CN109756201A - 薄膜体声波谐振器和滤波器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种薄膜体声波谐振器和薄膜体声波滤波器。本发明薄膜体声波谐振器包括硅衬底、支撑层、第一底电极层、温飘层和三明治压电堆结构，所述支撑层层叠结合在所述衬底的开设有所述凹槽的所述表面上，并由所述支撑层和凹槽围合成封闭的空腔，所述第一底电极层层叠结合在所述支撑层的背离所述衬底的表面上，所述温飘层叠结合在所述第一底电极的背离所述支撑层的表面上，所述三明治压电堆结构层叠在所述温飘层的背离所述第一底电极层的表面上。所述薄膜体声波滤波器包括所述薄膜体声波谐振器。本发明薄膜体声波滤波器和谐振器耗低、温度系数小、温飘低、功率承受力高、工作频率高、机电耦合系数高、兼容性好，而且具有很好的Q值。
Description
技术领域
本发明属于微电子技术领域，具体涉及一种薄膜体声波谐振器和滤波器。
背景技术
在无线电通讯技术高速发展的今天，传统的单频段单制式设备已经远远不能满足通讯系统多样化的要求。新的智能手机和个人便携电脑不在仅仅提供基本的语音通讯功能，而且大量兼容了数码摄像、MP3、GPS、Bluetooth、WiFi等数据接口，向多功能通讯终端方向转变。同时随着5G技术的发展，通讯系统越来越趋向多频段化，呈现了WCDMA、GSM、CDMA等多种形式并存的形式，这就要求通讯终端能够接受各个频段以满足不同的通讯服务商和不同地区的要求。在这种背景下，要求个人通讯终端使用的RF前端滤波器可以实现多频段、多制式的通讯技术要求，同时要求RF前端滤波器集成度更高、更加小巧。
目前主要使用的RF滤波器解决方案主要有陶瓷滤波器、声表面波(SAW)滤波器，陶瓷滤波器制作较为简便、电学性能优良，插入损耗低并且功率承受力高，但是由于介质相对介电常数较低，陶瓷滤波器体积较大，通常在毫米级，大大阻碍了其在RF系统中的实用性。SAW滤波器尺寸缩小到了几百微米，但是因为叉指结构的局限性，缺点是温飘较大、插入损耗较高、功率容量低，SAW叉指的形状也决定了谐振器的谐振频率，不容易实现高频率滤波。上述两种滤波器解决方案都不能与半导体工艺兼容，都无集成的潜力，无法满足RF射频前端模块高度集成的需求。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的所述不足，提供一种薄膜体声波谐振器和含有薄膜体声波谐振器的滤波器，以解决现有滤波器存在的温飘较大、损耗高、功率容量低和兼容不理想等技术问题。
为了实现所述发明目的，本发明一方面，提供了一种薄膜体声波谐振器，其特征在于，包括：
衬底，至少具有一表面，且在所述一表面的中部上开设有向所述衬底内部方向凹陷形成的凹槽；
支撑层，所述支撑层层叠结合在所述衬底的开设有所述凹槽的所述表面上，并由所述支撑层和凹槽围合成封闭的空腔；
第一底电极层，所述第一底电极层层叠结合在所述支撑层的背离所述衬底的表面上；
温飘层，所述温飘层叠结合在所述第一底电极的背离所述支撑层的表面上；
三明治压电堆结构，所述三明治压电堆结构层叠在所述温飘层的背离所述第一底电极层的表面上，所述三明治压电堆结构是由顶电极层、压电层和第二底电极层依次层叠形成，且所述第二底电极层与所述温飘层层叠结合。
本发明又一方面，提供了一种薄膜体声波滤波器。所述薄膜体声波滤波器包含有本发明薄膜体声波谐振器。
与现有技术相比，本发明薄膜体声波谐振器通过在三明治压电堆结构与支撑层之间增设温飘层，而且该温飘层与其他层结构发挥协同作用，赋予所述薄膜体声波谐振器损耗低、温度系数小、温飘低、功率承受力高、工作频率高、机电耦合系数高、兼容性好，而且具有很好的Q值。
本发明薄膜体声波滤波器由于含有本发明薄膜体声波谐振器，因此，所述薄膜体声波滤波器损耗低、温度系数小、温飘低、功率承受力高、工作频率高、机电耦合系数高、兼容性好，而且具有很好的Q值。
附图说明
图1是本发明实施例薄膜体声波滤波器的结构示意图；
图2是本发明实施例薄膜体声波滤波器的制备方法流程示意图；
