应用于FBAR的高质量单晶压电薄膜及谐振器结构制备方法

应用于fbar的高质量单晶压电薄膜及谐振器结构制备方法
技术领域
1.本发明涉及单晶压电薄膜及谐振器结构制备方法，具体涉及一种应用于fbar的高质量单晶压电薄膜及谐振器结构制备方法。


背景技术：

2.fbar具有体积小、高q值、工作频率高、功率容量大、损耗低的优点，是目前最有可能实现射频模块全集成化的滤波器。fbar性能的优劣主要依赖于压电层质量的好坏。aln作为压电薄膜材料，不仅具有材料固有损耗小、谐振频率高、热导率高等优势，而且随着射频技术的发展，aln是极少数能够适应高频信号的压电薄膜材料。
3.为了配合集成化的mems技术，目前使用的fbar都是基于si衬底直接生长aln薄膜，由于si衬底的晶格常数与aln压电薄膜的晶格常数差别较大，所以热膨胀系数及晶格失配对压电薄膜性能的影响比较大。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于克服上述存在的问题，提供一种应用于fbar的高质量单晶压电薄膜制备方法，该高质量单晶压电薄膜制备方法采用sic作为aln压电薄膜的衬底，能够减少热膨胀系数和晶格失配造成的影响，从而提高fbar压电薄膜aln的性能。
5.本发明的另一个目的在于克服上述存在的问题，提供一种应用于fbar的谐振器结构制备方法。
6.本发明的目的通过以下技术方案实现：
7.一种应用于fbar的高质量单晶压电薄膜制备方法，包括以下步骤：
8.采用sic作为衬底，并对sic衬底进行预处理；
9.通过mocvd在预处理后的衬底上沉积一层aln薄层，该aln薄层作为过渡层；通过低温磁控溅射方法在过渡层上溅射出多晶aln薄膜；
10.对aln薄膜进行高温面对面退火处理；在高温作用下，aln薄膜的晶粒再结晶，使晶粒长大，再通过合并减少晶粒间的界面，形成高质量单晶aln薄膜。
11.本发明的一个优选方案，其中，所述预处理的操作为：
12.先用金刚石磨料对sic的硅面和碳面同时进行化学机械双面抛光，然后再对硅面进行单面化学机械抛光，通过两步抛光的办法，减少衬底翘曲对薄膜的影响，避免衬底在使用前开裂。
13.本发明的一个优选方案，其中，在mocvd中，反应物为tmal和nh3，同时h2作为载气。
14.本发明的一个优选方案，其中，在磁控溅射中，磁控溅射靶材为纯度99.999％的纯铝，溅射功率为3000-5000w，溅射温度为600-700℃；
15.溅射的反应气体为氮气与氩气的混合气体，该混合气体的比例为0.33。
16.一种应用于fbar的谐振器结构制备方法，包括以下步骤：
17.通过磁控溅射在单晶aln薄膜溅射生长mo层电极，将mo层电极作为底电极；
18.将所述底电极反向键合至开空腔的衬底上；
19.刻蚀去除最上层的sic衬底，使得sic衬底下的aln薄膜暴露出来；
20.对暴露出来的aln薄膜进行抛光，并在aln薄膜上溅射出mo层电极，将mo层电极作为底电极，最终形成衬底-mo-aln-mo的四层fbar谐振器结构。
21.本发明的一个优选方案，其中，所述开空腔的衬底通过以下方式得到：
22.选用si或sic或蓝宝石作为衬底，对衬底进行清洗与抛光的平坦化处理；采用干法刻蚀或者湿法刻蚀在衬底上刻蚀出一个凹槽，形成空腔，深度在3-30μm，保证谐振器的振荡。
23.本发明与现有技术相比具有以下有益效果：
24.1、本发明的高质量单晶压电薄膜制备方法采用sic作为aln压电薄膜的衬底，能够减少热膨胀系数和晶格失配造成的影响，从而提高fbar压电薄膜aln的性能。
