用于超高频的具有复合衬底的SAW装置的制作方法

背景技术：

今天，在无线通信装置的频率滤波器中使用的saw装置需要符合许多规范。新引入的标准或新的发展不断要求规范被适配并且装置被改进。无线装置在可以以载波聚合模式耦合的多个频带中的操作需要在不同温度条件下的高频率稳定性和对带外杂散模式的良好抑制。尤其是当在高功率电平下操作saw装置时，需要各自的方案，每个方案通常需要被组合在一个装置中。

使用泄漏表面波的saw装置由于声能不期望地辐射到体衬底中而表现出损耗。此外，额外的体模式可以到达换能器的电极并且产生的寄生信号可能干扰所用频带中的操作。进一步的损耗是由于较高模式的激励，如板模式或通常被称为h2模式的二次谐波。

一种减少这些损耗并消除寄生信号的方法是在支撑衬底的表面上使用压电膜。在这种分层结构中，寄生体模式可以在压电膜自身内部引导，并且不是在布置有saw换能器电极的压电膜的顶表面附近引导，从而导致不想要的杂散信号。

如果在saw装置的分层结构中引入另外的功能层，例如温度补偿层以降低频率温度系数并且因此提高装置的温度稳定性，则会出现另外的问题。可以降低温度系数的层优选包括具有正tcf的材料，例如二氧化硅。在这种多层结构中的每个另外的层提高了在这种结构中产生不希望的体模式或其它杂散模式的可能性。

从已公布的美国专利申请us2015/0102705a1中，已知一种允许将弹性波的主模式限制在层系统内的弹性表面波装置。该弹性表面波装置包括在载体衬底的顶部上依次布置的高声速膜、低声速膜和压电膜，以便到达所希望的对象。然而，仍没有研究所公开的层堆叠对附加的高阶杂散模式、如板模式或二次谐波的激励和位置的影响。

下一代移动通信系统的发展要求装置具有各种性能标准的突出组合，这些性能标准例如是在高频下工作、装置的高品质因数、压电材料的大机电耦合(k²)以及低频率温度系数(tcf)。目前，基于钽酸锂(lt)、铌酸锂(ln)或石英的体衬底的典型使用的saw装置广泛用于低频带和中频带lte应用中，例如在1ghz到2.5ghz的范围内。然而，未来的应用需要高达6ghz的装置，这是迄今为止传统saw装置所不能支持的。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种适合于uhf的saw装置。

这些目的中的至少一个目的通过根据权利要求1所述的saw装置来实现。在从属权利要求中给出了可以满足其它目的改进实施例。

提出了一种saw装置，其能够以比通常使用的saw装置或压电材料中更高的速度传播声波。为此，使用功能层的堆叠设计，该功能层在被选择用于提供高声速的载体衬底上构建。该堆叠还包括tcf补偿层、压电层以及在压电层顶部上的适于激励声学主模式的一组叉指电极。

整个层堆叠提供了优良特性的组合，例如高速、高k2和低损耗。

tcf补偿层和压电层被制造得足够薄，以使声波主要在载体材料的“高速”材料内传播。载体衬底的波速高于标准si晶圆的波速。

“高速”载体衬底和低层厚度的益处在于，大量的声波在高速材料中传播并且实现了声波的高速。更高的速度伴随更长的波长。当使用合适的材料和适当的堆叠设计时，波长变得足够长，以至于即使在大约6ghz的超高工作频率下，也能由具有技术上可再现的高节距的idt电极产生该波长。尽管可能工作频率高，但saw装置仍能用现有的光刻技术可靠地制造。

这种saw装置可以以突出的性能，例如高速、高机电耦合系数k2和高品质因数q来构建。仅使用有限数量的层，尤其是通过薄膜实现的层，产生了令人惊奇的进一步的益处，即可以完全避免体波的激励。

载体衬底包括至少一层高速材料，高速材料足够厚以允许波的主要部分在该材料内传播。因此，应选择3λ或更大的适当厚度，其中λ是该材料中的波长。优选地，载体衬底完全由这种材料组成。

优选的载体衬底材料是具有比标准si晶圆的声波的波速更大的声波的波速的材料。这种材料可以选自包括下列项的组：蓝宝石、石墨烯、金刚石、sic、多晶硅、类金刚石碳和aln。

根据一个实施例，tcf补偿层的材料选自包括下列项的组：sio2、掺杂sio2、geo2、scyf，zrw2o8、zrmo2o8、hfmo2o8、scw3o12、alw3o12、zr(wo4)(po4)2、沸石和b2o3。这些材料都显示出正tcf，正tcf可以抵消所使用的压电材料的负tcf。此外，这些材料主要显示出负热膨胀系数，这对于选自过渡金属化合物和稀土金属化合物的材料尤其如此。令人惊奇的是，这种材料显示出其弹性模量的高正温度系数，这是在较高温度下提高的刚度。

另一种用于形成tcf补偿层的材料是基于scf3的玻璃。该材料具有足够的硬度、是足够机械稳定的并且可以容易地沉积。

该材料的弹性模量的特别大的温度系数提供了具有通式为sc(1-x)yxf3的掺杂钇的scf3，其中x被设定为遵守关系0＜x≤0.25。

提供y量的指数x取决于yf3在scf3中的溶解度并且在合适的材料中可以更高。最有益的是量x为约0.2。然后，其弹性模量的温度系数达到约1500ppm/k的高值，该高值是sio2的大约五倍。

