具有多层波导的薄膜SAW器件的制作方法

具有多层波导的薄膜saw器件
1.提供了一种saw器件。
2.要实现的一个目的是规定可在超高频范围内使用的saw器件(saw＝表面声波)。
3.除其他外，该目的通过根据独立权利要求1所述的saw器件实现。有利实施例和进一步发展是从属权利要求的主题。
4.根据至少一个实施例，saw器件包括载体衬底。载体衬底优选自支撑。载体衬底可以一体形成，即形成为一片。载体衬底可包括硅酮、蓝宝石、碳化硅、金刚石或氮化铝，或由硅酮、蓝宝石、碳化硅、金刚石或氮化铝组成。载体衬底可具有至少10μm或至少50μm或至少100μm的平均厚度。另外或可选地，载体衬底的平均厚度可为最多1mm或最多500μm。
5.根据至少一个实施例，所述saw器件包括位于所述载体衬底上的压电薄膜。压电薄膜可以一体形成。
6.压电薄膜建立了saw器件的压电材料。在saw器件的预期操作期间，表面声波沿着压电薄膜或在压电薄膜中传播。薄膜的特征在于使用利用薄膜处理或薄膜沉积技术的晶片键合来将材料布置在载体衬底上。薄膜处理可以是机械研磨或所谓的“智能切割”。薄膜沉积技术可以是例如物理气相沉积技术或化学气相沉积技术。分子束外延技术可以用来提供所述薄膜。溅射也是可以的。
7.压电薄膜可包括litao3或linbo3或石英或aln或进一步的压电材料，或者由litao3或linbo3或石英或aln或进一步的压电材料组成。
8.根据至少一个实施例，saw器件包括压电薄膜上的叉指电极结构。特别地，叉指电极结构位于压电薄膜背向载体衬底的一侧。
9.叉指电极结构包括两个电极，每个电极具有多个手指。两个电极的手指交叉，但彼此电隔离。电极的手指通过母线电连接。每个电极可包括至少10个手指或至少50个手指或至少100个手指。压电薄膜上的叉指电极结构优选形成叉指换能器(idt)。
10.叉指电极结构的每个电极优选由金属制成，例如cu或al或pt或ag或au或ti或cr，或由化合物或其金属合金制成。所述电极可一体形成或具有分层结构。每个电极可与压电薄膜直接接触。叉指电极结构可通过电介质材料(例如sio2或si3n4)钝化，以防止污染。
11.根据至少一个实施例，saw器件包括波导层的层堆叠，所述层堆叠布置在载体衬底和压电薄膜之间。层堆叠可与压电薄膜和/或载体衬底直接接触。层堆叠可包括至少两个或至少四个或至少六个或至少八个或至少十个或至少20个或至少50个波导层。每个波导层优选一体形成。每个波导层优选由电介质材料形成。波导层可以是薄膜。每两个相邻的波导层包括不同的材料或由不同的材料组成。特别地，在每两个波导层之间形成界面。
12.层堆叠的波导层在从载体衬底到压电薄膜的方向上一层一层地堆叠。在顶视图中，每个波导层优选与叉指电极结构完全重叠。
13.根据至少一个实施例，层堆叠包括第一波导层和第二波导层。第一波导层和第二波导层优选为彼此直接接触的相邻层。层堆叠可包括第一波导层和第二波导层。然而，优选地，层堆叠包括多于两个的波导层。
14.根据至少一个实施例，第一波导层中的声速是第二波导层中声速的至少1.5倍或
至少2倍或至少2.5倍或至少3倍。
15.这里和以下，优选比较具有相同传播方向和/或具有相同模式(例如横向模式或纵向模式或其混合物)的声波的声速。特别地，叉指电极结构是saw谐振器的一部分。在saw谐振器的预期操作期间，谐振器中产生主声波/主音波。主声波是想要的谐振器声波。主声波沿纵向传播。声速之间的比较优选是指沿该纵向的声速。纵向具体是垂直于电极指状物的主延伸方向且平行于面向电极结构的压电薄膜表面的方向。
16.也可以将介质中的声速定义为v＝(c
ij
/ρ)
1/2
，其中c
