CN112383288A - 一种温度补偿的免封装声表面波器件及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种温度补偿的免封装声表面波器件及其制备方法。它由下至上依次包括基片、叉指换能器、二氧化硅层、高声速层；所述基片包括压电单晶基片和/或生长了强织构压电薄膜的基片；当所述基片为所述生长了强织构压电薄膜的常规基片时，在其生长了强织构压电薄膜的一面上设置所述二氧化硅层；所述二氧化硅层设置在所述基片上并覆盖所述叉指换能器及其相邻叉指间隙。本发明通过将高声速层覆盖在器件上方的方式，抑制声波的向上传播，可以实现器件的免封装，进而推动声表面波器件在降低成本、提高良率、推进器件小型化等方面的进步，通过采用成熟的温度补偿声表面波器件中各功能层制备的方法，在提高器件温度稳定性的同时保证了器件的品质。
Description
技术领域
本发明涉及一种温度补偿的免封装声表面波器件及其制备方法，属于电子信息材料领域。
背景技术
随着通信技术的日益发展，声表面波器件向着高频、高性能、低成本、小型化等方向快速发展。传统的声表面波器件通常需要采用封装结构，并在封装结构中进行空腔的设计以保证器件性能的稳定。然而，这样的结构会提高器件制备的难度，增加成本；同时设计空腔结构存在塌陷、受潮等次品风险，影响产品良率；另外，封装结构增大了器件体积，阻碍了器件进一步小型化。
另一方面，为了增强移动通信设备的温度适应性，人们对器件的温度稳定性提出了更高的要求。因此，对于具有温度补偿特性的声表面波器件的研究和制备以及其性能的提升也是近几年的热点之一。
发明内容
本发明的目的是提供一种温度补偿的免封装声表面波器件及其制备方法，本发明通过将高声速层覆盖在器件上方的方式，抑制声波的向上传播，可以实现器件的免封装，进而推动声表面波器件在降低成本、提高良率、推进器件小型化等方面的进步，通过采用成熟的温度补偿声表面波器件中各功能层制备的方法，在提高器件温度稳定性的同时保证了器件的品质。
本发明提供的一种温度补偿的免封装声表面波器件，它由下至上依次包括基片、叉指换能器、二氧化硅层、高声速层；
所述基片包括压电单晶基片和/或生长了强织构压电薄膜的基片；当所述基片为所述生长了强织构压电薄膜的常规基片时，在其生长了强织构压电薄膜的一面上设置所述二氧化硅层；
所述二氧化硅层设置在所述基片上并覆盖所述叉指换能器及其相邻叉指间隙。
上述的免封装声表面波器件中，所述高声速层的厚度可为5nm～100μm；
所述高声速层的材质包括氮化硅和/或氮化铝。
上述的免封装声表面波器件中，所述叉指换能器包括金属打底层和金属主体层组成；所述金属主体层设置在所述金属打底层上。
上述的免封装声表面波器件中，制成所述金属打底层的金属包括Ti、Ni和Cr中的至少一种；
制成所述金属主体层的金属包括Al、Cu、Pt和Ag中的至少一种；
所述金属打底层的厚度可为1nm～100nm；
所述金属主体层的厚度可为2nm～2000nm。
上述的免封装声表面波器件中，所述叉指换能器的线宽可为100nm～5μm，所述叉指换能器的相邻叉指间距可为100nm～5μm。
上述的免封装声表面波器件中，所述二氧化硅层的厚度可为3nm～40μm；
所述二氧化硅层的厚度大于等于所述叉指换能器的厚度。
上述的免封装声表面波器件中，所述压电单晶基片的材质为钽酸锂或铌酸锂，所述压电单晶基片的切向任意；
所述生长了强织构压电薄膜的基片为利用磁控溅射方法在常规基片上生长了强织构压电薄膜制得；
所述强织构压电薄膜的材质为氧化锌、氮化铝、掺杂氧化锌或掺杂氮化铝；
所述强织构压电薄膜的取向任意；
所述强织构压电薄膜的厚度为20nm～40μm；
所述常规基片可为任意市面上易得的常规基片，包括无压电的基片或所述压电单晶基片；所述无压电的基片包括硅基片和/或石英基片，压电单晶基片的材质为钽酸锂或铌酸锂。
