CN111697943A - 一种高频高耦合系数压电薄膜体声波谐振器 - Google Patents
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Abstract
本发明属于射频微机电系统技术领域，具体提供一种高频高耦合系数的压电薄膜体声波谐振器，用以克服现有谐振器单元的耦合系数小的缺点；具体包括：硅基衬底，以及硅基衬底上依次层叠设置的底层质量加载薄膜、压电薄膜及叉指换能器，叉指换能器的相邻电极指条之间均设置有顶层栅条状质量块，顶层栅条状质量块的长边与电极指条平行、短边与电极指条的悬空端平齐。本发明通过质量加载结构有效提高谐振器的耦合系数和Q值，减少杂散损耗，使之适用于做成宽带滤波器；同时，由于采用加载质量块结构，提升了谐振体的散热性能；另外，顶层质量块的长度能够匹配电极指条采用长度渐变以及类似伪电极的结构，进而有效抑制谐振器的横向模态。
Description
技术领域
本发明属于射频微机电系统技术领域，具体涉及一种高频高耦合系数的压电薄膜体声波谐振器。
背景技术
随着5G通信的普及，海量数据以及实时高速传输成为了未来通信系统最主要的用户需求；根据香农通信理论，高速通信网络的实现必须增加信道带宽，因此射频前端的宽带技术逐渐成为限制基站和智能终端等通信硬件发展的技术瓶颈。
体声波谐振器利用电-声-电换能原理，结构尺寸十分小；通过声学滤波器的串并联可以实现具有低插损、高矩形系数的射频滤波器；目前，这种声学滤波器是射频前端集成模块中所采用的主流技术。滤波器的宽带性能取决于谐振器单元的耦合系数，但是传统的高频谐振器采用基于钽酸锂的声表面波(Surface Acoustic Wave，SAW)架构，或者固态组装(Solid Mounted Resonator，SMR)的体声波架构，等效耦合系数
通常小于10％。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术中的上述不足，提出一种高频高耦合系数压电薄膜体声波谐振器及其制备方法；本发明基于质量加载结构，抑制杂散模态效果良好，有效提升谐振器的耦合系数与品质因素，质量块使用质量密度大、弹性系数高、低介电常数的材料，将主模能量最大效率地激发，同时增强了可靠性能和散热性能。
为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案为：
一种高频高耦合系数压电薄膜体声波谐振器，包括：硅基衬底1，以及硅基衬底上依次层叠设置的底层质量加载薄膜2、压电薄膜3及叉指换能器；其特征在于，所述叉指换能器的相邻电极指条之间均设置有顶层栅条状质量块7，所述顶层栅条状质量块的长边与电极指条平行、且与相邻电极指条保持相同间距，所述顶层栅条状质量块的短边与电极指条的悬空端平齐。
进一步的，所述叉指换能器由由输入电极5与输出电极6中心对称形成，所述输入电极5与输出电极6的电极指条的长度采用均等或渐变形式。
进一步的，所述底层质量加载薄膜2通过刻蚀，形成与顶层栅条状质量块7上下对称的底层栅条状质量块；即所述底层质量加载薄膜2替换为底层栅条状质量块9，所述底层栅条状质量块9与顶层栅条状质量块7上下对称。
进一步的，所述叉指电极采用的金属薄膜材料为铝、金、银、铜、钼、钨中的任意一种。
进一步的，所述质量块采用的薄膜材料要求介电常数低、弹性系数大，采用人工合成金刚石薄膜、立方氮化硼、掺碳氧化硅等。
进一步的，所述压电薄膜采用铌酸锂(LiNbO3)或钽酸锂(LiTaO3)材料，其切型选择ZX-cut或128°YX-cut晶圆。
本发明的工作原理在于：
本发明提供的具有质量加载结构的体声波谐振器，该体声波谐振器呈周期性结构，针对由两条相邻电极指条、长度与两条相邻电极指条交叉重叠部分相等的质量块构成的单元结构，经过结构近似与理论推导后，单元结构的导纳响应Y近似表示为：
其中，v表示激励电压，ω表示角频率，q表示电荷，c0表示静态电容，ωr表示谐振频率，k2表示压电薄膜的耦合系数；
可知反谐振频率ωa：ωa＝ωr(1+k2)0.5，进而得到相对带宽BW：BW＝(ωa-ωr)/ωr；
将本发明具有质量加载结构的体声波谐振器与传统体声波谐振器的相对带宽与耦合系数k2的变化曲线如图17所示；可以看出，本发明具有质量加载结构的体声波谐振器结构与传统体声波谐振器结构相比，相对带宽得到明显提升(在k2＝0.8时，提升约10％)；相对带宽的提升即能够带来体声波谐振器机电耦合性能的提升；
通常情况下，由于除了传播方向和平行于电极的方向之外，应变S4在压电薄膜厚度方向上是均匀的，则所有电场均对波的激发都做出贡献；因此，任何类型的场不均匀都会导致有效耦合系数的减小；而在本发明中，添加质量块后，能够减小谐振体的形变量，使电场的分布更加均匀，即能够提高谐振器的耦合系数和Q值，减少杂散损耗，适用于做成宽带滤波器；
同时，由于采用加载质量块结构，提升了谐振体的散热性能；如金刚石的声速高达10000m/s，有效地传导热量，在33dBm输入功率下，仍然保持较高的频率稳定性；
更进一步的，位于压电薄膜下方的质量块薄膜同样刻蚀成栅条状，与顶层质量块对称，此时结构的对称性更高，能够减少由于结构不对称产生的散射波；并且，顶层质量块的长度能够配合电极指条采用长度渐变以及类似伪电极的结构，采用此结构能够有效抑制谐振器的横向模态，避免横向模态作为声波器件中很重要的一类杂散模所带来的降低谐振器的Q值及影响主模机电耦合性能的影响。
综上所述，本发明的有益效果在于：提供一种高频高耦合系数压电薄膜体声波谐振器，通过质量加载结构，有效抑制杂散模态效果，显著提升谐振器的耦合系数与品质因素，同时增强了可靠性和散热性能。
附图说明
图1为本发明实施例1中具有质量加载结构的体声波谐振器三维示意图；
图2为本发明实施例1中具有质量加载结构的体声波谐振器俯视图；
图3为本发明实施例1中具有质量加载结构的体声波谐振器剖面图；
图4为本发明实施例1中具有质量加载结构的体声波谐振器淀积人工合成质量加载薄膜后的剖视图；
图5为本发明实施例1中具有质量加载结构的体声波谐振器制备过程中使用He+注入方法处理铌酸锂晶片的剖面示意图；
图6为本发明实施例1中具有质量加载结构的体声波谐振器制备过程中铌酸锂晶片与质量加载薄膜键合的剖面示意图；
图7为本发明实施例1中具有质量加载结构的体声波谐振器制备过程中通过热处理的手段使注入的离子He+形成He2气体，铌酸锂晶片剥离的剖面示意图；
图8为本发明实施例1中具有质量加载结构的体声波谐振器制备过程中通过光刻定义叉指电极图形、溅射金属薄膜、Lift-off工艺得到金属图形后的剖面示意图；
图9为本发明实施例1中具有质量加载结构的体声波谐振器制备过程中通过光刻定义质量块图形、淀积表层质量块后的剖面示意图；
图10为本发明实施例1中具有质量加载结构的体声波谐振器制备过程中在顶层旋涂光刻胶保护膜的剖面示意图；
图11为本发明实施例1中具有质量加载结构的体声波谐振器制备过程中对背部的衬底硅刻蚀的剖面示意图；
图12为本发明实施例1中具有质量加载结构的体声波谐振器溅射图形化金属电极后的俯视图；
图13为本发明实施例1中具有质量加载结构的体声波谐振器经过背部体硅刻蚀后的背面视图；
图14为本发明实施例2中底部质量块具有栅条结构形状的具有质量加载结构的体声波谐振器的剖面图；
图15为本发明实施例2中具有质量加载结构的体声波谐振器经过背部质量块刻蚀的背面视图；
图16为本发明实施例3中顶层质量块长度渐变的具有质量加载结构的体声波谐振器的俯视图；
其中，1为衬底/基底，2为底层质量加载薄膜，3为压电薄膜，4为He+注入后的压电层，5为叉指换能器的输入端，6为叉指换能器的输出端，7为顶层栅条状质量块，8为光刻胶，9为底层栅条状质量块，10为顶层质量块经过渐变后的结构，11为顶层的金属电极长度经过渐变后的结构电极，12为焊盘(输入信号测试点)，13为焊盘(输出信号测试点)，14为封装地线。
图17为本发明具有质量加载结构的体声波谐振器与传统体声波谐振器的相对带宽与耦合系数的变化曲线。
具体实施方式
下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。
实施例1
本实施例提供一种高频高耦合系数压电薄膜体声波谐振器，其结构三维示意图如图1所示、俯视图如图2所示、剖面图如图3所示；包括：带有绝缘二氧化硅的硅基衬底、用于激发横向电场的叉指换能器、悬空的自由振动的压电薄膜谐振体；具体包括：从下往上依次层叠设置的硅基衬底1、底层质量加载薄膜2、压电薄膜3及叉指换能器，所述叉指换能器由输入电极5与输出电极6镜像对称形成；所述硅基衬底1通过刻蚀形成空腔结构；
