CN110011631B - 具有应力缓冲层的空腔型体声波谐振器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及体声波谐振器制备技术领域，尤其是涉及一种具有应力缓冲层的空腔型体声波谐振器及其制备方法；步骤为：在具有损伤层的压电单晶晶圆上制备下电极和图形化的牺牲层；在图形化的牺牲层上制备应力缓冲层；在应力缓冲层上制备键合层；将衬底叠放于键合层上，进行键合处理和晶圆劈裂处理，移除上压电层，制备上电极；在单晶薄膜层上表面开设图形化的牺牲层所需要的牺牲层释放孔，释放牺牲层，得到具有应力缓冲层的空腔型体声波谐振器；通过在单晶薄膜层与键合层间设置应力缓冲层的设计以解决现有的在键合过程中，界面应力过大导致的单晶薄膜产生裂纹、翘起、凹陷、甚至脱落等问题，提高空腔型体声波谐振器的性能。
Description
技术领域
本发明涉及体声波谐振器制备技术领域，尤其是涉及一种具有应力缓冲层的空腔型体声波谐振器及其制备方法。
背景技术
目前，薄膜体声波谐振器的结构主要有固体装配型(SMR)和空腔型，空腔型薄膜体声波谐振器相较固体装配型更简单。薄膜体声波谐振器的工作原理是利用声波在电极与空气的交界面阻抗不匹配，将声波限制在上下电极之间，实现谐振。这种结构的谐振器具有较高的品质因数(Q值)，往往大于1000，具有低的插入损耗，与互补金属氧化物半导体(CMOS)电路兼容等优点。
现有的薄膜体声波谐振器的压电薄膜主要是通过沉积的方式沉积在电极层上，薄膜质量非常依赖于下电极的质量，但采用晶圆键合转移技术得到的压电薄膜，不仅能够获得高质量的压电薄膜，并且不依赖下电极质量。晶圆键合转移技术是选用压电单晶晶圆材料或者带有高质量的外压电层的晶圆材料，对其进行高能离子注入，然后结合晶圆键合的工艺，能够在目标衬底上转移制备高质量的压电薄膜。
通常，薄膜体声波谐振器的主体结构是键合在硅衬底之上，由于硅衬底与键合层、压电薄膜层的热膨胀系数不统一，并且传统的硅衬底没有应力缓冲作用，通过晶圆键合转移工艺制备压电薄膜，就会造成压电薄膜层和衬底、压电薄膜层和键合层、键合层和衬底之间的热应力失配，造成压电薄膜产生翘曲和裂纹，严重影响器件的质量。
因此，针对上述问题本发明急需提供一种具有应力缓冲层的空腔型体声波谐振器及其制备方法。
发明内容
本发明的目的在于提供一种具有应力缓冲层的空腔型体声波谐振器的制备方法，包括如下步骤：
从压电单晶晶圆下表面注入高能量离子，高能量离子进入压电单晶晶圆内部形成损伤层，将压电单晶晶圆分隔成上压电层和单晶薄膜层，得到损伤的压电单晶晶圆；
在损伤的压电单晶晶圆的下表面依次制备图形化的下电极和图形化的牺牲层；
在图形化的牺牲层上制备热膨胀系数小于压电单晶晶圆热膨胀系数的应力缓冲层；
在应力缓冲层上制备热膨胀系数大于压电单晶晶圆热膨胀系数的键合层；
将衬底叠放于键合层上，进行键合处理和晶圆劈裂处理，移除上压电层，在单晶薄膜上制备上电极；
在单晶薄膜层上表面开设图形化的牺牲层所需要的牺牲层释放孔，释放牺牲层，得到具有应力缓冲层的空腔型体声波谐振器；或者
从压电单晶晶圆下表面注入高能量离子，高能量离子进入压电单晶晶圆内部形成损伤层，将压电单晶晶圆分隔成上压电层和单晶薄膜层，得到损伤的压电单晶晶圆；
在损伤的压电单晶晶圆的下表面依次制备图形化的下电极和图形化的牺牲层；
在图形化的牺牲层上制备热膨胀系数大于压电单晶晶圆热膨胀系数的应力缓冲层；
在应力缓冲层上制备热膨胀系数均大于应力缓冲层热膨胀系数的键合层。
将衬底叠放于键合层上，进行键合处理和晶圆劈裂处理，移除上压电层，在单晶薄膜上制备上电极；
在单晶薄膜层上表面开设图形化的牺牲层所需要的牺牲层释放孔，释放牺牲层，得到具有应力缓冲层的空腔型体声波谐振器；或者
从压电单晶晶圆下表面注入高能量离子，高能量离子进入压电单晶晶圆内部形成损伤层，将压电单晶晶圆分隔成上压电层和单晶薄膜层，得到损伤的压电单晶晶圆；
在损伤的压电单晶晶圆的下表面依次制备图形化的下电极和图形化的牺牲层；
在图形化的牺牲层上制备热膨胀系数小于压电单晶晶圆热膨胀系数的应力缓冲层；
在应力缓冲层上制备热膨胀系数均小于应力缓冲层热膨胀系数的键合层；
将衬底叠放于键合层上，进行键合处理和晶圆劈裂处理，移除上压电层，在单晶薄膜上制备上电极；
在单晶薄膜层上表面开设图形化的牺牲层所需要的牺牲层释放孔，释放牺牲层，得到具有应力缓冲层的空腔型体声波谐振器；或者
从压电单晶晶圆下表面注入高能量离子，高能量离子进入压电单晶晶圆内部形成损伤层，将压电单晶晶圆分隔成上压电层和单晶薄膜层，得到损伤的压电单晶晶圆；
在损伤的压电单晶晶圆的下表面依次制备图形化的下电极和图形化的牺牲层；
