CN110504938B - 薄膜体声波谐振器、滤波器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种薄膜体声波谐振器、滤波器及其制备方法，属于电子制造技术领域，其可至少部分解决现有的谐振滤波器在功率承受能力上存在一定的限制——当输入功率增大时，器件散热受限，导致器件温度升高，引起器件频率出现漂移以及产生非线性，影响器件的性能。本发明采用SiC作为基片材料，将谐振器的电极与SiC基片相连，利用SiC基片的高热导率，将高输入功率引起的热量进行及时散除，避免器件的温度升高，并进而避免由于器件温度升高而引起的器件频率漂移和非线性问题，提高器件的性能。
Description
技术领域
本发明属于电子制造技术领域，具体涉及一种薄膜体声波谐振器、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滤波器和基于薄膜体声波谐振器技术的滤波器。声表面波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，这时必须使用基于薄膜体声波谐振器技术的滤波器，特别对于5G通讯，薄膜体声波谐振器技术尤为重要。
薄膜体声波谐振器的结构和制备方式已经有很多。在以往的结构和制备方式中，常采用硅做支撑结构，采用PSG作为牺牲层材料，最后通过腐蚀PSG牺牲层形成空气隙。这种结构的器件在功率承受能力上存在一定的限制，当输入功率增大时，由于器件散热受限，将导致器件温度升高，引起器件频率出现漂移以及产生非线性，大大影响器件的性能。在5G要求的高频率和基站要求的高频率应用下，这个问题尤为突出。另一方面，SiC是一种低损耗高热导率的半导体材料，常用于射频和高功率器件中。相对于Si，其禁带宽度是Si的三倍，热导率是Si的三倍多。
发明内容
本发明至少解决现有技术中存在的技术问题之一，提供一种薄膜体声波谐振器、滤波器及其制备方法，包括以下步骤：
S110、选择第一基板，并图形化所述第一基板的第一表面，在所述第一表面上形成凹槽区域；
S120、选择第二基板，在所述第二基板上沉积刻蚀停止层，在所述刻蚀停止层上依次形成第一电极、压电层、第二电极的压电三明治结构；
S130、将所述第二基板上的所述压电三明治结构对准第一基板的第一表面上的凹槽区域，键合所述第一基板和第二基板；
S140、利用所述刻蚀停止层去除所述第二基板；其中，
所述第一基板的材质包括碳化硅。
进一步的，步骤S140之后还包括形成所述薄膜体声波谐振器的引出电极的步骤。
进一步的，所述步骤120还包括所述第二基板上沉积刻蚀停止层，所述停止层同时是所述薄膜体声波谐振器的钝化层。
进一步的，所述步骤120还包括在所述刻蚀停止层上形成粘附层。
进一步的，所述步骤110还包括在所述第一基板的第一表面沉积第一金属薄膜并图形化形成第一键合凸点。
进一步的，还包括在所述三明治结构上沉积第二金属薄膜并图形化形成第二键合凸点。
进一步的，所述键合包括将所述第一键合凸点对准所述第二键合凸点进行金属熔融键合。
进一步的，一种滤波器的制备方法，包括以下步骤：
S210、选择第一基板，并图形化所述第一基板的第一表面，在所述第一表面上形成若干个凹槽区域；
S220、选择第二基板，在所述第二基板上沉积刻蚀停止层，在所述刻蚀停止层上依次形成第一电极、压电层、第二电极，并图形化所述第一电极、所述压电层、所述第二电极以形成若干个压电三明治结构；
S230、将所述第二基板上的所述若干压电三明治结构对准第一基板的第一表面上的若干个凹槽区域，键合所述第一基板和第二基板；
S240、利用所述刻蚀停止层去除所述第二基板；其中，
所述第一基板的材质包括碳化硅。
进一步的，步骤S240之后还包括形成所述滤波器的引出电极的步骤；
或者，所述步骤S220还包括还包括所述第二基板上沉积刻蚀停止层，所述停止层同时是所述薄膜体声波滤波器的钝化层；
或者，所述步骤S220还包括在所述刻蚀停止层上形成粘附层；
或者，所述步骤S210还包括在所述第一基板的第一表面沉积第一金属薄膜并图形化形成第一键合凸点；
或者，还包括在所述三明治结构上沉积第二金属薄膜并图形化形成第二键合凸点；
或者，所述键合包括将所述第一键合凸点对准所述第二键合凸点进行金属熔融键合；
或者，所述第二键合凸点还将所述若干个压电三明治导电连接。
进一步的，所述薄膜体声波谐振器根据本发明提出的制备方法制备而成；或者，一种滤波器，所述滤波器根据本发明提出的的制备方法制备而成。
本发明一种薄膜体声波谐振器、滤波器及其制备方法，采用碳化硅作为基片材料，将谐振器的电极与碳化硅基片相连，利用碳化硅基片的高热导率，将高输入功率引起的热量进行及时散除，避免器件的温度升高，并进而避免由于器件温度升高而引起的器件频率漂移和非线性问题，提高了器件的性能。
采用键合工艺实现谐振器件的空气反射界面，避免了传统工艺需要沉积牺牲层并进行CMP的要求，降低了工艺难度。
采用二氧化硅作为器件的钝化层，起到了保护器件的作用，在本发明的工艺流程中还起到去除硅衬底时的停止层作用，另外二氧化硅由于具有与氮化铝和钼电极相反的温度系数，还可以起到改善器件频率温度系数的作用。
附图说明
图1为本发明第一实施例薄膜体声波谐振器制备方法流程图；
图2～图18为本发明第一实施例薄膜体声波谐振器及其制备方法图；
图19为本发明第二实施例薄膜体声波滤波器制备方法流程图；
图20～图36为本发明第二实施例薄膜体声波滤波器及其制备方法图。
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。
如图1～图18所示，为第一实施例，一种薄膜体声波谐振器及其制备方法，如图1所示，薄膜体声波谐振器制备方法流程包括以下步骤：
S110、选择第一基板100，并图形化第一基板100的第一表面，在第一表面上形成凹槽区域101；
S120、选择第二基板300，在第二基板300上沉积刻蚀停止层400，在刻蚀停止层400上依次形成第一电极600、压电层700、第二电极800的压电三明治结构；
S130、将第二基板300上的压电三明治结构对准第一基板100的第一表面上的凹槽区域101，键合第一基板100和第二基板300；
S140、利用刻蚀停止层400去除第二基板300；其中，
第一基板的材质包括碳化硅。
具体地，本实施例的薄膜体声波谐振器件的第一基板包括如下处理步骤：第一基板100例如采用单面或双面抛光，经过标准清洗的SiC基片，单面抛光时选择抛光面向上，双面抛光时选择任一抛光面向上，如图2所示；其中，第一基板100采用SiC主要是利用SiC是一种低损耗高热导率的半导体材料，相对于Si，其禁带宽度是Si的三倍，热导率是Si的三倍多，因此，其它具有良好导热性能的，能够与本发明薄膜体声波谐振器件制备工艺相兼容的材质也可以选用。
图形化和刻蚀第一基板100形成凹槽区域101，其中图形化和刻蚀采用本领域常见的涂胶、显影、光刻等工艺，如图3所示。
在第一基板100的上表面沉积键合用的金属薄膜并图形化，形成多个第一键合凸点201/202/203/204，如图4所示；该键合用的金属薄膜可以是TiW/Au、Cr/Au、铜、锡、银等可以进行金属键合的材料。
在第二基板上形成薄膜体声波谐振器件包括如下步骤：
选择第二基板300，第二基板300例如为单面或双面抛光硅片，对硅片进行标准清洗，单面抛光时选择抛光面向上，双面抛光时选择任一抛光面向上，如图5所示；在本实施例中对硅片的电阻率没有要求。
在第二基板300的上表面沉积薄膜400，该薄膜例如为二氧化硅薄膜，厚度为0.1μm～2μm，如图6所示。
在第二基板300的上表面沉积粘附层500，该粘附层厚度为0.03um～0.1um，可以为Ti、W和AlN等材料，主要作用为提高在二氧化硅薄膜400上生长的电极材料质量和择优取向，如图7所示。
在第二基板300的上表面沉积并图形化形成第一电极600，如图8所示；可以以第一电极600为掩膜，采用刻蚀方法，去除第一电极600覆盖之外的粘附层500，如图9所示。
在第二基板300的上表面依次沉积并形成压电层700、第二电极800，第一电极600和压电层700、第二电极800形成压电三明治结构，如图10图、图11所示。
在第二基板300的上表面对压电薄膜700进行图形化和刻蚀，形成凹槽区域701，如图12所示。
在第二基板300的上表面沉积键合用的金属薄膜并图形化，形成第二键合凸点901/902/903/904，如图13所示；该键合用的金属薄膜可以是TiW/Au、Cr/Au、铜、锡、银等可以进行金属键合的材料。
将第一基板100上表面的第一键合凸点对准第二基板300上的第二键合凸点，进行金属熔融键合。其中，第一键合凸点201/202/203/204与第二键合凸点901/902/903/904例如按照编号顺序依次对应，如图14、图15所示。
如图15所示，器件的第一电极、第二电极分别通过第一键合凸点202/203以及第二键合凸点902/903键合形成的金属键合柱与第一基板100连接，当输入高功率信号产生热量时，热量可沿金属键合柱通过第一基板100进行散除，从而有效降低器件的发热，增强器件的功率耐受能力，并可改善器件的频率温度系数。
利用刻蚀停止层去除第二基板，如图16所示；以二氧化硅层400作为蚀刻停止层，刻蚀去除第二基板300，该刻蚀的方法可以是干法刻蚀或湿法腐蚀等常见半导体工艺方法；该停止层400同时是薄膜体声波谐振器的钝化层，起到保护器件的作用，二氧化硅具有与氮化铝和钼电极相反的温度系数，还可以起到改善器件频率温度系数的作用。
进一步的，步骤S140之后还包括形成薄膜体声波谐振器的引出电极的步骤。
具体地，图形化和刻蚀沉积薄膜400和压电薄膜700形成引出过孔1001/1002，如图17所示；沉积金属薄膜并图形化，形成器件的PAD1101/1102，如图18所示；该金属薄膜可以是TiW/Au、Cr/Au、铜、锡、银等可以导电的材料。
如图19～图36所示，为第二实施例，一种薄膜体声波滤波器及其制备方法，如图19所示，薄膜体声波滤波器制备方法流程包括以下步骤：
S210、选择第一基板100，并图形化第一基板100的第一表面，在第一表面上形成若干个凹槽区域101/102；
S220、选择第二基板300，在第二基板上沉积刻蚀停止层400，在刻蚀停止层上依次形成第一电极601/602、压电层700、第二电极801/802，并图形化第一电极601/602、压电层700、第二电极801/802以形成若干个压电三明治结构；
S230、将第二基板上的若干压电三明治结构对准第一基板100的第一表面上的若干个凹槽区域101/102，键合第一基板和第二基板300；
S240、利用刻蚀停止层400去除第二基板300；其中，
第一基板的材质包括碳化硅。
具体地，本实施例的薄膜体声波谐滤波器的第一基板包括如下处理步骤：第一基板100例如采用单面或双面抛光，经过标准清洗的SiC基片，单面抛光时选择抛光面向上，双面抛光时选择任一抛光面向上，如图20所示。第一基板100采用SiC主要是利用SiC是一种低损耗高热导率的半导体材料，相对于Si，其禁带宽度是Si的三倍，热导率是Si的三倍多，因此，其它具有良好导热性能的，能够与本发明薄膜体声波谐振器件制备工艺相兼容的材质也可以选用。
图形化和刻蚀第一基板100形成凹槽区域101/102，其中图形化和刻蚀采用本领域常见的涂胶、显影、光刻等工艺，如图21所示。
在第一基板100的上表面沉积键合用的金属薄膜并图形化，形成第一键合凸点201/202/203/204/205，如图22所示；该键合用的金属薄膜可以是TiW/Au、Cr/Au、铜、锡、银等可以进行金属键合的材料。
在第二基板上形成薄膜体声波滤波器件包括如下步骤：
选择第二基板300，第二基板300例如为单面或双面抛光硅片，对硅片进行标准清洗，单面抛光时选择抛光面向上，双面抛光时选择任一抛光面向上，如图23所示。在本实施例中对硅片的电阻率没有要求。
在第二基板300的上表面沉积薄膜400，该薄膜例如为二氧化硅薄膜，厚度为0.1μm～2μm，如图24所示。
在第二基板300的上表面沉积粘附层500，该粘附层厚度为0.03um～0.1um，可以为Ti、W和AlN等材料，主要作用为提高在二氧化硅薄膜400上生长的电极材料质量和择优取向，如图25所示。
在第二基板300的上表面沉积形成第一电极601/602，如图26所示；以第一电极601/602为掩膜，采用刻蚀方法，去除第一电极601/602覆盖之外的粘附层501/502，如图27所示；在第二基板300的上表面依次沉积形成压电层700、第二电极801/802，第一电极601/602和压电层700、第二电极801/802形成压电三明治结构，如图28、图29所示。
在第二基板300的上表面对压电薄膜700进行图形化和刻蚀，形成第一电极的引出区域701/702，如图30所示。
在第二基板300的上表面沉积键合用的金属薄膜并图形化，形成第二键合凸点901/902/903/904/905，其中，介于薄膜体声波谐振器之间的键合凸点903将相邻谐振器其中一个谐振器的下电极和另外一个谐振器的上电极相电连接，完成相邻谐振器的导电互连，如图31所示；该键合用的金属薄膜可以是TiW/Au、Cr/Au、铜、锡、银等可以进行金属键合的材料。
将在第一基板100的上表面沉积形成的第一键合凸点与在第二基板300的上表面沉积形成的第二键合凸点对准进行金属熔融键合。其中，第一键合凸点201/202/203/204/205与第二键合凸点901/902/903/904/905例如按照编号顺序依次对应。如图32所示。
如图33所示，器件的第一电极、第二电极分别通过键合凸点第一键合凸点202和203/204以及第二键合凸点902和903/904键合形成的金属键合柱与第一基板100连接，当输入高功率信号产生热量时，热量可沿金属键合柱通过第一基板100进行散除，从而有效降低器件的发热，增强器件的功率耐受能力，并可改善器件的频率温度系数。
