CN115001427A - 一种空气隙型单晶压电薄膜体声波谐振器及其制备方法 - Google Patents
一种空气隙型单晶压电薄膜体声波谐振器及其制备方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明提供一种空气隙型单晶压电薄膜体声波谐振器及其制备方法，所述制备方法至少包括：1)在第一衬底上生长压电薄膜；2)形成第一电极，并图形化第一电极和压电薄膜；3)旋涂第一聚合物层；4)利用光刻工艺图形化所述第一聚合物层，形成第一开口；5)提供第二衬底，其具有第二聚合物层；6)将第一聚合物层和第二聚合物层键合固定，去除第一衬底，所述第一开口形成空腔结构；7)形成介质层，图形化所述介质层形成暴露所述压电薄膜的第二开口；8)形成第二电极，并制作电极引出结构。本发明利用旋涂和光刻技术形成图形化的第一聚合物层，避免了生长沉积、抛光及刻蚀等复杂工艺的引入，工艺简单，成本更低。
Description
技术领域
本发明属于薄膜体声波谐振器技术领域，特别是涉及一种空气隙型单晶压电薄膜体声波谐振器及其制备方法。
背景技术
随着无线通信技术的不断发展，移动设备要求具备更高的传输速率和更小的体积，其所包含的射频前端器件也正向着微型化、高频化以及集成化的趋势发展。薄膜体声波谐振器(Film Bulk Acoustic Resonator，FBAR)的工作原理基于压电材料的压电特性。当交变电压施加于压电薄膜两端的电极时，压电效应将使压电薄膜产生机械振动，进而产生体声波。通过体声波在设计空间内反射产生震荡，从而使谐振器正常工作。采用薄膜体声波谐振器作为主要组成单元的FBAR滤波器具有体积小、频率高、性能好且可与CMOS工艺集成等特点，被认为是满足无线通信技术发展需求的首选器件。薄膜体声波谐振器主要由空腔、底电极、压电薄膜和顶电极构成。其中，压电材料的选择和器件工艺是影响其性能的两大重要因素。
现有技术中，制备薄膜体声波谐振器的方法大致包括：先在一衬底上制作压电薄膜和电极层，图形化电极层后，形成覆盖电极层的键合层，该键合层一般为SiO2等材料，再刻蚀键合层形成开口，最后将带有开口的结构转移至另一衬底，去除前一衬底并制作另一电极及电极引出结构。
在以上制备方法中，形成键合层SiO2的工艺涉及沉积和表面抛光平坦化的步骤，在键合中形成开口的步骤则包括光刻和刻蚀工艺，整体工艺复杂，制备时间长，工艺成本较高。
因此，提供一种新的空气隙型单晶压电薄膜体声波谐振器及其制备方法是本领域技术人员需要解决的课题。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种空气隙型单晶压电薄膜体声波谐振器及其制备方法，用于解决现有技术中制作工艺复杂、成本高的问题。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种空气隙型单晶压电薄膜体声波谐振器的制备方法，所述制备方法至少包括：
1)提供第一衬底，在所述第一衬底上生长压电薄膜；
2)在所述压电薄膜表面形成第一电极，并图形化所述第一电极和所述压电薄膜；
3)旋涂第一聚合物层，所述聚合物层覆盖所述第一电极和所述压电薄膜；
4)利用光刻工艺图形化所述第一聚合物层，以在所述第一聚合物层中形成暴露所述第一电极的第一开口；
5)提供第二衬底，所述第二衬底表面具有第二聚合物层；
6)将所述第一聚合物层和所述第二聚合物层键合固定，并去除所述第一衬底，所述第一开口形成空腔结构；
