CN116346075A - 声波谐振器及其制作方法 - Google Patents

声波谐振器及其制作方法 Download PDF

Info

Publication number
CN116346075A
CN116346075A CN202310371499.6A CN202310371499A CN116346075A CN 116346075 A CN116346075 A CN 116346075A CN 202310371499 A CN202310371499 A CN 202310371499A CN 116346075 A CN116346075 A CN 116346075A
Authority
CN
China
Prior art keywords
layer
substrate
piezoelectric layer
metal electrode
acoustic wave
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
CN202310371499.6A
Other languages
English (en)
Inventor
左成杰
杨凯
林福宏
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
University of Science and Technology of China USTC
Original Assignee
University of Science and Technology of China USTC
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by University of Science and Technology of China USTC filed Critical University of Science and Technology of China USTC
Priority to CN202310371499.6A priority Critical patent/CN116346075A/zh
Publication of CN116346075A publication Critical patent/CN116346075A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • HELECTRICITY
    • H03ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03HIMPEDANCE NETWORKS, e.g. RESONANT CIRCUITS; RESONATORS
    • H03H9/00Networks comprising electromechanical or electro-acoustic devices; Electromechanical resonators
    • H03H9/15Constructional features of resonators consisting of piezoelectric or electrostrictive material
    • H03H9/17Constructional features of resonators consisting of piezoelectric or electrostrictive material having a single resonator
    • H03H9/171Constructional features of resonators consisting of piezoelectric or electrostrictive material having a single resonator implemented with thin-film techniques, i.e. of the film bulk acoustic resonator [FBAR] type
    • HELECTRICITY
    • H03ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03HIMPEDANCE NETWORKS, e.g. RESONANT CIRCUITS; RESONATORS
    • H03H3/00Apparatus or processes specially adapted for the manufacture of impedance networks, resonating circuits, resonators
    • H03H3/007Apparatus or processes specially adapted for the manufacture of impedance networks, resonating circuits, resonators for the manufacture of electromechanical resonators or networks
