CN114944829A - 具有高机电耦合系数的薄膜体声波谐振器及制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了具有高机电耦合系数的薄膜体声波谐振器及制备方法，属于MEMS谐振器技术领域；包括衬底和形成在衬底上的多层式压电结构，所述多层式压电结构由下至上依次包括下电极、压电薄膜层和上电极，所述压电薄膜层包括单晶压电薄膜，所述单晶压电薄膜为铌铟酸铅‑铌镁酸铅‑钛酸铅单晶，所述单晶压电薄膜采用晶体离子切片技术制备获得；本发明的机电耦合系数达到了28％以上，拓宽了铌铟酸铅‑铌镁酸铅‑钛酸铅(PIMNT)材料在薄膜体声波滤波器领域的应用，满足了制备大带宽滤波器的要求。

Description

具有高机电耦合系数的薄膜体声波谐振器及制备方法

技术领域

本发明属于MEMS谐振器技术领域，具体涉及具有高机电耦合系数的薄膜体声波谐振器及制备方法。

背景技术

随着移动通信系统的发展，薄膜体声波滤波器由于体积小，工作频率高、插入损耗小等特点，逐渐占据了3GHz以上频段的市场；随着通信技术发展到第5代(5G)，为了适应5G通信对射频前端高频、宽带宽的要求，现有的FBAR滤波器需要拓宽带宽，提升工作频率；但是由于AlN压电材料的机电耦合系数(K2t)太小，无法满足5G通信高传输速度的要求，因此，为了实现更大带宽的滤波器，最有效的方法是改变压电材料的机电耦合系数，或者采用更高机电耦合系数的新材料。

铌铟酸铅-铌镁酸铅-钛酸铅(PIMNT)因为具备优良的压电特性而广受关注，基于PIMNT压电材料的声表面波谐振器能取到超大的机电耦合系数，但还没发现应用在薄膜体声波滤波器中的相关报道。

发明内容

针对背景技术中提到的为了实现更大带宽的滤波器，需要更高的机电耦合系数的问题，本发明提供了具有高机电耦合系数的薄膜体声波谐振器及制备方法，该谐振器具有频率高、机电耦合系数大、带宽大等特点，能很好的满足现有通信技术对滤波器的需求。

本发明采用了以下技术方案来实现目的：

具有高机电耦合系数的薄膜体声波谐振器，包括衬底和形成在衬底上的多层式压电结构，所述多层式压电结构由下至上依次包括下电极、压电薄膜层和上电极，所述压电薄膜层包括单晶压电薄膜，所述单晶压电薄膜为铌铟酸铅-铌镁酸铅-钛酸铅单晶。

进一步的，所述单晶压电薄膜为θ度Y切X传播的铌铟酸铅-铌镁酸铅-钛酸铅单晶。

进一步的，所述单晶压电薄膜的欧拉角为-90°～90°。

可选的，所述下电极和上电极的材料为铝、金、钼、铜中的一种。

进一步的，所述衬底上还开设有空气腔。

本发明还提供具有高机电耦合系数的薄膜体声波谐振器的制备方法，包括如下步骤：

S1、通过薄膜沉积技术在衬底上沉积金属薄膜，随后进行光刻形成下电极层的图案形状；

S2、对铌铟酸铅-铌镁酸铅-钛酸铅单晶材料的厚度进行减薄处理，并对该材料表面进行抛光；

S3、对抛光后的单晶材料进行离子注射，形成单晶压电薄膜，并通过晶圆键合方式将单晶压电薄膜与下电极层的金属薄膜进行键合；

S4、对键合完成后的结构进行加热，随后进行退火处理，退火处理完成后进行离子刻蚀，形成压电薄膜层；

S5、在压电薄膜层上通过薄膜沉积技术沉积金属薄膜，随后进行光刻形成上电极层的图案形状，最后通过晶圆键合方式将上电极层的金属薄膜与单晶压电薄膜进行键合。

进一步的，所述步骤S1中，形成下电极层后，再通过化学腐蚀法在衬底底部开设空气腔。

进一步的，所述步骤S3的离子注射过程中，注射的离子为氢离子、氦离子，硼离子中的一种。

进一步的，所述步骤S3中的离子注射过程中，通过控制离子注射的剂量和厚度，形成厚度为100nm～500nm的单晶压电薄膜。

进一步的，所述步骤S1和S5中，通过薄膜沉积技术沉积的金属薄膜厚度为10nm～100nm。

综上所述，由于采用了本技术方案，本发明的有益效果如下：

1、本发明的薄膜体声波谐振器，使用了铌铟酸铅-铌镁酸铅-钛酸铅(PIMNT)材料，该材料具备极强的机电耦合特性，并且能够取到较大的机电耦合系数；在本发明中，应用该材料的薄膜体声波谐振器的机电耦合系数高达28％以上，理论指标和实际性能远高于常规的体声波谐振器，满足了现有通信系统的发展对谐振器的要求。

