[发明专利]一种基于单晶压电薄膜的体声波谐振器及其制备方法

说明书

本发明公开了一种基于单晶压电薄膜的体声波谐振器，包括：衬底、形成在所述衬底上的声反射层以及覆盖在所述声反射层上的压电三明治结构，所述压电三明治结构包括下电极、单晶压电薄膜、上电极；在所述下电极表面和声反射层上沉积低熔点的金属薄膜，并通过光刻工艺形成图形化键合支点，实现所述压电三明治结构与声反射层的低温键合；所述单晶压电薄膜通过离子切片技术获得，通过控制离子注入的能量和离子剂量可以控制膜厚；本发明制备的体声波谐振器的机电耦合系数达到44％以上，品质因数达到2500以上，能在高带宽、大容量数据传输的现代通信系统中发挥重要作用。

技术领域

本发明属于射频微机电系统技术领域，特别涉及一种基于单晶压电薄膜的体声波谐振器及其制备方法。

背景技术

随着微机电系统技术的进步，薄膜体声波滤波器以其尺寸小、插入损耗低、谐振频率高、品质因数高、功率容量大等特点，逐渐取代传统的声表面波滤波器和陶瓷滤波器，抢占了通信系统滤波芯片的主要市场份额，满足未来高带宽、大容量的数据传输需求。如，2003年2月4日公开的美国专利US 6515558(B1)“Thin-film bulk acoustic resonatorwith enhanced power handling capacity”通过优化声反射层的结构，给出了一种高功率容量的薄膜体声波谐振器；又如T.W.Grudkowski等人1980年8月1日在Applied PhysicsLetter上发表的文章“Fundamental-mode VHF/UHF miniature acoustic resonators andfilters on silicon”首次公开了一种基于氧化锌的薄膜体声波谐振器，并实现Q值达2580、机电耦合系数K_t为7.7％、插入损耗为5.5dB的性能。

薄膜体声波谐振器是薄膜体声波滤波器的主要构成单元，其基本结构是由两层金属电极夹着压电薄膜层的三明治压电振荡堆。压电薄膜层的厚度决定着体声波谐振器的工作频率。移动通信系统中体声波滤波器主要工作在500MHz至10GHz频段，这要求压电薄膜层的厚度在100纳米(nm)至几微米(um)范围内。由薄膜体声波谐振器的阻抗曲线可以得出，谐振器的机电耦合系数直接控制着器件的带宽。因此，制备机电耦合系数高的薄膜材料成为科学界和工业界一直在探索的问题。

G.Ferblantier等人2005年6月18日在Sensors and Actuators上发表的文章“Deposition of zinc oxide thin films for application inbulk acoustic waveresonator”公开了一种基于氧化锌的体声波谐振器，通过优化制备条件，生长了c轴择优生长、半高宽FWHM为0.28°的氧化锌薄膜，但其机电耦合系数只有7.5％。

H.P.Loebl等人2003年于Materials Chemistry and Physics上发表的文章“Piezoelectric thin AlN films for bulk acoustic wave(BAW)resonators”公开了一种基于AlN薄膜的体声波谐振器，实现了23％的机电耦合系数，但是Q值只有580。

PB Kirby等人2001年于IEEEInternationaleFrequency Control Symposium andPDA Exhibition上发表的文章“PZT thin film bulk acoustic wave resonators andfilters”报道了PZT薄膜体声波谐振器，其机电耦合系数达到19.1％，但是Q值只有52.8。

上述氧化锌、AlN、PZT压电薄膜均为多晶材料，与压电单晶材料相比，具有机电耦合系数较低的明显缺陷。