CN116248062B - 一种体声波谐振器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本申请公开了一种体声波谐振器及其制备方法，涉及微电子技术领域，本申请的体声波谐振器的制备方法，包括：提供衬底，并在衬底上沉积压电薄膜层；通过第一离子注入在衬底内形成预设深度的损伤层；在压电薄膜层的一侧形成顶电极；释放损伤层形成空腔；通过第二离子注入在压电薄膜层的另一侧形成底电极。本申请提供的体声波谐振器及其制备方法，能够提高体声波谐振器中压电薄膜的晶体质量，进而提高体声波谐振器的性能。
Description
技术领域
本申请涉及微电子技术领域，具体而言，涉及一种体声波谐振器及其制备方法。
背景技术
薄膜体声波谐振器因其高Q值、体积小、可集成化等特点而引起了很多研究关注，并且随着移动通信技术的飞速发展，薄膜体声波谐振器不仅在射频前端中得到大量应用，也在传感器检测应用中表现出很大的潜力。薄膜体声波谐振器对压电薄膜的晶体质量要求很高，晶体质量高的压电薄膜在实现机电转换过程中能量损耗小，可以制备高Q值和高机电转换效率的谐振器，进而提升薄膜体声波谐振器性能。空气隙型薄膜体声波谐振器结构利用空气作为声波限制界面，对于利用空气反射原理的薄膜体声波谐振器而言，制备思路是在复合薄膜层下方营造一个空腔环境。现有技术是在衬底上预设空腔，该空腔由牺牲层材料填充，在牺牲层材料上沉积金属电极和压电薄膜，薄膜沉积完成后释放牺牲层材料，形成空腔，制得薄膜体声波谐振器。
衬底的晶体质量和表面粗糙度会直接影响后续底电极层和压电薄膜沉积质量。现有技术制备薄膜体声波谐振器的过程中，牺牲层经过抛光后，研磨液和物质颗粒残留，表面变得非常粗糙。同时由于牺牲层材料经过抛光以及其多晶的性质，在其上所沉积的金属电极和压电薄膜晶体质量低。根据工艺数据证明，在牺牲层上沉积的底电极晶体质量比直接在裸衬底上沉积的底电极晶体质量要差。
发明内容
本申请的目的在于提供一种体声波谐振器及其制备方法，能够提高体声波谐振器中压电薄膜的晶体质量，进而提高体声波谐振器的性能。
本申请的实施例一方面提供了一种体声波谐振器的制备方法，包括：提供衬底，并在衬底上沉积压电薄膜层；通过第一离子注入在衬底内形成预设深度的损伤层；压电薄膜层的一侧形成顶电极；释放损伤层形成空腔；通过第二离子注入在压电薄膜层的另一侧形成底电极。
作为一种可实施的方式，通过第一离子注入在衬底内形成预设深度的损伤层包括：在压电薄膜层上铺设光刻胶并刻蚀形成第一注入窗口，所述第一注入窗口与空腔在衬底上的投影重叠；通过第一注入窗口对衬底的预设深度处进行第一离子注入形成预设厚度的损伤层，其中，第一离子注入包括多次离子注入，多次离子注入的注入中心不在同一深度。
作为一种可实施的方式，衬底为单晶衬底、压电薄膜层为单晶压电薄膜层。
作为一种可实施的方式，通过第二离子注入在压电薄膜层的另一侧形成底电极包括：在顶电极上铺设光刻胶并形成第二注入窗口，第二注入窗口与第一注入窗口重合；通过第二注入窗口对压电薄膜层的另一侧的衬底材料进行掺杂。
作为一种可实施的方式，第二离子注入的注入能量小于第一离子注入的注入能量，第二离子注入的注入剂量小于第一离子注入的注入剂量。
作为一种可实施的方式，第一离子注入的注入能量在450keV-10MeV之间，注入剂量在1*1012-8*1018/cm2,注入厚度在80-200nm之间；第二离子注入的注入能量在2-400keV之间，注入剂量在1*1015-8*1015/cm2之间。
作为一种可实施的方式，通过第二注入窗口对压电薄膜层另一侧的衬底材料进行掺杂之后，体声波谐振器的制备方法还包括：对掺杂后的衬底在600-1200℃之间的退火温度下退火处理。
作为一种可实施的方式，压电薄膜层的一侧形成顶电极包括：在压电薄膜层上铺设金属材料形成金属层；对金属层图案化形成顶电极。
作为一种可实施的方式，释放损伤层形成空腔包括：在压电薄膜层及衬底上形成释放孔；通过释放孔注入刻蚀液，刻蚀液刻蚀损伤层形成空腔。
本申请的实施例另一方面提供了一种体声波谐振器，采用上述体声波谐振器的制备方法制备而成，包括：衬底，以及依次设置于衬底上的压电薄膜层和顶电极，衬底靠近压电薄膜层的侧面形成有底电极，底电极的一侧形成有设置在衬底内的空腔。
