CN112653415A - 一种多层膜声表面波谐振器及制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种多层膜声表面波谐振器及其制造方法。该谐振器包括：由高声速材料的衬底层、底部SiO2温度补偿层、和LiTaO3压电薄膜组成的POI结构；位于压电薄膜之上的电极；及位于电极之上的SiO2顶部温度补偿层。其制造方法包括：在LiTaO3晶片压电层的一面注入He+离子形成剥离层，加热并沿剥离层剥离部分压电层进行减薄和抛光后获得压电薄膜；在SiC衬底上沉积SiO2形成底部温度补偿层；将压电薄膜的一面与底部温度补偿层进行低温键合；在压电薄膜的另面上沉积一层电极；在电极上沉积SiO2形成顶部温度补偿层；减薄SiC衬底。本发明的声表面波谐振器具有较高的综合性能。
Description
技术领域
本发明涉及声波谐振器/滤波器，尤其涉及手机射频前端中的一种具有POI结构多层膜高性能声表面波谐振器及制造方法。
背景技术
5G时代，对于数据传输速度的要求越来越高。为了在有限的带宽内支持足够的数据传输率，对于移动设备的射频前端的各种性能提出了更高要求，尤其是滤波器的设计越来愈有挑战性。
声表面波(SAW)、体声波(BAW)、以及薄膜体声波(FBAR)是当前可移动设备滤波器领域的三大主流技术。其中，低频和中频段又以SAW滤波器为主。其技术从Normal-SAW、TC-SAW，更进一步演进到IHP-SAW，以及未来的XBAR技术。
IHP-SAW滤波器以其优异的温度补偿性能，以及较低的插入损耗，可比拟甚至超越部分BAW、FBAR滤波器，成为现阶段SAW滤波器产业的一个主要的发展趋势。
IHP-SAW技术采用类似于SAW器件+SMR-BAW器件的多层反射栅结构的混合技术。IHP-SAW的多层反射栅结构采用高声阻抗和低声阻抗交替堆叠的方式实现。其低声阻抗材料多采用TCF(Temperature Coefficient of Frequency)为正温度系数的材料，如二氧化硅；高声阻抗层常用低温度系数的材料，如SiN、W等。这种混合结构技术，即赋予其SAW器件单面加工工艺的简单化，又赋予其SMR-BAW器件的低能量泄露的特性。
IHP-SAW滤波器的三大优点是：
1、高Q值；
2、低频率温度系数(TCF)；
3、良好的散热性。
IHP-SAW滤波器采用SMR-BAW的多层反射栅结构可使更多的声表面波能量聚焦在衬底表面，从而降低声波在传播过程中的损耗，提高器件的Q值。高Q特性使其具有高的带外抑制、陡峭的通带边缘滚降、以及高的隔离度。
《A Novel 3.5GHz Low-Loss Bandpass Filter Using I.H.P.SAW Resonators》(Yuichi Takamine,Tsutomu Takai,Hideki Iwamoto,Takeshi Nakao and MasayoshiKoshino.Murata Manufacturing Co.Ltd)中提及的IHP-SAW的中心频率f0＝3.69GHz，Q＝2500,机电耦合系数K2＝8％，FOM＝200,插入损耗为1.7dB。FOM＝k2*Q,FOM为谐振器综合指标，一般SAW和TC-SAW的FOM值＜100，IHP SAW和FBAR的FOM值均≤200。FOM值大于200的谐振器是非常少见的。
然而，另一方面，现有IHP-SAW滤波器具有如下这样的问题：
一、高频IHP-SAW中心频率为3.69GHz左右，不能完全满足两个通信频段n77(3.3-4.2GHz)、n78(3.3-3.8GHz)工作频率要求；
二、高频IHP-SAW的品质因数Q为2500，插损为1.7dB，不满足5G通信低插损、高带外抑制、陡峭的通带边缘滚降、高隔离度的要求；
三、高频IHP-SAW的FOM值＝Q*k2＝200，不满足5G通信高性能的要求。
