一种新型薄膜体声波谐振器及其制备方法
【专利摘要】本发明属于射频微机电系统技术领域，具体提供一种新型薄膜体声波谐振器及其制备方法；所述薄膜体声波谐振器包括衬底、依次设置在衬底上的底电极、压电层及顶电极，所述衬底上开设有凹槽，衬底上表面及凹槽内设置低声阻抗层，所述底电极、压电层及顶电极均设置于所述低声阻抗层上，所述底电极为由低声阻抗层上依次层叠的高电导率电极层和高声阻抗电极层构成的复合底电极。本发明提供一种新型薄膜体声波谐振器及其制备方法，该谐振器性能优良，制备工艺难度和复杂度均极大简化，显著提高薄膜体声波谐振器生产合格率，大大降低生产成本、缩短生产周期，有利于工业化生产，对拓宽应用领域有着极其重要的意义。
【专利说明】
一种新型薄膜体声波谐振器及其制备方法
技术领域
[0001] 本发明属于射频微机电系统技术领域，具体涉及一种新型薄膜体声波谐振器及其制备方法。
【背景技术】
[0002] 薄膜体声波谐振器是一种基于压电技术的元器件，该谐振器的尺寸极小，比单纯以电磁波为传播信号的元器件尺寸小4?5个数量级;插损小，Q值高，可达1000以上;工作频率高，可承受的功率容量比声表面波器件更大;并且可以与CMOS工艺兼容，鉴于以上优点薄膜体声波谐振器技术迅速占领了射频通信市场，在传感器领域，如生化检测、紫外线检测等也有着广阔的应用前景。
[0003] 薄膜体声波谐振器的核心结构是电极-压电层-电极构成的“三明治”结构，其工作原理就是利用压电层的逆压电效应将电能转化成机械能，机械振动在薄膜中激励起声波进行传输，最终通过压电效应将声信号再转化成电信号输出。对于谐振器来说最重要的部分除了保证压电层的压电性能以外还要保证将声波的能量限制在压电层当中，根据限制声波的方式将薄膜体声波谐振器分为三类：
[0004] 其一为硅背刻蚀型，其结构如图2所示，其工作原理为声波在底电极或者支撑层和空气的交界面上发生反射;该结构从硅衬底背面将其掏空形成空气界面，若制备滤波器则需要采用很多的谐振器，会造成衬底背面掏空的面积过大，导致器件机械强度大大降低，因而该类型的谐振器并没有得到广泛的应用；
[0005] 其二为固态装配型（SMR)，其结构如图3所示，其工作原理为高声阻抗层和低声阻抗层构成反射层，实现声波的反射，每层材料的厚度是声波在该材料中传播时的波长的1/ 4;该谐振器较硅背刻蚀型谐振器有较好的机械强度和功率容量，可以应用在在高功率的条件下，但是SMR型谐振器的布拉格反射层为了达到理想的声波反射效果需要对每一层薄膜进行精确的厚度、应力和粗糙度的控制，一般要对每一层薄膜进行CMP加工，以确保其粗糙度达到制备器件的要求，导致其SMR型器件的制备工艺复杂、制备成本高；
[0006] 其三为空气隙型(FBAR)，其结构如图4所示，其工作原理为声波在底电极或者支撑层和空气的交界面上发生反射;该结构谐振器的声波反射效率高，具有高Q值，低插损、便于集成等优点，应用最为广泛，但FBAR型谐振器在制备空腔的过程中，薄膜应力难以控制，常造成整个器件失效，限制了产品良率，并且要形成完美的空腔对工艺水平要求极高。
[0007] 综上，现有薄膜体声波谐振器均制备工艺复杂，难度大，导致其制备成本高、产品合格率低、大大限制了整个行业的发展。
【发明内容】
[0008] 本发明的目的在于提供一种新型薄膜体声波谐振器及其制备方法，该新型薄膜体声波谐振器在保证器件性能的同时，大大简化谐振器制备工艺、降低工艺水平要求，显著提升器件合格率。
[0009] 为实现上述目的，本发明采用技术方案为：
[0010] —种新型薄膜体声波谐振器，包括衬底1、依次设置在衬底上的底电极5、压电层6 及顶电极7,其特征在于，所述衬底1上开设有凹槽，衬底上表面及凹槽内设置低声阻抗层2， 所述底电极5、压电层6及顶电极7均设置于所述低声阻抗层2上，所述底电极5为由低声阻抗层2上依次层叠的高电导率电极层3和高声阻抗电极层4构成的复合底电极。
