CN112332798A - 一种固态装配型薄膜体声波谐振器及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种固态装配型薄膜体声波谐振器及其制作方法。该制备方法包括以下步骤：在制备衬底上制作该声波谐振器的薄膜结构层；将制备衬底和其上制作的薄膜结构层一起，以该薄膜结构层的一面固定于支撑衬底上；将制备衬底去除，在薄膜结构层之上沉积顶电极并进行相应的刻蚀；最终形成依次层叠为支撑衬底、布拉格反射层、底电极、压电膜、顶电极和负载层的结构。采用该方法制备得到的固态装配型薄膜体声波谐振器，克服了常规工艺中无法制备出高质量单晶压电薄膜材料的限制，使该谐振器具备更好的性能。
Description
技术领域
本发明涉及一种固态装配型薄膜体声波谐振器及其制作方法。
背景技术
薄膜体声波谐振器(Film Bulk Acoustic Resonator，简称“FBAR”)是一种新型滤波器，相对于声表面波滤波器它不仅体积小、功率容量大、可与CMOS工艺集成、工作频率高，而且它还拥有更好的带外抑制和插入损耗，在目前的5G通信中有很广的使用。
FBAR的三种主要结构为：空腔型、体硅刻蚀型和固态装配型(SMR)。固态装配型FBAR如图1所示，它是通过在硅衬底上生长了若干四分之一波长厚度的低、高声阻抗膜层，即布拉格反射层，高低声阻抗膜采用的是交替叠加的方式。大量的声波会在高低声阻抗膜的交界面上发生反射，且反射波因为高低声阻抗膜的厚度是声波波长的四分之一而产生相位叠加，多次反射叠加后会实现近似的全反射效果。层数越多反射系数越多，制得的器件品质因数(Q值)也越高。一般来讲，要达到较高的Q值需要5-7层反射层。通常情况下采用高阻抗材料钨(W)和低阻抗材料SiO2或Mo作为布拉格反射层，这几种材料都是标准CMOS工艺常用材料，有很高的集成度。
固态装配型FBAR相对于另外两种结构的最大优势在于其结构的机械强度、牢固程度好。但是，目前固态型FBAR的制备工艺是在硅衬底上依次制备布拉格反射层、底电极、压电薄膜(通常为AlN薄膜)、顶电极。压电薄膜的C轴取向性直接决定了FBAR性能的好坏，而目前自下而上的制备工艺无法制备出高C轴择优取向的多晶甚至单晶压电薄膜，因此，目前固态装配型FBAR的性能还有很大的提高空间。
发明内容
基于此，本发明的目的在于克服现有技术的缺陷，提供一种基于单晶压电薄膜的固态装配型薄膜体声波谐振器制备方法，采用该制备方法，在制备过程中可实现单晶压电薄膜的制备，提高压电薄膜的压电效应，从而提高FBAR器件的性能。
为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：
固态装配型薄膜体声波谐振器，它包括负载层、顶电极、压电膜、底电极、布拉格反射层、支撑衬底。顶电极、压电膜和底电极组成的压电振荡堆三明治结构，压电振荡堆在布拉格反射层之上，布拉格反射层在支撑衬底之上。
固态装配型薄膜体声波谐振器具体制备方法如下：
依次在制备衬底上外延生长单晶的压电膜，在压电膜表面沉积底电极，在底电极表面沉积由2组以上高声阻抗膜层和低声阻抗膜层交替组成的布拉格反射层，最后再沉积一层非金属薄膜，待用；
在支撑衬底上沉积非金属薄膜，待用；
通过非金属Si-Si或SiO2-SiO2键合的方式，将制备衬底上布拉格反射层的一面固定于支撑衬底上；
将制备衬底去除，并在剥离了制备衬底的压电膜表面生长顶电极、负载层，并通过光刻、刻蚀的方式获得顶电极图形、压电膜图形和负载层图形；
形成依次层叠为支撑衬底、布拉格反射层、底电极、压电膜、顶电极和负载层的结构。
本发明的效果：
本发明提出的固态装配型薄膜体声波谐振器制备方法，因AlN晶体与蓝宝石衬底相对于硅衬底有更小的晶格失配，生长在蓝宝石衬底上的AlN晶体质量更优，与现有制备方法相比，大大提高了压电膜的晶体质量。现有固态装配型薄膜体声波谐振器制备方法是在布拉格反射层上沉积C轴择优取向多晶压电膜，而本发明提出的制备方法则在制备衬底上直接外延生长高质量单晶压电膜，通过改善压电膜的晶体质量来提高谐振器的品质因数和有效机电耦合系数，从而改善以此谐振器为基本单元的滤波器、双工器、传感器等相关器件的性能。
附图说明
图1为现有技术中固态装配型薄膜体声波谐振器剖面图。
图2为实施例1中在制备衬底硅上沉积取向单晶氮化铝层的剖视图。
图3为实施例1中在氮化铝层上溅射底电极后剖视图。
图4为实施例1中在底电极上沉积了布拉格反射层后的剖视图。
图5为实施例1中键合后讲制备衬底去除后的剖视图。
图6为实施例1中最终得到的固态装配型薄膜体声波谐振器剖视图。
其中：1.支撑衬底；2.布拉格反射层；3.底电极；4.压电膜；5.顶电极；6.制备衬底；7.键合层；8.负载层；。
具体实施方式
实施例1
一种固态装配型薄膜体声波谐振器，通过以下制备方法制备：
一、在制备衬底上生长薄膜结构层。
一、制备衬底。
1、在经过标准的RCA清洗烘干并在850℃氮气氛围下退火1h的蓝宝石制备衬底6表面沉积(0002)取向单晶氮化铝层，作为压电膜4，该氮化铝层的厚度根据实际应用的频率范围决定，如图2所示。
其中，单晶氮化铝层的压电膜4可以在三甲基铝(TMA)流量为45-60sccm(标准状态毫升/分)，NH3流量为2-5slm(标准状态升/分)，Ar流量为0.5-1.5slm，衬底温度为750-1000℃，反应室总压为35-45Tor的参数下由MOCVD(金属有机化合物化学气相淀积)沉积获得，其沉积分为两步，首先是沉积5-10nm单晶AlN成核层，接下来沉积较厚厚度的AlN，厚度由工作频率决定。
2、使用射频磁控溅射系统，用纯钼靶(纯度99.999％)在单晶氮化铝层表面溅射沉积一层金属钼作为底电极3，厚度为100～400nm，如图3所示。
3、采用射频磁控溅系统在底电极3上交替生长3组二氧化硅/钨布拉格反射层2。其中，二氧化硅作为低声阻抗层，钨作为高声阻抗层，每层厚度为对应频率声波波长的1/4。如图4所示。
4、完成布拉格反射层的制备后在其上制备一层30-200nm的Si薄膜，用于之后的键合工艺。
二、支撑衬底
1、在经过标准的RCA清洗并烘干的硅衬底上制备30-200nm的Si薄层。
三、倒装结合。
通过非金属Si-Si键合，将步骤一制得的制备衬底6和其上生长的薄膜结构层一起，以非金属Si为键合面，与支撑衬底的Si薄层相互键合。如图5所示。
四、去除制备衬底。
通过机械减薄和干法刻蚀两步工艺将制备衬底6去除，露出单晶氮化铝压电膜4。。
五、后工序。
1、在露出的压电膜上溅射沉积一层金属钼作为顶电极5，厚度为100～400nm。
2、通过光刻和刻蚀工艺，先后分别获得氮化铝层图形和顶电极的图形。
3、在顶电极上溅射一层负载钼薄膜，厚度为5-20nm，通过刻蚀获得环状图案。
最后，形成依次层叠为支撑衬底1、布拉格发射层2、底电极3、压电膜4和顶电极5的结构，得到固态装配型薄膜体声波谐振器，如图6所示。
以上所述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本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 (5)
1.一种固态装配型薄膜体声波谐振器，其特征在于，由上至下依次包括负载层、顶电极、薄膜结构层、键合层、转移衬底与支撑衬底，所述薄膜结构层包括压电薄膜、底电极、布拉格反射层，所述顶电极、压电薄膜与底电极构成三明治结构。
2.根据权利要求1所述的一种固态装配型薄膜体声波谐振器，其特征在于，所述薄膜结构层与转移衬底通过非金属Si-Si或SiO2-SiO2连接设置。
3.根据权利要求1所述的一种固态装配型薄膜体声波谐振器，其特征在于，所述支撑衬底的材料为硅衬底。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于压电薄膜为单晶AlN薄膜，电极材料为金属Pt、Mo、W、Ti、Au中的一种及以上，布拉格反射层由两组以上高声阻薄膜层和低声阻抗薄膜层交替组成，高声阻抗材料为金属W，低声阻抗材料为SiO2。
5.一种制作权利要求1-4中任意一项固态装配型薄膜体声波谐振器的方法方法，其特征在于，具体步骤如下：
1）制作制备衬底；
2）在制备衬底上依次沉积单晶压电薄膜、底电极，布拉格反射层与键合层；
3）随后在支撑衬底上沉积键合层，再通过倒装键合方式将键合层键合，去除制备衬底之后再沉积顶电极与负载层；
4）最后，薄膜体声波谐振器的电极、压电薄膜需要通过光刻、刻蚀获得所需要的图形。
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