CN114157259B - 一种基于带宽增强型fbar滤波器的制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种基于带宽增强型FBAR滤波器的制造方法。在基体上预先刻蚀出呈对称排布的空腔矩阵；在所述空腔矩阵内通过沉积二氧化硅，并涂覆铌酸锂晶体薄膜，构成布拉格反射层；在所述布拉格反射层上方设置呈盖状的底电极，覆盖每个空腔，并在所述底电极上设置有与所述底电极材质相同的支撑柱；在相邻的底电极之间进行氧化锌直流磁控溅射，构成氧化锌层；其中，所述氧化锌层的填充高度不超过所述盖状的底电极的上盖面；在所述氧化锌层上进行制备介电层；其中，所述介电层通过氮化铝沉积填充构成；在所述介电层上通过直流磁控溅射镀膜的方式构成厚膜层，并在所述厚膜层上进行光刻和蚀刻，构成顶电极。
Description
技术领域
本发明涉及薄膜滤波器技术领域，特别涉及一种基于带宽增强型FBAR滤波器的制造方法。
背景技术
目前，超带宽声表面波滤波器在许多领域特别是通信领域具有巨大的需求。超带宽是一种增强带宽的方式，因为滤波器的带宽是由谐振器的机电耦合系数决定，因此，高机电耦合系数的谐振器是设计超带宽声表面波滤波器的关键所在。
常用的滤波器压电基体材料包括钽酸锂和铌酸锂晶体，但是它们的机电耦合系数都比较低，而相比这两种压电材料，铌镁酸铅系铁电晶体具有极其高的机电耦合系数。
目前，已有文献报道基于铌镁酸铅-钛酸铅（PMN-xPT）二元铁电晶体设计声表谐振器，能够取得很大的机电耦合系数，但是PMN-xPT的居里温度和相变温度较低，不利于器件工作在高温环境下。然而，最近铌铟镁酸铅-钛酸铅（PIMN-xPT）三元铁电晶体被报道，较PMN-xPT相比具有更高的居里温度和相变温度，但是，此晶体中声表面波运动速度较低，不利于设计高频滤波器。因此，如何基于PIMN-xPT设计出高频超带宽声表滤波器是亟待解决的热点问题。
发明内容
本发明提供一种基于带宽增强型FBAR滤波器的制造方法，用以解决最近铌铟镁酸铅-钛酸铅（PIMN-xPT）三元铁电晶体被报道，较PMN-xPT相比具有更高的居里温度和相变温度，但是，此晶体中声表面波运动速度较低，不利于设计高频滤波器。因此，如何基于PIMN-xPT设计出高频超带宽声表滤波器是亟待解决的热点问题的情况。
一种基于带宽增强型FBAR滤波器的制造方法，包括：
在基体上预先刻蚀出呈对称排布的空腔矩阵；
在所述空腔矩阵内通过沉积二氧化硅，并涂覆铌酸锂晶体薄膜，构成布拉格反射层；
在所述布拉格反射层上方设置呈盖状的底电极，覆盖每个空腔，并在所述底电极上设置有与所述底电极材质相同的支撑柱；
在相邻的底电极之间进行氧化锌直流磁控溅射，构成氧化锌层；其中，
所述氧化锌层的填充高度不超过所述盖状的底电极的上盖面；
在所述氧化锌层上进行制备介电层；其中，
所述介电层通过氮化铝沉积填充构成；
在所述介电层上通过直流磁控溅射镀膜的方式构成厚膜层，并在所述厚膜层上进行光刻和蚀刻，构成顶电极。
进一步地，所述空腔矩阵内的空腔为Y型空腔，并且所述Y型空腔的底部相连接，所述Y型空腔的V角朝外。
进一步地，所述顶电极通过图形化定义蚀刻；
所述顶电极分为三层结构；其中，
所述三层结构包括：硅碳氮薄膜层、电介质层和钽层；
所述三层结构中钽层为表面层，在所述钽层上连接焊盘。
进一步地，所述介电层上设置有安装支撑柱的通孔；
在所述通孔上形成有通孔密封层，以将所述通孔封闭；
在所述空腔外壳上、所述支撑柱开口内以及所述通孔密封层上形成空腔外壳钝化层，并在所述空腔外壳钝化层上形成电极引线，所述电极引线与所述支撑柱接触。
进一步地，所述方法还包括：
在所述基体表面两侧通过图形化金属镀层，分别生成电容层和电感层；
通过所述底电极和顶电极连接所述电容层和电感层。
进一步地，所述方法还包括：
在所述基体侧面形成引出所述电极引线的通孔；其中，
所述通孔包括第一通孔和第二通孔；
