表面声波器件、滤波器装置和制造表面声波器件的方法 【技术领域】
本发明总体上涉及采用压电基板和低膨胀材料的表面声波器件。本发明还涉及采用这种表面声波器件的滤波器装置和制造该表面声波器件的方法。
背景技术
现在，广泛采用表面声波器件作为便携式电话的带通滤波器。表面声波滤波器使得可以得到体积小巧、成本低廉的滤波器和谐振器，是用于减小诸如便携式电话之类的通信设备的尺寸的关键元件。
随着便携式电话在技术和功能上的进步，要求采用表面声波器件的滤波器具有更高的性能。通常，表面声波滤波器的频率特性与温度相关。因此，需要提高表面声波滤波器的温度稳定性。
正如公知的那样，钽酸锂(LiTaO3：LT)是一种具有较大的机电耦合系数的压电材料，被大量用作表面声波器件的基板材料。
具有较大的机电耦合系数的压电材料通常表现出较差的温度稳定性。相反，诸如石英之类具有良好温度稳定性的压电材料，其机电耦合系数则比较差。因此，具有LT基板地表面声波器件对于实现宽带滤波器特性是有利的，尽管其不具有相对良好的温度稳定性。
非常希望实现一种既有较大的机电耦合系数，又有良好的温度稳定性的材料。有一些方案尝试实现这样的材料。图1A到1D显示了一些这样的方案。
图1A显示了一种传统的表面声波器件100。例如，在IEEE Trans.OnSonics and Ultrasonics.，vol.SU-31，pp.51-57，1984(作者：Yamanouchi等)中对该器件作了描述。下文中将器件100称作第一现有技术。基于第一现有技术的表面声波器件100具有由铌酸锂(LiNbO3：LN)或LT制成的压电基板11，其上形成有梳状电极。压电基板100的表面上涂覆了石英膜14，其温度系数与LT或LN的相反。石英膜14具有抵消压电基板11的温度特性的功能，从而可以改进温度稳定性。
图1B显示了另一种传统的表面声波器件200，在日本专利No.25168171中对其作了描述。下文中将器件200称作第二现有技术。在其上形成有梳状电极12的LT或LN基板11的表面上设置有极化反转层15。极化反转层15的厚度小于在基板11的表面上传播的表面声波(SAW)的波长。采用极化反转层15的电场短路效应来改进温度稳定性。
图1C显示了再一种传统的表面声波器件300，例如，在日本特开平专利申请No.11-55070或Proc.Of IEEE Ultrasonics Symposium，pp.335-338，1998(作者：Ohnishi等)中对其作了描述。将器件300称作第三现有技术。器件300具有比图1A和1B中所示的基板11更薄的压电基板11a，还有另一基板16，比基板11a厚，并由低膨胀材料制成。基板16被直接接合到压电基板11a上。低膨胀基板16抑制了由于温度变化引起的压电基板11a的膨胀和压缩，从而可以改进温度稳定性。
不过，基于第一现有技术的表面声波器件100有一个缺点：难于形成具有均匀厚度的石英膜14。石英膜14甚至被提供到了梳状电极12上，这增加了表面声波的传播损失。
基于第二现有技术的表面声波器件200在控制极化反转层的深度上存在困难。这带来了制造上的困难，降低了产量。基于第三现有技术的表面声波器件300需要一个用于良好的接合的镜面表面。不过，要进行接合的镜面表面会引起体波的反射，这会降低滤波器特性。
图1D显示了又一种传统的表面声波器件400，例如，在日本专利申请No.2001-53579中对其作了描述。下文中将器件400称作第四现有技术。和其上形成有梳状电极12的前表面相对的压电基板11a的后表面被加工得粗糙。标号18表示压电基板11a的这一粗糙表面。通过一个粘合层17，将这样形成的压电基板11a接合到低膨胀基板17上。
