CN103873010B

CN103873010B - 一种压电薄膜体声波谐振器及其制备方法

Info

Publication number: CN103873010B
Application number: CN201410097731.2A
Authority: CN
Inventors: 张睿; 钟慧; 成英楠; 石玉; 焦向全; 杨杰; 赵宝林; 何泽涛
Original assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Current assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Priority date: 2014-03-17
Filing date: 2014-03-17
Publication date: 2017-03-22
Anticipated expiration: 2034-03-17
Also published as: CN103873010A

Abstract

本发明公开了一种压电薄膜体声波谐振器及其制备方法，包括衬底、空气腔、底电极层、压电层与顶电极层。该谐振器使用石墨烯作为器件的电极层，在该器件结构中无需使用支撑层，石墨烯底电极层与衬底的凹槽形成空气腔。底电极层上设置压电层，压电层上设置顶电极层。同时，使用本发明所述牺牲层制备工艺，能克服传统工艺中对高精度化学机械抛光设备的依赖，缩短研磨时间，快速得到平整的牺牲层表面。该新型压电薄膜体声波谐振器结构新颖，能够制备出高Q值，高机电耦合系数的压电薄膜体声波谐振器，可用于后续射频通信***中滤波器、双工器以及多工器的制作，也可与不同的敏感薄膜相结合制作各种高性能传感器。

Description

一种压电薄膜体声波谐振器及其制备方法

技术领域

本发明属于射频微机电***技术领域，特别涉及一种新型压电薄膜体声波谐振器及其制备方法。

背景技术

近年来，随着无线通信***的发展，越来越多的功能被要求集中到同一***中。无线通信***多功能化、小型化的发展趋势对应用于其中的射频器件提出了微型化、可集成、高应用频率、高性能、低制造成本等要求。随着射频微机电制造技术的不断发展，基于压电效应的薄膜体声波谐振器因其优异的性能逐渐成为无线通信***滤波芯片的解决方案。与传统的声表面滤波器（SAW）相比，薄膜体声波滤波器具有更高的Q值，更大的功率容量、更低的***损耗以及可集成的优点。与滤波性能优异的介质滤波器相比，薄膜体声波滤波器具有更小的体积适应了当今无线通信***小型化的发展趋势。

薄膜体声波谐振器的核心结构为压电薄膜夹于顶底电极之间的三明治结构。通过器件中压电薄膜的压电效应，器件能将输入的电能转换为机械能，并以声波的形式在器件中形成驻波。由于声波的速度比电磁波的速度小几个数量级，因此薄膜体声波谐振器的尺寸能做得比传统器件更小。目前，常用于作为薄膜体声波谐振器压电层的材料有ZnO、AlN、PZT。在这几种压电材料中，AlN因其纵波声速最大，化学稳定性高，功率容量大以及能够与标准CMOS工艺相兼容的特点成为目前最常用的压电膜层材料。

基于界面处声波全反射实现方式的不同，薄膜体声波谐振器的结构分为空腔型与固态装配型（SMR）。空腔型结构主要有两种：FBAR（图1），背刻型（图2）。固态装配型以四分之波长厚度的高声阻抗膜层与低声阻抗膜层相间排列形成声波的全反射，如图3所示。背刻型结构的薄膜体声波谐振器由于要刻蚀掉大量的衬底致使器件的机械强度很低，不利于器件的实际应用，因此背刻型薄膜体声波谐振器已经鲜有制备。固态装配型薄膜体声波谐振器具有很好的机械强度以及较大的功率容量使得其在大功率场合下有较多的应用。FBAR由于具有高Q，低***损耗，高机电耦合系数，便于集成等优异性能，使得它成为应用最广的薄膜体声波谐振器。

传统FBAR结构如图1所示，衬底上依次为支撑层、底电极、压电层以及顶电极。声波在支撑层与空气腔的交界面处实现全反射。传统FBAR的制作工艺首先在硅衬底上刻蚀出坑，在坑中填充牺牲层材料，常用牺牲层材料为SiO₂。牺牲层材料沉积后，器件表面经化学机械抛光（CMP）形成平整表面。然后继续在器件表面上通过磁控溅射沉积底电极层薄膜，底电极薄膜光刻出图形后继续在其上沉积压电层薄膜。在光刻出压电层图形后，在压电层上沉积顶电极薄膜。最后通过干法刻蚀在压电层上腐蚀出一个窗口，从刻蚀出的窗口对器件牺牲层进行释放，释放完毕后便完成器件的制作。传统薄膜体声波谐振器制备工艺存在牺牲层释放难度大，需要高精度化学机械抛光设备等挑战。为降低薄膜体声波谐振器的制备难度和成本，提高器件性能，不少研究者提出了改进措施。已有专利CN1373556提出为利于牺牲层释放孔的制备可以在器件衬底上增加沟道。专利US7140084 B2提出通过降低薄膜粗糙度提高器件性能。目前，通过改进后的器件结构依然存在缺点如：1. 牺牲层沉积后需要高精度CMP设备进行长时间研磨，增加了器件制备的成本与工艺复杂度。2. 传统薄膜体声波谐振器中存在支撑层，虽然支撑层能够增加器件的机械强度，但它同时降低了器件的电学性能。如何简化器件对CMP工艺的要求，降低器件制备成本，提高器件性能成为目前薄膜体声波谐振器制备工艺的重点。

发明内容

本发明的目的是提供一种压电薄膜体声波谐振器的制备方法，从而能有效简化薄膜体声波谐振器结构与制备工艺，提高器件性能。

本发明的技术方案为：一种压电薄膜体声波谐振器，其结构包括衬底、空气腔、底电极层、压电层和顶电极层，衬底上顶面设置有凹槽与底电极层，该凹槽与其上的底电极层形成器件的空气腔，底电极层与空气腔的接触面具有平滑的边界，底电极层上设置压电层，压电层上设置顶电极层，所述底电极层和顶电极层为石墨烯层。

进一步地，所述衬底为硅衬底，压电层为具有c轴取向的氮化铝层。

进一步地，设置有牺牲层释放窗口，牺牲层释放窗口位于底电极层、顶电极层边界与空气腔边界之间。

进一步地，所述空气腔的深度为200nm-3μm。

进一步地，所述底电极层和顶电极层均具有1-10层石墨碳层。

一种压电薄膜体声波谐振器的制备方法，包括以下几个步骤：

a. 在硅衬底上光刻出牺牲层图形，采用干法刻蚀在衬底上刻蚀出牺牲层凹槽；

b. 采用电子束蒸发的方法沉积非晶硅牺牲层，控制沉积时间得到需要的牺牲层厚度；

c. 溶解步骤a中剩余的光刻胶，除去牺牲层凹槽外光刻胶上的非晶硅。抛光去除牺牲层表面残留的非晶硅获得平整的表面；

d. 采用分子束外延的方法在牺牲层上沉积石墨烯底电极层并光刻出底电极图形，该电极层与其下面的牺牲层形成空气腔；

e. 在底电极上通过溅射生长器件压电层并光刻出压电层图形，该压电层的一端露出底电极层；

f. 在压电层上通过分子束外延的方法生长器件顶电极层并光刻出顶电极图形；

g. 释放牺牲层并进行干燥。

进一步地，具体包括以下几个步骤：

a. 在硅衬底表面，旋转涂覆光刻胶，该硅衬底可以是（100）、（110）、或（111）取向，使用光刻的方法将对应牺牲层区域的光刻胶去掉，露出硅衬底，使用干法刻蚀的方法刻蚀露出的硅衬底，刻蚀深度为200nm-3μm，该牺牲层凹槽边缘平滑；

b. 使用电子束蒸发的方法沉积非晶硅牺牲层，该牺牲层厚度为300nm-3μm，该牺牲层在温度大于100°C，沉积速率小于5Å/s，本底真空小于10^-3Pa的条件下沉积得到，牺牲层厚度由沉积时间控制；

c. 使用丙酮溶解衬底上剩余的光刻胶，光刻胶被溶解掉的同时附着其上的非晶硅膜层也被去掉，使用CMP研磨掉牺牲层上残留的少许毛刺获得平整的非晶硅牺牲层表面；

d. 使用分子束外延的方法沉积石墨烯电极层，该层电极具有1-10层石墨碳层，其厚度<10nm，该石墨烯电极层在温度大于500°C，石墨蒸发速率小于0.3nm/min，本底真空低于5×10^-5Pa条件下制备，同时，刻蚀出底电极图形；

e. 在石墨烯电极层上生长一层c轴取向的AlN压电层，该AlN压电层在氨气浓度>40%，功率密度>9W/cm²，温度>200°C下由射频磁控溅射的方法沉积得到，该压电层边界大于牺牲层边界且露出部分底电极层，使用湿法刻蚀的方法刻蚀出压电层的图形，同时器件牺牲层的释放窗口也被刻蚀出来，释放窗口位于电极边界与空气腔边界之间；

f. 使用步骤d分子束外延的方法沉积器件顶电极层，并刻蚀出顶电极层图形；

g. 释放器件牺牲层并干燥。

本发明与现有技术相比具有如下优点：

1、与传统薄膜体声波器件制备工艺相比，该发明能显著降低器件制备过程中CMP工艺的复杂度。使用该发明提出的制备工艺仅需研磨掉上述步骤3中牺牲层残留的少许毛刺，便能得到平整的器件表面。克服了传统制备工艺对高精度CMP设备的要求，同时避免了长时间研磨造成牺牲层过抛现象的出现。

2、本发明所述器件结构中无需传统器件结构中使用的支撑层，并提出使用石墨烯作为器件的电极层，能极大地提高器件的性能。相比于传统电极层材料，石墨烯具有更高的电导率，更大的导热系数，使得制得的器件具有更大的Q值与更高的功率容量。同时，石墨烯电极很薄使得器件能够制得更高的频率。薄的电极减小了声波在电极中的损耗，能有效提高器件的机电耦合系数。

3、本发明能够满足市场上对射频器件高频、高功率容量、低损耗、高机电耦合系数以及小型化等要求。

附图说明

图1传统空腔型薄膜体声波谐振器结构图；

图2传统背刻型薄膜体声波谐振器结构图；

图3传统固态装配型薄膜体声波谐振器结构图；

图4至图10为本发明方法的制备流程示意图；

图4为光刻硅衬底后得到蚀坑的器件剖面图，蚀坑两旁深色部分为光刻胶；

图5使用电子束蒸发的方法沉积牺牲层后的器件剖面图；

图6使用丙酮溶解掉光刻胶后器件剖面图；

图7 经过抛光后器件去除毛刺后器件剖面图；

图8分子束外延生长石墨烯底电极并光刻后器件剖面图；

图9磁控溅射沉积c轴取向AlN薄膜并光刻后器件剖面图；

图10分子束外延生长石墨烯顶电极并光刻后器件剖面图；

图11本发明制备空腔型薄膜体声波谐振器剖面图；

图12本发明制备空腔型薄膜体声波谐振器俯视图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的具体实施方式进行描述：

一种压电薄膜体声波谐振器，其结构包括衬底、空气腔、底电极层、压电层和顶电极层，衬底上顶面设置有凹槽与底电极层，该凹槽与其上的底电极层形成器件的空气腔，底电极层与空气腔的接触面具有平滑的边界，底电极层上设置压电层，压电层上设置顶电极层，所述底电极层和顶电极层为石墨烯层，所述衬底为硅衬底，压电层为具有c轴取向的氮化铝层，设置有牺牲层释放窗口，牺牲层释放窗口位于底电极层、顶电极层边界与空气腔边界之间，所述空气腔的深度为200nm-3μm，所述底电极层和顶电极层均具有1-10层石墨碳层。

本发明所述压电薄膜体声波谐振器剖面如图11所示，器件的俯视图如图12所示，其结构包括1衬底，2底电极层，3空气腔，4压电层，5顶电极层，6，7牺牲层释放孔。

本发明具体实施方式如下：

1. 在硅衬底表面使用光刻的方法将对应牺牲层区域的光刻胶去掉，露出硅衬底。使用干法刻蚀的方法刻蚀露出的硅衬底，刻蚀深度可以在200nm-3μm之间，如图4所示。所述硅衬底表面可以是（100）、（110）或（111）取向。

2. 使用电子束蒸发的方法沉积非晶硅牺牲层，该牺牲层厚度可控制在300nm-3μm。该牺牲层在温度大于100°C，沉积速率小于5Å/s，本底真空小于10^-3Pa的条件下沉积得到。牺牲层厚度由沉积时间控制，如图5所示。

3. 使用丙酮溶解衬底上剩余的光刻胶，光刻胶被溶解掉的同时附着其上的非晶硅膜层也被去掉，并在器件表面上留下少许毛刺，如图6所示。

4. 使用化学机械抛光研磨掉器件表面的少许毛刺获得平整的器件表面，如图7所示。所用抛光液为SiO₂悬浮抛光液，研磨时间5-10min，转速控制在30-60r/min。

5. 使用分子束外延的方法沉积石墨烯电极层。该层电极具有1-10层石墨碳层，其厚度为5-10nm。该石墨烯电极层在温度大于500°C，石墨蒸发速率小于0.3nm/min，本底真空低于5×10^-5Pa条件下制备。同时，刻蚀出底电极图形，如图8所示。

6. 在石墨烯电极层上生长一层c轴取向的AlN压电层。该AlN压电层在氨气浓度>40%，功率密度>9W/cm²，温度>200°C下由射频磁控溅射的方法沉积得到。压电层厚度根据实际需要器件的频率决定。该压电层边界大于牺牲层边界且露出部分底电极层。使用湿法刻蚀的方法刻蚀出压电层的图形，同时器件牺牲层的释放窗口也被刻蚀出来，释放窗口位于电极边界与空气腔边界之间，如图9所示。

7. 使用步骤5分子束外延的方法沉积器件顶电极层，并刻蚀出顶电极层图形，如图10所示。

8. 释放牺牲层并干燥，如图11所示。

以上所述实施例仅表达了本申请的具体实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本申请保护范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请技术方案构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。

Claims

1.一种压电薄膜体声波谐振器的制备方法，其结构包括衬底、空气腔、底电极层、压电层和顶电极层，其特征在于：衬底上顶面设置有凹槽与底电极层，该凹槽与其上的底电极层形成器件的空气腔，底电极层与空气腔的接触面具有平滑的边界，底电极层上设置压电层，压电层上设置顶电极层，所述底电极层和顶电极层为石墨烯层，其特征在于，包括以下几个步骤：

a. 在硅衬底表面，旋转涂覆光刻胶，使用光刻的方法将对应牺牲层区域的光刻胶去掉，露出硅衬底，使用干法刻蚀的方法刻蚀露出的硅衬底，刻蚀深度为 200nm-3μm，得到牺牲层凹槽，该牺牲层凹槽边缘平滑；

b. 使用电子束蒸发的方法沉积非晶硅牺牲层，该牺牲层厚度为300nm-3μm，该牺牲层在温度大于100℃，沉积速率小于 5Å/S，本底真空小于 10^-3Pa 的条件下沉积得到，牺牲层厚度由沉积时间控制；

c.使用丙酮溶解衬底上剩余的光刻胶，光刻胶被溶解掉的同时附着其上的非晶硅膜层也被去掉，使用CMP 研磨掉牺牲层上残留的少许毛刺获得平整的非晶硅牺牲层表面；

d.使用分子束外延的方法沉积石墨烯电极层，该层电极具有1-10层石墨碳层，其厚度<10nm，该石墨烯电极层在温度大于500℃，石墨蒸发速率小于0.3nm/min，本底真空低于5×10^-5Pa 条件下制备，同时，刻蚀出底电极图形；

e.在石墨烯电极层上生长一层c轴取向的AlN压电层，该AlN压电层在氨气浓度>40%，功率密度>9W/cm²，温度>200℃下由射频磁控溅射的方法沉积得到，该压电层边界大于牺牲层边界且露出部分底电极层，使用湿法刻蚀的方法刻蚀出压电层的图形，同时器件牺牲层的释放窗口也被刻蚀出来，释放窗口位于电极边界与空气腔边界之间；

f. 使用步骤 d 分子束外延的方法沉积器件顶电极层，并刻蚀出顶电极层图形；

g. 释放器件牺牲层并干燥。