CN109150135B - 基于键合的薄膜体声波谐振器及其加工方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出一种基于键合的薄膜体声波谐振器及其加工方法，其中，基于键合的薄膜体声波谐振器包括：衬底，设置在所述衬底上的第一金属柱和第二金属柱；以及设置于所述第一金属柱和所述第二金属柱之间的压电薄膜堆叠结构，其中，所述压电薄膜堆叠结构包括第一电极、压电层和第二电极，所述压电层位于所述第一电极和所述第二电极之间，且所述第一电极和所述第二电极相对设置，所述第一电极还与所述第一金属柱电连接，所述第二电极还与所述第二金属柱电连接。本发明基于键合的薄膜体声波谐振器能够保证空腔内牺牲层材料的清洁程度，提高基于键合的薄膜体声波谐振器的性能。
Description
技术领域
本发明涉及一种压电器件，特别是一种基于键合的薄膜体声波谐振器及其加工方法。
背景技术
随着无线通讯应用的发展，人们对于数据传输速度的要求越来越高。在移动通信领域，第一代通信技术是模拟技术，第二代通信技术实现了数字化语音通信，第三代通信技术以多媒体通信为特征，***通信技术将通信速率提高到1Gbps、时延减小到10ms，第五代通信技术是***通信技术之后的新一代移动通信技术，虽然第五代通信技术的技术规范与标准还没有完全明确，但与第三代通信技术、***通信技术相比，其网络传输速率和网络容量将大幅提升。如果说从第一代通信技术到***通信技术主要解决的是人与人之间的沟通，第五代通信技术将解决人与人之外的人与物、物与物之间的沟通，即万物互联，实现“信息随心至，万物触手及”的愿景。
与数据率上升相对应的是频谱资源的高利用率以及通讯协议的复杂化。由于频谱有限，为了满足数据率的需求，必须充分利用频谱；同时为了满足数据率的需求，从***通信技术开始还使用了载波聚合技术，使得一台设备可以同时利用不同的载波频谱传输数据。另一方面，为了在有限的带宽内支持足够的数据传输率，通信协议变得越来越复杂，因此对射频***的各种性能也提出了严格的需求。
在射频前端模块中，射频滤波器起着至关重要的作用。它可以将带外干扰和噪声滤除，以满足射频***和通讯协议对于信噪比的需求。随着通信协议越来越复杂，对频带内外的要求也越来越高，使得滤波器的设计越来越有挑战。另外，随着手机需要支持的频带数目不断上升，每一款手机中需要用到的滤波器数量也在不断上升。
目前，射频滤波器最主流的实现方式是声表面波滤波器和基于薄膜体声波谐振器技术的滤波器。声表面波滤波器由于其自身的局限性，在1.5GHz以下使用比较合适。然而，目前的无线通讯协议已经早就使用大于2.5GHz的频段，这时必须使用基于薄膜体声波谐振器技术的滤波器。
薄膜体声波谐振器的结构和制备方式已经有很多。在以往的结构和制备方式中，主要采用氮化铝、氧化锌、PZT等压电薄膜作为压电材料，而制备高质量的压电薄膜材料一直是该领域的重点与难点。传统制备薄膜体声波谐振器的方法是首先对衬底进行刻蚀空腔，然后再用牺牲层材料填充。接下来刻蚀沉积底电极材料，然后对其刻蚀形成所需的底电极形状，在此基础上再沉积压电层。最后将牺牲层材料通过通孔进行湿法腐蚀。而在上述工艺过程中，表面空腔内的牺牲层材料难以彻底清除，而牺牲层残留物的粘连会最终影响薄膜体声波谐振器的性能。
发明内容
为了提高现有工艺技术中牺牲层材料的清除效率，保证空腔内牺牲层材料的清洁程度，提高薄膜体声波谐振器的性能，本发明设计了基于键合工艺的薄膜体声波谐振器。
具体地，本发明的技术方案如下：
一种基于键合的薄膜体声波谐振器，其特征在于，包括：
衬底；
设置在所述衬底上的第一金属柱和第二金属柱；以及
设置于所述第一金属柱和所述第二金属柱之间的压电薄膜堆叠结构，其中，所述压电薄膜堆叠结构包括第一电极、压电层和第二电极，所述压电层位于所述第一电极和所述第二电极之间，且所述第一电极和所述第二电极相对设置，所述第一电极还与所述第一金属柱电连接，所述第二电极还与所述第二金属柱电连接。
