CN110350885A - 一种滤波器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种滤波器及其制备方法。制备方法如下：提供基板，在基板上形成若干个第一凹槽；在各第一凹槽中形成牺牲层；在基板与各牺牲层上形成支撑层，并对各支撑层采用同一次构图工艺，以在对应各牺牲层的位置处形成若干个镂空图形，其中，至少一个支撑层上所形成的镂空图形不同于其他支撑层的镂空图形；在各镂空图形内形成填充材料，以获得填充图形；在各支撑层上形成压电堆叠结构；释放牺牲层，以形成谐振器，级联各谐振器，以完成滤波器的制备。该方法实现了同一滤波器中具有多个不同谐振频率的谐振器的情况，这一制备方法降低了多次刻蚀的工艺难度和成本，提高了设计灵活度。
Description
技术领域
本发明涉及微电子器件制作技术领域，具体涉及一种滤波器及其制备方法。
背景技术
随着无线通讯应用的发展，人们对于数据传输速度的要求越来越高。在移动通信领域，第一代是模拟技术，第二代实现了数字化语音通信，第三代(3G)以多媒体通信为特征，第四代(4G)将通信速率提高到1Gbps、时延减小到10ms，第五代(5G)是4G之后的新一代移动通信技术，5G与3G、4G相比，其网络传输速率和网络容量将大幅提升。如果说从1G到4G主要解决的是人与人之间的沟通，5G将解决人与人之外的人与物、物与物之间的沟通，即万物互联，实现“信息随心至，万物触手及”的愿景。
与数据率上升相对应的是频谱资源的高利用率以及通讯协议的复杂化。由于频谱有限，为了满足数据率的需求，必须充分利用频谱；同时为了满足数据率的需求，从4G开始还使用了载波聚合技术，使得一台设备可以同时利用不同的载波频谱传输数据。另一方面，为了在有限的带宽内支持足够的数据传输率，通信协议变得越来越复杂，因此对射频系统的各种性能也提出了严格的需求。
在射频前端模块中，射频滤波器起着至关重要的作用。它可以将带外干扰和噪声滤除以满足射频系统和通讯协议对于信噪比的需求。随着通信协议越来越复杂，对频带内外的要求也越来越高，使得滤波器的设计越来越有挑战。另外，随着手机需要支持的频带数目不断上升，每一款手机中需要用到的滤波器数量也在不断上升。
目前射频滤波器最主流的实现方式是声表面波(Surface Acoustic Wave,SAW)滤波器和基于薄膜体声波谐振器(Film Bulk Acoustic Resonator,FBAR)技术的滤波器。SAW滤波器由于其自身的局限性，在1.5GHz以下使用比较合适。然而，目前的无线通讯协议已经早就使用大于2.5GHz的频段，这时必须使用基于FBAR技术的滤波器。
在实现基于FBAR技术的滤波器时，为了得到滤波器指标要求的滤波特性，通常将多个不同谐振频率的谐振器按梯形和格形等拓扑结构以串并联形式相连接。在一个滤波器中至少应包含两种谐振频率的谐振器，同时含有不同谐振频率的谐振器越多，设计的灵活度越多，越容易实现所要求的滤波特性。现在常用一些方法来实现在同一个晶圆上具有不同谐振频率的谐振器，纵向多次刻蚀形成多种谐振器，比如在需要低频率的谐振器上多做一层材料以增加质量负载。采用这种方法每多实现一种谐振频率的器件就需要多做一次光刻和刻蚀，使得工艺复杂性和成本大大增加，因此，采用这种方式实现的滤波器中具有不同频率的谐振器一般少于3种，也有采用激光或离子束修频的方式对谐振器频率进行修改的，但是这种方式需要特定的设备，价格高昂，且本身修频的成本也比较高，修正的频率范围较小，一般用来对器件的频率进行微调，而对于实现有较大频率差异的谐振器，这种方式不太适合。
发明内容
本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一，提供一种滤波器及其制备方法。
本发明的第一方面，提供一种滤波器的制备方法，包括以下步骤：
S110、提供基板，在所述基板上形成若干个第一凹槽；
S120、在各所述第一凹槽中形成牺牲层；
S130、在所述基板与各所述牺牲层上形成支撑层，并对各所述支撑层采用同一次构图工艺，以在对应各所述牺牲层的位置处形成若干个镂空图形，其中，至少一个所述支撑层上所形成的镂空图形不同于其他所述支撑层的镂空图形；
S140、在各所述镂空图形内形成填充材料，以获得填充图形；
S150、在各所述支撑层上形成压电堆叠结构；
S160、释放各所述牺牲层，以形成谐振器，级联各所述谐振器，以完成滤波器的制备。
可选的，步骤S120具体包括：
在所述基板设置有各所述第一凹槽的一侧形成初始牺牲层，所述初始牺牲层至少完全填充满各所述第一凹槽；
对所述初始牺牲层进行抛光处理，以使各所述第一凹槽中的初始牺牲层与所述基板平齐，以获得所述牺牲层。
可选的，步骤S130中：对各所述支撑层采用同一次构图工艺形成所述镂空图形的步骤具体包括：
在各所述支撑层上形成光刻胶层；
对所述光刻胶层进行曝光和显影；
以显影后的光刻胶层为掩膜，对各所述支撑层进行刻蚀，以获得所述镂空图形；
其中，所述掩膜在对应不同支撑层位置处具有不同图形化图形。
可选的，步骤S140具体包括：
在各所述支撑层上与各所述镂空图形中形成填充材料，其中，所述填充材料与所述支撑层材料不同；
对各所述支撑层上的填充材料进行抛光处理，以去除各所述镂空图形外的填充材料，形成所述填充图形。
可选的，各所述支撑层上所形成的镂空图形互不相同，且每个所述支撑层上所形成的镂空图形呈方块状镂空图形、长条形镂空图形，条状交叉镂空图形、圆孔状镂空图形，三角形镂空图形和六边形镂空图形中的一者。
可选的，步骤S150具体包括：
形成下电极金属，图形化所述下电极金属以形成下电极；
形成压电层；
形成上电极金属；
形成钝化层，以所述钝化层为掩膜，对所述上电极金属刻蚀，形成上电极；
其中，所述下电极、所述压电层和所述上电极共同组成所述压电堆叠结构。
可选的，制备方法在步骤S150之后，步骤S160之前还包括：
对所述钝化层通过构图工艺形成贯穿所述钝化层的第一过孔，并在所述第一过孔内形成上电极引出线，所述上电极引出线与所述上电极电连接；
对所述压电层通过构图工艺形成贯穿所述压电层的第二过孔，并在所述第二过孔内形成下电极引出线，所述下电极引出线与所述下电极电连接。
可选的，所述支撑层的厚度为0.1μm～5μm；和/或，
所述支撑层材料为二氧化硅、氮化硅、氮化铝、碳化硅、硅、氮化镓、砷化镓、钼、钨、铂、钛、铝和金中任意一者。
可选的，所述牺牲层材料为二氧化硅、金属材料和聚合物材料中任意一者。
本发明的第二方面，提供一种滤波器，所述滤波器包括多个如前文记载的所述谐振器。
本发明的滤波器及其制备方法具有以下有益效果：首先，通过对支撑层采用同一次构图工艺形成若干个镂空图形，相对于传统做法需要一一对质量负载进行多次掩膜和刻蚀，大大降低了工艺难度和成本；其次，掩膜在对不同谐振器对应的支撑层图形化时具有不同的图形化图形，以形成不同形状的镂空图形，通过调整镂空图形及占空比，进而调整所有填充图形的总面积与器件上电极总面积比值，达到调整谐振器的谐振频率，实现同一滤波器中具有多个不同谐振频率的谐振器情况。这一制备方法提高了设计灵活度，易于实现滤波器指标要求的滤波特性。
附图说明
图1为本发明实施例的制备工艺流程步骤1；
图2为本发明实施例的制备工艺流程步骤2；
图3为本发明实施例的制备工艺流程步骤3；
图4为本发明实施例的制备工艺流程步骤4；
图5为本发明实施例的制备工艺流程步骤5；
图6为本发明实施例的制备工艺流程步骤6；
图7为本发明实施例的制备工艺流程步骤7；
图8为本发明实施例的制备工艺流程步骤8；
图9为本发明实施例的不同填充图形示意图，其中，图9(a)为方块状填充图形；图9(b)为长条状填充图形；图9(c)为条状交叉形填充图形；
图10为本发明实施例的制备工艺流程步骤9；
图11为本发明实施例的制备工艺流程步骤10；
图12为本发明实施例的制备工艺流程步骤11；
图13为本发明实施例的制备工艺流程步骤12；
图14为本发明实施例的制备工艺流程步骤13；
图15为本发明实施例的制备工艺流程步骤14；
图16为本发明实施例的制备工艺流程步骤15；
图17为本发明实施例的制备工艺流程步骤16；
图18为本发明实施例的制备工艺流程步骤17；
图19为本发明同一滤波器中具有不同镂空图形谐振器的示意图。
具体实施方式
为使本领域技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细描述。
本发明的第一方面为提供一种滤波器的制备方法，包括以下步骤：
S110、提供基板，在所述基板上形成若干个第一凹槽；
S120、在各所述第一凹槽中形成牺牲层；
S130、在所述基板与各所述牺牲层上形成支撑层，并对各所述支撑层采用同一次构图工艺，以在对应各所述牺牲层的位置处形成若干个镂空图形，其中，至少一个所述支撑层上所形成的镂空图形不同于其他所述支撑层的镂空图形；
S140、在各所述镂空图形内形成填充材料，以获得填充图形；
S150、在各所述支撑层上形成压电堆叠结构；
S160、释放各所述牺牲层，以形成谐振器，级联各所述谐振器，以完成滤波器的制备。
本发明的滤波器及其制备方法具有以下有益效果：首先，通过对支撑层采用同一次构图工艺形成若干个镂空图形，相对于传统做法一一对质量负载进行多次掩膜和刻蚀，大大降低了工艺难度和成本；其次，掩膜在对不同谐振器对应的支撑层图形化时具有不同的图形化图形，以形成不同形状的镂空图形，通过调整镂空图形及占空比，进而调整所有填充图形的总面积与器件上电极总面积比值，达到调整谐振器的谐振频率，实现同一滤波器中具有多个不同谐振频率的谐振器的情况。这一制备方法提高了设计灵活度，易于实现滤波器指标要求的滤波特性。
下文将以具体实施例进行详细说明：
图1～18为本发明实施例滤波器中每个谐振器的制备工艺流程图，该制备流程具体包括：
步骤1：准备单面或双面抛光的基板100，其中抛光面向上，进行标准清洗，参见图1，该基板可以是硅片、碳化硅、砷化镓等。
步骤2：在基板100的上表面进行干法刻蚀，形成第一凹槽101，见图2。
步骤3：在基板100的上表面沉积牺牲材料。形成初始牺牲层200，其中，初始牺牲层200要至少完全填充满第一凹槽101，见图3。
需要说明的是，初始牺牲层200采用的牺牲材料可以是二氧化硅等介质材料，也可以是金属材料，甚至可以是聚合物材料，在此并不做具体限定。
步骤4：对初始牺牲层200进行CMP抛光，以使所述第一凹槽101中的初始牺牲层200与所述基板100平齐，以获得所述牺牲层201，如图4所示。
步骤5：在基板与牺牲层上沉积支撑材料以形成支撑层300，支撑层300的厚度为0.1μm～5μm，如图5所示。其中，需要说明的是，支撑层300沉积的材料可以是二氧化硅、氮化硅、氮化铝、碳化硅、硅、氮化镓、砷化镓等，也可以是钼、钨、铂、钛、铝、金等金属材料，在此并不做具体限定。
步骤6：对支撑层300采用同一次构图工艺形成镂空图形，具体包括：在支撑层300上形成光刻胶层，对光刻胶进行曝光和显影，以显影后的光刻胶为掩膜，对各支撑层进行刻蚀，以在对应牺牲层的位置处形成若干个镂空图形302，当然，还包括与若干个间隔设置的镂空图形相邻的若干个凸起结构301，如图6所示。需要说明的是，图6只显示其中一种具体的镂空图形，其他若干种镂空图形均设置于其他支撑层上。
需要说明的是，刻蚀采用的掩膜在对不同谐振器对应的支撑层300图形化时具有不同的图形化图形，以使得形成不同镂空图形302，每种镂空图形302对应一种谐振器，并且，至少一个所述支撑层300上所形成的镂空图形302不同于其他所述支撑层300的镂空图形。
进一步需要说明的是，各支撑层300上的镂空图形302互不相同，且每种镂空图形呈方块状镂空图形、长条形镂空图形，条状交叉镂空图形、圆孔状镂空图形，三角形镂空图形，和六边形镂空图形中的一者，也就是说，对镂空图形的具体形状没有特殊要求，例如也可以五边形镂空图形，七边形镂空图形等，并对镂空图形之间的间隔，以及条状交叉的角度等均没有特殊要求，当然，本领域技术人员还可以根据实际需要，选择其他形状的镂空图形，在此并不作具体限定。
步骤7：在基板100的上表面沉积与支撑层300材料不同的填充材料400，至少完全填充满各镂空图形302，如图7所示。
