CN106385242B - GHz硅基ScAlN薄膜谐振器及其制作方法 - Google Patents
GHz硅基ScAlN薄膜谐振器及其制作方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种GHz硅基ScAlN薄膜谐振器，包括由上至下依次排列的IDT层、第一功能层、第一公共地电极层、第二公地电极层、晶种层、顶层SiO2层、第二功能层、中间夹层SiO2层、结构层和第一Al层，所述IDT层图形化后形成叉指电极和位于叉指电极两端的反射栅；该谐振器还包括第一介质保护层，所述第一介质保护层部分覆盖于IDT层上，部分覆盖于功能层上；所述第一介质保护层上设置有阵列窗口；所述第一介质保护层上设置有上电极层，所述上电极层包括覆盖于阵列窗口侧壁与底壁上的第二Al层以及由阵列窗口的边缘向外延伸形成的第三Al层。本发明通过晶种层的生长，一方面可提高公共电极生长的择优取向，增加电极层与介质层的粘附性，同时，可提高功能层的结晶度。
Description
技术领域
本发明属于可再生资源领域，涉及到将振动能转换为电能的微能源技术，尤其是一种GHz硅基ScAlN薄膜谐振器及其制作工艺，属于基于MEMS技术的微能源技术领域。
背景技术
物联网技术的发展使得各种谐振器及传感器的需求剧增，目前成熟的诸多谐振器及传感器已经不能满足特定复杂环境下的使用需求，如高温、频率精确可控、高速信息传输及酸性环境中。这对谐振器及传感器的品质及可靠性提出了更高的要求。
发明内容
鉴于此，本发明提供一种GHz硅基ScAlN薄膜谐振器及其制作工艺，该工艺在提高MEMS谐振器及传感器品质的同时，也可提高其稳定性和可靠性。
本发明的目的之一是通过以下技术方案实现的，一种GHz硅基ScAlN薄膜谐振器，包括由上至下依次排列的IDT层6、功能层5、第一公共地电极层4、第二公地电极层3、晶种层2、第一介质层1、第二功能层8、中间夹层SiO2层10、结构层9和第一Al层12，所述IDT层6图形化后形成叉指电极61和位于叉指电极两端的反射栅62；该谐振器还包括第一介质保护层7，所述第一介质保护层7部分覆盖于IDT层6上，部分覆盖于功能层上；所述第一介质保护层7上设置有阵列窗口，该阵列窗口由第一介质保护层7向下凹陷形成；所述第一介质保护层7上设置有上电极层，所述上电极层包括覆盖于阵列窗口侧壁与底壁上的第二Al层以及由阵列窗口的边缘向外延伸形成的第三Al层；所述谐振器还包括一腔体，该腔体由第一Al层12向功能层方向凹陷形成。
进一步，所述阵列窗口包括设置于第一介质保护层7一端的第一窗口和设置于第一介质保护层7另一端的第二窗口，所述第一窗口由第一介质保护层7腐蚀至第一公共地电极层4形成，所述第二窗口由第一介质保护层7腐蚀至IDT层6形成。
进一步，所述腔体由第一Al层12刻蚀至功能层形成。
本发明的目的之二是通过以下技术方案实现的，GHz硅基ScAlN薄膜谐振器的制作工艺，包括以下步骤：
步骤(1)在基底材料的双面热氧化生长顶层SiO2层1和底层SiO2层1’，所述基底材料包括由上至下排列的第二功能层8、中间夹层10和结构层9；
步骤(2)在顶层SiO2层1磁控溅射依次生长晶种层2、第一公共地电极层4和第二公地电极层3；
步骤(4)生长第一功能层5；
步骤(5)在第一功能层5上采用剥离工艺制备IDT层6并图形化；
步骤(6)在第一功能层5上通过PECVD制备第一介质保护层7并图形化；
步骤(7)磁控溅射生长上电极层11并图形化；
步骤(8)在结构层9上生长第一Al层12，并图形化，感应耦合等离子刻蚀至中间夹层SiO2层10；
步骤(9)在步骤8的基础上反应离子刻蚀去除第二功能层8形成腔体。
由于采用了上述技术方案，本发明具有如下的优点：
1.本发明提出的一种GHz硅基ScAlN薄膜谐振器及其工艺实现方法，通过晶种层的生长，一方面可提高公共电极生长的择优取向，增加电极层与介质层的粘附性，同时，可提高功能层的结晶度；
2.本发明所提出的增加公共地电极的硅基ScAlN薄膜谐振器，如SAW谐振器，可很大程度上消除或抑制谐振器及传感器对周围的静电放电或电压脉冲的破坏的感知度，从而提高谐振器及传感器的可靠性，因此具有抗干扰能力强等优点；
