CN212012591U - 一种基于铌酸锂的空气隙型剪切波谐振器 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种基于铌酸锂的空气隙型剪切波谐振器。该谐振器包括硅衬底、氧化硅保护层、硅腔、铌酸锂压电材料及顶部电极；硅衬底的上表面向内凹陷形成凹槽，氧化硅保护层沉积在凹槽的侧壁和底面；所述硅衬底与铌酸锂压电材料连接，所述铌酸锂压电材料覆盖在凹槽的上方，形成硅腔；所述铌酸锂压电材料上设有通孔，使硅腔与外界相通。空气隙型剪切波谐振器的压电材料由离子注入和键合工艺制备，压电材料下方的空气腔通过牺牲层释放的方法获得。与背硅刻蚀型的剪切波谐振器相比，该方法制备的剪切波谐振器机械强度高，步骤简单，提高了谐振器器件的良率，由于铌酸锂机电耦合系数高。该方法能应用于高频宽带、低损耗滤波器的制造。
Description
技术领域
本实用新型涉及薄膜体声波谐振器技术领域，具体涉及基于铌酸锂的空气隙型剪切波谐振器。
背景技术
目前薄膜体声波滤波器已经大规模应用于5G滤波器，但是基于氮化铝的薄膜体声波滤波器仍然存在着各种各样的缺陷。氮化铝理论的最大机电耦合系数仅仅只有6%左右，因此基于氮化铝的薄膜体声波滤波器不适合应用于宽带滤波器。而且在种子层材料上面很难生长高质量、低缺陷的氮化铝晶体材料。由于铌酸锂的机电耦合系数远远高于氮化铝，因此可以利用铌酸锂剪切波谐振器来制备高频宽带滤波器。但是目前铌酸锂剪切波谐振器的制备方法基本上是基于背硅刻蚀，Plessky（Electronics Letters, 2018, 55(2): 98-100）等就直接在硅衬底表面制备铌酸锂谐振器，然后利用二氟化氙刻蚀硅衬底，由于这种基于化学反应的刻蚀方法具有各向同性，因此会引起硅衬底的横向过多刻蚀，同时贯穿硅衬底的空腔也会严重降低谐振器的机械强度以及器件的可靠性，因此利用这种方法制备的器件良率较低。
实用新型内容
为了克服现有技术存在的上述不足，本实用新型的目的是提供一种基于铌酸锂的空气隙型剪切波谐振器。
本实用新型的目的至少通过如下技术方案之一实现。
基于此，本实用新型提出了一种基于铌酸锂的空气隙型剪切波谐振器，通过对电极尺寸、叉指电极间距、压电材料尺寸等方面的优化设计，使得铌酸锂谐振器形成剪切波谐振，同时减少了横向振动模式的干扰。首先在高阻硅片表面先后沉积保护层、牺牲层材料，然后将硅片化学机械抛光。通过离子注入与晶圆键合的方法，将铌酸锂薄膜转移到该抛光的高阻硅片上面，然后利用剥离工艺在铌酸锂薄膜表面溅射金属叉指电极。最后利用干法刻蚀或者湿法腐蚀的办法去掉牺牲层。
本实用新型提供了一种基于铌酸锂的空气隙型剪切波谐振器。所述谐振器由顶部叉指电极、铌酸锂压电材料组成。其中铌酸锂压电材料与底部的保护层共同形成空气腔。本实用新型提供的基于铌酸锂的空气隙型剪切波谐振器仅有顶电极没有底电极，谐振器由压电材料铌酸锂、顶电极组成。其中压电材料位于空气腔上方。
本实用新型提供的一种基于铌酸锂的空气隙型剪切波谐振器，包括硅衬底、氧化硅保护层、硅腔、铌酸锂压电材料及顶部电极；所述硅衬底的上表面向内凹陷形成凹槽，所述氧化硅保护层沉积在凹槽的侧壁和底面；所述铌酸锂压电材料覆盖在凹槽的上方，形成硅腔；所述铌酸锂压电材料上设有通孔，该通孔用来释放牺牲层材料；所述铌酸锂压电材料上表面与顶部电极连接。
进一步地，所述顶部电极为Pt、Mo、W、Ti、Al、Au、Ag等中的一种；所述顶电极厚度为60 nm-700 nm。
