1.本发明涉及微电子器件领域，特别涉及一种声波谐振器及滤波器。
背景技术：2.现代通讯行业对信号质量的要求越来越高以及对通信频谱资源的争夺越演越烈。越来越拥挤的频段要求滤波器在通带外具有足够的带外抑制以免和其他频段发生冲突，然而，当组成滤波器的谐振器中存在目标模式以外的杂散模式时，在目标模式带外将会出现额外的通带。在特定切型的压电晶体中，由于其复杂的压电系数及刚度系数分量，当一种声波模式作为目标模式时，往往伴随有其他模式作为杂散模式存在。根据杂散模式的频散特性，挑选合适的声波谐振器几何结构及各层材料，也许可以实现杂散模式的抑制，但也存在难以通过几何结构优化实现杂波抑制或者需要牺牲器件其他性能的情况。大部分的声表面波谐振器和基于悬空压电薄膜的声波谐振器的目标模式是由横向电场激励的，因此集中于叉指电极下方的纵向电场成为了无用的电场并且极易成为寄生模式的重要来源。除此之外，在压电薄膜中非均匀分布的横向电场也会激发出寄生模式。
3.现有技术中有通过采用嵌入式电极结构的方案，即是通过嵌入式电极将杂散模式的频率移到远离目标模式的频率，该工艺需要用到刻蚀工艺，工艺较为复杂，且压电薄膜表面遭到了破坏，影响器件的性能，后续通过在嵌入凹槽中生长的金属电极无法完美填充刻蚀的槽会进一步带来性能下降。
技术实现要素：4.本发明要解决的是现有声波谐振器结构复杂的技术问题。
5.为解决上述技术问题，本技术于一方面公开了一种声波谐振器，其包括依次层叠的支撑衬底、压电薄膜和叉指换能器；
6.该叉指换能器包括多个交错间隔排列的叉指电极；
7.该压电薄膜内设有间隔排列的多个导电区域；
8.该多个导电区域与多个该叉指电极一一对应；
9.该多个导电区域中的每个导电区域的电导率大于等于50西门子/米；每个该导电区域的形成方法为掺杂、离子注入和离子辐照中的一种或者多种。
10.可选的，该声波谐振器的目标模式由横向电场激励产生。
11.可选的，该导电区域的厚度小于等于该压电薄膜的厚度。
12.可选的，每个该导电区域的电导率小于等于5000西门子/米。
13.可选的，每个该导电区域的宽度小于等于对应的该叉指电极的宽度；或者，每个所述导电区域的宽度大于对应的所述叉指电极的宽度。
14.可选的，该压电薄膜为单层压电薄膜、多层压电薄膜或者压电材料与非压电材料形成的复合薄膜。
15.可选的，该压电薄膜与该支撑衬底之间还设有能量反射层；
第一掩膜；7-第二掩膜。
具体实施方式
39.下面将结合本技术实施例中的附图，对本技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本技术保护的范围。
40.此处所称的“一个实施例”或“实施例”是指可包含于本技术至少一个实现方式中的特定特征、结构或特性。在本技术的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“顶”、“底”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，仅是为了便于描述本技术和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件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技术的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含的包括一个或者更多个该特征。而且，术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本技术的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。