上述的免封装声表面波器件中，所述压电单晶基片的切向具体可为15°YX-铌酸锂、YZ-铌酸锂或42°YX-钽酸锂。
所述强织构压电薄膜的取向具体可包括c面氧化锌和/或a面氮化铝；
上述的免封装声表面波器件中，所述掺杂氧化锌中掺杂元素为V、Cr和Fe中的至少一种，其掺杂量可为0.3～5％；
所述掺杂氮化铝中掺杂元素为Sc，其掺杂量可为0.1～70％。
其中，所述掺杂量为掺杂的元素原子含量占掺杂物质金属元素原子总含量的原子百分比。
本发明还提供了上述温度补偿的免封装声表面波器件的制备方法，包括如下步骤：
1)取所述基片表面清洗：
当所述基片为压电单晶基片，则将其表面清洗；
当所述基片为生长了强织构压电薄膜的基片时，则先将未生长强织构压电薄膜的所述常规基片进行表面清洗，然后在在其一抛光面上生长所述强织构压电薄膜，得到所述基片；
2)利用光刻方法和电子束蒸镀方法，在所述基片上制备所述叉指换能器；
3)利用磁控溅射方法，在所述基片上制备二氧化硅薄膜，使所述二氧化硅薄膜覆盖所述叉指换能器及其相邻叉指间隙；
4)利用化学机械抛光方法对所述二氧化硅薄膜的表面进行处理得到所述二氧化硅层，所述二氧化硅层的厚度大于等于叉指换能器的厚度，且所述二氧化硅层覆盖叉指换能器的相邻叉指间隙，所述二氧化硅层上表面平整；
5)利用磁控溅射方法或其他镀膜方法在所述二氧化硅层上制备高声速薄膜，得到所述高声速层；
6)利用套刻方法和刻蚀方法刻蚀所述高声速层和所述二氧化硅层将所述叉指换能器的电极焊盘外露；
7)免去封装步骤，即得到所述温度补偿的免封装声表面波器件。
本发明中，当所述基片为生长了强织构压电薄膜的无压电基片时，所述方法步骤1)中还包括对于无压电基片利用磁控溅射方法在其上方制备强织构压电薄膜，以得到所述生长了强织构压电薄膜的无压电基片。
本发明具有以下优点：
利用将高声速层覆盖在器件上方的方式，抑制声波的向上传播，控制了声波的传播范围，使得表面环境的变化不会对器件性能产生影响，从而能实现器件的免封装，进而推动声表面波器件在降低成本、提高良率、推进器件小型化等方面的进步；另外，融入了成熟的温度补偿声表面波器件中各功能层制备工艺，能够实现在叉指换能器上方制备致密平整的二氧化硅薄膜，在提高器件温度稳定性的同时保证了器件的品质。
附图说明
图1为本发明基于压电单晶基片的温度补偿的免封装声表面波器件的截面结构示意图。
图2为本发明基于生长了强织构压电薄膜的基片的温度补偿的免封装声表面波器件的截面结构示意图，其中叉指换能器对数为仅截取部分叉指换能器的示意图。
图3是本发明温度补偿的免封装声表面波器件中叉指换能器的截面示意图，图中包括金属打底层和金属主体层。
图4是本发明实施例中温度补偿的免封装声表面波器件的模拟振型图，图中基片未全部展示。
图5是本发明实施例中温度补偿的免封装声表面波器件的模拟导纳曲线。
图中各个标记如下：
1压电单晶基片；2常规基片；3强织构压电薄膜；4叉指换能器；5二氧化硅层；6高声速层；7叉指换能器中的金属打底层；8叉指换能器中的金属主体层。
具体实施方式
下述实施例中所使用的实验方法如无特殊说明，均为常规方法。
下述实施例中所用的材料、试剂等，如无特殊说明，均可从商业途径得到。
如图1所示，为本发明基于压电单晶基片的温度补偿的免封装声表面波器件。它由下至上依次包括压电单晶基片1、叉指换能器4、二氧化硅层5、高声速层6，其中二氧化硅层5设置在压电单晶基片1上并覆盖叉指换能器4及其相邻叉指间隙。
如图2所示，为本发明基于生长了强织构压电薄膜的基片的温度补偿的免封装声表面波器件的截面结构示意图。它由下至上依次包括生长了强织构压电薄膜的基片(即生长了强织构压电薄膜3的常规基片2、叉指换能器4、二氧化硅层5、高声速层6，其中二氧化硅层5设置在压电单晶基片1上并覆盖叉指换能器4及其相邻叉指间隙。
进一步的，高声速层6的厚度为5nm～100μm；
高声速层6的材质包括氮化硅和/或氮化铝。
