声表面波谐振器及该声表面波谐振器的制造方法与流程

1.本发明涉及一种声表面波谐振器及该声表面波谐振器的制造方法，本发明的声表面波谐振器可以用于滤波器或手机射频前端，本发明的制造方法可以用于声表面波谐振器和温度补偿型声表面波谐振器的制造技术领域。


背景技术：

2.声表面波(saw)滤波器广泛应用于信号接收机前端以及双工器和接收滤波器。saw滤波器集低插入损耗和良好的抑制性能于一身，可实现宽带宽和小体积。已知的saw滤波器中，电输入信号通过间插的金属叉指换能器(idt)转换为声波，这种idt电极被广泛应用于saw的激励和检测中，它由周期性排列并与汇流条交替连接的多根电极构成，并且形成在压电基板上。如同电磁传输线和波导中的驻波一样，叉指换能器所激发的声表面波入射到一定周期放置的反射栅时，入射波与反射波相互叠加，以驻波的形式在反射栅中传播，利用这一原理制作的声表面波谐振器具有高q值和低插入损耗的特点。
3.现有的声表面波滤波器的叉指换能器结构制作时，一般采用剥离工艺(lift
‑
off)，即在衬底上采用负性光刻胶通过曝光、显影制成图形，然后在其上淀积金属膜，再用不侵蚀金属膜的溶剂除去光刻胶，随着光刻胶的去除，胶上的金属被剥离，从而留下预设图形的金属结构。saw滤波器的调整频率主要依靠idt电极线宽来调整，即频率越高线宽越小，如1.9g的一般线宽在0.5μm，而3.5g的一般在0.25μm。随着技术发展，saw滤波器在高频尤其是未来5g时代的应用频率会越来越高，对线宽要求更为苛刻。
4.叉指电极厚度对saw的传播特性及saw器件的性能也有影响。由saw理论可知，saw传播过程中，波在阻抗不匹配时会发生反射。为了减少反射，应该尽量减小叉指电极的厚度。但叉指电极的厚度过小会使叉指电极的电阻剧增，而且在后期叉指电极制备的剥离工艺中容易发生断指现象，因此在设计声表面波谐振器的结构时需要选择合适的叉指电极的厚度。
5.现有技术文献
6.专利文献
7.专利文献1：cn108923763a一种高频saw的idt铜工艺制造方法


技术实现要素：

8.发明所要解决的技术问题
9.滤波器在高频尤其是未来5g时代的应用频率会越来越高，功率越来越大，高功率会导致滤波器温度快速升高，会产生温度漂移，导致器件失效。另外，滤波器的设计需要同时满足高机电耦合系数、低频率温度系数和高q值。
10.然而，以往的滤波器中所使用的声表面波谐振器在高频、高功率、高温下工作时会发生机电耦合系数和q值降低而频率温度系数变高的情况，从而影响滤波器工作性能的问题。对此，需要一种具有高机电耦合系数、低频率温度系数和高q值的温度补偿性的声表面
滤波器。
11.除此以外，专利文献1中记载了一种现有的高频saw的idt电极制造方法，其公开了：在压电材料层上沉积介质材料形成第一介质层，并在第一介质层上涂覆正性光刻胶，通过曝光、显影定义出idt电极的金属填埋沟的图形，采用干法蚀刻工艺刻蚀上述第一介质层以形成与idt图形相应的膜层形貌，去除正性光刻胶，进行idt电极的沉积。在上述idt电极的制造方法中，在曝光后的烘烤过程中没有对处于不同位置的光刻胶的烘烤温度进行控制，由此可能会导致加热不均匀，当光刻胶的烘烤温度不均匀分布时，有可能会使光刻胶无法形成笔直的填埋沟侧壁，会导致所形成的idt电极形状不良，idt电极上产生毛刺等问题，导致机电耦合系数和q值降低，从而影响声表面波谐振器的工作性能。
12.本发明是为了解决上述问题而完成的，其目的是提供一种声表面波谐振器及该声表面波谐振器的制造方法，该声表面波谐振器具有高机电耦合系数、低频率温度系数以及高q值。
13.解决技术问题的技术方案
14.本发明提供了一种声表面波谐振器，包括：
15.衬底；
16.压电层，该压电层形成在所述衬底上并且所述压电层的厚度为0.8μm到1.2μm；以及
