CN107528561A - 一种空腔型薄膜体声波谐振器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种空腔型薄膜体声波谐振器，包括从下往上依次设置的衬底、隔离层、支撑层、底电极层、压电层及顶电极层，隔离层上表面中部向下凹陷形成凹槽，支撑层和衬底将凹槽封闭形成封闭空腔，该封闭空腔下表面的高度低于衬底上表面的高度，且该封闭空腔的下表面为平整面，所述支撑层材料为SiC。同时本发明还公开了该声波谐振器的制备方法。本发明通过SiC支撑层使得器件结构稳定，提高了功率容量。可以有效的将热量散发出去，减小器件热稳态温度，热稳定性好。本发明方法采用丙酮溶液剥离工艺(lift‑off)去除非晶硅层，简化了CMP工艺，研磨时间减少，研磨均匀性改善，提高了器件的频率稳定性及成品率。
Description
技术领域
本发明涉及一种谐振器，属于射频微机电***(MEMS)技术领域，具体是指一种空腔型薄膜体声波谐振器；同时本发明还公开了该空腔型薄膜体声波谐振器的制备方法。
背景技术
随着无线通信***向着小型化、高频化、集成化的方向发展，传统的介质滤波器和声表面波滤波器也难以满足小型化和高频化的要求，薄膜体声波谐振器构成的滤波器具有陶瓷介质滤波器不可比拟的体积优势、声表面波谐振器不可比拟的工作频率以及功率容量的优势。特别是MEMS技术越来越成熟，薄膜体声波谐振器成为了当今无线通信***的发展趋势。
薄膜体声波谐振器的主体部分为底电极-压电薄膜-顶电极构成的“三明治”结构，利用压电层的逆压电效应将电能转化成机械能，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小5个数量级，因此薄膜体声波谐振器的尺寸比传统器件小。对于体声波谐振器来说最重要的部分将声波限制在压电层中，目前，根据限制声波的方法将传统薄膜体声波谐振器分为两大类：
其一是固体配装型(SMR)，其结构如图1所示，其工作原理是利用四分之一波长厚度的高声阻抗层和低声阻抗层相间排列构成反射层，实现声波的反射，限制能量的耗散。这种固态配装型体声波谐振器具有较好的机械强度和功率容量，可以应用在大功率条件下，但是SMR型谐振器的布拉格反射层对于每一层薄膜的厚度和粗糙度有着极高的要求，薄膜之间的应力控制也需要严格控制，不然容易脱落，工艺上比较难以实现。
其二是空腔型薄膜体声波谐振器，目前实现空腔的方式主要有两种：空气腔型(FBAR)，其结构如图2所示；背刻蚀型，其结构如图3所示。空腔型薄膜体声波谐振器的工作原理是利用声波在底电极或支撑层与空气的交界面发生反射，将声波限制在压电层，实现谐振。这类结构的谐振器反射效率更高，具有高Q值，低插损，可集成等优点，但是，FBAR的主体结构是悬空与硅基底之上，其底层在空腔结构边缘的悬空部分容易发生断裂。所以空腔型薄膜体声波谐振器的制备过程较为复杂，对薄膜应力的控制和制备工艺需要严格的要求。
在应用领域，传统空腔型FBAR由于结构中空气腔的存在，相比于SMR型结构难于承受较大的功率密度，在大功率的工作状态下，器件在谐振时产生的热量难以有效的散发，同时空腔边缘会集中大量应力，使得器件损坏失效。
通常空腔型FBAR的工艺方法是：先在硅衬底山各向异性腐蚀一个凹槽，然后在凹槽中填充牺牲层材料，牺牲层材料可以是金属Al，Mg或者SiO2。表面经过CMP抛光后沉积一层金属膜，对应在牺牲层上方的位置刻蚀出底电极图形。然后在底电极上方沉积压电层，经刻蚀后形成的压电层图形覆盖衬底上凹槽的边界，并且露出底电极的引出端。接下来在压电层上沉积一层金属层，刻蚀后作为顶电极。接下来通过干法刻蚀在压电层上腐蚀一个释放窗口，将牺牲层部分露出来。最后从释放窗口将牺牲层释放，既可以得到空腔型FBAR。这类方法在制作时仍存在一定的难度。
