專利名稱：邊界聲波器件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及使用SH邊界聲波的邊界聲波器件，具體地說(shuō)，涉及一種包含置于LiTaO3壓電體和介電體之間邊界處的電極的邊界聲波器件。
背景技術(shù)：
多種表面聲波器件已用于蜂窩電話RF或IF濾波器、VCO諧振器、電勢(shì)VIF濾波器等。表面聲波器件使用沿介質(zhì)表面?zhèn)鞑サ谋砻媛暡?，如Rayleigh波或第一漏波(first leaky wave)。
由于表面聲波沿介質(zhì)表面?zhèn)鞑?，所以它們?duì)表面條件的變化敏感。為了保護(hù)表面聲波沿著傳播的介質(zhì)表面，將表面聲波元件密封在封裝中，所述封裝在與介質(zhì)的表面聲波傳播表面相對(duì)的區(qū)域中具有空洞。具有這種空洞的封裝毫無(wú)疑問(wèn)增加了表面聲波器件的成本。此外，由于封裝遠(yuǎn)大于表面聲波元件，因此，所得到的表面聲波器件必定較大。
除了表面聲波之外，聲波還包括沿固體之間的邊界傳播的邊界聲波。
例如，下面列出的非專利文獻(xiàn)1公開(kāi)了一種邊界聲波器件，包括在126°旋轉(zhuǎn)Y平面X傳播LiTaO3襯底上形成的IDT，以及在IDT和LiTaO3襯底上形成為預(yù)定厚度的SiO2層。這種器件傳播SV+P邊界聲波，稱作Stoneley波。非專利文獻(xiàn)1公開(kāi)了當(dāng)SiO2襯底厚度為1.0λ(λ邊界聲波的波長(zhǎng))時(shí)，機(jī)電耦合系數(shù)是2％。
邊界聲波傳播時(shí)能量集中于固體之間的邊界。因此，LiTaO3襯底的底面和SiO2膜的頂面幾乎沒(méi)有能量，并且特性不會(huì)隨著襯底或薄層的表面條件變化而改變。因此，可以去除具有空洞的封裝，因此可以減小聲波器件的尺寸。
下面列出的非專利文獻(xiàn)2公開(kāi)了在
-Si(110)/SiO2/Y切X傳播LiNbO3結(jié)構(gòu)中傳播的SH邊界波。這種類型SH邊界波的特征在于，機(jī)電耦合系數(shù)K2高于Stoneley波。在使用SH邊界波以及使用Stoneley波時(shí)，都可以去除具有空洞的封裝。另外，因?yàn)镾H邊界波具有SH類型波動(dòng)，所以可以認(rèn)為限定IDT反射器的條與使用Stoneley波的情況相比，具有較高反射系數(shù)。因此，可以預(yù)見(jiàn)，例如將SH邊界波用于諧振器或諧振器濾波器可以有助于減小器件尺寸并產(chǎn)生銳利的特性。
非專利文獻(xiàn)1″Piezoelectric Acoustic Boundary WavesPropagating Along the Interface Between SiO2and LiTaO3″，IEEETrans.Sonics and Ultrason.，VOL.SU-25，No.6，1978 IEEE非專利文獻(xiàn)2″Highly Piezoelectric Boundary Wavespropagating in Si/SiO2/LiNbO3Structure″，(26thEM Symposium，May1997，pp.53-58)非專利文獻(xiàn)3″Highly Piezoelectric SH-type Boundary Waves″，IEICE Technical Report Vol.96，No.249(US96 45-53)pp.21-26，1966非專利文戲4″Production of boundary acoustic wave deviceby bonding substrate″(日文)，Ozawa，Yamada，Omori，Hashimoto，& Yamaguchi，Piezoelectric materials and Device Symposium，2003，Piezoelectric materials and Device Symposium ExecutiveCommittee，F(xiàn)eb.27，2003，pp.59-60發(fā)明內(nèi)容一種邊界聲波器件需要根據(jù)應(yīng)用具備適當(dāng)大小的機(jī)電耦合系數(shù)，并表現(xiàn)出低傳播損耗、功率流角度和頻率的溫度系數(shù)。另外，在主響應(yīng)附近要求低寄生響應(yīng)。
具體地說(shuō)，邊界聲波在傳播時(shí)帶有的損耗，即傳播損耗，會(huì)不利地影響邊界聲波濾波器的插入損耗、諧振電阻以及邊界聲波諧振器的阻抗比。所述阻抗比是諧振頻率處的阻抗與反諧振頻率處的阻抗之比。因此，傳播損耗越低越好。
功率流角度代表邊界波的相速度與邊界波能量的群速度之間的方向差。如果功率流角度較大，需要將IDT置于根據(jù)功率流角度的角度處。因此，設(shè)計(jì)電極較為復(fù)雜，并且易于出現(xiàn)由于角度偏移導(dǎo)致的損耗。
如果邊界波器件是邊界波濾波器，則邊界波器件的工作頻率隨溫度的變化減小了實(shí)際的通帶或阻帶。如果邊界波器件是諧振器，則工作頻率隨溫度的變化導(dǎo)致了振蕩電路的異常振蕩。TCF(每攝氏度的頻率改變)越低越好。
例如，通過(guò)在具有用于發(fā)射和接收邊界波的發(fā)射和接收IDT的區(qū)域之外，在傳播方向中設(shè)置反射器，可以構(gòu)成低損耗諧振器濾波器。當(dāng)使用邊界波時(shí)，諧振器濾波器的帶寬取決于機(jī)電耦合系數(shù)。較高的機(jī)電耦合系數(shù)k2導(dǎo)致寬帶濾波器，并且較低的機(jī)電耦合系數(shù)導(dǎo)致窄帶濾波器。因此，需要邊界波根據(jù)其應(yīng)用來(lái)使用適當(dāng)?shù)臋C(jī)電耦合系數(shù)k2。對(duì)于蜂窩電話的RF濾波器，機(jī)電耦合系數(shù)應(yīng)該為3％或更大，并且優(yōu)選地為5％或更大。
然而，在上面列出的非專利文獻(xiàn)1中公開(kāi)的使用Stoneley波的邊界聲波器件中，機(jī)電耦合系數(shù)低至2％。
本發(fā)明的目的在于，提供一種使用SH邊界波的邊界聲波器件，它表現(xiàn)出在主諧振時(shí)足夠大的機(jī)電耦合系數(shù)、低傳播損耗和功率流角度、允許范圍內(nèi)的頻率溫度系數(shù)，以及在主諧振附近的低Stoneley波寄生諧振。
第一發(fā)明提供一種邊界聲波器件，它包括LiTaO3壓電體、在壓電體的一個(gè)表面上形成的介電體，以及置于壓電體和介電體之間邊界處的電極。當(dāng)電極的密度為ρ(kg/m3)且厚度為H(λ)，邊界聲波波長(zhǎng)為λ時(shí)，電極滿足表達(dá)式H＞1.1×106ρ-1.7。
第二發(fā)明提供一種邊界聲波器件，它包括LiTaO3壓電體、在壓電體的一個(gè)表面上形成的SiO2介電體，以及置于壓電體和介電體之間邊界處的電極。當(dāng)電極的密度為ρ(kg/m3)且厚度為H(λ)，邊界聲波波長(zhǎng)為λ時(shí)，電極滿足表達(dá)式H＞25000ρ-1.46。
在第二發(fā)明的特定情況中，表達(dá)式ρ＞2659kg/m3成立。
在第一和第二發(fā)明的特定情況中，表達(dá)式ρ＞4980kg/m3成立。
在第一和第二發(fā)明的特定情況(下稱本發(fā)明)中，所述電極包括由從Al、Ti、Fe、Cu、Ag、Ta、Au和Pt構(gòu)成的組中選擇的至少一種金屬制成的電極層。
在本發(fā)明的特別情況中，所述電極還包括第二電極層。該第二電極層設(shè)置在所述電極層的上或下表面上，并由與所述電極層不同的材料制成。
在第一發(fā)明的特定情況中，所述介電層由非壓電材料制成。
在本發(fā)明的特定情況中，所述介電層具有包含多個(gè)介電層的多層結(jié)構(gòu)。
在第一發(fā)明的特定情況中，介電層由從Si、SiO2、玻璃、SiN、SiC、ZnO、Ta2O5、鋯鈦酸鉛陶瓷、AlN、Al2O3、LiTaO3、LiNbO3和鈮酸鉀(KN)構(gòu)成的組中選擇的至少一種制成。
在根據(jù)本發(fā)明的邊界聲波器件的另一特定情況中，通過(guò)沉積方法形成所述介電層。
在又一特定情況中，本發(fā)明的邊界聲波器件還包括在介電層與邊界相對(duì)的表面上形成的樹(shù)脂層。
按照第一發(fā)明的邊界聲波器件，它具有在LiTaO3壓電體的一個(gè)表面的介電體、以及壓電體和介電體之間邊界處的電極，其中，滿足表達(dá)式H＞1.1×106ρ-1.7。這種結(jié)構(gòu)可以使SH邊界聲波的聲速減小到小于壓電體的LiTaO3中傳播的慢橫波的聲速，因此，可以提供低傳播損耗的、使用SH邊界波的邊界聲波器件。
按照第二發(fā)明的邊界聲波器件，它具有LiTaO3壓電體和SiO2介電體之間邊界處的電極，并滿足表達(dá)式H＞25000ρ-1.46。這種結(jié)構(gòu)可以使沿LiTaO3和SiO2之間邊界傳播的SH邊界波的聲速減小到小于SiO2中傳播的慢橫波的聲速，因此可以提供無(wú)論泄漏類型如何都表現(xiàn)出低傳播損耗的、使用SH邊界聲波的邊界聲波器件。
在第二發(fā)明中，如果ρ高于2659kg/m3，則可以將電極厚度H減小到0.25λ或更小，此電極厚度使SH邊界波的速度可以減小到小于SiO2中傳播的慢橫波的聲速。因此，可以通過(guò)薄層沉積方法容易地形成電極。
在本發(fā)明中，由從Al、Ti、Fe、Cu、Ag、Ta、Au和Pt構(gòu)成的組中選擇的至少一種金屬制成的電極確保產(chǎn)生按照本發(fā)明的使用SH邊界波的邊界波器件。如果電極還包括由與上述電極層不同的金屬制成的第二電極層，則可以通過(guò)適當(dāng)選擇形成第二電極的金屬，增強(qiáng)電極和介電體或LiTaO3之間的附著力或者電功率電阻。
介電體可以具有壓電性能，并且優(yōu)選地包含SiO2作為主要成分。SiO2介電體可以改進(jìn)頻率的溫度系數(shù)。
在本發(fā)明中，介電體可以具有包括多個(gè)介電層的多層結(jié)構(gòu)。在這種情況下，介電層可以由多種介電材料形成。
在第一發(fā)明中，通過(guò)由從Si、SiO2、玻璃、SiN、SiC、Al2O3、ZnO、Ta2O5、鋯鈦酸鉛陶瓷、AlN、LiTaO3、LiNbO3和鈮酸鉀(KN)構(gòu)成的組中選擇的至少一種制成介電層，可以實(shí)現(xiàn)本發(fā)明使用SH邊界波的邊界波器件。
