一種新型薄膜體聲波諧振器及其制備方法
【專利摘要】本發(fā)明屬于射頻微機(jī)電系統(tǒng)技術(shù)領(lǐng)域，具體提供一種新型薄膜體聲波諧振器及其制備方法；所述薄膜體聲波諧振器包括襯底、依次設(shè)置在襯底上的底電極、壓電層及頂電極，所述襯底上開(kāi)設(shè)有凹槽，襯底上表面及凹槽內(nèi)設(shè)置低聲阻抗層，所述底電極、壓電層及頂電極均設(shè)置于所述低聲阻抗層上，所述底電極為由低聲阻抗層上依次層疊的高電導(dǎo)率電極層和高聲阻抗電極層構(gòu)成的復(fù)合底電極。本發(fā)明提供一種新型薄膜體聲波諧振器及其制備方法，該諧振器性能優(yōu)良，制備工藝難度和復(fù)雜度均極大簡(jiǎn)化，顯著提高薄膜體聲波諧振器生產(chǎn)合格率，大大降低生產(chǎn)成本、縮短生產(chǎn)周期，有利于工業(yè)化生產(chǎn)，對(duì)拓寬應(yīng)用領(lǐng)域有著極其重要的意義。
【專利說(shuō)明】
一種新型薄膜體聲波諧振器及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明屬于射頻微機(jī)電系統(tǒng)技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種新型薄膜體聲波諧振器及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 薄膜體聲波諧振器是一種基于壓電技術(shù)的元器件，該諧振器的尺寸極小，比單純以電磁波為傳播信號(hào)的元器件尺寸小4?5個(gè)數(shù)量級(jí);插損小，Q值高，可達(dá)1000以上;工作頻率高，可承受的功率容量比聲表面波器件更大;并且可以與CMOS工藝兼容，鑒于以上優(yōu)點(diǎn)薄膜體聲波諧振器技術(shù)迅速占領(lǐng)了射頻通信市場(chǎng)，在傳感器領(lǐng)域，如生化檢測(cè)、紫外線檢測(cè)等也有著廣闊的應(yīng)用前景。
[0003] 薄膜體聲波諧振器的核心結(jié)構(gòu)是電極-壓電層-電極構(gòu)成的“三明治”結(jié)構(gòu)，其工作原理就是利用壓電層的逆壓電效應(yīng)將電能轉(zhuǎn)化成機(jī)械能，機(jī)械振動(dòng)在薄膜中激勵(lì)起聲波進(jìn)行傳輸，最終通過(guò)壓電效應(yīng)將聲信號(hào)再轉(zhuǎn)化成電信號(hào)輸出。對(duì)于諧振器來(lái)說(shuō)最重要的部分除了保證壓電層的壓電性能以外還要保證將聲波的能量限制在壓電層當(dāng)中，根據(jù)限制聲波的方式將薄膜體聲波諧振器分為三類：
[0004] 其一為硅背刻蝕型，其結(jié)構(gòu)如圖2所示，其工作原理為聲波在底電極或者支撐層和空氣的交界面上發(fā)生反射;該結(jié)構(gòu)從硅襯底背面將其掏空形成空氣界面，若制備濾波器則需要采用很多的諧振器，會(huì)造成襯底背面掏空的面積過(guò)大，導(dǎo)致器件機(jī)械強(qiáng)度大大降低，因而該類型的諧振器并沒(méi)有得到廣泛的應(yīng)用；
[0005] 其二為固態(tài)裝配型（SMR)，其結(jié)構(gòu)如圖3所示，其工作原理為高聲阻抗層和低聲阻抗層構(gòu)成反射層，實(shí)現(xiàn)聲波的反射，每層材料的厚度是聲波在該材料中傳播時(shí)的波長(zhǎng)的1/ 4;該諧振器較硅背刻蝕型諧振器有較好的機(jī)械強(qiáng)度和功率容量，可以應(yīng)用在在高功率的條件下，但是SMR型諧振器的布拉格反射層為了達(dá)到理想的聲波反射效果需要對(duì)每一層薄膜進(jìn)行精確的厚度、應(yīng)力和粗糙度的控制，一般要對(duì)每一層薄膜進(jìn)行CMP加工，以確保其粗糙度達(dá)到制備器件的要求，導(dǎo)致其SMR型器件的制備工藝復(fù)雜、制備成本高；
