CN113922784B - 一种声波谐振器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本申请实施例所公开的一种声波谐振器及其制备方法，声波谐振器包括衬底、压电膜和多个叉指电极，其中，衬底具有空气腔，压电膜设置在衬底的上表面，多个叉指电极设置在压电膜的上表面，多个叉指电极包括第一叉指电极集合，第一叉指电极集合中每个第一叉指电极上开设有刻蚀通孔，刻蚀通孔贯穿第一叉指电极和压电膜，刻蚀通孔与空气腔连通。基于本申请实施例通过在第一叉指电极上开设刻蚀通孔，利用各向同性的刻蚀和释放工艺，可以控制多余的悬空区域的大小，在不影响器件性能的前提下，可以提高器件的功率容量，并且通过减小悬空区域可以提升器件机械稳定性，此外还可以抑制部分杂散波模式。
Description
技术领域
本发明涉及微电子器件领域，尤其涉及一种声波谐振器及其制备方法。
背景技术
由于铌酸锂/碳酸锂材料的热导率较低，基于悬空的铌酸锂/碳酸锂压电薄膜的高阶兰姆谐振器，具有工作频率高、机电耦合系数大等优势，有望在5G射频前端中发挥重要作用。悬空型谐振器虽然类似于传统的声表面波器件，拥有叉指电极结构，但是需要将压电膜进行悬空，从而可以通过空气腔的完美反射，使得声波能量得到较好地约束，实现较高的品质因子，但是耐受功率容量低，限制其应用。
并且，现有悬空型谐振器的悬空方式主要有以下两种，一种是从衬底下表面进行刻蚀，使之悬空。另一种是从叉指电极上表面进行刻蚀，通入刻蚀材料刻蚀衬底。然而，从衬底下表面刻蚀衬底的方式工艺复杂，成本高昂。从上表面刻蚀衬底的方式，化学反应是各向同性的过程，难以控制悬空区域的大小。
发明内容
本申请实施例提供了一种声波谐振器及其制备方法，可以在不影响器件性能的前提下，通过减小悬空区域，从而提高器件的功率容量，并且可以提升器件的机械稳定性。
本申请实施例提供了一种声波谐振器，包括：
衬底，衬底具有空气腔；
压电膜，压电膜设置在衬底的上表面；
多个叉指电极，多个叉指电极设置在压电膜的上表面；
其中，多个叉指电极包括第一叉指电极集合，第一叉指电极集合中每个第一叉指电极上开设有刻蚀通孔，刻蚀通孔贯穿第一叉指电极和压电膜，刻蚀通孔与空气腔连通。
进一步地，每个第一叉指电极的侧面设有补偿电极，
补偿电极的下表面与压电膜的上表面连接，
补偿电极的位置与刻蚀通孔的位置匹配。
进一步地，多个叉指电极还包括第二叉指电极集合；
第二叉指电极集合与第一叉指电极集合相邻设置，且第二叉指电极集合与第一叉指电极集合间具有间隔。
进一步地，空气腔是通过刻蚀通孔向衬底注入刻蚀材料形成的。
进一步地，多个叉指电极中每个叉指电极的金属化率在区间[1％,50％]内。
进一步地，压电膜的材料为铌酸锂/钽酸锂；
压电膜的厚度小于1.5微米。
进一步地，压电膜的厚度与多个叉指电极中相邻两个叉指电极的中心间距的比值在区间[0.02,0.5]内。
进一步地，每个叉指电极的下表面和每个叉指电极的部分侧面位于压电膜内；或者；
每个叉指电极的下表面和每个叉指电极的全部侧面位于压电膜内。
进一步地，上述声波谐振器还包括：介质层，
介质层设置在压电膜的上表面；或者，
介质层设置在压电膜的下表面；或者，
介质层设置在压电膜的上表面和下表面。
相应地，本申请实施例还提供了一种声波谐振器的制备方法，包括：
获取衬底；
在衬底的上表面制备压电膜；
在压电膜的上表面制备多个叉指电极；多个叉指电极包括第一叉指电极集合；
在第一叉指电极集合的每个第一叉指电极上开设刻蚀通孔；刻蚀通孔贯穿第一叉指电极和压电膜；
通过刻蚀通孔向衬底注入刻蚀材料，使得在衬底内形成空气腔；空气腔与刻蚀通孔连通。
本申请实施例具有如下有益效果：
