CN103378815A - 声波谐振器及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明实施例提出了一种声波谐振器及其制备方法，所述声波谐振器包括：衬底；下层金属电极，所述下层金属电极的一端形成在所述衬底上，所述下层金属电极的另一端与所述衬底平行且保持一定距离；下层二氧化硅薄膜，形成在所述下层金属电极上；压电薄膜，形成在所述下层二氧化硅薄膜上；上层二氧化硅薄膜，形成在所述压电薄膜上；上层金属电极，形成在所述衬底、所述下层金属电极、所述下层二氧化硅薄膜、所述压电薄膜和所述上层二氧化硅薄膜上。本发明实施例提出的声波谐振器及其制备方法，通过增加二氧化硅薄膜，利用二氧化硅薄膜具有较低损耗的特点，有效提高声波谐振器的Q值，从而提高声波谐振器的稳定性。

Description

声波谐振器及其制备方法

技术领域

本发明实施例涉及射频及声学微机电系统领域，尤其涉及一种声波谐振器及其制备方法。

背景技术

在芯片级原子钟中，由Rb原子物理封装产生基于原子跃迁的高Q谐振，具有很好的长期稳定度；但是，由Rb原子物理封装产生的直接输出功率很小，所以它的短期稳定性较差。为了弥补这一缺点，需要借助3.4GHz压控振荡器的输出功率。正因为如此，芯片级原子钟采用3.4GHz压控振荡器，与半导体激光器、Rb原子物理封装和光电探测器构成一个频率锁定回路，使3.4GHz压控振荡器的频率锁定在Rb原子CPT谐振频率上。为了保证3.4GHz压控振荡器的频率信号有足够的稳定度锁定在Rb原子的CPT谐振频率上，通常采用将5MHz或10MHz高稳石英晶振通过非线性器件倍频或直接数字合成得到3.4GHz射频振荡源的方法，但是这样得到的振荡源往往存在尺寸大和功耗高(至少几倍于30mW)的缺点；而芯片级原子钟系统总功耗为30mW，其中3.4GHz压控振荡器的功耗要求不超过10mW，采用上述石英晶振倍频等传统方法不能满足芯片级原子钟的功耗要求。

在应用于芯片级原子钟的其他谐振器方面，美国国家标准局和克罗拉多大学采用定制的同轴谐振器制备了3.4GHz射频振荡器，但是上述同轴谐振器的Q值在3.4GHz时仅有200-300。根据相位噪声公式，Leeson公式，振荡器的相位噪声与谐振器的Q值成反比，谐振器的Q值越高，基于该谐振器的振荡器相位噪声越低，稳定性越好。因此，该振荡器的稳定性还有改进的空间。

发明内容

本发明实施例的目的是提出一种声波谐振器及其制备方法，旨在进一步提高声波谐振器的稳定性。

为实现上述目的，本发明实施例提供了一种声波谐振器的制备方法，所述方法包括：在衬底的上表面沉积金属氧化物薄膜，光刻腐蚀所述金属氧化物薄膜后由所述金属氧化物薄膜形成牺牲层；在所述衬底和所述牺牲层的上表面甩光刻胶，对所述光刻胶光刻，在所述光刻胶上沉积金属薄膜，剥离所述光刻胶由所述金属薄膜形成下层金属电极；在所述衬底、所述牺牲层和所述下层金属电极的上表面甩光刻胶，对所述光刻胶光刻，在所述光刻胶上沉积二氧化硅薄膜，剥离所述光刻胶由所述二氧化硅薄膜形成下层二氧化硅薄膜；在所述衬底、所述牺牲层、所述下层金属电极和所述下层二氧化硅薄膜的上表面甩光刻胶，对所述光刻胶光刻，在所述光刻胶上沉积压电薄膜材料，剥离所述光刻胶由所述压电薄膜材料形成压电薄膜；在所述衬底、所述牺牲层、所述下层金属电极、所述下层二氧化硅薄膜和所述压电薄膜的上表面甩光刻胶，对所述光刻胶光刻，在所述光刻胶上沉积二氧化硅薄膜，剥离所述光刻胶由所述二氧化硅薄膜形成上层二氧化硅薄膜；在所述衬底、所述牺牲层、所述下层金属电极、所述下层二氧化硅薄膜、所述压电薄膜和所述上层二氧化硅薄膜的上表面甩光刻胶，对所述光刻胶光刻，在所述光刻胶上沉积金属薄膜，剥离所述光刻胶由所述金属薄膜形成上层金属电极；用酸性溶液对所述牺牲层进行刻蚀、释放，得到所述声波谐振器。

本发明实施例还提出了一种声波谐振器，所述声波谐振器包括：衬底；下层金属电极，所述下层金属电极的一端形成在所述衬底上，所述下层金属电极的另一端与所述衬底平行且保持一定距离；下层二氧化硅薄膜，形成在所述下层金属电极上；压电薄膜，形成在所述下层二氧化硅薄膜上；上层二氧化硅薄膜，形成在所述压电薄膜上；上层金属电极，形成在所述衬底、所述下层金属电极、所述下层二氧化硅薄膜、所述压电薄膜和所述上层二氧化硅薄膜上。

本发明实施例提出的声波谐振器及其制备方法，通过增加了二氧化硅薄膜，利用二氧化硅薄膜具有较低损耗的特点，有效提高了声波谐振器的Q值，降低声波谐振器的相位噪声，同时显著提高声波谐振器的稳定性。

附图说明

图1为本发明实施例声波谐振器的制备方法流程图；

图2为本发明实施例声波谐振器的制备方法的衬底和牺牲层示意图；

图3为本发明实施例声波谐振器未刻蚀掉牺牲层的示意图；

图4为本发明实施例声波谐振器示意图。

具体实施方式

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

图1为本发明实施例声波谐振器的制备方法流程图，如图1所示，本发明实施例的声波谐振器的具体制备方法如下：

步骤101，在衬底的上表面沉积金属氧化物薄膜，光刻腐蚀金属氧化物薄膜后由金属氧化物薄膜形成牺牲层；

具体的，在本步骤中，先采用高阻(100)晶向的双面抛光的硅片作为衬底，并采用标准清洗液对硅片进行清洗、烘干。本发明实施例声波谐振器的制备方法中衬底也可以采用砷化镓材料。

在衬底的上表面沉积一层金属氧化物薄膜，通过对金属氧化物薄膜进行光刻腐蚀的方式在衬底的上表面形成一层由该金属氧化物薄膜组成的牺牲层。在衬底的上表面沉积一层金属氧化物薄膜具体可以采用磁控溅射镀膜的方法，也可以采用热蒸发镀膜的方法，或是采用离子镀膜的方法。

本发明实施例的金属氧化物薄膜可以采用氧化锌，ZnO薄膜，牺牲层的厚度为0.5微米至4微米之间，本发明一个优选实施例中ZnO薄膜的厚度为2微米。

图2为本发明实施例声波谐振器的制备方法的衬底和牺牲层示意图，如图2所示，在完成步骤101后，牺牲层12形成在衬底11上。

步骤102，在衬底和牺牲层的上表面甩光刻胶，对光刻胶光刻，在光刻胶上沉积金属薄膜，剥离光刻胶由金属薄膜形成下层金属电极；

具体的，在本步骤中，在衬底和牺牲层的上表面预先甩光刻胶，光刻胶可以采用正性胶也可以采用负性胶。甩完光刻胶后，对光刻胶进行光刻、显影处理。在光刻后的光刻胶上沉积金属薄膜；具体的，可以采用磁控溅射镀膜的方法，也可以采用热蒸发镀膜的方法，或是采用离子镀膜的方法在光刻后的光刻胶上沉积金属薄膜。沉积完金属薄膜后，将光刻胶进行剥离，使得金属薄膜形成下层金属电极。

