聲波器件和製作聲波器件的方法
2023-12-05 07:43:36 4
專利名稱：聲波器件和製作聲波器件的方法
技術領域：
本發明涉及一種聲波器件和製作聲波器件的方法。
背景技術：
作為諸如濾波器、振蕩器、諧振器和卷積器等多種器件的舉例，聲波器件被公知是利用表面聲波(SAW)或體聲波(BAW)的聲音振動傳播特性或諧振特性。這樣的聲波器件包括壓電體和在該壓電體上形成的一對電極，用於在被通電時，於所述壓電體內產生聲音振動。
作為聲波器件的一種舉例，有一種公知的器件是其中形成有由二氧化矽構造成的二氧化矽層，用以與壓電體和/或各電極接觸，為的是溫度補償、表面保護等目的(比如參見JP-A-5-37284和JP-A-6-164294).
譬如，JP-A-5-37284公開的一種聲波器件，其中的二氧化矽層、對個電極以及壓電體以一個在另一個頂上的方式被設置在由金剛石或類金剛石層形成的硬質層上。另外，JP-A-6-164294公開了一種聲波器件，其中一個在另一個頂上地布置有金剛石制的硬質層、多個電極、壓電體層和二氧化矽層。該文還公開了一種聲波器件，其中一個在另一個頂上地布置有金剛石制的硬質層、壓電體層、多個電極和二氧化矽層。
這樣的聲波器件中設置的二氧化矽層具有非晶(無定形)結構，不過，眾所周知的是，其中膜層的質量會隨著製作的方法、製作條件等而有很大的不同(比如參見JP-A-2005-268798)。正如JP-A-2005-268798中所教導的那樣，用以形成二氧化矽層的具有代表性的舉例包括濺射法、CVD法、熱氧化法和等離子體氧化法。
同時，眾所周知的是，上述聲波器件的特性會受到所述器件構成材料的影響。特別是在為處理高頻信號而採用高頻的聲波器件中，它的構成材料尤其會影響器件的特性。
發明內容
於是，本發明的目的在於提供一種聲波器件，能夠長期地始終表現出良好的特性；還提供一種製作聲波器件的方法。
本發明的第一方面涉及一種聲波器件。所述聲波器件包括具有壓電特性和一個表面的壓電體層、一對電極，用以在通電時於所述壓電體層內感應出聲振動，所述各電極布置在壓電體層的一個表面上，還包括二氧化矽層，使與所述壓電體層和/或各電極接觸。所述二氧化矽層是由二氧化矽作為它的主要成分而構成的，其中，通過在60％或更大的氧氣流量比的氛圍內實行以二氧化矽濺射目標，而形成所述二氧化矽層。
本發明人已經對二氧化矽層做過廣泛地研究和討論。結果，本發明人發現，在其結構是具有二氧化矽層與電極和/或壓電體層接觸的聲波器件中，「二氧化矽層的膜層質量極大地影響著聲波器件的特性」，而且「存在一個因素，即二氧化矽層中存在的結構缺陷可能會造成二氧化矽層隨時間而變化」。
在本發明中，是通過在60％或更大的氧氣流量比的氛圍內實行以二氧化矽濺射目標而形成所述二氧化矽層的。這就使得可能會減少具有三個和或更多環狀節的呈環形結構的數目，這種三個和或更多的環狀節伴隨有二氧化矽層非晶結構中的結構缺陷。
於是，本發明的二氧化矽層的結構缺陷被大大地減少，並因此而能改善聲波器件的特性。另外，所述二氧化矽層減少了環形結構的數目，比如三個節的環(三重環)，這形成一種化學穩定的平面環形結構。
因此，本發明的二氧化矽層表現出良好的膜層質量穩定性，並具有長時間始終保持聲波器件極好特性的能力。
在上述聲波器件中，在採用喇曼分光法分析二氧化矽層所得的譜中，當把在800至850cm-1波數區域中激發的峰值強度定義為Ps，而把在475至515cm-1波數區域中激發的峰值強度定義為P4時，所述峰值強度比P4/Ps最好等於或小於1.2。
這就使得能夠改善聲波器件的器件特性和器件特性的穩定性。
此外，在上述聲波器件中還提出，在採用喇曼分光法分析二氧化矽層所得的譜中，當把800至850cm-1波數區域中激發的峰值強度定義為Ps，且把在600至620cm-1波數區域中激發的峰值強度定義為P3時，峰值強度比P3/Ps等於或小於1.0。
這也使得能夠改善聲波器件的器件特性和器件特性的穩定性。
此外，在上述聲波器件中還提出，在通過採用喇曼分光法分析二氧化矽層所得的譜中，當把250至510cm-1波數區域中所述強度的積分值定義為I1，而把800至840cm-1波數區域中所述強度的積分值定義為I2時，所述強度積分值之比I1/I2等於或小於50。
這也使得能夠改善聲波器件的器件特性和器件特性的穩定性。
再有，在上述聲波器件中還提出，由下述(I)式表示的科西散射公式(Cauchy dispersion formula)的常數項A是1.44至1.46n2＝A+B/λ2… (I)式中λ是光波長，n是二氧化矽層對波長為λ的光的折射率，A和B均為常數。
這也使得能夠改善聲波器件的器件特性和器件特性的穩定性。
在上述聲波器件中還提出，每個電極都是梳狀電極，並且在通電的情況下，在壓電體中感應出表面聲波，作為聲振動。
這使得能夠提供具有低插入損耗且振蕩頻率極為穩定的表面聲波器件。
上述聲波器件最好還包括用以支撐所述壓電體層的基板。
採用這樣的基板，使得能夠提供具有所需特性，同時使所述壓電體層的形成簡單化的聲波器件。
上述聲波器件中，最好藉助由金剛石或類碳金剛石形成的硬質層將所述壓電體層設置於所述基板上。
通過以這些材料形成硬質層，可以提高聲波器件的聲速。從而，能夠易於製成高頻聲波器件。