本申请实施例所公开的一种声波谐振器及其制备方法，声波谐振器包括衬底、压电膜和多个叉指电极，其中，衬底具有空气腔，压电膜设置在衬底的上表面，多个叉指电极设置在压电膜的上表面，多个叉指电极包括第一叉指电极集合，第一叉指电极集合中每个第一叉指电极上开设有刻蚀通孔，刻蚀通孔贯穿第一叉指电极和压电膜，刻蚀通孔与空气腔连通。基于本申请实施例通过在第一叉指电极上开设刻蚀通孔，利用各向同性的刻蚀和释放工艺，可以控制多余的悬空区域的大小，可以得到仅有IDT核心激发区处于悬空状态的声波谐振器，在不影响器件性能的前提下，通过减小悬空区域，可以提高器件的功率容量，并且可以提升器件机械稳定性，此外还可以抑制部分杂散波模式。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案和优点，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它附图。
图1是本申请实施例提供的一种声波谐振器的俯视示意图；
图2是本申请实施例提供的一种声波谐振器的截面示意图；
图3是现有悬空型谐振器的俯视示意图；
图4是现有悬空型谐振器的截面示意图；
图5是本申请实施例提供的不同悬空区域面积的谐振器的功率容量的仿真对比图；
图6是本申请实施例提供的一个波长宽度的谐振器单元在谐振频率下的应力分布截面图；
图7是本申请实施例提供的本申请中的声波谐振器与现有悬空型谐振器的导纳仿真对比图；
图8是本申请实施例提供的一种声波谐振器的制备方法的流程示意图。
附图标记：衬底-100，压电膜-200，叉指电极-300，空气腔-101，第一叉指电极集合-301，第二叉指电极集合-302，刻蚀通孔-3011，补偿电极-3012。
具体实施方式
为使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本申请实施例作进一步地详细描述。显然，所描述的实施例仅仅是本申请一个实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
此处所称的“实施例”是指可包含于本申请至少一个实现方式中的特定特征、结构或特性。在本申请实施例的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“顶”、“底”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结构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。术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含的包括一个或者更多个该特征。而且，术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本申请实施例能够以除了在这里图示或描述以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们/的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。
下面介绍本申请一种声波谐振器的具体实施例，图1是本申请实施例提供的一种声波谐振器的俯视示意图，图2是本申请实施例提供的一种声波谐振器的截面示意图，本说明书提供了如俯视示意图和截面示意图所示的组成结构，但基于常规或者无创造性的劳动可以包括更多或者更少的组成结构。实施例中列举的组成结构仅仅为众多组成结构中的一种方式，不代表唯一的组成结构，在实际执行时，可以按照实施例或者附图所示的组成结构执行。
如图1和2所示，该声波谐振器可以包括衬底100、压电膜200和多个叉指电极300。其中，衬底100可以具有空气腔101，压电膜200可以设置在衬底100的上表面，多个叉指电极300可以设置在压电膜200的上表面。并且，多个叉指电极300可以包括第一叉指电极集合301，该第一叉指电极集合301中每个第一叉指电极上开设有刻蚀通孔3011，该刻蚀通孔3011贯穿第一叉指电极301和压电膜200，且与空气腔101连通。
