CN113300683B - 一种声表面波谐振器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种声表面波谐振器及其制备方法，所述声表面波谐振器包括：衬底结构；压电薄膜，形成于所述衬底结构上表面；叉指电极，嵌埋于所述压电薄膜中；其中，所述压电薄膜的厚度大于所述叉指电极的厚度，且所述压电薄膜的电极嵌入面与所述衬底结构接触。通过本发明提供的声表面波谐振器及其制备方法，解决了现有声表面波谐振器工作频率低，无法满足5G通信需求的问题。
Description
技术领域
本发明属于微电子器件技术领域，特别是涉及一种声表面波谐振器及其制备方法。
背景技术
虽然声波谐振器被广泛应用于射频通信，但随着射频通信技术的不断发展，特别是5G通信的到来，其要求声波谐振器工作在更高频率。
现有声波谐振器主要分为声表面波谐振器和体声波谐振器两类，其中，声表面波谐振器的工作频率一般低于3GHz，无法完全满足5G通信需求；因此，如何提高声表面波谐振器的工作频率是本领域技术人员迫切需要解决的技术问题。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种声表面波谐振器及其制备方法，用于解决现有声表面波谐振器工作频率低，无法满足5G通信需求的问题。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种声表面波谐振器，其特征在于，所述声表面波谐振器包括：
衬底结构；
压电薄膜，形成于所述衬底结构上表面；
叉指电极，嵌埋于所述压电薄膜中；其中，所述压电薄膜的厚度大于所述叉指电极的厚度，且所述压电薄膜的电极嵌入面与所述衬底结构接触。
可选地，所述叉指电极嵌埋于所述压电薄膜中，且所述叉指电极的下表面与所述压电薄膜的下表面齐平；或者，所述叉指电极嵌埋于所述压电薄膜中，且所述叉指电极的下表面高于所述压电薄膜的下表面；此时，所述声表面波谐振器还包括：空气隙，形成于所述压电薄膜中，且形成于所述叉指电极的下表面与所述衬底结构的上表面之间。
可选地，所述压电薄膜的厚度为100nm-30μm，所述叉指电极的厚度为所述声表面波谐振器波长的0.01-0.5倍，在所述声表面波谐振器包括空气隙时，所述空气隙的高度为所述压电薄膜厚度的0.01-0.99倍。
可选地，所述压电薄膜中激发的弹性波模式包括：剪切波模式、板波模式、瑞利波模式中的至少一种。
可选地，所述压电薄膜的材料包括：铌酸锂、铌酸钾、钽酸锂、氮化铝、石英、氧化锌中的至少一种。
可选地，所述衬底结构包括：一支撑衬底；或者，所述衬底结构包括：一支撑衬底及形成于所述支撑衬底上表面的至少一层衬底材料层；其中，所述衬底结构的等效声速大于所述压电薄膜中激发的弹性波模式的声速，所述衬底结构的等效热导率大于所述压电薄膜的热导率。
可选地，所述支撑衬底的材料包括：硅、氧化硅、碳化硅、蓝宝石、金刚石、砷化镓、石英、铌酸锂、钽酸锂、氮化铝、氮化镓、氧化镓、氧化锌中的至少一种，在所述衬底结构包括衬底材料层时，所述衬底材料层的材料包括：硅、氧化硅、碳化硅、蓝宝石、金刚石、砷化镓、石英、铌酸锂、钽酸锂、氮化铝、氮化镓、氧化镓、氧化锌、苯并环丁烯、聚酰亚胺、聚二甲基硅氧烷、聚苯乙烯中的至少一种。
本发明还提供了一种声表面波谐振器的制备方法，所述制备方法包括：
提供一压电单晶，于所述压电单晶下表面形成凹至所述压电单晶中的嵌埋槽，并于所述嵌埋槽中形成叉指电极；其中，所述嵌埋槽的深度不小于所述叉指电极的厚度；
提供一衬底结构，将所述压电单晶的下表面与所述衬底结构的上表面键合，并对所述压电单晶的上表面进行减薄处理以得到压电薄膜。
可选地，对所述压电单晶的上表面进行减薄处理的方法包括：对所述压电单晶的上表面依次进行研磨、抛光、刻蚀处理，以减薄所述压电单晶。
可选地，形成所述嵌埋槽之前，所述方法还包括：对所述压电单晶下表面进行预设深度的离子注入的步骤；此时，对所述压电单晶的上表面进行减薄处理的方法包括：对所述压电单晶进行热处理或湿法腐蚀，去除所述压电单晶中未进行离子注入的部分，以减薄所述压电单晶。
