基于LN/LT-POI多层结构的SAW器件发展

何 杰，马晋毅，胡少勤，许 昕

(中国电子科技集团公司第二十六研究所，重庆 400060)

0 引言

铌酸锂(LiNbO3，LN)晶体是一种集压电、铁电、声光、电光、光折变等性能于一体的人工合成多功能材料；钽酸锂(LiTaO3,LT)晶体的结构跟LN类似，也是一种重要的多功能晶体材料，具有优良的压电、铁电、声光及电光效应。能够满足压电应用的声学级LN/LT晶体可以制备声波谐振器、换能器、延迟线、滤波器等器件，应用于移动通信、卫星通信、数字信号处理、电视机、广播、雷达、遥感遥测等民用领域及电子对抗、引信、制导等军事领域。与其他材料相比， LN和LT晶体在实现高频、大带宽声表面波(SAW)器件方面更具优势。

传统的SAW器件采用LN/LT单晶块材制备，实现的器件品质因数Q值较低且与CMOS工艺不兼容，因而难以实现硅基微系统集成。采用高性能的压电单晶薄膜可有效提高SAW器件的Q值且与CMOS工艺兼容。基于压电单晶薄膜的SAW器件不仅可以通过采用高阻硅作为衬底来提高SAW器件的集成能力，还可通过选择高声速的蓝宝石或金刚石衬底来提高声波的传输速度，并且这些衬底可以提高声波的利用效率。因此，选择合适的压电单晶薄膜和制备工艺是获得高性能、高集成度的SAW器件的关键因素。

采用键合剥离技术制备的LN/LT单晶薄膜(LNOI/LTOI)是一种具有颠覆性意义的声学薄膜材料结构，基于LNOI/LNOT的绝缘体上压电单晶薄膜结构材料(POI)能够为研制更高性能、可集成的SAW器件提供新的解决途径和方案，可满足射频(RF)前端在集成化、小型化发展趋势下对新一代压电声学器件的迫切需求[1-13]，市场应用前景广。

1 绝缘体上LNOI/LTOI的制备方法

过去人们探索了多种LN/LT薄膜制备方法，如金属有机物化学气相沉积(MOCVD)法、射频溅射(RF sputtering)法、溶胶-凝胶(Sol-Gel)法、脉冲激光沉积法和分子束外延法(MBE)等，但制备的LN/LT薄膜存在取向控制难,生长温度过高及锂(Li)挥发引起化学计量比偏析等技术难题[14-15]，导致LN/LT薄膜择优取向度差，缺陷密度高且易生长成多晶薄膜，性能远低于LN/LT单晶块材；而传统上在制备LN/LT薄膜时通常采用机械减薄的方式来降低薄膜厚度，由于晶圆厚度的不均匀性，这会损伤薄膜表面且薄膜厚度只能减少到约10 μm，不适合制备亚微米级以下的薄膜，因此，上述传统方法制备的LN/LT薄膜并未得到广泛的商业应用，获得高品质的亚微米级LN/LT薄膜还需要采用新的制备方法。

离子注入剥离(CIS)技术能够制备亚微米厚度的高质量单晶薄膜材料，具有制备工艺可控、离子注入能量、注入剂量、退火温度等工艺参数可选等优点。法国Soitec公司基于CIS技术并结合晶圆键合技术开发出了键合剥离(Smart-Cut)技术用于制备绝缘体上硅(SOI)晶圆[16-17]。采用Smart-Cut技术制备SOI晶圆可以提高衬底材料的良率。仿照SOI的制备技术，人们采用Smart-Cut技术在Si支撑晶圆上制备高质量LN/LT单晶薄膜[3,6,8,18-19]。

利用Smart-Cut技术制备LNOI的流程如图1所示[5-6],具体流程为：

1) 将一定剂量的H+或He+注入具有合适切向的LN单晶块材，根据所需薄膜厚度调整注入时离子的剂量和能量，此时会在LN中的离子注入区域形成损伤层。

2) 选取另一种衬底晶圆(可以是硅(Si)也可以是同质的LN晶体)，在衬底晶圆上沉积二氧化硅(SiO2)层作为键合层，然后对沉积的SiO2层表面和离子注入面进行化学机械抛光。

3) 将处理后的键合层表面和LN晶体的注入层面在常温下进行直接键合。

4) 对整体进行退火处理，在退火过程中，注入在LN晶体内的H+或He+形成气泡，使LN晶片沿着损伤层剥离，多余的LN将自动分离，最终使LN单晶薄膜转移至Si衬底上。采用Smart-Cut薄膜层转移技术可以生产大尺寸的LN单晶薄膜，其性能与LN块材相当[18]。

图1 LNOI制备流程

Smart-Cut技术也可用于制备LT单晶薄膜[20-21]。基于Smart-Cut技术，法国Soitec公司和frec|n|sys公司联合开发了可用于制备SAW器件的LT-POI结构材料。LT-POI的制备流程如图2所示[21]。首先对6英寸(1英寸=2.54 cm) LT晶圆进行离子注入，由于在LT单晶中注入H+可获得比注入He+更有利于单晶薄膜材料剥离的离子浓度分布[22]，因此，将具有一定能量和剂量的H+注入LT晶圆，从而在LT晶圆内部产生气泡层；离子注入完成后，在(100)Si支撑晶圆上沉积埋层氧化层(SiO2层)；对已注入H+的LT晶圆的键合面进行清洗，然后在室温下与Si晶圆进行亲水性键合；经过退火处理，注H+的LT晶圆将在气泡层处发生剥离，最后对转移至Si晶圆上的LT层进行化学机械抛光(CMP)即可获得POI基片。抛光后的POI基片需加以固化处理，固化过程可以恢复LT晶体的极化特性，从而恢复LT的压电特性。检测结果表明，采用Smart-Cut技术制备的6英寸POI基片的厚度不均匀度(晶圆内部)达到了3%，晶圆的表面粗糙度与经过镜面抛光的LT块材基片相当，且POI基片完全采用工业化生产，适用于多种LT切向和厚度，且达到了SAW级标准[20]。

图2 Smart-Cut技术的原理及POI基片的制作工艺流程

2 LN/LT多层结构SAW基片

采用LN/LT多层结构基片的SAW器件不仅能同时提高器件的工作频率、机电耦合系数和插入损耗等特性，且还具有更大的设计自由度，因此，世界各国的SAW器件研究机构提出了多种潜在的LN/LT多层结构解决方案，归纳起来主要有LN/玻璃[23]、LT/石英异质声学层(HAL)[24]、LN/石英[25]、LN/金刚石[26]等。然而，这些结构要么需要精确控制各层材料的厚度及残余应力，要么因为需要采用特殊材料功能层(如金刚石)而增加了器件生产成本，目前都未实现商业化；此外，尽管实现的SAW器件在机电耦合系数(k2)、相速度及Q值等性能指标方面比传统的SAW器件更具优势，但仍难以实现器件的硅基集成。

日本村田制作所和法国Soitec公司提出的LN/LT绝缘体上压电单晶薄膜结构材料(LN/LT-POI)[27,20]具有大的k2、可控制的频率温度系数(TCF)、灵活的频率可扩展性、耐高功率能力及可与硅集成，且适合大规模生产制造而成为SAW器件的一项突破性技术，是SAW器件当前研究的主流。

日本村田制作所的POI结构材料也称为超高性能SAW(I.H.P.SAW, Incredible High Performance SAW)的多层结构，如图3所示[27-29]。这种POI结构在Si支撑衬底上交替沉积了高阻抗层和低阻抗层(LiTaO3/SiO2/AlN/Si)，通过合理设置底部各层的结构参数，可抑制体波向衬底内部的散射，从而将SAW能量限制在压电基片的表面，因此可以被看作是一种固态装配型薄片模式谐振器。采用这种多层结构实现的1.9 GHz单端口I.H.P.SAW谐振器[29]的伯德-Q值可达4 200，是传统单端口SAW谐振器的4倍；TCF为-8×10-6/℃，只有传统SAW谐振器的1/5；带宽为74 dB，比传统SAW谐振器大20%。村田公司采用这种I.H.P.SAW谐振器实现了一种邻信道间隙极窄的新型Wi-Fi滤波器，以及一种用于频带25/66/30的新型六工器。这种六工器是目前技术难度最大的一种多工器，具有低插入损耗、陡峭的锐截止频率、大的衰减特性及极高的隔离度。

图3 村田公司I.H.P.SAW的基本结构

而法国Soitec公司制备的POI结构材料以高阻硅作为衬底，中间层为SiO2，相当于温度补偿层，称为埋层氧化层(Buried Oxide)，顶层为压电单晶层(LT层)，厚度为0.3～1.0 μm，该层也称为器件层，Smart-Cut技术能够保证POI结构各层具有很高的均匀度，且具有高质量的批量生产能力。图4为Soitec公司在非压电单晶衬底上制备的SAW器件用标准波导/材料叠层结构[21]。

