一种压电薄膜体声波谐振器及其制备方法与流程

本发明属于射频微机电系统(mems)技术领域，具体涉及一种新型压电薄膜体声波谐振器及其制造方法。

背景技术：

随着无线通信系统向着小型化、高频化、集成化的方向发展，传统的介质滤波器和声表面波滤波器也难以满足小型化和高频化的要求，薄膜体声波谐振器构成的滤波器具有陶瓷介质滤波器不可比拟的体积优势、声表面波谐振器不可比拟的工作频率以及功率容量的优势；特别是mems技术越来越成熟，薄膜体声波谐振器成为了当今无线通信系统的发展趋势。

薄膜体声波谐振器的主体部分为底电极-压电薄膜-顶电极构成的“三明治”结构，利用压电层的逆压电效应将电能转化成机械能，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小5个数量级，因此薄膜体声波谐振器的尺寸比传统器件小。对于体声波谐振器来说最重要的部分将声波限制在压电层中，目前，根据限制声波的方法将传统薄膜体声波谐振器分为两大类：

其一，固态配装型(smr)，其结构如图3所示，其工作原理是利用四分之一波长厚度的高声阻抗层和低声阻抗层相间排列构成反射层，实现声波的反射；这种固态配装型体声波谐振器具有较好的机械强度和功率容量，可以应用在大功率条件下，但是smr型谐振器的布拉格反射层对于每一层薄膜的厚度和粗糙度有着极高的要求，薄膜之间的应力控制也需要严格控制，不然容易脱落，工艺上比较难以实现；

其二，空腔型薄膜体声波谐振器，目前实现空腔的方式主要有两种：空气腔型(fbar)，其结构如图4所示；背刻蚀型，其结构如图5所示；空腔型薄膜体声波谐振器的工作原理是利用声波在底电极或支撑层与空气的交界面发生反射，将声波限制在压电层，实现谐振；这类结构的谐振器反射效率高，具有高q值，低插损，可集成等优点，但是空腔型薄膜体声波谐振器的制备过程较为复杂，对薄膜应力的控制和制备工艺都有严格的要求；因为其制作成本高，工艺门槛高，限制了国内整个行业的发展。

目前在衬底对器件性能的分析中，提出了以声阻抗接近于空气的柔性基作为衬底，就能够避免使用传统空腔结构或者布拉格反射结构而实现器件性能；这种柔性结构的提出能极大的降低器件制备工艺复杂程度，同时可以将器件应用扩展到生化传感等领域。但是柔性材料相比于刚性材料，热传导能力较差，所以柔性基体声波谐振器在热稳定性和功率容量上对比传统体声波谐振器需要进一步改善和提高。

技术实现要素：

本发明的目的在于针对上述现有技术中存在的问题，提供一种压电薄膜体声波谐振器及其制备方法，本发明的压电薄膜体声波谐振器结构简单，制备工艺易于实现，即缩短了生产周期，又降低了生产成本，同时，提高了柔性基体声波谐振器的热稳定性和功率容量，具有良好的应用前景。

为了实现上述目的，本发明所采取的技术方案为：

一种压电薄膜体声波谐振器，其结构包括衬底、支撑层、依次设置在衬底和支撑层上的底电极、压电层及顶电极，其特征在于，所述谐振器还包括低声阻抗层，所述衬底上表面设置有若干个垂直凹槽，所述支撑层围绕所有垂直凹槽、设置于衬底上、并与衬底共同形成一个大的凹槽，所述低声阻抗层完全填充凹槽、且具有平整的上表面；所述底电极、压电层及顶电极依次设置于低声阻抗层上。

进一步地，所述若干个垂直凹槽呈阵列分布，每个垂直凹槽形状相同，其俯视形状为多边形，矩形或圆形，其侧视形状呈梳妆线形或锯齿状。

进一步地，所述的低声阻抗压电层材料为聚酰亚胺或交联聚苯撑聚合物。

进一步地，所述的支撑层材料采用高热导率材料，支撑层高度为10～50um。

进一步地，所述的衬底为硅衬底，所述的压电层为具有c轴取向的氮化铝层。

进一步地，所述的底电极和顶电极材料为高声阻抗金属，如钨或鉬。

前述的压电薄膜体声波谐振器的制备方法，包括以下步骤：

步骤1、采用干法刻蚀或者湿法刻蚀工艺在衬底上预设位置刻蚀形成若干个垂直凹槽；

步骤2、在经步骤1的衬底上利用磁控溅射或者化学气相沉积法沉积一层支撑层材料，并通过光刻得到图形化支撑层；

步骤3、采用旋涂和浇铸工艺在经步骤2的衬底和支撑层上均匀涂覆一层低声阻抗材料，之后进行高温固化得到低声阻抗层；

步骤4、在低声阻抗层的上表面采用磁控溅射或者电子束蒸发沉积高声阻抗电极层并光刻出底电极图形；

步骤5、在底电极上通过磁控溅射生长压电层并光刻出压电层图形；

步骤6、在压电层的上表面采用磁控溅射或电子束蒸发沉积顶电极，并刻蚀出顶电极图形，即制备得所述薄膜体声波谐振器的制备。

需要说明的是，本发明中衬底上表面设置的一定数量的垂直凹槽，是为了增大柔性低声阻抗材料与硅衬底的接触面积，同时带有凹槽的基底能有效抑制声波反射波带来的寄生模量，从而避免反射波对基频信号造成干扰。具体形状可以根据谐振器实际尺寸和制作工艺水平确定，并保证柔性低声阻抗材料充分均匀的填覆在衬底表面。支撑层的高度是为了让柔性低声阻抗层具有一定的厚度从而达到减小体声波谐振器回波损耗的目的，提高器件的性能。

本发明与现有技术和结构相比具有如下优点：

1、与传统的空腔型和固态配装型薄膜体声波谐振器相比，无需形成空腔结构，提高了机械强度，降低了工艺难度。不需要空腔结构中的牺牲层，减少了后续对牺牲层释放这一复杂的工艺步骤；利用低声阻抗的柔性材料可以有效的替代固态配装型薄膜体声波谐振器中的布拉格反射层，克服了布拉格反射层难以实现的确定，可以很好的限制声波向底电极以下泄露，保证了薄膜体声波谐振器的性能。带有凹槽的基底表面也能有效抑制泄露到低声阻抗层的声波反射波带来的寄生模量，从而避免反射波对主频信号造成干扰。

2、本发明所述的器件创新性的提出了解决柔性基体声波谐振器热稳定性不足，功率容量不够的问题。在谐振器工作时，由于自热现象，柔性低阻抗材料由于自身的热传导率低，很难将热量散发出去，从而导致器件温度系数过高，同时限制器件功率容量，使得柔性基体声波谐振器无法满足部分市场需求。利用热传导率高的硅衬底与柔性基底大面积的接触，可以更有效将热量散发出去，从而减小器件热稳态温度；提高器件性能，高的功率容量也拓宽柔性基体声波谐振器的应用领域。

3、本发明能够极大的简化薄膜体声波谐振器的制作工艺，降低了工艺门槛，缩短了制作周期，降低了生产成本。

附图说明

图1为本发明薄膜体声波谐振器结构示意图。

图2为本发明薄膜体声波谐振器同类结构示意图。

图3为固态配装型薄膜体声波谐振器(smr)结构示意图。

图4为空气腔型薄膜体声波谐振器(fbar)结构示意图。

图5为背刻型薄膜体声波谐振器结构示意图。

图6为本实施例1中刻蚀后的衬底剖面图。

图7为本实施例1沉积支撑层后的剖面图。

图8为本实施例1图形化支撑层后的器件剖面图。

图9为本实施例1填充聚酰亚胺后的器件剖面图。

图10为实施例1制备底电极层后的器件剖面图。

图11为实施例1制备压电层后的器件剖面图。

图12为实施例1制备顶电极层后的器件剖面图。

图13为实施例1制备的压电薄膜体声波谐振器俯视图。

图中，1为衬底、2为支撑层、3为低声阻抗聚酰亚胺层、4为底电极层、5为压电层、6为顶电极层。

具体实施方式

下面结合附图和实例对本发明做进一步详细描述。

实施例1

本实施例提供一种压电薄膜体声波谐振器，其结构如图1所示，包括设置好垂直凹槽的衬底1，图形化后的支撑层2，完全填充覆盖衬底表面的低声阻抗层3，底电极层4，压电层5，顶电极层6；本实施例中，衬底材料采用硅，衬底中垂直凹槽的深度为10um左右，所述的垂直凹槽采用方孔、垂直凹槽呈阵列排布、侧视形状呈梳妆线形，所述低声阻抗层是聚酰亚胺，底电极采用的是鉬，压电层是具有c轴取向的氮化铝，最上层的顶电极是金属鉬。

上述压电薄膜体声波谐振器的具体制备工艺，包括以下步骤：

步骤1、在硅衬底表面使用光刻的方法，先利用反转胶去掉凹槽部分光刻胶，露出凹槽部分硅衬底，然后利用干法刻蚀或湿法刻蚀的方法刻蚀露出的部分，控制刻蚀时间，使垂直凹槽深度在10um左右，凹槽面积为20um×20um，如图6所示；所述的硅衬底表面可以是(100)、(110)或(111)取向，本实验采用反应离子深刻蚀的方法刻蚀硅衬底；

步骤2、去掉步骤1中的光刻胶，利用磁控溅射的方法，沉积一层非晶氮化铝作为支撑层，控制沉积时间使支撑层的高度为10～50um，如图7所示；然后利用反转胶光刻出支撑层上需要被刻蚀掉的形状，利用湿法刻蚀方法刻蚀出支撑层图形，如图8所示，本实例中采用的是水浴加热40℃的tmah溶液刻蚀；

步骤3、将液态聚酰亚胺均匀的涂覆在步骤2中的支撑层上，待聚酰亚胺充分进入凹槽之中，用甩胶机匀胶，使聚酰亚胺均匀的覆盖在支撑层之上，然后高温固化液态聚酰亚胺得到固化的聚酰亚胺低声阻抗层，如图9所示；

步骤4、在聚酰亚胺低声阻抗层上通过磁控溅射的方法沉积一层100-200nm金属鉬，并通过光刻图形化出相应的底电极形状作为底电极层，如图10所示；本实例中磁控溅射的工艺条件为：气压1pa，功率200w，气体流量20sccm，衬底温度为水冷；

步骤5、采用磁控溅射的方法，沉积一层具有c轴取向的aln层，通过光刻图形化得到压电层，并露出底电极图形，如图11所示；本实例中沉积aln的工艺条件是氮气浓度>40％，功率密度>10w/cm²，温度>150℃；

步骤6、采用磁控溅射的方法沉积一层100-200nm金属鉬，并通过光刻图形化得到顶电极层，如图12所示，本实例中工艺条件与步骤4相同；制备的压电薄膜体声波谐振器结构的俯视图如图13所示。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，本说明书中所公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换；所公开的所有特征、或所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以任何方式组合。