    • H03H3/02Apparatus or processes specially adapted for the manufacture of impedance networks, resonating circuits, resonators for the manufacture of electromechanical resonators or networks for the manufacture of piezoelectric or electrostrictive resonators or networks
    • HELECTRICITY
    • H03ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03HIMPEDANCE NETWORKS, e.g. RESONANT CIRCUITS; RESONATORS
    • H03H9/00Networks comprising electromechanical or electro-acoustic devices; Electromechanical resonators
    • H03H9/02Details
    • H03H9/02007Details of bulk acoustic wave devices
    • H03H9/02086Means for compensation or elimination of undesirable effects
    • H03H9/02118Means for compensation or elimination of undesirable effects of lateral leakage between adjacent resonators
    • HELECTRICITY
    • H03ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03HIMPEDANCE NETWORKS, e.g. RESONANT CIRCUITS; RESONATORS
    • H03H9/00Networks comprising electromechanical or electro-acoustic devices; Electromechanical resonators
    • H03H9/02Details
    • H03H9/02007Details of bulk acoustic wave devices
    • H03H9/02086Means for compensation or elimination of undesirable effects
    • H03H9/02133Means for compensation or elimination of undesirable effects of stress
    • HELECTRICITY
    • H03ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03HIMPEDANCE NETWORKS, e.g. RESONANT CIRCUITS; RESONATORS
    • H03H9/00Networks comprising electromechanical or electro-acoustic devices; Electromechanical resonators
    • H03H9/02Details
    • H03H9/05Holders; Supports
    • HELECTRICITY
    • H03ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03HIMPEDANCE NETWORKS, e.g. RESONANT CIRCUITS; RESONATORS
    • H03H9/00Networks comprising electromechanical or electro-acoustic devices; Electromechanical resonators
    • H03H9/02Details
    • H03H9/125Driving means, e.g. electrodes, coils
    • H03H9/13Driving means, e.g. electrodes, coils for networks consisting of piezoelectric or electrostrictive materials
    • HELECTRICITY
    • H03ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03HIMPEDANCE NETWORKS, e.g. RESONANT CIRCUITS; RESONATORS
    • H03H3/00Apparatus or processes specially adapted for the manufacture of impedance networks, resonating circuits, resonators
    • H03H3/007Apparatus or processes specially adapted for the manufacture of impedance networks, resonating circuits, resonators for the manufacture of electromechanical resonators or networks
