一种采用应力控制获得空腔结构的薄膜体声波器件及其制备方法

1.本发明属于谐振器技术领域，具有涉及一种采用应力控制获得空腔结构的薄膜体声波器件及其制备方法。


背景技术：

2.随着移动通讯技术的快速发展，高频段谐振器和滤波器的市场需求越来越大。而薄膜体声波谐振器(fbar)与传统的微波陶瓷谐振器器和声表面波谐振器相比具有体积小、损耗低、品质因子高、功率容量大、谐振频率高等优点，因此在相关领域尤其是高频通讯方面有着广阔的应用前景，成为了产业界和学术界的研究热门。
3.滤波器性能等级是由其优质因素(factor of merit)决定，其定义为fom＝q*k2eff,其中q为品质因子，它描述振荡器或谐振器的振动衰减，表征谐振器相对其中心频率的带宽，与fbar器件结构及工艺整合相关，目前最先进的fbar滤波器q因子已可达2500至5000。k2eff称为有效耦合系数，与压电薄膜材料性质有关的属性。
4.薄膜体声波谐振器(fbar)工作所需的空腔制备是一道非常关键的工艺，目前传统制备方式为先在衬底刻蚀空腔，然后用可被释放的材料填充空腔，再通过cmp工艺进行处理，使得空腔内的填充物与衬底表面平齐，之后在cmp处理后的衬底上依次沉积第一电极，压电层，第二电极，再刻蚀通孔，最后通过释放牺牲层，形成薄膜体声波谐振器(fbar)工作所需的空腔。
5.专利号为202111442142.x的中国专利公开了一种空腔薄膜体声波谐振器，包括第一衬底、键合层、不透明介质层、压电振荡堆和金属pad层；其中，第一衬底上形成键合层，键合层上形成不透明介质层，不透明介质层上形成压电振荡堆，不透明介质层与压电振荡堆之间具有空腔，金属pad层与压电振荡堆相连。该谐振器表面粗糙度较低，同时该薄膜各区域厚度能够被较为方便和准确的测量。该专利还公开了一种空腔薄膜体声波谐振器的制备方法。
6.专利号为202010923553.x的中国专利公开了一种空腔型薄膜体声波谐振器封装结构及其制备方法，该结构包括：衬底、基板、压电振荡堆和金属键合层，所述压电振荡堆和金属键合层位于衬底与基板之间，且金属键合层绕设于压电振荡堆四周，是由设于衬底和基板上的金属柱交叉键合形成，在压电振荡堆与衬底之间具有第一空腔，是通过直接刻蚀或腐蚀衬底形成，在压电振荡堆与基板之间具有第二空腔，是通过释放牺牲层形成；所述压电振荡堆包括下电极、压电层和上电极。该结构由特定处理后的衬底部分及基板部分通过金属柱直接交叉键合，再释放牺牲层而制得。
7.但上述专利受牺牲层因素影响，压电层的制备工艺存在一定的限制，压电层薄膜质量优化存在上限。


技术实现要素：

8.本发明提供了一种采用应力控制获得空腔结构的薄膜体声波器件的制备方法，该方法能够有效解决传统工艺中牺牲层移除困难的问题，通过较为简单的工艺制备出满足性能要求的空腔薄膜体声波器件。
9.一种采用应力控制获得空腔结构的薄膜体声波器件的制备方法，包括：
10.(1)在衬底上形成自然氧化层，在自然氧化层上设定有效区域，在有效区域内分别形成压电种子层和牺牲层，压电种子层上形成第一电极，牺牲层位于压电种子层两侧或环绕压电种子层，其中，牺牲层的高度不低于压电种子层和第一电极的高度和，去除有效区域以外的自然氧化层以暴露衬底；
11.(2)在暴露的衬底，牺牲层和第一电极的表面上沉积内应力为600-1500mpa的压电薄膜，在压电薄膜上沉积第二电极，在第二电极上沉积第一金属pad层，在压电薄膜上刻蚀金属pad填充孔至第一电极，通过金属pad填充孔在第一电极上沉积第二金属pad层，在压电薄膜上刻蚀牺牲层释放孔；
12.(3)向牺牲层释放孔加入腐蚀液用于去除有效区域内的牺牲层和自然氧化层，使得有效区域内的压电薄膜在内应力的作用下发生形变导致压电种子层与硅衬底分离形成空腔进而得到空腔薄膜体声波器件。
