CN111934644A - 叉指电极结构及其制造方法和具有该结构的声表面波器件 - Google Patents

Abstract

公开了一种叉指电极结构，叉指电极结构被设置在衬底上，其中叉指电极结构中的叉指电极的末端被离子注入以形成掺杂部。还公开了一种声表面波器件，其包括以上叉指电极结构，声表面波器件为滤波器或谐振器。另外，还公开了一种用于制造叉指电极结构的方法，包括制备具有压电层的衬底；在衬底上制作叉指电极；以及对叉指电极进行离子注入以在叉指电极的末端形成掺杂部。通过在叉指电极末端进行离子注入形成掺杂部，在不变剂加权、不调整叉指电极厚度等前提下改善了电极末端的电场梯度变化，抑制寄生振荡，最终提升声表面波器件的性能。

Description

叉指电极结构及其制造方法和具有该结构的声表面波器件

技术领域

本申请实施例涉及通信器件领域，具体涉及一种叉指电极结构及其制造方法和具有该结构的声表面波器件。

背景技术

近年来，移动通信的高速发展及对SAW器件的需求量越来越大，SAW器件是无线、纯无源器件，具有插入损耗低、带外抑制高、镜像衰减高、承载功率高、成本低以及小型化或微型化等优势。随着半导体工艺不断改进，SAW器件的工作频率从10MHz延伸到3GHz的范围。使得SAW在车辆交通管理、生物医药、工业自动化、智能电网、军火危险品的清点、环境检测等领域具有广泛应用。

SAW器件采用半导体集成电路的工艺，在压电材料的基片上，蒸镀一定厚度的金属膜，结合光刻工艺并采用设计好的掩膜图案，使接收与发射端IDT结构沉积在基片上。其工作原理是：发射IDT可以通过逆压电效应，将电信号转换成声信号，而输出IDT再通过压电效应将接收到的声信号变成电信号将之输出，整个工作的过程也就是声电转换的过程。然而，在叉指电极的边缘位置往往是电场梯度变化最为强烈的地方，变化强烈的地方可等效为一个独立的声波激发源，声波激发源可引发寄生振荡。

现有技术中的叉指电极结构若未作优化处理难以解决电场梯度变化引发的寄生振荡；为改善插入损耗而设计出带浮动电极的叉指电极结构；或变迹加权调节不同叉指间压电衬底对声波的激励强度，依加权函数对叉指精确加权以改善器件性能(如高Q值、频率响应性能、通带平坦、高带外抑制、低插入损耗等)；或进一步采用更为复杂的变迹加权叉指结构，使用Cu，Pt和Au等高比重金属作为电极的某一部分，达到改变声波传递模式的作用来减少不需要的谐振；又或者采用带piston结构的叉指电极结构，电极末端的piston同样可抑制saw的寄生振荡，材料一般为金属或者PI，凸出的piston会相对影响电极厚度，对器件的中心频率及带宽具有一定影响，以此来减少伪谐振，提高谐振器性能；还有部分使用高质量密度(如Au和Ag等)的材料制作叉指电极，也有一些在常用的Al电极表面形成Al氧化物，从而增加叉指电极的质量(相对于常用的Al或AlCu合金)，提升Saw器件设计自由度，提升工艺兼容性(削弱制程中叉指电极宽度变化而造成频率的明显变化)，提升反射层的反射比(抑制声表面波能量泄露或转化为纵波，也可在设计上减少反射层数量而减少器件尺寸)，以达到提高谐振器性能的目的。

现有技术中带piston结构的叉指电极结构插入损耗低，通带内波形平坦，频率响应较好。但是制作Piston结构对光刻工艺和蒸镀工艺要求很高，需要0.18um的光刻工艺。

发明内容

针对现有技术中的以上问题，本申请提出了一种叉指电极结构及其制造方法和具有该结构的声表面波器件。

根据本发明的一方面，提出了一种叉指电极结构，该叉指电极结构被设置在衬底上，其中叉指电极结构中的叉指电极的末端被离子注入以形成掺杂部。在叉指电极末端的离子注入形成掺杂部可以改善电极末端的电场梯度变化，抑制声波激发源引发的寄生振荡，可用于制作高性能的声表面波器件。