图4 采用Smart-Cut技术在非压电单晶衬底上制备的SAW器件用标准波导/材料叠层

综合比较村田公司和Soitec公司两种POI结构可知，由于村田公司的I.H.P.SAW多层结构谐振器采用了旋转Y切LT单晶薄片和SAW横向剪切 (SH)模式，结构的相速度和k2都受到限制，其k2<10%，且若将谐振频率扩展至更高频段还需要采用更窄的电极 (<200 nm)，这会降低器件的耐功率能力并增加成本。因此，I.H.P.SAW还不能完全满足5G移动通信对SAW器件的高频 (如sub-6 GHz)和大带宽(>10%)要求。相反，法国Soitec公司的LT-POI结构能够很好地实现SAW器件的性能、成本、面积等的综合平衡，是各种多层结构中商业化最成功的衬底材料。

3 基于LN/LT-POI结构的高性能SAW器件的最新研究成果

3.1 LN-POI结构SAW器件

为了应对在无线连接、无线移动设备要求的更大量更快速的数据传输、物联网(IoT)、无人驾驶和人工智能急剧增长的需求，下一代移动通信系统对RF前端滤波器在频率、相对带宽(FBW)、TCF、过渡带、插入损耗(IL)和体积等方面提出了越来越严格的要求。目前4G RF前端的商用滤波器解决方案采用的SAW谐振器能够实现的k2<10%，滤波器的FBW<4%。因此，5G通信应用迫切需要具有高的k2、大带宽和低损耗的新型声波器件。而LN-POI结构材料因具有极高的k2，是最有前景的宽带应用结构材料之一。

3.1.1 LN-POI多层结构SAW谐振器

在SAW的传播模式中，纵向漏声表面波(LLSAW)模式比瑞利声表面波(Rayleigh SAW)模式、横向剪切声表面波(SH-SAW)及漏声表面波(LSAW)等SAW模式具有更高的相速度和更高的k2[30-31]。因此， LLSAW模式在实现满足5G通信应用需要的更高频率、更大带宽、更小TCF的SAW滤波器方面比其他模式更具潜力。然而，LLSAW模式在由IDTs/压电单晶基片构成的传统SAW谐振器结构中传播时会发生横向剪切(SH)和纵向剪切(SV)体波辐射，这些体波辐射会引起较大的衰减，结果使LLSAW器件的Q值较低，与其他SAW模式相比，LLSAW模式的TCF性能相对较差。尽管人们试图改进LLSAW器件的性能，但取得的成就有限，LLSAW器件也因此并未在移动通信领域获得应用。

图5 日本村田公司提出的LLSAW波导结构[5]

日本村田公司的研发团队基于固态装配型声体波(SMR-BAW)器件的能量约束原理，提出了一种LLSAW LN-POI多层波导结构[32]，这种POI结构由支撑基片(Si)、交替沉积的低阻抗(LAI)层和高阻抗层(HAI)构成的布喇格反射器及压电薄片构成，如图5所示。由于多层结构中各个叠层的声阻抗存在较大差异，因此会在布喇格反射器和压电层之间的边界处获得更高的反射系数，这样就把声能很好地约束在压电层的表面附近，从而抑制SAW能量泄漏。该团队采用目前用于SAW器件批量生产的准分子激光(KrF)光刻工艺制作了基于多层波导结构的单端口LLSAW谐振器，谐振器的压电层是X切LN，采用Smart-Cut技术制备，厚为340 nm； LAI采用厚为238 nm的SiO2， HAI则采用厚为153 nm的铂(Pt)；支撑基片采用Si；叉指换能器(IDT)指条对和孔径长度分别为100和25.5 μm，反射器数量为20，电极材料采用厚为0.08 μm的Al，金属化比率为0.5，波长λ=1.7 μm；器件检测到的谐振频率为3.55 GHz，对应的相速度达到了6 035 m/s，约为传统SAW相速度的1.5倍，阻抗比和FBW分别为71 dB和9.5 %，伯德-Q值为655。研制的谐振器可用于实现工作频率高于3 GHz的SAW滤波器和双工器。

该团队还采用相同的结构制作了5 GHz LLSAW单端口谐振器，根据3.5 GHz谐振器的设计，新的5 GHz谐振器的λ设置为1.2 μm，其他的所有结构参数也随着λ的缩减而相应减小。图6、7分别为3.5 GHz和5 GHz LLSAW谐振器的检测和拟合特性[33]。由图6、7可知，尽管λ从1.7 μm缩小到1.2 μm，器件的性能并未发生严重劣化。

图6 3.5 GHz LLSAW谐振器的检测拟合特性

图7 5 GHz LLSAW谐振器的检测拟合特性

村田公司研制的这种5 GHz LN-POI结构LLSAW谐振器颠覆了SAW器件在超高频(SHF)频段不能实用化的传统观念，此外，这种多层波导结构LLSAW器件在机械稳定性，层厚度可控制性和制造良率方面相对于传统SAW器件更具优势，适合高频、大带宽应用。

