CN116318023A - 兰姆波谐振器及滤波器 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种兰姆波谐振器及滤波器，通过调控局部薄膜的厚度来改善声阻抗的匹配性，包括在第一材料区中的压电薄膜中设置凹槽，或在第二材料区中的压电薄膜下方形成介质层，以对由叉指电极构成的具有厚度差的兰姆波谐振器进行局部厚度调整，使得第一材料区与第二材料区沿厚度方向交错设置，以抑制兰姆波谐振器的杂散模式，并根据该谐振器构建响应的滤波器，以抑制由杂散模式带来的通带性能恶化现象，从而有助于高频大带宽声学谐振器的发展。
Description
技术领域
本发明属于半导体制造技术领域，涉及一种兰姆波谐振器及滤波器。
背景技术
基于压电效应的射频MEMS(微机电系统)谐振器在通讯领域发挥着重要作用，并获得广泛应用。兰姆波谐振器是一种新型的压电型射频MEMS谐振器，具有体积小、品质因数高、高频率、大带宽等特点，是研制单芯片集成滤波器的理想谐振器结构。
现有的兰姆波谐振器的器件结构如图1及图2所示，包括支撑衬底100、嵌于支撑衬底100内的空气隙101、位于支撑衬底100上悬空的压电薄膜200及位于压电薄膜200上方的金属电极300。结合俯视图2可知，其中金属电极300包括汇流条302和叉指电极301，其中叉指电极301对应的压电薄膜区域悬空。
由于兰姆波谐振器中的叉指电极301放置于压电薄膜200之上，这会造成谐振器在厚度方向的不连续性。如图3所示，位于空气隙101上的材料层包括位于第一材料区Q1上的压电薄膜200和叉指电极301，其对应的材料层的厚度为D1，而第二材料区Q2中，在空气隙101上的材料层仅具有压电薄膜200，其对应的材料层的厚度为D2，从而位于空气隙101上的不同区域的材料层具有厚度差，即D1与D2的差值，这会给声场模式带来声阻抗的失配，导致杂散模式的产生，而有杂散模式的谐振器构成的滤波器通带内部则会出现较大的杂散模式，会降低通带性能。
因此，现有的兰姆波谐振器因其杂模较多，稳定性较差，设计难度较大等原由，并未能构成大范围商用的滤波器，从而对现有的兰姆波谐振器及滤波器进行改进，实属必要。
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兰姆波谐振器及滤波器，用于解决现有技术中兰姆波谐振器及滤波器因厚度的不连续性造成的应用问题。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种兰姆波谐振器，所述兰姆波谐振器包括：
支撑衬底；
压电薄膜，所述压电薄膜位于所述支撑衬底上，且所述压电薄膜与所述支撑衬底之间具有空气隙；
金属电极，所述金属电极位于所述压电薄膜上，包括对应设置的汇流条及叉指电极，所述叉指电极与所述汇流条相连且所述叉指电极位于所述空气隙上方；
其中，所述空气隙上方的材料层划分为第一材料区及第二材料区，所述叉指电极位于所述第一材料区内，且所述第一材料区与所述第二材料区沿厚度方向交错设置。
可选地，位于所述第一材料区中的所述压电薄膜具有自下表面向上表面延伸的凹槽，通过所述凹槽使得所述第一材料区与所述第二材料区沿厚度方向交错设置。
可选地，所述凹槽的深度为所述第二材料区中的所述压电薄膜厚度的4％～35％。
可选地，所述凹槽的形貌与对应的所述叉指电极的形貌相同；或所述凹槽与对应的所述叉指电极具有相同宽度，所述凹槽的长度则延伸至所述汇流条边缘。
可选地，所述第二材料区中具有位于所述压电薄膜下方的介质层，通过所述介质层使得所述第一材料区与所述第二材料区沿厚度方向交错设置。
可选地，所述介质层的厚度为所述第二材料区中的所述压电薄膜厚度的4％～35％。
可选地，所述介质层包括单晶硅层、多晶硅层、氧化铝层、氧化硅层、氮化铝层中的一种或组合。
可选地，还包括覆盖所述金属电极及所述压电薄膜的介质层；所述介质层包括单晶硅层、多晶硅层、氧化铝层、氧化硅层、氮化铝层中的一种或组合。
可选地，所述压电薄膜包括铌酸锂薄膜、钽酸锂薄膜、石英薄膜、氮化铝薄膜中的一种或组合；所述支撑衬底包括单晶硅衬底、多晶硅衬底、蓝宝石衬底；所述金属电极的材料包括铝、铜、金、镍、钼、铂中的一种或组合，且所述金属电极包括单层或叠层。
本申请还提供一种滤波器，所述滤波器包括由任一上述兰姆波谐振器拓扑级联构成。
如上所述，本发明的兰姆波谐振器及滤波器，通过调控局部薄膜的厚度来改善声阻抗的匹配性，包括在第一材料区中的压电薄膜中设置凹槽，或在第二材料区中的压电薄膜下方形成介质层，以对由叉指电极构成的具有厚度差的兰姆波谐振器进行局部厚度调整，使得第一材料区与第二材料区沿厚度方向交错设置，以抑制兰姆波谐振器的杂散模式，并根据该谐振器构建响应的滤波器，以抑制由杂散模式带来的通带性能恶化现象，从而有助于高频大带宽声学谐振器的发展。
附图说明
图1显示为现有技术中兰姆波谐振器的结构示意图。
图2显示为图1中金属电极的俯视结构示意图。
图3显示为现有技术中兰姆波谐振器中位于空气隙上的材料层的厚度分布示意图。
图4显示为本发明实施例一中兰姆波谐振器中的位于空气隙上的材料层的结构示意图。
图5显示为图4中位于空气隙上的材料层的厚度分布示意图。
图6显示为本发明实施例二中兰姆波谐振器中的位于空气隙上的材料层的结构示意图。
图7显示为本发明实施例三中兰姆波谐振器中的位于空气隙上的材料层的结构示意图。
图8显示为本发明的滤波器的结构示意图。
图9显示为本发明的兰姆波谐振器与现有的兰姆波谐振器的导纳响应曲线对比图。
图10显示为本发明的滤波器与现有的滤波器的导纳响应曲线对比图。
元件标号说明
100 支撑衬底
101 空气隙
200 压电薄膜
201 凹槽
300 金属电极
301 叉指电极
302 汇流条
400、500 介质层
10 串联的兰姆波谐振器
20 并联的兰姆波谐振器
D1、D2、D3、D4 厚度
H 深度
Q1 第一材料区
Q2 第二材料区
A、A’、B、B’ 曲线
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。
如在详述本发明实施例时，为便于说明，表示器件结构的剖面图会不依一般比例作局部放大，而且所述示意图只是示例，其在此不应限制本发明保护的范围。此外，在实际制作中应包含长度、宽度及深度的三维空间尺寸。
为了方便描述，此处可能使用诸如“之下”、“下方”、“低于”、“下面”、“上方”、“上”等的空间关系词语来描述附图中所示的一个元件或特征与其他元件或特征的关系。将理解到，这些空间关系词语意图包含使用中或操作中的器件的、除了附图中描绘的方向之外的其他方向，可以包括第一和第二特征形成为直接接触的实施例，也可以包括另外的特征形成在第一和第二特征之间的实施例，这样第一和第二特征可能不是直接接触，另外，当一层被称为在两层“之间”时，它可以是所述两层之间仅有的层，或者也可以存在一个或多个介于其间的层。
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，遂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型态、数量及比例可为一种随意的改变，其组件布局型态也可能更为复杂。
实施例一
