CN112803910A - 一种单晶薄膜体声波谐振器的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种单晶薄膜体声波谐振器的制备方法。单晶薄膜体声波谐振器的制备较为困难。本发明首先在压电薄膜上沉积电极，然后与制备有同样金属电极图案的晶圆通过金属原子键合工艺连接在一起；其中制备有同样金属电极图案的晶圆下方含有待释放的空腔或布拉格反射层；然后去掉压电薄膜的衬底晶圆，再沉积金属上电极形成谐振器。本发明工艺制备流程中不对单晶的压电薄膜直接操作，保证了单晶压电薄膜的质量，进而提高器件的性能，从而能制备得到高频率、高Q值的单晶薄膜体声波谐振器。
Description
技术领域
本发明涉及薄膜体声波谐振器，具体涉及一种单晶薄膜体声波谐振器的制备方法。
背景技术
伴随着移动通讯技术的快速发展，特别是手机端和各种收发设备数量的快速增加，高频段谐振器和滤波器的市场需求越来越大。传统的微波陶瓷谐振器和声表面波谐振器的应用局限越来越明显，比如谐振频率低、功耗大等，而薄膜体声波谐振器(FBAR)与陶瓷和声表面波谐振器相比具有体积小、谐振频率高、功率损耗低、品质因子(Q)高、功率容量大等优点，因此在相关领域尤其是高频通讯滤波器收发功能方面有着广阔的应用和发展前景，成为工业界和学术界的研究热门。
薄膜体声波谐振器是薄膜体声波滤波器的主要构成单元，其基本结构是由两层金属电极夹着压电薄膜层的三明治压电振荡堆。
压电薄膜层的厚度决定着体声波谐振器的工作频率，膜层的质量决定谐振器的性能，如Q值、机电耦合系数等。当今主流的压电薄膜如ZnO、AlN等，均采用磁控溅射的方式制备，为多晶压电薄膜，其厚度均要在500nm以上才能具有较好的薄膜质量，使得体声波谐振器的频率做不高。另一方面，多晶薄膜内缺陷较多，造成BAW谐振器的损耗较大，Q值提升困难。随着薄膜制备工艺技术、设备的进步，单晶压电薄膜的制备工艺也越来越成熟。单晶压电薄膜由于晶体质量好，缺陷少，可以制备更高频率和Q值的BAW谐振器，已引起科研及工业界的广泛兴趣。然而，单晶薄膜BAW器件，制备工艺相对困难，如AlN单晶压电薄膜，需要在1000多度的温度下生长，使得制备薄膜体声波谐振器的下电极较为困难，同时制备的单晶压电薄膜平坦度低，易断裂，需要开发与多晶压电薄膜不同的制备工艺及技术。
发明内容
本发明的目的是针对单晶压电薄膜体声波谐振器件制备困难的问题，提出一种单晶薄膜体声波谐振器的制备方法，利用金属原子的键合工艺，获得薄膜体声波谐振器的金属电极，从而实现基于单晶压电薄膜的体声波谐振器件的制备。
本发明采用以下技术方案实现：
本发明一种单晶薄膜体声波谐振器的制备方法，具体步骤如下：
1)对衬底依次进行用丙酮超声清洗、用异丙醇超声清洗和水洗；
2)按以下两种方案操作：
第一种方案：
2.1采用基于BOSCH工艺的等离子体刻蚀在衬底上刻蚀出空腔一；
2.2在含空腔一的衬底上表面用低压化学气相淀积工艺淀积磷硅酸盐玻璃，作为牺牲层；然后，通过化学机械抛光对空腔一位置处的牺牲层进行研磨，去除不在空腔一位置处的牺牲层，使空腔一位置处的牺牲层表面以及衬底上表面平整；
2.3在含牺牲层的衬底表面用低压化学气相淀积工艺沉积支撑层；
2.4在支撑层上表面采用热蒸发或磁控溅射的方法沉积金属，并图形化，形成待键合层一以及待键合层一周围的待键合层二和待键合层三；
第二种方案：
2.1在衬底上通过薄膜淀积技术交替沉积高声阻抗反射层和低声阻抗反射层形成布拉格反射层；
2.2在布拉格反射层上采用热蒸发或磁控溅射的方法沉积金属，并图形化，形成待键合层一以及待键合层一周围的待键合层二和待键合层三；
接着，继续执行以下步骤：
3)在碳化硅基底的一侧表面用金属有机化合物化学气相沉淀工艺沉积晶体取向沿C轴的压电层；
4)在压电层表面采用热蒸发或磁控溅射的方法沉积金属，并图形化，形成待键合层四以及待键合层四周围的待键合层五和待键合层六；
5)将待键合层一与待键合层四贴合，待键合层二与待键合层五贴合，待键合层三与待键合层六贴合，在300摄氏度下通过金属原子的键合工艺将待键合层一与待键合层四连接在一起，将待键合层二与待键合层五连接在一起，将键合层三与待键合层六连接在一起；
6)采用化学机械研磨减薄碳化硅衬底；
7)采用刻蚀工艺去除减薄后的碳化硅衬底；
8)在压电层表面采用热蒸发或磁控溅射的方法沉积金属，并图形化，形成金属上电极；
最后，若步骤2)按第一种方案操作，则执行如下步骤：
9)采用等离子刻蚀或湿法腐蚀工艺在压电层表面位于金属上电极两侧位置形成通孔一和通孔二；通孔一的底部由待键合层四的表面封闭；通孔二的底部贯穿键合后的待键合层四和待键合层一以及键合后的待键合层六和待键合层三围成的空腔二，并贯穿支撑层，由牺牲层的表面封闭；
10)在通孔一中以及压电层远离金属上电极方向的上表面采用热蒸发或磁控溅射的方法沉积接触电极；接触电极与待键合层四上表面接触，不与金属上电极接触；
11)通过湿法腐蚀工艺或干法腐蚀工艺利用通孔二去除牺牲层，重新形成空腔一；
若步骤2)按第二种方案操作，则执行如下步骤：
9)采用等离子刻蚀或湿法腐蚀工艺在压电层表面位于金属上电极一侧形成通孔一，通孔一的底部由金属下电极待键合层二的表面封闭；
10)在通孔一中以及压电层远离金属上电极方向的上表面采用热蒸发或磁控溅射的方法沉积接触电极；接触电极与金属下电极待键合层二上表面接触，不与金属上电极接触。
优选地，所述衬底的晶圆材料为玻璃、硅、碳化硅、氮化硅或陶瓷中的一种或多种按任意配比组合。
优选地，所述空腔一的深度为0.5um-10um，横向最大尺寸为50-500um。
优选地，所述牺牲层的材料是氧化硅、氮化硅、有机物、磷酸玻璃、掺杂氧化硅或多晶硅，牺牲层的厚度为0.5um-10um。
优选地，所述支撑层的材料是氮化硅或氧化硅中的一种或两种按任意配比组合，厚度为0.1um-5um。
优选地，所述高声阻抗反射层和低声阻抗反射层的厚度均在0.1um-5um范围内取值；高声阻抗反射层的材料为碳化硅、氮化铝、氮化硅、钼、金、铂或钨；低声阻抗反射层的材料为二氧化硅、碳氧化硅、铝、硼硅酸盐玻璃或聚苯撑聚合物。
优选地，所述金属上电极的厚度为10nm-2000nm，横向宽度为5um-500um；金属下电极、待键合层一、待键合层二、待键合层三、待键合层四、待键合层五和待键合层六的材料均是铜、铝、银、钛、钨、金、镍或钼中的一种或多种按任意配比组合。
优选地，所述压电层的材料为单晶氮化铝、氧化锌、单晶钽酸锂、锆钛酸铅或铌酸锂中的一种或多种按任意配比组合，厚度为10nm-5000nm。
优选地，所述通孔一和通孔二的中心轴线与压电层边缘的最近距离均在10um-50um范围内取值，通孔一和通孔二的直径均在5um-30um范围内取值。
优选地，所述接触电极的材料是铜、铝、银、钛、钨、金、镍或钼中的一种或多种按任意配比组合；接触电极的厚度为10nm-2000nm。
本发明具有的有益效果是：
本发明首先在压电薄膜上沉积电极，然后与制备有同样金属电极图案的晶圆通过金属原子键合工艺连接在一起；其中制备有同样金属电极图案的晶圆下方含有待释放的空腔或布拉格反射层；然后去掉压电薄膜的衬底晶圆，再沉积金属上电极形成谐振器。因此，本发明工艺制备流程中不对单晶的压电薄膜直接操作，保证了单晶压电薄膜的质量，进而提高器件的性能，从而能制备得到高频率、高Q值的单晶薄膜体声波谐振器。
附图说明
图1是本发明在衬底上制备空腔一的剖面图。
图2是图1中结构淀积牺牲层后的剖面图。
图3是图2中结构经CMP抛光后的剖面图。
图4是图3中结构经沉积支撑层和金属电极后的剖面图。
图5是在碳化硅基底上获得压电层的剖面图。
图6是在图5结构上制备金属电极的剖面图。
图7是图4结构与图6结构键合成型的剖面图。
图8是在图7结构上减薄碳化硅基底的剖面图。
