TW201946380A - 複合基板上的表面聲波裝置 - Google Patents
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Abstract
本發明關於一種表面聲波裝置，包含基板、壓電層、電極層、以及梳狀電極。電極層位於壓電層和基板之間。梳狀電極形成於壓電上並包含具有間距p的多個電極元件，定義p=λ，其中λ為施加相反電位到電極層和梳狀電極所產生之駐聲波的波長。其中壓電層包含位於電極元件之間的至少一區域，相較於電極元件下方的另一區域，至少一區域具有不同的至少一物理參數。本發明也關於製造此表面聲波裝置的方法。
Description
本發明係關於一種表面聲波裝置以及一種製造表面聲波裝置的方法。
近年來，基於複合基板且作為濾波裝置的表面聲波(surface acoustic wave，SAW)裝置已展現了較佳的溫度特性和性能，特別是對於行動電話的應用而言。
在典型的表面濾波(SAW)裝置中，會使用一個或多個交叉指狀轉換器(inter-digitated transducer，IDT)來利用特定物質的壓電效應(piezoelectric effect)，而將聲波轉換為電力訊號，反之亦然。交叉指狀轉換器(inter-digitated transducer，IDT)包含具有相對的「尺梳(comb)」，且交叉指狀金屬叉指(metal finger)設置於壓電基板。可藉由電性激發金屬叉指而在基板上建立表面聲波。相反地，可藉由傳遞於位在轉換器下的壓電基板材料的表面聲波，而在金屬叉指間產生電力訊號。
然而，實際上這種表面聲波裝置的操作頻率限制為約1至3GHz，因梳狀電極的電極間距p決定聲波波長λ，λ給定為p=λ/n，其中n≧2，通常n=2。因此，當需要更高的操作頻率時，實際上難以使梳狀電極更進一步微小化，此一方面係由於微影技術(lithography)的緣故，而另一方面則是由於電力損失的緣故。
在第二諧波SAW裝置(second harmonic SAW device)中或薄膜體聲波共振器(film bulk acoustic wave resonator，FBAR)中，會使用非結構電極(FBAR)或只有一個梳狀電極(第二諧波SAW)來代替具有反向電位之相對梳狀電極的交叉指狀轉換器結構。會使用位於壓電結構背面的反電極(counter-electrode)，而不是使用第二梳狀電極。此反電極通常接地(at mass)，而梳狀電極處於給定的電位。如專利文獻US 6445265B1所示，接著藉由令單一的梳狀轉換器作用於第二布拉格諧波(second Bragg harmonic)來激發聲波。當梳狀電極的間距p等於聲波波長λ時，可以獲得相位上的同調，相較於幾何形狀相同的傳統交叉指狀轉換器(相同的間距、相同的叉指數量等等)，此方法可能可以得到兩倍的元件操作頻率fr
，同時保持製造方面的穩健性。
然而，在這種第二諧波SAW裝置中，由於第二諧波模式被激發，因此所產生的聲波為駐波(standing wave)。基於此種轉換器結構之SAW裝置的實現可能仰賴例如在縱向方向耦合漸逝波(evanescent wave)的可能性。因此，為了此種裝置所獲得的機電耦合係沒有效率的。另一種使用此原理來建構濾波裝置的方式在於使用SAW裝置作為所謂的梯形濾波器(ladder filter)的阻抗元件。在此情況下，SAW裝置作為共振器而可以與其他依據最佳技術的共振器結合，藉以提供濾波功能。
然而，由於轉換器結構所激發且對應於體積模式(volume mode)的非引導聲能(non guided acoustic energy)，能量損失仍存在於此種轉換器。
因此本發明的目的為藉由使用新設計來提供設置於複合基板之第二諧波表面聲波裝置，進而克服這些缺點。
本發明的目的由一種表面聲波裝置達成，此表面聲波裝置包含基板、壓電層和位於壓電層和基板之間的電極層，更包含形成於壓電層的梳狀電極，壓電層包含具有間距p的多個電極元件，定義p=λ，且λ為駐聲波波長，駐聲波由施加相反電位於電極層和梳狀電極而產生，其特徵在於，壓電層包含至少一區域，至少一區域位於電極元件之間，相較於該壓電層中位於電極元件下方的另一區域，至少一區域具有不同的至少一物理參數。
在先前技術中，第二諧波SAW裝置中，除了激發於壓電層厚度方向的駐波，也會激發橫向傳遞的聲波。這些橫向傳遞的聲波是所產生的駐聲波和體聲波之間耦合的結果。藉由位於電極元件之間的壓電層之至少一區域，相較於該壓電層中位於電極元件下方的另一區域，至少一區域具有不同的至少一物理參數，可以調整這兩種聲波之間的耦合來減少或甚至抑制不想要的效果。特別是，在壓電層中導聲波變得可行。
根據本發明一變化實施例，在壓電層之至少一區域中不同的至少一物理參數為壓電層的彈性。藉由具有位於電極元件之間的壓電層之至少一區域，相較於壓電層中為於電極元件下方的另一區域，壓電層之至少一區域中具有不同的至少一物理參數，因此可以調整體聲波和駐聲波的耦合，並獲得傳遞於縱向的漸逝聲波(evanescent acoustic wave)。
根據本發明一變化實施例，在壓電層之至少一區域中不同的至少一物理參數為摻雜物濃度，特別是壓電層中Ti的摻雜物濃度。因此可以調整體聲波和駐聲播的耦合，並獲得傳遞於縱向的漸逝聲波(evanescent acoustic wave)。
根據本發明一變化實施例，壓電層的至少一區域的厚度tr
小於壓電層的厚度t。根據另一變化實施例，壓電層可以存在於電極元件朝向基板的下方。藉由電極元件之間具有較薄的壓電層或甚至完全移除壓電層，體聲波和駐聲波的耦合受到調整。甚至可以在縱向獲得漸逝聲波從而減少不想要的虛效應(spurious effect)。
根據本發明一變化實施例，如上所述的表面聲波可以更包含布拉格反射鏡(Bragg mirror)，布拉格反射鏡位於壓電層下方。布拉格反射鏡減少朝向基板的能量損失，並可以增加對裝置結構的機械穩定性。
根據本發明一變化實施例，位於壓電層和基板之間的電極層可以為布拉格反射鏡的一部份，特別是布拉格反射鏡的頂層。藉由使用頂層作為電極層，此裝置的製造製程可以減少。
根據本發明一變化實施例，布拉格反射鏡可以包含多個交流阻抗層。在此反射鏡中，對應於高低阻抗層之間不同阻抗的堆疊參數，例如層的厚度和層的阻抗比，可以控制及/或調整及/或改善反射鏡的反射率和頻率帶通。
根據本發明一變化實施例，可以選擇壓電層的厚度以最佳化梳狀電極和電極層之間所產生的體聲波和駐聲波的耦合，位於次波長範圍內，特別是λ/2的數量級，更特別是λ/4的數量級或更少。因此當壓電層的厚度為轉換器結構波長的數量級或小於轉換器結構波長的數量級，特別是λ/2的數量級，更特別是λ/4的數量級或更低時，可以在壓電層中獲得導聲波(guided acoustic wave)。
根據本發明一變化實施例，梳狀電極的尺寸由梳狀電極和電極層之間所產生的體聲波和駐聲波之間的耦合的最佳化所定義。體聲波和駐聲波之間的耦合使導波縱向傳遞於壓電層中。因此，藉由調整梳狀電極的結構特徵，可以改善此耦合並因此增加導波在壓電層中的傳遞。
本發明的目標也藉由如請求項10之製造表面聲波裝置的方法來達成。方法包含下列步驟，(a)設置電極層於基板的頂部，(b)設置壓電層於電極層，以及(c)形成上梳狀電極於壓電層，其中在步驟(b)中壓電層被設置而包含設置至少一區域，至少一區域位於電極元件之間，相較於壓電層中位於電極元件下方的另一區域，至少一區域具有不同的至少一物理參數。
根據本發明一變化實施例，步驟(b)可以包含蝕刻(etching)步驟，以移除位於電極元件之間之壓電層的區域中部分或全部的壓電層。這使製造製程簡單化。
根據本發明一變化實施例，步驟(b)包含在位於電極元件之間之壓電層的區域中進行原子種，特別是Ti，的植入或擴散。根據另一變化實施例，步驟(b)包含在位於電極元件之間之壓電層的區域中進行質子交換。這能夠使用適用於壓電層的標準處理技術使得壓電層的區域內具有不同的壓電層物理參數。
根據本發明一變化實施例，如上所述製造表面聲波裝置的方法更包含步驟(d)，於步驟(d)中，在設置壓電層的步驟之前先設置布拉格反射鏡(布拉格反射鏡)於基板或基板的上方。這使薄膜形成製程可以用以簡單並準確地形成於次波長範圍內的薄壓電層，薄膜形成製程如氣相沉積(vapor deposition)或濺鍍(sputtering)。
根據本發明一變化實施例，布拉格反射鏡被設置而使得電極層為布拉格反射鏡的一部份。這可以藉由減少沉積的層數更簡化製造製程，而不損害反射鏡的性能和裝置的性能。
根據本發明一變化實施例，如上所述之表面聲波裝置的製造方法的步驟(a)至(d)中至少一步驟為層轉移製程。舉例來說，可以使用Smart CutTM
方法，在熱退火(thermal annealing)的過程中藉由斷裂波(fracture wave)沿著予體基板交界面的傳遞進行予體基板在支撐基板上的層轉移，予體基板事先由離子植入(ion implantation)弱化。
本發明的目的也可以由包含如本發明任一變化實施例之表面聲波裝置的頻率濾波裝置來達成。
參考附圖與以下描述可以理解本發明，其中圖中標號標示本發明之特徵。
圖1a為根據先前之最佳技術之表面聲波裝置100。表面聲波裝置100包含聲波傳遞基板102，聲波傳遞基板102包含基板106以及具有厚度t的壓電層104。表面聲波裝置100也包含電極層108，其中電極層108形成於基板106之上和壓電層104之下。電極層108接地。電極層108由任何適合的導體金屬形成，例如鋁、鋁合金或鎢。
表面聲波裝置100更包含梳狀電極110，其中梳狀電極110具有從對應導電部114延伸出的多個電極指112。梳狀電極110和其對應導電部114由任何適合的導體金屬形成，例如鋁、鋁合金或鎢。
轉換器結構116便因而存在於表面聲波裝置100，其中表面聲波裝置100包含多個梳狀電極110，其中梳狀電極110具有位於壓電層104上方的多個電極指112和位於壓電層104下方的電極層108。
應注意的是，相較於圖1a和圖1b中所示，轉換器通常具有更多數量的電極指。為了清楚描述整體概念，在圖示中大量減少電極指實際上的數量。
梳狀電極110的電極指112通常都具有基本上相同的長度l、寬度w和厚度h(如圖1b所示)。在一變化實施例中，電極指112也可以為漸縮的。
梳狀電極110的電極指112都連接到電位118(在這裡為+V)，且轉換器結構116便因而由其電極間距p所定義，其中電極間距p對應於兩相鄰電極指之間的電極指邊緣到邊緣的距離，例如圖1a所示的112_2和112_3。因所有電極指112連接到相同的電位+V，所以轉換器結構116的電極間距p給定為p=λ，而對應於布拉格條件(Bragg condition)的兩倍，或也稱為第二諧波模式(second harmonic mode)。對於交叉指狀轉換器結構(inter-digitated transducer structure)而言，通常對應於先前之最佳技術中使用於SAW裝置的轉換器結構，布拉格條件給定為p=2λ。
圖1b為圖1a中之相同的表面聲波裝置100的側視圖，且圖1b繪示出梳狀電極110的電極指112。轉換器結構116所實現於的聲波傳遞基板102與先前圖1a中所述相同。相較於圖1a具有相同標號的特徵並不再詳細描述，而是參考以上關於他們的描述。
如圖1a和圖1b中所示使所有電極指112處於相同電位的幾何狀態中，無法在垂直於電極指112之縱向延伸l的方向X1產生電場，且因而無法依照通常的IDT操作模式與來自轉換器結構116的聲模(acoustic mode)耦合。
藉由將電極層108放置於壓電層104下方而接地，電場120便會產生於電極指112和電極層108之間，即方向X2，此對體聲波模式的機電耦合或壓電耦合是必要的，例如如同為了第二諧波SAW裝置所達成。因此轉換器結構116使聲波能激發於電場方向，也就是圖1b中的方向X2。聲波的激發大多發生於壓電層104的大部分(bulk)(方向X2)，並為駐聲波的形式。多個對應於頂部梳狀電極之各個電極指的單一共振器產生同步效應(synchronism effect)，這使導波以壓電層厚度和梳狀電極間距p一起給定的頻率發生於壓電層104。
由於轉換器結構116所激發且對應於體積模式(volume mode)的非引導聲能(non guided acoustic energy)，轉換器結構116存在能量損失，且所損失的能量逸入基板106。當此轉換器結構使用於SAW裝置中，此效應會導致SAW裝置的效能不佳。
因為薄的電極層108作為壓電層104和基板106之間的導電屏(conductive shield)，而使得壓電層104的電場線120受到限制，所以電極層108存在於壓電層104下方會減少基板106中部份的能量損失。
圖2a至圖2e繪示根據本發明第一實施例之表面聲波裝置200。表面聲波裝置200實現於複合基板202，其中複合基板202包含壓電層204和基板206。
用於本發明第一實施例的基板206為矽基板，特別是在與電極層208交界處包含有所謂的富阱層(trap-rich layer)的矽基板。除了矽，可以選擇其他具有高聲波傳遞速率的基板材料，例如鑽石、藍寶石、碳化矽(Silicon Carbide)或甚至是氮化鋁(Aluminium Nitride)。
表面聲波裝置200也包含電極層208，其中電極層208形成於基板206之上和壓電層204之下。電極層208接地。電極層208也可以連接到電位+V或-V。電極層208由任何適合的導體金屬形成，例如鋁、鋁合金、鉬或鎢。
表面聲波裝置200也包含如圖2b所示之具有多個電極元件212的梳狀電極210。梳狀電極210和其各自的電極元件212由任何適合的導體金屬形成，例如鋁或鋁合金、鉬或鎢。在此實施例中，電極元件212具有電極指的外形。
梳狀電極210的電極指212都具有基本上相同的長度l、寬度w以及厚度h。根據本實施例的變化實施例，電極指212可以具有不同的長度l、寬度w和厚度h。
梳狀電極210的電極指212都連接到相同的電位+V。梳狀電極210的電極指212也可以連接到-V或接地(未繪示)。
因此轉換器結構214存在於表面聲波裝置200，其中表面聲波裝置200包含梳狀電極210，其中梳狀電極210具有位於壓電層204上方的多個電極指212和位於壓電層204下方的電極層208。在一變化實施例中，具有多個電極指212的梳狀電極210埋在壓電層204中。
在此實施例中，壓電層204為鈮酸鋰(Lithium Niobate，LiNbO3
)、鉭酸鋰(Lithium Tantalate，LiTaO3
)或其他任何適合的材料。形成於基板206上的壓電層204的厚度t與轉換器結構214的波長λ為相同的數量級，或是小於轉換器結構214的波長λ，特別是λ/2的數量級，更特別是λ/4的數量級或更低。波長λ為產生於壓電層204中的表面聲波的波長。
在本發明之變化實施例中，壓電層204也可以為多晶材料(poly-crystalline material)或磊晶材料(epitaxy material)，以及氧化鋅(Zinc Oxide，ZnO)、氮化鋁(Aluminium Nitride，AlN)、鋁鈧氧化物(Aluminium Scandium Nitride，AlScN)或氮化鎵(Gallium Nitride，GaN)。
轉換器結構325由其電極間距p定義，其中間距p對應於兩相鄰電極指之間的電極指邊緣到邊緣的距離，例如圖2a和圖2b所示的212_1和212_2。因所有電極指212皆連接到相同的電位+V，所以轉換器結構214的間距p給定為p=λ，此對應於布拉格條件(Bragg condition)的兩倍，或也稱為第二諧波模式(second harmonic mode)。當電極層208接地且梳狀電極210的電極指212連接到均勻的電壓+V時，這些第二諧波模式於壓電層204中被激發。
此外，壓電層204包含區域216，其中區域216位於壓電層204中並位於相鄰的多個電極指212之間，例如如圖2a所示從側面看及如圖2b所示從上面看的電極指212_1、212_2之間。
如圖2a和圖2b所示，區域216的尺寸中，寬度wr
由兩相鄰電極指212之間的距離a所給定、高度tr
由壓電層204的厚度t所給定，且長度lr
由電極指的長度l所給定。
根據本發明，相較於壓電層204的其餘區域，至少一區域216具有不同的至少一物理參數，特別是相對於位於電極指212下的另一區域218。此物理參數可以為彈性、摻雜物濃度、厚度等等。
在一變化實施例中，相較於壓電層204的其餘區域，區域216的不同的物理參數在區域216中變化。舉例來說，相較於壓電層204的其餘區域，一個區域216可以具有不同的彈性，而相較於壓電層204的其餘區域，另一個區域216可以具有不同的摻雜物濃度。
在一變化實施例中，區域216的長度lr可以短於或長於電極指212的長度l。
圖2c為一變化實施例，其中區域216的長度lr短於電極指212的長度l。
在一變化實施例中，區域216的寬度wr可以小於或大於兩個相鄰電極指212之間的距離a。
圖2d為一變化實施例，其中區域216的寬度wr小於兩個相鄰電極指212之間的距離，例如電極指212_1、212_2之間的距離。
在另一變化實施例中，區域216相對於彼此不具有相同的特性。
在圖2e中，壓電層204可以包含第一區域216_1和第二區域216_2。第一區域216_1的厚度tr1
與壓電層204的厚度t相同或幾乎相同，而第二區域216_2的厚度tr2
小於壓電層204的厚度t。另外或此外，第一區域216_1和第二區域216_2的寬度wr
及/或長度lr
及/或任何其他物理參數可以不同。此外，第一區域216_1和第二區域216_2可以形成週期圖案或非週期圖案。
在另一變化實施例中，區域216可以具有如圖2所示的矩形幾何形狀，或三角形、菱形或任何其他形式。
藉由在壓電層204中植入原子或離子種擴散製程可以調整壓電層204的物理參數。也可以使用質子交換製程或任何其他能夠局部改變壓電層204之至少一區域216中的物理參數的製程。
表面聲波裝置200用以下方式運作。壓電層204響應施加於電極指212和下方電極層208之間的電壓而產生震動。聲波的激發大多發生於壓電層204的大部分(在方向X2)，而這裡它實際上是指駐聲波。轉換器結構214的電極間距p定義為λ，而λ為駐聲波的波長。這表示轉換器結構214於電極指212的帶通(bandpass)中以同步模式(synchronous mode)運作，但對應於第二布拉格諧波(second Bragg harmonic)。轉換器結構214的共振頻率為交叉指狀轉換器結構的共振頻率之兩倍。
在縱向傳播方向X1和主體中的傳播方向X2之間的壓電耦合，以及轉換器結構214之電極指的週期性，給予導聲波傳遞於壓電層204的可能性，亦即方向X1中的漸逝聲波(evanescent acoustic wave)。實際上壓電耦合是指在所謂矢狀面(sagittal plane)中的一個方向上的激發與正交方向上的震動之耦合的壓電係數，其中矢狀面為在波極化所定義於的面。藉由改變區域206中之壓電層204的物理參數，因此可以改變並控制轉換器結構214中方向X1和方向X2的耦合。
圖3為根據本發明第二實施例之表面聲波裝置的側視圖(圖3a)和頂視圖(圖3b)。相較於第一實施例之表面聲波裝置200，表面聲波裝置300包含經修改之壓電層304，相較於第一實施例，壓電層304為唯一的不同之處。其他特徵皆相同因此將不再詳細描述而請參考上面的描述。
表面聲波裝置300包含壓電層304，其中壓電層304形成於電極層208和基板206上方。
壓電層304與第一實施例之壓電層204具有相同的壓電材料。壓電層的厚度t為轉換器結構之波長λ的數量級或小於轉換器結構之波長λ，特別是λ/2的數量級，更特別是λ/4的數量級或更低。
壓電層304可以藉由層轉移製程或直接接合的方式接附到電極層208和基板206。在一變化實施例中，薄的二氧化矽層(未繪示)可以設置於電極層208和基板206之間以提升接附效果。
如同根據第一實施例之表面聲波裝置200，如圖3所示，根據第二實施例之表面聲波裝置300包含梳狀電極210，其中梳狀電極210具有多個電極指212並連接到一電位，而在這裡此電位為正電位。
在本實施例中，壓電層304包含多個區域306，其中在這些區域306中，壓電層304的厚度tr
小於壓電層304在其餘區域中的厚度t，特別是相較於電極元件212下方的另一區域308。如同第一實施例中的區域216，區域306設置於兩相鄰電極指212之間，例如電極指212_1、212_2之間。在圖3b中，區域306具有寬度wr
、長度lr
和厚度tr
，區域306的尺寸中。寬度wr
由兩相鄰電極指212之間的距離a所給定且長度lr
由電極指212的長度l所給定。
如圖3a所示，區域306的厚度tr
小於另一區域308中壓電層304的厚度t。
如同第一實施例，區域306的長度lr
可以短於或長於電極指212的長度l。在一變化實施例中，區域306的寬度wr
可以小於或大於兩個相鄰電極指212之間的距離a。在另一變化實施例中，這些區域306的尺寸可以在彼此之中變化。舉例來說，壓電層304可以包含具有不同厚度tr
的多個區域306。
在一變化實施例中，區域306可以具有如圖3所示的矩形幾何形狀，或三角形、菱形或任何其他形式。區域306的厚度tr
也可以在其寬度wr
範圍內變化。
在所有電極指212具有不同的寬度和長度的尺寸的變化實施例中，這些區域306的尺寸也可以分別隨電極指212的尺寸而變化。
在一變化實施例中，仍存在於區域306中的壓電層304可以具有一或多個修改過的物理參數，從而可以與根據第一實施例和其變化實施例的特徵結合。
相較於壓電層304的厚度t，可以藉由壓電層304的蝕刻製程(etching process)來降低區域306中之壓電層304的厚度tr
，例如選擇性化學蝕刻或任何適合從壓電層304移除材料的其他製程。
由於壓電層304中存在區域306，且區域306中部分的壓電層304被移除，因此可以改變轉換器結構314中於方向X1和方向X2之間的耦合。
藉由在區域306中改變壓電層304的厚度tr
，可以因此改變並控制轉換器結構314中於方向X1和方向X2之間的耦合。
圖4繪示本發明第三實施例，其中壓電層304僅位於或殘留於電極指212的下方。在相鄰的電極指212之間的區域中，壓電層304完全被移除，例如電極指212_1、212_2之間。
在另一變化實施例中，至少僅部分兩相鄰電極指212之間的壓電層304可以完全被移除，因此壓電層304仍可以存在其他相鄰的電極指212之間。
如同第二實施例，在壓電層304進行蝕刻製程以移除電極指212之間的壓電層304，例如進行選擇性蝕刻或任何其他能夠移除壓電層304的製程。此外，表面聲波裝置400的複合基板402與第二實施例的複合基板302相同，其中複合基板302包含壓電層304，而壓電層304形成於電極層208和基板206上。
根據本發明進一步的變化實施例，一個、兩個或三個實施例的結合可以表現於壓電層中。因此，用於表面聲波裝置的複合基板402中的壓電層可以包含改變壓電層之物理參數的區域及/或壓電層厚度減少的區域及/或不存在壓電層的區域。
藉由移除電極指212之間的壓電層304，轉換器結構314中方向X1和方向X2的耦合可以被改變並調整。
圖5呈現根據本發明第四實施例之表面聲波裝置。相較於第三實施例之表面聲波裝置400的複合基板402，表面聲波裝置500包含不同的複合基板502，此為本實施例與第三實施例唯一的不同之處。其他特徵都相同因此將不會再詳細描述，而是參考以上關於他們的描述。
如同複合基板402及/或複合基板302，表面聲波裝置500包含複合基板502，其中複合基板502包含形成於電極層208和基板206上方的壓電層304，但複合基板502更包含形成於基板206之上和壓電層304之下的聲鏡504。
聲鏡504包含多個堆疊的層狀結構506至509，對應偶數標號的層狀結構506和508由第一材料組成，而對應奇數標號的層狀結構507和509由第二材料組成。第一材料和第二材料具有不同的聲波阻抗(acoustic impedances)，而使得聲鏡504包含一疊高阻抗和低阻抗交替的層狀結構。聲鏡504也稱為布拉格反射鏡(Bragg mirror)。
布拉格反射鏡504具有週期性重複的一對層狀結構，這一對層狀結構的厚度約為波長的四分之一，並具有交替的高/低阻抗層狀結構，藉以確保反射的進行。
第一材料和第二材料可以選自鎢、鉬、鉭酸鋰(LiTaO3
)、氧化鋁(Al2
O3
)、氮化鋁(AlN)、鈮酸鋰(Si3
N4
)、任何氧化矽(SiO2
)及氮化矽(Si3
N4
)的組合(被稱為氮氧化矽(silicon oxy-nitride)，記作SiOx
Ny
，其中x和y控制化合物中各元素的數量)以及氧化鋅(ZnO)、鋁或二氧化矽(SiO2
)。
在一變化實施例中，第一材料和第二材料可以交換，而使得第一材料具有低阻抗且第二材料具有高阻抗。
在一實際示例中，可使用由交替的鎢和鋁層狀結構形成的矽基板206和聲鏡504。
在此實施例中，聲鏡504表示為具有形成交替的高低阻抗疊層之四個層狀結構506至509。但在另一變化實施例中，聲鏡504中形成交替高低阻抗疊層之層狀結構的數量也可以多於四或少於四。
增加布拉格反射鏡的對數會增加反射鏡的反射率，且增加布拉格對(Bragg pairs)中的多種材料之間的阻抗比(impedance ratio)會增加反射率和帶寬(bandwidth)。常用於疊層材料的選擇例如為二氧化鈦(Titanium Dioxide)和二氧化矽(Silica)。
圖5b實際上繪示本發明之特定示例的布拉格反射鏡的特徵，其示出布拉格反射鏡之反射效應(reflection effect)的模數和相位。
對於此特定示例，表面聲波裝置的複合基板包含厚度為1.5微米(µm)的C軸取向(C-axis oriented)的氮化鋁(Aluminium Nitride)層，和厚度為100奈米(nm)的下部電極。布拉格反射鏡包含交替且各為500奈米(nm)厚並沉積於藍寶石基板上的鉬(Molybdenum)和二氧化矽(Silica)或熔融石英(fused quartz)。基板也可以為矽基板。
由此反射鏡達到的反射功能可以使用整個疊層的格林函數(Green’s function)來計算。因為氮化鋁層不能激發剪力波(shear wave)，所以在此僅考慮垂直於基板的縱向波。如圖5b所示，使用三又二分之一個週期會產生有效的反射效果。從2十億赫茲(GHz)到4.3GHz的反射幾乎為完全的(|R|~1)。較小的阻帶(stop band)也可以被達成。
疊層的厚度例如選擇來促進轉換器結構514中唯一的模式，以確保基於此種轉換器結構514之表面聲波裝置500的頻譜純度(spectral purity)。
在此實施例的變化實施例中，聲鏡504中堆疊的層狀結構506-509之其中一者形成電極層208。特別是，聲鏡504的頂部的層狀結構506形成電極層208。在此情況下，聲鏡504的頂部的層狀結構506較佳地以具有高聲波阻抗的金屬(例如鎢)組成。
如同第一實施例，壓電層304響應施加於轉換器的電極指212和下方的電極層208之間的電壓而產生震動。聲波的激發大多發生於壓電層304的大部分，這裡其實際上是指駐聲波。此外，體聲波的存在也導致寄生模式(parasitic mode)為壓電層304中的非導向模式(non guided mode)。
因額外增加預設模式(default mode)，所以壓電層304和聲鏡504的結合產生多模式的性質。簡單的壓電層304可以導出多種模式，例如所謂的藍姆波(Lamb wave)或剪力板模式(shear plate mode)。在滿足引導條件的情況下，這些模式都可以藉由轉換器結構514耦合。根據本發明，壓電層304和聲鏡504被排列而減少這些額外模式的作用，進而促進轉換器結構514中唯一的模式，藉以確保表面聲波裝置500的頻譜純度，且其他模式的頻率遠高於常用模式的頻率藉以防止頻譜汙染(spectral pollution)。
事實上，對於給定的體聲波(bulk acoustic wave，BAW)金屬壓電金屬(metal-piezoelectric-metal)結構而言，根據壓電層晶體位向，不只可以產生純壓縮波(compressional wave)，也可以產生剪力波(shear wave)或準剪力波(quasi shear wave)，且剪力波或準剪力波也可以由轉換器區域中的反射鏡反射，從而產生寄生模式。適應性的反射鏡之設計目的在於選擇反射鏡的多個部分以利於壓縮波的反射，並讓其他模式通過基板。設置適當的吸收層(有機聚合物所構成)於基板下方將可以吸收這些波，並因此顯著地減少他們對共振器反應的作用。
根據本發明，壓電層304和聲鏡504被排列而減少額外的模式，進而促進轉換器結構中的唯一模式，藉以確保表面聲波裝置500的頻譜純度。為此，壓電層304的厚度被選擇而使得激發模式以所欲之頻帶震動並被引導於壓電層304中，且因聲鏡504的存在而沒有機會逸散入基板206。
其他的方法是最佳化聲鏡504疊層的厚度以促進轉換器結構中的唯一模式，並實現此模式的有效反射係數。因此聲鏡504從基板206聲學上地隔離於電極指212和電極層208之間產生的震動。
根據本發明一變化實施例，壓電層304也可以根據任何關於上述第一至第三實施例之變化實施例來實現。
圖6a呈現圖5b中之布拉格反射鏡的特定示例之體聲波裝置的計算諧波導納，其係使用圖6b所示的網格結構計算。
對於此特定示例，一維體聲波共振器包含100nm的上部電極、1.5µm的氮化鋁(AlN)層和100nm的下部電極。布拉格反射鏡包含交替且各為500nm厚的鉬(Molybdenum)和二氧化矽(Silica)或熔融石英(fused quartz)層。