本發明的第二方面還涉及一種製作聲波器件的方法。所述方法包括以下步驟準備基板；在所述基板上設置由壓電材料為其主要成分構成的壓電體層；在所述壓電體層上形成一對電極；以及形成以二氧化矽為其主要成分構成的二氧化矽層，用以覆蓋各電極。其中，在形成二氧化矽層的步驟中，通過在60％或更大的氧氣流量比的氛圍內實行以二氧化矽濺射目標而形成所述二氧化矽層。
這就使得能夠製得具有極好器件特性及器件特性穩定性的聲波器件。
本發明的第三方面還涉及一種製作聲波器件的方法。所述方法包括以下步驟準備基板；在所述基板上設置以二氧化矽為其主要成分構成的二氧化矽層，在所述二氧化矽層上形成由壓電材料為其主要成分構成的壓電體層；以及在所述壓電體層上形成一對電極。其中，在形成二氧化矽層的步驟中，通過在60％或更大的氧氣流量比的氛圍內實行以二氧化矽濺射目標而形成所述二氧化矽層。
這也使得能夠製得具有極好器件特性及器件特性穩定性的聲波器件。
本發明的第四方面又提供一種製作聲波器件的方法。所述方法包括以下步驟準備基板；在所述基板上設置一對電極；形成由壓電材料為其主要成分構成的壓電體層，用以覆蓋各電極；以及在所述壓電體層上形成以二氧化矽為其主要成分構成的二氧化矽層。其中，在形成二氧化矽層的步驟中，通過在60％或更大的氧氣流量比的氛圍內實行以二氧化矽濺射目標而形成所述二氧化矽層。
這同樣使得能夠製得具有極好器件特性及器件特性穩定性的聲波器件。
本發明的第五方面再提供一種製作聲波器件的方法。所述方法包括以下步驟準備基板；在所述基板上設置以二氧化矽為其主要成分構成的二氧化矽層；在所述二氧化矽層上形成一對電極；以及形成由壓電材料為其主要成分構成的壓電體層，用以覆蓋各電極。其中，在形成二氧化矽層的步驟中，通過在60％或更大的氧氣流量比的氛圍內實行以二氧化矽濺射目標而形成所述二氧化矽層。
這同樣使得能夠製得具有極好器件特性及器件特性穩定性的聲波器件。
圖1是表示本發明一種優選實施例聲波器件示意結構的剖面圖；圖2是說明製作圖1所示聲波器件方法的示意圖；圖3是表示在形成圖1所示聲波器件的二氧化矽層中所用濺射裝置的一種舉例的示意結構剖面圖；圖4是表示可以應用本發明的聲波器件的其它結構示例的剖面圖；圖5是表示例1和比較例1中的二氧化矽層的喇曼分光光譜曲線；圖6是表示例2和比較例1-3中的二氧化矽層的喇曼分光光譜曲線；圖7是表示二氧化矽層的喇曼分光光譜的峰值強度比與濺射時氧氣流量比之間的關係曲線；圖8是表示比較例1的二氧化矽層經退火處理之前和之後的喇曼分光光譜曲線；圖9是表示例1的二氧化矽層經退火處理之前和之後的喇曼分光光譜曲線；圖10是表示比較例1和例1聲波器件的插入損失對頻率依賴性曲線；圖11是表示對比較例1和例1聲波器件的高溫放置測試中時間與頻率變化率的依賴關係曲線；圖12是表示由多種方法形成的每一種二氧化矽層的光學常數曲線；圖13是表示氧氣流量比對二氧化矽層的光學常數依賴性的曲線。
具體實施例方式
以下將參照附圖描述本發明的聲波器件及製作聲波器件的方法。
圖1是表示本發明一種優選實施例聲波器件示意結構的剖面圖。就這一點而言，需要說明的是，在下面的描述中，將把圖1中的上部稱為「頂部」或「上」，而把其中的下部稱為「底部」或「下」，這只是為了更便於理解的緣故。
如圖1所示，本實施例的聲波器件10是一種transbasal型表面聲波元件，其中，按名稱順序設置有基板11、硬質層12、壓電體層13、兩個梳狀電極對(IDT叉指變換器)14和二氧化矽層15。
在這樣的聲波器件10中，通過把電信號輸入到兩個梳狀電極對14之一，在壓電體層13中感應出表面聲波，並從另一個梳狀電極14取出特定頻帶的電信號。
下面將依序描述構成所述聲波器件10的各個部件。
由比如各種半導體材料，如Si、GaSi、SiGe、GaAs、STC、InP等，各種陶瓷材料，如玻璃等，以及各種樹脂材料，如聚醯亞胺、聚碳酸酯等製成所述基板11。
採用這樣的基板11，使得能夠給出具有所需特性的聲波器件10，同時還使壓電體層13的形成簡單化。
就這一點而言，要說明的是，除單層體外，可以由具有多層的疊層體形成所述基板11。在後一種情況中，可以通過任意組合上述材料形成每一層。
在基板11的一個表面(上表面)上形成硬質層(基層)12。
所述硬質層12用於設定在壓電體層13中感應的表面聲波的特性(條件)。這種特性的舉例包括振蕩頻率、振幅及傳播速度。
通過設置硬質層12並任意選擇構成它的材料，可將表面聲波的特性設定為各種所需的特性。
最好是構成所述硬質層12的材料主要包括金剛石、類碳金剛石、矽、藍寶石、玻璃、石英、鉭酸鋰、鈮酸鉀以及鈮酸鋰當中的至少一種。構成硬質層12的材料尤以主要包括金剛石、類碳金剛石、藍寶石、鉭酸鋰和鈮酸鉀當中的至少一種為好。更好的是，構成硬質層12的材料為金剛石和類碳金剛石。
由這些材料形成硬質層12，可以提高表面聲波的聲速。於是，就可以容易地製成用於高頻的聲波器件。這還有助於使表面聲波改變為高頻，這種改變可為比如無線LAN或光通信等高速通信情況下的應用所需。
就此而言，類碳金剛石被稱為是碳原子與氫原子構成的化合物，具有非晶結構，它是一種極好的透光性絕緣體，表現出次於金剛石的硬度。
按照本圖中所示的各種表面聲波的特性，除單層體外，可由具有多層的疊層體形成所述硬質層12。另外，可以隨意地形成硬質層12，而且也可以省略它。
在硬質層12的一個與所述基板11相對的表面(上表面)上形成壓電體層13。
