CN104038177A - 用于紫外探测的薄膜体声波谐振器及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于紫外探测的薄膜体声波谐振器及其制备方法，包括连续堆叠在同一个衬底上成为一体的压电振荡堆和声波反射层；压电振荡堆包括自下而上依次沉积的底电极、压电层和上电极；上电极的材质为具有紫外透射性且能够与压电层形成肖特基结的金属薄膜，便于紫外光线透过上电极照射在压电层上；当紫外光照射在上电极时，入射的光量子在ZnO耗尽区会诱导产生电子-空穴对，增大了材料中载流子的浓度，降低了体声波在压电振荡堆内的传播速度，从而薄膜体声波谐振器的谐振频率发生改变。本发明中用于紫外探测的薄膜体声波谐振器的尺寸较小，制作成本低，制备工艺简单，并且能够反复使用。

Description

用于紫外探测的薄膜体声波谐振器及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种用于紫外探测的薄膜体声波谐振器，属于微电子技术领域。

背景技术

紫外探测是继红外探测和激光探测之后发展起来的一项新兴探测技术，可广泛用于科研、军事、环保、医疗等领域。军事方面，早在20世纪六七十年代，美国就开始了在紫外波段探测洲际导弹发射的研究工作，并取得一定的进展。世界上第一台紫外线告警器AAR-47用于美海军C-130S直升机和P-3S运输机上，并且于1991年投入海湾战争中，目前各国正在积极于新型紫外探测器的研制。民用方面，紫外探测已经被用于气体探测与分析、火焰传感、污染监测、水银消毒、发动机及锅炉控制（用于识别热背景中的紫外线）。

随着社会的发展，人们越来越关注紫外光的辐射与测量，对紫外探测器的需求日益增长。目前广泛应用的是光子探测原理制备的紫外探测器，现有的紫外探测器主要面临3方面的困难：首先，固体探测器的硅器件，具有紫外波段以外的光频率响应范围；其次，半导体中载流子的生产和复合时间较长，使得紫外探测器的灵敏度较低；最后，光生载流子对于电流的改变量很小，需要高昂且微小的探测系统来检测电流信号。

薄膜体声波谐振器（FBAR）由于其高工作频率、高品质因素（Q值）、低温度系数、高功率承载能力、可集成以及体积小的特点，近年来得到广泛重视，并在无线通信领域得到了广泛的应用。由于FBAR的谐振频率与体声波的传播速度有关，利用紫外线照射在有效区域内，使半导体内部产生电子空穴对，改变半导体内部载流子的浓度，降低其电阻以及声波的传播速度，将其用于紫外探测。美国亚利桑那州立大学的X.Qiu等人在“Film bulk acoustic wave resonator(FBAR) based ultraviolet sensor”(Solid-State sensors, Actuators and Microsystems Conference, 2009. Transducers 2009, International)中提到使用ZnO薄膜体声波谐振器在365nm、强度为600 紫外光的照射下，频率偏移量为9.8KHz，用于检测的紫外线强度下限为6.5nW，这项研究证明了使用基于ZnO薄膜的FBAR用于紫外探测的可行性，但是这种使用200nm的Au作为上电极的方法，使得紫外线穿透能力变得十分微弱，作为紫外探测使用，其灵敏度较小。

总而言之，现代通信系统向小型化、集成化、密集复用化方向发展，以低成本、简单操作、可集成的方式实现高量子效率、大面积、高分辨率、宽动态范围、高速、低噪声、响应波长完全处于紫外光谱的紫外探测器成为一种迫切的需求。因此，需要一种体积小、结构简单、高Q值的FBAR用于紫外探测。

发明内容

目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种用于紫外探测的薄膜体声波谐振器，能够在不影响防护器件触发电压的前提下提高维持电压，来避免闩锁效应。

技术方案：为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：

一种用于紫外探测的薄膜体声波谐振器，其特征在于：包括连续堆叠在同一个衬底上成为一体的压电振荡堆和声波反射层；其中，压电振荡堆包括自下而上依次沉积的底电极、压电层和上电极；所述上电极的材质为具有紫外透射性且能够与压电层形成肖特基结的金属薄膜，便于紫外光线透过上电极照射在压电层上；

所述声波反射层包括基片、基片上沉积的支撑层、压电振荡堆沉积在支撑层上；所述声波反射层为空气隙结构、或布拉格反射层结构、或背腔刻蚀结构；当声波反射层为背腔刻蚀结构，所述基片上设置有刻蚀形成的空气腔。

所述压电层的材质为ZnO，厚度为500-5000nm。

所述上电极金属薄膜的在紫外波段的透射率大于60%。

所述底电极的材质为Al或Au，厚度为10-300nm。

所述上电极的材质为栅格状结构的Ag，采用直流反应磁控溅射或者射频反应磁控溅射的方式沉积形成，厚度为50-150nm。

所述上电极的材质也可以为Au，采用电子束蒸发或者热蒸发的方式沉积形成，厚度为5-50nm。

本发明还提供所述的用于紫外探测的薄膜体声波谐振器的制备方法，包括以下步骤：首先使用热生长的方法在基片上生长100-500nm的支撑层二氧化硅；随之使用标准的正胶剥离工艺和电子束蒸发的方法沉积金属底电极；然后采用直流反应磁控溅射的方法生长压电层薄膜ZnO；随着压电薄膜沉积结束后，将基片进行第一次快速退火操作，以增大ZnO的颗粒尺寸，减小薄膜之间的拉硬力和膜层之间的界面态；退火操作结束以后，使用与底电极相同的工艺步骤形成上电极，并将压电层薄膜图形化，刻蚀出通孔，最后使用深反应离子刻蚀的方法刻蚀出空气腔，与基片和支撑层构成声波反射层。

有益效果：本发明提供的用于紫外探测的薄膜体声波谐振器，采用宽禁带、可见光响应极小的ZnO半导体材料。对于第二个困难，通过多次退火的方法减少材料内部的缺陷态以及材料表面的界面态，同时材料内部的硬力以及材料与材料之间的硬力。使得紫外光照射在材料表面，谐振器的频率偏移量更大。对于第三个困难，解决方案是采用能够较大程度的透过紫外光线的金属材料或者栅格状的电极结构，并且上电极能够与压电薄膜ZnO形成肖特基结的金属材料，使得更多的紫外光线能够透过上电极照射到压电材料ZnO的表面，并且ZnO材料具有吸氧和释氧的特性，在紫外光的照射下，会使得谐振器的频率偏移量增加。具有可集成性、高Q值并且提高光响应强度和时间的半导体传感器，同时提供了这种半导体传感器的制备方法。本发明中用于紫外探测的薄膜体声波谐振器采用薄膜堆叠结构，不另外占有基片的面积，节约成本，而且结构简单可靠，可用于涉及频带调节的滤波器、双工器等射频系统。

具有以下优点：（1）由于采用薄膜堆叠结构，和外接分离元件或者集成MEMS电容相比，可以减小器件尺寸，降低成本，同时其体积小、频率高、性能好、可集成等优点使其能够达到射频电路要求的频率，其制备工艺相对简单，能都在反复使用。（2）用于紫外探测的传感器能够在低电压电源下工作，其探测的波长范围完全在紫外光谱区，具有较高的灵敏度、高光响应特性，并且抗干扰能力强、稳定可靠寿命长、耗电少。

附图说明

图1是本发明中采用背腔刻蚀结的薄膜体谐振器的剖面图；

图2是本发明中纵波模式FBAR的俯视图；

图3是本发明中压电层氧化锌薄膜的XRD衍射谱；

图4是本发明实施例1中 采用的栅格状电极结构的俯视图；

图5是本发明实施例2中用于紫外探测的FBAR器件的测试图。

图中：上电极101、压电层102、底电极103、支撑层104、基片105、空气腔106、压电振荡堆107、声波反射层108。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明作进一步详细描述。以下实例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案。

如图1和图2所示，为一种用于紫外探测的薄膜体声波谐振器，包括在同一个衬底上连续堆叠成为一体的压电振荡堆107和声波反射层108；其中，压电振荡堆107包括自下而上依次沉积的底电极103、压电层102和上电极101；所述上电极101的材质为为具有紫外透射性且能够与压电薄膜ZnO形成肖特基结的金属薄膜，便于紫外光线透过金属薄膜照射在压电层102上，较大程度的激发压电层102产生电子-空穴对；所述声波反射层108包括基片105、基片上沉积的支撑层104，压电振荡堆沉积在支撑层104上；所述声波反射层108为空气隙结构、或布拉格反射层结构、或背腔刻蚀结构。支撑层104用于支撑压电振荡堆并且用于减少器件的温度漂移。所述基片上设置有刻蚀形成的空气腔106。

所述金属薄膜的在紫外波段的透射率大于60%。

所述底电极103的材质为Al或Au，厚度为10-300nm；

压电层102的材质为ZnO，厚度为500-5000nm。

其中，上电极的厚度由材料的不同决定，如果上电极的材质为Au，采用电子束蒸发或者热蒸发的方式沉积形成，厚度为5-50nm。如果上电极的采用普通的金属材料Ag，且为栅格状的电极结构，采用直流磁控溅射或者电子束蒸发的方式沉积形成，厚度为50-150nm。

其声波的传播方式可以为横向传播、纵向传播或者两者混合，不同的传播方式对应于其电极在压电层不同的分布位置，上述的传播方式分别对应于电极的左右分布（即在压电层的同侧）、上下分布和叉指结构。本实施例中采用电极上下分布的方式进行说明。

实施例1

本实施例中，底电极103为厚度在50-100nm之间的金属材料Al或Au，压电层为厚度在1um-4um之间的ZnO材料，上电极使用能够与压电薄膜ZnO形成肖特基结的金属Ag，其厚度为50-100nm，并且上电极采用栅格状的电极结构；声反射层108采用背腔刻蚀结构，即用空气界面限制声波于压电振荡堆中；在基片105上刻蚀产生空气腔106，支撑层104用于支撑压电振荡堆并且用于减少器件的温度漂移。图4是本实施例中使用栅格状上电极结构的俯视图。

本实施例中，压电层102的材质为氧化锌薄膜，ZnO与Au形成肖特基接触，在紫外光照射下，会激发ZnO价带中的电子发生跃迁，使得ZnO表面的载流子浓度增大，而压电层中体声波的速度与其载流子的浓度有关，FBAR器件的谐振频率又与ZnO的声速成正比，故在紫外光的照射下，谐振器谐振点会发生漂移，根据频率的偏移量以及相应速度反应了基于薄膜体声波谐振器紫外探测的光响应度和量子效率。压电层102氧化锌薄膜的制备方法是直流反应磁控溅射，Zn靶在真空室中被荷能离子轰击，使得Zn原子被轰击出靶材表面，而Zn原子与溅射时通入的氧原子结合，即而在基片表面生成压电薄膜ZnO，具体的溅射条件为：本底真空3*10^-3，溅射气体Ar与反应气体O₂的比例为2:1，反应气压为1Pa，溅射温度为200℃，溅射的偏压为-75V。生长出的压电薄膜ZnO具有良好的c轴取向。如图3所示为本发明中压电层氧化锌薄膜的XRD衍射谱。

所述的用于紫外探测的薄膜体声波谐振器的制备方法，包括以下步骤：

首先使用低压力化学气相沉积法LPCVD或者热氧化生成200-300nm的二氧化硅层作为支撑层104，随后使用正胶剥离工艺对硅片正面（抛光面）进行曝光显影，并采用电子束蒸发的方式沉积5nm的Cr、50nm的Au作为底电极103，剥离完成后形成底电极，其中Cr作为黏连层，用于克服Au与衬底粘附性弱的缺点。使用直流反应磁控溅射生长2um左右的压电薄膜氧化锌102。图3为氧化锌的XRD，表明ZnO薄膜具有择优的c轴取向。随后将衬片置于快速退火炉中，退火的条件为真空400℃,10min，完成第一次退火以后将ZnO图形化刻蚀出通孔。然后将准备好的6-10层石墨烯湿法转移至ZnO上，使用电感耦合等离子的方法刻蚀出上电极101。最后通过深反应离子刻蚀在基片105底部形成空气腔106，作为声波反射层108。

1. 紫外测试

将用于紫外探测的FBAR器件压焊于PCB板上用于测试，PCB链接网络分析仪，网络分析仪接电脑，使用LabView软件对器件的谐振频率进行实时监测。固定好PCB上，与紫外发生器，调节紫外光线照射位置与光照强度。于网络分析仪上设置好参数，如span、center等，打开LabView软件开始测试，当器件的谐振频率稳定后，打开紫外灯管，使其照射在FBAR器件的有效工作区域，观测谐振器频率的变化。本实施例中是探测紫外线的强度在0.04-8.6mW/cm²之间。由这个实施例可知，随着紫外线强度的增加，频率偏移量增加，且紫外的响应快且恢复时间短。

本实施例中Ag能够与ZnO形成肖特基结，且栅格状的上电极结构，使得部分的压电材料暴露在空气中，在紫外光的照射下，可以产生较多的电子-空穴对，使得器件的光响应度增大，易于紫外线的测试，用于作高灵敏度的紫外线FBAR传感器。

实施例2

采用与实施例1相同的结构，底电极、压电层，但上电极采用5-50nm的Au，50nm的Au对于紫外线仍处于半透明状态，并且Au能够与ZnO形成肖特基结，完成上电极图形化后，将其置于快速退火炉中进行第二次退火操作，最后使用深反应离子刻蚀刻蚀出背腔，形成用于紫外探测的薄膜体声波谐振器。其紫外线情况如图5所示。

本发明提供的用于紫外探测的薄膜体声波谐振器，采用堆叠结构，制备工艺简单，品质因数高，能够反复的用于测探较弱的紫外光线，并且适合应用于射频通信领域。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种用于紫外探测的薄膜体声波谐振器，其特征在于：包括连续堆叠在同一个衬底上成为一体的压电振荡堆和声波反射层；其中，压电振荡堆包括自下而上依次沉积的底电极、压电层和上电极；所述上电极的材质为具有紫外透射性且能够与压电层形成肖特基结的金属薄膜，便于紫外光线透过上电极照射在压电层上；

所述声波反射层包括基片、基片上沉积的支撑层、压电振荡堆沉积在支撑层上；所述声波反射层为空气隙结构、或布拉格反射层结构、或背腔刻蚀结构；当声波反射层为背腔刻蚀结构，所述基片上设置有刻蚀形成的空气腔。

2.根据权利要求1所述的用于紫外探测的薄膜体声波谐振器，其特征在于：所述压电层的材质为ZnO，厚度为500-5000nm。

3.根据权利要求1所述的用于紫外探测的薄膜体声波谐振器，其特征在于：所述上电极金属薄膜的在紫外波段的透射率大于60%。

4.根据权利要求1所述的用于紫外探测的薄膜体声波谐振器，其特征在于：所述底电极的材质为Al或Au，厚度为10-300nm。

5.根据权利要求1所述的用于紫外探测的薄膜体声波谐振器，其特征在于：所述上电极的材质为栅格状结构的Ag，采用直流反应磁控溅射或者射频反应磁控溅射的方式沉积形成，厚度为50-150nm。

6.根据权利要求1所述的用于紫外探测的薄膜体声波谐振器，其特征在于：所述上电极的材质为Au，采用电子束蒸发或者热蒸发的方式沉积形成，厚度为5-50nm。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的用于紫外探测的薄膜体声波谐振器的制备方法，包括以下步骤：首先使用热生长的方法在基片上生长100-500nm的支撑层二氧化硅；随之使用标准的正胶剥离工艺和电子束蒸发的方法沉积金属底电极；然后采用直流反应磁控溅射的方法生长压电层薄膜ZnO；随着压电薄膜沉积结束后，将基片进行第一次快速退火操作，以增大ZnO的颗粒尺寸，减小薄膜之间的拉硬力和膜层之间的界面态；退火操作结束以后，使用与底电极相同的工艺步骤形成上电极，并将压电层薄膜图形化，刻蚀出通孔，最后使用深反应离子刻蚀的方法刻蚀出空气腔，与基片和支撑层构成声波反射层。