CN111010137A - 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
本发明公开了空气隙型薄膜体声波谐振器，包括从下至上依次分布的外延衬底、压电层、及钝化层，压电层的上表面与下表面分别相对相连接有顶电极与底电极；外延衬底的顶部设有第一硅腔，底电极与第一硅腔形成空气隙结构。还公开了其制备方法，选用硅衬底作为外延衬底，对外延衬底进行清洗，去除表面杂物；涂胶光刻外延衬底，生成晶圆片，通过刻蚀晶圆片制备第一硅腔；在第一硅腔依次交替表面沉积光刻胶、磷硅玻璃；在磷硅玻璃表面沉积压电薄膜；将晶圆片表面抛光；在晶圆片表面依次沉积预设厚度的底电极、压电层、顶电极及钝化层，生成谐振器；将谐振器浸泡于预设的腐蚀溶液，并去除谐振器的残留液体。本发明可缩短制备时间且提高良率。
Description
技术领域
本发明涉及薄膜体声波谐振器技术领域，尤其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
随着5G技术的流行，高频器件受到了人们越来越多的关注。谐振器作为重要的射频元件在通信领域发挥了不可替代的作用。目前谐振器的主要种类可以分为介质陶瓷谐振器、LC谐振器以及基于声波的谐振器(体声波与表面声波谐振器)。其中体声波谐振器由于体积小、工作频率高等优点，在手机、基站等方面有着广阔的应用前景。薄膜体声波谐振器通过将电信号转换成为声信号进而实现对不同频率的电信号进行滤波。薄膜体声波谐振器目前主要有三种：固态装配型谐振器、背硅刻蚀型以及空气隙型薄膜体声波谐振器。固态装配型谐振器的品质因数较低，背硅刻蚀型的谐振器结构稳定性较差，良品率低。相比于前两种，空气隙型谐振器的具有结构稳定性好、机械品质因数高的特点，目前是最有前景的谐振器。空气隙型谐振器通过沉积牺牲层的方法制备，但是传统的牺牲层释放时间长，氢氟酸容易对结构层造成破坏。同时直接在磷硅玻璃表面生长Mo电极容易导致AlN结晶性能差、缺陷多。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种空气隙型薄膜体声波谐振器及其制备方法，缩短牺牲层的腐蚀时间，提高空气隙型薄膜体声波谐振器的良率。
本发明的目的之一采用如下技术方案实现：
一种空气隙型薄膜体声波谐振器，所述声波谐振器包括从下至上依次分布的外延衬底、压电层、及钝化层，所述压电层的上表面与下表面分别相对相连接有顶电极与底电极；所述外延衬底的顶部设有第一硅腔，所述底电极与第一硅腔形成空气隙结构。
进一步地，所述顶电极与底电极的厚度均为100nm～700nm，所述压电层的厚度为500nm～3um。
进一步地，所述第一硅腔的深度为1um～30um。
进一步地，所述底电极与所述顶电极均采用金属材料，所述金属材料包括铂Pt、钼Mo、钨W、钛Ti、铝Al、金Au、银Ag中的一种或以上。
进一步地，所述压电层采用氧化锌ZnO、氮化铝AlN或压电陶瓷；所述钝化层采用氮化铝AlN、钼Mo或二氧化硅SiO2。
进一步地，所述第一硅腔的深度为2.5um。
本发明的目的之二采用如下技术方案实现：
一种空气隙型薄膜体声波谐振器的制备方法，制备如上所述的一种空气隙型薄膜体声波谐振器，包括以下步骤：
S1、选用硅衬底作为外延衬底，对外延衬底进行清洗，去除表面杂物；涂胶光刻所述外延衬底，生成晶圆片，通过刻蚀所述晶圆片制备第一硅腔；
S2、在所述第一硅腔表面沉积光刻胶，在所述光刻胶表面沉积磷硅玻璃；
S3、重复执行S2，在最上层的磷硅玻璃表面沉积压电薄膜氮化铝AlN，所述光刻胶、磷硅玻璃、压电薄膜构成牺牲层；
S4、通过化学机械抛光将所述晶圆片表面抛光；
S5、在所述晶圆片表面依次沉积预设厚度的底电极、压电层、顶电极及钝化层，生成谐振器；