在图形化的牺牲层上制备热膨胀系数大于压电单晶晶圆热膨胀系数的应力缓冲层；
在应力缓冲层上制备热膨胀系数均小于压电单晶晶圆的热膨胀系数的键合层；
将衬底叠放于键合层上，进行键合处理和晶圆劈裂处理，移除上压电层，在单晶薄膜上制备上电极；
在单晶薄膜层上表面开设图形化的牺牲层所需要的牺牲层释放孔，释放牺牲层，得到具有应力缓冲层的空腔体声波谐振器。
优选地，应力缓冲层的材质为SiO2、Si3N4、非晶硅、金属或聚合物中任一。
优选地，应力缓冲层的厚度为0.05μm-6μm；优选地，缓冲层的厚度为0.05μm-0.3μm或者缓冲层的厚度为0.3μm-1.0μm或者缓冲层的厚度为1μm-6μm。
优选地，图形化的下电极制备步骤包括：在损伤的压电单晶晶圆的下表面涂覆光刻胶，采用图形化的掩膜版对光刻胶进行曝光、采用显影液显影，得到图形化的光刻胶掩膜，生长下电极，去除光刻胶，制备得到图形化的下电极，或在单晶薄膜层的下表面生长下电极，在下电极表面涂覆光刻胶，采用图形化的掩膜版对光刻胶进行曝光，显影液显影，得到图形化的光刻胶掩膜，对具有图形化的光刻胶掩膜的下电极进行刻蚀，去除光刻胶，得到图形化的下电极。
优选地，在图形化的下电极表面上生长牺牲层；在牺牲层表面涂覆光刻胶，采用图形化的掩膜版对光刻胶进行曝光，然后采用显影液显影，得到图形化的光刻胶掩膜，对图形化的光刻胶掩膜的牺牲层进行刻蚀，去除光刻胶，得到图形化的牺牲层。
优选地，应力缓冲层的制备方法包括在图形化的牺牲层下表面，用离子体增强化学气相沉积(PECVC)低温生长一定厚度的非晶硅、氧化硅，或在图形化的牺牲层下表面，旋涂一定厚度的聚合物，再固化，或在图形化的牺牲层下表面，用磁控溅射、电阻式蒸发或电子束沉积中任一方法生长金属。
优选地，键合层材质包括苯并环丁烯(BCB)、聚酰亚胺(PI)、硅倍半环氧乙烷(HSQ)、旋转涂布玻璃(SOG)、二氧化硅(SiO2)或氮化硅(Si3N4)中的至少一种；
上电极和下电极的材质均包括铝(Al)、钼(Mo)、铂(Pt)、金(Au)或钨(W)中任一；
牺牲层材质包括非晶硅或聚酰亚胺(PI)中的至少一种；
压电单晶晶圆材质包括石英、铌酸锂(LN)、钽酸锂(LT)、氮化铝(AlN)、氧化锌(ZnO)、钛酸钡(BaTiO3，BTO)、磷酸二氢钾(KH2PO4)或铌镁酸铅-钛酸铅(PMN-PT)中任一。
衬底的材质为Si、绝缘层上硅(SOI)、玻璃、铌酸锂(LN)或钽酸锂(LT)中任一。
优选地，键合层固化温度为150℃-500℃；固化时间为10min-600min；晶圆劈裂温度为180℃-400℃；晶圆劈裂时间为10min-600min。
优选地，高能量离子包括氢离子、氦离子、硼离子或砷离子中的一种；高能量离子的注入能量选用范围为100keV-1000keV；高能量离子的注入深度0.3μm-8.0μm。
本发明还包括一种空腔型体声波谐振器，基于如上述中任一所述的具有应力缓冲层的空腔型体声波谐振器的制备方法制得。
优选地，从上到下依次包括上电极、单晶薄膜层、下电极、应力缓冲层、键合层和衬底，其中，所述应力缓冲层上设有与所述上电极上、下对应设置的空腔。
本发明提供的一种具有应力缓冲层的空腔型体声波谐振器及其制备方法现有技术相比具有以下进步：
1、本发明设计的应力缓冲层的热膨胀系数可以介于键合层材料与单晶薄膜层材料之间，也可以大于或小于键合层材料与单晶薄膜层材料，从而对薄膜的热应力起到缓冲或补偿的作用，提高薄膜制备质量，避免薄膜开裂。
2、本发明根据压电单晶晶圆的种类选取适当的材料作为应力缓冲层，在键合过程中，应力缓冲层能够在单晶薄膜上产生压应力或张应力，且压应力或张应力的大小均可以通过应力缓冲层的厚度或者应力缓冲层材料的种类进行调节，确保单晶薄膜处在适当的应力状态下不发生开裂，以及适合需要通过应力调控薄膜性能的场合。
3、本发明提供的具有应力缓冲层的空腔型体声波谐振器的制备方法，当应力缓冲层采用金属材料时，既可以充当下电极，还可以对薄膜的热应力起到缓冲或补偿的作用，提高薄膜制备质量，避免薄膜开裂。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为实施例一中所述具有应力缓冲层的空腔型体声波谐振器的制备方法的步骤框图；
图2为实施例一中所述具有应力缓冲层的空腔型体声波谐振器的制备方法示意图；
图3为实施例一中所述具有应力缓冲层的空腔型体声波谐振器的制备方法示意图；
图4为实施例一中所述具有应力缓冲层的空腔型体声波谐振器的制备方法示意图；
图5为实施例一中所述具有应力缓冲层的空腔型体声波谐振器的制备方法示意图；
图6为实施例一中所述具有应力缓冲层的空腔型体声波谐振器的制备方法示意图；
图7为实施例一中所述具有应力缓冲层的空腔型体声波谐振器的制备方法示意图；
图8为实施例一中所述具有应力缓冲层的空腔型体声波谐振器的制备方法示意图；
图9为实施例一中所述具有应力缓冲层的空腔型体声波谐振器的制备方法示意图；
图10为实施例二中所述具有应力缓冲层的空腔型体声波谐振器的制备方法的步骤框图；
图11为实施例三中所述具有应力缓冲层的空腔型体声波谐振器的制备方法的步骤框图；
图12为实施例四中所述具有应力缓冲层的空腔型体声波谐振器的制备方法的步骤框图。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。
实施例一
如图1、图2、图3、图4、图5、图6、图7、图8、图9所示，一种具有应力缓冲层的空腔型体声波谐振器的制备方法，包括如下步骤：本实施例选用的压电单晶晶圆为铌酸锂压电单晶晶圆；
S1)从铌酸锂压电单晶晶圆的下表面注入高能量离子A，高能量离子A进入压电单晶晶圆内部形成损伤层8，将压电单晶晶圆分隔成上压电层9和单晶薄膜层1，得到损伤的压电单晶晶圆；优选地，高能量离子包括氢离子(优选正一价氢离子，H+)、氦离子(优选正一价氦离子，He+)、硼离子(优选正一价的硼离子，B+)或砷离子(优选正一价的砷离子，As+)中的一种；具体的，本实施例选用He+；高能量离子的注入能量选用范围为100kev-1000kev，具体的，本实施例选用高能量离子的注入能量为200kev；注入深度0.6μm。
S2)在损伤的铌酸锂压电单晶晶圆的下表面依次制备图形化的下电极2和图形化的牺牲层3；
其中，下电极可以选用铝(Al)、钼(Mo)、铂(Pt)、金(Au)或钨(W)中任一，具体的，本实施例选用Al作为下电极；
其中，牺牲层材材质包括非晶硅、聚酰亚胺(PI)中的至少一种；具体的，本实施例选用PI作为牺牲层；
本实施例的图形化的Al下电极制备步骤包括：在损伤的压电单晶晶圆下表面涂覆光刻胶，采用图形化的掩膜版对光刻胶进行曝光、显影液显影，得到图形化的光刻胶掩膜，在具有图形化光刻胶掩膜的损伤的压电单晶晶圆下表面生长金属铝，去除光刻胶，得到图形化的下电极；优选地，也可以采用在铌酸锂单晶薄膜层的下表面生长Al下电极，在Al下电极表面涂覆光刻胶，采用图形化的掩膜版对光刻胶进行曝光，显影液显影，得到图形化的光刻胶掩膜，对具有图形化的光刻胶掩膜的Al下电极进行刻蚀，去除光刻胶，得到图形化的下Al下电极。
本实施例中的图形化的牺牲层制备步骤包括：在图形化的Al下电极上生长PI牺牲层，在牺牲层的表面涂覆光刻胶，采用图形化的掩膜对光刻胶进行曝光，显影液显影，得到图形化的光刻胶掩膜，对具有图形化的光刻胶掩膜的牺牲层进行刻蚀，去除光刻胶，得到图形化的PI牺牲层3。
S3)在图形化的PI牺牲层3上制备热膨胀系数小于铌酸锂压电单晶晶圆热膨胀系数的应力缓冲层4；
其中，应力缓冲层4的热膨胀系数小于铌酸锂压电单晶晶圆的材料，应力缓冲层材料包括SiO2、Si3N4、非晶硅、聚合物或金属中任一。具体的本实施例选用SiO2做应力缓冲层，SiO2厚度；
S4)在应力缓冲层4上制备热膨胀系数大于铌酸锂压电单晶晶圆热膨胀系数的键合层5；其中，键合层5包括苯并环丁烯(BCB)、聚酰亚胺(PL)、硅倍半环氧乙烷(HSQ)、旋转涂布玻璃(SOG)、二氧化硅(SiO2)或氮化硅(Si3N4)中的至少一种；具体的本实施例选用苯并环丁烯(BCB)做键合层；
S5)将衬底6叠放于键合层5上，进行键合处理和晶圆劈裂处理，移除上压电层，在单晶薄膜上制备上电极7；
衬底的材质为硅(Si)、绝缘层上硅(SOI)、玻璃、铌酸锂(LN)或钽酸锂(LT)中任一；本实施例选用铌酸锂作为衬底；
其中，上电极可以选用铝(Al)、钼(Mo)、铂(Pt)、金(Au)或钨(W)中任一，具体的，本实施例选用Al作为上电极；
键合处理过程中的键合层固化温度为150℃-500℃；固化时间为10min-600min；本实施例为键合层固化温度为220℃；固化时间为30min；
晶圆劈裂温度为180℃-400℃；晶圆劈裂时间为10min-600min；本实施例中的晶圆劈裂温度220℃；晶圆劈裂时间为180min。
S6)在铌酸锂单晶薄膜层上表面开设图形化的牺牲层所需要的牺牲层释放孔11，可以根据具体情况，采用氩离子干法刻蚀，在铌酸锂单晶薄膜层上设置多个牺牲层释放孔，从牺牲层释放孔注入氢氧化钾(KOH)，去除牺牲层，得到具有应力缓冲层的空腔型体声波谐振器。
通过在铌酸锂单晶薄膜层和热膨胀系数大于铌酸锂单晶薄膜层的键合层间设置热膨胀系数均小于在铌酸锂单晶薄膜层和键合层的应力缓冲层，应力缓冲层起到了对铌酸锂单晶薄膜层张应力的保护。升温过程中，
