石英基钽酸锂异质集成晶圆制备及高性能声学射频谐振器

工作简介

上海微系统所异质集成XOI课题组采用万能离子刀技术，成功实现了4英寸晶圆级石英基钽酸锂单晶薄膜异质晶圆（Lithium tantalate on Quartz，LTOQ）的制备，所制备的薄膜具有良好的薄膜均匀性和晶体质量。基于LTOQ衬底所制备的声表面波谐振器的Bode_Q值超过3000，机电耦合系数大于10%，并在高温下表现出良好的温度稳定性。相关研究工作以“Heterogeneous integration of lithium tantalate thin film on quartz for high performance surface acoustic wave resonator”为题发表在Japanese Journal of Applied Physics (JJAP)。论文共同第一作者为上海微系统所的博士研究生陈阳和吴进波，论文共同通讯作者为上海微系统所黄凯副研究员和欧欣研究员。

研究背景

现代移动通信技术的发展和更广泛的应用使得通信频段变得越来越拥挤，需要声学滤波器具有更陡峭的裙边、更低的插入损耗以及更优良的温度稳定性。为了实现上述这些特征，需要声学谐振器具有更高的品质因子（Q）以及更好的频率温度稳定性（TCF）。然而基于传统钽酸锂和铌酸锂体材料的声学谐振器由于材料属性本身的限制，已无法满足高性能声学谐振器的制备需求。

为提高声表面谐振器的Q值和频率温度稳定性，研究人员提出了异质压电薄膜结构。在这些结构中，由于压电薄膜材料与衬底之间的声阻抗差异，压电薄膜中所激发的声表面波可以被良好的限制在压电薄膜内，从而减少了声波传输的损耗，显著提高了器件的Q值。石英作为具有强各向异性的晶体材料，其声波的波速在各个方向上具有强的各向异性，适当选择石英切向，可实现LT薄膜内声学模式的良好限制。此外石英极低的射频损耗也有利于提升声表面谐振器的Q值。

研究亮点

上海微系统所异质集成课题组基于万能离子刀技术，成功实现了4寸晶圆级LT/SiO2/Quartz结构。在利用万能离子刀技术制备该结构时，为使该结构适用于1-3GHz频段的应用，选用42YX LT作为压电薄膜层材料。同时为避免在制备过程中衬底与压电层较大的热失配，选用了与42YX LT热匹配的声波X向传输石英衬底，并优化了石英衬底的切向，使42YX LT薄膜内激发的水平剪切声表面波（SH-SAW）能够良好的限制在压电薄膜内。如图1（a）为LTOQ的结构示意图；图（b）为不同石英切角β下仿真所得的SH-SAW的导纳响应，图（c）为提取出的器件导纳比随石英切角的变化，得出石英切角为50-60°时对应SH-SAW谐振器可获得最大的导纳比，对应切向为30-40YX Quartz。

图 1 (a) LTOQ 结构示意图；（b）不同石英切向下仿真所得的SH-SAW的导纳响应；（c）不同石英切角下提取得到的SH-SAW导纳比

图2为以36YX石英为衬底和ZX石英为衬底时，仿真所得的SH-SAW的振型图。其中36YX石英衬底显示出了对声波的良好限制效果，而以ZX石英为衬底时，声波向衬底出现严重泄露现象。

图2 不同石英切向下仿真所得的SH-SAW的振型图：（a）36YX Quartz；（b）ZX Quartz

图3为采用万能离子刀技术制备LTOQ晶圆的制备流程图。需要注意的是，为避免亲水性键合在LT与石英的键合界面上引入缺陷，在结构当中加入了100 nm SiO2层，以使结构真正有望实现大规模的商业应用。

图3 万能离子刀技术制备LTOQ结构流程图

图4(a)为所制备的四寸晶圆级LTOQ的照片，晶圆薄膜面积大于90%。图4(b)为晶圆的薄膜厚度mapping图，薄膜平均厚度602nm，薄膜均匀性为±2.2%。良好的薄膜均匀性有利于制备器件的一致性。图4（c）为LT薄膜表面的AFM测量图，所得的薄膜表面粗糙度为0.226nm，满足高性能SAW器件的制备要求。图4（d）为LT薄膜的HRXRD单晶摇摆曲线，47.4 arcsec 的半高宽证明了LT薄膜良好的晶体质量，为高性能SAW器件的制备提供了保证。

图4 （a）晶圆级LTOQ照片；（b）4寸LTOQ LT薄膜厚度mapping图；（c）LT薄膜表面AFM测试结果；（d）LT薄膜与LT体材料的HRXRD摇摆曲线测试结果

图5为LTOQ结构的TEM测试结果。图5（a）为结构的截面图，展示了LT与SiO2，SiO2与石英之间平坦的界面。图（b）为SiO2与LT的截面图，LT层规则的原子排列和选区电子衍射规则的衍射斑点（图(b)插图）证明了LT具有优良的单晶质量。

图5 LTOQ TEM测试结果：（a）LTOQ截面示意图；（b）LT与SiO2层界面图，插图为LT薄膜的选区电子衍射图；（c）SiO2余石英界面图，插图为石英的选区电子衍射图

图6为所制备SAW谐振器的光镜图。图7（a）为测试得到的SH-SAW谐振器的导纳曲线，以及仿真所得的SH-SAW谐振器的导纳曲线，两者显示出较高的匹配度，证明了所制备LT材料的较高质量。实际测得的SH-SAW谐振器kt2为10.26%。图7（b）为提取出的谐振器Bode-Q曲线，其最大Bode-Q值超过3000。高的Q值得益于石英衬底对声波良好的限制效果以及石英较低的射频损耗。

图6 基于LTOQ衬底的声表面波谐振器光镜图

图7 （a）仿真和测试所得的SH-SAW谐振器的导纳曲线；（b）提取出的SH-SAW的Bode-Q曲线

图8为对SH-SAW进行的温度性能的表征，提取的其谐振点的TCF为-25.21 ppm/℃，反谐振点的TCF为-35.22 ppm/℃，相比LT体材料谐振器有了一定程度的提升。图8（c）为反谐振点附近导纳响应随温度的变化，从25℃到85℃，反谐振点处导纳值仅恶化了1.15dB，证明了材料良好的温度稳定性，这得益于石英衬底良好的绝缘特性。

图8 （a）SH-SAW谐振点频率随温度变化；（b）SH-SAW反谐振点频率随温度变化；（c）SH-SAW反谐振点附近导纳响应随温度变化

总结与展望

通过万能离子刀技术成功制备了高膜厚均匀性，高晶体质量的4寸晶圆级LTOQ射频声学衬底，所制备的声学谐振器具有10%以上的机电耦合系数和大于3000的Q值，并展现出良好的温度稳定性。通过更进一步的优化器件的频率温度系数（TCF），有望为射频声学器件的大规模制备提供新的更加优良的衬底选择。

论文链接
https://iopscience.iop.org/article/10.35848/1347-4065/aca5d7/meta

审核编辑 ：李倩