CN113839638A - 电极设有双环形与桥型结构的薄膜体声波谐振器制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了电极设有双环形与桥型结构的薄膜体声波谐振器制备方法，具体如下：在衬底上依次沉积剥离层、压电层、下电极，下电极上沉积内、外环形凸起以及包裹两凸起的下牺牲层，压电层上沉积包裹下牺牲层的下保护层以及包裹下保护层的待键合层二；基底上的待键合层一与待键合层二键合，去除剥离层和衬底；压电层上沉积两长条状上牺牲层，两长条状上牺牲层上沉积两桥型结构，再压电层表面沉积两侧与两个桥型结构分别相连的上电极，上电极和两桥型结构上沉积上保护层；压电层形成通孔，去除两长条状上牺牲层和下牺牲层。本发明在谐振器的下电极表面设置内、外环形凸起，上电极两侧壁均设置桥型结构，使得薄膜体声波谐振器具有更高的Q值。
Description
技术领域
本发明涉及薄膜体声波谐振器，具体涉及一种电极设有双环形与桥型结构的薄膜体声波谐振器制备方法。
背景技术
薄膜体声波谐振器的电极结构对薄膜体声波谐振器的频率和Q值具有重要影响，现有电极结构设计往往只在电极上下表面进行，已经难以进一步突破完成更高频率和Q值的薄膜体声波谐振器设计。而且，现有电极结构设计大多只在上电极表面进行，忽略了下电极结构设计对薄膜体声波谐振器的频率和Q值影响。可见，若能同时对上电极和下电极进行结构设计，且考虑到对上电极的制备工艺相对容易实现，若还能从上电极的侧壁上进行结构设计，则有望研发出具有更高频率和Q值的薄膜体声波谐振器。
发明内容
本发明的目的是提供一种电极设有双环形与桥型结构的薄膜体声波谐振器制备方法，在谐振器的下电极表面设置内环形凸起和外环形凸起，上电极两侧壁均设置桥型结构，突破常规，从上电极的侧壁上进行结构设计，使得薄膜体声波谐振器具有更高的频率和Q值。
本发明采用以下技术方案实现：
本发明电极设有双环形与桥型结构的薄膜体声波谐振器制备方法，具体步骤如下：
S1：对衬底进行超声水洗，在衬底一侧表面沉积剥离层；然后在剥离层上沉积压电层；接着，在压电层表面沉积金属并图形化，形成下电极；最后，在下电极表面沉积金属并图形化，形成内环形凸起和外环形凸起；内环形凸起与外环形凸起间距设置。
S2：对基底进行超声水洗，在基底一侧表面淀积待键合层一，并对待键合层一进行表面平整化。
S3：在下电极表面通过淀积和图形化，形成包裹内环形凸起和外环形凸起的下牺牲层；然后，在压电层表面沉积包裹下牺牲层的下保护层；最后，在压电层表面淀积包裹下保护层的待键合层二，并对待键合层二表面进行平整化。
S4：将基底上的待键合层一与待键合层二通过键合工艺连接。
S5：采用激光剥离技术去除剥离层和衬底，并对压电层表面进行平整化。
S6：在压电层去除剥离层和衬底的那侧表面通过淀积和图形化形成间距设置的两个长条状上牺牲层；然后，通过沉积金属并图形化在两个长条状上牺牲层上形成两个桥型结构。
S7：在压电层表面位于两个长条状上牺牲层之间位置沉积金属并图形化，形成上电极；上电极的两侧与两个桥型结构分别相连；然后，在上电极和两个桥型结构表面沉积覆盖上电极和两个桥型结构表面的上保护层。
S8：采用等离子刻蚀或湿法腐蚀工艺在压电层以及下电极上形成通孔，通孔的底部开口于下牺牲层表面；然后，通过湿法腐蚀工艺或干法腐蚀工艺去除两个长条状上牺牲层，并利用通孔去除下牺牲层，从而使两个桥型结构下方形成两个空腔一，下电极和下保护层之间形成空腔二。
优选地，所述压电层的材料为单晶氮化铝、多晶氮化铝、氧化锌、单晶钽酸锂、锆钛酸铅、铌酸锂中的一种或多种按任意配比组合，厚度为10nm-4000nm，横向宽度为180μm-250μm。
优选地，所述衬底和基底的材料为玻璃、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，所述待键合层一和待键合层二的材料均为氧化硅、硅中的一种或两种按任意配比组合，厚度均为0.1-10μm。
