声表面波谐振器及其制造方法、以及声表面波滤波器与流程

1.本发明涉及声表面波器件技术领域。更具体地，涉及一种使用复合压电衬底的声表面波谐振器及其制造方法、以及声表面波滤波器


背景技术：

2.随着信息技术的高速发展，尤其是在无线通信领域，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的射频前端显得愈发重要。射频前端是指射频收发器和天线之间的功能区域，由功率放大器、天线开关、滤波器、双工器和低噪声放大器等器件组成。而为了适应通信领域的飞速发展，对于射频前端的各种性能提出了更高要求。
3.声表面波(saw：surface acoustic wave)滤波器作为射频前端的关键器件，基于压电材料的压电效应并通过声表面波来进行工作，其利用形成于压电材料表面的叉指换能器(idt：interdigital transducer)将输入的电信号转换为声波信号或将声波信号转换为电信号，以此来提取和处理信号，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。
4.其中，压电材料的种类、机电耦合系数、温度系数、高温电阻率、声表面波波速等等都决定了声表面波滤波器的性能优劣。目前常用的压电材料有单片石英、铌酸锂或钽酸锂晶体制成的晶片、氮化铝薄膜等。其中，石英在温度达到573℃时会丧失压电特性，无法用于高温环境；铌酸锂晶体的居里温度为1210℃，但在600℃以上的温度下，其低电阻率也限制了其在高温环境下的应用；氮化铝是非铁电材料，其薄膜在1150℃以下具有良好的压电特性，但难以制备高质量和大尺寸的氮化铝薄膜。此外，也有选用硅酸镓镧(lgs)的压电单晶材料。硅酸镓镧具有良好的温度特性，机电耦合系数是石英的2至3倍，声表面波波速小于石英，有利于降低损耗，提高声表面波器件的工作带宽并减小器件尺寸。并且，硅酸镓镧在室温到熔点1470℃之间不会发生相变，温度稳定性好，十分适合在高温环境下工作。
5.在使用上述压电材料时，由于其对温度的高敏感性、以及弱机电耦合，导致所制备的声表面波滤波器的通带特性不佳。而随着通信技术的发展，尤其是5g通信技术的进步，对于声表面波滤波器的性能及相应的结构、材料提出了更高的要求，例如品质因素q、有效机电耦合系数、插入损耗、带宽、tcf、耐功率性等指标均需要改善和提升。


技术实现要素：

6.提供本发明内容以便以简化形式介绍将在以下详细描述中进一步描述的一些概念。本发明内容并不旨在标识出所要求保护的主题的关键特征或必要特征；也不旨在用于确定或限制所要求保护的主题的范围。
7.为了解决上述问题，本发明的目的在于提供一种使用复合压电衬底的声表面波谐振器及其制造方法、以及声表面波滤波器，利用lgs(硅酸镓镧)与zno复合层为复合压电衬底，结合lgs的低温度系数、高电阻率、低声速以及zno的优良压电性、高声速的特点，得到一种低tcf、低损耗的高性能声表面波滤波器。
8.本发明的声表面波谐振器包括：复合压电衬底，该复合压电衬底具有：lgs基底层，该lgs基底层由单晶lgs形成，及形成在所述lgs基底层之上的zno压电层，该zno压电层由c轴择优取向的单晶zno形成；以及形成在所述zno压电层上的叉指电极。
9.在本发明中，利用由硅酸镓镧(lgs)和氧化锌(zno)结合而成的复合压电衬底来制备声表面波谐振器。首先，将传统的单晶压电材料lgs用作为复合压电衬底的基底层。单晶lgs的机电耦合系数为17％，约为石英(sio2)的2～3倍，却同时拥有与石英相同的温度稳定性，而且，lgs在特定切向(如声波传播方向欧拉角(0
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)的晶体切片)下具有0温度系数。其次，将单晶zno作为压电层，与单晶的lgs结合而形成复合压电衬底。单晶的zno相比于钽酸锂(litao3)或铌酸锂(linbo3)等具有更小的热膨胀系数，其与上述特定切向的lgs相结合可以实现温度特性接近于0ppm/℃的声表面波谐振器。而且，单晶或c轴取向的zno压电材料具有高机电耦合系数，由此制得的声表面波谐振器也具有高有效机电耦合系数。此外，单晶lgs与单晶zno两者之间的胜诉差异较大，且电阻率也高，使得声波难以从衬底泄露带走能量，从而保证了声表面波谐振器的品质因素q。而且，单晶zno的高机电耦合系数及低介电常数也都起到了抑制能量损耗进而提升品质因素的作用。
