一种侧向场FBAR结构及其制造方法与流程

本发明涉及mems器件技术领域，特别地是一种侧向场fbar结构及其制造方法。

背景技术：

进入新千年后，fbar的研制飞速发展，而在2002年，随着安捷伦成功研制并商业化应用于通信的fbar器件，fbar技术迅速发展起来。这个时期，国外多家企业和研究机构投入研究，并取得了成就，使得fbar技术不断成熟和普及。而与此同时，这些研究单位对这些技术，形成了大量的专利保护。

国内对fbar的研究起步较晚，且基础较薄弱，fbar的很多的基础被国外都有形成专利保护，因此，在技术上的优势，近乎形成了垄断。在这种情况下，按现有思路很难进行突破，因为这一套一序列的技术都已经较为成熟和完善了。但正是因为这样，fbar这一技术领域的重要性，自主化又更显得紧迫。这便需要新的思路，即新的应用和新的技术创新，带来突破口。

fbar(filmbulkacousticresonator，薄膜腔声谐振)是具有压电效应材料和能够形成(逆)压电效应结构的所构造的元器件。使用硅底板、借助mems技术以及薄膜技术而制造出来的。fbar的工作原理是，在电极-压电材料-电极组成的“三明治”结构构成的核心部分中，通过在电极施加电压，压电材料产生形变，而当施加的是交变电压时，此时结构会产生压电效应。这个过程中，电能转化成机械能，通过声波在结构中传播，而在引起振动的同时，振动也会产生电信号，即通过逆压电效应，把机械能转化成电能，信号输出来。压电效应和逆压电效应同时存在，相互作用，并在相互作用的过程能够产生谐振，从而把信号选择出来。

但在传统的fbar技术上可以发现，还存在着剪切波，即声波并不完全沿着纵向(c轴)传播，还有部分是横向传播的。那么，便可以改变运用声波传播的信号模式，在其他的领域上使用。

传感器上，尤其生物传感器，很多时候都是在液相环境中工作，而在液相中，纵向方向的信号会衰减很大，这样精度和效率就很难达到要求。而采用剪切波传播信号的方式，即横向信号传播，衰减会小很多。因此，通过对压电薄膜生长的控制，产生特定角度的c轴倾向，或者对fbar结构进行合理的设计，使得剪切波信号增强并得到应用，而纵波尽量被抑制掉，以免形成过大的干扰。侧向场fbar是剪切波fbar应用的一种形式，即电极在压电层的同侧，这样器件的压电和逆压电效应是通过侧向场方向信号的传输和转换来实现的。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种通过键合进行薄膜转移，降低了制造门槛和降低了制造成本，改善薄膜生长的质量，提升器件性能，适用于新的应用场景的侧向场fbar结构及其制造方法。

本发明通过以下技术方案实现的：

一种侧向场fbar结构，包括：

第一衬底，所述第一衬底用作生长薄膜转移的载体；由于结构上的需要，不对性能参数产生影响因子，而fbar，无论是纵向声波传输还是横向声波传播，都会跟电场发生转换，而这主要是因为电极导体的存在。本身fbar器件体积小巧，如果硅衬底电阻率不高，类似于有导体属性，那么，器件的信号扩散或者耦合到衬底，这样对于器件来说，就是损失了一部分能量。而另一方面，可能会对信号造成干扰。因此第一衬底的电阻率要求较高，要在10000ω·m以上；

电极层，所述电极层通过溅射生长于所述第一衬底的上端面；类似于衬底要求高电阻率的说明。fbar中，除了电极及连接的需要，其他地方尽可能的不要使用到金属。当然，除非是经过设计的，电磁兼容或者等效电路元件等。