在一些实施例中，叉指电极包括电极本体以及覆盖在电极本体上的保护层，其中位于末端的电极本体和/或保护层被离子注入。在保护层上进行掺杂，可以达到和电极上掺杂相同的效果，还可以根据不同的产品要求对电极本体或者保护层进行离子注入，以达到更加细致的优化效果。

在一些实施例中，保护层为钝化层和/或温度补偿层。在钝化层和/或温度补偿层上进行掺杂，可以具有和电极上掺杂相同的效果，也可以避免对电极性能的影响。

在一些实施例中，离子注入中的离子为金属离子，选择金属离子的注入，可以避免电极的导电性受到严重削弱。

在一些实施例中，金属离子的质量大于电极本体的金属离子。选择质量更大的金属离子进行离子注入可以增加叉指电极的质量，提高声表面波器件的设计自由度和工艺兼容性，削弱了制程中叉指电极宽度变化造成的频率变化以达到提高声表面波器件性能的目的。

在一些实施例中，叉指电极结构包括多层叉指电极，并且多层叉指电极中的至少一层被离子注入形成掺杂部。凭借对多层叉指电极结构的不同金属层的掺杂，可以获得更加细致的优化效果。

在一些实施例中，叉指电极的边缘被离子注入以形成掺杂部。叉指电极边缘的电场梯度变化最为强烈，在该部位形成掺杂部可以有效地改善寄生振荡，同时也能弥补制程过程中因刻蚀或蒸镀等工艺引发的电极边缘缺陷所带来的Q值损耗。

根据本发明的第二方面，提出了一种声表面波器件，其包括上述的叉指电极结构，声表面波器件为滤波器或谐振器。包含上述掺杂的叉指电极结构的滤波器或谐振器可以抑制寄生振荡，使其具有高Q值、通带平坦和高带外抑制的性能。

根据本发明的第三方面，提出了一种用于制造叉指电极结构的方法，包括以下步骤：

S1，制备具有压电层的衬底；

S2，在衬底上制作叉指电极；以及

S3，对叉指电极进行离子注入以在叉指电极的末端形成掺杂部。

对叉指电极进行离子注入以在其末端形成掺杂部可以改善寄生振荡，能够有效提升声表面波器件的性能。

在一些实施例中，步骤S3具体包括以下子步骤：

S31，在衬底及叉指电极上制作掩膜，并且露出需要被离子注入的区域；

S32，对叉指电极进行离子注入；

S33，去除掩膜；以及

S34，制作覆盖叉指电极的保护层。

在一些实施例中，步骤S3具体包括以下子步骤：

S31’，在衬底及叉指电极上制作保护层；

S32’，在保护层上制作掩膜，并且露出需要被离子注入的区域；

S33’，对保护层进行离子注入；以及

S34’，去除掩膜。

上述两种工艺可在电极或保护层上进行离子注入，根据器件的要求进行不同工艺的离子注入，可以获得更加细致的优化效果。

在一些实施例中，步骤S3还包括以下步骤：

S35，在保护层上制作另一掩膜,并且露出需要被离子注入的区域；

S36，对保护层进行离子注入；

S37，去除另一掩膜。

利用此方法可以实现在保护层上掺杂以及电极上部分或全部掺杂的工艺，具体根据需要的器件性能进行注入工艺的选择，以达到更好的匹配效果。

在一些实施例中，需要被离子注入的区域包括叉指电极和/或保护层的末端区域。对叉指电极的末端区域进行离子注入可以改善电极末端声波激发源引发的寄生振荡，以提高器件的性能。

在一些实施例中，需要被离子注入的区域还包括叉指电极和/或保护层的边缘区域。对电极边缘进行离子注入，同样可以达到抑制寄生振荡的效果，同时也能弥补电极边缘缺陷所带来的Q值损耗。

在一些实施例中，在步骤S2和S3之间还包括以下步骤：

利用氩气离子对叉指电极的末端进行轰击以实现表面清洗。通过轰击可以清除致密氧化膜，避免离子注入向基体表面扩散而导致离子注入失败。

在一些实施例中，轰击的时间被控制在3分钟以内。轰击时间的设置可以避免过长的轰击时间导致电极表面粗糙。

根据本发明的第四方面，提出了一种利用上述的方法制作而成的声表面波器件，器件包括滤波器或谐振器。利用以上方法制作的声表面波器件可以抑制寄生振荡，提高Q值、频率响应性能提高，具有通带平坦、高带外抑制、低插入损耗、器件设计自由度高和工艺兼容性强的优点。

本发明是基于提升声表面波器件(例如滤波器或谐振器)的叉指电极的掺杂方法和结构，通过在电极的不同区域或不同层的不同区域进行掺杂，达到更加细致的优化效果，并通过精确的控制区域和浓度，来实现精准的效果，在电极保护层上进行掺杂亦可达到和电极上掺杂的相同效果，还可避免对电极的影响。采用离子注入的方式，无需改变叉指电极的厚度，即可获得改善电极末端的电场梯度变化，抑制寄生振荡，提升声表面波器件性能的效果。

附图说明

包括附图以提供对实施例的进一步理解并且附图被并入本说明书中并且构成本说明书的一部分。附图图示了实施例并且与描述一起用于解释本发明的原理。将容易认识到其它实施例和实施例的很多预期优点，因为通过引用以下详细描述，它们变得被更好地理解。附图的元件不一定是相互按照比例的。同样的附图标记指代对应的类似部件。

图1示出了根据本发明的一个实施例的叉指电极的俯视图；

图2示出了根据本发明的一个具体的实施例的叉指电极的剖面图；

图3示出了根据本发明的另一个具体的实施例的叉指电极的俯视图；

图4a-g示出了根据本发明的一个实施例的叉指电极结构的制作工艺流程图；

图5a-h示出了根据本发明的另一个实施例的叉指电极结构的制作工艺流程图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本申请作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释相关发明，而非对该发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与有关发明相关的部分。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。

图1示出了根据本发明的一个实施例的叉指电极的俯视图，图2示出了根据本发明的一个具体的实施例的叉指电极的剖面图，其中图2为根据图1中的虚线方向的剖面图。如图1和图2所示，叉指电极102设置于衬底101上，叉指电极102的表面形成有保护层103，其中，叉指电极102的末端被离子注入形成掺杂部104。利用离子注入的方式无需改变叉指电极102的厚度，抑制了叉指电极102的边缘位置因电场梯度变化引发的寄生振荡，可用于制作高性能的SAW器件，使其具有高Q值、通带平坦和高带外抑制的性能。

在具体的实施例中，掺杂部104的形成具体是通过高能量的离子注入来获得稳态或亚稳态合金层，注入的原子进入位错附近或固溶体产生固溶强化。其具有以下明显的特点：第一，溶质原子是通过高能量撞进金属晶格内，是一种非热平衡过程，不受热力学平衡条件的限制，原则上任何元素都可以注入任何基体金属材料中；第二，离子注入可以在室温真空下进行，不会引起零件的受热变形，极少发生氧化，能保持尺寸的精度；第三，注入到合金层中的原子分布可用理论计算得到，注入元素的种类、能量和剂量都可以选择，表面合金不受扩散和浓度的热力学限制；第四，注入层与基体材料之间没有清晰的界面，与基体结合牢固，不存在剥落或破裂问题；第五，离子注可通过控制电参量来精确控制注入离子的浓度分布。

在具体的实施例中，离子注入的离子为金属离子，金属离子的质量大于叉指电极102本体的金属离子，利用金属离子进行离子注入可以避免叉指电极102的导电性受到严重削弱。利用质量更大的金属离子可以增加叉指电极102的质量，可以提升SAW器件的设计自由度，提升工艺兼容性，提升反射层的反射比，进而达到提高谐振器性能的目的。

在具体的实施例中，保护层103可以为钝化层、温度补偿层或者调频层，具体的材质可以为SiO₂、BSG、Si₃N₄或AlN。离子注入时亦可以在保护层103上进行掺杂，可以获得和叉指电极102上掺杂相同的效果，也避免了对叉指电极102的影响。另外，应当认识到，在不同金属层构成的多层叉指电极中，可以根据需要在不同金属层的不同区域进行掺杂，以达到更加细致的优化效果。具体的掺杂区域可以根据产品的需要进行相应部位的离子注入。

在另一个具体的实施例中，图3示出的根据本发明的另一个具体的实施例的叉指电极的俯视图，如图3所示，还可以在叉指电极102边缘进行离子注入，以此来弥补因制程过程中刻蚀或蒸镀等工艺所引发的叉指电极102边缘缺陷的问题，且同样能够获得本发明中抑制寄生振荡的效果。

将上述叉指电极结构应用于声表面波器件中，例如谐振器或滤波器，可以实现抑制寄生振荡的效果，获得高Q值、通带平坦和高带外抑制的声表面波器件。

图4a-g示出了根据本发明的一个实施例的声表面波谐振器的制作工艺流程图。首先如图4a和4b所示，在衬底401上制作叉指电极402，其中，衬底401具有一定的压电特性，可以选择LiTaO₃或LiNbO₃等具有一定压电特性的材料；叉指电极402可以为Ti、Al、AlCu和Au等单层或复合金属层。如图4c，在不需要离子注入的区域制作掩膜405，保护该区域不被离子注入，其中，掩膜405的材料可选用光刻胶，便于在离子注入后进行去除。

继续参考图4d和4e所示，在叉指电极402末端进行离子注入以形成掺杂部404，具体的，注入的离子选择为金属离子，可以避免电极导电性受到严重削弱。还可以选择质量更大的金属离子进行离子注入，可以增加叉指电极402的质量，提升SAW器件的设计自由度，提升工艺兼容性，提升反射层的反射比，进而达到提高谐振器性能的目的。掺杂部404的形成不会改变叉指电极402的厚度，且能够改善电极末端的声波激发源所引发的寄生振荡，进而提高谐振器的性能。

如图4f和4g所示，将掩膜405去除，并在叉指电极402表面形成保护层403。其中，保护层403具体可以为钝化层、温度补偿层或者调频层，具体的材质可以为SiO₂、BSG、Si₃N₄或AlN。

图5a-h示出了根据本发明的另一个实施例的声表面波谐振器的制作工艺流程图。首先如图5a和5b所示，与上述图4中的工艺类似，在衬底501上制作叉指电极502，衬底501可以选择LiTaO₃或LiNbO₃等具有一定压电特性的材料；叉指电极502可以为Ti、Al、AlCu和Au等单层或复合金属层。如图5c，区别于图4c的工艺，先在叉指电极502上形成保护层503，保护层503具体可以为钝化层、温度补偿层或者调频层，具体的材质可以为SiO₂、BSG、Si₃N₄或AlN。如图5d，在保护层503的表面不需要离子注入的区域制作掩膜505，以保护该区域不被离子注入，其中，掩膜505的材料同样可选用光刻胶，方便于在离子注入后进行去除。

继续参考图5e和5f所示，在保护层503表面进行离子注入以形成掺杂部504，同样的，为避免电极导电性受到严重削弱，注入的离子选择为金属离子。还可以选择质量更大的金属离子进行离子注入，可以增加叉指电极502的质量，提升SAW器件的设计自由度，提升工艺兼容性，提升反射层的反射比，进而达到提高谐振器性能的目的。掺杂部504的形成不会改变叉指电极502的厚度，且能够改善电极末端的电场梯度变化所引发的寄生振荡，进而提高谐振器的性能。

在具体的实施例中，进行离子注入形成掺杂部504后去除掩膜505。可以将保护层503和叉指电极502全部进行离子注入，例如图5f所示；或者单独对保护层503进行离子注入，例如图5g所示；又或者对保护层503的全部以及叉指电极502的局部进行离子注入，例如图5h所示。可以根据不同的需要进行离子注入区域的选择，达到更加细致的优化效果。离子注入区域的控制可以根据调节功率、温度和离子注入的计量进行控制，注入离子的浓度分布可通过控制电参量来精确控制，以满足上述工艺中的离子注入区域的精准控制。

在具体的实施例中，上述两个工艺中，均可以通过调节功率、温度和离子注入的计量来控制叉指电极的末端改性。例如，叉指电极为铝(或其他高化学活泼性金属)，金属表面极易氧化生成致密氧化膜，致密氧化膜会阻止注入离子向铝基体表面扩散，导致注入失败。因此，在离子注入前可增加一道表面清洗工艺，如采用PVD工艺，利用一定功率下的Ar+对叉指电极402末端轰击一段时间以清除致密氧化膜，过长的清洗时间会导致电极表面粗糙，优选的，清洗时间一般控制在3min内。

