CN110572135B - 高频声波谐振器及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种基于极低声阻部件的高频声波谐振器及其制备方法，高频声波谐振器的制备方法包括如下步骤：1)制备极低声阻部件；2)于所述极低声阻部件的上表面上形成压电膜；3)于所述压电膜的上表面形成图案化上电极。本发明的高频声波谐振器及其制备方法，通过在压电膜下设置极低声阻部件，增大压电膜与其下方的极低声阻部件的阻抗差，可有效激发高声速弹性波(如S0波)，在加强对其界面反射的同时并将其机械能有效约束在压电膜中，从而在提高声表面波谐振器频率的同时，使其保持较高的Q值；避免了高频声表面波谐振器所激发的高声速弹性波大量向衬底泄露而导致的器件性能严重退化的问题的发生。

Description

高频声波谐振器及其制备方法
技术领域
本发明属于半导体制备技术领域，特别是涉及一种高频声波谐振器及其制备方法。
背景技术
随着5G时代的到来，射频通信对于前端滤波器的需求与日俱增，尤其是高频声表面波滤波器。当压电层中激发的弹性波在不同声阻抗的介质层间传播时，声阻抗差越小，声波的界面反射系数越小，因此声波能量极易泄露到衬底层，导致工作性能不佳，甚至完全泄露导致所激发的高声速模式消失。因此集成于传统衬底的声表面波谐振器由于压电层与衬底阻抗差较小，导致器件可用工作频率低，且弹性波能量约束不佳往衬底泄露影响声表面波谐振器工作性能。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种高频声波谐振器及其制备方法，用于解决现有技术中声表面波谐振器工作频率低，弹性波能量约束不佳往衬底泄露而影响声表面波谐振器工作性能的问题。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种高频声波谐振器的制备方法，所述高频声波谐振器的制备方法包括如下步骤：
1)制备极低声阻部件；
2)于所述极低声阻部件的上表面上形成压电膜；
3)于所述压电膜的上表面形成图形化上电极。
可选地，步骤1)中制备所述极低声阻部件包括如下步骤：
1-1)提供单层极低声阻材料层，所述单层极低声阻材料层即为所述极低声阻部件。
可选地，步骤1)中制备所述极低声阻部件包括如下步骤：
1-1)提供一衬底；
1-2)于所述衬底的上表面形成单层极低声阻材料层，所述单层极低声阻材料层与所述衬底共同构成所述极低声阻部件。
可选地，所述单层极低声阻材料层的材料包括苯并环丁烯、聚酰亚胺、聚二甲基硅氧烷、聚苯乙烯中的至少一种。
可选地，所述压电膜的材料包括铌酸锂、铌酸钾、钽酸锂、氮化铝、石英或氧化锌中的至少一种。
可选地，所述压电膜与所述极低声阻材料对于压电膜中所激发的弹性波的界面反射系数R均大于90％；其中，
Figure BDA0002204568370000021
Z1为所述压电膜对于所述压电膜所激发的弹性波的声阻抗，Z2为所述极低声阻材料对于所述压电膜所激发的弹性波的声阻抗。
可选地，所述高频声表面波谐振器还包括：位于所述高波速支撑衬底和所述压电膜之间的底电极。
可选地，步骤1)中所述极低声阻部件的制备方法包括离子束剥离法、键合法、沉积法、外延法或旋涂法；步骤2)中形成所述压电膜的方法包括离子束剥离法、键合法、沉积法或外延法。
可选地，步骤3)中所述图形化上电极包括第一固定部、第一叉指、第二固定部及第二叉指，所述第一固定部与所述第二固定部平行间隔排布；所述第一叉指垂直固定于所述第一固定部上；所述第二叉指垂直固定于所述第二固定部上；所述第一叉指和第二叉指等间距交替间隔平行排布于所述第一固定部与第二固定部之间。