13.衬底为衬底为硅、碳化硅、蓝宝石、陶瓷中的一种或任意组合。
14.自然氧化层的处理工艺为对衬底进行热氧化处理得到的，厚度为10-50nm。
15.压电种子层为氮化铝，厚度为10-100nm。压电种子层可以提电极的膜层质量，并防止电极氧化。
16.第一电极为钼、金、铂、铜、铝、银、钛、钨或镍中的一种或其任意组合。
17.第一电极的厚度为50-400nm，横向宽度为60-400μm。
18.牺牲层为非晶硅、多晶硅、氮化硅、有机物、磷酸玻璃或掺杂氧化硅。
19.牺牲层的厚度为50-500nm，横向宽度为5-30μm
20.牺牲层紧挨第一电极或部分保留在第一电极上。
21.第一电极和牺牲层均通过等离子体刻蚀或湿法腐蚀方法进行图案化。
22.压电薄膜为氮化铝、掺杂氮化铝、氧化锌、镍酸锂或锆钛酸铅。
23.压电薄膜的厚度为0.3-2μm。
24.压电薄膜的沉积方法，包括：
25.ar/n2气体流量为10-50/50-150sccm，生长温度为200-300℃，腔室压力为2-4mt,target/rf power为5000-6000/120-200w,生长速率为1-5nm/min。
26.第二电极为钼、金、铂、铜、铝、银、钛、钨或镍中的一种或其任意组合。
27.第二电极的厚度为100-300μm，横向宽度为50-300μm。
28.第二电极通过等离子体刻蚀、湿法腐蚀方法或lift-off进行图案化。
29.通过等离子体刻蚀或湿法腐蚀方法在压电薄膜上形成金属pad填充孔和牺牲层释放孔。
30.第一金属pad层和第二金属pad层均为钼、金、铂、铜、铝、银、钛、钨、镍中的一种或其任意组合。
31.第一金属pad层和第二金属pad层的厚度均为200-4000nm，通过lift-off的方式进
行图案化，第一金属pad层不与第二电极相连。
32.空腔深度为50-2000nm，横向宽度为50-250μm，空腔横向宽度大于第一电极横向宽度。
33.本发明还提供了采用应力控制获得空腔结构的薄膜体声波器件的制备方法制备得到的空腔薄膜体声波器件，空腔薄膜体声波器件，在空腔薄膜体声波器件上设定有效区域，包括：
34.衬底；
35.压电振荡堆，在有效区域内，压电震荡堆与衬底之间形成空腔，在有效区域外，压电震荡堆位于衬底上；以及
36.金属pad层，位于压电震荡堆上。
37.压电振荡堆，包括：
38.第一金属pad层，位于压电薄膜上，通过压电薄膜内部的金属pad填充孔与第一电极连接；
39.第二金属pad层，位于第二电极上；
40.第二电极，位于压电薄膜上；
41.压电薄膜，在有效区域内，压电薄膜与衬底形成空腔，在有效区域外，压电薄膜位于衬底上；
42.第一电极，在空腔内，位于压电种子层和压电薄膜之间；以及
43.压电种子层，在空腔内，压电种子层上沉积第一电极，压电种子层与衬底分离。
44.与现有技术相比，本发明的有益效果为：
45.本发明通过在有效区域内释放牺牲层和自然氧化层，使得压电薄膜能够通过自身应力发生形变，将压电种子层与衬底分离形成空腔，简化了制备流程，降低了生成成本的同时能够提升器件制备的效率，实现产能的提升。
46.在释放牺牲层和自然氧化层之前去除有效区域外的自然氧化层，使得在有效区域内释放牺牲层和自然氧化层过程中，有效区域外的压电薄膜与衬底不会被剥离；并且在压电薄膜内设定金属pad填充孔以释放该区域内的应力从而在形成空腔的同时避免了第一电极与压电薄膜的脱离，并结合设定合适的压电薄膜的内应力使得压电薄膜变形过程中避免与第一电极剥离，以及自身的破裂，基于上述原因能够成功制备空腔薄膜体声波器件。
附图说明
47.图1为具体实施方式提供的制备自然氧化层的截面图，其中，100为衬底，101为自然氧化层；
48.图2为具体实施方式提供的制备第一电极的截面图，其中，102为压电种子层，103为第一电极；
49.图3为具体实施方式提供的制备牺牲层的截面图，其中，104为牺牲层；
50.图4为具体实施方式提供的生长压电薄膜的截面图，其中，105为压电薄膜；
51.图5为具体实施方式提供的生长第二电极的截面图，其中，106为第二电极；
52.图6为具体实施方式提供的压电薄膜通孔刻蚀的截面图，其中，107为第一电极pad沉积通孔，107-1为释放孔，虚线代表该截面下不可视；
53.图7为具体实施方式提供的生长金属pad的截面图，其中，108为与第一电极连接的金属pad，108-1为与第二电极连接的金属pad，虚线代表该截面下不可视；
54.图8为具体实施方式制备的空腔的截面图，其中，104-1为形成的空腔；
55.图9为具体实施方式制备的薄膜体声波谐振器(fbar)实际解剖图；
56.图10为具体实施方式制备的薄膜体声波谐振器(fbar)实际测试阻抗曲线图；
57.图11为具体实施方式制备的薄膜体声波谐振器(fbar)实际测试q值曲线图。
具体实施方式
58.本实施例提供了一种薄膜体声波谐振器(fbar)的制备方法，具体步骤如下：
59.(1)对硅衬底100使用spm溶液超声清洗，硅衬底取向为c(001)。
60.(2)如图1所示，对清洗后的衬底100进行热氧处理，使得衬底100表面形成一层10nm左右的自然氧化层101。
61.(3)如图2所示，采用热蒸发或磁控溅射等方法在经过热氧处理的衬底100上沉积30nm的aln种子层102及160nm的金属钼，并图案化形成第一电极103，第一电极的横向宽度为260μm，第一电极区域外的aln种子层102采用稀释的koh溶液腐蚀去除。
62.(4)如图3所示，采用pecvd方式沉积一层200nm的sio2作为牺牲层，并图案化形成牺牲层104，牺牲层104的横向宽度为10μm，此处牺牲层起到垫片的作用，紧挨第一电极103或部分保留在第一电极103上，该步可以同时将牺牲层104图案外区域的自然氧化层101去除。
63.(4)如图4所示，沉积压电薄膜105前，需采用稀释的hf溶液去除衬底表面的氧化硅膜层，然后采用磁控溅射或mocvd的方法在步骤(3)制备的结构上沉积600nm的aln薄膜105，aln薄膜的的生长工艺为ar/n2气体流量为20/100sccm，生长温度为200℃，腔室压力为3.4mt，target/rf power为6000/160w,生长速率大约6nm/min，生长后的膜层应力须控制在600-1500mpa，膜层应力的控制是非常关键的参数，应力过小无法在牺牲层腐蚀后发生形变形成空腔，应力过大则存在牺牲层腐蚀后，膜层形变太大，导致膜层破裂的情况。
64.(5)如图5所示，采用热蒸发或磁控溅射等方法在压电层105上沉积170nm的金属钼，并图案化形成第二电极106，第二电极的横向宽度为200μm，通常情况下还会沉积一层约100nm的金属保护层，图中未画出。
65.(6)如图6所示，采用湿法腐蚀或干法刻蚀的工艺在压电层105上形成通孔107及107-1，其中107为金属pad填充孔，107-1为牺牲层释放孔，107通孔下端与第一电极103相连，107-1通孔下端与牺牲层104相连。通孔刻蚀工艺为rf功率800/300w，腔室压力为7mt，刻蚀气体bcl3/cl2流量为120/20sccm，刻蚀速率约100nm/min。
66.(7)如图7所示，采用热蒸发或磁控溅射等方法在压电层105，填充孔107及第二电极106上沉积400nm金，并通过lift-off工艺图案化形成金属pad108，108-1，通常情况下还会在沉积金属pad108之前沉积一层约10nm的粘附层，以增加金属pad与电极的粘附性，图中未画出。金属pad108不与第二电极106相连。
67.(8)如图8所示，采用稀释boe浸泡腐蚀的方式通过牺牲层释放孔107-1去除牺牲层104及部分在种子层102下的衬底热氧形成的氧化层101。因受膜层应力的影响，器件有效区膜层发生形变，压电种子层102与衬底分离，形成fbar器件工作需要的空腔104-1，因其他位
置在沉积压电层前已经采用稀释的hf溶液去除衬底表面的氧化硅膜层，故不会出现整个器件因为应力影响与衬底脱离，金属pad108也因压电层被刻蚀的，应力释放的原因，不会出现明显与衬底脱离的情况，制得的空腔型薄膜体声波器件如图9所示。如图10所示，采用本发明制备的baw器件实测阻抗数据，如图11所示，采用本发明制备的baw器件实测频质因子在2500左右。
68.其中，100为支撑器件的衬底，材料可以是硅,碳化硅，蓝宝石，陶瓷等中的一种或其任意组合。
69.101为衬底100经热氧处理后在表面形成的一层10nm左右的自然氧化层。
70.102为生长在氧化层101上的种子层，材料一般为氮化铝，厚度为10-100nm。
71.103为沉积在种子层102上的第一电极，材料可以为钼，金,铂，铜,铝,银,钛,钨，镍中的一种或其任意组合，厚度为50-400nm，并通过等离子体刻蚀，湿法腐蚀等方法形成设计的图案，第一电极102的横向宽度为60-400μm。
72.104为沉积在氧化层101上的牺牲层，材料可以是非晶硅，多晶硅，氮化硅，有机物，磷酸玻璃，掺杂氧化硅等，厚度为50-500nm，并通过等离子体刻蚀，湿法腐蚀等方法图案化，牺牲层104的横向宽度为10μm，此处牺牲层起到垫片的作用，须紧挨第一电极103或部分保留在第一电极103上。
73.105为沉积衬底100，牺牲层104，第一电极103上的压电薄膜，材料可以为氮化铝，掺杂氮化铝，氧化锌，镍酸锂，锆钛酸铅等，厚度为0.3-2μm，膜层应力控制在600-1500mpa。
74.106为沉积在压电层105上的第二电极，材料可以为钼，金,铂，铜,铝,银,钛,钨，镍中的一种或其任意组合，厚度为500-500nm，并通过等离子体刻蚀，湿法腐蚀，lift-off等方法形成设计的图案，第二电极105的横向宽度为50-300μm。
75.107，107-1为压电层105通过等离子体刻蚀，湿法腐蚀等方法形成的金属pad填充孔及牺牲层释放孔。
76.108为沉积在压电层105，填充孔107上的金属pad,108-1为沉积在第二电极106上的金属pad，金属pad材料可以为钼，金,铂，铜,铝,银,钛,钨，镍中的一种或其任意组合，厚度为200-4000nm，并通过lift-off的方式图案化，pad108不与第二电极106相连。
77.fbar器件工作所需的空腔104-1是通过膜层应力使得器件有效区膜层发生形变，种子层102与衬底分离形成，形变形成的空腔深度为50-2000nm。
78.本发明通过利用压电薄膜自身应力导致膜层形变来形成薄膜体声波谐振器工作所需的空腔，这一形成空腔的方法尚未有相关报道，目前利用该项技术成功制备出了薄膜体声波谐振器，并进行了相应测试，器件测试q因子在2500左右。可以证明利用压电薄膜自身应力导致膜层形变来形成薄膜体声波谐振器工作所需的空腔的方式是可行的，且这项技术可以应用在更为先进的压电薄膜制备工艺中，以提升压电薄膜质量，进而优化器件性能。该项技术甚至能够应用到单晶薄膜体声波谐振器(fbar)器件制备中。