[发明专利]一种基于单晶AlN的薄膜体声波谐振器制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于单晶AlN的薄膜体声波谐振器制备方法。

背景技术

随着无线通信技术的快速发展，越来越多的功能模块被要求挤入原本已拥挤不堪 的无线终端中。以手机为例，它不再仅仅提供基本的语音通讯功能，而且大量兼容了数码摄 像、拍照、MP3、GPS全球定位导航、Wi-Fi、蓝牙等多种功能。同时随着3G、4G技术的发展，通信 系统越来越趋向多频段化，呈现了多种制式并存的形式，要求通信终端能够接受各个频段 以满足不同服务商和地区需求，这就迫使手机的射频收发信机(射频前端)向微型化、集成 化方向发展。

薄膜体声波谐振器（FilmBulkAcousticResonator，简称“FBAR”）是一种全新的 射频滤波器的解决方案，通过将多个FBAR级联就可以满足中心频率从600MHz到6GHz的射频 滤波器的技术要求。FBAR具有陶瓷介质滤波器无可比拟的体积优势，声表面波滤波器无可 比拟的工作频率及功率容量优势，除此之外还具有功耗低、品质因数（Q值）高、直接输出频 率信号、可与CMOS工艺兼容等特点，目前已经成为射频通讯领域重要的器件被广泛应用。

FBAR的核心结构为电极-压电薄膜-电极构成的三明治结构，其工作原理是利用压 电薄膜在电场作用下激励的体声波在压电体内来回振荡实现谐振。当施加一定的交流电压 于压电薄膜的上下金属电极表面时，处于中间层的压电薄膜材料由于逆压电效应产生机械 形变，使压电薄膜层随着电场变化产生膨胀、收缩，这种机械振动激励出沿薄膜厚度方向(c 轴)传播的体声波，此声波传播至上下电极与空气的交界面处时将会反射回来，在薄膜内来 回反射，形成振荡。当声波在压电薄膜中的传播正好是半波长的奇数倍时形成驻波振荡。

压电薄膜的制备是FBAR的核心技术。FBAR的压电材料通常采用ZnO、PZT、AlN。其中 AlN相较其他两种材料具有纵波声速大、温度系数低、固有损耗小、化学稳定性好，能够与标 准CMOS工艺相兼容等特点，是目前最常用的压电薄膜材料。基于现有工艺中磁控溅射制备 出的多晶AlN薄膜通常存在一定厚度的非晶过渡区，这段区域对于压电转换并无贡献，随着 工作频率升高，压电层制作得越来越薄，择优取向的压电膜层厚度与非晶区域过渡厚度之 比将会减小，这将导致FBAR的Q值降低，插入损耗变大；另外多晶AlN中存在的晶界和缺陷会 造成对体声波的吸收或散射，增加声波传输损耗。

磁控溅射方法的基本原理是在真空中利用正交电磁场控制下的荷能粒子轰击靶 表面，使被轰击出的粒子在衬底上沉积。这种溅射方法得到的AlN薄膜的取向受到反应气 压、溅射功率和基片温度等工艺参数的影响。AlN薄膜的生长过程大致分为三个阶段：非晶 层，成核、竞争长大区，枝晶区。分析AlN薄膜的表面形貌和结晶取向可以知道，随着工艺条 件的优化，表面岛的尺寸越来越大，薄膜由多晶结构逐渐转向(002)择优取向，即倾向于c轴 方向生长。其中生长初期的约5nm左右的非晶层对形成c轴取向的AlN薄膜枝晶结构是有益 处的，而这层非晶过渡区对于压电转换并无贡献；另外多晶AlN中存在的晶界和缺陷会造成 对体声波的吸收或散射，增加声波传输损耗。通过磁控溅射方法只能得到较高c轴择优取向 的多晶AlN薄膜，而无法快速沉积形成高质量的单晶AlN薄膜。综上，现有FBAR制备工艺磁控 溅射得到的AlN多晶薄膜的性能还有很大的提升空间。

发明内容

基于此，本发明的目的在于克服现有技术的缺陷，提供一种基于单晶AlN的薄膜体 声波谐振器的制备方法，采用该制备方法，在制备过程中可实现单晶AlN薄膜的制备，提升 压电薄膜的品质因数，从而提升FBAR器件的滤波性能。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：

基于单晶AlN的薄膜体声波谐振器具体制备方法如下：

清洗、退火处理制备衬底，在该衬底上通过分子束外延法生长单晶Al作为薄膜体声波 谐振器的底电极；

继续在金属单晶Al(111)衬底上通过激光脉冲沉积生长法外延生长（002）取向的单晶 AlN薄膜作为薄膜体声波谐振器的压电层；

在压电层上沉积一层金属作为顶电极；

在硅背面刻蚀出空气腔。

基于单晶AlN的薄膜体声波谐振器，它包括制备衬底、空气腔、底电极层、压电薄膜 和顶电极，形成上述电极-压电层-电极三明治结构。