CN112838838A - 一种具有单晶pmnt的声表面波谐振器及制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及具有单晶PMNT的声表面波谐振器及制造方法。该谐振器包括厚度为350‑500μm的衬底层、厚度为1‑1.6λ或3λ的高声速层、厚度为0.2λ的氧化层、单晶PMNT厚度为λ的压电薄膜；及厚度为180‑200nm的电极层。PMNT压电薄膜材料为(1‑x)Pb(Mg1/3Nb2/3)O3‑xPbTiO3，其中x＝0.38，极化方向为<001>方向。该谐振器的制作方法包括：对PMNT单晶片进行处理，获得压电薄膜；在Si衬底上沉积高声速层，在高声速层上沉积氧化层；将氧化层和压电薄膜低温键合；在压电薄膜上沉积电极。本发明的谐振器具有大宽带、综合性能佳的特点。
Description
技术领域
本发明涉及声波谐振器/滤波器，尤其涉及手机射频前端中的一种具有单晶PMNT的高性能声表面波谐振器及制造方法。
背景技术
随着移动通信的发展，尤其是全面进入5G时代之后，需要更快的数据传输速度，由此，对于移动设备的射频前端尤其是滤波器的综合性能提出了更高的要求。当前移动设备滤波器领域中，低频和中频段的SAW滤波器包括Normal-SAW、TC-SAW、IHP-SAW，以及正在发展的XBAR技术。
目前，一般normal SAW的机电耦合系数≤5％，Q值为1000左右，中心工作频率≤3GHz。这不能满足5G通信低插损、高带外抑制的要求，综合性能还需提高。
因此，现在亟须一种大宽带综合性能更优异的normal SAW谐振器。
发明内容
提供本发明内容以便以简化形式介绍将在以下详细描述中进一步描述的一些概念。本发明内容并不旨在标识出所要求保护的主题的关键特征或必要特征；也不旨在用于确定或限制所要求保护的主题的范围。
本发明提供一种具有单晶PMNT的声表面波谐振器，包括：衬底层、衬底层之上的高声速层、高声速层之上的氧化层、氧化层之上的材料为单晶PMNT的压电薄膜；以及压电薄膜上的电极层。
本发明的单晶PMNT压电薄膜优选(1-x)Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-xPbTiO3，其中x＝0.38，极化方向为<001>方向。
衬底材料优选为Si；高声速层材料优选为SiC、SiN、或金刚石；氧化层材料优选为SiO2或SiFO；电极由Ti、Al、Cu、Au、Pt、Ag、Pd、Ni金属或合金、或者这些金属或合金的层叠体构成，优选三个金属的层叠体，层叠体为第一层为Ti，第二层为Mo，第三层为Al。电极的占空比为0.5，电极对数为1000对。
各层厚度根据产品设计需求调整。衬底厚度优选为350-500μm，高声速层厚度为1-1.6λ或3λ，氧化层厚度优选为0.2λ，压电薄膜的厚度优选为λ，电极厚度优选为180-200nm。其中λ是电极指激发的声波波长，λ＝1μm。
本发明提供的一种声表面波谐振器的制造方法，包括：
采用smart cut对PMNT单晶片进行处理，获得压电薄膜；
在Si衬底上沉积高声速层，并在高声速层上沉积氧化层；
将氧化层和压电薄膜低温键合；以及
在压电薄膜上沉积电极。
本发明利用单晶PMNT62/38材料作为谐振器压电薄膜的压电材料，以充分利用其优良的压电和热释电性能。
通过阅读下面的详细描述并参考相关联的附图，这些及其他特点和优点将变得显而易见。应该理解，前面的概括说明和下面的详细描述只是说明性的，不会对所要求保护的各方面形成限制。
附图说明
以下将通过参考附图中示出的具体实施例来对本发明进行更具体描述。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本申请的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。部分附图仅为示意，其尺寸比例不构成对实际尺寸比例的限制。
图1是根据本发明的声表面波谐振器的结构示意图；
图2是图1的声表面波谐振器的一个优选实施例的结构参数示意图；
图3是PMNT材料居里温度随PT浓度变化图；
图4(a)－图4(k)是根据本发明的声表面波谐振器随高声速层厚度变化的导纳图；
图5(a)－图5(d)是根据本发明的声表面波谐振器随氧化层厚度变化的导纳图；
图6是根据本发明的高性能声表面波谐振器的制造工艺流程图。
具体实施方式
本发明利用PMNT材料作为压电薄膜材料，将PMNT压电薄膜与高声速、氧化层结合，通过选择PT浓度，调整高声速、氧化层、电极厚度、电极材料，可以获得大带宽高FOM值且无杂散的声表面波谐振器。而且由于PMNT材料有良好的热释电性能，PMNT晶圆在加工时不易破片，可以使得减小制造过程中残次品的数量，良率高。
以下将通过参考附图中示出的具体实施例来对本发明进行更具体描述。通过阅读下文具体实施方式的详细描述，本发明的各种优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。然而应当理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的各实施方式所限制。提供以下实施方式是为了能够更透彻地理解本发明。除非另有说明，本申请使用的技术术语或者科学术语应当为本申请所属领域技术人员所理解的通常意义。“正面、背面、上、下”等措辞仅用于表达相对位置而无其它限制之含意。
首先结合图1和图2，阐释本发明的声表面波谐振器。
本发明的声表面波谐振器自下而上依次包括衬底3、高声速层4、氧化层5、压电薄膜2、电极6。
衬底3的材料优选为Si，其厚度根据产品设计进行调整，优选350-500um。
高声速层4使用的高声速层材料为SiC、SiN、或金刚石，其厚度根据产品设计进行调整，优选1-1.6λ或3λ，λ是电极指激发的声波波长，λ＝1μm；
氧化层5的材料优选为SiO2、或SiFO，氧化层厚度根据产品设计进行调整，优选0.2λ；
压电薄膜的材料为PMNT单晶，x＝0.38，极化方向为001方向，压电薄膜厚度根据产品设计进行调整，优选λ，压电材料以下简称PMNT62/38；
电极为IDT电极，占空比＝电极宽度/(电极宽度+电极间距)，本发明中，占空比优选0.5，电极对数根据产品设计进行调整，优选为1000对，电极由Ti、Al、Cu、Au、Pt、Ag、Pd、Ni等金属或合金、或者这些金属或合金的层叠体构成，层叠体优选为第一层为Ti，第二层为Mo，第三层为Al，电极厚度根据产品设计进行调整，通常为180-200nm，优选为180nm。
谐振器的机电耦合系数kt 2＝(π2/8)(fp 2-fs2)/fs 2，其中fs为谐振频率，fp为反谐振频率。
图3是PMNT材料居里温度随PT浓度变化图。
铅基复合钙钛矿弛豫铁电单晶(1-x)Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-xPbTiO3(PMNT)是由弛豫铁电体Pb(Mg1/3Nb2/3)O3(PMN)与正常铁电体PbTiO3(PT)组成的ABO3型钙钛矿结构的固溶体，A位为Pb2+离子，B位为Mg2+、Nb5+、Ti4+离子。
PMNT材料在x为0.3－0.35内存在一个三方－四方的准同型相界(MorphotropicPhase Boundary，MPB)在这个范围内，PMNT材料的各个特性出现极端的情况，因而具有优异的介电、压电等性能。
随x值的不同，PMNT的相结构也发生改变：x小于0.3时，以三方相的形式存在，含71°、109°、180°畴；x为0.3－0.35时，多相共存；x大于0.35时，以四方相的形式存在，含90°、180°畴，具有良好的双折射特性。
PMNT单晶在x为0.30-0.35和<001>方向上具有优越的压电、机电耦合性能和优异的热释电性能，尤其是PMNT单晶材料具有非常优异的压电性能、如其压电常数d33达到1500pC/N以上，比PZT陶瓷高4-5倍，电致应变达到1.7％，比PZT陶瓷高一个数量级，机电耦合因数k33达到90％以上，显著高于PZT陶瓷的70％左右的机电耦合因数。
下表为PMNT62/38单晶的弹性、介电、压电和机电耦合系数表：
从中可见，PMNT62/38介温特性从室温到1500℃范围内比较稳定，介电常数变化不大，性能较为稳定。压电晶体均为各向异性晶体，对于PMNT62/38单晶，自发极化方向沿<001>方向。PMNT62/38单晶的自由介电常数ε33和ε11分别为734和4301，显示出了强烈的各向异性。
图4(a)-图4(k)为本发明的谐振器随高声速层厚度变化的导纳图。
从图中可以看出当高声速层厚度为1-1.6λ、3λ时，机电耦合系数K2≥11.67％，Q≥914，FOM≥136，主模式无其它杂散模式。因此，本发明的谐振器的高声速层4优选厚度为1-1.6λ或3λ。
图5(a)-图5(d)为本发明的谐振器随氧化层厚度变化的导纳图。
从图可知在氧化层厚度为0.2λ时，主模式无其它杂散模式，K2＝15.64％，Q＝999，FOM＝156。因此，本发明的谐振器的氧化层4优选厚度为0.2λ。
以下结合图6阐释根据本发明的高性能声表面波谐振器的制造工艺。
