一种声表面波器件及其制作方法
阅读说明：本技术 一种声表面波器件及其制作方法 (Surface acoustic wave device and manufacturing method thereof ) 是由 李勇 朱卫俊 何朝峰 黄亮 马杰 王祥邦 周陈程 沈得田 林毅 于 2019-09-19 设计创作，主要内容包括：本发明提供一种声表面波器件,包括压电衬底、制作在压电衬底表面的金属电极结构,压电衬底表面上至少有一个有效声表面波传输通道区域边缘镶嵌有金属体,作为声表面波声波导的侧壁；本发明提出一种构造压电衬底表面横向抑制声波导的新技术：在压电衬底表面镶嵌金属体,作为声表面波声波导的硬侧壁,利用表面镶嵌金属体对传输的声表面波反射、衍射和压电短路效应,直接在压电衬底表面制作出器件所需要的声表面波传输声道,引导声表面波按设计规范传输。(The invention provides a surface acoustic wave device, which comprises a piezoelectric substrate and a metal electrode structure manufactured on the surface of the piezoelectric substrate, wherein a metal body is embedded in the edge of at least one effective surface acoustic wave transmission channel region on the surface of the piezoelectric substrate and is used as the side wall of a surface acoustic wave waveguide; the invention provides a novel technology for constructing a transverse restraining sound wave guide on the surface of a piezoelectric substrate, which comprises the following steps: the surface acoustic wave transmission sound channel required by the device is directly manufactured on the surface of the piezoelectric substrate by utilizing the reflection, diffraction and piezoelectric short-circuit effects of the surface inlaid metal body on the transmitted surface acoustic wave, and the surface acoustic wave is guided to be transmitted according to the design specification.)
技术领域
本发明属声表面波换能器件领域，特别涉及一种声表面波器件及其制作方法。
背景技术
采用声表面波（SAW = surface acoustic wave,表面声波）工作的射频滤波器器件，将射频信号转换成声波并且反过来将声波转换成射频信号，实现射频信号滤波功能，是现今通信设备的关键元器件。
声波是借助物理媒质传输的机械振动，因物理媒质的性质不同，声波传输特性各异。因研究地下地震给人类造成重大破坏发现了声表面波，其特征是：声波能量仅在固体表面数个声波长层内传输，传输损耗低，由此开始了声表面波的工程应用。
压电材料，是具有压电效应功能材料，外力使其原子结构变形，产生表面电荷。同样，其在施加电场时，会产生形变，称逆压电效应。此类效应，不需要外界其他能量支持。
声表面波器件，就是基于压电材料的(逆)压电效应，利用压电材料表面的声表面波工作的电子器件，它采用压电材料表面制作的叉指换能器（一种金属电极周期结构，其形状如同双手交叉）在其表面产生和接收声表面波。在相关器件理论指导下，设计叉指换能器的电极周期、孔径和截面几何，可实现预定的电性能。
