基于LN/LT-POI多層結構的SAW器件發展

何 杰，馬晉毅，胡少勤，許 昕

(中國電子科技集團公司第二十六研究所，重慶 400060)

0 引言

鈮酸鋰(LiNbO3，LN)晶體是一種集壓電、鐵電、聲光、電光、光折變等性能于一體的人工合成多功能材料；鉭酸鋰(LiTaO3,LT)晶體的結構跟LN類似，也是一種重要的多功能晶體材料，具有優良的壓電、鐵電、聲光及電光效應。能夠滿足壓電應用的聲學級LN/LT晶體可以制備聲波諧振器、換能器、延遲線、濾波器等器件，應用于移動通信、衛星通信、數字信號處理、電視機、廣播、雷達、遙感遙測等民用領域及電子對抗、引信、制導等軍事領域。與其他材料相比， LN和LT晶體在實現高頻、大帶寬聲表面波(SAW)器件方面更具優勢。

傳統的SAW器件采用LN/LT單晶塊材制備，實現的器件品質因數Q值較低且與CMOS工藝不兼容，因而難以實現硅基微系統集成。采用高性能的壓電單晶薄膜可有效提高SAW器件的Q值且與CMOS工藝兼容。基于壓電單晶薄膜的SAW器件不僅可以通過采用高阻硅作為襯底來提高SAW器件的集成能力，還可通過選擇高聲速的藍寶石或金剛石襯底來提高聲波的傳輸速度，并且這些襯底可以提高聲波的利用效率。因此，選擇合適的壓電單晶薄膜和制備工藝是獲得高性能、高集成度的SAW器件的關鍵因素。

采用鍵合剝離技術制備的LN/LT單晶薄膜(LNOI/LTOI)是一種具有顛覆性意義的聲學薄膜材料結構，基于LNOI/LNOT的絕緣體上壓電單晶薄膜結構材料(POI)能夠為研制更高性能、可集成的SAW器件提供新的解決途徑和方案，可滿足射頻(RF)前端在集成化、小型化發展趨勢下對新一代壓電聲學器件的迫切需求[1-13]，市場應用前景廣。

1 絕緣體上LNOI/LTOI的制備方法

過去人們探索了多種LN/LT薄膜制備方法，如金屬有機物化學氣相沉積(MOCVD)法、射頻濺射(RF sputtering)法、溶膠-凝膠(Sol-Gel)法、脈沖激光沉積法和分子束外延法(MBE)等，但制備的LN/LT薄膜存在取向控制難,生長溫度過高及鋰(Li)揮發引起化學計量比偏析等技術難題[14-15]，導致LN/LT薄膜擇優取向度差，缺陷密度高且易生長成多晶薄膜，性能遠低于LN/LT單晶塊材；而傳統上在制備LN/LT薄膜時通常采用機械減薄的方式來降低薄膜厚度，由于晶圓厚度的不均勻性，這會損傷薄膜表面且薄膜厚度只能減少到約10 μm，不適合制備亞微米級以下的薄膜，因此，上述傳統方法制備的LN/LT薄膜并未得到廣泛的商業應用，獲得高品質的亞微米級LN/LT薄膜還需要采用新的制備方法。

離子注入剝離(CIS)技術能夠制備亞微米厚度的高質量單晶薄膜材料，具有制備工藝可控、離子注入能量、注入劑量、退火溫度等工藝參數可選等優點。法國Soitec公司基于CIS技術并結合晶圓鍵合技術開發出了鍵合剝離(Smart-Cut)技術用于制備絕緣體上硅(SOI)晶圓[16-17]。采用Smart-Cut技術制備SOI晶圓可以提高襯底材料的良率。仿照SOI的制備技術，人們采用Smart-Cut技術在Si支撐晶圓上制備高質量LN/LT單晶薄膜[3,6,8,18-19]。