S6、将所述谐振器浸泡于预设的腐蚀溶液，所述腐蚀溶液包括丙酮溶液与氢氟酸溶液，并去除所述谐振器的残留液体，生成空气隙型薄膜体声波谐振器。
进一步地，所述S4与S5之间还包括：
S41、通过侵蚀所述晶圆片制备第二硅腔，所述第二硅腔用于增加腐蚀溶液与牺牲层的接触面积。
进一步地，所述谐振器浸泡于所述丙酮溶液5min，再浸泡于所述氢氟酸溶液30min。
进一步地，通过RIE、ICP或化学腐蚀刻蚀所述晶圆片制备第一硅腔与第二硅腔；通过PVD制备所述压电层；通过LPCVD在第一硅腔内部沉积磷硅玻璃；通过物理气相沉积所述底电极、压电层、顶电极及钝化层。
相比现有技术，本发明的有益效果在于：
本发明提供了一种空气隙型薄膜体声波谐振器及其制备方法，通过在外延底衬与底电极之间设置一硅腔，硅腔与底电极形成空气隙结构，结构简单，有效提高空气隙型薄膜体谐振器的成品率。制备过程中，通过在第一硅腔沉积光刻胶、磷硅玻璃与压电薄膜，诱导压电层材料的生长，提高压电层的结晶性能。再将谐振器放入腐蚀溶液，丙酮溶液可以溶解光刻胶进而增加氢氟酸溶液与磷硅玻璃的接触面积，缩短了牺牲层的腐蚀时间，同时丙酮溶液对不会破坏结构，最终提高了空气隙型薄膜体谐振器的良率。
附图说明
图1为本发明所提供实施例的结构示意图；
图2为本发明所提供实施例的流程示意图；
图3为本发明所提供实施例的晶圆片刻蚀第一硅腔的俯视图；
图4为本发明所提供实施例的牺牲层剖视图；
图5为本发明所提供实施例的晶圆片刻蚀第二硅腔的俯视图；
图中：101、外延衬底；102、第一硅腔；103、第二硅腔；104、底电极； 105、压电层；106、顶电极；107、钝化层；108、光刻胶；109、磷硅玻璃；110、压电薄膜。
具体实施方式
下面，结合附图以及具体实施方式，对本发明做进一步描述，需要说明的是，在不相冲突的前提下，以下描述的各实施例之间或各技术特征之间可以任意组合形成新的实施例。
如图1所示，本发明提供了一种空气隙型薄膜体声波谐振器，所述声波谐振器包括从下至上依次分布的外延衬底101、压电层105、及钝化层107，所述压电层105的上表面与下表面分别相对相连接有顶电极106与底电极104；所述外延衬底101的顶部设有第一硅腔102，所述底电极104与第一硅腔102形成空气隙结构。
外延衬底101的主材料为硅元素，压电层105采用氧化锌ZnO、氮化铝AlN 或压电陶瓷，钝化层107则采用氮化铝AlN、钼Mo或二氧化硅SiO2，而顶电极106与底电极104均采用金属材料，金属材料包括铂Pt、钼Mo、钨W、钛 Ti、铝Al、金Au、银Ag中的一种或以上。在本实施例中，由于压电层105决定了谐振频率，而声速、温度系数对器件的谐振频率有较大的影响，因此压电层105采用氮化铝AlN，谐振频率较高且温度系数低。钝化层107采用氮化铝 AlN，而电极材料需要具备较低的电阻率与密度，分别降低声波谐振器的电损耗与机械损耗，因此顶电极106与底电极104采用金属材料钼Mo。
第一硅腔102的深度为1um～30um，顶电极106与底电极104的厚度可为 100nm～700nm，所述压电层105的厚度为500nm～3um。在本实施例中第一硅腔 102的深度采用2.5um，顶电极106与底电极104则均为400nm，压电层105的厚度为1um，而钝化层107的厚度为200nm。
如图2所示，本发明还提供一种制备如上所述的空气隙薄膜体声波谐振器的方法，包括以下步骤：
S1、选用(111)面硅Si衬底作为外延衬底101，对外延衬底101进行清洗，去除表面杂物；涂胶光刻所述外延衬底101，生成晶圆片，通过刻蚀所述晶圆片制备第一硅腔102。对所述外延衬底101进行清洗是指对外延衬底101依次通过丙酮、氢氟酸缓冲溶液浸泡，并去除残留液体。一些可选的实施方式中，包括晾置、擦除、晾晒等方式，本实施例中优选为烘干，以便快速去除残留液体的同时不损伤外延衬底101。
