CN114189224A - 一种压电衬底的制备方法、压电衬底及声波器件 - Google Patents

Abstract

本发明涉及声波器件技术领域，特别涉及一种压电衬底的制备方法、压电衬底及声波器件。方法包括：获取支撑衬底；在支撑衬底上制作载流子俘获层；在载流子俘获层上制作介质层；在介质层上制作压电薄膜层；其中，支撑衬底靠近载流子俘获层的表面为第一表面，介质层靠近载流子俘获层的表面为第二表面；在介质层上制作压电薄膜层之前还包括在第一表面与第二表面之间制作散射界面，散射界面用于散射杂波。载流子俘获层可以有效抑制表面寄生电导效应，防止衬底的电阻率下降，从而改善压电衬底的损耗和失真。散射界面可以有效抑制声波器件中由多层结构的界面反射引起的杂波，从而提高器件在高频下的工作稳定性。

Description

一种压电衬底的制备方法、压电衬底及声波器件

技术领域

本发明涉及声波器件技术领域，特别涉及一种压电衬底的制备方法、压电衬底及声波器件。

背景技术

5G时代对射频滤波器提出了更多要求，在射频滤波器中，声表面波(SurfaceAcoustic Wave，SAW)器件受到了广泛的关注。SAW器件是利用声表面波对电信号进行模拟处理的器件，其频率范围约在107-109Hz。SAW器件是近代声学中的表面波理论、压电学研究成果和微电子技术有机结合的产物。所谓SAW，是在压电固体材料表面产生和传播、且振幅随深入固体材料的深度增加而迅速减小的弹性波。SAW有两个显著特点：一是能量密度高，其中约90％的能量集中于厚度等于一个波长的表面薄层中；二是传播速度慢，约为纵波速度的45％，是横波速度的90％。在多数情况下，SAW的传播速度为3000-5000m/s。根据这两个特性，人们研制出具有不同功能的SAW器件，而且可使这些不同类型的无源器件既薄又轻。

SAW器件对于温度的变化比较敏感，通过选用热膨胀系数或温度系数比较低的材料，可以实现温度补偿的效果。通常选用高阻硅作为支撑衬底以降低器件的损耗。然而在高频时，高阻硅和绝缘层之间会产生导电层，导致严重的寄生表面电导效应。此外，由于压电层和衬底层之间的平整界面层会反射泄露的声波，导致该种衬底中存在着不理想的干扰杂波，影响了器件在高频下的工作稳定性。

发明内容

本发明提供一种压电衬底、制备方法及声波器件，以解决现有技术中压电衬底结构中所存在的问题。

为解决上述技术问题，第一方面，本申请实施例公开了一种压电衬底的制备方法，包括：

获取支撑衬底；

在所述支撑衬底上制作载流子俘获层；

在所述载流子俘获层上制作介质层；

在所述介质层上制作压电薄膜层；

其中，所述支撑衬底靠近所述载流子俘获层的表面为第一表面，所述介质层靠近所述载流子俘获层的表面为第二表面；所述在所述介质层上制作压电薄膜层之前还包括在所述第一表面与所述第二表面之间制作散射界面，所述散射界面用于散射杂波。

进一步的，所述在所述第一表面与所述第二表面之间制作散射界面，包括：

将所述支撑衬底加热到预设温度；

采用预设能量的惰性气体离子按预设倾斜角度对所述第一表面进行轰击，以在所述第一表面制作出所述散射界面。

进一步的，所述预设能量为100ev-2Kev；所述预设倾斜角度大于等于50°。

进一步的，所述载流子俘获层靠近所述介质层的表面为第三表面；所述在所述第一表面与所述第二表面之间制作散射界面，还包括：

通过选择性刻蚀的方法在所述第三表面制作出所述散射界面。

进一步的，所述在所述载流子俘获层上制作介质层之前，还包括：

在所述载流子俘获层上制作界面层；

通过选择性刻蚀的方法在所述界面层上作出所述散射界面。

第二方面，本申请实施例公开了一种压电衬底，所述压电衬底为通过如上所述的压电衬底的制备方法制备得到。

第三方面，本申请实施例公开了一种声波器件，所述声波器件包括如上所述的压电衬底。

采用上述技术方案，本申请实施例所述的压电衬底、制备方法及声波器件具有如下有益效果：

通过在压电衬底结构中设置载流子俘获层来俘获自由载流子，可以有效抑制表面寄生电导效应，防止衬底的电阻率下降，从而改善压电衬底的损耗和失真。此外，通过在支撑衬底与介质层之间设置散射界面，可以有效抑制声波器件中由多层结构的界面反射引起的杂波，从而提高器件在高频下的工作稳定性。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，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他的附图。