因此，现在亟须一种综合性能更高的声表面波谐振器。
发明内容
提供本发明内容以便以简化形式介绍将在以下详细描述中进一步描述的一些概念。本发明内容并不旨在标识出所要求保护的主题的关键特征或必要特征；也不旨在用于确定或限制所要求保护的主题的范围。
本发明提供一种具有POI结构多层膜高性能声表面波谐振器，包括：由厚度为0.4－0.6λ的高声速材料的衬底层、厚度为0.1－0.3λ底部SiO2温度补偿层、和厚度为0.3λ的LiTaO3压电薄膜组成的POI结构、位于压电薄膜之上的厚度为0.08－0.12λ的IDT电极、以及位于电极之上的厚度为nλ(n为0.1－1)的SiO2顶部温度补偿层，其中λ是电极指激发的声波波长。
其中，IDT电极的占空比为0.4，电极沿孔径长度为10λ，电极指对数为1000对。IDT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，例如第一层为Ti，第二层为Ni，第三层为Cu。
本发明的具有POI结构多层膜高性能声表面波谐振器的制造方法，包括：
在LiTaO3晶片的一面注入He+离子形成剥离层，注入He+离子的深度大于压电薄膜的厚度，为谐振器的波长的1～3倍，加热并沿剥离层剥离部分压电层，对经剥离处理后的压电层进行CMP减薄和抛光后获得压电薄膜；
在SiC衬底上沉积一层SiO2，形成底部温度补偿层；
将压电薄膜的一面与底部温度补偿层进行低温键合(键合温度≤250℃)；
在压电薄膜与底部温度补偿层进行低温键合的一面相对的另面上沉积一层IDT电极；
在IDT电极上通过PECVD、PVD、CVD、或MOCVD沉积一层SiO2，形成顶部温度补偿层；以及
采用CMP方式减薄SiC衬底。
通过阅读下面的详细描述并参考相关联的附图，这些及其他特点和优点将变得显而易见。应该理解，前面的概括说明和下面的详细描述只是说明性的，不会对所要求保护的各方面形成限制。
附图说明
以下将通过参考附图中示出的具体实施例来对本发明进行更具体描述。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本申请的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。部分附图仅为示意，其尺寸比例不构成对实际尺寸比例的限制。
图1是根据本发明的具有POI结构多层膜高性能声表面波谐振器的示意图；
图2是图1的声表面波谐振器一个优选实施例的结构参数示意图；
图3的(a)-(f)是42°YX LiTaO3随顶部温度补偿层厚度变化的导纳图；
图4是42°YX LiTaO3的k2随顶部温度补偿层厚度变化的曲线图；
图5是42°YX LiTaO3的FOM值随顶部温度补偿层厚度变化的曲线图；
图6的(a)-(b)是36°YX LiTaO3随顶部温度补偿层厚度变化的导纳图；
图7是36°YX LiTaO3的k2随顶部温度补偿层厚度变化的曲线图；
图8的(a)-(b)是50°YX LiTaO3的k2随顶部温度补偿层厚度变化的导纳图；
图9是50°YX LiTaO3的k2随顶部温度补偿层厚度变化的曲线图；
图10(a)－图10(g)是顶部温度补偿层厚度为λ时，42°YX LiTaO3随电极厚度变化的导纳图；
图11的(a)-(f)是顶部温度补偿层厚度为λ时，42°YX LiTaO3随压电薄膜厚度变化的导纳图；
图12的(a)-(d)是顶部温度补偿层厚度为λ时，42°YX LiTaO3随高声速衬底层厚度变化的导纳图；
图13的(a)-(f)是顶部温度补偿层厚度为λ时，42°YX LiTaO3随底部温度补偿层厚度变化的导纳图；
图14是根据本发明的具有POI结构多层膜高性能声表面波谐振器的制造方法流程图。
具体实施方式