可选地，所述衬底结构包括：一支撑衬底；或者，所述衬底结构包括：一支撑衬底及形成于所述支撑衬底上表面的至少一层衬底材料层；其中，所述衬底结构的等效声速大于所述压电薄膜中激发的弹性波模式的声速，所述衬底结构的等效热导率大于所述压电薄膜的热导率。
可选地，采用离子束剥离工艺、键合工艺、沉积工艺或外延工艺形成所述压电单晶，采用低能离子辐照工艺、ICP刻蚀工艺或RIE刻蚀工艺形成所述嵌埋槽，采用直接键合工艺或介质键合工艺将所述压电单晶的下表面与所述衬底结构的上表面键合。
如上所述，本发明的一种声表面波谐振器及其制备方法，通过将叉指电极嵌埋于压电薄膜中，来改变压电薄膜中的电场分布，以此提高声表面波谐振器的工作频率及机电耦合系数，改善杂波影响，使得声表面波谐振器可以应用在高频、大带宽领域；利用叉指电极与压电薄膜的充分接触，可大大提高声表面波谐振器的散热能力，同时，覆盖于叉指电极周围的压电薄膜还可作为钝化层，避免电极直接暴露，以避免电极原子在高频工作时引起的重循环压力及因器件温度升高所发生的声迁移现象，以此避免器件失效。
附图说明
图1显示为本发明所述声表面波谐振器的一种结构示意图。
图2显示为本发明所述声表面波谐振器的另一种结构示意图，也即本发明示例1所示声表面波谐振器的结构示意图。
图3显示为本发明对比例1所示声表面波谐振器的结构示意图。
图4显示为示例1所示器件结构及对比例1所示器件结构的仿真导纳曲线示意图。
元件标号说明
100 衬底结构
101 支撑衬底
102 衬底材料层
200 压电薄膜
300 叉指电极
400 空气隙
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
请参阅图1至图4。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，虽图示中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的形态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局形态也可能更为复杂。
如图1和2所示，本实施例提供一种声表面波谐振器，所述声表面波谐振器包括：
衬底结构100；
压电薄膜200，形成于所述衬底结构100上表面；
叉指电极300，嵌埋于所述压电薄膜200中；其中，所述压电薄膜200的厚度大于所述叉指电极300的厚度，且所述压电薄膜200的电极嵌入面与所述衬底结构100接触。
具体的，所述衬底结构100包括：一支撑衬底101(具体如图2所示)；或者，所述衬底结构100包括：一支撑衬底101及形成于所述支撑衬底101上表面的至少一层衬底材料层102(具体如图1所示)；其中，所述衬底结构100的等效声速大于所述压电薄膜200中激发的弹性波模式的声速，所述衬底结构100的等效热导率大于所述压电薄膜200的热导率，以避免弹性波向衬底结构100泄露，同时提高器件的散热能力。具体器件制备时，在所述衬底结构100还包括所述衬底材料层102时，所述衬底材料层102的层数可根据实际需求来设定，相邻两层所述衬底材料层102的材料可以相同，也可以不同，本示例对此不作限定。需要注意的是，在所述衬底结构100仅包括支撑衬底101时，所述“衬底结构100的等效声速大于压电薄膜200中激发的弹性波模式的声速，衬底结构100的等效热导率大于压电薄膜200的热导率”实际上是指“支撑衬底101的声速大于压电薄膜200中激发的弹性波模式的声速，支撑衬底101的热导率大于压电薄膜200的热导率”，而在所述衬底结构100包括支撑衬底101及至少一层衬底材料层102时，所述“衬底结构100的等效声速大于压电薄膜200中激发的弹性波模式的声速，衬底结构100的等效热导率大于压电薄膜200的热导率”实际上是指“支撑衬底101及所有衬底材料层102的等效声速大于压电薄膜200中激发的弹性波模式的声速，支撑衬底101及所有衬底材料层102的等效热导率大于压电薄膜200的热导率”。更具体的，在所述衬底结构100仅包括所述支撑衬底101时，所述支撑衬底101的材料包括：硅、氧化硅、碳化硅、蓝宝石、金刚石、砷化镓、石英、铌酸锂、钽酸锂、氮化铝、氮化镓、氧化镓、氧化锌中的至少一种；而在所述衬底结构100包括所述支撑衬底101及至少一层所述衬底材料层102时，所述支撑衬底101的材料包括：硅、氧化硅、碳化硅、蓝宝石、金刚石、砷化镓、石英、铌酸锂、钽酸锂、氮化铝、氮化镓、氧化镓、氧化锌中的至少一种，所述衬底材料层102的材料包括：硅、氧化硅、碳化硅、蓝宝石、金刚石、砷化镓、石英、铌酸锂、钽酸锂、氮化铝、氮化镓、氧化镓、氧化锌、苯并环丁烯、聚酰亚胺、聚二甲基硅氧烷、聚苯乙烯中的至少一种。
具体的，所述压电薄膜200为单晶压电薄膜，其材料包括：铌酸锂、铌酸钾、钽酸锂、氮化铝、石英、氧化锌中的至少一种。所述压电薄膜200的厚度为100nm-30μm(包括两个端点值)；可选地，所述压电薄膜200的厚度小于1000nm，以在保证器件具有较高机电耦合系数的前提下，使得器件具有更高的工作频率及更小的尺寸，且可以与制备过程中的离子注入工艺契合，适合大规模流片。
具体的，所述叉指电极300嵌埋于所述压电薄膜200中，且所述叉指电极300的下表面与所述压电薄膜200的下表面齐平(具体如图1所示)；或者，所述叉指电极300嵌埋于所述压电薄膜200中，且所述叉指电极300的下表面高于所述压电薄膜200的下表面；此时，所述声表面波谐振器还包括：空气隙400，形成于所述压电薄膜200中，且形成于所述叉指电极300的下表面与所述衬底结构100的上表面之间(具体如图2所示)。更具体的，所述叉指电极300的材料为金属铝，当然，其它可制作叉指电极的金属材料同样适用于本示例；所述叉指电极300的厚度为所述声表面波谐振器波长λ的0.01-0.5倍。而在所述声表面波谐振器还包括空气隙400时，所述空气隙400的高度为所述压电薄膜200厚度的0.01-0.99倍；可选地，所述空气隙400的高度为所述压电薄膜200厚度的0.01-0.5倍；本示例利用空气隙的设计，使得图2所示器件结构相较于图1所示器件结构具有更大的机电耦合系数，且简化工艺要求，成功率高。
具体的，所述压电薄膜200中激发的弹性波模式包括：剪切波模式、板波模式、瑞利波模式中的至少一种。
相应地，本实施例还提供一种声表面波谐振器的制备方法，所述制备方法包括：
步骤1)提供一压电单晶，于所述压电单晶下表面形成凹至所述压电单晶中的嵌埋槽，并于所述嵌埋槽中形成叉指电极；其中，所述嵌埋槽的深度不小于所述叉指电极的厚度；
步骤2)提供一衬底结构，将所述压电单晶的下表面与所述衬底结构的上表面键合，并对所述压电单晶的上表面进行减薄处理以得到压电薄膜。
对于步骤1)，采用离子束剥离工艺、键合工艺、沉积工艺或外延工艺形成所述压电单晶；其中，所述压电单晶的材料包括：铌酸锂、铌酸钾、钽酸锂、氮化铝、石英、氧化锌中的至少一种。采用低能离子辐照工艺、ICP刻蚀工艺或RIE刻蚀工艺形成所述嵌埋槽。采用沉积工艺及图形化刻蚀工艺形成所述叉指电极；其中，所述叉指电极的材料为金属铝，当然，其它可制作叉指电极的金属材料同样适用于本示例；所述叉指电极的厚度为所述声表面波谐振器波长λ的0.01-0.5倍。
对于步骤2)，采用直接键合工艺或介质键合工艺将所述压电单晶的下表面与所述衬底结构的上表面键合。其中，所述衬底结构包括：一支撑衬底；或者，所述衬底结构包括：一支撑衬底及形成于所述支撑衬底上表面的至少一层衬底材料层；所述衬底结构的等效声速大于所述压电薄膜中激发的弹性波模式的声速，所述衬底结构的等效热导率大于所述压电薄膜的热导率，以避免弹性波向衬底结构泄露，同时提高器件的散热能力。具体器件制备时，在所述衬底结构还包括所述衬底材料层时，所述衬底材料层的层数可根据实际需求来设定，相邻两层所述衬底材料层的材料可以相同，也可以不同，本示例对此不作限定。需要注意的是，在所述衬底结构仅包括支撑衬底时，所述“衬底结构的等效声速大于压电薄膜中激发的弹性波模式的声速，衬底结构的等效热导率大于压电薄膜的热导率”实际上是指“支撑衬底的声速大于压电薄膜中激发的弹性波模式的声速，支撑衬底的热导率大于压电薄膜的热导率”，而在所述衬底结构包括支撑衬底及至少一层衬底材料层时，所述“衬底结构的等效声速大于压电薄膜中激发的弹性波模式的声速，衬底结构的等效热导率大于压电薄膜的热导率”实际上是指“支撑衬底及所有衬底材料层的等效声速大于压电薄膜中激发的弹性波模式的声速，支撑衬底及所有衬底材料层的等效热导率大于压电薄膜的热导率”。更具体的，在所述衬底结构仅包括所述支撑衬底时，所述支撑衬底的材料包括：硅、氧化硅、碳化硅、蓝宝石、金刚石、砷化镓、石英、铌酸锂、钽酸锂、氮化铝、氮化镓、氧化镓、氧化锌中的至少一种；而在所述衬底结构包括所述支撑衬底及至少一层所述衬底材料层时，所述支撑衬底的材料包括：硅、氧化硅、碳化硅、蓝宝石、金刚石、砷化镓、石英、铌酸锂、钽酸锂、氮化铝、氮化镓、氧化镓、氧化锌中的至少一种，所述衬底材料层的材料包括：硅、氧化硅、碳化硅、蓝宝石、金刚石、砷化镓、石英、铌酸锂、钽酸锂、氮化铝、氮化镓、氧化镓、氧化锌、苯并环丁烯、聚酰亚胺、聚二甲基硅氧烷、聚苯乙烯中的至少一种。
对于步骤2)，一示例中，对所述压电单晶的上表面进行减薄处理的方法包括：对所述压电单晶的上表面依次进行研磨、抛光、刻蚀处理，以减薄所述压电单晶。另一示例中，形成所述嵌埋槽之前，所述方法还包括：对所述压电单晶下表面进行预设深度的离子注入的步骤，其中，注入离子包括：H离子及He离子中的至少一种；此时，对所述压电单晶的上表面进行减薄处理的方法包括：对所述压电单晶进行热处理或湿法腐蚀，去除所述压电单晶中未进行离子注入的部分，以减薄所述压电单晶。其中，减薄后的所述压电薄膜的厚度为100nm-30μm(包括两个端点值)；可选地，所述压电薄膜的厚度小于1000nm，以在保证器件具有较高的机电耦合系数的前提下，使得器件具有更高的工作频率及更小的尺寸，且可以与制备过程中的离子注入工艺契合，适合大规模流片。
对于步骤2)，在所述嵌埋槽的深度大于所述叉指电极的厚度时，将所述压电单晶的下表面与所述衬底结构的上表面键合后，在所述叉指电极的下表面与所述衬底结构的上表面之间形成有空气隙；其中，所述空气隙的高度为减薄后的所述压电薄膜厚度的0.01-0.99倍，可选地，所述空气隙400的高度为所述压电薄膜200厚度的0.01-0.5倍；本示例利用空气隙的设计，使得图2所示器件结构相较于图1所示器件结构具有更大的机电耦合系数，且简化工艺要求，成功率高。
下面以图2所示器件结构作为示例1，以图3所示器件结构作为对比例1，利用压电薄膜中激发的SH0波模式为例，对本实施例所述声表面波谐振器的性能进行说明；其中，示例1和对比例1仅在叉指电极位置及空气隙有无上存在差异。
示例1：以SiC作为衬底结构；以LiNbO3作为压电薄膜，其厚度H1＝420nm；以Al制作叉指电极，其厚度H2＝300nm；器件波长λ＝1.8μm，空气隙的高度H3＝100nm。
对比例1：以SiC作为衬底结构；以LiNbO3作为压电薄膜，其厚度H1＝420nm；以Al制作叉指电极，其厚度H2＝300nm；器件波长λ＝1.8μm。
图4为示例1所示器件结构及对比例1所示器件结构的仿真导纳曲线，相较于对比例1，示例1所示器件结构的谐振频率fr由1.81GHz提高至2.46GHz，其反谐振频率fa由1.98GHz提高至2.73GHz，而机电耦合系数Kt 2则由24.6％提高至28.6％。可见，相较于对比例1，本实施例所述器件结构具有更高的工作频率及机电耦合系数。
综上所述，本发明的一种声表面波谐振器及其制备方法，通过将叉指电极嵌埋于压电薄膜中，来改变压电薄膜中的电场分布，以此提高声表面波谐振器的工作频率及机电耦合系数，改善杂波影响，使得声表面波谐振器可以应用在高频、大带宽领域；利用叉指电极与压电薄膜的充分接触，可大大提高声表面波谐振器的散热能力，同时，覆盖于叉指电极周围的压电薄膜还可作为钝化层，避免电极直接暴露，以避免电极原子在高频工作时引起的重循环压力及因器件温度升高所发生的声迁移现象，以此避免器件失效。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。
Claims (11)
1.一种声表面波谐振器，其特征在于，所述声表面波谐振器包括：
衬底结构；
压电薄膜，形成于所述衬底结构上表面；
叉指电极，嵌埋于所述压电薄膜中；
所述压电薄膜的厚度大于所述叉指电极的厚度，且所述压电薄膜的电极嵌入面与所述衬底结构接触；其中，
所述叉指电极的下表面与所述压电薄膜的下表面齐平；或者，所述叉指电极的下表面高于所述压电薄膜的下表面，此时，所述声表面波谐振器还包括：空气隙，形成于所述压电薄膜中，且形成于所述叉指电极的下表面与所述衬底结构的上表面之间。
2.根据权利要求1所述的声表面波谐振器，其特征在于，所述压电薄膜的厚度为100nm-30μm，所述叉指电极的厚度为所述声表面波谐振器波长的0.01-0.5倍，在所述声表面波谐振器包括空气隙时，所述空气隙的高度为所述压电薄膜厚度的0.01-0.99倍。
3.根据权利要求1所述的声表面波谐振器，其特征在于，所述压电薄膜中激发的弹性波模式包括：剪切波模式、板波模式、瑞利波模式中的至少一种。
4.根据权利要求1所述的声表面波谐振器，其特征在于，所述压电薄膜的材料包括：铌酸锂、铌酸钾、钽酸锂、氮化铝、石英、氧化锌中的至少一种。
5.根据权利要求1所述的声表面波谐振器，其特征在于，所述衬底结构包括：一支撑衬底；或者，所述衬底结构包括：一支撑衬底及形成于所述支撑衬底上表面的至少一层衬底材料层；其中，所述衬底结构的等效声速大于所述压电薄膜中激发的弹性波模式的声速，所述衬底结构的等效热导率大于所述压电薄膜的热导率。
6.根据权利要求5所述的声表面波谐振器，其特征在于，所述支撑衬底的材料包括：硅、氧化硅、碳化硅、蓝宝石、金刚石、砷化镓、石英、铌酸锂、钽酸锂、氮化铝、氮化镓、氧化镓、氧化锌中的至少一种，在所述衬底结构包括衬底材料层时，所述衬底材料层的材料包括：硅、氧化硅、碳化硅、蓝宝石、金刚石、砷化镓、石英、铌酸锂、钽酸锂、氮化铝、氮化镓、氧化镓、氧化锌、苯并环丁烯、聚酰亚胺、聚二甲基硅氧烷、聚苯乙烯中的至少一种。
7.一种声表面波谐振器的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括：
提供一压电单晶，于所述压电单晶下表面形成凹至所述压电单晶中的嵌埋槽，并于所述嵌埋槽中形成叉指电极；其中，所述嵌埋槽的深度不小于所述叉指电极的厚度；
提供一衬底结构，将所述压电单晶的下表面与所述衬底结构的上表面键合，并对所述压电单晶的上表面进行减薄处理以得到压电薄膜。
8.根据权利要求7所述的声表面波谐振器的制备方法，其特征在于，对所述压电单晶的上表面进行减薄处理的方法包括：对所述压电单晶的上表面依次进行研磨、抛光、刻蚀处理，以减薄所述压电单晶。
9.根据权利要求7所述的声表面波谐振器的制备方法，其特征在于，形成所述嵌埋槽之前，所述方法还包括：对所述压电单晶下表面进行预设深度的离子注入的步骤；此时，对所述压电单晶的上表面进行减薄处理的方法包括：对所述压电单晶进行热处理或湿法腐蚀，去除所述压电单晶中未进行离子注入的部分，以减薄所述压电单晶。
10.根据权利要求7所述的声表面波谐振器的制备方法，其特征在于，所述衬底结构包括：一支撑衬底；或者，所述衬底结构包括：一支撑衬底及形成于所述支撑衬底上表面的至少一层衬底材料层；其中，所述衬底结构的等效声速大于所述压电薄膜中激发的弹性波模式的声速，所述衬底结构的等效热导率大于所述压电薄膜的热导率。
11.根据权利要求7所述的声表面波谐振器的制备方法，其特征在于，采用离子束剥离工艺、键合工艺、沉积工艺或外延工艺形成所述压电单晶，采用低能离子辐照工艺、ICP刻蚀工艺或RIE刻蚀工艺形成所述嵌埋槽，采用直接键合工艺或介质键合工艺将所述压电单晶的下表面与所述衬底结构的上表面键合。
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