CN108471298B - 空气腔型薄膜体声波谐振器及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种空气腔型薄膜体声波谐振器及其制备方法。所述空气腔型薄膜体声波谐振器包括衬底、SiC支撑层、石墨烯下电极、压电层以及上电极，所述衬底具有相背对的第一表面和第二表面，所述SiC支撑层设置在衬底的第一表面上，所述石墨烯下电极直接生长在SiC支撑层上，所述压电层的至少局部区域覆设在石墨烯下电极上，所述上电极设置在压电层上，所述衬底的第二表面上还形成有空气腔。较之现有技术，本发明对空气腔型薄膜体声波谐振器的结构进行了优化，能在显著提高器件性能的同时，保证器件的稳定与可靠性，且其制作方法简单，易于大规模实施。
Description
技术领域
本发明涉及一种空气腔型薄膜体声波谐振器，特别涉及一种空气腔型薄膜体声波谐振器及其制备方法。
背景技术
谐振器是被广泛应用于手机射频前端的双工器、滤波器的核心元件。并且随着通讯的发展，手机内需要同时兼容的通信波段不断上升，所需谐振器数量也在逐渐上升。无线通信系统多功能化、集成化的发展趋势与器件数量的逐年上升对谐振器提出了微型化、可集成、高频率、高性能等要求。传统微波谐振器，由于采用电磁波作为载波，在现行的应用通信频段要求谐振器尺寸非常大，与现在要求的微型化相悖。而声波比电磁波波速低4-5个数量级，相应的声波谐振器尺寸也比电磁波谐振器的体积缩小4-5个数量级，满足了现在的器件要求。同时，与现在表面声波谐振器器件相比，在高频情况下体声波谐振器工艺难度相对较低，且易于实现集成化，而表面声波谐振器由于是平面波传播，能量集中在叉指区域，损耗太大。因此薄膜体声波谐振器更加满足现在手机射频前端的发展趋势。
传统的薄膜体声波谐振器结构如图1所示，Si衬底5上依次是支撑层4、下电极3、压电层2和上电极1。声波被空气腔限制在器件内部。薄膜体声波谐振器原理是利用压电层的压电效应。在上、下电极之间施加一个电信号，由于压电层的压电效应会产生声信号，声信号在电极之间振荡，只有满足声波全反射条件的声信号才会被保留下来，其余声波信号都被消耗掉，这个声信号再转化为电信号输出，从而就可以实现电信号的选频。
传统薄膜体声波谐振器使用金属做电极，损耗较大，同时由于压电薄膜是在下电极上溅射的，薄膜质量对下电极的晶格取向和厚度都有要求，但下电极厚度太大同样会影响器件的有效机电耦合系数。
为提升薄膜体声波谐振器性能，有研究人员尝试使用石墨烯作为下电极降低器件损耗，但是形成的器件仍存在如下问题，例如：(1)该器件中没有支撑层，会严重降低器件的可靠性；(2)转移或者直接在牺牲层上生长的石墨烯质量太差，很难满足做电极的需求；(3)质量差的石墨烯上生长的AlN质量同样很难达到器件要求；(4)图形化AlN时，单层或多层石墨烯很容易被过刻掉。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种空气腔型薄膜体声波谐振器及其制作方法，以克服现有技术中的不足。
为实现前述发明目的，本发明采用的技术方案包括：
本发明实施例提供了一种空气腔型薄膜体声波谐振器，其包括衬底、SiC支撑层、石墨烯下电极、压电层以及上电极，所述衬底具有相背对的第一表面和第二表面，所述SiC支撑层设置在衬底的第一表面上，所述石墨烯下电极设置在SiC支撑层上，所述压电层的至少局部区域覆设在石墨烯下电极上，所述上电极设置在压电层上，所述衬底的第二表面上还形成有空气腔。
本发明实施例还提供了前述任一种空气腔型薄膜体声波谐振器的制作方法，其包括：
于衬底的第一表面上生长形成SiC支撑层；
于SiC支撑层上生长形成石墨烯下电极；
于石墨烯下电极的指定区域上形成金属保护层；
于SiC支撑层及石墨烯下电极上设置压电层；
于压电层上设置上电极；以及
于衬底的第二表面上加工形成空气腔，所述第二表面与第一表面相背对设置。
较之现有技术，本发明对空气腔型薄膜体声波谐振器(FBAR)的结构进行了优化，能在显著提高FBAR器件性能的同时，保证FBAR器件的稳定与可靠性，且其制作方法简单，易于大规模实施。
附图说明
图1是现有空气腔型薄膜体声波谐振器的结构示意图；
图2是本发明一典型实施例中一种空气腔型薄膜体声波谐振器的剖视图；
图3是本发明一典型实施例中一种空气腔型薄膜体声波谐振器的俯视图；
图4是本发明一典型实施例中一种空气腔型薄膜体声波谐振器的制作工艺流程图；
附图标记说明：上电极1’、压电层2’、下电极3’、支撑层4’、衬底5’、空气腔6’、上电极1、压电层2、石墨烯下电极3、SiC支撑层4、衬底5、衬底第一表面501、衬底第二表面502、空气腔6、金属保护层7。
具体实施方式
本发明实施例的一个方面提供的一种空气腔型薄膜体声波谐振器包括衬底、SiC支撑层、石墨烯下电极、压电层以及上电极，所述衬底具有相背对的第一表面和第二表面，所述SiC支撑层设置在衬底的第一表面上，所述石墨烯下电极设置在SiC支撑层上，所述压电层的至少局部区域覆设在石墨烯下电极上，所述上电极设置在压电层上，所述衬底的第二表面上还形成有空气腔。
进一步地，所述压电层的局部区域直接覆设在SiC支撑层上。
进一步地，所述压电层的材质包括AlN(氮化铝)、GaN(氮化镓)、或h-BN(六方氮化硼)等。优选的，所述压电层的材质采用AlN。其中，AlN具有合适的机电耦合系数和与微电子工艺兼容的特点，尤其适于作为压电层材料。
进一步地，所述压电层具有图形化结构。
进一步地，所述石墨烯下电极是由直接生长在SiC支撑层上的石墨烯层形成。
进一步地，所述石墨烯下电极的指定区域上还形成金属保护层。
更进一步地，所述的金属保护层与石墨烯下电极形成欧姆接触。
更进一步地，所述的指定区域为所述石墨烯下电极上对应于测试探针PAD的区域。
进一步地，所述石墨烯下电极由层数为1-3层的石墨烯形成。
进一步地，所述衬底包括Si衬底。
进一步地，所述SiC支撑层直接生长于衬底的第一表面。
本发明实施例的另一个方面提供的一种制作前述空气腔型薄膜体声波谐振器的方法包括：
于衬底的第一表面上生长形成SiC支撑层；
于SiC支撑层上生长形成石墨烯下电极；
于SiC支撑层及石墨烯下电极上设置压电层；
于压电层上设置上电极；以及
于衬底的第二表面上加工形成空气腔，所述第二表面与第一表面相背对设置。
进一步地，所述衬底采用取向为(111)或(100)的Si衬底。
进一步地，所述的制作方法包括：采用低压化学气相沉积法在衬底的第一表面上外延生长SiC支撑层。
进一步地，所述压电层是采用磁控溅射工艺生长形成。
进一步地，所述压电层的材质包括AlN(氮化铝)、GaN(氮化镓)、或h-BN(六方氮化硼)等。优选地，所述压电层由C轴取向的AlN压电薄膜形成。
进一步地，所述的制作方法还包括：于SiC支撑层及石墨烯下电极上生长形成压电薄膜后，再进行图形化加工，形成所述压电层。
进一步地，所述的制作方法中，可以利用深硅刻蚀工艺等于衬底的第二表面上加工形成空气腔。
本发明的一些实施方案中，通过使用SiC支撑层作为衬底生长作为下电极的石墨烯的方法，可以避免现有技术中出现的转移的石墨烯破损和褶皱的情况，而且石墨烯质量也明显高于在Si或者SiO2衬底上沉积得到的石墨烯，更具体地讲，利用本发明方法所获得的石墨烯具有更高的电导率、更大的导热系数，完全可以满足石墨烯做电极的要求，消除由电极带来的欧姆损耗，进而提高器件的品质因数，例外，极薄的石墨烯电极(石墨烯层数约1-3层)也减小了电极中的声波损耗，显著提高了器件的有效机电耦合系数。
本发明的一些实施方案中，采用的SiC支撑层具有极高的硬度(莫氏硬度为9.5)，在可以用作生长石墨烯的衬底的同时，还是非常良好的支撑层材料。同时由于在深硅刻蚀中SiC与Si的选择比很大，所以在背刻结构的释放中可以获得垂直度更好的刻蚀凹槽(空气腔)，这也有利于进一步提高器件的性能。
如下将结合实施例对本发明的技术方案作进一步的解释说明。
在本发明的一典型实施例中，一种空气腔型薄膜体声波谐振器(如下简称“器件”)包括Si衬底5、SiC支撑层4、石墨烯下电极3、压电层2、上电极1等，SiC支撑层4等形成于Si衬底的第一表面(正面)，而Si衬底的第二表面(背面)形成空气腔6。该器件的结构可以参阅图2、图3所示。其中，空气腔的深度可以约为200μm，面积约为150*150μm。
参阅图4所示，其中一种制作该空气腔型薄膜体声波谐振器的方法可以包括如下步骤：
a.选用Si衬底，使用LPCVD(低压化学气相沉积法)在Si衬底上外延生长SiC支撑层；
b.使用该SiC做衬底，外延生长石墨烯下电极；
