CN107404302B - 具有用于抑制假信号响应的吸收层的复合表面声波saw装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及具有用于抑制假信号响应的吸收层的复合表面声波SAW装置。所述SAW装置包含：基底衬底；压电材料层；至少一个叉指电极对，其安置于所述压电材料层上；及声波抑制层，其安置于所述压电材料层与所述基底衬底之间，所述声波抑制层经配置以抑制在从所述压电材料层到所述基底衬底的方向上传播的声波。
Description
技术领域
本发明涉及复合表面声波(saw)装置。
背景技术
表面声波(SAW)装置广泛用于RF及微波通信装置(例如，移动电话)中的谐振器、带通滤波器、双工器及变压器中。
图1是SAW装置100的示意性说明。SAW装置100包含形成于压电衬底上的第一叉指换能器(IDT)电极对140及第二叉指换能器(IDT)电极对150。表面声波可由跨越IDT电极对140施加电信号的信号产生器10激发。跨越IDT电极对150从传递的表面声波对应地产生电信号。
图2说明SAW装置200的实例的部分的横截面。SAW装置200包含基底衬底230及安置于基底衬底230的顶部上的第一电极242及第二电极244。基底衬底230由压电材料(例如(举例来说)，钽酸锂(LiTaO3-在下文中被简称为LT)或铌酸锂(LiNbO3-在下文中被简称为LN))制成。第一电极242及第二电极244包括导电材料(例如，金或铝)且可为如图2中所说明的IDT电极对的部分。显著地，第一电极242及第二电极244仅表示形成图1中所展示的IDT电极对的多个电极140或150中的一对。SAW装置的操作为所属领域的技术人员所众所周知，且因此，本文将不再重述。
SAW装置持续追求更高性能，这是因为对其中嵌入SAW装置的装置的性能需求变得更加迫切。举例来说，近年来，已希望提供具有增强的温度稳定性的SAW装置，这是因为频率的改变可改变SAW装置的频率特性。特定来说，对于SAW滤波器，温度的改变可改变SAW滤波器的通带频率范围。
如所知，具有较大机电耦合系数的压电材料对实现宽滤波器特性是有利的。LT及LN是具有较大机电耦合系数的压电材料的实例。然而，仍旧期望LT及LN的温度稳定性。似乎存在特性不兼容的一般倾向，使得具有较大机电耦合系数的压电材料(例如，LT及LN)具有相对不良的温度稳定性，而具有良好温度稳定性的压电材料(例如，石英晶体)具有相对较小的机电耦合系数。
因此，已开发运用混合或复合衬底结构的SAW装置。
图3说明具有所谓的复合衬底302的SAW装置300的实例的部分的横截面。特定来说，SAW装置300包含包括具有第一材料的基底衬底310的复合衬底302及安置于基底衬底310上且紧邻基底衬底310的压电材料层330。SAW装置进一步包含安置于压电材料层330的顶部上的第一电极342及第二电极344。
压电材料层330由压电材料制成，且有利地为具有较大机电耦合系数的压电材料，例如LT或LN。基底层310由不同于压电材料层330的材料制成，且有利地为具有相对较低的热膨胀系数(至少低于压电材料层330的热膨胀系数)的材料。第一电极342及第二电极344包括导电材料(例如，金或铝)，且可为一对叉指换能器的部分，通过所述换能器，信号从输入换能器传播到输出换能器。
总的来说，当与SAW 200相比时，SAW 300可展现一些有形益处，例如，改进的热性能、一些温度补偿及低于其基本操作频率的改进的质量因子(“Q”)。
然而，一般来说，不幸地，含具有其复合衬底302的SAW装置300的一般结构的SAW装置通常倾向于在高于其串联谐振频率Fs的频率下展现假信号响应或“喀啦声”。