由于BCB键合层未完全固化，此时BCB键合层对顶层LN薄膜材料不会产生热应力；BCB键合层在固化完成之后的降温过程中，BCB键合层的CTE远大于薄膜材料，对薄膜产生压应力，在BCB键合层与LN薄膜层之间设置应力氧化硅缓冲层，且氧化硅缓冲层材料的CTE小于LN单晶薄膜层的CTE，则氧化硅应力缓冲层由于在降温过程中的收缩速率小于LN单晶薄膜层，则会在LN单晶薄膜层上产生一个张应力，可以抵消BCB对单晶薄膜的应力作用，同时也且可通过调节氧化硅的厚度确保薄膜处在张应力状态下但是并不发生开裂，适合需要使用张应力薄膜的场合。
基于上述方法制备得到的一种空腔型体声波谐振器B1，从上到下依次包括上电极7、单晶薄膜层1、下电极2、应力缓冲层4、键合层5和衬底6，其中，应力缓冲层4上设有与上电极上、下对应设置的空腔10。
同时制备一个对比样品，即无应力缓冲层的空腔型体声波谐振器A1，制备方法同上，区别在于不制备应力缓冲层。
见表1，制备得到的A1的单晶薄膜层表面有裂纹；A1的电感的品质因数(Q值)为220。
B1添加应力缓冲层的空腔型体声波谐振器的单晶薄膜质量得到明显改善，没有裂纹和翘曲等破坏；B1的电感的品质因数值(Q值)2100。
实施例二
如图10所示，本实施例中的一种具有应力缓冲层的空腔型体声波谐振器的制备方法，包括如下步骤：本实施例选用的压电单晶晶圆为铌酸锂压电单晶晶圆；
S11)从铌酸锂压电单晶晶圆的下表面注入高能量离子，高能量离子进入压电单晶晶圆内部形成损伤层，将压电单晶晶圆分隔成上压电层和单晶薄膜层，得到损伤的压电单晶晶圆；高能量离子包括氢离子(优选正一价氢离子，H+)、氦离子(优选正一价氦离子，He+)、硼离子(优选正一价的硼离子，B+)或砷离子(优选正一价的砷离子，As+)中的一种；具体的，本实施例选用氦离子He+；高能量离子的注入能量选用范围为100kev-1000kev，具体的，本实施例选用高能量离子的注入能量为200kev；高能量离子的注入深度0.6μm。
S12)在损伤的铌酸锂压电单晶晶圆的下表面依次制备图形化的下电极和图形化的牺牲层；
其中，下电极可以选用铝(Al)、钼(Mo)、铂(Pt)、金(Au)或钨(W)中任一，具体的，本实施例选用Al作为下电极；
其中，牺牲层材质包括非晶硅、聚酰亚胺(PI)中的至少一种；具体的，本实施例选用PI作为牺牲层；
本实施例的图形化的下Al电极层制备步骤包括：在损伤的压电单晶晶圆下表面涂覆光刻胶，采用图形化的掩膜版对光刻胶进行曝光、显影液显影，得到图形化的光刻胶掩膜，在具有图形化光刻胶掩膜的损伤的压电单晶晶圆下表面生长金属铝，去除光刻胶，得到图形化的下电极；优选地，也可以采用在铌酸锂单晶薄膜层的下表面生长Al下电极，在Al下电极表面涂覆光刻胶，采用图形化的掩膜版对光刻胶进行曝光，显影液显影，得到图形化的光刻胶掩膜，对具有图形化的光刻胶掩膜的Al下电极进行刻蚀，去除光刻胶，得到图形化的下Al下电极。
本实施例中的图形化的牺牲层制备步骤包括：在图形化的Al下电极上生长PI牺牲层，在牺牲层的表面涂覆光刻胶，采用图形化的掩膜对光刻胶进行曝光，显影液显影，得到图形化的光刻胶掩膜，对具有图形化的光刻胶掩膜的牺牲层进行刻蚀，去除光刻胶，得到图形化的PI牺牲层。
S13)在图形化的PI牺牲层上制备热膨胀系数大于铌酸锂压电单晶晶圆热膨胀系数的应力缓冲层；
其中，应力缓冲层4的热膨胀系数大于铌酸锂压电单晶晶圆的材料，应力缓冲层材料包括SiO2、Si3N4、非晶硅、聚合物或金属中任一。具体的本实施例选用铝(Al)。
S14)在应力缓冲层上制备热膨胀系数大于应力缓冲层热膨胀系数的键合层；其中，键合层包括苯并环丁烯(BCB)、聚酰亚胺(PL)、硅倍半环氧乙烷(HSQ)、旋转涂布玻璃(SOG)、二氧化硅(SiO2)或氮化硅(Si3N4)中的至少一种；具体的本实施例选用苯并环丁烯(BCB)。
S15)将衬底叠放于键合层上，进行键合处理和晶圆劈裂处理，移除上压电层，在单晶薄膜上制备上电极；
衬底的材质为硅(Si)、绝缘层上硅(SOI)、玻璃、铌酸锂(LN)或钽酸锂(LT)中任一；本实施例选用铌酸锂作为衬底；
其中，上电极可以选用铝(Al)、钼(Mo)、铂(Pt)、金(Au)或钨(W)中任一，具体的，本实施例选用Al作为上电极；
键合处理过程中的键合层固化温度为150℃-500℃；固化时间为10min-600min；本实施例为键合层固化温度为220℃；固化时间为30min；
晶圆劈裂温度为180℃-400℃；晶圆劈裂时间为10min-600min；本实施例中的晶圆劈裂温度220℃；晶圆劈裂时间为180min。