优选地，所述下电极和上电极的厚度均为50nm-500nm，横向宽度均为30-240μm。
优选地，所述下牺牲层和上牺牲层的材料均为多晶硅、非晶硅、二氧化硅、掺杂二氧化碳中的一种或两种按任意配比组合；下牺牲层的厚度为0.5-3μm，横向宽度为20-230μm。
优选地，所述内环形凸起和外环形凸起的厚度均为50nm-300nm，横向宽度均大于0μm且小于10μm。
优选地，所述桥型结构的厚度为50nm-500nm，横向宽度大于0μm且小于10μm。
优选地，所述基底的厚度为500μm，横向宽度为200μm；所述待键合层一和待键合层二的厚度均为5μm；所述下保护层的厚度为1.5μm，横向宽度为180μm；所述下电极的厚度为170nm，横向宽度为170μm；所述内环形凸起和外环形凸起的厚度均为200nm；所述压电层的厚度为700nm，横向宽度为200μm；所述上电极的厚度为150nm，横向宽度为150μm；所述桥型结构的厚度为200nm；所述上保护层在上电极表面以及在桥型结构上的厚度均为50nm；所述空腔二的横向宽度为160μm，厚度为2μm。
更优选地，所述基底、待键合层一和待键合层二的材料均采用硅，压电层、下保护层和上保护层的材料均采用氮化铝，上电极和下电极的材料均采用钼。
本发明具有的有益效果：
本发明制备的谐振器在下电极表面设有内环形凸起和外环形凸起，上电极两侧壁均设有桥型结构，突破了常规设计，从上电极的侧壁上进行结构设计，且同时对上电极和下电极进行了结构设计；其中，下电极表面的内环形凸起和外环形凸起可优化谐振器的主谐振声波的泄露问题，因为内环形凸起和外环形凸起以及内环形凸起和外环形凸起之间的空气层可形成交替的高低声阻抗反射层，声波的能量从低声阻抗材料中向高声阻抗材料传递时，能量传递效率很低，将绝大部分的能量限制在低声阻抗层中，从而将声波能量限制在谐振器中，减少泄露，提升谐振器的Q值。而上电极两侧壁的桥型结构可将声波能量更好地束缚在谐振器有效区内，且桥型结构不接触压电层，只是和上电极接触，对于提升频率和Q值的作用较明显，同时引起的有效机电耦合系数变化不大。
附图说明
图1本发明在衬底上依次制备剥离层、压电层、下电极、内环形凸起和外环形凸起的剖面图。
图2是在基底上制备待键合层一的剖面图。
图3是在图1结构上制备下牺牲层、下保护层和待键合层二的剖面图。
图4是图2结构与图3结构键合成型的剖面图。
图5是在图4结构上去除剥离层和衬底的剖面图。
图6是在图5结构上制备两个长条状上牺牲层和两个桥型结构的剖面图。
图7是在图6结构上制备上电极和上保护层的剖面图。
图8是在图7结构上制备通孔并释放两个长条状上牺牲层和下牺牲层后的剖面图。
图9是本发明采用的一组具体结构尺寸绘制谐振器随桥型结构横向宽度变化的串联谐振频率处的Q值曲线图。
图10是本发明采用的一组具体结构尺寸绘制谐振器随桥型结构横向宽度变化的并联谐振频率处的Q值曲线图。
图11是本发明采用的一组具体结构尺寸绘制谐振器随内环形凸起和外环形凸起横向宽度变化的串联谐振频率处的Q值曲线图。
图12是本发明采用的一组具体结构尺寸绘制谐振器随内环形凸起和外环形凸起横向宽度变化的并联谐振频率处的Q值曲线图。
图13是本发明采用的一组具体结构尺寸绘制谐振器随内环形凸起与外环形凸起间距变化的串联谐振频率处的Q值曲线图。
图14是本发明采用的一组具体结构尺寸绘制谐振器随内环形凸起与外环形凸起间距变化的并联谐振频率处的Q值曲线图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明。
电极设有双环形与桥型结构的薄膜体声波谐振器制备方法，具体步骤如下：
