CN112436819A - 具有多种顶电极形状的薄膜体声波谐振器及制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种具有多种顶电极形状的薄膜体声波谐振器及制备方法，包括：电极、压电薄膜(2)以及硅衬底(4)；所述电极包括：顶电极(1)、底电极(3)；所述顶电极(1)设置于压电薄膜(2)的上侧；所述底电极(3)设置于压电薄膜(2)的下侧；所述硅衬底(4)设置于底电极(3)的下侧；所述具有多种顶电极形状的薄膜体声波谐振器采用以下任意一种结构：‑硅反面刻蚀结构；‑空隙结构；‑布拉格反射层结构。本发明通过采用各边不平行的顶电极形状，解决了常规顶电极容易激发寄生杂散模的问题，使得谐振器的谐振曲线趋于平坦，优化谐振器的性能。
Description
技术领域
本发明涉及薄膜体声波谐振器技术领域，具体地，涉及一种具有多种顶电极形状的薄膜体声波谐振器及制备方法。
背景技术
在现今的无线通信和传感器领域，薄膜体声波谐振器因其频率高、体积小、功率容量大、Q值高等优点已然成为最具潜力的器件之一。然而谐振器的性能会因主谐振模之外的杂散模的出现而恶化。
专利文献CN103269209A提出了一种存在抑制杂散模的谐振器件，此专利提出利用锯齿状边缘电极激发非对称分布的电场，从而抑制寄生杂波的产生，提高主谐振模式的品质因数。
现有技术的不足之处是：常规体声波谐振器的顶电极可能会存在相互平行的边，从而容易产生横向电场，激励起额外的杂散模，导致谐振器的谐振曲线出现寄生峰，从而恶化谐振器的性能，而本专利所提出的各种顶电极形状可以有效的抑制杂散模，从而优化谐振器的性能；常规的拥有不规则形状顶电极的体声波谐振器，由于边角电场的原因还是会存在一定程度的杂散模，而本专利所提出的直线边弧化处理可以进一步抑制这一现象，改善谐振器的性能；一般的谐振器顶电极形状固定，从而使得在芯片集成时很难最大化利用空间，而本专利所提出的多种弧化方式以及对任意数量的边进行弧化处理可以极大的提高设计自由度，从而可以根据实际需要设计特定形状的顶电极，以便于最大化利用空间。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种具有多种顶电极形状的薄膜体声波谐振器及制备方法。
根据本发明提供的一种具有多种顶电极形状的薄膜体声波谐振器，其特征在于，包括：电极、压电薄膜2以及背面蚀刻的硅衬底4；所述电极包括：顶电极1、底电极3；所述顶电极1设置于压电薄膜2的上侧；所述底电极3设置于压电薄膜2的下侧；所述具有多种顶电极形状的薄膜体声波谐振器采用以下任意一种结构：-硅反面刻蚀结构；-空隙结构；-布拉格反射层结构。
优选地，所述具有多种顶电极形状的薄膜体声波谐振器采用硅反面刻蚀结构；所述具有多种顶电极形状的薄膜体声波谐振器通过在压电震荡堆的下表面形成空气与金属的交界面来限制声波的传播，从而将声波振动局限在压电震荡堆之内，形成较好的谐振特性。
优选地，所述具有多种顶电极形状的薄膜体声波谐振器采用空隙结构；所述具有多种顶电极形状的薄膜体声波谐振器通过先填充牺牲材料最后再移除之的方法在硅衬底的表面和震荡层之间制备一层空气缝隙以形成空气与金属交界面，从而限制声波与压电震荡堆内，在达到谐振性能的同时提高了谐振器的机械强度。
优选地，所述具有多种顶电极形状的薄膜体声波谐振器采用布拉格反射层结构。
优选地，还包括：布拉格反射层6；所述布拉格反射层6设置于底电极3的下侧。所述硅衬底4设置于布拉格反射层6的下侧。布拉格反射层6被引入来替代空气与金属边界。
优选地，所述布拉格反射层6由四分之一波长厚度的第一声学阻抗材料和四分之一波长厚度的第二声学阻抗材料交替构成。层数越多反射系数越大且越趋近于空气与金属边界的反射系数，谐振器的Q值也就越高，但是无论如何其反射效果始终不如前两种结构好，所以这种拥有布拉格反射层的体声波谐振器的Q值不如上述两者高。
所述布拉格反射层6包括：低声波阻抗层、高声波阻抗层；所述低声波阻抗层采用二氧化硅；所述高声波阻抗层采用：-氮化硅；-氮化铝；-钨。
