CN117118388B - 一种多层复合晶圆及薄膜弹性波器件 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种多层复合晶圆及薄膜弹性波器件，多层复合晶圆包括依次叠层设置的支撑衬底、模态调控层、功能层以及压电层；其中，支撑衬底的材质至少需要满足如下要求：支撑衬底的剪切波声速大于薄膜弹性波器件的零阶水平剪切波声速；模态调控层至少需要满足如下要求：模态调控层的剪切波声速小于薄膜弹性波器件中的零阶水平剪切波声速。本发明提供的技术方案，以实现对各声波模态的有效调控，强化主波信号，抑制杂波信号，进一步优化薄膜弹性波器件的性能。
Description
技术领域
本发明涉及声波器件技术领域，尤其涉及一种多层复合晶圆及薄膜弹性波器件。
背景技术
弹性波器件(也称为声波器件)已被广泛应用于移动通讯领域，包括5G通讯在内的新时代移动通讯的发展也推动了弹声波性波器件的快速升级。基于键合晶圆的弹性波器件具有高Q值、低温漂、高功率耐受性等优异性能，在近几年受到从业者的青睐。
然而，键合晶圆往往会强化多种模态的声波，从而使得器件频率响应复杂化，易出现杂波信号。比如CN113764572A、CN112736167A等发明中所述键合晶圆，在应用于弹性波器件时，除主波响应外，也会出现其他明显的杂波响应，从而影响性能。如何处理多种模态的声波响应问题，强化所需模态，抑制其他模态，一直是业界的难题。
发明内容
本发明提供一种多层复合晶圆及薄膜弹性波器件，以实现对各声波模态的有效调控，强化主波信号，抑制杂波信号，进一步优化薄膜弹性波器件的性能。
第一方面，本发明实施例提供了一种多层复合晶圆，应用于薄膜弹性波器件，所述多层复合晶圆包括依次叠层设置的支撑衬底、模态调控层、功能层以及压电层；
其中，所述支撑衬底的材质至少需要满足如下要求：所述支撑衬底的剪切波声速大于所述薄膜弹性波器件的零阶水平剪切波声速；
所述模态调控层至少需要满足如下要求：所述模态调控层的剪切波声速小于所述薄膜弹性波器件中的零阶水平剪切波声速。
可选的，所述支撑衬底的弹性常数C44与所述支撑衬底的密度的比值大于1.6×107(N·m/kg)。
可选的，所述模态调控层的内部结构为单晶结构或类单晶结构，所述模态调控层的材质还需要满足如下要求：所述模态调控层的弹性常数C44与所述模态调控层的密度的比值小于1.6×107(N·m/kg)。
可选的，所述模态调控层的内部结构为不具备板织构的多晶结构或者非晶结构，所述模态调控层的材质还需要满足如下要求：所述模态调控层的剪切模量与所述模态调控层的密度的比值小于1.6×107(N·m/kg)。
可选的，所述模态调控层的材质还需要满足如下要求：所述模态调控层的剪切波声阻抗大于20MRayls。
可选的，所述模态调控层的内部结构为单晶结构或类单晶结构，所述模态调控层的材质还需要满足如下要求：所述模态调控层的弹性常数C44与所述模态调控层的密度的乘积大于4×1014(N·kg/m5)。
可选的，所述模态调控层的内部结构为不具备板织构的多晶结构或者非晶结构，所述模态调控层的材质还需要满足如下要求：所述模态调控层的剪切模量与所述模态调控层的密度的乘积大于4×1014(N·kg/m5)。
可选的，所述压电层、所述功能层和所述模态调控层还需要满足如下要求：所述压电层和所述功能层需承载不少于50％的一阶水平剪切波的能量，所述模态调控层需承载不少于50％的零阶水平剪切波的能量。
可选的，所述压电层和所述功能层的厚度总和大于或等于0.3×λ，λ为所述薄膜弹性波器件的声表面波波长；
所述模态调控层的厚度大于或等于0.3×λ。
第二方面，本发明实施例提供了一种薄膜弹性波器件，包括如第一方面所述的多层复合晶圆；
