一种基于单晶压电薄膜的体声波谐振器及其制备方法
阅读：966发布：2020-05-08
专利汇可以提供一种基于单晶压电薄膜的体声波谐振器及其制备方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本 发明 公开了一种基于单晶压电 薄膜 的体 声波 谐振器 ，包括：衬底、形成在所述衬底上的声反射层以及 覆盖 在所述声反射层上的压电三明治结构，所述压电三明治结构包括下 电极 、单晶压电薄膜、上电极；在所述下电极表面 和声 反射层上沉积低熔点的金属薄膜，并通过 光刻 工艺形成图形化键合 支点 ，实现所述压电三明治结构与声反射层的低温键合；所述单晶压电薄膜通过离子切片技术获得，通过控制 离子注入 的 能量 和离子剂量可以控制膜厚；本发明制备的 体声波 谐振器的机电耦合系数达到44％以上，品质因数达到2500以上，能在高带宽、大容量数据传输的现代通信系统中发挥重要作用。，下面是一种基于单晶压电薄膜的体声波谐振器及其制备方法专利的具体信息内容。
1.一种基于单晶压电薄膜的体声波谐振器的制备方法，包括以下步骤：
(a)采用薄膜淀积技术将高声阻抗材料与低声阻抗材料交替沉积4到7层于衬底表面，形成布拉格声反射层；
(b)在布拉格反射层的表面，采用薄膜淀积技术沉积用于低温键合的金属薄膜，并用光刻工艺形成图形化的键合支点，其中，金属薄膜的材料为铟或铟锡合金；
(c)对单晶压电体材料的表面进行抛光，并对抛光面进行离子注入，离子注入后，在单晶压电体材料注入深度处形成片状晶格损伤区域；
(d)在单晶压电体材料注入离子的表面，采用薄膜淀积技术沉积下电极，并使用光刻工艺形成下电极图案；
(e)在下电极的表面，采用薄膜淀积技术沉积用于低温键合的金属薄膜，并用光刻工艺形成图形化的键合支点；
(f)将上述带有下电极和键合支点的单晶压电体材料上下翻转，并与上述带有声反射层和键合支点的衬底对准，使得两个键合支点完整接触，并在160℃～240℃条件下加热，使得键合支点完全熔化并键合在一起；
(g)将上述低温键合后的器件放入烘箱中，在300℃～350℃的条件下缓慢加热，持续30～45分钟后，离子注入层断裂，得到单晶压电薄膜；然后在270℃～290℃的条件下进行2～3个小时的快速退火处理；接着对单晶压电薄膜的断裂面进行氩离子刻蚀，提高表面均匀性；
(h)在步骤(g)的基础上，在单晶压电薄膜的表面进行打孔、金属填充，形成与下电极电学互连的垂直通孔；
(i)在步骤(h)的基础上，在单晶压电薄膜的表面采用薄膜淀积技术沉积上电极，并使用光刻工艺形成上电极图案，形成完整的体声波谐振器。
2.如权利要求1所述的基于单晶压电薄膜的体声波谐振器的制备方法，其特征在于，注入的离子为氢离子、氦离子、硼离子中的一种或任意两种的组合。
3.如权利要求1所述的基于单晶压电薄膜的体声波谐振器的制备方法，其特征在于，所述的单晶压电薄膜的表面表面粗糙度小于1nm。
4.如权利要求1所述的基于单晶压电薄膜的体声波谐振器的制备方法，其特征在于，所述的单晶压电薄膜的材料为石英、氧化锌、氮化铝、硫化镉、铌酸锂、锆酸锂、钽酸锂、四硼酸锂、锗酸铋、硅酸铋中的一种。
5.如权利要求1所述的基于单晶压电薄膜的体声波谐振器的制备方法，其特征在于，所述的衬底材料为多晶硅、单晶硅、石英片、蓝宝石、金刚石中的一种。
6.如权利要求1所述的基于单晶压电薄膜的体声波谐振器的制备方法，其特征在于，所述上电极和下电极材料为铝、金、钨、钼、铜、铬、钛中的一种。
一种基于单晶压电薄膜的体声波谐振器及其制备方法
技术领域
背景技术
