声表面波谐振器、以及具有该谐振器的声表面波滤波器的制作方法

1.本发明涉及一种声表面波谐振器以及该声表面波谐振器的制造方法，该声表面波谐振器可以用于滤波器或手机射频前端。


背景技术：

2.随着信息技术的高速发展，射频前端作为无线通讯的基础和关键愈发重要，其广泛应用于各类通讯设备、数据传输设备、视听设备和定位导航设备等。声表面波(saw：surface acoustic wave)滤波器作为射频前端的关键器件，是基于压电材料的压电效应，通过声表面波工作的电子器件，利用形成于压电材料表面的叉指换能器(idt：interdigital transducer)(一种金属电极周期结构，形状如同双手交叉)将电输入信号转换为声表面波，用来提取和处理信号，具有尺寸小、成本低、轻量化、一致性好以及兼容半导体工艺而适于大批量生产的优势。故而，声表面波滤波器的发展具有良好的市场前景和机遇，但面对机遇的同时面临挑战，当前的挑战源于人们对器件性能的需求，如品质因素q、有效机电耦合系数、插入损耗、带宽、tcf(频率温度系数)、耐功率性等。


技术实现要素：

3.发明所要解决的技术问题
4.如图9所示的比较常见的现有技术，该谐振器由压电衬底、叉指换能器和两侧反射栅构成，叉指换能器末端的电场梯度变化以及末端声速突变使得电极末端产生除瑞利波以外的其他模态的声波，如sh模态(水平偏振横波)、love模态(勒夫波)、transverse模态(横向波)等模态的声波都能带走能量而使得器件的q值偏低或插入损耗偏高最终恶化器件性能。
5.后续也有一些改进的方案，变迹加权、电极厚度加权、电极宽度加权、在电极末端设置特殊处理加工(例如piston)工艺等。这些优化设计一定程度上会将器件加工工艺复杂化并对工艺精度有较高的要求。如变迹加权包含大量极短的指条，叉指间长度差异大而难以控制工艺精度，易造成器件实际测试结果与设计需求偏差较大。
6.当外加电信号施加在叉指换能器两侧时，会在压电基板表面激励声表面波，激励的声表面波同时向两端的反射栅传播，反射栅使声表面波束缚在谐振器内形成驻波，从而使器件正常工作。然而，实际情况中，外加信号会激励与需求频率不同的声表面波，可称之为杂波，杂波经反射栅反射后与激励的声表面波叠加而影响其传播和震荡，并在声表面波转换成电信号时产生杂散。杂散的出现恶化了由该器件构成的滤波器的插损和带外抑制，最终影响滤波器性能。
7.本发明是为了解决上述问题而完成的，其目的是提供一种具有不规则形状的汇流条的声表面波谐振器，通过设置有不规则形状的汇流条，将声波束缚在谐振器内，抑制/减少了声表面波谐振器的杂波以避免转换的电信号产生杂散而波动，降低由该谐振器构成的滤波器的通带内损耗，提高声表面波滤波器的带外抑制效果，降低了声表面波滤波器的插
入损耗并提升了声表面波滤波器带外抑制，从而能制造一种高性能声表面波滤波器，满足了人们对声表面波谐振器的性能的需求。
8.解决技术问题的技术方案
9.本发明是鉴于上述技术问题而完成的，其提供了一种声表面波谐振器，在其中传播声表面波，其特征在于，包括：
10.压电衬底；以及
11.叉指换能器，该叉指换能器具有：
12.第一汇流条，该第一汇流条设置在所述压电衬底上，具有至少一个第一弧形部以及至少一个第一长条形部；
13.第二汇流条，该第二汇流条设置在所述压电衬底上，具有至少一个第二弧形部以及至少一个第二长条形部，所述第二汇流条与所述第一汇流条具有相同的形状；
14.多个第一电极指，该多个第一电极指设置在所述压电衬底上的所述第一汇流条和所述第二汇流条之间，该多个第一电极指的一端连接到所述第一汇流条，该多个第一电极指的另一端是齐平的；
15.多个第二电极指，该多个第二电极指设置在所述压电衬底上的所述第一汇流条和所述第二汇流条之间，该多个第二电极指的一端连接到所述第二汇流条，该多个第二电极指的另一端是齐平的，
16.所述第一弧形部和所述第二弧形部分别朝远离所述第一电极指和所述第二电极指的方向凸出。
