專利名稱：可調諧的預設空腔型soi基片薄膜體聲波諧振器的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種薄膜體聲諧振器，特別涉及一種頻率可調諧的薄膜體聲波諧振器。
背景技術：
薄膜體聲波諧振器(FBAF)是一種利用聲學諧振實現電學選頻的器件，FBAF常見的結構是由若干個薄膜體聲波諧振器(FBAR)單元經過電學級聯構成。FBAR的基本工作原理為當電信號加載到FBAR上時，器件中的壓電薄膜通過逆壓電效應將電信號轉變為聲信號，器件特定的聲學結構對不同頻率的聲信號呈現出選擇性，實現頻率調控的功能。快速發展的無線通訊技術(如移動通訊、無線傳感網絡)和雷達技術需要越來越多的高性能集成微波振蕩器和雙工諧振器，它們分別被用于信號源和射頻前端的收發器中。 傳統的射頻諧振器主要有介質諧振器和聲表面諧振器。介質諧振器雖具有插入損耗低，功率容量大的優點，但其缺點是體積過大，無法實現小型化設計。與介質諧振器相比，聲表面諧振器可做得較小，但其受光刻工藝的限制，同時在高頻率下難以承受高功率，且插損大。 最新發展起來的薄膜體聲波諧振器技術可滿足小型化和集成化設計的要求，且與傳統諧振器相比，FBAF具有工作頻率高、溫度系數小、功率容量大、損耗低、體積小、可大批量生產、成本低且與半導體工藝兼容而可被集成于RFIC或MMIC中，被認為是最佳的CHz頻率器件解決方案，可工作在500MHz到30GHz的頻段內，在通訊和雷達方面具有很大的應用潛力，為將射頻諧振器集成到芯片內開辟了新的途徑。FBAR作為FBAF的基本單元，是FBAF性能形成的關鍵，迄今為止，實現FBAR有背腔薄膜型、空腔型和聲學多反射層型諧振器三種，FBAR換能器的主要結構是金屬電極-壓電薄膜-金屬電極構成的三明治結構，其中空腔型FBAR已經得到商業應用。世界上能生產FBAF及其相關產品的公司主要集中在美國和日本等發達國家，其中以美國Avago公司和日本的Fujitsu公司為典型代表。美國Avago公司是世界上最早制作出FBAR，也是世界上生產商用FBAF、雙工器等產品技術最成熟的公司，其專利及其相關產品中采用的就是空腔型FBAR結構。空腔是FBAR性能形成的關鍵，制作方法相當復雜，其專利(US6060818， US6377137,US20050088257A1)中提到需要經過在硅片上淺槽刻蝕、在槽內填充犧牲層、CMP (化學機械拋光)拋光犧牲層以及最后犧牲層釋放等關鍵工序，其關鍵工序容易存在以下難點(1)犧牲層較厚，厚度有數個微米，用鍍膜的方式填充容易在鍍膜過程中形成殘余應力，對下一步犧牲層CMP拋光和犧牲層的釋放造成影響；(2)在整個硅片表面(特別是大尺寸硅片)CMP拋除幾個微米的犧牲層工藝非常復雜，精度也較難控制，對CMP設備精度和工藝人員的技術水平的要求相當高；(3)犧牲層的釋放工藝也較復雜，考慮到犧牲層的體積和尺寸，釋放所需時間較長，如果釋放不完全，不能形成一個完整的空腔，就會造成器件失效，如果釋放時間較長，犧牲層釋放刻蝕液對換能器又會造成某種程度上的損傷；(4)在犧牲層釋放過程中，空腔中還可能會出現粘連現象，直接影響了器件的成品率；(5)其五邊形電極容易在邊角處形成應力集中，這在US20080169885A1中已經得到證實。[0005]日本Fujitsu公司生產的FBAF產品結構比較多樣，從其公司申請的相關專利來看，其FBAR的結構形式大致分兩類背腔薄膜型(US7323953B2，US20080169885A1)和空腔型(US20100060384A1，US20100060385A1, US7345402B2 等)，其中背腔型需要刻穿整個硅片厚度以形成腔體結構；最近他們提出的空腔型FBAR及其產品(US20100060384A1， US20100060385A1等)，提到一種薄的犧牲層工藝以及在鍍壓電薄膜過程中對壓電薄膜進行應力控制技術，使壓電層及其電極在犧牲層釋放后拱起，從而形成一個拱形空腔; US20080169885A1中提出一種可調頻式FBAF，通過在頂電極上放置金屬點陣質量塊調節單個FBAR的諧振頻率，達到調節FBAF頻率的目的。Fu jitsu公司生產的FBAF產品存在以下難點(1)背腔型FBAR需要刻穿整個硅片厚度，對結構可靠性造成一定的影響；(2)拱形空腔對鍍膜過程中的應力控制技術要求極高，不容易掌握；(3)在犧牲層釋放過程中，犧牲層四周特別是上下表面全部被電極和硅片包圍，全部釋放出需時較長，犧牲層釋放刻蝕液對換能器會造成某種程度上的損傷；(4)犧牲層邊緣的臺階不夠平滑，壓電層及其電極的膜厚在此處發生畸變，會造成應力集中現象并導致換能器的斷裂，并且在臺階處影響了 AlN (002)統一晶向的形成；(5)其可調式FBAF需要額外增加點陣質量塊，增加了工藝過程。FBAR器件的諧振頻率由其厚度確定，其厚度必須準確控制，以便具有期望的諧振器響應，但在FBAR器件加工過程中，容易出現加工偏差，使得加工后的諧振頻率通常不同于目標值，諧振頻率誤差往往可使用激光微調技術來校正，在該技術中將激光朝向諧振器， 并且對諧振器去除或添加材料，由此將諧振器的諧振頻率“調諧”到期望目標頻率。然而， 由于諧振器大小非常小，所以傳統的激光微調技術不是可行的方案。在FBAR電極形狀設計方面，美國Avago公司FBAR (US7561009B2)采用多邊形電極來抑制寄生振動模式，但日本Fujitsu公司在專利US20080169885A1中提出五邊形電極容易在邊角處形成應力集中；日本Fujitsu公司采用橢圓形(US2008(^84543)或橢圓環型 (US20080169885A1)型電極來改善FBAR的電性能；在諧振器電極形狀方面，本專利申請人 Yang等(Yang et al, Applied Physics Letters, 2008; Yang et al, IEEE UFFC, 2009; CN101257^7)提出近似橢圓形電極有助于增強諧振器的能陷行為，抑制寄生振動，提高器件的Q值。因此急需一種具有調頻功能，同時綜合SOI材料所具有的優點，能與IC兼容，易于集成，工藝簡單，適合批量生產的薄膜體聲波諧振器。
實用新型內容有鑒于此，為了解決上述問題，本實用新型提出一種具有調頻功能，同時綜合SOI 材料所具有的優點，能與IC兼容，易于集成，工藝簡單，適合批量生產的薄膜體聲波諧振
O本實用新型的目的是提出一種可調諧的預設空腔型SOI基片薄膜體聲波諧振器。本實用新型的目的是通過以下技術方案來實現的本實用新型提供的可調諧的預設空腔型SOI基片薄膜體聲波諧振器，包括預設空腔型的SOI基片和設置在SOI基片上的換能器，所述換能器包括底電極、頂電極和設置在底電極與頂電極之間的壓電薄膜，所述底電極與SOI基片相結合，所述底電極、頂電極和壓電薄膜的疊加區域與預設空腔相對，所述底電極靠預設空腔一側設置有SOI調諧層。[0013]進一步，所述SOI基片設置有襯底硅和頂層硅，所述襯底硅上設置有與頂層硅形成預設空腔的溝槽，所述溝槽深度為0. 5微米到200微米，所述SOI調諧層的厚度小于頂層硅的厚度。進一步，所述SOI基片設置有襯底硅和頂層硅，所述襯底硅和頂層硅之間設置第一二氧化硅層，所述第一二氧化硅層上設有溝槽，所述溝槽與頂層硅形成預設空腔。進一步，所述換能器上設置有使腐蝕液或腐蝕氣體注入預設空腔的刻蝕窗口。進一步，所述頂電極為近似橢圓形電極。進一步，所述壓電薄膜為AlN或ZnO材質的壓電薄膜，厚度介于0. 01微米至10微米，所述底電極或頂電極為高聲阻抗材質的電極，所述底電極和頂電極厚度分別為0.01微米至2. 5微米。本實用新型的優點在于本實用新型采用一種帶空腔SOI (絕緣體硅)基片，所述帶空腔SOI基片采用鍵合減薄法工藝制作，SOI基片中的襯底硅片表面設置溝槽，鍵合后與頂層硅(器件硅層)形成封閉的空腔結構，頂層硅上表面為一光滑平面，無臺階，因此上部壓電薄膜以及鍍在壓電薄膜上下表面的薄電極構成的換能器可以采用平面工藝制作，不會出現如現有工藝中出現的由犧牲層臺階造成換能器在臺階處應力集中并造成斷裂的情況；采用在帶空腔SOI基片中有預設的溝槽構成空腔，無需犧牲層技術，因此無需現有工藝中的填充犧牲層、犧牲層CMP拋光以及犧牲層釋放等工藝，在簡化工藝步驟的同時，避免了犧牲層 CMP拋光、犧牲層釋放時間長、犧牲層臺階的不平滑造成的應力集中現象以及犧牲層釋放時間對換能器造成的損害等問題；另外，由于本實用新型采用SOI基片，由此制作出的FBAR綜合了 SOI材料所具有的源、漏寄生電容小和低電壓低功耗等優點，能與IC兼容，且易于集成。本實用新型的其它優點、目標和特征在某種程度上將在隨后的說明書中進行闡述，并且在某種程度上，基于對下文的考察研究對本領域技術人員而言將是顯而易見的，或者可以從本實用新型的實踐中得到教導。本實用新型的目標和其它優點可以通過下面的說明書，權利要求書，以及附圖中所特別指出的結構來實現和獲得。
為了使本實用新型的目的、技術方案和優點更加清楚，下面將結合附圖對本實用新型作進一步的詳細描述，其中圖1為本實用新型實施例1的切面結構示意圖；圖2為本實用新型實施例2的切面結構示意圖；圖3為本實用新型的制作方法工藝步驟示意圖。圖中標號所代表的名稱為1為第二二氧化硅層，2為襯底硅，3為第一二氧化硅層，4為溝槽，5為頂層硅，6為第三二氧化硅層，7為無溝槽SOI基片，8為預設空腔，9為底電極，10為壓電薄膜，11為頂電極，12為刻蝕窗口，13為SOI調諧層。
具體實施方式
以下將結合附圖，對本實用新型的優選實施例進行詳細的描述；應當理解，優選實施例僅為了說明本實用新型，而不是為了限制本實用新型的保護范圍。[0026]圖1為本實用新型實施例1的切面結構示意圖，如圖所示，本實用新型提供的可調諧的預設空腔型SOI基片薄膜體聲波諧振器，包括預設空腔型8的SOI基片和設置在SOI基片上的換能器，所述換能器包括底電極9、頂電極11和設置在底電極9與頂電極11之間的壓電薄膜10，所述底電極9與SOI基片相結合，所述底電極9、頂電極11和壓電薄膜10的疊加區域與預設空腔8相對，所述底電極9靠預設空腔8 一側設置有SOI調諧層13。作為上述實施例的進一步改進，所述SOI基片設置有襯底硅2和頂層硅5，所述襯底硅2上設置有與頂層硅5形成預設空腔8的溝槽4，所述溝槽4深度為0. 5微米到200微米，所述SOI調諧層13的厚度小于頂層硅5的厚度。圖2為本實用新型實施例2的切面結構示意圖，如圖所示，與圖1的區別僅在于 所述襯底硅2和頂層硅5之間設置需要通過熱氧化形成的第一二氧化硅層3，所述第一二氧化硅層3上設有溝槽，所述溝槽與頂層硅5形成預設空腔8，該第一二氧化硅層3厚度是數個微米的二氧化硅，因此不需要在襯底硅的上進行刻蝕溝槽。作為上述實施例的進一步改進，所述SOI基片設置有襯底硅2和頂層硅5，所述襯底硅2和頂層硅5之間設置第一二氧化硅層3，所述第一二氧化硅層3上設有溝槽4，所述溝槽4與頂層硅5形成預設空腔8，所述襯底硅2與第一二氧化硅層3的對應面還可設置有第二二氧化硅層1，所述頂層硅5與底電極之間還可設置有第三二氧化硅層6。作為上述實施例的進一步改進，所述換能器上設置有使腐蝕液或腐蝕氣體注入預設空腔8的刻蝕窗口 12。作為上述實施例的進一步改進，所述頂電極11為近似橢圓形電極。作為上述實施例的進一步改進，所述壓電薄膜10為AlN或ZnO材質的壓電薄膜， 厚度介于0. 01微米至10微米，所述底電極9或頂電極11為高聲阻抗材質的電極，所述底電極9和頂電極11厚度分別為0. 01微米至2. 5微米。圖3為本實用新型的制作方法工藝步驟示意圖；3(a)、3(b)、3(C)、3(d)、3(e)、 3(f),3(g),3(h)為本實用新型中可調諧的諧振器制作方法過程；如圖所示，本實用新型提供的可調諧的預設空腔型SOI基片薄膜體聲波諧振器的制作方法，包括以下步驟(a)在襯底硅的上下表面覆蓋二氧化硅層，并以二氧化硅層為掩模板在襯底硅的上表面刻蝕出溝槽；(b)通過鍵合工藝形成一片無溝槽SOI基片7 ；(c)將(a)中的襯底硅帶溝槽的一側與(b)中無溝槽SOI基片的頂層硅鍵合，形成預設空腔；(d)將無溝槽SOI基片進行初步機械減薄，然后通過化學腐蝕將無溝槽絕緣體硅層全部除去，完成頂層硅由無溝槽SOI基片向有溝槽SOI基片的轉移；(e)鍍上底電極并對底電極進行刻蝕；(f)在底電極上依次鍍上壓電薄膜和頂電極，并進行刻蝕；(g)在空腔上方的換能器上刻蝕出腐蝕窗口，使腐蝕液或腐蝕氣體能進入空腔內；(h)將腐蝕液或腐蝕氣體經腐蝕窗口注入空腔中，通過控制腐蝕時間來控制殘留的空腔上部的頂層硅厚度，形成一個空腔結構，腐蝕液經腐蝕窗口進入空腔中，通過控制腐蝕時間將空腔上部的頂層硅減薄或全部去除，也可以選擇干法刻蝕或反應離子刻蝕方式腐蝕空腔上部的頂層硅，由于薄膜體聲波諧振器FBAR的諧振頻率與其換能器厚度有關，因此改變預設空腔上部的頂層硅的厚度可以調整薄膜體聲波諧振器FBAR的諧振頻率。作為上述實施例的進一步改進，所述步驟(a)包括以下步驟(al)將襯底硅片經熱氧化在表面形成一層二氧化硅SW2膜，在二氧化硅SW2膜上刻蝕出圓形、橢圓形、方形或多邊形的圖案作為襯底硅片掩模板，圖案尺寸在幾十微米到數百微米之間；(a2)在襯底硅片上刻蝕溝槽。作為上述實施例的進一步改進，所述步驟(h)中的腐蝕液采用HF-HNO3溶液、KOH 溶液或TMAH四甲基氫氧化銨溶液，若采用干法刻蝕，腐蝕氣體采用XeF2氣體。作為上述實施例的進一步改進，所述步驟(a)至(h)中的SOI基片上的頂層硅可用水晶或熔融石英材料代替。以上所述僅為本實用新型的優選實施例，并不用于限制本實用新型，顯然，本領域的技術人員可以對本實用新型進行各種改動和變型而不脫離本實用新型的精神和范圍。這樣，倘若本實用新型的這些修改和變型屬于本實用新型權利要求及其等同技術的范圍之內，則本實用新型也意圖包含這些改動和變型在內。