所述壓電體層13表現壓電特性，用作傳播表面聲波的介質。
所述壓電體層13由壓電材料作為它的主要成分。作為壓電材料的舉例包括，ZnO、AlN、LiTaO3、LiNbO3、KNbO3、ZnS、ZnSe和CdS，但這不是特別地限制。
在壓電體層13的一個與所述硬質層12相對的表面(上表面)上形成兩個梳狀電極對14。
兩個梳狀電極對14之一(輸入電極對)用於加給壓電體層13電壓，以在該壓電體層13內感應出表面聲波，而另一個梳狀電極對14(輸出電極對)具有檢測通過所述壓電體層13傳送的表面聲波，同時把該表面聲波轉換成電信號，並把電信號輸出到外面的功能。
梳狀電極對14中的每一個都包括一對梳狀電極14a和14b，每個梳狀電極有電極指，一個接一個地布置成梳狀圖樣。每個梳狀電極對14中，各梳狀電極14a和14b以互相分隔的關係被布置成互相嚙合。
如果在輸入側的梳狀電極對14a和14b之間輸入驅動電壓，則在壓電體層13內感應出表面聲波，並從輸出側的梳狀電極對14a和14b輸出特定頻帶的電信號，這是由於後者的濾波功能緣故。
就此而言，所述梳狀電極對14a和14b之間的間隔與所感應出的表面聲波的波長相對應，並可以減小到比如約為1μm。另外，通過調節梳狀電極的電極指的寬度、間隔、厚度等，可將聲波器件10的特性設定成為所預期的情況。
示例的各梳狀電極對14(各個梳狀電極14a和14b)的構成材料包括Al、Cu、W、Mo、Ti、Au、Y、Pb、Sc，以及包含這些材料的合金，可以單獨使用它們當中的一種，或者以組合的形式使用它們。
形成以二氧化矽作為其主要構成成分的二氧化矽層15，用以覆蓋所述兩個梳狀電極對14。本實施例中形成二氧化矽層15的方式是使它與每個梳狀電極對14及壓電體層13接觸。
二氧化矽層15具有對聲波器件10補償溫度(如減少由溫度變化所感應出的振蕩頻率的改變)的功能，以及保護聲波器件10表面的功能。本實施例中的二氧化矽層15適於完全覆蓋每個梳狀電極對14和由所述梳狀電極對14感應的表面聲波的傳播路徑。
有如後面將會述及的，通過在60％或更大的氧氣流量比的氛圍內實行以二氧化矽濺射目標，而形成所述二氧化矽層15。
上述二氧化矽層15具有非晶結構，但在非晶結構方面能夠減少具有三個和或更多環狀節(特別是具有三個環狀節的平面環形結構)的呈環形結構的數目，這種三個和或更多的環狀節伴隨有結構缺陷，比如氧不足型缺陷。
因而，二氧化矽層15具有結構缺陷被減少的膜層質量，並由此而能夠改善聲波器件10的性能。此外，所述二氧化矽層15具有減少呈環形結構的數目，比如三個環狀節(三倍環)，那是會形成化學不穩定的平面環形結構。
由此，這種二氧化矽層15表現出良好的膜層質量穩定性，並在整個的長時間內具有保持極好聲波器件10性能的能力(提高器件特性的穩定性)。
另外，在通過以喇曼分光法分析二氧化矽層15所得到的譜中，當把在800至850cm-1波數區域中激發的峰值強度定義為Ps，而把在475至515cm-1波數區域中激發的峰值強度定義為P4時，所述峰值強度比P4/Ps最好等於或小於1.2，而以等於或小於1.1尤好。
就這一點而言，把在800至850cm-1波數區域內激發的峰值稱為對應於二氧化矽層15非晶結構中Si-O結的LO模式(縱光學模式)的峰，而把在475至515cm-1波數區域中激發的峰稱為與二氧化矽層15非晶結構中四個環狀節相對應的振動模式的峰。
因此，如果所述譜中的峰值強度比P4/Ps滿足上述條件，則變得能夠減少具有四個環狀節(四倍環)的呈環形結構的數目，而這種四個環狀節將會伴隨有結構的缺陷。結果，就能夠改善聲波器件10的器件性能和器件性能的穩定性。
另外，由於與具有四個環狀節的呈環形結構相對應的峰表示相對較高的強度，所以，可將所述峰值強度比P4/Ps用作精確地反映二氧化矽層15膜層質量的指標。
此外，在通過以喇曼分光法分析二氧化矽層15所得到的譜中，當把在800至850cm-1波數區域中激發的峰值強度定義為Ps，而把在600至620cm-1波數區域中激發的峰值強度定義為P3時，所述峰值強度比P3/Ps最好等於或小於1.0，而以等於或小於0.97尤好。
就此而言，把在600至620cm-1波數區域內激發的峰值稱為與具有三個環狀節的呈環形結構相對應的峰。
因此，如果所述譜中的峰值強度比P3/Ps滿足上述條件，則變得能夠減少具有三個環狀節的呈環形結構的數目，而這種三個環狀節將會伴隨有結構的缺陷。結果，就能夠改善聲波器件10的器件性能和器件性能的穩定性。
再有，雖然與具有三個環狀節的呈環形結構對應的峰是相對較小的，但這種具有三個環狀節的呈環形結構是平面環形結構，而且是化學不穩定的，因而，表示出與非晶結構方面的結構缺陷的緊密關係。
因此，峰值強度比P3/Ps可適於用作反映二氧化矽層15膜層質量的指標。
此外，在通過以喇曼分光法分析二氧化矽層15所得到的譜中，當把在250至510cm-1波數區域中的強度積分值定義為I1，而把在800至840cm-1波數區域中的強度積分值定義為I2時，所述強度積分值之比I1/I2最好等於或小於50。
就此而言，把250至510cm-1的波數區域稱為與具有四個或更多環狀節的呈環形結構相對應之峰族的區域，而把800至840cm-1的波數區域稱為激發與前述LO模式相對應的峰的區域。
