声波谐振器及其设计方法、制造方法

1.本发明的至少一种实施例涉及一种声波谐振器，尤其涉及一种毫米波频率的声波谐振器及其设计方法、制造方法。


背景技术：

2.随着5g/6g时代的来临，移动通信特别是蜂窝电话应用的需求不断增大以及sub-6 ghz（工作频段在6 ghz以下）的频段得到充分分配，不断发展的无线通信需要转向更高的频段（例如5g fr2，工作频段在24.25ghz至52.6ghz之间的毫米波频率）和更宽的带宽以实现更快的数据速率。在5g/6g无线通信系统中，射频前端技术被视为一项关键技术，而射频滤波器作为射频前端的核心部件，其性能的好坏直接决定了通信系统的抗干扰能力和信噪比。因此，如何在更高的频率下实现高性能滤波器将是未来学术界和工业界研究的重要目标。
3.机电耦合系数（k2），作为衡量滤波器、谐振器性能的重要指标之一，高的机电耦合系数能够保证滤波器具有足够大的通带带宽，从而能够实现更大数据量的传输。因此，在超高频段（5g fr2）实现大机电耦合系数的谐振器是实现宽带宽滤波器的关键。


技术实现要素：

4.有鉴于此，本发明提供一种声波谐振器及其设计方法、制造方法，通过旋转欧拉角调整压电层的压电晶体的切向，并且通过旋转欧拉角调整金属电极层形成的横向电场与压电晶体在全局坐标系下的+x轴方向之间的夹角，在上述横向电场的作用下激发出兰姆波反对称高阶振动模态的第三阶反对称模态的声波，使声波谐振器在谐振频率大于20ghz的超高频段实现大于7%的机电耦合系数。
5.作为本发明的一个方面，本发明提供一种声波谐振器，包括：衬底；压电层，形成在衬底上，压电层包括压电晶体，压电晶体的切向为110
°
y切~130
°
y切或者10
°
z切~30
°
z切，压电层适用于在横向电场的作用下激发出兰姆波反对称高阶振动模态的第三阶反对称模态的声波；金属电极层，包括由多个正负金属电极交替排布构成的金属电极阵列，金属电极阵列形成横向电场，通过旋转欧拉角将金属电极层形成在压电层上，使横向电场的方向与压电晶体在全局坐标系下的+x轴方向成-30
°
~+30
°
，其中，+x轴方向表示初始声波的传播方向；其中，压电层激发出兰姆波反对称高阶振动模态的第三阶反对称模态的声波，使声波谐振器在谐振频率大于20ghz的超高频段实现大于7%的机电耦合系数。
6.作为本发明的另一个方面，本发明提供一种声波谐振器的设计方法，适用于设计上述的声波谐振器，包括：调整压电层的切向，确定使压电层在横向电场的作用下激发出兰姆波反对称高阶振动模态的第三阶反对称模态的声波的切向，上述兰姆波反对称高阶振动模态的第三阶反对称模态的声波的谐振频率大于20ghz；调整横向电场的方向与压电层在全局坐标系下的+x轴方向的夹角，确定使声波谐振器在谐振频率大于20ghz的超高频段实现大于7%的机电耦合系数的夹角。
7.作为本发明的又一个方面，本发明提供一种声波谐振器的制造方法，适用于制造上述的声波谐振器，包括：在衬底上形成压电层，通过旋转欧拉角使压电层的压电晶体的切向为110
°ꢀ
y切~130
°ꢀ
y切或者10
°ꢀ
z切~30
°ꢀ
z切，压电层适用于在横向电场的作用下激发出兰姆波反对称高阶振动模态的第三阶反对称模态的声波；通过旋转欧拉角将金属电极层形成在压电层上，使横向电场的方向与压电晶体在全局坐标系下的+x轴方向成-30
°
~+30
°
，其中，金属电极层包括由多个正负金属电极交替排布构成的金属电极阵列，金属电极阵列形成横向电场；在金属电极层上形成掩膜层，刻蚀掩膜层以形成图案化的掩膜层；利用图案化的掩膜层刻蚀压电层；在衬底与压电层之间形成空腔；以及利用缓冲氧化物刻蚀液去除图案化的掩膜层。
8.根据本发明上述实施例提供的声波谐振器，通过旋转欧拉角调整压电层的压电晶体的切向至特定切向（110
°
y切~130
°
y切或者10
°
z切~30
°
z切），并且通过旋转欧拉角调整金属电极层形成的横向电场方向与压电层的+x轴方向之间的夹角至特定角度（-30
