CN107204750B - 声波器件 - Google Patents

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Abstract

一种声波器件，所述声波器件包括：压电基板，所述压电基板由单晶压电材料制成，并且包括第一区域和第二区域，所述第一区域包括上表面，所述第二区域位于所述第一区域下方并且具有小于所述第一区域的密度的密度；以及IDT，所述IDT位于所述压电基板的所述上表面上。

Description

声波器件
技术领域
本发明的特定方面涉及声波器件。
背景技术
在声波器件中，激励声波的叉指换能器(IDT)形成在压电基板上。压电基板例如是钽酸锂(LiTaO3)基板或者铌酸锂(LiNbO3)基板。当钽酸锂和铌酸锂中的Li组成是化学计量的时，将其称为化学计量组成(stoichiometry composition)。当Li组成略小于化学计量组成时，将其称为同成分组成(congruent composition)。大多数钽酸锂基板和铌酸锂基板具有同成分组成。
日本专利申请2013-66032号公报(专利文献1)描述了将锂扩散至具有同成分组成的基板的表面以在基板表面上形成具有化学计量组成的区域。日本专利申请2011-135245和2002-305426号公报(专利文献2和3)描述了将具有化学计量组成的压电基板用于声波器件。国际公开第2013/031651号(专利文献4)描述了将介电膜设置在压电膜下方。
为了降低声波器件的损失，需要降低由IDT激励的声波的泄漏。然而，在压电基板中不存在已知的用于降低声波器件的损失的优选结构。
发明内容
根据本发明的一个方面，提供了一种声波器件，所述声波器件包括：压电基板，所述压电基板由单晶压电材料制成，并且包括第一区域和第二区域，所述第一区域包括上表面，所述第二区域位于所述第一区域下方并且具有小于所述第一区域的密度的密度；以及IDT，所述IDT位于所述压电基板的所述上表面上。
附图说明
图1A是根据第一实施方式的声波谐振器的平面图，并且图1B是沿着图1A中的线A-A截取的截面图；
图2是压电基板的截面图，例示了在压电基板中的漏波和体波的图像；
图3是第一实施方式中的声速-压电基板中深度的图表；
图4A至图4D是例示了制造第一实施方式的声波谐振器的方法的截面图；
图5是根据第二实施方式的声波谐振器的截面图；
图6是第二实施方式中的声速-压电基板和支撑基板中深度的图表；
图7A至图7C是例示了根据第二实施方式的制造声波谐振器的方法的截面图；以及
图8A是根据第三实施方式的梯型滤波器的电路图，并且图8B是根据该第三实施方式的变型的复用器的框图。
具体实施方式
将参照附图对本发明的实施方式进行描述。
第一实施方式
声波谐振器将描述为声波器件。图1A是根据第一实施方式的声波谐振器的平面图，并且图1B是沿着图1A中的线A-A截取的截面图。如图1A和图1B中例示的，IDT 21和反射器22形成在压电基板10上。IDT 21和反射器22由形成在压电基板10上的金属膜12形成。IDT21包括彼此面对的一对梳状电极20。梳状电极20包括多个电极指14和电极指14连接至的汇流条18。这对梳状电极20布置为彼此面对，使得梳状电极20中的一个梳状电极的电极指14和另一个梳状电极的电极指14基本上按照交替的顺序进行布置。由IDT 21激励的声波主要在电极指14的排列方向上传播。电极指14的节距大致等于声波的波长λ。压电基板10是钽酸锂基板或者铌酸锂基板。金属膜12例如是铝膜、铜膜、钛膜、或者铬膜，或者由它们中的至少两种构成的复合膜。金属膜12例如具有100nm到400nm的膜厚度。
如图1B中例示的，压电基板10包括第一区域10a、第二区域10b、和第三区域10c。第一区域10a包括压电基板10的上表面。IDT 21和反射器22位于压电基板10的上表面上。第二区域10b位于第一区域10a下方。第三区域10c位于第一区域10a与第二区域10b之间。第一区域10a是具有同成分组成的区域。第二区域10b具有化学计量组成。第三区域10c是从同成分组成到化学计量组成的过渡区域。在化学计量组成中，锂与锂和钽(或者铌)的组成比(在下文中，描述为锂组成比)为49.5％或者更大且50.5％或者更小。在同成分组成中，锂组成比为49.5％或者更小。锂组成比例如为48％或者更大。在第一区域10a和第二区域10b中的每一个中，锂组成比基本上是恒定的。在第三区域10c中，锂组成比逐渐变化。可以不必设置第三区域10c。
例如，在使用漏波的声波器件中，由IDT 21激励的声波主要是漏波。除了表面声波之外，IDT 21发射体波。因为体波不会促成谐振，所以随着体波的能量增加，谐振器的损失增加。
图2是压电基板的截面图，例示了在压电基板中的漏波和体波的图像。在图2中，x1方向是漏波在压电基板10的表面上的传播方向，x2方向是在压电基板10的表面上的与x1方向垂直的方向，并且x3方向是压电基板10的深度方向。漏波的主位移分量是SH波。因此，漏波主要在x2方向上位移。另一方面，在将体波发射到压电基板10中的同时，漏波进行传播。体波的发射造成声波器件的损失。
图3是第一实施方式中的声速-压电基板中深度的图表。在下面的描述中，将重点放在体波的声速上，但是体波的声速与锂组成比之间的关系基本上和表面声波的声速与锂组成比之间的关系相同。因此，将仅对声速进行描述。在化学计量组成中的声速大于在同成分组成中的声速。因此，如图3中例示的，在第一区域10a中的声速小于在第二区域10b中的声速。在第三区域10c中，声速逐渐变化。声波的能量集中在声速低的区域中。例如，当使用漏波时，第一区域10a与第二区域10b之间的边界被构造为基本上位于图2中的漏波与体波之间。这种结构抑制了体波的发射，因为在深区域中，体波的速度快。因此，能量集中在第一区域10a中。因此，可以改善声波谐振器的插入损失。
通过线性聚焦束声学显微镜在42°旋转Y切割X传播钽酸锂基板中测得的瑞利波的声速在同成分组成中大约为3125米/秒，而在化学计量组成中大约为3170米/秒。表面声波的声速与(弹性模量/密度)的平方根成比例。弹性模量与杨氏模量和泊松比有关。在化学计量组成与同成分组成之间，杨氏模量和泊松比大致相同。相比之下，同成分组成的密度大于化学计量组成的密度。例如，在钽酸锂基板中，同成分组成的密度为7454kg/m3，而化学计量组成的密度为7420kg/m3到7440kg/m3。结果，在化学计量组成中的声速大于在同成分组成中的声速。
在专利文献4中，位于铌酸锂基板下方的是介电膜，诸如，氧化硅膜或者氮化硅膜。氧化硅膜或者氮化硅膜具有大于铌酸锂的声速的声速。然而，在这种结构中，体波被铌酸锂基板与介电膜之间的边界面反射。因此，出现了由于体波而造成的乱真(spurious)。另一方面，第一实施方式通过使密度在单晶压电材料中不同来提供第一区域10a和第二区域10b，在该第一区域10a中，声速高，在该第二区域10b中，声速低。这种结构可以在不使体波被反射的情况下将声波限制在第二区域10b中。
在第一实施方式中，压电基板10由单晶压电材料制成，并且包括第一区域10a和第二区域10b，该第一区域10a包括上表面，该第二区域10b位于第一区域10a下方并且具有小于第一区域10a的密度的密度。IDT 21位于压电基板10的上表面上。这种结构使体波的能量集中在第一区域10a中，从而改善声波器件的插入损失。可以通过X-射线衍射法从锂组成比估计第一区域10a和10b的密度。
另外，在第二区域10b中的声波的速度大于在第一区域10a中的声波的速度。这种结构允许将体波的能量集中在第一区域10a中。
此外，当压电基板10是钽酸锂基板或者铌酸锂基板时，第一区域10a具有同成分组成，并且第二区域10b具有化学计量组成。这种结构可以使在第二区域10b中的声波的速度大于在第一区域10a中的声波的速度。
位于第一区域10a与第二区域10b之间的是第三区域10c，第三区域10c的密度从第一区域10a到第二区域10b变化。这种结构可以抑制由于密度的急速变化而造成的体波的反射。
第一区域10a的厚度优选地等于或者大于IDT 21中的电极指14的节距λ。表面声波能量集中在从压电基板10的上表面到大约为λ的深度的区域中。因此，当第一区域10a的厚度小于λ时，表面声波衰减。因此，第一区域10a的厚度优选地等于或者大于IDT 21中的电极指14的节距λ。第一区域10a的厚度优选地为2λ或者更大，更优选地为5λ或者更大。为了将体波的能量集中在第一区域10a中，第一区域10a的厚度优选地为20λ或者更小，更优选地为10λ或者更小。
为了将体波的能量集中在第一区域10a中，第二区域10b的厚度优选地为10λ或者更大，更优选地为20λ或者更大。为了抑制体波的反射，第三区域10c的厚度优选地为1λ或者更大，更优选地为2λ或者更大。为了将体波的能量集中在第一区域10a中，第三区域10c的厚度优选地为5λ或者更小，更优选地为10λ或者更小。
已经描述了在第一区域10a和第二区域10b中的每一个中锂组成(即，密度)大致恒定的示例性情况，但是在第一区域10a和第二区域10b的每一个中，锂组成(密度)可以在厚度方向上倾斜。例如，仅要求第一区域10a的平均密度大于第二区域10b的平均密度。
接着将对第一实施方式的制造方法进行描述。图4A至图4D是例示了根据第一实施方式的制造声波谐振器的方法的截面图。如图4A中例示的，制备具有同成分组成的压电基板10d。制备钽酸锂基板或者铌酸锂基板作为压电基板10d。
如图4B中例示的，通过将锂扩散至压电基板10d的上表面和下表面来形成具有化学计量组成的第二区域10b。作为将锂扩散的方法，例如利用在专利文献1中公开的方法。在第二区域10b之间的区域变成具有同成分组成的第一区域10a。在第一区域10a与第二区域10b之间形成的是第三区域10c，该第三区域10c的锂组成逐渐变化。上述处理形成压电基板10e。可以通过将锂仅扩散至压电基板10d的下表面和上表面中的下表面，来将第一区域10a仅形成在上表面和下表面中的下表面上。
如图4C中例示的，对压电基板10的上表面进行抛光以露出第一区域10a。该处理形成包括第一区域10a、第二区域10b和第三区域10c的压电基板10。如图4D中例示的，在压电基板10的上表面上形成金属膜12。IDT 21和反射器22由金属膜12形成。通过例如蒸发和剥离来形成金属膜12。可以通过溅射和蚀刻来形成金属层12。然后，执行通过切割等分离成各个芯片。
第二实施方式
图5是根据第二实施方式的声波谐振器的截面图。如图5中例示的，支撑基板11的上表面和压电基板10的下表面接合在一起。压电基板10和支撑基板11的接合表面是平面并且是平坦的。支撑基板11例如是绝缘基板(诸如，蓝宝石基板、氧化铝基板、或者尖晶石基板)或者半导体基板(诸如，硅基板)。
图6是第二实施方式中的声速-压电基板和支撑基板中深度的图表。如图6中例示的，支撑基板11的声速大于在第二区域10b中的声速。因此，相比于第一实施方式，在第一区域10a中体波的能量集中得更多。因此，可以进一步改善声波器件的插入损失。
如上所述，在第二实施方式中，支撑基板11接合在第二区域10b下方并且具有大于在第二区域10b中的声速的声速。这种结构可以进一步改善声波器件的插入损失。另外，通过使支撑基板11的线性热膨胀系数小于压电基板10的线性热膨胀系数，可以降低声波器件的频率温度依赖性。
图7A至图7C是例示了根据第二实施方式的制造声波谐振器的方法的截面图。如图7A中例示的，将第一实施方式的图4B中的压电基板10e接合到支撑基板11上。
