CN114531126A - 一种宽带薄膜体声波谐振器的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种宽带薄膜体声波谐振器的制备方法，包括以下步骤：取一衬底，涂胶曝光清洗后在其上表面刻蚀凹槽；采用牺牲层填平凹槽；进一步在凹槽上方沉积底电极；在底电极上方沉积复合压电薄膜；在复合压电薄膜上方沉积顶电极；通过释放孔湿法腐蚀去除牺牲层。该谐振器按照从上向下的顺序依次包括顶电极、复合压电薄膜、底电极和衬底；所述顶电极、所述复合压电薄膜和所述底电极构成三明治结构；所述底电极和所述衬底之间形成有空气隙；所述复合压电薄膜为若干层压电层叠加组成。本发明通过复合压电薄膜的结构和特殊空气隙的结合设计，制备出一种具有低损耗的宽带薄膜体声波谐振器。
Description
技术领域
本发明涉及薄膜体声波谐振器技术领域，具体涉及一种宽带薄膜体声波谐振器的制备方法。
背景技术
第五代移动通信(5G)技术对小体积、高频、宽带和高性能的薄膜体声波谐振滤波器(FBAR)提出了迫切需求。FBAR技术融合了声学、射频和MEMS工艺。目前存在着无专用的设计平台、对薄膜材料要求高、工艺复杂等研究困难。同时，FBAR滤波器是一类典型的窄带器件，如何增加其工作带宽，满足宽带信号处理要求，也是近年来的研究热点。现有FBAR器件通常采用AlN薄膜作为压电薄膜，但是AlN薄膜的机电耦合系数仅为6.5％，制备而成的FBAR器件往往带宽较低。进而又有以ZnO薄膜作为压电薄膜的FBAR器件相继开发出来，ZnO是一种压电耦合系数更高的压电材料，但是仅采用ZnO薄膜制备而成的FBAR器件损耗较大，这也是困扰业界的一大难题。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提供一种宽带薄膜体声波谐振器的制备方法，采用该制备方法的FBAR结构简单、稳定，制造工艺对核心结构的损伤小，避免寄生电容的引入，可控性强，同时降低了FBAR制造的生产成本，可对很薄的薄膜进行加工，适用于高频领域。本发明的技术方案为：
第一方面，本发明提供一种宽带薄膜体声波谐振器的制备方法，包括以下步骤：
(1)取一衬底，涂胶曝光清洗后在其上表面刻蚀凹槽；
(2)采用牺牲层填平凹槽；
(3)进一步在凹槽上方沉积底电极，并进行光刻图形化处理以及预留释放孔；
(4)在底电极上方依次沉积多层压电层以形成复合压电薄膜，复合压电薄膜形成后进行光刻图形化处理；
(5)在复合压电薄膜上方沉积顶电极，并进行光刻图形化处理；
(6)通过释放孔湿法腐蚀去除牺牲层。
优选地，所述衬底为高阻单晶硅。
进一步地，所述凹槽的刻蚀深度为800nm～5μm。
优选地，所述牺牲层为多晶硅、PSG、多孔硅中的一种。
进一步地，所述复合压电薄膜为2～8层压电层叠加组成，每层所述压电层材质为AlN或ZnO，每层压电层的厚度为100nm～3μm。
优选地，所述复合压电薄膜由AlN压电层和ZnO压电层交替叠加组成。
优选地，复合压电薄膜的沉积方法包括PVD、MOCVD、PLD中的一种。
优选的，所述顶电极和所述底电极沉积厚度为40nm～450nm，材料为Al、Pt、Mo、W、Ti、Au中的一种。
优选地，所述顶电极和所述底电极采用磁控溅射PVD的方法沉积。
第二方面，本发明提供一种宽带薄膜体声波谐振器，是采用以上制备方法获得，该谐振器按照从上向下的顺序依次包括顶电极、复合压电薄膜、底电极和衬底；所述顶电极、所述复合压电薄膜和所述底电极构成三明治结构；所述底电极和所述衬底之间形成有空气隙；所述复合压电薄膜为若干层压电层叠加组成。
相比现有技术，本发明的有益效果在于：
本发明通过复合压电薄膜的结构和特殊空气隙的结合设计，制备出一种具有低损耗的宽带薄膜体声波谐振器。
附图说明
图1为本发明具体实施例制备谐振器过程中在衬底上刻蚀凹槽并采用牺牲层填平后的结构示意图。
图2为本发明具体实施例制备谐振器过程中沉积底电极后的结构示意图。
图3为本发明具体实施例制备谐振器过程中沉积复合压电薄膜后的结构示意图。
图4为本发明具体实施例制备谐振器过程中沉积顶电极后的结构示意图。
图5为本发明实施例1和实施例2制备的谐振器的结构示意图。
图6为本发明对比例1的FBAR器件结构示意图。
图7为本发明实施例1的谐振器的阻抗特性曲线。
图8为本发明实施例2的谐振器的阻抗特性曲线。
图9为本发明实施例3的谐振器的阻抗特性曲线。
图10为本发明实施例4的谐振器的阻抗特性曲线。
图11为本发明对比例1的谐振器的阻抗特性曲线。
图1～6中，具体标记为：衬底一101、牺牲层102、底电极一103、第一压电薄膜104、第二压电薄膜105、第三压电薄膜106、第四压电薄膜107、顶电级一108、衬底二201、底电极二203、压电层204、顶电极二205。
