CN110868181A - 一种具有gs分层式电极的薄膜材料声表面波器件及其制备方法与应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种具有GS分层式电极的薄膜材料声表面波器件及其制备方法与应用。它由下至上依次包括基片、第一层叉指换能器、二氧化硅薄膜、压电薄膜和第二层叉指换能器。其制备方法包括如下步骤：1)利用光刻技术和电子束蒸镀方法，在基片表面制备第一层叉指换能器；2)利用磁控溅射方法，在第一层叉指换能器和基片上生长二氧化硅薄膜；3)使二氧化硅薄膜表面平整，然后采用磁控溅射的方法在其表面上生长压电薄膜；4)采用步骤1)中方法在压电薄膜上制备第二层叉指换能器，并将其与第一层叉指换能器按照设置对准，并利用光刻技术露出第一层叉指换能器的电极PAD区，即得。本发明具有更高的频率、较高的温度稳定性，同时具有更强的集成性能。
Description
技术领域
本发明属于电子信息材料领域，涉及一种声表面波器件及其制备方法与应用，具体涉及一种具有GS分层式电极的薄膜材料声表面波器件及其制备方法与应用。
背景技术
声表面波是在压电材料表面产生和传播的机械波。由于其灵敏度高、体积小、成本低，声表面波已被广泛应用于谐振器、滤波器、传感器、卷积器等电子器件中。尤其是在移动通信领域，声表面波滤波器发挥着至关重要的作用。
在射频前端模块中，射频滤波器的性能至关重要。声表面波滤波器和体声波滤波器是目前最主流的两种射频滤波器。声表面波滤波器制备简单，但其难以运用于高频段；而体声波滤波器则往往运用于高频段，但其制备工艺复杂。5G时代日益临近，人们对射频滤波器提出了更高的要求。人们对通信频段日益增长的需求使得频谱资源愈发紧张，从而不得不使用更高的频段。由于声表面波滤波器具有成本低廉的优势，制备得到高性能的高频声表面波滤波器将对5G时代的发展产生极大的推动作用。
目前主要有三种方法来提高声表面波器件的频率，分别为减小声波的周期，提高声速和采用具有更高频谐振的声波模态。由于这几种方式的采用会受到工艺水平和材料体系的限制，也会受到声波质量和制备成本的限制，近几年在如何提高声表面波器件的频率问题上，大家遇到了瓶颈，现需要一个新的方法来提高器件的频率。另外，高的温度稳定性一直是高性能滤波器研究的目标；而高的集成性能也是未来滤波器的一个发展方向。
发明内容
本发明的目的是提供一种具有GS分层式电极的薄膜材料声表面波器件。该器件具有更高的频率、较高的温度稳定性，同时具有更强的集成性能。
本发明提供的一种声表面波器件，它由下至上依次包括基片、第一层叉指换能器、二氧化硅薄膜、压电薄膜和第二层叉指换能器。
本发明中，所述基片采用本领公知的材质即可，没有严格的限定；具体地，所述基片选自Si基片、SiC基片和蓝宝石基片中的至少一种；所述基片的主要作用为支撑作用，同时，由于性能差异，不同基片会对器件性能产生一定的影响。
上述的声表面波器件中，所述第一层叉指换能器与第二层叉指换能器的内部结构相同，均包括金属打底层和金属主体层；所述金属打底层设于所述金属主体层的下部。
上述的声表面波器件中，制成所述金属打底层的金属包括Ti、Ni、Zr和Cr中的至少一种；
制成所述金属主体层的金属包括Al、Cu、Pt和Mo中的至少一种；
所述金属打底层的厚度为1～50nm；具体可为5nm、10nm、5nm～10nm或5nm～30nm；
所述金属主体层的厚度为20～200nm；具体可为30nm、80nm、160nm、30～80nm或80～160nm。
上述的声表面波器件中，所述第一层叉指换能器与第二层叉指换能器的线宽均为100nm～5μm，具体可为0.5μm、0.25μm、0.25μm～0.5μm、0.20μm～1μm或0.20μm～3μm，记为d；每层中叉指换能器的相邻叉指间距为100nm～15μm，具体可为0.5μm、0.25μm、0.25μm～1μm、0.20μm～3μm或3μm～15μm，记为g2。