7)在所述压电薄膜远离所述第一电极的表面形成介质层，图形化所述介质层形成暴露所述压电薄膜的第二开口，所述第二开口在竖直方向的投影落入空腔结构内；
8)在所述第二开口和所述介质层表面形成第二电极，并制作所述第一电极和所述第二电极的电极引出结构。
优选地，所述第一聚合物层的材料包括PI、BCB、PBO中的一种，所述第一聚合物层的厚度介于0.5um～10um之间。
优选地，所述步骤4)中，利用光刻工艺图形化所述第一聚合物层后还包括对所述第一聚合物层进行固化的步骤，所述固化的时间介于1小时～24小时之间，所述固化的温度介于100℃～400℃之间。
优选地，所述步骤4)中，所述第一开口仅暴露出所述第一电极的非电极引出区域，所述第一电极的电极引出区域由所述第一聚合物层覆盖。
优选地，所述第二聚合物层的材料包括PI、BCB、PBO中的一种，所述第二聚合物层的厚度介于0.1um～2um之间。
优选地，所述步骤8)中，制作所述第一电极和所述第二电极的电极引出结构的步骤包括：
形成贯通所述介质层、所述压电薄膜且暴露出所述第一电极表面的通孔，在所述通孔中沉积与所述第一电极连通的第一电极引出结构；
形成与所述第二电极连通的第二电极引出结构。
本发明还提供一种空气隙型单晶压电薄膜体声波谐振器，所述谐振器至少包括：
第二衬底，所述第二衬底表面具有第二聚合物层；
压电薄膜，位于所述第二聚合物层上方；
具有第一开口的第一聚合物层，位于所述第二聚合物层和所述压电薄膜之间，所述第一聚合物层、所述压电薄膜以及所述第二聚合物层包围第一开口形成空腔结构；
第一电极，位于靠近所述空腔结构的所述压电薄膜的表面；
介质层，形成于远离所述空腔结构的所述压电薄膜表面的电极引出区域；
第二开口，形成于远离所述空腔结构的所述压电薄膜表面
第二电极，形成于所述第二开口和所述介质层表面；
电极引出结构，用于分别引出所述第一电极和所述第二电极。
优选地，所述第一聚合物层的材料包括PI、BCB、PBO中的一种，所述第一聚合物层的厚度介于0.5um～10um之间。
优选地，所述第二聚合物层的材料包括PI、BCB、PBO中的一种，所述第二聚合物层的厚度介于0.1um～2um之间。
优选地，所述第一电极一部分位于所述空腔结构中的所述压电薄膜表面，另一部分位于所述压电薄膜和所述第一聚合物层之间以使所述电极引出结构引出所述第一电极。
优选地，所述电极引出结构包括：
通孔，贯通所述介质层和所述压电薄膜，所述通孔暴露出位于所述压电薄膜和所述第一聚合物层之间的所述第一电极表面；
第一电极引出结构，沉积于所述通孔中且与所述第一电极连通；
第二电极引出结构，与所述第二电极连通。
如上所述，本发明的空气隙型单晶压电薄膜体声波谐振器及其制备方法，所述制备方法至少包括：1)在第一衬底上生长压电薄膜；2)形成第一电极，并图形化第一电极和压电薄膜；3)旋涂第一聚合物层；4)利用光刻工艺图形化所述第一聚合物层，形成第一开口；5)提供第二衬底，其具有第二聚合物层；6)将第一聚合物层和第二聚合物层键合固定，去除第一衬底，所述第一开口形成空腔结构；7)形成介质层，图形化所述介质层形成暴露所述压电薄膜的第二开口；8)形成第二电极，并制作电极引出结构。本发明利用旋涂和光刻技术形成图形化的第一聚合物层，避免了生长沉积、抛光及刻蚀等复杂工艺的引入，工艺简单，成本更低。
附图说明
图1～图13为本发明的空气隙型单晶压电薄膜体声波谐振器的制备方法各个步骤所呈现的结构示意图。其中，图13为本发明的空气隙型单晶压电薄膜体声波谐振器的结构示意图。
元件标号说明
1 第一衬底
2 压电薄膜
3 第一电极
4 第一聚合物层
5 第一开口
6 第二衬底
7 第二聚合物层