25.2、使用磁控溅射的工艺方法代替mocvd，减少制备成本，同时溅射后面对面退火抑制薄膜热分解，提高薄膜性能。
附图说明
26.图1-6为本发明的应用于fbar的谐振器结构制备方法的制备流程，图中1代表sic衬底，2代表mocvd aln薄层，3代表aln溅射薄膜，4代表si衬底，5代表mo底电极。
具体实施方式
27.为了使本领域的技术人员很好地理解本发明的技术方案，下面结合实施例和附图对本发明作进一步描述，但本发明的实施方式不仅限于此。
28.参见图1-6，本发明的应用于fbar的谐振器结构制备方法，包括以下步骤：
29.(1)对fbar谐振器进行衬底的选择以及沉积前的衬底预处理，得到需要的衬底。首先先对单晶4h-sic衬底进行抛光处理。先用金刚石磨料对sic的硅面和碳面同时进行化学机械双面抛光，然后再对硅面进行单面化学机械抛光，通过两步抛光的办法，减少衬底翘曲对薄膜的影响，避免衬底在使用前开裂。
30.(2)在处理后的衬底上进行单晶aln压电薄膜的制备。在抛光后的sic衬底上使用mocvd沉积一层薄层aln(50nm左右)，反应物为tmal和nh3，同时h2作为载气。得到一层薄的单晶氮化铝层，为之后的磁控溅射aln层作为过渡层，如图1所示。随后通过低温磁控溅射(磁控溅射靶材为纯度99.999％的纯铝，溅射功率在3000-5000w，溅射温度600-700℃)的方法溅射aln薄膜(800nm)，因为是在mocvd制备的单晶薄膜上继续外延得到多晶aln，此时磁控溅射的aln薄膜相当于同质外延，避免了晶格常数失配及热膨胀系数的失配，减少位错的产生，得到所需要的多晶aln薄膜。依次形成sic衬底、mocvd后的aln薄层以及磁控溅射后的aln薄膜(图2)。
31.(3)通过热处理的办法对溅射得到的膜进行处理，提高薄膜性能。溅射后的aln薄膜为多晶薄膜，对其进行1700℃高温面对面退火处理，薄膜晶粒在高温会再结晶导致晶粒长大，晶界合并消失，最终形成单晶，减少了因晶界产生的位错以及应力，从而提高性能。由于aln在高温下会进行热分解，为了避免薄膜高温分解，采用面对面退火处理的办法对薄膜的热分解进行抑制，保证薄膜在高温下的重结晶。
32.(4)得到需要的高质量单晶薄膜后，抛光，在单晶薄膜上进行fbar谐振器的电极制备。在溅射退火后的aln薄膜上溅射生长mo层电极作为底电极(图4)，靶材为mo，此时fbar谐振器结构为sic-aln-mo的三层结构。随后将其反向键合至已涂上键合剂开空腔的衬底上，开空腔的衬底如图3所示。构成衬底-mo-aln-sic结构(图5)。此种方法既可以得到高质量的单晶aln压电薄膜，也方便压电薄膜在不同衬底上应用。
33.进一步，开空腔的衬底的制备方式为：先对衬底进行清洗与抛光的平坦化处理，衬底可以选用sic、蓝宝石、si等一系列常用衬底，之后用干法或者湿法刻蚀一个凹槽，形成空腔，深度在3-30μm，保证谐振器的振荡。
34.(5)制备顶电极得到最终的fbar谐振器结构。用干法刻蚀或者湿法刻蚀去除最上层的sic衬底，使得sic衬底下的aln压电薄膜暴露出来，对暴露出来的aln压电薄膜进行抛光，随后在衬底上溅射mo层电极作为底电极，最终形成衬底-mo-aln-mo的四层fbar谐振器结构(图6)。
35.上述为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述内容的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所做的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。