基于键合工艺制备LiNbO3和LiTiO3薄膜材料的研究进展

一、声学波滤波器原理简介

常用的手机射频滤波器主有两类：声表面波（SAW）滤波器和体声波（BAW）滤波器。

一个基本的SAW滤波器由压电材料和两个个插指换能器（IDT）组成，如图1（a）所示。SAW的原理是基于压电材料的压电特性，利用输入与输出换能器将电信号转换成机械能，经过处理后，再把机械能转换成电信号，以达到滤波的目的。SAW滤波器具有高稳定性、小型、高选择度等优点，广泛应用于手机射频前端模块中。但是，SAW不适合用于频率高于2.5GHz的应用，因为频率越高，要求IDT指宽和指间距越小，对光刻分辨率的要求也越来越高。要克服SAW的频率上限，就需要在光刻上投入大量资金，而性能尺寸比例不理想的根本问题仍将存在。

相比于SAW，BAW更适合于高频。与SAW不同，声学波在BAW中是垂直传播的。BAW的基本结构是两个金属电极夹着压电薄膜，声波在压电薄膜里震荡形成驻波。为了把声学波留在压电薄膜里震荡，震荡结构和外部环境之间必须有足够的隔离才能得到最小的损耗和最大的品质因子（Q）值。

FBAR能够实现这种驻波激励，是BAW的一个重要分支。反面刻蚀型FBAR是典型的FBAR结构（图1（b）），该结构是在衬底（硅衬底）底部刻蚀出一个窗口，在上下电极的外部均形成空气界面，这样就可以实现声学波全反射。

图1 不同的声学波器件结构。（a）SAW，（b）FBAR，（c）HBAR

HBAR也是基于体声波产生谐振的器件。HBAR是在低损衬底上制备金属电极/压电薄膜/金属电极夹心结构换能器所形成的器件（图1（c）），是一种能在射频频段产生多个高Q谐振点的器件。工作时，在外加电场作用下，压电薄膜作厚度方向的伸缩运动，由夹心结构换能器激发出的声波能量注入低损谐振腔中，引起驻波谐振。因为谐振腔厚度远大于声波波长，所以使用压电换能器可以在其中发射和提取基频响应的高次谐波频率。只要满足衬底表面平行间隔为λ/2整数倍的频率，就都有高Q值的谐振频率响应。

二、基于键合工艺制备LiNbO3和LiTiO3薄膜材料的研究进展

传统的SAW制备在LiNbO3（LNO）、LiTiO3（LTO）等体压电材料上。这些体单晶材料的主要问题是成本较高且不与CMOS工艺兼容。近年来，越来越多的研究者开始致力于开发薄膜SAW器件，主要的动机是：（1）采用半导体材料作为衬底能够提高SAW的集成能力；（2）通过选择高波速的衬底，比如蓝宝石、金刚石或者硅衬底能够提高波束，并且这些衬底可以通过引导压电层内部的能量来抑制波在传输中的损耗。另外，压电薄膜材料是BAW的核心层。选择合适的压电薄膜材料和制备工艺是决定BAW性能的关键因素。因此，要获得高性能、低成本、高集成度的声学波滤波器器件，突破压电薄膜材料的制备技术是核心。

AlN是最流行的用于制备滤波器件的压电薄膜材料，通常采用溅射方法制备。但是，溅射的AlN薄膜是特定取向的（多晶）材料，并且压电薄膜以及薄膜/衬底界面的质量难以控制，导致其机电耦合系数（K2）和Q较低，不能满足下一代高频带通滤波器高带宽（相对带宽＞10%）、低插损（＜3dB）的需求。

而采用基于键合工艺的层转移技术能够实现多种取向、高K2的薄膜压电材料与低损衬底的灵活结合，因而能够提升薄膜上SAW和BAW的性能。

理论研究表明，LNO和LTO薄膜的K2较高。例如，X切向LON薄膜上FBAR的K2最高可达45%，远高于AlN薄膜的8%。相应地，LNO上FBAR滤波器的相对带宽超过20%，是AlN上的BAW的相对带宽的6倍（图2）。

因此，研究和产业化基于键合工艺制备LNO和LTO薄膜的技术越来越受到业界的重视。

根据不同的器件设计需求，主要有两种基于键合工艺实现薄膜层转移的技术。一种是Smart-Cut技术，用于制备薄膜压电材料；另一种是键合+研磨技术，用于制备厚膜压电材料。下面着重梳理基于键合工艺制备LNO和LTO薄膜材料的研究进展（表1）。

图2 X切向LNO与AlN薄膜上BAW滤波器的性能的仿真结果比较

（1）基于键合工艺制备应用于SAW的LNO和LTO薄膜材料的研究进展

2002年，LETI的Solal等人采用Smart-Cut技术将厚度为0.5μm的YX切向LNO成功转移至高阻硅衬底上。该衬底上SAW的K2为14.5%，频率温度系数（TCF）为-50ppm/K，表明层转移方法能够保留薄膜的压电特性。其中，薄膜上SAW的TCF稍低于LNO晶体上SAW的TCF（-70~-80ppm/K）的原因是硅衬底的存在，限制了LNO薄膜的热膨胀。但是，采用该方法制备的SAW的TCF仍然较大，不能满足实际应用的需求。

与LNO相比，LTO晶体上SAW器件的TCF（-38~-44 ppm/K）较小，因此，随后的研究者尝试将LTO薄膜转移至硅衬底上。2009年，NGK的Yuji等人在30μm厚的LTO薄膜上演示了TCF仅为-8.4ppm/K的SAW。目前，NGK已经实现了6寸厚膜LTO衬底的产业化。2015年，LETI和frec|n|sys合作，也在厚膜LTO上制备出TCF较小的SAW，但是测得的SAW的Q值较低。2018年，Soitec发布了其商用6寸衬底-POI（Piezo on Insulator）。POI衬底上SAW器件的K2、Q、TCF等关键性能指标得到了很好的折中。

（2）基于键合工艺制备应用于BAW的LNO薄膜材料的研究进展

相比于LTO薄膜，LNO薄膜是BAW领域研究的热点。2006年，FEMTO-ST的Gachon等人利用光刻胶SU8作为粘合剂将厚膜（10~20μm）LON转移到玻璃衬底上。在该衬底上制备的FBAR的K2为18%，高于传统FBAR器件的K2；Q值在500MHz时达到6770，表明LON的声学波损耗相对较低。

为了获得更高的K2，LETI的Pijolat等人于2011年提出采用X切向的LNO薄膜的方案，他们在6.6μm的LNO薄膜上制备出K2高达43%的FBAR。但是FBAR的Q值很低，只有64，这是由于薄膜厚度均匀性差导致的。2014年，LETI的Reinhardt等人通过改善抛光工艺提高了薄膜的均匀性，并且通过优化设计调整了金属电极与压电薄膜的相对厚度，最终在20μm厚的LON薄膜上制备出K2为53%、Q值为375的FBAR器件。此时Q值仍旧不高的原因是受寄生响应干扰所致。

另一方面，HFBAR架构可以优化LON薄膜上BAW的Q值。2007年，Gachon等人利用键合加研磨的技术将厚度为34μm的LON薄膜转移到LON衬底上。该结构上HBAR的Q值突破了50000，对应的Q×f则高达8.1×1013Hz。

为了避免金属键合以及研磨工艺对LON表面平整度和均匀性的影响，Pijolat等人转而采用基于H+离子注入和SiO2/SiO2键合的Smart-Cut技术制备LON薄膜，最终获得了高K2和高Q的HBAR。但是HFBAR的TCF较大，在2GHz时为-80ppm/K，不能满足应用的需求，因此，FEMTO-ST的Baron等人用温补材料石英替代LON，制备出了TCF小于5 ppm/K的HBAR器件。

尽管诸多研究者在应用于BAW的LNO薄膜制备方面进行了大量的研究，但至今未报道有相关产品出货。

三、基于键合工艺制备的压电薄膜材料的产业化进展

LTO/Si结构的衬底能够很好的平衡滤波器器件性能、成本、面积等，是众多键合片中商业化最成功的衬底材料，其主要用于制备SAW器件。目前仅有NGK一家公司能够生产此类衬底材料，Soitec公司也计划量产新开发的POI产品。

NGK拥有独立自主产权的键合片制备技术。2015年，NGK宣布量产其高性能的LTO/Si键合片，规划产能30000片/月，产品的目标应用领域是4G手机射频前端模块中的SAW滤波器。该产品的规格及特性如下：

Soitec主要与两家研发单位合作研发压电薄膜材料及相关技术：一是与LETI合作基于Smart-Cut技术开发硅上压电薄膜材料转移技术，二是与frec|n|sys合作研究压电薄膜上声学波滤波器的设计、制造和表征技术。

2018年，Soitec在RF-SOI论坛上宣布正在Bernin兴建一条6英寸的产线，专门用于生产Piezo on Insulator（POI）衬底，该衬底将用于制备SAW。为了加速POI的上市时间，Soitec于2017年收购了frec|n|sys。POI产品特性如下：