CN113014218B - 一种新型键合结构声表面波器件及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种新型键合结构声表面波器件及其制备方法，涉及声表器件领域，由下至上依次包括支撑衬底、组分渐变层、压电基板和叉指换能器，组分渐变层用于提供声波的全反射，组分渐变层靠近衬底一侧的组分声速高于靠近压电基板一侧的组分声速，且组分沿生长方向线性变化。该组分渐变层能够抑制寄生响应的产生，还可以改善键合薄膜质量、提高器件机电耦合系数和耐受功率，且制备方法相对成熟简单。
Description
技术领域
本发明涉及声表器件领域，尤其是一种新型键合结构声表面波器件及其制备方法。
背景技术
声表面波器件因其小型化、插损低等优点被广泛应用于移动终端领域，目前使用比较普遍的压电材料是LiTaO3和LiNbO3，其较强的压电性能使得声表面波滤波器件获得较大的相对带宽，非常适合5G通讯的技术需要。
但是LiTaO3和LiNbO3基声表面波器件存在严重的频率随温度偏移问题，导致该类型器件的应用范围受到限制。目前采用压电基板与低温漂衬底键合的技术可有效降低器件的频率温度系数。但由于两种材料具有不同的声学输入阻抗，弹性波在键合界面处发生声学反射，从而引起一些寄生响应，导致器件性能恶化。另外，由于两种材料具有不同的晶格结构和热膨胀系数，键合界面的质量不太理想，这也会导致器件Q值下滑。
发明内容
本发明人针对上述问题及技术需求，提出了一种新型键合结构声表面波器件及其制备方法，在压电基板与衬底之间插入一层组分渐变层，提供声波的全反射，抑制寄生响应的产生，同时满足改善键合薄膜质量、提高器件耐受功率等优点，且制备相对成熟简单。
本发明的技术方案如下：
一种新型键合结构声表面波器件，由下至上依次包括支撑衬底、组分渐变层、压电基板和叉指换能器，组分渐变层用于提供声波的全反射，组分渐变层靠近衬底一侧的组分声速高于靠近压电基板一侧的组分声速，且组分沿生长方向线性变化。
其进一步的技术方案为，组分渐变层靠近衬底一侧的组分为Si3N4、中间组分为SiOxN1-x、靠近压电基板一侧的组分为SiO2，其中0＜x＜1；Si3N4的组分声速高于SiO2的组分声速，SiOxN1-x的N组分渐变满足沿生长方向逐渐线性减小、O组分渐变满足沿生长方向逐渐线性增大，声表面波器件声学波的声阻抗在组分渐变层连续变化，且SiOxN1-x兼具Si3N4的波导效应和SiO2的温度补偿效应，SiOxN1-x的热膨胀系数介于SiO2与Si3N4之间，且连续变化。
其进一步的技术方案为，组分渐变层靠近衬底一侧的组分为AlN、中间组分为AlxGa1-xN、靠近压电基板一侧的组分为GaN，其中0＜x＜1；AlN的组分声速高于GaN的组分声速，AlxGa1-xN的Al组分渐变满足沿生长方向逐渐线性减小、Ga组分渐变满足沿生长方向逐渐线性增大，且AlxGa1-xN的电阻率随Al组分的增加而增大，用于抑制声学能量的泄露，声表面波器件的声学波的声阻抗在组分渐变层连续变化，AlxGa1-xN的热膨胀系数介于支撑衬底与压电基板之间，且连续变化。
其进一步的技术方案为，支撑衬底的材料为Si、SiC、蓝宝石或金刚石。
其进一步的技术方案为，压电基板的材料为YX15°-64°LiNbO3或YX36-48°LiTaO3单晶。
其进一步的技术方案为，叉指换能器的金属材料包括铜、铂、金、铁、铝、镍、钛、铬、钼、钽中的一种或两种以上组合，厚度为50-500nm。
一种新型键合结构声表面波器件的制备方法，其特征在于，制备方法包括：
