一種柔性壓電薄膜體聲波諧振器及其制備方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種柔性壓電薄膜體聲波諧振器，包括柔性襯底、底電極層、壓電層和頂電極層，柔性襯底上直接設(shè)置底電極層，底電極層上設(shè)置壓電層，壓電層上設(shè)置頂電極層。該諧振器使用柔性材料作為器件的襯底，在該器件結(jié)構(gòu)中無需傳統(tǒng)薄膜體聲波諧振器所需的空腔結(jié)構(gòu)或布拉格反射層結(jié)構(gòu)即可實現(xiàn)諧振器性能，其制備工藝簡單，成本低廉。同時，本發(fā)明提出的柔性壓電薄膜體聲波諧振器能極大的擴(kuò)展體聲波諧振器所構(gòu)成傳感器的應(yīng)用范圍，為后續(xù)曲面?zhèn)鞲衅?、體內(nèi)傳感器等生化傳感器的制作奠定了基礎(chǔ)。
【專利說明】一種柔性壓電薄膜體聲波諧振器及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于射頻微機(jī)電系統(tǒng)【技術(shù)領(lǐng)域】，特別涉及一種柔性壓電薄膜體聲波諧振器及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著微機(jī)電系統(tǒng)(Micro-Electro-MechanicalSystems, MEMS)技術(shù)的不斷發(fā)展，基于壓電效應(yīng)的薄膜體聲波諧振器因其優(yōu)異的性能逐漸成為無線通信系統(tǒng)濾波芯片的解決方案。與傳統(tǒng)的介質(zhì)濾波器相比，薄膜體聲波濾波器的體積更小。與聲表面波濾波器(SAW)相比，薄膜體聲波濾波器具有更低的插入損耗、更大的功率容量、更高的Q值以及可集成的優(yōu)點。薄膜體聲波濾波器適應(yīng)了當(dāng)今無線通信系統(tǒng)對應(yīng)用于其中的射頻器件微型化、可集成、高性能的要求。
[0003]構(gòu)成薄膜體聲波濾波器的基本單元為薄膜體聲波諧振器，其核心結(jié)構(gòu)為壓電薄膜夾于頂?shù)纂姌O之間的三明治結(jié)構(gòu)。利用器件中壓電薄膜的壓電效應(yīng)，器件能將輸入的電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，并以聲波的形式在器件中形成駐波。由于聲波的速度比電磁波的速度小幾個數(shù)量級，因此薄膜體聲波諧振器的尺寸能做得比傳統(tǒng)器件更小。目前，薄膜體聲波諧振器可用的壓電層薄膜材料有Ζη0、Α1Ν、ΡΖΤ。在這幾種壓電材料中，AlN因其縱波聲速最大、功率容量大、化學(xué)穩(wěn)定性高以及能夠與標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝相兼容的特點成為目前最常用的壓電膜層材料?；诮缑嫣幝暡ǚ瓷鋵崿F(xiàn)方式的不同，薄膜體聲波諧振器的結(jié)構(gòu)主要分為空腔型與固態(tài)裝配型(SMR)?？涨恍徒Y(jié)構(gòu)主要有兩種:空氣隙型(圖1)，背刻型(圖2)。固態(tài)裝配型以四分之波長厚度的高低聲阻抗膜層相間排列形成聲波的全反射結(jié)構(gòu)，如圖3所示。背刻型結(jié)構(gòu)的薄膜體聲波諧振器由于要刻蝕掉大量的襯底致使器件的機(jī)械強(qiáng)度很低，不利于器件的實際應(yīng)用，因此背刻型薄膜體聲波諧振器已經(jīng)鮮有制備。固態(tài)裝配型薄膜體聲波諧振器具有很好的機(jī)械強(qiáng)度以及較大的功率容量使其在大功率場合下應(yīng)用較為廣泛。FBAR具有高Q，低插入損耗，高機(jī)電耦合系數(shù)，便于集成等優(yōu)點，使其成為目前應(yīng)用最廣的薄膜體聲波諧振器。