S16)在铌酸锂单晶薄膜层上表面开设图形化的牺牲层所需要的牺牲层释放孔，可以根据具体情况，采用氩离子干法刻蚀，在铌酸锂单晶薄膜层上设置多个牺牲层释放孔，从牺牲层释放孔注入氢氧化钾(KOH)，去除牺牲层，得到具有应力缓冲层的空腔型体声波谐振器。
通过在铌酸锂单晶薄膜层和热膨胀系数大于铌酸锂单晶薄膜层的键合层间设置热膨胀系数大于铌酸锂单晶薄膜层和小于键合层的应力缓冲层，应力缓冲层起到了对铌酸锂单晶薄膜层压应力的保护。升温过程中，由于BCB键合层未完全固化，此时BCB键合层对顶层薄膜材料不会产生热应力；BCB键合层在固化完成之后的降温过程中，BCB键合层的CTE远大于薄膜材料，对薄膜产生压应力，此时可在键合层与薄膜层之间设置铝作为应力缓冲层，且铝的CTE介于BCB键合层热膨胀系数与LN单晶薄膜热膨胀系数之间。则铝应力缓冲层由于在降温过程中的收缩速率小于BCB键合层且大于LN单晶薄膜层的收缩率，则会在LN单晶薄膜上产生一个压应力，可抵消BCB对单晶薄膜的应力作用，该压应力可以通过铝应力缓冲层的厚度进行调节，确保薄膜处在压应力状态下但是并不发生开裂，适合需要使用压应力薄膜的场合。
基于上述方法制备得到的一种空腔型体声波谐振器B2，从上到下依次包括上电极、单晶薄膜层、下电极、应力缓冲层、键合层和衬底，其中，应力缓冲层上设有与上电极上、下对应设置的空腔。
见表1，B2添加应力缓冲层的空腔型体声波谐振器的薄膜质量得到明显改善，没有裂纹和翘曲等破坏；B2的电感的品质因数值(Q值)1800。
实施例三
如图11所示，本实施例中的一种具有应力缓冲层的空腔型体声波谐振器的制备方法，包括如下步骤：本实施例选用的压电单晶晶圆为铌酸锂压电单晶晶圆；
S21)从铌酸锂压电单晶晶圆的下表面注入高能量离子，高能量离子进入压电单晶晶圆内部形成损伤层，将压电单晶晶圆分隔成上压电层9和单晶薄膜层1，得到损伤的压电单晶晶圆；高能量离子包括氢离子(优选正一价氢离子，H+)、氦离子(优选正一价氦离子，He+)、硼离子(优选正一价的硼离子，B+)或砷离子(优选正一价的砷离子，As+)中的一种；具体的，本实施例选用He+；高能量离子的注入能量选用范围为100kev-1000kev，具体的，本实施例选用高能量离子的注入能量为200kev；高能量离子的注入深度0.6μm。
S22)在损伤的铌酸锂压电单晶晶圆的下表面依次制备图形化的下电极2和图形化的牺牲层；
其中，下电极可以选用铝(Al)、钼(Mo)、铂(Pt)、金(Au)或钨(W)中任一，具体的，本实施例选用Al作为下电极；
其中，牺牲层材质包括非晶硅、聚酰亚胺(PI)中的至少一种；具体的，本实施例选用PI作为牺牲层；
本实施例的图形化的下Al电极层制备步骤包括：在损伤的压电单晶晶圆下表面涂覆光刻胶，采用图形化的掩膜版对光刻胶进行曝光、显影液显影，得到图形化的光刻胶掩膜，在具有图形化光刻胶掩膜的损伤的压电单晶晶圆下表面生长金属铝，去除光刻胶，得到图形化的下电极；优选地，也可以采用在铌酸锂单晶薄膜层的下表面生长Al下电极，在Al下电极表面涂覆光刻胶，采用图形化的掩膜版对光刻胶进行曝光，显影液显影，得到图形化的光刻胶掩膜，对具有图形化的光刻胶掩膜的Al下电极进行刻蚀，去除光刻胶，得到图形化的下Al下电极。
本实施例中的图形化的牺牲层制备步骤包括：在图形化的Al下电极上生长PI牺牲层，在牺牲层的表面涂覆光刻胶，采用图形化的掩膜对光刻胶进行曝光，显影液显影，得到图形化的光刻胶掩膜，对具有图形化的光刻胶掩膜的牺牲层进行刻蚀，去除光刻胶，得到图形化的PI牺牲层。
S23)在图形化的PI牺牲层上制备热膨胀系数大于铌酸锂压电单晶晶圆热膨胀系数的应力缓冲层；
其中，应力缓冲层的热膨胀系数小于铌酸锂压电单晶晶圆的材料，应力缓冲层材料包括SiO2、Si3N4、非晶硅、聚合物中任一。具体的本实施例选用钼。
S24)在应力缓冲层上制备热膨胀系数小于应力缓冲层热膨胀系数的键合层；其中，键合层包括苯并环丁烯(BCB)、聚酰亚胺(PL)、硅倍半环氧乙烷(HSQ)、旋转涂布玻璃(SOG)、二氧化硅(SiO2)或氮化硅(Si3N4)中的至少一种；具体的本实施例选用二氧化硅。
S25)将衬底叠放于键合层上，进行键合处理和晶圆劈裂处理，移除上压电层，在单晶薄膜上制备上电极；
衬底的材质为硅(Si)、绝缘层上硅(SOI)、玻璃、铌酸锂(LN)或钽酸锂(LT)中任一；本实施例选用Si；
其中，上电极可以选用铝(Al)、钼(Mo)、铂(Pt)、金(Au)或钨(W)中任一，具体的，本实施例选用Al作为上电极；
键合处理过程中的键合层固化温度为150℃-500℃；固化时间为10min-600min；本实施例为键合层固化温度为220℃；固化时间为30min；