17.进一步地，还具有分别设置在所述叉指换能器的两侧的反射栅。
18.进一步地，所述第一汇流条具有多个所述第一长条形部，所述第二汇流条具有多个所述第二长条形部，
19.所述第一弧形部设置在位于所述第一汇流条的两端的所述第一长条形部之间，
20.所述第二弧形部设置在位于所述第二汇流条的两端的所述第二长条形部之间。
21.进一步地，所述第一汇流条具有多个所述第一弧形部和多个所述第一长条形部，所述第二汇流条具有多个所述第二弧形部和多个所述第二长条形部，
22.相邻的所述第一长条形部之间至少连接有1个所述第一弧形部，
23.相邻的所述第二长条形部之间至少连接有1个所述第二弧形部。
24.进一步地，所述第一长条形部和所述第一弧形部分别至少连接有1个所述第一电极指，
25.所述第二长条形部和所述第二弧形部分别至少连接有1个所述第二电极指。
26.进一步地，所述声表面波的波长为λ，
27.2λ≤所述第一弧形部的长度≤10λ，
28.2λ≤所述第二弧形部的长度≤10λ。
29.进一步地，所述叉指换能器还具有：
30.多个第一假指，该多个第一假指设置在所述压电衬底上的所述第一汇流条和所述第二汇流条之间，该多个第一假指的一端与所述第一汇流条连接，并且另一端与所述第二电极指的另一端隔开间隙地相对；
31.多个第二假指，该多个第二假指设置在所述压电衬底上的所述第一汇流条和所述
第二汇流条之间，该多个第二假指的一端与所述第二汇流条连接，并且另一端与所述第一电极指的另一端隔开间隙地相对。
32.进一步地，多个所述第一假指的另一端和多个所述第二假指的另一端分别是齐平的。
33.进一步地，在所述叉指换能器和所述压电衬底上层叠有保护层。
34.进一步地，在所述第一电极指和所述第二电极指分别由层叠体构成。
35.进一步地，在沿声表面波传播方向观察时，所述第一电极指和所述第二电极指的重叠部分的长度全部相同。
36.进一步地，多个所述第一电极指的另一端是齐平的，多个所述第二电极指的另一端是齐平的。
37.本发明还提供一种声表面波谐振器的制造方法，是上面所述的声表面波谐振器的制造方法，
38.所述声表面波谐振器的制造方法具备如下工序：
39.形成压电衬底的工序；
40.在所述压电衬底上形成有第一汇流条、第二汇流条、多个第一电极指、多个第二电极指的叉指换能器，以使得
41.该第一汇流条设置在所述压电衬底上并具有第一弧形部以及至少一个第一长条形部；
42.该第二汇流条设置在所述压电衬底上并具有第二弧形部以及至少一个第二长条形部，所述第二汇流条与所述第一汇流条具有相同的形状；
43.该多个第一电极指设置在所述压电衬底上的所述第一汇流条和所述第二汇流条之间，该多个第一电极指的一端连接到所述第一汇流条；
44.该多个第二电极指设置在所述压电衬底上的所述第一汇流条和所述第二汇流条之间，该多个第二电极指的一端连接到所述第二汇流条，
45.所述第一弧形部和所述第二弧形部分别朝远离所述第一电极指和所述第二电极指的方向凸出。
46.本发明还提供一种声表面波滤波器，由上述第1项至第12项中的任一项所述的声表面波谐振器构成。
47.发明效果
48.根据本发明，能提供一种声表面波谐振器，该声表面波谐振器通过设置不规则形状的汇流条，从而能减少、抑制杂波的产生，降低了由表面波谐振器构成的滤波器的插入损耗并提升了表面波滤波器带外抑制，满足了人们对表面波滤波器的性能的需求。
49.并且该声表面波谐振器的制造工艺简单、制造成本低。不同于增加piston工艺，需要增设额外的光刻、镀膜工艺增加成本和工艺复杂度；不同于变迹工艺和电极厚度、宽度加权工艺对工艺精度有过高的要求。
附图说明
50.图1是本发明所涉及的声表面波谐振器的结构的剖视图。
51.图2是本发明的实施例1所涉及的声表面波谐振器的结构的俯视图。
52.图3是本发明所涉及的声表面波谐振器的安装示意图。
53.图4是本发明的实施例1所涉及的声表面波谐振器的导纳特性图。