上述的声表面波器件中，所述第一层叉指换能器嵌入式设于所述二氧化硅薄膜的底部；
在水平方向的相对位置上，所述第一层叉指换能器与第二层叉指换能器的叉指交错分布设置。具体地，所述第一层叉指换能器的叉指与第二层叉指换能器的邻近的两个叉指间距相等，记为g1。
本发明中，两层叉指换能器的线宽相同，相邻叉指间距也相同，具有如下数值关系：g1+d+g1＝g2。通过对这三个尺寸的调控，可以实现对器件频率的调控。
上述器件中，所述二氧化硅薄膜的作用是填补所述第一层叉指换能器的间隙，减少孔洞并重新得到平整的上表面，同时实现温度补偿，提高器件的温度稳定性。
本发明中，所述二氧化硅层的厚度可为20nm～40μm，具体可为1μm或100nm～20μm，具体可根据实际需要确定。
上述的声表面波器件中，所述第一层叉指换能器和第二层叉指换能器中一个接地，则另一个接信号。
上述的声表面波器件中，所述压电薄膜的材质选自氧化锌、氮化铝、掺杂氧化锌和掺杂氮化铝中的至少一种。
所述压电薄膜的厚度可为20nm～40μm，具体可为1μm或100nm～20μm，具体可根据实际需要确定。
上述的声表面波器件中，所述掺杂氧化锌中掺杂元素为V、Cr和Fe中的至少一种；
所述掺杂氧化锌中掺杂元素的掺杂量可为0.3～5％，具体可为1.96％。
所述掺杂氮化铝中掺杂元素为Sc；
所述掺杂氮化铝中掺杂元素的掺杂量可为0.1～70％，具体可为43％。
本发明中，所述掺杂量为掺杂的元素原子含量占所述掺杂物质金属元素原子总含量的原子百分比。
本发明还提供了上述的声表面波器件的制备方法，包括如下步骤：1)利用光刻技术和电子束蒸镀方法，在所述基片表面制备所述第一层叉指换能器；
2)利用磁控溅射方法，在所述第一层叉指换能器和所述基片上生长所述二氧化硅薄膜；
3)采用化学机械抛光和/或所述刻蚀的方法使所述二氧化硅薄膜表面平整，然后采用磁控溅射的方法在其表面上生长所述压电薄膜；
4)采用步骤1)中方法在所述压电薄膜上制备第二层叉指换能器，并将其与所述第一层叉指换能器按照设置对准，并利用所述光刻技术露出第一层叉指换能器的电极PAD区，即得到所述声表面波器件。
上述的制备方法中，步骤1)之前还包括将所述基片表面清洗的步骤。
本发明制备方法中，采用的所述磁控溅射方法、电子束蒸镀方法、光刻技术、化学机械抛光、光刻技术和对准方法都是本领域中常用的方法，其条件也为常规的可行性条件。
本发明所述的声表面波器件应用于作为高频且具有温度补偿性能的器件和/或便于射频前端集成的声表面波器件制备中。具体可制备单端声表面波谐振器或应用于5G的便于射频前端集成的声表面波器件制备中。
本发明具有以下优点：
1.所述的声表面波器件采用将叉指换能器的接地端和信号端分层的方式，进一步缩小两信号端叉指之间的水平距离，从而在现有技术基础上进一步缩小了波长，提高了器件的频率。
2.现有温度补偿声表面波器件制备技术已经能够在叉指换能器上制备得到致密平整的二氧化硅薄膜，因此二氧化硅薄膜的引入既提升了器件的温度稳定性，也能够保证整个器件的品质。
3.本发明所述器件对基片没有特别的要求，二氧化硅层与压电层均采用薄膜工艺制备，因此所述器件便于射频前端的集成。
4.本发明所述的声表面波器件符合5G时代对于射频滤波器更高的要求。
附图说明
图1是本发明所述器件的截面示意图(真实器件的叉指换能器对数较多，图中仅截取部分叉指换能器示意)。
图2是本发明所述器件中叉指换能器的截面示意图，图中包括金属打底层和金属主体层。
图3是本发明所述器件更小范围的截面示意图，并对几个关键尺寸进行了标记，便于发明内容及实施例中的描述。
图4是本发明实施例1中声表面波谐振器的模拟振型图，图中基片未全部展示。
图5是本发明实施例1中声表面波谐振器的模拟导纳曲线。
