CN114465594B - 一种声波谐振器 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种声波谐振器，所述声波谐振器包括：底电极；压电膜结构，形成于所述底电极的上方；顶电极，形成于所述压电膜结构的上方；其中，所述压电膜结构包括叠置的底层压电膜及顶层压电膜，所述底层压电膜及所述顶层压电膜均具有正面及与正面相对的反面；所述底层压电膜与所述顶层压电膜的法线方向均位于其各自压电晶体的XY面内，同时所述底层压电膜与所述顶层压电膜的晶体切型相同且其中一个正面朝上设置、另一个反面朝上设置。通过本发明提供的声波谐振器，抑制或消除了现有声波谐振器在导纳响应中引入的杂散模式。
Description
技术领域
本发明涉及半导体技术领域，特别是涉及一种声波谐振器。
背景技术
声波谐振器被广泛应用于带通滤波器、双工器，是射频前端系统的重要组成部分。通信技术的快速发展，特别是5G通信技术的快速发展，使得工业界对声波谐振器提出了更高的要求：高机电耦合系数、高频、高功率容量。
然而，高压电系数的单晶材料(如铌酸锂)为三方晶系，相比于传统的压电材料(如氮化铝、氧化锌等)，具有更为复杂的对称性和更多的独立物理变量(弹性系数、压电系数等)。因此，这类压电材料的压电响应存在更为复杂的耦合关系，进而在谐振器的导纳响应中引入不被期望的杂散模式；而抑制或消除该杂散模式，对于实现高性能滤波器/谐振器尤为重要。
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波谐振器，用于抑制或消除现有声波谐振器在导纳响应中引入的杂散模式。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种声波谐振器，所述声波谐振器包括：
底电极；
压电膜结构，形成于所述底电极的上方；
顶电极，形成于所述压电膜结构的上方；
其中，所述压电膜结构包括叠置的底层压电膜及顶层压电膜，所述底层压电膜及所述顶层压电膜均具有正面及与正面相对的反面；所述底层压电膜与所述顶层压电膜的法线方向均位于其各自压电晶体的XY面内，同时所述底层压电膜与所述顶层压电膜的晶体切型相同且其中一个正面朝上设置、另一个反面朝上设置。
可选地，所述底层压电膜与所述顶层压电膜之间具有面内旋转角度α，其中0°<α<360°。
可选地，所述底层压电膜与所述顶层压电膜的厚度均小于20μm，所述底层压电膜与所述顶层压电膜的厚度比介于0.5-2之间。
可选地，所述声波谐振器还包括：中间介质层，形成于所述底层压电膜与所述顶层压电膜之间。
可选地，所述中间介质层的厚度小于所述压电膜结构总厚度的1/2。
可选地，所述底层压电膜与所述顶层压电膜的材料相同，包括：单晶铌酸锂、单晶钽酸锂或单晶铌酸钾中的一种。
可选地，所述底电极包括：面电极、叉指电极或多边形电极中的一种，所述顶电极包括：面电极、叉指电极或多边形电极中的一种。
可选地，在所述顶电极为叉指电极且所述叉指电极激发的声波波长为λ时，所述压电膜结构的总厚度小于0.25λ。
可选地，在所述顶电极为叉指电极时，所述声波谐振器还包括：顶部介质层，形成于所述叉指电极空隙处的所述压电膜结构的上方。
可选地，在所述顶电极为叉指电极时，所述声波谐振器还包括：沟槽结构，形成于所述叉指电极空隙处的所述压电膜结构中。
如上所述，本发明的一种声波谐振器，通过设置两层晶体切型相同的压电膜并使两层压电膜一个正面朝上、另一个反面朝上，以此实现对两种剪切波谐振响应的完全耦合，即将两种剪切波谐振响应合并为一个谐振响应，从而消除不被期望的谐振响应，也即消除导纳响应中引入的杂散模式，提高声波谐振器的综合性能。本发明还通过对两层压电膜的面内旋转角度的设置，实现提高声波谐振器的机电耦合系数及工作频率。
附图说明
图1显示为本发明一种声波谐振器的结构示意图。
图2显示为本发明另一种声波谐振器的结构示意图。
图3显示为本发明实施例一涉及的声波谐振器的结构示意图。
图4显示为本发明实施例一中对比例1所述声波谐振器的有限元仿真的导纳曲线示意图。
图5显示为本发明实施例一中示例1-1、示例1-2、示例1-3所述声波谐振器的有限元仿真的导纳曲线示意图。
