CN110994097B - 一种高频大带宽薄膜体波滤波器结构及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高频大带宽薄膜体波滤波器结构及其制备方法，涉及信息电子材料技术领域，该结构由下至上依次包括衬底、叉指换能器、氧化物保护层和压电薄膜层，叉指换能器设置在衬底上，氧化物保护层设置在衬底上并覆盖叉指换能器的相邻叉指间隙，压电薄膜层设置在氧化物保护层上，氧化物保护层的厚度大于等于叉指换能器的厚度，采用本申请的制备方法可获得晶体质量高、一致性好、传播损耗小的压电薄膜层，使用本申请的体波滤波器结构能获得高声速、大机电耦合系数，满足了移动通讯对高频率大带宽的要求，且该结构使用的制备工艺容易实现，易于大规模推广。

Description

一种高频大带宽薄膜体波滤波器结构及其制备方法

技术领域

本发明涉及信息电子材料技术领域，尤其是一种高频大带宽薄膜体波滤波器结构及其制备方法。

背景技术

作为移动通信的基础和关键，射频前端是移动智能终端产品的核心组件。射频前端是连接着天线和通信收发芯片的必经通路，其主要包括开关、滤波器/双工器、功率放大器和低噪声放大器等器件单元。其中滤波器用于滤除有用信号频带外的干扰和噪声，双工器用于隔离发射和接收信号，同时兼具射频滤波的功能，是射频前端的核心器件。由于声表面波滤波器和体声波滤波器具有体积小、滤波性能优异、重量轻、可靠性高等特点，更适应于移动终端微型化、数字化、高可靠性等方面的要求，因此声表面波滤波器和体声波滤波器是目前应用于移动终端最主流的两种射频滤波器。2G时代到4G时代，频段数量的不断增加使频谱资源十分拥挤。同时5G时代日益临近，要实现更快的速率传输和几何级急剧增长的数据流量，移动通信***的应用频率越来越高、带宽越来越大，因此急需高频大带宽的射频声学滤波器。

声表面波滤波器的频率和带宽主要取决于其压电基底的声速和机电耦合系数。传统的声表面波滤波器都是在钽酸锂(LiTaO₃)、铌酸锂(LiNbO₃)等单晶体材料上制作完成。这些基片具有一致性好、机电耦合系数大、工艺条件成熟等优点，但是LiTaO₃与LiNbO₃声速均低于4000m/s，限制了其高频应用。目前用于体声波滤波器的压电材料是声速较高的AlN压电薄膜，其在高频应用具有一定优势，但由于AlN压电薄膜其机电耦合系数相对较小，限制了其在宽带滤波器中的应用。另外，生长的AlN压电薄膜一般是多晶的，其质量远不如单晶基片，薄膜中的晶体缺陷会降低滤波器的性能。根据上述可知，目前传统的射频滤波器在高频大带宽中的应用还存在一定不足。因此为了满足5G通信对高性能滤波器的需求,迫切需要寻找一种高声速、高机电耦合系数的压电材料和压电基底结构，用于制备高频大带宽滤波器。

发明内容

本发明人针对上述问题及技术需求，提出了一种高频大带宽薄膜体波滤波器结构及其制备方法，该结构具有高声速和大机电耦合系数，以实现高频大带宽的应用。本发明的技术方案如下：

一种高频大带宽薄膜体波滤波器结构，该结构由下至上依次包括衬底、叉指换能器、氧化物保护层和压电薄膜层；

叉指换能器设置在衬底上，氧化物保护层设置在衬底上并覆盖叉指换能器的相邻叉指间隙，压电薄膜层设置在氧化物保护层上，氧化物保护层的厚度大于等于叉指换能器的厚度；

衬底的材料为蓝宝石单晶基片或SiC单晶基片；

压电薄膜层的材料为LiTaO₃单晶薄膜或LiNbO₃单晶薄膜。

其进一步的技术方案为，叉指换能器的厚度为100nm-200nm、叉指宽度为100nm-2μm、叉指电极周期为400nm-8μm。

其进一步的技术方案为，叉指换能器包括电极打底层和电极主体层，电极主体层设置在电极打底层上；

电极打底层的材质包括Ti、Ni、Zr和Cr中的至少一种，电极打底层的厚度为1nm-20nm；

电极主体层的材质包括Al、Cu、Pt和Mo中的至少一种。

其进一步的技术方案为，压电薄膜层的厚度为0.2μm-2μm。确认没问题

其进一步的技术方案为，氧化物保护层的材料为SiO₂或TeO₂或SiOF，氧化物保护层的厚度为100nm-250nm。

其进一步的技术方案为，压电薄膜层和氧化物保护层上形成有贯穿至叉指换能器的刻蚀孔，刻蚀孔位于叉指换能器的电极焊盘处，叉指换能器的电极焊盘通过刻蚀孔外露。

一种高频大带宽薄膜体波滤波器的制备方法，该方法包括如下步骤：

步骤1、获取衬底并清洗表面，衬底的材料为蓝宝石单晶基片或SiC单晶基片；

步骤2、利用光刻技术和电子束蒸镀方法，在衬底表面上制备叉指换能器；

步骤3、利用磁控溅射方法，在衬底上制备氧化物薄膜，氧化物薄膜均匀致密地覆盖在叉指换能器及叉指换能器的相邻叉指间隙；

步骤4、利用化学机械抛光方法对氧化物薄膜的表面进行处理得到氧化物保护层，氧化物保护层的厚度大于等于叉指换能器的厚度且氧化物保护层覆盖叉指换能器的相邻叉指间隙；

步骤5、利用晶圆键合法，将压电薄膜与覆盖有叉指换能器和氧化物保护层的衬底键合，压电薄膜设置在氧化物保护层上，压电薄膜的材料为LiTaO₃单晶薄膜或LiNbO₃单晶薄膜；

步骤6、利用晶片研磨方式对压电薄膜进行减薄处理，然后采用化学机械抛光的方式进行表面处理得到压电薄膜层。

其进一步的技术方案为，该方法还包括：

刻蚀压电薄膜层和氧化物保护层将叉指换能器的电极焊盘外露。

本发明的有益技术效果是：

在本申请公开的一种高频大带宽薄膜体波滤波器结构中，由于衬底的材质为蓝宝石单晶基片或SiC单晶基片，因此该结构具有较高的声速、化学稳定性良好和高热导率等优势；本申请采用的氧化物薄膜能致密的填充在衬底和叉指换能器的相邻叉指间隙中，通过化学机械抛光方法得到平整的表面，不仅可以制备高质量的压电薄膜，而且氧化物薄膜也提升了体波滤波器的温度稳定性；采用晶圆键合法可获得晶体质量高、一致性好、传播损耗小的LiTaO₃单晶薄膜或LiNbO₃单晶薄膜，使用本申请的体波滤波器结构能获得高声速、大机电耦合系数，满足了移动通讯对高频率大带宽的要求，且该结构使用的制备工艺容易实现，易于大规模推广。

附图说明

图1是本申请公开的高频大带宽薄膜体波滤波器的结构图。

图2是本申请公开的高频大带宽薄膜体波滤波器的制备方法流程图。

图3是本申请公开的制备方法步骤2的结构图。

图4是本申请公开的制备方法步骤3的结构图。

图5是本申请公开的制备方法步骤4的结构图。

图6是本申请公开的制备方法步骤5的结构图。

图7是本申请公开的实施例1中薄膜体波谐振器的模拟导纳曲线图。

图8是本申请公开的实施例2中薄膜体波谐振器的模拟导纳曲线图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式做进一步说明。

本申请公开的一种高频大带宽薄膜体波滤波器结构，如图1所示，该结构由下至上依次包括衬底1、叉指换能器2、氧化物保护层3和压电薄膜层4。

叉指换能器2设置在衬底1上，氧化物保护层3设置在衬底1上并覆盖叉指换能器2的相邻叉指间隙，氧化物保护层3用于填补相邻叉指间隙从而得到平坦的上表面，方便后续制备得到高质量的压电薄膜层4。同时具有一定温度补偿效果，提高体波滤波器的温度稳定性。压电薄膜层4设置在氧化物保护层3上且压电薄膜层4的厚度为0.2μm-2μm，氧化物保护层3的厚度大于等于叉指换能器2的厚度。具体的，氧化物保护层的厚度为100nm-250nm。