图6是本发明实施例2中声表面波谐振器的模拟振型图，图中基片未全部展示。
图7是本发明实施例2中声表面波谐振器的模拟导纳曲线。
图中各个标记如下：
1基片；2第一层叉指换能器；3二氧化硅薄膜；4压电薄膜；5第二层叉指换能器；6叉指换能器中的金属打底层；7叉指换能器中的金属主体层。
具体实施方式
下述实施例中所使用的实验方法如无特殊说明，均为常规方法。
下述实施例中所用的材料、试剂等，如无特殊说明，均可从商业途径得到。
实施例1、
制备如图1所示结构，采用厚度为500μm的高阻(100)Si基片，依次经过丙酮、酒精、去离子水、酒精超声清洗，然后用氮气枪吹干。
利用光刻技术和电子束蒸镀方法制备第一层叉指换能器，如图3所示，尺寸d取250nm，尺寸g1取50nm，g2取350nm。叉指换能器材料为5nm Ti金属打底层和55nm Al金属主体层。具体制备过程为，首先进行光刻工艺，光刻的具体步骤包括表面清洗烘干、涂底、旋涂光刻胶、软烘、曝光、后烘、显影、硬烘。光刻完成后样品上的叉指换能器图形已经形成。之后将样品放入电子束蒸镀机镀膜。电子束蒸镀方法具体实验条件如下：本底真空优于9×10- 9torr，Ti镀膜速率为
Al镀膜速率为
蒸镀完成后，从蒸镀机中取出样品并置于丙酮中剥离，从而完成第一层叉指换能器的制备。
采用磁控溅射方法生长180nm二氧化硅，具体实验条件如下：本底真空度优于7×10-5Pa，采用硅靶反应溅射，直流电源，电源功率1000W，Ar流量18sccm，O2流量12sccm，常温镀膜，镀膜气压0.5Pa，镀膜时间12s。
利用化学机械抛光技术对二氧化硅薄膜表面进行处理。
采用磁控溅射方法在平整的二氧化硅薄膜表面生长120nm氧化锌。具体实验条件如下：本底真空度优于8×10-5Pa，采用Zn靶反应溅射，采用射频电源，电源功率140W，Ar流量18sccm，O2流量10sccm，镀膜温度350℃，镀膜气压0.8Pa，镀膜时间15min。
利用光刻技术和电子束蒸镀方法制备第二层叉指换能器。叉指换能器的尺寸和具体制备过程在第一层叉指换能器的制备中已经描述。制备第二层叉指换能器时应注意对准以保证图1结构的实现。
利用光刻技术刻除第一层叉指换能器的电极PAD区上方的氧化锌和二氧化硅薄膜，使其暴露在表面便于施加电信号。本实施例所述器件便制备完成。
若采用本实施例制备单端声表面波谐振器，其仿真结果如图4、5所示。由图4、5可知，该声表面波谐振器能够稳定地传播高阶瑞利波信号，且信号极好。该谐振器的谐振频率为8.4091GHz，反谐振频率为8.4166GHz，机电耦合系数为0.22％。
实施例2、
制备如图1所示结构，采用厚度为500μm的6H-SiC基片，依次经过丙酮、酒精、去离子水、酒精超声清洗，然后用氮气枪吹干。
利用光刻技术和电子束蒸镀方法制备第一层叉指换能器，如图3所示，尺寸d取250nm，尺寸g1取10nm，g2取270nm。叉指换能器材料为5nm Ti金属打底层和55nm Al金属主体层。具体制备过程为，首先进行光刻工艺，光刻的具体步骤包括表面清洗烘干、涂底、旋涂光刻胶、软烘、曝光、后烘、显影、硬烘。光刻完成后样品上的叉指换能器图形已经形成。之后将样品放入电子束蒸镀机镀膜。电子束蒸镀方法具体实验条件如下：本底真空优于9×10- 9torr，Ti镀膜速率为
Al镀膜速率为
蒸镀完成后，从蒸镀机中取出样品并置于丙酮中剥离，从而完成第一层叉指换能器的制备。
采用磁控溅射方法生长150nm二氧化硅，具体实验条件如下：本底真空度优于7×10-5Pa，采用硅靶反应溅射，直流电源，电源功率1000W，Ar流量18sccm，O2流量12sccm，常温镀膜，镀膜气压0.5Pa，镀膜时间10s。
利用化学机械抛光技术对二氧化硅薄膜表面进行处理。
