本发明涉及一种新型射频谐振器薄膜及其构造方法。
背景技术：
手机用户要求在更广阔的区域内拥有高质量的信号接收与传输，射频(RF)信号的质量取决于手机中的射频滤波器。每个射频滤波器都可以传导特定的频率并阻挡其他不需要的频率，这一特性使得频段选择成为可能，并且允许手机只处理指定的某些信号。
据信到2020年，载波聚合、5G、4x4MIMO等技术将成为主流应用，届时手机内的滤波器将增至100个之多，全球滤波器市场年需求量将达2千亿只。
声波谐振器是射频滤波器和传感器的基本组件，一般都含有将机械能转化为电能的压电机电转导层。这些谐振器必须物美价廉。表面声波(SAW)谐振器和体声波(BAW)谐振器是其最常见的两种类型。
在表面声波谐振器中，声波信号是由表面波传导。在体声波(BAW)谐振器中，信号在谐振器薄膜的体内传导。这两种滤波器的谐振频率，是由其本身尺寸、构成材料的机械性能所决定的一种特质。
谐振器的质量由其品质因子给出，它是谐振器所储存的能量与其消散的能量之比率。品质因子的值高说明滤波器在工作中损失的能量少，插入损耗较低，拥有更加陡峭的裙边曲线，与临近波频有更加显著的隔离区分。
为了接收与传输日益增大的数据流，下一代手机需要在更高的频段下工作。在不增大手机体积的前提下处理如此高的频率，就必须有能处理高频率信号、小巧且耗能低的谐振器，将其置于手机中不至于大量消耗电池的电量。
品质因子，或称Q因子，是一个无量纲参数，它描述振荡器或谐振器的振动衰减，表征谐振器相对其中心频率的带宽。下一代手机需要使用Q因子高的高质量谐振器。
体声波(BAW)滤波器相较于表面声波(SAW)滤波器有更佳的表现。最好的SAW滤波器的Q因子可达1000至1500，而目前最先进的BAW滤波器Q因子已可达2500至5000。
相较于SAW滤波器，BAW滤波器可在更高的频率下工作，消耗更少的能量，拥有更小巧的体积，更高的防静电放电(ESD)能力，更好的辐射发散能力以及更少的带外波纹。
然而，SAW滤波器的制造流程却更为简单，造价相对低廉。由于可以通过光刻的布局来调整IDT间距，频率相差甚远的谐振器亦可被组装在同一晶片上，并使用同一厚度的压电薄膜。
BAW谐振器的电阻具有两个特征频率：谐振频率fR和反谐振频率fA。在fR处，电阻非常小，而在fA处，电阻则非常大。滤波器是通过组合几个谐振器而制成。并联谐振器的频率会依据串联谐振器的频率做相应的偏移。当串联谐振器的谐振频率等于并联谐振器的反谐振频率时，最大信号从设备的输入端传输到输出端。在串联谐振器的反谐振频率处，输入端和输出端之间的阻抗非常高，滤波器的传输被阻挡。在并联谐振器的谐振频率处，任何通过滤波器的电流都会由于并联谐振器的超低阻抗而接地短路，因而BAW滤波器亦具有阻止该频率信号传输的功能。fR和fA之间的频率间隔决定了滤波器带宽。
置于谐振频率和反谐振频率之外的频率时，BAW谐振器则像金属-绝缘体-金属(MIM)电容器般工作。置于远低于或远高于这些谐振频率的频率时，BAW谐振器电阻抗的大小与1/f成正比，其中f是频率。fR和fA间的频率间隔是谐振器压电强度的量度，称为有效耦合系数，由K2eff表示。描述有效耦合系数的另一种方法是测量谐振器(或滤波器)的电能与机械能之间转换的效率。应当注意，机电耦合系数是一种与材料性质有关的属性，可定义压电薄膜的K2eff。
滤波器的性能等级是由其优质因数(factor of merit,FOM)定义为FOM＝Q×K2eff。
实际应用中，人们偏好拥有较高K2eff和Q因子的滤波器。而这些参数之间却存在一些权衡取舍。K2eff与频率间并不存在函数关系，而Q因子却依赖于频率变动，因而FOM与频率间也存在函数关系。因此，相较于谐振器的设计，FOM在滤波器的设计过程中被更为普遍的应用。
根据应用情况，设备设计人员通常可以容忍K2eff稍降，以换取更高的Q因子，其中K2eff较小的降幅即可以换取Q因子较大的升幅。相反，通过降低Q因子以获取K2eff提升的设计是无法实现的。
提升K2eff的方法仅能通过选择高声阻抗电极，或调整其他参数，如电极厚度、钝化层增厚等方式。