本申请实施例的有益效果包括：
本申请提供的实施例一方面提供了一种体声波谐振器的制备方法，包括：提供衬底，并在衬底上沉积压电薄膜层；其中，衬底具有光滑的表面，在衬底上沉积压电薄膜层时，使得压电薄膜层的薄膜质量较好，从而提高了压电薄膜层的晶体质量，较高的晶体质量使得体声波谐振器具有较高的性能；随后通过第一离子注入在衬底内形成预设深度的损伤层；在压电薄膜层上形成顶电极；释放损伤层形成空腔，空腔作为体声波谐振器的声反射结构，通过第一离子注入形成损伤层并刻蚀形成空腔，避免了现有技术沉积压电薄膜沉积之前在腔体内形成牺牲层，并在牺牲层上生长的较量较差的压电薄膜；通过第二离子注入在压电薄膜层的另一侧形成底电极，简化体声波谐振器的制备工艺。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本申请的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1为本申请实施例提供的一种体声波谐振器的制备方法的流程图；
图2为本申请实施例提供的一种体声波谐振器的状态图之一；
图3为本申请实施例提供的一种体声波谐振器的状态图之二；
图4为本申请实施例提供的一种体声波谐振器的状态图之三；
图5为本申请实施例提供的一种体声波谐振器的状态图之四；
图6为本申请实施例提供的一种体声波谐振器的状态图之五。
图标：10-体声波谐振器；11-衬底；12-压电薄膜层；13-损伤层；14-顶电极；15-底电极；16-空腔；17-第一注入窗口。
具体实施方式
为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请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申请一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本申请实施例的组件可以以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申请的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本申请的范围，而是仅仅表示本申请的选定实施例。基于本申请中的实施例，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，都属于本申请保护的范围。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
在本申请的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。
压电薄膜层作为体声波谐振器的主要工作部件，使得压电薄膜层的晶体质量对体声波谐振器的性能影响较大，高质量的压电薄膜层一直是本领域技术人员追求的目标。
本申请提供了一种体声波谐振器10的制备方法，如图1所示，包括：
S10：如图2所示，提供衬底11，并在衬底11上沉积压电薄膜层12；
具体的，在衬底11上沉积压电薄膜层12的方式本申请实施例不做限制，示例的，可以是物理气相沉积、化学气相沉积、或者原子层沉积等等，本领域技术人员可以根据实际情况进行选择。
压电薄膜层12的具体材料本申请实施例不做限制，只要具有压电效应且能够制备即可，示例的，可以是铌酸锂、钽酸锂、氮化铝、氧化锌等压电薄膜中的一种或多种叠层等等。
其中，衬底11的具体材料本申请实施例不做限制，只要具有光滑的表面且具有较大的电阻即可，示例的，可以是硅衬底，硅具有很高的电阻率，在体声波谐振器10制备过程中硅衬底作为衬底给压电薄膜层12的沉积提供基础，同时由于其高电阻率带来的绝缘特性，能够避免体声波谐振器10中电信号泄露。
通常情况下衬底具有比较光滑的表面，可以为后续压电薄膜层12的制备提供质量较高的基底，在压电薄膜层12沉积的过程中，在光滑的表面上沉积，使得压电薄膜层12的薄膜质量较好，从而提高了压电薄膜层12的薄膜质量，较高的薄膜质量使得体声波谐振器10具有较高的性能。
