一种兰姆波器件及其制备方法与流程

1.本发明涉及微电子器件技术领域，特别涉及一种兰姆波器件及其制备方法。


背景技术：

2.随着移动通信技术的发展，5g时代所使用的电磁波频段将继续向着高频、大带宽发展。
3.兰姆波器件是声波滤波器的基本单元，现有技术中的兰姆波器件能够利用压电薄板中具有较高声速和较大机电耦合系数的板波模式，可制备高频大带宽的声学滤波器，因此受到了广泛关注。但现有技术中的兰姆波器件仍存在杂散模式(例如零阶水平剪切波、零阶对称型兰姆波及其高阶响应)响应大，进而影响主模式(例如，一阶反对称型兰姆波)，造成无法更好地实现目标声学模式。


技术实现要素：

4.本发明要解决的是现有技术中兰姆波器件杂散模式响应大的技术问题。
5.为解决上述技术问题，本技术在一方面公开了一种兰姆波器件，其包括由下至上依次设置的支撑衬底、布拉格反射层、压电薄膜和叉指电极结构；
6.该布拉格反射层包括交替层叠的低声阻抗层和高声阻抗层；
7.该叉指电极结构包括第一总线、第二总线、第一叉指电极和第二叉指电极；
8.该第一总线的第一端与该第二总线的第一端相对，且存在预设距离；
9.该第一叉指电极设于该第一总线上；
10.该第二叉指电极设于该第二总线上；
11.该第一叉指电极的形状和该第二叉指电极的形状为弧形。
12.可选的，该第一叉指电极包括至少两个间隔设置的上叉指电极；
13.该第二叉指电极包括至少两个间隔设置的下叉指电极；
14.相邻的两个该上叉指电极之间置有一个该下叉指电极；
15.相邻的该上叉指电极与该下叉指电极之间的距离相等。
16.可选的，该第一叉指电极包括第一上叉指电极和第二上叉指电极；
17.该第一上叉指电极设于该第一总线的第一端，且该第一上叉指电极的形状为圆环；该第二上叉指电极的形状为具有开口的圆环，该第二上叉指电极的开口形成放置该第二总线的通道；
18.该第二上叉指电极的直径大于该第一上叉指电极的直径，且该第一上叉指电极位于该第二上叉指电极内；
19.该第二叉指电极包括第一下叉指电极和第二下叉指电极；
20.该第一下叉指电极设于该该第二总线的第一端，且该第一下叉指电极的形状和该第二下叉指电极的形状为具有开口的圆环，该第一下叉指电极的开口和该第二下叉指电极的开口形成放置该第一总线的通道；
21.该第二下叉指电极的直径大于该第一下叉指电极的直径，且该第一下叉指电极位于该第二下叉指电极内；
22.该第一下叉指电极位于该第一上叉指电极和第二上叉指电极之间。
23.可选的，该压电薄膜的厚度小于0.5p，该p为相邻的该上叉指电极与该下叉指电极之间的距离。
24.可选的，该压电薄膜的晶体切型为z切；
25.该压电薄膜的材料包括铌酸锂或者钽酸锂。
26.可选的，该压电薄膜上设有间隔设置的两个凹槽，一个该凹槽内设有该第一叉指电极；另一个该凹槽内设有该第二叉指电极。
27.可选的，还包括介质层；
28.该介质层位于该衬底与该压电薄膜之间，或者，该介质层位于该叉指电极结构上。
29.可选的，该第一叉指电极的金属化率小于35％，和/或，该第二叉指电极的金属化率小于35％。
30.可选的，该支撑衬底的材料包括硅、氧化硅
‑
硅、绝缘体上硅(silicon
‑
on
‑
insulator，soi)、锗、石英、蓝宝石、铌酸锂、钽酸锂中的至少一种；
31.该第一叉指电极的材料包括铝、钨、铬、钛、铜、银和金中至少一种金属材料；
32.该第二叉指电极的材料包括铝、钨、铬、钛、铜、银和金中至少一种金属材料。
33.本技术在另一方面还公开了一种兰姆波器件的制备方法，其包括以下步骤：
34.提供一压电薄膜结构，该压电薄膜结构包括由下至上依次设置的支撑衬底、布拉格反射层和压电薄膜；该布拉格反射层包括交替层叠的低声阻抗层和高声阻抗层；
35.在该压电薄膜上制备叉指电极结构，得到该兰姆波器件，该叉指电极结构包括第一总线、第二总线、第一叉指电极和第二叉指电极；该第一总线的第一端与该第二总线的第一端相对，且存在预设距离；该第一叉指电极设于该第一总线上；该第二叉指电极设于该第二总线上；该第一叉指电极的形状和该第二叉指电极的形状为弧形。
36.采用上述技术方案，本技术提供的兰姆波器件具有如下有益效果：