BAW谐振器(及滤波器)主要有两种类型：SMR(固态装配型谐振器)与FBAR(薄膜体声波谐振器)。
在SMR谐振器中，把低阻抗薄膜与高阻抗薄膜交替层叠堆积在底部电极之下，可生成一种布拉格反射器。每个薄膜的厚度均为λ/4，其中λ为目标频率的波长。所生成的布拉格反射器可以像镜子一样把声波反射回谐振器内。
与FBAR谐振器相比，SMR谐振器的制造工艺较为简单，价格较低。由于其压电薄膜直接附着在衬底上，散热效率更高。但因其只反射纵波，不反射横波，所以Q因子更低。
FBAR谐振器中使用了一种只有边缘支撑的独立体声膜。下电极与载体晶圆之间有一个空气腔体。相较于SMR滤波器，FBAR滤波器的高Q因子是一个巨大的优势。
目前，商用FBAR滤波器市场主要被博通公司(前身为AVAGO)垄断。该公司使用氮化铝(AlN)作为压电薄膜材料，极好的平衡了产品性能、生产能力与晶圆级封装(WLP)工艺间的取舍。该工艺利用硅通孔(TSV)技术在位于FBAR上方的硅晶片上蚀刻出腔体并进行微封装，从而实现倒装芯片。氮化铝是压电薄膜材料中声速最高的(11,300m/s)，因此在特定谐振频率下需要增加其厚度，这反而会缓解工艺公差。此外，高质量溅射出的氮化铝薄膜，其X射线衍射峰(XRD)半峰全宽(FWHM)少于1.8度，可以使K2eff达到或超过6.4％，这几乎是美国联邦通信委员会(FCC)所规定的美国数字蜂窝技术(PCS)传输带宽的两倍。当它的Q因子达到5000时，优质因数(FOM)就可达到250-300，这样的滤波器已是超一流产品。为了满足带宽要求，K2eff必须保持恒定。若想提高滤波器的FOM，通常的做法是提升Q因子。
虽然FBAR滤波器有上述诸多优越的性能，目前仍存在一些问题导致它无法迈向下一代无线通讯技术。越来越多的用户在接收和发送日益庞大的数据流，这导致了越来越多的波段重叠冲撞。为解决这一问题，未来的滤波器应该更加灵活可变，以适应各种不同的波段组合。例如，5GHz无线局域网(Wi-Fi)波段下辖3个子波段，分别处于5.150-5.350GHz,5.475-5.725GHz,5.725-5.825GHz，其相对应的K2eff分别为7.6％、8.8％和3.4％。耦合系数K2eff主要由压电材料本身属性所决定，但亦受压电薄膜的晶化质量和晶位、外界电容器和电感器、电极以及其它层叠材料的厚度的影响。AlNFBAR的波段主要由预先集成在IC衬底中的电容器和电感器所调制。但这些元件会降低Q因子，增加衬底的层数，进而增加成品的体积。另一种设定K2eff的方法是采用电致伸缩材料打造可调波段的FBAR滤波器。钛酸锶钡(BST)是候选材料的一种，在加以直流电场的时候，其K2eff可被调节。
BST的可调性体现在，当作为FBAR谐振器电路内置的可变电容器时，它可协助滤波器匹配并调节其带阻。此外，BSTFBAR只在施加特定的直流偏置电压时才谐振，表明其具有低泄露开关的特性，这意味着它有可能替代移动设备前端模组(FEM)开关，进而简化模组结构，降低其体积和成本。BSTFBAR在射频应用领域还具有其他有利的属性。铁电材料的高介电常数(εr>100)可以使设备体积缩小，例如，在低吉赫标准50-Ω射频系统中，典型的BST谐振器和滤波器的面积分别为0.001mm2和0.01mm2。实际上，BST谐振器的体积可能比传统的AlN谐振器小一个数量级。由于BST薄膜只泄漏极少的电流，即使在整个设备中施加直流偏置电压，BSTFBAR自身的能量消耗依然可以忽略不计。
技术实现要素：
本发明的第一方面涉及提供包含BaxSr(1-x)TiO3的单晶薄膜。
典型地，单晶薄膜具有<111>取向。
任选地，x为0.5及其范围至多到±1％的公差。
任选地，x为0.35及其范围至多到±1％的公差。
任选地，x为0.2及其范围至多到±1％的公差。
任选地，所述单晶薄膜通过<0001>GaN释放层可以耦合至C轴<0001>蓝宝石膜。
典型地，所述<0001>GaN释放层的厚度范围在1至10um内。
任选地，所述<0001>GaN释放层的厚度范围在3至5um内。