图1为本申请实施例提供的一种压电衬底的制备方法的流程图；

图2为本申请实施例提供的一种压电衬底的制备方法的结构流程示意图；

图3为本申请实施例提供的另一种压电衬底的制备方法的结构流程示意图；

图4为本申请实施例提供的一种压电衬底的结构示意图；

图5为本申请实施例提供的另一种压电衬底的结构示意图；

图6为本申请实施例提供的一种单晶硅经离子轰击表面非晶化转变结构示意图。

以下对附图作补充说明：

101-支撑衬底；102-载流子俘获层；103-界面层；104-介质层；105-压电薄膜层；110-散射界面；111-第一散射界面；112-第二散射界面。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请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申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

此处所称的“一个实施例”或“实施例”是指可包含于本申请至少一个实现方式中的特定特征、结构或特性。在本申请的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“顶”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含的包括一个或者更多个该特征。而且，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，以便这里描述的本申请的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。

SAW器件主要包括支撑衬底和具有压电特性的压电材料以及在该压电材料的抛光面上制作的由金属薄膜组成的相互交错的叉指状换能器(Interdigital transducer，IDT)。如果在IDT电极两端加入高频电信号，压电材料的表面就会产生机械振动并同时激发出与外加电信号频率相同的表面声波，这种表面声波会沿基板材料表面传播。现有的压电衬底结构中，由于压电材料层和支撑衬底层之间的平整界面层会反射泄露的声波，导致该种衬底结构中存在着不理想的干扰杂波，影响了器件在高频下的工作稳定性。

有鉴于此，本申请实施例还提供了一种压电衬底的制备方法，图1为本申请实施例提供的一种压电衬底的制备方法的流程图，如图1所示，该方法包括：

S101：获取支撑衬底101。

本申请实施例中，图2和图3分别提供了一种压电衬底的制备方法的结构流程示意图，如图2和图3所示，首先选择单晶硅晶圆作为支撑衬底101，进一步的，支撑衬底101的材料为高阻硅，其阻值不小于1000Ω·cm。

在一个可选的实施方式中，如图2和图3所示，选取支撑衬底101后，对支撑衬底101的任一表面进行加工制作散射界面110，散射界面110用于散射杂波。具体地，采用低能惰性气体离子对支撑衬底101的表面进行轰击。可选的，用于离子轰击的离子能量为100ev-2Kev。在对支撑衬底101进行离子轰击时，离子束与支撑衬底101表面具有一定的倾斜角度，可选的，该角度为0-40°。在对支撑衬底101进行离子轰击之前，需要将支撑衬底101加热到预设温度，并且在对支撑衬底101进行离子轰击过程中保持温度不低于该预设温度。可选的，该预设温度大于等于500℃。通过对支撑衬底101进行离子轰击，能够在支撑衬底101表面制备出具有波纹状纳米结构的表面。该纳米结构为光栅型结构，其制备周期为30nm-300nm。该纳米结构的粗糙度为10nm-100nm。

S103：在支撑衬底101上制作载流子俘获层102。

本申请实施例中，如图2和图3所示，在支撑衬底101的表面制作载流子俘获层102。如果支撑衬底101的其中一个表面上制作了散射界面110，则载流子俘获层102制作在该散射界面110上，载流子俘获层102填充了散射界面110上的凹槽。可选的，载流子俘获层102的材质为多晶硅。以预设温度在支撑衬底101表面沉积多晶硅层，多晶硅层存在较多的内部缺陷，能够提供足够的晶界来俘获自由载流子。可选的，沉积多晶硅的方式为低压化学气相沉积Low Pressure Chemical Vapor Deposition，LPCVD。可选的，沉积的多晶硅层的预设温度为580℃-660℃。可选的，生长多晶硅层的厚度不小于1000nm。