所述输入电极5与输出电极6的电极指条的长度均相等；所述叉指换能器的相邻电极指条之间均设置有宽度、长度相同的顶层栅条状质量块7，所述顶层栅条状质量块7的上下边界(即短边)与电极指条的悬空端平齐、左右边界(即长边)与电极指条保持相同间距。
上述高频高耦合系数压电薄膜体声波谐振器的制备方法包括如下步骤：
步骤1：在硅衬底上淀积底层质量加载薄膜，如图4所示；
步骤2：采用He+注入方法处理铌酸锂晶片，如图5所示；
步骤3：铌酸锂晶片与底层质量加载薄膜键合，如图6所示；
步骤4：通过热处理的手段使注入的离子He+形成He2气体，铌酸锂晶片剥离得到铌酸锂薄膜(压电薄膜)，如图7所示；
步骤5：通过光刻定义叉指电极图形、溅射金属薄膜、Lift-off工艺得到金属图形，如图8、图12所示；
步骤6：通过光刻定义所述的表面质量块图形、淀积顶层质量块，如图9、图2所示；
步骤7：上表面旋涂光刻胶8作为保护层，如图10所示；
步骤8：背部的衬底硅使用XeF2进行ICP刻蚀，形成空腔，如图11、图13所示；
步骤9：释放表面的光刻胶8，然后进行空气层流干燥，如图3所示。
实施例2
本实施例提供一种高频高耦合系数压电薄膜体声波谐振器，其结构剖面图如图14所示、背面视图如图15所示，其同样具有质量加载结构，其与实施例1的唯一区别在于，所述底层质量加载薄膜2通过刻蚀，形成与顶层栅条状质量块7上下对称的底层栅条状质量块9；此结构对称性最高，能够有效减少由于结构不对称产生的散射波。
实施例3
本实施例提供一种高频高耦合系数压电薄膜体声波谐振器，其结构俯视图如图16所示，其同样具有质量加载结构，其与实施例1的唯一区别在于，所述构成叉指换能器的输入电极5与输出电极6的电极指条长度采用渐变形式，由中心向两侧等幅度变短；于此同时，所述顶层栅条状质量块7的上下边界(即短边)仍然保持与电极指条的悬空端平齐，故顶层栅条状质量块7的长度同样采用由中心向两侧等幅度变短的渐变形式。
采用本实施例中结构是为了抑制谐振器的横向模态，横向模态是声波器件中很重要的一类杂散模，不仅降低谐振器的Q值，还会影响主模的机电耦合性能。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，本说明书中所公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换；所公开的所有特征、或所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以任何方式组合。
Claims (6)
1.一种高频高耦合系数压电薄膜体声波谐振器，包括：硅基衬底(1)，以及硅基衬底上依次层叠设置的底层质量加载薄膜(2)、压电薄膜(3)及叉指换能器；其特征在于，所述叉指换能器的相邻电极指条之间均设置有顶层栅条状质量块(7)，所述顶层栅条状质量块的长边与电极指条平行、且与相邻电极指条保持相同间距，所述顶层栅条状质量块的短边与电极指条的悬空端平齐。
2.按权利要求1所述高频高耦合系数压电薄膜体声波谐振器，其特征在于，所述叉指换能器由由输入电极(5)与输出电极(6)中心对称形成，所述输入电极与输出电极的电极指条的长度采用均等或渐变形式。
3.按权利要求1所述高频高耦合系数压电薄膜体声波谐振器，其特征在于，所述底层质量加载薄膜2替换为底层栅条状质量块(9)，所述底层栅条状质量块(9)与顶层栅条状质量块(7)上下对称。
4.按权利要求1所述高频高耦合系数压电薄膜体声波谐振器，其特征在于，所述叉指电极采用的金属薄膜材料为铝、金、银、铜、钼、钨中的任意一种。
5.按权利要求1所述高频高耦合系数压电薄膜体声波谐振器，其特征在于，所述质量块采用人工合成金刚石薄膜、立方氮化硼或掺碳氧化硅。
6.按权利要求1所述高频高耦合系数压电薄膜体声波谐振器，其特征在于，所述压电薄膜采用铌酸锂(LiNbO3)或钽酸锂(LiTaO3)材料，其切型选择ZX-cut或128°YX-cut晶圆。
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