37.本技术提供的该兰姆波器件包括由下至上依次设置的支撑衬底、布拉格反射层、压电薄膜和叉指电极结构；该布拉格反射层包括交替层叠的低声阻抗层和高声阻抗层；该叉指电极结构包括第一总线、第二总线、第一叉指电极和第二叉指电极；该第一总线的第一端与该第二总线的第一端相对，且存在预设距离；该第一叉指电极设于该第一总线上；该第二叉指电极设于该第二总线上；该第一叉指电极的形状和该第二叉指电极的形状为弧形。从而使得该兰姆波器件不仅能够有效获得高阶兰姆波的模式，而且还能够有效抑制其他杂散模式(例如零阶水平剪切波和零阶对称型兰姆波及其纵向高阶模)的响应，有效提高了目标声学模式的q值。
附图说明
38.为了更清楚地说明本技术实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本技术的一些实施例，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的附图。
39.图1为本技术一种可选的实施方式中的兰姆波器件的结构示意图；
40.图2为三种声波模式下对应的波在压电薄膜面内传播方向与相速度的关系曲线；
41.图3为三种声波模式下对应的波在压电薄膜面内传播方向与机电耦合系数的关系曲线；
42.图4为本技术一种可选的兰姆波器件的俯视图；
43.图5为本技术另一种可选的兰姆波器件的俯视图；
44.图6为本技术可选的兰姆波器件的截面图；
45.图7为本技术提供的不同兰姆波器件的性能曲线对比图；
46.图8为直线型叉指电极结构的示意图。
47.以下对附图作补充说明：
[0048]1‑
支撑衬底；2
‑
布拉格反射层；21
‑
低声阻抗层；22
‑
高声阻抗层；3
‑
压电薄膜；4
‑
叉指电极结构；41
‑
第一总线；42
‑
第二总线；43
‑
第一叉指电极；431
‑
第一上叉指电极；432
‑
第二上叉指电极；44
‑
第二叉指电极；441
‑
第一下叉指电极；442
‑
第二下叉指电极；5
‑
刻蚀通孔；6
‑
孔；7
‑
汇流条；8
‑
凹槽。
具体实施方式
[0049]
下面将结合本技术实施例中的附图，对本技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本技术保护的范围。
[0050]
此处所称的“一个实施例”或“实施例”是指可包含于本技术至少一个实现方式中的特定特征、结构或特性。在本技术的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“顶”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本技术和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本技术的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含的包括一个或者更多个该特征。而且，术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本技术的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。
[0051]
参阅图1，图1为本技术一种可选的实施方式中的兰姆波器件的结构示意图。其中，图1中的图(a)为本技术可选的兰姆波器件的截面图；图1中的图(b)为本技术可选的兰姆波器件的俯视图。本技术在一方面公开了一种兰姆波器件，其包括由下至上依次设置的支撑衬底1、布拉格反射层2、压电薄膜3和叉指电极结构4；该布拉格反射层2包括交替层叠的低声阻抗层21和高声阻抗层22；该叉指电极结构4包括第一总线41、第二总线42、第一叉指电极43和第二叉指电极44；该第一总线41的第一端与该第二总线42的第一端相对，且存在预设距离；该第一叉指电极43设于该第一总线41上；该第二叉指电极44设于该第二总线42上；该第一叉指电极43的形状和该第二叉指电极44的形状为弧形；从而能够达到抑制杂散模式的效果。
[0052]
于一种可选的实施方式中，该压电薄膜3的晶体切型为z切；该压电薄膜3的材料包括铌酸锂或者钽酸锂，以使该压电薄膜3激发的波在该压电薄膜3的各个传播方向上的相速度和机电耦合系数为定值。
[0053]
