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摘要

采用蒸汽传输平衡（VTE）方法制备不同锂含量的近化学计量比钽酸锂（NSLT）晶圆，并将其加工成表面声波（SAW）滤波器。利用专用芯片测试平台和网络分析仪对表面声波滤波器的频率温度系数、插入损耗和带宽进行了测试。研究结果表明，随着锂含量的增加，频率温度系数先减小后增大，当锂含量为49.75%时，表面声波滤波器的温度稳定性最佳。此外，还发现采用NSLT晶圆制备的表面声波滤波器的频率温度系数比化学计量比失配（CLT）钽酸锂晶圆制备的滤波器降低了21.18%，插入损耗降低了7.3%，带宽降低了2.8%。因此，NSLT晶体更适用于声学器件应用，为5G通信设备的性能提升提供了新的思路。

关键词：钽酸锂；表面声波；滤波器

我们常见的键合技术 有硅玻璃键合 金金键合，金锡键合，金硅键合，临时键合等等 。但是当我们遇到一些需要低温键合，或者一些特殊材料时，或者应用场景时，上述键合方式很难满足一些特殊场景的应用，

因此科学家提出了表面活化键合技术，这种技术 使键合技术所覆盖的材料范围更加广泛，比如

GaAs-SiC，InP-Diamond， LN-SiC，Si-Si，GaN-Dlamond,Sl-Diamond,蓝宝石-蓝宝石，金刚石-sic, sic-inp,sic-LN, ic-ga2o3,glass--glass，Si-SiC，Si-GaAs、GaAs- SiC、Si–SiC、SiC–SiC、Ge–Ge  、Al 2 O 3 -Al 2 O 3 ，GaP-InP， GaN-Si、LiNbO 3 -Al 2 O 3 、LiTaO 3 -Si and more(晶体，陶瓷，等等)

扩展的多材料的体系，将键合技术扩大了应用范围

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1. 引言

钽酸锂（LiTaO₃，LT）晶体因其低声学损耗、高压电耦合系数及优异的电光特性而广受关注 [1–4]。因此，该材料被广泛应用于表面声波（SAW）滤波器的制造。近年来，5G技术逐渐成熟，5G通信设备也已初步投入应用。随着5G通信设备功能的不断提升，这类设备面临越来越多的信号干扰 [5]。研究表明，基于LT结构的小型双工器寿命更长 [6–8]，因此，设备的小型化及性能优化已成为迫切需求。

目前，减少SAW滤波器尺寸的最佳方法是晶圆级封装技术；当然，为了实现应用，还需要降低频率温度系数（TCF）。较大的TCF可能导致设备过热时出现频率漂移 [5]，严重影响通信设备的性能。降低TCF主要有两种方法：一种是改进SAW滤波器的制造工艺，例如基于多层膜技术制造体声波（BAW）滤波器，这种滤波器的TCF极小，但成本极为昂贵 [9–11]；另一种是降低基底材料的热膨胀系数，主要方法包括采用晶圆键合技术或寻找更适合制造SAW滤波器的新材料 [12–16]。

在晶圆键合技术中，将具有负TCF的材料与具有正TCF的材料进行键合。例如，将具有负TCF的LT晶圆与Si晶圆键合，可显著降低SAW滤波器的TCF。然而，晶圆键合需要在高真空环境下进行，并依赖晶圆键合机，该技术虽然相较于多层膜技术成本有所降低，但仍然昂贵，且键合强度较低 [17,18]。Courjon等 [19] 采用Au/Au键合技术，将Y42° LT晶圆与(100) Si晶圆键合，并制备了泄漏型表面声波（LSAW）谐振器，其TCF的绝对值可低于10 ppm/K。然而，非均质固体材料的键合过程较为复杂，可能对晶圆造成不可逆损伤。

2020年，Tanaka等 [20] 采用超薄LT晶圆（0.4 µm）制造声波器件，性能显著提升，但机械脆性问题导致实验良率较低，并需谨慎操作。然而，超薄LT声波器件在5G及后5G时代仍将发挥重要作用。Kadota等 [21] 在石英基底上限制了剪切水平波，并制备了异质声层SAW谐振器，该器件具有正TCF，阻抗比高达84 dB，并具备优异的无寄生信号特性。2022年，Chen等 [22] 采用离子切割技术在石英基底上制备晶圆级LT，并制备了TCF达−25.21 ppm/°C的SAW谐振器。通过优化石英的切割角度和厚度，可进一步改善TCF特性，但高质量石英基底的短缺限制了其在SAW滤波器大规模制造中的应用。

