本實(shí)用新型涉及射頻濾波器技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種采用超薄壓電單晶體體制作的薄膜體聲波諧振器。

背景技術(shù)：

石英晶振元件，是一種基于石英晶體壓電/逆壓電特性的體聲波元件，在電路頻率源中得到廣泛應(yīng)用。由于石英晶振元件的諧振頻率與石英晶體的厚度成反比，目前其諧振頻率最高僅為數(shù)十兆赫茲，無法滿足現(xiàn)代無線電頻譜的急劇延伸需求。

采用壓電基片上的平面金屬叉指換能器和金屬反射柵陣，激發(fā)和接收聲表面波，將提升諧振頻率的結(jié)構(gòu)由厚度減薄轉(zhuǎn)換為提高橫向電極分辨率，借助于成熟的微電子工藝技術(shù)，使聲表面波石英諧振器的諧振頻率提升到數(shù)百兆赫茲。

換能效率更高的壓電材料(如鈮酸鋰和鉭酸鋰)基片的應(yīng)用和聲表面波諧振濾波器的實(shí)用新型，聲表面波諧振器和聲表面波諧振濾波器得到快速發(fā)展，工作頻率又延伸到數(shù)千兆赫茲，已成為現(xiàn)代高頻通信電路的標(biāo)準(zhǔn)頻率元件。

同樣，聲表面波器件的工作頻率與其叉指換能器金屬電極的周期成反比，限于壓電基片工藝，千兆赫茲級(jí)的聲表面波器件性價(jià)比下降，無法跟上現(xiàn)代通信頻段高頻化的步伐。由此，薄膜體聲波器件成為各國努力發(fā)展的新型濾波元器件。

薄膜體聲波諧振器(Film Bulk Acoustic Wave Resonator，F(xiàn)BAR)是采用壓電薄膜代替天然單晶壓電基片的體聲波諧振器(石英晶振)，其諧振腔基本結(jié)構(gòu)(圖1)是一人造壓電薄膜夾在兩金屬電極間的三明治結(jié)構(gòu)，由于壓電薄膜的(逆)壓電效應(yīng)，對外界電激勵(lì)產(chǎn)生諧振，其諧振頻率主要與壓電薄膜厚度成反比，也與三明治結(jié)構(gòu)其他各層特性和厚度有關(guān)。

目前成熟的FBAR器件結(jié)構(gòu)分為隔膜(membrane)型和固貼(Solidly Mounded)型兩大類。

隔膜型FBAR，如圖2所示，其特點(diǎn)是三明治諧振腔外兩面都是空氣，滿足理想全反射狀態(tài)。其結(jié)構(gòu)又可分為：空氣橋(圖2a)、背孔(圖2b)和地室(圖2c)三種。

固貼型FBAR，又簡稱SMR(Solidly Mounded Resonator)，如圖3所示，其特點(diǎn)是三明治諧振腔外一面是空氣，而另一面是布拉格聲反射結(jié)構(gòu)。布拉格聲反射結(jié)構(gòu)是由多個(gè)高低聲 速材料(厚度為四分之一波長)層組合構(gòu)成，其特性近似于真空全發(fā)射。由于反射結(jié)構(gòu)與壓電薄膜同時(shí)生長，器件工藝簡單，可靠性優(yōu)，但由于反射結(jié)構(gòu)有損耗，其優(yōu)值要差一些。

目前商用的FBAR所用的人造壓電薄膜，主要為氮化鋁(AlN)和氧化鋅(ZnO)薄膜，都是在圖形化硅襯底上采用物理或化學(xué)氣相淀積技術(shù)生長的，應(yīng)用最廣的是磁控濺射工藝。目前所生成的壓電薄膜是具有一定取向的單晶或強(qiáng)織構(gòu)多晶薄膜，尚不能自由選擇壓電薄膜的晶向來優(yōu)化器件性能。

近年來，由于晶片減薄技術(shù)的推進(jìn)，大尺寸超薄鈮酸鋰(LiNbO3，LN)、鉭酸鋰(LiTaO3，LT)和石英等壓電晶片已批量用于高頻聲表面波器件。顯然，LN/LT單晶體的超薄晶片性能，要比上述濺射工藝生長的AlN/ZnO壓電薄膜優(yōu)秀：