[0002] 随着微机电系统技术的进步，薄膜体声波滤波器以其尺寸小、插入损耗低、谐振频率高、品质因数高、功率容量大等特点，逐渐取代传统的声表面波滤波器和陶瓷滤波器，抢占了通信系统滤波芯片的主要市场份额，满足未来高带宽、大容量的数据传输需求。如，2003年2月4日公开的美国专利US 6515558(B1)“Thin-film bulk acoustic resonator with enhanced power handling capacity”通过优化声反射层的结构，给出了一种高功率容量的薄膜体声波谐振器；又如T.W.Grudkowski等人1980年8月1日在Applied Physics Letter上发表的文章“Fundamental-mode VHF/UHF miniature acoustic resonators and filters on silicon”首次公开了一种基于氧化锌的薄膜体声波谐振器，并实现Q值达
2580、机电耦合系数Kt为7.7％、插入损耗为5.5dB的性能。
2580、机电耦合系数Kt为7.7％、插入损耗为5.5dB的性能。
[0003] 薄膜体声波谐振器是薄膜体声波滤波器的主要构成单元，其基本结构是由两层金属电极夹着压电薄膜层的三明治压电振荡堆。压电薄膜层的厚度决定着体声波谐振器的工作频率。移动通信系统中体声波滤波器主要工作在500MHz至10GHz频段，这要求压电薄膜层的厚度在100纳米(nm)至几微米(um)范围内。由薄膜体声波谐振器的阻抗曲线可以得出，谐振器的机电耦合系数直接控制着器件的带宽。因此，制备机电耦合系数高的薄膜材料成为科学界和工业界一直在探索的问题。
[0004] G.Ferblantier等人2005年6月18日在Sensors and Actuators上发表的文章“Deposition of zinc oxide thin films for application inbulk acoustic wave resonator”公开了一种基于氧化锌的体声波谐振器，通过优化制备条件，生长了c轴择优生长、半高宽FWHM为0.28°的氧化锌薄膜，但其机电耦合系数只有7.5％。
[0005] H.P.Loebl等人2003年于Materials Chemistry and Physics上发表的文章“Piezoelectric thin AlN films for bulk acoustic wave(BAW)resonators”公开了一种基于AlN薄膜的体声波谐振器，实现了23％的机电耦合系数，但是Q值只有580。
[0006] PB Kirby等人2001年于IEEEInternationaleFrequency Control Symposium and PDA Exhibition上发表的文章“PZT thin film bulk acoustic wave resonators and filters”报道了PZT薄膜体声波谐振器，其机电耦合系数达到19.1％，但是Q值只有52.8。
[0008] M.Pijolat等人2009年7月8日于Applied Physics Letter上发表的文章“Large electromechanical coupling factor film bulk acoustic resonator with X-cut LiNbO3layer transfer”公开了一种基于单晶LiNbO3薄膜的体声波谐振器，该谐振器具有高达43％的机电耦合系数，不过该单晶LiNbO3采用研磨技术制备，厚度达到6.6um，使得器件的谐振频率只有250MHz，低于移动通信系统中滤波器的主要工作频段。此外，该单晶LiNbO3薄膜的表面均匀性较低，导致Q值仅有64，不具有实用性。2016年12月7日公开的中国专利申请CN 201610489078A“基于单晶铌酸锂薄片的薄膜体声波谐振器及其制备方法”采用刻蚀的方法减薄铌酸锂，铌酸锂的厚度为5um，该方法同样存在厚度限制和薄片表面均匀型较差的不足。
