声表面波滤波器及其制造方法

技术领域

本发明涉及声表面波滤波器及其制造方法，尤其涉及一种耐强热释电效应的声表面波滤波器及其制造方法。

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，是利用压电材料表面的声表面波进行工作的电子器件，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。随着信息技术的高速发展，声表面波滤波器广泛应用钽酸锂(LiTaO

钽酸锂(简称为LT)衬底的热稳定性好，具有优良的压电性能，是声表面波滤波器最重要的衬底材料之一，因此，目前钽酸锂衬底最广泛的应用是制作声表面波滤波器。然而，钽酸锂衬底自身具有强烈的热释电效应，温度的变化会引起材料表面的放电现象而使器件性能恶化。

现有技术主要从优化钽酸锂晶圆的制造工艺的方向着手解决，如各类黑化工艺，或者直接使用未经处理的钽酸锂衬底。

然而，钽酸锂晶圆的制造工艺中，黑化工艺复杂，工艺条件不易调控，可操作性小。现有技术、例如下述的专利文献1中，黑化工艺通过钽酸锂晶体与金属片堆叠进行，对还原性气体和温度都具有一定的要求，甚至需要对钽酸锂晶体粗糙化处理以获得良好的堆叠效果。这些增加了晶圆的制造成本进一步增加声表面波器件的制造成本，不利于声波的传播，甚至可能产生杂波或能量从衬底泄露而导致器件性能的恶化。

另外，声表面波滤波器在制造或使用过程中，环境温度会发生变化，因钽酸锂材料自身的强热释电效应会使得钽酸锂衬底表面静电聚集甚至发生放电现象，破坏金属电极或引线而使器件性能恶化。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：中国专利申请CN109327200A

发明内容

发明所要解决的技术问题

本发明正是为了解决上述问题而完成的，其目的在于，制备一种高性能的声表面波滤波器，采用离子注入技术在钽酸锂压电晶体中掺杂一定浓度的锂离子或氧化锂以提高氧空位浓度，由此得到一种提高了压电晶体电导率、削弱热释电性质、提升频率温度系数和耐功率性的钽酸锂衬底，并利用掺杂后的钽酸锂衬底制备得到本发明的声表面波滤波器。

用于解决技术问题的技术手段

在本发明的第一方面，提供一种声表面波滤波器，具有：第一衬底层，所述第一衬底层利用由钽酸锂构成的压电晶体来形成，且在所述第一衬底层中利用离子注入技术对所述压电晶体掺杂锂离子或氧化锂来形成掺杂结构；电极层，所述电极层形成在所述第一衬底层的上方，且由叉指电极构成；以及覆盖层，所述覆盖层形成在所述电极层的上方，且覆盖整个所述电极层。

进一步地，在所述第一衬底层的深度方向上局部地形成所述掺杂结构。

进一步地，在所述第一衬底层的深度方向上，所述掺杂结构的深度在5μm以内。

进一步地，在所述第一衬底层的表面方向上局部地形成所述掺杂结构。

进一步地，在所述第一衬底层的表面方向上全部地形成所述掺杂结构。

进一步地，所述覆盖层为保护层、调频层及温度补偿层中的一种或多种的组合。

进一步地，所述电极层由钛、铝、铜、铬、金、铂、银、钯、镍等金属或合金、或者这些金属或合金的层叠体构成，且所述层叠体自上而下分别为钛或镍、以及铝或铂。

进一步地，在所述第一衬底层的下方形成第二衬底层，所述第二衬底层是蓝宝石、尖晶石和碳化硅中的一种或多种的单层或复合层。

在本发明的第二方面，还提供一种声表面波滤波器的制造方法，包括：步骤S1：利用由钽酸锂构成的压电晶体来形成第一衬底层，且在所述第一衬底层中利用离子注入技术对所述压电晶体掺杂锂离子或氧化锂来形成掺杂结构；步骤S2：在所述第一衬底层的上方，形成由叉指电极构成的电极层；以及步骤S3：在所述电极层的上方，形成覆盖整个所述电极层的覆盖层。

进一步地，在所述步骤S1中，在所述第一衬底层的深度方向上局部地形成所述掺杂结构。

进一步地，在所述步骤S1中，在所述第一衬底层的深度方向上，所述掺杂结构的深度在5μm以内。

进一步地，在所述步骤S1中，在所述第一衬底层的表面方向上局部地形成所述掺杂结构。

进一步地，在所述步骤S1中，在所述第一衬底层的表面方向上全部地形成所述掺杂结构。

进一步地，在所述步骤S3中，作为所述覆盖层，形成保护层、调频层及温度补偿层中的一种或多种的组合。

进一步地，在所述步骤S3中，由钛、铝、铜、铬、金、铂、银、钯、镍等金属或合金、或者这些金属或合金的层叠体来构成所述电极层，且所述层叠体自上而下分别为钛或镍、以及铝或铂。

