谐振器和谐振器的制造方法

技术领域

本申请涉及电子器件，尤其涉及谐振器以及谐振器的制造方法。

背景技术

声表面波(SAW：surface acoustic wave)器件是基于压电材料的压电效应，利用压电材料表面的声表面波工作的电子器件，其利用形成于压电材料表面的叉指换能器(IDT：interdigital transducer)(一种金属电极周期结构，其形状如同双手交叉)将电输入信号转换为声表面波，是现今通信设备的关键元器件。

作为声表面波器件之一，声表面波谐振器(以下有时简称为SAW谐振器)大量被应用在信号接收机前端以及双工器和接收滤波器等等。SAW谐振器具有低插入损耗和良好的抑制性能，可实现较宽的带宽和较小的体积。

根据性能，SAW谐振器可分为Normal-SAW(普通SAW)谐振器、TC-SAW(温度补偿型SAW)谐振器以及I.H.P-SAW(超高性能SAW)谐振器等。其中，Normal-SAW是一种覆盖了全部接收端(RX)频段和部分发射端(TX)中低端频段的特定的SAW谐振器，其在通信领域有着广泛的应用。

对于各种SAW谐振器而言，它们的不同类别的性能都可能对其服役情况产生较大的影响，进而影响包含SAW谐振器在内的整个装置乃至整个系统的稳定性、使用寿命等等。一般来说，现有的Normal-SAW的中心频率f

发明内容

随着通信技术的不断进步，对于Normal-SAW谐振器之类的器件的各项性能的要求也不断变得严苛。然而，如上所述的现有的Normal-SAW谐振器无法同时满足与5G通信有关的高频、大带宽、高性能的通信要求。

本发明鉴于上述那样的现有问题而完成，其目的在于，提供一种谐振器及其制造方法，能够获得高频、大带宽、高性能的Normal-SAW谐振器，实现对于大带宽通信来说综合性能优异的谐振器。

在解决上述问题的本发明的一个实施例中，提供了一种谐振器，其特征在于，包括：

衬底；

压电层，该压电层由PMNT材料形成并且形成在所述衬底上；以及

电极，该电极形成在所述压电层上，

其中，所述PMNT材料包括(1-x)Pb(Mg

在本发明的一实施例中，所述谐振器还包括保护层，该保护层形成在所述电极上并且覆盖所述电极。

在本发明的一实施例中，所述保护层由SiO

在本发明的一实施例中，所述保护层的厚度小于200nm。

在本发明的一实施例中，所述电极由Ti、Al、Cu、Au、Pt、Ag、Pd、Cr、Ni或它们的合金、或者这些金属或合金的层叠体形成。

在本发明的一实施例中，所述电极的厚度为30nm～300nm，所述衬底的厚度为300μm～600μm，所述压电层的厚度为0.5λ～2λ，其中，λ是由所述电极激发的声波的波长。

在本发明的一实施例中，所述衬底由SiC、SiN、金刚石和Si中的一种或多种形成。

在解决上述问题的本发明的一个实施例中，提供了一种制造谐振器的制造方法，其特征在于，包括：

将由PMNT材料形成的压电层与衬底在键合温度下进行键合；

在键合完成之后，对所述压电层和所述衬底进行冷却；以及

在所述压电层上沉积电极，

其中，所述PMNT材料包括(1-x)Pb(Mg

在本发明的一实施例中，在上述制造方法中，进一步包括：在所述电极上沉积保护层。

在本发明的一实施例中，在上述制造方法中，所述键合温度小于或等于300℃。

根据本发明，可以得到高频、大带宽、高性能且无杂散的综合性能优异的Normal-SAW谐振器。

附图说明

为了能够详细地理解本发明，可参考实施例得出上文所简要概述的本发明的更具体的描述，一些实施例在附图中示出，为了促进理解，已尽可能使用相同附图标记来标示各图所共有的相同要素。然而，应当注意，附图仅仅示出本发明的典型实施例，并且因此不应视为限制本发明的范围，因为本发明可允许其它等效实施例，在附图中：

