CN111431501A - 一种兰姆波谐振器及其制备方法 - Google Patents

一种兰姆波谐振器及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本申请提供一种兰姆波谐振器及其制备方法，该兰姆波谐振器包括支撑衬底、反射层、第一压电膜、第二压电膜和电极层；支撑衬底、反射层、第一压电膜、第二压电膜和电极层依次层叠连接；第一压电膜和第二压电膜配合能够消除或减小激发高阶兰姆波不需要的压电系数。本申请实施例提供的兰姆波谐振器通过设置两层不同晶体取向的压电膜，在一定范围内定量调控压电材料的弹性常数和压电常数，减小与低阶模的激发相关的压电常数，从而在保证高阶模的谐振频率和机电耦合系数的同时，使得低阶模被有效抑制，避免了在高阶模兰姆波滤波器的通带外存在其它低阶模所引起的不必要的通带。

Description

一种兰姆波谐振器及其制备方法
技术领域
本申请涉及半导体技术领域，特别涉及一种兰姆波谐振器及其制备方法。
背景技术
以兰姆波为代表的声波谐振器被广泛应用于通信领域。相较于4G通信，5G通信对谐振器的谐振频率和带宽提出了更高的要求。声表面波谐振器的工作频率主要由叉指电极的周期和压电材料中所激发的声速决定，更小的电极周期和更高的材料声速可有效提高声表面波谐振器的工作频率。高阶模的兰姆波有更高的声速和机电耦合系数，因此在相同的叉指电极周期下，利用高阶模兰姆波可以极大提高谐振器的工作频率。但是较强的低阶模的存在，会在最后实现的带通滤波器引入额外的通带，导致器件工作出现异常。因此，抑制低阶模的高阶模兰姆波谐振器将有望满足5G通信对高频、大带宽、稳定长效的需求。
发明内容
本申请要解决是高阶模兰姆波谐振器中，低阶模难以被有效抑制的技术问题。
为解决上述技术问题，本申请实施例公开了一种兰姆波谐振器，包括：支撑衬底、反射层、第一压电膜、第二压电膜和电极层；
支撑衬底、反射层、第一压电膜、第二压电膜和电极层依次层叠连接；
第一压电膜和第二压电膜配合能够消除或减小激发高阶兰姆波不需要的压电系数。
进一步地，所述兰姆波谐振器利用高阶A波或S波；
所述兰姆波谐振器能够有效抑制0阶SH波、0阶S波或0阶A波中至少一种的激发。
进一步地，反射层为空气反射层，空气反射层通过对牺牲层进行局部刻蚀形成；
第一压电膜和第二压电膜均开设有刻蚀孔。
可选的，反射层为布拉格反射层。
进一步地，第一压电膜和第二压电膜的厚度总和与第一压电膜和第二压电膜所激发的弹性波波长的比值小于1。
进一步地，第一压电膜的材料包括铌酸锂、钽酸锂、氧化锌、石英或氮化铝；
第二压电膜的材料包括铌酸锂、钽酸锂、氧化锌、石英或氮化铝。
本申请实施例另一方面提供一种兰姆波谐振器的制备方法，包括如下步骤：
获取支撑衬底；
在支撑衬底上制备形成器件结构层；
器件结构包括：反射层、第一压电膜、第二压电膜和电极层，反射层、第一压电膜、第二压电膜和电极层依次层叠连接；
第一压电膜和第二压电膜配合能够消除或减小激发高阶兰姆波不需要的压电系数。
进一步地，在支撑衬底上制备形成器件结构层，包括：
在支撑衬底上制备牺牲层；
在牺牲层上制备形成第一压电膜；
在第一压电膜上制备形成第二压电膜；
在第二压电膜上制备形成电极层；
在第一层压电膜和第二压电膜进行刻蚀开孔处理；
对牺牲层进行局部刻蚀处理制备形成反射层；
可选的，在支撑衬底上制备形成器件结构层，包括：
在支撑衬底上制备布拉格反射层形成反射层；
在牺牲层上制备形成第一压电膜；
在第一压电膜上制备形成第二压电膜；
在第二压电膜上制备形成电极层。
