CN104868873A - 一种多层复合结构声表面波器件基底 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种多层复合结构声表面波器件基底，所述基底包括衬底、用于声表面波器件的电极、氧化物薄膜和压电薄膜，所述衬底、用于声表面波器件的电极和压电薄膜由下至上依次叠加设置，所述用于声表面波器件的电极包括多个间隔设置的金属电极，所述氧化物薄膜填充在相邻金属电极间的沟槽中；所述压电薄膜淀积在平坦的氧化物薄膜顶层表面或电极和填充氧化物薄膜交替间隔组成的平坦表面。与现有技术相比，本发明结构解决了具有埋入式电极的压电薄膜裂纹问题，容易制备并且具有高频、高机电耦合系数以及较好的温度补偿等优点。

Description

一种多层复合结构声表面波器件基底

技术领域

本发明涉及一种基于薄膜技术的声表面波(SAW)器件衬底，尤其是涉及一种多层复合结构声表面波器件基底。

背景技术

声表面波(Surface Acoustics Wave，简称SAW)器件由于其高性能、低损耗、小型化等优点被广泛的用于通信、传感以及致动器等系统中。近年来，随着现代移动无线通信的飞速发展，特别是半导体工艺水平的提高，基于SAW谐振器的双工器和滤波器被大量的生产并应用于移动通信系统，使得无线电通信频带成为一个有限而宝贵的自然资源。新兴的长期演进(Long Term Evolution:LTE)标准的频率范围从几百MHz提高到3GHz，频带宽度从10MHz提高到90MHz，使得通信进入4G时代成为可能。因此，目前的移动通信系统的应用频率越来越高、带宽越来越大，急需高频、高机电耦合系数的声表面波滤波器。而声表面波器件的频率和带宽主要取决于其压电基底的声速和机电耦合系数，因此为了满足需求，目前国内外学者致力于寻找高声速、高机电耦合系数的压电材料和压电基底结构。

在所有材料中，金刚石因具有最高的声速(18000m/s)而成为最理想的衬底材料。虽然金刚石本身不具有压电特性，而压电薄膜结合金刚石衬底的层状结构使之成为可能。对于常规的压电材料，如石英、LiNbO₃、LiTaO₃、ZnO等，声速较低，均低于4000m/s，限制了其在高频应用。近年来，AlN薄膜因具有相对较高的声速和较高的机电耦合系数而备受关注。

经对现有技术的文献检索发现，文献“Low Propagation Loss in a One-Port SAWResonator Fabricated on Single-Crystal Diamond for Super-High-FrequencyApplications(Satoshi Fujii et al.,IEEE Transactions on Ultrasonics,Ferroelectrics,andFrequency Control，vol.60,no.5,May 2013)”报道了基于IDT/AlN/Diamond层状结构的声表面波器件能够获得1.2％的机电耦合系数，且声速高达10000m/s。基于该层状结构的SAW谐振器频率高达5.3GHz，但是其机电耦合系数相对较小，限制了其在宽带滤波器中的应用。而文献“Theoretical investigation of high velocity,temperature compensated Rayleigh waves along AlN/SiC substrates for high sensitivity masssensors(Cinzia Caliendo，Applied Physics Letters 100,021905(2012))”理论研究了基于AlN/SiC基底的4种不同电极配置的声表面波特性，其结果表明在埋入式电极(AlN/IDT/SiC)配置下，具有相对较大的机电耦合系数，且有更好的温度补偿。

此外，文献“High Q Surface Acoustic Wave Resonators in 2-3GHz Range UsingScAIN/Single Crystalline Diamond Structure(Ken-ya Hashimoto et al.,UltrasonicsSymposium(IUS),2012)”提出采用钪掺杂的氮化铝(Sc_xAl_1-xN)薄膜代替AlN薄膜的IDT/Sc_xAl_1-xN/Diamond层状结构，实验表明基于该层状结构的SAW器件其机电耦合系数能够提高到5.48％，这说明采用钪掺杂的氮化铝薄膜能够进一步提高机电耦合系数。

