石英基鉭酸鋰異質(zhì)集成晶圓制備及高性能聲學(xué)射頻諧振器

工作簡介

上海微系統(tǒng)所異質(zhì)集成XOI課題組采用萬能離子刀技術(shù)，成功實(shí)現(xiàn)了4英寸晶圓級(jí)石英基鉭酸鋰單晶薄膜異質(zhì)晶圓（Lithium tantalate on Quartz，LTOQ）的制備，所制備的薄膜具有良好的薄膜均勻性和晶體質(zhì)量。基于LTOQ襯底所制備的聲表面波諧振器的Bode_Q值超過3000，機(jī)電耦合系數(shù)大于10%，并在高溫下表現(xiàn)出良好的溫度穩(wěn)定性。相關(guān)研究工作以“Heterogeneous integration of lithium tantalate thin film on quartz for high performance surface acoustic wave resonator”為題發(fā)表在Japanese Journal of Applied Physics (JJAP)。論文共同第一作者為上海微系統(tǒng)所的博士研究生陳陽和吳進(jìn)波，論文共同通訊作者為上海微系統(tǒng)所黃凱副研究員和歐欣研究員。

研究背景

現(xiàn)代移動(dòng)通信技術(shù)的發(fā)展和更廣泛的應(yīng)用使得通信頻段變得越來越擁擠，需要聲學(xué)濾波器具有更陡峭的裙邊、更低的插入損耗以及更優(yōu)良的溫度穩(wěn)定性。為了實(shí)現(xiàn)上述這些特征，需要聲學(xué)諧振器具有更高的品質(zhì)因子（Q）以及更好的頻率溫度穩(wěn)定性（TCF）。然而基于傳統(tǒng)鉭酸鋰和鈮酸鋰體材料的聲學(xué)諧振器由于材料屬性本身的限制，已無法滿足高性能聲學(xué)諧振器的制備需求。

為提高聲表面諧振器的Q值和頻率溫度穩(wěn)定性，研究人員提出了異質(zhì)壓電薄膜結(jié)構(gòu)。在這些結(jié)構(gòu)中，由于壓電薄膜材料與襯底之間的聲阻抗差異，壓電薄膜中所激發(fā)的聲表面波可以被良好的限制在壓電薄膜內(nèi)，從而減少了聲波傳輸?shù)膿p耗，顯著提高了器件的Q值。石英作為具有強(qiáng)各向異性的晶體材料，其聲波的波速在各個(gè)方向上具有強(qiáng)的各向異性，適當(dāng)選擇石英切向，可實(shí)現(xiàn)LT薄膜內(nèi)聲學(xué)模式的良好限制。此外石英極低的射頻損耗也有利于提升聲表面諧振器的Q值。

研究亮點(diǎn)

上海微系統(tǒng)所異質(zhì)集成課題組基于萬能離子刀技術(shù)，成功實(shí)現(xiàn)了4寸晶圓級(jí)LT/SiO2/Quartz結(jié)構(gòu)。在利用萬能離子刀技術(shù)制備該結(jié)構(gòu)時(shí)，為使該結(jié)構(gòu)適用于1-3GHz頻段的應(yīng)用，選用42YX LT作為壓電薄膜層材料。同時(shí)為避免在制備過程中襯底與壓電層較大的熱失配，選用了與42YX LT熱匹配的聲波X向傳輸石英襯底，并優(yōu)化了石英襯底的切向，使42YX LT薄膜內(nèi)激發(fā)的水平剪切聲表面波（SH-SAW）能夠良好的限制在壓電薄膜內(nèi)。如圖1（a）為LTOQ的結(jié)構(gòu)示意圖；圖（b）為不同石英切角β下仿真所得的SH-SAW的導(dǎo)納響應(yīng)，圖（c）為提取出的器件導(dǎo)納比隨石英切角的變化，得出石英切角為50-60°時(shí)對應(yīng)SH-SAW諧振器可獲得最大的導(dǎo)納比，對應(yīng)切向?yàn)?0-40YX Quartz。

圖 1 (a) LTOQ 結(jié)構(gòu)示意圖；（b）不同石英切向下仿真所得的SH-SAW的導(dǎo)納響應(yīng)；（c）不同石英切角下提取得到的SH-SAW導(dǎo)納比

圖2為以36YX石英為襯底和ZX石英為襯底時(shí)，仿真所得的SH-SAW的振型圖。其中36YX石英襯底顯示出了對聲波的良好限制效果，而以ZX石英為襯底時(shí)，聲波向襯底出現(xiàn)嚴(yán)重泄露現(xiàn)象。