3.1.2 LN-POI多层结构SAW滤波器

2020年，上海微系统所和美国伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校的联合研究团队采用Smart-Cut技术将X切LN单晶薄膜与高声速、高导热的碳化硅(SiC)支撑衬底异质集成，实现了一种高性能的LiNbO3-on-SiC POI结构[34]。基于这种结构实现的SAW谐振器的谐振频率约1.95 GHz，导纳比高达80.1 dB，k2高达27.8%，Q值接近2 000，谐振器的综合性能品质优值(FoM)高达530；利用制作的SAW谐振器实现了中心频率2.29 GHz、3 dB相对带宽9.9%、通带内最小插入损耗1.38 dB，带外抑制41.6 dB、占位面积0.75 mm2的SAW滤波器。但滤波器的TCF为-48.2×10-6/℃，耐功率能力为25 dBm，表明叉指电极的构成及工艺仍需优化,以获得更高的耐功率能力，同时IDT指条的几何结构也需要优化,从而能进一步抑制横向杂散模式。图8为滤波器的测试结果。

图8 LiNbO3-on-SiC SAW滤波器的测试结果

3.2 LT-POI多层结构SAW器件

2019年，Soitec公司报道了一种采用600 nm (YX)42°LT/500 nm SiO2/(100)Si的LT-POI结构材料。基于这种POI结构材料的SAW谐振器每侧有120组叉指对及20个镜像电极。声孔径为40λ，叉指与电极的间距为1.2 μm，金属与间距之间的比率为0.5。POI结构的k2可达8.13%，而传统TC-SAW器件的块体LT晶片仅为5.98%(见图9)[35]。制作的中心频率1.6 GHz单端测试谐振器检测到的伯德-Q值超过1 700，k2>8%，TCF低至5.8×10-6/℃，且根据所需频率要求，通过优化多层叠层结构的厚度还可进一步降低TCF。

图9 POI基片SAW谐振器和块体LT基片谐振器的耦合系数检测结果比较

基于POI谐振器实现的2 GHz SAW滤波器带宽为80 MHz(1 dB频带)、插入损耗小于2 dB、抑制度超过40 dB、群延迟变化约为50 ns甚至更优(见图10)。在整个工作温度范围内的TCF值低于10×10-6/K，滤波器带通特性还可进一步优化。

图10 POI基片2 GHz SAW滤波器的传输函数及群延迟

Soitec公司的LT-POI结构SAW滤波器具有能量效率高,损耗低,温度敏感度低,带宽大,工艺流程简单及集成度高的特点，在5G滤波器解决方案中具有替代温补型SAW(TC-SAW)滤波器的潜力，且基于POI的SAW滤波器在L波段和S波段还与BAW滤波器相媲美的性能。目前，Soitec公司的150 mm POI结构的滤波器已实现量产，未来Soitec公司还将开发直径为200 mm的POI结构,以达到进一步降低总成本的目的。同时，Soitec公司未来还将开发LN POI结构(LN-POI)。2020年7月，Soitec公司宣布为高通公司新一代4G/5G ultraSAW射频滤波器提供POI结构材料。基于POI结构的高通ultraSAW滤波器能够在600 MHz～2.7 GHz内提供如出色的发射、接收和交叉隔离能力、良好的频率选择性、高达5 000的品质因数、极低的插入损耗(提升了1 dB)、优异的温度稳定性等高性能支持。Soitec公司正努力使POI基片在未来几年内成为一项行业标准，借助自身在压电材料方面的丰富经验，结合Smart Cut技术，可在其专用生产线上大批量制造同款基片，用于实现满足5G通信网络对高性能集成SAW滤波器的严格要求。

4 总结与展望

5G通信、物联网和大数据应用需要具有高频、宽带、高Q值和低频率温度系数的高性能SAW器件。利用键合剥离(Smart-Cut)技术能够制备出具有高机电耦合系数和大带宽特性的LN/LT薄膜材料，使制备高频、大带宽SAW滤波器成为可能，从而能够使通讯频率从2～3 GHz提高至6 GHz，并使带宽增加1倍，这将会给RF和通信产业带来真正的突破。由于LN/LT单晶薄膜可与Si集成，因此，可以通过相同Si芯片上器件的集成来进一步使滤波器小型化。总之，基于LN/LT单晶薄膜的RF SAW器件能够促进5G应用和高频通信技术的发展，而Si衬底上集成LN/LT单晶薄膜与CMOS工艺的兼容性又为在同一芯片上集成MEMS、铁电、声学和光学器件开辟了新的可能性。因此，随着LN/LT单晶薄膜材料以及新型声学器件技术的进一步发展，采用LN/LT-POI结构的RF SAW器件在5G和后5G时代将具有更重要的应用前景。