CN115567025A - 多层结构无杂散响应sh型声表面波滤波器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及滤波领域的层状结构，具体为一种多层结构无杂散响应SH型声表面波滤波器及制备方法。解决了现有声表面波滤波器工作频率较低、通带较窄、温度稳定性较差和存在杂散谐波等问题。一种多层结构无杂散响应SH型声表面波滤波器，包括多层异质晶圆衬底以及分布在衬底上方的多组金属叉指换能器；所述多层异质晶圆衬底包括自上而下叠压的LiTaO3压电层、SiO2薄膜和SiC衬底；其中LiTaO3压电层与SiO2薄膜的厚度均为0.4λ，λ为声表面波滤波器的波长；每组金属叉指换能器、反射栅及其下方的多层异质晶圆衬底组成一个谐振器，多个谐振器采用级联型梯形结构连接在一起，构成滤波器芯片。
Description
技术领域
本发明涉及滤波领域的层状结构，具体为一种多层结构无杂散响应SH型声表面波滤波器。
背景技术
滤波器是一种信号的选频装置，可以极大地衰减其他频率成分，使信号中的特定频率通过，是对波进行过滤的器件。波在电子技术领域中，是被特指为各种物理量的取值范围随着时间上下波动的过程。滤波器是由电容、电阻和电感组成的滤波电路，根据所需对电路频带宽度的影响因素进行设计出的应用产品。声表面波（Surface Acoustic Wave, SAW）属于声波中的一种，包括瑞利波和Love波（水平剪切波，shear horizontal，SH）等，它是一种仅在物体表面传播并且声波能量是集中在物体表面的一种弹性波。上世纪70年代到90年代是声表面波技术发展最快的二十年，加速了声表面波在民用技术中的普及。1971年第一次报道了使用于电视信号接收的中频声表面波滤波器，掀起了声表面波的第一次应用高潮，至今电视中均有声表面波滤波器。声表面波滤波器因为其体积小，费用低，高性能等优点，已经成为移动通信必不可少的终端设备。
现代社会中的通信系统，对于数据速率的要求越来越高，由于智能手机和视频服务的广泛普及和相关业务的持续增长，而声表面波滤波器已经能够有效的提高频谱利用率和过滤干扰信号。此项技术制造的接收器现在已经被广泛的应用于各种移动通信系统和全球定位系统。基于声表面波设计的滤波器，相较于之前的有源滤波器和陶瓷滤波器，具有很较多突破性的优势，例如尺寸小，高可靠性，高频带选择性，和极低的损耗等。自从问世以来，就迅速取代了陶瓷滤波器和有源滤波器的地位，占据了绝大部分的市场。声表面波的传播速度较低，波长短，它的传播速度较之电磁波低了五个数量级，根据这个特性可以将器件的重量减轻，体积缩小，性能提高。由于其传播在物体表面，并且速度较慢，这样对信号的取样和变换提供了极大地便利。采用半导体和压电单晶材料制造，可以具有重复性和一致性，便于量产。声表面波滤波器在1GHz左右的应用中具有更大的优势，根据中国射频器件行业报告，目前所有的声表面波器件技术和产品在未来的很长的一段时间中，还有很大的发展空间。随着5G技术的普及和随之而来的6G技术，这些通信技术会对声表面波器件提出更高的要求，比如对性能要求更高，温度特性要求更好等等。声表面波器件也必须向高频化微型化集成化方向发展，以满足以后越来越高的需求。而多层异质结构，可以从源头上改善滤波器的性能，包括提高工作频率、扩大带宽，消除杂散谐振等。
随着声表面波器件广泛应用和相关技术的快速发展，对声表面波滤波器的频率、带宽、频率温度系数、通带波动、插入损耗、阻带抑制、有无杂散响应以及体积等性能指标提出了越来越高的要求。低波动、低损耗、高抑制、高温度稳定性、无杂散特性、小体积的高性能声表面波滤波器在相关电子设备中有着迫切的应用需求，也成为当前声表面波滤波器的重要研究方向之一。考虑到IDT的材料和压电基底的特性，各种加工工艺等因素的影响，传统的滤波器特征参数有频率温度系数（TCF）较低，损耗过大且其含有杂散响应等缺点，不能满足当今社会的需求。
