声表面波滤波器及其制造方法与流程

1.本发明涉及声表面波滤波器，尤其涉及一种使用复合压电衬底的声表面波滤波器及其制造方法。


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。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。而声表面波(saw：surface acoustic wave)滤波器成为在射频前端中的关键器件。
3.声表面波滤波器是基于压电材料的压电效应，通过声表面波来进行工作的电子器件，其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信号，并对其进行提取和处理。声表面波滤波器具有工作频率高、通频带宽、选频特性好、体积小和重量轻等特点，并且可采用与集成电路相同的生产工艺而适于大批量生产，从而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电子设备中。因此，声表面波滤波器的发展具有良好的市场前景和机遇。
4.作为评价声表面波滤波器性能的指标，有品质因素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，这些指标直接取决于声表面波滤波器中的结构、材料、制备方法等。随着通信技术的发展，对于声表面波滤波器的上述指标及相应的结构提出了更高的要求。
5.构成声表面波滤波器的基本结构是在压电衬底上设置金属电极。其中，压电衬底的厚度决定声表面波滤波器的工作频率，而压电衬底的品质决定声表面波滤波器的上述性能指标。
6.当今主流的压电衬底例如有钽酸锂(litao3,简称为lt)或铌酸锂(linbo3，简称为ln)等单晶压电材料来作为声表面波滤波器中的压电衬底。然而，单晶压电薄膜需要在1000℃以上的高温下生长，而且制得的薄膜平坦度低，易断裂，使用这样的薄膜制备的声表面波滤波器会出现品质因素q值低、tcf(频率温度系数)过大的缺点，从而无法制造出高性能的声表面波滤波器。另外，tcf特性差的滤波器不利于制造多工器。
7.鉴于此，为了解决上述问题，本发明提供一种声表面波滤波器，通过具有特殊切型的石英晶体与lt/ln结合的复合压电衬底，从而具备高品质因数、良好的tcf特性以及低插入损耗，并且寄生效应得以抑制。
8.此外，本发明还提供一种声表面波滤波器的制造方法，通过基于具有特殊切型的石英晶体与lt/ln结合的复合压电衬底，从而能够制备得到具有高品质因数、良好的tcf特性、以及低插入损耗以及寄生效应得以抑制的高性能的声表面波滤波器，并且能够实现工艺的简化以及成本的降低。


技术实现要素：

9.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。
10.本发明提供一种声表面波滤波器，具有一个以上的谐振器，其特征在于，所述谐振器包括：
11.复合压电衬底，该复合压电衬底具有：基底层，该基底层由具有特定切型的石英晶体形成；及压电层，该压电层形成在所述基底层之上；以及
12.叉指电极，该叉指电极形成在所述压电层之上,
13.所述特定切型是从40
°‑
90
°
yx、40
°‑
90
°
y90
°
x、以及40
°‑
90
°
y50
°
x中选择得到的任一个切型。
14.优选地，所述基底层与所述压电层通过键合方式形成所述复合压电衬底。
15.优选地，所述压电层由lt/ln构成，其中，lt的切型是从36
°
yx、42
°
yx中选择得到的任一个切型，ln的切型是从64
°
yx、128
°
yx中选择得到的任一个切型。
16.优选地，所述基底层的厚度为50-500μm。
17.优选地，所述压电层的厚度在20λ以下，λ是所述叉指电极激发的声波波长。
18.优选地，所述叉指电极由ti、al、cu、cr、au、pt、ag、pd、ni中的任一种金属、或它们的合金、或它们的层叠体构成。
19.优选地，所述声表面波滤波器还包括形成于所述叉指电极表面的保护层。
20.优选地，所述保护层由sio2,si3n4,sifo,sioc中的任一个形成。
21.优选地，所述声表面波滤波器适用于normal-saw、tc-saw、ihp-saw滤波器。
22.本发明还提供一种声表面波滤波器的制造方法，其特征在于，包括：
23.准备基底层，该基底层由具有特定切型的石英晶体形成，所述特定切型是从40
°‑
90
°
yx、40
°‑
90
°
y90
°
x、以及40
°‑
90
°
y50
°
x中选择得到的任一个切型；
24.在所述基底层之上形成压电层从而得到复合压电衬底；
25.在所述压电层上形成叉指电极。
26.优选地，所述基底层与所述压电层通过键合方式形成所述复合压电衬底。
27.优选地，所述压电层由lt/ln构成，其中，lt的切型是从36
°
yx、42
°
yx中选择得到的任一个切型，ln的切型是从64
°
yx、128
°
yx中选择得到的任一个切型。
28.优选地，所述基底层的厚度为50-500μm。
29.优选地，所述压电层的厚度在20λ以下，λ是所述叉指电极激发的声波波长。
30.发明效果
31.根据本发明的声表面波滤波器及其制造方法，通过采用具有特殊切型的石英晶体与lt/ln结合的复合压电衬底，应用了具有特殊切型的石英晶体的正速度温度系数、成本低、压电性以及lt/ln的优良压电性、高声速的优点，从而得到具有高品质因数、良好的tcf特性、低插入损耗以及寄生效应得以抑制的高性能的声表面波滤波器，并且能够实现工艺的简化以及成本的降低。
附图说明
32.图1是表示本发明的声表面波滤波器的一部分的俯视图。
33.图2是表示本发明的沿图1的x-x方向切断而得到的声表面波滤波器的一部分的剖视图。
34.图3是表示本发明的声表面波滤波器的制造方法的流程图。
35.图4是表示本发明的声表面波滤波器的制造方法的一个实施例的流程图。
36.图5是表示构成本发明的声表面波滤波器的谐振器的一个示例的俯视图。
37.图6是表示本发明的声表面波滤波器的波形图。
具体实施方式
38.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。
39.此外，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。
40.众所周知，滤波器是一种选频装置，通过耦合基本元件或谐振器来实现，可以使信号中特定的频率成分通过，而极大地衰减其它频率成分。同样地，本发明所涉及的声表面波滤波器也由一个以上的声表面波谐振器(简称谐振器)构成，一个以上的声表面波谐振器通过电连接而构成声表面波滤波器。在下文中，在没有特别指出的情况下，不对声表面波滤波器和声表面波谐振器这两个概念进行区分。
41.图1是表示本发明的声表面波滤波器10的一部分的俯视图。图2是表示本发明的沿图1的x-x方向切断而得到的声表面波滤波器10的一部分的剖视图。
42.本发明的声表面波滤波器10具有一个以上的谐振器，如图1和图2所示，作为声表面波滤波器10的一部分的该谐振器包括基底层101、压电层102、叉指电极103、保护层104，其中，由基底层101和压电层102构成本发明的复合压电衬底100。
43.基底层101由具有特定切型的石英晶体、即sio2形成。石英晶体是常见的压电材料，但由于石英晶体存在各相异性的特征，故而不同切型的石英晶体有着不同的效果，如介电常数、弹性常数、压电常数、tcf(频率温度系数)、厚度频率系数、膨胀系数等。也正是这些不同的效果决定了石英晶体在不同领域的应用。本发明中，构成基底层101的石英晶体具有从40
°‑
90
°
yx、40
°‑
90
°
y90
°
x、以及40
°‑
90
°
y50
°
x中选择得到的任一个切型。通过采用上述范围的特殊切型，使得该基底层101具有良好的压电常数、介电常数、tcf(频率温度系数)、热膨胀系数等，从而能够得到高品质的声表面波滤波器。更优选地，构成基底层101的该石英晶体具有42.75
°
yx、42.75
°
y50
°
x、50
°
yx、42.75
°
y 90
°
x这四种特殊切型之一。
44.在本发明中，基底层101的厚度优选为50-500μm。
45.压电层102形成在基底层101之上，由lt/ln(钽酸锂/铌酸锂)构成。lt和ln均是常见的压电材料，具有良好的压电性能以及与半导体工艺的兼容性，从而在声表面波领域具有非常广泛的应用。在本发明中，lt的切型可以是从36
°
yx、42
°
yx中选择得到的任一个切型，ln的切型可以是从64
°
yx、128
°
yx中选择得到的任一个切型。通过采用上述的特殊切型，能够进一步提高压电层的压电性能，从而得到高品质的声表面波滤波器。
46.在本发明中，压电层102的厚度设为在20λ以下，λ是谐振器的波长，即由叉指电极激发的声波波长。更优选地，压电层102的厚度设为1λ。
47.基底层101和压电层102通过键合方式形成复合压电衬底100。
48.叉指电极(idt电极)103形成在压电层102之上，由ti、al、cu、cr、au、pt、ag、pd、ni中的任一种金属、或它们的合金、或它们的层叠体构成。在本发明中，为了增强叉指电极103与压电层102之间的结合力而提高声表面波滤波器10的耐功率性，并增强导电性，该叉指电极103优选采用层叠体结构，例如自下而上第一层为ti或ni,第二层为al或pt。该层叠体结构的总厚度优选为0.1～0.6μm。如图1和图2所示，该叉指电极103可以通过包括光刻胶图形化、蒸发镀膜、剥离等在内的图形化工艺来形成。此外，虽然未图示，但叉指电极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形成于叉指电极103的表面，起到保护叉指电极103不被侵蚀或破坏的作用。此外，该保护层104还起到对声表面波滤波器10的工作频率进行调整的调频层的作用。具体而言，通过在工艺上适当改变保护层104的厚度从而能够将声表面波滤波器的工作频率调整到实际需要的频段。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.此外，如本领域技术人员所熟知的，传统的温度补偿型声表面波滤波器(temperature compensated saw,简称:tc-saw)通常会在叉指电极上设置1μm-2μm的sio2温度补偿层。这对生长温度补偿层和化学机械抛光工艺都有较高的要求，并且设置于叉指电极表面的较厚的温度补偿层对波导、声速都有一定影响并且易产生横向模态的杂波，这些最终都会对声表面波滤波器性能产生不良影响。而在本发明中，由于采用了由具有特定切型的石英晶体形成的基底层，因此无需生长过厚温度补偿层，从而能够简化工艺并在一定程度上减小声表面波滤波器的整体尺寸。此外，也不会因为温度补偿层的厚度问题而对波导、声速产生影响，不会产生横向模态的杂波，能够得到高品质的声表面波滤波器。
51.下面，结合图3和图4，来具体说明本发明的声表面波滤波器的制造方法。图3是表示本发明的声表面波滤波器的制造方法的流程图。图4是表示本发明的声表面波滤波器的制造方法的一个实施例的流程图。
52.如图3所示，在步骤s1001中，制备复合压电衬底100。
53.如上所述，本发明的复合压电衬底100由基底层101和压电层102构成，其中，基底层101由具有特定切型的石英晶体形成，所述特定切型是从40
°‑
90
°
yx、40
°‑
90
°
y90
°
x、以及40
°‑
90
°
y50
°
x中选择得到的任一个切型。在基底层101之上形成压电层102从而得到复合压电衬底100。
54.复合压电衬底100的制备方法可以采用本领域中公知的方式，在本实施方式中基底层101和压电层102通过键合方式来形成复合压电衬底，具体如图4所示。
55.首先，如图4所示，准备用于形成基底层101的石英晶体(sio2)以及用于形成压电
层102的lt/ln压电基板。接着，利用等离子体，如h2/ar/he等的等离子体来对石英晶体和lt/ln压电基板两者进行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，保证后续键合后的基底层101和压电层102两者之间具有良好的粘附性和结合性。
56.然后，如图4所示，采用半导体减薄工艺去除大部分的lt/ln压电基板，再用cmp(化学机械抛光)工艺去除小部分的lt/ln压电基板以及保证去除面一定的平坦度，由此获得所需要的压电层102的厚度和平坦度。减薄后的压电层102的厚度例如不超过20λ。压电层102的厚度影响声表面波谐振器10的性能，通过将压电层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。优选将压电层102的厚度设为1λ。
57.由此，通过图3中的步骤s1001，得到复合压电衬底100。
58.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，叉指电极(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，通过采用层叠体的结构，能够增强叉指电极103与压电层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。
59.本发明中，可以通过光刻胶图形化
→
蒸发镀膜
→
剥离工艺，来制作该叉指电极103。如图4所示，叉指电极103等间隔地排列在压电层102的表面上。在本实施方式中，叉指电极103的厚度设为0.1-0.6μm，但并不限于此，可以根据实际需要来进行设定。
60.接着，在步骤s1003中，在叉指电极103的表面形成保护层104。保护层104的材料可以选择例如sio2、si3n4、sifo、sioc等材料，优选采用sio2。保护层104可通过溅射镀膜或者cvd(化学气相沉积)等方式来形成，优选采用cvd(化学气相沉积)方式。该保护层104的厚度最终优选为控制在以内。
61.接着，在步骤s1004中，制造引线(连接线)105(在图5中示出)。引线105的制作可采用本领域中公知的方法，例如可以通过光刻、干法刻蚀、蒸发镀膜与剥离工艺完成引线的制作。图5是表示构成本发明的声表面波滤波器的谐振器的一个示例的俯视图，示出了叉指电极103和引线105。
62.如图5所示，利用引线105可以将一个以上的谐振器电连接从而构成声表面滤波器。引线105采用高电导率的金属，如au/ag/cu/ag等。此外，在本发明中，引线105的厚度设为0.5～2.5μm，但并不限于此，可以根据实际需要来进行设定。
63.6是表示本发明的声表面波滤波器的波形图。
64.图6的横轴表示频率(ghz)，纵轴表示il插入损耗(db)。通过将一个以上的声表面波谐振器电连接可得到如图6所示的高品质的声表面波滤波器。如图6所示，根据本发明的声表面波滤波器通带内波纹少、带宽大、无明显的寄生效应、通带边缘体现了良好的滚降特性、带外抑制效果明显，能够大幅提高声表面波滤波器的性能。
65.本发明的声表面波滤波器适用于normal-saw、tc-saw、ihp-saw滤波器。
66.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。
67.应用领域
68.本发明可适用于各类通讯设备、数据传输设备、视听设备、无线局域网、wifi和定位导航设备等产品。