获取支撑衬底并清洗表面，在支撑衬底上制备组分渐变层；
获取压电基板并清洗表面，在压电基板表面进行离子注入处理；
将压电基板处理后的表面与承载组分渐变层的支撑衬底键合，组分渐变层靠近衬底一侧的组分声速高于靠近压电基板一侧的组分声速，且组分沿生长方向线性变化；
对键合结构进行热处理，对热处理后的压电基板依次进行化学机械磨抛、退火处理；
在压电基板上制备叉指换能器。
其进一步的技术方案为，在支撑衬底上制备组分渐变层，包括：
将支撑衬底置于生长反应腔内，在生长反应腔内还预设有硅板，在靠近衬底一侧通入反应气体Ar和N2，则在支撑衬底上生成Si3N4层，随着Si3N4层厚度增加，逐渐线性增加反应气体O2流量，同时线性减少N2流量，则在Si3N4层上生成SiOxN1-x层，其中0＜x＜1，直到N2流量为零、O2流量持续线性增加，则在SiOxN1-x层上生成SiO2层，SiO2层的生长厚度根据所需的温度特性可控，沿生长方向依次得到的Si3N4层、SiOxN1-x层和SiO2层构成组分渐变层，将组分渐变层从生长反应腔中取出；
Si3N4层的声速高于SiO2层的声速，SiOxN1-x层的N组分渐变满足沿生长方向逐渐线性减小、O组分渐变满足沿生长方向逐渐线性增大，声表面波器件声学波的声阻抗在组分渐变层连续变化，且SiOxN1-x层兼具Si3N4层的波导效应和SiO2层的温度补偿效应，SiOxN1-x层的热膨胀系数介于SiO2层与Si3N4层之间，且连续变化。
其进一步的技术方案为，在支撑衬底上制备组分渐变层，包括：
将支撑衬底置于生长反应腔内，在靠近衬底一侧通入TMAl和NH3，则在支撑衬底上生成AlN层，随着AlN层厚度增加，逐渐线性增加TMGa分子流量，同时线性减少TMAl分子流量，则在AlN层上生成AlxGa1-xN层，其中0＜x＜1，直到TMAl分子流量为零、TMGa分子流量持续线性增加，则在AlxGa1-xN层上生成GaN层，沿生长方向依次得到的AlN层、AlxGa1-xN层和GaN层构成组分渐变层，将组分渐变层从生长反应腔中取出；
AlN层的声速高于GaN层的声速，AlxGa1-xN层的Al组分渐变满足沿生长方向逐渐线性减小、Ga组分渐变满足沿生长方向逐渐线性增大，且AlxGa1-xN的电阻率随Al组分的增加而增大，用于抑制声学能量的泄露，声表面波器件的声学波的声在组分渐变层连续变化，AlxGa1-xN的热膨胀系数介于支撑衬底与压电基板之间，且连续变化。
其进一步的技术方案为，在压电基板表面进行离子注入处理，包括：
在压电基板表面进行离子注入处理，在压电基板厚度方向的预定位置处达到离子浓度最大值，离子注入深度大于等于压电基板的目标厚度，注入的离子为轻元素离子，包括氢离子、氦离子；
对键合结构进行热处理，包括：
对键合结构的加热过程中，位于压电基板预定位置以上的部分被分离，热处理的温度范围为200-400℃。
本发明的有益技术效果是：
在压电基板与支撑衬底之间插入组分渐变层，提供声波的全反射，能达到抑制声阻抗不连续引起的寄生响应，还能调节压电基板与支撑衬底的键合应力，当组分渐变层为SiOxN1-x时，该声表面波器件具有较好的波导效应和温度补偿效应，当组分渐变层为AlxGa1- xN时，由于AlN的电阻率较高，能阻断电子向衬底泄露的寄生通道，抑制声学能量的泄露，组分渐变层能大幅改善键合薄膜质量，提高器件的耐受功率、Q值、机电耦合系数和温度系数(TCF)。
附图说明
图1是本申请提供的新型键合结构声表面波器件的结构示意图。
图2是本申请提供的新型键合结构声表面波器件的制备流程图。
