnO/Al&sub2;O&sub3; oder dergleichen hergestellt sein.
Insbesondere dann, wenn das piezoelektrische Substrat aus LiTaO&sub3;, LiNbO&sub3; oder Li&sub2;B&sub4;O&sub7; mit großem elektromechanischem Kopplungskoeffizient besteht, ist es möglich, ein SAW-Filter mit einem breiteren Band und geringerem Einfügungsverlust oder einen Resonator mit kleinem Kapazitätsverhältnis im Vergleich zu dem im Fall der Verwendung eines Quarzkristallsubstrats zu realisieren. Ein SAW-Bauelement mit dem Temperaturkoeffizient Null kann insbesondere dann realisiert werden, wenn ein Substrat aus einem X-Schnitt von Li&sub2;B&sub4;O&sub7; mit einem Rotationswinkel von 45º verwendet wird.
Obwohl Ausführungsformen und Beispiele der Erfindung im einzelnen beschrieben und veranschaulicht wurden, ist deutlich zu beachten, daß dies nur zur Veranschaulichung und beispielhaft erfolgte und nicht zur Beschränkung zu verwenden ist, da der Schutzbereich der Erfindung nur durch die Begriffe der beigefügten Ansprüche begrenzt ist.

Claims

1. Akustisches Oberflächenwellen-Bauelement mit:

- einem piezoelektrischen Substrat (2) mit einer Oberfläche und

- einer Elektrodenschicht (7, 8), die auf der Oberfläche des piezoelektrischen Substrats ausgebildet ist;

dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrodenschicht einen Aluminiumfilm aufweist, der epitaktisch so aufgewachsen ist, daß er im wesentlichen eine einzelne kristallographische Ausrichtung aufweist, und daß der Aluminiumfilm ein Film mit (311)-Ausrichtung ist.

2. Akustisches Oberflächenwellen-Bauelement nach Anspruch 1, bei dem das piezoelektrische Substrat aus einem rotierten Y-Quarzkristallschnitt besteht.

3. Akustisches Oberflächenwellen-Bauelement nach Anspruch 2, bei dem der Rotationswinkel des rotierten Y-Quarzkristallschnitts 25º bis 39º beträgt.

4. Akustisches Oberflächenwellen-Bauelement nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem das piezoelektrische Substrat aus LiTaO&sub3; besteht.

5. Akustisches Oberflächenwellen-Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem das piezoelektrische Substrat aus LiNbO&sub3; besteht.

6. Akustisches Oberflächenwellen-Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem das piezoelektrische Substrat aus Li&sub2;B&sub4;O&sub7; besteht.

7. Akustisches Oberflächenwellen-Bauelement nach Anspruch 6, bei dem das Li&sub2;B&sub4;O&sub7;-Substrat ein Substrat mit X-Schnitt mit einem Rotationswinkel von 45º ist.

8. Akustisches Oberfläcchenwellen-Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem das piezoelektrische Substrat ein Saphirsubstrat aufweist und ein ZnO-Dünnfilm epitaktisch auf dieses Saphirsubstrat aufgewachsen ist.

9. Akustisches Oberflächenwellen-Bauelement nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem der Aluminiumfilm eine Zumischung enthält, die aus mindestens einem Element besteht, das aus der aus Cu, Ti, Ni, Mg und Pd bestehenden Gruppe ausgewählt ist.

10. Akustisches Oberflächenwellen-Bauelement nach Anspruch 9, bei dem der Aluminiumfilm 0,1 bis 10 Gewichtsprozent der Zumischung enthält.

11. Akustisches Oberflächenwellen-Bauelement nach Anspruch 2, bei dem der Rotationswinkel des rotierten Y-Quarzkristallschnitts 103º bis 107º beträgt.

12. Akustischer Oberflächenwellen-Resonator mit:

- einem piezoelektrischen Substrat (2) mit einer Oberfläche und

- mindestens einem Wandler (4) und mindestens zwei Reflektoren (5, 6), die so angeordnet sind, daß der Wandler (4) dazwischen liegt, wobei der Wandler und die Reflektoren auf der Oberfläche des piezoelektrischen Substrats ausgebildet sind;

dadurch gekennzeichnet, daß der Wandler einen Aluminiumfilm aufweist, der epitaktisch so aufgewachsen ist, daß er im wesentlichen eine einzelne kristallographische Ausrichtung aufweist, und daß der Aluminiumfilm ein Film mit (311)-Ausrichtung ist.

13. Akustischer Oberflächenwellen-Resonator nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Reflektoren jeweilige Aluminiumfilme aufweisen, von denen jeder im wesentlichen eine einzige kristallographische Ausrichtung aufweist.

14. Akustisches Oberflächenwellen-Filter mit:

- einem piezoelektrischen Substrat (2) mit einer Oberfläche und

- einem Eingangswandler (4) und einem Ausgangswandler (5), die auf der Oberfläche des piezoelektrischen Substrats ausgebildet sind;

dadurch gekennzeichnet, daß der Eingangs- und der Ausgangswandler jeweilige Aluminiumfilme aufweisen, von denen jeder epitaktisch so aufgewachsen ist, daß er im wesentlichen eine einzelne kristallographische Ausrichtung aufweist, und daß jeder Aluminiumfilm ein Film mit (311)-Ausrichtung ist.