因此，如果所述譜中的強度積分值之比I1/I2滿足上述條件，則變的能夠減少具有四個或更多環狀節的呈環形結構的數目，而這種四個環狀節將會伴隨有結構的缺陷。結果，就能夠改善聲波器件10的器件性能和器件性能的穩定性。
此外，考慮與具有四個或更多環狀節的呈環形結構相對應的峰表現出強度的增強，並表示較高的非晶結構滿意率。
因此，可將強度積分值之比I1/I2用作精確地表示結構缺陷程度的良好指標。
另外，在二氧化矽層15中，由下述(I)式所表示的科西散射公式(Cauchy dispersion formula)的常數項A是1.44至1.46n2＝A+B/λ2… (I)式中λ是光波長，n是二氧化矽層對波長為λ的光的折射率，A和B均為常數。
就這一點而言，常數項A是與波長λ無關的項。要說明的是，上面表示的散射公式是一個簡化的公式，其中省略了比λ-2項(具有係數B的項)高的高次項。
如果常數項A滿足上述條件，就變得能夠減少具有三個或更多環狀節的呈環形結構的數目，並因此而能改善聲波器件10的器件性能和器件性能的穩定性。特別是所述常數項A最好為1.44至1.45，因為如果情況如此，則更容易通過濺射方法形成所述二氧化矽層15。
可按如下方式製成有如上述結構的聲波器件10。
圖2是說明製作圖1所述聲波器件方法的示意圖(剖面圖)。圖3是表示在形成圖1所示聲波器件的二氧化矽層中所用濺射設備的一種舉例的示意結構圖。
製作聲波器件10的方法包括(1)形成硬質層12的步驟，(2)形成壓電體層13的步驟，(3)形成兩個梳狀電極對14的步驟，以及(4)形成二氧化矽層15的步驟。
下面將逐一描述各個步驟。
(1)形成硬質層12的步驟首先如圖2A所示那樣準備基板11，並在基板11上形成硬質層12。
可以通過採用比如等離子體CVD、熱CVD和雷射CVD等化學汽相澱積(CVD)方法，比如真空澱積、濺射和離子鍍敷等乾式鍍敷法，比如電解鍍敷、沉浸鍍敷和非電解鍍敷等溼式鍍敷法，熱噴霧法，片狀元件結合法等，形成所述硬質層12。
特別是在由金剛石組成所述硬質層12的情況下，可以通過濺射、離子鍍敷、CVD、電子束汽相澱積等方法形成之。另外，在由類碳金剛石組成所述硬質層12的情況下，可以通過等離子體CVD、離子束汽相澱積、濺射等方法形成之。
(2)形成壓電體層13的步驟接下去有如圖2B所示那樣，在硬質層12上形成壓電體層13。在步驟(2)中，可以像形成硬質層12中所採用的同樣方法，依序形成壓電體層13。
(3)形成梳狀電極對14的步驟接下去有如圖2C所示那樣，在壓電體層13上形成兩個梳狀電極對14。這時，通過比如在壓電體層13上形成一導電材料層，然後再用具有與兩個梳狀電極對14相應形狀的掩膜蝕刻該導電材料層，以得到所述梳狀電極對14。
這就製得基本部件100，也即結構主體，其中，在基板11上依序疊層有硬質層12、壓電體層13和梳狀電極對14。
可以採用比如浸漬，印製，諸如電解鍍敷、沉浸鍍敷及非電解鍍敷等溼法鍍敷，諸如等離子體CVD、熱CVD和雷射CVD等化學汽相澱積(CVD)方法，諸如真空澱積、濺射和離子鍍敷等幹法鍍敷，熱噴霧法，金屬箔結合法等方法，形成所述導電材料層。
另一方面，可以採用比如活性離子蝕刻(RIE)、等離子體蝕刻、射束蝕刻及光助蝕刻等幹法蝕刻，以及溼法蝕刻等，實行所述蝕刻過程。
(4)形成二氧化矽層15的步驟接下去有如圖2D所示那樣，在壓電體層13上形成二氧化矽層15，用以覆蓋所述兩個梳狀電極對14。
可以通過使用射頻(RF)磁控管濺射裝置或電子回旋加速器諧振(ECR)濺射裝置等，以濺射方式形成所述二氧化矽層15。
在這些濺射裝置中，利用二氧化矽靶標，在使裝置的腔室被抽空至一定的內部壓力，同時將惰性氣體，如Ar等以及氧氣提供給該腔室，使其保持60％或更大的氧氣流量比的氛圍的狀態下，實行濺射。
通過使用有如圖3所示的濺射裝置，更具體地描述形成二氧化矽層15的過程。
圖3所示的濺射裝置200包括離子源(離子束源)201，用以發射離子束；中和器202，用以向著離子束的方向發射電子；真空腔室203；抽真空泵204，用以控制真空腔室203的內部壓力；基本部件支持器205，用於在所述真空腔室203中固定要在其上形成所述二氧化矽層15的基本部件100；以及靶標保持部件(背襯板)206，用以將靶標500保持在空間內。
離子源201適於發射離子束，在本實施例中，將一射頻(RF)源用作所述的離子源201。在所述離子源(RF離子源)201中，從氣體源207供給含氧的氣體，並通過RF放電使其離子化(等離子體化)。然後，通過在各柵極(未示出)間加給電壓，於是，使被離子化(等離子體化)的氣體作為離子束被噴射出去。
中和器202適於向著離子束的方向發射電子。這樣做，即使在連續地形成膜層的情況下，也可以防止或者抑制過量電荷停留於靶標500等內，這就能夠保證濺射的粒子穩定地落到基本部件100上。
另外，靶標保持部件206通常是由表現有良好導熱性的金屬材料，如不鏽鋼、銅、銅合金等製成的。在形成二氧化矽層15的過程中，通過比如In等結合劑，使靶標500被可靠地固定在所述靶標保持部件206上。
在利用如上結構之濺射裝置200形成二氧化矽層15的時候，首先在真空腔室203內部，將由SiO2製成的靶標500放置在靶標保持部件206上。
然後，真空腔室203內部，將基本部件100(結構主體，其中在基板11上依序層疊著硬質層12、壓電體層13和梳狀電極對14)固定在基本部件支持器205上。
