CN105490662B - 一种声表面波滤波器及其制造方法 - Google Patents

Abstract

一种声表面波滤波器，包括基底(2)和盖帽(9)，基底(2)上有滤波器图形层，滤波器图形层包括发射叉指换能器(3)、接收叉指换能器(4)、地线(7)、信号输入端口(5)和信号输出端口(6)；地线(7)包括与发射叉指换能器(3)相连的第一地线(71)和与接收叉指换能器(4)相连的第二地线(72)；发射叉指换能器(3)、接收叉指换能器(4)为矩形叉指电极，由两个梳状电极相交叉组成；发射叉指换能器(3)和接收叉指换能器(4)的梳状电极公共端的拐角处为圆角。为了有效避免尖端效应，本发明采用对器件在地线与叉指电极的连接处采取圆角化处理，有效降低了尖端的场强，从而避免击穿现象的发生，提高了器件的可靠性。

Description

一种声表面波滤波器及其制造方法

技术领域

本发明涉及一种声表面波(SAW)滤波器及其制造方法，属于射频MEMS技术领域。

背景技术

声表面波(SAW，Surface Acoustic Wave)是一种在压电基片材料表面产生和传播，且振幅随深入基片材料的增加而迅速减少的弹性波。以其独特的优势，如重量轻，体积小，可靠性高，广泛地应用于移动通讯、广播电视、无损检测、识别定位、导航和遥测等众多领域。如应用与1.0GHzPCS终端60MHz带宽的双频段SAW滤波器以及富士通公司开发的双模式便携式手机用SAW滤波器(专利公开号JP2005210158A)。但是，传统材料制备的声表面波滤波器的中心频率f大多位于较低的频段(f＜500MHz)，目前实际制作出的SAW滤波器都有损耗和偏差。在制作过程中，制作叉指条的宽度往往受到半导体工艺的制约。叉指条太细在声表面波的传播工程中，由于环境温度较高，容易发生尖端效应，使叉指条发生断裂，造成声表面波的彻底损坏。所以，仅采用先进的半导体平面工艺不可能满足声表面波高速发展的需要。除此之外，叉指条越细，电阻会越大，这会产生更大的热能，大的热能会把细的叉指条熔化断，使声表面波的彻底损坏，这对制作大功率声表面波器件不利。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种声表面波滤波器及其制造方法，滤波器的叉指条不易断裂，中心频率高，可靠性高。

本发明所采用的技术方案是：

一种声表面波滤波器，包括基底，基底为压电材料，其上表面有滤波器图形层，滤波器图形层包括发射叉指换能器、接收叉指换能器、地线、信号输入端口和信号输出端口；

发射叉指换能器和接收叉指换能器为矩形叉指电极，由两个梳状电极相交叉组成；发射叉指换能器的梳状电极叉指条公共电极的端部拐角和接收叉指换能器的梳状电极叉指条公共电极的端部拐角为圆角；

信号输入端口输入待滤波的信号，其两端分别与发射叉指换能器的两个梳状电极相连，信号输出端口输出滤波后的信号，其两端分别与接收叉指换能器的两个梳状电极相连，地线接地，分别与发射叉指换能器的梳状电极和接收叉指换能器的梳状电极相连。

所述地线包括第一地线和第二地线；第一地线的两端位于发射叉指换能器的对角，分别与发射叉指换能器一个梳状电极的叉指条公共电极的一端和发射叉指换能器的另一个梳状电极的叉指条的公共电极的一端相连；第二地线的两端位于接收叉指换能器的对角，分别与接收叉指换能器的一个梳状电极的叉指条公共电极的一端和接收叉指换能器的另一个梳状电极的叉指条公共电极的一端相连；信号输入端口分别与发射叉指换能器两个梳状电极的叉指条的公共电极中部相连，信号输出端口分别与接收叉指换能器两个梳状电极的叉指条的公共电极中部相连。

所述滤波器图形层的厚度为0.8μm～1μm，发射叉指换能器或接收叉指换能器的叉指条的线宽为1μm～2μm，叉指条的间距为1μm～2μm。

所述声表面波滤波器还包括盖帽，盖帽上设有浅槽，与基底键合在一起，浅槽向下在发射叉指换能器和接收叉指换能器上方形成空腔；地线、信号输入端口和信号输出端口通过盖帽上的通孔与外界连接，通孔中通过溅射或蒸发的方法注入导电金属，各通孔分别位于地线、信号输入端口和信号输出端口的上方。

所述基底为单晶切向为36°的铌酸锂。

一种声表面波滤波器的制造方法，包括以下步骤：

S1.在基底上溅射或蒸发一层电极，并采用离子风扇对基底进行去静电操作；所述基底为压电材料；

S2.基底上的电极先进行光刻，再进行干法刻蚀或腐蚀，形成滤波器图形层；

所述滤波器图形层包括发射叉指换能器、接收叉指换能器、地线、信号输入端口和信号输出端口；发射叉指换能器和接收叉指换能器为矩形叉指电极，由两个梳状电极相交叉组成；发射叉指换能器和接收叉指换能器的梳状电极叉指条公共电极的端部拐角为圆角；信号输入端口输入待滤波的信号，其两端分别与发射叉指换能器的两个梳状电极相连，信号输出端口输出滤波后的信号，其两端分别与接收叉指换能器的两个梳状电极相连，地线接地，分别与发射叉指换能器和接收叉指换能器的梳状电极相连；

S3.通过刻蚀、腐蚀或喷砂方法在盖帽的一个面上形成浅槽；所述盖帽为高阻硅板；

S4.从与浅槽的制作面相反的面，通过刻蚀、腐蚀或喷砂的方法在盖帽上加工出多个通孔，通孔中通过溅射或蒸发的方法注入导电金属，地线、信号输入端口和信号输出端口通过各通孔与外界连接；

S5.将基底存在滤波器图形层的一面与盖帽有浅槽的一面进行阳极键合，固连在一起，得到声表面滤波器；所述浅槽与基底之间形成封闭空腔，发射叉指换能器、接收叉指换能器被罩在空腔中，各通孔分别位于地线、信号输入端口和信号输出端口的上方。

所述S1中滤波器图形层的厚度为0.8μm～1μm，S2中发射叉指换能器或接收叉指换能器的叉指条的线宽为1μm～2μm，叉指条的间距为1μm～2μm。

所述光刻过程中的曝光时间为300-500ms，显影时间为15-25s。

本发明与现有技术相比的优点在于：

1)为了有效避免尖端效应，本发明采用对器件在发射叉指换能器和接收叉指换能器的梳状电极公共电极的拐角处圆角化处理，有效降低了尖端的场强，从而避免击穿现象的发生，提高了器件的可靠性。

2)本发明的声表面波(SAW)滤波器，基于改进的MEMS工艺，保证了线条宽度(1μm～2μm)，较薄的电极厚度(0.8μm～1μm)，有效地提高了器件的中心频率，可以达到大约755MHz的中心频率。

3)本发明的声表面波(SAW)滤波器，采用双层结构，在原本单层结构上增加了硅帽结构设计，有效保护器件结构，器件在工作时能够避免外界环境的影响。

附图说明

图1为本发明声表面(SAW)波滤波器结构图；

图2为本发明声表面(SAW)波滤波器基底表面图形的示意图；

图3为梳状电极叉指条公共电极的端部拐角放大图，即图2中圆圈部分的放大图；

图4为本发明声表面(SAW)波滤波器结构沿图1AB-A’B’截面的剖视图；

图5为本发明基底的侧视图；

图6为本发明基底和其上电极的侧视图；

图7为本发明盖帽加工前的侧视图；

图8为本发明盖帽加工浅槽后的侧视图；

图9为本发明盖帽的侧视图。

具体实施方式

如图1所示，一种声表面波滤波器，包括基底2和盖帽9。

基底2上有发射叉指换能器3、接收叉指换能器4、地线7、信号输入端口5和信号输出端口6，如图2为基底2上结构的俯视图。地线7包括第一地线71、第二地线72、第三地线73和第四地线74；

发射叉指换能器3、接收叉指换能器4为矩形叉指电极，由两个梳状电极相交叉组成，每条叉指的形状一般采用矩形。本发明所采用的叉指换能器的线宽为1μm～2μm，叉指间距为1μm～2μm，孔径(两个梳状电极相插接的部分)的长度范围为300μ～350μm。发射叉指换能器3和接收叉指换能器4的梳状电极公共电极的拐角处为圆角。

第一地线71的两端位于发射叉指换能器3的对角，分别与发射叉指换能器3的一个梳状电极的叉指条公共电极的一端和发射叉指换能器3的另一个梳状电极的叉指条的公共电极的一端相连；第二地线72的两端位于接收叉指换能器4的对角，分别与接收叉指换能器4的一个梳状电极的叉指条公共电极的一端和接收叉指换能器4的另一个梳状电极的叉指条公共电极的一端相连；信号输入端口5与发射叉指换能器3的两个梳状电极的叉指条的公共电极中部相连，信号输出端口6与接收叉指换能器4的两个梳状电极的叉指条的公共电极中部相连；第四地线74的两端位于发射叉指换能器3的对角，分别与发射叉指换能器3的一个梳状电极的叉指条公共电极的一端和发射叉指换能器3的另一个梳状电极的叉指条的公共电极的一端相连；第三地线73的两端位于接收叉指换能器4的对角，分别与接收叉指换能器4的一个梳状电极的叉指条公共电极的一端和接收叉指换能器4的另一个梳状电极的叉指条公共电极的一端相连。

第一地线71和信号输入端口5位于发射叉指换能器3的外侧，第二地线72和信号输出端口6位于接收叉指换能器4的外侧，第三地线73和第四地线74分别位于发射叉指换能器3和接收叉指换能器4的中间；所述第一地线71绕信号输入端口5外侧走线，将信号输入端口5包围起来，所述第二地线72绕信号输出端口6外侧走线，将信号输出端口6包围起来，有效地保护了器件的信号输入端口5及信号输出端口6。

地线7接地，信号输入端口5接待滤波信号，信号输出端口6接滤波后的信号。

图3为本发明的声表面(SAW)波滤波器结构沿图1AB-A’B’截面的剖面图。盖帽9上设有通孔，通孔包括输入端口通孔85、信号输出端口通孔86、第一地线通孔81、第二地线通孔82、第三地线通孔83和第四地线通孔84。其中信号输入端通孔85位于对应信号线输入端口5的上方，信号输出端口通孔86位于信号输出端口6的上方。第一地线通孔81位于第一地线71的一段的上方，第二地线通孔82位于第二地线72的一段的上方，第三地线通孔83位与第三地线73的一段的上方，第四地线通孔84位于第四地线74的一段的上方。输入端口通孔85、信号输出端口通孔86、第一地线通孔81、第二地线通孔82、第三地线通孔83和第四地线通孔84中通过溅射或蒸发的方法注入导电金属，并在玻璃的非键合面形成焊盘点。

所述的盖帽9的材料为高阻硅，电阻率大于4000Ω·cm，属于绝缘介质材料，电导率低，能够保证电磁波在介质基片上的损耗较小。发射叉指换能器3、接收叉指换能器4、信号输入端口5、信号输出端口6和地线7的材料为铝，或金或钛等导电性较好的金属材料。铝的导电性能较好，并且采用溅射或蒸发铝的工艺方式制作，能够保证线宽，从而提高声表面波(SAW)滤波器的可靠性。优化后的发射叉指换能器3和接收叉指换能器4改善了电荷聚集尖端的现象，如图4所示，为图2中圆圈部分的局部放大图。所谓尖端效应是指在同一带电导体上，与平滑部位相比，其尖端部位面电荷密度较大，尖端附近的电场强度较强，且容易产生由尖端向临近的接地体放电的现象。导体尖端越尖，曲率越大，面电荷密度越高，其附近场强越强。因此，在制作的过程中，由于环境温度较高，更加容易发生尖端效应，导致器件损坏。为了有效避免这种现象，对射叉指换能器3和接收叉指换能器4的梳状电极公共电极的90度拐角处采取圆角化处理，有效避免击穿现象，从而提高在制造过程中的成品率。盖帽9保护器件内部结构不受环境影响，提高了声表面波(SAW)滤波器的可靠性。通过电磁场分析软件仿真验证，在信号输入端口5出加载高电压1000V，未经过圆角处理的IDT的最大场强为23.8V/m,而经过圆角处理的IDT的最大场强为2.77×10^-4V/m。有效降低了尖端的场强，从而避免击穿现象的发生，提高了器件的可靠性。

本发明的声表面波(SAW)滤波器，工作方式如下：

当激励信号，一般工作频率在10M～3GHz范围，加载到所述的发射叉指换能器3时，信号经过接收叉指换能器3转换为在基片表面传播的声表面波，经过一定延迟后，接收叉指换能器4将接收到的声表面波转换为电学信号并输出或加载在负载电阻上。通过电-声波信号间的相互转换，实现频率选择特性，从而起到滤波的作用。

参照图5～图9，对本实施例的声表面波(SAW)滤波器的制造方法进行说明。

S1.如图5所示，选择压电材料(TTV，总厚度差异，TTV<5μm)作为基底2，压电材料可以为钽酸锂，铌酸锂等。综合考虑耦合系数及温度稳定性等特点，优选压电材料为单晶切向为36°的铌酸锂。在基底2上溅射或蒸发0.8μm～1μm的铝，并采用离子风扇对基底进行去静电操作；

S2.如图6所示，经过光刻，再进行干法刻蚀或腐蚀在基底2上形成发射叉指换能器3、接收叉指换能器4、信号输入端口5、信号输出端口6、第一地线71、第二地线72、第三地线73和第四地线74。光刻，再进行干法刻蚀或腐蚀的过程可以参照“ZnO/IDT/金刚石结构SAW滤波器的设计和制作”(Semiconductor Technology，Vol.38，No.6)所述。由于IDT结构尺寸大，但IDT线条较细且长宽比大(175：1)，所以要特别注意光刻工艺的参数选择。光刻工艺包括涂胶、曝光、显影。为了保证线条宽度，保持光刻胶的均匀性，曝光时间控制在300～500ms的范围，显影时间控制在15～25s的范围。

S3.如图7所示，选择高阻硅(电阻率大于4000Ω·cm)材料作为盖帽9，其厚度范围为200μm～400μm。如图8所示，从盖帽9的一个面，通过刻蚀、腐蚀或喷砂的方法在盖帽9上形成浅槽10，浅槽10的制作面为阳极键合面，深度约为5μm；

S4.如图9所示，从与浅槽10的制作面相反的面，通过刻蚀、腐蚀或喷砂的方法在盖帽9上形成输入端口通孔85、信号输出端口通孔86、第一地线通孔81、第二地线通孔82、第三地线通孔83和第四地线通孔84，孔径为150μm～200μm，孔径的高度与盖帽9的厚度一致。其位置分别分布在信号输入端口5、信号输出端口6和地线7的中心位置，起到电连接的作用。

S5.如图3所示，将基底2存在发射叉指换能器3的一面与盖帽9的阳极键合面进行阳极键合，固连在一起，形成键合片。阳极键合可以参考“MEMS晶圆级封装工艺研究”(天津大学，硕士论文，2012，12)中所提及的阳极键合的基本工艺方法。

本发明未详细说明部分属于本领域技术人员公知技术。

Claims (7)

1.一种声表面波滤波器，其特征在于，包括基底(2)，基底(2)为压电材料，其上表面有滤波器图形层，滤波器图形层包括发射叉指换能器(3)、接收叉指换能器(4)、地线(7)、信号输入端口(5)和信号输出端口(6)；

发射叉指换能器(3)和接收叉指换能器(4)为矩形叉指电极，由两个梳状电极相交叉组成；发射叉指换能器(3)的梳状电极叉指条公共电极的端部拐角和接收叉指换能器(4)的梳状电极叉指条公共电极的端部拐角为圆角；

信号输入端口(5)输入待滤波的信号，其两端分别与发射叉指换能器(3)的两个梳状电极相连，信号输出端口(6)输出滤波后的信号，其两端分别与接收叉指换能器(4)的两个梳状电极相连，地线(7)接地，分别与发射叉指换能器(3)的梳状电极和接收叉指换能器(4)的梳状电极相连；

所述地线(7)包括第一地线(71)和第二地线(72)；第一地线(71)的两端位于发射叉指换能器(3)的对角，分别与发射叉指换能器(3)一个梳状电极的叉指条公共电极的一端和发射叉指换能器(3)的另一个梳状电极的叉指条的公共电极的一端相连；第二地线(72)的两端位于接收叉指换能器(4)的对角，分别与接收叉指换能器(4)的一个梳状电极的叉指条公共电极的一端和接收叉指换能器(4)的另一个梳状电极的叉指条公共电极的一端相连；信号输入端口(5)分别与发射叉指换能器(3)两个梳状电极的叉指条的公共电极中部相连，信号输出端口(6)分别与接收叉指换能器(4)两个梳状电极的叉指条的公共电极中部相连。

2.一种如权利要求1所述的声表面波滤波器，其特征在于，所述滤波器图形层的厚度为0.8μm～1μm，发射叉指换能器(3)或接收叉指换能器(4)的叉指条的线宽为1μm～2μm，叉指条的间距为1μm～2μm。

3.一种如权利要求1所述的声表面波滤波器，其特征在于，所述声表面波滤波器还包括盖帽(9)，盖帽(9)上设有浅槽(10)，与基底(2)键合在一起，浅槽(10)向下在发射叉指换能器(3)和接收叉指换能器(4)上方形成空腔；地线(7)、信号输入端口(5)和信号输出端口(6)通过盖帽(9)上的通孔与外界连接，通孔中通过溅射或蒸发的方法注入导电金属，各通孔分别位于地线(7)、信号输入端口(5)和信号输出端口(6)的上方。

4.一种如权利要求1所述的声表面波滤波器，其特征在于，所述基底(2)为单晶切向为36°的铌酸锂。

5.一种声表面波滤波器的制造方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1.在基底(2)上溅射或蒸发一层电极，并采用离子风扇对基底(2)进行去静电操作；所述基底(2)为压电材料；

S2.基底(2)上的电极先进行光刻，再进行干法刻蚀或腐蚀，形成滤波器图形层；

所述滤波器图形层包括发射叉指换能器(3)、接收叉指换能器(4)、地线(7)、信号输入端口(5)和信号输出端口(6)；发射叉指换能器(3)和接收叉指换能器(4)为矩形叉指电极，由两个梳状电极相交叉组成；发射叉指换能器(3)和接收叉指换能器(4)的梳状电极叉指条公共电极的端部拐角为圆角；信号输入端口(5)输入待滤波的信号，其两端分别与发射叉指换能器(3)的两个梳状电极相连，信号输出端口(6)输出滤波后的信号，其两端分别与接收叉指换能器(4)的两个梳状电极相连，地线(7)接地，分别与发射叉指换能器(3)和接收叉指换能器(4)的梳状电极相连；

S3.通过刻蚀、腐蚀或喷砂方法在盖帽(9)的一个面上形成浅槽(10)；所述盖帽(9)为高阻硅板；

S4.从与浅槽(10)的制作面相反的面，通过刻蚀、腐蚀或喷砂的方法在盖帽(9)上加工出多个通孔，通孔中通过溅射或蒸发的方法注入导电金属，地线(7)、信号输入端口(5)和信号输出端口(6)通过各通孔与外界连接；

S5.将基底(2)存在滤波器图形层的一面与盖帽(9)有浅槽(10)的一面进行阳极键合，固连在一起，得到声表面滤波器；所述浅槽(10)与基底(2)之间形成封闭空腔，发射叉指换能器(3)、接收叉指换能器(4)被罩在空腔中，各通孔分别位于地线(7)、信号输入端口(5)和信号输出端口(6)的上方。

6.一种如权利要求5所述的声表面波滤波器的制造方法，其特征在于，所述S2中滤波器图形层的厚度为0.8μm～1μm，S2中发射叉指换能器(3)或接收叉指换能器(4)的叉指条的线宽为1μm～2μm，叉指条的间距为1μm～2μm。

7.一种如权利要求5或6所述的声表面波滤波器的制造方法，其特征在于，所述光刻过程中的曝光时间为300-500ms，显影时间为15-25s。