优选地，所述顶部电极为Pt、Mo、Ag、Al、Au中的一种。
进一步地，所述氧化硅保护层的厚度为1μm-3μm。
优选地，所述衬底为单面抛光高阻硅晶圆。
进一步地，所述铌酸锂压电材料为Z切向或者Y切向。
进一步地，所述铌酸锂压电材料（压电层）的厚度为100 nm-5μm。
进一步地，所述顶部电极为叉指电极，且正负叉指电极交替排列；相邻的叉指电极的间距为500 nm-5μm，所述顶部电极的宽度为500 nm-3 μm，顶部电极的长度为48 μm-300μm。
进一步地，所述硅腔（空气腔）的深度为2μm-30μm。
进一步地，相邻的顶部电极的间距大于铌酸锂压电材料的厚度。
上述的基于铌酸锂的空气隙型剪切波谐振器的制备方法，包括如下步骤：
（1）清洗硅衬底，干燥；
（2）利用电感耦合等离子体或者反应离子刻蚀的办法在所述硅衬底的上表面制备凹槽；
（3）在步骤（2）所述凹槽的底面和侧壁上沉积氧化硅保护层，然后在氧化硅保护层的表面沉积牺牲层；对牺牲层进行化学机械抛光，控制抛光后晶圆的均方根粗糙度小于0.5nm；
（4）首先对铌酸锂晶体进行离子注入，利用离子注入、键合的方法将铌酸锂压电材料（铌酸锂压电薄膜）转移（键合）到硅衬底的上表面，退火；
（5）在所述铌酸锂压电材料的表面制备顶部电极（叉指电极），在铌酸锂压电材料上打通孔，所述通孔位于顶部电极区域外；
（6）利用湿法腐蚀或者干法腐蚀对牺牲层进行释放，得到所述基于铌酸锂的空气隙型剪切波谐振器。
进一步地，步骤（2）所述制备凹槽的方法为电感耦合等离子体办法或者反应离子刻蚀办法；步骤（3）中，抛光的方法为化学机械抛光，抛光后的牺牲层的粗糙度小于0.5nm；步骤（3）所述牺牲层为氧化硅、磷硅玻璃、多晶硅、有机聚合物、金属材料中的一种以上。
优选地，步骤（3）所述牺牲层的材料为利用等离子体增强化学气相沉积制备的多晶硅。
与现有技术相比，本实用新型具有如下优点和有益效果：
（1）本实用新型所提供的制备方法中，通过首先引入牺牲层后释放的方法，从而使得刻蚀的区域限制在填充牺牲层的部分，避免了背硅刻蚀时的横向腐蚀，进而提高了谐振器的机械强度与可靠性，同时提高了产品的良率，有望应用于谐振器的大规模制造；
（2）本实用新型提供的制备方法，通过优化设计电极的尺寸、电极间距、铌酸锂压电材料的厚度，以及选择合适的晶体切向，减小了横向传播的兰姆波寄生模式的影响，使得谐振器仅工作在剪切波模式下，因此提高了谐振器的品质因数。
附图说明
图1为实施例1最终制备的铌酸锂剪切波谐振器的剖视图；
图2为实施例1化学机械抛光后的硅衬底；
图3为实施例1铌酸锂晶体进行离子注入的示意图；
图4为实施例1铌酸锂晶体与硅衬底进行键合的示意图；
图5为实施例1牺牲层释放的示意图。
具体实施方式
以下结合实例对本实用新型的具体实施作进一步说明，但本实用新型的实施和保护不限于此。需指出的是，以下若有未特别详细说明之过程，均是本领域技术人员可参照现有技术实现或理解的。
实施例1
本实施例提供了一种基于铌酸锂的空气隙型剪切波谐振器，如图1所示，所述滤波器包括硅衬底101、氧化硅保护层102、硅腔107、铌酸锂压电材料104、顶部电极105、通孔106。
所述顶电极为金属材料铝，压电材料为Z切向的铌酸锂。
顶电极厚度为100 nm，宽度为500 nm，长度为160 um，电极间距为5 um，压电材料铌酸锂厚度为400 nm。为了使得铌酸锂谐振器仅工作在剪切波模式，电极的间距必须远远大于压电材料的厚度。
本实施例还提供了一种制备如上所述的铌酸锂剪切波谐振器的方法，包括以下步骤：
（1）选用(111)晶面高阻Si做为衬底，然后先后用丙酮超声清洗、硫酸和过氧化氢混合溶液清洗并干燥。
（2）利用电感耦合等离子体刻蚀上述晶圆形成硅腔，硅腔的深度约为3 um。
（3）如图2所示，利用热氧化的方法制备一层1 um厚的氧化硅保护层102，利用等离子体增强化学气相沉积的方法在硅腔中沉积5 um厚的多晶硅103，然后利用等离子体刻蚀的方法刻蚀掉硅腔周围的多晶硅，最后将硅衬底抛光至牺牲层与周围硅表面齐平。硅片的均方根粗糙度必须小于0.5 nm。
（4）如图3所示，利用He+对铌酸锂104进行离子注入，离子的能量为380 KeV，注入时间为7小时。注入过程中用银胶将铌酸锂与支架粘牢。
（5）如图4所示，将上述铌酸锂晶体与抛光后的硅衬底直接键合，然后在高温下退火。
（6）由于离子注入后的铌酸锂会在高温下释放氦气，因此离子注入部分与未注入部分的铌酸锂晶体会发生断裂，去掉多余的铌酸锂晶体。
（7）首先将铌酸锂薄膜沉积光刻胶，然后光刻、显影，接着利用磁控溅射的方法沉积金属铝，然后将上述器件置于去胶液中。
（8）如图5所示，在铌酸锂晶体中打通孔106，需要注意通孔必须位于顶电极区域以外。然后利用二氟化氙刻蚀牺牲层103，为了保护牺牲层周边硅衬底免受腐蚀，因此在牺牲层周围沉积一层二氧化硅保护层102。牺牲层释放后即可形成空气腔107。
以上实施例仅为本实用新型较优的实施方式，仅用于解释本实用新型，而非限制本实用新型，本领域技术人员在未脱离本实用新型精神实质下所作的改变、替换、修饰等均应属于本实用新型的保护范围。
Claims (8)
1.一种基于铌酸锂的空气隙型剪切波谐振器，其特征在于，包括硅衬底、氧化硅保护层、硅腔、铌酸锂压电材料及顶部电极；所述硅衬底的上表面向内凹陷形成凹槽，所述氧化硅保护层沉积在凹槽的侧壁和底面；所述硅衬底与铌酸锂压电材料连接，所述铌酸锂压电材料覆盖在凹槽的上方，形成硅腔；所述铌酸锂压电材料上设有通孔，使硅腔与外界相通；所述铌酸锂压电材料上表面与顶部电极连接。
2.根据权利要求1所述的基于铌酸锂的空气隙型剪切波谐振器，其特征在于，所述顶部电极为Pt、Mo、Ag、Al、Au中的一种；所述顶部电极厚度为60 nm-700 nm。
3.根据权利要求1所述的基于铌酸锂的空气隙型剪切波谐振器，其特征在于，所述氧化硅保护层的厚度为1μm-3μm。
4.根据权利要求1所述的基于铌酸锂的空气隙型剪切波谐振器，其特征在于，所述铌酸锂压电材料为Z切向或者Y切向。
5.根据权利要求1所述的基于铌酸锂的空气隙型剪切波谐振器，其特征在于，所述铌酸锂压电材料的厚度为100 nm-5μm。
6.根据权利要求1所述的基于铌酸锂的空气隙型剪切波谐振器，其特征在于，所述顶部电极为叉指电极，且正负电极交替排列；相邻叉指电极的间距为500 nm-5μm，所述顶部电极的宽度为500 nm-3μm，顶部电极的长度为48 μm-300μm。
7.根据权利要求1所述的基于铌酸锂的空气隙型剪切波谐振器，其特征在于，所述硅腔的深度为2μm-30μm。
8.根据权利要求1所述的基于铌酸锂的空气隙型剪切波谐振器，其特征在于，相邻的顶部电极的间距大于铌酸锂压电材料的厚度。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |