CN112260658B - 一种兰姆波谐振器及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种兰姆波谐振器及其制造方法，其特征在于，该兰姆波谐振器包括：衬底，该衬底具有高声阻抗；压电层，该压电层上形成有电极和汇流条，以及金属层，所述金属层设置在所述压电层和所述衬底之间，并且相对于所述衬底具有低声阻抗，其中，在所述压电层的上表面形成有沿所述电极的长度方向延伸的槽。
Description
技术领域
本发明涉及一种兰姆(Lamb)波谐振器及其制造方法，更具体地，涉及一种具有高品质因数(Q值)的POI衬底兰姆波谐振器及其制造方法。
背景技术
作为一种具有特定的声学特征和谐振结构的谐振器，兰姆(Lamb)波谐振器近年来开始被广泛地用于诸如手机射频前端之类的器件中的声表面波谐振器/滤波器等。对于兰姆波谐振器来说，Q值、散热性能和机电耦合系数等参数会较深地影响兰姆波谐振器性能。
发明内容
发明所要解决的技术问题
然而，在现有的兰姆波谐振器中，存在Q值低、散热性能不好的问题，这将会影响整个器件的性能和稳定性。此外，在现有的兰姆波谐振器中，存在有因温度改变而产生的热释电效应会对电极造成破坏这样的问题。另外，在现有的兰姆波谐振器中，也存在例如声波能量等能量向衬底泄漏而引起能量在衬底中损耗这样的问题。
本发明鉴于上述那样的现有问题而完成，其目的在于，提供一种具有高Q值的POI(Piezo-On-Insulator：绝缘体上压电)衬底的兰姆波谐振器及其制造方法。
解决技术问题的技术方案
在解决上述问题的本发明的一个实施例中，提供了一种兰姆波谐振器，包括：
衬底，该衬底具有高声阻抗；
压电层，该压电层上形成有电极和汇流条；以及
金属层，所述金属层设置在所述压电层和所述衬底之间，并且相对于所述衬底具有低声阻抗，
其中，在所述压电层的上表面形成有沿所述电极的长度方向延伸的槽。
在本发明的其他实施例中，在所述兰姆波谐振器中，所述金属层由Al、Cu、W中的一种或多种形成。
在本发明的其他实施例中，在所述兰姆波谐振器中，所述压电层由30°YX-LiNbO3形成并且厚度为0.4λ，其中，λ是兰姆波的波长。
在本发明的其他实施例中，在所述兰姆波谐振器中，所述槽的深度是0.1λ，所述槽的长度是汇流条之间的间距，所述槽的宽度是相邻的所述电极间的间距，其中，λ是兰姆波的波长。
在本发明的其他实施例中，在所述兰姆波谐振器中，所述衬底由4H-SiC形成。
在本发明的其他实施例中，在所述兰姆波谐振器中，所述电极由Ti、Al、Cu、Au、Pt、Ag、Pd、Ni等金属或合金、或者这些金属或合金的层叠体构成。
在本发明的另一个实施例中，提供了一种制造方法，用于制造兰姆波谐振器，该制造方法包括：
衬底形成步骤，在该衬底形成步骤中，形成具有高声阻抗的衬底；
金属层形成步骤，在该金属层形成步骤中，在所述衬底上形成金属层，所述金属层相对于所述衬底具有低声阻抗；
压电层形成步骤，在该压电层形成步骤中，在所述金属层上形成压电层，并且在所述压电层上形成电极和汇流条，以及；
压电层槽形成步骤，在该压电层槽形成步骤中，在所述压电层的上表面形成沿所述电极的长度方向延伸的槽。
在本发明的其他实施例中，在所述制造方法中，所述金属层由Al、Cu、W中的一种或多种形成。
在本发明的其他实施例中，在所述制造方法中，所述压电层由30°YX-LiNbO3形成并且厚度为0.4λ，其中，λ是兰姆波的波长。