8 介质层
9 第二开口
10 第二电极
11 通孔
12 第一电极引出结构
13 第二电极引出结构
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
请参阅附图。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
如图1～图13所示，本实施例提供一种空气隙型单晶压电薄膜体声波谐振器的制备方法，所述制备方法至少包括如下步骤：
首先执行步骤1)，如图1所示，提供第一衬底1，在所述第一衬底1上生长压电薄膜2。
作为示例，所述第一衬底1的材料包括但不限于单晶硅、SOI衬底、碳化硅、蓝宝石或氮化镓等材料。本实施例中，所述第一衬底1优选为单晶硅衬底。
作为示例，所述压电薄膜2的材料包括但不限于单晶氮化铝、多晶氮化铝、掺杂氮化铝、氧化锌、锆钛酸铅、铌酸锂、钽酸锂或石英等材料中的一种或几种的组合。本实施例中，所述压电薄膜2的材料为掺杂氮化铝，所述掺杂氮化铝包括但不限于钪、镁、铪、钛、锌、钙、钡等元素的单一掺杂和多元掺杂。
作为示例，生长所述压电薄膜2的方法包括MOCVD、MBE、ALD、PLD或PVD中的一种或几种，所述压电薄膜2的厚度介于100nm～1000nm之间例如，可以是200nm、500nm、600nm、800nm等等。
然后执行步骤2)，如图2～图4所示，在所述压电薄膜2表面形成第一电极3，并图形化所述第一电极3和所述压电薄膜2。
如图2所示，在所述压电薄膜2表面形成第一电极3，作为示例，所述第一电极3的材料包括Mo、Pt、Au、Al、W、及Ru中的一种或多种的组合，所述第一电极3的厚度介于100nm～300nm之间。本实施例中，第一电极3的材料选择为Mo，厚度为200nm。
如图3所示，利用刻蚀工艺图形化所述第一电极3和所述压电薄膜2，图形化后的压电薄膜2和第一电极3形成分立的岛状结构，这样有利于压电薄膜2中应力的释放，避免压电薄膜2开裂。
如图4所示，继续图形化所述第一电极3，最后只在中间的压电薄膜2上保留第一电极3，第一电极3的形状包括但不限于圆、椭圆、方形、多边形、鸭蛋型等的规则或不规则形状。
接着执行步骤3)，如图5所示，旋涂第一聚合物层4，所述第一聚合物层4覆盖所述第一电极3和所述压电薄膜2。
作为示例，所述第一聚合物层4的材料包括PI(聚酰亚胺)、BCB(苯并环丁烯)、PBO(聚对苯撑苯并二恶唑)中的一种。本实施例中，所述第一聚合物层4为PI。所述第一聚合物层4的厚度介于0.5um～10um之间，例如，可以是1um、2um、5um、8um、10um等等。
本步骤通过旋涂工艺可以直接达到晶圆键合所需的平坦化表面的要求，无需进行表面抛光减薄的步骤，简化工艺，降低成本。本步骤旋涂形成的第一聚合物层4既作为空腔结构的支撑层，还作为与后续第二衬底6键合的键合层。
接着执行步骤4)，如图6所示，利用光刻工艺图形化所述第一聚合物层4，以在所述第一聚合物层4中形成暴露所述第一电极3的第一开口5。
由于采用的是第一聚合物层4作为键合层，本步骤可以利用聚合物的光敏特性进行图形化，即利用光刻工艺进行所述第一聚合物层4的图形化。具体地，利用光掩模，经过曝光及显影的步骤图形化所述第一聚合物层4。
作为示例，利用光刻工艺图形化所述第一聚合物层4后还包括对所述第一聚合物层4进行固化的步骤，所述固化的时间介于1小时～24小时之间，所述固化的温度介于100℃～400℃之间。在一实施例中，所述固化的时间为12小时，所述固化的温度为200℃。在另一实施例中，所述固化的时间为8小时，所述固化的温度为250℃。
作为示例，所述第一开口5其中一侧的边缘不超过所述第一电极3的边缘，另一侧边缘超出所述第一电极3的边缘。换句话说，如图6所示，所述第一开口5仅暴露出所述第一电极3的非电极引出区域(位于空腔结构内的区域)，所述第一电极3的电极引出区域(位于空腔结构外的区域)由所述第一聚合物层4覆盖。
接着执行步骤5)，如图7所示，提供第二衬底6，所述第二衬底6表面具有第二聚合物层7。
作为示例，所述第二聚合物层7的材料包括PI(聚酰亚胺)、BCB(苯并环丁烯)、PBO(聚对苯撑苯并二恶唑)中的一种。本实施例中，所述第二聚合物层7为PI。所述第二聚合物层7的厚度介于0.1um～2um之间，例如，可以是0.1um、0.5um、1um、1.5um、1.8um、2um等等。
作为示例，所述第二衬底6的材料包括但不限于单晶硅、SOI衬底、碳化硅、蓝宝石或氮化镓等材料。本实施例中，所述第二衬底6优选为单晶硅衬底。
再执行步骤6)，如图8和图9所示，将所述第一聚合物层4和所述第二聚合物层7键合固定，并去除所述第一衬底1，所述第一开口5形成空腔结构。
如图8所示，需要先将步骤4)获得的结构倒置，再将所述第一聚合物层4和所述第二聚合物层7键合固定。
作为示例，去除所述第一衬底1的方法包括但不限于离子注入剥离、机械研磨、抛光、湿法腐蚀、干法刻蚀以及其中任意几种方法的组合。
最后执行步骤7)，如图10所示，在所述压电薄膜2远离所述第一电极3的表面形成介质层8，图形化所述介质层8形成暴露所述压电薄膜2的第二开口9，所述第二开口9在竖直方向的投影落入空腔结构内。
作为示例，形成所述介质层8的材料包括但不限于所述介质层的材料包括SiO2、SiN及Al3O2中的一种或多种的组合，本实施例优选为SiO2。
作为示例，形成所述第二开口9的方法包括但不限于干法或湿法刻蚀。
需要说明的是，图形化后的所述介质层8暴露出所述压电薄膜2，而未被刻蚀去除的介质层8仅位于压电薄膜2表面的电极引出区域，用于电隔离。
首先执行步骤8)，如图11～图13所示，在所述第二开口9和所述介质层8表面形成第二电极10，并制作所述第一电极3和所述第二电极10的电极引出结构。
作为示例，所述第二电极10的材料包括Mo、Pt、Au、Al、W、及Ru中的一种或多种的组合，所述第二电极10的厚度介于100nm～300nm之间。本实施例中，第二电极10的材料选择为Mo，厚度为200nm。所述第二电极10与压电薄膜2以及第一电极3形成谐振器核心区域。
制作所述第一电极3和所述第二电极10的电极引出结构的步骤包括：请参照图11，形成贯通所述介质层8、以及所述压电薄膜2且暴露出所述第一电极3表面的通孔11，如图12所示，在所述第二开口9和所述介质层8表面形成第二电极10，如图13所示，在所述通孔11中沉积与所述第一电极3连通的第一电极引出结构12；然后形成与所述第二电极10连通的第二电极引出结构13。
以上过程中，第二电极10的形成可以在通孔11制作之前也可以在通孔制作11之后，在此不限。本实施例中，先制作通孔11再形成第二电极10，最后在制作第一电极引出结构12和第二电极引出结构13。另外，在形成第二电极10时，电极材料会同时沉积于通孔11的内壁，最后，第一电极引出结构12形成在该电极材料表面。为图示方便，通孔11中仅展示了第一电极引出结构12。
作为示例，可以通过干法或湿法刻蚀形成所述通孔11，优选ICP干法刻蚀形成所述通孔11。
作为示例，所述第一电极引出结构12和所述第二电极引出结构13的材料包括但不限于Ti、Al、Au、Cu或TiN等金属或类金属中的一种或几种的组合，优选Ti和Au的组合。所述第一电极引出结构12和所述第二电极引出结构13的形成工艺包括薄膜沉积和图形化工艺。