任选地，所述<0001>GaN释放层的厚度为4um。
任选地，<100>金红石TiO2和/或<111>SrTiO3缓冲层沉积在所述GaN与BaxSr(1-x)TiO3之间。
任选地，所述<100>金红石TiO2缓冲层的厚度范围在4至5um内。
任选地，所述<100>金红石TiO2缓冲层的厚度为4.4um。
任选地，单晶薄膜的取向是<111>，并通过<0001>GaN释放层与C轴<0001>蓝宝石膜耦合。
任选地，所述的单晶薄膜具有<111>取向，并通过<100>金红石TiO2层和/或<111>SrTiO3缓冲层耦合到<0001>GaN释放层。
一种制造BaxSr(1-x)TiO3单晶薄膜的方法，该方法包括通过分子束外延将钡、锶和钛氧化物共沉积在衬底上。
典型地，所述衬底包括C轴<0001>蓝宝石膜。
任选地，所述衬底还包括沉积在所述蓝宝石膜上的<0001>GaN释放层。
典型地，<100>金红石TiO2层和/或<111>SrTiO3的缓冲层沉积在所述GaN与所述BaxSr(1-x)TiO3之间。
任选地，在沉积BaxSr(1-x)TiO3之前，将散热层沉积在所述衬底的背面，而所述衬底包含蓝宝石晶体和/或蓝宝石膜。
典型地，所述散热层包括钛。
附图说明
为了更好的解释本发明及其在实际中的应用，下文描述将配以图示。
下述图例中均带有详尽标识与细节。应强调的是，所示细节、标识仅作参考用途，目的是说明性的讨论本发明的优选实施例；最清晰、最简明、最易懂的阐述本发明的原理与概念。因此，除最基本理解需求之外的更多、更深入的结构细节并不会予以展示。对于本领域技术人员，附图与说明足以明确阐述本发明的一些变形在实际中的应用。特别说明，为了更清晰的阐述原理与概念，示意图并未按实际比例绘制，某些超薄膜的厚度被明显放大了。在附图中：
图1示出了制造单晶BST膜的步骤的流程图；
图1(a)为具有外延生长的GaN涂层的蓝宝石单晶片的示意图；
图1(b)为具有图1(a)的外延生长的GaN涂层的蓝宝石单晶片的示意图，其背面具有散热层；
图1(c)为在图1(b)的背面具有外延生长的GaN涂层和散热层的蓝宝石单晶片的示意图，其还包括，在沉积BaxSr(1-x)TiO3之前通过氧化物分子束外延沉积单晶TiO2缓冲层和/或单晶SrTiO3缓冲层；
图1(d)为具有外延生长的GaN涂层、背面的散热层和通过氧化物分子束外延淀积到GaN涂层上的单晶TiO2和/或单晶SrTiO3缓冲层的蓝宝石单晶片的示意图，其还包括BaxSr(1-x)TiO3单晶层；
图2为图1(d)中的结构的180°XRD光谱，表明获得了BST的单晶膜。
具体实施方式
具有较强C轴方向排列的晶面分布是AlN/BST FBAR最重要的先决条件，因为这类FBAR的声学模式都需要被纵向激活；并且AlN/BST FBAR的压电轴是C轴取向。
此外，AlN/BST滤波器中的压电薄膜厚度与工作频率呈负相关。在极高频率下工作的滤波器，如5GHz Wi-Fi、Ku和K波段滤波器，都需要使用超薄膜。在6.5GHz频率下工作的滤波器所使用的BST层厚须为270nm左右，10GHz下AlN层厚须为200nm。这些规格对薄膜生长造成了极大的挑战，因为定锚层越薄越难以保持应有的硬度，自身的晶体缺陷和压力都更容易造成裂缝和破碎。
本发明涉及外延压电薄膜。预期具有强纹理外延生长的压电薄膜比随机取向薄膜具有更光滑的表面。
当用作滤波器中的谐振膜时，获得了减小的散射损耗和金属电极与压电薄膜之间更平滑的界面，这两者都有助于提高质量因子。为此，下一代高频FBAR需要无缺陷的单晶薄膜。
以FWHM小于1°为代表的高质量单晶压电薄膜对FBAR和SMR滤波器的属性有巨大的影响，它能减少50％以热量形式损耗掉的射频能量。这些节约下的能量可以显著减少通话掉线率，并增加手机电池的使用寿命。
可惜，AlN、BaxSr(1-x)TiO3(BST)及其他压电材料与当前使用的下电极金属相比，具有更大的晶格间距和取向差异,使其不可能将这样的单晶薄膜沉积到底部电极材料上。此外，下电极可选材料非常有限，特别是使用BST作为压电材料时。因为电极金属必须要能承受压电材料沉积时的超高温度。因此，到目前为止，已成功证明，还没有真正的高质量单晶压电薄膜适用于RF滤波器。
本发明一方面涉及用于RF滤波器的这种单晶压电薄膜。
图1中公开了制造BaxSr(1-x)TiO3(BST)单晶薄膜的方法。图1(a)至1(d)中示意性地示出了各个阶段。
步骤(a)，参照图1和图1(a)，一个C轴<0001>±1°蓝宝石晶圆10，获得一层C轴<0001>±1°无掺杂氮化镓(U-GaN)释放层12。沉积有U-GaN 12的蓝宝石晶圆10为市售商品。直径为2\"、4\"和6\"，厚度为430μm到700μm，表面抛光RMS平滑度1nm以内的蓝宝石晶圆为市售商品。
U-GaN 12层一般厚度为4μm，表面抛光RMS平滑度1nm以内，适合晶体在其上取向附生。目前，这种涂覆有U-GaN 12的蓝宝石晶圆10在市面上有多家中国公司在生产，包括三安光电(San'an)和苏州纳维科技(NANOWIN)TM。这些衬底原先是为发光二极管(LED)行业开发。
步骤(b)，参照图1(b)，为了散热，优选地，金属层14被沉积在蓝宝石晶圆10的背面，就是覆有GaN 12面的反面。金属层14的厚度取决于所选用的金属。在这种情况下，由于随后沉积的缓冲层16和压电材料18的性质(参见下文)，钛就成为了散热层14一个很好的选择，它的适宜厚度约为150nm。例如，散热金属层14可用溅射(sputtering)的方法沉积。
参照图1(c)，利用氧化物分子束外延技术，使用诸如Vacuum Microengineering Inc.，Varian TM，Veeco TM和SVT AssociatesTM之类的可从供应商获得的市售设备，将<100>TiO2(金红石)缓冲层16沉积在氮化镓释放层C轴<0001>±1°(U-GaN)12上。氮化镓释放层12厚度为4um，RMS粗糙度小于2nm。步骤(c)，由于缓冲层16中金红石TiO2的<100>面与GaN12和蓝宝石10的<0001>面之间的晶格匹配，TiO2 16铺设成单晶薄膜。
可选地，可以将<111>SrTiO3或由<100>TiO2和<111>SrTiO3组成的双缓冲层沉积到作为缓冲层的GaN 12上。
步骤(d)，参照图1(d)，利用氧化物分子束外延(MBE)技术，通过在低压过量的氧气中使用氧化钡、氧化锶和氧化钛将厚度在30nm和40nm之间的BaxSr(1-x)TiO3(BST)层18沉积到金红石TiO2或<111>SrTiO3上。氧化物分子束外延(MBE)是一种高纯度低能量的沉积技术，其产物具有低点缺陷的特点。由于<111>BaxSr(1-x)TiO3(BST)18的晶格间距与<100>TiO2(金红石)16的晶格间距的紧密匹配，以及<100>TiO2(金红石)16的晶格间距与具有C轴<0001>±1°氮化镓(U-GaN)释放层12的C轴<0001>±1°蓝宝石晶片10的晶格间距的紧密匹配，BaxSr(1-x)TiO3 18沉积为单晶薄膜，其厚度范围在200nm至500nm内，XRD半峰全宽(FWHM)在±1％内且公差范围在±1.5％内。
可以在较大的变化范围内精确地控制钡与锶的相对比例和BST膜的厚度，以获得具有不同内在Q因子的薄膜。例如，钡与锶的相对比例可以从1：1变化到1：5，因此Q因子可以从200变化到4000。
参考图2，示出了堆叠的XRD光谱，表明BaxSr(1-x)TiO3膜是真正外延的<111>单晶BaxSr(1-x)TiO3。BaxSr(1-x)TiO3的晶格间距<111>的单晶薄膜显然是第一次生长。这是FBAR谐振器的优选方向。由于晶界抑制了声波的传播，并且在多晶压电薄膜中不容易控制晶粒尺寸，与使信号衰减的多晶压电体不同，这种单晶薄膜在重复性和可靠性方面提供了前所未有的Q值和对由其制造的谐振器和滤波器的质量控制。
可以高精度地控制钡与锶的比例，并且这影响膜的柔性和共振。
例如，可以制造公差为±1％且Q值为200的Ba0.5Sr0.5TiO3的<111>取向单晶薄膜。
公差为±1％的Ba0.35Sr0.65TiO3的<111>取向单晶薄膜的Q值为2000。
