CN112398456A - 一种高性能声表面波器件及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种高性能声表面波器件及其制备方法。包括：衬底、低声阻抗层、压电层和金属电极；低声阻抗层设置在衬底上，压电层设置在低声阻抗层上，金属电极设置在压电层上。制备：S1、获取衬底，在衬底上依次制备低声阻抗层和压电层，用有机溶剂和去离子水对压电层清洗；S2、在压电层上光刻出周期性排列的光刻胶图形；S3、采用电子束蒸发技术，在光刻胶图形上制备出周期性排列的金属叉指电极；S4、用剥离工艺，在金属薄膜上制备金属电极。本发明的高性能声表面波器件可以在保证较大的机电耦合系数的同时，提高器件的Q值，和传统的声表面波器件相比其在宽带宽、高性能的滤波器及双工器应用中有很大的优势；本发明声表面波器件的制备方法简单。
Description
技术领域
本发明涉及射频微机电***技术领域，具体涉及一种高性能声表面波器件及其制备方法。
背景技术
声表面波谐振器和声表面波滤波器是一种基于压电技术的元器件，该类型器件的尺寸极小，比单纯以电磁波为传播信号的元器件尺寸小4-5个数量级；近年来随着设计水平和工艺水平的提高，声表面波谐振器的Q值也可以做到1000以上，在2GHz左右的频段声表面波滤波器的插损可以做到2dB以下。由于其更小的体积和优异的性能，声表面波器件在射频通信领域有非常广泛的应用；在传感器领域，如生化检测、紫外线检测等也有着广阔的应用前景。
在通信终端的射频前端***中，常用的声表面波器件是滤波器，双工器和多工器。随着***的功能越来越复杂，需要支持的频段也越来越多，尤其随着5G时代的到来，我们通信用的智能手机要支持GSM、WCDMA、LTE、NR、WIFI、蓝牙等多种模式，其中有些模又需要支持多个通信频段。为了避免各个频段的互相干扰，必须要做好各个频段之间的隔离，所以对于声表面波滤波器而言，必须要有更高的带外抑制来保证对带外信号的抑制，以及更好的矩形系数来保证滤波器通带边沿的陡直度，这就要求谐振器有更高的Q值。
伴随着通信协议的不断演进，宽带化和高频化这两大趋势对传统的声表面波滤波器而言是新的挑战(传统的声表面波谐振器的结构如图1所示)。在NR新增的高频频段中，N78全频段的相对带宽在14％以上，压电衬底的机电耦合系数要达到28％才能满足要求。此外，一般会用FOM(figure of merit)衡量谐振器的性能。
FOM定义如下：
公式(A)中：Q是指谐振器的Q值，
是指谐振器的有效机电耦合系数，两者的乘积可以表征声表面波谐振器的性能。一般当有效机电耦合系数
越大时，Q在一定程度会有所降低，在传统的滤波器设计中，谐振器的
和Q往往不能同时兼顾。另外，在3GHz以上的频段，声表面波谐振器的Q值会恶化，会严重影响高频声表面波滤波器的性能。
综上所述，宽频段、高频率、高性能对传统的声表面波滤波而言是一个严峻的挑战。
发明内容
本发明的目的在于提供一种高性能声表面波器件，本发明的声表面波谐振器在实现高有效机电耦合系数的同时保证了高Q值，从而使基于该类型声表面波谐振器的滤波器可实现宽频段、高频率、高性能的要求；本发明的另一目的在于还提供了一种简单的高性能声表面波器件的制备方法。
本发明是通过如下技术方案实现的:
一种高性能声表面波器件，其特征在于，包括衬底、低声阻抗层、压电层和金属电极；所述低声阻抗层设置在所述衬底上，所述压电层设置在所述低声阻抗层上，所述金属电极设置在所述压电层上且呈周期性排列。具体地，本发明所述的高性能声表面波器件包括衬底、依次设置在衬底上的低声阻抗层、压电层和金属电极；本发明中所述的低声阻抗层和所述的压电层构成声阻抗不连续界面，限制了声表面波的能量向所述衬底中渗透。
进一步地，所述衬底采用<100>晶向的硅衬底。
进一步地，所述低声阻抗层采用二氧化硅材料制作而成。本发明通过在硅衬底上设置二氧化硅(SiO2)作为低声阻抗层，和铌酸锂形成声阻抗不连续的界面，加强声波反射，防止声波向衬底方向泄露，将声波的能量限制在二氧化硅和铌酸锂中，从而提高了器件的Q值。
进一步地，所述低声阻抗层的厚度HSiO2满足关系式：HSiO2＝K1×λ1；式中λ1表示在压电层中传播的声表面波的波长，其范围为在0.5-30微米；K1表示比例系数，其范围在0.2-0.4。用HSiO2代表低声阻抗层的厚度，所述低声阻抗层的厚度(HSiO2)满足上述HSiO2＝K1×λ1的关系式。
进一步地，所述压电层采用15°Y-X切向的铌酸锂材料制作而成。本发明采用15°Y-X切向的铌酸锂作为压电材料，该切向的铌酸锂的机电耦合系数可以达到28％左右；可以很好的应对宽带宽滤波器的应用场景，尤其在5G新增的高频频段下，本发明提供的高性能声表面波器件和42°Y-X钽酸锂、64°Y-X铌酸锂、128°Y-X铌酸锂等常规切形的压电材料相比有巨大的优势。
进一步地，所述压电层的厚度HLN满足关系式：HLN＝K2×λ2；式中λ2表示在压电层中传播的声表面波的波长，其范围为在0.5-30微米；K2表示比例系数，其范围在0.2-0.4；在所述压电层中传播的波为水平剪切波，机电耦合系数大于28％。用HLN代表压电层的厚度，所述压电层的厚度(HLN)满足上述HLN＝K2×λ2的关系式。
进一步地，所述金属电极由铜材料制作而成；所述金属电极包括IDT电极(叉指电极)和反射栅电极。
一种高性能声表面波器件的制备方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：
S1、获取衬底，然后在所述衬底上制备低声阻抗层，在所述低声阻抗层上制备压电层，然后用有机溶剂和去离子水对所述压电层进行清洗；
S2、然后采用光刻工艺，在所述压电层上光刻出周期性排列的光刻胶图形；优选地，周期性排列的光刻胶图形，其周期长度为2-4微米、宽度为1-2微米、间隙宽度为1-2微米、孔径长度为35-45微米；
S3、采用电子束蒸发技术，在所述的光刻胶图形上制备出金属电极薄膜；优选地，所述金属电极薄膜的厚度为160-360纳米；
S4、采用剥离工艺，在所述金属薄膜上制备出金属电极。
进一步地，S1、获取<100>晶向的硅衬底，然后在所述硅衬底上制备低声阻抗层，接着在所述低声阻抗层上制备压电层，并依次用丙酮、无水乙醇和去离子水对所述压电层进行清洗。
具体地，本发明中的一种高性能声表面波器件的制备方法，包括如下具体步骤：
S1、获取衬底，然后在所述衬底上制备低声阻抗层，在所述低声阻抗层上制备压电层，然后依次采用丙酮、无水乙醇和去离子水对所述压电层进行清洗；
S2、然后采用光刻工艺，在所述压电层上光刻出周期性排列的光刻胶图形；
S3、然后采用电子束蒸发技术，在上述的光刻胶图形上制备出铜薄膜；
S4、最后采用剥离工艺，在所述的铜薄膜上制备出金属电极，所述的金属电极包括IDT电极和反射栅电极。
本发明的有益效果：
(1)本发明所提供的高性能声表面波器件可以在保证较大的机电耦合系数的同时，提高器件的Q值，和传统的声表面波器件相比其在宽带宽、高性能的滤波器及双工器应用中有很大的优势；且本发明所提供的高性能声表面波器件的制备方法简单；
(2)本发明采用15°Y-X切向的铌酸锂作为压电材料，该切向的铌酸锂的机电耦合系数可以达到28％左右；可以很好的应对宽带宽滤波器的应用场景，尤其在5G新增的高频频段下，本发明提供的声表面波器件和42°Y-X钽酸锂、64°Y-X铌酸锂、128°Y-X铌酸锂等常规切形的压电材料相比有巨大的优势。由于在机电耦合系数较大时，谐振器的Q值会比机电耦合系数较小时的Q值有一定程度的恶化，本发明提供的高性能声表面波器件结构中，通过在硅衬底上设置二氧化硅作为低声阻抗层，和铌酸锂形成声阻抗不连续的界面，加强声波反射，防止声波向衬底方向泄露，将声波的能量限制在二氧化硅和铌酸锂中，从而提高器件的Q值。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，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，对于本领域的技术人员来讲，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附图。
图1为传统的声表面波谐振器结构的剖面图；
图2为本发明的高性能声表面波器件的剖面图；
图3为本发明的高性能声表面波器件的俯视图。
图中：1衬底、2低声阻抗层、3压电层、4金属电极、41IDT电极、42反射栅电极。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明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发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
如图2-3所示，一种高性能声表面波器件，包括衬底1、低声阻抗层2、成压电层3和金属电极4；所述的低声阻抗层2设置在所述衬底1上，所述的压电层3设置在所述低声阻抗层2上，所述的金属电极4设置在所述压电层3上且呈周期性排列，所述的金属电极4包括IDT电极41和反射栅电极42；其中：所述的衬底1采用<100>晶向的硅衬底；所述的低声阻抗层2采用二氧化硅制作而成、且所述低声阻抗层2的厚度为800纳米(其中所述的低声阻抗层2的厚度HSiO2满足关系式：HSiO2＝K1×λ1；式中λ1表示在压电层中传播的声表面波的波长，为4微米；K1表示比例系数，为0.2)；所述的压电层3采用15°Y-X切向的铌酸锂材料制作而成、且所述的压电层3的厚度为800纳米(其中所述的压电层3的厚度HLN满足关系式：HLN＝K2×λ2；式中λ2表示在压电层中传播的声表面波的波长，为4微米；K2表示比例系数，为0.2，在所述压电层3中传播的波为水平剪切波，机电耦合系数大于28％)；所述的IDT电极41(叉指电极)的材质为铜、且所述IDT电极41的厚度为320纳米、所述IDT电极41的周期长度为4微米。
上述的一种高性能声表面波器件的制备方法，包括如下步骤：
S1、获取<100>晶向的硅衬底1，然后在所述<100>晶向的硅衬底1上制备低声阻抗层2(低声阻抗层2采用二氧化硅制作而成、且所述低声阻抗层2的厚度为800纳米)，然后在所述低声阻抗层2上制备压电层3(压电层3采用15°Y-X切向的铌酸锂材料制作而成、且所述的压电层3的厚度为800纳米)，然后依次采用丙酮、无水乙醇和去离子水对所述的压电层3进行清洗；
S2、然后采用光刻工艺，在所述的压电层3上光刻出周期长度为4微米、宽度为1微米、间隙宽度为1微米、孔径长度为40微米的周期性排列的光刻胶图形；
S3、然后采用电子束蒸发技术，在上述的光刻胶图形上制备出厚度为320纳米的铜薄膜；
S4、最后再采用剥离工艺，在所述的铜薄膜上制备出金属电极4，所述的金属电极包括IDT电极41和反射栅电极42。
实施例2
如图2-3所示，一种高性能声表面波器件，包括衬底1、低声阻抗层2、成压电层3和金属电极4；所述的低声阻抗层2设置在所述衬底1上，所述的压电层3设置在所述低声阻抗层2上，所述的金属电极4设置在所述压电层3上且呈周期性排列，所述的金属电极4包括IDT电极41和反射栅电极42；其中：所述的衬底1采用<100>晶向的硅衬底；所述的低声阻抗层2采用二氧化硅制作而成、且所述低声阻抗层2的厚度为600纳米(其中所述的低声阻抗层2的厚度HSiO2满足关系式：HSiO2＝K1×λ1；式中λ1表示在压电层中传播的声表面波的波长，为2微米；K1表示比例系数，为0.3)；所述的压电层3采用15°Y-X切向的铌酸锂材料制作而成、且所述的压电层3的厚度为600纳米(其中所述的压电层3的厚度HLN满足关系式：HLN＝K2×λ2；式中λ2表示在压电层中传播的声表面波的波长，为2微米；K2表示比例系数，为0.3，在所述压电层3中传播的波为水平剪切波，机电耦合系数大于28％)；所述的IDT电极41(叉指电极)的材质为铜、且所述的IDT电极41的厚度为160纳米、所述的IDT电极41的周期长度为2微米。
上述的一种高性能声表面波器件的制备方法，包括如下步骤：
S1、获取<100>晶向的硅衬底1，然后在所述<100>晶向的硅衬底1上制备低声阻抗层2(低声阻抗层2采用二氧化硅制作而成、且所述低声阻抗层2的厚度为600纳米)，然后在所述低声阻抗层2上制备压电层3(压电层3采用15°Y-X切向的铌酸锂材料制作而成、且所述的压电层3的厚度为600纳米)，然后依次采用丙酮、无水乙醇和去离子水对所述的压电层3进行清洗；
S2、然后采用光刻工艺，在所述压电层3上光刻出周期长度为2微米、宽度为0.5微米、间隙宽度为0.5微米、孔径长度为40微米的周期性排列的光刻胶图形；
S3、然后采用电子束蒸发技术，在上述的光刻胶图形上制备出厚度为160纳米的铜薄膜；
S4、最后再采用剥离工艺，在所述的铜薄膜上制备出金属电极4，所述金属电极包括IDT电极41和反射栅电极42。
实施例3
如图2-3所示，一种高性能声表面波器件，包括衬底1、低声阻抗层2、成压电层3和金属电极4；所述的低声阻抗层2设置在所述衬底1上，所述的压电层3设置在所述低声阻抗层2上，所述的金属电极4设置在所述压电层3上且呈周期性排列，所述的金属电极4包括IDT电极41和反射栅电极42；其中：所述的衬底1采用<100>晶向的硅衬底；所述的低声阻抗层2采用二氧化硅制作而成、且所述低声阻抗层2的厚度为900纳米(其中所述的低声阻抗层2的厚度HSiO2满足关系式：HSiO2＝K1×λ1；式中λ1表示在压电层中传播的声表面波的波长，为3微米；K1表示比例系数，为0.3)；所述的压电层3采用15°Y-X切向的铌酸锂材料制作而成、且所述的压电层3的厚度为900纳米(其中所述的压电层3的厚度HLN满足关系式：HLN＝K2×λ2；式中λ2表示在压电层中传播的声表面波的波长，为3微米；K2表示比例系数，为0.3，在所述压电层3中传播的波为水平剪切波，机电耦合系数大于28％)；所述的IDT电极41(叉指电极)的材质为铜、且所述的IDT电极41的厚度为240纳米、所述的IDT电极41的周期长度为3微米。
上述的一种高性能声表面波器件的制备方法，包括如下步骤：
S1、获取<100>晶向的硅衬底1，然后在所述<100>晶向的硅衬底1上制备低声阻抗层2(低声阻抗层2采用二氧化硅制作而成、且所述低声阻抗层2的厚度为900纳米)，然后在所述低声阻抗层2上制备压电层3(压电层3采用15°Y-X切向的铌酸锂材料制作而成、且所述的压电层3的厚度为900纳米)，然后依次采用丙酮、无水乙醇和去离子水对所述的压电层3进行清洗；
S2、然后采用光刻工艺，在所述压电层3上光刻出周期长度为3微米、宽度为0.75微米、间隙宽度为0.75微米、孔径长度为35微米周期性排列的光刻胶图形；
S3、然后采用电子束蒸发技术，在上述的光刻胶图形上制备出厚度为240纳米的铜薄膜；
S4、最后再采用剥离工艺，在所述的铜薄膜上制备出金属电极4，所述金属电极包括IDT电极41和反射栅电极42。
上述为本发明的较佳实施例仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。凡由本发明的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之中。
Claims (9)
1.一种高性能声表面波器件，其特征在于，包括衬底(1)、低声阻抗层(2)、压电层(3)和金属电极(4)；所述低声阻抗层(2)设置在所述衬底(1)上，所述压电层(3)设置在所述低声阻抗层(2)上，所述金属电极(4)设置在所述压电层(3)上且呈周期性排列。
2.根据权利要求1所述的一种高性能声表面波器件，其特征在于，所述衬底(1)采用<100>晶向的硅衬底。
3.根据权利要求1所述的一种高性能声表面波器件，其特征在于，所述低声阻抗层(2)采用二氧化硅材料制作而成。
4.根据权利要求3所述的一种高性能声表面波器件，其特征在于，所述低声阻抗层(2)的厚度HSiO2满足关系式：HSiO2＝K1×λ1；式中λ1表示在压电层中传播的声表面波的波长，其范围为在0.5-30微米；K1表示比例系数，其范围在0.2-0.4。
5.根据权利要求1所述的一种高性能声表面波器件，其特征在于，所述压电层(3)采用15°Y-X切向的铌酸锂材料制作而成。
6.根据权利要求5所述的一种高性能声表面波器件，其特征在于，所述压电层(3)的厚度HLN满足关系式：HLN＝K2×λ2；式中λ2表示在压电层中传播的声表面波的波长，其范围为在0.5-30微米；K2表示比例系数，其范围在0.2-0.4；在所述压电层(3)中传播的波为水平剪切波，机电耦合系数大于28％。
7.根据权利要求1所述的一种高性能声表面波器件，其特征在于，所述金属电极(4)由铜材料制作而成；所述金属电极(4)包括IDT电极(41)和反射栅电极(42)。
8.根据权利要求1-7任一项所述的一种高性能声表面波器件的制备方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：
S1、获取衬底(1)，然后在所述衬底(1)上制备低声阻抗层(2)，在所述低声阻抗层(2)上制备压电层(3)，并用有机溶剂和去离子水对所述压电层(3)进行清洗；
S2、然后采用光刻工艺，在所述压电层(3)上光刻出周期性排列的光刻胶图形；
S3、采用电子束蒸发技术，在所述的光刻胶图形上制备出金属电极薄膜；
S4、采用剥离工艺，在所述金属薄膜上制备出金属电极(4)。
9.根据权利要求8所述的一种高性能声表面波器件的制备方法，其特征在于，S1、获取<100>晶向的硅衬底(1)，然后在所述硅衬底(1)上制备低声阻抗层(2)，接着在所述低声阻抗层(2)上制备压电层(3)，并依次用丙酮、无水乙醇和去离子水对所述压电层(3)进行清洗。
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