CN109802649A - 一种监控空气隙型体声波谐振器空腔释放过程的方法 - Google Patents

Abstract

本公开提出了一种监控空气隙型体声波谐振器空腔释放过程的方法，包括以下步骤：S1，在衬底上同时形成空气隙型体声波谐振器凹坑和监控图形凹坑；S2，在形成有凹坑的所述衬底上形成牺牲层；S3，使所述牺牲层的表面与所述衬底的上表面齐平；S4，在形成有牺牲层的所述衬底上形成下电极层，刻蚀该下电极层以形成下电极图形并暴露出监控图形区域；S5，在形成有下电极层的所述衬底上形成透明压电层；S6，在形成有压电层的所述衬底上形成上电极层，刻蚀形成上电极图形并暴露出监控图形区域上的压电层；利用所述监控图形对所述空气隙型体声波谐振器空腔释放过程进行监控。本公开方法实现了可视及量化的释放过程监控。

Description

一种监控空气隙型体声波谐振器空腔释放过程的方法

技术领域

本公开属于无线通讯技术领域，更具体地涉及一种监控空气隙型体声波谐振器空腔释放过程的方法。

背景技术

薄膜体声波谐振器(Film Bulk Acoustic Resonator，FBAR)是一种半导体器件，主要包括上、下电极及夹在上、下电极之间的压电材料，三者构成三明治结构。FBAR常用于制作手机等无线设备中的射频滤波器，所述滤波器由一组或几组FBAR构成，例如采用半梯形(half-ladder)、全梯形(full-ladder)、晶格(lattice)、堆叠(stack)等拓扑结构，用来滤除无用频率同时允许特定频率通过。FBAR还用于制作双工器，以部分取代早期的表面声波(SAW，surface acoustic wave)器件，其优势在于尺寸小、工艺先进、效率提升。此外，FBAR还用于制作微波振荡器、传感器、功率放大器、低噪声放大器等。

图1是一种现有的FBAR的剖面示意图。如图1所示，在衬底1之上分别具有下电极3、压电层4和上电极5。所述衬底的材质例如为硅、蓝宝石、砷化镓、氮化镓、碳化硅、石英、玻璃等材料。所述下电极、上电极的材质例如为铝、金、铝铜合金、铝硅合金、铝硅铜合金、钨、钛、钛钨化合物、钼、铂等金属材料。所述压电层的材质例如为PZT(Lead zirconate titanate，锆钛酸铅)、氮化铝等压电材料。所述衬底和下电极之间具有从衬底的上表面向下凹陷的空气腔2(未贯穿衬底)。

图2是图1所示的FBAR的部分结构示意性版图。如图2所示，所述空气腔2(斜线填充)在边缘具有多个牺牲层释放通道2a。所述下电极3(实线，未填充)完整地覆盖在空气腔2之上，除了牺牲层释放通道2a。所述上电极5(虚线，未填充)部分地覆盖在空气腔2之上。所述下电极3与上电极5的重叠区域大部分在空气腔2之上，也有小部分落在空气腔2之外。

目前，现有薄膜体声波谐振器的制造过程仍然存在如下问题：

1、在去除全部的牺牲层的过程中，由于整个牺牲层被不透明的金属电极材料覆盖，牺牲层释放过程无法目视化监控，工艺过程发生异常时，例如释放液浓度变化，环境温度变化等异常时，极有可能造成释放不完全或者过度释放导致膜层被钻蚀严重，从而导致器件失效。

2、由于无法目视化监控，在工艺前过程发生异常时，牺牲层释放通道因光刻或刻蚀原因异常变小或过大，牺牲层材料沉积异常导致释放速率过快或者过慢，牺牲材料沉积过程有异物或PARTICLE导致阻挡牺牲层释放等，都有可能造成释放不完全或者过度释放导致膜层被钻蚀严重，从而导致器件失效。

