一种用于声学滤波器的异质单晶薄膜的制备方法

文档序号:364351 发布日期:2021-12-07 浏览:25次 >En<

阅读说明:本技术 一种用于声学滤波器的异质单晶薄膜的制备方法 (Preparation method of heterogeneous single crystal film for acoustic filter ) 是由 欧欣 李忠旭 黄凯 于 2021-07-22 设计创作,主要内容包括:本发明涉及声学滤波器技术领域,特别涉及一种用于声学滤波器的异质单晶薄膜的制备方法。该异质单晶薄膜的制备方法包括以下步骤:提供异质薄膜结构;该异质薄膜结构包括压电薄膜;对该异质薄膜结构进行后退火处理;该后退火温度范围为300-800摄氏度;该后退火的氛围内含有与该压电薄膜对应的元素材料。从而能够在实现提高键合强度,恢复晶格缺陷的同时,还能够有效抑制压电薄膜中锂元素和氧元素等的外释问题,提高异质单晶薄膜的质量。(The invention relates to the technical field of acoustic filters, in particular to a preparation method of a heterogeneous single crystal film for an acoustic filter. The preparation method of the heterogeneous single crystal film comprises the following steps: providing a heterogeneous thin film structure; the heterogeneous thin film structure comprises a piezoelectric thin film; performing post-annealing treatment on the heterogeneous thin film structure; the post-annealing temperature range is 300-800 ℃; the post-annealing atmosphere contains an element material corresponding to the piezoelectric thin film. Therefore, bonding strength can be improved, lattice defects can be recovered, the problem of external release of lithium elements, oxygen elements and the like in the piezoelectric film can be effectively solved, and the quality of the heterogeneous single crystal film is improved.)

一种用于声学滤波器的异质单晶薄膜的制备方法

技术领域

本发明涉及声学滤波器技术领域,特别涉及一种用于声学滤波器的异质单晶薄膜的制备方法。

背景技术

随着5G时代的到来,通信系统中的频率得到提高,带宽实现扩展,相关高性能滤波器的要求也对材料提出了更高的要求。近年来压电薄膜的兴起使得相关光学、声学器件能够大大缩小器件尺寸,提高工作效率,实现新颖的工作模式。

目前,将压电材料与硅集成将提供材料级集成的晶圆衬底,为制备单片集成的模块提供材料平台。此外,将压电材料与异质衬底键合,特别是刚性衬底即杨氏模量较大的衬底,可以有效提高相关滤波器的中心频率、带宽并降低功耗。利用离子束剥离方法将压电单晶转移至所需衬底上已经可以提供相应的晶圆材料,且压电薄膜厚度均匀,制备的器件稳定性较好。然而,通过离子注入实现的压电薄膜的制备需要通过高温退火恢复材料中的由离子注入引入的晶格缺陷,会使得压电材料在高温下出现较轻元素的扩散,特别是Li、O等元素,使得薄膜表面的材料组分发生变化,难以实现高质量压电单晶薄膜及大带宽滤波器的制备。

发明内容

本发明要解决的是采用现有技术的制备方法具有压电单晶薄膜材料组分易发生变化,造成薄膜质量低的技术问题。

为解决上述技术问题,本申请公开了一种用于声学滤波器的异质单晶薄膜的制备方法,其包括以下步骤:

提供异质薄膜结构;该异质薄膜结构包括压电薄膜;

对该异质薄膜结构进行后退火处理;该后退火温度范围为300-800摄氏度;该后退火的氛围内含有与该压电薄膜对应的元素材料。

可选的,该提供异质薄膜结构,包括:

提供支撑衬底和具有缺陷层的压电薄膜;

将该具有缺陷层的压电薄膜和该支撑衬底键合,得到待剥离异质结构;

对该待剥离异质结构进行退火、剥离转移处理,得到该异质薄膜结构。

可选的,该支撑衬底的材料包括硅、氧化硅、蓝宝石、金刚石、氮化铝、氮化镓、SOI、碳化硅中的至少一种或多种的组合;

该压电薄膜的材料包括含锂压电晶体。

可选的,该键合的温度范围为40-250摄氏度;

该键合的压强范围为1e-5毫巴-1000毫巴。

可选的,该退火、剥离转移的温度范围为100-300摄氏度;

该退火、剥离转移的时间为1-100小时。

可选的,制备该具有缺陷层的压电薄膜的方法包括:

提供压电薄膜;该压电薄膜包括第一表面;

从该第一表面对该压电薄膜进行离子注入,在该压电薄膜内形成缺陷层,得到该具有缺陷层的压电薄膜。

可选的,该离子注入的方法包括采用氢离子注入、氦离子注入、氖离子注入或者氢氦离子共注入。

可选的,该注入离子的温度为50~150摄氏度之间;

该离子注入的能量为1~2000千电子伏特之间;

该离子注入的剂量为1×1016~1.5×1017个/平方厘米。

可选的,该支撑衬底包括第二表面;

该将该具有缺陷层的压电薄膜和该支撑衬底键合,得到待剥离异质结构,包括:

该具有缺陷层的压电薄膜与该支撑衬底通过该第一表面与该第二表面进行键合,得到待剥离异质结构;

该从该第一表面对该压电薄膜进行离子注入,在该压电薄膜内形成缺陷层,得到该具有缺陷层的压电薄膜之后,还包括:

对该第一表面和该第二表面进行表面处理;

该表面处理包括表面粗糙度处理,进行该表面粗糙度处理的方法包括化学机械抛光、化学腐蚀及低能离子辐照中的至少一种。

可选的,该后退火时间范围为0.5-100小时。

采用上述技术方案,本申请提供的异质单晶薄膜的制备方法具有如下有益效果:

本申请通过对剥离转移后的异质薄膜结构进行高温后退火处理,可以提高压电薄膜与衬底的键合强度,恢复由离子注入引入的晶体缺陷,本申请通过将后退火处理的氛围设置为含有压电薄膜通组分材料,从而实现抑制压电薄膜中锂元素和氧元素等的外释问题,提高了薄膜质量及相关声学滤波器的使用带宽,实现了高性能异质单晶薄膜,大带宽声学滤波器的制备。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案,下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍,显而易见地,下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动的前提下,还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本申请一种可选的异质单晶薄膜的制备方法流程图;

图2为本申请一种可选的异质薄膜结构的结构示意图;

图3为本申请另一种可选的实施例中异质单晶薄膜的制备方法;

图4为本申请一种可选的支撑衬底的结构示意图;

图5为本申请一种可选的具有缺陷层的压电薄膜的结构示意图;

图6为本申请一种可选的压电薄膜的结构示意图;

图7为本申请一种可选的待剥离异质结构的结构示意图;

图8为本申请一种可选的声学滤波器的结构示意图;

图9为基于本申请异质薄膜结构制备的声学滤波器件与现有技术中声学滤波器件的测试曲线图。

以下对附图作补充说明:

1-异质薄膜结构;2-压电薄膜;21-缺陷层;3-具有缺陷层的压电薄膜;4-支撑衬底;5-待剥离异质结构;6-叉指电极。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图,对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然,所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例,本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例,都属于本申请保护的范围。

此处所称的“一个实施例”或“实施例”是指可包含于本申请至少一个实现方式中的特定特征、结构或特性。在本申请的描述中,需要理解的是,术语“上”、“下”、“顶”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系,仅是为了便于描述本申请和简化描述,而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作,因此不能理解为对本申请的限制。此外,术语“第一”、“第二”仅用于描述目的,而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此,限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含的包括一个或者更多个该特征。而且,术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象,而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换,以便这里描述的本申请的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。

为了下面的详细描述的目的,应当理解,本发明可采用各种替代的变化和步骤顺序,除非明确规定相反。此外,除了在任何操作实例中,或者以其他方式指出的情况下,表示例如说明书和权利要求中使用的成分的量的所有数字应被理解为在所有情况下被术语“约”修饰。因此,除非相反指出,否则在以下说明书和所附权利要求中阐述的数值参数是根据本发明所要获得的期望性能而变化的近似值。至少并不是试图将等同原则的适用限制在权利要求的范围内,每个数值参数至少应该根据报告的有效数字的个数并通过应用普通舍入技术来解释。

尽管阐述本发明的广泛范围的数值范围和参数是近似值,但是具体实例中列出的数值尽可能精确地报告。然而,任何数值固有地包含由其各自测试测量中发现的标准偏差必然产生的某些误差。

当本文中公开一个数值范围时,上述范围视为连续,且包括该范围的最小值及最大值,以及这种最小值与最大值之间的每一个值。进一步地,当范围是指整数时,包括该范围的最小值与最大值之间的每一个整数。此外,当提供多个范围描述特征或特性时,可以合并该范围。换言之,除非另有指明,否则本文中所公开之所有范围应理解为包括其中所归入的任何及所有的子范围。例如,从“1至10”的指定范围应视为包括最小值1与最大值10之间的任何及所有的子范围。范围1至10的示例性子范围包括但不限于1至6.1、3.5至7.8、5.5至10等。

参阅1所示,图1为本申请一种可选的异质单晶薄膜的制备方法流程图。本申请公开了一种用于声学滤波器的异质单晶薄膜的制备方法,其包括以下步骤:

S101:提供异质薄膜结构1;该异质薄膜结构1包括压电薄膜2,如图2所示,图2为本申请一种可选的异质薄膜结构1的结构示意图。

于一个可选的实施例中,参阅图3,图3为本申请另一种可选的实施例中异质单晶薄膜的制备方法。步骤S101可以具体表示为:

S1011:提供支撑衬底4和具有缺陷层的压电薄膜3,参阅图4-5,图4为本申请一种可选的支撑衬底4的结构示意图;图5为本申请一种可选的具有缺陷层的压电薄膜3的结构示意图。

于一个可选的实施例中,该支撑衬底4的材料包括硅、氧化硅、蓝宝石、金刚石、氮化铝、氮化镓、SOI、碳化硅中的至少一种或多种的组合;该压电薄膜2的材料包括含锂压电晶体;可选的,压电薄膜2的材料可以是铌酸锂、钽酸锂、硼酸锂中的一个或者多个的组合。

S1012:将该具有缺陷层的压电薄膜3和该支撑衬底4键合,得到待剥离异质结构5。

于一个可选的实施例中,该键合的温度范围为40-250摄氏度;该键合的压强范围为1e-5毫巴-1000毫巴。

于一个可选的实施例中,步骤S1012中,制备该具有缺陷层的压电薄膜3的方法包括:提供压电薄膜2;该压电薄膜2包括第一表面;从该第一表面对该压电薄膜2进行离子注入,在该压电薄膜2内形成缺陷层21,得到该具有缺陷层的压电薄膜3,如图6所示,图6为本申请一种可选的压电薄膜2的结构示意图。

于一个可选的实施例中,该离子注入的方法包括采用氢离子注入、氦离子注入、氖离子注入或者氢氦离子共注入。

于一个可选的实施例中,该注入离子的温度为50~150摄氏度之间;该离子注入的能量为1~2000千电子伏特之间;该离子注入的剂量为1×1016~1.5×1017个/平方厘米。

需要说明的是,该离子注入的深度可以通过调整注入的能量来调整深度,在此不做限定。

S1013:对该待剥离异质结构5进行退火、剥离转移处理,得到该异质薄膜结构1。

于一个可选的实施例中,该退火、剥离转移的温度范围为100-300摄氏度;该退火、剥离转移的时间为1-100小时。

于一个可选的实施例中,该支撑衬底4包括第二表面;步骤S1013可以具体表示为:该具有缺陷层的压电薄膜3与该支撑衬底4通过该第一表面与该第二表面进行键合,得到待剥离异质结构5;如图7所示,图7为本申请一种可选的待剥离异质结构5的结构示意图。

于一个可选的实施例中,步骤S1013之前,该制备方法还包括:对该第一表面和该第二表面进行表面处理。可选的,该表面处理包括表面粗糙度处理,进行该表面粗糙度处理的方法包括化学机械抛光、化学腐蚀及低能离子辐照中的至少一种,以提高第一表面和第二表面的键合强度。

S102:对该异质薄膜结构1进行后退火处理;该后退火温度范围为300-800摄氏度;该后退火的氛围内含有与该压电薄膜2对应的元素材料;于一个可选的实施例中,该压电薄膜2的材料为铌酸锂,该后退火的氛围中含有对应的压电薄膜2粉末,即铌酸锂粉末,具有后退火处理稳定性高的优点,可选的,该后退火时间范围为0.5-100h;该后退火温度范围为300-800摄氏度,则该后退火氛围内含有铌酸锂粉末,即包含锂元素等;可选的,铌酸锂粉末的质量为80-120克,该异质薄膜结构1的尺寸为4-8英寸,该支撑衬底4包括层叠的氧化硅和硅衬底;该氧化硅的厚度范围为500-2000纳米;硅衬底的厚度范围为400-600纳米,压电薄膜2的厚度为400-600纳米;需要说明的是,该铌酸锂粉末的质量范围与该支撑衬底4的厚度无关,与异质薄膜结构1的尺寸有关,即尺寸越大,需要的铌酸锂粉末的质量较多,以上参数均可根据实际需要进行调整,在此不做限定。

于另一种可选的实施例中,该后退火的氛围中含有锂粉、氧化铌粉。

由于粉末样品的比表面积较大,其元素外释较之于薄膜材料更多,可以使得粉末样品在退火过程中能够形成锂元素、氧元素等元素分布浓度更浓的环境,从而使得异质薄膜结构1在同组分材料(铌酸锂粉末)的气氛下可以实现压电薄膜材料中元素(例如锂、氧)外释的动态平衡,即外释的元素与气氛中元素扩散进入压电薄膜2的速率相同,得到无元素外释问题的压电薄膜2;从而能够有效抑制上述异质薄膜结构1在高温退火过程中的锂元素和其他元素(例如氧元素)的外释。

通过上述描述可知,本申请提供的异质薄膜结构的制备方法不仅能够提高键合强度,恢复由离子注入引入的晶体缺陷,同时还完全抑制了压电薄膜中的锂元素、氧元素等元素的外释问题,提高了薄膜质量及相关声学滤波器的使用带宽,实现了高性能异质单晶薄膜,大带宽声学滤波器的制备,具有重大意义。

需要说明的是,上述后退火的氛围内含有该压电薄膜2对应的元素材料是指该后退火的氛围中含有的材料元素与压电薄膜2含有的元素相对应,但氛围中元素形成的化合物结构不限于压电薄膜2中的化合物,只要保证二者中具有相同的元素即可;当采用非压电薄膜2粉末形成退火气氛的方式时,需要选用适当的物质粉末,避免造成材料沉积现象。且本申请提供的上述后退火温度范围和时间根据对应的压电薄膜2材料进行匹配,例如,当压电薄膜2选择含锂的压电晶体薄膜时,则当后退火温度大于150度时,会出现锂元素等外释问题,然而后退火一般为高温退火,为了达到退火效果,会使得含锂的压电薄膜2出现锂元素外释,而采用本申请提高制备方法,能够有效抑制锂元素外释;当然,当压电薄膜2为其他类型的晶体薄膜,其对应的高温退火温度范围会不同。

于一个可选的实施例中,如图8所示,图8为本申请一种可选的声学滤波器的结构示意图。在上述得到的异质薄膜结构1上沉积金属层,并对该金属层进行图形化处理,在异质薄膜结构1上形成叉指电极6。对该制备得到滤波器进行测试,并制备另一个参考滤波器件,该参考滤波器件与本申请的区别在于在后退火仅采用普通气氛进行处理,并对该参考滤波器件进行测试,测试结果如图9所示,图9为基于本申请异质薄膜结构制备的声学滤波器件与现有技术中声学滤波器件的测试曲线图。其中,图9中的曲线a对应基于本申请异质薄膜结构制备的声学滤波器件,曲线b对应上述参考滤波器件,从图9中可以看出,本申请的声学滤波器件在3分贝的带宽为150MHz;参考滤波器件在3分贝的带宽为120MHz,显然,采用本申请提供的制备方法制备出的声学滤波器件具有大宽带,从而提高其的适用范围。

以上所述仅为本申请可选实施例,并不用以限制本申请,凡在本申请的精神和原则之内,所作的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本申请的保护范围之内。

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