CN107493086A - 温度补偿声表面波谐振器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种温度补偿声表面波谐振器，所述温度补偿声表面波谐振器包括基片、位于该基片上方的压电材料基板以及形成于该压电材料基板上的叉指结构，其中，所述基片和所述压电材料基板之间包括键合层、以形成复合基板。本发明的温度补偿声表面波谐振器能够有效降低工艺的难度；提高工艺的稳定性和可靠性，并且提高产品的良率；降低了频率温度系数，提高器件的性能。
Description
技术领域
本发明涉及一种新型声表面波谐振器，特别是涉及一种采用基于键合工艺形成的温度补偿声表面波谐振器及其制备方法。
背景技术
随着无线通讯应用的发展，人们对于数据传输速度的要求越来越高。在移动通信领域，第一代是模拟技术，第二代实现了数字化语音通信，第三代(3G)以多媒体通信为特征，***(4G)将通信速率提高到1Gbps、时延减小到10ms，第五代(5G)是4G之后的新一代移动通信技术，虽然5G的技术规范与标准还没有完全明确，但与3G、4G相比，其网络传输速率和网络容量将大幅提升。如果说从1G到4G主要解决的是人与人之间的沟通，5G将解决人与人之外的人与物、物与物之间的沟通，即万物互联，实现“信息随心至，万物触手及”的愿景。
与数据率上升相对应的是频谱资源的高利用率以及通讯协议的复杂化。由于频谱有限，为了满足数据率的需求，必须充分利用频谱；同时为了满足数据率的需求，从4G开始还使用了载波聚合技术，使得一台设备可以同时利用不同的载波频谱传输数据。另一方面，为了在有限的带宽内支持足够的数据传输率，通信协议变得越来越复杂，因此对射频***的各种性能也提出了严格的需求。
在射频前端模块中，射频滤波器起着至关重要的作用。它可以将带外干扰和噪声滤除以满足射频***和通讯协议对于信噪比的需求。随着通信协议越来越复杂，对频带内外的要求也越来越高，使得滤波器的设计越来越有挑战。另外，随着手机需要支持的频带数目不断上升，每一款手机中需要用到的滤波器数量也在不断上升。
目前射频滤波器最主流的实现方式是声表面波滤波器和基于薄膜体声波谐振器技术的滤波器。薄膜体声波谐振器主要用于高频(比如大于2.5GHz的频段)，制造工艺比较复杂，成本较高。而声表面波滤波器主要用于中低频(比如小于2.5GHz的频段)，制造工艺相对比较简单，成本相比于薄膜体声波谐振器要低很多，比较容易受市场接受。
在4G通信时代，由于声表面波滤波器的频率受使用温度的影响较大，薄膜体声波滤波器逐渐成为市场的主流选择。考虑到声表面波的成本优势，业内一直在研究如何提高声表面波的温度补偿特性。传统的方法是在叉指(IDT)表面沉积一层二氧化硅(SiO2)，非晶的二氧化硅薄膜具有负的温度系数，正好可以抵消压电基板的正温度系数。该方法虽然已经商用，但仍有其局限性，比如二氧化硅的材料和厚度的控制要求极高，一般的工艺条件很难达到。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术的缺陷，提出了一种声表面波谐振器，所述温度补偿声表面波谐振器包括基片、位于该基片上方的压电材料基板以及形成于该压电材料基板上的叉指结构，其中，所述基片和所述压电材料基板之间包括键合层、以形成复合基板。
作为一种改进，所述键合层包括沉积在所述基片上的第一黏附薄膜层、沉积在所述压电材料基板上的第二黏附薄膜层。
作为一种改进，所述叉指结构的材料包括铝、钛、铜、铬、银的组合或者其中之一。
作为一种改进，所述键合层包括二氧化硅或者氮氧化硅。
本发明还提出了用于本发明的温度补偿声表面波谐振器的制备方法，所述制备方法包括：
在基片上沉积一层黏附材料，以形成第一黏附薄膜层；
在压电材料基板上沉积一层黏附薄膜材料，以形成第二黏附薄膜层；
所述第一黏附薄膜层与所述第二黏附薄膜层进行键合，以使所述基片和压电材料基板贴合形成复合基板；
在所述压电材料基板上沉积金属材料，以形成金属薄膜层；
对所述金属薄膜层进行图形化，以形成金属叉指结构。
作为一种改进，所述制备方法还包括：所述第一黏附薄膜层与所述第二黏附薄膜层在键合之前进行表面活化处理。
作为一种改进，所述制备方法还包括：在所述第一黏附薄膜层与所述第二黏附薄膜层键合时，将贴合后的复合基板在氧气或氮气环境中经数小时的高温处理。
