CN101895269B - 一种压电薄膜体声波谐振器的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种压电薄膜体声波谐振器的制备方法，通过在第一衬底基片上制备下金属电极、压电层和上金属电极，并且在上述第一衬底基片、下金属电极、压电层和上金属电极上沉积金属薄膜，所述的金属薄膜的材料是铟或者铟锡合金，该金属薄膜经过光刻和刻蚀后得到了键合支点；在第二衬底基片上依次制备钝化层、共面波导结构和用于低温键合的键合支点；然后，利用铟或者铟锡合金低熔点的特性实现第一衬底基片上的键合支点和第二衬底基片上的键合支点的低温键合；所述的第一衬底基片采用聚酰亚胺，并且在上述两个衬底基片的键合为一体后，将成为一体的基片放入溶剂中，去除第一衬底基片，保留第二衬底基片，得到完整的压电薄膜体声波谐振器结构。

Description

一种压电薄膜体声波谐振器的制备方法

技术领域

本发明涉及射频及声学微机电系统领域，具体涉及一种压电薄膜体声波谐振器制备方法。

背景技术

消费类电子产品和个人通讯系统市场的快速扩张，引起了对无线通信系统(如掌上电脑、手机、导航系统、卫星通信以及各种数据通信)的极大需求。特别是近两年以来，随着第三代和第四代通讯标准的发布，个人无线通讯系统的发展趋向于将越来越多的功能模块集成到无线终端中。现在的手机不仅需要有基本的通话和短信功能，还需要有GPS导航、网页浏览、视频音频播放、照相和实况电视接收等功能。此外，由于历史和地区等原因造成各种无线通信标准的存在，使得采用新标准的手机中需要集成多种模式、多个频段以方便实现跨地区和国家之间的漫游。以上种种，使得无线通信的发展向着增加功能模块、缩小系统尺寸、降低成本和功耗的方向发展。因此，制备高性能、小尺寸、低成本和低功耗的射频系统就成为研究的一个热点。

在射频系统中，时钟频率参考源以及射频前端滤波器具有重要作用。例如全球定位系统(GPS)的内部时钟和手机中的射频前端滤波器。在过去的几年中，随着射频集成电路(RFIC)技术的迅速发展，一些以前用于通讯系统中的分立元器件，如低噪声放大器(LNA)和中频滤波器(IF)等，已经可以采用射频集成电路的方式实现；但是另一些元器件，如低相噪的射频振荡器(RF Oscillator)和射频前端滤波器(RF Filter)等，却仍然难以采用射频集成电路的方式实现。另一方面，随着MEMS技术的发展，一些采用MEMS技术制备的射频元器件，如射频开关(RF Switch)、射频电感(RF Inductor)和射频谐振器(RF Resonator)等，由于其具有的优良性能而获得广泛的研究和应用。薄膜体声波谐振器(Film Bulk Acoustic Resonator，FBAR)是最近几年来研究很热的一种采用MEMS技术实现的射频谐振器。它是制作在硅或砷化镓基片上，在空间关系上从上到下由上金属电极层-压电薄膜层-下金属电极层构成的一种器件。在某些特定的频率下，FBAR器件表现出如石英晶体谐振器一样的谐振特性，因此可被搭建成振荡器或滤波器应用于现代通讯系统中。相对于传统用来构成带通滤波器及微波振荡源的LC振荡器、陶瓷介质谐振器及声表面波(SAW)器件而言，FBAR器件除了具有小尺寸、低功耗、低插入损耗以及高工作频率(0.5GHz～10GHz)的优点之外，更重要的是它的制备工艺可以与CMOS工艺兼容，因此可与外围电路构成单芯片系统，极大地减小系统的尺寸和功耗。

FBAR器件的结构主要有薄膜型、空气隙型和固态装配型(SMR)三种。其中薄膜型FBAR器件需要对硅或砷化镓基片进行硅体深刻蚀，容易出现器件薄膜破裂现象，导致器件失效。在空气隙型FBAR器件研制方面，以安华高科技公司为代表，采用氮化铝作为压电材料并结合硅的表面微加工技术和牺牲层技术制成的谐振器已经应用于滤波器的商业量产，其中空气隙通过牺牲层材料的腐蚀释放获得。但是这种方法存在的缺点是牺牲层材料的去除必须干净且必须避免薄膜与衬底的粘连，加大了工艺难度。而固态装配型谐振器则需要在基片与谐振器的下电极之间连续沉积具有高低声阻抗的薄膜形成所谓布拉格声学反射栅，对各层薄膜表面平整度和粗糙度要求较高，加大了工艺难度，且这种谐振器的Q值较前两种器件低。

发明内容

本发明的目的在于，降低制备压电薄膜体声波谐振器的工艺难度，使其应用前景广阔。

为实现上述发明目的，本发明提出一种压电薄膜体声波谐振器的制备方法。该方法通过在第一衬底基片上制备下金属电极、压电层和上金属电极，并且在上述第一衬底基片、下金属电极和上金属电极上沉积金属薄膜，金属薄膜经过光刻和刻蚀后得到用于低温键合的键合支点，所述的用于低温键合的键合支点的材料是铟或者铟锡合金；在第二衬底基片上依次制备钝化层、共面波导结构和用于低温键合的键合支点；然后，利用铟或者铟锡合金低熔点的特性实现第一衬底基片上的键合支点和第二衬底基片上的键合支点的低温键合；

所述的第一衬底基片采用聚酰亚胺，并且在上述两个衬底基片的键合为一体后，将成为一体的基片放入溶剂中，去除第一衬底基片，保留第二衬底基片，得到完整的压电薄膜体声波谐振器结构。所述的第二衬底基片不能采用聚酰亚胺。

所述的制备方法具体包括步骤：

步骤1)清洗第一衬底基片，所述的第一衬底基片采用聚酰亚胺，在第一衬底基片上沉积金属薄膜，并对该金属薄膜进行光刻和刻蚀工艺，得到下金属电极；

步骤2)在上述第一衬底基片和下金属电极上沉积压电薄膜，并对该压电薄膜进行光刻和刻蚀工艺，得到压电层；

步骤3)在上述第一衬底基片、下金属电极、压电层上沉积金属薄膜，并对该金属薄膜进行光刻和刻蚀工艺，得到上金属电极；

步骤4)在上述第一衬底基片、下金属电极、压电层和上金属电极上，沉积用于低温键合的金属薄膜，并对该金属薄膜进行光刻和刻蚀工艺，得到一对键合支点；该用于低温键合的金属薄膜的厚度大于上述的下金属电极厚度、压电薄膜厚度和上金属电极厚度之和；

步骤5)清洗第二衬底基片，在该第二衬底基片上沉积钝化层；

步骤6)在钝化层上沉积金属薄膜，并对该金属薄膜进行光刻和刻蚀工艺，得到的共面波导结构；

步骤7)在第二衬底基片和共面波导结构上沉积用于低温键合的金属薄膜，并对该金属薄膜进行光刻和刻蚀工艺，得到一对键合支点；

步骤8)将上述第一衬底基片上下翻转并与上述第二衬底基片对准，并使得两个衬底基片的两对键合支点对准；

步骤9)对上述两个对准好的基片施加160℃～300℃范围内的温度，使得上述两个基片的两对键合支点熔化并成为一体；

步骤10)将上述成为一体的两个基片放入溶剂中，去除上述第一衬底基片，保留第二衬底基片，得到完整的压电薄膜体声波谐振器结构。

所述的制备方法中的光刻和刻蚀工艺采用正向腐蚀工艺，或反向剥离工艺；所述的沉积金属薄膜的方法采用磁控溅射镀膜、热蒸发镀膜，或离子镀镀膜。

所述的金属薄膜材料采用钼金属材料、铝金属材料、以铬为过渡层的金金属材料、以钛为过渡层的铂金金属材料、或以铬为过渡层的铂金金属材料。

所述的钝化层采用等离子体化学气相沉积(PECVD)的氮化硅薄膜、等离子体化学气相沉积(PECVD)的二氧化硅薄膜、等离子体化学气相沉积(PECVD)的氮化硅和二氧化硅复合薄膜、或磁控溅射沉积的二氧化硅薄膜。

所述的步骤1)中第一衬底基片的厚度为20μm～500μm；所述的步骤1)中下金属电极的厚度是0.1μm～0.5μm。

所述的步骤2)中压电薄膜是氮化铝压电薄膜，或是氧化锌压电薄膜；压电薄膜厚度是0.2μm～4μm。

所述的步骤3)中上金属电极厚度0.1μm～0.5μm。

所述的步骤5)中的第二衬底基片采用硅片、砷化镓基片、制备有集成电路的硅片或制备有集成电路的砷化镓基片。

所述的步骤10)中的溶剂为去除第一衬底基片的去胶剂，包括：聚酰亚胺专用去胶剂。

本发明的优点在于，该方法可与CMOS工艺兼容，无需硅体深刻蚀工艺，无需进行牺牲层释放工艺，无需减薄和抛光工艺，也无需沉积多层布拉格声学反射栅结构，能够克服现有技术中的缺点，大大降低了工艺难度和降低成本，极大提高成品率。另外，该方法可以直接在制备有集成电路的基片上制备压电薄膜体声波谐振器，在单芯片集成射频振荡电路、单芯片集成射频系统、单芯片生化传感芯片等领域有很大应用前景。

附图说明

图1～图18是本发明提出的一种压电薄膜体声波谐振器制备方法中各个步骤完成后所对应的器件结构示意图。

图1是步骤1完成之后对应的器件剖面图；

图2是步骤1完成之后对应的器件俯视图；

图3是步骤2完成之后对应的器件剖面图；

图4是步骤2完成之后对应的器件俯视图；

图5是步骤3完成之后对应的器件剖面图；

图6是步骤3完成之后对应的器件俯视图；

图7是步骤4完成之后对应的器件剖面图

图8是步骤4完成之后对应的器件俯视图；

图9是步骤5完成之后对应的器件剖面图；

图10是步骤5完成之后对应的器件俯视图；

图11是步骤6完成之后对应的器件剖面图

图12是步骤6完成之后对应的器件俯视图；

图13是步骤7完成之后对应的器件剖面图；

图14是步骤7完成之后对应的器件俯视图；

图15是步骤8完成之后对应的器件剖面图；

图16是步骤9完成之后对应的器件剖面图；

图17是步骤10完成之后对应的器件剖面图，也即制备完成后器件的剖面图；

图18是步骤10完成之后对应的器件俯视图，也即制备完成后器件的俯视图。

附图标识

1、第一衬底基片    2、下金属电极    3、压电薄膜

4、上金属电极      5、第一衬底基片上用于低温键合的金属薄膜

6、第二衬底基片    7、钝化层        8、共面波导的金属薄膜

9、第二衬底基片上用于低温键合的金属薄膜

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行进一步说明。

实施例1：

(1)采用100μm厚的聚酰亚胺(PI)薄膜基片，对该基片进行清洗处理。采用磁控溅射的方法沉积0.2μm厚的钼金属薄膜，甩胶光刻腐蚀，形成压电薄膜体声波谐振器的下金属电极。

上述步骤完成后的器件如图1、图2所示。

(2)采用射频磁控溅射的方法沉积1μm厚的氮化铝压电薄膜，甩胶光刻腐蚀，形成压电薄膜体声波谐振器的压电层。

上述步骤完成后的器件如图3、图4所示。

(3)甩胶光刻，采用磁控溅射的方法沉积0.2μm厚的钼金属薄膜，剥离光刻胶牺牲层后，形成压电薄膜体声波谐振器的上金属电极。

上述步骤完成后的器件如图5、图6所示。

(4)甩胶光刻，采用磁控溅射的方法沉积2μm厚的铟金属薄膜，剥离光刻胶牺牲层后，形成压电薄膜体声波谐振器的键合支点。

上述步骤完成后的器件如图7、图8所示。

(5)采用单面或双面抛光的硅片，经过标准清洗后，在硅片抛光的上表面采用磁控溅射的方法沉积0.2μm的二氧化硅钝化层。

上述步骤完成后的器件如图9、图10所示。

(6)在上述硅片和二氧化硅钝化层上，采用磁控溅射的方法沉积一定厚度的钼金属薄膜，厚度由共面波导(CPW)的设计决定；甩胶光刻腐蚀后形成共面波导(CPW)，光刻掩模板的图形由共面波导(CPW)的设计决定。

上述步骤完成后的器件如图11、图12所示。

(7)甩胶光刻，采用磁控溅射的方法沉积0.5μm厚的铟金属薄膜，剥离光刻胶牺牲层后，形成压电薄膜体声波谐振器的键合支点。

上述步骤完成后的器件如图13、图14所示。

(8)将上述第一种基片上下翻转，并与第二种基片进行对准，使得两种基片的键合支点完整接触。

上述步骤完成后的器件如图15所示。

(9)对上述对准后的基片进行加热，温度为200℃，使得上述两种基片的键合支点熔化并键合在一起。

上述步骤完成后的器件如图16所示。

(10)将上述键合后的基片置于聚酰亚胺(PI)薄膜的去胶剂中，去除聚酰亚胺(PI)薄膜基片，得到制备完成的压电薄膜体声波谐振器。

上述步骤完成后的器件如图17、图18所示，也即为制备完成的压电薄膜体声波谐振器。

实施例2：

将实施例1中的第二种衬底基片改为制备有集成电路的硅片，省去实施例1中的步骤(6)和步骤(7)，在硅片上集成电路需要与压电薄膜体声波谐振器键合的地方采用实施例1中步骤(8)制备键合支点，其余制备过程与实施例1中所述一致。

实施例2可以实现基于压电薄膜体声波谐振器的单芯片射频振荡器、单芯片集成射频系统和单芯片生化传感芯片。

最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (12)

1.一种压电薄膜体声波谐振器的制备方法，该方法通过在第一衬底基片上制备下金属电极、压电层和上金属电极，并且在上述第一衬底基片、下金属电极、压电层和上金属电极上沉积金属薄膜，所述的金属薄膜的材料是铟或者铟锡合金，金属薄膜经过光刻和刻蚀后得到用于低温键合的键合支点；在第二衬底基片上依次制备钝化层、共面波导结构和用于低温键合的键合支点；然后，利用铟或者铟锡合金低熔点的特性实现第一衬底基片上的键合支点和第二衬底基片上的键合支点的低温键合；

所述的第一衬底基片采用聚酰亚胺，并且在上述两个衬底基片的键合为一体后，将成为一体的基片放入溶剂中，去除第一衬底基片，保留第二衬底基片，得到完整的压电薄膜体声波谐振器结构。

2.根据权利要求1所述的压电薄膜体声波谐振器的制备方法，其特征在于，所述的制备方法具体包括步骤：

步骤1)清洗第一衬底基片，所述的第一衬底基片采用聚酰亚胺，在第一衬底基片上沉积金属薄膜，并对该步骤1)沉积得到的金属薄膜进行光刻和刻蚀工艺，得到下金属电极；

步骤2)在上述第一衬底基片和下金属电极上沉积压电薄膜，并对该压电薄膜进行光刻和刻蚀工艺，得到压电层；

步骤3)在上述第一衬底基片、下金属电极和压电层上沉积金属薄膜，并对该步骤3)沉积得到的金属薄膜进行光刻和刻蚀工艺，得到上金属电极；

步骤4)在上述第一衬底基片、下金属电极、压电层和上金属电极上，沉积用于低温键合的金属薄膜，所述的用于低温键合的金属薄膜的材料是铟或者铟锡合金，并对该步骤4)沉积得到的用于低温键合的金属薄膜进行光刻和刻蚀工艺，得到一对键合支点；该用于低温键合的金属薄膜的厚度大于上述的下金属电极厚度、压电薄膜厚度和上金属电极厚度之和；

步骤5)清洗第二衬底基片，在该第二衬底基片上沉积钝化层；

步骤6)在钝化层上沉积金属薄膜，并对该步骤6)沉积得到的金属薄膜进行光刻和刻蚀工艺，得到的共面波导结构；

步骤7)在第二衬底基片的钝化层和共面波导结构上沉积用于低温键合的金属薄膜，所述的用于低温键合的金属薄膜的材料是铟或者铟锡合金，并对该步骤7)沉积得到的用于低温键合的金属薄膜进行光刻和刻蚀工艺，得到另一对键合支点；

步骤8)将上述第一衬底基片上下翻转并与上述第二衬底基片对准，并使得两个衬底基片的两对键合支点对准；

步骤9)对上述两个对准好的基片施加160℃～300℃范围内的温度，使得上述两个基片的两对键合支点熔化并成为一体；

步骤10)将上述成为一体的两个基片放入溶剂中，去除上述第一衬底基片，保留第二衬底基片，得到完整的压电薄膜体声波谐振器结构。

3.根据权利要求1所述的压电薄膜体声波谐振器的制备方法，其特征在于，所述的制备方法中的光刻和刻蚀工艺采用正向腐蚀工艺，或反向剥离工艺。

4.根据权利要求1所述的压电薄膜体声波谐振器的制备方法，其特征在于，所述的沉积金属薄膜的方法采用磁控溅射镀膜、热蒸发镀膜、或离子镀镀膜。

5.根据权利要求2所述的压电薄膜体声波谐振器的制备方法，其特征在于，所述的步骤1)、步骤3)和步骤6)中的金属薄膜材料采用钼金属材料、铝金属材料、以铬为过渡层的金金属材料、以钛为过渡层的铂金金属材料、或以铬为过渡层的铂金金属材料。

6.根据权利要求1所述的压电薄膜体声波谐振器的制备方法，其特征在于，所述的钝化层采用是等离子体化学气相沉积(PECVD)的氮化硅薄膜、等离子体化学气相沉积(PECVD)的二氧化硅薄膜、等离子体化学气相沉积(PECVD)的氮化硅和二氧化硅复合薄膜、或磁控溅射沉积的二氧化硅薄膜。

7.根据权利要求2所述的压电薄膜体声波谐振器的制备方法，其特征在于，所述的步骤1)中第一衬底基片的厚度为20μm～500μm。

8.根据权利要求2所述的压电薄膜体声波谐振器的制备方法，其特征在于，所述的步骤1)中下金属电极的厚度是0.1μm～0.5μm。

9.根据权利要求2所述的压电薄膜体声波谐振器的制备方法，其特征在于，所述的步骤2)中压电薄膜是氮化铝压电薄膜，或是氧化锌压电薄膜；压电薄膜厚度是0.2μm～4μm。

10.根据权利要求2所述的压电薄膜体声波谐振器的制备方法，其特征在于，所述的步骤3)中上金属电极厚度0.1μm～0.5μm。

11.根据权利要求2所述的压电薄膜体声波谐振器的制备方法，其特征在于，所述的步骤5)中的第二衬底基片采用硅片、砷化镓基片、制备有集成电路的硅片或制备有集成电路的砷化镓基片。

12.根据权利要求2所述的制备压电薄膜体声波谐振器的方法，其特征在于，所述的步骤10)中的溶剂为去除第一衬底基片的去胶剂，包括：聚酰亚胺专用去胶剂。

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