采用磁控溅射方法在平整的二氧化硅薄膜表面生长156nm氧化锌。具体实验条件如下：本底真空度优于8×10-5Pa，采用Zn靶反应溅射，采用射频电源，电源功率140W，Ar流量18sccm，O2流量10sccm，镀膜温度350℃，镀膜气压0.8Pa，镀膜时间19.5min。
利用光刻技术和电子束蒸镀方法制备第二层叉指换能器。叉指换能器的尺寸和具体制备过程在第一层叉指换能器的制备中已经描述。制备第二层叉指换能器时应注意对准以保证图1结构的实现。
利用光刻技术刻除第一层叉指换能器的电极PAD区上方的氧化锌和二氧化硅薄膜，使其暴露在表面便于施加电信号。本实施例所述器件便制备完成。
若采用本实施例制备单端声表面波谐振器，其仿真结果如图6、7所示。该声表面波谐振器能够稳定地传播高阶瑞利波信号，且信号较好。该谐振器的谐振频率为9.7664GHz，反谐振频率为9.7837GHz，机电耦合系数为0.44％。
需要说明的是，以上仅为本发明的两个实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的限制和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种声表面波器件，它由下至上依次包括基片、第一层叉指换能器、二氧化硅薄膜、压电薄膜和第二层叉指换能器。
2.根据权利要求1所述的声表面波器件，其特征在于：所述第一层叉指换能器与第二层叉指换能器的内部结构相同，均包括金属打底层和金属主体层；所述金属打底层设于所述金属主体层的下部。
3.根据权利要求2所述的声表面波器件，其特征在于：制成所述金属打底层的金属包括Ti、Ni、Zr和Cr中的至少一种；
制成所述金属主体层的金属包括Al、Cu、Pt和Mo中的至少一种；
所述金属打底层的厚度为1～50nm；
所述金属主体层的厚度为20～200nm。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的声表面波器件，其特征在于：所述第一层叉指换能器与第二层叉指换能器的线宽均为100nm～5μm，每层中叉指换能器的相邻叉指间距为100nm～15μm。
5.根据权利要求1-4中任一项所述的声表面波器件，其特征在于：所述第一层叉指换能器嵌入式设于所述二氧化硅薄膜的底部；
在水平方向的相对位置上，所述第一层叉指换能器与第二层叉指换能器的叉指交错分布设置。
6.根据权利要求1-5中任一项所述的声表面波器件，其特征在于：所述第一层叉指换能器和第二层叉指换能器中一个接地，则另一个接信号。
7.根据权利要求1-6中任一项所述的声表面波器件，其特征在于：所述压电薄膜的材质选自氧化锌、氮化铝、掺杂氧化锌和掺杂氮化铝中的至少一种。
8.根据权利要求7所述的声表面波器件，其特征在于：所述掺杂氧化锌中掺杂元素为V、Cr和Fe中的至少一种；
所述掺杂氧化锌中掺杂元素的掺杂量为0.3～5％。
所述掺杂氮化铝中掺杂元素为Sc；
所述掺杂氮化铝中掺杂元素的掺杂量为0.1～70％。
9.权利要求1-8中任一项所述的声表面波器件的制备方法，包括如下步骤：1)利用光刻技术和电子束蒸镀方法，在所述基片表面制备所述第一层叉指换能器；
2)利用磁控溅射方法，在所述第一层叉指换能器和所述基片上生长所述二氧化硅薄膜；
3)采用化学机械抛光和/或刻蚀的方法使所述二氧化硅薄膜表面平整，然后采用磁控溅射的方法在其表面上生长所述压电薄膜；
4)采用步骤1)中方法在所述压电薄膜上制备第二层叉指换能器，并将其与所述第一层叉指换能器按照设置对准，并利用光刻技术露出第一层叉指换能器的电极PAD区，即得到所述声表面波器件。
10.权利要求1-8任一项所述的声表面波器件在作为高频且具有温度补偿性能的器件和/或便于射频前端集成的声表面波器件制备中的应用。
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