CN109616569A - Saw器件及制造方法以及包括其的电子电路和电子器件 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种使表面声波(SAW)器件的谐振频率的不均匀性降低的方法，该SAW器件包括通过反应溅射沉积在压电基底上的叉指式换能器上的含硅的氧化物的硅氧化物层。该方法包括：将具有叉指式换能器的压电基底定位在基底支撑件上；随后，在所述压电基底和所述叉指式换能器上沉积含硅的氧化物的硅氧化物层以形成SAW器件。所述基底支撑件相对于溅射靶定位，从而所述SAW器件的硅氧化物层具有11埃或更低的算术平均表面粗糙度(Ra)。本发明还涉及该表面声波器件、包括其的电子电路以及电子器件。
Description
技术领域
本发明涉及表面声波(SAW)器件，例如温度补偿的SAW器件(TC-SAW)以及制造SAW器件的方法。
背景技术
表面声波(SAW)器件，例如滤波器是智能手机和平板电脑等器件的RF前端的关键部件。SAW器件以高选择性、低功耗和小尺寸提供了便宜且可靠的RF滤波。现代多频段智能手机可包含10个或更多个SAW器件，并且该数字只会随着每个新款智能手机的发布而有所增加。随着对SAW器件需求的增加，以至于对组成膜的生产方面需要更严格的控制以改善滤波器的性能，最大化出产量且降低单位成本。
典型的SAW器件包括抛光的压电晶体基底，通常为铌酸锂(LiNbO3)或钽酸锂(LiTaO3)，在该压电晶体基底上沉积有排列的叉指式换能器(IDT)。IDT包括金属电极的互锁梳齿形阵列。由于压电效果，施加至IDT的电信号在压电基底中被转换成机械表面声波。一经产生，表面声波便能够穿过基底传播，并且可能通过不同类型的信号处理器件而被操控，这些不同类型的信号处理器件通过改变电极的几何形状而形成。然后，压电基底中的最终SAW可通过另一组IDT而转换回电信号。
为了改善基础SAW器件的效率，在压电基底和IDT上沉积含硅的氧化物(例如，二氧化硅)的层(外涂层)。硅氧化物层提高了IDT的机械刚度，从而改善了SAW波与下面的压电基底的机电耦合。硅氧化物层在降低器件随温度的频率漂移中同样起着重要的作用。这种器件可被称为温度补偿的SAW器件。
沉积硅氧化物薄膜的已知技术是反应溅射沉积，其中，硅颗粒从靶朝向基底溅射并且与氧反应而在基底上形成硅氧化物的层。该技术的已知形式包括RF(射频)溅射、DC(直流)溅射、脉冲DC溅射和脉冲DC磁控溅射。
本发明的目的是通过改善SAW器件的频率响应来改善SAW器件的出产量和性能，其中所述SAW器件具有通过溅射沉积来沉积的含硅的氧化物的硅氧化物层。
发明内容
根据本发明的第一方面，提供了一种使表面声波(SAW)器件的谐振频率的不均匀性降低的方法，所述SAW器件包括通过反应溅射沉积在具有叉指式换能器的压电基底上的含硅的氧化物的硅氧化物层，所述方法包括：
(i)将具有叉指式换能器的压电基底定位在基底支撑件上；并且在所述压电基底和所述叉指式换能器上沉积含硅的氧化物的硅氧化物层以形成第一SAW器件；所述基底支撑件相对于溅射靶定位，从而所述第一SAW器件的硅氧化物层具有11埃或更低的算术平均表面粗糙度(Ra)。
本发明人已经发现，对于具有沉积在压电基底上的硅氧化物层(例如，二氧化硅层)的SAW器件，器件的频率响应受硅氧化物层的表面粗糙度影响。具体地，已经证实了硅氧化物层的表面粗糙度与器件内的频率分布的不均匀性(即，晶片内(WIW)频率不均匀性)直接相关。不希望受任何特定理论的束缚，假定表面粗糙度直接与主体膜性质(例如，密度、弹性模量)相关，其对于器件的声响应是重要的。