根据另一实施例，温度补偿层包括形成氧化物网络的材料。这些显示出负热膨胀系数和异常的热机械行为，伴随有刚度和弹性模量的正温度系数。示例是zrw2o8、zrmo2o8、hfmo2o8、scw3o12、alw3o12、zr(wo4)(po4)2以及许多沸石和b2o3。

具有上述性质的其它化合物是形成非氧化网络的氟基化合物，如scf3-baf2-yf3、scf3-baf2-znf2、scf3-baf2-inf3、scf3-mgf2、ybf3-scf3、luf3-scf3、zn(cn)2和bef2以及一些氰化物如zn(cn)2。

saw装置优选地具有idt电极结构，idt电极结构形成至少一个在高于2.5ghz的频带上工作的saw谐振器。

在一个更具体的实施例中，载体衬底是选自以下项的体材料：蓝宝石、石墨烯、金刚石、sic、多晶硅、类金刚石碳和aln。载体衬底上布置具有正频率温度系数的介电tcf补偿层。该层由sio2、掺杂sio2、geo2、scyfzrw2o8、zrmo2o8、hfmo2o8、scw3o12、alw3o12、zr(wo4)(po4)2、沸石或者b2o3形成。该层的厚度约为5nm至200nm。在tcf补偿层的顶部布置薄膜压电层，该薄膜压电层选自高耦合压电材料，如具有合适的切角的钽酸锂和铌酸锂。压电层具有5nm到300nm的厚度。布置在压电层顶部上的idt电极结构形成工作在3ghz和8ghz之间的工作频率下的谐振器。

saw装置可以是滤波器电路的一部分，其中滤波器电路包括saw滤波器、双工器或多路复用器。

附图说明

下面将参照具体实施例和附图更详细地解释本发明。在附图中，为了更好的理解，一些细节可以被放大地描绘，并且因此附图不是按比例绘制的。

图1以示意截面图示出根据本发明的saw装置的堆叠设计，

图2a示出使用根据本发明的saw谐振器情况下的频率与压电薄膜厚度的相关性，

图2b示出使用根据本发明的saw谐振器情况下的k2与压电薄膜厚度的相关性，

图3示出根据本发明的saw谐振器的导纳的绝对值和实部，

图4示出根据本发明的类似于图3的实施例，但是包括用于不同环境温度的tcl层。

具体实施方式

图1以示意截面图示出根据本发明的saw装置的堆叠设计。载体衬底sub包括具有高声速的材料。该厚度足以机械稳定，以便进一步处理和操作saw装置。薄tcf补偿层tcl被施加在衬底上并且具有正tcf，该正tcf适于补偿堆叠中其它材料的负tcf。

下一层是薄膜压电层pel，其需要提供适当的波激励并显示出适当高的机电耦合。在顶部叉指电极ide上布置成包括金属化部，该金属化部适于提供saw装置功能，该saw装置功能是激励saw并且从中恢复电信号。优选地，叉指电极ide形成谐振器。多个谐振器可以形成梯型或格型布置的滤波器。然而，叉指电极ide可以实现另一个saw装置，例如dms滤波器、双工器或多路复用器。

根据更具体的实施例，形成saw谐振器，saw谐振器具有在使用蓝宝石的载体衬底的顶部上的使用litao3或linbo3的压电薄膜。铝基电极用于saw激励。

图2a和图2b示出与具有litao3体材料的谐振器相比，频率(图2a)和k2(图2b)与薄膜litao3和薄膜linbo3的厚度的相关性。使用相对厚度薄的压电膜的使用提供了与litao3体材料相比增加的速度。这可以通过选择适当的材料和压电薄膜厚度与增加的k2结合。

根据更具体的实施例，形成具有以下特征和尺寸的saw谐振器：

具有特定切口的蓝宝石的载体衬底sub，具有约5nm-300nm厚度和特定切口的litao3的薄压电层pel。

idt电极结构ide由al和/或铜制成，并且形成具有约5ghz的谐振频率的单端口谐振器。

在图3中示出该实施例的导纳的实部和绝对值的模拟。该saw装置表现出高k²，并且由于适合于本实施例所实现的高频应用的层堆叠的波导而因此具有低损耗。在5ghz的主谐振上方，瑞利型杂散模式是可见的。这种原始设计的进一步优化将确保抑制这种杂散激励。

除了这个杂散信号外，没有附加的杂散模式被激励，并且在宽频率范围内没有另外的杂散信号是可见的。这对于可能的复杂saw解决方案如载波聚合是有益的。

该实施例由约5nm-200nmsio2的tcf补偿层tcl进一步扩展。实现了具有工作频率的改善的温度稳定性的saw装置。图4以窄带描绘对于两个不同的环境温度示出本实施例的导纳的绝对值。

尽管所描述的实施例的数量有限，但是本发明的范围不限于附图的实施例。与所提出的材料和尺寸的偏差是可以想到的，并且在有经验的专家的技能范围内。在本发明范围内的可能的偏差仅由权利要求限定，其中权利要求1提供最宽的范围。