CN112737537A - 一种双层poi结构声表面波谐振器及制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种双层POI结构声表面波谐振器及制造方法。该谐振器包括:衬底、衬底之上的底部POI结构、底部POI结构之上的电极、电极之上的顶部POI结构。其中底部POI结构包括:底部高声速层、底部氧化层、及压电薄膜;顶部POI结构包括:顶部氧化层及顶部高声速层。本发明的谐振器制造方法包括,衬底上依次沉积底部高声速层和底部氧化层后与采用smart cut方法获得的LiTaO3压电薄膜的一面进行低温键合,并在压电薄膜的另一面沉积电极后,在电极上依次沉积顶部氧化层和顶部高声速层。本发明的声表面波谐振器综合性能有很大提高。

Description

一种双层POI结构声表面波谐振器及制造方法
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双层POI结构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,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。
本发明的双层POI结构的声表面波谐振器,包括:衬底、衬底之上的底部POI结构、底部POI结构之上的电极、电极之上的顶部POI结构。
底部POI结构从下到上依次包括:底部高声速层、底部氧化层、及压电薄膜。
顶部POI结构从下到上依次包括:顶部氧化层及顶部高声速层。
本发明的声表面波谐振器,衬底的材料为Si厚度优选为350-500μm;底部高声速层的材料选自SiC、SiON、金刚石、AlN,厚度优选为0.4λ;顶部高声速层的材料选自SiC、SiN、金刚石、AlN,厚度优选为0.4λ;底部氧化层和顶部氧化层的材料均为SiO2或SiFO,底部氧化层厚度优选为0.3λ,顶部氧化层厚度优选为0.2λ;压电薄膜的材料为单晶30°YX LiTaO3、36°YX LiTaO3-42°YX LiTaO3,厚度优选为0.3λ;电极为IDT电极,电极厚度优选为70-80nm,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,优选叠体为第一层为Ti,第二层为Pt,第三层为Au,Ti厚度比Au的厚度厚,电极的占空比为0.5,电极对数为100对。其中,λ是电极指激发的声波波长,λ=1μm。
本发明的双层POI结构的声表面波谐振器的制造方法,包括以下步骤:
采用smart cut技术形成单晶30°YX LiTaO3、36°YX LiTaO3-42°YX LiTaO3压电薄膜;
提供衬底,并在衬底上沉积底部高声速层;
在底部高声速层上沉积底部氧化层;
将压电薄膜的一面和底部氧化层进行低温键合;
在压电薄膜的另一面沉积电极;
在电极上沉积顶部氧化层;以及
在顶部氧化层上沉积顶部高声速层。
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是根据本发明的高性能声表面波谐振器的结构示意图;
图2-图7分别是30°YX LiTaO3、36°YX LiTaO3、38°YX LiTaO3、40°YX LiTaO3、42°YX LiTaO3、128°YX LiTaO3的导纳图;
图8(a)-图8(f)是36°YX LiTaO3的电极厚度变化的导纳图;
图9(a)-图9(b)是42°YX LiTaO3的电极占空比分别为0.4和0.5的导纳图;
图10是根据本发明的高性能声表面波谐振器的制造工艺流程图。
具体实施方式
本发明在IDT电极上方沉积一层顶部氧化层及顶部高声速层,顶部氧化层及顶部高声速层共同构成顶部POI结构,顶部氧化层其厚度根据产品设计需求调整,优选为0.2λ,顶部高声速衬底的厚度根据产品设计需求调整,优选为0.4λ;顶部氧化层之下为电极,电极优选Ti、Pt、Au三个金属层叠,电极厚度根据产品设计需求调整,优选为0.07-0.08λ,其中Ti厚度比Au的厚度厚;电极之下是压电薄膜,压电材料优选单晶30°YX LiTaO3、36°YX LiTaO3、42°YX LiTaO3,其厚度根据产品设计需求调整,优选为0.3λ;压电薄膜之下是底部氧化层,其厚度根据产品设计需求调整,优选为0.3λ;底部氧化层之下为底部高声速衬底,其厚度根据产品设计需求调整,优选为0.4λ,压电薄膜、底部氧化层、底部高声速层共同构成底部POI结构。
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双层POI结构的高性能声表面波谐振器的结构示意图。
本发明的双层POI结构声表面波谐振器包括衬底3、位于衬底之上由底部高声速层4、底部氧化层5和压电薄膜2构成的底部POI结构、位于压电薄膜104之上的电极8、位于电极之上的由顶部氧化层6和顶部高声速层7构成的顶部POI结构。
其中衬底材料优选为Si;底部高声速层的材料选自SiC、SiON、金刚石、AlN,顶部高声速层材料选自SiC、SiN、金刚石、AlN;底部氧化层和顶部氧化层的材料优选为SiO2或SiFO;压电薄膜材料为YX切向的单晶LiTaO3,优选单晶30°YX LiTaO3、36°YX LiTaO3、42°YXLiTaO3;电极为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,优选为第一层为Ti,第二层为Pt,第三层为Au,电极占空比=电极宽度/(电极宽度+电极间距),优选0.5,电极对数根据产品设计进行调整,优选为100对。
各层厚度根据产品设计进行调整,衬底厚度优选为350-500μm;底部高声速层厚度优选为0.4λ;底部氧化层厚度优选为0.3λ;压电薄膜厚度优选为0.3λ;电极厚度优选为70-80nm,在第一层为Ti,第二层为Pt,第三层为Au的电极结构中,Ti厚度比Au的厚度厚;顶部氧化层厚度优选为0.2λ;顶部高声速层厚度优选为0.4λ;其中λ是电极指激发的声波波长,λ=1μm。
谐振器的机电耦合系数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2-图7分别是30°YX LiTaO3、36°YX LiTaO3、38°YX LiTaO3、40°YX LiTaO3、42°YX LiTaO3、128°YX LiTaO3的导纳图。在这组实施例中,顶部氧化层厚度为0.2λ,底部氧化层厚度为0.3λ,顶部和底部高声速层厚度均为0.4λ,压电薄膜厚度为0.3λ,电极材料为铝,电极厚度80nm、占空比0.5。图2-6的实施例中的工作频段为4.2-4.5GHz,K2≥9.7%,Q≥3780,FOM≥368且杂散较小。图7的实施例中的工作频段为3.76-3.79GHz,K2=2.04%,Q=1955,FOM=40且在反谐振频率附近存在小的杂散。
图8(a)-图8(f)是36°YX LiTaO3的电极厚度变化导纳图。从图可知在电极厚度为30-80nm范围内,工作频段为4.2-4.5GHz,当电极厚度为80nm时,FOM值=406,为最大值,K2=10.01%,Q=4015.5;当电极厚度为70nm时,FOM值=347,K2=9.83%,Q=3525.5。电极厚度优选70-80nm,谐振器性能最优。
图9(a)-图9(b)是42°YX LiTaO3的电极占空比分别为0.4和0.5的导纳图。在这组实施例中,顶部氧化层厚度为0.2λ,底部氧化层厚度为0.3λ,顶部和底部高声速层厚度均为0.4λ,压电薄膜厚度为0.3λ,电极材料为铝,电极厚度80nm。从图可见,优选占空比0.5,工作频段为4.2-4.5GHz,K2=10.1%,Q=4015.5,FOM=405.5且无杂散。
图10是根据本发明的声表面波谐振器的制造工艺流程图,该方法包括以下步骤:
步骤a,形成LiTaO3压电薄膜2,该步骤具体包括(图中未示出):提供LiTaO3晶片作为压电薄膜的基片,在LiTaO3晶片的一面采用smart cut技术注入离子,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(30nm)。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LiTaO3晶片后,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LiTaO3晶片,进行CMP减薄和抛光后获得压电薄膜;
步骤b,提供衬底3,在衬底3上通过PECVD、PVD、CVD、MOCVD等方法沉积一层底部高声速层4,其厚度根据产品设计需求调整,优选为0.4λ;
步骤c,在底部高声速层4上沉积底部氧化层5,其厚度根据产品设计需求调整,优选为0.3λ;
步骤d,将步骤a中形成的压电薄膜2与步骤c的产物中的底部氧化层5进行低温键合,键合温度≤250℃,底部高声速层4、底部氧化层5、压电薄膜2三者共同构成底部POI结构;
步骤e,采用蒸镀或溅射方法在压电薄膜表面沉积一层IDT电极8,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,电极厚度优选为70-80nm,在第一层为Ti,第二层为Pt,第三层为Au的优选电极结构中,Ti厚度比Au的厚度厚;
在步骤f,通过PECVD、PVD、CVD、MOCVD等方法在IDT电极上沉积一层顶部氧化层6,顶部氧化层6厚度优选0.2λ;
在步骤g,在顶部氧化层6上沉积顶部高声速层7,顶部高声速层7厚度优选0.4λ,顶部高声速层7和顶部氧化层6共同构成顶部POI结构。
本发明将LiTaO3单晶压电薄膜与高声速、氧化层结合,在IDT电极上下均形成POI结构,通过设计调节压电薄膜切角、电极厚度、电极材料、电极占空比可以获得高频低插损高FOM值且无杂散的声表面波谐振器,工作频率、K2、Q值、FOM值的POI结构谐振器。
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)

1.一种双层POI结构的声表面波谐振器,包括:
衬底;
位于所述衬底之上的底部POI结构,所述底部POI结构进一步包括:
位于所述衬底之上的底部高声速层;
位于所述底部高声速层之上的底部氧化层;及
位于所述底部氧化层上的压电薄膜;
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POI结构,所述顶部POI结构进一步包括:
覆盖在所述电极之上的顶部氧化层;及
在所述顶部氧化层之上的顶部高声速层。
2.如权利要求1所述的声表面波谐振器,其特征在于:
所述衬底的材料为Si;
所述底部高声速层的材料选自SiC、SiON、金刚石、AlN;
所述顶部高声速层的材料选自SiC、SiN、金刚石、AlN;
所述底部氧化层和所述顶部氧化层的材料均为SiO2或SiFO;
所述压电薄膜的材料为YX切向的单晶LiTaO3
所述电极为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1所述的声表面波谐振器,其特征在于:
所述衬底厚度为350-500μm;
所述底部高声速层厚度为0.4λ;
所述底部氧化层厚度为0.3λ;
所述压电薄膜厚度为0.3λ;
所述电极厚度为70-80nm;
所述顶部氧化层厚度为0.2λ;
所述顶部高声速层厚度为0.4λ;
其中,λ是电极指激发的声波波长,λ=1μm。
4.如权利要求2所述的声表面波谐振器,其特征在于:
所述压电薄膜的材料为单晶30°YX LiTaO3、36°YX LiTaO3-42°YX LiTaO3
5.如权利要求2所述的声表面波谐振器,其特征在于:
所述电极层叠体为第一层为Ti,第二层为Pt,第三层为Au,Ti厚度比Au的厚度厚。
6.如权利要求1所述的声表面波谐振器,其特征在于:所述电极的占空比为0.5,所述电极对数为100对。
7.一种双层POI结构的声表面波谐振器的制造方法,包括以下步骤:
形成LiTaO3压电薄膜;
提供衬底,并在所述衬底上沉积底部高声速层;
在所述底部高声速层上沉积底部氧化层;
将所述压电薄膜的一面和所述底部氧化层进行低温键合;
在所述压电薄膜的另一面沉积电极;
在所述电极上沉积顶部氧化层;以及
在所述顶部氧化层上沉积顶部高声速层。
8.如权利要求7所述的方法,其特征在于:
所述衬底厚度为350-500μm;
所述底部高声速层厚度为0.4λ;
所述底部氧化层厚度为0.3λ;
所述压电薄膜厚度为0.3λ;
所述电极厚度为70-80nm;
所述顶部氧化层厚度为0.2λ;
所述顶部高声速层厚度为0.4λ;
其中,λ是电极指激发的声波波长,λ=1μm。
9.如权利要求7所述的方法,其特征在于,所述压电薄膜的材料为单晶30°YX LiTaO3、36°YX LiTaO3-42°YX LiTaO3,所述压电薄膜采用smart cut方法获得。
10.如权利要求7所述的方法,其特征在于,所述电极为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,所述电极的占空比为0.5,所述电极对数为100对。
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