图3为图2所示本发明实施例薄膜体声波滤波器的制备方法制备过程中不同阶段的结构示意图；其中，图3A为步骤S01中刻蚀处理形成凹槽的衬底结构示意图，图3B为步骤S02中在图3A中所述凹槽内形成非晶SiO2层和衬底结构示意图，图3C为步骤S03中在图3A中形成牺牲层和衬底结构示意图，图3D为步骤S04中在图3C中含有所述牺牲层的衬底表面上形成各层后的结构示意图，图3E为步骤S05中释放所述牺牲层14处理后获得空腔结构薄膜体声波滤波器的结构示意图；
图4是本发明实施例薄膜体声波滤波器的释放牺牲层的释放通孔结构示意图。
具体实施方式
为了使本发明要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明实施例中，对下文名词作出如下说明。
本发明所用术语“谐振器”，其英文Resonators，是指产生谐振频率的电子元件。
薄膜体声波谐振器：Film Bulk Acoustic Resonator(FBAR)，是使用硅底板、借助MEMS技术以及薄膜技术而制造出来的。在无线收发器中实现镜像消除、寄生滤波和信道选择等功能，有较高Q值和易实现微型化等特点。
一方面，本发明实施例提供一种薄膜体声波谐振器。所述薄膜体声波谐振器的结构如图1所示，其包括衬底1、支撑层2、第一底电极层3、温飘层4和三明治压电堆结构5，且由所述衬底1至所述三明治压电堆结构5的方向，所述衬底1、支撑层2、第一底电极层3、温飘层4和三明治压电堆结构5依次层叠结合。
其中，所述衬底1至少具有一表面11，且在所述一表面11的中部上开设有向所述衬底1内部方向凹陷形成的凹槽12；所述凹槽12的面积理所当然的是应该是被支撑层2覆盖住的，以便于所述凹槽12与所述支撑层2围合成空腔13。
在一实施例中，所述凹槽12的深度控制在不大于，优选略小于3μm。其中，所述凹槽12的深度是所述凹槽12的槽底至槽口的垂直距离。将凹槽12的深度控制不大于3μm优选控制略小于3μm，一方面能够有效控制凹槽12的刻蚀，更重要的是控制所述凹槽12的尺寸，如深度可以提高品质因数Q值，减少寄生杂波的干扰，减少插入损耗，有效提高所述薄膜体声波滤波器的带宽。另外，所述衬底1的材料一般是选用单质硅。
所述支撑层2是层叠结合在所述衬底1的开设有所述凹槽12的所述表面11上，这样，所述支撑层2与凹槽12围合成封闭的所述空腔13。在一实施例中，所述支撑层2为Si3N4膜层、非晶态AlN膜层、Si3N4与非晶态AlN混合物膜层中的任意一层。其中Si3N4膜层和AlN膜层均具有优异的稳定性能，但是所述Si3N4膜层相对而言具有应力小如接近为0，因此，所述支撑层2优选为Si3N4膜层。进一步实施例中，所述支撑层2的厚度为1000-1200埃米。通过对所述支撑层2的材料和厚度等因素的控制，一方面能够有效改善所述支撑层2的内应力，如应力基本为零，并且结构致密，保证支撑层结构的稳定性，有效发挥支撑层2的支撑作用；另一方面赋予所述支撑层2稳定的化学性能，保证在所述薄膜体声波谐振器在使用和制备过程中的化学和结构的稳定性，从而保证所述薄膜体声波谐振器性能的稳定。
所述第一底电极层3是层叠结合在所述支撑层2的背离所述衬底1的表面上。在一实施例中，所述第一底电极层3的材料为Mo、Al、Pt、W、Au、Al、Ni、Ag中的至少一种，也即是Mo膜层、Al膜层、Pt膜层、W膜层、Au膜层、Al膜层、Ni膜层、Ag膜层中的任意一层，或含有Mo、Al、Pt、W、Au、Al、Ni、Ag中的至少两种材料的复合物膜层，优选为Mo膜层。在另一实施例中，所述第一底电极层3的厚度为2300-2500埃米。通过对所述第一底电极层3的材料和厚度控制，特别是将第一底电极层3设置为Mo膜层，能够有效增大声阻抗，提高在空气界面上声波的反射能力，能够更好的减少反射杂波的干扰，提高产品的Q值。
所述温飘层4是层叠结合在所述第一底电极3的背离所述支撑层2的表面上。所述温飘层4的设立能够有效提高频率温度系数，提高机电耦系数，提高稳定性。因此，在一实施例中，所述温飘层为掺氟氧化硅(SiOF)膜层、二氧化硅膜层、掺氟氧化硅与二氧化硅的混合物膜层中的任意一层，优选为掺氟氧化硅(SiOF)膜层。在另一实施例中，所述温飘层的厚度优选为800埃米。该材料的膜层和厚度赋予所述温飘层4提高频率温度系数，降低温飘，提高机电耦系数，提高稳定性，同时其还能提高所述温飘层4与其他层结构之间协同作用，从而优化所述薄膜体声波滤波器的损耗、温度系数、温飘、功率承受力、工作频率、机电耦合系数、兼容性等性能。在优选实施例中，所述掺氟氧化硅(SiOF)膜层中氟(F)的掺杂原子数百分数为8-9％，能够有效提高所述温飘层4的性能，从而提高薄膜体声波谐振器的品质因数(Q)和机电耦合系数提高。
