TWI241065B - Surface acoustic wave filter implementing diamond and microwave micro-strip line - Google Patents

Description

—mt065 、 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明係有關於一種表面聲波濾波器（Surface Ac〇ustic Wave filter; SAW Filter)。特別是有關於一種利用鑽石（Diam〇n幻 層或類鑽碳(Diamond like Carbon)層之高聲速及優越之震動 性，結合微波帶線(Microwave Microstrip line)及交叉指狀 電極轉換器（Interdigital Transducers; IDTs)形成之表面簦 波濾波器。 【先前技術】 不近年來隨著社會的高度資訊化，各種無線通訊系統的迫切 需求與快速地成長，輕、薄、短、小的通訊系統及設備研發， 為一很重要的課題。傳統的濾波器體積大、重量重，不易於積 體化；而平面濾波器則可以解決這些問題。表面聲波(Surface Acoustic Wave，SAW)濾波器具有較小尺寸和較輕重量的特 性；然而以石英（Quartz)、鈮酸鋰(LiNbOO、鈕酸鋰(LiTa〇3)、 氮化銘(A1N)、氧化鋅(Zn〇)等壓電材料製作之平面濾波器，其 使用頻率一般均低於lGHz(l//m IDTs)，為了達到高於1GHz 的使用頻率，則就需要較高的機電耦合係數及高速的表面傳播 速率。 表面聲波濾波器元件是在壓電基板或壓電薄膜上製作交 指叉狀電極轉換器電極，當輸入端的IDTs加上交流訊號後， 在兩電極之間會產生交變電場，電場下方的壓電體因逆壓電效 應而產生應變（Strain)，進而激發出表面聲波，經由壓電材 料，面傳遞，再由輸出端IDTs的正壓電效應將聲波訊號轉為 電氣訊號輸出。由於表面聲波元件的振動範圍僅在壓電基板的 表面附近，因此也可以在半導體基板上濺鍍一層壓電薄膜（如 AIN、ZnO)，如此可達到表面聲波元件的積體化。 1241065 二般而言，表面聲波濾波器因雙向傳輸損失、電極阻抗不 匹配損失、基板傳輸損失、體波干擾、波束散佈損失、IDTs 上的寄生電阻、延遲傳輸線之散射電容等因素，而造成表面聲 波/慮波裔之插入損失大；由於表面聲波濾、波器的中心頻率，取 決於交叉，狀兩電極間的距離及壓電元件材料本身被激勵而 產生，面聲波的相速度(vs=又f)。所以想使表面聲波濾波器在 GHz範圍的高頻工作，那就是縮小交叉指狀兩電極間的距離或 選擇使用表面聲波之相速度較快的壓電材料，若以128。Y-cut LiNb〇3之壓電材料為基板，當要在GHz範圍的高頻工作時，那 麼設計IDTs電極之間距，則必須小於丨以下的尺寸才能達 成。因此若要提升表面聲波濾波器特性的方法，可根據如下的 方法，即可輕易達到lGHz以上的工作頻率，並有效減少其插 入損失與增加其頻寬。 、抑因此本發明乃針對先前技術之缺點，提出一種表面聲波濾 波器，具有高效率、低損失、高功能，使濾、波器之體積最小化: 而其響應表現最佳化。 【發明内容】 本發明之目的在提供一種表面聲波濾波器，利用鑽石層或 麵碳層之高聲速及優越之震動性，結合微麟帶線與交又指 狀電，轉換H ’使微波與表面聲波交互制，以提高工作頻率 声戍目λ在提供—種表面聲波遽波器，利用鑽石 廣iff層南讀電壓及零溫度效應及微波微帶線與交 叉才曰狀電極轉換器耦合，以降低插入損失。 導體ΐίΓ目的在提供—種表面聲波誠器，利用與半 i之製程，並可與主動元件製條同—基板上，利 f衣成早石微波積體電路MMIC (Monolithic MiCrowave ntegrated Circuit)元件，大幅度地簡化元件的體積與面 1241065 積’並有效地降低其製作成本。 為達成上述目的及其他目的，本發明 表面聲波濾、波n 鑽石層或_碳層之“ Ϊ性二ίί微波微帶線及交叉指狀電極轉換器形成，至少包 έ · 一塊基板，其上有微波電路，·一層錯展 ί上傳，用^龍鶴:形成;^石^ • 益電效應，—組微帶線開迴路譜振器（c〇upled microstrip square open-loop resonat〇rs)及交 電Ϊf上，微帶線開迴路_器在輸入端两 個相對，』以父叉才曰狀電極#合。輸出端亦两個相對，立間 亦以交叉指狀電極耦合；-伽金屬薄膜，形成於背面， 作接地用之用。. 胃 =本發明之以上及其他目的及優點參考以下之參照圖示及 最佳實把例之說明而更易完全瞭解。 【實施方式】 參考第1圖，第1圖係顯示依據本發明之實施例具有鑽石 層結構之微波微帶線與表面聲波IDTs交錯耦合之濾^器構造 透視圖。在矽（Si)基板或GaAs基板102上以微波化學氣相 沉積(Microwave CVD)形成10//m至30//m(較佳為2〇 厚之 鑽石層（或類鑽石層）104，然後再於鑽石1 〇4上以射頻濺鍍(RF Sputter)方式，形成〇· 5//m至3//m(較佳為1 _)厚之氧^匕辞 ^ZnO)或氮化銘(A1N)作為壓電薄膜106，再鑛上100nm至1〇〇〇 又厚之銘（A1) ’以微影姓刻形成1 //m至10//in寬之方形輕合微 帶線開迴路諧振器108與0· 1 //m至5寬，及與寬度相等之 間隔之表面聲波交叉指狀電極轉換器11〇，形成微波微帶線與 表面聲波IDTs交錯耦合之濾波器100。微帶線開迴路譜振^ 在輸入端两個相對，其間以交叉指狀電極耦合。輸出端亦两j固 相對’其間亦以交叉指狀電極輕合。開迴路缺口 112為開迴路 1241065 (open-loop)之用。然後沉積一層氧化矽（si〇2)作保護層。最 後於基板背面鍍上一層接地用鋁金屬114。微波輸入116接於 微帶線開迴路諧振器108之一側及接地用的鋁金屬Π4，微波 輸出118接於微帶線開迴路諧振器1〇8另一側及接地用的鋁金 屬 114。 本發明之表面聲波濾波器之鑽石層（或類鑽石層）同時具 有高聲速及優越之震動性，並結合微帶線及交叉指狀電極。使 表面聲波濾波器之工作頻率得以提高。本發明之表面聲波濾波 器亦具有高崩潰電壓、零溫度效應係數及散熱快等優點，如表 1所示。 另外，由於當表面聲波元件在微波頻率領域工作時，其交 叉指狀電極轉換器在微波頻率範圍内又可被視為電磁微波的 集總（lump)元件，所以這些元件同時擔任著兩種不同機制的不 同角色，因此在壓電材料基板(substrate)上，其表面聲波與 材料結構 性能參數 Vs(m/s) K2(°/〇) TCD(l(T6/k) 南聲速 ZnO/AhOa 5500 4.6 43 薄膜 S i O2/ZnO/D i amond 11600 1.2 0 LiNb〇3/Diamond 11900 9.0 -25 微波範圍電磁波之間，將會產生相互關係與交互作用，使工作 頻率、頻寬大幅提高，並使插入損失降低。 參考第2圖，第2圖係顯示依據本發明之實施例具有鑽石 層結構之微波微帶線與表面聲波IDTs交錯耦合組合而成的濾 1241065 波器之頻率響應S參數(Sll，S2l)圖。以網路分析儀量測表面聲 波濾波器之頻率響應S參數(Su，^)，得到一頻寬甚大之濾波 器，其中心頻率提升至1GHZ範圍，插入損失（inserti〇n丨^幻

由原來的一 3· 987dB減少至一2· %2dB，頻寬由原來的 1ΜΗζ(1·6%)擴增為800MHz(80%)如表2所示。表2之SAW filter(16//m 42對IDTs)於壓電材料基板背面無鍍上一層接 地用的鋁金屬，為一微波微帶線與表面聲波IDT 合而成_波器。所以只要將織微帶線與表面^皮錯=、、且 當杳將调度地提昇表面聲波濾、波器 的射頻元件，繼姆«崎質好 所以我們只要將微帶線與表面聲波 的電路設計組合，將可大幅度地提昇表 ^^^田 件，及發展有特殊意義與用途的高附質好的賴元 表2 20.191 dB 插入損失 S2i (dB) ——-- 頻寬 Band Width -3· 987 dB 1 MHz (1.6¾) -2. 962 dB 800 MHz (80°/〇) 損失減少 大幅度增加

No. 3光罩之電路 一中心 Central Freq. 製作於LiNb〇3基板 SAW filter 61.00 MHz (16//m 42 對 IDTs) Microwave & 1.064 GHz SAW filter 比較 提高至 GHz範圍 反射損失 Sn (dB)

25. 212 dB 損失減少 124ΐ〇ύ5 目前可用來製作表面聲波的壓電薄膜，主要有氧化 (ΖηΟ)、氮化鋁（Α1Ν)等壓電薄膜及鑽石或類鑽碳（DLC)薄 膜上成長氧化辞（Si〇2/ZnO /Diamond/Si)壓電薄膜。氧化辞 (ZnO)和氮化鋁（A1N)壓電薄膜的聲速為目前通訊產業常用 壓電晶體材料平均聲速的1· 5倍左右，鑽石或類鑽;g炭（DLC) 薄膜上成長氧化辞壓電薄膜則高達3倍左右。以三種不同頻 的產品（ 900MHz單頻手機、1800MHz/l900MHz雙頻手機、' 2400MHz衛星系統及3G手機）為例，製作這三種頻率表面聲 波濾波器所要求的IDTs線寬技術分別列於表3。可知品質絕 佳的鑽石結構配合控制適當的氧化鋅薄膜厚度，可輕易g^到 上列的濾波頻率，如此不僅大幅度地減輕了表面聲波元件對 術設備的需求，也為表面聲波元件迫切高頻化的發展趨勢奠定 了基礎。以目前國外最先進的0.13#m線寬技術為例，、用 Si〇2/ZnO/Diamond/Si壓電薄膜，可產生頻率高達2〇GHz以 的表面聲波濾波器。 表3

藉由以上較佳之具體實施例之詳述，係希望能更加清 述本創作之特徵與精神，而並非以上述所揭露的較 : 來對本發明之範圍加以限制。相反的，其目的是希望^涵 種改變及具相等性的安排於本發明所欲申請之專利範圍内。 11 1241065 ^ 【圖式簡單說明】 第1圖係顯示依據本發明之實施例具有鑽石層結構之微波微帶 線與表面聲波IDTs交錯耦合之濾波器構造透視圖。 第2圖係顯示依據本發明之實施例具有鑽石層結構之微波微 帶線與表面聲波IDTs交錯耦合之濾波器之頻率響應S參 數(Su，S21)圖。 【主要元件符號說明】

100微波微帶線與表面聲波IDTs交錯耦合之濾波器 102矽基板或GaAs基板 104鑽石層（或類鑽石層） 106壓電薄膜 108微帶線開迴路諧振器 110交叉指狀電極轉換器 112開迴路缺口 114接地用的鋁金屬 116微波輸入 118微波輸出

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Claims (1)

1241065 十、申請專利範圍： 1· 一種表面聲波濾、波裔’利用鑽石（Diamond)層或類鑽碳 (Diamond Like Carbon，DLC)層之高聲速及優越之震動性，結合 微波微帶線(Microwave Microstrip line)及交又指狀電極轉換器 (Interdigital Transducers; IDTs)形成，至少包含： 一塊基板，其上有微波電路； 一層鑽石層薄膜，形成於基板上，作震動及聲波傳送之用； 一層壓電薄膜，形成於鑽石層上，產生壓電效應； 一組微帶線開迴路諧振器（coupled miCIOStfip SqUai^e open-loop resonators)及交叉指狀電極轉換器（Interdigital Transducer, IDTs)，形成於壓電薄膜上，微帶線開迴路諧振器在 輸入端两個相對，其間以交叉指狀電極耦合。輸出端亦两個相對， 其間亦以交叉指狀電極耦合； 一層鋁金屬薄膜，形成於基板背面，作接地用之用。 2·如申請專利範圍第1項之表面聲波濾波器，其中該基板為 矽(Si)基板。 … 3·如申請專利範圍第1項之表面聲波濾波器，其中該基板為 石申化鎵(GaAs)基板。 ' 4·如申請專利範圍第1項之表面聲波濾波器，其中該鑽石層 薄膜可為類鑽碳(Diamond Like Carbon, DLC)取代。 5·如申請專利範圍第1項之表面聲波濾波器，其中該鑽石層 薄膜之厚度為10//m至30；^，較佳為2〇。 13 1241065 6·如申明專利範圍第！項之表面聲波滤波器，其中該壓電薄 膜為氧化辞(ΖηΟ)。 7·如申請專利範’丨項之表面聲波雜器，其中該壓電薄 膜為氮化鋁(Α1Ν)。 8·如申明專利範圍第1項之表面聲波遽波器，其中該壓電薄 膜之厚度為0.5//m至3_，較佳為1//m。 9·如申請專利範圍第1項之表面聲波濾波器，其巾該微帶線 開迴路諧振器為正方形。 10·如申凊專利範圍第（項之表面聲波慮波器，其中該微帶線 開迴路諧振器為長方形。 U·如申请專利範圍第1項之表面聲波滤波器，其中該微帶線 開迴路諧振器之寬度為丨。 12·如申請專利範圍第1項之表面聲波滤波器，其中該交分 狀電極之寬度為0.1⑽至^^ q 13. 如憎專纖圍第丨奴麵較舰器，射該交 狀電極之間隔與寬度相等。 曰 14. 如申請細刪丨奴表鱗麟㈣，其巾該微 開迴路譜振ϋ及蚊雜電極魏器為齡屬薄膜。