專利名稱：聲界面波裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種使用邊界聲波的聲界面波裝置(boundary acousticwave device)，具體地說，涉及一種具有將電極設(shè)置在單晶襯底與固態(tài)層之間的邊界處結(jié)構(gòu)的聲界面波裝置。
背景技術(shù)：
迄今為止，已經(jīng)將多種聲表面波裝置用于移動電話中的RF和IF濾波器、VCO中的諧振器、電視機中的VIF濾波器等。聲表面波裝置使用沿介質(zhì)表面?zhèn)鞑サ穆暠砻娌?，如瑞利?Rayleigh wave)或者第一泄漏波(first leaky wave)。
然而，由于沿介質(zhì)的表面?zhèn)鞑?，聲表面波對于介質(zhì)表面條件的改變比較敏感。因而，為了保護聲表面波沿其傳播的介質(zhì)表面，必須將聲表面波元件真空密封在具有空腔部分的外殼中，從而面對聲波傳播表面。由于使用了具有上述空腔部分的外殼，不可避免地會增加聲表面波裝置的成本。此外，由于外殼的尺寸遠大于聲表面波元件的尺寸，必然會增大聲表面波裝置的尺寸。
另一方面，在聲波中，除上述聲表面波之外，還存在沿固體物質(zhì)之間的邊界傳播的邊界聲波。
例如，在下述非專利文獻1中，披露了在126°旋轉(zhuǎn)Y向成板X向傳播LiTaO3襯底上形成IDT，在LiTaO3襯底和IDT上形成具有預(yù)定厚度的SiO2薄膜。在該文獻中，披露了一種SV+P型邊界聲波進行傳播，即所謂的Stoneley波。在非專利文獻1中，披露了當(dāng)把上述SiO2薄膜的厚度設(shè)為1.0λ(λ表示邊界聲波的波長)時，獲得2％的機電系數(shù)。
邊界聲波以其能量集中于固體襯底之間邊界部分的狀態(tài)傳播。從而，由于在上述LiTaO3的底面和SiO2薄膜的表面上基本上不存在能量，不會因襯底和薄膜的表面狀態(tài)改變而使性質(zhì)發(fā)生變化。因此，不需要具有空腔部分的外殼，從而能夠減小聲界面波裝置的尺寸。
此外，在下述非專利文獻2中，披露了在
-Si(110)/SiO2/Y-切割X-傳播LiNbO3結(jié)構(gòu)中傳播的SH型邊界聲波。這種SH型邊界聲波的特征在于，與上述Stoneley波相比，它的機電系數(shù)k2較大。另外，在SH型邊界聲波的情形中，與Stoneley波的情形相同，不需要具有空腔部分的外殼。此外，由于SH型邊界聲波為一種SH型波，可以預(yù)期，與Stoneley波的情形相比，形成IDT反射器的條帶的反射系數(shù)較大。因此，比如在形成諧振器或諧振器型濾波器時，通過使用SH型邊界聲波，能夠?qū)崿F(xiàn)小型化，另外，還希望能獲得更陡峭的特性。
非專利文獻1“沿SiO2和LiTaO3之間界面?zhèn)鞑サ膲弘娐暯缑娌?Piezoelectric Acoustic Boundary Waves Propagating Along theInterface Between SiO2and LiTaO3)”，IEEE Trans.Sonics andultrason.，VOL.SU-25，No.6，1978 IEEE非專利文獻2“Si/SiO2/LiNbO3結(jié)構(gòu)中傳播的高壓電聲界面波(Highly Piezoelectric Boundary Acoustic Wave Propagating inSi/SiO2/LiNbO3Structure)”(26th EM論文集，1997年5月，第53到58頁)非專利文獻3“壓電SH型聲界面波研究(Investigation ofPiezoelectric SH Type Boundary Acoustic Wave)”Technical Report，Vol.96，No.249(US96 45 to 53)，第21-26頁，1966年由Institute ofElectronics，Information and Communication Engineers出版專利文獻1日本未審專利申請公開No.10-84247發(fā)明內(nèi)容在聲界面波裝置中，要求機電系數(shù)大、傳播損耗小、功率流通角小以及頻率溫度系數(shù)小。邊界聲波的傳播所引起的損耗，即傳播損耗，可能會使邊界聲波濾波器的插入損耗退化，或者還可能使邊界聲波諧振器的諧振阻抗或阻抗比變差，其中，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間的比值。于是，最好盡可能小地減小傳播損耗。
功率流通角是表示邊界聲波的相速度方向與其能量的群速度方向之間相差的角度。當(dāng)功率流通角較大時，必須與功率流通角一致地傾斜設(shè)置IDT。從而，使電極的設(shè)計變得復(fù)雜。此外，由于角度偏差，容易產(chǎn)生損耗。
此外，當(dāng)通過溫度來改變聲界面波裝置的工作頻率時，在邊界聲波濾波器的情況下，減小了實際通帶和阻帶。在諧振器的情況下，當(dāng)形成振蕩電路時，上述由溫度引起的工作頻率改變異常振蕩。因而，最好是盡可能地減小每攝氏度的頻率變化，即TCF。
例如，當(dāng)沿傳播方向設(shè)置反射器，并且處于分別發(fā)射和接收IDT的發(fā)射IDT和接收IDT的區(qū)域的外部時，可以形成低損耗諧振器型濾波器。這種諧振器型濾波器的帶寬取決于邊界聲波的機電系數(shù)。當(dāng)機電系數(shù)k2較大時，可獲得寬帶濾波器，當(dāng)機電系數(shù)k2較小時，形成窄帶濾波器。從而，必須根據(jù)應(yīng)用來適當(dāng)?shù)卮_定聲界面波裝置所用邊界聲波的機電系數(shù)k2。當(dāng)形成用于移動電話的RF濾波器時，要求機電系數(shù)k2為5％或更大。
但在上述非專利文獻1披露的使用Stoneley波的聲界面波裝置中，機電系數(shù)k2較小，比如為2％。
此外，在上述非專利文獻2披露的Si/SiO2/LiNbO3結(jié)構(gòu)中，為了實際激發(fā)出邊界聲波，必須如上述專利文獻1的圖1中所示那樣，形成復(fù)雜的Si/SiO2/IDT/LiNbO3四層結(jié)構(gòu)。另外，實際將Si設(shè)置在作為最優(yōu)條件提出的
-Si(110)方向時，必須如上述專利文獻1中所披露的實行高難度的接合處理。通常，在用于大規(guī)模生產(chǎn)的具有3英寸或更大直徑的晶片的情形中，難以通過接合處理將晶片均勻地接合。此外，在接合之后將晶體切割為芯片時，易于出現(xiàn)諸如剝落的缺陷。
對于上述非專利文獻3中所描述的SH型邊界聲波，在由各向同性物質(zhì)和BGSW襯底制成的結(jié)構(gòu)中，在滿足以下條件時，即各向同性物質(zhì)的橫波的聲速與BGSW襯底的橫波的聲速彼此接近的情況下，密度比率較小，且壓電性質(zhì)較強，可得到SH型邊界聲波。
考慮到上述各項傳統(tǒng)技術(shù)的當(dāng)前情況，本發(fā)明的目的在于提供一種聲界面波裝置，其中，作為SH邊界聲波的主要響應(yīng)特性的機電系數(shù)較大，傳輸損耗和功率流通角較小，并且在接近主響應(yīng)特性時由Stoneley波引起的寄生信號較小。
本發(fā)明的另一目的在于提供一種聲界面波裝置，其中易于對作為SH型邊界聲波的主要響應(yīng)特性的機電系數(shù)進行調(diào)整。
按照本發(fā)明，提供一種聲界面波裝置，它使用非泄漏傳播型邊界聲波，包括使用具有相同切割角度的單晶襯底形成的邊界聲波元件。在上面所述的聲界面波裝置中，各邊界聲波元件都包括單晶襯底，設(shè)置在其上的固態(tài)層，以及設(shè)置在單晶襯底與固態(tài)層之間邊界處的電極，并且，在邊界聲波元件中，至少一個邊界聲波元件的邊界聲波的傳播方向與至少另一邊界聲波元件的邊界聲波的傳播方向不同。
按照本發(fā)明，盡管沒有特別限制，但比如所述各邊界聲波元件可以為邊界聲波濾波器或邊界聲波諧振器。
在本發(fā)明的聲界面波裝置中，所述各邊界聲波元件最好具有諧振器結(jié)構(gòu)。
按照本發(fā)明聲界面波裝置的一種具體方案，提供一種縱向耦合的濾波器作為聲界面波裝置。
按照本發(fā)明聲界面波裝置的另一具體方案，使所述各邊界聲波元件形成在一個壓電單晶襯底上。
按照本發(fā)明聲界面波裝置的又一具體方案，至少一個邊界聲波元件的機電系數(shù)與至少另一邊界聲波元件的機電系數(shù)不同。
