CN102437832A

CN102437832A - 一种混合集成的声表面波器件结构

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Publication number: CN102437832A
Application number: CN2012100016532A
Authority: CN
Inventors: 刘卫国; 刘欢; 蔡长龙; 高爱华; 程进
Original assignee: Xian Technological University
Current assignee: Xian Technological University
Priority date: 2012-01-05
Filing date: 2012-01-05
Publication date: 2012-05-02

Abstract

本发明涉及一种混合集成的声表面波器件结构，特别适用于高频、高机电耦合系数、高集成度的声表面波器件。现有技术声表面波器件的体积和重量较大，无法满足要求苛刻的武器装备。为了解决现有技术中的问题，本发明提供的一种混合集成的声表面波器件结构，是用压电晶体作为薄压电层，薄压电层的厚度为10-80um，在压电晶体上表面设置叉指换能器，叉指换能器简称IDT；然后在IDT上设置类金刚石薄膜表层，类金刚石薄膜厚度为1-10um；在厚硅的一个表面上设置集成电路层；最后通过低温键合技术将压电晶体的下表面与厚硅上表面进行键合。本发明降低了器件的体积同时也降低了器件的重量。

Description

一种混合集成的声表面波器件结构

技术领域：

本发明涉及一种混合集成的声表面波器件结构，特别适用于高频、高机电耦合系数、高集成度的声表面波器件。

背景技术：

声表面波(即 SAW：Surface Acoustic Wave)是沿着弹性固体表面或界面上传播的一种弹性波。1855 年，由英国物理学家瑞利(Rayleigh)在对地震波的研究中发现并从理论上阐明了在弹性固体内除了存在纵波和剪切波外，还存在一种波，这种弹性波沿半无限固体表面传播，这种波的能量集中于弹性体的浅表层内，且其振幅随着传入基片材料的深度的增加而迅速减少，这种波就是声表面波，也叫瑞利波。声表面波器件是利用声表面波来完成各种复杂信号处理的一类新型器件。

声表面波器件作为一种新型的电子器件，近年来引起了人们极大的关注，在科学研究领域有了较大的进展，在许多方面都有了成功的应用，尤其是在现代无线通讯领域的应用范围日趋广泛。声表面波器件的种类有很多，如：延迟线、滤波器、角速率传感器（陀螺仪）、温度传感器、气体传感器等等。

声表面波器件的主要特点是：设计灵活性大、模拟/数字兼容、群延迟时间偏差和频率选择优良（可选频率范围在10MHz-3GHz）、输入输出阻抗误差小、传输损耗小、抗电磁干扰性能号（EMI）、可靠性高、制作的器件体积小、重量轻，而且能够实现多种复杂的功能。声表面波器件的特征和优点，正适应了现代通信系统设备以及移动通信轻薄短小化和高频化、数字化、高性能、高可靠性等方面的要求。

近年来，小型制导兵器、小型无人飞机等武器系统对传感器需要越来越多，要求也随之越来越高。并受到国防科研和装备部门高度重视，极大地推动了声表面波器件的发展。声表面波传感器可实现小型、高性能、低成本化。

当前，国际国内正在开发的声表面波器件是以压电晶体为基底，在压电晶体上表面做了叉指换能器，这种声表面波器件为单层平面结构。这种声表面波器件需要一个额外的信号处理电路部分，通常采用的是常规PCB（Printed Circuit Board）电路，这不仅增大了声表面波器件的体积，并且也增大了声表面波器件的重量，这对于要求苛刻的武器装备，是一个急需解决的问题。

现有技术中，中国专利申请200510014977.X公开了一种适用于声表面波器件的‘‘LiNbO₃/ZnO/金刚石’’多层膜结构及其相应的制备方法。它包括金刚石膜（高刚性镀层）、LiNbO₃（压电薄膜）、ZnO（过渡层）和硅基底。该多层结构使用压电薄膜，一定程度上缩小了器件的体积，但它丧失了压电晶体优异的性能；并且该结构采用超高真空镀膜设备，制备工艺成本昂贵，成品率低；该结构在制备ZnO的过程中，采用了高温退火工艺，不能在其硅基底上做集成电路，从而不能实现高度集成。

发明内容：

本发明的目的是为了解决现有技术中的问题，而提供一种混合集成的声表面波器件结构。

本发明提供的一种混合集成的声表面波器件结构，是用压电晶体作为薄压电层，薄压电层的厚度为10-80 um，在压电晶体上表面设置叉指换能器，叉指换能器简称IDT；然后在IDT上设置类金刚石薄膜表层，类金刚石薄膜厚度为1-10um；在厚硅的一个表面上设置集成电路层；最后通过低温键合技术将压电晶体的下表面与厚硅上表面进行键合。

与现有技术相比，本发明具有以下的优势：

1、由于压电晶体的一些优良特性是压电薄膜所不能取代的，本发明仍然保留使用压电晶体作为声表面波器件的压电层，但该压电晶体在厚度上有了很大的改善。由于声表面波是沿压电晶体表面传播，主要能量集中在压电晶体的表面，而通常声表面波器件中使用的压电晶体的厚度为500um，压电晶体的有效利用厚度为1-2λ，这样就造成压电晶体的很大一部分的浪费。本发明通过键合减薄技术使压电晶体的厚度有了很大的改善，这不仅能够降低器件的体积同时也降低了器件的重量。

2、充分的利用了硅的优异性以及本发明所述结构的特殊性，将器件的输出信号检测处理电路制作在硅片上。现有技术中，由于器件结构的限制，SAW器件的信号检测处理电路采用的是常规PCB电路，它占据了整个器件的大部分体积及重量，而本发明中利用了硅集成电路，从而使器件的整个体积缩小至原来的80%左右，重量也随之减少。

3、用类金刚石薄膜作为高刚性镀层，不仅对器件起到保护的作用，并利用声波在类金刚石薄膜中有较高的传播速度特性，从而在叉指换能器指宽相同的条件下，器件的工作频率可以达到一个更高的指标。这样可以满足高频器件的需求。

4、SAW器件采用本发明的混合集成的声表面波器件结构可满足高频、高机电耦合系数、小体积的声表面波的器件应用领域的需求。

附图说明：

图1是实施例1的结构示意图；

图2是实施例2的结构示意图。

附图标记说明如下：

101-类金刚石薄膜， 102-IDT， 103-薄压电层， 104-集成电路层， 105-厚硅。

具体实施方式：

下面结合附图对本发明专利做详细说明。

本发明的制备方法中，先通过键合减薄技术获得薄压电层103，再在薄压电层103上表面制备IDT102，而后通过等离子体增强化学气相沉积技术在IDT102上沉积类金刚石薄膜101；在厚硅105上通过标准的IC工艺制集成电路104，最终通过低温键合技术将薄压电层103的下表面与厚硅105牢固的结合在一起。上面所说到的每个独立的工艺方法都是公知的。

实施例1：参见图1

本发明多层结构的声表面波器件，是用压电晶体作为薄压电层103，薄压电层103的厚度为80 um，在薄压电层103上表面制备IDT102；然后在IDT102上制备类金刚石薄膜101，类金刚石薄膜101的厚度为1um；在厚硅105的上表面制备集成电路104；最后通过低温键合技术，将薄压电层103的下表面与厚硅105上表面进行键合。

以下为本发明制备步骤：

步骤1 ：利用键合减薄的技术，对压电晶体进行减薄，实验采用的是铌酸锂晶体，具体步骤如下：

a) 采用RCA工艺清洗铌酸锂压电晶片（厚度为500um），取出用高纯氮气把铌酸锂晶片吹干，在偏光显微镜下观察，直至基片表面无杂质，然后放在烘箱里烘干。

b) 将单面抛光厚硅基片进行表面清洗处理，步骤同上。

c) 用KA-4A型匀胶机在硅片上旋涂一层聚酰亚胺胶，匀胶速率：2600r/min，匀胶（时间I/时间II）6S/30S-6S/40S。

d) 利用FineTech 96型倒装键合机，将涂好胶的硅片与压电晶体进行键合，键合参数为：恒温温度200℃、恒温时间50s、升温速率2k/s。

e) 采用减薄抛光技术，利用德国LOH公司的SPM50-1SL铣磨机对压电晶体进行减薄到需要的厚度并用化学机械抛光技术进行抛光处理。

f) 最终得到铌酸锂压电晶体的厚度约为80um，表面粗糙度约为2nm。

步骤2：利用剥离工艺在压电晶片上表面制备IDT，具体步骤如下：

a) 在压电晶片上表面涂一层均匀的光刻胶。

b) 利用光刻机，并通过掩膜板，对其进行曝光、显影处理，最终得到图形。

c) 通过溅射技术在光刻胶上淀积300nm的铝层。沉积参数：沉积参数：靶到基片的距离为40mm，溅射功率为200W，本底真空为3×10-5Pa，溅射气压为2Pa，氩气流量为100sccm，沉积时间为10min。。

d) 将基片放到能溶解光刻胶的丙酮溶液中，直接淀积在基片上的金属图形将被保留，而沉积在光刻胶上的金属将随着光刻胶的溶解而从基片上脱落。

步骤3：通过PECVD技术，在IDT上沉积类金刚石薄膜，薄膜厚度约为1um。沉积参数：工作气压为 11Pa，氩气和乙炔比例 5：2，沉积时间60min，射频功率100W

步骤4：将沉积过类金刚石薄膜的铌酸锂压电晶片从硅基片上分离下来，并将其放进NaOH溶液中，去除压电晶片表面残余的聚酰亚胺胶，最后对其进行清洗处理。

步骤5：通过标准IC工艺，在双面抛光的厚硅上表面制备SAW器件信号检测处理集成电路，实验采用双面抛光的厚硅的厚度为500um。

步骤6：压电层下表面与厚硅上表面是通过低温键合技术，牢固的结合在一起。

a) 用KA-4A型匀胶机在硅片上旋涂一层聚酰亚胺胶，匀胶速率：2600r/min，匀胶（时间I/时间II）6S/30S-6S/40S。

b) 利用FineTech 96型倒装键合机，将涂好胶的硅片与压电晶体进行键合，键合参数为：恒温温度200℃、恒温时间50s、升温速率2k/s。

步骤7：通过集成电路互连技术将IDT的信号输出端与集成电路的输入端连接。

在本实施例中，实验设计的声表面器件中心频率为150MHz的，而实际测得中心频率约为160MHz，从而说明本发明结构可以提高器件的中心频率；整个器件的体积为约为200mm³，比传统声表面波器件体积缩小80%左右。概况的说明，在不改变现有声表面波器件的优异性能的前提下，采用本发明的结构，可以使声表面波器件的中心频率得到提高，体积得到了缩小。

实施例2：参见图2

本发明多层结构的声表面波器件，是用压电晶体作为薄压电层103，薄压电层103的厚度为80 um，在薄压电层103上表面制备IDT102；然后在IDT102上制备类金刚石薄膜101，类金刚石薄膜101的厚度为1um；在厚硅105的下表面制备集成电路104；最后通过低温键合技术，将薄压电层103的下表面与厚硅105上表面进行键合。

工艺条件，制作步骤，实验设备均同实施例1，不同之处在于步骤5，在厚硅105的下表面制备集成电路104。

实施例3：

本发明多层结构的声表面波器件，是用压电晶体作为薄压电层103，薄压电层103的厚度为30 um，在薄压电层103上表面制备IDT102；然后在IDT102上制备类金刚石薄膜101，类金刚石薄膜101的厚度为1um；在厚硅105的上表面制备集成电路104；最后通过低温键合技术，将薄压电层103的下表面与厚硅105上表面进行键合。

工艺条件，制作步骤，实验设备均同实施例1，不同之处在于步骤1，最终得到薄压电层103的厚度约为30um，表面粗糙度约为2nm。

在本实施例中，通过对薄压电层103再次减薄，并验证了实验结果，与实施例1的实验结果相比没有明显变化。

本发明专利经过大量的实验研究和理论分析，采用了科学的制备工艺，从而得到了混合集成的声表面波器件，而且性能良好，工艺简单。本发明的混合集成的声表面波器件结构可满足高频、高机电耦合系数、小体积的声表面波的器件应用领域的需求。

Claims

1.一种混合集成的声表面波器件结构，其特征在于：是用压电晶体作为薄压电层（103），薄压电层（103）的厚度为10-80 um，在压电晶体上表面设置叉指换能器，叉指换能器简称IDT（102）；然后在IDT（102）上设置类金刚石薄膜（101）表层，类金刚石薄膜（101）厚度为1-10um；在厚硅（105）的一个表面上设置集成电路层（104）；最后通过低温键合技术将压电晶体的下表面与厚硅（105）上表面进行键合。