公差为±1％的Ba0.2Sr0.8TiO3的<111>取向单晶薄膜的XRD半峰全宽为1.5°，Q值为4000。
外延生长的BST膜的平滑度可以具有小于1.5nm的RMS。这有效地消除了所谓的波纹效应。
优选实施例涉及一种单晶压电膜，其可以是BaxSr(1-x)TiO3的<111>取向单晶薄膜。由于没有晶界，声信号的衰减最小。据我们所知，目前还未能实现单晶BaxSr(1-x)TiO3薄膜。
通过激光剥离BaxSr(1-x)TiO3薄膜从GaN 12上分离。首先通过蚀刻、抛光或通过化学机械抛光将CMP散热层16去除。然后，使用248nm准分子激光器通过蓝宝石衬底照射GaN，以使GaN剥离。IPG PhotonicsTM生产这种具有方波形的脉冲激光，该过程称为激光剥离。
可以使用诸如Cl2、BCl3和Ar等电感耦合等离子体(ICP)去除残留的GaN。该操作可在低于150℃的温度下进行，免去了电极压电薄膜和其他沉积层的热处理。电感耦合等离子体(ICP)是市售的工艺，被诸如NMC(North Microelectrics)China Tool和SAMCO INCTM等公司使用。
U-GaN沉积层与压电体的界面附近相比可能富含更多的镓，这使其难以除去。提供可选的TiO2(金红石)和/或SrTiO3缓冲层16的目的是能够去除任何残留的GaN 12而不损害BaxSr(1-x)TiO3薄膜18的完整性。
第一电极和其他层，如布拉格反射器、硅衬底等可以沉积到压电层上，然后蓝宝石晶圆10可以被分离并重新使用。第二电极可以沉积到压电层的新鲜暴露的表面上。通过适当的接触并且当安装在衬底上时，压电层可以用于诸如FBAR和SMR型谐振器封装和滤波器布置的谐振器中。
使用BST，优选地使用单晶BST作为诸如表面安装谐振器(SMR)和FBAR之类的体声波谐振器(BAW)中的压电材料为射频应用提供了一些有利的属性。该材料的高介电常数(ετ>100)可以使器件体积缩小。例如，在低GHz频率的标准50ΩRF系统中，典型的BST谐振器面积约为0.001mm2，典型的BST滤波器面积约为0.01mm2。因此，与传统的AIN谐振器相比，谐振器体积小一个数量级。智能手机等移动通信设备变得越来越复杂，它们需要更多的滤波器，因此小体积非常重要。此外，由于薄膜铁电BST只泄露极小的电流，即使在器件两端的直流偏置电压下，BST谐振器和滤波器的功耗也可以忽略不计。
[1]仅具有1：3到1：4的可调性。
[2]单晶BST FBAR谐振器和滤波器具有以下优点：
·由于单晶BST FBAR谐振器(以及滤波器)的介电常数小于AIN的介电常数。
·由于只通过施加一定的直流电压而产生谐振，这样的BST FBAR滤波器是“可切换的”。
·由于构建可调BST电容和BST FBAR谐振的过程基本相同，通过可调谐BST电容匹配和调整抑制比率作为FBAR滤波器的一部分，或作为整个BST滤波器组电路的一部分。
·由于单晶取向能够使激发的声波极化，单晶BST FBAR谐振器因此可以节省高达40％的在现有技术滤波器中为热浪费的RF功率。
·由于高频所需的超薄BST Piezo的厚度由附加膜(复合FBAR)支撑,本文公开的单晶BST FBAR可以以更高的频率操作。
尽管上文参照通信滤波器进行了讨论，但是应当理解，基于厚度剪切的复合FBAR和表面生成的基于声波的复合FBAR也可以用于其他应用。例如，它们广泛的应用于生物传感器中，因其检测液体中生物分子的灵敏度极高。
尽管讨论了单晶BST，可以理解的是诸如AlN、ZnO和PZT之类的其他材料的单晶压电薄膜将具有比多晶膜更低的阻抗。多晶BST也保证了与这些使用多晶AlN获得的相比更小的滤波器。
因此，请本领域技术人员理解，本发明不限于上文具体示出和描述的内容。相反，本发明的范围由所附权利要求限定，并且包括上文描述的各种特征的组合和子组合及其变化和修改，本领域技术人员在阅读前文描述时应已预计到。
在权利要求中，“包括”一词及其同义词，如“包含”、“含有”等，意为所列出的组件被包括，但通常不排除其他组件。