CN1166057C - 表面声波器件及其生产方法 - Google Patents

Abstract

一种表面声波器件包括压电衬底；和至少一个叉指式换能器，它具有彼此平行延伸的指状电极，所述至少一个叉指式换能器是被装置在所述压电衬底上，并由一种重于铝的金属或一种重于铝的合金制成；其中在所述至少一个叉指式换能器的指状电极延伸方向上表面声波的声速分布不大于百万分之276，从而有效地抑制了相当大的纹波，这种纹波引人注意地群延迟时间特性中发现，尤其是，在带通区域内。本发明还揭示了制造上述表面声波器件的方法。

Description

表面声波器件及其生产方法

                        发明背景

1.发明领域

本发明一般涉及到起共振器或带通滤波器作用的表面声波器件，及其生产方法。尤其是，本发明涉及到采用一比较的电极材料的表面声波器件，以致可以利用水平切变的表面波，并涉及到它的生产方法。

2.相关技术的描述

表面声(SAW)器件广泛用作为共振器或带通滤波器。典型的表面声波器件具有压电衬底，并在压电衬底上装有由主要包括铝的电极材料制成的叉指式换能器(IDTs)的电极和反射器。

正如在本技术中熟知的，具有由钨(W)或钽(Ta)制成电极(它们是比较重的)的表面声波器件能够利用水平切变(SH)表面声波。

但是，在这样一种采用比较重的电极材料的表面声波器件中，在形成IDTs和反射器时，在薄膜厚度或线的宽度上的变化是不可避免的。因为该电极材料比典型的主要包括铝的表面声波器件的电极材料要重，所以采用较重电极材料的表面声波器件将会在表面声波的声束分布，或频率分布上造成相当大的变化。结果，在带通区域内在群延迟时间特性上呈现光显著的和危险的纹波，正如在图10中由剪头A所指的。

图10示出衰减频率特性与具有两个IDTs，其中心频率为225MHz的纵向耦合共振器SAW的群延迟时间特性的关系图。该纵向耦合共振器SAW具有采用石英(37度旋转Y-截面图)衬底的压电衬底，而IDTs和反射器由钽制成。

                        发明概述

为了克服上述的问题，本发明的一些较佳实施例提供了一种采用较重的诸如钽的电极材料，使得可以利用表面声波，其中，在指状电极延伸方向的声速分布或频率分布被降至最小，从而在带通区域内遏制了纹波，并提供了生产这样一种表面声波器件的方法。

根据本发明的一个较佳实施例，一表面声波被器件包括压电衬底，和至少一个具有一些彼此基本上平行延伸的指状电极的叉指式换能器。该叉指式换能器被装置在压电衬底上，该换能器由重于铝的一种金属或重于铝的一种合金制成。在叉指式换能器的指状电极的延伸方向上，表面声波的声速分布不大于约百万分之276。

最好是，表面声波器件还包括一对具有一些指状电极的反射器，把该反射器对装置于压电衬底上，其中，在反射器对的指状电极的延伸方向上的声速分布不大于约百万分之276。

该至少一个的叉指式换能器，在表面声波的传播方向上可以包括并排安置着的第一和第二叉指式换能器。把反射器对放置在表面波传播方向上被安放着第一和第二叉指式换能器的位置上的两边。该第一和第二叉指式换能器，以及反射器对确定了一垂直耦合的共振器滤波器。

最好是，表面波是诸如Love波的SH表面波。

在装着至少一个叉指式换能器的压电衬底上的表面声波的声速分布可能倾向于基本上垂直于该至少一个叉指式换能器的指状电极的延伸方向。

本发明的另一较佳实施例提供了生产包括压电衬底，和至少一个具有一些彼此平行延伸的叉指式换能器的表面声波器件的方法，该叉指式换能器被装置的压电衬底上并由重于铝的一种金属或重于铝的一种合金制成，其中，在叉指式换能器的指状电极的延伸方向上的表面波的声速分布不大于约百万分之276。该方法包括的步骤为：制备一片在其上装载有一些表面声波器件的晶片，测量装在晶片上的每个表面声波器件中指状电极延伸方向的声表面波的声速分布，以及把晶片中表面波的声速分布不大于约万百分之276的表面声波器件切割出来。