在所述第一通孔和第二通孔中形成导电插塞；
所述第一通孔引出所述底电极的电极引线；
所述第二通孔引出所述顶电极的电极引线。
进一步地，所述方法还包括：
在所述顶电极和基体上进行外延层延伸；其中，
所述外延层包括第一外延层和第二外延层；
所述第一外延层设置在所述顶电极上；
所述第二外延层设置在所述基体侧面。
进一步地，所述方法还包括：
刻蚀所述第一外延层和所述第二外延层时，形成隔离凹槽；
通过所述隔离凹槽，在滤波器外延结构上添加滤波器正面组件；其中，
所述滤波器正面组件包括：功率放大器；
在所述滤波器正面组件和所述功率放大器之间设置连线引线。
进一步地，所述方法还包括：
在形成底电极的同时，在所述布拉格反射层的上表面形成与不同空腔对应的底电极之间连接引线；
通过所述连接引线，将不同的空腔进行并联。
进一步地，所述方法还包括：
通过硅碳氮涂敷，构成硅碳氮薄膜层；
在所述硅碳氮薄膜层上通过直流磁控溅射镀膜构成厚膜层；其中，
所述厚膜层由所述电介质层和钽层混合构成；
在所述厚膜层上图形化定义顶电极图案；
对顶电极进行第一次刻蚀，构成导电层；
采用灰化工艺除去残留在所述导电层上的有机物；
在去除所述有机物后，通过光刻胶涂敷在所述钽层上；
并对涂敷所述光刻胶后的钽层进行光刻，生成所述焊盘的嵌入图形，并将焊盘嵌入。
本发明有益效果在于：薄膜滤波器的带宽决定性因素是机电耦合系数，而确定这个系数的又是串联谐振频率和并联谐振频率。如果只有一个空腔，那么这一个空腔的谐振频率除非外接电感，否则不能进行增强带宽。因此，本发明的特性在于本发明能够排布的空腔矩阵，通过空腔之间的连通关联关系，进行功率融合，通过功率融合的方式达到增强带宽的目的，其次本发明的带宽是Y型的结构，这个结构本就是一个增强带宽的结构。最后，本发明的氧化锌层是一个具有电感特性的材质，因为包裹着空腔同样有增强带宽的目的。最后本发明采用直流磁控溅射镀膜形成顶电极，以达到构成完整滤波器的目的。
本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说明书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：
图1为本发明实施例中一种基于带宽增强型FBAR滤波器的制造方法的方法流程图；
图2为本发明实施例中制造的滤波器的基体结构图；
图3为本发明实施例中制造的FBAR滤波器的结构图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例1：
如附图1所示，一种基于带宽增强型FBAR滤波器的制造方法，包括：
在基体上预先刻蚀出呈对称排布的空腔矩阵;
在所述空腔矩阵内通过沉积二氧化硅，并涂覆铌酸锂晶体薄膜，构成布拉格反射层；
在所述布拉格反射层上方设置呈盖状的底电极，覆盖每个空腔，并在所述底电极上设置与所述底电极材质相同的支撑柱；
盖状的底电极是因为本发明是空腔矩阵，相邻的空腔之间互不干扰，所以通过盖状扣合每个空腔，底电极就完全符合这种情况。
在相邻的底电极之间进行氧化锌直流磁控溅射，构成氧化锌层；其中，直流磁控溅射是现有技术中一种比较高级，而且通用的技术。本发明采用只是相对来说，这种技术比较方便，而且氧化锌层也是本发明的压电层。
所述氧化锌层的填充高度不超过所述盖状的底电极的上盖面；
在所述氧化锌层上进行制备压电层；其中，
所述介电层通过氮化铝沉积填充构成；氮化铝是共价键化合物，因此方便构成介电层。
在所述介电层上通过直流磁控溅射镀膜的方式构成厚膜层，并在所述厚膜层上进行光刻和蚀刻，构成顶电极。
上述技术方案的原理在于：在现有技术中，FBRA滤波器也叫做薄膜腔声谐振滤波器，本发明是一种具有带宽增强效应的FBRA滤波器的制造方法，也就是薄膜滤波器的制造方法。但是，现有技术中，FBAR滤波器的带宽很难做宽，在专利文件：“CN202010010060.7一种宽带薄膜腔声谐振滤波器”也公开了：FBAR滤波器的相对带宽受其压电材料机电耦合系数的限制，很难做宽，常规FBAR滤波器的相对带宽只能做到1-4％，这大大限制了FBAR滤波器的应用范围。如果只有一个空腔，那么这一个空腔的谐振频率是固定的，否则不能进行增强带宽。在现有技术中机电耦合系数可以通过如下公式进行体现：