[0011] 进一步的，所述低声阻抗层2采用材料为:液态聚酰亚胺或交联聚苯撑聚合物。
[0012] 所述顶电极7材料为:钨、钼、金、银或铝。
[0013] 复合底电极的厚度为100-300nm;所述高声阻抗电极层材料为:钨或铂，所述高电导率电极层材料为:金或银。
[〇〇14]所述压电层6材料为:Α1Ν、Ζη0或PZT，压电层的厚度根据需要的频率确定。
[0015] 上述新型薄膜体声波谐振器的制备方法，包括以下步骤：
[0016] 步骤1、采用干法刻蚀或者湿法刻蚀工艺在衬底上开设预设尺寸的凹槽；
[0017] 步骤2、采用旋涂工艺在刻蚀有凹槽的衬底上均匀涂覆一层低声阻抗材料，之后进行匀胶、固化制备得低声阻抗层；
[0018] 步骤3、采用磁控溅射或电子束蒸发工艺于低声阻抗层上依次制备高电导率电极层和高声阻抗电极层，形成复合底电极；
[0019] 步骤4、采用磁控溅射法在底电极上制备压电层；
[0020] 步骤5、采用磁控溅射或电子束蒸发工艺在压电层上制备顶电极，及制备得新型薄膜体声波谐振器。
[0021] 需要说明的是，本发明中衬底上开设凹槽的尺寸及形状应根据谐振器的尺寸及形状确定，并保证低声阻抗层充分填充凹槽。
[0022] 本发明提供的新型薄膜体声波谐振器是在衬底上刻蚀凹槽后通过旋涂的方式填入液态低声阻抗材料、匀胶固化，填充的材料不必释放，然后直接在上面进行底电极-压电层-顶电极“三明治“结构的制备。该结构无需形成空腔结构，提高了机械强度和功率容量， 并完全省略了形成空腔这一难度较高的工艺步骤;并且低声阻抗材料的填充能够代替传统布拉格反射层，无需进行多层薄膜的制备，有效降低工艺复杂度；同时，本发明中采用复合电极结构，其中高声阻抗层电极能够限制声波向底电极以下界面的传播，低声阻抗材料的声阻抗极低，其与底电极的界面能够很好的实现声波反射，保证了薄膜体声波谐振器的优良性能。
[0023] 综上，本发明提供一种新型薄膜体声波谐振器及其制备方法，该谐振器性能优良， 制备工艺难度和复杂度均极大简化，显著提高薄膜体声波谐振器生产合格率，大大降低生产成本、缩短生产周期，有利于工业化生产，对拓宽应用领域有着极其重要的意义。
【附图说明】
[0024] 图1为发明薄膜体声波谐振器结构示意图。
[0025] 图2为背刻型薄膜体声波谐振器结构示意图。
[0026] 图3为固态装配型薄膜体声波谐振器(SMR)结构示意图。
[0027] 图4为气隙型薄膜体声波谐振器(FBAR)结构示意图。
[0028] 图5为实施例中刻蚀凹槽后衬底剖面图。
[0029] 图6为实施例中填充聚酰亚胺后衬底剖面图。
[0030] 图7为实施例中制备复合底电极后器件剖面图。
[0031] 图8为实施例中制备压电层后器件剖面图。
[0032] 图9为实施例中制备顶电极后器件剖面图。
[0033] 图10为实施例中制备得薄膜体声波薄膜谐振器俯视图。
[0034] 其中，1为衬底、2为低声阻抗层、3为高电导率电极层、4为高声阻抗电极层、5为复合底电极、6为压电层、7为顶电极。
【具体实施方式】
[〇〇35]下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细说明，但需要说明的是本发明并不局限于该实施例。
[0036]本实施例提供薄膜体声波谐振器，其结构如图1所示，包括预设凹槽的衬底1，充分填充与凹槽内及均匀覆盖衬底上表面的低声阻抗层2,低声阻抗层2上依次设置高电导率电极层3和高声阻抗电极层4、共同构成复合底电极5,复合底电极5上依次设置压电层6和顶电极7。
[〇〇37]本实施例中衬底米用长有^■氧化娃层的具有〈1〇〇>晶向的娃衬底；低声阻抗层米用液态聚酰亚胺;复合底电极5中高电导率电极层3采用厚度为50?100nm的金属金层，高声阻抗电极层4采用厚度为50?200nm的金属钨层;压电层6采用的A1N，厚度根据需要的频段来设定;顶电极7采用厚度为100?300nm的金属钼层。
