CN114124023B - 一种多层同质的压电结构及制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多层同质的压电结构及制备方法，包括单晶压电层、设置于所述单晶压电层上表面的图案化电极换能器组件，以及位于所述单晶压电层中预设深度处的至少一层反射层；所述反射层与所述单晶压电层为同质材料，并且所述反射层由所述单晶压电层通过离子注入改性而成，以使得所述反射层与所述单晶压电层的声速不同。本发明仅利用离子注入技术，通过调控注入能量和注入剂量，即可在单晶压电层中插入至少一层同质但经由改性而成的反射层，增强对声波的纵向反射，减小能量损耗，提高谐振频率，增大器件的品质因数，大大简化制备工艺，降低成本。

Description

一种多层同质的压电结构及制备方法

技术领域

本发明涉及半导体技术领域，尤其涉及一种多层同质的压电结构及制备方法。

背景技术

5G时代的到来，新兴发展的前沿通信应用，如物联网技术和认知无线电技术的发展，提出了相对于4G无线通信标准的更高工作频率、更大带宽的滤波器和振荡器元件的需求，这将带来对更高频、更大机电耦合系数和更低损耗的声波谐振器的需求。

基于传统压电单晶体材料结构的声波谐振器，只能激发声速很低的声波模式，而且由于厚度方向上没有声阻抗的差异，导致在厚度方向上没有足够的声波反射限制，激发的所有模式都会向衬底内泄露造成能量损耗，或者与体声波耦合造成巨大的能量损失，因而器件工作频率低，品质因数低，器件损耗大。

现有技术中，常常采用多层反射结构，将多层声阻抗不同的材料堆叠起来，在纵向(厚度方向)上形成布拉格反射镜，将在压电层中传播但会向下泄露的高声速声波能量反射回压电层内部，减小在厚度方向上向衬底的泄露或与体声波的耦合辐射造成的损耗；得益于这种多层结构对高声速声波能量的完美限制，可以获得更高速声波模式的激发、限制与应用，而无需单调地减小声波谐振器的波长以获得高频应用；但是，由于硅衬底体声波声速的限制，一些器件无法激发高声速模式，再加上器件尺寸的限制，导致其工作频率较低；而对于具有多层结构的器件，其中作为高声速层的金属材料(如钨，铂)具有极佳的声波反射效果，但考虑到金属材料会与器件表层的金属电极形成寄生电容，恶化器件性能(如机电耦合系数减小，品质因数降低等)，生产时除了需要多层镀膜工艺外，还需要额外的金属刻槽工艺，将作为高声速层的金属材料图案化，减弱寄生电容的产生，但此工艺极其复杂，工艺成本极高。

因此，需要一种多层同质的压电结构及制备方法，能够提升器件的品质因数，减小损耗，同时制备工艺简单，成本低。

发明内容

针对上述现有技术中存在的问题，本发明提供了一种多层同质的压电结构及制备方法，能够实现更高速声波模式的有效激发、限制与应用，提升器件的品质因数，减小损耗，同时能够简化制备工艺，降低制备成本。