41.为了下面的详细描述的目的，应当理解，本发明可采用各种替代的变化和步骤顺序，除非明确规定相反。此外，除了在任何操作实例中，或者以其他方式指出的情况下，表示例如说明书和权利要求中使用的成分的量的所有数字应被理解为在所有情况下被术语“约”修饰。因此，除非相反指出，否则在以下说明书和所附权利要求中阐述的数值参数是根据本发明所要获得的期望性能而变化的近似值。至少并不是试图将等同原则的适用限制在权利要求的范围内，每个数值参数至少应该根据报告的有效数字的个数并通过应用普通舍入技术来解释。
42.尽管阐述本发明的广泛范围的数值范围和参数是近似值，但是具体实例中列出的数值尽可能精确地报告。然而，任何数值固有地包含由其各自测试测量中发现的标准偏差必然产生的某些误差。
43.当本文中公开一个数值范围时，上述范围视为连续，且包括该范围的最小值及最大值，以及这种最小值与最大值之间的每一个值。进一步地，当范围是指整数时，包括该范围的最小值与最大值之间的每一个整数。此外，当提供多个范围描述特征或特性时，可以合并该范围。换言之，除非另有指明，否则本文中所公开之所有范围应理解为包括其中所归入的任何及所有的子范围。例如，从“1至10”的指定范围应视为包括最小值1与最大值10之间的任何及所有的子范围。范围1至10的示例性子范围包括但不限于1至6.1、3.5至7.8、5.5至10等。
44.通过前述内容可知，现有技术中均为嵌入式电极结构，其通过嵌入式电极将杂散模式的频率移到远离目标模式的频率，该嵌入式电极的方案，不仅工艺复杂，且压电薄膜表面遭到了破坏，影响器件的性能。且生长的金属电极无法完美填充刻蚀的槽会进一步带来性能下降。为此，参阅图1，图1为本技术一种可选的声波谐振器的结构示意图。该声波谐振器包括依次层叠的支撑衬底1、压电薄膜2和叉指换能器4；该叉指换能器4包括多个交错间
隔排列的叉指电极；该压电薄膜2内设有间隔排列的多个导电区域3；该多个导电区域3与多个该叉指电极一一对应；该多个导电区域3中的每个导电区域3的电导率大于等于50西门子/米；每个该导电区域3的形成方法为掺杂、离子注入和离子辐照中的一种或者多种。
45.本技术提出的声波谐振器，是通过掺杂、注入、辐照等方式改变电极下方局部压电薄膜2的电导率形成一定深度的导电区域3，在压电薄膜2保持完整的前提下，大大提高了横向电场的占比，并使得横向电场更加集中地均匀地分布在叉指电极之间的压电薄膜2区域，抑制了由纵向电场激发的或由于非均匀分布的横向电场引起的杂散模式，并提高了机电耦合系数。该方法不仅工艺简单，且没有破坏薄膜表面，有利于制备出高性能的声波谐振器。
46.于一种可行的实施例中，该声波谐振器的目标模式由横向电场激励产生。
47.于一种可行的实施例中，该导电区域3的厚度小于等于该压电薄膜2的厚度。
48.于一种可行的实施例中，每个该导电区域3的电导率且小于等于5000西门子/米。
49.可选的，该导电区域3的电导率还可以大于5000西门子/米，实际上，该导电区域3的电导率越大越好，该实施例仅是基于现有材料可实现的一种可选的实施方式。
50.于一种可行的实施例中，每个该导电区域3的宽度小于等于对应的该叉指电极的宽度；或者，每个所述导电区域的宽度大于对应的所述叉指电极的宽度。
51.可选的，参阅图2，图2为本技术一种可选的叉指换能器的俯视图。该叉指换能器4包括第一汇流条41和多个间隔设置的第一叉指电极42、第二汇流条43和多个间隔排列的第二叉指电极44；该多个第一叉指电极42的同一侧与该第一汇流条41连接；该多个第二叉指电极44的同一侧与该第二汇流条43连接；多个第一叉指电极42与多个第二叉指电极44交错间隔排列。
