CN116436429A - 基板结构及其制备方法、滤波器、双工器 - Google Patents

Abstract

一种基板结构及其制备方法、滤波器、双工器，涉及滤波器技术领域。该基板结构包括支撑基板和位于支撑基板上的压电基板；其中，支撑基板的材料为多晶材料，且支撑基板的气孔率小于0.0045％或大于0.6％。该基板结构能够有效改善干扰杂讯的产生，提高器件的工作性能。

Description

基板结构及其制备方法、滤波器、双工器

技术领域

本公开涉及滤波器技术领域，具体而言，涉及一种基板结构及其制备方法、滤波器、双工器。

背景技术

声表面波滤波器大量应用于各类通信器件中，在未来的通信应用中，为适应各种更加严酷的外界环境，迫切需要提高声表面波滤波器的工作稳定性，而传统的声表面波滤波器存在Q值低(＜1000)、工作频率较低以及频率随工作温度变化而漂移的特性，已经难以满足频段越来越拥挤的5G时代射频终端对滤波器的要求，为此，传统的声表面波滤波器必须向具有高频率且温度特性稳定的温度补偿型滤波器发展。

而实现传统的声表面波滤波器到温度补偿型滤波器转变的关键就在于，在单纯压电层的结构上增加支撑层结构。增加支撑层结构后，一方面可有效降低压电层的厚度，提高器件Q值；另一方面，因支撑层结构具备更优秀的热膨胀系数，因此也可有效改善器件因温度产生的频率漂移现象。然而，现有的温度补偿型滤波器件的支撑层结构通常为高密度、高声速的材料，因此，其在改善器件温度漂移特性的同时还会不可避免地产生大量干扰杂讯。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基板结构及其制备方法、滤波器、双工器，该基板结构及其制备方法、滤波器、双工器能够有效改善干扰杂讯的产生，提高器件的工作性能。

本公开的实施例是这样实现的：

本公开的一方面，提供一种基板结构，该基板结构包括支撑基板和位于支撑基板上的压电基板；其中，支撑基板的材料为多晶材料，且支撑基板的气孔率小于0.0045％或大于0.6％。该基板结构能够有效改善干扰杂讯的产生，提高器件的工作性能。

可选地，支撑基板的气孔率大于0.65％。

可选地，支撑基板的气孔率大于0.65％且小于1.5％。

可选地，支撑基板的晶界层的数量大于或等于3层。

可选地，晶界层的数量小于或等于40层。

可选地，支撑基板包括多个晶粒，且晶粒的平均粒径在2μm至60μm之间。

可选地，支撑基板的材料为多晶尖晶石、多晶蓝宝石、多晶硅、多晶石英和多晶氮化铝中的任意一种。

可选地，支撑基板包括多个晶粒，晶粒的平均粒径小于或等于支撑基板的厚度的三分之一。

可选地，压电基板的厚度在0.1μm至10μm之间。

本公开的另一方面，提供一种基板结构的制备方法，该基板结构的制备方法包括：提供一种支撑基板，支撑基板的材料为多晶材料，且支撑基板的气孔率小于0.0045％或大于0.6％；在支撑基板上键合压电基板，以得到基板结构。

可选地，在支撑基板上键合压电基板，以得到基板结构，包括：在支撑基板上键合压电基板；对压电基板背离支撑基板的一面进行减薄、抛光，以使压电基板的厚度小于10μm；对支撑基板背离压电基板的一面进行减薄、抛光，以使支撑基板的厚度小于400μm，以得到基板结构。

