多諧振模式的薄膜體聲波諧振器及其制備方法和濾波器的制造方法
【專利摘要】本發明公開了多諧振模式的薄膜體聲波諧振器，依次包括硅襯底和壓電堆疊結構，所述壓電堆疊結構之間的空腔形成薄膜體聲波諧振器的諧振腔；所述壓電堆疊結構由下至上依次包括底電極、兩層以上的壓電薄膜、頂電極。本發明的薄膜體聲波諧振器，具有多個諧振點，可通過級聯、橋接等方式設計出多通帶濾波器，大大減少無線終端上的FBAR濾波器數量。
【專利說明】
多諧振模式的薄膜體聲波諧振器及其制備方法和濾波器
技術領域
[0001]本發明涉及體聲波諧振器，特別涉及一種多諧振模式的薄膜體聲波諧振器及其制備方法和濾波器。
【背景技術】
[0002]微型化、集成化、高性能是無線終端對頻率器件的要求。傳統射頻/微波頻段頻率器件的解決方案為介質濾波器和聲表面波濾波器。前者具有較好的性能，但體積太大后者雖然體積小，但存在工作頻率低、插入損耗大、功率容量低的缺點。薄膜體聲波諧振器(f i Imbulk acoustic resonator，FBAR)技術是目前唯一有望集成的射頻濾波器技術，綜合了介質濾波器性能優越和聲表面波(surface acoustic wave，SAW)濾波器體積小的優勢，同時克服了兩者的缺點。它具有工作頻率高、功率容量大、損耗低、體積小、溫度穩定性好以及可與射頻集成電路(rad1 frequency integrated circuit，RFIC)或微波單片電路(microwave monolithic integrated circuit，MMIC)集成的優點。
[0003]薄膜體聲波諧振器采用金屬電極-壓電薄膜-金屬電極的三明治結構，其工作原理為:當在兩電極上施加一交變電壓時，在壓電薄膜內會形成交變電場，壓電薄膜由于逆壓電效應而發生機械形變，壓電薄膜隨著所施加電場的變化而膨脹或收縮，從而產生振蕩，將電信號轉換為聲信號。這時在薄膜內會激勵出沿薄膜厚度方向傳播的體聲波，并在兩電極之間來回反射，當體聲波在壓電薄膜中的傳播距離正好是半波長的奇數倍時就會產生諧振。其中諧振頻率處的聲波損耗最小，使得該頻率的聲信號能通過壓電薄膜層，而其他不滿足諧振條件的聲信號就會衰減，與諧振頻率相差越遠的聲信號衰減得越快。單個薄膜體聲波諧振器只是在某個頻點產生諧振，不能稱之為濾波器。將多個薄膜體聲波諧振器通過某種方式級聯、橋接或耦合在一起就可以構成滿足一定需求的帶通濾波器，其中級聯方式最為常用。
[0004]當今的無線移動產品除了對體積省電要求越來越高之外，更朝著多功能，多頻段，多系統，多協議的融合與集成的方向發展。通常情況下，每一個濾波器具有一個特定的通帶頻率響應特性。有時系統可能需要同時處理兩個或多個不同頻率范圍內的信號。目前的方法需要將多個濾波器進行并聯來實現多個頻率通帶濾波功能。理論上，將多個濾波器并聯在一起可獲得單個濾波器特性相加的多通帶綜合特性。在使用FBAR濾波器的情況下，因為FBAR濾波器的指標與外接電路的阻抗特性相關，多個濾波器的并聯增加了濾波器外接阻抗的復雜性，使得綜合特性變差，整機調試困難。此外，實現多個頻率通帶濾波功能需要多個FBAR帶通濾波器，這必然不利于射頻前端向微型化、集成化方向的發展。
【發明內容】
[0005]為了克服現有技術的上述缺點與不足，本發明的目的之一在于提供一種多諧振模式的薄膜體聲波諧振器，具有多個諧振點，可通過級聯、橋接等方式設計出多通帶濾波器，大大減少無線終端上的FBAR濾波器數量。
[0006]本發明的目的之二在于提供上述多諧振模式的薄膜體聲波諧振器的制備方法。
[0007]本發明的目的之三在于提供一種濾波器。
[0008]本發明的目的通過以下技術方案實現:
[0009]多諧振模式的薄膜體聲波諧振器，依次包括硅襯底和壓電堆疊結構，所述壓電堆疊結構之間的空腔形成薄膜體聲波諧振器的諧振腔;所述壓電堆疊結構由下至上依次包括底電極、兩層以上的壓電薄膜、頂電極;各層壓電薄膜的面積不同。
[0010]所述空腔為上凸或下凹的空腔。
[0011]當所述空腔為上凸的空腔時，所述壓電堆疊結構還包括位于底電極之下的支撐層，所述支撐層與硅襯底之間的空腔形成薄膜體聲波諧振器的諧振腔。
[0012]所述壓電薄膜為C軸擇優取向的AlN壓電薄膜。
[0013]所述的多諧振模式的薄膜體聲波諧振器的制備方法，包括以下步驟:
[0014](I)利用刻蝕技術在娃襯底的頂表面制備一個凹槽；
[0015](2)在凹槽中填滿犧牲層材料；
[0016](3)在犧牲層材料之上沉積一層金屬底電極，并進行圖形化；
[0017](4)采用射頻磁控濺射沉積一層壓電膜，對壓電膜進行光刻、ICP刻蝕，得到多層壓電薄膜，每層壓電薄膜的面積不同；
[0018](5)在壓電薄膜之上沉積一層金屬頂電極，并進行圖像化;所述底電極、多層壓電薄膜、頂電極形成壓電堆疊結構；
[0019](6)在壓電堆疊結構上刻蝕出犧牲層釋放通孔，通過犧牲層釋放通孔釋放犧牲層，得到多諧振模式的薄膜體聲波諧振器。
[0020]所述的多諧振模式的薄膜體聲波諧振器的制備方法，包括以下步驟:
[0021 ] (I)在硅襯底沉積一層犧牲層，并刻蝕形成犧牲層凸起；
[0022](2)在犧牲層之上制備一層支撐層；
[0023](3)在支撐層之上沉積一層金屬底電極，并進行圖形化；
[0024](4)采用射頻磁控濺射沉積一層壓電膜，通過光刻、ICP刻蝕出多層壓電薄膜；
[0025](5)在壓電薄膜之上沉積一層金屬頂電極，并進行圖像化;所述支撐層、底電極、多層壓電薄膜、頂電極形成壓電堆疊結構；
[0026](6)在壓電堆疊結構上刻蝕出犧牲層釋放通孔，通過犧牲層釋放通孔釋放犧牲層，得到多諧振模式的薄膜體聲波諧振器。
[0027]濾波器，包含所述的多諧振模式的薄膜體聲波諧振器。
[0028]與現有技術相比，本發明具有以下優點和有益效果:
[0029](I)本發明的薄膜體聲波諧振器，單個薄膜體聲波諧振器可具有多個諧振點，從而大大減少了制備多通帶濾波器所需的薄膜體聲波諧振器數量，有利于射頻前端微型化的發展。
[0030](2)本發明的薄膜體聲波諧振器的制備方法，與常規的CMOS生產工藝兼容，降低了實際制作難度，有利于射頻前端的集成化。
[0031](3)使用本發明提出的薄膜體聲波諧振器設計濾波器時，能降低外接阻抗的復雜性，方便整機調試。
【附圖說明】
[0032]圖1為本發明的實施例1的多諧振模式的薄膜體聲波諧振器的剖視圖。
[0033]圖2為本發明的實施例1的多諧振模式的薄膜體聲波諧振器的電學阻抗幅頻特性圖。
[0034]圖3為本發明的實施例2的多諧振模式的薄膜體聲波諧振器的光刻、刻蝕犧牲層后的剖視圖。
[0035]圖4為本發明的實施例2的多諧振模式的薄膜體聲波諧振器的剖視圖。
[0036]圖5本發明的實施例2的多諧振模式的薄膜體聲波諧振器的電學阻抗幅頻特性圖。
【具體實施方式】
[0037]下面結合實施例，對本發明作進一步地詳細說明，但本發明的實施方式不限于此。
[0038]實施例1
[0039]本實施例的多諧振模式的薄膜體聲波諧振器，通過以下制備方法制備:
[0040]1、在硅襯底I表面刻蝕一個凹槽，槽深30μπι，然后PECVD沉積Si3N4襯底保護層2，厚度為200nm，以保護硅襯底。如圖1所示。
[0041 ] 2、在Si3N4之上PECVD沉積一層PSG(磷石英玻璃)作為犧牲層。
[0042]3、通過CMP工藝對犧牲層進行表面拋光。
[0043]4、在拋光后的表面通過直流磁控濺射沉積一層Mo底電極4，厚度為200nm，并通過光刻進行圖形化。
[0044]5、采用射頻磁控濺射沉積C軸擇優取向AlN壓電膜。并通過光刻、ICP刻蝕出多疊層結構。本實施例為3層AlN壓電薄膜，AlN壓電薄膜的面積大小由下至上依次遞減;各層厚度自下而上分別為]^!!1、0.54111、0.341]1。
[0045]6、通過光刻、電子束蒸發圖形化一層厚度為I OOnm厚的Mo頂電極6;所述底電極4、多層壓電薄膜5、頂電極6形成壓電堆疊結構。
[0046]7、在壓電堆疊結構上刻蝕出犧牲層釋放通孔，用XeF2 (氟化氙)氣體通過犧牲層釋放通孔，獲得空腔3。最終得到多諧振模式的薄膜體聲波諧振器，如圖1所示。
[0047]圖2為本實施例制備的薄膜體聲波諧振器電學阻抗幅頻特性圖。由圖可知，該諧振器在1.9GHz，2.2GHz，2.8GHz附近均產生了諧振。