[0006] 其三為空氣隙型(FBAR)，其結(jié)構(gòu)如圖4所示，其工作原理為聲波在底電極或者支撐層和空氣的交界面上發(fā)生反射;該結(jié)構(gòu)諧振器的聲波反射效率高，具有高Q值，低插損、便于集成等優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用最為廣泛，但FBAR型諧振器在制備空腔的過(guò)程中，薄膜應(yīng)力難以控制，常造成整個(gè)器件失效，限制了產(chǎn)品良率，并且要形成完美的空腔對(duì)工藝水平要求極高。
[0007] 綜上，現(xiàn)有薄膜體聲波諧振器均制備工藝復(fù)雜，難度大，導(dǎo)致其制備成本高、產(chǎn)品合格率低、大大限制了整個(gè)行業(yè)的發(fā)展。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008] 本發(fā)明的目的在于提供一種新型薄膜體聲波諧振器及其制備方法，該新型薄膜體聲波諧振器在保證器件性能的同時(shí)，大大簡(jiǎn)化諧振器制備工藝、降低工藝水平要求，顯著提升器件合格率。
[0009] 為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用技術(shù)方案為：
[0010] —種新型薄膜體聲波諧振器，包括襯底1、依次設(shè)置在襯底上的底電極5、壓電層6 及頂電極7,其特征在于，所述襯底1上開(kāi)設(shè)有凹槽，襯底上表面及凹槽內(nèi)設(shè)置低聲阻抗層2， 所述底電極5、壓電層6及頂電極7均設(shè)置于所述低聲阻抗層2上，所述底電極5為由低聲阻抗層2上依次層疊的高電導(dǎo)率電極層3和高聲阻抗電極層4構(gòu)成的復(fù)合底電極。
[0011] 進(jìn)一步的，所述低聲阻抗層2采用材料為:液態(tài)聚酰亞胺或交聯(lián)聚苯撐聚合物。
[0012] 所述頂電極7材料為:鎢、鉬、金、銀或鋁。
[0013] 復(fù)合底電極的厚度為100-300nm;所述高聲阻抗電極層材料為:鎢或鉑，所述高電導(dǎo)率電極層材料為:金或銀。
[〇〇14]所述壓電層6材料為:Α1Ν、Ζη0或PZT，壓電層的厚度根據(jù)需要的頻率確定。
[0015] 上述新型薄膜體聲波諧振器的制備方法，包括以下步驟：
[0016] 步驟1、采用干法刻蝕或者濕法刻蝕工藝在襯底上開(kāi)設(shè)預(yù)設(shè)尺寸的凹槽；
[0017] 步驟2、采用旋涂工藝在刻蝕有凹槽的襯底上均勻涂覆一層低聲阻抗材料，之后進(jìn)行勻膠、固化制備得低聲阻抗層；
[0018] 步驟3、采用磁控濺射或電子束蒸發(fā)工藝于低聲阻抗層上依次制備高電導(dǎo)率電極層和高聲阻抗電極層，形成復(fù)合底電極；
[0019] 步驟4、采用磁控濺射法在底電極上制備壓電層；
[0020] 步驟5、采用磁控濺射或電子束蒸發(fā)工藝在壓電層上制備頂電極，及制備得新型薄膜體聲波諧振器。
[0021] 需要說(shuō)明的是，本發(fā)明中襯底上開(kāi)設(shè)凹槽的尺寸及形狀應(yīng)根據(jù)諧振器的尺寸及形狀確定，并保證低聲阻抗層充分填充凹槽。
[0022] 本發(fā)明提供的新型薄膜體聲波諧振器是在襯底上刻蝕凹槽后通過(guò)旋涂的方式填入液態(tài)低聲阻抗材料、勻膠固化，填充的材料不必釋放，然后直接在上面進(jìn)行底電極-壓電層-頂電極“三明治“結(jié)構(gòu)的制備。該結(jié)構(gòu)無(wú)需形成空腔結(jié)構(gòu)，提高了機(jī)械強(qiáng)度和功率容量， 并完全省略了形成空腔這一難度較高的工藝步驟;并且低聲阻抗材料的填充能夠代替?zhèn)鹘y(tǒng)布拉格反射層，無(wú)需進(jìn)行多層薄膜的制備，有效降低工藝復(fù)雜度；同時(shí)，本發(fā)明中采用復(fù)合電極結(jié)構(gòu)，其中高聲阻抗層電極能夠限制聲波向底電極以下界面的傳播，低聲阻抗材料的聲阻抗極低，其與底電極的界面能夠很好的實(shí)現(xiàn)聲波反射，保證了薄膜體聲波諧振器的優(yōu)良性能。
[0023] 綜上，本發(fā)明提供一種新型薄膜體聲波諧振器及其制備方法，該諧振器性能優(yōu)良， 制備工藝難度和復(fù)雜度均極大簡(jiǎn)化，顯著提高薄膜體聲波諧振器生產(chǎn)合格率，大大降低生產(chǎn)成本、縮短生產(chǎn)周期，有利于工業(yè)化生產(chǎn)，對(duì)拓寬應(yīng)用領(lǐng)域有著極其重要的意義。
【附圖說(shuō)明】
[0024] 圖1為發(fā)明薄膜體聲波諧振器結(jié)構(gòu)示意圖。
[0025] 圖2為背刻型薄膜體聲波諧振器結(jié)構(gòu)示意圖。
[0026] 圖3為固態(tài)裝配型薄膜體聲波諧振器(SMR)結(jié)構(gòu)示意圖。
[0027] 圖4為氣隙型薄膜體聲波諧振器(FBAR)結(jié)構(gòu)示意圖。
[0028] 圖5為實(shí)施例中刻蝕凹槽后襯底剖面圖。
[0029] 圖6為實(shí)施例中填充聚酰亞胺后襯底剖面圖。
[0030] 圖7為實(shí)施例中制備復(fù)合底電極后器件剖面圖。
[0031] 圖8為實(shí)施例中制備壓電層后器件剖面圖。
[0032] 圖9為實(shí)施例中制備頂電極后器件剖面圖。
[0033] 圖10為實(shí)施例中制備得薄膜體聲波薄膜諧振器俯視圖。
[0034] 其中，1為襯底、2為低聲阻抗層、3為高電導(dǎo)率電極層、4為高聲阻抗電極層、5為復(fù)合底電極、6為壓電層、7為頂電極。
【具體實(shí)施方式】
[〇〇35]下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明，但需要說(shuō)明的是本發(fā)明并不局限于該實(shí)施例。
[0036]本實(shí)施例提供薄膜體聲波諧振器，其結(jié)構(gòu)如圖1所示，包括預(yù)設(shè)凹槽的襯底1，充分填充與凹槽內(nèi)及均勻覆蓋襯底上表面的低聲阻抗層2,低聲阻抗層2上依次設(shè)置高電導(dǎo)率電極層3和高聲阻抗電極層4、共同構(gòu)成復(fù)合底電極5,復(fù)合底電極5上依次設(shè)置壓電層6和頂電極7。
[〇〇37]本實(shí)施例中襯底米用長(zhǎng)有^■氧化娃層的具有〈1〇〇>晶向的娃襯底；低聲阻抗層米用液態(tài)聚酰亞胺;復(fù)合底電極5中高電導(dǎo)率電極層3采用厚度為50?100nm的金屬金層，高聲阻抗電極層4采用厚度為50?200nm的金屬鎢層;壓電層6采用的A1N，厚度根據(jù)需要的頻段來(lái)設(shè)定;頂電極7采用厚度為100?300nm的金屬鉬層。
[0038]本實(shí)施例中薄膜體聲波諧振器的制備方法，具體包括以下步驟：
[〇〇39]步驟1、選取長(zhǎng)有500nm二氧化硅層的硅〈100>襯底，用反轉(zhuǎn)膠光刻出凹槽圖形，用水浴40°C的B0E溶液刻蝕掉二氧化硅層，形成一個(gè)凹槽窗口，緊接著用水浴85°C的K0H配置溶液刻蝕出10?20mi深的凹槽，如圖5所示；
[0040]步驟2、將液態(tài)聚酰亞胺均勻的涂覆于步驟1中的襯底上，待聚酰亞胺溶液充分進(jìn)入凹槽之后，用甩膠機(jī)勻膠，將聚酰亞胺甩成均勻的一層，如圖6所示，根據(jù)所選的聚酰亞胺型號(hào)采用相應(yīng)的條件將其亞胺化，本實(shí)施例中采用的亞胺化條件是:在氮?dú)鈿夥罩?60 °C恒溫1小時(shí)、180 °C恒溫1時(shí)、240 °C恒溫1小時(shí)、自然冷卻至室溫；
[0〇41 ] 步驟3、通過(guò)磁控派射法制備一層50?lOOnm的金并制備出相應(yīng)的底電極圖形，作為高電導(dǎo)率電極層，采用磁控濺射法制備一層50_200nm的鎢并制備出底電極圖形作為高聲阻抗電極層，并露出高電導(dǎo)率電極層，如圖7所示，高電導(dǎo)率電極層和高聲阻抗電極層共同構(gòu)成復(fù)合底電極；
[0042]步驟4、采用磁控濺射法，生長(zhǎng)一層具有C軸取向的A1N層，制備得壓電層，并露出底電極圖形，如圖8所示，生長(zhǎng)A1N的的條件是溫度大于150°C，功率密度大于8w/cm2氮?dú)鉂舛却笥?0% ;厚度由具體的頻率范圍來(lái)確定；
[0〇43] 步驟5、采用磁控派射法制備一層100-300nm金屬鉬并制備成頂電極圖形，如圖9所示;制備得薄膜體聲波諧振器結(jié)構(gòu)俯視如圖10所示。
[0044]以上所述，僅為本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】，本說(shuō)明書(shū)中所公開(kāi)的任一特征，除非特別敘述，均可被其他等效或具有類似目的的替代特征加以替換;所公開(kāi)的所有特征、或所有方法或過(guò)程中的步驟，除了互相排斥的特征和/或步驟以外，均可以任何方式組合。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種新型薄膜體聲波諧振器，包括襯底（1)、依次設(shè)置在襯底上的底電極(5)、壓電層 (6)及頂電極(7)，其特征在于，所述襯底（1)上開(kāi)設(shè)有凹槽，襯底上表面及凹槽內(nèi)設(shè)置低聲 阻抗層(2)，所述底電極(5)、壓電層(6)及頂電極(7)均設(shè)置于所述低聲阻抗層(2)上，所述 底電極(5)為由低聲阻抗層(2)上依次層疊的高電導(dǎo)率電極層(3)和高聲阻抗電極層(4)構(gòu) 成的復(fù)合底電極。2. 按權(quán)利要求1所述薄膜體聲波諧振器，其特征在于，所述低聲阻抗層(2)材料為:聚酰 亞胺或交聯(lián)聚苯撐聚合物。3. 按權(quán)利要求1所述薄膜體聲波諧振器，其特征在于，復(fù)合底電極的厚度為100_300nm。4. 按權(quán)利要求1所述薄膜體聲波諧振器，其特征在于，所述頂電極（7)材料為：鎢、鉬、 金、銀或錯(cuò)。5. 按權(quán)利要求1所述薄膜體聲波諧振器，其特征在于，所述高聲阻抗電極層(4)材料為： 鎢或鉑，所述高電導(dǎo)率電極層(3)材料為:金或銀。6. 按權(quán)利要求1所述薄膜體聲波諧振器，其特征在于，所述壓電層(6)材料為:Α1Ν、ΖηΟ 或 PZT。7. 按權(quán)利要求1所述薄膜體聲波諧振器的制備方法，包括以下步驟： 步驟1、采用干法刻蝕或者濕法刻蝕工藝在襯底上開(kāi)設(shè)預(yù)設(shè)尺寸的凹槽； 步驟2、采用旋涂工藝在刻蝕有凹槽的襯底上均勻涂覆一層低聲阻抗材料，之后進(jìn)行勻 膠、固化制備得低聲阻抗層； 步驟3、采用磁控濺射或電子束蒸發(fā)工藝于低聲阻抗層上依次制備高電導(dǎo)率電極層和 高聲阻抗電極層，形成復(fù)合底電極； 步驟4、采用磁控濺射法在底電極上制備壓電層； 步驟5、采用磁控濺射或電子束蒸發(fā)工藝在壓電層上制備頂電極，及制備得新型薄膜體 聲波諧振器。
【文檔編號(hào)】H03H3/02GK105958956SQ201610262057
【公開(kāi)日】2016年9月21日
【申請(qǐng)日】2016年4月26日
【發(fā)明人】鐘慧, 霍振選, 張睿, 秦康寧, 楊泰, 張根, 石玉
【申請(qǐng)人】電子科技大學(xué)