发明内容
基于以上技术问题，本发明提供了一种空腔型薄膜体声波谐振器，从而解决了以往声波谐振器加工成本高、时间长，制作复杂，热稳定性和功率容量差的技术问题；同时，基于该空腔型薄膜体声波谐振器，本发明还公开了该空腔型薄膜体声波谐振器的制备方法。
为解决以上技术问题，本发明采用的技术方案如下：
一种空腔型薄膜体声波谐振器，包括从下往上依次设置的衬底、隔离层、支撑层、底电极层、压电层及顶电极层，
隔离层上表面中部向下凹陷形成凹槽，支撑层和衬底将凹槽封闭形成封闭空腔，该封闭空腔下表面的高度低于衬底上表面的高度，且该封闭空腔的下表面为平整面。
基于以上技术方案，所述压电层设置在支撑层上端，所述底电极层设置在压电层下端中部，且底电极层下端面设置在支撑层上，所述顶电极层设置在压电层上端中部；所述压电层的下表面积大于凹槽的上表面积；
所述支撑层材料为SiC。
基于以上技术方案，所述的压电层为具有C轴取向的氮化铝层。
基于以上技术方案，所述衬底为硅衬底。
基于以上技术方案，所述隔离层为热氧化SiO2层。
基于以上技术方案，所述支撑层厚度为50nm。
基于以上技术方案，所述底电极层和顶电极层的材料为具有高声阻抗的金属。
综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：本发明通过添加热传导率高、热膨胀系数小的SiC作为器件支撑层，可以有效的将热量散发出去，减小器件热稳态温度，从而使得器件结构稳定，提高了功率容量，热稳定性好；同时，由于SiC的硬度大，耐磨性能好，可以有效的支撑起整个器件结构，提高器件整体的机械强度；SiC支撑层的厚度选择为50nm是通过仿真得到的最优值，即能有效散热和承受应力，给器件带来的***损耗也是最低。
同时，基于以上空腔型薄膜体声波谐振器，本发明还提供了一种空腔型薄膜体声波谐振器的制备方法，该方法包括以下步骤：
S1在衬底上光刻出凹槽轮廓，利用干法刻蚀或湿法刻蚀工艺在衬底上刻蚀形成预设凹槽；
S2刻蚀完成后，在衬底上利用湿氧氧化工艺氧化形成隔离层；
S3采用反转胶光刻工艺光刻出凹槽，并利用磁控溅射工艺沉积一层非晶硅层，非晶硅层厚度高于凹槽的深度，沉积完成后，利用丙酮溶液剥离工艺去掉凹槽外部多余的非晶硅层，然后研磨使得凹槽内非晶硅层与隔离层齐平；
S4在隔离层上端面利用磁控溅射工艺沉积一层支撑层；
S5在支撑层的上表面利用磁控溅射工艺或者电子束蒸发工艺沉积并刻蚀出底电极层；
S6在底电极层上通过磁控溅射工艺沉积并光刻出压电层，该压电层下表面积大于凹槽的上表面积；
S7在压电层上表面采用磁控溅射工艺或电子束蒸发工艺沉积并刻蚀出顶电极层；
S8释放凹槽内非晶硅层的非晶硅形成封闭空腔并干燥，完成制备。
综上所述，本发明与传统的空腔型薄膜体声波谐振器工艺相比，由于沉积非晶硅层后，需要去除的非晶硅大量减少，简化了CMP工艺，研磨时间减少，研磨均匀性改善，提高了器件的频率稳定性及成品率，研磨时对研磨设备要求较低，整体上降低了加工成本、难度和时间。
附图说明
图1为固态配装型薄膜体声波谐振器(SMR)结构示意图。
图2为空气腔型薄膜体声波谐振器(FBAR)结构示意图。
图3为背刻型薄膜体声波谐振器结构示意图。
图4为本发明空腔型薄膜体声波谐振器的结构示意图。
图5为具体实施例中刻蚀后的硅衬底剖面图。
图6为具体实施例中热氧化隔离层后的剖面图。
图7为具体实施例中反转胶光刻出凹槽的器件剖面图。
图8为具体实施例中沉积非晶硅层后的器件剖面图。
