專利名稱：一種基于嵌入式電極側(cè)向場激勵(lì)的fbar及其制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于壓電傳感技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及ー種基于嵌入式電極側(cè)向場激勵(lì)的FBAR及其制作方法。
背景技術(shù)：
薄膜體聲波諧振器(FBAR)是近年來比較熱門的壓電諧振、壓電傳感技木，其工作原理類似石英晶振，只是壓電層采用薄膜沉積的エ藝制備，而非石英晶振所采用的將石英片切割、減薄的技木。FBAR采用射頻微機(jī)械エ藝制備，可用于射頻濾波器和射頻傳感器等領(lǐng)域。FBAR按工作模式可分為縱波模式和剪切波模式，縱波模式常用于射頻濾波器應(yīng)用，而剪切波模式常用于射頻傳感器應(yīng)用，尤其是需工作于液相環(huán)境的生物傳感器應(yīng)用。剪切波模式的FBAR按結(jié)構(gòu)又可分為壓電薄膜c軸傾斜生長和側(cè)向場激勵(lì)兩大類，其中側(cè)向場激勵(lì)剪切波模式的FBAR通過外界施加的側(cè)向電場，在壓電薄膜體內(nèi)激勵(lì)起沿厚度方向傳輸?shù)?剪切波駐波諧振，具有制備エ藝簡單、成品率高、溫度特性穩(wěn)定、在液相環(huán)境中損耗小、可集成、可制作成傳感陣列等優(yōu)點(diǎn)，正受到生物傳感領(lǐng)域越來越多的關(guān)注。但在實(shí)際應(yīng)用中剪切波模式的FBAR雖然比縱波模式的FBAR在液相環(huán)境中使用時(shí)具有更高的Q值(品質(zhì)因數(shù))，但其Q值仍然比空氣中的Q值要低很多。這是因?yàn)樵诩羟胁Ｊ降腇BAR器件中，往往存在主剪切波和縱波及其他寄生波同時(shí)存在的混合模式。這ー混合模式的存在是因?yàn)殡妶鲈趬弘姳∧ぶ械姆植疾⒎抢硐氲卮怪庇诤穸确较颍绕湓陔姌O下方及邊緣處，從而使得主諧振頻率為混合模式，而非純剪切波模式。因此，作者A. D. Wathen、F. Munir 和 ff. D. Hunt 在標(biāo)題為 Trapped hybrid modes in solidly mountedresonators based on c-axis oriented hexagonal crystals (Journal of AppliedPhysics, 2010, 108 (11) : 114503)的文章中詳細(xì)論述了混合模式的存在是導(dǎo)致剪切波模式FBAR傳感器在液相環(huán)境中使用時(shí)Q值不高的主要原因。電極是壓電傳感器的重要組成部分，電極的結(jié)構(gòu)會直接影響壓電傳感器的品質(zhì)因數(shù)和動態(tài)阻抗等關(guān)鍵參數(shù)，進(jìn)而影響傳感器的頻率穩(wěn)定性和負(fù)載測量范圍。公開號為CN101257287A的中國專利公開了ー種壓電晶體諧振器電極形狀設(shè)計(jì)方法以及公開號為CN101520436A的中國專利公開了ー種具有橢圓電極的壓電體聲波傳感器，這兩種技術(shù)均在剪切模式下，通過對電極的優(yōu)化設(shè)計(jì)改善了品質(zhì)因數(shù)；但是仍無法解決由于剪切模式側(cè)向場激勵(lì)的寄生振動產(chǎn)生的如上表面波、次表面波、寄生縱波等雜波導(dǎo)致寄生干擾過大的問題。公開號為CN101800524A的中國專利公開了ー種具有非対稱叉指結(jié)構(gòu)的剪切模式FBAR,這種結(jié)構(gòu)在一定程度上減小了寄生干擾，但仍無法完全消除寄生干擾，主諧振頻率仍被寄生模式干擾，主剪切波和縱波及其他寄生波同時(shí)存在使得諧振模式不純、頻率分辨率較差等問題仍然存在，這些問題的存在嚴(yán)重影響了器件的Q值以及頻率檢測的準(zhǔn)確度，而在作為敏感元件的諧振式傳感器設(shè)計(jì)中，上述兩個(gè)指標(biāo)是影響傳感器性能的關(guān)鍵參數(shù)；并且這種結(jié)構(gòu)復(fù)雜，不利于生產(chǎn)。

發(fā)明內(nèi)容
針對現(xiàn)有技術(shù)所存在的上述技術(shù)缺陷，本發(fā)明提供了一種基于嵌入式電極側(cè)向場激勵(lì)的FBAR及其制作方法，能夠獲得純剪切模式諧振，提高器件的品質(zhì)因數(shù)?！N基于嵌入式電極側(cè)向場激勵(lì)的FBAR,包括由襯底和鋪設(shè)于襯底底部的掩膜層構(gòu)成的襯底層，所述的襯底頂部鋪設(shè)有支撐膜層，所述的襯底層開有通孔，所述的支撐膜層上鋪設(shè)有壓電薄膜層，所述的壓電薄膜層上對應(yīng)通孔的區(qū)域內(nèi)嵌有至少ー對金屬電極。所述的襯底為硅襯底或神化鎵襯底，襯底的厚度為25(Γ400 μ m。所述的掩膜層和支撐膜層均采用氮化硅或ニ氧化硅等制成；所述的掩膜層的厚度為3 5 μ m。所述的壓電薄膜層采用氮化鋁、氧化鋅或PZT (鋯鈦酸鉛)制成，優(yōu)選地，壓電薄膜層采用氮化鋁或氧化鋅制成；適合于用磁控濺射技術(shù)制成Q值高，機(jī)電耦合系數(shù)適合的壓電薄膜。壓電薄膜層和支撐膜層的厚度主要影響器件的剪切模式主諧振頻率，優(yōu)選地，所述的壓電薄膜層的厚度為20(T5000nm，支撐膜層的厚度為10(T300nm。金屬電極采用鋁、鑰、金、白金等金屬制成，優(yōu)選地，所述的金屬電極采用鋁制金屬電極或鑰制金屬電極；與壓電薄膜匹配良好，聲學(xué)性能佳，適合制備高性能的FBAR器件。金屬電極寬度主要影響寄生模式高次模之間的頻率間隔，優(yōu)選地，所述的金屬電極的寬度為5 40 μπι。電極嵌入到壓電薄膜中的深度和金屬電極厚度主要影響寄生模式整體頻譜的搬移以及各高次模之間的頻率間隔。優(yōu)選地，所述的金屬電極嵌入至壓電薄膜層的深度為5(T200nm，金屬電極的厚度為5(T200nm。金屬電極的間距主要影響主諧振頻率與其高次模之間的頻率間隔，優(yōu)選地，任一對金屬電極的兩個(gè)金屬電極均為平行并排設(shè)置，且間距為5 40 μ m。所述的FBAR的制作方法，包括如下步驟(I)選取襯底，對襯底清洗后烘干；(2)利用LPCVD (低壓化學(xué)汽相淀積)技術(shù)在襯底的頂面和底面分別生長ー層薄膜；其中，生長于襯底頂面的薄膜作為支撐膜層，生長于襯底底面的薄膜作為掩膜層；(3)利用RIE (反應(yīng)離子刻蝕)技術(shù)在掩膜層上干法刻蝕出ー腐蝕窗；然后用氫氧化鉀溶液對腐蝕窗區(qū)域內(nèi)的襯底進(jìn)行濕法刻蝕，直至襯底剩余厚度為10-20 μπι之間；(4)利用反應(yīng)磁控濺射技術(shù)在支撐膜層上沉積ー層薄膜作為壓電薄膜層；然后在壓電薄膜層上均勻涂覆正性抗蝕劑，進(jìn)而在壓電薄膜層上對應(yīng)腐蝕窗的區(qū)域內(nèi)光刻出至少ー對電極窗ロ，且保留在壓電薄膜層除電極窗ロ以外的區(qū)域上的正性抗蝕劑；(5)利用RIE技術(shù)對壓電薄膜層進(jìn)行干法刻蝕，從而在電極窗ロ處對應(yīng)刻蝕出坑槽；然后在壓電薄膜層上沉積金屬，從而在坑槽內(nèi)形成嵌入式的金屬電極；(6)用腐蝕溶液溶解壓電薄膜層上的正性抗蝕劑，沉積在正性抗蝕劑上的金屬會 隨正性抗蝕劑的溶解而剝離；最后利用ICP (感應(yīng)耦合等離子刻蝕)技術(shù)干法刻蝕掉腐蝕窗區(qū)域內(nèi)剰余厚度的襯底。本發(fā)明的FBAR技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)寄生模式頻譜的搬移，使器件獲得較高的品質(zhì)因數(shù)以及純剪切波模式諧振，在具體應(yīng)用時(shí)具有傳感靈敏度高、分辨率高、在液相環(huán)境中能保持較高Q值，尤其適合于生物傳感領(lǐng)域應(yīng)用。


圖I為本發(fā)明FBAR的結(jié)構(gòu)示意圖。圖2為本發(fā)明FBAR的制作エ藝流程示意圖。圖3為傳統(tǒng)側(cè)向場激勵(lì)FBAR的導(dǎo)納頻率響應(yīng)特性圖。圖4為傳統(tǒng)側(cè)向場激勵(lì)FBAR主諧振模式和寄生模式所在的區(qū)域分布圖。圖5為本發(fā)明側(cè)向場激勵(lì)FBAR的導(dǎo)納頻率響應(yīng)特性圖。
具體實(shí)施方式
為了更為具體地描述本發(fā)明，下面結(jié)合附圖及具體實(shí)施方式
對本發(fā)明的技術(shù)方案及其相關(guān)機(jī)理進(jìn)行詳細(xì)說明。如圖I所不,一種基于嵌入式電極側(cè)向場激勵(lì)的FBAR,包括由娃襯底I和鋪設(shè)于娃襯底I底部的掩膜層2構(gòu)成的襯底層，硅襯底I頂部鋪設(shè)有支撐膜層3，襯底層開有通孔6，支撐膜層3上鋪設(shè)有壓電薄膜層4，壓電薄膜層4上對應(yīng)通孔6的區(qū)域內(nèi)嵌有ー對金屬電極5。本實(shí)施方式中，娃襯底的厚度為350 μ m,掩膜層和支撐膜層均米用氮化娃制成，掩膜層的厚度為4. 5 μ m，支撐膜層的厚度為250nm ;壓電薄膜層采用氧化鋅制成，厚度為790nm;金屬電極采用鋁金屬電極，厚度為150nm，寬度為40 μ m，嵌入深度為120nm，兩塊鋁金屬電極平行并排設(shè)置，且間距為20 μπι。本實(shí)施方式FBAR的制作方法，包括如下步驟(I)選取雙拋低阻厚度為350 μ m的硅襯底I，根據(jù)RCA標(biāo)準(zhǔn)清洗法對硅襯底I進(jìn)行清洗，并烘干；(2)利用LPCVD技術(shù)在硅襯底I的頂面和底面分別生長ー層氮化硅薄膜；其中，生長于娃襯底I頂面的氮化娃薄膜作為支撐膜層3,厚度為250nm ;生長于娃襯底I底面的氮化硅薄膜作為掩膜層2，厚度為4. 5 μ m，如圖2 (a)所示；(3)利用RIE技術(shù)在掩膜層2上干法刻蝕出ー腐蝕窗；然后在80°C溫度下用濃度為40%的氫氧化鉀溶液對腐蝕窗區(qū)域內(nèi)的硅襯底I進(jìn)行濕法刻蝕，直至硅襯底I剩余厚度為10-20 μ m之間，如圖2(b)所示；(4)利用反應(yīng)磁控濺射技術(shù)在支撐膜層3上沉積ー層氧化鋅薄膜作為壓電薄膜層4，厚度為790nm，如圖2(c)所示；本實(shí)施方式中，氧化鋅薄膜采用射頻反應(yīng)磁控濺射沉積，濺射的功率密度為2 25W/cm2，靶材到襯底的距離為5 10cm，靶材為純度99. 999%的金屬鋅靶，反應(yīng)氣體為純度99. 999%的氧氣，工作氣體為純度99. 999%的氬氣；然后在壓電薄膜層4上均勻涂覆正性抗蝕劑7，進(jìn)而在壓電薄膜層4上對應(yīng)腐蝕窗的區(qū)域內(nèi)光刻出ー對電極窗ロ，且保留在壓電薄膜層4除電極窗ロ以外的區(qū)域上的正性抗蝕劑7，電極窗ロ的寬度為40 μ m，兩塊電極窗ロ的間距為20 μπι ;如圖2(d)所示；(5 )利用RIE技術(shù)對壓電薄膜層4進(jìn)行干法刻蝕，從而在兩塊電極窗ロ處對應(yīng)刻蝕出兩塊坑槽，坑槽深度為120nm，如圖2(e)所示；然后在壓電薄膜層4上沉積金屬鋁，從而在兩塊坑槽內(nèi)分別形成兩塊嵌入式的鋁金屬電極5，厚度為150nm，如圖2(f)所示；(6)用腐蝕溶液溶解壓電薄膜層4上的正性抗蝕劑7，沉積在正性抗蝕劑7上的金屬鋁會隨正性抗蝕劑7的溶解而剝離，如圖2(g)所示；最后利用ICP技術(shù)干法刻蝕掉腐蝕窗區(qū)域內(nèi)剩余厚度的硅襯底1，如圖2(h)所示。利用Comsol Multiphysics有限元仿真軟件對本實(shí)施方式的FBAR進(jìn)行仿真,分析其導(dǎo)納頻率特性；具體的仿真模型參數(shù)為氧化鋅厚度790nm，鋁電極厚度150nm，鋁電極寬度40 μ m，鋁電極間距20 μ m。當(dāng)鋁電極嵌入氧化鋅的深度為零，也即傳統(tǒng)的側(cè)向場激勵(lì)FBAR時(shí)，獲得的導(dǎo)納頻率特性如圖3所示，圖中橫坐標(biāo)為頻率，縱坐標(biāo)為導(dǎo)納幅度。其中主諧振頻率被眾多的寄生雜波包圍，導(dǎo)致模式不純、頻率分辨率差等不足。為了進(jìn)一歩分析寄生模式產(chǎn)生的機(jī)理，重繪主諧振模式和寄生模式所在的區(qū)域分布圖如圖4所示，根據(jù)聲場諧振的原理，主諧振模式的頻率も由區(qū)域I的尺寸yi及壓電薄膜的聲速V1決定(場在X方向分布均勻)(2 31 Vv1) Xy1= Tl ;寄生模式的頻率fsp由區(qū)域2 的尺寸X1, Yi 及壓電薄膜的聲速V1,電極的聲速V2決定。由于寄生模式的諧振頻率較多，故首先考慮寄生模式的基摸，即場在X方向均勻分布，y方向半波諧振；此時(shí)，寄生模式基模的頻率fspo可由(2 31 fsp0/V1) X Y1+(2 π fsp0/V2) Xy2= η獲得，當(dāng)寄生模式的場在x方向也呈駐波分布(半波長的整數(shù)倍)時(shí)，就出現(xiàn)了一系列的高次寄生摸。因?yàn)閭鹘y(tǒng)的側(cè)向場激勵(lì)FBAR器件都是在壓電薄膜之上沉積金屬電極獲得的，于是有(2 π fsp0/Vl) XYl< (2 π fsp0/V1) X Y1+(2 π fsp0/ν2) Xy2= η = (2 π f Xy1,從而得到fsp(l〈f。，也即寄生模式基模的頻率始終小于剪切波主模式的頻率。因此，寄生模式就會對主模產(chǎn)生干擾，結(jié)果就是如圖3所示主模附近雜波較多，使主模產(chǎn)生形變，從而嚴(yán)重影響Q值，并降低了主模的頻率檢測準(zhǔn)確度。重新觀察公式(2 π‘み)XyfO π fsp(l/v2) Xy2= Ji，可以發(fā)現(xiàn)若將區(qū)域2中壓電薄膜的厚度減小，使之小于區(qū)域I中壓電薄膜的厚度，則可以提高寄生模式基模的諧振頻率f_，若提高到一定程度，則有望使寄生模式整體偏離主諧振頻率，從而獲得高Q、純剪切波諧振的主模式。為了驗(yàn)證這ー想法的可行性，將之前結(jié)構(gòu)中150nm厚的Al電極下沉120nm，嵌入到ZnO薄膜中，重新進(jìn)行有限元仿真，獲得的結(jié)果如圖5所示，圖中橫坐標(biāo)為頻率，縱坐標(biāo)為導(dǎo)納幅度。其中主諧振頻率明顯比圖3中純凈得多，Q值也較高。綜上，本實(shí)施方式的FBAR具有高品質(zhì)因數(shù)、純剪切波模式諧振的特性，作為傳感器應(yīng)用時(shí)具有傳感靈敏度高、分辨率高、在液相環(huán)境中能保持較高Q值等優(yōu)點(diǎn)，適合于生物傳感領(lǐng)域應(yīng)用。
權(quán)利要求
1.一種基于嵌入式電極側(cè)向場激勵(lì)的FBAR,其特征在于包括由襯底和鋪設(shè)于襯底底部的掩膜層構(gòu)成的襯底層，所述的襯底頂部鋪設(shè)有支撐膜層，所述的襯底層開有通孔，所述的支撐膜層上鋪設(shè)有壓電薄膜層，所述的壓電薄膜層上對應(yīng)通孔的區(qū)域內(nèi)嵌有至少ー對金屬電極。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于嵌入式電極側(cè)向場激勵(lì)的FBAR，其特征在于所述的壓電薄膜層采用氮化鋁或氧化鋅制成。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于嵌入式電極側(cè)向場激勵(lì)的FBAR，其特征在于所述的壓電薄膜層的厚度為20(T5000nm，支撐膜層的厚度為100 300鹽。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于嵌入式電極側(cè)向場激勵(lì)的FBAR，其特征在于所述的金屬電極采用鋁制金屬電極或鑰制金屬電極。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于嵌入式電極側(cè)向場激勵(lì)的FBAR，其特征在于所述的金屬電極的寬度為5 40 u m。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于嵌入式電極側(cè)向場激勵(lì)的FBAR，其特征在于所述的金屬電極嵌入至壓電薄膜層的深度為5(T200nm，金屬電極的厚度為5(T200nm。
7.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于嵌入式電極側(cè)向場激勵(lì)的FBAR，其特征在于任ー對金屬電極的兩個(gè)金屬電極均為平行并排設(shè)置，且間距為5 40 u m。
8.—種如權(quán)利要求I所述的FBAR的制作方法，包括如下步驟 (1)選取襯底，對襯底清洗后烘干； (2)利用LPCVD技術(shù)在襯底的頂面和底面分別生長ー層薄膜；其中，生長于襯底頂面的薄膜作為支撐膜層，生長于襯底底面的薄膜作為掩膜層； (3)利用RIE技術(shù)在掩膜層上干法刻蝕出ー腐蝕窗；然后用氫氧化鉀溶液對腐蝕窗區(qū)域內(nèi)的襯底進(jìn)行濕法刻蝕，直至襯底剩余厚度為10-20 之間； (4)利用反應(yīng)磁控濺射技術(shù)在支撐膜層上沉積ー層薄膜作為壓電薄膜層；然后在壓電薄膜層上均勻涂覆正性抗蝕劑，進(jìn)而在壓電薄膜層上對應(yīng)腐蝕窗的區(qū)域內(nèi)光刻出至少ー對電極窗ロ，且保留在壓電薄膜層除電極窗ロ以外的區(qū)域上的正性抗蝕劑； (5)利用RIE技術(shù)對壓電薄膜層進(jìn)行干法刻蝕，從而在電極窗ロ處對應(yīng)刻蝕出坑槽；然后在壓電薄膜層上沉積金屬，從而在坑槽內(nèi)形成嵌入式的金屬電極； (6)用腐蝕溶液溶解壓電薄膜層上的正性抗蝕劑，沉積在正性抗蝕劑上的金屬會隨正性抗蝕劑的溶解而剝離；最后利用ICP技術(shù)干法刻蝕掉腐蝕窗區(qū)域內(nèi)剰余厚度的襯底。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于嵌入式電極側(cè)向場激勵(lì)的FBAR，包括由襯底和鋪設(shè)于襯底底部的掩膜層構(gòu)成的襯底層，襯底頂部鋪設(shè)有支撐膜層，襯底層開有通孔，支撐膜層上鋪設(shè)有壓電薄膜層，壓電薄膜層上嵌有至少一對金屬電極；同時(shí)本發(fā)明還公開了該FBAR的制作方法。本發(fā)明的FBAR技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)寄生模式頻譜的搬移，使器件獲得較高的品質(zhì)因數(shù)以及純剪切波模式諧振，在具體應(yīng)用時(shí)具有傳感靈敏度高、分辨率高、在液相環(huán)境中能保持較高Q值，尤其適合于生物傳感領(lǐng)域應(yīng)用。
文檔編號H03H3/02GK102664602SQ201210150828
公開日2012年9月12日 申請日期2012年5月15日 優(yōu)先權(quán)日2012年5月15日
發(fā)明者馮斌, 周劍, 朱琦, 王德苗, 金浩 申請人:浙江大學(xué)