在一个可选的实施方式中，如图2所示，在载流子俘获层102制作完成后，对载流子俘获层102的表面进行加工制作散射界面110。该散射界面110的粗糙度为10nm-100nm。可选的，该散射界面110可以是具有不规律微结构的表面，也可以是具有规律微结构的表面。可选的，通过在载流子俘获层102上表面通过选择性刻蚀的方法制备散射界面110。具体地，采用湿法刻蚀或干法刻蚀的方式进行加工。首先在载流子俘获层102表面制备起到保护作用掩膜，然后对载流子俘获层102进行湿法刻蚀或干法刻蚀。对于未被掩膜图形所覆盖的区域来说，会被会被刻蚀，最终形成具有周期性结构的纳米微结构，在宏观上粗糙界面，即散射界面110。需要说明的是，本申请实施例中优选采用干法刻蚀的方法对载流子俘获层102进行刻蚀。干法刻蚀的刻蚀精度更高。可选的，所选用的干法刻蚀可以使用反应离子刻蚀Reactive Ion Etching，RIE的方式，也可以使用等离子体刻蚀，例如感应耦合等离子体刻蚀(Inductively Coupled Plasma，ICP技术进行刻蚀。刻蚀气体可以选用含氟CHF₃、CBrF₃、CF₄、SF₆或NF₃等气体。在一些实施方式中，还可以采用低能离子对载流子俘获层102的表面进行轰击，以在载流子俘获层102表面制备出散射界面110。

在另一个可选的实施方式中，如图3所示，在载流子俘获层102制作完成后，在载流子俘获层102的表面制备界面层103，用以制作散射界面110。可选的，界面层103的材质为多晶硅或多晶碳化硅。可选的，界面层103可以采用化学气相沉积Chemical VaporDeposition，CVD的方法制作。在界面层103制作完成后，对界面层103的表面进行加工制作散射界面110。该散射界面110的粗糙度为10nm-100nm。可选的，该散射界面110可以是具有不规律微结构的表面，也可以是具有规律微结构的表面。可选的，通过在界面层103上表面通过选择性刻蚀的方法制备散射界面110。具体地，采用湿法刻蚀或干法刻蚀的方式进行加工。首先在界面层103表面制备起到保护作用掩膜，然后对界面层103进行湿法刻蚀或干法刻蚀。对于未被掩膜图形所覆盖的区域来说，会被会被刻蚀，最终形成具有周期性结构的纳米微结构，在宏观上粗糙界面，即散射界面110。需要说明的是，本申请实施例中优选采用干法刻蚀的方法对界面层103进行刻蚀。干法刻蚀的刻蚀精度更高。可选的，所选用的干法刻蚀可以使用反应离子刻蚀的方式，也可以使用等离子体刻蚀，例如感应耦合等离子体刻蚀技术进行刻蚀。刻蚀气体可以选用含氟CHF₃、CBrF₃、CF₄、SF₆或NF₃等气体。在一些实施方式中，还可以采用低能离子对界面层103的表面进行轰击，以在界面层103表面制备出散射界面110。

S105：在载流子俘获层102上制作介质层104。

本申请实施例中，如图5和图6所示，介质层104具有较小热膨胀系数或温度系数，选用的材料包括但不仅限于氧化硅、氮化硅、氮化铝等。介质层104通过表面沉积的方法制备在载流子俘获层102或界面层103上。当介质层104制作在界面层103上时，且界面层103采用多晶碳化硅材料制备时，可选的，通过在多晶碳化硅层表面沉积非晶硅并热氧化制备介质层104。界面层103的材质选用多晶碳化硅，可以防止上层作为介质层104的非晶硅层被过氧化。

S107：在介质层104上制作压电薄膜层105。

本申请实施例中，如图5和图6所示，介质层104制作完成后，在介质层104上制作压电薄膜层105作为有源层。可选的，制作压电薄膜层105的材料包括铌酸锂或钽酸锂。可选的，压电薄膜层105的转移方法可以为离子注入与键合剥离、研磨减薄以及外延中的一种。作为一种可选的实施方式，在介质层104上制作压电薄膜层105具体可以为：获取压电材料的体晶圆，如钽酸锂晶圆、铌酸锂晶圆等，然后对压电材料的体晶圆进行离子注入，以在压电材料的体晶圆内引入缺陷。可选的，注入离子可以为氢离子、氦离子、或氢氦离子共注等。在对压电材料的体晶圆进行离子注入后，将压电材料的体晶圆与介质层104键合，形成键合体。退火使压电材料的体晶圆沿缺陷剥离，在介质层104上形成异质压电薄膜层105。在一些实施例中，在介质层104上转移压电薄膜层105之前需要对介质层104进行平坦化处理，以确保薄膜质量，且降低声波器件损耗。在另一些实施例中，在介质层104上制作压电薄膜层105后，还可以对压电薄膜层105进行表面处理，去除表面的损伤层，提高薄膜质量。具体的，采用化学机械抛光的方式使压电薄膜层105减薄到指定厚度，并去除表面损伤层。