°ꢀ
x~+30
°ꢀ
x），在横向电场的作用下在特定传播方向上（-30
°ꢀ
x~+30
°ꢀ
x）激发出兰姆波反对称高阶振动模态的第三阶反对称模态的声波，使声波谐振器在谐振频率大于20ghz的超高频段实现大于7%的机电耦合系数。
附图说明
9.图1为根据本发明实施例的声波谐振器的截面示意图；图2为根据本发明实施例的兰姆波的示意图；图3为根据本发明实施例的金属电极层形成的横向电场的方向实现欧拉角旋转的示意图；图4为根据本发明实施例的声波谐振器的a3振动模态的谐振频率随压电层厚度变化的曲线；图5（a）~5（b）为根据本发明实施例的声波谐振器的横向电场与+x轴方向的夹角在-30
°
~+30
°
范围内的仿真性能图；图6为根据本发明实施例的声波谐振器的制造方法的流程图；图7（a）~7（e）为根据本发明实施例的声波谐振器的制造过程示意图；图8为根据本发明另一实施例的声波谐振器的制造方法的流程图；以及图9（a）~9（f）为根据本发明另一实施例的声波谐振器的制造过程示意图。
10.【附图标记说明】1-衬底；2-释放层；3-压电层；4-金属电极层；5-掩膜层；6-空腔。
具体实施方式
11.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照
附图，对本发明作进一步的详细说明。但是，本发明能够以不同形式实施，而不应当解释为局限于这里提出的实施例。相反地，提供这些实施例将使发明彻底和完全，并且将本发明的范围完全地传递给本领域技术人员。在附图中，为了清楚，层和区的尺寸以及相对尺寸可能被夸大，自始至终相同附图标记表示相同元件。
12.在此使用的术语仅仅是为了描述具体实施例，而并非意在限制本发明。在此使用的术语“包括”、“包含”等表明了所述特征、步骤、操作和/或部件的存在，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、步骤、操作或部件。
13.目前，声波谐振器使用的压电材料主要有锆钛酸铅压电陶瓷（pzt）、氮化铝（aln）、掺钪氮化铝（alscn）、铌酸锂（linbo3/ln）、钽酸锂（litao3/lt）等。其中铌酸锂和钽酸锂具有较大的压电系数（e），能够很好地满足5g/6g频段对于高品质因数（q）和较大机电耦合系数（k2）的需求，所以逐渐成为声波谐振器制造的热门材料。同时，使用不同切向的铌酸锂薄膜和钽酸锂薄膜能够激发出不同的声波模态，为不同频段的滤波器设计提供了更灵活的方案。通过确定压电材料的切向确定声波模态，再通过旋转欧拉角改变声波的传播方向，从而研究声波谐振器的品质因数和机电耦合系数在随传播方向变化的规律，最终得到性能最优的声波谐振器。5g/6g超高频的应用需要声波谐振器基于更薄的压电材料，而基于氮化铝的体声波谐振器（fbar）想要达到5g fr2的频段，则要求压电薄膜的厚度至少达到100nm，这将会大大降低压电薄膜的结晶度，从而影响谐振器的品质因数和机电耦合系数。
14.有鉴于此，为了得到面向5g fr2频段（工作频段大于24 ghz）、宽带宽的声波滤波器，本发明提供一种毫米波频率的声波谐振器及其设计方法、制造方法，使制造得到的声波谐振器在谐振频率大于20ghz的超高频段实现较高的机电耦合系数。
15.图1为根据本发明实施例的声波谐振器的截面示意图。
16.根据本发明的一种示例性实施例，本发明提供一种声波谐振器，参考图1所示，包括：衬底1；压电层3，形成在衬底1上，压电层3包括压电晶体，压电晶体的切向为110
°ꢀ
y切~130
°ꢀ
y切或者10
°ꢀ
z切~30
°ꢀ
z切，压电层3适用于在横向电场的作用下激发出兰姆波反对称高阶振动模态的第三阶反对称模态的声波；金属电极层4，包括由多个正负金属电极交替排布构成的金属电极阵列，金属电极阵列形成横向电场，通过旋转欧拉角将金属电极层4形成在压电层3上，使横向电场的方向与压电晶体在全局坐标系下的+x轴方向成-30
