一种Lamb波压电谐振器的制备方法及谐振器

本发明涉及微电子机械系统（mems）器件制备，特别涉及一种lamb波压电谐振器的制备方法及谐振器。

背景技术：

1、lamb波谐振器作为一种基于氮化铝（aln）压电薄膜的声学器件，兼具表面声波（saw）谐振器和体声波（baw）谐振器的优势，具备高品质因数（q值）的同时，可以通过改变叉指电极的周期和布局实现片上集成多频段选择，在射频通信、高精度传感器等领域具有广阔的应用前景。

2、研究表明，通过对lamb波谐振器施加预应力并结合局域谐振声子晶体结构，可实现高效的耦合谐振，有效抑制锚点损耗并提升器件q值。声子晶体结构能够形成特定频率范围的声学带隙，将振动能量局域在谐振体内部，减少通过支撑梁耗散到基底的声波能量。然而，该类复合结构在实际微纳加工中面临严峻的工艺挑战。

3、目前，lamb波谐振器的主流制备工艺采用背面刻蚀释放方案。在完成正面压电薄膜沉积和电极图形化后，从soi晶圆背面以光刻胶为掩膜进行干法刻蚀去除底层硅，利用埋氧层（boxing layer）作为刻蚀截止层实现薄膜区域的悬浮释放。然而，该传统方案难以直接适用于含预应力aln薄膜和声子晶体结构的复合器件。由于压电薄膜内部往往存在较高的初始应力，背面刻蚀在去除底部支撑层时会引发机械边界条件的剧烈改变与应力的骤然释放，导致超薄器件结构极易发生屈曲甚至碎裂。

4、针对上述问题，已有研究尝试在mems器件制备中采用xef2气体进行各向同性干法释放。xef2作为硅刻蚀剂具有独特的优势，能够在室温下对硅进行高选择比刻蚀，对二氧化硅、氮化硅、多数金属及聚合物等材料几乎不产生侵蚀，且干法刻蚀避免了湿法工艺中的表面张力和结构黏附问题。然而，现有采用xef2释放的mems工艺通常需要预先沉积并图形化多晶硅牺牲层，xef2通过释放孔腐蚀牺牲层形成空腔，或者需要额外的掩膜保护非释放区域。这些方法增加了工艺复杂度，且掩膜去除工序可能对已悬浮的脆性结构造成二次损伤。

5、此外，因器件需在正面预先制备金属叉指电极（idt），在存在高预应力且表面形貌复杂的条件下，如何同时实现局域声子阵列与叉指电极的完整释放，其制备方案亟待研究。

技术实现思路

1、为了实现本发明的上述目的和其他优点，本发明的第一目的是提供一种lamb波压电谐振器的制备方法，包括以下步骤：

2、提供soi晶圆，所述soi晶圆自下而上依次包括底层硅、sio2埋氧层和顶硅层；

3、在所述顶硅层中形成外围隔离槽，并在所述外围隔离槽内填充隔离材料，形成隔离带；

4、在所述顶硅层上制备aln压电薄膜层；

5、在所述aln压电薄膜层上形成叉指电极；

6、对所述aln压电薄膜层进行图形化刻蚀，同时形成声子晶体孔阵结构和用于释放顶硅层的释放槽；

7、以图形化后的所述aln压电薄膜层作为原位掩蔽层，通过所述释放槽向所述顶硅层通入xef2刻蚀气体，利用所述sio2埋氧层作为纵向刻蚀截止层、所述隔离带作为横向刻蚀阻挡层，各向同性刻蚀去除所述顶硅层的至少一部分，实现所述aln压电薄膜层及所述叉指电极的悬浮释放。

