兰姆波谐振器及其制造方法与流程

[0001]
本发明涉及一种兰姆波谐振器以及该兰姆波谐振器的制造方法，该兰姆波谐振器可以用于滤波器或手机射频前端。


背景技术：

[0002]
当前市场上，随着移动通信的飞速发展以及对高速传输的要求，移动通信向sub-6g及毫米波等更高频率发展，5g手机滤波器的发展要求更低损耗、更高频率和更大带宽，这对现有的声表面波(saw)和体声波(baw)技术提出了严峻的挑战。虽然声表面波谐振器和体声波谐振器凭借各自优良的性能占据了主流射频领域，是目前应用最广泛，技术最成熟的器件，但是这两种滤波器都有各自的缺陷。体声波谐振器的工作频率由电极和压电材料的厚度决定，在同一片晶圆上无法实现调频；声表面波谐振器的频率由叉指电极的间距决定，虽然可以实现调频，但由于光刻极限的存在和压电材料中声速低的原因，声表面波谐振器的声速为4000m/s，直接限制了其应用频率在3ghz以内，无法实现高频。
[0003]
兰姆波谐振器具有采用板波模式的结构，能弥补上述两种谐振器的缺陷，其不仅具有较高声速，能够实现高频传输信号，还可以实现同一晶圆上的调频，而且其体积小，可以与ic工艺兼容。采用铌酸锂或者钽酸锂单晶薄板材料的兰姆波谐振器的声速可达14000m/s以上，高阶兰姆波的声速甚至能达到40000m/s，在sub-6ghz及毫米波的移动通信中表现出巨大的应用优势，使兰姆波谐振器成为射频领域新一轮的研究热点。
[0004]
兰姆波谐振器虽然有诸多优势，也有许多尚未解决的缺陷。例如，机电耦合系数和品质因子(q-factor)较低是兰姆波谐振器商业化的最大阻碍之一。此外，兰姆波具有复杂的模式，并且除了主波以外的其它模式的信号会成为杂波，从而会对主波产生干扰，由此产生的兰姆波谐振器的寄生模式会严重影响器件的性能，具体表现在阻抗曲线的谐振峰周围产生很多波纹，进而影响信号传输的品质。
[0005]
针对上述问题，专利文献1(cn 105337586 a)公开了一种可以显著消除兰姆波谐振器寄生模式的结构。如图10所示，该兰姆波谐振器中，在压电层1的上表面布置有施加激励电压的叉指电极。如图10所示的那样建立笛卡尔坐标系，兰姆波传播方向即电极指2宽度方向为x轴，电极指2的延伸方向即长度方向为y轴，压电层1厚度方向为z轴。由叉指电极激发相反的交流电压，在压电材料中产生形变，进而产生沿x轴方向传播的兰姆波。兰姆波在遇到边界后发生反射，形成驻波，从而引发谐振。专利文献1的兰姆波谐振器通过在压电层的侧壁或叉指电极的表面设置多个凸起结构，从而显著地消除兰姆波谐振器中的寄生模式。
[0006]
现有技术文献
[0007]
专利文献
[0008]
专利文献1：cn 105337586 a


技术实现要素：

[0009]
发明所要解决的技术问题
[0010]
然而，专利文献1中只记载了如何通过在压电层的侧壁或叉指电极的表面设置多个凸起结构来抑制兰姆波谐振器中的寄生模式，而没有记载如何既抑制由于兰姆波谐振器中存在的瑞利波杂散所造成的寄生效应，同时又保持谐振器的机电耦合系数和品质因子(q值)的解决方案。
[0011]
本发明是为了解决上述问题而完成的，其目的是提供一种兰姆波谐振器，该兰姆波谐振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。
[0012]
解决技术问题的技术方案
[0013]
本发明是鉴于上述技术问题而完成的，其目的是提供一种兰姆波谐振器，在该兰姆波谐振器中传播兰姆波，该兰姆波谐振器包括：衬底；
[0014]
压电层，该压电层层叠在所述衬底上，所述兰姆波的传播方向与所述压电层的第一主面平行；以及
[0015]
叉指电极，该叉指电极具有多个设置在所述压电层的所述第一主面上的电极指，多个所述电极指在所述压电层的第一主面上延伸的方向与所述兰姆波的传播方向垂直，
[0016]
