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TW202535238A - 彈性波元件 - Google Patents

彈性波元件

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Publication number
TW202535238A
TW202535238A TW113151407A TW113151407A TW202535238A TW 202535238 A TW202535238 A TW 202535238A TW 113151407 A TW113151407 A TW 113151407A TW 113151407 A TW113151407 A TW 113151407A TW 202535238 A TW202535238 A TW 202535238A
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TW
Taiwan
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elastic wave
polarization
layer
piezoelectric material
wave element
Prior art date
Application number
TW113151407A
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English (en)
Inventor
西爾萬 巴朗德拉
埃米力 庫爾瓊
弗洛朗 伯納德
亞歷山大 克萊瑞特
Original Assignee
法商索泰克公司
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Publication date
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Abstract

本發明係有關一種彈性波元件，尤其是剪切波元件，其包括一壓電材料(3)，尤其是一鐵電材料，其具有一第一極化方向(13a)的多個第一極化域(3a)和一第二極化方向(13b)的多個第二極化域(3b)，該第一極化方向(13a)與該第二極化方向相反，其中該些第一及第二極化域(3a, 3b)沿著一週期方向(d)週期性交替，該週期方向垂直於該壓電材料(3)之表面法線(n)，及埋置在該壓電材料(3)中的一對指叉梳狀電極(15a, 15b)，其各自的梳齒(17a1至 17a3及17b1 至 17b3)主要垂直於該週期方向(d)及該表面法線(n)而延伸。

Description

彈性波元件
本發明係有關一種彈性波元件及一種用於製造此種彈性波元件之方法。
表面聲波(Surface acoustic wave, SAW)裝置應用廣泛，例如濾波器、感測器及延遲線。舉例而言，SAW射頻濾波器可用於行動通訊裝置，因其在射頻範圍(100 MHz – 10 GHz)的結構簡單、損耗低且尺寸小。
在彈性波元件中，一或多個指叉梳狀轉換器(interdigitated comb transducers，IDT)形成在單晶壓電底材上。直接壓電效應可透過電激發(exciting)梳狀指叉，而將沿著壓電底材表面傳播的彈性波(通常是瑞利(Rayleigh)波)轉換為電訊號。反之，可通過梳狀電極的指狀結構施加電信號，以在換能器下的壓電底材中誘導產生表面彈性波。
彈性波的速度通常受限於壓電材料的特性。就鉭酸鋰(LiTaO3)而言，瑞利波的相位速度(phase velocity)在3000 m.s-1至3500 m.s-1之間，最大耦合度為約2%。鈮酸鋰(LiNbO3)上的瑞利波相位速度高達3900 m.s-1，最大耦合度接近5.6%。其他與剪切波及壓縮波相關的模式通常較快，但僅部分受表面引導，且需要複雜的引導結構。
絕緣體上壓電(Piezoelectric-on-insulator，POI)型晶圓能夠實現具更大相位速度的模式，但在底材中不發生輻射損耗的情況下，其速度在LiTaO3上不超過 4200 m.s-1，在 LiNbO3上不超過4500 m.s-1。
因此，本發明之目的在於透過提供一種彈性波元件而克服這些缺點，該彈性波元件的操作模式的相位速度高於受引導的瑞利波或剪切波。
為實現該目的，本發明提出一種彈性波元件，尤其是剪切波元件，其包括一壓電材料，尤其是一鐵電材料，該材料具有一第一極化方向的多個第一極化域和一第二極化方向的多個第二極化域，該第一極化方向與該第二極化方向相反，其中該些第一及第二極化域沿著一週期方向(d)週期性交替，該週期方向垂直於該壓電材料之表面法線(n)，及一對指叉梳狀電極，其各自的梳齒主要垂直於該週期方向(d)及該表面法線(n)而延伸，且該些梳齒被設置成至少部分，最好全部，埋置在該壓電材料中。
由於具有極化方向相反的極化域，因此出現相位速度大於4200 m.s-1的模式，這些模數主要在表面上傳播。由於波傳播速度超過表面飛掠塊體波(surface skimming bulk wave，SSBW)速度，超過該速度時底材表面不再自然引導該模式，因此體積的輻射效應小於10-3dB/λ，因此可忽略該效應的條件。這些模式為剪切模式。
依照本發明之彈性波元件應用廣泛，例如濾波器，尤其是梯狀濾波器(ladder filter)，或者具有聲耦合的濾波器，例如縱向耦合共振濾波器(longitudinally coupled resonator filter，LCRF)、雙模式SAW (DMS)濾波器，或表面腔體聲波(SCAW)濾波器，以及感測器和延遲線。
鐵電性為材料在自發性狀態下具有電極化(electrical polarization)的特性。鐵電材料為壓電材料的一個子類。鐵電特性亦可以人工方式獲得，例如透過適合的生長條件而創建具有不同極化方向的極化域。因此下文可考慮以任何可產生極化域者作爲壓電材料。
