一种基于单晶AlN的薄膜体声波谐振器制备方法技术

本发明专利技术公开了一种基于单晶AlN的薄膜体声波谐振器制备方法。该制备方法包括以下步骤：在制备衬底采用分子束外延生长法生长（111）取向的单晶Al薄膜；并在其上继续通过脉冲激光沉积生长法生长（002）取向的单晶AlN薄膜；最后在AlN薄膜上沉积一层金属薄膜，形成Al/AlN/金属的三明治压电堆叠结构。采用该方法制备得到的基于单晶AlN压电堆叠结构可用于薄膜体声波谐振器的制备中，单晶AlN薄膜在压电性能上优于目前薄膜体声波谐振器中应用到的多晶AlN压电薄膜，从而提高器件的品质因数和有效机电耦合系数。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种基于单晶AlN的薄膜体声波谐振器制备方法。
技术介绍
随着无线通信技术的快速发展，越来越多的功能模块被要求挤入原本已拥挤不堪的无线终端中。以手机为例，它不再仅仅提供基本的语音通讯功能，而且大量兼容了数码摄像、拍照、MP3、GPS全球定位导航、Wi-Fi、蓝牙等多种功能。同时随着3G、4G技术的发展，通信系统越来越趋向多频段化，呈现了多种制式并存的形式，要求通信终端能够接受各个频段以满足不同服务商和地区需求，这就迫使手机的射频收发信机(射频前端)向微型化、集成化方向发展。薄膜体声波谐振器（FilmBulkAcousticResonator，简称“FBAR”）是一种全新的射频滤波器的解决方案，通过将多个FBAR级联就可以满足中心频率从600MHz到6GHz的射频滤波器的技术要求。FBAR具有陶瓷介质滤波器无可比拟的体积优势，声表面波滤波器无可比拟的工作频率及功率容量优势，除此之外还具有功耗低、品质因数（Q值）高、直接输出频率信号、可与CMOS工艺兼容等特点，目前已经成为射频通讯领域重要的器件被广泛应用。FBAR的核心结构为电极-压电薄膜-电极构成的三明治结构，其工作原理是利用压电薄膜在电场作用下激励的体声波在压电体内来回振荡实现谐振。当施加一定的交流电压于压电薄膜的上下金属电极表面时，处于中间层的压电薄膜材料由于逆压电效应产生机械形变，使压电薄膜层随着电场变化产生膨胀、收缩，这种机械振动激励出沿薄膜厚度方向(c轴)传播的体声波，此声波传播至上下电极与空气的交界面处时将会反射回来，在薄膜内来回反射，形成振荡。当声波在压电薄膜中的传播正好是半波长的奇数倍时形成驻波振荡。压电薄膜的制备是FBAR的核心技术。FBAR的压电材料通常采用ZnO、PZT、AlN。其中AlN相较其他两种材料具有纵波声速大、温度系数低、固有损耗小、化学稳定性好，能够与标准CMOS工艺相兼容等特点，是目前最常用的压电薄膜材料。基于现有工艺中磁控溅射制备出的多晶AlN薄膜通常存在一定厚度的非晶过渡区，这段区域对于压电转换并无贡献，随着工作频率升高，压电层制作得越来越薄，择优取向的压电膜层厚度与非晶区域过渡厚度之比将会减小，这将导致FBAR的Q值降低，插入损耗变大；另外多晶AlN中存在的晶界和缺陷会造成对体声波的吸收或散射，增加声波传输损耗。磁控溅射方法的基本原理是在真空中利用正交电磁场控制下的荷能粒子轰击靶表面，使被轰击出的粒子在衬底上沉积。这种溅射方法得到的AlN薄膜的取向受到反应气压、溅射功率和基片温度等工艺参数的影响。AlN薄膜的生长过程大致分为三个阶段：非晶层，成核、竞争长大区，枝晶区。分析AlN薄膜的表面形貌和结晶取向可以知道，随着工艺条件的优化，表面岛的尺寸越来越大，薄膜由多晶结构逐渐转向(002)择优取向，即倾向于c轴方向生长。其中生长初期的约5nm左右的非晶层对形成c轴取向的AlN薄膜枝晶结构是有益处的，而这层非晶过渡区对于压电转换并无贡献；另外多晶AlN中存在的晶界和缺陷会造成对体声波的吸收或散射，增加声波传输损耗。通过磁控溅射方法只能得到较高c轴择优取向的多晶AlN薄膜，而无法快速沉积形成高质量的单晶AlN薄膜。综上，现有FBAR制备工艺磁控溅射得到的AlN多晶薄膜的性能还有很大的提升空间。
技术实现思路
基于此，本专利技术的目的在于克服现有技术的缺陷，提供一种基于单晶AlN的薄膜体声波谐振器的制备方法，采用该制备方法，在制备过程中可实现单晶AlN薄膜的制备，提升压电薄膜的品质因数，从而提升FBAR器件的滤波性能。为实现上述目的，本专利技术采取以下技术方案：基于单晶AlN的薄膜体声波谐振器具体制备方法如下：清洗、退火处理制备衬底，在该衬底上通过分子束外延法生长单晶Al作为薄膜体声波谐振器的底电极；继续在金属单晶Al(111)衬底上通过激光脉冲沉积生长法外延生长（002）取向的单晶AlN薄膜作为薄膜体声波谐振器的压电层；在压电层上沉积一层金属作为顶电极；在硅背面刻蚀出空气腔。基于单晶AlN的薄膜体声波谐振器，它包括制备衬底、空气腔、底电极层、压电薄膜和顶电极，形成上述电极-压电层-电极三明治结构。本专利技术所提供的制备方法，通过分子束外延方法在制备衬底上生长的（111）方向的单晶Al薄膜作为薄膜体声波谐振器的底电极，继续通过脉冲激光沉积生长法生长的（002）取向的高质量单晶AlN薄膜作为压电层。该制备方法得到的压电薄膜具有高c轴取向，克服了现有制备工艺得到的AlN多晶薄膜对声波传输的损耗，提高了FBAR器件的品质因数和有效机电耦合系数。脉冲激光沉积制备薄膜的基本原理是将脉冲激光器产生的高功率脉冲激光聚焦于靶材表面，使其表面产生高温及烧蚀，并进一步产生高温高压等离子体(T＞104K)，等离子体(在氮气气氛中)向衬底传输，最后运输到衬底上的烧蚀物在衬底上凝聚、成核至成膜。一方面脉冲激光沉积的高能脉冲沉积作用以及氮化作用抑制了界面反应，有利于制备近乎零界面层的AlN单晶薄膜；另一方面薄膜生长过程中岛间合并时界面处将产生大量位错来释放应力。采用脉冲激光沉积生长法外延AlN薄膜是二维层状生长模式，因为脉冲激光沉积具有高能和脉冲双重效应，高能效应使得粒子易克服能量势垒，有利于粒子的层间扩散和沿岛扩散；脉冲效应使得粒子在脉冲间断时有足够的弛豫时间扩散迁移到平衡位置，都有利于薄膜的二维层状生长，直至最终形成高均匀性的AlN单晶薄膜。本专利技术所提供的制备方法，采用分子束沉积方法在制备衬底Si(111)上先生长一层（111）方向的单晶Al薄膜，由于Si(111)面与Al(111)面的晶格失配度只有0.9%，大大减小了在Si衬底上直接沉积AlN带来的失配和位错；另一方面Al作为继续通过脉冲激光沉积生长（002）取向的单晶AlN薄膜的缓冲层，对于抑制衬底表面的氮化，阻止多晶的生成有着重要作用；Al原子在衬底表面的迁移率较小，AlN薄膜的生长模式趋向于岛状生长，能够有效得到高c轴择优取向的单晶AlN薄膜，正是提升FBAR压电性能的关键；调谐单晶Al薄膜到合适的厚度可以作为FBAR的底电极层。所述顶电极采用光刻工艺得到相应的图形。所述干法或湿法硅背面刻蚀，在刻蚀之前需要做相应的掩膜将不需要刻蚀的地方保护起来。本专利技术的效果：本专利技术提出的基于单晶AlN的薄膜体声波谐振器制备方法，与现有制备方法相比，大大提升了压电薄膜的晶体质量。现有FBAR制备工艺多通过溅射得到多晶AlN薄膜，而本专利技术提出的制备方法则在制备衬底上采用分子束外延方法得本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于单晶AlN的薄膜体声波谐振器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：清洗、退火处理制备衬底Si(111)，在该衬底上通过分子束外延法生长单晶Al作为薄膜体声波谐振器的底电极；继续在金属单晶Al(111)衬底上通过脉冲激光沉积生长法外延生长（002）取向的单晶AlN薄膜作为薄膜体声波谐振器的压电层；在压电层上沉积一层金属作为顶电极；在硅背面刻蚀出空气腔。

【技术特征摘要】
1.一种基于单晶AlN的薄膜体声波谐振器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
清洗、退火处理制备衬底Si(111)，在该衬底上通过分子束外延法生长单晶Al作为薄膜
体声波谐振器的底电极；
继续在金属单晶Al(111)衬底上通过脉冲激光沉积生长法外延生长（002）取向的单晶
AlN薄膜作为薄膜体声波谐振器的压电层；
在压电层上沉积一层金属作为顶电极；
在硅背面刻蚀出空气腔。
2.根据权利要求1所述的一种基于单晶AlN的薄膜体声波谐振器的制备方法，其特征在
于退火的具体方法是：将衬底放在压强为3.0X10-10Torr的高真空生长室内，在750℃下高温
烘烤30-60min，除去衬底表面的污染物。
3.根据权利要求1所述的一种基于单晶AlN的薄膜体声波谐振器的制备方法，其特征在
于分子束外延法生长Al缓冲层的具体方法是：衬底温度为750℃，MBE的Al源，在1050-1150
℃下生长单晶Al，30min后得到...

【专利技术属性】
技术研发人员：李国强，李洁，刘国荣，
申请(专利权)人：佛山市艾佛光通科技有限公司，
类型：发明
国别省市：广东;44