CN112332794A - 自带反射层的高功率容量体声波谐振器、制备方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种自带反射层的高功率容量体声波谐振器、制备方法及系统，包括：叉指电极系统、薄膜；所述叉指电极系统包括：正电极、负电极；所述薄膜采用铌酸锂薄膜；当铌酸锂薄膜的表面的叉指电极系统分别被加载正电极和负电极时，交互的相邻电极之间产生的水平电场将在铌酸锂薄膜中激励起剪切波谐振；该剪切波谐振为此谐振器的主谐振模，且谐振波长大约是铌酸锂薄膜厚度的两倍。本发明通过采用采用叉指电极在铌酸锂薄膜上激发剪切波谐振，使得该谐振器的谐振频率主要与薄膜厚度有关，从而可以很容易地实现高频率谐振，解决了一般声波谐振器很难产生高频谐振的问题。
Description
技术领域
本发明涉及谐振器技术领域，具体地，涉及一种自带反射层的高功率容量体声波谐振器、制备方法及系统。
背景技术
随着5G通信系统的快速发展，现有的射频前端谐振器已经很难满足高频率波段通信要求。
专利文献CN110138356A公开了一种高波速支撑衬底来提高声表面波谐振器的谐振频率。现有技术的不足之处是：常规声波谐振器的谐振频率主要与叉指电极的宽度和电极间距有关，由于加工难度和成本的限制，很难提高谐振器的谐振频率，而本专利提出的剪切波谐振器，其谐振频率主要与压电薄膜的厚度有关，可以轻松的实现高频率谐振，打破常规谐振器的频率瓶颈；一般的压电材料本身具有很低的机电耦合系数，从而限制了基于该谐振器的滤波器性能，而本专利所采用的铌酸锂薄膜具有很高的机电耦合系数，可以很好的用来设计高频宽带、低损耗滤波器；很多基于压电薄膜的谐振器，由于薄膜悬置而容易产生机械强度差、功率容量低、散热效果差等问题，而本专利利用布拉格反射层在不影响谐振器正常工作的前提下很好的改善了这些不足，从而使得本专利所提出的谐振器具有更好的稳定性和更广的适用范围。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种自带反射层的高功率容量体声波谐振器、制备方法及系统。
根据本发明提供的一种自带反射层的高功率容量体声波谐振器，包括：叉指电极系统、薄膜；所述叉指电极系统包括：正电极、负电极；所述薄膜采用铌酸锂薄膜；当铌酸锂薄膜的表面的叉指电极系统分别被加载正电极和负电极时，交互的相邻电极之间产生的水平电场将在铌酸锂薄膜中激励起剪切波谐振；该剪切波谐振为此谐振器的主谐振模，且谐振波长大约是铌酸锂薄膜厚度的两倍。
优选地，所述正、负电极采用顶部叉指电极；所述顶部叉指电极采用以下任意一种材料：-铂(Pt)；铝(Al)；-钼(Mo)；-金(Au)；-银(Ag)；-钌(Ru)。所述顶部叉指电极主要用于产生水平电场。还包括：布拉格反射层；所述布拉格反射层放置在铌酸锂薄膜下；所述布拉格反射层包括：二氧化硅层、氮化硅层；交互放置的四分之一谐振波长厚度的二氧化硅层和氮化硅层形成布拉格反射层。
根据本发明提供的一种自带反射层的高功率容量体声波谐振器的制备方法，制备自带反射层的高功率容量体声波谐振器，包括：步骤S1：制作谐振器初始基板；步骤S2：在谐振器初始基板上制备自带反射层的高功率容量体声波谐振器；所述步骤S1包括：步骤S1.1:在铌酸锂基板特定深度处注入氦离子(He+)产生缺陷损伤层；步骤S1.2：利用损伤层剥离出铌酸锂薄膜；步骤S1.3：对硅基板进行表面氧化得到二氧化硅层并进行化学机械抛光；步骤S1.4：将处理好的铌酸锂薄膜层和二氧化硅层进行键合。
优选地，所述步骤S2包括：步骤S2.1：在基板表面镀上一层铝层作为保护层；步骤S2.2：从背面用干法蚀刻从基板背面将待定工作区域的硅层和二氧化硅层蚀刻掉，并蚀刻掉上表面的金属保护层，仅保留铌酸锂薄膜层。
优选地，所述步骤S2包括：步骤S2.3：在铌酸锂薄膜上表面镀上电子束光刻胶并蚀刻出设定的形状；步骤S2.4：利用电子束蚀刻出所需的电极的叉指部分。
优选地，所述步骤S2包括：步骤S2.5：利用紫外光刻胶涂覆和蚀刻电极；步骤S2.6：蚀刻出叉指电极两端较厚的内联触点。
根据本发明提供的一种自带反射层的高功率容量体声波谐振器的制备系统，制备自带反射层的高功率容量体声波谐振器，包括：模块M1：制作谐振器初始基板；模块M2：在谐振器初始基板上制备自带反射层的高功率容量体声波谐振器；
所述模块M1包括：模块M1.1:在铌酸锂基板特定深度处注入氦离子(He+)产生缺陷损伤层；模块M1.2：利用损伤层剥离出铌酸锂薄膜；模块M1.3：对硅基板进行表面氧化得到二氧化硅层并进行化学机械抛光；模块M1.4：将处理好的铌酸锂薄膜层和二氧化硅层进行键合。
优选地，所述模块M2包括：
模块M2.1：在基板表面镀上一层铝层作为保护层；
模块M2.2：从背面用干法蚀刻从基板背面将待定工作区域的硅层和二氧化硅层蚀刻掉，并蚀刻掉上表面的金属保护层，仅保留铌酸锂薄膜层.