所述三明治压电堆结构5是层叠在所述温飘层4的背离所述第一底电极层3的表面上。所述三明治压电堆结构的结构如图1所示，其是由顶电极层51、压电层52和第二底电极层53依次层叠形成，且所述第二底电极层53与所述温飘层4层叠结合。
其中，在一实施例中，所述顶电极层51为Mo、Al、Pt、W、Au、Al、Ni、Ag中的至少一种，也即是Mo膜层、Al膜层、Pt膜层、W膜层、Au膜层、Al膜层、Ni膜层、Ag膜层中的任意一层，或含有Mo、Al、Pt、W、Au、Al、Ni、Ag中的至少两种材料的复合物膜层，优选的为Mo膜层；其厚度可以问为2300-2500埃米。通过将顶电极层51的材料和厚度控制，如顶电极层51的材料优选控制为Mo，这样能够使得所述三明治压电堆结构5的声阻抗更高，反射能力更强，有效减少寄生杂波干扰，进一步增强信号。
所述压电层52为氮化铝(AlN)膜层、氧化锌膜层、氮化铝与氧化锌混合物膜层中的任意一层；优选的所述氮化铝(AlN)膜层为Mg与Hf掺杂的氮化铝(AlN)膜层。所述压电层52的厚度可以是常规的厚度，如为但不仅仅为11000埃米。通过对所述压电层52的材料和厚度控制优化，特别是将所述压电层52设定为Mg与Hf掺杂的氮化铝(AlN)膜层，使得压电常数增大和弹性常数减小，从而提高所述压电层52的压电性能和机电耦合系数，有效地提高薄膜体声波谐振器的带宽。
所述第二底电极层53为Mo、Al、Pt、W、Au、Al、Ni、Ag中的至少一种，也即是Mo膜层、Al膜层、Pt膜层、W膜层、Au膜层、Al膜层、Ni膜层、Ag膜层中的任意一层，或含有Mo、Al、Pt、W、Au、Al、Ni、Ag中的至少两种材料的复合物膜层，优选的为Mo膜层；其厚度可以问为2300-2500埃米。通过将第二底电极层53的材料和厚度控制，使其与所述顶电极层51一起发挥协同作用，使得所述三明治压电堆结构5的声阻抗更高，反射能力更强，有效减少寄生杂波干扰，进一步增强信号。
基于上述各实施例，作为本发明具体实施例，所述薄膜体声波谐振器的支撑层2为Si3N4膜层，其厚度为1000-1200埃米；所述第一底电极层3为Mo膜层，其厚度为2300-2500埃米；所述温飘层为掺氟氧化硅(SiOF)膜层，其厚度为2500埃米；所述顶电极层51为Mo膜层，其厚度为2300-2500埃米；所述压电层52为氮化铝(AlN)膜层，其厚度为11000埃米；所述第二底电极层53为Mo膜层，其厚度为2300-2500埃米。通过将所述薄膜体声波谐振器的各层材料和厚度同时设定和控制，能够发挥各层的作用同时，显著提高各层之间的协同作用，从而明显提高所述薄膜体声波谐振器的损耗、温度系数、温飘、功率承受力、工作频率、机电耦合系数、兼容性、Q值等性能。如将所述第一底电极层3、所述第二底电极层53和所述顶电极层51同时设定为Mo膜层，并对各电极层厚度控制，使得各电极层在发挥各电极层本身作用的基础上，同时三者发挥协同作用，起到进一步增大声阻抗，提高在空气界面上声波的反射能力，能够更好的减少反射杂波的干扰，提高所述薄膜体声波谐振器的Q值。
因此，所述薄膜体声波谐振器由于增设了所述温飘层4，在此基础上，优选的对其所含的顶电极层51、第二底电极层53和第一底电极层3以及支撑层2的材料和厚度等因素的优化和控制，使得各层之间发挥协同作用，赋予所述薄膜体声波谐振器损耗低、温度系数小、温飘低、功率承受力高、工作频率高、机电耦合系数高、兼容性好，赋予所述薄膜体声波谐振器具有很好的Q值，而且工作性能稳定。
另外，上文所述薄膜体声波谐振器可以按照如下方法制备。结合图1和图3，所述薄膜体声波谐振器的制备方法工艺流程如图2所示，其包括如下步骤：
S01：在衬底1的一表面11上进行刻蚀处理，形成凹槽12，如图3A所示；
S02：在所述凹槽12内形成牺牲层14，如图3B和3C所示；
S03：在所述牺牲层14的表面和所述衬底1的所述表面11上形成支撑层2，且所述支撑层2覆盖所述牺牲层14和至少覆盖所述牺牲层14周围的所述衬底1的所述表面11；如图3D所示；
S04：沿所述衬底1向支撑层2的延伸方法，在所述支撑层2的表面上依次形成第一底电极层3、温飘层4、第二底电极层53、压电层52和顶电极层51；如图3D所示；
S05：释放所述牺牲层14处理，形成封闭的空腔13；如图3E所示。
具体地，上述步骤S01中，衬底1可以选用薄膜体声波谐振器的衬底常规材料的衬底，如可以使用单质硅。所述衬底1应该至少具有一表面，如至少具有一表面11。
在所述衬底1的所述表面11上形成凹槽12的方法可以采用干法刻蚀或湿法刻蚀工艺，实现在所述衬底1的所述表面11上刻蚀形成的所述凹槽12。如为使牺牲层14更加平整，本发明实施例采用干法刻蚀中等离子加强深槽刻蚀(DRIE)技术刻蚀形成凹槽12。这是因为相对于湿法刻蚀，干法刻蚀有三个显著的优点：第一，干法刻蚀可控性好，可以方便的启动和停止；基片上较微弱的温度变化不会对刻蚀造成太大影响，这两点使其比湿法刻蚀有更好的可重复性。第二，干法刻蚀因为有很高的各向异性，在特征线宽较小的器件加工流程中，适用性更强。使用湿法刻蚀时，各向同性刻蚀产生的45°台阶可能因为自停止作用使窗口图形的刻蚀深度达不到要求，对后期释放时的刻蚀速度受到很大的影响。第三，相比液体溶剂，等离子体环境颗粒数量级大大降低，对后续多层硅表面工艺中造成的负面影响更小。
待步骤S01中刻蚀处理形成凹槽12后，暴露在空气中会形成自然氧化层，而氧化层的刻蚀速度较慢。因此，一实施例中，步骤S01中刻蚀处理形成凹槽12的深度略小于3μm。另外，所述凹槽12的面积优选但不仅仅为1123μm×1123μm。该尺寸的凹槽12不仅能够发挥由支撑层2与凹槽12围合成封闭的所述空腔13的作用，而且还能够有效提高在牺牲层14的平整度。
上述步骤S02中的牺牲层14的材料和平整度都对所述薄膜体声波谐振器的制备和性能都有很大的影响，而且凸起型的牺牲层14在后续工艺中台阶处容易发生开裂的现象，因此，应该对牺牲层实施平坦化工艺，以尽量减少台阶的出现。
因此，在一实施例中，形成所述牺牲层14的工艺除了有效控制如上述步骤S01中刻蚀处理形成凹槽12的工艺控制和尺寸控制之外，还应该采用如下方法进行控制，从而提高形成牺牲层14的质量和平整度：
控制所述牺牲层14的形成方法：考虑到所述薄膜体声波谐振器具有多层膜结构，牺牲层14上层膜也即是支撑层2可能受到释放过程中的溶剂影响，牺牲层14的材质应该具有释放速度快，释放溶剂不与牺牲层上层膜反应的特性，因此，一实施例中，所述牺牲层14的材料选用磷掺杂的非晶SiO2。优选的，在磷掺杂的非晶SiO2中磷的掺杂原子数百分含量可以控制为5-10％。
在另一实施例中，所述非晶SiO2优选的磷掺杂的非晶SiO2可以采用PECVD生长的SiO2是以便形成所述牺牲层14。这样在后期步骤S05的释放流程中，去除非晶SiO2的溶液不与上层的如支撑层2等不发生反应；而且PECVD生长的非晶SiO2优选的磷掺杂的非晶SiO2较为疏松，在HF中的刻蚀速度为1μm/min，远远超过了热氧化生长的SiO2 80nm/min的刻蚀速度。另外，从工艺选择的角度来看，PECVD系统利用离子轰击表面，对次生物质提供能量，使得它们在有高衬底温度的情况下进一步延表面扩散，在填充小几何结构方面有很好的效果，很好的满足了由于器件特征线宽较小所需的要求。
在具体实施例中，采用PECVD生长非晶SiO2层所述牺牲层14的方法如下：
以SiO2和P为靶材，采用化学气相淀积法在所述凹槽12内和所述衬底1的所述表面11沉积P掺杂的非晶SiO2层。
其中，该掺P二氧化硅制作采用介质的等离子体增强化学气相淀积法，简称PECVD，在真空压力下，加在电极板上的射频电场，使反应室气体发生辉光放电，在辉光发电区域产生大量的电子。这些电子在电场的作用下获得充足的能量，其本身温度很高，它与SiO2和P掺杂靶材相碰撞，使气体分子活化。它们吸附在衬底上，并发生化学反应生成介质膜，具体是P掺杂的非晶SiO2膜层，副产物从衬底上解吸，随主气流由真空泵抽走。
另外，形成的所述非晶SiO2层结构如图3B所示，使得生长的非晶SiO2层厚度超过了所述凹槽12的深度，并使得衬底1的表面11被生长的非晶SiO2层完全覆盖。
