[發明專利]一種采用壓電單晶箔的固貼型薄膜體聲波諧振器及制備方法

在審

• 申請號: 201711203835.7
• 申請日: 2017-11-27
• 公開（公告）號: CN107800396A
• 公開（公告）日: 2018-03-13
• 發明（設計）人: 陳培杕;劉敬勇;黃潤華;於保偉;程勝軍
• 申請（專利權）人: 中電科技德清華瑩電子有限公司
• 主分類號: H03H3/02
• 分類號: H03H3/02;H03H9/17
• 代理公司: 杭州豐禾專利事務所有限公司33214
• 代理人: 王曉峰

技術領域

本發明屬于射頻濾波器領域，具體涉及一種固貼型薄膜體聲波諧振器。

背景技術

石英晶振元件，是一種基于石英晶體壓電/逆壓電特性的體聲波元件，在電路頻率源中得到廣泛應用。由于石英晶振元件的諧振頻率與石英晶體的厚度成反比，目前其諧振頻率最高僅為數十兆赫茲（MHz），無法滿足現代無線電頻譜的急劇延伸需求。

采用壓電基片上的平面金屬叉指換能器和金屬反射柵陣，激發和接收聲表面波，將提升器件諧振頻率的方法，由縱向結構厚度減薄轉換為橫向結構提高電極分辨率。借助于成熟的微電子工藝技術，聲表面波石英諧振器的諧振頻率提升到數百兆赫茲。

換能效率更高的壓電材料（如鈮酸鋰（LiNbO3，LN）和鉭酸鋰（LiTaO3，LT））基片的應用和聲表面波諧振濾波器的發明，聲表面波諧振器和聲表面波諧振濾波器得到快速發展，工作頻率又延伸到數千兆赫茲，已成為現代高頻通信電路的標準頻率元件。

同樣，聲表面波器件的工作頻率與其叉指換能器金屬電極的周期成反比，限于壓電基片工藝，千兆赫茲級聲表面波器件性價比下降，無法跟上現代通信頻段高頻化的步伐。

由于微電子薄膜技術的快速進展，薄膜體聲波器件又成為各國努力發展的新型濾波元器件。薄膜體聲波諧振器（Film Bulk Acoustic Wave Resonator，FBAR）是采用壓電薄膜代替天然單晶壓電超薄基片的體聲波諧振器，其諧振腔基本結構是一人造壓電薄膜夾在兩金屬電極間的三明治結構，由于壓電薄膜的（逆）壓電效應，對外界電激勵產生諧振，其諧振頻率主要與壓電薄膜厚度成反比，也與三明治結構其他各層特性和厚度有關。

目前成熟的FBAR器件結構分為隔膜（membrane）型和固貼（Solidly Mounded )型薄膜體聲波諧振器兩大類。

隔膜型FBAR，其特點是三明治諧振腔外兩面都是空氣，滿足理想全反射狀態。其結構又可分為：空氣橋、背孔和地室三種。

固貼型FBAR，又簡稱SMR（Solidly Mounded Resonator)，其特點是三明治諧振腔外一面是空氣，而另一面是布拉格聲波反射結構層。布拉格聲波反射結構層由多個（厚度為四分之一波長）高低聲速介質層交替組合構成，其特性近似于真空全反射。由于反射結構層與壓電薄膜同時生長，器件工藝簡單，機械特性好，可靠性優，但由于反射結構有損耗，其優值要差一些。

目前商用的FBAR所用的人造壓電薄膜，主要為氮化鋁（AlN）和氧化鋅（ZnO）薄膜，都是在圖形化硅襯底上采用物理或化學氣相淀積技術生長的，應用最廣的是磁控濺射工藝。目前所生成的壓電薄膜是具有一定取向的單晶或強織構多晶薄膜，尚不能自由選擇壓電薄膜的晶向來優化器件性能。

近年來，由于晶片減薄技術的推進，由人工拉制的壓電晶體棒直接制作的大尺寸超薄鈮酸鋰、鉭酸鋰和石英等超薄壓電晶片已批量用于高頻聲表面波器件”。

以下，專用“單晶箔（crystal foil，CF）”一詞，特指由單晶棒加工形成的超薄片狀單晶，其厚度小于100 um。為實際應用，單晶箔都要與襯底鍵合成復合基片。

目前，單晶箔可批量成型技術主要有兩種：晶體離子切片（crystal ion slicing， CIS）方法和機械減薄方法，都已開始應用于器件制作。

離子切片法，其原理是利用高能離子垂直注入鈮酸鋰、鉭酸鋰等單晶厚基片，使在單晶厚基片內離表面一定深度處形成一個注入離子高濃度層，這層離子高濃度層的某種物化特性與未注入處或濃度較低處的物化特性有較明顯不同（又稱內埋變性層）。在前期工藝完成后，采用一種應力對此厚晶片處理，使厚晶片在內埋變性層處斷裂，獲得超薄晶片（單晶箔）。箔的厚度由注入所得離子高濃度層深度決定，它與注入離子種類、注入劑量、退火等工藝參數等有關。

離子切片法的制作工序:首先采用大劑量離子注入機，對較厚的單晶片正面注入離子，使在厚晶片表面下方一定距離處形成一個內埋變性層。將襯底拋光表面與較厚單晶片面對面鍵合，形成復合基片。在前期工藝完成后，采用一種應力對此復合基片處理，使復合基片在內埋變性層處斷裂，獲得附著在襯底上的單晶箔。

切片法的特點是：易于制作數十納米到數微米厚度的特超薄箔，但離子注入對晶體結構完整性損傷大，箔的單晶特性會受明顯影響。