在所述压电层的所述第一主面上，沿着所述兰姆波的传播方向，每间隔2个所述电极指开设与所述电极指平行地延伸的槽，所述槽沿所述兰姆波的传播方向的宽度与将所述槽夹在中间的2个所述电极指之间的间距相同，且所述槽在所述压电层的厚度方向上的尺寸即所述槽的深度与所述压电层的厚度之比在0.1至0.3的范围内。
[0017]
进一步地，所述兰姆波谐振器中，所述槽的沿所述电极指的延伸方向的长度与所述电极指的沿所述延伸方向的长度相等。
[0018]
进一步地，所述兰姆波谐振器中，所述槽的深度与所述压电层的厚度之比为0.16。
[0019]
进一步地，所述兰姆波谐振器中，所述压电层的厚度的范围是兰姆波波长的0.05倍至1倍。
[0020]
进一步地，所述兰姆波谐振器中，通过在所述衬底和所述压电层之间形成有中间层，从而构成压电绝缘体(poi)结构。
[0021]
进一步地，所述兰姆波谐振器中，所述衬底的材料为si或4h-sic。
[0022]
进一步地，所述兰姆波谐振器中，所述中间层的材料为sio
2
。
[0023]
进一步地，所述兰姆波谐振器中，所述压电层的材料为铌酸锂或钽酸锂。
[0024]
进一步地，所述兰姆波谐振器中，所述压电层的材料为30
°
yx-linbo
3
。
[0025]
进一步地，所述兰姆波谐振器中，所述叉指电极由ti、al、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。
[0026]
进一步地，所述兰姆波谐振器中，沿着所述电极指的延伸方向观察时，所述槽的截面形状为矩形、弧形、倒梯形中的任一种。
[0027]
进一步地，所述兰姆波谐振器中，所述压电层的厚度等于兰姆波波长的0.5倍。
[0028]
本发明还提供一种兰姆波谐振器的制造方法，是上面所述的兰姆波谐振器的制造方法，
[0029]
所述兰姆波谐振器的制造方法具备如下工序：
[0030]
形成所述衬底的工序；
[0031]
在所述衬底上形成所述压电层的工序；
[0032]
在所述压电层的所述第一主面上形成所述叉指电极，以使得所述叉指电极的电极指在所述压电层的所述第一主面上延伸的方向与所述兰姆波的传播方向垂直的工序；以及
[0033]
对所述压电层进行开槽加工，使得在所述压电层的所述第一主面上，沿着所述兰姆波的传播方向，每间隔2个所述电极指开设与所述电极指平行地延伸的槽，所述槽沿所述兰姆波的传播方向的宽度与将所述槽夹在中间的2个所述电极指之间的间距相同，且所述槽在所述压电层的厚度方向上的尺寸即所述槽的深度与所述压电层的厚度之比在0.1至0.3的范围内的工序。
[0034]
发明效果
[0035]
根据本发明，能提供一种兰姆波谐振器，该兰姆波谐振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。
附图说明
[0036]
图1a和图1b是本发明的实施方式1所涉及的压电层表面开矩形槽的兰姆波谐振器的结构示意图，其中图1a是该兰姆波谐振器的俯视图，图1b是其侧视图。
[0037]
图2是本发明的实施方式1所涉及的兰姆波谐振器的制造流程图。
[0038]
图3是本发明的实施方式1所涉及的压电层表面的矩形槽深度与压电层厚度之比为0时即不开槽时的导纳曲线图。
[0039]
图4是本发明的实施方式1所涉及的压电层表面的矩形槽深度与压电层厚度之比为0.1时的导纳曲线图。
[0040]
图5是本发明的实施方式1所涉及的压电层表面的矩形槽深度与压电层厚度之比为0.16时的导纳曲线图。
[0041]
图6是本发明的实施方式1所涉及的压电层表面的矩形槽深度与压电层厚度之比为0.3时的导纳曲线图。
[0042]
图7是本发明的实施方式1所涉及的压电层表面开弧形槽的兰姆波谐振器的结构示意图。
[0043]
图8本发明的实施方式1所涉及的压电层表面开倒梯形槽的兰姆波谐振器的结构示意图。
[0044]
