[发明专利]基于铁电材料的薄膜体声波谐振器的制备方法、谐振器

说明书

技术领域

本发明涉及一种无线通讯器件技术领域。具体地说涉及一种基于铁电材料的薄膜体声波谐振器的制备方法以及一种基于铁电材料的薄膜体声波谐振器和包括该薄膜体声波谐振器的滤波器、振荡器和射频模块。

背景技术

随着薄膜与微纳制造技术的发展，电子器件正向微型化、高密集复用、高频率和低功耗的方向迅速发展。近年来发展起来的薄膜体声波谐振器（FBAR：Film Bulk Acoustic Resonator）采用一种先进的谐振技术,通过压电薄膜的逆压电效应将电能转换成声波而形成谐振。FBAR器件具有体积小，成本低，品质因数高、功率承受能力强、频率高（可达1-10GHz）且与IC技术兼容等特点，适合于工作在1-10GHz的RF系统应用，有望在未来的无线通讯系统中取代传统的声表面波（SAW）器件和微波陶瓷器，因此在新一代无线通信系统和超微量生化检测领域具有广阔的应用前景。

现有技术中的薄膜体声波谐振器为图1a所示的“三明治”结构，其包括衬底层01、依次制备于衬底层之上的第一电极02、压电材料层03和第二电极04。图1a结构的薄膜体声波谐振器的俯视图如图1b所示。FBAR器件的基本工作原理是：当电信号加载到FBAR器件上时，压电材料层通过逆压电效应将电信号转变为声信号，器件特定的声学结构对不同频率的声信号呈现出选择性，其中在器件内满足声波全反射条件的声信号将在器件内实现谐振，而不满足谐振条件的声信号就会衰减，在频谱上与谐振声信号频率相差越多的声信号衰减越快。最后，在器件内幅度相位已产生差异的声信号又通过压电材料层等比例地转变成输出电信号，这样FBAR器件最终就表现出对电信号的选频作用。

传统的薄膜体声波谐振器使用氮化铝和氧化锌等压电材料。FBAR器件的谐振频率f₀由声波在器件中的传播速度V和整个器件的厚度H来决定。

f0=2vH]]>

以上公式中，v是声波的速度，H为器件厚度。也就是说谐振频率主要取决于器件的厚度。

但是在微加工工艺中，压电材料层和第一电极、第二电极的厚度都有严格的控制。现有技术中采用薄膜沉积技术制备第一电极、第二电极和压电材料层，而薄膜沉积系统的厚度均一性在5%-10%，是非常低的一个比例。所以在同一个晶圆上生产出来的谐振器的厚度在一定程度上存在较大差异，因此谐振器的谐振频率就会有所不同。为解决上述问题，可以采用对不同的谐振器上再沉积一层质量层，通过不同厚度的质量层来调节谐振器的厚度进而实现对谐振频率的微调。但是这种方式增加了器件制备过程中的工序、使制备工艺更加费时费力，且增加了总的生产成本。

发明内容

为此，本发明所要解决的技术问题在于现有技术中的制备的薄膜体声波谐振器的厚度均匀性差进而影响薄膜体声波谐振器的谐振频率的稳定性，从而提出一种谐振频率不依赖于器件厚度的薄膜体声波谐振器。

为解决上述技术问题，本发明的采用以下方案来实现：

一种基于铁电材料的薄膜体声波谐振器的制备方法，包括如下步骤：

S1：选择基板衬底得到衬底层；

S2：在所述衬底层上制备环形结构的第一电极、铁电材料层和第二电极；

S3：在所述衬底层上位于所述第一电极下方的位置，刻蚀掉基板衬底基材形成空气空腔，所述空气空腔横向上面积大于所述第一电极外边界所围成的面积。

上述的制备方法，所述步骤S2中，所述第一电极所用电极材料为Au、Pt或Mo。

上述的制备方法，所述步骤S2中，所述第二电极所用电极材料为Au、Pt，Mo或Al。

上述的制备方法，所述步骤S2中，所述环形结构的内边界与外边界之间的宽度为100nm-20um。

上述的制备方法，所述步骤S1中，在所述基板衬底上沉积支持层后得到所述衬底层。

上述的制备方法，所述支持层为SiO₂层。

本发明还提供一种基于铁电材料的薄膜体声波谐振器，包括衬底层和沿远离所述衬底层方向设置的环形结构的第一电极、铁电材料层和第二电极；所述衬底层上与所述第一电极相对的位置处开设空气空腔，所述空气空腔横向上面积大于所述第一电极外边界所围成的面积。