17.叉指电极，该叉指电极具有多个形成在所述压电层中的电极指，并且所述电极指的厚度为300nm到500nm，
18.所述电极指的宽度和间距之比即占空比为0.4到0.6。
19.进一步地，所述声表面波谐振器中，所述压电层的厚度为1.2μm，所述电极指的厚度为300nm，所述电极指的占空比为0.4。
20.进一步地，所述声表面波谐振器中，还包括第一介质层，该第一介质层形成在所述压电层上并对所述压电层进行温度补偿。
21.进一步地，所述声表面波谐振器中，还包括第二介质层，该第二介质层形成在所述第一介质层上并且对所述第一介质层进行保护。
22.进一步地，所述声表面波谐振器中，还包括第三介质层，该第三介质层形成在所述衬底和所述压电层之间作为中间层。
23.此外，本发明还提供了一种声表面波谐振器的制造方法，包括以下工序：
24.形成衬底的工序；
25.在所述衬底上形成厚度为0.8μm到1.2μm的压电层的工序；
26.在所述压电层上涂覆光刻胶，并通过曝光、显影来定义出金属填埋沟的图形的工序；
27.通过蚀刻工艺在所述压电层上刻蚀出所述金属填埋沟的工序；
28.在所述金属填埋沟中形成厚度为300nm到500nm的电极指的工序；
29.去除所述光刻胶的工序，
30.所述电极指的宽度和间距之比即占空比为0.4到0.6。
31.进一步地，所述声表面波谐振器的制造方法中，所述压电层的厚度为1.2μm，所述电极指的厚度为300nm，所述电极指的占空比为0.4。
32.进一步地，所述声表面波谐振器的制造方法中，还包括：在所述压电层上形成对所述压电层进行温度补偿的第一介质层的工序。
33.进一步地，所述声表面波谐振器的制造方法中，还包括：在所述第一介质层上形成对所述第一介质层进行保护的第二介质层的工序。
34.进一步地，所述声表面波谐振器的制造方法中，在所述衬底与所述压电层之间形成第三介质层作为中间层的工序。
35.进一步地，所述声表面波谐振器的制造方法中，还包括在对所述光刻胶进行曝光后，利用热板对所述光刻胶进行均匀烘烤，之后使所述光刻胶冷却至常温的工序，
36.在对所述光刻胶进行均匀烘烤时，利用设置在所述热板上的排布均匀的加热点来对所述热板进行温度控制。
37.发明效果
38.根据本发明，能提供一种声表面波谐振器及该声表面波谐振器的制造方法，该声表面波谐振器具有高机电耦合系数、低频率温度系数以及高q值。
附图说明
39.图1是示出本发明的实施方式1所涉及的声表面波谐振器的结构的图。
40.图2是本发明的实施方式1所涉及的声表面波谐振器的制造流程图。
41.图3是本发明的实施方式1所涉及的声表面波谐振器的制造过程中的结构示意图。
42.图4是示出采用供热板加热方式时的热板的结构图。
具体实施方式
43.以下参照附图对本发明的声表面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。
44.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。
45.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。
46.实施方式1
47.[声表面波谐振器]
[0048]
图1是本发明的实施方式1所涉及的声表面波谐振器的结构的侧视图。声表面波的
传播方向即电极指宽度方向(即图1中的左右方向)为x轴，压电材料层101的厚度方向(即图1中的上下方向)为z轴。
[0049]
以下结合图1，对图示出的本发明的声表面波谐振器的结构进行说明。
[0050]
