CN115051676A

CN115051676A - 一种高频兰姆波谐振器及其制备方法

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Publication number: CN115051676A
Application number: CN202210403883.5A
Authority: CN
Inventors: 涂程; 张晓升; 张卓; 张婷杨
Original assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Current assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Priority date: 2022-04-18
Filing date: 2022-04-18
Publication date: 2022-09-13

Abstract

本发明提供的一种高频兰姆波谐振器及其制备方法，属于声波谐振器技术领域，包括自下而上依次设置的具有空气腔的支撑衬底、粘结层、压电薄膜和介质层，介质层在对应空气腔区域设置顶部叉指电极，粘结层在对应空气腔区域设置与顶部叉指电极关于压电薄膜平面对称的底部叉指电极；压电薄膜在非对应空气腔区域设置两个穿孔电极，顶部叉指电极的两个电极分别通过对应穿孔电极与底部叉指电极的对应电极相连，构成两个电极对，对一个电极对的两个电极同时施加幅度和相位均相同的交流电压信号，使得压电薄膜内部产生平行于薄膜平面的激励电场，提高最大机电耦合系数，抑制杂散信号，同时利用介质层和粘结层材料降低温度对谐振器谐振频率的影响。

Description

一种高频兰姆波谐振器及其制备方法

技术领域

本发明属于声波谐振器技术领域，具体涉及一种高频兰姆波谐振器及其制备方法。

背景技术

基于压电效应的声波滤波器是无线通信射频前端电路中的重要器件。目前市场上主流的声波滤波器包括声表面波滤波器和体声波滤波器。其中，体声波滤波器采用氮化铝薄膜作为压电材料。但氮化铝薄膜较低的机电耦合系数使得基于此的体声波滤波器最大只能实现3dB的带宽，无法满足5G通信部分频段的要求。

铌酸锂薄膜和钽酸锂薄膜的机电耦合系数远大于氮化铝薄膜，因此基于铌酸锂薄膜或钽酸锂薄膜的声波滤波器是实现大带宽高频滤波器的理想选择。例如，通过在铌酸锂薄膜中激发一阶反对称兰姆波(A₁ Lamb wave)能够实现中心频率为4.8GHz，机电耦合系数为25％的高频兰姆波谐振器。多个这样的高频兰姆波谐振器即可构成3dB带宽大于12％的高频滤波器。

基于压电薄膜的高频兰姆波谐振器也存在问题，具体为：

第一，这种谐振器一般是在悬浮薄板结构的上表面制备叉指电极，并通过在叉指电极之间施加交流电信号激励压电薄膜中的兰姆波。一方面，这种单侧叉指电极产生的激励电场能量有很大一部分会穿过压电薄膜，造成能量的泄露，进而降低谐振器能够实现的最大机电耦合系数。另一方面，这种激励方式使得激励电场存在很强的非水平分量，容易在压电薄膜中激发不需要的杂散振动模态，对谐振器的频谱特性造成负面影响。

第二，压电薄膜的温度频率系数较大，使得高频兰姆波谐振器的谐振频率随温度的变化而改变，进而造成滤波器的温度漂移问题。

发明内容

针对上述现有技术中存在的问题，本发明提供了一种高频兰姆波谐振器及其制备方法，可将激励电场能量约束在压电薄膜内部，提升最大机电耦合系数，抑制杂散信号，同时解决温度漂移的问题。

为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种高频兰姆波谐振器，其特征在于，包括自下而上依次设置的支撑衬底、粘结层、压电薄膜和介质层；所述支撑衬底的上表面设置有空气腔；所述介质层在对应空气腔区域设置有顶部叉指电极，粘结层在对应空气腔区域设置有与顶部叉指电极关于压电薄膜平面对称的底部叉指电极；所述压电薄膜在非对应空气腔区域设置有两个穿孔电极，顶部叉指电极的两个电极分别通过对应穿孔电极与底部叉指电极的对应电极相连。

进一步地，所述粘结层、压电薄膜和介质层还对应设置有与空气腔贯通的刻蚀窗口，所述刻蚀窗口平行于顶部叉指电极的两侧或/和垂直于顶部叉指电极的两侧，任一侧刻蚀窗口的数量不少于一个。

