CN111010126A

CN111010126A - 一种分层式电极的声表面波滤波器结构及其制备方法

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Publication number: CN111010126A
Application number: CN201911272887.9A
Authority: CN
Inventors: 王为标; 沈君尧; 傅肃磊; 苏荣宣; 陆增天
Original assignee: Shoulder Electronics Co Ltd
Current assignee: Shoulder Electronics Co Ltd
Priority date: 2019-12-12
Filing date: 2019-12-12
Publication date: 2020-04-14

Abstract

本发明公开了一种分层式电极的声表面波滤波器结构及其制备方法，涉及电子信息材料领域，该结构由下至上依次包括压电单晶基片、第一层叉指换能器、二氧化硅层和第二层叉指换能器，第二层叉指换能器的线宽与第一层叉指换能器的线宽相同、相邻叉指间隙相同，两层叉指换能器交错设置，通过将叉指换能器的接地端和信号端分层的方式显著提高了传统压电单晶类声表面波器件的频率，通过同一套叉指换能器的两次制备，能够实现两层叉指换能器的材料和厚度的不同，从而精确控制声表面波滤波器的波模式，进一步增强有效波，抑制杂波，减少能量耗散，实现信号的高质量、无干扰传输。

Description

一种分层式电极的声表面波滤波器结构及其制备方法

技术领域

本发明涉及电子信息材料领域，尤其是一种分层式电极的声表面波滤波器结构及其制备方法。

背景技术

声表面波滤波器是通过压电材料上的叉指换能器实现声信号和电信号之间的相互转换的器件。通过对叉指换能器的结构的调控，可以实现谐振、滤波等功能。因此声表面波滤波器对于移动通信领域至关重要。

目前商用的声表面波滤波器大多为压电单晶类滤波器，相比于压电薄膜而言，压电单晶的压电性能更强，且均一性好，性能稳定。钽酸锂、铌酸锂为声表面波滤波器领域最常用的压电单晶材料。通过改变压电单晶的切角，可以制备适合于不同频域、不同带宽的声表面波器件。

然而，由于钽酸锂、铌酸锂单晶本身声速的限制，以及叉指换能器制备的工艺限制，传统的压电单晶类声表面波滤波器很难实现在高频下的应用，这在目前5G通信的浪潮中，是一个很大的发展劣势。

发明内容

本发明人针对上述问题及技术需求，提出了一种分层式电极的声表面波滤波器结构及其制备方法，该结构能够提升压电单晶类声表面波滤波器的频率，以实现在高频下的应用。

本发明的技术方案如下：

一种分层式电极的声表面波滤波器结构，该结构包括压电单晶基片、第一层叉指换能器、二氧化硅层和第二层叉指换能器；

第一层叉指换能器设置在压电单晶基片上，二氧化硅层设置在压电单晶基片上并覆盖第一层叉指换能器的相邻叉指间隙，第二层叉指换能器设置在二氧化硅层上，第二层叉指换能器的线宽与第一层叉指换能器的线宽相同，且第二层叉指换能器的相邻叉指间隙与第一层叉指换能器的相邻叉指间隙相同；第二层叉指换能器与第一层叉指换能器交错设置，第二层叉指换能器的每个叉指电极在竖直方向上位于第一层叉指换能器的相邻两个叉指电极之间的相邻叉指间隙的正上方且与相邻两个叉指电极之间的距离相同，第一层叉指换能器的每个叉指电极在竖直方向上位于第二层叉指换能器的相邻两个叉指电极之间的相邻叉指间隙的正下方且与相邻两个叉指电极之间的距离相同；第一层叉指换能器的电极焊盘接地，第二层叉指换能器的电极焊盘接输入信号，或者，第一层叉指换能器的电极焊盘接输入信号，第二层叉指换能器的电极焊盘接地。

其进一步的技术方案为，每层叉指换能器的线宽为100nm-5μm，每层叉指换能器的相邻叉指间隙为100nm-5μm。

其进一步的技术方案为，每层叉指换能器包括金属打底层和金属主体层，金属主体层设置在金属打底层上。

其进一步的技术方案为，金属打底层的金属包括Ti、Ni、Cr中的至少一种，金属打底层的厚度为1nm-30nm；金属主体层的金属包括Al、Cu、Pt、Ag中的至少一种,金属主体层的厚度为2nm-200nm。