52.于一种可行的实施例中，为了提高在制备该声波谐振器的过程中，提高声波谐振器的压电薄膜2的质量，避免键合过程中存在孔洞或者碎裂的情况；参阅图3，图3为本技术另一种可选的声波谐振器的结构示意图。该声波谐振器还包括键合层5；该键合层5位于该支撑衬底1与该压电薄膜2之间；该键合层5包括非金属材料和金属材料，例如，该键合层5可以是钛或者氧化硅。
53.可选的，该叉指换能器4可以是单层金属薄膜、多层金属薄膜、金属与非金属组成的复合薄膜。可选的，上述金属薄膜的材料可以是纯金属材料、合金、掺杂非金属元素的材料。
54.于一种可行的实施例中，该压电薄膜2为单层压电薄膜2、多层压电薄膜2或者压电材料与非压电材料形成的复合薄膜。
55.可选的，该压电薄膜2的材料为铌酸锂、钽酸锂、铌酸钾、氮化铝、掺钪氮化铝、氧化锌、锆钛酸铅或铌镁酸铅－钛酸铅中的一种或者多种组合；该支撑衬底1的材料为铌酸锂、钽酸锂、硅、石英、尖晶石、锗、碳化硅、金刚石、类金刚石、蓝宝石、氮化铝、氮化硅中的一种或者多种组合。
56.于一种可行的实施例中，该压电薄膜2与该支撑衬底1之间还设有能量反射层；该能量反射层为空腔结构、布拉格反射层、低声速介质层中的任一种。
57.于一种可行的实施例中，该声波谐振器为薄膜悬空型谐振器或者固态装配型谐振器。
58.于一种可行的实施例中，该目标模式包括水平剪切模式、兰姆波模式和瑞利模式
以及它们的高阶模式。
59.为了更好地说明本技术的有益效果，以下以具体实施例进行阐述。下示实施例中的声波谐振器的基本结构均可参考图3，例如层结构之间的关系，但对于未处理的声波谐振器，其不具有图3所示的结构中的导电区域。
60.实施例1
61.参阅图3所示的声波谐振器的结构，支撑衬底1的材料为蓝宝石；键合层5的材料为氧化硅，厚度为500nm；压电薄膜2的材料为y42切钽酸锂，厚度为500nm；叉指换能器4的材料为铝，厚度为150nm；该声波谐振器的目标模式主要由横向电场激发，而杂散模式主要由纵向电场激发，目标模式为零阶水平剪切波(fundamental shear horizontal mode，sh0)模式，杂散模式为sezawa模式和一阶水平剪切模式(first-order shear horizontal mode，sh1)模式。该导电区域3的厚度与压电薄膜2的厚度相同，在其他结构组成相同的情况下，改变导电区域3的电导率σ，具体结果可如图4所示，图4为本技术一种可选的基于图3结构的声波谐振器的仿真导纳曲线。图4中的器件的叉指换能器4的电极周期均为2μm。当电导率达到50西门子/米时，纵向电场激发的sezawa和sh1模式已经基本消失。
62.进一步地，为了进一步验证导电区域3的深度对器件性能的影响，参阅图3所示的结构，在其他结构组成相同的情况下，导电区域3的电导率为5000s/m时，改变导电区域3的深度d，具体结果可如图5所示，图5为本技术另一种可选的基于图3结构的声波谐振器的仿真导纳曲线。从图5中可以看出，当深度d为300nm～500nm时，纵向电场激发的sezawa和sh1模式均基本消失，这降低了实际加工工艺的精度需求。
