一、聲學波濾波器原理簡介

常用的手機射頻濾波器主有兩類：聲表面波（SAW）濾波器和體聲波（BAW）濾波器。

一個基本的SAW濾波器由壓電材料和兩個個插指換能器（IDT）組成，如圖1（a）所示。SAW的原理是基于壓電材料的壓電特性，利用輸入與輸出換能器將電信號轉換成機械能，經(jīng)過處理后，再把機械能轉換成電信號，以達到濾波的目的。SAW濾波器具有高穩(wěn)定性、小型、高選擇度等優(yōu)點，廣泛應用于手機射頻前端模塊中。但是，SAW不適合用于頻率高于2.5GHz的應用，因為頻率越高，要求IDT指寬和指間距越小，對光刻分辨率的要求也越來越高。要克服SAW的頻率上限，就需要在光刻上投入大量資金，而性能尺寸比例不理想的根本問題仍將存在。

相比于SAW，BAW更適合于高頻。與SAW不同，聲學波在BAW中是垂直傳播的。BAW的基本結構是兩個金屬電極夾著壓電薄膜，聲波在壓電薄膜里震蕩形成駐波。為了把聲學波留在壓電薄膜里震蕩，震蕩結構和外部環(huán)境之間必須有足夠的隔離才能得到最小的損耗和最大的品質因子（Q）值。

FBAR能夠實現(xiàn)這種駐波激勵，是BAW的一個重要分支。反面刻蝕型FBAR是典型的FBAR結構（圖1（b）），該結構是在襯底（硅襯底）底部刻蝕出一個窗口，在上下電極的外部均形成空氣界面，這樣就可以實現(xiàn)聲學波全反射。

圖1 不同的聲學波器件結構。（a）SAW，（b）FBAR，（c）HBAR

HBAR也是基于體聲波產(chǎn)生諧振的器件。HBAR是在低損襯底上制備金屬電極/壓電薄膜/金屬電極夾心結構換能器所形成的器件（圖1（c）），是一種能在射頻頻段產(chǎn)生多個高Q諧振點的器件。工作時，在外加電場作用下，壓電薄膜作厚度方向的伸縮運動，由夾心結構換能器激發(fā)出的聲波能量注入低損諧振腔中，引起駐波諧振。因為諧振腔厚度遠大于聲波波長，所以使用壓電換能器可以在其中發(fā)射和提取基頻響應的高次諧波頻率。只要滿足襯底表面平行間隔為λ/2整數(shù)倍的頻率，就都有高Q值的諧振頻率響應。

二、基于鍵合工藝制備LiNbO3和LiTiO3薄膜材料的研究進展

傳統(tǒng)的SAW制備在LiNbO3（LNO）、LiTiO3（LTO）等體壓電材料上。這些體單晶材料的主要問題是成本較高且不與CMOS工藝兼容。近年來，越來越多的研究者開始致力于開發(fā)薄膜SAW器件，主要的動機是：（1）采用半導體材料作為襯底能夠提高SAW的集成能力；（2）通過選擇高波速的襯底，比如藍寶石、金剛石或者硅襯底能夠提高波束，并且這些襯底可以通過引導壓電層內部的能量來抑制波在傳輸中的損耗。另外，壓電薄膜材料是BAW的核心層。選擇合適的壓電薄膜材料和制備工藝是決定BAW性能的關鍵因素。因此，要獲得高性能、低成本、高集成度的聲學波濾波器器件，突破壓電薄膜材料的制備技術是核心。

AlN是最流行的用于制備濾波器件的壓電薄膜材料，通常采用濺射方法制備。但是，濺射的AlN薄膜是特定取向的（多晶）材料，并且壓電薄膜以及薄膜/襯底界面的質量難以控制，導致其機電耦合系數(shù)（K2）和Q較低，不能滿足下一代高頻帶通濾波器高帶寬（相對帶寬＞10%）、低插損（＜3dB）的需求。

而采用基于鍵合工藝的層轉移技術能夠實現(xiàn)多種取向、高K2的薄膜壓電材料與低損襯底的靈活結合，因而能夠提升薄膜上SAW和BAW的性能。

理論研究表明，LNO和LTO薄膜的K2較高。例如，X切向LON薄膜上FBAR的K2最高可達45%，遠高于AlN薄膜的8%。相應地，LNO上FBAR濾波器的相對帶寬超過20%，是AlN上的BAW的相對帶寬的6倍（圖2）。

因此，研究和產(chǎn)業(yè)化基于鍵合工藝制備LNO和LTO薄膜的技術越來越受到業(yè)界的重視。

根據(jù)不同的器件設計需求，主要有兩種基于鍵合工藝實現(xiàn)薄膜層轉移的技術。一種是Smart-Cut技術，用于制備薄膜壓電材料；另一種是鍵合+研磨技術，用于制備厚膜壓電材料。下面著重梳理基于鍵合工藝制備LNO和LTO薄膜材料的研究進展（表1）。

圖2 X切向LNO與AlN薄膜上BAW濾波器的性能的仿真結果比較

（1）基于鍵合工藝制備應用于SAW的LNO和LTO薄膜材料的研究進展

2002年，LETI的Solal等人采用Smart-Cut技術將厚度為0.5μm的YX切向LNO成功轉移至高阻硅襯底上。該襯底上SAW的K2為14.5%，頻率溫度系數(shù)（TCF）為-50ppm/K，表明層轉移方法能夠保留薄膜的壓電特性。其中，薄膜上SAW的TCF稍低于LNO晶體上SAW的TCF（-70~-80ppm/K）的原因是硅襯底的存在，限制了LNO薄膜的熱膨脹。但是，采用該方法制備的SAW的TCF仍然較大，不能滿足實際應用的需求。

與LNO相比，LTO晶體上SAW器件的TCF（-38~-44 ppm/K）較小，因此，隨后的研究者嘗試將LTO薄膜轉移至硅襯底上。2009年，NGK的Yuji等人在30μm厚的LTO薄膜上演示了TCF僅為-8.4ppm/K的SAW。目前，NGK已經(jīng)實現(xiàn)了6寸厚膜LTO襯底的產(chǎn)業(yè)化。2015年，LETI和frec|n|sys合作，也在厚膜LTO上制備出TCF較小的SAW，但是測得的SAW的Q值較低。2018年，Soitec發(fā)布了其商用6寸襯底-POI（Piezo on Insulator）。POI襯底上SAW器件的K2、Q、TCF等關鍵性能指標得到了很好的折中。

（2）基于鍵合工藝制備應用于BAW的LNO薄膜材料的研究進展

相比于LTO薄膜，LNO薄膜是BAW領域研究的熱點。2006年，F(xiàn)EMTO-ST的Gachon等人利用光刻膠SU8作為粘合劑將厚膜（10~20μm）LON轉移到玻璃襯底上。在該襯底上制備的FBAR的K2為18%，高于傳統(tǒng)FBAR器件的K2；Q值在500MHz時達到6770，表明LON的聲學波損耗相對較低。

為了獲得更高的K2，LETI的Pijolat等人于2011年提出采用X切向的LNO薄膜的方案，他們在6.6μm的LNO薄膜上制備出K2高達43%的FBAR。但是FBAR的Q值很低，只有64，這是由于薄膜厚度均勻性差導致的。2014年，LETI的Reinhardt等人通過改善拋光工藝提高了薄膜的均勻性，并且通過優(yōu)化設計調整了金屬電極與壓電薄膜的相對厚度，最終在20μm厚的LON薄膜上制備出K2為53%、Q值為375的FBAR器件。此時Q值仍舊不高的原因是受寄生響應干擾所致。

另一方面，HFBAR架構可以優(yōu)化LON薄膜上BAW的Q值。2007年，Gachon等人利用鍵合加研磨的技術將厚度為34μm的LON薄膜轉移到LON襯底上。該結構上HBAR的Q值突破了50000，對應的Q×f則高達8.1×1013Hz。

為了避免金屬鍵合以及研磨工藝對LON表面平整度和均勻性的影響，Pijolat等人轉而采用基于H+離子注入和SiO2/SiO2鍵合的Smart-Cut技術制備LON薄膜，最終獲得了高K2和高Q的HBAR。但是HFBAR的TCF較大，在2GHz時為-80ppm/K，不能滿足應用的需求，因此，F(xiàn)EMTO-ST的Baron等人用溫補材料石英替代LON，制備出了TCF小于5 ppm/K的HBAR器件。

盡管諸多研究者在應用于BAW的LNO薄膜制備方面進行了大量的研究，但至今未報道有相關產(chǎn)品出貨。

三、基于鍵合工藝制備的壓電薄膜材料的產(chǎn)業(yè)化進展

LTO/Si結構的襯底能夠很好的平衡濾波器器件性能、成本、面積等，是眾多鍵合片中商業(yè)化最成功的襯底材料，其主要用于制備SAW器件。目前僅有NGK一家公司能夠生產(chǎn)此類襯底材料，Soitec公司也計劃量產(chǎn)新開發(fā)的POI產(chǎn)品。

NGK擁有獨立自主產(chǎn)權的鍵合片制備技術。2015年，NGK宣布量產(chǎn)其高性能的LTO/Si鍵合片，規(guī)劃產(chǎn)能30000片/月，產(chǎn)品的目標應用領域是4G手機射頻前端模塊中的SAW濾波器。該產(chǎn)品的規(guī)格及特性如下：

Soitec主要與兩家研發(fā)單位合作研發(fā)壓電薄膜材料及相關技術：一是與LETI合作基于Smart-Cut技術開發(fā)硅上壓電薄膜材料轉移技術，二是與frec|n|sys合作研究壓電薄膜上聲學波濾波器的設計、制造和表征技術。

2018年，Soitec在RF-SOI論壇上宣布正在Bernin興建一條6英寸的產(chǎn)線，專門用于生產(chǎn)Piezo on Insulator（POI）襯底，該襯底將用于制備SAW。為了加速POI的上市時間，Soitec于2017年收購了frec|n|sys。POI產(chǎn)品特性如下：