一種具有地室支柱的薄膜體聲波諧振器的製作方法

2023-08-01 20:50:22 2

本實用新型涉及射頻濾波器技術領域，具體涉及一種具有地室支柱的薄膜體聲波諧振器。

背景技術：

石英晶振元件，是一種基於石英晶體壓電/逆壓電特性的體聲波元件，在電路頻率源中得到廣泛應用。由於石英晶振元件的諧振頻率與石英晶體的厚度成反比，目前其諧振頻率最高僅為數十兆赫茲，無法滿足現代無線電頻譜的急劇延伸需求。

採用壓電基片上的平面金屬叉指換能器和金屬反射柵陣，激發和接收聲表面波，將提升諧振頻率的結構由厚度減薄轉換為提高橫向電極解析度，藉助於成熟的微電子工藝技術，使聲表面波石英諧振器的諧振頻率提升到數百兆赫茲。

換能效率更高的壓電材料(如鈮酸鋰和鉭酸鋰)基片的應用和聲表面波諧振濾波器的實用新型，聲表面波諧振器和聲表面波諧振濾波器得到快速發展，工作頻率又延伸到數千兆赫茲，已成為現代高頻通信電路的標準頻率元件。

同樣，聲表面波器件的工作頻率與其叉指換能器金屬電極的周期成反比，限於壓電基片工藝，千兆赫茲級的聲表面波器件性價比下降，無法跟上現代通信頻段高頻化的步伐。由此，薄膜體聲波器件成為各國努力發展的新型濾波元器件。

薄膜體聲波諧振器(Film Bulk Acoustic Wave Resonator，FBAR)是採用人造壓電薄膜代替天然壓電晶體的體聲波諧振器(石英晶振)，其諧振腔基本結構(圖1)是一人造壓電薄膜夾在兩金屬電極間的三明治結構，由於壓電薄膜的(逆)壓電效應，對外界電激勵產生諧振，其諧振頻率主要與壓電薄膜厚度成反比，也與三明治結構其他各層特性和厚度有關。

目前成熟的FBAR器件結構分為隔膜(membrane)型和固貼(Solidly Mounded)型兩大類。

隔膜型FBAR，如圖2所示，其特點是三明治諧振腔外兩面都是空氣，滿足理想全反射狀態。其結構又可分為：空氣橋(圖2a)、背孔(圖2b)和地室(圖2c)三種。

固貼型FBAR，又簡稱SMR(Solidly Mounded Resonator)，如圖3所示，其特點是三明治諧振腔外一面是空氣，而另一面是布拉格聲反射結構。布拉格聲反射結構是由多個高低聲速材料(厚度為四分之一波長)層組合構成，其特性近似於真空全發射。由於反射結構與壓電薄膜同時生長，器件工藝簡單，可靠性優，但由於反射結構有損耗，其優值要差一些。

技術實現要素：

圖2c所示的地室隔膜型FBAR，是安華高(Avago)實用新型的，其三明治諧振腔支撐在地室上方。由於三明治諧振腔的厚度直徑比極小，三明治諧振腔薄膜機械強度差，極易發生下凹彎曲產生諧振腔薄膜微裂紋，甚至破裂等質量問題。為此，我們提出改進技術方案：

本實用新型提出一種具有地室支柱的薄膜體聲波諧振器，包括具有地室的高阻襯底、由上金屬電極和下金屬電極夾持壓電體組成的三明治諧振腔，三明治諧振腔置於高阻襯底表面形成的地室上方，所述壓電體為壓電薄膜，在地室內設有若干根用以提高三明治諧振腔的機械性能的支柱；地室內的這些支柱位於三明治諧振腔聲振幅最小處，可降低支柱對器件性能的影響。

作為優選，所述高阻襯底是由矽、石英、碳化矽、三氧化二鋁、藍寶石或者金剛石材料製成。

與現有技術相比，本實用新型的有益效果是：

本實用新型的工藝更為簡單，可靠性更優。

附圖說明

圖1 FBAR原理：三明治諧振腔。

圖2隔膜型FBAR。

圖3固貼型FBAR。

圖4現有技術的地室隔膜型FBAR。

圖5本實用新型的地室隔膜型FBAR。

圖6 FBAR諧振振幅模擬，中心振幅最大。

圖7 FBAR諧振振幅模擬，振幅極值規則分布。

圖8地室隔膜型型FBAR製作工藝大綱。

圖9安華高FBAR(2009)示意。

圖10 FBAR工藝流程1矽片清洗，光刻地室圖形。

圖11 FBAR工藝流程2腐蝕矽，形成地室。

圖12 FBAR工藝流程3澱積腐蝕犧牲層的阻擋層(AlN，SiO2)。

圖13 FBAR工藝流程4澱積犧牲層(磷矽玻璃，PSG)，厚度大於地室深度。

圖14 FBAR工藝流程5採用化學機械拋光(CMP)平面化。

圖15 FBAR工藝流程6澱積鈍化層，下電極金屬層。

圖16 FBAR工藝流程7套刻下電極圖形。

圖17 FBAR工藝流程8幹法刻蝕。

圖18 FBAR工藝流程9澱積壓電AlN薄膜。

圖19 FBAR工藝流程10澱積上電極層，澱積鈍化層。

圖20 FBAR工藝流程11套刻上電極圖形。

圖21 FBAR工藝流程12幹法刻蝕鈍化層和上電極。

圖22 FBAR工藝流程13套刻上電極接觸區。

圖23 FBAR工藝流程14腐蝕鈍化層。

圖24 FBAR工藝流程15套刻AlN臺面。

圖25 FBAR工藝流程16刻蝕AlN臺面和用於腐蝕犧牲層的通孔。

圖26 FBAR工藝流程17剝離技術製作引出電極。

圖27 FBAR工藝工流程18溼法腐蝕犧牲層，形成地室。

圖28 FBAR工藝流程2用掩模(現有技術)。

圖29 FBAR工藝流程2用掩模(本實用新型技術)。

附圖標註：上電極1，引出電極11，鈍化層12，壓電薄膜2，下電極3，引出電極31，鈍化層33，高阻矽襯底4，阻擋層41，犧牲層42，地室5，支柱6，空氣7，背面蝕刻8，反射器堆棧9。

具體實施方式

下面詳細說明本實用新型的具體實施方式。

製作FBAR，首先要進行三明治諧振腔的聲學微波特性模擬，來確定器件結構參數。圖6和圖7為不同性能FBAR的諧振腔薄膜諧振振幅模擬，可見其諧振腔有源區薄膜振幅極值具有嚴格規律。為支撐諧振腔有源薄膜，而儘量不降低器件諧振性能，支柱位置必須位於諧振腔有源區薄膜振幅極值最小處，及圖6/圖7中深藍色表示的區域。例如對圖6所模擬的FBAR，地室支柱應圍繞中心偏外圍設置，而對圖7所模擬的FBAR，地室支柱應近中心設置。所有支柱均為五角形排列，與有源區形狀有關。

圖8為採用矽帽圓片級封裝的地室隔膜型型FBAR器件製作主要方法，

1.在高阻矽片上製作氧化物犧牲物填充的地室，拋光使矽表面平滑；

2.在平滑襯底上製作三明治結構FBAR；

3.製作引出金電極，腐蝕去除地室內氧化物犧牲物，形成下方空氣腔；

4.圓片級微蓋封裝。

圖9為2009年公開的安華高專利FBAR示意，FBAR諧振腔為Mo/AlN/Mo三明治結構，工藝流程如下：

流程1(圖10)：矽片清洗，光刻地室圖形。

流程2(圖11)：腐蝕矽，形成地室。

流程3(圖12)：澱積腐蝕犧牲層的阻擋層(AlN，SiO2)。

流程4(圖13)：澱積犧牲層(磷矽玻璃，PSG)，厚度大於地室深度。

流程5(圖14)：採用化學機械拋光(CMP)平面化。

流程6(圖15)：澱積鈍化層，下電極金屬層。

流程7(圖16)：套刻下電極圖形。

流程8(圖17)：幹法刻蝕。

流程9(圖18)：澱積壓電AlN薄膜。

流程10(圖19)：澱積上電極層，澱積鈍化層。

流程11(圖20)：套刻上電極圖形。

流程12(圖21)：幹法刻蝕鈍化層和上電極。

流程13(圖22)：套刻上電極接觸區。

流程14(圖23)：腐蝕鈍化層。

流程15(圖24)：套刻壓電AlN薄膜臺面。

流程16(圖25)：刻蝕壓電AlN薄膜臺面和用於腐蝕犧牲層的通孔。

流程17(圖26)：剝離技術製作引出電極。

流程18(圖27)：溼法腐蝕犧牲層，形成地室。

為實現本實用新型技術方案，所有工藝都不需要改變。只要在工藝流程1中原來採用的光刻地室圖形所用的全透明圓圖形掩模(圖28)換成內部具有多個對稱排列黑色圓點的圓圖形掩模(圖29)即可。

雖然本實用新型通過實施例進行了描述，但實施例並非用來限定本實用新型。本領域技術人員可在本實用新型的精神的範圍內，做出各種變形和改進，但同樣均在本實用新型的保護範圍之內。因此本實用新型的保護範圍應當以本申請的權利要求保護範圍所界定的為準。