晶圆劈裂温度为180℃-400℃；晶圆劈裂时间为10min-600min；本实施例中的晶圆劈裂温度220℃；晶圆劈裂时间为180min。
S26)在铌酸锂单晶薄膜层上表面开设图形化的牺牲层所需要的牺牲层释放孔，可以根据具体情况，采用氩离子干法刻蚀，在铌酸锂单晶薄膜层上设置多个牺牲层释放孔，从牺牲层释放孔注入氢氧化钾(KOH)，去除牺牲层，得到具有应力缓冲层的空腔型体声波谐振器。
通过，在铌酸锂单晶薄膜层和热膨胀系数小于铌酸锂单晶薄膜层的键合层间设置热膨胀系数小于铌酸锂单晶薄膜层和大于键合层的应力缓冲层，应力缓冲层起到了对铌酸锂单晶薄膜层张应力的保护。
在本实施例中，氮化硅的热膨胀系数小于铌酸锂单晶薄膜但大于键合层二氧化硅，当键合处理时，由于键合层的热膨胀系数小于铌酸锂单晶薄膜，在降温过程中，键合层的收缩程度小于铌酸锂薄膜，就会对薄膜有一个张应力，造成薄膜破坏，因此添加热膨胀系数大于键合层的缓冲层，一定程度上减小键合层对铌酸锂薄膜的张应力，，对铌酸锂薄膜起到张应力的保护；升温过程中，由于氧化硅键合层未完全固化，此时氧化硅键合层对顶层薄膜材料不会产生热应力；氧化硅键合层在固化完成之后的降温过程中，氧化硅键合层的CTE远小于LN薄膜材料，在LN单晶薄膜表面产生张应力，此时在氧化硅键合层与LN单晶薄膜层之间设置钼应力缓冲层，且该钼应力缓冲层的CTE介于氧化硅键合层与LN单晶薄膜层的CTE之间,则钼应力缓冲层由于在降温过程中的收缩速率大于氧化硅键合层且小于LN单晶薄膜层收缩率，则会在LN单晶薄膜层上产生一个张应力，减弱氧化硅反对铌酸锂压电单晶薄膜应力作用，且该张应力可以通过钼应力缓冲层的厚度进行调节，确保薄膜处在压张应力状态下但是并不发生开裂，适合需要使用张应力薄膜的场合。
基于上述方法制备得到的一种空腔型体声波谐振器B3，从上到下依次包括上电极、单晶薄膜层、下电极、应力缓冲层、键合层和衬底，其中，应力缓冲层上设有与上电极上、下对应设置的空腔。
基于上述方法制备A2,其中A2不制备应力缓冲层，得到的A1的品质因数值(Q值)200。
见表1，B3添加应力缓冲层的空腔型体声波谐振器的薄膜质量得到明显改善，没有裂纹和翘曲等破坏；B3的电感的品质因数值(Q值)2000。
实施例四
如图12所示，本实施例中的一种具有应力缓冲层的空腔型体声波谐振器的制备方法，包括如下步骤：本实施例选用的压电单晶晶圆为铌酸锂压电单晶晶圆；
S31)从铌酸锂压电单晶晶圆的下表面注入高能量离子，高能量离子进入压电单晶晶圆内部形成损伤层，将压电单晶晶圆分隔成上压电层和单晶薄膜层，得到损伤的压电单晶晶圆；高能量离子包括氢离子(优选正一价氢离子，H+)、氦离子(优选正一价氦离子，He+)、硼离子(优选正一价的硼离子，B+)或砷离子(优选正一价的砷离子，As+)中的一种；具体的，本实施例选用氦离子He+；高能量离子的注入能量选用范围为100keV-1000keV，具体的，本实施例选用高能量离子的注入能量为1000keV；高能量离子的注入深度0.6μm。
S32)在损伤的铌酸锂压电单晶晶圆的下表面依次制备图形化的下电极2和图形化的牺牲层；
其中，下电极可以选用铝(Al)、钼(Mo)、铂(Pt)、金(Au)或钨(W)中任一，具体的，本实施例选用Al作为下电极；
其中，牺牲层材质包括非晶硅、聚酰亚胺(PI)中的至少一种；具体的，本实施例选用PI作为牺牲层；
本实施例的图形化的下Al电极层制备步骤包括：
在损伤的压电单晶晶圆下表面涂覆光刻胶，采用图形化的掩膜版对光刻胶进行曝光、显影液显影，得到图形化的光刻胶掩膜，在具有图形化光刻胶掩膜的损伤的压电单晶晶圆下表面生长金属铝，去除光刻胶，得到图形化的下电极；优选地，也可以采用在铌酸锂单晶薄膜层的下表面生长Al下电极，在Al下电极表面涂覆光刻胶，采用图形化的掩膜版对光刻胶进行曝光，显影液显影，得到图形化的光刻胶掩膜，对具有图形化的光刻胶掩膜的Al下电极进行刻蚀，去除光刻胶，得到图形化的下Al下电极。
本实施例中的图形化的牺牲层制备步骤包括：在图形化的Al下电极上生长PI牺牲层，在牺牲层的表面涂覆光刻胶，采用图形化的掩膜对光刻胶进行曝光，显影液显影，得到图形化的光刻胶掩膜，对具有图形化的光刻胶掩膜的牺牲层进行刻蚀，去除光刻胶，得到图形化的PI牺牲层。
S33)在图形化的PI牺牲层上制备热膨胀系数大于铌酸锂压电单晶晶圆热膨胀系数的应力缓冲层；
其中，应力缓冲层4的热膨胀系数大于铌酸锂压电单晶晶圆的材料，应力缓冲层材料包括SiO2、Si3N4、非晶硅、聚合物或金属中任一。具体的本实施例选用铝。
