基于鍵合工藝制備LiNbO3和LiTiO3薄膜材料的研究進展

一、聲學波濾波器原理簡介

常用的手機射頻濾波器主有兩類：聲表面波（SAW）濾波器和體聲波（BAW）濾波器。

一個基本的SAW濾波器由壓電材料和兩個個插指換能器（IDT）組成，如圖1（a）所示。SAW的原理是基于壓電材料的壓電特性，利用輸入與輸出換能器將電信號轉(zhuǎn)換成機械能，經(jīng)過處理后，再把機械能轉(zhuǎn)換成電信號，以達到濾波的目的。SAW濾波器具有高穩(wěn)定性、小型、高選擇度等優(yōu)點，廣泛應用于手機射頻前端模塊中。但是，SAW不適合用于頻率高于2.5GHz的應用，因為頻率越高，要求IDT指寬和指間距越小，對光刻分辨率的要求也越來越高。要克服SAW的頻率上限，就需要在光刻上投入大量資金，而性能尺寸比例不理想的根本問題仍將存在。

相比于SAW，BAW更適合于高頻。與SAW不同，聲學波在BAW中是垂直傳播的。BAW的基本結(jié)構(gòu)是兩個金屬電極夾著壓電薄膜，聲波在壓電薄膜里震蕩形成駐波。為了把聲學波留在壓電薄膜里震蕩，震蕩結(jié)構(gòu)和外部環(huán)境之間必須有足夠的隔離才能得到最小的損耗和最大的品質(zhì)因子（Q）值。

FBAR能夠?qū)崿F(xiàn)這種駐波激勵，是BAW的一個重要分支。反面刻蝕型FBAR是典型的FBAR結(jié)構(gòu)（圖1（b）），該結(jié)構(gòu)是在襯底（硅襯底）底部刻蝕出一個窗口，在上下電極的外部均形成空氣界面，這樣就可以實現(xiàn)聲學波全反射。

圖1 不同的聲學波器件結(jié)構(gòu)。（a）SAW，（b）FBAR，（c）HBAR

HBAR也是基于體聲波產(chǎn)生諧振的器件。HBAR是在低損襯底上制備金屬電極/壓電薄膜/金屬電極夾心結(jié)構(gòu)換能器所形成的器件（圖1（c）），是一種能在射頻頻段產(chǎn)生多個高Q諧振點的器件。工作時，在外加電場作用下，壓電薄膜作厚度方向的伸縮運動，由夾心結(jié)構(gòu)換能器激發(fā)出的聲波能量注入低損諧振腔中，引起駐波諧振。因為諧振腔厚度遠大于聲波波長，所以使用壓電換能器可以在其中發(fā)射和提取基頻響應的高次諧波頻率。只要滿足襯底表面平行間隔為λ/2整數(shù)倍的頻率，就都有高Q值的諧振頻率響應。

二、基于鍵合工藝制備LiNbO3和LiTiO3薄膜材料的研究進展

傳統(tǒng)的SAW制備在LiNbO3（LNO）、LiTiO3（LTO）等體壓電材料上。這些體單晶材料的主要問題是成本較高且不與CMOS工藝兼容。近年來，越來越多的研究者開始致力于開發(fā)薄膜SAW器件，主要的動機是：（1）采用半導體材料作為襯底能夠提高SAW的集成能力；（2）通過選擇高波速的襯底，比如藍寶石、金剛石或者硅襯底能夠提高波束，并且這些襯底可以通過引導壓電層內(nèi)部的能量來抑制波在傳輸中的損耗。另外，壓電薄膜材料是BAW的核心層。選擇合適的壓電薄膜材料和制備工藝是決定BAW性能的關(guān)鍵因素。因此，要獲得高性能、低成本、高集成度的聲學波濾波器器件，突破壓電薄膜材料的制備技術(shù)是核心。

AlN是最流行的用于制備濾波器件的壓電薄膜材料，通常采用濺射方法制備。但是，濺射的AlN薄膜是特定取向的（多晶）材料，并且壓電薄膜以及薄膜/襯底界面的質(zhì)量難以控制，導致其機電耦合系數(shù)（K2）和Q較低，不能滿足下一代高頻帶通濾波器高帶寬（相對帶寬＞10%）、低插損（＜3dB）的需求。

而采用基于鍵合工藝的層轉(zhuǎn)移技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)多種取向、高K2的薄膜壓電材料與低損襯底的靈活結(jié)合，因而能夠提升薄膜上SAW和BAW的性能。

理論研究表明，LNO和LTO薄膜的K2較高。例如，X切向LON薄膜上FBAR的K2最高可達45%，遠高于AlN薄膜的8%。相應地，LNO上FBAR濾波器的相對帶寬超過20%，是AlN上的BAW的相對帶寬的6倍（圖2）。

因此，研究和產(chǎn)業(yè)化基于鍵合工藝制備LNO和LTO薄膜的技術(shù)越來越受到業(yè)界的重視。

根據(jù)不同的器件設(shè)計需求，主要有兩種基于鍵合工藝實現(xiàn)薄膜層轉(zhuǎn)移的技術(shù)。一種是Smart-Cut技術(shù)，用于制備薄膜壓電材料；另一種是鍵合+研磨技術(shù)，用于制備厚膜壓電材料。下面著重梳理基于鍵合工藝制備LNO和LTO薄膜材料的研究進展（表1）。