°
~+30
°
，+x轴方向表示初始声波的传播方向；其中，压电层3在横向电场的作用下激发出兰姆波反对称高阶振动模态的第三阶反对称模态的声波，使声波谐振器在谐振频率大于20ghz的超高频段实现大于7%的机电耦合系数。
17.需要说明的是，通过向压电层3施加交替的正负电场，利用压电晶体的逆压电效应，声波谐振器产生声波。
18.根据本发明的实施例，衬底1包括以下之一：硅、玻璃、石英、蓝宝石（al2o3）、氮化镓（gan）、碳化硅（sic）。
19.根据本发明的实施例，压电层3的材料包括以下之一：铌酸锂（ln），钽酸锂（lt），铌酸锂和选自氮化铝、掺钪氮化铝、氧化锌中的一种或多种组成的复合层材料，钽酸锂和选自氮化铝、掺钪氮化铝、氧化锌中的一种或多种组成的复合层材料。根据本发明的实施例，压电层3的厚度为50nm~300nm；例如，压电层3的厚度可以为50nm、100nm、200nm、210nm、220nm、240nm、250nm、270nm、300nm。
20.需要说明的是，压电晶体的切向为110
°ꢀ
y切~130
°ꢀ
y切或者10
°ꢀ
z切~30
°ꢀ
z切，也就是说，压电晶体的切割面的法向方向相对y轴逆时针旋转110
°
~130
°
，或者，压电晶体的切割面的法线方向相对z轴逆时针旋转10
°
~30
°
。
21.图2为根据本发明实施例的兰姆波的示意图。
22.参考图2所示，兰姆波是一种板波，非对称性兰姆波相对于x=0的中性面反对称，即板上下界面上的质点垂直于板的位移大小相等、方向相同。横向方向位移大小相等，方向相反。
23.根据本发明的实施例，兰姆波反对称高阶振动模态包括以下之一：第三阶反对称模态（a3振动模态）、第五阶反对称模态（a5振动模态）、第七阶反对称模态（a7振动模态）。a3振动模态、a5振动模态、a7振动模态的谐振频率不同。a5振动模态、a7振动模态的谐振频率可以满足5g fr2的频段要求，但是无法实现高机电耦合系数。在a3振动模态的谐振频率满足5g fr2的频段要求的情况下，利用a3振动模态来实现满足5g fr2频段的超高频、高机电耦合系数的声波谐振器。a3振动模态是一种压电薄膜振动在厚度方向的3阶反对称剪切体波模态，具有超高的声速。
24.根据本发明的实施例，金属电极层4形成在压电层3的上表面，在其它的实施例中，金属电极层4可以形成在压电层3的上表面和下表面。
25.根据本发明的实施例，金属电极的材料包括以下之一：金、铝、钼、铂、铜、钛金合金、钛铝合金、钛铜合金、铬金合金、铬铝合金、铬铜合金；金属电极的厚度为10nm~100nm；例如，金属电极的厚度可以为10nm、20nm、50nm、80nm、100nm。
26.根据本发明的实施例，金属电极的数量为2~50个；相邻两个金属电极之间的间距为声波的半波长；金属电极的宽度为声波的六分之一波长或者八分之一波长；金属电极的长度为声波的十个波长或者十个半波长。
27.需要说明的是，金属电极为叉指电极，叉指电极为如指状或梳状的面内有周期性图案的电极。
28.图3为根据本发明实施例的金属电极层形成的横向电场的方向实现欧拉角旋转的示意图。
29.参考图3所示，通过旋转欧拉角将金属电极层4形成在压电层3上，使横向电场的方向与压电晶体在全局坐标系下的+x轴方向成-30
°
~+30
°
，也就是说，以+x轴为初始轴，金属电极层形成的横向电场的方向在沿+x轴逆时针旋转30
°
至沿+x轴顺时针旋转30
°
的范围内，+x轴方向表示初始声波的传播方向，初始声波的传播方向表示未调整横向电场的方向形成的声波谐振器产生的声波的传播方向。可以理解的是，本发明中所涉及的x轴、y轴、z轴在压电材料领域中为全局坐标系下指定的轴向方向。
30.根据本发明的实施例，在衬底1上靠近压电层3的一侧形成有空腔6，以释放衬底1与压电层3之间的空间。
31.根据本发明的实施例，上述的声波谐振器还包括释放层2，释放层2形成在衬底1与压电层3之间，适用于形成空腔6，以释放衬底1与压电层3之间的空间，进而避免衬底1与压电层3接触；释放层2包括一层或多层，每层的材料包括以下之一：二氧化硅、氮化硅、铌酸锂、多孔硅；释放层2的厚度为0.1μm~50μm，例如，可以为0.1μm、1μm、10μm、20μm、40μm、50μm。
32.需要说明的是，通过在衬底1和压电层3之间形成空腔6，由于空腔6是空的空间并
且具有接近无穷大的阻抗，形成空腔6可以将压电层3中产生的声波限制在压电层3中，进而减少声波的损失或者损耗。
33.根据本发明的实施例，上述的声波谐振器还包括：温度补偿层，位于金属电极层4的上表面；或者，温度补偿层位于压电层3的下表面；或者，温度补偿层位于压电层3的上表面和下表面。
34.图4为根据本发明实施例的声波谐振器的a3振动模态的谐振频率随压电层厚度变化的曲线。
35.参考图4所示，以铌酸锂薄膜作为压电层3，通过研究a3振动模态的谐振频率和铌酸锂压电薄膜厚度的关系，确定满足5g fr2超高频段要求的铌酸锂压电薄膜的厚度。
36.本发明还提供一种声波谐振器的设计方法，适用于设计上述的声波谐振器，包括：步骤s01~步骤s02。
37.在步骤s01，调整压电层3的切向，确定使压电层3在横向电场的作用下激发出兰姆波反对称高阶振动模态的a3振动模态的声波的切向，上述兰姆波反对称高阶振动模态的a3振动模态的声波的谐振频率大于20ghz。
38.需要说明的是，压电晶体其在各个方向上弹性性能和电学性能都不同，压电晶体的压电系数、介电常数、弹性系数等参数会随着欧拉角的旋转而改变，进而影响利用该压电材料制造的声波谐振器的机电耦合系数（k2）和品质因数（q），因此，通过旋转欧拉角可以在压电层的不同切向下激发出不同的振动模态。
39.根据本发明的实施例，通过旋转欧拉角，选择高压电系数的压电薄膜切向，使压电层在横向电场的作用下激发出兰姆波反对称高阶振动模态的a3振动模态。其中，压电层的不同切向对应的振动模态可根据模拟实验得到。
40.在步骤s02，调整横向电场的方向与压电层3在全局坐标系下的+x轴方向的夹角，确定使声波谐振器在谐振频率大于20ghz的超高频段实现大于7%的机电耦合系数的夹角。
41.根据本发明的实施例，在压电层3上形成金属电极层4，参考图3所示，通过旋转欧拉角，使金属电极层4形成的横向电场的方向与压电层3在全局坐标系下的+x轴方向成任意夹角。例如，选取夹角为0
°
，
±5°
，
±
10
°
，
±
30
°
，
±
60
°
，
±
90
°
，分别形成声波谐振器。基于mbvd（modified butterworth-van dyke）模型采用comsol有限元分析软件分析上述形成的多个声波谐振器的仿真性能。
42.图5（a）~5（b）为根据本发明实施例的声波谐振器的横向电场与+x轴方向的夹角在-30
°
~+30
°
范围内的仿真性能图。
43.参考图5（a）所示，声波谐振器的金属电极层形成的横向电场与+x轴方向的夹角在-30
°
~+30
°
范围内，横向电场激发出兰姆波反对称高阶振动模态的a3振动模态的声波，使声波谐振器在谐振频率为24.43ghz的超高频段实现9.3%的机电耦合系数，机电耦合系数远超过传统aln fbar谐振器，完全满足当前5g、6g频段下滤波器的性能要求。其中，图5（a）中的横坐标表示谐振频率，纵坐标表示导纳。
44.根据本发明的实施例，本发明提供的声波谐振器激发出兰姆波反对称高阶振动模态的a3振动模态的声波，在保证超高频率和高品质因数的情况下，可以有效的提高声波谐振器的机电耦合系数（k2）。
45.参考图5（b）所示，在谐振频率处，相位从+90
°
转变为-90
°
，也就是说，声波谐振器
器件由容性转变为感性。其中，图5（b）中的横坐标表示谐振频率，纵坐标表示相位。
46.图6为根据本发明实施例的声波谐振器的制造方法的流程图。图7（a）~7（e）为根据本发明实施例的声波谐振器的制造过程示意图。
47.本发明还提供一种声波谐振器的制造方法，适用于制造上述的声波谐振器，参考图6及图7（a）~7（e）所示，包括：步骤s11~步骤s16。
48.在步骤s11，在衬底1上形成压电层3，压电层3的切向为110
°
y切~130
°ꢀ
y切或者10
°
z切~30
°
z切，压电层3适用于在横向电场的作用下激发出兰姆波反对称高阶振动模态的a3振动模态的声波。
49.在步骤s12，通过旋转欧拉角将金属电极层4形成在压电层3上，使横向电场的方向与压电晶体在全局坐标系下的+x轴方向成-30
°
~+30
°
，其中，金属电极层4包括由多个正负金属电极交替排布构成的金属电极阵列，金属电极阵列形成横向电场。
50.根据本发明的实施例，在压电层3上形成金属电极层4的方式包括以下至少之一：电子束蒸镀、磁控溅射。
51.在步骤s13，在金属电极层4上形成掩膜层5，刻蚀掩膜层5以形成图案化的掩膜层。
52.根据本发明的实施例，掩膜层5包括光刻胶、氧化硅、氮化硅中的一种或者两种。
53.在步骤s14，利用图案化的掩膜层刻蚀压电层3。
54.根据本发明的实施例，利用图案化的掩膜层刻蚀压电层3的刻蚀方法包括以下至少之一：感应耦合等离子体刻蚀、紫外光刻、电子束光刻。
55.在步骤s15，在衬底1和压电层3之间形成空腔6。
56.根据本发明的实施例，在衬底1和压电层3之间形成空腔6包括：利用氢氧化钾溶液或者四甲基氢氧化铵溶液（tetramethylammonium hydroxide，tmah）对衬底1进行各向同性的干法刻蚀，以在衬底1上靠近压电层3的一侧刻蚀孔洞，进而在衬底1上靠近压电层3的一侧形成空腔6。
57.在步骤s16，利用缓冲氧化物刻蚀液去除上述的图案化的掩膜层。
58.图8为根据本发明另一实施例的声波谐振器的制造方法的流程图。图9（a）~9（f）为根据本发明另一实施例的声波谐振器的制造过程示意图。
59.本发明还提供一种声波谐振器的制造方法，适用于制造上述的声波谐振器，参考图8及图9（a）~9（f）所示，包括：步骤s21~步骤s27。
60.在步骤s21，在衬底1上形成释放层2。
61.在步骤s22，在释放层2上形成压电层3，压电层3的切向为110
°
y切~130
°ꢀ
y切或者10
°
z切~30
°
z切，压电层3适用于在横向电场的作用下激发出兰姆波反对称高阶振动模态的a3振动模态的声波。
62.在步骤s23，通过旋转欧拉角将金属电极层4形成在压电层3上，使横向电场的方向与压电晶体在全局坐标系下的+x轴方向成-30
°
~+30
°
，其中，金属电极层4包括由多个正负金属电极交替排布构成的金属电极阵列，金属电极阵列形成横向电场。
63.在步骤s24，在金属电极层4上形成掩膜层5，刻蚀掩膜层5以形成图案化的掩膜层。
64.在步骤s25，利用图案化的掩膜层刻蚀压电层3。
65.在步骤s26，在衬底1和压电层3之间形成空腔6。
66.根据本发明的实施例，在衬底1与压电层3之间形成空腔6包括：利用缓冲氧化物刻
蚀液释放释放层2，以在衬底1与压电层3之间形成空腔6。
67.在步骤s27，利用缓冲氧化物刻蚀液去除上述的图案化的掩膜层。
68.根据本发明上述实施例提供的声波谐振器，通过旋转欧拉角调整压电层的压电晶体的切向至特定切向（110
°
y切~130
°
y切或者10
°
z切~30
°
z切），并且通过旋转欧拉角调整金属电极层形成的横向电场方向与压电层的+x轴方向之间的夹角至特定角度（-30
°ꢀ
x~+30
°ꢀ
x），在横向电场的作用下在特定传播方向上（-30
°ꢀ
x~+30
°ꢀ
x）激发出兰姆波反对称高阶振动模态的a3振动模态的声波，使声波谐振器在谐振频率大于20ghz的超高频段实现大于7%的机电耦合系数，很好地满足当前5g、6g频段下对于谐振器高频率、高带宽、高机电耦合系数的性能要求。
69.以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。