具体实施方式
在本发明的描述中，需要说明的是，实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。
下面结合具体实施方式对本发明作进一步详细的说明，以帮助本领域的技术人员对本发明的发明构思、技术方案有更完整、准确和深入的理解，本发明的保护范围包括但不限于以下实施例，在不偏离本申请的精神和范围的前提下任何对本发明的技术方案的细节和形式所做出的修改均落入本发明的保护范围内。
实施例1
本实施例提供了一种宽带薄膜体声波谐振器的制备方法，包括以下步骤：
(1)选用高阻单晶硅作为外延衬底，涂胶曝光清洗后使用ICP—RIE设备在其上表面刻蚀凹槽，凹槽的深度和宽度同空气隙；
(2)使用PSG作为牺牲层，填平凹槽，随后使用CMP工艺将凹槽外的PSG全部去除；如图1所示；
(3)使用磁控溅射PVD的方法在凹槽上方沉积底电极，并光刻刻蚀图案以及预留释放孔；如图2所示；
(4)在底电极上方利用PLD方法逐层沉积4层压电薄膜形成复合压电薄膜，并光刻刻蚀图案；如图3所示；
(5)使用PVD在复合压电薄膜上方沉积顶电极，并光刻刻蚀图案；如图4所示；
(6)通过释放孔湿法腐蚀去除牺牲层，形成完整的器件结构。
获得的谐振器结构如图5所示，所述谐振器包括从下到上依次分布的衬底一101、底电极一103、复合压电薄膜、顶电极一108；底电极一103与衬底一101之间形成有空气隙；复合压电薄膜由第一压电薄膜104、第二压电薄膜105、第三压电薄膜106、第四压电薄膜107组成，在复合压电薄膜上表面和下表面分别相对连接有顶电极一108和底电极一103，底电极一103直接与空气隙接触，所述顶电极一108、复合压电薄膜和底电极一103构成三明治结构。
衬底101为高阻单晶硅；底电极一103为160nm厚的金属Mo；顶电极一108为160nm厚的金属Mo；第一压电薄膜104为200nm厚的AlN薄膜；第二压电薄膜为105为200nm厚的ZnO薄膜；第三压电薄膜106为200nm厚的AlN薄膜；第四压电薄膜为107为200nm厚的ZnO薄膜。空气隙的深度为2μm，并且宽度大于顶电极。
该谐振器阻抗特性曲线入图7所示，可以看出实施例1的串联谐振频率为2643MHz、并联谐振频率为2739MHz，带宽为96MHz。
实施例2
本实施例提供了一种宽带薄膜体声波谐振器的制备方法，具体过程同实施例1，该谐振器结构如图5所示，与实施例1的谐振器结构大体相同，细节区别在于：底电极一103为140nm厚的金属Mo；顶电极一108为140nm厚的金属Mo；第一压电薄膜104为180nm厚的AlN薄膜；第二压电薄膜为105为250nm厚的ZnO薄膜；第三压电薄膜106为180nm厚的AlN薄膜；第四压电薄膜为107为250nm厚的ZnO薄膜。
所获得的谐振器阻抗特性曲线入图8所示，可以看出实施例2的串联谐振频率为2646MHz、并联谐振频率为2746MHz，带宽为100MHz。
实施例3
本实施例提供了一种宽带薄膜体声波谐振器的制备方法，具体过程同实施例1，该谐振器结构如与实施例1的谐振器结构大体相同，细节区别在于：底电极一103为140nm厚的金属Mo；顶电极一108为140nm厚的金属Mo，1-7压电层分别为AlN、ZnO、AlN、ZnO、AlN、ZnO、AlN，AlN厚度为80nm，ZnO厚度为180nm。
所获得的谐振器阻抗特性曲线入图9所示，可以看出实施例3的串联谐振频率为2624MHz、并联谐振频率为2724MHz，带宽为100MHz。
实施例4
本实施例提供了一种宽带薄膜体声波谐振器的制备方法，具体过程同实施例1，该谐振器结构如与实施例1的谐振器结构大体相同，细节区别在于：底电极一103为140nm厚的金属Mo；顶电极一108为140nm厚的金属Mo，1-9压电层分别为AlN、ZnO、AlN、ZnO、AlN、ZnO、AlN、ZnO、AlN，AlN厚度为60nm，ZnO厚度为140nm。
所获得的谐振器阻抗特性曲线入图10所示，可以看出实施例4的串联谐振频率为2602MHz、并联谐振频率为2702MHz，带宽为100MHz。
对比例1
本对比例提供了一种通用薄膜体声波谐振器的制备方法，包括以下步骤：
(1)选用高阻单晶硅作为外延衬底，涂胶曝光清洗后使用ICP—RIE设备在其上表面刻蚀凹槽，凹槽的深度和宽度同空气隙；
(2)使用PSG作为牺牲层，填平凹槽，随后使用CMP工艺将凹槽外的PSG全部去除；
(3)使用磁控溅射PVD的方法在凹槽上方沉积底电极，并光刻刻蚀图案以及预留释放孔；