所述薄膜弹性波器件还包括金属电极，所述金属电极位于所述多层复合晶圆中所述压电层远离所述支撑衬底的一侧。
本发明提供的方案，通过设置多层复合晶圆中的支撑衬底的剪切波声速大于薄膜弹性波器件的零阶水平剪切波声速，以及模态调控层的剪切波声速小于薄膜弹性波器件中的零阶水平剪切波声速，同时设置高声阻抗的模态调控层，可以使得薄膜弹性波器件中的声波模态得到有效调控，仅有一阶水平剪切波响应被强化，其他各阶水平剪切波均被抑制，从而解决了杂波问题，同时还可以提高器件的Q值、温度稳定性、功率耐受性等，保证了器件优异的综合性能。
应当理解，本部分所描述的内容并非旨在标识本发明的实施例的关键或重要特征，也不用于限制本发明的范围。本发明的其它特征将通过以下的说明书而变得容易理解。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图虽然是本发明的一些具体的实施例，对于本领域的技术人员来说，可以根据本发明的各种实施例所揭示和提示的器件结构，驱动方法和制造方法的基本概念，拓展和延伸到其它的结构和附图，毋庸置疑这些都应该是在本发明的权利要求范围之内。
图1为本发明实施例提供的一种多层复合晶圆的截面结构示意图；
图2为本发明实施例提供的一种多层复合晶圆的制备方法的流程图；
图3为本发明实施例提供的另一种多层复合晶圆的制备方法的流程图；
图4为本发明实施例提供的一种薄膜弹性波器件的截面结构示意图；
图5为本发明实施例提供的一种金属电极的俯视结构示意图；
图6为本发明实施例提供的一种具体的薄膜弹性波谐振器的仿真导纳曲线；
图7a为本发明实施例提供的一种具体的薄膜弹性波谐振器的零阶声波能量分布图；
图7b为本发明实施例提供的一种具体的薄膜弹性波谐振器的一阶声波能量分布图；
图7c为本发明实施例提供的一种具体的薄膜弹性波谐振器的二阶声波能量分布图；
图8为本发明实施例提供的基于常规键合晶圆的薄膜弹性波谐振器的仿真导纳曲线；
图9为本发明实施例提供的另一种具体的薄膜弹性波谐振器的仿真导纳曲线；
图10a为本发明实施例提供的另一种具体的薄膜弹性波谐振器的零阶声波能量分布图；
图10b为本发明实施例提供的另一种具体的薄膜弹性波谐振器的一阶声波能量分布图；
图10c为本发明实施例提供的另一种具体的薄膜弹性波谐振器的二阶声波能量分布图；
图11为本发明实施例提供的一种薄膜弹性波器件的制备方法的流程图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，以下将参照本发明实施例中的附图，通过实施方式清楚、完整地描述本发明的技术方案，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例所揭示和提示的基本概念，本领域的技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
图1为本发明实施例提供的一种多层复合晶圆的截面结构示意图，如图1所示，该多层复合晶圆应用于薄膜弹性波器件，多层复合晶圆10包括依次叠层设置的支撑衬底11、模态调控层12、功能层13以及压电层14；其中，支撑衬底11的材质至少需要满足如下要求：支撑衬底的剪切波声速大于薄膜弹性波器件的零阶水平剪切波声速；模态调控层12至少需要满足如下要求：模态调控层的剪切波声速小于薄膜弹性波器件中的零阶水平剪切波声速。
其中，支撑衬底的材质包括但不限于高阻硅、蓝宝石、尖晶石、碳化硅或金刚石等，可根据实际需求设置。
