CN110224685B - 一种单晶薄膜体声波滤波器及其微细加工方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种单晶薄膜体声波滤波器的微细加工方法，包括如下步骤：采用晶圆键合转移方法制备单晶压电薄膜材料，所述单晶压电薄膜材料包括自上而下依次设置的表面损伤层、表面粗糙层、频率调控层、压电层，去除所述表面损伤层，去除所述表面粗糙层，调节所述频率调控层的厚度，即可。本发明所述的单晶薄膜体声波滤波器的微细加工方法，实现了对单晶压电薄膜结构的厚度以及表面形貌的精准控制，从而使得在提高单晶压电薄膜的结构与压电性能的同时，也实现对单晶薄膜体声波滤波器频率的精确控制，最终实现对薄膜体声波滤波器的中心频率的精准调频。
Description
技术领域
本发明属于单晶薄膜器件的加工领域，具体而言，本发明涉及一种单晶薄膜体声波滤波器及其微细加工方法。
背景技术
薄膜体声波谐振器(Film Bulk Acoustic Wave Resonator,FBAR)，是单晶薄膜器件。目前，薄膜体声波滤波器因谐振频率高、品质因数高、便于集成等优点已成为射频前端器件中的研究热点。薄膜体声波谐振器通过压电薄膜的逆压电效应将电能量转换成声波从而形成谐振，其谐振腔以压电薄膜作为支撑，是一个压电薄膜夹在两金属电极间的三明治结构，其谐振频率主要与压电薄膜厚度成反比，也与三明治结构其他各层特性和厚度有关，理想的全反射状态是三明治结构的谐振腔两面都是空气。目前主流的FBAR器件结构包括空腔型和布拉格反射层结构，其中制备高质量压电薄膜材料是薄膜体声波滤波器的关键。
目前基于晶圆键合转移技术制备的单晶压电薄膜主要存在的问题在于表面存在由离子注入引入的表面损伤层以及薄膜剥离过程及去除损伤后带来的表面粗糙层，这将大大降低压电薄膜的压电性能。此外现有的薄膜体声波滤波器的频率调控技术，主要是根据设计需求在压电薄膜上再沉积一定厚度的频率修调层，并通过对频率修调层的处理来实现频率调节，这增加了一定的工艺复杂度。例如，中国专利文献CN104242864A中公开了一种有温度补偿和谐振频率修调功能的FBAR及滤波器，其压电薄膜材料是溅射法生长的AlN压电薄膜，确立了在AlN薄膜上沉积温度补偿层及频率修调层，并采用干法刻蚀的方式精确调节AlN薄膜厚度进而实现对薄膜体声波滤波器中心频率的调控。但是，由于键合转移薄膜的制备工艺特点使得薄膜存在离子注入导致的表面损伤层和剥离过程中产生的表面粗糙层，与溅射生长薄膜的厚度可以通过控制沉积速率和时间控制不同，转移薄膜的厚度主要由离子注入能量决定，难以灵活控制薄膜的厚度；采用化学机械抛光等方法减薄键合转移薄膜时，存在减薄效率低、键合层强度降低并引入应力造成薄膜损坏等问题。
发明内容
本发明提供了一种单晶薄膜体声波滤波器及其微细加工方法，以解决现有技术中基于晶圆键合转移技术制备的单晶压电薄膜时，转移薄膜的厚度难以灵活控制，且采用化学机械抛光等方法减薄键合转移薄膜时，减薄效率低、键合层强度降低、会引入应力的技术问题。
为了解决上述问题，本发明提供了一种单晶薄膜体声波滤波器的微细加工方法，包括如下步骤：
(1)采用晶圆键合转移方法制备单晶压电薄膜材料，所述单晶压电薄膜材料包括自上而下依次设置的表面损伤层、表面粗糙层、频率调控层、压电层；
(2)取步骤(1)中得到的所述单晶压电薄膜材料，去除所述表面损伤层；
(3)取步骤(2)中得到的所述单晶压电薄膜材料，去除所述表面粗糙层；
(4)取步骤(3)中得到的所述单晶压电薄膜材料，调节所述频率调控层的厚度，即可。
优选地，步骤(1)中，所述晶圆键合转移方法具体包括如下步骤：取经过离子注入的单晶压电晶圆，在单晶压电晶圆的注入面或/和衬底一侧表面制备键合层，将制备有键合层的所述单晶压电晶圆与衬底进行键合，将键合至所述衬底的所述单晶压电晶圆进行退火，使所述单晶压电晶圆沿注入离子产生的损伤层产生劈裂，得到单晶压电薄膜材料。
优选地，所述单晶压电晶圆为石英、铌酸锂、钽酸锂、氮化铝、氧化锌、钛酸钡、磷酸二氢钾、铌镁酸铅中的一种；
所述单晶压电晶圆注入的离子为H离子、He离子、B离子、As离子中的一种或多种；注入离子的能量为100KeV-2000KeV；注入剂量为2-8×1016/cm2；离子束流为0.1-10μA/cm-2；注入深度为0.3-5μm；
优选地，单晶压电晶圆为铌酸锂，注入离子为He离子，注入能量为500KeV，注入的离子最大浓度深度为1300-1500nm，得到的所述表面损伤层为150-155nm；
注入能量为700KeV，注入的离子最大浓度深度为1700-1900nm，得到的所述表面损伤层为155-160nm；
注入能量为1000KeV，注入的离子最大浓度深度为2300-2600nm，得到的所述表面损伤层为165-170nm。
优选地，步骤(2)中，采用Ar+刻蚀法去除所述表面损伤层；具体包括如下步骤：将所述单晶压电薄膜材料置于工作腔体内，根据仿真所得表面损伤层的厚度和刻蚀速率设置合适的束流电压、束流电流以及加速电压对所述单晶压电薄膜材料表面进行刻蚀。
其中，刻蚀速率为2nm/min-30nm/min；刻蚀的加速电压为20V-500V；刻蚀的束流电压为100V-1100V；
优选地，当所述表面损伤层的厚度为150-155nm时，刻蚀速率为2nm/min-15nm/min，刻蚀的加速电压为20V-100V，刻蚀的束流电压为100V-500V；
当所述表面损伤层的厚度为155-160nm时，刻蚀速率为2nm/min-20nm/min，刻蚀的加速电压为20V-120V，刻蚀的束流电压为100V-600V；
当所述表面损伤层的厚度为165-170nm时，刻蚀速率为2nm/min-25nm/min，刻蚀的加速电压为20V-140V，刻蚀的束流电压为100V-700V。
优选地，步骤(3)中，采用Ar+刻蚀法去除所述表面粗糙层，具体包括如下步骤：将去除表面损伤层的压电薄膜置于工作腔体内，根据压电薄膜原始的表面粗糙度，选择相对较小的合适的束流电压、束流电流以及加速电压进一步降低压电薄膜表面的粗糙度；
其中，刻蚀速率为2nm/min-20nm/min；刻蚀的加速的电压为20V-120V；刻蚀的束流电压为100V-600V；
优选地，当所述表面损伤层去除后的表面粗糙度为10-15nm时，刻蚀速率为2nm/min-10nm/min，刻蚀的加速电压为20V-80V，刻蚀的束流电压为100V-400V，刻蚀后的表面粗糙度为3-6nm；
当所述表面损伤层去除后的表面粗糙度为13-18nm，刻蚀速率为2nm/min-15nm/min，刻蚀的加速电压为20V-100V，刻蚀的束流电压为100V-500V，刻蚀后的表面粗糙度为3-9nm；
当所述表面损伤层去除后的表面粗糙度为15-20nm，刻蚀速率为2nm/min-20nm/min，刻蚀的加速电压为20V-120V，刻蚀的束流电压为100V-600V，刻蚀后的表面粗糙度为4-10nm。
优选地，步骤(4)中，根据所述单晶薄膜体声波滤波器的工作范围所确定的所述压电层与所述频率调控层的厚度之和，采用Ar+刻蚀法调节所述频率调控层的厚度。优选地，具体包括如下步骤：将降低了表面粗糙度的单晶压电薄膜置于工作腔体内，根据薄膜体声波谐振器特定频率所确定的压电薄膜的厚度，从而确定刻蚀速率以及刻蚀参数，包括束流电压、束流电流以及加速电压。
优选地，当所述的单晶薄膜体声波滤波器的工作范围为3000-4000MHz时，调节的所述频率调控层的厚度为50-200nm，所述压电层与所述频率调控层的厚度之和为900-1400nm；其刻蚀速率为2nm/min-5nm/min，束流电压为100V-300V，束流电流为2mA-12mA，加速电压为20V-60V。
当所述的单晶薄膜体声波滤波器的工作范围为2000-3000MHz时，调节后的所述频率调控层的厚度为50-200nm，所述压电层与所述频率调控层的厚度之和为1200-1800nm；其刻蚀速率为3nm/min-10nm/min，束流电压为200V-400V，束流电流为3mA-20mA，加速电压为30V-80V。
当所述的单晶薄膜体声波滤波器的工作范围为1500-2500MHz时，调节后的所述频率调控层的厚度为50-200nm，所述压电层与所述频率调控层的厚度之和为1400-2500nm。其刻蚀速率为2nm/min-10nm/min，束流电压为100V-400V，束流电流为2mA-20mA，加速电压为20V-80V。
本发明还提供一种单晶薄膜体声波滤波器的制备方法，由所述的单晶薄膜体声波滤波器的微细加工方法制备得到。
优选地，步骤(4)中，调节所述频率调控层的厚度包括如下步骤：取步骤(3)中得到的所述单晶压电薄膜材料，图形化所述频率调控层；
优选地，将在所述频率调控层的表面采用负光刻胶对多个频率调控层以外的区域进行掩膜制备，并分别对多个所述频率调控层的厚度进行调节，得到多个厚度的层块，分隔的多个厚度的所述层块构成所述薄膜体声波滤波器所需的单晶压电薄膜层；
优选地，当所述滤波器的中心频率为3500MHz时，所述单晶薄膜体声波滤波器的工作范围为3000-4000MHz，所述压电层与所述频率调控层的厚度之和为900-1500nm；
当所述滤波器的中心频率为2750MHz时，所述单晶薄膜体声波滤波器的工作范围为2500-3000MHz，所述压电层与所述频率调控层的厚度之和为1100-1700nm；
当所述滤波器的中心频率为2000MHz时，所述单晶薄膜体声波滤波器的工作范围为1500-2500MHz，所述压电层与所述频率调控层的厚度之和为1300-2600nm。
本发明还提供一种单晶薄膜体声波滤波器，包括基于FBAR结构设置的下电极、在所述下电极上设置的压电层、在所述压电层上设置的频率调控层、在所述频率调控层上设置的上电极；
优选地，所述单晶薄膜体声波滤波器通过如下方式制得：将自上而下依次设置有表面损伤层、表面粗糙层、频率调控层、压电层的单晶压电薄膜材料，去除所述表面损伤层、去除所述表面粗糙层、调节所述频率调控层的厚度。