本发明人还发现，通过调节靶与压电基底位于其上的基底支撑件之间的距离可控制由溅射设备沉积的硅氧化物膜的粗糙度。
通过第一方面的方法生产的SAW器件具有算术平均表面粗糙度为11埃或更低的硅氧化物层。这使得器件的频率响应的不均匀性降低，从而提高了性能和出产量。
在整个说明书和权利要求书中所使用的术语“硅氧化物层”是指包括至少一种硅的氧化物的层，而不是化学计量为SiO的层(但是该术语也涵盖这种可能性)。该硅氧化物层可包括二氧化硅(SiO2)。硅氧化物层可为二氧化硅层(尽管在实践中，该层不太可能是纯SiO2)。
术语“算术平均表面粗糙度”是指通常记为“Ra”的表面粗糙度参数，并且为偏离平均中心线的算术平均偏差的量度。硅氧化物层的算术平均表面粗糙度可利用本领域已知的技术(例如X射线反射计或原子力显微镜)来测量，并且在硅氧化物层的整个表面上测量。
硅氧化物层可以不是SAW器件的最后一层(最顶部的层)。在硅氧化物层上可存在另一层或多个层。
在一些实施方式中，第一SAW器件具有10埃或更低的算术平均表面粗糙度。在一些实施方式中，第一SAW器件具有9埃或更低的算术平均表面粗糙度。在一些实施方式中，第一SAW器件具有8埃或更低的算术平均表面粗糙度。在一些实施方式中，第一SAW器件具有7埃或更低的算术平均表面粗糙度。
可通过反复试验来选择基底支撑件相对于靶的位置，并且该位置可以取决于用于进行溅射沉积的设备的配置。
第一方面的方法可进一步包括以下步骤：
(ii)调节所述基底支撑件的位置；以及
(iii)将后续压电基底定位在所述基底支撑件上，并且利用相同的靶在所述后续压电基底上沉积含硅的氧化物的硅氧化物层以形成第二SAW器件；
其中，步骤(ii)中的所述基底支撑件的位置选择为使所述第二SAW器件的硅氧化物层同样具有11埃或更低的平均表面粗糙度。
大批量生产滤波器件的一个重要方面是在靶的寿命期内保持器件的出产量和性能。在溅射设备中，靶和基底之间的有效距离可随着靶的耗尽而增加。此外，靶的耗尽在靶的表面上可能是不均匀的。这可能导致利用常规靶在靶的寿命期内形成的SAW器件的硅氧化物膜性质的漂移，从而导致器件出产量损失。
通过调节基底支撑件的位置，能够保持靶与基底支撑件之间的有效距离，从而在靶的整个寿命期内，在第一SAW器件之后形成的SAW器件也可具有11埃或更低的算术平均表面粗糙度。
在一些实施方式中，第一SAW器件的硅氧化物层具有10埃或更低的算术平均表面粗糙度，并且基底支撑件的位置选择为使得第二SAW器件的硅氧化物层也具有10埃或更低的算术平均表面粗糙度。在一些实施方式中，第一SAW器件的硅氧化物层具有9埃或更低的算术平均表面粗糙度，并且基底支撑件的位置选择为使得第二SAW器件的硅氧化物层也具有9埃或更低的算术平均表面粗糙度。在一些实施方式中，第一SAW器件的硅氧化物层具有8埃或更低的算术平均表面粗糙度，并且基底支撑件的位置选择为使得第二SAW器件的硅氧化物层也具有8埃或更低的算术平均表面粗糙度。在一些实施方式中，第一SAW器件的硅氧化物层具有7埃或更低的算术平均表面粗糙度，并且基底支撑件的位置选择为使得第二SAW器件的硅氧化物层也具有7埃或更低的算术平均表面粗糙度。
步骤(i)和步骤(ii)不需连续地进行。例如，在第一SAW器件之后且在调节基底支撑件的位置之前，可进行另一硅氧化物沉积或多次硅氧化物沉积以形成另一SAW器件或多个SAW器件。此外，在第一SAW器件和调节基底支撑件的位置之间形成的SAW器件可能具有表面粗糙度在所需范围之外的硅氧化物层。对这种SAW器件的检测可提供应当调节基底支撑件位置的指示。
