硅基钽酸锂压电单晶复合薄膜材料及应用

绝缘体上压电基板(POI)是一种新兴的压电单晶复合薄膜结构材料。POI基板由压电单晶材料薄层(单晶钽酸锂/铌酸锂)、二氧化硅层及高阻硅衬底构成,采用Smart-Cut工艺制备,可保证板层高均匀度及高质量的批量生产。通过这种基板可设计满足5G通信要求的高性能集成声表面波(SAW)谐振器和滤波器。基于POI材料制备的SAW器件具有高频、高品质因数(Q)值、低温度敏感性及较大带宽等优良特性,同时还能在同一芯片上集成多个SAW滤波器,具有广阔的市场应用前景。该文介绍了POI基板的制备、国内外的研究现状及POI基板在高性能SAW滤波器中的应用,综述了制备POI基板的关键技术并展望了未来的发展趋势。     

用于SAW器件制造的键合减薄技术

铌酸锂(LiNbO3)作为一种压电材料,常被用于声表面波(SAW)器件的压电层,通常LiNbO3晶片厚度为500 μm,而实际上压电层的有效利用厚度为λ～2λ(λ为声表面波波长).为能实现SAW器件的高度集成化,需用键合减薄及抛光技术对LiNbO3进行加工处理.用粒径(φ)100 nm的SiO2抛光液对减薄后的铌酸锂晶体样品进行化学机械抛光,研究了抛光垫、抛光盘转速、压力及抛光时间对抛光过程的影响.抛光结果表明最佳抛光工艺参数是:采用阻尼布抛光盘,100 nm的SiO2抛光液,转速为120 r/min,压力为3.9N,抛光时间为40 min.经测试样品厚度为80μm,样品的最小粗糙度Ra=0.468 nm,Rq=0.593 nm(Ra为算术平均粗糙度,Rq为均方根粗糙度).     

声表面波速度的计算

石英和铌酸锂晶体具有优良的压电性能,常用来制作声表面波(SAW)器件(如延迟线、滤波器、振荡器、卷积器、声光器件等)的基底.该文推导表面波晶体声学基本方程和表面波力学边界条件方程,使用一种新的计算表面波声速的循环迭代法,分别对石英、铌酸锂2种晶体,在最佳的退耦声弧矢面,即yz平面内,系统计算沿不同方向的声表面波速度,并绘制出倒速度曲线.     

压电MEMS兰姆波器件技术的最新进展与展望

兰姆波谐振器(LWR)作为一种新兴的压电微机电系统(MEMS)声学器件,同时具有高工作频率、高机电耦合系数、高品质因数值及低功耗等特点,其制造工艺与集成电路工艺兼容,可在单片晶圆上实现多频率器件。基于LWR的声学滤波器是实现高性能射频前端组件的有效解决方案之一,能够满足未来通信设备多频率及集成化的发展要求,其相关研究已成为微声器件领域的热点。该文简要介绍了兰姆波的基本原理,综述了近年来基于氮化铝(AlN)薄膜和铌酸锂薄膜(LNOI)的压电MEMS兰姆波器件研究取得的最新成果,并讨论了压电MEMS兰姆波器件的发展趋势。     

高频声表面波器件用压电晶圆清洗技术研究

论述了低浓度碱性过氧化氢清洗液兆声清洗钽酸锂、铌酸锂和水晶等压电晶圆的工艺技术。在保持压电晶圆特性的前提下,该技术可有效去除晶圆表面小于0.2 μm的附着颗粒,使其表面洁净度满足亚微米线宽高频声表面波（SAW）器件生产要求,同时降低了化学品、去离子水的消耗量及对环境的污染。     

新的极性材料:用于SAW及其他器件(一)

近几年来,人们更加清楚地看到:两种广泛用于声表面波的材料具有严重的缺陷。例如,α石英的电机耦合比较差,使它满足不了大带宽的要求;而铌锂酸的SAW速度温度系数很坏,使得它不适于许多强调环境稳定性的应用。另一项取决于材料性质的是限制了器件的上限工作频率。铌酸锂和石英上的SAW速度分别为～3,400和～3,200米秒~(-1)时,对应的上限频率一般固定在1千兆赫左右。近几年来,大量的工作已经走向研究材料的压电和弹性性质,目的是找到一种新材料,它具有高的机电耦合系数并且SAW速度温度系数为零,或者是SAW速度比α石英和铌酸锂大得多。本文通过材料的晶体结构和晶体生长中碰到的问题介绍并讨论了该研完工作中的几项结果。也讨论了用这些材料制作的几种新的SAW器件和其它压电器件的前途。     

AlN/PZT复合压电薄膜层SAW激励与传播研究

该文在单晶硅基底上设计了AlN/PZT复合压电薄膜层声表面波(SAW)器件,采用有限元法(FEM)研究了复合压电材料厚度(PZT厚度h_PZT和AlN厚度h_AlN)对AlN/IDT/PZT/Si结构中零阶、一阶SAW的相速度、机电耦合系数和电极反射系数的影响,根据色散特性得到最优化薄膜厚度。结果表明,AlN/IDT/PZT/Si结构中,当h_PZT =0.025λ,h_AlN=λ时,零阶、一阶SAW都能取得最高相速度(分别为5 582 m/s和5 711 m/s),适用于高频器件设计;在h_PZT=0.2λ,h_AlN=0.1λ时,零阶SAW波的机电耦合系数最大(为21.55%),但此时相速度最小(仅为2 890 m/s),适用于移动通信领域宽带低损耗SAW滤波器和延迟线结构信号处理器件的设计。     

基于铌酸锂/BCB/聚酰亚胺结构的柔性声表面波器件的设计与仿真

该文采用有限元法对“铌酸锂/苯并环丁烯(BCB)/聚酰亚胺”结构的柔性声表面波器件进行了研究。结果表明,铌酸锂厚度为0.06λ～0.8λ(λ为周期)时,不能激发稳定的瑞利波,在此区间外可激发瑞利波。随着温度升高,器件的谐振频率降低,计算结果表明,声速随温度变化是谐振频率下降的主要原因,大于热膨胀引起的谐振频率变化。仿真结果为设计和制备柔性声表面波器件时合理选择压电薄膜厚度及衬底材料力学性能等参数提供了一定的理论依据。     

高频高性能声表面波器件

声表面波(SAW)器件是VHF-UHF频段中信息和传输系统的高性能关键器件.SAW器件用基片材料,包括压电常数和声速大的在蓝宝石上外延生长的ZnO单晶薄膜、温度稳定性好的石英和控制元件分散性实现高精度的SiO_2薄膜等.由于采用了三个换能器结构、抽指加权和假电极指等设计法,获得了高Q、低损耗、高稳定和高精度的SAW器件.这些器件和电路元件混合集成,可制成小型的滤波器、振荡器和FM解调器并应用于CATV、卫星广播、汽车电话和TV调谐器等方面.     

声表面波技术与电子战

本文介绍SAW器件在电子战(EW)系统中的应用。以声表面波滤波器组为核心的信道化接收机可以实现宽频的信道化接收和100%的截获概率(POI),可广泛应用于电子侦察(ELINT);以声表面波Chirp器件为核心的压缩接收机可有数百兆赫的带宽和2MHz—25kHz的频率分辨率,可以用于电子侦察和通信侦察,采用合适的结构亦可获得100%的POI。文章叙述了各种声表面波器件及声表面波声光(AO)器件在ESM、ECM、ECCM中的其它应用。文中还简单介绍了我所为EW研制的SAW器件。     

薄膜型声表面波器件的研究进展

相较于传统的压电单晶声表面波器件,薄膜型声表面波器件具有成本低、易小型化、易集成化等优点。文章对几种薄膜型声表面波器件的研究进展进行了综述。首先,总结了几种常见的薄膜制备方法。然后,根据应用范围的不同将薄膜型声表面波器件分为高频器件和高温器件。根据这两大类型,综述了近年来较典型的五种薄膜型声表面波器件,介绍其制备流程、基本结构和高频/高温等特性。最后,对五种薄膜型声表面波器件进行对比,并对薄膜型声表面波器件的未来发展提出展望。该综述对薄膜型声表面波器件的实际应用及推广具有一定借鉴意义。     

薄膜声表面波器件的制备研究进展

介绍了薄膜声表面波器件的发展历史和特点,以及压电薄膜声表面波器件近年来国际上的研究进展,包括理论研究与实验进展的一些概况,并展望了其今后的发展趋势。     

基于剥离工艺的晶圆材料表面形貌表征

压电晶圆表面形貌特征参数是影响光刻剥离工艺及器件批生产成品的关键技术基础。基于声表面波(SAW)器件剥离工艺,该文提出并量化了晶圆材料表面形貌表征参数体系:翘曲度(BOW)、平坦度(GBIR)、小区平坦度(SBIR)、小区平坦度合格率(PLTV)等,并给出了晶圆材料表面形貌表征参数的测试方法及对光刻工艺参数的影响。     

SAW器件封装技术概述

小型化和多功能化是SAW器件发展的主要动力,回顾了SAW器件封装的发展历史,介绍了金属封装、塑料封装、SMD封装各自的特点,详述了芯片倒装技术及芯片尺寸SAW封装技术,将通用芯片倒装技术和SAW封装的特点结合,使封装尺寸减小到极限,对今后的复合封装进行了展望。     

压电和铁电薄膜及其应用的发展趋势

本文讨论了压电和铁电薄膜材料及其在固体器件中应用的发展趋势。薄膜生长技术的进展,为压电和铁电薄膜集成固体器件在各个领域的应用开辟了广阔的前景。ZnO和AIN薄膜将广泛地用于SAW和BAW器件。特别是成功地制作了薄膜体声波谐振器和高次谐波体波谐振器。以PbTiO_3为基的PZT和PLZT固溶体外延薄膜将应用于热电探测器和SAW器件。在实现了对多层薄膜的界面结构及其特性的成功控制之后,铁电薄膜将在铁电存储和集成光学领域发挥重要作用。     

六方氮化硼薄膜制备及其压电响应的研究

采用射频(RF)磁控溅射的方法,通过改变工艺参数在n型Si(100)片上制备六方氮化硼(h-BN)薄膜。通过傅立叶红外(FTIR)光谱仪,X射线衍射(XRD)仪进行结构表征,原子力显微镜(AFM)进行表面形貌和压电性能表征。测试结果表明,在射频功率为300 W、衬底温度为500℃、工作压强在0.8Pa、N2与Ar流量比为4∶20和衬底偏压在-200V时制备的六方BN薄膜具有高纯度、高c-轴择优取向,颗粒均匀致密,粗糙度为2.26nm,具有压电性并且压电响应均匀,符合高频声表面波器件基片高声速、优压电性要求。薄膜压电性测试研究表明,AFM的PFM测试方法适用于纳米结构半导体薄膜的压电性及其压电响应分布特性的表征。     

传统SAW离子束调频技术研究

制作传统声表面波(SAW)器件晶圆芯片表面的材料是Al,Al在空气中被氧化,极易生成致密的氧化铝(Al_2O_3)薄膜,由于Al_2O_3薄膜和Al及基底压电材料的刻蚀速率存在差异,会导致SAW的离子束调频过程复杂。该文介绍了一种用于SAW的离子束调频方法,采用该方法对制作的SAW器件进行离子束调频后,实现了目标频率的调高和调低,并进一步提高了频率集中度,从而解决了低频窄带SAW器件及2 GHz以上SAW高频器件频率精度难以提高的工艺难题。     

Integrated Circuit Compatible Surface Acoustic Wave Devices On Gallium Arsenide

Improvements in gallium arsenide materials technology have led to the rapid development of GaAs MIC, CCD, and digital IC technologies in the last several years. In this paper we consider the additional capabilities afforded by the inherent piezoelectric properties of GaAs. The primary emphasis of the work is on surface acoustic wave (SAW) device configurations using MESFET and Schottky-barrier diode fabrication techniques which are compatible with the eventual monolithic integration of electronic devices on the same substrate. The GaAs SAW technology described here provides a means for achieving electronically variable delay, high-Q resonator structures for VHF/UHF oscillator frequency control, and real-time signal processing operations such as convolution and correlation. Prototype device designs and performance are described, includlng two-port GaAs SAW resonators with Q's as large as 13 000 at 118 MHz and a programmable GaAs SAW PSK correlator capable of signal correlation at 10-MHz chip rates. Further GaAs SAW device development required for increasing the operating frequency range to 500 MHz and processing bandwidth to 100 MHz is indicated.