阅读说明：本技术 一种用于制作体声波器件的压电薄膜体及其制备方法 (Piezoelectric film body for manufacturing bulk acoustic wave device and preparation method thereof ) 是由 张秀全 王金翠 朱厚彬 李真宇 李洋洋 刘桂银 于 2020-04-27 设计创作，主要内容包括：本申请公开一种用于制作体声波器件的压电薄膜体及其制备方法,用于制作体声波器件的压电薄膜体包括依次叠加的薄膜体衬底、第一强化层、压电薄膜层和第二强化层；其中,所述第一强化层和所述第二强化层的杨氏模量大于所述压电薄膜层的杨氏模量。可以解决压电薄膜与金属电极直接接触以及在背面刻蚀过程中易过刻和在制备器件的过程中易碎裂等问题；同时制备方法,可以解决现有压电薄膜成膜方法容易产生晶格失配、热失配以及界面缺陷的问题。(The application discloses a piezoelectric film body for manufacturing a bulk acoustic wave device and a preparation method thereof, wherein the piezoelectric film body for manufacturing the bulk acoustic wave device comprises a film body substrate, a first strengthening layer, a piezoelectric film layer and a second strengthening layer which are sequentially superposed; wherein the Young's modulus of the first and second strengthening layers is greater than the Young's modulus of the piezoelectric thin film layer. The problems that the piezoelectric film is directly contacted with the metal electrode, easy to be etched in the back etching process, easy to be cracked in the device preparation process and the like can be solved; meanwhile, the preparation method can solve the problems that the existing piezoelectric film forming method is easy to generate lattice mismatch, thermal mismatch and interface defects.)

一种用于制作体声波器件的压电薄膜体及其制备方法

技术领域

本申请涉及压电薄膜技术领域，具体的涉及一种用于制作体声波器件的压电薄膜体及其制备方法。

背景技术

随着压电薄膜技术的发展，压电薄膜越来越多的应用在制作体声波器件上。目前，压电薄膜体的膜层结构通常为氧化物-压电薄膜层，采用压电薄膜体制作的体声波器件的膜层结构通常为金属-压电薄膜体-金属。

然而，在制作的体声波器件中，压电薄膜层与金属直接接触，容易出现高次谐波，导致体声波器件的带外抑制效果较差。在利用压电薄膜体制作体声波器件时，需要将背面的衬底刻蚀掉，由于刻蚀精度难以控制，容易发生过刻；以及由于压电薄膜层应力强度较低，在制备器件的过程中容易发生碎裂，大大降低了体声波器件的成品率。另外，现有压电薄膜的成膜方法通常采用脉冲激光沉积、磁控溅射、原子层沉积、热蒸发等，容易产生晶格失配、热失配以及界面缺陷等问题。

发明内容

本申请提供一种用于制作体声波器件的压电薄膜体，可以解决压电薄膜与金属电极直接接触以及在背面刻蚀过程中易过刻和在制备器件的过程中易碎裂等问题；并同时提供用于制作体声波器件的压电薄膜体的制备方法，可以解决现有压电薄膜成膜方法容易产生晶格失配、热失配以及界面缺陷的问题。

一方面，一种用于制作体声波器件的压电薄膜体，包括依次叠加的薄膜体衬底、第一强化层、压电薄膜层和第二强化层；

其中，所述第一强化层和所述第二强化层的杨氏模量大于所述压电薄膜层的杨氏模量。

可选的，还包括隔离层，所述隔离层位于所述薄膜体衬底与所述第一强化层之间。

可选的，所述第一强化层的厚度范围为2nm-100nm，所述第二强化层的厚度范围为2nm-100nm；

所述压电薄膜层的厚度范围为100nm-3000nm。

可选的，所述薄膜体衬底的材料为单晶硅或者铌酸锂。

可选的，所述第一强化层和所述第二强化层的材料为三氧化二铝或氮化铝；

所述压电薄膜层的材料为铌酸锂或钽酸锂。

可选的，所述隔离层的材料为二氧化硅或氮化硅。

另一方面，一种用于制作体声波器件的压电薄膜体的制备方法，包括：

在薄膜体衬底上制作第一强化层；

通过离子注入加键合法，在所述第一强化层上制作压电薄膜层；

在所述压电薄膜层上制作第二强化层，得到用于制作体声波器件的压电薄膜体。

可选的，一种用于制作体声波器件的压电薄膜体的制备方法，还包括：

在制作所述第一强化层之前，在所述薄膜体衬底上制作隔离层。

可选的，所述在薄膜体衬底上制作第一强化层，包括：

通过磁控溅射或者原子沉积的方式，在所述薄膜体衬底上制作第一强化层；

对所述第一强化层进行抛光处理，使得所述第一强化层的厚度范围为2nm-100nm。

可选的，所述在压电薄膜层上制作第二强化层，得到用于制作体声波器件的压电薄膜体，包括：

通过磁控溅射或者原子沉积的方式，在所述压电薄膜层上制作第二强化层；

对所述第二强化层进行抛光处理，使得所述第二强化层的厚度范围为2nm-100nm，得到用于制作体声波器件的压电薄膜体。

由以上技术方案可知，本申请提供的用于制作体声波器件的压电薄膜体，包括依次叠加的薄膜体衬底、第一强化层、压电薄膜层和第二强化层；其中，所述第一强化层和所述第二强化层的杨氏模量大于所述压电薄膜层的杨氏模量。

本申请的用于制作体声波器件的压电薄膜体及其制备方法，当用于制备体声波器件时，在压电薄膜体上制作金属电极，则金属电极直接接触的是第二强化层，可以避免压电薄膜层与金属电极直接接触导致产生高次谐波的问题；在刻蚀背面衬底的过程中，第一强化层可以有效防止过度刻蚀。由于，压电薄膜层的厚度是纳米级的，强度较低，在用于制备器件的过程中易碎、易裂，第一强化层和第二强化层的杨氏模量大于压电薄膜层的杨氏模量，第一强化层和第二强化层将压电薄膜层夹在中间，对压电薄膜层起到支撑的作用，可以增强压电薄膜层的强度，避免压电薄膜层发生碎裂。本申请提供的压电薄膜体的制备方法，采用键合技术，将压电薄膜层与第一强化层键合在一起，可以解决现有压电薄膜成膜方法容易产生晶格失配、热失配以及界面缺陷的问题，得到满足高膜质要求的压电薄膜层。

附图说明

为了更清楚地说明本申请的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本申请实施例提供的一种用于制作体声波器件的压电薄膜体膜层结构图；

图2为本申请实施例提供的另一种用于制作体声波器件的压电薄膜体膜层结构图；

图3为图1所示一种用于制作体声波器件的压电薄膜体制备方法工艺流程图；

图4为图2所示另一种用于制作体声波器件的压电薄膜体的制备方法工艺流程图。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

随着压电薄膜技术的发展，压电薄膜越来越多的应用在制作体声波器件上。目前，压电薄膜体的膜层结构通常为氧化物-压电薄膜层，采用压电薄膜体制作的体声波器件的膜层结构通常为金属-压电薄膜体-金属。

然而，在制作的体声波器件中，压电薄膜层与金属直接接触，容易出现高次谐波，导致体声波器件的带外抑制效果较差。在利用压电薄膜体制作体声波器件时，需要将背面的衬底刻蚀掉，由于刻蚀精度难以控制，容易发生过刻；以及由于压电薄膜层应力强度较低，在制备器件的过程中容易发生碎裂，大大降低了体声波器件的成品率。另外，现有压电薄膜的成膜方法通常采用脉冲激光沉积、磁控溅射、原子层沉积、热蒸发等，容易产生晶格失配、热失配以及界面缺陷等问题。

鉴于此，一方面，图1为本申请实施例提供的一种用于制作体声波器件的压电薄膜体膜层结构图。如图1所示，一种用于制作体声波器件的压电薄膜体，包括依次叠加的薄膜体衬底1、第一强化层2、压电薄膜层3和第二强化层4；其中，第一强化层2和第二强化层4的杨氏模量大于压电薄膜层3的杨氏模量。

第一强化层2的厚度H1与第二强化层的厚度H3可以是相同的，也可以是不同的，第一强化层的厚度H1的范围是2nm-100nm，可以是10nm。压电薄膜层3的厚度H2的范围为100nm-3000nm，可以是400nm。由于过厚的膜层厚度会影响薄膜材料的机电耦合系数，所以将第一强化层2、压电薄膜层3和第二强化层4的厚度控制在纳米级，可以保证压电薄膜体各个膜层材料的机电耦合系数。

本实施例提供用于制作体声波器件的压电薄膜体，当用于制备体声波器件时，在压电薄膜体上制作金属电极，则金属电极直接接触的是第二强化层4，可以避免压电薄膜层3与金属电极直接接触导致产生高次谐波的问题；在刻蚀背面衬底的过程中，第一强化层2可以有效防止过度刻蚀。由于，压电薄膜层3的厚度是纳米级的，强度较低，在用于制备器件的过程中易碎、易裂，第一强化层2和第二强化层4的杨氏模量大于压电薄膜层3的杨氏模量，第一强化层2和第二强化层4将压电薄膜层3夹在中间，对压电薄膜层3起到支撑的作用，可以增强压电薄膜层3的强度，避免压电薄膜层3发生碎裂。

薄膜体衬底1的材料可以是单晶硅或者铌酸锂，单晶硅或者铌酸锂可以较好的阻隔外界杂质离子进入压电薄膜体内，并且在压电薄膜体用于制备其他器件时，需要将薄膜体衬底1去除掉，单晶硅或者铌酸锂可以通过刻蚀的方式较容易的去除掉。第一强化层2和第二强化层4的材料可以是三氧化二铝或氮化铝；通过磁控溅射或者沉积法制备得到的三氧化二铝膜层或氮化铝膜层具有高声速和高杨氏模量的特性，可增强第一强化层2和第二强化层4的支撑效果。另外，在薄膜体衬底1通过刻蚀的方式去除掉时，三氧化二铝或氮化铝不会被刻蚀掉，所以第一强化层采用三氧化二铝或氮化铝可以起到防止过刻的作用。由于钽酸锂与铌酸锂的性质相似，压电薄膜层3的材料可以是单晶铌酸锂或单晶钽酸锂，则压电薄膜层3为单晶薄膜层，可以完全保留材料本身的物理性质，如机电耦合系数和声速等。当压电薄膜体用于制备体声波器件时，第一强化层2和第二强化层4的声速低于压电薄膜层3的声速，高于空气介质的声速，可以使得声波在传播至压电薄膜层3与第一强化层2或第二强化层4的界面时大部分被反射，同时，在第一强化层2或第二强化层4与空气的界面上也产生反射，因此，可以保证声波完全保留在压电薄膜体内，不被泄漏到外部，可以避免声波体器件的性能衰竭，能够进一步抑制高次谐波的产生，提升了器件的带外抑制效果。

图2为本申请实施例提供的另一种用于制作体声波器件的压电薄膜体膜层结构图。如图2所示，压电薄膜体还包括隔离层5，隔离层5位于薄膜体衬底1与第一强化层2之间。隔离层5的材料可以为二氧化硅或氮化硅。由于，当压电薄膜体用于制备体声波器件时，薄膜体衬底1需要被去除掉，当薄膜体衬底1被去除掉后，作为隔离层5的二氧化硅或氮化硅可以起到保护第一强化层的作用，用于隔离外界的杂质离子。

另一方面，图3为图1所示一种用于制作体声波器件的压电薄膜体制备方法工艺流程图。如图3所示，一种用于制作体声波器件的压电薄膜体的制备方法，包括：

S1：在薄膜体衬底1上制作第一强化层2。

S1，在薄膜体衬底1上制作第一强化层2，可以包括：

S11：通过磁控溅射或者原子沉积的方式，在薄膜体衬底1上制作第一强化层2。

S12：对第一强化层2进行抛光处理，使得第一强化层2的厚度范围为2nm-100nm。

薄膜体衬底1可以是直径为3英寸，厚度为0.4mm的单晶硅晶圆或者单晶铌酸锂晶圆，晶圆表面的粗糙度可以小于0.5nm；第一强化层2可以在薄膜体衬底1较光滑的一侧成膜。第一强化层2可以是三氧化二铝或氮化铝，通常通过磁控溅射或者原子沉积的方式成膜的三氧化二铝或氮化铝，膜质均匀。抛光工艺可以使得第一强化层2的表面更加平整且膜厚更加均匀，进而，利于其他膜层粘附在第一强化层2上。

S2：通过离子注入加键合法，在第一强化层上制作压电薄膜层。

S2，通过离子注入加键合法，在第一强化层上制作压电薄膜层，可以包括如下具体步骤：

S21：将氦离子注入到压电薄膜体材料的表面，在压电薄膜体材料的离子注入侧依次形成压电薄膜层3、分离层和余料层。

其中，氦离子的注入可以使得压电薄膜体材料分层，压电薄膜层3位于压电薄膜体材料的表面，分离层位于压电薄膜层3和余料层之间，注入的氦离子分布在分离层内，压电薄膜体材料可以采用直径为3英寸，厚度为0.4mm铌酸锂晶圆或者钽酸锂晶圆。氦离子注入的能量范围为50-1000KeV，可以是200KeV，剂量范围为1E16-1E17ions/cm²，可以是4E16ions/cm²，本申请不作具体限定。

S22：将压电薄膜层3与第一强化层2键合在一起。

步骤S22采用的是键合技术，可以是直接键合法、阳极键合法、低温键合法、真空键合法、等离子强化键合法和粘结键合法中的任意一种，将压电薄膜层3与第一强化层2键合在一起，得到键合体。可以解决现有压电薄膜成膜方法容易产生晶格失配、热失配以及界面缺陷的问题，可以得到满足高膜质要求的压电薄膜层3。

S23：采用热剥离工艺，将余料层与压电薄膜层3分离开。

当压电薄膜层3与第一强化层2键合在一起后，将键合体放入加热设备内，在100℃-600℃的温度范围下保温，可以是400℃，保温环境为真空环境、氮气环境或者惰性气体环境中的一种，保温时间范围为1分钟-48小时，可以是3小时或者4小时，直至压电薄膜层3在分离层处从余料层上分离下来，压电薄膜层3保留在键合体上。

S3：在压电薄膜层3上制作第二强化层，得到用于制作体声波器件的压电薄膜体。

S3，在压电薄膜层3上制作第二强化层，得到用于制作体声波器件的压电薄膜体，可以包括如下步骤：

S31：通过磁控溅射或者原子沉积的方式，在压电薄膜层3上制作第二强化层4。

S32：对第二强化层4进行抛光处理，使得第二强化层4的厚度范围为2nm-100nm，得到用于制作体声波器件的压电薄膜体。

第二强化层4与第一强化层2的成膜方式可以相同，也可以不同，本申请不作具体限定。第二强化层4的厚度可以与第一强化层2的厚度相同，也可以不同，本申请不作具体限定。

图4为图2所示另一种用于制作体声波器件的压电薄膜体的制备方法工艺流程图。如图4所示，本实施例提供的另一种用于制作体声波器件的压电薄膜体的制备方法，包括如下步骤：

S0：在薄膜体衬底1上制作隔离层5。

隔离层5可以是二氧化硅或者氮化硅，可以采用等离子化学气相沉积的方式成膜，本申请不作具体限定。薄膜体衬底1可以是直径为3英寸，厚度为0.4mm的单晶硅晶圆或者单晶铌酸锂晶圆，晶圆表面的粗糙度可以小于0.5nm；隔离层5可以在薄膜体衬底1较光滑的一侧表面成膜。隔离层5成膜后可以进行抛光处理，抛光处理后，隔离层5可以更好的与其他膜层粘附。

S1：在隔离层5上制作第一强化层2。

第一强化层2可以是三氧化二铝或氮化铝，通常通过磁控溅射或者原子沉积的方式成膜的三氧化二铝或氮化铝，膜质均匀。第一强化层2成膜后可以进行抛光处理，抛光可以使得第一强化层2的表面更加平整且膜厚更加均匀，进而，利于其他膜层粘附在第一强化层2上。

S2：通过离子注入加键合法，在第一强化层2上制作压电薄膜层3。

在压电薄膜体材料上进行离子注入，可以使得压电薄膜体材料分层，分为余料层、分离层和压电薄膜层3，其中压电薄膜层3位于压电薄膜体材料的表面，分离层位于余料层与压电薄膜层3之间。键合法可以是直接键合法、阳极键合法、低温键合法、真空键合法、等离子强化键合法和粘结键合法中的任意一种，通过键合法，可以将第一强化层和压电薄膜层3键合在一起，可以避免现有压电薄膜层的成膜方法容易产生晶格失配、热失配以及界面缺陷的问题，进而得到满足高膜质要求的压电薄膜层3。

S3：在压电薄膜层3上制作第二强化层4，得到用于制作体声波器件的压电薄膜体。

本申请的用于制作体声波器件的压电薄膜体，当用于制备体声波器件时，在压电薄膜体上制作金属电极，则金属电极直接接触的是第二强化层，可以避免压电薄膜层与金属电极直接接触导致产生高次谐波的问题；在刻蚀背面衬底的过程中，第一强化层可以有效防止过度刻蚀。由于，压电薄膜层的厚度是纳米级的，强度较低，在用于制备器件的过程中易碎、易裂，第一强化层和第二强化层的杨氏模量大于压电薄膜层的杨氏模量，第一强化层和第二强化层将压电薄膜层夹在中间，对压电薄膜层起到支撑的作用，可以增强压电薄膜层的强度，以保护压电薄膜层避免发生碎裂。本申请提供的压电薄膜体的制备方法，采用键合技术，将压电薄膜层与第一强化层键合在一起，可以解决现有压电薄膜成膜方法容易产生晶格失配、热失配以及界面缺陷的问题，得到满足高膜质要求的压电薄膜层。在压电薄膜层两侧制备第一强化层和第二强化层，第一强化层和第二强化层将压电薄膜层夹在中间，对压电薄膜层起到支撑的作用，可以增强压电薄膜层的强度，避免压电薄膜层发生碎裂。

本说明书中各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可。尤其，对于实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例中的说明即可。