CN109560785B - 兰姆波谐振器及其制备方法 - Google Patents

Abstract

一种兰姆波谐振器及其制备方法，其中兰姆波谐振器包括衬底层和谐振器结构，谐振器结构自下而上包括底电极层、单晶氮化物薄膜层及叉指电极，其中：叉指电极位于单晶氮化物薄膜层的中心区域；谐振器结构倒置于衬底层上表面，且谐振器结构与衬底层之间设置有金属层，以使叉指电极与衬底层之间具有空隙。本发明结合焊接和腐蚀工艺，通过先在一基底材料上高温生长单晶氮化物薄膜层，再在单晶氮化物薄膜层上形成底电极层，避免了现有技术中，在底电极层上高温形成薄膜层带来的底电极层表面变粗糙和极易与氨气发生反应的问题，从而为研制单晶氮化物兰姆波谐振器奠定了基础。

Description

兰姆波谐振器及其制备方法

技术领域

本发明属于射频MEMS器件研究领域，更具体地涉及一种兰姆波谐振器及其制备方法。

背景技术

基于压电效应的射频MEMS(微机电系统)谐振器在通讯领域发挥着重要作用，并获得广泛应用。例如，石英晶体谐振器凭借其极高的品质因数，是射频振荡器的理想的时钟源；声表面波(SAW)谐振器和滤波器由于简单的制备工艺和优良的性能，在移动通讯滤波器领域长期占据主导地位；体声波(BAW)谐振器和滤波器尽管制备工艺比SAW滤波器复杂，但凭借其优异的性能，在移动通讯领域正在逐步取代SAW滤波器。随着移动通讯频带和模式越来越多，对小型化、高性能的多频带单芯片集成的滤波器(单芯片集成滤波器)的需求越来越迫切。但是，基于目前的SAW滤波器技术和BAW滤波器技术研制小型化的单芯片集成滤波器，均存在困难：

SAW谐振器金属叉指结构两侧具有大量的金属反射栅，面积很大，无法满足单芯片集成滤波器对于小型化的要求；

BAW滤波器的频率是由压电薄膜的厚度决定的，因此难以在同一芯片上制备多个不同频带的滤波器，无法满足单芯片集成滤波器对于多频带滤波的需求。

兰姆波谐振器是一种新型的压电型射频MEMS谐振器，具有体积小、品质因数高、频率易调等特点，是研制单芯片集成滤波器的理想谐振器结构。现有的兰姆波谐振器的器件结构如图1所示，包括衬底101、嵌于衬底101的空气隙102、悬空的AlN压电薄膜103及AlN压电薄膜103上方的金属叉指电极104。众多研究表明，在图1中所示的兰姆波谐振器结构的基础上，如果在AlN压电薄膜103下方制备金属悬浮电极105(如图2所示)或另一金属叉指电极106(如图3所示)，可极大提升器件的性能，因此，图2和图3所示的器件结构是兰姆波谐振器的主流结构。

对射频MEMS谐振器而言，AlN压电薄膜的结晶质量是决定器件性能的关键，AlN压电薄膜的结晶质量直接决定着AlN基射频谐振器的性能，晶体结晶质量越高、压电效应越强、声学传输损耗越低、器件的品质因数和有效机电常数越大。然而，目前所有已报道的AlN基兰姆波谐振器的压电薄膜均为基于磁控溅射技术制备的多晶AlN薄膜，此方法制备的AlN薄膜的X射线衍射(XRD)摇摆曲线的半高宽为2-5°之间，因此晶体质量差，导致研制的兰姆波谐振器的性能远远小于预期。因此，研制基于单晶AlN薄膜的高性能兰姆波谐振器具有十分重要的意义。