发明内容
本发明为了解决现有声表面波滤波器工作频率较低、通带较窄、温度稳定性较差和存在杂散谐波等问题，提出一种多层结构无杂散响应SH型声表面波（SAW）滤波器。
本发明是采用以下技术方案实现的：一种多层结构无杂散响应SH型声表面波滤波器，所述声表面波滤波器包括多层异质晶圆衬底、分布在衬底上方的多组金属叉指换能器以及分布在每组金属叉指换能器两侧的反射栅；所述多层异质晶圆衬底包括自上而下叠压的LiTaO3压电层、SiO2薄膜和SiC衬底；其中LiTaO3压电层与SiO2薄膜的厚度均为0.4λ，λ为声表面波滤波器的波长；每组金属叉指换能器与其两侧的一对反射栅以及下方的多层异质晶圆衬底组成一个谐振器，多个谐振器采用级联型梯形结构连接在一起，构成滤波器芯片；所述芯片外侧为封装外壳，所述的封装外壳内部设有粘连芯片的基座，所述的封装外壳的外部引脚通过金线和金属叉指换能器形成电气连接，所述的芯片与封装外壳之间设置有用于密封的干燥惰性气体。
随着现代微机电系统的发展，和越来越先进的工艺技术，接连不断的出现各种新的设计想法和工艺。由于多层结构具有其独特的优越性，被认为是一种提供高性能SAW器件的解决方案，合适的多层异质结构比例可消除杂散谐振，限制声波等。本发明所述谐振器基于IDT/LiTaO3/SiO2/SiC结构，提高了声表面波滤波器的工作频率、扩大了通带宽度、提高了器件的温度稳定性、消除了通带附近的杂散响应以及提高了矩形度等。
进一步的，各个谐振器采用切趾加权技术。常规损耗的声表面波滤波器由一对输入输出叉指换能器组成，存在横向模式，对声表面波滤波器的性能存在影响，为了改善滤波器性能，通常对进行幅度加权（也称为假指加权）。所述切趾加权技术是指，将金属叉指换能器除中间的一条叉指外，其余每条叉指切出一个缺口，且相邻叉指的缺口位置交错；所有间隔一条叉指的缺口在金属叉指换能器上排布成一个菱形结构。
进一步的，压电层采用切向为42°YX 的钽酸锂基片。
本发明采用的基于高温度稳定性多层异质晶圆结构声表面波滤波器技术具有传统声表面波滤波器所不具备的优势，由于对叉指单元进行设计的新型梯形结构及其切趾加权结构，实现了低损耗、高矩形度及其横向模式的抑制。在面对较为极端的工作环境中，多层异质晶圆中存在的SiO2薄膜保证了器件的频率温度系数在ppm级别。
本发明还公开了多层结构无杂散响应SH型声表面波滤波器的制备方法：首先是多层异质晶圆的制备，通过在SiC晶圆表面生长特定厚度的SiO2薄膜，之后进行减薄抛光，然后通过晶圆键合将钽酸锂与SiO2/SiC键合，通过离子注入技术将多余的LiTaO3进行剥离，最后通过抛光技术将多层异质晶圆表面抛光；其次是叉指换能器的制备，基于掩膜版进行光刻工艺，在光刻胶膜上制备出响应的叉指图案，通过磁控溅射制备出相关的叉指换能器，随后进步剥离，清洗无用的金属及其光刻胶；最后进行划片封装。
本发明在工艺制作上充分利用新型的MEMS加工技术，实现声表面波滤波器的换能器结构高成品率批量化生产。
与现有技术相比，本发明采用的多层异质晶圆使用的是LiTaO3/SiO2/SiC结构，压电层采用切向为42°YX的LiTaO3，在相关切向中，其具有较高的相速度及其机电耦合系数。多层异质晶圆中含有SiO2，可进一步提高芯片的温度稳定性。在同等叉指换能器结构下，采用多层异质晶圆结构的SAW滤波器，结合图7可以看出，多层衬底具备更高的工作频率与更大的带宽，较之采用单层钽酸锂基底，机电耦合系数提高了132%；结合图12，通过对压电层与中间氧化层厚度的优化，将杂散响应抑制或使其远离通带，获得纯净的SH模式的通带响应；结合图10所述的叉指换能器采用梯形结构，可以实现改善滤波器的插入损耗及其矩形度等问题；多层异质晶圆中的二氧化硅层可以与压电层钽酸锂的频率温度系数形成互补，从而改善滤波器的温漂问题。
附图说明
图1 多层异质晶圆结构谐振器立体示意图。
图2为图1的俯视图。
图3为谐振器切趾加权示意图。
图4 为本滤波器SH波形的振动模态（谐振频率的振动模态）示意图。
图5 h2为（a）0.1λ，（b）0.2λ，（c）0.3λ，（d）0.4λ，不同压电层厚度及其氧化层厚度导纳示意图。
图6不同金属叉指材料导纳示意图。（a）、（b）、（c）分别代表Al、Cu和Cr金属电极。
图7不同叉指厚度比下SH模式的相速度v p 与机电耦合系数K2示意图。
图8 SAW相速度与机电耦合系数与压电层归一化厚度关系示意图。
图9不同压电层厚度导纳示意图。
图10 典型梯形滤波器结构示意图。
图11 串联谐振器与并联谐振器导纳区别示意图。
图12 无杂散响应SH型SAW滤波器S21参数示意图。
图1、2中，1-SiC衬底，2-SiO2薄膜，3-LiTaO3压电层，4-反射栅，5-金属叉指换能器输入端，6-金属叉指换能器接地端。
具体实施方式
以下结合附图对本发明做进一步的分析和说明。
实施例1
如图1、2所示，一种多层结构无杂散响应SH型声表面波滤波器，所述声表面波滤波器包括多层异质晶圆衬底、分布在衬底上方的多组金属叉指换能器以及分布在每组金属叉指换能器两侧的反射栅；所述多层异质晶圆衬底包括自上而下叠压的LiTaO3压电层、SiO2薄膜和SiC衬底；其中LiTaO3压电层与SiO2薄膜的厚度均为0.4λ，λ为声表面波滤波器的波长；每组金属叉指换能器与其两侧的一对反射栅以及下方（指金属叉指换能器以及其两侧的反射栅下方）的多层异质晶圆衬底组成一个谐振器，多个谐振器采用级联型梯形结构连接在一起，构成滤波器芯片；所述芯片外侧为封装外壳，所述的封装外壳内部设有粘连芯片的基座，所述的封装外壳的外部引脚通过金线和金属叉指换能器形成电气连接，所述的芯片与封装外壳之间设置有用于密封的干燥惰性气体。如图10所示，所述级联型梯形结构由多个用于串联的谐振器以及多个用于并联的谐振器组成，并通过金属叉指换能器进行连接；相邻两个串联的谐振器之间与一个用于并联的谐振器的一端相连接，多个并联的谐振器的另一端连接在一起；其中用于串联的谐振器频率相同，用于并联的谐振器频率相同。
实施例2
如图3所示，各个谐振器采用切趾加权技术。所述切趾加权技术是指，将金属叉指换能器除中间的一条叉指外，其余每条叉指切出一个缺口，且相邻叉指的缺口位置交错；所有间隔一条叉指的缺口在金属叉指换能器上排布成一个菱形结构。以图3中的左半部分为例，图3中最左侧的缺口位于中部，之后右侧相邻的缺口沿左右中线呈一上一下的分布，且不断远离左右中线，位置相互交错，最中间的叉指左侧的两个缺口已经呈现一个在最上方一个在最下方的分布。图中右侧呈与左半部分对称的结构。上述左右以及上下仅仅是指图中的方位。
由于钽酸锂基片具有较高的机电耦合特性，导致金属区域与IDT区域的声表面波波速差异过大，横向能量陷阱效应增强，产生高次谐振。为提高声表面波滤波器的性能，通常对IDT进行幅度加权，故采用切趾加权的方法。切趾加权与菱形加权类似，但是又区别于菱形加权。截断方法通过采用凯塞尔函数以及海明函数等窗口函数实现。
实施例3
压电层采用切向为42°YX的钽酸锂基片。金属叉指换能器采用Al制成。
实施例4
本发明所述多层结构无杂散响应SH型声表面波滤波器采用如下制备方法得到：首先是多层异质晶圆的制备，通过在SiC晶圆表面生长特定厚度的SiO2薄膜，之后进行减薄抛光，然后通过晶圆键合将钽酸锂与SiO2/SiC键合，通过离子注入技术将多余的LiTaO3进行剥离，最后通过抛光技术将多层异质晶圆表面抛光；其次是叉指换能器的制备，基于掩膜版进行光刻工艺，在光刻胶膜上制备出响应的叉指图案，通过磁控溅射制备出相关的叉指换能器，随后进步剥离，清洗无用的金属及其光刻胶；最后进行划片封装。
图4是本发明所述声表面波滤波器的SH波形的振动模态（即谐振频率的振动模态），从图中可以看出，声波能量主要集中在衬底表面1到2个波长内，衬底下方无能量泄漏。
图5显示了具有不同厚度的SiO2与LiTaO3的单端口谐振器的导纳曲线，从图中可以看出，随着SiO2厚度（h1）的增加，频率在逐渐下降，这是因为在多层结构中，LiTaO3、SiO2和SiC的声速关系是SiC＞LiTaO3＞SiO2。当LiTaO3厚度（h2）增加时，随着二氧化硅厚度的增加，谐振频率与反谐振频率下降趋势逐渐减缓。
当二氧化硅层厚度与压电层厚度均为0.1λ时，SH模式附近出现明显的寄生谐振。在压电层与二氧化硅层相对较薄且均大于0.1λ时，出现的杂散谐振非常微弱，可忽略不计。值得注意的是，随着二氧化硅层厚度逐渐增加，瑞利波模式导纳逐渐减小，直至消失，由此可见，选择合适的二氧化硅薄膜厚度可以有效抑制瑞利波带来的干扰。
从图6中可以看出，不同归一化厚度Al、Cu和Cr金属电极，同时含有两种不同的共振波模式，通过模态分析，两种模式分别对应瑞利波与水平剪切波（SH mode），SH波变化趋势大体相近。随着叉指电极厚度的逐渐增加，中心频率逐渐降低，但也提高了瑞利波的杂散响应。
从图7中可以看出，Al、Cu和Cr作为金属电极相速度都呈现单调下降的趋势，主要原因是由于随着金属厚度的增加导致质量负载增加其中铝电极下降幅度最小，Cu最大。结合导纳图与机电耦合系数图，综合考虑声表面波滤波器的设计时，需要考虑带外抑制、带内波动、插入损耗等一些列因素，瑞利波的存在会严重影响SH模式滤波器的性能，在导纳图中，Cr金属在0.1λ-0.14λ，Cu电极在0.08λ-0.1λ，Al电极在0.02λ-0.14λ时，Rayleigh波模式的谐振峰非常微弱，且在此期间机电耦合系数最高分别为13.87%，13.34%，13.58%。合理的选择电极材料与厚度可以最小化Rayleigh波模式带来得到影响，结合相速度及机电耦合系数等，以下研究选用Al作为金属电极，厚度为0.08λ。
图8展示出了Al/LiTaO3/SiO2/SiC结构中的声表面波传播特性的模拟结果。（a）为SAW相速度与LiTaO3归一化厚度的关系；（b）机电耦合系数与LiTaO3归一化厚度的关系。Rayleigh模式的相速度随着LiTaO3层归一化厚度增加而增加，但是增加幅度逐渐减小，而SH模式的谐振频率相速度（VrS）随着压电层厚度的增加先增大后减小，减小趋势逐渐增大。如图8（a）所示，瑞利模式下，谐振频率相速度（VrR）相速度从1360m/s增加到1520m/s，SH模式下，VrS从1844m/s增加到1871m/s后下降至1678m/s，当h1/λ=0.4时，SH模式下可获得最大的VrS值1871m/s，越高的声速有利于制造出更高频率的SAW滤波器。从图8(b)中可以看出，瑞利波的K2随着压电层厚度的增加几乎没有什么变化，而SH波随着压电层厚度的增加逐渐减小，减小幅度逐渐减弱。
如图9所示为IDT/LiTaO3/SiO2/SiC结构中压电层厚度与波长比值（h1/λ）为0.2、0.4、0.6、0.8和1时的仿真结果，从图中可以看出，水平剪切波的中心频率呈现的趋势是先增加后减小，且随着压电层厚度的增加，高阶杂散谐振逐渐靠近水平剪切波的通带，容易导致带外抑制变差，影响滤波器性能；且当压电层厚度小于一倍波长的时候，瑞利波的导纳值十分微弱，几乎无明显波动；当压电层厚度为一倍波长时，出现较为明显的瑞利波模式，在水平剪切波通带内出现杂散谐振，可导致水平剪切波模式通带性能变差，影响滤波器的插入损耗。