所述技术方案如下：

本发明提供了一种多层同质的压电结构，包括单晶压电层、设置于所述单晶压电层上表面的图案化电极换能器组件，以及位于所述单晶压电层中预设深度处的至少一层反射层；

所述反射层与所述单晶压电层为同质材料，并且所述反射层由所述单晶压电层通过离子注入改性而成，以使得所述反射层与所述单晶压电层的声速不同。

进一步地，所述反射层包括高声速层和低声速层中的至少一层，所述高声速层的厚度为300～1000nm，所述低声速层的厚度为150～1000nm。

进一步地，所述反射层为一层，一层所述反射层为高声速层。

进一步地，所述反射层为两层，两层所述反射层分别为高声速层和低声速层。

进一步地，所述反射层为多层，多层所述反射层为低声速层与高声速层循环堆叠结构。

进一步地，所述单晶压电层为铌酸锂、铌酸钾、钽酸锂、氮化铝、石英或氧化锌中的任意一种。

进一步地，所述离子注入的离子种类包括氢、氦、氮、氧、碳、硅、硼和磷中的至少一种。

进一步地，所述单晶压电层的表面还包括温度补偿层和电极绝缘层中的至少一种。

本发明还提供一种多层同质的压电结构的制备方法，用于制备以上所述的多层同质的压电结构，包括：

提供单晶压电层的衬底；

通过至少一次离子注入对所述单晶压电层内部进行改性，在所述单晶压电层中形成声速不同的至少一层反射层，得到具有多层结构的所述单晶压电层；其中，所述反射层的厚度和改性程度分别由所述离子注入的注入能量和注入剂量确定；

于所述单晶压电层上表面形成多个叉指电极和多个反射电极，得到所述多层同质的压电结构。

进一步地，在所述通过至少一次离子注入对所述单晶压电层内部进行改性，在所述单晶压电层中形成声速不同的至少一层反射层，得到具有多层结构的所述单晶压电层之后，所述方法还包括：

在预设温度下退火一定时间，在所述单晶压电层中生成气体层，得到原位悬空的所述单晶压电层。

实施本发明，具有如下有益效果：

1、本发明在单晶压电层的体材料内部插入单层或多层与体材料的晶格常数、弹性系数、密度和阻抗等性质存在差异的反射层，增强对体材料中某些模式的波纵向的反射，减小声波向衬底内的泄露或者与体声波耦合造成的能量损耗，提高谐振频率，增大器件的品质因数；并且，本发明加强了声波反射限制，能够获得更高速声波模式的有效激发与应用。

2、本发明仅通过离子注入技术即可对单晶压电层的特定深度处特定厚度的材料进行改性，进而实现多层结构的制备，而反射层本质上仍与单晶压电层为同质材料，无需多层镀膜工艺，也无需金属刻槽工艺，无需键合剥离转移工艺，大大简化高质量多层结构反射层的制备过程。

3、本发明利用离子注入的高斯分布特性，通过控制离子注入的注入能量和注入剂量，能够调控反射层的厚度和改性程度，形成多种多样的布拉格反射镜结构，自由度高，适用范围广泛。

附图说明

为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对实施例中所使用的附图作简单的介绍，其中相同的零部件用相同的附图标记表示。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它附图。

图1为本发明提供的反射层为一层的多层同质的压电结构的结构示意图；

图2为本发明提供的反射层为两层的多层同质的压电结构的结构示意图；

图3为本发明提供的反射层为多层的多层同质的压电结构的结构示意图；

图4为本发明实施例4提供的多种多层同质的压电结构的性能分析结果的示意图。

其中，图中附图标记对应为：1-单晶压电层，11-单晶压电薄膜，12-单晶压电衬底，2-反射层，21-高声速层，22-低声速层，3-图案化电极换能器组件。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例，因此不能理解为对本发明的限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便本发明的实施例能够以除了下述图示或下述描述以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或服务器不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

实施例1

本发明提供一种多层同质的压电结构，如说明书附图1-3所示，包括单晶压电层1、设置于单晶压电层1上表面的图案化电极换能器组件3，以及位于单晶压电层1中预设深度处的至少一层反射层2；其中，反射层2是通过离子注入技术进行改性来形成的，即反射层2与单晶压电层1本质上仍属于同质材料；而通过调控每次离子注入的注入剂量，能够控制反射层2每层在单晶压电层1中的改性程度，通过调控每次离子注入的注入能量，能够控制反射层2每层的厚度，同时，反射层2发生改性的深度也是取决于注入能量的，则能够通过注入能量和注入剂量的配合，在提供的单晶压电层1表面下方特定深度处形成一层或多层改性的反射层2，改变反射层2材料的晶格常数、弹性系数、密度和阻抗等，使得反射层2表现出与原本的单晶压电层1体材料不同的声速性能，即反射层2与单晶压电层1的声速不同，并且，经过离子注入改性后的反射层2将单晶压电层1分割为上下两层，位于反射层2上方的为单晶压电薄膜11，位于反射层2下方的为单晶压电衬底12，则借助反射层2在器件结构纵向的反射效果，能够将高声速、大机电耦合系数的声波模式限制在器件表面的单晶压电层1、即单晶压电薄膜11内，达到高频、大带宽、高品质因数的高综合性能。