在这之中，
表示的是串联谐振频率；
表示的是并联谐振频率；
表示机电耦
合系数。
由上述公式可知，如果想要增加机电耦合系数只能是通过增大串联谐振频率，在现有技术因为压电材料的限制，是很难去改变压电材料，大部分都是氧化锌，而本发明也采用了氧化锌。串联谐振频率，也就很难改变了，现有技术，为了增强带宽，都是在滤波器的***匹配对应的辅助电路，以此实现增强带宽，但是添加辅助电路的方式，增强的带宽极其有限。
而为了改变串联谐振频率，如附图2所示，本发明中1表示基体，2表示空腔，3表示氧化锌层。要实现带宽增强就需要并联谐振频率的增加，或者串联谐振其电容的减小。如附图3所示，7表示的是布拉格反射层；4表示盖状的底电极；5表示支撑柱；6表示顶电极，顶电极是三层结构。布拉格反射层7因为是在基地1内预先蚀刻的空腔，所以其在基地的内部。
因此，本发明的特性在于本发明能够排布的空腔矩阵，通过空腔之间的连通关联关系，进行不同空腔组之间的并联，这个时候实现并联谐振频率的增大，达到增强带宽的目的。而针对每个空腔组之间，其又通过串联实现空腔融合，降低串联的电容，降低串联谐振频率，达到增强带宽的目的。其次本发明的空腔是Y型的结构，这个结构本就是一个增强带宽的结构。
最后，本发明的氧化锌层是一个具有电感特性的材质，因为包裹着空腔同样有增强带宽的目的。本发明的缺陷在于工艺更加复杂，而且需要更加精细，但是本发明的优点在于，本发明制造的滤波器能够适合更多的产品，相对于工艺的复杂性来说，工艺可以流程化，产品的性能很难提高，而本发明极大的提高的本类产品的应用市场，更高的带宽，就决定了更多的产品可以采用本发明的制造出来的滤波器。
最后本发明采用直流磁控溅射镀膜形成顶电极，以达到构成完整滤波器的目的。
实施例2：
优选地：所述空腔矩阵内的空腔为Y型空腔，并且所述Y型空腔的底部相连接，所述Y型空腔的V角朝外。
本发明的中Y型空腔的设置，Y型腔结构滤波器的通带具有更宽的带宽，而且口径耦合的时候具有更高的耦合效率。
实施例3：
优选地：所述顶电极通过图形化定义蚀刻；
所述顶电极分为三层结构；其中，
所述三层结构包括：硅碳氮薄膜层、电介质层和钽层；
所述三层结构中钽层为表面层，在所述钽层上连接焊盘。
本发明的顶电极是三层结构，硅碳氮薄膜层、电介质层和钽层；硅碳氮(SiCN)薄膜是一种新型的三元功能薄膜材料，因其高硬度、宽光学带隙、良好的高温抗氧化性能及抗腐蚀性能等诸多优点，在微电子半导体和计算机产业等领域具有广阔的应用前景。钽层具有储藏电量、进行充放电等性能，主要应用于滤波、能量贮存与转换，记号旁路，耦合与退耦以及作时间常数元件等。在应用中要注意其性能特点，正确使用会有助于充分发挥其功能，其中诸如考虑产品工作环境及其发热温度，以及采取降额使用等措施，如果使用不当会影响产品的工作寿命。
实施例4：
优选地：所述介电层上设置有安装支撑柱的通孔；
在所述通孔上形成通孔密封层，以将所述通孔封闭；
在所述空腔外壳上、所述支撑柱开口内以及所述通孔密封层上形成空腔外壳钝化层，并在所述空腔外壳钝化层上形成电极引线，所述电极引线与所述支撑柱接触。
本发明设置的通孔主要是起到了支撑柱需要从这个通孔穿过，而本发明布设的底电极，因为是盖状，能够很大程度上解决现有技术中因为支撑柱导致的空腔，气密性不强的问题；其次，因为所有的底电极和顶电机都要连接引线，才能构成回路，本发明也是如此，本发明的底电极可以说是很多有多少个空腔就有多少个底电极，但是他们最后都连接同一根引线，但是顶电极只有一个。
实施例5：
优选地：所述方法还包括：
在所述基体表面两侧通过图形化金属镀层，分别生成电容层和电感层；
