CN110784188A - 谐振器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了谐振器及其制备方法，能够有效地解决晶格失配问题，可以极大地提高谐振性能。本发明提供的谐振器，包括：衬底，形成有通孔，和从衬底的背部向着顶部延伸、并且贯穿衬底的凹槽；谐振结构，包括：形成在衬底顶面上的单晶氮化物缓冲层，形成在缓冲层上的准单晶氮化物压电层，形成在压电层上的顶电极，形成在衬底背面上、并且延伸至凹槽中与缓冲层相接触的底电极，形成在衬底背面未设置底电极的区域上、并且贯穿衬底、缓冲层、和压电层而与顶电极相接触的引出电极，以及形成在底电极下表面和引出电极上的电极板；和真空封装结构，对衬底及谐振结构位于衬底顶面上的部分进行真空封装，其中，缓冲层和压电层采用同一种氮化物材料。
Description
技术领域
本发明属于射频器件领域，具体涉及具有准单晶氮化物薄膜材料的谐振器及其制备方法。
技术背景
在移动通讯领域中，MEMS射频器件发挥着巨大的作用，拥有广阔的市场前景。伴随着5G时代的到来，移动通讯系统朝着更高频率、更宽频段的目标不断发展，要求的射频前端的性能越来越高。滤波器，作为射频前端最为核心的部件，其性能的好坏直接决定了射频前端模组的优劣。
MEMS滤波器由一系列谐振器通过一定的电路连接构成，其主要功能是对输入的信号进行筛选，只允许特定频率的信号通过，特定频率外的信号(称之为噪声)被衰减抑制，从而实现滤波的功能。谐振器的谐振频率决定了滤波器能够进行筛选的频率范围，同时谐振器的机电耦合系数、品质因子等参数决定了滤波器对噪声的抑制程度和对有用信号的损耗大小。即滤波器的优劣取决于谐振器的性能是否优良。
随着通信技术的不断发展，要求的通讯频率不断提高，在高达数千兆甚至数十千兆赫兹的频段内，能够有效工作并广泛使用的滤波器主要是基于薄膜体声波谐振器(FilmBulk Acoustic Resonator,以下简称FBAR)的滤波器。基于FBAR的滤波器性能较为优良，极限工作频率较高，是未来高频段通讯器件的主要发展方向。
迄今为止，FBAR的创新设计绝大部分是基于底电极-压电层-顶电极的典型的FBAR三明治结构进行改进。现有底电极-压电层-顶电极的典型三明治结构需要在底电极材料的表面上生长压电薄膜材料，然而由于底电极材料和压电薄膜材料之间的晶格失配，生长出的压电薄膜晶粒取向一致性较差。专利(US 2017/0288122 A1)中提出了在衬底上生长种子层再继续沉积底电极-压电层-顶电极结构的方法以将减小底电极和压电薄膜材料之间的晶格失配，从而提升压电薄膜材料质量。该方法虽然有效地提高了生长的压电薄膜的质量，但是所制备的压电薄膜材料仍然为多晶薄膜材料，其性能相对单晶压电薄膜材料而言不够出色。
准单晶薄膜材料相较于多晶薄膜材料，具有更低的能量损耗、更高的压电耦合系数、更高的声速，这意味用准单晶薄膜材料构成的器件具有更高的品质因子，更高的工作频率和更优越的性能。然而由于底电极材料和压电材料不一致，晶格失配的问题始终存在，若能够解决压电薄膜材料生长过程中的晶格失配问题得到基于准单晶薄膜材料的谐振器，将会极大地提升谐振器和滤波器的性能。
发明内容
本发明是为了解决上述问题而进行的，目的在于提供一种谐振器及其制备方法。
本发明为了实现上述目的，采用了以下方案：
<谐振器>
本发明提供一种谐振器，其特征在于，包括：衬底，形成有通孔，和从衬底的背部向着顶部延伸、并且贯穿衬底的凹槽；谐振结构，包括：形成在衬底顶面上的单晶氮化物缓冲层，形成在单晶氮化物缓冲层上的准单晶氮化物压电层，形成在准单晶氮化物压电层上的顶电极，形成在衬底背面上、并且延伸至凹槽中与单晶氮化物缓冲层相接触的底电极，形成在衬底背面未设置底电极的区域上、并且贯穿衬底、单晶氮化物缓冲层、和准单晶氮化物压电层而与顶电极相接触的引出电极，以及形成在底电极下表面和引出电极上的电极板；和真空封装结构，对衬底及谐振结构位于衬底顶面上的部分进行真空封装，其中，单晶氮化物缓冲层和准单晶氮化物压电层采用的同一种氮化物材料。
优选地，本发明提供的谐振器还可以具有以下特征：单晶氮化物缓冲层和准单晶氮化物压电层采用的材料均为AlN或GaN，AlN最佳。
优选地，本发明提供的谐振器还可以具有以下特征：底电极、引出电极和顶电极采用的材料均为金属导电材料，更优选地为Mo、Pt、Au、Al中的任意一种。