可选的，本技术提供的该兰姆波器件主要是通过上述叉指电极在压电薄膜3中激发一阶反对称型兰姆波，即a1模式；然而实际上，压电薄膜3中还会存在零阶水平剪切波(sh0)和零阶对称型兰姆波(s0)的响应，这两个模式及其在传播方向上引起的高阶模式会作为杂散波模式，进而影响a1模式响应的“干净”程度。
[0054]
可选的，本实施例中的压电薄膜3的材料为铌酸锂；该压电薄膜3的晶体切型为z切；参阅图2和图3，图2为三种声波模式下对应的波在压电薄膜面内传播方向与相速度的关系曲线；图3为三种声波模式下对应的波在压电薄膜面内传播方向与机电耦合系数的关系曲线。从图2可以看出，z切的铌酸锂压电薄膜3激发的a1模式在面内各个传播方向上的相速度vp不变(即慢速曲线为圆形)，恒为43km/s；而对应的，sh0模式和s0模式则是不断变化的；且从图3中可以看出，a1模式的机电耦合系数在各个传播方向上也恒为定值，即为38％，这意味着在z切ln或lt任意面内方向上所激励的a1模式的谐振频率和反谐振频率均相同。然而，sh0模式和s0模式的机电耦合系数则是不断变化的，从而无法选取一个合适的面内传播方向(即横坐标)使得两个主要的杂散模式机电耦合系数均为0，较大影响了响应目标声学的q值。
[0055]
而当采用本技术提供的兰姆波器件，由于其叉指电极结构4为图1中的图(b)所示的结构，即弧形结构，从而将叉指电极结构4得到的响应可近似看作所有面内方向上的谐振器响应的平均值。由于sh0和s0杂散模式及其高阶模式在不同面内传输方向上具有各向异性(即声速和机电耦合系数均不同)，可以起到降低杂散模式能量平均值的作用，从而达到了抑制的良好效果。
[0056]
需要说明的是，根据需要主模式不仅限于一阶反对称型兰姆波，还可以是其他高阶兰姆波，例如二阶、三阶、四阶或者n阶兰姆波，n大于等于5的自然数；可选的，当该兰姆波器件为图1所示的结构，其可以激发一阶、三阶或者(2m 1)阶，m为大于等于2的自然数；于一种可选的实施方式中，该兰姆波器件还包括介质层；该介质层位于该衬底与该压电薄膜3之间，可选的，该介质层位于叉指电极结构4上，可选的，该介质层的面积可以是与叉指电极结构4的区域相等，该可以大于该叉指电极结构4，从而使得该介质层部分位于压电薄膜3上；该兰姆波器件可以激发二阶、三阶、四阶或者n阶兰姆波，n大于等于5的自然数。
[0057]
可选的，该介质层的材料包括c轴取向氮化铝、氧化硅、氮化硅或者氧化铝等。该介质层可以调整器件频率、改善频率温度系数等性能。需要说明的是，该介质层还可以选择其他无机材料，只要能够保证目标模式的压电声学特性在压电薄膜3以及介质层的平面内呈现各向同性即可。
[0058]
于一种可选的实施方式中，参阅图4，图4为本技术一种可选的兰姆波器件的俯视图。该第一叉指电极43包括至少两个间隔设置的上叉指电极；该第二叉指电极44包括至少两个间隔设置的下叉指电极；相邻的两个该上叉指电极之间置有一个该下叉指电极；相邻的该上叉指电极与该下叉指电极之间的距离相等，从而能够实现抑制杂散模式的效果。
[0059]
为了提高本技术兰姆波器件的应用灵活性以及抑制杂散模式的效果，于一种可选的实施方式中，参阅图4，该第一叉指电极43包括第一上叉指电极431和第二上叉指电极
432；该第一上叉指电极431设于该第一总线41的第一端，且该第一上叉指电极431的形状为圆环；该第二上叉指电极432的形状为具有开口的圆环，该第二上叉指电极432的开口形成放置该第二总线42的通道；该第二上叉指电极432的直径大于该第一上叉指电极431的直径，且该第一上叉指电极431位于该第二上叉指电极432内；该第二叉指电极44包括第一下叉指电极441和第二下叉指电极442；该第一下叉指电极441设于该该第二总线42的第一端，且该第一下叉指电极441的形状和该第二下叉指电极442的形状为具有开口的圆环，该第一下叉指电极441的开口和该第二下叉指电极442的开口形成放置该第一总线41的通道；该第二下叉指电极442的直径大于该第一下叉指电极441的直径，且该第一下叉指电极441位于该第二下叉指电极442内；该第一下叉指电极441位于该第一上叉指电极431和第二上叉指电极432之间；第一上叉指电极431、第二上叉指电极432、第一下叉指电极441和第二下叉指电极442共圆心；该种叉指电极结构4为圆环结构的技术方案能够有效增强抑制杂散模式的效果。