本发明还提供一种单晶薄膜体声波滤波器，由所述的单晶薄膜体声波滤波器的微细加工方法制备得到。
本发明还提供一种滤波器，包括基于FBAR结构设置的下电极、在所述下电极上设置的压电层、在所述压电层上设置的频率调控层、在所述频率调控层上设置的上电极；
优选地，所述滤波器通过如下方式制得：将自上而下依次设置有表面损伤层、表面粗糙层、频率调控层、压电层的单晶压电薄膜材料，去除所述表面损伤层、去除所述表面粗糙层、调节所述频率调控层的厚度；
优选地，所述频率调控层为多个，所述频率调控层由掩膜外的其他区域形成的多个厚度的层块构成。
本发明还提供一种滤波器，由所述的单晶薄膜体声波滤波器制备方法得到。
与现有技术相比，本发明的优点和有益效果在于：
本发明所述的单晶薄膜体声波滤波器及其微细加工方法，针对晶圆键合转移技术制备的单晶压电薄膜，选择Ar离子刻蚀对键合转移薄膜进行微细加工，通过分步控制干法刻蚀过程中Ar离子的能量和剂量，通过建立成体系刻蚀速率、表面形貌与Ar+离子的能量(加速电压)及剂量(束流电压)之间的关系曲线，建立刻蚀速率、表面形貌分别与加速电压(控制能量)和束流电压(控制剂量)之间的关系，在此基础上，能够针对压电薄膜表面结构层的厚度选择刻蚀参数，从而精确且灵活地对压电薄膜每层结构进行调控，根据再分步分层选择合适工艺参数进行刻蚀，分别实现键合转移薄膜的损伤层去除、表面平坦化以及厚度的精确控制；通过本发明所述的单晶薄膜体声波滤波器及其微细加工方法可以去除键合转移薄膜的表面损伤层，提高材料的电学性能，降低薄膜表面粗糙度提高器件一致性，并通过对薄膜厚度的精确调控实现薄膜体声波滤波器频率的调控，相较于目前生长频率修调层结构而再进行干法刻蚀的工艺，本发明的加工工艺不仅大大降低工艺复杂度，而且频率调控的精度较高。
附图说明
图1为实施例1中的步骤(1)中所述单晶压电薄膜材料的结构示意图。
图2为实施例1中的步骤(2)中去除表面损伤层后的结构示意图。
图3为实施例1中的步骤(3)中去除表面粗糙层后的结构示意图。
图4为实施例1中的步骤(4)中调节所述频率调控层厚度后的结构示意图。
图5为实施例4中的步骤(4)中在所述频率调控层上制备掩膜后的结构示意图。
图6为图5所示的所述频率调控层上制备掩膜后的俯视方向的结构示意图。
图7为实施例4中的步骤(4)中分别调节所述频率调控层厚度的结构示意图。
图8为图7所示的分别调节所述频率调控层厚度的俯视方向的结构示意图。
图中，1-衬底；2-下电极；3-压电层；4-频率调控层；5-表面粗糙层；6-表面损伤层；7-掩膜。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅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。
需要说明的是，本发明各实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市购获得的常规产品。不同厂家、型号的原料并不影响本发明技术方案的实施及技术效果的实现。
实施例1
本实施例的单晶薄膜体声波滤波器的微细加工方法，包括如下步骤：
(1)采用晶圆键合转移方法制备单晶压电薄膜材料，如图1所示，所述单晶压电薄膜材料包括自上而下依次设置的表面损伤层6、表面粗糙层5、频率调控层4、压电层3；
其中，所述晶圆键合转移方法具体包括如下步骤：取经过离子注入的单晶压电晶圆，在单晶压电晶圆的注入表面或/和衬底的一侧表面制备键合层，将制备有键合层的所述单晶压电晶圆与衬底1进行键合，将键合至所述衬底的所述单晶压电晶圆进行退火，使所述单晶压电晶圆沿注入离子产生的损伤层产生劈裂，得到单晶压电薄膜材料。本实施例中，所述单晶压电晶圆为铌酸锂；所述衬底为硅。作为本实施例可替换的实现方式，所述单晶压电晶圆还可替换为石英、钽酸锂、氮化铝、氧化锌、钛酸钡、磷酸二氢钾、铌镁酸铅中的一种。
本实施例中，所述经过离子注入的单晶压电晶圆为具有下电极的单晶压电晶圆，其制备方法如下：取压电单晶晶圆，在所述压电单晶晶圆上进行离子注入，并在离子注入面生长下电极，得到经过离子注入并具有下电极的压电单晶晶圆。生长下电极的电极材料为Al、Au、Mo、Pt、W中的一种；所述下电极的厚度为50-500nm；下电极的生长方式包括磁控溅射、电阻式蒸发、电子束沉积。作为本实施例的具体实现方式，采用磁控溅射法生长下电极，下电极的电极材料为Al，下电极的厚度为50nm。
作为本实施例的具体实现方式，所述晶圆键合转移方法具体如下：
在所述压电单晶晶圆上进行离子注入，注入离子为He离子，注入离子的能量为500KeV；注入剂量为8×1016/cm2；离子束流为0.1μA/cm2；注入的离子最大浓度深度为1300-1500nm，得到的所述表面损伤层为150-155nm；在所述衬底的一侧涂覆键合物，所述键合物为苯并环丁烯，形成键合层，并将其与所述压电单晶晶圆置于键合机或管式炉中进行键合，键合的预键合压力4×105pa，保压时间为30min；然后，将温度缓慢升至200℃，并保持温度为200℃，保持2h，使所述苯并环丁烯完全固化，完成键合，得到的键合后的中间产物。将键合至所述衬底的所述单晶压电晶圆在温度350℃下，退火2h，使所述单晶压电晶圆沿注入离子产生的损伤层产生劈裂，得到单晶压电薄膜材料。
(2)取步骤(1)中得到的所述单晶压电薄膜材料，采用Ar+刻蚀法去除所述表面损伤层，如图2所示为去除表面损伤层后的结构示意图，具体包括如下步骤：将所述单晶压电薄膜材料置于工作腔体内，根据仿真所得的表面损伤层厚度和刻蚀速率设置合适的束流电压、束流电流以及加速电压对所述单晶压电薄膜材料表面进行刻蚀。本实施例中，采用Ar+刻蚀法去除所述表面损伤层时，采用的刻蚀速率为10nm/min；刻蚀的加速电压为80V；刻蚀的束流电压为400V；
(3)取步骤(2)中得到的所述单晶压电薄膜材料，采用Ar+刻蚀法去除所述表面粗糙层，如图3所示为去除表面粗糙层后的结构示意图，具体包括如下步骤：将去除表面损伤层的所述单晶压电薄膜材料置于工作腔体内，根据所述单晶压电薄膜材料原始的表面粗糙度，选择相对较小的合适的束流电压、束流电流以及加速电压进一步降低压电薄膜表面的粗糙度。本实施例中，所述表面损伤层去除后的表面粗糙度为8nm，采用Ar+刻蚀法去除所述表面粗糙层时，刻蚀速率为2nm/min，刻蚀的加速电压为20V，刻蚀的束流电压为100V，刻蚀后的表面粗糙度为4nm；
(4)取步骤(3)中得到的所述单晶压电薄膜材料，采用Ar+刻蚀法调节所述频率调控层的厚度，如图4所示为调节频率调控层的厚度后的结构示意图，将降低了表面粗糙度的所述单晶压电薄膜材料置于工作腔体内，根据所述单晶薄膜体声波滤波器的工作范围所确定的所述压电层与所述频率调控层的厚度之和，从而确定刻蚀速率以及刻蚀参数，包括束流电压、束流电流以及加速电压。本实施例中，以所述的单晶薄膜体声波滤波器的工作范围为3000-4000MHz为例，调节后的所述频率调控层的厚度为50nm，所述压电层与所述频率调控层的厚度之和为1000nm，采用的刻蚀速率为2nm/min，刻蚀的加速电压为20V，刻蚀的束流电压为100V，束流电流为10mA。
本实施例中，通过上述方法得到的单晶薄膜体声波滤波器，包括基于FBAR结构设置的下电极、在所述下电极上设置的压电层、在所述压电层上设置的频率调控层、在所述频率调控层上设置的上电极。
其中，所述上电极采用与所述下电极相同的方法制备而成。
实施例2
本实施例的单晶薄膜体声波滤波器的微细加工方法，包括如下步骤：
(1)采用晶圆键合转移方法制备单晶压电薄膜材料，所述单晶压电薄膜材料包括自上而下依次设置的表面损伤层、表面粗糙层、频率调控层、压电层；
其中，所述晶圆键合转移方法具体包括如下步骤：取经过离子注入的单晶压电晶圆，在单晶压电晶圆的表面或/和衬底表面制备键合层，将制备有键合层的所述单晶压电晶圆与衬底进行键合，将键合至所述衬底的所述单晶压电晶圆进行退火，使所述单晶压电晶圆沿注入离子产生的损伤层产生劈裂，得到单晶压电薄膜材料。本实施例中，所述单晶压电晶圆为铌酸锂；所述衬底为硅。
作为本实施例的具体实现方式，所述晶圆键合转移方法具体如下：
在所述压电单晶晶圆上进行离子注入，注入离子为He离子，注入离子的能量为700KeV；注入剂量为2×1016/cm2；离子束流为0.15μA/cm2；注入的离子最大浓度深度为1700-1900nm，得到的所述表面损伤层为155-160nm；然后在离子注入面生长下电极，得到经过离子注入并具有下电极的压电单晶晶圆。在所述衬底的一侧涂覆键合物，所述键合物为苯并环丁烯，形成键合层，并将其与所述压电单晶晶圆置于键合机或管式炉中进行键合，键合的预键合压力4×105pa，保压时间为30min；然后，将温度缓慢升至200℃，并保持温度为200℃，保持2h，使所述苯并环丁烯完全固化，完成键合，得到的键合后的中间产物。将键合至所述衬底的所述单晶压电晶圆在温度350℃下，退火2h，使所述单晶压电晶圆沿注入离子产生的损伤层产生劈裂，得到单晶压电薄膜材料。
(2)取步骤(1)中得到的所述单晶压电薄膜材料，采用Ar+刻蚀法去除所述表面损伤层，具体包括如下步骤：将所述单晶压电薄膜材料置于工作腔体内，根据仿真所得的表面损伤层厚度和刻蚀速率设置合适的束流电压、束流电流以及加速电压对所述单晶压电薄膜材料表面进行刻蚀。本实施例中，采用Ar+刻蚀法去除所述表面损伤层时，采用的刻蚀速率为15nm/min；刻蚀的加速电压为100V；刻蚀的束流电压为500V；
(3)取步骤(2)中得到的所述单晶压电薄膜材料，采用Ar+刻蚀法去除所述表面粗糙层，具体包括如下步骤：将去除表面损伤层的所述单晶压电薄膜材料置于工作腔体内，根据所述单晶压电薄膜材料原始的表面粗糙度，选择相对较小的合适的束流电压、束流电流以及加速电压进一步降低压电薄膜表面的粗糙度。本实施例中，所述表面损伤层去除后的表面粗糙度为12nm，采用Ar+刻蚀法去除所述表面粗糙层时，刻蚀速率为3nm/min，刻蚀的加速电压为40V，刻蚀的束流电压为200V，刻蚀后的表面粗糙度为5nm；
(4)取步骤(3)中得到的所述单晶压电薄膜材料，采用Ar+刻蚀法调节所述频率调控层的厚度，将降低了表面粗糙度的所述单晶压电薄膜材料置于工作腔体内，根据所述单晶薄膜体声波滤波器的工作范围所确定的所述压电层与所述频率调控层的厚度之和，从而确定刻蚀速率以及刻蚀参数，包括束流电压、束流电流以及加速电压。本实施例中，以所述的单晶薄膜体声波滤波器的工作范围为2000-3000MHz为例，调节后的所述频率调控层的厚度为200nm，所述压电层与所述频率调控层的厚度之和为1500nm，采用的刻蚀速率为3nm/min，刻蚀的加速电压为40V，刻蚀的束流电压为200V，束流电流为3mA。
本实施例中，通过上述方法得到的单晶薄膜体声波滤波器，包括基于FBAR结构设置的下电极、在所述下电极上设置的压电层、在所述压电层上设置的频率调控层、在所述频率调控层上设置的上电极。
实施例3
本实施例的单晶薄膜体声波滤波器的微细加工方法，包括如下步骤：
(1)采用晶圆键合转移方法制备单晶压电薄膜材料，所述单晶压电薄膜材料包括自上而下依次设置的表面损伤层、表面粗糙层、频率调控层、压电层；
其中，所述晶圆键合转移方法具体包括如下步骤：取经过离子注入的单晶压电晶圆，在单晶压电晶圆的注入表面或/和衬底的一侧表面制备键合层，将制备有键合层的所述单晶压电晶圆与衬底进行键合，将键合至所述衬底的所述单晶压电晶圆进行退火，使所述单晶压电晶圆沿注入离子产生的损伤层产生劈裂，得到单晶压电薄膜材料。本实施例中，所述单晶压电晶圆为铌酸锂；所述衬底为硅。
作为本实施例的具体实现方式，所述晶圆键合转移方法具体如下：
在所述压电单晶晶圆上进行离子注入，注入离子为He离子，注入离子的能量为1000KeV；注入剂量为2×1016/cm2；离子束流为0.2μA/cm2；注入的离子最大浓度深度为2300-2600nm，得到的所述表面损伤层为165-170nm；然后在离子注入面生长下电极，得到经过离子注入并具有下电极的压电单晶晶圆。在所述衬底的一侧涂覆键合物，所述键合物为苯并环丁烯，形成键合层，并将其与所述压电单晶晶圆置于键合机或管式炉中进行键合，键合的预键合压力4×105pa，保压时间为30min；然后，将温度缓慢升至200℃，并保持温度为200℃，保持2h，使所述苯并环丁烯完全固化，完成键合，得到的键合后的中间产物。将键合至所述衬底的所述单晶压电晶圆在温度350℃下，退火2h，使所述单晶压电晶圆沿注入离子产生的损伤层产生劈裂，得到单晶压电薄膜材料。
(2)取步骤(1)中得到的所述单晶压电薄膜材料，采用Ar+刻蚀法去除所述表面损伤层，具体包括如下步骤：将所述单晶压电薄膜材料置于工作腔体内，根据仿真所得表面损伤层的厚度和刻蚀速率设置合适的束流电压、束流电流以及加速电压对所述单晶压电薄膜材料表面进行刻蚀。本实施例中，采用Ar+刻蚀法去除所述表面损伤层时，采用的刻蚀速率为20nm/min；刻蚀的加速电压为120V；刻蚀的束流电压为600V；
(3)取步骤(2)中得到的所述单晶压电薄膜材料，采用Ar+刻蚀法去除所述表面粗糙层，具体包括如下步骤：将去除表面损伤层的所述单晶压电薄膜材料置于工作腔体内，根据所述单晶压电薄膜材料原始的表面粗糙度，选择相对较小的合适的束流电压、束流电流以及加速电压进一步降低压电薄膜表面的粗糙度。本实施例中，所述表面损伤层去除后的表面粗糙度为15nm，采用Ar+刻蚀法去除所述表面粗糙层时，刻蚀速率为3nm/min，刻蚀的加速电压为40V，刻蚀的束流电压为200V，刻蚀后的表面粗糙度为5nm；
(4)取步骤(3)中得到的所述单晶压电薄膜材料，采用Ar+刻蚀法调节所述频率调控层的厚度，将降低了表面粗糙度的所述单晶压电薄膜材料置于工作腔体内，根据所述单晶薄膜体声波滤波器的工作范围所确定的所述压电层与所述频率调控层的厚度之和，从而确定刻蚀速率以及刻蚀参数，包括束流电压、束流电流以及加速电压。本实施例中，以所述的单晶薄膜体声波滤波器的工作范围为1500-2500MHz为例，调节后的所述频率调控层的厚度为120nm，所述压电层与所述频率调控层的厚度之和为2000nm，采用的刻蚀速率为3nm/min，刻蚀的加速电压为40V，刻蚀的束流电压为200V，束流电流为20mA。
本实施例中，通过上述方法得到的单晶薄膜体声波滤波器，包括基于FBAR结构设置的下电极、在所述下电极上设置的压电层、在所述压电层上设置的频率调控层、在所述频率调控层上设置的上电极。
实施例4
本实施例的滤波器，包括基于FBAR结构设置的下电极、在所述下电极上设置的压电层、在所述压电层上设置的频率调控层、在所述频率调控层上设置的上电极。
作为本实施例的优选实现方式，所述滤波器通过如下方式制得：将自上而下依次设置有表面损伤层、表面粗糙层、频率调控层、压电层的单晶压电薄膜材料，去除所述表面损伤层、去除所述表面粗糙层、调节所述频率调控层的厚度；所述频率调控层为多个，所述频率调控层由多个掩膜下形成的多个厚度的层块构成。