其进一步的技术方案为，二氧化硅层的厚度为2nm-40μm，并且二氧化硅层的厚度大于等于第一层叉指换能器的厚度。

其进一步的技术方案为，压电单晶基片的切向任意并且材质为钽酸锂或铌酸锂，压电单晶基片的切向包括但不限于15°YX-铌酸锂、YZ-铌酸锂、42°YX-钽酸锂。

一种分层式电极的声表面波滤波器的制备方法，包括如下步骤：

步骤1、获取压电单晶基片并清洗表面；

步骤2、利用光刻技术和电子束蒸镀方法，在压电单晶基片上制备第一层叉指换能器；

步骤3、利用磁控溅射方法，在压电单晶基片上制备二氧化硅薄膜，二氧化硅薄膜覆盖第一层叉指换能器及第一层叉指换能器的相邻叉指间隙；

步骤4、利用化学机械抛光方法对二氧化硅薄膜的表面进行处理得到二氧化硅层，二氧化硅层的厚度大于等于第一层叉指换能器的厚度且二氧化硅层覆盖第一层叉指换能器的相邻叉指间隙；

步骤5、利用光刻技术和电子束蒸镀方法，在二氧化硅层上制备第二层叉指换能器，第二层叉指换能器的线宽与第一层叉指换能器的线宽相同，且第二层叉指换能器的相邻叉指间隙与第一层叉指换能器的相邻叉指间隙相同；第二层叉指换能器与第一层叉指换能器交错设置，第二层叉指换能器的每个叉指电极在竖直方向上位于第一层叉指换能器的相邻两个叉指电极之间的相邻叉指间隙的正上方且与相邻两个叉指电极之间的距离相同，第一层叉指换能器的每个叉指电极在竖直方向上位于第二层叉指换能器的相邻两个叉指电极之间的相邻叉指间隙的正下方且与相邻两个叉指电极之间的距离相同。

其进一步的技术方案为，当二氧化硅层的厚度等于第一层叉指换能器的厚度时，在步骤4中对二氧化硅薄膜的表面进行处理时，打磨至将第一层叉指换能器的电极焊盘刚好露出为止。

其进一步的技术方案为，其特征在于，当二氧化硅层的厚度大于第一层叉指换能器的厚度时，在步骤5之后还包括：利用光刻技术刻蚀二氧化硅层将第一层叉指换能器的电极焊盘外露。

本发明的有益技术效果是：

本申请的分层式电极的声表面波滤波器采用分层式结构将一套叉指换能器分两层制备，即两层叉指换能器交错设置，通过叉指换能器的线宽、相邻叉指间隙以及相邻两个叉指电极之间的距离的协调配合，使得叉指换能器之间的相邻叉指间隙可以进一步缩小，从而缩小波长提高声表面波滤波器的频率；本申请的结构采用一套叉指换能器和一套信号，使得两层叉指换能器产生的电场比常规结构更丰富，水平分量的电场能够保证声表面波的产生，垂直分量的电场又在一定程度上激发了声表面波的纵向耦合，进一步提高了声表面波滤波器的频率和质量；通过同一套叉指换能器的两次制备，能够实现两层叉指换能器的材料和厚度的不同，从而精确控制声表面波滤波器的波模式，进一步增强有效波，抑制杂波，减少能量耗散，实现信号的高质量、无干扰传输。

附图说明

图1是本申请公开的分层式电极的声表面波滤波器的结构图。

图2是本申请公开的分层式电极的声表面波滤波器的虚线框5处的放大图。

图3是本申请公开的叉指换能器的结构图。

图4是本申请公开的分层式电极的声表面波滤波器的制备流程图。

图5是本申请公开的分层式电极的声表面波谐振器的模拟振型图。

图6是本申请公开的分层式电极的声表面波谐振器的模拟导纳曲线。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式做进一步说明。

结合图1和图2所示，一种分层式电极的声表面波滤波器结构，该结构包括压电单晶基片1、第一层叉指换能器2、二氧化硅层3和第二层叉指换能器4。压电单晶基片1的切向任意并且材质为钽酸锂或铌酸锂，压电单晶基片的切向包括但不限于15°YX-铌酸锂、YZ-铌酸锂、42°YX-钽酸锂。

如图3所示，每层叉指换能器包括金属打底层6和金属主体层7，金属主体层7设置在金属打底层6上。金属打底层6的金属包括Ti、Ni、Cr中的至少一种，金属打底层的厚度为1nm-30nm，具体可为3nm、10nm、3nm-10nm或5nm-30nm。金属主体层7的金属包括Al、Cu、Pt、Ag中的至少一种,金属主体层7的厚度为2nm-200nm，具体可为10nm、50nm、160nm、30-80nm或80-160nm。在本申请中，两层叉指换能器的材质和厚度可以相同，也可以不同，从而精确控制声表面波滤波器的波模式，进一步增强有效波，抑制杂波，减少能量耗散，实现信号的高质量、无干扰传输。

第一层叉指换能器2设置在压电单晶基片1上，二氧化硅层3设置在压电单晶基片1上并覆盖第一层叉指换能器2的相邻叉指间隙，二氧化硅层3的厚度为2nm-40μm，具体可为1μm或100nm-20μm，具体可根据实际需要确定，并且二氧化硅层3的厚度大于等于第一层叉指换能器的厚度，二氧化硅层3用于填补第一层叉指换能器2之间的相邻叉指间隙并重新得到平的上表面，同时实现温度补偿，提高器件的温度稳定性。第二层叉指换能器4设置在二氧化硅层3上，第二层叉指换能器4的线宽d与第一层叉指换能器2的线宽d相同，且第二层叉指换能器4的相邻叉指间隙g1与第一层叉指换能器2的相邻叉指间隙g1相同，具体的，每层叉指换能器的线宽d为100nm-5μm，具体可为0.5μm、0.25μm、0.25μm-0.5μm、0.20μm-1μm或0.20μm-3μm；每层叉指换能器的相邻叉指间隙g1为100nm-5μm，具体可为0.5μm、0.25μm、0.25μm-1μm、0.20μm-3μm或3μm-15μm。第二层叉指换能器4与第一层叉指换能器2交错设置，第二层叉指换能器4的每个叉指电极在竖直方向上位于第一层叉指换能器2的相邻两个叉指电极之间的相邻叉指间隙的正上方且与交错相邻的两个叉指电极之间的距离g2相同，第一层叉指换能器2的每个叉指电极在竖直方向上位于第二层叉指换能器4的相邻两个叉指电极之间的相邻叉指间隙的正下方且与交错相邻的两个叉指电极之间的距离g2相同。在本申请中，如图2所示，相邻叉指间隙g1、叉指换能器的线宽d与交错相邻的两个叉指电极之间的距离g2满足：

g1＝d+2×g2 (1)

通过对这三个尺寸的调控，使得叉指换能器之间的相邻叉指间隙可以进一步缩小，可以实现对器件频率的调控，从而缩小波长提高声表面波滤波器的频率。

如图1所示，第一层叉指换能器2的电极焊盘接地G，第二层叉指换能器4的电极焊盘接输入信号S。或者，第一层叉指换能器的电极焊盘接输入信号S，第二层叉指换能器的电极焊盘接地G。本申请的结构采用一套叉指换能器和一套信号，使得两层叉指换能器产生的电场比常规结构更丰富，水平分量的电场能够保证声表面波的产生，垂直分量的电场又在一定程度上激发了声表面波的纵向耦合，进一步提高了声表面波滤波器的频率和质量。

为了得到上述的分层式电极的声表面波滤波器的结构，本申请还公开了一种分层式电极的声表面波滤波器的制备方法，如图4所示，包括如下步骤：

步骤1、获取厚度为500μm的15°YX-铌酸锂压电单晶基片，先后经过丙酮、酒精、去离子水、酒精超声清洗其表面，再用氮气枪吹干。

步骤2、利用光刻技术和电子束蒸镀方法，在压电单晶基片上制备第一层叉指换能器。具体的，第一层叉指换能器选用2nm Ti的金属打底层和36nm Cu的金属主体层，即第一层叉指换能器的厚度为38nm，线宽d为250nm，交错相邻的两个叉指电极之间的距离g2为50nm，相邻叉指间隙g1为350nm。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、显影和硬烘。光刻完成后压电单晶基片上的第一层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：本底真空度优于9×10^-9torr，Ti镀膜速率为

Cu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。

步骤3、利用磁控溅射方法，在压电单晶基片上制备厚度为90nm的二氧化硅薄膜，二氧化硅薄膜覆盖第一层叉指换能器及第一层叉指换能器的相邻叉指间隙。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、电源功率为1000W，溅射气体Ar流量为18sccm，反应气体O₂流量为12sccm，常温镀膜，镀膜气压为0.5Pa，镀膜时间为6s。

步骤4、利用化学机械抛光方法对二氧化硅薄膜的表面进行处理得到二氧化硅层，二氧化硅层的厚度大于等于第一层叉指换能器的厚度且二氧化硅层覆盖第一层叉指换能器的相邻叉指间隙。具体的，将厚度为90nm的二氧化硅薄膜通过化学机械抛光方法将其表面进行处理，得到厚度为38nm的二氧化硅层，即将二氧化硅薄膜打磨至与第一层叉指换能器齐平。

步骤5、利用光刻技术和电子束蒸镀方法，在二氧化硅层上制备第二层叉指换能器。第二层叉指换能器选用2nm Ti的金属打底层加55.2nm Al的金属主体层，Al镀膜速率为

第二层叉指换能器的具体制备过程与第一层叉指换能器的制备过程相同，在此不进行赘述。第二层叉指换能器制备完成后应保证：其线宽与第一层叉指换能器的线宽相同为250nm，且第二层叉指换能器的相邻叉指间隙与第一层叉指换能器的相邻叉指间隙相同为350nm。第二层叉指换能器与第一层叉指换能器交错设置，第二层叉指换能器的每个叉指电极在竖直方向上位于第一层叉指换能器的相邻两个叉指电极之间的相邻叉指间隙的正上方且与相邻两个叉指电极之间的距离相同，第一层叉指换能器的每个叉指电极在竖直方向上位于第二层叉指换能器的相邻两个叉指电极之间的相邻叉指间隙的正下方且与相邻两个叉指电极之间的距离相同。

当二氧化硅层的厚度等于第一层叉指换能器的厚度时，在步骤4中对二氧化硅薄膜的表面进行处理时，打磨至将第一层叉指换能器的电极焊盘刚好露出为止。在本申请中，第一层叉指换能器的厚度为38nm，二氧化硅层的厚度为38nm，因此在步骤4中对二氧化硅薄膜的表面进行处理时，打磨至将第一层叉指换能器的Cu电极刚好露出为止。

当二氧化硅层的厚度大于第一层叉指换能器的厚度时，在步骤5之后还包括：利用光刻技术刻蚀二氧化硅层将第一层叉指换能器的电极焊盘外露。

以本实施例所述方案制备的声表面波谐振器的仿真结果如图5、图6所示。该谐振器能够稳定传播水平剪切波，谐振频率为6.467GHz，反谐振频率为6.579GHz，机电耦合系数为4.13％。本申请的结构采用一套叉指换能器和一套信号，使得两层叉指换能器产生的电场比常规结构更丰富，水平分量的电场能够保证声表面波的产生，垂直分量的电场又在一定程度上激发了声表面波的纵向耦合，进一步提高了声表面波滤波器的频率和质量。

以上所述的仅是本申请的优选实施方式，本发明不限于以上实施例。可以理解，本领域技术人员在不脱离本发明的精神和构思的前提下直接导出或联想到的其他改进和变化，均应认为包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种分层式电极的声表面波滤波器结构，其特征在于，所述结构包括压电单晶基片、第一层叉指换能器、二氧化硅层和第二层叉指换能器；

