CN112217490B - 层状温补型声表面波谐振器与封装方法 - Google Patents
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Abstract
本申请实施例提供一种层状温补型声表面波谐振器及其封装方法，该层状温补型声表面波谐振器包括衬底层、温度补偿层、压电薄膜层以及电极层；其中，温度补偿层位于衬底层与压电薄膜层之间，且衬底层与温度补偿层之间、温度补偿层与压电薄膜层之间均以晶圆键合方式结合为一体，电极层设置于压电薄膜层的表面；其中，温度补偿层采用正温度系数的材料制成，由此可以有效增强声表面波谐振器的温度稳定性；另外，通过优化上述声表面波谐振器中各层材料的参数，还能够保障声表面波谐振器具有较高的机电耦合系数，有利于实现低温漂、高频和大宽带的滤波器。
Description
技术领域
本申请涉及半导体技术领域，尤其涉及一种层状温补型声表面波谐振器与封装方法。
背景技术
声表面波(Surface Acoustic Wave，简称SAW)滤波器由于具有体积小、性能好、成本低等特点，已成为射频(Radio Frequency，简称RF)前端应用中不可或缺的关键元器件。
目前，伴随着载波聚合(Carrier Aggregation，简称CA)、规模天线技术(MassiveMIMO)以及高阶正交幅度调制(Quadrature Amplitude Modulation，简称QAM)等5G核心技术的应用，射频前端元器件数量将大幅度的增加，在此情形下，对于滤波器元件的性能提出了越来越严格的技术要求，例如要求构成滤波器元件的核心单元SAW谐振器具有更好的温度稳定性。
因此，如何提升声表面波谐振器的温度稳定性是亟待解决的问题。
发明内容
本申请实施例提供一种层状温补型声表面波谐振器与封装方法，可以有效提升声表面波谐振器的温度稳定性。
第一方面，本申请提供一种层状温补型声表面波谐振器，包括衬底层、温度补偿层、压电薄膜层以及电极层；
所述温度补偿层位于所述衬底层与所述压电薄膜层之间，且所述衬底层与所述温度补偿层之间、所述温度补偿层与所述压电薄膜层之间均以晶圆键合方式结合为一体；所述温度补偿层采用正温度系数的材料制成；
所述电极层设置于所述压电薄膜层的表面。
在一种可行的实施方式中，所述温度补偿层采用SiO2制成。
在一种可行的实施方式中，所述电极层为叉指电极层；所述叉指电极层采用以下材料中的至少一种材料制成：铝、铜、金以及铝铜合金。
在一种可行的实施方式中，所述压电薄膜层采用以下材料中的至少一种材料制成：钽酸锂LiTaO3、铌酸锂LiNbO3。
在一种可行的实施方式中，所述衬底层采用以下材料中的至少一种材料制成：硅Si、碳化硅SiC、蓝宝石。
在一种可行的实施方式中，所述电极层的厚度取值范围为0.06λ～0.15λ，所述压电薄膜层的厚度取值范围为0.05λ～10λ，所述温度补偿层的厚度取值范围为0.05λ～2.0λ,所述衬底层的厚度取值范围为30λ～150λ，其中，λ为所述电极层对应的波长。
在一种可行的实施方式中，所述衬底层采用SiC制成，所述温度补偿层采用SiO2制成，所述压电薄膜层采用LiTaO3制成，所述电极层采用金制成。
在一种可行的实施方式中，所述衬底层采用SiC制成，所述温度补偿层采用SiO2制成，所述压电薄膜层采用LiTaO3制成；所述温度补偿层的厚度为0.25λ，所述压电薄膜层的厚度为0.1λ，所述电极层的厚度为0.1λ，所述衬底层的厚度为110λ。
在一种可行的实施方式中，所述衬底层采用SiC制成，所述温度补偿层采用SiO2制成，所述压电薄膜层采用LiTaO3制成；所述温度补偿层的厚度为0.25λ，所述压电薄膜层的厚度为0.25λ，所述电极层的厚度为0.1λ，所述衬底层的厚度为110λ。
第二方面，本申请提供一种层状温补型声表面波谐振器封装方法，该方法包括：
获取衬底层；
在所述衬底层上制备温度补偿层，所述衬底层与所述温度补偿层之间以晶圆键合方式结合为一体，所述温度补偿层采用正温度系数的材料；
在所述温度补偿层上制备压电薄膜层，所述温度补偿层与所述压电薄膜层之间以晶圆键合方式结合为一体；
