CN107809221B - 一种空腔型薄膜体声波谐振器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种空腔型薄膜体声波谐振器及其制备方法，包括支撑衬底、支撑层、薄膜结构层和顶电极；所述支撑衬底、支撑层与所述薄膜结构层形成的空腔为空气腔体，所述支撑衬底为空气腔底；所述支撑层设置在支撑衬底表面边缘处，形成空气腔壁；所述薄膜结构层设置在支撑衬底上，形成空气腔盖；所述薄膜结构层从下至上分别为底电极、压电层，所述顶电极位于所述压电层上。所述制备方法无需采用CMP工艺，无需引入牺牲层，保证压电层的晶体质量不受损伤，同时简化生产工艺，降低设备成本。该叠层支撑结构的空腔型薄膜体声波谐振器适用于超薄压电薄膜在FBAR中的应用，有益于提升射频滤波器器件工作频率，降低功耗，缓解目前无线频段紧张的现状。
Description
技术领域
本发明属于谐振器技术领域，特别涉及空腔型薄膜体声波谐振器及其制备方法。
背景技术
无线通讯终端的多功能化多频段化发展对射频器件提出了微型化、高频率、高性能、低功耗、低成本等高技术要求。相比于前一代介质滤波器和声表面波滤波器(SAW)，薄膜体声波谐振器(FBAR)具有小体积、品质因子(Q)高，功率容量高，易于集成的特点，是现代移动通信设备中射频前端的核心元件。
FBAR的基本原理是基于压电材料的机械能和电能转换，因此其压电复合膜的品质因数影响了FBAR滤波器的损耗和滚降特性。氮化铝是FBAR的商用最成功的压电材料。由于其声速高，因此应用于更高的频率，符合现在无线通信往高频化发展的要求。并且氮化铝是FBAR与CMOS器件集成的理想材料。
通常空腔型FBAR的制备工艺是借助牺牲层工艺，自下而上溅射各膜层，最后释放工作区域下方的牺牲层材料。通过磁控溅射生长的多晶氮化铝压电层，存在一定厚度的非晶过渡区域，这部分对于器件压电转换并无贡献，导致器件的Q值降低，插入损耗变大；另外多晶氮化铝中存在的晶界和缺陷会造成对体声波的吸收或散射，增加声波传输损耗。为了引入性能更加优异的单晶氮化铝作为FBAR压电膜层，需要提出一种新的结构和工艺，免去牺牲层释放等复杂工艺同时能在单晶衬底上沉积压电薄膜氮化铝用于器件制备。利用单晶氮化铝的优良特性制备的FBAR优值(FOM＝Q·keff2)接近理论值，温度特性好，可以在更薄的厚度下工作。但单晶薄膜同样存在与衬底失配大，晶体质量难以提高，薄膜应力难以控制等问题。由此单氮化铝加工制备FBAR面临压电薄膜破裂、空腔结构塌陷的风险。
发明内容
本发明提出一种空腔型薄膜体声波谐振器的制造方法。这种空腔型薄膜体声波谐振器结构及其制备方法降低薄膜体声波谐振器的制作难度，改善压电膜的品质，降低薄膜体声波谐振器的插入损耗，提高Q值和机电耦合系数，将成为适用于未来高频、高功率场合下射频滤波器的解决方案。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案。
一种空腔型薄膜体声波谐振器的制备方法，包括以下步骤：
(1)在制备衬底上制备薄膜结构层：
①在制备衬底的一面沉积一层压电层；
②在①制备的压电层上通过光刻、蒸镀、剥离得到底电极；
(2)在步骤(1)制备的薄膜结构层上通过光刻、蒸镀、剥离得到支撑层；
(3)通过光学对准技术使支撑层与支撑衬底连接固定，支撑衬底、薄膜结构层与支撑层之间形成空气腔体；
(4)将制备衬底从薄膜结构层上剥离，使薄膜结构层中的压电层裸露出来；
(5)在裸露出来的压电层上通过光刻、蒸镀、剥离得到顶电极。