进一步的，如图3所示，叉指换能器4包括金属打底层7和金属主体层8组成；金属主体层8设置在金属打底层7上。
进一步的，制成金属打底层7的金属包括Ti、Ni和Cr中的至少一种；
制成金属主体层8的金属包括Al、Cu、Pt和Ag中的至少一种；
金属打底层7的厚度为1nm～100nm；
金属主体层8的厚度为2nm～2000nm。
进一步的，叉指换能器4的线宽为100nm～5μm，叉指换能器4的相邻叉指间距为100nm～5μm。
进一步的，二氧化硅层5的厚度为3nm～40μm；
二氧化硅层5的厚度大于等于叉指换能器的厚度。
进一步的，生长了强织构压电薄膜的基片为利用磁控溅射方法在常规基片2上生长了强织构压电薄膜3制得；
强织构压电薄膜3的材质为氧化锌、氮化铝、掺杂氧化锌或掺杂氮化铝；
强织构压电薄膜3的厚度为20nm～40μm；
常规基片2可为任意市面上易得的常规基片，包括无压电的基片或所述压电单晶基片；无压电的基片包括硅基片和/或石英基片，压电单晶基片的材质为钽酸锂或铌酸锂。
进一步的，压电单晶基片1的切向为15°YX-铌酸锂、YZ-铌酸锂或42°YX-钽酸锂。
强织构压电薄膜3的取向包括c面氧化锌和/或a面氮化铝；
进一步的，掺杂氧化锌中掺杂元素为V、Cr和Fe中的至少一种，其掺杂量为0.3～5％；
掺杂氮化铝中掺杂元素为Sc，其掺杂量为0.1～70％。
其中，掺杂量为掺杂的元素原子含量占掺杂物质金属元素原子总含量的原子百分比。
实施例1、温度补偿的免封装声表面波器件的制备
如图2所示，为本发明温度补偿的免封装声表面波器件的结构示意图，其制备方法按照如下步骤进行：
1、采用厚度为500μm的高阻(100)Si基片，依次经过丙酮、酒精、去离子水、酒精超声清洗，然后用氮气枪吹干。
2、在高阻(100)Si基片上，采用磁控溅射方法生长300nm氧化锌。具体的实验条件为：本底真空度优于8×10-5Pa，采用Zn靶反应溅射，采用射频电源，电源功率140W，Ar流量18sccm，O2流量10sccm，镀膜温度350℃，镀膜气压0.8Pa，镀膜时间2250s。
3、采用光刻技术和电子束蒸镀方法制备叉指换能器，叉指换能器线宽为250nm，相邻叉指间距为250nm，材料为5nmTi金属打底层和75nm Al金属主体层。具体的实验条件为：首先进行光刻工艺，光刻的具体步骤包括表面清洗烘干、涂底、旋涂光刻胶、软烘、曝光、后烘、显影、硬烘。光刻完成后样品上的叉指换能器图形已经形成。之后将样品放入电子束蒸镀机镀膜。电子束蒸镀方法具体实验条件如下：本底真空优于9×10-9torr，Ti镀膜速率为
Al镀膜速率为
蒸镀完成后，从蒸镀机中取出样品并置于丙酮中剥离，从而完成叉指换能器的制备。
4、采用磁控溅射方法生长400nm二氧化硅薄膜，具体实验条件如下：本底真空度优于7×10-5Pa，采用硅靶反应溅射，直流电源，电源功率1000W，Ar流量18sccm，O2流量12sccm，常温镀膜，镀膜气压0.5Pa。
5、利用化学机械抛光技术(CMP)对样品表面进行处理直至二氧化硅薄膜上表面平整且氧化锌上方的二氧化硅薄膜厚度为300nm，即完成二氧化硅层的制备。
6、采用磁控溅射方法生长1500nm氮化硅薄膜，具体实验条件如下：本底真空度优于7×10-5Pa，采用硅靶反应溅射，直流电源，电源功率1000W，Ar流量18sccm，N2流量12sccm，常温镀膜，镀膜气压0.5Pa。
7、利用套刻技术刻蚀叉指换能器电极焊盘上方的二氧化硅和氮化硅。
8、免去封装步骤，即完成本实施例所述器件的制备。
若采用本实施例制备温度补偿的免封装声表面波器件，其仿真结果如图4、5所示。由图4-5可知，该器件表面已不参与声波的传输，因此表面的环境变化不会引起声波性能的改变，从而不会改变信号，因此能够实现免封装的工艺。该声表面波器件的谐振频率为4.9967GHz，反谐振频率为5.0506GHz，机电耦合系数为2.61％。