发明内容

基于以上问题，本发明的主要目的在于提出一种兰姆波谐振器及其制备方法，用于解决以上技术问题的至少之一。

为了实现上述目的，作为本发明的一个方面，提出一种兰姆波谐振器，包括衬底层和谐振器结构，该谐振器结构自下而上包括底电极层、单晶氮化物薄膜层及叉指电极，其中：叉指电极位于单晶氮化物薄膜层的中心区域；谐振器结构倒置于衬底层上表面，且谐振器结构与衬底层之间设置有金属层，以使叉指电极与衬底层之间具有空隙。

在本发明的一些实施例中，上述单晶氮化物薄膜层的厚度为10nm～2μm。

在本发明的一些实施例中，上述单晶氮化物薄膜层的材质包括GaN、AlN或Al_xGa_{1- x}N，其中，0＜x＜1。

在本发明的一些实施例中，上述底电极层和叉指电极的材质为金属材料，包括铜、金、铁、铝、钛、铬和钼的任意组合；和/或衬底层的材质包括蓝宝石、硅、砷化镓或玻璃。

为了实现上述目的，作为本发明的另一个方面，提出一种兰姆波谐振器的制备方法，包括以下步骤：步骤1、在一基底材料上高温生长单晶氮化物薄膜层，并在该单晶氮化物薄膜层的上表面依次形成底电极层、介质牺牲层和基底支撑层；步骤2、去除基底材料，并在单晶氮化物薄膜层下表面的中心区域制备叉指电极；步骤3、将步骤2中的器件通过焊料焊接于衬底层上，且使得叉指电极与衬底层之间形成有空隙；步骤4、腐蚀介质牺牲层，以去除介质牺牲层和基底支撑层，完成兰姆波谐振器的制备。

在本发明的一些实施例中，上述步骤1中，采用金属有机化合物化学气相沉积技术、氢化物气相外延技术或原子层沉积技术，在基底材料上高温生长所述单晶氮化物薄膜层；优选地，生长单晶氮化物薄膜层的温度为700℃～1500℃。

在本发明的一些实施例中，上述单晶氮化物薄膜层的厚度为10nm～2μm；和/或单晶氮化物薄膜层的材质包括GaN、AlN或Al_xGa₁-xN，其中，0＜x＜1。

在本发明的一些实施例中，上述介质牺牲层的材质为易腐蚀材料，包括SiO₂和/或SiN。

在本发明的一些实施例中，上述步骤3中采用的焊料为金属焊料，包括金、金锡合金和/或铜锡合金。

在本发明的一些实施例中，上述底电极层和叉指电极的材质为金属材料，包括铜、金、铁、铝、钛、铬和钼的任意组合；和/或衬底层的材质包括蓝宝石、硅、砷化镓或玻璃；和/或基底支撑层的材质包括铜。

在本发明的一些实施例中，上述叉指电极通过采用磁控溅射技术或电子束蒸发技术，并结合光刻、刻蚀及剥离工艺制备得到。

本发明提出的兰姆波谐振器及其制备方法，具有以下有益效果：

1、本发明结合焊接和腐蚀工艺，通过先在一基底材料上高温生长单晶氮化物薄膜层，再在单晶氮化物薄膜层上形成底电极层，避免了现有技术中，在底电极层上高温形成薄膜层带来的底电极层表面变粗糙和极易与氨气发生反应的问题，从而为研制单晶氮化物兰姆波谐振器奠定了基础；

2、采用金属有机化合物化学气相沉积技术、氢化物气相外延技术或原子层沉积技术高温制备单晶氮化物薄膜层，相较于现有的射频磁控溅射技术，能够大幅度提高兰姆波谐振器的器件性能。

附图说明

图1是现有技术中AlN基兰姆波谐振器的剖面结构示意图；

图2是现有技术中在AlN压电薄膜下方带有悬浮电极的兰姆波谐振器的剖面结构示意图；

图3是现有技术中在AlN压电薄膜下方带有金属叉指电极的兰姆波谐振器的剖面结构示意图；

图4是本发明一实施例提出的兰姆波谐振器的剖面结构示意图；

图5(a)～图5(g)是图4中兰姆波谐振器的制备方法中，各制备阶段得到的器件结构剖面示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。

采用MOCVD技术生长的单晶氮化物压电薄膜替代传统的采用射频磁控溅射技术生长的多晶氮化物压电薄膜，虽然可大幅度提升氮化物基兰姆波谐振器的性能，但单晶氮化物基兰姆波谐振器的制备工艺非常困难，面临的主要挑战是难以在金属电极上采用MOCVD技术生长高结晶质量的氮化物单晶材料。

目前MOCVD是制备单晶AlN薄膜的主流技术，制备的AlN薄膜(0002)面的XRD摇摆曲线范围一般在几十到几百弧秒(1°＝3600弧秒)之间，但其生长温度很高，一般在1200℃以上；而在金属上MOCVD生长单晶AlN薄膜困难的原因在于：一方面，高温下金属电极易与MOCVD的氮源即氨气发生反应，生成金属氮化物，不利于AlN的成核与生长；另一方面，MOCVD生长过程中的高温氢气退火，会导致金属表面粗糙。

针对以上问题，本发明提出通过转移、腐蚀、焊接等工艺，先在一基底材料上高温生长单晶氮化物薄膜层，再在单晶氮化物薄膜层上形成底电极层及其他结构，然后腐蚀去除基底材料后，在单晶氮化物薄膜层的背面制备叉指电极，最后再将器件转移到另一衬底层上，从而避免了金属在高温生长环境中遇到的难题，并通过实验结果初步验证了该技术方案的可行性。在此基础上，本发明提出了一种兰姆波谐振器及其制备方法。

具体的，本发明针对单晶氮化物基兰姆波谐振器工艺制备困难的问题，提出一种基兰姆波谐振器及其制备方法，有望通过氮化物压电薄膜材料的晶体结晶质量的改善大幅度提升兰姆波谐振器的性能，在移动通讯和无线传感等领域具有重要的应用前景。

具体的，本发明提出一种兰姆波谐振器，包括衬底层和谐振器结构，该谐振器结构自下而上包括底电极层、单晶氮化物薄膜层及叉指电极，其中：叉指电极位于单晶氮化物薄膜层的中心区域；谐振器结构倒置于衬底层上表面，且谐振器结构与衬底层之间设置有金属层，以使叉指电极与衬底层之间具有空隙。

另，本发明提出一种兰姆波谐振器的制备方法，包括以下步骤：步骤1、在一基底材料上高温生长单晶氮化物薄膜层，并在该单晶氮化物薄膜层的上表面依次形成底电极层、介质牺牲层和基底支撑层；步骤2、去除基底材料，并在单晶氮化物薄膜层下表面的中心区域制备叉指电极；步骤3、将步骤2中的器件通过焊料焊接于衬底层上，且使得叉指电极与衬底层之间形成有空隙；步骤4、腐蚀介质牺牲层，以去除介质牺牲层和基底支撑层，完成兰姆波谐振器的制备。

由于结合焊接和腐蚀工艺，通过先在一基底材料上高温生长单晶氮化物薄膜层，再在单晶氮化物薄膜层上形成底电极层，避免了现有技术中，在底电极层上高温形成薄膜层带来的底电极层表面变粗糙和极易与氨气发生反应的问题，从而为研制单晶氮化物兰姆波谐振器奠定了基础。

在本发明的一些实施例中，上述单晶氮化物薄膜层的厚度为10nm～2μm，该单晶氮化物薄膜层的材质包括GaN、AlN或Al_xGa_1-xN，其中，0＜x＜1；优选地，该单晶氮化物薄膜层的材质为AlN。

在本发明的一些实施例中，采用金属有机化合物化学气相沉积技术、氢化物气相外延技术或原子层沉积技术，在基底材料上高温生长所述单晶氮化物薄膜层；优选地，生长单晶氮化物薄膜层的温度为700℃～1500℃。由于为高温制备，因此相较于现有的射频磁控溅射技术，可改善AlN薄膜的晶体质量，能够大幅度提高兰姆波谐振器的器件性能。