這之後，藉助抽真空泵204使真空腔室203減壓。
繼而，從氣體源207把氣體(含氧的氣體，後面有述)提供給離子源201中，並使其離子化(等離子體化)。通過在離子源201中實行放電(RF放電或DC放電)，使所引入的氣體被離子化(等離子體化)。
然後，在圖中未示出的各柵極之間加給電壓，使被離子化(等離子體化)的氣體受到加速，並作為離子束被噴向靶標500。
如上所述，中和器202適於向著自離子源201噴射的離子束髮射電子。這就電中和了從離子源201噴射的離子束。
由於這一事實，即使在連續地形成膜層的情況下，也能防止或者抑制過量電荷停留於靶標500等內，這就能夠保證濺射的粒子穩定地落到基本部件100上。
從離子源201噴射的離子束(即被從中和器202發射的電子電中和的射束)對著靶標500撞擊。從而，從靶標500拉出濺射的粒子，然後再入射並落在基本部件100上。
隨著離子束連續地以這種方式被發射，持續入射並落在基本部件100上，從而在基本部件100上形成二氧化矽層15。如此得到聲波器件10。
就這一點而言，在通過濺射形成二氧化矽層15時，現有技術中總是在約20-40％氧氣流量比的氛圍內實現所述濺射的。
本發明人發現，最好是在60％或更大氧氣流量比的氛圍內實現所述濺射，以減少二氧化矽層無定形結構中的具有三個或更多環狀節的呈環形結構，換句話說，可以得到具有具有被減少的結構缺陷的二氧化矽層。
例如，在用上述濺射裝置200形成二氧化矽層15的情況下，氣體源207給離子源201提供具有60％或更大氧氣流量比的氣體(如氧氣-氬氣混合氣體)。
這就是說，按60％或更大的氧氣流量比把氧氣供送給真空腔室203。就這一點而言，要說明的是，本實施例中是藉助離子源201把氧氣提供給真空腔室203中。
不過，可以直接把氧氣提供給真空腔室203中，而不藉由離子源201。在這種情況下，只要按60％或更大的氧氣流量比把氧氣供送給真空腔室203中，氣體源207就能對離子源201供給或者是氧氣-氬氣混合氣體，或者只是氬氣。
另外，由氣體源207供給離子源201的氣體(即產生等離子體的氣體)並不限於氬氣和氧氣。
關於這一點，術語「氧氣流量比」意味著濺射時，在被引入真空腔室203中的氣體的總流量中氧氣流量的比率。
譬如，在濺射進程期間，將惰性氣體和氧氣引入真空腔室203中的情況下，由氧氣流量(sccm)被惰性氣體流量(sccm)加氧氣流量(sccm)除，確定所述氧氣流量比。另外，氧氣流量比對應於真空腔室203內部壓力中氧氣的一定壓力比值。
雖然有如上述那樣是按60％或更大的氧氣流量比把氧氣供送給真空腔室203中的，但更好的是按75-95％的氧氣流量比把氧氣供送給真空腔室203中。這保證能夠以簡單且可靠的方式得到具有結構缺陷被減少的二氧化矽層15。
相反，如果所述氧氣流量比超過上面所述的上限值(如果氧氣流量比變得太大)，就有使濺射效率表現出降低的趨勢。
此外，從氣體源207引入到離子源201的氣體可以具有固定的組成成分，或者是在整個時間內變化的成分。例如，被引入到離子源201中氣體的氧氣濃度(氧氣流量比)可以隨時間變化。
在這種情況下，如果把氧氣-氬氣混合氣體用作被引入到離子源201中的氣體，並且，如果這種混合氣體中的氧氣濃度(氧氣流量比)隨時間變化，則在初期階段可以通過增大氬氣的比率有效地產生等離子體，氬氣比氧氣(O2)可以更容易產生等離子體，而在這之後，可以發射含有高濃度氧氣的粒子束。
通過如上所述的各個步驟，製得本發明的聲波器件10。利用比如網絡分析，可以確定所述聲波器件10的電特性及溫度特性。
其它實施例本發明並不限於上述結構，而可應用於其它結構，只要所述二氧化矽層與壓電體層和梳狀電極對中的至少一個相接觸即可。
除上述聲波器件10的結構之外，以下將描述其它應用本發明的聲波器件結構舉例。
圖4是表示可以應用本發明的其它聲波器件結構示例的剖面圖。在下面的描述中，將省去對那些與前述實施例一樣的結構部件的描述。在圖4A所示的聲波器件中，在與基板11一樣的基板1上，以同樣的順序設置有與壓電體層13一樣的壓電體層2，與梳狀電極對14一樣的兩個梳狀電極對3，以及與二氧化矽層15一樣的二氧化矽層4。
在圖4B所示的聲波器件中，基板1上按規定的順序設置有兩個梳狀電極對3、壓電體層2和二氧化矽層4。
在圖4C所示的聲波器件中，基板1上按規定的順序設置有二氧化矽層4、兩個梳狀電極對3和壓電體層2。
在圖4D所示的聲波器件中，基板1上按規定的順序設置有二氧化矽層4、壓電體層2和兩個梳狀電極對3。
有如上面所述的那樣，在使二氧化矽層與壓電體層以及梳狀電極對二者中的至少之一相接觸的情況下，本發明可以得到有益的效果。特別是，有如圖1、4A和4C所示那樣，在使二氧化矽層與壓電體層和梳狀電極對二者都接觸的情況下，本發明的有益效果將會變得尤為顯著。
雖然已經關於優選實施例描述了所述的聲波器件，但本發明並不限於所描述的各實施例以及上面所表述的。應能理解，可以作出多種變化和改型，而不致脫離本發明的精髓。
具體地說，雖然前述實施例中作為聲波器件的舉例描述了表面聲波器件，但本發明並不限於表面聲波器件，而可以等效地應用於各種壓電振動元件。
這種壓電振動元件的示例包括體聲波(BAW)元件，在這種結構中，壓電體的前後表面夾在電極之間。