10.优选地，本发明的声表面波谐振器中，所述lgs基底层在声波传播方向欧拉角(0
°
,138.5
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°
)下具有0温度系数。
11.利用该单晶lgs在欧拉角(0
°
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,26.5
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)下的0温度系数，能够制备出温度特性接近于0ppm/℃的声表面波谐振器和滤波器，从而能够满足5g通信技术的要求。
12.优选地，本发明的声表面波谐振器中，所述lgs基底层与所述zno压电层在键合后通过半导体减薄工艺和化学机械抛光工艺来减薄所述zno压电层至规定厚度，从而形成所述复合压电衬底。
13.通过将lgs基底层与zno压电层的原始基片键合后进行减薄抛光直到压电层的厚度满足设计要求为止，能够制作15～20μm厚度的大尺寸超薄的单晶zno压电层，且不会对zno压电层的单晶特性造成损伤。
14.优选地，本发明的声表面波谐振器中，所述zno压电层通过pvd、mocvd、mbe、ald中的任一种方式形成在所述lgs基底层上。
15.除了上述键合减薄的方式以外，也可以通过物理气相沉积(pvd)、金属氧化物化学气相沉积(mocvd)、分子束外延(mbe)、原子层沉积(ald)等成膜技术，在lgs基底层上形成或生长所需厚度的zno薄膜层来作为zno压电层。
16.优选地，本发明的声表面波谐振器中，所述zno压电层的厚度在20λ以下，λ是所述叉指电极激发的声表面波波长。
17.zno压电层的厚度影响声表面波谐振器的性能，通过将zno压电层的厚度控制在声表面波谐振器中传播的声波波长的20倍以内，能够有效减少杂波而提升器件性能。优选将zno压电层的厚度设为1λ。
18.优选地，本发明的声表面波谐振器中，所述叉指电极由ti、al、cu、au、pt、ag、pd中的任一种金属、或它们的合金、或它们的层叠体构成。
19.为了增强叉指电极与zno压电层之间的结合力以提高声表面波谐振器的耐功率性，并获得优良的导电性，叉指电极优选采用上述层叠体的结构，例如自下而上第一层为ti/ni,第二层为al/pt。
20.优选地，本发明的声表面波谐振器中，还包括形成于所述叉指电极表面的保护层。
21.作为保护层，既可以保护叉指电极免受侵蚀或破坏，还能够在工艺上适当将谐振器的工作频率调整到实际需要的频段，还能够进行温度补偿，保证谐振器在一定温度下正常工作，使得谐振器的tcf系数降至-15～25ppm/℃。
22.优选地，本发明的声表面波谐振器中，所述保护层由sio2、si3n4、sifo、sioc中的任一种形成。
23.本发明的用于制造声表面波谐振器的方法包括：准备lgs基底层，该lgs基底层由单晶lgs形成；在所述lgs基底层之上形成zno压电层从而得到复合压电衬底，该zno压电层由c轴择优取向的单晶zno形成；在所述zno压电层上形成叉指电极。
24.优选地，本发明的用于制造声表面波谐振器的方法中，所述lgs基底层在声波传播方向欧拉角(0
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,26.5
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)下具有0温度系数。
25.优选地，本发明的用于制造声表面波谐振器的方法中，所述lgs基底层与所述zno压电层通过键合方式形成所述复合压电衬底，在所述键合后，通过半导体减薄工艺和化学机械抛光工艺来减薄所述zno压电层至规定厚度。
26.优选地，本发明的用于制造声表面波谐振器的方法中，在所述键合前，对所述lgs基底层与所述zno压电层各自的键合面进行清洗预处理。
27.通过在键合前对键合面进行清洗预处理，可以获得良好的洁净度和粗糙度，保证后续键合后基底和压电层具有良好的粘附性和结合性。
28.优选地，本发明的用于制造声表面波谐振器的方法中，所述zno压电层通过pvd、mocvd、mbe、ald中的任一种方式形成在所述lgs基底层上。
29.优选地，本发明的用于制造声表面波谐振器的方法中，所述zno压电层的厚度在20λ以下，λ是所述叉指电极激发的声表面波波长。
30.本发明的声表面波滤波器包括至少一个所述的声表面波谐振器。