具体的，支撑衬底用于对其他膜层起到支撑作用，设置支撑衬底的剪切波声速大于薄膜弹性波器件的零阶水平剪切波声速，使得支撑衬底为高声速支撑衬底，以加强声波响应，尤其是加强一阶水平剪切波，同时还可以加快器件散热。根据实际需求不同，支撑衬底的剪切波声速的具体取值也会不同，例如，设置支撑衬底的剪切波声速大于4000m/s，或者支撑衬底的剪切波声速大于6000m/s。
进一步的，根据支撑衬底的弹性常数C44与支撑衬底的密度的比值的不同，对应的支撑衬底的声速也会不同，可通过设置支撑衬底的弹性常数C44与支撑衬底的密度的比值大于1.6×107(N·m/kg)，以保证支撑衬底的声速大于薄膜弹性波器件的零阶水平剪切波声速。可以理解的是，弹性常数C44是指弹性常数矩阵中第四行第四列对应的常数值，即在剪切方向上的弹性分量。
继续参考图1，模态调控层用于调控各阶声波的能量分布，大幅减弱除一阶水平剪切波以外的各阶水平剪切波，尤其减弱零阶水平剪切波。设置模态调控层的剪切波声速小于薄膜弹性波器件中的零阶水平剪切波声速，使得模态调控层为低声速膜层。如此，在支撑衬底和模态调控层的声速满足上述要求的情况下，可以对薄膜弹性波器件中的各声波模态进行调制，其中，零阶水平剪切波的能量聚集于具有高声阻抗的模态调控层，使得其响应受到强烈抑制；一阶水平剪切波的能量受到高声速的支撑衬底的限制而主要聚集于压电层和功能层，使得其响应得到明显强化；更高阶的水平剪切波声速较高，能量向下耗散且主要聚集于功能层、模态调控层或高声速的支撑衬底，响应较弱。
本实施例中，通过设置多层复合晶圆中的支撑衬底的剪切波声速大于薄膜弹性波器件的零阶水平剪切波声速，以及模态调控层的剪切波声速小于薄膜弹性波器件中的零阶水平剪切波声速，同时设置高声阻抗的模态调控层，可以使得薄膜弹性波器件中的声波模态得到有效调控，仅有一阶水平剪切波响应被强化，其他各阶水平剪切波均被抑制，从而解决了杂波问题。同时还可以提高器件的Q值、温度稳定性、功率耐受性等，保证了器件优异的综合性能。
需要说明的是，功能层的材质包括但不限于二氧化硅、氮化硅或氮化铝等。压电层的材质包括但不限于钽酸锂、铌酸锂、氧化锌、氮化铝、石英或钛酸钡等，其中，压电层的取向切向和声传播方向可以根据需要任意设置，包括但不限于15°Y-X，42°Y-X，Z-Y，15°Y-X指Y旋转15°切、X方向传，42°Y-X指Y旋转42°切、X方向传，Z-Y指Z切、Y方向传。可选的，压电层激励的主模式波为水平剪切波。
可选的，继续参考图1，模态调控层的内部结构为单晶结构或类单晶结构，模态调控层的材质还需要满足如下要求：模态调控层的弹性常数C44与模态调控层的密度的比值小于1.6×107(N·m/kg)。
可以理解的，单晶结构指材料内部呈晶体状态且由单个晶粒构成的结构，类单晶结构指呈板织构的多晶结构。
具体的，当模态调控层的内部结构为单晶结构或类单晶结构时，根据模态调控层的弹性常数C44与模态调控层的密度的比值的不同，对应的模态调控层的声速也会不同，通过设置模态调控层的弹性常数C44与模态调控层的密度的比值小于1.6×107(N·m/kg)，可使得模态调控层的剪切波声速小于薄膜弹性波器件中的零阶水平剪切波声速。本发明实施例对模态调控层的弹性常数C44与模态调控层的密度的比值的具体值不做限定，可根据实际需求进行设置，例如，设置模态调控层的弹性常数C44与模态调控层的密度的比值小于1.225×107(N·m/kg)，以进一步保证模态调控层的剪切波声速小于薄膜弹性波器件中的零阶水平剪切波声速。
可选的，模态调控层的内部结构为不具备板织构的多晶结构或者非晶结构，模态调控层的材质还需要满足如下要求：模态调控层的剪切模量与模态调控层的密度的比值小于1.6×107(N·m/kg)。
其中，多晶结构指材料内部呈晶体状态且由多个晶粒构成的结构，非晶结构指材料内部的原子呈无序排列的结构。
具体的，当模态调控层的内部结构为不具备板织构的多晶结构或者非晶结构时，根据模态调控层的剪切模量与模态调控层的密度的比值的不同，对应的模态调控层的声速也会不同，通过设置模态调控层的剪切模量与模态调控层的密度的比值小于1.6×107(N·m/kg)，可使得模态调控层的剪切波声速小于薄膜弹性波器件中的零阶水平剪切波声速。本发明实施例对模态调控层的剪切模量与模态调控层的密度的比值不做限定，可根据实际需求进行设置，例如，设置模态调控层的剪切模量与模态调控层的密度的比值小于1.225×107(N·m/kg)，以进一步保证模态调控层的剪切波声速小于薄膜弹性波器件中的零阶水平剪切波声速。
可选的，模态调控层的材质还需要满足如下要求：模态调控层的剪切波声阻抗大于20MRayls。
具体的，通过提高模态调控层的声阻抗，可以使零阶水平剪切波的能量聚集于具有高声阻抗的模态调控层，使得其响应受到强烈抑制；由于更高阶的水平剪切波声速较高，能量向下耗散且主要聚集于功能层、模态调控层或高声速的支撑衬底，响应也较弱，如此保证仅有一阶水平剪切波响应被强化，其他各阶水平剪切波均被抑制，达到强化主波信号，抑制杂波信号的效果。
可选的，模态调控层的内部结构为单晶结构或类单晶结构，模态调控层的材质还需要满足如下要求：模态调控层的弹性常数C44与模态调控层的密度的乘积大于4×1014(N·kg/m5)。
具体的，当模态调控层的内部结构为单晶结构或类单晶结构时，可以通过改变模态调控层的弹性常数C44与模态调控层的密度的乘积的大小，来调节模态调控层对应的声阻抗的大小，可通过设置模态调控层的弹性常数C44与模态调控层的密度的乘积大于4×1014(N·kg/m5)，以保证模态调控层的剪切波声阻抗大于20MRayls。示例性的，设置模态调控层的弹性常数C44与模态调控层的密度的乘积大于5.29×1014(N·kg/m5)，以进一步提高模态调控层的声阻抗，进而达到强化主波信号，抑制杂波信号的效果。
可选的，模态调控层的内部结构为不具备板织构的多晶结构或者非晶结构，模态调控层的材质还需要满足如下要求：模态调控层的剪切模量与模态调控层的密度的乘积大于4×1014(N·kg/m5)。
具体的，当模态调控层的内部结构为不具备板织构的多晶结构或者非晶结构时，可以改变模态调控层的剪切模量与模态调控层的密度的乘积的大小，来调节模态调控层对应的声阻抗的大小，可通过设置模态调控层的剪切模量与模态调控层的密度的乘积大于4×1014(N·kg/m5)以保证模态调控层的剪切波声阻抗大于20MRayls。示例性的，设置模态调控层的剪切模量与模态调控层的密度的乘积大于5.29×1014(N·kg/m5)，对于非晶结构，模态调控层的密度可以是大于9000kg/m3的任意值，模态调控层的剪切模量可以是小于100GPa的任意值，且密度和剪切模量的取值需满足前述要求，如此以进一步提高模态调控层的声阻抗，进而达到强化主波信号，抑制杂波信号的效果。
在上述任一实施例的基础中，可选的，模态调控层的材质可为氧化铪或氧化钽。
可选的，继续参考图1，压电层、功能层和模态调控层还需要满足如下要求：压电层和功能层需承载不少于50％的一阶水平剪切波的能量，模态调控层需承载不少于50％的零阶水平剪切波的能量。
具体的，压电层和功能层应能够容纳一阶水平剪切波的主要能量，以保证一阶水平剪切波能够得到充分的强化；模态调控层应能够容纳零阶水平剪切波的主要能量，以保证零阶水平剪切波能够在模态调控层中被充分削弱。经研究发现，压电层和功能层的总厚度越大，其理论可承载的一阶水平剪切波的能量就越多，同理，模态调控层的厚度越大，其理论可承载的零阶水平剪切波的能量就越多，如此，可通过调整压电层和功能层的总厚度与薄膜弹性波器件的声表面波波长的具体关系，来保证压电层和功能层需承载不少于50％的一阶水平剪切波的能量，以及模态调控层需承载不少于50％的零阶水平剪切波的能量。
