技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本
發(fā)明涉及信息
電子材料技術(shù)領(lǐng)域，尤其是一種高頻大帶寬薄膜體波濾波器結(jié)構(gòu)及其制備方法。
背景技術(shù)
[0002] 作為移動(dòng)通信的
基礎(chǔ)和關(guān)鍵，射頻前端是移動(dòng)智能終端產(chǎn)品的核心組件。射頻前端是連接著天線和通信收發(fā)芯片的必經(jīng)通路，其主要包括
開(kāi)關(guān)、濾波器/雙工器、功率
放大器和
低噪聲放大器等器件單元。其中濾波器用于濾除有用
信號(hào)頻帶外的干擾和噪聲，雙工器用于隔離發(fā)射和接收信號(hào)，同時(shí)兼具射頻濾波的功能，是射頻前端的核心器件。由于
聲表面波濾波器和體
聲波濾波器具有體積小、濾波性能優(yōu)異、重量輕、可靠性高等特點(diǎn)，更適應(yīng)于移動(dòng)終端微型化、數(shù)字化、高可靠性等方面的要求，因此聲表面波濾波器和
體聲波濾波器是目前應(yīng)用于移動(dòng)終端最主流的兩種射頻濾波器。2G時(shí)代到4G時(shí)代，頻段數(shù)量的不斷增加使
頻譜資源十分擁擠。同時(shí)5G時(shí)代日益臨近，要實(shí)現(xiàn)更快的速率傳輸和幾何級(jí)急劇增長(zhǎng)的數(shù)據(jù)流量，移動(dòng)通信系統(tǒng)的應(yīng)用
頻率越來(lái)越高、帶寬越來(lái)越大，因此急需高頻大帶寬的射頻聲學(xué)濾波器。
[0003] 聲表面波濾波器的頻率和帶寬主要取決于其壓電基底的聲速和機(jī)電耦合系數(shù)。傳統(tǒng)的聲表面波濾波器都是在鉭酸鋰(LiTaO3)、鈮酸鋰(LiNbO3)等單晶體材料上制作完成。這些基片具有一致性好、機(jī)電耦合系數(shù)大、工藝條件成熟等優(yōu)點(diǎn)，但是LiTaO3與LiNbO3聲速均低于4000m/s，限制了其高頻應(yīng)用。目前用于體聲波濾波器的壓電材料是聲速較高的AlN壓電薄膜，其在高頻應(yīng)用具有一定優(yōu)勢(shì)，但由于AlN壓電薄膜其機(jī)電耦合系數(shù)相對(duì)較小，限制了其在寬帶濾波器中的應(yīng)用。另外，生長(zhǎng)的AlN壓電薄膜一般是多晶的，其
質(zhì)量遠(yuǎn)不如單晶基片，薄膜中的晶體
缺陷會(huì)降低濾波器的性能。根據(jù)上述可知，目前傳統(tǒng)的射頻濾波器在高頻大帶寬中的應(yīng)用還存在一定不足。因此為了滿足5G通信對(duì)高性能濾波器的需求,迫切需要尋找一種高聲速、高機(jī)電耦合系數(shù)的壓電材料和壓電基底結(jié)構(gòu)，用于制備高頻大帶寬濾波器。
發(fā)明內(nèi)容
[0004] 本
發(fā)明人針對(duì)上述問(wèn)題及技術(shù)需求，提出了一種高頻大帶寬薄膜體波濾波器結(jié)構(gòu)及其制備方法，該結(jié)構(gòu)具有高聲速和大機(jī)電耦合系數(shù)，以實(shí)現(xiàn)高頻大帶寬的應(yīng)用。本發(fā)明的技術(shù)方案如下：
[0005] 一種高頻大帶寬薄膜體波濾波器結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)由下至上依次包括襯底、
叉指換能器、
氧化物保護(hù)層和壓電薄膜層；
[0006] 叉指換能器設(shè)置在襯底上，氧化物保護(hù)層設(shè)置在襯底上并
覆蓋叉指換能器的相鄰叉指間隙，壓電薄膜層設(shè)置在氧化物保護(hù)層上，氧化物保護(hù)層的厚度大于等于叉指換能器的厚度；
[0007] 襯底的材料為藍(lán)
寶石單晶基片或SiC單晶基片；
[0008] 壓電薄膜層的材料為L(zhǎng)iTaO3單晶薄膜或LiNbO3單晶薄膜。
