超高频微声设备的制作方法

超高频微声设备
1.本发明涉及一种微声设备，该微声设备被实现为载体衬底上的堆叠并且基于压电薄膜。该设备可以体现为saw谐振器。
2.下一代移动通信系统的演进需要具有各种性能准则(例如，高频率、高品质因子、大机电耦合(k2)和低频率温度系数(tcf))的出色组合的设备。目前，通常使用的基于钽酸锂(litao3)、铌酸锂(linbo3)或石英块状衬底的saw设备广泛用于低频段和中频段lte应用，例如，1ghz到2.5ghz的范围。然而，像5g这样的未来应用需要高达6ghz的设备，目前这些传统saw设备无法支持这些设备。
3.在这个频率范围内使用saw谐振器的首次尝试基于夹置的堆叠，其中压电薄膜被堆叠在载体衬底上以实现高耦合。可选地，可以在载体衬底与压电薄膜之间添加一对电介质材料。他们的目的是优化某些标准，例如，低频率温度系数。5g频段需要使用速度非常快的波类型，例如，纵向表面声波。然而，这些波并不局限于表面，因此往往会将它们的波能泄漏到衬底上。因此，高频范围的首次应用显示出较差的品质因子。
4.本发明的一个目的是提供一种微声设备，其具备改进的品质因子，并且具有减少的波能到可以用于高达6ghz的频率范围的块状衬底的耦合。
5.通过根据权利要求1的设备来满足这个和其他目的。可以根据从属权利要求得到新设备的其他具体特征以及有利实施例。
6.该设备基于堆叠材料系统，该堆叠材料系统包括高耦合压电薄膜。压电薄膜包括例如具有不同切割角的litao3或linbo3。选取切割角，由于其高声速，主模式为纵波。其他模式通过设计修改和合适切割角选择来抑制。
7.堆叠被形成在载体衬底上。压电薄膜允许激发纵波作为主模式。与罗利波或剪切波相比较时，纵波是首选，因为它们的声速较高。借助于布置在压电薄膜与载体之间的解耦层来减少波能到块状载体中的耦合。
8.可以使用具有低密度和低杨氏模量的材料来实现解耦特性。优选地，解耦层包括杨氏模量小于1gpa和密度小于500kg/m3的材料。
9.可以被生产为具有这种特性的材料为气凝胶。
10.气凝胶为一种由凝胶衍生的合成多孔超轻材料，其中凝胶的液体成分已经被气体取代。结果是具有极低密度和低热导率的固体。昵称包括固体空气，因为气凝胶层显示出类似于空气间隙的特性。气凝胶可以由多种化合物制成。气凝胶结构由溶胶-凝胶聚合产生，即，单体(简单分子)与其他单体反应以形成溶胶或键合交联的大分子组成的物质的时候，它们之间存在液体溶液的沉积物。当材料被临界地加热时，液体会蒸发掉，留下键合交联的大分子框架。
11.气凝胶可以基于金属氧化物，如例如，氧化铝、氧化铬和二氧化锡。碳气凝胶也是已知的。
12.对于本技术，二氧化硅气凝胶为首选。它是最常见的气凝胶类型。但是，其他气凝胶也可以用于解耦层。
13.二氧化硅气凝胶可以制成孔隙率为80％至99.8％。因此，它们各自的密度为
0.16kg/m3至500kg/m3。这种低密度材料完美地阻止了声波通过相应解耦层。因此，波能不能传递到该解耦层下方的任何层，这导致压电薄膜内的纵波的声能受到约束。结果，新设备的品质因子得到改进。
14.该设备具有出色的高q因子，即使在纵波的高频下也能产生低损耗。
15.在优选实施例中，使用声波操作的设备为saw谐振器。saw谐振器的叉指换能器具有电极指，这些电极指以节距为两个相邻电极指的几何中间之间的距离布置。由于纵波类型具有出色的高速，所以即使对于在高达6ghz的超高频范围内具有节距相关谐振频率的波，叉指换能器仍然可以使用传统几何形状和通用技术来生产。saw设备可以用于制造滤波器设备，这些滤波器设备可以用于复杂标准(如例如，5g)中的移动通信。
16.根据其他实施例，可以在载体衬底与压电薄膜之间添加可选的功能性电介质薄膜，以改善某些滤波器特性，如tcf或体波的抑制。
17.该设备可以包括tcf补偿层，该tcf补偿层被布置在解耦层与压电层之间。tcf补偿层包括以下各项中的一项：sio2、掺杂sio2和geo2。
18.可以在载体与解耦层之间布置屏蔽层。该层用于避免非期望电场效应，该非期望电场效应否则会在硅衬底或载体与直接沉积在上方的sio2层的界面处发生。可以用于屏蔽层的材料可以选自多晶硅、si3n4、aln、al2o3、sic、类金刚石碳和金刚石。进一步地，这些材料具有相对较高的声速，从而使其用于波约束目的。
19.为了提供对波能的约束，载体衬底可以选自例如si、蓝宝石、sic、石墨烯和金刚石。
