CN107733395A - 一种压电谐振器和压电谐振器的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明实施例公开了一种压电谐振器和压电谐振器的制备方法。其中，压电谐振器包括：衬底，所述衬底的上表面形成有一凹槽；第一压电层，覆盖于所述衬底的上表面以及所述凹槽的开口，以使所述凹槽与所述第一压电层形成空腔；第一电极和温度补偿层，设置在所述第一压电层远离所述衬底的一侧，在垂直于所述衬底的方向上，所述第一电极在所述衬底上的投影位于所述凹槽所在的区域。本发明实施例通过在衬底的上表面形成有一凹槽，使凹槽与第一压电层形成空腔，可以有效避免了声波能量泄漏到衬底中，降低了声波能量在衬底中的损耗，可得到高Q值的压电谐振器；并且设置的温度补偿层的投影位于空腔的区域内，可以有效改善温度补偿效率。
Description
技术领域
本发明实施例涉及声波谐振器技术领域，尤其涉及一种压电谐振器和压电谐振器的制备方法。
背景技术
表面声波器件(如：声表面波滤波器(Surface Acoustic Wave，SAW))是将电信号转换为表面波并进行信号处理的电路元件，可以作为滤波器、谐振器等被广泛使用。其中品质因数(Q)和频率温度系数(Temperature Coefficient of Frequency，TCF)使表面声波器件在压电谐振器等电子元件的研究和发展中有重要意义。
现有技术方案中，图1是现有技术中的一种压电谐振器的剖面结构示意图，如图1所示，压电谐振器(如SAW谐振器)包括衬底1，位于衬底1上表面的高声速层2(氮化铝材料)，位于高声速层2远离衬底1一侧表面的低声速层3(二氧化硅材料)，位于低声速层3远离高声速层2一侧表面的压电层4(钽酸锂材料)，以及位于压电层4远离低声速层3一侧表面的电极5。由于低声速层3和高声速层2之间存在声失配，使得在低声速层3和高声速层2的界面时声波发生反射，因此可以减少声波能量的泄漏。但是此种结构容易使纵向声波通过高声速层2泄漏进入衬底1，增加声波能量在衬底1中的损耗，导致所制备的压电谐振器的Q值下降。
发明内容
本发明实施例提供的一种压电谐振器和压电谐振器的制备方法，有效避免了声波能量泄漏到衬底中，降低了声波能量在衬底中的损耗，可得到高Q值的压电谐振器，并且使得到的压电谐振器具有较低的频率温度系数。
本发明实施例提供了一种压电谐振器，其结构包括：
衬底，所述衬底的上表面形成有一凹槽；
第一压电层，覆盖于所述衬底的上表面以及所述凹槽的开口，以使所述凹槽与所述第一压电层形成空腔；
第一电极和温度补偿层，设置在所述第一压电层远离所述衬底的一侧，在垂直于所述衬底的方向上，所述第一电极在所述衬底上的投影位于所述凹槽所在的区域。
本发明实施例还提供了一种压电谐振器的制备方法，其方法包括：
在衬底的上表面形成凹槽；
在所述凹槽中填充牺牲材料，其中，所述牺牲材料的上表面与所述衬底的上表面齐平；
在所述衬底的上表面以及所述牺牲材料的上表面覆盖第一压电层；
在所述第一压电层远离所述衬底的一侧形成第一电极和温度补偿层，其中，在垂直于所述衬底的方向上，所述第一电极位于所述凹槽所在的区域；
去除所述牺牲材料形成空腔。
本发明实施例提供的技术方案，通过在衬底的上表面形成有一凹槽，使凹槽与第一压电层形成空腔，使得声波经空腔层形成全反射，可以有效避免了声波能量泄漏到衬底中，降低了声波能量在衬底中的损耗，可得到高Q值的压电谐振器；并且设置的温度补偿层可以使得压电谐振器保持较低的频率温度系数，可以有效改善温度补偿效率。空腔中存在的第二电极，通过与第一电极相互作用可以扩大压电谐振器的应用范围，同时在密封空腔上制备的压电谐振器体积可以更小。
附图说明
图1是现有技术中的一种压电谐振器的剖面结构示意图；
图2是本发明实施例提供的一种压电谐振器的剖面结构示意图；
图3是本发明实施例提供的另一种压电谐振器的剖面结构示意图；
图4是本发明实施例提供的另一种压电谐振器的剖面结构示意图；