本发明的谐振器在IDT电极上覆盖一层SiO2作为顶部温度补偿层，顶部温度补偿层厚度根据产品设计需求调整，优选为0.1-0.2λ；电极厚度根据产品设计需求调整，优选为0.08-0.12λ，电极优选Ti、Cu、Al三个金属层叠，层叠厚度为80-120nm；电极之下的压电薄膜的厚度根据产品设计需求调整，优选为0.3λ，压电薄膜材料优选单晶36°、42°、50°YXLiTaO3；压电薄膜之下的底部温度补偿层厚度根据产品设计需求调整，优选为0.1-0.3λ；底部温度补偿层之下的高声速衬底的厚度根据产品设计需求调整，优选为0.4-0.6λ。
以下将通过参考附图中示出的具体实施例来对本发明进行更具体描述。通过阅读下文具体实施方式的详细描述，本发明的各种优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。然而应当理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的各实施方式所限制。提供以下实施方式是为了能够更透彻地理解本发明。除非另有说明，本申请使用的技术术语或者科学术语应当为本申请所属领域技术人员所理解的通常意义。“正面、背面、上、下”等措辞仅用于表达相对位置而无其它限制之含意。
图1是根据本发明的具有POI结构多层膜高性能声表面波谐振器的示意图，图2是图1的声表面波谐振器一个优选实施例的结构参数示意图。以下结合两图对该谐振器进行描述。
根据本发明的具有POI结构多层膜高性能声表面波谐振器包括高声速材料的衬底层101、衬底层之上的材料为SiO2的底部温度补偿层102、底部温度补偿层之上的材料为LiTaO3的压电薄膜103、压电薄膜上的电极104、以及覆盖在电极之上的材料为SiO2的顶部温度补偿层105。
该谐振器使用的衬底材料为高声速的4H-SiC、3C-SiC或6H-SiC，高声速衬底厚度为0.4λ，λ是电极指激发的声波波长，λ＝1μm。高声速材料衬底层与压电薄膜、和底部温度补偿层一起构成POI结构。
设置在高声速材料衬底层上底部温度补偿层SiO2厚度为0.3λ。
设置在底部温度补偿层上的压电薄膜的材料为单晶36°、42°、50°YX LiTaO3，压电薄膜厚度为0.3λ。
压电薄膜上设有电极。电极占空比＝电极宽度/(电极宽度+电极间距)，根据优选实施例，电极宽度+电极间距＝0.5λ，电极占空比为0.4。电极厚度为80nm，电极沿孔径长度len＝10λ。电极对数可根据产品设计进行调整，根据优选实施例，电极对数为1000对。电极是IDT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，根据优选实施例，第一层为Ti，第二层为Ni，第三层为Cu。
覆盖在电极之上的顶部温度补偿层SiO2厚度为nλ，n为0.1-1。
谐振器机电耦合系数kt 2＝(π2/8)(fp 2-fs2)/fs 2，其中fs为谐振频率，fp为反谐振频率。
图3的(a)-(f)是42°YX LiTaO3随顶部温度补偿层厚度变化的导纳图。从图可知，顶部温度补偿层SiO2厚度为0.6-0.8λ时，杂散较为严重；顶部温度补偿层SiO2厚度在0.1-1λ范围内，Q≥5000；而顶部温度补偿层SiO2厚度为0.1-0.2λ时，K2≥10％，Q≥5500，FOM≥570且杂散较小。
图4是42°YX LiTaO3的k2随顶部温度补偿层厚度变化的曲线图。从图可知在顶部温度补偿层SiO2厚度为0.1-1λ范围内，当顶部温度补偿层SiO2厚度＝0.1λ时，k2＝11.35％，为最大值；当顶部温度补偿层SiO2厚度＝0.6λ时，k2＝5.73％，为最小值。随着顶部温度补偿层SiO2厚度变厚，k2先减小后增加。
图5是42°YX LiTaO3的FOM值随顶部温度补偿层厚度变化的曲线图。从图可知，在顶部温度补偿层SiO2厚度为0.1-1λ范围内，当顶部温度补偿层SiO2厚度＝0.1λ时，FOM值＝628，为最大值；当顶部温度补偿层SiO2厚度＝0.4λ时，FOM值＝364，为最小值。随着顶部温度补偿层SiO2厚度变厚，FOM值也是先减小后增加。