一种空腔型薄膜体声波谐振器，采用上述制备方法制备，包括支撑衬底、支撑层、薄膜结构层和顶电极；所述支撑衬底、支撑层与所述薄膜结构层形成的空腔为空气腔体，所述支撑衬底为空气腔底；所述支撑层设置在支撑衬底表面边缘处，形成空气腔壁；所述薄膜结构层设置在支撑衬底上，形成空气腔盖；所述薄膜结构层从下至上分别为底电极、压电层，所述顶电极位于所述压电层上。
进一步地，所述支撑层的宽度≥100μm。
进一步地，所述压电层为单晶态氮化铝层。
进一步地，制备衬底及支撑衬底材料选自：硅、蓝宝石、LiGaO2或金属。
进一步地，支撑层材料为金锡合金，金硅合金，镍锡合金，铝锗合金中的一种或其任意组合。
进一步地，底电极和顶电极材料为Al、Mo、W、Pt、Ti、Au中的一种或其任意组合。
本发明的有益效果：本发明中所述的薄膜体声波谐振器制备方法能够获得单晶氮化铝压电层，相对于现有的基于多晶氮化铝压电层的薄膜体声波谐振器，本发明中所述的薄膜体声波谐振器的Q值和机电耦合系数得到了进一步的提高，插入损耗进一步的降低，从而大幅度的提高了器件的性能；并且，通过控制单晶氮化铝的应力状态的制备工艺能实现超薄(100～500nm)压电薄膜在薄膜体声波谐振器中的应用，提升器件工作频率，降低功耗，缓解目前无线频段紧张的现状；叠层金属支撑方法制备空腔型薄膜体声波谐振器的过程中即省去了CMP工艺，又无需引入牺牲层，从而简化生产工艺，减少设备成本，提高生产效率。
附图说明
图1为本发明所述空腔型薄膜体声波谐振器结构示意图。
图2为实施例1中步骤(1)中的①步骤制备样品的结构示意图。
图3为实施例1中步骤(1)中的②步骤制备样品的结构示意图。
图4为实施例1中步骤(2)中的制备样品的结构示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例和图1～图4对本发明进行详细说明。
一种空腔型薄膜体声波谐振器，包括支撑衬底2、支撑层4、薄膜结构层和顶电极3；所述支撑衬底2、支撑层4与所述薄膜结构层形成的空腔为腔体7，所述支撑衬底2为空气腔底；所述支撑层4设置在支撑衬底2表面边缘处，形成空气腔壁；所述薄膜结构层设置在支撑衬底2上，形成空气腔盖；所述薄膜结构层从下至上分别为底电极5、压电层1，所述顶电极3位于所述压电层1上。
进一步地，所述支撑层4的宽度≥100μm。
进一步地，所述压电层1为单晶态氮化铝层。
进一步地，制备衬底6和支撑衬底2材料为硅。
进一步地，支撑层4材料为金锡合金。
进一步地，底电极5和顶电极3材料为Pt。
实施例1
制备一种空腔型薄膜体声波谐振器，其具体步骤为：
(1)在制备衬底6上制备薄膜结构层：
①如图2所示，在制备衬底6的一面沉积取向为(002)单晶氮化铝层，此层为压电层1，制备衬底6为硅衬底，其具体过程为：其压电层1的沉积条件为在TMA流量为50sccm，NH3流量为3slm，Ar流量为1slm衬底温度为950℃，反应室总压为40Torr的参数下由MOCVD沉积获得；
②如图3所示，在①制备的单晶氮化铝层上通过光刻、蒸镀、剥离得到底电极5，其具体过程为：在①制备的单晶氮化铝层表面涂增粘剂，旋涂光刻胶，前烘去除水汽，紫外光曝光5s，在显影液中浸泡40-60s得到带有底电极5的样品；使用电子束蒸发系统，用纯铂坩埚，在光刻后的基片表面蒸发沉积一层金属铂作为底电极5，该底电极5材料通常采用铂，厚度为100nm；丙酮中浸泡3min，剥离光刻胶上的金属得到图形化的底电极5。
(2)如图4所示，在步骤(1)制备的薄膜结构层上通过光刻、蒸镀、剥离得到支撑层4，其具体过程为：在步骤(1)制备的薄膜结构层表面继续涂增粘剂，旋涂光刻胶，前烘去除水汽，紫外光曝光15s，后烘促进光刻胶中曝光部分的交联反应，在显影液中浸泡40～60s得到带有底电极5的样品；使用电子束蒸发系统，交替用纯金坩埚和锡钨舟，在光刻后的基片表面交替蒸发沉积叠层金属金和锡作为叠层支撑层4，厚度为300nm和400nm，总厚度1～2μm；丙酮中浸泡3min，剥离光刻胶上的金属得到图形化的支撑层4。
