CN112953448A - 新结构薄膜体声波谐振器及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种新结构薄膜体声波谐振器及其制备方法,是由上电极、第一压电层、第二压电层、第三压电层和下电极所组成的新型结构,随着5G时代的到来,谐振器的发展越来越朝着微型化、集成化和高频的方向走,市场对谐振器性能的要求越来越高,声表面波谐振器(SAW)难以满足高频的应用,但薄膜体声波谐振器(FBAR)存在着机电耦合系数不高的缺陷。本发明通过改变传统薄膜体声波谐振器单一的压电层,能够有效地减少压电层的电损耗;通过调节各层压电层的厚度,达到调节薄膜体声波谐振器机电耦合系数的目的,本发明还公开了一种新结构薄膜体声波谐振器的制备方法。

Description

新结构薄膜体声波谐振器及其制备方法
技术领域
本发明涉及体声波谐振器领域,具体涉及一种新结构薄膜体声波谐振器及其制备方法。
背景技术
伴随着5G技术的普及,现有滤波器技术对于无线电通信的发展越来越显得不足,声表面波滤波器(SAW)因为其较低的工作频率和功率的限制,在实际使用过程中,越来越难以满足要求。而体声波滤波器可以在更高的工作频率下工作,隔离特性和Q值更好,插入损耗低,曲线更陡峭。
传统的薄膜体声波谐振器结构包括顶电极、压电材料和底电极,压电材料由于其特有的压电效应,再顶电极和底电极都施加电压后,会激发出厚度延展模式。常用的压电材料往往是氮化铝或者钪掺杂氮化铝,纯氮化铝存在着机电耦合系数不高的缺点,而钪掺杂氮化铝由于具有一定的导电性,存在着电损耗。
发明内容
针对现有技术的不足,本发明的目的是提出了一种新结构薄膜体声波谐振器及其制备方法,即一种新结构薄膜体声波谐振器用以替代传统体声波谐振器,用以调节薄膜体声波谐振器中的机电耦合系数。
为实现上述目的,本发明采用如下技术方案实现:
第一方面,本发明提供一种新结构薄膜体声波谐振器,包括上电极、压电层和下电极,通过整体结构来调节薄膜体声波谐振器中的机电耦合系数;
所述上电极为多边形结构;
所述压电层分为三层,分别为第一压电层、第二压电层和第三压电层,均为多边形结构;
所述第一压电层的材料为氮化铝;
所述第二压电层的材料为钪掺杂氮化铝;
所述第三压电层的材料为氮化铝;
所述下电极为多边形结构;
所述上电极和下电极的材料均为金属钼。
第二方面,本发明提供一种新结构薄膜体声波谐振器的制备方法,包括:
(1)选用硅片作为外延衬底,并沉积一层Si3N4,在Si3N4上旋涂一层光刻胶,采用刻蚀法刻蚀一凹槽作为空气层;
(2)在所述的空气层以及两侧的Si3N4上沉积一层SiO2,并刻蚀掉除空气层以外的SiO2
步骤(3)在所述的Si3N4以及SiO2表面沉积一层金属Mo,作为底电极;
(4)在所述的底电极表面沉积第一层压电材料氮化铝;
(5)在所述的第一层氮化铝压电材料表面沉积第二层钪掺杂氮化铝压电材料;
(6)在所述的第二层钪掺杂氮化铝压电材料表面沉积第三层氮化铝压电材料;
(7)在所述的第三层氮化铝压电材料表面沉积一层金属Mo,作为上电极;
(8)释放牺牲层。
本发明的优点及有益效果如下:
本发明通过改变传统压电材料的单一材料属性,使用两种不同的压电材料,结合了这二者的优点,改善压电材料的性能;钪掺杂氮化铝相对于氮化铝而言,其机电耦合系数更高,而位于钪掺杂氮化铝上下两层的氮化铝并非导体,具有一定的绝缘特性,而钪掺杂氮化铝由于其具有导电性,会造成一定程度的电损耗。采用堆叠式压电材料能够避免这种电损耗,从而达到调节谐振器的机电耦合系数的目的。
附图说明
图1是本发明中薄膜体声波谐振器主视图;
图2是本发明中薄膜体声波谐振器截面图;
图3(a)至图3(j)是本发明中薄膜体声波谐振器的制备方法;
其中:图3(a)代表的工序是准备高阻硅;图3(b)代表的工序是采用刻蚀法刻蚀出空气层;图3(c)代表的工序是沉积SiO2;图3(d)代表的工序是刻蚀出除空气层以外的SiO2;图3(e)代表的工序是沉积上电极;图3(f)代表的工序是沉积氮化铝;图3(g)代表的工序是沉积钪掺杂氮化铝;图3(h)代表的工序是沉积氮化铝;图3(i)代表的工序是沉积上电极;图3(j)代表的工序是释放牺牲层。
图4为实施例1的结构示意图;
图5为实施例2;
图6为实施例3;
图7为实施例4;
图8为实施例5;
图9为实施例1至实施例5的仿真结果图。
其中:a为实施例5的仿真结果;b为实施例1的仿真结果;c为实施例2的仿真结果;d为实施例3的仿真结果;e为实施例4的仿真结果。
具体实施方式
以下结合附图及实施例对本发明的技术方案作进一步详细阐述。应当理解,此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明,并不用于限定本发明。
实施例1:
图4为第一种含堆叠式压电材料的薄膜体声波谐振器100,包括:上电极101、氮化铝102、钪掺杂氮化铝103,下电极104;
其中,氮化铝102以及钪掺杂氮化铝103共同构成了该薄膜体声波谐振器100的压电材料;
其中,氮化铝102的厚度为0.1微米,钪掺杂氮化铝的厚度为0.8微米;上电极以及下电极的厚度为0.2微米;
根据COMSOL仿真结果,这种结构的谐振器的谐振频率为2.38GHz,反谐振频率是2.515GHz;使用Mat lab计算该谐振器的串联、并联谐振频率处的品质因数以及机电耦合系数,分别为:1190、629、12.5336%;
应当理解的是,对本领域普通技术人员来说,可以根据上述说明加以改进或者变换,而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。
实施例2:
图5为第二种含堆叠式压电材料的薄膜体声波谐振器100,包括:上电极101、氮化铝102、钪掺杂氮化铝103,下电极104;
其中,氮化铝102以及钪掺杂氮化铝103共同构成了该薄膜体声波谐振器100的压电材料;
其中,氮化铝102的厚度为0.2微米,钪掺杂氮化铝的厚度为0.6微米;上电极以及下电极的厚度为0.2微米;
根据COMSOL仿真结果,这种结构的谐振器的谐振频率为2.44GHz,反谐振频率是2.564GHz;使用Mat lab计算该谐振器的串联、并联谐振频率处的品质因数以及机电耦合系数,分别为:1220、513、11.3557%;
应当理解的是,对本领域普通技术人员来说,可以根据上述说明加以改进或者变换,而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。
实施例3:
图6为第三种含堆叠式压电材料的薄膜体声波谐振器100,包括:上电极101、氮化铝102、钪掺杂氮化铝103,下电极104;
其中,氮化铝102以及钪掺杂氮化铝103共同构成了该薄膜体声波谐振器100的压电材料;
其中,氮化铝102的厚度为0.3微米,钪掺杂氮化铝的厚度为0.4微米;上电极以及下电极的厚度为0.2微米;
根据COMSOL仿真结果,这种结构的谐振器的谐振频率为2.506GHz,反谐振频率是2.617GHz;使用Mat lab计算该谐振器的串联、并联谐振频率处的品质因数以及机电耦合系数,分别为:835、291、10.0216%;
应当理解的是,对本领域普通技术人员来说,可以根据上述说明加以改进或者变换,而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。
实施例4:
图7为第四种含堆叠式压电材料的薄膜体声波谐振器100,包括:上电极101、氮化铝102、钪掺杂氮化铝103,下电极104;
其中,氮化铝102以及钪掺杂氮化铝103共同构成了该薄膜体声波谐振器100的压电材料;
其中,氮化铝102的厚度为0.4微米,钪掺杂氮化铝的厚度为0.2微米;上电极以及下电极的厚度为0.2微米;
根据COMSOL仿真结果,这种结构的谐振器的谐振频率为2.576GHz,反谐振频率是2.678GHz;使用Mat lab计算该谐振器的串联、并联谐振频率处的品质因数以及机电耦合系数,分别为:1288、446、9.0399%;
应当理解的是,对本领域普通技术人员来说,可以根据上述说明加以改进或者变换,而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。
实施例5:
图8为第五种普通的薄膜体声波谐振器100,包括:上电极101、钪掺杂氮化铝102、下电极103;
其中,钪掺杂氮化铝102的厚度为1微米,上电极以及下电极的厚度为0.2微米;
根据COMSOL仿真结果,这种结构的谐振器的谐振频率为2.576GHz,反谐振频率为2.678GHz;使用Mat lab计算该谐振器的串联、并联谐振频率处的品质因数以及机电耦合系数,分别为:1162、827、14.7072%;
应当理解的是,对本领域普通技术人员来说,可以根据上述说明加以改进或者变换,而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (2)

1.一种新结构薄膜体声波谐振器,其特征在于:包括上电极、压电层和下电极,通过整体结构来调节薄膜体声波谐振器中的机电耦合系数;
所述上电极为多边形结构;
所述压电层分为三层,分别为第一压电层、第二压电层和第三压电层,均为多边形结构;
所述第一压电层的材料为氮化铝;
所述第二压电层的材料为钪掺杂氮化铝;
所述第三压电层的材料为氮化铝;
所述下电极为多边形结构;
所述上电极和下电极的材料均为金属钼。
2.一种制备如权利要求1所述新结构薄膜体声波谐振器的方法,其特征在于:包括如下步骤:
(1)选用硅片作为外延衬底,并沉积一层Si3N4,在Si3N4上旋涂一层光刻胶,采用刻蚀法刻蚀一凹槽作为空气层;
(2)在所述空气层以及两侧的Si3N4上沉积一层SiO2,并刻蚀掉除空气层以外的SiO2
(3)在所述Si3N4以及SiO2表面沉积一层金属Mo,作为底电极;
(4)在所述底电极表面沉积第一层压电材料氮化铝;
(5)在所述第一层氮化铝压电材料表面沉积第二层钪掺杂氮化铝压电材料;
(6)在所述第二层钪掺杂氮化铝压电材料表面沉积第三层氮化铝压电材料;
(7)在所述第三层氮化铝压电材料表面沉积一层金属Mo,作为上电极;
(8)释放牺牲层。
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