CN210444234U - 一种射频声表面波滤波器芯片 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及滤波器芯片技术领域，尤其是一种射频声表面波滤波器芯片，包括由压电单晶箔和衬底构成的复合基片、在压电单晶箔表面制作的射频声表面波滤波器金属图形结构，射频声表面波滤波器金属图形结构由周期电极部分、内部连接电极和输入输出电极组成，复合基片上至少设置有一个背坑，背坑的位置对应于射频声表面波滤波器金属图形结构中的一个周期电极部分，压电单晶箔对应于背坑处的厚度为器件有源区压电层厚度设计值，背坑内设置有与压电单晶箔相连的多层介质膜，射频声表面波滤波器金属图形结构表面覆盖有多层介质层，本实用新型的产品成品率和器件可靠性高，通过在线选择刻蚀背坑内压电单晶箔，提升产品优品率。

Description

一种射频声表面波滤波器芯片

技术领域

本实用新型涉及表面波滤波器芯片技术领域，具体领域为一种射频声表面波滤波器芯片。

背景技术

由于移动通信的快速发展，构成声表面波波导的单晶箔技术平台成为现今实现更高性能射频声表面波滤波器的工艺基础。近年来，由于晶片减薄技术的推进，大尺寸超薄铌酸锂、钽酸锂和石英等超薄压电晶片已批量用于高频声表面波器件、光波导器件和光通信器件等。LN/LT和石英等压电单晶超薄片性能，要比上述溅射工艺生长的AlN/ZnO压电薄膜优秀：

1.保留单晶完整性；

2.晶体各向异性能充分利用；

3.单晶超薄片技术难度不高。

以下，专用“单晶箔(crystal foil，CF)”一词，特指由单晶棒加工形成的超薄片状单晶，其厚度小于数十微米。为实际应用，单晶箔都要与衬底键合成复合基片。

目前，单晶箔可批量成型技术主要有两种：晶体离子切片(crystal ion slicing，CIS)方法和精密机械减薄方法，都已开始应用于器件制作。

离子切片法，其原理是利用高能离子垂直注入铌酸锂、钽酸锂等单晶厚基片，使在单晶厚基片内离表面一定深度处形成一个注入离子高浓度层，这层离子高浓度层的某种物化特性与未注入处或浓度较低处的物化特性有较明显不同(又称内埋变性层)。在前期工艺完成后，采用一种应力对此厚晶片处理，使厚晶片在内埋变性层处断裂，获得超薄晶片(单晶箔)。箔的厚度由注入所得离子高浓度层深度决定，它与注入离子种类、注入剂量、退火等工艺参数等有关。

离子切片法的制作工序如图1，首先采用大剂量离子注入机，对较厚的单晶片正面注入离子，使在厚晶片表面下方一定距离处形成一个内埋变性层。将衬底抛光表面与较厚单晶片面对面键合，形成复合基片。在前期工艺完成后，采用一种应力对此复合基片处理，使复合基片在内埋变性层处断裂，获得附着在衬底上的单晶箔。

离子切片法的特点是：易于制作数十纳米到数微米厚度的超薄单晶箔，但离子注入对晶体结构完整性损伤大，箔的单晶特性会受明显影响。

精密机械减薄法，是传统技术的改进，图2示意了其主要工艺过程：首先制作原始单晶片与衬底的复合基片，然后将原始单晶片面向下，减薄抛光直到单晶片厚度满足设计要求为止。其关键技术是衬底、原始压电单晶片和键合层以及加工设备的大尺寸均匀性。由于机械研磨和抛光设备与技术的进步，目前制作十微米以下厚度的大尺寸超薄单晶箔问题不大，其特点正好与离子切片法相反：难于制作数微米以下厚度的单晶箔，但不会对箔的单晶特性造成损伤。

压电单晶箔，加上表面金属电极和底部反射层，形成了声波导结构，导致声表面波器件性能明显改善，但压电晶体有源区的设计更需严格精确，单晶箔厚度与波模式和表面金属电极等都有严格函数关系，且随器件工作频率提升，其厚度变薄，加大了压电单晶箔应用难度。

前述单晶箔制作方法，有三点不足：

首先，不同方法能获得的单晶箔厚度范围不同：离子切片法适用于数微米以下单晶箔，且离子损伤难以消除，而精密机械减薄法适用于sh十微米以上较厚单晶箔；

其次，单晶箔制作完成后，无法调整其厚度，不能保证产品优品率；

最后，衬底厚度无法在器件性能和可靠性间同时优化。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种射频声表面波滤波器芯片及制作工艺，以解决现有技术中产品性能和可靠性低的问题。

为实现上述目的，本实用新型提供如下技术方案：一种射频声表面波滤波器芯片，包括由压电单晶箔和衬底构成的复合基片、在压电单晶箔表面制作的射频声表面波滤波器金属图形结构，所述的射频声表面波滤波器金属图形结构由周期电极部分、内部连接电极和输入输出电极组成，所述的复合基片上至少设置有一个背坑，背坑的位置对应于射频声表面波滤波器金属图形结构中的一个周期电极部分，背坑的坑底形状和面积与其对应的周期电极部分相匹配，所述的压电单晶箔对应于背坑处的厚度为器件有源区压电层厚度设计值，所述的背坑内设置有与压电单晶箔相连的多层介质膜，所述的射频声表面波滤波器金属图形结构表面覆盖有多层介质层。

优选的，所述的压电单晶箔由铌酸锂、钽酸锂、石英、四硼酸锂、硅酸镓镧中的压电单晶的压电母体晶圆制成。

优选的，所述的衬底为微电子技术通用的晶圆。

优选的，所述的多层介质膜中贴近压电单晶箔的介质层为高低声阻抗介质层组成的声反射结构。

优选的，所述的多层介质膜还包括温度补偿介质层。

优选的，所述的多层介质膜的介质为SiO2。

优选的，所述的射频声表面波滤波器金属图形结构由微电子技术通用的铝、铜、钛、镍、钨中的一种或多种组合金属制成。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：复合基片厚度保证了后续封装工艺成品率和器件可靠性。采用刻蚀工艺，使背坑底部处压电单晶箔的厚度减薄至器件有源区压电层厚度设计值。由于从正反两面控制单晶箔厚度，器件有源区压电层厚度可控范围大，精度高；完全避免离子切片技术固有的压电有源区损伤，并可以通过在线选择刻蚀背坑内压电单晶箔，微调器件性能，提升产品优品率。

为精确实现射频声表面波滤波器声波导结构，对射频声表面波滤波器芯片表面射频声表面波滤波器金属图形结构中一个周期电极部分的单晶箔应能达到：无损伤，厚度准确，且可微调。

优点：

1.从正反两面减薄单晶箔厚度，器件有源区压电层厚度可控范围大，精度高；

2.避免离子切片技术固有的压电有源区损伤，也可获得小于0.5um极薄有源层；

3.复合基片厚度与器件电性能及温度补偿无关，保证了后续封装工艺成品率和器件可靠性；

4.可以通过在线选择刻蚀背坑内压电单晶箔，微调器件性能，提升产品优品率；

5.完美实现芯片机械强度与箔有源区优选厚度。

附图说明

图1为离子切片法的制作工序图；

图2为精密机械减薄法的制作工序图；

图3为单端对谐振器芯片示意图；

图4为采用单端对谐振器组合的IE滤波器芯片示意图；

图5为多叉指换能器纵向谐振器芯片布局示意图；

图6为畴极性选择腐蚀工艺图；

图7至图13为采用精密机械切磨抛工艺加背坑刻蚀工艺图；

图13至图21为采用畴极性反转技术的制作工序图；

图22至图29为采用精密机械切磨抛工艺加背坑刻蚀工艺图；

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型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实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

本实用新型提供一种技术方案：一种射频声表面波滤波器芯片，包括：由压电单晶箔和衬底构成的复合基片、在压电单晶箔表面制作的射频声表面波滤波器金属图形结构；所述射频声表面波滤波器金属图形结构由周期电极部分、内部连接电极和输入输出电极组成；其特征是：

所述复合基片上至少有一个背坑，其位置对应于射频声表面波滤波器芯片表面射频声表面波滤波器金属图形结构中一个周期电极部分，坑底形状和面积与其对应周期电极部分的相当；

采用刻蚀工艺，使背坑底部处压电单晶箔的厚度减薄至器件有源区厚度设计值；

所述背坑内制作有与压电单晶箔相连的多层介质膜。

前述的压电单晶箔，其特征是：压电单晶箔是利用离子切片工艺、精密机械切磨抛工艺，以及畴极性选择腐蚀工艺等技术，从铌酸锂、钽酸锂、石英、四硼酸锂、硅酸镓镧等压电单晶的压电母体晶圆加工获得的。

前述复合基片衬底，其特征是：衬底是微电子技术通用的晶圆，如硅、蓝宝石、碳化硅、铌酸锂、钽酸锂、石英，氧化铝等；

前述背坑内的多层介质膜，其特征是：最贴近压电单晶箔的介质层是由高低声阻抗介质层组成的声反射结构。

前述背坑内的多层介质膜，其特征是：还包括温度补偿介质层。

前述的复合基片中的多层介质膜，其特征是：其中一层介质为SiO2。

前述的射频声表面波滤波器金属图形结构，其特征是：金属为微电子技术通用的，如铝、铜、钛、镍、钨等以及其合金。

前述的射频声表面波滤波器芯片，其特征是：还包括覆盖在射频声表面波滤波器金属图形结构表面的多层介质层。

前述的复合基片背坑，采用如下工艺制作：

A先在衬底上制作通孔，接着采用牺牲介质填充通孔，加工键合面满足键合要求；

B与制作压电单晶箔的母体晶圆键合成复合晶圆；

C采用或继续采用一种压电单晶箔制作技术加工复合晶圆，完成复合基片；

D采用标准微电子工艺制作压电单晶箔表面结构；

E去除复合基片衬底背坑内牺牲介质。

前述的畴极性选择腐蚀工艺，采用如下工艺制作：

A处理压电晶圆表面，和衬底表面；

B采用铁电晶体畴极性反转技术，控制工艺参数，使压电晶圆表面形成一定厚度的畴极性反转薄层；

C压电晶圆畴反转层与衬底表面贴合，键合成复合晶圆，此时压电晶圆外表面为复合基片的正面；

D利用精密机械磨抛工艺加工复合基片正面，去除大部分压电晶片，在保证复合基片质量要求下，使剩余压电晶片未畴反转部分的厚度尽量小，一般在20微米以下；

E利用铁电晶体畴极性选择腐蚀工艺，使腐蚀过程自动停止在异性畴界面处，去除残留的压电晶片未畴反转部分，仅留下畴反转层。

F处理腐蚀表面，达到后续工序要求。

通过本技术方案，声表面波器件芯片主要包括压电层和表面淀积的金属电极结构，金属电极图形结构由周期电极部分、连接电极部分和输入输出电极部分组成，有源区为周期电极部分，其下方的压电单晶层，周期电极表面覆盖介质，压电单晶层底部的功能介质的组合体。

声表面波滤波器的工作原理是基于压电晶体的压电效应和逆压电效应，借助压电体表面的周期金属电极结构激发、接收和传播表面声波，实现声波与射频电磁波的能量转换，完成射频电磁波信号滤波功能。

现今为适应移动通信射频前端对滤波器的严峻要求，压电箔技术平台成为器件芯片优选，射频声表面波器件均采用压电箔表面淀积周期金属电极构成的声谐振结构：单端对谐振器或多叉指换能器纵向谐振器及组合。

