CN111555733A - 一种兰姆波谐振器结构及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种兰姆波谐振器结构，包括衬底、单晶薄板以及叉指电极，所述衬底上表面具有具有空气腔，所述单晶薄板覆盖在所述衬底上并密封住所述空气腔，所述单晶薄板上表面设有叉指电极。采用表面空腔牺牲层结构，避免体硅工艺的可靠性问题，相比传统的SAW滤波器频率更高、机电耦合系数更高、功率容量更好；相比BAW‑FBAR滤波器，可实现的相对带宽更宽，可达10％以上。该技术可应用于目前的X‑BAR技术。
Description
技术领域
本发明涉及通信设备领域，具体涉及一种兰姆波谐振器结构及其制备方法。
背景技术
射频前端是通信中重要的信号处理部分，滤波器作为射频前端的核心元器件，其性能关系整个系统的性能好坏。SAW/BAW滤波器由于体积小、选择性好、成本低的压倒性优势，在2G、2.5G、3G、4G-LTE等传统网络的射频前端中，已经处于无可撼动地位。但是随着5G技术的发展，频段数目的增加，3.5GHz以上高频频段已经大幅度使用，传统的SAW滤波器声速为4000m/s，直接限制了其应用频率在3GHz以内。要实现该频段的滤波器，需要采用0.25μm以下的光刻工艺制作，其功率容量、信号带宽、插入损耗等已经不能满足5G用高频、高功率的要求；同时可以采用与半导体工艺兼容的硅材料作为衬底，未来有望于半导体集成。采用BAW/FBAR技术制作的滤波器能够满足高频、高功率的要求，但BAW/FBAR的带宽限制在4％以内，且成本较高，迫切需要成本更低、性能更好的滤波器满足5G射频前端的要求。而谐振器作为滤波器的基本组成单元，直接决定了滤波器的性能，因此需要寻找性能更好、成本更低、带宽更宽、功率容量更高的谐振器作为前提。
同时对于5G射频前端的多频段需求，另一个解决方案是采用可调滤波器来实现多频段的切换，而制作可调滤波器的前提是实现高频、大机电耦合系数、高Q值的谐振器。
通常的兰姆波谐振器一种方法是采用压电薄膜作为材料，相比压电单晶体材料，Q值较低，性能较差；另一种方法是采用单晶薄板材料作为振动薄膜，采用体硅工艺，从基体背面移除大部分体材料实现空腔结构，可靠性较差。
本发明提出一种全新的谐振器结构，由于采用铌酸锂或者钽酸锂单晶薄板材料，其声速可达14000m/s以上，同时采用表面空腔牺牲层结构，避免体硅工艺的可靠性问题，相比传统的SAW滤波器频率更高、机电耦合系数更高、功率容量更好；相比BAW-FBAR滤波器，可实现的相对带宽更宽，可达10％以上；相比通常的兰姆波谐振器，由于其采用优良的单晶材料，谐振器Q值及机电耦合系数更好。该技术可应用于目前的X-BAR技术。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种兰姆波谐振器结构及其制备方法。
本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种兰姆波谐振器结构，包括衬底、单晶薄板以及叉指电极，所述衬底上表面具有空气腔，所述单晶薄板覆盖在所述衬底上并密封住所述空气腔，所述单晶薄板上表面设有所述叉指电极。
本发明的有益效果是：整个谐振器的工作方式是，当IDT上加上一定频率的交变电压后，该频率会与基板的固有频率发生共振，产生兰姆波，从而在外加交变电压的驱动下，基板形成与外加电压频率一致的受迫振动；由于薄板上、下层为空气，阻抗为0，因而声波被上下界面来回发射，形成谐振器。采用表面空腔牺牲层结构，避免体硅工艺的可靠性问题，相比传统的SAW滤波器频率更高、机电耦合系数更高、功率容量更好；相比BAW-FBAR滤波器，可实现的相对带宽更宽，可达10％以上。该技术可应用于目前的X-BAR技术。
在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进：
