牢固地安装在高声速衬底上的声波谐振器的制作方法

本发明大体上涉及声波谐振器设备。具体地，本发明提供了一种具有声波谐振器的结实的声波谐振器设备，该声波谐振器包括压电板，该声波谐振器牢固地安装在衬底(层)上。本发明还提供了一种用于操作此类声波谐振器设备的方法。声波谐振器设备可以用于频率带通滤波器，通常包括此类谐振器设备的“梯形”网络。

背景技术：

1、传统的声波谐振器设备(例如体声波谐振器(bulk acoustic resonator，bar)，如fbar、xbar或ybar)利用亚微米厚度的薄压电层作为谐振器材料(通常由铌酸锂制成)，具有一些缺点。

2、例如，薄膜bar(film bar，fbar)是一种体波谐振器。如果此类体波谐振器被放置在固体衬底上，并与固体衬底完全接触，则因声能辐射到衬底中而无法高效地工作。因此，在压电层中无法获得谐振(或仅获得具有非常低的q因子的谐振)。

3、为了防止这种情况，压电层可以是悬挂在空腔上方的薄膜(板)，由空腔提供隔音。但是，此类设备在技术上难以实现。此外，因为压电薄膜非常薄，没有受到很好的支撑(仅在其边缘受到支撑)，这种方法会导致设备非常脆弱。此外，由于薄膜的导热率较低且排热主要沿着薄而长的电极进行，所以该设备的功率处理性质较差。

4、另一种方法是将压电层牢固地附接到布拉格叠层，该叠层是由许多交替的高声阻抗和低声阻抗的λ/4层组成的系统，并且能够隔音。具体地，多层布拉格叠层在工作频率下用作强反射器，因此不允许体波辐射到衬底中。但是，此类布拉格叠层也有其自身的缺点。例如，如果使用金属层，那么布拉格叠层可能导致相邻谐振器之间发生不需要的寄生耦合。布拉格叠层中存在的声能减少了谐振-反谐振的频率距离，从而减少了可以使用此类谐振器设备的滤波器的通带。此外，布拉格叠层增加了设备制造过程的复杂性。

技术实现思路

1、鉴于以上所述，本发明的目的是提供一种改进的声波谐振器设备。目的是在固体衬底上提供具有压电层的声波谐振器设备。该设备应适合在5ghz频率范围下工作。声波谐振器设备应避免对衬底造成声能损失，但不应需要像布拉格叠层那样的反射结构。此外，声波谐振器设备应当是可制造的，其中，电极的临界尺寸(critical dimension，cd)为cd>0.3μm。

2、这些和其它目的是通过所附独立权利要求中描述的本发明的方案来实现的。有利的实现方式在从属权利要求中进一步限定。

3、本发明的第一方面提供了一种声波谐振器设备，包括：支撑衬底；布置在支撑衬底上的非压电衬底层；布置在衬底层上的电介质层；厚度为dln并且具有前表面和后表面的压电板，后表面被金属层覆盖，并且压电板通过金属层附接到电介质层；叉指电极结构(interdigital electrode structure，ides)，ides包括连接到第一母线的第一组电极和连接到第二母线的第二组电极，其中，第一组中的电极和第二组中的电极在压电板的前表面上以节距p周期性地一个接一个交替布置；其中，在垂直于电极的方向上平行于衬底层中的层表面传播的慢剪切体波的速度vdiam大于通过vph＝2p*fr确定的压电板中的相速度，其中，fr是通过vln/(2dln)确定的声波谐振器设备的工作频率；其中，节距p满足条件p<vdiam/vln*dln，其中，vln是在压电板中谐振的体波的速度。

4、支撑衬底可以是由硅、玻璃或其它电介质材料制成的厚衬底或晶片。衬底层可以具有高声速，特别是大于压电板的声速。当在压电板中谐振时，体波可能会在该压电板的各侧面之间反射。第一组中的电极与第二组中的电极可以具有不同的极性，这意味着在声波谐振器设备的操作中，不同极性的电压将被施加到这些电极。因此，这些第一组电极和第二组电极可以被称为“正”电极和“负”电极。

5、在第一方面的声波谐振器设备中，一方面，第一组中的电极和第二组中的电极之间的节距p足够小，另一方面，衬底层(例如，由金刚石制成)具有足够大的声波速度，从而抑制对衬底的声损失。例如，sh1、s1(甚至a1)兰姆模态不会将声能辐射到衬底层和支撑衬底的主体中。电极激发的体波或振动只会在压电板中上下反弹，但声波并不会辐射到衬底层及其下方，至少，声波在衬底深度中呈指数衰减。

6、因此，第一方面的声波谐振器设备适合于在5ghz频率范围下操作，并且比具有悬挂在空腔上的压电薄膜的传统设备更稳定。此外，第一方面的设备避免了对衬底造成声能损失的缺点，不需要像布拉格叠层那样的反射结构。虽然节距较小，但使用目前现有的技术，仍然可以很好地制造，其中，cd>0.3μm。

7、在第一方面的一种实现方式中，衬底层包括金刚石层、碳化硅层或氮化硼层。

8、这些材料具有足够高的声速，具体地，慢剪切体波平行于垂直于电极的层表面传播的高速度。因此，这些类型的材料最适合于本发明的声波谐振器设备，并且在性能和低声损失方面提供最佳结果。

9、在第一方面的一种实现方式中，电介质层包括二氧化硅层、siox层、sino层和sin层中的至少一种。

10、此类电介质层减少了压电板与衬底层的声耦合。此外，可以对减少衬底层的影响(例如，从压电板传递到衬底层的振动)。还可以允许压电板中的基本厚度谐振，并增加压电耦合。