    • H03H3/02Apparatus or processes specially adapted for the manufacture of impedance networks, resonating circuits, resonators for the manufacture of electromechanical resonators or networks for the manufacture of piezoelectric or electrostrictive resonators or networks
    • H03H2003/023Apparatus or processes specially adapted for the manufacture of impedance networks, resonating circuits, resonators for the manufacture of electromechanical resonators or networks for the manufacture of piezoelectric or electrostrictive resonators or networks the resonators or networks being of the membrane type
    • HELECTRICITY
    • H03ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03HIMPEDANCE NETWORKS, e.g. RESONANT CIRCUITS; RESONATORS
    • H03H3/00Apparatus or processes specially adapted for the manufacture of impedance networks, resonating circuits, resonators
    • H03H3/007Apparatus or processes specially adapted for the manufacture of impedance networks, resonating circuits, resonators for the manufacture of electromechanical resonators or networks
    • H03H3/02Apparatus or processes specially adapted for the manufacture of impedance networks, resonating circuits, resonators for the manufacture of electromechanical resonators or networks for the manufacture of piezoelectric or electrostrictive resonators or networks
    • H03H2003/028Apparatus or processes specially adapted for the manufacture of impedance networks, resonating circuits, resonators for the manufacture of electromechanical resonators or networks for the manufacture of piezoelectric or electrostrictive resonators or networks for obtaining desired values of other parameters
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02DCLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN INFORMATION AND COMMUNICATION TECHNOLOGIES [ICT], I.E. INFORMATION AND COMMUNICATION TECHNOLOGIES AIMING AT THE REDUCTION OF THEIR OWN ENERGY USE
    • Y02D30/00Reducing energy consumption in communication networks
    • Y02D30/70Reducing energy consumption in communication networks in wireless communication networks

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Acoustics & Sound (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Piezo-Electric Or Mechanical Vibrators, Or Delay Or Filter Circuits (AREA)

Abstract

