一种体声波谐振器的结构及其制备方法与流程

本发明涉及射频微机电系统器件研究领域，尤其涉及一种体声波谐振器的结构及其制备方法。

背景技术：

无线移动通讯技术的高速发展，尤其是第四代移动通讯技术(4g)的应用，使体声波滤波器成为研究的热点课题。与传统的陶瓷滤波器相比，体声波(bulkacousticwave，baw)滤波器具有体积小、插入损耗低、带外抑制能力强、功率特性好等诸多优点，引起学术界和产业界的高度关注。随着未来第五代移动通讯技术(5g)的到来，对滤波器的性能提出更高的要求，包括更低的插入损耗、更高的带外抑制能力和更大的带宽，谐振器性能的大幅度提高会极大改善滤波器的性能，这就需要研制更高性能的体声波谐振器。

目前，限制体声波滤波器性能的主要因素之一是压电材料的晶体质量有待提升。参考文献1(jamesb.shealy，jeffreyb.shealy，pinalpatel，michaeld.hodge，ramaveturyandjamesr.shealy，singlecrystalaluminumnitridefilmbulkacousticresonators，rws，pp.16-19，2016)计算了压电薄膜的质量对体声波谐振器和滤波器性能的影响，计算结果表明，与传统的多晶压电薄膜谐振器相比，单晶压电薄膜谐振器的器件优值(有效机电常数与品质因数乘积)有高达40％的提升。

除了压电材料的晶体质量有待提升以外，现有的体声波谐振器工艺还存在许多问题。如图1所示，以安华高(avago)公司制造体声波谐振器工艺为例，制备工艺如下：

如图1a所示，准备平面硅衬底101；

如图1b所示，以光刻胶为掩膜，在硅衬底101上光刻制备空气隙位置图形，空气隙位于底电极下方，悬空的目的是体声波谐振器悬空，从而使得压电材料的信号转换过程中能量损失减小，提升器件谐振特性；

如图1c所示，沉积sio2层作为牺牲层102；

如图1d所示，采用化学机械研磨(chemicalmechanicalpolishing，cmp)工艺去除空气隙位置以外的sio2牺牲层102，并使得上表面更为平整；

如图1e所示，沉积底电极金属103；

如图1f所示，采用磁控溅射技术，制备压电薄膜104；

如图1g所示，沉积顶电极金属105；

如图1h所示，采用湿法腐蚀，去除空气隙中的sio2牺牲层102

上述工艺存在如下问题：第一、因为需要先制备sio2牺牲层102，最后再湿法腐蚀去除牺牲层102，导致工艺步骤复杂，这不仅提升了公司成本，而且由于腐蚀液只能从没有被上层结构覆盖的位置开始腐蚀sio2牺牲层102，之后在底电极之下横向腐蚀，所以腐蚀效果较差，导致有sio2残留在底电极下方，导致器件性能下降；第二、工艺对cmp工艺结果要求很高，不仅导致cmp成本提升，而且cmp过程存在应力积累，降低了器件应力均匀性，可能在后续工艺中影响外延质量，甚至导致内部出现断裂，降低良率。

石墨烯(graphene)是一种由碳原子组成的，只有一个原子厚度的六角蜂窝状二维晶体，其具有优异的电学性能：首先，电子迁移率高达2×10⁵cm²/v·s，如果将石墨烯用作体声波谐振器的底电极，可大大减小器件的寄生电阻，提高器件的品质因数；其次，由于石墨烯层间为范德华力弱键合、石墨烯材料易于大规模转移，所以在工艺上便于在刻有空气隙的衬底上大规模转移石墨烯材料，同时石墨烯可以缓解由衬底传递的失配，提升外延氮化物质量。石墨烯的制备方法主要有微机械剥离法、化学气相沉积法(cvd法)和sic升华法。其中，cvd法可以制备出高质量、大面积的石墨烯，被认为是最有前途的制备方法。

技术实现要素：

(一)要解决的技术问题

本发明要解决的技术问题有：空气隙制备过程中湿法腐蚀牺牲层存在的牺牲层去除不彻底的问题；采用cmp工艺带来的成本提升和应力积累问题。

(二)技术方案

一种体声波谐振器结构的制备方法，包括：

步骤1：准备衬底，对衬底进行刻蚀，形成衬底空气隙结构；

步骤2：制备底电极：将石墨烯-pmma复合结构303或石墨烯-金属-pmma复合结构503转移到衬底上表面；

步骤3：在所述底电极上表面制备压电薄膜；

步骤4：在所述压电薄膜上表面制备金属顶电极；

步骤5：制备底电极引出金属。

可选地，衬底为sio2、si、sic、蓝宝石、金刚石、玻璃、云母或陶瓷。

可选地，空气隙刻蚀深度为2μm。

可选地，石墨烯-pmma复合结构303是通过在铜箔基石墨烯上表面旋涂pmma，再用fecl3腐蚀液去除附着在石墨烯层下方的铜箔基底得到的；石墨烯-金属-pmma复合结构503是通过在铜箔基石墨烯上表面外延底电极金属，再旋涂pmma，再用fecl3腐蚀液去除附着在石墨烯层下方的铜箔基底得到的。

可选地，在制备压电薄膜之前，将附着有石墨烯-pmma复合结构的衬底或者附着有石墨烯-金属-pmma结构的衬底一次经过丙酮、乙醇和去离子水清洗，以去除最上层的pmma。

可选地，压电薄膜制备温度范围为700℃-1500℃。

一种体声波谐振器的结构，包括：

衬底空气隙结构；

底电极，该底电极为石墨烯304或石墨烯-金属复合结构504-505，其直接形成在衬底空气隙结构上表面；

压电薄膜，其形成在底电极上表面；

金属顶电极，其形成在压电薄膜上表面；

底电极引出金属，其外延在底电极上表面。

可选地，空气隙的深度为1nm-100μm，长度和宽度为1nm-100μm。

可选地，石墨烯-金属复合结构包含石墨烯层504和底电极金属层505，其中，所述石墨烯层504厚度为1nm，所述底电极金属层505的厚度为50nm-150nm，，底电极金属层材料包括铜、金、铁、铝、钛、铬、钼、钽中的一种或两种以上组合。

可选地，压电薄膜为高结晶质量压电薄膜，其厚度为10nm-2μm。

(三)有益效果

本发明提供一种体声波谐振器的结构及制备方法，具有以下增益效果：首先，采用带有空气隙的衬底上转移石墨烯复合结构制备底电极的方法，解决了空气隙制备中湿法腐蚀牺牲层存在的牺牲层去除不彻底的问题，提高了器件的性能，同时简化工艺，降低成本；其次，避免了采用cmp工艺带来的成本提升和应力积累问题，简化工艺、降低成本，并提升压电薄膜外延质量，提高体声波谐振器的性能。

附图说明

图1a-1h为安华高公司制备体声波谐振器的工艺流程示意图；

【附图标记说明】

101-衬底；102-sio2牺牲层；

103-金属底电极；104-压电薄膜；

105-金属顶电极；

图2a及图2b为本发明提出的一种体声波谐振器制备方法流程图；

图3为本发明提出的底电极为石墨烯的体声波谐振器结构示意图；图3a-3e为其制备流程示意图

【附图标记说明】

301-衬底；302-光刻胶；

303-石墨烯-pmma复合结构；

304-石墨烯；305-pmma层；

306-压电薄膜；

307-金属顶电极；308-底电极引出金属

图4a-4c为石墨烯-pmma多层结构的工艺流程示意图；

【附图标记说明】

401-铜箔基底；402-石墨烯层；

403-pmma层

图5为本发明提出的底电极为石墨烯的体声波谐振器结构示意图；图5a-5e为其制备流程示意图

【附图标记说明】

501-衬底；502-光刻胶；

503-石墨烯-金属-pmma复合结构；

504-石墨烯；505-底电极金属层；

506-pmma层

507-压电薄膜；

508-金属顶电极；509-底电极引出金属

图6a-6c为石墨烯-金属-pmma多层结构的工艺流程示意图；

【附图标记说明】

601-铜箔基底；602-石墨烯层；

603-底电极金属层；604-pmma层

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

需要说明的是，在附图或说明书描述中，相似或相同的部分都使用相同的图号。附图中未绘示或描述的实现方式，为所属技术领域中普通技术人员所知的形式。另外，虽然本文可提供包含特定值的参数的示范，但应了解，参数无需确切等于相应的值，而是可在可接受的误差容限或设计约束内近似于相应的值。实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向。因此，使用的方向用语是用来说明并非用来限制本发明的保护范围。

如图2a及图3a-3e所示，本发明提供一种体声波谐振器结构的制备方法，其底电极为石墨烯，具体步骤包括：

步骤a：如图3a所示，准备衬底301，采用的衬底为为sio2、si、sic、蓝宝石、金刚石、玻璃、云母或陶瓷；

步骤a1：如图3a-1所示，在衬底层301上涂覆光刻胶302，进行光刻工艺，形成光刻胶图形；

步骤a2：如图3a-2所示，以步骤a1中形成的光刻胶图形为掩膜，对衬底进行刻蚀，刻蚀深度为2μm，刻蚀完毕，去除光刻胶层302，形成衬底空气隙结构；

步骤b：如图3b所示，转移石墨烯-pmma复合结构303(包括304为石墨烯层，305为pmma层)到衬底上表面。用衬底层301将石墨烯-pmma复合结构303捞起，使得石墨烯层304附着于衬底层301上表面，然后放置于烘干器中烘干并自然冷却；

步骤b1：如图3b-1所示，把步骤b得到的附着有石墨烯-pmma复合结构的衬底放入丙酮溶液，使附着于石墨烯层304上表面的pmma层305被完全溶解，之后依次用乙醇、去离子水清洗，使石墨烯层304上表面附着的pmma残留物被完全洗净；

步骤c：如图3c所示，在石墨烯层304上方，采用磁控溅射技术制备高结晶质量压电薄膜306。该压电薄膜306为gan、aln或alxga1-xn(0＜x＜1)，其厚度为10nm-2μm，制备压电薄膜306的温度为700℃-1500℃；

步骤d：如图3d所示，在高结晶质量压电薄膜306上表面制备金属顶电极307。金属顶电极307为铜、金、铁、铝、钛、铬、钼、钽等各种金属材料。金属顶电极307采用磁控溅射技术或电子束蒸发技术，并结合光刻、刻蚀、剥离等工艺制备；

步骤e：如图3e所示，制备底电极引出金属308。基于光刻、刻蚀、剥离等工艺制备，刻蚀压电薄膜，使得底电极石墨烯层304露出，采用磁控溅射技术或电子束蒸发技术，从刻蚀孔中引出底电极，引出底电极金属308为铜、金、铁、铝、钛、铬、钼、钽等材料。

其中，步骤b中所述石墨烯-pmma复合结构303的制备方法如图4a-4c所示，具体步骤包括：

步骤1：如图4a所示，利用cvd法制备的金属基石墨烯，采用的材料为铜箔基石墨烯，其中401为铜箔基底，402为石墨烯层，石墨烯层厚度为1nm；

步骤2：如图4b所示，在石墨烯层402上表面旋涂pmma层403，旋涂厚度200μm；

步骤3：如图4c所示，把步骤2得到的复合结构放置于浓度为1mol/l的fecl3腐蚀液中，使附着在石墨烯层402下方的铜箔基底401被完全腐蚀掉，之后石墨烯-pmma复合结构转移至去离子水中多次清洗，使石墨烯附着的fecl3腐蚀液被完全洗净。

如图2b及图5a-5e所示，本发明提供一种体声波谐振器结构的制备方法，与上所述不同之处在于，此时底电极为石墨烯-金属复合结构，具体步骤包括：

步骤a：如图5a所示，准备衬底501，采用的衬底为为sio2、si、sic、蓝宝石、金刚石、玻璃、云母或陶瓷；

步骤a1：如图5a-1所示，在衬底层501上涂覆光刻胶502，进行光刻工艺，形成光刻胶图形；

步骤a2：如图5a-2所示，以步骤a1中形成的光刻胶图形为掩膜，对衬底进行刻蚀，刻蚀深度为2μm，刻蚀完毕，去除光刻胶层502，形成衬底空气隙结构；

步骤b：如图5b所示，转移石墨烯-金属-pmma复合结构503(包括504为石墨烯层、505为底电极金属层、506为pmma层)到衬底上表面。用衬底层501将石墨烯-pmma复合结构503捞起，使得石墨烯层504附着于衬底层501上表面，然后放置于烘干器中烘干并自然冷却；

步骤b1：如图5b-1所示，把步骤b得到的附着有石墨烯-金属-pmma复合结构503的衬底放入丙酮溶液，使附着于底电极金属层505上表面的pmma层506被完全溶解，之后依次用乙醇、去离子水清洗，使石墨烯层504上表面附着的pmma残留物被完全洗净；

步骤c：如图5c所示，在底电极金属层505上方，采用磁控溅射技术制备高结晶质量压电薄膜507。该压电薄膜507为gan、aln或alxga1-xn(0＜x＜1)。压电薄膜507的厚度为10nm-2μm，制备压电薄膜607的温度为700℃-1500℃；

步骤d：如图5d所示，在高结晶质量压电薄膜507上表面制备金属顶电极508。金属顶电极508为铜、金、铁、铝、钛、铬、钼、钽等各种金属材料。金属顶电极508采用磁控溅射技术或电子束蒸发技术，并结合光刻、刻蚀、剥离等工艺制备；

步骤e：如图5e所示，制备底电极引出金属509。基于光刻、刻蚀、剥离等工艺制备，刻蚀压电薄膜，使得底电极金属层505露出，采用磁控溅射技术或电子束蒸发技术，从刻蚀孔中引出底电极，引出底电极金属509为铜、金、铁、铝、钛、铬、钼、钽等材料。

其中，步骤b中所述石墨烯-金属-pmma复合结构503的制备方法如图6a-6d所示，具体步骤包括：

步骤1：如图6a所示，利用cvd法制备的金属基石墨烯，采用的材料为铜箔基石墨烯，其中601为铜箔基底，602为石墨烯层，石墨烯层厚度为1nm；

步骤2：如图6b所示，利用磁控溅射技术或电子束蒸发技术，在石墨烯层602上表面沉积金属底电极603，金属底电极603为铂或金，厚度为50-150nm；

步骤3：如图6c所示，在底电极金属层603上表面旋涂pmma层704，旋涂厚度200μm；

步骤4：如图6d所示，把步骤3得到的复合结构放置于浓度为1mol/l的fecl3腐蚀液中，使附着在石墨烯层602下方的铜箔基底601被完全腐蚀掉，之后石墨烯-pmma复合结构转移至去离子水中多次清洗，使石墨烯附着的fecl3腐蚀液被完全洗净。

从如上所述的体声波谐振器结构的制备方法可以看出，与传统工艺的区别在于：制备底电极下方的空气隙结构是在转移底电极多层结构(步骤b)之前，而不用在制备底电极工艺之后再在底电极下方掏空牺牲层形成空气隙或者孔洞。

本发明提供一种体声波谐振器的结构，如图3和图5所示，包括：

衬底301或501，所述衬底采用的衬底为为sio2、si、sic、蓝宝石、金刚石、玻璃、云母或陶瓷；

空气隙，其刻蚀在衬底上，深度为1nm-100μm，长度和宽度为1nm-100μm；

底电极，该底电极为石墨烯层304或石墨烯-金属复合结构504-505，直接形成在所述衬底空气隙结构上表面，其中石墨烯层304或504的厚度为1nm，底电极金属层505的厚度为50-150nm，底电极金属层505材料包括铜、金、铁、铝、钛、铬、钼、钽中的一种或两种以上组合；

压电薄膜306或507，其形成在底电极上表面，所述压电薄膜为高结晶质量压电薄膜，采用的材料是alxga1-xn(0≤x≤1)、氧化锌、石英、钽酸锂、铌酸锂、四硼酸锂、锗酸铋、硅酸铋、硅酸镓镧系、正磷酸铝、铌酸钾、压电陶瓷等，其厚度为10nm-2μm；

金属顶电极307或508，其形成在高结晶质量压电薄膜上表面，所述金属材料包括铜、金、铁、铝、钛、铬、钼、钽中的一种或两种以上组合；

底电极引出金属308或509，其外延在所述石墨烯层304或底电极金属层505上表面，其材料包括铜、金、铁、铝、钛、铬、钼、钽中的一种或两种以上组合。

综上所述，本发明提供一种体声波谐振器的结构及其制备方法，采用在空气隙上直接转移石墨烯-pmma复合结构303和石墨烯-金属-pmma复合结构503制备底电极的方法，解决了空气隙制备中湿法腐蚀牺牲层存在的牺牲层去除不彻底的问题，简化了工艺；其次，避免了采用cmp工艺带来的成本提升和应力积累问题，简化工艺、降低成本，提升了压电薄膜外延质量。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。