图1是本发明所涉及的谐振器的示意图。

图2是表示本发明所涉及的PMNT材料的居里温度随PT浓度的变化的示意图。

图3是表示本发明所涉及的谐振器的机电耦合系数随电极厚度的变化的示意图。

图4是表示本发明所涉及的谐振器的机电耦合系数随衬底厚度的变化的示意图。

图5是表示本发明所涉及的谐振器的机电耦合系数随压电层厚度的变化的示意图。

图6是表示本发明所涉及的谐振器的机电耦合系数随衬底厚度的变化的示意图。

图7是表示本发明所涉及的谐振器的品质因数随电极厚度的变化的示意图。

图8是表示本发明所涉及的谐振器的品质因数随衬底厚度的变化的示意图。

图9是表示本发明所涉及的谐振器的品质因数随压电层厚度的变化的示意图。

图10是表示本发明所涉及的谐振器的品质因数随衬底层厚度的变化的示意图。

图11是表示本发明所涉及的在衬底厚度为450λ、压电层厚度为2λ的情况下的谐振器的导纳的示意图。

图12是表示本发明所涉及的在衬底厚度为450λ、压电层厚度为λ的情况下的谐振器的导纳的示意图。

图13是表示本发明所涉及的在衬底厚度为500λ、压电层厚度为λ的情况下的谐振器的导纳的示意图。

图14是表示本发明所涉及的谐振器的机电耦合系数、品质因数随电极、衬底和压电层的厚度的变化的图表。

图15是本发明所涉及的谐振器的制造工艺的示意图。

图16是本发明所涉及的谐振器的制造工艺的流程图。

图17是本发明所涉及的谐振器的变形例的示意图。

图18是本发明所涉及的谐振器的制造工艺的示意图。

图19是本发明所涉及的谐振器的变形例的制造工艺的流程图。

可以预期的是，本发明的一个实施例中的要素可有利地适用于其它实施例而无需赘述。

具体实施方式

以下通过具体实施例来进行说明，本领域技术人员可由本说明书所公开的内容清楚地了解本发明的其它优点与技术效果。此外，本发明并不限于下述具体实施例，也可通过其它不同的实施例加以施行或应用，并且，对于本说明书中的各项具体内容，可在不背离本发明的精神下进行各种修改与变更。

下面，基于附图对本发明的具体实施例进行详细叙述。所列举的附图仅为简单说明，并非依实际尺寸描绘，未反应出相关结构的实际尺寸，先予叙明。为了便于理解，在各附图中使用了相同的参考标号，以指示附图中共用的相同元素。附图并未依比例绘制并且可为了清晰而被简化。一个实施例的元素及特征可有利地并入其它实施例中，而无须进一步叙述。

申请人发现，铅基复合钙钛矿弛豫铁电单晶(1-x)Pb(Mg

为了提高谐振器的介电性能、压电性能和机电耦合性能等多种特性，在本发明的实施例中，使用PMNT材料制造谐振器。

<实施例1>

以下，参照图1至图14对本发明所涉及的Normal-SAW谐振器进行说明。

首先，使用图1来说明本发明所涉及的Normal-SAW谐振器的结构。

图1是本发明所涉及的Normal-SAW谐振器的示意图。本实施例的Normal-SAW谐振器中，衬底2的材料可以是高声速层材料，优选为SiC、金刚石、Si等。衬底2的厚度可以根据产品设计来进行调整，例如可为300μm～600μm。在衬底2上形成有压电层1。该压电层1的厚度可以根据电极指激发的声波波长λ(作为示例，λ＝1μm)来确定，例如可以为0.5λ～2λ。在本实施例中，压电层1的材料为PMNT单晶，其化学式是(1-x)Pb(Mg

本实施例的谐振器可以作为Normal-SAW谐振器进行使用，也可以根据需要来作为其它类型的SAW谐振器进行使用。

下面，使用图2至图14说明本实施例的谐振器的性能。

图2是本发明所涉及的PMNT材料的居里温度随PT浓度的变化的示意图。如图2所示，PMNT材料在x为0.3～0.35内的情况下存在一个三方-四方的准同型相界(MPB：Morphotropic Phase Boundary)。在x为0.3～0.35的这个范围内，PMNT材料的各个特性出现极端的情况，因而具有优异的介电性能、压电性能等性能。随着x值的不同，PMNT材料的相结构也发生改变：当x小于0.3时，PMNT材料以三方相的形式存在，含71°、109°、180°畴；当x为0.3～0.35时，PMNT材料中多相共存；当x大于0.35时，PMNT材料以四方相的形式存在，含90°和180°畴，存在具有良好的双折射特性。

