CN107508569B - 一种薄膜体声波谐振器的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及薄膜体声波谐振器技术领域，具体涉及一种薄膜体声波谐振器的制备方法。本发明通过采用聚合物进行晶圆键合，代替传统离子注入剥离法常用的SiO2亲水性键合，被聚合物覆盖的电极能够根据薄膜体声波谐振器的设计需求进行图形化，由于聚合物具有流动性，晶圆键合过程中能够在压强的作用下自平坦化，图形化电极能够嵌套在聚合物中，且不对LiNbO3单晶薄膜的剥离造成任何影响，解决了单晶薄膜键合转移过程中下电极难以图形化的问题。同时，聚合物作为薄膜体声波谐振器的声反射层，解决了空气谐振腔结构强度低、布拉格声反射腔制备难度大的问题，并且器件的制备工艺简单、制备的器件结构强度大。
Description
技术领域
本发明涉及薄膜体声波谐振器技术领域，具体涉及一种带有固态声反射层的单晶压电薄膜型体声波谐振器的制备方法。
背景技术
薄膜体声波谐振器(FBAR)是一种压电薄膜谐振器。薄膜体声波谐振器的基本结构为基板上由上电极、压电层和下电极组成的叠层结构；为了抑制振动能量的耗散，叠层结构的下方设置有空腔或布拉格反射层。空腔的制备方法有两种：一种是对叠层结构下方的基板区域进行腐蚀，腐蚀从基板的背面进行；二是在基板表面制作图形化的表面牺牲层，并在制备叠层结构之后对牺牲层进行腐蚀。空腔结构对振动能量的限制作用良好，但是造成器件结构强度较低，抗冲击能力差。布拉格反射层是在基板上交替生长不同硬度和密度的薄层，形成布拉格声学反射腔，叠层结构制备在布拉格反射层上方。布拉格反射层结构也能对振动能量的耗散起到较好的抑制作用，且器件结构强度大，但是交替生长的薄膜厚度需要进行精确的控制，制备工艺复杂，难度大。
目前，常用于薄膜体声波谐振器压电层的材料包括ZnO、AlN、PZT。这几类材料中，AlN纵波声速高，化学稳定性好，且AlN薄膜制备工艺与标准CMOS工艺兼容，因此是目前最常用的压电层材料。但是AlN材料的机电耦合系数较低，J.Bjurstrom等人2004年在IEEETransactions on Ultrasonics,Ferroelectrics,and Frequency Control，P1347-1353的“Dependence of the electromechanical coupling on the degree of orientation ofc-textured thin AlN films”报道了AlN纵波模式下机电耦合系数最大值为8％。较低的机电耦合系数限制了AlN压电材料在宽带射频系统中的应用。
LiNbO3具有远高于AlN的机电耦合系数，采用LiNbO3薄膜制备的薄膜体声波谐振器能够满足带宽射频系统的应用。采用单晶薄膜转移技术能够制备高质量的LiNbO3薄膜和薄膜体声波谐振器。D.Gachon等人2007在Frequency and Time Forum(EFTF),2006 20thEuropean，P14-17的“Frequency and Time Forum(EFTF),2006 20th European”报道了采用(YXl)/36°切型LiNbO3作为压电层的体声波谐振器，机电耦合系数达到18％。M.Pijolat等人2009年在Applied Physics Letters，P182106的“Largeelectromechanical couplingfactor film bulk acoustic resonator with X-cut LiNbO3layer transfer”报道了采用X-切型LiNbO3作为压电层的体声波谐振器，机电耦合系数达到43％。以上报道的LiNbO3薄膜体声波谐振器中，LiNbO3压电层采用机械减薄的方法加工成薄片形式，厚度在数微米至数十微米范围，谐振器频率在MHz量级，难以实现GHz频率谐振器的制备。为提高谐振器频率，需要将LiNbO3压电层厚度降低至亚微米范围内。B.Imbert等人采用离子注入剥离法转移制备了厚度约400nm的X切型LiNbO3单晶薄膜，以此薄膜为压电层制备的薄膜体声波谐振器频率>2GHz。但是，基于LiNbO3单晶压电薄膜的体声波谐振器文献中，并未涉及到叠层结构的下电极图形化以及声反射层结构的制备。