1.保留單晶完整性；

2.晶體各向異性能充分利用；

3.單晶超薄片技術(shù)難度不高。

為實(shí)際應(yīng)用，單晶超薄片都要與襯底鍵合成復(fù)合基片。目前，鈮酸鋰、鉭酸鋰超薄片可批量成型技術(shù)主要有兩種：晶體離子切片(crystal ion slicing，CIS)方法和機(jī)械減薄方法，都已開始應(yīng)用于器件制作。

離子切片法，其原理是利用高能離子垂直注入鈮酸鋰、鉭酸鋰單晶厚基片，使在單晶厚基片內(nèi)離表面一定深度處形成一個(gè)注入離子高濃度層，這層離子高濃度層的某種物化特性與未注入處或濃度較低處的有較明顯不同(又稱內(nèi)埋變性層)。在前期工藝完成后，采用一種應(yīng)力對此厚晶片處理，使厚晶片在高濃度層斷裂，獲得超薄晶片。超薄晶片的厚度由注入所得離子高濃度層深度決定，它與注入離子種類、注入劑量、退火等工藝參數(shù)等有關(guān)。

離子切片法的制作工序如圖4，首先采用大劑量離子注入機(jī)，對較厚的壓電單晶片正面注入離子，使在厚片表面下方一定距離處形成一個(gè)高濃度離子層。將襯底拋光表面與壓電單晶片面對面鍵合，形成復(fù)合基片。在前期工藝完成后，采用一種應(yīng)力對此復(fù)合基片處理，使復(fù)合基片在高濃度層斷裂，獲得附著在襯底上的超薄壓電晶片。

切片法的特點(diǎn)是：易于制作數(shù)十納米到數(shù)微米厚度的特超薄晶片，但離子注入對晶體結(jié)構(gòu)完整性損傷大，單晶特性會(huì)有明顯影響。

機(jī)械減薄法，是傳統(tǒng)技術(shù)的改進(jìn)，圖5示意了其主要工藝過程：首先制作原始?jí)弘妴尉c襯底的復(fù)合基片，然后將壓電單晶片面向下，減薄拋光直到壓電單晶片厚度滿足設(shè)計(jì)要求為止。其關(guān)鍵技術(shù)是襯底、原始?jí)弘妴尉玩I合層以及加工設(shè)備的大尺寸均勻性。由于機(jī)械研磨和拋光設(shè)備與技術(shù)的進(jìn)步，目前制作十微米以下厚度的大尺寸超薄單晶基片問題不 大，其特點(diǎn)正好與離子切片法相反：易于制作數(shù)微米以上厚度的超薄單晶片，而且不會(huì)對單晶晶體特性造成明顯損傷。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

采用已有的超薄單晶片成型技術(shù)，結(jié)合現(xiàn)有FBAR生產(chǎn)技術(shù)，提出一種采用超薄壓電單晶體制作的薄膜體聲波諧振器技術(shù)方案，原理示意如圖6。

本實(shí)用新型提出一種采用超薄壓電單晶體制作的薄膜體聲波諧振器，屬于地室結(jié)構(gòu)隔膜型薄膜體聲波諧振器，

主要包括具有地室的高阻襯底、由上金屬電極和下金屬電極夾持壓電體組成的三明治有源結(jié)構(gòu)，三明治有源結(jié)構(gòu)設(shè)置于高阻襯底上端；所述壓電體為超薄壓電單晶體，在地室內(nèi)設(shè)有若干根支柱。

本實(shí)用新型的薄膜體聲波諧振器中，超薄壓電單晶體所用的壓電單晶體，為所有可實(shí)用化的壓電單晶體，如石英、鉭酸鋰、鈮酸鋰、四硼酸鋰、鍺酸鉍、硅酸鉍、硅酸鎵鑭系列、正磷酸鋁和鈮酸鉀等。

本實(shí)用新型的薄膜體聲波諧振器中，所用的高阻襯底，為硅、石英、碳化硅、三氧化二鋁、藍(lán)寶石、金剛石等微電子技術(shù)常用襯底材料。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實(shí)用新型的優(yōu)點(diǎn)有：

1.超薄壓電單晶體，晶體完整性未被破壞，為完美單晶；

2.可以自由選擇晶體及其晶向，優(yōu)化器件性能；

3.超薄壓電單晶體生產(chǎn)技術(shù)前景明朗。

為簡單，以后稱本實(shí)用新型的器件為CFBAR(其中CF表示單晶薄片)。

附圖說明

圖1 FBAR原理：三明治諧振腔。

圖2隔膜型FBAR。

圖3固貼型FBAR。

圖4離子切片法制作工序。

圖5機(jī)械減薄工藝流程。

圖6本實(shí)用新型：采用超薄壓電單晶體制作的薄膜體聲波諧振器(CFBAR)。

圖7 CFBAR實(shí)施例一的結(jié)構(gòu)示意。

圖8 CFBAR實(shí)施例一工藝流程1 高阻硅襯底：清洗，光刻地室圖形。

圖9 CFBAR實(shí)施例一工藝流程2 高阻硅襯底：腐蝕硅，形成有支柱的地室。

圖10 CFBAR實(shí)施例一工藝流程3 高阻硅襯底：淀積鍵合層(SiO2)。

圖11 CFBAR實(shí)施例一工藝流程4 原始?jí)弘妴尉呵逑?，制作下電極。

圖12 CFBAR實(shí)施例一工藝流程5 原始?jí)弘妴尉褐谱麾g化層，并平面化表面。

圖13 CFBAR實(shí)施例一工藝流程6 原始?jí)弘妴尉c高阻硅襯底面對面鍵合，形成復(fù)合基片。

圖14 CFBAR實(shí)施例一工藝流程7 采用機(jī)械減薄方法獲得壓電單晶體超薄層結(jié)構(gòu)。

圖15 CFBAR實(shí)施例一工藝流程8 光刻腐蝕形成有源區(qū)，及下電極引出電極。

圖16 CFBAR實(shí)施例一工藝流程9 制作上電極及其引出電極。

圖17 CFBAR實(shí)施例二工藝流程4a 原始?jí)弘妴尉呵逑矗x子注入。

圖18 CFBAR實(shí)施例二工藝流程4a 原始?jí)弘妴尉褐谱飨码姌O。

圖19 CFBAR實(shí)施例二工藝流程7 采用CIS方法獲得壓電單晶體超薄層結(jié)構(gòu)。

附圖標(biāo)注：上電極1，壓電薄膜2，下電極3，高阻硅襯底4，地室5，支柱6，空氣7，背面蝕刻8，反射器堆棧9。

具體實(shí)施方式

下面詳細(xì)說明本實(shí)用新型的具體實(shí)施方式。

采用本實(shí)用新型的CFBAR實(shí)施例一，CFBAR器件結(jié)構(gòu)示意于圖7，系目前通用技術(shù)的地室結(jié)構(gòu)隔膜型薄膜體聲波諧振器。

器件采用高阻硅作為襯底。器件所用壓電單晶，根據(jù)器件使用要求，一般為鈮酸鋰、鉭酸鋰或石英等常用材料，因?yàn)檫@些壓電單晶批量生產(chǎn)，性價(jià)比好。電極金屬一般采用鉬、金等重密度金屬。

實(shí)施例一的制作工序如圖8～圖16示，屬于常規(guī)微電子工藝技術(shù)。本實(shí)用新型采用了兩個(gè)同尺寸單面拋光的晶圓片：高阻硅襯底和壓電單晶體，并稱拋光面為正面。

圖8為CFBAR實(shí)施例一工藝流程1：對高阻硅襯底清洗，正面光刻地室圖形。本實(shí)用新型采用有支柱地室結(jié)構(gòu)，該技術(shù)方案在我們早期申請的實(shí)用新型專利中已詳細(xì)說明。

