CN114759897B - 一种薄膜体声波谐振器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种薄膜体声波谐振器及其制备方法，属于薄膜体声波谐振器技术领域。本发明通过在谐振器中采用空气腔，在硅衬底和谐振器震荡区域之间形成金属和空气的交界面，从而在限制声波于震荡堆内的同时，解决了常规声波谐振器机械强度低的问题；通过对谐振器的顶电极进行特殊设计，采用具有凹陷和凸起的形状，解决了常规薄膜体声波谐振器Q值较低，杂散模较多的问题，从而有效的改善谐振器的陡峭性和插入损耗，并使得谐振器的频率响应更加平滑；通过在谐振器的顶电极上方额外引入一层压电材料作为钝化层，从而有效的隔绝谐振器震荡堆与外界环境，解决了常规薄膜体声波谐振器容易受外界环境影响，稳定性差的问题。
Description
技术领域
本发明涉及薄膜体声波谐振器技术领域，具体涉及一种薄膜体声波谐振器及其制备方法。
背景技术
薄膜体声波谐振器,其英文全称是Film Bulk Acoustic Resonator,缩写为FBAR。不同于以前的滤波器，是使用硅底板、借助MEMS技术以及薄膜技术而制造出来的。在无线收发器中实现镜像消除、寄生滤波和信道选择等功能，有较高Q值和易实现微型化等特点。
随着5G时代的到来，针对谐振器的性能要求越来越高，而传统的声表面波谐振器很难达到高频段应用需求；申请号为CN202110041823.9、名称为薄膜体声波谐振器及其制备方法的中国发明专利申请公开一种薄膜体声波谐振器及其制备方法，提出了一种可以减少横向振动模式的薄膜体声波谐振器的新型结构，从而提高谐振器的Q值。
但是现有的基于硅反面蚀刻结构的薄膜体声波谐振器，其机械强度低，结构稳定性差。上述问题亟待解决，为此，提出一种薄膜体声波谐振器及其制备方法。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于：如何解决现有的基于硅反面蚀刻结构的薄膜体声波谐振器存在的机械强度低、结构稳定性差的问题，提供了一种薄膜体声波谐振器。
本发明是通过以下技术方案解决上述技术问题的，本发明包括硅衬底、空气腔、种子层、底电极、压电层、钝化层、顶电极、内部连接金属；所述硅衬底、所述种子层、所述压电层自下而上依次设置，所述空气腔位于所述压电层与所述硅衬底之间的中部，所述底电极设置在所述压电层中，所述顶电极设置在所述压电层中，所述钝化层设置在所述顶电极外部，所述底电极、所述顶电极的内端位于所述空气腔的上方，所述内部连接金属设置在所述底电极、所述顶电极的外端，所述顶电极的内端向上凸起，并具有凹陷结构。
更进一步地，所述底电极、所述顶电极均为金属电极，材质为铂、铝、钌、钼、金中任一种或多种组合。
更进一步地，所述压电层、钝化层均由压电材料制得，压电材料的材质为氮化铝、掺钪氮化铝、氧化锌、锆钛酸铅中任一种。
本发明还提供了一种薄膜体声波谐振器的制备方法，用于制备上述的薄膜体声波谐振器，包括以下步骤：
S1：选取硅片
对高阻硅片进行清洗处理，根据谐振器的制备要求，选取指定厚度的高阻硅片；
S2：生长牺牲层
得到指定厚度的高阻硅片之后，对其进行氧化处理，作为硅衬底，在硅衬底表面生长一层二氧化硅作为牺牲层；
S3：获取牺牲层图案
通过光刻工艺获取用于形成空气腔的牺牲层图案；
S4：生长种子层
在硅衬底及牺牲层上生长种子层；
S5：形成谐振器底电极
生长完种子层后，在种子层上加工形成谐振器底电极；
S6：沉积形成压电层
在经过步骤S5处理后的半成品上表面沉积一层压电材料作为压电层；
S7：形成凸起结构
在压电层的上方生长一层金属层来形成谐振器顶电极的凸起结构；
S8：生成凹陷
对金属层的有效震动区域进行蚀刻，得到具有凹陷结构的金属层；
S9：形成初步的谐振器顶电极
在凹陷结构底部及其周边区域进一步生长一层金属层，形成初步的谐振器顶电极；
S10：形成最终的谐振器顶电极
对合为一体的金属层进行部分蚀刻，形成最终的具有凹陷和凸起结构的谐振器顶电极；
S11：生长钝化层
在谐振器顶电极加工完成之后，再在谐振器顶电极上额外生长一层压电材料作为钝化层；
S12：确定内部连接金属位置
在钝化层上方生长一层二氧化硅层，并对其进行蚀刻，暴露出谐振器底电极、谐振器顶电极远离牺牲层的端部的上方位置的压电材料；
S13：蚀刻压电材料
对暴露出来的压电材料进行干法蚀刻，以暴露出其下方的谐振器底电极、谐振器顶电极；
S14：沉积形成内部连接金属层
在经过步骤S13处理的半成品上表面进行内部连接金属层的沉积；
S15：形成内部连接金属
在沉积完内部连接金属层后，对内部连接金属层的中部进行蚀刻，保留与谐振器底电极、谐振器顶电极的两端连接的部分，形成内部连接金属；
S16：得到最终的薄膜体声波谐振器
通过蒸汽氢氟酸刻蚀方法将作为牺牲层和保护层的二氧化硅去除，形成空气腔，得到最终的薄膜体声波谐振器。
更进一步地，在所述步骤S1中，高阻硅片的厚度在数百纳米级到数微米级。
更进一步地，在所述步骤S2中，作为牺牲层的二氧化硅厚度在数百纳米级到数微米级。
更进一步地，在所述步骤S4中，种子层的厚度在数十纳米级。
更进一步地，在所述步骤S5中，形成谐振器底电极的方式有两种，第一种方式是利用光刻工艺，结合金属蒸镀或溅射、金属剥离工艺进行加工；第二种方式是先进行金属蒸镀或溅射，再进行光刻工艺和干法刻蚀。
更进一步地，在所述步骤S6中，压电层的厚度由薄膜体声波所需的谐振频率决定。
更进一步地，在所述步骤S8中，凹陷结构完全贯穿所述金属层。
本发明相比现有技术具有以下优点：
（1）通过在谐振器中采用空气腔，在硅衬底和谐振器震荡区域之间形成金属和空气的交界面，从而在限制声波于震荡堆内的同时，解决了常规声波谐振器机械强度低的问题；
（2）通过对谐振器的顶电极进行特殊设计，采用具有凹陷和凸起的形状，解决了常规薄膜体声波谐振器Q值较低，杂散模较多的问题，从而有效的改善谐振器的陡峭性和插入损耗，并使得谐振器的频率响应更加平滑；
（3）通过在谐振器的顶电极上方额外引入一层压电材料作为钝化层，从而有效的隔绝谐振器震荡堆与外界环境，解决了常规薄膜体声波谐振器容易受外界环境影响，稳定性差的问题。
（4）通过采用本发明所提出的谐振器制备流程，解决了常规薄膜体声波谐振器制备方法的加工工艺复杂，制备周期长，良品率低等问题。
附图说明
图1是本发明实施例中薄膜体声波谐振器的截面结构示意图；
图2a是本发明实施例中薄膜体声波谐振器制备方法步骤（1）中薄膜体声波谐振器半成品的截面结构示意图；
图2b是本发明实施例中薄膜体声波谐振器制备方法步骤（2）中薄膜体声波谐振器半成品的截面结构示意图；
图2c是本发明实施例中薄膜体声波谐振器制备方法步骤（3）中薄膜体声波谐振器半成品的截面结构示意图；
图2d是本发明实施例中薄膜体声波谐振器制备方法步骤（4）中薄膜体声波谐振器半成品的截面结构示意图；
图2e是本发明实施例中薄膜体声波谐振器制备方法步骤（5）中薄膜体声波谐振器半成品的截面结构示意图；
图2f是本发明实施例中薄膜体声波谐振器制备方法步骤（6）中薄膜体声波谐振器半成品的截面结构示意图；
图2g是本发明实施例中薄膜体声波谐振器制备方法步骤（7）中薄膜体声波谐振器半成品的截面结构示意图；
图2h是本发明实施例中薄膜体声波谐振器制备方法步骤（8）中薄膜体声波谐振器半成品的截面结构示意图；
图2i是本发明实施例中薄膜体声波谐振器制备方法步骤（9）中薄膜体声波谐振器半成品的截面结构示意图；
图2j是本发明实施例中薄膜体声波谐振器制备方法步骤（10）中薄膜体声波谐振器半成品的截面结构示意图；
图2k是本发明实施例中薄膜体声波谐振器制备方法步骤（11）中薄膜体声波谐振器半成品的截面结构示意图；
图2l是本发明实施例中薄膜体声波谐振器制备方法步骤（12）中薄膜体声波谐振器半成品的截面结构示意图；
图2m是本发明实施例中薄膜体声波谐振器制备方法步骤（13）中薄膜体声波谐振器半成品的截面结构示意图；
图2n是本发明实施例中薄膜体声波谐振器制备方法步骤（14）中薄膜体声波谐振器半成品的截面结构示意图；
图2o是本发明实施例中薄膜体声波谐振器制备方法步骤（15）中薄膜体声波谐振器半成品的截面结构示意图；
图2p是本发明实施例中薄膜体声波谐振器制备方法步骤（16）中薄膜体声波谐振器半成品的截面结构示意图；
图2q是本发明实施例中薄膜体声波谐振器制备方法步骤（17）中薄膜体声波谐振器成品的截面结构示意图。
具体实施方式
下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
如图1所示，本实施例提供一种技术方案：一种薄膜体声波谐振器，包括高阻硅衬底1、空气腔2、种子层3、谐振器底电极4、压电材料5、谐振器顶电极6、内部连接金属7。其中，空气腔2可以在硅衬底1和谐振器震荡区域之间形成金属和空气的交界面，可以有效地限制声波于压电震荡堆内并且保持谐振器的机械强度。谐振器底电极4和谐振器顶电极6是金属电极，其材料可以为铂（Pt）、铝（Al）、钌（Ru）、钼（Mo）、金（Au）等。谐振器底电极4和谐振器顶电极6可以接地或者射频激励信号，二者极性相反。当谐振器底电极4和谐振器顶电极6之间存在电势差时，二者之间的电场可以在压电材料5中有效地激励起声波谐振。谐振器顶电极6被特殊设计成具有凸起和凹陷的形状以减少能量损耗并提升谐振器的Q值，从而改善谐振器的陡峭性和插入损耗，同时可以有效地抑制杂散模从而使得谐振器的频率响应更加平滑。压电材料5一般常用氮化铝（AlN）、掺钪氮化铝（AlScN）、氧化锌（ZnO）、锆钛酸铅（PZT）等。在谐振器顶电极6上方额外地一层压电材料5可以作为钝化层，从而有效地保护谐振器免受外界环境影响，提高谐振器的稳定性。最后，内部连接金属7负责谐振器底电极4、顶电极6与外部的连接。
如图2a-图2q所示，本实施例中还提供了上述薄膜体声波谐振器的制备方法，具体包括以下步骤：（1）首先是图2a所示的高阻硅片的清洗准备。根据具体的谐振器需求，该硅片的厚度可以在几百微米到上千微米之间。（2）在得到特定厚度的高阻硅之后，对其进行氧化处理，在硅衬底1表面生长一层二氧化硅8作为牺牲层，如图2b所示，其厚度可以为几百纳米到几个微米之间。（3）紧接着，通过标准的光刻工艺，即涂覆光刻胶、利用掩膜曝光、干法蚀刻（Dry etching）、去除光刻胶等最终得到如图2c所示的具有特定形状的二氧化硅图案。（4）在此基础上，需要再生长一层薄薄的种子层3（Seed layer）以便于后续金属电极和压电层的晶体生长，种子层3的材料与压电层材料一致，厚度通常为十纳米到几十纳米之间，得到如图2d所示的样本。（5）生长完种子层后，有两种方式形成谐振器底电极4，第一种方法是利用类似步骤（3）的光刻工艺，结合金属蒸镀或溅射、金属剥离等工艺形成如图2e所示的谐振器底电极4；第二种方法是先进行金属蒸镀或溅射，再进行光刻工艺和干法刻蚀，最后得到如图2e所示的谐振器底电极4。（6）此后，在样品的表面沉积一层特定厚度的压电材料5作为压电层，如图2f所示，其厚度一般由谐振器所需的谐振频率来决定，通常谐振频率与压电层的厚度成反比。（7）生长完压电材料之后，需要在压电材料的上方生长一层金属层来形成凸起结构，如图2g所示。（8）然后对该金属层的有效震动区域进行蚀刻，该有效震动区域通常为谐振器顶电极的有效面积，刻蚀后得到如图2h所示的具有凹陷的金属层。（9）在此基础上，在上方进一步生长一层较薄的金属层以实现谐振器顶电极，如图2i所示。（10）紧接着对该金属层进行部分蚀刻，最终形成图2j所示的具有凹陷和凸起形状的谐振器顶电极6。（11）谐振器顶电极6加工完成之后，还需额外生长图2k所示的一层薄薄的压电材料作为钝化层，以保护谐振器免受外界环境影响。（12）至此，谐振器的构成层已经基本完成，下一步需要进行内部连接金属7的加工。图2l所示为在谐振器压电材料钝化层上方生长一层二氧化硅层，从而在后续的加工中保护压电材料钝化层免受影响。生长完的二氧化硅层还需进行特定图案的蚀刻，以暴露出谐振器底电极4、谐振器顶电极6远离牺牲层的端部上方位置的压电材料。（13）在此基础上，图2m对暴露出来的压电材料进行干法蚀刻，以暴露出特定位置的谐振器底电极4、谐振器顶电极6。（14）紧接着是内部连接金属层的沉积，如图2n所示。（15）在沉积完内部连接金属层之后，需要利用干法蚀刻对该金属层进行特定图案的刻蚀，得到图2o所示的内部连接金属7。（16）然后需要对该谐振器进行图2p所示的开孔，需要开孔的材料是压电层，通常在谐振器结构之外有牺牲层的地方使用干法刻蚀将压电层刻蚀掉形成开孔。（17）最后，通过蒸汽氢氟酸刻蚀方法（Vapor HF etching），将VHF蒸汽导入图2p所开的孔中，VHF与SiO2（二氧化硅）进行化学反应，反应生成的化合物将会挥发再通过开孔蒸发出去，作为牺牲层和保护层的二氧化硅8被去除干净后，得到最终的薄膜体声波谐振器。
通过上述流程加工完成的薄膜体声波谐振器具有高Q值、低能量损耗、平滑的频率响应以及高稳定性等优点。针对该薄膜体声波谐振器所提出的制备流程同样可以应用到其他薄膜体声波谐振器的加工之中，可以有效地帮助规范工艺流程，提高产品加工的良品率。
综上所述，上述实施例的薄膜体声波谐振器及其制备方法，通过采用孔隙结构，在震荡堆的下方填充牺牲材料再移除之以形成空气腔，从而在限制声波于震荡堆的同时提高了谐振器的机械稳定性；常规薄膜体声波谐振器存在Q值较低，杂散模较多的问题，从而导致谐振器的陡峭性较差、插入损耗较高、频率响应不平滑等，而本发明对谐振器的顶电极进行特殊设计，采用了凸起和凹陷形状，可以有效地帮助谐振器提高Q值，改善谐振器的性能；常规的薄膜体声波谐振器容易受到外界环境的影响从而老化较快，而本发明通过在谐振器顶电极上方额外引入一层压电材料作为钝化层，来有效的隔离谐振器震荡堆与外界环境，大大地提高了谐振器的稳定性；一般薄膜体声波谐振器的制备方法往往需要复杂的加工工艺，从而导致良品率低，而本发明针对所提出的谐振器，结合光刻工艺特殊设计出了一套谐振器制备流程，从而降低了谐振器的加工成本，大大提高了制备效率。
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 (9)
1.一种薄膜体声波谐振器，其特征在于：包括硅衬底、空气腔、种子层、底电极、压电层、钝化层、顶电极、内部连接金属；所述硅衬底、所述种子层、所述压电层自下而上依次设置，所述空气腔位于所述压电层与所述硅衬底之间的中部，所述底电极设置在所述压电层中，所述顶电极设置在所述压电层中，所述钝化层设置在所述顶电极外部，所述底电极、所述顶电极的内端位于所述空气腔的上方，所述内部连接金属设置在所述底电极、所述顶电极的外端；所述顶电极具有第一金属层和第二金属层，所述第一金属层具有投影于空气腔内的凹陷结构，所述凹陷结构在厚度方向上贯穿所述第一金属层，所述凹陷结构与所述种子层、底电极、压电层、钝化层、顶电极在垂直方向上投影重合的部分构成所述薄膜体声波谐振器的有效震动区域，所述凹陷结构的外围具有相同厚度的凸起结构，凸起结构通过凹陷结构外围部分的第一金属层构成，所述第二金属层设置在所述凹陷结构和所述凸起结构上；