采用离子注入剥离法转移制备单晶LiNbO3薄膜的过程中，晶圆键合是必不可少的步骤。现有采用转移单晶LiNbO3压电层制备体声波器件的文献中，均采用了SiO2亲水性键合的方式实现晶圆键合，即在离子注入之后的LiNbO3晶圆注入面先生长体声波谐振器叠层结构的下电极，然后在下电极上覆盖生长一层SiO2键合层，并在基板表面也生长一层SiO2键合层，然后将带有下电极和键合层的LiNbO3晶圆与基板进行键合。例如，2016年中国科学院上海微系统与信息技术研究所申请的专利CN106209003A(利用薄膜转移技术制备薄膜体声波器件的方法)提出了采用SiO2亲水性键合并通过基板背面腐蚀工艺制备谐振腔结构的方法。
但由于亲水性键合对SiO2键合层的表面平整度要求很高，因此难以对体声波谐振器叠层结构中的下电极进行图形化，否则在图形化下电极上生长的SiO2键合层会呈现较大的表面起伏，难以满足亲水性键合的需要。且由于SiO2键合层的厚度通常小于2μm，如果对SiO2层进行化学机械抛光(CMP)，则容易造成对下电极的破坏。由于薄膜体声波谐振器的下电极图形需要进行特殊设计，达到抑制杂波的效果，但采用亲水性键合转移制备LiNbO3压电层的工艺难以制备图形化的薄膜体声波谐振器叠层结构。
发明内容
针对上述存在问题或不足，为解决传统离子注入剥离法常用的SiO2亲水性键合的方式实现晶圆键合存在的工艺难度以及复杂性，本发明提供了一种薄膜体声波谐振器的制备方法。
具体技术方案，包括以下步骤：
步骤1、对LiNbO3单晶晶片进行He+离子注入，注入深度为600-900nm。
步骤2、在LiNbO3注入面生长下电极并图形化，电极厚度100nm～500nm，电极材料为Cu、Al、W、Ta、Ru、Mo、Au或Pt；
步骤3、将步骤2所得晶圆注入面和基板的一面涂覆一层聚合物，然后预烘直至聚合物的有机溶剂挥发完全，聚合物涂覆厚度1-6um，聚合物为苯并环丁烯(BCB)、聚酰亚胺或光刻胶；
步骤4、将步骤3所得的预烘完成的LiNbO3晶圆的聚合物涂覆面和基板的聚合物涂覆面进行键合；
步骤5、将键合后的键合对在160-250℃进行退火，直至LiNbO3晶圆发生剥离和涂覆的聚合物固化，得到带LiNbO3薄膜的基板；
步骤6、在步骤5制得基板的LiNbO3薄膜上表面生长上电极并图形化；
步骤7、在步骤6所得LiNbO3薄膜上制备对准孔，从对准孔处刻蚀LiNbO3薄膜直至刻穿薄膜以暴露下电极，然后引出下电极，即得到薄膜体声波谐振器。
基板材料为半导体材料或氧化物单晶材料；半导体材料选用Si、GaN外延片、GaAs、SiC，氧化物单晶材料选用LiNbO3、LiTaO3或SrTiO3。
本发明采用聚合物进行晶圆键合，代替传统离子注入剥离法常用的SiO2亲水性键合，被聚合物覆盖的电极能够根据薄膜体声波谐振器的设计需求进行图形化，尽管在具有图形化电极的LiNbO3晶圆表面涂覆的聚合物会出现表面起伏，但由于聚合物具有流动性，晶圆键合过程中能够在压强的作用下自平坦化，图形化电极能够嵌套在聚合物中，且不对LiNbO3单晶薄膜的剥离造成任何影响，因此采用聚合物进行晶圆键合的方式解决了单晶薄膜键合转移过程中下电极难以图形化的问题。同时，聚合物能够作为薄膜体声波谐振器的声反射层，解决了空气谐振腔结构强度低、布拉格声反射腔制备难度大的问题，并且器件的制备工艺简单、制备的器件结构强度大。
附图说明
图1为步骤1LiNbO3进行离子注入；
图2为步骤2生长下电极；
图3为步骤3在注入面旋涂聚合物；
