专利名称：固贴式薄膜体声波谐振器及其全绝缘布拉格反射栅制备方法
技术领域：
本发明涉及一种固贴式薄膜体声波谐振器及其反射栅制备方法。
背景技术：
近年来，固贴式薄膜体声波谐振器(SMR-FBAR)技术取得了突破性进展，已在第三 代无线通信系统中得到广泛应用，例如作为基本单元用来制作滤波器、双工器和振荡器等 频率选择器件。SMR-FBAR是将上、下电极和压电薄膜构成的压电振荡堆，并将该三明治结 构的压电震荡堆直接生长到由3 7组高/低声阻抗膜层分别交替而成的布拉格反射栅之 上。图1是SMR-FBAR的结构示意图。SMR-FBAR的工作原理可简述为利用压电薄膜将电 能转化为声能，声波在布拉格反射栅的作用下被限制在压电振荡堆内，在压电振荡堆内形 成谐振，谐振频率上的声波损耗最小，再由逆压电效应转化为电能。谐振器只能通过特定频 率的声波，并通过级联实现带通滤波器的效果。3 7组高/低声阻抗膜层分别交替而成布 拉格反射栅，其主要作用是利用相邻膜层声阻抗的差别反射声波，实现声波能量最大利用。 目前，高声阻抗材料主要采用钨、钼等重金属，低声阻抗材料主要采用Si02。然而，采用金属 作为高声阻抗材料存在着严重的寄生电容问题。这是因为金属为导电材料，金属/电介质 (SiO2)/金属构成一个设计中不希望存在的电容器，进而导致器件电声性能的大幅下降与 不稳定。
发明内容
本发明为了解决现有固贴式薄膜体声波谐振器应用中存在寄生电容，进而导致器 件电声性能的大幅下降与不稳定的问题，提出固贴式薄膜体声波谐振器及其全绝缘布拉格 反射栅制备方法。固贴式薄膜体声波谐振器，它包括上电极、下电极、压电薄膜、全绝缘布拉格反射 栅和Si基底，上电极、下电极和压电薄膜组成以压电薄膜为中心的压电振荡堆三明治结 构，压电振荡堆直接生长到全绝缘布拉格反射栅上面，全绝缘布拉格反射栅生长在Si基底 上面。全绝缘布拉格反射栅的制备方法，具体过程如下步骤一、体系设计依据声学传输原理和固贴式薄膜体声波谐振器的工作机制，按 照固贴式薄膜体声波谐振器工作频率的具体要求，获得高声阻抗材料非晶金刚石薄膜与低 声阻抗材料SiO2薄膜的厚度，每层厚度应为声波波长的1/4 ；步骤二、基片清洗用丙酮、酒精将需制备固贴式薄膜体声波谐振器全绝缘布拉格 反射栅的基片在超声波清洗机中依次清洗，超声波清洗机清洗的时间为10 30min，取出 后用电吹风吹干；步骤三、沉积首层低声阻抗3102薄膜将清洗后的基片放入沉积系统中，在基片上 沉积低声阻抗SiO2薄膜，所述沉积系统采用射频磁控溅射系统；
步骤四、沉积硅作为粘结层在沉积低声阻抗SiO2薄膜之后，推上基底与硅靶之间 的挡板，关闭O2阀门，待O2气流流量为零后移开挡板，开始沉积硅，根据沉积时间来控制膜 厚；步骤五、沉积首层高声阻抗非晶金刚石薄膜将沉积完成粘结层之后的基片放入 过滤阴极真空电弧沉积系统中，在粘结层之上沉积高声阻抗非晶金刚石薄膜；步骤六、采用射频磁控溅射系统，在高声阻抗非晶金刚石薄膜之上沉积硅薄膜作 为粘结层；步骤七、在粘结层上沉积第二层低声阻抗SiO2薄膜在步骤六完成之后，推上基底 与硅靶之间的挡板，开启O2阀门，O2气体流量控制在4SCCm lOOsccm，待气流稳定后移开 挡板，开始沉积SiO2，根据沉积时间来控制膜厚；步骤八、重复步骤四至步骤七1 3次，得到不同层数的全绝缘结构布拉格反射 栅。发明效果1)与现有技术相比，本发明构建了一种全新的布拉格反射栅结构，其材料体系的 全绝缘特性杜绝了产生寄生电容的可能。2)与现有技术相比，本发明在保证绝缘特性基础上其声波反射效果也非常优良。 研究证明由于非晶金刚石的声阻抗Za与SiO2的声阻抗Zb比值为3. 01 4. 31，仅需2 3 组叠层即可将负载阻抗降至很低的水平，从而实现良好的声波反射效果。本发明的固贴式薄膜体声波谐振器适用于电声性能要求稳定的应用领域。