本申请实施例还提供了一种压电衬底，该压电衬底通过如上所述的压电衬底制备方法制备得到。

本申请实施例中，图4为本申请实施例提供的一种压电衬底的结构示意图，如图4所示，该压电衬底包括：

支撑衬底101、载流子俘获层102、介质层104和压电薄膜层105。载流子俘获层102设置在支撑衬底101上。介质层104设置在载流子俘获层102上。压电薄膜层105设置在介质层104上。支撑衬底101靠近载流子俘获层102的表面为第一表面，介质层104靠近载流子俘获层102的表面为第二表面，第一表面与第二表面之间设置有散射界面110，散射界面110用于散射杂波。

本申请实施例中，支撑衬底101用于支撑压电薄膜层105。支撑衬底101的材质为单晶硅。可选的，支撑衬底101选用高阻硅衬底，以降低器件损耗。可选的，高阻硅衬底的阻值大于等于1000Ω·cm。支撑衬底101上设置有载流子俘获层102，用于俘获自由载流子。可选的，载流子俘获层102的材质选用多晶硅材质。多晶硅材质制作而成的载流子俘获层102中存在较多的内部缺陷，这些缺陷能够提供足够的晶界，大量晶界可以俘获自由载流子，从而改善衬底的损耗和失真。载流子俘获层102上设置有介质层104，介质层104主要用于作为将电隔离层支撑衬底101与压电薄膜隔开。而且介质层104还能够用于对射频器件进行温度补偿，从而提高高频下工作稳定性。介质层104还用于作为键合层，以提高压电薄膜的键合强度。可选的，介质层104选择具有较小热膨胀系数或温度系数的电绝缘材料制备，以提供较好的温度补偿效应。同时也提供与压电薄膜层105进行键合的平滑界面。压电薄膜层105设置在介质层104上，压电薄膜层105选用压电材料制作而成，压电薄膜层105作为有源层用于声波器件的制备。可选的，压电薄膜层105的材质包括铌酸锂或钽酸锂等。

本申请实施例中，为了解决压电衬底中存在干扰杂波的问题，本申请实施例通过在支撑衬底101与介质层104之间引入一层粗糙度较高的散射界面110，以将干扰杂波散射掉，避免干扰杂波影响SAW器件在高频下的工作稳定性。可选的，压电衬底中可以设置一层散射界面110来抑制声波器件中由多层结构的界面反射引起的杂波，也可以设置两层或多层散射界面110来抑制声波器件中由多层结构的界面反射引起的杂波。可选的，散射界面110的粗糙度为10nm-100nm，即散射界面110中凸起或凹陷的尺寸为10nm-100nm。

作为一种可选的实施方式，如图4所示，压电衬底中设置有一层散射界面110。该散射界面110可以是支撑衬底101与载流子俘获层102相接触的界面。散射界面110也可以是载流子俘获层102与支撑衬底101相接触的界面。散射界面110也可以是载流子俘获层102与介质层104相接触的界面。散射界面110也可以是介质层104与载流子俘获层102相接触的界面。散射界面110还可以是通过在载流子俘获层102与介质层104之间设置界面层103，进而在对界面层103的表面进行加工制作而成的界面。可选的，界面层103的材质为多晶硅或多晶碳化硅。

作为另一种可选的实施方式，压电衬底中设置有两层散射界面110。即散射界面110包括第一散射界面111和第二散射界面112。可选的，第一散射界面111为第一表面，即支撑衬底101与载流子俘获层102相接触的界面。第一散射界面111可以是具有不规律微结构的表面，也可以是具有规律微结构的表面。可选的，第一散射界面111为具有规律微结构的表面，该微结构可以是光栅型结构。可选的，光栅型结构的周期为30nm-300nm。第二散射界面112可以是载流子俘获层102与介质层104相接触的界面。第二散射界面112也可以是介质层104与载流子俘获层102相接触的界面。图2为本申请实施例提供的另一种压电衬底的结构示意图，如图5所示，第二散射界面112还可以是通过在载流子俘获层102与介质层104之间设置界面层103，进而在对界面层103的表面进行加工制作而成的界面。可选的，界面层103的材质为多晶硅或多晶碳化硅。第一散射界面111和第二散射界面112共同构成上下的双层散射界面110，可以有效抑制声波器件中由多层结构的界面反射引起的杂波。