<制备方法>
进一步，本发明还提供制备上述谐振器的方法，其特征在于，包括如下步骤：S1.在衬底上沉积单晶氮化物缓冲层；
S2.在单晶氮化物缓冲层上生长准单晶氮化物压电层；
S3.在准单晶氮化物压电层上沉积顶电极，并进行图案化；
S4.对衬底及位于其顶面的结构进行真空封装；
S5.将衬底减薄以便进行后续工艺；
S6.在衬底背部刻蚀形成凹槽和贯穿衬底、单晶氮化物缓冲层和准单晶氮化物压电层的通孔；
S7.在衬底背部沉积底电极和引出电极，引出电极通过通孔与顶电极相连接；
S8.在引出电极和底电极上沉积电极板。
优选地，本发明提供的谐振器的制备方法还可以具有以下特征：单晶氮化物缓冲层采用化学气相沉积法(CVD)进行生长，最佳为金属有机化学气相沉积法(MOCVD)。
优选地，本发明提供的谐振器的制备方法还可以具有以下特征：准单晶氮化物压电层采用溅射法进行生长。
优选地，本发明提供的谐振器的制备方法还可以具有以下特征：真空封装为采用圆片级真空键合技术或者采用圆片级薄膜真空封装技术形成真空密闭结构。
发明的作用与效果
本发明提供的谐振器及其制备方法，在衬底上形成单晶氮化物缓冲层，并在缓冲层的基础上直接生长形成准单晶压电氮化物薄膜层，进一步从衬底背部刻蚀通孔和凹槽，并在衬底背部和凹槽中暴露出的缓冲层上沉积金属材料形成底电极和引出电极，顶电极通过通孔引线与引出电极连接；并且对衬底及位于其顶面的结构进行真空封装；基于此，实现了能够激发体声波的三明治结构，并且能够得到晶粒取向一致性极好的准单晶压电氮化物薄膜，不仅有效地解决了压电薄膜材料生长过程中的晶格失配问题，而且由于准单晶压电氮化物薄膜具有低能量损耗、较高的压电耦合系数等优势，因此可以极大地提高谐振器的性能；此外，顶电极通过通孔引线与位于衬底背部的引出电极连接，整个谐振器位于真空封装的空腔内，增大了器件的稳定性和使用寿命。
附图说明
图1为本发明实施例中涉及的谐振器的剖面图；
图2为本发明实施例中涉及的谐振器制备方法步骤S1的示意图；
图3为本发明实施例中涉及的谐振器制备方法步骤S2的示意图；
图4为本发明实施例中涉及的谐振器制备方法步骤S3的示意图；
图5为本发明实施例中涉及的谐振器制备方法步骤S4的示意图；
图6为本发明实施例中涉及的谐振器制备方法步骤S5的示意图；
图7为本发明实施例中涉及的谐振器制备方法步骤S6的示意图；
图8为本发明实施例中涉及的谐振器制备方法步骤S7的示意图；
图9为本发明实施例中涉及的谐振器制备方法步骤S8的示意图。
以上各图中标记的含义为：
10-谐振器，11-衬底，11a-通孔，11b-凹槽，12-谐振结构，121-单晶氮化物缓冲层，122-准单晶氮化物压电层，123-顶电极，124-底电极，125-引出电极，126-电极板，13-真空封装结构。
具体实施方式
以下结合附图对本发明涉及的谐振器及其制备方法的具体实施方案进行详细地说明。
<实施例>
如图1至8所示，本实施例所提供的谐振器10包括衬底11、谐振结构12和真空封装结构13。
衬底11上形成有三个通孔11a和一个凹槽11b。凹槽11b从衬底11的背部向着顶部延伸，并且贯穿衬底11，即凹槽11b的深度与衬底11相等。
谐振结构12包括单晶氮化物缓冲层121、准单晶氮化物压电层122、顶电极123、底电极124、引出电极125以及电极板126。
单晶氮化物缓冲层121形成在衬底11顶面上；准单晶氮化物压电层122形成在单晶氮化物缓冲层121上，并且采用的与单晶氮化物缓冲层121相同的氮化物材料；顶电极123形成在准单晶氮化物压电层122上；底电极124形成在衬底11背面上，并且延伸至凹槽11b中与单晶氮化物缓冲层121相接触；引出电极125形成在衬底11背面未设置底电极124的区域上，并且贯穿衬底11、单晶氮化物缓冲层121、准单晶氮化物压电层122而与顶电极123相接触。电极板126设有两块，分别形成在底电极124下表面和引出电极125上。单晶氮化物缓冲层121和准单晶氮化物压电层122可以均采用AlN材料或者GaN材料，AlN材料最佳。底电极124、引出电极125和顶电极123采用的材料均为金属导电材料，可以是Mo、Pt、Au、Al等。
真空封装结构13对衬底11及谐振结构12位于衬底11顶面上的部分进行真空封装。
以上是谐振器10的具体结构，下面对其具体制备方法进行说明，本实施例所提供的制备方法，包括如下步骤：