本发明公开了一种声波谐振器,包括:衬底,衬底的部分区域被释放,形成有空腔;压电层,包括位于空腔上的第一部分和位于未被释放的衬底上的第二部分,压电层适用于在横向电场的作用下激发出声波;支撑锚单元,支撑锚单元设置在压电层的第一部分与压电层的第二部分之间,适用于连接第一部分和第二部分;金属电极层,形成在压电层上,包括由至少一对正负金属电极交替排布构成的金属电极阵列,金属电极阵列形成横向电场。其中,支撑锚单元包括至少一对支撑锚,分别沿金属电极延伸方向在压电层的第一部分的两侧设置。通过增加支撑锚,减少了衬底与压电层之间的应力,可以避免压电层发生形变,防止在释放衬底时压电层的断裂,提高声波谐振器的稳定性。

Description

声波谐振器及其制作方法
技术领域
本发明的至少一种实施例涉及一种声波谐振器,尤其涉及一种声波谐振器及其制作方法。
背景技术
射频滤波器作为射频前端的重要模块之一,其性能的好坏直接决定了通信系统中信号在噪声中脱颖而出的能力。随着智能手机的普及,6GHz以下的电磁频谱得到充分分配,不断发展的无线通信行业转向更高的频段和更宽的带宽以实现更快的数据传输速率。最近,FCC开放12.7-13.25GHz频段用于移动宽带或其它扩展用途,同时,还将探索更多的高频频段以满足不断增长的需求。超过10GHz的移动射频(RF)前端可以超过其低于6GHz的同类产品的性能,这将是5G无线通信的潜在解决方案。为了充分利用更高的频谱,必须探索更高频段的声波谐振器。
声波谐振器的谐振频率主要由压电薄膜的厚度决定,为了满足无线通信行业对更高频段的需求,需要不断降低压电薄膜的厚度。在进入5GFR2以及更高的6G频段,目前常用的方法主要有两种,一种是利用兰姆波谐振器的高阶模态,声速更大,可以工作在更高的频率,但是随着模态的增加,声波谐振器的机电耦合系数会急速下降,不利于满足高频段的带宽需求。另一种是降低压电薄膜的厚度,此时压电薄膜的厚度进入纳米级别,但是直接生长的纳米级别的压电薄膜的结晶度很难达到应用的要求,现在主要是通过离子注入后压电薄膜的转移(smart-cut工艺)来形成纳米级别的压电薄膜。这种方法存在两个问题,一个是直接转移纳米级厚度的压电薄膜的均匀性很难控制,另一个问题是纳米级别的压电薄膜在释放缓冲层时,容易断裂。
发明内容
有鉴于此,本发明提供一种声波谐振器及其制作方法,在压电层的第一部分与第二部分之间形成支撑锚结构,以避免在释放衬底时压电层发生形变,并且在超高谐振频率的条件下实现高品质因数。
本发明提供一种声波谐振器,包括:衬底,衬底的部分区域被释放,形成有空腔;压电层,包括位于空腔上的第一部分和位于未被释放的衬底上的第二部分,压电层适用于在横向电场的作用下激发出声波;支撑锚单元,支撑锚单元设置在压电层的第一部分与压电层的第二部分之间,适用于连接第一部分和第二部分;以及金属电极层,形成在压电层上,金属电极层包括由至少一对正负金属电极交替排布构成的金属电极阵列,金属电极阵列形成横向电场;其中,支撑锚单元包括至少一对支撑锚,至少一对支撑锚分别沿金属电极延伸方向在压电层的第一部分的两侧设置。
本发明还提供一种声波谐振器的制作方法,适用于制作上述的声波谐振器,包括:在衬底上形成压电薄膜;在压电薄膜上形成金属电极层;在金属电极层上形成掩膜层,并对掩膜层图形化处理,得到图形化的掩膜层;利用图形化的掩膜层刻蚀压电薄膜,以刻蚀得到压电层和支撑锚;采用干法释放法或者湿法释放法释放衬底,以在衬底与压电层之间形成空腔;以及利用缓冲氧化物刻蚀液去除图形化的掩膜层;其中,支撑锚形成在第一部分和第二部分之间,以在释放衬底时抑制压电层发生形变。
根据本发明上述实施例提供的声波谐振器,由于衬底与压电层之间存在残余应力,在释放位于压电层下方的衬底的过程中,会导致压电层发生形变;通过增加支撑锚结构,减少了衬底与压电层之间的应力,可以避免在释放衬底时压电层发生形变,进而可防止应力导致压电层发生断裂,提高声波谐振器的稳定性。
根据本发明上述实施例提供的声波谐振器,沿金属电极的延伸方向在压电层的第一部分与第二部分之间设置支撑锚,以在压电层的第一部分的边缘形成伪自由边界,以在声波传播方向减少声波从压电层的第一部分向压电层的第二部分的泄露,降低声波的损耗,提高声波谐振器的机电耦合系数和品质因数。
附图说明
图1为根据本发明实施例的声波谐振器的三维示意图;
图2为根据本发明另一实施例的声波谐振器的三维示意图;
图3为根据本发明又一实施例的声波谐振器的三维示意图;
图4为根据本发明又一实施例的声波谐振器的三维示意图;
图5为根据本发明又一实施例的声波谐振器的三维示意图;
图6为根据本发明又一实施例的声波谐振器的三维示意图;
图7为根据本发明又一实施例的声波谐振器的俯视示意图;
图8为根据本发明又一实施例的声波谐振器沿图7中A-A’的截面示意图;
图9为根据本发明又一实施例的声波谐振器沿图7中B-B’的截面示意图;
图10为根据本发明实施例的声波谐振器的制作方法的流程示意图;
图11A~图11E为根据本发明实施例的声波谐振器的制作过程的示意图;
图12为根据本发明又一实施例的声波谐振器沿图7中A-A’的截面示意图;
图13为根据本发明又一实施例的声波谐振器沿图7中B-B’的截面示意图;
图14为根据本发明又一实施例的声波谐振器沿图7中A-A’的截面示意图;
图15为根据本发明又一实施例的声波谐振器沿图7中B-B’的截面示意图;以及
图16为根据本发明实施例1的声波谐振器与对比例1的声波谐振器的仿真性能对比图。
【附图标记说明】
1-衬底;
11-支撑衬底;
12-富阱层;
13-释放层;
2-压电薄膜;
3-金属电极层;
4-图形化的掩膜层;