图5是本发明实施例提供的另一种压电谐振器的剖面结构示意图；
图6是本发明实施例提供的另一种压电谐振器的剖面结构示意图；
图7是本发明实施例提供的另一种压电谐振器的剖面结构示意图；
图8是本发明实施例提供的另一种压电谐振器的剖面结构示意图；
图9是本发明实施例提供的另一种压电谐振器的剖面结构示意图；
图10是本发明实施例提供的一种压电谐振器的制备方法的流程示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。
本发明实施例提供一种压电谐振器，该装置适用于通信技术领域。图2是本发明一实施例提供的压电谐振器的剖面结构示意图。参见图2，该谐振器的具体结构包括依次设置的衬底1，第一压电层4，第一电极5和温度补偿层3，其中，衬底1的上表面形成有一凹槽；第一压电层4，覆盖于衬底1的上表面以及凹槽的开口，以使凹槽与第一压电层4形成空腔；其中，凹槽的剖面结构可以为矩形或弧形，但是其形状不限于矩形或弧形，只要可以最大可能地避免声波能量泄露到衬底中即可。第一电极5和温度补偿层3，设置在第一压电层4远离衬底1的一侧，在垂直于衬底1的方向上，第一电极5在衬底1上的投影位于凹槽所在的区域，其中，设置在第一压电层4远离衬底1一侧的第一电极5可以在温度补偿层3的上表面，或者设置在第一压电层4远离衬底1一侧的第一电极5可以与温度补偿层3进行同层设置。
本发明实施例提供的技术方案，通过在衬底的上表面形成有一凹槽，使凹槽与第一压电层形成空腔，可以有效避免了声波能量泄漏到衬底中，降低了声波能量在衬底中的损耗，可得到高Q值的压电谐振器；并且设置的温度补偿层，可以使得压电谐振器保持较低的频率温度系数，可以有效改善温度补偿效率。空腔中存在的第二电极，通过与第一电极相互作用可以扩大压电谐振器的应用范围，同时在密封空腔上制备的压电谐振器的体积可以更小。
可选地，第一电极位于第一压电层远离衬底一侧的表面，温度补偿层覆盖第一电极。
如图2所示，压电谐振器包括衬底1，第一电极5，第一压电层4和温度补偿层3。其中衬底1材料可以为硅，可做高声速支撑基板，其电阻率约为1000Ω·cm或以上，当装置为滤波器时，可以减小滤波器的插入损耗。第一压电层4覆盖在开设有凹槽的衬底1得到空腔结构，第一电极5位于第一压电层4远离衬底1一侧的上表面，并使温度补偿层3覆盖第一电极5。第一电极5可以为IDT叉指电极，在第一压电层4的上表面均匀分布，此时IDT叉指电极中相邻两电极之间填充温度补偿层3的材料。其中IDT叉指电极可以激发具有各种模式的不同声波。
第一压电层可以为氮化铝(AlN)、氧化锌(ZnO)、铌酸锂(LiNbO3)或钽酸锂(LiTaO3)等，第一压电层一般为负温度系数材料，即随着温度的升高声速会变小，主要是因为材料的跨原子力减小会导致材料弹性常数的减小，从而减小声速。温度补偿层的材料为正温度系数材料，优选地可以为SiO2，SiO2作为一种独特的材料，其硅-氧链随着温度升高而拉伸，因此其刚度具有正温度系数，在SiO2内传播的声波，其声速呈现出正的温度系数。所以，SiO2被用来补偿压电谐振器因温度改变导致的频率偏移，可以对压电层实现较好的温度补偿性能。此外，SiO2可以为低声速层，其厚度可以为纳米级，对制备谐振器的Q和机电耦合系数(kt 2)的影响较小。
可选地，温度补偿层位于第一压电层远离衬底一侧的表面，第一电极位于温度补偿层远离衬底的一侧。示例性的，第一电极位于温度补偿层远离衬底一侧的表面。或者，压电谐振器还包括位于温度补偿层和第一电极之间的第二压电层，第一电极位于第二压电层远离衬底一侧的表面。
具体地，如图3所示，压电谐振器包括衬底1，第一电极5，第一压电层4和温度补偿层3，第一电极5位于温度补偿层3远离衬底1的一侧，其中，第一电极5位于温度补偿层3远离衬底1一侧的上表面。