63.参阅图6，图6为本技术提供的不具有导电区域的声波谐振器的具有导电区域3的声波谐振器的对比导纳曲线图。在具有导电区域3的声波谐振器中，导电区域3电导率为5000s/m,深度为500nm。从图6中可以看出，当在压电薄膜2中设置了导电区域3后，不仅杂散模式得到抑制，目标模式的机电耦合系数也得到了提高。这是由于对于局部导电化结构，纵向电场大幅减弱，横向电场占比提高，且电场更加集中在压电薄膜2内部应力最强的区域，即叉指换能器4的叉指电极之间的区域。这使得机电换能效率提高，因而机电耦合系数提高。参阅图7-8，图7为本技术提供的不具有导电区域的声波谐振器在谐振频率的等电势线及场强分布图；图8为本技术提供的具有导电区域的声波谐振器在谐振频率的等电势线及场强分布图。从图7中可以看出，不具有导电区域3的声波谐器的sh0谐振器，垂直于等电势线的电场方向具有很强的纵向分量，且大量电场泄露到氧化硅层甚至蓝宝石支撑衬底1中。而具有导电区域3的sh0模式谐振器，电极下方的电势相等，纵向电场基本消失，且横向电场更集中于叉指电极之间的压电薄膜2区域，这也是应力最强的区域，因而谐振器的换能效率提高，机电耦合系数增大。该方法不同于嵌入式电极工艺，压电薄膜2的表面形貌没有受到破坏，且工艺相对简单因而适合用于实现高性能无杂波的声波谐振器。
64.实施例2
65.以目标模式为复合铌酸锂薄膜中的二阶对称型兰姆波模式(second-order symmetric lamb wave mode，s2)模式，杂散模式为三阶反对称型兰姆波模式(third-order anti-symmetric lamb wave mode，a3)模式为例。本技术提供一不具有导电区域3的声波谐振器，该声波谐振器的该压电薄膜2为复合压电薄膜2，即该压电薄膜2包括层叠的第一子薄膜21和第二子薄膜22；该第一子薄膜21和第二子薄膜22的材料均为铌酸锂，第一子薄膜21
的欧拉角为(0，-34，0)，第二子薄膜22的欧拉角为(0，146，0)，厚度均为450nm；叉指换能器4的材料为铝，厚度为50nm，电极周期为2.4μm。还提供一具有导电区域3的声波谐振器，该声波谐振器的结构与上述不具有导电区域3的声波谐振器相同，区别仅在于具有导电区域3的声波谐振器的导电区域3的厚度等于压电薄膜2的厚度，且导电区域3的电导率为5000西门子/米，从而形成对照组。参阅图9，图9为本技术一种可选的s2模式声波谐振的仿真导纳图。可以看出，未处理的声波谐振器(即不具有导电区域3)除了目标模式s2之外还出现了a3杂散模式，局部导电化结构则无此杂散模式。理论上对于厚度相同且完全对称的铌酸锂复合薄膜不应该出现奇数阶次的厚度方向上的高阶模式，但是由于顶部的叉指电极产生的电场渗透进压电薄膜2时，不同深度对应的强度不同，这导致了不均匀的电场分布，如图10所示，图10为未处理的s2模式谐振器在a3杂散模式谐振频率处的等电势线及场强分布，可以看出叉指电极之间的压电薄膜2的电场分布不均匀，进而导致奇数阶模式逆压电效应产生的电荷不能完全抵消，形成了杂散模式响应。参阅图11，图11为局部导电处理的s2模式谐振器在相同频率处的等电势线及场强分布；导电区域3成为叉指电极的延伸，从图11中可以看出，导电区域3之间的电场均匀分布，a3模式得到了抑制。横向电场更集中于叉指电极之间的压电薄膜2区域，即应力最强的区域，谐振器的换能效率提高，机电耦合系数增大。此外，由于局部导电化使得谐振器等效的平行板电容结构的间距缩小，因此谐振器的电容也得到了提高，例如本例的电容提高到原来的3.16倍，这对于本身电容较小难以与50欧姆终端相匹配的悬空型谐振器也具有重大意义。
66.实施例3
67.以目标模式为零阶对称型兰姆波(fundamental symmetric lamb wave mode，s0)模式，杂散模式为sh1模式为例。本技术提供一不具有导电区域3的声波谐振器，该声波谐振器的压电薄膜2的材料为铌酸锂，欧拉角为(40，90，-90)，厚度为200nm；叉指换能器4的材料为铝，厚度为80nm，电极周期为1.42μm；键合层5的材料为氧化硅，厚度为150nm；本技术还提供一具有导电区域3的声波谐振器，该声波谐振器的结构与上述不具有导电区域3的声波谐振器相同，区别仅在于具有导电区域3的声波谐振器的导电区域3的厚度等于压电薄膜2的厚度，且导电区域3的电导率为5000西门子/米，从而形成对照组。参阅图12，图12为本技术一种可选的s0模式声波谐振的仿真导纳图。由图12中可以看出，在局部导电化(即具有导电区域3)的谐振器结构中纵向电场激励的sh1模式得到了抑制。由于该切型的铌酸锂薄膜中s0模式同时由横向电场和纵向电场激发，且横向电场相关压电系数分量超过纵向电场相关压电系数分量，因而机电耦合系数没有随着横向电场占比增大而增大，但也没有因此而大幅下降，并依然达到了抑制杂散模式的目的。
68.基于上面的说明可以看出，本技术提供的该声波谐振器在叉指换能器4的电极下方的压电薄膜2内设有一定深度的导电区域3，该导电区域3的电导率不小于50s/m，远远高于未处理的压电材料本身的电导率，该导电区域3的深度可以与压电薄膜2厚度相同也可以与导电薄膜厚度不同，从而可以使得声波谐振器的压电薄膜2保持完整，无刻蚀槽等结构。该导电区域3由掺杂、注入、辐照等手段实现。且该声波谐振器的目标模式为主要由横向电场激励的模式，该声波谐振器中由纵向电场激发的模式以及由于不均匀分布的横向电场引起的杂散模式均被有效抑制。当该声波谐振器的目标模式为完全由横向电场激励的模式时，导电区域3有助于提高谐振器的机电耦合系数。而当该声波谐振器的目标模式为横纵电
场共同激励的模式且横向电场相关压电系数分量超过纵向电场相关压电系数分量时，导电区域3不会明显降低谐振器的机电耦合系数，并仍然可以实现抑制纵向电场激发的杂散模式的目的。
69.本技术于另一方面还公开了一种滤波器，其包括上述的声波谐振器。
70.于另一方面，本技术还提供了一种声波谐振器的制备方法。参阅与14，图13为本技术一种可选的声波谐振器的制备流程图。具体包括以下步骤：
71.1)制备初始压电薄膜结构；如图13中的图(a)所示的结构，该初始压电薄膜结构包括依次层叠的支撑衬底1、键合层5和压电薄膜层2。
72.2)在压电薄膜2上制备第一掩膜6，可得到如图13中的图(b)所示的结构。
73.可选的，在步骤2)中的第一掩膜6的制备方法可以是，先在压电薄膜2上旋涂光刻胶，利用曝光显影等步骤图案化该光刻胶，即可形成图案化后的第一掩膜6。
74.可选的，该第一掩膜6的制备方法还可以是，先在压电薄膜2上生长掩膜层，再利用刻蚀工艺图案化掩膜层形成所需的图案的第一掩膜6。
75.3)利用掺杂、离子注入和离子辐照中的一种或者多种方式在暴露的压电薄膜2内形成预设深度的导电区域3，得到如图13中的图(c)所示的结构。
76.通过掺杂、离子注入、离子辐照等方式可以改变暴露区域的电导率不同的方法对掩膜的要求也不同，如需高温条件，则光刻胶不能作为掩膜。
77.4)利用沉积工艺在压电薄膜上制备叉指换能器4，去除第一掩膜6后，得到如图13中的图(e)所示的谐振器结构。
78.该叉指换能器4包括多个交错间隔排列的叉指电极；该压电薄膜2内的多个导电区域3是间隔排列的；该多个导电区域3与多个该叉指电极一一对应；该多个导电区域3中的每个导电区域3的电导率大于等于50西门子/米。
79.可选的，根据形成的叉指电极的宽度与对应的导电区域3的关系，步骤4)可以具体包括以下两种成型方案：当叉指电极的宽度与对应的导电区域3的宽度相等时，在步骤4)可以具体阐述为：在导电区域3上沉积金属层,得到如图13中的图(d1)所示的结构；去除第一掩膜6，在压电薄膜2表面形成叉指换能器4。
80.当叉指电极的宽度大于或者小于对应的导电区域3的宽度时，参阅图14，图14为本技术一种可选的制备叉指换能器的制备流程图。在步骤4)可以具体阐述为：去除第一掩膜6，得到如图14中图(f)所示的结构；在压电薄膜2上再制备第二掩膜7，得到如图14中图(g)所示的结构；在导电区域3上沉积金属层,得到如图14中的图(h)所示的结构；再去除第二掩膜7，在压电薄膜2表面形成叉指换能器4，如图14中图(d2)所示的结构。需要说明的是，该方法中制备了两次掩膜，第一次的掩膜的作用是为了在掺杂或离子注入等工艺时起到保护作用，从而使得有掩膜的区域的压电薄膜2导电性将不会被改变。第二次的掩膜的作用是为了实现金属电极的图案。两个掩膜可以是相同材料，也可以是不同材料。
81.以上所述仅为本技术可选实施例，并不用以限制本技术，凡在本技术的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本技术的保护范围之内。
技术特征：1.一种声波谐振器，其特征在于，包括依次层叠的支撑衬底、压电薄膜和叉指换能器；所述叉指换能器包括多个交错间隔排列的叉指电极；所述压电薄膜内设有间隔排列的多个导电区域；所述多个导电区域与多个所述叉指电极一一对应；所述多个导电区域中的每个导电区域的电导率大于等于50西门子/米；每个所述导电区域的形成方法为掺杂、离子注入和离子辐照中的一种或者多种。2.根据权利要求1所述的声波谐振器，其特征在于，所述声波谐振器的目标模式由横向电场激励产生。3.根据权利要求1所述的声波谐振器，其特征在于，所述导电区域的厚度小于等于所述压电薄膜的厚度。4.根据权利要求1所述的声波谐振器，其特征在于，每个所述导电区域的电导率小于等于5000西门子/米。5.根据权利要求1所述的声波谐振器，其特征在于，每个所述导电区域的宽度小于等于对应的所述叉指电极的宽度；或者，每个所述导电区域的宽度大于对应的所述叉指电极的宽度。6.根据权利要求1所述的声波谐振器，其特征在于，所述压电薄膜为单层压电薄膜、多层压电薄膜或者压电材料与非压电材料形成的复合薄膜。7.根据权利要求1所述的声波谐振器，其特征在于，所述压电薄膜与所述支撑衬底之间还设有能量反射层；所述能量反射层为空腔结构、布拉格反射层、低声速介质层中的任一种。8.根据权利要求1所述的声波谐振器，其特征在于，所述声波谐振器为薄膜悬空型谐振器或者固态装配型谐振器。9.根据权利要求2所述的声波谐振器，其特征在于，所述目标模式包括水平剪切模式、兰姆波模式和瑞利模式以及它们的高阶模式。10.一种滤波器，其特征在于，包括权利要求1-9任一项所述的声波谐振器。
技术总结本发明涉及微电子器件领域，本发明公开了一种声波谐振器及滤波器。该声波谐振器包括依次层叠的支撑衬底、压电薄膜和叉指换能器；该叉指换能器包括多个交错间隔排列的叉指电极；该压电薄膜内设有间隔排列的多个导电区域；该多个导电区域与多个该叉指电极一一对应；该多个导电区域中的每个导电区域的电导率大于等于50西门子/米；每个该导电区域的形成方法为掺杂、离子注入和离子辐照中的一种或者多种。本发明基于异质集成衬底的声波谐振器通过在叉指电极的下方压电薄膜内设置导电区域，能够提高谐振器的机电耦合系数，从而有效保证谐振器在横向电场激励作用下产生的目标模式，并抑制纵向电场激发的以及由不均匀分布的横向电场引起的杂散模式。场引起的杂散模式。场引起的杂散模式。
技术研发人员：吴进波
受保护的技术使用者：上海馨欧集成微电有限公司
技术研发日：2022.06.27
技术公布日：2022/11/1