在本发明的一些实施例中，上述介质牺牲层的材质为易腐蚀材料，包括SiO₂和/或SiN，但并不以此为限制，凡是易于腐蚀的、能够作为介质牺牲层的材料均可。

在本发明的一些实施例中，通过激光剥离和/或湿法腐蚀去除基底材料；若基底材料为蓝宝石，则优选采用激光剥离技术去除该基底材料；若基底材料为Si，则优选采用湿法腐蚀工艺去除。

在本发明的一些实施例中，基底支撑层的材料可以为铜，可采用LED工艺中常用的电镀工艺制备。衬底层的材质包括蓝宝石、硅、砷化镓或玻璃等可以作为衬底的材料。

在本发明的一些实施例中，上述叉指电极和底电极层的材质为金属材料，包括铜、金、铁、铝、钛、铬和钼等的任意组合；其中，底电极层采用磁控溅射技术或电子束蒸发技术制备；而叉指电极则通过采用磁控溅射技术或电子束蒸发技术，并结合光刻、刻蚀及剥离工艺制备得到。

在本发明的一些实施例中，设置于衬底层与谐振器结构之间的金属层，也即制备方法中的焊料用金属材料，例如可以为金、金锡合金和/或铜锡合金等。

以下通过具体实施例，对本公开提出的兰姆波谐振器及其制备方法进行详细描述。

实施例

如图4所示，本实施例提出一种兰姆波谐振器200，包括衬底层210和谐振器结构220，该谐振器结构自下而上包括底电极层221、单晶氮化物薄膜层222及叉指电极223，其中：叉指电极223位于单晶氮化物薄膜层222的中心区域；谐振器结构220倒置于衬底层210上表面，且谐振器结构220与衬底层210之间设置有金属层230，以使叉指电极223与衬底层210之间具有空隙。

本实施例还提出一种如图4所示的兰姆波谐振器200的制备方法，以下结合附图5(a)～图5(g)，对该制备方法进行详细描述，具体包括以下步骤：

步骤1、在一基底材料301上高温生长单晶氮化物薄膜层222，并在该单晶氮化物薄膜层222的上表面依次形成底电极层221、介质牺牲层302和基底支撑层303；具体包括以下步骤：

步骤11、在基底材料301上，采用MOCVD技术生长单晶氮化物薄膜层222，得到如图5(a)所示的结构；其中基底材料301可以为蓝宝石、Si、GaAs、玻璃等衬底材料，本实施例采用蓝宝石；MOCVD制备的单晶氮化物薄膜层222可以为GaN、AlN或Al_xGa_1-xN(0＜x＜1)的薄膜；该单晶氮化物薄膜层222的厚度为10nm-2μm，MOCVD生长过程中的温度为700℃-1500℃；

步骤12、采用磁控溅射技术或电子束蒸发技术，在单晶氮化物薄膜层222上制备底电极层221，得到如图5(b)所示的结构；其中，底电极层221的材质可以为铜、金、铁、铝、钛、铬、钼、钽等各种金属材料；

步骤13、在底电极层221上生长介质牺牲层302，得到如图5(c)所示的结构；其中，介质牺牲层302的材质可以为SiO₂和/或氮化硅；

步骤14、通过LED工艺中常用的电镀工艺，在介质牺牲层302上制备基底支撑层303，得到如图5(d)所示的结构；该基底支撑层303可以为铜等材料。

步骤2、去除基底材料301，并在单晶氮化物薄膜层222下表面的中心区域制备叉指电极223；具体包括以下步骤：

步骤21、采用激光剥离技术去除基底材料301，得到如图5(e)所示的结构；

步骤22、采用磁控溅射技术或电子束蒸发技术，并结合光刻、刻蚀、剥离等工艺，在单晶氮化物薄膜222的下表面上制备金属叉指223，得到如图5(f)所示的结构；其中叉指电极223的材料可以为铜、金、铁、铝、钛、铬、钼、钽等各种金属材料。

步骤3、将步骤2中的器件通过焊料焊接于衬底层210上，且使得叉指电极223与衬底层210之间形成有空隙；

具体的，将步骤2得到的器件焊接到另一基底材料上，即衬底层210上，得到如图5(g)所示的结构；其中，焊接用焊料在叉指电极223与衬底层210之间形成金属层230，焊料为金属材料，例如可以为金、金锡合金和/或铜锡合金等。

步骤4、腐蚀介质牺牲层302，以去除介质牺牲层302和基底支撑层303，完成兰姆波谐振器的制备.