图1为固贴式薄膜体声波谐振器的结构示意图。图2为非晶金刚石和SiO2构成 的膜系结构的理论负载阻抗随叠层数的关系曲线图。
具体实施例方式具体实施方式
一、结合图1说明本实施方式，固贴式薄膜体声波谐振器，它包括上 电极1、下电极2、压电薄膜3、全绝缘布拉格反射栅4和Si基底5，上电极1、下电极2和压 电薄膜3组成以压电薄膜3为中心的压电振荡堆三明治结构，压电振荡堆直接生长到全绝 缘布拉格反射栅4上面，全绝缘布拉格反射栅4生长在Si基底5上。
具体实施方式
二、本实施方式与具体实施方式
一所述的固贴式薄膜体声波谐振器 的区别在于，所述全绝缘布拉格反射栅4为1层低声阻抗膜层4-2，所述低声阻抗膜层4-2 为SiO2薄膜。本实施方式所述的全绝缘布拉格反射栅4为1层低声阻抗膜层4-2，结构简单。该 低声阻抗膜层4-2可以是利用射频磁控溅射系统沉积SiO2薄膜。
具体实施方式
三、本实施方式是对具体实施方式
二所述的固贴式薄膜体声波谐振 器的进一步限定，所述低声阻抗膜层4-2的膜层厚度为300 2000nm。
具体实施方式
四、本实施方式与具体实施方式
一所述的固贴式薄膜体声波谐振器 的区别在于，全绝缘布拉格反射栅4由η层高声阻抗膜层4-1和m层低声阻抗膜层4_2交 替叠加组成，高声阻抗膜层4-1和低声阻抗膜层4-2之间利用粘结层4-3站粘结在一起，低声阻抗膜层4-2直接生长在Si基底5上，高声阻抗膜层4-1为非晶金刚石薄膜，低声阻抗 膜层4-2为SiO2薄膜，粘结层4-3为硅膜，其中n，m均为正整数，并且m = η或者m = n+1。本实施方式所述的全绝缘布拉格反射栅4有多层膜层组成，结构比具体实施方式
二或三复杂，全绝缘布拉格反射栅4只能使特定频率的波通过，本实施方式的这种高/低声 阻抗膜层分别交替而成的结构，能够利用相邻膜层声阻抗的差别反射声波，实现声波能量 最大利用，通过级联实现带通滤波器的效果，器件的电声性能的大幅提高并且稳定性好。
具体实施方式
五、本实施方式是对具体实施方式
四所述的固贴式薄膜体声波谐振 器的进一步限定，高声阻抗膜层4-1的膜层厚度为100 500nm，低声阻抗膜层4_2的膜层 厚度为300 2000nm，粘结层4-3的厚度为5 50nm。
具体实施方式
六、本实施方式是对具体实施方式
四或五所述的固贴式薄膜体声波 谐振器的进一步限定，高声阻抗膜层4-1为利用过滤阴极真空电弧系统沉积的富Sp3杂化 的非晶金刚石薄膜；低声阻抗膜层4-2为利用射频磁控溅射系统沉积SiO2薄膜；粘结层4-3 为采用射频磁控溅射系统制备的硅膜。本发明所述的固贴式薄膜体声波谐振器的结构不局限于上述六种实施方式所述 的结构，还可以是上述各实施方式所记载的技术特征的合理组合。
具体实施方式
七、本实施方式是对具体实施方式
四的进一步说明，1 SnS 3， 1 ≤ n≤ 4。
具体实施方式
八、全绝缘布拉格反射栅的制备方法，具体过程如下步骤一、体系设计依据声学传输原理和固贴式薄膜体声波谐振器的工作机制，按 照固贴式薄膜体声波谐振器工作频率的具体要求，获得高声阻抗材料非晶金刚石薄膜与低 声阻抗材料SiO2薄膜的厚度，每层厚度应为声波波长的1/4 ；步骤二、基片清洗用丙酮、酒精将需制备固贴式薄膜体声波谐振器全绝缘布拉格 反射栅的基片在超声波清洗机中依次清洗，超声波清洗机清洗的时间为10 30min，取出 后用电吹风吹干；步骤三、沉积首层低声阻抗3102薄膜将清洗后的基片放入沉积系统中，在基片上 沉积低声阻抗SiO2薄膜，所述沉积系统采用射频磁控溅射系统；步骤四、沉积硅作为粘结层在沉积低声阻抗SiO2薄膜之后，推上基底与硅靶之间 的挡板，关闭O2阀门，待O2气流流量为零后移开挡板，开始沉积硅，根据沉积时间来控制膜 