CN109103582A - 薄膜体声波谐振器结构的纳米机械声学天线及制造方法 - Google Patents

薄膜体声波谐振器结构的纳米机械声学天线及制造方法 Download PDF

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苗红霞
齐本胜
王志超
孙彬彬
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Abstract

本发明公开了一种薄膜体声波谐振器结构的纳米机械声学天线及制造方法，所述天线包括衬底、磁致伸缩层和压电堆；所述压电堆包括压电薄膜、下电极和上电极；所述下电极位于压电薄膜与衬底之间，所述磁致伸缩层和上电极位于压电薄膜上方，在下电极的位置处，衬底内设置通孔用于下电极的电气连接。本发明的天线，尺寸更小，且工艺步骤简单可靠。所述压电层主要是用于电压的变化发生相应的形变，从而产生声波，用于载波；所述磁致伸缩层能够产生相应的电磁波，用于和压电层产生的声波进行耦合。

Description

薄膜体声波谐振器结构的纳米机械声学天线及制造方法
技术领域
本发明涉及一种薄膜体声波谐振器结构的纳米机械声学天线及制造方法，属于电子技术领域。
背景技术
薄膜体声波谐振器(Film Bulk Acoustic Resonator，FBAR)是一种新型声波谐振器件，核心结构为上下两层金属和压电薄膜的三明治结构，其原理是利用压电体的电能与机械能转换，由交变场激励起声波谐振，具有体积小、工作频率高、功耗低、插入损耗小等声学天线中的却少之又少。
磁性/压电异质结构中的不同介质间的强的磁电耦合最近已经得到了证实，也就是说能够实现磁和电之间有效的能量转换。在不同的介质之间实现强的磁电耦合，便可以实现电磁感应射频电磁波发射电磁波的功能。
现有的微型天线是依靠电磁波的共振来工作的，这就要使得天线的尺寸和电磁波的尺寸相当，因此天线的长度一般要大于载波波长的十分之一。目前最大的挑战就是天线尺寸的小型化，由于尺寸的限制，使得小型天线和天线阵列在实现微型化，特别是在具有大的波长的甚高频(30-300MHz)和超高频(0.3-3GHz)的情况下的时候，造成了很大的限制。
发明内容
为了克服现有技术的上述缺点与不足，本发明的目的在于提供薄膜体声波谐振器结构的纳米机械声学天线。压电层主要是由于电压的变化发生相应的形变，从而产生声波，用于载波；磁致伸缩层可产生相应的电磁波，用于和压电层产生的声波进行耦合。压电层悬浮于Si衬底之上，仅依靠电极与之连接。本发明提出的纳米机械声学天线，具有尺寸小，机构稳定，制作工艺简单等特点。
本发明的技术方案如下：
一种薄膜体声波谐振器结构的纳米机械声学天线，所述天线包括衬底、磁致伸缩层和压电堆；所述压电堆包括压电薄膜、下电极和上电极；所述下电极位于压电薄膜与衬底之间，所述磁致伸缩层和上电极位于压电薄膜上方，在下电极的位置处，衬底内设置通孔用于下电极的电气连接。
上述通孔位于下电极两侧，形成两个连接的碗状结构。
上述磁致伸缩层呈圆柱状，与下电极呈同轴。
上述上电极呈片状，使压电薄膜的一侧呈现两个连接的矩形面，另一侧呈现与其轴对称的图形。
上述下电极材料为金属Pt，厚度为50nm，上电极的材料为金属Au，厚度为100nm，压电薄膜的材料是AlN，厚度为500nm。
上述磁致伸缩层的材料为10层材料Fe7Ga2B/Al2O3，厚度为500nm。
一种薄膜体声波谐振器结构的纳米机械声学天线制造方法，包括如下步骤：
(1)选用高电阻率硅衬底(>100Ohm·cm)；
(2)在硅衬底溅射沉积50nm厚的Pt膜，并通过剥离在硅衬底上形成图案，以形成下电极；
(3)溅射沉积500nm厚的AlN薄膜，在接近底部下电极的地方用H3PO4蚀刻通孔；
(4)在氯气的环境下，通过电感耦合离子体来蚀刻AlN膜，以形成基本的薄膜体声波谐振器天线的形状；
(5)通过剥离的方式将100nm的Au膜附着在顶部，以形成上电极；
(6)通过磁控溅射沉积500nm厚的Fe7Ga2B/Al2O3多层，并通过剥离的方法图案化；
(7)沿着器件宽度的方向的磁性沉积空间施加100Oe的原位磁场偏置以预定向磁畴；
(8)沿着硅衬底的XeF2各向同性蚀刻来释放该天线结构。
本发明所达到的有益效果：