优选地，所述第二电极的第一端位于所述压电层朝向所述衬底的表面，所述第二电极的第二端与所述第二金属柱电连接，且所述第二电极的第二端与所述第一电极的表面相齐平。
优选地，所述第一电极的材料为钨、钼、铂白金、钌、铱、钛钨、铝之一。
优选地，所述压电层的材料为氮化铝、氧化锌、铌酸锂、钽酸锂之一。
优选地，所述衬底的材料为单晶硅、多晶硅、玻璃、石英或蓝宝石。
本发明还提出一种基于键合的薄膜体声波谐振器的加工方法，其特征在于，包括以下步骤：
在衬底上沉积电极材料和压电材料，构建压电薄膜堆叠结构，其中，所述压电薄膜堆叠结构包括第一电极、压电层和第二电极，所述压电层位于所述第一电极和所述第二电极之间，且所述第一电极和所述第二电极相对设置；
在所述电极材料表面沉积第一薄膜材料；
对所述第一薄膜材料进行图形化，形成用于连接所述第一电极和所述第二电极的通孔；
在所述第一薄膜材料表面沉积金属材料，填充所述通孔，形成用于连接所述第一电极和所述第二电极的金属柱；
去除所述第一薄膜材料；
将所述金属柱和基板进行共熔键合；
剥离所述衬底。
优选地，所述在衬底上沉积电极材料和压电材料，构建压电薄膜堆叠结构，具体包括以下步骤：
在衬底上沉积第二薄膜材料；
在所述第二薄膜材料表面沉积电极材料和压电材料，构建压电薄膜堆叠结构；
所述剥离所述衬底，具体包括以下步骤：
腐蚀所述第二薄膜材料，以使所述衬底与所述压电薄膜堆叠结构分离。
优选地，所述压电薄膜堆叠结构包括第一电极、压电层和第二电极；
所述在所述第二薄膜材料表面沉积电极材料和压电材料，构建压电薄膜堆叠结构，具体包括以下步骤：
在所述第二薄膜材料表面沉积电极材料，进行图形化，构建第一电极；
在所述第一电极表面依次沉积压电材料和电极材料，进行图形化，构建压电层和第二电极。
优选地，还包括以下步骤：将剥离衬底后的器件进行清洗。
优选地，所述第二薄膜材料为二氧化硅、氮化硅或磷硅酸玻璃。
本发明的有益技术效果是：采用压电三明治结构，逐层沉积之后再进行键合，有效避免了传统加工方法造成的牺牲层释放不彻底和粘连问题。并且，采用金属柱的键合方式，相比传统加工方法，有助于形成更大的空腔，从而提高基于键合的薄膜体声波谐振器的Q值。
附图说明
图1是本发明实施例的基于键合的薄膜体声波谐振器的结构示意图；
图2是本发明实施例的基于键合的薄膜体声波谐振器的制备工艺流程示意图；图2(a)为制备工艺中所使用的衬底示意图；图2(b)为沉积第二薄膜材料示意图；图2(c)为沉积电极材料、图形化、构建第一电极示意图；图2(d)为沉积压电材料和电极材料、图形化、构建压电层和第二电极示意图；图2(e)为沉积第一薄膜材料示意图；图2(f)为对第一薄膜材料图形化形成通孔示意图；图2(g)为沉积金属材料形成金属柱示意图；图2(h)为湿法刻蚀去除第一薄膜材料；图2(i)为键合示意图；图2(j)为湿法腐蚀剥离衬底；图2(k)为元件示意图。
附图标记说明：
100--衬底；200--第二薄膜材料；300--第一电极；400--压电层；500--第二电极；600--第一薄膜材料；610--通孔；710--第一金属柱；720--第二金属柱；800--基板。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步说明。
实施例1
本发明提出一种新颖的基于键合的薄膜体声波谐振器，其具体结构参见图1所示。其包括：衬底100、设置在所述衬底100上的第一金属柱710和第二金属柱720，以及设置于所述第一金属柱710和所述第二金属柱720之间的压电薄膜堆叠结构，其中，所述压电薄膜堆叠结构包括第一电极300、压电层400和第二电极500，所述压电层400位于所述第一电极300和所述第二电极500之间，且所述第一电极300和所述第二电极500相对设置，所述第一电极300还与所述第一金属柱710电连接，所述第二电极500还与所述第二金属柱720电连接。
