一种基于Si基的高频SAW器件及其制备方法与流程

本发明涉及SAW器件制造领域，具体涉及一种基于Si基的高频SAW器件及其制备方法。

背景技术：

随着移动通信技术的迅速发展，声表面波(SAW)器件的使用频率不断提高，从开始的MHz级到现在的GHz级。SAW器件的频率正比于材料的声波传播速度，反比于叉指换能器(IDT)的周期，因此提高SAW器件的频率主要可以从两方面着手，一是使IDT的指条向更细的方向发展，二是采用具有更高SAW传播速度的材料。细化IDT指条的方法简单直接，但是指条的细化也会引起一些弊端，例如，IDT指条细化到亚微米量级，会给光刻工艺带来挑战，导致品率下降，成本增高；同时，IDT指条细化会导致阻抗增大，从而降低了SAW器件的功率承受能力，这就迫使人们将目光转变至寻找更高SAW传播速度的材料上来。

金刚石及类金刚石是物质中声波传播速度最快的材料，且它们具有很高的弹性模量，有利于声波传输的保真，再者，他们还具有较高的热导率，有利于提高器件的功率承受能力，这些优点都表明它们是制造高频SAW器件的理想候选材料。但是，金刚石及类金刚石本身并不是压电材料，无法激发SAW，无法进行电磁波和声表面波的相互转换，因此需要在它们上沉积一层压电薄膜，构成压电薄膜/金刚石或类金刚石结构的SAW器件。同时，使用压电薄膜代替压电晶体，也可以节约成本。从上面的讨论可以看出，由金刚石膜或类金刚石膜和压电薄膜组成的多层膜结构的SAW器件可以同时具备高频、大功率和低成本的优势。

为了和集成电路工艺相兼容，金刚石或类金刚石薄膜大都沉积在Si基片上，但是金刚石或类金刚石薄膜厚度都是在纳米量级，以至使激发出的声表面波有一部分在Si中传播，而Si的相速度较小，影响了该多层结构SAW器件的中心频率。

技术实现要素：

针对上述存在的问题或不足，为解决因高声速层即金刚石或类金刚石薄膜厚度引起的多层膜结构的SAW器件的中心频率与理论值偏差太大，本发明提供了一种基于Si基的高频SAW器件及其制备方法。

该高频SAW器件为多层膜结构，从下至上依次包括Si基、高声速层、压电层和叉指换能器。

所述Si基的背面设置有沟槽，其截面形状为梯形即沟槽为梯形槽空间形状为梯形柱，梯形截面的两条底边对应Si基上下表面，截面高即梯形高等于Si基厚度；沟槽与高声速层接触面为矩形，接触面与梯形截面的公共边即梯形截面的上底边≥叉指对数×(电极指宽+指条间隙)，矩形另一条边即梯形柱的柱高≥声孔径；开槽方向为声孔径长度方向，整个矩形接触面空间上与叉指换能器相适应即叉指换能器空间上被沟槽的接触面完全覆盖。

从而使声表面波的传播局限在金刚石或类金刚石薄膜内，以提高该器件的中心频率。

所述沟槽的数目为叉指换能器的个数，并一一对应设置；高声速层为金刚石或类金刚石薄膜；压电层为压电薄膜或压电单晶。

其制备方法包括以下步骤：

步骤1、用CVD法在硅基上生长金刚石或类金刚石薄膜，然后经过CMP抛光，制得金刚石或类金刚石薄膜，厚度为300-600nm，粗糙度为5-10nm。

步骤2、在步骤1制备的基片上制备100-500nm的压电层。

制备方法有薄膜沉积技术、键合技术，薄膜沉积技术有PLD、射频磁控溅射或ECR-PEMOCVD。压电层为压电薄膜或压电单晶，压电薄膜有：ZnO、LiNbO₃、LiTaO₃、AlN、GaN或PMN-PT，压电单晶有LiNbO₃、LiTaO₃、石英或PMN-PT。

步骤3、在步骤2制备的基片两面利用甩胶机旋涂一层光刻胶，在Si的背面利用光刻工艺制作图形，利用Si的湿法腐蚀工艺在硅的背面做出沟槽，然后再去胶。湿法腐蚀工艺的湿法腐蚀液为KOH、TMAH或EPW。

步骤4、利用光刻技术，在步骤3制得基片的压电层上制作叉指换能器图形。

步骤5、通过溅射法，在步骤4制得的基片上制作厚度1-10nm金属薄膜。然后经过去胶，形成叉指换能器。金属薄膜材料为Au或Al。

由于压电材料的相速度较低，所以压电材料只是激发和接收声表面波，而声表面波的传播在金刚石或类金刚石内，由于金刚石或类金刚石有很高的相速度，在相同的叉指换能器指宽的情况下，能够显著提高器件的工作频率。

该结构的SAW器件是多层膜结构，可满足高频、高机电耦合系数以及集成电路领域的应用需求。压电薄膜相比于压电单晶材料易于集成，可以应用于半导体工业中。

综上所述，本发明提供的SAW器件结构可满足高频、高机电耦合系数、小体积的声表面波的器件应用领域的需求。

附图说明

图1为叉指换能器/AlN/金刚石或类金刚石/Si多层结构的SAW器件示意图；

图2为实施例的SAW器件结构示意图。

具体实施方式

为了使本发明的技术方案能够清晰和完整的描述，以实施例结合附图进行进一步说明。

制备如图2所示的一个基于Si基的高频SAW器件。

步骤1、在2mm厚的Si基上利用CVD法生长金刚石薄膜，薄膜厚度为500nm,利用CMP进行抛光处理，使其的粗糙度为10nm，然后进行清洗获得金刚石/Si基片。

步骤2、利用射频磁控溅射在金刚石/Si基片上沉积一层厚度为200nm的AlN薄膜。

步骤3、利用甩胶机在AlN/金刚石/Si的两面旋涂一层光刻胶，并在Si的背面利用光刻工艺作出图形，并在10％的KOH浸泡5分钟，在Si的背面作出如图2所示沟槽，沟槽数目为2，梯形截面所在边为0.6mm，另一条边等于声孔径的长度为1.2mm，其中单个叉指换能器的对数为100，电极指宽和指条间隙都为3μm。

步骤4、在AlN/金刚石/Si上利用光刻工艺作出指宽为3μm的叉指换能器图形。

步骤5、采用直流溅射法制备一层10nm的Au膜，然后去胶，形成叉指换能器，最后形成Si背腐蚀的叉指换能器/AlN/金刚石/Si多层结构。