CN110870202A - 包含用于衰减寄生波层的saw谐振器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种SAW谐振器(100)，其至少包括：基底(102)；压电材料层(108)，其布置在基底上；第一衰减层(112)，布置在基底与压电材料层之间，和/或，第二衰减层(114)，当基底包括至少两个不同的层(104、106)时，第二衰减层(114)布置在基底的两个压电层之间；并且其中至少一个衰减层是异质的。
Description
技术领域和现有技术
本发明涉及SAW(“表面声波”)谐振器的领域，特别是用于生产SAW滤波器。
SAW滤波器由LTO(钛酸锂)的固体层产生是已知的。这种滤波器是在LTO的固体基底上制成的，LTO是一种压电材料，在其上布置有一组电极。然而，这种类型的滤波器具有某些缺点，诸如频率上的大量热漂移，这尤其是由于LTO的高热膨胀系数(比硅高8倍)所致。
解决该问题的一种方案是，SAW滤波器不是由LTO的固体基底产生，而是通过在硅基底上直接或者经由介于基底与压电薄层之间的SiO2中间层添加LTO薄层来产生。这种添加机械地约束了LTO，因此限制了LTO的高热膨胀，从而降低了滤波器频率上的热漂移。由于用于SAW滤波器的频带的倍增，这种替代方案提供了满足日益苛刻的需求的可能性。这允许减小所产生的组件的温度漂移，从而使得可以将SAW滤波器的应用扩展到当前使用BAW(“体声波”)技术的装置，该装置天然地具有较低温度漂移。与用于减少温度漂移的其他技术相比，使用添加到例如由硅制成的基底上的压电材料薄层具有不需要额外的温度补偿层的优点，因此不会引起任何质量系数或者电磁耦合系数的降低。
尽管通过在硅基底上添加压电材料层带来了优点，但是仍然可以改进这些滤波器，尤其对于那些使用晶体横截面为Y+42°的LTO作为压电材料的滤波器。实际上，这种材料具有在其热膨胀系数与其获得的电磁耦合之间具有非常好的折衷的优点。但是，在LTO的某些晶体定向上所激发的声波(例如，在移动通讯中大量使用的Y+42°层)是伪表面波，其导致沿基底的表面的波导不完全，其中一部分声能以体积波的形式辐射到基底的深度中。在将LTO薄层添加到硅上的情况下，这些体积波会在各种界面处反射，这会引起在所添加的层中引导的激发模式，并且在谐振器的电响应上形成可见的寄生物。
当压电材料的晶体定向促进伪表面波的激发时，对于LTO以外的压电材料也发现了这个问题。
图1示出了根据频率的SAW谐振器的导纳Y，该SAW谐振器在添加到硅基底上的LiTaO3层上制成，其中SiO2膜用作键合层。在该图1中，附图标记10表示在谐振器的谐振频率下获得的谐振峰，而附图标记12表示寄生频率。
期望的是，获得一种滤波器，其频率响应不包括这些寄生谐振。
发明内容
本发明的目的是提出一种用于抑制或者至少限制或者减小在谐振器的频率响应中存在的寄生声波的解决方案。
为此，本发明提出了一种SAW谐振器，其至少包括：
-基底；
-压电材料层，其布置在所述基底上；
-第一衰减层和/或第二衰减层，第一衰减层布置在所述基底与所述压电材料层之间，当所述基底至少包括单独的两个层时，所述第二衰减层布置在所述基底的所述两个层之间，
并且其中所述衰减层是异质的。
在这种谐振器中，在压电材料层与基底之间的界面和/或当基底至少包括两层不同材料时，在基底层之间的界面由至少一个衰减层代替，该至少一个衰减层能够衰减全部耦合或者部分耦合，全部耦合或者部分耦合在压电材料中生成的表面波和在基底中产生的导模之间，从而在压电材料层中不再激发这些导模。衰减层对应于例如扩散或者吸收至少一部分寄生声波的层。因此，通过存在于压电材料层与基底之间和/或基底的两层之间的一个或多个衰减层来抑制或者至少衰减寄生波。
在该谐振器中，当基底包括N个堆叠层时，其中N≥2，可以具有N-1个衰减层，每个衰减层布置在基底的两个连续层之间。此外，有可能在基底的两个连续层之间布置几个叠加的衰减层。
有利地，一个或多个衰减层的异质性可以使得一个或多个衰减层的组成是异质的。异质组成的层表示在其整个体积上该组成在化学和/或物理上不是同质的或者恒定的材料层。换句话说，异质组成的层对应于在内部具有化学和/或物理差异的材料层。由于在谐振器的层堆叠中存在一个或多个衰减层，因此一个或多个衰减层组成的这种异质性可以使得寄生波至少被衰减，甚至被抑制，该寄生波具有的频率高于谐振器的谐振频率。
