單晶薄膜體聲波諧振器頻率溫度特性研究

簡 珂，帥 垚，田本朗，白曉園，羅文博，吳傳貴，張萬里

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

0 引言

LN材料的縱波聲速約為7 400 m/s，當工作頻率大于2.5 GHz時，其薄膜厚度需小于1 500 nm。近年來發(fā)展了一種離子注入剝離(CIS)法，用于特定取向的LN薄膜制備。首先將He+注入到LN晶片(施主晶片)中，然后用磁控濺射法在硅襯底晶片上沉積一定厚度的SiO2膜，再將注入晶圓與硅襯底進行鍵合，鍵合界面為SiO2-LN，鍵合后的晶圓在高溫下真空退火，使注入的He+形成氣泡，并使施主晶圓沿缺陷層產(chǎn)生劈裂，最終使LN薄膜轉(zhuǎn)移至Si襯底上。

1 實驗

1.1 仿真設計

(1)

圖1 LN BAW的三維模型圖和阻抗-頻率響應圖

1.2 器件制備

LN BAW的制作流程如圖2所示。首先將He+注入LN晶片(施主晶片)中，然后用磁控濺射法在注入表面沉積Al電極膜，并在注入面依次交替生長SiO2和Mo，共7個循環(huán)，即4層SiO2、3層Mo，形成布喇格反射結(jié)構(gòu)。隨后將生長了反射層的注入晶圓與另一個LN晶圓進行鍵合，鍵合界面為SiO2-LN，鍵合后的晶圓在400 ℃下真空退火5 h，使注入的He+形成氣泡，并使注入晶圓沿缺陷層產(chǎn)生劈裂，最終使LN薄膜、Al電極及布喇格反射層整體轉(zhuǎn)移至LN襯底。最后在LN薄膜表面制備上電極，形成LN BAW諧振器結(jié)構(gòu)。

圖2 LN BAW諧振器制作流程圖

2 實驗結(jié)果與討論

2.1 結(jié)構(gòu)特點

圖3 LN BAW諧振器的剖面SEM測試圖及表面AFM測試圖

2.2 頻域分析

1) 仿真所用的材料參數(shù)是由COMSOL Multiphysic軟件中直接獲取，與實際制作獲得的材料參數(shù)不完全一致。

2) 實際制作的BAW器件的各層厚度與設計參數(shù)存在差異。

3) 實際器件中還存在機械損耗、介質(zhì)損耗等，導致器件性能下降。

圖4 LN BAW諧振器的測試結(jié)果

2.3 頻率溫度特性測試

在移動通信中，各頻段非常接近，這要求濾波器的工作頻點隨溫度的變化不能出現(xiàn)過大的漂移。與AlN相比，LN雖然具有較高的機電耦合系數(shù)，但其TCF也較大，這對實際應用不利。TCF可通過下式計算：

(2)

c(T)=c(T0)·[1+a0(T-T0)+b0(T-

T0)2+c0(T-T0)3+…]

(3)

式中：T0為常溫；a0、b0、c0分別為泰勒展開式中不同階數(shù)的系數(shù)，高階項對c影響較小，我們主要考慮第一階溫度系數(shù)。LN是一種各向異性晶體，不同軸向具有不同的溫度系數(shù)，LN具有負的彈性溫度系數(shù)(見表1)，從而導致TCF為較大的負值[11]。SiO2是一種正溫度系數(shù)的材料，我們也給出其楊氏模量溫度系數(shù)[12]。通過將SiO2作為低聲阻抗層材料，能夠很好地補償LN的溫漂現(xiàn)象。

表1 彈性系數(shù)矩陣c參數(shù)及溫度系數(shù)

圖5 LN BAW諧振器的實際測試結(jié)果

3 結(jié)束語

本文從有限元仿真入手，對單晶LN BAW諧振器進行了建模，利用仿真結(jié)果分析了其諧振特性?；陔x子注入剝離法，成功實現(xiàn)了單晶LN薄膜的轉(zhuǎn)移和 BAW諧振器的制備，并研究了其頻率隨溫度變化的特性。實驗結(jié)果表明，基于單晶LN薄膜的布喇格反射型BAW器件不僅具有較高的機電耦合系數(shù)，且通過SiO2/Mo構(gòu)成的聲反射層還能對溫漂進行有效的補償，從而實現(xiàn)了較小的TCF值。低溫度系數(shù)、高機電耦合系數(shù)的薄膜體聲波諧振器可滿足大帶寬濾波器的應用需求。