一种压电薄膜体声波谐振器及其制备方法技术

技术编号:15398836 阅读:156 留言:0更新日期:2017-05-22 22:35
本发明专利技术公开了一种压电薄膜体声波谐振器及其制备方法,包括衬底、空气腔、底电极层、压电层与顶电极层。该谐振器使用石墨烯作为器件的电极层,在该器件结构中无需使用支撑层,石墨烯底电极层与衬底的凹槽形成空气腔。底电极层上设置压电层,压电层上设置顶电极层。同时,使用本发明专利技术所述牺牲层制备工艺,能克服传统工艺中对高精度化学机械抛光设备的依赖,缩短研磨时间,快速得到平整的牺牲层表面。该新型压电薄膜体声波谐振器结构新颖,能够制备出高Q值,高机电耦合系数的压电薄膜体声波谐振器,可用于后续射频通信系统中滤波器、双工器以及多工器的制作,也可与不同的敏感薄膜相结合制作各种高性能传感器。

Piezoelectric film bulk acoustic wave resonator and preparation method thereof

The invention discloses a piezoelectric film bulk acoustic wave resonator and a preparation method thereof, comprising a substrate, an air cavity, a bottom electrode layer, a piezoelectric layer and a top electrode layer. The resonator uses graphene as the electrode layer of the device, without the use of a support layer in the device structure, and the graphite base electrode layer and the groove of the substrate form an air cavity. A piezoelectric layer is arranged on the bottom electrode layer, and a top electrode layer is arranged on the piezoelectric layer. At the same time, the preparation process of the sacrificial layer of the invention can overcome the dependence on the high-precision chemical mechanical polishing equipment in the traditional process, shorten the grinding time and quickly obtain a smooth surface of the sacrificial layer. The new piezoelectric film bulk acoustic resonator has the advantages of novel structure, can be prepared by a high Q value, high electromechanical coupling coefficient of piezoelectric thin film bulk acoustic resonator, and can be used for the RF communication system, filter, duplexer and multiplexer, sensitive film can also be used with different combination of a variety of high performance sensor.

