[发明专利]一种采用压电单晶箔的固贴型薄膜体声波谐振器及制备方法

说明书

技术领域

本发明属于射频滤波器领域，具体涉及一种固贴型薄膜体声波谐振器。

背景技术

石英晶振元件，是一种基于石英晶体压电/逆压电特性的体声波元件，在电路频率源中得到广泛应用。由于石英晶振元件的谐振频率与石英晶体的厚度成反比，目前其谐振频率最高仅为数十兆赫兹（MHz），无法满足现代无线电频谱的急剧延伸需求。

采用压电基片上的平面金属叉指换能器和金属反射栅阵，激发和接收声表面波，将提升器件谐振频率的方法，由纵向结构厚度减薄转换为横向结构提高电极分辨率。借助于成熟的微电子工艺技术，声表面波石英谐振器的谐振频率提升到数百兆赫兹。

换能效率更高的压电材料（如铌酸锂（LiNbO3，LN）和钽酸锂（LiTaO3，LT））基片的应用和声表面波谐振滤波器的发明，声表面波谐振器和声表面波谐振滤波器得到快速发展，工作频率又延伸到数千兆赫兹，已成为现代高频通信电路的标准频率元件。

同样，声表面波器件的工作频率与其叉指换能器金属电极的周期成反比，限于压电基片工艺，千兆赫兹级声表面波器件性价比下降，无法跟上现代通信频段高频化的步伐。

由于微电子薄膜技术的快速进展，薄膜体声波器件又成为各国努力发展的新型滤波元器件。薄膜体声波谐振器（Film Bulk Acoustic Wave Resonator，FBAR）是采用压电薄膜代替天然单晶压电超薄基片的体声波谐振器，其谐振腔基本结构是一人造压电薄膜夹在两金属电极间的三明治结构，由于压电薄膜的（逆）压电效应，对外界电激励产生谐振，其谐振频率主要与压电薄膜厚度成反比，也与三明治结构其他各层特性和厚度有关。

目前成熟的FBAR器件结构分为隔膜（membrane）型和固贴（Solidly Mounded )型薄膜体声波谐振器两大类。

隔膜型FBAR，其特点是三明治谐振腔外两面都是空气，满足理想全反射状态。其结构又可分为：空气桥、背孔和地室三种。

固贴型FBAR，又简称SMR（Solidly Mounded Resonator)，其特点是三明治谐振腔外一面是空气，而另一面是布拉格声波反射结构层。布拉格声波反射结构层由多个（厚度为四分之一波长）高低声速介质层交替组合构成，其特性近似于真空全反射。由于反射结构层与压电薄膜同时生长，器件工艺简单，机械特性好，可靠性优，但由于反射结构有损耗，其优值要差一些。

目前商用的FBAR所用的人造压电薄膜，主要为氮化铝（AlN）和氧化锌（ZnO）薄膜，都是在图形化硅衬底上采用物理或化学气相淀积技术生长的，应用最广的是磁控溅射工艺。目前所生成的压电薄膜是具有一定取向的单晶或强织构多晶薄膜，尚不能自由选择压电薄膜的晶向来优化器件性能。

近年来，由于晶片减薄技术的推进，由人工拉制的压电晶体棒直接制作的大尺寸超薄铌酸锂、钽酸锂和石英等超薄压电晶片已批量用于高频声表面波器件”。

以下，专用“单晶箔（crystal foil，CF）”一词，特指由单晶棒加工形成的超薄片状单晶，其厚度小于100 um。为实际应用，单晶箔都要与衬底键合成复合基片。

目前，单晶箔可批量成型技术主要有两种：晶体离子切片（crystal ion slicing， CIS）方法和机械减薄方法，都已开始应用于器件制作。

离子切片法，其原理是利用高能离子垂直注入铌酸锂、钽酸锂等单晶厚基片，使在单晶厚基片内离表面一定深度处形成一个注入离子高浓度层，这层离子高浓度层的某种物化特性与未注入处或浓度较低处的物化特性有较明显不同（又称内埋变性层）。在前期工艺完成后，采用一种应力对此厚晶片处理，使厚晶片在内埋变性层处断裂，获得超薄晶片（单晶箔）。箔的厚度由注入所得离子高浓度层深度决定，它与注入离子种类、注入剂量、退火等工艺参数等有关。

离子切片法的制作工序:首先采用大剂量离子注入机，对较厚的单晶片正面注入离子，使在厚晶片表面下方一定距离处形成一个内埋变性层。将衬底抛光表面与较厚单晶片面对面键合，形成复合基片。在前期工艺完成后，采用一种应力对此复合基片处理，使复合基片在内埋变性层处断裂，获得附着在衬底上的单晶箔。

切片法的特点是：易于制作数十纳米到数微米厚度的特超薄箔，但离子注入对晶体结构完整性损伤大，箔的单晶特性会受明显影响。