发明内容
[0009] 鉴于上述，本发明提供了一种基于单晶压电薄膜的体声波谐振器及制备方法。本发明采用晶体离子切片技术(crystalionslicing,CIS)制备单晶压电薄膜，该单晶压电薄膜保持了与单晶压电体材料一致的优良性能，压电性能比多晶压电薄膜更有优势，且表面均匀性高，通过调节离子注入的能量和离子剂量可以控制压电薄膜的厚度，使得制备的谐振器具有频率高、机电耦合系数高、带宽大、品质因数高、功率容量大等优点，能在高带宽、大容量数据传输的现代通信系统中具有重要作用。
[0010] 本发明的技术方案为：
[0011] 一种基于单晶压电薄膜的体声波谐振器，包括：衬底、形成在所述衬底上的声反射层以及覆盖在所述声反射层上的压电三明治结构，所述压电三明治结构包括依次堆叠的下电极、单晶压电薄膜、上电极；在所述下电极表面和所述声反射层上沉积低熔点的金属薄膜，并通过光刻工艺形成图形化键合支点，实现所述压电三明治结构与声反射层的低温键合；所述单晶压电薄膜设有与下电极进行电学互连的垂直通孔；所述垂直通孔填充有导电介质；所述体声波谐振器的机电耦合系数达到44％以上，品质因数达到2500以上。
[0012] 本发明采用晶体离子切片技术将单晶压电体材料制备成薄膜，作为体声波谐振器的压电层，保留了单晶压电体材料的优异压电性能，用于替代现有薄膜体声波器件中广泛使用的多晶压电薄膜，从而大幅提高器件的机电耦合系数和品质因数。
[0013] 所述晶体离子切片技术制备的单晶压电薄膜表面粗糙度小于1nm，有利于提高薄膜体声波谐振器的品质因数。
[0017] 作为优选，所述的声反射层为布拉格声反射层、聚酰亚胺(PI)、多孔二氧化硅、掺碳二氧化硅中的一种；布拉格声反射层通过薄膜淀积技术交替沉积4到7层高声阻抗和低声阻抗材料获得；所述高声阻抗材料为钨、氮化铝或四面体非晶碳；所述低声阻抗材料为二氧化硅或铝；所述聚酰亚胺、多孔二氧化硅或掺碳二氧化硅的厚度为5um～50um。
[0018] 作为优选，所述单晶压电薄膜厚度为10nm～3.5um，具体地与所应用的谐振器的工作频段有关。膜厚可以通过调节离子注入的能量和离子剂量来控制。
[0019] 作为优选，所述单晶压电薄膜中形成有与下电极电学互连的垂直通孔，构成G-S-G共面线标准器件结构，方便探针测试。
[0020] 作为优选，所述晶体离子切片技术注入的离子为氢离子、氦离子、硼离子中的一种或任意两种的组合。
[0023] 本发明还提供一种制备上述基于单晶压电薄膜的体声波谐振器的方法，包括以下步骤：
[0024] (a)采用薄膜淀积技术将高声阻抗材料与低声阻抗材料交替沉积4到7层于衬底表面，形成布拉格声反射层；
[0025] (b)在布拉格反射层的表面，采用薄膜淀积技术沉积用于低温键合的金属薄膜，并用光刻工艺形成图形化的键合支点；
[0026] (c)对单晶压电体材料的表面进行抛光，并对抛光面进行离子注入，注入能量和离子剂量等实验条件由所需制备的单晶压电薄膜的厚度决定；离子注入后，在单晶压电体材料注入深度处形成片状晶格损伤区域；
[0027] (d)在单晶压电体材料注入离子的表面，采用薄膜淀积技术沉积下电极，并使用光刻工艺形成下电极图案；
[0028] (e)在下电极的表面，采用薄膜淀积技术沉积用于低温键合的金属薄膜，并用光刻工艺形成图形化的键合支点；
[0029] (f)将上述带有下电极和键合支点的单晶压电体材料上下翻转，并与上述带有声反射层和键合支点的衬底对准，使得两个键合支点完整接触，并在160℃～240℃条件下加热，使得键合支点完全熔化并键合在一起；
[0030] (g)将上述低温键合后的器件放入烘箱中，在300℃～350℃的条件下缓慢加热，持续30～45钟后，片状晶格损伤区域中的离子将变成气体，并发生体积膨胀，结果离子注入层断裂，得到单晶压电薄膜；然后在270℃～290℃的条件下进行2～3个小时的快速退火处理，降低单晶压电薄膜断裂面的晶格损伤；接着对单晶压电薄膜的断裂面进行氩离子刻蚀，提高表面均匀性；
[0031] (h)在步骤(g)的基础上，在单晶压电薄膜的表面进行打孔、金属填充，形成与下电极电学互连的垂直通孔；
[0032] (i)在步骤(h)的基础上，在单晶压电薄膜的表面采用薄膜淀积技术沉积上电极，并使用光刻工艺形成上电极图案，形成完整的体声波谐振器。
[0033] 作为优选，步骤(h)中采用激光、干法等离子刻蚀等方法进行打孔，并进行金属填充，填充金属包括，但不限于，铝、金、钨、钼、铜、铬、钛等。
[0034] 相比于现有技术，本发明具有的优点为：
[0035] (1)采用离子切片技术制备单晶压电薄膜，作为本发明所述薄膜体声波谐振器的压电材料，替代传统的氧化锌、氮化铝等多晶压电薄膜，可以数倍提高器件的机电耦合系数至44％以上。
[0036] (2)通过调节离子注入能量和剂量，可以控制制备的单晶压电薄膜的厚度，使得所述体声波谐振器具有很宽的工作频段，提高器件应用的灵活性。
[0038] 图1是本发明体声波谐振器结构的剖面图；
[0039] 图2是在衬底上沉积布拉格声反射层和用于低温键合的图形化金属薄膜后的器件剖面图；
[0040] 图3是在下电极上形成用于低温键合的图形化金属薄膜后的器件剖面图；
[0041] 图4是用对单晶压电体材料进行离子注入后的器件剖面图；
[0042] 图5是用薄膜淀积方法形成图形化下电极后的器件剖面图；
[0043] 图6是用薄膜淀积方法形成用于低温键合的图形化金属薄膜后的器件剖面图；
[0044] 图7是声反射层上的键合支点与下电极上的键合支点低温键合后的器件剖面图；
[0045] 图8是离子注入层断裂后的器件剖面图；
[0047] 图10是用薄膜淀积方法形成图形化上电极后的器件剖面图；
[0048] 图11是G-S-G共面线标准器件结构的剖面图；
[0049] 图12是本发明基于单晶压电薄膜的体声波谐振器的性能测试数据图。
具体实施方式
[0050] 为了更为具体地描述本发明，下面结合附图及具体实施方式对本发明的技术方案进行详细说明。
[0051] 实施例1
[0052] 参考图1对本发明基于单晶压电薄膜的体声波谐振器进行描述，图1示出了体声波谐振器结构的剖面图。
[0053] 如图1所示，本发明基于单晶压电薄膜的体声波谐振器结构如下：
[0054] 基于单晶压电薄膜的体声波谐振器包括：衬底1、衬底1上形成的声反射层2及覆盖在所述声反射层上的压电三明治结构，压电三明治结构包括依次堆叠的下电极6、单晶压电薄膜8、上电极10；单晶压电薄膜8设有与下电极6电学互连的垂直通孔9；垂直通孔9内填充导电介质；3(7)为用于低温键合的金属薄膜键合支点。
[0055] 衬底1的材料包括，但不限于，多晶硅、单晶硅、石英片、蓝宝石、金刚石等。
[0056] 上电极10与下电极6的材料包括，但不限于，铝、金、钨、钼、铜、铬、钛等。并且，上电极10与下电极6的厚度为10nm～1000nm，采用薄膜淀积技术制备得到。
[0057] 声反射层2为布拉格声反射层、聚酰亚胺(PI)、多孔二氧化硅、掺碳二氧化硅中的一种；布拉格声反射层通过薄膜淀积技术交替沉积4到7层高声阻抗和低声阻抗材料获得；所述高声阻抗材料为钨、氮化铝或四面体非晶碳；所述低声阻抗材料为二氧化硅或铝；聚酰亚胺、多孔二氧化硅或掺碳二氧化硅的厚度为5um～50um。
[0058] 单晶压电薄膜8通过晶体离子切片技术制备得到。
[0059] 单晶压电薄膜8的厚度为10nm～3.5um，具体地与所应用的谐振器的工作频段有关。膜厚可以通过调节离子注入能量和离子剂量来控制。
[0060] 单晶压电薄膜8的材料包括，但不限于，石英、氧化锌、氮化铝、硫化镉、铌酸锂、锆酸锂、钽酸锂、四硼酸锂、锗酸铋、硅酸铋等压电材料。
[0061] 用于低温键合的金属薄膜3(7)的材料为铟或铟锡合金，通过薄膜淀积技术制备得到，并用光刻工艺形成图形化的键合支点。
[0062] 所述薄膜淀积技术包括溅射镀膜、热蒸发镀膜、电子束镀膜、等离子体化学气相淀积等。
[0063] 实施例2
[0064] 参考图2～图10对本发明基于单晶压电薄膜的体声波谐振器的制备方法进行描述，图2～图10示出了体声波谐振器的制备方法的依次实施所获得的结构剖面图。
[0065] 本发明基于单晶压电薄膜的体声波谐振器，其制备方法包括以下步骤：
[0066] S101，分别采用磁控溅射和等离子体化学气相淀积(PECVD)的方法将高声阻抗材料钨与低声阻抗材料二氧化硅交替沉积4到7层于硅衬底1表面，每一层的厚度为300nm，形成布拉格声反射层2，如图2所示；
[0067] S102，在布拉格反射层2的表面，采用磁控溅射的方法沉积10nm厚的铟金属薄膜，并用光刻工艺形成图形化的键合支点3，如图3所示；
[0068] S103，取500um厚的单晶铌酸锂晶片4，对其表面进行抛光，并在420keV条件下对抛17 2
光面进行氦离子注入，氦离子的剂量为1.2×10 ions/cm；氦离子注入后，在单晶铌酸锂晶片4约1um深度处形成片状晶格损伤区域5，如图4所示；
光面进行氦离子注入，氦离子的剂量为1.2×10 ions/cm；氦离子注入后，在单晶铌酸锂晶片4约1um深度处形成片状晶格损伤区域5，如图4所示；
[0069] S104，在单晶铌酸锂晶片4注入氦离子的表面采用热蒸发镀膜的方法沉积100nm厚金下电极6，并使用光刻工艺形成下电极图案，如图5所示；
[0070] S105，在下电极6的表面，采用磁控溅射的方法沉积10nm厚的铟金属薄膜，并用光刻工艺形成图形化的键合支点7，如图6所示；
[0071] S106，将上述带有下电极6和键合支点3的单晶铌酸锂晶片4上下翻转，并与上述带有布拉格声反射层2和键合支点7的硅衬底1对准，使得键合支点3和键合支点7完整接触，并在200℃条件下加热，使得键合支点3和键合支点7完全熔化并键合在一起，如图7所示；
[0072] S107，将上述低温键合后的器件，放入烘箱中进行300℃缓慢加热，持续30分钟后，片状晶格损伤区域5中的氦离子将变成氦气，并发生体积膨胀，结果氦离子注入层断裂，得到铌酸锂单晶压电薄膜8，如图8所示；然后在290℃条件下进行2个小时的快速退火处理，降低铌酸锂单晶压电薄膜8断裂面的晶格损伤；接着对铌酸锂单晶压电薄膜8的断裂面进行氩离子刻蚀，提高表面均匀性。
[0073] S108，在S107的基础上，于铌酸锂单晶压电薄膜8表面进行打孔、金属填充，形成与下电极6电学互连的垂直通孔9，并填充金属铝，如图9所示；
[0074] S109，在S108的基础上，在铌酸锂单晶压电薄膜7表面采用热蒸发镀膜的方法沉积金上电极10，并使用光刻工艺形成上电极图案，形成完整的体声波谐振器。
[0075] 实施例3
