单晶薄膜体声波谐振器频率温度特性研究

简 珂，帅 垚，田本朗，白晓园，罗文博，吴传贵，张万里

(电子科技大学 电子薄膜与集成器件国家重点实验室,四川 成都 610054)

0 引言

LN材料的纵波声速约为7 400 m/s，当工作频率大于2.5 GHz时，其薄膜厚度需小于1 500 nm。近年来发展了一种离子注入剥离(CIS)法，用于特定取向的LN薄膜制备。首先将He+注入到LN晶片(施主晶片)中，然后用磁控溅射法在硅衬底晶片上沉积一定厚度的SiO2膜，再将注入晶圆与硅衬底进行键合，键合界面为SiO2-LN，键合后的晶圆在高温下真空退火，使注入的He+形成气泡，并使施主晶圆沿缺陷层产生劈裂，最终使LN薄膜转移至Si衬底上。

1 实验

1.1 仿真设计

(1)

图1 LN BAW的三维模型图和阻抗-频率响应图

1.2 器件制备

LN BAW的制作流程如图2所示。首先将He+注入LN晶片(施主晶片)中，然后用磁控溅射法在注入表面沉积Al电极膜，并在注入面依次交替生长SiO2和Mo，共7个循环，即4层SiO2、3层Mo，形成布喇格反射结构。随后将生长了反射层的注入晶圆与另一个LN晶圆进行键合，键合界面为SiO2-LN，键合后的晶圆在400 ℃下真空退火5 h，使注入的He+形成气泡，并使注入晶圆沿缺陷层产生劈裂，最终使LN薄膜、Al电极及布喇格反射层整体转移至LN衬底。最后在LN薄膜表面制备上电极，形成LN BAW谐振器结构。

图2 LN BAW谐振器制作流程图

2 实验结果与讨论

2.1 结构特点

图3 LN BAW谐振器的剖面SEM测试图及表面AFM测试图

2.2 频域分析

1) 仿真所用的材料参数是由COMSOL Multiphysic软件中直接获取，与实际制作获得的材料参数不完全一致。

2) 实际制作的BAW器件的各层厚度与设计参数存在差异。

3) 实际器件中还存在机械损耗、介质损耗等，导致器件性能下降。

图4 LN BAW谐振器的测试结果

2.3 频率温度特性测试

在移动通信中，各频段非常接近，这要求滤波器的工作频点随温度的变化不能出现过大的漂移。与AlN相比，LN虽然具有较高的机电耦合系数，但其TCF也较大，这对实际应用不利。TCF可通过下式计算：

(2)

c(T)=c(T0)·[1+a0(T-T0)+b0(T-

T0)2+c0(T-T0)3+…]

(3)

式中：T0为常温；a0、b0、c0分别为泰勒展开式中不同阶数的系数，高阶项对c影响较小，我们主要考虑第一阶温度系数。LN是一种各向异性晶体，不同轴向具有不同的温度系数，LN具有负的弹性温度系数(见表1)，从而导致TCF为较大的负值[11]。SiO2是一种正温度系数的材料，我们也给出其杨氏模量温度系数[12]。通过将SiO2作为低声阻抗层材料，能够很好地补偿LN的温漂现象。

表1 弹性系数矩阵c参数及温度系数

图5 LN BAW谐振器的实际测试结果

3 结束语

本文从有限元仿真入手，对单晶LN BAW谐振器进行了建模，利用仿真结果分析了其谐振特性。基于离子注入剥离法，成功实现了单晶LN薄膜的转移和 BAW谐振器的制备，并研究了其频率随温度变化的特性。实验结果表明，基于单晶LN薄膜的布喇格反射型BAW器件不仅具有较高的机电耦合系数，且通过SiO2/Mo构成的声反射层还能对温漂进行有效的补偿，从而实现了较小的TCF值。低温度系数、高机电耦合系数的薄膜体声波谐振器可满足大带宽滤波器的应用需求。