3、现有薄膜体声波谐振器或者缺乏监控，或者仅存在聚焦于单步制造工艺过程的监控，而对于产品本身释放过程的监控存在局限性，并且无法对释放过程进行量化监控。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本公开提供了一种监控空气隙型体声波谐振器空腔释放过程的方法，以至少部分解决以上所存在的技术问题。

(二)技术方案

根据本公开的一个方面，提供了一种监控空气隙型体声波谐振器空腔释放过程的方法，包括以下步骤：

S1，在衬底上同时形成空气隙型体声波谐振器凹坑和监控图形凹坑；

S2，在形成有凹坑的所述衬底上形成牺牲层；

S3，使所述牺牲层的表面与所述衬底的上表面齐平；

S4，在形成有牺牲层的所述衬底上形成下电极层，刻蚀该下电极层以形成下电极图形并暴露出监控图形区域；

S5，在形成有下电极层的所述衬底上形成透明压电层；

S6，在形成有压电层的所述衬底上形成上电极层，刻蚀形成上电极图形并暴露出监控图形区域上的压电层；

S7，刻蚀所述压电层，暴露出下电极层的引出端及空气隙型体声波谐振器凹坑的牺牲层释放通道，及监控图形凹坑的牺牲层释放通道；

S8，在上电极和下电极引出端上形成金属连接层；

S9，利用所述牺牲层释放通道，对所述衬底上的牺牲层进行释放；利用所述监控图形对所述空气隙型体声波谐振器空腔释放过程进行监控。

在一些实施例中，所述空气隙型体声波谐振器凹坑包括空气腔及牺牲层释放通道；所述空气腔与所述牺牲层释放通道连通。

在一些实施例中，所述监控图形凹坑包括空气腔及牺牲层释放通道，所述监控图形凹坑的空气腔内的衬底材料部分被刻蚀，通过被刻蚀的衬底部分和未被刻蚀的衬底部分将所述监控图形凹坑的空气腔分隔成空气腔通道，所述空气腔通道与所述监控图形凹坑的牺牲层释放通道连通。

在一些实施例中，所述监控图形上设置有监控标尺，该监控标尺包括设在所述空气腔通道内不同位置上的多个释放面积标识。

在一些实施例中，所述牺牲层的材质为钛、铝、镁、锗、氧化硅，所述压电层的材质为氮化铝。

在一些实施例中，在所述步骤S3中，采用化学机械研磨工艺将所述牺牲层研磨至与所述衬底的上表面齐平。

在一些实施例中，在所述步骤S4中，刻蚀所述下电极层以暴露所述监控图形的空气腔及牺牲层释放通道，且暴露所述空气隙型体声波谐振器凹坑的牺牲层释放通道。

在一些实施例中，在所述步骤S5中，利用溅射工艺形成所述透明压电层；所述压电层完全覆盖所述衬底。

在一些实施例中，在所述步骤S6中，在所述压电层上溅射形成上电极层，并刻蚀所述上电极层以形成空气隙型体声波谐振器的上电极图形，同时暴露出所述监控图形区域的压电层。

(三)有益效果

从上述技术方案可以看出，本公开一种监控空气隙型体声波谐振器空腔释放过程的方法至少具有以下有益效果其中之一：

(1)采用本公开方法，针对FABR工艺过程，利用版图设计建立一种监控空气隙型体声波谐振器空腔释放过程的监控图形，可以在不增加任何产品工艺流程的情况下，实现对空腔释放过程有效监控。

(2)本公开监控图形区均与实际体声波谐振器产品区保持同样的工艺条件，因此可完全监控释放过程的所有异常，包括前层工艺及当层释放工艺引起的异常。

(3)本公开监控图形具有监控标尺，在牺牲材料，释放通道及释放工艺固化的前提下，可通过实验方式建立带标尺的监控图形与需要释放FABR谐振器面积形成对应关系，由此实现了可视及量化的释放过程监控。

