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一种高性能薄膜声波谐振器及其制备方法

阅读:751发布:2020-05-08

专利汇可以提供一种高性能薄膜声波谐振器及其制备方法专利检索,专利查询,专利分析的服务。并且本 发明 涉及 谐振器 技术,具体涉及一种高性能 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、空腔、压电堆叠结构以及压电材料周围部分;压电堆叠结构 自下而上 依次为 种子 层、下 电极 、压电材料有效区域和上电极;压电材料有效区域悬浮于空腔上方,且压电材料有效区域面积小于空腔面积,其上、下表面分别与上、下电极一端连接,上、下电极另一端与压电材料周围部分连接;下电极与 种子层 连接,且下电极与种子层的大小、形状相同。该谐振器工作时,压电材料内部传播的声波在边缘被空气反射,且压电堆叠结构仅由上、下电极和种子层与压电材料周围部分连接的部分束缚,因此能够更加自由的振动,减少杂散模式的产生,进而提高谐振器的性能。,下面是一种高性能薄膜声波谐振器及其制备方法专利的具体信息内容。

1.一种高性能薄膜声波谐振器,其特征是,包括衬底、空腔、压电堆叠结构以及压电材料周围部分;压电堆叠结构自下而上依次为种子层、下电极、压电材料有效区域和上电极;压电材料有效区域悬浮于空腔上方,且压电材料有效区域截面积小于空腔截面积,其上、下表面分别与上、下电极一端连接,上、下电极另一端与压电材料周围部分连接;下电极与种子层连接,且下电极与种子层的大小、形状相同。
2.如权利要求1所述的高性能薄膜体声波谐振器,其特征是,种子层和下电极的一端为五边形或多边形,另一端为自五边形或多边形的一边延展至衬底边缘处的四边形,且五边形或多边形截面积小于空腔截面积;压电材料有效区域的截面形状与下电极一端的五边形或多边形相同;上电极的一端与压电材料有效区域的截面形状相同,并与压电材料有效区域连接,另一端是自种子层和下电极的延展边对面的一边延展至衬底边缘处的四边形。
3.如权利要求1所述的高性能薄膜体声波谐振器,其特征是,衬底为衬底或SOI衬底;
种子层为AlN、ScAlN、AlON、SiO2、Si3N4或SiC;电极材料为Mo、Al、Pt或Au;压电材料为AlN、ScAlN、YAlN、PZT、LiNbO3或LiTaO3。
4.如权利要求1-3任一项权利要求所述高性能薄膜体声波谐振器的制备方法,其特征是,包括以下步骤:
步骤1、在衬底上刻蚀出空腔;
步骤2、沉积牺牲层,使牺牲层填满空腔,并刨除多余的牺牲层;
步骤3、依次沉积并刻蚀种子层、下电极,形成所需要的形状;
步骤4、沉积压电材料,并刻蚀成所需要的形状,形成压电材料有效区域和压电材料周围部分;
步骤5、沉积牺牲层,使牺牲层填充刻蚀压电材料后形成的间隙,并刨除多余的牺牲层;
步骤6、沉积上电极,并刻蚀形成所需要的形状;
步骤7、通入腐蚀性气体,释放掉步骤2和步骤5中所沉积的牺牲层,在衬底中形成空腔,从而形成薄膜体声波谐振器。
5.如权利要求4所述的高性能薄膜体声波谐振器的制备方法,其特征是,牺牲层材料为SiO2、SiN、PSG或BPSG;腐蚀性气体为VHF或XeF2。

