CN113346859A - 具有高q值的声表面波谐振器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种声表面波谐振器及其制备方法，尤其是一种具有高Q值的声表面波谐振器及其制备方法。按照本发明提供的技术方案，所述具有高Q值的声表面波谐振器，包括压电基片、设置于所述压电基片上的金属叉指电极以及设置于所述压电基片上的反射栅区；所述反射栅区包括若干设置于压电基片上的栅区槽以及若干形成于所述压电基片上的槽间隔离柱，所述栅区槽与槽间隔离柱间交替分布，且栅区槽的长度方向与槽间隔离柱的长度方向相一致。本发明工艺步骤简单，与现有常规声表面波器件制造工艺可兼容，能使得声表面波谐振器具有较高的Q值。
Description
技术领域
本发明涉及一种声表面波谐振器及其制备方法，尤其是一种具有高Q值的声表面波谐振器及其制备方法。
背景技术
SAW（声表面波）谐振器是在压电材料基片表面通过半导体表面加工工艺，形成金属化的叉指电极及对应的短路反射栅图形组成的器件。SAW谐振器是一种高Q值的器件，用于滤波器或信号源中的频率控制，其有用输出是谐振器跟随输入信号的稳态响应。
SAW谐振器的工作原理是：将输入IDT（叉指换能器）激发的以正弦函数形式传播的声表面波入射到短路反射栅，满足一定频率的波相干叠加，然后在输出IDT中得到相应的输出波形。常规工艺中，短路反射栅是由短路的金属条构成，作用是反射压电材料表面所产生的声表面波，将声表面波束缚在谐振器内，防止其泄漏。而在实际过程中，激励的声表面波除了朝两侧横向传播外，还有小部分体波、浅体波会向下、向斜向传播，产生一定的声波泄漏，进而影响谐振器Q值。
对于双端对SAW谐振器而言，Q值直接影响着谐振器的信号传输和***损耗等特性，是器件极为重要的参数。因此，如何提高SAW谐振器的Q值，进而有效提升通信***性能，是目前急需解决的难题。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术中存在的不足，提供一种具有高Q值的声表面波谐振器及其制备方法，其工艺步骤简单，与现有常规声表面波器件制造工艺可兼容，能使得声表面波谐振器具有较高的Q值。
按照本发明提供的技术方案，所述具有高Q值的声表面波谐振器，包括压电基片、设置于所述压电基片上的金属叉指电极以及设置于所述压电基片上的反射栅区；所述反射栅区包括若干设置于压电基片上的栅区槽以及若干形成于所述压电基片上的槽间隔离柱，所述栅区槽与槽间隔离柱间交替分布，且栅区槽的长度方向与槽间隔离柱的长度方向相一致。
在所述压电基片上设置两个反射栅区，其中，两个反射栅区内的栅区槽间相互平行，两个反射栅区与金属叉指电极相对应。
在所述压电基片上设置一个金属叉指电极，以利用所述金属叉指电极形成单端对声表面波谐振器，其中，所述金属叉指电极包括金属叉指区以及与所述金属叉指区适配电连接的叉指连接电极区，以利用所述叉指连接电极区形成所需的的单端对第一电极、单端对第二电极；两个反射栅区分别位于金属叉指区的两侧。
在所述压电基片上设置两个金属叉指电极，以利用所述两个金属叉指电极形成双端对声表面波谐振器，其中，每个金属叉指电极均包括一金属叉指区以及与所述金属叉指区适配电连接的叉指连接电极区，利用一金属叉指区以及所述金属叉指区适配连接的叉指连接电极区能分别形成双端对内第一端对第一电极、双端对内第一端对第二电极，且利用另一金属叉指区与所述金属叉指区适配电连接的叉指连接电极区能分别形成双端对内第二端对第一电极、双端对内第二端对第二电极；
双端对内第一端对第一电极、双端对内第二端对第二电极形成双端对第一端对的开口方向与双端对内第二端对第一电极、双端对内第二端对第二电极形成双端对第二端对的开口方向相反；两个反射栅区分别位于双端对内第一端对、双端对内第二端对内。
所述金属叉指区的长度方向与栅区槽的长度方向相一致。
一种具有高Q值的声表面波谐振器的制备方法，所述制备方法包括如下步骤：
步骤1、提供压电基片，并对所述压电基片进行所需的清洗；
步骤2、采用深槽刻蚀工艺，在压电基片上制备得到所需的反射栅区；
步骤3、在上述压电基片上设置叉指电极掩膜层，对叉指电极掩膜层图形化，以能得到所需的叉指区图形；
步骤4、在上述压电基片的上方进行金属层制备工艺，所述金属层覆盖在金属叉指区图形以及叉指电极掩膜层上；
步骤5、去除上述叉指电极掩膜层以及覆盖于所述叉指电极掩膜层上的金属层，以能得到与金属叉指图形相对应的金属叉指电极，所述金属叉指电极包括金属叉指区以及与所述金属叉指区电连接的叉指连接电极区。
步骤1中，压电基片的材料包括石英，对压电基片清洗时，采用湿法工艺清洗。
步骤2中，具体包括如下步骤：
步骤2.1、在压电基片上设置反射栅区掩膜层，并对所述反射栅区掩膜层进行图形化，以能得到所需的反射栅区图形；
步骤2.2、利用上述的反射栅区掩膜层以及反射栅区图形对压电基片进行深槽刻蚀，以能在压电基片上制备得到所需的反射栅区以及基片对位标记；
步骤2.3、去除上述反射栅区掩膜层。
步骤3中，所述叉指电极掩膜层为光刻胶，利用基片对位标记对叉指电极掩膜层进行曝光显影，以能得到叉指区图形。
步骤4中，金属制备工艺包括电子束蒸发；步骤5中，采用Lift0ff剥离液将叉指电极掩膜层从压电基片上剥离。
本发明的优点：工艺步骤简单，与现有常规声表面波器件制造工艺可兼容，使用DRIE深槽刻蚀的方式形成SAW谐振器的反射栅区，通过精准控制DRIE过程中反应气体的流量、气体压力、反应时间、反应温度、射频功率等工艺参数，可以精确控制反射栅区的尺寸、深度和形貌，提高了对斜下向传播的体波、浅体波的抑制，同时加强了对两侧横向传播的声表面波吸收，将声表面波束缚在谐振器内，防止其泄漏，达到提升SAW谐振器的Q值的目的。
通过两次光刻的方式，第一次光刻时，形成反射栅图形及基片对位标记，第二次光刻时，以基片对位标记为基准对准形成叉指区图形，保证反射栅区和金属叉指区的方向一致性，防止信号传输的损耗；
通过Liftoff方式剥离叉指电极掩膜层，以能得到金属叉指电极，金属条形边缘陡直度好，能有效降低器件的***损耗；其他所有工艺步骤都参照常规工艺，与现有工艺兼容，操作简单；对生产影响小。涉及的设备，材料为常用分立器件生产中的通用设备，不需新增材料及设备，能降低生产成本。
附图说明
图1~图6为本发明具体实施工艺步骤图，其中
图1为本发明压电基片的示意图。
图2为本发明对反射区掩膜层图形化后的示意图。
图3为本发明制备得到反射栅区后的示意图。
图4为本发明对叉指电极掩膜层图形化后的示意图。
图5为本发明进行金属层制备工艺后的示意图。
图6为本发明剥离叉指电极掩膜层后的示意图。
图7为本发明双端对声表面波谐振器在压电基片上的示意图。
附图标记说明：1-压电基片、2-反射栅区掩膜层、3-反射栅区图形、4-槽间隔离柱、5-栅区槽、6-叉指电极掩膜层、7-叉指区图形、8-掩膜层上金属层、9-图形区内金属层、10-金属叉指电极、11-基片对位标记、12-双端对内第一端对第一电极、13-双端对内第一端对第二电极、14-双端对内第二端对第一电极以及15-双端对内第二端对第二电极。
具体实施方式
下面结合具体附图和实施例对本发明作进一步说明。
为了能使得声表面波谐振器具有较高的Q值，本发明包括压电基片1、设置于所述压电基片1上的金属叉指电极10以及设置于所述压电基片1上的反射栅区；所述反射栅区包括若干设置于压电基片1上的栅区槽5以及若干形成于所述压电基片1上的槽间隔离柱4，所述栅区槽5与槽间隔离柱4间交替分布，且栅区槽5的长度方向与槽间隔离柱4的长度方向相一致。
具体地，压电基片1可以采用现有常用的材料，具体可以根据实际选择，为本技术领域人员所熟知，此处不再赘述。在压电基片1上制备得到金属叉指电极10以及反射栅区，反射栅区、金属叉指电极10在压电基片1上的分布状态以及具体作用与现有声表面波谐振器相一致，具体为本技术领域人员所熟知，此处不再赘述。
本发明实施例中，反射栅区包括栅区槽5以及槽间隔离柱4，其中，栅区槽5凹设于压电基片1上，在形成栅区槽5后，在压电基片1上能同时形成槽间隔离柱4，一般地，槽间隔离柱4的上端部与压电基片1的上端面位于同一平面内。栅区槽5与槽间隔离柱4间交替分布，栅区槽5的长度方向与槽间隔离柱4的长度方向相一致，反射栅区内栅区槽5的数量可以根据实际需要选择，此处不再赘述。
具体实施时，反射栅区内包括交替分布的栅区槽5以及槽间隔离柱4时，能提高对斜下向传播的体波、浅体波的抑制，同时加强了对两侧横向传播的声表面波吸收，将声表面波束缚在谐振器内，防止其泄漏，达到提升声表面波谐振器Q值的目的。
进一步地，在所述压电基片1上设置两个反射栅区，其中，两个反射栅区内的栅区槽5间相互平行，两个反射栅区与金属叉指电极10相对应。
本发明实施例中，在压电基片1上存在两个反射栅区时，一般地，两个反射栅区采用相同的结构形式，且两个反射栅区内栅区槽5间相互平行。反射栅区与金属叉指电极10的具体对应，一般与单端对声表面波谐振器或双端对声表面波谐振器相关，下面进行具体的说明。
具体地，在所述压电基片1上设置一个金属叉指电极10，以利用所述金属叉指电极10能形成单端对声表面波谐振器，其中，所述金属叉指电极10包括金属叉指区以与所述金属叉指区适配电连接的叉指连接电极区，以利用所述叉指连接电极区能形成所需的的单端对第一电极、单端对第二电极；两个反射栅区分别位于金属叉指区的两侧。
本发明实施例中，当在压电基片1上设置一个金属叉指电极10时，所述一个金属叉指电极10与两个反射栅区配合能形成单端对声表面波谐振器。具体地，金属叉指电极包括金属叉指区以及与所述金属叉指区适配连接的叉指连接电极区，一般地，金属叉指区内包括若干相互平行的金属叉指条，而叉指连接电极区包括与其中一组金属叉指条电连接的第一电极区，以及与另一组金属叉指条电连接的第二电极区，金属叉指区内金属叉指条间的具***置等均可以与现有相一致，第一电极区、第二电极区与金属叉指条间的具体配合也与现有相一致，具体为本技术领域人员所熟知。利用第一电极区、第二电极区能分别得到单端对第一电极、单端对第二电极；此时，两个反射栅区位于金属叉指区的两侧，反射栅区内栅区槽5的长度方向与金属叉指区内金属叉指条的长度方向相一致，即栅区槽5与金属叉指条相互平行。
如图7所示，在所述压电基片1上设置两个金属叉指电极10，以利用所述两个金属叉指电极10能形成双端对声表面波谐振器，其中，每个金属叉指电极10均包括一金属叉指区以及与所述金属叉指区适配电连接的叉指连接电极区，利用一金属叉指区以及所述金属叉指区适配连接的叉指连接电极区能分别形成双端对内第一端对第一电极12、双端对内第一端对第二电极13，且利用另一金属叉指区与所述金属叉指区适配电连接的叉指连接电极区能分别形成双端对内第二端对第一电极14、双端对内第二端对第二电极15；
双端对内第一端对第一电极12、双端对内第一端对第二电极13形成双端对第一端对的开口方向与双端对内第二端对第一电极14、双端对内第二端对第二电极15形成双端对第二端对的开口方向相反；两个反射栅区分别位于双端对内第一端对、双端对内第二端对内。
本发明实施例中，当需要形成双端对声表面波谐振器时，需要在压电基片1上设置两个金属叉指电极10，每个金属叉指电极10可采用相同的结构形式，具体可以参考上述单端对声表面波谐振器的说明，此处不再详述。
具体实施时，利用一金属叉指电极10能形成双端对内第一端对第一电极12、双端对内第一端对第二电极13，利用另一金属叉指电极10能形成双端对内第二端对第一电极14、双端对内第二端对第二电极15，如图7所示。图7中，双端对内第一端对第一电极12、双端对内第一端对第二电极13形成双端对第一端对的开口方向与双端对内第二端对第一电极14、双端对内第二端对第二电极15形成双端对第二端对的开口方向相反，即一个开口方向为压电基片1的左端，一开口方向为压电基片1的右端。反射栅区分别位于双端对内第一端对、双端对内第二端对内，即一反射栅区位于双端对内第一端对第一电极12、双端对内第一端对第二电极13之间，通过双端对内第一端对第一电极12、双端对内第一端对第二电极13以及金属叉指区能形成反射栅区的包围，另一反射栅区的具体可以类同，此处不再赘述。
进一步地，所述金属叉指区的长度方向与栅区槽5的长度方向相一致。本发明实施例中，金属叉指区的金属叉指条与栅区槽5相互平行。
如图1~图6所示，上述具有高Q值的声表面波谐振器，可以通过下述工艺步骤制备得到，具体地，所述制备方法包括如下步骤：
步骤1、提供压电基片1，并对所述压电基片1进行所需的清洗；
具体地，压电基片1的材料包括石英，如可选用切割方向为42.75°的单面抛光石英材料片，具体可以需要选择。对压电基片1清洗时，采用湿法工艺清洗，如图1所示。湿法工艺清洗时，先使用有机溶液在超声波清洗器中超声清洗3小时，超声功率900W，完成后进行擦片操作，最后利用去离子水冲洗甩干得到干净的压电基片1，从而能除去压电基片1表面的有机物、微小颗粒、金属原子（离子），并改善压电基片1表面的微粗糙度，具体湿法清洗的过程与现有相一致，具体为本技术领域人员所熟知，此处不再赘述。
步骤2、采用深槽刻蚀工艺，在压电基片1上制备得到所需的反射栅区；
具体包括如下步骤：
步骤2.1、在压电基片1上设置反射栅区掩膜层2，并对所述反射栅区掩膜层2进行图形化，以能得到所需的反射栅区图形3；
如图2所示，所述反射栅区掩膜层2可以采用光刻胶，采用本技术领域常用的技术手段将光刻胶涂覆在压电基片1上，然后利用本技术领域常用的技术手段对反射栅区掩膜层2进行图形化，得到反射栅区图形3，一般地，反射栅区图形3包括贯通反射栅区掩膜层2的通孔，反射栅区图形3的具体情况以及具体图形化的过程均为本技术领域人员所熟知，此处不再赘述。
步骤2.2、利用上述的反射栅区掩膜层2以及反射栅区图形3对压电基片1进行深槽刻蚀，以能在压电基片1上制备得到所需的反射栅区以及基片对位标记11；
具体地，采用深槽刻蚀（DRIE）时，刻蚀过程中，SF6气体流量为400-450sccm，功率为2500-2700W，持续时间为2.5-3.5s，钝化过程C4F8气体流量为140-160sccm，功率为900-1000W，持续时间为1.5-2.0s，刻蚀深度50±5nm，循环（cycle）次数为20-100次，形成反射栅区的栅区槽5域及基片对位标记11；即栅区槽5的深度为50±5nm。
步骤2.3、去除上述反射栅区掩膜层2。
具体地，采用本技术领域常用的技术手段去除反射栅区掩膜层2，以能得到反射栅区，如图3所示。
步骤3、在上述压电基片1上设置叉指电极掩膜层6，对指电极掩膜层6图形化，以能得到所需的叉指区图形7；
具体地，所述叉指电极掩膜层6为光刻胶，利用基片对位标记11对叉指电极掩膜层6进行曝光显影后，以能得到叉指区图形7。以基片对位标记11为基准，对叉指电极掩膜层6进行对准曝光后显影，对准精度＜0.2um，形成叉指区图形7，如图4所示。具体对叉指电极掩膜层6利用基片对位标记11进行曝光显影得到叉指区图形7的过程为本技术领域人员所熟知，此处不再赘述。
步骤4、在上述压电基片1的上方进行金属层制备工艺，所述金属层覆盖在金属叉指区图形7以及叉指电极掩膜层6上；
具体地，金属制备工艺包括电子束蒸发或溅射，当然，优选采用金属蒸发的形式，当用电子束蒸发的方式时，金属的材料为Au，蒸发速率5-7Å/s，蒸发温度60-90℃，转速6-10rpm，最终金属层的厚度70±7nm。如图5所示，制备的金属层包括掩膜层上金属层8以及图形区内金属层9。
步骤5、去除上述叉指电极掩膜层6以及覆盖于所述叉指电极掩膜层6上的金属层，以能得到与金属叉指图形相对应的金属叉指电极10，所述金属叉指电极10包括金属叉指区以及与所述金属叉指区电连接的叉指连接电极区。
具体地，使用Liftoff（metal lift-off technology）剥离液将采用光刻胶的叉指电极掩膜层6超声剥离，超声频率200-300W，超声时间3-5m，在压电基片1上得到金属叉指电极10，如图6和图7所示，具体采用Liftoff剥离工艺的过程以及方式均与现有相一致，具体为本技术领域人员所熟知，此处不再赘述。金属叉指电极10的具体数量以及接头形式均可以参考上述说明，此处不再赘述。
综上，本发明工艺步骤简单，与现有常规声表面波器件制造工艺可兼容，使用DRIE深槽刻蚀的方式形成SAW谐振器的反射栅区，通过精准控制DRIE过程中反应气体的流量、气体压力、反应时间、反应温度、射频功率等工艺参数，可以精确控制反射栅区的尺寸、深度和形貌，提高了对斜下向传播的体波、浅体波的抑制，同时加强了对两侧横向传播的声表面波吸收，将声表面波束缚在谐振器内，防止其泄漏，达到提升SAW谐振器的Q值的目的。
通过两次光刻的方式，第一次光刻时，形成反射栅图形3及基片对位标记11，第二次光刻时，以基片对位标记11为基准对准形成叉指区图形7，保证反射栅区和金属叉指区的方向一致性，防止信号传输的损耗；
通过Liftoff方式剥离叉指电极掩膜层6，以能得到金属叉指电极10，金属条形边缘陡直度好，能有效降低器件的***损耗；其他所有工艺步骤都参照常规工艺，与现有工艺兼容，操作简单；对生产影响小。涉及的设备，材料为常用分立器件生产中的通用设备，不需新增材料及设备，能降低生产成本。
Claims (10)
1.一种具有高Q值的声表面波谐振器，包括压电基片（1）、设置于所述压电基片（1）上的金属叉指电极以及设置于所述压电基片（1）上的反射栅区；其特征是：所述反射栅区包括若干设置于压电基片（1）上的栅区槽（5）以及若干形成于所述压电基片（1）上的槽间隔离柱（4），所述栅区槽（5）与槽间隔离柱（4）间交替分布，且栅区槽（5）的长度方向与槽间隔离柱（4）的长度方向相一致。
2.根据权利要求1所述的具有高Q值的声表面波谐振器，其特征是：在所述压电基片（1）上设置两个反射栅区，其中，两个反射栅区内的栅区槽（5）间相互平行，两个反射栅区与金属叉指电极相对应。
3.根据权利要求2所述的具有高Q值的声表面波谐振器，其特征是：在所述压电基片（1）上设置一个金属叉指电极，以利用所述金属叉指电极形成单端对声表面波谐振器，其中，所述金属叉指电极包括金属叉指区以及与所述金属叉指区适配电连接的叉指连接电极区，以利用所述叉指连接电极区能形成所需的的单端对第一电极、单端对第二电极；两个反射栅区分别位于金属叉指区的两侧。
4.根据权利要求2所述的具有高Q值的声表面波谐振器，其特征是：在所述压电基片（1）上设置两个金属叉指电极，以利用所述两个金属叉指电极形成双端对声表面波谐振器，其中，每个金属叉指电极均包括一金属叉指区以及与所述金属叉指区适配电连接的叉指连接电极区，利用一金属叉指区以及所述金属叉指区适配连接的叉指连接电极区能分别形成双端对内第一端对第一电极、双端对内第一端对第二电极，且利用另一金属叉指区与所述金属叉指区适配电连接的叉指连接电极区能分别形成双端对内第二端对第一电极、双端对内第二端对第二电极；
双端对内第一端对第一电极、双端对内第二端对第二电极形成双端对第一端对的开口方向与双端对内第二端对第一电极、双端对内第二端对第二电极形成双端对第二端对的开口方向相反；两个反射栅区分别位于双端对内第一端对、双端对内第二端对内。
5.根据权利要求3或4所述的具有高Q值的声表面波谐振器，其特征是：所述金属叉指区的长度方向与栅区槽（5）的长度方向相一致。
6.一种具有高Q值的声表面波谐振器的制备方法，其特征是，所述制备方法包括如下步骤：
步骤1、提供压电基片（1），并对所述压电基片（1）进行所需的清洗；
步骤2、采用深槽刻蚀工艺，在压电基片（1）上制备得到所需的反射栅区；
步骤3、在上述压电基片（1）上设置叉指电极掩膜层（6），对叉指电极掩膜层（6）图形化，以能得到所需的叉指区图形（7）；
步骤4、在上述压电基片（1）的上方进行金属层制备工艺，所述金属层覆盖在金属叉指区图形以及叉指电极掩膜层（6）上；
步骤5、去除上述叉指电极掩膜层（6）以及覆盖于所述叉指电极掩膜层（6）上的金属层，以能得到与金属叉指图形相对应的金属叉指电极，所述金属叉指电极包括金属叉指区以及与所述金属叉指区电连接的叉指连接电极区。
7.根据权利要求6所述具有高Q值的声表面波谐振器的制备方法，其特征是，步骤1中，压电基片（1）的材料包括石英，对压电基片（1）清洗时，采用湿法工艺清洗。
8.根据权利要求6或7所述具有高Q值的声表面波谐振器的制备方法，其特征是，步骤2中，具体包括如下步骤：
步骤2.1、在压电基片（1）上设置反射栅区掩膜层（2），并对所述反射栅区掩膜层（2）进行图形化，以能得到所需的反射栅区图形（3）；
步骤2.2、利用上述的反射栅区掩膜层（2）以及反射栅区图形（3）对压电基片（1）进行深槽刻蚀，以能在压电基片（1）上制备得到所需的反射栅区以及基片对位标记（11）；
步骤2.3、去除上述反射栅区掩膜层（2）。
9.根据权利要求8所述具有高Q值的声表面波谐振器的制备方法，其特征是，步骤3中，所述叉指电极掩膜层（6）为光刻胶，利用基片对位标记（11）对叉指电极掩膜层（6）进行曝光显影，以能得到叉指区图形（7）。
10.根据权利要求8所述具有高Q值的声表面波谐振器的制备方法，其特征是，步骤4中，金属制备工艺包括电子束蒸发；步骤5中，采用Lift0ff剥离液将叉指电极掩膜层（6）从压电基片（1）上剥离。
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