如图13所示，本实施例还提供一种空气隙型单晶压电薄膜体声波谐振器，所述谐振器包括但不限于利用上述制备方法所制备获得，至少包括：
第二衬底6，所述第二衬底6表面具有第二聚合物层7；
压电薄膜2，位于所述第二聚合物层7上方；
具有第一开口5的第一聚合物层4，位于所述第二聚合物层7和所述压电薄膜2之间，所述第一聚合物层4、所述压电薄膜2以及所述第二聚合物层7包围第一开口5形成空腔结构；
第一电极3，位于靠近所述空腔结构的所述压电薄膜2的表面；
介质层8，形成于远离所述空腔结构的所述压电薄膜2表面的电极引出区域；
第二开口9，形成于远离所述空腔结构的所述压电薄膜2表面；
第二电极10，形成于所述第二开口9和所述介质层8表面；
电极引出结构，用于分别引出所述第一电极3和所述第二电极10。
作为示例，所述第一聚合物层4的材料包括PI(聚酰亚胺)、BCB(苯并环丁烯)、PBO(聚对苯撑苯并二恶唑)中的一种。本实施例中，所述第一聚合物层4为PI。所述第一聚合物层4的厚度介于0.5um～10um之间，例如，可以是1um、2um、5um、8um、10um等等。
作为示例，所述第二聚合物层7的材料包括PI(聚酰亚胺)、BCB(苯并环丁烯)、PBO(聚对苯撑苯并二恶唑)中的一种。本实施例中，所述第二聚合物层7为PI。所述第二聚合物层7的厚度介于0.1um～2um之间，例如，可以是0.1um、0.5um、1um、1.5um、1.8um、2um等等。
作为示例，所述第一电极3一部分位于所述空腔结构中的所述压电薄膜2表面，另一部分位于所述压电薄膜2和所述第一聚合物层4之间，位于所述压电薄膜2和所述第一聚合物层4之间的这一部分可以用于所述电极引出结构(第一电极引出结构12)引出所述第一电极3。
作为示例，所述电极引出结构包括：
通孔11，贯通所述介质层8和所述压电薄膜2，所述通11孔暴露出位于所述压电薄膜2和所述第一聚合物层4之间的所述第一电极3表面；
第一电极引出结构12，沉积于所述通孔11中且与所述第一电极3连通；
第二电极引出结构13，与所述第二电极10连通。
综上所述，本发明提供一种空气隙型单晶压电薄膜体声波谐振器及其制备方法，所述制备方法至少包括：1)在第一衬底上生长压电薄膜；2)形成第一电极，并图形化第一电极和压电薄膜；3)旋涂第一聚合物层；4)利用光刻工艺图形化所述第一聚合物层，形成第一开口；5)提供第二衬底，其具有第二聚合物层；6)将第一聚合物层和第二聚合物层键合固定，去除第一衬底，所述第一开口形成空腔结构；7)形成介质层，图形化所述介质层形成暴露所述压电薄膜的第二开口；8)形成第二电极，并制作电极引出结构。本发明利用旋涂和光刻技术形成图形化的第一聚合物层，避免了生长沉积、抛光及刻蚀等复杂工艺的引入，工艺简单，成本更低。
所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。
Claims (11)
1.一种空气隙型单晶压电薄膜体声波谐振器的制备方法，其特征在于，所述制备方法至少包括：
1)提供第一衬底，在所述第一衬底上生长压电薄膜；
2)在所述压电薄膜表面形成第一电极，并图形化所述第一电极和所述压电薄膜；
3)旋涂第一聚合物层，所述聚合物层覆盖所述第一电极和所述压电薄膜；
4)利用光刻工艺图形化所述第一聚合物层，以在所述第一聚合物层中形成暴露所述第一电极的第一开口；
5)提供第二衬底，所述第二衬底表面具有第二聚合物层；