图3A-E是本申请提供的新型键合结构声表面波器件的制备过程示意图解。
图4A-C是实施例1中的新型键合结构声表面波器件的测试结果图。
图5A-D是实施例2中的新型键合结构声表面波器件的测试结果图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式做进一步说明。
实施例1：
一种新型键合结构声表面波器件，其结构示意图如图1所示，由下至上依次包括支撑衬底1、组分渐变层2、压电基板3和叉指换能器4，组分渐变层2用于提供声波的全反射，组分渐变层2靠近衬底一侧的组分声速高于靠近压电基板3一侧的组分声速，且组分沿生长方向线性变化。
具体的，组分渐变层2靠近衬底一侧的组分为Si3N4、中间组分为SiOxN1-x、靠近压电基板3一侧的组分为SiO2，其中0＜x＜1。Si3N4的组分声速高于SiO2的组分声速，声表面波器件声学波的声阻抗在组分渐变层连续变化，SiOxN1-x的N组分渐变满足沿生长方向逐渐线性减小、O组分渐变满足沿生长方向逐渐线性增大，且SiOxN1-x兼具Si3N4的波导效应和SiO2的温度补偿效应，SiOxN1-x的热膨胀系数介于SiO2与Si3N4之间，且连续变化。
上述声表面波器件的制备方法流程图如图2所示，包括如下步骤：
步骤1：如图3A所示，获取支撑衬底1并清洗表面。可选的，支撑衬底1的材料为Si、SiC、蓝宝石或金刚石。本实施例优选支撑衬底1的材料为Si。
步骤2：如图3B所示，在支撑衬底1上制备组分渐变层2，组分渐变层2的厚度为0.2-2μm，制备方法包括PVD、HVPE、ALD、MOCVD、MBE、PLD，本实施例优选组分渐变层2的制备方法为PVD，厚度优选为1μm。
具体包括：
将支撑衬底1置于生长反应腔内，在生长反应腔内还预设有硅板，在靠近衬底一侧通入反应气体Ar和N2，则在支撑衬底1上生成Si3N4层，随着Si3N4层厚度增加，逐渐线性增加反应气体O2流量，同时线性减少N2流量，则在Si3N4层上生成SiOxN1-x层，其中0＜x＜1，通过调节O2和N2的流量比来调节组分x，直到N2流量为零、O2流量持续线性增加，则在SiOxN1-x层上生成SiO2层，SiO2层的生长厚度根据所需的温度特性可控，沿生长方向依次得到的Si3N4层、SiOxN1-x层和SiO2层构成组分渐变层2，将组分渐变层2从生长反应腔中取出。
步骤3：如图3C所示，获取压电基板3并清洗表面。可选的，压电基板3的材料为YX15°-64°LiNbO3或YX36-48°LiTaO3单晶。本实施例优选压电基板3的材料为YX-42°LiTaO3单晶。
在压电基板3表面进行离子注入处理。
在压电基板3表面进行离子注入处理，在压电基板3厚度方向的预定位置处(即图中虚线位置)达到离子浓度最大值，离子注入深度大于等于压电基板3的目标厚度，目标厚度为500-600nm，注入的离子为轻元素离子，包括氢离子、氦离子。本实施例优选注入的离子为氢离子，离子注入的能量为100KeV，离子注入的最大深度为500-600nm。
步骤4：如图3D所示，将压电基板处理后的表面与承载组分渐变层2的支撑衬底1键合，键合方法为表面激活室温键合技术，键合载荷为1000N，气体氛围为Ar。
步骤5：对键合结构进行热处理，包括：
如图3E所示，对键合结构的加热过程中，由于离子浓度最高处应力加剧，导致位于压电基板3预定位置以上的部分301被分离，热处理的温度范围为200-400℃。
对热处理后的压电基板3依次进行化学机械磨抛、退火处理，包括：
