LiNbO3單晶薄膜體聲波諧振器的研制

彭 霄，田本朗，毛世平，杜 波，蔣 欣，徐 陽(yáng)，馬晉毅，蔣平英

(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

薄膜體聲波諧振器(FBAR)因其品質(zhì)因數(shù)(Q)及功率承受力高，體積小等獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，被廣泛應(yīng)用于移動(dòng)通信領(lǐng)域。目前FBAR濾波器的核心壓電材料為AlN壓電薄膜，該材料具有聲速高、聲衰減小等優(yōu)點(diǎn)，但其有效機(jī)電耦合系數(shù)較小(最大僅7%)，嚴(yán)重限制了FBAR濾波器在寬帶信號(hào)處理系統(tǒng)中的應(yīng)用。

一種展寬帶寬的方法是改變FBAR濾波器的結(jié)構(gòu)。Yang采用一種柵格電路結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了相對(duì)帶寬12%的基于AlN薄膜的FBAR濾波器[1]，但是，該方法需要采用外加匹配電感和巴倫，這增加了濾波器的體積，不利于實(shí)現(xiàn)通信設(shè)備的小型化。為了不增加FBAR濾波器體積，同時(shí)又可增大其工作帶寬，采用機(jī)電耦合系數(shù)大的壓電薄膜材料作為工作層的方法。常用的AlN和ZnO薄膜的Q值及有效機(jī)電耦合系數(shù)都較小，一個(gè)替代方案是采用單晶材料鈮酸鋰(LiNbO3，LN)和鉭酸鋰(LiTaO3,LT)。LN和LT常用作聲表濾波器的材料，機(jī)電耦合系數(shù)及Q值均大于濺射生成的AlN和ZnO薄膜。T.Baron采用Y切36°的LN薄膜板材，制作出機(jī)電耦合系數(shù)達(dá)31%的單晶薄膜諧振器[2]，揭示了LN單晶材料在FBAR器件中應(yīng)用的可能性。但是，該方法中LN薄板是通過(guò)對(duì)晶體材料研磨拋光工藝制作得到，這種方法一方面效率低，另一方面難以得到亞微米級(jí)的壓電薄膜，限制了濾波器的工作頻率范圍。制備亞微米級(jí)壓電薄膜的方法有射頻濺射[3]、化學(xué)氣相沉積[4]和離子束外延[5]等，但這些方法難以制作出具備高晶體質(zhì)量的LN薄膜材料。目前，國(guó)外已采用智能截割(Smart CutTM)法制備出任意取向、微米級(jí)以下的LN薄膜，且薄膜晶體質(zhì)量可與塊狀單晶材料相比擬，為單晶薄膜諧振器的實(shí)現(xiàn)提供了基礎(chǔ)，而國(guó)內(nèi)在LN單晶薄膜諧振器的研究尚處在起步階段。

本文介紹了一種采用Smart CutTM技術(shù)制備的LN體聲波薄膜諧振器。首先通過(guò)有限元仿真對(duì)器件的LN薄膜切向角、電極材料、厚度進(jìn)行了諧振器設(shè)計(jì)，然后采用Smart CutTM技術(shù)制備出Z切-LN單晶薄膜，最終研制出工作頻率為3.85 GHz，插入損耗為1.8 dB，機(jī)電耦合系數(shù)為8.3%的單晶薄膜諧振器。

1 設(shè)計(jì)與仿真

FBAR的核心工作單元由夾在上、下兩電極間的壓電材料組成。頂電極具有自由表面，底電極由空腔或隔膜結(jié)構(gòu)的襯底機(jī)械支撐，電極上施加的電壓信號(hào)激發(fā)壓電材料產(chǎn)生的聲波沿壓電材料的厚度方向傳播，工作諧振頻率由壓電材料的厚度決定。

(1)

式中：fs為串聯(lián)諧振頻率；fp為并聯(lián)諧振頻率。

器件諧振峰處的Q采用3 dB計(jì)算法：

(2)

式中：fr為S參數(shù)中提取的諧振峰頻率；f1、f2分別是諧振頻率處低、高頻段的-3 dB轉(zhuǎn)折點(diǎn)頻率。

采用商用有限元仿真軟件COMSOL模擬LN單晶薄膜諧振器機(jī)電耦合性能，選用軟件中壓電設(shè)備仿真模塊。為減小計(jì)算量與計(jì)算時(shí)間，F(xiàn)BAR單元簡(jiǎn)化為2D軸對(duì)稱模型(見(jiàn)圖1)。

