专利名称：一种新型体声波谐振器及其制备方法
技术领域：
本发明涉及体声波谐振器技术领域，具体涉及一种具有新型空气气隙结构的体声波谐振 器及其采用更简化工艺制作流程的制备方法。
技术背景近来，随着移动通信终端在小型化和多功能的方向获得了极大的发展，人们对应用于移 动通信终端中的诸如前端滤波器的要求越来越高。微型化、性能优良、和易于VLSI集成的 体声波谐振器及其滤波器和双工器日益成为当今国内外研究的热点。而谐振器是滤波器的基 础，也是由滤波器组成的双工器的基础。目前，以安华高(Avago，原Agilent)科技公司为代表的，基于空气隙结构，采用氮化铝 (A1N)作为压电材料并结合硅的表面微加工技术和牺牲层技术制成的体声波谐振器具有优 异的性能特性，并且己经实现量产且用于商业应用。参阅文献《Thin film bulk wave acoustic resonators (FBAR) for wireless applications》2001 IEEE ULTRASONICS SYMPOSIUM. P 813-821，其结构如图l所示，其中空气隙结构是通过表面微加工技术对硅进行凹槽刻蚀，填 充牺牲材料，化学机械抛光步骤，以及后面谐振膜层制备之后的牺牲材料的释放步骤而得到。 上述结构存在以下缺点1) 这种谐振器的牺牲材料的去除，需要引入贯穿上层金属电极层、压电膜层和下层金属 电极层的刻蚀孔的制备，增加了工艺制备的难度；2) 这种谐振器由于牺牲材料对硅凹槽的填充，必然引起表面的不均，必须进行化学机械 抛光步骤进行表面平整化，增加了工艺制备的难度；3) 这种谐振器由于空气隙为"凹"字型，释放牺牲材料的生成物往往不易于清洗干净， 对器件影响较大。发明内容本发明所要解决的技术问题是如何提供一种新型体声波谐振器及其制备方法，该谐振器 克服了现有技术中所存在的缺点，利用表面微加工工艺和牺牲层技术，无需对硅衬底进行凹 槽刻蚀工艺，无需进行化学机械抛光工艺，能极大地提高了工艺制备的可行性，很大程度上 降低了生产成本，并且仍具有较高的Q值，保证了谐振器的特性。本发明所提出的第一个技术问题是这样解决的构造一种新型体声波谐振器，包括衬底、 压电膜层、上层金属电极层和下层金属电极层，其特征在于还包括设置在所述衬底上的薄 膜支撑层，该薄膜支撑层与所述衬底的接触面上设置有空气气隙结构；从所述薄膜支撑层、 下层金属电极层、压电膜层和上层金属电极层向上依次重叠形成谐振区域。按照本发明所提供的新型体声波谐振器，其特征在于，所述薄膜支撑层为二氧化硅薄膜 支撑层或者氮化硅薄膜支撑层；所述衬底为硅衬底或者砷化镓(GaAs)衬底；所述上层金属 电极层或下层金属电极层材料为铝金属、钼金属或者金金属；压电膜层为氮化铝压电膜层或 者氧化锌压电膜层。本发明所提出的第二个技术问题是这样解决的提供上述新型体声波谐振器的制备方法， 其特征在于，包括以下步骤① 在衬底上制作牺牲材料膜层，并对牺牲材料膜层进行传统的光刻工艺和湿法刻蚀工艺， 得到所需的牺牲层形状；② 在上述牺牲材料膜层和衬底上，制备薄膜支撑层；(D在上述薄膜支撑层上溅射沉积下层金属电极层，对下层金属电极层进行传统的光刻工 艺和湿法刻蚀工艺，得到所需的下层金属电极层形状，并裸露出所需的下层金属电极层形状 以外的薄膜支撑层；④在上述光刻工艺后的下层金属电极和裸露的薄膜支撑层上，溅射生长压电膜层，对生 长的压电膜层进行传统的光刻工艺和湿法刻蚀工艺，得到所需的压电膜层形状，并裸露出所 需的压电膜层以外和步骤②所需的下层金属电极层以外的薄膜支撑层；(D在上述光刻工艺后的压电膜层上和裸露的薄膜支撑层上，溅射沉积上层金属电极层， 对生长的上层金属电极层进行传统的光刻工艺和湿法刻蚀工艺，得到所需的上层金属电极层 形状，并裸露出未被步骤③所述刻蚀后下层金属电极层、步骤④所述刻蚀后压电膜层和刻蚀 后上层金属电极层遮挡的薄膜支撑层；⑥ 对上述裸露出来的薄膜支撑层进行传统的光刻工艺和湿法刻蚀工艺，得到所需的刻蚀 窗口，并裸露出上述牺牲材料膜层；⑦ 对上述裸露出来的牺牲材料膜层进行腐蚀，释放牺牲材料膜层，得到空气气隙结构。 按照本发明所提供的新型体声波谐振器的制备方法，其特征在于，步骤⑦中牺牲材料膜层采用湿法刻蚀或者干法刻蚀；按照本发明所提供的新型体声波谐振器的制备方法，其特征在于，所述牺牲膜层材料为 锗金属或者镁金属或者磷硅玻璃；若采用湿法刻蚀，腐蚀剂为稀释双氧水溶液或者稀释HN03 溶液或者稀释氢氟酸溶液。按照本发明所提供的新型体声波谐振器的制备方法，其特征在于，所述牺牲材料膜层厚 度为0.1 1微米，最佳为0.4微米；所述薄膜支撑层厚度为0.2~1微米，最佳为0.2微米；所述压电膜层厚度为0.5~3微米，最佳2微米；所述上、下层金属电极层厚度为0.1-0.5微米， 最佳0.15微米。本发明提出一种实现体声波谐振器空气气隙的简化方法，针对现有技术的缺点，利用表 面微加工工艺和牺牲层技术，无需对硅衬底进行凹槽刻蚀工艺，无需进行化学机械抛光工艺， 制备由硅衬底、具有空气隙的支撑膜层和谐振膜层的空气隙体声波谐振器结构，能极大地提 高了工艺制备的可行性，很大程度上降低了生产成本，并且仍具有较高的Q值，保证了谐振器的特性。该简化方法制备的谐振器在制备工艺上具有如下优势1) 无需进行硅凹槽刻蚀工艺、机械化学机械抛光工艺和贯穿谐振工作膜层的刻蚀孔的制备工艺；2) 由于通过刻蚀窗口刻蚀，牺牲材料的释放速率和效果得到极大地改进；3) 易于对释放牺牲材料后的生成物进行清洗处理。
图1是现有技术中体声波谐振器结构示意图；图2是本发明提出的新型体声波谐振器结构示意图；图3是本发明提出的新型体声波谐振器的制备方法中各步骤所对应的器件结构示意图， 图3A是步骤①所对应的结构示意图，图3B是步骤②所对应的结构示意图，图3C是步骤③ 所对应的结构示意图，图3D是步骤④所对应的结构示意图，图3E是步骤⑤所对应的结构示 意图，图3F是步骤(D所对应的结构示意图。其中，1、上层金属电极层，2、压电膜层，3、下层金属电极层，4、空气气隙，5、牺牲 材料膜层，6、衬底，7、薄膜支撑层。
具体实施方式
以下结合附图和实施例对本发明进一步说明。本发明所提供的新型体声波谐振器结构如图2所示，包括衬底6、空气气隙4、薄膜支撑层7、下层金属电极层3、压电膜层2和上层金属电极层1， 二氧化硅薄膜支撑层7、下层金 属电极3、压电膜层2和上层金属电极层1依次重叠形成谐振区域，牺牲材料膜层5的释放， 是在谐振区域制备完成后进行的。具体制备工艺(采用相应材料)如下(1)在硅衬底上制作牺牲材料膜层，牺牲材料膜 层厚度为0.1 1微米，并对牺牲材料膜层进行光刻工艺，得到所需的牺牲层形状，如图3A所 示；(2)在上述牺牲材料膜层和硅衬底上，制备二氧化硅薄膜支撑层，其厚度为0，2 1微米， 如图3B所示；(3)在上述二氧化硅薄膜支撑层上溅射沉积下层金属电极层，其厚度为0.1~0.5 微米；对下层金属电极层进行光刻工艺，得到所需的下层金属电极层形状，并裸露出未被该 步骤刻蚀后的下层金属电极层遮挡的(2)所述二氧化硅薄膜支撑层，如图3C所示；(4)在 上述光刻工艺后的下层金属电极层和裸露的二氧化硅薄膜支撑层上，溅射生长压电膜层，其 厚度为0.5 2微米；对生长的压电膜层进行光刻工艺，得到所需的压电膜层形状，并裸露出 未被步骤(3)所述下层金属电极层和刻蚀后的压电膜层遮挡的(2)所述二氧化硅薄膜支撑 层，如图3D所示；(5)在上述光刻工艺后的压电膜层和裸露的二氧化硅薄膜支撑层上，溅 射沉积上层金属电极层，其厚度为0.1-0.5微米；对生长的上层金属电极层进行光刻工艺，得 到所需的上层金属电极层形状，并裸露出未被步骤(3)所述刻蚀后下层金属电极层、步骤(4) 所述刻蚀后压电膜层和刻蚀后上层遮挡的所述二氧化硅薄膜支撑层，如图3E所示；(6)对上 述裸露出来的二氧化硅薄膜支撑层进行光刻工艺，得到所需的刻蚀窗口，并裸露出上述牺牲 层材料，如图3F所示；(7)对上述裸露出来的牺牲材料进行腐蚀，释放牺牲材料膜层，得到 空气隙结构，如图2所示。以下是本发明的一些具体实施例-实施例1:(1) 采用电阻率大于2Q^m， (100)晶向P型掺杂硅衬底，在其上采用低温化学气相沉 积方法(LPCVD)沉积一层锗(Ge)金属膜层。LPCVD的制备条件是温度为325°C，压强 300mtorr，锗气体流量为25sccm，沉积厚度为0.3微米。采用湿法刻蚀牺牲材料锗膜层，形 成长宽分别为80微米和40微米的矩阵形状，腐蚀剂为双氧水溶液(H20/H202/HCl=4/3/l)。(2) 采用等离子体增强化学气相沉积法(PECVD)制备二氧化硅薄膜支撑层，PECVD 的制备条件为功率为200W，氧气压为0.1 0.3Torr，衬底温度为200~250°C，源温度为4~14 °C，感应加热器为10MHz，生长厚度为0.3微米。(3) 采用直流磁控溅射法制备下层金属钼(Mo)电极，实验参数气压为0.36Pa，工作 电压为380V，工作电流为0.15A，温度为150°C，沉积厚度为0.2微米；采用湿法刻蚀下层 金属钼(Mo)电极，形成长宽分别为60微米和40微米的矩阵形状，腐蚀剂为H3P04、 HN03 和CH3COOH混合液。(4) 用射频磁控溅射法制备A1N压电膜层，实验参数为功率400W，氮气半分比40%， 气压为0.4Pa，基片温度巍峨475'C，溅射时间为16h，厚度为1.4微米；采用湿法刻蚀A1N 压电膜层，形成边长为50微米的正方形，腐蚀剂为沸腾的磷酸(H3P04)溶液。压电膜层的 面积应大于谐振区域面积。(5) 采用直流磁控溅射法制备上层金属铝(Al)电极，实验参数为功率为50W，工作气 压为1Pa，时间为15min，厚度为0.2微米；采用湿法刻蚀上层金属Al电极，形成长宽分别 为60微米和40微米的矩阵形状，腐蚀剂为体积比。(6) 湿法刻蚀二氧化硅支撑膜层，在谐振区域，上层钼金属电极和下层铝金属电极两侧， 分别形成两个长宽均为40微米和10微米的矩阵形状。两个窗口也即锗牺牲材料的刻蚀窗口。(7) 湿法刻蚀锗(Ge)牺牲膜层，得到空气隙结构，腐蚀剂为双氧水溶液 (H20/H202/HCl=4/3/l )，最终得到空气气隙结构体声波谐振器。实施例2:将牺牲材料换成镁(Mg)金属，其余的跟实施例l相同。 其中镁金属的腐蚀液为稀释HN03溶液，其中H20: HNQ3为1: 20。
权利要求
1、一种新型体声波谐振器，包括衬底、压电膜层、上层金属电极层和下层金属电极层，其特征在于还包括设置在所述衬底上的薄膜支撑层，该薄膜支撑层与所述衬底的接触面上设置有空气气隙结构；从所述薄膜支撑层、下层金属电极层、压电膜层和上层金属电极层向上依次重叠形成谐振区域。
2、 根据权利要求1所述的新型体声波谐振器，其特征在于，所述薄膜支撑层为二氧化硅 薄膜支撑层或者氮化硅薄膜支撑层；所述衬底为硅衬底或者砷化镓衬底；所述上层金属电极 层或下层金属电极层材料为铝金属、钼金属或者金金属；压电膜层为氮化铝压电膜层或者氧 化锌压电膜层。
3、 一种新型体声波谐振器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤-① 在衬底上制作牺牲材料膜层，并对牺牲材料膜层进行光刻工艺，得到所需的牺牲层形状；② 在上述牺牲材料膜层和衬底上，制备薄膜支撑层；③ 在上述薄膜支撑层上溅射沉积下层金属电极层，对下层金属电极层进行光刻工艺，得 到所需的下层金属电极层形状，并裸露出所需的下层金属电极层形状以外的薄膜支撑层；④ 在上述光刻工艺后的下层金属电极和裸露的薄膜支撑层上，溅射生长压电膜层，对生 长的压电膜层进行光刻工艺，得到所需的压电膜层形状，并裸露出所需的压电膜层以外和步 骤②所需的下层金属电极层以外的薄膜支撑层；⑤ 在上述光刻工艺后的压电膜层上和裸露的薄膜支撑层上，溅射沉积上层金属电极层， 对生长的上层金属电极层进行光刻工艺，得到所需的上层金属电极层形状，并裸露出未被步 骤③所述刻蚀后下层金属电极层、步骤④所述刻蚀后压电膜层和刻蚀后上层金属电极层遮挡 的薄膜支撑层；⑥ 对上述裸露出来的薄膜支撑层进行光刻工艺，得到所需的刻蚀窗口，并裸露出上述牺 牲材料膜层；⑦ 对上述裸露出来的牺牲材料膜层进行腐蚀，释放牺牲材料膜层，得到空气气隙结构。
4、 根据权利要求3所述的新型体声波谐振器的制备方法，其特征在于，步骤⑦中牺牲材 料膜层采用湿法刻蚀或者干法刻蚀；
5、 根据权利要求3所述的新型体声波谐振器的制备方法，其特征在于，所述牺牲膜层材 料为锗金属或者镁金属或者磷硅玻璃；若采用湿法刻蚀，腐蚀剂为稀释双氧水溶液或者稀释 HN03溶液或者稀释氢氟酸溶液。
6、 根据权利要求3所述的新型体声波谐振器的制备方法，其特征在于，所述牺牲材料膜 层厚度为0.1~1微米；所述薄膜支撑层厚度为0.2~1微米；所述压电膜层厚度为0.5-3微米； 所述上、下层金属电极层厚度为0.1 0.5微米。
全文摘要
本发明公开了一种新型体声波谐振器，包括衬底、压电膜层、上层金属电极层和下层金属电极层，其特征在于还包括设置在所述衬底上的薄膜支撑层，该薄膜支撑层与所述衬底的接触面上设置有空气气隙结构；从所述薄膜支撑层、下层金属电极层、压电膜层和上层金属电极层向上依次重叠形成谐振区域。该谐振器克服了现有技术中所存在的缺点，利用表面微加工工艺和牺牲层技术，无需对硅衬底进行凹槽刻蚀工艺，无需进行化学机械抛光工艺，能极大地提高了工艺制备的可行性，很大程度上降低了生产成本，并且仍具有较高的Q值，保证了谐振器的特性。
文档编号H03H9/00GK101217266SQ20081004514
公开日2008年7月9日 申请日期2008年1月9日 优先权日2008年1月9日
发明者何泽涛, 波 杜, 王华磊, 玉 石, 欣 蒋, 赵宝林, 慧 钟, 黄光俊 申请人:电子科技大学