31.根据本发明的声表面波谐振器及其制造方法、以及声表面波滤波器，利用lgs基底层和zno压电层构成的复合压电衬底，能够实现高品质因素q、高机电耦合系数、良好的tcf特性和耐功率性的声表面波谐振器及声表面波滤波器。
32.采用由lgs基底层和单晶zno压电层形成的复合压电衬底，从而能够制备出具有高品质因素、良好的tcf特性和耐功率性的高性能声表面波谐振器。其中，利用单晶zno具有相对传统材料更小的热膨胀系数，更容易与正温度系数的lgs组合来制备成温度特性接近于0ppm/℃的声表面波谐振器及滤波器，并且利用c轴择优取向的单晶zno压电材料具有高机电耦合系数，使得由此制得的声表面波谐振器及滤波器具有高有效机电耦合系数。另一方面，单晶lgs本身就是一种压电材料而被应用于声表面波器件，而在本发明中，将单晶lgs作为复合压点衬底的基底层，利用lgs在特定切向(如声波传播方向欧拉角(0
°
，138.5
°
，26.5
°
)的晶体切片)下具有0温度系数的特性，能够与单晶zno组合制造出温度特性接近于0ppm/℃的声表面滤波器。而且，lgs对比氧化锌声速差异较大以及高电阻率的特点使信号难以从衬底泄露带走能量而提升了器件的品质因素。
33.通过阅读下面的详细描述并参考相关联的附图，这些及其他特点和优点将变得显而易见。应该理解，前面的概括说明和下面的详细描述只是说明性的，不会对所要求保护的各方面形成限制。
附图说明
34.以下将通过参考附图中示出的具体实施例来对本发明进行更具体描述。附图中的流程图和框图显示了根据本技术的实施例的系统、方法可能实现的体系架构、功能和操作。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本技术的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。部分附图仅为示意，其尺寸比例不构成对实际尺寸比例的限制。
35.图1是根据本发明的声表面波谐振器10的结构的示意图。
36.图2是根据本发明的声表面波谐振器10的导纳图。
37.图3是根据本发明的声表面波谐振器10的制造方法的流程图。
38.图4是根据本发明的声表面波谐振器10的制造方法的一个实施例的工艺流程图。
39.图5是根据本发明的声表面波谐振器10的电极103的俯视图。
40.图6是根据本发明的声表面波谐振器10的俯视图。
具体实施方式
41.以下将通过参考附图中示出的具体实施例来对本发明进行更具体描述。通过阅读下文具体实施方式的详细描述，本发明的各种优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。然而应当理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的各实施方式所限制。提供以下实施方式是为了能够更透彻地理解本发明。除非另有说明，本技术使用的技术术语或者科学术语应当为本技术所属领域技术人员所理解的通常意义。
42.图1是根据本发明的声表面波谐振器10的结构的示意图。如图所示，声表面波谐振器10包括基底层101、压电层102、电极103、保护层104，其中，基底层101和压电层102构成本发明的复合衬底100。
43.声表面波谐振器10的复合衬底100采用由基底层101和压电层102结合而成的复合型衬底。其中，基底层101使用硅酸镓镧(lgs)。lgs难溶于酸碱，化学稳定性好，而且，在特定切向(如声波传播方向欧拉角(0
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，138.5
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，26.5
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)的晶体切片)下具有0温度系数，从而有助于提升声表面波谐振器10的tcf特性，即确保温度稳定性。而且lgs的声表面传播速度较低(2740m/s左右)，适合作为具有高声阻抗的基底材料。而且，由于lgs单晶不是铁电体，无热释电效应，不需极化且不存在反畴区问题，而且直到熔点温度(1470℃)前都不会发生相变，从而消除了由于极化不完全或翻转而造成的器件性能劣化或完全失效的可能性。此外，lgs单晶的硬度适中，莫氏硬度为5.5，不潮解且不易溶于常用酸和碱中，非常利于晶片加工和器件制作。同时，lgs单晶具有低声散射、干扰小的特性，这又非常有利于声表面波器件的设计、制作和声表面波性能的充分发挥，减小器件噪声。lgs单晶还具有声表面波器件工艺不敏感性，材料具有声表面波器件温度特性的自稳定性，这又非常有利于声表面波器件性能重复性、一致性，例如可以允许声表面波器件中的叉指换能器的膜厚有较大误差，也大大提高了器件的可靠性。