這種壓電振動元件的的具體示例包括具有薄膜體聲諧振器(FBAR)型元件結構的元件，以及具有固態安裝諧振器(SMR)型元件結構的元件，後一種元件結構中，在上述層狀結構與基板之間，布置著具有多個交替重複疊積的不同聲阻抗層的音響反射多層膜。
此外，電極結構並不限於所表述的例子，而可以按照它的應用有不同的結構。作為舉例，在製作諧振器的情況下，可將一對反射器按隔開一定間隔的關係，布置在構成輸入電極和輸出電極的梳狀電極對的相對兩側上。
此外，在前述圖1所示的實施例中，可在壓電體層13與所述梳狀電極對14相反的一個表面(各圖中的下表面)上，形成由鋁或金製成的短路電極。在這種情況下，當從其頂部觀看時，可以只在形成梳狀電極對14的區域內形成這種短路電極，或者可以形成為覆蓋住傳播的區域。
短路電極的存在，使得與形成梳狀電極對14的表面相對的壓電體層13表面得以能夠等電位化，從而提高激勵效率。
下面將描述本發明的具體示例。
1.製作聲波器件例1-製作具有圖1所示結構的聲波器件具體地說，首先準備一個基板(平均厚度為800μm的矽基板)，其上已形成有硬質層(平均厚度為20μm的多晶金剛石膜)。
然後，通過在硬質層上把ZnO RF濺射至475nm的厚度，形成壓電體層。這當中，利用ZnO的燒結體為靶標材料，並用氬氣(流量50sccm)與氧氣(流量50sccm)的混合氣體作為反應氣體，在RF功率1.0kW，1.0Pa的氣體壓力(大氣壓力)且成膜溫度為500℃的條件下，實行所述RF濺射。
緊接著通過DC濺射，把鋁層塗敷在所形成的壓電體層上，形成平均厚度為42nm的金屬材料層。利用鋁板作為靶標材料，並用氬氣(流量50sccm)作為反應氣體，在DC功率1.0kW，1.0Pa的氣體壓力且成膜溫度等於室溫的條件下，實行所述RF濺射。
接下去，通過光刻，在所形成的金屬層上形成為形成梳狀電極對所需的阻擋層，同時，利用所述阻擋層為掩膜實行反應離子蝕刻(RIE)，並除去不需要的金屬層部分，形成兩個梳狀電極對(輸入電極和輸出電極)。這時，將BCl3和Cl2為其主要成分的氣體用作反應離子蝕刻所用的蝕刻氣體。
繼而，通過RF磁濺射，在壓電體層和梳狀電極對上塗敷SiO2，以覆蓋所述兩個梳狀電極對，從而形成平均厚度為420nm的二氧化矽層。
這當中，利用熔融的石英作為靶標，並在真空腔室內加入氬氣和氧氣，在給陰極加以13.56MHz的高頻、RF功率為1.0kW、氣體壓力為0.5Pa且成膜溫度為200℃的條件下，形成所述二氧化矽層。
另外，在將氬氣和氧氣供送給真空腔室內的過程中，氬氣的流量為5sccm，氧氣的流量為45sccm，並且，氧氣流量比(氧氣流量被氬氣流量加氧氣流量除)是90％.
通過上述過程製成例1的聲波器件。
例2除在形成二氧化矽層時的氧氣流量比變為80％外，實行與例1同樣的過程，製成一種聲波器件。
比較例1除在形成二氧化矽層時的氧氣流量比變為34％外，實行與例1同樣的過程，製成一種聲波器件。
比較例2除在形成二氧化矽層時，在金屬模式下，採用電子回旋加速響應濺射(ECR)裝置外，實行與例1同樣的過程，製成一種聲波器件。
這當中，在500W的微波功率，500W的高頻功率，線圈電流為26A/26A，且氧氣流量比為16％以及氣體壓力為0.145Pa的條件下，實行所述ECR濺射，以形成所述二氧化矽層。
比較例3除在形成二氧化矽層時，在氧化物模式下，採用電子回旋加速器響應濺射(ECR)裝置外，實行與例1同樣的過程，製成一種聲波器件。
這當中，在500W的微波功率、500W的高頻功率，線圈電流為26A/26A，且氧氣流量比為18.5％以及氣體壓力為0.156Pa的條件下，實行所述ECR濺射，以形成所述二氧化矽層。
2.評價通過喇曼分光法分析所述各例及各比較例中所製得的聲波器件的二氧化矽層。
喇曼分光光譜關於所述各例及各比較例中所製得的聲波器件的二氧化矽層測量喇曼分光光譜，結構示於圖5和圖6中。
圖5是表示例1和比較例1中二氧化矽層的喇曼分光光譜曲線。圖6是表示例2和比較例1-3中的二氧化矽層的喇曼分光光譜曲線。
當測量喇曼分光光譜時，使用通過濺射在矽基板上形成30nm的薄鋁膜，然後再以有如各示例和各比較例中採用的同樣方法在所述薄鋁膜上形成二氧化矽層所得到的評價樣品。
另外，在測量喇曼分光光譜時，採用波長為514.5nm的雷射(Ar雷射器)作為光源。使所述雷射照射在二氧化矽層的表面上，用光電倍增管檢測被分光計(雙單色儀)劈裂的喇曼散射光。
如圖5和6所示，在關於每個示例和比較例的所有喇曼光譜中，在波數840cm-1附近觀察到與Si-O結的LO模型晶格振動對應的峰，在波數610cm-1附近觀察到與三環狀節的晶格振動對應的峰P3，在波數495cm-1附近觀察到與四環狀節的晶格振動對應的峰P4。
此外，在從最大波數區域的波峰P4向著它的低波數一側的較寬波數範圍(約370-500cm-1)內發現峰群Pg。這個峰群Pg包括波峰P4和多個與由具有四個或更多環狀節的呈環形結構所引起的晶格振動相應的峰。
具有三環狀節或者四個或更多環狀節的呈環形結構伴隨有結構缺陷(如氧缺乏型缺陷)，這意味著峰值P3和P4的強度越大，膜層的質量越差。
喇曼分光光譜的峰值強度比如圖5所示，比較例1中的峰值P3和P4以及峰群Pg的強度相對地比較大。相反，例1中的峰值P3和P4以及峰群Pg的強度都比較小。