本发明的声表面波谐振器采用压电薄膜型结构，从下向上依次层叠有衬底105、第三介质层106、压电材料层101、第一介质层103、以及第二介质层104，在压电材料层101中设置有由多个电极指107构成的叉指电极。其中，衬底105可以是sic、al2o3或镀有蓝宝石的硅晶圆衬底，该衬底105的厚度为10μm～20μm。第三介质层106由层叠在衬底105上的sin或sio2等构成。压电材料层101由层叠在该第三介质层106上的例如钽酸锂或钽酸锂晶圆等构成。叉指电极具有多个设置在压电材料层101内的铝制的电极指107，并且电极指107的顶面和压电材料层101的第一主面a齐平。该电极指107也可以是顶层为al的金属膜组合，如al/cu、或al/ti/cu等。多个电极指107沿x轴方向隔开间距w2地排列并且沿y轴方向(与x轴、z轴垂直的方向)延伸。在声表面波谐振器中传播的声表面波的波长为1μm至2μm。
[0051]
图1中，电极指107数量为9个，这里的电极指107数量只是一种示例，可以根据实际情况改变。
[0052]
在x轴方向上，各个电极指107彼此的宽度都相等，均为w1；各个电极指107彼此之间的间距都相等，均为w2。
[0053]
在y轴方向上，各个电极指107彼此的长度都相等。
[0054]
在z轴方向上，各个电极指107彼此的厚度都相等，均为d。
[0055]
发明人发现随着声表面波谐振器的压电材料层101的厚度t、叉指电极的厚度d、以及电极指107的宽度和间距之比w1/w2的改变，机电耦合系数也会改变。因此，发明人通过深入细致地研究，发现通过改变厚度t、叉指电极的厚度d、以及电极指107的宽度和间距之比w1/w2能提高声表面波谐振器的机电耦合系数。
[0056]
具体而言，当同时满足压电材料层101的厚度t为0.8μm到1.2μm；电极指107的厚度d为300nm到500nm；电极指107的宽度和间距之比w1/w2即占空比为0.4到0.6时，提高声表面波谐振器的机电耦合系数的效果更好，此时的机电耦合系数k2≥15％。
[0057]
尤其是，在压电材料层101的厚度t为1.2μm；电极指107的厚度d为300nm，电极指107的宽度和间距之比w1/w2即占空比为0.4时，提高声表面波谐振器的机电耦合系数的效果最好，此时的机电耦合系数k2＝25.5％。
[0058]
通过在压电材料层101上方沉积材料为sio2的第一介质层103作为温度补偿层对压电材料层101进行温度补偿，该第一介质层103具有正的频率温度系数，从而能起到减小因温度变化导致的频率偏移，降低频率温度系数的作用。
[0059]
通过在第一介质层103上方沉积材料为sin的第二介质层104作为保护层，从而能对第一介质层103起到保护作用。
[0060]
衬底105具有高声阻抗，使形成在衬底105和压电材料层101之间的第三介质层106具有低声阻抗，从而中和衬底105的高声阻抗，构成布拉格反射层，对泄露到衬底105的声波形成反射，有效地将泄漏的能量反射到压电材料层表面，从而能提高声表面波谐振器的q值。
[0061]
虽然本发明的实施方式1的声表面波谐振器包括：第一介质层103、第二介质层104、第三介质层106，但它们并非必须包括在声表面波谐振器的结构中，可以根据实际情况
进行删减。
[0062]
[声表面波谐振器的制造过程]
[0063]
图2是本发明的实施方式1所涉及的声表面波谐振器的制造流程图。
[0064]
图3是本发明的实施方式1所涉及的声表面波谐振器的制造过程中的结构示意图。
[0065]
如图2、图3所示，本实施方式还提供了一种制造声表面波谐振器的方法，包括如下步骤：
[0066]
步骤s11：参考图3的a部，提供压电材料层101(压电晶圆)，该压电材料层101厚度为1.2μm,在该压电材料层101的底面设置定位标识，再依次用丙酮、硫酸与过氧化氢混合溶液对该压电材料层101进行酸洗和有机洗。
[0067]
步骤s12：参考图3的b部，在该压电材料层101上涂覆正性光刻胶102。该正性光刻胶102的厚度为1.2μm。