[0009] 其進(jìn)一步的技術(shù)方案為，叉指換能器的厚度為100nm-200nm、叉指寬度為100nm-2μm、叉指
電極周期為400nm-8μm。
[0010] 其進(jìn)一步的技術(shù)方案為，叉指換能器包括電極打底層和電極主體層，電極主體層設(shè)置在電極打底層上；
[0011] 電極打底層的材質(zhì)包括Ti、Ni、Zr和Cr中的至少一種，電極打底層的厚度為1nm-20nm；
[0012] 電極主體層的材質(zhì)包括Al、Cu、Pt和Mo中的至少一種。
[0013] 其進(jìn)一步的技術(shù)方案為，壓電薄膜層的厚度為0.2μm-2μm。確認(rèn)沒(méi)問(wèn)題[0014] 其進(jìn)一步的技術(shù)方案為，氧化物保護(hù)層的材料為SiO2或TeO2或SiOF，氧化物保護(hù)層的厚度為100nm-250nm。
[0015] 其進(jìn)一步的技術(shù)方案為，壓電薄膜層和氧化物保護(hù)層上形成有貫穿至叉指換能器的
刻蝕孔，刻蝕孔位于叉指換能器的電極焊盤(pán)處，叉指換能器的電極焊盤(pán)通過(guò)刻蝕孔外露。
[0016] 一種高頻大帶寬薄膜體波濾波器的制備方法，該方法包括如下步驟：
[0017] 步驟1、獲取襯底并清洗表面，襯底的材料為藍(lán)寶石單晶基片或SiC單晶基片；
[0018] 步驟2、利用
光刻技術(shù)和電子束蒸
鍍方法，在襯底表面上制備叉指換能器；
[0019] 步驟3、利用
磁控濺射方法，在襯底上制備氧化物薄膜，氧化物薄膜均勻致密地覆蓋在叉指換能器及叉指換能器的相鄰叉指間隙；
[0020] 步驟4、利用化學(xué)機(jī)械
拋光方法對(duì)氧化物薄膜的表面進(jìn)行處理得到氧化物保護(hù)層，氧化物保護(hù)層的厚度大于等于叉指換能器的厚度且氧化物保護(hù)層覆蓋叉指換能器的相鄰叉指間隙；
[0021] 步驟5、利用
晶圓鍵合法，將壓電薄膜與覆蓋有叉指換能器和氧化物保護(hù)層的襯底鍵合，壓電薄膜設(shè)置在氧化物保護(hù)層上，壓電薄膜的材料為L(zhǎng)iTaO3單晶薄膜或LiNbO3單晶薄膜；
[0022] 步驟6、利用晶片
研磨方式對(duì)壓電薄膜進(jìn)行減薄處理，然后采用
化學(xué)機(jī)械拋光的方式進(jìn)行
表面處理得到壓電薄膜層。
[0023] 其進(jìn)一步的技術(shù)方案為，該方法還包括：
[0024] 刻蝕壓電薄膜層和氧化物保護(hù)層將叉指換能器的電極焊盤(pán)外露。
[0025] 本發(fā)明的有益技術(shù)效果是：
[0026] 在本
申請(qǐng)公開(kāi)的一種高頻大帶寬薄膜體波濾波器結(jié)構(gòu)中，由于襯底的材質(zhì)為藍(lán)寶石單晶基片或SiC單晶基片，因此該結(jié)構(gòu)具有較高的聲速、化學(xué)
穩(wěn)定性良好和高熱導(dǎo)率等優(yōu)勢(shì)；本申請(qǐng)采用的氧化物薄膜能致密的填充在襯底和叉指換能器的相鄰叉指間隙中，通過(guò)化學(xué)機(jī)械拋光方法得到平整的表面，不僅可以制備高質(zhì)量的壓電薄膜，而且氧化物薄膜也提升了體波濾波器的
溫度穩(wěn)定性；采用晶圓鍵合法可獲得晶體質(zhì)量高、一致性好、傳播損耗小的LiTaO3單晶薄膜或LiNbO3單晶薄膜，使用本申請(qǐng)的體波濾波器結(jié)構(gòu)能獲得高聲速、大機(jī)電耦合系數(shù)，滿足了移動(dòng)通訊對(duì)高頻率大帶寬的要求，且該結(jié)構(gòu)使用的制備工藝容易實(shí)現(xiàn)，易于大規(guī)模推廣。
附圖說(shuō)明
[0027] 圖1是本申請(qǐng)公開(kāi)的高頻大帶寬薄膜體波濾波器的結(jié)構(gòu)圖。
[0028] 圖2是本申請(qǐng)公開(kāi)的高頻大帶寬薄膜體波濾波器的制備方法