利用Smart-Cut技術制備LNOI的流程如圖1所示[5-6],具體流程為：

1) 將一定劑量的H+或He+注入具有合適切向的LN單晶塊材，根據所需薄膜厚度調整注入時離子的劑量和能量，此時會在LN中的離子注入區域形成損傷層。

2) 選取另一種襯底晶圓(可以是硅(Si)也可以是同質的LN晶體)，在襯底晶圓上沉積二氧化硅(SiO2)層作為鍵合層，然后對沉積的SiO2層表面和離子注入面進行化學機械拋光。

3) 將處理后的鍵合層表面和LN晶體的注入層面在常溫下進行直接鍵合。

4) 對整體進行退火處理，在退火過程中，注入在LN晶體內的H+或He+形成氣泡，使LN晶片沿著損傷層剝離，多余的LN將自動分離，最終使LN單晶薄膜轉移至Si襯底上。采用Smart-Cut薄膜層轉移技術可以生產大尺寸的LN單晶薄膜，其性能與LN塊材相當[18]。

圖1 LNOI制備流程

Smart-Cut技術也可用于制備LT單晶薄膜[20-21]?；赟mart-Cut技術，法國Soitec公司和frec|n|sys公司聯合開發了可用于制備SAW器件的LT-POI結構材料。LT-POI的制備流程如圖2所示[21]。首先對6英寸(1英寸=2.54 cm) LT晶圓進行離子注入，由于在LT單晶中注入H+可獲得比注入He+更有利于單晶薄膜材料剝離的離子濃度分布[22]，因此，將具有一定能量和劑量的H+注入LT晶圓，從而在LT晶圓內部產生氣泡層；離子注入完成后，在(100)Si支撐晶圓上沉積埋層氧化層(SiO2層)；對已注入H+的LT晶圓的鍵合面進行清洗，然后在室溫下與Si晶圓進行親水性鍵合；經過退火處理，注H+的LT晶圓將在氣泡層處發生剝離，最后對轉移至Si晶圓上的LT層進行化學機械拋光(CMP)即可獲得POI基片。拋光后的POI基片需加以固化處理，固化過程可以恢復LT晶體的極化特性，從而恢復LT的壓電特性。檢測結果表明，采用Smart-Cut技術制備的6英寸POI基片的厚度不均勻度(晶圓內部)達到了3%，晶圓的表面粗糙度與經過鏡面拋光的LT塊材基片相當，且POI基片完全采用工業化生產，適用于多種LT切向和厚度，且達到了SAW級標準[20]。

圖2 Smart-Cut技術的原理及POI基片的制作工藝流程

2 LN/LT多層結構SAW基片

采用LN/LT多層結構基片的SAW器件不僅能同時提高器件的工作頻率、機電耦合系數和插入損耗等特性，且還具有更大的設計自由度，因此，世界各國的SAW器件研究機構提出了多種潛在的LN/LT多層結構解決方案，歸納起來主要有LN/玻璃[23]、LT/石英異質聲學層(HAL)[24]、LN/石英[25]、LN/金剛石[26]等。然而，這些結構要么需要精確控制各層材料的厚度及殘余應力，要么因為需要采用特殊材料功能層(如金剛石)而增加了器件生產成本，目前都未實現商業化；此外，盡管實現的SAW器件在機電耦合系數(k2)、相速度及Q值等性能指標方面比傳統的SAW器件更具優勢，但仍難以實現器件的硅基集成。

日本村田制作所和法國Soitec公司提出的LN/LT絕緣體上壓電單晶薄膜結構材料(LN/LT-POI)[27,20]具有大的k2、可控制的頻率溫度系數(TCF)、靈活的頻率可擴展性、耐高功率能力及可與硅集成，且適合大規模生產制造而成為SAW器件的一項突破性技術，是SAW器件當前研究的主流。

