CN113162577A - 声表面波滤波器及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种声表面波滤波器及其制造方法。该声表面波滤波器包括：氧化物晶体基板；压电晶体基板，键合在所述氧化物晶体基板上；和叉指式换能器电极，形成在所述压电晶体基板上；其中，所述压电晶体基板的厚度为0.05至0.5μm，并且使用奇次谐波。
Description
技术领域
本发明涉及滤波器，尤其涉及一种声表面波滤波器和用于制造声表面波滤波器的方法。
背景技术
随着诸如移动电话之类的移动通信设备的发展，期望改善声表面波(SAW，SurfaceAcoustic Wave)滤波器，例如可以提高其频率并加宽其频带。如在申请号为2018-026695、2019-004308、2019-145920的日本未审查专利申请公开文件中所披露的，本申请的发明人已经开发了SAW滤波器，其中压电晶体基板被键合在氧化物基板上，例如作为石英基板。
SAW滤波器包括形成在压电晶体基板上方的梳状IDT(叉指式换能器)电极。于1969年12月刊登的第16卷，第12期，IEEE Transactions on Electron Devices期刊中第1014-1017页中刊登的由H.Engan发表的“叉指式换能器的空间谐波对弹性表面波的激励”(以下简称为Engan)中公开了SAW滤波器的奇次谐波相对于其基波的相对激励强度根据IDT电极的各个电极指宽w和电极指间距p之间的比率(金属化率)w/d而变化。
发明内容
针对将压电晶体基板键合在氧化物基板上的声表面波滤波器，发明人在对其开发过程中发现了各种问题。
根据本发明的描述以及附图，其他待解决问题及新颖特征将变得容易理解。
在根据一实施例的声表面波滤波器中，在由氧化物晶体制成的支撑基板上键合的压电晶体基板的厚度为0.05至0.5μm，并且使用奇次谐波。
根据实施例，可以提供优良的声表面波滤波器。
根据下文给出的详细描述和附图，本公开内容的上述和其他目的，特征和优点将变得更加充分地理解，附图仅通过说明的方式给出，因此不应视为对本公开内容的限制。
附图说明
图1是示出根据第一实施例的使用SAW滤波器的无线电接收电路(radioreceiving circuit)RX的配置示例的框图。
图2为第一实施例的SAW滤波器的配置示例的截面图。
图3是表示奇次谐波的相对激励强度与金属化率的关系的曲线图。
图4是示出漏声表面波关于归一化的LT基板的厚度h的机电耦合系数K2的变化的曲线图，其中该归一化基于基波的波长λ。
图5是示出通过根据第一实施例的SAW滤波器的仿真来分析谐振特性的结果的曲线图。
具体实施方式
以下，参考附图对具体实施方式进行详细描述。然而，本公开不限于以下示出的实施例。此外，为了清晰起见，以下描述和附图在适当之处进行了简化。
(第一实施例)
<使用声表面波过滤器的无线电接收电路RX的配置>
首先，将参照图1描述根据第一实施例的使用声表面波滤波器(以下也称为SAW滤波器)的无线电接收电路RX的配置。图1是示出根据第一实施例的使用SAW滤波器的无线电接收电路RX的配置示例的框图。图1所示的无线电接收电路RX是超外差型无线电接收电路，并且例如用于移动电话。注意，图1所示的无线电接收电路RX仅是使用SAW滤波器的示例，SAW滤波器的使用不限于任何特定用途。
首先，将给出无线电接收电路RX的概述。
如图1所示，无线电接收电路RX通过天线AN无线地接收接收RF(射频)信号。然后，无线电接收电路RX通过使用从振荡电路OC输出的频率信号从接收RF信号中生成接收IQ信号，并将所生成的接收IQ信号输出至基带处理单元BBP。
注意，基带处理单元BBP将从无线电接收电路RX获取的接收IQ信号解码为接收数据rd，并输出获得的接收数据rd。
注意，基带处理单元BBP将获取的传输数据td编码为传输IQ信号，并将所获取的传输IQ信号输出至无线电传输电路(未示出)。然后，从天线AN无线地发送从无线电传输电路中的发送IQ信号产生的传输RF信号。
接下来，将描述无线电接收电路RX的细节。
如图1所示，无线电接收电路RX包括RF(射频)滤波器RFF，低噪声放大器LNA，RF(射频)混频器RFM，IF(中频)滤波器IFF1和IFF2，IF(中频)放大器IFA，IF(中频)混频器IFM，频率合成器FS和PLL(锁相回路)电路PLL。
在下文中将描述接收数据rd的流程。
天线AN无线接收的接收RF信号通过RF滤波器RFF输入到低噪声放大器LNA，并由低噪声放大器LNA放大。注意，根据第一实施例的SAW滤波器被用于RF滤波器RFF。RF滤波器RFF允许通过的频带(通带)是例如1.5至20GHz的频带。根据第一实施例的SAW滤波器适合于高频带，因为它使用奇次谐波(例如，三次谐波)而不是使用基波。
此外，RF滤波器RFF例如由多个SAW滤波器组成，其通带彼此稍微偏移以便实现期望的通带宽度。即使对于奇次谐波，根据第一实施例的SAW滤波器的机电耦合系数K2也较大，并且其唯一的通带宽度较宽。因此，可以减少构成RF滤波器RFF的SAW滤波器的数量，从而可以减小无线电接收电路RX的尺寸。
此外，根据第一实施例的SAW滤波器即使对于奇次谐波也具有大的导纳率。当用于RF滤波器RFF的SAW滤波器的导纳率大时，位于RF滤波器RFF后面(即，连接到RF滤波器RFF的输出侧)的低噪声放大器LNA的尺寸可以减小，并且低噪声放大器LNA的功耗也可以降低。即，可以减小无线电接收电路RX的尺寸，并且还可以减小无线电接收电路RX的功耗。
接下来，在RF混频器RFM中将放大的接收RF信号与从频率合成器FS输出的频率信号混合，并且将混合后的信号下变频为接收IF信号。从RF混频器RFM输出的接收IF信号通过IF滤波器IFF1输入到IF放大器IFA，并由IF放大器IFA放大。
放大的接收IF信号在IF混频器IFM中与从PLL电路PLL输出的频率信号混合，并且该混合信号被解调为接收IQ信号。然后，从IF混频器IFM输出的接收IQ信号通过IF滤波器IFF2输入到基带处理单元BBP，并由基带处理单元BBP解码为接收数据rd。
<声表面波滤波器的配置>
然后，参考图2，对第一实施例的SAW滤波器的配置进行描述。如上所述，根据本实施例的SAW滤波器适合于高频带，例如1.5至20GHz的频带，因为其使用奇次谐波而不是使用基波。
图2为第一实施例的SAW滤波器的配置示例的截面图。如图2所示，根据第一实施例的SAW滤波器包括氧化物晶体基板OS，压电晶体基板PS，IDT电极IDT以及反射器REF1和REF2。
也就是说，图2所示的SAW滤波器是在两个反射器REF1和REF2之间配置一个IDT电极IDT的单端口谐振器型的SAW滤波器。注意，SAW滤波器可以是两端口谐振器型SAW滤波器，其中两个IDT电极设置在两个反射器REF1和REF2之间。此外，反射器REF1和REF2不是必不可少的。
氧化物晶体基板OS是由例如石英晶体(SiO2)或蓝宝石(Al2O3)在预定的晶面上切割而成的单晶基板。更具体地，氧化物晶体基板OS例如是AT切割的石英基板，其中声表面波的传播方向从晶体的X轴倾斜0至90°(以下也称为作为“AT切割的0-90°X向传播石英晶体基板”)。氧化物晶体基板OS的厚度例如为5至500μm。
如图2所示，压电晶体基板PS被键合在用作支撑基板的氧化物晶体基板OS上。压电晶体基板PS例如是由LiTaO3(LT)，LiNbO3(LN)等在预定晶面上切割形成的单晶基板。更具体地，压电晶体基板PS是例如LT基板，其中切割平面从晶体的Y轴倾斜36至45°并且声表面波的传播方向平行于晶体的X轴(在下文中也称为“36-45°Y向切割X向传播LT基板”)。氧化物晶体基板OS中的声表面波的传播方向与压电晶体基板PS中的声表面波的传播方向一致。
压电晶体基板PS的厚度h为0.05至0.5μm。如下文将详细描述的，压电晶体基板PS的厚度h减小，使得对于奇次谐波，机电耦合系数K2增大，从而获得具有宽通带宽度的SAW滤波器。因此，可以减少构成图1所示的RF滤波器RFF的SAW滤波器的数量，从而可以减小无线电接收电路RX的尺寸。