图4为步骤3基板旋涂聚合物；
图5为步骤4的键合；
图6为步骤5高温退火薄膜剥离；
图7为步骤6生长上电极；
图8为步骤7中刻蚀LiNbO3；
图9为步骤7中引出下电极；
附图标记：1-注入的LiNbO3单晶晶片、2-金属下电极、3-聚合物、4-基板材料、5-剥离后的LiNbO3薄膜、6-金属上电极、7-刻蚀后的孔、8-下电极引出部分。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明。
步骤1、利用离子注入机对单晶LiNbO3晶片进行He离子注入，注入能量为150keV～285kV，注入剂量大于2×1016ions/cm2，注入He+在LiNbO3晶圆表面下形成He+聚集层，聚集层的深度取决于注入能量，注入深度为600-900nm，如图1所示，虚线表示聚集层的位置。
步骤2、在LiNbO3注入一面先生长10nm厚的Ti薄层作为附着层，然后在Ti薄层上再生长厚度为50～200nm的Al薄层作为下电极，Ti薄层和Al薄层的生长方法包括电子束蒸发、电阻蒸发、直流溅射、磁控溅射、脉冲激光沉积。Ti/Al下电极进行图形化，可以采用lift-off或者干刻的方法完成，如图2所示。
步骤3、将步骤2所得晶圆注入面和基板的一面涂覆一层聚合物，然后预烘直至聚合物的有机溶剂挥发完全，聚合物涂覆厚度1-6um，聚合物为苯并环丁烯(BCB)，如图3、4所示。
步骤4、将步骤3所得的预烘完成的LiNbO3晶圆的聚合物涂覆面和基板的聚合物涂覆面进行键合，键合压强为1kN～50kN，如图5所示。
步骤5、将键合后的晶圆在250℃退火1个小时以实现BCB胶的完全固化，并使LiNbO3晶圆沿He+聚集层发生剥离，并转移600-900nm厚度的LiNbO3薄膜至基板，得到带LiNbO3薄膜的基板，如图6所示。
步骤6、在步骤5所得基板的LiNbO3薄膜上生长10nm厚的钛作为附着层，然后在此基础上再生长50～200nm的铝上电极并图形化，如图7所示。
步骤7、通过光刻形成对准圆孔，然后利用DRIE从对准圆孔处刻蚀LiNbO3薄膜直至刻穿薄膜至下电极，如图8所示；然后再引出下电极，如图9所示，即得到薄膜体声波谐振器。
综上可见，本发明利用离子注入技术以及聚合物实现薄膜的键合剥离，这种方式对键合表面粗糙度的要求低，能够实现带有下电极结构的单晶薄膜转移制备，采用聚合物层作为声反射层结构，提高了薄膜体声波器件结构强度。
Claims (4)
1.一种薄膜体声波谐振器的制备方法，包括以下步骤：
步骤1、对LiNbO3单晶晶片进行He+离子注入，注入深度为600-900nm；
步骤2、在LiNbO3注入面生长下电极并图形化，电极厚度100nm～500nm；
步骤3、将步骤2所得晶圆注入面和基板的一面涂覆一层聚合物，然后预烘直至聚合物的有机溶剂挥发完全，聚合物涂覆厚度1-6um；
步骤4、将步骤3所得的预烘完成的LiNbO3晶圆的聚合物涂覆面和基板的聚合物涂覆面进行键合；
步骤5、将键合后的键合对在160-250℃进行退火，直至LiNbO3晶圆发生剥离和涂覆的聚合物固化，得到带LiNbO3薄膜的基板；
步骤6、在步骤5所得基板的LiNbO3薄膜上表面生长上电极并图形化；
步骤7、在步骤6所得LiNbO3薄膜上制备对准孔，从对准孔处刻蚀LiNbO3薄膜直至刻穿薄膜以暴露下电极，然后引出下电极，即得到薄膜体声波谐振器。
2.如权利要求1所述薄膜体声波谐振器的制备方法，其特征在于：所述电极材料为Cu、Al、W、Ta、Ru、Mo、Au或Pt。
3.如权利要求1所述薄膜体声波谐振器的制备方法，其特征在于：所述聚合物为苯并环丁烯BCB、聚酰亚胺或光刻胶。
4.如权利要求1所述薄膜体声波谐振器的制备方法，其特征在于：所述步骤7的对准孔采用光刻制备。
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