CN207926539U - 一种采用压电单晶箔的固贴型薄膜体声波谐振器 - Google Patents

Abstract

本实用新型的目的是提供一种采用压电单晶箔制作固贴型薄膜体声波谐振器的技术方案，所述压电单晶箔固贴型薄膜体声波谐振器由具有布拉格声波反射结构层的衬底，上下金属电极夹持压电体形成的三明治有源结构组成，所述压电体是压电单晶箔。本实用新型的优点有：1.压电单晶箔，晶体完整性未被破坏，为完美单晶；2.可以自由选择晶体及其晶向，优化器件性能；3.可以自由选择衬底材料，优化器件性能。

Description

一种采用压电单晶箔的固贴型薄膜体声波谐振器

技术领域

本实用新型属于射频滤波器领域，具体涉及一种固贴型薄膜体声波谐振器。

背景技术

石英晶振元件，是一种基于石英晶体压电/逆压电特性的体声波元件，在电路频率源中得到广泛应用。由于石英晶振元件的谐振频率与石英晶体的厚度成反比，目前其谐振频率最高仅为数十兆赫兹（MHz），无法满足现代无线电频谱的急剧延伸需求。

采用压电基片上的平面金属叉指换能器和金属反射栅阵，激发和接收声表面波，将提升器件谐振频率的方法，由纵向结构厚度减薄转换为横向结构提高电极分辨率。借助于成熟的微电子工艺技术，声表面波石英谐振器的谐振频率提升到数百兆赫兹。

换能效率更高的压电材料（如铌酸锂（LiNbO3，LN）和钽酸锂（LiTaO3，LT））基片的应用和声表面波谐振滤波器的发明，声表面波谐振器和声表面波谐振滤波器得到快速发展，工作频率又延伸到数千兆赫兹，已成为现代高频通信电路的标准频率元件。

同样，声表面波器件的工作频率与其叉指换能器金属电极的周期成反比，限于压电基片工艺，千兆赫兹级声表面波器件性价比下降，无法跟上现代通信频段高频化的步伐。

由于微电子薄膜技术的快速进展，薄膜体声波器件又成为各国努力发展的新型滤波元器件。薄膜体声波谐振器（Film Bulk Acoustic Wave Resonator，FBAR）是采用压电薄膜代替天然单晶压电超薄基片的体声波谐振器，其谐振腔基本结构是一人造压电薄膜夹在两金属电极间的三明治结构，由于压电薄膜的（逆）压电效应，对外界电激励产生谐振，其谐振频率主要与压电薄膜厚度成反比，也与三明治结构其他各层特性和厚度有关。

目前成熟的FBAR器件结构分为隔膜（membrane）型和固贴（Solidly Mounded )型薄膜体声波谐振器两大类。

隔膜型FBAR，其特点是三明治谐振腔外两面都是空气，满足理想全反射状态。其结构又可分为：空气桥、背孔和地室三种。

固贴型FBAR，又简称SMR（Solidly Mounded Resonator)，其特点是三明治谐振腔外一面是空气，而另一面是布拉格声波反射结构层。布拉格声波反射结构层由多个（厚度为四分之一波长）高低声速介质层交替组合构成，其特性近似于真空全反射。由于反射结构层与压电薄膜同时生长，器件工艺简单，机械特性好，可靠性优，但由于反射结构有损耗，其优值要差一些。

目前商用的FBAR所用的人造压电薄膜，主要为氮化铝（AlN）和氧化锌（ZnO）薄膜，都是在图形化硅衬底上采用物理或化学气相淀积技术生长的，应用最广的是磁控溅射工艺。目前所生成的压电薄膜是具有一定取向的单晶或强织构多晶薄膜，尚不能自由选择压电薄膜的晶向来优化器件性能。

近年来，由于晶片减薄技术的推进，由人工拉制的压电晶体棒直接制作的大尺寸超薄铌酸锂、钽酸锂和石英等超薄压电晶片已批量用于高频声表面波器件”。

以下，专用“单晶箔（crystal foil，CF）”一词，特指由单晶棒加工形成的超薄片状单晶，其厚度小于100 um。为实际应用，单晶箔都要与衬底键合成复合基片。