以下的图3至图14中，使用衬底2的材料为金刚石、压电层1的材料为PMNT并且电极3的材料为Al的谐振器为例进行说明。在图3至图14中，“h金刚石”表示衬底2的厚度，“hPMNT”表示压电层1的厚度，并且“hAl”表示电极3的厚度。

图3是表示本发明所涉及的谐振器的机电耦合系数随电极厚度的变化的示意图。其中，纵坐标表示机电耦合系数K

图4是表示本发明所涉及的谐振器的机电耦合系数随衬底厚度的变化的示意图。其中，纵坐标表示机电耦合系数K

图5是表示本发明所涉及的谐振器的机电耦合系数随压电层厚度的变化的示意图。其中，纵坐标表示机电耦合系数K

图6是表示本发明所涉及的谐振器的机电耦合系数随衬底厚度的变化的示意图。其中，纵坐标表示机电耦合系数K

图7是表示本发明所涉及的谐振器的品质因数随电极厚度的变化的示意图。其中，纵坐标表示机电耦合系数K

图8是表示本发明所涉及的谐振器的品质因数随衬底厚度的变化的示意图。其中，纵坐标表示机电耦合系数K

图9是表示本发明所涉及的谐振器的品质因数随压电层厚度的变化的示意图。其中，纵坐标表示品质因数Q，横坐标表示压电层1的厚度。图9是通过如下方式绘制的：保持谐振器的电极3的厚度为220nm、以及衬底2的厚度为350μm、电极3的占空比η为0.5这些参数不变，令压电层1的厚度在0.5λ～2λ的范围内变化，并针对具有不同厚度的压电层1的谐振器测量和计算品质因数Q以进行绘制。如图9所示，随着压电层1的厚度增加，谐振器的品质因数Q先增加，后减小。当压电层1的厚度为1.5λ时，品质因数Q是较大的，为1139。

图10是表示本发明所涉及的谐振器的品质因数随衬底厚度的变化的示意图。其中，纵坐标表示品质因数Q，横坐标表示衬底2的厚度。图10是通过如下方式绘制的：保持谐振器的电极3的厚度为220nm、电极3的占空比η为0.5、以及压电层1的厚度为2λ这些参数不变，令衬底2的厚度在300μm～600μm的范围内变化，并针对具有不同厚度的衬底2的谐振器测量和计算品质因数Q以进行绘制。如图10所示，随着衬底2的厚度增加，谐振器的品质因数Q以与正弦波相似的形状分布。当衬底2的厚度为400μm时，品质因数Q是较大的，为1255。

图11是表示本发明所涉及的谐振器的衬底厚度为450λ(在图11中，λ＝1μm)的情况下的谐振器的导纳的示意图。其中，纵坐标表示谐振器的导纳，横坐标表示谐振器频率。图11是通过如下方式绘制的：保持谐振器的电极3的厚度为220nm、衬底2的厚度为450μm、压电层1的厚度为2λ、以及电极占空比η为0.5这些参数不变，令谐振器频率变化，并针对不同的谐振器频率来测量和计算导纳以进行绘制。如图11所示，当本实施例的谐振器的电极3的厚度为220nm，压电层1的厚度为2λ，电极占空比η为0.5，并且衬底2的厚度为450μm时，谐振器的谐振频率f

图12是表示本发明所涉及的谐振器的衬底厚度为450λ(在图12中，λ＝1μm)的情况下的谐振器的导纳的示意图。其中，纵坐标表示谐振器的导纳，横坐标表示谐振器频率。图12是通过如下方式绘制的：保持谐振器的电极3的厚度为220nm、衬底2的厚度为450μm、压电层1的厚度为λ、以及电极占空比η为0.5这些参数不变，令谐振器频率变化，并针对不同的谐振器频率来测量和计算导纳以进行绘制。当本实施例的谐振器的电极3的厚度为220nm，压电层1的厚度为λ，电极占空比η为0.5，并且衬底2的厚度为450μm时，谐振器的谐振频率f