5-压电层;
6-支撑锚;
7-温度补偿层;
d1-支撑锚的宽度;
d2-支撑锚的长度;
d3-金属电极的宽度。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白,以下结合具体实施例,并参照附图,对本发明作进一步的详细说明。但是,本发明能够以不同形式实施,而不应当解释为局限于这里提出的实施例。相反地,提供这些实施例将使发明彻底和完全,并且将本发明的范围完全地传递给本领域技术人员。在附图中,为了清楚,层和区的尺寸以及相对尺寸可能被夸大,自始至终相同附图标记表示相同元件。
在此使用的术语仅仅是为了描述具体实施例,而并非意在限制本发明。在此使用的术语“包括”、“包含”等表明了所述特征、步骤、操作和/或部件的存在,但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、步骤、操作或部件。
有鉴于此,为了克服衬底与压电层之间的应力,避免在释放衬底时压电层发生形变,提高声波谐振器的稳定性,本发明提供一种声波谐振器及其制作方法。
图1为根据本发明实施例的声波谐振器的三维示意图。
根据本发明的一种示例性实施例,本发明提供一种声波谐振器,参考图1所示,包括:衬底1,衬底1的部分区域被释放,形成有空腔;压电层5,包括位于空腔上的第一部分和位于未被释放的衬底1上的第二部分,压电层5适用于在横向电场的作用下激发出声波;支撑锚单元,支撑锚单元设置在压电层5的第一部分与压电层5的第二部分之间,适用于连接第一部分和第二部分;以及金属电极层3,形成在压电层5上,金属电极层3包括由至少一个正负金属电极交替排布构成的金属电极阵列,金属电极阵列形成横向电场;其中,支撑锚单元包括至少一对支撑锚6,至少一对支撑锚6分别沿金属电极延伸方向在压电层5的第一部分的两侧设置。
根据本发明的实施例,沿金属电极的延伸方向在压电层的第一部分与第二部分之间设置支撑锚,以在压电层的第一部分的边缘形成伪自由边界,以在声波传播方向减少声波从压电层的第一部分向压电层的第二部分的泄露,降低声波的损耗,提高声波谐振器的机电耦合系数和品质因数。
根据本发明的实施例,参考图1所示,支撑锚单元包括一对支撑锚6,分别沿金属电极延伸方向在压电层5的第一部分的两侧非对称设置。
图2为根据本发明另一实施例的声波谐振器的三维示意图。
根据本发明的实施例,参考图2所示,支撑锚单元包括一对支撑锚6,分别沿金属电极延伸方向在压电层5的第一部分的两侧对称设置。
图3为根据本发明又一实施例的声波谐振器的三维示意图。
根据本发明的实施例,参考图3所示,支撑锚单元包括多对支撑锚6,多对支撑锚6分别沿金属电极延伸方向在压电层5的第一部分的两侧对称设置。
图4为根据本发明又一实施例的声波谐振器的三维示意图。
根据本发明的实施例,参考图4所示,支撑锚单元包括多对支撑锚6,多对支撑锚6分别沿金属电极延伸方向在压电层5的第一部分的两侧非对称设置。
图5为根据本发明又一实施例的声波谐振器的三维示意图。
根据本发明的实施例,参考图5所示,支撑锚单元包括多对支撑锚6,多对支撑锚6分别沿金属电极延伸方向在压电层5的第一部分的两侧非对称设置。并且在压电层5的第一部分的每一侧设置的多个支撑锚6沿金属电极的延伸方向呈周期性排布。
图6为根据本发明又一实施例的声波谐振器的三维示意图。图7为根据本发明又一实施例的声波谐振器的俯视示意图。图8为根据本发明又一实施例的声波谐振器沿图7中A-A’的截面示意图。图9为根据本发明又一实施例的声波谐振器沿图7中B-B’的截面示意图。
根据本发明的实施例,参考图6~图7所示,支撑锚单元包括多对支撑锚6,多对支撑锚6分别沿金属电极延伸方向在压电层5的第一部分的两侧对称设置。并且在压电层5的第一部分的每一侧设置的多个支撑锚6沿金属电极的延伸方向呈周期性排布。
根据本发明的实施例,参考图7~图9所示,在沿声波谐振器的孔径方向(即金属电极的延伸方向,x方向)上周期性设置多个支撑锚6。将支撑锚6的宽度d1设置为与金属电极的宽度d3相同,或者支撑锚6的宽度d1倍数于金属电极的宽度d3,以在压电层5的第一部分的边缘形成伪自由边界,使声波传播到该伪自由边界会发生全反射(声阻抗失配),从而将声波限制在谐振器体内,以减少声波从压电层5的第一部分向压电层5的第二部分的泄露,降低声波的损耗,提高声波谐振器的机电耦合系数和品质因数。
根据本发明的实施例,将支撑锚6的周期设置为与声波的波长相同,以在压电层5的第一部分的边缘形成伪自由边界,降低声波的损耗。
根据本发明的实施例,将支撑锚6的宽度d1设置为与金属电极的宽度d3相同,或者支撑锚6的宽度d1倍数于金属电极的宽度d3,并且将支撑锚6的周期设置为与声波的波长相同,以在压电层5的第一部分的边缘形成伪自由边界,降低声波的损耗。
根据本发明的实施例,衬底1采用高电阻率的材料形成,衬底1的电阻率大于1000Ω/cm3。采用高电阻率的材料作为衬底1形成声波谐振器,可以降低声波谐振器的射频损耗。
根据本发明的实施例,衬底1可以包括依次设置的支撑衬底11、富阱层12、释放层13;支撑衬底11的材料包括硅、氮化硅、氧化硅、碳化硅、氮化镓和氧化镓中的至少一种;富阱层12的材料包括但不限于非晶硅或者多晶硅。释放层13包括一层或多层,每层的材料包括以下之一:二氧化硅、氮化硅、硅;释放层13的厚度为0.1~100μm,例如可以为0.1μm、1μm、10μm、50μm、100μm。
根据本发明的实施例,压电层5的材料包括以下之一:铌酸锂;钽酸锂;铌酸锂和选自氮化铝、掺钪氮化铝中的一种或多种组成的复合层材料;钽酸锂和选自氮化铝、掺钪氮化铝中的一种或多种组成的复合层材料。
根据本发明的实施例,压电层5的厚度小于700nm,例如可以为1nm、100nm、300nm、500nm、700nm。
需要说明的是,为了得到更高谐振频率的声波谐振器,需要降低压电薄膜的厚度。随着谐振频率的增加,用于声波谐振器的压电薄膜的尺寸进入纳米量级,在这种情况下,纳米尺寸的压电薄膜的应力增加,容易发生断裂。通过在压电层的第一部分与第二部分之间增加支撑锚结构,减少了衬底与压电层之间的应力,可以避免压电层发生形变,可防止在释放衬底时应力导致压电层发生断裂,提高声波谐振器的稳定性。
根据本发明的实施例,金属电极层3包括以阵列形式排布的至少一对金属电极。金属电极的材料包括以下之一:金、铝、钼、铂、铜、钛金合金、钛铝合金、钛铜合金、铬金合金、铬铝合金、铬铜合金;金属电极的厚度为1nm~100nm,例如可以为1nm、10nm、20nm、50nm、100nm;金属电极的数量为1~250对。
根据本发明的实施例,支撑锚6上形成有金属电极,或者,支撑锚6上未形成有金属电极。在支撑锚6上形成有金属电极的情况下,支撑锚6上的金属电极可以与外部接地连接,以制备单端口器件。
根据本发明的实施例,上述的声波谐振器的类型在此不作限制。例如,上述的声波谐振器可以为体声波谐振器或者兰姆波谐振器。
图10为根据本发明实施例的声波谐振器的制作方法的流程示意图。图11A~图11E为根据本发明实施例的声波谐振器的制作过程的示意图。
根据本发明的一种示例性实施例,本发明提供一种声波谐振器的制作方法,适用于制作上述的声波谐振器,参考图10及图11A~图11E所示,包括:步骤S01~步骤S06。
在步骤S01,在衬底1上形成压电薄膜2。
根据本发明的实施例,衬底1可以包括依次设置的支撑衬底11、富阱层12、释放层13;在支撑衬底11上依次形成富阱层12、释放层13。富阱层12的形成方式包括但不限于离子注入、溅射生长、转移。在支撑衬底11上形成富阱层12,可以避免支撑衬底11与释放层13之间的表面寄生电导效应(PSC),以降低声波谐振器的射频损耗。
根据本发明的实施例,压电薄膜2的形成方式包括离子注入转移、溅射法沉积、分子束外延沉积、气相外延生长沉积中的任意一种。
在步骤S02,在压电薄膜2上形成金属电极层3。
根据本发明的实施例,采用电子束蒸镀或者磁控溅射法在压电薄膜2上沉积一层或多层金属,并采用剥离工艺形成金属电极层3。
在步骤S03,在金属电极层3上形成掩膜层,并对掩膜层图形化处理,得到图形化的掩膜层4。
根据本发明的实施例,掩膜层的材料包括以下至少之一:光刻胶、氧化硅、氮化硅。
在步骤S04,采用感应耦合等离子刻蚀法刻蚀压电薄膜2,得到压电层5和支撑锚6。
在步骤S05,采用干法释放法或湿法释放法释放衬底1,以在衬底1与压电层5之间形成空腔,以释放衬底1与压电层5之间的空间。
根据本发明的实施例,干法释放法包括采用HF、XeF2等气体处理衬底1。
根据本发明的实施例,湿法释放法包括利用氢氟酸溶液、BoE、氢氧化钾溶液或者四甲基氢氧化铵溶液处理衬底1。
根据本发明的实施例,参考图8所示,在衬底1包括依次设置的支撑衬底11、富阱层12、释放层13的情况下,采用干法释放法或者利用氢氟酸溶液、BoE释放释放层13,以在富阱层12与压电层5之间形成空腔。
在步骤S06,利用缓冲氧化物刻蚀液去除图形化的掩膜层。
需要说明的是,由于直接制备得到的压电薄膜的厚度很难实现小于700nm,在衬底1上制备得到压电薄膜2后,采用离子束刻蚀法对压电薄膜2进行减薄处理,使压电薄膜2的厚度小于700nm,以制作得到具有更高谐振频率的声波谐振器。
图12为根据本发明又一实施例的声波谐振器沿图7中A-A’的截面示意图。图13为根据本发明又一实施例的声波谐振器沿图7中B-B’的截面示意图。
根据本发明的实施例,参考图12及图13所示,在金属电极层3上还覆盖有温度补偿层7,以对声波谐振器进行温度补偿。其中,温度补偿层7的材料可以为SiO2
图14为根据本发明又一实施例的声波谐振器沿图7中A-A’的截面示意图。图15为根据本发明又一实施例的声波谐振器沿图7中B-B’的截面示意图。
根据本发明的实施例,参考图14及图15所示,采用干法释放法或湿法释放法释放衬底1,以在衬底1与压电层5之间形成空腔包括:采用氢氧化钾溶液或者四甲基氢氧化铵溶液处理衬底1,以去除富阱层12和部分支撑衬底11,以在支撑衬底11与释放层13之间形成空腔。其中,位于压电层5下方的释放层13作为温度补偿层。
下面示意性说明设计的声波谐振器的结构。需要说明的是,该举例说明只是本发明的具体实施例,并不能限制本发明的保护范围。
实施例1
以兰姆波谐振器为例,采用90nm厚的铌酸锂薄膜在电阻率大于1000Ω/cm3的衬底上形成压电层,金属电极的宽度范围在1~10μm之间,沿金属电极的延伸方向在压电层的第一部分与第二部分之间设置支撑锚,支撑锚的宽度与金属电极的宽度相同,支撑锚的周期与相邻两个同极性金属电极之间的间距相同,相邻两个不同极性的金属电极之间的间距为1~15μm,金属电极的厚度范围在10~100nm之间,制作兰姆波谐振器。其中,压电层的厚度可以在1~700nm范围内调整,以实现更高的谐振频率和品质因数。
基于MBVD(Modified Butterworth-Van Dyke)模型采用COMSOL有限元分析软件分析上述制作得到的兰姆波谐振器的仿真性能。
对比例1
以兰姆波谐振器为例,采用90nm厚的铌酸锂薄膜在电阻率大于1000Ω/cm3的衬底上形成压电层,金属电极的宽度范围在1~10μm之间,在压电层的第一部分与第二部分之间不设置支撑锚。