具体的，通过腐蚀介质牺牲层302去掉介质牺牲层302和基底支撑层303，形成悬空的兰姆波谐振器，完成器件制备，最终得到如图4所示的兰姆波谐振器。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种兰姆波谐振器，包括衬底层和谐振器结构，所述谐振器结构自下而上包括底电极层、单晶氮化物薄膜层及叉指电极，其中：

所述叉指电极位于所述单晶氮化物薄膜层表面的中心区域；

所述谐振器结构倒置于所述衬底层上表面，且谐振器结构与衬底层之间设置有金属层，以使所述叉指电极与所述衬底层之间具有空隙，

其中，所述单晶氮化物薄膜层是采用金属有机化合物化学气相沉积技术、氢化物气相外延技术或原子层沉积技术制备的。

2.根据权利要求1所述的兰姆波谐振器，其中：

所述单晶氮化物薄膜层的厚度为10nm～2μm；和/或

所述单晶氮化物薄膜层的材质包括GaN、AlN或Al_xGa_1-xN，其中，0＜x＜1。

3.根据权利要求1所述的兰姆波谐振器，其中：

所述底电极层和叉指电极的材质为金属材料，包括铜、金、铁、铝、钛、铬和钼的任意组合；和/或

所述衬底层的材质包括蓝宝石、硅、砷化镓或玻璃。

4.一种兰姆波谐振器的制备方法，包括以下步骤：

步骤1、采用金属有机化合物化学气相沉积技术、氢化物气相外延技术或原子层沉积技术，在一基底材料上生长单晶氮化物薄膜层，并在该单晶氮化物薄膜层的上表面依次形成底电极层、介质牺牲层和基底支撑层；

步骤2、去除所述基底材料，并在所述单晶氮化物薄膜层下表面的中心区域制备叉指电极；

步骤3、将步骤2中的器件通过焊料焊接于衬底层上，且使得所述叉指电极与所述衬底层之间形成有空隙；

步骤4、腐蚀所述介质牺牲层，以去除所述介质牺牲层和基底支撑层，完成所述兰姆波谐振器的制备。

5.根据权利要求4所述的兰姆波谐振器的制备方法，其中：

生长所述单晶氮化物薄膜层的温度为700℃～1500℃。

6.根据权利要求4所述的兰姆波谐振器的制备方法，其中：

所述单晶氮化物薄膜层的厚度为10nm～2μm；和/或

所述单晶氮化物薄膜层的材质包括GaN、AlN或Al_xGa_1-xN，其中，0＜x＜1。

7.根据权利要求4所述的兰姆波谐振器的制备方法，其中，所述介质牺牲层的材质为易腐蚀材料，包括SiO₂和/或SiN。

8.根据权利要求4所述的兰姆波谐振器的制备方法，其中，所述步骤3中采用的焊料为金属焊料，包括金、金锡合金和/或铜锡合金。

9.根据权利要求4所述的兰姆波谐振器的制备方法，其中：

所述底电极层和叉指电极的材质为金属材料，包括铜、金、铁、铝、钛、铬和钼的任意组合；和/或

所述衬底层的材质包括蓝宝石、硅、砷化镓或玻璃；和/或

所述基底支撑层的材质包括铜。

10.根据权利要求4所述的兰姆波谐振器的制备方法，其中，所述叉指电极通过采用磁控溅射技术或电子束蒸发技术，并结合光刻、刻蚀及剥离工艺制备得到。

Images