在靶的寿命期内，可至少重复第一方面的步骤(ii)和步骤(iii)一次。因此，在靶的整个寿命期内，可根据所需硅氧化物层表面粗糙度或者当需要保持所需硅氧化物层表面粗糙度时，来调节基底支撑件的位置。
在该实施方式中，步骤(ii)和步骤(iii)的重复并不需要连续地进行。例如，在每次基底支撑件调节之间可进行多次硅氧化物沉积以形成多个SAW器件。例如，在形成第二SAW器件之后且在再次调节基底支撑件的位置之前，可形成另一SAW器件或多个SAW器件。此外，在第二SAW器件与再次调节基底支撑件的位置之间形成的SAW器件可能具有表面粗糙度在所需范围之外的硅氧化物层。对这种SAW器件的检测可提供应当调节基底支撑件的位置的指示。
通过改变靶与基底支撑件之间的间隔距离可调节基底支撑件的位置。例如，基底支撑件的位置可通过朝向靶移动基底支撑件来调节。如上所提及的，随着进行更多的溅射操作，靶可能被耗尽。因此，通过朝向靶移动基底支撑件，可保持基底支撑件与靶之间的有效距离以保持所需的表面粗糙度。
基底支撑件可为平台(platen)。
基底支撑件可以是垂直可移动的(相对于靶)，以能够调节基底与靶之间的距离。
基于在先形成的SAW器件的硅氧化物层的表面粗糙度测量值(例如，通过X射线反射计或原子力显微镜)进行所述基底支撑件的位置的调节或每次调节。例如，在多个SAW器件的生产运行期间，可选择SAW器件来检测其硅氧化物层的表面粗糙度。如果发现表面粗糙度在所需(所要求)范围之外或接近落在该范围之外，则可调节基底支撑件的位置，以使得下一个形成的SAW器件具有在所需(所要求)范围内的表面粗糙度。
可通过反复试验来调节基底支撑件的位置，直至基底支撑件的位置使第二SAW器件具有表面粗糙度在所需(所要求)范围内的硅氧化物层。
可基于查找表(look-up table)来调节基底支撑件的位置。例如，该查找表可提供基底支撑件位置值(例如，基底支撑件与靶之间的距离，或者基底支撑件应当移动的距离)，该位置值对应于靶已运行的寿命值(例如，以进行溅射操作的时间或数量为单位)。
该硅氧化物层或每个硅氧化物层可利用磁控管来沉积。
可通过已知的溅射沉积技术，例如RF溅射沉积或脉冲DC溅射沉积来沉积该硅氧化物层或每个硅氧化物层。
第一和/或第二SAW器件或每个SAW器件可为温度补偿的SAW(TC-SAW)器件。
第一和/或第二SAW器件或每个SAW器件可为SAW滤波器。
压电基底可为合成晶体，诸如铌酸锂或钽酸锂。
根据本发明的第二方面，提供了一种表面声波(SAW)器件，包括：
压电基底，具有沉积在其上的叉指式换能器；以及
沉积在所述压电基底和所述叉指式换能器的表面上的含硅的氧化物的硅氧化物层；
其中，所述硅氧化物层具有11埃或更低的算术平均表面粗糙度(Ra)。
如上已经提及的，本发明人已经发现，对于具有沉积在压电基底上的硅氧化物层的SAW器件，器件的频率特性受硅氧化物层的表面粗糙度影响。具体地，已经证实，硅氧化物层的表面粗糙度与器件内的频率分布(即，晶片内(WIW)频率)的不均匀性直接相关。通过提供具有平均表面粗糙度为11埃或更低的硅氧化物层的SAW器件，改善了器件内频率分布的均匀性，从而提高了性能和出产量。
硅氧化物层可以不是SAW器件的最后一层(最顶部的层)。在硅氧化物层上可存在另一层或多个层。
在一些实施方式中，SAW器件的硅氧化物层具有10埃或更低的算术平均表面粗糙度。在一些实施方式中，SAW器件的硅氧化物层具有9埃或更低的算术平均表面粗糙度。在一些实施方式中，SAW器件的硅氧化物层具有8埃或更低的算术平均表面粗糙度。在一些实施方式中，SAW器件的硅氧化物层具有7埃或更低的算术平均表面粗糙度。
第二方面的SAW器件的硅氧化物层可通过溅射沉积，例如RF溅射沉积或脉冲DC溅射沉积来沉积在压电基底和叉指式换能器上。该溅射沉积可利用磁控管来进行。
SAW器件可为温度补偿的SAW(TC-SAW)器件。
SAW器件可为SAW滤波器。
压电基底可为合成晶体，诸如铌酸锂或钽酸锂。
根据本发明的第三方面，提供了一种电子电路，包括至少一个根据第二方面的SAW器件。
根据本发明的第四方面，提供了一种电子器件，包括至少一个根据第三方面的电子电路，或者至少一个根据第二方面的SAW器件。
尽管以上对本发明进行了描述，但是本发明可扩展至上文或下面的说明书、附图或权利要求书中描述的特征的任意创造性组合。
附图说明
现参照所附附图，仅通过示例的方式来描述本发明，其中：
图1为可用于进行本发明的设备的示意图；
图2为根据本发明的SAW器件的示意图；
图3为示出了SAW器件的频率不均匀性和其硅氧化物层的表面粗糙度之间关系的图；
图4为示出了晶片中心和边缘的RMS表面粗糙度随着所用的靶-平台距离如何变化的图；
图5示出了通过原子力显微镜获得的晶片的中心和边缘区域的形貌图像，其中，在沉积硅氧化物层时使用不同的靶-平台(TTP)距离；
图6示出了对于利用在远离最佳距离的靶-平台距离处沉积的硅氧化物膜，通过X射线反射计(XRR)得到的表面粗糙度分布(图的左侧，标记为A)；以及对于利用使硅氧化物粗糙度最小化而优化的靶-平台距离来沉积的硅氧化物膜，通过X射线反射计(XRR)得到的表面粗糙度分布(图的右侧，标记为B)；
图7示出了对应于图6的器件的SAW器件的频率分布图。
具体实施方式
图1示出了用于进行本发明的典型设备10，为脉冲DC磁控反应溅射布置的形式。该设备包括真空腔室12，在该真空腔室中，设置有晶片平台13。腔室12的上部包括可由硅或二氧化硅形成的圆形靶14。脉冲DC电源11设置用于将脉冲DC功率施加至用作阴极的靶14。设备10进一步包括由金属(典型地，铝或不锈钢)制成的环状环形式的阳极17，其环绕靶14的外周。阳极17通过绝缘部件18(例如陶瓷绝缘体)来支撑以避免其接触接地腔室12并且保持其与位于其上方的靶14的隔离。已知类型的磁控管15位于靶14的后面(上方)。
在使用中，平台13支撑与靶14相对的基底(典型为晶片)。平台13由导电材料形成，其通过电容耦合电路与RF电源提供的RF信号偏置，从而平台13可用作电极。在等离子体的存在下，RF偏压产生DC负偏压，以施加在平台13上，从而溅射的离子朝向基底加速。
此外，平台13可垂直地移动，从而能够调节靶14与平台13之间的距离。靶-平台距离(TTP)改变靶离子落在基底上的角度分布，从而影响沉积膜的性质。
设置氧气源和氩气源。利用作为适当的气体集流管的一部分的质量流量控制器，使氧气(O2)和氩气(Ar)通过气体入口16选择性地进入腔室12。氧气与从靶14溅射的硅反应以在位于平台13上的基底的表面上形成含硅的氧化物的层。可与本发明结合使用的PVD系统或者可容易地适用于与本发明结合使用的PVD系统是可商购的。例如，本申请人自己的fxPTM PVD系统可与所需的磁控管一起使用。
用于硅氧化物溅射沉积的示例性操作条件为：2kW的靶功率，10sccm Ar和50sccmO2的溅射气流混合物，50℃的平台温度以及约100V或更高的平台DC偏压。
图2示出了由设备10生产的SAW器件20的示意图。器件20包括压电基底21，例如铌酸锂(LiNbO3)或钽酸锂(LiTaO3)。形成叉指式换能器的金属电极22沉积在基底21上。硅氧化物层23沉积在基底21和电极22上。
硅氧化物粗糙度和SAW频率响应
