CN1294780A - 在由一分子连结器连结到一承载基体上的压电材料薄层中导向的表面声波器件及其制造的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种表面声波器件,该表面声波器件包含一压电材料薄层,一分子连结器层和一承载基体。该薄层包括一改进了器件性能特性的声波能量导管。本发明还涉及用于制造该声波器件的方法,特别包括一将一承载基体与一压电基体之间进行分子连结的步骤,然后一用于减小压电基体厚度的步骤。
Description
本发明的领域是表面声波器件，特别是那些在移动电话中用作滤波器的表面声波器件。
为了用表面声波器件完成滤波器和谐振器类型的功能，建立尽可能高效的换能器和反射器功能是非常重要的。
一般地，表面声波谐振器包括位于两反射电极阵列之间的一表面声波换能器，该两反射电极阵列适当地定位，以捕捉声波能量，并从而产生一谐振腔，该谐振腔需要一低反射损失率。这可以用大量的电极来获得。实际上，一个单独电极的有效反射系数只有很小的百分比。因而，这些阵列由一百个，甚至更多以每个波长两个电极的比率统一分布的电极构成。电极反射的削弱本质上有两个原因：由于电极位于表面上，它不会对能量散射到基体中的表面声波产生强烈反应(实质上增强这种反应需要具有实践中不能获得的精细度的电极)。另外，如果一单独电极的反射率非常高，那么基本能量以分散波的形式传播，并因而造成整个谐振器的损失。
为了提高阵列的效率并从而提高谐振器的性能特性，特别有利的是，使用一声波能量导管，即使用一可将声波限定在其中的压电材料薄层。
表面声波换能器正越来越多地用于完成单向声波传递。因此，这种换能器由于反射效率的提高而以同样方式受益。另外，如果声波能量在一压电材料薄层中导向，压电耦合效率将更高。
这就是为什么本发明提出一种使用表面声波的器件的原因，该表面声波在连结到一承载基体的压电材料薄层中导向，以提供在压电材料中对声波的限制。
更具体地，本发明的一个目的是提供一种表面声波器件，该器件包括用于产生表面声波的装置，及一声波在其中导向的压电材料薄层，其特征在于，该器件包括一承载基体及一分子连结器层，压电材料薄层通过该连结器层连结到承载基体上。
该承载材料可以是玻璃、青玉、硅或砷化镓型的材料。压电材料可以是石英、铌酸锂或钽酸锂型的材料，而分子连结器可以是硅石型。根据本发明的一个变例，表面声波器件可包括一位于分子连结器层与压电材料层之间的金属层。
本发明另一个目的是用于制造一声波器件的第一方法，该声波器件包括一压电材料薄层，一分子连结器层和一承载基体。
更具体地，该方法的特征在于下列步骤：
-将一分子连结器层沉淀到压电材料基体的第一表面上，
-在一潮湿气氛中将一承载基体与由分子连结器层和压电材料基体形成的单元结合在一起，以完成亲水连结操作，
-用机械、化学、离子型方法将压电基体的厚度减小，从而限定该压电材料薄层。
有利地，该方法可包括下列步骤：
-在压电材料基体的第一表面以一深度d将离子植入压电材料基体；
-对由分子连结器层和压电材料基体形成的装置进行快速加热，以在离子植入的深度对压电材料基体进行裂化，并限定压电材料薄层；
-对压电材料薄层进行抛光。
通过下面作为非限定性例子的描述及附图，本发明将更清楚地理解，其它优点也将显现，其中：
图1表示本发明第一个示例性的表面声波器件，包括位于两反射器阵列之间的换能器；
图2a-2e表示用于获得本发明声波器件的制造方法之一的步骤；
图3表示本发明一可替换的实施例，其中表面声波器件包括一用于对波进行限定的附加的金属层；
图4a-4c表示没有导电层(4a)和有导电层(4b和4c)的换能器的结构；
图5a至5c表示根据本发明的表面声波器件，包括一挖空的承载基体；
图6表示本发明中单向换能器的一种控制方式；
图7a-7c表示使用本发明的表面声波器件的一示例性滤波器，带有表面电极或埋入的电极；
图8a至8b表示使用本发明表面声波器件的另一示例性滤波器；
图9a至9c表示示例性的封装的本发明的表面声波器件。
图10示出本发明封装的表面声波器件的另一实施例。
一般来讲，声波装置包括至少一层压电材料1，在其上或其中分布着下列元件：电极2，其用于完成所需的换能和反射功能；一层分子连结器3和一支承基体4，如图1所示，图1更具体地表示出插在两反射器阵列之间的一示例性的换能器。
压电材料层的厚度设置成它可以引入声波能量传播的两种导向方式。
被称为“分子”连结器的连结器层是一能够与位于接口处的材料建立亲水型连接的材料层。一般地，可以是硅石，它能够在潮湿的气氛中与位于接口处同样包含氧原子的其它材料建立O-H型连结。
在实践中，当使用一个硅石型承载基体时，可以通过在承载基体表面上喷溅上几百埃的厚度而形成一SiO2沉淀。当承载基体由砷化镓GaAs制成时也是这种情况。然后就能够在SiO2层与包含氧的压电材料，如石英、LiTaO3或LiNbO3之间形成连结。
有了为本发明选择的结构，通过将压电材料的精细厚度限定在一个声波波长的尺寸，即1微米至30微米，而分散声波在承载基体中的速度变得大于在压电材料层中的速度，该压电材料层可表现出一声波波导的特性。现在，被导引的声波结构相对于常规的非导引表面声波器件具有几个主要优点。这些优点是：
-低损失；
-高折射率；
-高电阻抗，特别是如果声波在一水平面中被极化。
本发明的声波器件包括一薄层压电材料。该小的厚度可通过机械或化学蚀刻获得，或者，通过对用分子连结与支承基体结合后的较厚的层再次进行等离子蚀刻而获得。但是，对于很薄的层，这些技术仍然成本很高。这就是为什么本发明提出一种用于制造极薄层的方法的原因。本发明的主要步骤在图2中示出。
该方法的第一个步骤包括将离子，如氢离子植入压电基体10中。离子轰击的能量对离子植入100的深度(图2a)进行调整。
在第二步骤中，对一分子连结器层30，如SiO2型，进行沉淀。该沉淀可通过喷溅完成。图2b中示出所获得的单元。
图2c中所示的第三步骤包括将一承载基体40与由连结器30和压电基体10形成的单元结合起来。该操作可在一受控的气氛中进行。
图2d中所示的第四步骤用于限定压电材料薄层。该步骤通过对在前述步骤中的单元进行快速加热而完成。在植入的杂质中发生裂化反应。该裂化限定了一厚度为d的压电层。该裂化步骤有利地后随有一对表面压电材料进行抛光的步骤。该步骤没有示出，在图2e中所示的第五步骤之前进行，该第五步骤包括通过电极沉淀操作限定表面声波器件(SAW装置)。
本发明的表面声波器件在硅型承载基体的情况下会得到改进，在这种情况下会由于材料的低电阻而发生实质性的损失。在这种类型的结构中，如图3所示，在承载基体与分子连结层之间插入一金属层实际上是有利的。这样，一承载基体41支承一金属层51、一分子连结器层31及一压电材料11的薄层，在压电材料11上沉淀有电极21。薄的金属层51是以限定了压电层11的电力线的方式位于压电层与承载基体之间的导电罩。薄金属层可沉淀在压电基体表面上，承载基体上，或它们两者上。然后分子连结器层可沉淀在金属层或承载基体或压电材料的表面上。相对于在电场上形成一罩而言，插入一导电层具有几个优点。这些优点特别通过图4a-4c表示出来。更具体地，图4a给出当没有导电层时位于换能器下面压电层电力线的示意图。图4b部分示出在导电层存在情况下同样现象的示意图。必须注意，在第二个例子中电力线更深地穿透该层。这导致换能器的电声耦合率上升。
依据各种情况的不同，换能器可包括不均衡的耦合，即第一耦合具有一给定的电位，而第二耦合仍处于零电位(即接地)，或其它平衡耦合，即两个耦合处于同一电位，但具有180°的相位差。
但是，为了在平衡或不平衡电源的情况下都能有最优的表现，导电层可接地；图4c示出另一实施例，其中输入信号的第二相位在两基体的接口处与导电表面耦合。这具有不可忽视的优点，即这使换能器的指状电极分布的尺寸加倍。在该结构中所需的电极的周期为λ，其中λ是在前面所述情况下声波的波长，该周期是λ／2。这样图4c提出了一种结构，该结构能够使装置操作的频率加倍。
当承载基体具有高电阻，例如它由玻璃或蓝宝石制成的情况下，压电基体与承载基体之间的电屏蔽对于防止承载基体中的导电损失就不必要了。因此，如下面将要描述的，可通过埋入电极制成与图4c中所示的等效的结构。这些植入的优点是由于埋入了电极而获得的较强的压电耦合，以及防止外部电场而对滤波器的屏蔽。
还可以通过将换能器的电极埋入压电层中而获得可比较的效果。这种结构能够以与埋入的导电层相同的方式，增加电力线在电压材料中穿透的深度。在现有技术表面声波器件的结构中，用埋入的电极获得恒定的和可复制的性能特性是非常困难的，因为将压电基体精确地蚀刻到所需的深度是很困难的。相反，本发明中没有这方面的困难。通过选择一种可选择的化学蚀刻方法，能够蚀刻出压电材料薄层的一个精确位置，并完全蚀刻出整体中的该位置。这样在波导中蚀刻出的槽可通过任一种已有技术，如蒸气沉淀或喷溅而填注金属。这样蚀刻出的换能器将具有更好的耦合。
根据本发明的另一个变例，通过在表面声波器件的活动表面下面将上述承载材料挖空对于降低支承材料中的损失是有利的。图5a示出一种表面声波器件，其中承载基体45被在面向压电材料15的活动区域的一个位置完全蚀刻，直到分子连结器层35，该压电材料15包括电极25。根据另一个变例，分子连结器层也可以蚀刻。在硅承载基体的情况下，可使用公知的化学蚀刻或离子蚀刻技术。
在本发明的内容中，如上所述，用上述完全挖空的支承材料制造一单向换能器也是很有价值的。图5b示出这种类型的一个换能器。有了薄压电层，可以在压电基体两表面上制成一系列的电极。一第一系列250在其中一个表面上制成，然后在制造第二系列251时用作掩模，因为压电基体对于在制造电极的光刻方法中所使用的单独波长来讲是可穿透的。
为获得在单一方向上的声能辐射，向换能器提供相位差为90°的两种输入。可通过一图6中所示的现有技术中公知的正交混合电路很容易地获得这种电力供应。在这种情况下，位于上表面的电极由输出1驱动，而位于下表面的电极由输出2驱动。以这种方式制造的单向换能器是宽带换能器，且是高效的。
必须注意，即使在承载材料的电阻足够时，挖空承载基体也是有用的。例如，根据压电材料和承载材料，可挖空支承件，仅留下位于表面声波器件下面具有特定厚度e的材料，如图5c所示。实际上，面向设置在压电材料16薄层表面上的电极26，通过一连结器层36连结到支承基体46上，该基体46被挖成最大厚度为e的支承材料。这种结构可用来补偿温度变化，并从而大大降低该器件对温度的敏感度。
如上所述，如果阵列被蚀刻在由压电材料制成的导管中，本发明的表面声波(SAW)器件，由于它的压电材料薄层，将具有大于或位于100％范围内的反射效率。实际上，在这种结构中，能量并没有损失或以分散波的形式散射出去。另外，由于能量被完全限制在导管中，通过对其进行蚀刻，在导管的不同区域可获得很高水平的反射和分离，从而降低了其高度和／或宽度。在本文中，图7示出低损失滤波器的制造，该滤波器由于其高反射效率而特别高效。这是一个由两个换能器T1和T2构成的滤波器，该两换能器T1和T2由一阵列R分隔开，通过压电导管上不同的蚀刻而获得。图7a示出该SAW器件的顶视图，图7b示出其剖视图。薄压电波导17例如通过化学或离子蚀刻被蚀刻到达分子连结器层37或到达承载基体47。这样，限定了一列电极27，以获得一系列一致的谐振腔，其中各谐振频率是腔波长1n的函数(例如1≤n≤5)。
通过改变各部分Wn中声波波导的宽度，可以改变各腔的阻抗。
各腔之间的耦合是通过导管Cn的孔径及窄缝Sn的长度来控制的。根据该方法，可通过与标准导向电磁波滤波器完全相同的方式制造一声波滤波器。各内腔的长度仅为约λ／2。因此这种滤波器可小于现有技术中的表面声波滤波器，现有技术中表面声波滤波器的反射器阵列需要100λ范围内的内腔。
图7c示出一可替换的滤波器，其中换能器的电极在压电基体中而不是在平面上被挖空。如上所述，该换能器因而具有改进的耦合，并可用于制造较小尺寸的滤波器。
图8a和8b示出图7a和7b中所示结构的变形。这些结构的不同之处在于，耦合不再是成一直线，而是位于侧面。
本发明还涉及SAW器件，其包装在成本和尺寸上都是很好的。
实际上，通常为热封包装的封装的成本目前是元件生产成本的主要部分。在大规模生产中，尽可能地降低这种成本是很重要的。在本文中，也可使用分子连结器薄层将封装盖与压电材料薄层连结在一起。
图9a示出一表面声波器件的一第一实施例，其中电极与一压电材料薄层18结合在一起，上述压电材料通过一分子连结器层381连结到一第一承载基体481上。一第二承载基体482同样通过一分子连结器层382连结到压电材料层上，以用于封装。根据本方法的一包装件是非常坚固的完全包装(即没有空腔)。假设分散波在承载基体中的速度大于在导管中的速度，就能够使扩散损失非常低。在一种标准方式中，导电板681和682通过基体481与表面声波元件建立了电耦合。
图9b示出一带有电极的表面声波器件(此处由位于两反射阵列之间的换能器表示)的第二实施例，该电极位于表面上而不再结合在一起。一局部挖空的承载基体在其圆周上通过一分子连结器层连结到一压电材料层上。这种方法与前述一个相比具有下述优点，即在连结上部承载基体之前，不用改变所测量的表面声波器件的特性。在图9c所示结构中，空腔的缺少实际上导致在连结承载基体后器件不同的反应。这在生产过程中使器件的测试复杂化。另外，用作封装包装件盖的挖空的承载基体可有利地包括活动元件19，用于适配的元件，或者任何其它结合到图9c中所示包装件上的元件。如果空腔内部被金属化，还能够在RF应用中实现一特别有价值的电屏蔽。
图10示出被集体封装的表面声波器件的一个变例。在这种情况下，在压电基体19中蚀刻出空腔。然后，进行金属化并完成光刻步骤，最后借助于孔和金属781将压电基体连结到(例如)陶瓷承载器上。最后的步骤包括用一锯将元件机械地分开。
Claims (16)
1．表面声波器件，包括产生表面声波的装置和一压电材料薄层，声波在压电材料薄层中导向，其特征在于，该器件包括一承载基体和一分子连结器层，压电材料薄层通过该分子连结器层连结到承载基体上。
2．如权利要求1所述的表面声波器件，其特征在于，该承载材料可为玻璃、青玉、硅或砷化镓型材料。
3．如权利要求1或2所述的表面声波器件，其特征在于，分子连结器是硅石。
4．如权利要求3所述的表面声波器件，其特征在于，分子连结器层的厚度在几百埃范围内。
5．如权利要求1至4中的一项所述的表面声波器件，其特征在于，它包括一位于分子连结器层与压电材料层之间的金属层。
6．如权利要求1至5中的一项所述的表面声波器件，其特征在于，压电材料为石英，铌酸锂或钽酸锂型材料。
7．如权利要求1至6中的一项所述的表面声波器件，其特征在于，压电材料层的厚度在约为1微米至30微米的一个声波波长范围内。
8．如权利要求1至7中的一项所述的表面声波器件，其特征在于，它包括结合到压电材料薄层中的电极。
9．如权利要求1至8中的一项所述的表面声波器件，其特征在于，用于产生表面声波的装置位于压电材料的中央部位，承载基体在上述中央部位前面被挖空。
10．如权利要求9所述的表面声波器件，其特征在于，承载基体被完全挖空直到压电材料薄层，且它包括位于压电材料第一表面上的第一系列电极及位于与压电材料层的第一表面相对的表面上的第二系列电极。
11．如权利要求1至10中的一项所述的表面声波器件，其特征在于，它包括由一反射器阵列隔开的两个换能器，该反射器阵列被蚀刻在压电材料薄层中，从而限定了一系列与1n的长度一致的谐振腔。
12．包含如权利要求1至11中的一项所述的表面声波器件的模件，及该器件被结合在其中的封装包装件，其特征在于，该封装包装件包括通过一第二分子连结器层连结到压电材料层的至少一部分上的第二承载基体。
13．如权利要求8至12中的一项所述的模件，其特征在于，该第二承载基体通过一第二分子层连结到整个压电材料层上。
14．如权利要求12所述的模件，其特征在于，承载基体在其中央被挖空，并将其周边连结到压电材料层的周边上。
15．用于制造如权利要求1至14中的一项所述的器件的方法，其特征在于，包括下列步骤：
-将一分子连结器层沉淀到压电材料基体的第一表面上，
-在一潮湿气氛中将一承载基体与由分子连结器层和压电材料基体形成的单元结合在一起，从而完成亲水连结操作，
-用机械、化学、离子型方法将压电基体的厚度减小，从而限定该压电材料薄层。
16．如权利要求15所述的方法，其特征在于，它还包括下列步骤：
-在压电材料基体的第一表面以一深度d将离子植入压电材料基体；
-对由分子连结器层和压电材料基体形成的装置进行快速加热，从而在离子植入的深度对压电材料基体进行裂化，并限定压电材料薄层；
-对压电材料薄层进行抛光。
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