CN110417374A - 一种薄膜体声波谐振器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种薄膜体声波谐振器及其制备方法。其中，方法包括：提供蓝宝石衬底，并在蓝宝石衬底上制作牺牲层；在牺牲层上形成第一电极；通过反应磁控溅射的方法在蓝宝石衬底、牺牲层和第一电极上沉积氮化铝层，其中，氮化铝层在002方向上的摇摆曲线宽度小于1°；在氮化铝层上形成第二电极；去除牺牲层，形成空腔。本发明提供的薄膜体声波谐振器及其制备方法，实现了大带宽和低损耗的薄膜体声波谐振器。
Description
技术领域
本发明实施例涉及电子器件技术领域，尤其涉及一种薄膜体声波谐振器及其制备方法。
背景技术
随着薄膜与微纳制造技术的发展，电子器件正向微型化、高密集复用、高频率和低功耗的方向迅速发展。近年来发展起来的薄膜体声波谐振器(FBAR)采用一种先进的谐振技术,通过压电薄膜的逆压电效应将电能量转换成声波而形成谐振，这一谐振技术可以用来制作薄膜频率整形器件等先进元器件，薄膜体声波谐振器(FBAR)声波器件具有体积小,成本低,品质因数(Q)高、功率承受能力强、频率高(可达1-10GHz)且与IC技术兼容等特点，适合于工作在1-10GHz的RF系统应用，有望在未来的无线通讯系统中取代传统的声表面波(SAW)器件和微波陶瓷器，因此在新一代无线通信系统和超微量生化检测领域具有广阔的应用前景。
薄膜体声波谐振器的核心结构包括顶电极、压电薄膜层、底电极，并在底电极下形成空腔，压电薄膜材料一般为氮化铝(AlN)，传统制作方法是通过低温溅射形成高C轴取向的AlN薄膜，该方法获得的AlN薄膜的XRD在002方向上的摇摆曲线宽度(FWHM)为2-3°，晶体质量不高，限制器件获取更大的带宽以及更小的损耗。
发明内容
本发明提供一种薄膜体声波谐振器及其制备方法，以实现大带宽和低损耗的薄膜体声波谐振器。
第一方面，本发明实施例提供了一种薄膜体声波谐振器的制备方法，包括：
提供蓝宝石衬底，并在所述蓝宝石衬底上制作牺牲层；
在所述牺牲层上形成第一电极；
通过反应磁控溅射的方法在所述蓝宝石衬底、所述牺牲层和所述第一电极上沉积氮化铝层，其中，所述氮化铝层在002方向上的摇摆曲线宽度小于1°；
在所述氮化铝层上形成第二电极；
去除牺牲层，形成空腔。
可选的，在通过反应磁控溅射的方法在所述蓝宝石衬底、所述牺牲层和所述第一电极上沉积氮化铝层时，沉积过程中的温度为T，其中，600℃≤T≤800℃。
可选的，在所述蓝宝石衬底上制作牺牲层包括：
通过物理气相沉积或者化学气相沉积的方法沉积牺牲材料，对所述牺牲材料进行图形化处理，形成所述牺牲层。
可选的，所述去除牺牲层包括：
对氮化铝层进行图形化刻蚀，露出部分牺牲层；
通过干法或湿法刻蚀所述牺牲层。
可选的，所述牺牲层的材料为二氧化硅或氮化硅。
可选的，用于刻蚀所述牺牲层的材料为磷酸或氢氟酸。
第二方面，本发明实施例还提供了一种薄膜体声波谐振器，采用第一方面中所述的任一薄膜体声波谐振器的制造方法形成，包括：
依次设置的蓝宝石衬底、第一电极、氮化铝层和第二电极；
所述第一电极与所述蓝宝石衬底之间设置有空腔；
所述氮化铝层在002方向上的摇摆曲线宽度小于1°。
可选的，所述氮化铝层的厚度为D1，其中，0.5μm≤D1≤5μm。
可选的，所述第一电极的厚度为D2，所述第二电极的厚度为D3，其中，50nm≤D2≤500nm，50nm≤D3≤500nm。
可选的，所述第一电极的材料为铝、钼、钛、钨、铂、铜、银、金和锡中的任意一种或多种；
所述第二电极的材料为铝、钼、钛、钨、铂、铜、银、金和锡中的任意一种或多种。
本发明实施例提供的薄膜体声波谐振器的制备方法，通过反应磁控溅射的方法在蓝宝石衬底上沉积氮化铝层，沉积的氮化铝层的X射线衍射图谱在002方向上的摇摆曲线宽度小于1°，与现有技术中制备的摇摆曲线宽度(FWHM)为2-3°的AlN薄膜相比，本发明提供的薄膜体声波谐振器的制备方法所制备的氮化铝层的晶体质量更高，使得薄膜体声波谐振器能够获取更大的带宽，并且损耗更小。
附图说明
图1为本发明实施例提供的一种薄膜体声波谐振器的制备方法的流程示意图；
图2为本发明实施例提供的在蓝宝石衬底上制作牺牲层的结构示意图；
图3为本发明实施例提供的在牺牲层上形成第一电极的结构示意图；
图4为本发明实施例提供的在蓝宝石衬底、牺牲层和第二电极上沉积氮化铝层的结构示意图；
图5为本发明实施例提供的在氮化铝层上形成第二电极的结构示意图；
图6为本发明实施例提供的一种薄膜体声波谐振器的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。
图1为本发明实施例提供的一种薄膜体声波谐振器的制备方法的流程示意图，如图1所示，本发明实施例提供的薄膜体声波谐振器的制备方法包括：
S101、提供蓝宝石衬底，并在所述蓝宝石衬底上制作牺牲层。
S102、在所述牺牲层上形成第一电极。
S103、通过反应磁控溅射的方法在所述蓝宝石衬底、所述牺牲层和所述第一电极上沉积氮化铝层，其中，所述氮化铝层在002方向上的摇摆曲线宽度小于1°。
S104、在所述氮化铝层上形成第二电极。
S105、去除牺牲层，形成空腔。
本发明实施例提供的薄膜体声波谐振器的制备方法，通过反应磁控溅射的方法在蓝宝石衬底上沉积氮化铝层，沉积的氮化铝层的X射线衍射图谱在002方向上的摇摆曲线宽度小于1°，与现有技术中制备的摇摆曲线宽度(FWHM)为2-3°的AlN薄膜相比，本发明提供的薄膜体声波谐振器的制备方法所制备的氮化铝层的晶体质量更高，使得薄膜体声波谐振器能够获取更大的带宽，并且损耗更小。
可选的，在蓝宝石衬底上制作牺牲层包括：通过物理气相沉积或者化学气相沉积的方法沉积牺牲材料，对牺牲材料进行图形化处理，形成牺牲层。
图2为本发明实施例提供的在蓝宝石衬底上制作牺牲层的结构示意图，如图2所示，通过物理气相沉积(Physical Vapor Deposition，PVD)或者化学气相沉积(ChemicalVapor Deposition，CVD)的方法在蓝宝石衬底11上沉积牺牲材料，并对牺牲材料进行图形化处理，以在蓝宝石衬底11上形成牺牲层12。其中，物理气相沉积通过蒸发，电离或溅射等过程，产生金属粒子并与反应气体反应形成化合物沉积在工件表面，工艺过程简单、无污染、耗材少、成膜均匀致密且与基体的结合力强。化学气相沉积利用含有薄膜元素的一种或几种气相化合物或单质、在衬底表面上进行化学反应生成薄膜，沉积温度低，薄膜成份易控，膜厚与淀积时间成正比，均匀性和重复性好，台阶覆盖性优良。
可选的，在蓝宝石衬底11上沉积牺牲材料之前，对蓝宝石衬底11进行清洗，避免蓝宝石衬底11表面的杂质影响牺牲材料沉积，且有利于后续在蓝宝石衬底11上沉积具有高晶体质量的氮化铝层。
图3为本发明实施例提供的在牺牲层上形成第一电极的结构示意图，如图3所示，在蓝宝石衬底11和牺牲层12上沉积第一电极材料后，对第一电极材料进行图形化处理，从而在牺牲层12上形成第一电极13来作为薄膜体声波谐振器的底电极。
图4为本发明实施例提供的在蓝宝石衬底、牺牲层和第二电极上沉积氮化铝层的结构示意图，如图4所示，可选的，通过反应磁控溅射的方法在蓝宝石衬底11、牺牲层12和第一电极13上沉积氮化铝层14，沉积过程中的温度为T，其中，600℃≤T≤800℃。
本发明实施例提供的薄膜体声波谐振器的制备方法，采用反应磁控溅射的方法在蓝宝石衬底11上制备氮化铝层14，通过在反应磁控溅射中提高蓝宝石衬底11的温度，提高氮化铝层14的晶体质量，使其XRD在002方向上摇摆曲线宽度(FWHM)小于1°，解决现有技术中的薄膜体声波谐振器中压电层的氮化铝晶体质量不高的问题。其中，沉积过程中的温度T保持在600-800℃，通过设定合适的温度T，在提高氮化铝层14晶体质量的同时，避免预铺的第一电极13在高温下融化造成损坏。
图5为本发明实施例提供的在氮化铝层上形成第二电极的结构示意图，如图5所示，在氮化铝层14上沉积第二电极材料后，对第二电极材料进行图形化处理，从而在氮化铝层14上形成第二电极15来作为薄膜体声波谐振器的顶电极。
图6为本发明实施例提供的一种薄膜体声波谐振器的结构示意图，如图6所示，可选的，去除牺牲层包括：对氮化铝层14进行图形化刻蚀，露出部分牺牲层12，通过干法或湿法刻蚀牺牲层12。
其中，通过刻蚀或激光等工艺在氮化铝层14上形成至少一个通孔或缝隙，露出牺牲层12，并采用干法或湿法刻蚀牺牲层12，从而通过通孔或缝隙对牺牲层12进行刻蚀和释放，形成空腔16。空腔16使得第一电极13远离氮化铝层14的一侧形成有一层空气层，该空气层能够阻隔谐振能量的散失，提高薄膜体声波谐振器的谐振的可靠性。
可选的，牺牲层12的材料为二氧化硅(SiO2)或氮化硅(SiN)。
其中，二氧化硅(SiO2)或氮化硅(SiN)相对于薄膜体声波谐振器中的其他材料，更容易被刻蚀移除，通过设置牺牲层12，避免对蓝宝石衬底11进行刻蚀形成空腔16，从而减少了刻蚀时间。
可选的，用于刻蚀牺牲层12的材料为磷酸或氢氟酸(HF)。
其中，用于刻蚀牺牲层12的材料采用磷酸或氢氟酸(HF)，通过气体刻蚀或者湿法刻蚀去除牺牲层12，从而形成空腔16。示例性的，采用氢氟酸(HF)作为刻蚀剂刻蚀二氧化硅(SiO2)材料的牺牲层12，或者采用磷酸作为刻蚀剂刻蚀氮化硅(SiN)材料的牺牲层12，从而利用牺牲层12材料与薄膜体声波谐振器中的其他材料在刻蚀剂中腐蚀速率的巨大差异去除牺牲层12。
基于同样的发明构思，本发明实施例还提供了一种薄膜体声波谐振器，该薄膜体声波谐振器采用上述实施例提供的薄膜体声波谐振器的制造方法形成，与上述实施例相同或相应的结构以及术语的解释在此不再赘述，继续参考图6所示，本发明实施例提供的薄膜体声波谐振器包括：依次设置的蓝宝石衬底11、第一电极13、氮化铝层14和第二电极15。第一电极13与蓝宝石衬底11之间设置有空腔16，氮化铝层14在002方向上的摇摆曲线宽度小于1°。
其中，在第一电极13和第二电极15之间设置有氮化铝层14，使得氮化铝层14能够在两端电流作用下产生谐振，从而应用到电子产品中，起到频率控制的作用。
本发明实施例提供的薄膜体声波谐振器，通过设置蓝宝石衬底11，使得利用反应磁控溅射的方法在蓝宝石衬底上沉积的氮化铝层14在002方向上的摇摆曲线宽度小于1°，与现有技术中制备的摇摆曲线宽度(FWHM)为2-3°的AlN薄膜相比，本发明提供的薄膜体声波谐振器的氮化铝层14的晶体质量更高，使得薄膜体声波谐振器能够获取更大的带宽，并且损耗更小。
可选的，氮化铝层14的厚度为D1，其中，0.5μm≤D1≤5μm。
其中，通过设置合适的氮化铝层14的厚度D1，使得薄膜体声波谐振器工作在所需的频率范围。
可选的，第一电极13的厚度为D2，第二电极15的厚度为D3，其中，50nm≤D2≤500nm，50nm≤D3≤500nm。
其中，通过设置合适的第一电极13的厚度D2以及第二电极15的厚度D3，使得薄膜体声波谐振器工作在所需的频率范围。
可选的，第一电极13的材料为铝(Al)、钼(Mo)、钛(Ti)、钨(W)、铂(Pt)、铜(Cu)、银(Ag)、金(Au)和锡(Sn)中的任意一种或多种，第二电极15的材料为铝(Al)、钼(Mo)、钛(Ti)、钨(W)、铂(Pt)、铜(Cu)、银(Ag)、金(Au)和锡(Sn)中的任意一种或多种。
示例性的，第一电极13和第二电极15的材料为钼(Mo)，从而使得第一电极13和第二电极15的热弹性损失较低。可选的，第一电极13和第二电极15通过磁控溅射沉积等方式沉积形成。磁控溅射是物理气相沉积的一种，具有设备简单、易于控制、镀膜面积大和附着力强等优点，使得第一电极13和第二电极15的沉积效果更佳。其中，在形成第一电极13和第二电极15时，先沉积一层电极材料，然后对电极材料进行刻蚀处理，以形成第一电极13和第二电极15。
注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。
Claims (10)
1.一种薄膜体声波谐振器的制备方法，其特征在于，包括：
提供蓝宝石衬底，并在所述蓝宝石衬底上制作牺牲层；
在所述牺牲层上形成第一电极；
通过反应磁控溅射的方法在所述蓝宝石衬底、所述牺牲层和所述第一电极上沉积氮化铝层，其中，所述氮化铝层在002方向上的摇摆曲线宽度小于1°；
在所述氮化铝层上形成第二电极；
去除牺牲层，形成空腔。
2.根据权利要求1所述的薄膜体声波谐振器的制备方法，其特征在于，在通过反应磁控溅射的方法在所述蓝宝石衬底、所述牺牲层和所述第一电极上沉积氮化铝层时，沉积过程中的温度为T，其中，600℃≤T≤800℃。
3.根据权利要求1所述的薄膜体声波谐振器的制备方法，其特征在于，在所述蓝宝石衬底上制作牺牲层包括：
通过物理气相沉积或者化学气相沉积的方法沉积牺牲材料，对所述牺牲材料进行图形化处理，形成所述牺牲层。
4.根据权利要求1所述的薄膜体声波谐振器的制备方法，其特征在于，所述去除牺牲层包括：
对氮化铝层进行图形化刻蚀，露出部分牺牲层；
通过干法或湿法刻蚀所述牺牲层。
5.根据权利要求1所述的薄膜体声波谐振器的制备方法，其特征在于，所述牺牲层的材料为二氧化硅或氮化硅。
6.根据权利要求5所述的薄膜体声波谐振器的制备方法，其特征在于，用于刻蚀所述牺牲层的材料为磷酸或氢氟酸。
7.一种薄膜体声波谐振器，其特征在于，采用权利要求1-6中任一项所述的薄膜体声波谐振器的制造方法形成，包括：
依次设置的蓝宝石衬底、第一电极、氮化铝层和第二电极；
所述第一电极与所述蓝宝石衬底之间设置有空腔；
所述氮化铝层在002方向上的摇摆曲线宽度小于1°。
8.根据权利要求7所述的薄膜体声波谐振器，其特征在于，所述氮化铝层的厚度为D1，其中，0.5μm≤D1≤5μm。
9.根据权利要求7所述的薄膜体声波谐振器，其特征在于，所述第一电极的厚度为D2，所述第二电极的厚度为D3，其中，50nm≤D2≤500nm，50nm≤D3≤500nm。
10.根据权利要求7所述的薄膜体声波谐振器，其特征在于，所述第一电极的材料为铝、钼、钛、钨、铂、铜、银、金和锡中的任意一种或多种；
所述第二电极的材料为铝、钼、钛、钨、铂、铜、银、金和锡中的任意一种或多种。
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