本发明实施例的基于键合的薄膜体声波谐振器，采用压电三明治结构，在衬底100上设置第一金属柱710和第二金属柱720，以连接压电薄膜堆叠结构，有效避免了空腔中牺牲层释放不彻底而导致的粘连问题，且有助于形成更大的空腔，从而提高基于键合的薄膜体声波谐振器的Q值。
优选地，所述第二电极500的第一端位于所述压电层400朝向所述衬底100的表面，所述第二电极500的第二端与所述第二金属柱720电连接，且所述第二电极500的第二端与所述第一电极300的表面相齐平，以便于引出两个电极，且方便元器件制作。
优选地，所述第一电极300为钨、钼、铂白金、钌、铱、钛钨、铝之一；所述第二电极500的材料为钨、钼、铂白金、钌、铱、钛钨、铝之一，有利于提高电极的导电性能。
优选地，所述压电层400的材料为氮化铝、氧化锌、铌酸锂、钽酸锂之一。
优选地，所述衬底100的材料为单晶硅、多晶硅、玻璃、石英或蓝宝石。
实施例2
参见图2，本发明实施例1的基于键合的薄膜体声波谐振器可以通过以下工艺步骤制造：
准备单面或双面抛光的硅片，作为衬底100，且抛光面向上，进行标准清洗，如图2(a)所示。
在衬底100上沉积电极材料和压电材料，构建压电薄膜堆叠结构，其中，所述压电薄膜堆叠结构包括第一电极300、压电层400和第二电极500，所述压电层400位于所述第一电极300和所述第二电极500之间，且所述第一电极300和所述第二电极500相对设置。
作为优选，为了方便在共熔键合后剥离衬底100，在本发明实施例基于键合的薄膜体声波谐振器的工艺制造过程中，可以在衬底100上预先沉积用于剥离的第二薄膜材料200，所述在衬底100上沉积电极材料和压电材料，构建压电薄膜堆叠结构，具体包括以下步骤：
在衬底100上沉积第二薄膜材料200，所述第二薄膜材料200为二氧化硅、氮化硅或磷硅酸玻璃等容易与衬底100剥离的材料，如图2(b)所示。
在所述第二薄膜材料200表面沉积电极材料和压电材料，构建压电薄膜堆叠结构，以便于通过腐蚀所述第二薄膜材料200的方式，以使所述衬底100与所述压电薄膜堆叠结构分离，有助于快速分离所述衬底100，提高工艺制作效率。
作为优选，针对压电薄膜堆叠结构，其包括第一电极300、压电层400和第二电极500，压电薄膜堆叠结构的工艺制造过程如下：
在所述第二薄膜材料200表面沉积电极材料，进行图形化，构建第一电极300，如图2(c)所示；其中，所述第一电极300的材料为钨、钼、铂白金、钌、铱、钛钨、铝之一。
在所述第一电极300表面依次沉积压电材料和电极材料，进行图形化，构建压电层400和第二电极500，如图2(d)所示。其中，所述第二电极500的材料为钨、钼、铂白金、钌、铱、钛钨、铝之一，所述压电层400的材料为氮化铝、氧化锌、铌酸锂、钽酸锂之一。通过第一电极300、压电层400和第二电极500依次沉积的方式，形成所述压电薄膜堆叠结构，提高工艺制备效率。
在所述电极材料表面沉积一定厚度的第一薄膜材料600；并对该第一薄膜材料600进行平坦化，如图2(e)所示。其中，第一薄膜材料600为二氧化硅薄膜。
对所述第一薄膜材料600进行图形化，形成用于连接所述第一电极300和所述第二电极500的通孔610，如图2(f)所示。
在所述第一薄膜材料600表面沉积金属材料，填充所述通孔610，形成用于连接所述第一电极300和所述第二电极500的金属柱，并对其表面进行平坦化，如图2(g)所示。
通过湿法刻蚀去除所述第一薄膜材料600，如图2(h)所示。
将所述金属柱和基板800进行共熔键合，形成空腔。这里，将前述形成的器件通过金属柱和基板800进行共熔键合，使得金属柱和基板800融为一体。基板800为单晶硅、多晶硅、玻璃、石英或蓝宝石等，所得结构如图2(i)所示。
剥离所述衬底100。
作为优选，所述剥离所述衬底100，具体包括以下步骤：
通过湿法腐蚀所述第二薄膜材料200，以使所述衬底100与所述压电薄膜堆叠结构分离，如图2(j)所示。这里，通过腐蚀预先沉积的第二薄膜材料200，有助于快速分离所述衬底100，提高工艺制作效率。