图9为具体实施例中去除凹槽外非晶硅层后的器件剖面图。
图10为具体实施例中经过研磨后的器件剖面图。
图11为具体实施例中制备支撑层后的器件剖面图。
图12为具体实施例中制备底电极层后的器件剖面图。
图13为具体实施例中制备压电层后的器件剖面图。
图14为具体实施例中制备顶电极层后的器件剖面图。
图中标记：1、衬底；2、隔离层；3、封闭空腔；4、支撑层；5、底电极层；6、压电层；7、顶电极层；8、非晶硅层；9、反转胶层。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步的说明。本发明的实施方式包括但不限于下列实施例。
实施例
如图4所示，一种空腔型薄膜体声波谐振器，包括从下往上依次设置的衬底1、隔离层2、支撑层4、底电极层5、压电层6及顶电极层7，隔离层2上表面中部向下凹陷形成凹槽，支撑层4和衬底1将凹槽封闭形成封闭空腔3，该封闭空腔3下表面的高度低于衬底1上表面的高度，且该封闭空腔3的下表面为平整面；所述压电层6设置在支撑层4上端，所述底电极层5设置在压电层6下端中部，且底电极层5下端面设置在支撑层4上，所述顶电极层7设置在压电层6上端中部；所述压电层6的下表面积大于凹槽的上表面积；所述的压电层6为具有C轴取向的氮化铝层；所述衬底1为硅衬底；所述隔离层2为热氧化SiO2层；所述支撑层4材料为SiC；所述支撑层4厚度为50nm；所述底电极层5和顶电极层7的材料为具有高声阻抗的金属。
本实施例通过在衬底1上设置隔离层2，并形成凹槽，再利用SiC构成的支撑层4将凹槽封闭成封闭空腔3，SiC加热传导率高、热膨胀系数小，可以有效的将热量散发出去，减小器件热稳态温度，提高器件热稳定性，SiC的硬度大，可以有效的支撑起整个器件结构，提高器件整体的机械强度；同时封闭空腔3下表面的高度低于衬底1上表面的高度，且该封闭空腔3的下表面为平整面，在支撑层4作用下其内结构稳定，封闭空腔3与支撑层4边缘不会出现断裂，从而提高了功率容量。
基于以上内容，本实施例还公开了一种空腔型薄膜体声波谐振器的制备方法，该方法包括以下步骤：
S1在衬底1上光刻出凹槽轮廓，利用干法刻蚀或湿法刻蚀工艺在衬底上刻蚀形成预设凹槽；
S2刻蚀完成后，在衬底1上利用湿氧氧化工艺氧化形成隔离层2；
S3采用反转胶光刻工艺光刻出凹槽，并利用磁控溅射工艺沉积一层非晶硅层8，非晶硅层8厚度高于凹槽的深度，沉积完成后，利用丙酮溶液剥离工艺去掉凹槽外部多余的非晶硅层，然后研磨使得凹槽内非晶硅层8与隔离层2齐平；
S4在隔离层2上端面利用磁控溅射工艺沉积一层支撑层4；
S5在支撑层4的上表面利用磁控溅射工艺或者电子束蒸发工艺沉积并刻蚀出底电极层5；
S6在底电极层5上通过磁控溅射工艺沉积并光刻出压电层6，该压电层6下表面积大于凹槽的上表面积；
S7在压电层6上表面采用磁控溅射工艺或电子束蒸发工艺沉积并刻蚀出顶电极层7；
S8释放凹槽内非晶硅层的非晶硅形成封闭空腔3并干燥，完成制备。
所述步骤S7中，在光刻出压电层6的同时，位于凹槽和底电极层5之间同时刻蚀出释放非晶硅的释放微孔，释放微孔竖直贯穿支撑层4和压电层6。
本方法利用反转胶光刻工艺在隔离层2上端形成有一层反转胶层9，再在反转胶和凹槽内设置非晶硅层8作为牺牲层，利用丙酮溶液和激光剥离工艺将多余非晶硅层8去除，从而可以有效控制非晶硅层8的厚度，去除后凸出凹槽的多余非晶硅层8就会很少，后续研磨时会更加省时省力，且相对于研磨设备的要求就会更小，从整体上降低了加工成本、难度和时间。
为本发明更好的理解和实施，下面结合具体数据对本发明做进一步的说明。
具体实施例
如图4所示，一种空腔型薄膜体声波谐振器，包括从下往上依次设置的衬底1、隔离层2、支撑层4、底电极层5、压电层6及顶电极层7，隔离层2上表面中部向下凹陷形成凹槽，支撑层4和衬底1将凹槽封闭形成封闭空腔3，该封闭空腔3下表面的高度低于衬底1上表面的高度，且该封闭空腔3的下表面为平整面；所述压电层6设置在支撑层4上端，所述底电极层5设置在压电层6下端中部，且底电极层5下端面设置在支撑层4上，所述顶电极层7设置在压电层6上端中部；所述压电层6的下表面积大于凹槽的上表面积；所述的压电层6为具有C轴取向的氮化铝层；所述隔离层2为热氧化SiO2层；所述支撑层4材料为SiC；所述支撑层4厚度为50nm；所述底电极层5和顶电极层7的材料为具有高声阻抗的金属。
其中，所述衬底1的材料为硅，隔离层2材料为二氧化硅，支撑层4材料为碳化硅，凹槽深度为2μm，底电极层5和顶电极层7的材料为金属鉬或金属钨。
上述空腔型薄膜体声波谐振器的制备方法如下，包括以下步骤：
S1在硅衬底上光刻出凹槽轮廓，利用干法刻蚀或湿法刻蚀工艺在衬底上刻蚀形成预设凹槽。在硅衬底表面使用光刻的方法，先利用反转胶去掉凹槽部分光刻胶，露出凹槽部分硅衬底，然后利用反应离子深刻蚀的方法刻蚀露出的部分，控制刻蚀时间，使凹槽深度在2um左右，凹槽面积为200um×200um，如图5所示，硅衬底表面可以是(100)、(110)或(111)取向。
S2刻蚀完成后，在硅衬底上利用湿氧氧化工艺氧化形成200nm厚的SiO2隔离层，如图6所示。
S3采用反转胶光刻工艺光刻出凹槽，并利用磁控溅射工艺沉积一层非晶硅层，非晶硅层厚度高于凹槽的深度，沉积完成后，利用丙酮溶液剥离工艺去掉凹槽外部多余的非晶硅层，然后研磨使得凹槽内非晶硅层与SiO2隔离层齐平。利用反转胶光刻工艺在SiO2隔离层上端形成反转胶层9，并光刻出凹槽，如图7所示；利用磁控溅射沉积一层非晶硅，厚度约为2.3um，略高于牺牲层凹槽的深度，如图8所示；再利用丙酮溶液剥离工艺(lift-off)将位于SiO2隔离层上端的非晶硅去除，如图9所示；最后使用CMP设备研磨，使凹槽内非晶硅与SiO2隔离层上端一样平，如图10所示。
S4在SiO2隔离层上端面利用磁控溅射工艺沉积一层支撑层4。在SiO2隔离层上表面利用磁控溅射的方法沉积一层厚度为50nm的SiC，得到支撑层4，如图11所示。
S5在支撑层4的上表面利用磁控溅射工艺或者电子束蒸发工艺沉积并刻蚀出底电极层5。在支撑层4上采用磁控溅射的方法，沉积一层100-200nm的金属钼，并通过光刻图形化得到底电极形状作为底电极层5，如图12所示，其中沉积金属钼的工艺条件是：气压1Pa，功率200W，气体流量20sccm，硅衬底温度为水冷。
S6在底电极层5上通过磁控溅射工艺沉积并光刻出压电层6，该压电层6下表面积大于凹槽的上表面积；同样采用磁控溅射方法，沉积一层具有C轴取向的AlN(氮化铝)层，通过光刻图形化得到压电层6，并露出部分底电极图形，如图13所示。沉积AlN层的工艺条件是氮气浓度>40％，功率密度>10w/cm2，温度>150℃。
S7在压电层6上表面采用磁控溅射工艺或电子束蒸发工艺沉积并刻蚀出顶电极层7。采用磁控溅射的方法沉积一层100-200nm的金属钼，并通过光刻图形化得到顶电极层7，如图14所示，其中工艺条件与步骤S5底电极层5的制备相同。
S8释放凹槽内非晶硅层8的非晶硅形成封闭空腔3并干燥，完成制备。利用XeF2释放凹槽内的非晶硅层8，得到空腔3并干燥，如图4所示。
所述步骤S6中，在光刻出压电层6的同时，位于凹槽和底电极层5之间同时刻蚀出释放非晶硅的释放微孔，释放微孔竖直贯穿支撑层4和压电层6。非晶硅在XeF2作用下从释放微孔排出从而得到封闭空腔3，工艺简单方便。