在所述压电薄膜层上制备电极层。
本申请实施例提供的层状温补型声表面波谐振器与封装方法，该层状温补型声表面波谐振器包括衬底层、温度补偿层、压电薄膜层以及电极层；其中，温度补偿层位于衬底层与压电薄膜层之间，且衬底层与温度补偿层之间、温度补偿层与压电薄膜层之间均以晶圆键合方式结合为一体，电极层设置于压电薄膜层的表面；其中，温度补偿层采用正温度系数的材料制成，由此可以有效增强声表面波谐振器的温度稳定性；通过优化上述声表面波谐振器中各层材料的参数，还能够保障声表面波谐振器具有较高的机电耦合系数，有利于实现低温漂、高频和大宽带的滤波器。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对本申请实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
图1为本申请实施例中一种层状温补型声表面波谐振器的剖面结构示意图；
图2为本申请实施例中提供的层状温补型声表面波谐振器内的一种电极层的结构示意图；
图3为本申请实施例中提供的层状温补型声表面波谐振器的参数仿真示意图一；
图4为本申请实施例中提供的层状温补型声表面波谐振器的参数仿真示意图二；
图5为本申请实施例中提供的层状温补型声表面波谐振器的参数仿真示意图三；
图6为本申请实施例中提供的层状温补型声表面波谐振器的参数仿真示意图四；
图7为本申请实施例中提供的层状温补型声表面波谐振器的参数仿真示意图五；
图8为本申请实施例中提供的层状温补型声表面波谐振器的参数仿真示意图六；
图9为本申请实施例中提供的一种层状温补型声表面波谐振器封装方法的流程示意图。
具体实施方式
为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
现有的声表面波谐振器通常是由衬底、压电薄膜及电极层依次叠加构成，但是这种结构容易受到环境温度的影响，温度稳定性较差，已经难以满足目前滤波器的高性能要求。
为了解决上述技术问题，本申请实施例中提供了一种层状温补型声表面波谐振器，该层状温补型声表面波谐振器包括衬底层、温度补偿层、压电薄膜层以及电极层；其中，温度补偿层位于衬底层与压电薄膜层之间，且衬底层与温度补偿层之间、温度补偿层与压电薄膜层之间均以晶圆键合方式结合为一体；温度补偿层采用正温度系数的材料制成，可以有效消除温度对声表面波谐振器的影响，增强声表面波谐振器的温度稳定性。具体请参照以下实施例所描述的内容。
参照图1，图1为本申请实施例中一种层状温补型声表面波谐振器的剖面结构示意图。在图1中，上述层状温补型声表面波谐振器包括衬底层101、温度补偿层102、压电薄膜层103以及电极层104。其中：
温度补偿层102位于衬底层101与压电薄膜层103之间，且衬底层101与温度补偿层102之间、温度补偿层102与压电薄膜层103之间均以晶圆键合方式结合为一体。电极层104设置于压电薄膜层103的表面。
其中，晶圆键合方式是指通过化学和物理作用将两块已镜面抛光的同质或异质的晶片紧密地结合起来，晶片接合后，界面的原子受到外力的作用而产生反应形成共价键结合成一体，并使接合界面达到特定的键合强度。本实施例中，采用晶圆健合方式有利于实现低温漂和谐振器的功率耐受性能。
需要说明的是，图1中所示层状温补型声表面波谐振器的各个材料层的厚度仅仅只是示意，并不代表实际厚度。
可选的，温度补偿层102采用正温度系数的材料制成。
示例性的，温度补偿层102可以采用SiO2制成。
在一种可行的实施方式中，电极层104为叉指电极层；该叉指电极层可以采用以下材料中的至少一种材料制成：铝、铜、金以及铝铜合金。
在一种可行的实施方式中，压电薄膜层103可以采用以下材料中的至少一种材料制成：钽酸锂LiTaO3、铌酸锂LiNbO3。
在一种可行的实施方式中，衬底层101可以采用以下材料中的至少一种材料制成：硅Si、碳化硅SiC及蓝宝石。
如图1所示，电极层104可以采用叉指电极(Interdigital Transducer，IDT)，假设叉指电极的宽度为a，相邻叉指电极的间隙为b，则叉指电极的半周期为p，p＝a+b，叉指电极对应的波长为λ，λ＝2p。