图6显示为本发明实施例二涉及的声波谐振器的结构示意图。
图7显示为本发明实施例二中对比例2所述声波谐振器的有限元仿真的导纳曲线示意图。
图8显示为本发明实施例二中示例2-1、示例2-2所述声波谐振器的有限元仿真的导纳曲线示意图。
元件标号说明
100 底电极
200 压电膜结构
201 底层压电膜
202 顶层压电膜
300 顶电极
400 中间介质层
500 顶部介质层
600 沟槽结构
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8。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和图2所示，本实施例提供一种声波谐振器，所述声波谐振器包括：
底电极100；
压电膜结构200，形成于所述底电极100的上方；
顶电极300，形成于所述压电膜结构200的上方；
其中，所述压电膜结构200包括叠置的底层压电膜201及顶层压电膜202，所述底层压电膜201及所述顶层压电膜202均具有正面及与正面相对的反面；所述底层压电膜201与所述顶层压电膜202的法线方向均位于其各自压电晶体的XY面内，同时所述底层压电膜201与所述顶层压电膜202的晶体切型相同且其中一个正面朝上设置、另一个反面朝上设置。
本示例中，所述“底层压电膜201与顶层压电膜202，其中一个正面朝上设置、另一个反面朝上设置”是指“底层压电膜201的正面朝上，顶层压电膜202的反面朝上”或“底层压电膜201的反面朝上，顶层压电膜202的正面朝上”。需要注意的是，对于单层压电膜的声波谐振器而言，在压电膜的法线方向位于压电晶体的XY面内时，器件激发两种剪切波模式，即厚度剪切波模式和水平剪切波模式共存，这就使得器件的导纳响应中出现两种剪切波谐振响应，其中一个为期望的谐振响应，另一个为不被期望的谐振响应，也即杂散模式；而本示例通过设置两层晶体切型相同的压电膜并使两层压电膜一个正面朝上、另一个反面朝上，以此实现两种剪切波谐振响应的完全耦合，即将两种剪切波谐振响应合并为一个谐振响应，从而消除不被期望的谐振响应，也即消除导纳响应中引入的杂散模式，提高声波谐振器的综合性能。
作为示例，所述底层压电膜201与所述顶层压电膜202之间具有面内旋转角度α，其中0°<α<360°，以此提高声波谐振器的机电耦合系数。
具体的，通过调整所述底层压电膜201与所述顶层压电膜202之间的所述面内旋转角度α，使所述底层压电膜201的压电向量e＝[e34,e35]与所述顶层压电膜202的压电向量e＝[e34,e35]方向相同，以此实现两种剪切波谐振响应在一倍频处完全耦合，实现消除杂散模式的同时，还使得声波谐振器的机电耦合系数最大化。
具体的，通过调整所述底层压电膜201与所述顶层压电膜202之间的所述面内旋转角度α，使所述底层压电膜201的压电向量e＝[e34,e35]与所述顶层压电膜202的压电向量e＝[e34,e35]方向相反，以此实现两种剪切波谐振响应在二倍频处完全耦合，实现消除杂散模式的同时，还使得声波谐振器的机电耦合系数最大化，更提高了声波谐振器的工作频率，使其工作频率为原来的2倍。
实际应用中，可通过压电系数的反正切函数计算得到实现一倍频和二倍频的面内旋转角度α，如底层压电膜的压电系数e34为3.7C/m2、e35为-2.5C/m2，顶层压电膜的压电系数e34为-3.7C/m2、e35为-2.5C/m2，那么通过压电系数的反正切函数计算得到角度β＝180°-2*arctan(3.7/2.5)＝68°，即顶层压电膜逆时针旋转68°实现二倍频，也即面内旋转角度α为-68°，其可等效于360°-68°≈290°；若实现一倍频，则在290°的基础上旋转180°，也即面内旋转角度α为110°。
作为示例，所述底层压电膜201与所述顶层压电膜202的厚度均小于20μm；进一步地，所述底层压电膜201与所述顶层压电膜202的厚度均小于2μm。
作为示例，所述底层压电膜201与所述顶层压电膜202的厚度比介于0.5-2之间；进一步地，所述底层压电膜201与所述顶层压电膜202的厚度比为1，即所述底层压电膜201与所述顶层压电膜202的厚度相等。
