布喇格反射型寬帶單晶薄膜體聲波濾波器

王曉學(xué)，帥 垚，田本朗，白曉園，呂 露，簡 珂，羅文博，吳傳貴，張萬里

電子科技大學(xué) 電子薄膜與集成器件國家重點實驗室, 四川 成都 610054)

0 引言

射頻濾波器是射頻前端系統(tǒng)中最重要的無源器件，對射頻前端的性能有重要影響。隨著5G的應(yīng)用，對移動通訊設(shè)備的射頻前端提出了更高的要求，如需要支持更多的頻段、更高的工作頻率和更大的頻帶帶寬[1]。現(xiàn)有移動通訊終端中，主要采用的是聲學(xué)濾波器，包括聲表面波(SAW)和體聲波(BAW)兩種。SAW濾波器已經(jīng)在終端中廣泛應(yīng)用，但受到叉指電極寬度的工藝限制，其工作頻率一般在1.9 GHz以下，高頻下?lián)p耗會急劇增加，影響濾波器的插損。在高頻頻段，BAW濾波器是最佳選擇，不但具有插損低、矩形度好等性能優(yōu)勢，體積也更小，是高集成度射頻前端模塊中濾波器的理想解決方案[2-3]。

要獲得厚度更小的特殊取向單晶LN薄膜，目前只能采用離子注入剝離(CIS)技術(shù)[8]。該技術(shù)盡管可以制備出亞微米厚度的特殊取向單晶LN薄膜材料，但并不具備BAW器件所必須的下電極層和聲學(xué)反射結(jié)構(gòu)，無法形成BAW諧振器和濾波器。針對這一問題，本論文提出了一種改進(jìn)型的CIS技術(shù)，采用聚合物作為鍵合層代替?zhèn)鹘y(tǒng)CIS工藝中所采用的SiO2鍵合層，實現(xiàn)了帶圖形化電極結(jié)構(gòu)的特殊取向單晶LN薄膜與聲學(xué)反射結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)移集成，并最終制成了工作頻率在3 GHz附近、相對帶寬8.5%以上的LN BAW濾波器。

1 實驗

1.1 仿真設(shè)計

首先在ADS(Advanced Design System)仿真軟件中建立LN BAW諧振器和濾波器的Mason模型(見圖1)，對器件性能進(jìn)行仿真，并確定器件的結(jié)構(gòu)參數(shù)。通過調(diào)節(jié)上電極的厚度和諧振面積，在不考慮壓電層的介電損耗和其他聲學(xué)層的機械損耗情況下，設(shè)計了三階BAW濾波器(見圖2)，其中模塊X1、X2代表串聯(lián)諧振器，X3代表并聯(lián)諧振器。

圖1 諧振器的Mason模型

圖2 三階BAW濾波器原理圖

圖3為三階BAW濾波器的仿真結(jié)果。當(dāng)設(shè)計的三階濾波器中心頻率為2.93 GHz，苯并環(huán)丁烯(BCB)膠厚度為970 nm時，濾波器性能較好。此時，三階BAW濾波器的插損為-1 dB，3 dB帶寬為343 MHz，相對帶寬達(dá)11.7%。仿真結(jié)果顯示，使用BCB作為布喇格反射層的第一低聲阻抗層，能夠?qū)β暡ㄟM(jìn)行有效地反射。

圖3 三階BAW濾波器仿真結(jié)果

1.2 技術(shù)路線

根據(jù)仿真結(jié)果確定的結(jié)構(gòu)參數(shù)，采用改進(jìn)型的CIS技術(shù)制備了LN BAW濾波器，具體流程如圖4所示。

圖4 BAW濾波器工藝流程圖

壓電材料選用Y43°-切型的單晶鈮酸鋰，首先對Y43°-LN晶圓進(jìn)行He+注入，為了獲得設(shè)計的950 nm單晶LN厚度，注入能量為310 keV。然后在注入面生長下電極鋁(Al)并圖形化，生長厚度為100 nm，由于Al電極與LN材料的附著性較差，故先生長10 nm金屬鈦(Ti)作為附著層。用聚合物BCB將晶圓的注入面(已生長下電極)與另一片Y43°-LN襯底晶圓鍵合，LN襯底晶圓上預(yù)先交替生長Mo/Ti多層膜結(jié)構(gòu)；再通過退火處理即可使注入的單晶LN延注入形成的損傷層發(fā)生剝離，從而將帶有圖形化下電極的單晶Y43°-LN薄膜轉(zhuǎn)移至帶有Mo/Ti聲反射結(jié)構(gòu)的襯底上，最終形成的LN BAW器件結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 BAW濾波器結(jié)構(gòu)剖面圖

由圖5可見，Al/LN/Al諧振單元與Mo/Ti聲反射結(jié)構(gòu)之間存在一層BCB材料。BCB在固化之間具有流動性，使帶有圖形化Al電極的LN晶圓順利完成鍵合并剝離。此外，BCB聲阻抗較低，與通常作為低聲阻抗層的SiO2相比還要小1個數(shù)量級[9]，因此，該結(jié)構(gòu)中的BCB層可作為布喇格反射層的第一層低聲阻抗層，與下方的Mo/Ti多層膜共同構(gòu)成布喇格聲反射結(jié)構(gòu)。各層材料的主要參數(shù)如表1所示。

表1 材料參數(shù)

為了驗證采用BCB鍵合層轉(zhuǎn)移制備的LN單晶薄膜質(zhì)量，以圖4的工藝步驟制備了不含電極和反射層結(jié)構(gòu)的LN薄膜樣品用于材料的表征分析，為了避免同質(zhì)的LN襯底對分析結(jié)果造成影響，該材料樣品采用非晶玻璃作為襯底。

2 實驗結(jié)果與討論

2.1 薄膜質(zhì)量分析

對在非晶玻璃上制備的單晶LN薄膜材料樣品進(jìn)行表面形貌的測試，結(jié)果如圖6所示，LN薄膜表面粗糙度(RMS)為12.8 nm。

圖6 單晶鈮酸鋰薄膜粗糙度測試

對于采用CIS技術(shù)剝離制備的單晶薄膜，膜層表面是發(fā)生剝離時的劈裂面，由于劈裂是注入損傷層進(jìn)行的，無法保證劈裂面的高平整度，導(dǎo)致單晶LN薄膜表面粗糙度較高，后續(xù)可通過化學(xué)機械拋光(CMP)的方法對膜層表面進(jìn)行平坦化處理，可將表面粗糙度降低至1 nm以下。薄膜的XRD測試結(jié)果如圖7(a)所示，樣品只在衍射角23.80°、48.54°和76.19°各有一個衍射峰，這些衍射峰屬于同一平行晶面族，表明薄膜材料的單晶取向。對薄膜(012)面的搖擺曲線測試如圖7(b)所示，半高寬僅為0.052 2°，顯示了薄膜材料的高結(jié)晶質(zhì)量。由圖可見，采用BCB代替?zhèn)鹘y(tǒng)的SiO2層作為鍵合層，同樣能獲得高質(zhì)量的單晶LN薄膜材料。

圖7 單晶鈮酸鋰薄膜XRD測試結(jié)果

2.2 器件測試

按照圖4的流程，并以ADS仿真結(jié)果為參考制備三階BAW濾波器，如圖8所示。

圖8 LN BAW濾波器器件

該三階帶通濾波器的S21測試曲線如圖9所示，其中心頻率為2.93 GHz，3 dB帶寬為247 MHz，1 dB帶寬為155 MHz，插入損耗為-4 dB，帶外抑制為-11.5 dB，相對帶寬達(dá)到8.4%。

圖9 三階BAW濾波器測試結(jié)果

由于仿真過程未考慮壓電層的介電損耗及其他聲學(xué)層的機械損耗，因此，測試結(jié)果的插入損耗大于仿真結(jié)果。另外，由于制備的鈮酸鋰薄膜粗糙度較大，且上電極生長的厚度與設(shè)計存在偏差，造成S21曲線通帶不平整，同時也導(dǎo)致插入損耗增大。

3 結(jié)束語

本文提出了一種改進(jìn)型的CIS技術(shù)，采用聚合物作為鍵合層代替?zhèn)鹘y(tǒng)CIS工藝中所采用的SiO2鍵合層，實現(xiàn)了帶圖形化電極結(jié)構(gòu)的特殊取向單晶LN薄膜與聲學(xué)反射結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)移集成，并最終制成了工作頻率約3 GHz、帶寬8.5%以上的LN BAW濾波器。

通過對BAW濾波器器件的設(shè)計與制備，證實了聚合物BCB可以作為布喇格反射層的低聲阻抗層。采用Y43°-鈮酸鋰單晶薄膜能夠獲得較大的帶寬，滿足5G通信對射頻前端大帶寬的應(yīng)用要求。