54.图5是本发明的实施例1所涉及的声表面波谐振器的波形图。
55.图6是本发明的所涉及的声表面波谐振器的制造流程图。
56.图7是本发明的实施例2所涉及的声表面波谐振器的结构的俯视图。
57.图8是本发明的实施例3所涉及的声表面波谐振器的结构的俯视图。
58.图9是以往的声表面波谐振器的结构的俯视图。
59.附图仅为示意图，不代表实际尺寸，所有附图同种颜色、图案代表同一膜层或材料。
具体实施方式
60.以下参照附图对本发明的声表面波谐振器及其制造方法进行详细说明。在说明书中，相同或相似的附图标号指示相同或相似的部件。下述参照附图对本发明实施方式的说明旨在对本发明的总体发明构思进行解释，而不应当理解为对本发明的一种限制。
61.实施例1
62.[声表面波谐振器的基本结构]
[0063]
图1是本发明所涉及的声表面波谐振器的结构的剖视图。图2是本发明的实施例1所涉及的声表面波谐振器的结构的俯视图。
[0064]
图1和图2为声表面波(saw)谐振器结构的一部分，谐振器是滤波器的一部分，多个谐振器可以通过电路连接形成例如normal-saw滤波器,tc-saw滤波器(温度补偿型声表面波滤波器),ihp-saw滤波器(超级高性能声表面波滤波器)等滤波器。
[0065]
本发明的声表面波(saw)谐振器采用压电薄膜型结构，包括压电衬底101、叉指换能器105、以及两个反射栅106。参照图1，建立笛卡尔坐标系，假设声表面波的传播方向即电极宽度方向(即图中左右方向)为x轴，电极长度方向(即图中从纸面向里方向)为y轴，压电衬底101的厚度方向(即图中上下方向)为z轴。压电衬底101的上下表面与z轴方向垂直，并由从下向上依次层叠的基底109和压电层108构成。其中，基底109由单晶4h-sic构成，压电层108由层叠在该基底109上的铌酸锂(linbo3)单晶薄膜构成。
[0066]
叉指换能器105和两个反射栅106分别设置在压电衬底101的上表面。两个反射栅106位于叉指换能器105沿x轴方向的两侧。叉指换能器105由汇流条104(第一汇流条1041、第二汇流条1042)和叉指电极102(第一电极指1021、第二电极指1022)组成，用于实现电信号和声表面波的相互转换。
[0067]
具体来说，本发明的叉指换能器105具有第一汇流条1041、第二汇流条1042、第一电极指1021、以及第二电极指1022。
[0068]
第一汇流条1041沿x轴方向延伸地设置在压电衬底101的上表面上，具有2个圆心角度数为150度的第一弧形部10411以及3个直线形状的第一长条形部10412，第一弧形部10411设置在2个第一长条形部10412之间，在第一汇流条1041的两端分别设置有1个第一长条形部10412；
[0069]
第二汇流条1042沿x轴方向延伸地设置在压电衬底101的上表面上，具有2个圆心角度数为150度的第二弧形部10421以及3个直线形状的第二长条形部10422，第二弧形部
10421设置在2个第二长条形部10422之间，在第二汇流条1042的两端分别设置有1个第二长条形部10422，第二汇流条1042与第一汇流条1041相对地设置并具有相同的形状；
[0070]
第一弧形部10411和第二弧形部10421具有相同的长度，并且分别朝远离第一电极指1021和第二电极指1022的方向凸出，即图中第一弧形部10411和第二弧形部10421分别向-y、 y方向凸出。
[0071]
第一电极指1021沿y轴方向延伸地设置在压电衬底101的上表面上，且位于第一汇流条1041和第二汇流条1042之间，第一电极指1021的一端连接到第一汇流条1041，另一端朝第二汇流条1042方向延伸，从x轴方向观察时第一电极指1021的另一端在同一直线上、即末端齐平，且该直线与x轴方向平行；
[0072]