步骤8：对基板100上表面上的填充材料400进行CMP抛光。此时各镂空图形302已完全被填充材料400填充，形成填充图形401，如图8所示。
具体的，根据前文所述的各种镂空图形形状，图9(a)/图9(b)/图9(c)分别列举了其中三种镂空图形对应的填充图形，对各支撑层进行刻蚀后，在对应牺牲层的位置处形成三种镂空图形，其中图9(a)为方块状填充图形401、图9(b)为长条形填充图形401、图9(c)为条状交叉的填充图形401。
需要说明的是，图9(a、b、c)中701对应的面积为谐振器的上电极面积，同时是谐振器的有效区域面积，记为Sall；图9(a、b、c)中所有填充图形401的总和面积记为S填充；而不同谐振器的谐振频率与(ρ填充S填充)/(ρallSall)相关。
基于上述原因，在同一滤波器中实现多个具有不同谐振频率的谐振器时，我们采用一张掩膜和一次刻蚀完成多个谐振器的同时制备，其中，该掩膜在对不同谐振器对应的支撑层300图形化时具有不同的图形化图形，以形成不同的镂空图形302，并在之后的工艺中形成不同的填充图形401。
步骤9：在支撑层上沉积下电极金属并图形化，形成谐振器的下电极500，如图10所示。
步骤10：沉积压电薄膜，图形化形成压电层600，如图11所示。
步骤11：沉积上电极金属700，如图12所示。
步骤12：沉积钝化层材料并图形化，形成钝化层800，如图13所示。
步骤13：以钝化层为掩膜，对上电极金属进行刻蚀，形成上电极700，如图14所示。
需要说明的是，下电极500和上电极700的材料可以相同也可以不同，例如包括如下材料及其组合：钨、银、锆、钼、铂白金、钌、铱、钛钨、铜、钛、铬、铪、铝。其中压电薄膜材料包括氮化铝、铌酸锂、钽酸锂、锆钛酸铅、氧化锌、四硼酸锂以及其掺杂薄膜或组合。
步骤14：对钝化层800进行图形化和刻蚀，形成贯穿钝化层的第一过孔801，如图15所示。
步骤15：对压电层600进行图形化和刻蚀，形成贯穿压电层的第二过孔601，如图16所示。
步骤16：沉积并图形化上电极接触金属，在第一过孔内801形成器件的上电极引出线902、其中，上电极引出线902与上电极700电连接，沉积并图形化下电极接触金属，在第二过孔601内形成器件的下电极引出线901，其中，下电极引出线901与下电极500电连接，以形成谐振器，如图17所示，需要说明的是，图中只显示其中一个谐振器，通过同一构图工艺形成的其他谐振器未显示出。
步骤17：对谐振器进行牺牲层释放，完全腐蚀掉牺牲层201，形成器件的空气隙，完成滤波器的制备，如图18所示。
本实施例滤波器中各谐振器的制备方法不同于现有技术，本实施例中是对各谐振器下电极下方的支撑材料进行图形化和填充与支撑材料不同的材料，对支撑层采用同一次构图工艺形成镂空图形，通过调整图形化形状和填充材料的占空比，得到不同形状的镂空图形，相应的通过调整镂空图形以及对应的填充图形面积，可以比较容易地调整各谐振器的谐振频率。另外，各谐振器的基板与支撑层均为一体形成，该方法简化了工艺，降低了成本。
此外，本发明还提供一种滤波器，滤波器包括级联的多个如前文记载的谐振器。该滤波器采用前文记载的滤波器的制备方法制成，具体制备方法可以参考前文相关记载，在此不作赘述。
图19描述了一个滤波器中同时具有3种不同谐振频率的谐振器的情况，其中，第一谐振器对应方块状镂空图形、第二谐振器对应横向条状与纵向条状交叉的镂空图形、第三谐振器对应长条状镂空图形，三种不同的镂空图形具有不同的填充面积，以具有不同的谐振频率，需要注意的是，采用这种方法不局限于同时在一个滤波器上实现3种不同谐振频率的谐振器，理论上可以同时实现任意多种，在此并不做具体限定，本领域技术人员可以根据实际需要选择具有不同形状镂空图形的谐振器，以及任意数量的谐振器。
本发明通过一张掩膜一次光刻，实现了同一滤波器中具有多个不同谐振频率的谐振器的情况，这一制备工艺大大降低了多次刻蚀的工艺难度和成本，提高了设计灵活度。
可以理解的是，以上实施方式仅仅是为了说明本发明的原理而采用的示例性实施方式，然而本发明并不局限于此。对于本领域内的普通技术人员而言，在不脱离本发明的精神和实质的情况下，可以做出各种变型和改进，这些变型和改进也视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种滤波器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S110、提供基板，在所述基板上形成若干个第一凹槽；
S120、在各所述第一凹槽中形成牺牲层；
S130、在所述基板与各所述牺牲层上形成支撑层，并对各所述支撑层采用同一次构图工艺，以在对应各所述牺牲层的位置处形成若干个镂空图形，其中，至少一个所述支撑层上所形成的镂空图形不同于其他所述支撑层的镂空图形；
S140、在各所述镂空图形内形成填充材料，以获得填充图形；
S150、在各所述支撑层上形成压电堆叠结构；
S160、释放各所述牺牲层，以形成谐振器，级联各所述谐振器，以完成滤波器的制备。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤S120具体包括：
在所述基板设置有各所述第一凹槽的一侧形成初始牺牲层，所述初始牺牲层至少完全填充满各所述第一凹槽；
对所述初始牺牲层进行抛光处理，以使各所述第一凹槽中的初始牺牲层与所述基板平齐，以获得所述牺牲层。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤S130中：对各所述支撑层采用同一次构图工艺形成所述镂空图形的步骤具体包括：
在各所述支撑层上形成光刻胶层；
对所述光刻胶层进行曝光和显影；
以显影后的光刻胶层为掩膜，对各所述支撑层进行刻蚀，以获得所述镂空图形；
其中，所述掩膜在对应不同支撑层位置处具有不同图形化图形。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤S140具体包括：
在各所述支撑层上与各所述镂空图形中形成填充材料，其中，所述填充材料与所述支撑层材料不同；
对各所述支撑层上的填充材料进行抛光处理，以去除各所述镂空图形外的填充材料，形成所述填充图形。
5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，各所述支撑层上所形成的镂空图形互不相同，且每个所述支撑层上所形成的镂空图形呈方块状镂空图形、长条形镂空图形、条状交叉镂空图形、圆孔状镂空图形、三角形镂空图形和六边形镂空图形中的一者。
6.根据权利要求1至5中任意一项所述的制备方法，其特征在于，步骤S150具体包括：
形成下电极金属，图形化所述下电极金属以形成下电极；
形成压电层；
形成上电极金属；
形成钝化层，以所述钝化层为掩膜，对所述上电极金属刻蚀，形成上电极；
其中，所述下电极、所述压电层和所述上电极共同组成所述压电堆叠结构。
7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，制备方法在步骤S150之后，步骤S160之前还包括：
对所述钝化层通过构图工艺形成贯穿所述钝化层的第一过孔，并在所述第一过孔内形成上电极引出线，所述上电极引出线与所述上电极电连接；
对所述压电层通过构图工艺形成贯穿所述压电层的第二过孔，并在所述第二过孔内形成下电极引出线，所述下电极引出线与所述下电极电连接。
8.根据权利要求1至5任意一项所述的制备方法，其特征在于，
所述支撑层的厚度为0.1μm～5μm；和/或，
所述支撑层材料为二氧化硅、氮化硅、氮化铝、碳化硅、硅、氮化镓、砷化镓、钼、钨、铂、钛、铝和金中任意一者。
9.根据权利要求1至5任意一项所述的制备方法，其特征在于，所述牺牲层材料为二氧化硅、金属材料和聚合物材料中任意一者。
10.一种滤波器，其特征在于，其包括多个如权利要求1至9中任意一项所述的谐振器。
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