CN111416590B - 一种高频声波谐振器及其制备方法 - Google Patents

一种高频声波谐振器及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本申请提供一种高频声波谐振器及其制备方法，该高频声波谐振器包括：高声速支撑衬底；绝缘介质层，绝缘介质层位于高声速支撑衬底的上表面；压电膜，压电膜位于绝缘介质层的上表面；叉指电极，叉指电极位于压电膜的上表面。通过在压电膜下方设置高声速支撑衬底可以增大压电膜中所激发传播的目标弹性波的声速，并可有效约束目标弹性波的传播，提高高频声波谐振器的谐振频率；通过在压电膜与高声速支撑衬底之间设置绝缘介质层，可以有效降低压电膜中电场能量的泄露，可增强高频声波谐振器的机电耦合系数；通过选择合适的绝缘介质层，可以对高频声波谐振器进行温度补偿，降低高频声波谐振器的温漂，提高高频声波谐振器的温度稳定性。

Description

一种高频声波谐振器及其制备方法
技术领域
本申请涉及半导体制备技术领域，特别涉及一种高频声波谐振器及其制备方法。
背景技术
随着互联网和5G技术的发展，市场对射频器件的需求持续增长。声表面波滤波器被广泛应用于射频前端，其工作频率主要由叉指电极周期和压电材料中所激发的弹性波波速决定。现有声表面波滤波器的工作频率一般低于3GHz，而5G通信中的FR1频段最高可达到6GHz，现有的声表面滤波器存在谐振频率较低、机电耦合系数不高且存在温漂等问题而无法完全满足5G通信需求。减小叉指电极周期虽然可以提高工作频率，但是制作成本和工艺难度随之提升，器件性能也会恶化。
发明内容
本申请要解决是现有技术中声波谐振器谐振频率较低、机电耦合系数不高且存在温漂的技术问题。
为解决上述技术问题，本申请实施例公开了一种高频声波谐振器，包括：
高声速支撑衬底；
绝缘介质层，绝缘介质层位于高声速支撑衬底的上表面；
压电膜，压电膜位于绝缘介质层的上表面；
叉指电极，叉指电极位于压电膜的上表面。
所述压电膜的厚度与所述压电膜3激发的目标弹性波的波长λ的比值在0.05到0.5之间；
所述绝缘介质层的电阻率大于1012Ω·cm，所述绝缘介质层的厚度介于0.01λ～λ之间。
进一步地，所述压电膜激发的目标弹性波包括S波、SH波、瑞利(Rayleigh)波和A波。
进一步地，高速支撑衬底的材料包括碳化硅、金刚石或蓝宝石；
绝缘介质层的材料包括二氧化硅、氮化硅或氧化铝；
压电膜的材料包括铌酸锂、钽酸锂、氮化铝、石英或氧化锌。
压电膜的材料与绝缘介质层的材料能够匹配并形成温度补偿。
进一步地，压电膜的厚度与压电膜激发的目标弹性波的波长λ的比值在0.1到0.35之间。
进一步地，高声速支撑衬底中传播的体波的声速大于压电膜中传播的目标弹性波的声速。
本申请实施例另一方面公开一种高频声波谐振器的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
获取高声速支撑衬底；
于高声速支撑衬底的上表面制备形成绝缘介质层；
于绝缘介质层的上表面制备形成压电膜；
于压电膜的上表面制备形成叉指电极。；
所述压电膜的厚度与所述压电膜激发的目标弹性波的波长λ的比值在0.05到0.5之间；
所述绝缘介质层的电阻率大于1012Ω·cm，所述绝缘介质层的厚度介于0.01λ～λ之间。
进一步地，所述压电膜激发的目标弹性波包括S波、SH波、瑞利(Rayleigh)波和A波。
进一步地，高速支撑衬底的材料包括碳化硅、金刚石或蓝宝石；
绝缘介质层的材料包括二氧化硅、氮化硅或氧化铝；绝缘介质层的形成方法包括沉积法、外延法或热氧化法；
压电膜的材料包括铌酸锂、钽酸锂、氮化铝、石英或氧化锌；压电膜的形成方法包括沉积法、外延法、离子束剥离法或键合法。