本公开的又一方面，提供一种滤波器，该滤波器包括基板结构以及设于基板结构上的电极。

本公开的再一方面，提供一种双工器，该双工器包括发射滤波器和接收滤波器，其中，发射滤波器和/或接收滤波器采用上述的滤波器。

本公开的有益效果包括：

本申请提供的基板结构包括支撑基板和位于支撑基板上的压电基板；其中，支撑基板的材料为多晶材料，且支撑基板的气孔率小于0.0045％或大于0.6％。本申请通过将支撑基板的材料选用多晶材料，且使得该支撑基板的气孔率小于0.0045％或大于0.6％，这样，多晶材料内的气孔和晶界都能够对声波的散射起到吸收和衰减的作用，进而使得声表面波在传递到支撑基板内部或下表面的过程中能够被消耗，从而使得反射回上表面的声波能够得到明显减少，从而能够起到降低杂讯、提高器件的工作性能的作用。

附图说明

为了更清楚地说明本公开实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本公开的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，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他相关的附图。

图1为本公开一些实施例提供的基板结构的结构示意图；

图2为本公开一些实施例提供的支撑基板的结构示意图之一；

图3为本公开一些实施例提供的支撑基板的结构示意图之二；

图4为本公开一些实施例提供的支撑基板的结构示意图之三；

图5为本公开一些实施例提供的支撑基板的结构示意图之四；

图6为本公开一些实施例提供的支撑基板的结构示意图之五；

图7为本公开一些实施例提供的支撑基板的结构示意图之六；

图8为本公开一些实施例提供的杂讯的测量方式示意图；

图9为本公开一些实施例提供的基板结构的制备方法的流程示意图之一；

图10为本公开一些实施例提供的基板结构的制备方法的流程示意图之二；

图11为本公开一些实施例提供的滤波器的结构示意图。

图标：10-支撑基板；20-压电基板；30-电极；T-支撑基板的厚度；D-晶粒的粒径。

具体实施方式

下文陈述的实施方式表示使得本领域技术人员能够实践所述实施方式所必需的信息，并且示出了实践所述实施方式的最佳模式。在参照附图阅读以下描述之后，本领域技术人员将了解本公开的概念，并且将认识到本文中未具体提出的这些概念的应用。应理解，这些概念和应用属于本公开和随附权利要求的范围内。

应当理解，虽然术语第一、第二等可以在本文中用于描述各种元件，但是这些元件不应受这些术语的限制。这些术语仅用于区域分一个元件与另一个元件。例如，在不脱离本公开的范围的情况下，第一元件可称为第二元件，并且类似地，第二元件可称为第一元件。如本文所使用，术语“和/或”包括相关联的所列项中的一个或多个的任何和所有组合。

应当理解，当一个元件(诸如层、区域或衬底)被称为“在另一个元件上”或“延伸到另一个元件上”时，其可以直接在另一个元件上或直接延伸到另一个元件上，或者也可以存在介于中间的元件。相反，当一个元件被称为“直接在另一个元件上”或“直接延伸到另一个元件上”时，不存在介于中间的元件。同样，应当理解，当元件(诸如层、区域或衬底)被称为“在另一个元件之上”或“在另一个元件之上延伸”时，其可以直接在另一个元件之上或直接在另一个元件之上延伸，或者也可以存在介于中间的元件。相反，当一个元件被称为“直接在另一个元件之上”或“直接在另一个元件之上延伸”时，不存在介于中间的元件。还应当理解，当一个元件被称为“连接”或“耦接”到另一个元件时，其可以直接连接或耦接到另一个元件，或者可以存在介于中间的元件。相反，当一个元件被称为“直接连接”或“直接耦接”到另一个元件时，不存在介于中间的元件。

诸如“在…下方”或“在…上方”或“上部”或“下部”或“水平”或“垂直”的相关术语在本文中可用来描述一个元件、层或区域与另一个元件、层或区域的关系，如图中所示出。应当理解，这些术语和上文所论述的那些术语意图涵盖装置的除图中所描绘的取向之外的不同取向。

本文中使用的术语仅用于描述特定实施方式的目的，而且并不意图限制本公开。如本文所使用，除非上下文明确地指出，否则单数形式“一”、“一个”和“所述”意图同样包括复数形式。还应当理解，当在本文中使用时，术语“包括”指明存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或部件，但并不排除存在或者增添一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、部件和/或上述各项的组。

除非另外界定，否则本文中使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)的含义与本公开所属领域的普通技术人员通常理解的含义相同。还应当理解，本文所使用的术语应解释为含义与它们在本说明书和相关领域的情况下的含义一致，而不能以理想化或者过度正式的意义进行解释，除非本文中已明确这样界定。

现有的温度补偿型滤波器件通常在压电层的结构上增加了支撑结构，然而，现有的支撑结构通常选用高密度、高声速的材料，这就导致在器件使用过程中可能产生大量杂讯。为解决上述问题，本申请提供了一种新的基板结构，该基板结构具备特殊的多晶结构，采用了该基板结构的滤波器在能够满足滤波器的基本功能的同时，还能够改善杂讯。

下文本申请将对该新的基板结构的具体结构进行详细阐述与说明。

请参照图1，本实施例提供的基板结构包括支撑基板10和位于支撑基板10上的压电基板20；其中，支撑基板10的材料为多晶材料，且支撑基板10的气孔率小于0.0045％或大于0.6％。该基板结构能够有效改善干扰杂讯的产生，提高器件的工作性能。

其中，上述支撑基板10的材料为多晶材料，示例性地，该多晶材料可以为多晶尖晶石、多晶蓝宝石、多晶硅、多晶石英和多晶氮化铝中的任意一种。

上述压电基板20可以选用LT(钽酸锂)或LN(铌酸锂)压电基板20。

需要说明的是，声波衰减的主要原因是媒质对于声波的吸收，因此，本申请将支撑基板10的材料选用为具有一定气孔率的多晶材料，这样，如图1所示，多晶材料的晶界、微区的不均匀(即气孔)等因素都可以起到有效削减纵波传输的能量，进而抑制和衰减杂讯。

在本实施例中，支撑基板10的气孔率小于0.0045％或大于0.6％。示例性地，当该支撑基板10的气孔率小于0.0045％时，该支撑基板10的具体气孔率可以为0.0044％、0.0043％、0.0040％、0.0035％、0.0030％、0.0020％或者0.0010％等，本申请不再一一列举。

当该支撑基板10的气孔率大于0.6％时，该支撑基板10的具体气孔率可以为0.65％、0.7％、0.8％、1.0％、1.1％、1.2％、1.3％或者1.4％等。当然，上述支撑基板10的气孔率的具体数值仅为示例，并非是对该支撑基板10的具体气孔率的限制，本领域技术人员可以根据需要选择合适的气孔率，只要该气孔率小于0.0045％或大于0.6％即可。

在本实施例中，当支撑基板10的气孔率大于0.6％时，可选地，支撑基板10的气孔率可以选用大于0.65％。这样，能够更有效抑制和衰减杂讯的产生。

为进一步抑制和衰减干扰杂讯，以提高器件的工作性能，可选地，支撑基板10的气孔率大于0.65％且小于1.5％。例如，支撑基板10的气孔率可以为0.7％、0.9％、1.0％、1.3％或者1.4％等。

另外，在本实施例中，可选地，支撑基板10的晶界层的数量大于或等于3层。

需要说明的是，第一，支撑基板10的材料为多晶材料，因此，支撑基板10内具有多个晶粒，如图2和图3所示。其中，晶界便为相邻的两层晶粒层之间的边界，对应至图3中，图3中则包括三层晶界层(该三层晶界层在图3中分别使用了黑色线条标出)。

第二，由于媒质中的晶界、微区的不均匀(如气孔)等都可以使得声波在这些区域的界面处发生散射并引起能量衰减(散射衰减)，相对于支撑基板10内的气孔来说，支撑基板10内的晶界层数更是随处可见，所以对于从电极30表面向下传播的声波，晶界层能够起到很好的抑制与衰减作用。

支撑基板10的多个晶界对声波的散射起到吸收和衰减的作用，声表面波传递到支撑基板10内部或下表面的声波就会被晶界和气孔消耗掉，使得反射回表面的声波明显减少，如图1，从而起到降低杂讯的作用。

请参照图4至图7，图4至图7分别为支撑基板10的晶界层的数量最少为0层、1层、2层和3层时的图纸。其中，白色箭头指示位置为四种样品侧截面中晶界层最少的位置；同时，晶界层数减少的地方对应的晶粒尺寸较大，且单位面积内的晶粒数较少，白色箭头附近基本就是单位面积晶粒数最少的地方，分别为3、4、5和7颗。采用该四种支撑基板10制备的滤波器的各项特性如下表所示：

其中，上述表格中杂讯的测量方式请参照图8，在每个样品固定的坐标点选取21个位置制作滤波器并测试其特性，若对应该21个测试点均无杂讯产生，则杂讯良率体现为100％(如上表中样品4)；若有一个位置出现杂讯，则根据占比可得杂讯良率为95％。

通过分析上表可以看出，四个不同的样品除杂讯会有明显区别外，其余特性都基本接近。可见，晶界层数量确实对杂讯具有影响，且通过分析表格数据可知，晶界层的数量≥3时能够更好的抑制杂讯的产生。

此外，控制晶界的数量就在于控制多晶基板的晶粒尺寸，尺寸过大，晶界较少，制作的滤波器器件易出现杂讯，而晶粒尺寸过小，虽然晶界增多了，但同时气孔也会增加，改善杂讯的同时可能造成器件的Q值降低。因此，晶界层的数量无法做到无限增大，为此，在本实施例中，可选地，晶界层的数量小于或等于40层。具体地晶界层的具体数量本领域技术人员可以根据实际情况自行选择，本申请不做具体限制。

可选地，本申请提供的支撑基板10包括多个晶粒，且晶粒的平均粒径在2μm至60μm之间。示例性地，晶粒的平均粒径可以为2μm、10μm、20μm、30μm、50μm或者60μm等。

另外，需要说明的是，在本实施例中，晶粒的粒径可以在1μm至80μm之间。例如，晶粒的粒径可以为1μm、5μm、20μm、40μm、50μm或者80μm等。

需要说明的是，由于晶粒的平均晶粒与支撑基板的厚度T相关，而本申请的支撑基板10的晶界层数需要大于或等于3层，因此，晶粒的平均粒径应该小于或等于支撑基板的厚度T的三分之一。

另外，在本实施例中，可选地，压电基板的厚度在0.1μm至10μm之间。优选地，压电基板的厚度在0.5μm至5μm之间。

还有，上述支撑基板10的材料为多晶材料，且支撑基板10在单位面积内的晶粒数量大于或等于6颗，且支撑基板10在单位面积内的晶粒数量小于或等于200颗，该单位面积为100μm×100μm。

示例性地，支撑基板10在单位面积内的晶粒数量可以在10颗至100颗之间。由于晶粒数量太多将会使得支撑基板10的硬度增大，不利于支撑基板10的减薄和抛光作业，且会增加物料的损耗和加工时间；而晶粒数量过少虽然可以降低支撑基板10的加工难度，但是却会导致支撑基板10的材料强度下降。为此，优选地，支撑基板10在单位面积内的晶粒数量在10颗至30颗之间。

综上所述，本申请提供的基板结构包括支撑基板10和位于支撑基板10上的压电基板20；其中，支撑基板10的材料为多晶材料，且支撑基板10的气孔率小于0.0045％或大于0.6％。本申请通过将支撑基板10的材料选用多晶材料，且使得该支撑基板10的气孔率小于0.0045％或大于0.6％，这样，多晶材料内的气孔和晶界都能够对声波的散射起到吸收和衰减的作用，进而使得声表面波在传递到支撑基板10内部或下表面的过程中能够被消耗，从而使得反射回上表面的声波能够得到明显减少，从而能够起到降低杂讯、提高器件的工作性能的作用。

