采用改进工艺制备单晶薄膜体声波谐振器及滤波器的方法
阅读说明：本技术 采用改进工艺制备单晶薄膜体声波谐振器及滤波器的方法 (Method for preparing single crystal film bulk acoustic resonator and filter by improved process ) 是由 董树荣 轩伟鹏 金浩 骆季奎 于 2021-07-02 设计创作，主要内容包括：本发明公开了采用改进工艺制备单晶薄膜体声波谐振器及滤波器的方法。本发明在衬底的一侧表面淀积待键合层一；在基底的一侧表面沉积压电层；在压电层表面沉积第一电极；在压电层、牺牲层和第一电极表面上淀积待键合层二,或在压电层、布拉格反射层和第一电极表面淀积待键合层二,利用键合工艺将含待键合层一的衬底与含待键合层二的基底贴合,获得键合界面致密的器件,来减少后续薄膜体声波谐振器器件背面衬底减薄过程中因界面结合存在缝隙导致的器件塌陷、解键合等问题。(The invention discloses a method for preparing a single crystal film bulk acoustic resonator and a single crystal film bulk acoustic filter by adopting an improved process. Depositing a first layer to be bonded on the surface of one side of a substrate; depositing a piezoelectric layer on one side surface of the substrate; depositing a first electrode on the surface of the piezoelectric layer; and depositing a second layer to be bonded on the surfaces of the piezoelectric layer, the sacrificial layer and the first electrode, or depositing a second layer to be bonded on the surfaces of the piezoelectric layer, the Bragg reflection layer and the first electrode, and attaching the substrate containing the first layer to be bonded and the substrate containing the second layer to be bonded by using a bonding process to obtain a device with a compact bonding interface, so that the problems of device collapse, bonding debonding and the like caused by the existence of gaps in interface bonding in the subsequent thinning process of the substrate on the back of the thin film bulk acoustic resonator device are solved.)
技术领域
本发明涉及薄膜体声波谐振器，具体涉及一种采用改进工艺制备单晶薄膜体声波谐振器及滤波器的方法。
背景技术
随着移动通讯技术的快速发展，高频段谐振器和滤波器的市场需求越来越大。而薄膜体声波谐振器(FBAR)与传统的微波陶瓷谐振器和声表面波谐振器相比具有体积小、损耗低、品质因子高、功率容量大、谐振频率高等优点，因此在相关领域尤其是高频通讯方面有着广阔的应用前景，成为了产业界和学术界的研究热门。