目前市场上常见的LT晶体为化学计量比失配（CLT）晶体，其Li:Ta比为48.75:51.15。提拉法（Czochralski法）是最常用于生长LT晶体的方法 [23,24]。随着CLT晶体中的Li/Ta比逐渐增加并趋近化学计量比（1:1），其许多性能得到不同程度的改善。近化学计量比钽酸锂（NSLT）晶体是一种新型材料，具有更优异的性能。研究表明，Li含量为49.63–49.75%的NSLT晶圆缺陷较少，物理性能更优 [25,26]。因此，基于NSLT晶圆的SAW滤波器性能可能更优。

NSLT晶体的生长方法包括双坩埚提拉法 [27]、K₂O助熔法 [28] 和VTE法 [29] 等。其中，VTE法相比其他方法制备工艺更简单，且可获得高质量的NSLT晶圆。VTE法的基本原理是在高温条件下，将CLT晶圆置于富Li的LT多晶材料中，通过蒸汽传输和固态扩散，使Li从粉末迁移至晶圆，从而制备NSLT晶圆。

LT晶体具有压电效应，可实现电-声转换和声-电转换。通过设计叉指换能器的宽度，可确定特定的波长，从而实现对信号干扰的滤波 [30,31]。SAW的传播特性主要由以下参数决定：声速、压电基底的机电耦合系数（K²）、TCF以及质量因子 [32,33]。要提高SAW滤波器的性能，主要需要提升声速和K²，同时降低TCF。声速和TCF均与SAW滤波器基底材料的缺陷密度相关。因此，提高SAW滤波器基底材料的性能，可有效提升SAW滤波器的整体性能。

基于Y36° CLT晶圆的SAW滤波器具有较低的TCF（通常为−32 ppm/°C）[34]，但其表面声速较小，K²较低，导致声-电转换效率较低。而基于Y42° CLT晶圆的SAW滤波器具有较高的TCF（通常为−42 ppm/°C）[35]，但其表面声速较高，K²较大 [1]。这两种晶圆各有其应用优势。因此，本研究中共制备了六种SAW滤波器，其中三种基于不同Li含量的Y36° NSLT晶体，一种基于Y42° NSLT晶体，两种基于CLT晶体，作为其各自的对照组。我们研究了这些滤波器的TCF、插入损耗及带宽等参数，并证实基于NSLT晶圆的SAW滤波器优于基于CLT晶圆的滤波器。本研究的成果有助于提高SAW滤波器的性能，降低成本，并提升SAW滤波器在5G通信设备中的应用表现。

2. 实验

2.1. 样品制备

Y36° 和 Y42° 取向的 CLT 晶体采用提拉法（Czochralski 法）生长。CLT 晶体的生长速率设定为 0.3 mm/h，旋转速度为 20 r/min，熔体中 Li₂O 的摩尔分数为 48.75%。

不同 Li 含量的 Y36° NSLT 晶圆采用 VTE 法制备。实验中，Li₂CO₃（99.99%，江西东鹏新材料有限公司，中国江西）与 Ta₂O₅（99.99%，宁夏金佰康科技有限公司，中国宁夏）按一定比例均匀混合，并通过高温烧结制备成不同 Li 含量的 LT 多晶材料，以用作扩散材料。将 CLT 晶圆与扩散材料交替放入陶瓷坩埚中，在高温炉中加热至 1200 ℃ 以上，并保温 50 小时，以完成 Li 离子向晶圆的扩散过程，最终制得 NSLT 晶圆。

通过测量居里温度，并利用居里温度与 Li 含量的关系方程 [25]，确定样品的 Li 含量分别为 49.34%、49.75% 和 49.91%。此外，还制备了 Li 含量为 49.8% 的 Y42° NSLT 晶体。所制备晶圆的晶向及 Li 含量如表 1 所示。

2.2. 表面声波滤波器的制造

制备好的 NSLT 晶圆被削薄至 0.50 mm，并采用液体电极法进行极化 [36]，使其多畴结构转变为单畴结构，从而提高 SAW 的声速 和 NSLT 晶圆的压电常数。