[0068]
步骤s13：参考图3的c部，先对正性光刻胶102进行曝光，再进行烘烤、在烘烤完毕之后导入23℃冷板进行冷却，最后进行显影，从而形成光刻胶槽102a，通过该光刻胶槽102a来定义出idt电极的金属填埋沟的图形，光刻胶槽102a的宽度为300nm，光刻胶槽102a彼此之间的间距为750nm。
[0069]
步骤s14：参考图3的d部，采用干法蚀刻工艺在压电材料层101上的光刻胶槽102a的下方刻蚀出idt金属填埋沟101a，以使idt金属填埋沟101a宽度等于光刻胶槽102a的宽度即300nm，idt金属填埋沟101a的间距w2等于光刻胶槽102a的间距即750nm，idt金属填埋沟101a的深度为300nm。
[0070]
步骤s15：参考图3的e部，采用溅射方式在压电材料层101的idt金属填埋沟101a内沉积idt金属层来形成电极指107。电极指107的宽度w1等于idt金属填埋沟101a的宽度即300nm；电极指107的长度等于idt金属填埋沟101a的长度；电极指107彼此之间的间距等于idt金属填埋沟101a彼此之间的间距即750nm；该电极指107的厚度d等于idt金属填埋沟101a的深度即300nm(即电极指107的顶面和压电材料层101的第一主面a齐平)，电极指107的宽度和间距之比w1/w2＝300nm/750nm＝0.4。然后在高温下用清洗液去除在压电材料层101上的光刻胶102残留物。
[0071]
步骤s16：参考图3的f部，采用pvd工艺，在压电材料层101上沉积材料为sio2的第一介质层103，并且该第一介质层103覆盖全部电极指107。
[0072]
步骤s17：参考图3的g部，采用cmp(化学机械研磨)工艺研磨所述第一介质层103，从而减薄第一介质层103，减薄后的该第一介质层103厚度为200nm。
[0073]
步骤s18：参考图3的h部，采用pvd工艺，在第一介质层103上沉积材料为sin的第二介质层104作为保护层，并且该第二介质层104的厚度为500nm。
[0074]
步骤s19：参考图3的i部，提供材料为sic并且厚度为10μm的衬底105，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n2气氛中将单晶si衬底吹干。
[0075]
步骤s20：参考图3的j部，采用pvd工艺在衬底105上沉积材料为sio2的第三介质层106，并且该第三介质层106的厚度为200nm，在该第三介质层106的顶面设置定位标识。
[0076]
步骤s21：参考图3的k部，对压电材料层101和第三介质层106的键合面进行cmp抛光处理，通过定位标识，使第三介质层106与压电材料层101对准，在第三介质层106与压电
材料层101对准后，通过夹具将衬底105和第三介质层106的复合层与压电材料层101、第一介质层103以及第二介质层104的复合层移至键合设备中，并将衬底105和第三介质层106的复合层与压电材料层101、第一介质层103以及第二介质层104的复合层进行低温键合，键合温度≤200℃。
[0077]
之后，结束声表面波谐振器的制备。
[0078]
根据上述声表面波谐振器的制造过程制备出一种声表面波谐振器，通过仿真试验可知，在压电材料层的厚度为1.2μm，电极指7的厚度为300nm，电极指7的占空比为0.4时，该声表面波谐振器提高机电耦合系数、降低频率温度系数以及提高q值的效果达到最大。
[0079]
在上述步骤s12中，正性光刻胶102的厚度范围为1μm～2μm，可根据产品设计需求进行调整。
[0080]