进一步地，所述刻蚀窗口的形状为长方形、梯形、椭圆形或两端为圆弧形倒角的长条形；其中，圆弧形倒角的作用为降低压电薄膜因内部应力破裂的概率，以提高谐振器制备的良率。

进一步地，顶部叉指电极与底部叉指电极相连的两个电极构成一个电极对，即共有两个电极对；通过对一个电极对的两个电极同时施加幅度和相位均相同的交流电压信号，实现谐振。

进一步地，所述介质层还设置有顶部连接电极，粘结层还设置有底部连接电极，顶部叉指电极的两个电极分别经顶部连接电极连接至对应穿孔电极，底部叉指电极的两个电极分别经底部连接电极连接至对应穿孔电极。

进一步地，所述压电薄膜的材料为铌酸锂或者钽酸锂，具体为铌酸锂多晶薄膜、铌酸锂单晶薄膜、钽酸锂多晶薄膜或钽酸锂单晶薄膜。

进一步地，所述压电薄膜的厚度小于等于2μm。

进一步地，所述顶部叉指电极和底部叉指电极中相邻叉指间的中心距与压电薄膜的厚度的比值在区间[1,100]以内。

进一步地，所述支撑衬底的材料为硅、碳化硅或金刚石。

进一步地，所述粘结层和介质层的材料为二氧化硅、氮化硅或碳化硅。

进一步地，所述顶部叉指电极和底部叉指电极的材料为金、银、铝、钼、铜、镍或铂金。

本发明还提出了上述高频兰姆波谐振器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：获取支撑衬底；

S2：通过光刻工艺和反应离子刻蚀(RIE)工艺在支撑衬底中制备空气腔；

S3：通过薄膜沉积工艺在制备的空气腔中填充牺牲层材料，并通过化学机械抛光(CMP)工艺去除高出支撑衬底上表面的牺牲层材料；

S4：通过剥离(Lift-off)工艺和金属薄膜溅射工艺在支撑衬底上表面制备底部叉指电极和底部连接电极，其中底部叉指电极对应空气腔区域设置；

S5：通过光刻工艺和等离子体增强化学气相沉积(PECVD)工艺在支撑衬底上表面制备覆盖底部叉指电极和底部连接电极之外区域的粘结层，并通过化学机械抛光工艺减小粘结层、底部叉指电极和底部连接电极上表面的粗糙度；

S6：在粘结层、底部叉指电极和底部连接电极上方制备压电薄膜，通过光刻工艺和反应离子刻蚀工艺，在压电薄膜非对应空气腔区域开设两个通孔，并在压电薄膜和粘结层开设与空气腔贯通的刻蚀窗口；

S7：通过剥离工艺和金属薄膜溅射工艺，在压电薄膜上表面制备顶部叉指电极和顶部连接电极，以及在压电薄膜的两个通孔内制备穿孔电极；

S8：通过光刻工艺和等离子体增强化学气相沉积工艺在压电薄膜上表面制备覆盖顶部叉指电极、顶部连接电极以及刻蚀窗口之外区域的介质层；

S9：通过向刻蚀窗口注入刻蚀剂，去除空气腔中的牺牲层材料，最终得到高频兰姆波谐振器。

进一步地，S3中牺牲层材料为二氧化硅、氮化硅或多晶硅。

进一步地，S9中刻蚀剂为氢氟酸溶液、稀释后的氢氟酸溶液、气态氢氟酸、四氟化碳气体、六氟化硫气体、溴化氢气体或氟化氙气体。

与现有技术相比，本发明的有益效果如下：

1、本发明提出了一种高频兰姆波谐振器，通过在压电薄膜的上表面和下表面的对应位置分别制备顶部叉指电极和底部叉指电极，并在顶部叉指电极和底部叉指电极上同时施加幅度和相位均相同的交流电压信号，使得压电薄膜内部产生平行于压电薄膜平面的激励电场，进而提高谐振器可实现的最大机电耦合系数，并抑制由激励电场非水平分量引起的杂散信号；

