布喇格反射型宽带单晶薄膜体声波滤波器

王晓学，帅 垚，田本朗，白晓园，吕 露，简 珂，罗文博，吴传贵，张万里

电子科技大学 电子薄膜与集成器件国家重点实验室, 四川 成都 610054)

0 引言

射频滤波器是射频前端系统中最重要的无源器件，对射频前端的性能有重要影响。随着5G的应用，对移动通讯设备的射频前端提出了更高的要求，如需要支持更多的频段、更高的工作频率和更大的频带带宽[1]。现有移动通讯终端中，主要采用的是声学滤波器，包括声表面波(SAW)和体声波(BAW)两种。SAW滤波器已经在终端中广泛应用，但受到叉指电极宽度的工艺限制，其工作频率一般在1.9 GHz以下，高频下损耗会急剧增加，影响滤波器的插损。在高频频段，BAW滤波器是最佳选择，不但具有插损低、矩形度好等性能优势，体积也更小，是高集成度射频前端模块中滤波器的理想解决方案[2-3]。

要获得厚度更小的特殊取向单晶LN薄膜，目前只能采用离子注入剥离(CIS)技术[8]。该技术尽管可以制备出亚微米厚度的特殊取向单晶LN薄膜材料，但并不具备BAW器件所必须的下电极层和声学反射结构，无法形成BAW谐振器和滤波器。针对这一问题，本论文提出了一种改进型的CIS技术，采用聚合物作为键合层代替传统CIS工艺中所采用的SiO2键合层，实现了带图形化电极结构的特殊取向单晶LN薄膜与声学反射结构的转移集成，并最终制成了工作频率在3 GHz附近、相对带宽8.5%以上的LN BAW滤波器。

1 实验

1.1 仿真设计

首先在ADS(Advanced Design System)仿真软件中建立LN BAW谐振器和滤波器的Mason模型(见图1)，对器件性能进行仿真，并确定器件的结构参数。通过调节上电极的厚度和谐振面积，在不考虑压电层的介电损耗和其他声学层的机械损耗情况下，设计了三阶BAW滤波器(见图2)，其中模块X1、X2代表串联谐振器，X3代表并联谐振器。

图1 谐振器的Mason模型

图2 三阶BAW滤波器原理图

图3为三阶BAW滤波器的仿真结果。当设计的三阶滤波器中心频率为2.93 GHz，苯并环丁烯(BCB)胶厚度为970 nm时，滤波器性能较好。此时，三阶BAW滤波器的插损为-1 dB，3 dB带宽为343 MHz，相对带宽达11.7%。仿真结果显示，使用BCB作为布喇格反射层的第一低声阻抗层，能够对声波进行有效地反射。

图3 三阶BAW滤波器仿真结果

1.2 技术路线

根据仿真结果确定的结构参数，采用改进型的CIS技术制备了LN BAW滤波器，具体流程如图4所示。

图4 BAW滤波器工艺流程图

压电材料选用Y43°-切型的单晶铌酸锂，首先对Y43°-LN晶圆进行He+注入，为了获得设计的950 nm单晶LN厚度，注入能量为310 keV。然后在注入面生长下电极铝(Al)并图形化，生长厚度为100 nm，由于Al电极与LN材料的附着性较差，故先生长10 nm金属钛(Ti)作为附着层。用聚合物BCB将晶圆的注入面(已生长下电极)与另一片Y43°-LN衬底晶圆键合，LN衬底晶圆上预先交替生长Mo/Ti多层膜结构；再通过退火处理即可使注入的单晶LN延注入形成的损伤层发生剥离，从而将带有图形化下电极的单晶Y43°-LN薄膜转移至带有Mo/Ti声反射结构的衬底上，最终形成的LN BAW器件结构如图5所示。

图5 BAW滤波器结构剖面图

由图5可见，Al/LN/Al谐振单元与Mo/Ti声反射结构之间存在一层BCB材料。BCB在固化之间具有流动性，使带有图形化Al电极的LN晶圆顺利完成键合并剥离。此外，BCB声阻抗较低，与通常作为低声阻抗层的SiO2相比还要小1个数量级[9]，因此，该结构中的BCB层可作为布喇格反射层的第一层低声阻抗层，与下方的Mo/Ti多层膜共同构成布喇格声反射结构。各层材料的主要参数如表1所示。

表1 材料参数

为了验证采用BCB键合层转移制备的LN单晶薄膜质量，以图4的工艺步骤制备了不含电极和反射层结构的LN薄膜样品用于材料的表征分析，为了避免同质的LN衬底对分析结果造成影响，该材料样品采用非晶玻璃作为衬底。

2 实验结果与讨论

2.1 薄膜质量分析

对在非晶玻璃上制备的单晶LN薄膜材料样品进行表面形貌的测试，结果如图6所示，LN薄膜表面粗糙度(RMS)为12.8 nm。

图6 单晶铌酸锂薄膜粗糙度测试

对于采用CIS技术剥离制备的单晶薄膜，膜层表面是发生剥离时的劈裂面，由于劈裂是注入损伤层进行的，无法保证劈裂面的高平整度，导致单晶LN薄膜表面粗糙度较高，后续可通过化学机械抛光(CMP)的方法对膜层表面进行平坦化处理，可将表面粗糙度降低至1 nm以下。薄膜的XRD测试结果如图7(a)所示，样品只在衍射角23.80°、48.54°和76.19°各有一个衍射峰，这些衍射峰属于同一平行晶面族，表明薄膜材料的单晶取向。对薄膜(012)面的摇摆曲线测试如图7(b)所示，半高宽仅为0.052 2°，显示了薄膜材料的高结晶质量。由图可见，采用BCB代替传统的SiO2层作为键合层，同样能获得高质量的单晶LN薄膜材料。

图7 单晶铌酸锂薄膜XRD测试结果

2.2 器件测试

按照图4的流程，并以ADS仿真结果为参考制备三阶BAW滤波器，如图8所示。

图8 LN BAW滤波器器件

该三阶带通滤波器的S21测试曲线如图9所示，其中心频率为2.93 GHz，3 dB带宽为247 MHz，1 dB带宽为155 MHz，插入损耗为-4 dB，带外抑制为-11.5 dB，相对带宽达到8.4%。

图9 三阶BAW滤波器测试结果

由于仿真过程未考虑压电层的介电损耗及其他声学层的机械损耗，因此，测试结果的插入损耗大于仿真结果。另外，由于制备的铌酸锂薄膜粗糙度较大，且上电极生长的厚度与设计存在偏差，造成S21曲线通带不平整，同时也导致插入损耗增大。

3 结束语

本文提出了一种改进型的CIS技术，采用聚合物作为键合层代替传统CIS工艺中所采用的SiO2键合层，实现了带图形化电极结构的特殊取向单晶LN薄膜与声学反射结构的转移集成，并最终制成了工作频率约3 GHz、带宽8.5%以上的LN BAW滤波器。

通过对BAW滤波器器件的设计与制备，证实了聚合物BCB可以作为布喇格反射层的低声阻抗层。采用Y43°-铌酸锂单晶薄膜能够获得较大的带宽，满足5G通信对射频前端大带宽的应用要求。