在上述步骤s13中，光刻胶槽102a线宽的范围为200～500nm，可根据实际产品需要定义。在光刻过程中一般采用供热板加热方式进行烘烤，图4示出了采用供热板加热方式时设置在热板200上的加热点201的排布方式。参考图4，在烘烤过程中为了保证温度均匀性，需采用供热板加热方式，如图4所示热板200上有大约29个加热点201，并且在热板200上设置有多个传感器对热板200上的各个加热点201进行温度检测，根据检测到的温度对热板200上的排布均匀的加热点201分别独立地进行温度控制。热板200的加热条件可根据实际产品需要定义，热板200温度范围控制在90℃～120℃，加热时间范围控制在1～10分钟，如110℃加热5分钟。通过利用上述的热板进行加热，能保证烘烤时的烘烤温度均匀，从而提高光刻的图形精度和分辨率。
[0081]
在上述步骤s15中，idt金属层的沉积方式也可以采用蒸镀等方式进行。电极指107的厚度d范围可根据产品设计需求进行调整，为了便于idt电极结构厚度的精确控制，将厚度范围设为200nm～500nm。此外，各个电极指107沿y轴方向的长度可以彼此不相等，各个电极指107沿x轴方向的宽度也可以彼此不相等，各个电极指107沿z轴方向的厚度也可以彼此不相等。
[0082]
在上述步骤s16中，也可以采用cvd、或pecvd等工艺，来沉积第一介质层103。利用材料为sio2的第一介质层103能降低频率温度系数。可根据产品设计需求，将该第一介质层103厚度调整在100～500nm的范围内。
[0083]
在上述步骤s18中，也可以采用cvd、或者pecvd等工艺来沉积第二介质层104，可根据产品设计需求，将第二介质层104的厚度调整在500nm～900nm的范围内。
[0084]
在上述步骤s20中，也可以采用cvd、或pecvd等工艺在衬底105上沉积第三介质层106，可根据产品设计需求，可以在150nm～200nm范围内调整该第三介质层106厚度。
[0085]
根据本发明所涉及的声表面波谐振器，包括：衬底；压电层，该压电层形成在衬底上并且压电层的厚度为0.8μm到1.2μm；以及叉指电极，该叉指电极具有多个形成在压电层中的电极指，并且电极指的厚度为300nm到500nm，电极指的宽度和间距之比即占空比为0.4到0.6。通过使压电层的厚度为0.8μm到1.2μm；电极指的厚度为300nm到500nm，电极指的宽度和间距之比即占空比为0.4到0.6，从而能使提高声表面波谐振器的机电耦合系数的效果更好。
[0086]
此外，根据本发明所涉及的声表面波谐振器的制造方法，包括以下工序：形成衬底的工序；在衬底上形成厚度为0.8μm到1.2μm的压电层的工序；在压电层上涂覆光刻胶，并通
过曝光、显影来定义出金属填埋沟的图形的工序；通过蚀刻工艺在压电层上刻蚀出金属填埋沟的工序；在金属填埋沟中形成厚度为300nm到500nm的电极指的工序；去除光刻胶的工序，电极指的宽度和间距之比即占空比为0.4到0.6。通过上述方法制造声表面波谐振器，能使提高声表面波谐振器的机电耦合系数的效果更好。
[0087]
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。
[0088]
工业上的实用性
[0089]
根据本发明的声表面波谐振器以及声表面波谐振器的制造方法，能提供一种声表面波谐振器，其具有高机电耦合系数、低频率温度系数以及高q值。通过将这种声表面波谐振器应用于滤波器等器件，能有利于提高器件的性能。
[0090]
标号说明
[0091]
101 压电材料层
[0092]
102 光刻胶
[0093]
102 光刻胶槽
[0094]
103 第一介质层
[0095]
104 第二介质层
[0096]
105 衬底
[0097]
106 第三介质层
[0098]
107 电极指
[0099]
200 热板
[0100]
201 加热点。