提升Q值及抑制横模的换能器结构及声表面波谐振器的制作方法

提升q值及抑制横模的换能器结构及声表面波谐振器
技术领域
1.本发明涉及声表面波器件技术领域，特别是涉及一种提升声表面波谐振器q值及抑制横模的换能器结构及具有该结构的声表面波谐振器，可用于普通saw滤波器，tc
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saw滤波器，或者利用poi(piezoelectric
‑
on
‑
insulator)晶圆基底的换能器中。


背景技术：

2.声表面波(surface acoustic wave,saw)滤波器的基本结构是在压电基片材料上制作声电换能器，它具有电
‑
声转换损耗低、设计灵活，便于采用半导体工艺大规模生产等优势，在现代通讯系统中得到了广泛应用。与此同时，伴随着当今社会通讯系统及应用场景的复杂程度越来越高，对产品电性能指标的要求也越来越严格。比如要求整机系统能够适应极端严酷的环境，要求移动终端具有更长的待机时间等。这也就对声表滤波器提出了具有更高的q值，更低的损耗，更高的温度稳定性等要求。
3.另外，为了在较宽的温度范围下保持声表面波滤波器频率的温度稳定性，通常需要在芯片叉指换能器(idt)表面覆盖正温度系数的材料，以补偿负温度系数的压电基片所带来的温度漂移，这种为了增强器件温度稳定性发展起来的新型结构即为温补型声表面波滤波器(temperature compensation surface acoustic wave,tc
‑
saw)。然而，tc
‑
saw在激发主要波模的同时，也会产生不需要的横模，这些横模将产生杂散响应，增加saw器件的插入损耗、引起通带内波动、降低设备灵敏度，对声表面波器件性能造成较大的影响。现有一些“横模抑制法”，如改变dummy指(假指)长度从而改变叉指换能器idt火地电极重叠区域长度加权的方法，也可能会影响谐振器的q值，使滤波器损耗增大。所以，如何在提高温度稳定性的同时，降低横向模式对器件性能的影响，还能保持谐振器q值不受影响是目前面临的一大挑战。


技术实现要素：

4.本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题，特别创新地提出了一种提升q值及抑制横模的换能器结构及声表面波谐振器。
5.为了实现本发明的上述目的，根据本发明的第一个方面，本发明提供了一种提升q值及抑制横模的换能器结构，在所述换能器的指条端头设置有n块具有间隔的负载块，所述n为正整数且n≥2；所述n块负载块采用如下结构之一：
6.(一)、所述n块负载块横向设置，当负载块与指条在同一层时，所述n块负载块覆盖指条端头区域且至少在纵向上突出于指条端头之外；当负载块与指条不在同一层时，所述n块负载块覆盖指条端头区域且与指条端头齐平或者至少在纵向上突出于指条端头之外；
7.(二)、所述n块负载块横向设置，当n≥3时，所述n块负载块覆盖指条端头区域且相对指条端头有缩进；
8.(三)、所述n块负载块纵向设置，所述n块负载块覆盖指条端头区域且在纵向和/或横向上突出于指条端头之外；
9.(四)、所述n块负载块纵向设置，所述n块负载块覆盖指条端头区域且位于指条端头范围内；
10.(五)、所述n块负载块倾斜设置或呈曲线状设置，所述n块负载块覆盖指条端头区域且在纵向和/或横向上突出于指条端头之外；
11.(六)、所述n块负载块倾斜设置或呈曲线状设置，所述n块负载块覆盖指条端头区域且位于指条端头范围内。
12.本发明的换能器结构用于普通saw滤波器时，通过在指条末端增加位置不规则的负载块，可以改变指条端头的电容分布，增加了叉指换能器在末端的激励，提高了声表面波在激励、传输和转换过程中的效率，可以明显提高器件的q值，同时能够更好的防止横向模式能量的泄露。
13.将本发明的结构加入到tc
‑
saw或者poi晶圆基底的换能器中，除了具备普通saw中的提高q值的功能，还具有横向模抑制的功能。通过在指条端头增加本发明的位置不规则负载块，在温补层内部对指条的端头进行处理，可以阻断横向模产生。
14.根据本发明的一种优选实施方式，所述换能器中相邻指条上与指条端头对应的部位也设置有n块具有间隔的负载块，所述n块负载块的结构采用本发明的结构(一)至结构(六)之一。
15.在换能器中相邻指条上与指条端头对应的部位设置有n块具有间隔的负载块，从而能够更好地提高q值，抑制横向模式。
16.根据本发明的另一种优选实施方式，所述换能器上设置有假指，假指端头也设置有n块具有间隔的负载块，所述n块负载块的结构采用本发明的结构(一)至结构(六)之一。
17.通过在换能器上设置有假指，在假指端头设置n块具有间隔的负载块，从而提高结构的多样性，通过这种结构设计，更好地提高q值，抑制横向模式。
18.根据本发明的再另一种优选实施方式，相邻指条的负载块连线与指条垂直或者呈一定夹角，所述夹角为锐角或者钝角。
19.根据本发明的再另一种优选实施方式，不同指条上同侧的负载块齐平或者具有纵向偏移距离d
ij
，所述d
ij
为第i指条上j侧的负载块在纵向上偏移平衡位置的距离(定义为指条端头的水平连接直线)，i为指条序号，j为指条上负载块的位置序号，j＝1或者2，分别表示负载块位于idt指条上端头和下端头。
20.d
ij
的引入，会使杂模在端头区域无法形成有效的反射，使所有的声波能量集于主模中，通过这种结构设计，提高了q值，实现了横向模式的抑制。
21.为了实现本发明的上述目的，根据本发明的第二个方面，本发明提供了一种声表面波谐振器，其包括普通saw结构，或者tcsaw结构，或者ihp/poi wafer结构；在所述普通saw结构，tcsaw结构，或ihp/poi wafer设置有本发明的换能器结构。
22.本发明可用于普通saw滤波器，tc
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saw滤波器，或者利用poi晶圆基底的换能器中，应用范围广泛，适用性强。多种结构均可提高q值，实现横向模式得抑制。
23.根据本发明的一种优选实施方式，在换能器两侧的反射栅上的对应位置也设置有负载块，所述负载块的结构采用本发明的结构(一)至结构(六)之一。
24.通过在反射栅上设置该结构，更好地提高q值，实现横向模式抑制的效果。
附图说明
25.图1是本发明一种优选实施方式中负载块结构(一)至结构(六)的示意图，其中，图1(a)为结构(一)的示意图，图1(b)为结构(二)的示意图，图1(c
‑
1)为结构(三)的一种实施例的示意图，图1(c
‑
2)为结构(三)的另一种实施例的示意图，图1(d)为结构(四)的示意图，图1(e
‑
1)为结构(五)的一种实施例的示意图，图1(e
‑
2)为结构(五)的另一种实施例的示意图，图1(f
‑
1)为结构(六)的一种实施例的示意图，图1(f
‑
2)为结构(六)的另一种实施例的示意图；
26.图2是本发明一种优选实施方式中换能器的结构示意图；
27.图3是本发明另一种优选实施方式中换能器的结构示意图；
28.图4是本发明再一种优选实施方式中换能器的结构示意图；
29.图5是本发明一种优选实施方式中真、假指上负载块的设置示意图；
30.图6是本发明一种优选实施方式中声表面波谐振器的剖视示意图；
31.图7是本发明另一种优选实施方式中声表面波谐振器的剖视示意图；
32.图8是本发明一种优选实施方式中声表面波谐振器的负载块的示意图；
33.图9是本发明一种优选实施方式中普通saw谐振器有无负载块的导纳曲线对比图，其中，图9(a)为导纳幅度值对比图；图9(b)为导纳实部对比图；
34.图10是本发明一种优选实施方式中普通saw滤波器有无负载块的通带测试对比图；
35.图11是本发明一种优选实施方式中tc
‑
saw的横模抑制对比示意图。
36.附图标记：1压电基底；2指条金属；3负载块；4温补层；5钝化层。
具体实施方式
37.下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
38.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”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或元件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。
39.在本发明的描述中，除非另有规定和限定，需要说明的是，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是机械连接或电连接，也可以是两个元件内部的连通，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。
40.本发明提供了一种提升q值及抑制横模的换能器结构，具体换能器包括两个汇流条以及与汇流条连接的多个叉指，与不同汇流条连接的叉指交错分布且有间隔，在换能器的两端可设置反射栅。
41.在本实施方式中，在插值换能器的指条端头设置有负载层，即n块具有间隔的负载块，所述n为正整数且n≥2，n块负载块采用如下结构之一：
42.结构(一)：如图1(a)所示，n块负载块横向设置(在本实施方式中，横向是指与叉指指条垂直的方向，纵向是指与叉指指条平行的方向)。具体负载块与指条金属在剖面上可以在同一层，也可以不在同一层；不在同一层时，负载块位于指条金属之上或者位于指条金属之下。当负载块与指条在同一层时，n块负载块覆盖指条端头区域且至少在纵向上突出于指条端头之外，如图1(a)所示；当负载块与指条不在同一层时，n块负载块覆盖指条端头区域且与指条端头齐平或者至少在纵向上突出于指条端头之外。
43.结构(二)：如图1(b)所示，n块负载块横向设置，且n≥3，n块负载块覆盖指条端头区域且相对指条端头在纵向上有缩进。具体n块负载块在横向上可以位于指条端头对应的区域内，也可以超出指条端头对应的区域，在一种优选实施方式中，如图1(b)所示，中间的负载块位于指条端头对应的区域内，两侧的负载块超出了指条端头对应的区域外。在本实施方式中，具体负载块与指条金属可以在同一层，也可以不在同一层；不在同一层时，负载块位于指条金属之上或者位于指条金属之下。
44.结构(三)：如图1(c
‑
1)和图1(c
‑
2)所示，n块负载块纵向设置，如图所示，n块负载块沿指条延伸方向依次设置，n块负载块覆盖指条端头区域且在纵向和/或横向上突出于指条端头之外，具体可只在纵向上突出于指条端头之外，横向上与指条齐平或者小于指条所在区域；也可只在横向上突出于指条端头之外，纵向上与指条齐平或者从指条端头内缩一定距离，如图1(c
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2)所示，或者在纵向和横向上均突出于指条端头之外，如图1(c
‑
1)所示。
45.结构(四)：如图1(d)所示，n块负载块纵向设置，n块负载块覆盖指条端头区域且位于指条端头范围内。
46.结构(五)：如图1(e
‑
1)和图1(e
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2)所示，n块负载块倾斜设置或呈曲线状设置，本发明中负载块呈倾斜设置或者呈曲线状设置，是指负载块的中心点连线相对指条呈倾斜状态还是曲线状态，n块负载块覆盖指条端头区域且在纵向和/或横向上突出于指条端头之外。具体可只在纵向上突出于指条端头之外，横向上与指条齐平或者小于指条所在区域；也可只在横向上突出于指条端头之外，纵向上与指条齐平或者从指条端头内缩一定距离，或者在纵向和横向上均突出于指条端头之外。
47.结构(六)：如图1(f)所示，n块负载块倾斜设置或呈曲线状设置，n块负载块覆盖指条端头区域且位于指条端头范围内。
48.在结构(三)至结构(六)中，具体负载块与指条金属在剖面上可以在同一层(如图6所示)，也可以不在同一层(如图7所示)；不在同一层时，负载块位于指条金属之上或者位于指条金属之下。
49.在本发明的另一种优选实施方式中，换能器中指条中部与相邻指条端头对应的部位也设置有负载块，具体可以但不限于采用现有的金属负载层的结构，优选设置有n块具有间隔的负载块，采用本发明结构(一)至结构(六)之一。
50.图2至图4示出了换能器的几种具体实施例，相邻指条的同侧相邻的负载块中心的连线与指条垂直或者呈一定夹角，所述夹角为锐角或者钝角。如图中所示，不同指条上同侧的负载块齐平或者具有纵向偏移距离d
ij
，所述d
ij
为第i指条上j侧的负载块在纵向上偏移平衡位置的距离，这里平衡位置是指指条端头的横向连线。以图4所示实施例进行举例说明，将与同一汇流条连接的指条的端头相连，标识平衡位置所在的曲线，上侧的负载块具有一个平衡位置，下侧的负载块具有另一个平衡位置，上侧的负载块的平衡位置即图中d
ij
示
意标识中靠下的曲线。指条的序号可从一侧向另一侧顺序编号，以左侧第一指条为例，令i＝1，指条上侧的负载块j＝1，指条下侧的负载块j＝2，d
11
为左侧第1指条上侧的负载块在纵向上偏移平衡位置的距离，d
12
为左侧第1指条下侧的负载块在纵向上偏移平衡位置的距离。d
ij
的取值可以为正值也可以为负值，为正值是指负载块超出了指条端头区域，为负值是指负载块在指条端头区域以内，不同指条上负载块的偏移距离d
ij
