CN107666297B - 具有疏水防粘连结构的薄膜体声波谐振器及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
一种具有疏水防粘连结构的薄膜体声波谐振器及其制造方法，所述薄膜体声波谐振器包括自下而上依次堆叠的基片、疏水结构、下电极、压电薄膜以及上电极；其中，所述基片的上表面设置有空气隙，所述疏水结构设置在所述基片上与所述空气隙对应的位置；所述疏水结构包括聚合物材料制成的聚合物层；所述聚合物层的上表面包括若干锥状突起；所述锥状突起的间距为0.1‑1微米。本发明提供的具有疏水防粘连结构的薄膜体声波谐振器及其制造方法中，在基底与薄膜之间设置有疏水结构，有效避免垂直于其表面的表面张力作用，减少薄膜和基底的粘连现象的产生，相比较现有技术，可以提高薄膜体声波谐振器的成品率和可靠性。
Description
技术领域
本发明涉及半导体技术领域，具体地涉及一种具有疏水防粘连结构的薄膜体声波谐振器及其制造方法。
背景技术
第五代(5th-Generation，简称5G)移动通信技术是第四代(4th-Generation，简称4G)移动通信技术之后的新一代移动通信技术，与3G、4G相比，5G具有更高的网络传输速率和网络容量。
网络传输速率的上升带来了频谱资源的高利用率，从4G开始使用的载波聚合技术使得一台通信设备可以同时利用不同的载波频谱传输数据；同时，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，因而对射频系统的各种性能也提出了更高的需求。
在射频系统中，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，对滤波器的要求也越来越高。此外，随着通信设备需要支持的频带数目不断上升，每一台通信设备中需要用到的滤波器数量也在不断上升。
目前主流的射频滤波器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。其中，声表面波滤波器适用于1.5GHz以下的频段，而当前无线通讯协议很多使用大于2.5GHz的频段，因而，基于薄膜体声波谐振器技术的滤波器被广泛应用。
现有技术制备薄膜体声波谐振器的过程中，做完牺牲层及牺牲层上方的下电极/压电薄膜/上电极的三明治结构后，需要将器件放置到氢氟酸缓释溶液中将磷硅玻璃牺牲层材料腐蚀掉进行牺牲层释放，以最终形成空气隙结构。在释放完牺牲层后，需要将牺牲层空气隙内的氢氟酸缓释溶液完全去除，去除氢氟酸缓释溶液的过程中，随着溶液体积的减少，下电极/压电薄膜/上电极的三明治结构与硅衬底之间的液体会呈现“内月牙”或“外月牙”的形状，该液体的表面张力基本垂直于三明治结构薄膜的表面。此时，在表面张力的作用下，三明治结构的薄膜的一个或多个点将下降到硅衬底上，形成一个或多个点的粘连。对于大面积接触或低弹性的薄膜，该拉力将超过薄膜的回复力，一旦粘连在一起，薄膜与硅衬底将很难再分开，造成器件失效。
发明内容
本发明的目的在于提出一种具有疏水防粘连结构的薄膜体声波谐振器及其制造方法，以减少薄膜与基底的粘连，提高薄膜体声波谐振器的成品率和可靠性。
为达此目的，本发明采用以下技术方案：
本发明提供一种具有疏水防粘连结构的薄膜体声波谐振器，所述薄膜体声波谐振器包括自下而上依次堆叠的基片、疏水结构、下电极、压电薄膜以及上电极；其中，所述基片的上表面设置有空气隙，所述疏水结构设置在所述基片上与所述空气隙对应的位置；所述疏水结构包括聚合物材料制成的聚合物层；所述聚合物层的上表面包括若干锥状突起；所述锥状突起的间距为0.1-1微米。
上述方案中，所述空气隙的厚度为1-3微米；和/或，所述锥状突起的高度为所述空气隙高度的六分之一至三分之一。
