CN102946236A - 一种可调薄膜体声波谐振器及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可调薄膜体声波谐振器及其制备方法，该制备方法包括步骤S1：在洁净的Si衬底上制备阻挡层；S2：在阻挡层上制备布拉格反射栅，布拉格反射栅由不同声波阻抗薄膜构成；S3：在布拉格反射栅上依次制备粘附层和底电极；S4：在底电极上制备多层异质结构，并作为体声波谐振器的压电层；多层异质结构由BST薄膜、BZT薄膜或BZN薄膜构成；S5：将多层异质结构进行退火处理后形成晶化薄膜；S6：在晶化薄膜上制备顶电极后获得可调薄膜体声波谐振器。本发明采用多层异质结构作为压电层使得体声波谐振器具有相对较低的介电损耗和漏电流，具有相对适中的介电常数和相对较高的可调性；室温下具有较大的优值。

Description

一种可调薄膜体声波谐振器及其制备方法

技术领域

本发明属于体声波谐振器技术领域，更具体地，涉及一种可调薄膜体声波谐振器及其制备方法。

背景技术

随着现代无线通信技术向高频、高速方向发展，人们对高频通信中常用的前置滤波器提出了更高的要求，如高性能、微波集成化等。目前射频系统中使用的带通滤波器主要有微波介质陶瓷滤波器和声表面波(SAW)滤波器。介质陶瓷滤波器虽然性能好但存在体积大和工艺兼容性差等问题，限制了其进一步的发展。虽然SAW滤波器具有较高的Q值，几何尺寸也比较小，但由于其叉指电极的指宽和指间距与工作频率成反比，增加了光刻工艺的难度，使其高频应用受到限制。薄膜体声波谐振器(FBAR)是一种新兴的射频滤波器。相对于传统的介质陶瓷滤波器和SAW滤波器，其工作频率高(最高可达20GHz)、温度系数小、功率容量大、损耗低、抗干扰好、体积小、成本低、可大批量生产。因此，制备一种高效率、谐振频率可调的薄膜体声波谐振器成为了一个研究热点。

可调FBAR采用Si单晶为衬底，主要结构是：金属层-压电层-金属层的三明治结构。为将能量束缚在三层结构内，常采用两种方法：一是在衬底和器件之间利用Si腐蚀的各项异性特性，用微机械加工工艺制备空气层以隔离能量；第二种方法是由SiO2/W、SiO2/Mo或SiO2/Au等多层膜组成的反射层以隔断声波在衬底中的损耗。

可调FBAR通常是利用铁电材料的介电常数随外加电场变化的特点实现频率可调的特性。在可调FBAR的研究中，压电层目前采用的最多的铁电材料有：BST(BaxSr1-xTiO3)、BZT(Ba(ZrxTi1-x)O3)和PZT(Pb(ZrxTi1-xO3))，传统的压电材料如AlN和ZnO具有较小的频率可调范围，因此一般不用在可调FBAR中。PZT构成的谐振器具有较大的可调性，但是由于本身存在迟滞的特点，在实际应用中受到了阻碍。基于顺电相的BST(BaxSr1-xTiO3，x＜0.5)具有介电非线性强、漏电流损耗小，无迟滞的特点，但是BST具有的高介电常数和相对较高的介电损耗制约了其在微波可调器件中的应用。相比来说，基于顺电相的BZT薄膜具有较小的介电损耗和较为显著地温度稳定性。以前的可调FBAR通常只采用上面的一种材料作为压电层，可调率较小、漏电流密度较大。

发明内容

针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种可调薄膜体声波谐振器的制备方法，旨在解决现有技术中采用一种材料作为压电层导致体声波谐振器的可调率较小、漏电流密度较大的问题。

本发明提供了一种可调薄膜体声波谐振器的制备方法，包括下述步骤：

S1：在洁净的Si衬底上制备阻挡层；

S2：在所述阻挡层上制备布拉格反射栅，所述布拉格反射栅由不同声波阻抗薄膜构成；

S3：在所述布拉格反射栅上依次制备粘附层和底电极；

S4：在底电极上制备多层异质结构，并作为体声波谐振器的压电层；所述多层异质结构由BST薄膜、BZT薄膜或BZN薄膜构成；

S5：将所述多层异质结构进行退火处理后形成晶化薄膜；

S6：在所述晶化薄膜上制备顶电极后获得所述可调薄膜体声波谐振器。

更进一步地，在步骤S2中，所述不同声波阻抗薄膜为SiO2和W薄膜、SiO2和Mo薄膜或SiO2和Au薄膜。

更进一步地，所述粘附层为Ti层或TiO2层，所述底电极和顶电极的材料为Pt或Au。

更进一步地，在步骤S4中，所述多层异质结构为BZT、BST和BZT三层结构、BST、BZT和BST三层结构或BZN和BST两层结构；所述BZN为Bi1.5Zn1.0Nb1.5O7。

更进一步地，在步骤S4中，BZT薄膜的厚度为50nm，BST薄膜的厚度为200nm。

更进一步地，在步骤S4中，采用射频磁控溅射的方法制备多层异质结构，溅射参数为：靶基距70mm，工作气压2.0Pa，溅射功率150W，基底温度300℃，O2和Ar的气体流速比为3∶7，本底真空为6.0×10^-4Pa。

更进一步地，在步骤S6中，所述顶电极为圆环形，圆环的外直径为300μm，内直径为60μm，所述顶电极的厚度为100nm。

本发明还提供了一种根据权利上述的制备方法获得的可调薄膜体声波谐振器，所述可调薄膜体声波谐振器的压电层为多层异质结构；所述多层异质结构由BST薄膜、BZT薄膜或BZN薄膜构成。

更进一步地，所述多层异质结构为BZT、BST和BZT三层结构，BST、BZT和BST三层结构或BZN和BST两层结构；所述BZN为Bi1.5Zn1.0Nb1.5O7。

更进一步地，所述BZT薄膜的厚度为50nm，所述BST薄膜的厚度为200nm。

本发明采用多层异质结构作为压电层；具有相对较低的介电损耗和漏电流，在同等条件下BZT、BST和BZT多层异质结构的漏电流相对于BST单层结构得到了明显的改善；相对适中的介电常数和相对较高的可调性；室温下具有较大的优值。

附图说明

图1是本发明实施例提供的可调薄膜体声波谐振器制备方法的实现流程图；

图2是本发明实施例提供的压电层为BZT、BST和BZT复合薄膜固态装配型体声波谐振器的结构；

图3是本发明实施例提供的压电层为BZT、BST和BZT复合薄膜硅反面刻蚀型体声波谐振器的结构；

图4是本发明实施例提供的BST薄膜、BZT薄膜和BZT/BST/BZT复合薄膜三种薄膜的漏电流密度。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

图1示出了本发明实施例提供的可调薄膜体声波谐振器的制备方法实现流程，具体包括：

S1：在洁净的Si衬底上制备阻挡层；

S2：在阻挡层上制备布拉格反射栅，布拉格反射栅由不同声波阻抗薄膜构成；

S3：在布拉格反射栅上依次制备粘附层和底电极；

S4：在底电极上依次制备BST和BZT薄膜，形成BZT、BST和BZT或BST、BZT和BST多层异质结构，并作为体声波谐振器的压电层；

S5：将BST和BZT薄膜进行退火处理后形成晶化薄膜；

S6：在晶化薄膜上制备顶电极后获得可调薄膜体声波谐振器。

在本发明实施例中，基于顺电相的BST薄膜具有介电非线性强、漏电流损耗小，无迟滞的特点，但是BST具有的高介电常数和相对较高的介电损耗制约了其在微波可调器件中的应用。相比来说，基于顺电相的BZT薄膜具有较小的介电常数和介电损耗以及较为显著地温度稳定性，但是其本身的介电可调率较小。本发明采用BST和BZT两种材料形成一种复合结构作为压电层可以起到调和作用，改善了器件的性能。

为了更进一步地说明本发明实施例提供的可调薄膜体声波谐振器的制备方法，现参照图2和图3并结合具体实例详述如下：

实施例一：

(1)选定<100>晶相的硅片1，厚度为0.5mm，先后在甲苯、丙酮和无水乙醇中超声清洗5min，用高纯N2吹干；

(2)用射频磁控溅射的方法制备阻挡层2，阻挡层的材料选用SiO2；

(3)在阻挡层2上用射频磁控溅射的方法依次制备3、4薄膜，得到两对由3、4外延薄膜组成的布拉格反射栅，其中3、4可以分别是SiO2、W、SiO2、Mo或SiO2、Au等，3、4的厚度根据不同材料选定；

(4)用射频磁控溅射的方法在以上制备的布拉格反射栅上先后制备粘附层5和底电极6，其中粘附层选用Ti或TiO2，底电极选用Pt或Au等，其厚度分别为20nm和100nm；

(5)用射频磁控溅射的方法先后制备7、8薄膜，得到由7、8和7三层外延结构组成体声波谐振器的压电层，该压电层可以是BZT、BST和BZT也可以是BST、BZT和BST，7、8的厚度分别为50nm和200nm，7和8的溅射参数为：靶基距70mm，工作气压2.0Pa，溅射功率150W，温度300℃，气体流速比O2∶Ar＝3∶7，本底真空为6.0×10^-4Pa；

