CN110474616A - 一种空气隙型薄膜体声波谐振器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种空气隙型薄膜体声波谐振器及其制备方法，所述谐振器包括从下到上依次分布的转移衬底、键合层、支撑层和压电薄膜，支撑层位于键合层上表面的两端，所述键合层、支撑层和压电薄膜围成一空气隙，在压电薄膜的上表面和下表面分别相对连接有顶电极和底电极，底电极位于空气隙中，所述顶电极、压电薄膜和底电极构成三明治结构，采用所述制备方法的FBAR结构简单、稳定，制造工艺对核心结构的损伤小，避免寄生电容的引入，可控性强，同时降低了FBAR制造的生产成本，可对很薄的薄膜进行加工，适用于高频领域。
Description
技术领域
本发明涉及薄膜体声波谐振器技术领域，具体涉及一种空气隙型薄膜体声波谐振器及其制备方法。
背景技术
射频微波技术的日益发展，对射频器件的工作条件提出了更加严苛的要求。在工作频率不断提高的同时，对器件体积、使用性能、稳定性、集成性也有了更高的要求。薄膜体声波谐振器（Film Bulk Acoustic Resonator，简称“FBAR”）以其优异的性能，如体积小、损耗低、功率容量大、可集成等优势，在传感、测控及通信等领域有广阔的应用前景。
薄膜体声波谐振器是由上下两层金属电极和夹于其中间的压电薄膜材料所构成的三明治结构。其原理师利用压电薄膜的压电特性，当施加一个交变电压于两端电极时，压电效应使压电薄膜产生机械振动，从而激励出体声波。当体声波传输到电极界面时，经电极外的声学反射层将声波反射回来，从而将体声波限制在两电极之间产生振荡。空气的声阻抗可以认为近似为零，因此在电极材料和空气组成的固/气界面具有非常强的反射声波的能力，为了能够制备出固/气界面，通过刻蚀的方法去掉部分与下电极相接触的衬底材料，形成空腔使下电极直接与空气接触，制成反面刻蚀型器件，或将器件的一部分衬底直接刻蚀掉，使器件的下电极悬空形成固/气界面，即空气间隙型器件。
主流的空腔型FBAR滤波器制备方法，通过引入牺牲层，并在最后将去除的方式获得空腔。但在牺牲层去除的过程中腐蚀液容易对器件的其他结构造成不同程度的腐蚀，而且空腔在释放过程中产生的谐振结构应力变化容易将空腔破坏，导致器件性能及成品率的降低。近期的专利（申请）中提出通过金属键合的方法，制备FBAR底电极的空腔结构，但键合过程中金属的流动性难以控制，且键合金属易与电极产生电容效应，影响滤波器的阻抗特性，对射频器件的传输性能与阻抗匹配造成影响。因此更合理高效的空气隙型FBAR结构与制备方法有待研究，以简化FBAR的制备难度、提高FBAR的使用性能。
发明内容
基于此，本发明的目的在于提出一种改良的薄膜体声波谐振器的结构与制备方法。采用该制备方法的FBAR结构简单、稳定，制造工艺对核心结构的损伤小，避免寄生电容的引入，可控性强，同时降低了FBAR制造的生产成本，可对很薄的薄膜进行加工，适用于高频领域。
本发明的目的是通过以下技术方案之一实现的。
本发明提供了一种空气隙型薄膜体声波谐振器，所述谐振器包括从下到上依次分布的转移衬底、键合层、支撑层和压电薄膜，支撑层位于键合层上表面的两端，所述键合层、支撑层和压电薄膜围成一空气隙，在压电薄膜的上表面和下表面分别相对连接有顶电极和底电极，底电极位于空气隙中，所述顶电极、压电薄膜和底电极构成三明治结构。
优选地，键合层和转移衬底上具有一凹槽，键合层和部分转移衬底构成凹槽壁，支撑层位于凹槽壁上表面，所述凹槽、支撑层和压电薄膜围成了所述空气隙。
优选地，转移衬底为单晶Si；键合层和支撑层均为SiO2；压电薄膜为PZT、AlN、ZnO、CdS或LiNbO3中的一种以上；底电极和顶电极均为金属电极层，所述金属为Pt、Mo、W、Ti、Al、Au、Ag中的一种以上。
优选地，键合层的厚度为300nm~4μm；压电薄膜的厚度为100nm~2μm；顶电极和底电极的厚度为20nm~400nm。
优选地，支撑层的厚度为3-5μm。
优选地，支撑层的厚度为100-300nm；凹槽的深度为2-4μm。
本发明还提供了一种制备所述的空气隙型薄膜体声波谐振器的方法，包括以下步骤：
（1）选用一基底作为外延衬底，对外延衬底进行清洗，除去表面有机物和脏污，在外延衬底生长一层压电薄膜；在压力薄膜上表面生长底电极，在底电极上表面和压力薄膜上表面连接底电极之外的区域生长一层支撑层，并通过光刻和湿法腐蚀将底电极上表面上的支撑层去除，将底电极用光刻胶进行保护，然后送入ICP-RIE系统中对支撑层进行表面处理，得第一晶圆；
（2）选一转移衬底，在所述转移衬底上沉积一层键合层，得第二晶圆；
（3）将底电极用光刻胶进行保护，将第一晶圆和第二晶圆送入ICP-RIE系统系统中对支撑层和键合层进行表面处理；将处理后的第一晶圆和第二晶圆分别以支撑层和键合层为接触面送入键合机中进行预键合，退火，预键合的晶圆间形成牢固的键合，压电薄膜实现转移，形成空气隙；
（4）通过机械减薄、化学抛光、化学腐蚀的方法将外延衬底与压电薄膜分离；
（5）在压电薄膜上表面沉积顶电极，并进行图像化处理，顶电极和底电极相对，顶电极、压电薄膜和底电极形成三明治结构。
优选地，步骤（1）生长压电薄膜的方法包括PVD、MOCVD、PLD、ALD中的一种或多种结合；生长底电极的方法为磁控溅射；生长支撑层的方法为等离子体增强化学气相沉积的方法PECVD。
优选地，步骤（2）中在转移衬底上沉积键合层的方法为PECVD；沉积键合层后，在键合层和转移衬底上从上到下刻蚀出与底电极图形相匹配的凹槽。
优选地，步骤（3）中退火温度为200至400℃；步骤（1）和步骤（3）所述的表面处理包括等离子体活化、HF溶液表面粗化与改性方法。
和现有技术相比，本发明具有以下有益效果和优点：
（1）本发明所提供的制备方法中，对SiO2进行表面活性处理后使其具备更高的表面能，通过SiO2-SiO2键合实现薄膜转移，在Si衬底上外延一层高质量的单晶AlN压电薄膜，并在其上淀积金属电极并图形化，通过衬底转移在单晶AlN薄膜下形成空腔，最后对AlN的图形进行修饰，并淀积金属后图形化，形成电极-压电薄膜-电极的三明治复合结构，该方法通过键合形成空腔，不需引入牺牲层，且能将高质量的单晶AlN压电层运用于FBAR中，因此极大简化制备工艺；
（2）同时采用绝缘材料SiO2进行薄膜转移，键合温度低且成本低，与金属键合相比，可有效的避免额外寄生电容的引入，提高FBAR器件的响应速度、降低漏电，并与现有的MEMS/Si工艺兼容。
附图说明
图1为实施例1中在外延衬底上依次生长压电薄膜、底电极和支撑层并图形化后的剖视图；
图2为实施例1中在转移衬底上沉积或热氧化键合层后的剖视图；
图3为以实施例1的图1中衬底为转移衬底经过倒装键合后获得空气隙腔的剖视图；
图4为实施例1中将外延衬底剥离的剖视图；
图5为实施例1提供的空气隙型薄膜体声波谐振器的剖视图；
图6为实施例2中在转移衬底上通过刻蚀获得凹槽，并沉积SiO2后的剖视图；
图7为以实施例2的图6中衬底为转移衬底经过倒装键合后获得空气隙腔的剖视图；
图8为实施例2中将外延衬底剥离的剖视图；
图9为实施例2提供的空气隙型薄膜体声波谐振器的剖视图；
图10为实施例1提供的空气隙型薄膜体声波谐振器与相同结构参数由金属键合制备的谐振器的S11参数对照示意图；
图中包括：外延衬底101、转移衬底102、压电薄膜103、底电极104、支撑层105、键合层106、顶电极107；图1、图2、图6中箭头表示对SiO2进行表面活化处理。
具体实施方式
以下结合具体实施例和附图对本发明的具体实施作进一步说明，但本发明的实施不限于此。
实施例1
本实施例提供了一种空气隙型薄膜体声波谐振器，如图5所示，所述谐振器包括从下到上依次分布的转移衬底102、键合层106、支撑层105和压电薄膜103，支撑层105位于键合层106上表面的两端，所述键合层106、支撑层105和压电薄膜103围成一空气隙，在压电薄膜103的上表面和下表面分别相对连接有顶电极107和底电极104，底电极104位于空气隙中，所述顶电极107、压电薄膜103和底电极04构成三明治结构。
转移衬底102为单晶Si；键合层106和支撑层105均为SiO2；压电薄膜103为1.5μm厚的AlN；底电极和顶电极均为金属电极层，电极层的厚度为300nm，所述金属为Mo。
键合层的厚度为300nm；压电薄膜的厚度为1.5um；支撑层的厚度为3.4μm。顶电极厚度350nm，底电极厚度350nm；
本实施例还提供了一种制备如上所述的空气隙型薄膜体声波谐振器的方法，包括以下步骤：
（1）选用(111)面Si衬底作为外延衬底101，对外延衬底依次通过40℃浓H2SO4：H2O2：H2O(体积比为1:1:3)和BOE：HF(体积比为20:1)清洗（浓H2SO4、H2O2、BOE、HF通过市售取得），除去表面有机物和脏污，使用金属有机物化学气相沉积系统和射频磁控溅射系统，在外延衬底101生长一层压电薄膜103，反应气体三甲基铝（50sccm），NH3流量为（3slm），载气Ar（1slm），衬底温度为950℃左右，反应室总压力为40Torr左右，生长厚度为1.5μm的单晶AlN；在压力薄膜103上表面生长底电极104，使用射频磁控溅射机台，以纯度为99.99%的Mo作为溅射靶材，溅射时通入高纯的Ar作为溅射气体，工作总压为3~10Pa，靶基距设为60mm，真空度为4.0×10-4Pa，衬底温度为200℃下生长厚度为300nm Mo电极层，在底电极104上表面和压力薄膜103上表面连接底电极104之外的区域通过等离子体增强化学气相沉积（PECVD）的方法生长一层支撑层105，并通过光刻和湿法腐蚀将底电极104上表面上的支撑层105去除，如图1所示，将底电极104用光刻胶进行保护，然后送入ICP-RIE系统中对支撑层105进行表面活化处理，在200W的功率下，N2氛围中保持2分钟，得第一晶圆；
（2）选一高阻Si为转移衬底102，在所述转移衬底102上通过等离子体增强化学气相沉积（PECVD）沉积一层300nm的键合层106，得第二晶圆；如图2所示；
（3）将底电极104用光刻胶进行保护，将第一晶圆和第二晶圆送入ICP-RIE系统系统中对支撑层105、键合层106进行表面活化处理，在200W的功率下，N2氛围中保持2分钟；将处理后的第一晶圆和第二晶圆分别以支撑层105和键合层106为接触面送入键合机中进行预键合，键合过程中从第二晶圆的转移衬底102的中心处开始施加压力，并逐渐向边缘拓展，当压力升至1.5MPa后保持20min，退火，取出后送入退火炉，200℃下保温30min，预键合的晶圆间形成牢固的键合，压电薄膜实现转移，形成空气隙，如图3所示；
（4）通过机械减薄、化学抛光、化学腐蚀的方法将外延衬底101与压电薄膜103分离，采用体积比5：1的质量分数为30%的KOH与IPA混合配置腐蚀液，在80℃下腐蚀到压电薄膜103自停止，如图4所示；
（5）清洗步骤（4）处理后的表面残留，在压电薄膜103上表面沉积顶电极107，并进行图像化处理，顶电极107和底电极104相对，顶电极107、压电薄膜103和底电极104形成三明治结构，如图5所示。
（6）对制备获得的FBAR芯片进行点测，将G-S-G探针压在制备电极上，通过50欧姆标准线缆与矢量网络分析仪相连，测得单端口器件FBAR的散射参量S11。与相同结构尺寸的金属键合型FBAR测量结果相比较，如图10所示。可见，实施例1制备的FBAR滤波器回波损耗明显大于金属键合样品，器件响应效果更明显，且在1.99GHz处的寄生有明显改善。
实施例2
本实施例提供了一种空气隙型薄膜体声波谐振器，其结构和实施例1的相同，唯一不同的是键合层106和转移衬底102上具有一凹槽，键合层106和部分转移衬底102构成凹槽壁，支撑层105位于凹槽壁上表面，所述凹槽、支撑层105和压电薄膜103围成了空气隙。如图8和图9所示。