(4)在底电极上方逐层沉积压电层，并光刻刻蚀图案；
(5)使用PVD在压电层上方沉积顶电极，并光刻刻蚀图案；
(6)通过光刻刻蚀的释放孔，湿法腐蚀去除牺牲层，形成完整的器件结构。
获得的谐振器结构如图6所示，所述谐振器包括从下到上依次分布的衬底二201、底电极二203、压电层204、顶电极二205、底电极二203与衬底二201围成一空气隙，在压电层上表面和下表面分别相对连接有顶电极二205和底电极二203，底电极二203直接与空气隙接触，所述顶电极二205、压电层204和底电极二203构成三明治结构。
衬底二201为单晶高阻硅；底电极二203为200nm厚的金属Mo；顶电极二205为200nm厚的金属Mo；压电层204为1μm厚的一层AlN薄膜。空气隙的深度为2μm。制备方法同实施例1。
该谐振器的阻抗特性曲线如图11所示，可以看出对比例1的串联谐振频率为2648MHz，并联谐振频率为2738MHz，带宽为90MHz。
综上，通过实施例与对比例的对比，可见实施例1的串联谐振频率为2643MHz、并联谐振频率为2739MHz，带宽为96MHz；实施例2的串联谐振频率为2646MHz、并联谐振频率为2746MHz，带宽为100MHz；实施例3的串联谐振频率为2624MHz、并联谐振频率为2724MHz，带宽为100MHz；实施例4的串联谐振频率为2602MHz、并联谐振频率为2702MHz，带宽为100MHz；对比例1的串联谐振频率为2648MHz，并联谐振频率为2738MHz，带宽为90MHz。因此，本发明通过控制ZnO/AlN的比例，可以调整带宽，在相同的谐振频率下，实施例1的带宽相对对比例1提升了6.7％，实施例2的带宽相对对比例1提升了11.1％，实施例3的带宽相对对比例1提升了11.8％，实施例4的带宽相对对比例1提升了12.8％。实施例1～4的效果均优于对比例1，说明本发明获得了一种低损耗的宽带薄膜体声波谐振器。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于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，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (10)
1.一种宽带薄膜体声波谐振器的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
(1)取一衬底，涂胶曝光清洗后在其上表面刻蚀凹槽；
(2)采用牺牲层填平凹槽；
(3)进一步在凹槽上方沉积底电极，并进行光刻图形化处理以及预留释放孔；
(4)在底电极上方依次沉积多层压电层以形成复合压电薄膜，复合压电薄膜形成后进行光刻图形化处理；
(5)在复合压电薄膜上方沉积顶电极，并进行光刻图形化处理；
(2)通过释放孔湿法腐蚀去除牺牲层。
2.根据权利要求1所述的一种宽带薄膜体声波谐振器的制备方法，其特征在于：所述衬底为高阻单晶硅。
3.根据权利要求1所述的一种宽带薄膜体声波谐振器的制备方法，其特征在于：所述凹槽的深度为800nm～5μm。
4.根据权利要求1所述的一种宽带薄膜体声波谐振器的制备方法，其特征在于：所述牺牲层为多晶硅、PSG、多孔硅中的一种。
5.根据权利要求1所述的一种宽带薄膜体声波谐振器的制备方法，其特征在于：所述复合压电薄膜为2～8层压电层叠加组成，每层所述压电层材质为AlN或ZnO，每层压电层的厚度为100nm～3μm。
6.根据权利要求1所述的一种宽带薄膜体声波谐振器的制备方法，其特征在于：所述复合压电薄膜由AlN压电层和ZnO压电层交替叠加组成。
7.根据权利要求1、5或6所述的一种宽带薄膜体声波谐振器的制备方法，其特征在于：所述复合压电薄膜的沉积方法包括PVD、MOCVD、PLD中的一种或多种结合。
8.根据权利要求1所述的一种宽带薄膜体声波谐振器的制备方法，其特征在于：所述顶电极和所述底电极沉积厚度为40nm～450nm，材料为Al、Pt、Mo、W、Ti、Au中的一种。
9.根据权利要求1或8所述的一种宽带薄膜体声波谐振器的制备方法，其特征在于：所述顶电极和所述底电极采用磁控溅射PVD的方法沉积。
10.一种宽带薄膜体声波谐振器，其特征在于：是采用权利要求1～9任意一项所述的制备方法获得，该谐振器按照从上向下的顺序依次包括顶电极、复合压电薄膜、底电极和衬底；所述顶电极、所述复合压电薄膜和所述底电极构成三明治结构；所述底电极和所述衬底之间形成有空气隙；所述复合压电薄膜为若干层压电层叠加组成。
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