流程圖。
[0029] 圖3是本申請(qǐng)公開(kāi)的制備方法步驟2的結(jié)構(gòu)圖。
[0030] 圖4是本申請(qǐng)公開(kāi)的制備方法步驟3的結(jié)構(gòu)圖。
[0031] 圖5是本申請(qǐng)公開(kāi)的制備方法步驟4的結(jié)構(gòu)圖。
[0032] 圖6是本申請(qǐng)公開(kāi)的制備方法步驟5的結(jié)構(gòu)圖。
[0033] 圖7是本申請(qǐng)公開(kāi)的
實(shí)施例1中薄膜體波
諧振器的模擬導(dǎo)納曲線圖。
[0034] 圖8是本申請(qǐng)公開(kāi)的實(shí)施例2中薄膜體波諧振器的模擬導(dǎo)納曲線圖。
具體實(shí)施方式
[0035] 下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施方式做進(jìn)一步說(shuō)明。
[0036] 本申請(qǐng)公開(kāi)的一種高頻大帶寬薄膜體波濾波器結(jié)構(gòu)，如圖1所示，該結(jié)構(gòu)由下至上依次包括襯底1、叉指換能器2、氧化物保護(hù)層3和壓電薄膜層4。
[0037] 叉指換能器2設(shè)置在襯底1上，氧化物保護(hù)層3設(shè)置在襯底1上并覆蓋叉指換能器2的相鄰叉指間隙，氧化物保護(hù)層3用于填補(bǔ)相鄰叉指間隙從而得到平坦的上表面，方便后續(xù)制備得到高質(zhì)量的壓電薄膜層4。同時(shí)具有一定溫度補(bǔ)償效果，提高體波濾波器的溫度穩(wěn)定性。壓電薄膜層4設(shè)置在氧化物保護(hù)層3上且壓電薄膜層4的厚度為0.2μm-2μm，氧化物保護(hù)層3的厚度大于等于叉指換能器2的厚度。具體的，氧化物保護(hù)層的厚度為100nm-250nm。
[0038] 本申請(qǐng)使用的襯底材料為藍(lán)寶石單晶基片或SiC單晶基片，因此該結(jié)構(gòu)具有較高的聲速、化學(xué)穩(wěn)定性良好和高熱導(dǎo)率的優(yōu)勢(shì)。
[0039] 本申請(qǐng)使用的氧化物保護(hù)層材料為SiO2或TeO2或SiOF。
[0040] 本申請(qǐng)使用的壓電薄膜層的材料為L(zhǎng)iTaO3單晶薄膜或LiNbO3單晶薄膜，因此該結(jié)構(gòu)還具有質(zhì)量高、一致性好、傳播損耗小的優(yōu)勢(shì)。
[0041] 本申請(qǐng)使用的叉指換能器2包括電極打底層5和電極主體層6，電極主體層6設(shè)置在電極打底層5上。電極打底層5的材質(zhì)包括Ti、Ni、Zr和Cr中的至少一種，電極打底層5的厚度為1nm-20nm。電極主體層6的材質(zhì)包括Al、Cu、Pt和Mo中的至少一種。具體的，叉指換能器2的厚度為100nm-200nm、叉指寬度為100nm-2μm、叉指電極周期λ為400nm-8μm。
[0042] 可選的，壓電薄膜層4和氧化物保護(hù)層3上形成有貫穿至叉指換能器2的刻蝕孔，刻蝕孔位于叉指換能器2的電極焊盤(pán)處，叉指換能器2的電極焊盤(pán)通過(guò)刻蝕孔外露。
[0043] 本申請(qǐng)還公開(kāi)了一種高頻大帶寬薄膜體波濾波器的制備方法，其制備流程圖如圖2所示，以下通過(guò)兩個(gè)實(shí)施例進(jìn)行說(shuō)明。
[0044] 實(shí)施例1：
[0045] 制備一種高頻大帶寬薄膜體波濾波器結(jié)構(gòu)，制備方法包括如下步驟：
[0046] 步驟1、獲取材料為6H-SiC單晶基片、厚度為500μm的襯底1，并用丙
酮、酒精和去離子
水各超聲清洗表面5分鐘，然后再用去離子水沖洗2分鐘，最后用氮?dú)獯蹈伞?/div>