按照本發(fā)明聲界面波裝置的再一具體方案，至少一個邊界聲波元件的帶寬與至少另一邊界聲波元件的帶寬不同。
按照本發(fā)明聲界面波裝置的再一具體方案，將各電極的厚度設(shè)定為，使得SH型邊界聲波的聲速低于通過固態(tài)層傳播的慢橫波的聲速和通過壓電單晶襯底傳播的慢橫波的聲速。
按照本發(fā)明聲界面波裝置的再一具體方案，將各電極的占空比設(shè)定為，使得SH型邊界聲波的聲速低于通過固態(tài)層傳播的慢橫波的聲速和通過壓電單晶襯底傳播的慢橫波的聲速。
按照本發(fā)明，當(dāng)用ρ(kg/m3)、H(λ)和λ分別表示電極的密度、電極的厚度和邊界聲波波長時，優(yōu)選滿足H＞8261.744ρ-1.376。此外，更為優(yōu)選的是滿足ρ＞3,745kg/m3。此外，滿足33,000.39050ρ-1.50232＜H＜88,818.90913ρ-1.54998。尤好按照本發(fā)明聲界面波裝置的另一具體方案，所述壓電單晶襯底為LiNbO3襯底，該LiNbO3襯底的歐拉角(φ，θ，ψ)中的φ在-31°到31°范圍內(nèi)，θ和ψ處于由下面表1中所示的點A1到A13所包圍的區(qū)域中。


按照本發(fā)明聲界面波裝置的另一具體方案，所述各電極都包含由選自一組Au、Ag、Cu、Al、Fe、Ni、W、Ta、Pt、Mo、Cr、Ti、ZnO和ITO中的一種材料所形成的主電極層。
按照本發(fā)明聲界面波裝置的另一具體方案，所述各電極都包括層疊在主電極層上的第二電極層。
按照本發(fā)明聲界面波裝置的另一具體方案，所述固態(tài)層包括介電物質(zhì)。最好，由主要由SiO2組成的材料形成所述介電物質(zhì)。
按照本發(fā)明聲界面波裝置的另一具體方案，由分別通過層疊多個材料層形成的疊層構(gòu)成所述固態(tài)層。
此外，按照本發(fā)明聲界面波裝置的另一具體方案，所述固態(tài)層具有這樣一種結(jié)構(gòu)，其中，使主要由SIO2組成的層和主要由Si組成的層彼此層疊。
按照本發(fā)明聲界面波裝置的另一具體方案，由選自一組Si、SiO2、玻璃、氮化硅、金剛砂、ZnO、Ta2O5、鋯鈦酸鉛壓電陶瓷、氮化鋁、Al2O3、LiTaO3和LiNbO3中的至少一種材料形成所述固態(tài)層。
按照本發(fā)明聲界面波裝置的另一具體方案，所述固態(tài)層上還設(shè)置樹脂層，從而粘接到固態(tài)層上。
在按照本發(fā)明的聲界面波裝置中，使用具有相同切割角的單晶襯底形成邊界聲波元件，邊界聲波元件均包括單晶襯底、固態(tài)層以及設(shè)置在單晶襯底與固態(tài)層之間邊界處的電極，并且在邊界聲波元件中，至少一個邊界聲波元件的邊界聲波的傳播方向與至少另一邊界聲波元件的邊界聲波的傳播方向不同。因而，通過使用具有不同傳播方向的邊界聲波的多個邊界聲波元件，易于提供具有多種波段性質(zhì)，諸如寬帶濾波器性質(zhì)和窄帶濾波器性質(zhì)的聲界面波裝置。
此外，在以36°Y切割X傳播LiTaO3襯底為代表的泄漏傳播型聲表面波裝置中，只有當(dāng)聲表面波以特定傳播角度，比如相對晶軸X為0°方向傳播時，傳播損耗才近似為零，并且，當(dāng)傳播角度偏離上述數(shù)值時，會不利地增大傳播損耗。
另一方面，由于在本發(fā)明中使用非泄漏傳播型邊界聲波，即使改變傳播角度，也能使傳播損耗為0dB/λ，結(jié)果，可以提供具有低損耗的聲界面波裝置。
當(dāng)上述聲界面波裝置為邊界聲波濾波器或邊界聲波諧振器時，按照本發(fā)明，可以提供具有多種波段性質(zhì)的邊界聲波濾波器和邊界聲波諧振器。
按照本發(fā)明，通過改變邊界聲波的傳播方向，比如可以調(diào)節(jié)機電系數(shù)，結(jié)果，在不具有諧振結(jié)構(gòu)的橫向濾波器的情形中，可改變插入損耗。此外，在具有諧振結(jié)構(gòu)的邊界聲波諧振器、梯形濾波器、縱向耦合多模型邊界聲波濾波器等中，可將諧振頻率與反諧振頻率之間的頻率間隔調(diào)整為與諧振器情形中的機電系數(shù)成正比，并且，在采用諧振器的梯形濾波器或縱向耦合多模型邊界聲波濾波器的情形中，可將通帶調(diào)整為與機電系數(shù)成正比。
在本發(fā)明中，當(dāng)在一個壓電單晶襯底上形成所述各邊界聲波元件時，則按照本發(fā)明，可以將具有多種波段性質(zhì)的聲界面波裝置形成為一個芯片部件。
在本發(fā)明中，當(dāng)至少一個邊界聲波元件的機電系數(shù)與至少另一邊界聲波元件的機電系數(shù)不同時，通過改變邊界聲波元件的機電系數(shù)，易于獲得多種帶寬。
當(dāng)至少一個邊界聲波元件的帶寬與至少另一邊界聲波元件的帶寬不同時，通過帶寬的組合，可獲得多種波段性質(zhì)。
在本發(fā)明中，當(dāng)把電極的厚度設(shè)定為，使得SH型邊界聲波的聲速低于通過固態(tài)層傳播的慢橫波的聲速和通過壓電單晶襯底傳播的慢橫波的聲速時，則按照本發(fā)明，可提供使用SH型邊界聲波的聲界面波裝置。
當(dāng)把電極的占空比設(shè)定為，使SH型邊界聲波的聲速低于通過固態(tài)層傳播的慢橫波的聲速和通過壓電單晶襯底傳播的慢橫波的聲速時，則按照本發(fā)明，能夠可靠地提供使用SH型邊界聲波的聲界面波裝置。


圖1(a)和1(b)所示的平面圖分別表示本發(fā)明一種實施例的聲界面波裝置和沿圖1(a)中所示A-A線作出的剖面圖；圖2所示的曲線圖表示在使用具有不同密度的電極材料在壓電物質(zhì)與介電物質(zhì)之間之間形成電極時，所得到的聲速V與電極厚度H/λ之間的關(guān)系；圖3所示的曲線圖表示在使用具有不同密度的電極材料在壓電物質(zhì)與介電物質(zhì)之間形成電極時，所得到的傳輸損耗α與電極厚度H/λ之間的關(guān)系；圖4所示的曲線圖表示在使用具有不同密度的電極材料在壓電物質(zhì)與介電物質(zhì)之間形成電極時，所得到的機電系數(shù)k2與電極厚度H/λ之間的關(guān)系；圖5所示的曲線圖表示在使用具有不同密度的電極材料在壓電物質(zhì)與介電物質(zhì)之間形成電極時，所得到的頻率溫度系數(shù)TCF與電極厚度H/λ之間的關(guān)系；圖6所示的曲線圖表示在使用具有不同密度的電極材料在壓電物質(zhì)與介電物質(zhì)之間形成電極時，所得到的功率流通角PFA與電極厚度H/λ之間的關(guān)系；圖7所示的曲線圖表示在傳播損耗為0時，所得到的電極材料的密度ρ與電極厚度H/λ之間的關(guān)系；圖8所示的曲線圖表示在TCF為-20，-10，0，+10和+20時，所得到的電極材料的密度ρ與電極厚度H/λ之間的關(guān)系；圖9所示的曲線圖表示歐拉角θ與SH型邊界聲波(U2)和Stoneley波(U3)的聲速V的關(guān)系，所述關(guān)系是在具有歐拉角(0°，θ，0°)的LiNbO3襯底上形成Au電極并在其中形成SiO2薄膜的結(jié)構(gòu)中得到的；圖10所示的曲線圖表示歐拉角θ與SH型邊界聲波(U2)和Stoneley波(U3)的機電系數(shù)k2的關(guān)系，所述關(guān)系是在具有歐拉角(0°，θ，0°)的LiNbO3襯底上形成Au電極并在其中形成SiO2薄膜的結(jié)構(gòu)中得到的；圖11所示的曲線圖表示歐拉角θ與SH型邊界聲波(U2)和Stoneley波(U3)的頻率溫度系數(shù)的關(guān)系，所述關(guān)系是在具有歐拉角(0°，θ，0°)的LiNbO3襯底上形成Au電極并在其中形成SiO2薄膜的結(jié)構(gòu)中得到的；圖12所示的曲線圖表示歐拉角θ和ψ與SH型邊界聲波(U2)的機電系數(shù)k2之間的關(guān)系，所述關(guān)系是在具有歐拉角(0°，θ，ψ)的LiNbO3襯底上形成厚度為0.06λ的Au電極，隨后形成SiO2薄膜的實例2中得到的；圖13所示的曲線圖表示歐拉角θ和ψ與Stoneley波的機電系數(shù)k2之間的關(guān)系，所述關(guān)系是在具有歐拉角(0°，θ，ψ)的LiNbO3襯底上形成厚度為0.06λ的Au電極，隨后形成SiO2薄膜的實例2中得到的；圖14所示的曲線圖表示歐拉角φ與SH型邊界聲波和Stoneley波的聲速V的關(guān)系，所述關(guān)系是在使用具有歐拉角(φ，105°，0°)的LiNbO3襯底的實例3中得到的；圖15所示的曲線圖表示歐拉角φ與頻率溫度系數(shù)TCF之間的關(guān)系，所述關(guān)系是在使用具有歐拉角(φ，105°，0°)的LiNbO3襯底的實例3中得到的；圖16所示的曲線圖表示歐拉角φ與機電系數(shù)k2之間的關(guān)系，所述關(guān)系是在使用具有歐拉角(φ，105°，0°)的LiNbO3襯底的實例3中得到的；圖17所示的曲線圖表示歐拉角φ與功率流通角之間的關(guān)系，所述關(guān)系是在使用具有歐拉角(φ，105°，0°)的LiNbO3襯底的實例3中得到的；