将对压电基板10e和支撑基板11的接合示例进行描述。用惰性气体的离子束、中性束、或者等离子体照射支撑基板11的上表面和压电基板10e的下表面。该处理在支撑基板11的上表面和压电基板10e的下表面上形成厚度为几纳米的非晶层。在非晶层的表面上形成悬空键。悬空键的存在使支撑基板11的上表面和压电基板10e的下表面处于活性状态。在支撑基板11的上表面上的悬空键结合至在压电基板10e的下表面上的悬空键。因此，支撑基板11和压电基板10e在常温下接合在一起。非晶层一体形成在接合的支撑基板11与接合的压电基板10e之间。非晶层具有例如1nm到8nm的厚度。
如图7B中例示的，对压电基板10e的上表面进行抛光，使得露出第一区域10a。如图7C中例示的，如在图4D中一样，形成由金属膜12形成的IDT 21和反射器22。然后，可以对支撑基板11的下表面进行抛光。此后，执行通过切割等分离成各个芯片。
第三实施方式
第三实施方式针对滤波器或者双工器使用第一实施方式和第二实施方式中的任何一个实施方式的声波谐振器。图8A是根据第三实施方式的梯型滤波器的电路图。如图8A中例示的，串联谐振器S1至S4串联连接在输入端子In与输出端子Out之间。并联谐振器P1至P3并联连接在输入端子In与输出端子Out之间。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或者第二实施方式的声波谐振器。可以适当地设计串联谐振器和并联谐振器的数量和连接。第一实施方式或第二实施方式的声波谐振器可以用于多模滤波器。
图8B是根据第三实施方式的变型的复用器的框图。如图8B中例示的，发送滤波器80连接在公共端子Ant与发送端子Tx之间。接收滤波器82连接在公共端子Ant与接收端子Rx之间。在从发送端子Tx输入的信号中，发送滤波器80将发送带中的信号发送至公共端子Ant，并且抑制其它带中的信号。在从公共端子Ant输入的信号中，接收滤波器82允许接收带中的信号通过，并且抑制其它带中的信号。发送滤波器80或者接收滤波器82中的至少一个可以是第三实施方式的滤波器。已经将双工器描述为复用器，但是三工器或者四工器中的至少一个滤波器可以是第三实施方式的滤波器。
尽管已经对本发明的实施方式进行了详细描述，但是要理解，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以进行各种改变、替换和更改。

Claims (7)

1.一种声波器件，所述声波器件包括：
压电基板，所述压电基板由单晶压电材料制成，并且包括第一区域和第二区域，所述第一区域包括上表面，所述第二区域位于所述第一区域下方并且具有小于所述第一区域的密度的密度；以及
IDT，所述IDT位于所述压电基板的所述上表面上，
其中，
所述压电基板是单晶钽酸锂基板，所述单晶钽酸锂基板的所述第一区域具有同成分组成，并且所述单晶钽酸锂基板的所述第二区域具有化学计量组成，或者
所述压电基板是单晶铌酸锂基板，所述单晶铌酸锂基板的所述第一区域具有同成分组成，并且所述单晶铌酸锂基板的所述第二区域具有化学计量组成。
2.根据权利要求1所述的声波器件，其中，
所述第二区域中的声速大于所述第一区域中的声速。
3.根据权利要求1或者2所述的声波器件，其中，
所述压电基板包括第三区域，所述第三区域位于所述第一区域与所述第二区域之间，并且所述第三区域的密度从所述第一区域到所述第二区域变化。
4.根据权利要求1或者2所述的声波器件，所述声波器件还包括：
支撑基板，所述支撑基板接合在所述第二区域下方并且具有大于所述第二区域中的声速的声速。
5.根据权利要求1或者2所述的声波器件，其中，
所述第一区域的厚度等于或者大于所述IDT中的电极指的节距。
6.根据权利要求1或者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IDT。
7.根据权利要求6所述的声波器件，所述声波器件还包括：
复用器，所述复用器包括所述滤波器。
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