图9是本发明的所涉及的压电层表面开八边形槽的兰姆波谐振器的结构示意图。
[0045]
图10是压电层表面不开槽的兰姆波谐振器的结构示意图。
具体实施方式
[0046]
以下参照附图对本发明的兰姆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。
[0047]
下面对本发明的实施方式进行说明。在下述附图的记载中，对于相同或类似的部分标注相同或类似的标号。其中，应当注意的是附图仅仅是示意图，厚度与平面尺寸间的关系、各层的厚度的比率等与实际的情况是不同的。因此，对于具体的厚度或尺寸，应该参考
下述说明来进行判断。在本发明的描述中，需要理解的是，术语"上"、"下"、"前"、"后"、"左"、"右"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发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置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发明的限制。
[0048]
在本发明的描述中，一个实施例可能配有多张附图，同一实施例中的同一部件的附图标记不一定在每一张附图中均标出:但是本领域技术人员应当理解，在对实施例中的某一张或多张附图进行描述的时候，可以结合该实施例中的其他附图加以理解:本领域技术人员应当理解，在未指明文字具体对应的是哪一张附图时，可以结合该实施例中的所有附图加以理解。
[0049]
实施方式1
[0050]
[兰姆波谐振器的基本结构]
[0051]
图1a和图1b是本发明的实施方式1所涉及的压电层1表面开矩形槽的兰姆波谐振器的结构示意图，其中图1a是该兰姆波谐振器的俯视图，图1b是其侧视图。
[0052]
参照图1a和图1b所示，建立笛卡尔坐标系，兰姆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，压电层1的厚度方向(即图中上下方向)为z轴。
[0053]
本发明的兰姆波谐振器采用压电薄膜型结构，从下向上依次层叠有衬底4、中间层3、压电层1、以及由多个电极指2构成的叉指电极。其中，衬底4由单晶4h-sic构成，中间层3由层叠在衬底4上的sio
2
构成。压电层1由层叠在该中间层3上的30
°
yx-linbo
3
单晶薄膜构成，并且压电层1的第一主面a即与层叠了中间层3的面相反一侧的主面与z轴方向垂直。该叉指电极具有多个设置在压电层1的第一主面a上的铝制电极指2。多个电极指2隔开间隔地在压电层1的第一主面a上沿y轴方向延伸。
[0054]
如图1a和图1b所示，在压电层1的第一主面a上，每间隔2个电极指2开设沿y轴方向延伸的槽6。槽6的垂直于x轴方向的侧面(图中为左右侧面)与位于该槽6的左右两侧的电极指2的侧面对齐，以使槽6的沿x轴方向的宽度w1与将槽6夹在中间的2个电极指2之间的间距w2相等。槽6的沿y轴方向的长度l1与电极指2的沿y轴方向的长度l2相等。
[0055]
发明人发现通过在压电层1上开槽，能有效抑制杂波。下面结合附图3至6，对实施方式1在不同开槽深度(d＝0、0.1t、0.16t、0.3t)时抑制杂波的效果进行比较说明。
[0056]
图3是现有技术中压电层1表面不开槽(d＝0)的导纳曲线图。根据图3可知，在2.02ghz附近有明显的杂波干扰，机电耦合系数k
2
根据下式(1)算出为34.33％。
[0057]
机电耦合系数k
2
＝(π
2
/8)(f
p2-f
s2
)/f
s2
ꢀꢀ
(1)
[0058]
这里，f
s
：谐振峰频率，f
s
＝2.144ghz；f
p
：反谐振峰频率，f
p
＝2.424ghz。
[0059]
谐振带宽即谐振曲线中谐振峰与反谐振峰之间的频率差f
p
－f
s
＝0.28ghz。