压电膜的材料与绝缘介质层的材料能够匹配并形成温度补偿。
压电膜的厚度与激发的目标弹性波的波长λ的比值在0.1到0.35之间。
进一步地，高声速支撑衬底中传播的体波的声速大于压电膜中传播的目标弹性波的声速。
采用上述技术方案，本申请具有如下有益效果：
本申请实施例提供的高频声波谐振器通过在压电膜下方设置高声速支撑衬底可以增大压电膜中所激发传播的目标弹性波的声速，并可有效约束目标弹性波的传播，可以提高高频声波谐振器的谐振频率；通过在压电膜与高声速支撑衬底之间设置绝缘介质层，可以有效降低压电膜中电场能量的泄露，可增强高频声波谐振器的机电耦合系数；通过选择合适的绝缘介质层，可以对高频声波谐振器进行温度补偿，降低高频声波谐振器的温漂，提高高频声波谐振器的温度稳定性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本申请实施例一种高频声波谐振器的器件结构示意图；
图2为本申请实施例一种高频声波谐振器的制备方法的流程示意图；
图3为本申请实施例一种高频声波谐振器的叉指电极的俯视图；
图4为本申请实施例绝缘介质层的厚度与高频声波谐振器的机电耦合系数的曲线图；
以下对附图作补充说明：
1-高声速支撑衬底；2-绝缘介质层；3-压电膜；4-叉指电极。
具体实施方式
下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
此处所称的“一个实施例”或“实施例”是指可包含于本申请至少一个实现方式中的特定特征、结构或特性。在本申请实施例的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“顶”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含的包括一个或者更多个该特征。而且，术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本申请的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。
请参见图1，图1为本申请实施例一种高频声波谐振器的器件结构示意图，图1中的高频声波谐振器包括：
高声速支撑衬底1；
绝缘介质层2，绝缘介质层2位于高声速支撑衬底1的上表面；
压电膜3，压电膜3位于绝缘介质层2的上表面；
叉指电极4，叉指电极4位于压电膜3的上表面；
压电膜3的厚度与压电膜3激发的目标弹性波的波长λ的比值在0.05到0.5之间；
绝缘介质层2的电阻率大于1012Ω·cm，绝缘介质层2的厚度介于0.01λ～λ之间。
本申请实施例中，压电膜激发的目标弹性波包括S波、SH波、瑞利(Rayleigh)波和A波。
本申请实施例提供的高频声波谐振器通过在压电膜3下方设置高声速支撑衬底1可以增大压电膜3中所激发传播的目标弹性波的声速，并可有效约束目标弹性波的传播，可以提高高频声波谐振器的谐振频率；通过在压电膜3与高声速支撑衬底1之间设置绝缘介质层2，可以有效降低压电膜3中电场能量的泄露，可增强高频声波谐振器的机电耦合系数；通过选择合适的绝缘介质层2，可以对高频声波谐振器进行温度补偿，降低高频声波谐振器的温漂，提高高频声波谐振器的温度稳定性。
本申请实施例中，高频声波谐振器的特征在于：高频声波谐振器主要利用S波；高频声波谐振器能够激发并有效约束S波的传播；高频声波谐振器也可利用SH波、瑞利波和A波；高频声波谐振器可增大所激发的SH波或瑞利波或A波的波速(相较于压电膜3中本征SH波或瑞利(Rayleigh)波或A波的波速)。
