一种基于单晶压电薄膜的体声波谐振器及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种基于单晶压电薄膜的体声波谐振器，包括：衬底、形成在所述衬底上的声反射层以及覆盖在所述声反射层上的压电三明治结构，所述压电三明治结构包括下电极、单晶压电薄膜、上电极；在所述下电极表面和声反射层上沉积低熔点的金属薄膜，并通过光刻工艺形成图形化键合支点，实现所述压电三明治结构与声反射层的低温键合；所述单晶压电薄膜通过离子切片技术获得，通过控制离子注入的能量和离子剂量可以控制膜厚；本发明专利技术制备的体声波谐振器的机电耦合系数达到44％以上，品质因数达到2500以上，能在高带宽、大容量数据传输的现代通信系统中发挥重要作用。

A bulk acoustic resonator based on single crystal piezoelectric thin film and its preparation method

The invention discloses a bulk acoustic resonator, based on single crystal piezoelectric thin film comprises: a substrate, forming sound reflection layer on the substrate and covered on the sound reflection layer on the piezoelectric sandwich structure, the piezoelectric sandwich structure includes a lower electrode, single crystal piezoelectric thin film, thin film electrode; and the reflection electrode surface layer deposited on a low melting point metal in the lower, and the graphical bonding fulcrum formed by lithography process, the key to realize the low temperature piezoelectric sandwich structure and acoustic reflection layer; the single crystal piezoelectric thin films obtained by ion slicing, by controlling the energy of ion implantation and ion dose the film thickness can be controlled; the electromechanical coupling coefficient of bulk acoustic wave resonators prepared by the invention has reached more than 44%, the quality factor of more than 2500, the modern general in high bandwidth, large capacity data transmission The letter system plays an important role.