[0048]本實施例的濾波器，包括本實施例的薄膜體聲波諧振器。由兩個串聯薄膜體聲波諧振器及一個并聯薄膜體聲波諧振器級聯成梯形拓撲結構。其中，并聯薄膜體聲波諧振器的頂電極厚度比串聯薄膜體聲波諧振器厚10nm。從而構成一個三通帶濾波器。
[0049]實施例2
[0050]1、在硅襯底I表面PECVD沉積一層PSG(磷石英玻璃)作為犧牲層7，并光刻出犧牲層圖形。如圖3所示。
[0051 ] 2、用PECVD沉積一層Si3N4支撐層8，厚度為300nm。
[0052 ] 3、通過光刻、磁控濺射圖形化一層厚度為150nm厚的Mo底電極4。
[0053]4、采用射頻磁控濺射沉積C軸擇優取向AlN壓電膜。并通過光刻、ICP刻蝕出多疊層結構。本實施例為3層AlN壓電薄膜，AlN壓電薄膜的面積大小由下至上依次遞減;各層厚度自下而上分別為24!11、0.84111、0.541]1。
[0054]5、通過光刻、電子束蒸發圖形化一層厚度為150nm厚的Mo頂電極6。所述支撐層8、底電極4、多層壓電薄膜5、頂電極6形成壓電堆疊結構。
[0055]6、刻蝕出犧牲層釋放通孔，用XeF2(氟化氙)氣體通過犧牲層釋放通孔，獲得空腔3 ο最終得到多諧振模式的薄膜體聲波諧振器，如圖4所示。
[0056]如圖5所示，本實施例制備的薄膜體聲波諧振器電學阻抗幅頻特性圖。由圖可知，該諧振器在1.12GHz，1.25GHz，1.55GHz附近均產生了諧振。
[0057]上述實施例為本發明較佳的實施方式，但本發明的實施方式并不受所述實施例的限制，其他的任何未背離本發明的精神實質與原理下所作的改變、修飾、替代、組合、簡化，均應為等效的置換方式，都包含在本發明的保護范圍之內。
【主權項】
1.多諧振模式的薄膜體聲波諧振器，其特征在于，依次包括硅襯底和壓電堆疊結構，所述壓電堆疊結構之間的空腔形成薄膜體聲波諧振器的諧振腔;所述壓電堆疊結構由下至上依次包括底電極、兩層以上的壓電薄膜、頂電極;各層壓電薄膜的面積不同。2.根據權利要求1所述的多諧振模式的薄膜體聲波諧振器，其特征在于，所述空腔為上凸或下凹的空腔。3.根據權利要求1所述的多諧振模式的薄膜體聲波諧振器，其特征在于，當所述空腔為上凸的空腔時，所述壓電堆疊結構還包括位于底電極之下的支撐層，所述支撐層與硅襯底之間的空腔形成薄膜體聲波諧振器的諧振腔。4.根據權利要求1所述的多諧振模式的薄膜體聲波諧振器，其特征在于，所述壓電薄膜為C軸擇優取向的AlN壓電薄膜。5.權利要求1所述的多諧振模式的薄膜體聲波諧振器的制備方法，其特征在于，包括以下步驟: (1)利用刻蝕技術在硅襯底的頂表面制備一個凹槽； (2)在凹槽中填滿犧牲層材料； (3)在犧牲層材料之上沉積一層金屬底電極，并進行圖形化； (4)采用射頻磁控濺射沉積一層壓電膜，對壓電膜進行光刻、ICP刻蝕，得到多層壓電薄膜，每層壓電薄膜的面積不同； (5)在壓電薄膜之上沉積一層金屬頂電極，并進行圖像化;所述底電極、多層壓電薄膜、頂電極形成壓電堆疊結構； (6)在壓電堆疊結構上刻蝕出犧牲層釋放通孔，通過犧牲層釋放通孔釋放犧牲層，得到多諧振模式的薄膜體聲波諧振器。6.權利要求1所述的多諧振模式的薄膜體聲波諧振器的制備方法，其特征在于，包括以下步驟: (1)在硅襯底沉積一層犧牲層，并刻蝕形成犧牲層凸起； (2)在犧牲層之上制備一層支撐層； (3)在支撐層之上沉積一層金屬底電極，并進行圖形化； (4)采用射頻磁控濺射沉積一層壓電膜，通過光刻、ICP刻蝕出多層壓電薄膜； (5)在壓電薄膜之上沉積一層金屬頂電極，并進行圖像化;所述支撐層、底電極、多層壓電薄膜、頂電極形成壓電堆疊結構； (6)在壓電堆疊結構上刻蝕出犧牲層釋放通孔，通過犧牲層釋放通孔釋放犧牲層，得到多諧振模式的薄膜體聲波諧振器。7.濾波器，包含權利要求1?4任一項所述的多諧振模式的薄膜體聲波諧振器。
【文檔編號】H03H3/02GK105897211SQ201610329169
【公開日】2016年8月24日
【申請日】2016年5月18日
【發明人】李國強, 劉國榮, 李潔
【申請人】華南理工大學