第一电极5可以为IDT电极，在温度补偿层3的上表面均匀分布，IDT电极与温度补偿层3进行隔层设置。IDT电极的材料可以为Al或者AlCu等金属合金，其作用可将电信号通过叉指状换能器转换成声信号。此外，IDT电极的电极膜厚度约为50-200nm，可以保证电极的电阻率较小。IDT电极通过在温度补偿层3和压电层中形成电场，从而激发或获取滤波器和谐振器特定振动模式中的声波。
或者，如图4所示，压电谐振器包括衬底1，第一电极5，第一压电层4和温度补偿层3及第二压电层7，位于温度补偿层3和第一电极5之间的第二压电层7，第一电极5位于第二压电层7远离衬底1一侧的表面。由于第一压电层4和第二压电层7一般为负温度系数材料，而温度补偿层3可以优选为SiO2，通过力学计算，发现在特定的振动模式下，当温度补偿层3位于结构中间点位置时，温度补偿效率可以达到较高值。由于压电谐振器的频率温度系数(TCF)由各层的厚度和它们在谐振腔内的相对位置和作用所决定。一般情况下，为了获得较低的TCF，需要在压电谐振器的上方或下方沉积一层较厚的SiO2来补偿压电谐振器的谐振频率随温度改变的漂移量。所以此种中间位置关系，可以通过制备较薄的温度补偿层(SiO2)，实现相同的温度补偿效果，此种结构大大提高了温度补偿的效率。
可选地，压电谐振器还包括第二电极，第二电极位于空腔中，且设置于第一压电层靠近衬底一侧的表面。
示例性地，可继续参见图3，压电谐振器还包括第二电极6，第二电极6位于空腔中，且设置于第一压电层4靠近衬底1一侧的表面。其中第一电极5为叉指电极，第二电极6可以为面状电极；通过IDT叉指电极与面状电极的相互作用，使得在压电材料和温度补偿层3中激发横向体波，因为非压电材料SiO2在上下电极之间，它消耗了部分第一压电层4(如AlN)的电压，使得第一压电层4(如AlN)上的电场强度降低，进而导致kt 2下降，而较低的有效机电耦合系数恰巧迎合了窄带滤波器的应用。
可选地，本发明实施例中，第一电极为叉指电极或面状电极，和/或第二电极为叉指电极或面状电极需要说明的是，设置的第一电极和/或第二电极的形状及设置位置可以有多种变化，并不仅限于上述几种情况，具体第一电极和/或第二电极的形状及设置位置可以得到不同模式的波，扩大谐振器的应用范围即可。
具体地，如图5所示，第二电极6为叉指电极，且设置于第一压电层4靠近衬底1一侧的表面。在该方式中，第一电极5可以为叉指电极，位于温度补偿层3远离衬底1一侧的上表面。
或者，如图6所示，第二电极6为叉指电极，且设置于第一压电层4靠近衬底1一侧的表面。在该方式中，第一电极5可以为叉指电极，位于第一压电层4远离衬底1一侧的表面，温度补偿层3覆盖第一电极5。
IDT叉指电极可以将电信号转化成声信号，第一电极5与第二电极6均为叉指电极，第一电极5与第二电极6相互配合，依据不同的电路连接方式，可以激发谐振器产生横向体波、纵向体波或者其他形式的声波，横向体波一般适用于窄带滤波器。
再或者，如图7所示，第二电极6为面状电极，且设置于第一压电层4靠近衬底1一侧的表面。在该方式中，第一电极5可以为叉指电极，位于第一压电层4远离衬底1一侧的表面，温度补偿层3覆盖第一电极5。叉指电极可以将电信号转变成声信号，通过与面状电极配合可以激发横向体波。再或者，如图4所示，第二电极6为面状电极，且设置于第一压电层4靠近衬底1一侧的表面。第一电极5为面状电极，设置在第二压电层7远离衬底1的上表面，第一压电层4与第二压电层7之间设置有温度补偿层3。
再或者，如图8所示，第二电极6为面状电极，且设置于第一压电层4靠近衬底1一侧的表面。在该方式中，第一电极5可以为面状电极，位于第一压电层4远离衬底1一侧的表面，温度补偿层3覆盖第一电极5。两个面状电极可以激发纵向体波，在移动通信系统中得到广泛的应用。
再或者，如图9所示，第二电极6为面状电极，且设置于第一压电层4靠近衬底1一侧的表面。在该方式中，第一电极5可以为面状电极，位于温度补偿层3远离衬底1一侧的上表面。