说明书全文

一种高性能薄膜声波谐振器及其制备方法

技术领域

[0001] 本发明属于谐振器技术领域,尤其涉及一种高性能薄膜体声波谐振器及其制备方法。

背景技术

[0002] 无线通信技术正在迅猛地发展,尤其是5G通讯技术的应用使得通信协议越来越复杂,使用的频段越来越高,对射频器件提出了高度集成、低功耗、高性能的要求。MEMS射频器件在通信领域发挥着极其重要的作用。其中,声表面波谐振器和薄膜体声波谐振器凭借其特有的优势,在主流市场中占据主导地位。声表面波谐振器工艺简单,制作成熟,但是由于光刻极限和压电材料声速的限制,很难达到2.5GHz以上的频率,并且其自身结构中存在反射栅,相比较而言体积庞大,不能与IC工艺兼容,不利于微型化发展;薄膜体声波谐振器具有高谐振频率、CMOS工艺兼容、高品质因子、低损耗、低温度系数和高的功率承载能等特性,逐渐取代声表面波谐振器成为市场主流。
[0003] 薄膜体声波谐振器理想的工作原理为在上下电极上施加射频电信号,利用压电材料的压电效应,产生纵向模式的振动,从而在上下电极和压电材料构成的三明治结构中产生纵向传播的声信号,声信号在三明治结构中振荡再通过压电效应转化为电信号输出,只有与压电材料谐振频率匹配的射频信号才能通过薄膜体声波谐振器的传输,从而实现滤波的功能。理想状态下谐振器中产生纵向振动,事实上由于制备的压电材料内部可能存在缺陷或者不是完全的C轴取向,谐振器在纵向振动的同时也产生横向振动,而横向振动会造成声波能量的损耗,同时带来杂波的影响,造成薄膜体声波谐振器性能的下降。
[0004] 薄膜体声波谐振器的性能对滤波器的性能影响很大,越来越复杂的通信协议对滤波器的性能提出了更高的要求,提高薄膜体声波谐振器的性能相当关键。要提高谐振器的性能,主要在于减少横向振动带来的杂波。现有减少横向振动带来杂波影响的技术方案为通过制备任何两边都不平行的电极,使得横向传播的声波在电极边缘被多次反射,减小横向传播声波带来的能量损失,同时横向传播的声波波长远离纵向传播的声波波长,可以减小杂波在谐振器频率波段的影响,从而提高薄膜体声波谐振器的性能。但是此方法只增加横向传播声波在电极上的反射,对于压电材料内部横向传播的声波影响不大,不能有效减小压电材料内部横向传播声波的影响。

发明内容

[0005] 本发明的目的是提供一种高性能薄膜体声波谐振器及其制备方法。
[0006] 为实现上述目的,本发明采用的技术方案是:一种高性能薄膜体声波谐振器,包括衬底、空腔、压电堆叠结构以及压电材料周围部分;压电堆叠结构自下而上依次为种子层、下电极、压电材料有效区域和上电极;压电材料有效区域悬浮于空腔上方,且压电材料有效区域截面积小于空腔截面积,其上、下表面分别与上、下电极一端连接,上、下电极另一端与压电材料周围部分连接;下电极与种子层连接,且下电极与种子层的大小、形状相同。
[0007] 在上述的高性能薄膜体声波谐振器中,种子层和下电极的一端为五边形或多边形,另一端为自五边形或多边形的一边延展至衬底边缘处的四边形,且五边形或多边形截面积小于空腔截面积;压电材料有效区域的截面形状与下电极一端的五边形或多边形相同;上电极的一端与压电材料有效区域的截面形状相同,并与压电材料有效区域连接,另一端是自种子层和下电极的延展边对面的一边延展至衬底边缘处的四边形。
[0008] 在上述的高性能薄膜体声波谐振器中,衬底为衬底或SOI衬底;种子层为AlN、ScAlN、AlON、SiO2、Si3N4或SiC;电极材料为Mo、Al、Pt或Au;压电材料为AlN、ScAlN、YAlN、PZT、LiNbO3或LiTaO3。
[0009] 一种高性能薄膜体声波谐振器的制备方法,包括以下步骤:
[0010] 步骤1、在衬底上刻蚀出空腔;
[0011] 步骤2、沉积牺牲层,使牺牲层填满空腔,并刨除多余的牺牲层;
[0012] 步骤3、依次沉积并刻蚀种子层、下电极,形成所需要的形状;
[0013] 步骤4、沉积压电材料,并刻蚀成所需要的形状,形成压电材料有效区域和压电材料周围部分;
[0014] 步骤5、沉积牺牲层,使牺牲层填充刻蚀压电材料后形成的间隙,并刨除多余的牺牲层;
[0015] 步骤6、沉积上电极,并刻蚀形成所需要的形状;
[0016] 步骤7、通入腐蚀性气体,释放掉步骤2和步骤5中所沉积的牺牲层,在衬底中形成空腔,从而形成薄膜体声波谐振器。
[0017] 在上述的高性能薄膜体声波谐振器的制备方法中,牺牲层材料为SiO2、SiN、PSG或BPSG;腐蚀性气体为VHF或XeF2。
[0018] 本发明的有益效果:本发明提出的高性能薄膜体声波谐振器,通过将压电材料刻蚀成压电材料有效区域和压电材料周围部分,使压电材料有效区域整体悬浮于空腔上方,仅通过上、下电极和种子层与压电材料周围部分连接。谐振器工作时,压电材料内部传播的声波在边缘被空气反射,且压电堆叠结构仅由上、下电极和种子层与压电材料周围部分连接的部分束缚,因此能够更加自由的振动,减少杂散模式的产生,从而提高谐振器的性能。附图说明
[0019] 图1(a)为本发明一个实施例高性能薄膜体声波谐振器沿AA’方向的侧剖示意图;
[0020] 图1(b)本发明一个实施例高性能薄膜体声波谐振器俯视图;
[0021] 图2为本发明一个实施例高性能薄膜体声波谐振器的压电堆叠结构的立体图;
[0022] 图3(a)为本发明一个实施例高性能薄膜体声波谐振器制备过程步骤1沿AA’方向的侧剖示意图;
[0023] 图3(b)为本发明一个实施例高性能薄膜体声波谐振器制备过程步骤1的俯视图;
[0024] 图4(a)为本发明一个实施例高性能薄膜体声波谐振器制备过程步骤2沿AA’方向的侧剖示意图;
[0025] 图4(b)为本发明一个实施例高性能薄膜体声波谐振器制备过程步骤2的俯视图;
[0026] 图5(a)为本发明一个实施例高性能薄膜体声波谐振器制备过程步骤3沿AA’方向的侧剖示意图;
[0027] 图5(b)为本发明一个实施例高性能薄膜体声波谐振器制备过程步骤3的俯视图;
[0028] 图6(a)为本发明一个实施例高性能薄膜体声波谐振器制备过程步骤4沿AA’方向的侧剖示意图;
[0029] 图6(b)为本发明一个实施例高性能薄膜体声波谐振器制备过程步骤4的俯视图;
[0030] 图7(a)为本发明一个实施例高性能薄膜体声波谐振器制备过程步骤5沿AA’方向的侧剖示意图;
[0031] 图7(b)为本发明一个实施例高性能薄膜体声波谐振器制备过程步骤5的俯视图;
[0032] 图8(a)为本发明一个实施例高性能薄膜体声波谐振器制备过程步骤6沿AA’方向的侧剖示意图;
[0033] 图8(b)为本发明一个实施例高性能薄膜体声波谐振器制备过程步骤6的俯视图;
[0034] 图9(a)为本发明一个实施例高性能薄膜体声波谐振器制备过程步骤7沿AA’方向的侧剖示意图;
[0035] 图9(b)为本发明一个实施例高性能薄膜体声波谐振器制备过程步骤7的俯视图;
[0036] 其中,100-衬底,101-空腔,102-牺牲层,103-种子层,104-下电极,105-压电材料周围部分,106-压电材料有效区域,107-上电极。

具体实施方式

[0037] 下面结合附图对本发明的实施方式进行详细描述。
[0038] 本实施例提供一种高性能薄膜体声波谐振器,包括衬底、空腔、压电堆叠结构以及压电材料周围部分;压电堆叠结构从下而上依次为种子层、下电极、压电材料有效区域和上电极;压电材料有效区域周围全部刻蚀掉,整个悬浮于空腔上方,通过上、下电极与压电材料周围部分连接;压电材料有效区域的面积小于空腔面积。
[0039] 种子层和下电极的一端为五边形或多边形,另一端为自五边形或多边形的一边延展至衬底边缘处的四边形,且五边形或多边形截面积小于空腔截面积;压电材料有效区域的截面形状与下电极一端的五边形或多边形相同;上电极的一端与压电材料有效区域的截面形状相同,并与压电材料有效区域连接,另一端是自种子层和下电极的延展边对面的一边延展至衬底边缘处的四边形。
[0040] 衬底包括硅衬底或SOI衬底;种子层包括AlN、ScAlN、AlON、SiO2、Si3N4或SiC;电极材料包括Mo、Al、Pt或Au;压电材料包括AlN、ScAlN、YAlN、PZT、LiNbO3或LiTaO3。
[0041] 本实施例还提供了一种高性能薄膜体声波谐振器的制备方法,包括步骤:
[0042] S1,在衬底上刻蚀出空腔;
[0043] S2,沉积牺牲层,并刨除多余的牺牲层,使得牺牲层刚好填满空腔;
[0044] S3,依次沉积并刻蚀种子层、下电极,形成所需要的形状;
[0045] S4,沉积压电材料,并刻蚀,形成所需要的形状;
[0046] S5,沉积牺牲层,并刨除多余的牺牲层,使得牺牲层刚好填满S4中所形成的间隙;
[0047] S6,沉积上电极,并刻蚀,形成所需要的形状;
[0048] S7,通入腐蚀性气体,释放掉S2和S5中的牺牲层,从而在衬底中形成空腔,形成薄膜体声波谐振器。
[0049] 牺牲层材料为化硅(SiO2),氮化硅(SiN),磷硅酸玻璃(PSG),磷玻璃(BPSG);腐蚀性气体为VHF(氢氟酸气体)或XeF2(二氟化氙)。
[0050] 具体实施时,图1(a)是一种高性能薄膜体声波谐振器沿着AA’方向侧剖的示意图,图1(b)是一种高性能薄膜体声波谐振器的俯视图。图2为本实施例高性能薄膜体声波谐振器的压电堆叠结构的三维图。薄膜体声波谐振器从下而上依次为衬底100、空腔101、种子层103、下电极104、压电材料周围部分105、压电材料有效区域106、上电极107。压电堆叠结构从下而上依次为种子层103、下电极104、压电材料有效区域106、上电极107。压电材料有效区域106周围全部刻蚀掉,整个悬浮于空腔101上方,通过上、下电极与压电材料周围部分
105连接。压电材料有效区域106小于空腔101的面积。
[0051] 并且,上、下电极107、104和种子层103均只有某一端与压电材料周围部分105连接。
[0052] 并且,下电极104和种子层103的形状一样。
[0053] 并且,种子层103和下电极104一端为五边形或多边形,另一端为自五边形或多边形的一边延展至衬底边缘处的四边形,且五边形或多边形截面积小于空腔截面积;压电材料有效区域106的截面形状与下电极104端的五边形或多边形相同;上电极107的一端与压电材料有效区域106的截面形状相同,并与压电材料有效区域106连接,另一端是自种子层103和下电极104的延展边对面的一边延展至衬底100边缘处的四边形。
[0054] 并且,衬底100包括硅衬底或SOI衬底;种子层103包括AlN、ScAlN、AlON、SiO2、Si3N4或SiC;电极材料包括Mo、Al、Pt或Au;压电材料包括AlN、ScAlN、YAlN、PZT、LiNbO3或LiTaO3。
[0055] 一种高性能薄膜体声波谐振器的制备方法,具体如下:
[0056] 一、如图3(a)、图3(b)所示,在衬底100上刻蚀出空腔101;其空腔101截面可为五边形或多边形;
[0057] 二、如图4(a)、图4(b)所示,沉积牺牲层102,并刨除多余的牺牲层,使得牺牲层102刚好填满空腔101;
[0058] 三、如图5(a)、图5(b)所示,依次沉积并刻蚀种子层103、下电极层104,形成所需要的形状;种子层103与下电极层104形状相同,一端为五边形或多边形,另一端为自五边形或多边形的一边延展至衬底边缘处的四边形,且五边形或多边形截面积小于空腔截面积;
[0059] 四、如图6(a)、图6(b)所示,沉积压电材料105,并刻蚀出压电材料有效区域106和压电材料周围部分105;压电材料有效区域106截面形状与下电极104一端的五边形或多边形相同;
[0060] 五、如图7(a)、图7(b)所示,沉积牺牲层102,并刨除多余的牺牲层,使得牺牲层102刚好填满步骤四中所形成压电材料有效区域106和压电材料周围部分105的间隙;
[0061] 六、如图8(a)、图8(b)所示,沉积上电极107,并刻蚀,形成所需要的形状;上电极107的一端与压电材料有效区域106的截面形状相同,另一端是自种子层103和下电极104的延展边对面的一边延展至衬底100边缘处的四边形。
[0062] 七、如图9(a)、图9(b)所示,通入腐蚀性气体,释放掉步骤二和步骤五中的牺牲层102,从而在衬底中形成空腔101,形成薄膜体声波谐振器。
[0063] 并且,所述牺牲层材料为二氧化硅(SiO2),氮化硅(SiN),磷硅酸玻璃(PSG),硼磷玻璃(BPSG);腐蚀性气体为VHF(氢氟酸气体)或XeF2(二氟化氙)。
[0064] 应当理解的是,本说明书未详细阐述的部分均属于现有技术
[0065] 虽然以上结合附图描述了本发明的具体实施方式,但是本领域普通技术人员应当理解,这些仅是举例说明,可以对这些实施方式做出多种变形修改,而不背离本发明的原理和实质。本发明的范围仅由所附权利要求书限定。
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