CN115567021A - 一种声波器件、滤波装置及声波器件的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种声波器件，包括相对设置的衬底和压电层；位于压电层朝向衬底一侧表面的介质层；介质层为低声阻抗层，介质层的厚度不小于介质层内传播声波的半波长；介质层具有正温度系数；位于压电层背向衬底一侧表面的叉指电极。在压电层朝向衬底一侧设置厚度不小于介质层内传播声波半波长的介质层，并且使得该介质层具有正温度系数，使得该介质层可以有效提升声波器件的频率温度系数。同时由于该介质层与压电层相比为低声阻抗材料，可以有效抑制纵向方向的声波能量泄漏。本发明还提供了一种滤波装置以及一种声波器件的制备方法，同样具有上述有益效果。

Description

一种声波器件、滤波装置及声波器件的制备方法

技术领域

本发明涉及声波器件技术领域，特别是涉及一种声波器件、一种滤波装置以及一种声波器件的制备方法。

背景技术

声波滤波器可在高频电路中使用，例如用作带通滤波器。声波滤波器由若干个声波谐振器组合而成。声波谐振器按振动模式一般分为声表面波(SAW)器件和体声波(BAW)器件。SAW器件使用叉指电极(IDT)来将电能转换成声能，或者相反地将声能转换成电能。BAW器件与SAW器件类似，依靠压电材料的压电效应形成谐振。BAW谐振器一般由上电极层，压电层，下电极层组成三明治结构，产生谐振。下电极下方是空气腔(FBAR)或者声学反射层(SMR)，谐振区域发生在压电层内而非表面。在现阶段，LiNbO3和LiTaO3因具有较高的材料压电系数(K2)而被广泛应用于高频大带宽要求的声波器件。

近年来，以声波谐振器为基本单元的滤波器，双工器等，越来越小型化，高频化和宽带化，同时对功率承受能力也要求更高。而TCF(temperature coefficient offrequency，频率温度系数)是声波器件的一个重要参数指标，所以如何有效改善声波器件的TCF是本领域技术人员急需解决的问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种声波器件，具有较高的频率温度系数；本发明的另一目的在于提供一种滤波装置以及一种声波器件的制备方法，其声波器件具有较高的频率温度系数。

为解决上述技术问题，本发明提供一种声波器件，包括：

相对设置的衬底和压电层；

位于所述压电层朝向所述衬底一侧表面的介质层；所述介质层为低声阻抗层，所述介质层的厚度不小于所述介质层内传播声波的半波长；所述介质层具有正温度系数；

位于所述压电层背向所述衬底一侧表面的叉指电极。

可选的，还包括：

位于所述衬底朝向所述压电层一侧表面的布拉格反射层；所述介质层位于所述布拉格反射层背向所述衬底一侧表面。

可选的，所述布拉格反射层包括沿所述衬底厚度方向交替设置的低声阻抗层和高声阻抗层，所述布拉格反射层中各膜层的厚度约等于谐振频率处等效波长的四分之一。

可选的，还包括：

位于所述压电层背向所述衬底一侧表面的保护层。

可选的，所述介质层的厚度等于所述声波器件的频率温度系数等于0ppm/K时对应的厚度。

本发明还提供了一种滤波装置包括如上述任一项所述的声波器件。

本发明还提供了一种声波器件的制备方法，包括：

在衬底表面沿所述衬底厚度方向依次设置介质层和压电层；所述介质层为低声阻抗层，所述介质层的厚度不小于所述介质层内传播声波的半波长；所述介质层具有正温度系数；

在所述压电层背向所述衬底一侧表面设置叉指电极，以制成所述声波器件。

可选的，还包括：

在所述衬底表面设置布拉格反射层；

所述在衬底表面沿所述衬底厚度方向依次设置介质层和压电层包括：

在所述布拉格反射层背向所述衬底一侧表面沿所述衬底厚度方向依次设置介质层和压电层。

可选的，还包括：

在压电层表面设置所述介质层；

所述在所述布拉格反射层背向所述衬底一侧表面沿所述衬底厚度方向依次设置介质层和压电层包括：

将所述介质层与所述布拉格反射层相互键合。

可选的，还包括：

在压电层表面进行离子注入；所述离子注入的深度等于所述压电层所需厚度；

所述在压电层表面设置所述介质层包括：

在所述压电层进行所述离子注入的表面设置所述介质层；

在所述将所述介质层与所述布拉格反射层相互键合之后，还包括：

沿所述压电层进行所述离子注入后的分界面剥离所述压电层。

本发明所提供的一种声波器件，包括相对设置的衬底和压电层；位于压电层朝向衬底一侧表面的介质层；介质层为低声阻抗层，介质层的厚度不小于介质层内传播声波的半波长；介质层具有正温度系数；位于压电层背向衬底一侧表面的叉指电极。

