多諧振模式的薄膜體聲波諧振器和濾波器的制造方法
【專利摘要】本實(shí)用新型公開了多諧振模式的薄膜體聲波諧振器，依次包括硅襯底和壓電堆疊結(jié)構(gòu)，所述壓電堆疊結(jié)構(gòu)之間的空腔形成薄膜體聲波諧振器的諧振腔；所述壓電堆疊結(jié)構(gòu)由下至上依次包括底電極、兩層以上的壓電薄膜、頂電極。本實(shí)用新型的薄膜體聲波諧振器，具有多個(gè)諧振點(diǎn)，可通過級(jí)聯(lián)、橋接等方式設(shè)計(jì)出多通帶濾波器，大大減少無線終端上的FBAR濾波器數(shù)量。
【專利說明】
多諧振模式的薄膜體聲波諧振器和濾波器
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本實(shí)用新型涉及體聲波諧振器，特別涉及一種多諧振模式的薄膜體聲波諧振器和濾波器。
【背景技術(shù)】
[0002]微型化、集成化、高性能是無線終端對(duì)頻率器件的要求。傳統(tǒng)射頻/微波頻段頻率器件的解決方案為介質(zhì)濾波器和聲表面波濾波器。前者具有較好的性能，但體積太大后者雖然體積小，但存在工作頻率低、插入損耗大、功率容量低的缺點(diǎn)。薄膜體聲波諧振器(f i Imbulk acoustic resonator，F(xiàn)BAR)技術(shù)是目前唯一有望集成的射頻濾波器技術(shù)，綜合了介質(zhì)濾波器性能優(yōu)越和聲表面波(surface acoustic wave，SAW)濾波器體積小的優(yōu)勢(shì)，同時(shí)克服了兩者的缺點(diǎn)。它具有工作頻率高、功率容量大、損耗低、體積小、溫度穩(wěn)定性好以及可與射頻集成電路(rad1 frequency integrated circuit，RFIC)或微波單片電路(microwave monolithic integrated circuit，MMIC)集成的優(yōu)點(diǎn)。
[0003]薄膜體聲波諧振器采用金屬電極-壓電薄膜-金屬電極的三明治結(jié)構(gòu)，其工作原理為:當(dāng)在兩電極上施加一交變電壓時(shí)，在壓電薄膜內(nèi)會(huì)形成交變電場(chǎng)，壓電薄膜由于逆壓電效應(yīng)而發(fā)生機(jī)械形變，壓電薄膜隨著所施加電場(chǎng)的變化而膨脹或收縮，從而產(chǎn)生振蕩，將電信號(hào)轉(zhuǎn)換為聲信號(hào)。這時(shí)在薄膜內(nèi)會(huì)激勵(lì)出沿薄膜厚度方向傳播的體聲波，并在兩電極之間來回反射，當(dāng)體聲波在壓電薄膜中的傳播距離正好是半波長(zhǎng)的奇數(shù)倍時(shí)就會(huì)產(chǎn)生諧振。其中諧振頻率處的聲波損耗最小，使得該頻率的聲信號(hào)能通過壓電薄膜層，而其他不滿足諧振條件的聲信號(hào)就會(huì)衰減，與諧振頻率相差越遠(yuǎn)的聲信號(hào)衰減得越快。單個(gè)薄膜體聲波諧振器只是在某個(gè)頻點(diǎn)產(chǎn)生諧振，不能稱之為濾波器。將多個(gè)薄膜體聲波諧振器通過某種方式級(jí)聯(lián)、橋接或耦合在一起就可以構(gòu)成滿足一定需求的帶通濾波器，其中級(jí)聯(lián)方式最為常用。
[0004]當(dāng)今的無線移動(dòng)產(chǎn)品除了對(duì)體積省電要求越來越高之外，更朝著多功能，多頻段，多系統(tǒng)，多協(xié)議的融合與集成的方向發(fā)展。通常情況下，每一個(gè)濾波器具有一個(gè)特定的通帶頻率響應(yīng)特性。有時(shí)系統(tǒng)可能需要同時(shí)處理兩個(gè)或多個(gè)不同頻率范圍內(nèi)的信號(hào)。目前的方法需要將多個(gè)濾波器進(jìn)行并聯(lián)來實(shí)現(xiàn)多個(gè)頻率通帶濾波功能。理論上，將多個(gè)濾波器并聯(lián)在一起可獲得單個(gè)濾波器特性相加的多通帶綜合特性。在使用FBAR濾波器的情況下，因?yàn)镕BAR濾波器的指標(biāo)與外接電路的阻抗特性相關(guān)，多個(gè)濾波器的并聯(lián)增加了濾波器外接阻抗的復(fù)雜性，使得綜合特性變差，整機(jī)調(diào)試?yán)щy。此外，實(shí)現(xiàn)多個(gè)頻率通帶濾波功能需要多個(gè)FBAR帶通濾波器，這必然不利于射頻前端向微型化、集成化方向的發(fā)展。
【實(shí)用新型內(nèi)容】
[0005]為了克服現(xiàn)有技術(shù)的上述缺點(diǎn)與不足，本實(shí)用新型的目的之一在于提供一種多諧振模式的薄膜體聲波諧振器，具有多個(gè)諧振點(diǎn)，可通過級(jí)聯(lián)、橋接等方式設(shè)計(jì)出多通帶濾波器，大大減少無線終端上的FBAR濾波器數(shù)量。
[0006]本實(shí)用新型的目的之二在于提供上述多諧振模式的薄膜體聲波諧振器的制備方法。
[0007]本實(shí)用新型的目的之三在于提供一種濾波器。
[0008]本實(shí)用新型的目的通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn):
[0009]多諧振模式的薄膜體聲波諧振器，依次包括硅襯底和壓電堆疊結(jié)構(gòu)，所述壓電堆疊結(jié)構(gòu)之間的空腔形成薄膜體聲波諧振器的諧振腔;所述壓電堆疊結(jié)構(gòu)由下至上依次包括底電極、兩層以上的壓電薄膜、頂電極;各層壓電薄膜的面積不同。
[0010]所述空腔為上凸或下凹的空腔。
[0011]當(dāng)所述空腔為上凸的空腔時(shí)，所述壓電堆疊結(jié)構(gòu)還包括位于底電極之下的支撐層，所述支撐層與硅襯底之間的空腔形成薄膜體聲波諧振器的諧振腔。
[0012]所述壓電薄膜為C軸擇優(yōu)取向的AlN壓電薄膜。
[0013]所述的多諧振模式的薄膜體聲波諧振器的制備方法，包括以下步驟:
[0014](I)利用刻蝕技術(shù)在娃襯底的頂表面制備一個(gè)凹槽；
[0015](2)在凹槽中填滿犧牲層材料；
[0016](3)在犧牲層材料之上沉積一層金屬底電極，并進(jìn)行圖形化；
[0017](4)采用射頻磁控濺射沉積一層壓電膜，對(duì)壓電膜進(jìn)行光刻、ICP刻蝕，得到多層壓電薄膜，每層壓電薄膜的面積不同；
[0018](5)在壓電薄膜之上沉積一層金屬頂電極，并進(jìn)行圖像化;所述底電極、多層壓電薄膜、頂電極形成壓電堆疊結(jié)構(gòu)；
[0019](6)在壓電堆疊結(jié)構(gòu)上刻蝕出犧牲層釋放通孔，通過犧牲層釋放通孔釋放犧牲層，得到多諧振模式的薄膜體聲波諧振器。
[0020]所述的多諧振模式的薄膜體聲波諧振器的制備方法，包括以下步驟:
[0021 ] (I)在硅襯底沉積一層犧牲層，并刻蝕形成犧牲層凸起；
[0022](2)在犧牲層之上制備一層支撐層；
[0023](3)在支撐層之上沉積一層金屬底電極，并進(jìn)行圖形化；
[0024](4)采用射頻磁控濺射沉積一層壓電膜，通過光刻、ICP刻蝕出多層壓電薄膜；
[0025](5)在壓電薄膜之上沉積一層金屬頂電極，并進(jìn)行圖像化;所述支撐層、底電極、多層壓電薄膜、頂電極形成壓電堆疊結(jié)構(gòu)；
[0026](6)在壓電堆疊結(jié)構(gòu)上刻蝕出犧牲層釋放通孔，通過犧牲層釋放通孔釋放犧牲層，得到多諧振模式的薄膜體聲波諧振器。
[0027]濾波器，包含所述的多諧振模式的薄膜體聲波諧振器。
[0028]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實(shí)用新型具有以下優(yōu)點(diǎn)和有益效果:
[0029](I)本實(shí)用新型的薄膜體聲波諧振器，單個(gè)薄膜體聲波諧振器可具有多個(gè)諧振點(diǎn)，從而大大減少了制備多通帶濾波器所需的薄膜體聲波諧振器數(shù)量，有利于射頻前端微型化的發(fā)展。
[0030](2)本實(shí)用新型的薄膜體聲波諧振器的制備方法，與常規(guī)的CMOS生產(chǎn)工藝兼容，降低了實(shí)際制作難度，有利于射頻前端的集成化。
[0031](3)使用本實(shí)用新型提出的薄膜體聲波諧振器設(shè)計(jì)濾波器時(shí)，能降低外接阻抗的復(fù)雜性，方便整機(jī)調(diào)試。
【附圖說明】
[0032]圖1為本實(shí)用新型的實(shí)施例1的多諧振模式的薄膜體聲波諧振器的剖視圖。
[0033]圖2為本實(shí)用新型的實(shí)施例1的多諧振模式的薄膜體聲波諧振器的電學(xué)阻抗幅頻特性圖。
[0034]圖3為本實(shí)用新型的實(shí)施例2的多諧振模式的薄膜體聲波諧振器的光刻、刻蝕犧牲層后的剖視圖。
[0035]圖4為本實(shí)用新型的實(shí)施例2的多諧振模式的薄膜體聲波諧振器的剖視圖。
[0036]圖5本實(shí)用新型的實(shí)施例2的多諧振模式的薄膜體聲波諧振器的電學(xué)阻抗幅頻特性圖。
【具體實(shí)施方式】
[0037]下面結(jié)合實(shí)施例，對(duì)本實(shí)用新型作進(jìn)一步地詳細(xì)說明，但本實(shí)用新型的實(shí)施方式不限于此。
[0038]實(shí)施例1
[0039]本實(shí)施例的多諧振模式的薄膜體聲波諧振器，通過以下制備方法制備:
[0040]1、在硅襯底I表面刻蝕一個(gè)凹槽，槽深30μπι，然后PECVD沉積Si3N4襯底保護(hù)層2，厚度為200nm，以保護(hù)硅襯底。如圖1所示。
[0041 ] 2、在Si3N4之上PECVD沉積一層PSG(磷石英玻璃)作為犧牲層。
[0042]3、通過CMP工藝對(duì)犧牲層進(jìn)行表面拋光。
[0043]4、在拋光后的表面通過直流磁控濺射沉積一層Mo底電極4，厚度為200nm，并通過光刻進(jìn)行圖形化。
[0044]5、采用射頻磁控濺射沉積C軸擇優(yōu)取向AlN壓電膜。并通過光刻、ICP刻蝕出多疊層結(jié)構(gòu)。本實(shí)施例為3層AlN壓電薄膜，AlN壓電薄膜的面積大小由下至上依次遞減;各層厚度自下而上分別為]^!!1、0.54111、0.341]1。
[0045]6、通過光刻、電子束蒸發(fā)圖形化一層厚度為I OOnm厚的Mo頂電極6;所述底電極4、多層壓電薄膜5、頂電極6形成壓電堆疊結(jié)構(gòu)。
[0046]7、在壓電堆疊結(jié)構(gòu)上刻蝕出犧牲層釋放通孔，用XeF2 (氟化氙)氣體通過犧牲層釋放通孔，獲得空腔3。最終得到多諧振模式的薄膜體聲波諧振器，如圖1所示。
[0047]圖2為本實(shí)施例制備的薄膜體聲波諧振器電學(xué)阻抗幅頻特性圖。由圖可知，該諧振器在1.9GHz，2.2GHz，2.8GHz附近均產(chǎn)生了諧振。
[0048]本實(shí)施例的濾波器，包括本實(shí)施例的薄膜體聲波諧振器。由兩個(gè)串聯(lián)薄膜體聲波諧振器及一個(gè)并聯(lián)薄膜體聲波諧振器級(jí)聯(lián)成梯形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。其中，并聯(lián)薄膜體聲波諧振器的頂電極厚度比串聯(lián)薄膜體聲波諧振器厚10nm。從而構(gòu)成一個(gè)三通帶濾波器。
[0049]實(shí)施例2
[0050]1、在硅襯底I表面PECVD沉積一層PSG(磷石英玻璃)作為犧牲層7，并光刻出犧牲層圖形。如圖3所示。
[0051 ] 2、用PECVD沉積一層Si3N4支撐層8，厚度為300nm。
[0052 ] 3、通過光刻、磁控濺射圖形化一層厚度為150nm厚的Mo底電極4。
[0053]4、采用射頻磁控濺射沉積C軸擇優(yōu)取向AlN壓電膜。并通過光刻、ICP刻蝕出多疊層結(jié)構(gòu)。本實(shí)施例為3層AlN壓電薄膜，AlN壓電薄膜的面積大小由下至上依次遞減;各層厚度自下而上分別為24!11、0.84111、0.541]1。
[0054]5、通過光刻、電子束蒸發(fā)圖形化一層厚度為150nm厚的Mo頂電極6。所述支撐層8、底電極4、多層壓電薄膜5、頂電極6形成壓電堆疊結(jié)構(gòu)。
[0055]6、刻蝕出犧牲層釋放通孔，用XeF2(氟化氙)氣體通過犧牲層釋放通孔，獲得空腔3 ο最終得到多諧振模式的薄膜體聲波諧振器，如圖4所示。
[0056]如圖5所示，本實(shí)施例制備的薄膜體聲波諧振器電學(xué)阻抗幅頻特性圖。由圖可知，該諧振器在1.12GHz，1.25GHz，1.55GHz附近均產(chǎn)生了諧振。
[0057]上述實(shí)施例為本實(shí)用新型較佳的實(shí)施方式，但本實(shí)用新型的實(shí)施方式并不受所述實(shí)施例的限制，其他的任何未背離本實(shí)用新型的精神實(shí)質(zhì)與原理下所作的改變、修飾、替代、組合、簡(jiǎn)化，均應(yīng)為等效的置換方式，都包含在本實(shí)用新型的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.多諧振模式的薄膜體聲波諧振器，其特征在于，依次包括硅襯底和壓電堆疊結(jié)構(gòu)，所述壓電堆疊結(jié)構(gòu)之間的空腔形成薄膜體聲波諧振器的諧振腔;所述壓電堆疊結(jié)構(gòu)由下至上依次包括底電極、兩層以上的壓電薄膜、頂電極;各層壓電薄膜的面積不同。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多諧振模式的薄膜體聲波諧振器，其特征在于，所述空腔為上凸或下凹的空腔。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多諧振模式的薄膜體聲波諧振器，其特征在于，當(dāng)所述空腔為上凸的空腔時(shí)，所述壓電堆疊結(jié)構(gòu)還包括位于底電極之下的支撐層，所述支撐層與硅襯底之間的空腔形成薄膜體聲波諧振器的諧振腔。4.濾波器，包含權(quán)利要求1?3任一項(xiàng)所述的多諧振模式的薄膜體聲波諧振器。
【文檔編號(hào)】H03H9/56GK205657657SQ201620458352
【公開日】2016年10月19日
【申請(qǐng)日】2016年5月18日 公開號(hào)201620458352.6, CN 201620458352, CN 205657657 U, CN 205657657U, CN-U-205657657, CN201620458352, CN201620458352.6, CN205657657 U, CN205657657U
【發(fā)明人】李國(guó)強(qiáng), 劉國(guó)榮, 李潔
【申請(qǐng)人】華南理工大學(xué)