图6的(a)-(b)是36°YX LiTaO3随顶部温度补偿层厚度变化的导纳图。从图可知，顶部温度补偿层SiO2厚度为0.1λ时，K2＝11.81％，Q＝5598，FOM＝661且杂散较小；顶部温度补偿层SiO2厚度为0.2λ时，K2＝10.64％，Q＝5233，FOM＝557且杂散较小。
图7是36°YX LiTaO3的k2随顶部温度补偿层厚度变化的曲线图。从图可知，在顶部温度补偿层SiO2厚度为0.1-1λ范围内，当顶部温度补偿层SiO2厚度＝0.1λ时，k2＝11.81％，为最大值；当顶部温度补偿层SiO2厚度＝0.6λ时，k2＝5.93％，为最小值。随着顶部温度补偿层SiO2厚度变厚，k2先减小后增加。
图8的(a)-(b)是50°YX LiTaO3的k2随顶部温度补偿层厚度变化的导纳图。从图可知，在顶部温度补偿层SiO2厚度为0.1λ时，K2＝10.35％，Q＝5790，FOM＝599且杂散较小；顶部温度补偿层SiO2厚度为0.2λ时，K2＝9.43％，Q＝4370，FOM＝412且杂散较小。
图9是50°YX LiTaO3的k2随顶部温度补偿层厚度变化的曲线图。从图可知在顶部温度补偿层SiO2厚度为0.1-1λ范围内，当顶部温度补偿层SiO2厚度＝0.1λ时，k2＝10.35％，为最大值；当顶部温度补偿层SiO2厚度＝0.6λ时，k2＝5.87％，为最小值。随着顶部温度补偿层SiO2厚度变厚，k2先减小后增加。
下表为42°YX LiTaO3压电性能随电极厚度、压电薄膜厚度、底部温度补偿层SiO2厚度、衬底层SiC厚度变化表。
图10(a)－图10(g)是顶部温度补偿层厚度为λ时，42°YX LiTaO3随电极厚度变化的导纳图。从各图对比可知，电极厚度为80nm-120nm时，谐振器机电耦合系数较高、Q较高、FOM值≥470，无杂散。
图11的(a)-(f)是顶部温度补偿层厚度为λ时，42°YX LiTaO3随压电薄膜厚度变化的导纳图。从各图对比可知，压电薄膜厚度为0.3λ时，谐振器机电耦合系数最大且无杂散，Q≥6000，FOM值＝470。
图12的(a)-(d)是顶部温度补偿层厚度为λ时，42°YX LiTaO3随高声速衬底层厚度变化的导纳图。从各图对比可知，SiC厚度为0.4-0.6λ时，谐振器机电耦合系数较大且无杂散，Q≥5600，FOM值≥398。
图13的(a)-(f)是顶部温度补偿层厚度为λ时，42°YX LiTaO3随底部温度补偿层厚度变化的导纳图。从各图对比可知，底部温度补偿SiO2厚度为0.1-0.3λ时，谐振器机电耦合系数较大且无杂散，Q≥5200，FOM值≥412。
图14是根据本发明的具有POI结构多层膜高性能声表面波谐振器的制造方法流程图，该方法包括以下步骤：
步骤1401，提供LiTaO3晶片作为压电层，优选单晶36°、42°、50°YX LiTaO3，在LiTaO3晶片一面采用smart cut技术注入He+离子，离子注入深度根据实际需要的压电薄膜厚度而定，离子注入的深度大于最终形成压电薄膜的厚度，压电薄膜的厚度根据产品设计需求调整，优选为0.3λ。根据优选实施例，注入He+离子的深度为谐振器的波长的1～3倍。离子注入压电层后，在厚度方向上分布不均匀，将离子浓度分布最高的层作为剥离层。加热并沿剥离层剥离部分压电层，进行CMP减薄和抛光后获得压电薄膜；
步骤1402，提供SiC衬底层；
在步骤1403，在SiC衬底层上通过PECVD、PVD、CVD、MOCVD等方法沉积一层SiO2，形成底部温度补偿层，其厚度根据产品设计需求调整，优选为0.1-0.3λ；
在步骤1404，将压电薄膜与底部温度补偿SiO2层进行低温键合，键合温度≤250℃；
在步骤1405，采用蒸镀或溅射方法在压电薄膜表面沉积一层IDT电极，电极厚度根据产品设计需求调整，优选为0.08-0.12λ，电极优选Ti、Cu、Al三个金属层叠，层叠厚度为80-120nm；
在步骤1406，通过PECVD、PVD、CVD、MOCVD等方法在IDT电极上沉积一层SiO2，形成顶部温度补偿层，其厚度根据产品设计需求调整，优选为0.1-0.2λ；
在步骤1407，采用CMP方式减薄SiC衬底层，其厚度根据产品设计需求调整，优选为0.4-0.6λ。
本发明利用异质集成技术，将LiTaO3单晶压电薄膜层与高声速、高导热SiC单晶基片衬底结合，采用SiO2作为底层温度补偿层，与衬底形成POI结构，在电极上方沉积一层SiO2作为顶层温度补偿层。通过调节电极厚度、压电薄膜厚度、顶部温度补偿层SiO2和底部温度补偿层SiO2厚度、高声速衬底层厚度，获得高频低插损高FOM值且无杂散的声表面波谐振器，工作频率、K2、Q值、FOM值均较高。
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，其均应涵盖在本申请的权利要求和说明书的范围当中。
Claims (10)
1.一种多层膜声表面波谐振器，包括：
POI结构，所述POI结构由高声速材料的衬底层、底部温度补偿层、和压电薄膜组成，其中，所述压电薄膜的材料为LiTaO3；
位于所述压电薄膜之上的电极；以及
位于所述电极之上的顶部温度补偿层，所述顶部温度补偿层的材料为SiO2。
2.如权利要求1所述的多层膜声表面波谐振器，其特征在于，
所述电极的占空比为0.4，厚度为0.08－0.12λ，电极沿孔径长度为10λ，其中λ是电极指激发的声波波长，电极指对数为1000对；
所述电极为IDT电极，所述IDT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。
3.如权利要求2所述的高频谐振器，其特征在于，所述层叠体的结构为：第一层为Ti，第二层为Ni，第三层为Cu。
4.如权利要求1所述的多层膜声表面波谐振器，其特征在于，所述高声速材料的衬底层厚度为0.4－0.6λ，所述压电薄膜厚度为0.3λ，底部温度补偿层的厚度为0.1－0.3λ，所述顶部温度补偿层的厚度为nλ，n为0.1－1，其中λ是电极指激发的声波波长。
5.如权利要求1所述的多层膜声表面波谐振器，其特征在于，所述压电薄膜的材料为单晶36°YX LiTaO3、42°YX LiTaO3、或50°YX LiTaO3，所述底部温度补偿层的材料为SiO2。
6.一种多层膜声表面波谐振器的制造方法，包括：
在LiTaO3晶片的一面注入He+离子形成剥离层，加热并沿所述剥离层剥离部分压电层，对经剥离处理后的压电层进行CMP减薄和抛光后获得压电薄膜；
在SiC衬底上沉积一层SiO2，形成底部温度补偿层；
将所述压电薄膜的一面与所述底部温度补偿层进行低温键合；
在所述压电薄膜与所述底部温度补偿层进行低温键合的一面相对的另面上沉积一层IDT电极；
在所述IDT电极上沉积一层SiO2，形成顶部温度补偿层；以及
减薄所述SiC衬底。
7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，在所述LiTaO3晶片的一面注入He+离子的深度大于所述压电薄膜的厚度，为所述谐振器的波长的1～3倍。
8.如权利要求6所述的方法，其特征在于，在所述SiC衬底上沉积所述底部温度补偿层以及在所述IDT电极上沉积所述顶部温度补偿层均是通过PECVD、PVD、CVD、或MOCVD来实现的。
9.如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述压电薄膜与所述底部温度补偿层的低温键合的键合温度≤250℃。
10.如权利要求6所述的方法，其特征在于，采用CMP方式减薄所述SiC衬底。
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