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，馬晉毅，蔣平英

(中國電子科技集團公司第二十六研究所，重慶 400060)

0 引言

薄膜體聲波諧振器(FBAR)因其品質因數(Q)及功率承受力高，體積小等獨特優勢，被廣泛應用于移動通信領域。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、聲衰減小等優點，但其有效機電耦合系數較小(最大僅7%)，嚴重限制了FBAR濾波器在寬帶信號處理系統中的應用。

一種展寬帶寬的方法是改變FBAR濾波器的結構。Yang采用一種柵格電路結構實現了相對帶寬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，不利于實現通信設備的小型化。為了不增加FBAR濾波器體積，同時又可增大其工作帶寬，采用機電耦合系數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值及有效機電耦合系數都較小，一個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，機電耦合系數及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，制作出機電耦合系數達31%的單晶薄膜諧振器[2]，揭示了LN單晶材料在FBAR器件中應用的可能性。但是，該方法中LN薄板是通過對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的壓電薄膜，限制了濾波器的工作頻率范圍。制備亞微米級壓電薄膜的方法有射頻濺射[3]、化學氣相沉積[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量的LN薄膜材料。目前，國外已采用智能截割(Smart CutTM)法制備出任意取向、微米級以下的LN薄膜，且薄膜晶體質量可與塊狀單晶材料相比擬，為單晶薄膜諧振器的實現提供了基礎，而國內在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技術制備的LN體聲波薄膜諧振器。首先通過有限元仿真對器件的LN薄膜切向角、電極材料、厚度進行了諧振器設計，然后采用Smart CutTM技術制備出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，機電耦合系數為8.3%的單晶薄膜諧振器。

1 設計與仿真

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構的襯底機械支撐，電極上施加的電壓信號激發壓電材料產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為串聯諧振頻率；fp為并聯諧振頻率。

器件諧振峰處的Q采用3 dB計算法：

(2)

式中：fr為S參數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轉折點頻率。

采用商用有限元仿真軟件COMSOL模擬LN單晶薄膜諧振器機電耦合性能，選用軟件中壓電設備仿真模塊。為減小計算量與計算時間，FBAR單元簡化為2D軸對稱模型(見圖1)。

圖1 FBAR的2D軸對稱結構仿真模型

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，相對介電系數為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，下表面接地。模型的右端采用完美匹配層(PML)的邊界條件，入射聲波將無反射地穿過分界面進入PML。

壓電材料不同切向激發的波的形態和數量不同，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，諧振器導納Y11的實部——電導的對數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°時的電導諧振峰Q值遠大于α為30°、90°和150°時的Q值。

圖2 LN不同切向角的電導頻譜

圖3為對不同頂電極厚度(t=50～200 nm)諧振器的電導頻率響應。由圖可知，不同的t除了會導致諧振器的頻率發生偏移(電極越厚，頻率越低)，寄生雜波的數量和形態也不同，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,FBAR的電導響應頻譜

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

圖4 r不同時,FBAR的電導響應頻譜

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，在相同結構和壓電材料的條件下，對采用鉑、鉬、金和鎢作為電極材料的諧振器分別進行頻域分析，諧振器電導-頻率曲線如圖5所示。

圖5 不同頂電極材料的FBAR對應的電導響應

圖6 FBAR優化設計模型模態仿真

綜合圖2～5可知，對采用最優設計值(α=60°、鉬電極厚為100 nm、電極半徑為6 μm)的FBAR進行模態仿真，諧振峰處的振動位移結果如圖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域，較少泄漏到邊緣區域，此時，諧振器的電導-頻率曲線如圖7所示。

圖7 FBAR優化設計后的電導響應

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用于光波導領域，因此，從獲得材料的便捷性考慮，本次實驗采用3英寸(1英寸=2.54 cm)，厚0.5 mm的Z切60°LN晶圓作為壓電層來驗證工藝的可行性。同時，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匹配，由于LN具有高電阻率和低介質損耗，是一種優異的襯底材料。

本次實驗制備的FBAR諧振器基于空腔結構，關鍵工藝包括：通過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襯底連結在一起；釋放犧牲層形成空腔。諧振器制備過程如圖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，通過調節注入離子的能量達到控制剝離后形成的單晶薄膜的厚度。當注入離子能量E=195 keV,注量D≈4.5×1016cm-2時，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制備，厚約100 nm。為避免高溫對LN注入層的破壞，采用溫度低于200 ℃的等離子體增強的化學氣相沉積法(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。制備完成后運用化學機械拋光(CMP)的方式進行表面平坦化處理，再將兩個相同尺寸的LN通過SiO2—SiO2鍵合方式實現連接。經過200 ℃的溫度進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LN表面進行拋光處理，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。由于反應離子刻蝕不僅刻蝕速率慢，且對光刻膠的選擇比低，因此，刻蝕效果較差；而采用離子束進行純物理轟擊，雖然能提高刻蝕速率和對光刻膠的選擇比，但對終點無法很好地控制，易破壞電極。所以，干法刻蝕LN采用兩種方式相結合，即先進行離子束轟擊，再采用反應離子刻蝕的方式實現。最終空氣隙的實現采用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，創造一個有一定深度的注入區。

2)在晶圓A底部鍍底電極。

3)在底電極下方鍍α-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SiO2結合晶圓A、B。

6)通過晶圓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 結果與討論

采用Smart CutTM制備的LN薄膜進行X線衍射分析，結果如圖9所示。由圖可見，薄膜的LN衍射峰存在且強度很高，表明薄膜是單晶層，無其他相出現。LN薄膜在化學機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測試結果表明，制備的LN單晶薄膜質量較高，基本滿足器件實際應用要求。

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試結果

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，諧振器結構完整，犧牲層釋放完全。

圖11 LN單晶FBAR諧振器樣品

1)LN薄膜應力過大。

2)金屬電極邊緣圖形有缺陷。

3)LN剝離后，因擔心退火溫度過高，會使LN薄膜開裂，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。

圖12 LN單晶FBAR諧振器測試曲線

4 結論

本文提出了一種采用單晶LN薄膜作為壓電層的FBAR諧振器，重點介紹了采用Smart CutTM技術制備LN單晶薄膜諧振器的工藝流程。利用該工藝技術和優化仿真結構參數制備的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，機電耦合系數為8.3%。該器件的實驗表明：

1)通過對LN材料及結構尺寸進行優化設計來實現大的機電耦合系數。

2)采用Smart CutTM技術獲取單晶薄膜作為壓電襯底層可實現高性能FBAR器件，滿足高世代濾波器的需求。后續將進一步優化工藝及結構參數，減小寄生雜波損耗。