第二电极指1022沿y轴方向延伸地设置在压电衬底101的上表面上，且位于第一汇流条1041和第二汇流条1042之间，第二电极指1022的一端连接到第二汇流条1042，另一端朝第一汇流条1041方向延伸，从x轴方向观察时第二电极指1022的另一端在同一直线上、即末端齐平，且该直线与x轴方向平行。
[0073]
第一电极指1021和第二电极指1022构成电极指102，并且在第一电极指1021和第二电极指1022之间隔开相同间隔。第一电极指1021和第二电极指1022的沿x轴方向的宽度相同。从x轴方向观察时，各个第一电极指1021和第二电极指1022重叠的部分的长度全部相同。
[0074]
在叉指换能器105和压电衬底101上层叠有保护层103，也可以在叉指换能器105和压电衬底101上层叠有调频层来代替保护层103。其中保护层103是用于保护idt叉指电极不被侵蚀或破坏，而调频层是用于通过在工艺上适当改变保护层厚度，从而将频率调整到实际需要的频段。
[0075]
此外，位于叉指换能器105两侧的反射栅106分别具有沿y轴方向延伸的电极指1061、以及2个沿x轴方向延伸的汇流条1062，并且这电极指1061的两端分别连接到这2个汇流条1062。
[0076]
图3是本发明所涉及的声表面波谐振器的安装示意图。如图3所示，谐振器上的叉指换能器105通过引线107连接到其它器件。正如本领域技术人员所熟知的，引线可以通过光刻、干法刻蚀、蒸发镀膜与剥离工艺完成引线的制作；引线可以使各个谐振器电连接从而形成滤波器，引线需要采用高电导率的金属，如au/ag/cu/ag等高电导率金属。引线的厚度为0.5～2.5μm。
[0077]
发明人发现通过在汇流条上设置有弧形部，能使声表面波谐振器有效抑制杂波。下面结合图4、图5，对实施例1抑制杂波的效果进行比较说明。
[0078]
现有技术的声表面波谐振器中的汇流条没有弧形部，通常会有明显的杂波干扰。图4是本实施例1的导纳曲线图。根据图4可知，通过在谐振器的汇流条上设置弧形部能使声表面波谐振器的导纳曲线光滑没有毛刺，即有效地抑制了杂散模式。
[0079]
图5是本实施例1的波形图。根据图5可知，通过在谐振器的汇流条上设置弧形部能使由该谐振器构成的声表面波滤波器的通带内纹波少、带外抑制效果明显，能实现优异的声表面波滤波器的杂散抑制效果。
[0080]
此外，根据图4、图5可知，在其他结构、材料相同的情况下，通过在汇流条上设置有弧形部，不仅能显著减小声表面波滤波器的杂波干扰，还能保持较高的机电耦合系数、谐振
频率和谐振带宽以满足声表面波滤波器的工作要求。
[0081]
[声表面波谐振器的制造过程]
[0082]
如图6所示，本实施方式还提供了一种制造声表面波谐振器的方法，包括如下步骤：
[0083]
步骤s11：选择单晶4h-sic的基底109，并对该基底109依次用丙酮、硫酸与过氧化氢混合溶液浸泡清洗，在完成清洗后在n2气氛中将基底109吹干，然后对基底109进行机械抛光；
[0084]
步骤s12：通过离子束剥离与键合技术将linbo3压电薄膜转移至基底109上从而形成压电层108，然后用氮气吹扫去除反应残余物和气态副产物；
[0085]
步骤s13：在该压电层108上层叠正性光刻胶，且该正性光刻胶的厚度为1.2μm(光刻胶图形化)，接着，先对正性光刻胶进行曝光，再进行烘烤，在烘烤完毕之后进行冷却，最后进行显影，从而形成光刻胶槽，在光刻胶槽内通过蒸发镀膜沉积由al构成的叉指电极图案和反射栅极图案，并利用湿法腐蚀(剥离工艺)去除掉多余的金属材料，从而形成图案化的叉指换能器105和2个图案化的反射栅极106，使得该叉指换能器105具有：第一汇流条1041、第二汇流条1042、第一电极指1021、以及第二电极指1022，其中，
[0086]
第一汇流条1041具有2个第一弧形部10411以及3个直线形状的第一长条形部10412；
[0087]