具体地，在本说明书的一个可能的实施方式中，单晶压电层1的体材料可选为铌酸锂、铌酸钾、钽酸锂、氮化铝、石英或氧化锌中的任意一种，降低离子注入的难度，降低成本。

具体地，在本说明书的一个可能的实施方式中，表层的单晶压电薄膜11的厚度为200～800nm。

具体地，在本说明书的一个可能的实施方式中，如说明书附图1所示，反射层2仅为一层，则根据实际需求的不同，该反射层2可以为高声速层21；其中，利用离子注入的高斯分布特性，在特定深度处进行离子注入以提高该特定深度处的单晶压电层1体材料的弹性系数，同时减小该处体材料的密度，从而获得比表面单晶压电薄膜11声速更高的材料特性，此时获得的反射层2即为一层高声速层21，能够将纵向声波能量反射回单晶压电薄膜11内，而不会对表面为单晶特性的压电材料造成损伤。

离子注入能够改变单晶压电层1体材料的弹性系数和密度，而采用不同的离子进行注入，或者注入的离子大小不同，导致的体材料的密度变化也不同，大半径离子会导致晶格密度减小，弹性系数增大，从而导致该层材料的声速增大，形成高声速层21；而小半径离子会导致晶格密度基本不变，但弹性系数减小，从而导致该层材料的声速降低，形成低声速层；可选地，在本说明书的一个可能的实施方式中，离子注入的离子种类包括氢、氦、氮、氧、碳、硅、硼和磷中的至少一种，根据实际需求，可以选择一种离子进行改性，也可以选择两种或者两种以上离子组合对单晶压电层1进行改性，得到所需的反射层2，能够得到反射多种声速范围的多层同质的压电结构，适用范围广泛。

具体地，在本说明书的一个可能的实施方式中，高声速层21的厚度为300～1000nm。具体地，在本说明书的一个可能的实施方式中，图案化电极换能器组件3中的各个电极的材质可以选择铝、金、铬、钨、钛、铜和银中至少一种金属或多种金属的合金材料。

具体地，在本说明书的一个可能的实施方式中，在单晶压电层1的表面还可以设置温度补偿层，以补偿压电单晶层1的材料在工作时随温度变化带来的工作频率漂移，避免因温度升高引起的电极失效现象；在本说明书的另一个可能的实施方式中，也可以设置一层电极绝缘层或者介质层，以保护电极。

本实施例还提供一种多层同质的压电结构的制备方法，用于制备该多层同质的压电结构，包括：

S1，提供单晶压电层的衬底；

S2，通过离子注入对单晶压电层内部进行改性，在单晶压电层中形成与单晶压电薄膜声速不同(或者声阻抗不同)的一层反射层，得到具有多层结构的单晶压电层；其中，反射层的厚度和改性程度分别由所述离子注入的注入能量和注入剂量确定；

S3，于所单晶压电层上表面形成多个叉指电极和多个反射电极，得到多层同质的压电结构。

具体地，在本说明书的一个可能的实施方式中，注入能量为25～160keV，注入剂量为10¹⁴～10¹⁷/cm²。

具体地，在本说明书的一个可能的实施方式中，在上述S2步骤之后，该制备方法还包括：

在预设温度下退火一定时间，在单晶压电层中生成气体层，得到原位悬空的单晶压电层。

通过退火处理能够调节密度和弹性系数的恢复程度或者变形程度，在气体离子注入后，不同的预设温度下，退火时发生的反应也不同，则通过选取合适的预设温度和退火时间，气体离子能够聚集在该单晶压电衬底12中生成一层气体层，从而将上层的单晶压电薄膜11与下层材料分离开，形成原位的悬空器件，进一步提升器件的工作性能。

具体地，在本说明书的一个可能的实施方式中，预设温度为150～450℃，退火时间为1小时～10小时。本发明提供的多层同质的压电结构可以应用于声表面波谐振器，也可以应用于声体波谐振器；通过该制备方法制备的多层同质的压电结构能够允许单晶压电薄膜11内激发并利用的声波模式大大扩增，包括零阶、一阶和高阶瑞利波、水平剪切波、对称型兰姆波、反对称型兰姆波、厚度剪切波、厚度伸缩波及准体波中的一种，也可以同时激发两种及以上声波模式，甚至同时激发上述所有声波模式，实现更多更高速声波模式的有效激发、限制和应用，提高谐振频率，提高品质因数。

此外，在本发明还提供一种该多层同质的压电结构在异质衬底所形成的声波谐振器中的应用，则在制备得到该多层同质的压电结构之前，所述制备方法还可以包括：

提供一高声速异质衬底；

将单晶压电层键合到所述高声速异质衬底上，得到压电膜-高声速异质衬底的异质结构。

其中，高声速异质衬底可以为碳化硅和金刚石等材料；而在本说明书的一个可能的实施方式中，可以通过注入、键合剥离、转移的技术，或者镀膜工艺，或者直接键合的方式，将较厚的单晶压电层1(单晶压电衬底12一侧)键合到高声速衬底后，再将其磨成膜状；例如，将150μm的单晶压电层1直接键合，之后磨至2μm，形成压电膜-高声速异质衬底的异质结构。

而在此之后，可以基于该异质结构，在上述压电膜，即单晶压电层1中进行离子注入从而改性，本质上仍旧是在单晶压电层1内一定深度处进行改性，得到与单晶压电层1同质的反射层，但是，增加的一层高声速异质衬底作为整个声波谐振器中的一部分，能够进一步提升声波谐振器的整体性能，提高声波谐振器的品质因数。

实施例2

如说明书附图2所示，本实施例与实施例1的不同之处在于，为了更好地限制高声速声波能量，反射层2为两层，两层反射层2分别为一层高声速层21和一层低声速层22，利用离子注入除了能形成高声速层21，还能够降低特定深度处单晶压电层1体材料的弹性系数，同时增大该处体材料的密度，从而获得比表面单晶压电薄膜11声速更低的材料特性，此时获得的反射层2即为一层低声速层22；根据实际需求，当高声速层21在下而低声速层22在上时，声波谐振器的器件效果更好。

具体地，在本说明书的一个可能的实施方式中，低声速层22的厚度为150～1000nm。

而制备反射层2时的在一定深度位置处的改性程度取决于注入剂量，某一层反射层2的厚度取决于注入能量，则要获得多层反射层2可以通过多次多种注入能量和注入剂量决定；例如，制备如图2所示的多层同质的压电结构，其制备方法包括：

S1，提供单晶压电层的衬底；

S2-1，通过离子注入对单晶压电层内部进行改性，在单晶压电层中插入一层声速小于表层单晶压电薄膜的低声速层；

S2-2，通过离子注入，在单晶压电层中再次插入一层声速大于表层单晶压电薄膜的高声速层；

S3，于所单晶压电层上表面形成多个叉指电极和多个反射电极，得到多层同质的压电结构。

即实施例1中的S2步骤可以根据实际需要分为多步执行，并且对于如图2的同一种结构，以上S2-1和S2-2步骤也是可以交换顺序进行的，本发明并不限制高声速层与低声速层形成的先后顺序。