涂胶光刻所述外延衬底101，生成晶圆片，制备第一硅腔102的方法包括通过RIE(Reactive Ion Etching，反应离子刻蚀)或ICP、化学腐蚀的一种或多种对所述晶圆片进行刻蚀。第一硅腔102俯视图如图3所示，第一硅腔102的深度为2.5um。
S2、在所述第一硅腔102表面沉积光刻胶108，在第一硅腔102内部通过 LPCVD(LowPressure Chemical Vapor Deposition，低温化学气相沉)沉积磷硅玻璃109。
S3、重复执行S2，在最上层的磷硅玻璃109表面沉积压电薄膜110氮化铝 AlN，构成牺牲层。如图4所示，在第一硅腔102内部交替沉积光刻胶108与磷硅玻璃109与氮化铝AlN构成牺牲层。具体的，光刻胶108的厚度为300nm，磷硅玻璃109的厚度为800nm。利用射频磁控溅射系统在最上层的磷硅玻璃109 上通过PVD(Physical Vapor Deposition，物理气相沉积)沉积AlN压电薄膜110，反应气体为三甲基铝C3H9Al，其体积流量为50sccm，氨气NH3流量为3slm，载气Ar流量为1slm，衬底温度为950℃左右，反应室总压力为40Torr左右。在磷硅玻璃109上方沉积氮化铝AlN，可诱导底电极104中使用的金属材料Mo 的生产方向，进而提高压电层105的结晶性能，最终提高Q值。
S4、通过化学机械抛光将所述晶圆片表面抛光。
S41、如图5所示，通过侵蚀所述晶圆片制备第二硅腔103，所述第二硅腔 103用于增加腐蚀溶液与牺牲层的接触面积。制备第二硅腔103的方法与第一硅腔102相同，在此不做赘述。且第二硅腔103的位置位于第一硅腔102的预设范围内，深度也为2.5um。腐蚀溶液可位于第二硅腔103内，通过第二硅腔103 直接与牺牲层接触，加快腐蚀溶液与牺牲层的接触面积。
S5、在所述晶圆片表面依次沉积预设厚度的底电极104、压电层105、顶电极106及钝化层107，生成谐振器。底电极104与顶电极106均采用400nm的钼Mo，压电层105为1um的氮化铝AlN，钝化层107为200nm的氮化铝AlN。
S6、将所述谐振器浸泡于预设的腐蚀溶液，并去除所述谐振器的残留液体，生成空气隙型薄膜体声波谐振器。所述腐蚀溶液包括丙酮溶液与氢氟酸溶液，所述谐振器浸泡于所述丙酮溶液5min，再浸泡于所述氢氟酸溶液30min。腐蚀溶液将牺牲层腐蚀掉，形成空气隙结构。在牺牲层释放时，光刻胶108首先被丙酮溶解，光刻胶108与丙酮的接触界面则被暴露于腐蚀溶液中。因此氢氟酸溶液与磷硅玻璃109进行反应，增加磷硅玻璃109与氢氟酸溶液的接触面积。
本发明所提供的空气隙型薄膜体声波谐振器通过上述方法制备，在第一硅腔交替沉积光刻胶108以及磷硅玻璃109和压电薄膜110氮化铝AlN，对晶圆片表面进行化学机械抛光，利用氮化铝AlN做为晶种层诱导压电层材料的生长，进而提高压电材料的结晶性能，进而可以制备高Q值低损耗的谐振器。最后将制备的谐振器在丙酮以及氢氟酸溶液中浸泡进而实现空气隙型薄膜体声波谐振器。其中丙酮溶液可以溶解光刻胶108，进而增加氢氟酸溶液与磷硅玻璃109的接触面积，缩短了牺牲层的腐蚀时间，同时丙酮溶液对谐振器的结构不会造成破坏，最终提高了谐振器的良率。
上述实施方式仅为本发明的优选实施方式，不能以此来限定本发明保护的范围，本领域的技术人员在本发明的基础上所做的任何非实质性的变化及替换均属于本发明所要求保护的范围。
Claims (10)
1.一种空气隙型薄膜体声波谐振器，其特征在于，包括从下至上依次分布的外延衬底、压电层、及钝化层，所述压电层的上表面与下表面分别相对相连接有顶电极与底电极；所述外延衬底的顶部设有第一硅腔，所述底电极与第一硅腔形成空气隙结构。
2.如权利要求1所述的一种空气隙型薄膜体声波谐振器，其特征在于，所述顶电极与底电极的厚度均为100nm～700nm，所述压电层的厚度为500nm～3um。
3.如权利要求1所述的一种空气隙型薄膜体声波谐振器，其特征在于，所述第一硅腔的深度为1um～30um。
4.如权利要求1所述的一种空气隙型薄膜体声波谐振器，其特征在于，所述底电极与所述顶电极均采用金属材料，所述金属材料包括铂Pt、钼Mo、钨W、钛Ti、铝Al、金Au、银Ag中的一种或以上。
5.如权利要求2所述的一种空气隙型薄膜体声波谐振器，其特征在于，所述压电层采用氧化锌ZnO、氮化铝AlN或压电陶瓷；所述钝化层采用氮化铝AlN、钼Mo或二氧化硅SiO2。
6.如权利要求3所述的一种空气隙型薄膜体声波谐振器，其特征在于，所述第一硅腔的深度为2.5um。
7.一种空气隙型薄膜体声波谐振器的制备方法，其特征在于，制备权利要求1～6任一所述的一种空气隙型薄膜体声波谐振器，包括以下步骤：
S1、选用硅衬底作为外延衬底，对外延衬底进行清洗，去除表面杂物；涂胶光刻所述外延衬底，生成晶圆片，通过刻蚀所述晶圆片制备第一硅腔；
S2、在所述第一硅腔表面沉积光刻胶，在所述光刻胶表面沉积磷硅玻璃；
S3、重复执行S2，在最上层的磷硅玻璃表面沉积压电薄膜氮化铝AlN，所述光刻胶、磷硅玻璃、压电薄膜构成牺牲层；
S4、通过化学机械抛光将所述晶圆片表面抛光；
S5、在所述晶圆片表面依次沉积预设厚度的底电极、压电层、顶电极及钝化层，生成谐振器；
S6、将所述谐振器浸泡于预设的腐蚀溶液，所述腐蚀溶液包括丙酮溶液与氢氟酸溶液，并去除所述谐振器的残留液体，生成空气隙型薄膜体声波谐振器。
8.如权利要求7所述的一种空气隙型薄膜体声波谐振器的制备方法，其特征在于，所述S4与S5之间还包括：
S41、通过侵蚀所述晶圆片制备第二硅腔，所述第二硅腔用于增加腐蚀溶液与牺牲层的接触面积。
9.如权利要求7所述的一种空气隙型薄膜体声波谐振器的制备方法，其特征在于，所述谐振器浸泡于所述丙酮溶液5min，再浸泡于所述氢氟酸溶液30min。
10.如权利要求8所述的一种空气隙型薄膜体声波谐振器的制备方法，其特征在于，通过RIE、ICP或化学腐蚀刻蚀所述晶圆片制备第一硅腔与第二硅腔；通过PVD制备所述压电层；通过LPCVD在第一硅腔内部沉积磷硅玻璃；通过物理气相沉积所述底电极、压电层、顶电极及钝化层。
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|---|---|---|---|---|
| CN113162568A (zh) * | 2021-04-25 | 2021-07-23 | 浙江信唐智芯科技有限公司 | 具有钝化层的薄膜体声波谐振器及制备方法 |
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| WO2021212546A1 (zh) * | 2020-04-23 | 2021-10-28 | 瑞声声学科技(深圳)有限公司 | 平坦化方法 |
| CN116346067A (zh) * | 2023-04-07 | 2023-06-27 | 中国科学院宁波材料技术与工程研究所 | 空腔型体声波谐振器及其制作方法 |
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- 2019-12-23 CN CN201911340514.0A patent/CN111010137A/zh active Pending
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