第四现有技术可以改进滤波器特性。不过，夹在压电基板11a和低膨胀基板16之间的粘合层17会妨碍前面提及的温度特性的改进。更进一步，减弱了交界面处的粘合力，并且降低了温度稳定性的改进。
【发明内容】
本发明的总体目的是提供一种表面声波器件，在其中将消除上面所述的种种缺点。
本发明的一个更具体的目的是提供一种表面声波器件，其具有较大的机电耦合系数、改进的温度稳定性和良好的生产率；和提供一种采用这种表面声波器件的滤波器装置。
本发明的另一个目的是提供一种制造上面所述的表面声波器件的方法。
根据本发明的一个方面，提供了一种表面声波器件，其包括：压电基板，其上形成有具有梳状电极的多个谐振器；和被直接接合到该压电基板上的硅基板，其成本比压电基板低廉，在该硅基板中形成有谐振腔，该谐振腔位于至少一个谐振器之下。
根据本发明的另一方面，提供了一种表面声波器件，其包括：压电基板，其上形成有具有梳状电极的多个谐振器；和被直接接合到该压电基板上的硅基板，其成本比压电基板低廉，该硅基板的电阻系数等于或大于10Ω·cm。
根据本发明的再一方面，提供了一种表面声波器件，其包括：压电基板，其上形成有具有梳状电极的多个谐振器；和被直接接合到该压电基板上的硅基板，其成本比压电基板低廉，谐振器位于沿表面声波传播的方向离该器件的端部距离为d的位置，距离d满足d≥3tp，其中tp是压电基板的厚度。
根据本发明进一步的目的，提供了一种制造表面声波器件的方法，包括如下步骤：将压电基板和硅基板直接接合起来，其中在压电基板上形成有具有梳状电极的多个谐振器，硅基板被直接接合到压电基板上，其成本比压电基板低廉；在硅基板中形成谐振腔，使得谐振腔位于至少一个谐振器之下。
根据本发明更进一步的目的，提供了一种制造表面声波器件的方法，包括如下步骤：将压电基板和成本比其低廉的硅基板直接接合；在压电基板上形成多个谐振器，谐振器位于沿表面声波传播的方向离该器件的端部距离为d的位置，距离d满足d≥3tp，其中tp是压电基板的厚度。
【附图说明】
结合附图阅读时，根据下面的详细说明，本发明的其他目的、特征和优点将显得更为清晰明白。图中：
图1A、1B、1C和1D是传统的表面声波器件的横断面视图；
图2是根据本发明的第一实施例的表面声波器件的横断面视图；
图3是图2中所示的表面声波器件的俯视图；
图4是显示基板厚度tsi和tp与沿SAW传播方向离图2和3中所示的表面声波器件的端部的距离d之间的关系的曲线图；
图5A、5B和5C分别是制造根据本发明的第一实施例的表面声波器件的工艺的横断面视图；
图6是其内封装有图2和3中所示的表面声波器件的装置的横断面视图；
图7是显示具有不同的电极焊盘尺寸的第一实施例器件的滤波器特性的模拟结果的曲线图。
图8是根据本发明的第三实施例的表面声波器件的横断面视图；
图9是根据本发明的第四实施例的表面声波器件的俯视图；以及
图10是另一个根据本发明的第四实施例的表面声波器件的俯视图。
【具体实施方式】
现在将参考附图，给出本发明的优选实施例的说明。
第一实施例
根据本发明的第一实施例的表面声波器件具有一块统一的基板，其中，将一块压电基板和另一块由诸如硅之类具有相对较低的热膨胀系数的低膨胀材料制成的基板直接接合了起来。通过RIE(反应离子蚀刻)，在统一的基板中形成了谐振腔。作为统一基板的一部分，谐振腔的底表面被加工得粗糙。采用这一结构，在不降低滤波器特性的前提下，就可能实现具有较大的机电耦合系数、良好的温度稳定性和改进的生产率的表面声波器件。