本实施例中，以两个相邻声波谐振器导电连接制备声波滤波器为例，也可将若干个相邻声波谐振器导电连接制备声波滤波器。
利用刻蚀停止层400去除第二基板300，如图34所示；以二氧化硅层400作为蚀刻停止层，刻蚀去除第二基板300，该刻蚀的方法可以是干法刻蚀或湿法腐蚀等常见半导体工艺方法；该停止层400同时是薄膜体声波滤波器的钝化层，起到保护器件的作用，二氧化硅具有与氮化铝和钼电极相反的温度系数，还可以起到改善器件频率温度系数的作用。
步骤S240之后还包括形成薄膜体声波滤波器的引出电极的步骤。
具体地，图形化和刻蚀沉积薄膜400和压电薄膜700形成引出过孔1001/1002，如图35所示；沉积金属薄膜并图形化，形成器件的PAD1101/1102，如图36所示；该金属薄膜可以是TiW/Au、Cr/Au、铜、锡、银等可以导电的材料。
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)
1.一种薄膜体声波谐振器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S110、选择第一基板，并图形化所述第一基板的第一表面，在所述第一表面上形成凹槽区域；
S120、选择第二基板，在所述第二基板上沉积刻蚀停止层，在所述刻蚀停止层上依次形成第一电极、压电层、第二电极的压电三明治结构；
S130、将所述第二基板上的所述压电三明治结构对准第一基板的第一表面上的凹槽区域，键合所述第一基板和第二基板；
S140、利用所述刻蚀停止层刻蚀去除所述第二基板；其中，
所述第一基板的材质包括碳化硅；
所述刻蚀停止层同时是所述薄膜体声波谐振器的钝化层。
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，步骤S140之后还包括形成所述薄膜体声波谐振器的引出电极的步骤。
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，所述步骤S120还包括在所述刻蚀停止层上形成粘附层。
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，所述步骤S110还包括在所述第一基板的第一表面沉积第一金属薄膜并图形化形成第一键合凸点。
5.根据权利要求3所述的薄膜体声波谐振器的制备方法，其特征在于，还包括在所述三明治结构上沉积第二金属薄膜并图形化形成第二键合凸点。
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，所述键合包括将第一键合凸点对准第二键合凸点进行金属熔融键合。
7.一种滤波器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S210、选择第一基板，并图形化所述第一基板的第一表面，在所述第一表面上形成若干个凹槽区域；
S220、选择第二基板，在所述第二基板上沉积刻蚀停止层，在所述刻蚀停止层上依次形成第一电极、压电层、第二电极，并图形化所述第一电极、所述压电层、所述第二电极以形成若干个压电三明治结构；
S230、将所述第二基板上的所述若干压电三明治结构对准第一基板的第一表面上的若干个凹槽区域，键合所述第一基板和第二基板；
S240、利用所述刻蚀停止层去除所述第二基板；其中，所述第一基板的材质包括碳化硅。
8.根据权利要求7所述的滤波器的制备方法，其特征在于，步骤S240之后还包括形成所述滤波器的引出电极的步骤；
或者，所述步骤S220还包括所述第二基板上沉积刻蚀停止层，所述停止层同时是薄膜体声波滤波器的钝化层；
或者，所述步骤S220还包括在所述刻蚀停止层上形成粘附层；
或者，所述步骤S210还包括在所述第一基板的第一表面沉积第一金属薄膜并图形化形成第一键合凸点；
或者，还包括在所述三明治结构上沉积第二金属薄膜并图形化形成第二键合凸点；
或者，所述键合包括将所述第一键合凸点对准所述第二键合凸点进行金属熔融键合；
或者，所述第二键合凸点还将所述若干个压电三明治导电连接。
9.一种薄膜体声波谐振器，其特征在于，所述薄膜体声波谐振器根据权利要求1～6中任意一项所述的制备方法制备而成。
10.一种滤波器，其特征在于，所述滤波器根据权利要求7～8中任意一项所述的制备方法制备而成。
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