CN220342293U - 一种声表面波滤波器结构 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种声表面波滤波器结构，涉及声表面波滤波器技术领域，包括衬底层、第一高阻层、第二高阻层、低阻层、压电层以及叉指换能器，衬底层、第一高阻层、第二高阻层、低阻层、压电层以及叉指换能器从下到上依次设置，衬底层采用高纯度单晶硅，第一高阻层采用氮化铝，第二高阻层采用碳化硅，低阻层采用二氧化硅，压电层采用钽酸锂，叉指换能器采用铜或铝铜合金。本申请提供的声表面波滤波器结构具有传输损耗低、高机电耦合系数、高温度稳定性以及耐高功率的优点，能够满足5G和6G通信技术的发展。

Description

一种声表面波滤波器结构

技术领域

本申请涉及声表面波滤波器技术领域，具体涉及一种声表面波滤波器。

背景技术

声表面波是一种在压电基片材料表面产生并传播的弹性波，其振幅随着基片材料深度的增加而迅速减少。而声表面波滤波器主要作用原理，就是把电压加载在压电晶体上(例如钽酸锂的电极)，通过压电效应在压电晶体的晶格中形成机械畸变，实现声电转换。

声表面波滤波器主要制备方法是在具有压电特性的基片材料的抛光面上制作两个或以上的金属膜构成电极结构，即声－电换能器(叉指换能器)。叉指换能器指采用半导体集成电路的平面工艺，在压电基片表面镀一定厚度的金属膜，然后再把设计好的IDT的掩膜图案利用光刻方法沉积在基片表面，分别作为输入换能器和输出换能器。

随着5G和6G通信技术的发展，要求声表面波滤波器输入输出阻抗误差小、损耗低、大带宽、高温度稳定性、耐高功率并具有抗电磁性能好、可靠高等特点，传统的声表面波滤波器已经无法满足以上要求。

发明内容

为此，本申请提供一种声表面波滤波器，以解决现有技术存在的声表面波滤波器损耗高、带宽小、高温度稳定差以及耐高功率差的问题。

为了实现上述目的，本申请提供如下技术方案：

一种声表面波滤波器结构，包括从下到上依次设置的衬底层、第一高阻层、第二高阻层、低阻层、压电层以及叉指换能器；所述衬底层采用高纯度单晶硅，所述第一高阻层采用氮化铝，所述第二高阻层采用碳化硅，所述低阻层采用二氧化硅，所述压电层采用钽酸锂，所述叉指换能器采用铜或铝铜合金；所述第一高阻层厚度为0.1-5μm，所述第二高阻层厚度为0.1-1μm，所述低阻层厚度为0.1-0.5μm。

作为优选，所述衬底层厚度为100-250μm。

作为优选，所述氮化铝采用纯铝溅射靶利用中频脉冲磁控溅射技术沉积在所述高纯度单晶硅上。

作为优选，所述第一高阻层采用C轴取向的氮化铝。

作为优选，所述碳化硅采用表面活化键合技术键合到所述氮化铝上。

作为优选，所述二氧化硅采用物理气相沉积技术沉积在所述碳化硅上。

作为优选，所述压电层厚度为5-10μm。

作为优选，所述钽酸锂采用等离子活化表面技术键合在所述高纯度单晶硅、所述氮化铝、所述碳化硅和所述二氧化硅的复合层上。

作为优选，所述叉指换能器厚度为0.08-1μm。

相比现有技术，本申请至少具有以下有益效果：

本申请提供了一种声表面波滤波器结构，具有超高性能，包括衬底层、第一高阻层、第二高阻层、低阻层、压电层以及叉指换能器，衬底层、第一高阻层、第二高阻层、低阻层、压电层以及叉指换能器从下到上依次设置，衬底层采用高纯度单晶硅，第一高阻层采用氮化铝，第二高阻层采用碳化硅，低阻层采用二氧化硅，压电层采用钽酸锂，叉指换能器采用铜或铝铜合金。本申请提供的声表面波滤波器结构具有传输损耗低、高机电耦合系数、高温度稳定性以及耐高功率的特点，适用于5G、6G移动通信终端的高性能要求。