经过现有技术的文献检索和上述文献的对比，我们发现采用埋入式电极结构和钪掺杂的氮化铝薄膜均能进一步的提高基底的机电耦合系数，这为制造更大带宽且温度稳定的SAW器件提供了可能。但是埋入式电极的边缘不连续性会引起氮化铝压电薄膜阶梯覆盖不同步，这将导致压电薄膜产生裂纹。若制作具有该埋入式电极的层状结构，则很难获得高质量、高取向性的氮化铝薄膜。而制备高质量、高取向性的氮化铝薄膜是实现高性能SAW器件的前提，因此，如何实现满足SAW器件要求的具有埋入式电极的高质量氮化铝压电薄膜生长成为了亟待解决的关键问题。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种高频、高机电耦合系数、具有温补效果的多层复合结构声表面波器件基底。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种多层复合结构声表面波器件基底，包括衬底、用于声表面波器件的电极、氧化物薄膜和压电薄膜，所述衬底、用于声表面波器件的电极和压电薄膜由下至上依次叠加设置，所述用于声表面波器件的电极包括多个间隔设置的金属电极，所述氧化物薄膜填充在相邻金属电极间的沟槽中，所述压电薄膜淀积在平坦的氧化物薄膜顶层表面或电极和填充氧化物薄膜交替间隔组成的平坦表面。

所述压电薄膜的材料包括氮化铝AlN或钪掺杂的氮化铝合金薄膜Sc_xAl_1-xN，x为钪金属掺杂所占的比例，0.32≤x≤0.48。

所述氧化物薄膜的材料包括SiO₂、TeO₂、Ta₂O₅或SiOF。

所述衬底的材料包括金刚石、蓝宝石或6H-SiC。

所述金属电极的材料包括Cu、Al、Au、Mo或Pt。

所述压电薄膜的厚度为df，电极厚度为de，氧化物薄膜的厚度为dh，de、dh的关系为：dh≥de。

所述压电薄膜为Sc_xAl_1-xN，基于高机电耦合系数的优化参数：

若衬底为金刚石或6H-SiC，则厚度满足0.4λ≤df≤0.6λ；

若衬底为蓝宝石，则厚度满足0.5λ≤df≤0.6λ，λ为声表面波的波长。

所述衬底为金刚石，压电薄膜为AlN薄膜，基于高温度稳定性的优化参数：

若氧化物薄膜为SiO₂，则厚度满足0.4λ≤df≤0.55λ,0.005λ≤dh≤0.05λ；

若氧化物薄膜为Ta₂O₅，则其厚度满足0.1λ≤df≤0.25λ，0.01λ≤dh≤0.1λ；

若氧化物薄膜为TeO₂，则厚度满足0.85λ≤df≤1λ,0.001λ≤dh≤0.05λ；

若氧化物薄膜为SiOF，则厚度满足0.15λ≤df≤0.3λ，0.015λ≤dh≤0.18λ；λ为声表面波的波长。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

(1)本发明采用SiO₂类氧化物薄膜填充相邻金属电极之间的沟槽中，不仅可以制备高质量、高取向性的Sc_xAl_1-xN压电薄膜，而且具有温补效果；

(2)本发明采用AlN压电薄膜，AlN电薄膜弹性劲度常数的一阶温度系数的符号与常用衬底材料相反，可实现零频率温度系数；

(3)本发明采用钪掺杂的氮化铝(Sc_xAl_1-xN)薄膜结合金刚石衬底的埋入式电极结构能够使进一步将SAW基底的机电耦合系数提高到14.5％，这使得声表面波高频器件的应用于超带宽领域成为可能。

(4)本发明提供的声表面波器件基底具有高声速、高机电耦合系数，基于该基底制作的SAW器件能满足高频率和大带宽移动通信的要求；

(5)本发明基底为多层复合结构，容易制备和批量生产，具有重大的生产实践意义。

附图说明

图1为本发明的结构示意图，其中，(1a)为本发明剖视图，(1b)为本发明间隔电极的设置和沟槽示意图；

图2为本发明在实施例1的不同的归一化Sc_xAl_1-xN膜厚(df/λ)下瑞利波的波速和机电耦合系数曲线；

图3为本发明在实施例1的不同的归一化Sc_xAl_1-xN膜厚(df/λ)、不同的归一化电极厚度(de/λ)下瑞利波的波速和机电耦合系数曲线，其中，(3a)为波速曲线，(3b)为机电耦合系数曲线；

图4为本发明在实施例2的不同的归一化Sc_xAl_1-xN膜厚(df/λ)下瑞利波的波速和机电耦合系数曲线；

图5为本发明在实施例2的不同的归一化Sc_xAl_1-xN膜厚(df/λ)、不同的归一化电极厚度(de/λ)下瑞利波的波速和机电耦合系数曲线，其中，(5a)为波速曲线，(5b)为机电耦合系数曲线；

图6为本发明在实施例3的不同的归一化Sc_xAl_1-xN膜厚(df/λ)下瑞利波的波速和机电耦合系数曲线；

图7为本发明在实施例3的不同的归一化Sc_xAl_1-xN膜厚(df/λ)、不同的归一化电极厚度(de/λ)下瑞利波的波速和机电耦合系数曲线，其中，(7a)为波速曲线，(7b)为机电耦合系数曲线；

图8为本发明在实施例4的不同的归一化Sc_xAl_1-xN膜厚(df/λ)下西沙瓦波的波速和机电耦合系数曲线；

图9为本发明在实施例4的不同的归一化Sc_xAl_1-xN膜厚(df/λ)、不同的归一化电极厚度(de/λ)下西沙瓦波的波速和机电耦合系数曲线，其中，(9a)为波速曲线，(9b)为机电耦合系数曲线；

图10为本发明在实施例5的不同的电极材料、不同的归一化电极厚度(de/λ)下瑞利波的机电耦合系数曲线；

图11为本发明在实施例5的不同的电极材料、不同的归一化电极厚度(de/λ)下西沙瓦波的机电耦合系数曲线。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

实施例1

如图1所示，本实施例提供一种新型高频、高机电耦合系数、具有温补效果的多层复合结构声表面波器件基底，包括衬底10、用于声表面波器件的电极11、氧化物薄膜12和压电薄膜14，衬底厚度为ds，压电薄膜的厚度为df，电极的厚度为de，氧化物薄膜的厚度为dh，声表面波的波长为λ。衬底10、用于声表面波器件的电极11和压电薄膜14由下至上依次叠加设置，用于声表面波器件的电极11包括多个间隔设置的金属电极，氧化物薄膜12填充在相邻金属电极间的沟槽13中(如图(1b)所示)，所述压电薄膜淀积在平坦的氧化物薄膜顶层表面或电极和填充氧化物薄膜交替间隔组成的平坦表面。所述用于声表面波器件的电极11包括叉指电极、反射电极、栅式电极等。

本实施例中，衬底10为金刚石衬底，电极11的材料为Cu，氧化物薄膜12为SiO₂薄膜，压电薄膜14为Sc_xAl_1-xN薄膜，x为钪金属掺杂所占的比例，0.32≤x≤0.48，de、dh满足关系：dh＝de或者dh略大于de10～20纳米。

图2为当de＝0.055λ，时，该声表面波器件的基底在不同的归一化ScxAl1-xN膜厚(df/λ)下一阶瑞利波的波速和机电耦合系数曲线，图中显示该声表面波的波速随着Sc_xAl_1-xN膜厚的增加而单调减小，波速范围为3.5-6.5km/s；而其机电耦合系数随着膜厚的增加，先增加后减小，在df＝0.48λ时，机电耦合系数取值最大：12.5％。

图3为当df＝0.4λ,0.5λ,0.6λ时，该声表面波器件的基底在不同的归一化电极厚度(de/λ)下的瑞利波的波速和机电耦合系数曲线，图中显示波速和机电耦合系数均随着电极厚度增加而减小，在df＝0.4λ,0.5λ,0.6λ时，对应的最大机电耦合系数分别为14.5％，12.5％，11％。

特别说明，对于金刚石衬底10，该结构优化的瑞利波的声表面波特性的参数如下：

当Sc_xAl_1-xN膜厚为0.4λ≤df≤0.6λ，电极厚度0.005λ≤dh≤0.055λ，其机电耦合系数取最大值，约为11％～14.5％，对应的波速范围为4～4.5km/s。

实施例2

本实施例，衬底10的材料替换为蓝宝石，其余同实施例1。

图4为在de＝0.055λ时，该声表面波器件的基底在不同的归一化Sc_xAl_1-xN膜厚(df/λ)下一阶瑞利波的波速和机电耦合系数曲线，图中显示该声表面波的波速随着Sc_xAl_1-xN膜厚的增加而单调减小，波速范围为3～4.8km/s；而其机电耦合系数随着膜厚的增加，先减小后增加再减小，在df＝0.52λ时，机电耦合系数取值最大：9.5％。

图5为当df＝0.4λ,0.5λ,0.6λ时，该声表面波器件的基底在不同的归一化电极厚度(de/λ)下的瑞利波的波速和机电耦合系数曲线，图中显示波速随着电极厚度增加而单调减小，机电耦合系数随着电极厚度增加先增加后减小。在de＝0.02λ，df＝0.6λ时，机电耦合系数取值最大为9.5％。