进一步地，第一压电膜和第二压电膜的厚度总和与第一压电膜和第二压电膜所激发的弹性波波长的比值小于1。
进一步地，第一压电膜的材料包括铌酸锂、钽酸锂、氧化锌、石英或氮化铝；
第二压电膜的材料包括铌酸锂、钽酸锂、氧化锌、石英或氮化铝。
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兰姆波谐振器通过设置两层不同晶体取向的压电膜，在一定范围内定量调控压电材料的弹性常数和压电常数，减小与低阶模的激发相关的压电常数，从而在保证高阶模的谐振频率和机电耦合系数的同时，使得低阶模被有效抑制，避免了在高阶模兰姆波滤波器的通带外存在其它低阶模所引起的不必要的通带从而导致的器件工作异常的问题的发生。
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采用空气反射层的兰姆波谐振器的结构示意图；
图2为本申请实施例一种采用布拉格反射层的兰姆波谐振器的结构示意图；
图3为本申请实施例一种采用空气反射层的兰姆波谐振器的制备方法的流程示意图；
图4为本申请实施例一种采用布拉格反射层的兰姆波谐振器的制备方法的流程示意图；
图5为本申请实施例1采用单层铌酸锂压电薄膜的兰姆波谐振器与采用双层铌酸锂压电薄膜的兰姆波谐振器的导纳曲线对比图。
以下对附图作补充说明：
1-支撑衬底；2-反射层；3-第一压电膜；4-第二压电膜；5-电极层。
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。
本申请实施例提供一种兰姆波谐振器，包括：支撑衬底1、反射层2、第一压电膜3、第二压电膜4和电极层5；
支撑衬底1、反射层2、第一压电膜3、第二压电膜4和电极层5依次层叠连接；
第一压电膜3和第二压电膜4配合能够消除或减小激发高阶兰姆波不需要的压电系数。
本申请实施例中，所述兰姆波谐振器利用高阶A波或S波；
所述兰姆波谐振器能够有效抑制0阶SH波、0阶S波、0阶A波中至少一种的激发。
本申请实施例中，第一压电膜3和所述第二压电膜4层叠获得压电膜结构；压电膜结构的压电系数和弹性常数可以近似视为第一压电膜3和第二压电膜4各自的压电系数和弹性常数根据各自膜厚而获得的加权平均数。
本申请实施例提供的兰姆波谐振器通过设置两层不同晶体取向的压电膜，在一定范围内定量调控压电材料的弹性常数和压电常数，减小与低阶模的激发相关的压电常数，从而在保证高阶模的谐振频率和机电耦合系数的同时，使得低阶模被有效抑制，避免了在高阶模兰姆波滤波器的通带外存在其它低阶模所引起的不必要的通带从而导致的器件工作异常的问题的发生。
本申请实施例中，反射层2可以有多种，下面举例介绍其中的两种，一种可实施的方案中，反射层2可以为空气反射层2，图1为本申请实施例一种兰姆波谐振器采用空气反射层2的结构示意图，如图1所示，空气反射层2通过对第一压电膜3和第二压电膜4刻蚀开孔，刻蚀窗口6的位置如图1中所示，再对牺牲层进行局部刻蚀形成；使得得到的电极层5/第二压电膜4/第一压电膜3结构的有源区处于悬空状态。
另一种可实施的方案中，反射层2为布拉格反射层2。图2为本申请实施例一种兰姆波谐振器采用布拉格反射层2的结构示意图。该布拉格反射层2为直接在支撑衬底1上制备形成。本申请实施例中，布拉格反射层2可以由高声阻抗层21和低声阻抗层22依次堆叠而成，高声阻抗层21(布拉格反射层2中无填充层)与低声阻抗层22(布拉格反射层2中填充层)的总层数N满足关系式：2≤N≤10。
本申请实施例另一方面提供一种兰姆波谐振器的制备方法，包括如下步骤：
获取支撑衬底1；
在支撑衬底1上制备形成器件结构层；