依照本發明之一變化例，該些梳齒可被週期性排列。
依照本發明之一變化例，該壓電材料可以一層的形式設置在一基底底材上，該層的厚度(e1)小於波長(λ)，優選為小於λ/2，更優選小於λ/4，該基底底材爲矽、氧化矽、碳化矽(SiC)、藍寶石、氮化矽(SiN)、氮化鋁(AlN)、石英、碳、鑽石、釔鋁石榴石(Yags)、釔鐵石榴石(Yigs)、非晶矽或多晶矽，或LiNbO3及/或LiTaO3底材。此可為兩層結構或兩個層以上的堆疊。因此可將能量侷限在該壓電薄層中，從而得以減少整體損耗。
依照本發明之一變化例，一介電層，尤其是一層氧化矽、氮化矽、Ta2O5、ZrO2、HfO2、SiON、多晶矽或這些材料之組合，可被設置在該壓電材料層及該基底底材之間，該介電層的厚度優選小於該波長(λ)且/或介於200 nm至2 µm之間。實際上，該介電層可在層移轉方法期間用於將該壓電層鍵合至該基底底材，例如透過鍵合，例如透過使用分子鍵合或通過黏合劑鍵合或透過共晶鍵合。所述層移轉方法可為SmartCutTM法。使用氧化矽作為介電層可進一步提高元件的溫度穩定性，這是因爲矽及氧化矽之彈性波速度的溫度係數具有相反符號。因此，介電層的厚度亦取決於壓電層選定的厚度，且優選可被選定成將溫度對元件的影響降低甚至最小化。
依照本發明之一變化例，一捕捉層，尤其是一層多晶矽或多晶氮化鋁或SiOCH，可被設置在該壓電材料及該基底底材之間，或設置在該介電層及該基底底材之間。此捕捉層的厚度優選在300 nm至2 µm之間。捕捉層的存在可減少漏電流。
依照本發明之一變化例，該些梳齒在該壓電材料層與該基底底材或該介電層的交界面之間的區域延伸。根據另一變化例，該些梳齒的厚度可至少等於或小於該壓電材料層的厚度。透過優化該些梳齒的厚度，可提高所觀察到模式的頻譜純度(spectral purity)。如此可製造較大厚度的電極，從而可使用約 26 dBm 至 33 dBm、甚至更高的輸入功率。因此，這種元件類型適用於傳輸模式(transmission mode，TX)下的濾波器，其所需功率高於接收模式。針對較薄的電極梳齒，可優化所觀察到模式的頻譜純度。
根據一替代變化例，該些梳齒被設置成在壓電層的凹槽內，因此它們不會延伸至與該基底底材或該介電層的交界面。優選地，梳齒的厚度至少大於該壓電層厚度的一半。因此，可根據該梳齒的厚度調節所使用模式的耦合。
依照本發明之一變化例，該些梳齒可定置於具有不同極化方向的極化域之間。在此情況下，在濾波器、感應器或延遲線中使用電極之前，可先使用電極創建該些極化域。此外，可觀察到有效相位速度大於常規的POI。
依照本發明之一變化例，該些梳齒可被設置成每個梳齒兩側的極化方向相同，詳言之不同電極梳齒的極化方向不同。針對此實施例，僅存在一種模式，使得其特別適合用於濾波器、感應器或延遲線等。
依照本發明之一變化例，兩個電極其中一者的梳齒可被設置成每個梳齒兩側的極化方向相同，且第二電極的梳齒可被設置在具有不同極化方向的極化域之間。
根據一變化例，該些指叉梳狀電極的梳齒寬度爲該些極化域寬度的40%至 60%之間，優選爲40%至 60%之間，優選爲50%，且/或爲至少280 nm，優選爲至少350 nm。因此，透過使用I線微影術(I-line lithography)可提供在高於正常可用頻率下運作的濾波器、感應器或延遲線。
依照本發明之一變化例，該壓電材料可為LiTaO3或LiNbO3。該壓電材料亦可為ABO3型鈣鈦礦(尤其是KnbO3及PbTiO3)、PZT、PMnPt或 AlScN。這些材料所觀察到的模式(尤其是剪切模式)具有品質因數及機電耦合(electromechanical coupling)，使其能夠在濾波器或延遲線類型的應用中發揮工業用途。
根據一變化例，該彈性波元件可包括一第一電極，其包括多個第一開關，及一第二電極，其包括多個第二開關，該些第一開關被組構成能夠分別接觸或不接觸梳齒，且該些第二開關被組構成能夠分別接觸或不接觸梳齒，以形成該對指叉梳狀電極。因此，可調適該梳齒的激發方案，例如從梳齒交替連接至兩個電極的方案，切換到兩個直接相鄰梳齒連接至該第一電極且接著兩個直接相鄰的梳齒連接至該第二電極的方案。透過變更該激發方案可改變模式的頻率，從而使同一元件適應不同的操作參數。
優選地，所施加的梳齒切換應避免使第一電極及第二電極發生短路。
依照本發明之一變化例，該彈性波元件可包括一供應裝置，其被組構成向該對指叉梳狀電極提供頻率至少 2 GHz，最好至少 6 GHz 的射頻訊號。因此，透過使用I線微影術可提供在高於正常可用頻率下運作的濾波器、感應器或延遲線。
依照本發明之一變化例，該對指叉梳狀電極可為與該壓電材料接觸的唯一導電元件。依照本發明之一變化例，該彈性波元件除了該對指叉梳狀電極外沒有任何電極元件，詳言之沒有任何浮動電極。如此，可避免導入系統中的部分能量被用於形成非剪切模式的模式。
為實現該目的，本發明亦提出一種使用如上述彈性波元件(尤其是指叉梳狀電極的梳齒寬度爲至少280 nm，優選為至少350 nm)之聲電裝置，尤其是一濾波器、感應器或延遲線，其操作頻率爲2 GHz或更高，特別是6 GHz或更高。因此，透過使用I線微影術可提供在高於正常可用頻率下運作的濾波器、感應器或延遲線。
為實現該目的，本發明亦提出一種用於製造如上述彈性波元件之方法，包括以下步驟：提供一壓電材料，尤其是一鐵電材料，製造該對指叉梳狀電極，使其至少部分，最好全部，埋置在該壓電材料中，然後施加比該壓電材料之矯頑力場更強的一電場，尤其是更強至少十倍，以產生週期性交替且具有相反極化方向之該些第一及第二極化域。該些電極可有利地用於創建該些極化域，從而簡化製程。
依照本發明之一變化例，一旦該壓電材料的溫度被加熱到至少150°C，優選為加熱到至少170°C，即可施加該電場。因此，即使在沒有相對電極(counter electrode)的情況下，透過施加低於環境溫度的電場亦可獲得極化。
以下透過有利實施例作為示範並參照圖式更詳細地描述本發明。所述實施例僅為可能的配置，因此所述的各個特徵可以獨立提供，或在實施本發明時可被省略。
根據第一實施例，彈性波元件1，尤其是剪切模式元件，包括壓電材料3，尤其是鐵電材料，以一壓電層5的形式設置在上方，尤其是直接設置在介電層7上。該介電層7設置在上方，尤其是直接設置在底材9上。透過例如SmartCutTM層移轉方法而獲得的壓電層5、介電層7及底材9可形成複合底材11。該複合底材11亦稱為絕緣體上壓電底材或POI底材。在層移轉方法中，介電層7可作為基底底材9及壓電層5之間的鍵合層。
鐵電性為材料在自發狀態下具有電極化的特性。鐵電材料為壓電材料的一個子類。鐵電特性亦可以人工方式獲得，例如透過適合的生長條件而創建具有不同極化方向的極化域。因此下文可考慮以任何可產生極化域者作爲壓電材料。
依照本發明，壓電層5之壓電材料包括第一極化域3ai，其中i的範圍從1至j，第一極化域具有第一極化方向13a，以及第二極化域3bi，其中i的範圍從1至j，第二極化域具有第二極化方向13b，該第一極化方向13a與第二極化方向13b彼此相反。此外，第一及第二極化域3ai及3bi形成具有相同厚度的頻帶(band)，該些頻帶沿著一週期方向d以間距pf週期性地交替，該週期方向d垂直於壓電材料3之表面法線n。
在此實施例中，極化域之極化軸Z與法線n形成非零角度。此外，極化軸Z在週期方向d上具有至少一分量(contribution)。此分量對於該兩種類型的極化域而言是相反的。極化軸Z優選位於由法線n及週期方向d所界定的平面上，因此角度φ等於0。在此情況下，僅考慮圍繞晶軸X進行單一確定旋轉(single defined rotation)的截面，而不失一般性。詳言之，針對這些所謂的單一旋轉截面，圍繞晶軸 Z 所界定的角度φ為0。
此種組構可在壓電層中誘導剪切波，尤其是針對3m類別的三方單晶材料(trigonal monocrystalline materials)，例如單晶鉭酸鋰LiTaO3或鈮酸鋰LiNbO3，以及ABO3型鈣鈦礦材料。這些材料由於其鐵電特性而滿足依本發明激發剪切模式所需的條件。在這些材料中，為了實施本發明，將特別注意沿Z軸方向的單一極化(single polarization)。
在此實施例中，層3之壓電材料可為單晶鉭酸鋰LiTaO3或單晶鈮酸鋰LiNbO3。亦可使用如上所述的其他壓電材料。壓電層5之厚度e1優選為小於波長λ，優選為小於λ/2，甚至更優選為小於λ/4，通常小於1 μm。
針對鉭酸鋰(LiTaO3)，依照標準IEEE Std-176版IRE 1949定義，層3之第一極化域3ai之第一極化方向13a的結晶取向優選為(YXl)/θ，其中所選θ角的值在-30°至110°之間。因此，依照標準IEEE Std-176版IRE 1949，層3之第二極化域3bi之第二極化方向13b的結晶取向為 (YXl)/θ+180°。當極化軸為Z軸時，若從定向爲(YX)的基板出發，該軸與基板的寬度方向共線(colinear)。在旋轉θ角以得到取向(YXl)/θ之後，該軸與基板的法線n形成θ-90°角，並與基板表面共線的軸形成θ角。因此，在此系統中，法線n對應於方向90°- θ且與Z軸形成θ角，在一特定模式下週期方向d與 n 正交並與Z軸共線。
針對鈮酸鋰(LiNbO3)，依照標準IEEE Std-176版IRE 1949定義，層3之第一極化域3ai之第一極化方向13a的結晶取向優選為(YXl)/θ，其中所選θ角的值在-40°至+110°之間，優選為-10至+50°之間。因此，依照標準IEEE Std-176版IRE 1949，層3之第二極化域3bi之第二極化方向13b的結晶取向為 (YXl)/θ+180°。
針對鉭酸鋰及鈮酸鋰，極化方向僅沿著Z軸進行。在超過矯頑力場的電場作用下，晶格中的原子會沿著此方向從重心位置(barycentre)移動，使分子產生極化。
介電層7優選為氧化矽層，其厚度e2小於波長及/或介於200 nm至2 μm之間。介電層亦可由氮化矽、Ta2O5、ZrO2、HfO2、SiON或這些材料的組合製成。介電層亦可包括多晶矽等其他成分。
基底底材9優選為矽底材，例如矽(100)或(110)或(111)。在此結構中，矽及鉭酸鋰兩個晶體的連接區域(land region)之間的取向距離可在0°至180°之間變化，而不會失去轉換器基本特性的一般性。針對矽的三個取向，基本上亦觀察到相同的結果。基底底材亦可由氧化矽、碳化矽(SiC)、藍寶石、氮化矽(SiN)、氮化鋁(AlN)、石英、碳、鑽石、釔鋁石榴石(Yags)、釔鐵石榴石(Yigs)、非晶矽或多晶矽，或LiNbO3或LiTaO3製成。
透過使用矽作為基底底材9及氧化矽作為介電層7，可提高彈性波元件1的溫度穩定性。這是因為在堆疊的各組成材料中，剪切模式的速度溫度係數(velocity temperature coefficient，VTC)具有相反符號，且矽的厚度大於沉積在其表面上的介電層及壓電層的總厚度，特別是當其厚度爲該兩個層之厚度的50倍時，可抑制壓電層的熱膨脹效應。詳言之，熱膨脹係數小於10 ppm.K-1(優選為5 ppm.K-1)的材料，證明能夠有效降低溫度對結構引導模式(structure-guided modes)的影響。
一對指叉梳狀電極15a、15b可被設置成，舉例而言，至少部分(優選為全部)埋置於壓電材料3中。各自的梳齒(17a1至 17a3及17b1 至 17b3)主要垂直於週期方向d (即平行於極化域3ai及3bi的頻帶)而延伸。圖示梳狀電極的梳齒數量為三個，每個電極被指定具有三個以上的梳齒。梳齒優選為呈現矩形(即平行六面體)形狀。梳齒17a1至17a3透過導電條19a彼此連接。梳齒17b1至17b3透過導電條19b彼此連接。兩個導電條19a及19b可連接至射頻源的極點(pole)以激發感興趣的模式。
電極梳齒以一機械間距pe週期性地設置，因此其電週期(electrical periodicity)為2pe。然而，根據一變化例，可導入一或多個週期性中斷，例如透過省略一或多個梳齒。電極的機械間距pe為極化域3ai及3bi的間距pf的一半。舉例而言，這些數據可有所變化，以使耦合效應增加甚至最大化或調整模式的速度，從而達到指定的頻率值。
梳狀電極15a及15b由金屬材料製成，例如鋁(Al)或鉬(Mo)或金(Au)或銀(Ag)或銅鋁型合金(AlCu)或主要基於鋁及其他金屬(例如鈦(Ti))的合金。詳言之，該對梳狀電極15a及15b可由AlCu、AlSi或AlTi製成，其中摻雜有0.5%至5%之間的銅、鈦及/或矽，且其可能具有鈦、鉭、鉬、鈀或鉑的子層，或鈦/鉑、鈦/金、鉭/鉑、鉻/金或與鋯的組合。梳狀電極15a及15b的厚度e3優選在50 nm至200 nm之間，或者根據一替代變化例，該厚度可等於或大於壓電層5之厚度，例如至少1 μm。梳齒17a1至17a3、17b1至17b3在週期方向d上具有寬度a，該寬度a優選為等於或大於280 nm，優選為大於350 nm。因此，梳狀電極15a、15b可以I線微影術製造。
金屬化比率(metallisation ratio) a/pe中a為梳齒17a1至17a3、17b1至17b3的寬度，pe為梳齒的機械間距，優選在0.25至0.75之間，尤其是在0.4至0.6之間。該比率 a/pe及/或該厚度e3 可被調整以設定機電耦合係數及/或減少損耗。
在此實施例中，梳齒形狀皆相同；根據其變化例，梳齒亦可製成不同的長度l。
該元件優選不包括任何其他電極裝置，例如浮動電極或平面電極，該元件也不在鐵電層5之上或之下。詳言之，任何電極(更詳言之浮動型電極)會產生寄生電容(parasitic capacitance)，其會損耗剪切模式的耦合且可能損耗元件的頻譜純度。
在圖1之實施例中，供應裝置21被連接至指叉梳狀電極15a、15b。此供應裝置21優選被組構成向指叉梳狀電極15a、15b提供射頻訊號，其頻率至少2 GHz，最好至少6 GHz。
當彈性波元件1被組構成將彈性波轉換為電訊號時，會以電接收器(electrical receiver)取代供應裝置21。
根據第一實施例之變化例，複合底材9在其結構中可包括一或多個其他層。用於捕捉自由電荷的一層(例如多晶矽、AlN或多晶SiOCH的層)可被設置在介電層7及基底底材9之間，以便透過與波傳播相關的聲電場而限制矽/介電層交界面處產生的自由電荷的平均自由路徑(average free path)，從而可減少漏電流。在考慮電信用的射頻下(通常在500 MHz至6 GHz之間)，此種捕捉層的厚度優選在0.3 μm至2 μm 之間。
除了使用複合底材11外，本發明亦可利用鐵電材料的塊狀底材實現，從而不存在介電層，亦不存在基底底材。
圖2概要繪示依照本發明第一實施例之彈性波元件之一部分的剖面圖，其代表週期晶格。圖2繪示第一極化域的兩半部3a1及3a2，其中夾有具有相反極化方向的第二極化域3b1。每個梳狀電極15a及15b分別以梳齒17a1及17b1表示。梳齒17a1及17b1埋置於壓電材料層5中。圖2亦繪示介電層7及基底底材9。
梳齒17a1位於兩個相反的極化域之間，即3a1及3b1之間。梳齒17b1亦位於兩個相反的極化域之間，即3b1及3a2之間。在此實施例中，梳齒17a1及17b1從介電層7的表面/交界面21延伸穿過壓電層5的整個厚度e1。因此，梳齒17a1及17b1的厚度e3與壓電層5的厚度e1相同。梳齒17a1及17b1的寬度a是極化域寬度a2的50%。在變化例中，該寬度的值可在a2的40%至60%之間。
根據S. Ballandras等人在文獻「Finite element analysis of periodic piezoelectric transducers」, Journal of Applied Physics 93, 702 (2003)所述方法進行數值模擬，強調針對圖1及圖2的彈性波元件1而言，其基本模式(fundamental modes)的頻率與沒有相反極化域的元件相比高出兩倍，這是由於波長縮短一半所致。圖2下半部繪示晶格在剪切模式的變形，其波長為2 µm，從而對應於梳齒的機械週期 pe，並非對應於沒有極化域之元件的電週期2pe。此模式僅在電極振動為反對稱(antisymmetric)時才存在。
圖3繪示如圖1及圖2所示彈性波元件1的模擬結果。進行模擬所使用的複合底材具有矽(100)基底底材(其連接區域相對於LiTaO3層的連接區域呈45°取向)、厚度為1 µm的多晶矽捕捉層、厚度500 nm之二氧化矽介電層，以及厚度為600 nm的LiTaO3層。其極化域被認為是無限長的，並以4 µm的週期pf交替出現，此與網絡的電週期及方向(YXl)/42°/30°及(YXl)/222°/210°一致。在兩種情況下，電極皆由AlCu製成且厚度為150 nm，金屬化比率a/pe為0.5，且機械間距pe為2 µm。
圖3繪示該模擬結果，其中左軸為諧波導納(harmonic admittance)模數Y (以dB為單位)且右軸為諧波電導(harmonic conductance) 模數 G (以dB為單位)，二者作為頻率(以MHz為單位)之函數。可觀察到在約2 GHz的基本剪切模式31爲主要模式，此外還有較高頻率下的其他三個貢獻。在約3.3 GHz的模式33，在約5.8 GHz的模式35，以及在約6.9 GHz的模式37。
可透過減少壓電層厚度降低模式33。模式35及37強烈取決於介電層7的厚度。圖4透過比較兩種介電層厚度的模擬結果呈現此效應，其中左軸為諧波導納模數Y (以dB為單位)，右軸為諧波電導模數G(以dB為單位)，二者為頻率(以MHz為單位)之函數。當介電層7厚度為300 nm而非500 nm時，該些模式較不明顯。箭頭41繪示在約6.8 GHz時該模式的諧波電導G減少，而編號43繪示諧波導納Y隨著厚度從500 nm至300nm而減少。
因此，模式31具有約 8km-1的表觀有效相位速度(apparent effective phase velocity) veff，這相較於沒有交替極化域的壓電層高出約兩倍，該模式的有效相位速度veff=λxf=pelxf，λ為電極中電荷的相干波長(coherence wavelength)，pel為電極的電週期，且f為該模式的頻率。因此，使用沉積在具有交替極化域之壓電層表面上的一對指叉梳狀電極可在保留大於7%或甚至10%的機電耦合係數優勢下提高相位速度，實現超過1 GHz頻率下數千等級的品質因數(quality coefficients)及受控的溫度效應。