圖9為CFBAR實(shí)施例一工藝流程2：對高阻硅襯底采用標(biāo)準(zhǔn)工藝腐蝕硅，形成有支柱的地室。

圖10為CFBAR實(shí)施例一工藝流程3：在高阻硅襯底有圖形正面淀積一鍵合層，一般為SiO2介質(zhì)膜，用于將高阻硅襯底與原始?jí)弘妴尉I合。

圖11為CFBAR實(shí)施例一工藝流程4：對原始?jí)弘妴尉逑春?，正面淀積金屬膜、光刻腐蝕制作下電極。

圖12為CFBAR實(shí)施例一工藝流程5：在原始?jí)弘妴尉娴矸e鈍化層，一般為SiO2介質(zhì)膜。鈍化層厚度大于已有電極厚度，故需要采用化學(xué)機(jī)械方法平面化表面，使露出的電極表面與鈍化層表面一樣平整。

圖13為CFBAR實(shí)施例一工藝流程6：將原始?jí)弘妴尉c高阻硅襯底正面對正面鍵合，形成復(fù)合基片。鍵合工藝為已知標(biāo)準(zhǔn)微電子工藝，其鍵合參數(shù)應(yīng)仔細(xì)調(diào)整，來適應(yīng)壓電單晶體的應(yīng)力敏感特性，如降低溫度梯度、減小壓電效應(yīng)和熱釋電效應(yīng)影響等。

圖14為CFBAR實(shí)施例一工藝流程7：采用前述的機(jī)械減薄方法，采用高精度磨拋設(shè)備和技術(shù)獲得壓電單晶體超薄層結(jié)構(gòu)，壓電單晶體超薄層的厚度應(yīng)滿足設(shè)計(jì)要求為止?；诠杵穸?，鍵合層厚度值，檢驗(yàn)壓電單晶體超薄層的厚度及其均勻度。

圖15為CFBAR實(shí)施例一工藝流程8：套刻腐蝕形成有源區(qū)臺(tái)面，套刻淀積剝離工藝制作下電極和引出電極。

圖16為CFBAR實(shí)施例一工藝流程9：套刻淀積剝離工藝制作上電極及其引出電極。

上述采用本實(shí)用新型的CFBAR實(shí)施例一，壓電單晶體超薄層的成型工藝采用了機(jī)械減薄方法。下述采用本實(shí)用新型的CFBAR實(shí)施例二，所舉例器件結(jié)構(gòu)完全等同于實(shí)施例一(圖7)，只是壓電單晶體超薄層的成型工藝采用晶體離子切片(CIS)方法。

實(shí)現(xiàn)實(shí)施例二器件的制作工序，實(shí)施例一的基本相同，只是要修改工序4和工序7，其余通用，當(dāng)然在相應(yīng)工序圖中，經(jīng)受離子注入后的原始?jí)弘妴尉?，可?biāo)記出內(nèi)埋變性層。下面將需修改的工序詳細(xì)說明。

圖17為CFBAR實(shí)施例二工藝流程4a：對原始?jí)弘妴尉逑春?，圓片正面進(jìn)行離子注入工藝，形成內(nèi)埋變性層。

圖18為CFBAR實(shí)施例二工藝流程4b：在原始?jí)弘妴尉娴矸e金屬膜、光刻腐蝕制作下電極。

圖19為CFBAR實(shí)施例二工藝流程7：采用前述的離子切片方法，采用物理(熱)或化學(xué)應(yīng)力使復(fù)合基片在內(nèi)埋變性層處斷裂，獲得壓電單晶體超薄層，壓電單晶體超薄層的厚度滿足設(shè)計(jì)要求。

雖然本實(shí)用新型通過實(shí)施例進(jìn)行了描述，但實(shí)施例并非用來限定本實(shí)用新型。本領(lǐng)域技術(shù)人員可在本實(shí)用新型的精神的范圍內(nèi)，做出各種變形和改進(jìn)，但同樣均在本實(shí)用新型的保護(hù)范圍之內(nèi)。因此本實(shí)用新型的保護(hù)范圍應(yīng)當(dāng)以本申請的權(quán)利要求保護(hù)范圍所界定的為準(zhǔn)。