专利名称：单晶衬底及其切割方法
技术领域：
本发明涉及表面声波(SAW)器件，更具体来说是涉及通过提供SAW器件中所 用的单晶衬底的最佳切割取向而获得的、具有优化参数特征的单晶衬底及其切割方 法。技术背景近年来，作为无线通讯装置的移动通讯终端，如汽车电话、火车上和街头的移动 电话，其需求在全球急剧上升。为使移动通讯成为可能，网络系统本身和直接连接用 户的终端都需要体积小、重量轻、耗能低且性能高。实际上用于终端的小尺寸部件是有助于移动终端尺寸减小的部件。特别地，当前 在广泛的RF和IF应用领域，如无线、便携通讯和有线电视，SAW器件被用作带通 滤波器、谐振器、延迟线和巻积器。一般来说，SAW是当存在来自外部的热、机械和电力时由于粒子运动而产生的 物质波，并且仅存在于固体和液体中。基本上，波可以分为三种纵波，其中波传播的方向平行于粒子位移的方向；横 波，其中波传播的方向垂直于粒子位移(振动)的方向；切变波，通过加入水平和垂 直矢量得到。生成或检测由压电衬底制成的SAW器件的最有效和常用的方法是制造IDT (叉 指式换能器)结构。IDT将金属电极平行排列到压电衬底上，且此时的图案类似于时 间脉冲图案。每个电极的大部分IDT都通过铝沉积来制造，并且有时也用铝合金来提高耐电压 性质。而且，Ti或特种合金也用来改善铝的接触性质。通常，使用的铝的宽度范围在 0.5|-iin—15(xm。图1是相关技术的SAW器件的示意透视图。如图1所示，当将交变信号电压加在输入IDT101上时，具有不同极性的其它相 邻电极间会产生电场，并且在衬底104表面产生压电效应。结果，衬底104表面产生 变形且SAW沿输入IDT101的两个方向传播。图2是说明根据相关技术由SAW导致的在压电衬底内部的变形的示意图。 如图所示，当SAW传播时，衬底发生变形并且SAW以机械能的方式传递。 然后，在相反一侧的输出IDT102利用从该能量形成处至每个电极的反压电效应 来检测SAW传播时的能量。另一方面，为了限制不必要的反射波，衬底104表面的两端均涂覆有声吸收体103。关于声吸收体，可以采用橡胶、硅胶、光敏膜或聚酰胺，而且其涂覆形状也是不 同的。因此，SAW器件的特性取决于用来转换电信号至机械能或机械能至电信号的输 入/输出IDT图案，以及如何调节图案的尺寸。具有以上结构的SAW器件通常用作带通滤波器。该应用非常有助于减少重量和 尺寸、提高可靠性和降低功率消耗。典型应用的SAW滤波器是横波SAW滤波器， 其具有以预定间距安置在压电衬底上的两个IDT、在压电衬底上装有带有谐振器的谐 振滤波器、以及联合滤波器。为了发展SAW滤波器，涉及电极设计、构图、SMD封装、RF特性测量和用于 阻抗匹配的电路设计的技术应该有机地相互联系起来并使之系统化。通常，石英、铌酸锂(LiNb03)、 ST —石英和钽酸锂(LiTa03)被用来制造用于 传播SAW的图案的SAW单晶衬底。因为产生并传播表面声波的这些压电单晶衬底的性质严重影响SAW滤波器，针 对不同的性质建立特定取向并相应地切割衬底是非常重要的。要考虑的性质是SAW速度、SAW耦合系数、能流角(power flow angle) (pfa)、 衍射或波束扩展系数、Y (gamma)、或延迟的温度系数。根据这些性质，SAW器件 可能或不可能得到射频(radio frequency)。在这些性质中特别是一阶延迟温度系数对于频率变化非常敏感，因而SAW器件作为温度传感器的可用性非常高。图3是相关技术中用作温度传感器的SAW器件示意图。如图3所示，在单晶衬底上有输入IDT和输出IDT。当对输入IDT施加电压时， 电信号被转换为机械能并且SAW沿单晶衬底传播。这时，如果温度改变，则传播的 SAW频率也会改变。然后，现在为机械能形式的改变了频率的SAW在输出IDT上 被转换回电信号并且从此处输出。通过放大器将输出信号的频率放大，并且把该放大信号无线发射。当该发射信号 被接收时，测量信号的频率，并检测(或感应)与频率对应的温度。将石英单晶衬底的欧拉角，艮P小二0。、 e二15.7。和vj/二0。应用到SAW器件，得到以 下结果。Vs (km/s) = 3.948582， Vo (km/s) = 3.95077， K2 (%) = 0.1108， pfa (deg) =0， tcd (ppm/C) =0.25181， tcd2 (10—9/C2) = — 1.8167， loss—s (dB/人)=0.0003059， loss—o (dB/X) =0.0003297。此处，Vs和Vo分别为有限和开放(自由)表面的相速度，K2是耦合系数，pfa 是能流角，tcd和tcd2分别是一阶和二阶延迟温度系数，loss—s和loss—o分别是有限 和开放表面的传播损耗。另一方面，将钽酸锂(LiTa03)单晶衬底的欧拉角，艮卩(|)=10°、6 = 23.6°和^/ = 78.8° 应用到SAW器件，得到以下结果。Vs (km/s) =2.969688， Vo (km/s) =2.972704， K2 (%) = 0.2029， pfa (deg) 二0.03048' tcd (ppm/C) =—0.06127， tcd2 (10—9/C2) =—3.496。简而言之，当上述石英衬底欧拉角和钽酸锂衬底欧拉角被应用于温度传感器时， 虽然性质没有经历大的改变，但是不能得到作为温度传感器的SAW器件所需要的最 优温度系数。因此，当不同材料单晶衬底，即石英、langasite或钽酸锂衬底被用于SAW器件 时，根据它们的性质设定特定的取向并相应地切割衬底是非常重要的。而且，如果 SAW器件具有低于期望的值，则SAW器件的性能会随之退化。发明内容200810126935.9 本发明的目的是至少解决上述问题和/或缺陷，并至少提供如下所述的优点。 因此，本发明的一个目的是通过提供具有最优参数性质的单晶衬底及其切割方法，提供用于SAW器件的langasite、石英和钽酸锂单晶衬底的最优切割取向来解决前述问题。前述和其它目的和优点是通过提供单晶衬底来实现的，该单晶衬底包括具有SAW 传播表面的langasite衬底；在该表面上具有用来发射和/或检测表面声波的电极的输 入和输出IDT，其中表面波的传播方向平行于X'轴，并且该衬底还具有垂直于该表 面的Z'轴和平行于该表面且垂直于X'轴的Y'轴，该langasite衬底具有由修正轴X、 Y和Z所限定的晶体取向，轴X'、 Y'和Z'的相对取向由欧拉角小、e和i)/限定，其中小 的范围为8°《小《25°， 6的范围为15°《e《30°， v的范围为55°《v《85°，或(j)为0°， e的范围为12°《e《17°， V(/的范围为73°《V《78°。优选地，langasite的最优欧拉角为<))=10°，9 = 23.6°和\)/ = 78.8°或者())=0°，0 = 14.6° 和\|/ = 76.2°。而且，单晶衬底包括具有SAW传播表面的石英衬底；在该表面上具有用来发射 和/或检测表面声波的电极的输入和输出IDT，其中表面波的传播方向平行于X'轴， 并且该衬底还具有垂直于该表面的Z'轴和平行于该表面且垂直于X'轴的Y'轴，该石 英衬底具有由修正轴X、 Y和Z所限定的晶体取向，轴X'、 Y'和Z'的相对取向由欧拉角())、e和v(/限定，其中小的范围为一5°《小《+5°， e的范围为6o°《e《8o°， v]/的范围为一5。《v)/《+ 5。，或(j)为0。， 6的范围为17°《6《23°， vj/的范围为10°《\)/《20°。优选地，石英的最优欧拉角为(|)=0°， 9=70.5°和^=0°或者小=0°， e二2o。和v二13.7°。而且，单晶衬底包括具有SAW传播表面的钽酸锂衬底；在该表面上具有用来发射和/或检测表面声波的电极的输入和输出IDT，其中表面波的传播方向平行于X'轴， 并且该衬底还具有垂直于所述表面的Z'轴和平行于所述表面且垂直于X'轴的Y'轴， 该钽酸锂衬底具有由修正轴X、 Y和Z所限定的晶体取向，轴X'、 Y'和Z'的相对取向由欧拉角())、e和v(/限定，其中小的范围为一5°《小《+5°， e的范围为70°《e《90°，vj/的范围为85°《\)/《95°，或小的范围为一5°《())《+ 5°， e的范围为160°《e《180°， \)/ 的范围为85°《v)/《95°，或者(|)的范围为一5°《小《+ 5°， 9的范围为20°《e《40°， v)/6的范围为5°《i)/《25°。优选地，钽酸锂的最优欧拉角为())=0°， 0 = 79°和^ = 90°; ()) = 0°， 6 = 168°和\)/ =90°;或者小=0°， 0二30°和\)/=16.5°。根据本发明的另一方面，单晶衬底的切割方法包括以下步骤(a) 为传播表面声波的单晶衬底的表面，基于修正轴X、 Y和Z来限定晶体 取向；(b)在单晶衬底上限定X，、 Y'和Z，轴，其中表面波的传播方向平行于 X'轴，Z，轴垂直于表面波，并且Y，轴平行于所述表面且垂直于X'轴；(c)将(b) 中限定的X'、 Y'和Z'轴用晶体相对取向欧拉角，小、e和i(/限定；和(d)将(c) 中限定的(()、e和i)/设定在最优范围内。优选地，单晶衬底为langasite衬底、石英衬底和钽酸锂衬底。本发明尤其是涉及以下方面1. 一种单晶衬底，包括具有SAW传播表面的langasite衬底；和在所述表面上具有用来发射和/或检测表面声波的电极的输入和输出IDT，其中表 面波的传播方向平行于X'轴，并且该衬底还具有垂直于所述表面的Z'轴和平行于该 表面且垂直于X，轴的Y，轴，所述的langasite衬底具有由修正轴X、 Y和Z所限定的 晶体取向，轴X'、 Y'和Z'的相对取向由欧拉角小、e和v限定，其中c))的范围为8°《()) 《25°， e的范围为15°《0《30°， x)/的范围为55°《\)/《85°。2. 项目1的单晶衬底，其中langasite的最优欧拉角为(()=10°, 6=23.6°和\(/= 78.8°。3. —种单晶衬底，包括具有SAW传播表面的langasite衬底；和在所述表面上具有用来发射和/或检测表面声波的电极的输入和输出IDT，其中表 面波的传播方向平行于X'轴，并且该衬底还具有垂直于所述表面的Z'轴和平行于该 表面且垂直于X，轴的Y'轴，所述的langasite衬底具有由修正轴X、 Y和Z所限定的 晶体取向，轴X'、 Y'和Z'的相对取向由欧拉角小、e和v)/限定，其中(|)为0°, e的范围 为12°《0《17°， vj/的范围为73°《v/《78°。4. 项目3的单晶衬底，其中langasite的最优欧拉角为(j)二0。，e二14.6。和vj/二76.2。。5. —种单晶衬底，包括 具有SAW传播表面的石英衬底；和在所述表面上具有用来发射和/或检测表面声波的电极的输入和输出IDT，其中表 面波的传播方向平行于X'轴，并且该衬底还具有垂直于所述表面的Z'轴和平行于该 表面且垂直于X'轴的Y'轴，所述的石英衬底具有由修正轴X、 Y和Z所限定的晶体 取向，轴X'、 Y'和Z'的相对取向由欧拉角(()、e和v限定，其中小的范围为一5°《(()《 + 5°， e的范围为60°《0《80°， 1|/的范围为一5°《V《+ 5°。6. 项目5的单晶衬底，其中石英的最优欧拉角为())=0°， 9 = 70.5°和^ = 0°。7. —种单晶衬底，包括具有SAW传播表面的石英衬底；和在所述表面上具有用来发射和/或检测表面声波的电极的输入和输出IDT，其中表 面波的传播方向平行于X'轴，并且该衬底还具有垂直于所述表面的Z，轴和平行于该 表面且垂直于X，轴的Y'轴，所述的石英衬底具有由修正轴X、 Y和Z所限定的晶体取向，轴x'、 Y'和z'的相对取向由欧拉角())、e和v限定，其中())为o。， e的范围为17°《e《23°， \|/的范围为10°《vj/《20°。8. 项目7的单晶衬底，其中石英的最优欧拉角为小二O。， 9=20°和\(/=13.7°。9. 一种单晶衬底，包括具有SAW传播表面的钽酸锂衬底；和在所述表面上具有用来发射和/或检测表面声波的电极的输入和输出IDT，其中表 面波的传播方向平行于X'轴，并且该衬底还具有垂直于所述表面的Z'轴和平行于该 表面且垂直于X'轴的Y，轴，所述的钜酸锂衬底具有由修正轴X、 Y和Z所限定的晶 体取向，轴X'、 Y'和Z'的相对取向由欧拉角小、e和vj/限定，其中小的范围为一5。《()) 《+ 5°， e的范围为70°《6《90°， X(/的范围为85°《v)/《95°。10. 项目9的单晶衬底，其中钽酸锂的最优欧拉角为(])=0°， 6二79。和v二卯。。11. 一种单晶衬底，包括具有SAW传播表面的钽酸锂衬底；和在所述表面上具有用来发射和/或检测表面声波的电极的输入和输出IDT，其中表面波的传播方向平行于X'轴，并且该衬底还具有垂直于所述表面的Z，轴和平行于该 表面且垂直于X，轴的Y'轴，所述的钽酸锂衬底具有由修正轴X、 Y和Z所限定的晶 体取向，轴X'、 Y'和Z'的相对取向由欧拉角c))、 e和v限定，其中())的范围为一5。