第一实施例

请选用具有以下特征的多晶尖晶石支撑基板10：支撑基板10的气孔率在1％至1.5％之间、40层≥晶界层数量＞10层、平均粒径约为6μm。

将上述支撑基板10与压电基板20键合，并进行减薄、抛光等作业，最终得到成品为压电基板20厚度为5μm、支撑基板的厚度T为250μm的基板结构，并在该基板结构上形成电极30以得到滤波器并验证该滤波器的特性。并以气孔率在0.0045％至0.6％之间的支撑基板10所制备的滤波器特性作为参考基准，得到各项参数如下表所示。

通过分析上表可以看出，气孔率在0.0045％至0.6％之间依然具有较大的杂讯干扰，而将支撑基板10的气孔率选定在1％至1.5％之间后其可以明显改善杂讯。

另外，当支撑基板10的气孔率在1％至1.5％之间时，由于气孔率较高，这就导致无可避免的会出现材料强度下降的情况。应对这种情况，可以适当的减少支撑基板10的平均粒径的尺寸，示例性地，可以选用平均晶粒尺寸≤4μm的支撑基板10，这样，大部分晶粒的粒径D都在1μm至2μm之间。如此，选用的晶粒的粒径D尺寸越小，材料力学性能越好。宏观表现为屈服和抗拉强度增大，表面硬度增加，疲劳寿命增加等。具体原理为因为晶粒越细小，单位体积内晶粒数目越多，参与变形的晶粒数目也越多，变形越均匀，使在断裂前发生较大的塑性变形。强度和塑性同时增加，材料在断裂前消耗的功也较大，因而其韧性也较好。

第二实施例

请选用具有以下特征的多晶尖晶石支撑基板10：支撑基板10的气孔率在0.65％至1％之间、40层≥晶界层数量＞3层、平均粒径约为45μm。

将上述支撑基板10与压电基板20键合，并进行减薄、抛光等作业，最终得到成品为压电基板20厚度为5μm、支撑基板的厚度T为250μm的基板结构，并在该基板结构上形成电极30以得到滤波器并验证该滤波器的特性。并以气孔率在0.0045％至0.6％之间的支撑基板10所制备的滤波器特性作为参考基准，得到各项参数如下表所示。

通过分析上表可以看出，气孔率在0.0045％至0.6％之间依然具有较大的杂讯干扰，而将支撑基板10的气孔率选定在0.6％以上后其可以明显改善杂讯。

第三实施例

请选用具有以下特征的多晶尖晶石支撑基板10：支撑基板10的气孔率在0.0045％以下、40层≥晶界层数量≥10层、平均粒径约为10μm。

将上述支撑基板10与压电基板20键合，并进行减薄、抛光等作业，最终得到成品为压电基板20厚度为5μm、支撑基板的厚度T为250μm的基板结构，并在该基板结构上形成电极30以得到滤波器并验证该滤波器的特性。并以气孔率在0.0045％至0.6％之间的支撑基板10所制备的滤波器特性作为参考基准，得到各项参数如下表所示。

通过分析上表可以看出，气孔率在0.0045％至0.6％之间依然具有较大的杂讯干扰，而将支撑基板10的气孔率选定在0.0045％以下后其可以明显改善杂讯。

通过上述三个实施例可以证明，当支撑基板10采用多晶材料后，且将该多晶材料的气孔率选为小于0.0045％或大于0.6％时，其能够明显改善杂讯，从而提高器件工作性能。

请参照图9，本公开的另一方面，提供一种基板结构的制备方法，该基板结构的制备方法包括：

S100、提供一种支撑基板10，支撑基板10的材料为多晶材料，且支撑基板10的气孔率小于0.0045％或大于0.6％。

S200、在支撑基板10上键合压电基板20，以得到基板结构。

需要说明的是，上述支撑基板10的材料为多晶材料，该多晶材料的具体类型以及该多晶材料的气孔率的具体选择，本领域技术人员可以参考前文描述，本申请不再重复说明。

同样地，压电基板20的具体材料可以参见前文描述。置于键合工艺，由于其为本领域技术人员所熟知，故本申请不再赘述。

请再结合参照图10，可选地，上述步骤S200、在支撑基板10上键合压电基板20，以得到基板结构，包括以下步骤：

S210、在支撑基板10上键合压电基板20。

需要说明的是，在键合之前，可以先将压电基板20的键合面进行抛光，以使得其粗糙度在0.3nm以下；同样地，支撑基板10的键合面在键合前也可以进行抛光，以使得其粗糙度在0.8nm以下。

在键合时，可以通过离子活化的方式，在常温高真空环境下进行键合处理。

S220、对压电基板20背离支撑基板10的一面进行减薄、抛光，以使压电基板20的厚度小于10μm。

S230、对支撑基板10背离压电基板20的一面进行减薄、抛光，以使支撑基板的厚度T小于250μm，以得到基板结构。

请参照图11，本公开的又一方面，提供一种滤波器，该滤波器包括基板结构以及设于基板结构上的电极30。

其中，上述电极30为叉指电极30，由于该基板结构的具体结构及其有益效果均已在前文做了详细阐述，故本申请在此不再赘述。

本公开的再一方面，提供一种双工器，该双工器包括发射滤波器和接收滤波器，其中，发射滤波器和/或接收滤波器采用上述的滤波器。由于滤波器的具体结构及其有效效果均已在前文做了详细阐述，故在此不再赘述。

以上所述仅为本公开的可选实施例而已，并不用于限制本公开，对于本领域的技术人员来说，本公开可以有各种更改和变化。凡在本公开的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。

另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合，为了避免不必要的重复，本公开对各种可能的组合方式不再另行说明。

Claims (13)

1.一种基板结构，其特征在于，包括支撑基板和位于所述支撑基板上的压电基板；其中，所述支撑基板的材料为多晶材料，且所述支撑基板的气孔率小于0.0045％或大于0.6％。

2.根据权利要求1所述的基板结构，其特征在于，所述支撑基板的气孔率大于0.65％。

3.根据权利要求2所述的基板结构，其特征在于，所述支撑基板的气孔率大于0.65％且小于1.5％。

4.根据权利要求1所述的基板结构，其特征在于，所述支撑基板的晶界层的数量大于或等于3层。

5.根据权利要求4所述的基板结构，其特征在于，所述晶界层的数量小于或等于40层。

6.根据权利要求1或4所述的基板结构，其特征在于，所述支撑基板包括多个晶粒，且所述晶粒的平均粒径在2μm至60μm之间。

7.根据权利要求1所述的基板结构，其特征在于，所述支撑基板的材料为多晶尖晶石、多晶蓝宝石、多晶硅、多晶石英和多晶氮化铝中的任意一种。

8.根据权利要求1所述的基板结构，其特征在于，所述支撑基板包括多个晶粒，所述晶粒的平均粒径小于或等于所述支撑基板的厚度的三分之一。

9.根据权利要求1所述的基板结构，其特征在于，所述压电基板的厚度在0.1μm至10μm之间。

10.一种基板结构的制备方法，其特征在于，包括：

提供一种支撑基板，所述支撑基板的材料为多晶材料，且所述支撑基板的气孔率小于0.0045％或大于0.6％；

在所述支撑基板上键合压电基板，以得到基板结构。

11.根据权利要求10所述的基板结构的制备方法，其特征在于，所述在所述支撑基板上键合压电基板，以得到基板结构，包括：

在所述支撑基板上键合压电基板；

对所述压电基板背离所述支撑基板的一面进行减薄、抛光，以使所述压电基板的厚度小于10μm；

对所述支撑基板背离所述压电基板的一面进行减薄、抛光，以使所述支撑基板的厚度小于400μm，以得到基板结构。

12.一种滤波器，其特征在于，包括权利要求1至9中任意一项所述的基板结构以及设于所述基板结构上的电极。

13.一种双工器，其特征在于，包括发射滤波器和接收滤波器，其中，所述发射滤波器和/或所述接收滤波器采用权利要求12所述的滤波器。

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