工作簡介

上海微系統所異質集成XOI課題組采用萬能離子刀技術，成功實現了4英寸晶圓級石英基鉭酸鋰單晶薄膜異質晶圓（Lithium tantalate on Quartz，LTOQ）的制備，所制備的薄膜具有良好的薄膜均勻性和晶體質量。基于LTOQ襯底所制備的聲表面波諧振器的Bode_Q值超過3000，機電耦合系數大于10%，并在高溫下表現出良好的溫度穩定性。相關研究工作以“Heterogeneous integration of lithium tantalate thin film on quartz for high performance surface acoustic wave resonator”為題發表在Japanese Journal of Applied Physics (JJAP)。論文共同第一作者為上海微系統所的博士研究生陳陽和吳進波，論文共同通訊作者為上海微系統所黃凱副研究員和歐欣研究員。

研究背景

現代移動通信技術的發展和更廣泛的應用使得通信頻段變得越來越擁擠，需要聲學濾波器具有更陡峭的裙邊、更低的插入損耗以及更優良的溫度穩定性。為了實現上述這些特征，需要聲學諧振器具有更高的品質因子（Q）以及更好的頻率溫度穩定性（TCF）。然而基于傳統鉭酸鋰和鈮酸鋰體材料的聲學諧振器由于材料屬性本身的限制，已無法滿足高性能聲學諧振器的制備需求。

為提高聲表面諧振器的Q值和頻率溫度穩定性，研究人員提出了異質壓電薄膜結構。在這些結構中，由于壓電薄膜材料與襯底之間的聲阻抗差異，壓電薄膜中所激發的聲表面波可以被良好的限制在壓電薄膜內，從而減少了聲波傳輸的損耗，顯著提高了器件的Q值。石英作為具有強各向異性的晶體材料，其聲波的波速在各個方向上具有強的各向異性，適當選擇石英切向，可實現LT薄膜內聲學模式的良好限制。此外石英極低的射頻損耗也有利于提升聲表面諧振器的Q值。

研究亮點

上海微系統所異質集成課題組基于萬能離子刀技術，成功實現了4寸晶圓級LT/SiO2/Quartz結構。在利用萬能離子刀技術制備該結構時，為使該結構適用于1-3GHz頻段的應用，選用42YX LT作為壓電薄膜層材料。同時為避免在制備過程中襯底與壓電層較大的熱失配，選用了與42YX LT熱匹配的聲波X向傳輸石英襯底，并優化了石英襯底的切向，使42YX LT薄膜內激發的水平剪切聲表面波（SH-SAW）能夠良好的限制在壓電薄膜內。如圖1（a）為LTOQ的結構示意圖；圖（b）為不同石英切角β下仿真所得的SH-SAW的導納響應，圖（c）為提取出的器件導納比隨石英切角的變化，得出石英切角為50-60°時對應SH-SAW諧振器可獲得最大的導納比，對應切向為30-40YX Quartz。

圖 1 (a) LTOQ 結構示意圖；（b）不同石英切向下仿真所得的SH-SAW的導納響應；（c）不同石英切角下提取得到的SH-SAW導納比

圖2為以36YX石英為襯底和ZX石英為襯底時，仿真所得的SH-SAW的振型圖。其中36YX石英襯底顯示出了對聲波的良好限制效果，而以ZX石英為襯底時，聲波向襯底出現嚴重泄露現象。

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

圖3為采用萬能離子刀技術制備LTOQ晶圓的制備流程圖。需要注意的是，為避免親水性鍵合在LT與石英的鍵合界面上引入缺陷，在結構當中加入了100 nm SiO2層，以使結構真正有望實現大規模的商業應用。

圖3 萬能離子刀技術制備LTOQ結構流程圖

圖4(a)為所制備的四寸晶圓級LTOQ的照片，晶圓薄膜面積大于90%。圖4(b)為晶圓的薄膜厚度mapping圖，薄膜平均厚度602nm，薄膜均勻性為±2.2%。良好的薄膜均勻性有利于制備器件的一致性。圖4（c）為LT薄膜表面的AFM測量圖，所得的薄膜表面粗糙度為0.226nm，滿足高性能SAW器件的制備要求。圖4（d）為LT薄膜的HRXRD單晶搖擺曲線，47.4 arcsec 的半高寬證明了LT薄膜良好的晶體質量，為高性能SAW器件的制備提供了保證。

圖4 （a）晶圓級LTOQ照片；（b）4寸LTOQ LT薄膜厚度mapping圖；（c）LT薄膜表面AFM測試結果；（d）LT薄膜與LT體材料的HRXRD搖擺曲線測試結果

圖5為LTOQ結構的TEM測試結果。圖5（a）為結構的截面圖，展示了LT與SiO2，SiO2與石英之間平坦的界面。圖（b）為SiO2與LT的截面圖，LT層規則的原子排列和選區電子衍射規則的衍射斑點（圖(b)插圖）證明了LT具有優良的單晶質量。

圖5 LTOQ TEM測試結果：（a）LTOQ截面示意圖；（b）LT與SiO2層界面圖，插圖為LT薄膜的選區電子衍射圖；（c）SiO2余石英界面圖，插圖為石英的選區電子衍射圖

圖6為所制備SAW諧振器的光鏡圖。圖7（a）為測試得到的SH-SAW諧振器的導納曲線，以及仿真所得的SH-SAW諧振器的導納曲線，兩者顯示出較高的匹配度，證明了所制備LT材料的較高質量。實際測得的SH-SAW諧振器kt2為10.26%。圖7（b）為提取出的諧振器Bode-Q曲線，其最大Bode-Q值超過3000。高的Q值得益于石英襯底對聲波良好的限制效果以及石英較低的射頻損耗。

圖6 基于LTOQ襯底的聲表面波諧振器光鏡圖

圖7 （a）仿真和測試所得的SH-SAW諧振器的導納曲線；（b）提取出的SH-SAW的Bode-Q曲線

圖8為對SH-SAW進行的溫度性能的表征，提取的其諧振點的TCF為-25.21 ppm/℃，反諧振點的TCF為-35.22 ppm/℃，相比LT體材料諧振器有了一定程度的提升。圖8（c）為反諧振點附近導納響應隨溫度的變化，從25℃到85℃，反諧振點處導納值僅惡化了1.15dB，證明了材料良好的溫度穩定性，這得益于石英襯底良好的絕緣特性。

圖8 （a）SH-SAW諧振點頻率隨溫度變化；（b）SH-SAW反諧振點頻率隨溫度變化；（c）SH-SAW反諧振點附近導納響應隨溫度變化

總結與展望

通過萬能離子刀技術成功制備了高膜厚均勻性，高晶體質量的4寸晶圓級LTOQ射頻聲學襯底，所制備的聲學諧振器具有10%以上的機電耦合系數和大于3000的Q值，并展現出良好的溫度穩定性。通過更進一步的優化器件的頻率溫度系數（TCF），有望為射頻聲學器件的大規模制備提供新的更加優良的襯底選擇。

論文鏈接
https://iopscience.iop.org/article/10.35848/1347-4065/aca5d7/meta

審核編輯 ：李倩