日本村田制作所的POI結構材料也稱為超高性能SAW(I.H.P.SAW, Incredible High Performance SAW)的多層結構，如圖3所示[27-29]。這種POI結構在Si支撐襯底上交替沉積了高阻抗層和低阻抗層(LiTaO3/SiO2/AlN/Si)，通過合理設置底部各層的結構參數，可抑制體波向襯底內部的散射，從而將SAW能量限制在壓電基片的表面，因此可以被看作是一種固態裝配型薄片模式諧振器。采用這種多層結構實現的1.9 GHz單端口I.H.P.SAW諧振器[29]的伯德-Q值可達4 200，是傳統單端口SAW諧振器的4倍；TCF為-8×10-6/℃，只有傳統SAW諧振器的1/5；帶寬為74 dB，比傳統SAW諧振器大20%。村田公司采用這種I.H.P.SAW諧振器實現了一種鄰信道間隙極窄的新型Wi-Fi濾波器，以及一種用于頻帶25/66/30的新型六工器。這種六工器是目前技術難度最大的一種多工器，具有低插入損耗、陡峭的銳截止頻率、大的衰減特性及極高的隔離度。

圖3 村田公司I.H.P.SAW的基本結構

而法國Soitec公司制備的POI結構材料以高阻硅作為襯底，中間層為SiO2，相當于溫度補償層，稱為埋層氧化層(Buried Oxide)，頂層為壓電單晶層(LT層)，厚度為0.3～1.0 μm，該層也稱為器件層，Smart-Cut技術能夠保證POI結構各層具有很高的均勻度，且具有高質量的批量生產能力。圖4為Soitec公司在非壓電單晶襯底上制備的SAW器件用標準波導/材料疊層結構[21]。

圖4 采用Smart-Cut技術在非壓電單晶襯底上制備的SAW器件用標準波導/材料疊層

綜合比較村田公司和Soitec公司兩種POI結構可知，由于村田公司的I.H.P.SAW多層結構諧振器采用了旋轉Y切LT單晶薄片和SAW橫向剪切 (SH)模式，結構的相速度和k2都受到限制，其k2<10%，且若將諧振頻率擴展至更高頻段還需要采用更窄的電極 (<200 nm)，這會降低器件的耐功率能力并增加成本。因此，I.H.P.SAW還不能完全滿足5G移動通信對SAW器件的高頻 (如sub-6 GHz)和大帶寬(>10%)要求。相反，法國Soitec公司的LT-POI結構能夠很好地實現SAW器件的性能、成本、面積等的綜合平衡，是各種多層結構中商業化最成功的襯底材料。

3 基于LN/LT-POI結構的高性能SAW器件的最新研究成果

3.1 LN-POI結構SAW器件

為了應對在無線連接、無線移動設備要求的更大量更快速的數據傳輸、物聯網(IoT)、無人駕駛和人工智能急劇增長的需求，下一代移動通信系統對RF前端濾波器在頻率、相對帶寬(FBW)、TCF、過渡帶、插入損耗(IL)和體積等方面提出了越來越嚴格的要求。目前4G RF前端的商用濾波器解決方案采用的SAW諧振器能夠實現的k2<10%，濾波器的FBW<4%。因此，5G通信應用迫切需要具有高的k2、大帶寬和低損耗的新型聲波器件。而LN-POI結構材料因具有極高的k2，是最有前景的寬帶應用結構材料之一。

3.1.1 LN-POI多層結構SAW諧振器

在SAW的傳播模式中，縱向漏聲表面波(LLSAW)模式比瑞利聲表面波(Rayleigh SAW)模式、橫向剪切聲表面波(SH-SAW)及漏聲表面波(LSAW)等SAW模式具有更高的相速度和更高的k2[30-31]。因此， LLSAW模式在實現滿足5G通信應用需要的更高頻率、更大帶寬、更小TCF的SAW濾波器方面比其他模式更具潛力。然而，LLSAW模式在由IDTs/壓電單晶基片構成的傳統SAW諧振器結構中傳播時會發生橫向剪切(SH)和縱向剪切(SV)體波輻射，這些體波輻射會引起較大的衰減，結果使LLSAW器件的Q值較低，與其他SAW模式相比，LLSAW模式的TCF性能相對較差。盡管人們試圖改進LLSAW器件的性能，但取得的成就有限，LLSAW器件也因此并未在移動通信領域獲得應用。

