CN205792476U - 一种采用超薄压电单晶体制作的薄膜体声波谐振器 - Google Patents

Abstract

本实用新型提出一种采用超薄压电单晶体制作的薄膜体声波谐振器，包括具有地室的高阻衬底、由上金属电极和下金属电极夹持压电体组成的三明治有源结构，三明治有源结构设置于高阻衬底上端；所述压电体为超薄压电单晶体，地室内设有若干根支柱。超薄压电单晶体所用的压电单晶体，为所有可实用化的压电单晶体，如石英、钽酸锂、铌酸锂、四硼酸锂、锗酸铋、硅酸铋、硅酸镓镧系列、正磷酸铝和铌酸钾。所用的高阻衬底，为硅、石英、碳化硅、三氧化二铝、蓝宝石、金刚石等微电子技术常用衬底材料。本实用新型的优点有：超薄压电单晶体，晶体完整性未被破坏，为完美单晶；可以自由选择晶体及其晶向，优化器件性能；超薄压电单晶体生产技术前景明朗。

Description

一种采用超薄压电单晶体制作的薄膜体声波谐振器

技术领域

本实用新型涉及射频滤波器技术领域，具体涉及一种采用超薄压电单晶体体制作的薄膜体声波谐振器。

背景技术

石英晶振元件，是一种基于石英晶体压电/逆压电特性的体声波元件，在电路频率源中得到广泛应用。由于石英晶振元件的谐振频率与石英晶体的厚度成反比，目前其谐振频率最高仅为数十兆赫兹，无法满足现代无线电频谱的急剧延伸需求。

采用压电基片上的平面金属叉指换能器和金属反射栅阵，激发和接收声表面波，将提升谐振频率的结构由厚度减薄转换为提高横向电极分辨率，借助于成熟的微电子工艺技术，使声表面波石英谐振器的谐振频率提升到数百兆赫兹。

换能效率更高的压电材料(如铌酸锂和钽酸锂)基片的应用和声表面波谐振滤波器的实用新型，声表面波谐振器和声表面波谐振滤波器得到快速发展，工作频率又延伸到数千兆赫兹，已成为现代高频通信电路的标准频率元件。

同样，声表面波器件的工作频率与其叉指换能器金属电极的周期成反比，限于压电基片工艺，千兆赫兹级的声表面波器件性价比下降，无法跟上现代通信频段高频化的步伐。由此，薄膜体声波器件成为各国努力发展的新型滤波元器件。

薄膜体声波谐振器(Film Bulk Acoustic Wave Resonator，FBAR)是采用压电薄膜代替天然单晶压电基片的体声波谐振器(石英晶振)，其谐振腔基本结构(图1)是一人造压电薄膜夹在两金属电极间的三明治结构，由于压电薄膜的(逆)压电效应，对外界电激励产生谐振，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。

目前成熟的FBAR器件结构分为隔膜(membrane)型和固贴(Solidly Mounded)型两大类。

隔膜型FBAR，如图2所示，其特点是三明治谐振腔外两面都是空气，满足理想全反射状态。其结构又可分为：空气桥(图2a)、背孔(图2b)和地室(图2c)三种。

固贴型FBAR，又简称SMR(Solidly Mounded Resonator)，如图3所示，其特点是三明治谐振腔外一面是空气，而另一面是布拉格声反射结构。布拉格声反射结构是由多个高低声速材料(厚度为四分之一波长)层组合构成，其特性近似于真空全发射。由于反射结构与压电薄膜同时生长，器件工艺简单，可靠性优，但由于反射结构有损耗，其优值要差一些。

目前商用的FBAR所用的人造压电薄膜，主要为氮化铝(AlN)和氧化锌(ZnO)薄膜，都是在图形化硅衬底上采用物理或化学气相淀积技术生长的，应用最广的是磁控溅射工艺。目前所生成的压电薄膜是具有一定取向的单晶或强织构多晶薄膜，尚不能自由选择压电薄膜的晶向来优化器件性能。

近年来，由于晶片减薄技术的推进，大尺寸超薄铌酸锂(LiNbO3，LN)、钽酸锂(LiTaO3，LT)和石英等压电晶片已批量用于高频声表面波器件。显然，LN/LT单晶体的超薄晶片性能，要比上述溅射工艺生长的AlN/ZnO压电薄膜优秀：

1.保留单晶完整性；

2.晶体各向异性能充分利用；

3.单晶超薄片技术难度不高。

为实际应用，单晶超薄片都要与衬底键合成复合基片。目前，铌酸锂、钽酸锂超薄片可批量成型技术主要有两种：晶体离子切片(crystal ion slicing，CIS)方法和机械减薄方法，都已开始应用于器件制作。

离子切片法，其原理是利用高能离子垂直注入铌酸锂、钽酸锂单晶厚基片，使在单晶厚基片内离表面一定深度处形成一个注入离子高浓度层，这层离子高浓度层的某种物化特性与未注入处或浓度较低处的有较明显不同(又称内埋变性层)。在前期工艺完成后，采用一种应力对此厚晶片处理，使厚晶片在高浓度层断裂，获得超薄晶片。超薄晶片的厚度由注入所得离子高浓度层深度决定，它与注入离子种类、注入剂量、退火等工艺参数等有关。

离子切片法的制作工序如图4，首先采用大剂量离子注入机，对较厚的压电单晶片正面注入离子，使在厚片表面下方一定距离处形成一个高浓度离子层。将衬底抛光表面与压电单晶片面对面键合，形成复合基片。在前期工艺完成后，采用一种应力对此复合基片处理，使复合基片在高浓度层断裂，获得附着在衬底上的超薄压电晶片。

切片法的特点是：易于制作数十纳米到数微米厚度的特超薄晶片，但离子注入对晶体结构完整性损伤大，单晶特性会有明显影响。

机械减薄法，是传统技术的改进，图5示意了其主要工艺过程：首先制作原始压电单晶片与衬底的复合基片，然后将压电单晶片面向下，减薄抛光直到压电单晶片厚度满足设计要求为止。其关键技术是衬底、原始压电单晶片和键合层以及加工设备的大尺寸均匀性。由于机械研磨和抛光设备与技术的进步，目前制作十微米以下厚度的大尺寸超薄单晶基片问题不大，其特点正好与离子切片法相反：易于制作数微米以上厚度的超薄单晶片，而且不会对单晶晶体特性造成明显损伤。

实用新型内容

采用已有的超薄单晶片成型技术，结合现有FBAR生产技术，提出一种采用超薄压电单晶体制作的薄膜体声波谐振器技术方案，原理示意如图6。

本实用新型提出一种采用超薄压电单晶体制作的薄膜体声波谐振器，属于地室结构隔膜型薄膜体声波谐振器，

主要包括具有地室的高阻衬底、由上金属电极和下金属电极夹持压电体组成的三明治有源结构，三明治有源结构设置于高阻衬底上端；所述压电体为超薄压电单晶体，在地室内设有若干根支柱。

本实用新型的薄膜体声波谐振器中，超薄压电单晶体所用的压电单晶体，为所有可实用化的压电单晶体，如石英、钽酸锂、铌酸锂、四硼酸锂、锗酸铋、硅酸铋、硅酸镓镧系列、正磷酸铝和铌酸钾等。

本实用新型的薄膜体声波谐振器中，所用的高阻衬底，为硅、石英、碳化硅、三氧化二铝、蓝宝石、金刚石等微电子技术常用衬底材料。

与现有技术相比，本实用新型的优点有：

1.超薄压电单晶体，晶体完整性未被破坏，为完美单晶；

2.可以自由选择晶体及其晶向，优化器件性能；

3.超薄压电单晶体生产技术前景明朗。

为简单，以后称本实用新型的器件为CFBAR(其中CF表示单晶薄片)。

附图说明

图1 FBAR原理：三明治谐振腔。

图2隔膜型FBAR。

图3固贴型FBAR。

图4离子切片法制作工序。

图5机械减薄工艺流程。

图6本实用新型：采用超薄压电单晶体制作的薄膜体声波谐振器(CFBAR)。

图7 CFBAR实施例一的结构示意。

图8 CFBAR实施例一工艺流程1 高阻硅衬底：清洗，光刻地室图形。

图9 CFBAR实施例一工艺流程2 高阻硅衬底：腐蚀硅，形成有支柱的地室。

图10 CFBAR实施例一工艺流程3 高阻硅衬底：淀积键合层(SiO2)。

图11 CFBAR实施例一工艺流程4 原始压电单晶片：清洗，制作下电极。

图12 CFBAR实施例一工艺流程5 原始压电单晶片：制作钝化层，并平面化表面。

图13 CFBAR实施例一工艺流程6 原始压电单晶片与高阻硅衬底面对面键合，形成复合基片。

图14 CFBAR实施例一工艺流程7 采用机械减薄方法获得压电单晶体超薄层结构。

图15 CFBAR实施例一工艺流程8 光刻腐蚀形成有源区，及下电极引出电极。

图16 CFBAR实施例一工艺流程9 制作上电极及其引出电极。

图17 CFBAR实施例二工艺流程4a 原始压电单晶片：清洗，离子注入。

图18 CFBAR实施例二工艺流程4a 原始压电单晶片：制作下电极。

图19 CFBAR实施例二工艺流程7 采用CIS方法获得压电单晶体超薄层结构。

附图标注：上电极1，压电薄膜2，下电极3，高阻硅衬底4，地室5，支柱6，空气7，背面蚀刻8，反射器堆栈9。

具体实施方式

下面详细说明本实用新型的具体实施方式。

采用本实用新型的CFBAR实施例一，CFBAR器件结构示意于图7，系目前通用技术的地室结构隔膜型薄膜体声波谐振器。

器件采用高阻硅作为衬底。器件所用压电单晶，根据器件使用要求，一般为铌酸锂、钽酸锂或石英等常用材料，因为这些压电单晶批量生产，性价比好。电极金属一般采用钼、金等重密度金属。