本申请使用的衬底材料为蓝宝石单晶基片或SiC单晶基片，因此该结构具有较高的声速、化学稳定性良好和高热导率的优势。

本申请使用的氧化物保护层材料为SiO₂或TeO₂或SiOF。

本申请使用的压电薄膜层的材料为LiTaO₃单晶薄膜或LiNbO₃单晶薄膜，因此该结构还具有质量高、一致性好、传播损耗小的优势。

本申请使用的叉指换能器2包括电极打底层5和电极主体层6，电极主体层6设置在电极打底层5上。电极打底层5的材质包括Ti、Ni、Zr和Cr中的至少一种，电极打底层5的厚度为1nm-20nm。电极主体层6的材质包括Al、Cu、Pt和Mo中的至少一种。具体的，叉指换能器2的厚度为100nm-200nm、叉指宽度为100nm-2μm、叉指电极周期λ为400nm-8μm。

可选的，压电薄膜层4和氧化物保护层3上形成有贯穿至叉指换能器2的刻蚀孔，刻蚀孔位于叉指换能器2的电极焊盘处，叉指换能器2的电极焊盘通过刻蚀孔外露。

本申请还公开了一种高频大带宽薄膜体波滤波器的制备方法，其制备流程图如图2所示，以下通过两个实施例进行说明。

实施例1：

制备一种高频大带宽薄膜体波滤波器结构，制备方法包括如下步骤：

步骤1、获取材料为6H-SiC单晶基片、厚度为500μm的衬底1，并用丙酮、酒精和去离子水各超声清洗表面5分钟，然后再用去离子水冲洗2分钟，最后用氮气吹干。

步骤2、利用光刻技术和电子束蒸镀方法，在衬底1表面上制备叉指换能器2，结构如图3所示。叉指换能器2选用厚度为10nm Ti的电极打底层5和厚度为90nm Cu的电极主体层6，叉指换能器2的厚度为100nm、叉指宽度为260nm、叉指电极周期λ为1.45μm。具体制备过程包括：首先进行光刻工艺，光刻的具体步骤包括表面清洗烘干、涂底、旋涂光刻胶、软烘、曝光、后烘、显影、硬烘，光刻完成后衬底1上的叉指换能器2图形已经形成。再将样品放入电子束蒸镀机镀膜，电子束蒸镀方法具体实验条件如下：本底真空度优于9×10^-9torr，Ti的蒸镀速率为

沉积10nm，Cu的蒸镀速率为

沉积90nm。蒸镀完成后，从蒸镀机中取出样品并置于丙酮中剥离，从而完成叉指换能器2的制备。

步骤3、利用磁控溅射方法，在衬底上制备材料为SiO₂、厚度为500nm的氧化物薄膜7，氧化物薄膜7均匀致密地覆盖在叉指换能器2及其相邻叉指间隙，结构如图4所示。具体实验条件如下：本底真空度优于7×10^-5Pa，采用硅靶反应溅射、直流电源、电源功率为1000W，溅射气体Ar流量为18sccm，反应气体O₂流量为12sccm，常温镀膜，镀膜气压为0.5Pa，氧化物薄膜7的生长速率为

步骤4、利用化学机械抛光方法对氧化物薄膜7的表面进行处理得到氧化物保护层3，氧化物保护层3的厚度大于等于叉指换能器2的厚度且氧化物保护层覆盖叉指换能器的相邻叉指间隙，结构如图5所示。在本申请中，将氧化物薄膜7抛光至厚度为100nm，因此氧化物保护层3的厚度等于叉指换能器2的厚度。

步骤5、利用晶圆键合法，将切向和材料为15°YX-LiNbO₃的压电薄膜8与覆盖有叉指换能器2和氧化物保护层3的衬底1键合，结构如图6所示，压电薄膜8设置在氧化物保护层3上。晶圆键合法具体实验条件如下：在真空度为9.0×10^-5Pa，压力为800N的条件下进行，并于250℃的条件下进行退火8h，经过上述步骤可以增强衬底1与压电薄膜8的键合力。

步骤6、利用晶片研磨方式对压电薄膜8进行减薄处理并且减薄至20μm，然后采用化学机械抛光的方式进行表面处理得到压电薄膜层4。在本申请中，将压电薄膜8抛光至厚度为400nm。经过上述制备步骤得到的高频大带宽薄膜体波滤波器的结构如图1所示。

可选的，最后刻蚀压电薄膜层4和氧化物保护层3将叉指换能器2的电极焊盘外露。

以本实施例1所述方案制备的薄膜体波谐振器的仿真结果如图7所示。该谐振器出现一个高频信号，其谐振频率为5.191GHz，反谐振频率为5.358GHz，其对应的声速为7486m/s,机电耦合系数为7.9％。

实施例2：

制备另一种高频大带宽薄膜体波滤波器结构，制备方法包括如下步骤：

步骤1、获取材料为蓝宝石单晶基片、厚度为500μm的衬底1，并用丙酮、酒精和去离子水各超声清洗表面5分钟，然后再用去离子水冲洗2分钟，最后用氮气吹干。

步骤2、利用光刻技术和电子束蒸镀方法，在衬底1表面上制备叉指换能器2，结构如图3所示。叉指换能器2选用厚度为10nm Ti的电极打底层5和厚度为90nm Al的电极主体层6，叉指换能器2的厚度为100nm、叉指宽度为250nm、叉指电极周期λ为1μm。具体制备过程包括：首先进行光刻工艺，光刻的具体步骤包括表面清洗烘干、涂底、旋涂光刻胶、软烘、曝光、后烘、显影、硬烘，光刻完成后衬底1上的叉指换能器2图形已经形成。再将样品放入电子束蒸镀机镀膜，电子束蒸镀方法具体实验条件如下：本底真空度优于9×10^-9torr，Ti的蒸镀速率为

沉积10nm，Al的蒸镀速率为

沉积90nm。蒸镀完成后，从蒸镀机中取出样品并置于丙酮中剥离，从而完成叉指换能器2的制备。

步骤3、利用磁控溅射方法，在衬底上制备材料为SiO₂、厚度为800nm的氧化物薄膜7，氧化物薄膜7均匀致密地覆盖在叉指换能器2及其相邻叉指间隙，结构如图4所示。具体实验条件如下：本底真空度优于7×10^-5Pa，采用硅靶反应溅射、直流电源、电源功率为1000W，溅射气体Ar流量为18sccm，反应气体O₂流量为12sccm，常温镀膜，镀膜气压为0.5Pa，氧化物薄膜7的生长速率为

步骤4、利用化学机械抛光方法对氧化物薄膜7的表面进行处理得到氧化物保护层3，氧化物保护层3的厚度大于等于叉指换能器2的厚度且氧化物保护层覆盖叉指换能器的相邻叉指间隙，结构如图5所示。在本申请中，将氧化物薄膜7抛光至厚度为110nm，因此氧化物保护层3的厚度等于叉指换能器2的厚度。

步骤5、利用晶圆键合法，将切向和材料为128°YX-LiNbO₃的压电薄膜8与覆盖有叉指换能器2和氧化物保护层3的衬底1键合，结构如图6所示，压电薄膜8设置在氧化物保护层3上。晶圆键合法具体实验条件如下：在真空度为9.0×10^-5Pa，压力为800N的条件下进行，并于250℃的条件下进行退火8h，经过上述步骤可以增强衬底1与压电薄膜8的键合力。

步骤6、利用晶片研磨方式对压电薄膜8进行减薄处理并且减薄至30μm，然后采用化学机械抛光的方式进行表面处理得到压电薄膜层4。在本申请中，将压电薄膜8抛光至厚度为250nm。经过上述制备步骤得到的高频大带宽薄膜体波滤波器的结构如图1所示。