图3是单端对谐振器芯片示意，芯片由压电晶片1，其表面淀积的金属电极图形结构：周期电极部分3，和连接电极和输入输出电极2组成。

图4是采用单端对谐振器组合的IE滤波器芯片示意，芯片由压电晶片1，其表面淀积的金属图形结构：周期电极部分3，和连接电极和输入输出电极2组成。

图5是多叉指换能器纵向谐振器芯片布局示意，芯片由压电晶片，其表面淀积的金属图形结构：周期电极部分3，和连接电极和输入输出电极组成。

芯片表面的周期电极部分，淀积在压电箔表面，是声表面波器件功能有源部分；声表面波滤波器的性能，取决于其结构参数，如金属电极材料、厚度、周期，金属化比以及所依附的单晶箔性能、声波导结构参数和箔厚度等，为获得优异性能和良品率。所有参数需要设计优化，及工艺制作稳定。

本发明涉及的基片背坑，可以在基片键合及正面工序完成后，采用熟知的微电子工艺中各种湿法腐蚀和干法刻蚀技术制作。但本发明实施例，建议采用在薄膜体声波谐振器(FBAR)工艺中已广泛应用(如FBAR的牺牲介质方法：

A在复合基片键合前，在衬底晶圆上先制作通孔接着采用牺牲介质填充通孔，加工键合面满足键合要求；

B与制作压电单晶箔的母体晶圆键合成复合晶圆；

C采用或继续采用一种压电单晶箔制作技术加工复合晶圆，完成复合基片；

D采用标准微电子工艺制作压电单晶箔表面结构；

D去除复合基片衬底背坑内牺牲介质。

本发明还提出了利用畴极性面的化学腐蚀速率的差异，作为化学减薄的自阻挡层，延伸机械减薄应用到数微米铌酸锂箔制作技术方案。

目前移动通信用射频声表面波滤波器双工器，主要采用的压电单晶是铌酸锂LN、钽酸锂LT等铁电晶体。铁电晶体在居里温度以下，具有自发畴极化，在晶体生长完成前需要极化使整个晶体畴极性一致，即单畴化处理。铌酸锂钽酸锂为双极性畴晶体，畴极性沿晶体Z轴，实用晶圆正反表面的极性正好相反。反畴层是指采用某种技术使单畴化晶片表面部分的畴极性反转，成为同质双层(畴极性相反)晶片，不同畴极性层间产生畴壁。

目前反畴层生成方法，已报道的有：

热处理，例如：1000度热处理LN或Ti/LN正极性表面；1050度以上热处理LN正极性表面；热处理LT负极性表面；质子交换加上热处理，能在钽酸锂晶体负表面导致反转畴；表面钛扩散时，由于铌酸锂晶体中的锂离子外扩，会在+z表面形成一10um畴反转层。

激光诱导，如2014年提出采用铌酸锂表面淀积薄Cr层后直接激光辐照，对表面特性无影响。

2001年11月，Collin L.Sones等发表“在不同的HF/HNO3浓度下，z切LiNbO3的差示蚀刻速率(Differential etch rates in z-cut LiNbO3 for variable HF/HNO3concentrations)“”一文，报道了系统研究铁电晶体铌酸锂的畴极性选择腐蚀的结果：通过浸泡在不同比例的HF和HNO3酸混合物中的单晶铌酸锂的+z和-z面的蚀刻速率的实验测量，发现在+z和-z晶面之间高度蚀刻选择性。

图6表示了本技术工序示意。图中用灰色表示铁电晶片，并特别用深灰色部分区分在铁电晶片表面制作的反畴薄层：(a)已在正畴表面制作完成超薄表面反畴层的铁电晶片；(b)复合基片用衬底圆片，其表面已制作了器件结构层(如IHP-SAWR，为SiO2/AlN)；(c)键合过程；(d)采用机械减薄工艺将铁电晶片去除大部分后的状态，按目前技术水平，在保证厚度均匀性下，剩余铁电晶片(含反畴层)厚度约15～20um。(e)本技术的主要一步：基于铁电晶体不同极性表面的化学腐蚀速率差异，采用化学腐蚀方法去掉铁电晶片非反畴层部分。

本技术得到的铁电晶体箔，厚度与其均匀性，由表面反畴层制作技术保证，对前道工序有较大的工艺容差。

本技术可代替离子切片技术，避免离子注入对晶体性能的劣化。提升了产业应用前景。

以下实施例说明本发明的一些应用。

实施例一：

本实施例，主要技术途径是采用精密机械切磨抛工艺加背坑刻蚀工艺，获得设计要求厚度的压电单晶箔有源区。

工序1，如图7，4英寸42Y-X钽酸锂压电母体晶圆1，标称厚度180um，其表面经过黑化处理及抛光。

工序2，如图8，准备厚度为Hs＝100um的4英寸硅衬底晶圆2。

工序3，如图9，将压电母体晶圆1表面与衬底晶圆2表面接触，使用晶片键合机键合为一复合晶圆；钽酸锂外露面为复合晶圆正面。

工序4，如图10，先采用精密机械磨抛加工复合晶圆正面，使压电晶圆剩余厚度约为10um，再采用干法腐蚀工艺，得到复合基片，其单晶箔1a厚度为Hp＝5um。钽酸锂单晶箔外露面为复合晶片表面。

工序5，如图11，在复合基片表面制作射频声表面波滤波器金属电极结构4a,4b和5，4a为输入输出电极，4b为内部连接电极，5为周期电极部分；均采用厚度为Hm的Al/Cu复合膜。

工序6.如图12，在复合基片表面制作厚度为Hc的SiO2/SiNx介质覆盖层6，在射频声表面波滤波器金属图形结构中输入输出电极处刻蚀SiO2/SiNx介质覆盖层，形成电极引出孔8；

工序7，如图13，采用通用深孔刻蚀工艺，制作芯片衬底背坑，并刻蚀部分铌酸锂，使坑底部上方单晶箔的厚度Hy减薄至有源区压电箔厚度设计值；

采用微波探针，在线测试芯片，根据测试结果，选择刻蚀背坑内部分铌酸锂，优化器件电性能。

复合基片背面再淀积SiO2/AlN/SiO2多层介质膜。

采用微波探针，在线测试芯片，根据测试结果，选择刻蚀表面SiNx，校准器件频率及优化器件性能。

实施例二

工序1，如图14，4寸64Y-X铌酸锂晶圆1，采用畴极性反转技术，在晶体表面制作厚度约为Hp＝10um的表面层1a；箭头方向表示畴极化方向。

工序2，如图15，准备厚度为Hs＝100um的4英寸蓝宝石衬底晶圆2，并从背面制作通孔7，并采用牺牲介质填充。

工序3，如图16，将压电母体晶圆1表面与衬底晶圆2表面接触，使用晶片键合机键合为一复合晶圆；铌酸锂外露面为复合晶圆正面。

工序4，如图17，先采用精密机械磨抛加工复合基片正面，使压电晶片非畴反转层剩余厚度在10～15um范围内；

工序5，如图18，再采用畴选择湿法腐蚀工艺，除去压电晶片非畴反转层剩余部分控制，腐蚀自动停止在畴反转界面上；获得单晶箔1a的复合基片；规定单晶箔外露表面为复合基片表面。

工序6，如图19，在复合基片表面制作射频声表面波滤波器金属电极结构4a,4b和5，4a为输入输出电极，4b为内部连接电极，5为周期电极部分；均采用厚度为Hm的Al/Cu复合膜。

工序7，如图20，去除复合基片背面通孔内的牺牲介质，形成穿透衬底的背坑，刻蚀部分铌酸锂，使坑底部上方单晶箔的厚度Hy减薄至有源区压电箔厚度设计值。

工序8，如图21，采用微波探针，在线测试芯片，根据测试结果，选择刻蚀背坑内部分铌酸锂，优化器件电性能。

复合基片背面淀积SiO2/AlN/SiO2多层介质膜。

采用微波探针，在线测试芯片，根据测试结果，校准器件频率及优化器件性能。

实施例三

本实施例，主要技术途径是采用精密机械切磨抛工艺加背坑刻蚀工艺，获得设计要求厚度的压电单晶箔有源区。

工序1，如图22，4英寸128Y-X铌酸锂酸锂压电母体晶圆1，标称厚度180um，其表面经过黑化处理及抛光。

工序2，如图23，准备厚度为Hs＝100um的4英寸硅化硅衬底晶圆2，并从背面制作通孔7，并采用牺牲介质填充。

工序3，如图24，将压电母体晶圆1表面与衬底晶圆2表面接触，使用晶片键合机键合为一复合晶圆；铌酸锂外露面为复合晶圆正面。

工序4，如图25，先采用精密机械磨抛加工复合晶圆正面，使压电晶圆剩余厚度约为10um，再采用干法腐蚀工艺，得到复合基片，其单晶箔1a厚度为Hp＝5um。铌酸锂单晶箔外露面为复合晶片表面。

工序5，如图26，在复合基片表面制作射频声表面波滤波器金属电极结构4a,4b和5，4a为输入输出电极，4b为内部连接电极，5为周期电极部分；均采用厚度为Hm的Al/Cu复合膜。

工序6.如图27，在复合基片表面制作厚度为Hc的SiO2/SiNx介质覆盖层6，在射频声表面波滤波器金属图形结构中输入输出电极处刻蚀SiO2/SiNx介质覆盖层，形成电极引出孔8；

工序7.如图28，去除复合基片背面通孔内的牺牲介质，形成穿透衬底的背坑，刻蚀部分铌酸锂，使坑底部上方单晶箔的厚度Hy减薄至有源区压电箔厚度设计值。

采用微波探针，在线测试芯片，根据测试结果，选择刻蚀背坑内部分铌酸锂，优化器件电性能。

工序8.如图29，复合基片背面淀积SiO2/AlN多层介质膜。

采用微波探针，在线测试芯片，根据测试结果，选择刻蚀表面SiNx，校准器件频率及优化器件性能。

尽管已经示出和描述了本实用新型的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本实用新型的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本实用新型的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (7)

1.一种射频声表面波滤波器芯片，其特征在于：包括由压电单晶箔和衬底构成的复合基片、在压电单晶箔表面制作的射频声表面波滤波器金属图形结构，所述的射频声表面波滤波器金属图形结构由周期电极部分、内部连接电极和输入输出电极组成，所述的复合基片上至少设置有一个背坑，背坑的位置对应于射频声表面波滤波器金属图形结构中的一个周期电极部分，背坑的坑底形状和面积与其对应的周期电极部分相匹配，所述的压电单晶箔对应于背坑处的厚度为器件有源区压电层厚度设计值，所述的背坑内设置有与压电单晶箔相连的多层介质膜，所述的射频声表面波滤波器金属图形结构表面覆盖有多层介质层。

2.根据权利要求1所述的一种射频声表面波滤波器芯片，其特征在于：所述的压电单晶箔由铌酸锂、钽酸锂、石英、四硼酸锂、硅酸镓镧中的压电单晶的压电母体晶圆制成。

3.根据权利要求1所述的一种射频声表面波滤波器芯片，其特征在于：所述的衬底为微电子技术通用的晶圆。

4.根据权利要求1所述的一种射频声表面波滤波器芯片，其特征在于：所述的多层介质膜中贴近压电单晶箔的介质层为高低声阻抗介质层组成的声反射结构。

5.根据权利要求1所述的一种射频声表面波滤波器芯片，其特征在于：所述的多层介质膜还包括温度补偿介质层。

6.根据权利要求4或5所述的一种射频声表面波滤波器芯片，其特征在于：所述的多层介质膜的介质为SiO2。

7.根据权利要求1所述的一种射频声表面波滤波器芯片，其特征在于：所述的射频声表面波滤波器金属图形结构由微电子技术通用的铝、铜、钛、镍、钨中的一种或多种组合金属制成。

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