圖5 日本村田公司提出的LLSAW波導結構[5]

日本村田公司的研發團隊基于固態裝配型聲體波(SMR-BAW)器件的能量約束原理，提出了一種LLSAW LN-POI多層波導結構[32]，這種POI結構由支撐基片(Si)、交替沉積的低阻抗(LAI)層和高阻抗層(HAI)構成的布喇格反射器及壓電薄片構成，如圖5所示。由于多層結構中各個疊層的聲阻抗存在較大差異，因此會在布喇格反射器和壓電層之間的邊界處獲得更高的反射系數，這樣就把聲能很好地約束在壓電層的表面附近，從而抑制SAW能量泄漏。該團隊采用目前用于SAW器件批量生產的準分子激光(KrF)光刻工藝制作了基于多層波導結構的單端口LLSAW諧振器，諧振器的壓電層是X切LN，采用Smart-Cut技術制備，厚為340 nm； LAI采用厚為238 nm的SiO2， HAI則采用厚為153 nm的鉑(Pt)；支撐基片采用Si；叉指換能器(IDT)指條對和孔徑長度分別為100和25.5 μm，反射器數量為20，電極材料采用厚為0.08 μm的Al，金屬化比率為0.5，波長λ=1.7 μm；器件檢測到的諧振頻率為3.55 GHz，對應的相速度達到了6 035 m/s，約為傳統SAW相速度的1.5倍，阻抗比和FBW分別為71 dB和9.5 %，伯德-Q值為655。研制的諧振器可用于實現工作頻率高于3 GHz的SAW濾波器和雙工器。

該團隊還采用相同的結構制作了5 GHz LLSAW單端口諧振器，根據3.5 GHz諧振器的設計，新的5 GHz諧振器的λ設置為1.2 μm，其他的所有結構參數也隨著λ的縮減而相應減小。圖6、7分別為3.5 GHz和5 GHz LLSAW諧振器的檢測和擬合特性[33]。由圖6、7可知，盡管λ從1.7 μm縮小到1.2 μm，器件的性能并未發生嚴重劣化。

圖6 3.5 GHz LLSAW諧振器的檢測擬合特性

圖7 5 GHz LLSAW諧振器的檢測擬合特性

村田公司研制的這種5 GHz LN-POI結構LLSAW諧振器顛覆了SAW器件在超高頻(SHF)頻段不能實用化的傳統觀念，此外，這種多層波導結構LLSAW器件在機械穩定性，層厚度可控制性和制造良率方面相對于傳統SAW器件更具優勢，適合高頻、大帶寬應用。

3.1.2 LN-POI多層結構SAW濾波器

2020年，上海微系統所和美國伊利諾伊大學厄巴納-香檳分校的聯合研究團隊采用Smart-Cut技術將X切LN單晶薄膜與高聲速、高導熱的碳化硅(SiC)支撐襯底異質集成，實現了一種高性能的LiNbO3-on-SiC POI結構[34]?；谶@種結構實現的SAW諧振器的諧振頻率約1.95 GHz，導納比高達80.1 dB，k2高達27.8%，Q值接近2 000，諧振器的綜合性能品質優值(FoM)高達530；利用制作的SAW諧振器實現了中心頻率2.29 GHz、3 dB相對帶寬9.9%、通帶內最小插入損耗1.38 dB，帶外抑制41.6 dB、占位面積0.75 mm2的SAW濾波器。但濾波器的TCF為-48.2×10-6/℃，耐功率能力為25 dBm，表明叉指電極的構成及工藝仍需優化,以獲得更高的耐功率能力，同時IDT指條的幾何結構也需要優化,從而能進一步抑制橫向雜散模式。圖8為濾波器的測試結果。