作为示例，所述底层压电膜201与所述顶层压电膜202的材料相同，包括：单晶铌酸锂、单晶钽酸锂或单晶铌酸钾中的一种。
作为示例，如图1和图2所示，所述声波谐振器还包括：中间介质层400，形成于所述底层压电膜201与所述顶层压电膜202之间，用以实现对应力最大值位于两压电膜交界处的杂散抑制，同时实现降低声波谐振器的制备难度、提高机械强度、提高功率容量。
具体的，所述中间介质层400的厚度小于所述压电膜结构200总厚度的1/2，以在其实现上述功能的同时，避免因厚度太大而影响器件性能。
具体的，所述中间介质层400的材料优选易于通过沉积获得的材料，如二氧化硅(SiO2)、氮化硅(SiN)、氮化铝(AlN)、氧化铝(Al2O3)等。
作为示例，所述底电极100包括：面电极、叉指电极或多边形电极中的一种，所述顶电极300包括：面电极、叉指电极或多边形电极中的一种。
具体的，在所述顶电极300为叉指电极且所述叉指电极激发的声波波长为λ时，所述压电膜结构200的总厚度小于0.25λ；进一步地，所述压电膜结构200的总厚度小于0.1λ。
具体的，一示例中，如图1所示，在所述顶电极300为叉指电极时，所述声波谐振器还包括：顶部介质层500，形成于所述叉指电极空隙处的所述压电膜结构200的上方，用以抑制因设置叉指电极而造成器件厚度不均匀所引入的杂波。其中，所述顶部介质层500优选与所述叉指电极材料的声阻抗接近的材料，以使所述顶部介质层500与所述叉指电极形成阻抗匹配，从而最大程度上抑制因器件厚度不均匀所引入的杂波。需要注意的是，此处所述“顶部介质层500形成于叉指电极空隙处的压电膜结构200的上方”是指“顶部介质层500形成在叉指电极未覆盖区域的压电膜结构上方，而非形成在叉指电极覆盖区域的压电膜结构上方”。
具体的，另一示例中，如图2所示，在所述顶电极300为叉指电极时，所述声波谐振器还包括：沟槽结构600，形成于所述叉指电极空隙处的所述压电膜结构200中，用以抑制由横向电场引起的杂波。其中，所述沟槽结构600的深度可以小于所述压电膜结构200的总厚度，也可以等于所述压电膜结构200的总厚度，更可以大于所述压电膜结构200的总厚度，本示例对此不做限定。需要注意的是，此处所述“沟槽结构600形成于叉指电极空隙处的压电膜结构200中”是指“沟槽结构600形成在叉指电极未覆盖区域的压电膜结构中，而非形成在叉指电极覆盖区域的压电膜结构中”。
具体的，在所述顶电极300为叉指电极时，可通过设置叉指电极的金属化率来抑制部分面内的低阶模的高次谐波；当然，也可通过在叉指电极的长度方向上周期性或非周期性地改变金属化率来抑制部分面内的低阶模的高次谐波。实际应用中，可通过有限次的仿真来获得最佳的金属化率值，当然，其它获得金属化率值的方法也同样适用于本示例。
作为示例，所述声波谐振器还包括：
支撑衬底(图中未示出)，形成于所述底电极的下方；
能量反射结构(图中未示出)，形成于所述支撑衬底中或形成于所述支撑衬底和所述底电极之间。
具体的，在一示例中，所述能量反射结构为形成于所述支撑衬底中或形成于所述支撑衬底和所述底电极之间的空腔，用以对所述压电膜结构中传播的声波进行能量反射，避免其泄漏到所述支撑衬底。可选地，在所述能量反射结构为空腔时，所述声波谐振器还包括：支撑层(图中未示出)，形成于所述底电极和所述空腔之间，用以支撑上层结构(即底电极、压电膜结构及顶电极)，避免上层结构的核心区域因悬空而导致的结构不稳定或易碎等情况。具体应用时，可根据实际需求设定所述支撑层的厚度，如几微米至几百微米。需要注意的是，具体器件制作时，可通过对支撑衬底进行局部背刻蚀以形成贯通支撑衬底的空腔，也可通过对支撑衬底进行正面刻蚀以形成空腔，还可通过对支撑衬底的上层结构进行正面开孔以对支撑衬底进行刻蚀形成空腔，更可通过牺牲层刻蚀形成空腔，本示例对此不做限定。