2、本发明在压电薄膜的上表面和下表面除电极之外的区域分别制备介质层和粘结层，利用介质层和粘结层材料与压电薄膜材料极性相反的频率温度特性，降低温度对谐振器谐振频率的影响。

附图说明

图1为本发明实施例1提出的高频兰姆波谐振器的俯视示意图；

图2为图1的A-A’截面示意图；

图3为本发明实施例1提出的高频兰姆波谐振器中压电薄膜内部的电场方向示意图；

图4为本发明实施例1提出的高频兰姆波谐振器在谐振频率下的仿真位移分布截面图；

图5为本发明实施例1提出的高频兰姆波谐振器的仿真导纳幅值频谱图；

图6为本发明实施例1中经过S2后所得器件的A-A’截面示意图；

图7为本发明实施例1中经过S3后所得器件的A-A’截面示意图；

图8为本发明实施例1中经过S4后所得器件的A-A’截面示意图；

图9为本发明实施例1中经过S5后所得器件的A-A’截面示意图；

图10为本发明实施例1中经过S6制备压电薄膜后所得器件的A-A’截面示意图；

图11为本发明实施例1中经过S6在压电薄膜上开设通孔与刻蚀窗口后所得器件的A-A’截面示意图；

图12为本发明实施例1中经过S7后所得器件的A-A’截面示意图；

图13为本发明实施例1中经过S8后所得器件的A-A’截面示意图；

图14为本发明实施例1中经过S9后所得器件的A-A’截面示意图；

附图中各标记说明如下：

100-支撑衬底；101-空气腔；200-粘结层；300-压电薄膜；301-与顶部叉指电极平行的刻蚀窗口；302-与顶部叉指电极垂直的刻蚀窗口；400-介质层；501- 顶部电极层；5011-顶部叉指电极的第一电极；5012-顶部叉指电极的第二电极； 5013-顶部连接电极；5014-穿孔电极；502-底部电极层。

具体实施方式

在下文中，可在本发明的各种实施例中使用的术语“包括”或“可包括”指示所发明的功能、操作或元件的存在，并且不限制一个或更多个功能、操作或元件的增加。此外，如在本发明的各种实施例中所使用，术语“包括”、“具有”及其同源词仅意在表示特定特征、数字、步骤、操作、元件、组件或前述项的组合，并且不应被理解为首先排除一个或更多个其它特征、数字、步骤、操作、元件、组件或前述项的组合的存在或增加一个或更多个特征、数字、步骤、操作、元件、组件或前述项的组合的可能性。

在本发明的各种实施例中，表述“或”或“A或/和B中的至少一个”包括同时列出的文字的任何组合或所有组合。例如，表述“A或B”或“A或/和B中的至少一个”可包括A、可包括B或可包括A和B二者。

在本发明的各种实施例中使用的表述(诸如“第一”、“第二”等)可修饰在各种实施例中的各种组成元件，不过可不限制相应组成元件。例如，以上表述并不限制所述元件的顺序和/或重要性。以上表述仅用于将一个元件与其它元件区别开的目的。例如，第一用户装置和第二用户装置指示不同用户装置，尽管二者都是用户装置。例如，在不脱离本发明的各种实施例的范围的情况下，第一元件可被称为第二元件，同样地，第二元件也可被称为第一元件。

应注意到：如果描述将一个组成元件“连接”到另一组成元件，则可将第一组成元件直接连接到第二组成元件，并且可在第一组成元件和第二组成元件之间 “连接”第三组成元件。相反地，当将一个组成元件“直接连接”到另一组成元件时，可理解为在第一组成元件和第二组成元件之间不存在第三组成元件。

在本发明的各种实施例中使用的术语仅用于描述特定实施例的目的并且并非意在限制本发明的各种实施例。如在此所使用，单数形式意在也包括复数形式，除非上下文清楚地另有指示。除非另有限定，否则在这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明的各种实施例所属领域普通技术人员通常理解的含义相同的含义。所述术语(诸如在一般使用的词典中限定的术语)将被解释为具有与在相关技术领域中的语境含义相同的含义并且将不被解释为具有理想化的含义或过于正式的含义，除非在本发明的各种实施例中被清楚地限定。