圖18所示的曲線圖表示歐拉角ψ與SH型邊界聲波和Stoneley波的聲速V的關(guān)系，所述關(guān)系是在使用具有歐拉角(0°，105°，ψ)的LiNbO3襯底的實例3中得到的；圖19所示的曲線圖表示歐拉角ψ與頻率溫度系數(shù)TCF之間的關(guān)系，所述關(guān)系是在使用具有歐拉角(0°，105°，ψ)的LiNbO3襯底的實例3中得到的；圖20所示的曲線圖表示歐拉角ψ與機電系數(shù)k2之間的關(guān)系，所述關(guān)系是在使用具有歐拉角(0°，105°，ψ)的LiNbO3襯底的實例3中得到的；圖21所示的曲線圖表示歐拉角ψ與功率流通角之間的關(guān)系，所述關(guān)系是在使用具有歐拉角(0°，105°，ψ)的LiNbO3襯底的實例3中得到的；圖22是表示實例5中制備的邊界聲波諧振器的電極結(jié)構(gòu)的平面示意圖；圖23(a)到23(c)所示的曲線圖表示阻抗-頻率特性和相位-頻率特性，所述關(guān)系是在將傳播方向傾斜，使實例5中制備的單端口型邊界聲波諧振器的晶體襯底的歐拉角ψ設(shè)定為0°、10°和20°時得到的；圖24(a)到24(c)所示的曲線圖表示阻抗-頻率特性和相位-頻率特性，所述關(guān)系是在將傳播方向傾斜，使實例5中制備的單端口型邊界聲波諧振器的晶體襯底的歐拉角ψ設(shè)定為30°、40°和50°時得到的；圖25(a)到25(c)所示的曲線圖表示歐拉角ψ與諧振頻率和反諧振頻率之差的關(guān)系，所述關(guān)系是在由Au制成且設(shè)置在具有歐拉角(0°，95°，ψ)的LiNbO3襯底上的電極的厚度H/λ被設(shè)定為0.04，0.05和0.06情況下得到的；圖26(a)到26(c)所示的曲線圖表示歐拉角ψ與諧振頻率和反諧振頻率之差的關(guān)系，所述關(guān)系是在由Au制成且設(shè)置在具有歐拉角(0°，100°，ψ)的LiNbO3襯底上的電極的厚度H/λ被設(shè)定為0.04，0.05和0.06情況下得到的；圖27(a)到27(c)所示的曲線圖表示歐拉角ψ與諧振頻率和反諧振頻率之差的關(guān)系，所述關(guān)系是在由Au制成且設(shè)置在具有歐拉角(0°，105°，ψ)的LiNbO3襯底上的電極的厚度H/λ被設(shè)定為0.04，0.05和0.06情況下得到的；
圖28(a)到28(c)所示的曲線圖表示歐拉角ψ與諧振頻率和反諧振頻率之差的關(guān)系，所述關(guān)系是在由Au制成且設(shè)置在具有歐拉角(0°，110°，ψ)的LiNbO3襯底上的電極的厚度H/λ被設(shè)定為0.04，0.05和0.06情況下得到的；圖29(a)到29(c)所示的曲線圖表示歐拉角ψ與阻抗之間的關(guān)系，所述關(guān)系是在由Au制成且設(shè)置在具有歐拉角(0°，95°，ψ)的LiNbO3襯底上的電極的厚度H/λ被設(shè)定為0.04，0.05和0.06時得到的；圖30(a)到30(c)所示的曲線圖表示歐拉角ψ與阻抗之間的關(guān)系，所述關(guān)系是在由Au制成且設(shè)置在具有歐拉角(0°，100°，ψ)的LiNbO3襯底上的電極的厚度H/λ被設(shè)定為0.04，0.05和0.06時得到的；圖31(a)到31(c)所示的曲線圖表示歐拉角ψ與阻抗之間的關(guān)系，所述關(guān)系是在由Au制成且設(shè)置在具有歐拉角(0°，105°，ψ)的LiNbO3襯底上的電極的厚度H/λ被設(shè)定為0.04，0.05和0.06時得到的；圖32(a)到32(c)所示的曲線圖表示歐拉角ψ與阻抗之間的關(guān)系，所述關(guān)系是在由Au制成且設(shè)置在具有歐拉角(0°，110°，ψ)的LiNbO3襯底上的電極的厚度H/λ被設(shè)定為0.04，0.05和0.06時得到的；圖33表示實例5中制備的梯形濾波器的電路圖；圖34(a)和34(b)所示的曲線圖均表示將實例6中制得的梯形濾波器的歐拉角ψ設(shè)定為0°和10°時，所得到的通過性質(zhì)；圖35(a)和35(b)所示的曲線圖均表示將實例6中制得的梯形濾波器的歐拉角ψ設(shè)定為20°和30°時，所得到的通過性質(zhì)；圖36所示的曲線圖表示實例8中制得的梯形濾波器的通過性質(zhì)；圖37所示的曲線圖表示實例6中制得的梯形濾波器的電極材料改為Cu時的通過性質(zhì)；圖38(a)到38(c)所示的曲線圖表示在具有歐拉角(0°，θ，0°)的LiNbO3襯底上形成Au電極并在其中形成多晶Si層的結(jié)構(gòu)中，歐拉角θ與聲速V、機電系數(shù)k2和頻率溫度系數(shù)的關(guān)系；圖39(a)到39(c)所示的曲線圖表示在具有歐拉角(0°，θ，0°)的LiNbO3襯底上形成Au電極并在其中形成SiO2薄膜和多晶Si的結(jié)構(gòu)中，歐拉角θ與聲速V、機電系數(shù)k2和頻率溫度系數(shù)的關(guān)系；
圖40為應(yīng)用本發(fā)明實例8中制得的濾波器的另一示例的示意圖；圖41所示的曲線圖表示圖40中所示濾波器的Rx濾波器和Tx濾波器的頻率特性；圖42所示的方框圖表示應(yīng)用本發(fā)明的另一示例；圖43所示的電路圖表示應(yīng)用本發(fā)明的濾波器的另一示例；圖44所示的曲線圖表示圖43中所示濾波器的頻率特性；圖45所示的電路圖表示應(yīng)用本發(fā)明的濾波器的另一示例；圖46所示的平面圖示意地表示本發(fā)明形成的縱向耦合濾波器的電極結(jié)構(gòu)；圖47所示的曲線圖表示圖46中所示縱向耦合濾波器的濾波特性的一個示例；圖48所示的曲線圖表示圖46中所示縱向耦合濾波器的濾波特性的另一示例。
附圖標(biāo)記1聲界面波裝置2邊界聲波元件3邊界聲波元件4單晶襯底5固態(tài)層6IDT7，8反射器9IDT10，11反射器31叉指電極32，33反射器41，43Rx濾波器42，44Tx濾波器45，47第一邊界聲波濾波器46，48第二邊界聲波濾波器51縱向耦合濾波器
52到54IDT55，56反射器具體實施方式
下面，將描述本發(fā)明的具體實施例，以便清楚地披露本發(fā)明。
為了在兩個固態(tài)層之間傳播邊界聲波，必須滿足使邊界聲波的能量基中在固態(tài)層之間這一條件。在上面的情況下，有如上述者，前述非專利文獻3披露了一種方法，其中，使各向同性物質(zhì)的橫向聲速接近BGSW物質(zhì)的橫向聲速，而將密度比設(shè)置為較小，并且選擇具有強壓電性質(zhì)的材料。
順便提及，通常，在存在高速區(qū)域和低速區(qū)域的情況下，聲波集中在聲速較低的區(qū)域處，并在其中傳播。本發(fā)明的發(fā)明人發(fā)現(xiàn)，當(dāng)通過增大使用金屬材料，比如Au電極的厚度而使在固態(tài)層之間傳播的邊界聲波的聲速減小時，就能夠滿足使能量集中在固態(tài)層之間的條件，其中Au作為具有高密度并且在設(shè)置在固態(tài)層之間的電極材料時具有低聲速，結(jié)果，產(chǎn)生本發(fā)明。
迄今為止，已知在固體物質(zhì)中傳播的三種類型的體波，即縱波、快橫波和慢橫波，并且它們分別被稱作P波、SH波和SV波。由基質(zhì)材料的各向異性特性來確定SH波或SV波是否成為慢橫波。在上述三種體波中，具有最低聲速的體波為慢橫波。當(dāng)固體物質(zhì)為諸如SiO2的各向同性物質(zhì)時，由于在其中僅能傳播一種類型的橫波，這種橫波為慢橫波。
另一方面，在通過比如壓電襯底的各向異性基質(zhì)材料傳播的邊界聲波中，大多數(shù)情況下的P波、SH波和SV波的三個位移分量在傳播時彼此耦合，并且由主要分量決定邊界聲波的類型。例如，上述Stoneley波是主要由P波和SV波組成的邊界聲波，SH型邊界聲波為主要由SH分量組成的邊界聲波。此外，在有些情況下，根據(jù)條件，SH波分量和P波或SV波分量在傳播時沒有相互耦合。