[0038]本实施例中薄膜体声波谐振器的制备方法，具体包括以下步骤：
[〇〇39]步骤1、选取长有500nm二氧化硅层的硅〈100>衬底，用反转胶光刻出凹槽图形，用水浴40°C的B0E溶液刻蚀掉二氧化硅层，形成一个凹槽窗口，紧接着用水浴85°C的K0H配置溶液刻蚀出10?20mi深的凹槽，如图5所示；
[0040]步骤2、将液态聚酰亚胺均匀的涂覆于步骤1中的衬底上，待聚酰亚胺溶液充分进入凹槽之后，用甩胶机匀胶，将聚酰亚胺甩成均匀的一层，如图6所示，根据所选的聚酰亚胺型号采用相应的条件将其亚胺化，本实施例中采用的亚胺化条件是:在氮气气氛中160 °C恒温1小时、180 °C恒温1时、240 °C恒温1小时、自然冷却至室温；
[0〇41 ] 步骤3、通过磁控派射法制备一层50?lOOnm的金并制备出相应的底电极图形，作为高电导率电极层，采用磁控溅射法制备一层50_200nm的钨并制备出底电极图形作为高声阻抗电极层，并露出高电导率电极层，如图7所示，高电导率电极层和高声阻抗电极层共同构成复合底电极；
[0042]步骤4、采用磁控溅射法，生长一层具有C轴取向的A1N层，制备得压电层，并露出底电极图形，如图8所示，生长A1N的的条件是温度大于150°C，功率密度大于8w/cm2氮气浓度大于30% ;厚度由具体的频率范围来确定；
[0〇43] 步骤5、采用磁控派射法制备一层100-300nm金属钼并制备成顶电极图形，如图9所示;制备得薄膜体声波谐振器结构俯视如图10所示。
[0044]以上所述，仅为本发明的【具体实施方式】，本说明书中所公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换;所公开的所有特征、或所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以任何方式组合。
【主权项】
1. 一种新型薄膜体声波谐振器，包括衬底（1)、依次设置在衬底上的底电极(5)、压电层 (6)及顶电极(7)，其特征在于，所述衬底（1)上开设有凹槽，衬底上表面及凹槽内设置低声 阻抗层(2)，所述底电极(5)、压电层(6)及顶电极(7)均设置于所述低声阻抗层(2)上，所述 底电极(5)为由低声阻抗层(2)上依次层叠的高电导率电极层(3)和高声阻抗电极层(4)构 成的复合底电极。2. 按权利要求1所述薄膜体声波谐振器，其特征在于，所述低声阻抗层(2)材料为:聚酰 亚胺或交联聚苯撑聚合物。3. 按权利要求1所述薄膜体声波谐振器，其特征在于，复合底电极的厚度为100_300nm。4. 按权利要求1所述薄膜体声波谐振器，其特征在于，所述顶电极（7)材料为：钨、钼、 金、银或错。5. 按权利要求1所述薄膜体声波谐振器，其特征在于，所述高声阻抗电极层(4)材料为： 钨或铂，所述高电导率电极层(3)材料为:金或银。6. 按权利要求1所述薄膜体声波谐振器，其特征在于，所述压电层(6)材料为:Α1Ν、ΖηΟ 或 PZT。7. 按权利要求1所述薄膜体声波谐振器的制备方法，包括以下步骤： 步骤1、采用干法刻蚀或者湿法刻蚀工艺在衬底上开设预设尺寸的凹槽； 步骤2、采用旋涂工艺在刻蚀有凹槽的衬底上均匀涂覆一层低声阻抗材料，之后进行匀 胶、固化制备得低声阻抗层； 步骤3、采用磁控溅射或电子束蒸发工艺于低声阻抗层上依次制备高电导率电极层和 高声阻抗电极层，形成复合底电极； 步骤4、采用磁控溅射法在底电极上制备压电层； 步骤5、采用磁控溅射或电子束蒸发工艺在压电层上制备顶电极，及制备得新型薄膜体 声波谐振器。
【文档编号】H03H3/02GK105958956SQ201610262057
【公开日】2016年9月21日
【申请日】2016年4月26日
【发明人】钟慧, 霍振选, 张睿, 秦康宁, 杨泰, 张根, 石玉
【申请人】电子科技大学