如上所述即为本发明的实施例。前文所述为本发明的各个优选实施例，各个优选实施例中的优选实施方式如果不是明显自相矛盾或以某一优选实施方式为前提，各个优选实施方式都可以任意叠加组合使用，所述实施例以及实施例中的具体参数仅是为了清楚表述发明人的发明验证过程，并非用以限制本发明的专利保护范围，本发明的专利保护范围仍然以其权利要求书为准，凡是运用本发明的说明书及附图内容所作的等同结构变化，同理均应包含在本发明的保护范围内。
Claims (9)
1.一种空腔型薄膜体声波谐振器，包括从下往上依次设置的衬底(1)、隔离层(2)、支撑层(4)、底电极层(5)、压电层(6)及顶电极层(7)，其特征在于，
隔离层(2)上表面中部向下凹陷形成凹槽，支撑层(4)和衬底(1)将凹槽封闭形成封闭空腔(3)，该封闭空腔(3)下表面的高度低于衬底(1)上表面的高度，且该封闭空腔(3)的下表面为平整面；
所述支撑层(4)材料为SiC。
2.根据权利要求1所述的一种空腔型薄膜体声波谐振器，其特征在于，所述压电层(6)设置在支撑层(4)上端，所述底电极层(5)设置在压电层(6)下端中部，且底电极层(5)下端面设置在支撑层(4)上，所述顶电极层(7)设置在压电层(6)上端中部；所述压电层(6)的下表面积大于凹槽的上表面积。
3.根据权利要求1所述的一种空腔型薄膜体声波谐振器，其特征在于，所述的压电层(6)为具有C轴取向的氮化铝层。
4.根据权利要求1所述的一种空腔型薄膜体声波谐振器，其特征在于，所述衬底(1)为硅衬底。
5.根据权利要求1所述的一种空腔型薄膜体声波谐振器，其特征在于，所述隔离层(2)为热氧化SiO2层。
6.根据权利要求1所述的一种空腔型薄膜体声波谐振器，其特征在于，所述支撑层(4)厚度为50nm。
7.根据权利要求1所述的一种空腔型薄膜体声波谐振器，其特征在于，所述底电极层(5)和顶电极层(7)的材料为具有高声阻抗的金属。
8.一种空腔型薄膜体声波谐振器的制备方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
S1在衬底(1)上光刻出凹槽轮廓，利用干法刻蚀或湿法刻蚀工艺在衬底上刻蚀形成预设凹槽；
S2刻蚀完成后，在衬底(1)上利用湿氧氧化工艺氧化形成隔离层(2)；
S3采用反转胶光刻工艺光刻出凹槽，并利用磁控溅射工艺沉积一层非晶硅层(8)，非晶硅层(8)厚度高于凹槽的深度，沉积完成后，利用丙酮溶液剥离工艺去掉凹槽外部多余的非晶硅层(8)，然后研磨使得凹槽内非晶硅层与隔离层(2)齐平；
S4在隔离层(2)上端面利用磁控溅射工艺沉积一层支撑层(4)；
S5在支撑层(4)的上表面利用磁控溅射工艺或者电子束蒸发工艺沉积并刻蚀出底电极层(5)；
S6在底电极层(5)上通过磁控溅射工艺沉积并光刻出压电层(6)，该压电层(6)下表面积大于凹槽的上表面积；
S7在压电层(6)上表面采用磁控溅射工艺或电子束蒸发工艺沉积并刻蚀出顶电极层(7)；
S8释放凹槽内非晶硅层(8)的非晶硅形成封闭空腔(3)并干燥，完成制备。
9.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于，所述步骤S6中，在光刻出压电层(6)的同时，位于凹槽和底电极层(5)之间同时刻蚀出释放非晶硅的释放微孔，释放微孔竖直贯穿支撑层(4)和压电层(6)。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20171229 |
|
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |