一种基于铌酸锂的空气隙型剪切波谐振器及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种基于铌酸锂的空气隙型剪切波谐振器及其制备方法。该谐振器包括硅衬底、氧化硅保护层、硅腔、铌酸锂压电材料及顶部电极；硅衬底的上表面向内凹陷形成凹槽，氧化硅保护层沉积在凹槽的侧壁和底面；所述硅衬底与铌酸锂压电材料连接，所述铌酸锂压电材料覆盖在凹槽的上方，形成硅腔；所述铌酸锂压电材料上设有通孔，使硅腔与外界相通。空气隙型剪切波谐振器的压电材料由离子注入和键合工艺制备，压电材料下方的空气腔通过牺牲层释放的方法获得。与背硅刻蚀型的剪切波谐振器相比，该方法制备的剪切波谐振器机械强度高，步骤简单，提高了谐振器器件的良率，由于铌酸锂机电耦合系数高。该方法能应用于高频宽带、低损耗滤波器的制造。

An air gap shear wave resonator based on lithium niobate and its preparation method

【技术实现步骤摘要】
一种基于铌酸锂的空气隙型剪切波谐振器及其制备方法
本专利技术涉及薄膜体声波谐振器
，具体涉及基于铌酸锂的空气隙型剪切波谐振器及其制备方法。
技术介绍
目前薄膜体声波滤波器已经大规模应用于5G滤波器，但是基于氮化铝的薄膜体声波滤波器仍然存在着各种各样的缺陷。氮化铝理论的最大机电耦合系数仅仅只有6%左右，因此基于氮化铝的薄膜体声波滤波器不适合应用于宽带滤波器。而且在种子层材料上面很难生长高质量、低缺陷的氮化铝晶体材料。由于铌酸锂的机电耦合系数远远高于氮化铝，因此可以利用铌酸锂剪切波谐振器来制备高频宽带滤波器。但是目前铌酸锂剪切波谐振器的制备方法基本上是基于背硅刻蚀，Plessky（ElectronicsLetters,2018,55(2):98-100）等就直接在硅衬底表面制备铌酸锂谐振器，然后利用二氟化氙刻蚀硅衬底，由于这种基于化学反应的刻蚀方法具有各向同性，因此会引起硅衬底的横向过多刻蚀，同时贯穿硅衬底的空腔也会严重降低谐振器的机械强度以及器件的可靠性，因此利用这种方法制备的器件良率较低。
技术实现思路
为了克服现有技术存在的上述不足，本专利技术的目的是提供一种基于铌酸锂的空气隙型剪切波谐振器及其制备方法。本专利技术的目的至少通过如下技术方案之一实现。基于此，本专利技术提出了一种基于铌酸锂的空气隙型剪切波谐振器及其制备方法，通过对电极尺寸、叉指电极间距、压电材料尺寸等方面的优化设计，使得铌酸锂谐振器形成剪切波谐振，同时减少了横向振动模式的干扰。首先在高阻硅片表面先后沉积保护层、牺牲层材料，然后将硅片化学机械抛光。通过离子注入与晶圆键合的方法，将铌酸锂薄膜转移到该抛光的高阻硅片上面，然后利用剥离工艺在铌酸锂薄膜表面溅射金属叉指电极。最后利用干法刻蚀或者湿法腐蚀的办法去掉牺牲层。本专利技术提供了一种基于铌酸锂的空气隙型剪切波谐振器。所述谐振器由顶部叉指电极、铌酸锂压电材料组成。其中铌酸锂压电材料与底部的保护层共同形成空气腔。本专利技术提供的基于铌酸锂的空气隙型剪切波谐振器仅有顶电极没有底电极，谐振器由压电材料铌酸锂、顶电极组成。其中压电材料位于空气腔上方。本专利技术提供的一种基于铌酸锂的空气隙型剪切波谐振器，包括硅衬底、氧化硅保护层、硅腔、铌酸锂压电材料及顶部电极；所述硅衬底的上表面向内凹陷形成凹槽，所述氧化硅保护层沉积在凹槽的侧壁和底面；所述铌酸锂压电材料覆盖在凹槽的上方，形成硅腔；所述铌酸锂压电材料上设有通孔，该通孔用来释放牺牲层材料；所述铌酸锂压电材料上表面与顶部电极连接。进一步地，所述顶部电极为Pt、Mo、W、Ti、Al、Au、Ag等中的一种；所述顶电极厚度为60nm-700nm。优选地，所述顶部电极为Pt、Mo、Ag、Al、Au中的一种。进一步地，所述氧化硅保护层的厚度为1μm-3μm。优选地，所述衬底为单面抛光高阻硅晶圆。进一步地，所述铌酸锂压电材料为Z切向或者Y切向。进一步地，所述铌酸锂压电材料（压电层）的厚度为100nm-5μm。进一步地，所述顶部电极为叉指电极，且正负叉指电极交替排列；相邻的叉指电极的间距为500nm-5μm，所述顶部电极的宽度为500nm-3μm，顶部电极的长度为48μm-300μm。进一步地，所述硅腔（空气腔）的深度为2μm-30μm。进一步地，相邻的顶部电极的间距大于铌酸锂压电材料的厚度。本专利技术提供一种制备上述的基于铌酸锂的空气隙型剪切波谐振器的方法，包括如下步骤：（1）清洗硅衬底，干燥；（2）利用电感耦合等离子体或者反应离子刻蚀的办法在所述硅衬底的上表面制备凹槽；（3）在步骤（2）所述凹槽的底面和侧壁上沉积氧化硅保护层，然后在氧化硅保护层的表面沉积牺牲层；对牺牲层进行化学机械抛光，控制抛光后晶圆的均方根粗糙度小于0.5nm；（4）首先对铌酸锂晶体进行离子注入，利用离子注入、键合的方法将铌酸锂压电材料（铌酸锂压电薄膜）转移（键合）到硅衬底的上表面，退火；（5）在所述铌酸锂压电材料的表面制备顶部电极（叉指电极），在铌酸锂压电材料上打通孔，所述通孔位于顶部电极区域外；（6）利用湿法腐蚀或者干法腐蚀对牺牲层进行释放，得到所述基于铌酸锂的空气隙型剪切波谐振器。进一步地，步骤（2）所述制备凹槽的方法为电感耦合等离子体办法或者反应离子刻蚀办法；步骤（3）中，抛光的方法为化学机械抛光，抛光后的牺牲层的粗糙度小于0.5nm；步骤（3）所述牺牲层为氧化硅、磷硅玻璃、多晶硅、有机聚合物、金属材料中的一种以上。优选地，步骤（3）所述牺牲层的材料为利用等离子体增强化学气相沉积制备的多晶硅。与现有技术相比，本专利技术具有如下优点和有益效果：（1）本专利技术所提供的制备方法中，通过首先引入牺牲层后释放的方法，从而使得刻蚀的区域限制在填充牺牲层的部分，避免了背硅刻蚀时的横向腐蚀，进而提高了谐振器的机械强度与可靠性，同时提高了产品的良率，有望应用于谐振器的大规模制造；（2）本专利技术提供的制备方法，通过优化设计电极的尺寸、电极间距、铌酸锂压电材料的厚度，以及选择合适的晶体切向，减小了横向传播的兰姆波寄生模式的影响，使得谐振器仅工作在剪切波模式下，因此提高了谐振器的品质因数。附图说明图1为实施例1最终制备的铌酸锂剪切波谐振器的剖视图；图2为实施例1化学机械抛光后的硅衬底；图3为实施例1铌酸锂晶体进行离子注入的示意图；图4为实施例1铌酸锂晶体与硅衬底进行键合的示意图；图5为实施例1牺牲层释放的示意图。具体实施方式以下结合实例对本专利技术的具体实施作进一步说明，但本专利技术的实施和保护不限于此。需指出的是，以下若有未特别详细说明之过程，均是本领域技术人员可参照现有技术实现或理解的。实施例1本实施例提供了一种基于铌酸锂的空气隙型剪切波谐振器，如图1所示，所述滤波器包括硅衬底101、氧化硅保护层102、硅腔107、铌酸锂压电材料104、顶部电极105、通孔106。所述顶电极为金属材料铝，压电材料为Z切向的铌酸锂。顶电极厚度为100nm，宽度为500nm，长度为160um，电极间距为5um，压电材料铌酸锂厚度为400nm。为了使得铌酸锂谐振器仅工作在剪切波模式，电极的间距必须远远大于压电材料的厚度。本实施例还提供了一种制备如上所述的铌酸锂剪切波谐振器的方法，包括以下步骤：（1）选用(111)晶面高阻Si做为衬底，然后先后用丙酮超声清洗、硫酸和过氧化氢混合溶液清洗并干燥。（2）利用电感耦合等离子体刻蚀上述晶圆形成硅腔，硅腔的深度约为3um。（3）如图2所示，利用热氧化的方法制备一层1um厚的氧化硅保护层102，利用等离子体增强化学气相沉积的方法在硅腔中沉积5um厚的多晶硅103，然后利用等离子体刻蚀的方法刻蚀掉硅腔周围的多晶硅，最后将硅衬底抛光至牺牲层与周围硅表面齐平。硅片的均方根粗糙度必须小于0.5nm。（4）如图3所示，利本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于铌酸锂的空气隙型剪切波谐振器，其特征在于，包括硅衬底、氧化硅保护层、硅腔、铌酸锂压电材料及顶部电极；所述硅衬底的上表面向内凹陷形成凹槽，所述氧化硅保护层沉积在凹槽的侧壁和底面；所述硅衬底与铌酸锂压电材料连接，所述铌酸锂压电材料覆盖在凹槽的上方，形成硅腔；所述铌酸锂压电材料上设有通孔，使硅腔与外界相通；所述铌酸锂压电材料上表面与顶部电极连接。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于铌酸锂的空气隙型剪切波谐振器，其特征在于，包括硅衬底、氧化硅保护层、硅腔、铌酸锂压电材料及顶部电极；所述硅衬底的上表面向内凹陷形成凹槽，所述氧化硅保护层沉积在凹槽的侧壁和底面；所述硅衬底与铌酸锂压电材料连接，所述铌酸锂压电材料覆盖在凹槽的上方，形成硅腔；所述铌酸锂压电材料上设有通孔，使硅腔与外界相通；所述铌酸锂压电材料上表面与顶部电极连接。


2.根据权利要求1所述的基于铌酸锂的空气隙型剪切波谐振器，其特征在于，所述顶部电极为Pt、Mo、Ag、Al、Au中的一种；所述顶电极厚度为60nm-700nm。


3.根据权利要求1所述的基于铌酸锂的空气隙型剪切波谐振器，其特征在于，所述氧化硅保护层的厚度为1μm-3μm。


4.根据权利要求1所述的基于铌酸锂的空气隙型剪切波谐振器，其特征在于，所述铌酸锂压电材料为Z切向或者Y切向。


5.根据权利要求1所述的基于铌酸锂的空气隙型剪切波谐振器，其特征在于，所述铌酸锂压电材料的厚度为100nm-5μm。


6.根据权利要求1所述的基于铌酸锂的空气隙型剪切波谐振器，其特征在于，所述顶部电极为叉指电极，且正负电极交替排列；相邻叉指电极的间距为500nm-5μm，所述顶部电极的宽度为500nm-3μm，顶部电极的长度为48μm-300μm。
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【专利技术属性】
技术研发人员：李国强，赵利帅，衣新燕，刘鑫尧，张铁林，刘红斌，
申请(专利权)人：华南理工大学，
类型：发明
国别省市：广东;44