圖8 LiNbO3-on-SiC SAW濾波器的測試結果

3.2 LT-POI多層結構SAW器件

2019年，Soitec公司報道了一種采用600 nm (YX)42°LT/500 nm SiO2/(100)Si的LT-POI結構材料?；谶@種POI結構材料的SAW諧振器每側有120組叉指對及20個鏡像電極。聲孔徑為40λ，叉指與電極的間距為1.2 μm，金屬與間距之間的比率為0.5。POI結構的k2可達8.13%，而傳統TC-SAW器件的塊體LT晶片僅為5.98%(見圖9)[35]。制作的中心頻率1.6 GHz單端測試諧振器檢測到的伯德-Q值超過1 700，k2>8%，TCF低至5.8×10-6/℃，且根據所需頻率要求，通過優化多層疊層結構的厚度還可進一步降低TCF。

圖9 POI基片SAW諧振器和塊體LT基片諧振器的耦合系數檢測結果比較

基于POI諧振器實現的2 GHz SAW濾波器帶寬為80 MHz(1 dB頻帶)、插入損耗小于2 dB、抑制度超過40 dB、群延遲變化約為50 ns甚至更優(見圖10)。在整個工作溫度范圍內的TCF值低于10×10-6/K，濾波器帶通特性還可進一步優化。

圖10 POI基片2 GHz SAW濾波器的傳輸函數及群延遲

Soitec公司的LT-POI結構SAW濾波器具有能量效率高,損耗低,溫度敏感度低,帶寬大,工藝流程簡單及集成度高的特點，在5G濾波器解決方案中具有替代溫補型SAW(TC-SAW)濾波器的潛力，且基于POI的SAW濾波器在L波段和S波段還與BAW濾波器相媲美的性能。目前，Soitec公司的150 mm POI結構的濾波器已實現量產，未來Soitec公司還將開發直徑為200 mm的POI結構,以達到進一步降低總成本的目的。同時，Soitec公司未來還將開發LN POI結構(LN-POI)。2020年7月，Soitec公司宣布為高通公司新一代4G/5G ultraSAW射頻濾波器提供POI結構材料?；赑OI結構的高通ultraSAW濾波器能夠在600 MHz～2.7 GHz內提供如出色的發射、接收和交叉隔離能力、良好的頻率選擇性、高達5 000的品質因數、極低的插入損耗(提升了1 dB)、優異的溫度穩定性等高性能支持。Soitec公司正努力使POI基片在未來幾年內成為一項行業標準，借助自身在壓電材料方面的豐富經驗，結合Smart Cut技術，可在其專用生產線上大批量制造同款基片，用于實現滿足5G通信網絡對高性能集成SAW濾波器的嚴格要求。

4 總結與展望

5G通信、物聯網和大數據應用需要具有高頻、寬帶、高Q值和低頻率溫度系數的高性能SAW器件。利用鍵合剝離(Smart-Cut)技術能夠制備出具有高機電耦合系數和大帶寬特性的LN/LT薄膜材料，使制備高頻、大帶寬SAW濾波器成為可能，從而能夠使通訊頻率從2～3 GHz提高至6 GHz，并使帶寬增加1倍，這將會給RF和通信產業帶來真正的突破。由于LN/LT單晶薄膜可與Si集成，因此，可以通過相同Si芯片上器件的集成來進一步使濾波器小型化?？傊?，基于LN/LT單晶薄膜的RF SAW器件能夠促進5G應用和高頻通信技術的發展，而Si襯底上集成LN/LT單晶薄膜與CMOS工藝的兼容性又為在同一芯片上集成MEMS、鐵電、聲學和光學器件開辟了新的可能性。因此，隨著LN/LT單晶薄膜材料以及新型聲學器件技術的進一步發展，采用LN/LT-POI結構的RF SAW器件在5G和后5G時代將具有更重要的應用前景。