薄膜体声波谐振器是薄膜体声波滤波器的主要构成单元，其基本结构是由两层金属电极夹着压电薄膜层的三明治压电振荡器。
压电薄膜层的厚度决定着体声波谐振器的工作频率，膜层的质量决定谐振器的性能，如Q值、机电耦合系数、FOM值等。当今主流的压电薄膜如ZnO、AlN等，均采用磁控溅射的方式制备，为多晶压电薄膜，其厚度均要在500nm以上才能具有较好的薄膜质量，使得体声波谐振器的工作频率做不高。另一方面，多晶薄膜内缺陷较多，造成BAW谐振器的损耗较大，Q值提升困难。随着薄膜制备工艺技术、设备的进步，单晶压电薄膜的制备工艺也越来越成熟，单晶压电薄膜由于晶体质量好，缺陷少，可以制备更高频率和Q值的BAW谐振器，已引起科研及工业界的广泛兴趣。然而，单晶薄膜BAW器件，制备工艺相对困难，尤其是如何确保衬底减薄过程中正面的单晶压电层不被破坏，故需要开发合适的键合工艺来实现单晶薄膜体声波谐振器的制备。
发明内容
本发明的目的是利用键合工艺获得键合界面致密的器件，来减少后续薄膜体声波谐振器器件背面衬底减薄过程中因界面结合存在缝隙导致的器件塌陷、解键合等问题，且采用键合工艺能够避免在后续的器件制备过程中形成寄生电容。
本发明采用以下技术方案实现：
本发明采用改进工艺制备单晶薄膜体声波谐振器的方法，具体步骤如下：
S1对衬底和基底均使用丙酮和异丙醇进行超声水洗；然后在衬底的一侧表面淀积待键合层一；
S2在基底的一侧表面沉积压电层；
S3在压电层表面沉积金属，并图形化，作为第一电极；
S4按以下三种方案中的一种操作：
第一种方案
S4.1.1在第一电极表面采用等离子体化学气相淀积工艺淀积多晶硅或非晶硅，并图形化，作为牺牲层；
S4.1.2在压电层、牺牲层和第一电极表面上采用低压化学气相淀积工艺淀积氧化硅薄膜作为待键合层二，并采用化学机械研磨的方式使待键合层二表面平整。
第二种方案
S4.2.1在第一电极表面采用等离子体化学气相淀积工艺淀积二氧化硅或掺杂二氧化碳，并图形化，作为牺牲层；
S4.2.2按以下两种方案中的一种操作：
①在压电层、牺牲层和第一电极表面用低压化学气相淀积工艺淀积耐氢氟酸或氟化氢气体腐蚀的薄膜(如AlN和Al2O3薄膜)，并图形化化，包裹住图形化的二氧化硅或掺杂二氧化碳；然后沉积氧化硅薄膜作为待键合层二，并采用化学机械研磨的方式对待键合层二进行抛光，使待键合层二表面平整。
②在压电层、牺牲层和第一电极表面用低压化学气相淀积工艺淀积多晶硅作为待键合层二，并采用化学机械研磨的方式对待键合层二进行抛光，使待键合层二表面平整。
第三种方案
S4.3.1在第一电极表面通过薄膜淀积技术交替沉积高声阻抗率反射层和低声阻抗率反射层，并图形化，形成布拉格反射层；
S4.3.2在压电层、布拉格反射层和第一电极表面用低压化学气相淀积工艺淀积氧化硅薄膜，作为待键合层二。然后通过化学机械研磨的方式对待键合层二和布拉格反射层表面进行抛光使待键合层二表面平整。
S5将含待键合层一的衬底与含待键合层二的基底贴合，并通过键合工艺连接，使得待键合层一与待键合层二以及牺牲层形成致密的界面；其中，待键合层一与待键合层二直接键合或者在两者表面沉积金属，使用金属键合。
S6采用研磨和化学机械抛光的方式减薄基底；
S7采用刻蚀工艺去除减薄后的基底；
S8在压电层表面采用热蒸发或磁控溅射的方法沉积金属，并图形化，形成第二电极；第二电极包含间距设置的电极部分一和电极部分二。
S9按以下两种方案中的一种操作：
S4采用第一种或第二种方案时，执行如下步骤：
S9.1.1采用等离子刻蚀或湿法腐蚀工艺在压电层表面形成通孔一和通孔二；通孔一为第一电极金属PAD填充孔；通孔二为牺牲层释放孔；
S9.1.2在压电层表面、通孔一中及电极部分一表面采用热蒸发或磁控溅射的方法沉积金属，并通过金属剥离工艺的方法图形化，形成金属PAD部分一，金属PAD部分一不与电极部分二连接；在压电层表面和电极部分二表面采用热蒸发或磁控溅射的方法沉积金属，并通过金属剥离工艺的方法图形化，形成金属PAD部分二；
S9.1.3通过湿法腐蚀工艺或干法腐蚀工艺利用通孔二去除牺牲层，形成空腔一；
S4采用第三种方案时，执行如下步骤：