此外，針對與鉭酸鋰壓電層具有相同厚度之電極的組構，在此情況下厚度在300 nm至1 μm之間，其單一旋轉層的結晶取向爲(YXl)/θ，其中θ在+10至+60°之間，且二氧化矽介電層的厚度在300 nm至2 μm之間，可使共振或反共振的頻率溫度係數(frequency temperature coefficient，FTC)最小化至絕對值小於20 ppm.K-1，理想情況下甚至可小於10 ppm.K-1。
圖5概要繪示依照本發明第一實施例之一變化例的彈性波元件51之一部分的剖面圖。與圖1及圖2所示實施例相比，唯一的差異在於，梳齒17a1及17b1不是從介電層7及壓電層5之間的交界面21延伸，而是被納入壓電層5的凹槽53a及53b中。梳齒17a1及17b1的表面55a及55b與壓電層5的表面57對齊。根據其他變化例，梳齒17a1及17b1可超出表面57或相對於表面57內縮。圖5亦繪示介電層7及基底底材9。如同圖1或圖2的第一實施例，圖5未繪示捕捉層。
圖6繪示依照本發明第一實施例之變化例的彈性波元件之左軸為諧波電導G (以dB為單位)且右軸為諧波導納Y (以dB為單位)，二者作為頻率(以MHz為單位)之函數。模式59出現在2 GHz以下。
爲了模擬，針對600 nm厚的壓電層，電極厚度為500 nm。LiTaO3的取向為(YXl)/42°-222°，介電層為厚度500 nm的二氧化矽，捕捉層厚度為1 μm，基底底材為具有連接區域的矽(111)，其相對於LiTaO3層的連接區域呈現45°錯位。電週期為4 µm，這導致一模式，其速度大於7200 m.s-1，且機電耦合係數超過10%。對於矽的其他取向，可觀察到大致相同的結果。
3.5 GHz的貢獻與鉭酸鹽下方的層有關。可透過調整不同層的厚度比而減少該貢獻。
該模擬顯示，若梳齒完全埋置於層中且未達壓電層的上表面，則可進一步改進該模式的頻譜純度及實質上的機電耦合係數。與前述情況相比，共振品質亦有改善。
根據一變化例，在彈性波元件51中，位於梳齒17a1、17b1下方的壓電層5部分保持在其初始極化狀態，無論有無極化域。該模擬顯示，振動模式保持大致相同，如圖6所示。
圖7概要繪示依照本發明第一實施例之第二變化例的彈性波元件61之一部分的剖面圖。與圖1及圖2所示實施例相比，唯一的差異在於，梳齒17a1及17b1的表面63a及63b不再與壓電層5的表面65對齊，而是內縮。因此，e3 ＜ e1。根據另一變化例，梳齒17a1及17b1可超出表面65。因此，e3 ＞ e1。圖7亦繪示介電層7及基底底材9。如同圖1或圖2的第一實施例，圖7未繪示捕捉層。
圖8繪示依照本發明第一實施例之第二變化例的彈性波元件61之左軸為諧波電導G (以dB為單位)且右軸為諧波導納Y (以dB為單位)，二者作為頻率(以MHz為單位)之函數的圖。
如同圖6之變化例，模擬顯示若梳齒未達壓電層的上表面，則頻譜純度及共振品質相對於圖3所示模式有所提高。與電極完全填滿腔體時相比，此模式的耦合效果也較佳。此外，圖7顯示出，由於邊界條件的原因，針對該模式67，電極的梳齒17a1及17b1會同步振動，如同圖3及圖6所示之模式31及59。
圖9概要繪示依照本發明第二實施例之彈性波元件71之一部分的剖面圖。彈性波元件71與第一實施例之彈性波元件1具有相同結構且使用相同材​​料，除了指叉梳狀電極的梳齒73a1及73b1被定位成讓每個梳齒兩側的極化方向相同，但針對不同電極的梳齒73a1及73b1，相鄰極化域的極化方向不同。因此，第一電極15a之梳齒73a1位於第一極化域75a1的中間，第二電極15b之梳齒73b1位於具相反極化方向之第二極化域75b1的中間。在此實施例中，梳齒被定位在極化域中央，在一變化例中，梳齒亦可被定位在極化域中央之外。圖9亦繪示介電層7及基底底材9。如同圖1或圖2的第一實施例，圖9未繪示捕捉層。
在此實施例中，梳齒73a1及73b1的厚度e3大於極化域75a1及75b1的厚度e1。根據其變化例，e1亦可等於或小於e3。此外，如同圖5所示第一實施例之第一變化例，電極73a1及73b1亦可被定位在極化域75a1及75b1的凹槽中，且不向壓電層5及介電層7之間的交界面77延伸。
梳齒73a1及73b1的寬度a約為極化域75a1及75b1兩個部分之寬度a2_1及a2_2總和的一半。在其他變化例中，寬度 a 的值可在寬度a2_1及a2_2 總和的40%至60%之間。
圖9下半部繪示一振動模式。此實施例透過如上述第一實施例之模擬而獲得，但針對彈性波元件71之單元，其極化域寬度為1 μm，且取向為LiTaO3(YXl)/42°及(YXl)/222°，且基底底材為矽(111)。對於矽的其他取向，可觀察到大致相同的結果。因此，機械間距pe為3µm，用於模擬的單元寬度為6µm。該模式振動的波長λ等於電極的機械間距pe。
圖10繪示針對取向(YXl)/42°及(YXl)/222°之左軸為諧波電導G (以dB為單位)且右軸為諧波導納Y (以dB為單位)，二者作為頻率(以MHz為單位)之函數。相對於其他振動模式，此處只看到一個非常明顯的振動模式。
該模式出現在約1.3 GHz，其可在諧波導納Y (參見編號81)及諧波電導G (參見編號83)中看到。該些模擬顯示，針對所觀察的模式，電極的運動始終為同相(in phase)。等效相位速度(equivalent phase velocity)為7.8 km.s-1，因此接近於同類型POI 底材但沒有交替相反極化域時剪切模式速度的兩倍。
該些模擬亦顯示，厚度e3 ＞ e1時，該模式的頻譜純度相對於較低厚度時有所提高。
圖11概要繪示依照本發明第三實施例之彈性波元件91之一部分的剖面圖。彈性波元件91與第一實施例之彈性波元件1具有相同結構且使用相同材​​料，除了第一指叉梳狀電極的梳齒93a1、93a2被定位成使得極化域3a1及3b1的極化方向分別與每個梳齒93a1、93a2兩側上的3b1及3a2相反，同時第二電極的梳齒93b1、93a2被定位成使得該梳齒兩側的極化方向相同。事實上，梳齒93b1被設置在極化域3b1的中間，且梳齒93b2被設置在極化域3a2的中間。如同極化域3a2，此處僅繪示第一極化域3a1之一部分，以便在單元之開始及結束處找到相同的邊緣條件(edge conditions)。圖11亦繪示介電層7及基底底材9。如同圖1或圖2的第一實施例，圖11未繪示捕捉層。
圖12繪示依照本發明第三實施例之兩個彈性波元件實施例之諧波電導G及諧波導納Y的圖(分別位於上下圖中)。兩個實施例的差異在於電極受到不同的電位配置(potential schemes)。這些配置繪示在圖12的每個圖表上方，透過電極梳齒上標註的「+」及「-」符號來表示。
如上文第一實施例所述，針對彈性波元件91之單元進行模擬，其中單元寬度為6 μm，電極寬度為750 nm，且極化域寬度相等。該結構的重複週期為6 µm。LiTaO3的取向為(YXl)/42°及(YXl)/222°，且基底底材9為矽(111)。對於矽的其他取向，可觀察到大致相同的結果。
圖12的第一圖表繪示針對取向(YXl)/42°及(YXl)/222°之左軸為諧波電導G (以dB為單位)且右軸為諧波導納Y (以dB為單位)，二者作為頻率(以MHz為單位)之函數。這些結果為向梳齒93a1、93b1、93a2及93b2施加交替+V/-V電位而獲得，如圖12第一圖表上方所示。
在導納及電導中出現幾種模式。詳言之，模式951的諧波導納Y在約600 MHz處出現，模式952的諧波電導G在約2 GHz處出現，模式953在約3 GHz處出現，且模式954在約4 GHz處出現。
該模擬顯示，模式951為瑞利模式，其相位速度為約3600 m.s-1。在約2及3 GHz的其他貢獻雖有較大輻射損失，但其相位速度更高。
第二模式952具有輻射損耗，其品質因數Q＜100，對應於電極梳齒的剪切波及振動模式的組合。
在約3 GHz處的第三貢獻953的有效相位速度為約18km.s-1，且表現出比模式952更小的損耗，其亦為如圖11所示電極梳齒的剪切波及振動模式的組合。
在約4 GHz處的第四貢獻954具有約24km.s-1的有效相位速度，且該模擬顯示出電極中的完整波長。此為二階電極振動模式(second-order electrode vibratory mode)。
圖12的第二圖表 (第一圖表下方)繪示針對取向(YXl)/42°及(YXl)/222°之左軸為諧波電導G (以dB為單位)且右軸為諧波導納Y (以dB為單位)，二者作為頻率(以MHz為單位)之函數。這些結果係透過將+V電位施加至梳齒93a1及93a2’且將–V電位施加至梳齒93b1及93b2’而獲得，如圖12第二圖表上方所繪示。在導納及電導中出現三種模式，但與前述實施例相比頻率不同。詳言之，模式971的諧波導納Y在約1.5 GHz處，模式972在約2.5 GHz處，模式973在約3.15 GHz處。
在1.5 GHz處的模式971具有約9 km.s-1的有效相位速度，其幾乎位於SSBW頻率的交會點。透過增加質量可進一步改善其損耗表現。該模擬顯示，此為電極梳齒的振動模式及常規剪切波之間的組合。根據模擬結果，該四個電極中可能僅有兩個明顯有助於共振。
在2.5 GHz處的第二模式972具有接近15 km.s-1的有效相位速度，為一種在電極處產生的反對稱剪切模式，所有電極皆同相振動。事實上，如上所述，僅兩個電極實際上有助於電響應。根據模擬結果，極有可能只有位於兩個相反極化域之間的電極才能對共振產生實際作用，其餘兩個電極的電荷應處於平衡狀態。
在3.15 GHz處的模式973具有接近20 km.s-1的有效速度，其為該電極梳齒的振動模式，如圖11底部所繪示。
採用此類結構可能具有優勢，特別是在透過粗略濾波來強化特定模式貢獻的情況下，或用於頻率源應用中，實際上只需使用頻譜中的有限區段。也就是說，電子系統在使用該元件時，會以某種方式對頻譜進行濾波。此處所提出之解決方案的優點再次體現在能夠實現電響應的操作頻率明顯高於習知非極化材料所能達到的頻率。
在該第二實施方式中，使用另一類型的指叉電極對，如圖13所示。在此情況下，具有相同電位的兩個梳齒被直接相鄰設置，然後是具有相反電位的兩個梳齒亦直接相鄰設置。因此，電極15a’具有梳齒13a1’及13a2’、13a3’及13a4’、13a5’及13a6’，電極15b’具有梳齒13b1’及13b2’、13b3’及13b4’、13b5’及13b6’。
根據一變化例，一控制電路可被組構成將電極的設置從如左上角所示組構變更為如右上角所示組構，例如透過使用如圖14所示之開關進行。
圖14繪示具有開關153a、153b、153c及153d的第一電極151，其位於具有開關157a、157b、157c及157d的第二電極155之前。開關153a、153b、153c及153d被組構成可分別經由梳齒159a、159b、159c及159d而與電極151接觸或不接觸。同樣地，開關157a、157b、157c及157d被組構成可分別經由梳齒159a、159b、159c及159d 而與電極155接觸或不接觸。因此，可透過單一元件產生如圖12左上角及右上角所示之電位施加配置。優選為採用切換方式，以避免該些電極之間的短路。圖14左側繪示梳齒159a至159d，其中電位在各個梳齒之間交替變化。在圖14右側，兩個相鄰梳齒，即159a及159b，以及159c及159d，具有相同的電位。
電極151及155亦可用於其他實施例之組構中，使得可變更電激發配置。
圖15繪示用於製造本發明一實施例之彈性波元件(尤其是第一實施例之彈性波元件)之方法的步驟圖。該方法從步驟101開始，提供一壓電材料，尤其是鐵電材料。
該步驟可包括提供塊狀底材，例如單晶壓電材料製之晶圓，或者提供複合底材11，該複合底材11包括壓電材料3的壓電層5、介電層7 (例如氧化矽層)及基底底材9 (例如矽製基底底材，例如矽(100)、矽(110)或矽(111)，或石英)。