(6)将以上结构置于快速退火炉中退火，24min升至600℃，保温1min；

(7)用射频磁控溅射的方法制备顶电极9，顶电极选用Pt或Au等，其厚度为100nm，圆环的外直径为300μm，内直径为60μm。

实施例二：

(1)选定<100>晶相的硅片1，厚度为0.5mm，先后在甲苯、丙酮和无水乙醇中超声清洗5min，用高纯N2吹干；

(2)用射频磁控溅射的方法在1上先后制备阻挡层2、粘附层5和底电极6，其中阻挡层选用SiO2，粘附层可以选用Ti或TiO2，底电极选用Pt或Au等，其厚度分别为300nm、20nm和100nm；

(3)用射频磁控溅射的方法先后制备7、8薄膜，得到由7、8和7三层外延结构组成体声波谐振器的压电层，该压电层可以是BZT、BST和BZT也可以是BST、BZT和BST，7、8的厚度分别为50nm和200nm，7和8的溅射参数为：靶基距70mm，工作气压2.0Pa，溅射功率150W，温度300℃，气体流速比O2∶Ar＝3∶7，本底真空为6.0×10^-4Pa；

(4)将以上结构置于快速退火炉中退火，24min升至600℃，保温1min；

(5)用射频磁控溅射的方法制备顶电极9，顶电极选用Pt或Au等，其厚度为100nm，圆环的外直径为300μm，内直径为60μm。

(6)利用四甲基氢氧化铵的配比溶液腐蚀得到硅反面刻蚀型结构。

在本发明实施例提供的基于上述制备方法获得的可调薄膜体声波谐振器中，以BZT、BST和BZT或BST、BZT和BST (也可以是BZN和BST等，其中BZN为Bi1.5Zn1.0Nb1.5O7)多层结构作为压电层，器件采用固态装配型结构、空气隙型或硅反面刻蚀型结构。图2采用的是固态装配型结构，其中1作为器件的衬底一般采用的是高电阻率的硅材料，接着在1上溅射了一层SiO2阻挡层2，3和4作为器件的布拉格反射栅(本结构中由两对构成)，5是器件的粘附层，6和9分别为器件的底电极和顶电极，7、8和7三层为器件的压电层。

本发明采用多层异质结构作为压电层具有以下优点：

(1)具有相对较低的介电损耗和漏电流，从下图4中可以发现，在同等条件下BZT、BST和BZT多层异质结构的漏电流相对于BST单层结构得到了明显的改善；

(2)相对适中的介电常数和相对较高的可调性；

(3)室温下具有较大的优值。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种可调薄膜体声波谐振器的制备方法，其特征在于，包括下述步骤：

S1：在洁净的Si衬底上制备阻挡层；

S2：在所述阻挡层上制备布拉格反射栅，所述布拉格反射栅由不同声波阻抗薄膜构成；

S3：在所述布拉格反射栅上依次制备粘附层和底电极；

S4：在底电极上制备多层异质结构，并作为体声波谐振器的压电层；所述多层异质结构由BST薄膜、BZT薄膜或BZN薄膜构成；

S5：将所述多层异质结构进行退火处理后形成晶化薄膜；

S6：在所述晶化薄膜上制备顶电极后获得所述可调薄膜体声波谐振器。

2.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，在步骤S2中，所述不同声波阻抗薄膜为SiO2和W薄膜、SiO2和Mo薄膜或SiO2和Au薄膜。

3.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述粘附层为Ti层或TiO2层，所述底电极和顶电极的材料为Pt或Au。

4.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，在步骤S4中，所述多层异质结构为BZT、BST和BZT三层结构、BST、BZT和BST三层结构或BZN和BST两层结构；所述BZN为Bi1.5Zn1.0Nb1.5O7。

5.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，在步骤S4中，BZT薄膜的厚度为50nm，BST薄膜的厚度为200nm。

6.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，在步骤S4中，采用射频磁控溅射的方法制备多层异质结构，溅射参数为：靶基距70mm，工作气压2.0Pa，溅射功率150W，基底温度300℃，O2和Ar的气体流速比为3∶7，本底真空为6.0×10^-4Pa。

7.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，在步骤S6中，所述顶电极为圆环形，圆环的外直径为300μm，内直径为60μm，所述顶电极的厚度为100nm。

8.一种根据权利要求1-7任一项所述的制备方法获得的可调薄膜体声波谐振器，其特征在于，所述可调薄膜体声波谐振器的压电层为多层异质结构；所述多层异质结构由BST薄膜、BZT薄膜或BZN薄膜构成。

9.如权利要求8所述的可调薄膜体声波谐振器，其特征在于，所述多层异质结构为BZT、BST和BZT三层结构，BST、BZT和BST三层结构或BZN和BST两层结构；所述BZN为Bi1.5Zn1.0Nb1.5O7。

10.如权利要求8所述的可调薄膜体声波谐振器，其特征在于，所述BZT薄膜的厚度为50nm，所述BST薄膜的厚度为200nm。

Images