[0004]在傳統(tǒng)薄膜體聲波諧振器制備過程中一般需要13到17塊掩膜版。薄膜體聲波諧振器在空氣腔制備過程中，常常會因為薄膜應(yīng)力不均產(chǎn)生膜層斷裂或犧牲層釋放時產(chǎn)生粘連從而導(dǎo)致器件制備失敗，限制了器件的良品率。在固態(tài)裝配型薄膜體聲波諧振器制備過程中為確保成膜質(zhì)量通常需要對器件結(jié)構(gòu)中每一層薄膜進(jìn)行化學(xué)機(jī)械拋光。傳統(tǒng)薄膜體聲波諧振器制備工藝復(fù)雜，成本較高，如何簡化器件的制備工藝，降低器件的制備成本，擴(kuò)展器件的應(yīng)用范圍成為目前薄膜體聲波諧振器技術(shù)迫切需要解決的問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的是如何提供一種新的薄膜體聲波諧振器結(jié)構(gòu)及其制備方法，該方法能顯著降低傳統(tǒng)薄膜體聲波諧振器制備工藝的復(fù)雜度，有效降低器件的制備成本，提高器件制備的良品率并擴(kuò)展器件的應(yīng)用范圍。[0006]本發(fā)明的技術(shù)方案為:一種柔性壓電薄膜體聲波諧振器，其結(jié)構(gòu)包括柔性襯底、底電極層、壓電層和頂電極層。柔性襯底上直接設(shè)置底電極層，底電極層上設(shè)置壓電層，壓電層上設(shè)置頂電極層。
[0007]進(jìn)一步地，所述柔性襯底可為聚對苯二甲酸乙二酯(PET)、聚酰亞胺(PI)等柔性基底材料。
[0008]進(jìn)一步地，底電極層和頂電極層可以為鎢、鑰、鋁、金、鉬等薄膜，其厚度為50_200nm。
[0009]進(jìn)一步地，壓電層為具有c軸取向的氮化鋁層。
[0010]一種柔性壓電薄膜體聲波諧振器及其制備方法，包括以下幾個步驟:
a.采用濺射的方法在柔性襯底上沉積底電極層并光刻出底電極圖形；
b.在底電極上通過濺射生長器件的壓電層；
c.在壓電層上通過濺射的方法生長器件頂電極層并光刻出頂電極層圖形；
d.使用濕法刻蝕的方法刻蝕出壓電層圖形并露出部分底電極層。
[0011]進(jìn)一步地，具體包括以下幾個步驟:
a.在柔性襯底表面采用濺射的方法生長底電極層，并光刻出底電極層圖形。該柔性襯底可以是PET、PI等。該底電極層可以為鎢、鑰、鋁、金、鉬等膜層，其厚度為50-200nm。
[0012]b.在底電極上生長壓電層。該壓電層為c軸取向的AlN膜層，該AlN壓電層在溫度大于150° C，功率密度大于8W/cm2，氨氣濃度大于30%的條件下由射頻磁控濺射的方法得到，壓電層的厚度根據(jù)實際需要器件的頻率決定。
[0013]c.使用濺射的方法生長頂電極層，該頂電極層可以為鎢、鑰、鋁、金、鉬等膜層，其厚度為50-200nm，光刻出頂電極層圖形。
[0014]d.使用濕法刻蝕的方法刻蝕出壓電層圖形并露出部分底電極層。
[0015]與現(xiàn)有技術(shù)相比本發(fā)明所述器件結(jié)構(gòu)簡單無需傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)中的空氣腔結(jié)構(gòu)或布拉格反射層結(jié)構(gòu)，這極大的簡化了器件的制備工藝，降低了器件制備的復(fù)雜度。同時本發(fā)明提出的柔性壓電薄膜體聲波諧振器，能極大的擴(kuò)展由其構(gòu)成的體聲波傳感器在生化領(lǐng)域的應(yīng)用范圍。柔性基底的引入賦予了薄膜體聲波傳感器可彎曲、能植入體內(nèi)等新的特性。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0016]圖1空氣隙型薄膜體聲波諧振器結(jié)構(gòu)圖；
圖2背刻型薄膜體聲波諧振器結(jié)構(gòu)圖；
圖3固態(tài)裝配型薄膜體聲波諧振器結(jié)構(gòu)圖；
圖4本發(fā)明制備柔性壓電薄膜體聲波諧振器結(jié)構(gòu)圖；
圖5生長底電極層并光刻后得到的器件剖面圖；
圖6生長壓電層后器件的剖面圖；
圖7生長頂電極層并光刻后器件的剖面圖；
圖8光刻出壓電層圖形后器件的剖面圖。
【具體實施方式】
[0017]以下結(jié)合附圖對本發(fā)明的【具體實施方式】進(jìn)行描述: 本發(fā)明所述柔性壓電薄膜體聲波諧振器結(jié)構(gòu)圖如圖4所示，其結(jié)構(gòu)包括柔性襯底1，底電極層2，壓電層3，頂電極層4。
[0018]柔性襯底可為聚對苯二甲酸乙二酯(PET)、聚酰亞胺(PI)等柔性基底材料。
[0019]底電極層和頂電極層可以為鎢、鑰、鋁、金、鉬等薄膜，其厚度為50_200nm。
[0020]壓電層為具有c軸取向的氮化鋁層。
[0021]其制備方法包括以下幾個步驟:
a.采用濺射的方法在柔性襯底上沉積底電極層并光刻出底電極圖形；
b.在底電極上通過濺射生長器件的壓電層；
c.在壓電層上通過濺射的方法生長器件頂電極層并光刻出頂電極層圖形；
d.使用濕法刻蝕的方法刻蝕出壓電層圖形并露出部分底電極層。
[0022]具體包括以下幾個步驟:
a.在柔性襯底表面采用濺射的方法生長底電極層，并光刻出底電極層圖形。該柔性襯底可以是PET、PI等。該底電極層可以為鎢、鑰、鋁、金、鉬等膜層，其厚度為50-200nm。
[0023]b.在底電極上生長壓電層。該壓電層為c軸取向的AlN膜層，該AlN壓電層在溫度大于150° C，功率密度大于8W/cm2，氨氣濃度大于30%的條件下由射頻磁控濺射的方法得到，壓電層的厚度根據(jù)實際需要器件的頻率決定。
[0024]c.使用濺射的方法生長頂電極層，該頂電極層可以為鎢、鑰、鋁、金、鉬等膜層，其厚度為50-200nm，光刻出頂電極層圖形。
[0025]d.使用濕法刻蝕的方法刻蝕出壓電層圖形并露出部分底電極層。
[0026]本發(fā)明所述器件結(jié)構(gòu)簡單無需傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)中的空氣腔結(jié)構(gòu)或布拉格反射層結(jié)構(gòu)，這極大的簡化了器件的制備工藝，降低了器件制備的復(fù)雜度。
[0027]實施例1
1.在柔性襯底表面采用磁控濺射的方法生長底電極層，并光刻出底電極圖形，如圖5所示。柔性襯底采用PET。底電極層采用鑰，其厚度為50nm。
[0028]2.在底電極上濺射生長壓電層，該壓電層為c軸取向的AlN膜層，該AlN壓電層在溫度大于150° C，功率密度大于8W/cm2，氨氣濃度大于30%的條件下由射頻磁控濺射的方法得到，如圖6所示。壓電層厚度根據(jù)實際需要器件的頻率決定。
[0029]3.在壓電層上采用磁控濺射的方法生長頂電極層，并光刻出頂電極圖形，如圖7所示。頂電極層通常采用鑰，其厚度為50-200nm。
[0030]4.使用濕法刻蝕的方法刻蝕出壓電層圖形并露出部分底電極層，如圖8所示。
[0031]實施例2
1.在柔性襯底表面采用磁控濺射的方法生長底電極層，并光刻出底電極圖形，如圖5所示。柔性襯底采用PI。底電極層通常采用金，其厚度為200nm。
[0032]2.在底電極上濺射生長壓電層，該壓電層為c軸取向的AlN膜層，該AlN壓電層在溫度大于150° C，功率密度大于8W/cm2，氨氣濃度大于30%的條件下由射頻磁控濺射的方法得到，如圖6所示。壓電層厚度根據(jù)實際需要器件的頻率決定。
[0033]3.在壓電層上采用磁控濺射的方法生長頂電極層，并光刻出頂電極圖形，如圖7所示。頂電極層采用金，其厚度為200nm。
[0034]4.使用濕法刻蝕的方法刻蝕出壓電層圖形并露出部分底電極層，如圖8所示。
【權(quán)利要求】
1.一種柔性壓電薄膜體聲波諧振器，包括柔性襯底、底電極層、壓電層和頂電極層，其特征在于，柔性襯底上直接設(shè)置底電極層，底電極層上設(shè)置壓電層，壓電層上設(shè)置頂電極層。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述柔性壓電薄膜體聲波諧振器，其特征在于，所述柔性襯底為聚對苯二甲酸乙二酯或聚酰亞胺。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述柔性壓電薄膜體聲波諧振器，其特征在于，所述頂電極層、底電極層為鎢、鑰、鋁、金或鉬薄膜，厚度為50-200nm。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述柔性壓電薄膜體聲波諧振器，其特征在于，所述壓電層為具有c軸取向的氮化鋁層。
5.一種根據(jù)權(quán)利要求1-4任一項所述的柔性壓電薄膜體聲波諧振器的制備方法，其特征在于，包括以下幾個步驟: a.采用濺射的方法在柔性襯底上沉積底電極層并光刻出底電極圖形； b.在底電極上通過濺射生長器件的壓電層； c.在壓電層上通過濺射的方法生長器件頂電極層并光刻出頂電極層圖形； d.使用濕法刻蝕的方法刻蝕出壓電層圖形并露出部分底電極層。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的柔性壓電薄膜體聲波諧振器的制備方法，其特征在于，步驟b中，壓電層為c軸取向的AlN膜層，該AlN壓電層在溫度大于150° C，功率密度大于8W/cm2，氨氣濃度大于30%的條件下由射頻磁控濺射的方法得到。
【文檔編號】H03H9/64GK103929149SQ201410158497
【公開日】2014年7月16日 申請日期:2014年4月21日 優(yōu)先權(quán)日:2014年4月21日
【發(fā)明者】張睿, 鐘慧, 焦向全, 楊杰, 石玉, 趙寶林, 何澤濤 申請人:電子科技大學(xué)