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CN119341510A - 具有改进的q性能的表面声波器件及其制造方法 - Google Patents

具有改进的q性能的表面声波器件及其制造方法 Download PDF

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CN119341510A CN202410927225.5A CN202410927225A CN119341510A CN 119341510 A CN119341510 A CN 119341510A CN 202410927225 A CN202410927225 A CN 202410927225A CN 119341510 A CN119341510 A CN 119341510A
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木原芳一
李勋龙
李昌泯
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Abstract

提供了一种具有改进的Q性能和粘合单元高可靠性的表面声波(SAW)器件及其制造方法。该表面声波器件包括：支撑基板；高声速层，其形成在支撑基板上；第一低声速层，其形成在高声速层上；第二低声速层，其形成在第一低声速层上；压电板，其形成在第二低声速层上；以及多个I DT电极指，其形成在压电板上，并且第一低声速层的声速和第二低声速层的声速各不相同。

Description

具有改进的Q性能的表面声波器件及其制造方法
技术领域
本发明涉及一种具有改进的Q性能的表面声波(SAW)器件及其制造方法，更具体地说，涉及一种配置有多个低声速层的表面声波(SAW)器件及其制造方法。
背景技术
表面声波(SAW)是指沿弹性固体表面传播的波，该表面声波的能量集中在表面附近传播，相当于机械波。表面声波器件是一种利用表面声波与传导电子之间的相互作用，使用传递到压电晶体表面的表面声波的机电器件。表面声波器件可在包括传感器、振荡器、滤波器等在内的工业应用中具有非常广泛的应用范围，并且可以小型化和轻量化，具有鲁棒性、稳定性、灵敏度、低成本、实时性等多种优点。
作为要求高性能的表面声波器件，为了获得高Q值，如图1所示，已经采用了在压电板130和支撑基板100之间堆叠高声速层110和低声速层120的结构。
非专利文献0001公开了使用图1所示的一个高声速层和一个低声速层将SAW能量限制在距离表面2Lambda以内的结果。专利文献0001公开了一种由一个压电体、一个低声速层、一个高声速层和一个支撑基板构成的表面声波器件，并且通过将压电体的厚度减少到1.5Lambda或更少，可以在低声速层和压电体中捕获表面声波能量。
参照图1，根据现有技术的表面声波器件通过在支撑基板100上形成高声速层110和低声速层120，并粘合低声速层120和压电板130来配置。此时，支撑基板100由单晶硅或蓝宝石制成，高声速层110由aSi、Po lySi、SiN或AlN制成，低声速层120由SiO2制成，压电板130通过粘合单晶LiTaO3(LT)然后将其变薄而制成。在这种结构中，表面声波能量集中在由LT制成的压电板130和由SiO2制成的低声速层120上，可以忽略泄漏到高声速层110或支撑基板100的能量。
通常，很难改变构成压电板130的单晶LiTaO3的粘度。此外，SiO2用于低声速层120，并且其通常由化学气相沉积(CVD，Chemica l Vapor Depos it ion)设备制造，是非晶形的，具有各种晶体结构和孔隙率，并且根据沉积时的条件具有各种粘度。使用物理气相沉积(PVD，Phys ica l Vapor Depos it ion)设备制造低声速层120时，粘度更大。现有结构中低声速层120的高粘度分布存在一个问题，即会恶化表面声波器件的Q性能。
现行技术文献
(专利文件0001)JP5910763B2
(非专利文件0001)新型多层基板上的令人难以置信的高性能SAW谐振器(2016年IEEE国际超声研讨会(I US))
发明内容
因此，本发明在上述问题的基础上提出，其目的是提供一种能够稳定实现高Q值的表面声波器件及其制造方法。
本发明的技术问题不限于上述技术问题，其他未提及的技术问题将由本领域技术人员从以下描述中清楚理解。
为了实现上述目的，根据本发明的一个方面，提供了一种表面声波器件，
包括：支撑基板；第一低声速层，其直接或间接形成在支撑基板上；至少一个第二低声速层，其形成在第一低声速层上；压电板，其形成在第二低声速层上；以及多个IDT电极指，其形成在压电板上，其中，第一低声速层的声速和第二低声速层的声速各不相同。
在本发明的一些实施例中，第一低声速层和第二低声速层可以包括相同的材料。
在本发明的一些实施例中，第一低声速层和第二低声速层可以包括SiO2材料。
在本发明的一些实施例中，第二低声速层的声速可以高于第一低声速层的声速。
在本发明的一些实施例中，第二低声速层的密度可以高于第一低声速层的密度。
在本发明的一些实施例中，第二低声速层的刚度可以高于第一低声速层的刚度。
在本发明的一些实施例中，第二低声速层的氧含量可以高于第一低声速层的氧含量。
在本发明的一些实施例中，表面声波的共振频率可由依IDT电极指间距定义的波长λ决定。