优选地，所述模块M2包括：
模块M2.3：在铌酸锂薄膜上表面镀上电子束光刻胶并蚀刻出设定的形状；
模块M2.4：利用电子束蚀刻出所需的电极的叉指部分。
优选地，所述模块M2包括：
模块M2.5：利用紫外光刻胶涂覆和蚀刻电极；
模块M2.6：蚀刻出叉指电极两端较厚的内联触点。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
1、本发明通过采用铌酸锂薄膜，解决了常规压电材料机电耦合系数低的问题，从而使得本发明所提出的谐振器可以用于设计高频宽带、低损耗滤波器。
2、本发明通过采用叉指电极在铌酸锂薄膜上激发剪切波谐振，使得该谐振器的谐振频率主要与薄膜厚度有关，从而可以很容易地实现高频率谐振，解决了一般声波谐振器很难产生高频谐振的问题。
3、本发明通过采用合适的电极尺寸、叉指电极间距、铌酸锂薄膜的厚度等，可以有效地减少横向振动模式和高次模的干扰，使得该谐振器具有更优的剪切波谐振，方便滤波器的设计。
4、本发明通过采用布拉格反射层，解决了铌酸锂薄膜温度稳定性差、功率容量低和机械强度性低的问题。布拉格反射层在保证足够的声波反射系数的同时，可以有效的弥补单一铌酸锂薄膜层谐振器的不足之处。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为本发明所提出的基于铌酸锂薄膜的高频体声波谐振器示意图。
图2为为本发明实施例中交互的相邻电极之间产生的水平电场将在铌酸锂薄膜中激励起剪切波谐振原理示意图。
图3a为本发明实施例中第一利用光刻技术加工本发明所提出谐振器的总体流程示意图。
图3b为本发明实施例中第二利用光刻技术加工本发明所提出谐振器的总体流程示意图。
图4为本发明实施例中加载了布拉格反射层之后的剪切波谐振器示意图。
图中：
1-正叉指电极系统 6-硅基板
2-负叉指电极系统 7-二氧化硅
3-铌酸锂薄膜 8-电子束光刻胶
4-剪切波谐振 9-紫外光刻胶
5-氦离子 10-氮化硅
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
图1所示为本发明所提出的基于铌酸锂薄膜的高频体声波谐振器，其主要由正叉指电极系统1，负叉指电极系统2和铌酸锂薄膜3组成。其中，顶部叉指电极可以为铂(Pt)、铝(Al)、钼(Mo)、金(Au)、银(Ag)、钌(Ru)等，主要用于产生水平电场。ZY切向的铌酸锂薄膜在ZY方向容易通过侧向场激励来引入厚度方向振动，且该振动会在Y方向上发生位移。因此，当铌酸锂薄膜表面的叉指电极系统分别被加载正电极1和负电极2时，如图2所示，交互的相邻电极之间产生的水平电场将在铌酸锂薄膜中激励起剪切波谐振4。该剪切波谐振为此谐振器的主谐振模，且谐振波长大约是铌酸锂薄膜厚度的两倍。这意味着铌酸锂薄膜的厚度将对该谐振器的谐振频率起主导作用，比如当铌酸锂薄膜厚度为0.4um时，该谐振器将在5GHz左右产生剪切波谐振。因此，相比于谐振频率主要由叉指电极宽度以及叉指电极间距决定的普通体声波谐振器，本发明所提出的剪切波谐振器将打破谐振频率的瓶颈，显著的提高体声波谐振器的工作频率，以适应当前5G通信系统对高频率通信的要求。此外，该谐振器还会在更高频率衍生出高次谐振模，可以用于更高频率的滤波器设计。值得一提的是，本发明所提出谐振器除了主剪切谐振模外可能会存在一些不必要的杂散模，而这些杂散模则可以通过合理的调整叉指电极的宽度、厚度和电极间距来加以避免。