可选地，所述第一叉指距离所述第二固定部的间距与高频声波谐振器所激发的波长的比值为0.05～1，所述第二叉指距离所述第一固定部的间距与高频声波谐振器所激发的波长的比值为0.05～1。
可选地，步骤1)与步骤2)之间还包括于所述极低声阻部件的上表面形成底电极的步骤；步骤2)中形成的所述所述压电膜位于所述底电极的上表面。
本发明还提供一种高频声波谐振器，所述高频声波谐振器包括：极低声阻部件；压电膜，位于所述极低声阻部件的上表面上；图形化上电极，位于所述压电膜的上表面。
可选地，所述极低声阻部件包括单层极低声阻材料层；或所述极低声阻部件包括衬底及单层极低声阻材料层，所述单层极低声阻材料层位于所述衬底的上表面。
可选地，所述单层极低声阻材料层的材料包括苯并环丁烯、聚酰亚胺、聚二甲基硅氧烷、聚苯乙烯中的至少一种。
可选地，所述压电膜的材料包括但不限于铌酸锂、铌酸钾、钽酸锂、氮化铝、石英或氧化锌中的至少一种。
可选地，所述压电膜与所述极低声阻材料对于压电膜中所激发的弹性波的界面反射系数R均大于90％；其中，
Figure BDA0002204568370000022
Z1为所述压电膜对于所述压电膜所激发的弹性波的声阻抗，Z2为所述极低声阻材料对于所述压电膜所激发的弹性波的声阻抗。
可选地，所述图形化上电极包括第一固定部、第一叉指、第二固定部及第二叉指，所述第一固定部与所述第二固定部平行间隔排布；所述第一叉指垂直固定于所述第一固定部上；所述第二叉指垂直固定于所述第二固定部上；所述第一叉指和第二叉指等间距交替间隔平行排布于所述第一固定部与第二固定部之间。
可选地，所述第一叉指距离所述第二固定部的间距与高频声波谐振器所激发的波长的比值为0.05～1，所述第二叉指距离所述第一固定部的间距与高频声波谐振器所激发的波长的比值为0.05～1。
可选地，所述高频声表面波谐振器还包括底电极，所述底电极位于所述极低声阻部件和所述压电膜之间。
如上所述，本发明的高频声波谐振器及其制备方法，具有以下有益效果：本发明的高频声波谐振器及其制备方法通过在压电膜下设置极低声阻部件，增大压电膜与其下方的极低声阻部件的阻抗差，可有效激发高声速弹性波(如S波)，并将其机械能有效约束在压电膜中，从而在提高声表面波谐振器频率的同时，使其保持较高的Q值；避免了高频声表面波谐振器所激发的高声速弹性波大量向衬底泄露而导致的器件性能严重退化的问题的发生。
附图说明
图1显示为本发明实施一中提供的高频声波谐振器的制备方法流程图。
图2至图5显示为本发明实施例一中提供的高频声波谐振器的制备方法各步骤所得结构的立体结构示意图。
图6显示为本发明实施一中提供的高频声波谐振器的制备方法步骤3)中形成的图形化上电极的俯视结构示意图。
图7显示为不同SiO2层厚度的IHP-SAW(LiNbO3/SiO2/Si)结构的导纳-频率响应曲线；其中，(a)为SiO2层厚度为550nm的IHP-SAW结构的导纳-频率响应曲线，(b)为SiO2层厚度为1.1μm的IHP-SAW结构的导纳-频率响应曲线，(c)为SiO2层厚度为2.2μm的IHP-SAW结构的导纳-频率响应曲线，(d)为SiO2层厚度为4.4μm的IHP-SAW结构的导纳-频率响应曲线。
图8显示为本发明提供的极低声阻部件厚度为4μm的高频声波谐振器的导纳-频率响应曲线。
图9显示为IHP-SAW和本发明提供的高频声波谐振器的纵深方向各质点在3100MHz频率点的位移量；其中，(a)为IHP-SAW的纵深方向各质点在3100MHz频率点的位移量，(b)为本发明提供的高频声波谐振器在纵深方向各质点在3100MHz频率点的位移量。
元件标号说明
1 极低声阻部件
10 衬底
11 单层极低声阻材料层
2 压电膜
3 图形化上电极
31 第一固定部
32 第一叉指
33 第二固定部
34 第二叉指