厚；步骤五、沉积首层高声阻抗非晶金刚石薄膜将沉积完成粘结层之后的基片放入 过滤阴极真空电弧沉积系统中，在粘结层之上沉积高声阻抗非晶金刚石薄膜；步骤六、采用射频磁控溅射系统，在高声阻抗非晶金刚石薄膜之上沉积硅薄膜作 为粘结层；步骤七、在粘结层上沉积第二层低声阻抗SiO2薄膜在步骤六完成之后，推上基底 与硅靶之间的挡板，开启O2阀门，O2气体流量控制在4SCCm lOOsccm，待气流稳定后移开 挡板，开始沉积SiO2，根据沉积时间来控制膜厚；步骤八、重复步骤四至步骤七1 3次，得到不同层数的全绝缘结构布拉格反射 栅。步骤一中高声阻抗材料非晶金刚石薄膜与低声阻抗材料SiO2薄膜的厚度均为声波波长的1/4，以保证最佳的声波反射效果，用公式表示为d = vf/4其中，d为膜层厚度，ν为纵声波在材料中传播的速度，f为要求的谐振工作频率。
具体实施方式
九、本实施方式是对具体实施方式
八的进一步说明，具体实施方式
七中步骤三具体为步骤三一、将步骤二获得的基片置于磁控溅射真空仓内的加热台上，通过真空获 得系统将真空仓内抽成真空，当真空仓内真空度达到1. 0X 10_4 9. 9X 10_4Pa时，启动加热 装置，加热至25 1000°C，并且保温30min 120min ；步骤三二、通入Ar气，当真空仓内压强为3 5Pa时，对基片表面进行反溅清洗 10 20min ；步骤三三、反溅清洗完毕后，施加溅射功率起辉，溅射功率为60 500W，开启O2阀 门，气体流量控制在4SCCm lOOsccm，对硅靶表面预溅射10 30min后，控制真空仓内气 体压强为0. 1 2Pa，移开基底与硅靶之间的挡板，开始向衬底表面镀膜，根据沉积时间来 控制膜厚。
具体实施方式
十、本实施方式是对具体实施方式
八的进一步说明，具体实施方式
七中步骤五具体为步骤五一、在步骤五获得的本底真空度为1.5 4. 0X10_6Torr时，注入纯度为 99. 99%的氩气，使真空度上升至1. 0 2. OX 10_4Τοπ·，用考夫曼离子枪刻蚀非晶金刚石沉 积面4 7min，刻蚀1 2次，工作氩气流量为8ml/min，刻蚀亚粒子能量为800 1300eV， 刻蚀后应间歇5 15min刻蚀后将卡盘转至沉积工作区；步骤五二、沉积采用不同梯度负偏压沉积碳离子，逐渐形成非晶金刚石薄膜的高 声阻抗膜层，根据沉积时间来控制膜厚，沉积时衬底负偏压采用直流脉冲形式，梯度变化的 范围为3600V至80V的任意变化区间，脉冲频率为100 1500Hz，脉冲宽度为5 25 μ s， 对应的电弧电流为50 70A。当所需沉积厚度在200nm以下时，可直接采用IOOV 80V的负偏压，当所需沉积 厚度在200nm以上时，可先采用较高衬底偏压(3600V 2000V)以获得低应力的亚膜层，再 在其上逐渐过渡至IOOV 80V的负偏压获得Sp3杂化含量高的亚膜层。
具体实施方式
十一、本实施方式是对具体实施方式
八的进一步说明，具体实施方 式七中步骤六具体为步骤六一、将步骤五获得的基片置于磁控溅射真空仓内的加热台上，通过真空获 得系统将真空仓内抽成真空，当真空仓内真空度达到1. 0X 10_4 9. 9X 10_4Pa时，启动加热 装置，加热至25 1000°C，并且保温30min 120min ；步骤六二、通入Ar气，当真空仓内压强为3 5Pa时，对基片表面进行反溅清洗 10 20min ；步骤六三、反溅清洗完毕后，施加溅射功率起辉，溅射功率为60 500W，对硅靶表 面预溅射10 30min后，控制真空仓内气体压强为0. 1 2Pa，移开基底与硅靶之间的挡 板，开始向衬底表面镀膜，根据沉积时间来控制膜厚。图2中为多层膜的层数N与负载阻抗ZlMd之间的关系，当N = n+m为奇数时，即m =n+1时，负载阻抗Zload = (VZh)H (Z2/Zs)，当N = n+m为偶数时，即m = η时，负载阻抗Zload = (Z1Ah)nZs，，其中Z1为低声阻抗膜层4-2的材料声阻抗，Zh为高声阻抗膜层4-1的材 料声阻抗，Zs为Si基底5的材料声阻抗，图2中第一个点，即N = 0的点表示Si基底5的 材料声阻抗。
权利要求
固贴式薄膜体声波谐振器，其特征在于它包括上电极(1)、下电极(2)、压电薄膜(3)、全绝缘布拉格反射栅(4)和Si基底(5)，上电极(1)、下电极(2)和压电薄膜(3)组成以压电薄膜(3)为中心的压电振荡堆三明治结构，压电振荡堆直接生长到全绝缘布拉格反射栅(4)上面，全绝缘布拉格反射栅(4)生长在Si基底(5)上。
2.根据权利要求1所述的固贴式薄膜体声波谐振器，其特征在于全绝缘布拉格反射栅(4)为1层低声阻抗膜层(4-2)，所述低声阻抗膜层(4-2)为SiO2薄膜。
3.根据权利要求2所述的固贴式薄膜体声波谐振器，其特征在于低声阻抗膜层(4-2) 的膜层厚度为300 2000nm。
4.根据权利要求1所述的固贴式薄膜体声波谐振器，其特征在于全绝缘布拉格反射栅 (4)由η层高声阻抗膜层(4-1)和m层低声阻抗膜层(4_2)交替叠加组成，高声阻抗膜层 (4-1)和低声阻抗膜层(4-2)之间利用粘结层(4-3)站粘结在一起，低声阻抗膜层(4-2)直 接生长在Si基底(5)上，高声阻抗膜层(4-1)为非晶金刚石薄膜，低声阻抗膜层(4-2)为 SiO2薄膜，粘结层(4-3)为硅膜，其中n，m均为正整数，并且m = η或者m = n+1。
5.根据权利要求4所述的固贴式薄膜体声波谐振器，其特征在于高声阻抗膜层(4-1) 的膜层厚度为100 500nm，低声阻抗膜层(4-2)的膜层厚度为300 2000nm，粘结层(4-3) 的厚度为5 50nm。
6.根据权利要求4所述的固贴式薄膜体声波谐振器，其特征在于高声阻抗膜层(4-1) 为利用过滤阴极真空电弧系统沉积的富Sp3杂化的非晶金刚石薄膜；低声阻抗膜层(4-2) 为利用射频磁控溅射系统沉积SiO2薄膜；粘结层(4-3)为采用射频磁控溅射系统制备的硅膜。
7.权利要求4所述的固贴式薄膜体声波谐振器的全绝缘布拉格反射栅的制备方法，其 特征在于具体过程如下步骤一、体系设计依据声学传输原理和固贴式薄膜体声波谐振器的工作机制，按照固 贴式薄膜体声波谐振器工作频率的具体要求，获得高声阻抗材料非晶金刚石薄膜与低声阻 抗材料SiO2薄膜的厚度，每层厚度应为声波波长的1/4 ；步骤二、基片清洗用丙酮、酒精将需制备固贴式薄膜体声波谐振器全绝缘布拉格反射 栅的基片在超声波清洗机中依次清洗，超声波清洗机清洗的时间为10 30min，取出后用 电吹风吹干；步骤三、沉积首层低声阻抗SiO2薄膜将清洗后的基片放入沉积系统中，在基片上沉积 低声阻抗SiO2薄膜，所述沉积系统采用射频磁控溅射系统；步骤四、沉积硅作为粘结层在沉积低声阻抗3102薄膜之后，推上基底与硅靶之间的挡 板，关闭O2阀门，待O2气流流量为零后移开挡板，开始沉积硅，根据沉积时间来控制膜厚；步骤五、沉积首层高声阻抗非晶金刚石薄膜将沉积完成粘结层之后的基片放入过滤 阴极真空电弧沉积系统中，在粘结层之上沉积高声阻抗非晶金刚石薄膜；步骤六、采用射频磁控溅射系统，在高声阻抗非晶金刚石薄膜之上沉积硅薄膜作为粘 结层；步骤七、在粘结层上沉积第二层低声阻抗SiO2薄膜在步骤六完成之后，推上基底与硅 靶之间的挡板，开启O2阀门，02气体流量控制在4SCCm lOOsccm，待气流稳定后移开挡板， 开始沉积SiO2，根据沉积时间来控制膜厚；步骤八、重复步骤四至步骤七1 3次，得到不同层数的全绝缘结构布拉格反射栅。
