CN112260659B

CN112260659B - 一种高q值薄膜体声波谐振器及其制备方法

Info

Publication number: CN112260659B
Application number: CN202011152721.6A
Authority: CN
Inventors: 孙成亮; 曲远航; 谷曦宇; 高超; 邹杨; 温志伟; 杨超翔; 龙开祥
Original assignee: Wuhan University WHU
Current assignee: Wuhan Memsonics Technologies Co Ltd
Priority date: 2020-10-26
Filing date: 2020-10-26
Publication date: 2022-02-01
Anticipated expiration: 2040-10-26
Also published as: CN112260659A

Abstract

本发明涉及体声波谐振器技术，具体涉及一种高Q值薄膜体声波谐振器及其制备方法，该薄膜体声波谐振器包括衬底，还包括位于衬底上部的多个支撑柱，位于多个支撑柱上部的压电叠层区域，该压电叠层区域通过多个支撑柱支撑于空气中，压电叠层区域包括上电极、压电层和底电极。该谐振器通过支撑柱使谐振器的工作区域处于开放的空气域中，减少了谐振区域与衬底的接触面积，使谐振器的边界变形更加自由，通过支撑柱可以使顶电极和底电极边界处于开放的空气域中更好地反射声波，有效减少声波的泄露，提高谐振器的Q值。

Description

一种高Q值薄膜体声波谐振器及其制备方法

技术领域

本发明属于体声波谐振器技术领域，尤其涉及一种高Q值薄膜体声波谐振器及其制备方法。

背景技术

随着无线通讯技术的迅猛发展，无线信号变得越来越拥挤，对工作在射频区域的滤波器提出了集成化、微型化、低功耗、高性能、低成本等新的要求。传统的表面声波滤波器因为频率及承受功率等的限制，将越来越无法达到这样的标准。薄膜体声波滤波器(FBAR)采用体声波作为信号传输媒介，相对于其他滤波器其功率容量大大提高，工作频率更高、Q值方面性能优异、具有CMOS工艺兼容、低损耗、低温度系数的特性逐渐成为射频滤波器研究的热点。

如图1所示为传统的薄膜体声波谐振器的截面图，传统的薄膜体声波谐振器在硅衬底1上刻蚀一定形状的空腔5，然后再沉积底电极4、压电层6和上电极7。谐振器工作时，向谐振器的上电极7和底电极4施加交变电压，压电层会上下振动并形成声波，但是由于谐振器的横向尺寸有限，产生的声波不能被很好的限制在谐振区域，部分声波通过边界泄漏至非有效区域并进入基底，导致谐振器的Q值降低，Q值是体声波谐振器的一项重要指标，会影响谐振器的滚降特性和带内插损。

因此，如何限制声波并防止声波泄露，提高谐振器的Q值，成为目前体声波谐振器领域需要解决的技术问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种能有效提高体声波谐振器Q值的高Q值薄膜体声波谐振器。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：一种高Q值薄膜体声波谐振器，包括衬底，还包括位于衬底上部的多个支撑柱，位于多个支撑柱上部的压电叠层区域，该压电叠层区域通过多个支撑柱支撑于空气中，压电叠层区域包括上电极、压电层和底电极。

