CN109474252A - 可提高q值的空腔薄膜体声波谐振器及其制备方法 - Google Patents

可提高q值的空腔薄膜体声波谐振器及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种可提高Q值的空腔薄膜体声波谐振器及其制备方法。本发明提供的可提高Q值的空腔薄膜体声波谐振器,其特征在于,包括:衬底,中部具有向上开口的凹槽;SiC/Diamond薄膜层,形成在衬底上,中部设有与凹槽对应的贯穿口;以及压电震荡堆部,形成在SiC/Diamond薄膜层上,并且位于贯穿口的正上方,从下至上依次包括:底电极、压电层、和顶电极。本发明利用SiC/Diamond薄膜层声波传播速率快、硬度高的特点,可以很好的抑制压电薄膜中产生的横向振动模式的声波,并且可以减小软质衬底引入的机械阻尼,减少声波能量损耗,降低薄膜体声波谐振器的***损耗,获得高的Q值和机电耦合系数。

Description

可提高Q值的空腔薄膜体声波谐振器及其制备方法
技术领域
本发明属于传感器制备领域,具体涉及可提高Q值的空腔薄膜体声波谐振器及其制备方法。
技术背景
随着无线通信的迅猛发展,无线信号变得越来越拥挤,对工作在射频频段的滤波器提出了集成化、微型化、低功耗、高性能、低成本等新的要求。传统的声表面波滤波器因为频率及承受功率等的限制,越来越无法达到这样的技术指标。薄膜体声波谐振器(FBAR)由于具有CMOS工艺兼容、高品质因数(Q值)、低损耗、低温度系数、高的功率承载能力的特性逐渐成为射频滤波器研究的热点。
薄膜体声波谐振器(Film Bulk Acoustic Wave Resonator,FBAR)可分为空气隙型、硅背面刻蚀型以及固态封装型。其中空腔型FBAR相对固态封装型Q值略高,损耗小,机电耦合系数稍高;相对于硅背面刻蚀型FBAR,其机械稳定性和机械强度要好,因为空腔型不需要去除大面积的衬底。空腔型FBAR一般为制作在衬底硅上面的电极-压电薄膜-电极的三明治结构,在衬底硅的上表面与下电极的下表面之间刻蚀出一个空气隙形成空气界面,此空气界面可以将声波能量限制在FBAR基片之中,以此减少声波能量的损耗。
薄膜体声波谐振器的原理是利用压电薄膜的压电效应,在上、下电极之间施加一个电信号,由于压电薄膜的压电效应会产生声信号,声信号在电极之间震荡,声波分为沿厚度震动模式和横向震动模式,其中只有满足声波全反射条件的厚度震动模式声波才会被保留下来,横向振动模式的声波将被消耗,保留下来的声信号再转化为电信号输出,从而实现电信号的选频。其中由于横向震动模式的声波造成了声波能量的损失,降低了能量转换效率,增大了FBAR的***损耗,降低了品质因子Q值。
发明内容
本发明是为了解决上述问题而进行的,目的在于提供一种可提高Q值的空腔薄膜体声波谐振器及其制备方法。
本发明为了实现上述目的,采用了以下方案:
<谐振器>
本发明提供一种可提高Q值的空腔薄膜体声波谐振器,其特征在于,包括:衬底,中部具有向上开口的凹槽;SiC/Diamond薄膜层,形成在衬底上,中部设有与凹槽对应的贯穿口;以及压电震荡堆部,形成在SiC/Diamond薄膜层上,并且位于贯穿口的正上方,从下至上依次包括:底电极、压电层、和顶电极。
优选地,本发明提供的可提高Q值的空腔薄膜体声波谐振器还可以具有以下特征:衬底为硅或蓝宝石衬底。
优选地,本发明提供的可提高Q值的空腔薄膜体声波谐振器还可以具有以下特征:底电极和顶电极均为为金属薄膜,该金属薄膜为钼、铂、金、银和钨薄膜中的任意一种。
优选地,本发明提供的可提高Q值的空腔薄膜体声波谐振器还可以具有以下特征:压电层采用具有C轴取向的AlN、ZnO、PZT压电薄膜中的任意一种。
<制备方法>
进一步,本发明还提供一种可提高Q值的空腔薄膜体声波谐振器的制备方法,其特征在于:制备上述<谐振器>所描述的可提高Q值的空腔薄膜体声波谐振器。
优选地,本发明提供的可提高Q值的空腔薄膜体声波谐振器的制备方法包括如下步骤:步骤1.在衬底上沉积SiC/Diamond薄膜层;步骤2.在SiC/Diamond薄膜层上刻蚀出预设的贯穿口;步骤3.在衬底上刻蚀出预设的凹槽,该凹槽的尺寸与贯穿口相对应;步骤4.在SiC/Diamond薄膜层上沉积牺牲层,该牺牲层材料的化学性质应与衬底不同,保证后续腐蚀时对衬底无影响;步骤5.利用化学机械抛光技术将多余的牺牲层材料除去,使得牺牲层材料刚好填满凹槽和贯穿口;步骤6.在SiC/Diamond薄膜层和牺牲层上依次沉积底电极、压电薄膜和顶电极,形成压电震荡堆部;步骤7.将底电极/压电层/顶电极进行图形化以减少伪模式振动;步骤8.在压电堆叠结构上刻蚀释放孔;步骤9.通过释放孔导入腐蚀剂,仅将牺牲层腐蚀掉,在衬底、SiC/Diamond薄膜层和压电震荡堆部形成空腔。
优选地,本发明提供的可提高Q值的空腔薄膜体声波谐振器的制备方法还可以具有以下特征:在步骤7中,是将底电极/压电层/顶电极图形化为多边形或圆形。
发明的作用与效果