在压电层朝向衬底一侧设置厚度不小于介质层内传播声波半波长的介质层，并且使得该介质层具有正温度系数，使得该介质层可以有效提升声波器件的频率温度系数。同时由于该介质层与压电层相比为低声阻抗材料，且其厚度不小于介质层内传播声波的半波长，可以有效抑制纵向方向的声波能量泄漏。

本发明还提供了一种滤波装置以及一种声波器件的制备方法，同样具有上述有益效果，在此不再进行赘述。

附图说明

为了更清楚的说明本发明实施例或现有技术的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍，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为本发明实施例所提供的一种声波器件的结构示意图；

图2为图1中介质层增厚前后的导纳曲线对比图；

图3为图1中介质层增厚前后的对谐振频率和反谐振器频率的温度系数变化曲线；

图4为本发明实施例所提供的第一种具体的声波器件的结构示意图；

图5为图4中声波能量纵向传递示意图；

图6为现有技术中声波能量纵向传递示意图；

图7为本发明实施例所提供的一种声波器件制备方法的流程图；

图8为本发明实施例所提供的一种具体的声波器件制备方法的流程图。

图中：1.衬底、2.介质层、3.压电层、4.叉指电极、5.布拉格反射层。

具体实施方式

本发明的核心是提供一种声波器件。在现有技术中，为了提升声波器件的TCF，通常会设置覆盖叉指电极的温度补偿材料，但是该温度补偿材料的负载作用会使得声波器件的使用频率降低，同时产生较多的寄生模式。

而本发明所提供的一种声波器件，包括相对设置的衬底和压电层；位于压电层朝向衬底一侧表面的介质层；介质层为低声阻抗层，介质层的厚度不小于介质层内传播声波的半波长；介质层具有正温度系数；位于压电层背向衬底一侧表面的叉指电极。

在压电层朝向衬底一侧设置厚度不小于介质层内传播声波半波长的介质层，并且使得该介质层具有正温度系数，使得该介质层可以有效提升声波器件的频率温度系数。同时由于该介质层的厚度不小于介质层内传播声波的半波长，可以有效抑制纵向方向的声波能量泄漏。

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做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。

请参考图1，图2以及图3，图1为本发明实施例所提供的一种声波器件的结构示意图；图2为图1中介质层增厚前后的导纳曲线对比图；图3为图1中介质层增厚前后的对谐振频率和反谐振器频率的温度系数变化曲线。

参见图1，在本发明实施例中，声波器件包括：相对设置的衬底1和压电层3；位于所述压电层3朝向所述衬底1一侧表面的介质层2；所述介质层2为低声阻抗层，所述介质层2的厚度不小于所述介质层2内传播声波的半波长；所述介质层2具有正温度系数；位于所述压电层3背向所述衬底1一侧表面的叉指电极4。

上述衬底1通常为绝缘衬底1，该衬底1包括但不限于硅，石英或者氧化铝等等，视具体情况而定，在此不做具体限定。该衬底1的一侧设置有介质层2，在本发明实施例中该介质层2需要为低声阻抗层，使得声波能量可以在压电层3以及该介质层2内沿横向传播。该介质层2需要具有正温度系数，从而保证该介质层2可以起到提升声波器件TCF的作用。在本发明实施例中，介质层2的厚度不小于介质层2内传播声波的半波长，即该介质层2的厚度不小于1/2λ，其中λ是该介质层2在谐振频率下对应的声波波长，可进一步提升声波器件的TCF值。

上述压电层3通常位于介质层2背向衬底1一侧表面，该压电层3具体可以为铌酸锂、钽酸锂、氮化铝或者氧化锌等压电材料，有关压电层3的具体材质可以根据实际情况自行设定。上述叉指电极4通常位于压电层3背向衬底1一侧表面，该叉指电极4的材料通常为具有良好导电性的金属，其具体可以为与半导体工艺兼容的铝、钼、铜、金、铂、银、镍、铬、钨等，也可以为上述金属所组成的合金均可，可以根据实际情况自行设定，在此不做具体限定。

参见图2以及图3，根据仿真结果可知，增加介质层2的厚度，例如将介质层2厚度从0.27μm增加至0.72μm后，声波器件谐振频率的TCF从-43ppm/K提升至-4ppm/K,反谐振频率的TCF也接近0ppm/K，基本实现零温漂补偿。而为了实现零温漂补偿，在本发明实施例中具体可以使所述介质层2的厚度等于所述声波器件的谐振或反谐振频率的频率温度系数等于0ppm/K时对应的厚度，从而实现零温漂补偿。同时从图2的导纳曲线可以看出，增厚介质层2之后，3.5GHz至6.5GHz频段出现了其它两个较强的谐振模态，分别位于4.1GHz和5.6GHz附近。尽管这两个谐振附近的寄生模式(spurious)较强，但它们的主谐振的等效耦合系数，即k2eff足够大，也可用于形成带通滤波器。因此，用同一个设计架构可能构成多个通带形状的滤波器。

具体的，在本发明实施例中，声波器件还可以包括位于所述压电层3背向所述衬底1一侧表面的保护层。该保护层包括但不限于SiO2、SiN、AlN等介质材料，以保护压电层3不易被损坏。该保护层具体可以通过先沉积在刻蚀的工艺，或者是剥离工艺等设置，在本发明实施例中不做具体限定。

需要说明的是，本发明实施例中由于介质层可以有效起到温度补偿的作用，甚至可以实现零温漂补偿。因此在本发明实施例中不需要再设置覆盖叉指电极的温度补偿层，从而可以避免常规温度补偿层对器件性能造成的影响。

本发明实施例所提供的一种声波器件，包括相对设置的衬底1和压电层3；位于压电层3朝向衬底1一侧表面的介质层2；介质层2为低声阻抗层，介质层2的厚度不小于介质层2内传播声波的半波长；介质层2具有正温度系数；位于压电层3背向衬底1一侧表面的叉指电极4。

在压电层3朝向衬底1一侧设置厚度不小于介质层2内传播声波半波长的介质层2，并且使得该介质层2具有正温度系数，使得该介质层2可以有效提升声波器件的频率温度系数。同时由于该介质层2的厚度不小于介质层2内传播声波的半波长，可以有效抑制纵向方向的声波能量泄漏。

有关本发明所提供的一种声波器件的具体结构将在下述发明实施例中做详细介绍。

请参考图4，图5以及图6，图4为本发明实施例所提供的第一种具体的声波器件的结构示意图；图5为图4中声波能量纵向传递示意图；图6为现有技术中声波能量纵向传递示意图。

区别于上述发明实施例，本发明实施例是在上述发明实施例的基础上，进一步的提供两种声波器件的结构示意图。其余内容已在上述发明实施例中做详细介绍，在此不再进行赘述。

第一种，上述介质层2可以直接位于衬底1朝向压电层3一侧表面。此时为了更好的将纵向传播的声波能量反射回压电层3，抑制纵向声波能量的传递，上述衬底1通常需要为高声速层，即衬底1的材料需要为高声速材料，此时介质层2可以作为低声速层，衬底1作为高声速层，此时介质层2与衬底1分别具有比压电层3更低和更高的体波声速，且声速差越大，能量反射效果越好。

第二种，参见图4，声波器件还包括位于所述衬底1朝向所述压电层3一侧表面的布拉格反射层5；所述介质层2位于所述布拉格反射层5背向所述衬底1一侧表面。即在本发明实施例中可以通过布拉格反射层5来限制声波能量在纵向的传播。上述布拉格反射层5通常由交替设置的高声阻抗层以及低声阻抗层构成，其中高声阻抗层的材质包括但不限于W，Mo，AlN等；低声阻抗层的材质包括但不限于SiO2，多孔硅等。

在本发明实施例中，上述介质层2为低声阻抗层，位于布拉格反射层5朝向压电层3一侧表面。此时，介质层2可以认为是布拉格反射层5的最上一层膜层，与压电层3直接接触。而具体的，上述介质层2，即布拉格反射层5的最上一层膜层的厚度不小于介质层2内传播声波的半波长，而布拉格反射层5中各膜层的厚度通常等于谐振频率处等效波长的四分之一。因此在本发明实施例中具体可以是通过增加布拉格反射层5中与压电层3相接触的最上层膜层的厚度，来增加声波器件的TCF，同时抑制纵向方向的声波能量泄漏。

具体的，对比图5以及图6，可以看出在增厚介质层2后，声波在压电层3的位移分布基本不受影响。而更多的能量也会集中到顶层的低声阻抗层，以获得更佳的温度补偿效果。

本发明实施例所提供的声波器件，均可以在压电层3朝向衬底1一侧设置厚度不小于介质层2内传播声波半波长的介质层2，并且使得该介质层2具有正温度系数，使得该介质层2可以有效提升声波器件的频率温度系数。同时由于该介质层2的厚度不小于介质层2内传播声波的半波长，可以有效抑制纵向方向的声波能量泄漏。

本发明还提供了一种滤波装置，所述滤波装置包括有上述任一发明实施例所提供的声波器件。该滤波装置的其余内容可以参照现有技术，在此不再进行展开描述。

由于滤波装置设置有上述任一发明实施例所提供的声波器件，使得滤波装置安装的声波器件具有较高的TCF，因此使得滤波装置具有良好的性能。

下面将提供一种声波器件的制备方法，该声波器件的制备方法可以与上述发明实施例所提供的一种声波器件相互对应参照。

请参考图7，图7为本发明实施例所提供的一种声波器件制备方法的流程图。

参见图7，在本发明实施例中，声波器件的制备方法包括：

S101：在衬底表面沿衬底厚度方向依次设置介质层和压电层。

在本发明实施例中，所述介质层2为低声阻抗层，所述介质层2的厚度不小于所述介质层2内传播声波的半波长；所述介质层2具有正温度系数。有关声波器件的具体结构已在上述发明实施例中做详细介绍，在此不再进行赘述。

在本步骤之前，通常包括：在所述衬底1表面设置布拉格反射层5。即在本步骤中通常需要先在衬底1表面设置用于限制声波器件纵向声波传递的布拉格反射层5，通常是基于生长工艺在衬底1表面生长布拉格反射层5，以抑制声波能量向衬底1传播。

而在本步骤中，会依次设置介质层2和压电层3，其通常具体为：在所述布拉格反射层5背向所述衬底1一侧表面沿所述衬底1厚度方向依次设置介质层2和压电层3。有关衬底1、布拉格反射层5、介质层2、压电层3的具体结构已在上述发明实施例中做详细介绍，在此不再进行赘述。

S102：在压电层背向衬底一侧表面设置叉指电极，以制成声波器件。

在本步骤中通常需要先后通过沉积工艺以及刻蚀工艺来设置叉指电极4，有关叉指电极4的具体结构可以参考现有技术，在此不再进行赘述。

在本步骤之前，本发明实施例所提供的声波器件制备方法通常还包括：对所述压电层3表面进行抛光，该抛光工艺通常为化学机械抛光(CMP)。即本步骤通常具体是在抛光后平整的压电层3表面设置叉指电极4，以保证叉指电极4结构的完整。在进行抛光之后，本发明实施例所提供的声波器件制备方法通常还包括：加热所述压电层3，以恢复所述压电层3的压电性。即在对晶圆抛光之后还可以对压电层3以及衬底1进行加热处理，恢复压电材料的压电性能及晶向，提高压电层3质量。

在本步骤之后，通常还需要在压电层3背向所述衬底1一侧表面设置覆盖压电层3的保护层，该保护层包括但不限于SiO2、SiN、AlN等介质材料，以保护压电层3不易被损坏。该保护层具体可以通过先沉积在刻蚀的工艺，或者是剥离工艺等设置，在本发明实施例中不做具体限定。

本发明实施例所提供的一种声波器件的制备方法，在压电层3朝向衬底1一侧设置厚度不小于介质层2内传播声波半波长的介质层2，并且使得该介质层2具有正温度系数，使得该介质层2可以有效提升声波器件的频率温度系数。同时由于该介质层2的厚度不小于介质层2内传播声波的半波长，可以有效抑制纵向方向的声波能量泄漏。

有关本发明所提供的一种声波器件制备方法的具体内容将在下述发明实施例中做详细介绍。

请参考图8，图8为本发明实施例所提供的一种具体的声波器件制备方法的流程图。

参见图8，在本发明实施例中，声波器件的制备方法包括：

S201：在衬底表面设置布拉格反射层。

本步骤已在上述发明实施例中S101做详细介绍，在此不再进行赘述。

S202：在压电层表面设置介质层。

在本步骤之前，通常可以在压电层3表面进行离子注入。其中该离子注入的深度可以需要等于压电层3所需厚度，从而便于在后续步骤中将压电层3剥离至需要的预设厚度。

在本步骤中，离子注入的作用主要用于在压电层3厚度方向上产生离子注入区与普通压电材料之间的分界面，从而便于后续的剥离操作。有关离子注入的具体内容可以参考现有技术，在此不再进行赘述。通常情况下，本步骤可以具体为：在所述压电层3进行所述离子注入的表面设置所述介质层2。需要说明的是，上述S201与S202之间没有明确的先后顺序，可以先执行S201，或先执行S202，或并行的执行S201与S202均可，视具体情况而定，在此不做具体限定。

S203：将介质层与布拉格反射层相互键合。

在本步骤中，具体可以通过层转移技术，将设置有介质层2的压电层3与设置有布拉格反射层5的衬底1相互键合，具体会将介质层2与布拉格反射层5相互键合。有关具体的键合工艺在本步骤中可以是通过直接键合、离子激活键合、静电键合等工艺均可，视具体情况而定，在此不做具体限定。

S204：沿压电层进行离子注入后的分界面剥离压电层。

在本步骤中，具体会沿离子注入的分界面剥离部分压电层3，从而保证厚度仅为预设厚度的压电层3与设置有布拉格反射层5的衬底1相互键合。

在本步骤之后，通常还需要对剥离后的压电层3表面进行抛光，并在抛光后对压电层3进行加热处理。由于离子注入会向压电层3的晶格施加一定的应力，因此上述加热处理可以有效恢复压电材料的压电性能及晶向，提高压电层3质量。

S205：在压电层背向衬底一侧表面设置叉指电极，以制成声波器件。

本步骤已在上述发明实施例中S102做详细介绍，在此不再进行赘述。

本发明实施例所提供的一种声波器件的制备方法，通过层转移技术可以有效避免生长工艺所带来的厚度不均、晶向，致密性不足等缺点，同时层转移技术不会对压电层3的晶向进行限制，从而便于声波器件在设计时进行多种切角设计考虑，从而最大程度发挥压电层3性能。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其它实施例的不同之处，各个实施例之间相同或相似部分互相参见即可。

专业人员还可以进一步意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。

结合本文中所公开的实施例描述的方法或算法的步骤可以直接用硬件、处理器执行的软件模块，或者二者的结合来实施。软件模块可以置于随机存储器(RAM)、内存、只读存储器(ROM)、电可编程ROM、电可擦除可编程ROM、寄存器、硬盘、可移动磁盘、CD-ROM、或技术领域内所公知的任意其它形式的存储介质中。

最后，还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上对本发明所提供的一种声波器件、一种滤波装置以及一种声波器件的制备方法进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

Claims (10)

1.一种声波器件，其特征在于，包括：

相对设置的衬底和压电层；

位于所述压电层朝向所述衬底一侧表面的介质层；所述介质层为低声阻抗层，所述介质层的厚度不小于所述介质层内传播声波的半波长；所述介质层具有正温度系数；

位于所述压电层背向所述衬底一侧表面的叉指电极。

2.根据权利要求1所述的声波器件，其特征在于，还包括：

位于所述衬底朝向所述压电层一侧表面的布拉格反射层；所述介质层位于所述布拉格反射层背向所述衬底一侧表面。

3.根据权利要求2所述的声波器件，其特征在于，所述布拉格反射层包括沿所述衬底厚度方向交替设置的低声阻抗层和高声阻抗层，所述布拉格反射层中各膜层的厚度等于谐振频率处等效波长的四分之一。

4.根据权利要求3所述的声波器件，其特征在于，还包括：

位于所述压电层背向所述衬底一侧表面的保护层。

5.根据权利要求1所述的声波器件，其特征在于，所述介质层的厚度等于所述声波器件的频率温度系数等于0ppm/K时对应的厚度。

6.一种滤波装置，其特征在于，包括如权利要求1至5任一项权利要求所述的声波器件。

7.一种声波器件的制备方法，其特征在于，包括：

在衬底表面沿所述衬底厚度方向依次设置介质层和压电层；所述介质层为低声阻抗层，所述介质层的厚度不小于所述介质层内传播声波的半波长；所述介质层具有正温度系数；

在所述压电层背向所述衬底一侧表面设置叉指电极，以制成所述声波器件。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，还包括：

在所述衬底表面设置布拉格反射层；

所述在衬底表面沿所述衬底厚度方向依次设置介质层和压电层包括：

在所述布拉格反射层背向所述衬底一侧表面沿所述衬底厚度方向依次设置介质层和压电层。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，还包括：

在压电层表面设置所述介质层；

所述在所述布拉格反射层背向所述衬底一侧表面沿所述衬底厚度方向依次设置介质层和压电层包括：

将所述介质层与所述布拉格反射层相互键合。

10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，还包括：

在压电层表面进行离子注入；所述离子注入的深度等于所述压电层所需厚度；

所述在压电层表面设置所述介质层包括：

在所述压电层进行所述离子注入的表面设置所述介质层；

在所述将所述介质层与所述布拉格反射层相互键合之后，还包括：

沿所述压电层进行所述离子注入后的分界面剥离所述压电层。

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