8.根据权利要求7所述的全绝缘布拉格反射栅的制备方法，其特征在于步骤三所述的 沉积首层低声阻抗SiO2薄膜的具体过程为步骤三一、将步骤二获得的基片置于磁控溅射真空仓内的加热台上，通过真空获得系 统将真空仓内抽成真空，当真空仓内真空度达到1. OX 10_4 9. 9X 10_4Pa时，启动加热装 置，加热至25 1000°C，并且保温30min 120min ；步骤三二、通入Ar气，当真空仓内压强为3 5Pa时，对基片表面进行反溅清洗10 20min ；步骤三三、反溅清洗完毕后，施加溅射功率起辉，溅射功率为60 500W，开启O2阀门， 气体流量控制在4SCCm lOOsccm，对硅靶表面预溅射10 30min后，控制真空仓内气体压 强为0. 1 2Pa，移开基底与硅靶之间的挡板，开始向衬底表面镀膜，根据沉积时间来控制膜厚。
9.根据权利要求7所述的全绝缘布拉格反射栅的制备方法，其特征在于步骤五所述的 沉积首层高声阻抗非晶金刚石薄膜的具体过程为步骤五一、在本底真空度为1. 5 4. OX 10_6Torr时，注入纯度为99. 99%的氩气，使真 空度上升至1. 0 2. OX 10_4Torr，用考夫曼离子枪刻蚀非晶金刚石沉积面4 7min，刻蚀 1 2次，工作氩气流量为8ml/min，刻蚀亚粒子能量为800 1300eV，刻蚀后应间歇5 15min刻蚀后将卡盘转至沉积工作区；步骤五二、沉积采用不同梯度负偏压沉积碳离子，逐渐形成非晶金刚石薄膜的高声阻 抗膜层，根据沉积时间来控制膜厚，沉积时衬底负偏压采用直流脉冲形式，梯度变化的范围 为3600V至80V的任意变化区间，脉冲频率为100 1500Hz，脉冲宽度为5 25 μ s，对应 的电弧电流为50 70A ；当所需沉积厚度在200nm以下时，采用100V 80V的负偏压，当所需沉积厚度在 200nm以上时，先采用3600V 2000V的负偏压，获得低应力的亚膜层，再在其上逐渐过渡至 100V 80V的负偏压获得Sp3杂化含量高的亚膜层。
10.根据权利要求7所述的全绝缘布拉格反射栅的制备方法，其特征在于步骤六所述 的沉积硅薄膜作为粘结层的具体过程为步骤六一、将步骤五获得的基片置于磁控溅射真空仓内的加热台上，通过真空获得系 统将真空仓内抽成真空，当真空仓内真空度达到1. OX 10_4 9. 9X 10_4Pa时，启动加热装 置，加热至25 1000°C，并且保温30min 120min ；步骤六二、通入Ar气，当真空仓内压强为3 5Pa时，对基片表面进行反溅清洗10 20min ；步骤六三、反溅清洗完毕后，施加溅射功率起辉，溅射功率为60 500W，对硅靶表面预 溅射10 30min后，控制真空仓内气体压强为0. 1 2Pa，移开基底与硅靶之间的挡板，开 始向衬底表面镀膜，根据沉积时间来控制膜厚。
全文摘要
固贴式薄膜体声波谐振器及其全绝缘布拉格反射栅制备方法，涉及一种固贴式薄膜体声波谐振器及其反射栅制备方法。解决了现有固贴式薄膜体声波谐振器应用中存在寄生电容，进而导致器件电声性能的大幅下降与不稳定的问题，所述谐振器为上下电极和压电薄膜组成的压电振荡堆三明治结构直接生长到全绝缘布拉格反射栅上面，全绝缘布拉格反射栅由3～7组高声阻抗膜层和低声阻抗膜层交替组成，所述制备方法，具体为一、体系设计；二、基片清洗；三、沉积首层低声阻抗SiO2薄膜；四、沉积硅作为粘结层；五、沉积首层高声阻抗非晶金刚石薄膜；六、沉积硅薄膜作为粘结层；七、沉积第二层低声阻抗SiO2薄膜。本发明适用于电声性能要求稳定的应用领域。
文档编号H03H3/02GK101997512SQ201010522828
公开日2011年3月30日 申请日期2010年10月28日 优先权日2010年10月28日
发明者刘罡, 刘远鹏, 朱嘉琦, 王赛, 陆晓欣 申请人:哈尔滨工业大学