压电晶体基板PS和氧化物晶体基板OS例如通过表面活化键合法直接键合。替代地，压电晶体基板PS和氧化物晶体基板OS可以通过介于其间的非晶中间层彼此键合。非晶中间层由例如SiO2或Al2O3制成，且其厚度例如为100nm或更小。非晶中间层可以通过已知的化学气相沉积或物理气相沉积形成。例如，在压电晶体基板PS和氧化物晶体基板OS之一或两者的表面上形成非晶态中间层，然后将压电晶体基板PS和氧化物晶体基板OS彼此键合。
IDT电极IDT形成在压电晶体基板PS上，并且由诸如铝(Al)膜或铜(Cu)膜的金属膜形成。金属膜的厚度为例如几十纳米至几百纳米。
如图2所示，IDT电极IDT由两个梳状电极E1和E2组成。电极E1和E2中的一个用作输入电极，另一个电极用作输出电极。
具体地，电极E1和E2中的每一个包括彼此平行布置并且在其一端彼此连接的多个电极指(梳齿)。此外，电极E1和E2彼此相对，使得电极E1和E2中的一个的每个电极指被插入(即，插入)在另一个电极的两个相邻的电极指之间。也就是说，电极E1和E2的电极指交替地布置并且彼此平行。
如图2所示，电极E1和E2的电极指在压电晶体基板PS的表面上垂直于声表面波的传播方向延伸。注意，电极E1和E2的每个电极指的宽度w以及电极E1的一个电极指和电极E2的相邻电极指之间的间隙g是恒定的。也就是说，IDT电极IDT(电极E1和E2)的电极指的布置的间距p也是恒定的，并且等于电极指的宽度w和间隙g之和。即，关系p＝w+g成立。
注意，声表面波的波长λ是间距p的两倍(λ＝2p)并且是几何确定的。
此外，由于通过使用声表面波的速度v和波长λ将声表面波的基波的中心频率f0表示为f0＝v/λ，因此，下面的表达式成立。
f0＝v/λ＝v/2p＝v/2(w+g)
注意，速度v由压电晶体基板PS的切割平面，传播方向等确定。因此，可以通过减小间距p来增加基波的中心频率f0。此外，奇次谐波的中心频率是基波的中心频率f0的奇数倍。例如，三次谐波的中心频率被表示为3f0，而五次谐波的中心频率被表示为5f0。
注意，图3是表示奇次谐波的相对激励强度与金属化率的关系的曲线图(在下文中也表示为奇次谐波的相对激励强度与金属化率的关系)。横轴表示金属化率w/p(电极指的宽度w与间距p之比)，纵轴表示奇次谐波的相对激励强度(相对于基波的相对激励强度的相对强度)。如图3所示，金属化率w/p越大，相对于SAW滤波器中的基波的相对激励强度，奇次谐波的相对激励强度就越高。
注意，图3是Engan公开的图。
例如，如图3中的点图案所示，将金属化率w/p调整为0.7至0.9。特别地，在三次谐波中获得了优异的激励强度。
当间距p保持恒定时(即，当基波的中心频率f0保持恒定时)，电极指的宽度w随着金属化率w/p的增加而增加，从而电极指的电阻可以减少。
同时，当金属化率w/p超过0.9时，间隙g减小，从而使得IDT电极IDT的制造困难。
IDT电极IDT(电极E1和E2)的电极指的宽度w例如为0.2至1.5μm。
注意，在图2所示的示例中，电极E1的电极指的数量比电极E2的电极指的数量多一个，但是可以等于电极E2的电极指的数量。此外，根据需要确定电极E1和E2的电极指的数量。此外，电极E1和E2中的一个的两个或更多个电极指可以被插入(即，介于)在电极E1和E2中的另一个的相邻电极指之间。
反射器REF1和REF2由与IDT电极IDT相同的金属膜形成。
如图2所示，每个反射器REF1和REF2由彼此平行布置并在其两端彼此连接的多个条带组成。这些条以与电极E1和E2的电极指的间距p相同的间距p布置，并与电极E1和E2的电极指平行设置。当由IDT电极IDT激励的声表面波被反射器REF1和REF2反射时，它们在之间变成(或形成)驻波，从而可以获得具有高Q值和低损耗的SAW滤波器。
<用于改善奇次谐波特性的机制>
如上所述，根据第一实施例的SAW滤波器使用奇次谐波而不是使用基波。因此，将参照图4描述用于改善根据第一实施例的SAW滤波器中的奇次谐波的特性的机制。图4是示出漏声表面波(LSAW)关于归一化的LT基板的厚度h的机电耦合系数K2的变化的曲线图，其中该归一化基于基波的波长λ。横轴表示基于波长λ而归一化的LT基板的板厚h(即，归一化的板厚h/λ)，纵轴表示声表面波的机电耦合系数K2。