基于MBVD(Modified Butterworth-Van Dyke)模型采用COMSOL有限元分析软件分析上述制作得到的兰姆波谐振器的仿真性能。
图16为根据本发明实施例1的声波谐振器与对比例1的声波谐振器的仿真性能对比图。
参考图16所示,仿真结果表明,实施例1制作得到的声波谐振器在谐振频率大于17GHz的超高频段实现大于50%的机电耦合系数(k2),并且根据3dB-Q的计算方法计算出品质因数大于1000,很好地满足当前5G、6G频段下对于谐振器高谐振频率、高带宽、高机电耦合系数的性能要求。并且,实施例1的声波谐振器的仿真性能相比于对比例1的未设置有支撑锚的声波谐振器的仿真性能没有减弱。其中,fs表示谐振频率,fp表示反谐振频率。
根据本发明的实施例,将压电薄膜减薄至厚度小于700nm,以实现高谐振频率;同时采用高电阻率的衬底,以降低射频损耗;以及增加支撑锚结构,并将支撑锚的宽度设置为与金属电极的宽度相同或者倍数于金属电极的宽度,和/或,将支撑锚的周期设置为与声波的波长相同,以在压电层的第一部分的边缘形成伪自由边界,以减少声波损耗,进而在超高谐振频率(谐振频率大于10GHz)的条件下实现高品质因数(品质因数大于1000),满足5G/6G高频段的应用需求。通过在压电层的第一部分与第二部分之间设置支撑锚,在提高声波谐振器稳定性的同时,没有减弱声波谐振器的性能。
根据本发明上述实施例提供的声波谐振器,由于衬底与压电层之间存在残余应力,在释放位于压电层下方的衬底的过程中,会导致压电层发生形变;通过增加支撑锚结构,减少了衬底与压电层之间的应力,可以避免在释放衬底时压电层发生形变,进而防止应力导致压电层发生断裂,提高声波谐振器的稳定性。
根据本发明上述实施例提供的声波谐振器,沿金属电极的延伸方向在压电层的第一部分与第二部分之间设置支撑锚,以在压电层的第一部分的边缘形成伪自由边界,以在声波传播方向减少声波从压电层的第一部分向压电层的第二部分的泄露,降低声波的损耗,提高声波谐振器的机电耦合系数和品质因数。
以上所述的具体实施例,对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明,应理解的是,以上所述仅为本发明的具体实施例而已,并不用于限制本发明,凡在本发明的精神和原则之内,所做的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种声波谐振器,其特征在于,包括:
衬底(1),所述衬底(1)的部分区域被释放,形成有空腔;
压电层(5),包括位于所述空腔上的第一部分和位于未被释放的所述衬底(1)上的第二部分,所述压电层(5)适用于在横向电场的作用下激发出声波;
支撑锚单元,所述支撑锚单元设置在所述压电层(5)的第一部分与所述压电层(5)的第二部分之间,适用于连接所述第一部分和所述第二部分;以及
金属电极层(3),形成在所述压电层(5)上,所述金属电极层(3)包括由至少一对正负金属电极交替排布构成的金属电极阵列,所述金属电极阵列形成所述横向电场;
其中,所述支撑锚单元包括至少一对支撑锚(6),所述至少一对支撑锚(6)分别沿所述金属电极延伸方向在所述压电层(5)的第一部分的两侧设置。
2.根据权利要求1所述的声波谐振器,其特征在于,
所述支撑锚单元包括多对支撑锚(6),所述多对支撑锚(6)分别沿所述金属电极延伸方向在所述压电层(5)的第一部分的两侧对称设置。
3.根据权利要求2所述的声波谐振器,其特征在于,在所述压电层(5)的第一部分的每一侧设置的多个支撑锚(6)沿所述金属电极的延伸方向呈周期性排布。
4.根据权利要求3所述的声波谐振器,其特征在于,所述支撑锚(6)的宽度与所述金属电极的宽度相同,或者所述支撑锚(6)的宽度倍数于所述金属电极的宽度;
和/或,所述支撑锚(6)的排布周期与所述声波的波长相同。
5.根据权利要求1所述的声波谐振器,其特征在于,所述衬底(1)采用高电阻率的材料形成,所述衬底(1)的电阻率大于1000Ω/cm3
优选地,所述衬底(1)包括依次设置的支撑衬底(11)、富阱层(12)、释放层(13);
所述支撑衬底(11)的材料包括蓝宝石、硅、氮化硅、氧化硅、碳化硅、氮化镓、玻璃和氧化镓中的至少一种;
所述富阱层(12)的材料包括非晶硅或者多晶硅;
所述释放层(13)包括一层或多层,每层的材料包括以下之一:二氧化硅、氮化硅、硅;
所述释放层(13)的厚度为0.05~100μm。
6.根据权利要求1所述的声波谐振器,其特征在于,
所述压电层(5)的材料包括以下之一:
铌酸锂;
钽酸锂;
铌酸锂和选自氮化铝、掺钪氮化铝中的一种或多种组成的复合层材料;
钽酸锂和选自氮化铝、掺钪氮化铝中的一种或多种组成的复合层材料;
优选地,所述压电层(5)的厚度小于700nm。
7.根据权利要求1所述的声波谐振器,其特征在于,所述金属电极的材料包括以下之一:金、铝、钼、铂、铜、钛金合金、钛铝合金、钛铜合金、铬金合金、铬铝合金、铬铜合金;
所述金属电极的厚度为1nm~1000nm;
所述金属电极的数量为1~250对。
8.根据权利要求7所述的声波谐振器,其特征在于,所述支撑锚(6)上形成有所述金属电极,或者
所述支撑锚(6)上未形成有所述金属电极。
9.一种声波谐振器的制作方法,适用于制作如权利要求1~8任一项所述的声波谐振器,其特征在于,包括:
在衬底(1)上形成压电薄膜(2);
在所述压电薄膜(2)上形成金属电极层(3);
在所述金属电极层(3)上形成掩膜层,并对所述掩膜层图形化处理,得到图形化的掩膜层(4);
