CN106411285B - 声波器件和模块 - Google Patents
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Abstract
声波器件和模块。一种声波器件包括：支撑基板；压电基板，所述压电基板在室温下接合在所述支撑基板的上表面上并且由与所述支撑基板不同的材料制成；梳状电极，所述梳状电极形成在所述压电基板的上表面上并且激发声波；以及非晶层，所述非晶层形成在所述支撑基板与所述压电基板之间。
Description
技术领域
本发明的特定方面涉及声波器件和模块。
背景技术
已知压电基板被接合在支撑基板上以使用压电基板的表面声波改进声波器件的频率-温度特性。日本专利申请公开No.2004-186868(专利文献1)公开了一种技术，该技术使用钽酸锂基板作为压电基板并且使用蓝宝石基板作为支撑基板，当压电基板在室温下被接合在支撑基板上时，使得支撑基板的厚度比压电基板的厚度大三倍，并且压电基板的厚度比表面声波的波长大十倍。日本专利申请公开No.2012-105191(专利文献2)公开了这样一种技术：与压电基板相同，使用钽酸锂基板用于支撑基板。日本专利申请公开No.2015-92782(专利文献3)公开了将介质层定位在支撑基板与压电基板之间。
当压电基板在室温下被接合在支撑基板上时，由于通过在支撑基板与压电基板之间的边界面反射的体波导致的杂散(spurious)成为问题。当支撑基板和压电基板由相同材料制成时(如专利文献2中公开的)，或者当介质层被插入支撑基板与压电基板之间(如专利文献3中公开的)时，不发生体波通过边界面的反射。如专利文献1中公开的，为了减少杂散，使得压电基板的厚度比表面声波的波长大十倍。然而，当使基板变薄以减小其尺寸时，支撑基板的厚度相对于基板厚度减小。这降低了频率-温度特性的改进程度。此外，基板更容易被热循环破坏。
发明内容
根据本发明的一方面，提供一种声波器件，所述声波器件包括：支撑基板；压电基板，所述压电基板在室温下接合在所述支撑基板的上表面上并且由与所述支撑基板不同的材料制成；梳状电极，所述梳状电极形成在所述压电基板的上表面上并且激发声波；以及非晶层，所述非晶层形成在所述支撑基板与所述压电基板之间。
根据本发明的另一方面，提供一种模块，所述模块包括：以上声波器件。
附图说明
图1是根据第一实施方式和比较示例的声波器件的立体图；
图2A和图2B是当膜厚度T1+T2分别是150μm和100μm时支撑基板的膜厚度T1和压电基板的膜厚度T2关于频率的曲线图；
图3A至图3D是导纳相对频率的曲线图；
图4A和图4B是衰减相对频率的曲线图；
图5A至图5C是当膜厚度T1+T2分别是150μm、100μm和50μm时支撑基板的膜厚度T1和压电基板的膜厚度T2关于频率的曲线图；
图6A是根据第二实施方式的梯形滤波器的电路图，并且图6B是根据第二实施方式的变型例的多路复用器的框图；以及
图7是根据第三实施方式的包括模块的系统的框图。
具体实施方式
将参考附图描述本发明的实施方式。
图1是根据第一实施方式和比较示例的声波器件的透视图。如图1中所示，具有膜厚度T2的压电基板12被定位在具有膜厚度T1的支撑基板10的上表面上，并且压电基板12的下表面接合在支撑基板10的上表面上。支撑基板10是蓝宝石基板。压电基板12是钽酸锂基板。非晶层14形成在支撑基板10的上表面与压电基板12的下表面之间。非晶层14的厚度非常薄，诸如10nm或更少，并且从而相对于膜厚度T1和T2几乎可忽略。
一个端口谐振器18形成在压电基板12的上表面上。所述一个端口谐振器18包括叉指式换能器(IDT)17a和反射电极17b，反射电极17b由铝(Al)制成的金属层16形成并且形成在压电基板12上。IDT 17a包括两个梳状电极。反射电极17b被定位在IDT 17a的两侧。IDT17a的梳状电极激发表面声波(主要是SH波)。所激发的声波由反射电极17b反射。声波在压电基板12的晶体取向中沿X轴方向传播。由IDT17a激发的表面声波的波长λ对应于DIT 17a的电极指的节距(pitch)的两倍。根据第一实施方式，表面声波是有助于声波器件的功能的声波。由IDT 17a激发的声波可以是边界声波或者勒夫波。
支撑基板10和压电基板12在室温下被接合在一起。给出在室温下接合支撑基板10和压电基板12的方法的示例的描述。首先，用惰性气体的离子束、中性束或者等离子体照射支撑基板10的上表面和压电基板12的下表面。该处理在支撑基板10的上表面和压电基板12的下表面上形成几十纳米或更少的非晶层。悬键(dangling bond)形成在非晶层的表面上。悬键使得支撑基板10的上表面和压电基板12的下表面为活性(active)。支撑基板10的上表面上的悬键被接合到压电基板12的下表面上的悬键。从而，支撑基板10和压电基板12在室温下被接合在一起。非晶层14被整体插入在接合后的支撑基板10与接合后的压电基板12之间。非晶层14具有例如1nm至8nm的厚度。在此，室温是100℃或更少和-20℃或更多，更优选地是80℃或更少以及0℃或更多。
由于支撑基板10和压电基板12在室温下被接合在一起，施加至支撑基板10和压电基板12的应力减小。例如，当使用声波器件时，高于或低于室温的温度被施加至声波器件。室温接合的声波器件可以减小在高温和低温二者下的热应力。室温接合的声波器件防止基板在重复高温(例如，150℃)和低温(例如，-65℃)的温度循环测试中破裂。通过残余应力的温度依赖性检验声波器件是否在室温下被接合。即，残余应力在执行接合的温度下变为最小。
钽酸锂的晶体取向的X轴具有16.1ppm/℃的线性热膨胀系数。从而，旋转的Y切割X传播钽酸锂基板在声波的传播方向上具有大的线性热膨胀系数。当声波器件用钽酸锂基板形成时，钽酸锂基板根据温度膨胀和收缩。从而，声波器件的频率(诸如，谐振频率)的温度依赖性增加。在图1中所示的结构中，蓝宝石基板具有小的7.7ppm/℃的线性热膨胀系数。从而，支撑基板10禁止压电基板膨胀和收缩。从而，声波器件的频率的温度依赖性降低。
当支撑基板10是蓝宝石基板并且压电基板12是钽酸锂基板时，使得支撑基板10的厚度比压电基板12的厚度大三倍，以改进如在专利文献1中公开的声波器件的频率-温度特性。
当压电基板12在室温下被接合在支撑基板10上时，压电基板12和支撑基板10之间的边界面变得平坦。从而，当IDT 17a激发表面声波时所激发的体波由压电基板12和支撑基板10之间的边界面的非晶层14反射。当所反射的体波到达IDT 17a时，其形成杂散。
如在专利文献1中公开的，为了减少由于体波的反射导致的杂散，使压电基板12的厚度比由IDT 17a激发的表面声波的波长大十倍。
为了减小声波器件的尺寸，还将考虑减小支撑基板10和压电基板12的总膜厚度T1+T2。图2A和图2B是当膜厚度T1+T2分别是150μm和100μ时支撑基板10的膜厚度T1和压电基板12的膜厚度T2关于频率的曲线图。为了减少由于体波导致的杂散，压电基板12的膜厚度T2被构造为比声波的波长λ大十倍。支撑基板10是蓝宝石基板，压电基板12是42°旋转的Y切割X传播钽酸锂基板，并且SH波的声速度是4000m/s。
如图2A和图2B中所示，随着频率减小，T1与T1+T2的比率减小。从而，禁止压电基板12的膨胀和收缩的支撑基板10的功能被干扰。例如，如专利文献1中所示，示出了T2/T1＝1/3的实线30。根据专利文献1，当压电基板12的膜厚度T2大于由实线30指示的厚度时，支撑基板的功能被干扰。当基板厚度T1+T2是150μm并且声波具有1000MHz或更小的频率时，支撑基板10是无功能的(non-functional)。当基板厚度T1+T2是100μm并且声波具有1500MHz或更小的频率时，支撑基板10是无功能的。如上所述，基板厚度T1+T2的减小使得难以保持支撑基板10的功能。
如上所述，难以减小专利文献1中公开的T1和T2之间的范围内的基板厚度。这是因为，当使得压电基板12的膜厚度是10λ或更小时，由于由边界面反射的体波所导致的杂散增加。
当支撑基板10和压电基板12是钽酸锂基板(如专利文献2中公开的)时，或者当介质层被插入在室温下不被接合在一起的支撑基板10和压电基板12之间(如专利文献3中公开的)时，不发生由于由边界面反射的体波所导致的杂散。专利文献3公开了由于SH波的高阶声波所导致的杂散。然而，由于SH波的高阶声波所导致的杂散看起来在比主响应大1.2至1.5倍的频率(由于SH波所导致的谐振频率和反谐振频率)处，并且不同于由于由边界面反射的体波在主响应中或者主响应的紧邻中发生的杂散。
发明人的研究揭示，当使压电基板12的膜厚度T2为λ或更小时，由于体波所导致的杂散减少。这挑战了专利文献1中公开的普遍认知。此后，将给出在实际使用梳状电极的声波器件的600MHz至3000MHz之间的频率处的研究结果的说明。
在以下条件下模拟关于频率的导纳。
支撑基板10：蓝宝石基板，厚度T1是无限的。
压电基板12：42°旋转的Y切割X传播钽酸锂基板，膜厚度T2是10λ、1λ、0.8λ和0.5λ。
IDT 17a：波长λ是4μm，电极指的占空比(线/(线+空间))是50％，对的数量是120对，并且孔径长度是30λ。
图3A至图3D是导纳相对频率的曲线图。频率是归一化的频率。如图3A中所示，当压电基板12具有10λ的厚度T2时，在高于谐振频率的频率处观察到由于体波导致的杂散32。如图3B中所示，当T2是1λ时，很难观察到由于体波导致的杂散32。如图3C和图3D中所示，当T2是0.8λ和0.5λ时，观察不到由于体波导致的杂散。如上所述，当使得压电基板12的膜厚度T2是λ或更小时，由于通过边界面反射体波导致的杂散减少。而且，当T2是0.8λ或更小时，进一步减少杂散。
然后，在以下条件下模拟关于频率的衰减。
支撑基板10：蓝宝石基板，厚度T2约为152μm。
压电基板12：42°旋转的Y切割X传播钽酸锂基板，在第一实施方式中，膜厚度T2是0.65λ，在第一比较示例中膜厚度T2是8.7λ。
IDT 17a：波长λ是4.6μm，电极指的占空比(线/(线+空间))是50％，对的数量是120对，并且孔径长度是30λ。
图4A和图4B是衰减相对频率的曲线图。图4B是图4A的放大图。如图4A和图4B中所示，在第一比较示例中，在高于反谐振频率的频率区域中出现杂散。在第一实施方式中，没有出现杂散。
如上所述，这揭示出，当使得压电基板12的膜厚度T2是λ或更小时，由于体波导致的杂散被减少。原因不清楚，但是可以认为是因为当T2是λ或更小时膜厚度方向上的体波的传播减少。
图5A至图5C是当膜厚度T1+T2分别是150μm、100μm和50μm时支撑基板10的膜厚度T1和压电基板12的膜厚度T2关于频率的曲线图。压电基板12的膜厚度T2是声波的波长λ。其它条件与图2A和图2B中的那些相同。
如图5A至图5C中所示，随着频率增加，T1与T1+T2的比率减小。然而，在任何频率处，T2都低于实线30。即，支撑基板10可以在任何频率处实现禁止压电基板12的膨胀和收缩的功能。如图5C中所示，甚至当T1+T2是50μm时，杂散减少，并且支撑基板10保持其功能。
对T1+T2约为150μm的样本进行温度循环测试。通过室温、-65℃、室温、+150℃和室温的循环重复1000次进行温度循环测试。第一实施方式和第一比较示例的膜厚度如下。
第一实施方式：T1＝150μm，T2＝3μm
第一比较示例：T1＝115μm，T2＝40μm
芯片尺寸：1.04mm×0.88mm(发送滤波器)、1.04mm×0.50mm(接收滤波器)
作为温度循环测试的结果，在第一比较示例中形成裂缝，但是在第一实施方式中没有形成裂缝。这是因为随着支撑基板11变得越薄，在支撑基板10中更容易形成裂缝，并且随着压电基板12变得越厚，来自压电基板12的热应力增加。
由支撑基板10和压电基板12之间的边界面反射体波的问题是当支撑基板10和压电基板12由不同材料(具有不同声阻抗)制成并且在室温下接合在一起时发生的唯一问题。当假设在压电基板12的膜厚度T2是λ或更小时由于体波导致的杂散减少的原因是因为体波在膜厚度方向上的传播减少时，支撑基板10可以不是蓝宝石基板，并且压电基板12可以不是钽酸锂基板。
如上所述，当由不同于支撑基板10的材料制成的压电基板12在室温下被接合在支撑基板10的上表面上时，由于由边界面反射的体波导致的杂散出现。第一实施方式将压电基板12的厚度T2配置为等于或者小于由梳状电极激发的声波(表面声波)的波长λ。该配置减少了由于由边界面反射的体波导致的杂散。
压电基板12的厚度T2优选地比波长λ大少于0.8倍，更优选地比波长λ大少于0.5倍。声波的波长λ可以是梳状电极的电极指的平均节距(电极指的平均节距是IDT的两倍)。
支撑基板10可以是例如硅基板、尖晶石基板、或者氧化铝基板。压电基板12可以是铌酸锂基板、晶体基板、或者硅酸镓镧基板。例如，硅具有3.9ppm/°的热膨胀系数。从而，当压电基板12是钽酸锂基板并且支撑基板10是蓝宝石基板时，声波器件的温度特性被改进。
当支撑基板10是蓝宝石基板并且压电基板12是钽酸锂基板时，支撑基板10和压电基板12的总厚度T1+T2可以是150μm或更小，如图5A中所示。另选地，如图5B和图5C中所示，T1+T2可以被配置成100μm或更小、或者50μm或更小。