本发明提供的可提高Q值的空腔薄膜体声波谐振器,利用SiC/Diamond薄膜层声波传播速率快、硬度高的特点,可以很好的抑制压电薄膜中产生的横向振动模式的声波,并且可以减小软质衬底引入的机械阻尼,减少声波能量损耗,降低薄膜体声波谐振器的***损耗,获得高的Q值和机电耦合系数。并且,当采用SiC/Diamond薄膜作为SiC/Diamond薄膜层时,由于其热导率(40W/(m.k))很高,是硅的三倍,将其沉积在底电极与硅衬底之间可以提高FBAR的互联节点温度,加快散热,减缓空腔型FBAR的过热现象,从而减小压电层和电极的热应力及其引起的频率漂移。
附图说明
图1为本发明实施例一中涉及的可提高Q值的空腔薄膜体声波谐振器的剖面图(a)和俯视图(b);
图2为本发明实施例二中涉及的可提高Q值的空腔薄膜体声波谐振器的剖面图(a)和俯视图(b);
图3为本发明实施例三中涉及的硅衬底的剖面图(a)和俯视图(b);
图4为本发明实施例三中生长SiC/Diamond薄膜层后的剖面图(a)和俯视图(b);
图5为本发明实施例三中利用ICP工艺在SiC/Diamond层上刻蚀出贯穿口后的剖面图(a)和俯视图(b);
图6为本发明实施例三中在硅衬底上刻蚀出凹槽后的剖面图(a)和俯视图(b);
图7为本发明实施例三中沉积牺牲层后的剖面图(a)和俯视图(b);
图8为本发明实施例三中利用CMP技术将牺牲层磨平抛光后的剖面图(a)和俯视图(b);
图9为本发明实施例三中沉积底电极金属薄膜后的剖面图(a)和俯视图(b);
图10为本发明实施例三中沉积AlN压电薄膜后的剖面图(a)和俯视图(b);
图11为本发明实施例三中沉积顶电极薄膜后的剖面图(a)和俯视图(b);
图12为本发明实施例三中将压电震荡堆部图形化为六边形后的剖面图(a)和俯视图(b);
图13为本发明实施例三中刻蚀释放孔后的剖面图(a)和俯视图(b)。
具体实施方式
以下结合附图对本发明涉及的可提高Q值的空腔薄膜体声波谐振器及其制备方法的具体实施方案进行详细地说明。
<实施例一>
如图1所示,本实施例一所提供的可提高Q值的空腔薄膜体声波谐振器10包括衬底11、SiC/Diamond薄膜层12以及压电震荡堆部13。衬底11中部具有向上开口的凹槽。SiC/Diamond薄膜层12形成在衬底上,中部设有与凹槽对应的贯穿口,贯穿口的尺寸与凹槽一致。压电震荡堆部13形成在SiC/Diamond薄膜层12上,并且位于贯穿口的正上方;压电震荡堆部13从下至上依次包括:底电极13a、压电层13b、和顶电极13c。衬底11上的凹槽、SiC/Diamond薄膜层12上的贯穿口、和压电震荡堆部13共同围成了空腔14。压电震荡堆部13上均匀设有四个释放孔15,这些释放孔15是为了制备空腔14所设置,在实施例三中会进行说明。
如图1(a)所示,本实施例一中,图案化后的压电震荡堆部13为正六边形。
<实施例二>
如图2所示,本实施例二所提供的可提高Q值的空腔薄膜体声波谐振器20包括衬底21、SiC/Diamond薄膜层22以及压电震荡堆部23。衬底21中部具有向上开口的凹槽。SiC/Diamond薄膜层22形成在衬底上,中部设有与凹槽对应的贯穿口,贯穿口的尺寸与凹槽一致。压电震荡堆部23形成在SiC/Diamond薄膜层22上,并且位于贯穿口的正上方;压电震荡堆部23从下至上依次包括:底电极23a、压电层23b、和顶电极23c。衬底21上的凹槽、SiC/Diamond薄膜层22上的贯穿口、和压电震荡堆部23共同围成了空腔24。压电震荡堆部23上均匀设有四个释放孔25,这些释放孔25是为了制备空腔24所设置。
如图2(a)所示,本实施例二中,图案化后的压电震荡堆部13为圆形。
<实施例三>
本实施例三提供一种可提高Q值的空腔薄膜体声波谐振器的制备方法,这里以实施例一中的谐振器为例进行说明,具体包括如下步骤:
1)如图3所示,准备硅衬底11;
2)如图4所示,在硅衬底11上生长SiC/Diamond薄膜层12;
3)如图5所示,在SiC/Diamond薄膜层12上刻蚀出预设的贯穿口12a:
4)如图6所示,在硅衬底11上刻蚀出预设的凹槽11a;
5)如图7所示,在SiC/Diamond薄膜层12上和凹槽11a中沉积牺牲层A,牺牲层A材料的化学性质与硅衬底11不同,保证后续腐蚀时对衬底不影响;
6)如图8所示,利用化学机械抛光技术将多余的牺牲层A材料除去,使得牺牲层A材料刚好填满硅衬底11和SiC/Diamond薄膜层12层上面的凹槽11a和贯穿口12a;
7)如图9~11所示,在SiC/Diamond薄膜层12和牺牲层A上依次沉积底电极13a、压电薄膜13b和顶电极13c,形成压电震荡堆部13;
8)如图12所示,将压电震荡堆部13图形化为六边形;
9)如图13所示,在压电震荡堆部13上刻蚀释放孔15;
10)如图1所示,通过释放孔导入腐蚀液或者腐蚀气体,将牺牲层A完全腐蚀掉,从而形成空腔14。
以上实施例仅仅是对本发明技术方案所做的举例说明。本发明所涉及的可提高Q值的空腔薄膜体声波谐振器及其制备方法并不仅仅限定于在以上实施例中所描述的内容,而是以权利要求所限定的范围为准。本发明所属领域技术人员在该实施例的基础上所做的任何修改或补充或等效替换,都在本发明的权利要求所要求保护的范围内。