实施例3

如说明书附图3所示，本实施例与实施例1的不同之处在于，反射层2为多层，多层反射层2为一层高声速层21和一层低声速层22交替的循环堆叠结构，从而形成一种多层堆叠的布拉格反射镜结构；而由于离子的注入、分布和聚集，位于特定深度处的反射层2的性质发生改变，沿某些晶面的材料参数也发生改变，能够利用多层反射层2以及单晶压电薄膜11之间的阻抗差异反射和限制特定模式的声波，增强对材料中某些模式的声波纵向的反射，从而加强限制，将纵向声波能量有效地反射回单晶压电薄膜11内，提升谐振频率，增大器件的品质因数，减小损耗；在本说明书的一个可能的实施方式中，低声速层22的厚度也可以为150～1000nm；此外，根据实际需求，最上方的一层可以是高声速层21，也可以是高声速层21，而制备时可以将S2-1和S2-2步骤交替进行以得到布拉格反射镜结构，即先形成高声速层还是先形成低声速层的多层同质的压电结构都在本发明的保护范围之内。

实施例4基于LN的多层同质的压电结构的性能分析

以X切LN(铌酸锂)压电单晶材料制备本发明的多层同质的压电结构作为示例进行性能分析，以X切LN压电单晶材料作为单晶压电薄膜，以及基于LN改性的多层结构作为厚度方向反射层制备固态装配型声波谐振器；例如，单晶压电薄膜的厚度均为420nm，采用120nm铝电极作为图案化电极换能器组件，占空比为0.5，制备5组(a～e组)多层同质的压电结构，如说明书附图4所示，其结构及性能测试结果如下：

a.采用一整块单晶压电衬底材料，而不注入，激发的声波波长λ为2μm；如图4中a曲线所示，其目标模式出现了瑞丽模式和零阶水平剪切波SH0模式，工作频率在小于2GHz的水平，且SH0模式明显已经泄露，频率低，损耗大；

b.从上至下插入一层150nm低声速层和一层1000nm高声速层，激发的声波波长λ为2μm；如图4中b曲线所示，其目标模式出现了零阶水平剪切波SH0模式，即原本能激发的模式，只是a组的器件结构限制不好，泄露损耗严重；并且，在本组情况下，工作频率提高到2GHz，谐振峰尖了很多，表明泄露明显减弱，声波能量完美限制在表层的单晶压电薄膜中；

c.仅插入一层1000nm高声速层，激发的声波波长λ为2μm；如图4中c曲线所示，其目标模式同样出现零阶水平剪切波SH0模式，即原本能激发的模式，只是a组的器件结构限制不好，泄露损耗严重；并且，在本组情况下，工作频率进一步提高,谐振峰尖，泄露明显减弱，声波能量完美限制在表层的单晶压电薄膜中；

d.从上至下插入一层150nm低声速层和一层1000nm高声速层，激发的声波波长λ为1.6μm；如图4中d曲线所示，其目标模式出现零阶水平剪切波SH0模式，而减小了激发的声波波长，频率可以进一步增大到3GHz以上；

e.从上至下插入一层150nm低声速层和一层1000nm高声速层，激发的声波波长λ为2μm；如图4中e曲线所示，其目标模式出现了纵波S0模式，激发了原本结构中无法激发的高声速模式，并且能够很好地限制住，频率进一步提高，能够高达3.5GHz以上。

可见，本发明的多层同质的压电结构不仅能够对压电材料内原本就能激发的声波模式进行更好更强的限制，减小损耗，提高品质因数，还能够获得更高速声波模式的有效激发、限制与应用，从而提高限制的模式声速，实现高频、大带宽和高品质因数的工作。

通过上述的几个实施例可以看出，本发明具有以下有益效果：

1、本发明在单晶压电层的体材料内部插入单层或多层与体材料的晶格常数、弹性系数、密度和阻抗等性质存在差异的反射层，增强对体材料中某些模式的波纵向的反射，减小声波向衬底内的泄露或者与体声波耦合造成的能量损耗，提高谐振频率，增大器件的品质因数；并且，本发明加强了声波反射限制，能够获得更高速声波模式的有效激发与应用，激发的高声速模式的频率能够高达3.5GHz以上。

2、本发明仅通过离子注入技术即可对单晶压电层的特定深度处特定厚度的材料进行改性，进而实现多层结构的制备，而反射层本质上仍与单晶压电层为同质材料，无需多层镀膜工艺，也无需金属刻槽工艺，无需键合剥离转移工艺，大大简化高质量多层结构反射层的制备过程。

3、本发明利用离子注入的高斯分布特性，通过控制离子注入的注入能量和注入剂量，能够调控反射层的厚度和改性程度，形成多种多样的布拉格反射镜结构，自由度高，适用范围广泛。

以上所描述的仅为本发明的一些实施例而已，并不用于限制本发明，本行业的技术人员应当了解，本发明还会有各种变化和改进，任何依照本发明所做的修改、等同替换和改进都落入本发明所要求的保护的范围内。

Claims (10)

1.一种多层同质的压电结构，其特征在于，包括单晶压电层(1)、设置于所述单晶压电层(1)上表面的图案化电极换能器组件(3)，以及位于所述单晶压电层(1)中预设深度处的至少一层反射层(2)；

所述反射层(2)与所述单晶压电层(1)为同质材料，并且所述反射层(2)由所述单晶压电层(1)通过离子注入改性而成，以使得所述反射层(2)与所述单晶压电层(1)的声速不同。

2.根据权利要求1所述的一种多层同质的压电结构，其特征在于，所述反射层(2)包括高声速层(21)和低声速层(22)中的至少一层，所述高声速层(21)的厚度为300～1000nm，所述低声速层(22)的厚度为150～1000nm。

3.根据权利要求1所述的一种多层同质的压电结构，其特征在于，所述反射层(2)为一层，一层所述反射层(2)为高声速层(21)。

4.根据权利要求1所述的一种多层同质的压电结构，其特征在于，所述反射层(2)为两层，两层所述反射层(2)分别为高声速层(21)和低声速层(22)。

5.根据权利要求1所述的一种多层同质的压电结构，其特征在于，所述反射层(2)为多层，多层所述反射层(2)为低声速层(22)与高声速层(21)循环堆叠结构。

6.根据权利要求1所述的一种多层同质的压电结构，其特征在于，所述单晶压电层(1)为铌酸锂、铌酸钾、钽酸锂、氮化铝、石英或氧化锌中的任意一种。

7.根据权利要求1所述的一种多层同质的压电结构，其特征在于，所述离子注入的离子种类包括氢、氦、氮、氧、碳、硅、硼和磷中的至少一种。

8.根据权利要求1所述的一种多层同质的压电结构，其特征在于，所述单晶压电层(1)的表面还包括温度补偿层和电极绝缘层中的至少一种。

9.一种多层同质的压电结构的制备方法，用于制备如权利要求1-8任一项所述的多层同质的压电结构，其特征在于，包括：

提供单晶压电层的衬底；

通过至少一次离子注入对所述单晶压电层内部进行改性，在所述单晶压电层中形成声速不同的至少一层反射层，得到具有多层结构的所述单晶压电层；其中，所述反射层的厚度和改性程度分别由所述离子注入的注入能量和注入剂量确定；

于所述单晶压电层上表面形成多个叉指电极和多个反射电极，得到所述多层同质的压电结构。

10.根据权利要求9所述的一种多层同质的压电结构的制备方法，其特征在于，在所述通过至少一次离子注入对所述单晶压电层内部进行改性，在所述单晶压电层中形成声速不同的至少一层反射层，得到具有多层结构的所述单晶压电层之后，所述方法还包括：

在预设温度下退火一定时间，在所述单晶压电层中生成气体层，得到原位悬空的所述单晶压电层。