上述方案中，所述疏水结构还包括附着在所述聚合物层上表面的金镀层，所述金镀层的厚度为20-100nm。
上述方案中，所述聚合物层由聚酰亚胺制成。
上述方案中，所述基片为单抛或双抛的硅片；和/或，所述下电极的材料包括钼；和/或，所述上电极的材料包括钼；和/或，所述压电薄膜的材料包括氮化铝。
本发明提供一种具有疏水防粘连结构的薄膜体声波谐振器的制造方法，所述方法包括：在基片的上表面形成空气隙；在所述基片上所述空气隙对应的位置沉积聚合物层；对所述聚合物层进行刻蚀，在所述聚合物层的上表面形成若干锥状突起，所述锥状突起的间距为0.1-1微米；在所述空气隙中形成牺牲层，所述牺牲层的材料完全填满所述空气隙；在所述基片的上表面依次形成下电极、压电薄膜和上电极；去除牺牲层。
上述方案中，所述去除牺牲层，包括：将基片放入磷酸溶液中；在磷酸溶液将所述空气隙内的牺牲层完全去除后，将基片中的磷酸溶液经过至少一次置换后置换为环己烷；将基片放入升华装置的冷阱中，在低温、高真空条件下将所述环己烷经过冷冻变为固体后升华去除。
上述方案中，所述对所述聚合物层进行刻蚀，在所述聚合物层的上表面形成若干锥状突起，包括：在所述聚合物层的上表面形成由紧密排列的单分子聚苯乙烯珠构成的聚苯乙烯珠层，所述单分子聚苯乙烯珠的间距为0.1-1微米，所述单分子聚苯乙烯珠的直径为0.1-1微米，所述单分子聚苯乙烯珠的高度为0.1-1微米；以所述聚苯乙烯珠层为掩膜，对聚合物层和聚苯乙烯珠层进行氧气刻蚀；在所述单分子聚苯乙烯珠被完全刻蚀完，所述聚合物层的上表面形成若干锥状突起时，结束刻蚀。
上述方案中，所述对所述聚合物层进行氧气刻蚀，在所述聚合物层的上表面形成若干锥状突起之后，所述方法还包括：在所述聚合物层的上表面沉积金，形成厚度为20-100nm的金镀层。
上述方案中，所述在基片的上表面形成空气隙，在所述硅片上所述空气隙对应的位置沉积聚合物层，包括：在基片的上表面形成具有镂空图形的铝；以所述铝为掩膜，对基片的上表面进行干法刻蚀；在所述镂空图形下方形成刻蚀图案，所述刻蚀图案的深度为所述空气隙的高度；在所述以所述聚苯乙烯珠层为掩膜，对聚合物层和聚苯乙烯珠层进行氧气刻蚀之前，所述方法还包括：在磷酸中对铝进行腐蚀，以去除铝以及铝上方的聚合物层和聚苯乙烯珠层。
本发明提供的具有疏水防粘连结构的薄膜体声波谐振器及其制造方法中，在基底与薄膜之间设置有疏水结构，有效避免垂直于其表面的表面张力作用，减少薄膜和基底的粘连现象的产生，相比较现有技术，可以提高薄膜体声波谐振器的成品率和可靠性。
附图说明
图1为本发明实施例的具有疏水防粘连结构的薄膜体声波谐振器的结构示意图；
图2为本发明实施例的具有疏水防粘连结构的薄膜体声波谐振器制造方法的流程图；
图3为本发明实施例的具有疏水防粘连结构的薄膜体声波谐振器的制造过程示意图一；
图4为本发明实施例的具有疏水防粘连结构的薄膜体声波谐振器的制造过程示意图二；
图5为本发明实施例的具有疏水防粘连结构的薄膜体声波谐振器的制造过程示意图三；
图6为本发明实施例的具有疏水防粘连结构的薄膜体声波谐振器的制造过程示意图四；
图7为本发明实施例的具有疏水防粘连结构的薄膜体声波谐振器的制造过程示意图五；
图8为本发明实施例的具有疏水防粘连结构的薄膜体声波谐振器的制造过程示意图六；
图9为本发明实施例的疏水结构的立体示意图；
图10为本发明实施例的疏水结构的截面示意图；
图11为本发明实施例的疏水结构的制备过程示意图一；
图12为本发明实施例的疏水结构的制备过程示意图二；
图13为本发明实施例的疏水结构的制备过程示意图三；
图14为本发明实施例的疏水结构的制备过程示意图四；
图15为本发明实施例的具有疏水防粘连结构的薄膜体声波谐振器的制造过程示意图七；
