CN110492860A - 薄膜体声波谐振器及其制造方法 - Google Patents

薄膜体声波谐振器及其制造方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种薄膜体声波谐振器及其制造方法。其中，方法包括：提供过渡基板，并在过渡基板上沉积氮化铝材料；对氮化铝材料进行退火处理，形成氮化铝层；在氮化铝层上形成第一电极；提供具有空腔的衬底，将氮化铝层靠近第一电极的一侧与衬底具有空腔的一侧键合，第一电极位于空腔内；去除过渡基板；在氮化铝层远离第一电极的一侧制备第二电极。本发明提供的薄膜体声波谐振器及其制造方法，大大提升了薄膜体声波谐振器中氮化铝材料的晶体质量。

Description

薄膜体声波谐振器及其制造方法
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造方法。
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。
单晶AlN材料一般通过金属有机化学气象沉积(Metal Organic Chemical VaporDeposition，MOCVD)在高温环境下获得，但薄膜体声波谐振器铺设的底电极在高温下易融化损坏且不利于单晶压电材料的生长。
发明内容
本发明提供一种薄膜体声波谐振器及其制造方法，以提升薄膜体声波谐振器中AlN材料的晶体质量。
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造方法，包括：
提供过渡基板，并在所述过渡基板上沉积氮化铝材料；
对所述氮化铝材料进行退火处理，形成氮化铝层；
在所述氮化铝层上形成第一电极；
提供具有空腔的衬底，将所述氮化铝层靠近所述第一电极的一侧与所述衬底具有空腔的一侧键合；所述第一电极位于所述空腔内；
去除所述过渡基板；
在所述氮化铝层远离所述第一电极的一侧制备第二电极。
可选的，所述退火温度为T，800℃≤T≤1600℃。
可选的，所述在所述过渡基板上沉积氮化铝材料包括：
通过溅射工艺在所述过渡基板上沉积氮化铝材料。
可选的，所述将所述氮化铝层靠近所述第一电极的一侧与所述衬底具有空腔的一侧键合包括：
通过共晶键合或者热压键合的方法将所述氮化铝层靠近所述第一电极的一侧与所述衬底具有空腔的一侧键合。
可选的，所述去除所述过渡基板包括：
通过激光剥离或者化学机械抛光去除所述过渡基板。
可选的，所述过渡基板的材料为蓝宝石。
可选的，所述衬底的材料为硅。
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：
依次设置的衬底、第一电极、氮化铝层和第二电极；
所述衬底靠近所述第一电极的一侧设置有空腔；
所述氮化铝层在002方向上的摇摆曲线宽度小于0.1°。
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。
本发明实施例提供的薄膜体声波谐振器的制造方法，在过渡基板上沉积氮化铝材料，通过对氮化铝材料进行退火处理，形成氮化铝层，提升整体氮化铝层的晶体质量，该氮化铝层的X射线衍射图谱(XRD)在002方向上的摇摆曲线宽度(FWHM)小于0.1°，远远小于现有技术中制备的AlN薄膜，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。本发明提供的薄膜体声波谐振器的制造方法，通过在过渡基板上沉积氮化铝材料并进行退火处理，在解决薄膜体声波谐振器中压电层氮化铝晶体质量不高的问题的同时，还避免了现有技术中预铺底电极在高温下易融化的问题，从而实现晶体质量更高的氮化铝层，使得薄膜体声波谐振器具备更大的带宽，并降低损耗。
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造方法的流程示意图；
图2为本发明实施例提供的在过渡基板上沉积氮化铝材料的结构示意图；
图3为本发明实施例提供的对氮化铝材料进行退火处理，形成氮化铝层的结构示意图；
图4为本发明实施例提供的在氮化铝层上形成第一电极的结构示意图；
图5为本发明实施例提供的将氮化铝层靠近第一电极的一侧与衬底具有空腔的一侧键合的结构示意图；
图6为本发明实施例提供的去除过渡基板的结构示意图；
图7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造方法的流程示意图，如图1所示，该方法包括：
