基于铁电材料的薄膜体声波谐振器的制备方法、谐振器的制造方法
【专利摘要】本发明提供一种基于铁电材料的薄膜体声波谐振器的制备方法及利用一种基于铁电材料的薄膜体声波谐振器以及包括该薄膜体声波谐振器的滤波器、振荡器和射频模块，其中的谐振器利用铁电材料的电致伸缩效应，通过改变外加直流电压的大小，控制铁电材料应力的变化，进而控制声波的速度，而谐振频率与声波速度成正比，从而控制谐振频率的变化。当外加电场为零时，应力也为零，也就不会产生声波进而不会产生谐振，因此通过是否施加直流电压起到对器件的开启和关闭的作用。本发明中的方案在不需要外加开关的情况下，通过简单的外加电压来实现谐振器的开和关，频率的调整。基于此的可开关式滤波器库，完全不需要任何的外加开关，也不存在任何来自于开关和偏压网络的插入损耗，大大降低了器件的体积和制造成本。
【专利说明】基于铁电材料的薄膜体声波谐振器的制备方法、谐振器
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种无线通讯器件【技术领域】。具体地说涉及一种基于铁电材料的薄膜体声波谐振器的制备方法以及一种基于铁电材料的薄膜体声波谐振器和包括该薄膜体声波谐振器的滤波器、振荡器和射频模块。
【背景技术】
[0002]随着薄膜与微纳制造技术的发展，电子器件正向微型化、高密集复用、高频率和低功耗的方向迅速发展。近年来发展起来的薄膜体声波谐振器(FBAR:Film Bulk AcousticResonator)采用一种先进的谐振技术，通过压电薄膜的逆压电效应将电能转换成声波而形成谐振。FBAR器件具有体积小，成本低，品质因数高、功率承受能力强、频率高(可达1-1OGHz )且与IC技术兼容等特点，适合于工作在1-1OGHz的RF系统应用，有望在未来的无线通讯系统中取代传统的声表面波(SAW)器件和微波陶瓷器，因此在新一代无线通信系统和超微量生化检测领域具有广阔的应用前景。
[0003]现有技术中的薄膜体声波谐振器为图1a所示的“三明治”结构，其包括衬底层01、依次制备于衬底层之上的第一电极02、压电材料层03和第二电极04。图1a结构的薄膜体声波谐振器的俯视图如图1b所示。FBAR器件的基本工作原理是:当电信号加载到FBAR器件上时，压电材料层通过逆压电效应将电信号转变为声信号，器件特定的声学结构对不同频率的声信号呈现出选择性，其中在器件内满足声波全反射条件的声信号将在器件内实现谐振，而不满足谐振条件的声信号就会衰减，在频谱上与谐振声信号频率相差越多的声信号衰减越快。最后，在器件内幅度相位已产生差异的声信号又通过压电材料层等比例地转变成输出电信号，这样FBAR器件最终就表现出对电信号的选频作用。
[0004]传统的薄膜体声波谐振器使用氮化铝和氧化锌等压电材料。FBAR器件的谐振频率f0由声波在器件中的传播速度V和整个器件的厚度H来决定。..2 V
[0005]./0 =—
[0006]以上公式中，V是声波的速度，H为器件厚度。也就是说谐振频率主要取决于器件的厚度。
[0007]但是在微加工工艺中，压电材料层和第一电极、第二电极的厚度都有严格的控制。现有技术中采用薄膜沉积技术制备第一电极、第二电极和压电材料层，而薄膜沉积系统的厚度均一性在5%-10%，是非常低的一个比例。所以在同一个晶圆上生产出来的谐振器的厚度在一定程度上存在较大差异，因此谐振器的谐振频率就会有所不同。为解决上述问题，可以采用对不同的谐振器上再沉积一层质量层，通过不同厚度的质量层来调节谐振器的厚度进而实现对谐振频率的微调。但是这种方式增加了器件制备过程中的工序、使制备工艺更加费时费力，且增加了总的生产成本。
【发明内容】
[0008]为此，本发明所要解决的技术问题在于现有技术中的制备的薄膜体声波谐振器的厚度均匀性差进而影响薄膜体声波谐振器的谐振频率的稳定性，从而提出一种谐振频率不依赖于器件厚度的薄膜体声波谐振器。
[0009]为解决上述技术问题，本发明的采用以下方案来实现:
[0010]一种基于铁电材料的薄膜体声波谐振器的制备方法，包括如下步骤:
[0011]S1:选择基板衬底得到衬底层；
[0012]S2:在所述衬底层上制备环形结构的第一电极、铁电材料层和第二电极；
[0013]S3:在所述衬底层上位于所述第一电极下方的位置,刻蚀掉基板衬底基材形成空气空腔，所述空气空腔横向上面积大于所述第一电极外边界所围成的面积。
[0014]上述的制备方法，所述步骤S2中，所述第一电极所用电极材料为Au、Pt或Mo。
[0015]上述的制备方法，所述步骤S2中，所述第二电极所用电极材料为Au、Pt，Mo或Al。
[0016]上述的制备方法，所述步骤S2中，所述环形结构的内边界与外边界之间的宽度为100nm_20um。
[0017]上述的制备方法，所述步骤SI中，在所述基板衬底上沉积支持层后得到所述衬底层。
[0018]上述的制备方法，所述支持层为SiO2层。
[0019]本发明还提供一种基于铁电材料的薄膜体声波谐振器，包括衬底层和沿远离所述衬底层方向设置的环形结构的第一电极、铁电材料层和第二电极；所述衬底层上与所述第一电极相对的位置处开设空气空腔，所述空气空腔横向上面积大于所述第一电极外边界所围成的面积。
[0020]上述的基于铁电材料的薄膜体声波谐振器，所述环形结构包括但不限于圆形环状结构、方形环状结构、多边形环状结构。
[0021]上述的基于铁电材料的薄膜体声波谐振器，所述第一电极所用电极材料为Au、Pt或Mo。
[0022]上述的基于铁电材料的薄膜体声波谐振器，所述第二电极所用电极材料为Au、Pt，Mo 或 Al。
[0023]上述的基于铁电材料的薄膜体声波谐振器，所述环形结构的内边界和外边界间的宽度为 100nm-20um。
[0024]上述的基于铁电材料的薄膜体声波谐振器，还包括支持层，所述支持层设置于所述衬底层和所述第一电极之间。
[0025]上述的基于铁电材料的薄膜体声波谐振器，所述支持层为SiO2层。
[0026]本发明还提供一种包括上述的基于铁电材料的薄膜体声波谐振器的滤波器。
[0027]本发明还提供一种包括上述的基于铁电材料的薄膜体声波谐振器的振荡器。
[0028]本发明还提供一种射频模块，包括双工器或多工器，所述双工器或所述多工器包括上述的基于铁电材料的薄膜体声波谐振器。
[0029]本发明的上述技术方案相比现有技术具有以下优点:
[0030](I)本发明所述的基于铁电材料的薄膜体声波谐振器的制备方法及基于铁电材料的薄膜体声波谐振器，由于将铁电材料层设置为环形结构，当通过第一电极和第二电极为铁材料施加纵向的电压之后，利用其d31压电系数来激励与电场垂直的声波，即横向方向，因此谐振频率与器件的横向宽度即压电材料的宽度有关系。而在现今的集成电路微加工工艺中，平面尺寸的控制精度要远远大于厚度的控制精度，比如CM0S65纳米工艺可以实现非常准确的65纳米的平面节点，其精度可以达到纳米级别，所以本发明中的FBAR器件的结构能够保证同一晶圆上的谐振器宽度几乎一致，相应的谐振频率高度一致，在极大降低了器件加工的难度同时大大提高良品率。
[0031](2)本发明所述的基于铁电材料的薄膜体声波谐振器的制备方法及基于铁电材料的薄膜体声波谐振器，利用铁电材料的电致伸缩效应，通过改变外加直流电压的大小，控制铁电材料应力的变化，进而控制声波的速度，而谐振频率与声波速度成正比，从而控制谐振频率的变化。当外加电场为零时，应力也为零，也就不会产生声波进而不会产生谐振，因此通过是否施加直流电压可以起到对器件的开启和关闭的作用。本发明中的方案在不需要外加开关的情况下，通过简单的外加电压来实现谐振器的开和关，频率的调整。基于此的可开关式滤波器库，完全不需要任何的外加开关，也不存在任何来自于开关和偏压网络的插入损耗，大大降低了器件的体积和制造成本。
