CN103929149B - 一种柔性压电薄膜体声波谐振器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种柔性压电薄膜体声波谐振器，包括柔性衬底、底电极层、压电层和顶电极层，柔性衬底上直接设置底电极层，底电极层上设置压电层，压电层上设置顶电极层。该谐振器使用柔性材料作为器件的衬底，在该器件结构中无需传统薄膜体声波谐振器所需的空腔结构或布拉格反射层结构即可实现谐振器性能，其制备工艺简单，成本低廉。同时，本发明提出的柔性压电薄膜体声波谐振器能极大的扩展体声波谐振器所构成传感器的应用范围，为后续曲面传感器、体内传感器等生化传感器的制作奠定了基础。
Description
技术领域
本发明属于射频微机电系统技术领域，特别涉及一种柔性压电薄膜体声波谐振器及其制备方法。
背景技术
随着微机电系统（Micro-Electro-Mechanical Systems, MEMS）技术的不断发展，基于压电效应的薄膜体声波谐振器因其优异的性能逐渐成为无线通信系统滤波芯片的解决方案。与传统的介质滤波器相比，薄膜体声波滤波器的体积更小。与声表面波滤波器（SAW）相比，薄膜体声波滤波器具有更低的插入损耗、更大的功率容量、更高的Q值以及可集成的优点。薄膜体声波滤波器适应了当今无线通信系统对应用于其中的射频器件微型化、可集成、高性能的要求。
构成薄膜体声波滤波器的基本单元为薄膜体声波谐振器，其核心结构为压电薄膜夹于顶底电极之间的三明治结构。利用器件中压电薄膜的压电效应，器件能将输入的电能转换为机械能，并以声波的形式在器件中形成驻波。由于声波的速度比电磁波的速度小几个数量级，因此薄膜体声波谐振器的尺寸能做得比传统器件更小。目前，薄膜体声波谐振器可用的压电层薄膜材料有ZnO、AlN、PZT。在这几种压电材料中，AlN因其纵波声速最大、功率容量大、化学稳定性高以及能够与标准CMOS工艺相兼容的特点成为目前最常用的压电膜层材料。基于界面处声波反射实现方式的不同，薄膜体声波谐振器的结构主要分为空腔型与固态装配型（SMR）。空腔型结构主要有两种：空气隙型（图1），背刻型（图2）。固态装配型以四分之波长厚度的高低声阻抗膜层相间排列形成声波的全反射结构，如图3所示。背刻型结构的薄膜体声波谐振器由于要刻蚀掉大量的衬底致使器件的机械强度很低，不利于器件的实际应用，因此背刻型薄膜体声波谐振器已经鲜有制备。固态装配型薄膜体声波谐振器具有很好的机械强度以及较大的功率容量使其在大功率场合下应用较为广泛。FBAR具有高Q，低插入损耗，高机电耦合系数，便于集成等优点，使其成为目前应用最广的薄膜体声波谐振器。
在传统薄膜体声波谐振器制备过程中一般需要13到17块掩膜版。薄膜体声波谐振器在空气腔制备过程中，常常会因为薄膜应力不均产生膜层断裂或牺牲层释放时产生粘连从而导致器件制备失败，限制了器件的良品率。在固态装配型薄膜体声波谐振器制备过程中为确保成膜质量通常需要对器件结构中每一层薄膜进行化学机械抛光。传统薄膜体声波谐振器制备工艺复杂，成本较高，如何简化器件的制备工艺，降低器件的制备成本，扩展器件的应用范围成为目前薄膜体声波谐振器技术迫切需要解决的问题。
发明内容
本发明的目的是如何提供一种新的薄膜体声波谐振器结构及其制备方法，该方法能显著降低传统薄膜体声波谐振器制备工艺的复杂度，有效降低器件的制备成本，提高器件制备的良品率并扩展器件的应用范围。
本发明的技术方案为：一种柔性压电薄膜体声波谐振器，其结构包括柔性衬底、底电极层、压电层和顶电极层。柔性衬底上直接设置底电极层，底电极层上设置压电层，压电层上设置顶电极层。
进一步地，所述柔性衬底可为聚对苯二甲酸乙二酯（PET）、聚酰亚胺（PI）等柔性基底材料。
进一步地，底电极层和顶电极层可以为钨、钼、铝、金、铂等薄膜，其厚度为50-200nm。
进一步地，压电层为具有c轴取向的氮化铝层。
一种柔性压电薄膜体声波谐振器及其制备方法，包括以下几个步骤：
a. 采用溅射的方法在柔性衬底上沉积底电极层并光刻出底电极图形；
b. 在底电极上通过溅射生长器件的压电层；
c. 在压电层上通过溅射的方法生长器件顶电极层并光刻出顶电极层图形；
d. 使用湿法刻蚀的方法刻蚀出压电层图形并露出部分底电极层。
进一步地，具体包括以下几个步骤：
a. 在柔性衬底表面采用溅射的方法生长底电极层，并光刻出底电极层图形。该柔性衬底可以是PET、PI等。该底电极层可以为钨、钼、铝、金、铂等膜层，其厚度为50-200nm。
b. 在底电极上生长压电层。该压电层为c轴取向的AlN膜层，该AlN压电层在温度大于150°C，功率密度大于8W/cm2，氨气浓度大于30%的条件下由射频磁控溅射的方法得到，压电层的厚度根据实际需要器件的频率决定。
c. 使用溅射的方法生长顶电极层，该顶电极层可以为钨、钼、铝、金、铂等膜层，其厚度为50-200nm，光刻出顶电极层图形。
d. 使用湿法刻蚀的方法刻蚀出压电层图形并露出部分底电极层。
与现有技术相比本发明所述器件结构简单无需传统结构中的空气腔结构或布拉格反射层结构，这极大的简化了器件的制备工艺，降低了器件制备的复杂度。同时本发明提出的柔性压电薄膜体声波谐振器，能极大的扩展由其构成的体声波传感器在生化领域的应用范围。柔性基底的引入赋予了薄膜体声波传感器可弯曲、能植入体内等新的特性。
附图说明
图1 空气隙型薄膜体声波谐振器结构图；
图2 背刻型薄膜体声波谐振器结构图；
图3 固态装配型薄膜体声波谐振器结构图；
图4 本发明制备柔性压电薄膜体声波谐振器结构图；
图5 生长底电极层并光刻后得到的器件剖面图；
图6 生长压电层后器件的剖面图；
图7 生长顶电极层并光刻后器件的剖面图；
图8 光刻出压电层图形后器件的剖面图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的具体实施方式进行描述：
本发明所述柔性压电薄膜体声波谐振器结构图如图4所示，其结构包括柔性衬底1，底电极层2，压电层3，顶电极层4。
柔性衬底可为聚对苯二甲酸乙二酯（PET）、聚酰亚胺（PI）等柔性基底材料。
底电极层和顶电极层可以为钨、钼、铝、金、铂等薄膜，其厚度为50-200nm。
压电层为具有c轴取向的氮化铝层。
其制备方法包括以下几个步骤：
a. 采用溅射的方法在柔性衬底上沉积底电极层并光刻出底电极图形；
b. 在底电极上通过溅射生长器件的压电层；
c. 在压电层上通过溅射的方法生长器件顶电极层并光刻出顶电极层图形；
d. 使用湿法刻蚀的方法刻蚀出压电层图形并露出部分底电极层。
具体包括以下几个步骤：
a. 在柔性衬底表面采用溅射的方法生长底电极层，并光刻出底电极层图形。该柔性衬底可以是PET、PI等。该底电极层可以为钨、钼、铝、金、铂等膜层，其厚度为50-200nm。
b. 在底电极上生长压电层。该压电层为c轴取向的AlN膜层，该AlN压电层在温度大于150°C，功率密度大于8W/cm2，氨气浓度大于30%的条件下由射频磁控溅射的方法得到，压电层的厚度根据实际需要器件的频率决定。
c. 使用溅射的方法生长顶电极层，该顶电极层可以为钨、钼、铝、金、铂等膜层，其厚度为50-200nm，光刻出顶电极层图形。
d. 使用湿法刻蚀的方法刻蚀出压电层图形并露出部分底电极层。
本发明所述器件结构简单无需传统结构中的空气腔结构或布拉格反射层结构，这极大的简化了器件的制备工艺，降低了器件制备的复杂度。
实施例1
1. 在柔性衬底表面采用磁控溅射的方法生长底电极层，并光刻出底电极图形，如图5所示。柔性衬底采用PET。底电极层采用钼，其厚度为50nm。
2. 在底电极上溅射生长压电层，该压电层为c轴取向的AlN膜层，该AlN压电层在温度大于150°C，功率密度大于8W/cm2，氨气浓度大于30%的条件下由射频磁控溅射的方法得到，如图6所示。压电层厚度根据实际需要器件的频率决定。
3. 在压电层上采用磁控溅射的方法生长顶电极层，并光刻出顶电极图形，如图7所示。顶电极层通常采用钼，其厚度为50-200nm。
4. 使用湿法刻蚀的方法刻蚀出压电层图形并露出部分底电极层，如图8所示。
实施例2
1. 在柔性衬底表面采用磁控溅射的方法生长底电极层，并光刻出底电极图形，如图5所示。柔性衬底采用PI。底电极层通常采用金，其厚度为200nm。
2. 在底电极上溅射生长压电层，该压电层为c轴取向的AlN膜层，该AlN压电层在温度大于150°C，功率密度大于8W/cm2，氨气浓度大于30%的条件下由射频磁控溅射的方法得到，如图6所示。压电层厚度根据实际需要器件的频率决定。
3. 在压电层上采用磁控溅射的方法生长顶电极层，并光刻出顶电极图形，如图7所示。顶电极层采用金，其厚度为200nm。
4. 使用湿法刻蚀的方法刻蚀出压电层图形并露出部分底电极层，如图8所示。
Claims (3)
1.柔性压电薄膜体声波谐振器的制备方法，其特征在于，步骤如下：
a. 采用溅射的方法在柔性衬底上沉积底电极层并光刻出底电极图形；
b. 在底电极上通过溅射生长器件的压电层；
c. 在压电层上通过溅射的方法生长器件顶电极层并光刻出顶电极层图形；
d. 使用湿法刻蚀的方法刻蚀出压电层图形并露出部分底电极层；
所述柔性衬底为聚对苯二甲酸乙二酯或聚酰亚胺。
2.根据权利要求1所述柔性压电薄膜体声波谐振器，其特征在于，所述顶电极层、底电极层为钨、钼、铝、金或铂薄膜，厚度为50-200nm。
3.根据权利要求1所述的柔性压电薄膜体声波谐振器的制备方法，其特征在于，步骤b中，压电层为c轴取向的AlN膜层，该AlN压电层在温度大于150°C，功率密度大于8W/cm2，氨气浓度大于30%的条件下由射频磁控溅射的方法得到。
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