目前声表面波器件，其芯片基本构成是压电衬底、压电衬底表面制作的金属电极结构：叉指换能器、反射栅阵、屏蔽电极、声波多条耦合电极以及传感器敏感结构等。每个声表面波器件至少有一个叉指换能器。叉指换能器是在纵向上、即在声波传播的方向上，并排地布置有与声波传播方向垂直的周期电极指，且电极指交替地与第一和第二汇流排（Busbar （汇流排））连接。叉指换能器激发的声表面波，向两边传播，声表面波传输的声道，与所在传播衬底的特性有关，在实用器件中，一般其声道会逐渐扩散。声道扩展导致产生杂散声波模式，且有效声波能量损失，器件Q值减低，明显劣化器件性能。因此为获得设计需要的声表面波声道：声波导，是设计和制作优良声表面波器件的关键。
特别是，由于移动通信的快速发展，目前作为其射频前端的关键元器件：射频声表面波滤波器，面临严重挑战：高频、低插入损耗、陡峭频响以及低功耗小型化，通过创新设计及工艺技术，构造完美声波导，提升器件Q值成为主要技术手段。
目前已公开的抑制声表面波横向散开的专利，如CN102714490，CN201710103741等，都是通过换能器金属电极上方加载（金属层加厚或减薄，电极宽度加宽或变窄，淀积介质等）改造叉指换能器金属电极结构，控制压电衬底表面传输声道的速度截面，达到抑制横向波干扰的效果。其基本原理是：叉指换能器下方压电衬底表面的传输声道中表面波速度由叉指换能器结构确定。由于叉指换能器电极结构，其下方的传输声道分为周期叉指电极区，汇流排区和两者联接的切口区。三个区域的声表面波传输速度，受上方金属化比（有无金属层的比值）不同而不同，金属化比越大，声速越低。
CN09004914A公开了一种实现活塞理论的声表面波叉指换能器结构；述压电基板的第一表面被所述电极覆盖的区域设置有具有预设体波声速的山丘层，所述电极覆盖所述山丘层，以使所述间隙区域的声波速度大于所述中间区域的声波速度，并且所述中间区域的声波速度大于所述边缘区域的声波速度；它是CN02714490B的改进版本：利用在叉指换能器中心电极下方，布置山丘层，设计叉指换能器下方的声表面波速度，实现活塞理论。该山丘层，是叉指换能器的一部分，与叉指换能器金属电极合作，实现活塞理论。
以上专利，有两个不足处：一是声波导仅限于叉指换能器下方区域；二是加载几何设计与所用压电晶体材料特性有关，为保证每根叉指电极的三维几何，需要严谨的设计、工艺技术和成品率控制。这对于高达数GHz的5G通信频率器件，此时叉指电极宽度与间距仅为半微米左右，有很高的工艺技术难度。
发明内容
本发明的目的在于采用在压电衬底表面镶嵌金属体直接在压电衬底表面形成具有横向抑制的声表面波声波导，控制声表面波传输特性，抑制杂波，优化声表面波器件性能。
具体采用如下技术方案：
一种声表面波器件，包括压电衬底、制作在压电衬底表面的金属电极结构， 压电衬底表面上至少有一个有效声表面波传输通道区域边缘镶嵌有金属体，作为声表面波声波导的侧壁。
本发明提出一种构造压电衬底表面横向抑制声波导的新技术：在压电衬底表面镶嵌金属体，作为声表面波声波导的硬侧壁，利用表面镶嵌金属体对传输的声表面波反射、衍射和压电短路效应，直接在压电衬底表面制作出器件所需要的声表面波传输声道，引导声表面波按设计规范传输。
在本发明一些实施方式中，所述的压电衬底表面上有效声表面波传输通道区域，是叉指换能器产生或/和接收实现器件功能所必要的声表面波的区域。
在本发明一些实施方式中，所述的压电衬底表面上有效声表面波传输通道区域，是没有叉指换能器的压电衬底表面上，为传输实现器件功能所必要的声表面波的传输通道区域。
在本发明一些实施方式中，压电衬底表面上有效声表面波传输通道区域是变迹加权表面波传输通道区域；
在本发明一些实施方式中，所述压电衬底是多层结构复合基片的表面压电层。
在本发明一些实施方式中，所述压电衬底的表面层包括压电晶体或压电薄膜，所述压电晶体包含铌酸锂、钽酸锂、硅酸钾镧系列、石英；所述的压电薄膜包括氧化锌或氮化铝。
在本发明一些实施方式中，金属体中金属材料包括以下一种或多种：铜，钼，钨，金，银、铂、铝以及其合金，构成单层或多层结构。
在本发明一些实施方式中，镶嵌金属体的个体几何形状包括微电子工艺能制作的扁带状、柱状、斜锥状，其整体排列方式是一排或多排，其个体间距和排距根据器件性能设计。
本发明还提供一种上述所述的声表面波器件的制作方法，该方法包括如下步骤：采用干法或者湿法在压电衬底上挖坑或者通孔，然后填入金属体在坑孔内，以此形成衬底；进一步地，在衬底上表面制作相关金属电极结构。
本发明另提供一种上述所述的声表面波器件的制作方法，该方法包括如下步骤：，镶嵌微金属体是采用金属淀积后扩散、金属离子注入、激光辅助掺杂以及相关微电子工艺联合制作。
本发明构造压电衬底表面传输声道，即在压电衬底表面制作叉指换能器电极结构以前，在压电衬底表面镶嵌金属体，利用表面镶嵌金属体对传输的声表面波发生反射、衍射和压电效应，直接在压电衬底表面制作出器件所需要的声表面波传输声道；
另外，由于镶嵌的微金属体可将表面累积的电荷导入到晶体内部，与晶体内部的电荷产生中和，一定程度上消减了表面电荷的累积，降低了因电荷累积发生的放电烧伤。
本发明优化声表面波器件性能，且不增加工艺难度。
最后，本发明的工艺技术成熟，成品率保证，性价比优。
附图说明
下面根据实施例和所属的示意性图来进一步阐述根据本发明声表面波器件。
图1示出了常规电声转换器的示意图；
图2示出了根据本发明的声表面波器件1的示意图；
图3示出了根据本发明的声表面波器件2的示意图；
图4示出了根据本发明的声表面波器件3的示意图；
图5示出了根据本发明的声表面波器件4的示意图；
图6示出了根据本发明的声表面波器件的侧面图；
图7为横向滤波器采用镶嵌金属体声波导；
图8为采用镶嵌金属体声波导加权叉指换能器；
图9声表面波传感器采用镶嵌金属体声波导。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明。
本发明实施方式提供一种声表面波器件，包括压电衬底以及制作在压电衬底表面的金属电极结构，所述金属电极结构包括但不限于叉指换能器、反射栅阵、屏蔽电极、声波多条耦合电极、传感器敏感结构和引出电极；
压电衬底表面上至少有一个有效声表面波传输通道区域边缘镶嵌有金属体，作为声表面波声波导的侧壁；此处的“边缘”是指以设计的有效声表面波传输通道区域的横向外侧为中心，沿声表面波传播方向延伸的带状衬底表面，其宽度以最佳利用声表面波优化器件性能所确定；
在本发明一些实施方式中，有效声表面波传输通道区域分布在叉指换能器产生或/和接收实现器件功能所必要的声表面波的区域；可选地，压电衬底表面上有效声表面波传输通道区域是变迹加权表面波传输通道区域。
在本发明一些实施方式中，所述压电衬底表面上有效声表面波传输通道区域分布在偏离叉指换能器的压电衬底表面上，为传输实现器件功能所必要的声表面波的传输通道区域；本发明通过在压电衬底表面镶嵌金属体，作为声表面波声波导的硬侧壁，利用表面镶嵌金属体对传输的声表面波反射、衍射和压电短路效应，直接在压电衬底表面制作出器件所需要的声表面波传输声道，引导声表面波按设计规范传输；
另外，此外，因为压电晶体具有的压电效应，材料在受到外力作用下，内部会产生极化现象，从而在压电晶体表面上产生了大小相等，正负相反的电荷，这些电荷累积到一定量后会通过表面的尖端放电产生电弧烧伤； 本发明采用的压电衬底表面镶嵌金属体可将表面累积的电荷导入到晶体内部，与晶体内部的电荷产生中和，一定程度上消减了表面电荷的累积，降低了因电荷累积发生的放电烧伤，提升器件可靠性；
可选地，所述的镶嵌金属体的个体几何形状包括微电子工艺能制作的扁带状、柱状、斜锥状等三维几何体，其整体排列方式是一排或多排，其个体间距和排距根据器件性能设计；
压电衬底表面上有效声表面波传输通道区域是变迹加权表面波传输通道区域；
现有技术中，除经典的压电晶体基片直接作为衬底外，压电单晶箔和压电薄膜已成为压电衬底的标准技术平台；在本发明一些具体实施例中，所指压电衬底也是多层结构复合基片的表面压电层；具体地，压电衬底的表面层包括压电晶体或压电薄膜，所述压电晶体包含铌酸锂、钽酸锂、硅酸钾镧系列、石英；所述的压电薄膜包括氧化锌或氮化铝。
镶嵌金属体中金属材料包括以下一种或多种：铜，钼，钨，金，银、铂、铝以及其合金，构成单层或多层结构。
本发明实施方式提供压电衬底表面上至少有一个有效声表面波传输通道区域边缘镶嵌有金属体，作为声表面波声波导的侧壁，在本发明一些实施方式中，所述的金属电极结构为叉指换能器，参考图2~5所示，其中，21-叉指电极非末端区域，22-叉指电极末端区域，23-切口区域，24-汇流排区域。
在本发明一些具体实施例中，镶嵌金属体布置在叉指换能器周期金属电极结构叉指电极末端区域的一根电极末端下方，并与其电联接；
在本发明另一些具体实施例中，镶嵌金属体的一部分布置在叉指换叉指电极末端区域的一根电极末端下方，并与其电联接；
在本发明另一些具体实施例中，镶嵌金属体布置在叉指换能器周期金属电极结构叉指电极末端区域的一根电极非末端下方，并与其电联接；
在本发明另一些具体实施例中，镶嵌金属体布置在叉指换能器周期金属电极结构切口区域的一个切口下方， 不与周围金属电极电联接；
在本发明另一些具体实施例中，镶嵌金属体的一部分布置在叉指换能器周期金属电极结构切口区域的一个切口区域下方，而其余部分与周围金属电极电联接；
在本发明另一些具体实施例中，镶嵌金属体布置在叉指换能器周期金属电极结构的汇流排区域下方。
在本发明另一些具体实施例中，镶嵌金属体的一部分在叉指换能器周期金属电极结构的汇流排区域下方；
图6示例了本实施例提供的声表面波器件的侧视图，该器件由衬底、叉指换能器（IDT）、补偿层组成，所述衬底包括压电衬底以及填充在压电衬底间的金属体；
图7示意了横向滤波器采用镶嵌金属体声波导示意（图中引出电极未标出），其中1表示压电衬底，2表示叉指换能器，3表示镶嵌金属体构成的横向杂波抑制声波导侧壁。横向滤波器的左叉指换能器，在引出电极输入的外射频信号激励时，产生声表面波，向右方传播，被右叉指换能器接收，并转换为射频信号，经引出电极输出，完成射频信号的处理。两叉指换能器中间是声表面波传输通道，采用图示声波导结构，限制声波传输路径，明显优化器件性能。
图8示意了采用镶嵌金属体声波导的变迹加权叉指换能器示意，其中1表示压电衬底，2表示加权叉指换能器，3表示围绕加权曲线的镶嵌金属体构成的横向杂波抑制声波导侧壁。变迹加权是改变叉指换能器特性的一种方法，有助于器件频响设计自由和优化。严格加权曲线作用，横向杂波抑制是十分必要的。
图9示意了声表面波传感器采用镶嵌金属体声波导限制声表面波传输横向扩散的结构示意，其中1表示压电衬底，2表示加权叉指换能器，3表示镶嵌金属体构成的横向杂波抑制声波导侧壁，4是传感器用fs1栅阵；传感器利用了叉指换能器产生的声表面波传播到反射栅阵的回波，由外界物理量对压电衬底声速的影响，探测外界物理量的变化，实现传感器功能。由于声表面波传播距离较长，传播路径扩散会明显降低探测效率，由此，采用声波导是优化传感器性能的有效手段。
本发明述及的声表面波器件，可以是双模式声表面波滤波器、单相单向换能器滤波器、双工器、多端口滤波器、2 合1 滤波器、电抗滤波器；
本发明采用压电衬底表面镶嵌微金属体，直接在压电衬底表面制作出器件需要的声传输声道，配合常规叉指换能器电极结构工艺，就能实现引导与改变SAW的传输性能，抑制杂波，优化器件功能。
此外，本发明需要后续叉指换能器电极结构与压电衬底表面镶嵌微金属体的精确套刻工艺，但纳米级套刻精度，已属于通用常规微电子制作技术。
此外，本发明提供前述声表面波器件的镶嵌金属体的一种生产方法，包括如下步骤：采用干法或者湿法在压电衬底上挖坑或者通孔，然后填入金属体在坑孔内，以此形成衬底；进一步地，在衬底上表面制作相关金属电极结构；
前述的声表面波器件的镶嵌金属体是采用金属淀积后扩散、金属离子注入、激光辅助掺杂以及相关微电子工艺联合制作。
本发明需要后续叉指换能器电极结构与压电衬底表面镶嵌金属体的精确套刻工艺，但纳米级套刻精度，已属于通用常规微电子制作技术。
本发明提出一种构造压电衬底表面横向抑制声波导的新技术：在压电衬底表面镶嵌金属体，作为声表面波声波导的硬侧壁，利用表面镶嵌金属体对传输的声表面波反射、衍射和压电短路效应，直接在压电衬底表面制作出器件所需要的声表面波传输声道，引导声表面波按设计规范传输。
本发明的横向抑制声波导技术，可以应用于任何声表面波器件中需要抑制横向杂波的有效声表面波传输声道，并只不限于叉指换能器下方，扩大了器件设计自由度。
本发明采用的压电衬底表面镶嵌金属体可将表面累积的电荷导入到晶体内部，与晶体内部的电荷产生中和，一定程度上消减了表面电荷的累积，降低了因电荷累积发生的放电烧伤，提升器件可靠性。
在本发明一些实施例中，所述的衬底通过在压电衬底上通过干法或者湿法工艺进行挖坑或者通孔后填充金属体形成；可选地，采用光刻和刻蚀方法，使得该坑体结构在压电衬底和压电衬底阵下方形成空坑，在空坑内镶嵌（填充）金属层，产生的工艺效果与现有在压电衬底表面制作金属层效果一致，且工艺方法更容易控制，产品成品率更高，简化工艺难度；在本实施例中，示例性地，提供一种衬底的制作方法：采用128°铌酸锂的压电衬底，清洗衬底后，光刻工艺采用转速3000RPM涂深紫外负性光刻胶，前烘温度100°，时间90S；曝光能量35MJ，后烘温度为120°，时间90S；显影30S，采用温度130°坚膜120S；采用离子束刻蚀机使用氩气干法刻蚀工艺在衬底上挖坑，使用的是氩气的物理轰击原理，氩气流量10sccm，电压1500V，电流21mA，时间1min，刻蚀角度135度，刻蚀深度60nm；然后使用蒸发台镀膜镶嵌金属层在坑槽内，金属成分为55nm的Ti+40nm的Cu+55nm的Ti，蒸发速率为5A/S;然后采用剥离机进行剥离工艺，采用NMP溶液，剥离时间5min。厚度为2.4%λ，再制作相关叉指换能器（IDT）图形，最后制作SiO2补偿层；优化声表面波器件性能，且不增加工艺难度；且本发明的工艺技术成熟，成品率保证，性价比优。
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