CN107171654A - 基于固态和空腔结合的薄膜体声波谐振器及加工方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出了一种全新的结合固态封装型工艺和背部空腔型工艺的薄膜体声波谐振器及其制备方法。通过先在器件正面沉积固态封装型(SMR)的布拉格反射层薄膜，然后在反射层薄膜上面依次沉积并刻蚀底电极、压电材料和顶电极，使之形成压电薄膜换能器堆叠结构，最后在器件背部开口刻蚀形成空腔结构。本发明有效避免了刻蚀时间对器件性能的影响，布拉格反射层加上背部空腔结构，能够比传统的固态封装型(SMR)器件更加有效的将传播的声波反射回压电薄膜换能器堆叠结构，从而提高声电转换的效率；布拉格反射层薄膜充当压电薄膜换能器堆叠器的支撑层，从结构上能加强器件整体的稳固性。
Description
技术领域
本发明涉及一种薄膜体声波谐振器，特别是涉及一种采用基于固态和空腔结合的薄膜体声波谐振器及其制备方法。
背景技术
随着无线通讯应用的发展，人们对于数据传输速度的要求越来越高。在移动通信领域，第一代是模拟技术，第二代实现了数字化语音通信，第三代(3G)以多媒体通信为特征，第四代(4G)将通信速率提高到1Gbps、时延减小到10ms，第五代(5G)是4G之后的新一代移动通信技术，虽然5G的技术规范与标准还没有完全明确，但与3G、4G相比，其网络传输速率和网络容量将大幅提升。如果说从1G到4G主要解决的是人与人之间的沟通，5G将解决人与人之外的人与物、物与物之间的沟通，即万物互联，实现“信息随心至，万物触手及”的愿景。
与数据率上升相对应的是频谱资源的高利用率以及通讯协议的复杂化。由于频谱有限，为了满足数据率的需求，必须充分利用频谱；同时为了满足数据率的需求，从4G开始还使用了载波聚合技术，使得一台设备可以同时利用不同的载波频谱传输数据。另一方面，为了在有限的带宽内支持足够的数据传输率，通信协议变得越来越复杂，因此对射频系统的各种性能也提出了严格的需求。
在射频前端模块中，射频滤波器起着至关重要的作用。它可以将带外干扰和噪声滤除以满足射频系统和通讯协议对于信噪比的需求。随着通信协议越来越复杂，对频带内外的要求也越来越高，使得滤波器的设计越来越有挑战。另外，随着手机需要支持的频带数目不断上升，每一款手机中需要用到的滤波器数量也在不断上升。
目前射频滤波器最主流的实现方式是声表面波滤波器和基于薄膜体声波谐振器技术的滤波器。声表面波滤波器由于其自身的局限性，在1.5GHz以下使用比较合适。然而，目前的无线通讯协议已经早就使用大于2.5GHz的频段，这时必须使用基于薄膜体声波谐振器技术的滤波器。
薄膜体声波谐振器的结构和制备方式已经有很多。在以往的结构和制备方式中，主要采用空腔型工艺(FBAR)，包括表面牺牲层工艺和背部空腔刻蚀工艺，或者固态封装工艺(SMR)。其中表面牺牲层工艺的难点在于如何将表面空腔内的牺牲层材料彻底清除，使得器件最终没有牺牲层残留物的粘连；背部空腔刻蚀工艺的器件应力较大，制备加工过程中容易产生裂缝，另外，背部刻蚀开口的控制(包括时间、角度等)也对器件有比较大的影响；基于固态封装工艺的薄膜体声波谐振器的制备过程较为简单，但是由于声波的反射依靠的是薄膜间的布拉格反射，其器件的质量因子(Q值)不如基于空气界面反射的空腔型薄膜体声波谐振器。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术的缺陷，提出了一种全新的结合固态封装型工艺和背部空腔型工艺的薄膜体声波谐振器及其制备方法。通过先在器件正面沉积固态封装型(SMR)的布拉格反射层薄膜，然后在反射层薄膜上面依次沉积并刻蚀底电极、压电材料和顶电极，使之形成压电薄膜换能器堆叠结构，最后在器件背部开口刻蚀形成空腔结构。
具体地，本发明的提出如下方案：
一种薄膜体声波谐振器，其特征在于：包括基底、依次形成在所述基底第一表面的反射层结构、压电换能器堆叠结构；在与所述基底第一表面相对的第二表面上包括空腔；所述空腔与所述压电换能器堆叠结构相对设置，所述压电换能器堆叠结构包括底电极、压电层、顶电极的三明治结构。
进一步地，所述空腔停止在所述反射层结构表面。
进一步地，所述反射层结构包括布拉格反射层结构。