S1：如图1所示，对衬底100进行超声水洗；在衬底100一侧表面用金属有机化合物化学气相沉淀工艺(MOCVD)沉积剥离层114；剥离层114的材料为GaN；然后在剥离层114上沉积压电层101，厚度为10nm-4000nm。接着，在压电层101表面采用热蒸发或磁控溅射的方法沉积金属，并采用等离子体或湿法腐蚀的方法进行图形化，形成下电极102。最后，在下电极102表面采用热蒸发或磁控溅射的方法沉积金属，并采用等离子体或湿法腐蚀的方法进行图形化，形成内环形凸起104和外环形凸起103；内环形凸起104与外环形凸起103间距设置。
S2：如图2所示，对基底108进行超声水洗，在基底108一侧表面采用低压化学气相淀积工艺(LPCVD)淀积待键合层一109，并采用化学机械研磨的方式使待键合层一109表面平整，待键合层一109的材料为氧化硅、硅中的一种或两种按任意配比组合，厚度为0.1-10μm。
S3：如图3所示，在下电极102表面采用等离子体化学气相淀积工艺淀积多晶硅或非晶硅，并采用等离子体或湿法腐蚀的方法进行图形化，形成包裹内环形凸起104和外环形凸起103的下牺牲层105；然后，在压电层101表面用金属有机化合物化学气相沉淀工艺沉积包裹下牺牲层105的下保护层106；最后，在压电层101表面采用低压化学气相淀积工艺(LPCVD)淀积包裹下保护层106的待键合层二107，并采用化学机械研磨的方式使待键合层二107表面平整，待键合层二107的材料为氧化硅、硅中的一种或两种按任意配比组合。
S4：如图4所示，将基底108上的待键合层一109与待键合层二107贴合，并通过键合工艺连接，使得待键合层一109与待键合层二107形成致密的界面。
S5：如图5所示，采用激光剥离技术去除剥离层114和衬底100，并对压电层101表面进行平整化。
S6：如图6所示，在压电层101去除剥离层114和衬底100的那侧表面采用等离子体化学气相淀积工艺淀积多晶硅或非晶硅，并采用等离子体或湿法腐蚀的方法进行图形化，形成间距设置的两个长条状上牺牲层110；然后，在每个长条状上牺牲层110上采用热蒸发或磁控溅射的方法沉积金属，并采用等离子体或湿法腐蚀的方法进行图形化，形成桥型结构111。
S7：如图7所示，在压电层101表面位于两个长条状上牺牲层110之间位置采用热蒸发或磁控溅射的方法沉积金属，并采用等离子体或湿法腐蚀的方法进行图形化，形成上电极112；上电极112的两侧与两个桥型结构111分别相连；然后，在上电极112和两个桥型结构111表面用金属有机化合物化学气相沉淀工艺沉积，形成覆盖上电极112和两个桥型结构111表面的上保护层113。
S8：如图8所示，采用等离子刻蚀或湿法腐蚀工艺在压电层101以及下电极102上形成通孔，通孔的底部开口于下牺牲层105表面；然后，通过湿法腐蚀工艺或干法腐蚀工艺去除两个长条状上牺牲层110，并利用通孔去除下牺牲层105，从而使两个桥型结构111下方形成两个空腔一110a，下电极102和下保护层106之间形成空腔二105a。
本发明制备的谐振器在下电极102表面设有内环形凸起104和外环形凸起103，上电极两侧壁均设有桥型结构111，突破了常规设计，从上电极的侧壁上进行结构设计，且同时对上电极和下电极进行了结构设计；其中，下电极102表面的内环形凸起104和外环形凸起103可优化谐振器的主谐振声波的泄露问题，因为内环形凸起104和外环形凸起103以及内环形凸起104和外环形凸起103之间的空气层可形成交替的高低声阻抗反射层，声波的能量从低声阻抗材料中向高声阻抗材料传递时，能量传递效率很低，将绝大部分的能量限制在低声阻抗层(内环形凸起104和外环形凸起103)中，从而将声波能量限制在谐振器中，减少泄露，提升谐振器的Q值。而上电极两侧壁的桥型结构111可将声波能量更好地束缚在谐振器有效区内，且桥型结构111不接触压电层，只是和上电极接触，对于提升频率和Q值的作用较明显，同时引起的有效机电耦合系数变化不大。
下面列出本发明制备的谐振器的一组具体结构尺寸来说明本发明制备的谐振器Q值提升效果：