需要说明的是，以上仅为本发明的一个实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的限制和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种温度补偿的免封装声表面波器件，其特征在于：它由下至上依次包括基片、叉指换能器、二氧化硅层、高声速层；
所述基片包括压电单晶基片和/或生长了强织构压电薄膜的基片；当所述基片为所述生长了强织构压电薄膜的常规基片时，在其生长了强织构压电薄膜的一面上设置所述二氧化硅层；
所述二氧化硅层设置在所述基片上并覆盖所述叉指换能器及其相邻叉指间隙。
2.根据权利要求1所述的免封装声表面波器件，其特征在于：所述高声速层的厚度为5nm～100μm；
所述高声速层的材质包括氮化硅和/或氮化铝。
3.根据权利要求1或2所述的免封装声表面波器件，其特征在于：所述叉指换能器包括金属打底层和金属主体层组成；所述金属主体层设置在所述金属打底层上。
4.根据权利要求3所述的免封装声表面波器件，其特征在于：制成所述金属打底层的金属包括Ti、Ni和Cr中的至少一种；
制成所述金属主体层的金属包括Al、Cu、Pt和Ag中的至少一种；
所述金属打底层的厚度为1nm～100nm；
所述金属主体层的厚度为2nm～2000nm。
5.根据权利要求1-4中任一项所述的免封装声表面波器件，其特征在于：所述叉指换能器的线宽为100nm～5μm，所述叉指换能器的相邻叉指间距为100nm～5μm。
6.根据权利要求1-5中任一项所述的免封装声表面波器件，其特征在于：所述二氧化硅层的厚度为3nm～40μm；
所述二氧化硅层的厚度大于等于所述叉指换能器的厚度。
7.根据权利要求1-6中任一项所述的免封装声表面波器件，其特征在于：所述压电单晶基片的材质为钽酸锂或铌酸锂；
所述生长了强织构压电薄膜的基片为利用磁控溅射方法在常规基片上生长了强织构压电薄膜制得；
所述强织构压电薄膜的材质为氧化锌、氮化铝、掺杂氧化锌或掺杂氮化铝；
所述强织构压电薄膜的厚度为20nm～40μm。
8.根据权利要求7所述的免封装声表面波器件，其特征在于：所述压电单晶基片的切向为15°YX-铌酸锂、YZ-铌酸锂或42°YX-钽酸锂。
所述强织构压电薄膜的取向包括c面氧化锌和/或a面氮化铝。
9.根据权利要求7所述的强织构压电薄膜，其特征在于；所述掺杂氧化锌中掺杂元素为V、Cr和Fe中的至少一种，其掺杂量为0.3～5％；
所述掺杂氮化铝中掺杂元素为Sc，其掺杂量为0.1～70％。
其中，所述掺杂量为掺杂的元素原子含量占掺杂物质金属元素原子总含量的原子百分比。
10.权利要求1-9中任一项所述温度补偿的免封装声表面波器件的制备方法，包括如下步骤：
1)取所述基片表面清洗：
当所述基片为压电单晶基片，则将其表面清洗；
当所述基片为生长了强织构压电薄膜的基片时，则先将未生长强织构压电薄膜的所述常规基片进行表面清洗，然后在其一抛光面上生长所述强织构压电薄膜，得到所述基片；
2)利用光刻方法和电子束蒸镀方法，在所述基片上制备所述叉指换能器；
3)利用磁控溅射方法，在所述基片上制备二氧化硅薄膜，使所述二氧化硅薄膜覆盖所述叉指换能器及其相邻叉指间隙；
4)利用化学机械抛光方法对所述二氧化硅薄膜的表面进行处理得到所述二氧化硅层，所述二氧化硅层的厚度大于等于叉指换能器的厚度，且所述二氧化硅层覆盖叉指换能器的相邻叉指间隙，所述二氧化硅层上表面平整；
5)利用磁控溅射方法或其他镀膜方法在所述二氧化硅层上制备高声速薄膜，得到所述高声速层；
6)利用套刻方法和刻蚀方法刻蚀所述高声速层和所述二氧化硅层将所述叉指换能器的电极焊盘外露；
7)免去封装步骤，即得到所述温度补偿的免封装声表面波器件。
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