进一步地，进一步包括步骤S4，在所述步骤S4中，在所述第一衬底层的下方形成第二衬底层，所述第二衬底层是蓝宝石、尖晶石和碳化硅中的一种或多种的单层或复合层。

发明效果

本发明通过在钽酸锂衬底中掺杂锂离子或氧化锂以提高氧空位浓度，进一步提高压电晶体电导率，从而削弱热释电效应。

进一步地，本发明通过在钽酸锂衬底中掺杂锂离子或氧化锂来削弱热释电效应，由此，当声表面波器件在大功率条件下工作时，因热释电效应的削弱，环境温度的变化不易使钽酸锂衬底表面积聚静电荷，大大削弱了静电荷对叉指电极的影响，从而提升了耐功率性。

更进一步地，本发明通过在钽酸锂衬底中掺杂锂离子或氧化锂之后，随着温度的升高，Li-O键的拉伸更容易被限制而使得刚度系数有所提升，并降低钽酸锂衬底的温度膨胀系数，最终提升器件的频率温度系数TCF特性。

附图说明

图1是示出了从俯视的视角观察本发明实施方式1所涉及的声表面波滤波器时得到的俯视图。

图2是示出了从X-X方向观察本发明实施方式1所涉及的声表面波滤波器时得到的剖面图。

图3是图2的局部放大图。

图4是示出了在本发明实施方式1所涉及的声表面波滤波器的未掺杂结构101一侧形成了复合衬底105后的结构的图。

图5是示出了从X-X方向观察本发明实施方式2所涉及的声表面波滤波器时得到的局部放大剖面图。

图6是示出了在本发明实施方式1所涉及的声表面波滤波器的表面方向上全部地形成掺杂结构102的工序步骤图。

图7是示出了在本发明实施方式2所涉及的声表面波滤波器的表面方向上局部地形成掺杂结构102的工序步骤图。

图8示出了在中低频段的声表面波滤波器中应用本发明实施方式1所涉及的压电层100时该声表面波滤波器的各项性能指标的图。

图9示出了在高频段的声表面波滤波器中应用本发明实施方式1所涉及的压电层100时该声表面波滤波器的各项性能指标的图。

具体实施方式

对于本发明所涉及的声表面波滤波器及其制造方法，下面通过具体的实施方式，结合附图作进一步具体的说明。而且，下面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。

另外，在下述记载中，对于相同或相似的部分标注相同或相似的附图标号。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。

再者，在本发明的描述中，需要注意的是，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，仅仅是为了便于描述本发明而进行的简化描述，并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一种限制。

[声表面波滤波器1的结构]

实施方式1

下面，详细地说明本发明的实施方式1所涉及的声表面波滤波器的结构。

图1是示出了从俯视的视角观察本发明实施方式1所涉及的声表面波滤波器时得到的俯视图，其中，图1中的俯视图仅示意地示出了声表面波滤波器和/或谐振器结构的一部分，可以是其它Normal-SAW,TC-SAW,IHP-SAW的滤波器和/或谐振器结构(注：谐振器是滤波器的一部分，多个谐振器可以通过电路连接形成滤波器)。图2是示出了从X-X方向观察本发明实施方式1所涉及的声表面波滤波器时得到的剖面图。

如图1所示，声表面波滤波器1包括压电层100和形成在压电层100上的叉指电极103。

如图2所示，在沿着图1的X-X方向观察时，得到了本发明实施方式1所涉及的声表面波滤波器1的剖视结构，该声表面波滤波器1包括压电层100、叉指电极103、以及覆盖层104。

首先，关于压电层100的结构，如图2所示，压电层100利用由钽酸锂构成的压电晶体来形成，且利用离子注入技术对所形成的钽酸锂压电晶体中掺杂锂离子或氧化锂，由此，将压电层100分割地形成为掺杂结构102、以及未掺杂结构101。

具体而言，在该压电层100靠近叉指电极103的一侧，利用离子注入技术，掺杂注入锂离子或氧化锂，由此，如图2所示那样，在压电层100的深度方向上形成掺杂结构102，同时，将压电层100在深度方向上未被掺杂注入锂离子或氧化锂的部分称为未掺杂结构101。

优选地，在上述压电层100的深度方向上，上述掺杂结构102的深度在5μm以内。由于在深度方向上局部地形成掺杂结构102，与全部掺杂工艺相比，局部掺杂工艺简单且成本较低，还具有能够抑制能量从压电层100发生泄露的效果。