第二汇流条1042具有2个第二弧形部10421以及3个直线形状的第二长条形部10422。
[0088]
步骤s14：通过化学气相沉积在叉指换能器102和压电衬底101上生长保护层103。
[0089]
之后，结束声表面波谐振器的制备。
[0090]
根据上述声表面波谐振器的制造过程，能制备出一种声表面波谐振器，由该声表面波谐振器构成的滤波器不仅具有较好的杂波抑制效果，而且具有高谐振频率、高带宽、高机电耦合系数、高q值。
[0091]
在上述声表面波谐振器的制造过程的步骤s11中，可以选择单晶sic代替单晶4h-sic作为基底109。此外，基底109的材料也可以采用si，但是由于4h-sic是高声速材料，采用4h-sic衬底的声表面波谐振器具有高声阻抗，能够防止能量向衬底的泄露，并且具有较高的q值，因此衬底的材料优选为4h-sic。
[0092]
在上述步骤s12中，可以采用钽酸锂(litao3)压电薄膜代替linbo3压电薄膜作为压电薄膜来形成压电层108。但是，由于采用linbo3作为压电衬底101的材料，能使声表面波谐振器获得极高的机电耦合系数，因此压电衬底101的材料优选为linbo3。此外，压电层108也可以是其它一层和/或多层材料的压电晶片。
[0093]
在上述步骤s13中，可以在压电衬底101上沉积由ti、cu、au、pt、ag、pd、ni金属或合金、或者这些金属或合金的层叠体构成的电极图案，结构优选层叠体，自下而上第一层为ti或ni,第二层为al或pt,目的在于增强电极与压电衬底的结合力从而提高器件耐功率性，并获得导电性良好的电极层叠体，层叠体总厚度为0.1～0.6μm。
[0094]
在上述步骤s14中，保护层103可以替换成调频层或温度补偿层。
[0095]
制造保护层/调频层/温度补偿层时优选sio2。也可以采用溅射镀膜来生长保护层103。
[0096]
以normal-saw为例，其厚度可控制在以内；以tc-saw为例，其厚度可控制在2.5μm内。
[0097]
实施例2：
[0098]
图7是本发明的实施例2所涉及的声表面波谐振器的结构的俯视图。
[0099]
除了具有假指这点以外，实施例2的声表面波谐振器的结构与实施例1完全相同，因此仅针对实施例2的不同点进行详细说明，省略其他说明。
[0100]
叉指换能器还具有：
[0101]
第一假指1023，该第一假指1023设置在压电衬底101上的第一汇流条1041和第二汇流条1042之间，这第一假指1023的一端与第一汇流条1041连接，并且另一端与第二电极指1022的另一端隔开间隙地相对，并且它们在y轴方向上的间隙全部相等；
[0102]
第二假指1024，该第二假指1024设置在压电衬底101上的第一汇流条和第二汇流条之间，第二假指的一端与第二汇流条1042连接，并且另一端与第一电极指1021的另一端隔开间隙地相对，并且它们在y轴方向上的间隙全部相等。
[0103]
从y轴方向观察时，第一假指1023、第二假指1024与相邻的第一电极指1021、第二电极指1022之间的沿x轴方向的间隙全部相等。
[0104]
从x轴方向观察时，第一假指1023的另一端(即末端)位于平行于x轴方向的同一直线上，即第一假指1023的另一端是齐平的；第二假指1024的另一端(即末端)位于平行于x轴方向的同一直线上，即第二假指1024的另一端是齐平的，并且假指的这种设置方式也可以应用在其它不同结构的汇流条上。通过设置末端齐平的假指，能使由该声表面波谐振器构成的滤波器进一步抑制杂波。
[0105]
实施例3：
[0106]
图8是本发明的实施例3所涉及的声表面波谐振器的结构的俯视图。
[0107]
除了汇流条不同这点以外，实施例3的声表面波谐振器的结构与实施例1完全相同，因此仅针对实施例3的不同点进行详细说明，省略其他说明。
[0108]
