CN113162568A - 具有钝化层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钝化层的薄膜体声波谐振器及制备方法，包括衬底、压电层、底部电极、顶部电极、第一钝化层以及第二钝化层；压电层设置在衬底的上方，所述压电层与衬底之间设置有空气腔，底部电极设置在压电层和衬底之间，顶部电极设置在压电层的上方；第一钝化层将顶部电极和压电层完全覆盖，第二钝化层位于第一钝化层的上方并将其完全覆盖。采用空气腔，在衬底和谐振器震荡区域之间形成金属和空气的交界面，有助于将声波限制在震荡堆内，提高了谐振器的机械强度；通过第一钝化层和第二钝化层配合，可以有效地隔离谐振器与外界环境，降低谐振器的温度漂移系数，并可以通过削整第二钝化层厚度灵敏地调整谐振器的谐振频率。
Description
技术领域
本发明涉及谐振器制作技术领域，具体地，涉及一种具有钝化层的薄膜体声波谐振器及制备方法。
背景技术
随着5G通信技术的快速发展，薄膜体声波谐振器已经成为最具发展前景的基础器件之一。在声波谐振器的加工和制造过程中，为了减少周围环境对谐振器的影响，提高谐振器的稳定性，往往需要在谐振器中引入钝化层。
现有公开号为CN102025340B的中国专利，其公开了一种声波谐振器及其加工方法，声波谐振器包括：具有空气腔的基底、底部钝化层、震荡堆和顶部钝化层。震荡堆上下的两层钝化层用于阻止谐振器与周围环境相互作用。方法包括如下步骤：提供带有牺牲层的基底；在牺牲层上形成底部钝化层并延伸至整个基底；在底部钝化层上形成震荡堆多层结构；在多层结构上表面形成顶部钝化层；以及将牺牲层从基底移除以形成空气腔。
发明人认为，现有技术中所采用的钝化层仅起到隔离谐振器与外界环境的作用，且保护效果差，存在待改进之处。
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钝化层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钝化层的薄膜体声波谐振器,包括衬底、压电层、底部电极、顶部电极、第一钝化层以及第二钝化层；所述压电层设置在衬底的上方，所述压电层与衬底之间设置有空气腔，所述底部电极设置在压电层和衬底之间，所述顶部电极设置在压电层的上方；所述第一钝化层将顶部电极和压电层完全覆盖，所述第二钝化层位于第一钝化层的上方并将其完全覆盖。
优选地，所述第一钝化层的材料包括二氧化硅。
优选地，所述第二钝化层包括的材料包括氮化铝、氮化硅、砷化镓、掺钪氮化铝、氧化锌等。
优选地，所述压电层的材料包括氮化铝、掺钪氮化铝、铌酸锂、氧化锌以及锆钛酸铅等。
优选地，所述底部电极和顶部电极二者均为金属电极，所述底部电极接地、所述顶部电极接电信号，或所述底部电极接电信号、所述顶部电极接地。
优选地，所述种子层包括氮化铝层。
优选地，所述压电层设置有内部连接金属，所述内部连接金属呈凹陷设置，所述内部连接金属的底壁与底部电极接触配合，所述内部连接金属的顶部为第一钝化层，且所述第一钝化层和第二钝化层在内部连接金属的凹陷处均形成有与之配合的凹陷结构。
根据本发明提供的一种具有钝化层的薄膜体声波谐振器的制备方法，包括如下步骤：S1、将所述衬底进行清洗备用；S2、对所述衬底进行氧化处理，并在所述衬底表面生长一层牺牲层；S3、通过光刻工艺将所述牺牲层加工成特定的形状；S4、之后在所述衬底和牺牲层上生长一层种子层；S5、在所述种子层上形成底部电极；S6、在所述种子层和底部电极上沉积形成压电层；S7、所述压电层上形成顶部电极；S8、在所述压电层的特定位置上开孔，并使所述底部电极裸露出来；S9、在所述压电层的开孔处设置内部连接金属；S10、在所述压电层的上侧生长一层二氧化硅作为第一钝化层；S11、在所述第一钝化层上沉积一层氮化铝作为第二层钝化层；S12、在所述牺牲层的特定位置开孔并对牺牲层进行蚀刻形成空气腔，从而形成最终的谐振器结构。
优选地，步骤5或步骤7所述的底部电极或顶部电极的形成方法，包括使用光刻工艺，再结合金属蒸镀或溅射、金属剥离工艺形成所述底部电极或顶部电极。
优选地，步骤5或步骤7所述的底部电极或顶部电极的形成方法，包括先进行金属蒸镀或溅射，再进行光刻工艺和干法刻蚀形成所述底部电极或顶部电极。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
1、本发明通过采用空气腔，在衬底和谐振器震荡区域之间形成金属和空气的交界面，有助于将声波限制在震荡堆内，且有助于提高谐振器的机械强度；
2、本发明通过采用由二氧化硅形成的第一钝化层，对谐振器进行了温度补偿，从而有助于提高谐振器的温度稳定性；
3、本发明通过在二氧化硅形成的第一钝化层外覆盖一层由氮化铝形成的第二钝化层，可以在去除牺牲层材料的氢氟酸刻蚀过程中有效地保护第一钝化层，且由于氮化铝具有厌水性，有助于减少谐振器吸收空气中的水分子；
4、本发明通过第一钝化层和第二钝化层配合，可以在谐振器削整切边的过程中更加有效地调整谐振器的谐振频率，有助于提高谐振器的灵敏度。
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1为本发明主要体现谐振器整体结构的示意图；
图2为本发明主要体现制备方法步骤1中衬底整体结构的示意图；
图3为本发明主要体现制备方法步骤2中衬底和牺牲层整体结构的示意图；
图4为本发明主要体现制备方法步骤3中衬底和牺牲层整体结构的示意图；
图5为本发明主要体现制备方法步骤4中种子层整体结构的示意图；
图6为本发明主要体现制备方法步骤5中底部电极整体结构的示意图；
图7为本发明主要体现制备方法步骤6中压电层整体结构的结构示意图；
图8为本发明主要体现制备方法步骤7中顶部电极整体结构的示意图；
图9为本发明主要体现制备方法步骤8中压电层中开设的开孔结构的示意图；
图10为本发明主要体现制备方法步骤9中内部连接金属整体结构示意图；
图11为本发明主要体现制备方法步骤10中第一钝化层整体结构的示意图；
图12为本发明主要体现制备方法步骤11中第二钝化层整体结构的示意图；
图13为本发明主要体现制备方法步骤12中谐振器加工完成整体结构的示意图。
图中所示：
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，根据本发明提供的一种具有钝化层的薄膜体声波谐振器，包括衬底1、压电层2、底部电极3、顶部电极4、第一钝化层7以及第二钝化层8。
衬底1为高阻硅片，衬底1的厚度在几百微米到上千微米之间。压电层2形成在衬底1的上侧，压电层2的的材料包括但不限于氮化铝、掺钪氮化铝、铌酸锂、氧化锌以及锆钛酸铅，本申请优选使用氮化铝。压电层2与衬底1之间形成有种子层10，且种子层10与衬底1之间配合形成有空气腔6，空气腔6位于衬底1长度方向的中部，且空气腔6的横截面形状为等腰梯形。
底部电极3位于压电层2和种子层10之间，底部电极3自衬底1的一侧沿压电层2的走向延伸至空气腔6的上方，且底部电极3接地。顶部电极4位于压电层2的上侧，顶部电极4自衬底1的另一侧沿压电层2的走向延伸至空气腔6的上方，顶部电机4接电信号。因此，底部电极3和顶部电极4在空气腔6的上方形成重合部，且底部电极3与顶部电极4二者呈间隔设置。底部电极3和顶部电极4均为金属电极，包含但不限于铂、铝、钌、钼、金等金属材料。
第一钝化层7形成在压电层2的上侧，且第一钝化层7将压电层2和顶部电极4完全覆盖，第一钝化层7为二氧化硅钝化层。第二钝化层8形成在第一钝化层7的上方，第二钝化层8将第一钝化层7完全覆盖，且第二钝化层8包括但不限于氮化铝、氮化硅、砷化镓、掺钪氮化铝、氧化锌等，本申请优选使用氮化铝。
为了提高了第一钝化层7和第二钝化层8连接的紧密性和便捷性，压电层2位于底部电极3上方的一侧嵌设有内部连接金属5，起连接作用的金属包括但不限于铝、金、铜、钼、钌等。内部连接金属5的中部呈凹陷设置，内部连接金属5的底壁与底部电极3接触配合，且内部连接金属5的顶部为第一钝化层7，第一钝化层7和第二钝化层8在内部连接金属5的凹陷处均形成有与之配合的凹陷结构。
当底部电极3和顶部电极4之间存在电势差时，二者之间的电场可以在压电层2中有效地激励起声波谐振。而空气腔6的引入，在衬底1和谐振器震荡区域之间形成金属和空气的交界面，可以有效地将声波限制在压电震荡堆内并且保持谐振器的机械强度。
谐振器的温度稳定性主要与压电层2自身的温度系数有关，当温度系数为负时，谐振器的谐振频率会随着温度的升高而降低，即谐振器的稳定性会变差。采用二氧化硅作为第一钝化层7，由于二氧化硅的温度系数为正，可以在一定程度上弥补压电层2自身温度系数的缺陷，从而提高谐振器的温度稳定性。
由于二氧化硅具有一定的亲水性，这就使得谐振器在使用过程中容易吸收空气中的水分子，从而加速谐振器的老化和性能恶化。因此，在二氧化硅材料的第一钝化层7的表面再覆盖一层由氮化铝等材料形成的第二钝化层8。氮化铝具有厌水性，不仅可以帮助谐振器和二氧化硅很好的与外界环境隔绝，还可以保护第一钝化层7在加工过程中免受侵蚀。
此外，由第一钝化层7和第二钝化层8组成的双层钝化层直接设置在震荡堆的表面，这就使得该双层钝化层具有额外的功能，即可以通过对双层钝化层进行削整来微调谐振器的谐振频率。由于第二钝化层8位于第一钝化层7的表面，这就意味这削整的过程是针对第二钝化层8。而由于氮化铝的密度要大于二氧化硅，第一钝化层7削整改变谐振频率的效果也要远好于第一钝化层7，故而使得谐振器加工完成后可以很好的微调谐振频率，改善谐振器的性能。
如图2-图13所示，根据本发明提供的一种具有钝化层的薄膜体声波谐振器的制备方法，包括如下步骤：
S1、将合适厚度的高阻硅片形成的衬底1进行清洗备用，衬底1的厚度可以在几百微米到上千微米之间；
S2、在得到特定厚度的衬底1后，对其进行氧化处理，之后在衬底1表面生长一层二氧化硅作为牺牲层9，牺牲层9的厚度可以在几百纳米到几个微米之间；
S3、通过光刻工艺，即通过涂覆光刻胶、掩膜曝光、干法蚀刻、去除光刻胶等工艺对牺牲层9进行处理，最终将牺牲层9加工成横截面为等腰梯形的特殊形状；
S4、之后在衬底1和牺牲层9上生长一层薄薄的氮化铝种子层10；
S5、在种子层10上利用光刻工艺，再结合金属蒸镀或溅射、金属剥离工艺形成底部电极3；
S6、在种子层10和底部电极3上沉积一层特定厚度的氮化铝作为压电层2，压电层2的厚度由谐振频率来决定；
S7、在压电层2上利用光刻工艺，再结合金属蒸镀或溅射、金属剥离工艺形成顶部电极4；
S8、在压电层2的特定位置进行干法蚀刻或湿法蚀刻进行开孔，并使底部电极3裸露出来；
S9、在压电层2的开孔处沉积一层金属形成内部连接金属5；
S10、在压电层2的上侧沉积一层一定厚度的二氧化硅作为第一钝化层7；
S11、在第一钝化层7上沉积一层一定厚度氮化铝作为第二层钝化层；
S12、在牺牲层9的特定位置开孔并对牺牲层9处的二氧化硅进行蚀刻形成空气腔6，从而形成最终的谐振器结构。
通过上述流程加工完成的具有双层钝化层的新型薄膜体声波谐振器，可以有效的防御外界环境的侵蚀，具有良好机械强度和的温度稳定性。此外，利用氮化铝形成的第二钝化层8作为削整切边层还可以有效的微调谐振器的谐振频率，帮助提高产品的实用性和良品率。
变化例1
步骤S5和S7中底部电极3或顶部电极4的形成方法还可以是，先进行金属蒸镀或溅射，再进行光刻工艺和干法刻蚀形成底部电极3或顶部电极4。
变化例2
底部电极3接电信号、顶部电极4接地。
工作原理
当底部电极3和顶部电极4之间存在电势差时，二者之间的电场可以在压电层2中有效地激励起声波谐振。而空气腔6的引入，在衬底1和谐振器震荡区域之间形成金属和空气的交界面，可以有效地将声波限制在压电震荡堆内并且保持谐振器的机械强度。此外，由第一钝化层7和第二钝化层8组成的双层钝化层直接设置在震荡堆的表面，这就使得该双层钝化层具有额外的功能，即可以通过对双层钝化层进行削整来微调谐振器的谐振频率。
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)
1.一种具有钝化层的薄膜体声波谐振器，其特征在于，包括衬底(1)、压电层(2)、底部电极(3)、顶部电极(4)、第一钝化层(7)以及第二钝化层(8)；
所述压电层(2)设置在衬底(1)的上方，所述压电层(2)与衬底(1)之间设置有空气腔(6)，所述底部电极(3)设置在压电层(2)和衬底(1)之间，所述顶部电极(4)设置在压电层(2)的上方；
所述第一钝化层(7)将顶部电极(4)和压电层(2)完全覆盖，所述第二钝化层(8)位于第一钝化层(7)的上方并将其完全覆盖。
2.如权利要求1所述的一种具有钝化层的薄膜体声波谐振器，其特征在于，所述第一钝化层(7)的材料包括二氧化硅。
3.如权利要求1所述的一种具有钝化层的薄膜体声波谐振器，其特征在于，所述第二钝化层(8)的材料包括氮化铝、氮化硅、砷化镓、掺钪氮化铝、氧化锌等。
4.如权利要求1所述的一种具有钝化层的薄膜体声波谐振器，其特征在于，所述压电层(2)的材料包括氮化铝、掺钪氮化铝、铌酸锂、氧化锌以及锆钛酸铅等。
5.如权利要求1所述的一种具有钝化层的薄膜体声波谐振器，其特征在于，所述底部电极(3)和顶部电极(4)二者均为金属电极，所述底部电极(3)接地、所述顶部电极(4)接电信号，或所述底部电极(3)接电信号、所述顶部电极(4)接地。
6.如权利要求1所述的一种具有钝化层的薄膜体声波谐振器，其特征在于，所述种子层(10)包括氮化铝层。
7.如权利要求1所述的一种具有钝化层的薄膜体声波谐振器，其特征在于，所述压电层(2)设置有内部连接金属(5)，所述内部连接金属(5)呈凹陷设置，所述内部连接金属(5)的底壁与底部电极(3)接触配合，所述内部连接金属(5)的顶部为第一钝化层(7)，且所述第一钝化层(7)和第二钝化层(8)在内部连接金属(5)的凹陷处均形成有与之配合的凹陷结构。
8.一种具有钝化层的薄膜体声波谐振器的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1、将所述衬底(1)进行清洗备用；
S2、对所述衬底(1)进行氧化处理，并在所述衬底(1)表面生长一层牺牲层(9)；
S3、通过光刻工艺将所述牺牲层(9)加工成特定的形状；
S4、之后在所述衬底(1)和牺牲层(9)上生长一层种子层(10)；
S5、在所述种子层(10)上形成底部电极(3)；
S6、在所述种子层(10)和底部电极(3)上沉积形成压电层(2)；
S7、所述压电层(2)上形成顶部电极(4)；
S8、在所述压电层(2)的特定位置上开孔，并使所述底部电极(3)裸露出来；
S9、在所述压电层(2)的开孔处设置内部连接金属(5)；
S10、在所述压电层(2)的上侧生长一层二氧化硅作为第一钝化层(7)；
S11、在所述第一钝化层(7)上沉积一层氮化铝作为第二层钝化层；
S12、在所述牺牲层(9)的特定位置开孔并对牺牲层(9)进行蚀刻形成空气腔(6)，从而形成最终的谐振器结构。
9.如权利要求8所述的一种具有钝化层的薄膜体声波谐振器的制备方法，其特征在于，步骤5或步骤7所述的底部电极(3)或顶部电极(4)的形成方法，包括使用光刻工艺，再结合金属蒸镀或溅射、金属剥离工艺形成所述底部电极(3)或顶部电极(4)。
10.如权利要求8所述的一种具有钝化层的薄膜体声波谐振器的制备方法，其特征在于，步骤5或步骤7所述的底部电极(3)或顶部电极(4)的形成方法，包括先进行金属蒸镀或溅射，再进行光刻工艺和干法刻蚀形成所述底部电极(3)或顶部电极(4)。
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