基底108(采用Si)厚度为500μm，横向宽度为200μm；待键合层一和待键合层二(采用Si)的厚度均为5μm；下保护层(采用AlN或氧化铝)厚度(不计包裹下牺牲层侧壁部分的厚度，只计覆盖下牺牲层表面部分的厚度)为1.5μm，横向宽度(计入整体横向宽度)为180μm；下电极(采用Mo)厚度为170nm，横向宽度为170μm；内环形凸起104和外环形凸起103的厚度均为200nm；压电层(采用AlN)厚度为700nm，横向宽度为200μm；上电极(采用Mo)厚度为150nm，横向宽度为150μm；桥型结构111的厚度为200nm；上保护层113(采用AlN或氧化铝)在上电极表面以及在桥型结构111上的厚度均为50nm；空腔二横向宽度为160μm，厚度为2μm。
设定桥型结构111的横向宽度为D1，内环形凸起104和外环形凸起103的横向宽度均为D2，内环形凸起104与外环形凸起103的间距为L，采用上述一组具体结构尺寸绘制本发明谐振器在只有两个桥型结构111而没有内环形凸起104和外环形凸起103时随横向宽度D1变化的串联谐振频率处的Q值曲线和并联谐振频率处的Q值曲线，分别如图9和10所示。采用上述一组具体结构尺寸绘制本发明谐振器在桥型结构111的横向宽度为3.3μm，且内环形凸起104与外环形凸起103的间距为2μm时随横向宽度D2变化的串联谐振频率处的Q值曲线和并联谐振频率处的Q值曲线，分别如图11和12所示。采用上述一组具体结构尺寸绘制本发明谐振器在桥型结构111的横向宽度为3.3μm，且内环形凸起104和外环形凸起103的横向宽度均为1.5μm时随间距L变化的串联谐振频率处的Q值曲线和并联谐振频率处的Q值曲线，分别如图13和14所示。由图9可见，当桥型结构111的横向宽度D1为0μm时，即不设置桥型结构111时，谐振器的串联谐振频率处的Q值(Qs)较小，为870；桥型结构111的横向宽度D1为3.3μm时，谐振器的串联谐振频率处的Q值(Qs)最大，为1158。由图10可见，当桥型结构111的横向宽度D1为0μm时，即不设置桥型结构111时，谐振器的并联谐振频率处的Q值(Qp)较小，为790；桥型结构111的横向宽度D1为2.4μm时，谐振器的并联谐振频率处的Q值(Qp)最大，为1211；最终取横向宽度D1为3.3μm，此时谐振器的串、并联谐振频率处的Q值均达到较大值。由图11可见，当横向宽度D2为0μm时，即不设置内环形凸起104和外环形凸起103时，谐振器的串联谐振频率处的Q值(Qs)较小，为1108；横向宽度D2为1.75μm时，谐振器的串联谐振频率处的Q值(Qs)最大，为1334。由图12可见，当横向宽度D2为0μm时，谐振器的并联谐振频率处的Q值(Qp)较小，为1058；横向宽度D2为3.0μm时，谐振器的并联谐振频率处的Q值(Qp)最大，为1369；最终取横向宽度D2为1.5μm，此时谐振器的串、并联谐振频率处的Q值均达到较大值。由图13可见，当内环形凸起104与外环形凸起103的间距L为0μm时，即内环形凸起104与外环形凸起103相邻且接触时，谐振器的串联谐振频率处的Q值(Qs)较小，为1150；间距L为2.9μm时，谐振器的串联谐振频率处的Q值(Qs)最大，为1355。由图14可见，当间距L为0μm时，谐振器的并联谐振频率处的Q值(Qp)较小，为1130；间距L为2.5μm时，谐振器的并联谐振频率处的Q值(Qp)最大，为1488；最终取间距L为1um或2.5um，此时谐振器的串、并联谐振频率处的Q值均达到较大值。
Claims (10)
1.电极设有双环形与桥型结构的薄膜体声波谐振器制备方法，其特征在于：该方法具体步骤如下：
S1：对衬底进行超声水洗，在衬底一侧表面沉积剥离层；然后在剥离层上沉积压电层；接着，在压电层表面沉积金属并图形化，形成下电极；最后，在下电极表面沉积金属并图形化，形成内环形凸起和外环形凸起；内环形凸起与外环形凸起间距设置；
S2：对基底进行超声水洗，在基底一侧表面淀积待键合层一，并对待键合层一进行表面平整化；
S3：在下电极表面通过淀积和图形化，形成包裹内环形凸起和外环形凸起的下牺牲层；然后，在压电层表面沉积包裹下牺牲层的下保护层；最后，在压电层表面淀积包裹下保护层的待键合层二，并对待键合层二表面进行平整化；
S4：将基底上的待键合层一与待键合层二通过键合工艺连接；
S5：采用激光剥离技术去除剥离层和衬底，并对压电层表面进行平整化；
S6：在压电层去除剥离层和衬底的那侧表面通过淀积和图形化形成间距设置的两个长条状上牺牲层；然后，通过沉积金属并图形化在两个长条状上牺牲层上形成两个桥型结构；
S7：在压电层表面位于两个长条状上牺牲层之间位置沉积金属并图形化，形成上电极；上电极的两侧与两个桥型结构分别相连；然后，在上电极和两个桥型结构表面沉积覆盖上电极和两个桥型结构表面的上保护层；
S8：采用等离子刻蚀或湿法腐蚀工艺在压电层以及下电极上形成通孔，通孔的底部开口于下牺牲层表面；然后，通过湿法腐蚀工艺或干法腐蚀工艺去除两个长条状上牺牲层，并利用通孔去除下牺牲层，从而使两个桥型结构下方形成两个空腔一，下电极和下保护层之间形成空腔二。
2.根据权利要求1所述电极设有双环形与桥型结构的薄膜体声波谐振器制备方法，其特征在于：所述压电层的材料为单晶氮化铝、多晶氮化铝、氧化锌、单晶钽酸锂、锆钛酸铅、铌酸锂中的一种或多种按任意配比组合，厚度为10nm-4000nm，横向宽度为180μm-250μm。
3.根据权利要求1所述电极设有双环形与桥型结构的薄膜体声波谐振器制备方法，其特征在于：所述衬底和基底的材料为玻璃、硅、碳化硅、氮化硅或陶瓷中的一种或多种按任意配比组合。
4.根据权利要求1所述电极设有双环形与桥型结构的薄膜体声波谐振器制备方法，其特征在于：所述待键合层一和待键合层二的材料均为氧化硅、硅中的一种或两种按任意配比组合，厚度均为0.1-10μm。
5.根据权利要求1所述电极设有双环形与桥型结构的薄膜体声波谐振器制备方法，其特征在于：所述下电极和上电极的厚度均为50nm-500nm，横向宽度均为30-240μm。
6.根据权利要求1所述电极设有双环形与桥型结构的薄膜体声波谐振器制备方法，其特征在于：所述下牺牲层和上牺牲层的材料均为多晶硅、非晶硅、二氧化硅、掺杂二氧化碳中的一种或两种按任意配比组合；下牺牲层的厚度为0.5-3μm，横向宽度为20-230μm。
7.根据权利要求1所述电极设有双环形与桥型结构的薄膜体声波谐振器制备方法，其特征在于：所述内环形凸起和外环形凸起的厚度均为50nm-300nm，横向宽度均大于0μm且小于10μm。
8.根据权利要求1所述电极设有双环形与桥型结构的薄膜体声波谐振器制备方法，其特征在于：所述桥型结构的厚度为50nm-500nm，横向宽度大于0μm且小于10μm。
9.根据权利要求1所述电极设有双环形与桥型结构的薄膜体声波谐振器制备方法，其特征在于：所述基底的厚度为500μm，横向宽度为200μm；所述待键合层一和待键合层二的厚度均为5μm；所述下保护层的厚度为1.5μm，横向宽度为180μm；所述下电极的厚度为170nm，横向宽度为170μm；所述内环形凸起和外环形凸起的厚度均为200nm；所述压电层的厚度为700nm，横向宽度为200μm；所述上电极的厚度为150nm，横向宽度为150μm；所述桥型结构的厚度为200nm；所述上保护层在上电极表面以及在桥型结构上的厚度均为50nm；所述空腔二的横向宽度为160μm，厚度为2μm。
10.根据权利要求9所述电极设有双环形与桥型结构的薄膜体声波谐振器制备方法，其特征在于：所述基底、待键合层一和待键合层二的材料均采用硅，压电层、下保护层和上保护层的材料均采用氮化铝，上电极和下电极的材料均采用钼。
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