图3给出了利用光刻技术加工本发明所提出谐振器的总体流程。如图3a所示，一方面先在铌酸锂基板3特定深度处注入氦离子(He+)5产生缺陷损伤层，再利用损伤层剥离出铌酸锂薄膜。另一方面，对硅基板6进行表面氧化得到二氧化硅层7并进行化学机械抛光。最后将处理好的铌酸锂薄膜层3和二氧化硅层7进行键合，得到制作本发明所提出谐振器的初始的基板。在得到初始基板后，谐振器的制备流程如图3b所示：
在基板表面镀上一层铝层作为保护层；
从背面用干法蚀刻从基板背面将待定工作区域的硅层6和二氧化硅层7蚀刻掉，并蚀刻掉上表面的金属保护层，仅保留铌酸锂薄膜层；
在铌酸锂薄膜上表面镀上电子束光刻胶8并蚀刻出特定的形状；
利用电子束蚀刻出所需的正叉指电极系统1，负叉指电极系统2的叉指部分；
紫外光刻胶9涂覆和蚀刻；
蚀刻出叉指电极两端较厚的内联触点。
由于上述剪切波谐振器其主体部分仅在悬置的硅酸锂薄膜上，这就会使得所提出谐振器的机械强度很低，而且功率容量也相对较小。此外，铌酸锂薄膜自身的谐振频率温度系数为负，即其谐振频率会随着温度的升高而下降，这也会导致所提出的谐振器温度稳定性变差。因此，本发明进一步提出了在铌酸锂薄膜下方放置布拉格反射层来弥补上述不足。图4所示为本发明所提出的加载了布拉格反射层之后的剪切波谐振器。在铌酸锂薄膜下方的布拉格反射层由交互放置的四分之一谐振波长厚度的二氧化硅(SiO2)层7和氮化硅(Si3N4)层10组成，且总层数为n。其中各层的厚度也可根据实际情况进行一定的调整。由于二氧化硅7具有正的谐振频率温度系数，所以在其与铌酸锂层键合后，可以一定程度上弥补铌酸锂薄膜层的温度系数，进而改善谐振器的温度稳定性。此外，与二氧化硅7交互放置的氮化硅层10具有相较于二氧化硅7而言很高的声波阻抗，这就使得整体的布拉格反射层具有很好的反射声波效果，从而不影响谐振器自身的剪切波谐振，一般总层数n大于等于5层时，可以获得足够良好的反射效果。其中波阻抗高的氮化硅层9还可以用氮化铝(AlN)、钨(W)来替代。此外，在铌酸锂薄膜下放置布拉格反射层还可以很好的帮助谐振器散热来提高功率容量，且可以提高谐振器的机械强度。因此，本发明所提出的布拉格反射层可以在不破坏谐振器谐振特性的同时很好的弥补悬置铌酸锂薄膜谐振器的不足。
本发明所提出的带有布拉格反射层的剪切波谐振器可以通过结合溅镀工艺和光刻工艺来实现。首先在硅基板通过溅镀来生长出特定层数的布拉格反射层，然后再通过如图3b中所示的光刻工艺来实现正叉指电极系统1，负叉指电极系统2的蚀刻。
在本申请的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“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。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。
Claims (10)
1.一种自带反射层的高功率容量体声波谐振器，其特征在于，包括：叉指电极系统、薄膜；
所述叉指电极系统包括：正电极、负电极；
所述薄膜采用铌酸锂薄膜；
当铌酸锂薄膜的表面的叉指电极系统分别被加载正电极和负电极时，交互的相邻电极之间产生的水平电场将在铌酸锂薄膜中激励起剪切波谐振。
2.根据权利要求1所述的自带反射层的高功率容量体声波谐振器，其特征在于，所述正电极、负电极采用顶部叉指电极；
所述顶部叉指电极采用以下任意一种材料：
-铂；
-铝；
-钼；
-金；
-银；
-钌；
还包括：布拉格反射层；
所述布拉格反射层放置在铌酸锂薄膜下；
所述布拉格反射层包括：二氧化硅层、氮化硅层；
交互放置的四分之一谐振波长厚度的二氧化硅层和氮化硅层形成布拉格反射层。