在步骤a，对PMNT62/38单晶片(x＝0.38，极化方向为001方向)采用smart cut技术获得PMNT62/38压电薄膜2，薄膜厚度为1μm；
在步骤b，在厚度350-500μm的Si衬底3上通过PECVD、PVD、CVD、MOCVD等方法沉积一层厚度为1-1.6λ或3λ高声速层4，高声速层4的材料为SiC、SiN、或金刚石；
在步骤c，在高声速层4上沉积一层SiO2或SiFO的厚度0.2λ的氧化层5；
在步骤d，将步骤a中获得的压电薄膜2与步骤c中获得氧化层5进行低温键合，键合温度≤300℃；
在步骤e，采用蒸镀或溅射方法在压电薄膜2之上(压电薄膜2与氧化层5键合的那一面相对的那个表面)沉积一层IDT电极，电极占空比优选0.5，电极对数根据产品设计进行调整，优选为1000对，电极由Ti、Al、Cu、Au、Pt、Ag、Pd、Ni等金属或合金、或者这些金属或合金的层叠体构成，层叠体优选为第一层为Ti，第二层为Mo，第三层为Al，电极厚度根据产品设计进行调整，通常为180-200nm，优选为180nm。
本发明利用(1-x)Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-xPbTiO3作为压电层薄膜的材料，将PMNT压电薄膜与高声速、氧化层结合，通过选择PT浓度，调整高声速、氧化层、电极厚度、电极材料，获得大带宽高FOM值且无杂散的声表面波谐振器。
由于PMNT材料有良好的热释电性能，PMNT晶圆在加工时不易破片，可以使得制造过程良率高。
以上各实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的范围，其均应涵盖在本申请的权利要求和说明书的范围当中。
Claims (10)
1.一种具有单晶PMNT的声表面波谐振器，包括：
衬底层；
所述衬底层之上的高声速层；
所述高声速层之上的氧化层；
所述氧化层之上的材料为单晶PMNT的压电薄膜；以及
所述压电薄膜上的电极层。
2.如权利要求1所述的声表面波谐振器，其特征在于，所述单晶PMNT材料为(1-x)Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-xPbTiO3，其中x＝0.38，极化方向为001方向。
3.如权利要求1所述的声表面波谐振器，其特征在于，
所述高声速层厚度为1-1.6λ或3λ，
所述氧化层厚度为0.2λ，
所述压电薄膜厚度为λ，
其中λ是电极指激发的声波波长，λ＝1μm；以及
所述衬底厚度为350-500μm，所述电极厚度为180-200nm。
4.如权利要求1所述的声表面波谐振器，其特征在于，
所述衬底材料为Si；
所述高声速层材料为SiC、SiN、或金刚石；
所述氧化层材料为SiO2或SiFO；
所述电极由Ti、Al、Cu、Au、Pt、Ag、Pd、Ni金属或合金、或者这些金属或合金的层叠体构成。
5.如权利要求4所述的声表面波谐振器，其特征在于，所述层叠体为第一层为Ti，第二层为Mo，第三层为Al。
6.如权利要求1所述的声表面波谐振器，其特征在于，所述电极的占空比为0.5，电极对数为1000对。
7.一种声表面波谐振器的制造方法，包括：
采用smart cut对PMNT单晶片进行处理，获得压电薄膜；
在Si衬底上沉积高声速层，并在所述高声速层上沉积氧化层；
将所述氧化层和所述压电薄膜低温键合；以及
在所述压电薄膜上沉积电极。
8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，所述PMNT单晶片材料为(1-x)Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-xPbTiO3，其中x＝0.38，极化方向为001方向，所述高声速层厚度为1-1.6λ或3λ，所述氧化层厚度为0.2λ，所述压电薄膜厚度为λ，其中λ是电极指激发的声波波长，λ＝1μm；并且所述衬底厚度为350-500μm，所述电极厚度为180-200nm。
9.如权利要求7所述的方法，其特征在于，所述衬底材料为Si；所述高声速层材料为SiC、SiN、或金刚石；所述氧化层材料为SiO2或SiFO。
10.如权利要求7所述的方法，其特征在于，所述电极由Ti、Al、Cu、Au、Pt、Ag、Pd、Ni金属或合金、或者这些金属或合金的层叠体构成，所述电极的占空比为0.5，电极对数为1000对。
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