S34)在应力缓冲层上制备热膨胀系数小于铌酸锂压电单晶晶圆和应力缓冲层的热膨胀系数的键合层；其中，键合层包括苯并环丁烯(BCB)、聚酰亚胺(PL)、硅倍半环氧乙烷(HSQ)、旋转涂布玻璃(SOG)、二氧化硅(SiO2)或氮化硅(Si3N4)中的至少一种；具体的本实施例选用二氧化硅。
S35)将衬底叠放于键合层上，进行键合处理和晶圆劈裂处理，移除上压电层，在单晶薄膜上制备上电极；
衬底的材质为硅(Si)、绝缘层上硅(SOI)、玻璃、铌酸锂(LN)或钽酸锂(LT)中任一；本实施例选用Si；
其中，上电极可以选用铝(Al)、钼(Mo)、铂(Pt)、金(Au)或钨(W)中任一，具体的，本实施例选用Al作为上电极；
键合处理过程中的键合层固化温度为150℃-500℃；固化时间为10min-600min；本实施例为键合层固化温度为220℃；固化时间为30min；
晶圆劈裂温度为180℃-400℃；晶圆劈裂时间为10min-600min；本实施例中的晶圆劈裂温度220℃；晶圆劈裂时间为180min。
S36)在铌酸锂单晶薄膜层上表面开设图形化的牺牲层所需要的牺牲层释放孔，可以根据具体情况，采用氩离子干法刻蚀，在铌酸锂单晶薄膜层上设置多个牺牲层释放孔，从牺牲层释放孔注入氢氧化钾(KOH)，去除牺牲层，得到具有应力缓冲层的空腔型体声波谐振器。通过，在铌酸锂单晶薄膜层和热膨胀系数小于铌酸锂单晶薄膜层的键合层间设置热膨胀系数大于铌酸锂单晶薄膜层和大于键合层的应力缓冲层，应力缓冲层起到了对铌酸锂单晶薄膜层张应力的保护。
在本实施例中，聚合物的热膨胀系数大于铌酸锂单晶薄膜但小于键合层苯并环丁烯，当键合处理时，由于键合层的热膨胀系数小于铌酸锂单晶薄膜，在降温过程中，键合层的收缩程度小于铌酸锂薄膜，对薄膜产生一个张应力，造成薄膜破坏，因此添加热膨胀系数大于键合层的缓冲层，当缓冲层的厚度达到一定值时可以正好抵消键合层对铌酸锂薄膜的张应力，因而使是对铌酸锂薄膜起到张应力的保护；升温过程中，由于氧化硅键合层未完全固化，此时氧化硅键合层对顶层薄膜材料不会产生热应力；氧化硅键合层在固化完成之后的降温过程中，氧化硅键合层的CTE远小于LN单晶薄膜的CTE，氧化硅键合层的固化会对LN单晶薄膜产生张应力，此时在氧化硅键合层与LN单晶薄膜层之间设置铝应力缓冲层，且铝应力缓冲层的CTE大于LN单晶薄膜层的CTE,则铝应力缓冲层由于在降温过程中的收缩速率大于LN单晶薄膜层，则会在单晶薄膜层上产生一个压应力，可相互抵消氧化硅键合层对LN单晶薄膜的应力作用；且该压应力可以通过铝应力缓冲层的厚度进行调节，并与氧化硅键合层施加的张应力达到相互平衡，可使薄膜应力趋于零，适合需要使用低应力薄膜的场合。
基于上述方法制备得到的一种空腔型体声波谐振器B4，从上到下依次包括上电极、单晶薄膜层、下电极、应力缓冲层、键合层和衬底，其中，应力缓冲层上设有与上电极上、下对应设置的空腔。
见表1，B4添加应力缓冲层的空腔型体声波谐振器的薄膜质量得到明显改善，没有裂纹和翘曲等破坏；B4的电感的品质因数值(Q值)2200。
表1空腔型体声波谐振器物理性能
由技术常识可知，本发明可以通过其它的不脱离其精神实质或必要特征的实施方案来实现。因此，上述公开的实施方案，就各方面而言，都只是举例说明，并不是仅有的。所有在本发明范围内或在等同于本发明的范围内的改变均被本发明包含。
Claims (10)
1.一种具有应力缓冲层的空腔型体声波谐振器的制备方法，其特征在于：包括如下步骤：
从压电单晶晶圆下表面注入高能量离子，高能量离子进入压电单晶晶圆内部形成损伤层，将压电单晶晶圆分隔成上压电层和单晶薄膜层，得到损伤的压电单晶晶圆；
在损伤的压电单晶晶圆的下表面依次制备图形化的下电极和图形化的牺牲层；
在图形化的牺牲层上制备热膨胀系数小于压电单晶晶圆热膨胀系数的应力缓冲层；
在应力缓冲层上制备热膨胀系数大于压电单晶晶圆热膨胀系数的键合层；
将衬底叠放于键合层上，进行键合处理和晶圆劈裂处理，移除上压电层，在单晶薄膜上制备上电极；
在单晶薄膜层上表面开设图形化的牺牲层所需要的牺牲层释放孔，释放牺牲层，得到具有应力缓冲层的空腔型体声波谐振器；或者
从压电单晶晶圆下表面注入高能量离子，高能量离子进入压电单晶晶圆内部形成损伤层，将压电单晶晶圆分隔成上压电层和单晶薄膜层，得到损伤的压电单晶晶圆；
在损伤的压电单晶晶圆的下表面依次制备图形化的下电极和图形化的牺牲层；
在图形化的牺牲层上制备热膨胀系数大于压电单晶晶圆热膨胀系数的应力缓冲层；
在应力缓冲层上制备热膨胀系数均大于应力缓冲层热膨胀系数的键合层；
将衬底叠放于键合层上，进行键合处理和晶圆劈裂处理，移除上压电层，在单晶薄膜上制备上电极；
在单晶薄膜层上表面开设图形化的牺牲层所需要的牺牲层释放孔，释放牺牲层，得到具有应力缓冲层的空腔型体声波谐振器；或者