目前，单晶箔可批量成型技术主要有两种：晶体离子切片（crystal ion slicing，CIS）方法和机械减薄方法，都已开始应用于器件制作。

离子切片法，其原理是利用高能离子垂直注入铌酸锂、钽酸锂等单晶厚基片，使在单晶厚基片内离表面一定深度处形成一个注入离子高浓度层，这层离子高浓度层的某种物化特性与未注入处或浓度较低处的物化特性有较明显不同（又称内埋变性层）。在前期工艺完成后，采用一种应力对此厚晶片处理，使厚晶片在内埋变性层处断裂，获得超薄晶片（单晶箔）。箔的厚度由注入所得离子高浓度层深度决定，它与注入离子种类、注入剂量、退火等工艺参数等有关。

离子切片法的制作工序:首先采用大剂量离子注入机，对较厚的单晶片正面注入离子，使在厚晶片表面下方一定距离处形成一个内埋变性层。将衬底抛光表面与较厚单晶片面对面键合，形成复合基片。在前期工艺完成后，采用一种应力对此复合基片处理，使复合基片在内埋变性层处断裂，获得附着在衬底上的单晶箔。

切片法的特点是：易于制作数十纳米到数微米厚度的特超薄箔，但离子注入对晶体结构完整性损伤大，箔的单晶特性会受明显影响。

机械减薄法，是传统技术的改进，首先制作原始单晶片与衬底的复合基片，然后将原始单晶片面向下，减薄抛光直到单晶片厚度满足设计要求为止。其关键技术是衬底、原始压电单晶片和键合层以及加工设备的大尺寸均匀性。由于机械研磨和抛光设备与技术的进步，目前制作十微米以下厚度的大尺寸超薄单晶箔问题不大，其特点正好与离子切片法相反：易于制作数微米以上厚度的超薄单晶箔，而且不会对箔的单晶特性造成损伤。

发明内容

采用已有的单晶箔成型技术，结合现有固贴型FBAR生产技术，本实用新型的目的是提供一种采用压电单晶箔固贴型薄膜体声波谐振器的技术方案，所述压电单晶箔固贴型薄膜体声波谐振器由具有布拉格声波反射结构层的衬底，上下金属电极夹持压电体形成的三明治有源结构组成，所述压电体是压电单晶箔。

作为优选，所述压电单晶箔是指由人工拉制的压电单晶棒直接制作的。

作为优选，所述压电单晶选自石英、钽酸锂、铌酸锂、四硼酸锂、锗酸铋、硅酸铋、硅酸镓镧系列、正磷酸铝或铌酸钾实用压电单晶体。

作为优选，所述衬底选自硅、石英、碳化硅、三氧化二铝、蓝宝石或金刚石。

作为优选，所述压电单晶体为压电单晶圆片。

与现有技术相比，本实用新型具有以下有益效果：

1. 压电单晶箔，晶体完整性未被破坏，为完美单晶；

2. 可以自由选择晶体及其晶向，优化器件性能；

3. 可以自由选择衬底材料，优化器件性能；

以下称本实用新型的器件简称为CFBAR。

附图说明

图1 本实用新型提供的CFBAR结构示意图；

图2 CFBAR实施例一工艺流程1衬底硅片：清洗，淀积布拉格声波反射结构层；

图3 CFBAR实施例一工艺流程2原始压电单晶片：清洗，制作下电极；

图4 CFBAR实施例一工艺流程3原始压电单晶片：制作钝化层，并平面化表面；

图5 CFBAR实施例一工艺流程4原始压电单晶片与衬底硅片面对面键合，形成复合基片；

图6 CFBAR实施例一工艺流程5采用机械减薄方法获得压电单晶箔；

图7 CFBAR实施例一工艺流程6光刻腐蚀形成有源区，及下电极引出电极；

图8 CFBAR实施例一工艺流程7制作上电极及其引出电极；

图9 CFBAR实施例一工艺流程2a原始压电单晶片：清洗，离子注入；

图10 CFBAR实施例一工艺流程2b原始压电单晶片：制作下电极；

图11 CFBAR实施例二工艺流程5a采用CIS方法获得压电单晶箔。

其中,1-上电极, 2-压电单晶箔,3-下电极,4-布拉格声波反射结构层,5-衬底,6-压电单晶片,7-钝化层,8-引出电极,9-内生变性层,61-去除的压电单晶片。

