[發明專利]一種基于單晶AlN的薄膜體聲波諧振器制備方法

在審

• 申請號: 201610028451.5
• 申請日: 2016-01-18
• 公開（公告）號: CN105703732A
• 公開（公告）日: 2016-06-22
• 發明（設計）人: 李國強;李潔;劉國榮
• 申請（專利權）人: 佛山市艾佛光通科技有限公司
• 主分類號: H03H3/02
• 分類號: H03H3/02;H03H9/17
• 代理公司: 長沙星耀專利事務所 43205
• 代理人: 許伯嚴

技術領域

本發明涉及一種基于單晶AlN的薄膜體聲波諧振器制備方法。

背景技術

隨著無線通信技術的快速發展，越來越多的功能模塊被要求擠入原本已擁擠不堪 的無線終端中。以手機為例，它不再僅僅提供基本的語音通訊功能，而且大量兼容了數碼攝 像、拍照、MP3、GPS全球定位導航、Wi-Fi、藍牙等多種功能。同時隨著3G、4G技術的發展，通信 系統越來越趨向多頻段化，呈現了多種制式并存的形式，要求通信終端能夠接受各個頻段 以滿足不同服務商和地區需求，這就迫使手機的射頻收發信機(射頻前端)向微型化、集成 化方向發展。

薄膜體聲波諧振器（FilmBulkAcousticResonator，簡稱“FBAR”）是一種全新的 射頻濾波器的解決方案，通過將多個FBAR級聯就可以滿足中心頻率從600MHz到6GHz的射頻 濾波器的技術要求。FBAR具有陶瓷介質濾波器無可比擬的體積優勢，聲表面波濾波器無可 比擬的工作頻率及功率容量優勢，除此之外還具有功耗低、品質因數（Q值）高、直接輸出頻 率信號、可與CMOS工藝兼容等特點，目前已經成為射頻通訊領域重要的器件被廣泛應用。

FBAR的核心結構為電極-壓電薄膜-電極構成的三明治結構，其工作原理是利用壓 電薄膜在電場作用下激勵的體聲波在壓電體內來回振蕩實現諧振。當施加一定的交流電壓 于壓電薄膜的上下金屬電極表面時，處于中間層的壓電薄膜材料由于逆壓電效應產生機械 形變，使壓電薄膜層隨著電場變化產生膨脹、收縮，這種機械振動激勵出沿薄膜厚度方向(c 軸)傳播的體聲波，此聲波傳播至上下電極與空氣的交界面處時將會反射回來，在薄膜內來 回反射，形成振蕩。當聲波在壓電薄膜中的傳播正好是半波長的奇數倍時形成駐波振蕩。

壓電薄膜的制備是FBAR的核心技術。FBAR的壓電材料通常采用ZnO、PZT、AlN。其中 AlN相較其他兩種材料具有縱波聲速大、溫度系數低、固有損耗小、化學穩定性好，能夠與標 準CMOS工藝相兼容等特點，是目前最常用的壓電薄膜材料。基于現有工藝中磁控濺射制備 出的多晶AlN薄膜通常存在一定厚度的非晶過渡區，這段區域對于壓電轉換并無貢獻，隨著 工作頻率升高，壓電層制作得越來越薄，擇優取向的壓電膜層厚度與非晶區域過渡厚度之 比將會減小，這將導致FBAR的Q值降低，插入損耗變大；另外多晶AlN中存在的晶界和缺陷會 造成對體聲波的吸收或散射，增加聲波傳輸損耗。

磁控濺射方法的基本原理是在真空中利用正交電磁場控制下的荷能粒子轟擊靶 表面，使被轟擊出的粒子在襯底上沉積。這種濺射方法得到的AlN薄膜的取向受到反應氣 壓、濺射功率和基片溫度等工藝參數的影響。AlN薄膜的生長過程大致分為三個階段：非晶 層，成核、競爭長大區，枝晶區。分析AlN薄膜的表面形貌和結晶取向可以知道，隨著工藝條 件的優化，表面島的尺寸越來越大，薄膜由多晶結構逐漸轉向(002)擇優取向，即傾向于c軸 方向生長。其中生長初期的約5nm左右的非晶層對形成c軸取向的AlN薄膜枝晶結構是有益 處的，而這層非晶過渡區對于壓電轉換并無貢獻；另外多晶AlN中存在的晶界和缺陷會造成 對體聲波的吸收或散射，增加聲波傳輸損耗。通過磁控濺射方法只能得到較高c軸擇優取向 的多晶AlN薄膜，而無法快速沉積形成高質量的單晶AlN薄膜。綜上，現有FBAR制備工藝磁控 濺射得到的AlN多晶薄膜的性能還有很大的提升空間。

發明內容

基于此，本發明的目的在于克服現有技術的缺陷，提供一種基于單晶AlN的薄膜體 聲波諧振器的制備方法，采用該制備方法，在制備過程中可實現單晶AlN薄膜的制備，提升 壓電薄膜的品質因數，從而提升FBAR器件的濾波性能。

為實現上述目的，本發明采取以下技術方案：

基于單晶AlN的薄膜體聲波諧振器具體制備方法如下：

清洗、退火處理制備襯底，在該襯底上通過分子束外延法生長單晶Al作為薄膜體聲波 諧振器的底電極；

繼續在金屬單晶Al(111)襯底上通過激光脈沖沉積生長法外延生長（002）取向的單晶 AlN薄膜作為薄膜體聲波諧振器的壓電層；

在壓電層上沉積一層金屬作為頂電極；

在硅背面刻蝕出空氣腔。

基于單晶AlN的薄膜體聲波諧振器，它包括制備襯底、空氣腔、底電極層、壓電薄膜 和頂電極，形成上述電極-壓電層-電極三明治結構。