具体的，在另一示例中，所述能量反射结构为形成于所述支撑衬底和所述底电极之间的布拉格反射层(图中未示出)，用以对所述压电膜结构中传播的声波进行能量反射，避免其泄漏到所述支撑衬底。所述布拉格反射层包括至少一低声阻抗层和一高声阻抗层；其中，所述低声阻抗层和所述高声阻抗层的总层数大于等于2且小于等于10，用以有效实现能量反射的同时，避免层数过多所造成的工艺复杂度提高的问题。需要注意的是，具体应用时，通常设置所述低声阻抗层与所述底电极接触。可选地，所述低声阻抗层优选密度低、刚度系数(即杨氏模量)小的材料，如二氧化硅(SiO2)、石英(Quartz)、玻璃(Glass)、聚合物材料等；而所述高声阻抗层则优选密度高、刚度系数(即杨氏模量)大的材料，如钨(W)、金(Au)、铂(Pt)、金刚石(Diamond)、氮化铝(AlN)等。实际应用中，所述低声阻抗层的厚度设置和所述高声阻抗层的厚度设置均与所述压电膜结构中的声波在对应高声阻抗层或低声阻抗层中的传播波长有关，如所述低声阻抗层的厚度为所述压电膜结构中的声波在该低声阻抗材料中传播波长的四分之一，而所述高声阻抗层的厚度为所述压电膜结构中的声波在该高声阻抗材料中传播波长的四分之一。
具体的，所述支撑衬底的材料包括但不限于单晶硅，所述底电极及所述顶电极的材料包括但不限于金属铝(Al)。
实施例一
如图3所示，本实施例以底电极及顶电极均为面电极为例，对本发明所述声波谐振器的性能进行比对说明；其中，示例1-1、示例1-2、示例1-3及对比例1仅在压电膜结构上存在差异，其它结构均相同。
示例1-1：压电膜结构为两层膜结构；其中，底层压电膜201和顶层压电膜202均为X切型铌酸锂，底层压电膜201的+X轴朝上、顶层压电膜202的+X轴朝下，底层压电膜201和顶层压电膜202的厚度均为500nm，同时两层压电膜的面内旋转角度为0°。
示例1-2：压电膜结构为两层膜结构；其中，底层压电膜201和顶层压电膜202均为X切型铌酸锂，底层压电膜201的+X轴朝上、顶层压电膜202的+X轴朝下，底层压电膜201和顶层压电膜202的厚度均为500nm，同时两层压电膜的面内旋转角度为110°。
示例1-3：压电膜结构为两层膜结构；其中，底层压电膜201和顶层压电膜202均为X切型铌酸锂，底层压电膜201的+X轴朝上、顶层压电膜202的+X轴朝下，底层压电膜201和顶层压电膜202的厚度均为500nm，同时两层压电膜的面内旋转角度为290°。
对比例1：压电膜结构为单层膜结构；其中，单层压电膜为X切型铌酸锂，单层压电膜的+X轴朝上，单层压电膜的厚度为1μm。
对示例1-1、示例1-2、示例1-3及对比例1所述声波谐振器进行性能测试，得到的结果如下：
图4为对比例1所述声波谐振器性能测试后得到的有限元仿真的导纳曲线，从中可以看出：对比例1所述声波谐振器的剪切模式1和剪切模式2振动方向正交、声速接近，但未能耦合，呈现出两个分立的剪切波模式，也即对比例1所述声波谐振器在导纳响应中引入了杂散模式。
图5为示例1-1、示例1-2、示例1-3所述声波谐振器性能测试后得到的有限元仿真的导纳曲线，从中可以看出：示例1-1、示例1-2、示例1-3所述声波谐振器均不存在两个分立的剪切波模式，也即剪切模式1和剪切模式2完全耦合，从而实现消除导纳响应中引入的杂散模式；而且，示例1-2所述声波谐振器在基频(约1600MHz)处产生极大机电耦合系数(约94％)的剪切模式响应，示例1-3所述声波谐振器在二倍频(约3500MHz)处产生极大机电耦合系数(约94％)的剪切模式响应。
由此可见，在忽略底电极和顶电极质量负载效应的情况下，本发明所述声波谐振器可对两种剪切波模式进行完全耦合，从而实现消除导纳响应中引入的杂散模式；同时，还可通过面内旋转角度的设置提高声波谐振器的机电耦合系数及工作频率。
实施例二
如图6所示，本实施例以底电极为面电极、顶电极为叉指电极为例，对本发明所述声波谐振器的性能进行比对说明；其中，示例2-1、示例2-2及对比例2仅在压电膜结构上存在差异，其它结构均相同。
示例2-1：压电膜结构为两层膜结构；其中，底层压电膜201和顶层压电膜202均为X切型铌酸锂，底层压电膜201的+X轴朝上、顶层压电膜202的+X轴朝下，底层压电膜201和顶层压电膜202的厚度均为500nm，两层压电膜的面内旋转角度为110°，同时叉指电极被配置为激发波长为20μm的弹性波且电极金属化率为15％。
