CN111628748B - 声表面波器件及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及声表面波器件制备方法以及由该制备方法制备而成的声表面波器件，该制备方法包括：在半导体基底上形成沟槽阵列；热退火使沟槽阵列变形后相互连通形成一空腔，且半导体基底在空腔上方连接起来，将空腔封闭；及在空腔上方的半导体基底上形成压电薄膜，并形成与压电薄膜连接的金属电极，压电薄膜包括压电材料。通过上述制备方法形成的声表面波器件，其半导体基底内部具有空腔，可以隔断压电薄膜激励出的体声波，避免接收端压电薄膜的寄生效应，提高声表面波器件的可靠性。
Description
技术领域
本发明涉及半导体领域，特别是涉及一种声表面波器件及其制备方法。
背景技术
声表面波器件是通过压电材料来进行电能与机械能之间的转换，可以硅片作为基底，在硅片上淀积压电薄膜形成信号收发结构，当向发射端的压电薄膜施加电信号时，压电薄膜由于压电效应将电信号转换为在硅表面传播的声表面波，该声表面波传播至接收端的压电薄膜时再次转换为电信号并输出。但是，发射端的压电薄膜接收到电信号后，除了能激励声表面波，还能激励体声波，体声波会在硅片内沿任意方向传播，因此，当体声波传播至接收端的压电薄膜后，会产生寄生响应，干扰接收端的压电薄膜对声表面波的相应。
发明内容
基于此，有必要针对上述声表面波器件的接收端容易受体声波的干扰的问题，提出一种声表面波器件制备方法及声表面波器件。
一种声表面波器件制备方法，包括：
在半导体基底上形成沟槽阵列；
热退火使所述沟槽阵列变形后相互连通形成一空腔，且所述半导体基底在所述空腔上方连接起来，将所述空腔封闭；及
在所述空腔上方的半导体基底上形成压电薄膜，并形成与所述压电薄膜连接的金属电极，所述压电薄膜包括压电材料。
上述声表面波器件制备方法，先在半导体基底上形成沟槽阵列，再通过热处理使沟槽形变后相互连通形成一空腔，将压电薄膜淀积于空腔上方的半导体基底上，形成声表面波器件。通过上述方法可在半导体基底内部形成一空腔，压电薄膜激励出的声表面波可正常沿半导体基底表面传播，压电薄膜激励出的体声波在半导体基底体内传播时，会被空腔隔断，因此，即使压电薄膜激励出体声波，由于空腔会隔断体声波的传播路径，该体声波不会传播至接收端的压电薄膜，接收端的压电薄膜只会响应声表面波，不会响应体声波，因此在接收端不会出现寄生响应，通过此方法制备出的声表面波器件的可靠性较高。
在其中一个实施例中，所述沟槽的宽度范围为0.6μm～1μm，所述沟槽的深度范围为1μm～10μm，所述相邻沟槽之间的间隔范围为0.6μm～1μm。
在其中一个实施例中，所述热退火为在氢气环境中热退火，所述热退火的温度为1000℃。
在其中一个实施例中，所述沟槽阵列中最外围沟槽之间的间距大于中间沟槽的间距。
在其中一个实施例中，所述空腔上方的半导体基底厚度范围为1μm～2μm。
在其中一个实施例中，还包括：
对所述半导体基底进行晶圆级键合封装，以将所述压电薄膜和所述金属电极封装在内。
在其中一个实施例中，所述压电薄膜形成至少一个叉指换能结构，各所述叉指换能结构包括第一叉指结构和第二叉指结构，所述第一叉指结构包括第一公共端以及自所述第一公共端向同一侧延伸形成的多个第一叉指条，所述第二叉指结构具有第二公共端以及自所述第二公共端向同一侧延伸形成的多个第二叉指条，所述第一叉指条和所述第二叉指条交错且间隔设置，各所述第一叉指结构和各所述第二叉指结构上均形成有所述金属电极。
在其中一个实施例中，所述半导体基底为硅片。
一种声表面波器件，包括：
半导体基底，所述半导体基底内部形成有一封闭空腔；
压电薄膜与金属电极，所述压电薄膜形成于所述空腔上方的半导体基底上，所述压电薄膜包括压电材料，所述金属电极与所述压电薄膜连接。
在其中一个实施例中，所述压电薄膜形成至少一个叉指换能结构。
附图说明
图1为一实施例中声表面波器件制备方法的方法流程图；