S20：如图3所示，通过第一离子注入在衬底11内形成预设深度的损伤层13；
需要说明的是，由于损伤层13在后续会被释放形成空腔16，所以，损伤层13占用了衬底11中预设深度的一部分。具体的，可以在压电层上设置光刻胶并形成注入窗口，通过注入窗口对衬底11的预设深度第一离子注入形成预设深度的损伤层13。另外，为了平衡各个方向的声波的传播，通常将空腔16设置在衬底11预设深度的中心位置，即损伤层13位于衬底11预设深度的中心位置。
还需要说明的是，因为损伤层13在后续会被释放形成空腔16，所以，损伤层13具有一定的厚度，所以，此处的预设深度是指损伤层13厚度中心的深度。
S30：如图4所示，在压电薄膜层12的一侧形成顶电极14；
其中，在压电薄膜层12上形成顶电极14的具体方式本申请实施例不做限制，可采用沉积金属材料、电镀金属材料或者其他制备金属薄膜的方式进行。
S40：如图5所示，释放损伤层13形成空腔16；
由于损伤层13为衬底11在第一离子注入后形成，第一离子注入后改变了损伤层13的材料结构，可以通过刻蚀等方式将损伤层13刻蚀。释放损伤层13形成的空腔16作为体声波谐振器10的声反射结构，声反射结构作为声波限制界面。
S50：如图6所示，通过第二离子注入在压电薄膜层12的另一侧形成底电极15。
本申请实施例在不破坏压电薄膜层12的晶体结构的基础上，将压电薄膜层12另一侧的衬底材料形成底电极15，为体声波谐振器10提供底电极15，使得质量较好的压电薄膜层12应用于体声波谐振器10中，而且，避免了现有技术中采用键合或者剥离的方式形成质量较好的压电薄膜层，简化了体声波谐振器10的制备工艺。
本申请实施例通过第一离子注入在衬底11中形成损伤层13，最后通过释放损伤层13形成空腔16，作为声波限制界面；另外，通过第二离子注入将压电薄膜层12另一侧的衬底材料转化为底电极15；通过第一离子注入和第二离子注入两者之间的配合，在衬底11上直接生长薄膜质量较高的压电薄膜层12，同时还能将该高质量的压电薄膜层12运用到体声波谐振器上，避免了现有技术中采用键合或者剥离的方式，简化了体声波谐振器10的制备工艺。
本申请提供的实施例一方面提供了一种体声波谐振器10的制备方法，包括：提供衬底11，并在衬底11上沉积压电薄膜层12；其中，衬底11具有光滑的表面，在衬底11上沉积压电薄膜层12时，使得压电薄膜层12的薄膜质量较好，从而提高了压电薄膜层12的薄膜质量，较高的薄膜质量使得体声波谐振器10具有较高的性能；随后通过第一离子注入在衬底11内形成预设深度的损伤层13；在压电薄膜层12上形成顶电极14；释放损伤层13形成空腔16，空腔16作为体声波谐振器10的声反射结构，通过第一离子注入形成损伤层13并刻蚀形成空腔16，避免了现有技术沉积压电薄膜沉积之前在腔体内形成牺牲层，并在牺牲层上生长的较量较差的压电薄膜；通过第二离子注入在压电薄膜层的另一侧形成底电极，简化体声波谐振器10的制备工艺。
可选的，通过第一离子注入在衬底11内形成预设深度的损伤层13包括：
S21：如图3所示，在压电薄膜层12上铺设光刻胶并刻蚀形成第一注入窗口17，第一注入窗口17与空腔16在衬底11上的投影重叠；
由上述可知，损伤层13占用了衬底11中预设深度的一部分，铺设光刻胶并刻蚀形成第一注入窗口17，第一注入窗口作为第一离子注入的选区窗口，在第一离子注入过程中，只有射向第一注入窗口的高能离子能够进入衬底11内的预设深度。
S22:如图3所示，通过第一注入窗口17对衬底11的预设深度处进行第一离子注入形成预设厚度的损伤层13，其中，第一离子注入包括多次离子注入，多次离子注入的注入中心不在同一深度。
由于损伤层13具有一定的厚度，在进行第一离子注入时，由于离子注入后离子在衬底11的厚度范围内呈现正态分布，不同的离子注入剂量进入衬底11的深度不同，可以通过多次离子注入，改变离子注入时的剂量，每次离子注入后形成的损伤层13可以发生重叠，最终形成更大的损伤范围。多次离子注入形成损伤层13之后，即可形成预设厚度的损伤层13。