2、在形成压电薄膜层时，本发明采用了离子刻蚀技术，降低了压电薄膜表面粗糙度，有利于降低谐波寄生的影响。

3、设置于衬底上的空气腔可较好的保持下电极的下边界自由。

4、通过本发明中的制备方法制备出的薄膜体声波谐振器，具有频率高、机电耦合系数大和带宽大的特点，能很好的满足现有通信技术对滤波器的需求。

附图说明

图1为本发明的产品结构示意图；

图2为本发明的下电极在衬底上沉积并光刻后的结构示意图；

图3为本发明的压电薄膜进行离子注射后并与下电极键合的结构示意图；

图4为本发明退火处理完成后的结构示意图；

图5为本发明的仿真导纳曲线图；

图6为本发明的制备方法流程图。

附图中各标记所代表的具体含义如下：

1-衬底、2-下电极、3-压电薄膜层、4-上电极、5-空气腔。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以按各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

如图1所示，本实施例提供的具有高机电耦合系数的薄膜体声波谐振器，包括衬底1和形成在衬底1上的多层式压电结构，所述多层式压电结构由下至上依次包括下电极2、压电薄膜层3和上电极4，所述压电薄膜层3包括单晶压电薄膜，所述单晶压电薄膜为铌铟酸铅-铌镁酸铅-钛酸铅单晶。

本实施例的薄膜体声波谐振器，其从下至上依次设置衬底层、下电极2、压电薄膜层3和上电极4，其中衬底层包括用于支撑整个结构的衬底1，在衬底1上还开设有空气腔5，该空气腔5可较好的保持下电极的下边界自由。

本实施例中，下电极层和上电极层的厚度范围为10nm～100nm，并且包括于其中的下电极和上电极的材料采用铝、金、钼、铜中的一种。

本实施例提供的具有高机电耦合系数的薄膜体声波谐振器，其具体的工作原理为：当交变电信号施加于体声波谐振器的上下两电极之间并满足适当的边界条件时，在压电振荡堆内会产生相应的交变电场，由于逆压电效应，压电薄膜会发生弹性形变，部分电能在处于中间的压电薄膜内转化为体声波，并在压电薄膜的厚度方向上传播；当特定频率的波长与谐振器的多层式结构两倍厚度一致时，将激发出最强的体声波；当其它频率对应的波长与谐振器多层式结构两倍厚度不一致时，激发的声波由于相位相消，因此总的幅度很小，从而达到选频效果。

本实施例提供的薄膜体声波谐振器，使用了铌铟酸铅-铌镁酸铅-钛酸铅(PIMNT)材料，该材料具备极强的机电耦合特性，并且能够取到较大的机电耦合系数；如图5所示即为使用了PIMNT材料的薄膜体声波谐振器的仿真导纳曲线图。

实施例2

在实施例1的基础上，如图1所示，压电薄膜层(3)包括单晶压电薄膜，所述单晶压电薄膜为θ度Y切X传播的铌铟酸铅-铌镁酸铅-钛酸铅单晶(YX-PIMNT)，同时，单晶压电薄膜的欧拉角为-90°～90°，该层结构厚度范围为100nm～500nm。

本实施例提供的按上述设置的单晶压电薄膜具有单晶压电材料所具备的极强机电耦合特性，用于实现超宽带的滤波，在实际运用中，采用YX-PIMNT的薄膜体声波谐振器的机电耦合系数高达28％以上，理论指标和实际性能远高于常规的体声波谐振器，满足了现有通信系统的发展对谐振器的要求。

实施例3

本实施例提供具有高机电耦合系数的薄膜体声波谐振器的制备方法，如图5所示，包括如下步骤：

S1、通过薄膜沉积技术在衬底上沉积金属薄膜，随后进行光刻形成下电极层的图案形状，最后通过化学腐蚀法在衬底底部开设空气腔；

S2、对铌铟酸铅-铌镁酸铅-钛酸铅单晶材料的厚度进行减薄处理，并对该材料表面进行抛光；

S3、对抛光后的单晶材料进行离子注射，形成单晶压电薄膜，并通过晶圆键合方式将单晶压电薄膜与下电极层的金属薄膜进行键合；

S4、对键合完成后的结构进行加热，随后进行退火处理，退火处理完成后进行离子刻蚀，形成压电薄膜层；

S5、在压电薄膜层上通过薄膜沉积技术沉积金属薄膜，随后进行光刻形成上电极层的图案形状，最后通过晶圆键合方式将上电极层的金属薄膜与单晶压电薄膜进行键合。

步骤S1中形成下电极层后的结构示意如图2所示，下电极层2位于衬底1的上方，沉积光刻完成后即可通过化学腐蚀法在衬底底部开设如图1所示的空气腔5，该空气腔5可较好的保持下电极的下边界自由。

