CN114301408A

CN114301408A - 一种体声波谐振器的制备方法及制备装置

Info

Publication number: CN114301408A
Application number: CN202210009064.2A
Authority: CN
Inventors: 南天翔; 曹昌铭; 田世伟
Original assignee: Tsinghua University
Current assignee: Tsinghua University
Priority date: 2022-01-06
Filing date: 2022-01-06
Publication date: 2022-04-08

Abstract

本文公开一种体声波谐振器的制备方法及制备装置，包括：在衬底材料上制备谐振振子和支撑锚；在谐振振子上制备第一材料层；图形化处理第一材料层获得阻断掩模；腐蚀性流体通过谐振振子的通孔流向衬底，以在衬底上刻蚀空腔；去除阻断掩模，获得体声波谐振器；其中，谐振振子包含预设的通孔；谐振振子和支撑锚组成区域的外侧存在腐蚀性流体流向衬底的通路；阻断掩模用于阻断除通孔外所有腐蚀性流体的通路。本发明实施例对通过设置阻断掩模避免了腐蚀性流体从除预设的通孔以外的位置流向衬底，使衬底空腔上表面的面积缩小至谐振振子的面积的4倍以内。

Description

一种体声波谐振器的制备方法及制备装置

技术领域

本文涉及但不限于传感器技术，尤指一种体声波谐振器的制备方法及制备装置。

背景技术

第五代移动通信(5G)超高频段通讯技术相较于第四代移动通信(4G)通讯技术具有信息传输速度更快、传输容量较大、传输延迟较低等优势，在无线通讯领域和工业互联网领域都具有广阔的应用场景；在插入损耗、带外抑制和群延时等指标，5G通讯对于超高频滤波器的要求极高；利用声波和电信号相互转换的压电微机电系统(MEMS)滤波器有希望满足上述指标，此外，压电MEMS滤波器还具备面积小、可以与集成电路制造工艺兼容等一系列优势；但目前受到器件设计和加工工艺等方面的制约，难以批量化生产超高频压电滤波器。

在压电MEMS滤波器中，梯形滤波器因具有插入损耗低、设计简单等优点而被广泛使用。梯形滤波器的基本单元是压电谐振器，压电谐振器包括声表面波谐振器和体声波谐振器等多个种类；传统声表面波谐振器通常选择压电单晶基板如铌酸锂、钽酸锂和锗酸铋制备，工艺相对简单和成熟，已经实现了批量化生产；但声表面波谐振器面积较大，并且其激发的瑞利波等声表面波相速度较低，用于制造中心频率在3GHz以上的滤波器时存在光刻加工困难、温度漂移现象明显等问题，因此难以用于满足5G通讯要求的超高频滤波器；传统的体声波谐振器兼具高机电耦合系数和高品质因数的优点，受益于压电材料薄膜中体声波较高的声速可制造超高频滤波器，但其衬底空腔上表面面积的控制通常需要牺牲层工艺，制造成本高。

