CN103370875A - 利用声波工作的器件和制造的方法 - Google Patents

Abstract

说明了一种利用声波工作的器件（B），其中在很大程度上去耦反射和激发。为此，器件包括布置在电极指（EF）与压电基板（PSU）之间的电介质（DL），所述电介质（DL）至少部分地与电极指重叠。

Description

利用声波工作的器件和制造的方法

技术领域

本发明涉及利用声波工作的器件及其制造的方法。

背景技术

利用声波工作的器件可以将电信号基于压电效应转换成声波，并且反之亦然。由此可能由利用声波工作的器件形成（例如用于通信技术的）HF滤波器。为此，这些器件包括声谐振器。谐振器例如可以利用表面声波（SAW=Surface Acoustic Wave=akustische Oberflächenwelle）或者利用经引导的体声波（GBAW=Guided Bulk Acoustic Wave = geführte akustische Volumenwelle）来工作。这种SAW谐振器或者GBAW谐振器为此一般而言包括布置在声道中的电极指（Elektrodenfinger），所述电极指被布置在压电基板上。包括利用声波工作的谐振器的滤波器例如从US 7,477,117 B2中公知。

利用声波工作的器件的表征性特性、譬如非线性的倾向性、阻抗匹配的适合性、频率的温度历程（Temperaturgang）、功率兼容性或者声波的激发和反射的耦合即使在其他情况下令人满意地工作的器件的情况下也始终是值得改善的。

发明内容

因此，本发明的任务是说明了一种利用声波工作的器件，其中这些特性被改善。此外，其他任务在于说明了一种用于制造这种器件的方法。

这些任务通过独立权利要求的技术教导来解决。从属权利要求说明了本发明的有利的扩展方案。

在一种实施形式中，利用声波工作的器件包括压电基板、电介质以及布置在该基板上的电极指，所述电极指具有重叠区和机械指宽度。电介质被布置在基板之上并且被布置在基板与电极指之间的重叠区中。电极指的宽度限定了其机械指宽度。

因此说明了一种利用声波工作的器件，其中电介质完全或者部分地被布置在电极指与基板之间，或电极指完全或者部分地平放在电介质上。

重叠区被限定为电极指与电介质在其中重叠的那个区域。

机械指宽度被限定为电极指的指宽度。

如果电极指完全通过电介质与压电基板分离，则电极指并不触碰声道中的压电基板并且重叠区对应于机械指宽度。

要不然，重叠区优选地平行于电极指布置，也就是说，电介质的上侧和下侧平行于压电基板的上侧，并且电极指的至少一部分触碰压电基板。电极指的机械指宽度接着被得出为重叠区的宽度和电极指触碰压电基板的区域（触碰区）的宽度之和。以下，触碰区的宽度也被称作电指宽度。

声表面或者边界波在压电基板中的传播受在传播区中的声阻抗以及受电极指的导电性影响。声阻抗与所使用的材料的质量分布以及与所使用的材料的刚度值有关。触碰区的相对大小对于布置在压电基板的表面上的结构与声波之间的电相互作用而言是相关的。声阻抗对于声波与布置在表面上的结构的机械相互作用而言是相关的。由于电指宽度（与常规的利用声波工作的器件相反）现在不再必然需要与机械指宽度相同，声波的反射和激发至少部分地被去耦。这能够实现在设计利用声波工作的器件时的较高灵活性。

此外，减小了非线性的倾向性，因此通过相对于机械指宽度缩小的电指宽度减小尤其是在高波幅度时的静态电容的波动。此外，电极指的静态电容通过在至少一个电极指与压电基板之间至少部分地布置电介质来减小。由此，改善了相对应的谐振器或滤波器电路的阻抗匹配。

相对应的滤波器的PZD（PZD=Pole Zero Distance = 极点-零点距离））可以在此保持不变。

此外，功率兼容性被改善，因为电极的在机械方面敏感的区域（即电极的脚部和电极的角部和边缘）通过重叠区中的电介质来在机械上稳定。尤其是，具有高刚度值的电介质引起了电极的高功率兼容性并且由此也引起了器件的高功率兼容性。

由电极指、电介质和压电基板构成的该布局的另一结果在于减小弹性常数的温度历程（TCF = Temperature Coefficients of Frequency（频率的温度系数））。由此，减小了相对应的器件的由温度改变引起的工作频率偏移。

相对应的利用声波工作的器件可以具有任意数目的带有任意构造的重叠区的电极指。同样可能的是，并未与汇流排连接的反射器元件具有指状的金属化结构，所述金属化结构具有相对应的重叠区。所述重叠区不仅可以针对不同的电极指而且可以针对反射器元件相一致或者也可以不同地被构造。优选如下重叠区：所述重叠区被构造为使得所述重叠区的电指宽度相对于机械指宽度减小。电指宽度也可以横向地或者在不同的电极指之间变化。也可能的是，重叠区减小电极指的电指长度，即减小电极指的触碰区的长度。

在一种实施形式中，利用声波工作的器件包括触碰区，在该触碰区中，电极指触碰基板。在此，触碰区的宽度限定了电极指的电指宽度。这种器件因此包括电极指，所述电极指的重叠区并不对应于机械指宽度。更确切地说，电极指的机械指宽度对应于重叠区的宽度和触碰区的宽度之和。电指宽度因此一般而言不同于机械指宽度。

在一种实施形式中，电极指包括其中部相对于电极指的中部偏移的触碰区。

触碰区的中部被限定为如下点：触碰区从该点出发不仅朝着声波的传播方向而且逆着声波的传播方向延伸相同宽。

电极指的中部被限定为如下点：机械指宽度从该点出发不仅朝着声波的传播方向而且逆着声波的传播方向延伸相同宽。

换言之：电激发的重心、即触碰区的中部相对于反射区的重心、即机械区的中部偏移。通过这种偏移（尤其是当这种偏移在器件的多个电极指的情况下存在时）可以获得激发加权（Anregungswichtung）。因此，触碰区和重叠区的相对应的布局能够实现辐射声波中的不对称性。因此，能够容易地获得单向辐射的转换器。

通过激发加权例如可以获得SPUDT转换器（SPUDT=Single Phase Unidirectional Transducer（单相单向换能器））。

在常规的利用声波工作的器件中，激发加权、即相加权通过单个电极指朝着声波的传播方向或者逆着声波的传播方向偏移来获得。在此，间隙位置朝着该传播方向或者逆着该传播方向偏移。GAP位置（gap=间隙）是如下那些位置：在所述位置处，电极指的端部和相反设置的极性的汇流排对置，即在电极指与对置的汇流排之间的间隙。GAP位置在构造波导时是相关的。因为在GAP位置处减小了质量分布，因此声波的传播速度相比于电极指并排布置的激发区不同。通过沿着声道布置具有改变的传播速度的区域因此可以获得波导。

根据本发明，指金属化部（Fingermetallisierung）可以基本上停留在压电基板上的不变的位置处。尽管如此，相加权可以通过触碰区的偏移获得。这样，现在可以获得激发加权，而不改变GAP位置并且因此不影响相对应的利用声波工作的器件的波导特性。

在一种实施形式中，介电层下沉在压电基板中的凹陷或者加深部（Vertiefung）中。这具有如下优点：介电层和基板以这种方式可以构造共同的平坦表面，在该共同的平坦表面上接着可以平地安装电极指。在平坦的面上更简单的是生长用于电极指的纹理化的金属层，使得借助该实施形式可以改善电极的纹理化并且可以改善与此联系的特性、譬如其功率强度。

在一种实施形式中，该器件包括另一电介质，所述另一电介质被布置在目前所标明的电介质与电极指之间的重叠区的部分区域中。

重叠区一如既往地被限定为如下区域：在该区域中电极指和介电材料在压电基板之上重叠。重叠区现在包括其中电极指触碰原始的电介质并且与原始的电介质重叠的重叠部分区域，并且重叠区包括其中电极指触碰另一电介质的另一重叠部分区域。通过所述另一电介质可能还更精确地调节电极结构的静态电容以及电极结构的声阻抗。

在一种实施形式中，至少其中一个电介质或者电介质中的多个的介电常数小于压电基板的介电常数。

在一种实施形式中，第一电介质或者第二电介质彼此无关地包括SiO₂（二氧化硅）、TiN（氮化钛）、A1₂O₃（氧化铝）、Ta₂O₅（氧化钽）、HfO、HfO₂（氧化铪）或者Si₃N₄（氮化硅）。也可能的是，电介质包括这些物质的混合物，或者该器件包括不同的也为介电的层中的不同电介质，所述层彼此重叠地或者不重叠地被布置。

电介质可以在其机械稳定性方面被选择，据此可以得到高的功率兼容性。也可能的是，电介质在其声阻抗方面被挑选，以便能够实现改善的阻抗匹配。

在一种实施形式中，该器件包括多个电极指，所述电极指各带有机械指宽度和与所述机械指宽度不同的电指宽度。

由此可能单独地并且根据具体的优化期望有针对性地调节相应的机械指宽度和相应的电指宽度，以便获得最优的器件。标准开发工具、譬如仿真软件或者模型化软件可以优化相应的电和机械指宽度及其重心的具体构造。

在一种实施形式中，每个电极指都在压电基板的上侧上激发声波。也就是说，每个电极指都有助于在电信号与声信号之间的转换。为此，每个电极指都包括触碰区。

在一种实施形式中，所有电极指的全体在基板的上侧上激发声波。所有电极指的全体也可以包括不进行激发的电极指。

在一种实施形式中，器件包括布置在电极指、电介质和基板的任意上侧之上的介电层。在电介质的层厚度足够时，电极指的全体在基板的上侧上激发经引导的体声波（GBAW）。

布置在电极指之上的电介质例如可以包括SiO₂。布置在电极指之上的电介质可以帮助保护敏感的电极结构，密闭地密封敏感的电极结构以及降低频率的温度历程。

压电基板本身可以被布置在支承基板上，并且例如作为层被沉积在支承基板上。这种支承基板例如可以包括Si（硅）。

压电层例如可以包括A1N（氮化铝）、ZnO（氧化锌）、被掺杂的A1N（氮化铝）、譬如以Sc（钪）或者以P（磷）掺杂的A1N。

此外，相叠分层堆放的构件也是可能的，这些构件包括两个或者更多利用声波、例如利用经引导的声波工作的层系统。

用于制造利用声波工作的器件的方法可以包括如下步骤：

- 提供压电基板或者压电层，

- 在基板的上侧上构造和结构化电介质，

- 构造和结构化电极指，使得单个或者多个或者所有电极指的区域触碰基板并且电极指的其他区域与电介质重叠。

换言之：说明了一种用于制造利用声波工作的器件的方法，其中在制造期间至少逐个区段地在电极指与压电基板之间布置电介质。

附图说明

以下依据实施例和相关的示意图更为详细地阐述了该器件。

其中：

图1示出了通过带有两个电极指、介电材料和压电基板的器件的矢状剖面，

图2示出了通过带有两个介电层的器件的矢状剖面，

图3a、3b示出了通过带有介电覆盖层的器件的矢状剖面，

图4示出了通过带有两个触碰区的电极指的矢状剖面，

图5示出了单向辐射的转换器，

图6a、6b、6c示出了要如何构造触碰区，以便激发通带边缘或者阻带边缘的频率，

图7示出了用于不同电指宽度的与厚度有关的静态电容，

图8示出了用于不同电指宽度的与厚度有关的极点-零点距离，

图9示出了与电指宽度有关的电声耦合系数（左刻度）以及与机械指宽度有关的传播速度（右刻度）以及与机械指宽度有关的反射系数（左刻度），

图10示出了与机械指宽度有关的电声耦合系数k²（左刻度）、与机械指宽度有关的反射系数（左刻度）以及与电指宽度有关的传播速度（右刻度）。

具体实施方式

图1示出了通过带有两个电极指EF的利用声波工作的器件B的矢状剖面。该矢状剖面示出了如下平面：所述平面平行于声波的传播方向并且垂直于电极指EF的平面。电极指EF被布置在压电基板PSU上或之上。在宽度w_e（电指宽度）的分别一个触碰区中，电极指EF触碰压电基板PSU。在重叠区中，在电极指EF与压电基板PSU之间布置有介电层DL形式的电介质。两个在图1中所示的指的每个在此都具有分成两个部分的重叠区。触碰区在此分开重叠区。在该情况下没有相互联系的重叠区的宽度被限定为重叠区的所有部分区域的宽度之和。重叠区的区段的宽度用w_o、w_o1和w_o2标明。电极指的重叠区的部分区域的宽度可以是不同的或者是相同的。

机械指宽度w_m通过相对应的电极指EF的指宽度来确定。

由于电指宽度w_e不同于机械指宽度w_m，所以可以将声波的激发和反射去耦。

图2同样示出了通过利用声波工作的器件的矢状剖面。除了在图1中示出的实施形式之外，在图2中示出的器件包括由另一电介质构成的另一介电层DL2。第二电介质的材料可以不同于介电层DL1的材料。但是，两个层DL1和DL2也可以包括相同的材料。

由此，在形成重叠区时的自由度的数目提高。所期望的声学和电学特性由此可以更精确地被调节。

图3a示出了通过利用声波工作的器件的矢状剖面，其中电极指EF的所有上侧和介电层DL的所有上侧都通过覆盖层CL来覆盖。因此，获得GBAW器件，并且一般而言敏感的电极指EF密闭地用囊衣包封（abkapseln）而且被保护以免机械损伤。压电基板PSU被实现为压电层，该压电层被布置在支承基板TS上。这种层例如可以通过溅射获得。

图3b示出了包括两个分别利用声波工作的相叠布置的层系统的器件。上部层系统的压电基板以压电层的形式被布置在下部层系统的介电覆盖层CL上。通过这种堆获得非常高的集成密度。

图4示出了通过电极指的矢状剖面，所述电极指具有两个触碰区和三个重叠区。

原则上，可考虑任意多的触碰区和重叠区。由此例如可能单独地且非常精确地调节电极指的加权。

图5示出了单向（在此向右）辐射的转换器。触碰区或者重叠区的不对称性例如可以引起单向辐射特征。

图6a示意性地示出了对准机械指宽度的声波振荡最大值，通过虚线曲线象征性表现：机械指宽度的中心的位置与声波的振荡波幅的位置相一致。电激发的通过触碰区的位置限定的并且通过箭头象征性表现的中心相对于机械指宽度的中心偏移。与此相比，图6b示出了其中机械指宽度的中心的位置与声波的振荡节点的位置相一致的转换器。

在这两种情况下，在不是相对应的HF滤波器的中间频率的频率的情况下可能实现声波的激发或者衰减。因此可能的是，有针对性地影响HF滤波器的通带或者阻带边缘的频率成份（在图6c中所示）。因此尤其可能的是，有针对性地影响下部和上部通带或者阻带边缘的频率成份。相对应地构造的器件因此可以省去用于模型化边缘的费事的措施。

这表明：指金属化部对声波的机械影响可以与金属化部对所述波的电影响去耦。一方面为在周期的质量分布与波之间和另一方面为在电激发与波之间的相应的相位差可以彼此无关地被调节到满足特定要求的值上。

图7示出了静态电容C₀与电介质的厚度h的相关性，该电介质在重叠区中与电极指重叠。通过加号标记的值标明具有消失的电指宽度w_el的电极指。这意味着，电极指完全与电介质重叠。

转换器的金属化比例η是由指宽度w和转换器的几何周期p（英语为pitch（节距））构成的商：η=w/p。几何周期（节距）基本上为相邻电极指的中心的距离并且由此对应于半个波长λ/2。如果区分机械指宽度和电指宽度，则也区分相对应的金属化比例：η_el=w_el/p、η_m=w_m/p。

利用正方形表征在电金属化比例为0.4时的静态电容C₀。

利用三角形表征具有为0.6的电金属化比例的器件的静态电容C₀。

电指宽度越大，则静态电容C₀与电介质的层厚度h的相关性显示出来得越小。

图7涉及电声转换器，该电声转换器具有150个指对、为25λ的孔径和为0.65的机械金属化比例η。

电金属化比例η_el越小，则在图7中所示的、电容与介电层DL的厚度h的相关性显示出来得越强。该相关性在消失的电金属化比例η_el=0的情况下为最大。该相关性随着电金属化比例η_el升高而强烈地降低。在电金属化比例η_el足够大的情况下，即使由制造决定的层厚度h波动时也可以出现足够稳定的电容C₀。

尽管如此，此外还可能在相对应选择的层厚度h的情况下获得足够小的电容C₀。例如，可能在电金属化比例η_el=0.4且层厚度为h=5 nm时获得为7.6pF的电容。

图8示出了分别以几何周期p（节距）为单位的归一化的电指宽度0（通过加号表征）、0.2（通过圆表征）、0.4（通过正方形表征）以及0.6（通过三角形表征）的PZD（极点-零点距离，参见上文）。在此，图8示出了LT42YX基板的值。LT42YX标明根据按照IEC62276（IEC=International Electrotechnical Commission（国际电工技术委员会））的国际标准的由LiTaO₃（钽酸锂）制成的具有欧拉角（180°、48°、180°）的基板。

从大于0.2的电指宽度起，PZD实际上不再与电介质的层厚度h有关。由此，PZD基本上与在制造介电层时的制造波动无关。

此外，令人惊讶地发现，PZD从η_el=0.4起相对于没有介电层的常规转换器而言实际上没有缩小。这是值得注意的，因为静态电容C₀明显缩小。

可以得出结论：尽管积聚在电极指的表面上的电荷较少，但是与常规的转换器相比进行类似强的声激发。

由于较小的静态电容C₀对于改善的器件而言足够，所以改善了与外部实际负载电阻的可匹配性。

图9中的三角形示出了与电金属化比例η_el有关的反射系数（左刻度），该电金属化比例η_el与电指宽度w_el和几何周期（节距）P有关：η_el=w_el/p。在尖端部上的正方形表征电声耦合系数k²（同样绘制在左刻度上），该电声耦合系数k²只无关紧要地与电指宽度有关。水平对准的正方形表征与电金属化比例η_el有关的声传播速度v（右刻度）。

图9涉及如下转换器：在所述转换器中，电极指具有宽度大于零的重叠区和机械金属化比例η_m=0.65p。

图10示出了在电极指与压电基板之间没有介电层（即没有重叠区）的参考结构的类似值。

明显可认识到，速度、反射系数和耦合系数的数值基本上对于这两个结构而言是类似的，但是与机械指宽度（即与金属化比例η）的相关性在该参考结构中更强烈地被显示出来。

这意味着，根据本发明的器件关于反射、耦合系数和波速未劣化。

激发基本上对应于电荷分布的傅里叶变换。由于电荷分布可以通过调节重叠区来变化，而基本上不改变反射特性，所以获得在调节激发时的另一自由度。

根据本发明的利用声波工作的器件并不限于所描述的实施例之一。例如还包括其他的反射性的或者激发性的介电或者金属结构或者其他介电层的其组合和变型方案同样是根据本发明的实施例。

附图标记列表

B：利用声波工作的器件

C0：静态电容

CL：介电覆盖层

DL：介电层

DL1、DL2：介电层

EF： 电极指

h： 介电层的厚度

PSU：压电基板

PZD：极点-零点距离

TS： 支承基板

v： 传播速度

w_e：电指宽度

w_m： 宽度/机械指宽度

w_o、w_o1、w_o2：重叠区的区段

η： 金属化比例

k2：电声耦合系数

Claims (13)

1.一种利用声波工作的器件（B），其包括：

- 压电基板（PSU），

- 电介质（DL），

- 布置在基板（PSU）之上的电极指（EF），所述电极指（EF）具有带有电介质（DL）的重叠区和机械指宽度（w_m），

其中，

- 电介质（DL）被布置在基板（PSU）之上和在基板（PSU）与电极指（EF）之间的重叠区中，以及

- 电极指（EF）的宽度限定了电极指（EF）的机械指宽度（w_m）。

2.根据上一权利要求所述的器件，其此外还包括触碰区，在该触碰区中，电极指（EF）触碰基板（PSU），其中触碰区的宽度限定电极指（EF）的电指宽度（w_e）。

3.根据上述权利要求之一所述的器件，其中，电极指（EF）具有触碰区并且触碰区的中部相对于电极指（EF）的中部偏移。

4.根据上述权利要求之一所述的器件，其中，另一电介质（DL2）被布置在电介质（DL）与电极指（EF）之间的重叠部分区域中。

5.根据上述权利要求之一所述的器件，其中，电介质（DL）的介电常数小于压电基板（PSU）的介电常数。

6.根据上述权利要求之一所述的器件，其中，电介质（DL、DL1、DL2）包括SiO₂、TiN、Al₂O₃、Ta₂O₅、HfO、HfO₂或者Si₃N₄。

7.根据上述权利要求之一所述的器件，其此外还包括多个电极指（EF），所述电极指（EF）各具有机械指宽度（w_m）和与所述机械指宽度（w_m）不同的电指宽度（w_e）。

8.根据上一权利要求所述的器件，其中，电极指（EF）的每个都在基板（PSU）的上侧上激发声波。

9.根据上一权利要求所述的器件，其此外还包括布置在电极指（EF）、电介质（DL、DL1、DL2）和基板（PSU）的任何上侧之上的介电覆盖层（CL），其中电极指（EF）的全体在基板（PSU）的上侧上激发经引导的体声波。

10.根据上述权利要求之一所述的器件，其中，至少第一电介质（DS1）被布置在压电基板的表面上的加深部中，其中第一电介质（DS1）的表面和基板的表面在触碰区中构造共同的平面。

11.根据上述权利要求之一所述的器件，其中，压电基板（PSU）是施加在支承基板（TS）上的层。

12.根据上述权利要求之一所述的器件，其包括两个或更多相叠布置的分别利用声波工作的层系统。

13.一种用于制造利用声波工作的器件（B）的方法，其包括如下步骤：

- 提供压电基板（PSU），

- 在基板的上侧上构造和结构化电介质（DL），

- 构造和结构化电极指（EF），使得单个或者多个或者所有电极指的区域触碰基板（PSU）并且电极指的另外的区域与电介质（DL）重叠。

Images