图11将串联谐振器的谐振频率设置为并联谐振器的反谐振频率，频率差形成通带。
图12中，S21定义：增益或插损，表示在输出端端接匹配情况下的前向传输增益，描述信号经过器件后的放大或衰减量，对于滤波器通常被称为插入损耗，通常以 dB 为单位。图中可以看出，使用LiTaO3/SiO2/SiC衬底的声表面波滤波器通带内及附近无其他杂散响应，矩形度高等。
Claims (7)
1.一种多层结构无杂散响应SH型声表面波滤波器，其特征在于，所述声表面波滤波器包括多层异质晶圆衬底、分布在衬底上方的多组金属叉指换能器以及分布在每组金属叉指换能器两侧的反射栅；所述多层异质晶圆衬底包括自上而下叠压的LiTaO3压电层、SiO2薄膜和SiC衬底；其中LiTaO3压电层与SiO2薄膜的厚度均为0.4λ，λ为声表面波滤波器的波长；每组金属叉指换能器与其两侧的反射栅以及下方的多层异质晶圆衬底组成一个谐振器，多个谐振器采用级联型梯形结构连接在一起，构成滤波器芯片；所述芯片外侧为封装外壳，所述的封装外壳内部设有粘连芯片的基座，所述的封装外壳的外部引脚通过金线和金属叉指换能器形成电气连接，所述的芯片与封装外壳之间设置有用于密封的干燥惰性气体。
2.如权利要求1所述的多层结构无杂散响应SH型声表面波滤波器，其特征在于，各个谐振器采用切趾加权技术。
3.如权利要求2所述的多层结构无杂散响应SH型声表面波滤波器，其特征在于，所述切趾加权技术是指，将金属叉指换能器除中间的一条叉指外，其余每条叉指切出一个缺口，且相邻叉指的缺口位置交错；所有间隔一条叉指的缺口在金属叉指换能器上排布成一个菱形结构。
4.如权利要求1-3任一项所述的多层结构无杂散响应SH型声表面波滤波器，其特征在于级联型梯形结构由多个用于串联的谐振器以及多个用于并联的谐振器组成；相邻两个串联的谐振器之间与一个用于并联的谐振器的一端相连接，多个并联的谐振器的另一端接地；其中用于串联的谐振器频率相同，用于并联的谐振器频率相同。
5.如权利要求1-3任一项所述的多层结构无杂散响应SH型声表面波滤波器，其特征在于压电层采用切向为42°YX的钽酸锂基片。
6.如权利要求1-3任一项所述的多层结构无杂散响应SH型声表面波滤波器，其特征在于金属叉指换能器采用Al制成。
7.一种多层结构无杂散响应SH型声表面波滤波器，其特征在于，首先是多层异质晶圆的制备，通过在SiC晶圆表面生长特定厚度的SiO2薄膜，之后进行减薄抛光，然后通过晶圆键合将钽酸锂与SiO2/SiC键合，通过离子注入技术将多余的LiTaO3进行剥离，最后通过抛光技术将多层异质晶圆表面抛光；其次是叉指换能器的制备，基于掩膜版进行光刻工艺，在光刻胶膜上制备出相应的叉指图案，通过磁控溅射制备出相关的叉指换能器，随后进步剥离，清洗无用的金属及其光刻胶；最后进行划片封装。
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN116887658A (zh) * | 2023-08-24 | 2023-10-13 | 北京超材信息科技有限公司 | 复合衬底、制作方法及应用 |
-
2022
- 2022-10-20 CN CN202211287702.3A patent/CN115567025A/zh active Pending
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