在一种可行的实施方式中，衬底层101的厚度h1的取值范围可以为30λ～150λ；温度补偿层102的厚度h2的取值范围可以为0.05λ～2.0λ；压电薄膜层103的厚度h3的取值范围可以为0.05λ～10λ；电极层104的厚度h4的取值范围可以为0.06λ～0.15λ。
本申请实施例中，通过优化上述声表面波谐振器中各层材料的参数，还能够保障声表面波谐振器具有较高的机电耦合系数，有利于实现低温漂、高频和大宽带的滤波器。
基于上述实施例中所描述的内容，参照图2，图2为本申请实施例中提供的层状温补型声表面波谐振器内的一种电极层的结构示意图。
在图2中，电极层104包括叉电极201，叉电极201的两侧包括反射栅202，接地GND和激励Source可以互易。另外，叉电极201和反射栅202的对数或者指条数目等参数都可以由具体的设计决定，本实施例中不做限制。
基于上述实施例中所描述的内容，通过对上述层状温补型声表面波谐振器中各层材料的参数进行优化，可以获得高声速和高机电耦合系数的温补型声表面波谐振器，这些性能的提高非常有利于实现低温漂、高频和大宽带的滤波器，并且可以在一定程度上缓解工艺加工难度，提升器件良率和功率耐受等性能。
具体的，在本申请一种可行的实施方式中，上述衬底层采用SiC制成，温度补偿层采用SiO2制成，压电薄膜层采用LiTaO3制成，电极层采用金制成。
请参照图3，图3为本申请实施例中提供的层状温补型声表面波谐振器的参数仿真示意图一。图3中对两种类型的层状温补型声表面波谐振器结构的导纳性能进行了对比。
其中：假设λ＝1.7μm，金属化比定义为R＝a/p，R＝0.5，谐振器的响应曲线中，导纳全部取对数：log10|Y|。机电耦合系数K2的计算公式为：K2＝π×fr/(2fa×tan(πfr/2fa))，其中，fr为谐振器的谐振频率，fa为反谐振频率。
当上述层状温补型声表面波谐振器在采用“结构一”时，其衬底层采用SiC，温度补偿层采用SiO2，压电薄膜层采用LiTaO3，电极层采用叉指电极。如图3所示，上述层状温补型声表面波谐振器的谐振频率fr≌1.81GHz，反谐振频率fa≌1.9GHz。
当上述层状温补型声表面波谐振器在采用“结构二”时，其衬底层采用Si，温度补偿层采用SiO2，压电薄膜层采用LiTaO3，电极层采用叉指电极。如图3所示，上述层状温补型声表面波谐振器的谐振频率fr≌1.69GHz，反谐振频率fa≌1.77GHz。
其中，上述“结构一”与“结构二”中，衬底层的厚度h1＝110λ，温度补偿层的厚度h2＝0.25λ，压电薄膜层的厚度h3＝0.1λ，电极层的厚度h4＝0.1λ。
由于SiC比Si的硬度要高，声速在SiC中传播的速度相应地高于Si衬底，可以明显地看出，在采用相同的温度补偿层、压电薄膜层及电极层的情况下，衬底采用SiC时的工作频率比衬底采用Si时的工作频率要高。因此，对于要求实现高频化的器件，可以选择SiC等硬度高的材料作为衬底，此类材料在实现同等工作频率的谐振器时，可以在一定程度上缓解工艺加工难度，提升器件良率和功率耐受等性能。
请参照图4，图4为本申请实施例中提供的层状温补型声表面波谐振器的参数仿真示意图二。图4中对两种类型的层状温补型声表面波谐振器结构的机电耦合系数进行了对比。
本实施例中，设置衬底层的厚度h1＝110λ，温度补偿层的厚度h2＝0.25λ，压电薄膜层的厚度h3＝0.1λ。
从图4中可以看出，当电极层采用Au(金)电极或Al(铝)电极时，电极层的厚度不同，上述层状温补型声表面波谐振器的机电耦合系数K2也会不同，对应机电耦合系数K2的峰值均出现在电极层的厚度约为0.1λ时。
其中，在达到同样的机电耦合系数时，Al电极一般要比Au电极的厚度大一些。
结合上述分析可知，本申请实施例中，在上述衬底层、温度补偿层、压电薄膜层、电极层依次采用SiC、SiO2、LiTaO3、Au制成时，可以使谐振器具有更好的功率耐受等性能与更小的尺寸。
在本申请另一种可行的实施方式中，上述衬底层采用SiC制成，温度补偿层采用SiO2制成，压电薄膜层采用LiTaO3制成。
其中，衬底层h1的厚度为110λ，温度补偿层的厚度h2为0.25λ，压电薄膜层的厚度h3为0.1λ，电极层的厚度h4为0.1λ。
请参照图5，图5为本申请实施例中提供的层状温补型声表面波谐振器的参数仿真示意图三。
从图5中可以看出，当温度补偿层的厚度h2大约为0.25λ时，上述层状温补型声表面波谐振器的机电耦合系数K2达到峰值，K2＝9.05％，h2大约在0.55λ至2.05λ及以上数值时，上述层状温补型声表面波谐振器的机电耦合系数K2比较稳定，K2＝8.83％。
请参照图6，图6为本申请实施例中提供的层状温补型声表面波谐振器的参数仿真示意图四。
从图6中可以看出，当压电薄膜层的厚度h3大约为在0.1λ时，上述层状温补型声表面波谐振器的机电耦合系数k2达到峰值，K2＝11.75％，压电薄膜层的厚度h3大约在1.2λ至10λ及以上数值时，上述层状温补型声表面波谐振器的机电耦合系数k2比较稳定，K2＝9％。
结合上述分析可知，本申请实施例中，上述衬底层、温度补偿层、压电薄膜层依次采用SiC、SiO2、LiTaO3制成，且衬底层h1的厚度为110λ，温度补偿层的厚度h2为0.25λ，压电薄膜层的厚度h3为0.1λ，电极层的厚度h4为0.1λ时，可以使上述温补型声表面波谐振器具有较高的机电耦合系数。
在本申请又一种可行的实施方式中，上述衬底层采用SiC制成，温度补偿层采用SiO2制成，压电薄膜层采用LiTaO3制成。
其中，衬底层h1的厚度为110λ，温度补偿层的厚度h2为0.25λ，压电薄膜层的厚度h3为0.25λ，电极层的厚度h4为0.1λ。
请参照图7，图7为本申请实施例中提供的层状温补型声表面波谐振器的参数仿真示意图五。
在图7中，设置衬底层的厚度h1＝110λ，温度补偿层的厚度h2＝0.25λ，压电薄膜层的厚度h3＝8λ，电极层的厚度h4＝0.1λ。
从图7中可以看出，压电薄膜层的厚度h3为8λ时，在主模频率为1.9GHz～2.05GHz之间以及主模的高低频处都出现了杂波，特别是高频处，这些杂波可能会对滤波器的通带和带外造成性能的恶化，因此需要尽可能抑制这些杂波。
请参照图8，图8为本申请实施例中提供的层状温补型声表面波谐振器的参数仿真示意图六。
在图8中，设置衬底层的厚度h1＝110λ，温度补偿层的厚度h2＝0.25λ，电极层的厚度h4＝0.1λ。
从图8中可以看出，压电薄膜层的厚度h3为0.25λ时比h3为0.5λ时能够更好的抑制杂波。
例如，压电薄膜层的厚度h3为0.25λ时，高频处(2.4GHz至2.6GHz)的杂波能够得到比较好的抑制，只在更高频处(2.8GHz)出现一支杂波。
结合上述分析可知，本申请实施例中，上述衬底层、温度补偿层、压电薄膜层依次采用SiC、SiO2、LiTaO3制成，且衬底层h1的厚度为110λ，温度补偿层的厚度h2为0.25λ，压电薄膜层的厚度h3为0.25λ，电极层的厚度h4为0.1λ时，可以使上述温补型声表面波谐振器能够有效的抑制高频处的杂波。
进一步的，基于上述实施例中所描述的内容，本申请实施例中还提供了一种层状温补型声表面波谐振器封装方法，参照图9，图9为本申请实施例中提供的一种层状温补型声表面波谐振器封装方法的流程示意图。本申请实施例中，上述封装方法包括：
S901、获取衬底层。
S902、在衬底层上制备温度补偿层，其中，衬底层与温度补偿层之间以晶圆键合方式结合为一体，温度补偿层采用正温度系数的材料。
S903、在温度补偿层上制备压电薄膜层，其中，温度补偿层与压电薄膜层之间以晶圆键合方式结合为一体。
S904、在压电薄膜层上制备电极层。
在一种可行的实施方式中，上述温度补偿层采用SiO2制成。
在一种可行的实施方式中，上述电极层为叉指电极层；该叉指电极层采用以下材料中的至少一种材料制成：铝、铜、金以及铝铜合金。
在一种可行的实施方式中，上述压电薄膜层采用以下材料中的至少一种材料制成：LiTaO3、LiNbO3。
在一种可行的实施方式中，上述衬底层采用以下材料中的至少一种材料制成：Si和SiC。