作为一种改进，沉积金属材料的工艺包括电子束蒸发、物理气相沉积、原子层沉积或脉冲激光沉积。
作为一种改进，所述金属材料包括铜、铝、铬、银、钛或它们的组合。
作为一种改进，还包括以下步骤：对键合后的所述压电材料基板进行减薄和抛光处理。
本发明的有益效果：相比于传统的温度补偿声表面波谐振器，本发明通过在新型的键合基板上直接形成叉指结构，避免了工艺要求较为苛刻的二氧化硅沉积和平坦化，有效降低工艺的难度，提高工艺的稳定性和可靠性；通过将压电材料基板与传统基板键合，形成强度较大的复合基板，该复合基板能大大降低压电材料在工艺中易碎的可能性，从而提高产品的良率；有效控制压电薄膜的厚度，从而能降低频率温度系数，提高器件的性能。
附图说明
图1为本发明的温度补偿声表面波谐振器剖面结构示意图；
图2为用于本发明的温度补偿声表面波谐振器的制备工艺流程图；
图3为基板厚度和压电材料厚度的比值与频率温度补偿系数的关系图表。
具体实施方式
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
实施例1
图1为本发明的温度补偿声表面波谐振器的剖面结构示意图。如图1所示，该温度补偿声表面波谐振器包括基片100，该基片作为支撑基片，例如可以为硅片、蓝宝石等；设置在基片100上的第一黏附薄膜层200；在基片100上方设置压电材料基板300，该压电材料基板300例如为铌酸锂、钽酸锂、氮化铝、氧化锌等，压电材料基板300的与基片100相对的表面上设有第二黏附薄膜层210；在压电材料基板300上方包括叉指结构，该叉指结构的材料例如为铝、钛、铜、铬、银等或者它们的组合。
具体地，基片100和压电材料基板300之间包括键合层、以形成复合基板，其中，该键合层包括沉积在基片100上的第一黏附薄膜层200、沉积在压电材料基板300上的第二黏附薄膜层210，并且键合层包括二氧化硅或者氮氧化硅。另外，第一黏附薄膜层200和第二黏附薄膜层210的材料例如为二氧化硅、氮氧化硅等。
进一步地，在单面或者双面抛光的基片100的表面上优选地沉积一层黏附材料，以形成第一黏附薄膜层200。另外，在压电材料基板300的下表面、即与基片100的上表面相对的表面设有一层黏附薄膜材料，以形成第二黏附薄膜层210，该层黏附薄膜材料210用于与基片100的黏附材料200结合。具体地，该层黏附薄膜材料210例如通过沉积的方式设置在压电材料基板300上，该沉积方式优选为热氧化生长工艺。
另外，本发明的温度补偿声表面波谐振器通过键合工艺形成，其中，包括通过键合的方式使基片100和压电材料基板300结合形成复合基板，在该复合基板上例如通过沉积的工艺形成金属叉指结构，沉积的工艺采用电子束蒸发、物理气相沉积、原子层沉积、脉冲激光沉积等。
本发明提出了一种全新的温度补偿声表面波谐振器，通过压电材料基板和支撑基片的键合，形成温度补偿声表面波谐振器的复合基板，在该键合的复合基板上设有金属薄膜，在该金属薄膜形成谐振器的叉指结构，本发明的上述结构实现了支撑基片和压电材料基板的良好结合，并且有效控制了压电材料基板的厚度，从而能降低频率温度系数，提高器件的性能。
实施例2
图2为本发明的温度补偿声表面波谐振器的制备工艺流程图。如图2所示，本发明还提出了一种用于实施例1的温度补偿声表面波谐振器的制备方法，该制备方法包括以下步骤：
(a)准备单面或双面抛光的基片100，其中抛光面向上，进行标准清洗。然后在硅片表面沉积一层黏附材料，以形成第一黏附薄膜层200，该第一黏附薄膜层200的材料例如可以是二氧化硅、氮氧化硅等。如图2的(a)所示。
(b)在压电材料基板300上沉积一层黏附薄膜材料，以形成第二黏附薄膜层210，该第二黏附薄膜层210与第一黏附薄膜层200的沉积工艺相同，优选为热氧化生长工艺。如图2的(b)所示。
(c)将基片100与压电材料基板300进行硅-硅键合，以形成复合基板。在键合之前，对第一黏附薄膜层200和第二黏附薄膜层210进行表面活化的处理，例如将其浸入一定温度的含有氧化剂的溶液中，常用的氧化剂溶液有硫酸双氧水、稀硝酸等，常用的溶液温度一般是75℃～110℃。在键合时，将第一黏附薄膜层200和第二黏附薄膜层210键合，以使基片100和压电材料基板300贴合形成复合基板，贴合后的复合基板在氧气或氮气环境中经数小时的高温处理，由此形成良好的键合。如图2的(c)所示。
