用于表面声波器件的混合结构及相关的制造方法与流程

本发明涉及表面声波器件领域。本发明尤其涉及适用于制造表面声波器件的混合结构。

背景技术：

诸如表面声波(saw)器件的声谐振器的结构使用在压电基板上生产的一个或更多个叉指换能器，以便将电信号转换成声波，并且反之亦然。这样的saw器件或谐振器通常用于滤波器应用中。射频(rf)saw技术提供了出色的性能(诸如，高隔离度和低插入损耗)。由于该原因，在无线通信应用中rfsaw技术用于rf双工器。

rfsaw器件性能的提高尤其是通过获得相对于温度稳定的频率响应来实现的。saw器件的工作频率相对于温度或频率温度系数(tcf)的依赖性一方面取决于换能器的叉指电极之间的间距的变化(所述变化通常是由于所使用的压电基板的相对高的热膨胀系数(cte)造成的)；另一方面，因为压电基板的膨胀或收缩伴随着表面声波速度的增大或减小，所以tcf取决于速度温度系数。为了使频率温度系数(tcf)最小化，因此一个目的是使压电基板(尤其在供声波传播的表面区域中)的膨胀/收缩最小化。

k.hashimoto，m.kadota等人的文章“recentdevelopmentoftemperaturecompensatedsawdevices”，ieeeultrason.symp.2011,79页至86页,2011概述了通常用于克服saw器件的频率响应相对于温度的依赖性问题的方法。

一种有利的方法在于使用混合基板(例如，由位于硅基板上的压电材料层组成的混合基板)。硅的低cte可以限制压电层关于温度的膨胀/收缩。在钽酸锂(litao3)的压电层的情况下，上述文章指出，litao3的厚度与硅基板的厚度之比为10可以适当地提高频率温度系数(tcf)。这种方法的缺点之一是存在寄生声波(在b.p.abbott等人的文章“characterizationofbondedwaferforrffilterswithreducedtcf”proc.2005ieeeinternationalultrasonicssymposium,sept19-21,2005,pp.926-929中称为“杂散声模式”)，所述寄生声波对混合基板上生产的谐振器的频率特性具有负面影响。这些寄生谐振尤其与下面的界面(尤其包括litao3与硅之间的界面)上的主声波(该主声波主要在litao3层的表面区域中传播)的寄生反射相关。减少这些寄生谐振的一种解决方案是增大litao3层的厚度；因为这还需要增大si基板的厚度以便保持tcf的改善，所以混合基板的总厚度不再与尤其是为了满足移动电话市场的需求而提出的最终组件厚度减小要求兼容。k.hashimoto等人(上述文章)提出的另一解决方案是使litao3层的下表面(在与基板的结合界面处)变粗糙，以限制声波在该下界面上的反射。

发明目的

本发明的一个目的是提供一种针对现有技术的解决方案的另选解决方案。本发明的一个目的尤其是提供一种混合结构，该混合结构使得能够减小和/或消除所述寄生声波。

技术实现要素：

本发明涉及一种用于表面声波器件的混合结构，所述混合结构包括：压电材料的工作层，所述工作层与支撑基板组装，所述支撑基板的热膨胀系数比所述工作层的热膨胀系数低；以及中间层，所述中间层位于所述工作层与所述支撑基板之间。所述混合结构的显著之处在于，所述中间层是由至少第一材料和第二材料的粉末形成的烧结复合层，所述第二材料与所述第一材料不同。

根据本发明的、单独或组合获得的有利特征：

·所述第一材料的声阻抗与所述工作层的声阻抗类似；所述工作层的声阻抗与所述第二材料的声阻抗之比大于2；并且所述第一材料和所述第二材料的所述粉末的颗粒的平均大小大于或等于打算在所述表面声波器件的表面处传播的声信号的波长的四分之一。

·所述第一材料和所述第二材料被选择成在所述工作层与所述支撑基板之间形成声阻抗匹配层；所述第一材料和所述第二材料的所述粉末的颗粒的平均大小小于打算在所述表面声波器件的表面处传播的声信号的波长的四分之一。

·所述支撑基板包括选自硅、玻璃、二氧化硅、蓝宝石、氧化铝、氮化铝的材料。

·所述工作层包括选自钽酸锂(litao3)、铌酸锂(linbo3)、石英、氧化锌(zno)的压电材料。

·所述第一材料和所述第二材料选自氧化硅、氮化硅、硅、碳化硅、氧化铝、锗、蓝宝石、锆。

·所述复合层具有介于几百纳米至几十微米之间的厚度。

本发明还涉及一种制造用于表面声波器件的混合结构的方法，所述方法包括以下步骤：

i)提供压电材料的工作层和支撑基板，所述支撑基板的热膨胀系数比所述工作层的热膨胀系数低；

ii)在所述工作层的第一面上和/或在所述支撑基板的第一面上沉积由至少第一材料和第二材料的粉末混合物形成的层，所述第二材料与所述第一材料不同；

iii)烧结由所述粉末混合物形成的层，以获得牢固地附着至所述工作层的第一面和/或所述支撑基板的第一面的烧结复合层；

iv)组装所述工作层和所述支撑基板，使得所述复合层位于所述工作层与所述支撑基板之间。

根据本发明的、单独或组合获得的有利特征：

·在根据步骤ii)沉积由所述粉末混合物形成的层之前，所述工作层的第一面和/或所述支撑基板的第一面包括保护层。

·所述保护层由选自氮化硅、氮氧化硅、氧化硅和氧化铝的至少一种材料形成。

·所述粉末混合物是粘性糊剂的形式，并且在步骤ii)中沉积由所述混合物形成的层是通过旋涂进行的。

·在沉积由所述粉末混合物形成的层之后进行低温热处理，以便排出所述粘性糊剂的至少一种液体组分。

·在组装步骤iv)之前，在所述烧结复合层上沉积接合层。

·步骤i)中提供的所述工作层是压电材料供体基板。

·所述制造方法包括步骤v)：将所述供体基板减薄至所述工作层的用于制造所述声波器件的期望厚度。

附图说明

参照附图，根据以下详细描述，本发明的其它特征和优点将变得显而易见，在附图中：

图1呈现了根据本发明的混合结构；

表1a呈现了用于形成根据本发明的混合结构的烧结复合层的合适材料的列表；

表1b呈现了用于形成根据本发明的混合结构的工作层的材料的列表；

图2a和图2b呈现了根据本发明的混合结构；

图3呈现了根据本发明的混合结构，包括saw器件；

图4a至图4e呈现了用于制造根据本发明的混合结构的方法。

具体实施方式

在描述性部分中，与附图相同的附图标记可以用于相同性质的要素。附图是示意性表示，为了易读性起见，附图不是按比例绘制的。尤其地，层的沿z轴的厚度相对于沿x轴和y轴的横向尺寸不成比例。

本发明涉及一种适用于制造表面声波(saw)器件的混合结构10，混合结构10尤其适用于制造具有在从几十mhz至几十ghz范围内的频率的器件。

如图1所示，根据本发明的混合结构10包括压电材料的工作层1，该工作层1具有第一面1a和第二面1b。由于工作层1将用于表面声波器件的后续生产，因此这样命名工作层1。举例来说，混合结构10的工作层1可以由选自以下组的材料构成：钽酸锂litao3(表1b中的lto)、铌酸锂linbo3(表1b中的lno)、氮化铝aln(表1b)、氧化锌(zno)。

混合结构10还包括位于工作层1下方(沿图1所示的z轴)的中间层3。中间层是由至少两种不同材料的粉末形成的烧结复合层3。烧结层应理解为是指由粉末混合物的固结(consolidation)产生的层：这种固结是通过输入热能以及可选的机械能而获得的，但是未熔化混合物的粉状材料中的至少一种粉状材料。因此，可以通过所述层的结构分析(例如，通过扫描电子显微镜)来检测复合层的烧结性质。材料粉末的颗粒或晶粒似乎熔接(weld)在一起，并且复合层的密度取决于在输入能量以进行固结期间混合物的压实程度。

形成烧结复合层3的各种材料的粉末的颗粒具有遵循典型的高斯分布的尺寸。在说明书的其余部分中，颗粒的平均大小将类似于给定材料的颗粒的等效平均直径。颗粒的平均大小通常可以在几十纳米至几微米之间变化。

烧结复合层3尤其可以由至少第一材料和第二材料形成，第一材料和第二材料选自一些性质在表1中示出的氧化硅、氮化硅、硅、碳化硅、氧化铝、锗、蓝宝石、锆。

烧结复合层3可以可选地包括三种或更多种不同材料。

取决于实施方式，烧结复合层3具有介于几百纳米至几微米之间的厚度。

最后，混合结构10包括支撑基板2，该支撑基板2具有比工作层1的热膨胀系数低的热膨胀系数、位于复合层3下方(沿图1所示的z轴)、可以限制工作层1相对于温度的膨胀/收缩(并因此提高将在所述工作层1上生产的器件的频率温度系数)。支撑基板2尤其可以由选自以下组的材料构成：硅、iii-v族半导体、碳化硅、玻璃、蓝宝石。

如图2a和图2b所示，混合结构10优选地包括附加层4，该附加层4位于工作层1的第一面1a上和/或支撑基板2的第一面2a上，并且可能位于支撑基板2的第二面2b上以及所述基板2的边缘上(图2b)。如在用于制造混合结构10的方法的描述中将看到的，这些附加层4尤其具有保护支撑基板2和/或工作层1免受烧结复合层3中所包含的或在所述层3的生产期间存在的杂质的扩散的影响的作用。

根据本发明的混合结构10适用于制造表面声波(saw)器件，所述saw器件尤其包括工作层1上的金属电极20，在金属电极20之间传播声信号(由图3中的白色箭头表示)，在(x,y)平面中，金属电极20靠近工作层1的第二面1b的表面。

根据本发明的混合结构10的第一实施方式，烧结复合层3被构造成使入射声波的扩散最大化，该入射声波是由声信号产生的并且将在工作层1的体积中传播到复合层3。

为此，在由至少第一材料和第二材料的粉末形成的烧结复合层3中，第一材料的声阻抗与工作层1的声阻抗类似。术语“类似”被理解为是指在工作层1的声阻抗值附近具有±20％的最大偏差，并且偏差优选地小于±15％、或者甚至±10％。举例来说，针对由litao3制成的工作层1，第一材料可以是氧化铝，氧化铝的声阻抗(40.6×10⁶pa.s/m)与钽酸锂的声阻抗(44.8×10⁶pa.s/m)大致相同。

此外，将工作层1的声阻抗与烧结复合层3的第二材料的声阻抗之比选择成大于或等于2，以便保证反射系数大于10％。举例来说，如果第一材料是钽酸锂(44.8×10⁶pa.s/m)，则第二材料可以是sio2，sio2的声阻抗为13.2×10⁶pa.s/m，从而可以在复合层3的颗粒之间的界面处获得约为30％的反射系数，并且沿多个方向产生反射(扩散)。

最后，第一材料和第二材料的粉末的颗粒大小大于或等于入射声波波长的四分之一。该特征确保了入射声波可以受到颗粒的影响。例如，针对具有约6微米波长(即，约1ghz的频率)的入射声波，颗粒的平均大小将被选择为约2微米。然后，烧结复合层3具有大于5微米、或者甚至大于10微米的厚度。

如果在工作层1与复合层3之间存在附加层4，则该附加层4的声阻抗将必须接近工作层1的声阻抗，以便限制这两个层之间的寄生反射。针对由litao3制成的工作层1，可以使用例如氧化铝，氧化铝的声阻抗(40.6×10⁶pa.s/m)接近litao3的声阻抗，这导致小于0.5％的反射。

根据第一实施方式的烧结复合层3使得可以沿多个方向扩散入射波，并因此极大地限制了朝向表面声波器件的电极20反射的分量。

根据本发明的混合结构10的第二实施方式，烧结复合层3被构造成使入射声波的传输最大化，该入射声波是由声信号产生的并且将在工作层1的体积中传播到复合层3。

为此，在由至少第一材料和第二材料的粉末形成的烧结复合层3中，第一材料和第二材料被选择成在工作层1与支撑基板2之间形成声阻抗匹配层。形成声阻抗匹配层暗示了复合层3的平均声阻抗大致等于工作层1的声阻抗和支撑基板2的声阻抗乘积的平方根：

应记住，材料的声阻抗z表示为：

z＝v×ρ

其中，v是声波在材料中的速度，ρ是材料的密度。

在复合层3的情况下，考虑了形成复合层3的各种材料的体积分数v1和v2；因此，可以根据下式评估复合层3的声阻抗(在两种材料的情况下)：

z复合层＝(v1×v1+v2×v2)×(ρ1×v1+ρ2×v2)

其中，ρ1和ρ2分别是第一材料和第二材料的密度，v1和v2分别是声波在第一材料和第二材料中的速度。

体积分数v1和v2由复合层3中各种材料的比例来限定。

举例来说，第一材料可以是al2o3，而第二材料是sio2，其分别以65％和35％的比例存在于复合层中。因此，复合层3的阻抗可以是约30×10⁶pa.s/m。

此外，根据该第二实施方式，第一材料和第二材料的粉末的颗粒的平均大小小于入射声波波长的四分之一。该特征确保了入射声波将复合层视为几乎均匀的介质。举例来说，针对具有约7.5微米的波长(即，约800mhz的频率)的入射声波，可以将颗粒的平均大小选择成约0.5微米。烧结复合层3可以具有几微米的厚度。

如果在工作层1与复合层3之间存在附加层4，则该附加层4的声阻抗将必须接近工作层1的声阻抗，以便限制这两个层之间的寄生反射。针对由litao3制成的工作层1，可以使用例如氧化铝，氧化铝的声阻抗(40.6×10⁶pa.s/m)接近litao3的声阻抗，这导致小于0.5％的反射。

如果在复合层3与支撑基板2之间存在附加层4，则该附加层4的声阻抗将必须接近支撑基板2的声阻抗，以便限制附加层/支撑基板界面处的寄生反射。针对由si制成的支撑基板，可以使用例如氮化硅，氮化硅的声阻抗(～22×10⁶pa.s/m)接近si的声阻抗，这导致小于0.5％的反射。

根据第二实施方式的烧结复合层3可以促进通常在混合结构的界面处反射的入射声波(通过声阻抗匹配)从工作层1到基板2的传输：因此，可以减少对在混合结构10上生产的saw器件的频率特性具有负面影响的寄生反射。

根据适用于混合结构10的各种所述实施方式的变型，烧结复合层3具有良好的介电性质(电阻率大于1e7ohms.cm)和低等效介电常数(通常小于硅的介电常数11f/m)，以便提供相当于几微米氧化硅的电绝缘。这样的烧结复合层3尤其可以提高射频领域中的表面声波器件的线性度。

根据适用于混合结构10的各种所述实施方式的另一变型，烧结复合层3具有移动电荷俘获性质。该特征可以俘获并因此抵消由于在上层(附加层4或工作层1)中的一者中存在固定电荷而可能出现在支撑基板2的上部中的电荷。为了具有该俘获特征，构成复合层3的颗粒的材料中的一者可以是硅。

本发明还涉及一种制造用于表面声波器件的混合结构10的方法。该方法包括提供压电材料的工作层1的第一步骤(用i)表示)。根据一个有利实施方式，工作层1是具有用于微电子工业的标准厚度和直径的压电材料供体基板1’的形式(图4a)。

第一步骤还包括提供支撑基板2，该支撑基板2的热膨胀系数比供体基板1’的热膨胀系数低(即，也比工作层1的热膨胀系数低)。

根据本发明的制造方法包括第二步骤(用ii)表示)，该第二步骤包括在工作层1的(或供体基板1’的)第一面1a上和/或在支撑基板2的第一面2a上沉积由至少第一材料和不同于第一材料的第二材料的粉末混合物形成的层3’。在图4b所示的示例中，粉末混合物的层3’被沉积在支撑基板2的第一面2a上。层3’可以被沉积在工作层1的第一面1a上；层3’也可以被分别沉积在工作层1的第一面1a和支撑基板2的第一面2a中的每一者上。

有利地，支撑基板2的第一面2a包括在沉积粉末混合物的层3’之前生产的保护层4a。保护层4a甚至可以完全封装支撑基板2(即，覆盖支撑基板2的背面2b及支撑基板2的边缘)。

另选地，如果粉末混合物的层3’被沉积在工作层1(或供体基板1’)上，则保护层将被至少沉积在所述工作层1的(或供体基板1’的)第一面1a上。

优选地，保护层4a由选自氮化硅、氮氧化硅、氧化硅和氧化铝的至少一种材料形成。保护层4a可以通过各种已知的化学沉积技术来生产。可以避免或至少限制层3’中包含的杂质扩散到支撑基板2(或工作层1)中。

根据第一实施方式的变型，粉末混合物是粘性糊剂的形式。

通常通过将溶剂类型的液体化合物(尤其是醇，例如乙醇)加入干燥的粉末混合物中来获得这样的糊剂。通常，所使用的粉末包含具有介于几十纳米至几微米之间的平均大小的颗粒。

另选地，可以将粉末混合物混合到基于硅的聚合物类型的基质(用于聚合物衍生的陶瓷的pdc)中，该基质能够在高温下转化成陶瓷。注意，在具有pdc基质的层3’的情况下，随后将获得的烧结复合层3将包括源自粉末混合物的第一材料和第二材料，而且还包括源自基质转化成陶瓷的硅。

在步骤ii)中沉积由所述混合物形成的层3’优选地是通过旋涂(或浸涂)或通过掩模的丝网印刷来进行的。

通过粉末/液体化合物(溶剂和/或聚合物)之比来调节糊剂的粘度。选择糊剂的粘度是为了能够按照可以从几百纳米变化到几微米的厚度均匀地沉积层3’。

层3’的沉积之后是在低温下(例如，介于150℃至400℃之间)进行热处理，从而可以从层3’中排出溶剂，并避免在该方法期间(尤其是在组装步骤(如下所述)之后)进行任何后续除气。

根据第二实施方式的变型，粉末混合物是干粉状形式，并且作为层3’被沉积在支撑基板2的第一面2a上(或者另选地沉积在供体基板1’的面1a上)。该层3’的成形可以通过压缩成型或热等静压来进行。在这两种情况下，向层3’施加压缩应力，以将混合物粉末的颗粒牢固地附着至彼此并附着至第一面2a。需要一种特殊工具来将粉状混合物保持在基底上并向所述基底的整个表面施加均匀的压缩应力。

根据本发明的制造方法包括第三步骤(用iii)表示)，该第三步骤包括烧结由粉末混合物形成的层3’，以便获得牢固地附着至支撑基板2的第一面2a的烧结复合层3(图4c)。

烧结通常在典型地高于1000℃的高温下执行一持续时间，该持续时间可以从几小时变化至约24小时。然而，烧结温度保持在包含在层3’中的粉末中的至少一种粉末的熔点以下。在热作用下，粉末的颗粒被熔接在一起，这形成所得复合层3的内聚力(cohesion)。复合层3也牢固地附着至支撑基板2的第一面2a。

可选地，可以另外在机械应力下进行烧结，这可以进一步把复合层3压实。

因此，烧结复合层3至少由第一材料和第二材料的颗粒组成。在颗粒之间，取决于压实程度，可以存在更多或更少的空间隙(或包含由pdc基质得到的陶瓷的间隙)。取决于粒径分布，这些间隙的体积分数可以达到50％，并且更优选地保持在25％以下，或者甚至保持在15％以下，尤其是为了确保复合层3的良好机械强度。为简化起见，在上述混合结构10的实施方式中没有考虑该间隙体积分数；除了形成颗粒的第一材料和第二材料之外，该间隙可以被认为是第三材料。

选择在步骤ii)中沉积的层3’的厚度，以便获得烧结复合层3的期望厚度。实际上，取决于所沉积的层3’的类型(以具有溶剂和/或聚合物的糊剂形式或以干燥物形式)，烧结步骤期间的厚度减小将更大或更小。层3’的体积可以减小约10％至30％。

根据本发明的制造方法包括第四步骤(用iv)表示)，该第四步骤包括组装工作层1(供体基板1’)和支撑基板2，使得烧结复合层3位于工作层1与支撑基板2之间(图4d)。

优选地，在组装步骤iv)之前，在复合层3上沉积接合层4b。举例来说，可以在复合层3的自由表面上沉积氧化硅层。该接合层4b一方面提供了烧结复合层3的封装，从而避免了或至少限制了混合结构10的各层之间的污染的风险；另一方面，接合层4b对于允许不特定于烧结复合层3的组分的常规表面制备而言可能是有利的。

优选地，通过分子粘附直接接合接触的两个表面(即，工作层1的(或供体基底1’的)第一面1a和来自图4c的示例中的复合层3的自由面)来进行组装步骤。这里不再进一步详细描述现有技术中公知的分子粘附原理。

另选地，可以通过添加一层粘附材料或通过适用于预期应用的任何其它接合技术来进行组装。

针对大多数组装方法，将需要待组装的基板具有良好的表面光洁度(清洁度、低粗糙度等)。

根据本发明的制造方法还可以包括第五步骤(用v)表示)，该第五步骤包括将供体基板1’减薄至工作层1的用于制造声波器件的期望厚度(图4e)。例如，该步骤可以包括机械研磨，然后进行干法或化学机械抛光，从而可以确保工作层1的良好表面光洁度。在减薄步骤期间或之后可以应用各种清洁程序以便保证最终混合结构10的质量和清洁度。

可以通过任何其它已知技术(尤其是smart工艺或用于生产薄层的其它技术)来进行供体基板1’的减薄，以获得工作层1。

当然，本发明不限于所述实施方式，并且在不脱离本发明的由权利要求书限定的范围的情况下，可以引入示例和变型实施方式。