[0047] 步驟2、利用光刻技術(shù)和電子束蒸鍍方法，在襯底1表面上制備叉指換能器2，結(jié)構(gòu)如圖3所示。叉指換能器2選用厚度為10nm?Ti的電極打底層5和厚度為90nm?Cu的電極主體層6，叉指換能器2的厚度為100nm、叉指寬度為260nm、叉指電極周期λ為1.45μm。具體制備過(guò)程包括：首先進(jìn)行光刻工藝，光刻的具體步驟包括表面清洗烘干、涂底、
旋涂光刻膠、軟烘、曝光、后烘、顯影、硬烘，光刻完成后襯底1上的叉指換能器2圖形已經(jīng)形成。再將樣品放入電子束蒸鍍機(jī)
鍍膜，電子束蒸鍍方法具體實(shí)驗(yàn)條件如下：本底
真空度優(yōu)于9×10-9torr，Ti的蒸鍍速率為 沉積10nm，Cu的蒸鍍速率為 沉積90nm。蒸鍍完成后，從蒸鍍機(jī)中取出樣品并置于丙酮中剝離，從而完成叉指換能器2的制備。
[0048] 步驟3、利用磁控濺射方法，在襯底上制備材料為SiO2、厚度為500nm的氧化物薄膜7，氧化物薄膜7均勻致密地覆蓋在叉指換能器2及其相鄰叉指間隙，結(jié)構(gòu)如圖4所示。具體實(shí)驗(yàn)條件如下：本底真空度優(yōu)于7×10-5Pa，采用
硅靶反應(yīng)濺射、直流電源、電源功率為1000W，濺射氣體Ar流量為18sccm，反應(yīng)氣體O2流量為12sccm，常溫鍍膜，鍍膜氣壓為0.5Pa，氧化物薄膜7的生長(zhǎng)速率為
[0049] 步驟4、利用化學(xué)機(jī)械拋光方法對(duì)氧化物薄膜7的表面進(jìn)行處理得到氧化物保護(hù)層3，氧化物保護(hù)層3的厚度大于等于叉指換能器2的厚度且氧化物保護(hù)層覆蓋叉指換能器的相鄰叉指間隙，結(jié)構(gòu)如圖5所示。在本申請(qǐng)中，將氧化物薄膜7拋光至厚度為100nm，因此氧化物保護(hù)層3的厚度等于叉指換能器2的厚度。
[0050] 步驟5、利用晶圓鍵合法，將切向和材料為15°YX-LiNbO3的壓電薄膜8與覆蓋有叉指換能器2和氧化物保護(hù)層3的襯底1鍵合，結(jié)構(gòu)如圖6所示，壓電薄膜8設(shè)置在氧化物保護(hù)層3上。晶圓鍵合法具體實(shí)驗(yàn)條件如下：在真空度為9.0×10-5Pa，壓
力為800N的條件下進(jìn)行，并于250℃的條件下進(jìn)行
退火8h，經(jīng)過(guò)上述步驟可以增強(qiáng)襯底1與壓電薄膜8的鍵合力。
[0051] 步驟6、利用晶片研磨方式對(duì)壓電薄膜8進(jìn)行減薄處理并且減薄至20μm，然后采用化學(xué)機(jī)械拋光的方式進(jìn)行表面處理得到壓電薄膜層4。在本申請(qǐng)中，將壓電薄膜8拋光至厚度為400nm。經(jīng)過(guò)上述制備步驟得到的高頻大帶寬薄膜體波濾波器的結(jié)構(gòu)如圖1所示。
[0052] 可選的，最后刻蝕壓電薄膜層4和氧化物保護(hù)層3將叉指換能器2的電極焊盤(pán)外露。
[0053] 以本實(shí)施例1所述方案制備的薄膜體波諧振器的仿真結(jié)果如圖7所示。該諧振器出現(xiàn)一個(gè)高頻信號(hào)，其諧振頻率為5.191GHz，反諧振頻率為5.358GHz，其對(duì)應(yīng)的聲速為7486m/s,機(jī)電耦合系數(shù)為7.9％。
[0054] 實(shí)施例2：
[0055] 制備另一種高頻大帶寬薄膜體波濾波器結(jié)構(gòu)，制備方法包括如下步驟：
[0056] 步驟1、獲取材料為藍(lán)寶石單晶基片、厚度為500μm的襯底1，并用丙酮、酒精和去離子水各超聲清洗表面5分鐘，然后再用去離子水沖洗2分鐘，最后用氮?dú)獯蹈伞?/div>
[0057] 步驟2、利用光刻技術(shù)和電子束蒸鍍方法，在襯底1表面上制備叉指換能器2，結(jié)構(gòu)如圖3所示。叉指換能器2選用厚度為10nm?Ti的電極打底層5和厚度為90nm?Al的電極主體層6，叉指換能器2的厚度為100nm、叉指寬度為250nm、叉指電極周期λ為1μm。具體制備過(guò)程包括：首先進(jìn)行光刻工藝，光刻的具體步驟包括表面清洗烘干、涂底、旋涂光刻膠、軟烘、曝光、后烘、顯影、硬烘，光刻完成后襯底1上的叉指換能器2圖形已經(jīng)形成。再將樣品放入電子束蒸鍍機(jī)鍍膜，電子束蒸鍍方法具體實(shí)驗(yàn)條件如下：本底真空度優(yōu)于9×10-9torr，Ti的蒸鍍速率為 沉積10nm，Al的蒸鍍速率為 沉積90nm。蒸鍍完成后，從蒸鍍機(jī)中取出樣品并置于丙酮中剝離，從而完成叉指換能器2的制備。
[0058] 步驟3、利用磁控濺射方法，在襯底上制備材料為SiO2、厚度為800nm的氧化物薄膜7，氧化物薄膜7均勻致密地覆蓋在叉指換能器2及其相鄰叉指間隙，結(jié)構(gòu)如圖4所示。具體實(shí)驗(yàn)條件如下：本底真空度優(yōu)于7×10-5Pa，采用硅靶反應(yīng)濺射、直流電源、電源功率為1000W，濺射氣體Ar流量為18sccm，反應(yīng)氣體O2流量為12sccm，常溫鍍膜，鍍膜氣壓為0.5Pa，氧化物薄膜7的生長(zhǎng)速率為
[0059] 步驟4、利用化學(xué)機(jī)械拋光方法對(duì)氧化物薄膜7的表面進(jìn)行處理得到氧化物保護(hù)層3，氧化物保護(hù)層3的厚度大于等于叉指換能器2的厚度且氧化物保護(hù)層覆蓋叉指換能器的相鄰叉指間隙，結(jié)構(gòu)如圖5所示。在本申請(qǐng)中，將氧化物薄膜7拋光至厚度為110nm，因此氧化物保護(hù)層3的厚度等于叉指換能器2的厚度。
[0060] 步驟5、利用晶圓鍵合法，將切向和材料為128°YX-LiNbO3的壓電薄膜8與覆蓋有叉指換能器2和氧化物保護(hù)層3的襯底1鍵合，結(jié)構(gòu)如圖6所示，壓電薄膜8設(shè)置在氧化物保護(hù)層3上。晶圓鍵合法具體實(shí)驗(yàn)條件如下：在真空度為9.0×10-5Pa，壓力為800N的條件下進(jìn)行，并于250℃的條件下進(jìn)行退火8h，經(jīng)過(guò)上述步驟可以增強(qiáng)襯底1與壓電薄膜8的鍵合力。
[0061] 步驟6、利用晶片研磨方式對(duì)壓電薄膜8進(jìn)行減薄處理并且減薄至30μm，然后采用化學(xué)機(jī)械拋光的方式進(jìn)行表面處理得到壓電薄膜層4。在本申請(qǐng)中，將壓電薄膜8拋光至厚度為250nm。經(jīng)過(guò)上述制備步驟得到的高頻大帶寬薄膜體波濾波器的結(jié)構(gòu)如圖1所示。
[0062] 可選的，最后刻蝕壓電薄膜層4和氧化物保護(hù)層3將叉指換能器2的電極焊盤(pán)外露。
[0063] 以本實(shí)施例2所述方案制備的薄膜體波諧振器的仿真結(jié)果如圖8所示。該諧振器出現(xiàn)一個(gè)高頻信號(hào)，其諧振頻率為4.434GHz，反諧振頻率為4.890GHz，其對(duì)應(yīng)的聲速為4662m/s,機(jī)電耦合系數(shù)為22.9％。
[0064] 由上述兩個(gè)實(shí)施例可知，本申請(qǐng)的高頻大帶寬薄膜體波濾波器的結(jié)構(gòu)具有高聲速、大機(jī)電耦合系數(shù)的特點(diǎn)，能夠滿足高頻率和大帶寬移動(dòng)通信的要求，且該結(jié)構(gòu)使用的制備工藝容易實(shí)現(xiàn)，易于大規(guī)模推廣。
[0065] 以上所述的僅是本申請(qǐng)的優(yōu)選實(shí)施方式，本發(fā)明不限于以上實(shí)施例。可以理解，本領(lǐng)域技術(shù)人員在不脫離本發(fā)明的精神和構(gòu)思的前提下直接導(dǎo)出或聯(lián)想到的其他改進(jìn)和變化，均應(yīng)認(rèn)為包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