进一步，还包括过渡层，所述过渡层夹设于所述衬底和所述单晶薄板之间。
采用上述进一步方案的有益效果是添加过渡层使得衬底和单晶薄板更好的配合，起到缓冲过渡的作用。
进一步，所述单晶薄板材料由铌酸锂或者钽酸锂单晶薄板材料制成。
采用上述进一步方案的有益效果是由于采用铌酸锂或者钽酸锂单晶薄板材料，其声速可达14000m/s以上，同时采用表面空腔牺牲层结构，避免体硅工艺的可靠性问题，相比传统的SAW滤波器频率更高、机电耦合系数更高、功率容量更好；相比BAW-FBAR滤波器，可实现的相对带宽更宽，可达10％以上；相比通常的兰姆波谐振器，由于其采用优良的单晶材料，谐振器Q值及机电耦合系数更好。该技术可应用于目前的X-BAR技术。
进一步，所述衬底由硅、二氧化硅、氮化硅、氮化铝、碳化硅、三氧化二铝、砷化镓、氮化镓中一种或者多种材料制成。
进一步，所述叉指换能器的线条宽度为0.25-5微米，所述叉指换能器通过切指加权处理。
进一步，所述单晶薄板厚度为0.05-5μm，所述单晶薄板上下表面粗糙度在1nm以内。
本发明还涉及一种所述兰姆波谐振器结构的制备方法，包括以下步骤：步骤1：清洗单晶材料基板，得到清洁单晶材料基板；在衬底上表面刻蚀凹槽并在凹槽内填充牺牲层，得到带有所述牺牲层的所述衬底，抛光带有所述牺牲层的所述衬底，得到抛光后衬底，在所述抛光后衬底上表面生长一层过渡层用于缓冲过渡；步骤2：将所述单晶材料基板与所述过渡层晶晶键合；步骤3：对所述单晶材料基板进行处理得到单晶薄板，在所述衬底上表面只留下所述单晶薄板；步骤4：释放所述牺牲层，得到空气腔；步骤5：在所述单晶薄板上表面制作叉指电极。
采用上述进一步方案的有益效果是现有技术单晶薄板的制成是在基体上进行生长或沉积，本发明从单晶体材料上直接获取，能够得到性质更佳的单晶薄板，从而极大的提升了谐振器结构的性能。
进一步，对所述单晶材料基板进行减薄并抛光处理得到所述单晶薄板。
采用上述进一步方案的有益效果是提供一种从单晶体材料上获得单晶薄板的方式。
进一步，所述步骤1中，得到清洁单晶材料基板之后，在所述清洁单晶材料基板上形成单晶薄板；所述步骤2中，将清洁单晶材料基板上的所述单晶薄板与所述过渡层晶晶键合；所述步骤3中，对所述单晶材料基板处理为去除掉所述单晶材料基板。
采用上述进一步方案的有益效果是提供一种从单晶体材料上获得单晶薄板的方式。
附图说明
图1为本发明高频单晶薄板兰姆波谐振器结构示意图；
图2为本发明空气腔制作流程示意图；
图3为本发明先离子注入，后键合制备方式流程图；
图4为本发明先键合、后减薄制备方式流程图；
图5为普通叉指换能器结构示意图；
图6为加权叉指换能器结构示意图；
图7为谐振器的阻抗特性示意图；
图8为仿真结果示意图。
附图中，各标号所代表的部件列表如下：
1、衬底，2、单晶薄板，3、空气腔，4、叉指电极，5、牺牲层，6、单晶材料基板，7、过渡层。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
本发明提出一种高频单晶薄板兰姆波谐振器结构及制作方法，其基本结构包括衬底、空气腔、单晶薄板、叉指换能器(I DT)等几个部分组成(如图1所示)。整个谐振器的工作方式是，当IDT上加上一定频率的交变电压后，该频率会与基板的固有频率发生共振，产生兰姆波，从而在外加交变电压的驱动下，基板形成与外加电压频率一致的受迫振动；由于薄板上、下层为空气，阻抗为0，因而声波被上下界面来回发射，形成谐振器。如单晶薄板和衬底配合不完全则加上过渡层，使得各部分更好的配合(如图2所示)。
实施例1
一种兰姆波谐振器结构，包括衬底1、单晶薄板2以及叉指电极4，所述衬底1上表面具有空气腔3，所述单晶薄板2覆盖在所述衬底1上并密封住所述空气腔3，所述单晶薄板2上表面设有所述叉指电极4。
作为本实施例进一步的方案，还包括过渡层7，所述过渡层7夹设于所述衬底1和所述单晶薄板2之间。
所述单晶薄板2材料由铌酸锂单晶薄板材料制成；所述衬底1由硅制成；所述叉指电极4的线条宽度为0.25微米,所述叉指电极4通过切指加权处理；所述单晶薄板2厚度为0.05μm，所述单晶薄板2上下表面粗糙度为0.9nm。
上述谐振器结构制备方式如下(流程图如图5)，
步骤1：清洗单晶材料基板6，得到清洁单晶材料基板6；在衬底1上表面刻蚀凹槽并在凹槽内填充牺牲层5，得到带有所述牺牲层5的所述衬底1，机械抛光带有所述牺牲层5的所述衬底1，得到抛光后衬底1，在所述抛光后衬底1上表面生长一层过渡层7用于缓冲过渡；
步骤2：将所述单晶材料基板6与所述过渡层7晶晶键合；
步骤3：对所述单晶材料基板进行减薄并抛光处理得到单晶薄板，在所述衬底1上表面只留下所述单晶薄板2；
步骤4：释放所述牺牲层5，得到空气腔3；
步骤5：在所述单晶薄板2上表面制作叉指电极4。
实施例2
一种兰姆波谐振器结构，包括衬底1、单晶薄板2以及叉指电极4，所述衬底1上表面具有空气腔3，所述单晶薄板2覆盖在所述衬底1上并密封住所述空气腔3，所述单晶薄板2上表面设有所述叉指电极4。
作为本实施例进一步的方案，还包括过渡层7，所述过渡层7夹设于所述衬底1和所述单晶薄板2之间。
所述单晶薄板2材料由钽酸锂单晶薄板材料制成；所述衬底1由硅和二氧化硅制成，在硅材料的表面制作二氧化硅层；所述叉指电极4的线条宽度为5微米,所述叉指电极4通过切指加权处理；所述单晶薄板2厚度为5μm，所述单晶薄板2上下表面粗糙度为0.5nm。
上述谐振器结构制备方式如下(流程图如图4)，
步骤1：清洗单晶材料基板6，得到清洁单晶材料基板6，在所述清洁单晶材料基板6上采用离子注入的方法形成单晶薄板2；在衬底1上表面刻蚀凹槽并在凹槽内填充牺牲层5，得到带有牺牲层5的衬底1，化学抛光所述带有牺牲层5的衬底，得到抛光后衬底1，在所述抛光后衬底1上表面生长一层过渡层7用于缓冲过渡；
步骤2：将所述清洁单晶材料基板6上的所述单晶薄板2与所述过渡层7晶晶键合；
步骤3：去除掉所述单晶材料基板6，在所述衬底1上表面只留下所述单晶薄板2；
步骤4：释放所述牺牲层5，得到空气腔3；
步骤5：在所述单晶薄板2上表面制作叉指电极4。
上述单晶薄板也可为单晶薄膜。
选用周期为2.5微米的叉指换能器结构，最细线宽为0.6微米，仿真了厚度为0.375微米的Z-Y切铌酸锂薄板典型性能，其仿真性能如图8所示，可以看出谐振器的谐振频率和反谐振频率为5.657GHz和6.105GHz左右，可以计算出Z-X切切铌酸锂中A1模态的兰姆波声速可达14000m/s，机电耦合系数可达7.9％，谐振频率和反谐振频率的Q值Qr和Qa分别为856、1007。相比该频段其他方法，频率大幅提高、谐振器Q值大幅度提升。充分证明了该方法的有效性。
各个部分的制作方法及关键技术再做说明如下。
衬底：
考虑到工艺与半导体兼容，并且未来实现单片集成，衬底可采用硅作为衬底；也可以起到温度补偿功能，采用表面制作了二氧化硅层的硅材料作为衬底。除此之外也可以有其他考虑，但应不限于硅、二氧化硅、氮化硅、碳化硅、氮化铝、三氧化二铝、砷化镓、氮化镓等及其复合材料。
空气腔：
空气腔采用牺牲层工艺制作，现在表面刻蚀出凹槽，然后通过填充牺牲层材料，经过表面化学机械抛光，实现表面的平整度要求，最后在制作完整个结构后，采用化学方法移除(流程如图3所示)。
叉指换能器(I DT)：
叉指换能器采用如图6所示结构，采用交叉排列的指条阵列，线条控制在0.25-5微米，为保证良好的杂波抑制，可采用一定的切指加权结构(如图7所示)。
单晶薄板：
1、厚度
单晶薄板是单晶材料制作的亚微米薄板，根据频率不同厚度不同，频率越高，厚度越薄，但总体厚度限制在0-5μm以内。
2、表面情况
保证正反面抛光或者具有一定的平整度要求，上下表面粗糙度控制在1nm以内；
3、材料选取：
为保证高声速、高机电耦合系数，可选用铌酸锂材料，其兰姆波声速较高，通常在10000m/s以上，机电耦合系数可达7％-30％。但不限于这两种切型，可以是欧拉角为任意切型的铌酸锂单晶材料。