本实施例提供一种兰姆波谐振器，所述兰姆波谐振器包括：支撑衬底、压电薄膜、金属电极；所述压电薄膜位于所述支撑衬底上，且所述压电薄膜与所述支撑衬底之间具有空气隙；所述金属电极位于所述压电薄膜上，包括对应设置的汇流条及叉指电极，所述叉指电极与所述汇流条相连且所述叉指电极位于所述空气隙上方；其中，所述空气隙上方的材料层划分为第一材料区及第二材料区，所述叉指电极位于所述第一材料区内，且所述第一材料区与所述第二材料区沿厚度方向交错设置。
参阅图4及图5，本实施例中，位于第一材料区Q1中的压电薄膜200具有自下表面向上表面延伸的凹槽201，通过所述凹槽201使得所述第一材料区Q1与所述第二材料区Q2沿厚度方向交错设置。
本实施例的所述兰姆波谐振器具体包括：
参阅图1，所述压电薄膜200位于所述支撑衬底100上，且所述压电薄膜200与所述支撑衬底100之间具有空气隙101；参阅图1及图2，所述金属电极300位于所述压电薄膜200上，包括对应设置的汇流条302及叉指电极301，所述叉指电极301与所述汇流条302相连且所述叉指电极301位于所述空气隙101上方；其中，参阅图4及图5，所述空气隙101上方的材料层划分为所述第一材料区Q1及所述第二材料区Q2，所述叉指电极301位于所述第一材料区Q1内，且所述第一材料区Q1与所述第二材料区Q2沿厚度方向交错设置。
参阅图3及图5，本实施例中，在现有的所述兰姆波谐振器的结构基础上，在所述压电薄膜200中形成自所述压电薄膜200的下表面向上表面延伸的所述凹槽201，以局部减薄位于所述第一材料区Q1中的材料层的厚度，形成位于所述空气隙101上方的沿厚度方向上交错设置的、局部错位的材料层，从而抑制兰姆波谐振器的杂散模式，并可根据该谐振器构建响应的滤波器，如图8中所示的为由若干串联的兰姆波谐振器10或并联的兰姆波谐振器20通过拓扑级联构成的滤波器，以抑制由杂散模式带来的通带性能恶化现象，从而有助于高频大带宽声学谐振器的发展。其中，优选串联的所述兰姆波谐振器10的反谐振频率接近并联的所述兰姆波谐振器20的谐振频率，且串联的所述兰姆波谐振器10与并联的所述兰姆波谐振器20基于同一所述压电薄膜200制备。其中，所述兰姆波谐振器中的所述压电薄膜200的晶体切型可为旋转Y切，对应的欧拉角为(0，β，0)，其中-80°<β<20°；也可以为Z切，对应的欧拉角为(α，0，0)，其中α为任意角度。
作为示例，所述凹槽201的深度H可为所述第二材料区Q2中的所述压电薄膜200厚度的4％～35％。
具体的，参阅图4～图5，本实施例中所述压电薄膜200在保持所述第二材料区Q2中的所述压电薄膜200的厚度为D2的情形下，在所述第一材料区Q1中的所述压电薄膜200中采用如光刻，刻蚀等方法形成深度为H的所述凹槽201，且所述凹槽201的深度H的取值优选为4％～35％，如4％、5％、10％、20％、30％、35％等，使得位于所述第一材料区Q1中的所材料层由厚度D1转化为D3，所述第一材料区Q1与所述第二材料区Q2交错设置，如图5。
作为示例，所述凹槽201的形貌与对应的所述叉指电极301的形貌相同。
具体的，参阅图2及图4，形成的所述凹槽201的形貌可与所述叉指电极301具有相同形貌，当然根据需要所述凹槽201也可与对应的所述叉指电极301具有相同宽度，但所述凹槽201的长度则可延伸至所述汇流条302的边缘，即所述凹槽201的形貌可为图2中的将所述叉指电极301延伸至于所述汇流条302的边缘相接触所构成的形貌。
作为示例，所述压电薄膜200可包括铌酸锂薄膜、钽酸锂薄膜、石英薄膜、氮化铝薄膜中的一种或组合；所述支撑衬底100可包括单晶硅衬底、多晶硅衬底、蓝宝石衬底；所述金属电极300的材料可包括铝、铜、金、镍、钼、铂中的一种或组合，且所述金属电极300可包括单层或叠层。