S9.2.1采用等离子刻蚀或湿法腐蚀工艺在压电层表面形成通孔一；通孔一为第一电极金属PAD填充孔；
S9.2.2在压电层表面、通孔一中及电极部分一表面采用热蒸发或磁控溅射的方法沉积金属，并通过金属剥离工艺的方法图形化，形成金属PAD部分一，金属PAD部分一不与电极部分二连接；在压电层表面和电极部分二表面采用热蒸发或磁控溅射的方法沉积金属，并通过金属剥离工艺的方法图形化，形成金属PAD部分二；
优选地，所述衬底和基底的材料为玻璃、硅、碳化硅、氮化硅或陶瓷中的一种或多种按任意配比组合。
优选地，所述压电层的材料为单晶氮化铝、多晶氮化铝、氧化锌、单晶钽酸锂、锆钛酸铅、铌酸锂中的一种或多种按任意配比组合，厚度为10nm-4000nm。
优选地，所述第一电极的材料为铜、铝、银、钛、钨、金、镍、钼中的一种或多种按任意配比组合，厚度为50nm-500nm，横向宽度为30-600μm；所述第二电极的材料为铜、铝、银、钛、钨、金、镍、钼中的一种或多种按任意配比组合，厚度为50nm-500nm，第二电极的横向宽度为20-500μm。
优选地，所述牺牲层的材料为多晶硅、非晶硅、二氧化硅、掺杂二氧化碳中的一种或两种按任意配比组合；牺牲层的厚度为0.5-3μm，横向宽度为20-500μm；布拉格反射层的高声阻抗率反射层材料为碳化硅、氮化铝、氮化硅、钼、金、铂或钨；布拉格反射层的低声阻抗率反射层材料为二氧化硅、碳氧化硅、铝、硼硅酸盐玻璃或聚苯撑聚合物；布拉格反射层的厚度为0.5-5μm，横向宽度为20-500μm。
优选地，所述通孔一和通孔二的截面为圆形、梯型、三角形、长方形或正方形；通孔一和通孔二的截面为圆形时，直径均在5um-50um范围内取值，截面为梯型、三角形、长方形或正方形时，外接圆直径均在5um-50um范围内取值。
优选地，所述金属PAD部分一和金属PAD部分二的材料为铜、铝、银、钛、钨、金、镍、钼中的一种或多种按任意配比组合；金属PAD部分一和金属PAD部分二的厚度为10nm-5000nm。
优选地，所述牺牲层和空腔一的截面为圆形、椭圆形、梯型、三角形、长方形或正方形，空腔一的深度为0.5-3μm，横向宽度为20-500μm。
采用本发明单晶薄膜体声波谐振器制备滤波器的方法，具体如下：
第一种方案：
若干单晶薄膜体声波谐振器搭建成梯子型滤波器电路，梯子型滤波器电路的每一阶梯均由两个单晶薄膜体声波谐振器构成，一个串联排列，另一个并联排列。
第二种方案：
四个单晶薄膜体声波谐振器搭建成交叉型滤波器电路，第一个单晶薄膜体声波谐振器与第二个单晶薄膜体声波谐振器串联，第三个单晶薄膜体声波谐振器与第四个单晶薄膜体声波谐振器形成叉型排列，叉型的一端连接第一个单晶薄膜体声波谐振器的两端，叉型的另一端连接第二个单晶薄膜体声波谐振器的两端；
第三种方案：
梯子型滤波器电路和交叉型谐振器电路串联构造出混合型滤波器。
优选地，两个单晶薄膜体声波谐振器串联时，钝化材料层处于两个单晶薄膜体声波谐振器的压电层、待键合层一以及待键合层二之间；两个单晶薄膜体声波谐振器并联时，钝化材料层处在两个单晶薄膜体声波谐振器的压电层中间；所述的钝化材料层为二氧化硅、氮化硅、氮化铝，Ta2O5、聚酰亚胺、苯并环丁烯的一种或多种按任意配比组合。
本发明具有的有益效果：
本发明通过先对待键合界面进行CMP处理，再采用键合的方式获得键合界面致密的器件，避免了后续衬底减薄过程中器件塌陷、解键合的情况，提高了器件的性能，能制备得到高频率、高Q值的薄膜体声波谐振器。本发明尤其适合用于单晶薄膜体声波谐振器的制备，为制备性能更优的单晶FBAR提供了方法。
附图说明
图1本发明在衬底上制备待键合层一的剖面图。
图2是在基底上获得压电层的剖面图。
图3是在图2结构上制备金属电极的剖面图。
图4是在图3结构上制备牺牲层的剖面图。
图5是在图4结构上制备待键合层二并进行化学机械研磨处理的剖面图。
图6是图1结构与图5结构经键合成型的剖面图。
图7是在图6结构上减薄基底的剖面图。
图8是在图7结构上去除基底的剖面图。
图9是在图8结构上制备金属电极的剖面图。
图10是在图9结构上制备通孔的剖面图。
图11是在图10结构上沉积金属PAD并图形化的剖面图。