本发明实施例1的基于键合的薄膜体声波谐振器采用压电三明治结构，逐层沉积之后再进行键合，有效避免了传统加工方法造成的牺牲层释放不彻底和粘连问题。并且，采用金属柱的键合方式，相比传统加工方法，有助于形成更大的空腔，从而提高基于键合的薄膜体声波谐振器的Q值。
所述剥离所述衬底100，具体包括以下步骤：
腐蚀所述第二薄膜材料200，以使所述衬底100与所述压电薄膜堆叠结构分离。这里，通过腐蚀预先沉积的第二薄膜材料200，有助于快速分离所述衬底100，提高工艺制作效率。
作为优选，在剥离所述衬底100，还包括以下步骤：将剥离衬底100后的器件进行标准清洗，形成如图2(k)所示的元件。
尽管本发明具体实施方式对发明的技术方案进行了详细说明，但是本发明不限于此，本技术领域技术人员可以根据本发明的原理进行各种修改。因此，凡按照本发明原理所作的修改，都应当理解为落入本发明的保护范围。
Claims (9)
1.一种基于键合的薄膜体声波谐振器，其特征在于，包括：
衬底；
设置在所述衬底上的第一金属柱和第二金属柱；以及
设置于所述第一金属柱和所述第二金属柱之间的压电薄膜堆叠结构，其中，所述压电薄膜堆叠结构包括第一电极、压电层和第二电极，所述压电层位于所述第一电极和所述第二电极之间，且所述第一电极和所述第二电极相对设置，所述第一电极还与所述第一金属柱电连接，所述第二电极还与所述第二金属柱电连接；
所述第二电极的第一端位于所述压电层朝向所述衬底的表面，所述第二电极的第二端与所述第二金属柱电连接，且所述第二电极的第二端与所述第一电极的表面相齐平；
所述第二电极的材料为钨、钼、铂白金、钌、铱、钛钨、铝之一。
2.根据权利要求1所述的基于键合的薄膜体声波谐振器，其特征在于，所述第一电极的材料为钨、钼、铂白金、钌、铱、钛钨、铝之一。
3.根据权利要求1所述的基于键合的薄膜体声波谐振器，其特征在于，所述压电层的材料为氮化铝、氧化锌、铌酸锂、钽酸锂之一。
4.根据权利要求1所述的基于键合的薄膜体声波谐振器，其特征在于，所述衬底的材料为单晶硅、多晶硅、玻璃、石英或蓝宝石。
5.一种基于键合的薄膜体声波谐振器的加工方法，其特征在于，包括以下步骤：
在衬底上沉积电极材料和压电材料，构建压电薄膜堆叠结构，其中，所述压电薄膜堆叠结构包括第一电极、压电层和第二电极，所述压电层位于所述第一电极和所述第二电极之间，且所述第一电极和所述第二电极相对设置；
在所述电极材料表面沉积第一薄膜材料；
对所述第一薄膜材料进行图形化，形成用于连接所述第一电极和所述第二电极的通孔；
在所述第一薄膜材料表面沉积金属材料，填充所述通孔，形成用于连接所述第一电极和所述第二电极的金属柱；
去除所述第一薄膜材料；
将所述金属柱和基板进行共熔键合；
剥离所述衬底。
6.根据权利要求5所述的基于键合的薄膜体声波谐振器的加工方法，其特征在于，所述在衬底上沉积电极材料和压电材料，构建压电薄膜堆叠结构，具体包括以下步骤：
在衬底上沉积第二薄膜材料；
在所述第二薄膜材料表面沉积电极材料和压电材料，构建压电薄膜堆叠结构；
所述剥离所述衬底，具体包括以下步骤：
腐蚀所述第二薄膜材料，以使所述衬底与所述压电薄膜堆叠结构分离。
7.根据权利要求6所述的基于键合的薄膜体声波谐振器的加工方法，其特征在于，所述压电薄膜堆叠结构包括第一电极、压电层和第二电极；
所述在所述第二薄膜材料表面沉积电极材料和压电材料，构建压电薄膜堆叠结构，具体包括以下步骤：
在所述第二薄膜材料表面沉积电极材料，进行图形化，构建第一电极；
在所述第一电极表面依次沉积压电材料和电极材料，进行图形化，构建压电层和第二电极。
8.根据权利要求5所述的基于键合的薄膜体声波谐振器的加工方法，其特征在于，还包括以下步骤：将剥离衬底后的器件进行清洗。
9.根据权利要求6所述的基于键合的薄膜体声波谐振器的加工方法，其特征在于，所述第二薄膜材料为二氧化硅、氮化硅或磷硅酸玻璃。
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