S1.如图2所示，在Si衬底11上沉积单晶氮化物缓冲层121，本实施例中采用MOCVD法进行生长得到单晶氮化物缓冲层121，材料为AlN。
S2.如图3所示，在单晶氮化物缓冲层121上通过溅射法生长准单晶氮化物压电层122，材料也为AlN；
S3.如图4所示，在准单晶氮化物压电层122上沉积顶电极123，本实施例中顶电极123采用Mo材料，并进行图案化；
S4.如图5所示，对衬底11及位于其顶面的结构进行真空封装，可以采用圆片级真空键合技术或者采用圆片级薄膜真空封装技术形成真空密闭结构；
S5.如图6所示，将衬底11减薄以便进行后续工艺；
S6.如图7所示，在衬底11背部刻蚀形成凹槽11b和贯穿衬底11、单晶氮化物缓冲层121和准单晶氮化物压电层122的通孔11a，凹槽11b的深度等于减薄后衬底11的厚度；
S7.如图8所示，在衬底11背部沉积底电极124和引出电极125，底电极124在凹槽11b中与单晶氮化物缓冲层121接触，引出电极125通过通孔11a与顶电极123连接，本实施例中底电极124和引出电极125均采用Mo材料；
S8.如图9所示，在引出电极125和底电极124上沉积电极板126，电极板126的材料采用Al。
以上实施例仅仅是对本发明技术方案所做的举例说明。本发明所涉及的谐振器及其制备方法并不仅仅限定于在以上实施例中所描述的内容，而是以权利要求所限定的范围为准。本发明所属领域技术人员在该实施例的基础上所做的任何修改或补充或等效替换，都在本发明的权利要求所要求保护的范围内。
Claims (10)
1.一种谐振器，其特征在于，包括：
衬底，形成有通孔，和从所述衬底的背部向着顶部延伸、并且贯穿所述衬底的凹槽；
谐振结构，包括：形成在所述衬底顶面上的单晶氮化物缓冲层，形成在所述单晶氮化物缓冲层上的准单晶氮化物压电层，形成在所述准单晶氮化物压电层上的顶电极，形成在所述衬底背面上、并且延伸至所述凹槽中与所述单晶氮化物缓冲层相接触的底电极，形成在所述衬底背面未设置所述底电极的区域上、并且贯穿所述衬底、所述单晶氮化物缓冲层、和所述准单晶氮化物压电层而与所述顶电极相接触的引出电极，以及形成在所述底电极下表面和所述引出电极上的电极板；和
真空封装结构，对所述衬底及所述谐振结构位于所述衬底顶面上的部分进行真空封装，
其中，所述单晶氮化物缓冲层和所述准单晶氮化物压电层采用的同一种氮化物材料。
2.根据权利要求1所述的谐振器，其特征在于：
其中，所述单晶氮化物缓冲层和所述准单晶氮化物压电层采用的材料均为AlN或GaN。
3.根据权利要求2所述的谐振器，其特征在于：
其中，所述单晶氮化物缓冲层和所述准单晶氮化物压电层采用的材料均为AlN。
4.根据权利要求1所述的谐振器，其特征在于：
其中，所述底电极、所述引出电极和所述顶电极采用的材料均为金属导电材料。
5.根据权利要求4所述的谐振器，其特征在于：
其中，所述金属导电材料为Mo、Pt、Au、Al中的任意一种。
6.权利要求1至5所述的谐振器的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1.在衬底上沉积单晶氮化物缓冲层；
S2.在所述单晶氮化物缓冲层上生长准单晶氮化物压电层；
S3.在所述准单晶氮化物压电层上沉积顶电极，并进行图案化；
S4.对所述衬底及位于其顶面的结构进行真空封装；
S5.将所述衬底减薄以便进行后续工艺；
S6.在所述衬底背部刻蚀形成凹槽和贯穿所述衬底、所述单晶氮化物缓冲层和所述准单晶氮化物压电层的通孔；
S7.在所述衬底背部沉积底电极和引出电极，所述引出电极通过所述通孔与所述顶电极相连接；
S8.在所述引出电极和所述底电极上沉积电极板。
7.根据权利要求6所述的谐振器的制备方法，其特征在于：
其中，所述单晶氮化物缓冲层采用化学气相沉积法进行生长。
8.根据权利要求6所述的谐振器的制备方法，其特征在于：
其中，所述单晶氮化物缓冲层采用金属有机化学气相沉积法进行生长。
9.根据权利要求6所述的谐振器的制备方法，其特征在于：
其中，所述准单晶氮化物压电层采用溅射法进行生长。
10.根据权利要求6所述的谐振器的制备方法，其特征在于：
其中，所述真空封装为采用圆片级真空键合技术或者采用圆片级薄膜真空封装技术形成真空密闭结构。
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