CN109981070A - 一种无需制备牺牲层的空腔型体声波谐振器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种无需制备牺牲层的空腔型体声波谐振器及其制备方法,包括如下步骤:取经过离子注入并具有底电极的压电单晶晶圆,并在所述压电单晶晶圆的具有底电极的一侧成型空腔,然后取衬底,将所述衬底与所述压电单晶晶圆的具有空腔的一侧键合;将键合后的中间产物进行热处理,使所述压电单晶晶圆的薄膜剥离,再在所述压电单晶晶圆的剥离后的一侧生产顶电极,即得。本发明所述的无需制备牺牲层的空腔型体声波谐振器的制备方法,不需要生长牺牲层,不对薄膜进行刻蚀开孔,其器件机械强度提高,不易对薄膜产生损伤;空腔结构在成膜前形成,成品率较高,且不会有成膜后刻蚀遗留的残渣,不需要考虑释放不完全对器件造成的影响。
Description
技术领域
本发明属于单晶薄膜器件技术领域,具体而言,本发明涉及一种无需制备牺牲层的空腔型体声波谐振器及其制备方法。
背景技术
薄膜体声波谐振器(Film Bulk Acoustic Wave Resonator,FBAR),是单晶薄膜器件,近年来,随着加工工艺水平的提升和无线通信的快速发展,薄膜体声波谐振器由于其较高的Q值(大于1000)以及能够与CMOS工艺兼容的优点,得到了较快的发展。其通过压电薄膜的逆压电效应将电能量转换成声波而形成谐振。薄膜体声波谐振器的谐振腔以压电薄膜作为支撑,是一个压电薄膜夹在两金属电极间的三明治结构,其谐振频率主要与压电薄膜厚度成反比,也与三明治结构其他各层特性和厚度有关。三明治谐振腔外两面都是空气,满足理想全反射状态。
目前,现有的薄膜体声波谐振器的压电薄膜主要是通过沉积的方式沉积在电极层上,薄膜质量非常依赖于下电极质量。此方法的问题在于:电极材料与压电单晶晶圆晶格常数不匹配、电极表面不平整等问题会引起压电单晶薄膜形成多晶,薄膜生长质量差且晶轴取向难以控制。这些会大大影响FBAR器件性能。
为获得高质量的压电薄膜,现有技术中有采用晶圆键合转移的方法制备压电薄膜。该方法选用单晶晶圆材料或者带有高质量外延压电层的晶圆材料作为压电单晶晶圆,对其进行高能离子注入,然后结合晶圆键合的工艺,在目标衬底上转移制备高质量的压电薄膜。而空腔型薄膜体声波谐振器的微加工方法则需要从薄膜材料表面刻蚀开孔腐蚀压电薄膜下的硅材料,虽然能够获得较好的反射效果,但是该方法需提前在压电薄膜下制备硅材料,作为牺牲层,且从薄膜材料表面刻蚀开孔腐蚀压电薄膜下的硅材料的过程中,易对薄膜造成损伤,降低薄膜质量。另外,在空腔中会形成腐蚀残渣影响器件性能。因此,无需制备牺牲层的空腔型体声波谐振器的制备方法仍然有待改进。
发明内容
本发明提供了一种无需制备牺牲层的空腔型体声波谐振器及其制备方法,以解决现有技术中制备空腔型薄膜体声波谐振器时,薄膜质量低、空腔中会形成腐蚀残渣的问题。
为了解决上述问题,本发明提供了一种无需制备牺牲层的空腔型体声波谐振器的制备方法,包括如下步骤:
(1)取经过离子注入并具有底电极的压电单晶晶圆,并在所述压电单晶晶圆的具有底电极的一侧成型空腔,然后取衬底,将所述衬底与所述压电单晶晶圆的具有空腔的一侧键合;
(2)将步骤(1)得到的键合后的中间产物进行热处理,使所述压电单晶晶圆的薄膜剥离,再在所述压电单晶晶圆的剥离后的一侧生产顶电极,即得。优选地,
步骤(1)中,将所述衬底与所述压电单晶晶圆的具有空腔的一侧键合具体包括如下步骤:
在所述衬底的一侧涂覆键合物,将所述衬底与所述压电单晶晶圆的具有空腔的一侧键合;其中,所述键合物为有机绝缘材料;所述有机绝缘材料包括苯并环丁烯、聚酰亚胺、硅倍半环氧乙烷、旋转涂布玻璃中的一种或多种;;优选地,涂覆的所述键合物厚度为100nm-4000nm;