另外，通過(guò)使用從Si、SiO2、玻璃、SiN、SiC和Al2O3構(gòu)成的組中選擇的至少一種非壓電材料作為介電層的材料，可以通過(guò)沉積方法穩(wěn)定地形成所述介電層，因?yàn)榻殡妼硬皇芙殡妼拥膲弘娞匦缘姆蔷鶆蛐缘挠绊憽?br> 在形成本發(fā)明的介電層時(shí)，例如，如果應(yīng)用非專利文獻(xiàn)4中公開(kāi)的襯底結(jié)合方法來(lái)將LiTaO3和介電體結(jié)合在一起，則由于結(jié)合區(qū)域的非均勻性，邊界波可能不均勻地傳播。因此，實(shí)踐中出現(xiàn)嚴(yán)重的缺陷，例如頻率的嚴(yán)重偏離、濾波器插入損耗的改變、諧振器諧振電阻的改變。另外，為了獲得防止襯底在制造過(guò)程中破裂的強(qiáng)度，要結(jié)合在一起的介電層和LiTaO3的厚度例如必須至少為300μm。相應(yīng)地，所得到的器件總共厚達(dá)600μm。在本發(fā)明中，優(yōu)選地采用沉積方法，例如濺射方法、氣相沉積方法或CVD方法(化學(xué)氣相沉積方法)，代替結(jié)合方法。沉積方法有助于在襯底的整個(gè)表面上形成均勻的薄層，并且導(dǎo)致比結(jié)合方法更均勻的頻率、插入損耗和諧振電阻。沉積方法允許介電層的厚度為大約2λ，同時(shí)LiTaO3厚度例如為300μm，以維持強(qiáng)度。例如，對(duì)于波長(zhǎng)λ為5μm的邊界波，介電層厚度可以小至大約10μm。因此，可以將得到的器件的厚度減小到總共310μm，即，是使用結(jié)合方法產(chǎn)生的器件的一半。
在本發(fā)明中，如果在介電層與邊界相對(duì)的表面上形成樹(shù)脂層，則通過(guò)適當(dāng)選擇材料，可以增強(qiáng)防潮性。


圖1是本發(fā)明一種實(shí)施例邊界聲波器件的正剖視圖；圖2是表示在(0°，90°，0°)LiTaO3襯底上包含Au電極和SiO2層的結(jié)構(gòu)中，Au電極厚度與一些類型的波的聲速V之間關(guān)系的圖線；圖3是表示在(0°，90°，0°)LiTaO3襯底上包含Au電極和SiO2層的結(jié)構(gòu)中，Au電極厚度與SH邊界波(U2)的機(jī)電耦合系數(shù)k2之間關(guān)系的圖線；圖4是表示在(0°，90°，0°)LiTaO3襯底上包含Au電極和SiO2層的結(jié)構(gòu)中，Au電極厚度與SH邊界波(U2)的傳播損耗α之間關(guān)系的圖線；圖5是表示在(0°，90°，0°)LiTaO3襯底上包含Au電極和SiO2層的結(jié)構(gòu)中，Au電極厚度與SH邊界波(U2)的頻率溫度系數(shù)TCF之間關(guān)系的圖線；圖6是表示在(0°，90°，0°)LiTaO3襯底上包含Au電極和SiO2層的結(jié)構(gòu)中，Au電極厚度與SH邊界波(U2)的功率流角度PFA之間關(guān)系的圖線；圖7是表示在(0°，90°，0°)LiTaO3襯底上包含Au電極和SiO2層的結(jié)構(gòu)中，Au電極厚度與一些類型的波的聲速V之間關(guān)系的圖線。
圖8是表示在(0°，90°，0°)LiTaO3襯底上包含Au電極和SiO2層的結(jié)構(gòu)中，Au電極厚度與Stoneley波(U3)的機(jī)電耦合系數(shù)k2之間關(guān)系的圖線；圖9是表示在(0°，90°，0°)LiTaO3襯底上包含Au電極和SiO2層的結(jié)構(gòu)中，Au電極厚度與Stoneley波(U3)的傳播損耗α之間的關(guān)系的圖線
圖10是表示在(0°，90°，0°)LiTaO3襯底上包含Au電極和SiO2層的結(jié)構(gòu)中，Au電極厚度與Stoneley波(U3)的頻率溫度系數(shù)TCF之間關(guān)系的圖線；圖11是表示在(0°，90°，0°)LiTaO3襯底上包含Au電極和SiO2層的結(jié)構(gòu)中，Au電極厚度與Stoneley波(U3)的功率流角度PFA之間關(guān)系的圖線；圖12是表示在(0°，90°，0°)LiTaO3襯底上包含Au電極和SiO2層的結(jié)構(gòu)中，Au電極厚度與一些類型的波的聲速V之間關(guān)系的圖線；圖13是表示在(0°，90°，0°)LiTaO3襯底上包含Au電極和SiO2層的結(jié)構(gòu)中，Au電極厚度與縱邊界波(U1)的機(jī)電耦合系數(shù)k2之間關(guān)系的圖線；圖14是表示在(0°，90°，0°)LiTaO3襯底上包含Au電極和SiO2層的結(jié)構(gòu)中，Au電極厚度與縱邊界波(U1)的傳播損耗α之間關(guān)系的圖線；圖15是表示在(0°，90°，0°)LiTaO3襯底上包含Au電極和SiO2層的結(jié)構(gòu)中，Au電極厚度與縱邊界波(U1)的頻率溫度系數(shù)TCF之間關(guān)系的圖線；圖16是表示在(0°，90°，0°)LiTaO3襯底上包含Au電極和SiO2層的結(jié)構(gòu)中，Au電極厚度與縱邊界波(U1)的功率流角度PFA之間關(guān)系的圖線；圖17是表示在(0°，90°，0°)LiTaO3襯底上包含Au電極和SiO2層的結(jié)構(gòu)中，Au電極厚度與SH邊界波的聲速V之間關(guān)系的圖線；圖18是表示在(0°，90°，0°)LiTaO3襯底上包含Au電極和SiO2層的結(jié)構(gòu)中，Au電極厚度與SH邊界波(U2)的傳播損耗α之間關(guān)系的圖線；圖19是表示在(0°，90°，0°)LiTaO3襯底上包含Au電極和SiO2層的結(jié)構(gòu)中，Au電極厚度與SH邊界波(U2)的頻率溫度系數(shù)TCF之間關(guān)系的圖線；圖20是表示在(0°，90°，0°)LiTaO3襯底上包含Au電極和SiO2層的結(jié)構(gòu)中，Au電極厚度與SH邊界波(U2)的功率流角度PFA之間關(guān)系的圖線；圖21是表示在(0°，90°，0°)LiTaO3襯底上包含Cu電極和SiO2層的結(jié)構(gòu)中，Cu電極厚度與SH邊界波的聲速V之間關(guān)系的圖線；圖22是表示在(0°，90°，0°)LiTaO3襯底上包含Cu電極和SiO2層的結(jié)構(gòu)中，