图9是在图8结构上减薄后的碳化硅基底的剖面图。
图10是在图9结构上沉积金属上电极以及挖通孔一和通孔二的剖面图。
图11是在图10结构上沉积接触电极的剖面图。
图12是在图11结构上去除牺牲层后的剖面图。
图13是本发明在衬底上沉积布拉格反射层的剖面图。
图14是实施例2沉积接触电极前一步的结构剖面图。
图15是实施例2得到的单晶薄膜体声波谐振器剖面图。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明作进一步说明。
实施例1：
一种单晶薄膜体声波谐振器的制备方法，具体步骤如下：
1)对衬底100依次进行用丙酮超声清洗、用异丙醇超声清洗和水洗，衬底晶体取向为[111]或[100]；衬底的材料可以是玻璃、硅、碳化硅、氮化硅或陶瓷中的一种或多种按任意配比组合。
2)如图1所示，采用基于BOSCH工艺的等离子体刻蚀在衬底上刻蚀出空腔一101；空腔一101呈梯型、三角形、长方形、正方形或其它多边形；空腔一的深度为0.5um-10um(优选3um)，横向最大尺寸为50-500um(优选200um)。
3)如图2所示，在含空腔一101的衬底100上表面用低压化学气相淀积工艺(LPCVD)淀积磷硅酸盐玻璃(PSG)作为牺牲层102，并通过化学机械抛光(CMP)去除不在空腔一101位置处的牺牲层，如图3所示，使空腔一位置处的牺牲层表面以及衬底上表面平整；牺牲层102的材料可以是氧化硅、氮化硅、有机物、磷酸玻璃、掺杂氧化硅或多晶硅，牺牲层的厚度为0.5um-10um。
4)如图4所示，在含牺牲层102的衬底100表面用低压化学气相淀积工艺(LPCVD)沉积支撑层104，支撑层104的材料可以是氮化硅或氧化硅中的一种或两种按任意配比组合，厚度为0.1um-5um。
5)如图4所示，在支撑层104上表面采用热蒸发或磁控溅射的方法沉积，并图形化(形成设计图形)，形成待键合层一106以及待键合层一106周围的待键合层二105和待键合层三107，待键合层一106的横向宽度为5um-200um，厚度为5nm-2000nm，待键合层二105和待键合层三107的厚度与待键合层一106的厚度一致，横向宽度均为5um-500um，材料可以是铜、铝、银、钛、钨、镍或钼中的一种或多种按任意配比组合。
6)如图5所示，在碳化硅基底108的一侧表面用金属有机化合物化学气相沉淀工艺(MOCVD)沉积晶体取向沿C轴(晶轴)的压电层109；压电层109的材料可以为单晶氮化铝、氧化锌、单晶镍酸锂、锆钛酸铅或铌酸锂中的一种或多种按任意配比组合，厚度为10nm-5000nm。
7)如图6所示，在压电层109表面采用热蒸发或磁控溅射的方法沉积金属，并图形化，形成待键合层四111以及待键合层四111周围的待键合层五110和待键合层六112；待键合层四111的横向宽度为5um-500um，厚度为5nm-2000nm，且待键合层四111与待键合层一的横向宽度相等；待键合层四的材料可以是铜、铝、银、钛、钨、金、镍或钼中的一种或多种按任意配比组合。
8)如图7所示，将待键合层一106与待键合层四111贴合，待键合层二105与待键合层五110贴合，待键合层三107与待键合层六112贴合，在300摄氏度下通过金属原子的键合工艺将待键合层一106与待键合层四111连接在一起，将待键合层二105与待键合层五110连接在一起，将键合层三107与待键合层六112连接在一起，起到支撑器件的作用，不做电气连接。
9)如图8所示，采用化学机械研磨抛光减薄碳化硅基底；
10)如图9所示，采用刻蚀工艺去除减薄后的碳化硅基底；
11)如图10所示，在压电层109表面中间位置采用热蒸发或磁控溅射的方法沉积金属上电极115；金属上电极的横向宽度小于空腔一的横向最大尺寸；金属上电极115的厚度为10nm-2000nm(优选0.2um)，横向宽度为5um-500um(优选100um)。
