CN211908753U - 利用射频电容优化的硅背刻蚀型单晶薄膜体声波谐振器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种利用射频电容优化的硅背刻蚀型单晶薄膜体声波谐振器，结构包括：第一硅衬底、串联单晶薄膜体声波谐振器、第一电极层、并联单晶薄膜体声波谐振器、第二电极层和第一射频耦合电容，串联单晶薄膜体声波谐振器通过第一电极层与并联单晶薄膜体声波谐振器连接，并联单晶薄膜体声波谐振器通过第二电极层与第一射频耦合电容连接。通过采用第一射频耦合电容能够显著增强体声波滤波器的带外抑制特性，同时，通过第一射频耦合电容与并联单晶薄膜体声波谐振器进行连接，能够有效减少外接电路引入的性能损耗，此外，本实用新型仅仅需要串联单晶薄膜体声波谐振器与并联单晶薄膜体声波谐振器连接在一起即可，不需要形成拓扑结构，降低了制备难度。

Description

利用射频电容优化的硅背刻蚀型单晶薄膜体声波谐振器

技术领域

本实用新型涉及谐振器技术领域，特别涉及一种利用射频电容优化的硅背刻蚀型单晶薄膜体声波谐振器。

背景技术

近年来，随着移动通信服务形式的升级和传输信息量的提升，带来了对工作在高频段(2.5GHz以上)范围内的小体积、低损耗、高品质因数、高带外抑制等性能滤波器的大量需求，FBAR具有体积小、损耗低、可集成、高工作频率和高功率承受能力等优点，是目前唯一可集成的射频前端滤波器，因此FBAR被认为是下一代通讯系统的重要组成部分。

目前主流的采用单晶AlN薄膜制备成的空腔型FBAR存在以下缺陷：(1)将多个FBAR谐振器进行串联与并联形成拓扑结构，但是这种方式在构成高阶滤波器以及高频滤波器时存在插入损耗大，带外抑制差等问题；(2)制备拓扑结构的FBAR难度大，制备工艺复杂，导致制备的成本高。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种利用射频电容优化的硅背刻蚀型单晶薄膜体声波谐振器，解决了现有单晶薄膜体声波谐振器存在的制备难度大、带外抑制差、插入损耗大的问题。

本实用新型通过以下技术方案实现的：

一种利用射频电容优化的硅背刻蚀型单晶薄膜体声波谐振器，包括第一硅衬底、设置在第一硅衬底上的串联单晶薄膜体声波谐振器、第一电极层、并联单晶薄膜体声波谐振器、第二电极层和第一射频耦合电容，所述串联单晶薄膜体声波谐振器通过第一电极层与并联单晶薄膜体声波谐振器连接，所述并联单晶薄膜体声波谐振器通过所述第二电极层与第一射频耦合电容连接，所述串联单晶薄膜体声波谐振器包括第一串联谐振器和第二串联谐振器，所述并联单晶薄膜体声波谐振器包括第一并联谐振器和第二并联谐振器，所述第一射频耦合电容包括第一补偿电容和第二补偿电容。

作为所述利用射频电容优化的硅背刻蚀型单晶薄膜体声波谐振器的进一步可选方案，所述第二串联谐振器、第一并联谐振器和第二并联谐振器分别与第一串联谐振器的组成和结构相同。

作为所述利用射频电容优化的硅背刻蚀型单晶薄膜体声波谐振器的进一步可选方案，所述第一串联谐振器包括第二硅衬底、谐振器底电极、单晶压电薄膜、谐振器顶电极、第二射频耦合电容下电极、二氧化硅介质层、第二射频耦合电容上电极和金属连接件，所述第二硅衬底设置有第一通孔和第二通孔，所述单晶压电薄膜底部设置有与谐振器底电极相匹配的第一凹槽和第二凹槽，所述二氧化硅介质层设置有与谐振器顶电极相匹配的第三凹槽和第四凹槽，设置有与第二射频耦合电容下电极相匹配的第五凹槽，还设置有第三通孔，金属连接件通过第三通孔将谐振器顶电极和第二射频耦合电容上电极连接在一起。

作为所述利用射频电容优化的硅背刻蚀型单晶薄膜体声波谐振器的进一步可选方案，所述第一并联谐振器的顶电极分别与第一串联谐振器和第二串联谐振器的底电极连接，所述第二并联谐振器的顶电极与第二串联谐振器的底电极连接，所述第一补偿电容的上电极与第一并联谐振器的底电极连接，所述第二补偿电容的上电极与第二并联谐振器的底电极连接。

作为所述利用射频电容优化的硅背刻蚀型单晶薄膜体声波谐振器的进一步可选方案，所述二氧化硅介质层的厚度为100nm～3.5μm，所述第二射频耦合电容上电极的厚度为50nm～2μm，所述第二射频耦合电容下电极的厚度为50nm～1um；所述单晶压电薄膜的厚度为500nm～4um。

作为所述利用射频电容优化的硅背刻蚀型单晶薄膜体声波谐振器的进一步可选方案，所述第二硅衬底厚度为575um，谐振器顶电极的厚度为30nm～1um，谐振器底电极的厚度为30nm～1um。

一种第一串联谐振器的制备方法，所述方法包括以下步骤：

步骤S1，在第二硅衬底上生长谐振器底电极；

步骤S2，在步骤S1衬底上图形化底电极金属，沉积单晶压电薄膜；

步骤S3，在所述单晶压电薄膜上溅射或蒸镀谐振器顶电极与第二射频耦合电容下电极；

步骤S4，在步骤S3基础上图形化顶电极，并沉积二氧化硅介质层；

步骤S5，在衬底背面刻蚀形成第一通孔和第二通孔；

步骤S6，在SiO2介质层上制备第二射频耦合电容上电极和第三通孔；

步骤S7，通过蒸镀金属进行电学连接，将谐振器顶电极与第二射频耦合电容上电极连接在一起，完成制备。

作为所述第一串联谐振器的制备方法的进一步可选方案，所述沉积单晶压电薄膜的方法包括PVD、MOCVD、PLD、ALD中的一种或多种结合，所述生长谐振器底电极的方法为磁控溅射，所述沉积二氧化硅介质层的方法为等离子体增强化学气相沉积的方法PECVD。

作为所述第一串联谐振器的制备方法的进一步可选方案，所述第二射频耦合电容上电极为Mo、Pt、Ti和Au中的任意一种金属，所述第二射频耦合电容下电极为Mo、Pt、Ti和Au中的任意一种金属。

本实用新型的有益效果：

本实用新型通过采用第一射频耦合电容能够显著增强体声波滤波器的带外抑制特性，同时，通过第一射频耦合电容与并联单晶薄膜体声波谐振器进行连接，从而将补偿电容电路集成在传统的硅背刻蚀型FBAR体声波谐振器，能够有效减少外接电路引入的性能损耗，解决了传统单晶薄膜体声波谐振器带外抑制差和插入损耗大的问题，此外，本实用新型仅仅需要串联单晶薄膜体声波谐振器与并联单晶薄膜体声波谐振器连接在一起即可，并不需要形成拓扑结构，降低了制备难度，从而降低了制备成本。

附图说明

图1为本实用新型的一种利用射频电容优化的硅背刻蚀型单晶薄膜体声波谐振器组成示意图；

图2为本实用新型的一种利用射频电容优化的硅背刻蚀型单晶薄膜体声波谐振器中第一串联谐振器的组成示意图；

图3为本实用新型的第一串联谐振器中第二硅衬底的组成示意图；

图4为本实用新型的第一串联谐振器中单晶压电薄膜的组成示意图；

图5为本实用新型的第一串联谐振器中二氧化硅介质层的组成示意图；

图6为本实用新型的第一串联谐振器中金属连接件的组成示意图；

图7为本实用新型的一种第一串联谐振器的制备方法流程图。

附图标记说明：1、第一硅衬底；2、第一电极层；3、第二电极层；4、第一串联谐振器；5、第二串联谐振器；6、第一并联谐振器；7、第二并联谐振器；8、第一补偿电容；9、第二补偿电容；10、第二硅衬底；11、谐振器底电极；12、单晶压电薄膜；13、谐振器顶电极；14、第二射频耦合电容下电极；15、二氧化硅介质层；16、第二射频耦合电容上电极；17、金属连接件；18、第一通孔；19、第二通孔；20、第一凹槽；21、第二凹槽；22、第三凹槽；23、第四凹槽；24、第五凹槽；25、第三通孔；26、立柱连接端；27、横柱连接端。

具体实施方式

下面将结合附图以及具体实施例来详细说明本实用新型，在此以本实用新型的示意下面将结合附图以及具体实施例来详细说明本实用新型，在此以本实用新型的示意性实施例及说明用来解释本实用新型，但并不作为对本实用新型的限定。

如图1至图6所示，一种利用射频电容优化的硅背刻蚀型单晶薄膜体声波谐振器，包括第一硅衬底1、设置在第一硅衬底1上的串联单晶薄膜体声波谐振器、第一电极层2、并联单晶薄膜体声波谐振器、第二电极层3和第一射频耦合电容，所述串联单晶薄膜体声波谐振器通过第一电极层2与并联单晶薄膜体声波谐振器连接，所述并联单晶薄膜体声波谐振器通过所述第二电极层3与第一射频耦合电容连接，所述串联单晶薄膜体声波谐振器包括第一串联谐振器4和第二串联谐振器5，所述并联单晶薄膜体声波谐振器包括第一并联谐振器6和第二并联谐振器7，所述第一射频耦合电容包括第一补偿电容8和第二补偿电容9。

具体的，本实施例方案中，所述第二串联谐振器5、第一并联谐振器6和第二并联谐振器7分别与第一串联谐振器4的组成和结构相同。

具体的，本实施例方案中，所述第一串联谐振器4包括第二硅衬底10、谐振器底电极11、单晶压电薄膜12、谐振器顶电极13、第二射频耦合电容下电极14、二氧化硅介质层15、第二射频耦合电容上电极16和金属连接件17，所述第二硅衬底10设置有第一通孔18和第二通孔19，所述单晶压电薄膜12底部设置有与谐振器底电极11相匹配的第一凹槽20和第二凹槽21，所述二氧化硅介质层15设置有与谐振器顶电极13相匹配的第三凹槽22和第四凹槽24，设置有与第二射频耦合电容下电极14相匹配的第五凹槽24，还设置有第三通孔25，金属连接件17通过第三通孔25将谐振器顶电极13和第二射频耦合电容上电极16连接在一起；

需要说明的是，所述第一通孔18和第二通孔19横截面为梯形，所述第一凹槽20设置在与第一通孔18相对应的位置，所述第二凹槽21设置在与第二通孔19相对应的位置，所述第三凹槽22设置在与第一凹槽20相对应的位置，所述第四凹槽23设置在与第二凹槽21相对应的位置，所述第五凹槽24设置在第三凹槽22和第四凹槽23之间，所述第二射频耦合电容上电极16设置在第五凹槽24相对应的位置；此外，所述金属连接件17包括立柱连接端26和横柱连接端27，所述立柱连接端26通过插入第三通孔25与谐振器顶电极13连接，所述横柱连接端27贴合二氧化硅介质层15与第二射频电容上电极16连接。

具体的，本实施例方案中，所述第一并联谐振器6的顶电极分别与第一串联谐振器4和第二串联谐振器5的底电极连接，所述第二并联谐振器7的顶电极与第二串联谐振器5的底电极连接，所述第一补偿电容8的上电极与第一并联谐振器6的底电极连接，所述第二补偿电容9的上电极与第二并联谐振器7的底电极连接。

具体的，本实施例方案中，所述二氧化硅介质层15的厚度为100nm～3.5μm，所述第二射频耦合电容上电极16的厚度为50nm～2μm，所述第二射频耦合电容下电极14的厚度为50nm～1um；所述单晶压电薄膜12的厚度为500nm～4um。

具体的，本实施例方案中，所述第二硅衬底10厚度为575um，谐振器顶电极13的厚度为30nm～1um，谐振器底电极11的厚度为30nm～1um。

在本实施例中，通过采用第一射频耦合电容能够显著增强体声波滤波器的带外抑制特性，同时，通过第一射频耦合电容与并联单晶薄膜体声波谐振器进行连接，从而将补偿电容电路集成在传统的硅背刻蚀型FBAR体声波谐振器，能够有效减少外接电路引入的性能损耗，解决了传统单晶薄膜体声波谐振器带外抑制差和插入损耗大的问题，此外，本实用新型仅仅需要串联单晶薄膜体声波谐振器与并联单晶薄膜体声波谐振器连接在一起即可，并不需要形成拓扑结构，降低了制备难度，从而降低了制备成本。

需要说明的是，第一串联谐振器4、第二串联谐振器5、第一并联谐振器6、第二并联谐振器7、第一补偿电容8和第二补偿电容9按照频率设定要求具有特定的面积比例；谐振器顶电极13、单晶压电薄膜12和谐振器底电极11共同构成压电震荡三明治结构，通过构成三明治结构能够进一步减少外接电路引入的性能损耗，同时，通过采用单晶压电薄膜12，能够更好地更适用于5G频段。

如图7所示，一种第一串联谐振器的制备方法，所述方法包括以下步骤：

步骤S1，在第二硅衬底10上生长谐振器底电极11；

步骤S2，在步骤S1衬底上图形化底电极金属11，沉积单晶压电薄膜12；

步骤S3，在所述单晶压电薄膜12上溅射或蒸镀谐振器顶电极13与第二射频耦合电容下电极14；

步骤S4，在步骤S3基础上图形化顶电极13，并沉积二氧化硅介质层15；

步骤S5，在第二硅衬底10背面刻蚀形成第一通孔18和第二通孔19；

步骤S6，在SiO2介质层15上制备第二射频耦合电容上电极16和第三通孔25；

步骤S7，通过蒸镀金属进行电学连接，将谐振器顶电极13与第二射频耦合电容上电极16连接在一起，完成制备。

具体的，本实施例方案中，所述沉积单晶压电薄膜的方法包括PVD、MOCVD、PLD、ALD中的一种或多种结合，所述生长谐振器底电极的方法为磁控溅射，所述沉积二氧化硅介质层的方法为等离子体增强化学气相沉积的方法PECVD。

具体的，本实施例方案中，所述第二射频耦合电容上电极为Mo、Pt、Ti和Au中的任意一种金属，所述第二射频耦合电容下电极为Mo、Pt、Ti和Au中的任意一种金属。

第一串联谐振器的制备方法的实施例1：

(1)选用高阻Si衬底作为外延衬底，对外延衬底进行酸洗以及有机清洗，使衬底表面清洁，在衬底上溅射或蒸镀金属Mo电极，电极厚度为300nm；

(2)对Mo金属电极进行光刻，图形化衬底得到不规则五边形的底电极，在其上利用PLD技术溅射2um单晶AlN压电薄膜；

(3)在单晶AlN压电薄膜之上继续沉积谐振器金属顶电极；

(4)对谐振器背面利用ICP进行深硅刻蚀；

(5)在压电层上方利用溅射以及蒸镀的方法制备FBAR谐振器金属Mo顶电极以及电容器下电极，电极材料为金属Mo，制备方法为PVD磁控溅射；

(6)继续制备谐振器顶电极上方的介质层，介质层厚度为2um。并制备利用PVD磁控溅射制备金属Mo电容上电极；

(7)利用ICP刻蚀技术刻蚀电极连接通孔，并通过蒸镀金属进行电学连接。

以上对本实用新型实施例所提供的技术方案进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本实用新型实施例的原理以及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只适用于帮助理解本实用新型实施例的原理；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本实用新型实施例，在具体实施方式以及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本实用新型的限制。

Claims (6)

1.一种利用射频电容优化的硅背刻蚀型单晶薄膜体声波谐振器，其特征在于，包括第一硅衬底(1)、设置在第一硅衬底(1)上的串联单晶薄膜体声波谐振器、第一电极层(2)、并联单晶薄膜体声波谐振器、第二电极层(3)和第一射频耦合电容，所述串联单晶薄膜体声波谐振器通过第一电极层(2)与并联单晶薄膜体声波谐振器连接，所述并联单晶薄膜体声波谐振器通过所述第二电极层(3)与第一射频耦合电容连接，所述串联单晶薄膜体声波谐振器包括第一串联谐振器(4)和第二串联谐振器(5)，所述并联单晶薄膜体声波谐振器包括第一并联谐振器(6)和第二并联谐振器(7)，所述第一射频耦合电容包括第一补偿电容(8)和第二补偿电容(9)。

2.根据权利要求1所述的一种利用射频电容优化的硅背刻蚀型单晶薄膜体声波谐振器，其特征在于：所述第二串联谐振器(5)、第一并联谐振器(6)和第二并联谐振器(7)分别与第一串联谐振器(4)的组成和结构相同。

3.根据权利要求2所述的一种利用射频电容优化的硅背刻蚀型单晶薄膜体声波谐振器，其特征在于：所述第一串联谐振器(4)包括第二硅衬底(10)、谐振器底电极(11)、单晶压电薄膜(12)、谐振器顶电极(13)、第二射频耦合电容下电极(14)、二氧化硅介质层(15)、第二射频耦合电容上电极(16)和金属连接件(17)，所述第二硅衬底(10)设置有第一通孔(18)和第二通孔(19)，所述单晶压电薄膜(12)底部设置有与谐振器底电极(11)相匹配的第一凹槽(20)和第二凹槽(21)，所述二氧化硅介质层(15)设置有与谐振器顶电极(13)相匹配的第三凹槽(22)和第四凹槽(23)，设置有与第二射频耦合电容下电极(14)相匹配的第五凹槽(24)，还设置有第三通孔(25)，金属连接件(17)通过第三通孔(25)将谐振器顶电极(13)和第二射频耦合电容上电极(16)连接在一起。

4.根据权利要求3所述的一种利用射频电容优化的硅背刻蚀型单晶薄膜体声波谐振器，其特征在于：所述第一并联谐振器(6)的顶电极分别与第一串联谐振器(4)和第二串联谐振器(5)的底电极连接，所述第二并联谐振器(7)的顶电极与第二串联谐振器(5)的底电极连接，所述第一补偿电容(8)的上电极与第一并联谐振器(6)的底电极连接，所述第二补偿电容(9)的上电极与第二并联谐振器(7)的底电极连接。

5.根据权利要求4所述的一种利用射频电容优化的硅背刻蚀型单晶薄膜体声波谐振器，其特征在于：所述二氧化硅介质层(15)的厚度为100nm～3.5μm，所述第二射频耦合电容上电极(16)的厚度为50nm～2μm，所述第二射频耦合电容下电极(14)的厚度为50nm～1um；所述单晶压电薄膜(12)的厚度为500nm～4um。

6.根据权利要求5所述的一种利用射频电容优化的硅背刻蚀型单晶薄膜体声波谐振器，其特征在于：所述第二硅衬底(10)厚度为575um，谐振器顶电极(13)的厚度为30nm～1um，谐振器底电极(11)的厚度为30nm～1um。

Images