層3之壓電材料為單晶鉭酸鋰LiTaO3或單晶鈮酸鋰LiNbO3。亦可使用如上文定義的其他壓電材料。
針對鉭酸鋰(LiTaO3)，依照標準IEEE Std-176版IRE 1949定義，層3之第一極化域3ai之第一極化方向13a的結晶取向優選為(YXl)/θ，其中所選θ角的值在30°至110°之間。因此，依照標準IEEE Std-176版IRE 1949，層3之第二極化域3bi之第二極化方向13b的結晶取向為 (YXl)/θ+180°。透過保持梳齒與極化域平行，也可以考慮將極化域設置於正交平面上，即相對於上述所描述的情況，採用(YXlt)/θ/90°及(YXlt)/θ+180°/90° 的配置。
針對鈮酸鋰(LiNbO3)，依照標準IEEE Std-176版IRE 1949定義，層3之第一極化域3ai之第一極化方向13a的結晶取向優選為(YXl)/θ，其中所選θ角的值在-40°至+110°之間，優選為-10至+50°之間。因此，依照標準IEEE Std-176版IRE 1949，層3之第二極化域3bi之第二極化方向13b的結晶取向為 (YXl)/θ+180°。
此種複合底材11可透過層移轉方法(例如SmartCutTM法)獲得。在SmartCutTM法過程中，離子被植入一供體底材(在此情況下為壓電材料底材)中，以在該供體底材內部產生一弱化區。然後，將該供體底材接合至一基底底材。在此情況下，該基底底材為單晶矽底材，例如矽(100)或矽(110)或矽(111)的底材，並具有原生氧化層或具有熱或化學氣相沉積(「CVD」)或物理氣相沉積(「PVD」)氧化矽。該氧化物層有利於兩種底材的接合，尤其是透過分子鍵合的接合。矽平面相對於壓電層平面的取向可被選定，以將高於基本階模式(higher-than-fundamental order mode)減少甚至最小化。
根據一變化例，在形成氧化物之前，先在基底底材上產生一捕捉層。該捕捉層通常為多晶矽層，其主要功能是在矽與氧化層交界面之間，當聲電波(acoustoelectric wave)通過時，使所產生電荷的平均自由路徑最小化。
一旦兩個底材接合在一起，則機械能及/或熱能的供應會導致弱化區域斷裂。因此，厚度為1 μm或更小的層可被移轉至基底底材上。
然後在步驟103期間，透過使用本領域技術人員已知之微影、蝕刻、沉積及視需要的研磨步驟，可在壓電材料上製造該對指叉梳狀電極，以獲得第一實施例之彈性波元件。
透過在微影步驟期間調整光罩及光罩對準，步驟103之方法可適用於上述其他實施例。
然後，在步驟105期間，施加比壓電材料(尤其是鐵電材料)的矯頑力場更強的電場，以產生週期性交替、具有相反極化方向的第一極化域及第二極化域。所施加的電場必須高於22 kV.mm-1，其代表鈮酸鋰及鉭酸鋰通常可測得的矯頑力場。
因此，該對指叉梳狀電極之梳齒，亦可用於製造相反極化域的結構。
為了實現第二實施例及第三實施例，在步驟103之前進行步驟105即可，透過使用電極產生平行頻帶(parallel bands)形式的電場，最好垂直於壓電材料表面。
此種方法舉例而言在 Thorlabs的「Periodically Poled Lithium Niobate (PPLN) – Tutorial」，第686至687頁(可在 www.thorlabs.com上查閱)中有所描述，其使用圖案化電極，然後將其移除。其他替代方案則使用電子束，可參考文獻：C. Restoin, C. Darraud-Taupiac, J. L. Decossas, J. C. Vareille, J. Hauden and A. Martinez: “Ferroelectric domain inversion by electron beam on LiNbO3 and Ti: LiNbO3” Journal of Applied Physics, 88:6665–6668, 2000，或M. Yamada and K. Kishima: “Fabrication of periodically reversed domain structure for SHG in LiNbO3 by direct electron beam lithography at room temperature”, Electronics Letters, 27:828–829, 1991。
1, 51, 61, 71, 91, 111:彈性波元件3:壓電材料3a1~3aj, 75a1:第一極化域3b1~3bj, 75b1:第二極化域5:壓電層7:介電層9:基底底材11:複合底材13a:第一極化方向13b:第二極化方向13a1’~13a6’, 13b1’~13b6’, 17a1~17a3, 17b1~17b3, 73a1, 73b1, 93a1, 93a2, 93a2’, 93b1, 93b2, 93b2’, 159a~159d:梳齒15a, 15a’, 15b, 15b’:指叉梳狀電極19a, 19b:導電條21:供應裝置31, 33, 35, 37, 41, 43, 59, 67, 81, 83, 951~954, 971~973:模式53a, 53b:凹槽55a, 55b, 57, 63a, 63b, 65:表面77:交界面151:第一電極153a~153d:第一開關155:第二電極157a~157d:第二開關a, a2_1, a2_2:寬度d:週期方向e1, e2, e3:厚度n:表面法線pe:機械間距pf:極化域間距
透過閱讀以下以非限制性的描述並結合所附圖式，將更能理解本發明內容及其他優點，其中：
圖1概要繪示依照本發明第一實施例之彈性波元件。
圖2概要繪示依照本發明第一實施例之彈性波元件之一部分的剖面圖及其剪切模式的圖。
圖3繪示依照本發明第一實施例之彈性波元件之諧波電導G及諧波導納Y的圖。
圖4繪示依照本發明第一實施例之彈性波元件的兩個不同厚度介電層之諧波電導G及諧波導納Y的圖。
圖5概要繪示依照本發明第一實施例之一變化例的彈性波元件111之一部分的剖面圖。
圖6繪示依照本發明第一實施例之變化例的彈性波元件的三個不同厚度梳齒之諧波電導G及諧波導納Y圖。
圖7概要繪示依照本發明第一實施例之第二變化例的彈性波元件之一部分的剖面圖。
圖8繪示依照本發明第一實施例之第二變化例的彈性波元件的三個不同厚度梳齒之諧波電導G及諧波導納Y圖。
圖9概要繪示依照本發明第二實施例之彈性波元件之一部分的圖。
圖10為說明依照本發明第二實施例之彈性波元件之諧波電導G及諧波導納Y的圖。
圖11概要繪示依照本發明第三實施例之彈性波元件之一部分的圖。
圖12繪示依照本發明第三實施例之彈性波元件，針對兩種電激發方案之諧波電導G及諧波導納Y圖。
圖13概要繪示用於實現本發明第四實施例之一對交替排列的指叉電極。
圖14概要繪示用於實現本發明第四實施例之第二對交替排列的指叉電極。
圖15繪示依照本發明第五實施例製造彈性波元件之方法步驟圖。
1:彈性波元件
3:壓電材料
3a1~3aj:第一極化域
3b1~3bj:第二極化域
5:壓電層
7:介電層
9:基底底材
11:複合底材
13a:第一極化方向
13b:第二極化方向
15a,15b:指叉梳狀電極
17a1~17a3,17b1~17b3:梳齒
19a,19b:導電條
21:供應裝置
a:寬度
d:週期方向
e1,e2,e3:厚度
n:表面法線
pe:機械間距
pf:極化域間距

Claims (15)

  1. 一種彈性波元件，尤其是剪切波元件，包括一壓電材料(3)，尤其是一鐵電材料，其具有一第一極化方向(13a)的多個第一極化域(3a)和一第二極化方向(13b)的多個第二極化域(3b)，該第一極化方向(13a)與該第二極化方向(13b)相反，其中該些第一及第二極化域(3a, 3b)沿著一週期方向(d)週期性交替，該週期方向垂直於該壓電材料(3)之表面法線(n)，及一對指叉梳狀電極(15a, 15b)其各自的梳齒(17a1~17a3，17b1~17b3)主要垂直於該週期方向(d)及該表面法線(n)而延伸，且該些梳齒(17a1~17a3，17b1~17b3)被設置成至少部分，最好全部，埋置在該壓電材料(3)中，且其中該些梳齒被設置成每個梳齒兩側的極化方向相同，使得不同電極梳齒的極化方向不同。
  2. 如請求項1之彈性波元件，其中該些梳齒(17a1~17a3，17b1~17b3)爲週期性排列。
  3. 如請求項1或2之彈性波元件，其中該壓電材料(3)係以一層(5)的形式設置在一基底底材(9)上，該層(5)的厚度 (e1)小於波長(λ)，優選小於λ/2，更優選小於λ/4，該基底底材(9)爲矽、非晶或多晶矽、氧化矽、碳化矽、藍寶石、氮化矽、氮化鋁、石英、碳、鑽石、釔鋁石榴石(Yags)、釔鐵石榴石(Yigs)，或LiNbO3及/或LiTaO3底材。
  4. 如請求項3之彈性波元件，其中一介電層(7)，尤其是一層氧化矽、氮化矽、Ta2O5、ZrO2、HfO2、SiON、多晶矽或這些材料之組合，被設置在該壓電材料層(5)及該基底底材(9)之間，該介電層(7)的厚度優選小於該波長(λ)且/或介於200 nm至2 µm之間。
  5. 如請求項3或4之彈性波元件，其中一捕捉層，尤其是一層多晶矽或多晶氮化鋁或SiOCH，被設置在該壓電材料(3)及該基底底材(9)之間，或設置在該介電層(7)及該基底底材(9)之間，該捕捉層的厚度優選在300 nm至2 µm之間。
  6. 如請求項3至5任一項之彈性波元件，其中該些梳齒從與該基底底材(9)或該介電層(7)的交界面(21)在該壓電層(5)的區域之間延。
  7. 如請求項3至6任一項之彈性波元件，其中該些梳齒的厚度至少等於或小於該壓電材料(3)之層(5)的厚度。
  8. 如請求項1至7任一項之彈性波元件，其中該些指叉梳狀電極(15a, 15b)的梳齒寬度(a)爲該些極化域(3a, 3b)寬度的40%至 60%之間，優選爲該些極化域寬度的50%，且/或爲至少280 nm，優選爲至少350 nm。
  9. 如請求項1至8任一項之彈性波元件，其中該壓電材料(3)係選自LiTaO3、LiNbO3、ABO3型鈣鈦礦(尤其是KnbO3及PbTiO3)、PZT、PMnPt、或 AlScN當中至少一者。
  10. 如請求項1至9任一項之彈性波元件，其中一第一電極(151)包括多個第一開關(153a, 153b, 153c, 153d)，且一第二電極(155)包括多個第二開關(157a, 157b, 157c, 157d)，該些第一開關(153a, 153b, 153c, 153d)被組構成能夠分別接觸或不接觸梳齒(159a, 159b, 159c, 159d)，且該些第二開關(157a, 157b, 157c, 157d)被組構成能夠分別接觸或不接觸梳齒(159a, 159b, 159c, 159d)，以形成該對指叉梳狀電極。
  11. 如請求項1至10任一項之彈性波元件，其包括一供應裝置(21)，其被組構成向該對指叉梳狀電極(15a, 15b) 提供頻率至少 2 GHz，最好至少 6 GHz ，的射頻訊號。
  12. 如請求項1至11任一項之彈性波元件，其中該對指叉梳狀電極是與該壓電材料接觸的唯一導電元件。
  13. 如請求項1至12任一項之彈性波元件，其除了該對指叉梳狀電極外沒有任何其他電極元件，詳言之沒有任何浮動電極。
  14. 一種使用如請求項11之彈性波元件之聲電裝置，尤其是一濾波器、感應器或延遲線，其操作頻率爲2 GHz或更高，優選爲6 GHz或更高。
  15. 一種用於製造如請求項1至13任一項之彈性波元件之方法，包括以下步驟：提供一壓電材料，尤其是一鐵電材料，製造該對指叉梳狀電極，使其至少部分，最好全部，埋置在該壓電材料(3)中，以及施加比該壓電材料之矯頑力場更強的一電場，尤其是更強至少十倍，以產生週期性交替且具有相反極化方向之該些第一及第二極化域。
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