需要说明的是，第一离子注入包括多次离子注入，多次离子注入的注入中心不在同一深度，这里的不在同一深度中，多次离子注入的注入中心均在损伤层13的厚度范围内。
另外，为避免第一离子注入在注入离子时，高能离子撞击压电薄膜层12后破坏压电薄膜层12的晶格结构，可以在压电薄膜层12上铺设光刻胶之前，在压电薄膜层12上设置一层阻挡层，以对压电薄膜层12的表面进行保护。
本申请实施例的一种可实现的方式中,所述衬底11为单晶衬底、所述压电薄膜层12为单晶压电薄膜层。
衬底11为单晶衬底，具有规整的晶格结构，能够为单晶压电薄膜层提供规整的晶格结构，在后续制备压电薄膜层时，可以形成单晶压电薄膜，从而提高的压电薄膜层晶格的规整性，进一步提高压电薄膜层12的薄膜质量，从而提高体声波谐振器的性能。
可选的，通过第二离子注入在压电薄膜层12的另一侧形成底电极包括：
S511：在顶电极14上铺设光刻胶并形成第二注入窗口，第二注入窗口与第一注入窗口重合；
与第一注入窗口设置相同，第二注入窗口作为第二离子注入的选区窗口。
S512:通过第二注入窗口对压电薄膜层12另一侧的衬底材料进行掺杂。
本申请实施例的一种可实现的方式中,第二离子注入的注入能量小于第一离子注入的注入能量，第二离子注入的注入剂量小于第一离子注入的注入剂量。
由上述可知，第一离子注入形成损伤层13，第二离子注入形成底电极15，而损伤层13位于底电极15下，使得第一离子注入具有较深的注入深度，所以，第一离子注入的注入能量较大，以使离子能够进入较深的深度，形成损伤层13。另外，损伤层13用于刻蚀后形成空腔16，在刻蚀时，为了使得损伤层13与周围的衬底材料的成分差距较大，便于刻蚀，第一离子注入的注入剂量应当设置的较大；而第二离子注入的是在衬底内掺入杂质以改变此出衬底材料的导电性能，使其作为体声波谐振器10的底电极15，所以第二离子注入的注入剂量设置的较小。
其中，由于第一离子注入时注入的深度较大，在通过调节注入能量来实现一定深度的离子注入的同时，也可以通过设置较小的离子来进行，示例的，可以选择氦、氢、氪、氙、镁、氟、氧、铜或金等原子序数较小的离子作为注入离子进行第一离子注入，因为，原子序数较低的离子具有较小的碰撞截面，能够进入较深的位置。同理，可以设置原子序数较大的离子作为注入离子进行第二离子注入，示例的，可以选择硼、磷、砷或锑等等。
可选的，第一离子注入的注入能量在450keV-10MeV之间，注入剂量在1*1012-8*1018/cm2,注入厚度在80-200nm之间；第二离子注入的注入能量在2-400keV之间，注入剂量在1*1015-8*1015/cm2之间。
当本申请实施例中的衬底11为硅衬底，第一离子注入的注入离子是氦、第二离子注入的注入离子是硼时，第一离子注入的注入能量在450keV-10MeV之间，注入剂量在1*1012-8*1018/cm2,注入厚度在80-200nm之间；第二离子注入的注入能量在2-400keV之间，注入剂量在1*1015-8*1015/cm2之间。
本申请实施例的一种可实现的方式中,通过第二注入窗口对压电薄膜层12另一侧的衬底材料进行掺杂之后，体声波谐振器10的制备方法还包括：
S513：对掺杂后的衬底11在600-1200℃之间的退火温度下退火处理。
本领域技术人员应当知晓，离子注入是把杂质离子加速，获得很大动能的杂质离子进入衬底11中，在此过程中，由于杂质离子进入衬底11时动能较大，会对衬底的晶格产生损伤，且杂质离子没有进入晶格，为了修复晶格的损伤，让杂质离子进入晶格改变底电极15的电阻率，在第二离子注入后，对掺杂后的衬底11退火，具体退火条件本申请实施例不做限制，只要能够在修复晶格损伤的同时使得掺杂离子向衬底体内进行再分布即可，示例的，退火温度可以设置在600-1200℃，退火气体为惰性气体。
可选的，压电薄膜层12的一侧形成顶电极14包括：
S31：在压电薄膜层12上铺设金属材料形成金属层；
S32：对金属层图案化形成顶电极14。
对金属层图案化使得顶电极14在压电薄膜层12上形成不同的形状，这样使得压电薄膜层12与顶电极14的边缘之间形成台阶状的结构，台阶状的结构形成声子晶体结构，从而能够抑制压电薄膜层12产生的声波传播至顶电极14中，进而减少体声波谐振器10的寄生模态。
其中，具体图案化的图案本申请实施例不做限制，示例的，可以使四边形、五边形、菱形、椭圆形、圆形或者其他形状。
本申请实施例的一种可实现的方式中,释放损伤层13形成空腔16包括：
S41：在压电薄膜层12及衬底11上形成释放孔；
S42：通过释放孔注入刻蚀液，刻蚀液刻蚀损伤层13形成空腔16。
通过第一离子注入使得衬底11内部分材料发生变化，采用对损伤层13刻蚀速率较大，但是对衬底11的材料刻蚀速率较小或者不刻蚀衬底11的刻蚀液，刻蚀液通过释放孔与损伤层13接触，对损伤层13进行刻蚀，刻蚀完成后清理刻蚀液以及物质的残留颗粒即可形成空腔16。
本申请实施例还公开了一种体声波谐振器10，如图6所示，采用上述体声波谐振器10的制备方法制备而成，包括：衬底11，以及依次设置于衬底11上的压电薄膜层12和顶电极14，衬底11靠近压电薄膜层12的侧面形成有底电极15，底电极15的一侧形成有设置在衬底11内的空腔16。本申请公开的体声波谐振器10，采用上述体声波谐振器10的制备方法制备而成，使得压电薄膜层12具有很好的晶体质量，从而提高体声波谐振器10的性能，使得体声波谐振器10具有较高的Q值和机电转换效率。
以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种体声波谐振器制备方法，其特征在于，包括：
提供衬底，并在所述衬底上沉积压电薄膜层；
通过第一离子注入在所述衬底内形成预设深度的损伤层；
所述压电薄膜层的一侧形成顶电极；
释放所述损伤层形成空腔；
通过第二离子注入在所述压电薄膜层的另一侧形成底电极；
所述通过第一离子注入在所述衬底内形成预设深度的损伤层包括：
在所述压电薄膜层上铺设光刻胶并刻蚀形成第一注入窗口，所述第一注入窗口与所述空腔在所述衬底上的投影重叠；
通过所述第一注入窗口对所述衬底的预设深度处进行所述第一离子注入形成预设厚度的损伤层，其中，所述第一离子注入包括多次离子注入，多次离子注入的注入中心不在同一深度。
2.根据权利要求1所述的体声波谐振器的制备方法，其特征在于，所述衬底为单晶衬底、所述压电薄膜层为单晶压电薄膜层。
3.根据权利要求1所述的体声波谐振器的制备方法，其特征在于，所述通过第二离子注入在所述压电薄膜层的另一侧形成底电极包括：
在所述顶电极上铺设光刻胶并形成第二注入窗口，所述第二注入窗口与所述第一注入窗口重合；
通过所述第二注入窗口对所述压电薄膜层另一侧的衬底材料进行第二离子注入进行掺杂。
4.根据权利要求3所述的体声波谐振器的制备方法，其特征在于，所述第二离子注入的注入能量小于所述第一离子注入的注入能量，所述第二离子注入的注入剂量小于所述第一离子注入的注入剂量。
5.根据权利要求3所述的体声波谐振器的制备方法，其特征在于，所述第一离子注入的注入能量在450keV-10MeV之间，注入剂量在1*1012-8*1018/cm2,注入厚度在80-200nm之间；所述第二离子注入的注入能量在2-400keV之间，注入剂量在1*1015-8*1015/cm2之间。
6.根据权利要求3所述的体声波谐振器的制备方法，其特征在于，所述通过所述第二注入窗口对所述压电薄膜层另一侧的衬底材料进行第二离子注入进行掺杂之后，所述方法还包括：
对掺杂后的所述衬底在600-1200℃之间的退火温度下退火处理。
7.根据权利要求1所述的体声波谐振器的制备方法，其特征在于，所述压电薄膜层的一侧形成顶电极包括：
在所述压电薄膜层上铺设金属材料形成金属层；
对所述金属层图案化形成顶电极。
8.根据权利要求1所述的体声波谐振器的制备方法，其特征在于，所述释放所述损伤层形成空腔包括：
在所述压电薄膜层及所述衬底上形成释放孔；
通过所述释放孔注入刻蚀液，刻蚀液刻蚀所述损伤层形成空腔。
9.一种体声波谐振器，其特征在于，采用权利要求1-8任一项所述的体声波谐振器的制备方法制备而成，包括：衬底，以及依次设置于所述衬底上的压电薄膜层和顶电极，所述衬底靠近所述压电薄膜层的侧面形成有底电极，所述底电极的一侧形成有设置在所述衬底内的空腔。
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