圖1 FBAR的2D軸對(duì)稱結(jié)構(gòu)仿真模型

模型中壓電層厚為500 nm，采用Z切-LN材料。LN材料密度為4 700 kg/m3，相對(duì)介電系數(shù)為43.6。壓電層與下電極的邊界均為緊固邊界，壓電材料上表面加1 V的電勢(shì)，下表面接地。模型的右端采用完美匹配層(PML)的邊界條件，入射聲波將無(wú)反射地穿過(guò)分界面進(jìn)入PML。

壓電材料不同切向激發(fā)的波的形態(tài)和數(shù)量不同，諧振峰處的Q值也不同。Z切-LN襯底的切向角在0°～180°變化時(shí)，諧振器導(dǎo)納Y11的實(shí)部——電導(dǎo)的對(duì)數(shù)值隨頻率變化的仿真曲線如圖2所示。由圖可知，切向角()為0°、60°、120°和180°時(shí)的電導(dǎo)諧振峰Q值遠(yuǎn)大于α為30°、90°和150°時(shí)的Q值。

圖2 LN不同切向角的電導(dǎo)頻譜

圖3為對(duì)不同頂電極厚度(t=50～200 nm)諧振器的電導(dǎo)頻率響應(yīng)。由圖可知，不同的t除了會(huì)導(dǎo)致諧振器的頻率發(fā)生偏移(電極越厚，頻率越低)，寄生雜波的數(shù)量和形態(tài)也不同，其中t=100 nm的諧振器在諧振峰處的Q值最高，寄生波的影響也較小。

圖3 t不同時(shí),FBAR的電導(dǎo)響應(yīng)頻譜

對(duì)不同頂電極半徑(r)的諧振器性能進(jìn)行仿真，r由2 μm變化到10 μm(見(jiàn)圖4)。由圖可知，r越大，諧振峰Q值越高，不過(guò)，帶外的寄生雜波也增多。綜合考慮，選擇r=6 μm時(shí)雜波最少，Q值也較高。

圖4 r不同時(shí),FBAR的電導(dǎo)響應(yīng)頻譜

電極常用金屬材料包括鋁、鎢、金、鉬和鉑，其中鉑、鉬、金和鎢聲阻抗相對(duì)較大，能很好地限制體聲波能量不泄露到外界，使諧振器保持較高的Q值，可用作FBAR電極。有限元仿真中，在相同結(jié)構(gòu)和壓電材料的條件下，對(duì)采用鉑、鉬、金和鎢作為電極材料的諧振器分別進(jìn)行頻域分析，諧振器電導(dǎo)-頻率曲線如圖5所示。

圖5 不同頂電極材料的FBAR對(duì)應(yīng)的電導(dǎo)響應(yīng)

圖6 FBAR優(yōu)化設(shè)計(jì)模型模態(tài)仿真

綜合圖2～5可知，對(duì)采用最優(yōu)設(shè)計(jì)值(α=60°、鉬電極厚為100 nm、電極半徑為6 μm)的FBAR進(jìn)行模態(tài)仿真，諧振峰處的振動(dòng)位移結(jié)果如圖6所示。在3 724 MHz諧振頻率下，諧振器的聲波能量集中在電極區(qū)域，較少泄漏到邊緣區(qū)域，此時(shí)，諧振器的電導(dǎo)-頻率曲線如圖7所示。

圖7 FBAR優(yōu)化設(shè)計(jì)后的電導(dǎo)響應(yīng)

2 制備工藝

由于采用Smart CutTM法制備的Z切-LN薄膜材料已基本成熟且應(yīng)用于光波導(dǎo)領(lǐng)域，因此，從獲得材料的便捷性考慮，本次實(shí)驗(yàn)采用3英寸(1英寸=2.54 cm)，厚0.5 mm的Z切60°LN晶圓作為壓電層來(lái)驗(yàn)證工藝的可行性。同時(shí)，襯底選用LN單晶基片，以保證LN薄膜與襯底間的熱膨脹系數(shù)匹配，由于LN具有高電阻率和低介質(zhì)損耗，是一種優(yōu)異的襯底材料。

本次實(shí)驗(yàn)制備的FBAR諧振器基于空腔結(jié)構(gòu)，關(guān)鍵工藝包括：通過(guò)Smart CutTM工藝獲得LN薄膜作為壓電層；采用SiO2作為粘接層將LN壓電層與LN襯底連結(jié)在一起；釋放犧牲層形成空腔。諧振器制備過(guò)程如圖8所示。

圖8 制備工藝

在LN單晶中注入高劑量的He+以形成斷裂層，通過(guò)調(diào)節(jié)注入離子的能量達(dá)到控制剝離后形成的單晶薄膜的厚度。當(dāng)注入離子能量E=195 keV,注量D≈4.5×1016cm-2時(shí)，剝離后LN薄膜厚度為550 nm。底電極和頂電極采用電子束蒸發(fā)制備，厚約100 nm。為避免高溫對(duì)LN注入層的破壞，采用溫度低于200 ℃的等離子體增強(qiáng)的化學(xué)氣相沉積法(PECVD)制備α-Si，厚約1 000 nm；鍵合層SiO2同樣采用低于200 ℃的PECVD方式制備，厚約2 500 nm。制備完成后運(yùn)用化學(xué)機(jī)械拋光(CMP)的方式進(jìn)行表面平坦化處理，再將兩個(gè)相同尺寸的LN通過(guò)SiO2—SiO2鍵合方式實(shí)現(xiàn)連接。經(jīng)過(guò)200 ℃的溫度進(jìn)行退火后將注入層剝離，從而獲得表面粗糙的單晶LN薄膜。使用CMP工藝對(duì)LN表面進(jìn)行拋光處理，改善薄膜表面粗糙度。由于LN的濕法腐蝕工藝難度較大，采用干法刻蝕工藝完成。由于反應(yīng)離子刻蝕不僅刻蝕速率慢，且對(duì)光刻膠的選擇比低，因此，刻蝕效果較差；而采用離子束進(jìn)行純物理轟擊，雖然能提高刻蝕速率和對(duì)光刻膠的選擇比，但對(duì)終點(diǎn)無(wú)法很好地控制，易破壞電極。所以，干法刻蝕LN采用兩種方式相結(jié)合，即先進(jìn)行離子束轟擊，再采用反應(yīng)離子刻蝕的方式實(shí)現(xiàn)。最終空氣隙的實(shí)現(xiàn)采用XeF2氣體完成。

綜上所述，采用Smart CutTM制作單晶薄膜FBAR諧振器的具體步驟如下：

1)將He離子注入到3英寸單晶襯底A上，創(chuàng)造一個(gè)有一定深度的注入?yún)^(qū)。

2)在晶圓A底部鍍底電極。

3)在底電極下方鍍?chǔ)?Si作為犧牲層。

4)在晶圓A下方鍍SiO2作為連接層并用CMP拋光。

5)通過(guò)SiO2結(jié)合晶圓A、B。

6)通過(guò)晶圓A的注入層剝離出所需單晶薄膜層。

7)刻蝕單晶薄膜層并濺射頂電極。

8)釋放犧牲層形成空腔。

3 結(jié)果與討論

采用Smart CutTM制備的LN薄膜進(jìn)行X線衍射分析，結(jié)果如圖9所示。由圖可見(jiàn)，薄膜的LN衍射峰存在且強(qiáng)度很高，表明薄膜是單晶層，無(wú)其他相出現(xiàn)。LN薄膜在化學(xué)機(jī)械拋光工藝后的表面粗糙度照片如圖10所示。薄膜表面粗糙度小于0.654 nm。圖9、10測(cè)試結(jié)果表明，制備的LN單晶薄膜質(zhì)量較高，基本滿足器件實(shí)際應(yīng)用要求。

圖9 LN單晶薄膜的高分辨X線衍射圖譜

圖10 CMP后薄膜表面粗糙度測(cè)試結(jié)果

圖11為采用上述工藝流程制作的LN單晶諧振器樣品照片。由圖可知，諧振器結(jié)構(gòu)完整，犧牲層釋放完全。

圖11 LN單晶FBAR諧振器樣品

1)LN薄膜應(yīng)力過(guò)大。

2)金屬電極邊緣圖形有缺陷。

3)LN剝離后，因擔(dān)心退火溫度過(guò)高，會(huì)使LN薄膜開(kāi)裂，因此，退火溫度控制在300 ℃，離子注入造成LN薄膜缺陷未得到恢復(fù)。

圖12 LN單晶FBAR諧振器測(cè)試曲線

4 結(jié)論

本文提出了一種采用單晶LN薄膜作為壓電層的FBAR諧振器，重點(diǎn)介紹了采用Smart CutTM技術(shù)制備LN單晶薄膜諧振器的工藝流程。利用該工藝技術(shù)和優(yōu)化仿真結(jié)構(gòu)參數(shù)制備的LN單晶薄膜FBAR諧振器的工作頻率為3 847.5 MHz，反諧振頻率為3 986.25 MHz，插入損耗為1.81 dB，機(jī)電耦合系數(shù)為8.3%。該器件的實(shí)驗(yàn)表明：

1)通過(guò)對(duì)LN材料及結(jié)構(gòu)尺寸進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)來(lái)實(shí)現(xiàn)大的機(jī)電耦合系數(shù)。

2)采用Smart CutTM技術(shù)獲取單晶薄膜作為壓電襯底層可實(shí)現(xiàn)高性能FBAR器件，滿足高世代濾波器的需求。后續(xù)將進(jìn)一步優(yōu)化工藝及結(jié)構(gòu)參數(shù)，減小寄生雜波損耗。