《小 《+ 5°， e的范围为160°《6《180°， V(/的范围为85°《V|/《95°。12. 项目11的单晶衬底，其中钽酸锂的最优欧拉角为<()=0°， 9 = 168°和\)/=90°。13. —种单晶衬底，包括 具有SAW传播表面的钽酸锂衬底；和在所述表面上具有用来发射和/或检测表面声波的电极的输入和输出IDT，其中表 面波的传播方向平行于X'轴，并且该衬底还具有垂直于所述表面的Z'轴和平行于该 表面且垂直于X'轴的Y'轴，所述的钽酸锂衬底具有由修正轴X、 Y和Z所限定的晶 体取向，轴X'、 Y'和Z'的相对取向由欧拉角(l)、 e和v(/限定，其中(|)的范围为一5°《(|) 《+5°， e的范围为20。《e《40。， vj/的范围为5°《v)/《25°。14. 项目13的单晶衬底，其中钽酸锂的最优欧拉角为())=0°， 6 = 30°和^=16.5°。15. —种单晶衬底的切割方法，包括步骤(a)对于传播表面声波的单晶衬底的表面，基于修正轴X、 Y和Z来限定晶体取向；(b) 在单晶衬底上限定X'、 Y，和Z'轴，其中表面波的传播方向平行于X，轴， Z'轴垂直于表面波，并且Y'轴平行于所述表面且垂直于X'轴；(c) 将(b)中限定的X'、 Y，和Z，轴用晶体的相对取向欧拉角())、e和v/限定；和(d) 将(c)中限定的小、e和i)/设定在最优范围内。16. 项目15的方法，其中单晶衬底是langasite衬底。17. 项目15的方法，其中单晶衬底是石英衬底。18. 项目15的方法，其中单晶衬底是钽酸锂衬底。本发明的其他优点、目的和特征将部分在随后的说明书中阐明， 一部分将在本领 域的普通技术人员考察下文时而变得显而易见，或者可以通过本发明的实践而了解。 本发明可以实现和取得的目的和优点在所附权利要求书中具体指出。
本发明将参照以下附图进行详细说明，其中相同的附图标记指其中的相同元素 图1是相关技术的SAW器件的示意透视图；图2是说明相关技术的由表面声波导致的、压电衬底内部的变形的示意图； 图3是用作温度传感器的相关技术的SAW器件的示意图；<实施方案1: langasite衬底>图4是根据本发明的一个实施方案，当SAW器件的langasite衬底中cj):10。时pfa 的等值线图；图5是根据本发明的一个实施方案，当SAW器件的langasite衬底中(|)=10°时tcd 的等值线图；图6是说明根据本发明的SAW器件的单晶衬底的模拟方法的流程图；图7说明根据本发明的一个实施方案的SAW器件的langasite衬底中欧拉角(10°、23.6°和78.8°)对温度的依赖性；图8说明相关技术的SAW器件的langasite衬底中欧拉角(0°、 138.5°和26.6°)对温度的依赖性；图9是根据本发明的另一个实施方案的SAW器件的langasite衬底中，当欧拉角 *=0°时对于LGS PSAW的传播损耗等值线图； <实施方案2:石英衬底>图IO示出在根据本发明的一个实施方案的SAW器件的石英衬底中，当欧拉角())=o°， e二e。 (e。指任意角度)和v)/二o。时耦合系数(k2)与一阶延迟温度系数(tcd)间的关系；图11示出在根据本发明的一个实施方案的SAW器件的石英衬底中，当欧拉角())=o°， e二e。 (e。指任意角度)和v)/二o。时开放表面相速度(vo)与二阶延迟温度系数(tcd2)间的关系；图12示出在根据本发明的一个实施方案的SAW器件的石英衬底中，当欧拉角()) =0°, 9 = 70.5°和^ = 0°时，频率对温度的依赖性；图13说明在根据本发明的另一个实施方案的SAW器件的石英衬底中，当欧拉角 小=0°， 6 = 20°和^ = 13.7°时的最小传播损耗；10<实施方案3:钽酸锂衬底〉图14示出在根据本发明的一个实施方案的SAW器件的钽酸锂衬底中，当欧拉角(|)=o°， e=e° (e。指任意角度)和v二90。时耦合系数(k2)与一阶延迟温度系数(tcd)间的关系；图15示出在根据本发明的一个实施方案的SAW器件的钜酸锂衬底中，当欧拉角小=0°， e=e° (e。指任意角度)和v)/二90。时开放表面相速度(vo)与二阶延迟温度系数(tcd2)间的关系；图16示出在根据本发明的一个实施方案的SAW器件的钽酸锂衬底中，当欧拉角 小=0°， 6 = 79°和^ =卯°时，频率对温度的依赖性；图17示出在根据本发明的另一个实施方案的SAW器件的钽酸锂衬底中，当欧拉角())=o。 ， e=e。 ( e。指任意角度)和i)/=90°时耦合系数(k2 )与 一 阶延迟温度系数(tcd)间的关系；图18示出在根据本发明的另一个实施方案的SAW器件的钽酸锂衬底中，当欧拉角小二o。， e=e° (e。指任意角度)和^=90°时开放表面相速度(v0)与二阶延迟温度系数(tcd2)间的关系。图19示出在根据本发明的另一个实施方案的SAW器件的钽酸锂衬底中，当欧拉 角(|)=0°， e二168。和x)/二90。时，频率对温度的依赖性。图20示出在根据本发明的又一个实施方案的SAW器件的钽酸锂衬底中，当欧拉 角小=0°， 6 = 30°和1)/ = ￥° (V。指任意角度)时耦合系数(K2)与一阶延迟温度系数 (tcd)间的关系。图21示出在根据本发明的又一个实施方案的SAW器件的钽酸锂衬底中，当欧拉角(()=0°， e二30。和vj/二V)/。 (V。指任意角度)时开放表面相速度(Vo)与二阶延迟温 度系数(tcd2)间的关系。图22示出在根据本发明的又一个实施方案的SAW器件的钽酸锂衬底中，当欧 拉角<))=0°， 0 = 30°和1)/ = ^/° (v)/。指任意角度)时pfa的等值线图。图23示出在根据本发明的另一个实施方案的SAW器件的钽酸锂衬底中，当欧拉 角())=0°， e二30。和v/二16.5。时，频率对温度的依赖性。图24是相关技术领域中欧拉角的说明图。
具体实施方式
以下参照附图对根据本发明的优选实施方案的单晶衬底及其切割方法进行详细 说明。<实施方案1 >图4是根据本发明的一个实施方案，当SAW器件的langasite衬底中欧拉角小二10。时pfa的等值线图；图5是欧拉角小二10。时ted的等值线图。如图所示，其中pfa和tcd同时为零的点在大约6=23.6°和\(/二78.8°处。图6是说明根据本发明的SAW器件的单晶衬底的模拟方法的流程图。参照图6，单晶衬底的模拟方法如下所述。用户首先输入单晶的材料和温度常数、温度、搜索范围和欧拉角(Sll)。接着，用户将常数从晶体学坐标系转换为工作坐标系(S12)。其后，用户为体波搜索色散方程的解，即Vsh VS2、 K (S13)。然后，用户设定速度和衰减初始值(S14)，并形成色散方程(S15)。 色散方程形成为根(3的方程(S16)。用户随后计算P'的根(S17)。 在计算出的多个根中，用户选择Im(3i <0的根，其等于复根x+jy的y (S18)。 随后，用户计算边界条件函数的绝对值的平方(S19)。其后，用户确定计算出的边界条件函数的绝对值的平方是否为极小值(S20)。此处，如果其是极小值，那么用户计算波的主要特性(S21)。并且，根据本发明的SAW器件的单晶衬底的模拟方法结束。如果其不是极小值，用户改变波速和衰减值(S22)，重复步骤S14至S20。以下为根据如图6所示模拟方法、关于欧拉角(10°、 23.6°、 78.8°)计算的波的主要特性。假定欧拉角(|)=10°， 9=23.6°和1|/=78.8°，通过欧拉角模拟的更精确计算给出了 每个参数的以下结果。Vs(km/s)= 2.969688， Vo(km/s)= 2.972704, K2( % ) = 0.2029， pfa (deg) =0.03048， tcd (ppm/C) =—0.06127， tcd2 (10—9/C2) =—3.496。此处，Vs和Vo分别为有限和开放(自由)表面的相速度，K2是耦合系数，pfa 是能流角，ted和tcd2分别是一阶和二阶延迟温度系数。这里，最好具有高优化的K2，且对于pfa、 tcd和tcd2的优化值优选接近于零。 另一方面，Vs和Vo具有视情况而定的不同优化值。这是因为当按照f=v/X (此处 f、 v和入分别为波的频率、波速和波长)来固定期望频率时，Vs和Vo要改变。然而，由于满足所有参数所需要的最优值非常困难，因此通常采用近似最优值。 欧拉角的最佳范围为8°《())《25°， 15°《e《30°，和55°《\)/《85°。图7说明根据本发明的一个实施方案的SAW器件的langasite衬底中欧拉角(10。、 23.6°和78.8°)的温度依赖性，图8说明相关技术的SAW器件的langasite衬底中欧 拉角(0°、 138.5°和26.6°)的温度依赖性。比较图7和图8，发现langasite的欧拉角的温度依赖性是稳定的。因此，在提出的取向组中，对于任何取向都可以为其它两个角找到相似值。而且， 这两个值的组合将更好地改善温度稳定性和减少插入损耗。图9是根据本发明的另一个实施方案的SAW器件的langasite衬底中，当欧拉角 小=0°时对于LGS SAW的传播损耗等值线图。如图所示，当欧拉角为(|) = 0°， 9=14.6°和^ = 76.2°时得到最小损耗。根据采用欧拉角(10°、 14.6°和76.2°)从模拟中得到的参数值，Vs (km/s)= 3.402727， Vo(km/s) = 3.04514， K2 ( % ) = 0.1585， pfa(deg) =—4.556， tcd(ppm/C) =30.176， tcd2 (10—9/C2) =51.942， loss—s (dB/X) =0.0006225， loss—o (dB/入)=2.19 X10—5。此处，Vs和Vo分别为有限和开放(自由)表面的相速度，K2是耦合系数， pfa是能流角，tcd和tcd2分别是一阶和二阶延迟温度系数，loss一s和loss_o分别是 有限和开放表面的传播损耗。这样，该SAW器件上的langasite单晶衬底就具有低损耗和高耦合系数，并在宽 的工作温度范围内显示出良好的温度稳定性。然而，由于满足所有参数所需要的最优值非常困难，因此通常采用近似最优值。 欧拉角的最佳范围为(()=0°， 12°《6《17°，和73。《v《78。。<实施方案2 >图IO示出在根据本发明的一个实施方案的SAW器件的石英衬底中，当欧拉角c()=o°， e=e° (e。指任意角度)和^=0°时耦合系数(k2)与一阶延迟温度系数(tcd)间的关系；图11示出在根据本发明的一个实施方案的SAW器件的石英衬底中，当欧拉角())=0°， e=e° (e。指任意角度)和v二o。时开放表面相速度(v0)与二阶延迟温度系数(tcd2)间的关系。如图io和ii所示，耦合系数的最大值对应于欧拉角ea70。时。根据采用欧拉角(0°、 70.5°和0°)从模拟中得到的参数值，Vs(km/s) = 3.205561， Vo (km/s) =3.208859， K2 (%) = 0.2056， pfa (deg) =0， tcd (ppm/C) =—27.78， tcd2 (10一9/C2) =2.5308,和"/= 1.214。为了使用SAW器件作为温度传感器以及提高其适用性和实用性，耦合系数和一 阶延迟温度系数应该大，二阶延迟温度系数和pfa (能流角)应该接近零，而Y值应该 接近于一l。图12示出在根据本发明的一个实施方案的SAW器件的石英衬底中，当欧拉角小 =0°， 0 = 70.5°和^ = 0°时，频率对温度的依赖性。然而，SAW器件上的石英单晶衬底没有所需的最优参数值，因此通常使用近似 最优值。欧拉角最佳范围为一5°《(|)《+ 5°， 60°《0《80°，和一5。《v^《+ 5。。图13说明在根据本发明的另一个实施方案的SAW器件的石英衬底中，当欧拉角 小=0°， e二20。和v二13.7。时的最小传播损耗。如图13所示，当欧拉角对应于())=0°时得到最小损耗。而且根据采用欧拉角(0°、 20°和13.7°)从模拟中得到的参数值，Vs (km/s)= 3.861097， Vo(km/s) = 3.86422， K2 ( %) = 0.1618， pfa(deg) 二—4.812， tcd(ppm/C) =4.4367， tcd2 (10—9/C2) =—22.03， loss—s (dB/人)=0.0001331， loss一o (dB/入)=7.50 X10一6。这样，该SAW器件上的石英单晶衬底具有比相关技术的SAW器件更低的损耗 和高耦合系数。虽然pfa和tcd值比相关技术的SAW器件的值略差，但是它们根本 不会对性能有大的影响。然而，由于满足所有参数所需要的最优值非常困难，因此通常采用近似最优值。 欧拉角的最佳范围为())=0°， 17°《0《23°，和10°《v《20°。<实施方案3 〉图14示出在根据本发明的一个实施方案的SAW器件的钽酸锂衬底中，当欧拉角<j)=o°， e=e°(e°指任意角度)和vi/二90。