44.在本实施方式中，lgs基底层101的厚度范围为50-1000μm。在大功率条件下，若衬底的散热效果不佳，则会致使器件工作温度持续升高而造成电极原子的声迁移最终损坏器件，但硅酸镓镧作为基底层可凭借其良好的散热性能使得器件稳定工作。
45.压电层102的材料为c轴取向的单晶zno。zno是声表面波滤波器使用最广泛的压电
材料之一，因晶格c轴择优取向而具有优良的压电特性，如机电耦合系数高、介电常数低以及声速高等。此外，单晶zno的电阻率也较高。这些特性满足了声表面波滤波器的低损耗需求。而且，zno压电层102与lgs基底层101之间的声阻抗之差能够抑制后述的电极103所激发的声表面波从复合衬底100泄漏。
46.另一方面，单晶zno具有纤锌矿型晶体结构，晶格常数另一方面，单晶zno具有纤锌矿型晶体结构，晶格常数lgs则属三方晶系，其晶格常数单晶c轴择优取向的情况下，两者能够实现很好的结合(例如键合)，从而，lgs基底层101与zno压电层102之间的结合面具有良好的粘附性和结合性，确保制得的复合衬底10的质量。
47.本实施方式的zno压电层102与上述lgs基底层101结合制备而成的声表面波谐振器10的温度特性能够接近于0ppm/℃。单晶zno压电层102的厚度为0.5-20μm。
48.压电层102上设有电极103即叉指电极(idt电极)，由ti、al、cu、cr、au、pt、ag、pd、ni等金属或合金、或者这些金属或合金的层叠体构成。为了增强电极103与压电层102之间的结合力而提高声表面波谐振器10的耐功率性，并增强导电性，本实施方式中的电极103优选采用层叠体的结构，例如自下而上第一层为ti或ni,第二层为al或pt。电极103的厚度为0.1～0.6μm。图1中，电极103设置在压电层102的表面上，可以通过包括了光刻胶图形化、蒸发镀膜、剥离等在内的图形化工艺来形成。虽然未图示，但电极103也可以通过刻蚀等工艺而完全埋入在压电层102中。
49.保护层104起到保护电极103不被侵蚀或破坏，还起到将频率适当调整到实际需要的频段的调频层以及将谐振器的tcf系数降低至例如-15～25ppm/℃的温度补偿层的作用。保护层104的材料可以选择例如sio2、si3n4、sifo、sioc等材料，其厚度和选材视谐振器的种类而定。
50.图2是根据本发明的声表面波谐振器10的导纳特性图。如图所示，曲线光滑没有毛刺，体现了本发明的声表面波谐振器10有效抑制了器件的寄生振荡。谐振频率fs与反谐振频率fp相差约40mhz，有助于制造出高带宽的带通滤波器。而且，由图2所示可知，其机电耦合系数k2为9.77％，因此，声表面波谐振器10能够实现较高的机电耦合系数。
51.下面，结合图3和图4，来具体说明本发明的声表面波谐振器的制造方法。图3是根据本发明的声表面波谐振器10的制造方法的流程图。图4是根据本发明的声表面波谐振器10的制造方法的一个实施例的工艺流程图。
52.如图3所示，在步骤s1001中，制备复合压电衬底100。如上所述，本发明的复合压电衬底100由lgs基底层101和zno压电层102构成。复合压电衬底100的制备方法有多种，在本实施方式中采用键合的方式，具体如图4所示。首先，准备用于形成lgs基底层101的单晶硅酸镓镧lgs基板和用于形成zno压电层102的单晶zno基板。这里的lgs基板的厚度范围为50-1000μm。接着，利用等离子体，如h2/ar/he等的等离子体来对lgs基板和zno基板两者要键合的面即键合面进行清洗预处理，以获得良好的洁净度和粗糙度，保证后续键合后的lgs基板和zno基板两者之间具有良好的粘附性和结合性。
53.然后，采用半导体减薄工艺去除大部分的zno基板，再用cmp(化学机械抛光)工艺去除小部分的zno基板，由此获得所需要的zno压电层102的厚度和平坦度。减薄后的zno基板即zno压电层102的厚度例如在0.5～20μm。zno压电层102的厚度影响声表面波谐振器10的性能，通过将zno压电层102的厚度控制在声表面波谐振器中传播的声波波长的20倍以
内，能够有效减少杂波而提升器件性能。优选将zno压电层102的厚度设为1λ。经过步骤s1001，得到复合压电衬底100。