为保证高性能的要求，也可选用欧拉角为任意切型的钽酸锂单晶材料。
4、制作方法
a)先离子注入，后键合(如图4)
1)单晶材料清洗
2)采用离子注入的方法，在单晶表面形成一层单晶薄膜/薄板待用；
3)将抛光后带有牺牲层的衬底，生长一层适合与单晶基板键合的过渡层作为缓冲过渡；
4)将第2)步形成单晶材料与第3)步形成的复合材料进行晶晶键合；
5)退火后取出大部分的单晶材料，上表面只留下单晶薄膜/薄板；
6)牺牲层释放，得到空腔结构；
7)在表面制作叉指换能器。
b)先键合、后减薄(如图5)
1)单晶材料清洗
2)将抛光后带有牺牲层的衬底，生长一层适合与单晶基板键合的过渡层作为缓冲过渡；
4)将第1)步形成单晶材料与第2)步形成的复合材料进行晶晶键合；
5)对上表面的单晶材料进行减薄，并进行化学机械抛光，上表面只留下满足厚度要求的单晶薄膜/薄板；
6)牺牲层释放，得到空腔结构；
7)在表面制作叉指换能器。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，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 (9)
1.一种兰姆波谐振器结构，其特征在于，包括衬底(1)、单晶薄板(2)以及叉指电极(4)，所述衬底(1)上表面具有空气腔(3)，所述单晶薄板(2)覆盖在所述衬底(1)上并密封住所述空气腔(3)，所述单晶薄板(2)上表面设有所述叉指电极(4)。
2.根据权利要求1所述一种兰姆波谐振器结构，其特征在于，还包括过渡层(7)，所述过渡层(7)夹设于所述衬底(1)和所述单晶薄板(2)之间。
3.根据权利要求1-2任一项所述一种兰姆波谐振器结构，其特征在于，所述单晶薄板(2)材料由铌酸锂或者钽酸锂单晶薄板材料制成。
4.根据权利要求1-2任一项所述一种兰姆波谐振器结构，其特征在于，所述衬底(1)由硅、二氧化硅、氮化硅、碳化硅、氮化铝、三氧化二铝、砷化镓、氮化镓中一种或者多种材料制成。
5.根据权利要求1-2任一项所述一种兰姆波谐振器结构，其特征在于，所述叉指电极(4)的线条宽度为0.25-5微米,所述叉指电极(4)通过切指加权处理。
6.根据权利要求1-2任一项所述一种兰姆波谐振器结构，其特征在于，所述单晶薄板(2)厚度为0.05-5μm，所述单晶薄板(2)上下表面粗糙度在1nm以内。
7.一种如权利要求2-6任一项所述兰姆波谐振器结构的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：清洗单晶材料基板(6)，得到清洁单晶材料基板(6)；在衬底(1)上表面刻蚀凹槽并在凹槽内填充牺牲层(5)，得到带有所述牺牲层(5)的所述衬底(1)，抛光带有所述牺牲层(5)的所述衬底(1)，得到抛光后衬底(1)，在所述抛光后衬底(1)上表面生长一层过渡层(7)用于缓冲过渡；
步骤2：将所述单晶材料基板(6)与所述过渡层(7)晶晶键合；
步骤3：对所述单晶材料基板(6)进行处理得到单晶薄板(2)，在所述衬底(1)上表面只留下所述单晶薄板(2)；
步骤4：释放所述牺牲层(5)，得到空气腔(3)；
步骤5：在所述单晶薄板(2)上表面制作叉指电极(4)。
8.根据权利要求7所述一种兰姆波谐振器结构，其特征在于，对所述单晶材料基板(6)进行减薄并抛光处理得到所述单晶薄板(2)。
9.根据权利要求7所述一种兰姆波谐振器结构，其特征在于，所述步骤1中，得到清洁单晶材料基板(6)之后，在所述清洁单晶材料基板(6)上形成单晶薄板(2)；所述步骤2中，将清洁单晶材料基板(6)上的所述单晶薄板(2)与所述过渡层(7)晶晶键合；所述步骤3中，对所述单晶材料基板(6)处理为去除掉所述单晶材料基板(6)。
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