利用所述图形化的掩膜层(4)刻蚀所述压电薄膜(2),以刻蚀得到压电层(5)和支撑锚(6),所述压电层(5)包括第一部分和第二部分;
采用干法释放法或者湿法释放法释放所述衬底(1),以在所述衬底(1)与所述压电层(5)之间形成空腔;以及
利用缓冲氧化物刻蚀液去除所述图形化的掩膜层(4);
其中,所述支撑锚(6)形成在所述第一部分和所述第二部分之间,以在释放所述衬底(1)时抑制所述压电层(5)发生形变。
10.根据权利要求9所述的制作方法,其特征在于,
在衬底(1)上形成压电薄膜(2)之后,所述制作方法还包括:对所述压电薄膜(2)进行减薄处理,使所述压电薄膜(2)的厚度小于700nm;
优选地,所述衬底(1)包括依次设置的支撑衬底(11)、富阱层(12)、释放层(13),
采用干法释放法或者湿法释放法释放所述释放层(13),以在所述富阱层(12)与所述压电层(5)之间形成空腔。
CN202310371499.6A 2023-04-04 2023-04-04 声波谐振器及其制作方法 Pending CN116346075A (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202310371499.6A CN116346075A (zh) 2023-04-04 2023-04-04 声波谐振器及其制作方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202310371499.6A CN116346075A (zh) 2023-04-04 2023-04-04 声波谐振器及其制作方法

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN116346075A true CN116346075A (zh) 2023-06-27

Family

ID=86878727

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202310371499.6A Pending CN116346075A (zh) 2023-04-04 2023-04-04 声波谐振器及其制作方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN116346075A (zh)

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US6924717B2 (en) Tapered electrode in an acoustic resonator
US6940367B2 (en) Forming film bulk acoustic resonator filters
CN106899275B (zh) 声波谐振器及其制造方法
US7128941B2 (en) Method for fabricating film bulk acoustic resonator (FBAR) device
US20110121916A1 (en) Hybrid bulk acoustic wave resonator
JP6371518B2 (ja) 圧電薄膜共振器およびその製造方法、フィルタ並びにデュプレクサ
US10784838B2 (en) Air-gap type film bulk acoustic resonator and method of manufacturing the same
US20030141946A1 (en) Film bulk acoustic resonator (FBAR) and the method of making the same
WO2004027796A2 (en) Capacitive resonators and methods of fabrication
JP2004158970A (ja) 薄膜圧電共振器を用いた帯域フィルタ
JP4373936B2 (ja) 薄膜圧電共振器及びその製造方法
JP2003017964A (ja) 弾性波素子の製造方法
WO2024012311A1 (zh) 声表面波谐振装置的形成方法
CN115395918B (zh) 声波谐振器及其设计方法、制造方法
CN113193846A (zh) 一种带混合横向结构特征的薄膜体声波谐振器
CN104917476B (zh) 一种声波谐振器的制造方法
Wu et al. 6.2 GHz Lithium Niobate MEMS Filter with FBW of 11.8% and IL of 1.7 dB
CN116582104A (zh) 兰姆波谐振器及其制作方法
JP3846406B2 (ja) 電子部品、その製造方法、それを用いたフィルタおよびデュプレクサならびに電子通信機器
CN116346075A (zh) 声波谐振器及其制作方法
TWI775603B (zh) 聲波共振器濾波器
US12028045B2 (en) Bulk acoustic resonator filter
KR100502569B1 (ko) 선택형 블라그 반사층을 이용한 fbar 필터
WO2023067902A1 (ja) 薄膜圧電共振装置およびその製造方法
WO2024178667A1 (zh) 兰姆波谐振器及其制作方法

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination