一種壓電薄膜體聲波諧振器及其製備方法與流程

2023-12-10 01:45:16 1

本發明屬於射頻微機電系統(mems)技術領域，具體涉及一種新型壓電薄膜體聲波諧振器及其製造方法。

背景技術：

隨著無線通信系統向著小型化、高頻化、集成化的方向發展，傳統的介質濾波器和聲表面波濾波器也難以滿足小型化和高頻化的要求，薄膜體聲波諧振器構成的濾波器具有陶瓷介質濾波器不可比擬的體積優勢、聲表面波諧振器不可比擬的工作頻率以及功率容量的優勢；特別是mems技術越來越成熟，薄膜體聲波諧振器成為了當今無線通信系統的發展趨勢。

薄膜體聲波諧振器的主體部分為底電極-壓電薄膜-頂電極構成的「三明治」結構，利用壓電層的逆壓電效應將電能轉化成機械能，並以聲波的形式在器件中形成駐波；由於聲波的速度比電磁波小5個數量級，因此薄膜體聲波諧振器的尺寸比傳統器件小。對於體聲波諧振器來說最重要的部分將聲波限制在壓電層中，目前，根據限制聲波的方法將傳統薄膜體聲波諧振器分為兩大類：

其一，固態配裝型(smr)，其結構如圖3所示，其工作原理是利用四分之一波長厚度的高聲阻抗層和低聲阻抗層相間排列構成反射層，實現聲波的反射；這種固態配裝型體聲波諧振器具有較好的機械強度和功率容量，可以應用在大功率條件下，但是smr型諧振器的布拉格反射層對於每一層薄膜的厚度和粗糙度有著極高的要求，薄膜之間的應力控制也需要嚴格控制，不然容易脫落，工藝上比較難以實現；

其二，空腔型薄膜體聲波諧振器，目前實現空腔的方式主要有兩種：空氣腔型(fbar)，其結構如圖4所示；背刻蝕型，其結構如圖5所示；空腔型薄膜體聲波諧振器的工作原理是利用聲波在底電極或支撐層與空氣的交界面發生反射，將聲波限制在壓電層，實現諧振；這類結構的諧振器反射效率高，具有高q值，低插損，可集成等優點，但是空腔型薄膜體聲波諧振器的製備過程較為複雜，對薄膜應力的控制和製備工藝都有嚴格的要求；因為其製作成本高，工藝門檻高，限制了國內整個行業的發展。

目前在襯底對器件性能的分析中，提出了以聲阻抗接近於空氣的柔性基作為襯底，就能夠避免使用傳統空腔結構或者布拉格反射結構而實現器件性能；這種柔性結構的提出能極大的降低器件製備工藝複雜程度，同時可以將器件應用擴展到生化傳感等領域。但是柔性材料相比於剛性材料，熱傳導能力較差，所以柔性基體聲波諧振器在熱穩定性和功率容量上對比傳統體聲波諧振器需要進一步改善和提高。

技術實現要素：

本發明的目的在於針對上述現有技術中存在的問題，提供一種壓電薄膜體聲波諧振器及其製備方法，本發明的壓電薄膜體聲波諧振器結構簡單，製備工藝易於實現，即縮短了生產周期，又降低了生產成本，同時，提高了柔性基體聲波諧振器的熱穩定性和功率容量，具有良好的應用前景。

為了實現上述目的，本發明所採取的技術方案為：

一種壓電薄膜體聲波諧振器，其結構包括襯底、支撐層、依次設置在襯底和支撐層上的底電極、壓電層及頂電極，其特徵在於，所述諧振器還包括低聲阻抗層，所述襯底上表面設置有若干個垂直凹槽，所述支撐層圍繞所有垂直凹槽、設置於襯底上、並與襯底共同形成一個大的凹槽，所述低聲阻抗層完全填充凹槽、且具有平整的上表面；所述底電極、壓電層及頂電極依次設置於低聲阻抗層上。

進一步地，所述若干個垂直凹槽呈陣列分布，每個垂直凹槽形狀相同，其俯視形狀為多邊形，矩形或圓形，其側視形狀呈梳妝線形或鋸齒狀。

進一步地，所述的低聲阻抗壓電層材料為聚醯亞胺或交聯聚苯撐聚合物。

進一步地，所述的支撐層材料採用高熱導率材料，支撐層高度為10～50um。

進一步地，所述的襯底為矽襯底，所述的壓電層為具有c軸取向的氮化鋁層。

進一步地，所述的底電極和頂電極材料為高聲阻抗金屬，如鎢或鉬。

前述的壓電薄膜體聲波諧振器的製備方法，包括以下步驟：

步驟1、採用幹法刻蝕或者溼法刻蝕工藝在襯底上預設位置刻蝕形成若干個垂直凹槽；

步驟2、在經步驟1的襯底上利用磁控濺射或者化學氣相沉積法沉積一層支撐層材料，並通過光刻得到圖形化支撐層；

步驟3、採用旋塗和澆鑄工藝在經步驟2的襯底和支撐層上均勻塗覆一層低聲阻抗材料，之後進行高溫固化得到低聲阻抗層；

步驟4、在低聲阻抗層的上表面採用磁控濺射或者電子束蒸發沉積高聲阻抗電極層並光刻出底電極圖形；

步驟5、在底電極上通過磁控濺射生長壓電層並光刻出壓電層圖形；

步驟6、在壓電層的上表面採用磁控濺射或電子束蒸發沉積頂電極，並刻蝕出頂電極圖形，即製備得所述薄膜體聲波諧振器的製備。

需要說明的是，本發明中襯底上表面設置的一定數量的垂直凹槽，是為了增大柔性低聲阻抗材料與矽襯底的接觸面積，同時帶有凹槽的基底能有效抑制聲波反射波帶來的寄生模量，從而避免反射波對基頻信號造成幹擾。具體形狀可以根據諧振器實際尺寸和製作工藝水平確定，並保證柔性低聲阻抗材料充分均勻的填覆在襯底表面。支撐層的高度是為了讓柔性低聲阻抗層具有一定的厚度從而達到減小體聲波諧振器回波損耗的目的，提高器件的性能。

本發明與現有技術和結構相比具有如下優點：

1、與傳統的空腔型和固態配裝型薄膜體聲波諧振器相比，無需形成空腔結構，提高了機械強度，降低了工藝難度。不需要空腔結構中的犧牲層，減少了後續對犧牲層釋放這一複雜的工藝步驟；利用低聲阻抗的柔性材料可以有效的替代固態配裝型薄膜體聲波諧振器中的布拉格反射層，克服了布拉格反射層難以實現的確定，可以很好的限制聲波向底電極以下洩露，保證了薄膜體聲波諧振器的性能。帶有凹槽的基底表面也能有效抑制洩露到低聲阻抗層的聲波反射波帶來的寄生模量，從而避免反射波對主頻信號造成幹擾。

2、本發明所述的器件創新性的提出了解決柔性基體聲波諧振器熱穩定性不足，功率容量不夠的問題。在諧振器工作時，由於自熱現象，柔性低阻抗材料由於自身的熱傳導率低，很難將熱量散發出去，從而導致器件溫度係數過高，同時限制器件功率容量，使得柔性基體聲波諧振器無法滿足部分市場需求。利用熱傳導率高的矽襯底與柔性基底大面積的接觸，可以更有效將熱量散發出去，從而減小器件熱穩態溫度；提高器件性能，高的功率容量也拓寬柔性基體聲波諧振器的應用領域。

3、本發明能夠極大的簡化薄膜體聲波諧振器的製作工藝，降低了工藝門檻，縮短了製作周期，降低了生產成本。

附圖說明

圖1為本發明薄膜體聲波諧振器結構示意圖。

圖2為本發明薄膜體聲波諧振器同類結構示意圖。

圖3為固態配裝型薄膜體聲波諧振器(smr)結構示意圖。

圖4為空氣腔型薄膜體聲波諧振器(fbar)結構示意圖。

圖5為背刻型薄膜體聲波諧振器結構示意圖。

圖6為本實施例1中刻蝕後的襯底剖面圖。

圖7為本實施例1沉積支撐層後的剖面圖。

圖8為本實施例1圖形化支撐層後的器件剖面圖。

圖9為本實施例1填充聚醯亞胺後的器件剖面圖。

圖10為實施例1製備底電極層後的器件剖面圖。

圖11為實施例1製備壓電層後的器件剖面圖。

圖12為實施例1製備頂電極層後的器件剖面圖。

圖13為實施例1製備的壓電薄膜體聲波諧振器俯視圖。

圖中，1為襯底、2為支撐層、3為低聲阻抗聚醯亞胺層、4為底電極層、5為壓電層、6為頂電極層。

具體實施方式

下面結合附圖和實例對本發明做進一步詳細描述。

實施例1

本實施例提供一種壓電薄膜體聲波諧振器，其結構如圖1所示，包括設置好垂直凹槽的襯底1，圖形化後的支撐層2，完全填充覆蓋襯底表面的低聲阻抗層3，底電極層4，壓電層5，頂電極層6；本實施例中，襯底材料採用矽，襯底中垂直凹槽的深度為10um左右，所述的垂直凹槽採用方孔、垂直凹槽呈陣列排布、側視形狀呈梳妝線形，所述低聲阻抗層是聚醯亞胺，底電極採用的是鉬，壓電層是具有c軸取向的氮化鋁，最上層的頂電極是金屬鉬。

上述壓電薄膜體聲波諧振器的具體製備工藝，包括以下步驟：

步驟1、在矽襯底表面使用光刻的方法，先利用反轉膠去掉凹槽部分光刻膠，露出凹槽部分矽襯底，然後利用幹法刻蝕或溼法刻蝕的方法刻蝕露出的部分，控制刻蝕時間，使垂直凹槽深度在10um左右，凹槽面積為20um×20um，如圖6所示；所述的矽襯底表面可以是(100)、(110)或(111)取向，本實驗採用反應離子深刻蝕的方法刻蝕矽襯底；

步驟2、去掉步驟1中的光刻膠，利用磁控濺射的方法，沉積一層非晶氮化鋁作為支撐層，控制沉積時間使支撐層的高度為10～50um，如圖7所示；然後利用反轉膠光刻出支撐層上需要被刻蝕掉的形狀，利用溼法刻蝕方法刻蝕出支撐層圖形，如圖8所示，本實例中採用的是水浴加熱40℃的tmah溶液刻蝕；

步驟3、將液態聚醯亞胺均勻的塗覆在步驟2中的支撐層上，待聚醯亞胺充分進入凹槽之中，用甩膠機勻膠，使聚醯亞胺均勻的覆蓋在支撐層之上，然後高溫固化液態聚醯亞胺得到固化的聚醯亞胺低聲阻抗層，如圖9所示；

步驟4、在聚醯亞胺低聲阻抗層上通過磁控濺射的方法沉積一層100-200nm金屬鉬，並通過光刻圖形化出相應的底電極形狀作為底電極層，如圖10所示；本實例中磁控濺射的工藝條件為：氣壓1pa，功率200w，氣體流量20sccm，襯底溫度為水冷；

步驟5、採用磁控濺射的方法，沉積一層具有c軸取向的aln層，通過光刻圖形化得到壓電層，並露出底電極圖形，如圖11所示；本實例中沉積aln的工藝條件是氮氣濃度>40％，功率密度>10w/cm2，溫度>150℃；

步驟6、採用磁控濺射的方法沉積一層100-200nm金屬鉬，並通過光刻圖形化得到頂電極層，如圖12所示，本實例中工藝條件與步驟4相同；製備的壓電薄膜體聲波諧振器結構的俯視圖如圖13所示。

以上所述，僅為本發明的具體實施方式，本說明書中所公開的任一特徵，除非特別敘述，均可被其他等效或具有類似目的的替代特徵加以替換；所公開的所有特徵、或所有方法或過程中的步驟，除了互相排斥的特徵和/或步驟以外，均可以任何方式組合。