CN106341094A - 一种体声波器件的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种体声波器件的制备方法。采用垂直结构发光二极管工艺中常见的激光剥离、电镀铜和倒装焊工艺，有效解决了单晶体声波器件制备过程中难以在底部金属电极上制备高质量单晶氮化物材料这一技术难题，为高性能体声波器件的制备奠定了基础。
Description
技术领域
本发明涉及射频MEMS器件研究领域，尤其涉及一种体声波器件的制备方法。
背景技术
无线移动通讯技术的高速发展，尤其是第四代移动通讯技术(4G)的应用，使体声波滤波器成为研究的热点课题。与传统的陶瓷滤波器相比，体声波滤波器具有体积小、插入损耗低、带外抑制能力强、功率特性好等诸多优点，引起学术界和产业界的高度关注。随着未来第五代移动通讯技术(5G)的到来，对滤波器的性能提出更高的要求，包括更低的插入损耗、更高的带外抑制能力和更大的带宽，这就需要研制更高性能的体声波器件。目前量产的体声波滤波器所用的压电材料均为采用磁控溅射技术制备的多晶氮化物薄膜，薄膜质量较差，缺陷密度较高。在2016年1月的Radio and Wireless Week(RWW 2016)国际会议上，Akoustis公司计算了压电薄膜的质量对体声波谐振器和滤波器性能的影响，计算结果表明，与传统的多晶氮化物体声波器件相比，单晶氮化物体声波器件的优值(有效机电常数与品质因数乘积)有高达40％的提升。
单晶氮化物体声波器件的制备工艺非常困难，最大的技术难点是难以在底部金属电极上基于MOCVD技术制备高质量的单晶压电薄膜，目前已报道的器件性能远小于预期。目前主要有以下两种器件制备技术路线：参考文献1(IEEE International UltrasonicsSymposium Proceedings，pp.2170-2173，2009)和参考文献2(Materials，vol.8，pp.1204-1212，2015)报道了如图1所示技术路线，即先生长底部电极，然后在底部电极上生长氮化物薄膜的方法制备单晶氮化物体声波器件，然而，由于MOCVD生长氮化物需要高达1000℃左右的高温，在高温下底部金属电极极易与氨气发生反应，此外，金属与氮化物材料晶格失配也较大，难以制备出高质量的氮化物单晶薄膜。参考文献3(IEEE Electron Device Letters，vol.35，pp.1127-1129，2014)报道了如图2所示技术路线，即先在硅衬底上MOCVD生长高质量的单晶氮化物薄膜，然后背面刻蚀硅衬底，再生长底部电极的技术方案，制备单晶体氮化物体声波器件，这种技术方案存在以下问题，第一，背面刻蚀厚的硅衬底会降低衬底的机械支撑能力，容易导致加工工艺失败；第二，在硅的背面通过刻蚀形成深孔之后，要在深孔的侧壁形成有效的金属连接非常困难，需要在刻蚀孔内沉积厚的金属材料(通常是金，弹性系数小，机械损耗大)，很厚的底部电极会导致器件性能的严重退化。
发明内容
(一)要解决的技术问题
鉴于上述技术问题，本发明克服了单晶体声波器件制备过程中难以在底部金属电极上制备单晶压电薄膜这一技术难题，为制备高性能的体声波器件奠定了基础。
(二)技术方案
本发明提出一种体声波器件的制备方法，此方法采用垂直结构发光二极管制备工艺中的常规技术激光剥离、电镀铜衬底支撑层和倒装焊工艺。具体步骤包括：
步骤A：在蓝宝石衬底上基于MOCVD技术生长单晶氮化物压电薄膜；
步骤B：激光剥离所述蓝宝石衬底；
步骤C：在压电薄膜下表面形成底部电极。
在步骤A中，在基于MOCVD技术生长单晶氮化物压电薄膜的过程中，同时在压电薄膜的上表面依次生长顶部电极、介质牺牲层、衬底支撑层。
在步骤B之后、步骤C之前，刻蚀单晶氮化物薄膜形成顶部电极的引线通孔；在进行步骤C的同时，用金属填充引线通孔，在单晶氮化物薄膜的下表面形成顶部电极接触。
在步骤C之后，采用金属材料将器件倒装焊到基底材料上，通过腐蚀介质牺牲层去掉支撑层，形成悬空的器件。
其中所述单晶氮化物压电薄膜为AlxGa1-xN材料，其中0≤x≤1。
其中所述顶部电极和底部电极为金属材料，所述金属材料包括铜、金、铁、铝、钛、铬、钼、钽。
其中所述介质牺牲层为氧化硅或氮化硅。
其中所述衬底支撑层为采用电镀工艺制备的铜。
其中所述倒装焊金属为金、金锡合金或铜锡合金。
(三)有益效果
本发明制备了高质量单晶氮化物压电薄膜，进一步制备高性能体声波器件，提高了器件性能。
附图说明
图1为参考文献1和2中体声波器件制备方法的流程图；
图2为参考文献3中体声波器件制备方法的流程图；
图3为根据本发明实施例中体声波器件制备方法的流程图；
图4A为图3所示制备方法中在蓝宝石上生长单晶氮化物薄膜后的剖面示意图；
图4A-1为图3所示制备方法中在单晶氮化物薄膜上表面生长完顶部电极后的剖面示意图；
图4A-2为图3所示制备方法中在顶部电极上生长完介质牺牲层后的剖面示意图；
图4A-3为图3所示制备方法中在介质牺牲层上生长完衬底支撑层后的剖面示意图；
图4B为图3所示制备方法中激光剥离蓝宝石衬底后的剖面示意图；
图4B-1为图3所示制备方法中刻蚀氮化物单晶薄膜形成顶部电极引线通孔后的剖面示意图；
图4B-2为图3所示制备方法中用金属填充顶部引线孔并形成顶部电极接触后的剖面示意图；
图4C为图3所示制备方法中形成底部电极后的剖面示意图；
图4C-1为图3所示制备方法中将器件倒装焊到另一基底材料后的剖面示意图；
图4C-2为图3所示制备方法中通过腐蚀介质牺牲层去掉支撑层，形成悬空的器件后的剖面示意图。
【附图标记说明】
401-蓝宝石衬底；402-单晶氮化物压电薄膜；
403-顶部电极；404-介质牺牲层；
405-衬底支撑层；406-顶部电极引线通孔；
407-底部电极；408-填充在顶部电极引线通孔406中的金属；
409-在单晶氮化物压电薄膜402下表面的顶部电极接触；
410-倒装焊金属；
411-基底材料。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。
需要说明的是，在附图或说明书描述中，相似或相同的部分都使用相同的图号。附图中未绘示或描述的实现方式，为所属技术领域中普通技术人员所知的形式。另外，虽然本文可提供包含特定值的参数的示范，但应了解，参数无需确切等于相应的值，而是可在可接受的误差容限或设计约束内近似于相应的值。实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向。因此，使用的方向用语是用来说明并非用来限制本发明的保护范围。
总体来说，本发明提供一种体声波器件的制备方法，包括：步骤A：在蓝宝石衬底上基于MOCVD技术生长单晶氮化物压电薄膜，其中所述单晶氮化物压电薄膜优选为AlxGa1-xN材料，其中0≤x≤1；步骤B：激光剥离所述蓝宝石衬底；步骤C：在压电薄膜下表面形成底部电极，所述底部电极为金属材料，优选包括铜、金、铁、铝、钛、铬、钼、钽。此方法改变了器件的传统制备方法，先在衬底上采用MOCVD外延技术制备单晶氮化物压电薄膜，再通过激光剥离技术使蓝宝石衬底与压电薄膜分离，在压电薄膜下表面形成底部电极，避免了传统工艺中底部电极高温下与氨反应导致器件性能较低的问题，其中采用激光剥离蓝宝石衬底，避免了刻蚀衬底中衬底机械支撑能力下降的问题，从而进一步提高体声波器件的生产效率，提高器件性能。
在步骤A在基于MOCVD技术生长单晶氮化物压电薄膜的过程中，可以同时在压电薄膜的上表面依次生长顶部电极、介质牺牲层、衬底支撑层。所述顶部电极为金属材料，优选包括铜、金、铁、铝、钛、铬、钼、钽，所述介质牺牲层为氧化硅或氮化硅，所述衬底支撑层为采用电镀工艺制备的铜。
在步骤B之后、步骤C之前，刻蚀单晶氮化物薄膜形成顶部电极的引线通孔并用金属填充引线通孔，并在单晶氮化物薄膜的下表面形成顶部电极接触。
在步骤C之后，采用倒装焊金属材料将器件倒装焊到基底材料上，通过腐蚀介质牺牲层去掉支撑层，形成悬空的器件。其中，所述倒装焊金属为金、金锡合金或铜锡合金。
在本发明的一个示例性实施例中，提供了一种体声波器件的制备方法。图3为根据本发明实施例一种体声波器件制备方法的流程图。如图3所示，本实施例一种体声波器件制备方法具体步骤包括：
步骤A：如图4A所示，在蓝宝石衬底401上基于MOCVD技术生长单晶氮化物压电薄膜402，所述单晶氮化物压电薄膜402为AlxGa1-xN材料，其中0≤x≤1；
步骤A1：如图4A-1所示，在压电薄膜的上表面生长顶部电极403，所述顶部电极403为金属材料，包括铜、金、铁、铝、钛、铬、钼、钽等；
步骤A2：如图4A-2在顶部电极403的上表面生长介质牺牲层404，所述介质牺牲层404可以为氧化硅和氮化硅；
步骤A3：如图4A-3所示，在介质牺牲层404的上表面生长衬底支撑层405，所述衬底支撑层405为铜，通过垂直LED工艺中经常使用的电镀工艺进行制备；
步骤B：如图4B所示，采用激光剥离方法剥离所述蓝宝石衬底401；
步骤B1：如图4B-1所示，刻蚀单晶氮化物压电薄膜402形成顶部电极的引线通孔406；
步骤B2：如图4B-2所示，采用金属408填充引线通孔406，并在单晶氮化物压电薄膜402的下表面形成顶部电极接触409；
步骤C：如图4C所示，在单晶氮化物压电薄膜402的下表面形成底部电极407，底部电极为金属材料，包括铜、金、铁、铝、钛、铬、钼、钽等；
步骤C1：如图4C-1所示，采用倒装焊金属材料410将器件倒装焊到基底材料411上，所述倒装焊金属材料410可以为金、金锡合金或铜锡合金等；
步骤C2：如图4C-2所示，腐蚀介质牺牲层404去掉衬底支撑层405，形成悬空的器件，完成体声波器件的制备。
以上所述的具体实施例，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，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，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 (9)
1.一种体声波器件的制备方法，其特征在于，包括：
步骤A：在蓝宝石衬底(401)上基于MOCVD技术生长单晶氮化物压电薄膜(402)；
步骤B：激光剥离所述蓝宝石衬底；
步骤C：在压电薄膜下表面形成底部电极(407)。
2.如权利要求1所述的一种体声波器件的制备方法，其特征在于在基于MOCVD技术生长单晶氮化物压电薄膜的过程中，同时在压电薄膜的上表面依次生长顶部电极(403)、介质牺牲层(404)、衬底支撑层(405)。
3.如权利要求1所述的一种体声波器件的制备方法，其特征在于在步骤B之后、步骤C之前，刻蚀单晶氮化物薄膜形成顶部电极的引线通孔(406)；在进行步骤C的同时，用金属(408)填充引线通孔，在单晶氮化物薄膜的下表面形成顶部电极接触(409)。
4.根据权利要求1所述的一种体声波器件的制备方法，其特征在于，所述单晶氮化物压电薄膜(402)为AlxGa1-xN材料，其中0≤x≤1。
5.如权利要求2所述的一种体声波器件的制备方法，其特征在于步骤C之后，采用金属材料(410)将器件倒装焊到基底材料(411)上，通过腐蚀介质牺牲层去掉支撑层，形成悬空的器件。6、根据权利要求2所述的一种体声波器件的制备方法，其特征在于，所述顶部电极(403)和底部电极(407)为金属材料。
6.根据权利要求2所述的一种体声波器件的制备方法，其特征在于，所述介质牺牲层(404)为氧化硅或氮化硅。
7.根据权利要求2所述的一种体声波器件的制备方法，其特征在于，所述衬底支撑层(405)为采用电镀工艺制备的铜。
8.根据权利要求5所述的一种体声波器件的方法，其特征在于，所述的倒装焊金属为金、金锡合金或铜锡合金。
9.根据权利要求6所述的一种体声波器件的制备方法，其特征在于，所述金属材料包括铜、金、铁、铝、钛、铬、钼、钽。
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