本申请实施例另一方面公开一种上述高频声波谐振器的制备方法,图2为本申请实施例一种高频声波谐振器的制备方法的流程示意图，该制备方法包括如下步骤：
S1:获取高声速支撑衬底1；
S2:于高声速支撑衬底1的上表面制备形成绝缘介质层2；绝缘介质层的形成方法包括沉积法、外延法或热氧化法；
S3:于绝缘介质层2的上表面制备形成压电膜3；压电膜3的形成方法包括沉积法、外延法、离子束剥离法或键合法。
S4:于压电膜3的上表面制备形成叉指电极4，具体包括如下步骤：
于压电膜3的上表面形成叉指材料层；采用光刻和金属沉积工艺形成叉指电极4。
本申请实施例中，高速支撑衬底的材料包括但不仅限于碳化硅、金刚石或蓝宝石；本实施例中，高声速支撑衬底1的材料优选为热导率大的材料，例如，碳化硅或金刚石。
绝缘介质层2的材料包括但不仅限于二氧化硅(SiO2)、氮化硅(Si3N4)或氧化铝(Al2O3)；
压电膜3的材料包括但不仅限于铌酸锂(LiNbO3)、钽酸锂(LiTaO3)、、氮化铝(AlN)、石英(Quartz)或氧化锌(ZnO)。
本申请实施例中，压电膜3的材料与绝缘介质层2的材料能够匹配并形成温度补偿。第一种可实施的方案中，绝缘介质层2的声速温度系数(TC1)大于0时，则压电膜3的声速温度系数(TC2)小于0，以形成温度补偿；第二种可实施的方案中，绝缘介质层2的声速温度系数小于0时，则压电膜3的声速温度系数大于0，以形成温度补偿；第三种可实施的方案中，绝缘介质层2的声速温度系数与压电膜3的声速温度系数均大于0，绝缘介质层2的声速温度系数小于压电膜3的声速温度系数，以形成温度补偿；第四种可实施的方案中，绝缘介质层2的声速温度系数与压电膜3的声速温度系数均小于0，且绝缘介质层2的声速温度系数的绝对值小于压电膜3的声速温度系数的绝对值，以形成温度补偿。
本申请实施例中，压电膜3的厚度与压电膜3激发的目标弹性波的波长的比值在0.05到0.5之间；优选地，压电膜3的厚度与压电膜3激发的目标弹性波的波长的比值在0.1到0.35之间，在应用场景中，压电膜3的厚度技术人员可以根据实际需要进行调整。
绝缘介质层2的厚度介于0.01λ～λ之间，其中，λ为压电膜3激发的目标弹性波的波长。绝缘介质层2的厚度与压电膜3的厚度及压电膜3的声速温度系数等因素有关，通过加入绝缘介质层2，调整绝缘介质层2的厚度，能够有效增强高频声波谐振器的整体频率温度系数(TCF)及机电耦合系数。通过选择合适的绝缘介质层2，可以对高频声波谐振器进行温度补偿，降低高频声波谐振器的温漂，提高高频声波谐振器的温度稳定性。
本申请实施例中，压电膜3为单晶薄膜；高声速支撑衬底1中传播的体波的声速大于压电膜3中传播的目标弹性波的声速。当高频声波谐振器中压电膜3激发的目标弹性波的声速略大于高声速支撑衬底1中传播的体波声速时，可以通过选择不同切型的压电膜3或改变目标弹性波在压电膜3内的传播方向，以确保压电膜3中传播的目标弹性波的声速可以小于高声速支撑衬底1中传播的体波的声速。
本申请实施例中，压电膜3所激发的弹性波可以包括S波(对称型兰姆波)、SH波(水平偏振横波)、瑞利(Rayleigh)波或A波(反对称型兰姆波)。
图3为本申请实施例叉指电极4的俯视结构示意图，如图3所示，叉指电极4包括第一固定部41、第一叉指42、第一伪叉指45、第二固定部43、第二叉指44、第二伪叉指46，第一固定部41与第二固定部43平行间隔排布；第一叉指42、第一伪叉指45、第二叉指44及第二伪叉指46均位于第一固定部41与第二固定部43之间，且第一叉指42及第一伪叉指45垂直固定于第一固定部41上，且沿第一固定部41延伸的方向间隔排布，第二叉指44及第二伪叉指46垂直固定于第二固定部43上，且沿第二固定部43的延伸方向间隔排布；第一叉指42与第二伪叉指46一一对应设置，第二叉指44与第一伪叉指45一一对应设置，且第一叉指42与第二伪叉指46之间具有间距，第二叉指44与第一伪叉指45之间具有间距。通过在叉指电极4内设置第一伪叉指45及第二伪叉指46，可以改变压电膜3内的电场分布，从而抑制在第一固定部41及第二固定部42谐振形成的杂散波。