图2～图3为一实施例中空腔形成各步骤对应生成的结构剖视图；
图4a为一实施例中声表面波器件侧视图；
图4b为与图4a对应的声表面波器件俯视图；
图5为另一实施例中声表面波器件侧视图。
具体实施方式
为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的首选实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容更加透彻全面。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
本申请提供一种温度传感器的制备方法，如图1所示，其步骤包括：
步骤S110：在半导体基底上形成沟槽阵列。
结合图2所示，获取一半导体基底100，该该半导体基底100可选用硅片。从半导体基底100上方垂直向下开设若干并列的沟槽110形成沟槽阵列。在一实施例中，先在半导体基底100上形成具有阵列图案的光刻胶层，再以光刻胶层作为掩膜对半导体基底100进行刻蚀形成沟槽阵列。在本实施例中，刻蚀可为常规的干法刻蚀，具体为深度离子刻蚀。干法刻蚀具有更高的刻蚀精度和更好的各向异性性能，其精度可达亚微米级别，通过干法刻蚀，可以得到形态较好的沟槽，尤其是沟槽尺寸较小时利用干法刻蚀效果更佳。可通过调节掩膜图案和控制刻蚀参数得到不同形态的沟槽。在一实施例中，沟槽110的宽度可为0.6～1μm，沟槽110的深度可为1～10μm，相邻沟槽110之间的间隔可为0.6～1μm。沟槽110的俯视形貌可以为圆形、方形或其他形状，沟槽的宽度为沟槽相对侧壁之间的最大距离，如果沟槽为圆形，则沟槽的宽度为其直径，如果沟槽为正方形，则沟槽的宽度为其对角的距离。
步骤S120：热退火使沟槽阵列变形后相互连通形成一空腔，且半导体基底在空腔上方连接起来，将空腔封闭。
对开设有沟槽110的半导体基底100进行适当的热处理，当半导体基底被加热到一定温度时，基底原子的振动能较大，导致原子的移动能加强，基底原子会发生迁移。由于半导体基底100上开设有沟槽110，当基底原子迁移运动达到一定程度时，基底原子会进入沟槽110内，半导体基底100内部的沟槽110会发生形变，沟槽110上部闭合，沟槽阵列110中间部位相互连通，形成一空腔120(如图3所示)。即空腔120处于半导体基底100的中间，空腔120的上部和下部均具有半导体基底100，上下半导体基底100被空腔120隔离开。在一实施例中，热退火的温度可为1000℃。改变沟槽110的间距，可以得到不同形态的空腔，且间距越大，所需的退火温度就越高，但是退火的持续时间不超过20min。在本实施例中，沟槽阵列中最外围沟槽之间的间距大于内部沟槽的间距，如此可以避免在空腔边缘处形成缺口。同时，热退火需要在一隔离环境中进行，如真空环境或者惰性气体环境，保证在热退火过程中半导体基底材料不会与环境中的物质发生化学反应。在本实施例中，热退火在氢气环境中进行。
在一实施例中，沟槽阵列经过热处理后形成空腔，空腔上方的半导体基底的厚度范围为1μm～2μm。在一实施例中，空腔上方的半导体基底的厚度受沟槽阵列尺寸的影响，可根据所需的空腔上方的半导体基底的厚度控制沟槽阵列的尺寸。如图2和图3所示，沟槽的宽度为a，沟槽深度为b，相邻沟槽之间的侧壁厚度为c，位于空腔上方的半导体基底的厚度为d，空腔上方的半导体基底的厚度d与沟槽宽度a、深度b及侧壁厚度c满足以下公式：
因此，可以根据所需的空腔上方的半导体基底的厚度设计沟槽的尺寸。
步骤S130：在空腔上方的半导体基底上形成压电薄膜，并形成与压电薄膜连接的金属电极，压电薄膜包括压电材料。