3.本发明所提出的增加公共地电极的材料，若采用Mo/Ti/Pt复合电极材料，则会在改善提高ScAlN压电薄膜结晶性的同时，具有耐高温的特性；压电材料可采用与集成电路兼容的氮化铝压电薄膜材料或者其他压电薄膜材料；
4.本发明所提出的多层介质保护层，可极大程度地消除或降低谐振器对由于周围环境如空气温湿度变化及自然氧化作用而造成的频率飘移的感知度，从而提高谐振器及传感器的稳定性；
5.本发明提出的在第一介质保护层与地电极连通时，开出阵列窗口，可降低欧姆接触，大大提高器件良率。
附图说明
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步的详细描述，其中：
图1为GHz硅基ScAlN薄膜谐振器的结构图；
图2为GHz硅基ScAlN薄膜谐振器的三视图；
图3为GHz硅基ScAlN薄膜谐振器的制作方法流程图。
具体实施方式
以下将结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述；应当理解，优选实施例仅为了说明本发明，而不是为了限制本发明的保护范围。
如图1～3所示，一种GHz硅基ScAlN薄膜谐振器，包括由上至下依次排列的IDT层6、功能层5、第一公共地电极层4、第二公地电极层3、晶种层2、第一介质层1、第二功能层8、中间夹层SiO2层10、结构层9和第一Al层12，所述IDT层6图形化后形成叉指电极61和位于叉指电极两端的62；该谐振器还包括第一介质保护层7，所述第一介质保护层7部分覆盖于IDT层6上，部分覆盖于功能层上；所述第一介质保护层7上设置有阵列窗口，该阵列窗口由第一介质保护层7向下凹陷形成；所述第一介质保护层7上设置有上电极层，所述上电极层包括覆盖于阵列窗口侧壁与底壁上的第二Al层以及由阵列窗口的边缘向外延伸形成的第三Al层；所述谐振器还包括一腔体，该腔体由第一Al层12向功能层方向凹陷形成。
在本发明中，所述阵列窗口包括设置于第一介质保护层7一端的第一窗口和设置于第一介质保护层7另一端的第二窗口，所述第一窗口由第一介质保护层7腐蚀至第一公共地电极层4形成，所述第二窗口由第一介质保护层7腐蚀至IDT层6形成。
在本发明中，第一窗口和第二窗口沿长度方向排列，第一窗口包括若干个窗口单元，窗口单元沿宽度方向排列，所述第二窗口包括若干个窗口单元，窗口单元沿宽度方向排列。其中第一窗口靠近其中一个反射栅62设置，第二窗口位于另一个反射栅62的上方。
在本发明中，所述腔体由第一Al层12刻蚀至第二功能层8形成。腔体刻蚀完成包括两步，第一步先由第一Al层12刻蚀至中间夹层SiO2层10，第二步再由中间夹层SiO2层10刻蚀至第二功能层8。
本发明以小型轻质化体声波滤波器(BAW)为突破口，采用MEMS技术，使得叉指换能器(IDT)的间距可缩小至0.32um，达到GHz频率要求，可提高传感器的灵敏度；一方面，通过公共地电极的设置，可很大程度上消除或抑制谐振器及传感器对周围的静电放电或电压脉冲的破坏的感知度，从而提高谐振器及传感器的可靠性；另一方面，通过对各个功能层进行介质层保护，可以消除或降低谐振器对由于周围环境如空气温湿度变化及自然氧化作用而造成的频率飘移的感知度，从而提高谐振器及传感器的稳定性。再一方面，功能层采用掺钪(Sc)元素的氮化铝(AlN)薄膜，且为使功能层的AlN薄膜具有良好的择优取向，在公共电极层下进行了种子层的生长，可大大提高器件的机电耦合系数。
本发明还提供一种GHz硅基ScAlN薄膜谐振器制作工艺，包括以下步骤：
步骤(1)在基底材料的双面热氧化生长顶层SiO2层1和底层SiO2层1’；其中基底材料为SOI基片，其厚度为500um，顶层SiO2层1与底层SiO2层的厚度为300nm，所述基底材料包括由上至下排列的第二功能层8(顶层Si层，厚度为40～60um)8、中间夹层(SiO2层，厚度为1um)10和结构层9(底层Si层，厚度为450um)9，如图3a、3b所示，
步骤(2)在顶层SiO2层1磁控溅射依次生长晶种层2、第一公共地电极层4和第二公地电极层3；如图3c所示，其中晶种层2为AlN，厚度为20nm，下电极Mo层，厚度为200nm(仅耐高温器件需要，未画出)，第一公共地电极层4为Pt层，厚度为120nm，第二公共地电极层为Ti层，厚度为40nm；
步骤(4)生长第一功能层5，第一功能层5为压电材料ScAlN层，厚度约为1200～1500nm，如图3d所示；
步骤(5)在第一功能层5上采用剥离工艺制备IDT层6并图形化；IDT层6的厚度为300nm，如图3e所示；
步骤(6)在第一功能层5上通过PECVD制备第一介质保护层7并图形化，第一介质保护层7为SiO2层，厚度为300nm，如图3f所示；
步骤(7)磁控溅射生长上电极层11并图形化，上电极层为Al层，其厚度为800～1000nm，如图3g所示；
步骤(8)在结构层9上生长第一Al层12，并图形化，感应耦合等离子刻蚀至中间夹层SiO2层10；所述结构层9为Si层，如图3h所示；
步骤(9)在步骤8的基础上反应离子刻蚀去除第二功能层8形成腔体，如图3i所示。
GHz硅基ScAlN薄膜谐振器是基于MEMS技术，以硅圆片为单元进行谐振器的结构设计与工艺优化，所制备的器件具有低成本、耐高温等优点，另外还可提高单个MEMS器件的良率、稳定性和可靠性。在应用领域不仅可用于SAW滤波器，还可用作粘度计、气体传感器及压力计等，多个SAW器件的组合也可用作带通滤波器等方面。
以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。
Claims (2)
1.一种GHz硅基ScAlN薄膜谐振器，其特征在于：包括由上至下依次排列的IDT层(6)、第一功能层(5)、第一公共地电极层(4)、第二公地电极层(3)、晶种层(2)、顶层SiO2层(1)、第二功能层(8)、中间夹层SiO2层(10)、结构层(9)和第一Al层(12)，所述IDT层(6)图形化后形成叉指电极(61)和位于叉指电极两端的反射栅(62)；该谐振器还包括第一介质保护层(7)，所述第一介质保护层部分覆盖于IDT层(6)上，部分覆盖于第一功能层(5)；所述第一介质保护层上设置有阵列窗口，该阵列窗口由第一介质保护层向下凹陷形成；所述第一介质保护层上设置有上电极层，所述上电极层包括覆盖于阵列窗口侧壁与底壁上的第二Al层以及由阵列窗口的边缘向外延伸形成的第三Al层；所述谐振器还包括一腔体，该腔体由第一Al层(12)向第二功能层(8)方向凹陷形成；
第一功能层(5)为ScALN层、第一公共地电极层(4)为Pt层、第二公地电极层(3)为Ti层、晶种层(2)为ALN层、第二功能层(8)为Si层、结构层(9)为Si层、第一介质保护层(7)为SiO2层、上电极层为AL层
所述阵列窗口包括设置于第一介质保护层(7)一端的第一窗口和设置于第一介质保护层(7)另一端的第二窗口，所述第一窗口由第一介质保护层(7)腐蚀至第一公共地电极层(4)形成，所述第二窗口由第一介质保护层(7)腐蚀至IDT层(6)形成；
所述腔体由第一Al层(12)刻蚀至第二功能层(8)形成。
2.一种如权利要求1所述的GHz硅基ScAlN薄膜谐振器的制作方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤(1)在基底材料的双面热氧化生长顶层SiO2层(1)和底层SiO2层(1’)，所述基底材料包括由上至下排列的第二功能层(8)、中间夹层(10)和结构层(9)；
步骤(2)在顶层SiO2层(1)磁控溅射依次生长晶种层(2)、第一公共地电极层(4)和第二公地电极层(3)；
步骤(3)生长第一功能层(5)；
步骤(4)在第一功能层(5)上采用剥离工艺制备IDT层(6)并图形化；
步骤(5)在第一功能层(5)上通过PECVD制备第一介质保护层(7)并图形化；
步骤(6)磁控溅射生长上电极层(11)并图形化；
步骤(7)在结构层(9)上生长第一Al层(12)，并图形化，感应耦合等离子刻蚀至中间夹层SiO2层(10)；
步骤(8)在步骤(7)的基础上反应离子刻蚀去除第二功能层(8)形成腔体。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |