TWI381060B - High frequency surface acoustic wave elements and their substrates - Google Patents
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Description
本發明係關於一種高頻表面聲波元件及其基板，尤指一種無需以價格昂貴之藍寶石基板做為其基板的高頻表面聲波元件及一種可取代藍寶石基板的高頻表面聲波元件基板。
請參閱圖1A及圖1B，其中圖1A係習知之高頻表面聲波元件的立體示意圖，圖1B係沿著圖1A之AA’連線所得之剖面示意圖。如圖1A及圖1B所示，習知之高頻表面聲波元件1，包括：一基板11；一形成於基板11之表面的的壓電層12；一輸入轉換部13；以及一輸出轉換部14。其中，輸入轉換部13及輸出轉換部14係成對地設置於壓電層12之表面，且輸入轉換部13及輸出轉換部14均為交指狀電極，它們並構成一組「交叉指狀電極轉換器」(Interdigital Transducers,IDTs)。另一方面，在習知之高頻表面聲波元件1中，基板11為藍寶石基板(sapphire)，壓電層12為氧化鋅、氮化鋁、鈮酸鋰或鉭酸鋰材質之壓電薄膜，此壓電膜層可具有任何厚度，其厚度較佳介於0.1 μm至10 μm之間。此外，前述之成對地形成於壓電層12之表面的輸入轉換部13及輸出轉換部14的材質均為鋁，且它們的線寬(line width)均介於0.1 μm至5 μm之間。
但是，由於各種光電應用，如發光二極體等，亦需要以藍寶石基板做為其基板，造成藍寶石基板近來不僅價格昂貴，且其貨源無法穩定，常有斷料的事件發生。因此，由於以藍寶石基板做為其基板，習知之高頻表面聲波元件的製造成本便無法進一步降低，甚至常會有因藍寶石基板斷料而無法製造習知之高頻表面聲波元件的狀況發生。
因此，業界需要一種可避免以價格昂貴之藍寶石基板做為其基板的高頻表面聲波元件及一種可取代藍寶石基板之高頻表面聲波元件基板，以降低高頻表面聲波元件的製造成本。
本發明之主要目的係在提供一種高頻表面聲波元件，俾能避免以價格昂貴之藍寶石基板做為其基板，以降低高頻表面聲波元件的製造成本。
為達成上述目的，本發明之高頻表面聲波元件，包括：一基板、一形成於此基板之表面的第一緩衝層、一形成於此第一緩衝層之表面的第二緩衝層、一形成於此第二緩衝層之表面的壓電層、一輸入轉換部以及一輸出轉換部；其中，此輸入轉換部與此輸出轉換部係成對地設置於此壓電層之表面或其下方。
因此，藉由依序在矽基板表面設置第一緩衝層(氧化矽層)及第二緩衝層(氧化鋁層)，再於第二緩衝層(氧化鋁層)形成一壓電層的方式而形成之本發明之高頻表面聲波元件
基板，不但具有與習知之高頻表面聲波元件基板相近的晶格排列整齊度，且藉由本發明之高頻表面聲波元件基板製造而得之高頻表面聲波元件也具有與習知之高頻表面聲波元件相同的操作效能，如網路頻譜響應及表面波聲速等。也就是說，本發明之高頻表面聲波元件基板可取代價格昂貴之藍寶石基板做為一高頻表面聲波元件之基板，使得本發明之高頻表面聲波元件無須以價格昂貴之藍寶石基板做為其基板，大幅降低高頻表面聲波元件的製造成本。此外，由於矽基板相較於藍寶石基板更容易成長出較大尺寸之晶圓，如12吋晶圓，況且目前絕大多數的電子元件皆形成於矽基板上，所以本發明之高頻表面聲波元件及其基板可有效地降低元件製造成本，且使得高頻表面聲波元件可與一般的矽基(silicon－based)電子元件整合在同一塊矽基板上。
本發明之高頻表面聲波元件可使用任何類型的基板，其基板較佳為一矽基板。本發明之高頻表面聲波元件之第一緩衝層可具有任何材質，其材質較佳為氧化矽，其厚度較佳介於0.05 μm至0.2 μm之間。本發明之高頻表面聲波元件之第二緩衝層可具有任何材質，其材質較佳為氧化鋁。本發明之高頻表面聲波元件之第二緩衝層可具有任何厚度，其厚度較佳介於0.5 μm至20 μm之間。本發明之高頻表面聲波元件之第二緩衝層可以任何方式形成於第一緩衝層的表面，其較佳以電子束蒸鍍或射頻磁控濺鍍的方式形成於第一緩衝層之表面。本發明之高頻表面聲波元件之壓電層可為任何材質之壓電薄膜，其較佳為氧化鋅、氮化鋁、
鈮酸鋰或鉭酸鋰材質之壓電薄膜。本發明之高頻表面聲波元件之輸入轉換部及輸出轉換部可具有任何材質，它們的材質較佳為鋁。
請參閱圖2A及圖2B，其中圖2A係本發明一實施例之高頻表面聲波元件的立體示意圖，圖2B係沿著圖2A之BB’連線所得之剖面示意圖。如圖2A及圖2B所示，本發明之高頻表面聲波元件2，包括：一基板21；一形成於基板21之表面的第一緩衝層22；一形成於第一緩衝層22之表面的第二緩衝層23；一形成於第二緩衝層23之表面的壓電層24；一輸入轉換部25；以及一輸出轉換部26。其中，輸入轉換部25及輸出轉換部26係成對地設置於壓電層24之表面，且輸入轉換部25及輸出轉換部26均為交指狀電極，它們並構成一組「交叉指狀電極轉換器」。
另一方面，在本實施例之高頻表面聲波元件2中，基板21為矽基板，第一緩衝層22之材質為氧化矽，且其厚度較佳介於0.05 μm至0.2 μm之間。此外，第二緩衝層23之材質為氧化鋁，其厚度為8 μm，且其係以「電子束蒸鍍」的方式形成於第一緩衝層22之表面。但需注意的是，本發明之高頻表面聲波元件之第二緩衝層的厚度並不以此為限，其亦可依據不同的應用需求而具有一介於0.5 μm至20 μm之間的厚度。至於形成於第二緩衝層23之表面之壓電層24，其材質為氧化鋅，且其厚度為1.2 μm。需注意的是，在本
實施例中，壓電層24之材質及厚度均不以前面所述之材質及厚度為限。壓電層24亦可依據不同的應用需求而由不同之材質之壓電材質構成，如氮化鋁、鈮酸鋰或鉭酸鋰等，且壓電層24亦可依據不同的應用需求而具有不同的厚度，其厚度較佳介於0.1 μm至10 μm之間。最後，前述之成對地形成於壓電層24之表面的輸入轉換部25及輸出轉換部26的材質均為鋁，且它們的線寬均介於0.1 μm至5 μm之間。
圖3係本發明一實施例之高頻表面聲波元件之製作方法的流程圖，其顯示如圖2A及圖2B所示之高頻表面聲波元件2的製作方法。如圖3所示，本發明之高頻表面聲波元件的製作方法包括下列步驟：(a)提供一晶格排列(001)之矽基板做為基板，即圖2A之基板21；(b)將晶格排列(001)之矽基板置入一爐管(圖中未示)中，藉由濕式氧化法於基板21之表面形成一氧化矽層，即圖2A之第一緩衝層22；(c)利用一電子束蒸鍍系統(圖中未示)於第一緩衝層22之表面形成一氧化鋁層，即圖2A之第二緩衝層23；(d)利用一射頻磁控濺鍍系統(圖中未示)於第二緩衝層23之表面形成一氧化鋅壓電層，即圖2A之壓電層24；以及(e)利用黃光微影的製程於壓電層24之表面形成二個成對地設置之交指狀電極，且此兩個交指狀電極構成一組「交叉指狀電極轉換器」，即圖2A之輸入轉換部25及輸出轉換部26。
以下，將藉由圖4A、圖4B、圖5A及圖5B，證明本發明之高頻表面聲波元件運作時的效能，如「網路頻譜響應」，確實與習知之高頻表面聲波元件相當，且本發明之高頻表面聲波元件亦具有與習知之高頻表面聲波元件相當之表面波聲速(phase velocity)。
其中，圖4A及圖4B分別為習知之高頻表面聲波元件及本發明一實施例之高頻表面聲波元件之網路頻譜響應量測結果的示意圖，圖5A係顯示在製作本發明一實施例之高頻表面聲波元件之過程中，其第二緩衝層(氧化鋁層)之厚度與其沈積時間的關係，圖5B則顯示本發明一實施例之高頻表面聲波元件之表面波聲速與其第二緩衝層(氧化鋁層)沈積時間的關係。
首先，如圖4A所示，當習知之高頻表面聲波元件於運作時，其操作頻率(f0
)為253 MHZ
，其插入損失(insertion loss,IL)則為－25dB。另一方面，當本發明一實施例之高頻表面聲波元件於運作時，其操作頻率(f0
)為270 MHZ
，其插入損失則為－15dB。因此，本發明一實施例之高頻表面聲波元件之運作效能與習知之高頻表面聲波元件相近，如操作頻率(f0
)，且其部分運作效能反而較習知之高頻表面聲波元件為佳，如插入損失。
接著，從圖5A及圖5B中可看出，當本發明一實施例之高頻表面聲波元件之第二緩衝層(氧化鋁層)之厚度達到一定程度時，即其厚度大於8 μm時，本發明一實施例之高頻表面聲波元件便具有與習知之高頻表面聲波元件(具有藍
寶石基板)相等的表面波聲速。也就是說，當具有足夠厚度之第二緩衝層(氧化鋁層)時，如前述之大於8 μm的厚度，本發明一實施例之高頻表面聲波元件的操作效能(如網路頻譜響應及表面波聲速等)便可與習知之高頻表面聲波元件相同。也就是說，本發明一實施例之高頻表面聲波元件無須以價格昂貴之藍寶石基板做為其基板，其便可具有較習知之高頻表面聲波元件基板相等甚至較佳的運作效能，大幅降低本發明一實施例之高頻表面聲波元件製造時的材料成本。