在本发明的另一较佳实施例中，提供一种生产表面声波器件的方法，该表面声波器件包括压电衬底，和至少一个具有一些彼此基本上平行延伸的指状电极的叉指式换能器，该叉指式换能器被装置在压电衬底上并由一种重于铝的金属或重于铝的合金的金属制成，其中，在叉指式换能器的指状电极延伸方向上的表面声波的波速分布不大于约百万分之276。该方法包括的步骤为：在压电衬底上沉积-金属薄膜以在其上形成叉指式换能器，并用光刻法把金属薄膜蚀刻出图形。沉积步骤和蚀刻图形步骤是这样来完成的，使得在沉积步骤后，在指状电极延伸方向上的薄膜厚度纵断面用在蚀刻图形步骤后，在指状电极延伸方向上的薄膜厚度纵断面来抵消掉。

按照本发明的另一较佳实施例的表面声波器件具有压电衬底，以及至少一个在其上沉积的，用一种重于铝的金属或合金制成的IDT。由于在IDT的指状电极延伸方向的表面声波的声速分布不太于约百万分之276，所以可能由较重的电极材料在带通区域内引起的纹波能被有效地抑制了。因此，该表面声波器件提供了优良的频率特性，在该频率特性中，在带通区域内纹波被降低了。

具有反射器的表面声波器件，在其反射器指状电极延伸方向上的表面声波的声速分布不大于约百万分之276，所以在带通区域内也有效地抑制了纹波。

按照本发明较佳实施例的表面声波器件并不限于垂直耦合的共振器滤波器。本发明可应用到各种各样的表面声波器件，而按照本发明的一些较佳实施例可以得到在带通区域内把纹波降低了的垂直耦合共振器滤波器。

一般来说，利用SH表面波的表面声波器件具有由一种重于铝的金属或金属制成的电极，由于较重的电极材料导致了纹波。本发明能把纹波有效地降至最小。利用诸如Love波的SH表面波的表面声波器件提供了优良的频率特性。

按照本发明的一些较佳实施例，在装有IDTs的压电衬底上的表面声波声速分布低向于基本上与IDTs的指状电极延伸方向垂直。这使得易于把在指状电极延伸方向上的表面声波的声速分布调制到不大于约百万分之276。

根据本发明，提供一种表面声波器件包括：压电衬底；和至少一个叉指式换能器，它具有彼此平行延伸的指状电极，所述至少一个叉指式换能器是被装置在所述压电衬底上，并由一种重于铝的金属或一种重于铝的合金制成；在所述至少一个叉指式换能器的指状电极延伸方向上表面声波的声速分布不大于百万分之276。

根据本发明，还提供一种制造表面声波器件的方法，所述表面声波器件包括压电衬底，和至少一个叉指式换能器，它具有一些彼此平行延伸的指状电极，该叉指式换能器是在压电衬底上形成的，并用一种重于铝的金属或一种重于铝的合金制成，在叉指式换能器的指状电极延伸方向上的表面声波的声速分布不大于百万分之276，所述方法包括的步骤有：制备一片晶片，在其上形成一些表面声波器件；在具有一用于叉指式换能器的薄膜的压电衬底上模制叉指式换能器，使得薄膜的最大厚度分布方向垂直于沿着叉指式换能器的指状电极延伸的方向；测量在晶片上形成的各表面声波器件的指状电极延伸方向上的表面声波的声速分布；以及把那些表面波的声波分布不大于百万分之276的表面波器件从晶片上切割下来。

根据本发明，还提供一种生产表面声波器件的方法，所述表面声波器件包括压电衬底，和至少一个具有一些彼此平行延伸的指状电极的叉指式换能器，该叉指式换能器被形成在压电衬底上，并用一种重于铝的金属或一种重于铝的合金制成，在叉指式换能器的指状电极延伸方向上的表面声波的声速分布不大于百万分之276，所述方法包括的步骤有：在压电衬底上沉积一层金属薄膜以形成叉指式换能器；在具有一用于叉指式换能器的薄膜的压电衬底上模制叉指式换能器，使得薄膜的最大厚度分布方向垂直于沿着叉指式换能器的指状电极延伸的方向；和通过光刻把金属薄膜蚀刻出图形，其中，沉积步骤和蚀刻图形步骤是这样来完成的，使得在沉积步骤后指状电极延伸方向上的薄膜厚度纵断面，在蚀刻图形步骤后，用指状电极延伸方向上的薄膜厚度纵断面来抵消掉。