本发明的天线，尺寸更小，且工艺步骤简单可靠。所述压电层主要是用于电压的变化发生相应的形变，从而产生声波，用于载波；所述磁致伸缩层能够产生相应的电磁波，用于和压电层产生的声波进行耦合。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
图2是图1的A-A剖视图；
图3是本发明方法的流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
如图1、图2所示，一种薄膜体声波谐振器结构的纳米机械声学天线，所述天线包括衬底1、磁致伸缩层2和压电堆；所述压电堆包括压电薄膜3、下电极4和上电极5；所述下电极4位于压电薄膜3与衬底1之间，所述磁致伸缩层2和上电极5位于压电薄膜3上方，在下电极4的位置处，衬底1内设置通孔6用于下电极4的电气连接。
上述通孔6位于下电极4两侧，形成两个连接的碗状结构。
上述磁致伸缩层2呈圆柱状，与下电极4呈同轴。
上述上电极5呈片状，使压电薄膜3的一侧呈现两个连接的矩形面，另一侧呈现与其轴对称的图形。
上述下电极4材料为金属Pt，厚度为50nm，上电极5的材料为金属Au，厚度为100nm，压电薄膜3的材料是AlN，厚度为500nm。
上述磁致伸缩层2的材料为10层材料Fe7Ga2B/Al2O3，厚度为500nm。
如图3所示，一种薄膜体声波谐振器结构的纳米机械声学天线制造方法，包括如下步骤：
(1)选用高电阻率硅衬底(>100Ohm·cm)；
(2)在硅衬底溅射沉积50nm厚的Pt膜，并通过剥离在硅衬底上形成图案，以形成下电极；
(3)溅射沉积500nm厚的AlN薄膜，在接近底部下电极的地方用H3PO4蚀刻通孔；
(4)在氯气的环境下，通过电感耦合离子体来蚀刻AlN膜，以形成基本的薄膜体声波谐振器天线的形状；
(5)通过剥离的方式将100nm的Au膜附着在顶部，以形成上电极；
(6)通过磁控溅射沉积500nm厚的Fe7Ga2B/Al2O3多层，并通过剥离的方法图案化；
(7)沿着器件宽度的方向的磁性沉积空间施加100Oe的原位磁场偏置以预定向磁畴；
(8)沿着硅衬底的XeF2各向同性蚀刻来释放该天线结构。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种薄膜体声波谐振器结构的纳米机械声学天线，其特征在于：所述天线包括衬底、磁致伸缩层和压电堆；所述压电堆包括压电薄膜、下电极和上电极；所述下电极位于压电薄膜与衬底之间，所述磁致伸缩层和上电极位于压电薄膜上方，在下电极的位置处，衬底内设置通孔用于下电极的电气连接。
2.根据权利要求1所述的薄膜体声波谐振器结构的纳米机械声学天线，其特征在于：所述通孔位于下电极两侧，形成两个连接的碗状结构。
3.根据权利要求1所述的薄膜体声波谐振器结构的纳米机械声学天线，其特征在于：所述磁致伸缩层呈圆柱状，与下电极呈同轴。
4.根据权利要求1所述的薄膜体声波谐振器结构的纳米机械声学天线，其特征在于：所述上电极呈片状，使压电薄膜的一侧呈现两个连接的矩形面，另一侧呈现与其轴对称的图形。
5.根据权利要求1所述的薄膜体声波谐振器结构的纳米机械声学天线，其特征在于：所述下电极材料为金属Pt，厚度为50nm，上电极的材料为金属Au，厚度为100nm，压电薄膜的材料是AlN，厚度为500nm。
6.根据权利要求1所述的薄膜体声波谐振器结构的纳米机械声学天线，其特征在于：所述磁致伸缩层的材料为10层材料Fe7Ga2B/Al2O3，厚度为500nm。
7.一种薄膜体声波谐振器结构的纳米机械声学天线制造方法，其特征在于包括如下步骤：
(1)选用高电阻率硅衬底，其电阻率>100Ohm·cm；
(2)在硅衬底溅射沉积50nm厚的Pt膜，并通过剥离在硅衬底上形成图案，以形成下电极；
(3)溅射沉积500nm厚的AlN薄膜，在接近底部下电极的地方用H3PO4蚀刻通孔；
(4)在氯气的环境下，通过电感耦合离子体来蚀刻AlN膜，以形成基本的薄膜体声波谐振器天线的形状；
(5)通过剥离的方式将100nm的Au膜附着在顶部，以形成上电极；
(6)通过磁控溅射沉积500nm厚的Fe7Ga2B/Al2O3多层，并通过剥离的方法图案化；
(7)沿着器件宽度的方向的磁性沉积空间施加100Oe的原位磁场偏置以预定向磁畴；
(8)沿着硅衬底的XeF2各向同性蚀刻来释放该天线。
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