压电层，所述压电层生长于所述电极层的上端面；

第一键合层，所述第一键合层生长于所述压电层上端面的四周，使所述压电层的上端面中部裸露；

第二衬底，所述第二衬底的上端面中部刻蚀有凹槽；以及

第二键合层，所述第二键合层生长于所述第二衬底除去所述凹槽的上端面四周；

对所述压电层进行图案化掩膜，在所述压电层上刻蚀通孔；将所述第一衬底倒置后，所述第一键合层与所述第二键合层相互对准，通过键合机键合所述第一键合层与所述第二键合层实现所述第一衬底与所述第二衬底之间的连接；所述第一衬底与所述第二衬底键合后形成空腔；空腔通过通孔与外界连接，平衡压差；再去除位于上端的所述第一衬底；对所述电极层进行图案化掩膜，通过腐蚀电极层形成电极及连接部分；在电极间隔间生长用于调频的化合物。

进一步地，所述第一衬底和所述第二衬底均采用高阻硅制作而成，高阻硅的电阻率大于10000ω·m。

进一步地，所述第一键合层和所述第二键合层均采用sio2，pi中的一种非金属材料制作而成。

进一步地，所述电极层采用al、mo、pt中的一种电极材料通过溅射的方法生长于所述第一衬底的上端面。生长方式可以是cvd，pvd，或蒸镀等，本发明优先采用溅射的方法生长mo电极层。

进一步地，所述压电层采用aln，linbo3，zno中的一种材料制作而成。压电层的生长关系到压电效应和逆压电效应，如果晶体生长质量较差，那么机电耦合系数也不高，而且插损可能会较大。压电层生长的基底，这里是在电极层上，因为电极层是采用溅射的方法生长，应力能够做到很低，因此在电极层上生长压电层，能够满足要求。压电层材料，选用具有压电效应的，aln，linbo3，zno等都具有压电效应，可以兼顾工艺的兼容性对压电层材料做选择。

进一步地，所述化合物为aln，sio2中的一种。

进一步地，所述凹槽的深度为1～3um。

进一步地，所述第一键合层和所述第二键合层的厚度均为200nm～5um。因为采用键合工艺，而且是实体键合，键合层材料原本可以有多种选择，在非金属中，化合物，或者高分子聚合物都有许多的选择，因此，优选的，所述第一键合层和所述第二键合层采用化合物-化合物，或者化合物-硅之间的键合方式。厚度上，在200nm～5um的可选范围。

进一步地，所述第一衬底的底面和所述第二衬底的底面均设置有定位标识。

进一步地，一种侧向场fbar结构的制造方法，包括以下步骤：

步骤(1)，在第一衬底的底面设置定位标识，再对所述第一衬底进行酸洗和有机洗，在所述第一衬底上端面采用溅射的方式生长电极层；生长完电极层后，进行应力和粗糙度的检验，并做好记录；

步骤(2)，在所述电极层的上端面生长压电层；生长完压电层后，进行应力和粗糙度的检验，并做好记录；

步骤(3)，在所述压电层的上端面生长第一键合层；

步骤(4)，对所述第一键合层进行图形化处理；所述第一键合层通过匀胶，曝光，显影，设置好图案掩膜，进行刻蚀，使所述压电层的上端面中部裸露，形成所需图案；键合材料存在的区域，意味着需要键合的区域。而在晶圆片上，器件的工作区域及相应范围以内的区域，是不需要进行键合的，需要对键合层进行匀胶，曝光，显影，做好图案掩膜，进行刻蚀，形成所需图案，即保留键合区域的键合材料，去除不需键合的区域的键合材料；先设置陪片刻蚀，确认刻蚀速率，再在第一衬底(晶圆片)上刻蚀；

步骤(5)，对所述压电层进行图案化掩膜，在所述压电层上刻蚀通孔；在所述压电层裸露选取一定区域，进行图案化掩膜，刻蚀掉选定区域内的压电层材料，至电极层止；这主要是使得键合后所形成的空腔，有通道与外界连接，平衡压差；

步骤(6)，在第二衬底的底面设置定位标识，再对所述第二衬底进行清洗，在所述第二衬底的上端面上设置图案化掩膜，在所述第二衬底的上端面中部通过干法或湿法刻蚀，形成凹槽；可以采用icp，主要控制相关的气体；湿法腐蚀，有多种药液可选择，强碱，调配的硅腐蚀液等；湿法腐蚀需要注意的是，方向性，最好是各向异性的，而且时间需要控制好，以形成所需要的空腔。

步骤(7)，在所述凹槽上设置图案化掩膜，在所述第二衬底的上端面生长第二键合层；该操作同第一衬底上的相同，只是设计图案不同，工艺一样。但这里所说的设计图案，两者是相互镜像对准的；

步骤(8)，将所述第一衬底倒置后通过定位标识在双面曝光机中对所述第二衬底完成对准；所述第一衬底与所述第二衬底对准后，通过夹具将所述第一衬底与所述第二衬底转移至键合机中，设定相应的参数，进行键合；通过键合机键合所述第一键合层与所述第二键合层实现所述第一衬底与所述第二衬底之间的连接，实现所述电极层与所述压电层转移结合于所述第二衬底上；

步骤(9)，对所述第一衬底进行去除，采用机械抛光对所述第一衬底进行减薄后预留10um～50um的厚度，再采用湿法腐蚀，使所述电极层显露出来；

步骤(10)，在所述电极层上设置图案化掩膜，采用湿法腐蚀或干法刻蚀进行图案化处理；形成电极及连接部分；

步骤(11)，在电极间隔间生长用于调频的化合物；当需要对频率进行调整，可以在电极间隔间添加化合物，如aln，sio2等；通过添加化合物主要是改变声学路径来改变产生频率，不过需要注意的是，同时需要考虑到增加化合物后对信号振幅的影响；

步骤(12)，通过所述电极层级联，形成滤波器。

本发明的有益效果：

通过在第一衬底上依次设置电极层、压电层和第一键合层，在第二衬底上依次设置凹槽和第二键合层，对所述压电层进行图案化掩膜，在所述压电层上刻蚀通孔；将所述第一衬底倒置后，所述第一键合层与所述第二键合层相互对准，通过键合机键合所述第一键合层与所述第二键合层实现所述第一衬底与所述第二衬底之间的连接；所述第一衬底与所述第二衬底键合后形成空腔；空腔通过通孔与外界连接，平衡压差；再去除位于上端的所述第一衬底；对所述电极层进行图案化掩膜，通过腐蚀电极层形成电极及连接部分；在电极间隔间生长用于调频的化合物；通过所述电极层级联，形成滤波器。本发明采用不同于现有主流制造方法，采用薄膜转移制造方法，使得fbar技术在其他领域的应用得到拓展，通过键合进行薄膜转移，降低了制造门槛和降低了制造成本，改善薄膜生长的质量，提升器件性能。

附图说明

图1为在第一衬底上生长电极层示意图；

图2为在电极层上生长压电层示意图；

图3为在压电层上生长第一键合层，并图形化的示意图；

图4为对压电层进行刻蚀通孔示意图；

图5为在第二衬底上刻蚀空腔后示意图；

图6为在第二衬底上刻蚀空腔后生长第二键合层，并图形化示意图；

图7为第一衬底和第二衬底对准键合示意图；

图8为第一衬底和第二衬底对准键合后去除第一衬底后示意图；

图9对电极层进行图形化后示意图；

图10在电极之间添加化合物改变频率示意图；

图11为一种侧向场fbar结构剖面示意图；

图12为一种侧向场fbar俯视图；

图13实施例中一种fbar滤波器级联示意图；

图14为实施例中滤波器结果。

附图中：1011-第一衬底；104-电极层；103-压电层；1021-第一键合层；1012-第二衬底；1022-第二键合层；105-凹槽。

具体实施方式

下面将结合附图以及具体实施例来详细说明本发明，在此以本发明的示意下面将结合附图以及具体实施例来详细说明本发明，在此以本发明的示意性实施例及说明用来解释本发明，但并不作为对本发明的限定。

需要说明，本发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后、上端、下端、顶部、底部……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”应做广义理解，例如，“连接”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

另外，在本发明中如涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征；另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。