在本发明的其他实施例中，在所述制造方法中，所述槽的深度是0.1λ，所述槽的长度是汇流条之间的间距，所述槽的宽度是相邻的所述电极间的间距，其中，λ是兰姆波的波长。
发明效果
根据本发明，通过在压电层上形成槽，从而能够抑制谐振器中的杂散，并且通过利用金属层和衬底来形成低声阻抗和高声阻抗的双层结构，从而能够抑制能量向衬底的泄漏。
此外，根据本发明，能够提供一种机电耦合系数较高的兰姆波谐振器。
另外，根据本发明，通过在压电层和衬底之间设置金属层，从而能够提高兰姆波谐振器的散热性能。
并且，根据本发明，由于金属层的电导率远高于压电层，从而能够有效地减弱热释电效应对电极的破坏。
附图说明
为了能够详细地理解本发明，可参考实施例得出上文所简要概述的本发明的更具体的描述，一些实施例在附图中示出，为了促进理解，已尽可能使用相同附图标记来标示各图所共有的相同要素。然而，应当注意，附图仅仅示出本发明的典型实施例，并且因此不应视为限制本发明的范围，因为本发明可允许其他等效实施例，在附图中：
图1是根据本发明一实施例的在兰姆谐振器中在压电层与衬底之间设置金属层而得到的结构的立体示意图。
图2是根据本发明一实施例的在兰姆谐振器中在压电层与衬底之间设置金属层而得到的结构的俯视图。
图3是根据本发明一实施例的在兰姆谐振器的压电层表面形成槽的示意图。
图4是作为对比示例的在兰姆谐振器中在压电层与衬底之间不设置金属层而得到的结构的导纳曲线。
图5是根据本发明一实施例的在兰姆谐振器中在压电层与衬底之间设置Al金属层而得到的结构的导纳曲线。
图6是根据本发明一实施例的在兰姆谐振器中在压电层与衬底之间设置Cu金属层而得到的结构的导纳曲线。
图7是根据本发明一实施例的在兰姆谐振器中在压电层与衬底之间设置W金属层而得到的结构的导纳曲线。
图8是根据本发明一实施例的制造兰姆谐振器的方法的流程图。
可以预期的是，本发明的一个实施例中的要素可有利地适用于其他实施例而无需赘述。
具体实施方式
以下通过具体实施方式来进行说明，本领域技术人员可由本说明书所公开的内容清楚地了解本发明的其他优点与技术效果。此外，本发明并不限于下述具体实施方式，也可通过其他不同的实施方式加以施行或应用，并且，对于本说明书中的各项具体内容，可在不背离本发明的精神下进行各种修改与变更。
下面，基于附图对本发明的具体实施方式进行详细叙述。所列举的附图仅为简单说明，并非依实际尺寸描绘，未反应出相关结构的实际尺寸，先予叙明。为了便于理解，在各附图中使用了相同的参考标号，以指示附图中共用的相同元素。附图并未依比例绘制并且可为了清晰而被简化。一个实施例的元素及特征可有利地并入其他实施例中，而无须进一步叙述。
<实施例1>
以下，参照图1至图7对根据本发明的一个实施例的兰姆波谐振器进行说明。在本实施方式中，作为一个示例，兰姆谐振器包括衬底1和谐振器结构，该谐振器结构包括金属层2、压电层3以及电极4和汇流条5。
图1是根据本发明一实施例的在兰姆谐振器中在压电层3与衬底1之间设置金属层2而得到的结构的立体示意图。
如图1所示，以从下往上的顺序依次示出了兰姆谐振器的衬底1、金属层2、压电层3以及电极4和汇流条5。
衬底1可以由蓝宝石、GaAs、玻璃、Si、4H-SiC等材料形成。优选地，衬底1由诸如4H-SiC之类的具有高声阻抗的材料形成，以防止例如声波能量等能量向衬底泄漏。
压电层3可以由AlN等氮化物、ZnO、PZT(锆钛酸铅)和/或LiNbO3等材料形成。优选地，压电层3可以由30°YX-LiNbO3形成，以使该结构获得极高的机电耦合系数。优选地，压电层3可以具有0.4λ的厚度(λ为兰姆波的波长)。在压电层3上可以形成有电极4和汇流条5。电极4和汇流条5可以由Ti、Al、Cu、Au、Pt、Ag、Pd、Ni等金属或合金、或者这些金属或合金的层叠体构成。电极4和汇流条5可以由相同的材料形成，也可以由不同的材料形成。
金属层2形成于衬底1和压电层3之间。金属层2可以由Al、Cu、W中的一种或多种形成。由于金属具有较高的导热性，因而金属层2能够提高兰姆波谐振器的散热性能。又由于金属层2的电导率可远高于压电层3，因而可有效减弱例如热释电效应等不良效应对电极4的破坏。此外，金属层2可相对于衬底1具有低声阻抗，由此金属层2和衬底1形成低声阻抗和高声阻抗的双层结构，从而可对压电层3泄漏的声波进行反射，抑制能量向衬底的泄露，显著提高Q值。
此外，在压电层3的上表面(即靠近电极4的表面)可以形成有沿电极4的长度方向延伸的槽6，以抑制杂波。以下，利用图2和图3对形成有槽6的压电层3的结构进行更详细地说明。
图2是根据本发明一实施例的在兰姆谐振器中在压电层3与衬底1之间设置金属层而得到的结构的俯视图。图3是根据本发明一实施例的在兰姆谐振器的压电层3表面形成槽6的示意图。
如图2所示，在压电层3上形成有电极4。虽然图2中示出的电极4为以栅阵状叉指结构排列的电极，但电极4也可以以其他方式来排列，包括但不限于叉指螺旋结构排列、圆形叉指螺旋结构排列、多边形叉指螺旋结构排列。汇流条5可以形成于电极4的两端。在压电层3上表面沿电极4延伸的方向形成有槽6。槽6的长度L是汇流条之间的间距，而槽6的宽度W是相邻电极4之间的间距。图3示出了在相邻的汇流条5之间沿与电极4延伸的方向垂直的平面截取的剖面。虽然在图3中，槽6的剖面被示出为长方形，但是槽6的剖面也可以具有其他形状，诸如正方形、半圆形、梯形、三角形等。优选地，槽6的深度D可以是0.1λ(λ为兰姆波的波长)。
以下，利用图4至图7来说明不具有金属层的兰姆谐振器与本实施例的具有不同金属层的兰姆谐振器的性能对比。
图4是作为对比示例的在兰姆谐振器中在压电层与衬底之间不设置金属层而得到的结构的导纳曲线。图5是根据本发明一实施例的在兰姆谐振器中在压电层与衬底之间设置Al金属层而得到的结构的导纳曲线。图6是根据本发明一实施例的在兰姆谐振器中在压电层与衬底之间设置Cu金属层而得到的结构的导纳曲线。图7是根据本发明一实施例的在兰姆谐振器中在压电层与衬底之间设置W金属层而得到的结构的导纳曲线。在图4至图7中，fs为谐振频率，即频率响应曲线中导纳最大处对应的频率，在这个频率下谐振器的振动幅值最大。Q为利用fs计算出的Q值。由图4至图7可知，与在压电层与衬底之间未设置金属层的结构相比而言，在压电层与衬底之间设置Al或W的金属层都可以极大地提升Q值。同时，与不设置金属层相比而言，设置金属层能够改变谐振频率fs，并且改变程度随着金属层的材料的不同而变化。因此，可根据需要来设置金属层，由此使得兰姆谐振器适用于对谐振频率fs有特殊要求的情境。
<实施例2>
以下，参照图8对根据本发明的一个实施例的用于制造兰姆波谐振器的制造方法进行说明。
图8是根据本发明一实施例的制造兰姆谐振器的方法的流程图。
如图8所示，方法开始于步骤S801。在步骤S801中，利用诸如蓝宝石、GaAs、玻璃、Si、4H-SiC等材料来形成衬底。优选地，利用诸如4H-SiC之类的具有高声阻抗的材料来形成衬底，以防止例如声波能量等能量向衬底泄漏。
在步骤S802中，利用诸如物理\化学气相沉积技术、原子层沉积技术之类的技术来在衬底上形成金属层。金属层可由Al、Cu、W中的一种或多种形成。金属层可相对于衬底具有低声阻抗。
在步骤S803中，利用诸如物理\化学气相沉积技术、原子层沉积技术之类的技术来在金属层上形成压电层，并且利用诸如磁控溅射技术、电子束蒸发技术之类的技术(可任选地，结合诸如光刻、刻蚀和剥离之类的工艺等)来在压电层上形成电极和汇流条。优选地，压电层由30°YX-LiNbO3形成。优选地，压电层的厚度为0.4λ(λ为兰姆波的波长)。
在步骤S804中，利用诸如光刻、刻蚀和剥离之类的工艺等来在压电层的上表面形成沿电极的长度方向延伸的槽。优选地，槽的长度L是汇流条之间的间距，槽的宽度W是相邻的电极之间的间距，槽的深度D是0.1λ(λ为兰姆波的波长)。
在步骤S804结束后，制造方法结束。
以上详细描述了本发明的可选实施例。但应当理解，在不脱离本发明的广义精神和范围的情况下可以采用各种实施方式及变形。本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思做出诸多修改和变化。因此，凡本领域技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应属于由本发明的权利要求书所确定的保护范围内。
Claims (10)
1.一种兰姆波谐振器，其特征在于，包括：
衬底，该衬底具有高声阻抗；
压电层，该压电层上形成有电极和汇流条；以及
金属层，所述金属层设置在所述压电层和所述衬底之间，并且相对于所述衬底具有低声阻抗，
其中，在所述压电层的上表面形成有沿所述电极的长度方向延伸的槽，所述槽的长度是汇流条之间的间距，所述槽的宽度是相邻的所述电极间的间距，所述槽位于所述电极之间。
2.如权利要求1所述的兰姆波谐振器，其特征在于，所述金属层由Al、Cu、W中的一种或多种形成。
3.如权利要求1所述的兰姆波谐振器，其特征在于，所述压电层由30°YX-LiNbO3形成并且厚度为0.4λ，其中，λ是兰姆波的波长。
4.如权利要求1所述的兰姆波谐振器，其特征在于，所述槽的深度是0.1λ，其中，λ是兰姆波的波长。
5.如权利要求1所述的兰姆波谐振器，其特征在于，所述衬底由4H-SiC形成。
6.如权利要求1所述的兰姆波谐振器，其特征在于，所述电极由Ti、Al、Cu、Au、Pt、Ag、Pd、Ni金属或合金、或者这些金属或合金的层叠体构成。
7.一种兰姆波谐振器的制造方法，其特征在于，包括：
衬底形成步骤，在该衬底形成步骤中，形成具有高声阻抗的衬底；
金属层形成步骤，在该金属层形成步骤中，在所述衬底上形成金属层，所述金属层相对于所述衬底具有低声阻抗；
压电层形成步骤，在该压电层形成步骤中，在所述金属层上形成压电层，并且在所述压电层上形成电极和汇流条；以及
压电层槽形成步骤，在该压电层槽形成步骤中，在所述压电层的上表面形成沿所述电极的长度方向延伸的槽，
其中，所述槽的长度是汇流条之间的间距，所述槽的宽度是相邻的所述电极间的间距，所述槽位于所述电极之间。
8.如权利要求7所述的制造方法，其特征在于，所述金属层由Al、Cu、W中的一种或多种形成。
9.如权利要求7所述的制造方法，其特征在于，所述压电层由30°YX-LiNbO3形成并且厚度为0.4λ，其中，λ是兰姆波的波长。
10.如权利要求7所述的制造方法，其特征在于，所述槽的深度是0.1λ，其中，λ是兰姆波的波长。
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