举例来说，图4标绘SAW装置300的实例的模拟全局导纳频率响应的实例，其中压电材料层330包括LT且具有20μm的厚度，且基底衬底310包括具有20μm或更大的厚度的硅(Si)。如图4中所见，导纳频率响应在大约759MHz的串联谐振频率下具有峰值410(其是所期望的响应)。然而，导纳频率响应在高于Fs的频率下还具有许多假信号响应或“喀啦声”420。
这些假信号响应或“喀啦声”是不合意的。举例来说，如果SAW装置是带通滤波器，那么落于假信号响应中的一者的频率的任何非所要信号可穿过SAW滤波器而无所期望的衰减等级。
因此，需要可展现较大机电耦合系数、良好温度稳定性及低水平的假信号响应或“喀啦声”的SAW装置。
发明内容
在本发明概念的一个方面中，一种表面声波(SAW)装置包括：基底衬底；压电材料层；至少一个叉指电极对，其安置于所述压电材料层上；及声波抑制层，其安置于所述压电材料层与所述基底衬底之间，所述声波抑制层经配置以抑制声波在从所述压电材料层到所述基底衬底的方向上传播。
在一或多个实施例中，所述压电材料层具有第一剪切速度，且所述基底衬底具有第二剪切速度，且所述声波抑制层具有小于所述第一剪切速度且小于所述第二剪切速度的第三剪切速度。
在一或多个实施例中，所述声波抑制层包括电介质层。
在一或多个实施例中，所述声波抑制层包括硅低k树脂及掺杂碳的氧化硅中的至少一者。
在一或多个实施例中，所述声波抑制层包括经掺杂的压电材料层，其掺杂有杂质，所述杂质对在从所述压电材料层到所述基底衬底的所述方向上传播的所述声波造成粘滞损失。
在一或多个实施例中，所述杂质包括氢或氧。
在一或多个实施例中，所述基底衬底包括硅或蓝宝石中的一者。
在一或多个实施例中，所述压电材料层包括LiNbO3或LiTaO3中的一者。
在一或多个实施例中，所述SAW装置进一步包括：温度补偿材料层，其安置于所述至少一个叉指电极对与所述压电材料层之间，或安置于所述至少一个叉指电极对及所述压电材料层上。
在本发明概念的另一方面中，一种表面声波(SAW)装置，其包括：基底衬底，其包括硅或蓝宝石；声波吸收层，其安置于所述基底衬底上；压电材料层，其安置于所述声波吸收层上，所述压电材料层包括LiNbO3或LiTaO3；及至少一个叉指电极对，其安置于所述压电材料层上，所述电极对包括导电材料，其中所述声波吸收层包括一种材料，其具有在所述声波吸收层内大体上俘获在从所述压电材料层到所述基底衬底的方向上传播的声波的性质。
在一或多个实施例中，所述压电材料层具有第一剪切速度，且所述基底衬底具有第二剪切速度，且所述声波吸收层具有小于所述第一剪切速度且小于所述第二剪切速度的第三剪切速度。
在一或多个实施例中，所述声波吸收层包括电介质层。
在一或多个实施例中，所述声波抑制层包括硅低k树脂及掺杂碳的氧化硅中的至少一者。
在一或多个实施例中，所述SAW装置进一步包含：未经掺杂的硅玻璃USG层，其安置于所述至少一个叉指电极对与所述压电材料层之间，或安置于所述至少一个叉指电极对及所述压电材料层上。
在本发明概念的另一方面中，一种产生表面声波SAW装置的方法，其包括：提供基底衬底；在所述基底衬底上提供声波抑制层及压电材料层，其中所述声波抑制层被提供于所述压电材料层与所述基底衬底之间；及在所述压电材料层上形成至少一个叉指电极对，其中所述声波抑制层经配置以抑制声波在从所述压电材料层到所述基底衬底的方向上传播。
在一或多个实施例中，所述基底衬底包括硅或蓝宝石中的一者。
在一或多个实施例中，所述声波抑制层包括硅低k树脂及掺杂碳的氧化硅中的至少一者。
在一或多个实施例中，在所述基底衬底上掺杂所述声波抑制层及所述压电材料层包括：使所述压电材料层掺杂有对在所述压电材料层中传播的所述声波造成粘滞损失的杂质以产生所述声波抑制层；及将具有其上形成有所述声波抑制层的所述压电材料层接合到所述基底衬底，使得所述声波抑制层被安置于所述压电材料层与所述基底衬底之间。
在一或多个实施例中，掺杂所述压电材料层以产生所述声波抑制层包括：从所述压电材料层的背侧植入氢或氧。
在一或多个实施例中，在所述基底衬底上提供所述声波抑制层及所述压电材料层包括：将所述声波抑制层沉积于所述基底衬底上；及将所述压电材料层接合到其上安置有所述声波抑制层的所述基底衬底。
附图说明
当结合附图阅读时，从以下详细描述更好地理解实例实施例。应强调的是，各种特征不一定是按比例绘制。事实上，为了清楚地论述，可随意增大或减小尺寸。在可应用及实践的情况下，相似的参考数字指代相似元件。
图1是SAW装置的示意性说明。
图2说明SAW装置的实例的部分的横截面。
图3说明具有复合衬底的SAW装置的实例的部分的横截面。
图4标绘实例SAW装置的全局导纳频率响应的实例。
图5说明具有声波抑制层的SAW装置的一个实施例的部分的横截面。
图6说明具有声波抑制层的SAW装置的另一实施例的部分的横截面。
图7A、7B、7C及7D是说明制造具有声波抑制层的SAW装置的方法的一个实施例的横截面图。
图8A、8B、8C及8D是说明制造具有声波抑制层的SAW装置的方法的另一实施例的横截面图。
图9A、9B、9C及9D是说明制造具有声波抑制层的SAW装置的方法的又一实施例的横截面图。
图10A、10B、10C及10D是说明制造具有声波抑制层的SAW装置的方法的又另一实施例的横截面图。
图11标绘具有声波抑制层的实例SAW装置的全局导纳频率响应的实例。
图12重叠图4及11的标绘图。
具体实施方式
在以下详细描述中，出于解释而非限制的目的，陈述揭示特定细节的实例实施例以便提供根据本教示的实施例的透彻理解。然而，受益于本发明的所属领域的一般技术人员将明白，根据本教示的背离本文所揭示的特定细节的其它实施例仍在所附权利要求书的范围内。此外，可省略对众所周知的设备及方法的描述以便不使实例实施例的描述不模糊。此类方法及设备清楚地在本教示的范围内。
应理解，本文所使用的术语仅出于描述特定实施例的目的，且不希望具限制性。所定义的术语是对如本教示的技术领域中通常所理解及接受的术语的技术及科技含义的补充。
如说明书及所附权利要求书中所使用，术语‘一’及‘所述’包含单数与复数指示物两者，除非上下文另外明确指示。因此，举例来说，‘一装置’包含一个装置及多个装置。
如说明书及所附权利要求书中所使用，且除其普通含义外，术语‘大体上’意味着在可接受的限制或程度内。
如说明书及所附权利要求书中所使用，且除其普通含义外，术语‘近似’意味着在所属领域的一般技术人员可接受的限制或量内。举例来说，‘近似相同’意味着所属领域的一般技术人员将认为被拿来比较的物品是相同的。如说明书及所附权利要求书中所使用，且除其普通含义外，术语‘大约’意味着在10％内。
一般来说，应理解，本文描绘的图式及各种元件并非按比例绘制。此外，相对术语，例如“上方”、“下方”、“顶部”、“底部”、“上”及“下”可用于描述各种元件与彼此的关系，如附图中所说明。应理解，这些相对术语希望涵盖装置及/或元件除图式中所描绘的定向外的不同定向。举例来说，如果装置相对于图式中的视图反转，那么被描述为在“另一元件”上方的元件(例如)现将处于那个元件下方。
不希望受任何特定理论限定，本发明者已从理论上说明：如上文关于图4描述的Fs之上的假信号响应或“喀啦声”的形成可依据随着频率在周期性电压驱动条件下增大到高于某个截止频率而失去的对能量的表面约束来解释。传播到压电材料层中的声波经历与从压电/基底衬底界面(例如，LT/Si界面)反射的波的相长干涉/相消干涉，从而形成S-表中的喀啦声。此外，对于硅衬底，全内反射发生在LT/Si界面处，从而防止能量传播到Si衬底中。显著地，如果允许声波能量传播到Si衬底中而不是从LT/Si界面反射，那么其可能导致较弱喀啦声或消散的喀拉声。
图5说明具有声波抑制层的SAW装置500的一个实施例的部分的横截面。SAW装置500包含复合衬底502，其包括：基底衬底510；安置于基底衬底510上的声波抑制层520；及安置于声波抑制层520上的压电材料层530。SAW装置500还包含安置于压电材料层530上的至少一个叉指电极对542/544。