本申请实施例中，第一叉指42与第二伪叉指46之间的间距可以根据实际需要进行设定，第二叉指44与第一伪叉指45之间的间距可以根据实际需要进行设定。
本申请实施例中，第一叉指42的有效长度L1与叉指电极4的宽度L的比值可以介于0.4～0.8之间，第二叉指44的有效长度与叉指电极4的宽度L的比值可以介于0.4～0.8之间。需要说明的是，第一叉指42的有效长度L1是指第一叉指42沿第一固定部41及第二固定部43的延伸方向的投影与第二叉指44沿第一固定部41及第二固定部43的延伸方向的投影重合部分的长度，第二叉指44的有效长度L1是指第二叉指44沿第一固定部41及第二固定部43的延伸方向的投影与第一叉指42沿第一固定部41及第二固定部43的延伸方向的投影重合部分的长度。
基于上文的方案下面举例介绍一种实施方案。
实施例1：
本申请实施例1一方面提供一种高频声波谐振器，包括：
高声速支撑衬底1；高声速支撑衬底1为SiC衬底；
绝缘介质层2，绝缘介质层2位于高声速支撑衬底1的上表面；绝缘介质层2为SiO2绝缘介质层；
压电膜3，压电膜3位于绝缘介质层2的上表面；压电膜3为LiNbO3单晶薄膜；
叉指电极4，叉指电极4位于压电膜3的上表面。
本申请实施例1另一方面提供一种高频声波谐振器的制备方法，包括以下步骤：
获取SiC高声速支撑衬底；
于SiC高声速支撑衬底的上表面制备形成SiO2绝缘介质层；
于SiO2绝缘介质层的上表面制备形成LiNbO3压电膜；
于LiNbO3压电膜的上表面形成叉指电极层；采用光刻工艺和沉积工艺形成叉指电极4。
本申请实施例1中高频声波谐振器为LiNbO3单晶薄膜/SiO2绝缘介质层/SiC衬底结构，由于SiC衬底为高声速衬底，因此该结构中，S0波被有效约束在LiNbO3单晶薄膜及SiO2绝缘介质层内，形成有效谐振；SiO2绝缘介质层可以阻隔LiNbO3单晶薄膜中谐振引起的电信号向SiC衬底泄露，厚度为80nm的SiO2绝缘介质层可以更好的约束S0波的能量，提高高频声波谐振器的机电耦合系数；但是，SiO2绝缘介质层厚度的增加同样会引起LiNbO3单晶薄膜中谐振能量的衰减，图4显示为本发明的LiNbO3单晶薄膜/SiO2绝缘介质层/SiC衬底结构中SiO2绝缘介质层的厚度与高频声波谐振器的机电耦合系数(Kt2)的曲线图，从图4中可以看出，选择合适的SiO2绝缘介质层的厚度，可以更好的约束S0波的能量，提高高频声波谐振器的机电耦合系数，并实现高频声波谐振器的低温漂。
作为对比，LiNbO3单晶薄膜/SiC衬底结构中，由于SiC衬底时高声速衬底(最慢的体波声速约7160m/s，大于LiNbO3单晶薄膜中激发的S0波的声速，S0波的声速约为6400m/s)，激发的S0波可以较好地被约束在LiNbO3单晶薄膜中和LiNbO3单晶薄膜/SiC衬底的界面处；但SiC为半导体(禁带宽度为3.25eV～3.4eV)，仍存在衬底漏电，导致LiNbO3单晶薄膜在谐振过程中的电信号损耗，使得谐振器的机电耦合系数降低；此外，LiNbO3单晶薄膜的声速温度系数为-60ppm/℃～-90ppm/℃，SiC衬底的声速温度系数约为-20ppm/℃，器件整体的频率温度系数的绝对值较高，在变化的环境温度下难以保证工作稳定性。