本申请实施例中，每个第一叉指电极的侧面设有补偿电极3012，该补偿电极3012的下表面与压电膜200的上表面连接，且补偿电极3012的位置与刻蚀通孔3011的位置匹配。也即是，可以在每个第一叉指电极的中轴线上开设圆形的刻蚀通孔，并在刻蚀通孔周围设置圆形的补偿电极，即电极覆盖区。通过设置补偿电极可以对第一叉指电极的面积进行补偿，防止由于刻蚀通孔的面积过大或者光刻、套刻工艺对准的偏移导致的叉指换能器IDT断裂。
在一种可选的实施方式中，可以在每个第一叉指电极上开设一个刻蚀通孔，也可以在每个第一叉指电极上开设多个刻蚀通孔，多个刻蚀通孔可以在同一轴线上，也可以不在同一轴线上。此外，还可以在部分第一叉指电极上开设刻蚀通孔，本说明书不作具体限定。
在一种可选的实施方式中，补偿电极的形状还可以是正方形、长方形或其他不规则图形，本说明书不作具体限定。
本申请实施例中，多个叉指电极300还可以包括第二叉指电极集合302，该第二叉指电极集合302可以与第一叉指电极集合301相邻设置，且第二叉指电极集合302与第一叉指电极集合301间具有间隔。也即是，可以在压电膜200上设置多个叉指电极300，在第一叉指电极集合301即压电膜200中间区域的电极指条上设置刻蚀通孔3011，在第二叉指电极集合302即压电膜200的边缘区域的电极指条上不设置刻蚀通孔。
图3是现有悬空型谐振器的俯视示意图，图4是现有悬空型谐振器的截面示意图，如图3和图4所示，现有悬空型谐振器的刻蚀通孔设置在压电膜的边缘区域，基于该刻蚀通孔在衬底形成的空气腔存在多余的悬空区域，该悬空区域的面积大于IDT核心激发区的面积，使得器件的机械稳定性和功率容量都受到极大挑战。
本申请实施例中，衬底100的材料可以是硅，对于硅衬底的各向同性腐蚀，可以通过刻蚀通孔3011向衬底100注入二氟化氙XeF2气体形成空气腔101，该空气腔101可以是N个半球形空腔的重叠。通过有限次的优化设计，在第一叉指电极上开设刻蚀通孔，利用各向同性的刻蚀和释放工艺，可以控制多余的悬空区域的大小，可以得到仅有IDT核心激发区处于悬空状态的声波谐振器，在不影响器件性能的前提下，可以提高器件的功率容量，并且通过减小悬空区域可以提升器件机械稳定性。
图5是本申请实施例提供的不同悬空区域面积的谐振器的功率容量的仿真对比图。其中，本申请中的声波谐振器的叉指电极的面积与现有悬空型谐振器的叉指电极的面积相同，但悬空区域的面积不同。可见，本申请中的声波谐振器的稳定工作温度不超过30℃，即无悬空区域，器件的稳定工作温度不超过30℃，现有悬空型谐振器的稳定工作温度高达70℃，即两侧悬空区域增加至2个波长的宽度时，器件的稳定工作温度将上升至70℃。可见，减小悬空区域可以提升器件功率容量。
图6是本申请实施例提供的一个波长宽度的谐振器单元在谐振频率下的应力分布截面图。如图6所示，在谐振频率下，应力的分布主要位于叉指电极之间，而在叉指电极及其下方的压电膜内，几乎没有应力分布。这就说明，该类高阶兰姆波谐振器的特点是由电场的水平分量在叉指电极之间激发产生弹性波，因此叉指电极的金属化率要低于传统的声表面波器件，使得横向电场区占比高。但是叉指电极的金属化率不宜过低，否则电极所引入的欧姆损耗会较为严重。本申请实施例中，多个叉指电极300中每个叉指电极的金属化率可以在区间[1％,50％]内。可选的，每个叉指电极的金属化率可以在区间[10％,50％]内。此外，还可以说明，由于在叉指电极及其下方的压电膜内无应力分布，将刻蚀通孔设置在每个叉指电极上将不会对谐振器的谐振响应产生影响，这与其他类型的基于IDT电极的器件有着显著的区别，若在传统的声波谐振器或低阶兰姆谐振器中设置刻蚀通孔，则会引入强烈的杂波，进而将导致器件的不可使用。
本申请实施例中，压电膜200的材料可以为铌酸锂/钽酸锂，压电膜200的厚度可以小于1.5微米，压电膜200的切型可以为Y128切型、Z切、Y切等，本说明书不作具体限定。
本申请实施例中，衬底的材料可以为硅、氧化硅、二氧化硅-硅、碳化硅、氧化铝、石英等，既可以是单一的材料，也可以是两种或多种材料的层叠组合。可以通过特定的化学反应，选择对衬底进行各向同性腐蚀的刻蚀材料，如二氟化氙XeF2刻蚀硅衬底，氢氟酸刻蚀二氧化硅衬底。
图7是本申请实施例提供的本申请中的声波谐振器与现有悬空型谐振器的导纳仿真对比图。其中，本申请中的声波谐振器的压电膜与现有悬空型谐振器的压电膜均为500nm的Y128切铌酸锂，波长λ＝2p＝6μm，叉指电极的材料可以为铝，叉指电极的金属化率可以为15％。如图7所示，两个声波谐振器的响应几乎一致，即本申请中的声波谐振器并不影响谐振器的电学响应。此外，相比于对比例，实施例在5.3GHz附近的杂散波模式消失，说明该结构也具有抑制部分杂散波模式的作用。
本申请实施例中，压电膜200的厚度与多个叉指电极300中相邻两个叉指电极的中心间距的比值可以在区间[0.02,0.5]内。
本申请实施例中，每个叉指电极的下表面和每个叉指电极的部分侧面位于压电膜内。即每个叉指电极可以部分埋入压电膜200内。
在另一种可选的实施方式中，每个叉指电极的下表面和每个叉指电极的全部侧面位于压电膜内。即每个叉指电极可以完全埋入压电膜200内。
本申请实施例中，声波谐振器还可以包括介质层，该介质层可以设置在压电膜200的上表面，也可以在压电膜的下表面，也可以设置在压电膜的上表面和下表面，即压电膜的双面。
采用本申请实施例所提供的声波谐振器，通过在第一叉指电极上开设刻蚀通孔，利用各向同性的刻蚀和释放工艺，可以控制多余的悬空区域的大小，可以得到仅有IDT核心激发区处于悬空状态的声波谐振器，在不影响器件性能的前提下，通过减小悬空区域，可以提高器件的功率容量，并且可以提升器件机械稳定性，此外还可以抑制部分杂散波模式。
下面介绍本申请一种声波谐振器的制备方法的具体实施例，图8是本申请实施例提供的一种声波谐振器的制备方法的流程示意图，本说明书提供了如附图所示的方法步骤，但基于常规或者无创造性的劳动可以包括更多或者更少的步骤。实施例中列举的组成结构仅仅为众多方法步骤中的一种方式，不代表唯一的方式，在实际执行时，可以按照实施例或者附图所示的方法执行。
如图8所示，该制备方法可以包括：
S801：获取衬底。
本申请实施例中，可以获取硅片作为衬底。
S803：在衬底的上表面制备压电膜。
本申请实施例中，在衬底的上表面制备压电膜之后，还可以在压电膜上制备介质层。
S805：在压电膜的上表面制备多个叉指电极；多个叉指电极包括第一叉指电极集合。
本申请实施例中，多个叉指电极还可以包括第二叉指电极集合。即可以在压电膜中间区域设置第一叉指电极集合，并可以在压电膜的边缘区域的设置第二叉指电极集合。
S807：在第一叉指电极集合的每个第一叉指电极上开设刻蚀通孔；刻蚀通孔贯穿第一叉指电极和压电膜。
S809：通过刻蚀通孔向衬底注入刻蚀材料，使得在衬底内形成空气腔；空气腔与刻蚀通孔连通。
采用本申请实施例提供的声波谐振器的制备方法，通过在第一叉指电极上开设刻蚀通孔，利用各向同性的刻蚀和释放工艺，可以控制多余的悬空区域的大小，可以得到仅有IDT核心激发区处于悬空状态的声波谐振器，在不影响器件性能的前提下，可以提高器件的功率容量，并且通过减小悬空区域可以提升器件机械稳定性，此外还可以抑制部分杂散波模式。
由上述本申请提供的声波谐振器、声波谐振器的制备方法的实施例可见，本申请中声波谐振器包括衬底、压电膜和多个叉指电极，其中，衬底具有空气腔，压电膜设置在衬底的上表面，多个叉指电极设置在压电膜的上表面，多个叉指电极包括第一叉指电极集合，第一叉指电极集合中每个第一叉指电极上开设有刻蚀通孔，刻蚀通孔贯穿第一叉指电极和压电膜，刻蚀通孔与空气腔连通。基于本申请实施例通过在第一叉指电极上开设刻蚀通孔，利用各向同性的刻蚀和释放工艺，可以控制多余的悬空区域的大小，可以得到仅有IDT核心激发区处于悬空状态的声波谐振器，在不影响器件性能的前提下，可以提高器件的功率容量，并且通过减小悬空区域可以提升器件机械稳定性，此外还可以抑制部分杂散波模式。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的相连或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
需要说明的是：上述本申请实施例的先后顺序仅仅为了描述，不代表实施例的优劣，且上述本说明书对特定的实施例进行了描述，其他实施例也在所附权利要求书的范围内。在一些情况下，在权利要求书中记载的动作或者步骤可以按照不同的实施例中的顺序来执行并且能够实现预期的结果。另外，在附图中描绘的过程不一定要求示出特定顺序或者而连接顺序才能够实现期望的结果，在某些实施方式中，多任务并行处理也是可以的或者可能是有利的。
本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的均为与其他实施例的不同之处。尤其，对于方法的实施例而言，由于其基于相似于方法实施例，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。
以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种声波谐振器，其特征在于，包括：
衬底，所述衬底具有空气腔；
压电膜，所述压电膜设置在所述衬底的上表面；
多个叉指电极，所述多个叉指电极设置在所述压电膜的上表面；
其中，所述多个叉指电极包括第一叉指电极集合，所述第一叉指电极集合中每个第一叉指电极上开设有刻蚀通孔，所述刻蚀通孔贯穿所述第一叉指电极和所述压电膜，所述刻蚀通孔与所述空气腔连通；所述刻蚀通孔设置在位于所述压电膜的中间区域的第一叉指电极上。
2.根据权利要求1所述的声波谐振器，其特征在于，所述每个第一叉指电极的侧面设有补偿电极，
所述补偿电极的下表面与所述压电膜的上表面连接，
所述补偿电极的位置与所述刻蚀通孔的位置匹配。
3.根据权利要求1所述的声波谐振器，其特征在于，所述多个叉指电极还包括第二叉指电极集合；
所述第二叉指电极集合与所述第一叉指电极集合相邻设置，且所述第二叉指电极集合与所述第一叉指电极集合间具有间隔。
4.根据权利要求1所述的声波谐振器，其特征在于，所述空气腔是通过所述刻蚀通孔向所述衬底注入刻蚀材料形成的。
5.根据权利要求1所述的声波谐振器，其特征在于，所述多个叉指电极中每个叉指电极的金属化率在区间[1％,50％]内。
6.根据权利要求1所述的声波谐振器，其特征在于，
所述压电膜的材料为铌酸锂/钽酸锂；
所述压电膜的厚度小于1.5微米。
7.根据权利要求1所述的声波谐振器，其特征在于，
所述压电膜的厚度与所述多个叉指电极中相邻两个叉指电极的中心间距的比值在区间[0.02,0.5]内。
8.根据权利要求1所述的声波谐振器，其特征在于，每个所述叉指电极的下表面和每个所述叉指电极的部分侧面位于所述压电膜内；或者；
每个所述叉指电极的下表面和每个所述叉指电极的全部侧面位于所述压电膜内。
9.根据权利要求1所述的声波谐振器，其特征在于，还包括：介质层，
所述介质层设置在所述压电膜的上表面；或者，
所述介质层设置在所述压电膜的下表面；或者，
所述介质层设置在所述压电膜的上表面和下表面。
10.一种声波谐振器的制备方法，其特征在于，包括：
获取衬底；
在所述衬底的上表面制备压电膜；
在所述压电膜的上表面制备多个叉指电极；所述多个叉指电极包括第一叉指电极集合；
在所述第一叉指电极集合的每个第一叉指电极上开设刻蚀通孔；所述刻蚀通孔贯穿所述第一叉指电极和所述压电膜；所述刻蚀通孔设置在位于所述压电膜的中间区域的第一叉指电极上；
通过所述刻蚀通孔向所述衬底注入刻蚀材料，使得在所述衬底内形成空气腔；所述空气腔与所述刻蚀通孔连通。
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