在一些实施例中，基底衬底510可包括硅、蓝宝石(即，Al2O3)或玻璃。
在一些实施例中，压电材料层530可包括钛酸锂(LiTaO3-在下文被简称为LT)或铌酸锂(LiNbO3-在下文被简称为LN)。
电极对542/544可为具有几十乃至几百个“指状物”的叉指换能器中的两个指状物。电极542及544包括导电材料，例如，金或铝。电极542与电极544之间的距离D可为λ/2，其中λ是声波在SAW装置500中的波长。
有利地，声波抑制层520可包括电介质。
在SAW装置500中，声波抑制层520是声波吸收层525，其包括具有大体上在声波吸收层525内俘获在从压电材料层530到基底衬底510的方向上传播的声波的性质，由此减小假信号响应或“喀啦声”。举例来说，在一些实施例中，声波吸收层525可经选择，使得当压电材料层530具有第一剪切速度，且基底衬底510具有第二剪切速度，接着，声波吸收层525具有小于第一剪切速度且小于第二剪切速度的第三剪切速度。因此，在从压电材料层530朝向基底衬底510的方向上传播的声波可有效地耦合到声波吸收层525中，但不能有效地从声波吸收层525耦合到压电材料层530或基底衬底510中，由此被俘获到声波吸收层525内。
在实施例中，声波吸收层525可包括硅低k树脂材料，例如由
制造并销售的SiLKTM半导体电介质树脂材料。在一些实施例中，声波吸收层525可包括掺杂碳的氧化硅(CDO)，例如CDO26及CDO40。在本文，出于说明目的，CDO26指定材料层，其中CDO材料在2.6托的气压下被沉积到基底衬底510(例如，Si)，且CDO40指定材料层，其中CDO材料在4.0托的气压下被沉积到基底衬底510上。当然，其它沉积条件是可能的，从而导致CDO材料具有稍微不同的声学特性。在其它实施例中，声波吸收层525可采用其它材料。
在2013年3月5日颁予詹妮尔(Jamneala)等人的美国专利8,390,397及颁予基尔伯特(Gilbert)等人的美国专利8,587,391(所述两个美国专利以引用方式并入本文中)描述关于生产包含SiLKTM及CDO材料层的装置的方法的一些细节。
下文表1列出可用于SAW装置500的各种实施例中的一些材料的一些估计的特性。
表1
在表1中，VL指定声波在材料中的纵向速度，VL指定声波在材料中的剪切速度，ZL指定材料的纵向阻抗，且ZS指定材料的剪切阻抗。以mega-Rayls(MR)提供声阻抗ZL及ZS的值。如表1中可见，SiLK、CDO26及CDO 40的剪切速度全都小于硅、蓝宝石、LiTaO3、42度LiTaO3及LiNbO3的剪切速度。
在有利的实施例中，声波吸收层525可具有大于大约1.7km/sec的剪切速度(VS)，且剪切阻抗(ZS)大于大约1.7MR。
在一些实施例中，压电材料层530(例如，LN)可具有大约10μm的厚度，声波吸收层525(例如，CDO)可具有大约10μm的厚度，且基底衬底510(例如，Si)可具有大约20μm或更大的厚度。其它实施例可具有其它厚度。
图6说明具有声波抑制层的SAW装置600的另一实施例的部分的横截面。SAW装置600包含复合衬底602，其包括：基底衬底510及安置于基底衬底510上的压电材料层530，其中压电材料层530的底部部分形成声波抑制层620。SAW装置600还包含安置于压电材料层530上的至少一个叉指电极对542/544。
基底衬底510、压电材料层530及电极对542/544可与图5中所展示且上文所描述的相同，且将不再重复对其的描述。
在SAW装置600中，声波抑制层620包括经掺杂的压电材料层625，其掺杂有杂质，所述杂质对在从所述压电材料层到所述基底衬底的方向上传播的声波造成粘滞损失。特定来说，经掺杂的压电材料层625可包括压电材料层530(例如，LiTaO3)的下部分，其已被掺杂有一或多种杂质，其可显著增加压电材料的粘度损失而不会实质上影响其密度或材料上的声速，使得来自在从压电材料层530到基底衬底510的方向上传播的声波的能量可被吸收，由此减少假信号响应或“喀啦声”。在一些实施例中，杂质可包括氧或氢。
图7A、7B、7C及7D是说明制造具有声波抑制层的SAW装置700的方法的一个实施例的横截面图。在本文，SAW装置700可为SAW装置500的一个版本或变体。
如图7A中所说明，提供基底衬底710，且使声波抑制层720形成于基底衬底710上。在本文，基底衬底710可与上文所描述的基底衬底510相同，且声波抑制层720可与上文所描述的声波抑制层520及声波吸收层525相同。
图7B说明将压电材料层730接合到声波抑制层720及基底衬底710。在本文，压电材料层730可与上文描述的压电材料层530相同。
图7C说明在压电材料层730上形成温度补偿材料层702。温度补偿材料层702可为压电材料层730提供一些温度补偿。在一些实施例中，温度补偿材料层702可为未经掺杂的硅玻璃(USG)材料层。
图7D说明在温度补偿材料层702及压电材料层730上形成至少一个叉指电极对742及744。
图8A、8B、8C及8D是说明制造具有声波抑制层的SAW装置800的方法的另一实施例的横截面图。在本文，SAW装置800可为SAW装置500的一个版本或变体。
图8A及8B中说明的操作与上文图7A及7B中所说明的操作相同，且将不再重复对其进行描述。
图8C说明在压电材料层730上形成至少一个叉指电极对842及844。
图8D说明在叉指电极对842及844及压电材料层730上形成温度补偿材料层802。温度补偿材料层802可为压电材料层730提供一些温度补偿。在一些实施例中，温度补偿材料层802可为未经掺杂的硅玻璃(USG)材料层。
图9A、9B、9C及9D是说明制造具有声波抑制层的SAW装置900的方法的又一实施例的横截面图。在本文，SAW装置900可为SAW装置600的一个版本或变体。
图9A说明在压电材料层930的背侧上形成声波抑制层920的过程。在本文，声波抑制层920可与声波抑制层620相同。特定来说，图9A说明将杂质植入到压电材料层930的背侧中以产生声波抑制层920作为经掺杂的压电材料层(例如，上文描述的经掺杂的压电材料层625)的操作。在一些实施例中，杂质可包括氧或氢。
如图9B中所说明，提供基底衬底910，且将压电材料层930接合到基底衬底910。在本文，基底衬底910可与上文所描述的基底衬底510相同，且压电材料层930可与上文描述的压电材料层530相同。
在2015年9月26日申请的第14/866,273号、2015年9月26日申请的第14/866,394号、2016年1月28日申请的第15/009,801号共同待决的美国专利申请案(全都是以史蒂芬·基尔伯特(Stephen Gilbert)等人的名义)中描述将压电材料层(例如，压电材料层930)接合到基底衬底(例如，基底衬底)的方法。这些专利申请案中的每一者的全部揭示内容特此以引用方式并入本文中。
图9C说明在压电材料层930上形成温度补偿材料层902。温度补偿材料层902可为压电材料层930提供一些温度补偿。在一些实施例中，温度补偿材料层902可为未经掺杂的硅玻璃(USG)材料层。
图9D说明在温度补偿材料层902及压电材料层930上形成至少一个叉指电极对942及944。
图10A、10B、10C及10D是说明制造具有声波抑制层的SAW装置1000的方法的又另一实施例的横截面图。在本文，SAW装置1000可为SAW装置600的一个版本或变体。
图10A及10B中所说明的操作与上文图9A及9B中所说明的操作相同，且将不再重复对其进行描述。
图10C说明在压电材料层930上形成至少一个叉指电极对1042及1044。