通过所述底电极和顶电极连接所述电容层和电感层。
本发明设置的电容层和电感层，这是为了减小滤波器内的电压梯度，电压梯度是射频场的主要来源，如果电压梯度太高导致射频源出现问题。
实施例6：
优选地：在所述基体侧面形成引出所述电极引线的通孔；其中，
所述通孔包括第一通孔和第二通孔；
在所述第一通孔和第二通孔中形成导电插塞；
所述第一通孔引出所述底电极的电极引线；
所述第二通孔引出所述顶电极的电极引线。
上述技术方案的原理和有益效果在于：因为底电极和顶电极都要引出电极引线，所以本发明设置了两个通孔，通过导电插塞和电极引线连接，以此在本发明的滤波器运行时，构成底电极和顶电极的回路。
实施例7：
优选地：所述方法还包括：
在所述顶电极和基体上进行外延层延伸；其中，
所述外延层包括第一外延层和第二外延层；
所述第一外延层设置在所述顶电极上；
所述第二外延层设置在所述基体侧面。
上述技术方案的原理在于：本发明还设置了外延层，外延层的目的是连接一些***电路，现有技术中***电路是通过在内部设置一些接口进行连接，而本发明主要是采用外延层，会***电路和内部电容器之间存在一个间隔，互不干扰但是还有***电路的功能。
实施例8：
优选地：所述方法还包括：
刻刻蚀所述第一外延层和所述第二外延层时，形成隔离凹槽；
通过所述隔离凹槽，在滤波器外延结构上添加滤波器正面组件；其中，本发明的滤波器正面组件是安装在隔离凹槽中的。当然，正面组件根据具体情况确定有哪些组件，不仅仅是只有功率放大器。
所述滤波器正面组件包括：功率放大器；
在所述滤波器正面组件和所述功率放大器之间设置连线引线。
上述技术方案的原理在于：本发明是一个射频的滤波器，所以功率放大是其必不可少的一种功能，而现有技术中，一般功率放大器都是直接和滤波器相连接，滤波器不会内置功率放大器，本发明设置了这种外延层，这种外延层在设置***电路的时候，就可以和功率放大器进行融合，实现了功率放大的功能。
实施例9：
优选地：所述方法还包括：
在形成底电极的同时，在所述布拉格反射层的上表面形成与不同空腔对应的底电极之间连接引线；
通过所述连接引线，将不同的空腔进行并联。
上述技术方案的原理在于：本发明因为存在多个空腔，很多空腔是并联的，空腔的盖就是底电极，所以可以通过设置连接引线的方式，将不同的空腔进行并联。达到增大串联谐振频率的作用，同时，从附图2也可以看出，存在两两空腔是串联对接的，这些空腔的串联谐振频率又可以缩小，一大一小，一升一降达到增强带宽的作用。
实施例10：
优选地：所述方法还包括：
通过硅碳氮涂敷，构成硅碳氮薄膜层；
在所述硅碳氮薄膜层上通过直流磁控溅射镀膜构成厚膜层；其中，
所述厚膜层由所述电介质层和钽层混合构成；
在所述厚膜层上图形化定义顶电极图案；
对顶电极进行第一次刻蚀，构成导电层；
采用灰化工艺除去残留在所述导电层上的有机物；
在去除所述有机物后，通过光刻胶涂敷在所述钽层上；
并对涂敷所述光刻胶后的钽层进行光刻，生成所述焊盘的嵌入图形，并将焊盘嵌入。
上述技术方案的原理在于：顶电极的加工技术也是一个难点问题，现有技术都是图形化蚀刻，本发明采用的也是这种方案，但是，因为本发明的结构和现有技术的不同，本发明采用的蚀刻流程也是不同的。
因为本发明生成的是厚膜层，通过对厚膜层进行蚀刻，构成顶电极，这个过程中通过硅碳氮涂敷，构成硅碳氮薄膜层，因为光刻会产生高温，所以本发明设置了这个硅碳氮薄膜层，以抵抗后续过程中的光刻高温和腐蚀。然后本发明在所述厚膜层上图形化定义顶电极图案，也就是与现有技术中相同的蚀刻工艺，构成了导电层。然后本发明对涂敷所述光刻胶后的钽层进行光刻，生成嵌入焊盘的图形，现有技术中的光刻技术通过蚀刻直接形成顶电极，但是对于焊盘，其还需要后续通过锡焊的方式加工，但是本发明通过光刻胶直接光刻出符合焊盘安装的图形，本发明又是厚膜层，可以直接通过这些图形将焊盘固定，少了高温锡焊焊接焊盘的步骤，简化了部分工艺。