图16为本发明实施例的具有疏水防粘连结构的薄膜体声波谐振器的制造过程示意图八；
图17为本发明实施例的具有疏水防粘连结构的薄膜体声波谐振器的制造过程示意图九；
图18为本发明实施例的具有疏水防粘连结构的薄膜体声波谐振器的制造过程示意图十；
图19为本发明实施例的具有疏水防粘连结构的薄膜体声波谐振器的制造过程示意图十一；
图20为本发明实施例的具有疏水防粘连结构的薄膜体声波谐振器的制造过程示意图十二；
图21为本发明实施例的具有疏水防粘连结构的薄膜体声波谐振器的制造过程示意图十三。
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
本发明实施例提供一种具有疏水防粘连结构的薄膜体声波谐振器，其结构参见图1。
该具有疏水防粘连结构的薄膜体声波谐振器包括自下而上依次堆叠的基片100、疏水结构500、下电极800、压电薄膜900以及上电极1000；其中，基片的上表面设置有空气隙，疏水结构设置在基片上与空气隙对应的位置；疏水结构500包括聚合物材料制成的聚合物层；聚合物层的上表面包括若干锥状突起；锥状突起的间距为0.1-1微米。聚合物层可以由聚酰亚胺制成，但并不局限于此，也可以由其它聚合物制成。
该疏水结构具有疏水特性，水滴在其表面形成约145度左右的钝角，而不是一般的“内月牙”或“外月牙”的形状，可以有效避免垂直于其表面的表面张力作用，减少粘连现象的产生。
在本发明实施例提供的具有疏水防粘连结构的薄膜体声波谐振器中，空气隙的厚度为1-3微米。锥状突起的高度为空气隙高度的六分之一至三分之一。
疏水结构500还包括附着在聚合物层上表面的金镀层600。金镀层的厚度为20-100nm。
在本发明实施例提供的具有疏水防粘连结构的薄膜体声波谐振器中，基片100为单抛或双抛的硅片，下电极800的材料为钼，上电极1000的材料为钼，压电薄膜900的材料为氮化铝，但在实际应用中，各部分所采用的材料并不局限于以上内容。
本发明提供的具有疏水防粘连结构的薄膜体声波谐振器中，在基底与薄膜之间设置有疏水结构，有效避免垂直于其表面的表面张力作用，减少薄膜和基底的粘连现象的产生，相比较现有技术，可以提高薄膜体声波谐振器的成品率和可靠性。
实施例2
如图2所示，在本发明实施例提供的具有疏水防粘连结构的薄膜体声波谐振器制造方法包括步骤210～步骤260，详述如下：
步骤210，在基片的上表面形成空气隙。具体地，如图3所示，准备单面或双面抛光的硅片作为基片100，对该硅片进行标准清洗。之后，如图4所示，以一个抛光面为基片100的上表面，在基片的上表面形成具有镂空图形的铝，具体为：在基片100的上表面沉积铝200，并光刻显影腐蚀图形化，形成镂空图形201。之后，如图5所示，以图形化后的铝200为掩膜，对基片100的上表面进行干法刻蚀，在镂空图形201下方形成刻蚀图形202，刻蚀图形202的深度为上述空气隙的高度，该空气隙的高度为1-3微米。
步骤220，在基片上空气隙对应的位置沉积聚合物层。具体地，如图6所示，在基片100的上表面沉积聚酰亚胺形成聚合物层，并进行烘烤固化。此时，铝200的上表面也沉积有聚合物层，铝上的聚合物层在后续工序中刻蚀聚合物层前去除。
步骤230，对聚合物层进行刻蚀，在聚合物层的上表面形成若干锥状突起，锥状突起的间距为0.1-1微米。
具体地，如图7所示，在聚合物层的上表面形成由紧密排列的单分子聚苯乙烯珠构成的聚苯乙烯珠层，单分子聚苯乙烯珠的间距为0.1-1微米，单分子聚苯乙烯珠的直径为0.1-1微米，单分子聚苯乙烯珠的高度为0.1-1微米。形成聚苯乙烯珠层时，在基片100的上表面沉积单分子聚苯乙烯珠，经过烘烤，聚苯乙烯珠的溶剂挥发掉，形成紧密排列的聚苯乙烯珠层。聚苯乙烯珠层是下一工序中干法刻蚀的掩膜。
