基于反铁电材料相变致动效应的薄膜体声波谐振器的制作方法

本发明属于智能微纳器件与系统技术领域，具体为一种基于相变致动效应的新型薄膜体声波谐振器（FBAR），该谐振器具有高Q值、高谐振频率的特性。

背景技术：

FBAR是一种利用功能薄膜的机电转换效应，通过声体波谐振方式，将电能量转换成声波形成谐振。由于Q值高、谐振频率高、损耗低和体积小等特点，FBAR是现代智能无线通信系统（如手机、GPS等）的核心器件；另一方面，基于FBAR的传感器件（如质量传感器、温度传感器、辐射传感器等）相对于传统器件具有更高的灵敏度和精确度。作为信息采集的前端元器件，传感器目前正朝着微型化、智能化、集成化和信息化的方向发展。FBAR是基于薄膜工艺的电-声器件，使得其具有高的工作频率，可达GHz量级，而目前商业化应用的石英晶振的工作频率仅在MHz量级，因而以FBAR为核心敏感单元的传感器较传统的器件具有更高的灵敏度和响应速度等优势，这对于智能电子鼻、微热探测器等精密测量系统具有重要意义，是传感领域的一大研究热点，其潜在应用包括微质量、环境参数、悬浮颗粒物等诸多方面的信息采集，在国家安全、环境监测、食品检验和医学免疫等领域具有广阔的应用前景。

就传感器而言，FBAR谐振频率越高，其灵敏度越高。目前FBAR器件的工作频率主要在1~3GHz，要使其频率继续增大，可将功能层薄膜厚度降低。然而，对于FBAR主要采用的压电材料ZnO和AlN而言，尽管二者具有高的能隙，但仍属于半导体的范畴，随着薄膜厚度的降低，漏电现象明显。PZT和BST等压电材料，尽管在低厚度时具有比ZnO和AlN更优越的介电特性，但其本来就较高的内部损耗将随着厚度的降低而急剧增加，使得频率的提高受到限制。另一方面，当薄膜厚度一定时，谐振频率的升高在很大程度上与材料本身的响应速度（即材料中的声速）相关，而压电材料中能获得的最佳响应速度只能达到µs量级，很难再进一步提高，这也成为FBAR频率提高的一大障碍。

此外，由于液体不支持纵波的传输，FBAR在液相环境中的Q值会大幅度下降（Q值将从几百降为几十）。尽管可以采用压电薄膜倾斜生长的方法形成部分剪切模式，但在实际制备过程中，对压电薄膜的倾斜生长却难以进行精确控制，重复性差；若采用侧向场激励的方法，高质量的叉指电极不仅使工艺更加复杂，而且将增大器件的横向尺寸，不利于其微型化和集成化。由此可见，要实现FBAR器件的进一步发展，还需解决许多技术瓶颈，寻求新的MEMS材料，探索新的物理效应，开辟新的技术途径。

技术实现要素：

本发明目的是提供一种具有高Q值、高谐振频率特性的基于相变致动效应的新型薄膜体声波谐振器（FBAR）。

一种基于反铁电材料相变致动效应的薄膜体声波谐振器，包括硅基底，所述硅基底上下覆盖正面氧化层和背面氧化层；所述正面氧化层上生长下电极层，所述下电极层上表面生长反铁电材料的PLZT薄膜层，所述PLZT薄膜层上生长上电极层。

一种反铁电材料的PLZT薄膜胶体制备方法，包括如下步骤：

将三水合乙酸铅、乙酸镧和乙酸混合后在85-100℃下搅拌，待其冷却至室温后，加入丙醇锆、异丙醇钛和去离子水，使其在常温下搅拌，然后加入乳酸并搅拌，加乙二醇搅拌，最后加等体积比的乙二醇乙醚和乙酸稀释后，得到胶体原料。

优选的，将4.9~5.1g三水合乙酸铅、0.07~0.08g乙酸镧和12~15mL乙酸混合后在90℃下搅拌，待其冷却至室温后，加入5.1~5.4g丙醇锆、0.16~0.18g异丙醇钛和4~6mL去离子水，使其在常温下搅拌，然后加入1.5~2.5mL乳酸并搅拌，加2.5~3.5mL乙二醇搅拌，最后加等体积比的乙二醇乙醚和乙酸稀释为30~40mL，到此胶体原料制备完毕。

反铁电材料是一种新型的功能材料，其晶体内部子晶格的离子像铁电态一样，单独存在着自发极化，而相邻离子自发极化的方向相反，因此在宏观上反铁电晶体的自发极化强度等于零。但在外加电场大于相变电场时，由于库仑力的作用，一部分离子极化方向沿着电场方向发生旋转，最后所有离子极化方向与外电场趋于一致，在宏观上晶体显示出一定的极化强度，此时反铁电晶体被电场诱导为铁电态，图1所示为反铁电晶体和铁电晶体相邻子晶格偶极子的极化方向结构示意图。

上述的基于反铁电材料相变致动效应的薄膜体声波谐振器制备方法，包括如下步骤：

（a）、取硅片清洗干净；

（b）、（c）将清洗干净的硅片放入氧化炉中，正反面同时进行氧化，各生长一层SiO₂氧化层；

（d）、通过磁控溅射或者真空蒸发在硅片正面的SiO₂表面生长一层下电极；

（e）、在下电极表面生长反铁电材料的PLZT薄膜，具体如下：

PLZT薄膜胶体原料制备如上所述；然后将胶体原料以3000r/min的转速涂覆到下电极上，时间为20s，在300℃和600℃分别处理10min，重复旋涂和热处理步骤以生长多层薄膜，最后700℃退火30min；

（f）、采用体积比HF:HCl:H₂O=0.5:4.5:95的腐蚀液，通过湿法腐蚀将PLZT薄膜图形化；

（g）、溅射上电极，最终形成谐振区域；

（h）、通过干法或湿法将背面SiO₂氧化层活性区刻蚀掉，为下一步深硅刻蚀开窗；

（i）、通过碱液各项异性湿法腐蚀或者通过反应离子深刻蚀来对硅进行刻蚀，直到正面SiO₂氧化层下表面停止。

在外电场激励作用下，由于反铁电态（AFE）和铁电态（FE）之间的相变，反铁电材料将会出现大幅度且快速的阶跃性应变效应（图2），并伴随着较大的体积变化。材料相变过程为阶跃响应，不同于压电效应的线性响应（处于µs量级），响应时间可达ns量级。相对于铁电性压电材料而言，反铁电材料具有更大的应变量，可以高达0.8%，通常0.4~0.6%的应变量是很容易获得的，而典型的弛豫型铁电材料Pb（Zr，Ti）O₃只有0.1%。

本发明将反铁电薄膜材料（Pb，La）（Zr，Ti）O₃（以下简称为PLZT）作为FBAR的功能层，利用其相变应变效应作为谐振器件执行机制，可以获得高的谐振频率；同时，材料较大的横向应变对于器件在液态中的Q值提高具有重要意义。

附图说明

图1表示反铁电晶体（a）和铁电晶体（b）偶极子排列结构示意图。

图2表示AFE-FE相变晶胞结构变化示意图。

图3表示薄膜体声波谐振器FBAR制作流程示意图。

图4表示薄膜体声波谐振器FBAR整体示意图。

图5表示薄膜体声波谐振器FBAR的各层材料属性示意图。

图中：1-上电极层，2- PLZT薄膜层，3-下电极层，4-正面氧化层，5-刻蚀后的硅基底，6-背面氧化层。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施例进行详细说明。

一种基于反铁电材料相变致动效应的薄膜体声波谐振器，如图4、5所示，包括硅基底5，所述硅基底5上下覆盖正面氧化层4和背面氧化层6；所述正面氧化层4上生长下电极层3，所述下电极层3上表面生长反铁电材料的PLZT薄膜层2，所述PLZT薄膜层2上生长上电极层1。

其中，PLZT薄膜层2的胶体原料制备方法如下：将4.9~5.1g三水合乙酸铅、0.07~0.08g乙酸镧和12~15mL乙酸混合后在85-100℃（优选90℃）下搅拌，待其冷却至室温后，加入5.1~5.4g丙醇锆、0.16~0.18g异丙醇钛和4~6mL去离子水，使其在常温下搅拌，然后加入1.5~2.5mL乳酸并搅拌，加2.5~3.5mL乙二醇搅拌，最后加等体积比的乙二醇乙醚和乙酸稀释为30~40mL（此时锆钛酸铅镧浓度为0.4mol/L左右），获得此胶体原料。

上述基于反铁电材料相变致动效应的薄膜体声波谐振器制备方法，包括如下步骤：

（a）、取4英寸硅片，分别用丙酮、酒精和去离子水进行清洗，如图3中（a）。微量污染也会导致器件失效。清洗的目的在于清除表面污染杂质，包括有机物和无机物。这些杂质有的以原子状态或离子状态，有的以薄膜形式或颗粒形式存在于硅片表面。有机污染包括光刻胶、有机溶剂残留物、合成蜡和人接触器件、工具、器皿带来的油脂或纤维。无机污染包括重金属金、铜、铁、铬等，严重影响少数载流子寿命和表面电导；碱金属如钠等，引起严重漏电；颗粒污染包括硅渣、尘埃、细菌、微生物、有机胶体纤维等，会导致各种缺陷。

（b）、（c）、将清洗干净的硅片正反面进行氧化，分别生长一层SiO₂氧化层，如图3中（b）、（c）所示；氧化的方法可以通过热氧化，也可以通过其他方法。

（d）、通过磁控溅射或者真空蒸发在硅片正面的SiO₂表面生长一层下电极Pt，如图3中（d）所示，要求下电极表面平整度高，粗糙度小，否则影响下一步PLZT薄膜的生长。

（e）、在下电极表面生长反铁电材料的PLZT薄膜，如图3中（e）所示，具体如下：将上述制备的胶体原料以3000r/min的转速涂覆到下电极上，时间为20s，在300℃和600℃分别处理10min，重复旋涂和热处理步骤以生长多层薄膜，最后700℃退火30min，形成PLZT薄膜层。

（f）、采用体积比HF:HCl:H₂O=0.5:4.5:95的腐蚀液，通过湿法腐蚀将PLZT薄膜图形化，腐蚀出圆形小孔，如图3中（f）所示。

（g）、溅射上电极，如图3中（g）所示，其中五边形区域为最终的谐振区域。

（h）、通过干法或湿法将背面SiO₂活性区刻蚀掉，如图3中（h）所示，为下一步深硅刻蚀开窗。

（i）、通过碱液各向异性湿法腐蚀或者通过反应离子深刻蚀来对硅进行刻蚀，直到正面SiO₂下表面停止，如图3中（i）所示。

最终，FBAR基本结构及各层属性如图4、5所示。

最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照本发明实施例进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明的技术方案的精神和范围，其均应涵盖权利要求保护范围中。