1. 简介
新一代电信系统的开发需要越来越多的组件和射频 (RF) 模块来选择和处理支持信息的信号。这种应用最常用的解决方案始终基于表面声波 (SAW) 及其相关组件的原理，同时考虑到它们独特的频谱质量（插入损耗、带外抑制、群延迟……）、它们的设计灵活性以及它们在 L 波段和 S 波段的紧凑性。尽管目前仍广泛使用，但钽酸锂 (LiTaO3) 和铌酸锂 (LiNbO3) 等单晶滤波器无法用于未来的 RF 模块，因为这些基板的热稳定性远远不能适应现代电信的挑战 [1]。因此，需要颠覆性的解决方案，并投入大量精力来开发它们 [2]。尽管经过多年的研究，并没有取得真正的商业突破 [3]，但压电薄膜和硅的组合现在引起了人们的强烈兴趣。Murata 已经展示了基于 LiTaO3 层和硅的组合的滤波器的功能 [4]，尽管该技术听起来很难在工业上控制。使用先进的复合基板实际上不仅仅是一种具有改进的温度稳定性的单晶替代品 [5]，而是一种真正的范式转变。通常用于 RF 滤波器 [6] 的泄漏 SAW（部分辐射在本体中的 SAW）仍然可以使用，但使用没有任何辐射泄漏的导波为新的设计方法开辟了道路。特别是，这些晶片引起了极大的兴趣，因为波的特性受材料堆叠性质和尺寸的影响。在本文中，我们提出从波导原理到允许制造这些复合基板的技术（即所谓的 Smart CutTM 技术）介绍这种结构的概念，称为 POI（绝缘体上压电）。然后，给出了 POI 的理论特性，并报告了在测试车辆上测得的实验 SAW 性能系数。最后，还描述了应用示例，以突出该新技术解决方案对于电信或无线传感器的潜力。2. SAW 波导的概念和意义
晶体表面是椭圆偏振波的天然波导。许多教科书 [7, 8] 中都详细描述了相应概念，以及 SAW 器件的理论和实现。此外，叉指换能器 (IDT) 的发明使此类器件的技术发展成为可能，这些器件具有微型尺寸，与信号处理工具兼容，并且能够集成到复杂的前端模块中。• 基板线性度、电阻率、热导率以及与 CMOS 电子器件的兼容性。通过计算有效介电常数，我们可以表征介质对界面电荷分布的电响应并检测激发模式。极点还提供了有关波的物理性质的信息。如果极点是纯实数，则模式在界面处引导，而不会在材料内辐射能量：这是一种“真”模式。如果极点是复数，则部分能量会因辐射而损失：这是一种伪模式。图 1 比较了这种将 (YXl)/42° LiTaO3 与硅和块体 LiTaO3 相结合的波导的光谱响应。虽然在这里可以看到 5400 m/s 附近的第二个贡献，但复合晶片的光谱响应主要由一种独特模式组成（蓝色和橙色曲线）。然后这个主模式是纯实数。如图所示，与导波相对应的主极点的振幅远大于块体的 LSAW（泄漏 SAW）特征（紫色和绿色曲线）。由于 LiTaO3/Si 界面处存在 SiO2，其速度略小（4056 m/s 对 4115 m/s）。使用优化的硅方向有助于限制所讨论的二次模式的影响[16]。![]()
图 1：1.6 GHz（POI）下（100）Si 半无限复合衬底上 500 nm 厚的 SiO2 上的块体（YXl）/42° LiTaO3 和 600 nm 厚的（YXl）/42° LiTaO3 层表面的有效介电常数。虚部以对数刻度绘制。如前所述，这种复合衬底的另一个目的是降低表面波器件的 TCF。TCF 在第一阶上由与弹性特性相关的贡献和另一个由热膨胀引起的贡献组成。对于具有低热膨胀的单晶衬底，它们的 TCF 非常大，无法实现此目标。对于 POI 晶圆，通过将单个压电顶层与具有非常低 TCE 的高晶体质量衬底相结合，可以人为抑制 TCF 的热膨胀系数 (TCE) 部分。为了获得由衬底引起的 TCE 降低效应，顶部压电层必须足够薄（约或小于 10 个波长），衬底厚度必须至少为 100 个波长。用作衬底的材料可以是例如氧化硅（TCE < 1,5 ppm/K）、碳化硅（~ 4 ppm/K）、蓝宝石（TCE ~ 4 ppm/K）或硅（TCE ~ 2.5 ppm/K）[17]，而 LiTaO3 的 TCE 为 4 (//) -16 (丄) ppm/K。3. 绝缘体上压电 (POI) 晶片
如前所述，上世纪末，几个研究小组研究了将基板与压电顶层相结合以开发波导的想法 [3、9、10]，当时技术终于允许在工业层面上进行此类开发。POI 的制造已在多个出版物 [11] 中描述。虽然非常通用并且适用于几乎所有晶体组合，但所选的压电层材料是钽酸锂，因为它在机电耦合强度、共振质量和热稳定性之间实现了最佳平衡。如文献 [12] 中所示，将单旋转 LiTaO3 切割（IEEE std-176 符号 (YXl)/θ，θ 对应于绕 X 轴的标准单晶切割角）和与 SiO2 结合的硅相结合，可以显著减少在这种基板上引导的剪切模式的频率-温度漂移。近年来，晶圆键合技术取得了显著的进步，可以有效地实现，以提供符合工业要求的复合晶圆。最有效的方法是基于所谓的 Smart CutTM 技术 [13]。Smart-StackingTM 技术也可以实现，但这里不再赘述。这种晶圆的制造原理如图 2 所示。![]()
图 2：Smart CutTM POI 晶圆的原理和加工流程图。
该技术的原理基于离子注入，通过粒子能量和流动可以控制最大注入密度的深度。注入后，要粘合的表面会根据分子结合过程进行清洁和准备，使其具有亲水性。一旦 LiTaO3 和 Si 晶圆结合在一起，就会应用热处理，由于离子迁移率和亲和力，在此深度会产生一系列物理缺陷，最终在工艺结束时，注入层会与初始支撑分离。随后通过化学机械抛光 (CMP) 恢复高质量表面，并固化 LiTaO3 层以获得初始钽酸锂特性。这里使用的配置展示了这种堆栈的有趣之处，它由一层 LiTaO3 通过 SiO2 层粘合到 (100) Si 衬底上组成（见图 4），但我们可以想象其他衬底，如蓝宝石或钽酸锂。SiO2 层有助于改善温度补偿，是增加机电耦合系数的关键点。图 3 报告了一个直径为 150 毫米 (YXl)/42° LiTaO3//SiO2//Si POI 晶片的示例，显示了最终产品的非常高的均匀性（标称厚度的 ± 3%）和完整性。![]()
图 3：非常高质量的全晶圆 LiTaO3 薄膜转移，直径 150 毫米的晶圆，表面经过 SAW 级精加工。4. 理论特性
基于分层介质的格林函数（见图 4）进行了计算，以确定复合基板上的导波特性趋势。![]()
图 4：基于非压电单晶基板上粘合的单晶 SAW 设备的标准材料堆栈
图 5 中指出，在此配置中，由于 Si 和 LiTaO3 之间的声学特性差异，色散效应对于小频率·LiTaO3 厚度产品（f·t 小于 1000 m/s）尤其明显。如前所述，我们观察到 SiO2 厚度对速度和 ks2 的影响。厚度越高，耦合度越高，但速度越低。必须定义 SiO2 的厚度，以便在耦合和速度之间取得折衷。我们可以注意到，对于某些配置，机电耦合系数可能高于 12%，而块状 LiTaO3 上的 LSAW 为 6%。关于相速度，对于某些特定配置，POI 晶片可以达到比块状 LiTaO3 更高的速度（高达 5600 m/s，而不是 4140 m/s）。![]()
图 5：在 (YXl)/42° LiTaO3//SiO2//Si 复合晶片上传播的基波纯剪切波的相速度和机电耦合系数，适用于各种 SiO2 和 LiTaO3 厚度。因此，必须精确控制 LiTaO3 厚度以优化模式稳定性。还必须特别注意优化 SiO2 厚度以控制依赖于此参数的 TCF，如图 6 所示。![]()
图 6：在 (YXl)/42° LiTaO3//SiO2//Si 复合晶片上传播的基波纯剪切波的一阶 TCF，适用于各种 SiO2 和 LiTaO3 厚度。通过这条曲线，我们注意到厚度优化是一个关键点。因此，使用优化的厚度，可以在给定频率下实现 0 ppm/K 灵敏度。5. 实验性能指标
使用不同频率的单端口谐振器对这些 POI 复合基板上的 SAW 模式进行了表征。图 7 显示了我们研究中使用的谐振器原型。该结构由每侧 20 个电极镜之间的 120 个指对 IDT 组成。声孔长 40λ。测试设备的周期 p = 1.2 µm 和 p = 1.4 µm。沉积电极为铝，厚度为 150 nm，a/p 比等于 0.5。![]()
图 7：用于表征 SAW 特性的典型单端口谐振器。
从测量的 S 参数（在我们的例子中为 S11）中提取品质因数，这些参数转换为复导纳（Y11）和复阻抗（Z11）。提取的一些品质因数包括：谐振（fr）和反谐振（fa）频率、机电耦合因子（ks2）、谐振（Qr）和反谐振（Qa）的品质因数、阻抗比……图 8 报告了在 1.6 GHz（p = 1.2 µm）下激励的器件的电导（导纳的实部，G）和电阻（阻抗的实部，R）。![]()
图 8：在 600 nm LiTaO3//500 nm SiO2//(100) Si 上以 1.6 GHz 附近激发的器件的特性结果（p = 1.2 µm）由于设计未优化，我们注意到谐振前后存在一些横向模式。尽管如此，这些曲线使我们能够确定耦合 ks2 等于 8.1%，品质因数 Qr = 100 和 Qa = 2570。对于完全相同的器件和相同频率下块状 LiTaO3 上的 LSAW，我们测量 ks2 = 6%，Qr ~ 150 和 Qa ~ 935（见图 9）。![]()
图 9：1.6 GHz POI 和 LiTaO3 块体上单端口谐振器的导纳幅度与频率的关系。在 1.4 GHz（p = 1.4 µm）时，结果为：ks2 = 8.5%、Qr = 100 和 Qa = 3060。如果我们现在研究这两种基板（POI 和块体）的热灵敏度，我们会得到图 10。这些曲线是在 2.4 GHz POI 和 1.6 GHz LiTaO3 块体上确定的。![]()
图 10：POI 和块状 LiTaO3 之间感兴趣模式的 TCF。
由于这种材料组合，本例中获得了等于 9.5 ppm/K 的绝对 TCF 值，而 LiTaO3 单晶基板的 TCF 值通常为 39.6 ppm/K。这些结果很好地说明了 POI 结构在性能系数和温度补偿方面的优势。6. 滤波器和传感器的应用
6.1 SAW 滤波器
基于这项特性研究，我们设计了第一个 SAW 滤波器。该滤波器对应于 GPS 应用，更准确地说是 L1 编码带滤波。该设备的工作频率为 1575.42 MHz。我们的 SAW 滤波器采用 SAW 阶梯结构，晶片基于 30 µm LiTaO3 (YXl)/42° 层、500 nm SiO2 层、650 µm Si 基板。第一步是在完成滤波器设计之前确定串联和并联谐振器的 SAW 特性。测量它们的电响应并提取一些性能系数。表 1 总结了每个谐振器的波速、谐振和反谐振频率、耦合因子和品质因数的平均值（考虑 10 个谐振器测量）。表 1. 串联和并联谐振器的品质系数
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滤波器的最终设计符合此类应用的典型特性。然后，测量了滤波器的实验 S12 参数和相位，并在图 11 中报告。![]()
图 11：我们的滤波器的宽带传递函数 |S21 |。
带通位于 45 MHz 附近（对应于 3% 的相对带通），插入损耗接近 3.5 dB，典型远场抑制为 45 dB。该设备能够进入 3.0 ⅹ3.0 mm2 陶瓷表面贴装封装 (SMP)，尽管初始版本的占用空间较大。最后，在 25°C 至 85°C 之间的各种温度下测量了滤波器的电响应。图 12 和 13 显示了每个温度下的实验 S12 和 S11 参数。![]()
图 12：传递函数 |S12| 与温度的关系。
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图 13：反射系数 |S11 | 与温度的关系。
根据这些结果，我们可以得出结论，典型的温度稳定性优于 -9 ppm/K。6.2 SAW 传感器
虽然 POI 主要为滤波器应用而开发，但由于其机电耦合系数和更好的温度灵敏度控制（TCF1 范围从 20 到小于 5 ppm/K，低于 LiNbO3 或 LiTaO3 块状晶片），它对 SAW 无线传感器也很有趣，这使得在同一波段中查询更多传感器成为可能。另一个有趣的点是，POI 的每个电极的反射系数高于其他基板，这提高了 SAW 传感器的紧凑性。为了表征复合基板对传感器应用的兴趣，我们使用了另一种单端口谐振器。该设计接近图 7 中所示的设计，但在换能器和镜子之间增加了一个间隙以形成一个自由空间腔（见图 14）。![]()
图 14：用于传感器应用的 SAW 设备的一般原理。
在此示例中，间隙的长度为 350 µm。这样，波的每次反射都会在传感器的电响应中显示为峰值。然后，每个峰值之间的间隙对应于波传播的距离（间隙的两倍）。如果此距离发生变化（由于外部环境），则这些峰值之间的频率距离将根据环境（例如温度或压力）而变近或变远。然后研究此修改以确定要测量的物理参数。在 SAW 传感器的情况下，使用 POI 基板很有趣，因为由于质量因数更高，可以更好地定义反射峰。Q 值越高，峰值越窄，每个峰值的签名和检测效果越好。通常，对于相同的材料，我们有一个 ks2·Q 乘积常数。与块状基板相比，POI 的一个好处是可以同时提高质量因数和耦合系数。图 15 显示了该类器件在 680 nm LiTaO3 (YXl)/50°// 500 nm SiO2 // 1 µm pSi//Si 基板上在 1.6 GHz 附近的响应。![]()
图 15：换能器和镜子之间有间隙的单端口谐振器的实验电导。
反射峰在该曲线中清晰可见。使用 frec|n|sys 询问系统（见图 16），我们能够通过传感器响应变化来监测和确定温度或应力等。对于温度传感器，通过使用真空密封，工作温度范围在 -60°C 至 200°C 之间。在“经典”SAW 传感器中，使用两个谐振器进行测量以进行差分测量。通过使用 POI 晶圆，只需使用一个谐振器即可进行这种差分测量 [18]。![]()
图 16：温度传感器查询示例。监测 2 个反射峰。
7. 结论
本文介绍了复合压电绝缘体基板及其应用。这种晶片的原理是基于通过堆叠具有特定属性的材料来实现 SAW 波导。通过特性和应用，确定了这种晶片的用途。我们可以引用：• 耦合因子增加（理论上为 12%，实验中高于 9%）• 温度灵敏度降低（低于10 ppm/K 和 0 ppm/K）1.4 GHz 和 1.6 GHz 的单端口谐振器耦合因子高于 8%（优于块体 LiTaO3），品质因数与单晶圆相比有所提高，这使我们能够实现创新的滤波器和传感器并应对新挑战。通过优化钽酸锂和 SiO2 层的厚度，热灵敏度也得到了改善。本文转自半导体微纳加工工厂，作者jingchen。