所述第一层叉指换能器设置在所述压电单晶基片上，所述二氧化硅层设置在所述压电单晶基片上并覆盖所述第一层叉指换能器的相邻叉指间隙，所述第二层叉指换能器设置在所述二氧化硅层上，所述第二层叉指换能器的线宽与所述第一层叉指换能器的线宽相同，且所述第二层叉指换能器的相邻叉指间隙与所述第一层叉指换能器的相邻叉指间隙相同；所述第二层叉指换能器与所述第一层叉指换能器交错设置，所述第二层叉指换能器的每个叉指电极在竖直方向上位于所述第一层叉指换能器的相邻两个叉指电极之间的相邻叉指间隙的正上方且与相邻两个叉指电极之间的距离相同，所述第一层叉指换能器的每个叉指电极在竖直方向上位于所述第二层叉指换能器的相邻两个叉指电极之间的相邻叉指间隙的正下方且与相邻两个叉指电极之间的距离相同；所述第一层叉指换能器的电极焊盘接地，所述第二层叉指换能器的电极焊盘接输入信号，或者，所述第一层叉指换能器的电极焊盘接输入信号，所述第二层叉指换能器的电极焊盘接地。

2.根据权利要求1所述的结构，其特征在于，每层叉指换能器的线宽为100nm-5μm，每层叉指换能器的相邻叉指间隙为100nm-5μm。

3.根据权利要求1所述的结构，其特征在于，每层叉指换能器包括金属打底层和金属主体层，所述金属主体层设置在所述金属打底层上。

4.根据权利要求3所述的结构，其特征在于，所述金属打底层的金属包括Ti、Ni、Cr中的至少一种，所述金属打底层的厚度为1nm-30nm；所述金属主体层的金属包括Al、Cu、Pt、Ag中的至少一种,所述金属主体层的厚度为2nm-200nm。

5.根据权利要求1所述的结构，其特征在于，所述二氧化硅层的厚度为2nm-40μm，并且所述二氧化硅层的厚度大于等于所述第一层叉指换能器的厚度。

6.根据权利要求1所述的结构，其特征在于，所述压电单晶基片的切向任意并且材质为钽酸锂或铌酸锂，所述压电单晶基片的切向包括但不限于15°YX-铌酸锂、YZ-铌酸锂、42°YX-钽酸锂。

7.一种分层式电极的声表面波滤波器的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括：

步骤1、获取压电单晶基片并清洗表面；

步骤2、利用光刻技术和电子束蒸镀方法，在所述压电单晶基片上制备第一层叉指换能器；

步骤3、利用磁控溅射方法，在所述压电单晶基片上制备二氧化硅薄膜，所述二氧化硅薄膜覆盖所述第一层叉指换能器及所述第一层叉指换能器的相邻叉指间隙；

步骤4、利用化学机械抛光方法对所述二氧化硅薄膜的表面进行处理得到二氧化硅层，所述二氧化硅层的厚度大于等于所述第一层叉指换能器的厚度且所述二氧化硅层覆盖所述第一层叉指换能器的相邻叉指间隙；

步骤5、利用光刻技术和电子束蒸镀方法，在所述二氧化硅层上制备第二层叉指换能器，所述第二层叉指换能器的线宽与所述第一层叉指换能器的线宽相同，且所述第二层叉指换能器的相邻叉指间隙与所述第一层叉指换能器的相邻叉指间隙相同；所述第二层叉指换能器与所述第一层叉指换能器交错设置，所述第二层叉指换能器的每个叉指电极在竖直方向上位于所述第一层叉指换能器的相邻两个叉指电极之间的相邻叉指间隙的正上方且与相邻两个叉指电极之间的距离相同，所述第一层叉指换能器的每个叉指电极在竖直方向上位于所述第二层叉指换能器的相邻两个叉指电极之间的相邻叉指间隙的正下方且与相邻两个叉指电极之间的距离相同。

8.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，当所述二氧化硅层的厚度等于所述第一层叉指换能器的厚度时，在步骤4中对所述二氧化硅薄膜的表面进行处理时，打磨至将所述第一层叉指换能器的电极焊盘刚好露出为止。

9.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，当所述二氧化硅层的厚度大于所述第一层叉指换能器的厚度时，在步骤5之后还包括：利用光刻技术刻蚀所述二氧化硅层将所述第一层叉指换能器的电极焊盘外露。