本发明另外的一些细节，要素，特性和优点将随着参考附图对一些较佳实施例在下面的详细描述而变得更为明显。

                         附图简述

图1是按照本发明的一实施例的表面声波器件的平面示意图；

图2是示于图1的表面声波器件的频率特性图，假设在IDTs和反射器的指状电极延伸方向上没有表面波的声速分布；

图3是支持示于图4到7的计算模型的表面声波器件的平面图；

图4是示出表面声波器件的频率特性图，此处n＝2和ΔV＝44ppm；

图5是示出表面声波器件的频率特性图，此处n＝2和ΔV＝66ppm；

图6是示出表面声波器件的频率特性图，此处n＝2和ΔV＝88ppm；

图7是示出表面声波器件的频率特性图，此处n＝2和ΔV＝111ppm；

图8是示出当纹波是可允许时在1/n和最大声速差ΔV之间的关系图；

图9是示出按照本发明的一实施例的表面声波器件的频率特性图；以及

图10是示出常规表面声波器件的频率特性图。

                    较佳实施例的详细描述

本发明将从本发明的一些较佳实施例在下面详细描述中，并参阅这些附图，变换完全明白。

图1是按照本发明的一实施例的表面声波器件的平面示意图。表面声波器件1可以是一具有二个IDTs 3和4的垂直耦合共振器SAW滤波器。

参阅图1，该表面声波器件1包括基本上是长方形的压电衬底2。压电衬底2可以是石英衬底或其它合适的衬底。压电衬底2也可以由其它包括LiTaO₃(LT)在内的其它单晶压电材料，或其它压电陶瓷。

把IDTs 3和4放在压电衬底的顶部。IDT 3包括一对梳状电极3a和3b，而IDT4则包括一对梳状电极4a和4b。梳状电极3a，3b，4a和4b各包括一些指状电极，即，3a₁，3b₁，4a₁和4b₁。这些指状电极3a₁，3b₁，4a₁和4b₁彼此基本上平行延伸。

在图示的较佳实施例中，IDT3成为输入IDT，而取IDT4为输出。当把输入电压加以IDT3时，激发了表面声波，并在与指状电极3a₁，3b₁，4a₁和4b₁的垂直方向上传播。

把反射器5和6装置在表面声波传播的放置IDTs 3和4位置的两旁。反射器5和6可以是各具有一些指状电极的栅状反射器。这些指状电极5a和6a各在两者的末端处短路。

在图示的较佳实施例中的IDTs 3和4，以及反射器5和6最好是用钽制成。换言之，它们是由重于铝的金属形成的。IDTs 3和4，以及反射器5和6的材料并非特别限定的。只要是一种重于铝的的金属材料，且可包括除钽以外的，诸如金，钨，钼，镍，铜，钴，铬，锌，铁和锰的金属，以及包含其中的一种重于铝的合金，只要是合适的。

设想用于压电衬底2的X-Y坐标，正如图1中左面所示，此处X方向对应于表面声波的传播方向。于是，Y方向对应于指状电极3a₁，3b₁，4a₁，4b₁，5a和6a的延伸方向。

在图示的较佳实施例中，当输入电压加到IDT3时激了SH波，而根据所得到的SH波的输出则取在输出处的IDT4。

在图示的较佳实施例中，有利的是，在Y方向SH波的声速分布不大于约百万分之276，从而抑制了和减小了相当大的纹波，这纹波显著地出现在群延迟时间特性中尤其是，在带通区内。这理由现在将作详细的进一步描述。

正如上面所描述的，具有由一种重于铝的金属制成电极的表面声波器件可以利用诸如Love波的SH表面波。但是，较重电极材料造成电极的薄膜厚度或线宽的变化，可能导致相当大的纹波。

本发明人对这种纹波作了精细深入的研究，并且最后发现了在IDTs3和4，以及反射器5和6的指状电极3a₁，3b₁，4a₁，4b₁，5a和6a的延伸方向上具有已知大小或更大的声速分布造成了相当大的纹波。就是说，在IDT的厚度或在IDT的指状电极的宽度偏离了沿着指状电极延伸的方向的话，则声波也在该方向散布或偏离。

鉴于一个关系表达式为(声速-波长×频率)，当波长为常数时，在声速上的变化量完全等于频率的变化量。就是说，得到了下面的关系表达式：

(声速分布)＝(频率分布)在下面的描述中，特别考虑了具有接收频率为225MHz的垂直耦合共振器SAW滤波器。

在指状电极延伸方面表面波的声速为均匀的情况下的特性是采用等价电路方法来模拟的。

图2图示了它的结果，示出了衰减频率特性对如延迟时间特性的关系图。

在图2中是显然的，群延伸时间特性在带通区域内是高度平滑的，而没有显著地显示纹波。

现在，根据模拟的结果，当表面波声速分布发生在指状电极3a₁，3b₁，4a₁，4b₁，5a和6a的延伸方向上时，即，横跨宽度方向，作了一个关于那些特性上的评述。注意到，在群延伸时间特性的纹波容许极限定义为使得在带能区域群延伸时间的偏离约为10％，就是说，使最大群延伸时间值减去最小群延伸时间值成为上限，这上限是提供具有优良性能的表面声波器件所需的。

图3所示的一个图例，在这个图例中把表面声波器件1在指状电极3a₁，3b₁，4a₁，4b₁，5a和6a(在Y方向)延伸方向分为n个区域，把声速分布构筑成使其具有成台阶形结构，如在图3中右边所指出的。在图3右边所图示的声速散布中，在横越宽度方向或在指状电极3a₁，3b₁，4a₁，4b₁，5a和6a延伸方向的表面声速的大小由声速V代表。符号ΔV代表了在相邻区域的声速间差异的和。

在图3，群延伸时间特性是用模拟来估计的，在这个模拟中声速差异ΔV非常快地台阶式地从零增加，而这个差异可能是在具有最大声速区域中的声速和具有最小声速区域中的声速之间的差异。

下面的结果是当n＝2时所获得的，正如示于图4到7的：在图4中，ΔV＝44ppm(相对于225MHz的10KHz)，在图5中，ΔV＝66ppm(相对于225MHz的15KHz)，在图6中，ΔV＝88ppm(相对于225MHz的20KHz)，以及在图7中，ΔV＝111ppm(相当于225MHz的25KHz)。

由图4到7可以理解到，当声速分布，或声速差异ΔV增加时，在带通区域内，在群延伸时间特性中呈现出较大的纹波。

进一步理解到，当n＝2时，如果在表面波传播的区域在指状电极延伸方向被分为两个时，则声速差异ΔV的最大值约为88ppm(20KHz)，此处呈现在群延迟时间特性上的纹波大小约为偏离的10％，正如前面所描述的。

当n3，5，10和15时，用同样的方法来计算最大声速差异ΔV，在这个差异中，呈现在群延伸时间特性上的纹波大小的约在偏离的10％之内。其结果示于图8。

在图8中，横坐标指出所分区域数n的倒数，而纵坐标指出当纹波是可容许时声速差异ΔV的最大值ΔVmax。

在图8中是显然的，当纹波的大小在约偏离的10％之内，最大声速偏离ΔVmax与n的倒数成反比的关系。

在图8中也是显然的，当n＝无限大时作出的外延，最大声速差异ΔVmax约为百万分之276。

因此，正如从示于图8的结果预料到的，当在IDTs 3和4，以及反射器5和6的指状电极3a₁，3b₁，4a₁，4b₁，5a和6a延伸方向的表面波的声速分布不大于约百万分之276，呈现在带通区域群延迟时间特性上的相当大的纹波可以被有效地抑制。作为本发明人实验的结果，声速散布约为百万分之276是由用钽或钨制成的IDT中的约为0.5nm的IDT厚度分布所造成的。所以，在沿着IDT的指状电极延伸方向上，最好把IDT的厚度分布选择在约0.5nm之内。

在图示的较佳实施例中IDTs 3和4，以及反射器5和6在母压电衬底2上排成一个方阵，然后就测量了在母压电衬底上的频率分布。根据上面指出的结果，获得了表面声波器件，在这器件中，在指状电极延伸方向上的表面波声速分布不大于百万分之276，并且决定了器件的特性，它的结果示于图9。

显然，从图9，所得到的表面声波器件1在带通区域内，在群延迟时间特性上，并不呈现出显著的或相当大的纹波。

在这个例中，在母压电衬底2上，在指状电极3a₁，3b₁，4a₁，4b₁，5a和6a延伸方向的表面波的声速分布是用探针来完成频率测量而获得的。

具体地说，采取了一种方法，它包括在一母压电衬底上形成许多表面声波器件；在每个表面声波器件的指状电极延伸方向上测量表面波的声速分布；然后把那些表面波声速分布不大于百万分之276的表面声波器件从晶片上切割出来。这个方法可被补充，使得在整个母压电衬底上表面波的声速分布被降低。例如，这可以靠采用在一片晶体上能形成具有非常小的厚度分布的薄膜形成装置能腐蚀在腐蚀性质上带有非常小分布的薄膜的腐蚀装置来获得。

换一种方法，在具有一薄层用于IDT的薄膜的压电衬底上构筑图形来作成IDT，使得薄膜的最大厚度分布方向垂直于沿着IDT的指状电极延伸的方向。相对于薄膜，IDT的这种安排使得沿着IDT的指状电极延伸方向上的厚度分布相当小。另外，在生产表面声波器件的方法中，它包括在压电衬底上沉积金属薄膜以形成IDT，和用光刻在所得到的薄膜上蚀刻图形，沉积步骤和蚀刻图形步骤可以这样来完成，使得在沉积步骤后IDT的指状电极延伸方向上的厚度分布纵断面在用光刻蚀刻图形步骤后用指状电极延伸方向上的宽度纵断面来抵消掉。

虽然在图示的较佳实施例中已经描述过具体有两个IDTs的垂直耦合共振器滤波器，但是本发明并不限于此，而是能适用于各种各样的器件，包括水平耦合共振器滤波器，具有单一IDT的表面声波共振器，和各种具有一些IDTs的表面声波滤波器，诸如梯形滤波器和网格形滤波器。

除了SH表面波之外，也可采用其它SH表面波。而且，本发明能适用于采用除SH表面波外的表面波的表面声波器件。

虽然参照了它的较佳实施例，已经详细地示出和描述了本发明，但是，在本技术领域中的技术人员会理解到，在不背离本发明的精神和范围下，可对形式和细节作出上述的和其它的修改。

Claims (20)

1.一种表面声波器件包括：

压电衬底；和

至少一个叉指式换能器，它具有彼此平行延伸的指状电极，所述至少一个叉指式换能器是被装置在所述压电衬底上，并由一种重于铝的金属或一种重于铝的合金制成；

其特征在于，在所述至少一个叉指式换能器的指状电极延伸方向上表面声波的声速分布不大于百万分之276。

2.如权利要求1所述的表面声波器件，还包括一对各具有一些指状电极的反射器，所述反射器对是被装置在所述压电衬底上，其特征在于，在所述反射器对的指状电极延伸方向上表面声波的声速分布不大于百万分之276。

3.如权利要求2所述的表面声波器件，其特征在于，所述至少一个叉指式换能器包括第一和第二叉指式换能器，它们被并排地安置在表面声波传输的方向上，并把所述反射器对放置在表面波传播方向上被安置着第一和第二叉指式换能器的位置上的两边，从而，第一和第二叉指式换能器以及所述反射器对被放置为确定一垂直耦合的共振器滤波器。

4.如权利要求1所述的表面声波器件，其特征在于，该表面声波包括水平切变表面波。

5.如权利要求1所述的表面声波器件，其特征在于，在装有至少一个叉指式换能器的压电衬底中表面声波的声速分布垂直于所述至少一个叉指式换能器的指状电极的延伸方向。

6.如权利要求1所述的表面声波器件，其特征在于，该压电衬底是由石英，单晶压电材料，和压电陶瓷材料中的一种制成。

7.如权利要求1所述的表面声波器件，还包括：

至少一个反射器；并且

其中该至少一个叉指式换能器和该至少一个反射器用钽制成。

8.如权利要求1所述的表面声波器件，还包括：

至少一个反射器；并且

其中该至少一个叉指式换能器和该至少一个反射器是用金，钨，钼，镍，铜，钴，铬，锌，铁，和锰中的一种制成。

9.一种制造表面声波器件的方法，所述表面声波器件包括压电衬底，和至少一个叉指式换能器，它具有一些彼此平行延伸的指状电极，该叉指式换能器是在压电衬底上形成的，并用一种重于铝的金属或一种重于铝的合金制成，其特征在于，在叉指式换能器的指状电极延伸方向上的表面声波的声速分布不大于百万分之276，所述方法包括的步骤有：

制备一片晶片，在其上形成一些表面声波器件；

在具有一用于叉指式换能器的薄膜的压电衬底上模制叉指式换能器，使得薄膜的最大厚度分布方向垂直于沿着叉指式换能器的指状电极延伸的方向；

测量在晶片上形成的各表面声波器件的指状电极延伸方向上的表面声波的声速分布；以及

把那些表面波的声波分布不大于百万分之276的表面波器件从晶片上切割下来。

10.如权利要求9所述的方法，还包括在一些表面声波器件的每一个上形成一对反射器的步骤，各反射器对具有一些指状电极，其特征在于，在所述反射器对的指状电极的延伸方向上的表面声波的声速分布不大于百万分之276。

11.如权利要求10所述的方法，其特征在于，一些表面声波器件的每一个包括被并排地安置在表面声波传播方向的第一和第二叉指式换能器，并把所述反射器放置在表面波传播方向上被安置着第一和第二叉指式换能器的位置上的两边，从而，第一和第二叉指式换能器以及所述反射器对被放置为确定一垂直耦合的共振器滤波器。

12.如权利要求9所述的方法，其特征在于，该表面声波包括水平切变表面波。

13.如权利要求9所述的方法，其特征在于，在已装有所述至少一个叉指式换能器的压电衬底中的表面声波的声速分布垂直于所述至少一个叉指式换能器的指状电极延伸方向。

14.一种生产表面声波器件的方法，所述表面声波器件包括压电衬底，和至少一个具有一些彼此平行延伸的指状电极的叉指式换能器，该叉指式换能器被形成在压电衬底上，并用一种重于铝的金属或一种重于铝的合金制成，其特征在于，在叉指式换能器的指状电极延伸方向上的表面声波的声速分布不大于百万分之276，所述方法包括的步骤有：

在压电衬底上沉积一层金属薄膜以形成叉指式换能器；

在具有一用于叉指式换能器的薄膜的压电衬底上模制叉指式换能器，使得薄膜的最大厚度分布方向垂直于沿着叉指式换能器的指状电极延伸的方向；和

通过光刻把金属薄膜蚀刻出图形，

其中，沉积步骤和蚀刻图形步骤是这样来完成的，使得在沉积步骤后指状电极延伸方向上的薄膜厚度纵断面，在蚀刻图形步骤后，用指状电极延伸方向上的薄膜厚度纵断面来抵消掉。

15.如权利要求14所述的方法，其特征在于，在沉积步骤中所沉积的金属是钽。

16.如权利要求14所述的方法，其特征在于，在沉积步骤中所沉积的金属是金，钨，钼，镍，铜，钴，铬，锌，铁和锰中的一种。

17.如权利要求14所述的方法，还包括在一些表面声波器件的每一个上形成一对反射器的步骤，各反射器对具有一些指状电极，其特征在于，在所述反射器对的指状电极的延伸方向上的表面声波的声速分布不大于百万分之276。

18.如权利要求14所述的方法，其特征在于，还包括在一些表面声波器件的每一个上形成一对反射器的步骤，其中一些表面声波器件的每一个包括被平排地安置在表面声波传播方向的第一和第二叉指式换能器，并把所述反射器放置在表面被传播方向上被安置着第一和第二叉指式换能器的位置上的两边，从而，第一和第二叉指式换能器以及所述反射器对被放置为确定一垂直耦合的共振器滤波器。

19.如权利要求14所述的方法，其特征在于，该表面声波包括水平切变表面波。

20.如权利要求14所述的方法，其特征在于，在已装有所述至少一个叉指式换能器的压电衬底中的表面声波的声速分布垂直于所述至少一个叉指式换能器的指状电极延伸方向。

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