12)如图10所示，采用等离子刻蚀或湿法腐蚀工艺在压电层109表面位于金属上电极115两侧位置形成通孔一301和通孔二302；通孔一301的底部由待键合层四111的表面封闭，不跟键合后的金属柱三110和金属柱一105以及键合后的待键合层四111和待键合层一106围成的空隙201连通；通孔二302的底部贯穿键合后的待键合层四111和待键合层一106以及键合后的待键合层六112和待键合层三107围成的空腔二202，并贯穿支撑层104，由牺牲层102的表面封闭。通孔一301和通孔二302的中心轴线与压电层109边缘的最近距离均在10um-50um范围内取值，通孔一301和通孔二302的直径均在5um-30um范围内取值。
13)如图11所示，在通孔一301中以及压电层109远离金属上电极115方向的上表面采用热蒸发或磁控溅射的方法沉积接触电极116；接触电极116与待键合层四111上表面接触，不与金属上电极115接触；接触电极116的材料可以是铜、铝、银、钛、钨、金、镍或钼中的一种或多种按任意配比组合；接触电极116的厚度为10nm-2000nm。
14)如图12所示，通过湿法腐蚀工艺或干法腐蚀工艺利用通孔二302去除牺牲层102，重新形成空腔一101。
实施例2：
一种单晶薄膜体声波谐振器的制备方法，具体步骤如下：
步骤一、执行实施例1中的步骤1)；然后，如图13所示，在衬底100上通过薄膜淀积技术交替沉积高声阻抗率反射层和低声阻抗率反射层形成布拉格反射层401，高声阻抗率反射层和低声阻抗率反射层的厚度均在0.1um-5um范围内取值；高声阻抗率反射层的材料为碳化硅、氮化铝、氮化硅、钼、金、铂或钨；低声阻抗率反射层的材料为二氧化硅、碳氧化硅、铝、硼硅酸盐玻璃或聚苯撑聚合物。
步骤二、在布拉格反射层401上表面采用热蒸发或磁控溅射的方法沉积金属，并图形化，形成待键合层一106以及待键合层一周围的待键合层二105和待键合层三107；金属下电极106的横向宽度为5um-500um，厚度为5nm-2000nm，待键合层二105和待键合层三107的厚度与待键合层一106一致，宽度为5um-500um，材料可以是铜、铝、银、钛、钨、镍或钼中的一种或多种按任意配比组合。然后，执行实施例1中的步骤6)-步骤11)。
步骤三、如图14所示，采用等离子刻蚀或湿法腐蚀工艺在压电层109表面位于金属上电极115一侧形成通孔一301，通孔一301的底部由待键合层四111的表面封闭；通孔一301的中心轴线与压电层109边缘的最近距离均在10um-50um范围内取值，直径在5um-30um范围内取值；然后，执行实施例1中的步骤13)，得到如图15所示的单晶薄膜体声波谐振器结构。
Claims (10)
1.一种单晶薄膜体声波谐振器的制备方法，其特征在于：该方法具体步骤如下：
1)对衬底依次进行用丙酮超声清洗、用异丙醇超声清洗和水洗；
2)按以下两种方案操作：
第一种方案：
2.1采用基于BOSCH工艺的等离子体刻蚀在衬底上刻蚀出空腔一；
2.2在含空腔一的衬底上表面用低压化学气相淀积工艺淀积磷硅酸盐玻璃，作为牺牲层；然后，通过化学机械抛光对空腔一位置处的牺牲层进行研磨，去除不在空腔一位置处的牺牲层，使空腔一位置处的牺牲层表面以及衬底上表面平整；
2.3在含牺牲层的衬底表面用低压化学气相淀积工艺沉积支撑层；
2.4在支撑层上表面采用热蒸发或磁控溅射的方法沉积金属，并图形化，形成待键合层一以及待键合层一周围的待键合层二和待键合层三；
第二种方案：
2.1在衬底上通过薄膜淀积技术交替沉积高声阻抗反射层和低声阻抗反射层形成布拉格反射层；
2.2在布拉格反射层上采用热蒸发或磁控溅射的方法沉积金属，并图形化，形成待键合层一以及待键合层一周围的待键合层二和待键合层三；
接着，继续执行以下步骤：
3)在碳化硅基底的一侧表面用金属有机化合物化学气相沉淀工艺沉积晶体取向沿C轴的压电层；
4)在压电层表面采用热蒸发或磁控溅射的方法沉积金属，并图形化，形成待键合层四以及待键合层四周围的待键合层五和待键合层六；
5)将待键合层一与待键合层四贴合，待键合层二与待键合层五贴合，待键合层三与待键合层六贴合，在300摄氏度下通过金属原子的键合工艺将待键合层一与待键合层四连接在一起，将待键合层二与待键合层五连接在一起，将键合层三与待键合层六连接在一起；
6)采用化学机械研磨减薄碳化硅衬底；
7)采用刻蚀工艺去除减薄后的碳化硅衬底；
8)在压电层表面采用热蒸发或磁控溅射的方法沉积金属，并图形化，形成金属上电极；
最后，若步骤2)按第一种方案操作，则执行如下步骤：
9)采用等离子刻蚀或湿法腐蚀工艺在压电层表面位于金属上电极两侧位置形成通孔一和通孔二；通孔一的底部由待键合层四的表面封闭；通孔二的底部贯穿键合后的待键合层四和待键合层一以及键合后的待键合层六和待键合层三围成的空腔二，并贯穿支撑层，由牺牲层的表面封闭；
10)在通孔一中以及压电层远离金属上电极方向的上表面采用热蒸发或磁控溅射的方法沉积接触电极；接触电极与待键合层四上表面接触，不与金属上电极接触；
11)通过湿法腐蚀工艺或干法腐蚀工艺利用通孔二去除牺牲层，重新形成空腔一；
若步骤2)按第二种方案操作，则执行如下步骤：
9)采用等离子刻蚀或湿法腐蚀工艺在压电层表面位于金属上电极一侧形成通孔一，通孔一的底部由金属下电极待键合层二的表面封闭；
10)在通孔一中以及压电层远离金属上电极方向的上表面采用热蒸发或磁控溅射的方法沉积接触电极；接触电极与金属下电极待键合层二上表面接触，不与金属上电极接触。
2.根据权利要求1所述的一种单晶薄膜体声波谐振器的制备方法，其特征在于：所述衬底的晶圆材料为玻璃、硅、碳化硅、氮化硅或陶瓷中的一种或多种按任意配比组合。
3.根据权利要求1所述的一种单晶薄膜体声波谐振器的制备方法，其特征在于：所述空腔一的深度为0.5um-10um，横向最大尺寸为50-500um。
4.根据权利要求1所述的一种单晶薄膜体声波谐振器的制备方法，其特征在于：所述牺牲层的材料是氧化硅、氮化硅、有机物、磷酸玻璃、掺杂氧化硅或多晶硅，牺牲层的厚度为0.5um-10um。
5.根据权利要求1所述的一种单晶薄膜体声波谐振器的制备方法，其特征在于：所述支撑层的材料是氮化硅或氧化硅中的一种或两种按任意配比组合，厚度为0.1um-5um。
6.根据权利要求1所述的一种单晶薄膜体声波谐振器的制备方法，其特征在于：所述高声阻抗反射层和低声阻抗反射层的厚度均在0.1um-5um范围内取值；高声阻抗反射层的材料为碳化硅、氮化铝、氮化硅、钼、金、铂或钨；低声阻抗反射层的材料为二氧化硅、碳氧化硅、铝、硼硅酸盐玻璃或聚苯撑聚合物。
7.根据权利要求1所述的一种单晶薄膜体声波谐振器的制备方法，其特征在于：所述金属上电极的厚度为10nm-2000nm，横向宽度为5um-500um；金属下电极、待键合层一、待键合层二、待键合层三、待键合层四、待键合层五和待键合层六的材料均是铜、铝、银、钛、钨、金、镍或钼中的一种或多种按任意配比组合。
8.根据权利要求1所述的一种单晶薄膜体声波谐振器的制备方法，其特征在于：所述压电层的材料为单晶氮化铝、氧化锌、单晶钽酸锂、锆钛酸铅或铌酸锂中的一种或多种按任意配比组合，厚度为10nm-5000nm。
9.根据权利要求1所述的一种单晶薄膜体声波谐振器的制备方法，其特征在于：所述通孔一和通孔二的中心轴线与压电层边缘的最近距离均在10um-50um范围内取值，通孔一和通孔二的直径均在5um-30um范围内取值。
10.根据权利要求1所述的一种单晶薄膜体声波谐振器的制备方法，其特征在于：所述接触电极的材料是铜、铝、银、钛、钨、金、镍或钼中的一种或多种按任意配比组合；接触电极的厚度为10nm-2000nm。
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