随后，使用蒸发法在 NSLT 晶圆表面蒸镀铝膜 [37]，铝膜的厚度为 100 nm。然后，在晶圆表面涂覆光刻胶，光刻胶的厚度为 800 nm，并在 110°C 温度下烘烤 3 分钟 以固定光刻胶。

接着，晶圆在紫外光下曝光，并在显影液中显影已曝光区域，随后将晶圆浸入丙酮中以去除多余的铝膜。

使用 NSLT 晶体作为基底材料制造表面声波（SAW）滤波器，并在基底上涂覆铝膜以对 SAW 滤波器的性能进行表征。本实验中，我们制造了一种单端口振荡滤波器，其制造工艺如图 1 所示。

该滤波器采用 120 对叉指电极，每侧 20 个电极 作为反射端。声孔径设定为 40 λ，叉指电极和电极之间的间距为 1.2 µm，金属占空比为 0.5。

图1. 制作SAW滤波器的步骤

该芯片的制造由宁夏SAW技术有限公司（中国宁夏）完成，经过涂层、光刻等一系列工艺流程，最终完成了SAW滤波器的制造。具体示意图见图2。

图2. 光刻（3英寸）和SAW滤波器（5 × 5毫米，高度<1.5毫米）。

2.3. 声学性能测试

每个SAW滤波器的频率、插入损耗和带宽在不同温度和特定频率下通过专用芯片测试平台、温控箱（杭州卓驰仪器有限公司，杭州，中国）和网络分析仪（8712ET，安捷伦，加利福尼亚，美国）进行测试。测试系统如图3所示。滤波器放置在芯片测试平台上，然后放入温控箱中，温控箱的温度范围设定为30到110℃。每隔10℃，保持温度半小时，记录网络分析仪显示的中心频率，并根据频率计算温度系数（TCF）。

图3. 声学性能测试系统 (a) 网络分析仪，(b) 温控箱。

1. 结果与讨论
   3.1. 温度频率系数
   温度变化会导致SAW滤波器NSLT基板的热膨胀。晶片的热膨胀导致基板的表面声速发生变化，从而影响SAW滤波器的中心频率和滤除杂散波的效率 [26]。对于许多精密通信设备，如手机和电子计算机，只有完全滤除其他频段的SAW，保留所需频段的波，才能确保这些设备的优异性能。随着通信设备的发展，设备中SAW滤波器的数量不断增加，导致不同滤波频段之间的间距越来越小。因此，较小的TCF有助于提高通信设备的性能。在本文中，测试了封装的SAW滤波器的TCF。TCF的计算公式如公式(1)所示 [38]：

其中 f₀ 是室温下的中心频率。
表2显示了基于不同Li含量的Y36° NSLT晶片作为基板的SAW滤波器的TCF。根据表2，基于CLT晶体的SAW滤波器的TCF为-34.85 ppm/°C，较基于NSLT晶体的SAW滤波器要高。Li含量与TCF的关系如图4所示。从图4可以看出，所制备的SAW滤波器的TCF随着晶片Li含量的增加呈现先减小后增加的趋势，并且在Li含量为49.75%时达到最佳值。

图4. Li含量与TCF之间关系的散点图。

本文还制备了基于Y42° CLT和NSLT晶圆的SAW滤波器。表3显示了基于Y42° CLT和NSLT晶圆的SAW滤波器的TCF。输入声波的中心频率为220 MHz。使用网络分析仪测试SAW滤波器另一端的输出频率，测试结果如表3和图5所示。图5中拟合曲线的方程分别为：(a) y = 216.97663 − 0.00912x 和 (b) y = 218.96308 − 0.00819x。根据上述方程，计算了两个SAW滤波器的TCF。基于Y42° CLT晶圆的SAW滤波器的TCF为−41.45 ppm/°C，接近理论值−42 ppm/°C。基于Y42° NSLT晶圆的SAW滤波器的TCF为−37.23 ppm/°C，比基于Y42° CLT晶圆的SAW滤波器低了10.18%。SAW滤波器的TCF已大幅降低。

3.2. 插入损耗

插入损耗是指在传输系统中使用SAW滤波器时，输出功率的变化，即输出信号相对于输入信号的衰减。其计算公式如公式(2)所示 [39]：