6)将所述第一聚合物层和所述第二聚合物层键合固定，并去除所述第一衬底，所述第一开口形成空腔结构；
7)在所述压电薄膜远离所述第一电极的表面形成介质层，图形化所述介质层形成暴露所述压电薄膜的第二开口，所述第二开口在竖直方向的投影落入空腔结构内；
8)在所述第二开口和所述介质层表面形成第二电极，并制作所述第一电极和所述第二电极的电极引出结构。
2.根据权利要求1所述的空气隙型单晶压电薄膜体声波谐振器的制备方法，其特征在于：所述第一聚合物层的材料包括PI、BCB、PBO中的一种，所述第一聚合物层的厚度介于0.5um～10um之间。
3.根据权利要求1所述的空气隙型单晶压电薄膜体声波谐振器的制备方法，其特征在于：所述步骤4)中，利用光刻工艺图形化所述第一聚合物层后还包括对所述第一聚合物层进行固化的步骤，所述固化的时间介于1小时～24小时之间，所述固化的温度介于100℃～400℃之间。
4.根据权利要求1所述的空气隙型单晶压电薄膜体声波谐振器的制备方法，其特征在于：所述步骤4)中，所述第一开口仅暴露出所述第一电极的非电极引出区域，所述第一电极的电极引出区域由所述第一聚合物层覆盖。
5.根据权利要求1所述的空气隙型单晶压电薄膜体声波谐振器的制备方法，其特征在于：所述第二聚合物层的材料包括PI、BCB、PBO中的一种，所述第二聚合物层的厚度介于0.1um～2um之间。
6.根据权利要求1所述的空气隙型单晶压电薄膜体声波谐振器的制备方法，其特征在于：所述步骤8)中，制作所述第一电极和所述第二电极的电极引出结构的步骤包括：
形成贯通所述介质层、所述压电薄膜且暴露出所述第一电极表面的通孔，在所述通孔中沉积与所述第一电极连通的第一电极引出结构；
形成与所述第二电极连通的第二电极引出结构。
7.一种空气隙型单晶压电薄膜体声波谐振器，其特征在于，所述谐振器至少包括：
第二衬底，所述第二衬底表面具有第二聚合物层；
压电薄膜，位于所述第二聚合物层上方；
具有第一开口的第一聚合物层，位于所述第二聚合物层和所述压电薄膜之间，所述第一聚合物层、所述压电薄膜以及所述第二聚合物层包围第一开口形成空腔结构；
第一电极，位于靠近所述空腔结构的所述压电薄膜的表面；
介质层，形成于远离所述空腔结构的所述压电薄膜表面的电极引出区域；
第二开口，形成于远离所述空腔结构的所述压电薄膜表面
第二电极，形成于所述第二开口和所述介质层表面；
电极引出结构，用于分别引出所述第一电极和所述第二电极。
8.根据权利要求7所述的空气隙型单晶压电薄膜体声波谐振器，其特征在于：所述第一聚合物层的材料包括PI、BCB、PBO中的一种，所述第一聚合物层的厚度介于0.5um～10um之间。
9.根据权利要求7所述的空气隙型单晶压电薄膜体声波谐振器，其特征在于：所述第二聚合物层的材料包括PI、BCB、PBO中的一种，所述第二聚合物层的厚度介于0.1um～2um之间。
10.根据权利要求7所述的空气隙型单晶压电薄膜体声波谐振器，其特征在于：所述第一电极一部分位于所述空腔结构中的所述压电薄膜表面，另一部分位于所述压电薄膜和所述第一聚合物层之间以使所述电极引出结构引出所述第一电极。
11.根据权利要求7所述的空气隙型单晶压电薄膜体声波谐振器，其特征在于：所述电极引出结构包括：
通孔，贯通所述介质层和所述压电薄膜，所述通孔暴露出位于所述压电薄膜和所述第一聚合物层之间的所述第一电极表面；
第一电极引出结构，沉积于所述通孔中且与所述第一电极连通；
第二电极引出结构，与所述第二电极连通。
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