S101、提供过渡基板，并在所述过渡基板上沉积氮化铝材料。
S102、对所述氮化铝材料进行退火处理，形成氮化铝层。
S103、在所述氮化铝层上形成第一电极。
S104、提供具有空腔的衬底，将所述氮化铝层靠近所述第一电极的一侧与所述衬底具有空腔的一侧键合；所述第一电极位于所述空腔内。
S105、去除所述过渡基板。
S106、在所述氮化铝层远离所述第一电极的一侧制备第二电极。
本发明实施例提供的薄膜体声波谐振器的制造方法，在过渡基板上沉积氮化铝材料，通过对氮化铝材料进行退火处理，形成氮化铝层，提升整体氮化铝层的晶体质量，该氮化铝层的X射线衍射图谱(XRD)在002方向上的摇摆曲线宽度(FWHM)小于0.1°，远远小于现有技术中制备的AlN薄膜，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。本发明提供的薄膜体声波谐振器的制造方法，通过在过渡基板上沉积氮化铝材料并进行退火处理，在解决薄膜体声波谐振器中压电层氮化铝晶体质量不高的问题的同时，还避免了现有技术中预铺底电极在高温下易融化的问题，从而实现晶体质量更高的氮化铝层，使得薄膜体声波谐振器具备更大的带宽，并降低损耗。
图2为本发明实施例提供的在过渡基板上沉积氮化铝材料的结构示意图，如图2所示，在过渡基板11上沉积氮化铝材料12，可选的，通过溅射工艺在过渡基板11上沉积氮化铝材料12。溅射工艺是物理气相沉积(Physical Vapor Deposition，PVD)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。
图3为本发明实施例提供的对氮化铝材料进行退火处理，形成氮化铝层的结构示意图，如图3所示，对氮化铝材料12进行退火处理，形成氮化铝层13，其中，可选的，退火温度为T，800℃≤T≤1600℃。
具体的，对氮化铝材料12进行退火处理时，退火温度为T，800℃≤T≤1600℃，通过对氮化铝材料12进行温度大于等于800℃的高温退火处理，大大提升了氮化铝材料12的晶体质量。
图4为本发明实施例提供的在氮化铝层上形成第一电极的结构示意图，如
图4所示，在形成第一电极14时，先在氮化铝层13上沉积一层第一电极14的材料，然后对第一电极14材料进行刻蚀处理，以形成第一电极14，第一电极14可作为薄膜体声波谐振器的底电极。可选的，第一电极14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14的材料为钼(Mo)，从而使得第一电极14的热弹性损失较低。第一电极14可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14的沉积效果更佳。
图5为本发明实施例提供的将氮化铝层靠近第一电极的一侧与衬底具有空腔的一侧键合的结构示意图，如图5所示，可选的，将氮化铝层13靠近第一电极14的一侧与衬底15具有空腔16的一侧键合包括：通过共晶键合或者热压键合的方法将氮化铝层13靠近第一电极14的一侧与衬底15具有空腔16的一侧键合。
其中，衬底15的一表面预制凹形结构，以使氮化铝层13与衬底15键合后形成空腔16。共晶键合方法速度快，一般不需要助焊剂，工艺重复性好且机械强度高。热压键合方法工艺简单、键合牢固且强度高。
图6为本发明实施例提供的去除过渡基板的结构示意图，如图6所示，可选的，去除过渡基板11包括：通过激光剥离或者化学机械抛光(Chemical Mechanical Polishing，CMP)去除过渡基板11。
其中，激光剥离的方法的剥离速度快，剥离后的过渡基板11可回收使用。采用化学机械抛光(Chemical Mechanical Polishing，CMP)的方法能够获得平坦的氮化铝层13表面，有利于后续在氮化铝层13上制备第二电极。
图7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7所示，在氮化铝层13上形成第二电极17时，先在氮化铝层13上沉积一层第二电极17的材料，然后对第二电极17的材料进行图形化处理，以形成第二电极17，第二电极17可作为薄膜体声波谐振器的顶电极。可选的，第二电极17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，第二电极17的材料为钼(Mo)，从而使得第二电极17的热弹性损失较低。第二电极17可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，使得第二电极17的沉积效果更佳。
