一種窄帶溫補(bǔ)型聲表面波濾波器

冷俊林，董加和，陸 川，陳運(yùn)祥，李樺林，陳尚權(quán)，彭 霄，寇 俊，唐永紅，米 佳

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第二十六研究所，重慶 400060)

0 引言

在星載、通訊電臺(tái)等系統(tǒng)中，需要用到窄帶濾波器。在眾多濾波器中，聲表面波(SAW)濾波器以其體積小、一致性好等優(yōu)勢(shì)備受青睞。在L波段，大部分窄帶濾波器采用(36°～42°)Y切X向傳播的鉭酸鋰(36°～42°Y-XLiTaO3)晶片,但是此類型的普通SAW濾波器的頻率溫度系數(shù)為(-40～-32)×10-6/℃，這限制了該類型濾波器在L波段的應(yīng)用。因此，星載、通訊電臺(tái)等系統(tǒng)對(duì)高穩(wěn)定性的溫補(bǔ)型SAW(TCSAW)濾波器需求較迫切。國(guó)外TCSAW濾波器的研究起步較早，目前日本村田、美國(guó)Qorvo等公司已實(shí)現(xiàn)了TCSAW濾波器的批量生產(chǎn)，而國(guó)內(nèi)尚處于樣品開(kāi)發(fā)階段。2011年，日本Hashimoto教授對(duì)近年來(lái)TCSAW器件研究進(jìn)行了歸納總結(jié)[1]。我們借鑒國(guó)外的研究經(jīng)驗(yàn)，采用42°Y-XLiTaO3(簡(jiǎn)稱42LT)作為襯底，再用二氧化硅(SiO2)膜作為溫度補(bǔ)償層研制了窄帶TCSAW濾波器。

1 頻率溫度系數(shù)曲線理論計(jì)算

隨著SiO2厚度變化的頻率溫度系數(shù)(TCF)曲線對(duì)研究TCSAW器件具有重要指導(dǎo)意義。我們采用Hashimoto教授的方法[2]及其FEM/SDA開(kāi)源代碼，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了相應(yīng)的修改,實(shí)現(xiàn)了TCF曲線的計(jì)算。TCF有一個(gè)經(jīng)典的公式，即

(1)

式中：v為速度；f為頻率；T為溫度；TCV為速度溫度系數(shù)；CTE為襯底的熱膨脹系數(shù)。由式(1)可見(jiàn)，若要得到TCF,則需得到TCV和CTE,其中TCV通過(guò)改進(jìn)的FEM/SDA模型計(jì)算得到，而CTE為固定值，本文采用的42LT的CTE為16×10-6/℃。該理論計(jì)算采用的TCSAW剖面結(jié)構(gòu)如圖1所示。首先計(jì)算出42LT襯底的開(kāi)路柵和短路柵下的TCV，如圖2所示。在圖2的基礎(chǔ)上，最終得到短路柵TCF曲線，如圖3所示。圖1～3中,hSiO2為SiO2的厚度，λ為叉指換能器(IDT)的波長(zhǎng)。由圖3可知，當(dāng)hSiO2/λ=0時(shí)，即表示無(wú)SiO2時(shí)42LT短路柵TCF為-32.34×10-6/℃，與文獻(xiàn)[3]中-33×10-6/℃的報(bào)道接近。從圖3可見(jiàn)，要實(shí)現(xiàn)零TCF的TCSAW器件，hSiO2/λ=0.32為最佳。

圖1 理論計(jì)算采用的TCSAW剖面結(jié)構(gòu)

圖2 TCV計(jì)算結(jié)果

圖3 短路柵的TCF計(jì)算結(jié)果

2 TCSAW振子研究

在進(jìn)行TCSAW濾波器研制前，首先研究了TCSAW振子，并以此提取了適合TCSAW設(shè)計(jì)的COM參數(shù)。設(shè)計(jì)了振子并進(jìn)行工藝制作，hSiO2=600～800 nm，叉指金屬采用厚為150 nm的Cu膜。圖4為振子版圖。

圖4 振子版圖

通過(guò)多個(gè)不同SiO2厚度方案的振子流片，研制了TCF為-2.52×10-6/℃的振子樣品，對(duì)應(yīng)的hSiO2=750 nm。

圖5為振子三溫實(shí)測(cè)曲線圖。在圖5的基礎(chǔ)上，我們提取了適合TCSAW的COM參數(shù)，圖6為實(shí)測(cè)及模擬曲線對(duì)比。圖中,S4,3為實(shí)測(cè)頻率響應(yīng),S2,1為模擬頻率響應(yīng)。

圖5 振子三溫實(shí)測(cè)曲線

圖6 振子實(shí)測(cè)及模擬曲線對(duì)比

3 溫度補(bǔ)償膜制備及平坦化處理

SiO2的成膜質(zhì)量對(duì)研制TCSAW非常關(guān)鍵，同時(shí)研制的SiO2薄膜不能出現(xiàn)空洞和缺陷。通過(guò)研究，我們研制出了高密度、無(wú)孔隙的SiO2薄膜(見(jiàn)圖7)，滿足TCSAW器件制作的要求。

圖7 制備的SiO2薄膜

由圖7可知，制作的SiO2膜上表面不平整，這會(huì)導(dǎo)致振子的品質(zhì)因數(shù)(Q)下降，為此我們進(jìn)行了平坦化研究。利用化學(xué)機(jī)械拋光SiO2薄膜法獲得平坦表面形貌，同時(shí)也將SiO2表面的均勻性提高到1%，如圖8、9所示。

圖8 制備的平坦化SiO2薄膜

圖9 平坦化SiO2薄膜的均勻性測(cè)試

4 TCSAW濾波器研制

在振子研究及工藝制作研究的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了阻抗元結(jié)構(gòu)的TCSAW濾波器(見(jiàn)圖10)。圖中，IEF31表示版標(biāo)，用于識(shí)別設(shè)計(jì)方案。該濾波器的金屬膜厚及平坦化后SiO2厚度與振子設(shè)計(jì)一致。圖11為研制出的TCSAW芯片表面形貌。

圖10 TCSAW濾波器設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)

圖11 TCSAW濾波器芯片形貌

制作了溫補(bǔ)型SAW濾波器樣品并進(jìn)行了測(cè)試，測(cè)試曲線如圖12所示。由圖可知，測(cè)試的中心頻率約為1 362.5 MHz，在-55～85 ℃內(nèi)頻率漂移僅約388.2 kHz，頻率溫度系數(shù)為-2.035×10-6/℃，插入損耗約為1.3 dB。TCF計(jì)算式為

(2)

式中：f25為常溫中心頻率;df為-55～85 ℃內(nèi)頻率漂移;dT=140 ℃為溫度變化。

圖12 TCSAW濾波器樣品測(cè)試結(jié)果

5 結(jié)束語(yǔ)

本文從理論上計(jì)算了頻率溫度系數(shù)曲線，對(duì)TCSAW振子進(jìn)行研究，并制作了振子樣品。同時(shí)，通過(guò)工藝研究獲得了滿足TCSAW要求的高密度、無(wú)孔隙的平坦SiO2薄膜。在此基礎(chǔ)上研制了TCSAW濾波器樣品，其常溫中心頻率為1 362.5 MHz，在-55～85 ℃內(nèi)頻率漂移僅388.2 kHz，頻率溫度系數(shù)僅-2.035×10-6/℃。