在以聚苯乙烯珠层为掩膜，对聚合物层和聚苯乙烯珠层进行氧气刻蚀之前，首先使用磷酸中对铝进行腐蚀，以去除铝以及铝上方的聚合物层和聚苯乙烯珠层。具体地，如图8所示，在磷酸中对铝200进行腐蚀，剥离掉铝200上方的部分聚合物层和部分单分子聚苯乙烯珠层。
之后，以聚苯乙烯珠层为掩膜，对聚合物层和聚苯乙烯珠层进行氧气刻蚀。如图11所示，以上述紧密排列的单分子聚苯乙烯珠层为掩膜，采用氧气对聚苯乙烯珠层400和聚合物层300进行同步干法刻蚀，由于聚苯乙烯珠层的掩膜效应，聚合物层300逐步形成下宽上窄的圆台形状。
如图12所示，用氧气进一步刻蚀，在氧气刻蚀作用下，单分子聚苯乙烯珠的尺寸逐步较小，同时，其下方的聚合物层300形成的圆台上部越来越窄。
如图13所示，用氧气进一步刻蚀，直至单分子聚苯乙烯珠被完全刻蚀完，聚合物层的上表面形成若干锥状突起时，结束刻蚀。其中，锥状突起的高度为空气隙高度的六分之一到三分之一。
之后，如图14所示，在聚合物层的上表面沉积金，形成厚度为20-100nm的金镀层。具体地，在基片100上表面沉积金后，需要进行光刻显影刻蚀图形化。
其中，形成金镀层之前的基片结构如图15所示，形成金镀层之后的基片结构如图16所示。
该疏水结构具有疏水特性，水滴在其表面形成约145度左右的钝角，而不是一般的“内月牙”或“外月牙”的形状，可以有效避免垂直于其表面的表面张力作用，减少粘连现象的产生。
步骤240，在空气隙中形成牺牲层，牺牲层的材料完全填满空气隙，所述牺牲层材料可以为氮化铝。如图17所示，在基片100上表面沉积牺牲层后，对基片100上表面的牺牲层700进行化学机械抛光。如图18所示，在该抛光工艺中，基片100的上表面除空气隙之外部分上的牺牲层完全抛除干净。
步骤250，在基片的上表面依次形成下电极、压电薄膜和上电极。
具体地，如图19所示，在基片100的上表面沉积下电极金属并图形化，形成下电极800，其沉积方式包括以下方式中的至少一种：真空溅射、热蒸发或离子镀；
如图20所示，在基片100的上表面沉积压电薄膜900并图形化，形成可以引出下电极的刻蚀孔，其沉积方式包括以下方式中的至少一种：真空溅射、热蒸发、离子镀或溶胶凝胶法。
如图21所示，在基片100的上表面采用剥离工艺沉积上电极金属并图形化，形成上电极1000，其沉积方式包括以下方式中的至少一种：真空溅射、热蒸发或离子镀。
步骤260，去除牺牲层。具体地，将基片放入磷酸溶液中；在磷酸溶液将空气隙内的牺牲层完全去除后，将基片中的磷酸溶液经过至少一次置换后置换为环己烷；之后，将基片放入升华装置的冷阱中，在低温、高真空条件下将环己烷经过冷冻变为固体后升华去除。
具体地，将基片中的磷酸溶液可以经过三次置换后置换为环己烷，包括：将基片放入去离子水中置换15分钟-3个小时，同时加以搅拌和更换去离子水，将空气隙中的磷酸溶液完全置换；将基片放入异丙醇中置换15分钟-3个小时，同时加以搅拌和更换异丙醇，将空气隙中的去离子水完全置换；将基片放入环己烷中15分钟-3个小时，同时加以搅拌和更换环己烷，将空气隙中的异丙醇完全完全置换。
在实际应用中，磷酸溶液去除时置换的次数并不局限于三次，且使用的置换溶液也不局限于去离子水、异丙醇和环己烷。
将基片放入升华装置的冷阱中后，利用环己烷的三相点特征，在低温、高真空条件下将空气隙中的环己烷经过冷冻变为固体后升华去除，可以避免直接蒸发的过程中由于液体表面张力引起的粘连。
本发明提供的具有疏水防粘连结构的薄膜体声波谐振器制造方法中，在基底与薄膜之间设置疏水结构，水滴在其表面形成约145度左右的钝角，而不是一般的“内月牙”或“外月牙”的形状，可有效避免垂直于其表面的表面张力作用，减少薄膜和基底的粘连现象的产生，相比较现有技术，可以提高薄膜体声波谐振器的成品率和可靠性。
同时，在释放过程中利用环己烷的三相点特征，在低温、高真空条件下将空气隙中的环己烷经过冷冻变为固体后升华去除，以避免直接蒸发的过程中由于液体表面张力引起的粘连。通过上述两种手段的结合，可以有效解决现有技术的问题，大大提高薄膜体声波谐振器的成品率和可靠性。
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 (7)
1.一种具有疏水防粘连结构的薄膜体声波谐振器，其特征在于，所述薄膜体声波谐振器包括自下而上依次堆叠的基片、疏水结构、下电极、压电薄膜以及上电极；其中，所述基片的上表面设置有空气隙，所述疏水结构设置在所述基片上与所述空气隙对应的位置；所述疏水结构包括聚合物材料制成的聚合物层；所述聚合物层的上表面包括若干锥状突起；所述锥状突起的间距为0.1-1微米；所述空气隙的厚度为1-3微米；所述锥状突起的高度为所述空气隙高度的六分之一至三分之一。
2.根据权利要求1所述的薄膜体声波谐振器，其特征在于，所述疏水结构还包括附着在所述聚合物层上表面的金镀层，所述金镀层的厚度为20-100nm。
3.根据权利要求1至2任一项所述的薄膜体声波谐振器，其特征在于，所述聚合物层由聚酰亚胺制成。
4.根据权利要求3所述的薄膜体声波谐振器，其特征在于，所述基片为单抛或双抛的硅片；和/或，所述下电极的材料包括钼；和/或，所述上电极的材料包括钼；和/或，所述压电薄膜的材料包括氮化铝。
5.一种具有疏水防粘连结构的薄膜体声波谐振器的制造方法，其特征在于，所述方法包括：
在基片的上表面形成空气隙；
在所述基片上所述空气隙对应的位置沉积聚合物层；
对所述聚合物层进行刻蚀，在所述聚合物层的上表面形成若干锥状突起，所述锥状突起的间距为0.1-1微米，所述锥状突起的高度为所述空气隙高度的六分之一至三分之一；
在所述空气隙中形成牺牲层，所述牺牲层的材料完全填满所述空气隙；
在所述基片的上表面依次形成下电极、压电薄膜和上电极；去除牺牲层；
其中，
所述去除牺牲层，包括：
将基片放入磷酸溶液中；
在磷酸溶液将所述空气隙内的牺牲层完全去除后，将基片中的磷酸溶液经过至少一次置换后置换为环己烷；
将基片放入升华装置的冷阱中，在低温、高真空条件下将所述环己烷经过冷冻变为固体后升华去除；
所述对所述聚合物层进行刻蚀，在所述聚合物层的上表面形成若干锥状突起，包括：
在所述聚合物层的上表面形成由紧密排列的单分子聚苯乙烯珠构成的聚苯乙烯珠层，所述单分子聚苯乙烯珠的间距为0.1-1微米，所述单分子聚苯乙烯珠的直径为0.1-1微米，所述单分子聚苯乙烯珠的高度为0.1-1微米；
以所述聚苯乙烯珠层为掩膜，对聚合物层和聚苯乙烯珠层进行氧气刻蚀；
在所述单分子聚苯乙烯珠被完全刻蚀完，所述聚合物层的上表面形成若干锥状突起时，结束刻蚀。
6.根据权利要求5所述的制造方法，其特征在于，所述对所述聚合物层进行氧气刻蚀，在所述聚合物层的上表面形成若干锥状突起之后，所述方法还包括：在所述聚合物层的上表面沉积金，形成厚度为20-100nm的金镀层。
7.根据权利要求6所述的制造方法，其特征在于，所述在基片的上表面形成空气隙，在所述基片上所述空气隙对应的位置沉积聚合物层，包括：
在基片的上表面形成具有镂空图形的铝；
以所述铝为掩膜，对基片的上表面进行干法刻蚀；
在所述镂空图形下方形成刻蚀图案，所述刻蚀图案的深度为所述空气隙的高度；在所述以所述聚苯乙烯珠层为掩膜，对聚合物层和聚苯乙烯珠层进行氧气刻蚀之前，所述方法还包括：在磷酸中对铝进行腐蚀，以去除铝以及铝上方的聚合物层和聚苯乙烯珠层。
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