CN114006600A - 一种薄膜体声波谐振器、制备方法及薄膜体声波滤波器 - Google Patents

一种薄膜体声波谐振器、制备方法及薄膜体声波滤波器 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种薄膜体声波谐振器、制备方法及薄膜体声波滤波器,薄膜体声波谐振器包括衬底、底电极、压电层、顶电极和钝化层,其中,底电极与顶电极的材质为二维材料如石墨烯、金属硫化物等;二维材料具有良好的电学性能,因此,用其制备的电极厚度极薄,不但能够减小电极损耗,提升Q值,而且还可以极大减小“三明治”结构的厚度,增加压电层的占比,进而提高薄膜体声波谐振器的谐振频率,增大有效机电耦合系数,有利于高频宽带滤波器产品的开发。

Description

一种薄膜体声波谐振器、制备方法及薄膜体声波滤波器
技术领域
本发明薄膜体声波谐振器技术领域,尤其涉及一种薄膜体声波谐振器、制备方法及薄膜体声波滤波器。
背景技术
在无线通讯5G时代,为了满足日益激增的通信需求,新一代移动通信系统对射频前端的声学滤波器件在频率、带宽、温漂、矩形系数、插损等性能方面,提出了更严苛的指标要求。薄膜体声波谐振器是声学滤波器件的主要分支之一,大致可分为两类,一类是空气隙型薄膜体声波谐振器(Film bulk acoustic resonator,FBAR),另一类是固态装配型薄膜体声波谐振器(Solidly mounted resonator,SMR)。这两者的工作原理都是基于压电材料的压电效应和逆压电效应,主体结构也都是金属/压电材料/金属组成的“三明治”结构,不同之处在于,FBAR底部是悬空的,与空气直接接触,而SMR底部有高低声阻材料交替组成的布拉格反射层。
在体声波谐振器中,“三明治”结构的厚度越薄,谐振频率越高,而压电材料在“三明治”结构的厚度占比越大,则有效机电耦合系数越大。因此,可以通过减小金属电极即体声波谐振器的顶电极和底电极的厚度来提高体声波谐振器的工作频率、扩大通带宽度。然而,由于金属电极厚度过薄会导致谐振器的损耗增大,影响Q值。因此,在实际应用中金属电极的厚度不能过薄,但制备较厚的体声波谐振器又不利于高频宽带滤波器产品的开发。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的不足,提供了一种薄膜体声波谐振器、制备方法及薄膜体声波滤波器。
本发明的一种薄膜体声波谐振器的技术方案如下:
包括衬底、底电极、压电层、顶电极和钝化层,其中,所述底电极与所述顶电极的材质为二维材料;
所述衬底上设有凹槽,所述底电极覆设在所述凹槽上,所述压电层、顶电极和钝化层依次层叠设置在所述底电极上。
本发明的一种薄膜体声波谐振器的有益效果如下:
二维材料如石墨烯、金属硫化物等具有良好的电学性能,因此,用二维材料所制备的底电极和顶电极的厚度极薄,既能够减小电极损耗,提升Q值,还能极大减小“三明治”结构的厚度,增加压电层的占比,进而提高薄膜体声波谐振器的谐振频率,增大有效机电耦合系数,有利于高频宽带滤波器产品的开发。
在上述方案的基础上,本发明的一种薄膜体声波谐振器还可以做如下改进。
进一步,所述压电层的材质为氮化铝、铌酸锂或钽酸锂。
进一步,所述钝化层的材质为二氧化硅或氮化铝;
进一步,所述衬底的材质为硅、锗、蓝宝石、石英或碳化硅。
本发明的一种用于制备上述任一项所述的一种薄膜体声波谐振器的制备方法的技术方案如下:
制备二维材料层;
在衬底上开设凹槽,并在所述凹槽内填满牺牲材料,得到牺牲层;
将所述二维材料层中的第一预设区域内的第一子二维材料层转移到所述衬底上,且所述第一子二维材料层位于所述牺牲层的上表面,并对所述第一子二维材料层进行图形化,得到所述底电极;
在所述底电极上制备压电层;
将所述二维材料层中,第二预设区域内的第二子二维材料层转移到所述压电层上,并对所述第二子二维材料层进行图形化,得到所述顶电极;
在所述顶电极上制备钝化层,并去除所述牺牲层。
本发明的一种用于制备上述任一项所述的一种薄膜体声波谐振器的制备方法的有益效果如下:
二维材料如石墨烯、金属硫化物等具有良好的电学性能,因此,用二维材料所制备的底电极和顶电极的厚度极薄,既能够减小电极损耗,提升Q值,还能极大减小“三明治”结构的厚度,增加压电层的占比,进而提高薄膜体声波谐振器的谐振频率,增大有效机电耦合系数,有利于高频宽带滤波器产品的开发,且制备过程简单。
附图说明
图1为本发明实施例的一种薄膜体声波谐振器的结构示意图;
图2为本发明实施例的一种薄膜体声波谐振器的制备方法的流程示意图;
图3为在衬底上开设凹槽的截面结构示意图;
图4为制备牺牲层的截面结构示意图;
图5为得到底电极的截面结构示意图;
图6为制备压电层的截面结构示意图;
图7为得到顶电极的截面结构示意图;
图8为制备钝化层的截面结构示意图;
图9为顶电极和底电极电连接的截面结构示意图;
附图中,各标号所代表的部件列表如下:
10、衬底;11、凹槽;12、牺牲层;13、底电极;14、压电层;15、顶电极;16、钝化层;17、第一金属层;18、第二金属层;19、区域二维材料层。
具体实施方式
如图1所示,本发明实施例的一种薄膜体声波谐振器,包括衬底10、底电极13、压电层14、顶电极15和钝化层16,其中,所述底电极13与所述顶电极15的材质为二维材料;
所述衬底10上设有凹槽11,所述底电极13覆设在所述凹槽11上,所述压电层14、顶电极15和钝化层16依次层叠设置在所述底电极13上。
二维材料如石墨烯、金属硫化物等具有良好的电学性能,因此,用二维材料所制备的底电极13和顶电极15的厚度极薄,既能够减小电极损耗,提升Q值,还能极大减小“三明治”结构的厚度,增加压电层14的占比,进而提高薄膜体声波谐振器的谐振频率,增大有效机电耦合系数,有利于高频宽带滤波器产品的开发。
其中,所述压电层14的材质为氮化铝、铌酸锂或钽酸锂,也可根据实际情况选用其它材质的压电层14;
其中,所述钝化层16的材质为二氧化硅或氮化铝,也可根据实际情况选用其它材质的钝化层16;
其中,所述衬底10的材质为硅、锗、蓝宝石、石英或碳化硅,也可根据实际情况选用其它材质的衬底10;
其中,底电极13与顶电极15的材质为二维材料如石墨烯和金属硫化物等。
如图2所示,本发明的一种用于制备上述任一项所述的一种薄膜体声波谐振器的制备方法的技术方案如下:
S1、制备二维材料层;具体可在铜箔上制备二维材料层,也可根据实际情况,在其它基底上制备二维材料层。
S2、在衬底10上开设凹槽11,并在所述凹槽11内填满牺牲材料,得到牺牲层12;
S3、将所述二维材料层中的第一预设区域内的第一子二维材料层转移到所述衬底10上,且所述第一子二维材料层位于所述牺牲层12的上表面,并对所述第一子二维材料层进行图形化,得到所述底电极13;
S4、在所述底电极13上制备压电层14;
S5、将所述二维材料层中,第二预设区域内的第二子二维材料层转移到所述压电层14上,并对所述第二子二维材料层进行图形化,得到所述顶电极15;
S6、在所述顶电极15上制备钝化层16,并去除所述牺牲层12。
二维材料如石墨烯、金属硫化物等具有良好的电学性能,因此,用二维材料所制备的底电极13和顶电极15的厚度极薄,既能够减小电极损耗,提升Q值,还能极大减小“三明治”结构的厚度,增加压电层14的占比,进而提高薄膜体声波谐振器的谐振频率,增大有效机电耦合系数,有利于高频宽带滤波器产品的开发,且制备过程简单。
通过如下实施例对S1至S6的一种薄膜体声波谐振器的制备方法进行详细阐述,具体地:
S10、在铜箔上用化学气相沉积法制备二维材料层,具体可制备材质为石墨烯的二维材料层,制备的二维材料层中的石墨烯可根据实际情况设为单层或多层;
S11、对衬底10进行预处理后,通过光刻、刻蚀等工艺,形成图形化的空气腔结构,即在在衬底10上开设凹槽11,如图3所示;
S12、在所述凹槽11内填满牺牲材料后,再进行抛光抛平处理,得到牺牲层12,如图4所示;其中,牺牲材料可为二氧化硅等。
S13、将所述二维材料层中的第一预设区域内的第一子二维材料层转移到所述衬底10上,且所述第一子二维材料层位于所述牺牲层12的上表面,并对所述第一子二维材料层进行图形化,得到所述底电极13,而且,还得到与底电极13相互分离的区域二维材料层19;
其中,可根据衬底10以及牺牲层12的上表面设置第一预设区域的具体尺寸,底电极13完全覆设在牺牲层12的上表面,如图5所示;