本申请的高频声波谐振器通过在压电膜下方设置高声速支撑衬底可以增大压电膜中所激发传播的目标弹性波的声速，并可有效约束目标弹性波的传播，可以提高高频声波谐振器的谐振频率；通过在压电膜与高声速支撑衬底之间设置绝缘介质层，可以有效降低压电膜中电场能量的泄露，可增强高频声波谐振器的机电耦合系数；通过选择合适的绝缘介质层，可以对高频声波谐振器进行温度补偿，降低高频声波谐振器的温漂，提高高频声波谐振器的温度稳定性。
以上仅为本申请的较佳实施例，并不用以限制本申请，凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种高频声波谐振器，其特征在于，包括：
高声速支撑衬底(1)；
绝缘介质层(2)，所述绝缘介质层(2)位于所述高声速支撑衬底(1)的上表面；
压电膜(3)，所述压电膜(3)位于所述绝缘介质层(2)的上表面；
叉指电极(4)，所述叉指电极(4)位于所述压电膜(3)的上表面；
所述压电膜(3)的厚度与所述压电膜(3)激发的目标弹性波的波长λ的比值在0.05到0.5之间；
所述绝缘介质层(2)的电阻率大于1012Ω·cm，所述绝缘介质层(2)的厚度介于0.01λ～λ之间。
2.根据权利要求1所述的高频声波谐振器，其特征在于，所述压电膜(3)激发的目标弹性波包括S波、SH波、瑞利(Rayleigh)波和A波。
3.根据权利要求1所述的高频声波谐振器，其特征在于，所述高声速支撑衬底(1)的材料包括碳化硅、金刚石或蓝宝石；
所述绝缘介质层(2)的材料包括二氧化硅、氮化硅或氧化铝；
所述压电膜(3)的材料包括铌酸锂、钽酸锂、氮化铝、石英或氧化锌；
所述压电膜(3)的材料与所述绝缘介质层(2)的材料能够匹配并形成温度补偿。
4.根据权利要求1所述的高频声波谐振器，其特征在于，所述压电膜(3)的厚度与所述压电膜(3)激发的目标弹性波的波长λ的比值在0.1到0.35之间。
5.根据权利要求1所述的高频声波谐振器，其特征在于，所述高声速支撑衬底(1)中传播的体波的声速大于所述压电膜(3)中传播的目标弹性波的声速。
6.一种高频声波谐振器的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
获取高声速支撑衬底(1)；
于所述高声速支撑衬底(1)的上表面制备形成绝缘介质层(2)；
于所述绝缘介质层(2)的上表面制备形成压电膜(3)；
于所述压电膜(3)的上表面制备形成叉指电极(4)；
其中，所述压电膜(3)的厚度与所述压电膜(3)激发的目标弹性波的波长λ的比值在0.05到0.5之间；
所述绝缘介质层(2)的电阻率大于1012Ω·cm，所述绝缘介质层(2)的厚度介于0.01λ～λ之间。
7.根据权利要求6所述的高频声波谐振器的制备方法，其特征在于，所述压电膜(3)激发的目标弹性波包括S波、SH波、瑞利(Rayleigh)波和A波。
8.根据权利要求6所述的高频声波谐振器的制备方法，其特征在于，所述高声速支撑衬底(1)的材料包括碳化硅、金刚石或蓝宝石；
所述绝缘介质层(2)的材料包括二氧化硅、氮化硅或氧化铝；所述绝缘介质层的形成方法包括沉积法、外延法或热氧化法；
所述压电膜(3)的材料包括铌酸锂、钽酸锂、氮化铝、石英或氧化锌；
所述压电膜(3)的形成方法包括沉积法、外延法、离子束剥离法或键合法；
所述压电膜(3)的材料与所述绝缘介质层(2)的材料能够匹配并形成温度补偿。
9.根据权利要求6所述的高频声波谐振器的制备方法，其特征在于，所述压电膜(3)的厚度与所述激发的目标弹性波的波长λ的比值在0.1到0.35之间。
10.根据权利要求6所述的高频声波谐振器的制备方法，其特征在于，所述高声速支撑衬底(1)中传播的体波的声速大于所述压电膜(3)中传播的目标弹性波的声速。
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