權利要求1.可調諧的預設空腔型SOI基片薄膜體聲波諧振器，其特征在于包括預設空腔型(8) 的SOI基片和設置在SOI基片上的換能器，所述換能器包括底電極(9)、頂電極(11)和設置在底電極(9)與頂電極(11)之間的壓電薄膜(10)，所述底電極(9)與SOI基片相結合，所述底電極(9)、頂電極(11)和壓電薄膜(10)的疊加區域與預設空腔(8)相對，所述底電極 (9)靠預設空腔(8) 一側設置有SOI調諧層(13)。
2.根據權利要求1所述的可調諧的預設空腔型SOI基片薄膜體聲波諧振器，其特征在于所述SOI基片設置有襯底硅( 和頂層硅(5)，所述襯底硅( 上設置有與頂層硅(5) 形成預設空腔⑶的溝槽，所述溝槽⑷深度為0. 5微米到200微米，所述SOI調諧層 (13)的厚度小于頂層硅(5)的厚度。
3.根據權利要求1所述的可調諧的預設空腔型SOI基片薄膜體聲波諧振器，其特征在于所述襯底硅( 和頂層硅( 之間設置第一二氧化硅層(3)，所述第一二氧化硅層(3) 上設有溝槽G)，所述溝槽(4)與頂層硅( 形成預設空腔(8)。
4.根據權利要求1-3任一項所述的可調諧的預設空腔型SOI基片薄膜體聲波諧振器，其特征在于所述換能器上設置有使腐蝕液或腐蝕氣體注入預設空腔(8)的刻蝕窗口 (12)。
5.根據權利要求4所述的可調諧的預設空腔型SOI基片薄膜體聲波諧振器，其特征在于所述頂電極(11)為近似橢圓形電極。
6.根據權利要求5所述的可調諧的預設空腔型SOI基片薄膜體聲波諧振器，其特征在于所述壓電薄膜(10)為AlN或ZnO材質的壓電薄膜，厚度介于0. 01微米至10微米，所述底電極(9)或頂電極(11)為高聲阻抗材質的電極，所述底電極(9)和頂電極(11)厚度分別為0.01微米至2. 5微米。
專利摘要本實用新型公開了一種可調諧的預設空腔型SOI基片薄膜體聲波諧振器，涉及一種頻率可調諧的諧振器，包括帶空腔SOI基片和設置其上的壓電薄膜換能器，諧振器包括壓電薄膜、底電極和頂電極，底電極靠預設空腔一側設置有SOI調諧層，通過控制腐蝕時間控制SOI調諧層的厚度，帶空腔SOI基片中的襯底硅片表面設置溝槽，鍵合后襯底硅片與頂層硅形成封閉的空腔結構；由于采用預設的空腔結構，本實用新型無犧牲層，無需國外專利及其產品中處理犧牲層采用的化學機械拋光工藝和犧牲層釋放工藝，同時本實用新型綜合了SOI材料所具有的源、漏寄生電容小和低電壓低功耗等優點，本實用新型能與IC兼容，易于集成，工藝簡單，適合批量生產。
文檔編號H03H3/02GK202019344SQ20112006924
公開日2011年10月26日 申請日期2011年3月16日 優先權日2010年11月1日
發明者傅金橋, 冷俊林, 周勇, 張龍, 楊增濤, 楊正兵, 趙建華, 陳小兵, 陳運祥, 馬晉毅 申請人:中國電子科技集團公司第二十六研究所