3.一种自带反射层的高功率容量体声波谐振器的制备方法，其特征在于，制备权利要求1-2任一项所述的自带反射层的高功率容量体声波谐振器，包括：
步骤S1：制作谐振器初始基板；
步骤S2：在谐振器初始基板上制备自带反射层的高功率容量体声波谐振器；
所述步骤S1包括：
步骤S1.1:在铌酸锂基板特定深度处注入氦离子产生缺陷损伤层；
步骤S1.2：利用损伤层剥离出铌酸锂薄膜；
步骤S1.3：对硅基板进行表面氧化得到二氧化硅层并进行化学机械抛光；
步骤S1.4：将处理好的铌酸锂薄膜层和二氧化硅层进行键合。
4.根据权利要求3所述的自带反射层的高功率容量体声波谐振器的制备方法，其特征在于，所述步骤S2包括：
步骤S2.1：在基板表面镀上一层铝层作为保护层；
步骤S2.2：从背面用干法蚀刻从基板背面将待定工作区域的硅层和二氧化硅层蚀刻掉，并蚀刻掉上表面的金属保护层，仅保留铌酸锂薄膜层。
5.根据权利要求4所述的自带反射层的高功率容量体声波谐振器的制备方法，其特征在于，所述步骤S2包括：
步骤S2.3：在铌酸锂薄膜上表面镀上电子束光刻胶并蚀刻出设定的形状；
步骤S2.4：利用电子束蚀刻出所需的电极的叉指部分。
6.根据权利要求5所述的自带反射层的高功率容量体声波谐振器的制备方法，其特征在于，所述步骤S2包括：
步骤S2.5：利用紫外光刻胶涂覆和蚀刻电极；
步骤S2.6：蚀刻出叉指电极两端较厚的内联触点。
7.一种自带反射层的高功率容量体声波谐振器的制备系统，其特征在于，制备权利要求1-2任一项所述的自带反射层的高功率容量体声波谐振器，包括：
模块M1：制作谐振器初始基板；
模块M2：在谐振器初始基板上制备自带反射层的高功率容量体声波谐振器；
所述模块M1包括：
模块M1.1:在铌酸锂基板特定深度处注入氦离子产生缺陷损伤层；
模块M1.2：利用损伤层剥离出铌酸锂薄膜；
模块M1.3：对硅基板进行表面氧化得到二氧化硅层并进行化学机械抛光；
模块M1.4：将处理好的铌酸锂薄膜层和二氧化硅层进行键合。
8.根据权利要求7所述的自带反射层的高功率容量体声波谐振器的制备系统，其特征在于，所述模块M2包括：
模块M2.1：在基板表面镀上一层铝层作为保护层；
模块M2.2：从背面用干法蚀刻从基板背面将待定工作区域的硅层和二氧化硅层蚀刻掉，并蚀刻掉上表面的金属保护层，仅保留铌酸锂薄膜层。
9.根据权利要求8所述的自带反射层的高功率容量体声波谐振器的制备系统，其特征在于，所述模块M2包括：
模块M2.3：在铌酸锂薄膜上表面镀上电子束光刻胶并蚀刻出设定的形状；
模块M2.4：利用电子束蚀刻出所需的电极的叉指部分。
10.根据权利要求9所述的自带反射层的高功率容量体声波谐振器的制备系统，其特征在于，所述模块M2包括：
模块M2.5：利用紫外光刻胶涂覆和蚀刻电极；
模块M2.6：蚀刻出叉指电极两端较厚的内联触点。
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|---|---|---|---|---|
| CN112953454A (zh) * | 2021-03-16 | 2021-06-11 | 电子科技大学 | 一种高频、低损耗的声表面波谐振器及其制备方法 |
| CN113381724A (zh) * | 2021-07-02 | 2021-09-10 | 中国科学院上海微系统与信息技术研究所 | 体声波谐振器及其制备方法 |
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2020
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