一种高带宽空腔型薄膜体声波谐振器及其制备方法技术

本发明专利技术提供一种高带宽空腔型薄膜体声波谐振器及其制备方法。该谐振器按照从下向上的顺序依次包括衬底、键合层、底电极、复合压电薄膜和顶电极；其中，所述顶电极、所述复合压电薄膜和所述底电极形成三明治结构；所述复合压电薄膜为若干层压电层叠加组成；所述衬底、所述键合层、所述底电极包围形成有空气腔。本发明专利技术的谐振器在给顶电极通电后，复合压电薄膜产生形变并激励出体声波，并且当所述体声波传输到复合压电薄膜与底电极之间时，由于空气腔的存在，所述体声波在底电极的表面发生全反射，并被限制在顶电极与底电极之间，形成了谐振。且由于复合压电薄膜的机电耦合系数较高，进一步提高薄膜声波谐振器的带宽。提高薄膜声波谐振器的带宽。提高薄膜声波谐振器的带宽。

【技术实现步骤摘要】
一种高带宽空腔型薄膜体声波谐振器及其制备方法


[0001]本专利技术涉及薄膜体声波谐振器
，具体涉及一种高带宽空腔型薄膜体声波谐振器及其制备方法。

技术介绍

[0002]随着现代无线通信技术向着高频、高速的方向发展，对射频通信常用的前端滤波器提高了更高的要求。在工作频率不断提高的同时，对器件体积、使用性能、稳定性和集成性也有了更高的要求，过去使用的声表面波滤波器(Surface Acoustic Wave，SAW)由于其体积偏大、工艺兼容和工作频段等的问题，已经不能够满足高频通信的需求。
[0003]而薄膜体声波谐振器(Film Bulk Acoustic Resonator，FBAR)是一种新型滤波器，相对于声表面滤波器不仅体积小、功率容量大、可继承、工作频段高等特点，还拥有更好的带外抑制和插入损耗，在目前的5G通信中有很广的使用。
[0004]一般来说，薄膜体声波谐振器的结构主要包括横膈膜型、空气隙型和固态装配型三种，均为“电极
‑
压电薄膜
‑
电极”的三明治结构，其原理是利用压电薄膜的压电特性，当在电极施加交流电压时，压电效应使电能转换为机械能，使压电薄膜发生机械形变，从而在压电薄膜体内激励出体声波；当体声波传输到压电薄膜与电极的表面时，由于电极外普通声学层的作用，声波会被反射回来，因而将体声波限制在两电极之间。因此，为了减少声波的损失，尽量使得体声波全反射。而空气的声阻抗可以认为近似为零，因此制作时要使顶电极和底电极的表面与空气接触，由于顶电极是与空气接触的，而底电极生长在衬底上，很难在制作工艺中使得底电极的表面与空气接触，同时还要保证机械强度而不影响薄膜声波谐振器的结构。
[0005]另外，传统的FBAR器件通常采用AlN薄膜作为压电薄膜，但是AlN薄膜的机电耦合系数仅为6.5％，制备而成的FBAR器件往往带宽较低，ZnO是一种压电耦合系数更高的压电材料，但是仅采用ZnO薄膜制备而成的FBAR器件损耗较大，很难制备适用于高频段高带宽的体声波滤波器。

技术实现思路

[0006]针对现有技术存在的问题，本专利技术提供一种高带宽空腔型薄膜体声波谐振器及其制备方法，解决了现有技术中薄膜体声波谐振器结构复杂、不稳定等问题。本专利技术的技术方案为：
[0007]第一方面，本专利技术提供一种高带宽空腔型薄膜体声波谐振器，按照从下向上的顺序依次包括衬底、键合层、底电极、复合压电薄膜和顶电极；其中，所述顶电极、所述复合压电薄膜和所述底电极形成三明治结构；所述复合压电薄膜为若干层压电层叠加组成；所述衬底、所述键合层、所述底电极包围形成有空气腔。
[0008]进一步地，所述衬底材料为单晶高阻硅。
[0009]进一步地，所述键合层的厚度为800nm～10um。
[0010]进一步地，所述复合压电薄膜为2～8层压电层叠加组成，每层所述压电层材质为AlN或ZnO，每层所述压电层的厚度为100nm～3μm。
[0011]优选地，所述复合压电薄膜由AlN压电层和ZnO压电层交替叠加组成。
[0012]进一步地，所述空气腔的深度为800nm～10um。
[0013]进一步地，底电极和顶电极均为金属电极，材料为Al、Pt、Mo、W、Ti和Au中的一种。
[0014]进一步地，所述顶电极和所述底电极的厚度为50nm～500nm。
[0015]第二方面，本专利技术提供一种高带宽空腔型薄膜体声波谐振器的制备方法，包括以下步骤：
[0016]步骤(1)，选取两个衬底，在第一个衬底上生长多层压电材料，形成复合压电薄膜；
[0017]步骤(2)，在所述复合压电薄膜上生长底电极层，并通过蚀刻法对底电极层进行图形化处理，获得底电极；
[0018]步骤(3)，在所述底电极上生长键合层一，并采用蚀刻法对键合层一进行图形化处理，同时在所述键合层一表面做活化处理，生成第一晶圆；
[0019]步骤(4)，在另一衬底上生长键合层二，通过蚀刻法对键合层二进行图形化处理，同时在所述键合层二表面做活化处理，生成第二晶圆；
[0020]步骤(5)，将第一晶圆通过倒装方式与第二晶圆进行键合，使得第一晶圆固定于第二晶圆的上方，键合层一和键合层二组合成一体形成键合层，同时所述键合层、所述底电极以及所述第一晶圆的衬底之间形成空气腔；
[0021]步骤(6)，将所述第二晶圆的衬底与复合压电薄膜分离；并在复合压电薄膜上生长顶电极，即得。
[0022]可选地，所述键合层一和所述键合层二为相同材质，选自SiO2、Si、Au、Sn中的一种。
[0023]可选地，所述键合层一和所述键合层二为不同材质，选自Au/Sn、Si/SiO2中的一种。
[0024]相比现有技术，本专利技术的有益效果在于：
[0025]本专利技术的谐振器在给顶电极通电后，复合压电薄膜产生形变并激励出体声波，并且当所述体声波传输到复合压电薄膜与底电极之间时，由于空气腔的存在，所述体声波在底电极的表面发生全反射，并被限制在顶电极与底电极之间，形成了谐振。且由于复合压电薄膜的机电耦合系数较高，进一步提高薄膜声波谐振器的带宽。
附图说明
[0026]图1为本专利技术实施例1制备谐振器过程中在第一外延衬底上生长并处理完复合压电薄膜与底电极的结构示意图。
[0027]图2为本专利技术实施例1制备谐振器过程中形成的第一晶圆结构示意图。
[0028]图3为本专利技术实施例1制备谐振器过程中形成的第二晶圆结构示意图。
[0029]图4为本专利技术实施例制备的高带宽空腔型薄膜体声波谐振器的结构示意图。
[0030]图5为图4的俯视图。
[0031]图6为本专利技术对比例1的空腔型薄膜体声波谐振器的结构示意图。
[0032]图7为本专利技术实施例1的高带宽空腔型薄膜体声波谐振器的阻抗特性曲线。
[0033]图8为本专利技术实施例2的高带宽空腔型薄膜体声波谐振器的阻抗特性曲线。
[0034]图9为本专利技术实施例3的高带宽空腔型薄膜体声波谐振器的阻抗特性曲线。
[0035]图10为本专利技术实施例4的高带宽空腔型薄膜体声波谐振器的阻抗特性曲线。
[0036]图11为本专利技术对比例1的空腔型薄膜体声波谐振器的阻抗特性曲线。
[0037]图1～6中：外延衬底101、第四压电薄膜102、第三压电薄膜103、第二压电薄膜104、第一压电薄膜105、底电极一106、键合层一107、转移衬底一201、键合层二202、顶电极一301、转移衬底二401、键合层三402、底电极二403、压电层404、顶电极二405。
具体实施方式
[0038]在本专利技术的描述中，需要说明的是，实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。
[0039]下面结合附图和具体实施方式对本专利技术作进一步详细的说明，以帮助本领域的技术人员对本专利技术的专利技术构思、本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种高带宽空腔型薄膜体声波谐振器，其特征在于：按照从下向上的顺序依次包括衬底、键合层、底电极、复合压电薄膜和顶电极；其中，所述顶电极、所述复合压电薄膜和所述底电极形成三明治结构；所述复合压电薄膜为若干层压电层叠加组成；所述衬底、所述键合层、所述底电极包围形成有空气腔。2.根据权利要求1所述的一种高带宽空腔型薄膜体声波谐振器，其特征在于：所述衬底材料为单晶高阻硅。3.根据权利要求1所述的一种高带宽空腔型薄膜体声波谐振器，其特征在于：所述键合层的厚度为800nm～10um。4.根据权利要求1所述的一种高带宽空腔型薄膜体声波谐振器，其特征在于：所述复合压电薄膜为2～8层压电层叠加组成，所述压电层材质为AlN或ZnO，每层压电层的厚度为100nm～3μm。5.根据权利要求4所述的一种高带宽空腔型薄膜体声波谐振器，其特征在于：所述复合压电薄膜由AlN压电层和ZnO压电层交替叠加组成。6.根据权利要求1所述的一种高带宽空腔型薄膜体声波谐振器，其特征在于：所述空气腔的深度为800nm～10um。7.根据权利要求1所述的一种高带宽空腔型薄膜体声波谐振器，其特征在于：底电极和顶电极均为金属电极，材料为Al、Pt、Mo、W、Ti和Au中的一种。8.根据权利要求7所述的一种高带宽空腔型薄膜体声波谐...

【专利技术属性】
技术研发人员：李国强，
申请(专利权)人：河源市艾佛光通科技有限公司，
类型：发明
国别省市：