发明内容

以下是对本文详细描述的主题的概述。本概述并非是为了限制权利要求的保护范围。

本发明实施例提供一种体声波谐振器的制备方法及制备装置，能够缩小空腔上表面面积的制备范围至预设范围内。

本发明实施例提供了一种体声波谐振器的制备方法，包括：

在衬底材料上制备谐振振子和支撑锚；其中，谐振振子包含预设的通孔；所述谐振振子和所述支撑锚组成区域的外侧存在腐蚀性流体流向衬底的通路；

在制备的谐振振子上制备第一材料层；

图形化处理第一材料层获得阻断掩模；其中，所述阻断掩模用于阻断除通孔外所有腐蚀性流体的通路；

腐蚀性流体通过谐振振子的通孔流向衬底，以在衬底上刻蚀空腔；

去除阻断掩模，获得体声波谐振器。

另一方面，本发明实施例还提供了一种体声波谐振器的制备方法，包括：

在制备的谐振振子上制备第一材料层；

图形化处理第一材料层获得阻断掩模；其中，阻断掩模用于阻断除通孔外所有腐蚀性流体的通路；

在获得的阻断掩模上制备第二材料层；

图形化处理第二材料层获得图形化掩模；

利用图形化掩模刻蚀阻断掩模；

去除图形化掩模，获得体声波谐振器。

再一方面，本发明实施例还提供了一种体声波谐振器的制备装置，包括：第一制备单元、第二制备单元、第一图形化单元、第一刻蚀单元和第一去除单元；其中，

第一制备单元设置为：在衬底材料上制备谐振振子和支撑锚；其中，谐振振子包含预设的通孔；所述谐振振子和所述支撑锚组成区域的外侧存在腐蚀性流体流向衬底的通路；

第二制备单元设置为：在制备的谐振振子上制备第一材料层；

第一图形化单元设置为：图形化处理第一材料层获得阻断掩模；其中，阻断掩模用于阻断除通孔外所有腐蚀性流体的通路；

第一刻蚀单元设置为：腐蚀性流体通过谐振振子的通孔流向衬底，以在衬底上刻蚀空腔；

第一去除单元设置为：去除阻断掩模，获得体声波谐振器。

还一方面，本发明实施例还提供一种体声波谐振器的制备装置，包括：第一制备单元、第二制备单元、第一图形化单元、第三制备单元、第二图形化单元、第一刻蚀单元、第二刻蚀单元和第二去除单元；其中，

第三制备单元设置为：在获得的阻断掩模上制备第二材料层；

第二图形化单元设置为：图形化处理第二材料层，获得图形化掩模；

第二刻蚀单元设置为：利用图形化掩模刻蚀阻断掩模；

第二去除单元设置为：去除图形化掩模，获得体声波谐振器。

本申请技术方案包括：在衬底材料上制备谐振振子和支撑锚；在制备的谐振振子上制备第一材料层；图形化处理第一材料层获得阻断掩模；腐蚀性流体通过谐振振子的通孔流向衬底，以在衬底上刻蚀空腔；去除阻断掩模，获得体声波谐振器；其中，谐振振子包含预设的通孔；所述谐振振子和所述支撑锚组成区域的外侧存在腐蚀性流体流向衬底的通路；阻断掩模用于阻断除通孔外所有腐蚀性流体的通路。本发明实施例对所述谐振振子和所述支撑锚组成区域的外侧存在腐蚀性流体流向衬底的通路、且包含空腔的体声波谐振器，通过设置阻断掩模避免了腐蚀性流体从除预设的通孔以外的位置流向衬底，使衬底空腔上表面的面积缩小至谐振振子的面积的4倍以内。

本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

附图说明

附图用来提供对本发明技术方案的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本申请的实施例一起用于解释本发明的技术方案，并不构成对本发明技术方案的限制。

图1为本发明实施例一体声波谐振器的制备方法的流程图；

图2-1为本发明实施例制备谐振振子和支撑锚的示意图；

图2-2为本发明实施例制备第一材料层的示意图；

图2-3为本发明实施例获得阻断掩模的示意图；

图2-4为本发明实施例刻蚀空腔的示意图；

图2-5为本发明实施例获得体声波谐振器的示意图；

图3为本发明实施例一体声波谐振器的立体示意图；

图4为本发明实施例体声波谐振器的剖面图；

图5为本发明实施例另一体声波谐振器的立体示意图；

图6为本发明实施例另一体声波谐振器的制备方法的流程图；

图7为本发明实施例一体声波谐振器的制备装置的结构框图；

图8为本发明实施例另一体声波谐振器的制备装置的结构框图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下文中将结合附图对本发明的实施例进行详细说明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互任意组合。

在附图的流程图示出的步骤可以在诸如一组计算机可执行指令的计算机系统中执行。并且，虽然在流程图中示出了逻辑顺序，但是在某些情况下，可以以不同于此处的顺序执行所示出或描述的步骤。

本发明实施例针对包含谐振振子和支撑锚组成区域的外侧存在腐蚀性流体流向衬底的通路的体声波谐振器，如果体声波谐振器的衬底中设置有空腔时，由于制备过程中腐蚀性流体会从谐振振子外周除支撑锚以外的位置流向衬底，导致空腔上表面的面积无法控制在小于预设范围内。兰姆(Lamb)波谐振器同时具备高机电耦合系数和可光刻调频的优势，但是若不使用牺牲层工艺，在器件释放后衬底空腔的上表面面积通常是谐振振子面积的4倍以上，在高集成度的滤波器中会导致相邻谐振器中间没有衬底支撑，造成压电材料薄膜弯曲程度较大、相邻谐振器相互干扰强烈等问题；使用牺牲层工艺会导致器件制备成本的提高。因此，需要一种无需牺牲层且能减小衬底空腔的上表面面积的谐振器制备工艺。

