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生劈裂，最終使LN薄膜轉移至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，即4層SiO2、3層Mo，形成布喇格反射結構。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生劈裂，最終使LN薄膜、Al電極及布喇格反射層整體轉移至LN襯底。最后在LN薄膜表面制備上電極，形成LN BAW諧振器結構。

圖2 LN BAW諧振器制作流程圖

2 實驗結果與討論

2.1 結構特點

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是由COMSOL Multiphysic軟件中直接獲取，與實際制作獲得的材料參數不完全一致。

2) 實際制作的BAW器件的各層厚度與設計參數存在差異。

3) 實際器件中還存在機械損耗、介質損耗等，導致器件性能下降。

圖4 LN BAW諧振器的測試結果

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過大的漂移。與AlN相比，LN雖然具有較高的機電耦合系數，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的系數，高階項對c影響較小，我們主要考慮第一階溫度系數。LN是一種各向異性晶體，不同軸向具有不同的溫度系數，LN具有負的彈性溫度系數(見表1)，從而導致TCF為較大的負值[11]。SiO2是一種正溫度系數的材料，我們也給出其楊氏模量溫度系數[12]。通過將SiO2作為低聲阻抗層材料，能夠很好地補償LN的溫漂現象。

表1 彈性系數矩陣c參數及溫度系數

圖5 LN BAW諧振器的實際測試結果

3 結束語

本文從有限元仿真入手，對單晶LN BAW諧振器進行了建模，利用仿真結果分析了其諧振特性。基于離子注入剝離法，成功實現了單晶LN薄膜的轉移和 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，且通過SiO2/Mo構成的聲反射層還能對溫漂進行有效的補償，從而實現了較小的TCF值。低溫度系數、高機電耦合系數的薄膜體聲波諧振器可滿足大帶寬濾波器的應用需求。