利用上述工艺制作的声表面波器件可以为滤波器或谐振器，通过在电极的不同区域掺杂，达到现有技术中复杂变迹加权叉指结构或piston结构的等效效果，且本发明中可以更加精确地控制掺杂的区域和浓度，实现精准的效果，甚至也可以根据产品设计的需要在叉指电极上掺杂注入的区域形成piston模式之后，在叉指电极的保护层上还可以再次进行掺杂，以达到更好的匹配效果。

以上描述了本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

在本申请的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。措词‘包括’并不排除在权利要求未列出的元件或步骤的存在。元件前面的措词‘一’或‘一个’并不排除多个这样的元件的存在。在相互不同从属权利要求中记载某些措施的简单事实不表明这些措施的组合不能被用于改进。在权利要求中的任何参考符号不应当被解释为限制范围。

Claims (17)

1.一种叉指电极结构，所述叉指电极结构被设置在衬底上，其中，所述叉指电极结构中的叉指电极的末端被离子注入以形成掺杂部。

2.根据权利要求1所述的叉指电极结构，其中，所述叉指电极包括电极本体以及覆盖在所述电极本体上的保护层，其中位于末端的所述电极本体和/或所述保护层被离子注入。

3.根据权利要求2所述的叉指电极结构，其中，所述保护层为钝化层和/或温度补偿层。

4.根据权利要求2所述的叉指电极结构，其中，所述离子注入中的离子为金属离子。

5.根据权利要求4所述的叉指电极结构，其中，所述金属离子的质量大于所述电极本体的金属离子。

6.根据权利要求1所述的叉指电极结构，其中，所述叉指电极结构包括多层叉指电极，并且所述多层叉指电极中的至少一层被离子注入形成所述掺杂部。

7.根据权利要求1-6中任一项所述的叉指电极结构，其中，所述叉指电极的边缘被离子注入以形成掺杂部。

8.一种声表面波器件，其包括权利要求1-7中任一项所述的叉指电极结构，其中，所述声表面波器件为滤波器或谐振器。

9.一种用于制造叉指电极结构的方法，其中，包括以下步骤：

S1，制备具有压电层的衬底；

S2，在所述衬底上制作叉指电极；以及

S3，对所述叉指电极进行离子注入以在所述叉指电极的末端形成掺杂部。

10.根据权利要求9所述的方法，其中，步骤S3具体包括以下子步骤：

S31，在所述衬底及所述叉指电极上制作掩膜，并且露出需要被离子注入的区域；

S32，对所述叉指电极进行离子注入；

S33，去除掩膜；以及

S34，制作覆盖所述叉指电极的保护层。

11.根据权利要求9所述的方法，其中，步骤S3具体包括以下子步骤：

S31’，在所述衬底及所述叉指电极上制作保护层；

S32’，在所述保护层上制作掩膜，并且露出需要被离子注入的区域；

S33’，对所述保护层进行离子注入；以及

S34’，去除掩膜。

12.根据权利要求10所述的方法，其中，所述步骤S3还包括以下步骤：

S35，在所述保护层上制作另一掩膜,并且露出需要被离子注入的区域；

S36，对所述保护层进行离子注入；

S37，去除所述另一掩膜。

13.根据权利要求10-12中任一项所述的方法，其中，所述需要被离子注入的区域包括所述叉指电极和/或保护层的末端区域。

14.根据权利要求10-12中任一项所述的方法，其中，所述需要被离子注入的区域包括所述叉指电极和/或保护层的边缘区域。

15.根据权利要求9所述的方法，其中，在所述步骤S2和S3之间还包括以下步骤：

利用氩气离子对所述叉指电极的末端进行轰击以实现表面清洗。

16.根据权利要求15所述的方法，其中，所述轰击的时间被控制在3分钟以内。

17.一种利用权利要求9-16中任一项所述的方法制作而成的声表面波器件，其中，所述器件包括滤波器或谐振器。

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