进一步地，所述布拉格反射层结构包括交替沉积的多组不同材料的反射层。
进一步地，还包括形成在所述基底的第二表面上的掩模层。
本发明还提出一种薄膜体声波谐振器的制各方法，包括以下步骤：
准备基底；
在所述基底的第一表面上沉积反射层；
在所述反射层上沉积压电换能器堆叠结构；
从与所述基底的第一表面相对的第二表面刻蚀所述基底，形成与所述压电换能器堆叠结构相对的空腔结构。
进一步地，所述反射层包括布拉格反射层结构。
进一步地，所述沉积反射层步骤包括交替沉积多组不同材料的反射层。
进一步地，还包括在所述基底的第二表面沉积刻蚀掩模的步骤。
进一步地，所述刻蚀停止于所述反射层。
本发明所提出的技术方案具有以下几个优点：首先，通常的背部刻蚀空腔型器件所刻蚀的材料为衬底硅材料，刻蚀时间对于器件的质量至关重要。刻蚀时间过短不能形成完美的空腔，影响器件的性能；刻蚀时间过长则可能造成过刻蚀，造成电极材料的损伤甚至使器件正面产生裂缝，从而让器件实效。通过沉积布拉格反射层，背部刻蚀可以停止在反射层表面，刻蚀时间的长短不会对器件造成影响；其次，布拉格反射层加上背部空腔结构，能够比传统的固态封装型(SMR)器件更加有效的将传播的声波反射回压电薄膜换能器堆叠结构，从而提高声电转换的效率；最后，相比于传统的背部空腔型器件，该器件具有一定厚度的布拉格反射层薄膜也可充当压电薄膜换能器堆叠器的支撑层，从结构上能加强器件整体的稳固性。
附图说明
图1为本发明的一种全新的结合固态封装型工艺和背部空腔型工艺的薄膜体声波谐振器剖面结构图；
图2为本发明的一种全新的结合固态封装型工艺和背部空腔型工艺的薄膜体声波谐振器的制备工艺流程图。
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。
实施例1
如图1所示，本发明提出一种全新的结合固态封装型工艺和背部空腔型工艺的薄膜体声波谐振器，该薄膜体声波谐振器包括基片100、该基片例如为硅片；包括形成在基片100正面的布拉格发射层200/300/210/310、形成在该布拉格反射层200/300/210/310之上的压电薄膜换能器堆叠结构400/500/600，其中，该布拉格反射层包括以不同材料交替形成的多层结构，例如，以第一种金属材料、如钛、铝、氮化铝等形成的反射层200/210，以第二种金属材料、如钼、钨等形成的反射层300/310；在本发明中布拉格反射层并限于上述结构和材料，所有适用的现有布拉格反射层的结构和材料都能应用于本发明的薄膜体声波谐振器。在基片100的背面包括空腔800。
对于压电薄膜换能器堆叠结构400/500/600，具体地，包括依次形成在布拉格反射层200/300/210/310之上的底电极400、压电层500、顶电极600；其中底电极和顶电极的材料例如包括钼，压电层的材料例如为压电单晶、比如氮化铝、压电石英、钽酸锂、铌酸锂或四硼酸锂等。
优选地，还包括形成在基片100背面的背部刻蚀掩模材料，比如二氧化硅、氮化硅等。
实施例2
本发明还公开了实施例1所示的薄膜体声波谐振器的制备方法，参见图2，具体地，该制备流程包括：
(a)准备单面或双面抛光的基片100，该基片100例如为硅片，其中抛光面向上，进行标准清洗。然后在硅片表面沉积第一层反射层薄膜材料200，该材料可以是钛、铝、氮化铝等。沉积方式包括真空溅射、热蒸发、离子镀等。如图2(a)所示；
(b)在薄膜材料200上面依次沉积第二层反射层薄膜材料300，该薄膜材料300例如是钼、钨等，如图2(b)所示；
(c)根据器件的要求，可重复多次沉积相同厚度的第一层和第二层反射层薄膜。本专利中以沉积两组反射层为例，形成200/300/210/310四层反射层薄膜。如图2(c)所示；
(d)在反射层薄膜310表面沉积底电极金属薄膜400，该电极薄膜材料可以包括钨、钼、铂白金、钌、铱、钛钨、铝、铬、金之一或者组合。沉积方式包括真空溅射、热蒸发、离子镀等。对其进行图形化，如图2(d)所示；
(e)在底电极薄膜400表面沉积压电层材料500，压电层500的材料可以包括：氮化铝(AlN)、氧化锌(ZnO)、铌酸锂(LiNbO3)、钽酸锂(LiTaO3)、锆钛酸铅压电陶瓷(PZT)之一或者组合。沉积方式包括真空溅射、热蒸发、离子镀、溶胶凝胶法等。如图2(e)所示；
(f)在前述压电层500上沉积顶电极金属薄膜600，该电极薄膜材料可以包括钨、钼、铂白金、钌、铱、钛钨、铝、铬、金之一或者组合。沉积方式包括真空溅射、热蒸发、离子镀等。如图2(f)所示。
(g)自上而下对顶电极和压电层进行图形化，使底电极区域能够暴露出来，同时顶电极也形成器件设计所需的形状。如图2(g)所示。
(h)在前述的晶圆片100的背面沉积掩模层700，掩模层材料可以包括二氧化硅、氮化硅、氮氧化硅之一或者组合。对该掩模层进行图形化，如图2(h)所示。
(i)对前述的晶圆片100的背面进行体硅刻蚀，利用掩模层700将晶圆背面刻蚀出空腔结构800。刻蚀的工艺可以是干法刻蚀、湿法刻蚀或者两者工艺的组合。考虑到刻蚀速率与质量的平衡，该空腔并没有完全将底部的体硅全部刻蚀，而是留下一定的厚度，通过下一步精细刻蚀去除。形成如图2(i)所示图形。
(j)最后对前述的空腔结构800进一步刻蚀，彻底去除空腔底部的剩余的体硅。刻蚀的工艺可以是干法刻蚀、湿法刻蚀或者两者工艺的组合。形成如图2(j)所示的图形。
本发明针对现有技术的缺陷，提出了一种全新的结合固态封装型工艺和背部空腔型工艺的薄膜体声波谐振器及其制备方法。通过先在器件正面沉积固态封装型(SMR)的布拉格反射层薄膜，然后在反射层薄膜上面依次沉积并刻蚀底电极、压电材料和顶电极，使之形成压电薄膜换能器堆叠结构，最后在器件背部开口通过两次刻蚀形成空腔结构。
本发明所提出的技术方案具有以下几个优点：首先，通常的背部刻蚀空腔型器件所刻蚀的材料为衬底硅材料，刻蚀时间对于器件的质量至关重要。刻蚀时间过短不能形成完美的空腔，影响器件的性能；刻蚀时间过长则可能造成过刻蚀，造成电极材料的损伤甚至使器件正面产生裂缝，从而让器件实效。通过沉积布拉格反射层，背部刻蚀可以停止在反射层表面，刻蚀时间的长短不会对器件造成影响；其次，布拉格反射层加上背部空腔结构，能够比传统的固态封装型(SMR)器件更加有效的将传播的声波反射回压电薄膜换能器堆叠结构，从而提高声电转换的效率；再次，采用两步的空腔刻蚀工艺，即能比较彻底的刻蚀体硅形成完整的空腔，又能有效地避免刻蚀速率过快所造成的背部薄膜损伤，最后，相比于传统的背部空腔型器件，该器件具有一定厚度的布拉格反射层薄膜也可充当压电薄膜换能器堆叠器的支撑层，从结构上能加强器件整体的稳固性。
最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围。
Claims (10)
1.一种薄膜体声波谐振器，其特征在于：包括基底、依次形成在所述基底第一表面的反射层结构、压电换能器堆叠结构；在与所述基底第一表面相对的第二表面上包括空腔；所述空腔与所述压电换能器堆叠结构相对设置，所述压电换能器堆叠结构包括底电极、压电层、顶电极的三明治结构。
2.根据权利要求1所述的薄膜体声波谐振器，其特征在于：所述空腔停止在所述反射层结构表面。
3.根据权利要求1所述的薄膜体声波谐振器，其特征在于：所述反射层结构包括布拉格反射层结构。
4.根据权利要求3所述的薄膜体声波谐振器，其特征在于：所述布拉格反射层结构包括交替沉积的多组不同材料的反射层。
5.根据权利要求1所述的薄膜体声波谐振器，其特征在于：还包括形成在所述基底的第二表面上的掩模层。
6.一种薄膜体声波谐振器的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
准备基底；
在所述基底的第一表面上沉积反射层；
在所述反射层上沉积压电换能器堆叠结构；
从与所述基底的第一表面相对的第二表面刻蚀所述基底，形成与所述压电换能器堆叠结构相对的空腔结构。
7.根据权利要求6所述的薄膜体声波谐振器的制备方法，其特征在于：所述反射层包括布拉格反射层结构。
8.根据权利要求7所述的薄膜体声波谐振器的制备方法，其特征在于：所述沉积反射层步骤包括交替沉积多组不同材料的反射层。
9.根据权利要求6所述的薄膜体声波谐振器的制备方法，其特征在于：还包括在所述基底的第二表面沉积刻蚀掩模的步骤。
10.根据权利要求6所述的薄膜体声波谐振器的制备方法，其特征在于：所述刻蚀停止于所述反射层。
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