以下，將藉由圖6A及圖6B證明本發明之高頻表面聲波元件基板具有與習知之高頻表面聲波元件基板相近的結構。其中，圖6A係習知之高頻表面聲波元件基板的X光繞射圖案，圖6B則為本發明另一實施例之高頻表面聲波元件基板的X光繞射圖案。
如圖6A及圖6B所示，習知之高頻表面聲波元件基板及本發明另一實施例之高頻表面聲波元件基板之X光繞射圖案的繞射峰(peak)均落於相同的數值(即2 θ＝34.4°附近)，且兩繞射峰的半高寬(Full－Width at Half Maximum,FWHM)相近(分別為0.24°及0.22°)。因此，圖6A及圖6B顯示出本發明另一實施例之高頻表面聲波元件基板的結構(如晶格排列整齊度)與習知之高頻表面聲波元件基板(即藍寶石基板)相近。如此，本發明另一實施例之高頻表面聲波元件基板確實可取代價格昂貴之藍寶石基板而做為一高頻表面聲波元件的基板。
綜上所述，藉由依序在矽基板表面設置第一緩衝層(氧化矽層)及第二緩衝層(氧化鋁層)，再於第二緩衝層(氧化鋁層)形成一壓電層的方式而形成之本發明之高頻表面聲波元件基板，不但具有與習知之高頻表面聲波元件基板相近的晶格排列整齊度，且藉由本發明之高頻表面聲波元件基板製造而得之高頻表面聲波元件也具有與習知之高頻表面聲波元件相同的操作效能，如網路頻譜響應及表面波聲速等。也就是說，本發明之高頻表面聲波元件基板可取代價格昂貴之藍寶石基板做為一高頻表面聲波元件之基板，使得本發明之高頻表面聲波元件無須以價格昂貴之藍寶石基板做為其基板，大幅降低高頻表面聲波元件的製造成本。
上述實施例僅係為了方便說明而舉例而已，本發明所主張之權利範圍自應以申請專利範圍所述為準，而非僅限於上述實施例。
1‧‧‧高頻表面聲波元件
11‧‧‧基板
12‧‧‧壓電層
13‧‧‧輸入轉換部
14‧‧‧輸出轉換部
2‧‧‧高頻表面聲波元件
21‧‧‧基板
22‧‧‧第一緩衝層
23‧‧‧第二緩衝層
24‧‧‧壓電層
25‧‧‧輸入轉換部
26‧‧‧輸出轉換部
圖1A係習知之高頻表面聲波元件的立體示意圖。
圖1B係沿著圖1A之AA’連線所得之剖面示意圖。
圖2A係本發明一實施例之高頻表面聲波元件的立體示意圖。
圖2B係沿著圖2A之BB’連線所得之剖面示意圖。
圖3係本發明一實施例之高頻表面聲波元件之製作方法的流程圖。
圖4A係顯示習知之高頻表面聲波元件之網路頻譜響應量測結果的示意圖。
圖4B係本發明一實施例之高頻表面聲波元件之網路頻譜響應量測結果的示意圖。
圖5A係在顯示製作本發明一實施例之高頻表面聲波元件之過程中，其第二緩衝層之厚度與其沈積時間之關係的示意圖。
圖5B係顯示本發明一實施例之高頻表面聲波元件之表面波聲速與其第二緩衝層沈積時間之關係的示意圖。
圖6A係習知之高頻表面聲波元件基板的X光繞射圖案。
圖6B係本發明另一實施例之高頻表面聲波元件基板的X光繞射圖案。
2‧‧‧高頻表面聲波元件
21‧‧‧基板
22‧‧‧第一緩衝層
23‧‧‧第二緩衝層
24‧‧‧壓電層
25‧‧‧輸入轉換部
26‧‧‧輸出轉換部
Claims (5)
- 一種高頻表面聲波元件，包括：一基板；一第一緩衝層，係形成於該基板之表面，該第一緩衝層之材質為氧化矽，且該第一緩衝層之厚度係介於0.05μm至0.2μm之間；一第二緩衝層，係形成於該第一緩衝層之表面，該第二緩衝層之材質為氧化鋁，該第二緩衝層之厚度介於0.5μm至20μm之間；一壓電層，係形成於該第二緩衝層之表面，該壓電層之材質包含氧化鋅、氮化鋁、鈮酸鋰或鉭酸鋰，且該壓電層之厚度介於0.1 μm至10μm之間；一輸入轉換部；以及一輸出轉換部；其中，該輸入轉換部與該輸出轉換部係成對地設置於該壓電層之表面。
- 如申請專利範圍第1項所述之高頻表面聲波元件，其中該基板為一矽基板。
- 如申請專利範圍第1項所述之高頻表面聲波元件，其中該第二緩衝層係以電子束蒸鍍的方式形成於該第一緩衝層之表面。
- 如申請專利範圍第1項所述之高頻表面聲波元件，其中該輸入轉換部及該輸出轉換部分別為一交指狀電極。
- 如申請專利範圍第1項所述之高頻表面聲波元件，其中該輸入轉換部及該輸出轉換部之材質為鋁。
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