專利名稱：在由一分子連結(jié)器連結(jié)到一承載基體上的壓電材料薄層中導(dǎo)向的表面聲波器件及其制造 ...的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明的領(lǐng)域是表面聲波器件，特別是那些在移動電話中用作濾波器的表面聲波器件。
為了用表面聲波器件完成濾波器和諧振器類型的功能，建立盡可能高效的換能器和反射器功能是非常重要的。
一般地，表面聲波諧振器包括位于兩反射電極陣列之間的一表面聲波換能器，該兩反射電極陣列適當?shù)囟ㄎ?，以捕捉聲波能量，并從而產(chǎn)生一諧振腔，該諧振腔需要一低反射損失率。這可以用大量的電極來獲得。實際上，一個單獨電極的有效反射系數(shù)只有很小的百分比。因而，這些陣列由一百個，甚至更多以每個波長兩個電極的比率統(tǒng)一分布的電極構(gòu)成。電極反射的削弱本質(zhì)上有兩個原因由于電極位于表面上，它不會對能量散射到基體中的表面聲波產(chǎn)生強烈反應(yīng)(實質(zhì)上增強這種反應(yīng)需要具有實踐中不能獲得的精細度的電極)。另外，如果一單獨電極的反射率非常高，那么基本能量以分散波的形式傳播，并因而造成整個諧振器的損失。
為了提高陣列的效率并從而提高諧振器的性能特性，特別有利的是，使用一聲波能量導(dǎo)管，即使用一可將聲波限定在其中的壓電材料薄層。
表面聲波換能器正越來越多地用于完成單向聲波傳遞。因此，這種換能器由于反射效率的提高而以同樣方式受益。另外，如果聲波能量在一壓電材料薄層中導(dǎo)向，壓電耦合效率將更高。
這就是為什么本發(fā)明提出一種使用表面聲波的器件的原因，該表面聲波在連結(jié)到一承載基體的壓電材料薄層中導(dǎo)向，以提供在壓電材料中對聲波的限制。
更具體地，本發(fā)明的一個目的是提供一種表面聲波器件，該器件包括用于產(chǎn)生表面聲波的裝置，及一聲波在其中導(dǎo)向的壓電材料薄層，其特征在于，該器件包括一承載基體及一分子連結(jié)器層，壓電材料薄層通過該連結(jié)器層連結(jié)到承載基體上。
該承載材料可以是玻璃、青玉、硅或砷化鎵型的材料。壓電材料可以是石英、鈮酸鋰或鉭酸鋰型的材料，而分子連結(jié)器可以是硅石型。根據(jù)本發(fā)明的一個變例，表面聲波器件可包括一位于分子連結(jié)器層與壓電材料層之間的金屬層。
本發(fā)明另一個目的是用于制造一聲波器件的第一方法，該聲波器件包括一壓電材料薄層，一分子連結(jié)器層和一承載基體。
更具體地，該方法的特征在于下列步驟-將一分子連結(jié)器層沉淀到壓電材料基體的第一表面上，-在一潮濕氣氛中將一承載基體與由分子連結(jié)器層和壓電材料基體形成的單元結(jié)合在一起，以完成親水連結(jié)操作，-用機械、化學、離子型方法將壓電基體的厚度減小，從而限定該壓電材料薄層。
有利地，該方法可包括下列步驟-在壓電材料基體的第一表面以一深度d將離子植入壓電材料基體；-對由分子連結(jié)器層和壓電材料基體形成的裝置進行快速加熱，以在離子植入的深度對壓電材料基體進行裂化，并限定壓電材料薄層；-對壓電材料薄層進行拋光。
通過下面作為非限定性例子的描述及附圖，本發(fā)明將更清楚地理解，其它優(yōu)點也將顯現(xiàn)，其中

圖1表示本發(fā)明第一個示例性的表面聲波器件，包括位于兩反射器陣列之間的換能器；
圖2a-2e表示用于獲得本發(fā)明聲波器件的制造方法之一的步驟；圖3表示本發(fā)明一可替換的實施例，其中表面聲波器件包括一用于對波進行限定的附加的金屬層；圖4a-4c表示沒有導(dǎo)電層(4a)和有導(dǎo)電層(4b和4c)的換能器的結(jié)構(gòu)；圖5a至5c表示根據(jù)本發(fā)明的表面聲波器件，包括一挖空的承載基體；圖6表示本發(fā)明中單向換能器的一種控制方式；圖7a-7c表示使用本發(fā)明的表面聲波器件的一示例性濾波器，帶有表面電極或埋入的電極；圖8a至8b表示使用本發(fā)明表面聲波器件的另一示例性濾波器；圖9a至9c表示示例性的封裝的本發(fā)明的表面聲波器件。
圖10示出本發(fā)明封裝的表面聲波器件的另一實施例。
一般來講，聲波裝置包括至少一層壓電材料1，在其上或其中分布著下列元件電極2，其用于完成所需的換能和反射功能；一層分子連結(jié)器3和一支承基體4，如圖1所示，圖1更具體地表示出插在兩反射器陣列之間的一示例性的換能器。
壓電材料層的厚度設(shè)置成它可以引入聲波能量傳播的兩種導(dǎo)向方式。
被稱為“分子”連結(jié)器的連結(jié)器層是一能夠與位于接口處的材料建立親水型連接的材料層。一般地，可以是硅石，它能夠在潮濕的氣氛中與位于接口處同樣包含氧原子的其它材料建立O-H型連結(jié)。
在實踐中，當使用一個硅石型承載基體時，可以通過在承載基體表面上噴濺上幾百埃的厚度而形成一SiO2沉淀。當承載基體由砷化鎵GaAs制成時也是這種情況。然后就能夠在SiO2層與包含氧的壓電材料，如石英、LiTaO3或LiNbO3之間形成連結(jié)。
有了為本發(fā)明選擇的結(jié)構(gòu)，通過將壓電材料的精細厚度限定在一個聲波波長的尺寸，即1微米至30微米，而分散聲波在承載基體中的速度變得大于在壓電材料層中的速度，該壓電材料層可表現(xiàn)出一聲波波導(dǎo)的特性。現(xiàn)在，被導(dǎo)引的聲波結(jié)構(gòu)相對于常規(guī)的非導(dǎo)引表面聲波器件具有幾個主要優(yōu)點。這些優(yōu)點是-低損失；-高折射率；-高電阻抗，特別是如果聲波在一水平面中被極化。
本發(fā)明的聲波器件包括一薄層壓電材料。該小的厚度可通過機械或化學蝕刻獲得，或者，通過對用分子連結(jié)與支承基體結(jié)合后的較厚的層再次進行等離子蝕刻而獲得。但是，對于很薄的層，這些技術(shù)仍然成本很高。這就是為什么本發(fā)明提出一種用于制造極薄層的方法的原因。本發(fā)明的主要步驟在圖2中示出。
該方法的第一個步驟包括將離子，如氫離子植入壓電基體10中。離子轟擊的能量對離子植入100的深度(圖2a)進行調(diào)整。
在第二步驟中，對一分子連結(jié)器層30，如SiO2型，進行沉淀。該沉淀可通過噴濺完成。圖2b中示出所獲得的單元。
圖2c中所示的第三步驟包括將一承載基體40與由連結(jié)器30和壓電基體10形成的單元結(jié)合起來。該操作可在一受控的氣氛中進行。
圖2d中所示的第四步驟用于限定壓電材料薄層。該步驟通過對在前述步驟中的單元進行快速加熱而完成。在植入的雜質(zhì)中發(fā)生裂化反應(yīng)。該裂化限定了一厚度為d的壓電層。該裂化步驟有利地后隨有一對表面壓電材料進行拋光的步驟。該步驟沒有示出，在圖2e中所示的第五步驟之前進行，該第五步驟包括通過電極沉淀操作限定表面聲波器件(SAW裝置)。
本發(fā)明的表面聲波器件在硅型承載基體的情況下會得到改進，在這種情況下會由于材料的低電阻而發(fā)生實質(zhì)性的損失。在這種類型的結(jié)構(gòu)中，如圖3所示，在承載基體與分子連結(jié)層之間插入一金屬層實際上是有利的。這樣，一承載基體41支承一金屬層51、一分子連結(jié)器層31及一壓電材料11的薄層，在壓電材料11上沉淀有電極21。薄的金屬層51是以限定了壓電層11的電力線的方式位于壓電層與承載基體之間的導(dǎo)電罩。薄金屬層可沉淀在壓電基體表面上，承載基體上，或它們兩者上。然后分子連結(jié)器層可沉淀在金屬層或承載基體或壓電材料的表面上。相對于在電場上形成一罩而言，插入一導(dǎo)電層具有幾個優(yōu)點。這些優(yōu)點特別通過圖4a-4c表示出來。更具體地，圖4a給出當沒有導(dǎo)電層時位于換能器下面壓電層電力線的示意圖。圖4b部分示出在導(dǎo)電層存在情況下同樣現(xiàn)象的示意圖。必須注意，在第二個例子中電力線更深地穿透該層。這導(dǎo)致?lián)Q能器的電聲耦合率上升。
依據(jù)各種情況的不同，換能器可包括不均衡的耦合，即第一耦合具有一給定的電位，而第二耦合仍處于零電位(即接地)，或其它平衡耦合，即兩個耦合處于同一電位，但具有180°的相位差。
但是，為了在平衡或不平衡電源的情況下都能有最優(yōu)的表現(xiàn)，導(dǎo)電層可接地；圖4c示出另一實施例，其中輸入信號的第二相位在兩基體的接口處與導(dǎo)電表面耦合。這具有不可忽視的優(yōu)點，即這使換能器的指狀電極分布的尺寸加倍。在該結(jié)構(gòu)中所需的電極的周期為λ，其中λ是在前面所述情況下聲波的波長，該周期是λ／2。這樣圖4c提出了一種結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)能夠使裝置操作的頻率加倍。
當承載基體具有高電阻，例如它由玻璃或藍寶石制成的情況下，壓電基體與承載基體之間的電屏蔽對于防止承載基體中的導(dǎo)電損失就不必要了。因此，如下面將要描述的，可通過埋入電極制成與圖4c中所示的等效的結(jié)構(gòu)。這些植入的優(yōu)點是由于埋入了電極而獲得的較強的壓電耦合，以及防止外部電場而對濾波器的屏蔽。
還可以通過將換能器的電極埋入壓電層中而獲得可比較的效果。這種結(jié)構(gòu)能夠以與埋入的導(dǎo)電層相同的方式，增加電力線在電壓材料中穿透的深度。在現(xiàn)有技術(shù)表面聲波器件的結(jié)構(gòu)中，用埋入的電極獲得恒定的和可復(fù)制的性能特性是非常困難的，因為將壓電基體精確地蝕刻到所需的深度是很困難的。相反，本發(fā)明中沒有這方面的困難。通過選擇一種可選擇的化學蝕刻方法，能夠蝕刻出壓電材料薄層的一個精確位置，并完全蝕刻出整體中的該位置。這樣在波導(dǎo)中蝕刻出的槽可通過任一種已有技術(shù)，如蒸氣沉淀或噴濺而填注金屬。這樣蝕刻出的換能器將具有更好的耦合。
根據(jù)本發(fā)明的另一個變例，通過在表面聲波器件的活動表面下面將上述承載材料挖空對于降低支承材料中的損失是有利的。圖5a示出一種表面聲波器件，其中承載基體45被在面向壓電材料15的活動區(qū)域的一個位置完全蝕刻，直到分子連結(jié)器層35，該壓電材料15包括電極25。根據(jù)另一個變例，分子連結(jié)器層也可以蝕刻。在硅承載基體的情況下，可使用公知的化學蝕刻或離子蝕刻技術(shù)。
在本發(fā)明的內(nèi)容中，如上所述，用上述完全挖空的支承材料制造一單向換能器也是很有價值的。圖5b示出這種類型的一個換能器。有了薄壓電層，可以在壓電基體兩表面上制成一系列的電極。一第一系列250在其中一個表面上制成，然后在制造第二系列251時用作掩模，因為壓電基體對于在制造電極的光刻方法中所使用的單獨波長來講是可穿透的。
為獲得在單一方向上的聲能輻射，向換能器提供相位差為90°的兩種輸入?？赏ㄟ^一圖6中所示的現(xiàn)有技術(shù)中公知的正交混合電路很容易地獲得這種電力供應(yīng)。在這種情況下，位于上表面的電極由輸出1驅(qū)動，而位于下表面的電極由輸出2驅(qū)動。以這種方式制造的單向換能器是寬帶換能器，且是高效的。
必須注意，即使在承載材料的電阻足夠時，挖空承載基體也是有用的。例如，根據(jù)壓電材料和承載材料，可挖空支承件，僅留下位于表面聲波器件下面具有特定厚度e的材料，如圖5c所示。實際上，面向設(shè)置在壓電材料16薄層表面上的電極26，通過一連結(jié)器層36連結(jié)到支承基體46上，該基體46被挖成最大厚度為e的支承材料。這種結(jié)構(gòu)可用來補償溫度變化，并從而大大降低該器件對溫度的敏感度。
如上所述，如果陣列被蝕刻在由壓電材料制成的導(dǎo)管中，本發(fā)明的表面聲波(SAW)器件，由于它的壓電材料薄層，將具有大于或位于100％范圍內(nèi)的反射效率。實際上，在這種結(jié)構(gòu)中，能量并沒有損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導(dǎo)管中，通過對其進行蝕刻，在導(dǎo)管的不同區(qū)域可獲得很高水平的反射和分離，從而降低了其高度和／或?qū)挾取Ｔ诒疚闹?，圖7示出低損失濾波器的制造，該濾波器由于其高反射效率而特別高效。這是一個由兩個換能器T1和T2構(gòu)成的濾波器，該兩換能器T1和T2由一陣列R分隔開，通過壓電導(dǎo)管上不同的蝕刻而獲得。圖7a示出該SAW器件的頂視圖，圖7b示出其剖視圖。薄壓電波導(dǎo)17例如通過化學或離子蝕刻被蝕刻到達分子連結(jié)器層37或到達承載基體47。這樣，限定了一列電極27，以獲得一系列一致的諧振腔，其中各諧振頻率是腔波長1n的函數(shù)(例如1≤n≤5)。
通過改變各部分Wn中聲波波導(dǎo)的寬度，可以改變各腔的阻抗。
各腔之間的耦合是通過導(dǎo)管Cn的孔徑及窄縫Sn的長度來控制的。根據(jù)該方法，可通過與標準導(dǎo)向電磁波濾波器完全相同的方式制造一聲波濾波器。各內(nèi)腔的長度僅為約λ／2。因此這種濾波器可小于現(xiàn)有技術(shù)中的表面聲波濾波器，現(xiàn)有技術(shù)中表面聲波濾波器的反射器陣列需要100λ范圍內(nèi)的內(nèi)腔。
圖7c示出一可替換的濾波器，其中換能器的電極在壓電基體中而不是在平面上被挖空。如上所述，該換能器因而具有改進的耦合，并可用于制造較小尺寸的濾波器。
圖8a和8b示出圖7a和7b中所示結(jié)構(gòu)的變形。這些結(jié)構(gòu)的不同之處在于，耦合不再是成一直線，而是位于側(cè)面。
本發(fā)明還涉及SAW器件，其包裝在成本和尺寸上都是很好的。
實際上，通常為熱封包裝的封裝的成本目前是元件生產(chǎn)成本的主要部分。在大規(guī)模生產(chǎn)中，盡可能地降低這種成本是很重要的。在本文中，也可使用分子連結(jié)器薄層將封裝蓋與壓電材料薄層連結(jié)在一起。
圖9a示出一表面聲波器件的一第一實施例，其中電極與一壓電材料薄層18結(jié)合在一起，上述壓電材料通過一分子連結(jié)器層381連結(jié)到一第一承載基體481上。一第二承載基體482同樣通過一分子連結(jié)器層382連結(jié)到壓電材料層上，以用于封裝。根據(jù)本方法的一包裝件是非常堅固的完全包裝(即沒有空腔)。假設(shè)分散波在承載基體中的速度大于在導(dǎo)管中的速度，就能夠使擴散損失非常低。在一種標準方式中，導(dǎo)電板681和682通過基體481與表面聲波元件建立了電耦合。
圖9b示出一帶有電極的表面聲波器件(此處由位于兩反射陣列之間的換能器表示)的第二實施例，該電極位于表面上而不再結(jié)合在一起。一局部挖空的承載基體在其圓周上通過一分子連結(jié)器層連結(jié)到一壓電材料層上。這種方法與前述一個相比具有下述優(yōu)點，即在連結(jié)上部承載基體之前，不用改變所測量的表面聲波器件的特性。在圖9c所示結(jié)構(gòu)中，空腔的缺少實際上導(dǎo)致在連結(jié)承載基體后器件不同的反應(yīng)。這在生產(chǎn)過程中使器件的測試復(fù)雜化。另外，用作封裝包裝件蓋的挖空的承載基體可有利地包括活動元件19，用于適配的元件，或者任何其它結(jié)合到圖9c中所示包裝件上的元件。如果空腔內(nèi)部被金屬化，還能夠在RF應(yīng)用中實現(xiàn)一特別有價值的電屏蔽。
圖10示出被集體封裝的表面聲波器件的一個變例。在這種情況下，在壓電基體19中蝕刻出空腔。然后，進行金屬化并完成光刻步驟，最后借助于孔和金屬781將壓電基體連結(jié)到(例如)陶瓷承載器上。最后的步驟包括用一鋸將元件機械地分開。
權(quán)利要求
1．表面聲波器件，包括產(chǎn)生表面聲波的裝置和一壓電材料薄層，聲波在壓電材料薄層中導(dǎo)向，其特征在于，該器件包括一承載基體和一分子連結(jié)器層，壓電材料薄層通過該分子連結(jié)器層連結(jié)到承載基體上。
2．如權(quán)利要求1所述的表面聲波器件，其特征在于，該承載材料可為玻璃、青玉、硅或砷化鎵型材料。
3．如權(quán)利要求1或2所述的表面聲波器件，其特征在于，分子連結(jié)器是硅石。
4．如權(quán)利要求3所述的表面聲波器件，其特征在于，分子連結(jié)器層的厚度在幾百埃范圍內(nèi)。
5．如權(quán)利要求1至4中的一項所述的表面聲波器件，其特征在于，它包括一位于分子連結(jié)器層與壓電材料層之間的金屬層。
6．如權(quán)利要求1至5中的一項所述的表面聲波器件，其特征在于，壓電材料為石英，鈮酸鋰或鉭酸鋰型材料。
7．如權(quán)利要求1至6中的一項所述的表面聲波器件，其特征在于，壓電材料層的厚度在約為1微米至30微米的一個聲波波長范圍內(nèi)。
8．如權(quán)利要求1至7中的一項所述的表面聲波器件，其特征在于，它包括結(jié)合到壓電材料薄層中的電極。
9．如權(quán)利要求1至8中的一項所述的表面聲波器件，其特征在于，用于產(chǎn)生表面聲波的裝置位于壓電材料的中央部位，承載基體在上述中央部位前面被挖空。
10．如權(quán)利要求9所述的表面聲波器件，其特征在于，承載基體被完全挖空直到壓電材料薄層，且它包括位于壓電材料第一表面上的第一系列電極及位于與壓電材料層的第一表面相對的表面上的第二系列電極。
11．如權(quán)利要求1至10中的一項所述的表面聲波器件，其特征在于，它包括由一反射器陣列隔開的兩個換能器，該反射器陣列被蝕刻在壓電材料薄層中，從而限定了一系列與1n的長度一致的諧振腔。
12．包含如權(quán)利要求1至11中的一項所述的表面聲波器件的模件，及該器件被結(jié)合在其中的封裝包裝件，其特征在于，該封裝包裝件包括通過一第二分子連結(jié)器層連結(jié)到壓電材料層的至少一部分上的第二承載基體。
13．如權(quán)利要求8至12中的一項所述的模件，其特征在于，該第二承載基體通過一第二分子層連結(jié)到整個壓電材料層上。
14．如權(quán)利要求12所述的模件，其特征在于，承載基體在其中央被挖空，并將其周邊連結(jié)到壓電材料層的周邊上。
15．用于制造如權(quán)利要求1至14中的一項所述的器件的方法，其特征在于，包括下列步驟-將一分子連結(jié)器層沉淀到壓電材料基體的第一表面上，-在一潮濕氣氛中將一承載基體與由分子連結(jié)器層和壓電材料基體形成的單元結(jié)合在一起，從而完成親水連結(jié)操作，-用機械、化學、離子型方法將壓電基體的厚度減小，從而限定該壓電材料薄層。
16．如權(quán)利要求15所述的方法，其特征在于，它還包括下列步驟-在壓電材料基體的第一表面以一深度d將離子植入壓電材料基體；-對由分子連結(jié)器層和壓電材料基體形成的裝置進行快速加熱，從而在離子植入的深度對壓電材料基體進行裂化，并限定壓電材料薄層；-對壓電材料薄層進行拋光。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種表面聲波器件,該表面聲波器件包含一壓電材料薄層,一分子連結(jié)器層和一承載基體。該薄層包括一改進了器件性能特性的聲波能量導(dǎo)管。本發(fā)明還涉及用于制造該聲波器件的方法,特別包括一將一承載基體與一壓電基體之間進行分子連結(jié)的步驟,然后一用于減小壓電基體厚度的步驟。
文檔編號H01L41/22GK1294780SQ99804288
公開日2001年5月9日 申請日期1999年12月21日 優(yōu)先權(quán)日1998年12月30日
發(fā)明者彼得·賴特 申請人:湯姆森-無線電報總公司