图12是在图11结构上去除牺牲层后的剖面图。
图13是为含布拉格反射层的待键合层二经化学机械研磨处理的剖面图。
图14是用本发明方法制备的固态装配型薄膜体声波谐振器示意图。
图15是薄膜体声波谐振器组成的梯子型滤波器示意图。
图16是薄膜体声波谐振器组成的交叉型滤波器示意图。
图17是薄膜体声波谐振器组成的混合型滤波器示意图。
图18是薄膜体声波谐振器串联的示意图。
图19是薄膜体声波谐振器并联的示意图。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明作进一步说明。
实施例1：
采用改进工艺制备单晶薄膜体声波谐振器的方法，具体步骤如下：
(1)对衬底100和基底200均使用丙酮和异丙醇进行超声水洗，衬底100和基底200的取向均为(111)或均为(100)；
(2)如图1所示，在衬底100的一侧表面采用低压化学气相淀积工艺(LPCVD)淀积待键合层一101，待键合层一101的材料为氧化硅、硅中的一种或两种按任意配比组合，厚度为0.1-3μm(优选0.5μm)。
(3)如图2所示，在基底200的一侧表面用金属有机化合物化学气相沉淀工艺(MOCVD)沉积晶体取向沿C轴(晶轴)的压电层201，厚度为10nm-4000nm。
(4)如图3所示，在压电层201表面采用热蒸发或磁控溅射的方法沉积厚度250nm的金属钼，并采用等离子体或湿法腐蚀的方法进行图形化，形成第一电极202，第一电极202的横向宽度为30-600μm(优选300μm)。
(5)如图4所示，在第一电极202表面采用等离子体化学气相淀积工艺淀积厚度为3μm的非晶硅薄膜，并采用等离子体或湿法腐蚀的方法进行图形化，形成牺牲层203，牺牲层203的横向宽度为20-500μm(优选200μm)。
(6)如图5所示，在压电层201、牺牲层203和第一电极202表面上采用低压化学气相淀积工艺(LPCVD)淀积待键合层二204，并采用化学机械研磨的方式使待键合层二204表面平整，待键合层二204最终厚度为2-3μm(优选2.5μm)。其中，待键合层二204的材料为氧化硅、硅中的一种或两种按任意配比组合，厚度为4μm。
(7)如图6所示，将含待键合层一的衬底100与含待键合层二的基底200贴合，并在350摄氏度下通过键合工艺连接，使得待键合层一101与待键合层二204以及牺牲层203形成致密的界面205；其中，待键合层一与待键合层二直接键合或者在两者表面沉积金属，使用金属键合。
(8)如图7所示，采用研磨和化学机械抛光的的方式减薄基底200，最终剩余基底厚度为5-20μm(优选10μm)。
(9)如图8所示，采用等离子体刻蚀工艺去除减薄后的基底。
(10)如图9所示，在压电层201表面采用热蒸发或磁控溅射的方法沉积厚度170nm的金属钼，并采用等离子体或湿法腐蚀的方法进行图形化，形成第二电极；第二电极包含间距设置的电极部分一206-1和电极部分二206-2；第二电极的横向宽度(电极部分一206-1和电极部分二206-2的两背对面之间的横向宽度)为20-500μm(优选180μm)。
(11)如图10所示，采用等离子刻蚀或湿法腐蚀工艺在压电层表面形成通孔一207-1和通孔二207-2；通孔一207-1位于电极部分一206-1和电极部分二206-2的间距位置处，且通孔一207-1的底部开口于第一电极202表面，为第一电极202金属PAD填充孔；通孔二207-2的底部开口于牺牲层203表面，为牺牲层释放孔，通孔一和通孔二的直径均在5um-50um范围内取值。
(12)如图11所示，在压电层201表面、通孔一207-1中及电极部分一206-1表面采用热蒸发或磁控溅射的方法沉积金，并通过金属剥离工艺的方法图形化，形成金属PAD部分一208-1，金属PAD部分一208-1表面至压电层201表面的厚度为1μm；在压电层201表面和电极部分二206-2表面采用热蒸发或磁控溅射的方法沉积金，并通过金属剥离工艺的方法图形化，形成金属PAD部分二208-2，金属PAD部分二208-2表面至压电层201表面的厚度为1μm；金属PAD部分一208-1不与电极部分二206-2连接。
(13)如图12所示，通过湿法腐蚀工艺或干法腐蚀工艺利用通孔二207-2去除牺牲层203，形成空腔一203-1。
实施例2：
采用改进工艺制备单晶薄膜体声波谐振器的方法，具体步骤如下：
步骤一：执行实施例1中的步骤(1)至步骤(4)。
步骤二：如图13所示，在第一电极202表面采用薄膜淀积技术交替沉积高声阻抗率反射层和低声阻抗率反射层，并通过等离子刻蚀或湿法腐蚀工艺图形化，形成布拉格反射层209，厚度为0.5-5μm(优选3μm)，横向宽度为20-500μm(优选200μm)。
步骤三：如图13所示，在压电层201、布拉格反射层209和第一电极202表面上采用低压化学气相淀积工艺(LPCVD)淀积待键合层二204，并采用化学机械研磨的方式使待键合层二204平整，待键合层二204最终厚度为2-3μm(优选2.5μm)。
步骤四：如图14所示，执行实施例1中的步骤(7)至步骤(10)；然后，采用等离子刻蚀或湿法腐蚀工艺在压电层表面形成通孔一207-1；通孔一207-1位于电极部分一206-1和电极部分二206-2的间距位置处，且通孔一207-1的底部开口于第一电极202表面，为第一电极202金属PAD填充孔，通孔一的直径在5um-50um范围内取值。
步骤五：执行实施例1中的步骤(12)。
实施例3：
采用实施例1或2的单晶薄膜体声波谐振器制备滤波器的方法，具体如下：
如图15所示，采用若干单晶薄膜体声波谐振器搭建成梯子型滤波器电路，梯子型滤波器电路的每一阶梯均由两个单晶薄膜体声波谐振器构成，一个串联排列，另一个并联排列。梯子型滤波器电路增加“阶梯”，可增强排除干扰频率的能力，使梯子型滤波器电路产生的带外衰减(拥有更陡峭的裙边曲线)更好，但这是建立在插入损耗和更多能量消耗的基础上的。
实施例4：
采用实施例1或2的单晶薄膜体声波谐振器制备滤波器的方法，具体如下：
如图16所示，采用四个单晶薄膜体声波谐振器搭建成交叉型滤波器电路，第一个单晶薄膜体声波谐振器与第二个单晶薄膜体声波谐振器串联，第三个单晶薄膜体声波谐振器与第四个单晶薄膜体声波谐振器形成叉型排列，叉型的一端连接第一个单晶薄膜体声波谐振器的两端，叉型的另一端连接第二个单晶薄膜体声波谐振器的两端；该造型滤波器的裙边曲线过于平缓，带外衰减不好。
实施例5：
如图17所示，将实施例4的梯子型滤波器电路与实施例5的交叉型谐振器电路串联构造出混合型滤波器，该造型滤波器的裙边曲线较陡峭，带外衰减较好。
其中，两个单晶薄膜体声波谐振器串联的方式为其中一个单晶薄膜体声波谐振器的金属PAD部分一208-1和另一个单晶薄膜体声波谐振器的金属PAD部分二208-2连接形成金属PAD208，金属PAD208将其中一个单晶薄膜体声波谐振器的电极部分一206-1和另一个单晶薄膜体声波谐振器的电极部分二206-2连接起来，如图18所示，而其中一个单晶薄膜体声波谐振器独立的金属PAD部分一208-1和另一个单晶薄膜体声波谐振器独立的金属PAD部分二208-2作为两个单晶薄膜体声波谐振器串联后的两个新电极。其中，钝化材料层103处于两个单晶薄膜体声波谐振器的压电层201、待键合层一101以及204待键合层二之间，起到隔离作用。
两个单晶薄膜体声波谐振器并联的方式为两个单晶薄膜体声波谐振器的金属PAD部分二208-2连接形成金属PAD208，金属PAD208将两个单晶薄膜体声波谐振器的电极部分二206-2连接起来，而两个单晶薄膜体声波谐振器的金属PAD部分一208-1作为两个单晶薄膜体声波谐振器并联后的两个新电极，如图19所示；或单晶两个薄膜体声波谐振器并联的方式为两个单晶薄膜体声波谐振器的金属PAD部分一208-1连接形成金属PAD208，金属PAD208将两个单晶薄膜体声波谐振器的电极部分一206-1连接起来，而两个单晶薄膜体声波谐振器的的金属PAD部分二208-2作为两个单晶薄膜体声波谐振器并联后的两个新电极。其中，钝化材料层103处在两个单晶薄膜体声波谐振器的压电层201中间，隔离两个单晶薄膜体声波谐振器的压电层201。
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