参见图4、图8或图9，第一电极5为面状电极，第二电极6位于空腔中的位置，其中第二电极6可以为面状电极；通过第一面状电极、第二面状电极及第一压电层的结构可以组成类似于FBAR结构，相对容易控制寄生振动模式(spurious mode)的产生，降低其对压电谐振器的Q和kt 2的影响，通过设置一对面状电极，可以在压电材料中激发纵向体波，使其应用于宽带滤波器，增加了滤波器的应用范围。
上述压电谐振器结构中，温度补偿层(SiO2)一般沉积在压电谐振器的最上方，它具有双层作用，其一，可以起到温度补偿的作用；其二，这层SiO2可以作为保护层，防止压电谐振器受到外界水汽、颗粒等物质的污染。为了能有良好的滤波特性(带宽)，SiO2层的标准厚度应是第一压电层厚度的一半以下。若希望有较好的谐波特性和良好的温度补偿特性，SiO2层的厚度也可以为增加到第一压电层厚度的1.5倍。
本发明实施例中提供的压电谐振器结构，将温度补偿层(SiO2)放在压电层的上方，使得声波能量主要集中的第一压电层中，并在第一压电层与空腔的界面处形成全反射，避免能量泄露到衬底中，此种结构可以保持压电谐振器有较高的Q值和较低的频率温度系数(TCF)，尤其是在滤波器非常陡峭的滚降区域，由于温度变化而引起细微的频率漂移都有可能导致滤波器在滚降区域不满足技术指标。此外，还可以应用在解决不同通讯标准互相干扰的系统中，例如集成卫星收音机或者GPS导航的移动手机系统。
另外，本发明实施例还提供了一种压电谐振器的制备方法，图10为本发明实施例提供的一种压电谐振器的制备方法的流程示意图，具体步骤包括：
步骤110、在衬底的上表面形成凹槽。
首选，需要提供衬底作为支撑层，支撑层可以为硅衬底，在硅衬底上通过深反应离子刻蚀工艺(DRIE)在该支撑层上通过掩膜或光刻除去部分硅材料，凹槽的剖面结构可以为矩形或弧形，其凹槽的剖面结构深度可以为纳米级或微米级，具体凹槽的尺寸可以根据具体的实际需要进行相应的选择。其中硅衬底可以为高声速材料层，其电阻率可以为1000Ω·cm或以上，这样可以减小滤波器的插入损耗。
步骤120、在凹槽中填充牺牲材料，其中，牺牲材料的上表面与衬底的上表面齐平。
在得到的凹槽结构中，通过填充牺牲材料，其中牺牲材料可以为金属铝，金属镁，二氧化硅或锗材料等。通过化学机械抛光工艺(CMP)，进行平坦化处理使得牺牲材料的上表面与衬底的上表面齐平，便于后续中进行压电层的制备。
步骤130、在衬底的上表面以及牺牲材料的上表面覆盖第一压电层。
将制备的第一压电层在衬底的上表面以及牺牲材料的上表面覆盖第一压电层，包括：通过外延生长工艺、薄膜转移工艺或晶圆减薄工艺形成第一压电层。在平坦化处理的衬底表面通过金属有机化合物化学气相沉积(MOCVD)方法外延生长可以获得单晶氮化铝的第一压电层；或者可以将制备在其他衬底上单晶氮化铝进行分离，通过薄膜转移的工艺技术将制备的单晶氮化铝的第一压电层转移压合到支撑层上；或者还可以通过使用液晶聚合物(LCP)粘合剂将晶圆片(比如氮化铝)与支撑层表面粘结，倒装粘结在支撑衬底上，通过将晶圆片进行研磨、减薄及抛光处理以保证其平整度，并得到实际需要的薄膜厚度。
步骤140、在第一压电层远离衬底的一侧形成第一电极和温度补偿层，其中，在垂直于衬底的方向上，第一电极在衬底上的投影位于凹槽所在的区域。
继续参见图7-图8，在露出的第一压电层4远离衬底1的一侧溅射沉积一层第一电极5，其中第一电极5可以为IDT电极或面状电极，将温度补偿层3覆盖第一电极5，温度补偿层3可以为SiO2材料，将IDT电极与温度补偿层3同层相间分布。温度补偿层3可以作为低声速层，使得声波能量主要集中在压电材料层中，这样可以增加将声波能量限制在压电膜层和IDT电极之间，可以减少损耗并提高谐振器的Q值。
此外，在垂直于衬底1的方向上，第一电极5在衬底1上的投影位于凹槽所在的区域。所以第一电极5在衬底1上方的位置分布存在多种情况，具体可参考上述压电谐振器的实施例，此处不再赘述。
步骤150、去除牺牲材料形成空腔。
继续参见图2-图9，在第一压电层4的上方制备第一电极5和温度补偿层3后，沿垂直于衬底1的方向上，在凹槽所在的区域开孔，刻蚀掉牺牲材料，示例性地，可以在衬底1的一侧表面开孔(如：在提供的衬底1下表面进行开孔)，蚀刻掉牺牲材料。以暴露出第一压电层4与支撑衬底之间的空腔，其中空腔内可以包含空气、氮气等或者空腔可以保持真空状态。在空腔中可以设置有第二电极6，其中第二电极6可以为IDT电极或面状电极。薄膜转移或是晶圆片压合在支撑衬底之前，将第二电极6沉积到第一压电层4的一侧表面，使其可以存在空腔中。或者在牺牲材料的上表面沉积第二电极6，再在第二电极远离牺牲材料的一侧沉积第一压电层4。其中当第二电极6为IDT电极可以在压电层中激发横向体波，使其应用于窄的带宽滤波器中；当第二电极6为面状电极可以激发纵向体波，使其应用于带宽相对较宽的滤波器中。
本发明实施例提供的技术方案，通过在衬底的上表面形成有一凹槽，使凹槽与第一压电层形成空腔，可以有效避免了声波能量泄漏到衬底中，降低了声波能量在衬底中的损耗，可得到高Q值的压电谐振器；并且设置温度补偿层，可以使得压电谐振器保持较低的频率温度系数，有效改善温度补偿效率。空腔中存在的第二电极，通过与第一电极相互作用可以扩大压电谐振器的应用范围，可以应用于带宽较窄和带宽较宽的滤波器中，同时在密封空腔上的制备压电谐振器的体积可以更小。
注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。
Claims (13)
1.一种压电谐振器，其特征在于，包括：
衬底，所述衬底的上表面形成有一凹槽；
第一压电层，覆盖于所述衬底的上表面以及所述凹槽的开口，以使所述凹槽与所述第一压电层形成空腔；
第一电极和温度补偿层，设置在所述第一压电层远离所述衬底的一侧，在垂直于所述衬底的方向上，所述第一电极在所述衬底上的投影位于所述凹槽所在的区域。
2.根据权利要求1所述的压电谐振器，其特征在于，所述第一电极位于所述第一压电层远离所述衬底一侧的表面，所述温度补偿层覆盖所述第一电极。
3.根据权利要求1所述的压电谐振器，其特征在于，所述温度补偿层位于所述第一压电层远离所述衬底一侧的表面，所述第一电极位于所述温度补偿层远离所述衬底的一侧。
4.根据权利要求3所述的压电谐振器，其特征在于，所述第一电极位于所述温度补偿层远离所述衬底一侧的表面。
5.根据权利要求3所述的压电谐振器，其特征在于，还包括位于所述温度补偿层和所述第一电极之间的第二压电层，所述第一电极位于所述第二压电层远离所述衬底一侧的表面。
6.根据权利要求1-5任一项所述的压电谐振器，其特征在于，还包括第二电极，所述第二电极位于所述空腔中，且设置于所述第一压电层靠近所述衬底一侧的表面。
7.根据权利要求6所述的压电谐振器，其特征在于，所述第一电极为叉指电极或面状电极，和/或所述第二电极为叉指电极或面状电极。
8.根据权利要求1所述的压电谐振器，其特征在于，所述衬底的材料为硅。
9.根据权利要求1所述的压电谐振器，其特征在于，所述温度补偿层的材料为正温度系数材料。
10.根据权利要求9所述的压电谐振器，其特征在于，所述温度补偿层的材料为SiO2。
11.根据权利要求1所述的压电谐振器，其特征在于，所述第一电极的厚度为100-200nm。
12.一种压电谐振器的制备方法，其特征在于，包括：
在衬底的上表面形成凹槽；
在所述凹槽中填充牺牲材料，其中，所述牺牲材料的上表面与所述衬底的上表面齐平；
在所述衬底的上表面以及所述牺牲材料的上表面覆盖第一压电层；
在所述第一压电层远离所述衬底的一侧形成第一电极和温度补偿层，其中，在垂直于所述衬底的方向上，所述第一电极在所述衬底上的投影位于所述凹槽所在的区域；
去除所述牺牲材料形成空腔。
13.根据权利要求12所述的压电谐振器的制备方法，其特征在于，去除所述牺牲材料形成空腔，包括：
沿垂直于所述衬底的方向上，在所述凹槽所在的区域开孔，刻蚀掉所述牺牲材料。
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