图4示出了仅36°Y向切割X向传播LT基板的理论值和实验值，以及键合后的基板的理论值和实验值，其中AT切割90°X向传播石英晶体基板(图2所示的氧化物晶体基板OS)和36°Y向切割X向传播LT基板(图2所示的压电晶体基板PS)彼此键合。如图4所示，与LT基板的归一化板厚h/λ(以下也称为归一化LT板厚h/λ)无关，单独的36°Y向切割X向传播LT基板的机电耦合系数K2是恒定的。同时，键合后的基板的机电耦合系数K2的理论值具有值为11.9％的峰值，其是单一LT基板的在归一化的LT板厚度h/λ为0.17(h/λ＝0.17)的点处或附近处的机电耦合系数K2的两倍或更大。
图4所示的单一LT基板的理论值和键合后基板的理论值的图，与本申请发明人所申请的公开号为2019-004308的未经审查的日本专利申请的图8相同。如公开号为2019-004308的未经审查的日本专利申请所示，在归一化的LT板厚度h/λ为0.17(h/λ＝0.17)的点处或附近处，频率温度系数(TCF)的理论值也大致为零，传播衰减的理论值也具有令人满意的值约为10-4dB/λ。
注意，发明人已经考虑通过使用图4所示的键合后的基板的机电耦合系数K2与归一化的LT板厚度的关系来优化奇次谐波的机电耦合系数K2。应当注意，图4所示的曲线图是基于基波的波长λ归一化的LT基板的板厚h(即，归一化的板厚h/λ)的曲线图。
将描述使用三次谐波的情况。如图4所示，三次谐波的波长表示为λ/3。因此，为了使三次谐波的机电耦合系数K2具有峰值，将归一化LT板厚度h/λ调整为使得基波的机电耦合系数K2具有峰值的归一化LT板厚度h/λ的的三分之一(1/3)。如上所述，在图4所示的示例中，由于使得基波的机电耦合系数K2具有峰值的归一化LT板的厚度h/λ为0.17，最佳基波的归一化LT板厚度h/λ约为0.057(0.17/3≈0.057)。例如，将LT板厚度h调整为约0.05λ至0.07λ。
类似地，在图4所示的示例中，当使用五次谐波时，最佳基波的归一化LT板厚度h/λ约为0.034(0.17/5＝0.034)。因此，当使用五次谐波时，将LT板厚度h调整为例如大约0.03λ至0.04λ。
当概括上述技术事项时，表示如下。也就是说，为了优化第(2n+1)次谐波(n是自然数)的机电耦合系数K2，将归一化LT板厚度h/λ调整为使得基波的机电耦合系数K2具有峰值的归一化LT板厚度h/λ。
如上所述，在根据第一实施例的SAW滤波器中，由于使用了第(2n+1)次谐波，因此LT板厚度h被减小至使用基波时厚度的1/(2n+1)。
具体地，在根据第一实施例的SAW滤波器中，压电晶体基板PS(例如，LT基板)的厚度h被调整为0.05至0.5μm。因此，例如，通过使用在使用高频带(例如1.5至20GHz的频带)的情况下使用的第(2n+1)次谐波，可以实现高的机电耦合系数K2。
注意，本公开不仅可以应用于漏声表面波，而且可以应用于其他类型的声表面波传播模式，例如纵向漏声表面波和瑞利声表面波。
<通过仿真分析谐振特性>
接下来，将参照图5描述通过根据第一实施例的SAW滤波器的仿真来分析谐振特性的结果。图5是示出通过根据第一实施例的SAW滤波器的仿真来分析谐振特性的结果的曲线图。横轴表示频率[GHz]，纵轴表示导纳[S]。图5示出了仅对36°Y向切割X向传播LT基板进行分析的结果以及对将36°Y向切割X向传播LT基板键合在AT切割90°X向传播石英晶体基板上的键合后的基板的分析结果。
对于上述单一LT基板和键合后的基板，基于有限元方法(FEM)，通过使用由MurataSoftware Co.，Ltd制造的Femtet软件来分析其谐振特性。基波的波长λ(＝2p)为2.5μm，支撑基板的厚度为10λ。此外，如上所述，将LT板的厚度调整为0.06λ，即0.15μm，以使三次谐波的机电耦合系数K2具有峰值。假设图2所示的IDT电极IDT由膜厚为70nm且具有无限周期性结构的铝(Al)膜构成。此外，完美匹配的层(PML)设置在IDT电极的底面。