圖6b呈現用於模擬體共振(bulk resonance)的網格圖。上部電極標注為1且下部電極標注為2，而週期邊界條件標注為3和4。布拉格反射鏡標注為5，且位於下部電極的下邊緣。圖6b也示出包含於標注1和標注2之間的壓電層的晶體位向之軸X、Y、Z。網格尺寸的高為1.7µm且寬為2.5µm。
考慮用於兩種不同邊界條件的網格來計算諧波導納(harmonic admittance)。第一個邊界條件在於考慮網格各側的空氣，其在共振器邊緣產生全反射。第二個邊界條件在於應用邊界積分法(boundary integral method)來模擬在下部電極背面的布拉格反射鏡的影響。對於此兩種條件而言，不考慮機械損失或介電損失，在布拉格反射鏡配置的情況下唯一的損失來源是本體內的聲波輻射。
如圖6b所示，布拉格反射鏡的存在會提高頻率但會減少機電耦合。
對於空氣支援(air backed)的裝置而言，發現壓電層的耦合為5.8%，而在布拉格反射鏡的情況下僅計算為4.7%。
圖7a為用於模擬由設置於複合基板上的電極柵(electrode grating)所組成之基本結構的網格圖。此網格中的標號與圖6b中之網格的標號相同。網格尺寸的高為1.7µm且寬為2.5µm。
對於此特定示例，表面聲波裝置的複合基板包含厚度為1.5微米(µm)的C軸取向(C-axis oriented)的氮化鋁(Aluminium Nitride)層，和厚度為100奈米(nm)的下部電極。布拉格反射鏡5包含交替且各為500奈米(nm)厚並沉積於藍寶石基板上的鉬(Molybdenum)和二氧化矽(Silica)或熔融石英(fused quartz)。基板也可以為矽基板。上部電極的厚度為100奈米(nm)。
圖7a中的網格圖表示表面聲波裝置之複合基板的側視圖，且僅示出表面聲波裝置中的一個上部電極指1，並示出在電極指各側的壓電層之部分。這使壓電層表示為延伸於電極指1的兩側。這裡的激發仍位於上部電極(電極指)和下部電極之間，並在二次諧波狀態下位於「表面」引導模式(surface guided mode)和體聲波模式之間。
圖7b所示之裝置的諧波導納示出多模式的特徵，且這些模式接近2.7GHz和2.87GHz。兩種主要模式彼此非常靠近但相位相反。
圖7c和圖7d分別示出接近2.7GHz和2.87GHz之模式的外形。他們與橢圓極化模式相當，且橢圓極化模式也稱為傳遞於勻相半空間(homogeneous half space)的晶體基板之上之雷利波(Rayleigh wave)。根據邊界條件，模式的外形對應於駐波型(standing wave regime)。
圖8a至圖8c示出網格結構中的模式變形外形，而圖8d示出根據本發明第二實施例，在圖7之特定情況且當移除電極指之間的部分壓電層時，表面聲波第二諧波模式中運作的激發模式的諧波導納。同樣地，僅示出一個電極指。
可以從圖8a至圖8c的網格圖看到，相較於圖7之網格圖，進行在這些電極指之間之壓電層的部分蝕刻使得這些電極指之間之壓電層的厚度小於壓電層的厚度，在此為1.7µm。這些電極指之間之壓電層的部分蝕刻造成圖8a至圖8c中壓電層中的階梯形狀，圖8a至圖8c僅示出一個電極指的側視圖，且在電極指的各側中，壓電層的部分蝕刻所進行於的部分區域。同樣地，網格尺寸與圖7的網格尺寸相同，即高為1.7µm且寬為2.5µm。
如圖8d所示，電極指之間的壓電材料的中間蝕刻深度產生模數的增加，且存在有接近2.2GHz、接近2.48GHz和接近2.62GHz的三個模式。此外，三個模式之中沒有一種模式達到高於一種體聲波(BAW)裝置之機電耦合係數ks 2
(electromechanical coupling coefficient)的值。圖8a至圖8c分別示出這三種模式的外形。
圖9示出根據本發明第二和第三實施例之對於圖7所示之複合基板的特定示例來說，當改變電極指之間的壓電層的深度時激發模式的變化。圖9的網格尺寸與圖7的網格尺寸相同。
從圖8到從圖9a開始增加蝕刻深度，再直到圖9c可看出壓電層的蝕刻深度為有變化的，其中圖8示出小的蝕刻深度，因此較厚的AlN層存在於電極指之間，圖9a於圖8所示的電極指之間具有較薄的AlN層，而圖9c所示之電極指之間的AlN層達到完全蝕刻。
可以看到當蝕刻深度接近整層壓電材料的厚度時，相較於如圖8d所示之情況，分布模式受到改善。如圖9b和圖9d所示，對於接近2.4GHz的一個主要模式之模數隨著少量寄生模式的減少確實被達成。
此外，機電耦合係數ks 2
隨著電極指之間的壓電材料的蝕刻深度變化。事實上，相較於圖8d中接近2.4GHz的相同模式的機電耦合係數ks 2
，如圖9b和圖9d所示之接近2.4GHz的主要模式的機電耦合係數ks 2
明顯增加。
圖10示出根據本發明上述任意之一個、兩個或三個實施例之表面聲波裝置的製造方法之步驟示意圖。
製造方法包含步驟(a)，於步驟(a)中，設置電極層608於基板606的頂部。基板606為矽基板，或任何其他具有高聲波傳遞速率的基板材料，例如鑽石、藍寶石、碳化矽(Silicon Carbide)或甚至氮化鋁(Aluminium Nitride)。電極層608可以由任何適合的導體金屬製成，例如鋁或鋁合金或鎢。
下個步驟(b)包含於電極層608形成具有厚度t的壓電層610。舉例來說，壓電層610可以是鈮酸鋰(Lithium Niobate，LiNbO3
)或鉭酸鋰(Lithium Tantalate，LiTaO3
)。形成於電極層608之壓電層610的厚度t可以為波長的數量級，特別是小於波長。壓電層610也可以是多晶材料(poly-crystalline material)或磊晶材料(epitaxy material)，以及氧化鋅(Zinc Oxide，ZnO)、氮化鋁(Aluminium Nitride，AlN)、鋁鈧氮化物(Aluminium Scandium Nitride，AlScN)或氮化鎵(Gallium Nitride，GaN)以及任何此種氮化物材料的組合。
在一變化實施例中，薄的二氧化矽層(未繪示)可以在形成壓電層610之前設置於電極層608。一層分子接合物也可以在形成電極層608之前設置於基板606及/或在形成壓電層610之前設置於電極層608，藉以優化接附作用。