圖2 不同石英切向下仿真所得的SH-SAW的振型圖：（a）36YX Quartz；（b）ZX Quartz

圖3為采用萬能離子刀技術(shù)制備LTOQ晶圓的制備流程圖。需要注意的是，為避免親水性鍵合在LT與石英的鍵合界面上引入缺陷，在結(jié)構(gòu)當(dāng)中加入了100 nm SiO2層，以使結(jié)構(gòu)真正有望實(shí)現(xiàn)大規(guī)模的商業(yè)應(yīng)用。

圖3 萬能離子刀技術(shù)制備LTOQ結(jié)構(gòu)流程圖

圖4(a)為所制備的四寸晶圓級(jí)LTOQ的照片，晶圓薄膜面積大于90%。圖4(b)為晶圓的薄膜厚度mapping圖，薄膜平均厚度602nm，薄膜均勻性為±2.2%。良好的薄膜均勻性有利于制備器件的一致性。圖4（c）為LT薄膜表面的AFM測量圖，所得的薄膜表面粗糙度為0.226nm，滿足高性能SAW器件的制備要求。圖4（d）為LT薄膜的HRXRD單晶搖擺曲線，47.4 arcsec 的半高寬證明了LT薄膜良好的晶體質(zhì)量，為高性能SAW器件的制備提供了保證。

圖4 （a）晶圓級(jí)LTOQ照片；（b）4寸LTOQ LT薄膜厚度mapping圖；（c）LT薄膜表面AFM測試結(jié)果；（d）LT薄膜與LT體材料的HRXRD搖擺曲線測試結(jié)果

圖5為LTOQ結(jié)構(gòu)的TEM測試結(jié)果。圖5（a）為結(jié)構(gòu)的截面圖，展示了LT與SiO2，SiO2與石英之間平坦的界面。圖（b）為SiO2與LT的截面圖，LT層規(guī)則的原子排列和選區(qū)電子衍射規(guī)則的衍射斑點(diǎn)（圖(b)插圖）證明了LT具有優(yōu)良的單晶質(zhì)量。

圖5 LTOQ TEM測試結(jié)果：（a）LTOQ截面示意圖；（b）LT與SiO2層界面圖，插圖為LT薄膜的選區(qū)電子衍射圖；（c）SiO2余石英界面圖，插圖為石英的選區(qū)電子衍射圖

圖6為所制備SAW諧振器的光鏡圖。圖7（a）為測試得到的SH-SAW諧振器的導(dǎo)納曲線，以及仿真所得的SH-SAW諧振器的導(dǎo)納曲線，兩者顯示出較高的匹配度，證明了所制備LT材料的較高質(zhì)量。實(shí)際測得的SH-SAW諧振器kt2為10.26%。圖7（b）為提取出的諧振器Bode-Q曲線，其最大Bode-Q值超過3000。高的Q值得益于石英襯底對聲波良好的限制效果以及石英較低的射頻損耗。

圖6 基于LTOQ襯底的聲表面波諧振器光鏡圖

圖7 （a）仿真和測試所得的SH-SAW諧振器的導(dǎo)納曲線；（b）提取出的SH-SAW的Bode-Q曲線

圖8為對SH-SAW進(jìn)行的溫度性能的表征，提取的其諧振點(diǎn)的TCF為-25.21 ppm/℃，反諧振點(diǎn)的TCF為-35.22 ppm/℃，相比LT體材料諧振器有了一定程度的提升。圖8（c）為反諧振點(diǎn)附近導(dǎo)納響應(yīng)隨溫度的變化，從25℃到85℃，反諧振點(diǎn)處導(dǎo)納值僅惡化了1.15dB，證明了材料良好的溫度穩(wěn)定性，這得益于石英襯底良好的絕緣特性。

圖8 （a）SH-SAW諧振點(diǎn)頻率隨溫度變化；（b）SH-SAW反諧振點(diǎn)頻率隨溫度變化；（c）SH-SAW反諧振點(diǎn)附近導(dǎo)納響應(yīng)隨溫度變化

總結(jié)與展望

通過萬能離子刀技術(shù)成功制備了高膜厚均勻性，高晶體質(zhì)量的4寸晶圓級(jí)LTOQ射頻聲學(xué)襯底，所制備的聲學(xué)諧振器具有10%以上的機(jī)電耦合系數(shù)和大于3000的Q值，并展現(xiàn)出良好的溫度穩(wěn)定性。通過更進(jìn)一步的優(yōu)化器件的頻率溫度系數(shù)（TCF），有望為射頻聲學(xué)器件的大規(guī)模制備提供新的更加優(yōu)良的襯底選擇。

論文鏈接
https://iopscience.iop.org/article/10.35848/1347-4065/aca5d7/meta

審核編輯 ：李倩