[0060]
图4是压电层表面矩形槽深度d与压电层厚度t之比为0.1的导纳曲线图。根据图4可知，与图3相比在2.02ghz处的杂波干扰明显变小，机电耦合系数k
2
＝33.90％，谐振峰频率f
s
＝2.076ghz，反谐振峰频率f
p
＝2.329ghz，谐振带宽f
p
－f
s
＝0.253ghz。与图3相比，不仅抑制了杂波，而且对机电耦合系数、谐振频率、谐振带宽的影响很小。
[0061]
图5是压电层表面矩形槽深度d与压电层厚度t之比为0.16的导纳曲线图。根据图5可知，与图3相比，将杂波干扰抑制到几乎没有，机电耦合系数k
2
＝30.73％，谐振峰频率f
s
＝
2.015ghz，反谐振峰频率f
p
＝2.252ghz，谐振带宽f
p
－f
s
＝0.237ghz。
[0062]
图6是压电层表面矩形槽深度d与压电层厚度t之比为0.3的导纳曲线图。根据图6可知，与图3相比，杂波干扰也被抑制到几乎没有，机电耦合系数k
2
＝29.23％，谐振峰频率f
s
＝1.863ghz，反谐振峰频率f
p
＝2.072ghz，谐振带宽f
p
－f
s
＝0.209ghz。
[0063]
下表1中示出槽深度d与压电层厚度t之比为不同值的情况下的杂波抑制、机电耦合系数等。
[0064]
表1
[0065][0066]
根据图3至图6以及表1可知，在压电层厚度t相同的情况下，通过在压电层1表面开槽，随着开槽深度d增加，能显著减小杂波干扰，机电耦合系数和谐振频率、谐振带宽虽然会有所减小，但是仍能保持较高的机电耦合系数、谐振频率和谐振带宽以满足谐振器的工作要求。压电层1表面矩形槽深度d与压电层厚度t之比优选在0.1至0.3的范围内，其中最优选的是0.16，在压电层表面矩形槽深度d与压电层厚度t之比等于0.16时，不仅能将杂波干扰抑制到最小，还能保持较高的机电耦合系数和谐振频率。
[0067]
此外，在上述实施方式1中，如图1所示，槽6的截面形状(垂直于y轴的截面的形状)是矩形，但也可以采用如图7所示的弧形、如图8所示的倒梯形、如图9所示的八边形等其它多边形，但是在槽6的形状为弧形和倒梯形时，兰姆波谐振器的抑制杂波的效果最好，因此槽6的形状优选为弧形或倒梯形。
[0068]
在上述实施方式1中，可以针对不同频率的兰姆波改变槽6的宽度w1。而且，同一个压电层1上的各个槽6的宽度w1也可以互不相同，但是通过使各个槽6的宽度w1相同，能起到最佳的抑制杂波效果。
[0069]
在上述实施方式1中，同一压电层上的各个槽6分别具有相同的深度d，但也可以设定成不同的深度d。通过使各个槽6的深度d相同能使兰姆波谐振器的适用频率范围变大，还能使制造复杂度和成本最小化，因此使各个槽6具有相同深度是最优选的。
[0070]
在上述实施方式1中，衬底4的材料是4h-sic，衬底4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衬底的兰姆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。
[0071]
在上述实施方式1中，压电层1的材料是30
°
yx-linbo
3
，压电层1的材料也可以采用铌酸锂或钽酸锂,但是由于采用30
°
yx-linbo
3
作为压电层1的材料，能使兰姆波谐振器获得极高的机电耦合系数，因此压电层1的材料优选为30
°
yx-linbo
3
。
[0072]
在上述实施方式1中，压电层1的厚度范围可以是兰姆波波长的0.05倍至1倍，但是在压电层1的厚度t等于兰姆波波长的0.5倍时，能获得较高的机电耦合系数和较高的谐振
频率，因此压电层1的厚度t优选为兰姆波波长的0.5倍。
[0073]
在上述实施方式1中，叉指电极可以由ti、al、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。