或者,在所述衬底的一侧生长键合物,将所述衬底与所述压电单晶晶圆的具有空腔的一侧键合;其中,所述键合物为氧化硅、氮化硅、氧化铝、氮化铝中的一种或多种;优选地,生长的所述键合物厚度为100nm-4000nm。
优选地,所述压电单晶晶圆为所述压电单晶晶圆为石英、铌酸锂、钽酸锂、氮化铝、氧化锌、钛酸钡、磷酸二氢钾、铌镁酸铅-钛酸铅中的一种;
其中,所述铌酸锂为LiNbO3,简称LN;所述钽酸锂为LiTaO3,简称LT;所述氮化铝为AlN;所述氧化锌为ZnO;所述钛酸钡为BaTiO3,简称BTO;所述磷酸二氢钾为KH2PO4;所述铌镁酸铅铌镁酸铅-钛酸铅为(1-x)[Pb(Mg1/3Nb2/3)O3]-x[PbTiO3],简称PMN-PT;
经过离子注入并具有底电极的压电单晶晶圆通过如下方法得到:取压电单晶晶圆,在所述压电单晶晶圆上进行离子注入,并在注入面生长底电极,得到经过离子注入并具有底电极的压电单晶晶圆。
优选地,所述压电单晶晶圆注入的离子为氢离子(优选正一价氢离子,H+)、氦离子(优选正一价氦离子,He+)、硼离子(优选正一价的硼离子,B+)或砷离子(优选正一价的砷离子,As+)中的一种或多种;注入离子的能量为100KeV-1000KeV;注入剂量为2-8×1016/cm2;离子束流为0.1-10μm/cm-2;注入深度为0.3-8μm。
进一步优选地,所述压电单晶晶圆为钽酸锂,所述压电单晶晶圆注入的离子为H离子;注入离子的能量为150KeV-1000KeV;注入深度为1.5-8μm。
或者,所述压电单晶晶圆为钽酸锂,所述压电单晶晶圆注入的离子为As离子;注入离子的能量为150KeV-1000KeV;注入深度为0.5-1.8μm。
或者,所述压电单晶晶圆为铌酸锂,所述压电单晶晶圆注入的离子为He离子;注入离子的能量为150KeV-1000KeV;注入深度为0.6-2.2μm。
或者,所述压电单晶晶圆为铌酸锂,所述压电单晶晶圆注入的离子为B离子;注入离子的能量为150KeV-1000KeV;注入深度为0.3-1μm。
优选地,所述压电单晶晶圆的底电极通过如下方法生长:先在所述压电单晶晶圆的表面光刻形成待生长图形,再生长电极,最后洗掉多余部分,即可;或者,先在所述压电单晶晶圆的表面生长电极,再制备掩膜,最后刻蚀掉多余部分,即可;
生长底电极的电极材料为Al、Au、Mo、Pt、W中的一种;所述底电极的厚度为50-500nm;
底电极的生长方式包括磁控溅射法、电阻式蒸发、电子束沉积中的一种;
优选地,优选地,所述衬底的材质为硅、绝缘层上硅、玻璃、石英、铌酸锂、钽酸锂、碳化硅、氮化镓、砷化镓中的一种或多种。
步骤(1)中,在所述压电单晶晶圆的具有底电极的一侧成型空腔具体包括如下步骤:在所述压电单晶晶圆的具有底电极的一侧生长支撑层,并在生长的膜上形成空腔;优选地,所述空腔的腔体深度大于100nm。
在所述压电单晶晶圆的具有底电极的一侧成型空腔具体包括如下步骤:取所述压电单晶晶圆,在所述压电单晶晶圆的具有底电极的一侧生长支撑层,然后对生长支撑层的一侧进行图形化刻蚀,刻蚀所述支撑层,形成空腔;所述支撑层为氧化硅、氮化硅、非晶硅、金属中的一种或多种;
所述金属包括但不限于铝、钼、铂、金、铬、银、铜及其合金。
优选地,在所述支撑层与所述底电极之间还生长有电极保护层;所述电极保护层包括氧化硅、氮化硅、非晶硅、氧化铝、氮化铝中的一种或多种;
优选地,对生长的所述支撑层的刻蚀采用干法腐蚀或者湿法腐蚀。
优选地,所述湿法刻蚀具体为:在温度40~90℃下,采用刻蚀剂腐蚀5~30min;所述刻蚀剂为KOH溶液、TMAH溶液中的一种或多种;