(d)在键合之后，对压电材料基板300进行减薄和抛光处理，减薄后的压电材料基板300的厚度在5～100微米的范围内。在抛光之后，对压电材料基板300进行清洗。如图2的(d)所示。
(e)在压电材料基板300的表面沉积金属材料，以形成金属薄膜层400。该金属材料可以是铝、钛、铜、金、铬、银等或它们的组合，沉积的工艺例如采用电子束蒸发、物理气相沉积、原子层沉积、脉冲激光沉积等。如图2的(e)所示。
(f)对金属薄膜层400进行光刻图形化之后，形成金属叉指结构。如图2的(f)所示。
本发明结构将压电材料基板键合在低热膨胀系数的基板上，当外界温度变化时，由于基板的热膨胀系数比较低，其上方的器件也会较少的收到温度变化的影响，从而实现器件的温度补偿效应。以基板材料为硅、压电材料为钽酸锂为例，测试频率温度补偿系数(TCF)，参见图3，横坐标表征基板厚度与压电材料厚度的比值，纵坐标表示频率温度补偿系数(TCF)。可以看到，基板厚度与压电材料厚度的比值越大，频率温度补偿系数越接近零。这样可以实现通过工艺中控制压电材料的厚度来提高温度补偿的效果。与现有技术相比，本发明的温度补偿声表面波谐振器通过在键合的复合基板上直接形成叉指结构，避免了工艺要求较为苛刻的二氧化硅沉积和平坦化。由此能够有效降低工艺的难度，并且提高工艺的稳定性和可靠性。其次，由于压电材料基板比较脆，制造过程中容易破碎，极大地影响了产品的良率，在本实施方式中通过将压电材料基板与基片键合，以形成强度较大的复合基板。该复合基板能大大降低压电材料在工艺中易碎的可能性，从而提高产品的良率。另外，本发明还能够有效控制压电材料基板的厚度，从而能降低频率温度系数，提高器件的性能。
需要说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围。
Claims (10)
1.一种温度补偿声表面波谐振器，其特征在于，所述温度补偿声表面波谐振器包括基片、位于该基片上方的压电材料基板以及形成于该压电材料基板上的叉指结构，其中，所述基片和所述压电材料基板之间包括键合层、以形成复合基板。
2.根据权利要求1所述的温度补偿声表面波谐振器，其特征在于，所述键合层包括沉积在所述基片上的第一黏附薄膜层、沉积在所述压电材料基板上的第二黏附薄膜层。
3.根据权利要求1所述的温度补偿声表面波谐振器，其特征在于，所述叉指结构的材料包括铝、钛、铜、铬、银的组合或者其中之一。
4.根据权利要求1所述的温度补偿声表面波谐振器，其特征在于，所述键合层包括二氧化硅或者氮氧化硅。
5.一种温度补偿声表面波谐振器的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括：
在基片上沉积一层黏附材料，以形成第一黏附薄膜层；
在压电材料基板上沉积一层黏附薄膜材料，以形成第二黏附薄膜层；
所述第一黏附薄膜层与所述第二黏附薄膜层进行键合，以使所述基片和压电材料基板贴合形成复合基板；
在所述压电材料基板上沉积金属材料，以形成金属薄膜层；
对所述金属薄膜层进行图形化，以形成金属叉指结构。
6.根据权利要求5所述的温度补偿声表面波谐振器的制备方法，其特征在于，所述制备方法还包括：
所述第一黏附薄膜层与所述第二黏附薄膜层在键合之前进行表面活化处理。
7.根据权利要求5所述的温度补偿声表面波谐振器的制备方法，其特征在于，所述制备方法还包括：
在所述第一黏附薄膜层与所述第二黏附薄膜层键合时，将贴合后的复合基板在氧气或氮气环境中经数小时的高温处理。
8.根据权利要求5所述的温度补偿声表面波谐振器的制备方法，其特征在于，沉积金属材料的工艺包括电子束蒸发、物理气相沉积、原子层沉积或脉冲激光沉积。
9.根据权利要求5所述的温度补偿声表面波谐振器的制备方法，其特征在于，所述金属材料包括铜、铝、铬、银、钛或它们的组合。
10.根据权利要求5所述的温度补偿声表面波谐振器的制备方法，其特征在于，还包括以下步骤：对键合后的所述压电材料基板进行减薄和抛光处理。
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