如以上参考图3所述，金属化率w/p越大，相对于SAW滤波器中的基波的相对激励强度，三次谐波的相对激励强度就越高。因此，金属化率w/p被设定为0.8。即，将图2所示的IDT电极IDT的(每个)电极指的宽度w设置为1.0μm，并且将电极指的间距p设置为1.25μm。然后，对IDT电极IDT施加±1.0V的正弦波AC(交流)电压。不考虑每种材料的介电损耗和机械损耗。
如图5所示，基波的响应(谐振和反谐振)出现在大约1.7GHz，并且三次谐波的响应出现在大约5GHz。
在此，表1总结了作为分析结果的导纳率、特定带宽、谐振Q值和反谐振Q值。在表1中，根据本实施例的键合后的基板的三次谐波由阴影表示。
[表1]
如表1所示，关于导纳率，本实施例的键合后的基板中的三次谐波的值为99dB，其约为比较例中单一LT基板中的三次谐波的值(即61dB)的1.5倍，并且大致等于单一LT基板中的基波的值(即100dB)。
根据图4，关于受机电耦合系数K2值影响的特定带宽，本实施例的键合后的基板中的三次谐波的值为1.6％，其是比较例中单一LT基板中的三次谐波的值(即，0.8％)的两倍。
关于谐振Q值，如表1所示，本实施例的键合后的基板中的三次谐波的值也高于比较例中单一LT基板中的基波和三次谐波的值。此外，关于反谐振Q值，本实施例的键合后的基板中的三次谐波的值明显高于比较例中单一LT基板中的基波和三次谐波的值。
另外，如图5所示，对于本实施例的键合后的基板的三次谐波，未观察到不期望的响应。
从分析的上述结果可以理解，在根据本实施例的SAW滤波器中，已经确认可以通过将LT板厚度h减小到使用基波情况下的值的三分之一(1/3)，即减小到0.15μm，以使SAW滤波器在大约5GHz的三次谐波中表现出非常优异的性能。如上所述，可以通过将压电晶体基板(例如，LT基板)的厚度h减小到0.05至0.5μm并且通过使用奇次谐波，来将根据本实施例的SAW滤波器应用于，例如，使用其中使用高频带，例如1.5至20GHz的频带的用途。
根据如此描述的公开，将显而易见的是，可以以许多方式改变本公开的实施例。这样的变化不应被认为是背离本公开的精神和范围，并且对于本领域的技术人员显而易见的所有这样的修改旨在包括在所附权利要求的范围内。
Claims (10)
1.一种声表面波滤波器，其特征在于，包括：
氧化物晶体基板；
压电晶体基板，键合在所述氧化物晶体基板上；和
叉指式换能器电极，形成在所述压电晶体基板上；
其中，所述压电晶体基板的厚度为0.05至0.5μm，并且使用奇次谐波。
2.根据权利要求1所述的声表面波滤波器，其特征在于，使用三次谐波。
3.根据权利要求1所述的声表面波滤波器，其特征在于，
所述叉指式换能器电极的每个电极指的宽度w为0.2至1.5μm，该宽度w与该电极指的间距p之间的比率w/p为0.7至0.9。
4.根据权利要求1所述的声表面波滤波器，其特征在于，
所述氧化物晶体基板为石英晶体基板，所述压电晶体基板为LiTaO3基板。
5.根据权利要求4所述的声表面波滤波器，其特征在于，
所述氧化物晶体基板是AT切割的0-90°X向传播石英晶体基板，所述压电晶体基板是36-45°Y向切割的X向传播LiTaO3基板。
6.一种声表面波滤波器制造方法，其特征在于，包括如下步骤：
(a)在氧化物晶体基板上键合厚度为0.05至0.5μm的压电晶体基板；
(b)在所述压电晶体基板上形成叉指式换能器电极；
其中，所述压电晶体基板的厚度为0.05至0.5μm，所述声表面波滤波器使用奇次谐波。
7.根据权利要求6所述的声表面波滤波器制造方法，其特征在于，所述声表面波滤波器使用三次谐波。
8.根据权利要求6所述的声表面波滤波器制造方法，其特征在于，
所述叉指式换能器电极的每个电极指的宽度w为0.2至1.5μm，该宽度w与该电极指的间距p之间的比率w/p为0.7至0.9。
9.根据权利要求6所述的声表面波滤波器制造方法，其特征在于，
所述氧化物晶体基板为石英晶体基板，所述压电晶体基板是LiTaO3基板。
10.根据权利要求9所述的声表面波滤波器制造方法，其特征在于，
所述氧化物晶体基板是AT切割的0-90°X向传播石英晶体基板，所述压电晶体基板是36-45°Y向切割的X向传播LiTaO3基板。
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