CN114362703A - 一种声波器件用压电薄膜模板的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种声波器件用压电薄膜模板的制备方法，包括步骤如下：准备一类衬底材料、在一类衬底上生长AlN种子层和GaN剥离层、在GaN剥离层上生长AlN前驱体，AlN前驱体经高温高压热处理技术形成AlN缓冲层，在AlN缓冲层上制备压电层、采用激光剥离技术，将压电层键合至二类衬底材料，形成声波器件用压电薄膜模板。采用本发明的制备方法，在AlN缓冲层和压电层界面处形成位错湮灭层，降低压电层的位错密度，且高温高压热处理工艺避免GaN剥离层的分解及开裂问题。GaN的剥离，避免了二类衬底上直接生长压电薄膜带来的质量差、应力大等问题，为高频、高性能滤波器提供非常有效的材料端解决方案。

Description

一种声波器件用压电薄膜模板的制备方法

技术领域

本发明涉及半导体材料制备技术领域，具体涉及一种声波器件用压电薄膜模板的制备方法。

背景技术

射频声学滤波器是射频前端芯片中最核心的芯片，滤波器有声表面SAW滤波器和和体声波BAW滤波器两种结构。SAW器件受限于插齿对线宽，通常频率小于2.5GHz，相比之下，BAW滤波器可以达到7GHz，且对温度变化不敏感，具备“***损耗小、带外衰减大”等优点，因此更加适用于5G的基础设施、5G的移动设备、WIFI 6E等。

BAW器件主要有FBAR、SMR和XBAW。FBAR器件结构是比较常用的BAW器件，这个器件结构ScAlN压电薄膜直接在Mo电极上生长，容易导致薄膜具有较大的内部应力。另外预先铺设好的Mo电极在生长过程中，其边缘会有一定的弯曲度，因此直接生长在Mo电极上的ScAlN压电薄膜也会有一定的弯曲度，最终会导致谐振器产生杂波。SMR器件结构和FBAR结构一样，需要在Mo电极上生长ScAlN薄膜，容易造成较大的薄膜应力，同时由于压电薄膜的弯曲容易导致杂波。

而XBAW的器件结构需要结合层转移技术，将压电薄膜转移到谐振器，能够完全避免上述问题。但是目前薄膜生长工艺较难匹配层转移技术。采用Si衬底生长的高Sc掺杂AlN薄膜，由于晶格失配、异常形核、内应力大等问题，导致高Sc掺杂AlN薄膜质量变差（＞1°），很难满足高性能器件制备需求。而采用蓝宝石衬底生长高Sc掺杂AlN薄膜，尽管能够生长出高质量高Sc掺杂AlN薄膜（＜0.5°），但是蓝宝石衬底的层转移技术难度极大，目前仍无法应用于产业化。

发明内容

为了解决现有技术中XBAW的器件结构中的压电薄膜生长工艺较难匹配层转移技术这一问题，本发明拟提供一种声波器件用压电薄膜模板的制备方法，解决层转移困难的技术问题，也避免二类衬底上直接生长压电薄膜带来的质量差、应力大等问题。

为实现上述发明目的，本发明提供了一种声波器件用压电薄膜模板的制备方法，包括步骤如下。

1)准备一类衬底材料。

2)首先在一类衬底材料上制备AlN种子层，再在AlN种子层上生长高质量GaN剥离层。高质量平坦的GaN剥离层能提高后续AlN缓冲层的形成质量，同时为后面层转移提供可靠基础。

3)在GaN剥离层上生长AlN前驱体，然后经高温高压热处理技术形成AlN缓冲层。AlN前驱体经高温高压热处理技术形成的AlN缓冲层，提高了AlN缓冲层结晶质量，其表面也形成了一层位错湮灭层；同时，高温高压热处理技术，避免了GaN在高温下分解，释放薄膜应力，防止薄膜开裂。

4)在AlN缓冲层上制备压电层。

5)将压电层键合至二类衬底材料上；采用激光剥离技术，将GaN剥离层、AlN种子层、一类衬底剥离，形成从上至下由AlN缓冲层、压电层、二类衬底构成的所述声波器件用压电薄膜模板。

进一步地，步骤1）中，所述一类衬底材料选自Si、蓝宝石或AlN。更进一步地，步骤1）中，所述一类衬底材料可以是平片或表面做图形化处理。

进一步地，步骤2）中，所述一类衬底材料上生长AlN种子层的厚度为5-100nm，AlN种子层上生长GaN剥离层的膜厚为50-5000nm。

进一步地，步骤3）中，所述GaN剥离层上生长AlN前驱体的膜厚为20-1000nm。

进一步地，步骤3）中，AlN前驱体经高温高压热处理技术形成AlN缓冲层，高温高压热处理的条件如下：通入高纯氮气，总气压为1-10atm，热处理温度为1000-1200℃。

进一步地，步骤4）中，所述压电层包括可以为AlN或掺杂AlN。更进一步，掺杂AlN的掺杂元素包括Sc、Y、Er、Ta一种或几种元素组合；

进一步地，步骤5）中，二类衬底材料可以为硅、SiO₂薄膜、金属薄膜、化合物半导体薄膜中的任一种。

技术效果：

采用本发明的制备方法，能够获得高性能的声波器件用压电薄膜模板。采用一类衬底制备出高质量GaN剥离层，GaN与AlN晶格失配和热失配小，能够提高后续AlN缓冲层的质量，同时GaN具备相对成熟的剥离工艺，为层转移技术提供可靠基础。在GaN剥离层上生长AlN前驱体，再辅之以高温高压热处理形成AlN缓冲层，提高AlN缓冲层结晶质量，尤其在AlN缓冲层和压电层界面处可形成位错湮灭层，极大的降低在AlN缓冲层上的压电层的位错密度，并且高温高压热处理工艺能够避免GaN剥离层的分解及开裂问题。采用剥离键合工艺避免了二类衬底上直接生长压电薄膜带来的质量差、应力大等问题，获得高性能压电复合衬底，为高频、高性能滤波器提供非常有效的材料端解决方案。

附图说明

图1为本发明的声波器件用压电薄膜模板制备流程示意图。

图2为本发明的声波器件用压电薄膜模板制备过程中各步骤产品结构变化示意图。其中，图中，1为一类衬底、2为AlN种子层、3为GaN剥离层、41为AlN前驱体、4为AlN缓冲层、5为压电层、6为二类衬底。

图3为实施例1的声波器件用压电薄膜模板中掺钪AlN压电层在键合前、键合剥离后的X射线衍射摇摆曲线图（002）。

图4为实施1中剥离后制得的声波器件用压电薄膜模板表面的局部区域图。

具体实施方式

如图1为本发明的声波器件用压电薄膜模板制备流程示意图，图2为本发明的声波器件用压电薄膜模板制备过程中各步骤产品结构变化示意图。如图示，制备流程主要包括：准备一类衬底材料（S1）、在一类衬底上生长AlN种子层和GaN剥离层（S2）、在GaN剥离层上生长AlN前驱体，AlN前驱体经高温高压热处理技术形成AlN缓冲层（S3）、在AlN缓冲层上制备压电层（S4）、采用激光剥离技术，将压电层键合至二类衬底材料，形成声波器件用压电薄膜模板（S5）。如图1、2所示，分别为本实施例中高性能压电复合衬底制备流程示意图和高性能压电复合衬底制备过程示意图。

以下结合附图及具体实施例对本发明做进一步阐述。

实施例1

包含AlN缓冲层、掺钪AlN压电层以及Mo金属电极层的声波器件用压电薄膜模板的制备方法，步骤如下。

1）准备蓝宝石衬底材料。

2）所述蓝宝石衬底表面生长AlN种子层，在AlN种子层上生长GaN剥离层。利用磁控反应溅射技术制备30nm厚度的AlN种子层。利用MOCVD技术制备厚度800nm的GaN剥离层。GaN与AlN晶格失配小，在AlN种子层上生长GaN剥离层，能够提高GaN层的质量，同时GaN具备相对成熟的剥离工艺，为层转移技术提供可靠基础。

3）在GaN剥离层表面采用磁控溅射法制备AlN前驱体，经高温高压热处理技术AlN前驱体形成AlN缓冲层。磁控溅射技术工艺参数：反应室压力为0.2 pa，氮气流量为150sccm，氩气流量为15 sccm，溅射功率为1 KW，温度为400 ℃，制得AlN前驱体的膜厚30nm。高温高压热处理技术工艺参数：反应室压力为5atm，氮气氛围下，衬底温度为1150℃，保温时长为10min 。采用高温高压热处理技术避免GaN在高温下分解及开裂；同时，高温高压热处理技术调整AlN缓冲层晶粒取向和表面形貌，消除应力，同时在AlN缓冲层表面形成位错湮灭界面。

4）在AlN缓冲层上制备掺钪AlN压电层。采用磁控溅射法，工艺参数：反应室压力为0.1 pa，氮气流量为100 sccm，氩气流量为5 sccm，溅射功率为4 KW，温度为200 ℃，掺钪AlN压电层的膜厚1000nm，Sc浓度为41at%。

5）采用激光剥离技术，将掺钪AlN压电层键合至Mo金属电极，然后采用248nm激光剥离技术去除一类衬底蓝宝石、AlN种子层以及GaN剥离层，形成所述包含AlN缓冲层、掺钪AlN压电层以及Mo金属电极层的压电薄膜模板。

本实施例中，进一步检测分析了采用上述方法制备的AlScN压电层在键合到二类衬底前以及键合剥离后的X射线衍射摇摆曲线图（如图3），从图中可以看到，键合剥离前后，AlScN压电层的摇摆曲线图基本不变，证实本实施例采取的键合剥离对AlScN压电层的几乎没有损伤，其质量性能没有明显变化。图4为剥离后的压电薄膜模板局部区域图，可以看到本实施例获得了高结晶质量的压电薄膜模板，测得压电系数高达35pC/N，为制备高频、高性能、高机电耦合系数的滤波器件提供了解决方案。