图13是表示本发明所涉及的谐振器的衬底厚度为500λ(在图13中，λ＝1μm)的情况下的谐振器的导纳的示意图。其中，纵坐标表示谐振器的导纳，横坐标表示谐振器频率。图13是通过如下方式绘制的：保持谐振器的电极3的厚度为220nm、衬底2的厚度为500μm、压电层1的厚度为λ、以及电极占空比η为0.5这些参数不变，令谐振器频率变化，并针对不同的谐振器频率来测量和计算导纳以进行绘制。当本实施例的谐振器的电极3的厚度为220nm，压电层1的厚度为λ，电极占空比η为0.5，并且衬底2的厚度为450μm时，谐振器的谐振频率f

图14是表示本发明所涉及的谐振器的机电耦合系数、品质因数随电极、衬底和压电层的厚度的变化的图表。从图14可知，在电极厚度为220nm、占空比为0.5、衬底厚度为450μm～500μm、压电层厚度为λ时，K

从以上内容可以知道，对于本实施例中的谐振器：

1.当谐振器的电极厚度、衬底厚度、压电层厚度为以下的表1的数值时，机电耦合系数K

表1

2.当电极3的厚度为220nm、衬底2的厚度为450μm～500μm、压电层1的厚度为λ、且占空比为0.5时，谐振器的机电耦合系数K

3.当电极3的厚度为220nm，衬底2的厚度为350μm，压电层1的厚度为2λ，且占空比为0.5时，谐振器的中心频率f

本发明通过克服了材料的稳定性(包括电学性能(电容)和回波性能的均匀性)不够高、以及器件良率不够高等技术上的困难，成功将PMNT材料应用于Normal-SAW谐振器中。由此，可以获得高频、大带宽、高性能并且无杂散的Normal-SAW谐振器。

<实施例2>

以下，参照图15以及图16对本发明所涉及的谐振器的制造方法进行详细说明。

图15是根据本实施例的谐振器的制造方法的示意图，而图16是根据本实施例的谐振器的制造方法的流程图。

本实施方式的谐振器的制造方法开始于步骤S1601。在该步骤S1601中，如图15中的a所示，可提供衬底22。衬底22的材料可以是高声速层材料，优选为SiC、金刚石、Si等。衬底22的厚度可以根据产品设计来进行调整，优选为300μm～600μm。

接着，在步骤S1602中，可将压电层21通过低温键合与衬底22相结合，如图15中的b所示。作为一个示例，低温键合可以是在对衬底22和压电层21的键合表面进行抛光(诸如化学机械研磨(CMP))之后利用诸如环氧树脂、金属之类的键合材料作为键合层来进行键合的低温键合。在进行低温键合时，例如，键合温度≤300℃。压电层21的材料可以是铅基复合钙钛矿弛豫铁电单晶(1-x)Pb(Mg

然后，在步骤S1603中，在低温键合完成之后，对压电层21和衬底22所形成的结构进行冷却，如图15中的c所示。

之后，在步骤S1604中，如图15中的d所示，通过例如蒸镀、溅射等方法，在压电层21的表面沉积电极23。电极23的占空比(占空比＝电极宽度/(电极宽度+电极间距))可以为0.5。电极23的数量可以根据产品设计来进行调整，例如，电极23的对数优选为1000对。电极23例如可以由Ti、Al、Cu、Au、Pt、Ag、Pd、Cr、Ni等金属或合金、或者这些金属或合金的层叠体构成。电极23的厚度可以为30nm～300nm。电极23的结构可以是单层结构或多层结构。电极23的结构优选为是多层结构。电极23进一步优选为由Ni或Cr所形成的第一层和Pt或Al所形成的第二层这两个金属层层叠形成。

至此，谐振器的最终结构形成，方法结束。

<实施例3>

以下，参照图17对本发明所涉及的谐振器的变形例进行详细说明。

图17是本实施例所涉及的Normal-SAW谐振器的变形例的示意图。本实施例的Normal-SAW谐振器中，与实施例1的结构类似地，衬底32的材料可以是高声速层材料，优选为SiC、金刚石、Si等。衬底32的厚度可以根据产品设计来进行调整，例如可为300μm～600μm。在衬底32上形成有压电层31。该压电层31的厚度可以根据电极指激发的声波波长λ(作为示例，λ＝1μm)来确定，例如可以为0.5λ～2λ。在本实施例中，压电层31的材料为PMNT单晶，其化学式是(1-x)Pb(Mg

本实施例的谐振器与实施例1的谐振器不同之处在于，在电极33和压电层31上形成有保护层34。保护层34的材料可以是氧化物，优选为由SiO

本实施例的谐振器的保护层34可以防止外来的冲击破坏其结构，保护电极33和压电层31。相较于实施例1的谐振器，本实施例的谐振器抗干扰能力、抗挤压能力更强，然而工艺更复杂且成本更高。

本实施例的谐振器可以作为Normal-SAW谐振器进行使用，也可以根据需要来作为其它类型的SAW谐振器进行使用。

<实施例4>

图18是根据本实施例的谐振器的变形例的制造方法的示意图，而图19是根据本实施例的谐振器的变形例的制造方法的流程图。

本实施方式的制造方法开始于步骤S1901。在该步骤S1901中，如图18中的a所示，可提供衬底42。衬底42的材料可以是高声速层材料，优选为SiC、金刚石、Si等。衬底42的厚度可以根据产品设计来进行调整，优选为300μm～600μm。

接着，在步骤S1902中，可将压电层41通过低温键合与衬底42相结合，如图18中的b所示。作为一个示例，低温键合可以是在对衬底42和压电层41的键合表面进行抛光(诸如化学机械研磨(CMP))之后利用诸如环氧树脂、金属之类的键合材料作为键合层来进行键合的低温键合。在进行低温键合时，例如，键合温度≤300℃。压电层41的材料可以是铅基复合钙钛矿弛豫铁电单晶(1-x)Pb(Mg

然后，在步骤S1903中，在低温键合完成之后，对压电层41和衬底42所形成的结构进行冷却，如图18中的c所示。

之后，在步骤S1904中，如图18中的d所示，通过例如蒸镀、溅射等方法，在压电层41的表面沉积电极43。电极43的占空比(占空比η＝电极宽度/(电极宽度+电极间距))可以为0.5。电极43的数量可以根据产品设计来进行调整，例如，电极43的对数优选为1000对。电极43例如可以由Ti、Al、Cu、Au、Pt、Ag、Pd、Cr、Ni等金属或合金、或者这些金属或合金的层叠体构成。电极43的厚度可以为30nm～300nm。电极43的结构可以是单层结构或多层结构。电极43的结构优选为是多层结构。电极43进一步优选为由Ni或Cr所形成的第一层和Pt或Al所形成的第二层这两个金属层层叠形成。

在步骤S1905中，如图18中的e所示，在电极43上通过例如等离子体增强化学气相沉积(PECVD：plasma enhanced chemical vapor deposition)、物理气相沉积(PVD：physical vapor deposition：)、化学气相沉积(CVD：chemical vapor deposition)、金属有机气相沉积(MOCVD：metal organic chemical vapor deposition)等方法，沉积保护层44。保护层44的材料可以是氧化物，优选为SiO

至此，谐振器的最终结构形成，方法结束。

在某些实施例中，上述各实施例中的方法所包括的操作可同时地发生、实质上同时地发生、或以不同于附图所示的次序而发生。

在某些实施例中，上述各实施例中的方法所包括的操作的全部或部分可选地可以由程序来自动执行。在一个示例中，本发明可以被实施作为存储在用于与计算机系统一起使用的计算机可读存储介质上的程序产品。程序产品的(多个)程序包括实施例的功能(包括本文所述的方法)。说明性计算机可读存储介质包括但不限于：(i)不可写存储介质(例如，计算机内的只读存储器装置，诸如可通过CD-ROM机读取的CD-ROM盘、闪存、ROM芯片或任何类型的固态非易失性半导体存储器)，在该不可写存储介质上的信息被永久存储；以及(ii)可写存储介质(例如，盘存储或硬盘驱动或者任何类型的固态随机存取半导体存储器)，在该可写存储介质上存储可变动信息。当实施指示本文所述的方法的功能的计算机可读指令时，这种计算机可读存储介质是本发明的实施例。

以上详细描述了本发明的可选实施方式。但应当理解，在不脱离本发明的广义精神和范围的情况下可以采用各种实施方式及变形。本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思做出诸多修改和变化。因此，凡本领域技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应属于由本发明的权利要求书所确定的保护范围内。