如图1至图14所示，一种侧向场fbar结构，包括：

第一衬底1011，所述第一衬底1011用作生长薄膜转移的载体；由于结构上的需要，不对性能参数产生影响因子，而fbar，无论是纵向声波传输还是横向声波传播，都会跟电场发生转换，而这主要是因为电极导体的存在。本身fbar器件体积小巧，如果硅衬底电阻率不高，类似于有导体属性，那么，器件的信号扩散或者耦合到衬底，这样对于器件来说，就是损失了一部分能量。而另一方面，可能会对信号造成干扰。因此第一衬底1011的电阻率要求较高，要在10000ω·m以上；

电极层104，所述电极层104通过溅射生长于所述第一衬底1011的上端面；类似于衬底要求高电阻率的说明。fbar中，除了电极及连接的需要，其他地方尽可能的不要使用到金属。当然，除非是经过设计的，电磁兼容或者等效电路元件等。

压电层103，所述压电层103生长于所述电极层104的上端面；

第一键合层1021，所述第一键合层1021生长于所述压电层103上端面的四周，使所述压电层103的上端面中部裸露；

第二衬底1012，所述第二衬底1012的上端面中部刻蚀有凹槽105；以及

第二键合层1022，所述第二键合层1022生长于所述第二衬底1012除去所述凹槽105的上端面四周；

对所述压电层103进行图案化掩膜，在所述压电层103上刻蚀通孔；将所述第一衬底1011倒置后，所述第一键合层1021与所述第二键合层1022相互对准，通过键合机键合所述第一键合层1021与所述第二键合层1022实现所述第一衬底1011与所述第二衬底1012之间的连接；所述第一衬底1011与所述第二衬底1012键合后形成空腔；空腔通过通孔与外界连接，平衡压差；再去除位于上端的所述第一衬底1011；对所述电极层104进行图案化掩膜，通过腐蚀电极层104形成电极及连接部分；在电极间隔间生长用于调频的化合物。

具体的，本实施例方案中，所述第一衬底1011和所述第二衬底1012均采用高阻硅制作而成，高阻硅的电阻率大于10000ω·m。

具体的，本实施例方案中，所述第一键合层1021和所述第二键合层1022均采用sio2，pi中的一种非金属材料制作而成。

具体的，本实施例方案中，所述电极层104采用al、mo、pt中的一种电极材料通过溅射的方法生长于所述第一衬底1011的上端面。生长方式可以是cvd，pvd，或蒸镀等，本发明优先采用溅射的方法生长mo电极层104。

具体的，本实施例方案中，所述压电层103采用aln，linbo3，zno中的一种材料制作而成。压电层103的生长关系到压电效应和逆压电效应，如果晶体生长质量较差，那么机电耦合系数也不高，而且插损可能会较大。压电层103生长的基底，这里是在电极层104上，因为电极层104是采用溅射的方法生长，应力能够做到很低，因此在电极层104上生长压电层103，能够满足要求。压电层103材料，选用具有压电效应的，aln，linbo3，zno等都具有压电效应，可以兼顾工艺的兼容性对压电层103材料做选择。

具体的，本实施例方案中，所述化合物为aln，sio2中的一种。

具体的，本实施例方案中，所述凹槽105的深度为1～3um。

具体的，本实施例方案中，所述第一键合层1021和所述第二键合层1022的厚度均为200nm～5um。因为采用键合工艺，而且是实体键合，键合层材料原本可以有多种选择，在非金属中，化合物，或者高分子聚合物都有许多的选择，因此，优选的，所述第一键合层1021和所述第二键合层1022采用化合物-化合物，或者化合物-硅之间的键合方式。厚度上，在200nm～5um的可选范围。

具体的，本实施例方案中，所述第一衬底1011的底面和所述第二衬底1012的底面均设置有定位标识。

具体的，本实施例方案中，一种侧向场fbar结构的制造方法，包括以下步骤：

步骤(1)，在第一衬底1011的底面设置定位标识，再对所述第一衬底1011进行酸洗和有机洗，在所述第一衬底1011上端面采用溅射的方式生长电极层104；生长完电极层104后，进行应力和粗糙度的检验，并做好记录；

步骤(2)，在所述电极层104的上端面生长压电层103；生长完压电层103后，进行应力和粗糙度的检验，并做好记录；

步骤(3)，在所述压电层103的上端面生长第一键合层1021；

步骤(4)，对所述第一键合层1021进行图形化处理；所述第一键合层1021通过匀胶，曝光，显影，设置好图案掩膜，进行刻蚀，使所述压电层103的上端面中部裸露，形成所需图案；键合材料存在的区域，意味着需要键合的区域。而在晶圆片上，器件的工作区域及相应范围以内的区域，是不需要进行键合的，需要对键合层进行匀胶，曝光，显影，做好图案掩膜，进行刻蚀，形成所需图案，即保留键合区域的键合材料，去除不需键合的区域的键合材料；先设置陪片刻蚀，确认刻蚀速率，再在第一衬底1011(晶圆片)上刻蚀；

步骤(5)，对所述压电层103进行图案化掩膜，在所述压电层103上刻蚀通孔；在所述压电层103裸露选取一定区域，进行图案化掩膜，刻蚀掉选定区域内的压电层103材料，至电极层104止；这主要是使得键合后所形成的空腔，有通道与外界连接，平衡压差；

步骤(6)，在第二衬底1012的底面设置定位标识，再对所述第二衬底1012进行清洗，在所述第二衬底1012的上端面上设置图案化掩膜，在所述第二衬底1012的上端面中部通过干法或湿法刻蚀，形成凹槽105；可以采用icp，主要控制相关的气体；湿法腐蚀，有多种药液可选择，强碱，调配的硅腐蚀液等；湿法腐蚀需要注意的是，方向性，最好是各向异性的，而且时间需要控制好，以形成所需要的空腔。

步骤(7)，在所述凹槽105上设置图案化掩膜，在所述第二衬底1012的上端面生长第二键合层1022；该操作同第一衬底1011上的相同，只是设计图案不同，工艺一样。但这里所说的设计图案，两者是相互镜像对准的；

步骤(8)，将所述第一衬底1011倒置后通过定位标识在双面曝光机中对所述第二衬底1012完成对准；所述第一衬底1011与所述第二衬底1012对准后，通过夹具将所述第一衬底1011与所述第二衬底1012转移至键合机中，设定相应的参数，进行键合；通过键合机键合所述第一键合层1021与所述第二键合层1022实现所述第一衬底1011与所述第二衬底1012之间的连接，实现所述电极层104与所述压电层103转移结合于所述第二衬底1012上；

步骤(9)，对所述第一衬底1011进行去除，采用机械抛光对所述第一衬底1011进行减薄后预留10um～50um的厚度，再采用湿法腐蚀，使所述电极层104显露出来；

步骤(10)，在所述电极层104上设置图案化掩膜，采用湿法腐蚀或干法刻蚀进行图案化处理；形成电极及连接部分；

步骤(11)，在电极间隔间生长用于调频的化合物；当需要对频率进行调整，可以在电极间隔间添加化合物，如aln，sio2等；通过添加化合物主要是改变声学路径来改变产生频率，不过需要注意的是，同时需要考虑到增加化合物后对信号振幅的影响；

步骤(12)，通过所述电极层104级联，形成滤波器。

实施例1：

对于第一衬底1011，选用高阻抗的单晶晶圆片，背部进行标识。进行清洗，用溅射的方法生长电极层104，这里，电极层104为电极，选用mo，厚度245nm。用应力仪测量薄膜应力，用四点探针测试薄膜厚度，记录下来。

在电极层104之上，生长压电层103。此时环境为侧向场fbar，电极层104在压电层103同侧，因此，压电层103的c轴取向可以是z轴，而不必特意去改变，生长出一定角度的压电层。侧向场的形成，主要通过电极分布来调节。为了跟纵波fbar应用的一致性，这里的压电层103为压电材料aln层，且生长条件，除了对应的厚度参数，其他保持不变。

在压电层103之上，生长第一键合层1021。第一键合层1021的材料选用sio2，厚度为400nm。

对第一键合层1021进行图案化掩膜，在预留空腔位置处，刻蚀掉该区域内sio2。在生长第一键合层1021的同时，放入一片陪片，一同生长第一键合层。对陪片进行图形化掩膜，进行刻蚀，得到刻蚀速率。再对第一键合层1021进行图形化掩膜，进行刻蚀。

在对第一键合层1021进行刻蚀后，裸露出压电层103，裸露区域内的压电层103是侧向场fbar的功能区域，可视即意味着与空腔相连。但空腔不能形成封闭的，否则结构或性能不理想。于是，在边沿处，开一个通道，预留与外界相连通。对裸露出来的压电层103，进行图形化掩膜，干法刻蚀，至电极层104界面止。

取第二衬底1012，进行来料清洗后，图形化掩膜处理，干法刻蚀凹槽105。因为不直接填充物质，所以凹槽105可以不考虑角度问题，直接垂直刻出来即可。刻蚀深度1～3um间都可。

在第二衬底1012上，生长第二键合层1022，材料也为sio2，图案化掩膜处理，把空腔内sio2腐蚀掉。这样，第一键合层1021与第二键合层1022，图形相互镜像以对准。

因为要对准键合，这里要用到双面曝光机来对准。第一衬底1011与第二衬底1012背面为可视面，没有任何可参考对准的标记，因此，在对准之前，需要分别在第一衬底1011与第二衬底1012上做对准标记。这里，可以通过在键合层掩膜板设置标记。如果说后续需要去除掉该标记点，第一衬底1011都会被去掉，而第二衬底1012，在机械减薄的时候，也可以进行减薄处理，把第二衬底1012背面的对准标记减薄去掉。

对准后，需要转移至键合机进行键合。通过设定一些参数，对两晶圆片(第一衬底1011与第二衬底1012)键合。在实际操作中，可能还需要做其他一些辅助操作，以使键合效果更理想，这里不作赘述。

对准键合后，薄膜转移完成了，需要把第一衬底1011去除掉，首先是进行机械减薄。机械减薄效果明显，能够快速减薄至目标厚度。不能全部直接通过机械减薄去除掉，过减薄的话很有可能会破坏到电极层104，压电层103，甚至到第二衬底1012。剩余硅去除，需要通过湿法腐蚀来做。因此，一方面用各向异性药液来做腐蚀，另一方面，第二衬底1012要被保护起来，通过增加可去除的保护层。

对去除掉第一衬底1011后的器件，图案化掩膜，干法刻蚀电极形状及连接，如图12所示。

通过电极级联，形成滤波器，如图13所示，滤波结果如图14所示。

本发明通过在第一衬底1011上依次设置电极层104、压电层103和第一键合层1021，在第二衬底1012上依次设置凹槽105和第二键合层1022，对所述压电层103进行图案化掩膜，在所述压电层103上刻蚀通孔；将所述第一衬底1011倒置后，所述第一键合层1021与所述第二键合层1022相互对准，通过键合机键合所述第一键合层1021与所述第二键合层1022实现所述第一衬底1011与所述第二衬底1012之间的连接；所述第一衬底1011与所述第二衬底1012键合后形成空腔；空腔通过通孔与外界连接，平衡压差；再去除位于上端的所述第一衬底1011；对所述电极层104进行图案化掩膜，通过腐蚀电极层104形成电极及连接部分；在电极间隔间生长用于调频的化合物；通过所述电极层104级联，形成滤波器。本发明采用不同于现有主流制造方法，采用薄膜转移制造方法，使得fbar技术在其他领域的应用得到拓展，通过键合进行薄膜转移，降低了制造门槛和降低了制造成本，改善薄膜生长的质量，提升器件性能。

以上对本发明实施例所提供的技术方案进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明实施例的原理以及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只适用于帮助理解本发明实施例的原理；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明实施例，在具体实施方式以及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。