另外，如图2所示，在上述压电层100的表面方向上全部地形成上述掺杂结构102。

再者，如上所述，如图2所示，利用离子注入技术对上述压电层100中掺杂锂离子或氧化锂，但是从掺杂效果的角度来看，无论选择锂离子还是氧化锂，都能获得相同的掺杂效果。

其次，关于叉指电极103和覆盖层104的结构，如图1和图2所示，在压电层100上，以如同双手交叉的形状那样形成了叉指电极103，然后，在叉指电极103的上方，以覆盖整个叉指电极103的方式形成了覆盖层104。

另外，关于上述叉指电极103的选材，可以由Ti、Al、Cu、Cr、Au、Pt、Ag、Pd、Ni等金属或合金、或者这些金属或合金的层叠体构成。其中，叉指电极103的电极材料优选层叠体，自下而上第一层为Ti或Ni，第二层为Al或Pt，其目的在于增强叉指电极103与压电层100之间的结合力，由此提高声表面波滤波器1的耐功率性，并获得导电性优良的叉指电极103的层叠体。其中，上述叉指电极103的层叠体厚度为0.1-0.6μm。

另外，关于耐功率性的测试，测试手段具体为，在85℃的条件下，对测试器件施加25dBm的起始功率，以0.5dBm的频长，使每个功率保持5分钟直至测试器件失效。最终测得测试器件耐功率性可达33.17dBm，体现了良好的耐功率性。

另外，关于上述覆盖层104的选材，可以为保护层、调频层及温度补偿层中的一种或多种的组合。其中，上述温度补偿层的频率温度系数即TCF系数可降低至-15～25ppm/℃。而且，上述覆盖层104的材料为SiO

更进一步地，如图4所示，可以在上述声表面波滤波器1的压电层100的未掺杂结构101一侧形成复合衬底105。上述复合衬底105可以是蓝宝石、尖晶石和碳化硅中的一种或多种的单层或复合层。

如上所述，本发明的实施方式1所涉及的声表面波滤波器1具有：压电层100，上述压电层100利用由钽酸锂构成的压电晶体来形成，且在上述压电层100中利用离子注入技术对该压电晶体掺杂锂离子或氧化锂来形成掺杂结构102；叉指电极103，上述叉指电极103形成在上述压电层100的上方；以及覆盖层104，上述覆盖层104形成在上述叉指电极103的上方，且覆盖整个上述叉指电极103。

对于实施方式1的上述结构，图8示出了在中低频段的声表面波滤波器1中应用本发明实施方式1所涉及的压电层100时该声表面波滤波器1的各项性能指标的图。图9示出了在高频段的声表面波滤波器1中应用本发明实施方式1所涉及的压电层100时该声表面波滤波器1的各项性能指标的图。

如图8和图9所示，无论是中低频段的声表面波滤波器1还是高频段的声表面波滤波器1，都具有带内低插损耗、通带平坦、通带两侧陡峭、带外抑制效果好、以及驻波比接近于1的效果，这些都是性能优异的声表面波滤波器所需要具备的优点。

综上所述，由此得到的实施方式1所涉及的具有上述压电层100的声表面滤波器1的可操作性高、工艺相对简单且成本较低，因此，利用这样的声表面滤波器1能够提高氧空位浓度，进一步提高压电晶体电导率，从而削弱热释电效应。进一步地，当声表面波器件在大功率条件下工作时，因热释电效应的削弱，环境温度的变化不易使钽酸锂衬底表面积聚静电荷，大大削弱了静电荷对叉指电极的影响，从而提升了耐功率性。更进一步地，随着温度的升高，Li-O键的拉伸更容易被限制而使得刚度系数有所提升，并降低钽酸锂衬底的温度膨胀系数，最终提升器件的频率温度系数TCF特性。

实施方式2

如上所述，在本发明的实施方式1中，如图2所示，在上述压电层100的表面方向上全部地形成上述掺杂结构102。

与此不同的是，在本发明的实施方式2中，如图5所示，在上述压电层100的表面方向上局部地形成上述掺杂结构102。

同样地，利用离子注入技术对上述压电层100中掺杂锂离子或氧化锂，但是从掺杂效果的角度来看，无论选择锂离子还是氧化锂，都能获得相同的掺杂效果。

而且，与实施方式1相类似的是，根据实施方式2的上述结构，也能得到与图8相类似的中低频段的声表面波滤波器1的各项性能指，同样也能得到与图9相类似的高频段的声表面波滤波器1的各项性能指标。

因此，根据本发明的实施方式2所涉及的声表面波滤波器，如图8和图9所示，无论是中低频段的声表面波滤波器1还是高频段的声表面波滤波器1，都具有带内低插损耗、通带平坦、通带两侧陡峭、带外抑制效果好、以及驻波比接近于1的效果，这些都是性能优异的声表面波滤波器所需要具备的优点。