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。

实施例1

传统的基于铌酸锂单晶薄膜的高频兰姆波谐振器的一个问题在于激励叉指电极位于悬浮压电薄膜的单侧，使得产生的激励电场能量容易泄露至压电薄膜之外，进而限制了谐振器的机电耦合系数的提升。另外，这种单侧电极方式容易激励谐振器中的杂散振动模态，对谐振器的谐振模态造成干扰。传统的铌酸锂单晶薄膜谐振器的另一个问题在于铌酸锂单晶薄膜材料的杨氏模量受环境温度影响较大，使得谐振器的谐振频率随着温度的升高而降低。因此，为了克服传统技术的缺陷，本实施例提出了一种具有对称结构的铌酸锂单晶薄膜高频兰姆波谐振器，利用位于铌酸锂单晶薄膜上下两侧的对称的叉指电极施加平行于压电薄膜的水平电场，抑制了电场能量向外泄露，提高了谐振器可实现的最大机电耦合系数，并抑制了杂散振动模态的产生。另外，本实施例采用二氧化硅材料作为铌酸锂单晶薄膜上表面和下表面的介质层和粘结层，利用二氧化硅材料杨氏模量随温度升高而增大的特性，改善铌酸锂单晶薄膜谐振器的温度频率特性。同时，本实施例的刻蚀窗口为两端为圆弧形倒角的长条形，有利于缓解铌酸锂单晶薄膜内部应力引起的薄膜破裂问题，进而提升谐振器制备的良率。

具体如图1和图2所示，本实施例提供的高频兰姆波谐振器包括自下而上依次设置的支撑衬底100、粘结层200、压电薄膜300和介质层400。

所述支撑衬底100的上表面设置有方形的空气腔101；其中，支撑衬底100 的材料为硅，采用<100>晶向，厚度为400μm；空气腔101的深度为10μm，长度和宽度分别为120μm与100μm。

所述介质层400内设置有顶部电极层501，包括顶部叉指电极的第一电极 5011、顶部叉指电极的第二电极5012和顶部连接电极5013，顶部叉指电极的第一电极5011和顶部叉指电极的第二电极5012位于空气腔101对应区域；其中，介质层400的材料为二氧化硅，厚度为100nm；顶部电极层501的材料为金，厚度为100nm；顶部叉指电极的第一电极5011和顶部叉指电极的第二电极5012 的中心距为10μm，顶部叉指电极的第一电极与顶部叉指电极的第二电极的叉指长度和宽度分别为40μm与2μm，共计5个叉指。

所述粘结层200内设置有与顶部电极层501关于压电薄膜300平面对称的底部电极层502，包括底部叉指电极的第一电极、底部叉指电极的第二电极和底部连接电极，底部叉指电极的第一电极和底部叉指电极的第二电极位于空气腔101 对应区域；其中，粘结层200的材料为二氧化硅薄膜，厚度为100nm；底部电极层502的材料为金，厚度为100nm；底部叉指电极的第一电极和底部叉指电极的第二电极的叉指长度和宽度分别为40μm与2μm，共计5个叉指。

所述压电薄膜300的材料为铌酸锂单晶薄膜，厚度为400nm，并在非对应空气腔101区域设置有两个穿孔电极5014；顶部叉指电极的第一电极5011经顶部连接电极5013、对应穿孔电极5014、底部连接电极，连接至底部叉指电极的第一电极，构成一个电极对；顶部叉指电极的第二电极5012经顶部连接电极5013、对应穿孔电极5014、底部连接电极，连接至底部叉指电极的第二电极，构成另一个电极对。对其中一个电极对的两个电极同时施加幅度和相位均相同的交流电压信号，将另一个电极对的两个电极同时设为接地端，这样设置电极可以使得两个电极对分别实现电信号输入与电信号接收的功能，以此来激励压电薄膜实现谐振。

所述粘结层200、压电薄膜300和介质层400还对应设置有与空气腔101贯通的刻蚀窗口，具体包括两个与顶部叉指电极平行的刻蚀窗口301以及四个与顶部叉指电极垂直的刻蚀窗口302；与顶部叉指电极平行的刻蚀窗口301和与顶部叉指电极垂直的刻蚀窗口302的形状均为两端为圆弧形倒角的长条形。

图3为本实施例提出的高频兰姆波谐振器中压电薄膜内部的电场方向示意图，由于顶部电极层501与底部电极层502关于压电薄膜300平面对称，使得施加的激励电场接近如图3所示的理想水平方向。与传统的只具有单侧叉指电极的高频兰姆波谐振器相比，本实施例提供的高频兰姆波谐振器的优势在于能将电场能量约束在压电薄膜内部，进而提升高频兰姆波谐振器可实现的最大机电耦合系数，并改善杂散信号多的问题。同时，介质层400与粘结层200的结构也近似关于压电薄膜300平面对称，使得高频兰姆波谐振器的结构在压电薄膜厚度方向上保持对称。与传统的只具有单侧介质层的高频兰姆波谐振器相比，本实施例提供的高频兰姆波谐振器的优势在于能够在改善高频兰姆波谐振器频率温度特性的同时保持兰姆波振动模态的对称性，抑制杂散振动模态的产生。

图4为本实施例提出的高频兰姆波谐振器在谐振频率下的仿真位移分布截面图，对应于兰姆波谐振器的A₁谐振模态，在该仿真位移分布截面图中颜色深度代表其位移大小值，颜色最深代表位移最大，在该谐振模态中传播方向上的最小位移处对应于顶部叉指电极与底部叉指电极及其覆盖的压电薄膜300区域，最大反向位移处和最大正向位移处分别交替对应于与介质层400和粘结层200接触的压电薄膜300，表明在所得高频兰姆波谐振器的周期性谐振单元结构中实现了 A₁谐振模态，此时高频兰姆波谐振器在有纵向上的位移方向具有反对称的特征，横向上叉指电极中心距为半个波长。

图5为本实施例提出的高频兰姆波谐振器的仿真导纳幅值频谱图，对于各类压电谐振器而言，其电学响应均可等效为包含电阻、电容、电感的电路模型，分别表示兰姆波谐振器在机械领域的阻尼、惯性和劲度，图5表明当频率到达某值时等效电路模型的整体导纳达到最大，此时的频率称为兰姆波谐振器的串联谐振频率，当频率达到某值时整个电路的导纳值达到最小，此时的频率称为兰姆波谐振器的并联谐振频率。在叉指电极上施加相同频率的电信号后，压电晶体的正逆压电效应使得谐振器内不断发生电能和机械能的周期性相互转化，谐振器内产生此频率的谐振。

本实施例还提出了上述高频兰姆波谐振器的制备方法，具体包括以下步骤：

S1：获取支撑衬底100。

S2：如图6所示，通过光刻工艺和反应离子刻蚀工艺在支撑衬底100中制备空气腔101。

S3：如图7所示，通过薄膜沉积工艺在制备的空气腔101中填充牺牲层材料，并通过化学机械抛光工艺去除高出支撑衬底100上表面的牺牲层材料；其中，所述牺牲层材料为多晶硅。

S4：如图8所示，通过剥离工艺和金属薄膜溅射工艺在支撑衬底100上表面制备底部电极层502，包括底部叉指电极的第一电极、底部叉指电极的第二电极和底部连接电极，底部叉指电极的第一电极和底部叉指电极的第二电极对应空气腔101区域设置。

S5：如图9所示，通过光刻工艺和等离子体增强化学气相沉积工艺在支撑衬底100上表面制备覆盖底部电极层502之外区域的粘结层200，并通过化学机械抛光工艺减小粘结层200和底部电极层502上表面的粗糙度。

S6：如图10所示，在粘结层200和底部电极层502上方制备压电薄膜300；如图11所示，通过光刻工艺和反应离子刻蚀工艺，在压电薄膜300非对应空气腔101区域开设两个通孔，并在压电薄膜300和粘结层200开设与空气腔101 贯通的刻蚀窗口，具体包括两个与顶部叉指电极平行的刻蚀窗口301以及四个与顶部叉指电极垂直的刻蚀窗口302。

S7：如图12所示，通过剥离工艺和金属薄膜溅射工艺，在压电薄膜300上表面制备顶部电极层501，包括顶部叉指电极的第一电极5011、顶部叉指电极的第二电极5012和顶部连接电极5013，顶部叉指电极的第一电极5011和顶部叉指电极的第二电极5012对应空气腔101区域设置；并在压电薄膜300的两个通孔内制备穿孔电极5014。

S8：如图13所示，通过光刻工艺和等离子体增强化学气相沉积工艺在压电薄膜300上表面制备覆盖顶部电极层501以及刻蚀窗口之外区域的介质层400。

S9：如图14所示，通过向刻蚀窗口注入刻蚀剂溴化氢气体，去除空气腔101 中的牺牲层材料，最终得到高频兰姆波谐振器。

本实施例提出的制备方法实现了一种具有对称结构的高频兰姆波谐振器的形成方法，制备方法具有简单、可靠的特点，能够实现较高的器件制备良率。

以上所述的具体实施方式，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，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，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

1.一种高频兰姆波谐振器，其特征在于，包括自下而上依次设置的支撑衬底、粘结层、压电薄膜和介质层；所述支撑衬底的上表面设置有空气腔；所述介质层在对应空气腔区域设置有顶部叉指电极，粘结层在对应空气腔区域设置有与顶部叉指电极关于压电薄膜平面对称的底部叉指电极；所述压电薄膜在非对应空气腔区域设置有两个穿孔电极，顶部叉指电极的两个电极分别通过对应穿孔电极与底部叉指电极的对应电极相连。

2.根据权利要求1所述高频兰姆波谐振器，其特征在于，所述粘结层、压电薄膜和介质层还对应设置有与空气腔贯通的刻蚀窗口，刻蚀窗口平行于顶部叉指电极的两侧或/和垂直于顶部叉指电极的两侧，任一侧刻蚀窗口的数量不少于一个。

3.根据权利要求2所述高频兰姆波谐振器，其特征在于，所述刻蚀窗口的形状为长方形、梯形、椭圆形或两端为圆弧形倒角的长条形。

4.根据权利要求1所述高频兰姆波谐振器，其特征在于，所述介质层还设置有顶部连接电极，粘结层还设置有底部连接电极，顶部叉指电极的两个电极分别经顶部连接电极连接至对应穿孔电极，底部叉指电极的两个电极分别经底部连接电极连接至对应穿孔电极。

5.根据权利要求1所述高频兰姆波谐振器，其特征在于，所述顶部叉指电极和底部叉指电极中相邻叉指间的中心距与压电薄膜的厚度的比值在区间[1,100]以内。

6.根据权利要求1所述高频兰姆波谐振器，其特征在于，所述压电薄膜的材料为铌酸锂或者钽酸锂。

7.根据权利要求1所述高频兰姆波谐振器，其特征在于，所述压电薄膜的厚度小于等于2μm。

8.根据权利要求1所述高频兰姆波谐振器，其特征在于，所述粘结层和介质层的材料为二氧化硅、氮化硅或碳化硅。

9.一种高频兰姆波谐振器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：获取支撑衬底；

S2：通过光刻工艺和反应离子刻蚀工艺在支撑衬底中制备空气腔；

S3：通过薄膜沉积工艺在制备的空气腔中填充牺牲层材料，并通过化学机械抛光工艺去除高出支撑衬底上表面的牺牲层材料；

S4：通过剥离工艺和金属薄膜溅射工艺在支撑衬底上表面制备底部叉指电极和底部连接电极，其中底部叉指电极对应空气腔区域设置；

S5：通过光刻工艺和等离子体增强化学气相沉积工艺在支撑衬底上表面制备覆盖底部叉指电极和底部连接电极之外区域的粘结层，并通过化学机械抛光工艺减小粘结层、底部叉指电极和底部连接电极上表面的粗糙度；

S9：通过向刻蚀窗口注入刻蚀剂，去除空气腔中的牺牲层材料，得到高频兰姆波谐振器。