一种薄膜体声波谐振器及其制备方法与流程

本发明涉及声波谐振器领域，尤其涉及一种薄膜体声波谐振器及其制备方法。

背景技术：

目前，在商用的传统的fbar制造技术上，主要分两大类，一是fbar核心功能区的最外层界面与空气界面接触，形成声波全反射面，保障fbar功能的有效实现；另一类是在硅衬底上并不进行刻腔，而是通过生长低声阻抗和高声阻抗交替的层结构，形成声传播反射面。

这两种技术已经发展较为成熟，对于声传播反射面的形成，主要以空气界面来实现，效果较佳，对于这样的空气面形成，可以采用键合的方式来形成。

但在实际操作中，键合的条件相当苛刻，且对设备的要求也高，而即使满足这些条件的情况下，良率也存在一定的问题。在键合去硅后，经常会遇到fbar鼓包或凹陷的现象，主要是在键合之后，形成了两部分的空气部分，这两部分的空气部分没有形成连通，再加上键合前后环境存在明显差异，当硅衬底被去除后，薄膜就会容易出现鼓包或凹陷现象。

其中一种方法是在键合之前，提前对压电层进行通孔刻蚀，保留这样一条通道，使得键合后再进行去硅处理，键合形成的空腔部分直接便能和外界大气相连通。但在实际中，刻蚀的速率在整个平面难以一致，且较薄的硅束缚力变小，便会在去硅的过程中，会出现不同程度的鼓包或凹陷。

技术实现要素：

为了克服现有技术的不足，本发明的目的之一在于提供一种薄膜体声波谐振器，在压电层上刻有通孔，让空腔内的空气与外界相连通，避免出现鼓包或凹陷的现象，提高薄膜体声波谐振器制备良率。

本发明的目的之二在于提供一种薄膜体声波谐振器的制备方法，在完全去除掉硅之前，就让空腔与外界实现相连通，在有足够强度的硅束缚力情况下，解决空腔内与大气气压之间存在的差异。

本发明的目的之一采用如下技术方案实现：

一种薄膜体声波谐振器，包括：

衬底，所述衬底上开设有空腔；

键合层，包括第一键合层和第二键合层，所述第一键合层的厚度小于第二键合层的厚度，所述第一键合层和第二键合层分别设在所述空腔外的所述衬底的上表面；

底电极层，所述底电极层的水平投影面积小于所述衬底的水平投影面积，所述底电极层设在所述第一键合层的上表面，并完全覆盖所述空腔，使所述底电极层与所述第二键合层齐平；

压电层，设在所述底电极层与所述第二键合层的上表面；所述压电层上开设有通孔，所述通孔贯穿所述压电层、所述底电极层、所述键合层与所述空腔相连通；

顶电极层，设在所述压电层的上表面，所述顶电极层的水平投影面积小于所述压电层的水平投影面积，所述顶电极层与所述底电极层在水平面上的正投影只有在对应所述空腔的位置相重合。

进一步地，所述键合层设为金属键合层或化合物键合层。

进一步地，所述底电极层和所述顶电极层设为钼金属电极层。

进一步地，所述压电层设为氮化铝压电层。

进一步地，与所述空腔相连通的所述通孔至少设有两个。

本发明的目的之二采用如下技术方案实现：

一种薄膜体声波谐振器的制备方法，用于制备如上述的薄膜体声波谐振器，包括如下步骤：

步骤s1：选取一晶圆硅片，并在所述晶圆硅片上刻有空腔；

步骤s2：在所述空腔外的所述晶圆硅片上生长键合层；

步骤s3：选取另一单晶硅片，并在所述单晶硅片上生长压电层；

步骤s4：在所述压电层上生长底电极层，所述底电极层的水平面积小于所述压电层的水平面积；在所述底电极层外的所述压电层上生长键合层，使所述键合层与所述底电极层齐平；

步骤s5：在所述底电极层与所述键合层的上表面再生长另一层键合层，该键合层的分布位置与所述步骤s2中的键合层相对应；

步骤s6：对所述压电层刻蚀形成通孔，再将所述晶圆硅片和所述单晶硅片对准键合；

步骤s7：在对原带有底电极层的所述单晶硅片进行减薄处理，再对减薄后剩余的硅进行图案化掩膜，其后对硅进行刻蚀形成通孔，使所述空腔通过通孔与外界相连通；

步骤s8：对硅进行腐蚀去除，显露出所述压电层整面，在所述压电层的上表面生长顶电极层，使所述顶电极层与所述底电极层在水平面上的正投影只有在对应所述空腔的位置相重合。

进一步地，所述空腔的开腔深度为2um～4um，所述空腔的内侧壁与所述空腔的底面垂直。

进一步地，所述空腔、所述键合层、所述底电极层、所述顶电极层生成后均进行图形化处理，并在所述键合层、所述底电极层进行图形化处理时留有与所述空腔相连通的通道。

进一步地，所述步骤s4之后还包括步骤s41：在所述底电极层和所述键合层的上表面生长有支撑层，所述支撑层完全覆盖所述底电极层和所述键合层的上表面或所述支撑层生长在所述空腔外的所述底电极层和所述键合层的上表面。

相比现有技术，本发明的有益效果在于：

(1)在键合形成空腔之前，对压电层进行刻蚀形成通孔，使得键合后所述空腔内通过通孔与外界相连通，避免后续去硅后使空腔区域的薄膜鼓起或凹陷，从而提高谐振器的生产制备的良品率；

(2)在完全去除掉硅之前，就让空腔与大气连通，使得硅束缚力的强度较大，可解决空腔内与大气气压之间存在的差异。

附图说明

图1为本发明实施例一薄膜体声波谐振器的剖面结构示意图；

图2为本发明实施例一薄膜体声波谐振器的俯视结构示意图；

图3为本发明实施例一薄膜体声波谐振器的通孔分布的俯视示意图；

图4a为本发明实施例一薄膜体声波谐振器中衬底的剖面结构示意图；

图4b为本发明实施例二晶圆硅片上生长键合层的剖面结构示意图；

图4c为本发明实施例二单晶硅片上生长压电层的剖面结构示意图；

图4d为本发明实施例二压电层上生长底电极层的剖面结构示意图；

图4e为本发明实施例二压电层上生长键合层的剖面结构示意图；

图4f为本发明实施例二底电极层上表面生长键合层的剖面结构示意图；

图4g为本发明实施例二压电层上刻蚀通孔的剖面结构示意图；

图4h为本发明实施例二晶圆硅片与单晶硅片键合的剖面结构示意图；

图4i为本发明实施例二对硅进行减薄处理的剖面结构示意图；

图4j为本发明实施例二在硅表面增加掩膜的剖面结构示意图；

图4k为本发明实施例二对硅进行刻蚀形成通孔的剖面结构示意图；

图4l为本发明实施例二对硅进行腐蚀去除后显露出压电层表面的剖面结构示意图；

图4m为本发明实施例二压电层上生长顶电极层的剖面结构示意图；

图5为本发明实施例三中具有支撑层的键合结构；

图6为本发明实施例三中具有全支撑的键合结构。

图中：1、晶圆硅片；101、空腔；2、键合层；201、第一键合层；202、第二键合层；3、底电极层；4、压电层；5、顶电极层；6、通孔；7、单晶硅片；8、掩膜层；9、支撑层。

具体实施方式

下面，结合附图以及具体实施方式，对本发明做进一步描述，需要说明的是，在不相冲突的前提下，以下描述的各实施例之间或各技术特征之间可以任意组合形成新的实施例。

实施例一

如图1～3所示，一种薄膜体声波谐振器，包括有一衬底，所述衬底设为硅衬底，即晶圆硅片1，其中硅采用电阻率大于10000ω的高阻硅，以避免衬底耦合一部分能量，对插损和信号造成影响。

并在所述衬底上开设有空腔101，所述空腔101的深度在2um～4um之间，而在本实施例中，所述空腔101的腔深度在3um左右，因不涉及填充，因此所述空腔101的内侧壁与所述空腔101的底面可制作为垂直角；而空腔101的连通通道，考虑到结构稳定性，及工艺要求，优选的，可以在10～20um之间。此外，与所述空腔101相连通的所述通孔6的数量设为至少两个，可避免一个通孔6堵塞导致所述空腔101内的空气无法与外界相连通，减少通道被全部阻塞的概率发生。

在所述空腔101外的所述衬底的上表面设有键合层2，所述键合层2包括第一键合层201和第二键合层202，所述第一键合层201的厚度小于第二键合层202的厚度，其中第二键合层202的作用除了用于键合外，还用于填补所述底电极层3外的缺口，使得底电极层3与所述第二键合层202的高度齐平，便于后续其他层结构的生长平整性。

所述键合层2可设为金属键合或化合物键合，可选材料范围较广泛，如金——金，金——锡，或者合金，但需要考虑的是，金属在键合后的流动性必须控制住，且键合后强度有所保证。而化合物之间的键合，例如有二氧化硅——二氧化硅。

若所述键合层2为化合物键合，则直接在所述键合层2的上表面设有底电极层3；若所述键合层2采用金属键合的方式，则在所述键合层2的上表面设有一支撑层9后再在所述支撑层9上设有底电极层3，所述支撑层9的厚度设为1um以上，支撑层9可设为氮化硅材质。所述支撑层9的水平投影面积可与所述衬底的水平投影面积相同；所述支撑层9的水平投影面积也可小于所述压电层4的水平投影面积，并与所述键合层2相对应，生长在所述空腔101外的位置。

所述底电极层3采用具有优良声学属性的导体，例如：mo，pt，al，w等，优选的，结合成本考虑，使用mo较为理想；所述底电极层3的水平投影面积小于所述衬底的水平投影面积，但确保所述底电极层3可完全覆盖所述空腔101。

在所述底电极层3与所述第二键合层202的上表面设有压电层4；目前主要有三种压电材料aln、zno、pzt，而因为aln(氮化铝)在性能和成本上综合考虑下，优选的，被选做压电层4的材料。aln的成长，对晶相有很高要求，为了保证声波尽可能的沿着纵向方向传播，aln晶相也应基本朝z轴生长，不然较容易引起剪切波。

为了避免器件出现鼓包或凹陷想象，在所述压电层4上开设有通孔6，所述通孔6贯穿所述压电层4、所述底电极层3、所述键合层2与所述空腔101相连通，使得所述空腔101通过所述通孔6可与外界空气相连通，用于平衡所述空腔101内的空气情况，避免在键合时所述空腔101内的气体无法释放导致出现鼓包或凹陷的想象。

在所述压电层4的上表面设有顶电极层5，所述顶电极层5的材料与所述底电极层3相同，且所述顶电极层5的水平投影面积小于所述压电层4的水平投影面积，所述顶电极层5覆盖在所述压电层4上时，所述顶电极层5与所述底电极层3在水平面上的正投影只有在对应所述空腔101的位置相重合，即只有在所述空腔101正上方对应的位置的电极-压电层4-电极的层叠结构完整，形成fbar核心功能区，而其余位置的层叠结构不完整。

实施例二

一种薄膜体声波谐振器的制备方法，用于制备如实施例一中的薄膜体声波谐振器，如图4a～图4m所示，包括如下步骤：

步骤s1：选取一晶圆硅片1，并在所述晶圆硅片1上刻有空腔101，如图4a。

首先选取一晶圆硅片1，对晶圆硅片1进行标识打标，方便后续识别和登记；并对其进行酸洗和有机洗，去除晶圆硅片1上的氧化物和有机物等杂质。其后，对晶圆硅片1匀胶、曝光、显影处理，进而放入icp设备中进行刻腔，并在去胶后形成图形化的带空腔101衬底。

步骤s2：在所述空腔101外的所述晶圆硅片1上生长键合层2，如图4b。

所述键合层2也需利用曝光机进行图形化处理，键合层2如果是非金属，如可以是硅-硅，也可以是二氧化硅-二氧化硅等，如果是硅-硅的模式，直接做必要的图形化即可，而二氧化硅的话，可以直接生长，也可以对硅衬底氧化再图形化。

关于键合层2的工艺，如果材料是金属，一般采用剥离的方法，以避免在空腔101中生长有金属键合材料；如果是化合物键合材料，一般是进行腐蚀或刻蚀去除空腔101区域内的材料，例如在晶圆片上生长键合层2，匀胶，曝光，显影，干法或湿法，去除未被光刻胶保护区域内的化合物材料，再去胶，完成键合片的制备工序。而本实施例中，所述键合层2为非金属的化合物键合层2。

步骤s3：选取另一单晶硅片7，并在所述单晶硅片7上生长压电层4，所述压电层4为氮化铝薄膜，如图4c所示。

步骤s4：如图4d所示，在所述压电层4上生长底电极层3，并对其进行图形化处理；所述底电极层3的水平面积小于所述压电层4的水平面积；

电极材料一般有良好导电性，韧性，高声阻抗特性，因此可做电极的材料有许多选择，如金，铂，钼，钨等，而考虑到生长的工艺及成本考虑，优选的，选择钼来做电极材料。其中，电极的生长工艺，可以和压电层4的类似，比如，都采用pvd设备来生长。

其后，对底电极层3进行图形化处理时同样留有与所述空腔101相连通的通道，使其与所述压电层4的通孔6相连通。如图4e所示，所述底电极层3在图形化处理后留下相对于最高平面所形成的缺口需要可采用高阻化合物材料进行填平，以便后续生长的薄膜可保持平面状态。在本实施例中，采用与所述键合层2相同的二氧化硅材质进行填平。

步骤s5：在所述底电极层3与所述键合层2的上表面再生长另一层键合层2，该键合层2的分布位置与所述步骤s2中的键合层2相对应，如图4f所示。

该键合层2的尺寸及其位置与步骤s2中生长的键合层2相对应，所述键合层2与所述底电极层3之间留有缺口，使得所述晶圆硅片1和所述单晶硅片7在键合过程后缺口处与所述空腔101的位置相吻合，可加深谐振器的空腔101深度。

上述所述晶圆硅片1和所述单晶硅片7的制备方法是相互独立的，可同步执行，两种硅片的制备方法不具有先后排序之分。

步骤s6：首先，对所述压电层4进行刻蚀形成通孔6。

在所述键合层2图形化处理时留有用于与所述空腔101相连通的通道，而对所述压电层4进行通孔6刻蚀，使得所述压电层4上的通孔6与通道相连通。而在本实施例中，所述通孔6刻蚀方法采用干法刻蚀，不会对其他薄膜造成影响，且精度较高。使用icp前，要对陪片进行速率的摸查。对陪片进行干法刻蚀后，测量台阶和所用时间计算出刻蚀速率，其后再对晶圆片上aln通孔6进行刻蚀，如图4g所示，从而提高工艺精度。

其后，如图4h所示，对准所述晶圆硅片1和所述单晶硅片7，使得两个硅片上的键合层2相接触，其过程需要在双面曝光机中完成，再转移至键合机中进行键合。

步骤s7：如图4i所示，对长有压电层4和底电极层3的硅片进行机械剪薄，减薄的厚度可根据键合后总厚度、压电层4和底电极层3的硅片厚度，计算出需要减薄的厚度，而预留厚度的考虑，要确保不至于过渡减薄，伤到薄膜，以及，还能够保证结构稳定性和平面度，而在本实施例中，可将厚度减至40～50um之间；

其后，剩余部分硅进行图案化掩膜在硅上表面形成掩膜层8，如图4j所示，所述掩膜层8在图案化处理时同样预留有与所述空腔101相连通的通道；再通过tsv技术对硅开设通孔6，使得在去硅前已经通过通孔6让所述空腔101与外界相连通，以便平衡所述空腔101内的气体，如图4k所示。

步骤s8：通过湿法腐蚀去除掉剩余的硅，最终露出整一面压电层4的平面，如图4l所示；其后，在所述压电层4的上表面生长顶电极层5，如图4m所示，生长顶电极层5的工艺与生长底电极层3的工艺大致一致，在此不再重复描述。

且保证生长的所述顶电极层5与所述底电极层3在水平面上的正投影只有在对应所述空腔101的位置相重合，使得只有在所述空腔101的正上方位置上具有完整的电极-压电层4-电极的层堆叠结构，形成fbar核心功能区。

实施例三

本实施例是在实施例二的基础上进行改进，在本实施例中所述键合层2为金属键合，所述步骤s1～步骤s4均与实施例二中描述的步骤相同，而在所述步骤s4之后还包括步骤s41：在所述底电极层3和所述键合层2的上表面生长有支撑层9，所述支撑层9可完全覆盖所述底电极层3和所述键合层2的上表面，如图6所示；也可生长在所述底电极层3和所述键合层2的上表面后，并在所述空腔101对应的位置留有缺口，如图5所示。而支撑层9的厚度，优选的，在1um以上。支撑层9材料可以是传统的支撑材料，如氮化硅。

其后，步骤s5中的键合层2则直接生长在所述支撑层9的上表面即可，后续步骤与实施例二中描述的内容相同，在此不再重复叙述。

上述实施方式仅为本发明的优选实施方式，不能以此来限定本发明保护的范围，本领域的技术人员在本发明的基础上所做的任何非实质性的变化及替换均属于本发明所要求保护的范围。