一种FBAR滤波器及其制备方法和应用

一种fbar滤波器及其制备方法和应用
技术领域
1.本发明涉及半导体器件技术领域，具体涉及一种fbar滤波器及其制备方法和应用。


背景技术：

2.全球移动通信的主流频段主要集中在0.9ghz～5.5ghz范围内，使用滤波器可以对需要的频率进行选取，使信号中特定的频率成分通过，并极大地衰减其他频率成分。随着5g网络时代的到来，智能手机和各类移动通信设备所需的工作频率不断提高，且支持的射频频带也随之增加，同时对天线和收发机尺寸的要求也更加严格。因此，为了避免不同频率信号的相互干扰和掉话现象，必须在每台通信设备中配置足够数量的滤波器将射频频段进行隔离，保证信号的准确传递和收发。然而，随着可用频谱的大面积使用，新分配频段越来越靠近已有频段，保护频段越来越窄，使得频段隔离的难度不断增加。
3.薄膜体声波谐振器(film bulk acoustic resonator，fbar)具有高频、微型化、高性能、低功耗、高功率容量等优点，且其制造工艺与ic工艺相兼容，可集成，有利于降低器件功耗和缩小器件尺寸，是目前唯一可集成的射频前端滤波器，而且被认为是3ghz以上高频段的最优解决方案。fbar滤波器主要由三部分组成：衬底、声波反射层和三明治压电振荡堆(由上下电极和夹于上下电极之间的压电薄膜构成)。当一个射频rf电压加在两电极之间时，在压电振荡堆内会产生交变电场，通过压电薄膜的逆压电效应将部分电能转化为沿薄膜厚度方向传播的体声波并在两电极之间来回反射，当体声波在压电振荡堆中的传播刚好是半波长或半波长的奇数倍时就会产生谐振，即谐振的基频波长近似等于压电振荡堆厚度的两倍。
4.目前，手机、平板、微基站、地球低轨道卫星通讯、雷达和电子战if接收机、信标和敌我识别应答机等民用和军用场合都会用到fbar滤波器，涉及的频率广泛，需要数个接收各种频率范围的fbar滤波器。然而，传统的fbar滤波器一般只在衬底的一面进行覆盖生长，衬底的面积利用率不足45％，不利于缩小fbar滤波器的体积和降低制作成本。
5.因此，开发一种衬底的面积利用率大、体积小、制作成本低的fbar滤波器具有十分重要的意义。


技术实现要素：

6.本发明的目的在于提供一种fbar滤波器及其制备方法和应用。
7.本发明所采取的技术方案是：
8.一种fbar滤波器，其组成包括多面体形的支撑衬底和设置在支撑衬底至少两个面上的至少两个体声波滤波器；所述体声波滤波器的组成包括支撑层、底电极、压电层和顶电极；所述底电极和顶电极均为图形化的电极，且分别设置在压电层的两面；所述体声波滤波器中的支撑层、压电层和底电极与支撑衬底共同构成的空腔为空气腔体。
9.优选的，所述支撑衬底选自硅衬底、蓝宝石衬底、ligao2衬底、金属单质衬底中的
一种。
10.优选的，所述支撑层选自金锡合金层、金硅合金层、镍锡合金层、铝锗合金层中的一种。
11.优选的，所述支撑层的厚度为1μm～2μm。
12.优选的，所述支撑层为图形化的支撑层。
13.优选的，所述底电极的组成成分选自al、mo、w、pt、ti、au中的至少一种。
14.优选的，所述压电层选自单晶态氮化铝层、多晶态氮化铝层、氧化锌层、锆钛酸铅层中的一种。
15.优选的，所述顶电极的组成成分选自al、mo、w、pt、ti、au中的至少一种。
16.上述fbar滤波器的制备方法包括以下步骤：
17.1)在制备衬底的两面分别沉积压电层，并进行图形化；
18.2)在压电层上通过光刻、蒸镀和剥离制备底电极，并进行图形化；
19.3)在底电极上通过光刻、蒸镀和剥离制备支撑层；
20.4)在多面体形的支撑衬底的两个面上通过光学对准技术将支撑层与支撑衬底连接固定，再将制备衬底剥离使压电层裸露出来；
21.5)在压电层上通过光刻、蒸镀和剥离制备顶电极，并进行图形化，即在支撑衬底的两个面上制备了2个体声波滤波器；
22.6)重复步骤1)～5)的操作继续在支撑衬底的其他面上制备体声波滤波器，即得fbar滤波器。
23.优选的，步骤1)所述制备衬底选自硅衬底、蓝宝石衬底、ligao2衬底、金属单质衬底中的一种。
24.优选的，步骤1)所述沉积采用有机金属化学气相沉积(mocvd)法，生长温度为850℃～950℃。
25.一种通信设备，其组成包括上述fbar滤波器。
26.本发明的有益效果是：本发明的fbar滤波器将可以接收各种频率范围的体声波滤波器集成在同一片衬底上，缩小了fbar滤波器的面积和体积，降低了fbar滤波器的制作成本，适合进行大规模推广应用。
27.本发明的fbar滤波器是通过在同一衬底的各个面上进行沉积、光刻胶、刻蚀等工艺来制作，从而将体声波滤波器集成在同一片衬底上，可以有效地缩小滤波器的面积和体积，还可以降低滤波器的制作成本，而且整个工艺相对简单(采用叠层金属支撑方法制作空腔型薄膜体声波谐振器的过程中省去了cmp工艺，且无需引入牺牲层)，设备成本低，生产效率高，易于实现。
附图说明
28.图1为实施例中的fbar滤波器的截面的结构示意图。
29.图2为实施例中的步骤3)得到的器件的结构示意图。
30.图3为实施例中的步骤5)得到的器件的结构示意图。
31.附图标识说明：1、支撑衬底；2、支撑层；3、底电极；4、压电层；5、顶电极；6、制备衬底；7、空气腔体。
具体实施方式
32.下面结合具体实施例对本发明作进一步的解释和说明。
33.实施例：
34.一种fbar滤波器(结构示意图如图1所示)，其组成包括长方体形的支撑衬底1和设置在支撑衬底1的6个面上的6个体声波滤波器；所述体声波滤波器的组成包括支撑层2、底电极3、压电层4和顶电极5；所述底电极3和顶电极5均为图形化的电极，且分别设置在压电层4的两面；所述体声波滤波器中的支撑层2、压电层4和底电极3与支撑衬底1共同构成的空腔为空气腔体7。
35.上述fbar滤波器的制备方法包括以下步骤：
36.1)在硅衬底(制备衬底)的两面通过mocvd法分别沉积取向为(002)的单晶氮化铝层(压电层)，沉积条件：三甲基铝(tma)流量为50sccm，nh3流量为3slm，ar流量为1slm，衬底温度为950℃，反应室总压强为40torr，并进行图形化；
37.2)在单晶氮化铝层表面涂覆环氧树脂，再旋涂美国安智的光刻胶az1500，前烘去除水汽，紫外光曝光5s，在显影液中浸泡50s，再通过电子束蒸发系统用纯铂坩埚蒸发沉积一层厚度为100nm的金属铂，再在丙酮中浸泡3min，剥离光刻胶上的金属，形成图形化的底电极；
38.3)在底电极上通过电子束蒸发系统用纯金坩埚和锡钨舟依次沉积厚度为300nm的金层、厚度为400nm的锡层、厚度为300nm的金层和厚度为400nm的锡层，再在丙酮中浸泡3min，剥离光刻胶上的金属，形成图形化的支撑层(器件的结构示意图如图2所示)；
39.4)在长方体形的硅衬底(支撑衬底)的2个面上通过光学对准技术贴合2个步骤3)制备的器件，器件中的支撑层与长方体形的硅衬底(支撑衬底)的面贴合，利用机械夹具固定好，再转移至可加温加压的键合机腔室中，松开夹具并对腔室抽真空，腔室压力为1000mbar，施加8500mbar压力，升温至300℃，保持10min，自然冷却至室温，再采用化学腐蚀的方法(腐蚀液中hno3、hf和ch3cooh的质量比为1:1:3)将步骤3)制备的器件中的硅衬底(制备衬底)剥离使压电层裸露出来；
40.5)在压电层表面通过电子束蒸发系统用纯铂坩埚蒸发沉积一层厚度为100nm的金属铂，再在丙酮中浸泡3min，剥离光刻胶上的金属，形成图形化的顶电极，即在硅衬底的2个面制备了2个体声波滤波器(器件的结构示意图如图3所示)；
41.6)重复步骤1)～5)的操作继续在硅衬底剩余的面上制备体声波滤波器，即得fbar滤波器。
42.本实施例的fbar滤波器在长方体形的硅衬底的6个面上集成了6个体声波滤波器，衬底的面积利用率可以达到90％以上(传统滤波器一般只在衬底一面进行覆盖生长，衬底面积利用率不足45％)，且衬底耗材用量也会下降50％以上。
43.上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。