实施例2

包含AlN缓冲层、AlTaN压电层以及W金属电极层的声波器件用压电薄膜模板的制备方法，步骤如下。

主要包括：准备Si衬底材料、在Si衬底上采用MOCVD技术生长50nm厚度AlN种子层和以及2000nm厚度的GaN剥离层、采用磁控反应溅射技术在GaN剥离层上生长100nm厚度的AlN前驱体，经1200℃、6atm氮气压、20min高温高压热处理形成AlN缓冲层；采用磁控反应溅射技术在AlN缓冲层上制备500nm厚度的AlTaN压电层，其中Ta浓度为6at%；将AlTaN压电层键合至W金属电极，采用248nm激光剥离技术，去除Si衬底、AlN种子层以及GaN剥离层，形成所述包含AlN缓冲层、AlTaN压电层以及W金属电极层的压电薄膜模板。

本实施例测试的X射线衍射摇摆曲线表征结果AlTaN压电层的002半高宽560arcsec，压电薄膜模板的压电系数18pC/N。

实施例3

包含AlN缓冲层、AlN压电层以及图形化Mo金属电极层的声波器件用压电薄膜模板的制备方法，步骤如下。

主要包括：准备SiC衬底材料、采用MOCVD技术在SiC衬底上生长30nm的AlN种子层和4000nm的GaN剥离层；采用磁控反应溅射技术在GaN剥离层上生长50nm的AlN前驱体，经1150℃、6atm氮气压、15min高温高压热处理形成AlN缓冲层；采用磁控反应溅射技术在AlN缓冲层上制备450nm的AlN压电层；采用248nm激光剥离技术，将AlN压电层键合至图形化Mo金属电极上，采用248nm激光剥离技术，去除SiC衬底、AlN种子层以及GaN剥离层，形成包含AlN缓冲层、AlN压电层以及图形化Mo金属电极层的声波器件用压电薄膜模板。

本实施例测试的X射线衍射摇摆曲线表征结果AlN压电层002半高宽380arcsec。

实施例4

包含AlN缓冲层、AlN压电层以及SiO2薄膜的声波器件用压电薄膜模板的制备方法，步骤如下。

主要包括：准备AlN衬底材料；采用MOCVD技术生长30nm的AlN种子层和800nm的GaN剥离层；采用磁控反应溅射技术在GaN剥离层生长30nm的AlN前驱体，经1150℃、5atm氮气压、10min高温高压热处理形成AlN缓冲层；采用磁控反应溅射技术在AlN缓冲层上制备470nm的AlN压电层；将AlN压电层合至SiO2薄膜上，采用248nm激光剥离技术，去除AlN衬底、AlN种子层以及GaN剥离层，形成包含AlN缓冲层、AlN压电层以及SiO2薄膜的声波器件用压电薄膜模板。

本实施例测试的X射线衍射摇摆曲线表征结果AlN压电层002半高宽340arcsec。

Claims (9)

1.一种声波器件用压电薄膜模板的制备方法，其特征在于，包括步骤如下：

1)准备一类衬底；

2)首先在一类衬底上制备AlN种子层，再在AlN种子层上生长GaN剥离层；

3)在GaN剥离层上生长AlN前驱体，然后经高温高压热处理技术形成AlN缓冲层；

4)在AlN缓冲层上制备压电层；

5)将压电层键合至二类衬底上；采用激光剥离技术，将GaN剥离层、AlN种子层、一类衬底剥离，形成从上至下由AlN缓冲层、压电层、二类衬底构成的所述声波器件用压电薄膜模板。

2.根据权利要求1所述的一种声波器件用压电薄膜模板的制备方法，其特征在于：步骤1）中，所述一类衬底，其材料选自Si、蓝宝石、碳化硅、金刚石或AlN。

3.根据权利要求1所述的一种声波器件用压电薄膜模板的制备方法，其特征在于：步骤1）中，所述一类衬底为平片或表面做图形化处理。

4.根据权利要求1所述的一种声波器件用压电薄膜模板的制备方法，其特征在于：步骤2）中，所述一类衬底上制备AlN种子层的厚度为5-100nm，AlN种子层上生长GaN剥离层的膜厚为50-5000nm。

5.根据权利要求1所述的一种声波器件用压电薄膜模板的制备方法，其特征在于：步骤3）中，所述GaN剥离层上生长AlN前驱体的膜厚为20-1000nm。

6.根据权利要求1所述的一种声波器件用压电薄膜模板的制备方法，其特征在于：步骤3）中，AlN前驱体经高温高压热处理技术形成AlN缓冲层，高温高压热处理的条件如下：通入高纯氮气，总气压为1-10atm，热处理温度为1000-1200℃。

7.根据权利要求1所述的一种声波器件用压电薄膜模板的制备方法，其特征在于：步骤4）中，所述压电层包括为AlN或掺杂AlN。

8.根据权利要求7所述的一种声波器件用压电薄膜模板的制备方法，其特征在于：掺杂AlN的掺杂元素包括Sc、Y、Er、Ta一种或几种元素组合。

9.根据权利要求1所述的一种声波器件用压电薄膜模板的制备方法，其特征在于：步骤5）中，二类衬底的材料可以为硅、SiO₂薄膜、金属薄膜、化合物半导体薄膜中的任一种。

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