示例2-2：压电膜结构为两层膜结构；其中，底层压电膜201和顶层压电膜202均为X切型铌酸锂，底层压电膜201的+X轴朝上、顶层压电膜202的+X轴朝下，底层压电膜201和顶层压电膜202的厚度均为500nm，两层压电膜的面内旋转角度为290°，同时叉指电极被配置为激发波长为20μm的弹性波且电极金属化率为15％。
对比例2：压电膜结构为单层膜结构；其中，单层压电膜为X切型铌酸锂，单层压电膜的+X轴朝上，单层压电膜的厚度为1μm，同时叉指电极被配置为激发波长为20μm的弹性波且电极金属化率为30％。
对示例2-1、示例2-2及对比例2所述声波谐振器进行性能测试，得到的结果如下：
图7为对比例2所述声波谐振器性能测试后得到的有限元仿真的导纳曲线，从中可以看出：在约1900MHz处为对比例2所述声波谐振器的主模(即厚度剪切模式)，但由于铌酸锂三方晶系的特殊性，厚度剪切模式的存在会激发出约2100MHz处的水平剪切模式，使之成为声波谐振器的带内杂波，导致器件不可用。
图8为示例2-1、示例2-2所述声波谐振器性能测试后得到的有限元仿真的导纳曲线，从中可以看出：示例2-1、示例2-2所述声波谐振器的带内杂波均不可见，说明已经被成功抑制；而且，示例2-1所述声波谐振器在基频(约1900MHz)处产生机电耦合系数为63％的剪切模式响应，示例2-2所述声波谐振器在二倍频(约3900MHz)处产生机电耦合系数为63％的剪切模式响应。
由此可见，在忽略底电极和叉指电极质量负载效应的情况下，本发明所述声波谐振器可对两种剪切波模式进行完全耦合，从而实现消除导纳响应中引入的杂散模式；同时，还可通过面内旋转角度的设置提高声波谐振器的机电耦合系数及工作频率。
综上所述，本发明的一种声波谐振器，通过设置两层晶体切型相同的压电膜并使两层压电膜一个正面朝上、另一个反面朝上，以此实现对两种剪切波谐振响应的完全耦合，即将两种剪切波谐振响应合并为一个谐振响应，从而消除不被期望的谐振响应，也即消除导纳响应中引入的杂散模式，提高声波谐振器的综合性能。本发明还通过对两层压电膜的面内旋转角度的设置，实现提高声波谐振器的机电耦合系数及工作频率。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 (9)
1.一种声波谐振器，其特征在于，所述声波谐振器包括：
底电极；
压电膜结构，形成于所述底电极的上方；
顶电极，形成于所述压电膜结构的上方；
其中，所述压电膜结构包括叠置的底层压电膜及顶层压电膜，所述底层压电膜及所述顶层压电膜均具有正面及与正面相对的反面；所述底层压电膜与所述顶层压电膜的法线方向均位于其各自压电晶体的XY面内，同时所述底层压电膜与所述顶层压电膜的晶体切型相同且其中一个正面朝上设置、另一个反面朝上设置；所述底层压电膜与所述顶层压电膜的材料相同，包括：单晶铌酸锂、单晶钽酸锂或单晶铌酸钾。
2.根据权利要求1所述的声波谐振器，其特征在于，所述底层压电膜与所述顶层压电膜之间具有面内旋转角度α，其中0°<α<360°。
3.根据权利要求1所述的声波谐振器，其特征在于，所述底层压电膜与所述顶层压电膜的厚度均小于20μm，所述底层压电膜与所述顶层压电膜的厚度比介于0.5-2之间。
4.根据权利要求1所述的声波谐振器，其特征在于，所述声波谐振器还包括：中间介质层，形成于所述底层压电膜与所述顶层压电膜之间。
5.根据权利要求4所述的声波谐振器，其特征在于，所述中间介质层的厚度小于所述压电膜结构总厚度的1/2。
6.根据权利要求1所述的声波谐振器，其特征在于，所述底电极包括：面电极、叉指电极或多边形电极，所述顶电极包括：面电极、叉指电极或多边形电极。
7.根据权利要求6所述的声波谐振器，其特征在于，在所述顶电极为叉指电极且所述叉指电极激发的声波波长为λ时，所述压电膜结构的总厚度小于0.25λ。
8.根据权利要求6所述的声波谐振器，其特征在于，在所述顶电极为叉指电极时，所述声波谐振器还包括：顶部介质层，形成于所述叉指电极空隙处的所述压电膜结构的上方。
9.根据权利要求6所述的声波谐振器，其特征在于，在所述顶电极为叉指电极时，所述声波谐振器还包括：沟槽结构，形成于所述叉指电极空隙处的所述压电膜结构中。
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