【专利附图】
【附图说明】
[0032]为了使本发明的内容更容易被清楚的理解，下面根据本发明的具体实施例并结合附图，对本发明作进一步详细的说明，其中:
图1a是现有技术中一种FBAR器件结构的剖面示意图；
图1b是图1a中的FBAR器件的俯视图；
图2是本发明一种实施例的基 于铁电材料的薄膜体声波谐振器制备方法的工艺
图2a是本发明一种实施例中制备第一电极的方法流程图；
图2b是本发明一种实施例中制备第二电极的方法流程图；
图3a是本发明一种实施例的FBAR器件结构的剖面示意图；
图3b是本发明一个实施例的采用圆形状结构的FBAR器件的俯视图；
图3c是本发明一个实施例的采用方形环状结构的FBAR器件的俯视图；
图3d是本发明一个实施例的采用多边形环状结构的FBAR器件的俯视图；
图4a为现有技术中FBAR器件中铁电材料层施加电压的示意图；
图4b为本发明一个实施例中FBAR器件中铁电材料层施加电压的不意图；
图5为本发明一个实施例的FBAR器件中包含支持层的剖面示意图；
图6为一种包括FBAR器件的梯形滤波器的原理示意图；
图7为一种包括FBAR器件的双工器的原理示意图。
图中附图标记表不为:1-衬底层，2第一电极,3-铁电材料层,4-第二电极,5-空
[0033]
[0034]
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流程；
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[0046]
[0047]
气空腔，6-支持层，7-固定脚。
【具体实施方式】
[0048]实施例1
[0049]如图2所示，本实施例提供一种基于铁电材料的薄膜体声波谐振器的制备方法，包括如下步骤:[0050]S1:选择基板衬底得到衬底层I ;
[0051]S2:在所述衬底层I上制备环形结构的第一电极2、铁电材料层3和第二电极4 ；
[0052]S3:在所述衬底层I上位于所述第一电极2下方的位置，刻蚀掉基板衬底基材形成空气空腔5，所述空气空腔5横向上面积大于所述第一电极2外边界所围成的面积。
[0053]在完成所述步骤S3之后，所述第二电极2下方成型有一空气空腔5，而刻蚀形成空气空腔5时，会保留有两个或者多个固定脚7用于将所述第一电极2固定。固定脚7的位置以及数量在形成第一电极图案时就已经设定好，由于在现有技术中属于常规手段，在此不再详述。
[0054]本实施例中在所述衬底层I上开设的所述空气空腔5,其用于有效反弹声波。对于环形结构的FBAR器件，只能采用这种形式来反射声波，因为本实施例中主要靠激发横向的声波来实现，因此如果不在所述第一电极的下方开设所述空气空腔5，而第一电极2与衬底层I完全贴合，就没有办法得到有效的横向声波，从而使谐振受到很大影响。
[0055]采用本实施例中 的制备方法得到的薄膜体声波谐振器，得到的铁电材料为环形结构，当通过第一电极2和第二电极3为铁电材料施加纵向的电场之后，由于铁电材料为环形结构，因此会利用其d31压电系数来激励与电场垂直的声波，就是横向方向，因此谐振频率与器件的宽度主要是铁电材料的宽度有关系。而在现今的集成电路微加工工艺中，平面尺寸的控制精度要远远大于厚度的控制精度，比如CM0S65纳米工艺可以实现非常准确的65纳米的平面节点，其精度可以达到纳米级别，所以本实施例中的FBAR器件能够保证同一晶圆上的谐振器的谐振频率高度一致，从而极大降低了器件加工的难度同时大大提高良品率。
[0056]进一步地,如图2a所示,所述步骤S2中制备所述第一电极2的具体步骤如下:
[0057]S201.在所述衬底层I上蒸镀第一电极材料层。
[0058]S202.在所述第一电极材料层上刻蚀出第一电极图案。
[0059]S203.去除所述第一电极图案之外的第一电极材料得到第一电极2，此处可以采用liftoff剥离工艺去除所述第一电极图案之外的第一电极材料。
[0060]相应地,如图2b所示,所述步骤S2中制备所述第二电极4的步骤具体步骤如下:
[0061]S211.在所述铁电材料层3上蒸镀第二电极材料层。
[0062]S212.在所述第二电极材料层上刻蚀出第二电极图案。
[0063]S213.去除所述第二电极图案之外的第二电极材料得到第二电极4，本步骤中可以采用liftoff剥离工艺去除所述第二电极图案之外的第二电极材料。
[0064]其中刻蚀工艺以及liftoff剥离工艺在现有技术中已经有较为成熟的应用，可以较为方便的实现。
[0065]作为本实施例的一种优选实施方式，所述步骤SI中，在所述基板衬底上沉积支持层后得到所述衬底层1，优选所述支持层为SiO2层。作为一种优选的实施方式，所述步骤S2中将铁电材料沉积于所述第一电极2之上形成铁电材料层3。其中的铁电材料可以选择:BaTiO3' SrTiO3' BaxSivxTiO3' KxNa1^xNbO3> KTaO3> CaxSr1^xTiO3> KxLi1-JaO3 中的一种或几种。所述第一电极材料层所用的电极材料为AiuPt或Mo，所述第二电极材料层所用的电极材料为Au、Pt、Mo或Al。而对于所述第一电极2来说，由于其在制备过程中会遇到高温环境，因此其材料选择时不考虑Al，因为Al在400度以上就会熔化，而所述第二电极4则不需要受[0074]
[0075]其中，W为环形结构的铁电材料的宽度，Ep为杨氏棂量，P为铁电材料的质量密度，σ为泊松比。
[0076]综上所述，本实施例中FBAR器件中，影响谐振频率的关键参数为环形结构的宽度W。而在现今的集成电路微加工工艺中，平面尺寸的控制精度要远远大于厚度的控制精度，比如CMOS 65纳米工艺可以实现非常准确的65纳米的平面节点，其精度可以达到纳米级别，因此本实施例中的FBAR器件在制备时很容易实现宽度上的高度一致，所以本实施例中
到这一限定，因此所述第二电极4的材料还可以选择Al。
[0066]在本实施例中对所述环形结构的宽度不做限定，但是本领域技术人员根据器件的应用环境以及所选择的材料就可以得到。本实施例中，所述铁电材料层的宽度在100nm-20um内选择时，其可涵盖的频率范围在60MHz-10GHz之间。当将本实施例中的器件应用于无线通信技术中时，希望其谐振频率在IGHz左右，可以选择宽度为2000nm。
[0067]本实施例中基于铁电材料的薄膜体声波谐振器利用铁电材料的电致伸缩效应实现了开启/关闭谐振器时无需外部开关器件，并且电压可控频率调谐的特殊功能。因此能够在不需要外加开关的情况下，通过简单的外加电压来实现谐振器的开和关，谐振频率的调整。基于此的可开关式滤波器库，完全不需要任何的外加开关，也不存在任何来自于开关和偏压网络的插入损耗，大大降低了器件的体积和制造成本。
[0068]实施例2
[0069]本实施例提供一种基于铁电材料的薄膜体声波谐振器，如图3a所不,包括衬底层I和沿远离所述衬底层I方向设置的环形结构的第一电极2、铁电材料层3和第二电极4 ；所述衬底层I上与所述第一电极2相对的位置处开设空气空腔5，所述空气空腔5横向上面积大于所述第一电极2外边界所围成的面积。
[0070]结合图3b至图3d，本实施例中所述环形结构包括但不限于圆形环状结构、方形环状结构、多边形环状结构，所述第一电极2通过两个固定脚7固定于所述衬底层I上。
[0071 ] 对于本实施例提供的FBAR器件，与现有技术中的FBAR器件相比，将原先的长方体结构的功能层改进为环形结构。结合图4a和图4b，由于铁电材料层为环形结构，因此当通过第一电极和第二电极为铁电材料施加相同的纵向电压之后，对于现有的FBAR器件来说，其电场方向为纵向时，会利用其d33压电系数来激励与电场方向平行的声波,也就是纵向方向，因此谐振频率与器件的厚度主要是压电材料的厚度有着非常密切的关系，谐振频率的计算公式同【背景技术】中所介绍的:..2v
【权利要求】
1.一种基于铁电材料的薄膜体声波谐振器的制备方法，其特征在于，包括如下步骤:S1:选择基板衬底得到衬底层(1)；S2:在所述衬底层(1)上制备环形结构的第一电极(2)、铁电材料层(3)和第二电极(4)；S3:在所述衬底层(1)上位于所述第一电极(2)下方的位置,刻蚀掉基板衬底基材形成空气空腔(5)，所述空气空腔(5)横向上面积大于所述第一电极(2)外边界所围成的面积。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤S2中，所述第一电极(2)所用电极材料为Au、Pt或Mo。
3.根据权利要求1或2所述的制备方法，其特征在于，所述步骤S2中，所述第二电极(4)所用电极材料为Au、Pt，Mo或Al。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的制备方法，其特征在于，所述步骤S2中，所述环形结构的内边界与外边界之间的宽度为100nm-20um。
5.根据权利要求1-4中任一项所述的制备方法，其特征在于，所述步骤S1中，在所述基板衬底上沉积支持层(6)后得到所述衬底层(1)。
6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述支持层(6)为S1O2层。
7.一种基于铁电材料的薄膜体声波谐振器，其特征在于，包括衬底层(1)和沿远离所述衬底层(1)方向设置的环形结构的第一电极(2)、铁电材料层(3)和第二电极(4);所述衬底层(1)上与所述第一电极(2)相对的位置处开设空气空腔(5),所述空气空腔(5)横向上面积大于所述第一电极(2)外边界所围成的面积。
8.根据权利要求7所述的基于铁电材料的薄膜体声波谐振器，其特征在于，所述环形结构包括但不限于圆形环状结构、方形环状结构、多边形环状结构。
9.根据权利要求7或8所述的基于铁电材料的薄膜体声波谐振器，其特征在于，所述第一电极(2)所用电极材料为Au、Pt或Mo。
10.根据权利要求9所述的基于铁电材料的薄膜体声波谐振器，其特征在于，所述第二电极(4)所用电极材料为Au、Pt，Mo或Al。
11.根据权利要求10所述的基于铁电材料的薄膜体声波谐振器，其特征在于，所述环形结构的内边界和外边界间的宽度为100nm-20um。
12.根据权利要求7-11中任一所述的基于铁电材料的薄膜体声波谐振器,其特征在于，还包括支持层(6)，所述支持层(6)设置于所述衬底层(1)和所述第一电极(2)之间。
13.根据权利要求12所述的基于铁电材料的薄膜体声波谐振器，其特征在于，所述支持层(6)为S1O2层。
14.一种包括权利要求7-13任一所述的基于铁电材料的薄膜体声波谐振器的滤波器。
15.—种包括权利要求7-13任一所述的基于铁电材料的薄膜体声波谐振器的振荡器。
16.一种射频模块，包括双工器或多工器，所述双工器或所述多工器包括权利要求7-13任一所述的基于铁电材料的薄膜体声波谐振器。
【文档编号】H03H9/17GK103427778SQ201310378490
【公开日】2013年12月4日 申请日期:2013年8月27日 优先权日:2013年8月27日
【发明者】朱欣恩 申请人:张家港恩达通讯科技有限公司