具有隔热结构的薄膜体声波谐振器及其制备方法与流程

本发明涉及微机电系统技术领域，具体涉及具有隔热结构的薄膜体声波谐振器及其制备方法。

背景技术：

非制冷型红外探测器也叫室温探测器，可在室温条件下工作而无需庞大、昂贵的制冷机构，因此具有低成本、易于便携等优点。

近年来，随着微纳传感技术的发展，薄膜体声波谐振器(fbar)的应用也扩展到非制冷红外探测器领域。一方面，fbar通常具有微型的尺寸，所以其抗外界干扰能力更强；另一方面，fbar通常工作在谐振模拟，且具有很高的品质因数，所以器件表现出很高的灵敏度；以上两个方面促使基于fbar的非制冷红外探测器表现出优秀的信噪比指标。另外，fbar采用频率读出电路方式，该种方式可以有效抑制闪烁噪声(1/f噪声)。因此，基于fbar的非洲红外探测器具有高灵敏度、低噪声的优点。

然而，目前fbar的器件结构通过支持层与基底连接，如图1和图2所示，该结构容易引起热量流失(等效热导大)。当一定强度的红外辐射照射在fbar器件表面时，被吸收的红外辐射转换成热量，使fbar器件温度升高，其谐振频率漂移。但是由于传统结构的fbar等效热导较大，热量很容易传到给基底，造成fbar器件的温升很小，进而降低了器件对红外辐射的响应度。

技术实现要素：

为了解决上述的问题，本发明提供具有隔热结构的薄膜体声波谐振器及其制备方法。

具有隔热结构的薄膜体声波谐振器，包括基底、隔热结构、底电极、压电层和顶电极，所述基底上设有凹槽，所述底电极通过隔热结构连接基底，底电极位于凹槽的上方，底电极在凹槽底面所在的平面上的正投影落在凹槽底面上，所述压电层位于底电极上，所述顶电极位于压电层上。

具有隔热结构的薄膜体声波谐振器的制备方法，包括如下步骤：

s1、提供基底；

s2、在基底上制备凹槽；

s3、利用牺牲层材料填充凹槽得到初始牺牲层，所述初始牺牲层的厚度大于凹槽的深度；

s4、磨平基底上表面和初始牺牲层上表面，得到牺牲层，所述牺牲层上表面和基底上表面位于同一平面内；

s5、在牺牲层上制备底电极和隔热结构；

s6、在底电极上制备压电层；

s7、在压电层上制备顶电极；

s8、腐蚀牺牲层，重新得到凹槽，薄膜体声波谐振器制备完成。

本发明的有益效果是：

本发明的具有隔热结构的薄膜体声波谐振器，提供了一种提高基于fbar的非制冷红外探测器的传感灵敏度的结构。通过采用隔热结构将底电极和基底进行隔热，减小等效热导，提高响应度。其制备方法简单。

附图说明

图1为传统fbar的结构示意图。

图2为传统fbar的剖面示意图。

图3为本发明具有隔热结构的薄膜体声波谐振器的实施方式一的fbar结构示意图。

图4为本发明实施方式一的fbar制备步骤s1的流程结构图。

图5为本发明实施方式一的fbar制备步骤s2的流程结构图。

图6为本发明实施方式一的fbar制备步骤s3的流程结构图。

图7为本发明实施方式一的fbar制备步骤s4的流程结构图。

图8为本发明实施方式一的fbar制备步骤s5的流程结构图。

图9为本发明实施方式一的fbar制备步骤s6和s7的流程结构图。

图10为本发明实施方式一的fbar制备步骤s8的流程结构图。

图11为本发明具有隔热结构的薄膜体声波谐振器的实施方式二的fbar结构示意图。

图12为本发明实施方式二的fbar制备步骤s1的流程结构图。

图13为本发明实施方式二的fbar制备步骤s2的流程结构图。

图14为本发明实施方式二的fbar制备步骤s3的流程结构图。

图15为本发明实施方式二的fbar制备步骤s4的流程结构图。

图16为本发明实施方式二人的fbar制备步骤s5的流程结构图。

图17为本发明实施方式二的fbar制备步骤s6和s7的流程结构图。

图18为本发明实施方式二的fbar制备步骤s8的流程结构图。

图中：1、顶电极，2、压电层，3、底电极，4、基底，5、凹槽，6、隔热结构，7、初始牺牲层，8、牺牲层，9、空腔。

具体实施方式

为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用其他不同于在此描述的其他方式来实施，因此，本发明的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。

具有隔热结构的薄膜体声波谐振器，包括基底4、隔热结构6、底电极3、压电层2和顶电极1。基底4上设有凹槽5，底电极3通过隔热结构6连接基底4，底电极3位于凹槽5的上方，底电极3在凹槽5底面所在的平面上的正投影落在凹槽5底面上。压电层2位于底电极3上，顶电极1位于压电层2上。底电极3、压电层2和顶电极1位置自下到上，形成fbar的三明治结构主体。凹槽5对应传统的空腔9结构，凹槽5位于基底4内、且与底电极3对应的位置。

优选的是凹槽5底面面积大于底电极3底面面积，如图3和图11，凹槽5横截面为正方形，底电极3横截面为正方形，凹槽5横截面面积大于底电极3横截面面积，横截面平行于基底4上表面。底电极3在凹槽5底面所在的平面上的正投影全部或部分落在凹槽5底面上，进一步优选的是底电极3在凹槽5底面所在的平面上的正投影全部落在凹槽5底面上。

隔热结构6可分为两种：

实施方式一是隔热结构6通过连接底电极3的侧面边缘实现底电极3与基底4的连接，如图3，图3中底电极3在凹槽5底面所在的平面上的正投影全部落在凹槽5底面上，即全部落在凹槽5内，隔热结构6和底电极3的材料相同；隔热结构6形状不限，例如条形，可以是多个连接块，底电极3的侧面边缘通过隔热结构6连接底电极3，隔热结构6与底电极3一体成型。隔热结构6同时起到对底电极3支撑作用。

另实施方式即实施方式二是隔热结构6通过连接底电极3下表面实现底电极3与基底4的连接，底电极3位于隔热结构6上，底电极3下表面连接隔热结构6，优选的是底电极3在凹槽5底面所在的平面上的正投影全部落在凹槽5底面上，如图11所示，图11中凹槽5底面面积大于底电极3底面面积。隔热结构6形状不限，可以为每个边上有条形连接块的方形块，底电极3位于方形块的上面，隔热结构6同时起到对底电极3支撑作用。

本发明的具有隔热结构的薄膜体声波谐振器，提供了一种提高基于fbar的非制冷红外探测器的传感灵敏度的结构。通过采用隔热结构6将底电极3和基底4进行隔热，减小等效热导，提高响应度。通过隔热结构对fbar进行支撑，减小了fbar与基底的接触面积，进而减小fbar谐振工作时声波能量向基底的传播损耗，提高了fbar的q值及其性能。同时，该结构有助于抑制fbar边缘的寄生模式。由于凹槽5底面面积大于底电极3底面面积，在该表面声波完全反射回fbar的体内，该结构限制了声波能量的损失，有助于减小器件的功耗、提高fbar的性能。

压电层2的材料通常采用aln、zno、linbo3或石英等材料，但不限于这几种材料。顶电极1的材料通常采用mo、w、al、pt或ni等材料，但不限于这些材料。

具有隔热结构的薄膜体声波谐振器的制备方法，制备方法简单，具体包括如下步骤：

s1、提供基底4；

s2、在基底4上制备凹槽5；

s3、利用牺牲层8材料填充凹槽5得到初始牺牲层7，初始牺牲层7的厚度大于凹槽5的深度；此时凹槽5被牺牲层8材料填充、基底4上不存在凹陷之处；

s4、磨平基底4上表面和初始牺牲层7上表面，初始牺牲层7经过磨平成为牺牲层8，牺牲层8上表面和基底4上表面位于同一平面内，牺牲层8的厚度等于凹槽5的深度。此时凹槽5仍被牺牲层8材料填充，牺牲层8完全位于凹槽5内，牺牲层8形状与凹槽5形状相同，牺牲层8体积与凹槽5容积相等；

s5、在基底4上表面上制备底电极3和隔热结构6；

s6、在底电极3上制备压电层2；

s7、在压电层2上制备顶电极1；

s8、腐蚀牺牲层8，腐蚀凹槽5内的牺牲层8，凹槽5内不再填充牺牲层8材料，即不再填充牺牲层8，重新得到凹槽5，重新得到的凹槽5为s2中制备的凹槽5，此时得到了空腔9，薄膜体声波谐振器制备完成。空腔9位于基底4和底电极3之间(实施方式一)或位于基底4和隔热结构6之间(实施方式二)。空腔9作用是实现声波的反射，将机械能限制在薄膜体声波谐振器器件内部。

基底4为半导体行业中常用的单抛高阻硅片；底电极3材料通常采用mo、w、al、pt或ni等材料；压电层2通常采用气相化学沉积的方法制备；顶电极1的制备通常采用磁控溅射的工艺；牺牲层8材料通常采用硼硅玻璃；腐蚀牺牲层8可以采用hf溶液湿法刻蚀或者采用气态hf干法刻蚀。

其中隔热结构6通过连接底电极3的侧面边缘实现底电极3与基底4的连接，即本发明的具有隔热结构的薄膜体声波谐振器实施方式一，如图3所示，其制备方法具体如下，可参见图4至图10：

s1、取基底4，如图4；

s2、在基底4上制备凹槽5；如图5；

s3、如图6，利用牺牲层8材料在基底4表面沉积初始牺牲层7，初始牺牲层7的厚度大于凹槽5的深度；

s4、将基底4上表面进行平坦化，平坦化通常采用化学机械研磨的工艺；基底4平坦化后凹槽5内填充牺牲层8材料，同时凹槽5外侧露出基底4上表面，平坦化后初始牺牲层7成为牺牲层8，如图7；

s5、采用磁控溅射的工艺在牺牲层8上同时制备底电极3和隔热结构6，如图8，底电极3和隔热结构6采用同种材料，通常采用mo、w、al、pt或ni等材料；

s6、如图9，在底电极3上采用气相化学沉积的方法制备压电层2；

s7、如图9，在压电层2上采用磁控溅射的工艺制备顶电极1；

s8、如图10，腐蚀凹槽5内的牺牲层8，重新得到凹槽5，底电极3和基底4间形成空腔9，薄膜体声波谐振器制备完成。

其中隔热结构6通过连接底电极3的下表面实现底电极3与基底4的连接，即本发明的具有隔热结构的薄膜体声波谐振器实施方式二，如图11所示，其制备方法具体如下，可参见图12至图18：

s1、如图12取基底4；

s2、如图13在基底4上制备凹槽5；

s3、如图14利用牺牲层8材料填充凹槽5；

s4、如图15利用化学机械研磨技术将基底4上表面磨平；

s5、如图16采用化学气相沉积的方法在牺牲层8上制备隔热结构6；如图17采用磁控溅射的工艺在隔热结构6上制备底电极3；

s6、如图17，在底电极3上采用气相化学沉积的方法制备压电层2；

s7、如图17，在压电层2上采用磁控溅射的工艺制备顶电极1；

s8、如图18，腐蚀凹槽5内的牺牲层8，重新得到凹槽5，隔热结构6和基底4间形成空腔9，薄膜体声波谐振器制备完成。

实施方式二与实施方式一的区别在于底电极3和隔热结构6不在同一层，底电极3位于隔热结构6的上表面，且底电极3和隔热结构6的材料不同，实施方式二中隔热结构6通常采用氮化硅、氮化铝或者氧化硅等材料，但不限于这几种材料。上述所公开的工艺制备流程中，本领域中常用的光刻和刻蚀工艺步骤没在本具体实施方式中赘述。