优选地，所述顶电极1采用四边形的顶电极形状，所取四边形的任意两条边都不平行；所述四边形的顶电极形状采用以下任意一种处理方式：-四边形的每一条边进行曲线化；-多形式的弧化方式；-选择对四边形的设定数量的边进行弧化处理。
优选地，所述顶电极1采用五边形的顶电极形状，所取五边形的任意两条边都互不平行；
所述五边形的顶电极形状采用以下任意一种处理方式：-定义半径为R的圆并将该圆与每条边相交，获取圆与每条边相交所得的圆弧；-对五边形的设定数量边进行弧化处理；-对设定数量的边进行设定半径长度的圆弧化处理；
所述压电薄膜2采用以下任意一种或者多种材料：-氮化铝；-掺钪氮化铝；-氧化锌；-锆钛酸铅。
所述电极采用以下任意一种或者多种材料：-铂；-铝；-钼；-金；-钌；-银。
根据本发明提供的一种具有多种顶电极形状的薄膜体声波谐振器制备方法，采用具有多种顶电极形状的薄膜体声波谐振器，包括：步骤S1：在硅衬底上依次生长牺牲材料膜层、支撑膜层、底电极、压电膜层和顶电极，其中每一层生长完成后均进行相应的光刻或者蚀刻工艺来获得特定的图形；步骤S2：通过刻蚀窗口释放牺牲材料膜层，得到空气缝隙。
根据本发明提供的一种具有多种顶电极形状的薄膜体声波谐振器制备方法，采用具有多种顶电极形状的薄膜体声波谐振器，包括：
步骤S1：先沉积硅衬底上表面的压电薄膜和电极，然后通过使用低应力氮化硅Si3N4膜层作为硅衬底刻蚀的停止层；
步骤S2：对硅衬底进行各向异性的刻蚀，获得靠硅衬底边缘支撑的悬空结构。
布拉格反射层类型体声波谐振的制备流程相对简单，先在硅衬底上依次生长布拉格反射层，然后再利用与上述两种谐振器同样的方法生长底电极、压电膜层、和顶电极，并在每一层生长完后通过光刻或蚀刻获得特定的图形。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
1、本发明通过采用各边不平行的顶电极形状，解决了常规顶电极容易激发寄生杂散模的问题，使得谐振器的谐振曲线趋于平坦，优化谐振器的性能；
2、本发明通过对电极的各边进行弧化处理，进一步抑制杂散模的激励，解决了因常规顶电极边角电场可能激励起寄生模的问题；
3、本发明通过采用不同半径的圆弧以及对任意数量的边进行弧化，解决了常规顶电极形状单一的问题，从而极大的提高了设计自由度，有利于在芯片集成时充分的利用空间。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1a为本发明实施例中的硅反面刻蚀结构示意图。
图1b为本发明实施例中的空隙型体声波谐振器示意图。
图1c为本发明实施例中的布拉格反射层结构示意图。
图2a为本发明实施例中的第一基于任意四边形的顶电极形状示意图。
图2b为本发明实施例中的第二基于任意四边形的顶电极形状示意图。
图2c为本发明实施例中的第三基于任意四边形的顶电极形状示意图。
图3a为本发明实施例中的第一基于任意五边形的顶电极形状示意图。
图3b为本发明实施例中的第二基于任意五边形的顶电极形状示意图。
图3c为本发明实施例中的第三基于任意五边形的顶电极形状示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对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，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
如图1所示，薄膜体声波谐振器的结构类型主要有三种：a硅反面刻蚀结构、b空隙结构和c布拉格反射层结构。图1a所示的硅反面刻蚀结构主要由顶电极1、压电薄膜2、底电极3和背面蚀刻的硅衬底4组成。通过在压电震荡堆的下表面形成空气与金属的交界面来限制声波的传播，从而将声波振动局限在压电震荡堆之内，形成较好的谐振特性。这种体声波谐振器的制备流程是先沉积硅衬底上表面的压电薄膜和电极，然后通过使用低应力氮化硅(Si3N4)膜层作为硅衬底刻蚀的停止层，再对硅衬底进行各向异性的刻蚀，从而获得靠硅衬底边缘支撑的悬空结构。这种类型的体声波谐振器会有一个显而易见的缺点，就是其机械牢度低、结构稳定性差，很难满足当前芯片集成化的要求，故而应用范围较小。