【技术实现步骤摘要】
一种压电薄膜体声波谐振器及其制备方法
本专利技术属于射频微机电系统
,特别涉及一种新型压电薄膜体声波谐振器及其制备方法。
技术介绍
近年来,随着无线通信系统的发展,越来越多的功能被要求集中到同一系统中。无线通信系统多功能化、小型化的发展趋势对应用于其中的射频器件提出了微型化、可集成、高应用频率、高性能、低制造成本等要求。随着射频微机电制造技术的不断发展,基于压电效应的薄膜体声波谐振器因其优异的性能逐渐成为无线通信系统滤波芯片的解决方案。与传统的声表面滤波器(SAW)相比,薄膜体声波滤波器具有更高的Q值,更大的功率容量、更低的插入损耗以及可集成的优点。与滤波性能优异的介质滤波器相比,薄膜体声波滤波器具有更小的体积适应了当今无线通信系统小型化的发展趋势。薄膜体声波谐振器的核心结构为压电薄膜夹于顶底电极之间的三明治结构。通过器件中压电薄膜的压电效应,器件能将输入的电能转换为机械能,并以声波的形式在器件中形成驻波。由于声波的速度比电磁波的速度小几个数量级,因此薄膜体声波谐振器的尺寸能做得比传统器件更小。目前,常用于作为薄膜体声波谐振器压电层的材料有ZnO、AlN、PZT。在这几种压电材料中,AlN因其纵波声速最大,化学稳定性高,功率容量大以及能够与标准CMOS工艺相兼容的特点成为目前最常用的压电膜层材料。基于界面处声波全反射实现方式的不同,薄膜体声波谐振器的结构分为空腔型与固态装配型(SMR)。空腔型结构主要有两种:FBAR(图1),背刻型(图2)。固态装配型以四分之波长厚度的高声阻抗膜层与低声阻抗膜层相间排列形成声波的全反射,如图3所示。背刻型结构的薄膜体声波谐振器由于要刻蚀掉大量的衬底致使器件的机械强度很低,不利于器件的实际应用,因此背刻型薄膜体声波谐振器已经鲜有制备。固态装配型薄膜体声波谐振器具有很好的机械强度以及较大的功率容量使得其在大功率场合下有较多的应用。FBAR由于具有高Q,低插入损耗,高机电耦合系数,便于集成等优异性能,使得它成为应用最广的薄膜体声波谐振器。传统FBAR结构如图1所示,衬底上依次为支撑层、底电极、压电层以及顶电极。声波在支撑层与空气腔的交界面处实现全反射。传统FBAR的制作工艺首先在硅衬底上刻蚀出坑,在坑中填充牺牲层材料,常用牺牲层材料为SiO2。牺牲层材料沉积后,器件表面经化学机械抛光(CMP)形成平整表面。然后继续在器件表面上通过磁控溅射沉积底电极层薄膜,底电极薄膜光刻出图形后继续在其上沉积压电层薄膜。在光刻出压电层图形后,在压电层上沉积顶电极薄膜。最后通过干法刻蚀在压电层上腐蚀出一个窗口,从刻蚀出的窗口对器件牺牲层进行释放,释放完毕后便完成器件的制作。传统薄膜体声波谐振器制备工艺存在牺牲层释放难度大,需要高精度化学机械抛光设备等挑战。为降低薄膜体声波谐振器的制备难度和成本,提高器件性能,不少研究者提出了改进措施。已有专利CN1373556提出为利于牺牲层释放孔的制备可以在器件衬底上增加沟道。专利US7140084B2提出通过降低薄膜粗糙度提高器件性能。目前,通过改进后的器件结构依然存在缺点如:1.牺牲层沉积后需要高精度CMP设备进行长时间研磨,增加了器件制备的成本与工艺复杂度。2.传统薄膜体声波谐振器中存在支撑层,虽然支撑层能够增加器件的机械强度,但它同时降低了器件的电学性能。如何简化器件对CMP工艺的要求,降低器件制备成本,提高器件性能成为目前薄膜体声波谐振器制备工艺的重点。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种压电薄膜体声波谐振器的制备方法,从而能有效简化薄膜体声波谐振器结构与制备工艺,提高器件性能。本专利技术的技术方案为:一种压电薄膜体声波谐振器,其结构包括衬底、空气腔、底电极层、压电层和顶电极层,衬底上顶面设置有凹槽与底电极层,该凹槽与其上的底电极层形成器件的空气腔,底电极层与空气腔的接触面具有平滑的边界,底电极层上设置压电层,压电层上设置顶电极层,所述底电极层和顶电极层为石墨烯层。进一步地,所述衬底为硅衬底,压电层为具有c轴取向的氮化铝层。进一步地,设置有牺牲层释放窗口,牺牲层释放窗口位于底电极层、顶电极层边界与空气腔边界之间。进一步地,所述空气腔的深度为200nm-3μm。进一步地,所述底电极层和顶电极层均具有1-10层石墨碳层。一种压电薄膜体声波谐振器的制备方法,包括以下几个步骤:a.在硅衬底上光刻出牺牲层图形,采用干法刻蚀在衬底上刻蚀出牺牲层凹槽;b.采用电子束蒸发的方法沉积非晶硅牺牲层,控制沉积时间得到需要的牺牲层厚度;c.溶解步骤a中剩余的光刻胶,除去牺牲层凹槽外光刻胶上的非晶硅。抛光去除牺牲层表面残留的非晶硅获得平整的表面;d.采用分子束外延的方法在牺牲层上沉积石墨烯底电极层并光刻出底电极图形,该电极层与其下面的牺牲层形成空气腔;e.在底电极上通过溅射生长器件压电层并光刻出压电层图形,该压电层的一端露出底电极层;f.在压电层上通过分子束外延的方法生长器件顶电极层并光刻出顶电极图形;g.释放牺牲层并进行干燥。进一步地,具体包括以下几个步骤:a.在硅衬底表面,旋转涂覆光刻胶,该硅衬底可以是(100)、(110)、或(111)取向,使用光刻的方法将对应牺牲层区域的光刻胶去掉,露出硅衬底,使用干法刻蚀的方法刻蚀露出的硅衬底,刻蚀深度为200nm-3μm,该牺牲层凹槽边缘平滑;b.使用电子束蒸发的方法沉积非晶硅牺牲层,该牺牲层厚度为300nm-3μm,该牺牲层在温度大于100°C,沉积速率小于5Å/s,本底真空小于10-3Pa的条件下沉积得到,牺牲层厚度由沉积时间控制;c.使用丙酮溶解衬底上剩余的光刻胶,光刻胶被溶解掉的同时附着其上的非晶硅膜层也被去掉,使用CMP研磨掉牺牲层上残留的少许毛刺获得平整的非晶硅牺牲层表面;d.使用分子束外延的方法沉积石墨烯电极层,该层电极具有1-10层石墨碳层,其厚度<10nm,该石墨烯电极层在温度大于500°C,石墨蒸发速率小于0.3nm/min,本底真空低于5×10-5Pa条件下制备,同时,刻蚀出底电极图形;e.在石墨烯电极层上生长一层c轴取向的AlN压电层,该AlN压电层在氨气浓度>40%,功率密度>9W/cm2,温度>200°C下由射频磁控溅射的方法沉积得到,该压电层边界大于牺牲层边界且露出部分底电极层,使用湿法刻蚀的方法刻蚀出压电层的图形,同时器件牺牲层的释放窗口也被刻蚀出来,释放窗口位于电极边界与空气腔边界之间;f.使用步骤d分子束外延的方法沉积器件顶电极层,并刻蚀出顶电极层图形;g.释放器件牺牲层并干燥。本专利技术与现有技术相比具有如下优点:1、与传统薄膜体声波器件制备工艺相比,该专利技术能显著降低器件制备过程中CMP工艺的复杂度。使用该专利技术提出的制备工艺仅需研磨掉上述步骤3中牺牲层残留的少许毛刺,便能得到平整的器件表面。克服了传统制备工艺对高精度CMP设备的要求,同时避免了长时间研磨造成牺牲层过抛现象的出现。2、本专利技术所述器件结构中无需传统器件结构中使用的支撑层,并提出使用石墨烯作为器件的电极层,能极大地提高器件的性能。相比于传统电极层材料,石墨烯具有更高的电导率,更大的导热系数,使得制得的器件具有更大的Q值与更高的功率容量。同时,石墨烯电极很薄使得器件能够制得更高的频率。薄的电极减小了声波本文档来自技高网
...
一种压电薄膜体声波谐振器及其制备方法

【技术保护点】
一种压电薄膜体声波谐振器的制备方法,其结构包括衬底、空气腔、底电极层、压电层和顶电极层,其特征在于:衬底上顶面设置有凹槽与底电极层,该凹槽与其上的底电极层形成器件的空气腔,底电极层与空气腔的接触面具有平滑的边界,底电极层上设置压电层,压电层上设置顶电极层,所述底电极层和顶电极层为石墨烯层,其特征在于,包括以下几个步骤:a. 在硅衬底表面,旋转涂覆光刻胶,使用光刻的方法将对应牺牲层区域的光刻胶去掉,露出硅衬底,使用干法刻蚀的方法刻蚀露出的硅衬底,刻蚀深度为 200nm‑3μm,得到牺牲层凹槽,该牺牲层凹槽边缘平滑;b. 使用电子束蒸发的方法沉积非晶硅牺牲层,该牺牲层厚度为300nm‑3μm,该牺牲层在温度大于100℃,沉积速率小于 5Å/S,本底真空小于 10

【技术特征摘要】
1.一种压电薄膜体声波谐振器的制备方法,其结构包括衬底、空气腔、底电极层、压电层和顶电极层,其特征在于:衬底上顶面设置有凹槽与底电极层,该凹槽与其上的底电极层形成器件的空气腔,底电极层与空气腔的接触面具有平滑的边界,底电极层上设置压电层,压电层上设置顶电极层,所述底电极层和顶电极层为石墨烯层,其特征在于,包括以下几个步骤:a.在硅衬底表面,旋转涂覆光刻胶,使用光刻的方法将对应牺牲层区域的光刻胶去掉,露出硅衬底,使用干法刻蚀的方法刻蚀露出的硅衬底,刻蚀深度为200nm-3μm,得到牺牲层凹槽,该牺牲层凹槽边缘平滑;b.使用电子束蒸发的方法沉积非晶硅牺牲层,该牺牲层厚度为300nm-3μm,该牺牲层在温度大于100℃,沉积速率小于5Å/S,本底真空小于10-3Pa的条件下沉积得到,牺牲层厚度由沉积时间控制;c.使用丙酮溶解衬底上剩余的光刻胶,光刻胶被溶解掉...

【专利技术属性】
技术研发人员:张睿钟慧成英楠石玉焦向全杨杰赵宝林何泽涛
申请(专利权)人:电子科技大学
类型:发明
国别省市:四川,51

网友询问留言 已有0条评论
  • 还没有人留言评论。发表了对其他浏览者有用的留言会获得科技券。

1