就此而言，關於例1、例2以及比較例1計算峰值Ps的強度對峰值P3和P4的強度之比(P3/Ps和P4/Ps)。圖7示出其結果。
圖7是表示二氧化矽層的喇曼分光光譜的峰值強度比與濺射時氧氣流量比之間的關係曲線。
如圖7所示，所述強度比P3/Ps和P4/Ps都對於氧氣流量比的增大而成正比地減小。於是就可以看出，所述各強度比都與氧氣流量比相關。
在比較例1中，強度比P3/Ps為1.10，而強度比P4/Ps是1.27。另外，在比較例2中，強度比P3/Ps為1.07，而強度比P4/Ps是1.32。另一方面，在例1中，強度比P3/Ps為0.94，而強度比P4/Ps是1.05。此外，在例2中，強度比P3/Ps為0.96，而強度比P4/Ps是1.19。
就這一點來說，要注意的是，由於峰值P3對應於具有與結構缺陷密切相關的三環狀節，所以，強度比P3/Ps適用於作為指示二氧化矽層膜層質量的指標。不過，由於峰值P3表現出低峰值強度，所以，強度比P3/Ps的測量精度並不總是很高。
另一方面，峰值P4對應於四環狀節，並且它的峰值強度比峰值P3的大。因此，強度比P4/Ps的測量精度很高，繼而，就給出更為精確的指示二氧化矽層膜層質量的指標。
這當中，在上述喇曼分光光譜中計算250-510cm-1波數區域中的強度積分值I1與800-840cm-1波數區域中的強度積分值I2的比值I1/I2。比較例1中的比值I1/I2為53，而例1中的比值I1/I2為48。
喇曼分光光譜中與退火有關的變化在以與上述同樣的方法測量喇曼分光光譜之前和之後，使例1和比較例1中所得到的二氧化矽層經受退火處理。結果被示於圖8和圖9中。
圖8是表示比較例1的二氧化矽層經退火處理之前和之後的喇曼分光光譜曲線。圖9是表示例1的二氧化矽層經退火處理之前和之後的喇曼分光光譜曲線。
就這一點而言，是在真空氛圍中，於300℃下實行退火處理30分鐘。
如圖8所示，在比較例1中，峰值P3和P4以及峰群Pg的強度因退火處理而急劇下降。這就引起結構的缺陷，這些缺陷歸因於具有三環狀節或者四個或更多環狀節的呈環形結構。換句話說，比較例1的二氧化矽層具有很多結構缺陷，並因此而缺少結構的完整性。
另一方面如圖9所示，認憑退火處理，例1中峰值P3和P4以及峰群Pg的強度顯示出變化很小。這就是說，例1的二氧化矽層的結構缺陷數目減少，並因此而表現出結構完整性增強。
插入損失關於例1和比較例1的聲波器件，從S參數的測量結果可以看出插入損失的頻率特性以及濾波特性。圖10示出所述的結果。
圖10是表示比較例1(虛線所示)和例1(實線所示)聲波器件的插入損失的頻率依賴性曲線。
就這一點而言，由惠普(Hewlett-Packard)公司製造的產品編號為HP8753的向量網絡分析儀(Vector Network Analyzer)完成S參數的測量。
如圖10所示，比較例1中的通頻帶插入損失為-6.5dB，但比例1中的-5.3dB是陡然地增大。這意味著，由於與比較例1中不同，例1中結構缺陷的減少，而使反射係數和電-機耦合係數都得以增大。如此實現的性能提高，使得能夠使器件小型化(如SAW濾波器)。
頻率變化率接下去，使例1和比較例1的聲波器件在真空腔室內於10-8Pa或更小的壓力下以及300℃條件下被退火3個小時。這之後，將聲波器件結合到帶鋁線的封裝內。在氮氣氛圍中，通過縫焊，給所述封裝結合多條引線。使聲波器件被封入所述封裝內。
然後，測量如此製得之製品的振蕩頻率，並將製品保存於85℃的恆溫槽內。按預定的時間間隔實行振蕩頻率測量，並對整個經過的時間分析頻率變化特性。結果示於圖11中。
圖11是表示對比較例1和例1聲波器件的高溫放置測試中時間與頻率變化率的依賴關係曲線。
如圖11所示，經過100小時之後，比較例1中的振蕩頻率變化率ΔF是-40ppm，經過300小時後是-80ppm，而經過600小時後多於-100ppm。相反在例1中，即使是經過300小時之後，也只觀察到很小的振蕩頻率變化。這就是說，在例1的聲波器件中，即使是在上述加熱的條件下，也不會發生振蕩頻率的變化。
如上所述，由於二氧化矽層中結構缺陷的減少，使器件特性得到改善。特別是，在加溫狀態下，頻率穩定性都變得極高，而且對於整個時間很少發生頻率的變化。
科西散射公式中的常數項A在上面的描述中，已經根據膜層的質量(結構缺陷程度)分析了二氧化矽的喇曼分光光譜與聲波器件特性之間的關係。其它反應二氧化矽膜層質量的特性指標的舉例包括光學常數(折射率)。
本文中關於各個示例和各個比較例測量二氧化矽層的光學常數，並討論它與器件特性的關係。
這當中，在測量二氧化矽層的光學常數時，使用其上以各種方法形成有厚度約為70nm的二氧化矽層的矽基板作為測量的試樣。就此而言，應予說明的是，多個測量試樣的二氧化矽層都是在有如例1和2以及比較例1-3中同樣的條件下，並通過實行有如例1一樣的過程(除了把氧氣流量比改為5％)而形成的。
換句話說，製備的一些測量試樣中，二氧化矽層是按氧氣流量比5％、34％(比較例1)、80％(例2)和90％(例1)通過RF磁濺射而形成的，而一些測量試樣中，二氧化矽層是按氧氣流量比16％(比較例2)通過ECR磁濺射(金屬模式)，以及按氧氣流量比18.5％(比較例3)通過ECR磁濺射(氧化物模式)而形成的。
