高性能TC-SAW器件：材料与几何结构优化

TipⅠ.

介绍

当前，声表面波（SAW）器件在高频应用中的小型化与性能提升仍面临多重技术挑战，其核心瓶颈集中于对物理机制的深度解析、制造精度的控制以及高频封装可靠性的实现。尽管学术界对性能优化路径尚未形成统一共识，但工艺迭代与多物理场耦合设计方法的进步正持续推动着该领域的技术突破。

在SAW器件的设计与制备中，材料体系的热稳定性与杂散响应抑制是两大关键技术挑战。针对铌酸锂(LiNbO₃)压电衬底固有的负弹性温度系数问题，业界通过在叉指换能器（IDT）区域沉积具有正弹性温度系数的非晶态二氧化硅（SiO₂）薄膜，成功实现了温度补偿效应。SiO₂/128°Y-X LiNbO₃的异质结构设计已发展成熟，其温度系数接近零值的优异特性使温度补偿型声表面波（TC-SAW）器件在5G移动通信系统中获得规模化应用。

在提升器件性能方面，在保持高品质因数Q的同时抑制杂散响应是研究关键方向。TC-SAW的杂散响应主要源自四种模式：（a）横向模式（transverse modes）；（b）水平剪切声表面波（SH-SAW）；（c）由瑞利声表面波（Rayleigh-SAW）与水平剪切声表面波耦合产生的混合模式；（d）间隙模式（gap modes）。

(a)

  (b)

SiO₂/Cu/ LiNbO₃结构的TC-SAW谐振器的导纳Y和电导G的（a）仿真和（b）测试结果

如上图所示，横向模式会产生通带波纹，并有可能影响抑制，从而损害SAW滤波器的性能。因此，抑制横向模式对于TC-SAW谐振器至关重要，通过piston设计可以有效抑制横向模式，典型方法有：（a）加宽IDT指条的末端，形成锤头结构；（b）在IDT指条末端放置金属加厚层；（c）IDT指条末端对应的SiO₂层上放置金属条。另外，对谐振器波导进行变迹和弯曲也经常用于抑制横向模式。

对于特定的IDT电极和SiO₂厚度，通过适当选择LiNbO3的切割角度以及在SiO₂中插入氮化硅（Si₃N₄）可实现宽频抑制SH-SAW响应。混合模式则采用异孔径谐振器串联削弱。

间隙模式产生于孔径区和汇流条之间，其一系列响应出现在反谐振频率附近及以上，并会产生强烈的非线性信号。通过局部减薄间隙区域的SiO₂可有效抑制间隙模式。但是，控制SiO₂的刻蚀轮廓可能对大规模生产带来挑战。

本研究基于SiO₂/128°Y-X LiNbO₃基底开发双金属点TC-SAW谐振器，通过同步在IDT孔径边缘与假指区域设置金属点实现全杂散抑制。该结构突破传统piston模式局限，在保持Q值等核心性能的同时，消除了所有杂散响应。工艺方面没有增加额外工序，一次金属点的制造工艺同样适用于制作二次金属点。

TipⅡ.

器件设计和分析

SiO₂层的厚度（tsio₂）在器件性能方面起着关键作用。如图所示，SiO₂的厚度对耦合系数和振动模式类型都有显著影响。当SiO₂层的厚度减小时，导模（板模）能更有效地被抑制，并提高耦合系数。但是，tsio₂减小会对器件的品质因数Q和频率温度系数（TCF）产生负面影响。

(a)仿真导纳|Y|(dB)

(b)实际导纳|Y|(dB)

(c)耦合系数与归一化SiO₂厚度的关系

A.   参数研究

在TC-SAW谐振器中，双金属点结构通过在IDT孔径边缘设置第一金属点，在汇流条边缘（假指电极）设置第二金属点。第一金属点通过声速调制抑制横向寄生模态，第二金属点则在不严重影响主谐振的情况下影响间隙模式的激发和传播。

IDT的周期(PI)和孔径宽度分别为2um和40um。IDT层的厚度tIDT和SiO₂的厚度tSiO₂分别为0.18um和1um。金属点下方的IDT区域采用相同加宽设计。孔径区域的金属化率(MR)固定为0.4以保持机电耦合系数和温度稳定性。piston区域的金属化率(Wp.b/PI)设置为0.5，过大会导致主谐振峰分裂，过小时则会加大工艺难度。piston的尺寸满足：Lp.t≤Lp.b，Wp.t≤IDT的宽度，其质量负载效应通过优化Lp.t、Wp.t和tp的协同关系实现。

下图为当Lp.t=0.45PI，Wp.t=IDT宽度(MR=0.4)，Lgab=1.25PI，Ldammy=0时，导纳|Y|、电导G以及Bode Q随Lp.b的变化规律。当Lp.b较小时，主谐振右侧存在横向模式杂散。随Lp.b增加，杂散谐振逐渐减弱，增至Lp.b=0.65PI时，杂散谐振基本消除。随Lp.b继续增大，杂散谐振再次出现。反谐振右侧存在间隙模式引起的杂散响应。品质因数Bode Q几乎不受Lp.b的影响。

(a)

(b)

(c)

(d)

(a)结构参数，当Lp.t=0.45PI，Wp.t=IDT宽度(MR=0.4)，Lgab=1.25PI，Ldammy=0时，计算所得的(a)导纳|Y|、(b)电导G以及(c)品质因数Bode Q随Lpb的变化情况

下图展示了当Lp.b=0.65PI，Lp.t=0.45PI，Wp.t=IDT宽度(MR=0.4)，Ldammy=0时，导纳|Y|、电导G以及Bode Q随Lgap的变化规律。当间隙长度Lgap＜PI时，主谐振附近出现弱杂散峰，这可能源于第一金属点和第二金属点区域声波相互干扰。当Lgap＞PI时，杂散响应消失。品质因数Bode Q几乎不受Lgap的影响，但最优Lp.b值需随Lgap动态调整。通过有限元法仿真表明，Ldummy=0为抑制杂散响应和维持Bode Q的最优参数配置。

双金属点、无金属点（传统型）及单金属点（piston型）SAW谐振器的导纳|Y|与电导G对比表明：虽然单金属点可有效实现横向模态抑制，但需双金属点配置才能抑制间隙模式响应。仿真证实双金属点实现模式调控的同时，谐振与反谐振状态下的品质因数未出现显著劣化。

(a)

(b)

(c)

(d)

当Lp.t=0.45PI，Wp.t=IDT宽度(MR=0.4)，Lgab=0.65PI，Ldammy=0时，计算所得的(a)导纳|Y|、(b)电导G以及(c)品质因数Bode Q随Lgap的变化情况。(d) 三种谐振仿真特性的比较：无金属点的谐振器、单金属点的谐振器以及双金属点的谐振器。（为了获得更好的比较，在各响应之间采用了40dB的偏移处理）

TipⅢ.

实验验证

A.   器件制造和测试

以下器件使用的晶圆是市售的LiNbO₃晶圆。首先，通过DUV光刻技术和剥离工艺，依次制作出厚度分别为185nm的IDT层（5nm Ti+180nm Cu）以及60nm金属点。然后，使用磁控溅射法沉积厚度为1400nm的SiO₂，并通过CMP使顶部的SiO₂表面平整。使用矢量网络分析仪，搭配间距为200um的GS探针测量器件的性能。

(a)采用双金属点结构的IDT

(b)CMP后IDT区域的横截面图

B.   结果和讨论

对比了双金属点、单金属点与传统结构SAW谐振器的实测导纳|Y|与电导G特性。除了在主谐振左侧的纵向模式谐振之外，与理论结果非常相似。尽管第一金属点能实现横向模式抑制，但引入第二金属点可进一步降低间隙模式响应。

Bode-Q对比实验表明：双金属点、单金属点与传统结构在最大Bode-Q值方面差异较小，但单金属点结构在反谐振频率附近因间隙模式耦合导致Q值显著下降，而双金属点结构的Q值保持稳定。

(a) 导纳(|Y|)和电导G

(b)Bode-Q.

图. 谐振器测量特性的比较

TipIV.

总结

本文介绍了一种双金属点配置SiO₂/LiNbO₃结构的TC-SAW谐振器，该设计实现了近乎无杂散的电响应。理论和实验结果均表明，双金属点结构有效抑制了间隙模式，同时不会对其他关键性能指标（如Q值和K²）产生负面影响。该设计在工艺方面没有增加额外工序，一次金属点的制造工艺同样适用于制作二次金属点，在保持易于实施的同时提升了性能。

展望未来，这种叉指换能器配置有望拓展至其他类型的SAW器件，推动整体技术性能的提升与创新应用。此外，对该设计会进一步研究优化：一方面通过精细化设计结构参数实现器件性能突破；另一方面探索新型压电材料与复合结构配置有望显著改善器件频率响应特性与功率承载能力。

TipV.

参考文献

T. B. Workie et al., "Double Metal Dots Configuration for Suppression of Spurious Responses in Temperature Compensated Surface Acoustic Wave Resonators on SiO₂/LiNbO₃ Structure," in IEEE Transactions on Ultrasonics, Ferroelectrics, and Frequency Control, vol. 72, no. 3, pp. 390-396, March 2025。