器件结构层包括：反射层2、第一压电膜3、第二压电膜4和电极层5，反射层2、第一压电膜3、第二压电膜4和电极层5依次层叠连接；
第一压电膜3和第二压电膜4配合能够消除或减小激发高阶兰姆波不需要的压电系数。
本申请实施例中，第一压电膜3和所述第二压电膜4层叠获得压电膜结构；压电膜结构的压电系数和弹性常数可以近似视为第一压电膜3和第二压电膜4各自的压电系数和弹性常数根据各自膜厚而获得的加权平均数。
本申请实施例中，反射层2有多种选择，一种可实施的方案中，反射层2为空气反射层2，图3为本申请实施例一种采用空气反射层2的兰姆波谐振器的制备方法的流程示意图，包括如下步骤：
S301:获取支撑衬底1；
在支撑衬底1上制备器件结构层，器件结构层的制备具体包括如下步骤：
S302:在支撑衬底1上制备牺牲层；制备牺牲层的方法可以为离子束剥离法、键合减薄法、外延法或沉积法等。
S303:在牺牲层上制备形成第一压电膜3；制备第一压电膜3的方法可以为离子束剥离法、键合减薄法、外延法或沉积法等中的任意一种或多种结合。
S304:在第一压电膜3上制备形成第二压电膜4；制备第二压电膜4的方法可以为离子束剥离法、键合减薄法、外延法或沉积法等中的任意一种或多种结合。
S305:在第二压电膜4上制备形成电极层5；
S306:对第一层压电膜和第二压电膜4进行刻蚀开孔；
S307:对牺牲层进行局部刻蚀处理制备形成反射层2；刻蚀处理的方法可以为反应离子刻蚀(RIE)、深等离子体刻蚀(HARE)、感应耦合等离子体刻蚀(ICP)或湿法刻蚀等方法中的任意一种或多种结合。
另一种可实施的方案中，反射层2为布拉格反射层2，图4为本申请实施例一种采用布拉格反射层2的兰姆波谐振器的制备方法的流程示意图，包括如下步骤：
S401:获取支撑衬底1；在支撑衬底1上制备器件结构层，器件结构层的制备具体包括如下步骤：
S402:在支撑衬底1上制备布拉格反射层2形成反射层2；
S403:在布拉格反射层2上制备形成第一压电膜3；
S404:在第一压电膜3上制备形成第二压电膜4；
S405:在第二压电膜4上制备形成电极层5。
本申请实施例中，第一压电膜3和第二压电膜4的厚度总和与第一压电膜3和第二压电膜4所激发的弹性波波长的比值小于1。
本申请实施例中，牺牲层材料可以为二氧化硅(SiO2)、多晶硅(Poly Si)或光刻胶等。
本申请实施例中，高声阻抗层21与低声阻抗层22的厚度分别为压电膜所激发声波在高声阻抗材料与低声阻抗材料中波长的四分之一。
本申请实施例中，高声阻抗层21的材料可以为钨(W)、金(Au)、铂(Pt)、金刚石(Diamond)、碳化硅(SiC)等，优选密度高、刚度系数大的材料；低声阻抗层22的材料包括二氧化硅(SiO2)、石英(Quartz)、玻璃(Glass)、聚合物材料等，优选密度低、刚度系数小的材料。
本申请实施例中，第一压电膜3和第二压电膜4可以为同种材料，也可以为不同种压电材料，第一压电膜3的材料可以为铌酸锂(LiNbO3)、钽酸锂(LiTaO3)、氧化锌(ZnO)、石英(Quartz)或氮化铝(AlN)等，第二压电膜4的材料可以为铌酸锂(LiNbO3)、钽酸锂(LiTaO3)、氧化锌(ZnO)、石英(Quartz)或氮化铝(AlN)等。
本申请实施例中第一压电膜3与第二压电膜4有多种选择，下面举例介
绍其中的几种，一种可实施的方案中，第一压电膜3和第二压电膜4为同种材料，但第一压电膜3材料和第二压电膜4材料的切型不同，第一压电膜3和第二压电膜4分别通过选择适当的晶体切型分别得到特定的压电系数和弹性常数；第二种可实施的方案中，第一压电膜3和第二压电膜4为同种材料，第一压电膜3材料和第二压电膜4材料的切型相同，面内方向不同，第一压电膜3和第二压电膜4分别通过选择适当的晶体面内方向分别得到特定的压电系数和弹性常数；第三种可实施的方案中，第一压电膜3和第二压电膜4为不同种材料，第一压电膜3和第二压电膜4分别通过选择适当材料分别得到特定的压电系数和弹性常数。本申请实施例中，第一压电膜3和所述第二压电膜4层叠获得压电膜结构；压电膜结构的压电系数和弹性常数可以近似视为第一压电膜3和第二压电膜4各自的压电系数和弹性常数根据各自膜厚而获得的加权平均数。本申请实施例中的第一压电膜3和第二压电膜4配合能够消除或减小激发高阶兰姆波不需要的压电系数。
本申请实施例中，第一压电膜3厚度h1和第二压电膜4的厚度h2总和与第一压电膜3和第二压电膜4所激发的弹性波波长λ的比值小于1，即(h1+h2)/λ小于1。
本申请实施例中，电极层5为图案化的电极，IDT电极各指条互相平行，且所激发的弹性波的传播方向与指条垂直方向所成夹角α小于30°。
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提供一种兰姆波谐振器，包括：支撑衬底1、空气反射层2、第一压电膜3、第二压电膜4和电极层5；
支撑衬底1、反射层2、第一压电膜3、第二压电膜4和电极层5依次层叠连接；
第一压电膜3和第二压电膜4中的其中一个能够激发高阶兰姆波，另一个能够消除或减小激发高阶兰姆波不需要的压电系数。
本申请实施例1中，以Z切、面内传播方向为45°和225°(欧拉角分别为(0,0,45°)和(0,0,225°))的单晶铌酸锂分别作为第一压电膜3和第二压电膜4，两层压电膜的归一化厚度(h/λ)均为0.07，支撑衬底1为单晶Si支撑衬底1，反射层2为空气反射层2。
本申请实施例1提供的兰姆波谐振器的制备方法包括如下步骤：
提供单晶Si支撑衬底1；
在支撑衬底1上沉积SiO2牺牲层；
通过离子束剥离与键合技术将第一铌酸锂压电薄膜转移至SiO2牺牲层上；
在第一铌酸锂压电薄膜上再次进行离子束剥离与键合技术，将第二铌酸锂压电薄膜转移至第一铌酸锂压电薄膜上，并使两层铌酸锂薄膜的面内旋转角相差180度；
在第二铌酸锂压电薄膜上形成图案化上电极；
在第二铌酸锂压电薄膜表面刻蚀开孔，刻蚀孔穿透第二铌酸锂压电薄膜和第一铌酸锂压电薄膜，再局部刻蚀牺牲层而形成空气反射层2，使得得到的图案化上电极/第一层铌酸锂薄膜/第二层铌酸锂薄膜结构的有源区处于悬空状态。
以单层铌酸锂压电薄膜(压电膜归一化厚度为0.14，欧拉角为(0，0，45°))制备的兰姆波谐振器(厚度与双层铌酸锂压电薄膜总厚度相同)作为对比例，如图5所示，对比例在3.2um的波长λ下，激发的A1模式谐振频率高达4.7GHz，但在激发A1模的同时，兰姆波谐振器在中低频段伴随有较强的低阶模响应：A0模式、SH0模式、S0模式，这些响应会极大影响后续制备的滤波器等器件的工作可靠性和稳定性。
对于本申请实施例1提供的双层铌酸锂压电薄膜结构的兰姆波谐振器，如图5所示，在3.2um的波长λ下，激发的A1模式谐振频率和带宽大小与单层铌酸锂谐振器相比几乎一致，没有出现明显恶化，但是和对比例相比，在中低频段的SH0模式和S0模式的响应被极大地抑制。通过对比表明，在压电薄膜总厚度不变的前提下，双层铌酸锂薄膜的结构可以有效抑制A1模式的兰姆波谐振器中不希望存在的SH0和S0模式，。
本申请实施例1提供的兰姆波谐振器通过设置两层不同晶体取向的压电膜，在一定范围内定量调控压电材料的弹性常数和压电常数，减小与低阶模的激发相关的压电常数，从而在保证高阶模的谐振频率和机电耦合系数的同时，使得低阶模被有效抑制，避免了在高阶模兰姆波滤波器的通带外存在其它低阶模所引起的不必要的通带从而导致的器件工作异常的问题的发生。