Cu電極厚度與SH邊界波(U2)的傳播損耗α之間關(guān)系的圖線；圖23是表示在(0°，90°，0°)LiTaO3襯底上包含Cu電極和SiO2層的結(jié)構(gòu)中，Cu電極厚度與SH邊界波(U2)的頻率溫度系數(shù)TCF之間關(guān)系的圖線；圖24是表示在(0°，90°，0°)LiTaO3襯底上包含Cu電極和SiO2層的結(jié)構(gòu)中，Cu電極厚度與SH邊界波(U2)的功率流角度PFA之間關(guān)系的圖線；圖25是表示在(0°，90°，0°)LiTaO3襯底上包含Al電極和SiO2層的結(jié)構(gòu)中，Al電極厚度與SH邊界波的聲速V之間關(guān)系的圖線；圖26是表示在(0°，90°，0°)LiTaO3襯底上包含Al電極和SiO2層的結(jié)構(gòu)中，Al電極厚度與SH邊界波(U2)的傳播損耗α之間關(guān)系的圖線；圖27是表示在(0°，90°，0°)LiTaO3襯底上包含Al電極和SiO2層的結(jié)構(gòu)中，Al電極厚度與SH邊界波(U2)的頻率溫度系數(shù)TCF之間關(guān)系的圖線；圖28是表示在(0°，90°，0°)LiTaO3襯底上包含Al電極和SiO2層的結(jié)構(gòu)中，Al電極厚度與SH邊界波(U2)的功率流角度PFA之間關(guān)系的圖線；圖29是表示在(0°，90°，0°)LiTaO3襯底上包含Ag電極和SiO2層的結(jié)構(gòu)中，Ag電極厚度與SH邊界波的聲速V之間關(guān)系的圖線；圖30是表示在(0°，90°，0°)LiTaO3襯底上包含Ag電極和SiO2層的結(jié)構(gòu)中，Ag電極厚度與SH邊界波(U2)的傳播損耗α之間關(guān)系的圖線；圖31是表示在(0°，90°，0°)LiTaO3襯底上包含Ag電極和SiO2層的結(jié)構(gòu)中，Ag電極厚度與SH邊界波(U2)的頻率溫度系數(shù)TCF之間關(guān)系的圖線；圖32是表示在(0°，90°，0°)LiTaO3襯底上包含Ag電極和SiO2層的結(jié)構(gòu)中，Ag電極厚度與SH邊界波(U2)的功率流角度PFA之間關(guān)系的圖線；圖33是表示在(0°，90°，0°)LiTaO3襯底上包含F(xiàn)e電極和SiO2層的結(jié)構(gòu)中，F(xiàn)e電極厚度與SH邊界波的聲速V之間關(guān)系的圖線；圖34是表示在(0°，90°，0°)LiTaO3襯底上包含F(xiàn)e電極和SiO2層的結(jié)構(gòu)中，F(xiàn)e電極厚度與SH邊界波(U2)的傳播損耗α之間關(guān)系的圖線；圖35是表示在(0°，90°，0°)LiTaO3襯底上包含F(xiàn)e電極和SiO2層的結(jié)構(gòu)中，F(xiàn)e電極厚度與SH邊界波(U2)的頻率溫度系數(shù)TCF之間關(guān)系的圖線；圖36是表示在(0°，90°，0°)LiTaO3襯底上包含F(xiàn)e電極和SiO2層的結(jié)構(gòu)中，F(xiàn)e電極厚度與SH邊界波(U2)的功率流角度PFA之間關(guān)系的圖線；圖37是表示在(0°，90°，0°)LiTaO3襯底上包含Pt電極和SiO2層的結(jié)構(gòu)中，Pt電極厚度與SH邊界波的聲速V之間關(guān)系的圖線；圖38是表示在(0°，90°，0°)LiTaO3襯底上包含Pt電極和SiO2層的結(jié)構(gòu)中，Pt電極厚度與SH邊界波(U2)的傳播損耗α之間關(guān)系的圖線；圖39是表示在(0°，90°，0°)LiTaO3襯底上包含Pt電極和SiO2層的結(jié)構(gòu)中，Pt電極厚度與SH邊界波(U2)的頻率溫度系數(shù)TCF之間關(guān)系的圖線；圖40是表示在(0°，90°，0°)LiTaO3襯底上包含Pt電極和SiO2層的結(jié)構(gòu)中，Pt電極厚度與SH邊界波(U2)的功率流角度PFA之間關(guān)系的圖線；圖41是表示在(0°，90°，0°)LiTaO3襯底上包含Ti電極和SiO2層的結(jié)構(gòu)中，Ti電極厚度與SH邊界波的聲速V之間關(guān)系的圖線；圖42是表示在(0°，90°，0°)LiTaO3襯底上包含Ti電極和SiO2層的結(jié)構(gòu)中，Ti電極厚度與SH邊界波(U2)的傳播損耗α之間關(guān)系的圖線；圖43是表示在(0°，90°，0°)LiTaO3襯底上包含Ti電極和SiO2層的結(jié)構(gòu)中，Ti電極厚度與SH邊界波(U2)的頻率溫度系數(shù)TCF之間關(guān)系的圖線；圖44是表示在(0°，90°，0°)LiTaO3襯底上包含Ti電極和SiO2層的結(jié)構(gòu)中，Ti電極厚度與SH邊界波(U2)的功率流角度PFA之間關(guān)系的圖線；圖45是表示在(0°，90°，0°)LiTaO3襯底上包含Ta電極和SiO2層的結(jié)構(gòu)中，Ta電極厚度與SH邊界波的聲速V之間關(guān)系的圖線；圖46是表示在(0°，90°，0°)LiTaO3襯底上包含Ta電極和SiO2層的結(jié)構(gòu)中，Ta電極厚度與SH邊界波(U2)的傳播損耗α之間關(guān)系的圖線；圖47是表示在(0°，90°，0°)LiTaO3襯底上包含Ta電極和SiO2層的結(jié)構(gòu)中，Ta電極厚度與SH邊界波(U2)的頻率溫度系數(shù)TCF之間關(guān)系的圖線；圖48是表示在(0°，90°，0°)LiTaO3襯底上包含Ta電極和SiO2層的結(jié)構(gòu)中，Ta電極厚度與SH邊界波(U2)的功率流角度PFA之間關(guān)系的圖線；圖49是表示電極材料密度與將SH邊界波的聲速減小到小于橫波聲速時(shí)厚度之間關(guān)系的圖線。
參考標(biāo)號(hào)1邊界聲波器件2壓電體3介電體4用作電極的IDT5、6用作電極的反射器具體實(shí)施方式
根據(jù)如下參考附圖對(duì)本發(fā)明實(shí)施例的描述，本發(fā)明將顯而易見(jiàn)。
為了在兩個(gè)固體層之間傳播邊界聲波，必須滿足將邊界波的能量集中于固體層之間的邊界的要求。為此，非專利文獻(xiàn)3公開(kāi)了一種方法，其中，選擇材料，使得BGSW襯底中橫波速度接近各向同性材料中橫波速度，并且該材料與該各向同性材料具有低密度比，此外，如上所述該材料具備高壓電性能。
當(dāng)材料具有高速度區(qū)和低速度區(qū)時(shí)，波集中在低聲速區(qū)中傳播。發(fā)明人發(fā)現(xiàn)，通過(guò)將具有高密度和低聲速的金屬，比如Au，用于位于兩個(gè)固體層之間的電極，并且通過(guò)增加電極的厚度以減小在固體層之間傳播的邊界波的聲速，可以滿足將能量集中于固體層之間的邊界的要求。從而實(shí)現(xiàn)本發(fā)明。
眾所周知的是，在固體材料中傳播的體波包括三種類型的波縱波、快橫波和慢橫波，分別稱作P波、SH波和SV波。SH波和SV波中哪一個(gè)慢取決于襯底的各向異性。這三種體波中具有最低聲速的體波是慢橫波。如果固體材料是各向同性的，例如SiO2，則單一類型的橫波傳播。在這種情況中，這種類型的橫波是慢橫波。
沿各向異性襯底，比如壓電襯底，傳播的邊界聲波通常在傳播時(shí)具有組合的三個(gè)位移分量P波、SH波和SV波，并且主要分量確定邊界聲波的類型。例如，上述Stoneley波是主要包括P波和SV波的邊界聲波，而SH邊界波主要包括SH波。在某些情況下，SH波和P或SV波不必彼此組合就可以傳播。
因?yàn)檫吔缏暡▊鞑r(shí)具有彼此組合的三個(gè)位移分量，所以，比如聲速高于SH波的邊界聲波泄漏SH波和SV波分量。聲速高于SV波的邊界聲波也泄漏SV波分量。這些泄漏的分量導(dǎo)致邊界波的傳播損耗。
因此，通過(guò)將SH邊界波的聲速減小到小于兩個(gè)固體層中慢橫波的聲速，SH邊界波的能量可以集中于位于兩個(gè)固體層之間的電極，因此可以傳播具有較高機(jī)電耦合系數(shù)k2的SH邊界波。因此，滿足了使傳播損耗為零的要求。本發(fā)明即基于這一概念。
另外，通過(guò)設(shè)計(jì)兩個(gè)固體層，使得至少一個(gè)固體層由壓電體制成而另一固體層由含壓電材料的介電體制成，固體層之間的電極激勵(lì)SH邊界波。在這種情況下，可以使用梳狀或日本竹網(wǎng)狀(Japanese bambooscreen-like)電極(交叉指型換能器，IDT)作為電極，如在“Introduction of surface acoustic wave(SAW)devicesimulation”(日文，Hashimoto，Realize Corp.，p.9)中所述。
圖1是本發(fā)明一種實(shí)施例邊界聲波器件的示意正剖視圖。邊界聲波器件1包括由LiTaO3板制成的壓電體2，以及在壓電體上形成的介電體3。作為電極，IDT 4和反射器5和6位于壓電體2和介電體3之間的邊界處。反射器5和6位于IDT 4的表面波傳播方向兩側(cè)。于是，本實(shí)施例構(gòu)成了邊界波諧振器。
本實(shí)施例的邊界聲波器件1的特征在于電極，也即IDT 4和反射器5和6的厚度。具體地說(shuō)，將電極的厚度設(shè)置成，使得SH邊界聲波的聲速低于介電體3中傳播的慢橫波以及LiTaO3壓電體2中傳播的慢橫波的聲速。
在本實(shí)施例中，增加電極的厚度，以使SH邊界聲波的聲速減小到小于壓電體2和介電體3中傳播的慢橫波的聲速。因而，使SH邊界波的能量集中于壓電體2和介電體3之間的邊界上。于是，就可以以低傳播損耗來(lái)傳播具有高機(jī)電耦合系數(shù)k2的SH邊界波。
除減小電極厚度以傳播SH邊界波之外，如下所述，還可以對(duì)限定電極的條的占空比進(jìn)行控制，以使SH邊界聲波的聲速減小到小于壓電體2和介電體3中傳播的慢橫波的聲速。因此，本發(fā)明可以允許SH邊界波集中于邊界上傳播。
下面將參考試驗(yàn)示例進(jìn)一步詳細(xì)描述本發(fā)明。
制備Euler角為(0°，90°，0°)、Y平面X傳播LiTaO3襯底，作為壓電體2。所述LiTaO3襯底具備高壓電性能。由SiO2形成介電體3。SiO2易于形成薄層。根據(jù)本發(fā)明構(gòu)造的邊界波器件傳播邊界波，同時(shí)將部分振動(dòng)能量分散到LiTaO3襯底和SiO2體中。因?yàn)镾iO2體具有正頻率溫度系數(shù)TCF，這就抵消了LiTaO3襯底的負(fù)TCF，使溫度依賴性得到改善。
在壓電體2和介電體3之間，使用由一些不同密度的材料制成的電極，對(duì)電極厚度和聲速V、機(jī)電耦合系數(shù)k2、傳播損耗α、頻率溫度系數(shù)TCF以及功率流角度PFA之間的關(guān)系進(jìn)行試驗(yàn)。
圖2至6、圖7至11，以及圖12至16示出使用Au電極的試驗(yàn)結(jié)果。圖2至6示出SH邊界波(簡(jiǎn)稱U2)的結(jié)果；圖7至11示出Stoneley波(簡(jiǎn)稱U3)的結(jié)果；圖12至16示出縱邊界波(簡(jiǎn)稱U1)的結(jié)果。
圖17至20、圖21至24、圖25至28、圖29至32、圖33至36、圖37至40、圖41至44，以及圖45至48分別示出使用由Au、Cu、Al、Ag、Fe、Mo、Ni、Pt、Ti、Ta和W形成的電極所做試驗(yàn)的結(jié)果。
在這些附圖和描述中，U2代表SH邊界波，Vm代表短路邊界處的聲速，Vf代表開(kāi)路邊界處的聲速。此外，Vs代表慢橫波的聲速，LT是LiTaO3的簡(jiǎn)稱，并且α代表傳播損耗。例如，Au-U2αm表示在具有Au電極的短路邊界處，SH邊界聲波的傳播損耗；Au-U2Tm表示在具有Au電極的短路邊界處SH邊界聲波的頻率溫度系數(shù)TCF；Au-U2Pm表示在具有Au電極的短路邊界處SH邊界聲波的功率流角度PFA。
圖2至16所示的結(jié)果是通過(guò)根據(jù)文獻(xiàn)“A method for estimatingoptimal cuts and propagation directions for excitation andpropagation directions for excitation of piezoelectric surfacewaves”(J.J.Campbell & W.R.Jones，IEEE Trans.Sonics andUltrason.，Vol.SU-15(1968)pp.209-217)進(jìn)行計(jì)算得到的。
對(duì)于開(kāi)路邊界，假設(shè)法向中位移的每個(gè)分量、電勢(shì)和電通量密度以及垂直方向的壓力，在SiO2和Au以及Au和LiTaO3之間的每一個(gè)邊界處是連續(xù)的，并且SiO2和LiTaO3的厚度是無(wú)窮大，Au的相對(duì)介電常數(shù)是1，來(lái)計(jì)算聲速和傳播損耗。對(duì)于短路邊界，假設(shè)SiO2和Au以及Au和LiTaO3之間的邊界處的電勢(shì)為0。根據(jù)如下等式(1)得到機(jī)電耦合系數(shù)k2k2＝2×|Vf-V|/Vf等式(1)其中，Vf表示開(kāi)路邊界處的聲速。
使用20℃、25℃和30℃時(shí)的相速度V，根據(jù)如下等式(2)得到頻率溫度系數(shù)TCFTCF＝V(25℃)-1×[(V(30℃)-V(20℃))/10℃]-αs等式(2)其中，αs表示LiTaO3襯底在邊界波傳播方向的線性膨脹系數(shù)。
對(duì)于Euler角(φ，θ，ψ)處的功率流角度PFA，使用ψ-0.5°、ψ，以及ψ+0.5°處的像素，根據(jù)如下等式(3)得到PFA＝tan-1[V(ψ)-1×(V(ψ+0.5°)-V(ψ-0.5°))] 式(3)Y平面X傳播LiTaO3中縱波、快橫波和慢橫波的聲速分別是5589、4227和3351m/s。SiO2中縱波和慢橫波的聲速分別是5960和3757m/s。
至于在Au電極厚度為0時(shí)每一短路邊界處的聲速Vm，圖2至16清楚地示出主要由U3波分量構(gòu)成的Stoneley波的聲速略低于LiTaO3襯底中傳播的慢橫波的聲速，而且，主要由U2波分量構(gòu)成的SH邊界聲波的聲速位于LiTaO3中傳播的快橫波和慢橫波的聲速之間。Stoneley波的K2低至0-0.2％。這意味著Stoneley波不適用于RF濾波器。另一方面，SH邊界聲波具有3％或更高的機(jī)電耦合系數(shù)k2，并且適用于RF濾波器。
當(dāng)Au厚度為0時(shí)，主要由U1波分量構(gòu)成的縱邊界波具有如此高的傳播損耗α，以至不能得到解。然而，根據(jù)針對(duì)Stoneley波和SH邊界聲波的結(jié)果看到，當(dāng)Au厚度為0時(shí)，縱邊界波的聲速略低于LiTaO3襯底中傳播的縱波的聲速。
已經(jīng)表明，當(dāng)Au電極的厚度增加時(shí)，Stoneley波、SH邊界聲波和縱邊界波的聲速都將減小。
另外，已經(jīng)表明，當(dāng)SH邊界聲波的速度減小到小于SiO2中傳播的慢橫波的速度時(shí)，減小了傳播損耗，并且當(dāng)SH邊界聲波的速度進(jìn)一步減小到小于LiTaO3中傳播的慢橫波的速度時(shí)，傳播損耗變?yōu)?。
如圖2至16所示，在縱波或橫波的聲速等于邊界聲波的聲速的條件下，所計(jì)算的值變得不連續(xù)。比如，當(dāng)Vm低于而Vf高于SiO2中傳播的慢橫波的速度時(shí)，觀察到這種不連續(xù)。換句話說(shuō)，當(dāng)邊界波的泄漏條件在短路邊界和開(kāi)路邊界之間不同時(shí)，觀察到這種現(xiàn)象。所計(jì)算的值還可能由于SH邊界波和Stoneley波的聲速接近而不連續(xù)。具體地說(shuō)，使用Vf和Vm來(lái)計(jì)算機(jī)電耦合系數(shù)k2，常可導(dǎo)致不連續(xù)的值。
現(xiàn)在轉(zhuǎn)為參考圖17至48，這些附圖清楚地示出當(dāng)SH邊界波的速度減小到小于SiO2中傳播的慢橫波的速度時(shí)，即便使用其他金屬用作電極，也使傳播損耗減小，并且，當(dāng)SH邊界波的速度進(jìn)一步減小到小于LiTaO3中傳播的慢橫波的速度時(shí)，傳播損耗變?yōu)?。
圖49示出使SH邊界波的聲速減小到小于SiO2中傳播的慢橫波的聲速的電極厚度H1與電極材料的密度ρ之間的關(guān)系，以及使SH邊界波的聲速減小到小于LiTaO3中傳播的慢橫波的聲速的電極厚度H2與電極密度ρ之間的關(guān)系。如圖49所明確表示的那樣，通過(guò)滿足如下表達(dá)式(4)，可以產(chǎn)生低傳播損耗的SH邊界波，特別是，通過(guò)滿足表達(dá)式(5)，可以產(chǎn)生傳播損耗為0的SH邊界波。
H1[λ]＞25000ρ1.46(4)
H2[λ]＞1100000ρ-1.7(5)在制造這種類型的邊界聲波器件時(shí)，通過(guò)光刻，比如剝離或者干法刻蝕，在LiTaO3壓電襯底上設(shè)置比如IDT之類的電極，然后通過(guò)薄層沉積方法，如濺射方法、氣相沉積方法或CVD方法，在電極上形成比如由SiO2形成的介電層。因而，由于IDT厚度所導(dǎo)致的不均勻表面的原因，介電層可能以一個(gè)傾斜的角度生長(zhǎng)，或者不均勻地生長(zhǎng)，從而使所得到的邊界聲波器件的性能惡化。從防止這種惡化的角度出發(fā)，電極厚度越薄越好。
發(fā)明人的研究已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，厚度H為0.1λ(λSH邊界波的波長(zhǎng))的電極使得難以形成高質(zhì)量的薄介電層。此外，厚度H為0.25λ或更大的電極，會(huì)導(dǎo)致1或更大的長(zhǎng)寬比。這使得難以通過(guò)刻蝕或剝離來(lái)廉價(jià)地形成電極。另外，通過(guò)薄層沉積方法來(lái)形成介電層的工藝和設(shè)備受限，并且一般性的RF磁控管濺射不適于形成薄介電層。電極厚度優(yōu)選地為0.25λ或更小，更為優(yōu)選的是0.1λ或更小。
圖49表明，通過(guò)使用ρ為2659kg/m3或更大的材料作為電極，可以使SH邊界聲波的聲速減小到小于SiO2中傳播的橫波的聲速，并且可以使電極厚度H減小到0.25λ或更小，這種厚度值允許減小傳播損耗。如果電極材料的ρ為4980kg/m3或更大，有利地可以將電極厚度H減小為0.1λ或更小，這種厚度值允許傳播損耗變?yōu)?。因此，電極材料的密度ρ優(yōu)選地為2659kg/m3或更大，更優(yōu)選地是4980kg/m3或更大。
另外，通過(guò)使用密度ρ為8089kg/m3或更大的材料作為電極，可以將電極厚度H減小到0.25λ或更小，這種厚度值允許SH邊界波的傳播損耗變?yōu)?。如果電極材料的ρ為13870kg/m3或更大，就可以將電極厚度H減小到0.10λ或更小，這種厚度值允許傳播損耗變?yōu)?。因此，電極材料的ρ更加優(yōu)選地為8089kg/m3或更大，最優(yōu)選地為13870kg/m3或更大。
圖17至48示出通過(guò)把電極厚度形成為使得滿足表達(dá)式(4)，使機(jī)電耦合系數(shù)k2增大到3％，并且得到的邊界聲波器件適于用作RF濾波器。
在本發(fā)明中，電極可以是薄片限定波導(dǎo)、匯流條等的形式，或者可以是用于激勵(lì)邊界波的IDT或梳狀電極，或者是用于反射邊界波的反射器。
在說(shuō)明書(shū)中，代表襯底切割面的切割角，以及邊界波的傳播方向的Euler角(φ，θ，ψ)是基于如下文獻(xiàn)中描述的右手Euler角的“Acoustic Wave Device Technology Handbook”(日文，Japan Societyfor the Promotion of Science，Acoustic Wave Device Technologythe 150th Committee，第一版第一次印刷，2001年11月30日出版，p.549)。具體地說(shuō)，在LN晶軸X、Y和Z中，將X軸繞Z軸逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)φ來(lái)定義Xa軸。隨后，將Z軸繞Xa軸逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)θ來(lái)定義Z’軸。包括Xa軸且其法線為Z’軸的平面被定義為切割面。將邊界波的傳播方向設(shè)為X’軸的方向，X’軸通過(guò)將Xa軸繞Z’軸逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)ψ來(lái)定義。
至于定義初始Euler角的LiTaO3晶軸X、Y和Z，將Z軸設(shè)定為平行于C軸，將X軸設(shè)定為平行于沿三個(gè)方向延伸的等價(jià)a軸之一，并且將Y軸設(shè)定為包含X軸和Z軸的平面的法線。
在本發(fā)明中，對(duì)于LiTaO3的Euler角(φ，θ，ψ)而言，結(jié)晶等價(jià)Euler角是足夠的。例如，文獻(xiàn)7(Journal of the Acoustical Societyof Japan(日文)Vol.36，No.3，1980，pp.140-145)已經(jīng)指出，LiTaO3屬于三角3m點(diǎn)集，因此等式(A)成立。
F(φ，θ，ψ)＝F(60°-φ，-θ，ψ)＝F(60°+φ，-θ，180°-ψ)＝F(φ，180°+θ，180°-ψ)＝F(φ，θ，180°+ψ)等式(A)其中，F(xiàn)代表任何邊界波特性，如機(jī)電耦合系數(shù)k2、傳播損耗、TCF、PFA、或者自然單向特性。譬如，當(dāng)反轉(zhuǎn)傳播方向時(shí)，F(xiàn)PA和自然單向特性改變+/-符號(hào)，但是它們的絕對(duì)值不會(huì)改變；因此，認(rèn)為它們實(shí)際上是等價(jià)的。雖然文獻(xiàn)7已經(jīng)討論了表面波，但是在晶體對(duì)稱性方面同樣適用于邊界波。例如，Euler角為(30°，θ，ψ)的邊界波的傳播特性等價(jià)于Euler角為(90°，180°-θ，180°-ψ)的邊界波的傳播特性。例如，Euler角為(30°，90°，45°)的邊界波的傳播特性等價(jià)于Euler角如表1所示的邊界波的傳播特性。


雖然本發(fā)明中用于計(jì)算的電極的材料常數(shù)是多晶電極的材料常數(shù)，但是，譬如外延膜之類的晶體電極也可以提供類似的邊界波傳播特性，即便Euler角等價(jià)于等式(A)所表達(dá)的那樣，這也不會(huì)帶來(lái)問(wèn)題。這是因?yàn)橐r底的晶體取向依賴性與膜本身的晶體取向依賴性相比，對(duì)于邊界波特性占據(jù)更具支配性的地位。
在本發(fā)明中，電極材料不僅可以從Al、Ti、Fe、Cu、Ag、Ta、Au和Pt構(gòu)成的組中選擇，而是也可以從其他導(dǎo)電材料中選擇。所述電極可以包括在主電極層的上或下表面上由Ti、Cr、NiCr等形成的第二電極層，用以增強(qiáng)附著力或電功率電阻。換句話說(shuō)，所述電極可以具有多層結(jié)構(gòu)。
不僅可以由SiO2形成所述介電層，而且也可以由Si、玻璃、SiN、SiC、ZnO、Ta2O5、鋯鈦酸鉛陶瓷、AlN、Al2O3、LiTaO3、LiNbO3、An等形成。換句話說(shuō)，可以由壓電材料制成所述介電層。介電層可以具有包括多個(gè)介電層的多層結(jié)構(gòu)。
按照本發(fā)明的邊界聲波器件還可以包括在LiTaO3和介電層之間具有電極的結(jié)構(gòu)外部的保護(hù)層。具體地說(shuō)，保護(hù)層可以設(shè)置在介電層與邊界相對(duì)的表面上，或者設(shè)置在壓電體與邊界相對(duì)的表面上。保護(hù)層可以增強(qiáng)邊界聲波器件的強(qiáng)度，或者防止腐蝕性氣體滲入器件。保護(hù)層可以由適當(dāng)材料制成，例如絕緣陶瓷、合成樹(shù)脂或金屬等。合成樹(shù)脂保護(hù)層可以增強(qiáng)對(duì)腐蝕性氣體和濕氣滲入的抵抗力。絕緣陶瓷保護(hù)層可以增強(qiáng)機(jī)械強(qiáng)度并防止腐蝕性氣體滲入。這種絕緣陶瓷包括氧化鈦、氮化鋁和氧化鋁。金屬保護(hù)層可以增強(qiáng)機(jī)械強(qiáng)度并提供電磁屏蔽功能。這種金屬包括Au、Al和W。
權(quán)利要求
1.一種邊界聲波器件，它包括LiTaO3壓電體、在壓電體的一個(gè)表面上形成的介電體，以及置于壓電體和介電體之間邊界處的電極；其中，當(dāng)電極的密度為ρ(kg/m3)，厚度為H(λ)，邊界聲波波長(zhǎng)為λ時(shí)，所述電極滿足表達(dá)式H＞1.1×106ρ-1.7。
2.一種邊界聲波器件，它包括LiTaO3壓電體、在壓電體的一個(gè)表面上形成的SiO2介電體，以及置于壓電體和介電體之間邊界處的電極，其中，當(dāng)電極的密度為ρ(kg/m3)，厚度為H(λ)，邊界聲波波長(zhǎng)為λ時(shí)，所述電極滿足表達(dá)式H＞25000ρ-1.46。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的邊界聲波器件，其中，表達(dá)式ρ＞2659kg/m3成立。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的邊界聲波器件，其中表達(dá)式ρ＞4980kg/m3成立。
5.根據(jù)權(quán)利要求1至4任一項(xiàng)所述的邊界聲波器件，其中，所述電極主要包括由從Al、Ti、Fe、Cu、Ag、Ta、Au和Pt構(gòu)成的組中選擇的至少一種金屬制成的電極層。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的邊界聲波器件，其中，所述電極還包括第二電極層，設(shè)置在所述電極層的上或下表面上，并由與所述電極層不同的電極材料制成。
7.根據(jù)權(quán)利要求1、4至6任一項(xiàng)所述的邊界聲波器件，其中，所述介電體由非壓電材料制成。
8.根據(jù)權(quán)利要求1至7任一項(xiàng)所述的邊界聲波器件，其中，所述介電體具有包括多個(gè)介電層的多層結(jié)構(gòu)。
9.根據(jù)權(quán)利要求1、4至6任一項(xiàng)所述的邊界聲波器件，其中，所述介電層由從Si、SiO2、玻璃、SiN、SiC、ZnO、Ta2O5、鋯鈦酸鉛陶瓷、AlN、Al2O3、LiTaO3、LiNbO3和鈮酸鉀(KN)構(gòu)成的組中選擇的至少一種制成。
10.根據(jù)權(quán)利要求1至9任一項(xiàng)所述的邊界聲波器件，其中，通過(guò)沉積方法形成所述介電層。
11.根據(jù)權(quán)利要求1至10任一項(xiàng)所述的邊界聲波器件，其中，還包括在介電層與邊界相對(duì)的表面上形成的樹(shù)脂層。
全文摘要
一種使用SH邊界聲波的邊界聲波器件，具有高機(jī)電耦合系數(shù)、低傳播損耗、小功率流角度和適當(dāng)范圍的頻率溫度系數(shù)TCF，并具有簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)，可以通過(guò)簡(jiǎn)單的工藝制造。邊界聲波器件(1)包括設(shè)置在由LiTaO
文檔編號(hào)H01L41/09GK1926763SQ20058000686
公開(kāi)日2007年3月7日 申請(qǐng)日期2005年3月2日 優(yōu)先權(quán)日2004年3月5日
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