[发明专利]一种基于复合结构的温度补偿薄膜体声波谐振器

说明书

本发明涉及一种基于复合结构的温度补偿薄膜体声波谐振器，包括衬底，其特征在于，还包括所述衬底的上表面带有凹槽，所述凹槽设有边界；所述衬底上设有底电极层；所述底电极层上设有温度补偿层，所述温度补偿层的边界延伸到所述凹槽的边界以外；所述温度补偿层上设有压电层；所述压电层上设有顶电极层；所述压电层上设有保护层，所述保护层至少覆盖所述温度补偿层的边界的上方；所述保护层的材质为导电材料或介电材料。本发明为含有温度补偿层的和具备低频率温度漂移特性的薄膜体声波器件，能够在保持其良好的品质因数的同时，实现在牺牲层释放时对温度补偿层的有效保护。

技术领域

本发明涉及属于薄膜体声波器件技术领域，特别是涉及一种基于复合结构的温度补偿薄膜体声波谐振器。

背景技术

随着无线通信技术及智能手机的发展，射频前端对元器件性能指标、集成度的要求越来越高。基于薄膜体声波器件的射频前端滤波器、双工器、多工器因其具有小体积、低插损、快速滚降、低功耗等优点，已被广泛使用于智能手机、通信终端、以及通信基站中，并将于未来应用于车联网、工业控制等物联网终端的通信设备中。此外，基于薄膜体声波器件的振荡器在高速串行数据设备如SATA硬盘驱动器、USB3.0标准PC外设、C-type接口、光线收发器等中极具应用价值。

典型的薄膜体声波谐振器包括位于衬底上的声反射层、位于声反射层上的底电极层、位于底电极层上的压电层，以及位于压电层上的顶电极层。声反射层的两种常见具体形式分别是，空气腔结构，以及由高声阻抗层和低声阻抗层交叠而成的多层复合结构。空气腔的形成过程通常是，先沉积一层牺牲层材料，当器件其它各层加工完成后，对牺牲层材料进行释放，留下的空间即可形成空腔。

当在薄膜体声波谐振器的上、下电极施加交变电压时，压电材料在外电场作用下会发生纵向形变，产生纵向传播和振动的体声波。该体声波会在薄膜体声波谐振器的上、下表面被反射回来，形成压电体内的驻波，从而产生谐振。该声波谐振经由压电材料的压电效应，会在上下电极形成成可以测量的电信号，即体声波谐振器的谐振电信号。该信号包含谐振频率、振幅、相位等信息。此外，为了提升薄膜体声波谐振器的表面抗氧化、功率耐受、机械强度、频率温度稳定等性能，还可能在上述基本结构的基础上，添加额外的材料层及结构。

薄膜体声波谐振器的谐振频率由各层薄膜的厚度及厚度方向上的材料声速决定，不包括声反射层及衬底。具体地，当厚度增大时，谐振频率降低；当材料声速变小时，谐振频率降低。由于薄膜体声波谐振器的压电层、电极层的厚度及声速都会随温度而变化，因此薄膜体声波谐振器的谐振频率也随温度而变化。常见的压电层、电极层材料如氮化铝、钼都是负温度系数材料，即材料声速都随温度升高而变小。例如，氮化铝的声速的温度系数为-25ppm/℃，钼的声速的温度系数为-60ppm/℃。因此，薄膜体声波谐振器的谐振频率通常都随温度升高而降低，其温度系数受到各层材料的厚度比例影响，通常在-30ppm/℃到-40ppm/℃之间。

在薄膜体声波谐振器中添加具有正温度系数的材料层，例如温度系数为+60ppm/℃的二氧化硅层，可以实现对其他材料层负温度系数的抵消作用，使薄膜体声波谐振器整体呈现低温漂(+/-10ppm/℃以内)、甚至零温漂特性。然而，二氧化硅及带有其它元素掺杂的二氧化硅材料，通常也是空气腔型薄膜体声波谐振器的牺牲层材料。当对牺牲层材料进行释放处理时，需保证温度补偿层的二氧化硅材料结构完好、不被破坏、释放，从而保证该薄膜体声波谐振器的温度稳定性。

中国专利申请201010293846公开了一种温度补偿薄膜体声波谐振器，该专利说明书附图5E所示，其温度补偿层边界的上方，仅有超薄的导电层以及压电层薄膜覆盖。由于温度补偿层的图形化通常为刻蚀工艺形成，因此温度补偿层在其边界处的表面很粗糙，导致生长在其边界上方的超薄导电层和压电层薄膜缺陷较多，容易形成微孔。当薄膜体声波谐振器经历牺牲层的释放工艺时，超薄的导电层和压电层薄膜的组合难以对温度补偿层形成有效保护，刻蚀液极易在温度补偿层边界上方处通过压电层和超薄导电层的微孔侵透压电层薄膜，钻入温度补偿层。由于温度补偿层与牺牲层通常都使用二氧化硅或掺杂型二氧化硅材料，因此牺牲层刻蚀液也会对温度补偿层造成腐蚀破坏。