S14、在所述底电极13上制备压电层14,具体地,在底电极13上通过溅射沉积或晶圆键合一定厚度的压电材料,形成压电层14,如图6所示;
S15、将所述二维材料层中,第二预设区域内的第二子二维材料层转移到所述压电层14上,并对所述第二子二维材料层进行图形化,得到所述顶电极15;其中,可根据实际情况设置第一预设区域的具体尺寸如图7所示;
S16、在顶电极15上制备钝化层16,如图8所示;
S17、对底电极13需要电连接的区域进行刻蚀,并沉积第一金属层17,使第一金属层连接底电极13,但不连接顶电极15,第一金属层17用于连接外部的电信号,在区域二维材料层19与顶电极15之间沉积第二金属层18,区域二维材料层19用于连接下一个谐振器,即电信号的传输过程为:第一金属层17→底电极13→顶电极15→第二金属层18→区域二维材料层19输出,如图9所示;
S18、去除所述牺牲层12,对留有释放孔的区域进行刻蚀,释放掉牺牲层12此时,凹槽11与底电极13之间形成空气腔,由此得到如图1所示的一种薄膜体声波谐振器。
在上述各实施例中,虽然对步骤进行了编号S1、S2等,但只是本申请给出的具体实施例,本领域的技术人员可根据实际情况调整S1、S2等的执行顺序,此也在本发明的保护范围内,可以理解,在一些实施例中,可以包含如上述各实施方式中的部分或全部。
本发明实施例的一种薄膜体声波滤波器,包括上述任一项所述的一种薄膜体声波谐振器。
在本发明中,术语“第一”、“第二”仅用于描述目的,而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此,限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中,“多个”的含义是至少两个,例如两个,三个等,除非另有明确具体的限定。
在本说明书的描述中,参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。
在本说明书中,对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且,描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外,在不相互矛盾的情况下,本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例,可以理解的是,上述实施例是示例性的,不能理解为对本发明的限制,本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (6)

1.一种薄膜体声波谐振器,其特征在于,包括衬底、底电极、压电层、顶电极和钝化层,其中,所述底电极与所述顶电极的材质为二维材料;
所述衬底上设有凹槽,所述底电极覆设在所述凹槽上,所述压电层、顶电极和钝化层依次层叠设置在所述底电极上。
2.根据权利要求1所述的一种薄膜体声波谐振器,其特征在于,所述压电层的材质为氮化铝、铌酸锂或钽酸锂。
3.根据权利要求1所述的一种薄膜体声波谐振器,其特征在于,所述钝化层的材质为二氧化硅或氮化铝。
4.根据权利要求1所述的一种薄膜体声波谐振器,其特征在于,所述衬底的材质为硅、锗、蓝宝石、石英或碳化硅。
5.一种用于制备权利要求1至4任一项所述的一种薄膜体声波谐振器,其特征在于,包括:
制备二维材料层;
在衬底上开设凹槽,并在所述凹槽内填满牺牲材料,得到牺牲层;
将所述二维材料层中的第一预设区域内的第一子二维材料层转移到所述衬底上,且所述第一子二维材料层位于所述牺牲层的上表面,并对所述第一子二维材料层进行图形化,得到底电极;
在所述底电极上制备压电层;
将所述二维材料层中,第二预设区域内的第二子二维材料层转移到所述压电层上,并对所述第二子二维材料层进行图形化,得到顶电极;
在所述顶电极上制备钝化层,并去除所述牺牲层。
6.一种薄膜体声波滤波器,其特征在于,包括权利要求1至5任一项所述的一种薄膜体声波谐振器。
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