综上所述，由此得到的实施方式2所涉及的具有上述压电层100的声表面滤波器1的可操作性高、工艺相对简单且成本较低，因此，利用这样的声表面滤波器1能够提高氧空位浓度，进一步提高压电晶体电导率，从而削弱热释电效应。进一步地，当声表面波器件在大功率条件下工作时，因热释电效应的削弱，环境温度的变化不易使钽酸锂衬底表面积聚静电荷，大大削弱了静电荷对叉指电极的影响，从而提升了耐功率性。更进一步地，随着温度的升高，Li-O键的拉伸更容易被限制而使得刚度系数有所提升，并降低钽酸锂衬底的温度膨胀系数，最终提升器件的频率温度系数TCF特性。

[声表面波滤波器的制造方法]

实施方式3

下面，在实施方式3中，详细地说明本发明的实施方式1所涉及的声表面波滤波器的制造方法。

图6是示出了在本发明实施方式1所涉及的声表面波滤波器1的表面方向上全部地形成掺杂结构102的工序步骤图。

首先，如图6(a)所示，利用由钽酸锂构成的压电晶体来形成压电层100，然后准备利用离子注入技术，对上述压电晶体掺杂锂离子或氧化锂。

其次，如图6(b)所示，在压电层100的深度方向上通过掺杂注入锂离子或氧化锂，由此，在压电层100的深度方向上局部地形成掺杂结构102，同时，将压电层100在深度方向上未被掺杂注入锂离子或氧化锂的部分称为未掺杂结构101。

而且，优选地，在上述压电层100的深度方向上，上述掺杂结构102的深度在5μm以内。由于在深度方向上局部地形成掺杂结构102，与全部掺杂工艺相比，局部掺杂工艺简单且成本较低，还具有能够抑制能量从压电层100发生泄露的效果。

接着，如图6(c)所示，在上述压电层100的靠近掺杂结构102一侧，以如同双手交叉的形状那样形成了叉指电极103。

最后，如图6(d)所示，在上述叉指电极103的上方，以覆盖整个叉指电极103的方式形成了覆盖层104。

由此，得到本发明实施方式1所涉及的图2中的表面声波滤波器1的结构。

实施方式4

下面，在实施方式4中，详细地说明本发明的实施方式2所涉及的声表面波滤波器1的制造方法。

图7是示出了在本发明实施方式2所涉及的声表面波滤波器1的表面方向上局部地形成掺杂结构102的工序步骤图。

首先，如图7(a)所示，利用由钽酸锂构成的压电晶体来形成压电层100，然后在上述压电层100的一侧，以隔开一定的间隔的方式利用光刻胶形成图形化掩膜120。

其次，如图7(b)所示，在压电层100的深度方向上，在上述压电层100的未形成上述图形化掩膜12的区域中，掺杂注入锂离子或氧化锂。

接着，如图7(c)所示，如上所述，由于在压电层100的深度方向上掺杂注入锂离子或氧化锂，由此，在压电层100的深度方向上局部地形成掺杂结构102。而且，由于对上述压电层100的未形成上述图形化掩膜120的区域中掺杂注入锂离子或氧化锂，因此，在上述压电层100的表面方向上也局部地形成掺杂结构102。同时，将压电层100在深度方向和表面方向上未被掺杂注入锂离子或氧化锂的部分称为未掺杂结构101。

而且，优选地，在上述压电层100的深度方向上，上述掺杂结构102的深度在5μm以内。由于在深度方向和表面方向上均局部地形成掺杂结构102，与全部掺杂工艺相比，局部掺杂工艺简单且成本较低，还具有能够抑制能量从压电层100发生泄露的效果。

最后，如图7(d)所示，将上述图形化掩膜120去除，由此，形成在深度方向和表面方向上均局部地形成了掺杂结构102的压电层100。

另外，在实施方式4中，对于上述如图7(d)所形成的压电层100分别形成叉指电极103和覆盖层104的步骤，由于与实施方式3相同，因此不再赘述。

由此，得到本发明实施方式2所涉及的图5中的表面声波滤波器1的结构。

虽然本申请记载了各种示例性实施方式和实施例，但是在一个或多个实施方式中记载的各种特征、方式和功能不限于特定实施方式的应用，可以单独地或以各种组合来应用于实施方式。

因此，可以认为未例示的无数变形例也包含在本申请说明书所公开的技术范围内。例如，设为包括对至少一个构成要素进行变形、追加或省略的情况，以及提取至少一个构成要素并与其他实施方式的构成要素进行组合的情况。

工业上的实用性

本发明所涉及的声表面波滤波器及其制造方法能够应用于滤波器领域，具体为Normal-SAW,TC-SAW,IHP-SAW滤波器；各类通讯设备、数据传输设备、视听设备、无线局域网、wifi和定位导航设备等产品。

标号说明

1声表面波滤波器，

100压电层，

101未掺杂结构，

102掺杂结构，

103叉指电极，

104覆盖层，

105复合衬底，

120图形化掩膜。