所述底电极、所述顶电极均为金属电极，材质为铂、铝、钌、钼、金中任一种或多种组合。
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：所述种子层、压电层、钝化层均由压电材料制得，压电材料的材质为氮化铝、掺钪氮化铝、氧化锌、锆钛酸铅中任一种。
3.一种薄膜体声波谐振器的制备方法，其特征在于，用于制备如权利要求1或2任一项所述的薄膜体声波谐振器，包括以下步骤：
S1：选取硅片
对高阻硅片进行清洗处理，根据谐振器的制备要求，选取指定厚度的高阻硅片；
S2：生长牺牲层
得到指定厚度的高阻硅片之后，对其进行氧化处理，作为硅衬底，在硅衬底表面生长一层二氧化硅作为牺牲层；
S3：获取牺牲层图案
通过光刻工艺获取用于形成空气腔的牺牲层图案；
S4：生长种子层
在硅衬底及牺牲层上生长种子层；
S5：形成谐振器底电极
生长完种子层后，在种子层上加工形成谐振器底电极；
S6：沉积形成压电层
在经过步骤S5处理后的半成品上表面沉积一层压电材料作为压电层；
S7：形成凸起结构
在压电层上方生长第一金属层来形成谐振器顶电极的凸起结构；
S8：生成凹陷
对第一金属层的有效震动区域进行蚀刻，得到具有凹陷结构的第一金属层；
S9：形成初步的谐振器顶电极
在凹陷结构底部及周围区域进一步生长第二金属层，形成初步的谐振器顶电极；
S10：形成最终的谐振器顶电极
对合为一体的第一金属层和第二金属层进行部分蚀刻，形成最终具有凹陷和凸起结构的顶电极；
S11：生长钝化层
在谐振器顶电极加工完成之后，再在谐振器顶电极上额外生长一层压电材料作为钝化层；
S12：确定内部连接金属位置
在钝化层上方生长一层二氧化硅层，并对其进行蚀刻，暴露出谐振器底电极、谐振器顶电极远离牺牲层的端部的上方位置的压电材料；
S13：蚀刻压电材料
对暴露出来的压电材料进行干法蚀刻，以暴露出其下方的谐振器底电极、谐振器顶电极；
S14：沉积形成内部连接金属层
在经过步骤S13处理的半成品上表面进行内部连接金属层的沉积；
S15：形成内部连接金属
在沉积完内部连接金属层后，对内部连接金属层的中部进行蚀刻，保留与谐振器底电极、谐振器顶电极的两端连接的部分，形成内部连接金属；
S16：得到最终的薄膜体声波谐振器
通过蒸汽氢氟酸刻蚀方法将作为牺牲层和保护层的二氧化硅去除，形成空气腔，得到最终的薄膜体声波谐振器。
4.根据权利要求3所述的一种薄膜体声波谐振器的制备方法，其特征在于：在所述步骤S1中，高阻硅片的厚度在数百纳米级到数微米级。
5.根据权利要求4所述的一种薄膜体声波谐振器的制备方法，其特征在于：在所述步骤S2中，作为牺牲层的二氧化硅厚度在数百纳米级到数微米级。
6.根据权利要求5所述的一种薄膜体声波谐振器的制备方法，其特征在于：在所述步骤S4中，种子层的厚度在数十纳米级。
7.根据权利要求6所述的一种薄膜体声波谐振器的制备方法，其特征在于：在所述步骤S5中，形成谐振器底电极的方式有两种，第一种方式是利用光刻工艺，结合金属蒸镀或溅射、金属剥离工艺进行加工；第二种方式是先进行金属蒸镀或溅射，再进行光刻工艺和干法刻蚀。
8.根据权利要求7所述的一种薄膜体声波谐振器的制备方法，其特征在于：在所述步骤S6中，压电层的厚度由薄膜体声波所需的谐振频率决定，谐振频率与压电层的厚度成反比。
9.根据权利要求8所述的一种薄膜体声波谐振器的制备方法，其特征在于：在所述步骤S8中，凹陷结构完全贯穿所述第一金属层。
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