CN105978520A - 一种多层结构的saw器件及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及声表波器件制造领域，特别涉及一种多层结构的SAW器件及其制备方法。该多层结构的SAW器件，从上至下依次包括叉指换能器、压电单晶薄片和Diamond薄膜。压电单晶薄片厚度1‑10nm粗糙度1‑10nm，其上制备有叉指换能器。叉指换能器厚度1‑10nm。Diamond薄膜厚度1‑10μm，粗糙度5‑10nm，制备于硅基上。本发明通过降低压电晶体的厚度，使其只是激发和接收声表面波，而声表面波的传播在金刚石内，在相同的叉指换能器指宽的情况下，能够显著提高器件的工作频率。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。

Description

一种多层结构的SAW器件及其制备方法
技术领域
本发明涉及声表波器件制造领域，特别涉及一种多层结构的SAW器件及其制备方法。
背景技术
随着移动通信技术的迅速发展，声表面波(SAW)器件的使用频率不断提高，从开始的MHz级到现在的GHz级。SAW器件的频率正比于材料的声波传播速度，反比于叉指换能器(IDT)的周期，因此提高SAW器件的频率主要可以从两方面着手，一是使IDT的指条向更细的方向发展，二是采用具有更高SAW传播速度的材料。细化IDT指条的方法简单直接，但是指条的细化也会引起一些弊端，例如，IDT指条细化到亚微米量级，会给光刻工艺带来挑战，导致品率下降，成本增高；同时，IDT指条细化会导致阻抗增大，从而降低了SAW器件的功率承受能力，这就迫使人们将目光转变至寻找更高SAW传播速度的材料上来。然而对于传统的声表波材料如LiNbO3、LiTaO3单晶块材或ZnO陶瓷块材，由于声表面波传播速度较低，在当前的工艺条件下达到GHz的工作频率相当困难，因而研究高声速材料成为制备高频SAW的关键。
金刚石(Diamond)是所有物质中声波传播速度最快的材料，且Diamond具有最高的弹性模量，有利于声波传输的保真，再者Diamond具有最高的热导率，有利于提高器件的功率承受能力，这些优点都表明Diamond是制造高频SAW器件的理想候选材料。但是，Diamond本身并不是压电材料，无法激发SAW，无法进行电磁波和声表面波的相互转换,因此需要与压电材料结合形成多层结构。压电单晶材料相比于压电陶瓷材料和压电薄膜，其Q值较大，有更良好的温度特性。制备压电单晶/Diamond多层结构成为制备高频SAW器件的关键。然而，由于Diamond与压电晶体之间晶格失配较大，所以采用键合的方式形成压电晶体/Diamond多层结构。
发明内容
针对上述存在问题或不足，为解决压电晶体与金刚石晶格失配的问题。本发明提供了一种多层结构的SAW器件及其制备方法。该结构的SAW器件可满足高频和高机电耦合系数领域的应用需求。
该多层结构的SAW器件，从上至下依次包括叉指换能器、压电单晶薄片和Diamond薄膜。所述压电单晶薄片厚度1-10nm粗糙度1-10nm，其上制备有叉指换能器。所述叉指换能器厚度1-10nm。所述Diamond薄膜厚度1-10μm，粗糙度5-10nm，制备于硅基上。
其制备方法包括以下步骤：
步骤1、用CVD法在硅基上生长Diamond薄膜，然后经过CMP抛光，制得Diamond薄膜厚度为1-10μm，粗糙度为5-10nm。
步骤2、将压电单晶基片依次经过与Si基片键合、减薄、CMP抛光、Si基片剥离和清洗，获得厚度1-10μm粗糙度1-10nm的压电单晶薄片。压电单晶材料为LiNbO3、LiTaO3、石英或PMN-PT。减薄技术为离子减薄或机械减薄。
步骤3、利用光刻技术，在步骤2制得的压电单晶薄片上制作叉指换能器图形。
步骤4、通过溅射法，在步骤3制得的压电单晶薄片上制作一层厚度1-10nm金属薄膜。然后经过去胶，形成叉指换能器。金属薄膜材料为Au或Al。
步骤5、利用键合技术将步骤4制得的压电单晶薄片与步骤1制备的Diamond薄膜键合，从而制得叉指换能器/压电单晶/Diamond多层结构的SAW器件。
本发明的优点：
由于压电晶体材料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，但该压电晶体的厚度大大降低。
由于压电单晶材料的相速度较低，所以压电晶体材料只是激发和接收声表面波，而声表面波的传播在金刚石内，由于金刚石有很高的相速度，在相同的叉指换能器指宽的情况下，能够显著提高器件的工作频率。
综上所述，本发明提供的SAW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为基于Si基的叉指换能器/压电单晶/Diamond多层结构的SAW器件结构示意图。
具体实施方式
步骤1、在Si基上利用CVD法生长Diamond薄膜，薄膜厚度为10μm。利用CMP进行抛光处理，使其的粗糙度为10nm，然后进行清洗获得Diamond/Si基片。
步骤2、利用机械减薄技术制作压电单晶薄片：
对压电单晶基片和Si基片进行清洗并烘干备用。
用甩胶机在压电单晶基片和Si基片上，分别旋涂一层均匀的苯并环丁烯(BCB)聚合物。利用FineTech96型倒装键合机,将压电单晶基片和Si基片的涂胶面进行键合，键合参数为：键合温度为200℃，升温速率为2℃/s,恒温时间为90s。获得压电单晶/Si基片。
用机械减薄技术将上述获得的压电单晶/Si基片减薄，然后用CMP进行抛光处理。
将压电单晶基片从Si基片上剥离，经过清洗去掉BCB胶，获得压电单晶薄片。得到的单晶压电薄片厚度为5μm，粗糙度为10nm。
步骤3：首先利用甩胶机在压电单晶薄片上均匀旋涂一层光刻胶，利用光刻技术在压电单晶薄片上制作指宽为2μm的叉指换能器图形。
步骤4、采用直流溅射法制备一层10nm的铝膜，最后去胶，形成叉指换能器。
步骤5：利用键合技术将已制作叉指换能器的压电单晶薄片与Diamond/Si基片，形成叉指换能器/压电单晶薄片/Diamond多层结构的SAW器件，具体实施方式如下：
用甩胶机在压电单晶薄片和Diamond/Si上，旋涂一层均匀的苯并环丁烯(BCB)聚合物。
利用FineTech96型倒装键合机,将涂胶的压电单晶薄片和Diamond/Si基片进行键合，键合参数为：键合温度为200℃，升温速率为2℃/s,恒温时间为90s。

Claims (5)

1.一种多层结构的SAW器件，从上至下依次包括叉指换能器、压电单晶薄片和Diamond薄膜，其特征在于：所述压电单晶薄片厚度1-10nm粗糙度1-10nm，其上制备有叉指换能器；所述叉指换能器厚度1-10nm；Diamond薄膜厚度1-10μm，粗糙度5-10nm，制备于硅基上。
2.如权利要求1所述多层结构的SAW器件，其特征在于：所述压电单晶薄片材料为LiNbO3、LiTaO3、石英或PMN-PT。
3.如权利要求1所述多层结构的SAW器件，其特征在于：所述叉指换能器为Au或Al的金属薄膜。
4.如权利要求1所述多层结构的SAW器件的制备方法，包括以下步骤：
步骤1、用CVD法在硅基上生长Diamond薄膜，然后经过CMP抛光，制得Diamond薄膜厚度为1-10μm，粗糙度为5-10nm；
步骤2、将压电单晶基片依次经过与Si基片键合、减薄、CMP抛光、Si基片剥离和清洗，获得厚度1-10μm粗糙度1-10nm的压电单晶薄片；
步骤3、利用光刻技术，在步骤2制得的压电单晶薄片上制作叉指换能器图形；
步骤4、通过溅射法，在步骤3制得的压电单晶薄片上制作一层厚度1-10nm金属薄膜；然后经过去胶，形成叉指换能器；
步骤5、利用键合技术将步骤4制得的压电单晶薄片与步骤1制备的Diamond薄膜键合，从而制得叉指换能器/压电单晶/Diamond多层结构的SAW器件。
5.如权利要求4所述多层结构的SAW器件的制备方法，其特征在于：所述步骤2中减薄技术为离子减薄或机械减薄。
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