[0074]
在上述实施方式1中，在衬底4和压电层1之间形成了中间层3，也可以在衬底4和压电层1之间不形成中间层3。但是通过形成有中间层3，从而能在兰姆波谐振器中形成压电绝缘体(poi)结构，使兰姆波谐振器具有较高的q值，因此优选为在衬底4和压电层1之间形成有中间层3。中间层3的材料可以是sio
2
，也可以是其他氧化物的低声速材料，但是当中间层3的材料是sio
2
时，能获得高q值，因此中间层3的材料优选为sio
2
。
[0075]
[兰姆波谐振器的制造过程]
[0076]
如图2所示，本实施方式还提供了一种制造兰姆波谐振器的方法，包括如下步骤：
[0077]
步骤s11：选择单晶4h-sic的衬底作为衬底1，并对该衬底1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n
2
气氛中将单晶si衬底吹干，然后对衬底1进行机械抛光；
[0078]
步骤s12：利用金属有机化学气相沉积的方法在清洁干净的衬底1上沉积sio
2
的中间层3；
[0079]
步骤s13：通过离子束剥离与键合技术将30
°
yx-linbo
3
压电薄膜转移至sio
2
中间层3上从而形成压电层1，然后用氮气吹扫去除反应残余物和气态副产物；
[0080]
步骤s14：在由30
°
yx-linbo
3
压电薄膜构成的压电层1上沉积由al构成的电极图案，并利用湿法腐蚀去除掉多余的金属材料，从而形成图案化电极即电极指2，该电极指2在压电层1的第一主面a上沿y轴方向延伸；
[0081]
步骤s15：在压电层1的第一主面a上通过湿法刻蚀来开设矩形的槽6，使得沿着x轴方向，每间隔2个电极指2开设多个与沿y轴方向延伸的槽6，通过光刻来设定压电层1上的槽6沿x轴方向的宽度w1，使得槽6的宽度w1与将槽6夹在中间的2个电极指2之间的间距w2相等，并设定各个槽6的深度d。使槽6的沿y轴方向的长度l1与电极指2的沿y轴方向的长度l2相等。
[0082]
之后，结束兰姆波谐振器的制备。
[0083]
根据上述兰姆波谐振器的制造过程，能制备出一种兰姆波谐振器，该兰姆波谐振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。
[0084]
在上述兰姆波谐振器的制造过程的步骤s11中，可以选择单晶sic的衬底代替单晶4h-sic的衬底作为衬底1。
[0085]
在上述步骤s12中，可以采用其他氧化物的低声速材料代替sio
2
来形成中间层3，也可以省略步骤s12，不形成中间层3，直接在衬底上形成压电层。
[0086]
在上述步骤s13中，可以采用钽酸锂或铌酸锂压电薄膜代替30
°
yx-linbo
3
压电薄膜作为压电薄膜来形成压电层1。
[0087]
在上述步骤s14中，可以在压电层1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。
[0088]
在上述步骤s15中，可以通过干法刻蚀等其他方法来开设槽6，槽6的形状可以是弧形、倒梯形、八边形等其他形状，槽6的沿y轴方向的长度l1与电极指2的沿y轴方向的长度l2也可以不相等。
[0089]
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。
[0090]
工业上的实用性
[0091]
根据本发明的兰姆波谐振器以及兰姆波谐振器的制造方法，能提供一种兰姆波谐振器，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。通过将这种兰姆波谐振器应用于滤波器等器件，能有利于提高器件的性能。
[0092]
标号说明
[0093]
1 压电层
[0094]
2 电极指
[0095]
3 中间层
[0096]
4 衬底
[0097]
6 槽。