20.在下文中，结合实施例和附图对本发明进行更详细的解释。这些附图只是示意性的，并未按比例绘制。相同的元件或具有相同或类似功能的元件由相同的附图标记表示。
21.图1示出了根据第一实施例的通过堆叠式设备的示意性横截面；
22.图2示出了根据第二实施例的通过堆叠式设备的示意性横截面；
23.图3示出了saw谐振器的示意性电极结构；
24.图4示出了由图3所示的谐振器构建的滤波器的示意性框图；
25.图5示出了根据实施例和参考示例的谐振器的导纳；
26.图6示出了根据实施例和参考示例的谐振器在谐振频率附近的导纳的绝对值；
27.图7示出了根据实施例和参考示例的谐振器在谐振频率附近的阻抗的绝对值。
28.图1示出了穿过根据本发明的第一实施例的saw设备的堆叠的示意性横截面。堆叠基于载体su。解耦层dcl被布置在载体su上方。其上设置有压电薄膜pl。堆叠的顶部上施加有实现例如包括谐振器的saw滤波器的电极结构。
29.图2示出了穿过根据本发明第二实施例的saw设备的层堆叠的示意性横截面，该层堆叠包括附加可选层。与图1的堆叠相比较，引入了两个附加层。例如多晶硅的屏蔽层被设置在载体su与解耦层dcl之间。解耦层dcl可以包括气凝胶。屏蔽层的厚度可能为0.2μm至2.5μm。
30.进一步地，解耦层dcl与压电薄膜pl之间布置有大约100nm到800nm的sio2的tcf补偿层tcl。薄膜pl由例如ln组成，该ln以支持纵波激发和传播的切割角施加。
31.电极结构es由基于al的金属化组成并且包括叉指换能器。叉指换能器的节距被设置为根据所需波长的值并且相当于在压电薄膜pl中传播的纵波的半波长。在设备制造的后
续工艺步骤中，可以施加电介质或抗蚀剂的钝化层(图中未示出)。
32.具体实施例自下而上包括以下各层：
33.si载体su；
34.500nm的多晶硅的屏蔽层；
35.约25nm至75nm的二氧化硅气凝胶的解耦层dcl；
36.ln170yrot90x或ln20的压电薄膜pl，厚度为100nm至500nm；
37.基于al的电极结构es，可以包括高度为约70nm至150nm的cu。
38.saw谐振器r的示意性电极结构es如图3所示。谐振器r具有公知金属化结构，该公知金属化结构由布置在两个反射器ref之间的声轨中的叉指换能器idt组成。
39.图4示出了梯形滤波器的示意性框图，该滤波器可以由新谐振器构建。该滤波器至少包括串联信号线中的串联谐振器rs和布置在从串联信号线延伸到接地的分流线中的并联谐振器rp。这两个谐振器的对形成了已经具有滤波器功能的基本段bs。真正的梯型滤波器包括n个这样的基本段bs，其中基本段的数目n取决于可实现的滤波器选择性的期望程度。附图中示例性地示出了三个基本段和另一串联谐振器rs。
40.图5示出了如图3所示并且基于根据图3的层堆叠并指定为曲线1的谐振器的导纳的绝对值。作为参考，曲线2示出了缺少解耦层dcl的可比较堆叠的导纳。在这些实施例中，谐振器在约5ghz处谐振。对于高频应用，它具有足够高的k2，但与曲线2相比较略有降低。实部示出了通过添加解耦层dcl来实现损耗情形的出色改善，该解耦层将压电薄膜pl中的声学与压电薄膜pl下面的层堆叠解耦。(例如，5ghz和5.8ghz处的)附加体波可见，这些附加体波可以通过进一步优化层堆叠来抑制。耦合因子k2还可以通过厚度和切割角优化来优化。
41.除了曲线2的谐振峰得到改进之外，曲线2中出现在约5200mhz处的杂散模式几乎消失了，并且转移到了约5000mhz的较低频率，如曲线1所示。
42.图6示出了基于根据图2的层堆叠的单端口谐振器在谐振下和图7在反谐振频率下损耗水平的改进。与图5相似，曲线1依据本发明，而曲线2依据相应参考示例。将共振频率绘制为导纳的绝对值|y|而反谐振峰绘制为阻抗的绝对值|z|。在这两个附图中，曲线都被缩放到相同的频率，以便更好地进行比较。可以看出，由于峰更尖且更高，所以品质因子q明显提高。
43.所使用的术语和附图标记的列表
44.1、2 指派给新谐振器和参考的曲线
45.bs 梯形滤波器的基本段
46.dcl 解耦层
47.es 电极结构
48.idt 叉指换能器
49.pl 压电薄膜
50.ref 反射器
51.rp、rs、r 谐振器
52.shl 电介质层/屏蔽层
53.su 载体
54.tcl tcf 补偿层