圖2 X切向LNO與AlN薄膜上BAW濾波器的性能的仿真結(jié)果比較

（1）基于鍵合工藝制備應用于SAW的LNO和LTO薄膜材料的研究進展

2002年，LETI的Solal等人采用Smart-Cut技術(shù)將厚度為0.5μm的YX切向LNO成功轉(zhuǎn)移至高阻硅襯底上。該襯底上SAW的K2為14.5%，頻率溫度系數(shù)（TCF）為-50ppm/K，表明層轉(zhuǎn)移方法能夠保留薄膜的壓電特性。其中，薄膜上SAW的TCF稍低于LNO晶體上SAW的TCF（-70~-80ppm/K）的原因是硅襯底的存在，限制了LNO薄膜的熱膨脹。但是，采用該方法制備的SAW的TCF仍然較大，不能滿足實際應用的需求。

與LNO相比，LTO晶體上SAW器件的TCF（-38~-44 ppm/K）較小，因此，隨后的研究者嘗試將LTO薄膜轉(zhuǎn)移至硅襯底上。2009年，NGK的Yuji等人在30μm厚的LTO薄膜上演示了TCF僅為-8.4ppm/K的SAW。目前，NGK已經(jīng)實現(xiàn)了6寸厚膜LTO襯底的產(chǎn)業(yè)化。2015年，LETI和frec|n|sys合作，也在厚膜LTO上制備出TCF較小的SAW，但是測得的SAW的Q值較低。2018年，Soitec發(fā)布了其商用6寸襯底-POI（Piezo on Insulator）。POI襯底上SAW器件的K2、Q、TCF等關(guān)鍵性能指標得到了很好的折中。

（2）基于鍵合工藝制備應用于BAW的LNO薄膜材料的研究進展

相比于LTO薄膜，LNO薄膜是BAW領(lǐng)域研究的熱點。2006年，F(xiàn)EMTO-ST的Gachon等人利用光刻膠SU8作為粘合劑將厚膜（10~20μm）LON轉(zhuǎn)移到玻璃襯底上。在該襯底上制備的FBAR的K2為18%，高于傳統(tǒng)FBAR器件的K2；Q值在500MHz時達到6770，表明LON的聲學波損耗相對較低。

為了獲得更高的K2，LETI的Pijolat等人于2011年提出采用X切向的LNO薄膜的方案，他們在6.6μm的LNO薄膜上制備出K2高達43%的FBAR。但是FBAR的Q值很低，只有64，這是由于薄膜厚度均勻性差導致的。2014年，LETI的Reinhardt等人通過改善拋光工藝提高了薄膜的均勻性，并且通過優(yōu)化設(shè)計調(diào)整了金屬電極與壓電薄膜的相對厚度，最終在20μm厚的LON薄膜上制備出K2為53%、Q值為375的FBAR器件。此時Q值仍舊不高的原因是受寄生響應干擾所致。

另一方面，HFBAR架構(gòu)可以優(yōu)化LON薄膜上BAW的Q值。2007年，Gachon等人利用鍵合加研磨的技術(shù)將厚度為34μm的LON薄膜轉(zhuǎn)移到LON襯底上。該結(jié)構(gòu)上HBAR的Q值突破了50000，對應的Q×f則高達8.1×1013Hz。

為了避免金屬鍵合以及研磨工藝對LON表面平整度和均勻性的影響，Pijolat等人轉(zhuǎn)而采用基于H+離子注入和SiO2/SiO2鍵合的Smart-Cut技術(shù)制備LON薄膜，最終獲得了高K2和高Q的HBAR。但是HFBAR的TCF較大，在2GHz時為-80ppm/K，不能滿足應用的需求，因此，F(xiàn)EMTO-ST的Baron等人用溫補材料石英替代LON，制備出了TCF小于5 ppm/K的HBAR器件。

盡管諸多研究者在應用于BAW的LNO薄膜制備方面進行了大量的研究，但至今未報道有相關(guān)產(chǎn)品出貨。

三、基于鍵合工藝制備的壓電薄膜材料的產(chǎn)業(yè)化進展

LTO/Si結(jié)構(gòu)的襯底能夠很好的平衡濾波器器件性能、成本、面積等，是眾多鍵合片中商業(yè)化最成功的襯底材料，其主要用于制備SAW器件。目前僅有NGK一家公司能夠生產(chǎn)此類襯底材料，Soitec公司也計劃量產(chǎn)新開發(fā)的POI產(chǎn)品。

NGK擁有獨立自主產(chǎn)權(quán)的鍵合片制備技術(shù)。2015年，NGK宣布量產(chǎn)其高性能的LTO/Si鍵合片，規(guī)劃產(chǎn)能30000片/月，產(chǎn)品的目標應用領(lǐng)域是4G手機射頻前端模塊中的SAW濾波器。該產(chǎn)品的規(guī)格及特性如下：

Soitec主要與兩家研發(fā)單位合作研發(fā)壓電薄膜材料及相關(guān)技術(shù)：一是與LETI合作基于Smart-Cut技術(shù)開發(fā)硅上壓電薄膜材料轉(zhuǎn)移技術(shù)，二是與frec|n|sys合作研究壓電薄膜上聲學波濾波器的設(shè)計、制造和表征技術(shù)。

2018年，Soitec在RF-SOI論壇上宣布正在Bernin興建一條6英寸的產(chǎn)線，專門用于生產(chǎn)Piezo on Insulator（POI）襯底，該襯底將用于制備SAW。為了加速POI的上市時間，Soitec于2017年收購了frec|n|sys。POI產(chǎn)品特性如下：