图1为本发明实施例一体声波谐振器的制备方法的流程图，如图1所示，包括：

步骤101、在衬底材料上制备谐振振子和支撑锚；其中，谐振振子包含预设的通孔；

图2-1为本发明实施例制备谐振振子和支撑锚的示意图，如图2-1所示，在衬底材料上制备了谐振振子和支撑锚，谐振振子包含预设的通孔。

步骤102、在制备的谐振振子上制备第一材料层；这里，第一材料层用于制备阻断掩模；

在一种示例性实例中，本发明实施例制备第一材料层包括：旋涂或沉积，第一材料层为光刻胶时，制备包括旋涂；第一材料层为陶瓷材料时，制备包括沉积。

图2-2为本发明实施例制备第一材料层的示意图，如图2-2所示，在谐振振子上制备第一材料层，第一材料层用于制备阻断掩模。

步骤103、图形化处理第一材料层获得阻断掩模；

需要说明的是，本发明实施例中若第一材料层的材料为光刻胶，则图形化处理为光刻；若第一材料层的材料为陶瓷材料，则图形化处理为在上述材料上制备光刻胶，对光刻胶进行光刻处理，利用光刻胶掩模刻蚀陶瓷材料。

图2-3为本发明实施例获得阻断掩模的示意图，如图2-3所示，对第一材料层进行图形化处理后，获得阻断掩模。

步骤104、腐蚀性流体通过谐振振子的通孔流向衬底，以在衬底上刻蚀空腔；

图2-4为本发明实施例刻蚀空腔的示意图，如图2-4所示，腐蚀性流体通过谐振振子的通孔流向衬底，在衬底上刻蚀获得空腔。

步骤105、去除阻断掩模，获得体声波谐振器；

其中，谐振振子和支撑锚组成区域的外侧存在腐蚀性流体流向衬底的通路；阻断掩模用于阻断除通孔外所有腐蚀性流体的通路。

图2-5为本发明实施例获得体声波谐振器的示意图，如图2-5所示，去除阻断掩模后，获得了体声波谐振器。

本发明实施例对谐振振子和支撑锚组成区域的外侧存在腐蚀性流体流向衬底的通路、且包含空腔的体声波谐振器，通过设置阻断掩模避免了腐蚀性流体从除预设的通孔以外的位置流向衬底，使衬底空腔上表面的面积缩小至谐振振子的面积的4倍以内。

在一种示例性实例中，本发明实施例中的腐蚀性流体可以包括二氧化氙；在一种示例性实例中，本发明实施例腐蚀性流体可以由本领域技术人员根据衬底的材料进行确定，只要可以实现空腔刻蚀即可。

在一种示例性实例中，本发明实施例去除阻断掩模，包括：通过溶解和/或等离子体轰击去除阻断掩模。

在一种示例性实例中，本发明实施例谐振振子包括底电极和压电材料薄膜；

通孔包括：设置在底电极上的一个以上第一通孔和设置在压电材料薄膜上的一个以上第二通孔。

在一种示例性实例中，本发明实施例谐振振子包括顶电极和压电材料薄膜；

通孔包括：设置在顶电极上的一个以上第三通孔和设置在压电材料薄膜上的一个以上第二通孔。

在一种示例性实例中，本发明实施例谐振振子包括：底电极、压电材料薄膜和顶电极；

通孔包括：设置在底电极上的一个以上第一通孔、设置在压电材料薄膜上的一个以上第二通孔和设置在顶电极上的一个以上第三通孔。

图3为本发明实施例一体声波谐振器的立体示意图，图4为本发明实施例体声波谐振器的剖面图，如图3和4所示，谐振振子由底电极-压电材料薄膜-顶电极堆叠组成，支撑锚与谐振振子的侧壁连接，为矩形结构。

在一种示例性实例中，本发明实施例压电材料薄膜设置一个以上第二通孔，第二通孔的总面积为压电材料薄膜外周轮廓圈定区域面积的0.0002-0.7；在一种示例性实例中，第二通孔的总面积为压电材料薄膜外周轮廓圈定区域面积的0.01-0.09。