[0076] 参考图11对本发明体声波谐振器G-S-G共面线标准器件结构进行描述，采用实施例2所述的方法制备体声波谐振器，图11为器件G-S-G共面线标准器件结构的俯视图。
[0077] 如图11所示，两个共地电极11和与下电极电学互连的垂直通孔9形成G-S-G共面线标准器件结构，或者两个共地电极11与上电极10形成G-S-G共面线标准器件结构。
[0078] 上电极10采用不规则的多边形，以降低寄生电容的影响。
[0079] 实施例4
[0080] 本实施例采用实施例2所述的方法制备基于铌酸锂单晶压电薄膜的体声波谐振器。参考图12对谐振器的性能进行描述，图12为器件的阻抗(对应Magnitude轴)和相位(对应Phase轴)特性曲线，其中fs为串联谐振频率，fp为并联谐振频率。
[0081] 根据图12，可以看出谐振器的谐振频率在1.6GHz左右，实现了较高的工作频率；
[0082] 根据下面的公式，
[0083]
[0084] 可以计算得到，所制备的体声波谐振器的机电耦合系数 达到45％，数倍于传统的基于多晶压电薄膜体声波器件的机电耦合系数，体现了单晶压电薄膜相比多晶压电薄膜所具有的压电性能优势。机电耦合系数可以间接反映图12阻抗特性曲线上两个谐振fs和fp频率之间的距离，表明本发明基于单晶压电薄膜的体声波谐振器具有较高的工作带宽。
[0085] 根据下面的公式，
[0086]
[0087] 可以计算得到，所制备的体声波谐振器实现了2500的高Q值，这是因为相比研磨及刻蚀减薄技术，离子切片技术能制备表面粗糙度更低的单晶压电薄膜，从而提高器件的品质因数。
[0088] 以上所述的具体实施方式对本发明的技术方案和有益效果进行了详细说明，应理解的是以上所述仅为本发明的最优选实施例，并不用于限制本发明，凡在本发明的原则范围内所做的任何修改、补充和等同替换等，均应包含在本发明的保护范围之内。
| 标题 | 发布/更新时间 | 阅读量 |
|---|---|---|
| 一种抽水蓄能机组调频参数优化方法及调频方法 | 2020-05-08 | 185 |
| 一种模块化利用钢丝绳污泥废酸的控制系统及方法 | 2020-05-11 | 498 |
| 冷气空调冰箱 | 2020-05-08 | 742 |
| 一种单方向卸载煤层瓦斯突出模拟装置 | 2020-05-08 | 288 |
| 一种基于电力测功机的起动机负载控制系统的控制方法 | 2020-05-08 | 646 |
| 飞机多级设备MBIT控制方法 | 2020-05-08 | 755 |
| 光机电一体化系统实训装置 | 2020-05-08 | 222 |
| 一种机电复合传动系统试验控制台 | 2020-05-08 | 842 |
| 基于伯努利原理的机电式延时阀及配有该延时阀的空压机 | 2020-05-08 | 259 |
| 一种供暖废气循环换热装置 | 2020-05-08 | 429 |
高效检索全球专利专利汇是专利免费检索,专利查询,专利分析-国家发明专利查询检索分析平台，是提供专利分析，专利查询，专利检索等数据服务功能的知识产权数据服务商。
我们的产品包含105个国家的1.26亿组数据，免费查、免费专利分析。
分析报告
专利汇分析报告产品可以对行业情报数据进行梳理分析，涉及维度包括行业专利基本状况分析、地域分析、技术分析、发明人分析、申请人分析、专利权人分析、失效分析、核心专利分析、法律分析、研发重点分析、企业专利处境分析、技术处境分析、专利寿命分析、企业定位分析、引证分析等超过60个分析角度，系统通过AI智能系统对图表进行解读，只需1分钟，一键生成行业专利分析报告。
QQ群二维码
意见反馈
意见反馈