在上述高Q值薄膜体声波谐振器中，支撑柱的截面形状为任意形状；支撑柱为单层结构或多种不同材料的叠层结构。

在上述高Q值薄膜体声波谐振器中，支撑柱选用相同材料或者不同材料；支撑柱的材料选用硅、氧化硅、碳化硅或氮化硅。

在上述高Q值薄膜体声波谐振器中，压电叠层区域的形状为任意形状。

在上述高Q值薄膜体声波谐振器中，支撑柱分别位于压电叠层区域的各顶点处、各边中点处或各边的任意位置，或任意曲线边界处的任意位置，且支撑柱数量不限。

在上述高Q值薄膜体声波谐振器中，底电极和上电极为金属电极，选用金属Mo、Al作为金属电极；上电极和底电极通过刻蚀工艺进行图案化，图案形状均不限定。

在上述高Q值薄膜体声波谐振器中，压电层材料选用PZT、ALN、ZnO压电薄膜。

在上述高Q值薄膜体声波谐振器中，衬底为单层或多层衬底；衬底选用硅、蓝宝石衬底或者SOI衬底。

一种高Q值薄膜体声波谐振器制备方法，该制备方法选用多层衬底，从下至上依次为衬底底层、衬底中间层和衬底顶层；包括以下步骤：

S1、在衬底顶层上刻蚀支撑柱槽；

S2、在衬底顶层沉积支撑柱层；

S3、抛除多余的支撑柱层；

S4、在衬底顶层和支撑柱层上沉积压电叠层区域；

S5、通过释放腐蚀液或腐蚀气体，腐蚀衬底顶层，从而形成开放的空腔，获得高Q值薄膜体声波谐振器。

在上述高Q值薄膜体声波谐振器制备方法中，步骤4所述沉积压电叠层区域包括依次沉积底电极，压电层和上电极。

与现有技术相比，本发明的有益效果：通过支撑柱使谐振器的工作区域处于开放的空气域中，减少了谐振区域与衬底的接触面积，使谐振器的边界变形更加自由，通过支撑柱可以使顶电极和底电极边界处于开放的空气域中更好地反射声波，有效减少声波的泄露，提高谐振器的Q值。

附图说明

图1是传统薄膜体声波谐振器截面图；

图2是本发明一个实施例高Q值薄膜体声波谐振器的截面示意图；

图3是本发明一个实施例以支撑柱截面为矩形的高Q值薄膜体声波谐振器的三维视图；

图4是本发明一个实施例以支撑柱截面为圆形的高Q值薄膜体声波谐振器的三维视图；

图5是本发明一个实施例支撑柱位于各边中点处的高Q值薄膜体声波谐振器的三维视图；

图6是本发明一个实施例高Q值薄膜体声波谐振器的阻抗图；

图7是本发明实施例图2～图5所示的高Q值薄膜体声波谐振器的工艺步骤一示意图；

图8是本发明实施例图2～图5所示的高Q值薄膜体声波谐振器的工艺步骤二示意图；

图9是本发明实施例图2～图5所示的高Q值薄膜体声波谐振器的工艺步骤三示意图；

图10是本发明实施例图2～图5所示的高Q值薄膜体声波谐振器的工艺步骤四示意图；

图11是本发明实施例图2～图5所示的高Q值薄膜体声波谐振器的工艺步骤五示意图；

图12是本发明实施例图2～图5所示的高Q值薄膜体声波谐振器的工艺步骤六示意图；

图13是本发明实施例图2～图5所示的高Q值薄膜体声波谐振器的工艺步骤七示意图；

图14是本发明实施例图2～图5所示的高Q值薄膜体声波谐振器的工艺步骤八示意图；

其中，1-衬底底层，2-衬底中间层，3-支撑柱，4-底电极，5-空腔，6-压电层，7-上电极；8-三层衬底，9-第一支撑柱，10-第二支撑柱，11-第三支撑柱，12-第四支撑柱，13-第五支撑柱；14-衬底顶层，15-支撑柱槽，16-支撑柱层。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

下面结合具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为本发明的限定。

图1是传统的薄膜体声波谐振器结构的截面示意图，包括衬底1，底电极4，开放的空腔5，压电层6，上电极7。谐振器工作时，在上电极7和底电极4施加交变电压，压电薄膜由于压电效应会产生上下震动并形成声波。

本实施例是通过以下技术方案来实现的，一种高Q值薄膜体声波谐振器，包括衬底，位于衬底上部设置有多个支撑柱，位于多个支撑柱上部设置有压电叠层区域，压电叠层区域包括上电极、压电层和底电极，该压电叠层区域通过多个支撑柱支撑于空气中使其上下表面处于空气中形成良好的反射条件。

本实施例通过垂直支撑使压电薄膜区域处于开放的空腔中，同时也减小了压电工作区域与衬底的接触面积，减小了声波泄露，提高了谐振器的Q值。

该压电叠层区域在支撑柱上使谐振器的工作区域上下表面处于空气中形成反射层；将支撑柱设置在谐振器工作区域各顶点位置，谐振器的边界变形更加自由，通过支撑柱可以使上电极和底电极边界处于开放的空气域中，能更好地反射声波，提高FBAR器件的Q值。

并且，薄膜体声波谐振器的各支撑柱截面形状可以为多边形，圆形，椭圆形等任意形状。

并且，薄膜体声波谐振器的压电叠层区域的形状可以为椭圆形，四边形和五边形等任意形状。

并且，薄膜体声波谐振器的各个支撑柱的材料可以相同或者不相同。

并且，薄膜体声波谐振器的支撑柱可以为单层结构，也可以为多种不同材料的叠层结构。

并且，薄膜体声波谐振器的支撑柱的材料可以为硅、氧化硅和氮化硅等各种起支撑作用的材料

并且，薄膜体声波谐振器的支撑柱可以位于任意多边形压电叠层区域的各顶点处，各边中点处和各边的任意位置，支撑柱可以位于圆形，椭圆形等任意曲线形状压电叠层区域的边界处的任意位置，且支撑柱数量不限。

并且，衬底可以是单层衬底也可以是多层衬底，多层衬底从下至上依次是衬底底层，衬底中间层，衬底顶层。衬底中间层主要起保护作用，保护衬底底层不被腐蚀。

本实施例还提供高Q值薄膜体声波谐振器的制备方法,包括以下步骤：

S110在衬底的衬底顶层上刻蚀支撑柱槽，衬底从下至上依次是衬底底层、衬底中间层和衬底顶层。

S120在衬底顶层沉积支撑柱层。

S130抛除多余的支撑柱层，使沉积的支撑柱层刚好填满支撑柱槽。

S140在衬底顶层和支撑柱层上沉积压电堆叠结构。

S150通过释放腐蚀液或腐蚀气体，腐蚀衬底顶层，从而形成开放的空腔，获得高Q值薄膜体声波谐振器。

具体实施时，如图2所示，一种高Q值薄膜体声波谐振器，包括衬底底层1，衬底中间层2，支撑柱3，底电极4，开放的空腔5，压电层6，上电极7。通过垂直支撑使压电薄膜区域处于开放的空腔中，同时也减小了压电工作区域与衬底的接触面积，减小了声波泄露，提高了谐振器的Q值。

如图3所示起垂直支撑作用的四边形支撑柱第一、第二、第三、第四、第五支撑柱9、10、11、12、13分别位于五边形各顶点处。如图4所示第一、第二、第三、第四、第五支撑柱9、10、11、12、13的形状也可以为圆形。如图5所示起支撑作用的第一、第二、第三、第四、第五支撑柱9、10、11、12、13也可以位于五边形各边的中点处。

使用的衬底可以是硅衬底、蓝宝石衬底或者SOI衬底，本实施例以SOI衬底为例进行说明。

支撑柱3的材料可以是Si、SiO₂、Si₃N₄、SiC等任意起支撑作用的材料，本实施例以SiO₂为例进行说明。

支撑柱3可以是四边形、五边形、圆形等任意形状本实施例以四边形为例进行说明。

支撑柱3的位置可以在各边的任意位置，本实施例以各边的顶点位置为例进行说明。

底电极4和上电极7为金属电极可以选用金属Mo、Al等作为金属电极，本实施例以Mo材料为例进行说明，上电极和底电极可以通过刻蚀工艺进行图案化，图案形状不限定。

压电层6具有压电特性，材料可以是PZT、ALN、ZnO等所有的压电薄膜，本实施例以ALN为例进行说明。

图6是根据本实施例图2、3所示的垂直支撑开放空腔型薄膜体声波滤波器得到的阻抗曲线图，根据3-dB带宽法计算其串联谐振点和并联谐振点的Q值，其中垂直支撑型FBAR的Qs为1471，Qp为871相对于传统FBAR的Qs为588，Qp为610得到了很大的提高。

图7～图14给出了图2～图5所示的高Q值薄膜体声波谐振器的制备流程，具体如下：

如图7所示，准备制备高Q值薄膜体声波谐振器所需的衬底。衬底可以是自行制备或者直接购买，本例以直接购买的SOI衬底为例。

如图8所示，在衬底顶层14上刻蚀出支撑柱槽15，用于后续制备支撑柱3。本实施例，所刻蚀的支撑柱槽15为四边形。

如图9所示，在衬底顶层沉积支撑柱层16，使沉积的支撑柱层16可以充分填满支撑主槽15。

如图10所示，对沉积的支撑柱层16表面抛光处理，使支撑柱层16刚好填满支撑柱槽15形成支撑柱3。

如图11～13所示，在衬底顶层14和支撑柱3上依次沉积底电极4，压电层6和上电极7。

如图14所示，在衬底顶层14释放腐蚀液或者腐蚀性气体，腐蚀衬底顶层14，形成开放的空腔5从而获得高Q值薄膜体声波谐振器。

以上仅为本发明较佳的实施例，并非因此限制本发明的实施方式及保护范围，对于本领域技术人员而言，应当能够意识到凡运用本发明说明书内容所作出的等同替换和显而易见的变化所得到的方案，均应当包含在本发明的保护范围内。

Claims

1.一种高Q值薄膜体声波谐振器，其特征是，包括衬底，还包括位于衬底上部的多个支撑柱，位于多个支撑柱上部的压电叠层区域，压电叠层区域包括上电极、压电层和底电极，且压电叠层区域从俯视方向看覆盖支撑柱，该压电叠层区域通过多个支撑柱支撑于空气中，通过垂直支撑使压电叠层区域处于开放的空腔中，将支撑柱设置在谐振器工作区域各顶点位置，且向外延伸，使谐振器的边界变形自由，通过支撑柱使压电叠层区域的边界处于开放的空气域中反射声波。

2.如权利要求1所述高Q值薄膜体声波谐振器，其特征是，支撑柱的截面形状为任意形状；支撑柱为单层结构或多种不同材料的叠层结构。

3.如权利要求1所述高Q值薄膜体声波谐振器，其特征是，支撑柱选用相同材料或者不同材料；支撑柱的材料选用硅、氧化硅、碳化硅或氮化硅。

4.如权利要求1所述高Q值薄膜体声波谐振器，其特征是，压电叠层区域的形状为任意形状。

5.如权利要求1所述高Q值薄膜体声波谐振器，其特征是，支撑柱分别位于谐振器工作区域的各顶点处、各边中点处或各边的任意位置，或任意曲线边界处的任意位置，且支撑柱数量不限。

6.如权利要求1所述高Q值薄膜体声波谐振器，其特征是，底电极和上电极为金属电极，选用金属Mo、Al作为金属电极；上电极和底电极通过刻蚀工艺进行图案化，图案形状均不限定。

7.如权利要求1所述高Q值薄膜体声波谐振器，其特征是，压电层材料选用PZT、ALN、ZnO压电薄膜。

8.如权利要求1所述高Q值薄膜体声波谐振器，其特征是，衬底为单层或多层衬底；衬底选用硅、蓝宝石衬底或者SOI衬底。

9.如权利要求1-8任意一项权利要求所述高Q值薄膜体声波谐振器制备方法，该制备方法选用多层衬底，从下至上依次为衬底底层、衬底中间层和衬底顶层；其特征是，包括以下步骤：

S1、在衬底顶层上刻蚀支撑柱槽，用于制备支撑柱；

S2、在衬底顶层沉积支撑柱层，使沉积的支撑柱层填满支撑柱槽；

S3、对沉积的支撑柱层表面抛光处理，使支撑柱层填满支撑柱槽形成支撑柱；

S4、在衬底顶层和支撑柱上依次沉积底电极、压电层和上电极；

S5、在衬底顶层释放腐蚀液或腐蚀气体，腐蚀衬底顶层，从而形成开放的空腔，获得高Q值薄膜体声波谐振器。