CN102324908B - 具有叠加准周期条阵结构的声表面波器件 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种具有叠加准周期条阵结构的声表面波器件，是在常规的声表面波器件芯片表面叠加准周期条阵结构，条阵结构的条方向沿声表面波传播方向延伸，条阵结构的条间距是有一定规律的准周期值，于是在器件的有源电极部分变为二维点阵，而在其余部分仍为一维条阵；采用双层膜淀积工艺和条阵掩膜腐蚀去除上层膜，不需精确套刻即可制作出本发明的叠加条阵结构。本发明的优点在于：工艺简单，设计自由，可以应用于所有声表面波器件，改进其性能。

Description

具有叠加准周期条阵结构的声表面波器件

技术领域

本发明涉及一种声表面波器件装置，尤其涉及一种叠加准周期条阵结构的声表面波器件，属于通信技术领域。

背景技术

从半导体理论可知，介电性能不同的周期结构，能形成能带结构，生成带隙，已成为半导体器件物理的基本概念。由此推广于光学，有了光子晶体的快速进展。近来，开始研究的声子晶体，也有一些可喜进展。

声表面波器件是现代电子技术的基础元件，它基于压电材料的（逆）压电效应，采用叉指换能器、反射栅阵和多条耦合器等金属和介质电极结构（有源电极），实施电-机械-电能量转换、生成和处理声表面波等功能，完成电信号谐振、滤波、延时和实时处理等。

常规器件芯片布局大体可分为四个部分：叉指换能器、反射栅阵和多条耦合器等确定器件主要电性能的有源部分，汇流电极、屏蔽电极等无源部分，集成在芯片上的电阻电容等元件部分和外围无金属膜的空白部分。有源部分基本结构是垂直于声表面波传播方向周期排列的叉指、开路或短路栅阵状金属电极，电极延伸方向基本垂直于声表面波传播方向；元件部分电极图形与有源部分近似，但排列方向可以任意；无源部分多是大面积金属块，如需要，包含有规定的引出电极压焊区。

压电基片上传播的声表面波，会逐渐扩展其波束，使器件性能变坏。借鉴声子晶体的概念，约束声表面波的传播方向，是一个可探索的方法。

美国专利US7939987(Marc Solar等) 2008年首先提出一种二维点阵反射器结构（图1），叠加在声表面波谐振器芯片的叉指换能器和反射栅阵的电极上。实验应用于漏波模式传播的声表面波谐振器中，发现能使窄孔径器件的性能较大改进，但它的主要缺点是：没有涉及器件的汇流电极和外围；二维点阵反射器要求准确套刻在器件的有源电极上，工艺要求高，且极易造成电极短路。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案为：表面叠加准周期条阵结构的声表面波器件，包括有源部分、无源部分、元件部分和空白部分，其特征在于：器件芯片表面叠加准周期条阵结构，所述条阵结构叠加在器件电极结构上方，器件有源部分垂直于声表面波传播方向，叠加在器件有源电极部分变为二维点阵，在器件其余部分仍为一维条阵。

上述声表面波器件，其进一步特征在于：所述条阵结构的条方向近似沿声表面波传播方向延伸，条或平行或倾斜或发散会聚或其组合，由于声表面波器件设计的声表面波声道一般是沿声表面波传播方向设置的，即要求有用的声表面波不要偏离，所以叠加条阵结构大都是平行于声表面波传播方向延伸的平行条阵；对于具有非零度能流角的压电材料，采用倾斜（与器件有源电极非正交）的条阵结构有助于改进器件性能，在利用小角度反射的Z径结构，倾斜条状是必要的；对于声表面波谐振器，采用发散会聚状条状结构，可以抑制高次横向模的产生。

所述条阵结构的条间距是有一定规律的准周期值；在一般情况下，设计条阵的条间距是定值，约等于器件中心频率对应声表面波半波长，也就是器件有源电极的标称周期（单指器件有源电极周期）。在采用锥形换能器的器件中，条阵条间距应与换能器标称周期同步，所以是单调变化不等距的。当然，对非平行条阵来说，中心对称的条间距应是较好的选择。

条阵结构是由微电子工艺常用材料构成的，是金属或者介质，本发明主要是利用叠加条状结构的质量负载对下方声表面波传播产生周期干扰，达到约束声表面波束的目的，所以结构材料的质量加载特性，较大影响其功能。常用的金属，如金、钨、钼等是较好的选择，即使用铝，相对膜厚（以器件中心频率对应的声表面波波长度量的薄膜厚度）大些，也有一定效果。同时，由于主要是质量负载效应，采用介质膜也是可以的。

加入叠加结构会导致声表面波传输特性发生微量变化，必要时，应修正器件设计参数。

器件外围可设置条阵，器件引出焊点部分不叠加条阵。

在器件外围空白区条阵设置办法有两种：一是在器件掩膜上预先设置块状电极图形，二次套刻工艺后，得到同无源部分相同的结构：金属块上方条阵；另一个办法是在器件掩膜上就制作条阵，在二次套刻时不参与腐蚀，此时的结构不但有质量负载，也有电负载，功能更有效。同时，器件引出焊点部分不叠加条阵的原因是，对金属条阵，可能使焊接可靠性降低，而介质条阵没法采用。其实，在采用金属条阵结构时，上层的金属等同于电极加厚，还会提高焊接可靠性。

具有表面叠加准周期条阵结构的声表面波器件套刻工艺为：

(1)采用双层膜淀积工艺，依次在压电基片上淀积声表面波器件用金属膜和叠加结构用金属（或介质）膜。

(2)在此双层膜上制作常规声表面波器件。

(3)采用条阵掩膜，腐蚀去除上层金属或介质膜，完成叠加准周期条阵结构。

由于声表面波器件有源电极与本发明叠加条阵是近似垂直的，在声表面波器件有源电极部分就形成叠加二维点阵，有源电极部分点阵条阵条间距周期在有源电极处可以不同于其他部分，通过掩膜设计和腐蚀工艺可以微调器件有源电极上的点阵参数。

本发明的优点在于：本发明是在表面波器件芯片表面叠加一与声表面波传播方向近似平行排列的准周期条阵结构，来约束声表面波传播，有助于减小器件性能下降；工艺简单，设计自由，可以应用于所有声表面波器件，改进其性能。

附图说明

图1为现有技术中的Marc Solar等报道的具有二维反射器的声表面波谐振器。

图2A为现有技术中的常规声表面波器件芯片（中频滤波器）。

图2B本发明实施例的采用本发明后的器件芯片（中频滤波器）。

图3本发明实施例的叠加会聚发散状条阵结构的声表面波谐振器。

图4本发明实施例的叠加变化间距条阵结构的锥形声表面波滤波器。

图5本发明实施例的采用本发明的声表面波器件制作工艺流程。

图6本发明实施例的器件外围采用条阵结构的声表面波标签。

具体实施方式

结合附图与具体实施例进一步作以下说明。

本实施例是在常规声表面波器件芯片表面叠加一准周期条阵结构。条阵的条方向近似沿声表面波传播方向延伸。在器件的有源电极（叉指换能器和反射栅阵等）部分变为二维点阵，而在其余部分仍为一维条阵。二是采用双层膜淀积工艺和条阵掩膜腐蚀去除上层膜，不需精确套刻即可制作出本发明的叠加条阵结构。

常规声表面波器件芯片是由压电基片和在其上采用微电子技术制作的单层金属膜电极图形构成的。现今先进的声表面波器件还会采用钝化或预淀积介质膜的压电基片、介质膜加载、表面钝化层、引出电极压焊层加厚等芯片工艺，提高器件性能，但芯片技术实质未变。采用新的芯片工艺时，对于专业人士实施本发明不会带来任何困难，所以下面以常规器件芯片来说明本发明。

一、声表面器件芯片表面叠加准周期条阵结构。

图2A为没有采用本发明的常规声表面波器件芯片（以中频滤波器为例），图2B为采用本发明后的器件芯片（中频滤波器）。

1）条阵结构叠加在器件电极结构上方。

由于器件有源部分是垂直于声表面波传播方向周期排列的叉指、开路或短路栅阵状金属电极，电极延伸方向基本垂直于声表面波传播方向，所以叠加在器件有源电极部分变为二维点阵，而在器件其余部分仍为一维条阵。

2）条阵的条方向近似沿声表面波传播方向延伸，条可以是平行、倾斜、发散会聚和其组合。

由于声表面波器件设计的声表面波声道一般是沿声表面波传播方向设置的，即要求有用的声表面波不要偏离，所以叠加条阵结构大都是平行于声表面波传播方向延伸的平行条阵。

对于具有非零度能流角的压电材料，采用倾斜（与混器件有源电极非正交）的条阵结构有助于改进器件性能。在利用小角度反射的Z径结构，倾斜条状是必要的。

对于声表面波谐振器，采用发散会聚状条状结构（图3），可以抑制高次横向模的产生。

3）条阵的条间距是有一定规律的准周期值。

在一般情况下，设计条阵的条间距是定值，约等于器件中心频率对应声表面波半波长，也就是器件有源电极的标称周期（单指器件有源电极周期）。

在采用锥形换能器的器件中，条阵条间距应与换能器标称周期同步，所以是单调变化不等距的（图4）。

当然，对非平行条阵来说，中心对称的条间距应是较好的选择。

4）条阵结构是由微电子工艺常用材料构成的，可以是金属，也可以是介质。

本实施例主要是利用叠加条状结构的质量负载对下方声表面波传播产生周期干扰，达到约束声表面波束的目的，所以结构材料的质量加载特性，较大影响其功能。常用的金属，如金、钨、钼等是较好的选择，即使用铝，相对膜厚（以器件中心频率对应的声表面波波长度量的薄膜厚度）大些，也有一定效果。

由于主要是质量负载效应，采用介质膜也是可以的。

加入叠加结构会导致声表面波传输特性发生微量变化，必要时，应修正器件设计参数。

5）器件外围可设置条阵，器件引出焊点部分不叠加条阵。

在器件外围空白区设置条阵，可以更有效的发挥条阵功能。设置办法有两种：一是在器件掩膜上预先设置块状电极图形，二次套刻工艺后，得到同无源部分相同的结构：金属块上方条阵。另一个办法是在器件掩膜上就制作条阵，在二次套刻时不参与腐蚀，此时的结构不但有质量负载，也有电负载，功能更有效。

器件引出焊点部分不叠加条阵的原因是，对金属条阵，可能使焊接可靠性降低，而介质条阵没法采用。其实，在采用金属条阵结构时，上层的金属等同于电极加厚，还会提高焊接可靠性。

二、实现本发明不需要精确套刻工艺，即可形成叠加条阵结构。

制作本实施例叠加条阵结构的工艺流程见图5。首先采用双层膜淀积工艺，依次在压电基片上淀积声表面波器件用金属膜和叠加结构用金属（或介质）膜（图5A）。在此双层膜上制作常规声表面波器件（图5B）。最后采用条阵掩膜，腐蚀去除上层金属（或介质）膜，完成叠加准周期条阵结构（图5C）。

三、有源电极部分点阵。

由于声表面波器件有源电极与本实施例叠加条阵是近似垂直的，自然在声表面波器件有源电极部分就形成叠加二维点阵。此二维点阵在沿声表面波传播方向的周期是声表面波器件的周期，而在垂直于声表面波传播方向的周期，则由叠加条阵设计确定。条阵条间距周期在有源电极处可以不同于其他部分。在一些特别设计中，有源电极区域可以不叠加条阵结构。通过掩膜设计和腐蚀工艺可以微调器件有源电极上的点阵参数。

四、实施例。

1、采用本发明的声表面波谐振器。

声表面波谐振器，单独就是一种广泛应用的声表面波器件，而且又是谐振型声表面波滤波器的基本单元，通过采用本发明，有望减小谐振器声道孔径和反射栅阵长度，有明显的实用意义。

一种采用本发明的声表面波谐振器如图3，由于设计了会聚发散状条阵结构，可以抑制高次横向模的产生。

2、采用本发明的中频滤波器。

中频滤波器，是视听和通信设备的必用元件。由于其工作频率较低，所以器件芯片面积较大，所以窄孔径成为提高中频滤波器性价比的首选手段。孔径窄，就要求声表面波波束在传播过程中不能扩散，采用本发明是一个好办法。

图2B为采用本发明的中频滤波器，在回流电极和屏蔽电极均叠加有条状结构，当然保留了引出焊接区。

3、采用本发明的锥形滤波器。

锥形滤波器以其较低插入衰耗和自由设计大带宽等优点，已成为现今通信用中频滤波器的主流产品。由于芯片上叉指换能器呈等腰梯形状，其激发的声表面波波前不垂直于设定的声波传播声道，致使器件高频端损耗和带外抑制要比低频端差许多。采用本发明会改变这种不对称。

图4为采用本发明的锥形滤波器，其条状的条间距应与换能器标称周期同步，所以是单调变化不等距的。

4、采用本发明的声表面波标签。

声表面波标签和传感器，是目前声表面波器件的发展方向。目前研究最为广泛的是延迟反射型标签，由于利用了延时来避免发射脉冲对接收的干扰，以及加大标签识别码数目，所以声表面波芯片的长度长，保证芯片上声表面波的准直传播更为重要。

图6为采用本发明的延迟反射型声表面波标签，仅在声道上下外部设置了条状结构。此条阵结构是在器件掩膜上设计的，有更好的约束效果。

虽然本发明已以较佳实施例公开如上，但实施例和附图并不是用来限定本发明创造，任何熟悉此技艺者，在不脱离本发明之精神和范围内，自当可作各种变化或润饰，同样在本发明的保护范围之内。因此本发明的保护范围应当以本申请的权利要求保护范围所界定的为准。

Claims (1)

1.一种应用于具有叠加准周期条阵结构的声表面波器件的方法，具有叠加准周期条阵结构的声表面波器件包括有源部分、无源部分、元件部分和空白部分，器件芯片表面叠加准周期条阵结构，其特征在于：

条阵结构叠加在器件电极结构上方：由于器件有源部分是垂直于声表面波传播方向周期排列的叉指、开路或短路栅阵状金属电极，电极延伸方向基本垂直于声表面波传播方向，所以叠加在器件有源电极部分变为二维点阵，而在器件其余部分仍为一维条阵；

条阵的条方向近似沿声表面波传播方向延伸，条可以是平行、倾斜、发散会聚和其组合；设计条阵的条间距是定值，约等于器件中心频率对应声表面波半波长，也就是器件有源电极的标称周期；

在器件外围空白区设置条阵，设置办法有两种：一是在器件掩膜上预先设置块状电极图形，二次套刻工艺后，得到同无源部分相同的结构：金属块上方条阵；另一个办法是在器件掩膜上就制作条阵，在二次套刻时不参与腐蚀；

所述套刻工艺步骤为：

（1）采用双层膜淀积工艺，依次在压电基片上淀积声表面波器件用金属膜和叠加结构用金属膜或介质膜；

（2）在此双层膜上制作常规声表面波器件；

（3）采用条阵掩膜，腐蚀去除上层金属膜或介质膜，完成叠加准周期条阵结构；

条阵条间距周期在有源电极处不同于其他部分，通过掩膜设计和腐蚀工艺微调器件有源电极上的点阵参数。

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