在一实施例中，结合图4a和图4b所示，其中，图4b为俯视图，图4a为图4b沿AA＇截面的剖视图，在空腔120上方的半导体基底100上形成压电薄膜200，该压电薄膜200包括压电材料，压电材料可选择氮化铝、氧化锌或氮化镓等，在半导体基底100上还形成与压电薄膜200连接的金属电极300，通过金属电极300接入电信号或输出电信号。该声表面器件的具体工作过程为：外部通过金属电极向压电薄膜输入电信号后，压电薄膜由于压电效应而产生形变，激励出声表面波，该声表面波沿半导体基底表面传播并重新被压电薄膜接收，压电薄膜接收到声表面波后发生形变而生成电信号，并通过金属电极将生成的电信号输出。由于压电薄膜在生成声表面波的同时，还会生成体声波，该体声波会在半导体基底内部任意方向传播，若接收端的压电薄膜在接收沿半导体基底表面传播的声表面波的同时还接收到沿半导体基底内部传播的体声波，接收到的体声波会使得压电薄膜产生寄生响应，干扰压电薄膜对声表面波的相应，制备成的声表面波器件对电信号处理能力较差，输出结果偏差较大。在本申请中，由于半导体基底100内部形成有空腔120，即使压电薄膜激励体声波，该体声波在半导体基底100内部传播至空腔120处，会被空腔120隔断，使得体声波不会传播至接收端的压电薄膜，因此可以避免寄生响应，提升声表面波器件的响应精度和可靠性。
其中，压电薄膜200的形态可根据需要设定，具体可现在半导体基底100上淀积一层压电薄膜，再通过光刻与刻蚀工艺对压电薄膜进行图案化，形成具有特定图案的压电薄膜200。在一实施例中，压电薄膜形成至少一叉指换能器。如图4b所示，叉指换能器结构包括第一叉指结构210和第二叉指结构220，其中，第一叉指结构210包括第一公共端211和自第一公共端211向同一侧延伸形成的多个第一叉指条212，第二叉指结构220包括第二公共端221和自第二公共端221向同一侧延伸形成的多个第二叉指条222，第一公共端211和第二公共端221平行设置，第一叉指条212和第二叉指条222交错且间隔设置，第一叉指结构210和第二叉指结构220上均淀积有金属电极300。在一实施例中，金属电极可选用钛或者铝。当压电薄膜200形成叉指换能结构时，发射端叉指换能结构接收到外部的电信号后将电信号转换为声表面波，声表面波在半导体基底表面传播至接收端的叉指换能结构，接收端的叉指换能结构将声表面波转换为电信号并输出。在一实施例中，压电薄膜200仅形成一个叉指换能结构，即发射端和接收端共用一个叉指换能结构。在另一实施例中，压电薄膜200可形成2个叉指换能结构，其中一个作为发射端的叉指换能结构，另一个作为接收端的叉指换能结构。
在半导体基底表面还可形成其他结构，在一实施例中，在叉指换能结构两侧形成第一反射栅条和第二反射栅条，构成声表面波谐振器，其中，第一反射栅条和第二反射栅条可为形成于半导体基底上的金属条，也可为在半导体基底上开设的沟槽。
在一实施例中，声表面波器件制备方法还包括：
步骤S140：对半导体基底进行晶圆级键合封装，以将压电薄膜和金属电极封装在内。
如图5所示，对半导体基底100进行晶圆级键合封装，形成封装壳400，封装壳400与半导体基底100一起围成一容置腔，压电薄膜200和金属电极300位于该容置腔内，且压电薄膜200与封装壳400无接触，避免压电薄膜200受外界干扰，且在各金属电极300上方的封装壳400上具有接触孔410以引出各金属电极。通过封装壳400，可对该声表面波器件内部结构进行保护。
上述声表面波器件制备方法，通过开设沟槽并进行热氧化，在半导体基底内部形成一封闭的空腔，通过空腔可隔断体声波对接收端压电薄膜的干扰，从而提高声表面波器件的响应精度和可靠性。
本申请还涉及一种声表面波器件，如图4a和4b所示，该声表面波器件包括半导体基底100，半导体基底100内部形成有一封闭空腔120，空腔120上方的半导体基底100上形成有压电薄膜200，压电薄膜200与金属电极300连接。在一实施例中，压电薄膜200形成至少一个叉指换能结构，叉指换能器结构包括第一叉指结构210和第二叉指结构220，其中，第一叉指结构210包括第一公共端211和自第一公共端211向同一侧延伸形成的多个第一叉指条212，第二叉指结构220包括第二公共端221和自第二公共端221向同一侧延伸形成的多个第二叉指条222，第一公共端211和第二公共端221平行设置，第一叉指条212和第二叉指条222交错且间隔设置，第一叉指结构210和第二叉指结构220上均淀积有金属电极300。在一实施例中，在叉指换能结构两侧还可形成反射栅条，在半导体基底上还键合有封装壳，该反射栅条和封装壳已在上文中详细介绍，此处不再赘述。需要说明的是，该半导体基底100为一体成型的基底，并不是多种结构组装而成的基底，即空腔120并非是由多种结构围合而成，围成空腔120的半导体基底100为一体成型的结构。
上述声表面波器件，由于半导体基底内部形成有空腔，且压电薄膜设于空腔上的半导体基底上，压电薄膜激励的体声波在半导体基底内部传播至空腔处时会被空腔隔断，因此接收端的压电薄膜不会出现体声波的寄生响应，声表面波器件的可靠性更高。
以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (9)
1.一种声表面波器件制备方法，其特征在于，包括：
在半导体基底上形成沟槽阵列；
热退火使所述沟槽阵列变形后相互连通形成一空腔，且所述半导体基底在所述空腔上方连接起来，将所述空腔封闭；及
在所述空腔上方的半导体基底上形成压电薄膜，并形成与所述压电薄膜连接的金属电极，所述压电薄膜包括压电材料；所述压电薄膜形成至少一个叉指换能结构，各所述叉指换能结构包括第一叉指结构和第二叉指结构，所述第一叉指结构包括第一公共端以及自所述第一公共端向同一侧延伸形成的多个第一叉指条，所述第二叉指结构具有第二公共端以及自所述第二公共端向同一侧延伸形成的多个第二叉指条，所述第一叉指条和所述第二叉指条交错且间隔设置，各所述第一叉指结构和各所述第二叉指结构上均形成有所述金属电极。
2.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述沟槽的宽度范围为0.6μm～1μm，所述沟槽的深度范围为1μm～10μm，相邻沟槽之间的间隔范围为0.6μm～1μm。
3.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述热退火为在氢气环境中热退火，所述热退火的温度为1000℃。
4.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述沟槽阵列中最外围沟槽之间的间距大于中间沟槽的间距。
5.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述空腔上方的半导体基底厚度范围为1μm～2μm。
6.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，还包括：
对所述半导体基底进行晶圆级键合封装，以将所述压电薄膜和所述金属电极封装在内。
7.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述半导体基底为硅片。
8.一种声表面波器件，其特征在于，包括：
半导体基底，所述半导体基底内部形成有一封闭空腔；
压电薄膜与金属电极，所述压电薄膜形成于所述空腔上方的半导体基底上，所述压电薄膜包括压电材料，所述金属电极与所述压电薄膜连接；所述压电薄膜形成至少一个叉指换能结构，各所述叉指换能结构包括第一叉指结构和第二叉指结构，所述第一叉指结构包括第一公共端以及自所述第一公共端向同一侧延伸形成的多个第一叉指条，所述第二叉指结构具有第二公共端以及自所述第二公共端向同一侧延伸形成的多个第二叉指条，所述第一叉指条和所述第二叉指条交错且间隔设置，各所述第一叉指结构和各所述第二叉指结构上均形成有所述金属电极。
9.如权利要求8所述的声表面波器件，其特征在于，所述压电薄膜形成至少一个叉指换能结构。
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