分离后的压电基板表面平整度较差，需进一步磨平处理，磨平方法为CMP磨抛，研磨时间为30-50s，研磨后的压电基板的优选厚度为300nm。研磨后对压电基板表面进行修复处理以恢复材料的压电性能，修复方法为热退火，退火温度为500℃，恒温2h。
步骤6：在压电基板3上制备叉指换能器4，得到如图1所示的结构。可选的，制备方法包括电子束蒸发法、磁控溅射技术、电子束蒸发以及电镀等技术。叉指换能器4的金属材料包括铜、铂、金、铁、铝、镍、钛、铬、钼、钽中的一种或两种以上组合，厚度为50-500nm。本实施例优选叉指换能器4的金属材料为Ti和Al组合，厚度分别为5nm、150nm。
通过实验比较本实施例制备的声表面波器件与常规的单层制备的YX-42°LiTaO3/SiO2/Si3N4/Si谐振器结构，由测试结果可知本申请器件的寄生声学响应显著减小，这是因为引入了组分渐变层结构产生了更强的声波全反射。更重要的是，与传统的SAW器件相比，如图4A-C所示，新型结构的机电耦合系数明显增加，功率也得到一定的提升，TCF也大幅减小。这主要得益于SiOxN1-x层兼具Si3N4的波导效应和SiO2的温度补偿效应。同时，键合薄膜的质量也得到提升，因为组分渐变的SiOxN1-x的热膨胀系数介于SiO2与Si3N4之间，且连续变化，导致键合薄膜承受的热应力失配减小。
实施例2：
一种新型键合结构声表面波器件，其结构示意图如图1所示，由下至上依次包括支撑衬底1、组分渐变层2、压电基板3和叉指换能器4，组分渐变层2用于提供声波的全反射，组分渐变层2靠近衬底一侧的组分声速高于靠近压电基板3一侧的组分声速，且组分沿生长方向线性变化。
具体的，组分渐变层2靠近衬底一侧的组分为AlN、中间组分为AlxGa1-xN、靠近压电基板3一侧的组分为GaN，其中0＜x＜1；AlN的组分声速高于GaN的组分声速。AlxGa1-xN的Al组分渐变满足沿生长方向逐渐线性减小、Ga组分渐变满足沿生长方向逐渐线性增大，且AlxGa1-xN的电阻率随Al组分的增加而增大，因此衬底一侧电阻率相对较高为1013Ω·cm，有利于抑制声学能量的泄露，声表面波器件的声学波的声阻抗在组分渐变层连续变化，也即随着Al组分连续变化，可抑制不必要的寄生响应，AlxGa1-xN的热膨胀系数α＝4.2～5.6，介于蓝宝石(α＝3.6)和LiTaO3(α＝15)之间，且连续变化，有利于缓解键合过程因热应力过大引起的薄膜翘曲。
可选的，组分渐变层2的渐变组分还可以为AlxGa1-xAs(0≤x≤1)，每种组分与AlxGa1-xN的组分构成相似，在此不进行赘述。
上述声表面波器件的制备方法流程图如图2所示，包括如下步骤：
步骤1：如图3A所示，获取支撑衬底1并清洗表面。可选的，支撑衬底1的材料为Si、SiC、蓝宝石或金刚石。本实施例优选支撑衬底1的材料为蓝宝石。
步骤2：如图3B所示，在支撑衬底1上制备组分渐变层2，组分渐变层2的厚度为0.2-2μm，制备方法包括PVD、HVPE、ALD、MOCVD、MBE、PLD，本实施例优选组分渐变层2的制备方法为MOCVD，厚度优选为1μm。
具体包括：
将支撑衬底1置于生长反应腔内，在靠近衬底一侧通入TMAl和NH3，则在支撑衬底1上生成AlN层，随着AlN层厚度增加，逐渐线性增加TMGa分子流量，同时线性减少TMAl分子流量，则在AlN层上生成AlxGa1-xN层，其中0＜x＜1，通过调节TMAl和TMGa的分子流量比来调节组分x，直到TMAl分子流量为零、TMGa分子流量持续线性增加，则在AlxGa1-xN层上生成GaN层，沿生长方向依次得到的AlN层、AlxGa1-xN层和GaN层构成组分渐变层2，将组分渐变层2从生长反应腔中取出。
