横向激励剪切模式的声学谐振器

摘要

本发明涉及一种横向激励剪切模式的声学谐振器，包括：声学镜，包括至少一第一声反射层和至少一第二声反射层，各所述第一声反射层的声阻抗小于各所述第二声反射层的声阻抗；压电层，设于所述声学镜上，所述压电层包括单晶材料的铌酸锂和/或单晶材料的钽酸锂；电极单元，设于所述压电层上，用于形成电场；横向反射器，设于所述压电层上，包括位于所述电极单元的第一侧的第一反射器和位于所述电极单元的第二侧的第二反射器，所述第一侧和第二侧为相对侧，所述横向反射器用于对声波进行横向反射。本发明可以在3GHz以上的频率下具有高机电耦合系数和高Q值。

说明书

技术领域

本申请涉及谐振器技术领域，特别是涉及一种横向激励剪切模式的声学谐振器。

背景技术

射频声学谐振器是用于合成滤波功能或作为频率源的小型微合成结构。声学谐振器由于具有更小的体积和更高的品质因子(Q)，从而取代了手机、小型基站和物联网设备中使用的其他类型的谐振器，声学谐振器可以实现低损耗(低功耗)、高抑制和高信号噪声比，及更为超薄的封装。

随着新的通信标准(即第五代移动网络)的发布，有必要将谐振器的工作范围扩大到更高的频率同时保持高机电耦合系数和高Q值。

发明内容

基于此，有必要提供一种能够在3GHz以上的频率下具有高机电耦合系数和高Q值的横向激励剪切模式的声学谐振器。

一种横向激励剪切模式的声学谐振器，包括：声学镜，包括至少一第一声反射层和至少一第二声反射层，各所述第一声反射层的声阻抗小于各所述第二声反射层的声阻抗；压电层，设于所述声学镜上，所述压电层包括单晶材料的铌酸锂和/或单晶材料的钽酸锂；电极单元，设于所述压电层上，用于形成电场；横向反射器，设于所述压电层上，包括位于所述电极单元的第一侧的第一反射器和位于所述电极单元的第二侧的第二反射器，所述第一侧和第二侧为相对侧，所述横向反射器用于对声波进行横向反射。

在其中一个实施例中，所述电极单元用于形成主要平行于所述压电层的电场，并用于在整个压电层的厚度上产生剪切模式的机械波。

在其中一个实施例中，离所述压电层越远的第一声反射层的厚度越厚；离所述压电层越远的第二声反射层的厚度越厚。

在其中一个实施例中，所述声学镜包括三层第一声反射层和两层第二声反射层，且声学镜中第一声反射层和第二声反射层交替设置。

在其中一个实施例中，所述第一声反射层的材质包括二氧化硅、铝、苯并环丁烯、聚酰亚胺和自旋玻璃中的至少一种，所述第二声反射层的材质包括钼、钨、钛、铂、氮化铝、氧化钨和氮化硅中的至少一种。

在其中一个实施例中，所述电极单元包括第一公共电极、第二公共电极、多条第一叉指电极及多条第二叉指电极，各所述第一叉指电极与所述第一公共电极电性连接，各所述第二叉指电极与所述第二公共电极电性连接，且各第一叉指电极与各第二叉指电极之间绝缘设置，所述第一公共电极用于接入输入电压，所述第二公共电极用于接地。

在其中一个实施例中，所述电极单元的两侧的横向反射器之间的连线方向为声波的传播方向；所述声学镜的各第一声反射层和各第二声反射层在第一方向上的两侧边缘对齐，且所述第一方向在平面上垂直于所述连线方向，所述平面垂直于谐振器的高度方向；各所述第一叉指电极的第一端连接所述第一公共电极，各所述第二叉指电极的第一端连接所述第二公共电极，各所述第一叉指电极的第一端的边缘在所述声学镜上的正投影与所述声学镜在所述第一方向上的第一侧边缘对齐，各所述第二叉指电极的第一端的边缘在所述声学镜上的正投影与所述声学镜在所述第一方向上的第二侧边缘对齐。

在其中一个实施例中，所述第一反射器和第二反射器均包括至少一条电极条，所述第一反射器中距离所述电极单元最近的一条电极条的中心与所述电极单元的第一侧边缘的叉指电极的中心的距离为1/8至2个所述声波的波长，所述第二反射器中距离所述电极单元最近的一条电极条的中心与所述电极单元的第二侧边缘的叉指电极的中心的距离为1/8至2个声波波长。

在其中一个实施例中，还包括设于所述第一公共电极上的第一金属件和第二公共电极上的第二金属件，所述第一金属件和第二金属件的厚度大于所述电极单元的厚度，所述第一金属件和第二金属件用于在第一方向上进行声学反射，所述第一方向垂直于所述声波的传播方向。

在其中一个实施例中，所述电极单元与横向反射器的材质相同且为金属和/或合金。

在其中一个实施例中，存在一第一声反射层比所有的第二声反射层更靠近压电层。

上述横向激励剪切模式的声学谐振器，通过电极单元产生电场，并通过横向反射器对声波进行横向反射，从而可以激励为横向的剪切振动模式。由于压电层采用单晶材料的铌酸锂或钽酸锂，因此可以在3GHz以上的频率下具有高机电耦合系数和高Q值。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或传统技术中的技术方案，下面将对实施例或传统技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为一实施例中横向激励剪切模式的声学谐振器的部分结构的俯视图；

图2是沿图1中A-A’线的剖视图；

图3为压电层中电场与机械波的传播方向示意图；

图4是一实施例中反射镜的各反射层的厚度示意图；

图5是一实施例中第一反射器的结构示意图；

图6是沿图1中B-B’线的剖视图；

图7是一实施例中横向激励剪切模式的声学谐振器的各膜层厚度标注；

图8是一实施例中电极单元和横向反射器的主要结构的尺寸标注；

图9为一实施例的横向激励剪切模式的声学谐振器的特征导纳的仿真结果。

具体实施方式

为了便于理解本申请，下面将参照相关附图对本申请进行更全面的描述。附图中给出了本申请的实施例。但是，本申请可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使本申请的公开内容更加透彻全面。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本申请的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本申请的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本申请。

应当明白，当元件或层被称为“在...上”、“与...相邻”、“连接到”或“耦合到”其它元件或层时，其可以直接地在其它元件或层上、与之相邻、连接或耦合到其它元件或层，或者可以存在居间的元件或层。相反，当元件被称为“直接在...上”、“与...直接相邻”、“直接连接到”或“直接耦合到”其它元件或层时，则不存在居间的元件或层。应当明白，尽管可使用术语第一、第二、第三等描述各种元件、部件、区、层、掺杂类型和/或部分，这些元件、部件、区、层、掺杂类型和/或部分不应当被这些术语限制。这些术语仅仅用来区分一个元件、部件、区、层、掺杂类型或部分与另一个元件、部件、区、层、掺杂类型或部分。因此，在不脱离本发明教导之下，下面讨论的第一元件、部件、区、层、掺杂类型或部分可表示为第二元件、部件、区、层或部分；举例来说，可以将第一掺杂类型成为第二掺杂类型，且类似地，可以将第二掺杂类型成为第一掺杂类型；第一掺杂类型与第二掺杂类型为不同的掺杂类型，譬如，第一掺杂类型可以为P型且第二掺杂类型可以为N型，或第一掺杂类型可以为N型且第二掺杂类型可以为P型。

空间关系术语例如“在...下”、“在...下面”、“下面的”、“在...之下”、“在...之上”、“上面的”等，在这里可以用于描述图中所示的一个元件或特征与其它元件或特征的关系。应当明白，除了图中所示的取向以外，空间关系术语还包括使用和操作中的器件的不同取向。例如，如果附图中的器件翻转，描述为“在其它元件下面”或“在其之下”或“在其下”元件或特征将取向为在其它元件或特征“上”。因此，示例性术语“在...下面”和“在...下”可包括上和下两个取向。此外，器件也可以包括另外地取向(譬如，旋转90度或其它取向)，并且在此使用的空间描述语相应地被解释。

在此使用时，单数形式的“一”、“一个”和“所述/该”也可以包括复数形式，除非上下文清楚指出另外的方式。还应当理解的是，术语“包括/包含”或“具有”等指定所陈述的特征、整体、步骤、操作、组件、部分或它们的组合的存在，但是不排除存在或添加一个或更多个其他特征、整体、步骤、操作、组件、部分或它们的组合的可能性。同时，在本说明书中，术语“和/或”包括相关所列项目的任何及所有组合。

这里参考作为本发明的理想实施例(和中间结构)的示意图的横截面图来描述发明的实施例，这样可以预期由于例如制造技术和/或容差导致的所示形状的变化。因此，本发明的实施例不应当局限于在此所示的区的特定形状，而是包括由于例如制造技术导致的形状偏差。例如，显示为矩形的注入区在其边缘通常具有圆的或弯曲特征和/或注入浓度梯度，而不是从注入区到非注入区的二元改变。同样，通过注入形成的埋藏区可导致该埋藏区和注入进行时所经过的表面之间的区中的一些注入。因此，图中显示的区实质上是示意性的，它们的形状并不表示器件的区的实际形状，且并不限定本发明的范围。

体声波(BAW)和声表面波(SAW)谐振器是在0.6GHz和3GHz之间合成滤波器和振荡器最常用的器件。这些声学器件在商业上是成功的，广泛应用于手机前端模块或作为无线电前端的分立元件。现有的体声波和声表面波器件在3GHz以下的频率下可以表现出超过1000的Q值和大约7％-10％的机电耦合系数。但将其频率工作范围扩展到3GHz之上则会遇到若干技术上的不确定性和物理极限。新的5G标准要求机电耦合系数超过10％，如果不改变构成材料或工作模式，这一要求是体声波和声表面波器件无法实现的。同样，材料损耗对超过3GHz的传统体声波和声表面波器件的能达到的最大Q值构成根本的限制。

综上，市场需要能够在3GHz以上的频率具备高机电耦合和高品质因子的新型器件。

本申请旨在开发一种新型的晶圆级机械/声学谐振器，该谐振器能够在频率高于3GHz下具有高Q值和高机电耦合系数。该谐振器将支持高性能通带滤波器的合成，从而满足5G通信标准的新需求和未来的更新换代。

图1是一实施例中横向激励剪切模式的声学谐振器的部分结构的俯视图，图2是沿图1中A-A’线的剖视图。参见图1和图2，横向激励剪切模式的声学谐振器包括声学镜120、压电层130、电极单元及横向反射器，图1主要是为了示意出相应的实施例中电极单元及横向反射器的形状，因此省略了压电层130上的其他结构。

电极单元设于压电层130上，用于形成电场。电极单元可以包括叉指电极。在图1和图2所示的实施例中，电极单元包括一组第一叉指电极141和一组第二叉指电极143，第一叉指电极141和第二叉指电极143向第一方向(图1中的Y方向)延伸，因此相互平行，各第一叉指电极141与各第二叉指电极143之间绝缘设置，第一叉指电极141用于接入输入电压，第二叉指电极143用于接地。电极单元还包括第一公共电极142和第二公共电极144，各第一叉指电极141的一端连接到第一公共电极142上，各第二叉指电极143的一端连接到第二公共电极144上，公共电极也称为汇流条。

横向反射器同样设于压电层130上，可以与电极单元同层设置，包括位于电极单元的第一侧(图1中左侧)的第一反射器152和位于电极单元的第二侧(图1中右侧)的第二反射器。横向反射器与电极单元之间绝缘，用于对声波进行横向反射。

压电层130设于声学镜120上。压电层130包括单晶材料的铌酸锂和/或单晶材料的钽酸锂。

声学镜120包括至少一第一声反射层和至少一第二声反射层，各第一声反射层的声阻抗小于各第二声反射层的声阻抗。在本申请的一个实施例中，声学镜120中最靠近压电层130的一层应为第一声反射层，即存在一第一声反射层比所有的第二声反射层更靠近压电层130。在图2所示的实施例中，声学镜120包括三层第一声反射层(即第一声反射层121、第一声反射层123、第一声反射层125)和两层第二声反射层(即第声二反射层122和第二声反射层124)，各第一声反射层和第二声反射层交替设置。

上述横向激励剪切模式的声学谐振器，通过电极单元产生电场，并通过横向反射器对声波进行横向反射，从而可以激励为横向的剪切振动模式。由于压电层130采用单晶材料的铌酸锂或钽酸锂，因此可以在3GHz以上的频率下具有高机电耦合系数和高Q值。

参见图3，图中大箭头为电场方向，小箭头为剪切振动模式的机械波传播方向，电场主要平行于压电层130，并用于在整个压电层130的厚度上产生剪切模式的机械波。单晶材料的铌酸锂/钽酸锂配合本申请的电极单元结构及横向反射器结构，可以获得优化的剪切振动模式，这个剪切振动模式具有更大声波波速，在器件的关键尺寸(如叉指的步距)不变的情况下，可以比传统商用的滤波器达到更高的频率。

在本申请的一个实施例中，电极单元与横向反射器的材质相同且为金属和/或合金。在本申请的一个实施例中，电极单元可由铝(Al)、铜(Cu)、铝铜(AlCu)、铝硅铜(AlSiCu)、钼(Mo)、钨(W)、银(Ag)或任何其他导电金属制成。

在图2所示的实施例中，横向激励剪切模式的声学谐振器还包括承载晶圆110。声学镜120设于承载晶圆110上。

在本申请的一个实施例中，承载晶圆110与声学镜120之间还设有键合辅助层，用于辅助承载晶圆110与声学镜120之间的键合。在本申请的一个实施例中，键合辅助层为一层薄的二氧化硅。

在本申请的一个实施例中，各第一声反射层采用低声阻抗材料，各第二声反射层采用高声阻抗材料。其中，低声阻抗材料可以是二氧化硅、铝、苯并环丁烯(Benzocyclobutene，BCB)、聚酰亚胺和自旋玻璃(spin on glass)中的至少一种，高声阻抗材料可以是钼、钨、钛、铂、氮化铝、氧化铝、氧化钨及氮化硅中的至少一种；可以理解的，在其他实施例中，低声阻抗材料和高声阻抗材料也可以使用具有较大阻抗比的其他材料组合。

声学镜120的各第一声反射层和第二声反射层可以具有相等或不相等的厚度。在本申请的一个实施例中，离压电层130越远的第一声反射层的厚度越厚；离压电层130越远的第二声反射层的厚度越厚，这种设计可以获得更大的Q值。参见图4，在图4所示的实施例中，第一声反射层121的厚度Tl1<第一声反射层123的厚度Tl2<第一声反射层125的厚度Tl3，第二反射层122的厚度Th1<第二反射层124的厚度Th2。可以理解的，在其他实施例中，各第一声反射层和第二声反射层的厚度关系也可以按其他规律设置，例如Tl1＝Tl2＝Tl3，Th1＝Th2；或者Tl1>Tl2>Tl3，Th1>Th2；又或者Tl1

图1还示出了声学镜120在俯视视角的位置。图1中的X方向为声波的传播方向。声学镜120的各第一声反射层和各第二声反射层在Y方向上的两侧边缘对齐。各第一叉指电极141远离第一公共电极142的一端的边缘在声学镜上120的正投影与声学镜120在Y第一方向上的第一侧边缘对齐，各第二叉指电极143远离第一公共电极142的一端的边缘在声学镜120上的正投影与声学镜120在Y方向上的第二侧边缘对齐。

如图5所示，横向反射器的电极条之间可以相互断开，也可以如图1所示通过横向结构相互连接。横向反射器的电极条可以与电极单元的各叉指平行设置。

图6是沿图1中B-B’线的剖视图。在该实施例中，声学镜120的面积小于压电层130与承载晶圆110的面积，因此在声学镜120的四周还设有填充层。在本申请一个实施例中，填充层的材质可以包括二氧化硅、钼、钨、氧化钨或氮化硅中的一种或多种。在本申请一个实施例中，填充层的材料与各第一声反射层的材料相同，提高声学谐振器的品质因数。

在图6所示的实施例中，横向激励剪切模式的声学谐振器还包括设于第一公共电极141上的第一金属件145和第二公共电极143上的第二金属件147。第一金属件145和第二金属件147的厚度大于电极单元的厚度。第一金属件145和第二金属件147用于在图1中的Y方向上进行声学反射。

在本申请的一个实施例中，第一反射器152中距离电极单元最近的电极条的中心与电极单元的第一侧边缘的叉指电极的中心的距离W

压电层130中形成的剪切振动模式的机械波的振动频率与各膜层的厚度及电极单元中相邻叉指电极的间距有关，应力主要局限于第一叉指电极141与第二叉指电极143之间的无金属覆盖的区域。图7和图8中对谐振器重要的膜厚/间距进行了标注。

在图7所示的实施例中，横向激励剪切模式的声学谐振器还包括钝化层160。钝化层160设于压电层130上，并覆盖第一叉指电极141和第二叉指电极143。钝化层160可以降低谐振器的频率温度系数，并钝化金属电极。

图9为一实施例的横向激励剪切模式的声学谐振器的特征导纳(CharacteristicAdmittance)的仿真结果。其中(b)为(a)的局部曲线，k

在本说明书的描述中，参考术语“有些实施例”、“其他实施例”、“理想实施例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特征包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性描述不一定指的是相同的实施例或示例。

上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对申请专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。