在本发明的一些实施例中，压电板的厚度可以是波长的1.5倍或更少。
在本发明的一些实施例中，第一低声速层可以通过化学气相沉积(CVD)形成，第二低声速层可以通过物理气相沉积(PVD)形成。
在本发明的一些实施例中，表面声波器件可以在第一低声速层和第二低声速层之间进一步包括一个或多个低声速层。
根据本发明的结构改进了的表面声波滤波器器件及其制造方法，可以通过低声速层(第二低声速层)的低粘度改善由于现有结构中低声速层的高粘度导致的Q性能恶化。
本发明的效果不限于上述效果，其他未提及的效果将由本领域技术人员从权利要求的描述中清楚地理解。
附图说明
图1是示出根据现有技术的包括高声速层和低声速层的表面声波器件的图。
图2a和2b是示出根据本发明实施例的包括两个或更多低声速层的表面声波器件的图。
图3a和3b是用于解释根据本发明实施例的表面声波器件的效果的图。
图4至9是用于解释根据本发明实施例的包括两个或更多低声速层的表面声波器件的制造方法的图。
标号说明
100：支撑基板
110：高声速层
120：低声速层
121：第一低声速层
122：第二低声速层
130：压电板
150：IDT电极指
具体实施方式
本发明的优势和特征以及实现这些优势和特征的方法将通过以下详细描述的实施例及其附图清楚地展示。然而，本发明不限于下面披露的实施例，并将以各种不同的形式实现。这些实施例仅用于使本发明的公开完整，并充分告知本领域技术人员本发明的范围，本发明仅由权利要求的范围定义。相同的参照标号在整个说明书中指相同的元素。
“和/或”包括提到的每个项目和所有一个或多个提到的项目的组合。
本说明书中使用的术语旨在描述实施例，而不是限制本发明。在本说明书中，单数形式也包括复数形式，除非在文章中特别指出。本说明书中使用的术语“包括”和/或“包括……的”意味着提到的组件、步骤、操作和/或元素不排除一个或多个其他组件、步骤、操作和/或元素的存在或添加。
除非另有定义，本说明书中使用的所有术语(包括技术和科学术语)可能被用作本领域技术人员通常理解的含义。此外，除非明确和特别定义，否则在常用词典中定义的术语不会被理想化或过度解释。
图2a和2b是示出根据本发明实施例的表面声波器件结构的图。
首先，参照图2a，根据本发明实施例的表面声波器件包括在支撑基板100上形成的高声速层110、第一低声速层121、第二低声速层122、压电板130以及在压电板130上形成的多个IDT电极指150。
参照图2b，根据本发明实施例的表面声波器件包括直接或间接形成在支撑基板100上的第一低声速层121、第二低声速层122、压电板130以及在压电板130上形成的多个IDT电极指150。
支撑基板100的横波声速可以高于压电板130的横波声速，高声速层110的横波声速也可以高于压电板130的横波声速。
支撑基板100可以包括，例如，硅基板、蓝宝石基板、碳化硅(SiC)基板、石英基板、玻璃基板等。
高声速层110可以在支撑基板100上形成。高声速层110可以包括，例如，非晶硅(a-Si)、多晶硅(Po lySi)、氮化硅(SiN)、氮氧化硅(SiON)、氮化铝(AlN)、氮化硼(BN)、金刚石等。
第一低声速层121和第二低声速层122可以在支撑基板100或高声速层110上形成。通过第一低声速层121传播的横波的声速可能与通过第二低声速层122传播的横波的声速不同。
具体来说，第二低声速层122的声速可能高于第一低声速层121的声速。
第二低声速层122的横波声速可能低于压电板130的横波声速，第一低声速层121的声速可能不同于第二低声速层122的声速。为了使第一低声速层121和第二低声速层122具有不同的声速，例如，第二低声速层122的密度可能高于第一低声速层121的密度。或者，第二低声速层122的刚度可能高于第一低声速层121的刚度。
同时，第一低声速层121和第二低声速层122可以包含相同的材料，例如，尽管都包含相同的SiO2，但通过增加第二低声速层122的氧O含量，可以进一步提高第二低声速层122的声速。在本发明的一些实施例中，第二低声速层122也可以包含氩Ar。
在本发明的一些实施例中，第一低声速层121和第二低声速层122的沉积可以在不同的过程中进行，具体来说，第一低声速层121可以通过化学气相沉积(CVD)沉积，第二低声速层122可以通过PVD沉积。当第二低声速层122通过物理气相沉积(PVD)沉积时，与通过CVD沉积的第一低声速层121相比，其声速和密度可能更高，而粘度可能更低。通过这种方式，可以形成声速高于第一低声速层121的第二低声速层122。
压电板130可以包括一个压电元件，并从施加到IDT电极指150的信号中产生弹性波，并且可以包括如LiTaO3(LT)和LiNbO3(LN)等材料。
表面声波的谐振频率可能由依IDT电极指150的间距定义的波长λ决定。此时，压电板130可以制造成厚度等于或小于波长λ。
图3a和3b是用于解释根据本发明实施例的表面声波器件效果的图。
参照图3a，示出一张图表，对比显示了根据现有技术使用CVD设备沉积单层低声速层的表面声波器件的导纳和Q特性，以及使用PVD设备沉积单层低声速层的表面声波器件的导纳和Q特性。红色图表显示了包括由CVD沉积的低声速层的表面声波器件的导纳和Q特性，黑色图表显示了使用PVD设备沉积低声速层的表面声波器件的导纳和Q特性。在比较示例中，压电板使用LiTaO3，低声速层使用SiO2，高声速层使用多晶硅，支撑基板使用Si。当将每层的厚度标准化为表面声波器件IDT电极的功率时，压电板为0.3l ambda，低声速层为0.2lambda，高声速层为0.2l ambda。
由于使用PVD设备沉积的低声速层的声速高于使用CVD设备沉积的低声速层，因此包括使用PVD设备沉积的低声速层的表面声波器件的谐振频率高于包括使用CVD设备沉积的低声速层的表面声波器件的谐振频率。此外，由于PVD沉积的低声速层具有高密度和一些缺陷，Q特性也可能得到改善。然而，PVD设备由于其结构存在附着在膜沉积腔室上的SiO2被剥离时产生颗粒的缺陷，虽然通过清洁腔室进行管理，但生成约1000个尺寸为0.2μm的颗粒是实际的下限。在沉积过程中产生的颗粒包含在器件的堆叠结构中，并产生空洞缺陷或晶圆键合缺陷，这些缺陷在涉及加热的可靠性测试中很可能增加。
此外，由于需要为了清洁而释放真空设备的真空，然后打开腔室并物理移除沉积的SiO2，因此尽量减少大规模生产期间的工作频率以降低制造成本是优选的。
另一方面，CVD设备可以在每次沉积完成后使用气体清洁腔室内部，并大大减少由颗粒或晶圆键合缺陷产生的缺陷的发生频率。然而，由于CVD沉积的低声速层的密度低，可能存在声速低和损耗高的缺陷。
因此，为了解决缺陷问题，根据本发明实施例的表面声波器件可能在压电板130附近形成第二低声速层122，其与第一低声速层121相比具有相对较高的密度和声速，并且从本发明的器件测得的导纳特性和Q特性如图3b所示。
参照图3b，从包括第一低声速层121和第二低声速层122的本发明的表面声波器件测得的导纳和Q特性用红色图表显示，黑色图表则显示了图3a中也示出的包括由CVD沉积的单层低声速层的情况的特性。图3b中的器件具体包括由CVD沉积的第一低声速层121和由PVD沉积并具有相对高于第一低声速层121的速度的第二低声速层122，通过这种方式，可以确认谐振频率的增加和Q值的改善。
除了上述改善谐振频率和Q值的效果外，由于第一低声速层121和第二低声速层122的双层低声速层结构(特别是包含SiO2)，可以通过采用第一低声速层121和第二低声速层122的键合结构，而不是具有低键合强度的压电板130的LiTaO3和低声速层的SiO2之间的键合结构，来改善键合强度并增强表面声波器件的可靠性。
图4至9是用于解释根据本发明实施例的包括两个或更多的低声速层的表面声波器件的制造方法的图。并解释了与传统结构相比的改进效果。
参照图4，准备由Si制成的支撑基板100。支撑基板100可以包括硅基板，也可以包括蓝宝石或石英基板。
参照图5，在支撑基板100上沉积高声速层110。沉积高声速层110可以包括，例如，使用CVD设备等形成多晶硅，在一些实施例中，除了多晶硅之外，高声速层110也可以由非晶硅(aSi)、SiN、AlN、BN、金刚石等制成。
参照图6，在高声速层110上形成第一低声速层121。形成第一低声速层121可以包括，例如，使用CVD设备沉积SiO2。如图3b所示，当未沉积高声速层110时，第一低声速层121在支撑基板100上形成。
CVD设备可以比溅射设备更容易地增加沉积速率并降低晶圆制造成本。
在本发明的一些实施例中，第一低声速层121的表面可以使用化学机械抛光(CMP，Chemica l Mechan ica l Po l i sh ing)、离子铣削等进行抛光，以降低表面粗糙度，便于晶圆键合。
参照图7，准备含有单晶LT或LN的压电板130。
参照图8，在压电板130的一侧形成第二低声速层122。形成第二低声速层122可以包括，例如，使用溅射设备利用与第一低声速层121相同的SiO2沉积薄膜。当然，这里，第二低声速层122可以形成，如上所述，具有与第一低声速层121不同的物理属性，以便具有与第一低声速层121不同的声速。
同时，在本发明的一些实施例中，第二低声速层122可以通过在压电板130的一侧通过溅射过程沉积SiO2来形成。由于LiTaO3的热电性和居里温度，在高温下进行CVD沉积是困难的，沉积主要在约250℃至400℃的温度下进行。在低温沉积的情况下，生产率高，SiO2的密度低，粘度高。因此，当CVD设备沉积第二低声速层122时，优选薄薄地沉积第二低声速层122。
此外，使用溅射设备沉积的第二低声速层122的声速可能高于使用CVD设备沉积的第一低声速层121的声速，而粘度可能更低。根据图1的现有技术结构，由于低声速层120是使用CVD设备形成的，与具有高粘度的情况相比，本实施例中第二低声速层的低粘度可以防止Q性能恶化。
同时，虽然在本发明实施例的表面声波器件中描述了诸如第一低声速层121和第二低声速层122的两个低声速层的情况，但即使包括三个或更多的低声速层，即在第一低声速层121和第二低声速层122之间包括一个或多个低声速层，效果也可能相同。
在本发明的一些实施例中，第二低声速层122的表面可以使用CMP、离子铣削等进行抛光，以降低表面粗糙度，便于晶圆键合。
参照图9，第一低声速层121和第二低声速层122被键合。在本发明的一些实施例中，键合工艺后压电板130的厚度可以设置为传播到压电板的表面声波的1.5波长或更少。
虽然上述参考附图描述了本发明的实施例，但本领域技术人员可以理解，本发明可以在不改变技术精神或基本特征的情况下以其他具体形式实现。因此，上述描述的实施例应被理解为在所有方面都是说明性的，而不是限制性的。

Claims (11)

1.一种表面声波器件，其特征在于，包括：
支撑基板；
第一低声速层，其直接或间接形成在支撑基板上；
至少一个第二低声速层，其形成在第一低声速层上；
压电板，其形成在第二低声速层上；以及
多个IDT电极指，其形成在压电板上，
其中，第一低声速层的声速和第二低声速层的声速各不相同。
2.根据权利要求1所述的表面声波器件，其特征在于，
第一低声速层和第二低声速层包括相同的材料。
3.根据权利要求2所述的表面声波器件，其特征在于，
第一低声速层和第二低声速层包括SiO2材料。
4.根据权利要求1所述的表面声波器件，其特征在于，
第二低声速层的声速高于第一低声速层的声速。
5.根据权利要求1所述的表面声波器件，其特征在于，
第二低声速层的密度高于第一低声速层的密度。
6.根据权利要求1所述的表面声波器件，其特征在于，
第二低声速层的刚度高于第一低声速层的刚度。
7.根据权利要求1所述的表面声波器件，其特征在于，
第二低声速层的氧含量高于第一低声速层的氧含量。
8.根据权利要求1所述的表面声波器件，其特征在于，
表面声波的共振频率由依IDT电极指间距定义的波长λ决定。
9.根据权利要求8所述的表面声波器件，其特征在于，
压电板的厚度是波长的1.5倍或更少。
10.根据权利要求1所述的表面声波器件，其特征在于，
第一低声速层通过化学气相沉积(CVD)形成，第二低声速层通过物理气相沉积(PVD)形成。
11.根据权利要求1所述的表面声波器件，其特征在于，
在第一低声速层和第二低声速层之间进一步包括一个或多个低声速层。
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