在一种示例性实例中，本发明实施例第二通孔在顶电极上的第一投影区域与第一通孔的重叠区域的面积为：压电材料薄膜外周轮廓圈定区域面积的0.0002-0.7；在一种示例性实例中，本发明实施例第二通孔在顶电极上的第一投影区域与第一通孔的重叠区域的面积为：压电材料薄膜外周轮廓圈定区域面积的0.01-0.09。

在一种示例性实例中，本发明实施例衬底上的空腔的上表面的面积与压电材料薄膜外周轮廓圈定区域面积的比值为0.5-4。

在一种示例性实例中，本发明实施例基于体声波谐振器参数得到导纳曲线，获得导纳曲线的压电方程的表达式为：

T＝cS-eE

D＝εE-eS

其中，T为应力矩阵，c为压电材料刚度矩阵，S为应变矩阵，e为压电应力矩阵，E为静电场强度，D为电位移，ε为压电材料介电矩阵；根据压电应力矩阵e对体声波谐振器谐振频率与机电耦合系数进行调整，压电应力矩阵为：

其中，e₁₅、e₂₂、e₂₄、e₃₁、e₃₃分别为压电材料对应方向的压电系数；基于上述方程，利用有限元仿真的方法确定体声波谐振器的理论导纳曲线并对几何参数进行调整；制造体声波谐振器，测试得到体声波谐振器的实际导纳曲线，根据实际导纳曲线进一步调整几何尺寸与工艺参数，最终确定制备满足要求的体声波谐振器的几何尺寸与工艺参数。

在一种示例性实例中，本发明实施例本发明实施例压电材料薄膜由一层以上以下任意一种压电材料组成：

氮化铝、掺钪氮化铝、铌酸锂、钽酸锂和锆钛酸铅。

在一种示例性实例中，本发明实施例谐振振子包括顶电极与底电极时，顶电极与底电极可以是铝铂双层电极，铝铂双层电极先沉积铝再沉积铂；底电极上表面为铂时生长氮化铝的质量更好；顶电极上表面为铂时，铂作为保护层防止铝层上表面被氧化，提高器件长期服役的稳定性。

在一种示例性实例中，本发明实施例谐振振子包括顶电极时，顶电极可以是梳齿形电极；图5为本发明实施例另一体声波谐振器的立体示意图，如图5所示，体声波谐振器的顶电极为梳齿形结构。

图6为本发明实施例另一体声波谐振器的制备方法的流程图，如图6所示，包括：

步骤601、在衬底材料上制备谐振振子和支撑锚；其中，谐振振子包含预设的通孔；

步骤602、在制备的谐振振子上制备第一材料层；

步骤603、图形化处理第一材料层获得阻断掩模；

步骤604、在获得的阻断掩模上制备第二材料层；

步骤605、图形化处理第二材料层获得图形化掩模；

步骤606、腐蚀性流体通过谐振振子的通孔流向衬底，以在衬底上刻蚀空腔；

步骤607、利用图形化掩模刻蚀阻断掩模；

步骤608、去除图形化掩模，获得体声波谐振器；

在一种示例性实例中，本发明实施例第二材料层的材料可以为：光刻胶；本发明实施例中的图形化掩模用于进一步图形化处理阻断掩模，保留的部分阻断掩模可以提高谐振振子和/或支撑锚的机械强度。

在一种示例性实例中，本发明实施例去除图形化掩模包括：通过溶解和/或等离子体轰击的方式去除图形化掩模。

图7为本发明实施例一体声波谐振器的制备装置的结构框图，如图7所示，包括：第一制备单元、第二制备单元、第一图形化单元、第一刻蚀单元和第一去除单元；其中，

第一制备单元设置为：在衬底材料上制备谐振振子和支撑锚；其中，谐振振子包含预设的通孔；谐振振子和支撑锚组成区域的外侧存在腐蚀性流体流向衬底的通路；

第一去除单元设置为：去除阻断掩模，获得体声波谐振器。

在一种示例性实例中，本发明实施例第二去除单元是设置为：通过溶解和/或等离子体轰击去除阻断掩模。

图8为本发明实施例另一体声波谐振器的制备装置的结构框图，如图8所示，包括：第一制备单元、第二制备单元、第一图形化单元、第三制备单元、第二图形化单元、第一刻蚀单元、第二刻蚀单元和第二去除单元；其中，