附图说明

为了更直观地说明现有技术以及本申请，下面给出几个示例性的附图。应当理解，附图中所示的具体形状、构造，通常不应视为实现本申请时的限定条件；例如，本领域技术人员基于本申请揭示的技术构思和示例性的附图，有能力对某些单元(部件)的增/减/归属划分、具体形状、位置关系、连接方式、尺寸比例关系等容易作出常规的调整或进一步的优化。

图1为本申请实施例一提供的一种声表面波滤波器结构的结构示意图；

图2为本申请实施例一提供的能量分布深度与反射层的关系示意图；

图3为本申请实施例一提供的声表面波滤波器结构中的LiTaO₃/SiO₂/SiC多层结构示意图；

图4为本申请实施例二提供的一种声表面波滤波器结构的制作方法流程图。

附图标记说明：

1、衬底层；2、第一高阻层；3、第二高阻层；4、低阻层；5、压电层；6、叉指换能器。

具体实施方式

以下结合附图，通过具体实施例对本申请作进一步详述。

在本申请的描述中：除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。本申请中的术语“第一”、“第二”、“第三”等旨在区别指代的对象，而不具有技术内涵方面的特别意义(例如，不应理解为对重要程度或次序等的强调)。“包括”、“包含”、“具有”等表述方式，同时还意味着“不限于”(某些单元、部件、材料、步骤等)。

本申请中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”等的用语，通常是为了便于对照附图直观理解，而并非对实际产品中位置关系的绝对限定。在未脱离本申请揭示的技术构思的情况下，这些相对位置关系的改变，当亦视为本申请表述的范畴。

实施例一

请参阅图1，本实施例提供了一种声表面波滤波器结构，包括衬底层1、第一高阻层2、第二高阻层3、低阻层4、压电层5以及叉指换能器6，衬底层1、第一高阻层2、第二层高阻层3、低阻层4、压电层5以及叉指换能器6从下到上依次设置，衬底层1采用高纯度单晶硅(Si)，第一高阻层2采用氮化铝(AlN)，第二高阻层3采用碳化硅(SiC)，低阻层4采用二氧化硅(SiO₂)，压电层5采用钽酸锂(LiTaO₃，简称LT)，叉指换能器6采用铜(Cu)或铝铜合金。

具体的，衬底层1采用高纯度单晶硅，厚度为100-250μm，硅具有较高的导热系数，能快速地释放热量，有效提高器件的耐受功率。

第一高阻层2采用C轴取向的氮化铝，厚度为0.1-5μm。根据建立的理论模型，利用多物理场耦合条件下异质结构仿真技术，计算的能量分布深度与反射层的关系如图2所示。

能量分布深度是指当99％的能量从表面集中到某一深度H内时，该H被称为能量分布深度。传统的声表面波器件仅用单层压电衬底，例如钽酸锂压电衬底，其能量分布深度为8波长；而使用含有氮化铝薄膜的多层膜结构，能量可集中到2个波长内，且99％的能量集中在钽酸锂和二氧化硅层内。传统的结构声波能量泄漏较严重，本实施例采用氮化铝薄膜结构能够将能量集中在2个波长深度以内，往深度方向的能量损耗很少，提高了器件的传播损耗。

第二高阻层3采用碳化硅，厚度为0.1-1μm，碳化硅材料能够抑制声波的横向模式同时碳化硅具有良好的导热特性，因此可以减少声波传播损耗，提高器件的导热能力。

低阻层4为二氧化硅薄膜，厚度为0.1-0.5μm，在第二高阻层3(碳化硅高阻层)和钽酸锂压电层之间沉积二氧化硅薄膜，因为钽酸锂压电层具有高的热膨胀系数，而二氧化硅薄膜具有低的热膨胀系数，所以两者可以形成温度补偿，实现器件的高温度稳定性。参阅图3，图3为基于LiTaO₃/SiO₂/SiC多层结构原理图。

压电层5为钽酸锂，厚度在5-10μm之间，钽酸锂材料具有较大的机电耦合系数，可易于实现大带宽声表面波滤波器，同时能够有效地抑制瑞利波模态杂散响应，减低器件的损耗。

叉指换能器6(IDT)根据器件性能指标要求厚度在0.08-1μm之间，叉指换能器6采用铜或铝铜合金，优选为铜，因为铜具有良好的导电性，保证了可以达到很小的电阻损耗，同时可以降低IDT的金属膜厚，有利用工艺的实现。

实施例二

请参阅图，本实施例提供一种声表面波滤波器结构的制作方法用于制作实施例一提供的声表面波滤波器结构。

步骤1：在硅衬底表面沉积氮化铝薄膜；

具体的，本实施例在硅衬底上沉积的氮化铝厚度为0.4λ，在100-200ml/min流量的条件下，采用纯铝溅射靶利用中频脉冲磁控溅射技术在硅衬底上制备出氮化铝薄膜。利用x射线衍射(XRD)、原子力显微镜(AFM)以及椭偏仪观测流量比率对氮化铝薄膜的微观结构、表面形貌、厚度和折射率的影响。找到氮化铝薄膜的微观结构、表面形貌、厚度和折射率与流量比率的相关性，当固定其它沉积条件时，改变流量比率会改变氮化铝薄膜的沉积速率；本实施例将在实验结果的基础上结合反应沉积的表面动力学因素分析反应气体中流量比率对氮化铝薄膜的表面形貌、微观结构、厚度和折射率的影响。综合试验结果，找到最佳反应气体中流量比率，避免反应气体导致的溅射靶的钝化，同时获得较高的沉积速率，并保证氮化铝薄膜膜厚的均匀性和一致性。

步骤2：采用表面活化键合技术将碳化硅材料键合到氮化铝薄膜表面；

具体的，表面活化键合是利用高速离子轰击晶圆表面，除去表面氧化膜及其他污染物，然后施加一定压力，使两个已经被去除氧化膜的表面紧密接触，依靠化学键的作用，使表面能量降低，实现原子尺度上的牢靠键合，能达到良好的键合强度，无需后续退火，消除了热膨胀系数不匹配而造成的热应力问题。其实现通过在RCA溶液清洗后利用O₂、N₂、H₂或Ar等离子体照射晶圆表面，而后将两晶圆在室温下预键合到一起，经过200℃～400℃的低温退火后达到足够高的键合强度。

步骤3：采用物理气相沉积技术沉积二氧化硅薄膜；

具体的，通过工艺条件的控制可保持片上温度在200℃以下，同时通过控制设备偏压值、溅射功率以及溅射温度等相关工艺参数可使得二氧化硅薄膜的片内均匀性在1％以内。

步骤4：采用等离子活化表面技术将以上衬底与钽酸锂压电材料进行常温键合；

具体的，本步骤是将晶片直接键合到前述等离子体活化表面，在真空低温条件下就可实现较高的键合强度。表面活化处理的等离子体是由低压气体射频放电所产生，它由电子、离子、分子分解的原子及自由基粒子等组成。晶片表面活化主要是通过离子对晶片表面的机械撞击及溅射来增加悬挂键对晶片表面赋能。电离过程中产生的原子和激子各异，如Ar、O₂、N₂、NH₃等，但它们对晶片表面的活化效果并无显著影响。活化了的晶片表面具有很强的吸附能力，在较低的温度下晶片键合界面具有较高的键合强度，再经过适当温度的退火，键合界面的原子悬挂键很容易发生网络重组，形成完善的共价键网络。直接键合以及等离子体活化键合技术适用于本实施例压电薄膜或二氧化硅与钽酸锂压电材料表面的直接键合。

步骤5：采用CMP化学机械抛光技术将钽酸锂压电晶片表面进行研磨减薄；

具体的，在一定压力及抛光液作用下，钽酸锂压电晶片表面对于抛光垫作相对运动，借助于纳米粒子的研磨作用与氧化剂的腐蚀作用的有机结合，来实现压电晶片材料表面的平坦化。将旋转的被抛光晶片压在与其同方向旋转的弹性抛光垫上，抛光液在晶片与底板之间连续流动，上下盘高速反向旋转，被抛光晶片表面的反应物被不断地剥离，新抛光液补充进来，反应物随抛光液带走。新裸露的晶片表面凸起又和抛光液发生化学反应，化学反应的产物被再次剥离下来，如此循环往复，在衬底、纳米粒子和化学反应剂的联合作用下，直至压电晶片表面全局平坦。

步骤6：等离子修平；

具体的，离子修平法是一种通过离子对晶圆或材料表面进行微加工的方法，其在膜层间精度控制方面可达到0.5nm以下，是一种对结构进行微调的工艺手段，在完成钽酸锂压电晶片制备后，首先通过膜厚测试设备对晶片表面的厚度进行一次测定生产MAP图。等离子修平通过预先生成的材料厚度分布MAP数据图对不同位置进行定义和区分，此后通过离子束快速对各位置进行处理，通过离子的撞击对撞击位置的膜层进行原子等级的移除，最终得到所需要的膜层厚度，在此过程中由于小直径离子束的高精度轰击效应，使得膜层的均匀性得到提高；此外，由于其相关的离子源为Ar+，因此在修平过程中不存在离子源与膜层材料发生化学反应污染膜层的情况，反而由于Ar+的清洁作用会使膜层表面的清洁度得到很大提升。

步骤7：采用表面活性剂进行清洗，得到多层压电薄膜材料；

步骤8：采用平面半导体工艺技术在压电层表面形成叉指换能器，得到最终的声表面波滤波器结构。

具体的，先在压电层表面涂覆一定厚度的光刻胶，然后通过曝光、显影后形成换能器线路图像，再通过电子束蒸发一定厚度的铜或铝铜合金材料，采用剥离法工艺去除多余的铜或铝铜材料，最后形成叉指换能器，得到最终的声表面波滤波器结构。

以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合(只要这些技术特征的组合不存在矛盾)，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述；这些未明确写出的实施例，也都应当认为是本说明书记载的范围。

上文中通过一般性说明及具体实施例对本申请作了较为具体和详细的描述。应当理解，基于本申请的技术构思，还可以对这些具体实施例作出若干常规的调整或进一步的创新；但只要未脱离本申请的技术构思，这些常规的调整或进一步的创新得到的技术方案也同样落入本申请的权利要求保护范围。

Claims (9)

1.一种声表面波滤波器结构，其特征在于，包括从下到上依次设置的衬底层、第一高阻层、第二高阻层、低阻层、压电层以及叉指换能器；所述衬底层采用高纯度单晶硅，所述第一高阻层采用氮化铝，所述第二高阻层采用碳化硅，所述低阻层采用二氧化硅，所述压电层采用钽酸锂，所述叉指换能器采用铜或铝铜合金；所述第一高阻层厚度为0.1-5μm，所述第二高阻层厚度为0.1-1μm，所述低阻层厚度为0.1-0.5μm。

2.根据权利要求1所述的声表面波滤波器结构，其特征在于，所述衬底层厚度为100-250μm。

3.根据权利要求1所述的声表面波滤波器结构，其特征在于，所述氮化铝采用纯铝溅射靶利用中频脉冲磁控溅射技术沉积在所述高纯度单晶硅上。

4.根据权利要求1所述的声表面波滤波器结构，其特征在于，所述第一高阻层采用C轴取向的氮化铝。

5.根据权利要求1所述的声表面波滤波器结构，其特征在于，所述碳化硅采用表面活化键合技术键合到所述氮化铝上。

6.根据权利要求1所述的声表面波滤波器结构，其特征在于，所述二氧化硅采用物理气相沉积技术沉积在所述碳化硅上。

7.根据权利要求1所述的声表面波滤波器结构，其特征在于，所述压电层厚度为5-10μm。

8.根据权利要求1所述的声表面波滤波器结构，其特征在于，所述钽酸锂采用等离子活化表面技术键合在所述高纯度单晶硅、所述氮化铝、所述碳化硅和所述二氧化硅的复合层上。

9.根据权利要求1所述的声表面波滤波器结构，其特征在于，所述叉指换能器厚度为0.08-1μm。