此外，可以加入更進一步的處理步驟，例如將至少一基板606和其他層狀結構進行拋光。
根據步驟(c)，使用層沉積法和圖案化步驟的結合將上梳狀電極612形成於壓電層610。上梳狀電極612包含多個電極元件614。上梳狀電極612和其各自的電極元件614由任何適合的導體金屬形成，例如鋁、鋁合金、鉬或鎢。
此方法更包含改變壓電層610的步驟(d)。此步驟可以如圖所示在步驟(c)之後進行，但也可以在步驟(c)之前進行。
根據本發明第一變化實施例(1)，改變壓電層610的步驟(d)包含在壓電層610之特定區域616中改變壓電層610的至少一物理參數。
此步驟包含原子種618，特別是Ti，的植入或擴散，以改變壓電層610中電極元件614之間的壓電層610之區域616的原子種濃度。
根據一變化實施例，改變壓電層610的步驟(d)可以包含質子交換製程(proton exchange process)622，藉以改變物理參數，其中物理參數為位於電極元件614之間壓電層610之區域616的壓電層610的折射率。
鈮酸鋰(Lithium Niobate)中的質子交換涉及以氫離子或質子(H+
)取代鋰離子(Li+
)。此取代產生折射率的改變，因此形成波導(waveguide)。質子交換是用來在鈮酸鋰(Lithium Niobate，LiNbO3
)和鉭酸鋰(Lithium Tantalate，LiTaO3
)中形成光學波導的方法。
質子交換製程包含來自有機質子源的基本質子交換，和退火後製程(annealing post processing)，其中退火後製程涉及單獨加熱樣品以重新分布鋰離子和氫離子。
藉由改變在區域616中的壓電層610的物理參數，由於所進行的製程，區域616中之壓電層610的厚度t也可以輕微減少。
根據此方法的第二變化實施例(2)，改變壓電層610的步驟(d)包含減少電極元件614之間的區域616中之壓電層610的厚度tr
的步驟。因此，在區域616中之壓電層的厚度tr
小於位於電極元件614之下且朝向基板606之另一區域624中之壓電層610的厚度t。
為了移除位於電極元件614之間的壓電層610之區域616中的部分壓電層610，此步驟包含蝕刻步驟626，或包含任何其他可以降低電極元件614之間的壓電層610之厚度t的製程。電極指614可以做為遮罩(mask)。
根據此方法的第三變化實施例(3)，改變壓電層610的步驟(d)包含完全移除壓電層610的區域616中之壓電層610的步驟，而使得沒有壓電層610存在於電極層608之上方。如同先前的變化實施例，進行蝕刻步驟626，例如在所謂之濕或乾的電漿加強蝕刻條件下(wet or dry-plasma-enhanced etch condition)執行的選擇性化學蝕刻步驟或任何可以移除壓電層610的製程。
圖11為根據本發明第四實施例和其變化實施例之表面聲波裝置的轉換器結構之製造方法的步驟示意圖。
此方法如圖10所示，但另外包含在形成壓電層610的步驟之前設置布拉格反射鏡於基板606或基板606上方的步驟。因此，圖11c至圖11e所示之步驟對應於圖10b至圖10d所示之步驟。
在圖11a中，布拉格反射鏡704設置於基板606上。布拉格反射鏡704係由沉積交替阻抗的四個層狀結構706至709之疊層所形成。
在另一變化實施例中，聲鏡704中形成交替高低阻抗的疊層之層狀結構的數量也可以多於四或少於四。層狀結構706至709的材料可以為鎢、鉬、鉭酸鋰(LiTaO3
)、氧化鋁(Al2
O3
)、氮化鋁(AlN)、鈮酸鋰(Si3
N4
)、任何氧化矽(SiO2
)及氮化矽(Si3
N4
)的組合(被稱為氮氧化矽(silicon oxy-nitride)，記作SiOx
Ny
，其中x和y控制化合物中各元素的數量)以及氧化鋅(ZnO)、鋁或二氧化矽(SiO2
)。
在此實施例的一變化實施例中，至少一層狀結構706至709也可以包含聚合物材料。
此步驟更包含步驟(b)，在步驟(b)中，例如藉由層沉積法或層轉移法來於聲鏡704的頂部設置電極層608。電極層608也可以為布拉格反射鏡704的最後一層。
在此實施例的一變化實施例中，製造布拉格反射鏡704的步驟(a)也包含形成電極層608的步驟，而使得電極層608形成布拉格反射鏡704的一部分。特別是，電極層608是布拉格反射鏡704中頂部的層狀結構706。在一變化實施例中，只要能用於電性連接電，電極層608可以是布拉格反射鏡704中除了頂層706之外的另外一個層狀結構。
在此實施例的一變化實施例中，上述方法的至少一步驟為層轉移製程。舉例來說，層轉移製程的步驟包含將包含壓電層的第一基板轉移到第二基板。層轉移製程的步驟包含直接接合的步驟或藉由沉積在第一基板及/或第二基板的介電層來接合的步驟，其中介電層可以由二氧化矽製成。層轉移製程的步驟也可以包含植入(implantation)步驟，以界定壓電層內的分離區域，而使得相較於第一基板上的壓電層的厚度，轉移到第二基板的壓電層的厚度可以降低。
根據一變化實施例，第二基板包含電極層，而使得層轉移製程的步驟包含藉由直接接合，或透過沉積在第一基板及/或第二基板的介電層而直接接合，來將壓電層接合到電極層，其中介電層可以由二氧化矽製成。
因此，以上述方法所獲得的最後裝置716、718、720實際上對應於圖10中的最後裝置620、628、630，他們的差異僅在於布拉格反射鏡704設置於基板606或基板606上方並設置在電極層608之下。
已描述本發明的多個實施例。然而，應理解在不脫離申請專利範圍下可以做出多種修改和加強。
100、200、300、400、500‧‧‧表面聲波裝置
102‧‧‧聲波傳遞基板
202、302、402、502‧‧‧複合基板
104、204、304、610‧‧‧壓電層
106、206、606‧‧‧基板
108、208、608‧‧‧電極層
110、210、612‧‧‧梳狀電極
112、112_1~112_5、212、212_1~212_6、614‧‧‧電極元件/電極指
114‧‧‧導電部
116、214、314、414、514‧‧‧轉換器結構
118‧‧‧電位
120‧‧‧電場/電場線
216、306、616‧‧‧區域
218、308、406、624‧‧‧電極指下的另一區域
504、704‧‧‧聲鏡/布拉格反射鏡
506~509、706~709‧‧‧層狀結構
618‧‧‧原子種
622‧‧‧質子交換製程
620、628、630、716、718、720‧‧‧裝置
λ‧‧‧波長
p‧‧‧間距
a‧‧‧相鄰電極之間的距離
X1‧‧‧方向
X2‧‧‧方向
w‧‧‧電極指寬度
h‧‧‧電極指厚度
t‧‧‧壓電層厚度
wr‧‧‧區域寬度
lr‧‧‧區域長度
tr‧‧‧區域厚度
圖1a和圖1b呈現根據先前之最佳技術且被稱為第二諧波表面聲波裝置的表面聲波裝置。
圖2a至圖2e呈現根據本發明第一實施例之表面聲波裝置。
圖3a和圖3b呈現根據本發明第二實施例之表面聲波裝置。
圖4呈現根據本發明第三實施例之表面聲波裝置。
圖5a呈現根據本發明第四實施例之表面聲波裝置。
圖5b呈現用於本發明第四實施例之特定示例的布拉格反射鏡的特徵。
圖6a和圖6b分別呈現用來模擬用於圖5b中之布拉格反射鏡的特定示例之體聲波裝置的體共振(bulk resonance)的諧波導納(harmonic admittance)和網格(mesh)。
圖7呈現根據本發明第二及第四實施例之特定示例的表面聲波裝置的激發模式的特徵。
圖8呈現根據本發明第二及第四實施例之特定示例的表面聲波裝置的激發模式的特徵。
圖9呈現根據本發明第二及第四實施例之特定示例的表面聲波裝置的激發模式的特徵。
圖10為根據本發明第一到第三任一實施例之表面聲波裝置的製造方法的步驟示意圖。
圖11為根據本發明第一到第三任一實施例與第四實施例之結合的表面聲波裝置的製造方法的步驟示意圖。
Claims (18)
- 一種表面聲波裝置，包含：一基板；一壓電層；以及一電極層，該電極層位於該壓電層和該基板之間；一梳狀電極形成於該壓電層並包含多個電極元件，該些電極元件具有一間距p，定義p=λ，且λ為在該電極層和該梳狀電極施加相反電位所產生的駐聲波的波長，其特徵在於，該壓電層包含至少一區域，該至少一區域位於該些電極元件之間，相較於該壓電層中位於該些電極元件下方的另一區域，該至少一區域具有不同的至少一物理參數。
- 如請求項1所述之表面聲波裝置，其中在該壓電層之該至少一區域中不同的該至少一物理參數為該壓電層的彈性。
- 如請求項1或2所述之表面聲波裝置，其中在該壓電層之該至少一區域中不同的該至少一物理參數為摻雜物濃度，特別是該壓電層中Ti的摻雜物濃度。
- 如請求項1至3中任一項所述之表面聲波裝置，其中該壓電層的該至少一區域的厚度tr 小於該壓電層的厚度t。
- 如請求項4所述之表面聲波裝置，其中該壓電層僅位於該些電極元件朝向該基板的下方。
- 如上述請求項所述之表面聲波裝置，更包含位於該壓電層下的一布拉格反射鏡(Bragg mirror)。
- 如請求項6所述之表面聲波裝置，其中位於該壓電層和該基板之間的該電極層是該布拉格反射鏡(Bragg mirror)的一部份，特別是該布拉格反射鏡的一頂層。
- 如請求項6或7所述之表面聲波裝置，其中該布拉格反射鏡(Bragg mirror)包含多個交流阻抗層。
- 如上述請求項之表面聲波裝置，其中該壓電層的厚度t由該梳狀電極和該電極層所產生的體聲波和駐聲波之間的耦合的最佳化所定義，且該壓電層的厚度為駐聲波波長λ的數量級或小於駐聲波的波長λ，特別是λ/2的數量級，更特別是λ/4的數量級或更低。
- 如上述請求項之表面聲波裝置，其中該梳狀電極的尺寸由該梳狀電極所產生的體聲波和駐聲波之間的耦合的最佳化所定義。
- 一種製造表面聲波裝置的方法，包含以下步驟：(a)設置一電極層於一基板的頂部；(b)設置一壓電層於該電極層；(c)形成一上梳狀電極層於該壓電層；其中在步驟(b)中，該壓電層被設置而包含至少一區域，該至少一區域位於多個電極元件之間，相較於該壓電層中位於該些電極元件下方的另一區域，該至少一區域具有不同的至少一物理參數。
- 如請求項11所述之製造表面聲波裝置的方法，其中步驟(b)包含一蝕刻(etching)步驟，以移除位於該些電極元件之間之該壓電層的該區域中部分或全部的該壓電層。
- 如請求項11或12所述之製造表面聲波裝置的方法，其中步驟(b)包含在位於該些電極元件之間之該壓電層的該區域中進行原子種，特別是Ti，的植入或擴散。
- 如請求項11至13中任一項所述之製造表面聲波裝置的方法，其中步驟(b)包含在位於該些電極元件之間之該壓電層的該區域中進行質子交換。
- 如請求項11至14中任一項所述之製造表面聲波裝置的方法，更包含一步驟(d)，於步驟(d)中，在設置該壓電層的步驟之前先設置一布拉格反射鏡(布拉格反射鏡)於該基板或該基板的上方。
- 如請求項15所述之製造表面聲波裝置的方法，其中該布拉格反射鏡被設置而使得該電極層為該布拉格反射鏡的一部份。
- 如請求項11至14中任一項所述之製造表面聲波裝置的方法，其中步驟(a)至(d)中至少一步驟為一層轉移製程。
- 一種頻率濾波裝置，包含如請求項1至10中之任意結合的表面聲波裝置。
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|---|---|---|---|---|
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Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN111158173A (zh) * | 2020-01-07 | 2020-05-15 | 浙江西湖高等研究院 | 一种基于阵列波导光栅和声光调制光栅的集成激光扫描器 |
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