优选地,步骤(1)中,所述键合物通过旋涂的方式涂覆,形成键合层;所述旋涂包括低转速阶段和高转速阶段;所述低转速阶段的转速为200rpm/s~800rpm/s,旋转时间为10s~30s;所述高转速阶段的转速为1000rpm/s~8000rpm/s,旋转时间为15s~60s;
优选地,还包括将旋涂有所述键合物的压电单晶晶圆预烘的步骤;预烘的温度为50~120℃,预烘的时间为60s~600s。
优选地,步骤(1)中,先将所述衬底与所述压电单晶晶圆的具有空腔的一侧进行预键合,再进行键合;优选地,所述预键合的键合压力1×105pa~5×106pa,保压时间为3~30min;预键合后,将温度缓慢升至150~500℃,并保持温度为150~500℃,使所述有机聚合物层完全固化,完成键合。
优选地,步骤(2)中,将步骤(1)得到的键合后的中间产物,在180~400℃下,使薄膜剥离,然后,在温度180~400℃下,退火10~600min,得到剥离薄膜;优选地,所述压电单晶晶圆剥离后的厚度为500-1000nm。
优选地,生长的所述顶电极的电极材料为Al、Au、Mo、Pt、W中的一种,所述顶电极厚度为50~300nm。所述顶电极的生长方式包括磁控溅射、电阻式蒸发、电子束沉积。
本发明提供的无需制备牺牲层的空腔型体声波谐振器,由所述的无需制备牺牲层的空腔型体声波谐振器的制备方法制备得到。
优选地,所述的无需制备牺牲层的空腔型体声波谐振器,包括从上到下依次设置的顶电极、压电薄膜、底电极、支撑层、键合层和衬底,所述支撑层上设有空腔;优选地,键合层厚度为2-6μm。
与现有技术相比,本发明的优点和有益效果在于:
1、本发明所述的无需制备牺牲层的空腔型体声波谐振器的制备方法,将所述压电单晶晶圆在键合之前制作空腔,并且空腔制作在注入面的一侧,不需要先生长牺牲层,再在压电薄膜层或者下电极或者上电极上打孔释放牺牲层,大大减少了工艺的复杂性,且不对薄膜进行刻蚀开孔,其器件机械强度提高,不易对薄膜产生损伤,不影响薄膜的质量;空腔结构在成膜前形成,成品率较高,且不会有成膜后刻蚀遗留的残渣,不需要考虑释放不完全对器件造成的影响,大幅提高谐振器Q值,减少谐振器杂波。可以实现在多晶金属底电极上生长出高质量的单晶氧化物薄膜,利用薄膜剥离法制备出单晶薄膜器件。本发明可以是任意晶向的硅衬底,或者是其他任意常用的衬底。
2、本发明所述的无需制备牺牲层的空腔型体声波谐振器的制备方法,在所述压电单晶晶圆的具有底电极的一侧生长膜,并在生长的膜上刻蚀,形成浅空腔,相较于反面刻蚀衬底,刻蚀深度大大减小,缩短刻蚀时间。
3、本发明所述的无需制备牺牲层的空腔型体声波谐振器的制备方法,采用有机聚合物作为键合时的键合物,一方面可起到键合作用,且有机聚合物作为键合物可以克服键合时键合面不平整的问题,另一方面可以为薄膜层提供支撑。
附图说明
图1为本发明实施例1中的无需制备牺牲层的空腔型体声波谐振器的制备方法的步骤(a)中得到的经过离子注入并具有底电极的压电单晶晶圆的结构示意图。
图2为本发明实施例1中的无需制备牺牲层的空腔型体声波谐振器的制备方法的步骤(b)中在压电单晶晶圆生长支撑层后的结构示意图。
图3本发明实施例1中的无需制备牺牲层的空腔型体声波谐振器的制备方法的步骤(b)中得到的具有空腔的压电单晶晶圆的结构示意图。
图4为本发明实施例1中的无需制备牺牲层的空腔型体声波谐振器的制备方法的步骤(c)中所述衬底涂覆键合物后的结构示意图。
图5为本发明实施例1中的无需制备牺牲层的空腔型体声波谐振器的制备方法的步骤(c)中键合后的中间产物的结构示意图。