(3)将制备衬底6，通过光学对准技术使步骤(2)制备的支撑层4与支撑衬底2连接固定；支撑衬底2，薄膜结构层与支撑层4之间形成空气腔，其具体过程为：使步骤(2)制备的支撑层4和支撑衬底2在光学对准系统中对准贴合，利用机械夹具固定好；然后转移至可加温加压的键合机腔室中，松开夹具并对腔室抽真空，腔室压力为1000mBar，施加8500mBar压力，升温至300℃，保持10min，自然冷却至室温，取出样品。
(4)将制备衬底6与其上制备的薄膜结构层剥离，使结构薄膜层中的压电层1裸露出来，其具体过程为：采用化学腐蚀的方法将制备衬底6与薄膜结构层分离，腐蚀液配比为HNO3：HF：CH3COOH＝1：1：3。
(5)在裸露出来的压电层1上通过光刻、蒸镀、剥离得到顶电极3，其具体过程为：在裸露出来的压电层1表面涂增粘剂，旋涂光刻胶，紫外光曝光5s，显影得到带有底电极5的样品；使用电子束蒸发系统，在光刻后的基片表面蒸发沉积一层金属铂作为顶电极3，该底电极5材料通常采用铂，厚度为100nm；丙酮中浸泡3min，剥离光刻胶上的金属得到图形化的顶电极3。
通过以上步骤最终获得一种空腔型薄膜体声波谐振器。
以上对本发明的较佳实施方式进行了具体说明，但本发明创造并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可作出种种的等同变型或替换，这些等同的变型或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。
Claims (5)
1.一种空腔型薄膜体声波谐振器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)在制备衬底上制备薄膜结构层：
①在制备衬底的一面沉积一层压电层；
②在①制备的压电层上通过光刻、蒸镀、剥离得到底电极；
(2)在步骤(1)制备的薄膜结构层上通过光刻、蒸镀、剥离得到支撑层；
(3)通过光学对准技术使支撑层与支撑衬底连接固定，支撑衬底、薄膜结构层与支撑层之间形成空气腔体；
(4)将制备衬底从薄膜结构层上剥离，使薄膜结构层中的压电层裸露出来；
(5)在裸露出来的压电层上通过光刻、蒸镀、剥离得到顶电极；
由上述方法制备的空腔型薄膜体声波谐振器，包括支撑衬底、支撑层、薄膜结构层和顶电极；所述支撑衬底、支撑层与所述薄膜结构层形成的空腔为空气腔体，所述支撑衬底为空气腔底；所述支撑层设置在支撑衬底表面边缘处，形成空气腔壁；所述薄膜结构层设置在支撑衬底上，形成空气腔盖；所述薄膜结构层从下至上分别为底电极、压电层，所述顶电极位于所述压电层上；
支撑层材料为金锡合金，金硅合金，镍锡合金，铝锗合金中的一种或其任意组合。
2.根据权利要求1所述的一种空腔型薄膜体声波谐振器的制备方法，其特征在于，所述支撑层的宽度≥100μm。
3.根据权利要求1所述的一种空腔型薄膜体声波谐振器的制备方法，其特征在于，所述压电层为单晶态氮化铝层。
4.根据权利要求1所述的一种空腔型薄膜体声波谐振器的制备方法，其特征在于，制备衬底及支撑衬底材料选自：硅、蓝宝石、LiGaO2或金属。
5.根据权利要求1所述的一种空腔型薄膜体声波谐振器的制备方法，其特征在于，底电极和顶电极材料为Al、Mo、W、Pt、Ti、Au中的一种或其任意组合。
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