为了减少由于温度循环测试导致的裂缝，T2/T2优选地是0.07或者更小，更优选地是0.05或更小，并且进一步优选地是0.03或更小。
支撑基板10可以包括多层。即，支撑基板10可以包括基板和由不同于基板的材料制成并且形成在基板上的层，并且压电基板12可以在室温下被接合在上表面上。在该情况下，压电基板12由不同于基板和层的材料制成。多层可以形成在基板上。
压电基板12和支撑基板10可以通过使用在日本专利申请公开No.2011-233651中公开的离子注入去除方法的方法被接合在一起。即，诸如氢的离子被注入到压电基板12的表面中。离子注入的表面和支撑基板10在室温下被接合在一起。然后，进行热处理。该处理去除压电基板12，同时留下期望厚度的表面。以上处理在室温下将压电基板12接合在支撑基板10上。
第二实施方式
第二实施方式使用第一实施方式的谐振器用于滤波器或者双工器。图6A是根据第二实施方式的梯形滤波器的电路图。如图6A中所示，串联谐振器S1至S4在输入端子In和输出端子Out之间串联连接。并联谐振器P1至P3在输入端子In和输出端子Out之间并联连接。串联谐振器S1至S4和并联谐振器P1至P3中的至少一个可以是第一实施方式的谐振器。串联谐振器和并联谐振器的数量和连接可以适当地配置。多模式滤波器可以采用第一实施方式的谐振器。
图6B是根据第二实施方式的变型例的多路复用器的框图。如图6B中所示，发送滤波器80连接在公共端子Ant和发送端子Tx之间。接收滤波器82连接在公共端子Ant和接收端子Rx之间。发送滤波器80将从发送天线Tx输入的信号中的在发送带内的信号发送到公共端子Ant并且抑制其它带中的信号。接收滤波器82发送从公共端子Ant输入的信号中的在接收带内的信号，并且抑制其它带中的信号。发送滤波器80和接收滤波器82中的至少一个可以是第二实施方式的滤波器。双工器被描述为多路复用器的示例，但是单纤三向器件(triplexer)或者单纤四向器件(quadplexer)中的至少一个可以是第二实施方式的滤波器。
第三实施方式是包括根据第二实施方式的梯形滤波器的示例性模块。图7是包括根据第三实施方式的模块的系统的框图。如图7中所示，该系统包括模块50、集成电路52和天线54。模块50包括单纤双向器件7、开关76、双工器60和功率放大器66。单纤双向器件70包括低通滤波器(LPF)72和高通滤波器(HPF)74。LPF 72连接在端子71和73之间。HPF 74连接在端子71和75之间。端子71连接至天线54。LPF 72允许由天线54发送/接收的信号中的低频率信号通过并且抑制高频信号。HPF74允许由天线54发送/接收的信号中的高频信号通过，并且抑制低频信号。
开关76将端子73连接至端子61中的一个。双工器60包括发送滤波器62和接收滤波器64。发送滤波器62连接在端子61和63之间。接收滤波器64连接在端子61和65之间。发送滤波器62允许发送带内的信号通过，并且抑制其它信号。接收滤波器64允许接收带内的信号通过并且抑制其它信号。功率放大器66放大并且输出发送信号。低噪声放大器68放大输出到端子65的接收信号。
双工器60的发送滤波器62和接收滤波器64中的至少一个是第二实施方式的滤波器。第三实施方式描述了用于移动通信端子的前端模块作为模块的示例，但是该模块可以是其它类型的模块。
虽然已经详细地描述了本发明的实施方式，但是将理解，可以在不脱离本发明的精神和范围的情况下作出多种改变、替换和更改。
Claims (4)
1.一种声波器件，所述声波器件包括：
支撑基板，该支撑基板是蓝宝石基板、硅基板、尖晶石基板或氧化铝基板；
压电基板，所述压电基板是钽酸锂基板，并且在室温下接合在所述支撑基板的上表面上并且由与所述支撑基板不同的材料制成；
梳状电极，所述梳状电极形成在所述压电基板的上表面上并且激发作为SH波的声波；以及
非晶层，所述非晶层形成在所述支撑基板与所述压电基板之间，与所述支撑基板和所述压电基板接触，并且具有1nm至8nm的厚度，
其中，所述压电基板的厚度小于所述声波的波长的0.8倍。
2.根据权利要求1所述的声波器件，其中
所述支撑基板和所述压电基板的总厚度是150μm或更小。
3.根据权利要求1或2所述的声波器件，所述声波器件还包括：
滤波器，所述滤波器包括所述梳状电极。
4.一种用于移动通信终端的模块，所述模块包括：
根据权利要求1至3中的任一项所述的声波器件。
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