本实施例还提供了上述空气隙型薄膜体声波谐振器的制备方法，包括的步骤和实施例1所述步骤相同，不同的是支撑层105的厚度为300nm，沉积键合层106后，在键合层106和转移衬底102上从上到下刻蚀出与底电极104图形相匹配的凹槽，凹槽的深度为3um，如图6所示；然后和实施例1所述的步骤相似，将第一晶圆和第二晶圆进行预键合、退火和剥离处理，如图7和图8所示。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (10)
1.一种空气隙型薄膜体声波谐振器，其特征在于，所述谐振器包括从下到上依次分布的转移衬底、键合层、支撑层和压电薄膜，支撑层位于键合层上表面的两端，所述键合层、支撑层和压电薄膜围成一空气隙，在压电薄膜的上表面和下表面分别相对连接有顶电极和底电极，底电极位于空气隙中，所述顶电极、压电薄膜和底电极构成三明治结构。
2.根据权利要求1所述的空气隙型薄膜体声波谐振器，其特征在于，键合层和转移衬底上具有一凹槽，键合层和部分转移衬底构成凹槽壁，支撑层位于凹槽壁上表面，所述凹槽、支撑层和压电薄膜围成了所述空气隙。
3.根据权利要求1或2所述的空气隙型薄膜体声波谐振器，其特征在于，转移衬底为单晶Si；键合层和支撑层均为SiO2；压电薄膜为PZT、AlN、ZnO、CdS或LiNbO3中的一种以上；底电极和顶电极均为金属电极层，所述金属为Pt、Mo、W、Ti、Al、Au、Ag中的一种以上。
4.根据权利要求1或2所述的空气隙型薄膜体声波谐振器，其特征在于，键合层的厚度为300nm~4μm；压电薄膜的厚度为100nm~2μm；顶电极和底电极的厚度为20nm~400nm。
5.根据权利要求1所述的空气隙型薄膜体声波谐振器，其特征在于，支撑层的厚度为3-5μm。
6.根据权利要求2所述的空气隙型薄膜体声波谐振器，其特征在于，支撑层的厚度为100-300nm；凹槽的深度为2-4μm。
7.制备权利要求1至6任一项所述的空气隙型薄膜体声波谐振器的方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）选用一基底作为外延衬底，对外延衬底进行清洗，除去表面有机物和脏污，在外延衬底生长一层压电薄膜；在压力薄膜上表面生长底电极，在底电极上表面和压力薄膜上表面连接底电极之外的区域生长一层支撑层，并通过光刻和湿法腐蚀将底电极上表面上的支撑层去除，将底电极用光刻胶进行保护，然后送入ICP-RIE系统中对支撑层进行表面处理，得第一晶圆；
（2）选一转移衬底，在所述转移衬底上沉积一层键合层，得第二晶圆；
（3）将底电极用光刻胶进行保护，将第一晶圆和第二晶圆送入ICP-RIE系统系统中对支撑层和键合层进行表面处理；将处理后的第一晶圆和第二晶圆分别以支撑层和键合层为接触面送入键合机中进行预键合，退火，预键合的晶圆间形成牢固的键合，压电薄膜实现转移，形成空气隙；
（4）通过机械减薄、化学抛光、化学腐蚀的方法将外延衬底与压电薄膜分离；
（5）在压电薄膜上表面沉积顶电极，并进行图像化处理，顶电极和底电极相对，顶电极、压电薄膜和底电极形成三明治结构。
8.根据权利要求7所述的制备空气隙型薄膜体声波谐振器的方法，其特征在于，步骤（1）生长压电薄膜的方法包括PVD、MOCVD、PLD、ALD中的一种或多种结合；生长底电极的方法为磁控溅射；生长支撑层的方法为等离子体增强化学气相沉积的方法PECVD。
9.根据权利要求7所述的制备空气隙型薄膜体声波谐振器的方法，其特征在于，步骤（2）中在转移衬底上沉积键合层的方法为PECVD；沉积键合层后，在键合层和转移衬底上从上到下刻蚀出与底电极图形相匹配的凹槽。
10.根据权利要求7所述的制备空气隙型薄膜体声波谐振器的方法，其特征在于，步骤（3）中退火温度为200至400℃；步骤（1）和步骤（3）所述的表面处理包括等离子体活化、HF溶液表面粗化与改性方法。
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