具体实施方式

下面结合附图详细说明本实用新型的具体实施方式。

采用本实用新型的CFBAR实施例一，CFBAR器件结构示意于图1，系目前通用技术的固贴型薄膜体声波谐振器。所述压电单晶箔固贴型薄膜体声波谐振器由具有布拉格声波反射结构层4的衬底5，上下金属电极1，3夹持压电体形成的三明治有源结构组成，所述压电体是压电单晶箔2。所述压电单晶箔是指由人工拉制的压电单晶棒直接制作的。

器件优选采用硅片作为衬底。器件所用压电单晶体，根据器件使用要求，一般为铌酸锂、钽酸锂或石英等常用材料，因为这些压电单晶批量生产，性价比好。电极金属一般采用钼、金等重密度金属。

实施例一的制作工序如图2~图8示，属于常规微电子工艺技术。本实用新型采用了两个同尺寸单面抛光的晶圆片：硅衬底片和压电单晶片，并以抛光面为正面。

图2为CFBAR实施例一工艺流程1：对衬底硅圆片5清洗，淀积布拉格声波反射结构层4。

图3为CFBAR实施例一工艺流程2：对原始压电单晶圆片6清洗后，正面淀积金属膜、光刻腐蚀制作下电极3。

图4为CFBAR实施例一工艺流程3：在原始压电单晶片6正面淀积钝化层7，一般为SiO₂介质膜。钝化层厚度大于已有电极厚度，故需要采用化学机械方法平面化表面，使露出的电极表面与钝化层表面一样平整。

图5为CFBAR实施例一工艺流程4：将原始压电单晶片6与衬底硅片5正面对正面键合，形成复合基片。键合工艺为已知标准微电子工艺，其键合参数应仔细调整，来适应压电单晶基片的应力敏感特性，如降低温度梯度、减小压电效应和热释电效应影响等。

图6为CFBAR实施例一工艺流程5：机械减薄压电晶体侧获得单晶箔2。采用高精度磨抛设备和技术获得压电箔结构，压电单晶箔的厚度应满足设计要求。基于硅片厚度，键合层厚度值，检验压电单晶箔的厚度及其均匀度。

图7为CFBAR实施例一工艺流程6：套刻腐蚀形成有源区台面，套刻淀积剥离工艺制作下电极3和引出电极8。

图8为CFBAR实施例一工艺流程7：套刻淀积剥离工艺制作上电极及其引出电极。

上述采用本实用新型的CFBAR实施例一，压电单晶薄片的成型工艺采用了机械减薄方法。

下述采用本实用新型的CFBAR实施例二，所举例器件结构完全等同于实施例一，只是压电单晶箔的成型工艺采用晶体离子切片（CIS）方法。

实现实施例二器件的制作工序，与实施例一的基本相同，只是要修改工序2和工序5，其余通用，当然在相应工序图中，经受离子注入后的原始压电单晶片，可标记出内埋变性层。下面将需修改的工序详细说明。

图9为CFBAR实施例二工艺流程2a：对原始压电单晶圆片6清洗后，圆片正面进行离子注入工艺，形成内埋变性层9。内埋变性层的深度应满足设计要求。

图10为CFBAR实施例二工艺流程2b：在原始压电单晶圆片6正面淀积金属膜、光刻腐蚀制作下电极3。

图11为CFBAR实施例二工艺流程5a：采用前述的离子切片方法，采用物理（热）或化学应力使复合基片在内埋变性层处断裂，获得压电单晶箔2结构。

虽然本实用新型通过实施例进行了描述，但实施例并非用来限定本实用新型。本领域技术人员可在本实用新型的精神的范围内，做出各种变形和改进，但同样均在本实用新型的保护范围之内。因此本实用新型的保护范围应当以本申请的权利要求保护范围所界定的为准。

Claims (4)

1.一种固贴型薄膜体声波谐振器，由具有布拉格声波反射结构层的衬底，上下金属电极夹持压电体形成的三明治有源结构组成，其特征是：所述压电体是压电单晶箔。

2.根据权利要求1所述的固贴型薄膜体声波谐振器，其特征在于：所述压电单晶选自石英、钽酸锂、铌酸锂、四硼酸锂、锗酸铋、硅酸铋、硅酸镓镧系列、正磷酸铝或铌酸钾实用压电单晶体。

3.根据权利要求1所述的固贴型薄膜体声波谐振器，所述衬底选自硅、石英、碳化硅、三氧化二铝、蓝宝石或金刚石。

4.根据权利要求1所述的固贴型薄膜体声波谐振器，其特征在于：所述压电单晶体为压电单晶圆片。