步骤3-6与实施例1中的步骤3-6方法相同，在此不进行赘述。
图5A为本实施例制备的声表面波器件的结构模拟结果，波长λ＝2μm，器件声速随AlxGa1-xN的Al组分增加而连续增加，在x＝1时声速达到4400m/s，可见引入AlxGa1-xN层可以提高YX-42°LiTaO3声表面波器件的声速(原声速为3700m/s)。
图5B比较了不同Al组分下的导纳曲线，不加AlxGa1-xN时的导纳谐振点附近出现很强的寄生响应，来源于蓝宝石界面的反射。插入AlxGa1-xN层后寄生响应几乎完全消除，只有在Al组分为0.8时有微弱的小峰存在，可见对AlxGa1-xN的Al组分进行调控具有消除杂波的效果。
图5C为有/无AlxGa1-xN层的器件的Q值对比图，插入AlxGa1-xN层后Q值较不加AlxGa1-xN层的情况提升了20％，因为随着Al组分增大，AlxGa1-xN层的带隙增大，势垒高度随之增加，对应的电阻率最大可达到1013Ω·cm量级，可与氮化硅等高声速钝化层相比拟，能有效阻断电子向衬底泄露的寄生通道。
图5D为有/无AlxGa1-xN层的机电耦合系数对比图，可见插入AlxGa1-xN层后机电耦合系数可提升到10.3％，较不加AlxGa1-xN层的情况下提升了32％。机电耦合系数的提升源于键合界面质量的改善，说明AlxGa1-xN层起到了应力调节层的积极作用。
以上所述的仅是本申请的优选实施方式，本发明不限于以上实施例。可以理解，本领域技术人员在不脱离本发明的精神和构思的前提下直接导出或联想到的其他改进和变化，均应认为包含在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种新型键合结构声表面波器件，其特征在于，由下至上依次包括支撑衬底、组分渐变层、压电基板和叉指换能器，所述组分渐变层用于提供声波的全反射，所述组分渐变层靠近衬底一侧的组分声速高于靠近压电基板一侧的组分声速，且组分沿生长方向线性变化；
所述组分渐变层靠近衬底一侧的组分为Si3N4、中间组分为SiOxN1-x、靠近压电基板一侧的组分为SiO2，其中0<x<1；所述Si3N4的组分声速高于所述SiO2的组分声速，所述SiOxN1-x的N组分渐变满足沿生长方向逐渐线性减小、O组分渐变满足沿生长方向逐渐线性增大，声表面波器件声学波的声阻抗在所述组分渐变层连续变化，且所述SiOxN1-x兼具Si3N4的波导效应和SiO2的温度补偿效应，所述SiOxN1-x的热膨胀系数介于SiO2与Si3N4之间，且连续变化；
或者，所述组分渐变层靠近衬底一侧的组分为AlN、中间组分为AlxGa1-xN、靠近压电基板一侧的组分为GaN，其中0<x<1；所述AlN的组分声速高于所述GaN的组分声速，所述AlxGa1-xN的Al组分渐变满足沿生长方向逐渐线性减小、Ga组分渐变满足沿生长方向逐渐线性增大，且所述AlxGa1-xN的电阻率随Al组分的增加而增大，用于抑制声学能量的泄露，声表面波器件的声学波的声阻抗在所述组分渐变层连续变化，所述AlxGa1-xN的热膨胀系数介于所述支撑衬底与压电基板之间，且连续变化。
2.根据权利要求1所述的新型键合结构声表面波器件，其特征在于，所述支撑衬底的材料为Si、SiC、蓝宝石或金刚石。
3.根据权利要求1所述的新型键合结构声表面波器件，其特征在于，所述压电基板的材料为YX15°-64°LiNbO3或YX36-48°LiTaO3单晶。