c.使用lift-off工艺，在石墨烯下电极对应于测试探针PAD的区域上蒸发金属层用来保护石墨烯；
d.通过磁控溅射生长器件的压电层，并刻蚀出压电层图形；
e.在压电层上通过电子束蒸发的方法生长器件上电极并图形化；
f.背刻Si衬底，释放器件结构。
更为具体地，一种制作该空气腔型薄膜体声波谐振器的方法具体包括：
进一步地，具体实验包括以下几个步骤：
(1)对硅衬底进行清洗，使用丙酮和异丙醇超声水洗，该硅衬底取向为(111)或(100)；
(2)使用LPCVD方法，在Si衬底5上生长SiC支撑层4，SiC支撑层厚度为30nm，生长温度高于1300℃，生长速率低于
压强高于5KPa；
(3)使用外延方法在SiC支撑层4上生长层数为1-3层的石墨烯薄膜。加入5％的氯基气体，生长温度为低于1000℃，形成石墨烯下电极3；
(4)使用电子束蒸发生长金属保护层7(Ti/Au＝5nm/50nm)，与石墨烯形成欧姆接触，并保护石墨烯；
(5)在石墨烯下电极3上溅射一层C轴取向的AlN压电薄膜层2，氮气和氩气流为工艺气体，氮气和氩气流量分别为9sccm和6sccm，生长速率低于25nm/min，使用PECVD生长SiO2做掩膜图形化AlN薄膜；
(6)使用电子束蒸发的方法生长器件上Pt电极1，并图形化顶电极；
(7)采用深硅刻蚀工艺等背刻Si衬底5，释放器件结构，即获得空气腔6。
本发明实施例的器件中使用SiC作为支撑层，同时使用SiC支撑层做衬底来生长高质量石墨烯，应用此石墨烯作为下电极，再在石墨烯上生长压电层，压电层上设置上电极层。采用这样的方案，SiC支撑层能够在提高器件的稳定性的同时，提高所获石墨烯下电极的质量，降低器件的欧姆损耗，进而提高器件的品质因数和有效机电耦合系数。
本发明将对于5G通信系统射频前端，例如：滤波器、双工器以及多工器的制作带来新的方向。
应当理解，上述实施例仅为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种空气腔型薄膜体声波谐振器，其特征在于包括衬底、SiC支撑层、石墨烯下电极、压电层以及上电极，所述衬底具有相背对的第一表面和第二表面，所述SiC支撑层直接生长于衬底的第一表面上，所述石墨烯下电极设置在SiC支撑层上；所述压电层的局部区域直接覆设在石墨烯下电极上，其余区域直接覆设在SiC支撑层上；所述上电极设置在压电层上，所述衬底的第二表面上还形成有空气腔；所述石墨烯下电极由直接生长在SiC支撑层上的层数为1-3层的石墨烯层形成；所述压电层由C轴取向的AlN压电薄膜形成，并且所述AlN压电薄膜是采用磁控溅射工艺直接在所述石墨烯下电极上生长形成的。
2.根据权利要求1所述的空气腔型薄膜体声波谐振器，其特征在于：所述压电层具有图形化结构。
3.根据权利要求1所述的空气腔型薄膜体声波谐振器，其特征在于：所述石墨烯下电极的指定区域上还设置有金属保护层。
4.根据权利要求1所述的空气腔型薄膜体声波谐振器，其特征在于：所述衬底包括Si衬底。
5.权利要求1-4中任一项所述空气腔型薄膜体声波谐振器的制作方法，其特征在于包括：
于衬底的第一表面直接生长形成SiC支撑层；
于SiC支撑层上直接生长形成石墨烯下电极；
于石墨烯下电极的指定区域上形成金属保护层；
采用磁控溅射工艺于SiC支撑层及石墨烯下电极上直接生长形成压电层；
于压电层上设置上电极；以及
于衬底的第二表面上加工形成空气腔，所述第二表面与第一表面相背对设置。
6.根据权利要求5所述的制作方法，其特征在于：所述衬底采用取向为（111）或（100）的Si衬底。
7.根据权利要求5所述的制作方法，其特征在于包括：采用低压化学气相沉积法在衬底的第一表面外延生长SiC支撑层。
8.根据权利要求5所述的制作方法，其特征在于还包括：于SiC支撑层及石墨烯下电极上生长形成压电薄膜后，再进行图形化加工，形成所述压电层。
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| "新型薄膜体声波谐振器_FBAR_技术研究";吴勇;《中国优秀硕士学位论文全文数据库工程科技Ⅱ辑》;20180115;正文第42-46页，图图3-11-图3-12 * |
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