第二刻蚀单元设置为：利用图形化掩模刻蚀阻断掩模；

在一种示例性实例中，本发明实施例第二去除单元是设置为：通过溶解和/或等离子体轰击的方式去除图形化掩模。

通孔包括：设置在顶电极上的一个以上第三通孔和设置在压电材料薄膜上的一个以上第二通孔；

本领域普通技术人员可以理解，上文中所公开方法中的全部或某些步骤、系统、装置中的功能模块/单元可以被实施为软件、固件、硬件及其适当的组合。在硬件实施方式中，在以上描述中提及的功能模块/单元之间的划分不一定对应于物理组件的划分；例如，一个物理组件可以具有多个功能，或者一个功能或步骤可以由若干物理组件合作执行。某些组件或所有组件可以被实施为由处理器，如数字信号处理器或微处理器执行的软件，或者被实施为硬件，或者被实施为集成电路，如专用集成电路。这样的软件可以分布在计算机可读介质上，计算机可读介质可以包括计算机存储介质(或非暂时性介质)和通信介质(或暂时性介质)。如本领域普通技术人员公知的，术语计算机存储介质包括在用于存储信息(诸如计算机可读指令、数据结构、程序模块或其他数据)的任何方法或技术中实施的易失性和非易失性、可移除和不可移除介质。计算机存储介质包括但不限于RAM、ROM、EEPROM、闪存或其他存储器技术、CD-ROM、数字多功能盘(DVD)或其他光盘存储、磁盒、磁带、磁盘存储或其他磁存储装置、或者可以用于存储期望的信息并且可以被计算机访问的任何其他的介质。此外，本领域普通技术人员公知的是，通信介质通常包含计算机可读指令、数据结构、程序模块或者诸如载波或其他传输机制之类的调制数据信号中的其他数据，并且可包括任何信息递送介质。

Claims

1.一种体声波谐振器的制备方法，包括：

在制备的谐振振子上制备第一材料层；

去除阻断掩模，获得体声波谐振器。

2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述去除阻断掩模，包括：通过溶解和/或等离子体轰击去除所述阻断掩模。

3.根据权利要求1或2所述的制备方法，其特征在于，所述谐振振子包括底电极和压电材料薄膜；

所述通孔包括：设置在所述底电极上的一个以上第一通孔和设置在所述压电材料薄膜上的一个以上第二通孔。

4.根据权利要求1或2所述的制备方法，其特征在于，所述谐振振子包括顶电极和压电材料薄膜；

所述通孔包括：设置在所述顶电极上的一个以上第三通孔和设置在所述压电材料薄膜上的一个以上第二通孔。

5.根据权利要求1或2所述的制备方法，其特征在于，所述谐振振子包括：底电极、压电材料薄膜和顶电极；

所述通孔包括：设置在所述底电极上的一个以上第一通孔、设置在所述压电材料薄膜上的一个以上第二通孔和设置在所述顶电极上的一个以上第三通孔。

6.一种体声波谐振器的制备方法，包括：

在制备的谐振振子上制备第一材料层；

在获得的阻断掩模上制备第二材料层；

图形化处理第二材料层获得图形化掩模；

利用图形化掩模刻蚀阻断掩模；

去除图形化掩模，获得体声波谐振器。

7.一种体声波谐振器的制备装置，包括：第一制备单元、第二制备单元、第一图形化单元、第一刻蚀单元和第一去除单元；其中，

第一去除单元设置为：去除阻断掩模，获得体声波谐振器。

8.根据权利要求7所述的制备装置，其特征在于，所述第二去除单元是设置为：通过溶解和/或等离子体轰击去除所述阻断掩模。

9.根据权利要求8所述的制备装置，其特征在于，所述谐振振子包括：底电极、压电材料薄膜和顶电极；

10.一种体声波谐振器的制备装置，包括：第一制备单元、第二制备单元、第一图形化单元、第三制备单元、第二图形化单元、第一刻蚀单元、第二刻蚀单元和第二去除单元；其中，

第二刻蚀单元设置为：利用图形化掩模刻蚀阻断掩模；