CN110061713A - 一种薄膜体声波谐振器及通信器件 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种薄膜体声波谐振器及其通信器件，该谐振器包括衬底，衬底的上表面设有凹槽，凹槽设有边界，衬底上依次设有底电极层、压电层与顶电极层，底电极层与压电层之间设置第一温度补偿层，压电层与顶电极层之间设置第二温度补偿层，压电层面向第一温度补偿层的一侧与面向第二温度补偿层的另一侧分别设置有保护腔，第一温度补偿层与第二温度补偿层分别放置于保护腔中，保护腔的长度延伸出凹槽的边界。上述谐振器通过在压电层靠近温度补偿层的一侧设置保护腔体，并将温度补偿层嵌入保护腔体中，使其端部覆盖较厚的压电材料并发挥保护作用，有效减弱刻蚀液的浸透能力，从而避免温度补偿层被牺牲层刻蚀液侵蚀，确保谐振器的温度稳定性。
Description
技术领域
本发明涉及无线通信射频前端器件技术领域，特别是涉及一种薄膜体声波谐振器及通信器件。
背景技术
随着无线通信技术及智能手机的发展，射频前端对元器件性能指标、集成度的要求越来越高。基于薄膜体声波器件的射频前端滤波器、双工器、多工器因其具有小体积、低插损、快速滚降、低功耗等优点，已被广泛使用于智能手机、通信终端、以及通信基站中，并将于未来应用于车联网、工业控制等物联网终端的通信设备中。此外，基于薄膜体声波器件的振荡器在高速串行数据设备如SATA硬盘驱动器、USB3.0标准PC外设、C-type接口、光线收发器等中极具应用价值。
典型的薄膜体声波谐振器包括位于衬底上的声反射层、位于声反射层上的底电极层、位于底电极层上的压电层，以及位于压电层上的顶电极层。声反射层的两种常见具体形式分别是，空气腔结构，以及由高声阻抗层和低声阻抗层交叠而成的多层复合结构。空气腔的形成过程通常是，先沉积一层牺牲层材料，当器件其它各层加工完成后，对牺牲层材料进行释放，留下的空间即可形成空腔。
薄膜体声波谐振器的谐振频率由各层薄膜的厚度及厚度方向上的材料声速决定，不包括声反射层及衬底。具体地，当厚度增大时，谐振频率降低；当材料声速变小时，谐振频率降低。由于薄膜体声波谐振器的压电层、电极层的厚度及声速都会随温度而变化，因此薄膜体声波谐振器的谐振频率也随温度而变化。常见的压电层、电极层材料如氮化铝、钼都是负温度系数材料，即材料声速都随温度升高而变小。例如，氮化铝的声速的温度系数为-25ppm/℃，钼的声速的温度系数为-60ppm/℃。因此，薄膜体声波谐振器的谐振频率通常都随温度升高而降低，其温度系数受到各层材料的厚度比例影响，通常在 -30ppm/℃到-40ppm/℃之间。在薄膜体声波谐振器中添加具有正温度系数的材料层，例如温度系数为+60ppm/℃的二氧化硅层，可以实现对其他材料层负温度系数的抵消作用，使薄膜体声波谐振器整体呈现低温漂(+/-10ppm/℃以内)、甚至零温漂特性。常见的温度补偿层的材料为二氧化硅及带有其它元素掺杂的二氧化硅，而空气腔型薄膜体声波谐振器的牺牲层材料也相同。
由于薄膜体声波谐振器的温度补偿层的图形化通常为刻蚀工艺形成，因此温度补偿层在其边界处经过刻蚀的表面很粗糙，导致生长在其边界上方的压电层薄膜缺陷较多，容易形成微孔。当薄膜体声波谐振器经历牺牲层的释放工艺时，暴露在刻蚀液中的压电层薄膜难以对温度补偿层形成有效保护，刻蚀液极易在温度补偿层边界上方处通过压电层的微孔侵透压电层薄膜，钻入温度补偿层。由于温度补偿层与牺牲层通常都使用二氧化硅或掺杂型二氧化硅材料，因此牺牲层刻蚀液也会对温度补偿层造成腐蚀破坏，进而影响薄膜体声波谐振器的温度稳定性。
因此，如何有效保护温度补偿层的完整性是亟待解决的技术难题。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术所存在的不足而提供一种薄膜体声波谐振器及通信器件，通过在压电层靠近温度补偿层的一侧设置保护腔体，并将温度补偿层嵌入保护腔体中，使得温度补偿层的多面同时覆盖较厚的压电材料并发挥保护作用，有效减弱刻蚀液的浸透能力，从而避免温度补偿层被牺牲层刻蚀液侵蚀，确保谐振器的温度稳定性。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种薄膜体声波谐振器，其包括衬底，衬底的上表面设有凹槽，凹槽设有边界，衬底上依次设有底电极层、压电层与顶电极层，底电极层与压电层之间设置第一温度补偿层，压电层与顶电极层之间设置第二温度补偿层，压电层面向第一温度补偿层的一侧与面向第二温度补偿层的另一侧分别设置有保护腔，第一温度补偿层与第二温度补偿层分别放置于保护腔中，保护腔的长度延伸出凹槽的边界。
进一步的，保护腔包括：放置第一温度补偿层的第一保护腔与放置第二温度补偿层的第二保护腔。