ij
是弹性张量的分量，ρ是声波传播介质中的密度。比较声速时，可比较声速v＝(c
ij
/ρ)
1/2
。
17.在至少一个实施例中，saw器件包括载体衬底、载体衬底上的压电薄膜、压电薄膜上的叉指电极结构和波导层的层堆叠。层叠设置在载体衬底和压电薄膜之间。层堆叠包括第一波导层和第二波导层，其中第一波导层中的声速是第二波导层中的声速的至少1.5倍。
18.本发明尤其基于以下认识：下一代移动通信系统的演进需要具有各种性能标准的突出组合的器件，例如高频、高质量因子(q)、大机电耦合(k2)和低频率温度系数(tcf)。对于中低频段lte应用，例如在1ghz到2.5ghz的范围内，常规saw器件就足够了。然而，未来的应用要求器件在高达6ghz的频率运行，这是常规saw器件目前无法支持的。
19.本发明的发明人想到使用在载体衬底上具有压电薄膜的薄膜saw器件(tf
‑
saw)。在载体衬底和压电薄膜之间设置波导层的堆叠。波导层的堆叠包括具有不同声速的层。这对压电薄膜中的声波具有波导效应，并防止这些声波传播以泄漏能量到载体衬底上。因此，saw器件的效率提高。对于在高频范围内工作的saw器件来说，高效率是非常重要的。
20.根据至少一个实施例，层堆叠包括多个第一波导层和多个第二波导层，其中所述第一波导层和所述第二波导层交替布置。在下文和之前针对一个第一波导层公开的所有特征可适用于所有第一波导层。同样，在下文和之前针对一个第二波导层公开的所有特征可适用于所有第二波导层。特别地，第一波导层中的声速是第二波导层中声速的至少1.5倍或至少2倍或至少2.5倍或至少3倍。
21.例如，层堆叠具有相同数量的第一波导层和第二波导层。例如，层堆叠包括至少两个或至少四个或至少六个或至少八个或至少十个或至少20个或至少50个第一波导层。相同数量可适用于第二波导层。优选地，在每两个第二波导层之间存在第一波导层，并且在每两个第一波导层之间存在第二波导层。
22.每个第一波导层优选地与两个第二波导层直接接触，并且每个第二波导层优选地与两个第一波导层直接接触。所有第一波导层可在制造公差内相同地构造。同样地，所有第二波导层可在制造公差范围内相同地构造。例如，所有第一波导层由相同的材料或相同的材料成分组成和/或具有相同的平均厚度。同样，所有第二波导层可由相同的材料或相同的材料成分组成和/或具有相同的平均厚度。
23.通过增加第一波导层和第二波导层的数量，可以增加层堆叠的反射率，并且可以进一步改善声波在压电薄膜中的捕获。
24.压电薄膜可与层堆叠的第一波导层或第二波导层直接接触。
25.根据至少一个实施例，第一波导层中的声速大于压电薄膜中的声速。优选地，如前所述，比较类似声波的声速，即具有相同传播方向和/或具有相同模式的声波的声速。例如，第一波导层中的声速是压电薄膜中的声速的至少1.2倍或1.5倍或至少2倍。
26.根据至少一个实施例，第二波导层中的声速小于压电薄膜中的声速。例如，第二波导层中的声速为压电薄膜中的声速的最多0.85倍或最多0.75倍或最多0.5倍。
27.根据至少一个实施例，第一波导层和/或第二波导层的平均厚度最多为λ/4或最多为λ/8或最多为λ/16。优选地，第一波导层和/或第二波导层的平均厚度至少为5nm或至少为10nm。因此，λ表示saw器件操作期间主声波的波长。优选地，λ是saw器件的saw谐振器的主声波的波长，其中压电薄膜上的叉指电极结构形成saw谐振器的idt。特别地，λ由叉指电极结构的一个电极的两个指状物之间的节距定义。
28.第一波导层和/或第二波导层的平均厚度的绝对值可在5nm至500nm之间(包括5nm和500nm)，优选在10nm至300nm之间(包括10nm和300nm)。