图10D说明在叉指电极对1042及1044及压电材料层930上形成温度补偿材料层1002。温度补偿材料层1002可为压电材料层930提供一些温度补偿。在一些实施例中，温度补偿材料层1002可为未经掺杂的硅玻璃(USG)材料层。
图11标绘具有如上文所描述的声波抑制层的实例SAW装置(例如，SAW装置500)的模拟全局导纳频率响应1100的实例。
图12重叠图4的全局导纳频率响应400及图11的全局导纳频率响应1100的标绘图。
比较全局导纳频率响应400与全局导纳频率响应1100，可见：假信号响应或喀啦声420可通过如上文描述在压电材料层与基底衬底层之间添加经配置以抑制在从压电材料层到基底衬底的方向上传播的声波的声波抑制层来完全或大体上消除。因此，还可增强包含此SAW装置(例如，移动电话中的通信接收器或收发器)的设备的性能特性。
虽然本文揭示实例实施例，但所属领域的一般技术人员应了解，根据本教示的许多变化是可能的且仍在所附权利要求书的范围内。因此，实施例除在所附权利要求书的范围内外，不受限制。
Claims (14)
1.一种表面声波SAW装置，其包括：
基底衬底，其包括硅或蓝宝石；
声波吸收层，其安置于所述基底衬底上；
压电材料层，其安置于所述声波吸收层上，所述压电材料层包括LiNbO3或LiTaO3；及
至少一个叉指电极对，其安置于所述压电材料层上，所述至少一个叉指电极对包括导电材料；
未经掺杂的硅玻璃USG层，所述USG层安置于所述至少一个叉指电极对与所述压电材料层之间；或安置于所述至少一个叉指电极对及所述压电材料层上，
其中所述声波吸收层包括一种材料，所述材料具有在所述声波吸收层内大体上俘获在从所述压电材料层到所述基底衬底的方向上传播的声波的性质。
2.根据权利要求1所述的SAW装置，其中所述压电材料层具有第一剪切速度，且所述基底衬底具有第二剪切速度，且所述声波吸收层具有小于所述第一剪切速度且小于所述第二剪切速度的第三剪切速度。
3.根据权利要求1所述的SAW装置，其中所述声波吸收层包括电介质层。
4.根据权利要求1所述的SAW装置，其中所述声波吸收层包括硅低k树脂及掺杂碳的氧化硅中的至少一者。
5.根据权利要求1所述的SAW装置，其中所述基底衬底包括硅基底衬底或蓝宝石基底衬底中的一者。
6.根据权利要求1所述的SAW装置，其进一步包括温度补偿材料层，所述温度补偿材料层安置于所述至少一个叉指电极对与所述压电材料层之间，或安置于所述至少一个叉指电极对及所述压电材料层上。
7.一种表面声波SAW装置，其包括：
基底衬底；
压电材料层；
至少一个叉指电极对，其安置于所述压电材料层上；以及
声波抑制层，其安置于所述压电材料层与所述基底衬底之间，所述声波抑制层为掺杂有杂质的经掺杂的压电材料层，所述杂质对在从所述压电材料层到所述基底衬底的方向上传播的表面声波造成粘滞损失，其中所述声波抑制层经配置以抑制在从所述压电材料层到所述基底衬底的方向上传播的声波。
8.根据权利要求7所述的SAW装置，其中所述杂质包括氢或氧。
9.根据权利要求7所述的SAW装置，其中所述压电材料层具有第一剪切速度，且所述基底衬底具有第二剪切速度，且所述声波抑制层具有小于所述第一剪切速度且小于所述第二剪切速度的第三剪切速度。
10.根据权利要求7所述的SAW装置，其中所述基底衬底包括硅基底衬底或蓝宝石基底衬底中的一者。
11.根据权利要求7所述的SAW装置，其中所述压电材料层包括LiNbO3或LiTaO3中的一者。
12.根据权利要求7所述的SAW装置，其进一步包括温度补偿材料层，所述温度补偿材料层安置于所述至少一个叉指电极对与所述压电材料层之间，或安置于所述至少一个叉指电极对及所述压电材料层上。
13.根据权利要求7所述的SAW装置，其中所述声波抑制层包括电介质层。
14.根据权利要求7所述的SAW装置，其中所述声波抑制层包括硅低k树脂及掺杂碳的氧化硅中的至少一者。
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