具体的，所述压电薄膜200的厚度如图4中的厚度D2可位于200nm～1μm之间，如200nm、500nm、1μm等，频率满足
其中，vt，vl分别为声波激发模式的纵向(薄膜厚度方向)速度和横向(垂直于叉指电极且平行于薄膜平面)速度。其中m，n为垂直于纵向(薄膜厚度方向)和横向(垂直于叉指电极且平行于薄膜平面)方向的模式阶数。通常以m的大小定义兰姆波的阶数，当m≥1时，称之为高阶兰姆波。对于高阶兰姆波谐振器，其一大特征在于相邻的所述叉指电极如图4中的所述叉指电极301的中心间距l位于2μm～20μm之间，如2μm、10μm、20μm等，所述叉指电极的金属化率可为5％～45％，如5％、15％、25％、35％、45％等。关于所述支撑衬底100、所述压电薄膜200、所述金属电极300的材质及结构的选择此处不作过分限制。
实施例二
参阅图6，本实施例还提供一种兰姆波谐振器，与实施例一的不同之处主要在于：本实施例中在所述第二材料区Q2中设置位于所述压电薄膜200下方的介质层400，通过位于所述压电薄膜200底部的额外的所述介质层400，可更改位于所述空气隙101上方的所述材料层的下表面轮廓的形状，以加大材料层厚度错位的程度，使得所述第一材料区Q1与所述第二材料区Q2沿厚度方向交错设置。
具体的，如图3及图6，本实施例中，在现有的所述兰姆波谐振器的结构基础上，在所述第二材料区Q2中的所述压电薄膜200的下方形成所述介质层400，以局部加厚位于所述第二材料区Q2中的材料层的厚度，形成位于所述空气隙101上方的沿厚度方向上交错设置的、局部错位的材料层，从而抑制兰姆波谐振器的杂散模式，并可根据该谐振器构建响应的滤波器，如图8中所示的为由若干串联的所述兰姆波谐振器10或并联的所述兰姆波谐振器20通过拓扑级联构成的滤波器，以抑制由杂散模式带来的通带性能恶化现象，从而有助于高频大带宽声学谐振器的发展。
作为示例，所述介质层400的厚度D4可为所述第二材料区Q2中的所述压电薄膜200厚度D2的4％～35％。
具体的，参阅图6，本实施例中所述压电薄膜200在保持厚度为D2以及所述第一材料区Q1中的材料层的厚度为D1的情形下，在所述第二材料区Q2中的所述压电薄膜200的下方采用如PVD、CVD等方法形成厚度为D4的所述介质层400，且所述介质层400的厚度D4的取值优选为4％～35％，如4％、5％、10％、20％、30％、35％等。
作为示例，所述介质层400可包括如单晶硅层、多晶硅层、氧化铝层、氧化硅层、氮化铝层中的一种或组合，具体可根据需要进行选择。
关于所述兰姆波谐振器的其他结构层的选择可参阅实施例一，此处不作赘述。
实施例三
参阅图7，本实施例还提供一种兰姆波谐振器，与实施例一的不同之处主要在于：本实施例中还包括覆盖所述金属电极300及所述压电薄膜200的介质层500。
具体的，根据器件功能及性能的需求，如散热、钝化等，可在所述金属电极300及所述压电薄膜200的上方形成所述介质层500，其中，所述介质层500可包括如单晶硅层、多晶硅层、氧化铝层、氧化硅层、氮化铝层中的一种或组合，关于所述兰姆波谐振器的其他结构可参阅实施例一，此处不作赘述。
本实施例通过在表面覆盖所述介质层500，可提升位于所述空气隙101上方的所述材料层的上表面的轮廓，使得所述兰姆波谐振器的整体厚度加厚。关于所述介质层500的厚度可根据需要进行选择，此处不作过分限制。
关于所述兰姆波谐振器的其他结构层的选择可参阅实施例一，此处不作赘述。
图9示意了采用相同材料制备的具有厚度交错区域的所述兰姆波谐振器的导纳响应曲线A与常规的没有厚度错位区域的兰姆波谐振器的导纳响应曲线A’的对比图，如压电薄膜采用YX124°切型的铌酸锂、沿材料X轴正方向作为声波传播方向、压电薄膜厚度为0.5μm，金属电极厚度为60nm等。由图可以看出，本发明在进行厚度交错设置后，在4.3GHz到4.66GHz之间显著抑制了杂散模式的出现，效果良好。另外，参阅图10，显示为在采用相同材料制备的使用本发明的所述兰姆波谐振器构成的兰姆波滤波器的导纳响应曲线B与采用常规的兰姆波谐振器构成的兰姆波滤波器的导纳响应曲线B’的对比图，由图可以看出，本发明中的兰姆波滤波器其通带性能明显优化，杂散模式带来的干扰显著减小。
综上所述，本发明的兰姆波谐振器及滤波器，通过调控局部薄膜的厚度来改善声阻抗的匹配性，包括在第一材料区中的压电薄膜中设置凹槽，或在第二材料区中的压电薄膜下方形成介质层，以对由叉指电极构成的具有厚度差的兰姆波谐振器进行局部厚度调整，使得第一材料区与第二材料区沿厚度方向交错设置，以抑制兰姆波谐振器的杂散模式，并根据该谐振器构建响应的滤波器，以抑制由杂散模式带来的通带性能恶化现象，从而有助于高频大带宽声学谐振器的发展。
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 (10)
1.一种兰姆波谐振器，其特征在于，所述兰姆波谐振器包括：
支撑衬底；
压电薄膜，所述压电薄膜位于所述支撑衬底上，且所述压电薄膜与所述支撑衬底之间具有空气隙；
金属电极，所述金属电极位于所述压电薄膜上，包括对应设置的汇流条及叉指电极，所述叉指电极与所述汇流条相连且所述叉指电极位于所述空气隙上方；
其中，所述空气隙上方的材料层划分为第一材料区及第二材料区，所述叉指电极位于所述第一材料区内，且所述第一材料区与所述第二材料区沿厚度方向交错设置。
2.根据权利要求1所述的兰姆波谐振器，其特征在于：位于所述第一材料区中的所述压电薄膜具有自下表面向上表面延伸的凹槽，通过所述凹槽使得所述第一材料区与所述第二材料区沿厚度方向交错设置。
3.根据权利要求2所述的兰姆波谐振器，其特征在于：所述凹槽的深度为所述第二材料区中的所述压电薄膜厚度的4％～35％。
4.根据权利要求2所述的兰姆波谐振器，其特征在于：所述凹槽的形貌与对应的所述叉指电极的形貌相同；或所述凹槽与对应的所述叉指电极具有相同宽度，所述凹槽的长度则延伸至所述汇流条边缘。
5.根据权利要求1所述的兰姆波谐振器，其特征在于：所述第二材料区中具有位于所述压电薄膜下方的介质层，通过所述介质层使得所述第一材料区与所述第二材料区沿厚度方向交错设置。
6.根据权利要求5所述的兰姆波谐振器，其特征在于：所述介质层的厚度为所述第二材料区中的所述压电薄膜厚度的4％～35％。
7.根据权利要求5所述的兰姆波谐振器，其特征在于：所述介质层包括单晶硅层、多晶硅层、氧化铝层、氧化硅层、氮化铝层中的一种或组合。
8.根据权利要求1所述的兰姆波谐振器，其特征在于：还包括覆盖所述金属电极及所述压电薄膜的介质层；所述介质层包括单晶硅层、多晶硅层、氧化铝层、氧化硅层、氮化铝层中的一种或组合。
9.根据权利要求1所述的兰姆波谐振器，其特征在于：所述压电薄膜包括铌酸锂薄膜、钽酸锂薄膜、石英薄膜、氮化铝薄膜中的一种或组合；所述支撑衬底包括单晶硅衬底、多晶硅衬底、蓝宝石衬底；所述金属电极的材料包括铝、铜、金、镍、钼、铂中的一种或组合，且所述金属电极包括单层或叠层。
10.一种滤波器，其特征在于：所述滤波器由如权利要求1～9中任一所述兰姆波谐振器拓扑级联构成。
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