可选的，最后刻蚀压电薄膜层4和氧化物保护层3将叉指换能器2的电极焊盘外露。

以本实施例2所述方案制备的薄膜体波谐振器的仿真结果如图8所示。该谐振器出现一个高频信号，其谐振频率为4.434GHz，反谐振频率为4.890GHz，其对应的声速为4662m/s,机电耦合系数为22.9％。

由上述两个实施例可知，本申请的高频大带宽薄膜体波滤波器的结构具有高声速、大机电耦合系数的特点，能够满足高频率和大带宽移动通信的要求，且该结构使用的制备工艺容易实现，易于大规模推广。

以上所述的仅是本申请的优选实施方式，本发明不限于以上实施例。可以理解，本领域技术人员在不脱离本发明的精神和构思的前提下直接导出或联想到的其他改进和变化，均应认为包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种高频大带宽薄膜体波滤波器结构，其特征在于，所述结构由下至上依次包括衬底、叉指换能器、氧化物保护层和压电薄膜层；

所述叉指换能器设置在所述衬底上，所述氧化物保护层设置在所述衬底上并覆盖所述叉指换能器的相邻叉指间隙，所述氧化物保护层用于在所述叉指换能器上形成平坦的上表面，还具有温度补偿效果，所述压电薄膜层设置在所述氧化物保护层上，所述氧化物保护层的厚度大于所述叉指换能器的厚度；

所述衬底的材料为蓝宝石单晶基片或SiC单晶基片；

所述压电薄膜层的材料为LiTaO₃单晶薄膜或LiNbO₃单晶薄膜，所述压电薄膜层的厚度为0.2μm-2μm。

2.根据权利要求1所述的结构，其特征在于，所述叉指换能器的厚度为100nm-200nm、叉指宽度为100nm-2μm、叉指电极周期为400 nm-8μm。

3.根据权利要求1所述的结构，其特征在于，所述叉指换能器包括电极打底层和电极主体层，所述电极主体层设置在所述电极打底层上；

所述电极打底层的材质包括Ti、Ni、Zr和Cr中的至少一种，所述电极打底层的厚度为1nm-20nm；

所述电极主体层的材质包括Al、Cu、Pt和Mo中的至少一种。

4.根据权利要求1所述的结构，其特征在于，所述氧化物保护层的材料为SiO₂或TeO₂或SiOF，所述氧化物保护层的厚度为100nm-250nm。

5.根据权利要求1所述的结构，其特征在于，所述压电薄膜层和所述氧化物保护层上形成有贯穿至所述叉指换能器的刻蚀孔，所述刻蚀孔位于所述叉指换能器的电极焊盘处，所述叉指换能器的电极焊盘通过所述刻蚀孔外露。

6.一种高频大带宽薄膜体波滤波器的制备方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：

步骤 1、获取衬底并清洗表面，所述衬底的材料为蓝宝石单晶基片或SiC单晶基片；

步骤2、利用光刻技术和电子束蒸镀方法，在所述衬底表面上制备叉指换能器；

步骤3、利用磁控溅射方法，在所述衬底上制备氧化物薄膜，所述氧化物薄膜均匀致密地覆盖在所述叉指换能器及所述叉指换能器的相邻叉指间隙；

步骤4、利用化学机械抛光方法对所述氧化物薄膜的表面进行处理得到氧化物保护层，所述氧化物保护层的厚度大于所述叉指换能器的厚度且所述氧化物保护层覆盖所述叉指换能器的相邻叉指间隙；

步骤 5、利用晶圆键合法，将压电薄膜与覆盖有所述叉指换能器和所述氧化物保护层的衬底键合，所述压电薄膜设置在所述氧化物保护层上，所述压电薄膜的材料为LiTaO₃单晶薄膜或LiNbO₃单晶薄膜，所述压电薄膜层的厚度为0.2μm-2μm；

步骤 6、利用晶片研磨方式对所述压电薄膜进行减薄处理，然后采用化学机械抛光的方式进行表面处理得到压电薄膜层。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：

刻蚀所述压电薄膜层和所述氧化物保护层将所述叉指换能器的电极焊盘外露。

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