【技术实现步骤摘要】
一种基于单晶压电薄膜的体声波谐振器及其制备方法
本专利技术属于射频微机电系统
，特别涉及一种基于单晶压电薄膜的体声波谐振器及其制备方法。
技术介绍
随着微机电系统技术的进步，薄膜体声波滤波器以其尺寸小、插入损耗低、谐振频率高、品质因数高、功率容量大等特点，逐渐取代传统的声表面波滤波器和陶瓷滤波器，抢占了通信系统滤波芯片的主要市场份额，满足未来高带宽、大容量的数据传输需求。如，2003年2月4日公开的美国专利US6515558(B1)“Thin-filmbulkacousticresonatorwithenhancedpowerhandlingcapacity”通过优化声反射层的结构，给出了一种高功率容量的薄膜体声波谐振器；又如T.W.Grudkowski等人1980年8月1日在AppliedPhysicsLetter上发表的文章“Fundamental-modeVHF/UHFminiatureacousticresonatorsandfiltersonsilicon”首次公开了一种基于氧化锌的薄膜体声波谐振器，并实现Q值达2580、机电耦合系数Kt为7.7％、插入损耗为5.5dB的性能。薄膜体声波谐振器是薄膜体声波滤波器的主要构成单元，其基本结构是由两层金属电极夹着压电薄膜层的三明治压电振荡堆。压电薄膜层的厚度决定着体声波谐振器的工作频率。移动通信系统中体声波滤波器主要工作在500MHz至10GHz频段，这要求压电薄膜层的厚度在100纳米(nm)至几微米(um)范围内。由薄膜体声波谐振器的阻抗曲线可以得出，谐振器的机电耦合系数直接控制着器件的带宽。因此，制备机电耦合系数高的薄膜材料成为科学界和工业界一直在探索的问题。G.Ferblantier等人2005年6月18日在SensorsandActuators上发表的文章“Depositionofzincoxidethinfilmsforapplicationinbulkacousticwaveresonator”公开了一种基于氧化锌的体声波谐振器，通过优化制备条件，生长了c轴择优生长、半高宽FWHM为0.28°的氧化锌薄膜，但其机电耦合系数只有7.5％。H.P.Loebl等人2003年于MaterialsChemistryandPhysics上发表的文章“PiezoelectricthinAlNfilmsforbulkacousticwave(BAW)resonators”公开了一种基于AlN薄膜的体声波谐振器，实现了23％的机电耦合系数，但是Q值只有580。PBKirby等人2001年于IEEEInternationaleFrequencyControlSymposiumandPDAExhibition上发表的文章“PZTthinfilmbulkacousticwaveresonatorsandfilters”报道了PZT薄膜体声波谐振器，其机电耦合系数达到19.1％，但是Q值只有52.8。上述氧化锌、AlN、PZT压电薄膜均为多晶材料，与压电单晶材料相比，具有机电耦合系数较低的明显缺陷。M.Pijolat等人2009年7月8日于AppliedPhysicsLetter上发表的文章“LargeelectromechanicalcouplingfactorfilmbulkacousticresonatorwithX-cutLiNbO3layertransfer”公开了一种基于单晶LiNbO3薄膜的体声波谐振器，该谐振器具有高达43％的机电耦合系数，不过该单晶LiNbO3采用研磨技术制备，厚度达到6.6um，使得器件的谐振频率只有250MHz，低于移动通信系统中滤波器的主要工作频段。此外，该单晶LiNbO3薄膜的表面均匀性较低，导致Q值仅有64，不具有实用性。2016年12月7日公开的中国专利申请CN201610489078A“基于单晶铌酸锂薄片的薄膜体声波谐振器及其制备方法”采用刻蚀的方法减薄铌酸锂，铌酸锂的厚度为5um，该方法同样存在厚度限制和薄片表面均匀型较差的不足。
技术实现思路
鉴于上述，本专利技术提供了一种基于单晶压电薄膜的体声波谐振器及制备方法。本专利技术采用晶体离子切片技术(crystalionslicing,CIS)制备单晶压电薄膜，该单晶压电薄膜保持了与单晶压电体材料一致的优良性能，压电性能比多晶压电薄膜更有优势，且表面均匀性高，通过调节离子注入的能量和离子剂量可以控制压电薄膜的厚度，使得制备的谐振器具有频率高、机电耦合系数高、带宽大、品质因数高、功率容量大等优点，能在高带宽、大容量数据传输的现代通信系统中具有重要作用。本专利技术的技术方案为：一种基于单晶压电薄膜的体声波谐振器，包括：衬底、形成在所述衬底上的声反射层以及覆盖在所述声反射层上的压电三明治结构，所述压电三明治结构包括依次堆叠的下电极、单晶压电薄膜、上电极；在所述下电极表面和所述声反射层上沉积低熔点的金属薄膜，并通过光刻工艺形成图形化键合支点，实现所述压电三明治结构与声反射层的低温键合；所述单晶压电薄膜设有与下电极进行电学互连的垂直通孔；所述垂直通孔填充有导电介质；所述体声波谐振器的机电耦合系数达到44％以上，品质因数达到2500以上。本专利技术采用晶体离子切片技术将单晶压电体材料制备成薄膜，作为体声波谐振器的压电层，保留了单晶压电体材料的优异压电性能，用于替代现有薄膜体声波器件中广泛使用的多晶压电薄膜，从而大幅提高器件的机电耦合系数和品质因数。所述晶体离子切片技术制备的单晶压电薄膜表面粗糙度小于1nm，有利于提高薄膜体声波谐振器的品质因数。作为优选，所述衬底的材料为多晶硅、单晶硅、石英片、蓝宝石、金刚石中的一种。作为优选，所述上电极和下电极材料为铝、金、钨、钼、铜、铬、钛中的一种，其厚度为10nm～1000nm，通过薄膜淀积技术制备得到。作为优选，所述的单晶压电薄膜的材料为石英、氧化锌、氮化铝、硫化镉、铌酸锂、锆酸锂、钽酸锂、四硼酸锂、锗酸铋、硅酸铋中的一种。作为优选，所述的声反射层为布拉格声反射层、聚酰亚胺(PI)、多孔二氧化硅、掺碳二氧化硅中的一种；布拉格声反射层通过薄膜淀积技术交替沉积4到7层高声阻抗和低声阻抗材料获得；所述高声阻抗材料为钨、氮化铝或四面体非晶碳；所述低声阻抗材料为二氧化硅或铝；所述聚酰亚胺、多孔二氧化硅或掺碳二氧化硅的厚度为5um～50um。作为优选，所述单晶压电薄膜厚度为10nm～3.5um，具体地与所应用的谐振器的工作频段有关。膜厚可以通过调节离子注入的能量和离子剂量来控制。作为优选，所述单晶压电薄膜中形成有与下电极电学互连的垂直通孔，构成G-S-G共面线标准器件结构，方便探针测试。作为优选，所述晶体离子切片技术注入的离子为氢离子、氦离子、硼离子中的一种或任意两种的组合。作为优选，所述用于低温键合的金属薄膜的材料为铟或铟锡合金，通过薄膜淀积技术制备得到；低温键合的温度为160℃～240℃。作为优选，所述薄膜淀积技术包括溅射镀膜、热蒸发镀膜、电子束镀膜、等离子体化学气相淀积等。本专利技术还提供一种制备上述基于单晶压电薄膜的体声波谐振器的方法，包括以下步骤：(a)采用薄膜淀积技术将高声阻抗材料与低声阻抗材料交替沉积4到7层于衬底表面，形成布拉格声反射层；(b本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于单晶压电薄膜的体声波谐振器，其特征在于，包括：衬底、形成在所述衬底上的声反射层以及覆盖在所述声反射层上的压电三明治结构，所述压电三明治结构包括依次堆叠的下电极、单晶压电薄膜、上电极；在所述下电极表面和所述声反射层上沉积低熔点的金属薄膜，并通过光刻工艺形成图形化键合支点，实现所述压电三明治结构与声反射层的低温键合；所述单晶压电薄膜设有与下电极进行电学互连的垂直通孔；所述垂直通孔填充有导电介质；所述体声波谐振器的机电耦合系数达到44％以上，品质因数达到2500以上。