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)

1.一种兰姆波谐振器，其特征在于，包括：支撑衬底(1)、反射层(2)、第一压电膜(3)、第二压电膜(4)和电极层(5)；
所述支撑衬底(1)、所述反射层(2)、所述第一压电膜(3)、所述第二压电膜(4)和所述电极层(5)依次层叠连接；
所述第一压电膜(3)和所述第二压电膜(4)配合能够消除或减小激发高阶兰姆波不需要的压电系数。
2.根据权利要求1所述的兰姆波谐振器，其特征在于：所述兰姆波谐振器利用高阶A波或S波；
所述兰姆波谐振器能够有效抑制0阶SH波、0阶S波或0阶A波中至少一种的激发。
3.根据权利要求1所述的兰姆波谐振器，其特征在于，所述反射层(2)为空气反射层(2)，所述空气反射层(2)通过对牺牲层进行局部刻蚀形成；
所述第一压电膜(3)和所述第二压电膜(4)均开设有刻蚀孔；
或；
所述反射层(2)为布拉格反射层(2)。
4.根据权利要求1所述的兰姆波谐振器，其特征在于，所述第一压电膜(3)和所述第二压电膜(4)的厚度总和与所述第一压电膜(3)和所述第二压电膜(4)所激发的弹性波波长的比值小于1。
5.根据权利要求1所述的兰姆波谐振器，其特征在于，所述第一压电膜(3)的材料包括铌酸锂、钽酸锂、氧化锌、石英或氮化铝；
所述第二压电膜(4)的材料包括铌酸锂、钽酸锂、氧化锌、石英或氮化铝。
6.一种兰姆波谐振器的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
获取支撑衬底(1)；
在所述支撑衬底(1)上制备形成器件结构层；
所述器件结构包括：反射层(2)、第一压电膜(3)、第二压电膜(4)和电极层(5)，所述反射层(2)、所述第一压电膜(3)、所述第二压电膜(4)和所述电极层(5)依次层叠连接；
所述第一压电膜(3)和所述第二压电膜(4)配合能够消除或减小激发高阶兰姆波不需要的压电系数。
7.根据权利要求6所述的兰姆波谐振器的制备方法，其特征在于，所述在所述支撑衬底(1)上制备形成器件结构层，包括：
在所述支撑衬底(1)上制备牺牲层；
在所述牺牲层上制备形成所述第一压电膜(3)；
在所述第一压电膜(3)上制备形成所述第二压电膜(4)；
在所述第二压电膜(4)上制备形成所述电极层(5)；
对所述第一层压电膜和所述第二压电膜(4)进行刻蚀开孔处理；
对所述牺牲层进行局部刻蚀处理制备形成所述反射层(2)；
8.根据权利要求6所述的兰姆波谐振器的制备方法，其特征在于，所述在所述支撑衬底(1)上制备形成器件结构层，包括：
在所述支撑衬底(1)上制备布拉格反射层(2)形成所述反射层(2)；
在所述牺牲层上制备形成所述第一压电膜(3)；
在所述第一压电膜(3)上制备形成所述第二压电膜(4)；
在所述第二压电膜(4)上制备形成所述电极层(5)。
9.根据权利要求6所述的兰姆波谐振器的制备方法，其特征在于，所述第一压电膜(3)和所述第二压电膜(4)的厚度总和与所述第一压电膜(3)和所述第二压电膜(4)所激发的弹性波波长的比值小于1。
10.根据权利要求6所述的兰姆波谐振器的制备方法，其特征在于，所述第一压电膜(3)的材料包括铌酸锂、钽酸锂、氧化锌、石英或氮化铝；
所述第二压电膜(4)的材料包括铌酸锂、钽酸锂、氧化锌、石英或氮化铝。
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