从压电单晶晶圆下表面注入高能量离子，高能量离子进入压电单晶晶圆内部形成损伤层，将压电单晶晶圆分隔成上压电层和单晶薄膜层，得到损伤的压电单晶晶圆；
在损伤的压电单晶晶圆的下表面依次制备图形化的下电极和图形化的牺牲层；
在图形化的牺牲层上制备热膨胀系数小于压电单晶晶圆热膨胀系数的应力缓冲层；
在应力缓冲层上制备热膨胀系数均小于应力缓冲层热膨胀系数的键合层；
将衬底叠放于键合层上，进行键合处理和晶圆劈裂处理，移除上压电层，在单晶薄膜上制备上电极；
在单晶薄膜层上表面开设图形化的牺牲层所需要的牺牲层释放孔，释放牺牲层，得到具有应力缓冲层的空腔型体声波谐振器；或者
从压电单晶晶圆下表面注入高能量离子，高能量离子进入压电单晶晶圆内部形成损伤层，将压电单晶晶圆分隔成上压电层和单晶薄膜层，得到损伤的压电单晶晶圆；
在损伤的压电单晶晶圆的下表面依次制备图形化的下电极和图形化的牺牲层；
在图形化的牺牲层上制备热膨胀系数大于压电单晶晶圆热膨胀系数的应力缓冲层；
在应力缓冲层上制备热膨胀系数均小于压电单晶晶圆的热膨胀系数的键合层；
将衬底叠放于键合层上，进行键合处理和晶圆劈裂处理，移除上压电层，在单晶薄膜上制备上电极；
在单晶薄膜层上表面开设图形化的牺牲层所需要的牺牲层释放孔，释放牺牲层，得到具有应力缓冲层的空腔体声波谐振器；
所述应力缓冲层与单晶薄膜层接触。
2.根据权利要求1所述的具有应力缓冲层的空腔型体声波谐振器的制备方法，其特征在于：应力缓冲层的材质为SiO2、Si3N4、非晶硅、金属或聚合物中任一。
3.根据权利要求2所述的具有应力缓冲层的空腔型体声波谐振器的制备方法，其特征在于：应力缓冲层的厚度为0.05μm-6μm。
4.根据权利要求3所述的具有应力缓冲层的空腔型体声波谐振器的制备方法，其特征在于：图形化的下电极制备步骤包括：在损伤的压电单晶晶圆的下表面涂覆光刻胶，采用图形化的掩膜版对光刻胶进行曝光、采用显影液显影，得到图形化的光刻胶掩膜，生长下电极，去除光刻胶，制备得到图形化的下电极，或在单晶薄膜层的下表面生长下电极，在下电极表面涂覆光刻胶，采用图形化的掩膜版对光刻胶进行曝光，显影液显影，得到图形化的光刻胶掩膜，对具有图形化的光刻胶掩膜的下电极进行刻蚀，去除光刻胶，得到图形化的下电极。
5.根据权利要求4所述的具有应力缓冲层的空腔型体声波谐振器的制备方法，其特征在于：在图形化的下电极表面上生长牺牲层；在牺牲层表面涂覆光刻胶，采用图形化的掩膜版对光刻胶进行曝光，然后采用显影液显影，得到图形化的光刻胶掩膜，对图形化的光刻胶掩膜的牺牲层进行刻蚀，去除光刻胶，得到图形化的牺牲层。
6.根据权利要求5所述的具有应力缓冲层的空腔型体声波谐振器的制备方法，其特征在于：应力缓冲层的制备方法包括在图形化的牺牲层下表面，用等离子体增强化学气相沉积（PECVD）低温生长一定厚度的非晶硅、氧化硅，或在图形化的牺牲层下表面，旋涂一定厚度的聚合物，再固化，或在图形化的牺牲层下表面，用磁控溅射、电阻式蒸发或电子束沉积中任一生长金属。
7.根据权利要求6所述的具有应力缓冲层的空腔型体声波谐振器的制备方法，其特征在于：键合层材质包括苯并环丁烯（BCB）、聚酰亚胺（PI）、硅倍半环氧乙烷（HSQ）、旋转涂布玻璃（SOG）、二氧化硅（SiO2）或氮化硅（Si3N4）中的至少一种；
上电极和下电极的材质均包括铝（Al）、钼（Mo）、铂（Pt）、金（Au）或钨（W）中任一；
牺牲层材质包括非晶硅或聚酰亚胺（PI）中的至少一种；
压电单晶晶圆材质包括石英、铌酸锂（LN）、钽酸锂（LT）、氮化铝（AlN）、氧化锌（ZnO）、钛酸钡（BaTiO3，BTO）、磷酸二氢钾（KH2PO4）或铌镁酸铅-钛酸铅（PMN-PT）中任一；
衬底的材质为Si、绝缘层上硅（SOI）、玻璃、铌酸锂（LN）或钽酸锂（LT）中任一。
8.根据权利要求7所述的具有应力缓冲层的空腔型体声波谐振器的制备方法，其特征在于：键合层固化温度为150℃-500℃；固化时间为10min-600min；晶圆劈裂温度为180℃-400℃；晶圆劈裂时间为10min-600min。
9.根据权利要求8所述的具有应力缓冲层的空腔型体声波谐振器的制备方法，其特征在于：高能量离子包括氢离子、氦离子、硼离子或砷离子中的一种；高能量离子的注入能量选用范围为100kev-1000kev；高能量离子的注入深度0.3μm-8.0μm。
10.一种空腔型体声波谐振器，其特征在于：基于如权利要求1-9中任一所述的具有应力缓冲层的空腔型体声波谐振器的制备方法制得。
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