制备所述滤波器的方法，设计思路如下：
(a)基于设计的FBAR滤波器的工作频率范围，确定压电层的厚度范围以及频率调控层的余量。
(b)通过最终所需的所述压电层的厚度来确定剥离的单晶压电薄膜的厚度范围，而单晶压电薄膜的厚度范围是由离子注入的能量及注入深度决定；
(c)确定离子注入能量的范围后，即可确定所述表面损伤层的厚度范围。
(d)所述表面粗糙层的厚度范围主要由Ar+刻蚀参数(加速电压、束流电压、刻蚀时间)以及剩余的频率调控层的厚度余量共同决定。
作为本实施例的具体实现方式，本实施例中，由单晶薄膜体声波滤波器制备滤波器的方法，包括如下步骤：
(1)采用晶圆键合转移方法制备单晶压电薄膜材料，所述单晶压电薄膜材料包括自上而下依次设置的表面损伤层、表面粗糙层、频率调控层、压电层；
其中，所述晶圆键合转移方法具体包括如下步骤：取经过离子注入的单晶压电晶圆，在注入面生长图形化的下电极，然后再生长键合层，使其包覆下电极后，将衬底与带下电极的单晶压电晶圆进行键合，最后对键合后的中间产物在剥离温度下进行退火，制备得到单晶压电薄膜材料。
作为本实施例的具体实现方式，所述晶圆键合转移方法具体如下：
在所述压电单晶晶圆上进行离子注入，注入离子为He离子，注入离子的能量为500KeV；注入剂量为8×1016/cm2；离子束流为0.1-10μA/cm2；注入的离子最大浓度深度为1300-1500nm，所述表面损伤层为150-155nm，得到经过离子注入的单晶压电晶圆，在注入面生长图形化的下电极，利用磁控溅射生长电极，电极材料为Au，最后通过丙酮洗掉多余部分；然后，在所述衬底的一侧涂覆键合物，所述键合物为苯并环丁烯，形成键合层，并将其与所述压电单晶晶圆置于键合机或管式炉中进行键合，键合的预键合压力4×105pa，保压时间为30min；然后，将温度缓慢升至200℃，并保持温度为200℃，保持2h，使所述苯并环丁烯完全固化，完成键合，得到的键合后的中间产物。将键合至所述衬底的所述单晶压电晶圆在温度350℃下，退火2h，使所述单晶压电晶圆沿注入离子产生的损伤层产生劈裂，得到单晶压电薄膜材料。
(2)取步骤(1)中得到的所述单晶压电薄膜材料，采用Ar+刻蚀法去除所述表面损伤层，具体包括如下步骤：将晶圆键合转移技术制备的压电薄膜置于工作腔体内，根据仿真所得表面损伤层的厚度和刻蚀速率设置合适的束流电压、束流电流以及加速电压对压电薄膜表面进行刻蚀。
本实施例中，采用与实施例1中相同的刻蚀速率和刻蚀参数。
(3)取步骤(2)中得到的所述单晶压电薄膜材料，采用Ar+刻蚀法去除所述表面粗糙层，具体包括如下步骤：将去除表面损伤层的压电薄膜置于工作腔体内，根据压电薄膜原始的表面粗糙度，选择相对较小的合适的束流电压、束流电流以及加速电压进一步降低压电薄膜表面的粗糙度。
本实施例中，采用与实施例1中相同的刻蚀速率和刻蚀参数。
(4)取步骤(3)中得到的所述单晶压电薄膜材料，图形化所述频率调控层，根据设计所需滤波器的工作频率，对搭建滤波器各个薄膜体声波谐振器的压电薄膜厚度分别进行调节，然后根据每个谐振器单元所需的频率修调层的厚度，选择合适的刻蚀速率和刻蚀参数，包括但不限于束流电压、束流电流以及加速电压；作为本实施例的优选实现方式，将在所述频率调控层的表面采用负光刻胶对多个频率修调层以外的区域进行掩膜制备，图5-6所示为在所述频率调控层上制备掩膜7后的结构示意图，然后分别对多个所述频率调控层的厚度进行调节，得到多个厚度的层块，分隔的多个厚度的所述层块构成所述薄膜体声波滤波器所需的单晶压电薄膜层；本实施例中，分割为四个层块，四个层块的频率调控层厚度均不相等，图7-8所示为分别调节所述频率调控层厚度的结构示意图。本实施例中，设计的四个层块的厚度依次为50nm、50nm、80nm、80nm，由此，确定厚度为50nm的所述频率调控层的刻蚀速率为2nm/min，刻蚀的加速电压为20V，刻蚀的束流电压为100V；厚度为80nm的所述频率调控层的刻蚀速率为5nm/min，刻蚀的加速电压为60V，刻蚀的束流电压为300V。
本实施例中，所述滤波器的中心频率为3500MHz时，所述单晶薄膜体声波滤波器的工作范围为3000-4000MHz，所述压电层与所述频率调控层的厚度之和为900-1500nm。
对比例1
本对比例采用干法刻蚀的方式制备薄膜体声波滤波器，首先在Si衬底上通过LPCVD的方式沉积一层频率修调层，然后在其上通过LPCVD的方式沉积一层Si3N4层作为支撑层，其次紧挨着支撑层结构依次通过磁控溅射生长下电极，通过脉冲激光沉积法(PLD)沉积单晶压电薄膜材料，且所述单晶压电薄膜材料的厚度与实施例1中得到的所述压电层与所述频率调控层的厚度之和相等，即为1000nm。通过磁控溅射在所述单晶压电薄膜材料上生长上电极，最后通过深反应离子刻蚀在衬底底部进行空腔释放，通过空腔释放之后留下的刻蚀窗口，采用干法刻蚀的方法对该层进行刻蚀，得到薄膜体声波滤波器。
对比例2
本对比例采用与实施例1中相同的方法制备薄膜体声波滤波器，区别仅在于：步骤(2)中去除表面损伤层、步骤(3)中去除表面粗糙层、步骤(4)中调节频率调控层的厚度，均采用Ar+刻蚀法，且刻蚀速率为20nm/min，刻蚀的加速电压为120V，刻蚀的束流电压为600V。
对比例3
本对比例采用与实施例1中相同的方法制备薄膜体声波滤波器，区别仅在于：步骤(2)中去除表面损伤层、步骤(3)中去除表面粗糙层、步骤(4)中调节频率调控层的厚度，均采用Ar+刻蚀法，且刻蚀速率为10nm/min，刻蚀的加速电压为80V，刻蚀的束流电压为400V。
效果试验例
为验证本发明所述的单晶薄膜体声波滤波器的微细加工方法的技术效果，进行如下对比检测试验。
实验一：
分别取实施例1-3、对比例1-3中的方法制备得到的所述单晶薄膜体声波滤波器，采用椭偏仪测量所述单晶薄膜体声波滤波器的单晶压电薄膜厚度，在建立空气-铌酸锂-衬底三层模型后，选择厚度及相关的拟合参数，当拟合误差MSE小于5时，认为拟合的厚度值是可靠的，由此得到单晶压电薄膜厚度；
分别取实施例1-3、对比例1-3中的方法制备得到的所述单晶薄膜体声波滤波器，采用矢量网络分析仪和GSG探针台进行器件测试，得到器件的S11参数，然后计算得到器件的阻抗曲线，从而获得所述单晶薄膜体声波滤波器的串联谐振频率与并联谐振频率；然后通过计算得到所述单晶薄膜体声波滤波器的Q值。声波滤波器经过上述实验，得到的实验数据如下：
实验二：
分别取实施例4中的滤波器、实施例1-3中所述单晶薄膜体声波滤波器制作得到的滤波器、对比例1-3中所述单晶薄膜体声波滤波器制作得到的滤波器，采用矢量网络分析仪和GSG探针台对所述单晶薄膜体声波滤波器进行性能测试，得到插入损耗S21参数，从插入损耗曲线中得到所述单晶薄膜体声波滤波器的工作频率、带宽和带外抑制；
经过上述实验，得到的实验数据如下：
| 组别2 | 中心频率(MHz) | 插损(dB) | 带外抑制(dB) |
| 实施例1 | 3300 | -1.8 | -40 |
| 实施例2 | 2100 | -3 | -20 |
| 实施例3 | 1650 | -2.3 | -30 |
| 实施例4 | 3500 | -2 | -35 |
| 对比例1 | 3300 | -4 | -25 |
| 对比例2 | 3300 | -8 | -15 |
| 对比例3 | 3300 | -6.2 | -20 |
由上述实验结果可知：本发明所述的单晶薄膜体声波滤波器的微细加工方法，可对单晶压电薄膜结构的厚度以及表面形貌的精准控制，从而使得在提高单晶压电薄膜的结构与压电性能的同时，也实现对单晶薄膜体声波滤波器频率的精确控制，可使得精准控制表面损伤层的处理，表面平坦化，此后基于较完美的单晶压电薄膜和设计参数的需要，对压电层厚度进行精确调节，最终实现对薄膜体声波器器件的中心频率的精准调频，以及实现滤波器的高性能。
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 (9)
1.一种单晶薄膜体声波滤波器的微细加工方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)采用晶圆键合转移方法制备单晶压电薄膜材料，所述单晶压电薄膜材料包括自上而下依次设置的表面损伤层、表面粗糙层、频率调控层、压电层；
(2)取步骤(1)中得到的所述单晶压电薄膜材料，去除所述表面损伤层；
(3)取步骤(2)中得到的所述单晶压电薄膜材料，去除所述表面粗糙层；
(4)取步骤(3)中得到的所述单晶压电薄膜材料，根据所述单晶薄膜体声波滤波器的工作范围所确定的所述压电层与所述频率调控层的厚度之和，采用Ar+刻蚀法调节所述频率调控层的厚度；
当所述的单晶薄膜体声波滤波器的工作范围为3000-4000MHz时，调节的所述频率调控层的厚度为50-200nm，所述压电层与所述频率调控层的厚度之和为900-1400nm；
当所述的单晶薄膜体声波滤波器的工作范围为2000-3000MHz时，调节的所述频率调控层的厚度为50-200nm，所述压电层与所述频率调控层的厚度之和为1200-1800nm；
当所述的单晶薄膜体声波滤波器的工作范围为1500-2500MHz时，调节的所述频率调控层的厚度为50-200nm，所述压电层与所述频率调控层的厚度之和为1400-2500nm，即可。
2.根据权利要求1所述的单晶薄膜体声波滤波器的微细加工方法，其特征在于，步骤(1)中，所述晶圆键合转移方法具体包括如下步骤：取经过离子注入的单晶压电晶圆，在单晶压电晶圆的注入表面或/和衬底一侧表面制备键合层，将制备有键合层的所述单晶压电晶圆与衬底进行键合，将键合至所述衬底的所述单晶压电晶圆进行退火，使所述单晶压电晶圆沿注入离子产生的损伤层产生劈裂，得到单晶压电薄膜材料。
3.根据权利要求2所述的单晶薄膜体声波滤波器的微细加工方法，其特征在于：
所述单晶压电晶圆为石英、铌酸锂、钽酸锂、氮化铝、氧化锌、钛酸钡、磷酸二氢钾、铌镁酸铅中的一种；
所述单晶压电晶圆注入的离子为H离子、He离子、B离子、As离子中的一种或多种；注入离子的能量为100KeV-2000KeV；注入剂量为2-8×1016/cm2；离子束流为0.1-10μA/cm-2；注入深度为0.3-5μm；
单晶压电晶圆为铌酸锂，注入离子为He离子，注入能量为500KeV，注入的离子最大浓度深度为1300-1500nm，得到的所述表面损伤层为150-155nm；
注入能量为700KeV，注入的离子最大浓度深度为1700-1900nm，得到的所述表面损伤层为155-160nm；
注入能量为1000KeV，注入的离子最大浓度深度为2300-2600nm，得到的所述表面损伤层为165-170nm。
4.根据权利要求1-3中任意一项所述的单晶薄膜体声波滤波器的微细加工方法，其特征在于：步骤(2)中，采用Ar+刻蚀法去除所述表面损伤层；
其中，刻蚀速率为2nm/min-30nm/min；刻蚀的加速电压为20V-500V；刻蚀的束流电压为100V-1100V；
当所述表面损伤层的厚度为150-155nm时，刻蚀速率为2nm/min-15nm/min，刻蚀的加速电压为20V-100V，刻蚀的束流电压为100V-500V；
当所述表面损伤层的厚度为155-160nm时，刻蚀速率为2nm/min-20nm/min，刻蚀的加速电压为20V-120V，刻蚀的束流电压为100V-600V；
当所述表面损伤层的厚度为165-170nm时，刻蚀速率为2nm/min-25nm/min，刻蚀的加速电压为20V-140V，刻蚀的束流电压为100V-700V。
5.根据权利要求1-3中任意一项所述的单晶薄膜体声波滤波器的微细加工方法，其特征在于，步骤(3)中，采用Ar+刻蚀法去除所述表面粗糙层；
其中，刻蚀速率为2nm/min-20nm/min；刻蚀的加速的电压为20V-120V；刻蚀的束流电压为100V-600V；
当所述表面损伤层去除后的表面粗糙度为10-15nm时，刻蚀速率为2nm/min-10nm/min，刻蚀的加速电压为20V-80V，刻蚀的束流电压为100V-400V，刻蚀后的表面粗糙度为3-6nm；
当所述表面损伤层去除后的表面粗糙度为13-18nm，刻蚀速率为2nm/min-15nm/min，刻蚀的加速电压为20V-100V，刻蚀的束流电压为100V-500V，刻蚀后的表面粗糙度为3-9nm；
当所述表面损伤层去除后的表面粗糙度为15-20nm，刻蚀速率为2nm/min-20nm/min，刻蚀的加速电压为20V-120V，刻蚀的束流电压为100V-600V，刻蚀后的表面粗糙度为4-10nm。
6.一种单晶薄膜体声波滤波器，其特征在于，由权利要求1-5中任意一项所述的单晶薄膜体声波滤波器的微细加工方法制备得到。
7.根据权利要求6所述的一种单晶薄膜体声波滤波器，其特征在于，步骤(4)中，调节所述频率调控层的厚度包括如下步骤：取步骤(3)中得到的所述单晶压电薄膜材料，图形化所述频率调控层；
将在所述频率调控层的表面采用负光刻胶对多个频率调控层以外的区域进行掩膜制备，并分别对多个所述频率调控层的厚度进行调节，得到多个厚度的层块，分隔的多个厚度的所述层块构成所述薄膜体声波滤波器所需的单晶压电薄膜层；
当所述滤波器的中心频率为3500MHz时，所述单晶薄膜体声波滤波器的工作范围为3000-4000MHz，所述压电层与所述频率调控层的厚度之和为900-1500nm；
当所述滤波器的中心频率为2750MHz时，所述单晶薄膜体声波滤波器的工作范围为2500-3000MHz，所述压电层与所述频率调控层的厚度之和为1100-1700nm；
当所述滤波器的中心频率为2000MHz时，所述单晶薄膜体声波滤波器的工作范围为1500-2500MHz，所述压电层与所述频率调控层的厚度之和为1300-2600nm。
8.一种单晶薄膜体声波滤波器，其特征在于，包括基于FBAR结构设置的下电极、在所述下电极上设置的压电层、在所述压电层上设置的频率调控层、在所述频率调控层上设置的上电极；
所述单晶薄膜体声波滤波器通过如下方式制得：将自上而下依次设置有表面损伤层、表面粗糙层、频率调控层、压电层的单晶压电薄膜材料，去除所述表面损伤层、去除所述表面粗糙层、调节所述频率调控层的厚度；
根据单晶薄膜体声波滤波器的工作范围所确定的所述压电层与所述频率调控层的厚度之和。
9.一种滤波器，其特征在于，包括基于FBAR结构设置的下电极、在所述下电极上设置的压电层、在所述压电层上设置的频率调控层、在所述频率调控层上设置的上电极；
所述滤波器通过如下方式制得：将自上而下依次设置有表面损伤层、表面粗糙层、频率调控层、压电层的单晶压电薄膜材料，去除所述表面损伤层、去除所述表面粗糙层、调节所述频率调控层的厚度；
所述频率调控层为多个，所述频率调控层由掩膜外的其他区域形成的多个厚度的层块构成；
根据单晶薄膜体声波滤波器的工作范围所确定的所述压电层与所述频率调控层的厚度之和。
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