Claims (7)

1.一种可提高Q值的空腔薄膜体声波谐振器,其特征在于,包括:
衬底,中部具有向上开口的凹槽;
SiC/Diamond薄膜层,形成在所述衬底上,中部设有与凹槽对应的贯穿口;以及
压电震荡堆部,形成在所述SiC/Diamond薄膜层上,并且位于所述贯穿口的正上方,从下至上依次包括:底电极、压电层、和顶电极。
2.根据权利要求1所述的可提高Q值的空腔薄膜体声波谐振器,其特征在于:
其中,所述衬底为硅或蓝宝石衬底。
3.根据权利要求1所述的可提高Q值的空腔薄膜体声波谐振器,其特征在于:
其中,所述底电极和顶电极均为为金属薄膜,该金属薄膜为钼、铂、金、银和钨薄膜中的任意一种。
4.根据权利要求1所述的可提高Q值的空腔薄膜体声波谐振器,其特征在于:
其中,所述压电层采用具有C轴取向的AlN、ZnO、PZT压电薄膜中的任意一种。
5.一种空腔薄膜体声波谐振器的制备方法,其特征在于:
制备如权利要求1至4中任意一项所述的可提高Q值的空腔薄膜体声波谐振器。
6.根据权利要求5所述的空腔薄膜体声波谐振器的制备方法,其特征在于,包括如下步骤:
步骤1.在衬底上沉积SiC/Diamond薄膜层;
步骤2.在SiC/Diamond薄膜层上刻蚀出预设的贯穿口;
步骤3.在所述衬底上刻蚀出预设的凹槽,该凹槽的尺寸与所述贯穿口相对应;
步骤4.在SiC/Diamond薄膜层上沉积牺牲层,该牺牲层材料的化学性质应与衬底不同,保证后续腐蚀时对衬底无影响;
步骤5.利用化学机械抛光技术将多余的牺牲层材料除去,使得牺牲层材料刚好填满所述凹槽和所述贯穿口;
步骤6.在所述SiC/Diamond薄膜层和所述牺牲层上依次沉积底电极、压电薄膜和顶电极,形成压电震荡堆部;
步骤7.将所述底电极/所述压电层/所述顶电极进行图形化;
步骤8.在所述压电堆叠部上刻蚀释放孔;
步骤9.通过释放孔导入腐蚀剂,仅将所述牺牲层腐蚀掉,在所述衬底、所述SiC/Diamond薄膜层和所述压电震荡堆部形成空腔。
7.根据权利要求6所述的可提高Q值的空腔薄膜体声波谐振器的制备方法,其特征在于:
其中,在步骤7中,是将所述底电极/所述压电层/所述顶电极图形化为多边形或圆形。
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