在一个可选的实施方式中，第一散射界面111为在支撑衬底101表面通过低能离子轰击制备而成的具有波纹状纳米结构的表面。该具有波纹状纳米结构的表面一方面可以加大与沉积的载流子俘获层102的接触面积，另一方面能够提供具有确定粗糙度的表面作为第一散射界面111。需要说明的是，由于在室温条件下，图6为本申请实施例提供的一种单晶硅经离子轰击表面非晶化转变结构示意图，如图6所示，载能离子对单晶衬底表面的轰击会在纳米结构中引入大量的缺陷甚至导致表面非晶化。因此，在对支撑衬底101表面进行低能离子轰击时，需要对支撑衬底101进行加热，加热温度高于支撑衬底101材料再结晶温度，从而使支撑衬底101将保持单晶特性。

本申请实施例所述的压电衬底，通过在压电衬底结构中设置载流子俘获层102来俘获自由载流子，可以有效抑制表面寄生电导效应，防止衬底的电阻率下降，从而改善压电衬底的损耗和失真。此外，通过在支撑衬底101与介质层104之间设置散射界面110，可以有效抑制声波器件中由多层结构的界面反射引起的杂波，从而提高器件在高频下的工作稳定性。

本申请实施例还提供了一种声波器件，声波器件包括如上所述的压电衬底。

本申请实施例中，声波器件可以是谐振器、滤波器等器件，声波器件中包括如上所述的压电衬底，关于压电衬底的具体结构，请参照上文描述压电衬底的全部方式。

以上所述仅为本申请的较佳实施例，并不用以限制本申请，凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种压电衬底的制备方法，其特征在于，包括：

获取支撑衬底(101)；

在所述支撑衬底(101)上制作载流子俘获层(102)；

在所述载流子俘获层(102)上制作介质层(104)；

在所述介质层(104)上制作压电薄膜层(105)；

其中，所述支撑衬底(101)靠近所述载流子俘获层(102)的表面为第一表面，所述介质层(104)靠近所述载流子俘获层(102)的表面为第二表面；所述在所述介质层(104)上制作压电薄膜层(105)之前还包括在所述第一表面与所述第二表面之间制作散射界面(110)，所述散射界面(110)用于散射杂波。

2.根据权利要求1所述的压电衬底，其特征在于，所述散射界面(110)的粗糙度为10nm-100nm。

3.根据权利要求2所述的压电衬底，其特征在于，所述散射界面(111)为光栅型结构，所述光栅型结构的周期为30nm-300nm。

4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述在所述第一表面与所述第二表面之间制作散射界面(110)，包括：

将所述支撑衬底(101)加热到预设温度；

采用预设能量的惰性气体离子按预设倾斜角度对所述第一表面进行轰击，以在所述第一表面制作出所述散射界面(110)。

5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述预设能量为100ev-2Kev；所述预设倾斜角度大于等于50°。

6.根据权利要求1-5任一项所述的制备方法，其特征在于，所述载流子俘获层(102)靠近所述介质层(104)的表面为第三表面；所述在所述第一表面与所述第二表面之间制作散射界面(110)，还包括：

通过选择性刻蚀的方法在所述第三表面制作出所述散射界面(110)。

7.根据权利要求1-5任一项所述的制备方法，其特征在于，所述在所述载流子俘获层(102)上制作介质层(104)之前，还包括：

在所述载流子俘获层(102)上制作界面层(103)；

通过选择性刻蚀的方法在所述界面层(103)上作出所述散射界面(110)。

8.根据权利要求1或5所述的压电衬底，其特征在于，在所述介质层(104)上制作压电薄膜层(105)所采用的方法包括离子注入与键合剥离、研磨减薄或外延中的任意一种。

9.一种压电衬底，其特征在于，所述压电衬底为通过权利要求1-8任一项所述的压电衬底的制备方法制备得到。

10.一种声波器件，其特征在于，所述声波器件包括如权利要求9所述的压电衬底。

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