可选的，过渡基板11的材料为蓝宝石。
其中，氮化铝材料与蓝宝石的晶格失配度较低，且蓝宝石价格低廉，通过在蓝宝石上沉积氮化铝材料，有助于提高氮化铝材料的晶体质量。可选的，在蓝宝石上沉积氮化铝材料之前，对蓝宝石进行清洗处理，从而避免蓝宝石表面的杂质影响氮化铝材料的沉积。
可选的，衬底15的材料为硅。
其中，硅衬底价格便宜，且现有技术中应用硅衬底制造薄膜体声波谐振器的技术更加成熟。
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，采用上述实施例中所述的任一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7所示，本发明实施例提供的薄膜体声波谐振器包括：依次设置的衬底15、第一电极14、氮化铝层13和第二电极17。衬底15靠近第一电极14的一侧设置有空腔16，氮化铝层13在002方向上的摇摆曲线宽度小于0.1°。
其中，在第一电极14和第二电极17之间设置有氮化铝层13，使得氮化铝层13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，通过对氮化铝材料进行退火处理，形成氮化铝层13，提升整体氮化铝层13的晶体质量，该氮化铝层13的X射线衍射图谱(XRD)在002方向上的摇摆曲线宽度(FWHM)小于0.1°，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13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13的厚度为D1，其中，0.5μm≤D1≤5μm。
其中，通过设置合适的氮化铝层13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14的厚度为D2，第二电极17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14的厚度D2以及第二电极17的厚度D3，使得薄膜体声波谐振器工作在所需的频率范围。
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造方法，其特征在于，包括：
提供过渡基板，并在所述过渡基板上沉积氮化铝材料；
对所述氮化铝材料进行退火处理，形成氮化铝层；
在所述氮化铝层上形成第一电极；
提供具有空腔的衬底，将所述氮化铝层靠近所述第一电极的一侧与所述衬底具有空腔的一侧键合；所述第一电极位于所述空腔内；
去除所述过渡基板；
在所述氮化铝层远离所述第一电极的一侧制备第二电极。
2.根据权利要求1所述的薄膜体声波谐振器的制造方法，其特征在于，所述退火温度为T，800℃≤T≤1600℃。
3.根据权利要求1所述的薄膜体声波谐振器的制造方法，其特征在于，所述在所述过渡基板上沉积氮化铝材料包括：
通过溅射工艺在所述过渡基板上沉积氮化铝材料。
4.根据权利要求1所述的薄膜体声波谐振器的制造方法，其特征在于，所述将所述氮化铝层靠近所述第一电极的一侧与所述衬底具有空腔的一侧键合包括：
通过共晶键合或者热压键合的方法将所述氮化铝层靠近所述第一电极的一侧与所述衬底具有空腔的一侧键合。
5.根据权利要求1所述的薄膜体声波谐振器的制造方法，其特征在于，所述去除所述过渡基板包括：
通过激光剥离或者化学机械抛光去除所述过渡基板。
6.根据权利要求1所述的薄膜体声波谐振器的制造方法，其特征在于，所述过渡基板的材料为蓝宝石。
7.根据权利要求1所述的薄膜体声波谐振器的制造方法，其特征在于，所述衬底的材料为硅。
8.一种薄膜体声波谐振器，其特征在于，采用权利要求1-7中任一项所述的薄膜体声波谐振器的制造方法形成，包括：
依次设置的衬底、第一电极、氮化铝层和第二电极；
所述衬底靠近所述第一电极的一侧设置有空腔；
所述氮化铝层在002方向上的摇摆曲线宽度小于0.1°。
9.根据权利要求8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。
10.根据权利要求8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。
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