29.在这里和下文中，优选将层或膜理解为在其整个延伸上具有在制造公差范围内的恒定厚度。例如，层或膜厚度与其平均厚度的最大偏差最多为10％或最多为5％。
30.根据至少一个实施例，压电薄膜的平均厚度为最多0.6
·
λ或最多0.5
·
λ或最多0.4
·
λ。附加地或备选地，压电薄膜的平均厚度可以为至少0.1
·
λ或至少0.15
·
λ或至少0.2
·
λ。
31.根据至少一个实施例，第一波导层包括以下一种或多种材料或由以下一种或多种材料组成：aln、sic、al2o3、类金刚石碳、tin。
32.根据至少一个实施例，第二波导层包括以下一种或多种材料或由以下一种或多种材料组成：sio2、si3n4、掺杂sio2、geo2。
33.根据至少一个实施例，所述saw器件包括具有正频率温度系数的tcf补偿层。tcf补偿层布置在所述层堆叠和所述载体衬底之间。tcf补偿层的厚度可以在0.1
·
λ到0.5
·
λ之间(包括0.1
·
λ和0.5
·
λ)，最好在0.2
·
λ到0.4
·
λ之间(包括0.2
·
λ和0.4
·
λ)。tcf补偿层优选为电介质。tcf补偿层可包括以下一种或多种材料或由以下一种或多种材料组成：sio2、掺杂sio2、geo2、scyf、zrw2o8、zrmo2o8、hfmo2o8、scw3o
12
、alw3o
12
、zr(wo4)(po4)2、沸石、b2o3或具有正tcf(tcf＝频率温度系数)的其他材料。与波导层一样，tcf补偿层在顶视图中观察时可与整个叉指电极结构重叠。tcf补偿层可与波导层的层堆叠直接接触。
34.具有正频率温度系数的tcf补偿层可以抵消压电薄膜或波导层的层堆叠的负tcf。此外，tcf补偿层大多表现出负热膨胀系数，这对于从过渡金属化合物和稀土金属化合物中选择的材料尤其如此。这些材料也表现出较高的正的e模块温度系数，即在较高温度下增强了刚度。
35.根据至少一个实施例，电介质离子阻挡层布置在层堆叠和载体衬底之间。优选地，离子阻挡层布置在tcf补偿层和载体衬底之间。离子阻挡层可包括多晶硅或离子注入硅，或由多晶硅或离子注入硅组成。离子阻挡层可以捕获saw器件中出现的离子，从而减少由于这些自由电荷引起的损耗。离子阻挡层的平均厚度可以在200nm到1.5μm(包括200nm和1.5μm)的范围内。
36.叉指电极结构的平均厚度，尤其是电极手指的平均厚度，优选在10nm和1μm之间(包括10nm和1μm)。电极结构的厚度被测量为在垂直于叉指电极结构所施加到的压电薄膜的表面的方向上的扩展。
37.根据至少一个实施例，所述saw器件包括saw谐振器。压电薄膜上的叉指电极结构优选形成saw谐振器的叉指换能器，简称idt。所述saw谐振器还可包括布置在压电薄膜上的
两个反射器，叉指电极结构位于这两个反射器之间。反射器可包括与叉指电极结构相同的材料或由与叉指电极结构相同的材料组成。
38.saw器件可包括一个或多个saw谐振器。每个saw谐振器优选地包括形成idt的叉指电极结构。叉指电极结构优选地全部形成在相同的压电薄膜上。在顶视图中，上述指到的层，具体是层堆叠的波导层，可与saw谐振器的所有叉指电极结构完全重叠。尤其是，saw器件包括带有若干saw谐振器的saw滤波器，或者可以是这样的saw滤波器。saw器件可以是例如双工器或多路复用器的滤波电路的一部分。
39.根据至少一个实施例，saw谐振器具有至少2.5ghz或至少3ghz或至少5ghz的谐振频率。附加地或备选地，谐振频率为最多10ghz或最多8ghz或最多6ghz。谐振频率是saw谐振器拟操作于的期望谐振频率。
40.下文中，将在示例性实施例的基础上参考附图更详细地解释本文所述的saw器件。相同的附图标记指示各个附图中的相同元件。然而，所涉及的尺寸比不是按比例的，为了更好地理解，各个元件可以用放大的尺寸来说明。
41.图1示出了saw器件的示例性实施例的横截面图。
42.图2和图3示出了saw谐振器和无波导层层堆叠的saw谐振器的示例性实施例的导纳模拟。
43.图1示出了saw器件的示例性实施例的横截面图。saw器件包括载体衬底1，压电薄膜2施加在该载体衬底1上。在压电薄膜1的顶部，施加了叉指电极结构3，该叉指电极结构3包括两个电极31、32，每个电极31、32具有多个交叉指状物。在压电薄膜2和载体衬底1之间，存在波导层堆叠4。层堆叠4由四个波导层41、42组成。其中两个波导层为第一波导层41，另外两个波导层为第二波导层42。第一波导层41和第二波导层42以交替方式堆叠。第一波导层41在制造公差范围内是相同的。同样，第二波导层42在制造公差范围内是相同的。
44.在层堆叠4和载体衬底1之间，布置了具有正频率温度系数的tcf补偿层5。此外，在tcf补偿层5和载体衬底1之间布置了电介质离子阻挡层6。
45.图1中的saw器件可以是saw谐振器。未示出saw谐振器的反射器。第一波导层41中的声速是第二波导层42中的声速的至少1.5倍。例如，声速均是针对与saw谐振器的主声波传播方向相同的声波测量的，在图1中，主声波可以是从左到右的方向，也可以是从右到左的方向。
46.在图1的示例性实施例中，载体衬底1是切割角为(0
°
、0
°
、45
°
)的si衬底并且具有至少20μm的厚度。离子阻挡层6由平均厚度为250nm的多晶硅制成。tcf补偿层5是平均厚度为200nm的sio2层。第一波导层41是平均厚度为190nm的aln层。第二波导层42是平均厚度为105nm的sio2层。压电薄膜2为linbo3薄膜，切割角为(0
°
、170
°
、0
°
)且平均厚度为100nm。电极结构3、31、32基于al，并且平均厚度为80nm。但是，所指明的材料、切割角和厚度仅作为示例理解。事实上，根据saw器件的预期应用，材料、厚度和切割角以及波导层的数目可以变化。尤其优选地，层堆叠4包括两个以上的第一波导层41和两个以上的第二波导层42。
47.切割角(λ'、μ、θ)是欧拉角，用于定义衬底或载体或层的顶表面相对于衬底或载体或层的结晶轴的定向。该定义遵循国际标准iec62276:2016。
48.图2和图3示出了与不包括波导层的层堆叠的模拟saw谐振器(虚线)相比、根据本发明的模拟saw谐振器(实线)的导纳模拟。例如，根据本发明的模拟saw谐振器是根据图1的
示例性实施例的saw谐振器。
49.图2示出了导纳的实部，图3示出了导纳的绝对值。y轴以db为单位示出幅值，而x轴以mhz为单位示出频率。
50.引入具有不同声速的波导层的层堆叠明显改善了波导，与图2中的虚线相比，可以在实线的较低处看到这一点。此外，波导层的层堆叠显著增加了k2，如图3所示。由于波导层的层堆叠，k2和损耗得到改善，使得saw器件适合于要求高k2和q的5ghz应用。
51.本文描述的发明不受结合示例性实施例的描述的限制。相反，本发明包括任何新特征以及特征的任何组合，尤其包括专利权利要求中的特征的任何组合，即使在专利权利要求或示例性实施例中未明确说明所述特征或所述组合本身。
52.附图标记列表：
53.1 载体衬底
54.2 压电薄膜
55.3 叉指电极结构
56.4 波导层的层堆叠
57.5 tcf补偿层
58.6 离子阻挡层
59.31 第一电极
60.32 第二电极
61.41 第一波导层
62.42 第二波导层