可以相同也可以不同或者不完全相同，优选完全不相同。同一指条上的负载块偏移距离d
ij
可以相同也可以不同，优选不相同，更优选的绝对值也不相同。d
ij
的引入，会使杂模在端头区域无法形成有效的反射，使所有的声波能量集于主模中，通过这种结构设计，提高了q值，实现了横向模式的抑制。
51.在本实施方式中，可以在换能器上设置假指，一个汇流条相连的假指与另一个汇流条相连的真指正对设置，假指端头也设置有n块具有间隔的负载块，n块负载块采用本发明的结构(一)至结构(六)之一。
52.如图5所示，在本发明的一种优选实施方式中，真指、假指的端头均设置有2块具有间隔的负载块，采用结构(一)时，g＝(0.2～0.8)f,b＝(0.1～0.45)a,c＝(0.2～0.7)h,d＝(1～10)e,e＝(0.2～0.3)f，其中，a为指条宽度，b为负载块宽度方向上覆盖指条的尺寸，c为负载块宽度方向上位于指条之外的尺寸，b+c为负载块的宽度，d为负载块长度方向上覆盖指条的尺寸，e为负载块长度方向上位于指条之外的尺寸，d+e是负载块的长度，f为真假指的间距，g为真假指上相对负载块的间距，h为相邻真指的间距。采用结构(二)时，真、假指上负载块的位置距离指条端头的距离分别为x1,y1，所述x1∈(0.1p～1p),y1∈(0.1p～1p)，所述p为两个相邻指条的中心距。
53.在本实施方式中，负载层负载块形状可以为但不限于正方形，或长方形，或椭圆形，或圆形，或梯形，优选采用正方形或圆形，便于工艺制作。
54.在本实施方式中，负载层负载块与叉指指条金属层处于同一层或者不同层，负载块的厚度与指条金属厚度相同，或者与指条金属层厚度不同。在同一层时，指条和负载块利用同一工序制作完成，或者采用不同的工序制作完成。当处于不同层时，指条和负载块采用不同的工序制作完成。如图6所示，负载层的负载块3与叉指指条金属2处于同一层，指条金属2和负载块3可以利用同一工序或者采用不同的工序制作完成，负载块3的厚度与指条金属厚度相同，或者与指条金属层厚度不同。当负载块3的厚度与指条金属2厚度相同时，优选采用同一工序制作完成；当负载块3的厚度与指条金属2厚度不相同时，优选采用不同的工序制作完成，可以先制作指条金属2，也可以先制作负载块3金属。当负载层负载块与叉指指条金属层处于同一层时，负载层负载块可以位于叉指指条金属层之上或者之下，如图7所示，负载层3负载块位于叉指指条金属2层之下，此时采用不同的制作工序，先制作负载块，然后制作叉指指条金属。
55.在本实施方式中，负载块为一层金属或多层金属层叠而成，当为多层金属层叠而成时，不同层的材料相同或者不同。
56.在本实施方式中，同一换能器的不同叉指上可以采用同样的负载层结构，或者采用不同的负载层结构，例如，在某一优选实施方式中，部分插值上设置结构(一)，部分插值上设置结构(二)。在另外的优选实施方式中，同一叉指上的负载层结构可以相同也可以不同，例如在指条端头设置结构(一)，在指条中部设置的复杂层为结构(二)，另外，不同指条上的负载块形状和尺寸大小可以相同也可以不相同，同一指条上的负载块的形状和尺寸大
小可以相同也可以不相同。如图8所示，不仅负载块偏离平衡位置的距离d
ij
可以不同，负载块的宽度x
ij
和长度y
ij
也可以不同，提高了设计的多样性，同时可根据具体的性能要求进行灵活设计。具体依据仿真和实测数据可设计负载块的大小，在保证指条不连指短路得情况下，越大越好。特别是当不规则负载块作为tc
‑
saw横向模抑制负载时，具体取值根据建立的有限元模型进行优化取得，也可以通过实际制作谐振器实验获得该优化取值。
57.本发明还提供了一种声表面波谐振器，其包括普通saw结构，或者tcsaw结构，或者ihp/poi wafer结构；在普通saw结构，tcsaw结构，或ihp/poi wafer设置有本发明的换能器结构。如图2至图4所示，在换能器两侧的反射栅上的对应位置也设置有负载块，负载块的结构采用本发明的结构(一)至结构(六)之一。
58.在本发明的一种优选实施方式中，具体的实施过程为：根据设计要求选择合适的压电基底1材料，具体可以为但不限于多种切型的litao3(钽酸锂)、linbo3(铌酸锂)、石英等压电基底材料；通过电子束蒸发，等离子体溅射，磁控溅射等方式在压电材料表面沉积金属膜制作换能器(idt)指条；idt指条金属2可以为但不限于钛，铬，铜，银，铝，铂，钨等或者它们的组合，制作普通saw滤波器器件。