示例性的，经过界面调制，多层复合晶圆中薄膜厚度不小于0.25×λ时，才能确保薄膜有能力承载超过50％的水平剪切波的能量，即压电层和功能层的总厚度不小于0.25×λ才能保证压电层和功能层需承载不少于50％的一阶水平剪切波的能量，模态调控层的厚度不小于0.25×λ才能保证模态调控层承载不少于50％的零阶水平剪切波的能量。
可选的，压电层和功能层的厚度总和大于或等于0.3×λ，λ为薄膜弹性波器件的声表面波波长；模态调控层的厚度大于或等于0.3×λ。
具体的，通过设置压电层和功能层的厚度总和大于或等于0.3×λ，可使压电层和功能层需承载的一阶水平剪切波的能量大于50％，以容纳更多的一阶水平剪切波的能量，同样的，设置模态调控层的厚度大于或等于0.3×λ，可使模态调控层承载的零阶水平剪切波的能量大于50％，以容纳更多的零阶水平剪切波的能量，如此保证器件具有良好的性能。
进一步的，为了更好地保证支撑衬底能够起到对各阶声波的辅助调控作用，辅助增强一阶水平剪切波、辅助削弱其他各阶水平剪切波，模态调控层不应过厚而使支撑衬底离电极过远。因此，可选的，模态调控层的厚度小于或等于0.8×λ。
示例性的，对于声表面波波长为2μm的薄膜弹性波器件，多层复合晶圆中压电层的厚度可以设置为400nm，功能层的厚度可以设置为600nm，模态调控层的厚度可以设置为1000nm。
进一步可选的，压电层、功能层及模态调控层的厚度均小于20μm，在保证基于多层复合晶圆的弹性波器件具有强化主波信号，抑制杂波信号以及可以提高器件的Q值、温度稳定性、功率耐受性的特点下，利于多层复合晶圆的轻薄化设计。
此外，本发明实施例还提供了一种多层复合晶圆的制备方法，图2为本发明实施例提供的一种多层复合晶圆的制备方法的流程图，如图2所示，该制备方法具体包括以下步骤：
S11、提供支撑衬底和压电晶圆，并对支撑衬底和压电晶圆进行表面清洗，其中，支撑衬底至少有一面为抛光面，可将该抛光面定义为第一表面，压电晶圆的至少有一面为抛光面，可将该抛光面定义为第二表面。
具体的，支撑衬底的材质需满足上述任一实施例提供的要求，即支撑衬底为高声速支撑衬底。
示例性的，清洗过程可以为依次经过丙酮、酒精、去离子水、酒精超声清洗，然后用氮气枪吹干，以保证支撑衬底和压电晶圆的表面干净，便于进行后续键合，具体清洗过程可以根据实际需要调整，本发明实施例对此不做具体限定。
S12、在支撑衬底的第一表面上制备模态调控层。
具体的，可以采用物理气相沉积(PVD)、化学气相沉积(CVD)或其他薄膜制备技术制备模态调控层，最终在高声速支撑衬底的第一表面上制备得到的模态调控层需满足上述任一实施例提供的要求。
S13、当模态调控层表面不够平整时，对模态调控层表面进行抛光处理。
具体的，可以采用化学机械抛光(CMP)方法或其他方法对表面进行抛光处理。
S14、在模态调控层上制备功能层。
具体的，功能层的材质可以是二氧化硅、氮化硅、氮化铝或其他，可以根据实际需要任意选择。
S15、当功能层不够平整时，对功能层表面进行抛光处理。
S16、将功能层的表面与压电晶圆的第二表面对准键合。
具体的，键合工艺可以为等离子体活化键合、阳极键合、聚合物键合等，键合环境可以为真空环境或常压环境，键合温度可以大于或者等于室温，具体键合方式可以根据实际设计需求进行选择，本发明实施例对键合工艺不作具体限定。
S17、对键合后的结构中的压电晶圆进行研磨减薄处理。
本发明实施例对具体的研磨减薄工艺不做限定，可采用高性能减薄机对键合后的压电晶圆减薄至其厚度略大于所需压电层厚度。
S18、对减薄后的压电层表面进行抛光等后处理，使表面光滑且压电层厚度与预设厚度相同，完成多层复合晶圆制备。
此外，本发明实施例还提供了另一种多层复合晶圆的制备方法，图3为本发明实施例提供的另一种多层复合晶圆的制备方法的流程图，如图3所示，该制备方法具体包括以下步骤：
S21、提供支撑衬底和压电晶圆，并对支撑衬底和压电晶圆进行表面清洗，其中，支撑衬底至少有一面为抛光面，可将该抛光面定义为第一表面，压电晶圆的至少有一面为抛光面，可将该抛光面定义为第二表面。
具体的，支撑衬底的材质需满足上述任一实施例提供的要求，即支撑衬底为高声速支撑衬底。
S22、在支撑衬底的第一表面上制备模态调控层。
S23、当模态调控层表面不够平整时，对模态调控层表面进行抛光处理。
S24、在模态调控层上制备功能层。
S25、当功能层不够平整时，对功能层表面进行抛光处理。
S26、对压电晶圆的第二表面进行离子注入，使压电晶圆内部出现一层均匀的离子注入损伤层。
具体的，可以选用的注入离子为氢离子、氦离子、氧离子、氖离子中的一种或多种，可以根据实际情况作选择。离子注入的能量控制了离子注入损伤层的深度，可为10～2000keV，可以根据实际需要任意选择。离子注入的剂量可为1×1016～2×1017ions/cm2，可以根据实际需要任意选择。
S27、将功能层的表面与压电晶圆的第二表面对准键合。
S28、对键合后的结构进行退火。
具体的，退火环境可为真空环境或氮气气氛，退火温度可为80-500℃，退火时间可为1-300小时，本发明对退火工艺不作限定，可以根据实际情况选用合适的退火工艺。如此，可以使键合结构的压电晶圆沿离子注入损伤层分离，剥离远离第二表面一侧的多余压电材料。
S29、对剥离后的键合结构的压电层表面进行抛光处理，完成多层复合晶圆制备。
具体的，通过抛光处理可以彻底清除离子注入损伤层，并其使表面光滑且压电层厚度与预设厚度相同。
基于同一发明构思，本发明实施例还提供了一种薄膜弹性波器件，图4为本发明实施例提供的一种薄膜弹性波器件的截面结构示意图，图5为本发明实施例提供的一种金属电极的俯视结构示意图，结合参考图4和图5所示，该薄膜弹性波器件100包括上述任一实施例提供的多层复合晶圆10，薄膜弹性波器件100还包括金属电极20，金属电极20位于多层复合晶圆10中压电层4远离支撑衬底1的一侧。
其中，金属电极20包含叉指换能器21、反射栅22、汇流条23和电极焊盘(图5中未示出)。叉指换能器21中每条叉指交替连接两电端，反射栅22设置于叉指换能器21两侧，每侧的反射栅22相互连通。
进一步的可选的，叉指换能器21及反射栅22的线宽为100nm-100μm，叉指换能器21及反射栅22的相邻指条间距为100nm-100μm，叉指换能器21及反射栅22的声孔径为4μm-4000μm。
进一步的可选的，叉指换能器21及反射栅22的厚度为5nm-5μm。
需要说明的是，金属电极20的材质为Ti、Ni、Cr、Al、Cu、Pt、Ag、Au、Mo和W中的一种或多种。
示例性的，作为一种具体的实施方式，设置薄膜弹性波器件中多层复合晶圆的支撑衬底为蓝宝石并且支撑衬底的材质的剪切波声速大于4000m/s，以及模态调控层的材质为氧化铪并满足如下要求：(1)模态调控层的剪切波声速小于4000m/s，(2)模态调控层的剪切波声阻抗大于20MRayls。此外，选用二氧化硅作为功能层的材质，选用42°Y-X切向的钽酸锂作为压电层的材质，压电层及功能层的厚度均设置为400nm。对于声表面波波长为2μm的薄膜弹性波器件，压电层的厚度设置为400nm，功能层的厚度设置为600nm，模态调控层的厚度设置为1000nm。叉指换能器及反射栅的线宽均设置为500nm，叉指换能器及反射栅的相邻指条间距均设置为500nm，声孔径设置为50μm。叉指换能器和反射栅均分为金属打底层和金属主体层，金属打底层的材质为Ti，厚度为5nm，金属主体层的材质为Al，厚度为155nm。根据上述设计，利用低温异质键合、减薄或智能剥离等工艺制备多层复合晶圆，利用光刻、镀膜、剥离等工艺基于多层复合晶圆制备薄膜弹性波器件，可以得到各声波模态受到有效调控的高性能弹性波器件。
具体的，根据上述设计得到的薄膜弹性波谐振器的仿真导纳曲线如图6所示，其零阶、一阶和二阶声波模态的能量分布分别如图7a、图7b和图7c所示。基于常规多层复合晶圆(例如多层复合晶圆包括支撑衬底、功能层和压电层，且各层材质依次为蓝宝石、二氧化硅和钽酸锂)的谐振器的仿真导纳曲线如图8所示。现有技术中，基于常规多层复合晶圆的谐振器中，在功能层和模态调控层中，除零阶水平剪切波，一阶水平剪切波和二阶水平剪切波均有一定的响应强度，从而易产生杂波问题。而本实施例中，由图7a、图7b和图7c可以看出，一阶水平剪切波的能量聚集于压电层，零阶水平剪切波和二阶水平剪切波的能量均聚集于模态调控层。因此只有一阶水平剪切波响应得到强化，零阶水平剪切波和二阶水平剪切波的响应均被大幅削弱，从而解决了杂波问题。同时，本实施例的一阶水平剪切波响应质量较高，器件综合性能优异。
在另一可行的具体实施方式中，设置薄膜弹性波器件中多层复合晶圆的支撑衬底为蓝宝石并且支撑衬底的材质的剪切波声速大于4000m/s，以及模态调控层的材质为氧化钽并满足如下要求：(1)模态调控层的剪切波声速小于4000m/s，(2)模态调控层的剪切波声阻抗大于20MRayls。此外，选用二氧化硅作为功能层的材质，选用42°Y-X切向的钽酸锂作为压电层的材质，压电层及功能层的厚度均设置为400nm。对于声表面波波长为2μm的薄膜弹性波器件，压电层的厚度设置为400nm，功能层的厚度设置为800nm，模态调控层的厚度设置为600nm。叉指换能器及反射栅的线宽均设置为500nm，叉指换能器及反射栅的相邻指条间距均设置为500nm，声孔径设置为70μm。叉指换能器和反射栅均分为金属打底层和金属主体层，金属打底层的材质为Ti，厚度为5nm，金属主体层的材质为Al，厚度为155nm。根据上述设计，利用低温异质键合、减薄或智能剥离等工艺制备多层复合晶圆，利用光刻、镀膜、剥离等工艺基于多层复合晶圆制备薄膜弹性波器件，可以得到各声波模态受到有效调控的高性能弹性波器件。
具体的，根据上述设计得到的薄膜弹性波谐振器的仿真导纳曲线如图9所示，其零阶、一阶和二阶声波模态的能量分布分别如图10a、图10b和图10c所示。继续参考图10a、图10b和图10c，一阶水平剪切波的能量聚集于压电层，零阶水平剪切波的能量聚集于模态调控层，二阶水平剪切波的能量主要聚集于功能层和模态调控层。因此，只有一阶水平剪切波响应得到强化，零阶水平剪切波和二阶水平剪切波的响应均被削弱，从而使得杂波得到抑制。同时，本实施例的一阶水平剪切波响应质量较高，器件综合性能优异。
此外，本发明实施例还提供了一种薄膜弹性波器件的制备方法，图11为本发明实施例提供的一种薄膜弹性波器件的制备方法的流程图，如图11所示，该方法具体包括以下步骤：
S31、提供多层复合晶圆，进行表面清洗。
其中，多层复合晶圆可以是上述任一实施例提供的多层复合晶圆。
S32、利用光刻工艺，将设计的器件图案转移到多层复合晶圆的电层上方的光刻胶上。
S33、利用镀膜工艺，将电极材料镀覆于压电层及光刻胶上方。
S34、利用剥离工艺，除去光刻胶及其上方的多余电极材料，压电层上方留下的电极材料形成所设计的器件图案。
S35、根据实际需要，进行套刻或其他处理。
S36、经过后道工艺，完成薄膜弹性波器件的制备。
本实施例中，可以采用电子束蒸镀工艺蒸镀制备金属电极层，金属电极层的材质为Ti、Ni、Cr、Al、Cu、Pt、Ag、Au、Mo、W中的一种或多种，具体可以根据实际设计需求进行选择，本发明实施例不做具体限定，对金属电极层进行图案化处理，形成金属电极。金属电极层进行图案化处理的工艺可以包括表面清洗烘干、涂底、旋涂光刻胶、软烘、曝光、后烘、显影、硬烘等，或者采用剥离机及标准化剥离工艺将多余金属剥离得到完整的金属电极，对于金属电极的形状可以根据实际需求进行选择，进而对应调整工艺步骤，实现金属电极的制备，进而满足薄膜弹性波器件的制备。
注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整、相互结合和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。
Claims (9)
1.一种多层复合晶圆，应用于薄膜弹性波器件，其特征在于，所述多层复合晶圆包括依次叠层设置的支撑衬底、模态调控层、功能层以及压电层；
其中，所述支撑衬底的材质至少需要满足如下要求：所述支撑衬底的剪切波声速大于所述薄膜弹性波器件的零阶水平剪切波声速；
所述模态调控层至少需要满足如下要求：所述模态调控层的剪切波声速小于所述薄膜弹性波器件中的零阶水平剪切波声速；
所述模态调控层的材质还需要满足如下要求：所述模态调控层的剪切波声阻抗大于20MRayls。
2.根据权利要求1所述的多层复合晶圆，其特征在于，所述支撑衬底的弹性常数C44与所述支撑衬底的密度的比值大于1.6×107(N·m/kg)。
3.根据权利要求1所述的多层复合晶圆，其特征在于，所述模态调控层的内部结构为单晶结构或类单晶结构，所述模态调控层的材质还需要满足如下要求：所述模态调控层的弹性常数C44与所述模态调控层的密度的比值小于1.6×107(N·m/kg)。
4.根据权利要求1所述的多层复合晶圆，其特征在于，所述模态调控层的内部结构为不具备板织构的多晶结构或者非晶结构，所述模态调控层的材质还需要满足如下要求：所述模态调控层的剪切模量与所述模态调控层的密度的比值小于1.6×107(N·m/kg)。
5.根据权利要求1所述的多层复合晶圆，其特征在于，所述模态调控层的内部结构为单晶结构或类单晶结构，所述模态调控层的材质还需要满足如下要求：所述模态调控层的弹性常数C44与所述模态调控层的密度的乘积大于4×1014(N·kg/m5)。
6.根据权利要求1所述的多层复合晶圆，其特征在于，所述模态调控层的内部结构为不具备板织构的多晶结构或者非晶结构，所述模态调控层的材质还需要满足如下要求：所述模态调控层的剪切模量与所述模态调控层的密度的乘积大于4×1014(N·kg/m5)。
7.根据权利要求1所述的多层复合晶圆，其特征在于，所述压电层、所述功能层和所述模态调控层还需要满足如下要求：所述压电层和所述功能层需承载不少于50%的一阶水平剪切波的能量，所述模态调控层需承载不少于50%的零阶水平剪切波的能量。
8.根据权利要求7所述的多层复合晶圆，其特征在于，所述压电层和所述功能层的厚度总和大于或等于0.3×λ，λ为所述薄膜弹性波器件的声表面波波长；
所述模态调控层的厚度大于或等于0.3×λ。
9.一种薄膜弹性波器件，其特征在于，包括如权利要求1-8任一项所述的多层复合晶圆；
所述薄膜弹性波器件还包括金属电极，所述金属电极位于所述多层复合晶圆中所述压电层远离所述支撑衬底的一侧。
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