时耦合系数(K2)与一阶延迟温度系数(tcd)间的关系；图15示出在根据本发明的一个实施方案的SAW器件的钽酸锂衬底中，当欧拉角())二o。， e=e° (e°指任意角度)和^=90°时开放表面相速度(v0)与二阶延迟温度系数(tcd2)间的关系。如图14和15所示，取决于一阶和二阶延迟温度系数的耦合系数的最大值对应于 0 = 79。时。根据采用欧拉角(0°、 79°和90°)从模拟中得到的参数值，Vs (km/s) = 3.247331， Vo (km/s) =3.26343， K2 (%) = 0.9867， pfa (deg) =0， ted (ppm/C) =32.833， tcd2 (10一9/C2) = — 19.419，和丫=—0.4199。为了使用SAW器件作为温度传感器以及提高其适用性和实用性，耦合系数和一 阶延迟温度系数应该大，二阶延迟温度系数和pfa (能流角)应该接近零，而Y值应该 接近于一l。图16示出在根据本发明的一个实施方案的SAW器件的钽酸锂衬底中，当欧拉角 小=0°， 6 = 79°和^ = 90°时，频率对温度的依赖性。然而，SAW器件上的钽酸锂单晶衬底没有所需的最优参数值，因此通常使用近 似最优值。欧拉角最佳范围为一5°《<))《+ 5°， 70°《e《90°，和85°《v)/《95°。图17示出在根据本发明的另一个实施方案的SAW器件的钜酸锂衬底中，当欧拉角小=0°， e=e° (e。指任意角度)和v)/二90。时耦合系数(K2)与一阶延迟温度系数(tcd)间的关系；图18示出在根据本发明的另一个实施方案的SAW器件的钽酸锂衬底中，当欧拉角(()=0°， e=e° (e。指任意角度)和^=90°时开放表面相速度(vo)与二阶延迟温度系数(tcd2)间的关系。如图17和18所示，取决于一阶和二阶延迟温度系数的耦合系数的最大值对应于 0 = 168°时。根据采用欧拉角(0°、 168°和90。)从模拟中得到的参数值，Vs(km/s) = 3.360127， Vo (km/s) = 3.383842， K2 (%) =1.402， pfa (deg) =0， tcd (ppm/C) =75.33， tcd2 (10一9/C2) =0.78342，和丫=一1.113。为了使用SAW器件作为温度传感器以及提高其适用性和实用性，耦合系数和一阶延迟温度系数应该大，二阶延迟温度系数和pfa (能流角)应该接近零，而Y值应该 接近于一l。图19示出在根据本发明的另一个实施方案的SAW器件的钽酸锂衬底中，当欧拉 角小=0°， 6=168°和^/ = 90°时，频率对温度的依赖性。然而，该实施方案的SAW器件上的钽酸锂单晶衬底没有所需的最优参数值，因 此通常使用近似最优值。欧拉角最佳范围为一5°《(})《+ 5°， 160°《e《180°，和85°图20示出在根据本发明的又一个实施方案的SAW器件的钽酸锂衬底中，当欧拉 角(|)=0°， 0 = 30°和^ = 1(/° (V。指任意角度)时耦合系数(K2)与一阶延迟温度系数 (tcd)间的关系；图21示出在根据本发明的又一个实施方案的SAW器件的钽酸锂 衬底中，当欧拉角(|) = 0°， 0 = 30°和1|/ = ^° (v。指任意角度)时开放表面相速度(Vo) 与二阶延迟温度系数(tcd2)间的关系。如图20和21所示，最大耦合系数对应于1)/=16.5°时。图22示出在根据本发明的又一个实施方案的SAW器件的钽酸锂衬底中，当欧拉角小=0°， 0 = 30°和^=1)/° (V。指任意角度)时pfa的等值线图。如图22所示，当^=16.5°时，在小二0。和e二30。处pfa值接近于零。根据采用欧拉角(0°、 30°和16.5°)从模拟中得到的参数值，Vs (km/s) = 3.387511 ，Vo (km/s) =3.418243， K2 (%) =1.789， pfa (deg) =0.1585， tcd (ppm/C) =70.869，tcd2 (10—9/C2) = — 13.278，和丫=1.873。为了使用SAW器件作为温度传感器以及提高其适用性和实用性，耦合系数和一阶延迟温度系数应该大，二阶延迟温度系数和pfa (能流角)应该接近零，而Y值应该接近于一l。图23示出在根据本发明的另一个实施方案的SAW器件的钽酸锂衬底中，当欧拉 角(()=0°， 6 = 30°和\)/二16.5°时，频率对温度的依赖性。然而，该SAW器件上的钽酸锂单晶衬底没有所需的最优参数值，因此通常使用 近似最优值。欧拉角最佳范围为_5°《())《+ 5°， 20°《e《40°，和5。《v《25。。以下将解释欧拉角。图24是解释相关技术的欧拉角的图。如图所示，假设SAW的传播方向平行于X'轴，且晶片(衬底)的等值线画在与 Z'轴平行的面上。这样，波传播的方向就平行于与X'轴垂直的晶片的一个边。假设修正轴X、 Y和Z分别与晶片轮廓轴X'、 Y'和Z'相一致。不旋转时，晶片 被认为是Z切割，即晶片沿垂直于Z轴的抛光表面切割，并且SAW沿平行于X轴的 方向传播。随着任何后继的旋转，晶片轴X'、 Y'和Z'也旋转，并假设修正轴X、 Y和Z是 固定的。例如，假设欧拉角(f e， v) = (0°， 135°， 28°)，这种情况接近于指定 范围的中间。然后，绕Z'轴(X'向Y')进行第一次旋转())。由于(|) = 0°，所以这种情 况下没有旋转。其次发生绕"新"X'轴的旋转。其中，新轴总是与晶片结合在一起，以绕晶片轴任意旋转e，其中晶片轴包括所有以前的旋转。最后，发生绕Z'轴(X'向Y')旋转vj/，在此即为28。。晶片轴X，、 Y'和Z'限定为相对取向欧拉角f e， v。因此，在提出的取向组中，对于任何取向总可以为其它两个角找到相似值。而且， 优选将这两个值结合以改善参数性质。工业适用性总之，通过应用SAW器件的称为langasite的单晶硅酸镧镓(La3Ga5Si014)的最 优SAW取向，本单晶衬底及其切割方法能有利地用来得到最优参数性质。通过应用石英单晶衬底的最佳切割取向还可以获得优化的参数特性，其中石英单 晶衬底是用于SAW器件的单晶衬底之一。通过应用最佳切割取向以利用钽酸锂(LiTa03)，可以获得相同的结果，其中钽酸 锂是用于SAW器件的单晶衬底之一。而且，例如，单晶衬底用在SAW滤波器中和使用SAW的传感器中。当参照其中特定的优选实施方案来说明和描述本发明时，应该理解在不背离所 附权利要求限定的本发明实质和范围的条件下，本领域的技术人员可以在形式和细节 上作出各种改变。前述的实施方案和优点仅为示例性的，而非限制本发明。本教导能够被轻易地应17用于其它装置。本发明的说明书是说明性的，而非限制权利要求的范围。对于本领域 技术人员来说，许多替换、修改和变化都将是显而易见的。在权利要求中，方法加功 能的条款旨在包含此处所描述的执行所列举功能的结构，不仅包含结构等同物，而且 还包含等效结构。
权利要求
1.一种单晶衬底，包括具有SAW传播表面的石英衬底；和在所述表面上具有用来发射和/或检测表面声波的电极的输入和输出IDT，其中表面波的传播方向平行于X’轴，并且该衬底还具有垂直于所述表面的Z’轴和平行于该表面且垂直于X’轴的Y’轴，所述的石英衬底具有由修正轴X、Y和Z所限定的晶体取向，轴X’、Y’和Z’的相对取向由欧拉角φ、θ和ψ限定，其中φ的范围为-5°≤φ≤+5°，θ的范围为60°≤θ≤80°，ψ的范围为-5°≤ψ≤+5°，或其中φ是0°，θ的范围为17°≤θ≤23°，ψ的范围为10°≤ψ≤20°。
2. 权利要求l的单晶衬底，其中石英的最优欧拉角为(()=0°， 0 = 70.5°和^/ = 0°。
3. 权利要求l的单晶衬底，其中石英的最优欧拉角为*=0°， 6=20°和1)/=13.7°。
全文摘要
公开一种单晶衬底及其切割方法。单晶衬底包括具有SAW传播表面的石英衬底；和在所述表面上具有用来发射和/或检测表面声波的电极的输入和输出IDT，其中表面波的传播方向平行于X’轴，并且该衬底还具有垂直于所述表面的Z’轴和平行于该表面且垂直于X’轴的Y’轴，石英衬底具有由修正轴X、Y和Z所限定的晶体取向，轴X’、Y’和Z’的相对取向由欧拉角φ、θ和ψ限定，其中φ的范围为-5°≤φ≤+5°，θ的范围为60°≤θ≤80°，ψ的范围为-5°≤ψ≤+5°，或其中φ是0°，θ的范围为17°≤θ≤23°，ψ的范围为10°≤ψ≤20°。
文档编号H03H9/00GK101330280SQ20081012693
公开日2008年12月24日 申请日期2003年6月25日 优先权日2002年6月26日
发明者崔用林, 德弗舍尔斯托夫·米哈伊尔, 瓦连京·切列德尼克 申请人:Lg伊诺特有限公司