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 (10)
1.一种基于带宽增强型FBAR滤波器的制造方法，其特征在于，包括：
在基体上预先刻蚀出呈对称排布的空腔矩阵；
在所述空腔矩阵内通过沉积二氧化硅，并涂覆铌酸锂晶体薄膜，构成布拉格反射层；
在所述布拉格反射层上方设置呈盖状的底电极，覆盖每个空腔，并在所述底电极上设置有与所述底电极材质相同的支撑柱；
在相邻的底电极之间进行氧化锌直流磁控溅射，构成氧化锌层；其中，
所述氧化锌层的填充高度不超过所述盖状的底电极的上盖面；
在所述氧化锌层上进行制备介电层；其中，
所述介电层通过氮化铝沉积填充构成；
在所述介电层上通过直流磁控溅射镀膜的方式构成厚膜层，并在所述厚膜层上进行光刻和蚀刻，构成顶电极。
2.如权利要求1所述的一种基于带宽增强型FBAR滤波器的制造方法，其特征在于，所述空腔矩阵内的空腔为Y型空腔，并且所述Y型空腔的底部相连接，所述Y型空腔的V角朝外。
3.如权利要求1所述的一种基于带宽增强型FBAR滤波器的制造方法，其特征在于，所述顶电极通过图形化定义蚀刻；
所述顶电极分为三层结构；其中，
所述三层结构包括：硅碳氮薄膜层、电介质层和钽层；其中，
所述硅碳氮薄膜层由硅碳氮涂敷构成；
所述硅碳氮薄膜层上通过直流磁控溅射镀膜构成厚膜层；所述厚膜层由所述电介质层和钽层混合构成；
所述三层结构中钽层为表面层，在所述钽层上连接焊盘。
4.如权利要求1所述的一种基于带宽增强型FBAR滤波器的制造方法，其特征在于，所述介电层上设置有安装支撑柱的通孔；
在所述通孔上形成有通孔密封层，以将所述通孔封闭；
在所述空腔外壳上、所述支撑柱开口内以及所述通孔密封层上形成空腔外壳钝化层，并在所述空腔外壳钝化层上形成电极引线，所述电极引线与所述支撑柱接触。
5.如权利要求1所述的一种基于带宽增强型FBAR滤波器的制造方法，其特征在于，所述方法还包括：
在所述基体表面两侧通过图形化金属镀层，分别生成电容层和电感层；
通过所述底电极和顶电极连接所述电容层和电感层。
6.如权利要求4所述的一种基于带宽增强型FBAR滤波器的制造方法，其特征在于，所述方法还包括：
在所述基体侧面形成引出所述电极引线的通孔；其中，
所述通孔包括第一通孔和第二通孔；
在所述第一通孔和第二通孔中形成导电插塞；
所述第一通孔引出所述底电极的电极引线；
所述第二通孔引出所述顶电极的电极引线。
7.如权利要求1所述的一种基于带宽增强型FBAR滤波器的制造方法，其特征在于，所述方法还包括：
在所述顶电极和基体上进行外延层延伸；其中，
所述外延层包括第一外延层和第二外延层；
所述第一外延层设置在所述顶电极上；
所述第二外延层设置在所述基体侧面。
8.如权利要求7所述的一种基于带宽增强型FBAR滤波器的制造方法，其特征在于，所述方法还包括：
刻蚀所述第一外延层和所述第二外延层时，形成隔离凹槽；
通过所述隔离凹槽，在滤波器外延结构上添加滤波器正面组件；其中，
所述滤波器正面组件包括：功率放大器；
在所述滤波器正面组件和所述功率放大器之间设置连线引线。
9.如权利要求1所述的一种基于带宽增强型FBAR滤波器的制造方法，其特征在于，所述方法还包括：
在形成底电极的同时，在所述布拉格反射层的上表面形成与不同空腔对应的底电极之间连接引线；
通过所述连接引线，将不同的空腔进行并联。
10.如权利要求3所述的一种基于带宽增强型FBAR滤波器的制造方法，其特征在于，所述方法还包括：
在所述厚膜层上图形化定义顶电极图案；
对顶电极进行第一次刻蚀，构成导电层；
采用灰化工艺除去残留在所述导电层上的有机物；
在去除所述有机物后，通过光刻胶涂敷在所述钽层上；
并对涂敷所述光刻胶后的钽层进行光刻，生成所述焊盘的嵌入图形，并将焊盘嵌入。
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