图3所示为步骤S3中离子注射后形成的单晶压电薄膜的结构示意图，图4所示为步骤S4中退火处理完成后的压电薄膜层。

在步骤S4中，采用离子刻蚀的方式降低了压电薄膜表面粗糙度，有利于降低谐波寄生的影响。

通过采用本制备方法，便能制备出具有高机电耦合系数的薄膜体声波谐振器，以满足现有通信技术的发展对谐振器的要求。

实施例4

在实施例3的基础上，本实施例提供，制备方法步骤过程中的具体示例。

在步骤S1中，衬底的材料选用硅，所形成下电极层的金属薄膜过程中采用的金属材料为铝，同样的在步骤S5中形成上电极层的金属薄膜过程中采用的金属材料也为铝。

下电极层和上电极层的厚度范围均为10nm～100nm。

步骤S2中的减薄处理将单晶材料的厚度减薄为5um。

步骤S3中，离子注射过程中，注射的离子为氢离子、氦离子，硼离子中的一种；通过晶圆键合方式将欧拉角为-90°～90°的单晶压电薄膜与下电极层的金属薄膜进行键合，具体的单晶压电薄膜的欧拉角为(0，50°，0)。

步骤S4中，经过退火处理后，所得到的单晶压电薄膜层厚度为100nm～500nm。

通过上述具体方法所制备得到的薄膜体声波谐振器，机电耦合系数高达28％以上，具有频率高、机电耦合系数大和带宽大的特点，能很好的满足现有通信技术对滤波器的需求。

Claims (10)

1.具有高机电耦合系数的薄膜体声波谐振器，其特征在于：包括衬底(1)和形成在衬底(1)上的多层式压电结构，所述多层式压电结构由下至上依次包括下电极(2)、压电薄膜层(3)和上电极(4)，所述压电薄膜层(3)包括单晶压电薄膜，所述单晶压电薄膜为铌铟酸铅-铌镁酸铅-钛酸铅单晶。

2.根据权利要求1所述的具有高机电耦合系数的薄膜体声波谐振器，其特征在于：所述单晶压电薄膜为θ度Y切X传播的铌铟酸铅-铌镁酸铅-钛酸铅单晶。

3.根据权利要求2所述的具有高机电耦合系数的薄膜体声波谐振器，其特征在于：所述单晶压电薄膜的欧拉角为-90°～90°。

4.根据权利要求1所述的具有高机电耦合系数的薄膜体声波谐振器，其特征在于：所述下电极和上电极的材料为铝、金、钼、铜中的一种。

5.根据权利要求1所述的具有高机电耦合系数的薄膜体声波谐振器，其特征在于：所述衬底(1)上还开设有空气腔(5)。

6.具有高机电耦合系数的薄膜体声波谐振器的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1、通过薄膜沉积技术在衬底上沉积金属薄膜，随后进行光刻形成下电极层的图案形状；

S2、对铌铟酸铅-铌镁酸铅-钛酸铅单晶材料的厚度进行减薄处理，并对该材料表面进行抛光；

S3、对抛光后的单晶材料进行离子注射，形成单晶压电薄膜，并通过晶圆键合方式将单晶压电薄膜与下电极层的金属薄膜进行键合；

S4、对键合完成后的结构进行加热，随后进行退火处理，退火处理完成后进行离子刻蚀，形成压电薄膜层；

S5、在压电薄膜层上通过薄膜沉积技术沉积金属薄膜，随后进行光刻形成上电极层的图案形状，最后通过晶圆键合方式将上电极层的金属薄膜与单晶压电薄膜进行键合。

7.根据权利要求6所述的具有高机电耦合系数的薄膜体声波谐振器的制备方法，其特征在于：所述步骤S1中，形成下电极层后，再通过化学腐蚀法在衬底底部开设空气腔。

8.根据权利要求6所述的具有高机电耦合系数的薄膜体声波谐振器的制备方法，其特征在于：所述步骤S3的离子注射过程中，注射的离子为氢离子、氦离子，硼离子中的一种。

9.根据权利要求6所述的具有高机电耦合系数的薄膜体声波谐振器的制备方法，其特征在于：所述步骤S3中的离子注射过程中，通过控制离子注射的剂量和厚度，形成厚度为100nm～500nm的单晶压电薄膜。

10.根据权利要求6所述的具有高机电耦合系数的薄膜体声波谐振器的制备方法，其特征在于：所述步骤S1和S5中，通过薄膜沉积技术沉积的金属薄膜厚度为10nm～100nm。

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