在一种可行的实施方式中，上述电极层的厚度取值范围为0.06λ～0.15λ，压电薄膜层的厚度取值范围为0.05λ～10λ，温度补偿层的厚度取值范围为0.05λ～2.0λ,衬底层的厚度取值范围为30λ～150λ，其中，λ为电极层对应的波长。
在一种可行的实施方式中，上述衬底层采用SiC制成，温度补偿层采用SiO2制成，压电薄膜层采用LiTaO3制成，电极层采用金制成。
在一种可行的实施方式中，上述衬底层采用SiC制成，温度补偿层采用SiO2制成，压电薄膜层采用LiTaO3制成；温度补偿层的厚度为0.25λ，压电薄膜层的厚度为0.1λ，电极层的厚度为0.1λ，衬底层的厚度为110λ。
在一种可行的实施方式中，衬底层采用SiC制成，温度补偿层采用SiO2制成，压电薄膜层采用LiTaO3制成；温度补偿层的厚度为0.25λ，压电薄膜层的厚度为0.25λ，电极层的厚度为0.1λ，衬底层的厚度为110λ。
本申请实施例所提供的层状温补型声表面波谐振器封装方法，在声表面波谐振器的衬底层与压电薄膜层之间还制备了温度补偿层，该温度补偿层采用正温度系数的材料制成，由此可以有效增强声表面波谐振器的温度稳定性；另外，通过优化上述声表面波谐振器中各层材料的参数，还能够保障声表面波谐振器具有较高的机电耦合系数，有利于实现低温漂、高频和大宽带的滤波器。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的范围。
Claims (7)
1.一种层状温补型声表面波谐振器，其特征在于，包括衬底层、温度补偿层、压电薄膜层以及电极层；
所述温度补偿层位于所述衬底层与所述压电薄膜层之间，且所述衬底层与所述温度补偿层之间、所述温度补偿层与所述压电薄膜层之间均以晶圆键合方式结合为一体；所述温度补偿层采用正温度系数的材料制成；
所述电极层设置于所述压电薄膜层的表面；
所述衬底层采用SiC制成，所述温度补偿层采用SiO2制成，所述压电薄膜层采用LiTaO3制成，所述电极层采用金制成；
所述衬底层的厚度为110
，所述温度补偿层的厚度为0.25
，所述压电薄膜层的厚度
为0.1
，所述电极层的厚度为0.1
。
2.根据权利要求1所述的层状温补型声表面波谐振器，其特征在于，所述电极层为叉指电极层；所述叉指电极层采用以下材料中的至少一种材料制成：铝、铜、金以及铝铜合金。
3.根据权利要求1所述的层状温补型声表面波谐振器，其特征在于，所述压电薄膜层采用以下材料中的至少一种材料制成：钽酸锂LiTaO3、铌酸锂LiNbO3。
4.根据权利要求1所述的层状温补型声表面波谐振器，其特征在于，所述衬底层采用以下材料中的至少一种材料制成：硅Si、碳化硅SiC及蓝宝石。
5.根据权利要求1至4任一项所述的层状温补型声表面波谐振器，其特征在于，所述衬底层的厚度取值范围为30
150
，所述温度补偿层的厚度为0.55
、2.0
、2.05
中的任意一种或者大于2.05
，所述压电薄膜层的厚度取值范围为1.2
10
或者大于10
，所述电极层的厚度为0.06
或0.15
，其中，
为所述电极层对应的波长。
6.根据权利要求5所述的层状温补型声表面波谐振器，其特征在于，
所述衬底层的厚度为110
，所述温度补偿层的厚度为0.25
，所述压电薄膜层的厚度为0.25
，所述电极层的厚度为0.1
。
7.一种层状温补型声表面波谐振器封装方法，其特征在于，所述方法包括：
获取衬底层；
在所述衬底层上制备温度补偿层，所述衬底层与所述温度补偿层之间以晶圆键合方式结合为一体，所述温度补偿层采用正温度系数的材料；
在所述温度补偿层上制备压电薄膜层，所述温度补偿层与所述压电薄膜层之间以晶圆键合方式结合为一体；
在所述压电薄膜层上制备电极层；
其中，所述衬底层采用SiC制成，所述温度补偿层采用SiO2制成，所述压电薄膜层采用LiTaO3制成，所述电极层采用金制成；所述衬底层的厚度为110
，所述温度补偿层的厚度为0.25
，所述压电薄膜层的厚度为0.1
，所述电极层的厚度为0.1
。
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