进行实验以研究硅氧化物层的平均(算术平均)表面粗糙度与SAW器件的中心频率的晶片内(WIW)标准偏差(为频率响应的不均匀性的量度)之间的相关性。实验中所用的SAW器件包括具有利用上述设备10沉积的200nm的硅氧化物层的LiNbO3基底。使用市售系统通过X射线反射计(XRR)以埃为单位测量算术平均表面粗糙度。
在图3的图中示出的结果表明平均硅氧化物膜粗糙度与中心频率的WIW标准偏差之间的强相关性。该图与改变硬件配置(例如磁控管几何构型)和工艺参数的11次实验的数据相关。膜厚度、强度和折射率没有显示出与频率不均匀性的强烈对应性。发现，表面粗糙度是在如此广泛的变化的条件下可与WIW频率不均匀性直接相关的唯一的测量的膜参数。该图表明约11埃或更低的平均表面粗糙度提供了频率响应的良好的均匀性。
根据靶-平台距离的粗糙度优化
本发明人还发现，可通过调节靶14与平台13之间的距离来优化由溅射沉积形成的硅氧化物膜的表面粗糙度。图4示出了利用不同的靶-平台距离的200nm硅氧化物膜的中心和边缘处的RMS表面粗糙度(Rq)的图。利用高分辨率的原子力显微镜(AFM)以非接触模式在1000nm×1000nm的区域上测量表面粗糙度值。在标准D型磁控管设计中，在该实施例中观察到的最佳距离为约40mm的靶-平台距离(TIP)。该距离使得在晶片的中心和边缘处均具有约1.0埃的RMS表面粗糙度。
在图5中示出了相应的AFM形貌图像。在远离最佳靶-平台距离时，可观察到在晶片中心和边缘处的形貌之间的明显差异，其中，膜中心处总体上比膜的边缘更粗糙，并且可观察到一些细晶粒结构。在40mm的最佳TTP下，并未观察到在晶片的中心和边缘之间的可辨别的粗糙度差异，并且几乎没有可观察到的结构。
发现，最佳靶-平台高度取决于各个设备的配置，例如取决于磁控管设计(场强，几何构型)，但是其并不直接对应于厚度的不均匀性，其还随着靶-平台距离而变动。这可示于表1和表2中。
表1：对于利用具有磁控管A的SPTSfxPTM PVD系统沉积的硅氧化物膜，相对于靶-平台距离(TTP)的RMS粗糙度Rq(由AFM测量)和厚度不均匀性％1σ。
表2：对于利用不同的磁控管B沉积的硅氧化物膜，相对于靶-平台距离(TTP)的RMS粗糙度Rq(由AFM测量)和厚度不均匀性。
术语“磁控管A”和“磁控管B”仅为描述语以表明使用不同的磁控管。本发明并不限于所使用的磁控管的类型。
通过表征的硅氧化物膜的表面粗糙度，制造并测试了SAW器件。在硅氧化物层表面粗糙度和SAW器件的频率分布之间观察到了清楚的关系。图6示出了对于在47mm的次优TTP距离处，在150mm晶片上沉积的200nm硅氧化物层的XRR粗糙度图(图6的左侧)，以及在40mm的最佳TTP距离处，在150mm晶片上沉积的200nm硅氧化物层的XRR粗糙度图(图6的右侧)。图7示出了这些器件的相应的频率分布图。可以看出，远离最佳TTP距离时，XRR粗糙度图和频率分布均显示出了明显的牛眼图案，其中较高的粗糙度对应于SAW器件的较低中心频率。该频率不均匀性会导致产品出产量的降低。但是，当TTP距离相对于硅氧化物表面粗糙度是最佳时，SAW器件的频率分布在整个晶片上是均匀的，从而使次品器件减少，产品出产量增加。
靶整个寿命期内的校正
大批量生产RF滤波器器件的一个重要方面是在靶的整个寿命期内保持器件出产量和性能。在前文所述的设备10中，有效的靶-平台距离随着靶14逐渐用尽而增加。这可能会导致硅氧化物膜性质在靶的寿命期间的漂移，导致显著的器件出产量损失。通过进行粗糙度测量并且相应地调节靶-平台距离能够在靶的寿命期内间断性地重新建立最佳的靶-平台距离，以保持频率性能和出产量。