需要说明的是，本发明实施例的下层金属电极可以采用钼金属电极、以钛作过渡层的铂金金属电极或以铬作过渡层的铂金金属电极。下层金属电极的厚度为0.1微米～0.6微米。本发明一个优选实施例的下层金属电极采用钼金属电极，其厚度为0.2微米。

步骤103，在衬底、牺牲层和下层金属电极的上表面甩光刻胶，对光刻胶光刻，在光刻胶上沉积二氧化硅薄膜，剥离光刻胶由二氧化硅薄膜形成下层二氧化硅薄膜；

具体的，在本步骤中，在衬底、牺牲层和下金属电极的上表面预先甩光刻胶，光刻胶可以采用正性胶也可以采用负性胶。甩完光刻胶后，对光刻胶进行光刻、显影处理。在光刻后的光刻胶上沉积二氧化硅薄膜；具体的，可以采用磁控溅射镀膜的方法，也可以采用热蒸发镀膜的方法，或是采用离子镀膜的方法在光刻后的光刻胶上沉积二氧化硅薄膜。沉积完二氧化硅薄膜后，将光刻胶进行剥离，使得二氧化硅薄膜形成下层二氧化硅薄膜。

需要说明的是，本发明实施例的下层二氧化硅薄膜的厚度为0.1微米～2微米，本发明一个优选实施例的下层二氧化硅薄膜的厚度为0.3微米。

步骤104，在衬底、牺牲层、下层金属电极和下层二氧化硅薄膜的上表面甩光刻胶，对光刻胶光刻，在光刻胶上沉积压电薄膜材料，剥离光刻胶由压电薄膜材料形成压电薄膜；

具体的，在本步骤中，在衬底、牺牲层、下金属电极和下层二氧化硅薄膜的上表面预先甩光刻胶，光刻胶可以采用正性胶也可以采用负性胶。甩完光刻胶后，对光刻胶进行光刻、显影处理。在光刻后的光刻胶上沉积压电薄膜材料；具体的，可以采用磁控溅射镀膜的方法，也可以采用热蒸发镀膜的方法，或是采用离子镀膜的方法在光刻后的光刻胶上沉积压电薄膜材料。沉积完压电薄膜材料后，将光刻胶进行剥离，使得压电薄膜材料形成压电薄膜。

需要说明的是，本发明实施例的压电薄膜可以采用氮化铝压电薄膜或氧化锌压电薄膜，压电薄膜的厚度为0.2微米～3微米。本发明一个优选实施例的压电薄膜采用氮化铝压电薄膜，其厚度为1微米。

步骤105，在衬底、牺牲层、下层金属电极、下层二氧化硅薄膜和压电薄膜的上表面甩光刻胶，对光刻胶光刻，在光刻胶上沉积二氧化硅薄膜，剥离光刻胶由二氧化硅薄膜形成上层二氧化硅薄膜；

具体的，在本步骤中，在衬底、牺牲层、下金属电极、下层二氧化硅薄膜和压电薄膜的上表面预先甩光刻胶，光刻胶可以采用正性胶也可以采用负性胶。甩完光刻胶后，对光刻胶进行光刻、显影处理。在光刻后的光刻胶上沉积二氧化硅薄膜；具体的，可以采用磁控溅射镀膜的方法，也可以采用热蒸发镀膜的方法，或是采用离子镀膜的方法在光刻后的光刻胶上沉积二氧化硅薄膜。沉积完二氧化硅薄膜后，将光刻胶进行剥离，使得二氧化硅薄膜形成上层二氧化硅薄膜。

需要说明的是，本发明实施例的上层二氧化硅薄膜的厚度为0.1微米～2微米，本发明一个优选实施例的上层二氧化硅薄膜的厚度为0.3微米。

步骤106，在衬底、牺牲层、下层金属电极、下层二氧化硅薄膜、压电薄膜和上层二氧化硅薄膜的上表面甩光刻胶，对光刻胶光刻，在光刻胶上沉积金属薄膜，剥离光刻胶由金属薄膜形成上层金属电极；

具体的，在本步骤中，在衬底、牺牲层、下层金属电极、下层二氧化硅薄膜、压电薄膜和上层二氧化硅薄膜的上表面预先甩光刻胶，光刻胶可以采用正性胶也可以采用负性胶。甩完光刻胶后，对光刻胶进行光刻、显影处理。在光刻后的光刻胶上沉积金属薄膜；具体的，可以采用磁控溅射镀膜的方法，也可以采用热蒸发镀膜的方法，或是采用离子镀膜的方法在光刻后的光刻胶上沉积金属薄膜。沉积完金属薄膜后，将光刻胶进行剥离，使得金属薄膜形成上层金属电极。

需要说明的是，本发明实施例的上层金属电极可以采用铝金属电极、钼金属电极、以铬作过渡层的金金属电极、以钛作过渡层的铂金金属电极或以铬作过渡层的铂金金属电极。上层金属电极的厚度为0.1微米～0.6微米。本发明一个优选实施例的上层金属电极采用钼金属电极，其厚度为0.2微米。

本发明实施例的上层金属电极与下层金属电极可以采用相同的材料，也可以采用不同的材料；可以采用相同的厚度，也可以分别采用不同的厚度。

步骤107，用酸性溶液对牺牲层进行刻蚀、释放，得到声波谐振器。

具体的，在本步骤中，用酸性溶液对牺牲层进行刻蚀和释放，直至将牺牲层全部刻蚀完毕，并通过去离子水和酒精置换并烘干，得到声波谐振器。

本发明实施例提出的声波谐振器的制备方法通过增加了二氧化硅薄膜，利用二氧化硅薄膜具有较低损耗的特点，有效提高了声波谐振器的Q值，降低了声波谐振器的相位噪声，同时提高了声波谐振器的稳定性。另外，二氧化硅薄膜具有正温度系数，可以对其它材料的负温度系数进行补偿，从而可以减小声波谐振器频率温度系数，进一步提高声波谐振器的稳定性。

本发明实施例还提出了一种声波谐振器，图3为本发明实施例声波谐振器未刻蚀掉牺牲层的示意图，图4为本发明实施例声波谐振器示意图，如图3、图4所示，本发明实施例的声波谐振器包括：衬底11、下层金属电极13、下层二氧化硅薄膜14、压电薄膜15、上层二氧化硅薄膜16和上层金属电极17。

本发明实施例声波谐振器的下层金属电极13的一端形成在衬底11上，下层金属电极13的另一端与衬底11平行且保持一定距离；下层二氧化硅薄膜14形成在下层金属电极13上；压电薄膜15形成在下层二氧化硅薄膜14上；上层二氧化硅薄膜16形成在压电薄膜15上；上层金属电极17形成在衬底11、下层金属电极13、下层二氧化硅薄膜14、压电薄膜15和上层二氧化硅薄膜16上。

再如图3、图4所示，根据本发明实施例声波谐振器的制备方法可知，下层金属电极13先形成在衬底11和牺牲层12上，最后再将牺牲层12刻蚀、释放，从而使得下层金属电极13的一端形成在衬底11上，另一端与衬底11平行且保持一定空隙18；下层金属电极13的下表面与空气直接接触。本发明实施例声波谐振器的下层金属电极13、下层二氧化硅薄膜14、压电薄膜15、上层二氧化硅薄膜16和上层金属电极17组成声波谐振器的工作区。下层金属电极13的下表面与空气直接接触，将声波能量限制在工作区中。

本发明实施例提出的声波谐振器通过增加了二氧化硅薄膜，利用二氧化硅薄膜具有较低损耗的特点，有效提高了声波谐振器的Q值，使得声波谐振器的Q值大于1000，有效降低了声波谐振器的相位噪声，同时提高了声波谐振器的稳定性。另外，二氧化硅薄膜具有正温度系数，可以对其它材料的负温度系数进行补偿，从而可以减小声波谐振器频率温度系数，使得声波谐振器的频率温度系数可以达到小于10ppm/K，进一步显著提高声波谐振器的稳定性。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种声波谐振器的制备方法，其特征在于，所述方法包括：

在衬底的上表面沉积金属氧化物薄膜，光刻腐蚀所述金属氧化物薄膜后由所述金属氧化物薄膜形成牺牲层；

在所述衬底和所述牺牲层的上表面甩光刻胶，对所述光刻胶光刻，在所述光刻胶上沉积金属薄膜，剥离所述光刻胶由所述金属薄膜形成下层金属电极；

在所述衬底、所述牺牲层和所述下层金属电极的上表面甩光刻胶，对所述光刻胶光刻，在所述光刻胶上沉积二氧化硅薄膜，剥离所述光刻胶由所述二氧化硅薄膜形成下层二氧化硅薄膜；

在所述衬底、所述牺牲层、所述下层金属电极和所述下层二氧化硅薄膜的上表面甩光刻胶，对所述光刻胶光刻，在所述光刻胶上沉积压电薄膜材料，剥离所述光刻胶由所述压电薄膜材料形成压电薄膜；

在所述衬底、所述牺牲层、所述下层金属电极、所述下层二氧化硅薄膜和所述压电薄膜的上表面甩光刻胶，对所述光刻胶光刻，在所述光刻胶上沉积二氧化硅薄膜，剥离所述光刻胶由所述二氧化硅薄膜形成上层二氧化硅薄膜；

在所述衬底、所述牺牲层、所述下层金属电极、所述下层二氧化硅薄膜、所述压电薄膜和所述上层二氧化硅薄膜的上表面甩光刻胶，对所述光刻胶光刻，在所述光刻胶上沉积金属薄膜，剥离所述光刻胶由所述金属薄膜形成上层金属电极；

用酸性溶液对所述牺牲层进行刻蚀、释放，得到所述声波谐振器。

2.根据权利要求1所述的声波谐振器的制备方法，其特征在于，所述在衬底的上表面沉积薄膜前还包括：将所述衬底清洗、烘干。

3.根据权利要求1所述的声波谐振器的制备方法，其特征在于，所述沉积二氧化硅薄膜的方法具体为，采用磁控溅射的方法沉积二氧化硅薄膜。

4.根据权利要求1所述的声波谐振器的制备方法，其特征在于，所述用酸性溶液对所述牺牲层进行刻蚀、释放具体为，用稀磷酸溶液对所述牺牲层进行刻蚀、释放。

5.一种根据上述任一项权利要求的方法所制备的声波谐振器，其特征在于，所述声波谐振器包括：

衬底；

下层金属电极，所述下层金属电极的一端形成在所述衬底上，所述下层金属电极的另一端与所述衬底平行且保持一定距离；

下层二氧化硅薄膜，形成在所述下层金属电极上；

压电薄膜，形成在所述下层二氧化硅薄膜上；

上层二氧化硅薄膜，形成在所述压电薄膜上；

上层金属电极，形成在所述衬底、所述下层金属电极、所述下层二氧化硅薄膜、所述压电薄膜和所述上层二氧化硅薄膜上。

6.根据权利要求5所述的声波谐振器，其特征在于，所述下层二氧化硅薄膜与所述上层二氧化硅薄膜的厚度均为0.1微米～2微米。

7.根据权利要求5所述的声波谐振器，其特征在于，所述衬底为硅片或砷化镓。

8.根据权利要求5所述的声波谐振器，其特征在于，所述下层金属电极为钼金属电极、以钛作过渡层的铂金金属电极或以铬作过渡层的铂金金属电极，所述下层金属电极的厚度为0.1微米～0.6微米。

9.根据权利要求5所述的声波谐振器，其特征在于，所述上层金属电极为铝金属电极、钼金属电极、以铬作过渡层的金金属电极、以钛作过渡层的铂金金属电极或以铬作过渡层的铂金金属电极；所述上层金属电极的厚度为0.1微米～0.6微米。

10.根据权利要求5所述的声波谐振器，其特征在于，所述压电薄膜为氮化铝压电薄膜或氧化锌压电薄膜；所述压电薄膜的厚度为0.2微米～3微米。

Images