由于生长的非晶SiO2层厚度超过了所述凹槽12的深度，因此，需要对生成的非晶SiO2层进行研磨处理，除去生长在所述表面11上的非晶SiO2。具体的可以采用化学机械研磨(CMP)处理，也即是利用化学软化和物理机械研磨，以形成一个完全平坦的、无污染的表面的技术。将硅表面11上的非晶SiO2层全部去除掉，实现牺牲层14的平坦化。在具体实验过程中发现，CMP中研磨液的滴料速度和研磨盘的转速是会对抛光产生影响的重要参数。经研究对比100rpm和60rpm发现：使用100rpm进行抛光的情况下，抛光垫表面更加干燥，硬质抛光垫对基片表面起主要抛光作用，因为转速的提高，去除速率有了明显的加大，能获得比较好的研磨速率。而使用60rpm抛光的情况下，同等滴料速度下磨料比较充足，磨料对基片表面起主要抛光作用，平整度比起100rpm情况下有所提高，但速度降低。因此，为了获得平整的牺牲层14，本发明实施例优选100rpm将硅表面11上的非晶SiO2层全部去除掉，实现牺牲层14的平坦化。理想状况下，当表面11的非晶SiO2层完全去除后，立即停止刻蚀，或通过自停止方法，即可获得平整牺牲层14，但是由于实验条件限制，可能存在时间过长对基片的过研磨现象，在这种情况下，因为SiO2的硬度略大于硅，这样SiO2过研磨程度较小，牺牲层14会略高于表面11。实验完成并测量后，发现牺牲层14与表面11高度误差均在100nm以内。具体的对生成的非晶SiO2层进行研磨处理获得平整的牺牲层14如图3C所示。
上述步骤S03中，形成所述支撑层2的材料可以是Si3N4、非晶态AlN中的任意一中，优选为是Si3N4。因此，所述支撑层2为Si3N4膜层、非晶态AlN膜层、Si3N4与非晶态AlN混合物膜层中的任意一层，优选为Si3N4膜层。进一步实施例中，通过控制形成所述支撑层2的方法条件，可以将形成的所述支撑层2的厚度控制为1000-1200埃米。在具体实施例中，形成所述支撑层2的方法可以采用LPCVD方法进行形成支撑层2，优选的采用LPCVD形成Si3N4层，使得形成的支撑层2如Si3N4层更加致密，稳定性更好，并且应力基本为零。
上述步骤S04中，在所述支撑层2表面上形成的第一底电极层3、在所述温飘层4表面上形成的第二底电极层53和在所述压电层52表面上形成的顶电极层51的材料可以相同或不同的为Mo、Al、Pt、W、Au、Al、Ni、Ag中的至少一种中的任意一种，优选为Mo。通过控制形成所述第一底电极层3、第二底电极层53和顶电极层51的方法条件，可以分别将形成的所述第一底电极层3、第二底电极层53和顶电极层51各层的厚度控制如上文薄膜体声波谐振器中所述第一底电极层3、第二底电极层53和顶电极层51各层的厚度。
形成所述压电层52的材料可以为氮化铝(AlN)、氧化锌(ZnO)中的任意一种，因此，所述压电层52为氮化铝膜层、氧化锌膜层、氮化铝与氧化锌混合物膜层中的任意一层，优选为氮化铝膜层。一实施例中，所述氮化铝(AlN)为Mg与Hf掺杂的氮化铝(AlN)，其中，所述Mg与Hf在氮化铝(AlN)中的掺杂原子数百分含量可以是10-15％。通过控制形成所述压电层52的方法条件，可以将所述压电层52的厚度控制为11000埃米。在具体实施例中，形成所述压电层52的方法如下：
分别以AlN和Mg以及Hf为靶材，采用磁控溅射法在所述第二底电极层53的表面上沉积Mg与Hf掺杂的氮化铝膜层，也即是所述压电层52。
一实施例中，所述磁控溅射发的电源频率为1-30MHz。另外，所述磁控溅射法可在低气压低到(2×10-2Pa)下进行。
形成所述温飘层4的材料可以为掺氟氧化硅(SiOF)、SiO2中的至少一种，优选为掺氟氧化硅(SiOF)。因此，所述温飘层4为掺氟氧化硅膜层、二氧化硅膜层、掺氟氧化硅与二氧化硅的混合物膜层中的任意一层，优选为掺氟氧化硅膜层。另外通过控制形成所述温飘层4的方法条件，可以将所述温飘层4的厚度控制为800埃米。在具体实施例中，形成所述温飘层4的方法可以是采用磁控溅射法沉积膜层。一实施例中，所述磁控溅射发的电源频率为1-30MHz。另外，所述磁控溅射法可在低气压低到(2×10-2Pa)下进行。
上述步骤S05中，释放所述牺牲层14是为了将所述牺牲层14从凹槽12中导出，从而形成空腔13。在发明人实验中发现，在MEMS工艺较为关键的牺牲层14在释放制程中，释放完成后产生的粘附效应的是所面临的最大困难。粘附效应主要是指在牺牲层14预填充材料被完全去除后，在超纯水(DI)清洗去除残留溶液的过程中，由于牺牲层14上部结构间的液体发生流动，液体的表面张力将较为脆弱的牺牲层14上部结构拉向牺牲层下表面，从而引起粘附使形成的空腔13被破坏的现象。并且当牺牲层14的上部结构膜层如支撑层2与牺牲层14下表面发生粘附后，上下表面间的范德瓦尔斯力、静电力和键合力将在上下膜层间发生作用，使已经坍塌的空腔13结构难以恢复。此外，对所述牺牲层14释放横向刻蚀的速率要远远小于径向刻蚀的速率，总释放时间较长，而标准工艺中需要制备额外的金属电极在释放试剂中也会被一定程度的腐蚀掉，所以，释放试剂对牺牲层14材料和金属电极的选择性也是要考虑的一个重要因素。
在一实施例中，释放所述牺牲层14的释放试剂包括HF、NH3F和甘油等组分。优选的所述HF、NH3F和甘油的质量比(或其他单位比)为1：(3.8-4.2)：(1.7-2.3)，具体的如1：4：2。发明人在研发中发现，所述薄膜体声波谐振器的各层结构中，最容易和HF发生反应的是外延Mo压焊电极(器件附属结构)，如Mo和AlN性质都较为稳定，在HF中被刻蚀的速度非常缓慢，故而得出Mo和SiO2的最优选择比即可解决HF释放时的刻蚀选择问题。研究发现当将甘油(C3H8O3)加入HF后，可以提高Mo和SiO2刻蚀的选择比(HF对Mo的腐蚀性很微弱，在此可以忽略)，以实现长时间的牺牲层14释放工艺。因此，上述配方的释放试剂通过对有效成分和含量的控制，能够有效增加释放试剂的扩散性，使释放试剂在牺牲层14的缝隙中更容易实现侧向扩散，增加横向腐蚀的速率。
进一步的，在所述释放试剂配方的基础上，通过释放所述牺牲层14处理的温度控制，能够有效控制释放所述牺牲层14处理的时间。在一实施例中，采用所述释放试剂进行释放所述牺牲层14处理的温度为50-55℃。具体的发明人研究发现，在45℃以下，40％wtHF的选择比高于加入甘油后的混合液，但是低温下的刻蚀比的绝对数值本身远远不能满足长时间牺牲层释放的要求。当温度上升到60℃以后，加入甘油后的混合液的刻蚀选择比已经达到了621，而纯净HF的刻蚀选择比则上升缓慢，仍然只有151，不能满足释放的要求。另外，由于释放所述牺牲层14处理的时间非常长，所述释放试剂与牺牲层14材料反应较慢，所述牺牲层14表面的所述释放试剂经过反应浓度会降低而小于溶液表层的浓度，因此，优选的在释放所述牺牲层14处理过程中对所述释放试剂进行缓慢搅拌处理，以保证所述牺牲层14的释放速率保持在一定的数值。
发明人在研究中进一步发现，所述牺牲层14的释放窗口形状和释放窗口位置会影响到释放所述牺牲层14处理过程的粘附问题。具体是发现现有牺牲层在衍射条纹区域明显出现了粘附的情况，这是因为现有释放窗口面积过大，牺牲层预填充材料和微悬梁结构同时与刻蚀液大面积接触，刻蚀液通过台阶覆盖性不好的区域进入结构内部，对结构膜层产生了一定的腐蚀，导致悬空结构在边线处较为脆弱。为了克服现有缺陷，一实施例中，释放所述牺牲层14的释放窗口为如图4所示的贯穿所述支撑层2、第一底电极层3、温飘层4和三明治压电堆结构5的通孔6(释放孔)，所述通孔6是与所述空腔13相通，这样所述牺牲层14可以从所述通孔6进行释放。其中，所述通孔6的数量可以是至少一个，如可以但不仅仅是2个，以便所述释放试剂和所述牺牲层14的释放。在另一实施例中，在所述释放窗口也即是通孔6(释放孔)位置的基础上，一实施例中，所述释放窗口的直径优选为0.1μm的圆孔。
待所述释放所述牺牲层14处理完毕后，还包括对形成的所述空腔13进行清洗处理的步骤。一实施例中，所述清洗处理所采用的清洗溶剂为丙酮(CH3COCH3)。这样由于丙酮的密度较小，表面张力远远小于水，同时又具有易挥发的特性，可以缩短粘附效应的作用时间。
因此，所述薄膜体声波谐振器的制备方法通过在形成所述支撑层2的步骤与形成第二底电极层53的步骤之间增设形成第一底电极层3的步骤和形成所述温飘层4的步骤，使得制备形成的所述薄膜体声波谐振器具有第一底电极层3和温飘层4，同时对形成所述薄膜体声波谐振器各层的方法、工艺条件和材料的控制，实现对各层结构优化和控制，形成的使得各层结构之间发挥协同作用，赋予制备的所述薄膜体声波谐振器具有损耗低、温度系数小、温飘低、功率承受力高、工作频率高、机电耦合系数高、兼容性好等优点，同时赋予所述薄膜体声波谐振器具有很好的Q值，而且工作性能稳定。另外，通过对释放所述牺牲层14处理的相关因素，如对释放试剂、温度以及对释放所述牺牲层14的处理所述释放窗口位置和尺寸的控制和优化，保证形成的空腔13不发生坍塌和开裂发生等不良现象，从而保证空腔13上部的各层结构的平整性。其次，所述制备方法工艺条件易控，保证了制备的所述薄膜体声波谐振器结构和性能稳定，降低了制备成本。
又一方面，在上文所述薄膜体声波谐振器及其制备方法的基础上，本发明实施例还提供了一种薄膜体声波滤波器。所述薄膜体声波滤波器包含有上文所述的薄膜体声波谐振器。因此，所述薄膜体声波滤波器由于含有上文所述薄膜体声波谐振器，这样所述薄膜体声波滤波器损耗低、温度系数小、温飘低、功率承受力高、工作频率高、机电耦合系数高、兼容性好，而且具有很好的Q值。
现结合具体实例，对本发明进行进一步详细说明。其中，下文各实施例中的“/”表示的是层叠结合的意思。
1薄膜体声波谐振器的结构实施例
实施例11
本实施例提供一种薄膜体声波谐振器。所述薄膜体声波谐振器的结构如图1所示，所述薄膜体声波谐振器的结构为：衬底1/支撑层2/第一底电极层3/温飘层4/第二底电极层53/压电层52/顶电极层51。其中，所述衬底1为单质硅衬底，所述支撑层2为Si3N4膜层，其厚度为1100埃；所述第一底电极层3为Mo膜层，其厚度为2400埃；所述温飘层4为掺氟氧化硅(SiOF)膜层(MgF掺杂的含量为8％)，其厚度为800埃；所述第二底电极层53为Mo膜层，其厚度为2400埃；所述压电层52为Mg-Hf为的氮化铝膜层(Mg和Hf总掺杂的含量为12％)，其厚度为11000埃；所述顶电极层51为Mo膜层，其厚度为2400埃。
实施例12
本实施例提供一种薄膜体声波谐振器。所述薄膜体声波谐振器的结构如图1所示，所述薄膜体声波谐振器的结构为：衬底1/支撑层2/第一底电极层3/温飘层4/第二底电极层53/压电层52/顶电极层51。其中，所述衬底1为单质硅衬底，所述支撑层2为Si3N4膜层，其厚度为1200埃；所述第一底电极层3为Mo膜层，其厚度为2500埃；所述温飘层4为掺氟氧化硅(SiOF)膜层，其厚度为800埃；所述第二底电极层53为Mo膜层，其厚度为2500埃；所述压电层52为Mg-Hf为的氮化铝膜层(掺杂的含量为15％)，其厚度为11000埃；所述顶电极层51为Mo膜层，其厚度为2500埃。
实施例13
本实施例提供一种薄膜体声波谐振器。所述薄膜体声波谐振器的结构如图1所示，所述薄膜体声波谐振器的结构为：衬底1/支撑层2/第一底电极层3/温飘层4/第二底电极层53/压电层52/顶电极层51。其中，所述衬底1为单质硅衬底，所述支撑层2为Si3N4膜层，其厚度为1000埃；所述第一底电极层3为Mo膜层，其厚度为2300埃；所述温飘层4为掺氟氧化硅(SiOF)膜层，其厚度为900埃；所述第二底电极层53为Mo膜层，其厚度为2300埃；所述压电层52为Mg-Hf为的氮化铝膜层(掺杂的含量为10％)，其厚度为11000埃；所述顶电极层51为Mo膜层，其厚度为2300埃。
实施例14
本实施例提供一种薄膜体声波谐振器。所述薄膜体声波谐振器的结构如图1所示，所述薄膜体声波谐振器的结构为：衬底1/支撑层2/第一底电极层3/温飘层4/第二底电极层53/压电层52/顶电极层51。其中，所述衬底1为单质硅衬底，所述支撑层2为Si3N4与非晶态AlN混合物膜层，其厚度为1100埃；所述第一底电极层3为Mo膜层，其厚度为2400埃；所述温飘层4为掺氟氧化硅与二氧化硅的混合物膜层，其厚度为1000埃；所述第二底电极层53为Mo膜层，其厚度为2400埃；所述压电层52为氧化锌膜层，其厚度为11000埃；所述顶电极层51为Mo膜层，其厚度为2400埃。
2薄膜体声波谐振器的制备方法实施例
实施例21
本实施例提供了实施例11中薄膜体声波谐振器的制备方法。所述制备方法包括如下步骤：
步骤S11：在单质硅衬底1的一表面11上采用干法刻蚀进行刻蚀处理，形成凹槽12；其中，所述凹槽12的深度小于3μm，所述凹槽12的面积优选1123μm×1123μm；
步骤S12：在所述凹槽12内和表面11上采用PECVD生长非晶SiO2层，并使得生长的非晶SiO2层厚度超过了所述凹槽12的深度，并覆盖所述衬底1的表面11；然后采用化学机械研磨(CMP)处理以100rpm对生成的非晶SiO2层进行研磨处理，除去生长在所述表面11上的非晶SiO2，使得填充在所述凹槽12内的非晶SiO2牺牲层14表面与所述表面11形成高度一致的平整表面；
步骤S13：采用LPCVD方法，在所述牺牲层14和所述衬底1的所述表面11上形成Si3N4支撑层2，且所述支撑层2覆盖所述牺牲层14和至少覆盖所述牺牲层14周围的所述衬底1的所述表面11；
步骤S14：沿所述衬底1向支撑层2的延伸方法，在所述支撑层2的表面上依次形成Mo第一底电极层3、SiOF温飘层4、Mo第二底电极层53、Mg-Hf掺杂的氮化铝压电层52和Mo顶电极层51；
步骤S15：释放所述牺牲层14处理，形成封闭的空腔13，从而形成空腔结构的薄膜体声波谐振器；其中，释放所述牺牲层14的释放试剂包括质量比例为1：4：2的HF、NH3F和甘油，释放所述牺牲层14处理的温度为45℃，将释放试剂和被刻蚀的所述牺牲层14从设置如图4所示的释放通孔6进行释放，且所述释放窗口的截面积为直径为0.1um的圆孔。
对比例
市售常规的薄膜体声波谐振器。
3.薄膜体声波谐振器相关性能测试
将实施例11-14提供的薄膜体声波谐振器和对比例提供的市售常规的薄膜体声波谐振器分别进行如下相关性能测试，测得结果如下述表1中所示：
表1
由表1中相关性能测试结果得知，本实施例薄膜体声波谐振器和含有薄膜体声波滤波器的薄膜体声波谐振器损耗低、温度系数小、温飘低、功率承受力高、工作频率高、机电耦合系数高、兼容性好，而且具有很好的Q值。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种薄膜体声波谐振器，其特征在于：包括
衬底，至少具有一表面，且在所述一表面的中部上开设有向所述衬底内部方向凹陷形成的凹槽；
支撑层，所述支撑层层叠结合在所述衬底的开设有所述凹槽的所述表面上，并由所述支撑层和凹槽围合成封闭的空腔；
第一底电极层，所述第一底电极层层叠结合在所述支撑层的背离所述衬底的表面上；
温飘层，所述温飘层叠结合在所述第一底电极的背离所述支撑层的表面上；
三明治压电堆结构，所述三明治压电堆结构层叠在所述温飘层的背离所述第一底电极层的表面上，所述三明治压电堆结构是由顶电极层、压电层和第二底电极层依次层叠形成，且所述第二底电极层与所述温飘层层叠结合。
2.根据权利要求1所述的薄膜体声波谐振器，其特征在于：所述温飘层为掺氟氧化硅膜层、二氧化硅膜层、掺氟氧化硅与二氧化硅的混合物膜层中的任意一层。
3.根据权利要求1或2所述的薄膜体声波谐振器，其特征在于：所述温飘层的厚度为800-1000埃米。
4.根据权利要求1所述的薄膜体声波谐振器，其特征在于：所述支撑层为Si3N4膜层、非晶态AlN膜层、Si3N4与非晶态AlN混合物膜层中的任意一层。
5.根据权利要求1、2或4任一项所述的薄膜体声波谐振器，其特征在于：所述支撑层的厚度为1000-1200埃米。
6.根据权利要求1、2或4任一项所述的薄膜体声波谐振器，其特征在于：所述顶电极层的材料为Mo、Al、Pt、W、Au、Al、Ni、Ag中的至少一种；和/或
所述顶电极层的厚度为2300-2500埃米。
7.根据权利要求1、2或4任一项所述的薄膜体声波谐振器，其特征在于：所述第一底电极层和第二底电极层的材料相同或不同的为Mo、Al、Pt、W、Au、Al、Ni、Ag中的至少一种。
8.根据权利要求1、2或4任一项所述的薄膜体声波谐振器，其特征在于：所述压电层为氮化铝膜层、氧化锌膜层、氮化铝与氧化锌混合物膜层中的任意一层。
9.根据权利要求1、2或4任一项所述的薄膜体声波谐振器，其特征在于：所述凹槽的深度为小于3μm。
10.一种薄膜体声波滤波器，其特征在于，包括有如权利要求1-9中任一项所述的薄膜体声波谐振器。
Priority Applications (1)
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