可替代地，异质衰减层可以对应于其至少一个面的至少一部分的层，该面包括结构或者粗糙度。换句话说，异质层可以对应于这样的材料层，该材料层在这些面中的至少一个面的至少一部分上具有粗糙度或者结构类型的物理变型。由于在谐振器的层堆叠中存在一个或多个衰减层，因此一个或多个衰减层的一个或多个面的这种异质性可以使得寄生波至少被衰减，甚至被抑制，该寄生波具有的频率高于谐振器的谐振频率。
根据另一替代实施例，一个或多个衰减层的异质性可能是由于该衰减层或者这些衰减层中的异质组成以及一个或多个异质面(即包括结构或者粗糙度)造成的。
每个衰减层可以对应于单个层或者多个层的堆叠。
有利地，压电材料可以包括LTO(LiTaO3)和/或du LNO(LiNbO3)和/或石英(结晶的SiO2)和/或钽酸镧镓(LGT，La3Ga5,5Ta0,5O14)或者硅酸镧镓(LGS，La3Ga5SiO14)或者铌酸镓镧(LGN，La3Ga5,5Nb0,5O14)。
此外，基底可以包括例如硅。当基底包括至少两个单独的层时，这些层中的一层可以包括硅，而另一层可以包括SiO2。可替代地，基底可以包括GaN、du SiC、蓝宝石(Al2O3)或者对应于在绝缘体类型上的硅的基底，诸如SOI类型的基底。
第一衰减层和/或第二衰减层可以包括孔隙和/或空腔和/或掺杂区域和/或至少一个至少部分粗糙或者结构化的面。当第一衰减层和/或第二衰减层包括孔隙和/或空腔和/或掺杂区域时，其组成是异质的。至少一个至少部分结构化的面可以对应于至少一个衰减层的一个或多个主面，并且这些主面与压电材料层和/或与基底接触。
当第一衰减层和/或第二衰减层包括掺杂区域时，所述区域被掺杂而不用于第一衰减层和/或第二衰减层的其余部分。
第一衰减层和第二衰减层中的一个或者每一个可以包括至少两种不同的材料。
当所述第一衰减层和/或所述第二衰减层包括孔隙和/或空腔时，所述第一衰减层和/或所述第二衰减层的所述孔隙和/或所述空腔各自具有大致球形或者圆柱形的形状。但是，完全不同形式的空腔和/或孔隙也是可能的，并且可以在第一和/或第二衰减层中产生。
所述SAW谐振器可以使得：
-所述第一衰减层独立于所述基底和所述压电材料层，或者对应于所述基底和/或所述压电材料层的一部分，和/或
-所述第二衰减层独立于所述基底的所述两个层，或者对应于所述基底的所述两个层中的至少一个层的一部分。
所述第一衰减层和/或所述第二衰减层可以包括SiOC和/或SiOCH和/或多孔硅和/或多孔有机材料和/或多晶硅。
所述谐振器还可以包括电极，其布置在压电材料层上。
所述SAW谐振器可以用于合成SAW滤波器。
SAW谐振器的其他应用也是可能的，例如用在输出至少一个时钟信号的传感器或者电路中。
本发明还涉及一种用于产生SAW谐振器的方法，所述方法至少包括实施以下步骤：
-在基底上产生第一衰减层和/或当所述基底至少包括两个单独的层时，在所述基底的所述两个层之间产生第二衰减层；
-在所述基底上产生压电材料层，或者当所述第一衰减层存在于所述基底上时，在所述第一衰减层上产生压电材料层；以及
其中，所述衰减层是异质的。
产生所述第一衰减层和/或所述第二衰减层包括实施至少一种多孔材料的沉积；和/或通过实施光刻和蚀刻步骤产生空腔；和/或掺杂所述第一衰减层和/或所述第二衰减层的区域；和/或实施在粗糙表面上的材料沉积，形成所述第一衰减层和/或所述第二衰减层；和/或实施在所述第一衰减层和/或所述第二衰减层的至少一个面上形成粗糙度的处理。
附图说明
当阅读实施例的描述时，将更好地理解本发明，这些实施例仅仅是作为示例而非限制，参考附图，其中：
-图1示出了现有技术的SAW滤波器的频率响应；
-图2示出了根据特定实施例的本发明主题的SAW谐振器；
-图3A至图3C示出了本发明主题的SAW谐振器内的异质衰减层的示例实施例；
-图4示出了使用本发明主题的SAW谐振器得到的寄生波的衰减。
-图5A和图5B示出了本发明主题的SAW谐振器的衰减层的替代实施例。
在下文中描述的各个附图的相同、相似或者等同的部分具有相同的附图标记，以便于从一个附图传递到另一附图。
为了使附图更清晰，附图中所示的各个部分未必以统一的比例示出。
必须将各种可能性(替代和实施例)理解为彼此不排斥并且可以组合在一起。
具体实施方式
图2示出了根据特定实施例的SAW谐振器100。
谐振器100由基底102制成。该基底102包括一层或多层材料。在图2所示的示例中，基底102包括固体材料(例如硅)的第一层104以及包括例如SiO2的第二层106。
谐振器100还包括压电材料层108，该压电材料层108布置在基底102上，并且在本文中位于第二层106上。在该特定实施例中，压电材料对应于LTO。可替代地，压电材料可以包括LTO和/或铌酸锂(LNO，LiNbO3)和/或石英(结晶的SiO2)和/或钽酸镧镓(Langatate)(LGT，La3Ga5,5Ta0,5O14)和/或硅酸镧镓(Langasite)(LGS，La3Ga5SiO14)和/或铌酸镓镧(Langanite)(LGN，La3Ga5,5Nb0,5O14)。
谐振器100还包括电极110，电极110对应于谐振器100的输入电极和输出电极，被布置在压电材料层108上。电极110包括一种或几种导电材料，例如金属材料。
谐振器100还包括第一衰减层112，第一衰减层112布置在基底102与压电材料层108之间，即本文中在第二层106与压电材料层108之间。
谐振器100还包括第二衰减层114，第二衰减层114布置在基底102的两个层104、106之间。
在本文中描述的特定实施例中，固体层104具有例如等于几百微米的厚度并且例如对应于在微电子中使用的硅基底的标准厚度的厚度，第二层106的厚度例如在大约0(没有第二层106)与10μm之间，压电材料层108的厚度例如在大约5μm与50μm之间，电极110各自的厚度例如在大约几十纳米与几百个纳米之间，第一衰减层112的厚度例如在大约100nm与10μm之间，而第二衰减层114的厚度例如在约100nm与10μm之间。
衰减层112、114各自具有例如异质组成。因此，衰减层112、114中的每一个在其内部包括物理和/或化学差异。
根据第一实施例，通过在衰减层112、114中的每一个内形成与这些层112、114的其余部分不同掺杂的区域或者区，来获得衰减层112、114的组成的这种异质性。
根据第二实施例，通过利用一种或者多种多孔材料(诸如SiOC和/或SiOCH和/或多孔硅和/或多孔有机材料和/或多晶硅)产生这些层来获得衰减层112、114的组成的这种异质性。根据有利的实施例，衰减层112、114中的至少一个由聚合物层(例如树脂)形成，其对应于高粘弹性材料，并且其中通过形成具有空腔118的基质而在该层中产生局部且规则地分布的孔洞。
图3A示意性地示出了由多孔材料产生的衰减层112、114，在该图中，孔具有附图标记116。
根据第三实施例，衰减层112、114组成的这种异质性是通过在这些层内产生空腔118而获得的。这些空腔118可以形成为穿过层112、114的厚度的至少一部分。图3B示意性地示出了包括这种空腔118的衰减层112、114。这些空腔118例如是通过实施层112、114的光刻和蚀刻步骤而产生的。
根据第四实施例，可替代地或者与衰减层112、114的异质组成相结合，由于一个或多个衰减层112、114的粗糙界面，也可以获得一个或多个衰减层112、114的异质性。
图3C示意性地示出了布置在基底102与压电材料层108之间的衰减层112。
在这种情况下，通过以下方式获得衰减层112的异质性：衰减层112的两个主面(在衰减层112与压电层108之间的界面处，以及在衰减层112与基底102之间的界面处)各自包括结构120或者粗糙度。可替代地，可能仅衰减层112的两个主面的其中之一(有利地，与压电层108形成界面的那个面，因为该面最接近要衰减的寄生波)包括结构120。在图3C中，这些结构120最初在基底102的上表面上产生，然后由于该层在这些结构上的沉积而位于衰减层112的两个面上。
此外，位于基底102的两个层104、106之间的衰减层114还可以包括例如与结构120类似的结构。最后，对于衰减层112、114中的一个或每一个，这些面中的一个或每一个的仅一部分可以被结构化。
衰减层112、114与谐振器100的其他层的紧固可以通过直接键合或者分子键合，或者直接通过将这些层沉积在期望的支撑体(例如层104或者层106)上而获得。
这些使得可能获得异质组成的衰减层112、114或者包括粗糙界面的不同实施例相对于彼此不是独立的。因此，由于存在与这些层112、114的其余部分和/或孔隙116和/或空腔118不同地掺杂的区域，所以衰减层112、114中的一个或两者可以具有异质组成，其中这些各种异质性能够在同一个衰减层内结合在一起，可能带有一个或多个粗糙界面。
此外，第一衰减层112的异质性可以与第二衰减层114的异质性类似或者不同。例如，由于使用至少一种多孔材料来形成第一衰减层112，所以可能获得第一衰减层112的组成的异质性，并且由于在第二衰减层114内产生的空腔，所以可能获得第二衰减层114的组成的异质性。
第一衰减层112和/或第二衰减层114的孔隙116和/或空腔118和/或掺杂区各自具有例如大致球形或者圆柱形(具有多边形或者圆形截面)的形状。此外，孔隙116和/或空腔118有利地填充有空气或者另一种材料。
通常，孔隙116、空腔118和掺杂区的尺寸和形状可以根据寄生声波频率或者旨在被衰减和/或被吸收的频率而改变，以便通过衰减层112、114使寄生波的这种衰减和/或这种吸收最大化。例如，在衰减层112、114内形成的孔隙116和/或空腔118和/或掺杂区的尺寸大约在10nm与10μm之间，这使得可以衰减的寄生声波频率约为1GHz或者例如在0.1GHz与10GHz之间。例如，为了执行吸收约为500MHz的寄生频率，可以产生圆柱形的空腔118，空腔118直径约等于2μm并且高度约在5μm与10μm之间。
通常，当衰减层包括结构或者粗糙度时，这些结构或者粗糙度的图案可以是任何形状，例如是随机的。此外，这些结构或者粗糙度(平行于图3C所示的轴线Z的尺寸)的高度或者幅度例如至少为500nm，以及例如大约在500nm与3μm之间，或者有利地大约在1μm与2μm之间。两种结构之间的距离，即这些结构的重复周期，例如至少约在100nm与10μm之间。在图3C中通过两个相邻结构的两个顶点之间的距离d示出了该周期性。
图4中所示的曲线20对应于不包括任何衰减层的参考SAW谐振器的导纳Y。曲线22对应于当将具有两个粗糙面的衰减层112插入在压电材料层108与基底102之间时获得的导纳Y。这些曲线20和曲线22示出了在这存在这种衰减层112的情况下，寄生波被衰减。在本文描述的示例中，衰减层112在其中有效的频率范围在0与1GHz之间。
此外，当获得填充孔隙116和/或空腔118的空气或者流体(水、氮气等)的声共振效应时，衰减层112、114的有效性得到改进。为此，孔隙116和/或空腔118的尺寸可以约等于在感兴趣的频率下的流体中的声波波长的一半。例如，对于约1GHz的共振，填充有空气的孔隙116可以具有直径大约在100nm与200nm之间。
可替代地，基底102可以包括对应于第一层104的单层材料。在这种情况下，谐振器100包括单个衰减层112，该单个衰减层112布置在压电材料层108与第一层104之间。
根据另一替代，基底102可以包括多于两层的材料。在这种情况下，谐振器100可以包括多于两个的异质组成的衰减层，其中衰减层中的每一层都被布置在基底102的两层之间，或者在压电材料层108与基底102之间，用于这些衰减层之一。
每个衰减层也可能对应于多个不同层的堆叠，该多个不同层包括不同材料和/或异质组成，不同材料和/或异质组成从一层到另一层是不同的。
在上文描述的特定实施例中，衰减层112、114中的每一层对应于基底102和压电材料层108的单独的层。可替代地，衰减层112、114中的至少一层可能对应于基底102和/或压电材料层108的一部分，该部分已经对基底102和/或压电材料层108的性质进行了局部修改。
例如，如在图5A的示意图中所示，经由光刻和蚀刻步骤通过对基底102的上表面(意指布置在压电材料层108的一侧上的表面)进行结构化来形成衰减层112。基底102的结构化上部形成衰减层112，然后例如通过直接键合或者分子键合将压电材料层108紧固在该衰减层112上。在图5B的示意图中，经由光刻和蚀刻步骤通过对压电材料层108的下表面(旨在布置在基底102的一侧上的表面)进行结构化来形成衰减层112。压电材料层108的结构化下部形成衰减层112，该衰减层例如通过直接键合或者分子键合紧固在基底102上。
Claims (10)
1.一种表面声波SAW谐振器(100)，至少包括：
-基底(102)；
-压电材料层(108)，其布置在所述基底(102)上；
-第一衰减层(112)和/或第二衰减层(114)，所述第一衰减层(112)布置在所述基底(102)与所述压电材料层(108)之间，当所述基底(102)至少包括单独的两个层(104、106)时，所述第二衰减层(114)布置在所述基底(102)的所述两个层(104、106)之间；以及
其中，至少一个衰减层(112、114)能够扩散或者吸收至少一部分寄生声波，并且所述至少一个衰减层(112、114)包括被掺杂的区域，所述区域使得所述至少一个衰减层(112、114)是异质的。
2.根据权利要求1所述的SAW谐振器(100)，其中，所述压电材料包括LTO和/或LNO和/或石英和/或钽酸镧镓和/或硅酸镧镓和/或铌酸镓镧。
3.根据前述权利要求之一所述的SAW谐振器(100)，其中，所述区域被掺杂而不同于所述第一衰减层(112)和/或所述第二衰减层(114)的其余部分。
4.根据前述权利要求之一所述的SAW谐振器(100)，其中，所述第一衰减层(112)和/或所述第二衰减层(114)包括孔隙(116)和/或空腔(118)和/或至少一个至少部分粗糙的面。
5.根据权利要求4所述的SAW谐振器(100)，其中，当所述第一衰减层(112)和/或所述第二衰减层(114)包括孔隙(116)和/或空腔(118)时，所述第一衰减层(112)和/或所述第二衰减层(114)的所述孔隙(116)和/或所述空腔(118)各自具有大致球形或者圆柱形的形状。
6.根据前述权利要求之一所述的SAW谐振器(100)，其中：
-所述第一衰减层(112)独立于所述基底(102)和所述压电材料层(108)，或者对应于所述基底(102)和/或所述压电材料层(108)的一部分，和/或
-所述第二衰减层(114)独立于所述基底(102)的所述两个层(104、106)，或者对应于所述基底(102)的所述两个层(104、106)中的至少一个层的一部分。
7.根据前述权利要求之一所述的SAW谐振器(100)，所述第一衰减层(112)和/或所述第二衰减层(114)包括SiOC和/或SiOCH和/或多孔硅和/或多孔有机材料和/或多晶硅。
8.根据前述权利要求之一所述的SAW谐振器(100)，还包括电极(110)，所述电极(110)布置在所述压电材料层(108)上。
9.一种用于产生表面声波SAW谐振器(100)的方法，所述方法包括至少实施以下步骤：
-在基底(102)上产生第一衰减层(112)，和/或，当所述基底(102)至少包括单独的两个层(104、106)时，在所述基底(102)的所述两个层(104、106)之间产生第二衰减层(114)；
-在所述基底(102)上产生压电材料层(108)，或者当所述第一衰减层(112)存在于所述基底(102)上时，在所述第一衰减层(112)上产生所述压电材料层(108)；以及
其中，产生所述第一衰减层(112)和/或所述第二衰减层(114)包括：掺杂所述第一衰减层(112)和/或所述第二衰减层(114)的区域，所述区域使得至少一个衰减层(112、114)是异质的，并且其中所述至少一个衰减层(112、114)能够扩散或者吸收至少一部分寄生声波。
10.根据权利要求9所述的方法，其中，产生所述第一衰减层(112)和/或所述第二衰减层(114)包括：实施至少一种多孔材料的沉积；和/或通过实施光刻和蚀刻步骤产生空腔(118)；和/或实施粗糙表面上的材料沉积，形成所述第一衰减层(112)和/或所述第二衰减层(114)；和/或实施在所述第一衰减层(112)和/或所述第二衰减层(114)的至少一个面上形成粗糙度的处理。
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