59.为了获得高的温度稳定性，采用pvd(physical vapor deposition，物理气相沉积)磁控溅射法或者电子束蒸镀法在金属上端面生长一层低声速的温补层4，采用cmp(chemical mechanical planarization，化学机械平坦化)处理，使其厚度值最终控制在300
‑
2000nm范围内。该层结构为温度补偿层，其具有正的温度系数，可以但不限于采用二氧化硅、含氟的二氧化硅以及氮化硅类含硅介质膜，补偿压电基片的负温度系数。作为频率精度控制的钝化层5可以是二氧化硅(sio2)和氮化硅(si3n4)等材料，实现tc
‑
saw滤波器器件。
60.在上述普通saw和tc
‑
saw/poi结构的基础上，通过涂胶、曝光、显影、金属沉积、湿法剥离等工艺在idt的指条末端制作位置不规则的负载块3，如图6所示，能有效地阻断换能器中温度补偿层中横向模的传播，防止它们对器件的通带内以及带外抑制处的性能造成严重恶化。负载块材料为金属材料，或金属材料组合，或金属氧化物，或高分子涂敷材料。当负载块与位于指条金属之下或者与指条金属同一层时，负载块优选采用金属材料，金属材料组合，或金属氧化物，优选负载块材料可以是和指条金属相同的金属材料，即钛，铬，铜，银，铝，铂，钨等或者它们的组合，或者氧化铝，ta2o5等。当负载块与位于指条金属之上，可以为金属材料，或金属材料组合，或金属氧化物，或高分子涂敷材料。具体涂敷材料可采用pi材料，涂敷工艺可采用现有的本领域常用涂敷工艺。
61.如图9所示，普通saw有无负载块的导纳曲线对比图，实现代表有负载块，虚线代表没有负载块(该实施方式中负载块采用的金属)，如图9(a)所示，相比于没有负载块的谐振器，本发明的结构具有更好的幅频特性，可见通过优化金属块的大小以及位置，可以显著地提升q值(越尖锐q值越高)，图9(b)中导纳实部在805mhz以上幅值也会更低，说明本发明的结构能够更好的防止横向模式能量的泄露。图10为采用本发明结构制的普通saw滤波器(实线)(通带2110mhz
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2170mhz)和不加该结构(虚线)的实测结果。当不规则负载块采用0.25um2正方形方块时，滤波器顶部损耗减小0.2～0.3db(实线)。
62.将本发明的结构加入到tc
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saw或者poi(piezoelectric
‑
on
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insulator)晶圆基底的换能器中，除了具备普通saw中的提高q值的功能，还具有横向模抑制的功能。横模与换能器的主模传播方式类似，在指条长度方向上同时传播并形成驻波，且整个通频带内可能形
成多个横向模式。通过在指条端头增加本发明的位置不规则负载块，在温补层内部对指条的端头进行处理，可以阻断横向模产生。采用光刻加干法刻蚀的方法可以精准地做出该结构。这样的结构能够提高tc
‑
saw或者poi晶圆基底换能器的q值，具有较好的电性能指标，横模抑制效果明显，且工艺制作也较为稳定成熟。通过有限元模型的分析可知，无横模抑制的普通谐振器，其导纳曲线中将会出现较多的寄生谐振峰(图11中的虚线，本发明中以linbo3材料的tc
‑
saw为例)。而本发明的结构能够有效抑制谐振器及滤波器中由横向模式产生的细波纹，同时能够提升谐振器或者滤波器的q值。图10中黑色实线为本发明的仿真设计结果，实线是有负载块的，虚线是没有加负载块的，幅频特性改善效果非常明显。
63.本发明对换能器中影响电性能的横向模式进行抑制，该结构可以作为各种常见声表滤波器设计中的一种通用结构，利用该结构的谐振器q值高，横模抑制效果好，结构设计简单，工艺制作方便。本发明的多块负载块是通用结构，可以用于普通saw提高q值，同时也可以用于tc
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saw中抑制横模，这种结构设计灵活，工艺方便制作。
64.在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
65.尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。