硅衬底结构和氮化铝压电谐振器件及其制备方法

1.本发明涉及微机电系统谐振器件制造技术领域，尤其涉及一种硅衬底 结构和氮化铝压电谐振器件及其制备方法。


背景技术：

2.随着5g技术的应用与进一步发展，微机电系统(mems)谐振器在射 频无线通信中的应用更加广泛。表面声波(saw)谐振器和薄膜体声波谐 振器(fbar)一直主导着射频前端部件的市场。saw谐振器可以在芯片 上实现多频集成，而fbar具有高频、高q的优点，二者因为各自独特的 优势在不同的领域受到广泛的应用与研发。与此同时，科研人员不断研究 尝试能够提高压电谐振器件性能的方法，其中，采用空腔型的谐振器是提 高谐振器性能的有效途径。由于氮化铝和空气之间存在较大的声学失配， 只有极少的能量传输到空气中，因此谐振器采用空腔能够使能量最大限度 的限制在谐振器件内。
3.目前为止，主要有两种制造方法来实现压电谐振器的悬空：第一种方 法是使用xef2气体通过释放孔释放硅，但各向同性刻蚀会刻蚀到其他材料， 形成凹陷区域，导致能量损失，既影响谐振器的q值又可能导致谐振器脱 落；第二种方法对第一种方法进行了改进，使用低压化学气相沉积(lpcvd) 工艺在硅片上沉积一层二氧化硅作为释放保护层。目前，沉积一层二氧化 硅作为释放保护层仍然存在两方面的问题：一方面，使用lpcvd工艺沉积 的二氧化硅不够致密，可能导致释放多晶硅的xef2气体从释放保护层溢出， 从而导致器件释放失败或破裂；另一方面，二氧化硅的热膨胀系数与硅的 热膨胀系数存在一定的差异，因而在温度发生变化时会产生较大的热应力， 这将引起器件结构的变形或断裂从而导致器件性能的下降。
4.针对上述存在的问题和缺陷，现有的工艺并没有有效的解决途径，因 此如何实现谐振器的悬空并同时具备优异的性能是目前亟需解决的问题。


技术实现要素：

5.针对现有技术的不足之处，本发明提供了一种硅衬底结构和氮化铝压 电谐振器件及其制备方法。其能够实现谐振器悬空以提高谐振器性能，同 时不会破坏器件的结构，以很好地保持谐振器的高性能。
6.根据本发明的一方面，提供了一种硅衬底结构制备方法，步骤包括：
7.在硅衬底的上表面刻蚀形成用于包围至少部分待释放区域的回流槽；
8.采用高硼硅玻璃在回流槽中形成顶部与硅衬底表面平齐的释放保护层， 释放保护层限定出待释放区域。
9.采用本技术的硅衬底结构制备方法，其通过在硅衬底上表面刻蚀形成 凹陷形的回流槽，并在回流槽中采用高硼硅玻璃形成释放保护层，使得在 温度发生变化的时候，产生的热应力较低，以避免使用硅衬底结构制备氮 化铝压电谐振器件时由于温度发生变化产生的较大热应力引起器件结构的 变形或断裂从而导致器件性能下降的情况，同时通过
高硼硅玻璃形成的释 放保护层能够很好地在释放硅衬底的时候将释放范围限制在释放保护层内， 以避免硅衬底受到过度刻蚀而形成凹陷区域，导致制备出的氮化铝压电谐 振器件发生断裂或性能下降。
10.在一些实施方式中，采用高硼硅玻璃在回流槽中形成顶部与硅衬底表 面平齐的释放保护层，可以实现为：
11.将高硼硅玻璃阳极键合在硅衬底的上表面；
12.对高硼硅玻璃施加高温高压，使高硼硅玻璃软化并填充回流槽；
13.去除硅衬底上下两面多余的玻璃和硅，直至硅衬底上表面露出回流槽 中的高硼硅玻璃。
14.由此，可以通过该实现方式使得高硼硅玻璃能够充分填充满回流槽， 以避免填充完成后在自然降温的过程中出现空隙，形成较大的结构应力， 影响器件的性能。
15.在一些实施方式中，去除硅衬底上下两面多余的玻璃和硅，直至硅衬 底上表面露出回流槽中的高硼硅玻璃，可以实现为：
16.利用机械研磨工艺分别去除硅衬底上下两面多余的玻璃和硅；
17.通过化学机械抛光工艺使硅衬底表面平整。
18.由此，可以通过该实现方式使得形成释放保护层后的硅衬底的表面平 整，以确保压电谐振结构的形成质量。
19.在一些实施方式中，将高硼硅玻璃阳极键合在硅衬底的上表面前，还 包括以下步骤：
20.将硅衬底在200～300℃的真空环境下停留0.5～1小时。
21.由此，可以通过该步骤以提高回流槽内的真空度，在回流的过程中， 回流槽内外较大的压强差有利于高硼硅玻璃进入回流槽内，使得高硼硅玻 璃能够充分填充满回流槽。
22.根据本发明的另一方面，提供了一种氮化铝压电谐振器件的制备方法， 步骤包括：
23.采用上述的硅衬底结构制备方法制备硅衬底结构；
24.在硅衬底结构上生长种子层；
25.在种子层上生长第一金属层刻蚀形成底电极；
26.在底电极上淀积压电层；
27.在压电层上生长第二金属层并刻蚀形成顶电极；
28.刻蚀压电层形成贯穿压电层的开孔，并制作连通顶电极和底电极的金 属焊盘；
29.在释放保护层包围的范围内对应的压电层上刻蚀形成贯穿压电层和种 子层的释放孔；
30.通过释放孔释放位于释放保护层包围的范围内的部分硅衬底形成释放 腔。
31.采用本技术的氮化铝压电谐振器件的制备方法，其通过采用热膨胀系 数与硅的热膨胀系数非常匹配的高硼硅玻璃形成释放保护层，使得在温度 发生变化的时候，整体器件产生的热应力较低，以避免由于温度发生变化 产生的较大热应力引起器件结构的变形或断裂从而导致器件性能下降的情 况，并且通过高硼硅玻璃形成的释放保护层能够很好地在释放硅衬底的时 候将释放范围限制在释放保护层内，以避免硅衬底受到过度刻蚀而形成凹 陷区域，导致器件断裂或性能下降。
32.在一些实施方式中，刻蚀压电层形成贯穿压电层的开孔，并制作金属 焊盘，可以实现为：
33.刻蚀压电层形成贯穿压电层的开孔；
34.溅射铝作为金属焊盘的材料；
35.剥离形成金属焊盘。
36.由此，可以通过该步骤形成表面金属焊盘。
37.根据本发明的又一个方面，提供了一种硅衬底结构，其采用上述的硅 衬底结构制备方法制得。
38.采用本技术的硅衬底结构，其通过在硅衬底上形成凹陷形的、采用高 硼硅玻璃形成的释放保护层，使得在温度发生变化的时候，产生的热应力 较低，以避免在制备氮化铝压电谐振器件时由于温度发生变化产生的较大 热应力引起器件结构的变形或断裂从而导致器件性能下降的情况，同时通 过高硼硅玻璃形成的释放保护层能够很好地在释放硅衬底的时候将释放范 围限制在释放保护层内，以避免硅衬底受到过度刻蚀而形成凹陷区域，导 致制备出的氮化铝压电谐振器件发生断裂或性能下降。
39.根据本发明的又一个方面，提供了一种氮化铝压电谐振器件，采用上 述的氮化铝压电谐振器件的制备方法制得。
40.由此，通过上述的氮化铝压电谐振器件的制备方法制得的氮化铝压电 谐振器件，其压电谐振器件结构的主体部分悬空在释放腔对应的位置上部， 因而其具有很好的谐振器性能，同时由于其采用高硼硅玻璃作为释放保护 层，高硼硅玻璃的热膨胀系数与硅的热膨胀系数非常匹配，因而可以避免 在制备的时候由于温度发生变化产生的较大热应力引起器件结构的变形或 断裂从而导致器件性能下降的情况，并且通过高硼硅玻璃形成的释放保护 层能够很好地在制备该器件时释放硅衬底的时候将释放范围限制在释放保 护层内，以避免硅衬底受到过度刻蚀而形成凹陷区域导致器件断裂或性能 下降，保证了制备的产品的高质量和高精度。
41.根据本发明的又一个方面，提供了一种氮化铝压电谐振器件，包括 硅衬底；
42.设置于硅衬底上的采用高硼硅玻璃材料形成的释放保护层，所述释放 保护层限定有释放腔；和
43.设置于硅衬底上的压电谐振结构，所述压电谐振结构的至少一部分设 置在所述释放腔上方。
44.本发明提供的氮化铝压电谐振器件，由于其压电谐振器件结构主体悬 空设置在释放腔上方，因而其能够具有很好的谐振器性能，同时由于其采 用高硼硅玻璃作为释放保护层，高硼硅玻璃的热膨胀系数与硅的热膨胀系 数非常匹配，因而可以避免在制备的时候由于温度发生变化产生的较大热 应力引起器件结构的变形或断裂从而导致器件性能下降的情况，并且通过 高硼硅玻璃形成的释放保护层能够很好地在制备该器件时释放硅衬底的时 候将释放范围限制在释放保护层内，以避免硅衬底受到过度刻蚀而形成凹 陷区域导致器件断裂或性能下降，保证了制备的产品的高质量和高精度。
45.在一些实施方式中，压电谐振结构包括设置在硅衬底上表面的种子层、 设置在种子层上的底电极、设置在底电极上的压电层、设置在压电层上表 面的顶电极以及贯穿压电层且与底电极相连的金属焊盘；
46.其中，底电极的至少一部分和顶电极设置在释放腔上方。
47.由此，可以通过金属焊盘以及压电谐振结构悬空设置在释放腔上方的 部分的结构，以有效提高谐振器性能，保证产品的质量。
附图说明
48.图1为本发明一实施方式的硅衬底结构制备方法的流程图；
49.图2为图1的实施方式的步骤s102的具体流程图；
50.图3为根据本发明提供的氮化铝压电谐振器件的制备方法的步骤s101 处理后的结构示意图；
51.图4为根据本发明提供的氮化铝压电谐振器件的制备方法的步骤s201 处理后的结构示意图；
52.图5为根据本发明提供的氮化铝压电谐振器件的制备方法的步骤s202 处理后的结构示意图；
53.图6为根据本发明提供的氮化铝压电谐振器件的制备方法的步骤 s2031和步骤s2032处理后的结构示意图；
54.图7为本发明一实施方式的氮化铝压电谐振器件制备方法的流程图；
55.图8为图7的实施方式的步骤s107的具体流程图；
56.图9为根据本发明提供的氮化铝压电谐振器件的制备方法的步骤s103 和步骤s104处理后的结构示意图；
57.图10为根据本发明提供的氮化铝压电谐振器件的制备方法的步骤 s105和步骤s106处理后的结构示意图；
58.图11为根据本发明提供的氮化铝压电谐振器件的制备方法的步骤 s201处理后的结构示意图；
59.图12为根据本发明提供的氮化铝压电谐振器件的制备方法的步骤 s202和步骤s203处理后的结构示意图；
60.图13为根据本发明提供的氮化铝压电谐振器件的制备方法的步骤 s108、步骤s109以及步骤s110处理后的结构示意图；
61.图14为根据本发明提供的氮化铝压电谐振器件的制备方法制备得的器 件的前视基准面的三维结构示意图；
62.图15为根据本发明提供的氮化铝压电谐振器件的制备方法制备得的器 件的上视基准面的三维结构示意图；
63.图16为根据本发明提供的氮化铝压电谐振器件的制备方法制备得的器 件的前视基准面的三维结构剖面图；
64.图17为pyrex玻璃与硅键合和二氧化硅与硅结合后在不同环境温度下 的热应力仿真示意图；
65.图18为采用二氧化硅作为释放保护层制备得的氮化铝压电谐振器件的 结构示意图；
66.附图标记说明：1、硅衬底；2、回流槽；3、高硼硅玻璃；4、释放保 护层；5、平整面；6、种子层；7、底电极；8、压电层；9、顶电极；10、 开孔；11、金属焊盘；12、释放孔；13、释放腔。
具体实施方式
67.下面结合附图对本发明作进一步详细的说明。
68.在本发明中，“阳极键合”系指在一定的高温和电场作用下，玻璃与 硅不用任何粘结剂也可以键合在一起，键合界面具有良好的气密性和长期 的稳定性。
69.在本发明中，“刻蚀”系指用化学或物理方法有选择地从衬底表面去 除不需要材料的过程。
70.在本发明中，“反应离子刻蚀”系指利用离子诱导化学反应来实现各 向异性刻蚀，即是利用离子能量来使被刻蚀层的表面形成容易刻蚀的损伤 层和促进化学反应，同时离子还可以清除表面生成物以露出清洁的刻蚀表 面。
71.在本发明中，“化学机械抛光”系指化学腐蚀作用和机械去除作用相 结合的加工技术。
72.在本发明中，“磁控溅射技术”系指用高能粒子轰击靶材，使靶材中 的原子溅射出来，沉积在基底表面形成薄膜的方法。
73.在本发明中，“剥离”系指基片经过涂覆光致抗蚀剂、曝光、显影后， 以具有一定图形的光致抗蚀剂膜为掩模，带胶蒸发所需的金属，然后在去 除光致抗蚀剂的同时，把胶膜上的金属一起剥离干净，在基片上只剩下原 刻出图形的金属。
74.在本发明中，“回流槽”系指通过高温高压使玻璃软化所流入的槽， 通常将高温高压使玻璃软化并流入槽内的工艺称为回流工艺。
75.在本发明中，“化学气相沉积”系指一种化工技术，该技术主要是利 用含有薄膜元素的一种或几种气相化合物或单质，在衬底表面上进行化学 反应生成薄膜的方法。
76.实施例一
77.图1至图6展示了本技术的一种硅衬底结构制备方法的流程图及各流 程中的硅衬底结构的结构示意。
78.参照图1，展示了硅衬底结构制备方法的流程图，步骤包括：
79.步骤s101：在硅衬底1的表面上刻蚀形成用于包围至少部分待释放区 域的回流槽2。
80.结合参照图3，在该步骤s101中，硅衬底1为高阻硅圆片，回流槽2 从硅衬底1的上表面往下刻蚀，回流槽2优选为首尾相连形成环形的结构， 回流槽2包围形成的待释放区域为压电谐振结构的主体部分对应设置的区 域，回流槽包围成的环形状无特殊限制，在本实施例中，环形状具体为方 形。
81.具体地，硅衬底1选用高电阻率的硅片作为衬底，其电阻率为 5000～10000ω*cm，尺寸为6英尺，厚度为500～600μm，刻蚀的回流槽2 深度为300～400μm，以形成适当深度的回流槽2。
82.步骤s102：采用高硼硅玻璃3在回流槽2中形成顶部与硅衬底1表面 平齐的释放保护层4，释放保护层4限定出待释放区域。
83.结合参照图4至图6，在该步骤s102中，形成的释放保护层4应理解 为采用高硼硅玻璃3对回流槽2进行填充，使高硼硅玻璃3完全充满回流 槽2所形成的隔层，设置释放保护层4的作用主要在于形成一个用于隔开 硅衬底1上待释放的部分和其他部分的隔层。本发明实施例中的高硼硅玻 璃特指硼含量达12.5～13.5％或以上，硅含量达78～80％或以上
的玻璃材料， 其热膨胀系数与硅的热膨胀系数相近的，且具有良好的气密性、稳定性以 及机械强度，具体地，在本实施方式中优选采用热膨胀系数与硅的热膨胀 系数相差值在0.5
×
10-6
1/k之内的高硼硅玻璃材料，其热膨胀系数越接近硅 的热膨胀系数越好，如pyrex玻璃，其密度为2230kg/m3，热膨胀系数为3.25
ꢀ×
10-6
1/k，杨氏模量为0.9
×
10
11
pa，泊松比为0.2，导热系数为1.13w/m
·
k。 pyrex玻璃的耐热性好、热膨胀系数低、具有较好的温度梯度，且其化学稳 定性理想，pyrex玻璃由于其化学稳定性理想且气密性好，因而通过由pyrex 玻璃形成的释放保护层4间隔开形成的待释放的部分，在进行硅释放的过 程中，能够有效避免硅衬底1受到释放气体的过度刻蚀而形成凹陷区域导 致器件断裂或性能下降。而在释放保护层4形成后，需要将回流槽2的顶 部制成与硅衬底1的表面平齐的结构，从而避免影响后续加工工序的加工 精度，提高制出的氮化铝压电谐振器件的性能和精度。本技术宜采用 pyrex7740作为高硼硅玻璃3，其形成的释放保护层在热膨胀系数上等物化 性质上与硅高度拟合。
84.参照图2，具体在该步骤s102中，该步骤可以实现为：
85.步骤s201：将高硼硅玻璃3阳极键合在硅衬底1的上表面；
86.步骤s202：对高硼硅玻璃3施加高温高压，使高硼硅玻璃3软化并填 充回流槽2；
87.步骤s203：去除硅衬底1上下两面多余的玻璃和硅，直至硅衬底1上 表面露出回流槽2中的高硼硅玻璃3。
88.参照图4，在步骤s201中，将高硼硅玻璃3阳极键合在硅衬底1的上 表面，其采用的高硼硅玻璃3的厚度具体为500-600μm，即需要大于回流 槽2的深度，通过阳极键合工艺不仅可以使键合界面具有良好的气密度从 而更加致密，以提高高硼硅玻璃在回流槽2中填充的质量，而且可以使回 流槽内压强远低于外界压强，从而使高硼硅玻璃充分回流至槽内。在进行 阳极键合的时候，具体可以是采用真空键合机完成的，在真空键合机中， 通过施加800～1200n压力以及600-1000v电压，加热400～450℃，保持1～2 个小时，以完成高硼硅玻璃3与硅衬底1之间的阳极键合。而在进行真空 键合前，优选地，可以将硅衬底1在200～300℃的真空条件下停留0.5～1小 时，从而能够有效提高回流槽2内的真空度，使得在回流过程中，回流槽2 内外存在较大的压强，以有利于高硼硅玻璃3进入回流槽2。
89.参照图5，在步骤s202中，采用高温高压将高硼硅玻璃3软化，并使 高硼硅玻璃3完全填充入回流槽2，以保证回流槽2的填充质量。具体地， 可以将硅衬底1置于高压炉中，并设置高压炉内的气压强度为2～4atm，并 加热至800～900℃，停留3～5小时，从而使得高硼硅玻璃3软化后，在压 力的作用下，填充回流槽2形成由高硼硅玻璃构成的释放保护层4。
90.参照图6，在步骤s203中，由于在形成释放保护层4的时候，为了保 证释放保护层4的填充质量精度，使用的高硼硅玻璃3的体积必然会比回 流槽2的容积大，因而在形成释放保护层4后，需要去除硅衬底1上多余 的玻璃和硅，直至硅衬底1上表面露出回流槽2中的高硼硅玻璃3，形成高 硼硅玻璃3在回流槽2中形成顶部与硅衬底1表面平齐的结构样式，以避 免影响后续加工工序的加工精度，提高制出的氮化铝压电谐振器件的性能 和精度。
91.继续参照图2，而在步骤s203中，其具体可以实现为：
92.步骤s2031：利用机械研磨工艺分别去除硅衬底1上下两面多余的玻璃 和硅；
93.步骤s2032：通过化学机械抛光工艺使硅衬底1表面平整。
94.参照图6，通过步骤s2031和步骤s2032两个步骤，分别通过两个不 同精度的工艺
去除多余的玻璃和硅，从而能够有效地提高硅衬底1表面的 精度形成平整面5，使在平整面5上制出的氮化铝压电谐振器件具有较好的 性能和精度。
95.通过采用步骤s201、步骤s202以及步骤s203的方式，先将高硼硅玻 璃3阳极键合在硅衬底1的上表面，然后在高温下使玻璃软化，又在高压 环境中使高硼硅玻璃3填充回流槽2形成释放保护层4，而后利用机械研磨 工艺分别去除硅衬底1圆片上下两面多余的玻璃和硅，直至硅衬底1圆片 上表面露出回流槽2中的高硼硅玻璃3，再通过化学机械抛光工艺使表面平 整，至此完成高硼硅玻璃材质的释放保护层4的制备。该方式与其他方式 相比，如采用玻璃粉末填充至硅凹槽的方法，本发明中所采用的在真空高 温高压环境下的回流工艺能够使玻璃充分填满回流槽2，而在高温下烧结玻 璃粉末自然冷却形成玻璃体的工艺难以实现有效充分的填充，在自然降温 的过程中可能会出现孔隙从而产生较大的结构应力，该工艺的成品率较低。
96.通过上述的步骤，至此完成了硅衬底结构的制备，在该制备方法中， 其通过在硅衬底上表面刻蚀形成凹陷形的回流槽，并在回流槽中采用高硼 硅玻璃形成释放保护层，使得在温度发生变化的时候，产生的热应力较低， 以避免制备氮化铝压电谐振器件时由于温度发生变化产生的较大热应力引 起器件结构的变形或断裂从而导致器件性能下降的情况，同时通过高硼硅 玻璃形成的释放保护层能够很好地在释放硅衬底的时候将释放范围限制在 释放保护层内，以避免硅衬底受到过度刻蚀而形成凹陷区域，导致制备出 的氮化铝压电谐振器件发生断裂或性能下降。
97.实施例二
98.图7至图13展示了本技术的一种氮化铝压电谐振器件的制备方法的流 程图及各流程中的氮化铝压电谐振器件的结构。
99.采用上述实施例一中的步骤s101至步骤s102制备得出硅衬底结构。
100.参照图7，展示了氮化铝压电谐振器件的制备方法的流程图，步骤包括
101.步骤s103：在硅衬底结构上生长种子层6。
102.结合参照图9，在该步骤s103中，生长应理解为硅外延生长工艺，其 具体可以包括真空淀积、溅射、升华、化学气象淀积等，该种子层6是金 属种子层6，具体为氮化铝种子层6，其作用在于能够既有利于后续的压电 层8的c轴晶向生长，又可以避免后续在对压电层8进行刻蚀的时候底电 极7受到腐蚀。由于硅衬底1的上表面平整，为平整面5，因此生长形成的 氮化铝种子层6能很好地在硅衬底1的上表面，生长形成的氮化铝种子层6 具体的厚度可以为100nm。
103.步骤s104：在种子层6上生长第一金属层刻蚀形成底电极7。
104.在该步骤中的底电极7应理解为氮化铝压电谐振器件上与顶电极9相 对的电极，具体地，底电极7可以制备成底部梳指电极、底部叉指电极或 底部平板电极，三种结构样式均能够实现氮化铝压电谐振器件的制备。
105.继续结合参照图9，在该步骤s104中，第一金属层的生长工艺具体可 以采用溅射的方式，第一金属层具体可采用钼，即可以在生长形成的氮化 铝种子层6上采用磁控溅射技术生长一层钼，并刻蚀形成底电极7，其可以 根据实际情况选择。刻蚀后的底电极7淀积在氮化铝种子层6上，溅射形 成的底电极7的厚度具体可以为200nm，且存在角度为10
°
～45
°
的倾角， 该倾角能使aln压电薄膜具有更好的台阶覆盖性并且有益于优质aln压电 薄
膜的生长，避免了现存工艺技术中存在的aln压电薄膜覆盖性差、生长 质量较差以及台阶处应力大等缺陷。
106.步骤s105：在底电极7上淀积压电层8。
107.结合参照图10，在该步骤s105中，压电层8生长在第一金属层上，即 生长在底电极7上。压电层8具体为氮化铝薄膜，在该步骤s105中，为在 底电极7上淀积一层氮化铝作为压电薄膜，形成压电层8，具体形成的压电 层8厚度可以为1μm。
108.步骤s106：在压电层8上生长第二金属层并刻蚀形成顶电极9。
109.继续结合参照图10，在该步骤s106中，在压电层8上生长的第二金属 层与在种子层6上生长的第一金属层相似，第二金属层亦可以采用钼，具 体在压电层8上生长一层钼，并刻蚀形成顶电极9。
110.步骤s107：刻蚀压电层8形成贯穿压电层8的开孔10，并制作金属焊 盘11。
111.结合参照图11和图12，在该步骤s107中，刻蚀形成的开孔10需要贯 穿压电层8直至底电极7，制作的金属焊盘11分别连接顶电极9和底电极 7。至此，完成了压电谐振器件部分的制作。
112.结合参照图8，具体在步骤s107中，具体可以实现为
113.步骤s301：刻蚀压电层8形成贯穿压电层8的开孔10；
114.步骤s302：溅射铝作为金属焊盘11的材料；
115.步骤s303：剥离形成金属焊盘11。
116.在步骤s301中，需要注意的是，在刻蚀形成开孔10的时候，要保证 作为底电极7的钼不能被消耗。
117.由此，可以通过上述的步骤s301至步骤s303形成贯穿压电层8并连 通底电极7和顶电极9的金属焊盘11。
118.步骤s108：在释放保护层4的范围内对应的压电层8上刻蚀形成贯穿 压电层8形和种子层6的释放孔12。
119.结合参照图13，在该步骤s108中，需要对压电层8再次进行刻蚀，从 而形成露出硅衬底1上被释放保护层4包围的部分的释放孔12，以通过释 放孔12对硅衬底1进行释放，形成悬空结构。
120.步骤s109：通过释放孔12释放位于释放保护层4包围的范围内的硅衬 底1形成释放腔13。
121.继续结合参照图13，在该步骤s109中，在释放硅衬底1的时候，具体 可以采用xef2，以形成释放腔13，释放腔13具体深度可以为1100nm。由 于有高硼硅玻璃形成的释放保护层4，因此在释放硅衬底1的时候可以有效 将xef2气体对硅衬底的释放限制在释放保护层4包围形成的区域内。
122.该制备方法还可以包括
123.步骤s110：采用反应离子刻蚀工艺去除光刻胶。
124.通过最后的步骤s110将刻蚀工艺残留的光刻胶去除，进而完成全部的 氮化铝压电谐振器件的制备，制备得的氮化铝压电谐振器件的具体结构参 照图14至图16所示(图中未示意出金属焊盘11)。
125.为验证本发明提供的氮化铝压电谐振器件的制备方法具有较低热应力， 在此通
过对高硼硅玻璃中的pyrex玻璃和二氧化硅在不同环境温度下的最 大热应力进行仿真，仿真中的材料参数如下表1所示。
126.表1
127.材料sisio2pyrex玻璃密度(kg/m3)232922002230热膨胀系数(1/k)2.81
×
10-6
0.5
×
10-6
3.25
×
10-6
杨氏模量(pa)1.3
×
10
11
0.7
×
10
11
0.9
×
10
11
泊松比0.280.170.2导热系数(w/(m
·
k))1311.51.13
128.通过上表1中的参数可看出，pyrex玻璃比二氧化硅更接近硅的热膨胀 系数。同时结合参照图17的内容，随着环境温度从0℃增加到300℃，本 发明中采用的pyrex玻璃与硅的最大热应力从0kpa增加到7.9kpa，而二氧 化硅与硅的最大热应力从0mpa增加到126mpa。pyrex玻璃与硅之间非常 低的热应力得益于相互匹配的热膨胀系数，而二氧化硅与硅的热应力较大 是因为二氧化硅与硅之间的热膨胀系数不匹配引起的，较大的热应力将引 起器件结构的变形或断裂从而导致器件性能的下降。
129.为进一步说明本发明中pyrex玻璃作为释放保护层4相对于二氧化硅 作为释放保护层4的优势，图18提供了二氧化硅作为释放保护层4的结构 示意图(即本技术背景技术中所述的第二种方法)，其中释放保护层4的 下方衬底选用硅衬底1而与二氧化硅接触的上方分别为两侧的氮化铝种子 层6和中间的多晶硅牺牲层，其中多晶硅会在后续的工艺中被释放从而制 成悬空结构。由于二氧化硅与硅以及氮化铝的热膨胀系数不匹配，导致在 环境温度不断变化时产生较大的热应力，较大的热应力可能会导致二氧化 硅与硅以及氮化铝接触部分发生翘曲膨胀等形变甚至断裂，影响器件的成 品率和性能。
130.采用本技术的氮化铝压电谐振器件的制备方法，其通过采用热膨胀系 数与硅的热膨胀系数非常匹配的高硼硅玻璃形成释放保护层4，使得在温度 发生变化的时候，整体器件产生的热应力较低，以避免由于温度发生变化 产生的较大热应力引起器件结构的变形或断裂从而导致器件性能下降的情 况，同时通过高硼硅玻璃形成的释放保护层4能够很好地在释放硅衬底1 的时候将释放范围限制在释放保护层4内，以避免硅衬底1受到过度刻蚀 而形成凹陷区域，导致器件断裂或性能下降。
131.实施例三
132.图6示意性地展示了本发明一实施方式的硅衬底结构。该硅衬底结构 采用上述实施例一中的硅衬底结构制备方法制得。
133.采用本技术的硅衬底结构，其通过在硅衬底上形成凹陷形的、采用高 硼硅玻璃形成的释放保护层，使得在温度发生变化的时候，产生的热应力 较低，以避免在制备氮化铝压电谐振器件时由于温度发生变化产生的较大 热应力引起器件结构的变形或断裂从而导致器件性能下降的情况，同时通 过高硼硅玻璃形成的释放保护层能够很好地在释放硅衬底的时候将释放范 围限制在释放保护层内，以避免硅衬底受到过度刻蚀而形成凹陷区域，导 致制备出的氮化铝压电谐振器件发生断裂或性能下降。
134.实施例四
135.图14至图16示意性地展示了本发明一实施方式的氮化铝压电谐振器 件的结构。
该氮化铝压电谐振器件，采用上述实施例二中的氮化铝压电谐 振器件的制备方法制得。
136.由此，通过上述的氮化铝压电谐振器件的制备方法制得的氮化铝压电 谐振器件，由于其压电谐振器件结构的主体部分悬空设置，因而其能够具 有很好的谐振器性能，同时由于其采用高硼硅玻璃作为释放保护层4，高硼 硅玻璃和硅的热膨胀系数匹配，因而可以避免在制备的时候由于温度发生 变化产生较大的热应力引起器件结构的变形或断裂从而导致器件性能下降 的情况，并且能够很好地在制备该器件时释放硅衬底1的时候将释放范围 限制在释放保护层4内，以避免硅衬底1受到过度刻蚀而形成凹陷区域， 导致器件断裂或性能下降，保证了制备的产品的高质量和高精度。
137.实施例五
138.参照图13至图16，根据本发明的又一个方面，提供了一种氮化铝压电 谐振器件，包括
139.硅衬底1，
140.设置于硅衬底1上的采用高硼硅玻璃材料形成的释放保护层4，释放保 护层4限定有释放腔13；和
141.设置于硅衬底1上的压电谐振结构，压电谐振结构的至少一部分设置 在释放腔13上方。
142.具体地，高硼硅玻璃材料应理解为热膨胀系数与硅的热膨胀系数相近 的，且具有良好的气密性、稳定性以及机械强度的材料，在本实施例中， 具体采用高硼硅玻璃中的pyrex玻璃材料形成释放保护层。参照图15和图 16，释放保护层4为在硅衬底1的上表面上向下延伸的层结构，释放保护 层4的首尾相连，以形成方形的区域，释放腔13为设置在该方形的区域内 的腔体结构。硅衬底1具体采用电阻率为5000～10000ω*cm的高阻硅材料， 尺寸为6英尺，厚度为500～600μm，释放保护层4在硅衬底1上设置的深 度为300～400μm，释放腔13的具体深度可以为1100nm。
143.参照图13，压电谐振结构包括两部分，一部分设置在释放腔13的上方， 以形成悬空的结构，另一部分设置在硅衬底1上没有设置释放腔13的位置 处，以对悬空的结构部分进行支撑，通过悬空的空腔型的谐振器能够有效 提高谐振器性能。
144.具体地，参照图16，压电谐振结构包括设置在硅衬底1上表面的种子 层6、设置在种子层6上的底电极7、设置在底电极7上的压电层8、设置 在压电层8上表面的顶电极9以及贯穿压电层8且与底电极7相连的金属 焊盘11。种子层6具体为氮化铝种子层6，在硅衬底1的上表面生长形成， 其厚度为100nm；底电极7具体为在氮化铝种子层6上采用磁控溅射技术 生长一层钼并刻蚀形成，其厚度为200nm，且存在角度为10
°
～45
°
的倾角， 底电极7具体可以为底部电极或底部平板；压电层8具体为在种子层6和 底电极7上淀积形成氮化铝压电薄膜，其厚度为1μm；顶电极9为在压电 层8上采用磁控溅射技术生长一层钼并刻蚀形成，其厚度为200nm；金属 焊盘11具体为溅射在贯穿压电层8的开孔10上形成的，金属焊盘11与底 电极7相连，从而可通过与金属焊盘11相连以实现与底电极7相连。
145.其中，底电极7的至少一部分和顶电极9设置在释放腔13上方，以将 压电谐振结构的主要部分设置在释放腔13上方，使该部分悬空，以提高谐 振器性能。具体地，参照图14和图15，压电谐振结构上可设置有间隔槽以 将设置在释放腔13上方的部分与设置在硅衬底1上的部分间隔开，间隔槽 可由在制备过程中刻蚀的释放孔延长形成，释放孔12可对称地在
压电层8 上设置有两个，以金留出两端用于连接压电谐振结构两个部分的压电层8。
146.本发明提供的氮化铝压电谐振器件，由于其压电谐振器件结构的主体 部分悬空设置，因而其能够具有很好的谐振器性能，同时由于其采用高硼 硅玻璃作为释放保护层4，高硼硅玻璃和硅的热膨胀系数匹配，因而可以避 免在制备的时候由于温度发生变化产生较大的热应力引起器件结构的变形 或断裂从而导致器件性能下降的情况，并且能够很好地在制备该器件时释 放硅衬底1的时候将释放限制在被释放保护层4围住的范围内，以避免硅 衬底1受到过度刻蚀而形成凹陷区域，导致器件断裂或性能下降，达到高 质量和高精度的标准。
147.以上所述的仅是本发明的一些实施方式。对于本领域的普通技术人员 来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出若干变形和改进， 这些都属于本发明的保护范围。