CN112953445B - 谐振器和谐振器的制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种谐振器和谐振器的制造方法，该谐振器的特征在于，包括：衬底；反射层，该反射层形成在衬底上，并且包括一个或多个彼此堆叠形成的声速层组，该声速层组包括第一声速层以及形成在第一声速层上并且具有比所述第一声速层具有的声速要小的声速的第二声速层；以及压电层，该压电层由PMNT材料形成并且形成在反射层上。
Description
技术领域
本申请涉及电子器件，尤其涉及谐振器以及谐振器的制造方法。
背景技术
声表面波(SAW：surface acoustic wave)、体声波(BAW)、以及薄膜体声波(FBAR)是当前可移动设备滤波器领域的三大主流技术。其中，低频和中频段又以SAW滤波器为主，声表面波(SAW)器件是基于压电材料的压电效应，利用压电材料表面的声表面波工作的电子器件，其利用形成于压电材料表面的叉指换能器(IDT：interdigital transducer)(一种金属电极周期结构，其形状如同双手交叉)将电输入信号转换为声表面波，是现今通信设备的关键元器件。
作为声表面波器件之一，声表面波谐振器(以下有时简称为SAW谐振器)大量被应用在信号接收机前端以及双工器和接收滤波器等等。SAW谐振器具有低***损耗和良好的抑制性能，可实现较宽的带宽和较小的体积。
随着通信领域的飞速发展，SAW谐振器从Normal-SAW(普通SAW)谐振器、TC-SAW(温度补偿型SAW)谐振器，更进一步演进到IHP-SAW(超高性能SAW)谐振器以及未来的XBAR技术等等。
其中，上述的IHP-SAW技术起源于村田制作所，其采用类似于SAW器件+SMR-BAW器件的多层反射栅结构的混合技术。相比于诸如BWP-SAW谐振器等传统类型谐振器，IHP-SAW滤波器能够提供更高的品质因数Q、更好的频率温度特性和改进的散热等。由于通信技术的进步，对性能优异的谐振器的需求正在逐年提高，对频率扩展、进一步的小型化、多频带实现等方面的需求也不断增加。在这样的环境下，预计在未来，IHP-SAW谐振器将会越来越重要。
发明内容
发明所要解决的技术问题
但是，现有的IHP-SAW谐振器的机电耦合系数K2(也可写为k2)≤8％。这显然无法满足5G通信技术的大带宽、高性能的通信要求。
本发明鉴于上述那样的现有问题而完成，其目的在于，提供一种谐振器及其制造方法，能够获得大带宽、高性能的诸如IHP-SAW谐振器这样的多层膜谐振器，满足5G及未来的通信技术对大带宽、高性能的SAW谐振器的需求。
解决技术问题的技术方案
在解决上述问题的本发明的一个实施例中，提供了一种谐振器，其特征在于，包括：
衬底；
反射层，该反射层形成在所述衬底上，并且包括一个或多个彼此堆叠形成的声速层组，该声速层组包括：
第一声速层；以及
第二声速层，该第二声速层形成在所述第一声速层上，并且具有比所述第一声速层具有的声速要小的声速；以及
压电层，该压电层由PMNT材料形成并且形成在所述反射层上。
在本发明的一实施例中，所述PMNT材料是化学式为(1-x)Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-xPbTiO3的材料，并且其中x为在0.33～0.35的范围中的值。
在本发明的一实施例中，所述谐振器还包括电极，该电极形成在所述压电层的上表面或所述压电层的下表面上、或形成在所述压电层的上表面和下表面两者上。
在本发明的一实施例中，所述压电层具有的声速比第一声速层具有的声速要小且比所述第二声速层具有的声速要大。
在本发明的一实施例中，所述第一声速层由SiC、SiN、金刚石、Si和AlN中的一种或多种形成。
在本发明的一实施例中，所述第二声速层由SiO2、SiFO和SiON中的一种或多种形成。
在本发明的一实施例中，所述电极由Ti、Al、Cr、Cu、Au、Pt、Ag、Pd、Ni或它们的合金、或者这些金属或合金的层叠体形成。
在解决上述问题的本发明的一个实施例中，提供了一种制造谐振器的制造方法，其特征在于，包括：
在衬底的上表面沉积第一声速层；
在第一声速层的上表面沉积第二声速层，该第二声速层具有比所述第一声速层具有的声速要小的声速；
在由PMNT材料形成的压电层的上表面或下表面上、或在所述压电层的上表面和下表面两者上沉积电极；
将所述压电层的下表面与所述第二声速层的上表面在键合温度下进行键合；以及
在键合完成之后，进行冷却。
在解决上述问题的本发明的一个实施例中，提供了一种制造谐振器的制造方法，其特征在于，包括：
在衬底的上表面沉积反射层，该反射层通过交替沉积一个或多个声速层组而形成，所述声速层组包括：
第一声速层；以及
第二声速层，该第二声速层通过沉积而形成在所述第一声速层上，并且具有比所述第一声速层具有的声速要小的声速；
在由PMNT材料形成的压电层的上表面或下表面上、或在所述压电层的上表面和下表面两者上沉积电极；
将所述压电层的下表面与所述反射层的顶部的第二声速层的上表面在键合温度下进行键合；以及
在键合完成之后，进行冷却。
在本发明的一实施例中，在上述制造方法中，所述键合温度小于或等于300℃，并且在键合完成之后进行冷却的冷却速度小于或等于15℃/s。
发明效果
根据本发明，可得到大带宽、高性能、高优质因数(FOM：figure of merit)、高性能且无杂散的综合性能优异的多层膜谐振器。
进一步地，根据本发明，通过使用SiO2、SiFO、SiON等形成第二声速层，可降低谐振器的频率温度系数，抑制频率漂移，提高良率。
附图说明
为了能够详细地理解本发明，可参考实施例得出上文所简要概述的本发明的更具体的描述，一些实施例在附图中示出，为了促进理解，已尽可能使用相同附图标记来标示各图所共有的相同要素。然而，应当注意，附图仅仅示出本发明的典型实施例，并且因此不应视为限制本发明的范围，因为本发明可允许其它等效实施例，在附图中：
图1是本发明所涉及的谐振器的示意图。
图2是本发明所涉及的谐振器的声速层组的示意图。
图3是表示本发明所涉及的PMNT材料的居里温度随PT浓度的变化的示意图。
图4是表示本发明所涉及的谐振器的机电耦合系数随电极厚度的变化的示意图。
图5是表示本发明所涉及的谐振器的机电耦合系数随压电厚度的变化的示意图。
图6是表示本发明所涉及的谐振器的机电耦合系数随第一声速层厚度的变化的示意图。
图7是表示本发明所涉及的谐振器的机电耦合系数随第二声速层厚度的变化的示意图。
图8是表示本发明所涉及的谐振器的机电耦合系数随声速层组数量的变化的示意图。
图9是表示本发明所涉及的谐振器的品质因数随电极厚度的变化的示意图。
图10是表示本发明所涉及的谐振器的品质因数随压电层厚度的变化的示意图。
图11是表示本发明所涉及的谐振器的品质因数随第一声速层厚度的变化的示意图。
图12是表示本发明所涉及的谐振器的品质因数随第二声速层厚度的变化的示意图。
图13是表示本发明所涉及的谐振器的品质因数随声速层组数量的变化的示意图。
图14是表示本发明所涉及的在电极厚度为280nm、第一声速层厚度为5λ、第二声速层厚度为0.3λ、具有1个声速层组的情况下的谐振器的导纳的示意图。
图15是表示本发明所涉及的在电极厚度为300nm、第一声速层厚度为5λ、第二声速层厚度为0.1λ、具有1个声速层组的情况下的谐振器的导纳的示意图。
图16是表示本发明所涉及的在电极厚度为300nm、第一声速层厚度为λ、第二声速层厚度为0.1λ、具有1个声速层组的情况下的谐振器的导纳的示意图。
图17是表示本发明所涉及的在电极厚度为300nm、第一声速层厚度为5λ、第二声速层厚度为0.3λ、具有2个声速层组的情况下的谐振器的导纳的示意图。
图18是表示本发明所涉及的在电极厚度为300nm、第一声速层厚度为5λ、第二声速层厚度为0.3λ、具有1个声速层组的情况下的谐振器的导纳的示意图。
图19是表示本发明所涉及的谐振器的机电耦合系数、品质因数随电极、压电层、第一声速层、第二声速层、声速层组的厚度的变化的图表。
图20是本发明所涉及的谐振器的制造工艺的示意图。
图21是本发明所涉及的谐振器的制造工艺的流程图。
可以预期的是，本发明的一个实施例中的要素可有利地适用于其它实施例而无需赘述。
具体实施方式
以下通过具体实施例来进行说明，本领域技术人员可由本说明书所公开的内容清楚地了解本发明的其它优点与技术效果。此外，本发明并不限于下述具体实施例，也可通过其它不同的实施例加以施行或应用，并且，对于本说明书中的各项具体内容，可在不背离本发明的精神下进行各种修改与变更。
下面，基于附图对本发明的具体实施例进行详细叙述。所列举的附图仅为简单说明，并非依实际尺寸描绘，未反应出相关结构的实际尺寸，先予叙明。为了便于理解，在各附图中使用了相同的参考标号，以指示附图中共用的相同元素。附图并未依比例绘制并且可为了清晰而被简化。一个实施例的元素及特征可有利地并入其它实施例中，而无须进一步叙述。
申请人发现，铅基复合钙钛矿弛豫铁电单晶(1-x)Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-xPbTiO3(PMNT)材料是由弛豫铁电体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，其中A位为Pb2+离子，B位为Mg2+、Nb5+、Ti4+离子。在x为0.3至0.35的范围内时，PMNT材料中存在一个三方-四方的准同型相界(MPB：Morphotropic Phase Boundary)。在这个范围内，PMNT材料的各个特性出现极端的情况，并且随着x值的不同，PMNT的相结构也发生改变：当x小于0.3时，PMNT材料以三方相的形式存在；当x为0.3至0.35时，PMNT材料中多相共存；当x大于0.35时，PMNT材料以四方相的形式存在。PMNT单晶当x为0.30～0.35和[001]方向上具有优越的压电性能、机电耦合性能和优异的热释电性能，PMNT单晶材料具有非常优异的压电性能，例如其压电常数d33达到1500pC/N以上，比PZT陶瓷高4～5倍，其电致应变达到1.7％，比PZT陶瓷高一个数量级，其机电耦合系数k33达到90％以上，显著高于PZT陶瓷的70％左右的机电耦合系数，使得它在超声换能器、驱动器以及传感器件等方面有着巨大而广泛的应用前景。
为了提高谐振器的介电性能、压电性能和机电耦合性能等多种特性，在本发明的实施例中，使用PMNT材料制造谐振器。
<实施例1>
以下，参照图1至图19对本发明所涉及的Normal-SAW谐振器进行说明。
首先，使用图1来说明本发明所涉及的多层膜谐振器的结构。
图1是本发明所涉及的多层膜谐振器的示意图。衬底1的材料可以是金刚石、Si等。本实施例的多层膜谐振器中，衬底1的材料为Si。衬底1的厚度可以根据产品设计来进行调整，例如可为300μm～600μm。在衬底1上形成有反射层，反射层包括一个或多个声速层组4(也可称为布拉格反射层)。即，反射层包括n个声速层组4，n≥1(作为非限制性示例，图1仅示出了反射层包括一个声速层组4)。作为示例，反射层可包括1～10个声速层组4。一个或多个声速层组4中的每个包括第一声速层2和第二声速层3。第一声速层2(也可称为高声速层)由高声速层材料构成，例如SiC、SiN、金刚石、Si、AlN等。第一声速层2的厚度可以根据电极指激发的声波波长λ(作为示例，λ＝1μm)来确定，例如可以为1λ～10λ。在第一声速层2上形成有第二声速层3。第二声速层3(也可称为低声速层)由声速比第一声速层2要低的材料构成，例如SiO2、SiFO、SiON等。第二声速层3的厚度可以根据电极指激发的声波波长λ(作为示例，λ＝1μm)来确定，例如可以为0.1λ～2λ。在反射层上(即，位于最顶部的声速层组4的第二声速层3上)形成有压电层5。压电层5可由PMNT材料形成。压电层5的厚度可以根据电极指激发的声波波长λ(作为示例，λ＝1μm)来确定，例如可以为0.5λ～2λ。其中，在本实施例中，压电层5的材料为PMNT单晶，其化学式是(1-x)Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-xPbTiO3，其中x为0.33～0.35，其极化方向是[001]方向。因为作为压电层5的材料的PMNT单晶具有负频率温度系数，而作为第二声速层3的材料的SiO2具有正频率温度系数，SiO2与PMNT相接合而成的结构可以降低谐振器的频率温度系数的绝对值。压电层5上有电极6，电极6的占空比(占空比η＝电极宽度/(电极宽度+电极间距))、电极6的数量可根据产品设计进行调整。作为非限制性的示例，电极6的占空比为0.5，电极6的对数为1000对。电极6例如可以由Ti、Al、Cr、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。电极6的厚度可以根据产品设计来进行调整，例如可以为100nm～400nm。电极可形成在压电层15的上表面，可形成在压电层15的下表面，也可形成在压电层15的上下两个表面上。电极6的结构可以是单层结构或多层结构。电极6的结构优选为是多层结构。电极6进一步优选为由Ni、Ti或Cr所形成的第一层和Pt、Al或Al-Cu所形成的第二层这两个金属层层叠形成。机电耦合系数K2＝(π2/8)(fp 2-fs 2)/fs 2，其中fs为谐振频率，fp为反谐振频率。通过测量fs以及fp，可以计算得到机电耦合系数K2。此外，谐振器的中心频率f0＝(反谐振频率fp+谐振频率fs)/2。
本实施例的谐振器可以作为多层膜谐振器进行使用，也可以根据需要来作为其它类型的谐振器进行使用。
下面，使用图2对本实施例的声速层组4进行进一步的说明。
如图2所示，一个声速层组4由第一声速层2和第二声速层3组成，其中，第二声速层3形成在第一声速层2上。作为非限制性示例，第一声速层2、第二声速层3、和压电层5之间的声速关系如下：第二声速层3的声速＜压电层5的声速＜第一声速层2的声速。因为第一声速层2、第二声速层3和压电层5这三者的声阻抗不相同，声波遇到声阻抗不同界面会发生反射。声速层组4会对向衬底2方向泄漏的声波进行反射，从而减少能量的泄露，提高品质因数。
下面，使用图3至图19说明本实施例的谐振器的性能。
图3是本发明所涉及的PMNT材料的居里温度随PT浓度的变化的示意图。如图3所示，PMNT材料在x为0.3～0.35内的情况下存在一个三方-四方的准同型相界(MPB：Morphotropic Phase Boundary)。在x为0.3～0.35的这个范围内，PMNT材料的各个特性出现极端的情况，因而具有优异的介电性能、压电性能等性能。随着x值的不同，PMNT材料的相结构也发生改变：当x小于0.3时，PMNT材料以三方相的形式存在，含71°、109°、180°畴；当x为0.3～0.35时，PMNT材料中多相共存；当x大于0.35时，PMNT材料以四方相的形式存在，含90°和180°畴，存在具有良好的双折射特性。
以下的图4至图19中，使用衬底1的材料为金刚石、第一声速层2的材料为SiC、第二声速层3的材料为SiO2、压电层5的材料为PMNT并且电极6的材料为Al的谐振器为例进行说明。在图4至图19中，“hSi”表示衬底1的厚度，“hSiC”表示第一声速层2的厚度，“hSiO2”表示第二声速层3的厚度，“hPMNT”表示压电层5的厚度，并且“hAl”表示电极6的厚度。
图4是表示本发明所涉及的谐振器的机电耦合系数随电极厚度的变化的示意图。其中，纵坐标表示机电耦合系数K2，横坐标表示电极6的厚度。图4是通过如下方式绘制的：保持谐振器的衬底1的厚度为500μm、第一声速层2的厚度为5λ、第二声速层3的厚度为0.3λ、声速层组4的数量为1、压电层5的厚度为λ、以及电极6的占空比η为0.5这些参数不变，令电极6的厚度在100nm～400nm的范围内变化，并针对具有不同厚度的电极6的谐振器测量fs和fp，并且基于fs和fp计算出机电耦合系数K2以进行绘制。如图4所示，当电极6的厚度为100nm～225nm时，随着电极厚度增加，机电耦合系数呈波浪形地增加；当电极6的厚度为225nm～400nm时，随着电极厚度增加，机电耦合系数在29％上下浮动。当本实施例中的谐振器的电极6的厚度为320nm，衬底1的厚度为500μm，第一声速层2的厚度为5λ，第二声速层3的厚度为0.3λ，声速层组4的数量为1，压电层5的厚度为λ，并且电极6的占空比η为0.5时，谐振器的机电耦合系数K2是较大的，为31.32％。
图5是表示本发明所涉及的谐振器的机电耦合系数随压电层厚度的变化的示意图。其中，纵坐标表示机电耦合系数K2，横坐标表示压电层5的厚度。图5是通过如下方式绘制的：保持谐振器的衬底1的厚度为500μm、第一声速层2的厚度为5λ、第二声速层3的厚度为0.3λ、声速层组4的数量为1、电极6的厚度为300nm、以及电极6的占空比η为0.5这些参数不变，令压电层5的厚度在0.5λ～2λ的范围内变化，并针对具有不同厚度的压电层5的谐振器测量fs和fp，并且基于fs和fp计算出机电耦合系数K2以进行绘制。如图5所示，当压电层5的厚度为0.5λ～1.5λ时，随着压电层5的厚度增加，谐振器的机电耦合系数减小；当压电层5的厚度为1.5λ～2λ时，随着压电层5的厚度增加，谐振器的机电耦合系数增加。当本实施例中的谐振器的压电层5的厚度为0.5λ，衬底1的厚度为350μm，第一声速层2的厚度为5λ，第二声速层3的厚度为0.3λ，声速层组4的数量为1，电极6的厚度为300nm，并且电极6的占空比η为0.5时，谐振器的机电耦合系数K2是较大的，为28.26％。
图6是表示本发明所涉及的谐振器的机电耦合系数随第一声速层厚度的变化的示意图。其中，纵坐标表示机电耦合系数K2，横坐标表示第一声速层2的厚度。图6是通过如下方式绘制的：保持谐振器的衬底1的厚度为500μm、第二声速层3的厚度为0.3λ、声速层组4的数量为1、压电层5的厚度为λ、电极6的厚度为300nm、以及电极6的占空比η为0.5这些参数不变，令第一声速层2的厚度在λ～10λ的范围内变化，并针对具有不同厚度的第一声速层2的谐振器测量fs和fp，并且基于fs和fp计算出机电耦合系数K2以进行绘制。如图6所示，当第一声速层2的厚度为1.5λ～2λ时，随着第一声速层2的厚度增加，谐振器的机电耦合系数增加；当第一声速层2的厚度为2λ～10λ时，随着第一声速层2的厚度增加，谐振器的机电耦合系数在29％上下浮动。当本实施例中的谐振器的第一声速层2的厚度为7λ，衬底1的厚度为500μm，第二声速层3的厚度为0.3λ，声速层组4的数量为1，压电层5的厚度为λ，电极6的厚度为300nm，并且电极6的占空比η为0.5时，谐振器的机电耦合系数K2是较大的，为31.58％。
图7是表示本发明所涉及的谐振器的机电耦合系数随第二声速层厚度的变化的示意图。其中，纵坐标表示机电耦合系数K2，横坐标表示第二声速层3的厚度。图7是通过如下方式绘制的：保持谐振器的衬底1的厚度为500μm、第一声速层2的厚度为5λ、声速层组4的数量为1、压电层5的厚度为λ、电极6的厚度为300nm、以及电极6的占空比η为0.5这些参数不变，令第二声速层3的厚度在0.1λ～2λ的范围内变化，并针对具有不同厚度的第二声速层3的谐振器测量fs和fp，并且基于fs和fp计算出机电耦合系数K2以进行绘制。如图7所示，当第二声速层3的厚度为0.1λ～2λ时，谐振器的机电耦合系数以与正弦波相似的形状分布。当本实施例中的谐振器的第二声速层3的厚度为0.8λ，衬底1的厚度为500μm，第一声速层2的厚度为5λ，声速层组4的数量为1，压电层5的厚度为λ，电极6的厚度为300nm，并且电极6的占空比η为0.5时，谐振器的机电耦合系数K2是较大的，为32.39％。
图8是表示本发明所涉及的谐振器的机电耦合系数随声速层组数量的变化的示意图。其中，纵坐标表示机电耦合系数K2，横坐标表示声速层组4的数量。图8是通过如下方式绘制的：保持谐振器的衬底1的厚度为500μm、第一声速层2的厚度为5λ、第二声速层3的厚度为0.3λ、压电层5的厚度为λ、电极6的厚度为300nm、以及电极6的占空比η为0.5这些参数不变，令声速层组4的数量在1～5的范围内变化，并针对具有不同数量的声速层组4的谐振器测量fs和fp，并且基于fs和fp计算出机电耦合系数K2以进行绘制。如图8所示，随着声速层组4的数量增加，谐振器的机电耦合系数先增加，后减小，再增加。当本实施例中的谐振器的声速层组4的数量为2，衬底1的厚度为500μm，第一声速层2的厚度为5λ，第二声速层3的厚度为0.3λ、压电层5的厚度为λ，电极6的厚度为300nm，并且电极6的占空比η为0.5时，谐振器的机电耦合系数K2是较大的，为30.75％。
图9是表示本发明所涉及的谐振器的品质因数随电极厚度的变化的示意图。其中，纵坐标表示机电耦合系数K2，横坐标表示电极6的厚度。图9是通过如下方式绘制的：保持谐振器的衬底1的厚度为500μm、第一声速层2的厚度为5λ、第二声速层3的厚度为0.3λ、声速层组4的数量为1、压电层5的厚度为λ、以及电极6的占空比η为0.5这些参数不变，令电极6的厚度在30nm～300nm的范围内变化，并针对具有不同厚度的电极6的谐振器测量和计算品质因数Q以进行绘制。如图9所示，当电极6的厚度为100nm～150nm时，随着电极厚度增加，谐振器的品质因数Q减小；当电极6的厚度为150nm～400nm时，随着电极厚度增加，谐振器的品质因数Q呈波浪形地增加。当电极6的厚度为340nm时，谐振器的品质因数Q较大，为1225。
图10是表示本发明所涉及的谐振器的品质因数随压电层厚度的变化的示意图。其中，纵坐标表示品质因数Q，横坐标表示压电层5的厚度。图10是通过如下方式绘制的：保持谐振器的衬底1的厚度为500μm、第一声速层2的厚度为5λ、第二声速层3的厚度为0.3λ、声速层组4的数量为1、电极6的厚度为300nm、以及电极6的占空比η为0.5这些参数不变，令压电层5的厚度在100nm～400nm的范围内变化，并针对具有不同厚度的压电层5的谐振器测量和计算品质因数Q以进行绘制。如图10所示，随着压电层5的厚度增加，谐振器的品质因数Q先增加，后减小。当压电层5的厚度为1.5λ时，品质因数Q是较大的，为2187。
图11是表示本发明所涉及的谐振器的品质因数随第一声速层厚度的变化的示意图。其中，纵坐标表示品质因数Q，横坐标表示第一声速层2的厚度。图11是通过如下方式绘制的：保持谐振器的衬底1的厚度为500μm、第二声速层3的厚度为0.3λ、声速层组4的数量为1、压电层5的厚度为λ、电极6的厚度为300nm、以及电极6的占空比η为0.5这些参数不变，令第一声速层2的厚度在λ～10λ的范围内变化，并针对具有不同厚度的第一声速层2的谐振器测量和计算品质因数Q以进行绘制。如图11所示，随着第一声速层2的厚度增加，谐振器的品质因数Q先增加后减小。当第一声速层2的厚度为7λ时，品质因数Q是较大的，为2973。
图12是表示本发明所涉及的谐振器的品质因数随第二声速层厚度的变化的示意图。其中，纵坐标表示品质因数Q，横坐标表示第二声速层3的厚度。图12是通过如下方式绘制的：保持谐振器的衬底1的厚度为500μm、第一声速层2的厚度为5λ、声速层组4的数量为1、压电层5的厚度为λ、电极6的厚度为300nm、以及电极6的占空比η为0.5这些参数不变，令第二声速层3的厚度在0.1λ～2λ的范围内变化，并针对具有不同厚度的第二声速层3的谐振器测量和计算品质因数Q以进行绘制。如图12所示，随着第二声速层3的厚度增加，谐振器的品质因数Q以与正弦波相似的形状分布。当第二声速层3的厚度为0.3λ时，品质因数Q是较大的，为720。
图13是表示本发明所涉及的谐振器的品质因数随声速层组数量的变化的示意图。其中，纵坐标表示品质因数Q，横坐标表示声速层组4的数量。图13是通过如下方式绘制的：保持谐振器的衬底1的厚度为500μm、第一声速层2的厚度为5λ、第二声速层3的厚度为0.3λ、压电层5的厚度为λ、电极6的厚度为300nm、以及电极6的占空比η为0.5这些参数不变，令声速层组4的数量在1～5的范围内变化，并针对具有不同数量的声速层组4的谐振器测量和计算品质因数Q以进行绘制。如图13所示，随着声速层组4的数量增加，谐振器的品质因数Q先减小，后增加，再减小。当声速层组4的数量为1时，品质因数Q是较大的，为720。
图14是表示本发明所涉及的在电极厚度为280nm、第一声速层厚度为5λ、第二声速层厚度为0.3λ、具有1个声速层组的情况下的谐振器的导纳的示意图。其中，纵坐标表示谐振器的导纳，横坐标表示谐振器频率。图14是通过如下方式绘制的：保持谐振器的衬底1的厚度为500μm、第一声速层2的厚度为5λ、第二声速层3的厚度为0.3λ、声速层组4的数量为1、压电层5的厚度为λ、电极6的厚度为280nm、以及电极6的占空比η为0.5这些参数不变，令谐振器频率变化，并针对不同的谐振器频率来测量和计算导纳以进行绘制。当本实施例的谐振器的衬底1的厚度为500μm，第一声速层2的厚度为5λ，第二声速层3的厚度为0.3λ，声速层组4的数量为1，压电层5的厚度为λ，电极6的厚度为300nm，并且电极6的占空比η为0.5时，谐振器的谐振频率fs＝2.239GHz，反谐振频率fp＝2.493GHz，机电耦合系数K2＝29.55％，品质因数Q＝530，FOM＝157。此时，谐振器的主模式没有杂散。
图15是表示本发明所涉及的在电极厚度为300nm、第一声速层厚度为5λ、第二声速层厚度为0.1λ、具有1个声速层组的情况下的谐振器的导纳的示意图。图15是通过如下方式绘制的：保持谐振器的衬底1的厚度为500μm、第一声速层2的厚度为5λ、第二声速层3的厚度为0.1λ、声速层组4的数量为1、压电层5的厚度为λ、电极6的厚度为300nm、以及电极6的占空比η为0.5这些参数不变，令谐振器频率变化，并针对不同的谐振器频率来测量和计算导纳以进行绘制。当本实施例的谐振器的衬底1的厚度为500μm，第一声速层2的厚度为5λ，第二声速层3的厚度为0.1λ，声速层组4的数量为1，压电层5的厚度为λ，电极6的厚度为300nm，并且电极6的占空比η为0.5时，谐振器的谐振频率fs＝2.093GHz，反谐振频率fp＝2.315GHz，机电耦合系数K2＝27.53％，品质因数Q＝618，FOM＝170。此时，谐振器的主模式没有杂散。
图16是表示本发明所涉及的在电极厚度为300nm、第一声速层厚度为λ、第二声速层厚度为0.3λ、具有1个声速层组的情况下的谐振器的导纳的示意图。图16是通过如下方式绘制的：保持谐振器的衬底1的厚度为500μm、第一声速层2的厚度为λ、第二声速层3的厚度为0.3λ、声速层组4的数量为1、压电层5的厚度为λ、电极6的厚度为300nm、以及电极6的占空比η为0.5这些参数不变，令谐振器频率变化，并针对不同的谐振器频率来测量和计算导纳以进行绘制。当本实施例的谐振器的衬底1的厚度为500μm，第一声速层2的厚度为λ，第二声速层3的厚度为0.3λ，声速层组4的数量为1，压电层5的厚度为λ，电极6的厚度为300nm，并且电极6的占空比η为0.5时，谐振器的谐振频率fs＝2.307GHz，反谐振频率fp＝2.573GHz，机电耦合系数K2＝30.06％，品质因数Q＝540，FOM＝162。此时，谐振器的主模式没有杂散。
图17是表示本发明所涉及的在电极厚度为300nm、第一声速层厚度为5λ、第二声速层厚度为0.3λ、具有2个声速层组的情况下的谐振器的导纳的示意图。图17是通过如下方式绘制的：保持谐振器的衬底1的厚度为500μm、第一声速层2的厚度为5λ、第二声速层3的厚度为0.3λ、声速层组4的数量为2、压电层5的厚度为λ、电极6的厚度为300nm、以及电极6的占空比η为0.5这些参数不变，令谐振器频率变化，并针对不同的谐振器频率来测量和计算导纳以进行绘制。当本实施例的谐振器的衬底1的厚度为500μm，第一声速层2的厚度为5λ，第二声速层3的厚度为0.3λ，声速层组4的数量为2，压电层5的厚度为λ，电极6的厚度为300nm，并且电极6的占空比η为0.5时，谐振器的谐振频率fs＝2.105GHz，反谐振频率fp＝2.353GHz，机电耦合系数K2＝30.75％，品质因数Q＝571，FOM＝176。此时，谐振器的主模式没有杂散。
图18是表示本发明所涉及的在电极厚度为300nm、第一声速层厚度为5λ、第二声速层厚度为0.3λ、具有1个声速层组的情况下的谐振器的导纳的示意图。图18是通过如下方式绘制的：保持谐振器的衬底1的厚度为500μm、第一声速层2的厚度为5λ、第二声速层3的厚度为0.3λ、声速层组4的数量为1、压电层5的厚度为λ、电极6的厚度为300nm、以及电极6的占空比η为0.5这些参数不变，令谐振器频率变化，并针对不同的谐振器频率来测量和计算导纳以进行绘制。当本实施例的谐振器的衬底1的厚度为500μm，第一声速层2的厚度为5λ，第二声速层3的厚度为0.3λ，声速层组4的数量为1，压电层5的厚度为λ，电极6的厚度为300nm，并且电极6的占空比η为0.5时，谐振器的谐振频率fs＝2.223GHz，反谐振频率fp＝2.446GHz，机电耦合系数K2＝25.97％，品质因数Q＝720，FOM＝186。此时，谐振器的主模式没有杂散。
图19是表示本发明所涉及的谐振器的机电耦合系数、品质因数随电极、衬底和压电层的厚度的变化的图表。从图19可知，在电极厚度为280nm～300nm、占空比为0.5、衬底厚度为500μm、第一声速层厚度为5λ、第二声速层厚度为0.3λ、声速层组的数量为1、压电层厚度为λ时，K2≥25％，Q≥500，FOM≥157,主模式无杂散；在电极厚度为300nm、占空比为0.5、衬底厚度为500μm、第一声速层厚度为5λ、第二声速层厚度为0.1λ～0.3λ、声速层组的数量为1、压电层厚度为λ时，机电耦合系数K2≥25％，品质因数Q≥600，FOM≥157,主模式无杂散；在电极厚度为300nm、占空比为0.5、衬底厚度为500μm、第一声速层厚度为λ、第二声速层厚度为0.3λ、声速层组的数量为1、压电层厚度为λ时，机电耦合系数K2＝14.32％，品质因数Q＝540，FOM＝77,主模式无杂散；在电极厚度为300nm、占空比为0.5、衬底厚度为500μm、第一声速层厚度为5λ、第二声速层厚度为0.3λ、声速层组的数量为2、压电层厚度为λ时，机电耦合系数K2＝30.75％，品质因数Q＝571，FOM＝214,主模式无杂散。
从以上内容可以知道，对于本实施例中的谐振器：
当谐振器的电极厚度、衬底厚度、压电层厚度为以下的表1的数值时，机电耦合系数K2≥25％，中心频率f0≥2.1GHz,品质因数Q≥500，FOM≥157，可以获得高频、大带宽、高FOM值、高性能并且无杂散的多层膜谐振器。
表1
此外，当第二声速层使用SiO2、SiFO、SiON等含有氧、硅的材料时，能够降低谐振器的频率温度系数，抑制频率的漂移，提高产品的良率。
<实施例2>
以下，参照图20和图21对本发明所涉及的谐振器的制造方法进行详细说明。
图20是根据本实施例的谐振器的制造方法的示意图，而图21是根据本实施例的谐振器的制造方法的流程图。
本实施方式的谐振器的制造方法开始于步骤S2101。在该步骤S2101中，如图20中的a所示，提供衬底11。衬底11的材料可以为金刚石、Si等，优选为Si。衬底11的厚度可以根据产品设计来进行调整，优选为300μm～600μm。
接着，在步骤S2102中，如图20中的b所示，对衬底11进行清洗和抛光(例如通过化学机械研磨(CMP)来进行抛光)。然后，利用例如等离子体增强化学气相沉积(PECVD：plasmaenhanced chemical vapor deposition)、物理气相沉积(PVD：physical vapordeposition：)、化学气相沉积(CVD：chemical vapor deposition)、以及金属有机气相沉积(MOCVD：metal organic chemical vapor deposition)等方法来在衬底11的表面上沉积一层第一声速层12。第一声速层12可以由SiC、SiN、金刚石、Si和AlN中的一种或多种来形成。第一声速层12的厚度可根据电极指激发的声波波长λ来确定，例如可以为1λ～10λ。
然后，在步骤S2103中，如图20中的c所示，利用例如PECVD、PVD、CVD、以及MOCVD等方法来在第一声速层12的表面上沉积一层第二声速层13。第二声速层13可以由SiO2、SiFO和SiON中的一种或多种形成。第二声速层13的厚度可根据电极指激发的声波波长λ来确定，例如可以为0.1λ～2λ。由此，形成一个包括一层第一声速层12和一层第二声速层13的第一声速层组14。
可选地，在步骤S2103之后进行步骤S2104。虽然在图20中仅示出形成一个第一声速层组14的非限制性的示例，但也可以在步骤S2104处形成一个以上的包括第一声速层和第二声速层的声速层组。具体而言，在步骤S2104中，例如，通过例如PECVD、PVD、CVD和MOCVD等方法来在第二声速层组14上形成另一层第一声速层122，并随后在该另一层第一声速层122上，通过例如PECVD、PVD、CVD和MOCVD等方法来形成另一层第二声速层132，由此形成包括该另一层第一声速层122和该另一层第二声速层132的第二声速层组142，然后通过例如PECVD、PVD、CVD和MOCVD等方法来在第二声速层组14上形成又一层第一声速层123并在该又一层第一声速层123上形成又一层第二声速层133，由此形成包括该又一层第一声速层123和该又一层第二声速层133的第三声速层组143……依此类推，通过在前一个声速层组的第二声速层上沉积第一声速层且随后在该第一声速层上沉积第二声速层，来形成一个声速层组，并且重复该工序数次从而在衬底11上形成n个声速层组(n≥1)。可将所形成的n个声速层组整体称为反射层(即，反射层包括n个声速层组)。
然后，在步骤S2105中，如图20中的d所示，提供压电层15。压电层15的材料可以是铅基复合钙钛矿弛豫铁电单晶(1-x)Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-xPbTiO3(PMNT)材料。在本实施例中，作为谐振器的压电层材料，对于PMNT材料来说，化学式(1-x)Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-xPbTiO3中的x优选为在0.30～0.35的范围内，PMNT单晶材料的极化方向优选为[001]方向。作为示例，压电层15可通过将压电晶圆减薄等各种工艺来制造。压电层15的厚度可以根据电极指激发的声波波长λ来确定，例如可以为0.5λ～2λ。
接着，在步骤S2106中，如图20中的e所示，通过例如蒸镀、溅射等方法，在压电层15的表面沉积电极16。电极16可形成在压电层15的上表面，可形成在压电层15的下表面，也可形成在压电层15的上下两个表面上。电极16的占空比η(占空比η＝电极宽度/(电极宽度+电极间距))可以为0.5。电极16的数量可以根据产品设计来进行调整，例如，电极16的对数优选为1000对。电极16例如可以由Ti、Al、Cr、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。电极16的厚度可以根据产品设计来进行调整，例如可以为100nm～400nm。电极16的结构可以是单层结构或多层结构。电极16的结构优选为是多层结构。电极16进一步优选为由Ni、Ti或Cr所形成的第一层和Pt、Al或Al-Cu所形成的第二层这两个金属层层叠形成。
然后，在步骤S2107中，将反射层的上表面(即，所形成的一个或多个声速层组中的最顶部的声速层组的第二声速层的上表面)与压电层15的下表面相接合，如图20中的f所示。例如，可将反射层的上表面与压电层15的下表面通过低温键合进行接合。作为一个示例，低温键合可以是在对衬底11和压电层15的键合表面进行抛光(诸如化学机械研磨(CMP))之后利用诸如环氧树脂、金属之类的键合材料作为键合层来进行键合的低温键合。在进行低温键合时，例如，键合温度在300℃以下。
然后，在步骤S2108中，在低温键合完成之后，对所形成的谐振器的结构进行冷却。冷却速度例如在15℃/s以下，如图20中的g所示那样。
至此，谐振器的最终结构形成，方法结束。
在某些实施例中，上述各实施例中的方法所包括的操作可同时地发生、实质上同时地发生、或以不同于附图所示的次序而发生。
在某些实施例中，上述各实施例中的方法所包括的操作的全部或部分可选地可以由程序来自动执行。在一个示例中，本发明可以被实施作为存储在用于与计算机***一起使用的计算机可读存储介质上的程序产品。程序产品的(多个)程序包括实施例的功能(包括本文所述的方法)。说明性计算机可读存储介质包括但不限于：(i)不可写存储介质(例如，计算机内的只读存储器装置，诸如可通过CD-ROM机读取的CD-ROM盘、闪存、ROM芯片或任何类型的固态非易失性半导体存储器)，在该不可写存储介质上的信息被永久存储；以及(ii)可写存储介质(例如，盘存储或硬盘驱动或者任何类型的固态随机存取半导体存储器)，在该可写存储介质上存储可变动信息。当实施指示本文所述的方法的功能的计算机可读指令时，这种计算机可读存储介质是本发明的实施例。
以上详细描述了本发明的可选实施方式。但应当理解，在不脱离本发明的广义精神和范围的情况下可以采用各种实施方式及变形。本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思做出诸多修改和变化。因此，凡本领域技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应属于由本发明的权利要求书所确定的保护范围内。
Claims (8)
1.一种声表面波谐振器，其特征在于，包括：
衬底；
反射层，该反射层形成在所述衬底上，并且包括一个或多个彼此堆叠形成的声速层组，该声速层组包括：
第一声速层；以及
第二声速层，该第二声速层形成在所述第一声速层上，并且具有比所述第一声速层具有的声速要小的声速；以及
压电层，该压电层由PMNT材料形成并且形成在所述反射层上，其中所述PMNT材料是化学式为(1-x)Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-xPbTiO3的材料，并且其中x为在0.33～0.35的范围中的值，
其中，所述压电层具有的声速比第一声速层具有的声速要小且比所述第二声速层具有的声速要大。
2.如权利要求1所述的声表面波谐振器，其特征在于，所述声表面波谐振器还包括电极，该电极形成在所述压电层的上表面或所述压电层的下表面上。
3.如权利要求1所述的声表面波谐振器，其特征在于，所述第一声速层由SiC、SiN、金刚石、Si和AlN中的一种或多种形成。
4.如权利要求1所述的声表面波谐振器，其特征在于，所述第二声速层由SiO2、SiFO和SiON中的一种或多种形成。
5.如权利要求2所述的声表面波谐振器，其特征在于，所述电极由Ti、Al、Cr、Cu、Au、Pt、Ag、Pd和Ni中的一种或多种形成。
6.一种制造声表面波谐振器的制造方法，其特征在于，包括：
在衬底的上表面沉积第一声速层；
在第一声速层的上表面沉积第二声速层，该第二声速层具有比所述第一声速层具有的声速要小的声速；
在由PMNT材料形成的压电层的上表面或下表面上沉积电极，其中，所述压电层具有的声速比第一声速层具有的声速要小且比所述第二声速层具有的声速要大，其中所述PMNT材料是化学式为(1-x)Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-xPbTiO3的材料，并且其中x为在0.33～0.35的范围中的值；
将所述压电层的下表面与所述第二声速层的上表面在键合温度下进行键合；以及
在键合完成之后，进行冷却。
7.一种制造声表面波谐振器的制造方法，其特征在于，包括：
在衬底的上表面沉积反射层，该反射层通过沉积一个或多个声速层组而形成，所述声速层组包括：
第一声速层；以及
第二声速层，该第二声速层通过沉积而形成在所述第一声速层上，并且具有比所述第一声速层具有的声速要小的声速；
在由PMNT材料形成的压电层的上表面或下表面上沉积电极，其中，所述压电层具有的声速比第一声速层具有的声速要小且比所述第二声速层具有的声速要大，其中所述PMNT材料是化学式为(1-x)Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-xPbTiO3的材料，并且其中x为在0.33～0.35的范围中的值；
将所述压电层的下表面与所述反射层的上表面在键合温度下进行键合；以及
在键合完成之后，进行冷却。
8.如权利要求6或7所述的制造方法，其特征在于，所述键合温度小于或等于300℃，并且在键合完成之后进行冷却的冷却速度小于或等于15℃/s。
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