CN110768644A - 一种薄膜体声波谐振器及其分隔制备工艺 - 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分隔制备工艺，其中薄膜体声波谐振器由下至上依次包括柔性基底和压电振荡堆，所述压电振荡堆包括耐腐蚀薄膜、下电极、压电薄膜、上电极。本发明主要针对上述薄膜体声波谐振器提出了一种新型的制备工艺，采用了聚酰亚胺与压电振荡堆分隔制备的工艺步骤，解决了聚酰亚胺的耐温性与压电振荡堆制备中退火所需的高温环境之间的矛盾，提高电极和压电薄膜的成膜质量，提升FBAR器件的谐振性能。
Description
技术领域
本发明涉及射频微机电系统技术领域，特别涉及一种薄膜体声波谐振器，以及一种薄膜体声波谐振器的分隔制备工艺。
背景技术
薄膜体声波谐振器(Film Bulk Acoustic Resonator，FBAR)是一种新型声波谐振器件，核心结构为上下两层电极和压电薄膜的三明治结构，其原理是利用压电材料自身可进行电能与机械能相互转化的特性，外加电信号激励由逆压电效应激发高频声波谐振。与传统的石英晶体微天平(QCM，Quartz CrystalMicrobalance)相比，薄膜体声波谐振器具有体积小、工作频率高、功耗低、插入损耗小等优点。目前，FBAR已被广泛应用于无线通信领域， FBAR器件也由于其本身具有优良的特性，其在传感器领域的应用正引起人们广泛的研究兴趣。
典型的FBAR器件结构有背刻蚀、固体装配型（SMR）和空气隙型三种。其中背刻蚀和空气隙型都在谐振腔两侧形成了空气层，获得良好的声波反射，保证FBAR器件的Q值，而固体装配型则是通过高/低声阻抗层交替堆积而成的布拉格反射镜来模拟空气低声阻抗。但是以上三者各自都有着明显缺点，背刻蚀虽然制备简单，但是结构强度低，成品率低，无法批量生产；固体装配型和空气隙型工艺复杂，成本高，而空气隙型的下电极下空腔的存在也会降低器件结构的稳定性。
这三种FBAR器件结构都是以硅为基底，而这也是固体电子的显著特点，固体电子的快速发展带来了科技的革新，但是随着应用场景的增多，人们也不再局限于刚性基底，而希望有柔性电子来弥补刚性基底的不足，比如说可轻易改变原有的形貌（柔性显示屏等）的特殊要求。近年来，得益于微加工手段的发展、先进有机高分子材料及其制备工艺的进步，柔性电子发展迅速，增加了所制备电器器件的应用场景，提高了其可靠性，也为柔性薄膜体声波谐振器提供很好的借鉴方法。如何替代以上三种结构的FBAR器件一直是研究热点之一，也就是找到低声阻抗材料来代替空气腔和布拉格反射镜，而在有机高分子材料中聚酰亚胺便同时具有低声阻抗的特性，可以作为FBAR器件的柔性基底，聚酰亚胺又具有稳定的化学特性，耐高温，柔韧性好，可以制备柔性FBAR器件，获得更好的应用场景。
目前有关聚酰亚胺作为FBAR器件柔性基底的研究已有报道，常规的制备方法是在聚酰亚胺上直接沉积FBAR器件的各层薄膜。但是实际制备中存在着很多问题，比如说聚酰亚胺作为有机高分子材料，在压电振荡堆制备过程中溅射衬底加热以及退火的高温环境下表面部分区域容易出现褶皱，使得表面不够平坦，这样会影响到后续电极和压电薄膜的成膜质量。同时电极和压电薄膜制备所需退火热处理的环境高温接近或超过聚酰亚胺的耐热温度上限，也会限制到退火工艺中去除薄膜中残余应力的效果，影响薄膜的质量，降低FBAR器件的谐振性能。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺点与不足，本发明的目的在于提供一种薄膜体声波谐振器结构设计，聚酰亚胺层保证了对器件压电振荡堆中的声波限制，器件结构可靠性高，具有良好的谐振性能，以及一种薄膜体声波谐振器的分隔制备工艺，采用了聚酰亚胺与压电振荡堆分隔制备的工艺步骤，解决了聚酰亚胺的耐温性与压电振荡堆制备中退火所需的高温环境之间的矛盾，工艺复杂度较低，可减少工艺成本，与背刻蚀、空气隙型FBAR器件相比成品率更高。
本发明的技术方案如下：
一种薄膜体声波谐振器，从下至上依次包括柔性基底和压电振荡堆，所述压电振荡堆包括耐腐蚀薄膜、下电极、压电薄膜、上电极，所述上电极设置在压电薄膜的上表面，下电极设置在压电薄膜下表面，上电极和下电极的左端与压电薄膜的左端齐平。所述压电薄膜的上表面的右端从上至下开设一个通孔，通孔底部延伸至下电极的上表面，上电极的右端未达到通孔的孔口。
优选的，上述柔性基底的材料为聚酰亚胺。
优选的，上述耐腐蚀薄膜的材料为Pt金属材料。
优选的，上述下电极和下电极的材料为金属材料Al、Mo或Pt中的一种。
优选的，上述压电薄膜的材料为ZnO、AlN中的一种。
优选的，上述柔性基底厚度为200μm-550μm，所述耐腐蚀薄膜厚度为5-10nm，上述下电极和上电极厚度为50-200nm，上述压电薄膜厚度为1-10μm。
本发明还提供一种薄膜体声波谐振器的分隔制备工艺，采用聚酰亚胺与压电振荡堆分隔开制备的方法，具体包括以下步骤：
步骤S1：选择石英玻璃（二氧化硅）清洗干净烘干备用；
步骤S2：在二氧化硅层上依次磁控溅射Cr金属薄层和Pt金属薄层；
步骤S3：在Pt金属薄层依次磁控溅射制备下电极-压电薄膜-上电极的三层压电振荡堆结构并图形化，完成后作退火处理；
步骤S4：用热剥离薄膜平整覆盖于压电振荡堆结构表面，然后放入缓冲刻蚀液中腐蚀二氧化硅层；
步骤S5：腐蚀完成后清洗表面并吹干，在未覆盖热剥离薄膜一侧表面上旋涂聚酰亚胺层并烘干固化，烘干温度低于120℃；
步骤S6：调整使热剥离薄膜一侧朝上，加热到固定温度一段时间后，使热剥离薄膜失去粘性去除热剥离薄膜。
本发明通过柔性材料聚酰亚胺层既保证了经典FBAR结构所具有的良好的声波反射层，尽可能减少了声波泄漏，提高了器件的Q值，同时也保证了FBAR器件的结构强度，对比背刻蚀和空气隙型提高了器件的成品率。而且柔性材料的使用也让FBAR器件具有了一定的弯曲特性，可以用于更多的应用场景。Cr金属提高薄膜在石英玻璃上的附着力防止脱离，Pt金属和热剥离薄膜均不易与腐蚀液反应在腐蚀衬底时隔绝电极与腐蚀液，而且热剥离薄膜可以作为转移压电振荡堆结构的媒介防止结构层缺少支撑而碎裂，热剥离薄膜可在固定温度下加热一段时间后失去黏性而剥离不会污染压电振荡堆。因巧妙地采用了聚酰亚胺与压电振荡堆分隔制备的工艺步骤，使得电极和压电薄膜制备中退火的高温环境不受聚酰亚胺耐温性限制，进而提高电极和压电薄膜的薄膜质量，提升FBAR器件的谐振性能。对比经典FBAR结构固体装配型，该工艺也降低了工艺复杂度，减少了工艺成本，最终可实现批量生产。
附图说明
图1是本发明实施例提供的一种薄膜体声波谐振器整体结构示意图；
图2是本发明的制备工艺流程示意图。
图中：1石英玻璃、2金属Cr、3耐腐蚀薄膜、4下电极、5压电薄膜、6通孔、7上电极、8热剥离薄膜、9缓冲腐蚀液、10柔性基底。
具体实施方式
下面结合实例对本发明做具体说明：
实施例：
图1是本发明实施例1的整体结构示意图，如图所示，一种薄膜体声波谐振器，从下至上依次包括柔性基底10和压电振荡堆，所述压电振荡堆包括耐腐蚀薄膜3、下电极4、压电薄膜5、上电极7，所述上电极7设置在压电薄膜5的上表面，下电极4设置在压电薄膜5下表面，上电极7和下电极4的左端与压电薄膜5的左端齐平。所述压电薄膜5的上表面的右端从上至下开设一个通孔6，通孔6底部延伸至下电极4的上表面，上电极7的右端未达到通孔6的孔口。
上述柔性基底10的材料为聚酰亚胺，厚度约为300μm。
上述耐腐蚀薄膜3的材料为Pt金属材料，厚度为10nm。
上述下电极4的材料为Al，上电极7的材料为Al，厚度为200nm。
上述压电薄膜5的材料为ZnO，厚度为2μm。
图2是本发明的制备工艺步骤示意图，如图2所示，本发明提供的一种薄膜体声波谐振器的分隔制作方法，包括以下步骤：
步骤S1：选择4英寸晶圆大小的石英玻璃（二氧化硅）用丙酮、无水乙醇和去离子水超声水洗，放入烘箱烘干备用。
步骤S2：在二氧化硅层上依次磁控溅射Cr和Pt的金属薄层，厚度分别为5nm和10nm。
步骤S3：在金属Al上依次磁控溅射生长下电极-压电薄膜-上电极的三层压电振荡堆结构并图形化，完成后作退火处理。具体步骤如下：
步骤S3.1：首先使用光刻工艺将底电极图形转移到硅片二氧化硅层表面上，然后采用磁控溅射在其上沉积Al金属薄膜层，厚度约为200nm。最后采用剥离（lift-off）工艺，将样片置于丙酮等有机溶液中，剥离残留光刻胶和多余金属，形成Al金属下电极；
步骤S3.2：采用直流磁控溅射设备在真空条件下沉积ZnO压电层，通过控制溅射时间来控制ZnO压电层的沉积厚度，得到ZnO压电薄膜厚度约为2μm，掩模板对准刻蚀通孔，引出下电极；
步骤S3.3：采用光刻工艺中的掩膜对准技术转移上电极图形，然后与沉积底电极Al金属步骤一致，采用磁控溅射方法沉积Al金属薄膜层，厚度约为200nm，最后剥离清洗形成上电极，压电振荡堆沉积完成后作退火处理。
步骤S4：用热剥离薄膜平整覆盖于压电振荡堆结构表面，然后放入缓冲刻蚀液中腐蚀二氧化硅层，使用49%HF水溶液：40%NH4F水溶液=1：6（体积比）的成分混合而成的BOE缓冲刻蚀液腐蚀衬底石英玻璃。
步骤S5：腐蚀时间到迅速将器件浸入去离子水中进行漂洗，漂洗足够长的时间（>3min）后以高速氮气吹干，在未覆盖热剥离薄膜一侧表面上旋涂聚酰亚胺层并烘干固化，温度保持在100℃左右直至聚酰亚胺固化。
步骤S6：调整使热剥离薄膜一侧朝上，加热到固定温度150℃一段时间（5min左右）后，使热剥离薄膜失去粘性去除热剥离薄膜。
与现有技术相比，本发明的主要优点在于：柔性材料聚酰亚胺层的低声阻抗特性使得压电振荡堆与聚酰亚胺层的界面处发生声波反射，尽可能减少了声波泄漏，提高了器件的Q值，同时保证FBAR器件的结构强度的情况下也具有一定柔性特性；巧妙地采用了聚酰亚胺与压电振荡堆分隔开制备的工艺步骤，解决了聚酰亚胺的耐温性与压电振荡堆制备中退火所需的高温环境之间的矛盾，提高电极和压电薄膜的薄膜质量，提升FBAR器件的谐振性能。
以上所述仅为本发明的较优选实施例，并不用于限制本发明，凡采用等同替换或者等效变换方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种薄膜体声波谐振器，其特征在于：所述谐振器从下至上依次包括柔性基底（10）和压电振荡堆，所述压电振荡堆包括耐腐蚀薄膜（3）、下电极（4）、压电薄膜（5）、上电极（7），所述上电极（7）设置在压电薄膜（5）的上表面，下电极（4）设置在压电薄膜（5）下表面，上电极（7）和下电极（4）的左端与压电薄膜（5）的左端齐平；所述压电薄膜（5）的上表面的右端从上至下开设一个通孔（6），通孔（6）底部延伸至下电极（4）的上表面，上电极（7）的右端未达到通孔（6）的孔口。
2.根据权利要求1所述的一种薄膜体声波谐振器，其特征在于：所述柔性基底（10）的材料为聚酰亚胺。
3.根据权利要求1所述的一种薄膜体声波谐振器，其特征在于：所述耐腐蚀薄膜（3）的材料为铂。
4.根据权利要求1所述的一种薄膜体声波谐振器，其特征在于：所述下电极（4）和上电极（7）为金属材料为Al、Mo或Pt中的一种。
5.根据权利要求1所述的一种薄膜体声波谐振器，其特征在于：所述压电薄膜（5）的材料为ZnO、AlN中的一种。
6.根据权利要求1所述的一种薄膜体声波谐振器，其特征在于：所述柔性基底（10）厚度为200μm-550μm，所述耐腐蚀薄膜（3）厚度为5-10nm，所述下电极（4）和上电极（7）厚度为50-200nm，所述压电薄膜（5）厚度为1-10μm。
7.一种用于权利要求1所述的一种薄膜体声波谐振器的分隔制备工艺，其特征在于采用聚酰亚胺与压电振荡堆分隔开制备的方法，具体包括以下步骤：
步骤S1：选择二氧化硅清洗干净烘干备用；
步骤S2：在二氧化硅层上依次磁控溅射Cr金属薄层和Pt金属薄层；
步骤S3：在Pt金属薄层上依次磁控溅射制备下电极-压电薄膜-上电极的三层压电振荡堆结构并图形化，完成后作退火处理；
步骤S4：用热剥离薄膜平整覆盖于压电振荡堆结构表面，然后放入缓冲刻蚀液中腐蚀二氧化硅层；
步骤S5：腐蚀完成后清洗表面并吹干，在未覆盖热剥离薄膜一侧表面上旋涂聚酰亚胺层并烘干固化，烘干温度低于120℃；
步骤S6：调整使热剥离薄膜一侧朝上，加热到固定温度一段时间后，使热剥离薄膜失去粘性去除热剥离薄膜。
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