进一步的，第一保护腔与第二保护腔的形状相同或不相同。
进一步的，当第一保护腔的高度小于第一温度补偿层的高度时，底电极靠近第一温度补偿层的一面设置容置槽，第一温度补偿层的一部分放置于容置槽中。
进一步的，容置槽的高度与第一保护腔的高度之和等于第一温度补偿层的高度。
进一步的，第一保护腔和/或容置槽中设置二氧化硅保护层。
进一步的，二氧化硅保护层的材质为为碲氧化物、氧化硅中的一种或两种的组合物。
进一步的，第一温度补偿层和/或第二温度补偿层的频率温度系数与压电层的频率温度系数的数值相反。
本发明还提出一种通信器件，包括本发明所提出的具有保护腔体的薄膜体声波谐振器。
相比于现有技术，本发明具有如下技术效果：
本发明提供了一种薄膜体声波谐振器及其通信器件，该谐振器包括衬底，衬底的上表面设有凹槽，凹槽设有边界，衬底上依次设有底电极层、压电层与顶电极层，底电极层与压电层之间设置第一温度补偿层，压电层与顶电极层之间设置第二温度补偿层，压电层面向第一温度补偿层的一侧与面向第二温度补偿层的另一侧分别设置有保护腔，第一温度补偿层与第二温度补偿层分别放置于保护腔中，保护腔的长度延伸出凹槽的边界。上述谐振器通过在压电层靠近温度补偿层的一侧设置保护腔体，并将温度补偿层嵌入保护腔体中，使得温度补偿层的多面同时覆盖较厚的压电材料并发挥保护作用，有效减弱刻蚀液的浸透能力，从而避免温度补偿层被牺牲层刻蚀液侵蚀，确保谐振器的温度稳定性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，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地介绍，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为本发明实施例提供的一种薄膜体声波谐振器的结构示意图。
图2为本发明实施例提供的具有保护腔的压电层的截面示意图。
图3为本发明实施例提供的又一种薄膜体声波谐振器的结构示意图。
其中：1、衬底；11、凹槽；12、边界；2、底电极层；3、压电层；4、顶电极层；5、温度补偿层；51、第一温度补偿层；52、第二温度补偿层；6、保护腔；61、第一保护腔；62、第二保护腔；7、容置槽。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，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。
另外，本文中术语“和/或”，仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A 和B，单独存在B这三种情况。另外，本文中字符“/”，一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。
下面结合附图和实施例对本发明的具体实施方式做进一步的详细说明。
如图1所示，是本发明提出的一种薄膜体声波谐振器，该谐振器包括：衬底1，衬底的上表面设有凹槽11，凹槽11设有边界12，衬底1上依次设有底电极层2、压电层3与顶电极层4，底电极层2与压电层3之间设置第一温度补偿层51，压电层3与顶电极层4之间设置第二温度补偿层52，压电层3面向第一温度补偿层51的一侧与面向第二温度补偿层52的另一侧分别设置有保护腔6，第一温度补偿层51与第二温度补偿层53分别放置于保护腔6中，保护腔6的长度延伸出凹槽的边界。
其中，凹槽11设有边界，温度补偿层也设有边界，且为保证温度补偿层在有效谐振区域内都存在，限定温度补偿层的边界延伸到凹槽11的边界以外。由于温度补偿层边界处存在刻蚀产生的台阶，台阶表面相比于温度补偿层的水平表面更加粗糙，导致位于该台阶处之上的压电层晶体质量较差，极易产生细微的孔洞、裂纹等不易观察到的缺陷。当器件经历牺牲层释放工艺时，刻蚀液容易透过台阶处的压电层薄膜侵蚀温度补偿层，对温度补偿层造成破坏。因此，保护套腔6的长度延伸到凹槽的边界以外能起到有效的保护作用。
优选的，如图2所示，压电层3面向第一温度补偿层51的一侧与面向第二温度补偿层52的另一侧分别设置有保护腔6，具体的，保护腔6包括：放置第一温度补偿层51的第一保护腔61与放置第二温度补偿层52的第二保护腔 62。
具体的，第一保护腔61与第二保护腔62的形状相同或不相同。
优选的，第一保护腔61与第二保护腔62中设置二氧化硅保护层8，
优选的，二氧化硅保护层的材质为碲氧化物、氧化硅中的一种或两种的组合物。
优选的，第一温度补偿层51和/或第二温度补偿层52的频率温度系数与压电层3的频率温度系数的数值相反，从而实现温度补偿效果。通常，构成薄膜体声波谐振器的基本结构如底电极层2、压电层3与顶电极层4选用的材料都为负温度系数材料，因此，温度补偿层通常为正温度系数材料。例如，碲氧化物、氧化硅都是正温度系数材料，两者的组合也是正温度系数材料。
本发明的原理是：由于薄膜体声波谐振器的温度补偿层的图形化通常为刻蚀工艺形成，因此温度补偿层在其边界处经过刻蚀的表面很粗糙，导致生长在其边界上方的压电层薄膜缺陷较多，容易形成微孔。当薄膜体声波谐振器经历牺牲层的释放工艺时，暴露在刻蚀液中的压电层薄膜难以对温度补偿层形成有效保护，刻蚀液极易在温度补偿层边界上方处通过压电层的微孔侵透压电层薄膜，钻入温度补偿层。由于温度补偿层与牺牲层通常都使用二氧化硅或掺杂型二氧化硅材料，因此牺牲层刻蚀液也会对温度补偿层造成腐蚀破坏。
相比于只对温度补偿层的上表面进行保护的现有技术，上述谐振器通过在与温度补偿层相接触的压电层设置保护腔，并将温度补偿层嵌入保护腔中，对温度补偿层的多个面同时进行保护，有效阻碍刻蚀液与温度补偿层表面直接接触，或减弱刻蚀液的浸透能力，从而避免温度补偿层被牺牲层刻蚀液侵蚀，提高谐振器的温度稳定性。
本发明还提出一种通信器件，包括上述所提出的具有保护腔体的薄膜体声波谐振器。
如图3所示，在上述实施例的基础上，本发明的另一实施例中，当第一保护腔61的高度小于第一温度补偿层51的高度时，底电极2靠近第一温度补偿层51的一面设置容置槽7，第一温度补偿层51的一部分放置于容置槽7中。
具体的，容置槽7的高度与第一保护腔61的高度之和等于第一温度补偿层51的高度。
优选的，第一保护腔61和/或容置槽7中设置二氧化硅保护层。
本发明还提出一种通信器件，包括上述所提出的具有保护套与保护槽的温度补偿型薄膜体声波谐振器。
综上，本发明提供了一种薄膜体声波谐振器及其通信器件，该谐振器包括衬底，衬底的上表面设有凹槽，凹槽设有边界，衬底上依次设有底电极层、压电层与顶电极层，底电极层与压电层之间设置第一温度补偿层，压电层与顶电极层之间设置第二温度补偿层，压电层面向第一温度补偿层的一侧与面向第二温度补偿层的另一侧分别设置有保护腔，第一温度补偿层与第二温度补偿层分别放置于保护腔中，保护腔的长度延伸出凹槽的边界。上述谐振器通过在压电层靠近温度补偿层的一侧设置保护腔体，并将温度补偿层嵌入保护腔体中，使得温度补偿层的多面同时覆盖较厚的压电材料并发挥保护作用，有效减弱刻蚀液的浸透能力，从而避免温度补偿层被牺牲层刻蚀液侵蚀，确保谐振器的温度稳定性。
通过以上的实施方式的描述，所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，仅以上述各功能单元的划分进行举例说明，实际应用中，可以根据需要而将上述功能分配由不同的功能单元完成，即将装置的内部结构划分成不同的功能单元，以完成以上描述的全部或者部分功能。上述描述的系统，装置和单元的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。
Claims (9)
1.一种薄膜体声波谐振器，其特征在于，所述谐振器包括衬底，所述衬底的上表面设有凹槽，所述凹槽设有边界，所述衬底上依次设有底电极层、压电层与顶电极层，所述底电极层与所述压电层之间设置第一温度补偿层，所述压电层与所述顶电极层之间设置第二温度补偿层，所述压电层面向所述第一温度补偿层的一侧与面向所述第二温度补偿层的另一侧分别设置有保护腔，所述第一温度补偿层与所述第二温度补偿层分别放置于所述保护腔中，所述保护腔的长度延伸出所述凹槽的边界。
2.根据权利要求1所述的薄膜体声波谐振器，其特征在于，所述保护腔包括：放置所述第一温度补偿层的第一保护腔与放置所述第二温度补偿层的第二保护腔。
3.根据权利要求2所述的薄膜体声波谐振器，其特征在于，所述第一保护腔与所述第二保护腔的形状相同或不相同。
4.根据权利要求2所述的薄膜体声波谐振器，其特征在于，当所述第一保护腔的高度小于所述第一温度补偿层的高度时，所述底电极靠近所述第一温度补偿层的一面设置容置槽，所述第一温度补偿层的一部分放置于所述容置槽中。
5.根据权利要求4所述的薄膜体声波谐振器，其特征在于，所述容置槽的高度与第一保护腔的高度之和等于第一温度补偿层的高度。
6.根据权利要求2-5中任意一项所述的薄膜体声波谐振器，其特征在于，所述第一保护腔和/或所述容置槽中设置二氧化硅保护层。
7.根据权利要求6所述的薄膜体声波谐振器，其特征在于，所述二氧化硅保护层的材质为为碲氧化物、氧化硅中的一种或两种的组合物。
8.根据权利要求1所述的薄膜体声波谐振器，其特征在于，所述第一温度补偿层和/或所述第二温度补偿层的频率温度系数与所述压电层的频率温度系数的数值相反。
9.一种通信器件，其特征在于，包括如权利要求1-8中任意一项所述的薄膜体声波谐振器。
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