实施例一的制作工序如图8～图16示，属于常规微电子工艺技术。本实用新型采用了两个同尺寸单面抛光的晶圆片：高阻硅衬底和压电单晶体，并称抛光面为正面。

图8为CFBAR实施例一工艺流程1：对高阻硅衬底清洗，正面光刻地室图形。本实用新型采用有支柱地室结构，该技术方案在我们早期申请的实用新型专利中已详细说明。

图9为CFBAR实施例一工艺流程2：对高阻硅衬底采用标准工艺腐蚀硅，形成有支柱的地室。

图10为CFBAR实施例一工艺流程3：在高阻硅衬底有图形正面淀积一键合层，一般为SiO2介质膜，用于将高阻硅衬底与原始压电单晶片键合。

图11为CFBAR实施例一工艺流程4：对原始压电单晶片清洗后，正面淀积金属膜、光刻腐蚀制作下电极。

图12为CFBAR实施例一工艺流程5：在原始压电单晶片正面淀积钝化层，一般为SiO2介质膜。钝化层厚度大于已有电极厚度，故需要采用化学机械方法平面化表面，使露出的电极表面与钝化层表面一样平整。

图13为CFBAR实施例一工艺流程6：将原始压电单晶片与高阻硅衬底正面对正面键合，形成复合基片。键合工艺为已知标准微电子工艺，其键合参数应仔细调整，来适应压电单晶体的应力敏感特性，如降低温度梯度、减小压电效应和热释电效应影响等。

图14为CFBAR实施例一工艺流程7：采用前述的机械减薄方法，采用高精度磨抛设备和技术获得压电单晶体超薄层结构，压电单晶体超薄层的厚度应满足设计要求为止。基于硅片厚度，键合层厚度值，检验压电单晶体超薄层的厚度及其均匀度。

图15为CFBAR实施例一工艺流程8：套刻腐蚀形成有源区台面，套刻淀积剥离工艺制作下电极和引出电极。

图16为CFBAR实施例一工艺流程9：套刻淀积剥离工艺制作上电极及其引出电极。

上述采用本实用新型的CFBAR实施例一，压电单晶体超薄层的成型工艺采用了机械减薄方法。下述采用本实用新型的CFBAR实施例二，所举例器件结构完全等同于实施例一(图7)，只是压电单晶体超薄层的成型工艺采用晶体离子切片(CIS)方法。

实现实施例二器件的制作工序，实施例一的基本相同，只是要修改工序4和工序7，其余通用，当然在相应工序图中，经受离子注入后的原始压电单晶片，可标记出内埋变性层。下面将需修改的工序详细说明。

图17为CFBAR实施例二工艺流程4a：对原始压电单晶片清洗后，圆片正面进行离子注入工艺，形成内埋变性层。

图18为CFBAR实施例二工艺流程4b：在原始压电单晶片正面淀积金属膜、光刻腐蚀制作下电极。

图19为CFBAR实施例二工艺流程7：采用前述的离子切片方法，采用物理(热)或化学应力使复合基片在内埋变性层处断裂，获得压电单晶体超薄层，压电单晶体超薄层的厚度满足设计要求。

虽然本实用新型通过实施例进行了描述，但实施例并非用来限定本实用新型。本领域技术人员可在本实用新型的精神的范围内，做出各种变形和改进，但同样均在本实用新型的保护范围之内。因此本实用新型的保护范围应当以本申请的权利要求保护范围所界定的为准。

Claims (3)

1.一种采用超薄压电单晶体制作的薄膜体声波谐振器，其特征在于，包括具有地室的高阻衬底、由上金属电极和下金属电极夹持压电体组成的三明治有源结构，三明治有源结构设置于高阻衬底上端；所述压电体为压电单晶体超薄层，在地室内设有若干根支柱。

2.根据权利要求1中所述的一种采用超薄压电单晶体制作的薄膜体声波谐振器，其特征在于，压电单晶体是采用石英、钽酸锂、铌酸锂、四硼酸锂、锗酸铋、硅酸铋、硅酸镓镧系列、正磷酸铝或者铌酸钾压电单晶体。

3.根据权利要求1中所述的一种采用超薄压电单晶体制作的薄膜体声波谐振器，其特征在于，其特征在于，高阻衬底是由硅、石英、碳化硅、三氧化二铝、蓝宝石或者金刚石材料制成。