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CN105897211A - 多谐振模式的薄膜体声波谐振器及其制备方法和滤波器 - Google Patents

多谐振模式的薄膜体声波谐振器及其制备方法和滤波器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了多谐振模式的薄膜体声波谐振器，依次包括硅衬底和压电堆叠结构，所述压电堆叠结构之间的空腔形成薄膜体声波谐振器的谐振腔；所述压电堆叠结构由下至上依次包括底电极、两层以上的压电薄膜、顶电极。本发明的薄膜体声波谐振器，具有多个谐振点，可通过级联、桥接等方式设计出多通带滤波器，大大减少无线终端上的FBAR滤波器数量。

Description

多谐振模式的薄膜体声波谐振器及其制备方法和滤波器
技术领域
本发明涉及体声波谐振器，特别涉及一种多谐振模式的薄膜体声波谐振器及其制备方法和滤波器。
背景技术
微型化、集成化、高性能是无线终端对频率器件的要求。传统射频/微波频段频率器件的解决方案为介质滤波器和声表面波滤波器。前者具有较好的性能，但体积太大后者虽然体积小，但存在工作频率低、插入损耗大、功率容量低的缺点。薄膜体声波谐振器(film bulk acoustic resonator，FBAR)技术是目前唯一有望集成的射频滤波器技术，综合了介质滤波器性能优越和声表面波(surfaceacoustic wave，SAW)滤波器体积小的优势，同时克服了两者的缺点。它具有工作频率高、功率容量大、损耗低、体积小、温度稳定性好以及可与射频集成电路(radio frequency integrated circuit，RFIC)或微波单片电路(microwave monolithicintegrated circuit，MMIC)集成的优点。
薄膜体声波谐振器采用金属电极-压电薄膜-金属电极的三明治结构，其工作原理为：当在两电极上施加一交变电压时，在压电薄膜内会形成交变电场，压电薄膜由于逆压电效应而发生机械形变，压电薄膜随着所施加电场的变化而膨胀或收缩，从而产生振荡，将电信号转换为声信号。这时在薄膜内会激励出沿薄膜厚度方向传播的体声波，并在两电极之间来回反射，当体声波在压电薄膜中的传播距离正好是半波长的奇数倍时就会产生谐振。其中谐振频率处的声波损耗最小，使得该频率的声信号能通过压电薄膜层，而其他不满足谐振条件的声信号就会衰减，与谐振频率相差越远的声信号衰减得越快。单个薄膜体声波谐振器只是在某个频点产生谐振，不能称之为滤波器。将多个薄膜体声波谐振器通过某种方式级联、桥接或耦合在一起就可以构成满足一定需求的带通滤波器，其中级联方式最为常用。
当今的无线移动产品除了对体积省电要求越来越高之外，更朝着多功能，多频段，多系统，多协议的融合与集成的方向发展。通常情况下，每一个滤波器具有一个特定的通带频率响应特性。有时系统可能需要同时处理两个或多个不同频率范围内的信号。目前的方法需要将多个滤波器进行并联来实现多个频率通带滤波功能。理论上，将多个滤波器并联在一起可获得单个滤波器特性相加的多通带综合特性。在使用FBAR滤波器的情况下，因为FBAR滤波器的指标与外接电路的阻抗特性相关，多个滤波器的并联增加了滤波器外接阻抗的复杂性，使得综合特性变差，整机调试困难。此外，实现多个频率通带滤波功能需要多个FBAR带通滤波器，这必然不利于射频前端向微型化、集成化方向的发展。
发明内容
为了克服现有技术的上述缺点与不足，本发明的目的之一在于提供一种多谐振模式的薄膜体声波谐振器，具有多个谐振点，可通过级联、桥接等方式设计出多通带滤波器，大大减少无线终端上的FBAR滤波器数量。
本发明的目的之二在于提供上述多谐振模式的薄膜体声波谐振器的制备方法。
本发明的目的之三在于提供一种滤波器。
本发明的目的通过以下技术方案实现：