4.根据权利要求1所述的新型键合结构声表面波器件，其特征在于，所述叉指换能器的金属材料包括铜、铂、金、铁、铝、镍、钛、铬、钼、钽中的一种或两种以上组合，厚度为50-500nm。
5.一种新型键合结构声表面波器件的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括：
获取支撑衬底并清洗表面，在所述支撑衬底上制备组分渐变层；
获取压电基板并清洗表面，在压电基板表面进行离子注入处理；
将压电基板处理后的表面与承载所述组分渐变层的支撑衬底键合，所述组分渐变层靠近衬底一侧的组分声速高于靠近压电基板一侧的组分声速，且组分沿生长方向线性变化；
对键合结构进行热处理，对热处理后的压电基板依次进行化学机械磨抛、退火处理；
在所述压电基板上制备叉指换能器；
其中，在所述支撑衬底上制备组分渐变层，包括：
将所述支撑衬底置于生长反应腔内，在所述生长反应腔内还预设有硅板，在靠近衬底一侧通入反应气体Ar和N2，则在所述支撑衬底上生成Si3N4层，随着所述Si3N4层厚度增加，逐渐线性增加反应气体O2流量，同时线性减少N2流量，则在所述Si3N4层上生成SiOxN1-x层，其中0<x<1，直到N2流量为零、O2流量持续线性增加，则在所述SiOxN1-x层上生成SiO2层，所述SiO2层的生长厚度根据所需的温度特性可控，沿生长方向依次得到的所述Si3N4层、SiOxN1-x层和SiO2层构成组分渐变层，将所述组分渐变层从所述生长反应腔中取出；
所述Si3N4层的声速高于所述SiO2层的声速，所述SiOxN1-x层的N组分渐变满足沿生长方向逐渐线性减小、O组分渐变满足沿生长方向逐渐线性增大，声表面波器件声学波的声阻抗在所述组分渐变层连续变化，且所述SiOxN1-x层兼具所述Si3N4层的波导效应和SiO2层的温度补偿效应，所述SiOxN1-x层的热膨胀系数介于所述SiO2层与Si3N4层之间，且连续变化；
或者，将所述支撑衬底置于生长反应腔内，在靠近衬底一侧通入TMAl和NH3，则在所述支撑衬底上生成AlN层，随着所述AlN层厚度增加，逐渐线性增加TMGa分子流量，同时线性减少TMAl分子流量，则在所述AlN层上生成AlxGa1-xN层，其中0<x<1，直到TMAl分子流量为零、TMGa分子流量持续线性增加，则在所述AlxGa1-xN层上生成GaN层，沿生长方向依次得到的所述AlN层、AlxGa1-xN层和GaN层构成组分渐变层，将所述组分渐变层从所述生长反应腔中取出；
所述AlN层的声速高于所述GaN层的声速，所述AlxGa1-xN层的Al组分渐变满足沿生长方向逐渐线性减小、Ga组分渐变满足沿生长方向逐渐线性增大，且所述AlxGa1-xN的电阻率随Al组分的增加而增大，用于抑制声学能量的泄露，声表面波器件的声学波的声阻抗在所述组分渐变层连续变化，所述AlxGa1-xN的热膨胀系数介于所述支撑衬底与压电基板之间，且连续变化。
6.根据权利要求5所述的新型键合结构声表面波器件的制备方法，其特征在于，所述在压电基板表面进行离子注入处理，包括：
在压电基板表面进行离子注入处理，在压电基板厚度方向的预定位置处达到离子浓度最大值，离子注入深度大于等于所述压电基板的目标厚度，注入的离子为轻元素离子，包括氢离子、氦离子；
所述对键合结构进行热处理，包括：
对所述键合结构的加热过程中，位于所述压电基板预定位置以上的部分被分离，所述热处理的温度范围为200-400℃。
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