11、在第一方面的一种实现方式中，压电板由晶体铌酸锂、钽酸锂或氮化铝制成。

12、这些材料为本发明的声波谐振器设备提供了最佳结果(例如，q因子，本文通过相对谐振反谐振频率距离估计的压电耦合)。但是，其它压电材料也可能是合适的。

13、在第一方面的一种实现方式中，由铌酸锂制成的压电板为旋转yx切割ln板，其中，电极垂直于晶体x轴布置。

14、在第一方面的一种实现方式中，金属层包括铜层或铝层。

15、在第一方面的一种实现方式中，金属层覆盖压电板的后表面的有限区域，其中，有限区域对应于压电板的前表面上电极覆盖的区域，并且处于浮动电位。

16、因此，在金属层与ides的电极之间定义了一个定义的谐振器区域。

17、在第一方面的一种实现方式中，金属层和第一组中的电极和第二组中的电极形成多个周期性布置的谐振器，多个周期性布置的谐振器用于以相反相位振荡。

18、这导致只有很少或没有声能泄漏到衬底中。

19、在第一方面的一种实现方式中，交替布置的电极中的至少第一电极和至少最后一个电极为浮动电位电极。

20、在第一方面的实现方式中，第一电极和最后一个电极用作反射器，以用于减少声波谐振器设备外部的声能辐射。

21、在第一方面的一种实现方式中，ides结构的开头和结尾处的电极的子集处于浮动电位。

22、浮置电极和/或反射电极进一步改善了第一方面的设备的性能，因为也避免了对侧面造成声能损失(较高的q因子)。

23、在第一方面的一种实现方式中，衬底层的厚度在压电板的厚度dln的4倍至20倍的范围内。

24、在第一方面的一种实现方式中，电介质层的厚度约为压电板的厚度dln的一半和/或约为电介质层中剪切波长的四分之一。

25、例如，厚度dln可以在0.25μm至0.8μm的范围内，其中，节距p可以在0.6μm至1.2μm的范围内。

26、在第一方面的一种实现方式中，慢剪切体波的速度vdiam大于8000m/s，或大于10000m/s，或大于12000m/s。

27、在第一方面的一种实现方式中，通过vph＝2p*fr确定的相速度在2000m/s至6000m/s的范围内和/或小于慢剪切体波的速度vdiam。

28、声波谐振器设备的上述给定参数得到最佳结果(设备性能、声损失等)。

29、在第一方面的一种实现方式中，凹槽被布置在第一组中的电极和第二组中的电极中的每两个相邻电极之间，其中，凹槽延伸到压电板中或完全延伸穿过压电板。

30、凹槽使电极能够更自由地振动，从而增加压电耦合。此外，凹槽的存在可以减少寄生波的传播。

31、本发明的第二方面提供了一种声波谐振器设备，包括：金刚石层；布置在金刚石层上的二氧化硅层；具有前表面和后表面的铌酸锂板，后表面被金属层覆盖，并且铌酸锂板通过金属层附接到二氧化硅层；ides，包括连接到第一母线的第一组电极和连接到第二母线的第二组电极，其中，第一组中的电极和第二组中的电极在压电板的前表面上周期性地一个接一个交替布置，其中，铌酸锂板的厚度dln在0.25μm至0.8μm的范围内；节距p在0.6μm至1.2μm的范围内。

32、第二方面的声波谐振器设备可以具有与第一方面的声波谐振器设备的实现方式对应的实现方式。第二方面的声波谐振器设备实现了与第一方面的设备相同的优点和效果。特别地，第二方面的声波谐振器设备是一种性能特别好的设备。

33、本发明的第三方面提供了根据第一方面或第二方面或其任何实现方式的操作声波谐振器设备的方法。该方法包括：在第一母线与第二母线之间施加实质上接近vln/(2dln)的谐振频率下的差动ac电压，第一组中的电极和第二组中的电极分别连接到第一母线和第二母线，其中，金属层接地。替代地，该方法包括：将实质上通过vln/(2dln)确定的谐振频率下的ac电压施加到第一母线和第二母线中的一条母线，并将第一母线和第二母线中的另一条母线保持在接地电位，其中，金属层处于浮动电位。

34、如上所述，本发明的各方面和实现方式可以包括相对窄的fbar的周期性结构(例如，具有sh1或s1兰姆模态/波，或也具有a1兰姆模态)，该周期性结构牢固地安装在高速衬底上，具有以节距p间隔开的相反相位的谐振。节距p可以满足非辐射条件p<λ/2，其中，λ是能够以工作频率在衬底中传播的任何声波的(最小)波长。

35、综上所述，本发明方案的优点包括：提供了一种特别结实的声波谐振器设备，因为它具有牢固地安装在衬底和衬底层上的压电板，而不是具有脆弱的悬浮膜结构(需要说明的是，不是直接在衬底层上，因为电介质层在中间)。通常的表面声波(surface acousticwave，saw)技术可以用于制造设备，其中，设备可以使用光学光刻技术制造。该设备可以适用于5ghz频率范围。还可以实现强的压电耦合，例如，k2＝20％至25％的耦合。此外，衬底层和衬底的高导热率可以使设备具有出色的功率处理能力。此外，由于节距较小(为了比较，xbar可能具有大约20倍大的节距)，该设备可能仅显示较低水平的寄生模态。例如，通过改变节距和/或电极几何结构，该设备还提供了改变或调谐谐振频率的可能性。

36、附加地，在所描述的所有实施方式中，声波谐振器设备可以由sio2、siox、si3n4的薄(例如，15nm至25nm)保护(或“钝化”)电介质层覆盖在顶部，以防止电极的氧化并保护其免受湿气、大气等的影响。