(4)本公开方法，操作方便，可直观的监控空腔释放过程，且不影响体声波谐振器产品的制作。

附图说明

图1为现有的FBAR的剖面示意图。

图2为图1所示的FBAR的部分结构示意性版图。

图3为本公开一实施例体声波谐振器凹坑俯视图。

图4为本公开另一实施例一监控图形凹坑俯视图。

图5为本公开又一实施例监控图形凹坑俯视图。

图6为本公开监控图形凹坑标尺各标识所对应的释放面积示意图。

图7为本公开体声波谐振器及监控图形对比图。

图8为本公开实施例监控空气隙型体声波谐振器空腔释放过程的方法流程图。

<符号说明>

1衬底，3下电极，4压电层，5上电极，2a，2a-1牺牲层释放通道，2，2-1空气腔。

具体实施方式

为使本公开的目的、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，对本公开进一步详细说明。

本发明提供了一种监控空气隙型体声波谐振器空腔释放过程的方法，包括以下步骤：

S1，在衬底上同时形成空气隙型体声波谐振器凹坑和监控图形凹坑；

S2，在形成有凹坑的所述衬底上形成牺牲层；

S3，使所述牺牲层的表面与所述衬底的上表面齐平；

S4，在形成有牺牲层的所述衬底上形成下电极层，刻蚀该下电极层以形成下电极图形并暴露出监控图形区域；

S5，在形成有下电极层的所述衬底上形成透明压电层；

S6，在形成有压电层的所述衬底上形成上电极层，刻蚀形成上电极图形并暴露出监控图形区域上的压电层；

S7，刻蚀所述压电层，暴露出下电极层的引出端及空气隙型体声波谐振器凹坑的牺牲层释放通道，及监控图形凹坑的牺牲层释放通道；

S8，在上电极和下电极引出端上形成金属连接层；

S9，利用所述牺牲层释放通道，对所述衬底上的牺牲层进行释放；利用所述监控图形对所述空气隙型体声波谐振器空腔释放过程进行监控。

其中，所述空气隙型体声波谐振器凹坑包括空气腔及牺牲层释放通道；所述空气腔与所述牺牲层释放通道连通。

所述监控图形凹坑包括空气腔及牺牲层释放通道，所述监控图形凹坑的空气腔内的衬底材料部分被刻蚀，通过被刻蚀的衬底部分和未被刻蚀的衬底部分将所述监控图形凹坑的空气腔分隔成空气腔通道，所述空气腔通道与所述监控图形凹坑的牺牲层释放通道连通。

本公开监控空气隙型体声波谐振器空腔释放过程的方法，操作方便，利用监控图形可直观的监控空腔释放过程，且不影响体声波谐振器产品的制作。

优选的，所述监控图形上设置有监控标尺，该监控标尺包括设在所述空气腔通道内不同位置上的多个释放面积标识。

本公开在产品晶圆(WAFER)内部形成监控图形，在监控图形上设置适用的监控标尺，可以使监控标尺的监控标识与释放面积及牺牲层释放通道数量成一定对应关系，方便量化监控。所述监控图形可以在光罩设计排版时就将其排进版图，然后在FBAR产品制造过程中，在产品WAFER上同步形成可量化释放过程的监控图形。

在一实施例中，如图3所示，所述体声波谐振器凹坑包括：五个牺牲层释放通道2a及一正五边形空气腔2，其中所述五个牺牲层释放通道2a分别位于所述正五边形空气腔2的五个顶点位置，并且所述五个牺牲层释放通道2a与所述正五边形空气腔2连通。

具体的，可采用刻蚀工艺在衬底内部形成空气腔2及牺牲层释放通道2a，空气腔2及牺牲层释放通道2a从衬底的上表面向下凹陷，其中，空气腔内的衬底材料被整体刻蚀掉3～4微米深。

在另一实施例中，如图4所示，所述监控图形凹坑包括：空气腔2-1及牺牲层释放通道2a-1，二者连通。

在又一实施例中，如图5所示，所述监控图形凹坑包括：空气腔2-1、牺牲层释放通道2a-1，还可包括监控标尺，该监控标尺包括设置在所述空气腔通道的不同位置上的多个监控标识2K，5K，10K，15K，20K，25K，30K，35K，40K，45K，50K，55K(表示体声波谐振器的面积(单位为um²))。各个监控标识所对应的释放面积如图6所示(其中，2K未示出)。因此，图5所示的监控图形可作为量化空腔释放过程的监控图形。

具体的，可采用刻蚀工艺在衬底内部形成“回”字形空气腔2-1及牺牲层释放通道2a-1，空气腔2-1及牺牲层释放通道2a-1从衬底的上表面向下凹陷，其中，空气腔通道的衬底材料与图3所示空气腔2同时被刻蚀掉3～4微米的深度，通过未刻蚀的衬底部分(图5中白色的“回”字形部分)和刻蚀的衬底部分(图5中黑色的“回”字形部分)形成所述空气腔通道，空气腔通道与所述牺牲层释放通道2a-1连通。

当然，本公开产品凹坑、空气腔的形状，监控图形凹坑、空气腔通道的形状，产品的牺牲层释放通道的数量，监控图形的牺牲层释放通道的数量等均可根据需要进行调整。

在再一实施例中，如图7-8所示，本公开监控空气隙型体声波谐振器空腔释放过程的方法包括以下步骤：

步骤S0(未示出)，制作如图4或5所示的空腔释放监控用监控图形(监控凹坑图形)，在排版FBAR产品图形(产品凹坑图形)时，将监控图形均匀分布于wafer整面(例如每个shot(重复单元)分布1-2组监控图形)。

步骤S1，在衬底1的表面同时刻蚀出产品凹坑2及所述监控图形凹坑2-1，例如采用光刻和刻蚀工艺制作所述凹坑。所述凹坑包括空气腔2，2-1及其边缘的牺牲层释放通道2a，2a-1。

步骤S2，在衬底1上沉积一层牺牲层，至少将所述产品凹坑及监控图形凹坑填充满(空气腔通道被填满)。所述牺牲层的材质例如为钛、铝、镁、锗、氧化硅等。

步骤S3，采用化学机械研磨(CMP)等平坦化工艺将牺牲层研磨至与衬底1的上表面齐平。当然，本公开的磨平方式并不仅限于此。

步骤S4，在衬底1和牺牲层之上先生长一层金属，然后将该层金属刻蚀成下电极3，例如采用溅射、光刻和刻蚀工艺生成及刻蚀得到下电极。所述下电极3大致覆盖产品的空气腔2的位置，但暴露出产品的牺牲层释放通道2a以及所有监控图形的空气腔2-1、监控图形的牺牲层释放通道2a-1的位置。

步骤S5，在衬底1、牺牲层和下电极3以及监控图形区域之上沉积一压电层4。所述压电层4完整覆盖产品凹坑以及监控图形凹坑。所述压电层材料为ALN，其为一种透明的非金属材料。

步骤S6，在衬底1、牺牲层、下电极3，监控图形空气腔2-1和压电层4之上先生长一层金属，然后将该层金属刻蚀成上电极5，例如采用溅射、光刻和刻蚀工艺。所述上电极区域仅覆盖产品凹坑部分，所有监控图形区域的上电极金属均被刻蚀掉。如此，所述监控图形空气腔内的牺牲层由于被透明压电层覆盖，因而可以很好的用来监控整个释放过程，透过透明压电层可观察牺牲层释放到什么程度。

步骤S7，刻蚀压电层4从而暴露出产品的牺牲层释放通道2a的位置和监控图形的牺牲层释放通道2a-1以及暴露出下电极3的引出端。

步骤S8，再利用LIFT-OFF工艺对上下电极露出的部分进行金属导线引出。

步骤S9，最后通过牺牲层释放通道2a，2a-1去除全部的牺牲层，例如采用干法刻蚀或湿法腐蚀工艺。所述谐振器原本被牺牲层占据的空间就成为位于衬底1和下电极3之间的谐振器空气腔2，而监控图形区被牺牲层占据的空间就成为位于衬底1和压电层4之间的空气腔2-1。因为监控区域空气腔内的牺牲层被透明的压电层覆盖，所以整个释放过程可以很好的被监控。

具体的，若采用带监控标尺的监控图形，在利用腐蚀工艺去除牺牲层时，监控图形区域腐蚀液从监控图形的牺牲层释放通道进入空气腔，沿空气腔通道流动对空气腔通道中的牺牲层进行腐蚀。产品图形区域腐蚀液从产品图形的牺牲层释放通道进入空气腔，由外而内对空气腔中的牺牲层进行腐蚀。若透过监控图形区域的透明压电层监控到腐蚀液流至监控标尺的15K标识位置，则表示产品图形区域对应的牺牲层释放面积为15K，如图6所示。至于监控图形的监控标尺的各标识与产品的牺牲层释放面积的对应的关系(也即监控图形空气腔的各标识位置对应多大释放面积)可预先通过实验来确定。

本公开监控图形区均与实际体声波谐振器产品区保持同样的工艺条件，因此可完全监控释放过程的所有异常，包括前层工艺及当层释放工艺引起的异常。

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

至此，已经结合附图对本公开实施例进行了详细描述。依据以上描述，本领域技术人员应当对本公开有了清楚的认识。

需要说明的是，在附图或说明书正文中，未绘示或描述的实现方式，均为所属技术领域中普通技术人员所知的形式，并未进行详细说明。此外，上述对各元件和方法的定义并不仅限于实施例中提到的各种具体结构、形状或方式，本领域普通技术人员可对其进行简单地更改或替换。

当然，根据实际需要，本公开方法还包含其他的步骤，由于同本公开的创新之处无关，此处不再赘述。

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

Claims (9)

1.一种监控空气隙型体声波谐振器空腔释放过程的方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1，在衬底上同时形成空气隙型体声波谐振器凹坑和监控图形凹坑；

S2，在形成有凹坑的所述衬底上形成牺牲层；

S3，使所述牺牲层的表面与所述衬底的上表面齐平；

S4，在形成有牺牲层的所述衬底上形成下电极层，刻蚀该下电极层以形成下电极图形并暴露出监控图形区域；

S5，在形成有下电极层的所述衬底上形成透明压电层；

S6，在形成有压电层的所述衬底上形成上电极层，刻蚀形成上电极图形并暴露出监控图形区域上的压电层；

S7，刻蚀所述压电层，暴露出下电极层的引出端及空气隙型体声波谐振器凹坑的牺牲层释放通道，及监控图形凹坑的牺牲层释放通道；

S8，在上电极和下电极引出端上形成金属连接层；

S9，利用所述牺牲层释放通道，对所述衬底上的牺牲层进行释放；利用所述监控图形对所述空气隙型体声波谐振器空腔释放过程进行监控。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述空气隙型体声波谐振器凹坑包括空气腔及牺牲层释放通道；所述空气腔与所述牺牲层释放通道连通。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述监控图形凹坑包括空气腔及牺牲层释放通道，所述监控图形凹坑的空气腔内的衬底材料部分被刻蚀，通过被刻蚀的衬底部分和未被刻蚀的衬底部分将所述监控图形凹坑的空气腔分隔成空气腔通道，所述空气腔通道与所述监控图形凹坑的牺牲层释放通道连通。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述监控图形上设置有监控标尺，该监控标尺包括设在所述空气腔通道内不同位置上的多个释放面积标识。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述牺牲层的材质为钛、铝、镁、锗、氧化硅，所述压电层的材质为氮化铝。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述步骤S3中，采用化学机械研磨工艺将所述牺牲层研磨至与所述衬底的上表面齐平。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述步骤S4中，刻蚀所述下电极层以暴露所述监控图形的空气腔及牺牲层释放通道，且暴露所述空气隙型体声波谐振器凹坑的牺牲层释放通道。

8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述步骤S5中，利用溅射工艺形成所述透明压电层；所述压电层完全覆盖所述衬底。

9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述步骤S6中，在所述压电层上溅射形成上电极层，并刻蚀所述上电极层以形成空气隙型体声波谐振器的上电极图形，同时暴露出所述监控图形区域的压电层。