【技术特征摘要】
1.一种基于单晶压电薄膜的体声波谐振器，其特征在于，包括：衬底、形成在所述衬底上的声反射层以及覆盖在所述声反射层上的压电三明治结构，所述压电三明治结构包括依次堆叠的下电极、单晶压电薄膜、上电极；在所述下电极表面和所述声反射层上沉积低熔点的金属薄膜，并通过光刻工艺形成图形化键合支点，实现所述压电三明治结构与声反射层的低温键合；所述单晶压电薄膜设有与下电极进行电学互连的垂直通孔；所述垂直通孔填充有导电介质；所述体声波谐振器的机电耦合系数达到44％以上，品质因数达到2500以上。2.如权利要求1所述的基于单晶压电薄膜的体声波谐振器，其特征在于，所述的单晶压电薄膜采用晶体离子切片技术制备得到。3.如权利要求2所述的基于单晶压电薄膜的体声波谐振器，其特征在于，所述晶体离子切片技术注入的离子为氢离子、氦离子、硼离子中的一种或任意两种的组合。4.如权利要求1所述的基于单晶压电薄膜的体声波谐振器，其特征在于，所述的单晶压电薄膜的表面表面粗糙度小于1nm。5.如权利要求1所述的基于单晶压电薄膜的体声波谐振器，其特征在于，所述的单晶压电薄膜的材料为石英、氧化锌、氮化铝、硫化镉、铌酸锂、锆酸锂、钽酸锂、四硼酸锂、锗酸铋、硅酸铋中的一种。6.如权利要求1所述的基于单晶压电薄膜的体声波谐振器，其特征在于，所述的衬底材料为多晶硅、单晶硅、石英片、蓝宝石、金刚石中的一种。7.如权利要求1所述的基于单晶压电薄膜的体声波谐振器，其特征在于，所述上电极和下电极材料为铝、金、钨、钼、铜、铬、钛中的一种。8.如权利要求1所述的基于单晶压电薄膜的体声波谐振器，其特征在于，所述的声反射层为布拉格声反射层、聚酰亚胺(PI)、多孔二氧化硅、掺碳二氧化硅中的一种；布拉格声反射层通过薄膜淀积技术交替沉积4到7层高声阻抗和低声阻抗材料获得；所述高声阻抗...

【专利技术属性】
技术研发人员：董树荣，许红升，轩伟鹏，骆季奎，乌玛·儒可，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：浙江,33