然後測量這些測量試樣中每一個的二氧化矽層的光學常數。對於通過一般的CVD法疊層的製品的文獻數據，以及熱氧化膜層和熔融石英的光學常數進行了研究(REALIZE社1999年5月出版的「非晶矽材料應用手冊」，總編Hiroshi Kawazoe)。
在確定光學常數過程中，使用SOPRA公司製造的分光橢圓率測量裝置SE-5。另外，通過對光色散公式固定所測得的數據而求出所述光學常數。
圖12示出如此得到的光學常數計算結果。該圖中所表示的光學常數是前述科西散射公式的常數項A(與波長λ無關的項)。
眾所周知的是，熱氧化膜層或熔融石英的結構缺陷數目減少，而且結構是穩定的。比較的結果顯示，比較例1-3中的常數項A與熱氧化膜層及熔融石英中的常數項A不同，但例1和2中的常數項A與熱氧化膜層及熔融石英中的極為接近。
另外，圖13示出比較例1以及例1和2中氧氣流量比對光學常數的依賴性，所述比較例1以及例1和2中是通過RF磁濺射形成二氧化矽層的。如圖13所示，在濺射期間，隨著氧氣流量比的增加，所述常數項A減小。
此外，如果科西散射公式的常數項A是在1.44至1.46範圍內，則給出的效果是所述聲波器件的特性令人高興地得到改善。這是因為，上述範圍與熱氧化膜層及熔融石英中存在極為穩定的二氧化矽光學特性相一致的。
權利要求
1.一種聲波器件，它包括具有壓電特性和一個表面的壓電體層；一對電極，用以在通電時於所述壓電體層內感應出聲振動，所述各電極布置在壓電體層的一個表面上；以及二氧化矽層，使與所述壓電體層和/或各電極接觸，所述二氧化矽層是由二氧化矽作為它的主要成分而構成的；其中，通過在60％或更大的氧氣流量比氛圍內實行以二氧化矽濺射目標形成所述二氧化矽層。
2.如權利要求1所述的聲波器件，其中，在採用喇曼分光法分析所述二氧化矽層所得到的譜中，在把在800至850cm-1波數區域中激發的峰值強度定義為Ps，且把在475至515cm-1波數區域中激發的峰值強度定義為P4時，峰值強度比P4/Ps等於或小於1.2.
3.如權利要求1所述的聲波器件，其中，在採用喇曼分光法分析所述二氧化矽層所得的譜中，在把800至850cm-1波數區域中激發的峰值強度定義為Ps，且把在600至620cm-1波數區域中激發的峰值強度定義為P3時，峰值強度比P3/Ps等於或小於1.0.
4.如權利要求1所述的聲波器件，其中，在採用喇曼分光法分析所述二氧化矽層所得的譜中，在把250至510cm-1波數區域中所述強度的積分值定義為I1，且把在800至840cm-1波數區域中所述強度的積分值定義為I2時，強度積分值之比I1/I2等於或小於50.
5.如權利要求1所述的聲波器件，其中，下述(I)式表示的科西散射公式的常數項A是1.44至1.46n2＝A+B/λ2… (I)式中λ是光波長，n是二氧化矽層對波長為λ的光的折射率，A和B均為常數。
6.如權利要求1所述的聲波器件，其中，每個電極都是梳狀電極，並且在通電的情況下，在壓電體層中感應出表面聲波，作為聲振動。
7.如權利要求6所述的聲波器件，其中，還包括用以支撐所述壓電體層的基板。
8.如權利要求7所述的聲波器件，其中，藉助由金剛石或類碳金剛石形成的硬質層將所述壓電體層設置於所述基板上。
9.一種製作聲波器件的方法，包括以下步驟準備基板；在所述基板上設置由壓電材料為其主要成分構成的壓電體層；在所述壓電體層上形成一對電極；以及形成以二氧化矽為其主要成分構成的二氧化矽層，用以覆蓋各電極；其中，在形成二氧化矽層的步驟中，通過在60％或更大的氧氣流量比的氛圍內實行以二氧化矽濺射目標而形成所述二氧化矽層。
10.一種製作聲波器件的方法，包括以下步驟準備基板；在所述基板上設置由二氧化矽為其主要成分構成的二氧化矽層；在所述二氧化矽層上形成由壓電材料為其主要成分構成的壓電體層；以及在所述壓電體層上形成一對電極；其中，在設置二氧化矽層的步驟中，通過在60％或更大的氧氣流量比的氛圍內實行以二氧化矽濺射目標而形成所述二氧化矽層。
11.一種製作聲波器件的方法，包括以下步驟準備基板；在所述基板上設置一對電極；形成由壓電材料為其主要成分構成的壓電體層，用以覆蓋各電極；以及在所述壓電體層上形成以二氧化矽為其主要成分構成的二氧化矽層；其中，在形成二氧化矽層的步驟中，通過在60％或更大的氧氣流量比的氛圍內實行以二氧化矽濺射目標而形成所述二氧化矽層。
12.一種製作聲波器件的方法，包括以下步驟準備基板；在所述基板上設置以二氧化矽為其主要成分構成的二氧化矽層；在所述二氧化矽層上形成一對電極；以及形成由壓電材料為其主要成分構成的壓電體層，以便覆蓋各電極；其中，在形成二氧化矽層的步驟中，通過在60％或更大的氧氣流量比的氛圍內實行以二氧化矽濺射目標而形成所述二氧化矽層。
全文摘要
一種能夠長時間表現出良好特性的聲波器件和一種製作聲波器件的方法。本發明的聲波器件包括具有壓電特性和一個表面的壓電體層；一對電極，用以在通電時於所述壓電體層內感應出聲振動，所述各電極布置在壓電體層的一個表面上；以及二氧化矽層，使與所述壓電體層和/或各電極接觸，所述二氧化矽層是由二氧化矽作為它的主要成分而構成的。其中，通過在60％或更大的氧氣流量比氛圍內實行以二氧化矽濺射目標形成所述二氧化矽層。
文檔編號H03H9/00GK101093981SQ200710110058
公開日2007年12月26日 申請日期2007年6月19日 優先權日2006年6月22日
發明者藤井知, 舟川剛夫 申請人:精工愛普生株式會社