8、进一步地，所述声子晶体孔阵结构和所述释放槽在所述图形化刻蚀步骤中由同一掩膜版一次性定义并刻蚀形成。

9、进一步地，所述隔离带环绕谐振器主体结构的外围布置，与所述sio2埋氧层共同构成三维刻蚀限域边界。

10、进一步地，所述隔离材料为sio2或sin。

11、进一步地，在所述顶硅层中形成外围隔离槽，并在所述外围隔离槽内填充隔离材料步骤之后，还包括：

12、采用化学机械抛光工艺使所述隔离材料表面与所述顶硅层表面齐平。

13、进一步地，在所述aln压电薄膜层上形成叉指电极步骤包括：

14、在所述aln压电薄膜层上旋涂光刻胶，经曝光显影定义出电极窗口；

15、溅射电极层材料；

16、采用剥离工艺去除光刻胶，同时保留所述电极窗口内的金属电极，形成所述叉指电极。

17、进一步地，对所述aln压电薄膜层进行图形化刻蚀步骤中，刻蚀所述aln压电薄膜层直至暴露所述顶硅层表面。

18、进一步地，所述各向同性刻蚀完成后，所述图形化后的aln压电薄膜层作为成品器件的声子晶体结构保留。

19、进一步地，在所述顶硅层上制备aln压电薄膜层步骤中，所述aln压电薄膜层通过溅射工艺形成，且所述aln压电薄膜层含有预设的初始预应力。

20、本发明的第二目的是提供一种lamb波压电谐振器，采用上述的制备方法制得。

21、与现有技术相比，本发明的有益效果是：

22、本发明基于xef2气体对sio2极高的刻蚀选择比，巧妙结合了soi晶圆天然的sio2埋氧层与预设的外围sio2隔离带。sio2埋氧层作为纵向刻蚀截止层，能够精准、均一地控制释放空腔的深度底界；外围sio2隔离带作为横向刻蚀阻挡层，有效抑制了顶硅层的过度侧向钻刻。两者协同构筑了刚性的三维刻蚀边界，实现了谐振器悬浮释放范围的精确可控。

23、传统工艺在释放悬浮微机械结构后，往往需要去胶液或等离子体来去除作为刻蚀掩膜的光刻胶或二氧化硅硬掩膜，这些后处理操作极易导致已经悬浮的、极其脆弱的薄膜结构发生断裂或坍塌。本发明直接以氮化铝（aln）声子晶体固有的孔洞和开槽作为干法刻蚀的原位掩膜，在结构释放完成后无需进行任何去掩膜的后处理工序，从而有效减少了对器件的二次物理或化学损伤，显著提高了器件制备的良率和可靠性。

24、本发明中声子晶体孔阵结构和释放槽在aln图形化刻蚀步骤中由同一掩膜版一次性定义并刻蚀形成，无需为释放工艺单独设计掩膜版和增加额外的光刻工序，进一步简化了工艺流程，降低了制造成本。

25、本发明中释放槽与声子晶体孔阵结构在aln图形化刻蚀步骤中同步形成，释放时xef2气体可通过释放槽及声子晶体孔阵结构同时进入顶硅层进行刻蚀，增大了刻蚀气体与硅的接触面积，缩短了刻蚀大面积硅衬底的时间，提高了工艺效率。

26、上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合附图详细说明如后。本发明的具体实施方式由以下实施例及其附图详细给出。

1.一种lamb波压电谐振器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.如权利要求1所述的一种lamb波压电谐振器的制备方法，其特征在于，所述声子晶体孔阵结构和所述释放槽在所述图形化刻蚀步骤中由同一掩膜版一次性定义并刻蚀形成。

3.如权利要求1所述的一种lamb波压电谐振器的制备方法，其特征在于，所述隔离带环绕谐振器主体结构的外围布置，与所述sio2埋氧层共同构成三维刻蚀限域边界。

4.如权利要求1所述的一种lamb波压电谐振器的制备方法，其特征在于，所述隔离材料为sio2或sin。

5.如权利要求1所述的一种lamb波压电谐振器的制备方法，其特征在于，在所述顶硅层中形成外围隔离槽，并在所述外围隔离槽内填充隔离材料步骤之后，还包括：

6.如权利要求1所述的一种lamb波压电谐振器的制备方法，其特征在于，在所述aln压电薄膜层上形成叉指电极步骤包括：

7.如权利要求1所述的一种lamb波压电谐振器的制备方法，其特征在于，对所述aln压电薄膜层进行图形化刻蚀步骤中，刻蚀所述aln压电薄膜层直至暴露所述顶硅层表面。

8.如权利要求1所述的一种lamb波压电谐振器的制备方法，其特征在于，所述各向同性刻蚀完成后，所述图形化后的aln压电薄膜层作为成品器件的声子晶体结构保留。

9.如权利要求1所述的一种lamb波压电谐振器的制备方法，其特征在于，在所述顶硅层上制备aln压电薄膜层步骤中，所述aln压电薄膜层通过溅射工艺形成，且所述aln压电薄膜层含有预设的初始预应力。

10.一种lamb波压电谐振器，其特征在于，采用如权利要求1至9中任一项所述的制备方法制得。