第一汇流条1041仅具有1个第一弧形部10411以及2个直线形状的第一长条形部10412，第一弧形部10411设置在2个第一长条形部10412之间，2个第一长条形部10412分别设置在第一汇流条1041的两端；
[0109]
第二汇流条1042仅具有1个第二弧形部10421以及2个直线形状的第二长条形部10422，第二弧形部10421设置在2个第二长条形部10422之间，2个第二长条形部10422分别设置在第二汇流条1042的两端。
[0110]
通过在汇流条上仅设置1个弧形部，不仅能使由该谐振器构成的滤波器有效抑制杂波，还能简化制造工艺，降低成本。
[0111]
变形例
[0112]
另外，当由声表面波谐振器构成tc-saw滤波器(温度补偿型声表面波滤波器)时，可以调节保护层103的厚度来作为温度补偿层。保证器件在一定温度下正常工作，tcf系数(温度校正系数)可降低至-15～25ppm/℃。保护层103优选为sio2、si3n4、sifo、sioc等材料。
[0113]
汇流条与电极同样优选为层叠体，汇流条与电极同时形成，故其工艺、材料都与电极相同。结构上，汇流条是由弧形和长条形组合而成的不规则形状，弧形部和长条形部至少设置在一处，数量可以是多个。弧形部和长条形部可以相互间隔地设置，也可以连续地设置
多个弧形部或长条形部。
[0114]
若将声表面波的波长设为λ，则2λ≤第一弧形部的长度≤10λ，2λ≤第二弧形部的长度≤10λ。通过这样设置弧形部长度，能抑制、减少杂波以避免转换得到的电信号中产生杂散而波动，从而将声波束缚在谐振器内，并使由该谐振器构成的滤波器降低通带内损耗，提高带外抑制效果。
[0115]
弧形部的圆心角度数可以不是150度，而是其他角度，此外在汇流条上除了设置弧形部以外，还可以设置三角形状部或者长方形状部等其他不规则形状部来代替弧形部。
[0116]
尽管汇流条的形状可以不规则，叉指电极可以长短不一，但如图8所示，声孔径(从x轴方向观察时，第一电极指与第二电极指重叠的部分)长度是一致的。虽然实际加工过程中声孔径长度会有细微的差异，但对杂波抑制效果影响很小。
[0117]
反射栅用来反射声表面波将声波束缚在谐振器内，反射栅与叉指换能器的间距可设置在1λ内，反射栅极宽度可以设置在0.5λ内。
[0118]
在上述实施例1中，可以针对不同频率的声表面波改变电极指和汇流条的宽度。同一个压电衬底101上的各个电极指的宽度可以互不相同，同一电极指上的一端的宽度与另一端的宽度也可以不同，但是通过使各个电极指的宽度相同，并且使同一电极指上的宽度相同，能使由该谐振器构成的滤波器起到最佳的抑制杂波效果。
[0119]
上述实施方式中的长条形部、弧形部、电极指、假指等部件的数量只是举例，并不是对本发明进行限定，它们的数量可以是任意个。应该指出，上述的具体实施方式只是对本发明进行详细说明，它不应是对本发明的限制。虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是本领域的技术人员应当理解，这仅是举例说明，本发明的保护范围是由所附权利要求书限定的。本领域的技术人员在不背离本发明的原理和实质的前提下，可以对这些实施方式做出多种变更或修改，但这些变更和修改均落入本发明的保护范围。
[0120]
工业上的实用性
[0121]
根据本发明的声表面波谐振器、以及声表面波谐振器的制造方法，能提供一种声表面波谐振器以及具备该声表面波谐振器的滤波器，其具有良好的杂波抑制效果，同时具有高机电耦合系数和高的谐振频率。通过将这种声表面波谐振器应用于滤波器(具体为tc-saw滤波器)、各类通讯设备、数据传输设备、视听设备、无线局域网、wifi和定位导航设备等器件，能有利于提高器件的性能。
[0122]
标号说明
[0123]
101 压电衬底
[0124]
102 叉指电极
[0125]
104 汇流条
[0126]
105 叉指换能器
[0127]
106 反射栅
[0128]
108 压电层
[0129]
109 基底。