图2是根据本发明的第一实施例的表面声波器件10的横断面视图。图3是器件10的俯视图，其中，图2的横断面是沿图3中所示的A-A’线取的。器件10是一个带通滤波器，其中，多个按照串联支路(series-arm)方式排列的串联支路谐振器3a和多个并联支路(parallel-arm)谐振器3b被排列成了梯子形。
参考图2，表面声波器件10具有多个在基板1上形成的谐振腔1a，在基板1上生长了一块类似膜的压电基板2。在压电基板2上形成有梳状电极(也被称作交指型变换器电极，IDT电极)12和反射电极13。通过直接接合技术将基板1和压电基板2接合了起来。
压电基板2可以由钽酸锂(LT)或铌酸锂(LN)制成。基板1由具有比压电基板2更低的热膨胀系数的材料制成，例如，可以由硅制成。具有这样较低的热膨胀系数的材料被称作低膨胀材料。将硅用作低膨胀材料使得有可能容易地通过RIE设备在基板1中形成谐振腔1a。另外，硅的应用也使得有可能容易地在压电基板2的底部形成粗糙表面2a，该粗糙表面2a通过谐振腔1a暴露。
在压电基板2的底部上形成的粗糙表面2a可以防止由压电基板2的后面反射的体波降低滤波器特性。粗糙表面2a可以被省略。也就是说，压电基板2的后表面可以是平面。即使压电基板2的后表面是平面，也产生类似的作用。
谐振腔1a可以被提供给各个谐振器3。每个谐振器3被形成得包括IDT电极12和压电基板2正好位于包括IDT电极12的区域之下的部分。因此，谐振腔1a可以有一个最小的面积，以便将由低膨胀材料制成的基板1的作用最大化。谐振腔1a可以被形成得扩展至一对布置在每个ITD电极12的两侧的反射器5。每个反射器5被形成得包括反射器电极13和压电基板2正好位于包括反射器电极13的区域之下的部分。换言之，每个谐振腔1a可以被形成得正好位于各个由IDT电极(包括梳状电极和反射器电极对12)组成的谐振器3之下。
谐振器3在表面声波器件10上的位置(换言之，在芯片上的位置)根据基板1的厚度tsi(图2)和压电基板2(图2)的厚度tp来确定，或者只根据压电基板2的厚度tp而确定。下面，参考图4，将说明厚度tsi和tp与沿SAW传播方向从表面声波器件10的端部到谐振器3的端部的距离d之间的关系。
图4是显示采用有限元法对表面声波器件10进行结构分析的结果的曲线图。所分析的器件10包括由LT制成的压电基板2和被直接接合到该基板2上的硅基板1。在结构分析中，对于谐振器3具有不同位置的样品器件10，改变压电基板2的厚度tp和基板1的厚度tsi之比，计算了TCF(频率的温度系数)特性。每个器件10都具有沿SAW传播方向的长度为1.8mm的第一侧，和垂直于SAW传播方向的长度为1.2mm的第二侧。图4中显示了所用的基板1的厚度tsi和压电基板2的厚度tp。距离d被定义为沿SAW传播方向从芯片的任何一端到每个谐振器3的与芯片端部较近的端部的最短的距离。
没有基板1的单独的压电基板2的TCF值大约为-40ppm/℃。图4中的曲线图显示了TCF值在-25ppm/℃或者更低时变化非常大。因此，本发明的本实施例使用了一个TCF值超过-25ppm/℃的有效区域。
进一步说明图4中的曲线图。TCF值取决于压电基板2的厚度tp，对于厚度tp为30μm和距离d为100μm的情形，TCF值大约为-25ppm/℃；对于厚度tp为50μm和距离d为200μm的情形，TCF值也是-25ppm/℃。更进一步地，对于厚度tp为100μm和距离d为300μm的情形，TCF值大约是-25ppm/℃。TCF值略微依赖于基板1的厚度tsi，但可以忽略。
根据上面所述的对图4中的曲线图的考虑，当距离d满足下面的表达式(1)时，可以获得良好的TCF值：
d≥3tp (1)当距离d等于压电基板2的厚度的3倍或者更大时，可以获得良好的TCF值。表达式(1)不仅可被用于具有谐振腔的表面声波器件，也可被用于没有谐振腔的器件。
根据本发明的第一实施例，采用了具有相对较低的热膨胀率的硅基板，以便在不降低机电耦合系数的前提下，可以抑制由于温度变化所致的压缩和膨胀，并且改进温度稳定性。采用RIE可以容易地由硅基板1形成谐振腔1a。RIE的应用使得有可能容易地形成谐振腔1a的粗糙底表面，这有助于散射体波。因此，有可能防止由体波的反射产生的纹波信号和寄生信号降低滤波器特性。
更进一步，根据本发明的本实施例，根据压电基板2的厚度tp(必要时，和基板1的厚度tsi一起)来决定谐振器3相对于表面声波器件10的芯片的端部的位置。因此，有可能在不减小由于基板1的刚性所产生的应力的前提下，改进温度特性。换言之，本发明的本实施例优化了压电基板2的厚度和谐振器3的位置，因此实现了具有小的频率偏差的表面声波器件。即使用LN压电基板代替LT压电基板，也可以获得类似的效果。表面声波器件10对于采用泄漏表面声波(leaky surfaceacoustic wave)的器件尤其有用。
下面将说明用于制造表面声波器件10的工艺。举例来说，下面的说明是针对采用300μm厚的硅基板1和50μm厚的LT基板2的器件10的制造工艺。
图5A到5C是器件10的横断面视图，显示了器件10的制造工艺。参考图5A，通过直接接合，将一块42°的Y切割X传播(Y-cutX-propagation)LT基板2直接粘合到硅基板1上。除了直接粘合，也可以采用另一种合适的方法将LT基板2直接接合到硅基板1上。接下来，对LT基板2进行碾磨和抛光，直至LT基板2大约为50μm厚时。然后，将导电材料淀积在其上，并通过曝光和蚀刻而构图成IDT电极12和反射电极13的形状。作为主要成分，IDT电极12和反射电极13可以包括金(Au)、铝(Al)、铜(Cu)和钛(Ti)中的至少一种。包括IDT电极12和反射电极13的谐振器3位于沿SAW传播方向离芯片10的相对端部距离为200μm的位置。
参考图5B，基板1正好位于IDT电极12和反射器电极13下面的部分通过采用感应耦合等离子体(ICP)的深RIE(bosch工艺)被从器件10的背面去除了。表1显示了在bosch工艺中的蚀刻步骤和淀积步骤的参数。谐振腔1a可以只被形成在IDT电极12之下，以便其不会扩展到IDT电极12以外。
表1气体/流率压力RF功率工艺时间蚀刻步骤SF6/450sccm 43mTorr 2200W 9.5秒淀积步骤C4F8/200sccm 22mTorr 1500W 3.0秒
参考图5B，具有上面所述参数的蚀刻步骤和淀积步骤被重复执行250循环，直至通过蚀刻，谐振腔1a贯穿了300μm厚的硅基板1。可以用干法蚀刻、湿法蚀刻或喷砂工艺来取代ICP蚀刻工艺。
在基板1被蚀刻以使压电基板2被暴露之后，如图5C中所示那样，例如，通过喷砂工艺，将压电基板2已暴露的底表面加工粗糙。这产生了粗糙表面2a。
可以通过上面所述的工艺来制造表面声波器件10。可以用外壳10A封装该器件10，从而可以提供一个封装的滤波器装置。封装10A的内部可以用干燥的氮气填充或者抽成真空，以便可以实现气密密封。
优选地，基板1可以由具有相对较低的电阻率(等于或小于1Ω·cm)的特定硅制成。在此情形中，在电极焊盘6(图3)和硅基板1之间会出现寄生电容(基于端子的电容)。为了抑制由于寄生电容所致的谐振特性的劣化，优选地将电极焊盘6的面积形成得尽可能小。这将降低基于端子的电容的阻抗成分，并且抑制谐振特性的劣化。这样构建的表面声波器件滤波器具有减小的损耗，可以用作具有改进滤波器特性的带通滤波器。
图7显示了两个样品的模拟结果，一个使用了150μm×150μm的电极焊盘，另一个使用了250μm×250μm的电极焊盘。这些样品都有50μm厚的压电基板2和300μm厚的基板1。从图7中可以看出，电极焊盘6尺寸越小，衰减(或损耗)越少，并且，在基板1是由如前所述的具有相对较低的电阻率的材料制成的情况下，可以改进滤波器特性。
第二实施例
下面将说明本发明的第二实施例。前面所述的本发明的第一实施例采用了具有相对较低的阻抗的硅基板1。与之相反，根据本发明的第二实施例，采用具有相对较高的电阻率(等于或大于10Ω·cm)的材料代替了具有相对较低的阻抗的硅基板1。例如，这样的材料可以是没有被掺杂的硅。
具有这样高的电阻率的材料的应用增加了基于端子的电容的Q值，因此降低了谐振器的谐振阻抗。这使低损耗的表面声波滤波器成为可能。
采用了具有相对较高的电阻率的硅基板后，谐振腔1a可以正好位于谐振器3的下面，或者只位于IDT电极12的下面。本发明的第二实施例的其他结构与其第一实施例的相同，这里将略去对其的说明。
第三实施例
图8是根据本发明的第三实施例的表面声波器件20的横断面视图。器件20没有通过谐振腔1a暴露的压电基板2的粗糙底表面。与之相反，通过谐振腔1a暴露的压电基板2的底表面是平面，在压电基板2的平的底表面上设置了声音吸收元件7。声音吸收元件7可以是环氧树脂，其生长在通过谐振腔1a暴露的平的底表面上。
声音吸收元件7具有吸收体波和抑制其反射的功能。因此，有可能防止由体波的反射引起的纹波信号和寄生信号造成的滤波器特性劣化。本发明的第三实施例的其他结构部分与第一实施例的相同，这里将略去对其的说明。
第四实施例
图9是根据本发明的第四实施例的表面声波器件30的俯视图。在前面所述的本发明的第一实施例中，谐振腔1a被提供给所有的谐振器3或所有的IDT电极12。与之相反，根据本发明的第四实施例，谐振腔1a只被提供给一个梯形器件的串联支路谐振器。另选地，如图10中所示那样，谐振腔1a可以只被提供给并联支路谐振器。简而言之，至少一个谐振腔1a被提供给其中一个谐振器。本发明的第四实施例的其他结构与本发明的第一实施例的相同。
根据本发明的一个方面，在谐振器下形成了至少一个谐振腔，该谐振器包括硅基板和压电基板，其中这两种基板被直接接合在一起，硅基板具有更好的热稳定性，并且比压电基板更容易加工，压电基板具有较大的机电耦合系数。采用这种结构，就有可能在不降低滤波器特性的前提下，实现具有较大的机电耦合系数、改进的温度稳定性和良好的生产率的表面声波器件。
根据本发明的另一方面，谐振器位于沿SAW传播方向离被直接接合的基板或芯片的相对端部一定距离的位置。采用这种布置，有可能改进表面声波器件的温度稳定性。
根据本发明的再一方面，提供了采用了上面所述的表面声波器件的被封装的滤波器装置。另外，也提供了制造具有上面所述特征的表面声波器件的方法。
本发明不限于具体揭示的实施例，在不偏离本发明的范围的前提下，可以进行其他实施、变型或修改。
本发明基于日本专利申请No.2002-258642，其全部内容已通过引用合并于此。