54.除了上述键合方式以外，也可以采用pvd、mocvd、mbe、ald等方式来形成zno压电层102。例如，可以在lgs基底层101上采用pvd(物理气相沉积)工艺生长规定厚度的单晶zno薄膜，也可以在lgs基底层101上采用mocvd(金属有机物化学气相沉淀)工艺外延单晶zno薄膜。
55.回到图3，在步骤s1002中，制作图形化的叉指电极即电极103。如前文所述，电极(idt电极)103可以由ti、al、cu、cr、au、pt、ag、pd、ni等金属或合金、或者这些金属或合金的层叠体构成，在本实施方式中优选由层叠体构成，例如可以是自下而上第一层为ti/ni,第二层为al/pt，通过层叠体的结构，能够增强电极103与zno压电层102之间的结合力，进而提高声表面波谐振器10的耐功率性，并获得优良的导电性。本实施方式中，可以通过光刻胶图形化
→
蒸发镀膜
→
剥离的工艺，来制作上述电极103。如图4所示，电极103等间隔地排列在zno压电层102的表面上。在本实施方式中，电极103的厚度为0.1-0.6μm。
56.图5是根据本发明的声表面波谐振器10的电极103的俯视图。如图所示，电极103是一种形状如同双手交叉的金属电极周期结构。其侧视图则如图1和图4所示，由间隔排列的多个电极构成。电极103的占空比为0.5。图中，电极103的宽度和电极之间的间距相同，均为0.25λ，电极厚度为180nm。
57.在步骤s1003中，制作保护层104。在本实施方式中，选用sio2作为保护层104的材料，可通过溅射镀膜或者cvd等方式来制作。如前所述，保护层104也可以作为调频层或温度补偿层来发挥作用。例如，在制备温度补偿声表面波(tc-saw)器件的情况下，可以通过调节保护层104的厚度(例如2.5μm以内)来作为温度补偿层，保证器件在一定温度下正常工作，且其tcf系数可降低至-15～25ppm/℃。若是制备常规声表面波器件(normal-saw)，其厚度可控制在以内。这里选择sio2作为保护层104的材料，但也可以选择si3n4、sifo、sioc等材料，具体厚度和选材视器件种类及需求而定。
58.在步骤s1004中，制造引线(连接线)。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。引线可以将多个谐振器电连接从而形成滤波器，其采用高电导率的金属，如au/ag/cu/ag等。图6是根据本发明的声表面波谐振器10的俯视图，其中包括了电极103和引线105。在本实施方式中，引线105的厚度为0.5～2.5μm。
59.根据本发明的声表面波谐振器及其制造方法、以及声表面波滤波器，利用lgs基底层和zno压电层构成的复合压电衬底，能够实现高品质因素q、高机电耦合系数、良好的tcf特性和耐功率性的声表面波谐振器及声表面波滤波器。其中，采用由lgs基底层和单晶zno压电层形成的复合压电衬底，从而能够制备出具有高品质因素、良好的tcf特性和耐功率性的高性能声表面波谐振器。其中，利用单晶zno具有相对传统材料更小的热膨胀系数，更容易与正温度系数的lgs组合来制备成温度特性接近于0ppm/℃的声表面波谐振器及滤波器，并且利用c轴择优取向的单晶zno压电材料具有高机电耦合系数，使得由此制得的声表面波谐振器及滤波器具有高有效机电耦合系数。另一方面，单晶lgs本身就是一种压电材料而被应用于声表面波器件，而在本发明中，将单晶lgs作为复合压点衬底的基底层，利用lgs在特定切向(如声波传播方向欧拉角(0
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)的晶体切片)下具有0温度系数的特性，能够与单晶zno组合制造出温度特性接近于0ppm/℃的声表面滤波器。而且，lgs对比氧化锌
声速差异较大以及高电阻率的特点使信号难以从衬底泄露带走能量而提升了器件的品质因素。
60.以上各实施例仅用以说明本技术的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本技术进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本技术各实施例技术方案的范围，其均应涵盖在本技术的权利要求和说明书的范围当中。
61.附图标记
62.10
ꢀꢀ
声表面波谐振器
63.100 复合衬底
64.101 基底层
65.102 压电层
66.103 电极
67.104 保护层
68.105 引线。