D 第一叉指距离第二固定部的间距
S1～S3 步骤
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
请参阅图1至图8。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，虽图示中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的形态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局形态也可能更为复杂。
实施例一
请参照图1，本发明提供一种高频声波谐振器的制备方法，所述高频声波谐振器的制备方法包括如下步骤:
1)制备极低声阻部件；
2)于所述极低声阻部件的上表面上形成压电膜；
3)于所述压电膜的上表面形成图形化上电极.。
在步骤1)中，请参照图1中的步骤S1及图2至图3，制备极低声阻部件1。
在一示例中，请参阅图2，步骤1)中制备所述极低声阻部件1可以包括如下步骤：
1-1)提供单层极低声阻材料层11，所述单层极低声阻材料层11即为所述极低声阻部件1。
在另一示例中，请参阅图3，步骤1)中制备所述极低声阻部件1可以包括如下步骤：
1-1)提供一衬底10；
1-2)于所述衬底的上表面形成预定厚度的单层极低声阻材料层11，所述单层极低声阻材料层与所述衬底共同构成所述极低声阻部件1。
作为示例，提供的所述衬底10可以包括：硅、氧化硅、蓝宝石或金刚石衬底。
作为示例，所述极低声阻材料层11是指声阻抗值远小于所述压电膜2的声阻抗值及传统衬底(譬如二氧化硅)的声阻抗值的材料层；所述极低声阻材料层11可以包括绝缘介质层；优选地，所述单层极低声阻材料层11对于所述压电膜2激发并传播的目标弹性波的界面反射系数大于90％；其中，
Figure BDA0002204568370000051
Z1为所述压电膜2对于所述压电膜2所激发的弹性波的声阻抗，Z2为所述极低声阻材料11对于所述压电膜2所激发的弹性波的声阻抗；更为优选地，本实施例中，所述单层极低声阻材料层11的材料可以包括苯并环丁烯(BCB)、聚酰亚胺(PI)、聚二甲基硅氧烷(PDMS)、聚苯乙烯中的至少一种，更为优选地，本实施例中，所述单层极低声阻材料层11的材料可以为聚二甲基硅氧烷。
作为示例，所述极低声阻部件1的制备方法可以包括离子束剥离法、键合法、沉积法、外延法或旋涂法。
作为示例，步骤1)之后还包括于所述极低声阻部件1的上表面形成底电极(未示出)的步骤。
在步骤2)中，请参照图1中的步骤S2及图4，于所述极低声阻部件1的上表面上形成压电膜2。
作为示例，所述压电膜2对于所述压电膜2激发并传播的目标弹性波的界面反射系数大于90％；其中，
Figure BDA0002204568370000052
Z1为所述压电膜2对于所述压电膜2所激发的弹性波的声阻抗，Z2为所述极低声阻材料11对于所述压电膜2所激发的弹性波的声阻抗。
作为示例，所述压电膜2的材料可以包括铌酸锂、铌酸钾、钽酸锂及氮化铝、石英或氧化锌中的至少一种，优选地，本实施例中，所述压电膜2的材料优选声速大且声学损耗小的材料，譬如铌酸锂。
作为示例，步骤2)中形成所述压电膜2的方法可以包括离子束剥离法、键合法、沉积法或外延法。
需要说明的是，当所述极低声阻部件1的上表面未形成所述底电极时，所述压电膜2直接形成于所述极低声阻部件1的上表面；当所述极低声阻部件1的上表面形成有所述底电极时，所述压电膜2形成于所述底电极的上表面。
在步骤3)中，请参照图1中步骤S3及图5至图6，于所述压电膜2的上表面形成图形化上电极3。
作为示例，步骤3)可以包括如下步骤：
3-1)于所述压电膜2的上表面形成上电极材料层(未示出)；
3-2)采用光刻刻蚀工艺对所述上电极材料层进行刻蚀以形成所述图形化上电极3。
需要说明的是，为了便于显示，图5中仅示意出所述图形化上电极3的部分结构，所述图形化上电极3的俯视结构示意图请参阅图6。
作为示例，请参阅图6，步骤3)中所述图形化上电极3包括第一固定部31、第一叉指32、第二固定部33及第二叉指34，所述第一固定部31与所述第二固定部33平行间隔排布；所述第一叉指32垂直固定于所述第一固定部31上；所述第二叉指34垂直固定于所述第二固定部33上；所述第一叉指32和第二叉指34交替间隔平行排布于所述第一固定部31与第二固定部33之间；优选地，所述第一叉指32和所述第二叉指34等间距交替间隔平行排布于所述第一固定部31与所述第二固定部33之间。
作为示例，所述第一叉指32距离所述第二固定部33的间距D与所述高频声波谐振器激发的波长的比值可以为0.05～1，所述第二叉指34距离所述第一固定部31的间距与所述高频声波谐振器激发的波长的比值可以为0.05～1。
需要说明的是，本实施例中制备的所述高频声波谐振器可以激发极低声阻抗介质或极低声速介质的弹性波，优选地，所述高频声波谐振器可以激发S波(S-wave)、SH波(水平偏振横波)和瑞利(Rayleigh)波。所述高频声波谐振器的所述压电膜2可以将所述高频声波谐振器激发的弹性波约束在所述压电膜2内部及所述压电膜2与所述极低声阻部件1的界面。
以所述压电膜2为LiNbO3薄膜，所述极低声阻部件1为聚二甲基硅氧烷(PDMS)，所述衬底11为Si衬底为例，此时，所述高频声波谐振器可以为LiNbO3/PDMS/Si结构；本实施例制备的所述LiNbO3/PDMS/Si结构中PDMS的厚度为4μm时的导纳-频率响应曲线如图8所示，由图8可知，在图8中对应的有效谐振响应很明显；其中，fs为串联谐振频率，fp为并联谐振频率。作为对比，请参阅图7，图7为不同SiO2层厚度的IHP-SAW(LiNbO3/SiO2/Si)结构的导纳-频率响应曲线，由图7可知，IHP-SAW(LiNbO3/SiO2/Si)结构寄生模式多，杂波响应多。
对于IHP-SAW结构，如图9(a)所示，在压电膜中激发的S0波的振动能量向支撑衬底泄露严重，使得IHP-SAW结构的声表面波谐振器无法形成有效谐振。图9(a)表示IHP-SAW结构纵深方向A1点到D1点连线上各质点在频率为3100MHz的位移量，观察发现，LiNbO3薄膜(A1-B1区域)中质点位移量与SiO2薄膜(B1-C1区域)中质点位移量、Si衬底(C1-D1区域)中质点位移量相差不大，也就是说LiNbO3薄膜中激发的S0波的振动能量大量泄漏到SiO2/Si构成的复合衬底。
对于本发明的所述高频声波谐振器，如图9(b)所示，由于所述压电膜2(LiNbO3膜)与其下方的所述极低声阻部件1(PDMS)对所述压电膜2激发和传播的S0波相应的阻抗差较大，因此S0波的振动能量被有效约束在LiNbO3薄膜中和LiNbO3/PDMS界面，难以向支撑衬底泄露，从而使得该声表面波谐振器可以形成有效谐振。图9(b)表示本发明的所述高频声波谐振器的纵深方向A2点到C2点连线上各质点在频率为3100MHz点的位移量，观察发现，LiNbO3薄膜(A2-B2区域)中质点位移量远远大于PDMS(B2-C2)区域中质点位移量(PDMS中质点位移量约为0)，也就是说LiNbO3薄膜中激发的S0波的振动能量几乎完全被约束在LiNbO3薄膜中和LiNbO3/PDMS界面，形成良好谐振的同时具有很高的Q值。
实施二
请结合图2至4继续参阅图5至图6，本发明还提供一种高频声波谐振器，所述高频声波谐振器包括：极低声阻部件1；压电膜2，所述压电膜2位于所述极低声阻部件1的上表面；图形化上电极3，所述图形化上电极3位于所述压电膜2的上表面。
在一示例中，所述极低声阻部件1包括单层极低声阻材料层11；在另一示例中，所述极低声阻部件1可以包括衬底10及单层极低声阻材料层11，所述单层极低声阻材料层11位于所述衬底10的上表面。
作为示例，所述衬底10可以包括但不仅限于硅衬底。
作为示例，所述极低声阻材料层11是指声阻抗值远小于所述压电膜2的声阻抗值及传统衬底(譬如二氧化硅)的声阻抗值的材料层；所述极低声阻材料层11可以包括绝缘介质层；优选地，所述单层极低声阻材料层11对于所述压电膜2激发并传播的目标弹性波的界面反射系数大于90％；其中，
Figure BDA0002204568370000071
Z1为所述压电膜2对于所述压电膜2所激发的弹性波的声阻抗，Z2为所述极低声阻材料11对于所述压电膜2所激发的弹性波的声阻抗；更为优选地，本实施例中，所述单层极低声阻材料层11的材料可以包括苯并环丁烯、聚酰亚胺、聚二甲基硅氧烷、聚苯乙烯中的至少一种。更优选地，本实施例中，所述单层极低声阻材料层11的材料可以为聚二甲基硅氧烷。
作为示例，所述压电膜2对于所述压电膜2激发并传播的目标弹性波的界面反射系数大于90％；其中，
Figure BDA0002204568370000081
Z1为所述压电膜2对于所述压电膜2所激发的弹性波的声阻抗，Z2为所述极低声阻材料11对于所述压电膜2所激发的弹性波的声阻抗。
作为示例，所述压电膜2的材料可以包括但不仅限于铌酸锂、铌酸钾、钽酸锂及氮化铝、石英或氧化锌中的至少一种，优选地，本实施例中，所述压电膜2的材料优选声速大且声学损耗小的材料，譬如铌酸锂。
作为示例，请参阅图6，所述图形化上电极3包括第一固定部31、第一叉指32、第二固定部33及第二叉指34，所述第一固定部31与所述第二固定部33平行间隔排布；所述第一叉指32垂直固定于所述第一固定部31上；所述第二叉指34垂直固定于所述第二固定部33上；所述第一叉指32和第二叉指34交替间隔平行排布于所述第一固定部31与第二固定部33之间；优选地，所述第一叉指32和所述第二叉指34等间距交替间隔平行排布于所述第一固定部31与所述第二固定部33之间。
作为示例，所述第一叉指32距离所述第二固定部33的间距D与所述高频声波谐振器激发的波长的比值可以为0.05～1，所述第二叉指33距离所述第一固定部31的间距与所述高频声波谐振器激发的波长比值可以为0.05～1。
需要说明的是，本实施例中制备的所述高频声波谐振器主要利用S波、SH波和波。所述高频声波谐振器的所述压电膜2可以将所述高频声波谐振器激发的弹性波约束在所述压电膜2内进行传播。
作为示例，所述高频声表面波谐振器还可以包括底电极(未示出)，所述底电极位于所述极低声阻部件1和所述压电膜2之间。
需要说明的是，当所述极低声阻部件1的上表面未形成所述底电极时，所述压电膜2直接形成于所述极低声阻部件1的上表面；当所述极低声阻部件1的上表面形成有所述底电极时，所述压电膜2形成于所述底电极的上表面。
综上所述，本发明提供一种高频声波谐振器及其制备方法，所述高频声波谐振器的制备方法包括如下步骤：1)制备极低声阻部件；2)于所述极低声阻部件的上表面上形成压电膜；3)于所述压电膜的上表面形成图形化上电极。本发明的高频声波谐振器及其制备方法，通过在压电膜下设置极低声阻部件(声阻抗远远小于压电材料层以及传统衬底，如SiO2)，增大压电膜与其下方的极低声阻部件的阻抗差，可有效激发高声速弹性波(如S波)，在提高其界面反射的同时并将其机械能有效约束在压电膜中，从而在提高声表面波谐振器频率的同时，使其保持较高的Q值；避免了高频声表面波谐振器所激发的高声速弹性波大量向衬底泄露而导致的器件性能严重退化的问题的发生。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (9)

1.一种高频声波谐振器的制备方法，其特征在于，所述高频声波谐振器的制备方法包括如下步骤：
a)制备极低声阻部件；包括如下步骤：提供单层极低声阻材料层，所述单层极低声阻材料层即为所述极低声阻部件；
b)于所述极低声阻部件的上表面上形成压电膜；
c)于所述压电膜的上表面形成图案化上电极；
所述单层极低声阻材料层的材料包括：苯并环丁烯、聚二甲基硅氧烷、聚苯乙烯中的至少一种，所述压电膜的材料包括铌酸锂、铌酸钾、石英或氧化锌中的至少一种；所述极低声阻材料对于压电膜中所激发的弹性波的界面反射系数R大于90％，其中，
Figure FDA0003240894320000011
Z1为所述压电膜对于所述压电膜所激发的弹性波的声阻抗，Z2为所述极低声阻材料对于所述压电膜所激发的弹性波的声阻抗。
2.根据权利要求1所述的高频声波谐振器的制备方法，其特征在于，步骤1)中所述极低声阻部件的制备方法包括离子束剥离法、键合法、沉积法、外延法或旋涂法；步骤2)中形成所述压电膜的方法包括离子束剥离法、键合法、沉积法或外延法。
3.根据权利要求1所述的高频声波谐振器的制备方法，其特征在于，步骤3)中所述图案化上电极包括第一固定部、第一叉指、第二固定部及第二叉指，所述第一固定部与所述第二固定部平行间隔排布；所述第一叉指垂直固定于所述第一固定部上；所述第二叉指垂直固定于所述第二固定部上；所述第一叉指和第二叉指等间距交替间隔平行排布于所述第一固定部与第二固定部之间。
4.根据权利要求3所述的高频声波谐振器的制备方法，其特征在于，所述第一叉指距离所述第二固定部的间距与高频声波谐振器所激发的波长的比值为0.05～1，所述第二叉指距离所述第一固定部的间距与高频声波谐振器所激发的波长的比值为0.05～1。
5.根据权利要求1所述的高频声波谐振器的制备方法，其特征在于，步骤1)与步骤2)之间还包括于所述极低声阻部件的上表面形成底电极的步骤；步骤2)中形成的所述所述压电膜位于所述底电极的上表面。
6.一种高频声波谐振器，其特征在于，所述高频声波谐振器包括：
极低声阻部件，所述极低声阻部件包括单层极低声阻材料层；
压电膜，位于所述极低声阻部件的上表面上；
图案化上电极，位于所述压电膜的上表面；
所述单层极低声阻材料层的材料包括：苯并环丁烯、聚二甲基硅氧烷、聚苯乙烯中的至少一种，所述压电膜的材料包括铌酸锂、铌酸钾、石英或氧化锌中的至少一种；所述极低声阻材料对于压电膜中所激发的弹性波的界面反射系数R大于90％，其中，
Figure FDA0003240894320000021
Z1为所述压电膜对于所述压电膜所激发的弹性波的声阻抗，Z2为所述极低声阻材料对于所述压电膜所激发的弹性波的声阻抗。
7.根据权利要求6所述的高频声波谐振器，其特征在于，所述图案化上电极包括第一固定部、第一叉指、第二固定部及第二叉指，所述第一固定部与所述第二固定部平行间隔排布；所述第一叉指垂直固定于所述第一固定部上；所述第二叉指垂直固定于所述第二固定部上；所述第一叉指和第二叉指等间距交替间隔平行排布于所述第一固定部与第二固定部之间。
8.根据权利要求7所述的高频声波谐振器，其特征在于，所述第一叉指距离所述第二固定部的间距与高频声波谐振器所激发的波长的比值为0.05～1，所述第二叉指距离所述第一固定部的间距与高频声波谐振器所激发的波长的比值为0.05～1。
9.根据权利要求6所述的高频声波谐振器，其特征在于，所述高频声波谐振器还包括底电极，所述底电极位于所述极低声阻部件和所述压电膜之间。
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