为了弥补图1a硅反面刻蚀型体声波谐振器的缺点，基于微机电系统表面微加工技术的空隙型体声波谐振器得到了长足的发展。如图1b所示，无需从背面蚀刻硅衬底，而是通过先填充牺牲材料最后再移除之的方法在硅衬底的表面和震荡层之间制备一层空气缝隙以形成空气与金属交界面，从而限制声波与压电震荡堆内，在达到谐振性能的同时提高了谐振器的机械强度。这种体声波谐振器的制备流程是先在硅衬底上依次生长牺牲材料膜层、支撑膜层、底电极、压电膜层和顶电极，其中每一层生长完成后均进行相应的光刻或者蚀刻工艺来获得特定的图形，然后通过刻蚀窗口释放牺牲材料膜层，得到空气缝隙。
为了进一步提高体声波谐振器的的结构稳定性和芯片集成兼容性，布拉格反射层6被引入来替代空气与金属边界，如图1c所示。布拉格反射层由四分之一波长厚度的高声学阻抗材料和四分之一波长厚度的低声学阻抗材料交替构成。层数越多反射系数越大且越趋近于空气与金属边界的反射系数，谐振器的Q值也就越高，但是无论如何其反射效果始终不如前两种结构好，所以这种拥有布拉格反射层的体声波谐振器的Q值不如上述两者高。布拉格反射层类型体声波谐振的制备流程相对简单，先在硅衬底上依次生长布拉格反射层，然后再利用与上述两种谐振器同样的方法生长底电极、压电膜层、和顶电极，并在每一层生长完后通过光刻或蚀刻获得特定的图形。
目前体声波谐振器的压电薄膜材料主要由氮化铝(AlN)、掺钪氮化铝(AlScN)、氧化锌(ZnO)、锆钛酸铅(PzT)等，金属电极的材料可以是铂(Pt)、铝(Al)、钼(Mo)、金(Au)、钌(Ru)、银(Ag)等，此外，布拉格反射层的低声波阻抗层可以用二氧化硅(SiO2)来实现，高声波阻抗层可以由氮化硅(Si3N4)、氮化铝(AlN)、钨(W)等材料形成。
在上述的薄膜体声波谐振器中，顶电极的形状对谐振器的机电耦合系数kt2、品质因数Q和寄生模量等性能有着直接的影响。如果电极的边缘相互平行，就容易形成侧向驻波，表现为主谐振曲线上会出现寄生模量。这些杂散模的出现不仅会影响谐振曲线的平坦性，更可能会增大谐振器的损耗，因此合理的设计顶电极的形状尤为重要。基于此，本专利提出两大类顶电极形状，并以此衍生出多种可以有效抑制杂散模的顶电极。
图2所示为一类基于任意四边形的顶电极形状，其中所取四边形的任意两条边都不平行。图2a是对每一条边进行曲线化，即定义半径为R的圆并使得该圆与四边形的四条边相交，从而得到每个边对应的圆弧，而四条圆弧所围成的区域即为本专利所提出的新型顶电极形状。进一步地，如图2b所示，每条边的相交圆半径R的大小都可以根据实际应用重新定义，比如R/2、2R等等，从而可以得到更多形式的弧化方式，形成更多有效的顶电极形状。当R趋近于无穷时，圆弧将无限趋近于对应的直线边。在此基础上，图2c对该顶电极形状进行更进一步地衍生，即可以选择对四边形的任意数量的边进行弧化处理，可以只弧化其中一条、两条边等等，从而得到不同的顶电极形状。将图2b和图2c的两种弧化方法进行结合，即对任意数量的边进行任意大小圆弧半径的弧化处理，可以获得极大数量的顶电极形状，从而极大地提高顶电极形状的设计自由度，以适应于实际的应用需求。
图3所示为另一类基于任意五边形的顶电极形状，其任意两条边都互不平行。如图3a所示，定义半径为R的圆并将该圆与每条边相交，所得的圆弧可以围成一种新型顶电极形状，可用于抑制杂散模的产生，优化谐振器性能。其中每条圆弧对应圆的半径R可以根据需要进行调整，如图3b所示的R/2、2R等，且当R趋近于无穷大时，所得圆弧边将无限趋近于原始的直线边。类似于上述四边形的处理方式，还可以通过对五边形的任意数量边进行弧化处理来衍生出更多的顶电极形状，如图3c所示。最终，在对任意数量的边进行任意半径长度的圆弧化处理之后，可以根据实际应用灵活的设计出所需的顶电极形状，以便于在芯片集成时最大化的利用空间。
本专利在三种常用的薄膜体声波谐振器的基础上，对谐振器的顶电极形状进行优化设计并提出了多种设计方案。本专利所提出的顶电极形状不仅可以抑制杂散模的产生，改善谐振器的性能，而且给出了极大的设计自由度，以便于灵活的适用于不同的应用要求，提升空间利用率。
在本申请的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。
Claims (10)
1.一种具有多种顶电极形状的薄膜体声波谐振器，其特征在于，包括：电极、压电薄膜(2)以及硅衬底(4)；
所述电极包括：顶电极(1)、底电极(3)；
所述顶电极(1)设置于压电薄膜(2)的上侧；
所述底电极(3)设置于压电薄膜(2)的下侧；
所述硅衬底(4)设置于底电极(3)的下侧；
所述具有多种顶电极形状的薄膜体声波谐振器采用以下任意一种结构：
-硅反面刻蚀结构；
-空隙结构；
-布拉格反射层结构。
2.根据权利要求1所述的具有多种顶电极形状的薄膜体声波谐振器，其特征在于，所述具有多种顶电极形状的薄膜体声波谐振器采用硅反面刻蚀结构；
所述具有多种顶电极形状的薄膜体声波谐振器通过在压电震荡堆的下表面形成空气与金属的交界面来限制声波的传播，从而将声波振动局限在压电震荡堆之内。
3.根据权利要求1所述的具有多种顶电极形状的薄膜体声波谐振器，其特征在于，所述具有多种顶电极形状的薄膜体声波谐振器采用空隙结构；
所述具有多种顶电极形状的薄膜体声波谐振器通过先填充牺牲材料，再移除之的方法在硅衬底的表面和震荡层之间制备一层空气缝隙以形成空气与金属交界面，从而限制声波与压电震荡堆内。
4.根据权利要求1所述的具有多种顶电极形状的薄膜体声波谐振器，其特征在于，所述具有多种顶电极形状的薄膜体声波谐振器采用布拉格反射层结构。
5.根据权利要求4所述的具有多种顶电极形状的薄膜体声波谐振器，其特征在于，还包括：布拉格反射层(6)；
所述布拉格反射层(6)设置于底电极(3)的下侧；
所述硅衬底(4)设置于布拉格反射层(6)的下侧。
6.根据权利要求5所述的具有多种顶电极形状的薄膜体声波谐振器，其特征在于，所述布拉格反射层(6)由四分之一波长厚度的第一声学阻抗材料和四分之一波长厚度的第二声学阻抗材料交替构成；
所述布拉格反射层(6)包括：低声波阻抗层、高声波阻抗层；
所述低声波阻抗层采用二氧化硅；
所述高声波阻抗层采用：
-氮化硅；
-氮化铝；
-钨。
7.根据权利要求5所述的具有多种顶电极形状的薄膜体声波谐振器，其特征在于，所述顶电极(1)采用四边形的顶电极形状，所取四边形的任意两条边都不平行；
所述四边形的顶电极形状采用以下任意一种处理方式：
-四边形的每一条边进行曲线化；
-多形式的弧化方式；
-选择对四边形的设定数量的边进行弧化处理。
8.根据权利要求1所述的具有多种顶电极形状的薄膜体声波谐振器，其特征在于，所述顶电极(1)采用五边形的顶电极形状，所取五边形的任意两条边都互不平行；
所述五边形的顶电极形状采用以下任意一种处理方式：
-定义半径为R的圆并将该圆与每条边相交，获取圆与每条边相交所得的圆弧；
-对五边形的设定数量边进行弧化处理；
-对设定数量的边进行设定半径长度的圆弧化处理；
所述压电薄膜(2)采用以下任意一种或者多种材料：
-氮化铝；
-掺钪氮化铝；
-氧化锌；
-锆钛酸铅；
所述电极采用以下任意一种或者多种材料：
-铂；
-铝；
-钼；
-金；
-钌；
-银。
9.一种具有多种顶电极形状的薄膜体声波谐振器制备方法，其特征在于，采用权利要求3所述的具有多种顶电极形状的薄膜体声波谐振器，包括：
步骤S1：在硅衬底上依次生长牺牲材料膜层、支撑膜层、底电极、压电膜层和顶电极，其中每一层生长完成后均进行相应的光刻或者蚀刻工艺来获得特定的图形；
步骤S2：通过刻蚀窗口释放牺牲材料膜层，得到空气缝隙。
10.一种具有多种顶电极形状的薄膜体声波谐振器制备方法，其特征在于，采用权利要求2所述的具有多种顶电极形状的薄膜体声波谐振器，其特征在于，包括：
步骤S1：先沉积硅衬底上表面的压电薄膜和电极，然后通过使用低应力氮化硅膜层作为硅衬底刻蚀的停止层；
步骤S2：对硅衬底进行各向异性的刻蚀，获得靠硅衬底边缘支撑的悬空结构。
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