特别说明，对于蓝宝石衬底10，该结构优化的瑞利波的声表面波特性的参数如下：

当Sc_xAl_1-xN膜厚为0.5λ≤df≤0.6λ，电极厚度0.005λ≤dh≤0.055λ，其机电耦合系数取最大值，约为8％～10％；对应的波速范围为3.7～4km/s。

实施例3

本实施例，衬底10的材料替换为6H-SiC，其余同实施例1。

图6为当de＝0.055λ时，该声表面波器件的基底在不同的归一化Sc_xAl_1-xN膜厚(df/λ)下瑞利波的波速和机电耦合系数曲线，图中显示该声表面波的波速随着Sc_xAl_1-xN膜厚的增加而单调减小，波速范围为3-6.5km/s；而其机电耦合系数随着膜厚的增加，先增加后减小，在df＝0.5λ时，机电耦合系数取值最大：11％。

图7为当df＝0.4λ,0.5λ,0.6λ时，该声表面波器件的基底在不同的归一化电极厚度(de/λ)下的瑞利波的波速和机电耦合系数曲线，图中显示波速随着电极厚度增加而单调减小，机电耦合系数随着电极厚度先增加后减小；df＝0.4λ,0.5λ,0.6λ对应的最大机电耦合系数分别为12％，12.5％，11％。

特别说明，对于6H-SiC衬底10，该结构优化的瑞利波的声表面波特性的参数如下：

当Sc_xAl_1-xN膜厚为0.4λ≤df≤0.6λ，电极厚度0.005λ≤dh≤0.055λ时，其机电耦合系数取最大值，约为10％～12％；波速范围为3.8m/s～4.5km/s。

实施例4

本实施例，同实施例1，提供西沙瓦波的声表面波特性的参数优化。

图8为当de＝0.055λ时，该声表面波器件的基底在不同的归一化Sc_xAl_1-xN膜厚(df/λ)下西沙瓦波的波速和机电耦合系数曲线。图中显示该声表面波的波速随着Sc_xAl_1-xN膜厚的增加而减小，波速范围为5-7.5km/s；而其机电耦合系数随着膜厚的增加，先减小后增加。在df＝0.2λ或1.2λ时，机电耦合系数均取值最大：6％。

图9为当df＝0.2λ、0.3λ、0.4λ，该声表面波器件的基底在不同的归一化电极厚度(de/λ)下的西沙瓦波的波速和机电耦合系数曲线。图中显示波速随着电极厚度增加而单调减小，而其机电耦合系数变化趋势不完全一致。在df＝0.2λ、0.3λ,时，机电耦合系数随着电极厚度增加而减小；当de＝0.01λ，df＝0.2λ、0.3λ时，机电耦合系数均取值最大，分别为10.5％和7％。而在df＝0.4λ时，其机电耦合系数随着电极厚度增加而增加；当de＝0.1λ，df＝0.4λ时，机电耦合系数取值最大，为5％。

特别说明，对于Diamond衬底10，该结构优化的西沙瓦波的声表面波特性的参数如下：

当Sc_xAl_1-xN膜厚为df＝0.2λ、0.3λ时，电极厚度0.005λ≤dh≤0.055λ，其机电耦合系数取最大值，约为10％～11％；波速范围为5～7.5km/s。

实施例5

本实施例，电极11替换为Au,Mo,Al材料，其他同实施例1。

图10为当df＝0.48λ时，该声表面波器件的基底在不同电极材料、不同的归一化电极厚度(de/λ)下的瑞利波的机电耦合系数曲线。图中显示对于不同的电极材料，机电耦合系数均随着电极厚度增加而单调减小。并且在最小电极厚度下，机电耦合系数取得最大值：14.5％。

图11为该声表面波器件的基底在不同电极材料、不同的归一化电极厚度(de/λ)下的西沙瓦波的机电耦合系数曲线，图中显示机电耦合系数随着电极厚度增加而单调减小。并且在最小电极厚度下，西沙瓦波的机电耦合系数取得最大值：10％。

特别说明，对于Diamond衬底10，电极11分别为Cu、Au、Mo、Al不同金属材料，该结构优化的瑞利波的声表面波特性的参数如下：

在0.46λ≤df≤0.5λ，0.005λ≤de≤0.1λ时，其瑞利波的机电耦合系数取值范围为7.7％～14.5％；在0.46λ≤df≤0.5λ，0.005λ≤de≤0.1λ时，其西沙瓦波的机电耦合系数取值范围为1％～10％。

实施例6

本实施例，压电薄膜14替换为AlN薄膜，其余同实施例1。

特别说明，对于Diamond衬底10，AlN压电薄膜14，SiO₂氧化物薄膜12，Cu电极11厚度为0.005λ≤de≤0.01λ，该结构优化的瑞利波在-20℃到100℃温度范围内的温度特性的参数如下：

在0.4λ≤df≤0.55λ，0.02λ≤dh≤0.2λ时，该声表面波器件基底的频率温度系数(TCF)在±10ppm/℃范围以内。

实施例7

本实施例，氧化物薄膜12替换为Ta₂O₅、TeO₂或氟掺杂的二氧化硅SiOF薄膜，其余同实施例1。

特别说明，对于Diamond衬底10，AlN压电薄膜14，Cu电极11厚度为0.005λ≤de≤0.01λ，该结构优化的瑞利波在-20℃到100℃温度范围内的温度特性的参数如下：

对于Ta₂O₅氧化物薄膜12，在0.1λ≤df≤0.25λ，0.01λ≤dh≤0.1λ时，该声表面波器件基底的频率温度系数(TCF)在±8.5ppm/℃范围以内。

对于TeO₂氧化物薄膜12，在0.85λ≤df≤1λ,0.001λ≤dh≤0.05λ时，该声表面波器件基底的频率温度系数(TCF)在±14ppm/℃范围以内。

对于SiOF氧化物薄膜12，在0.15λ≤df≤0.3λ，0.015λ≤dh≤0.18λ时，该声表面波器件基底的频率温度系数(TCF)在±7.8ppm/℃范围以内。

上述结果显示：此结构SAW器件波速高、机电耦合系数高，具有温度补偿效果，基于该基底制作的SAW器件能满足高频率和大带宽移动通信的要求，同时具有较好的温度补偿效果，并且现有的工艺技术能够实现该多层复合结构的制备，具有重大的生产实践意义。

Claims (8)

1.一种多层复合结构声表面波器件基底，其特征在于，包括衬底、用于声表面波器件的电极、氧化物薄膜和压电薄膜，所述衬底、用于声表面波器件的电极和压电薄膜由下至上依次叠加设置，所述用于声表面波器件的电极包括多个间隔设置的金属电极，所述氧化物薄膜填充在相邻金属电极间的沟槽中，所述压电薄膜淀积在平坦的氧化物薄膜顶层表面或电极和填充氧化物薄膜交替间隔组成的平坦表面。

2.根据权利要求1所述的多层复合结构声表面波器件基底，其特征在于，所述压电薄膜的材料包括氮化铝AlN或钪掺杂的氮化铝合金薄膜Sc_xAl_1-xN，x为钪金属掺杂所占的比例，0.32≤x≤0.48。

3.根据权利要求1所述的多层复合结构声表面波器件基底，其特征在于，所述氧化物薄膜的材料包括SiO₂、TeO₂、Ta₂O₅或SiOF。

4.根据权利要求1所述的多层复合结构声表面波器件基底，其特征在于，所述衬底的材料包括金刚石、蓝宝石或6H-SiC。

5.根据权利要求1所述的多层复合结构声表面波器件基底，其特征在于，所述金属电极的材料包括Cu、Al、Au、Mo或Pt。

6.根据权利要求1所述的多层复合结构声表面波器件基底，其特征在于，所述压电薄膜的厚度为df，电极厚度为de，氧化物薄膜的厚度为dh，de、dh的关系为：dh≥de。

7.根据权利要求6所述的多层复合结构声表面波器件基底，其特征在于，所述压电薄膜为Sc_xAl_1-xN，基于高机电耦合系数的优化参数：

若衬底为金刚石或6H-SiC，则厚度满足0.4λ≤df≤0.6λ；

若衬底为蓝宝石，则厚度满足0.5λ≤df≤0.6λ，λ为声表面波的波长。

8.根据权利要求6所述的多层复合结构声表面波器件基底，其特征在于，所述衬底为金刚石，压电薄膜为AlN薄膜，基于高温度稳定性的优化参数：

若氧化物薄膜为SiO₂，则厚度满足0.4λ≤df≤0.55λ，0.005λ≤dh≤0.05λ；

若氧化物薄膜为Ta₂O₅，则其厚度满足0.1λ≤df≤0.25λ，0.01λ≤dh≤0.1λ；

若氧化物薄膜为TeO₂，则厚度满足0.85λ≤df≤1λ,0.001λ≤dh≤0.05λ；

若氧化物薄膜为SiOF，则厚度满足0.15λ≤df≤0.3λ，0.015λ≤dh≤0.18λ；λ为声表面波的波长。