在邊界聲波中，由于上述三個位移分量在傳播時彼此耦合，例如，在聲速比SH波更快的邊界聲波中，SH分量和SV分量泄漏出，在聲速比SV波更快的邊界聲波中，SV分量泄漏。這種泄漏波分量引起邊界聲波的傳播損耗。
因而，當(dāng)SH型邊界聲波的聲速減小到上述兩個固態(tài)層的慢橫波的聲速以下時，可使SH型邊界聲波的能量集中在設(shè)置于兩個固態(tài)層之間的電極附近，結(jié)果，可獲得傳播損耗為零的條件。此外，當(dāng)至少一個固態(tài)層由壓電物質(zhì)形成，且使用包含壓電物質(zhì)的介電物質(zhì)作為另一固態(tài)層時，通過設(shè)置在固態(tài)層之間的電極，可激發(fā)出SH型邊界聲波。電極可包括例如，Mikio SHIBAYAMA在“聲表面波技術(shù)(Surface Acoustic Wave Technology)”(P 57-58，由Institute of Electronics，Information and CommunicationEngineers出版)中披露的梳狀電極或叉指電極。上述結(jié)構(gòu)是一種電極設(shè)置在兩個固態(tài)層之間的簡單結(jié)構(gòu)。此外，由于上述結(jié)構(gòu)，通過組合多種材料，可使用SH型邊界聲波。例如，在SiO2/IDT電極/Y-X LiNbO3結(jié)構(gòu)中，盡管還沒有證實激發(fā)出SH型邊界聲波，不過，當(dāng)增大電極的厚度時，允許存在SH型邊界聲波。
此外，在IDT和柵狀反射器的情形中，當(dāng)形成IDT和柵狀反射器的條帶的條線寬度與配置周期的比值，即占空比增大，同時通過增大電極厚度而使慢橫波的聲速接近邊界聲波的聲速時，可使SH型邊界聲波的聲速低于慢橫波的聲速。
圖1(a)和1(b)表示本發(fā)明一種實施例的聲界面波裝置。圖1(a)為表示電極結(jié)構(gòu)的平面示意圖，圖1(b)所示的正剖圖示意地表示沿圖1(a)中A-A線作出的主剖面。
如圖1(a)中所示，在聲界面波裝置1中，為了形成第一邊界聲波元件2和第二邊界聲波元件3，形成電極結(jié)構(gòu)。
另外，如圖1(b)中所示，在聲界面波裝置1中，在板狀單晶襯底4的上表面上形成固態(tài)層5，并且在單晶襯底4與固態(tài)層5之間的邊界處形成上述電極結(jié)構(gòu)。
具體地說，本實施例中所用的單晶襯底4由起壓電晶體作用并具有歐拉角(0°，90°，0°)的Y向成板X向傳播LiNbO3襯底形成。此外，由起介電物質(zhì)作用的SiO2形成固態(tài)層5。由于固態(tài)層5是由SiO2形成的，所以它易于通過薄膜形成方法來制成。另外，SiO2具有的頻率溫度系數(shù)TCF可抵消LiNbO3的頻率溫度系數(shù)TCF。從而，當(dāng)使用SiO2組成的固態(tài)層時，可改善溫度性質(zhì)。
此外，邊界聲波元件2的電極結(jié)構(gòu)具有叉指電極6和沿邊界聲波傳播方向設(shè)置在叉指電極6兩側(cè)的反射器7和8。叉指電極6具有彼此交叉的多個電極指，并且柵狀反射器7和8分別具有在兩端短路的多個電極指。即邊界聲波元件2為單端口型諧振器。
第二邊界聲波元件3也為單端口型諧振器，并具有叉指電極9及反射器10和11。
第一和第二邊界聲波元件2和3均通過在壓電晶體襯底4與固態(tài)層5之間形成上述電極結(jié)構(gòu)來構(gòu)成。也就是說，在本實施例中，通過使用相同壓電晶體襯底4形成邊界聲波元件2和3。此外，在本發(fā)明中，可以通過使用不同壓電晶體襯底形成多個邊界聲波元件。
可以使用任選的金屬材料形成上述電極結(jié)構(gòu)。在本實施例中，由Au形成所述電極結(jié)構(gòu)。
此外，本實施例聲界面波裝置1的特征在于，第一邊界聲波元件2的邊界聲波的傳播方向與第二邊界聲波元件3的邊界聲波的傳播方向不同。也就是第一邊界聲波元件2的邊界聲波傳播方向X1與第二邊界聲波元件3的邊界聲波傳播方向X2不同。如圖1(a)中所示，將邊界聲波元件2和3設(shè)置成，使得傳播方向X2相對傳播方向X1的夾角為β。將參照實例更為詳細地描述本實施例聲界面波裝置1的原理和功能。
圖2到6分別示出，在使用具有不同密度的電極材料在SiO2固態(tài)層與具有歐拉角(0°，90°，0°)的LiNbO3襯底之間形成電極的情況下，電極厚度H/λ(其中H表示厚度，λ表示SH型邊界聲波的波長)與邊界聲波的聲速、傳播損耗α、機電系數(shù)k2(％)、頻率溫度系數(shù)TCF(ppm/℃)和功率流通角(PFA)的關(guān)系。
通過根據(jù)“A method for estimating optimal cuts and propagationdirections for excitation and propagation directions forexcitation of piezoelectric surface waves”(J.J.Campbell和W.R.Jones，IEEE Trans.Sonics and Ultrason.，Vol.SU-15(1968)，P209-217)中披露的方法進行計算，得出圖2到6中所示的結(jié)果。
在自由邊界的情況下，基于以下假設(shè)得出聲速和傳播損耗電通量密度的位移、電勢和法線分量，以及在SiO2與Au之間以及Au與LiNbO3之間各邊界處沿上下方向的應(yīng)力是連續(xù)的，SiO2的厚度和LiNbO3的厚度是無限的，以及Au的相對介電常數(shù)為1。此外，在短路邊界的情形中，認為SiO2與Au之間以及Au與LiNbO3之間各邊界處的電勢為零。另外，由下式(1)得出機電系數(shù)k2。
k2=2×|Vf-V|/Vf]]>公式(1)在上述公式中，Vf表示自由邊界的聲速。
使用下面的公式(2)，由20、25和30℃下的相速度V得出頻率溫度系數(shù)TCF。
TCF＝V-1(25℃)×[(V(30℃)-V(20℃)/10℃]-αs公式(2)在上述公式中，αs表示沿邊界聲波的傳播方向，LiNbO3襯底的線性熱膨脹系數(shù)。
此外，使用下面的公式(3)，由角度ψ-0.5°，ψ和ψ+0.5°時的相速度V得出任意歐拉角(φ，θ，Ψ)下的功率流通角PFA。
PFA＝tan-1[V-1(ψ)×V(ψ+0.5°)-V(ψ-0.5°)]公式(3)在Y向成板X向的傳播LiNbO3中，縱波、快橫波和慢橫波的聲速分別為6,547、4,752和4,031米/秒。此外，SiO2的縱波和慢橫波的聲速分別為5,960和3,757米/秒。
按照圖2和3，由任何類型的電極材料可以理解，在SH型邊界聲波的聲速不超過上述縱波、快橫波和慢橫波的最慢速度3,757米/秒的厚度下，都能將SH型邊界聲波的傳播損耗α減小到零。
圖7所示的曲線圖表示電極材料的密度ρ與SH型邊界聲波的傳播損耗為零時的電極厚度H之間的關(guān)系。從圖7顯然可以看出，當(dāng)滿足下面公式(4)的條件時，可獲得傳播損耗α為零的SH型邊界聲波。
H(λ)＞8,261.744ρ-1.376公式(4)此外，在制作這種聲界面波裝置時，通過包括脫模(lift-off)、干蝕刻等的光刻技術(shù)，在由LiNbO3等制成的壓電襯底上形成比如IDT的電極，并且在電極上通過諸如濺射、蒸發(fā)或CVD的沉積方法形成由SiO2等制成的介電膜。從而，由于IDT的厚度引起的不規(guī)則性，介電膜有可能傾斜地生長，或者膜質(zhì)量變得不統(tǒng)一，結(jié)果，在有些情況下使聲界面波裝置的特性退化。為了避免上面所述的特性退化，最好盡可能小地減小電極的厚度。
根據(jù)由本發(fā)明的發(fā)明人進行的研究，當(dāng)用于IDT等的電極材料的膜厚度H為0.1λ或更大時，由于其不規(guī)則性，非常難以形成具有優(yōu)異質(zhì)量的介電膜，從而最好將電極厚度H減小到0.1λ或更小。從而，由圖7可知，當(dāng)使用密度ρ為3,745kg/m3或更大的電極材料時，能夠?qū)鞑p耗為0時的電極厚度H減小到0.1λ。
此外，從圖4顯然可以看出，在滿足上述公式(4)的電極厚度下，機電系數(shù)k2較大，比如為10-38％，因而可以理解，能夠提供具有低損耗的寬帶聲界面波裝置。
另外，從圖5可以明顯地看出，能夠理解，在大多數(shù)條件下頻率溫度系數(shù)TCF處于-40到+40ppm/℃的范圍內(nèi)，并且通過調(diào)節(jié)電極厚度，可將TCF減小到±20ppm/℃或更小，減小到±10ppm/℃或更小，并且進一步減小到±0ppm/℃。
圖8所示的曲線圖表示出的各點表示在TCF為-20，-10，0，+10和+20ppm/℃條件下得到的電極材料的密度ρ與電極厚度H之間的關(guān)系，并且還表示出從上述點作出的近似曲線。如從圖8顯然可以看出，當(dāng)TCF處于優(yōu)選范圍-20到+20ppm/℃內(nèi)時，電極厚度H處于滿足下面公式(5)的范圍內(nèi)，當(dāng)TCF處于更優(yōu)選范圍-10到+10ppm/℃內(nèi)時，電極厚度H處于滿足下面公式(6)的范圍內(nèi)，并且當(dāng)滿足下面的公式(7)時得到TCF最好為0ppm/℃的電極厚度H。
33,000.39050ρ-1.50232＜H＜88,818.90913ρ-1.54998公式(5)49,889.90887ρ-1.53872＜H＜112,510.78359ρ-1.60019公式(6)H＝96,984.47020ρ-1.59706公式(7)此外，有如從圖6可以明顯地看出的，能夠理解，功率流通角PFA很優(yōu)異，比如在任意膜厚度H下均為零。
按照實例1中得到的結(jié)果，在具有歐拉角(0°，θ，0°)的LiNbO3襯底上形成厚度為0.05λ的Au電極，并且形成覆蓋Au電極的SiO2膜。在這種結(jié)構(gòu)中，測量LiNbO3襯底的歐拉角θ與SH型邊界聲波和Stoneley波的聲速V、機電系數(shù)k2、傳播損耗α、頻率溫度系數(shù)TCF和功率流通角(PFA)的關(guān)系。圖9到11表示歐拉角θ與聲速、機電系數(shù)k2和頻率溫度系數(shù)TCF的關(guān)系。在θ＝0°-180°的整個區(qū)域內(nèi)，傳輸損耗α均為0dB/λ，功率流通角(PFA)均為0°。
在圖9到11中，U2表示SH型邊界聲波，U3表示引起寄生信號的Stoneley波。
如從圖10可以明顯地看出的，能夠理解，當(dāng)歐拉角θ為106°時，引起寄生信號的Stoneley波的機電系數(shù)k2近似變?yōu)?％。
下面，在具有歐拉角(0°，θ，ψ)的LiNbO3襯底上形成厚度為0.06λ的Au電極，并且在Au電極上形成SiO2膜，從而形成聲界面波裝置。在這種結(jié)構(gòu)中，測量LiNbO3襯底的歐拉角θ和ψ與SH型邊界聲波和Stoneley波的聲速V、機電系數(shù)k2、傳播損耗α和頻率溫度系數(shù)TCF的關(guān)系。圖12中表示出SH型邊界聲波的結(jié)果，圖13中表示出Stoneley波的結(jié)果。
在圖12和13所示的整個區(qū)域中，傳播損耗α均為0dB/λ。此外，在圖9和圖11中所示的φ等于0°處，速度V和頻率溫度系數(shù)TCF都沒有明顯的改變。從而，在圖12和13中，僅表示出機電系數(shù)k2的結(jié)果(％)。
有如從圖13可以明顯看出的，下面表2中所示的點A01到A13圍繞的區(qū)域中，作為Stoneley波的響應(yīng)的機電系數(shù)k2較小，比如為1.5％或更小。此外，下面表3中所示的點B01到B12圍繞的區(qū)域中，機電系數(shù)k2為1.0％或更小，下面表4中所示的點C01到C08圍繞的區(qū)域中，機電系數(shù)非常優(yōu)異，比如為0.5％或更小。另外，作為Stoneley波的響應(yīng)的機電系數(shù)，在歐拉角(0°，106°，0°)處近似為0％。




接下來，有如從圖12顯然可以看出的，下面表7中所示的點F01到F06圍繞的區(qū)域中，SH型邊界聲波的機電系數(shù)k2較大，比如為2％或更大；下面表6中所示的點E01到E07圍繞的區(qū)域中為5％或更大。此外，下面表5中所示的點D1到D07圍繞的區(qū)域中，機電系數(shù)k2最好較大，比如為10％或更大，且在歐拉角(0°，97°，0°)條件下達到最大。




此外，在表2到7中所示的條件下，證實即使使用Ag，Cu，Al，F(xiàn)e，Ni，W，Ta，Pt，Mo，Cr，Ti，ZnO或ITO作為電極材料取代Au，也能得到與上面所述相當(dāng)?shù)膬?yōu)異特性。
此外，在圖12和13以及表2到7中，當(dāng)使用-ψ取代ψ，并且當(dāng)使用θ+180°取代θ時，比如，僅功率流通角的正或負符號發(fā)生顛倒，并且證實可獲得彼此相當(dāng)?shù)膬?yōu)異結(jié)果。
下面，在具有歐拉角(φ，105°，0°)和歐拉角(0°，105°，ψ)的各LiNbO3襯底上形成厚度為0.06λ的Au電極，并且形成覆蓋Au電極的SiO2膜，從而形成聲界面波裝置。在此情形中，測量LiNbO3襯底的歐拉角θ和ψ與SH型邊界聲波(U2)和Stoneley波(U3)的聲速V、機電系數(shù)k2、傳播損耗α、頻率溫度系數(shù)TCF和功率流通角(PFA)的關(guān)系。圖14到17表示在使用具有歐拉角(φ，105°，0°)的LiNbO3襯底時得到的結(jié)果，圖18到21表示在使用具有歐拉角(0°，105°，ψ)的LiNbO3襯底時得到的結(jié)果。在φ為0°-90°的整個區(qū)域中，傳播損耗α均為0dB/λ。
有如從圖16顯然可以看出的，在φ為0°-31°的范圍內(nèi)，Stoneley波的機電系數(shù)k2較小，比如為1.5％或更小；在φ為0°-26°的范圍內(nèi)，Stoneley波的機電系數(shù)k2進一步減小到1.0％或更小；在φ為0°-19°的范圍內(nèi)，Stoneley波的機電系數(shù)k2減小到0.5％或更?。徊⑶以讦諡?°時Stoneley波的機電系數(shù)k2近似變?yōu)?％，從而可以理解，可減小Stoneley波引起的寄生響應(yīng)。此外，在φ為0°到90°的范圍內(nèi)，SH型邊界聲波的TCF最好處于-37到-35ppm/℃的范圍內(nèi)。
在歐拉角為(φ，105°，0°)和歐拉角為(-φ，105°，0°)這兩種情形中，證實可得到彼此相當(dāng)?shù)慕Y(jié)果。
此外，有如從圖20顯然可以看出的，在ψ為0°-53°的范圍內(nèi)，Stoneley波的機電系數(shù)k2較小，比如為1.5％或更??；在ψ為0°-47°的范圍內(nèi)，機電系數(shù)k2減小到1.0％或更??；在ψ為0°-38°的范圍內(nèi)，Stoneley波的機電系數(shù)k2進一步減小到0.5％或更小。并且在ψ為0°時Stoneley波的機電系數(shù)k2近似減小為0％，從而可以理解，可減小Stoneley波引起的寄生響應(yīng)。此外，在ψ為0°-90°的范圍內(nèi)，SH型邊界聲波的TCF最好處于-35到-31ppm/℃的范圍內(nèi)。
可以證實，在歐拉角為(0°，105°，ψ)和歐拉角為(0°，105°，-ψ)這兩種情形中，比如，僅顛倒了功率流通角的正或負符號，并且可得到彼此相當(dāng)?shù)奶匦浴?br> 順便提及，一般而言，已知在反射器之間設(shè)置多個IDT的縱向耦合諧振濾波器的通帶寬度和諧振器彼此相連的梯形濾波器或網(wǎng)格濾波器的通帶寬度分別與機電系數(shù)k2近似成正比。此外，還已知諧振器的帶寬，即諧振頻率與反諧振頻率之間的差值與機電系數(shù)k2近似成正比。從而，在使用SH型邊界聲波的情形中，當(dāng)Stoneley波的機電系數(shù)k2較小時，并且在Stoneley波引起的寄生響應(yīng)較小的條件下改變SH型邊界聲波的機電系數(shù)k2時，可知能夠很容易地調(diào)節(jié)帶寬。也就是說，可以增大濾波器和諧振器的設(shè)計自由度。
如圖20中所示，當(dāng)歐拉角ψ從0°改變?yōu)?0°時，SH型邊界聲波的機電系數(shù)k2從16.4％變?yōu)?.1％。在上述區(qū)域內(nèi)，Stoneley波的機電系數(shù)k2較小。此外，歐拉角φ和θ為決定使傳播邊界聲波的襯底的切割表面的角度，歐拉角ψ為決定邊界聲波傳播方向的角度。從而，如圖1(a)中所示，當(dāng)?shù)谝缓偷诙吔缏暡ㄔO(shè)置在具有相同切割表面的襯底上，從而傳播方向X1與X2彼此不同時，獲得機電系數(shù)k2彼此不同的狀態(tài)。
也就是說，在圖1中所示的聲界面波裝置1中，盡管第一和第二邊界聲波元件2和3由相同壓電晶體制成的單晶襯底4形成，由于邊界聲波的傳播方向X1與X2彼此不同，導(dǎo)致機電系數(shù)k2彼此不同。從而，不必根據(jù)所需帶寬制備具有不同切割表面的單晶襯底，并且可使用相同單晶襯底實現(xiàn)多種帶寬。單晶襯底4的歐拉角不限于歐拉角(0°，105°，ψ)，并且可改變歐拉角φ和θ。由于可充分增大SH型邊界聲波的機電系數(shù)k2，最好使用實例2和3中所述的歐拉角，并且可減小引起寄生信號的Stoneley波的機電系數(shù)k2。
通過沉積方法，在具有歐拉角(φ，105°，0°)的LiNbO3單晶襯底上形成厚度為0.001λ的NiCr薄膜，作為粘接層。隨后，在NiCr薄膜上通過沉積由Au形成薄膜之后，通過光刻脫模方法形成圖22中所示的電極結(jié)構(gòu)。
在這種電極結(jié)構(gòu)中，提供叉指電極31和沿邊界聲波的傳播方向設(shè)置在叉指電極31兩側(cè)的反射器32和33。
將叉指電極31和反射器32和33設(shè)置成，使得電極指的方向傾斜，從而在-50到50°范圍內(nèi)改變邊界聲波的傳播方向β。
此外，通過磁控濺射RF形成厚度為λ的SiO2膜，以便覆蓋叉指電極31和反射器32及33。將形成薄膜的溫度設(shè)定為250℃。
在叉指電極31中，將電極指的對數(shù)設(shè)定為50.5對，并且如圖中所示對相交寬度進行加權(quán)，從而抑制橫模寄生。此外，將每一個反射器32和33的電極指數(shù)量設(shè)定為51。另外，將孔徑長度設(shè)定為30λ。在本例中，λ為叉指電極31和反射器32及33的條帶的設(shè)置周期，并且被設(shè)定為3.0μm。
將叉指電極31和反射器32及33的占空比設(shè)定為0.58，將Au膜的厚度設(shè)定為0.05λ，并將SiO2膜的厚度設(shè)定為λ。
圖23(a)到23(c)和圖24(a)到24(c)中表示出如上所述形成的聲界面波裝置的阻抗-頻率特性和相位特性。在圖23(a)到24(c)中，豎軸上的阻抗為下面公式(8)所表示的數(shù)值。
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) 公式(8)在圖23(c)和圖24(a)到24(c)中，在1,100-1,130MHz附近產(chǎn)生的寄生信號為Stoneley波引起的寄生信號。在將歐拉角φ設(shè)定為20°或更大時，由Stoneley波略微引起寄生信號。不過，如實例2中所示，在將歐拉角θ設(shè)定為106°時，可有效地抑制由Stoneley波引起的寄生信號。
此外，在圖23(c)和圖24(a)到24(c)所示的特性曲線中，盡管產(chǎn)生了Stoneley波引起的寄生信號，不過程度十分小，結(jié)果，不會發(fā)生實際問題。
圖25(a)-25(c)至圖28(a)-28(c)所示的曲線圖分別表示在將上述單端口型邊界聲波諧振器的諧振頻率與反諧振頻率之間的差值除以諧振頻率時得到的歐拉角ψ與諧振-反諧振差之間的關(guān)系。在圖25(a)-25(c)中將歐拉角θ設(shè)定為90°，在圖26(a)-26(c)中θ為100°，在圖27(a)-27(c)中θ為105°，在圖28(a)-28(c)中θ為110°。
此外，圖29(a)-29(c)至圖32(a)-32(c)所示的曲線圖表示當(dāng)歐拉角θ為95°，100°，105°和110°時得到的歐拉角ψ與阻抗之間的關(guān)系。
在本例中，如同圖23(a)-23(c)中所示的情形一樣，用公式(8)表示阻抗值。
有如從圖25至32可以看出的，能夠理解，當(dāng)表示傳播方向的ψ發(fā)生改變時，可調(diào)節(jié)帶寬。
在圖25(a)-25(c)至圖32(a)-32(c)中，將電極厚度設(shè)定為0.04λ-0.06λ，將歐拉角θ設(shè)定為95-110°，并且將占空比設(shè)定為0.636。
按照實例5，7中的方法，形成單端口型邊界聲波諧振器，并如圖33中所示那樣，形成將5個邊界聲波諧振器相連接而成梯形結(jié)構(gòu)的梯形濾波器。在圖33中，梯形濾波器40在連接輸入端與輸出端的串聯(lián)臂上具有串臂諧振器S1和S2。此外，在串聯(lián)臂與參考電勢之間設(shè)置3個并聯(lián)臂諧振器P1到P3。
本實例中，在同一單晶襯底上形成5個邊界聲波諧振器。本例中所用的單晶襯底為具有歐拉角(0°，105°，0°-140°)的LiNbO3襯底。
在每個單端口型邊界聲波諧振器中，將每個反射器的電極指的數(shù)量設(shè)定為51。在并聯(lián)臂諧振器P1到P3中，將叉指電極的電極指對數(shù)設(shè)定為50.5對，將孔徑長度設(shè)定為30λ。通過將兩個與用于形成并聯(lián)臂諧振器P1和P3的諧振器相同的諧振器串聯(lián)，從而形成串聯(lián)臂諧振器S1和S2。對于并聯(lián)臂諧振器P2，將叉指電極的電極指對數(shù)設(shè)定為100.5對，并將孔徑長度設(shè)定為30λ。對于并聯(lián)臂諧振器P1到P3，將叉指電極和反射器的波長設(shè)定為3.0λ。此外，將串聯(lián)臂諧振器S1和S2設(shè)定成，使得并聯(lián)臂諧振器P1和P3的反諧振頻率與串聯(lián)臂諧振器S1和S2的諧振頻率大致互相重疊。將叉指電極和反射器的占空比均設(shè)定為0.58，將Au的電極厚度設(shè)定為0.05λ，并且將SiO2薄膜的厚度設(shè)定為2.5λ。
圖34(a)-35(b)中表示當(dāng)歐拉角ψ改變到0°，20°和30°時，所得到的梯形濾波器的頻率特性。
在圖34和35中，水平軸表示通過將頻率除以每個濾波器的3dB帶寬而得到的歸一化頻率。3-dB中心頻率近似為1,080MHz。
有如從圖34和35明顯可以看出的，能夠理解，當(dāng)歐拉角ψ改變時，可調(diào)節(jié)帶寬。此外，當(dāng)歸一化頻率處于1.05-1.10范圍內(nèi)時，產(chǎn)生寄生信號；不過，由于由Stoneley波引起的寄生信號得到了充分地抑制，根本不會產(chǎn)生實際問題。此外，在ψ為零處的最小插入損耗很優(yōu)異，比如為1.27dB。
接下去，由Cu形成電極，并且按照與上述相同的方式形成梯形濾波器。在這種情況下，將叉指電極的電極厚度和反射器的厚度設(shè)定為0.10λ，并將占空比設(shè)定為0.6。使用具有歐拉角(0°，110°，0°)的LiNbO3襯底作為壓電單晶襯底。此外，在由Cu制成電極時，作為粘接層，形成厚度為0.003λ的Ti膜作為次電極層(sub-electrode)。另外，在主要由Cu組成的電極層上，形成Al制成的厚度為0.003λ的第三電極層，作為保護層。IDT的電極指以及反射器的設(shè)置周期λ被設(shè)定為3μm。此外，將SiO2膜的厚度設(shè)定為2λ，并且在由SiO2膜制成的固態(tài)層上，涂覆環(huán)氧樹脂，以便具有5λ或更大的厚度，隨后進行固化。從而得到圖37中所示的梯形濾波器的頻率特性。在圖37中，最小插入損耗很優(yōu)異，比如為1.7dB。
有如從圖37明顯可以看出的，能予理解，即使由Cu形成主電極層，也能獲得優(yōu)異的濾波器特性。
上述利用邊界聲波的傳播方向改變機電系數(shù)k2，從而調(diào)節(jié)帶寬的方法，除了上面所述的單端口型諧振器和使用多個單端口型諧振器的梯形濾波器以外，還可應(yīng)用于通過設(shè)置多個單端口型諧振器所形成的網(wǎng)格濾波器，通過設(shè)置多個IDT所形成的縱向耦合振器型濾波器，兩端口型諧振器，以及橫向耦合濾波器。
在具有歐拉角(0°，θ，0°)的LiNbO3襯底上形成Au制成且厚度為0.5λ的電極之后，在一種情況下，上述由Au制成的電極上形成具有不定厚度的多晶Si，作為固態(tài)層；在另一種情況下，上述由Au制成的電極上形成厚度為0.1λ的SiO2和具有不定厚度的多晶Si，作為固態(tài)層。隨后，測量歐拉角θ與SH型邊界聲波(U2)和Stoneley波(U3)的聲速V、機電系數(shù)k2、傳播損耗α和頻率溫度系數(shù)TCF(PFA)的關(guān)系。圖38(a)-38(c)表示在形成具有不定厚度的多晶Si時得到的結(jié)果，圖39(a)-39(b)表示在形成具有0.1λ厚度的SiO2和具有不定厚度的多晶Si時得到的結(jié)果。
在θ從0°-180°的整個區(qū)域內(nèi)，傳播損耗α為0dB/λ，功率流通角PFA為0°。
通過圖38(a)-38(c)中所示的結(jié)果與圖39(a)-39(c)中所示的結(jié)果可以明顯地看出，能予理解，與使用SiO2固態(tài)層的情形相比，在使用多晶Si時，盡管在使用SH型邊界聲波的情形中不能使Stoneley波的機電系數(shù)k2減小到零，不過在歐拉角θ為106°-115°時，Stoneley波的機電系數(shù)趨于減小。從而，可以理解，即使在由多晶Si形成固態(tài)層的情形中，在與SiO2形成固態(tài)層的情形中相同的歐拉角下，也能夠抑制Stoneley波引起的寄生信號。
移動電話所用的RF模塊具有發(fā)射單元和接收單元，并且發(fā)射帶與接收帶互不相同。在接收單元中所用的Rx濾波器中，接收帶為通帶，發(fā)射帶為阻帶。此外，在發(fā)射單元中所用的Tx濾波器中，發(fā)射帶為通帶，接收帶為阻帶。
因而，在移動電話所用的RF濾波器中，對于通帶而言，在有些情況下非常需要位于通帶一側(cè)的阻帶的衰減量足夠大。在這樣的情況下，已知必須有意地形成不對稱通過性質(zhì)，從而在Tx濾波器的情況下充分增大接收帶的衰減量，另一方面，在RF濾波器的情況下充分增大發(fā)射帶的衰減量。
為了形成濾波器不對稱的通過性質(zhì)，可將線圈或電容與濾波器相連接。例如，在梯形濾波器的情況下，在將線圈與并聯(lián)臂諧振器和串聯(lián)諧振器其中之一相連接，從而增大上述一個諧振器的諧振頻率與反諧振頻率之間的差值時，可以使通帶不對稱。不過，由于線圈或電容必須與濾波器相連，增加了部件的數(shù)量，此外，必然會增大濾波器的外部尺寸。
另一方面，在本發(fā)明中，當(dāng)使用比如實例5中所述的通過改變傳播方向ψ來最佳地調(diào)節(jié)波段的諧振器時，可解決上述問題。在圖36中表示出梯形濾波器的通帶，所述梯形濾波器是按照與圖33中所示梯形濾波器相當(dāng)?shù)姆绞叫纬傻?，不過將并聯(lián)臂諧振器P1和P3的傳播方向設(shè)定為滿足ψ＝20°，并且將串聯(lián)臂諧振器S1和S2的傳播方向設(shè)定為滿足ψ＝0°。
有如從圖36可以明顯看出的，能予理解，在通帶的較低頻率一側(cè)，發(fā)生快速衰減，在0.956的歸一化頻率處，雖然根據(jù)圖34和35中所示梯形濾波器的通過性質(zhì)，衰減量僅為34dB，但根據(jù)圖36中所示的特性曲線，衰減量較大，比如為44dB。
此外，當(dāng)并聯(lián)臂諧振器P1和P3的傳播方向與串聯(lián)臂諧振器S1和S2的傳播方向顛倒時，可以提高通帶的寬帶一側(cè)的衰減量。
除實例5中所示的歐拉角(0°，105°，0°)外，比如在(90°，90°，0°)附近，LiNbO3襯底還存在能夠通過傳播方向調(diào)節(jié)機電系數(shù)k2的歐拉角。從而，在SiO2/Au/LiNbO3結(jié)構(gòu)中，在將Au的厚度設(shè)定為0.07λ，并且，當(dāng)LiNbO3襯底的歐拉角從(90°，90°，0°)改變?yōu)?90°，90°，60°)時，可將機電系數(shù)從16.8％調(diào)節(jié)到0.8％。
利用使用傳播方向改變機電系數(shù)k2、從而調(diào)節(jié)帶寬的結(jié)構(gòu)改善聲界面波裝置性能的方法，可用于除上述梯形濾波器以外的多種結(jié)構(gòu)，在這些結(jié)構(gòu)中增大通帶附近的陡峭程度。例如，如圖40中所示，上述方法可應(yīng)用于具有兩個波段的兩輸入和兩輸出濾波器芯片，其中提供Rx濾波器41和Tx濾波器42形成一個芯片。在此情形中，Rx濾波器41和Tx濾波器42的通帶比如像圖41中所示那樣。在圖41中，可執(zhí)行與上述相當(dāng)?shù)姆椒ǎ簿褪钦f，可以增大Rx濾波器的通帶的低頻一側(cè)的陡峭程度，或者可增大Tx濾波器的通帶的高頻一側(cè)的陡峭程度。此外，如圖42中所示，上述方法還可以按照與上述相同的方式，應(yīng)用于具有兩個波段的一輸入和兩輸出濾波器。在圖42中所示的濾波器中，Rx濾波器的輸入與Tx濾波器的輸入彼此相連。
此外，在邊界聲波濾波器彼此串聯(lián)或并聯(lián)的結(jié)構(gòu)中，當(dāng)把一個邊界聲波濾波器的通帶的高頻一側(cè)或低頻一側(cè)被設(shè)計成與另一邊界聲波濾波器的低頻一側(cè)或高頻一側(cè)互相接觸時，可形成具有寬帶的濾波器。在此情形中，最好通帶的端部彼此接觸，在該處衰減量為3dB。在如此設(shè)計的結(jié)構(gòu)中，當(dāng)使用本發(fā)明具有不同傳播方向的邊界聲波濾波器，從而一個邊界聲波濾波器用于寬帶，另一邊界聲波濾波器用于窄帶時，可以增大通帶的高頻一側(cè)和低頻一側(cè)當(dāng)中之一處的陡峭程度。也就是說，在有如圖43中所示第一邊界聲波濾波器45與第二邊界聲波濾波器46彼此并聯(lián)連接的結(jié)構(gòu)中，或者有如圖45中所示第一邊界聲波濾波器47與第二邊界聲波濾波器48彼此串聯(lián)連接的結(jié)構(gòu)中，在將第一邊界聲波濾波器的通帶和第二邊界聲波濾波器的通帶設(shè)定得非常接近時，可以得到如圖44中所示粗線表示的合成波段特性曲線。即使在上述結(jié)構(gòu)中，當(dāng)按照本發(fā)明調(diào)節(jié)傳播方向時，也易于設(shè)計成寬帶濾波器性質(zhì)。
此外，也是在這樣的結(jié)構(gòu)中，其中通過將單端口型諧振器與縱向耦合濾波器的輸入端、連接端或輔助連接端當(dāng)中之一串聯(lián)或并聯(lián)連接，形成獲得通帶性質(zhì)的陷波電路，當(dāng)縱向耦合濾波器的傳播方向與諧振器的傳播方向彼此不同時，可改變陷波波段。
此外，在各種聲界面波裝置的設(shè)計方法中，當(dāng)采用利用傳播方向改變機電系數(shù)k2，從而調(diào)節(jié)帶寬的技術(shù)時，簡化了聲界面波裝置的設(shè)計和制造。此外，通過單一芯片的集成，有利于實現(xiàn)小型化。
利用本發(fā)明的聲界面波裝置，可以形成縱向耦合濾波器。圖46所示的平面示意圖僅表示在形成縱向耦合濾波器時的電極結(jié)構(gòu)。
在圖46中，僅以平面示意圖表示出縱向耦合濾波器51的電極結(jié)構(gòu)。實際上，圖46中所示的電極結(jié)構(gòu)形成在第一夾緊層(vise layer)與第二夾緊層之間的邊界處。也就是說，縱向耦合濾波器51的正剖圖與圖1(b)中所示聲界面波裝置1的正剖面圖近似相同，如圖46中所示僅改變電極結(jié)構(gòu)。
如圖46中所示，在縱向耦合濾波器51中，沿邊界聲波的傳播方向設(shè)置三個IDT 52-54。沿邊界聲波的傳播方向在IDT 52-54的設(shè)置區(qū)域的兩側(cè)設(shè)置反射器55和56。中心IDT 53與輸入端相連，IDT 52的端部和IDT54的相應(yīng)端部彼此相連，然后與輸出端相連。也就是縱向耦合濾波器51為三IDT型縱向耦合邊界聲波濾波器。
如上所述，在單晶襯底與固態(tài)層之間的邊界處，形成包括IDT 52-54以及反射器55-56的電極結(jié)構(gòu)。
對于上述單晶襯底，使用具有歐拉角(0°，105°，0°)的105°Y切割0°X傳播LiNbO3襯底，形成具有以下技術(shù)要求的縱向耦合濾波器51，并測量頻率特性。圖47中表示出結(jié)果。
電極結(jié)構(gòu)在將厚度為0.03λ的NiCr薄膜、厚度為0.05λ的Au薄膜和厚度為0.003λ的NiCr薄膜依次互相層疊之后，由該層疊的薄膜開始形成IDT 52-54以及反射器55-56。此外，由厚度為2.0λ的SiO2薄膜形成覆蓋電極的固態(tài)層。
將IDT 52和54的電極指對數(shù)設(shè)定為6對，將IDT 53的電極指對數(shù)設(shè)定為10對。將反射器55和56的電極指對數(shù)均設(shè)定為40對。
將IDT 52-54的周期λ設(shè)定為3.0μm，并且將反射器55和56的周期設(shè)定為3.1μm。
然后，按照與上述相同的方式形成縱向耦合濾波器，不過通過使用歐拉角(0°，105°，20°)的105°Y切割20°X傳播LiNbO3襯底改變單晶襯底的傳播角度，隨后，測量頻率性質(zhì)。圖48中表示出結(jié)果。
比較圖47和圖48中所示的結(jié)果，顯然可以理解，可以通過改變傳播角度來改變通帶寬度。從而，當(dāng)在同一襯底上形成具有不同傳播角度的多個縱向耦合濾波器時，可形成具有不同濾波器性質(zhì)(如通頻帶寬度)的多個縱向耦合濾波器。
此外，按照本發(fā)明的說明，由于歐拉角(φ，θ，ψ)表示襯底的切割表面和邊界聲波的傳播方向，使用“Acoustic Wave Device TechnologyHandbook”(日本科學(xué)促進協(xié)會聲波裝置技術(shù)第150屆委員會編輯，2001年11月30日第一次印刷/第一版，第549頁)中披露的右手歐拉角體系。也就是說，對于LN的晶軸X，Y和Z，通過沿逆時針方向圍繞Z軸將X軸旋轉(zhuǎn)φ，得到Xa軸。然后，通過沿逆時針方向圍繞Xa軸將Z軸旋轉(zhuǎn)θ，得到Z’軸。將包括Xa軸并且以Z’軸作為法線的平面，設(shè)定為襯底的切割表面。此外，將通過沿逆時針方向圍繞Z’軸將Xa軸旋轉(zhuǎn)ψ得到的X’軸的方向，設(shè)定為邊界聲波的傳播方向。
此外，對于用歐拉角的初始值表示的LiNbO3的晶軸X，Y和Z，將Z軸設(shè)定為平行于c軸，將X軸設(shè)定為平行于三個不同方向的三個等效a軸中任何一個，并且，將Y軸設(shè)定為平行于包括X軸和Z軸的平面的法線。
此外，在結(jié)晶學(xué)方面，可使用與本發(fā)明LiNbO3的歐拉角(φ，θ，ψ)等效的歐拉角。例如，根據(jù)技術(shù)文獻7(Journal of the Acoustical Societyof Japan，Vol.36，No.3，1980，第140到145頁)，由于LiNbO3是一種屬于三角晶系3m點群的晶體，所以滿足下面的公式(A)。
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) 公式(A)在上面的公式中，F(xiàn)為任意邊界聲波特性，如機電系數(shù)k2、傳播損耗、TCF、PFA或天然單向性質(zhì)。對于PFA和天然單向性質(zhì)，比如，在將傳播方向顛倒時，盡管表示方向的正或負符號發(fā)生改變，但性質(zhì)的絕對值不發(fā)生改變，從而可將其解釋為實際上彼此相同。此外，盡管技術(shù)文獻7涉及聲表面波，即使討論邊界聲波時，也可以按照與技術(shù)文獻7中所披露的相同方式來控制晶體的對稱性。例如，在歐拉角(30°，θ，ψ)處邊界聲波的傳播性質(zhì)與歐拉角(90°，180°-θ，180°-ψ)處邊界聲波的傳播性質(zhì)相同。此外，例如，在(30°，90°，45°)處邊界聲波的傳播性質(zhì)與下面表8中所示歐拉角處邊界聲波的傳播性質(zhì)相同。
此外，本發(fā)明中所考慮的電極的材料常數(shù)為多晶物質(zhì)的數(shù)值；不過，即使在諸如外延薄膜的晶體物質(zhì)中，由于與薄膜本身相比，取決于襯底的晶體取向顯著地會影響邊界聲波性質(zhì)，并且在公式(A)所表示的相同歐拉角的情形中，可以獲得不致帶來任何實際問題的相同的邊界聲波傳播性質(zhì)。



權(quán)利要求
1.一種聲界面波裝置，使用非泄漏傳播型邊界聲波，它包括使用具有相同切割角的單晶襯底形成的多個邊界聲波元件，其中，所述各邊界聲波元件都包含單晶襯底、設(shè)置于單晶襯底上的固態(tài)層，以及設(shè)置在單晶襯底與固態(tài)層之間邊界處的電極；并且在所述各邊界聲波元件中，至少一個邊界聲波元件的邊界聲波傳播方向與至少另一邊界聲波元件的邊界聲波傳播方向不同。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的聲界面波裝置，其中，所述邊界聲波元件為邊界聲波濾波器或邊界聲波諧振器。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的聲界面波裝置，其中，所述邊界聲波元件具有諧振器結(jié)構(gòu)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的聲界面波裝置，其中，所述聲界面波裝置為縱向耦合濾波器。
5.根據(jù)權(quán)利要求1至4中任一項所述的聲界面波裝置，其中，所述各邊界聲波元件設(shè)置于一個壓電單晶襯底上。
6.根據(jù)權(quán)利要求1至5中任一項所述的聲界面波裝置，其中，所述至少一個邊界聲波元件的機電系數(shù)與至少另一邊界聲波元件的機電系數(shù)不同。
7.根據(jù)權(quán)利要求1至6中任一項所述的聲界面波裝置，其中，所述至少一個邊界聲波元件的帶寬與至少另一邊界聲波元件的帶寬不同。
8.根據(jù)權(quán)利要求1至7中任一項所述的聲界面波裝置，其中，將所述電極的厚度設(shè)定為，使得SH型邊界聲波的聲速低于通過固態(tài)層傳播的慢橫波的聲速和通過壓電單晶襯底傳播的慢橫波的聲速。
9.根據(jù)權(quán)利要求1至8中任一項所述的聲界面波裝置，其中，將所述電極的占空比設(shè)定為，使得SH型邊界聲波的聲速低于通過固態(tài)層傳播的慢橫波的聲速和通過壓電單晶襯底傳播的慢橫波的聲速。
10.根據(jù)權(quán)利要求1至9中任一項所述的聲界面波裝置，其中，當(dāng)所述電極的密度、電極的厚度和邊界聲波的波長分別用ρ(kg/m3)、H(λ)和λ表示時，滿足H＞8261.744ρ-1.376。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的聲界面波裝置，其中，滿足ρ＞3,745kg/m3。
12.根據(jù)權(quán)利要求10或11所述的聲界面波裝置，其中，滿足33,000.39050ρ-1.50232＜H＜88,818.90913ρ-1.54998。
13.根據(jù)權(quán)利要求1至12中任一項所述的聲界面波裝置，其中，所述壓電單晶襯底為LiNbO3襯底，LiNbO3襯底的歐拉角(φ，θ，ψ)中的φ在-31°到31°范圍內(nèi)，且θ和ψ在下表中所示的點A1到A13所包圍的的區(qū)域中。
14.根據(jù)權(quán)利要求1至13中任一項所述的聲界面波裝置，其中，所述電極均包括由選自一組Au、Ag、Cu、Al、Fe、Ni、W、Ta、Pt、Mo、Cr、Ti、ZnO和ITO中的一種材料形成的主電極層。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的聲界面波裝置，其中，所述電極還包括層疊在所述主電極層上的第二電極層。
16.根據(jù)權(quán)利要求1至15中任一項所述的聲界面波裝置，其中，所述固態(tài)層包括介電物質(zhì)。
17.根據(jù)權(quán)利要求16所述的聲界面波裝置，其中，所述介電物質(zhì)包括主要由SiO2組成的材料。
18.根據(jù)權(quán)利要求1至16中任一項所述的聲界面波裝置，其中，所述固態(tài)層均由通過層疊多個材料層形成的疊層構(gòu)成。
19.根據(jù)權(quán)利要求18所述的聲界面波裝置，其中，所述固態(tài)層具有這樣的結(jié)構(gòu)，其中主要由SiO2組成的一層層疊在主要由Si組成的一層上。
20.根據(jù)權(quán)利要求1至16中任一項所述的聲界面波裝置，其中，所述固態(tài)層由選自一組Si、SiO2、玻璃、氮化硅、金剛砂、ZnO、Ta2O5、鈦酸鈉鋯酸鉛壓電陶瓷、氮化鋁、Al2O3、LiTaO3和LiNbO3中的至少一種材料形成。
21.根據(jù)權(quán)利要求1至20中任一項所述的聲界面波裝置，其中，所述各邊界聲波元件分別還包括形成在所述固態(tài)層上的樹脂層，從而粘接到固態(tài)層。
全文摘要
一種使用邊界聲波的小尺寸、高性能聲界面波裝置。通過使濾波器波帶銳化，并且在單個襯底上制造波段具有不同特定帶寬的諧振器和濾波器，獲得所述裝置。在聲界面波裝置(1)中，在單晶襯底(4)上形成固態(tài)層(5)，并且在單晶襯底(4)與固態(tài)層(5)之間設(shè)置電極。所述裝置(1)包括使用具有相同切割角的單晶襯底(4)形成的邊界聲波元件(2，3)。邊界聲波元件(2)的傳播方向與邊界聲波元件(3)的傳播方向不同。
文檔編號H03H9/145GK1894850SQ200480037310
公開日2007年1月10日 申請日期2004年12月2日 優(yōu)先權(quán)日2003年12月16日
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