图6为本发明实施例1中的无需制备牺牲层的空腔型体声波谐振器的制备方法的步骤(d)中的剥离薄膜的结构示意图;
图7为本发明实施例1中的无需制备牺牲层的空腔型体声波谐振器的制备方法的步骤(d)中得到的无需制备牺牲层的空腔型体声波谐振器的结构示意图。
图8为本发明实施例3中的无需制备牺牲层的空腔型体声波谐振器的制备方法的步骤(b)中得到的经过离子注入并具有底电极的压电单晶晶圆的结构示意图。
图9为本发明实施例3中的无需制备牺牲层的空腔型体声波谐振器的制备方法的步骤(c)中所述压电单晶晶圆生长支撑层后的结构示意图;
图10为本发明实施例3中的无需制备牺牲层的空腔型体声波谐振器的制备方法的步骤(d)中的无需制备牺牲层的空腔型体声波谐振器的结构示意图;
图中,1-衬底;2-空腔;3-键合层;4-压电单晶晶圆;5-离子损伤层;6-注入面;7-底电极;8-支撑层;9-顶电极。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图,对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都属于本发明保护的范围。
需要说明的是,本发明各实施例中未注明具体条件者,按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者,均为可以通过市购获得的常规产品。不同厂家、型号的原料并不影响本发明技术方案的实施及技术效果的实现。
实施例1
本实施例的无需制备牺牲层的空腔型体声波谐振器的制备方法,包括如下步骤:
(a)取压电单晶晶圆,所述压电单晶晶圆为钽酸锂晶片,在所述压电单晶晶圆上进行离子注入,形成离子损伤层,注入的离子为H离子,注入离子的能量为195KeV,注入剂量为6×1016/cm2,离子束流为1μm/cm-2,注入深度为6μm,得到热释电材料,然后,在得到的所述热释电材料的注入面光刻形成待生长图形,然后利用磁控溅射生长电极,电极材料为Au,最后通过丙酮洗掉多余部分,即可得到经过离子注入并具有底电极的压电单晶晶圆,所述底电极的厚度为100nm;如图1所示,为步骤(a)中得到的经过离子注入并具有底电极的压电单晶晶圆的结构示意图。
(b)取步骤(a)中得到的所述压电单晶晶圆,在所述压电单晶晶圆的具有底电极的一侧生长支撑层,然后对生长支撑层的一侧进行图形化刻蚀,刻蚀所述支撑层,形成空腔;所述支撑层为氧化硅、氮化硅、非晶硅、金属中的一种或多种;
具体为:在所述压电单晶晶圆上生长支撑层,所述支撑层为SiO2,图2为步骤(b)中在压电单晶晶圆生长支撑层后的结构示意图;然后,在所述支撑层上转移需刻蚀的图形,然后在所述支撑层的表面上制备掩膜,且所述掩膜的图形的凸角处设置有凸角补偿部,再进行湿法刻蚀,在刻蚀的过程中,被掩膜覆盖的部分被保留,没有被掩膜覆盖的部分被刻蚀掉,形成空腔;所述湿法刻蚀可以进行单晶硅各向异性刻蚀,由于采用湿法刻蚀腐蚀单晶硅时,腐蚀液会对掩膜图形中“凸角”结构的下方的支撑层具有最快腐蚀速率,因此,通过刻蚀的图形设计,设置出凸角补偿部,可对“凸角”进行补偿,避免结构损失;如图3所示,为步骤(b)中得到的具有空腔的压电单晶晶圆的结构示意图。
作为本实施例的优选实现方式,在所述压电单晶晶圆上生长支撑层,所述支撑层为SiO2,在所述支撑层上转移需刻蚀的图形,采用清洗液清洗所述支撑层,去除其表面的杂质,再在所述支撑层的表面旋涂光刻胶作为掩膜,通过光刻得到掩膜的图形,且所述掩膜的图形的凸角处设置有凸角补充部;然后,采用湿法刻蚀的方式,将目标位置腐蚀,形成空腔,空腔的深度为4000nm,空腔所在的位置为空腔层;将目标位置腐蚀后,采用所述清洗液去除其表面的杂质,得到具有空腔的压电单晶晶圆;
作为本实施例的优选实现方式,所述清洗液为水、丙酮、乙醇、氟化氢中的一种或多种;本实施例中,分别用丙酮和乙醇溶液清洗,去除其表面的杂质,再用去离子水冲洗,然后将其放入浓度为15w%的氟化氢中浸泡20min,以去除氧化层,最后用去离子水反复冲洗。
其中,所述湿法刻蚀具体为:在温度90℃下,采用刻蚀剂腐蚀30min;所述刻蚀剂为浓度为30w%的KOH溶液。
(c)取衬底,所述衬底为硅,在所述衬底的一侧涂覆键合物,形成键合层,并与步骤(b)中得到的压电单晶晶圆的具有底电极的一侧键合,得到键合后的中间产物;如图4所示,为步骤(c)中所述衬底涂覆键合物后的结构示意图。如图5所示,为步骤(c)中键合后的中间产物的结构示意图。
其中,作为本实施例的优选实现方式:所述键合物为苯并环丁烯,所述键合层的厚度为4μm;所述键合物通过旋涂的方式涂覆;所述旋涂包括低转速阶段和高转速阶段;所述低转速阶段的转速为800rpm/s,旋转时间为10s;所述高转速阶段的转速为3000rpm/s,旋转时间为30s;
作为本实施例的优选实现方式,将旋涂有所述键合物的所述衬底置于烘箱中预烘,预烘的温度为100℃,预烘的时间为4min。
作为本实施例的优选实现方式,键合具体包括如下步骤:先将所述经过离子注入并具有底电极的压电单晶晶圆与所述衬底置于键合机或管式炉中进行预键合,所述预键合的键合压力4×105pa,保压时间为30min;然后,将温度缓慢升至200℃,并保持温度为200℃,保持2h,使所述苯并环丁烯完全固化,完成键合,得到的键合后的中间产物。
(d)将步骤(c)得到的键合后的中间产物在温度350℃下,退火2h,使薄膜剥离,剥离薄膜在退火过程中可以恢复由离子注入引起的晶格损伤,由此得到剥离薄膜,如图6所示,为步骤(d)中的剥离薄膜的结构示意图。在剥离薄膜的表面利用电子束蒸发或者磁控溅射制备图形化金属的顶电极,得到无需制备牺牲层的空腔型体声波谐振器;其中,所述顶电极的电极材料为Al,电极厚度为100nm。图7为本发明实施例1中的无需制备牺牲层的空腔型体声波谐振器的制备方法的步骤(d)中的无需制备牺牲层的空腔型体声波谐振器的结构示意图。
作为本实施例的优选实现方式,还包括轰击得到的剥离薄膜的步骤:采用RIE等离子体轰击得到的剥离薄膜,使其粗糙度减小到4nm;所述RIE等离子体轰击步骤中,采用的离子为Ar+离子,压强为20mT,流速为30sccm,RIE功率为100W,真空度为10-4Pa,处理时间为120s。
本实施例制备得到的所述的无需制备牺牲层的空腔型体声波谐振器,包括从上到下依次设置的顶电极、压电薄膜、底电极、支撑层、键合层和衬底,所述支撑层上设有空腔;所述压电薄膜即为剥离后的薄膜。本实施例中制备得到的所述无需制备牺牲层的空腔型体声波谐振器的所述底电极上表面积小于所述空腔的上表面积。
实施例2
本实施例的无需制备牺牲层的空腔型体声波谐振器的制备方法,包括如下步骤:
(a)取压电单晶晶圆,所述压电单晶晶圆为钽酸锂晶片,在所述压电单晶晶圆上进行离子注入,注入的离子为As离子,注入离子的能量为150KeV-1000KeV;注入深度为0.5-1.8μm,得到热释电材料,然后,在得到的所述热释电材料的注入面利用磁控溅射生长电极,电极材料为Au,再制备掩膜,最后刻蚀掉多余部分,即可得到经过离子注入并具有底电极的压电单晶晶圆,所述底电极的厚度为100nm;
(b)取经过离子注入并具有底电极的压电单晶晶圆,并在所述压电单晶晶圆的具有底电极的一侧成型空腔,空腔周围具有支撑层,然后取衬底,在所述衬底的一侧生长键合物,将所述衬底与所述压电单晶晶圆的具有空腔的一侧键合;其中,所述键合物为氧化硅、氮化硅、氧化铝、氮化铝中的一种或多种;本实施例中,所述键合物为二氧化硅。
作为本实施例的优选实现方式,键合具体包括如下步骤:先将所述经过离子注入并具有底电极的压电单晶晶圆与所述衬底置于键合机或管式炉中进行预键合,所述预键合的键合压力4×105pa,保压时间为30min;然后,将温度缓慢升至200℃,并保持温度为200℃,保持2h,使其完全固化,完成键合,得到的键合后的中间产物。
(c)将步骤(b)得到的键合后的中间产物在温度350℃下,退火2h,使薄膜剥离,剥离薄膜在退火过程中可以恢复由离子注入引起的晶格损伤,由此得到剥离薄膜。在剥离薄膜的表面利用电子束蒸发或者磁控溅射制备图形化金属的顶电极,所述顶电极的电极材料为Al,电极厚度为100nm。
本实施例制备得到的所述无需制备牺牲层的空腔型体声波谐振器,包括从上到下依次设置的顶电极、压电薄膜、底电极、支撑层、键合层和衬底,所述支撑层上设有空腔;其中,键合层厚度为2-6μm。所述压电薄膜即为剥离后的薄膜。
实施例3
本实施例的无需制备牺牲层的空腔型体声波谐振器的制备方法,采用与实施例1完全相同的方法制备,区别仅在于:所述底电极上表面积大于所述空腔的上表面积。
如图8所示,为步骤(b)中得到的经过离子注入并具有底电极的压电单晶晶圆的结构示意图。
图9为本发明实施例3中的无需制备牺牲层的空腔型体声波谐振器的制备方法的步骤(c)中所述压电单晶晶圆生长支撑层后的结构示意图;
图10为本发明实施例3中的无需制备牺牲层的空腔型体声波谐振器的制备方法的步骤(d)中的无需制备牺牲层的空腔型体声波谐振器的结构示意图;
实施例4
本实施例的无需制备牺牲层的空腔型体声波谐振器的制备方法,包括如下步骤:
(1)取经过离子注入并具有底电极的压电单晶晶圆,并在所述压电单晶晶圆的具有底电极的一侧成型空腔,然后取衬底,在所述衬底的一侧涂覆键合物,将所述衬底与所述压电单晶晶圆的具有空腔的一侧键合;其中,所述键合物为有机绝缘材料;所述有机绝缘材料包括苯并环丁烯、聚酰亚胺中的一种或多种;优选地,涂覆的所述键合物厚度为100nm-4000nm;本实施例中,所述有机绝缘材料为聚酰亚胺,涂覆的所述键合物厚度为2000nm。
(2)将步骤(1)得到的键合后的中间产物,进行热处理,使所述压电单晶晶圆的薄膜剥离,再在所述压电单晶晶圆的剥离后的一侧生长顶电极,即得。
实施例5
本实施例的无需制备牺牲层的空腔型体声波谐振器的制备方法,包括如下步骤:
(1)取经过离子注入并具有底电极的压电单晶晶圆,并在所述压电单晶晶圆的具有底电极的一侧成型空腔,然后取衬底,在所述衬底的一侧生长键合物,将所述衬底与所述压电单晶晶圆的具有空腔的一侧键合;其中,所述键合物为氧化硅、氮化硅、氧化铝、氮化铝中的一种或多种,本实施例中所述键合物为氧化铝。
(2)将步骤(1)得到的键合后的中间产物,进行热处理,使所述压电单晶晶圆的薄膜剥离,再在所述压电单晶晶圆的剥离后的一侧生长顶电极,即得。
对比例1
本对比例的无需制备牺牲层的空腔型体声波谐振器的制备方法,采用与实施例1中相同的条件与方法制备,区别仅在于将具有空腔的衬底替换为具有牺牲层的衬底,具体包括如下步骤:
取衬底,在所述衬底上生长一层牺牲层,所述牺牲层为非晶硅,再取经过离子注入并具有底电极的压电单晶晶圆,在所述压电单晶晶圆的具有底电极的一侧生长键合物,并与具有牺牲层的衬底键合,键合后,剥离得到压电薄膜。然后,在所述压电单晶晶圆上表面刻蚀开孔,通过刻蚀的孔通入XeF2气体对非晶硅牺牲层进行刻蚀,形成空腔后得到无需制备牺牲层的空腔型体声波谐振器。
效果试验例
为验证本发明所述的具有空腔结构的单晶薄膜器件的制备方法的技术效果,分别采用实施例1-5、对比例1中的方法制备所述单晶薄膜,并进行如下对比检测试验。
按照实施例1-5、对比例1中的方法分别制备100个所述单晶薄膜,检测,并记录结果;
取实施例1-5、对比例1中的方法分别制备得到的所述单晶薄膜,测量其电感Q值,并记录结果;
取实施例1-5、对比例1中的方法分别制备得到的所述单晶薄膜,作为薄膜体声波谐振器,测量其杂波数量,并记录结果。
经过上述实验,得到的实验数据如下:
组别 | 成品率 | Q值 | 杂波数量 |
实施例1 | 98% | 2500 | 无 |
实施例2 | 99% | 3000 | 无 |
实施例3 | 98% | 2800 | 无 |
实施例4 | 98% | 1500 | 无 |
实施例5 | 99% | 2000 | 少量 |
对比例1 | 76% | 300 | 多 |
由上述实验结果可知:本发明所述的具有空腔结构的单晶薄膜器件的制备方法,制备得到的具有空腔结构的单晶薄膜器件,机械强度提高,且刻蚀不易对薄膜产生损伤,不影响薄膜的质量;空腔结构在成膜前形成,成品率较高,且不会有成膜后刻蚀遗留的残渣,可以实现在多晶金属底电极上生长出高质量的单晶氧化物薄膜,利用薄膜剥离法制备出单晶薄膜器件。另外,实施例2中,由二氧化硅作为所述键合物进行键合得到的单晶薄膜的Q值优于实施例1中由苯并环丁烯作为键合物进行键合得到的单晶薄膜的Q值。
由技术常识可知,本发明可以通过其它的不脱离其精神实质或必要特征的实施方案来实现。因此,上述公开的实施方案,就各方面而言,都只是举例说明,并不是仅有的。所有在本发明范围内或在等同于本发明的范围内的改变均被本发明包含。
Claims (11)
1.一种无需制备牺牲层的空腔型体声波谐振器的制备方法,其特征在于,包括如下步骤:
(1)取经过离子注入并具有底电极的压电单晶晶圆,并在所述压电单晶晶圆的具有底电极的一侧成型空腔,然后取衬底,将所述衬底与所述压电单晶晶圆的具有空腔的一侧键合;
(2)将步骤(1)得到的键合后的中间产物进行热处理,使所述压电单晶晶圆的薄膜剥离,再在所述压电单晶晶圆的剥离后的一侧生产顶电极,即得。
2.根据权利要求1所述的无需制备牺牲层的空腔型体声波谐振器的制备方法,其特征在于,步骤(1)中,将所述衬底与所述压电单晶晶圆的具有空腔的一侧键合具体包括如下步骤:
在所述衬底的一侧涂覆键合物,将所述衬底与所述压电单晶晶圆的具有空腔的一侧键合;其中,所述键合物为有机绝缘材料;所述有机绝缘材料包括苯并环丁烯、聚酰亚胺、硅倍半环氧乙烷、旋转涂布玻璃中的一种或多种;;优选地,涂覆的所述键合物厚度为100nm-4000nm;
或者,在所述衬底的一侧生长键合物,将所述衬底与所述压电单晶晶圆的具有空腔的一侧键合;其中,所述键合物为氧化硅、氮化硅、氧化铝、氮化铝中的一种或多种;优选地,生长的所述键合物厚度为100nm-4000nm。
3.根据权利要求1或2所述的无需制备牺牲层的空腔型体声波谐振器的制备方法,其特征在于:
所述压电单晶晶圆为石英、铌酸锂、钽酸锂、氮化铝、氧化锌、钛酸钡、磷酸二氢钾、铌镁酸铅中的一种;
经过离子注入并具有底电极的压电单晶晶圆通过如下方法得到:取压电单晶晶圆,在所述压电单晶晶圆上进行离子注入,并在注入面生长底电极,得到经过离子注入并具有底电极的压电单晶晶圆。
4.根据权利要求3所述的无需制备牺牲层的空腔型体声波谐振器的制备方法,其特征在于,
所述压电单晶晶圆注入的离子为氢离子(优选正一价氢离子,H+)、氦离子(优选正一价氦离子,He+)、硼离子(优选正一价的硼离子,B+)或砷离子(优选正一价的砷离子,As+)中的一种或多种;注入离子的能量为100KeV-1000KeV;注入剂量为2-8×1016/cm2;离子束流为0.1-10μm/cm-2;注入深度为0.3-8μm。
5.根据权利要求4所述的无需制备牺牲层的空腔型体声波谐振器的制备方法,其特征在于,
所述压电单晶晶圆的底电极通过如下方法生长:先在所述压电单晶晶圆的表面光刻形成待生长图形,再生长电极,最后洗掉多余部分,即可;或者,先在所述压电单晶晶圆的表面生长电极,再制备掩膜,最后刻蚀掉多余部分,即可;
生长底电极的电极材料为Al、Au、Mo、Pt、W中的一种;所述底电极的厚度为50-500nm;
底电极的生长方式包括磁控溅射、电阻式蒸发、电子束沉积;
优选地,所述衬底的材质为硅、绝缘层上硅、玻璃、石英、铌酸锂、钽酸锂、碳化硅、氮化镓、砷化镓中的一种或多种。
6.根据权利要求2-5中任意一项所述的无需制备牺牲层的空腔型体声波谐振器的制备方法,其特征在于,
步骤(1)中,在所述压电单晶晶圆的具有底电极的一侧成型空腔具体包括如下步骤:在所述压电单晶晶圆的具有底电极的一侧生长支撑层,并在生长的膜上形成空腔;优选地,所述空腔的腔体深度大于100nm。
7.根据权利要求6所述的无需制备牺牲层的空腔型体声波谐振器的制备方法,其特征在于,在所述压电单晶晶圆的具有底电极的一侧成型空腔具体包括如下步骤:取所述压电单晶晶圆,在所述压电单晶晶圆的具有底电极的一侧生长支撑层,然后对生长支撑层的一侧进行图形化刻蚀,刻蚀所述支撑层,形成空腔;所述支撑层为氧化硅、氮化硅、非晶硅、金属中的一种或多种;
优选地,在所述支撑层与所述底电极之间还生长有电极保护层;所述电极保护层包括氧化硅、氮化硅、非晶硅、氧化铝、氮化铝中的一种或多种;
优选地,对生长的所述支撑层的刻蚀采用干法腐蚀或者湿法腐蚀。
8.根据权利要求2所述的无需制备牺牲层的空腔型体声波谐振器的制备方法,其特征在于,
步骤(1)中,所述键合物通过旋涂的方式涂覆,形成键合层;所述旋涂包括低转速阶段和高转速阶段;所述低转速阶段的转速为200rpm/s~800rpm/s,旋转时间为10s~30s;所述高转速阶段的转速为1000rpm/s~8000rpm/s,旋转时间为15s~60s;
优选地,还包括将旋涂有所述键合物的压电单晶晶圆预烘的步骤;预烘的温度为50~120℃,预烘的时间为60s~600s。
优选地,步骤(1)中,先将所述衬底与所述压电单晶晶圆的具有空腔的一侧进行预键合,再进行键合;优选地,所述预键合的键合压力1×105pa~5×106pa,保压时间为3~30min;预键合后,将温度缓慢升至150~500℃,并保持温度为150~500℃,使所述有机聚合物层完全固化,完成键合。
9.根据权利要求8所述的无需制备牺牲层的空腔型体声波谐振器的制备方法,其特征在于,步骤(2)中,将步骤(1)得到的键合后的中间产物,在180~400℃下,使薄膜剥离,然后,在温度180~400℃下,退火10~600min,得到剥离薄膜;优选地,所述压电单晶晶圆剥离后的厚度为500-1000nm。
优选地,生长的所述顶电极的电极材料为Al、Au、Mo、Pt、W中的一种,所述顶电极厚度为50~300nm。
10.一种无需制备牺牲层的空腔型体声波谐振器,其特征在于,由权利要求1-9中任意一项所述的无需制备牺牲层的空腔型体声波谐振器的制备方法制备得到。
11.根据权利要求9中所述的无需制备牺牲层的空腔型体声波谐振器,其特征在于,包括从上到下依次设置的顶电极、压电薄膜、底电极、支撑层、键合层和衬底,所述支撑层上设有空腔;优选地,键合层厚度为2-6μm。
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