[0060]
需要说明的是，上述第一总线41和第二总线42可以是位于同一条直线上，也可是存在横向的预设距离，只要满足其顶部存在预设距离，且能够使得多个第一叉指电极43与第二叉指电极44之间交错设置；上述叉指电极可以是弧形、圆弧形或者圆环形，圆环形可以是闭合的，也可以是具有开口的，一般，位于最内侧的叉指电极可以是闭合圆环，而其他的则必须是具有开口的圆环，开口的大小可以根据需要设置，在此不做限制；该开口可以是根据第一总线41和第二总线42的宽度来设计。
[0061]
于一种可选的实施方式中，参阅图4，该压电薄膜3的厚度小于0.5p，该p为相邻的该上叉指电极与该下叉指电极之间的距离，当叉指电极为圆环时，每个上叉指电极和下叉指电极共圆心，因此，沿径向的相邻的上叉指电极与下叉指电极之间的距离p相等；可选的，p还可以为相邻的该上叉指电极的中心线与该下叉指电极的中心线之间的距离；可选的，该p还可以是相邻的上叉指电极的侧边与下叉指电极的侧边之间的距离，上述侧边为相邻的侧边。需要说明的是，当p过小，会使得波的能量的水平分量过大，致使能量约束效果差，且机电耦合系数较小；而p过大，则会使得器件尺寸过大。可选的，为了在保证器件尺寸合适的基础上，提高器件的能量约束效果。压电薄膜3厚度h可满足关系式：0.2p<h<0.45p。
[0062]
为了进一步抑制或消除该器件中的杂散模式，于一种可选的实施方式中，参阅图5，图5为本技术另一种可选的兰姆波器件的俯视图；该压电薄膜3的中部存在刻蚀通孔5，该压电薄膜3上与激励区域无关的区域可以设置为孔6。
[0063]
为了进一步提高器件的功率容量、抑制杂散模式，于一种可选的实施方式中，参阅图6，图6为本技术可选的兰姆波器件的截面图。该压电薄膜3上设有间隔设置的两个凹槽8，一个该凹槽8内设有该第一叉指电极43；另一个该凹槽8内设有该第二叉指电极44；当然根据第一叉指电极43和第二叉指电极44的数量，可以对应的设置凹槽8；
[0064]
可选的，制备图6中的叉指电极方法可以是如下步骤：通过预先对压电薄膜3进行刻蚀，形成多个凹槽8，再进行金属沉积的方式进行局部或者全部嵌入；其中，局部嵌入表现为叉指电极的高度大于凹槽8的深度，例如，凹槽8的深度为80纳米，叉指电极的高度为130纳米；全部嵌入表现为叉指电极的高度小于等于凹槽8的深度，例如，凹槽8的深度为200纳米，叉指电极的高度为120纳米。
[0065]
可选的，参阅图5，该叉指电极还包括两个汇流条7，第一总线41与一个汇流条7连
接，第二总线42与另一个汇流条7连接，根据需要，该汇流条7可以设置在压电薄膜3的任意位置，不限于图5中的位置关系，例如，两个汇流条7可以位于同一侧的同一直线上，也可以设置在压电薄膜3的四个角中的任意一处。
[0066]
可选的，该布拉格反射层2的高声阻抗层22具有材料密度高或弹性常数大，或二者兼具的特点，例如氮化铝、钨或者铂等材料；低声阻抗层21具有材料密度低，或弹性常数小，或二者兼具的特点，例如二氧化硅、或者高聚物等材料。
[0067]
鉴于过少的反射层数不能将绝大部分声波能量约束在共振结构中，可选的，高声阻抗层22和低声阻抗层21的层数之和大于等于5；可选的，低声阻抗层21与压电薄膜3相连接。
[0068]
可选的，根据需要布拉格反射层2与叉指电极结构4的区域对应，即二者的俯视图的面积相等；可选的，布拉格反射层2的宽度也可以大于叉指电极结构4对应的区域，在此不做限定。
[0069]
为了更有效地激发a1模式，降低杂散波的响应，于一种可选的实施方式中，第一叉指电极43和第二叉指电极44的金属化率小于30％；为了进一步保证器件的欧姆损耗不大，可选的，第一叉指电极43和第二叉指电极44的金属化率η满足以下关系，10％<η<26％。
[0070]
于一种可选的实施方式中，该支撑衬底1的材料包括硅、氧化硅
‑
硅、绝缘体上硅(silicon
‑
on
‑
insulator，soi)、锗、石英、蓝宝石、铌酸锂、钽酸锂中的至少一种；该第一叉指电极43的材料包括铝、钨、铬、钛、铜、银和金中至少一种金属材料；该第二叉指电极44的材料包括铝、钨、铬、钛、铜、银和金中至少一种金属材料。
[0071]
需要说明的是，该兰姆波器件可以应用于弹性波滤波器、谐振器、双工器或者多工器；其中，弹性波滤波器和双工器主要由多个弹性波谐振器通过级联所构建而成，不同尺寸、形状的叉指电极的孔径宽度、对数、排布方式以及其他因素都会影响谐振器的电容，但后续可以通过调整第一叉指电极43和第二叉指电极44的圆周角，即可实现对谐振器电容的调整，便于后续弹性波滤波器以及双工器的搭建。
[0072]
为了更好地体现本技术的方案以及有益效果，以下以具体实施例进行描述，参阅图7，图7为本技术提供的不同兰姆波器件的性能曲线对比图。图中的例1对应的兰姆波器件结构为：采用图4所示的叉指电极结构4，兰姆波器件的层结构为图1所示，支撑衬底1的材料为硅，布拉格反射层2的总层数为14层，高声阻抗层22的材料为氮化铝，且厚度为540纳米；低声阻抗层21的材料为二氧化硅，且其厚度其为260纳米；压电薄膜3为z切铌酸锂晶圆，且厚度为500纳米；第一总线41、第二总线42、第一叉指电极43和第二叉指电极44的金属化率为25％，相邻的上叉指电极和下叉指电极之间的间距p为5微米；汇流条7为铝，其厚度为200纳米；第一叉指电极43和第二叉指电极44的圆周长由该电极所处位置的半径和圆周角大小所定义。
[0073]
对比例1对应的兰姆波器件结构为：将例1中的叉指电极结构4替换为直线型，如图8所示，图8为直线型叉指电极结构的示意图。其余结构与例1相同。
[0074]
对比例2对应的兰姆波器件结构为：将例1中的压电薄膜3切型替换为yx128
°
(欧拉角为[0,
‑
38
°
,0])，且叉指型电极为直线型，其余结构与例1相同。
[0075]
对比例3对应的兰姆波器件结构为：将例1中的压电薄膜3切型替换为yx128
°
(欧拉角为[0,
‑
38
°
,0])，其余结构与例1相同。
[0076]
从图7中可以看出，对比例1和例1的谐振与反谐振频率几乎一致，可以说明z切铌酸锂的a1模式在压电薄膜3的面内具有各向同性的特征；并且从图7中可以看出例1相较于对比例1，二者的谐振和反谐振的导纳比几乎相同，且示例1中部分杂散模式被抑制(参见图7中频率为3.63ghz以及3.8ghz对应的位置)，从而可以有效说明本技术的弧形叉指电极结构比传统直线型叉指结构相比，具有抑制杂散模式的效果。
[0077]
同样地，对比图7中频率为3.63ghz以及3.8ghz对应的位置可以看出，对比例2和3相比于例1，其激发的a1模式较为混乱，可以说明具有z切铌酸锂压电薄膜3、弧形叉指电极结构的兰姆波器件比具有其他切型的压电薄膜3、弧形叉指电极结构的兰姆波器件具有更好的主模式响应，以及抑制杂散模式的效果。
[0078]
本技术在另一方面还公开了一种兰姆波器件的制备方法，其包括以下步骤：提供一压电薄膜3结构，该压电薄膜3结构包括由下至上依次设置的支撑衬底1、布拉格反射层2和压电薄膜3；该布拉格反射层2包括交替层叠的低声阻抗层21和高声阻抗层22；在该压电薄膜3上制备叉指电极结构4，得到该兰姆波器件，该叉指电极结构4包括第一总线41、第二总线42、第一叉指电极43和第二叉指电极44；该第一总线41的第一端与该第二总线42的第一端相对，且存在预设距离；该第一叉指电极43设于该第一总线41上；该第二叉指电极44设于该第二总线42上；该第一叉指电极43的形状和该第二叉指电极44的形状为弧形；该第一叉指电极43与该第二叉指电极44之间的距离相等。
[0079]
可选的，在该压电薄膜3上制备叉指电极结构4的过程可以具体阐述为：先再压电薄膜3上涂覆光刻胶，再对光刻胶进行图形化处理，之后可以采用蒸镀或者溅射的方式制备该叉指电极结构4，再去除光刻胶残留即可；还可以采用其他沉积或者刻蚀与沉积结合的方式，在此不做限定。
[0080]
基于本技术提供的上述兰姆波器件的制备方法制得的兰姆波器件不仅能够产生有效的a1模式，该压电薄膜3激发的波在该压电薄膜3的各个传播方向上的相速度和机电耦合系数为定值，且由于本技术的该种电极结构，还能够达到抑制杂散模式的效果。
[0081]
需要说明的是，本技术中提供的制备兰姆波器件的其他可选的制备过程可以参见上述兰姆波器件结构的实施例，在此不再赘述。
[0082]
以上所述仅为本技术可选实施例，并不用以限制本技术，凡在本技术的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本技术的保护范围之内。