Claims (18)
1.一种使表面声波(SAW)器件的谐振频率的不均匀性降低的方法，所述SAW器件包括通过反应溅射沉积在压电基底上的叉指式换能器上的含硅的氧化物的硅氧化物层，所述方法包括：
(i)将具有叉指式换能器的压电基底定位在基底支撑件上；并且在所述压电基底和所述叉指式换能器上沉积含硅的氧化物的硅氧化物层以形成第一SAW器件；所述基底支撑件相对于溅射靶定位，从而所述第一SAW器件的硅氧化物层具有11埃或更低的算术平均表面粗糙度(Ra)。
2.根据权利要求1所述的方法，所述方法进一步包括以下步骤：
(ii)调节所述基底支撑件的位置；以及
(iii)将具有叉指式换能器的后续压电基底定位在所述基底支撑件上，并且利用相同的靶在所述后续压电基底和叉指式换能器上沉积含硅的氧化物的硅氧化物层以形成第二SAW器件；
其中，步骤(ii)中的所述基底支撑件的位置选择为使所述第二SAW器件的硅氧化物层同样具有11埃或更低的算术平均表面粗糙度(Ra)。
3.根据权利要求2所述的方法，其中，在所述靶的寿命期内，至少重复步骤(ii)和步骤(iii)一次。
4.根据权利要求2或3所述的方法，其中，通过改变所述基底支撑件和所述靶之间的间隔距离来调节所述基底支撑件的位置。
5.根据权利要求2至4中任一项所述的方法，其中，基于在先形成的SAW器件的硅氧化物层的表面粗糙度测量值来进行所述调节或每次调节。
6.根据权利要求2至4中任一项所述的方法，其中，基于查找表来调节所述基底支撑件的位置。
7.根据权利要求6所述的方法，其中，所述查找表提供位置调节值，所述位置调节值对应于靶已运行的寿命值。
8.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述基底支撑件是垂直可移动的。
9.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，利用磁控管来沉积所述硅氧化物层或每个硅氧化物层。
10.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，通过DC溅射沉积，例如脉冲DC溅射沉积，优选脉冲DC磁控溅射沉积来沉积每个硅氧化物层。
11.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述SAW器件或各个SAW器件是温度补偿的SAW器件。
12.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述SAW器件或每个SAW器件是SAW滤波器。
13.一种表面声波(SAW)器件，包括：
压电基底，具有沉积在其上的叉指式换能器；以及
沉积在所述压电基底和所述叉指式换能器的表面上的含硅的氧化物的硅氧化物层；
其中，所述硅氧化物层具有11埃或更低的算术平均表面粗糙度(Ra)。
14.根据权利要求13所述的SAW器件，其中，所述硅氧化物层通过溅射沉积已经沉积在所述压电基底和所述叉指式换能器上。
15.根据权利要求13或14所述的SAW器件，其中，所述SAW器件是温度补偿的SAW器件。
16.根据权利要求13至15中任一项所述的SAW器件，其中，所述SAW器件是SAW滤波器。
17.一种电子电路，包括至少一个根据权利要求13至16中任一项所述的SAW器件。
18.一种电子器件，包括至少一个根据权利要求17所述的电子电路或者至少一个根据权利要求13至16中任一项所述的SAW器件。
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