多谐振模式的薄膜体声波谐振器，依次包括硅衬底和压电堆叠结构，所述压电堆叠结构之间的空腔形成薄膜体声波谐振器的谐振腔；所述压电堆叠结构由下至上依次包括底电极、两层以上的压电薄膜、顶电极；各层压电薄膜的面积不同。
所述空腔为上凸或下凹的空腔。
当所述空腔为上凸的空腔时，所述压电堆叠结构还包括位于底电极之下的支撑层，所述支撑层与硅衬底之间的空腔形成薄膜体声波谐振器的谐振腔。
所述压电薄膜为C轴择优取向的AlN压电薄膜。
所述的多谐振模式的薄膜体声波谐振器的制备方法，包括以下步骤：
(1)利用刻蚀技术在硅衬底的顶表面制备一个凹槽；
(2)在凹槽中填满牺牲层材料；
(3)在牺牲层材料之上沉积一层金属底电极，并进行图形化；
(4)采用射频磁控溅射沉积一层压电膜，对压电膜进行光刻、ICP刻蚀，得到多层压电薄膜，每层压电薄膜的面积不同；
(5)在压电薄膜之上沉积一层金属顶电极，并进行图像化；所述底电极、多层压电薄膜、顶电极形成压电堆叠结构；
(6)在压电堆叠结构上刻蚀出牺牲层释放通孔，通过牺牲层释放通孔释放牺牲层，得到多谐振模式的薄膜体声波谐振器。
所述的多谐振模式的薄膜体声波谐振器的制备方法，包括以下步骤：
(1)在硅衬底沉积一层牺牲层，并刻蚀形成牺牲层凸起；
(2)在牺牲层之上制备一层支撑层；
(3)在支撑层之上沉积一层金属底电极，并进行图形化；
(4)采用射频磁控溅射沉积一层压电膜，通过光刻、ICP刻蚀出多层压电薄膜；
(5)在压电薄膜之上沉积一层金属顶电极，并进行图像化；所述支撑层、底电极、多层压电薄膜、顶电极形成压电堆叠结构；
(6)在压电堆叠结构上刻蚀出牺牲层释放通孔，通过牺牲层释放通孔释放牺牲层，得到多谐振模式的薄膜体声波谐振器。
滤波器，包含所述的多谐振模式的薄膜体声波谐振器。
与现有技术相比，本发明具有以下优点和有益效果：
(1)本发明的薄膜体声波谐振器，单个薄膜体声波谐振器可具有多个谐振点，从而大大减少了制备多通带滤波器所需的薄膜体声波谐振器数量，有利于射频前端微型化的发展。
(2)本发明的薄膜体声波谐振器的制备方法，与常规的CMOS生产工艺兼容，降低了实际制作难度，有利于射频前端的集成化。
(3)使用本发明提出的薄膜体声波谐振器设计滤波器时，能降低外接阻抗的复杂性，方便整机调试。
附图说明
图1为本发明的实施例1的多谐振模式的薄膜体声波谐振器的剖视图。
图2为本发明的实施例1的多谐振模式的薄膜体声波谐振器的电学阻抗幅频特性图。
图3为本发明的实施例2的多谐振模式的薄膜体声波谐振器的光刻、刻蚀牺牲层后的剖视图。
图4为本发明的实施例2的多谐振模式的薄膜体声波谐振器的剖视图。
图5本发明的实施例2的多谐振模式的薄膜体声波谐振器的电学阻抗幅频特性图。
具体实施方式
下面结合实施例，对本发明作进一步地详细说明，但本发明的实施方式不限于此。
实施例1
本实施例的多谐振模式的薄膜体声波谐振器，通过以下制备方法制备：
1、在硅衬底1表面刻蚀一个凹槽，槽深30μm，然后PECVD沉积Si3N4衬底保护层2，厚度为200nm，以保护硅衬底。如图1所示。
2、在Si3N4之上PECVD沉积一层PSG(磷石英玻璃)作为牺牲层。
3、通过CMP工艺对牺牲层进行表面抛光。
4、在抛光后的表面通过直流磁控溅射沉积一层Mo底电极4，厚度为200nm，并通过光刻进行图形化。
5、采用射频磁控溅射沉积C轴择优取向AlN压电膜。并通过光刻、ICP刻蚀出多叠层结构。本实施例为3层AlN压电薄膜，AlN压电薄膜的面积大小由下至上依次递减；各层厚度自下而上分别为1μm、0.5μm、0.3μm。
6、通过光刻、电子束蒸发图形化一层厚度为100nm厚的Mo顶电极6；所述底电极4、多层压电薄膜5、顶电极6形成压电堆叠结构。
7、在压电堆叠结构上刻蚀出牺牲层释放通孔，用XeF2(氟化氙)气体通过牺牲层释放通孔，获得空腔3。最终得到多谐振模式的薄膜体声波谐振器，如图1所示。
图2为本实施例制备的薄膜体声波谐振器电学阻抗幅频特性图。由图可知，该谐振器在1.9GHz，2.2GHz，2.8GHz附近均产生了谐振。
本实施例的滤波器，包括本实施例的薄膜体声波谐振器。由两个串联薄膜体声波谐振器及一个并联薄膜体声波谐振器级联成梯形拓扑结构。其中，并联薄膜体声波谐振器的顶电极厚度比串联薄膜体声波谐振器厚10nm。从而构成一个三通带滤波器。
实施例2
1、在硅衬底1表面PECVD沉积一层PSG(磷石英玻璃)作为牺牲层7，并光刻出牺牲层图形。如图3所示。
2、用PECVD沉积一层Si3N4支撑层8，厚度为300nm。
3、通过光刻、磁控溅射图形化一层厚度为150nm厚的Mo底电极4。
4、采用射频磁控溅射沉积C轴择优取向AlN压电膜。并通过光刻、ICP刻蚀出多叠层结构。本实施例为3层AlN压电薄膜，AlN压电薄膜的面积大小由下至上依次递减；各层厚度自下而上分别为2μm、0.8μm、0.5μm。
5、通过光刻、电子束蒸发图形化一层厚度为150nm厚的Mo顶电极6。所述支撑层8、底电极4、多层压电薄膜5、顶电极6形成压电堆叠结构。
6、刻蚀出牺牲层释放通孔，用XeF2(氟化氙)气体通过牺牲层释放通孔，获得空腔3。最终得到多谐振模式的薄膜体声波谐振器，如图4所示。
如图5所示，本实施例制备的薄膜体声波谐振器电学阻抗幅频特性图。由图可知，该谐振器在1.12GHz，1.25GHz，1.55GHz附近均产生了谐振。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受所述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.多谐振模式的薄膜体声波谐振器，其特征在于，依次包括硅衬底和压电堆叠结构，所述压电堆叠结构之间的空腔形成薄膜体声波谐振器的谐振腔；所述压电堆叠结构由下至上依次包括底电极、两层以上的压电薄膜、顶电极；各层压电薄膜的面积不同。
2.根据权利要求1所述的多谐振模式的薄膜体声波谐振器，其特征在于，所述空腔为上凸或下凹的空腔。
3.根据权利要求1所述的多谐振模式的薄膜体声波谐振器，其特征在于，当所述空腔为上凸的空腔时，所述压电堆叠结构还包括位于底电极之下的支撑层，所述支撑层与硅衬底之间的空腔形成薄膜体声波谐振器的谐振腔。
4.根据权利要求1所述的多谐振模式的薄膜体声波谐振器，其特征在于，所述压电薄膜为C轴择优取向的AlN压电薄膜。
5.权利要求1所述的多谐振模式的薄膜体声波谐振器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)利用刻蚀技术在硅衬底的顶表面制备一个凹槽；
(2)在凹槽中填满牺牲层材料；
(3)在牺牲层材料之上沉积一层金属底电极，并进行图形化；
(4)采用射频磁控溅射沉积一层压电膜，对压电膜进行光刻、ICP刻蚀，得到多层压电薄膜，每层压电薄膜的面积不同；
(5)在压电薄膜之上沉积一层金属顶电极，并进行图像化；所述底电极、多层压电薄膜、顶电极形成压电堆叠结构；
(6)在压电堆叠结构上刻蚀出牺牲层释放通孔，通过牺牲层释放通孔释放牺牲层，得到多谐振模式的薄膜体声波谐振器。
6.权利要求1所述的多谐振模式的薄膜体声波谐振器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)在硅衬底沉积一层牺牲层，并刻蚀形成牺牲层凸起；
(2)在牺牲层之上制备一层支撑层；
(3)在支撑层之上沉积一层金属底电极，并进行图形化；
(4)采用射频磁控溅射沉积一层压电膜，通过光刻、ICP刻蚀出多层压电薄膜；
(5)在压电薄膜之上沉积一层金属顶电极，并进行图像化；所述支撑层、底电极、多层压电薄膜、顶电极形成压电堆叠结构；
(6)在压电堆叠结构上刻蚀出牺牲层释放通孔，通过牺牲层释放通孔释放牺牲层，得到多谐振模式的薄膜体声波谐振器。
7.滤波器，包含权利要求1～4任一项所述的多谐振模式的薄膜体声波谐振器。
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