本發(fā)明涉及體聲波諧振器，特別涉及一種垂直陣列納米柱薄膜體聲波諧振器及其制備方法和濾波器。

背景技術(shù)：

很多通信系統(tǒng)發(fā)展到某種程度都會有小型化的趨勢。一方面小型化可以讓系統(tǒng)更加輕便和有效，另一方面，日益發(fā)展的ic制造技術(shù)可以用更低的成本生產(chǎn)出大批量的小型產(chǎn)品?；诒∧んw聲波諧振器（filmbulkacousticresonator,fbar）技術(shù)的濾波器相較于傳統(tǒng)的介質(zhì)陶瓷濾波器、saw濾波器，具有工作頻率高、功率容量大、損耗低、體積小、溫度穩(wěn)定性好以及可與射頻集成電路(radiofrequencyintegratedcircuit，rfic)或微波單片電路(microwavemonolithicintegratedcircuit，mmic)集成的優(yōu)點。因此，fbar是今后很長一段時間內(nèi)無線終端射頻前端的理想解決方案。

薄膜體聲波諧振器采用金屬電極-壓電薄膜-金屬電極的三明治結(jié)構(gòu)，其工作原理如圖1所示，可簡述為：當(dāng)在兩電極上施加一交變電壓時，在壓電薄膜內(nèi)會形成交變電場，壓電薄膜由于壓電效應(yīng)而形變，從而激發(fā)出體聲波。這時在薄膜內(nèi)的體聲波沿著薄膜厚度方向傳播，并在兩電極之間來回反射，當(dāng)體聲波在壓電薄膜中的傳播距離正好是半波長的奇數(shù)倍時就會產(chǎn)生諧振。其中諧振頻率處的聲波損耗最小，使得該頻率的聲信號能通過壓電薄膜層，而其他不滿足諧振條件的聲信號就會衰減，與諧振頻率相差越遠(yuǎn)的聲信號衰減得越快。單個薄膜體聲波諧振器只是在某個頻點產(chǎn)生諧振，不能稱之為濾波器。將多個薄膜體聲波諧振器通過某種方式級聯(lián)、橋接或耦合在一起就可以構(gòu)成滿足一定需求的帶通濾波器，其中級聯(lián)方式最為常用。

目前制備fbar壓電層的主流工藝是在電極薄膜上磁控濺射aln壓電薄膜，而由于aln薄膜與電極之間存在較大的晶格失配和熱失配，導(dǎo)致在生長薄膜時應(yīng)力過大而產(chǎn)生缺陷，并引起晶圓片翹曲或產(chǎn)生裂紋。不但加大器件加工難度，減小器件良率，同時也削弱了器件性能。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

為了克服現(xiàn)有技術(shù)的上述缺點與不足，本發(fā)明的目的之一在于提供一種垂直陣列納米柱薄膜體聲波諧振器，并可通過級聯(lián)、橋接等方式設(shè)計出帶通濾波器。

本發(fā)明的目的之二在于提供上述垂直陣列納米柱薄膜體聲波諧振器的制備方法。

本發(fā)明的目的之三在于提供一種濾波器。

本發(fā)明的目的通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)：

垂直陣列納米柱薄膜體聲波諧振器，依次包括硅襯底、空腔和壓電堆疊結(jié)構(gòu)，所述空腔形成于硅襯底和壓電堆疊結(jié)構(gòu)之間；所述壓電堆疊結(jié)構(gòu)包括底電極、壓電材料納米柱陣列、納米柱側(cè)壁隔離層、制作在納米柱側(cè)壁隔離層外的間隙填充層、頂電極。

所述空腔為上凸或下凹的空腔。

當(dāng)所述空腔為上凸的空腔時，所述壓電堆疊結(jié)構(gòu)還包括位于底電極之下的支撐層，所述支撐層與硅襯底之間的空腔形成薄膜體聲波諧振器的諧振腔。

所述垂直陣列納米柱薄膜體聲波諧振器的制備方法，包括以下步驟：

（1）利用刻蝕技術(shù)在硅襯底的頂表面制備一個凹槽；

（2）在凹槽中填滿犧牲層材料；

（3）在犧牲層材料之上沉積一層金屬底電極，并進(jìn)行圖形化；

（4）在底電極之上制備壓電材料納米柱陣列；

（5）在壓電材料納米柱陣列周圍生長一層納米柱側(cè)壁隔離層；

（6）在納米柱間隙中旋涂一層電介質(zhì)，使其完全覆蓋納米柱陣列頂端，作為間隙填充層；

（7）利用干法刻蝕或化學(xué)拋光反刻蝕電介質(zhì)層，直至完全露出納米柱陣列的頂端，形成基片；

（8）在基片之上刻蝕通孔，露出底電極，并沉積一層金屬頂電極，并進(jìn)行圖像化；所述底電極、基片、頂電極形成壓電堆疊結(jié)構(gòu)；

（9）在壓電堆疊結(jié)構(gòu)上刻蝕出犧牲層釋放通孔，通過犧牲層釋放通孔釋放犧牲層，得到垂直結(jié)構(gòu)納米柱薄膜體聲波諧振器。

所述垂直陣列納米柱薄膜體聲波諧振器的制備方法，包括以下步驟：

（1）在硅襯底沉積一層犧牲層，并刻蝕形成犧牲層凸起；

（2）在犧牲層之上制備一層支撐層；

（3）在支撐層之上沉積一層金屬底電極，并進(jìn)行圖形化；

（4）在底電極之上制備壓電材料納米柱陣列；

（5）在壓電材料納米柱陣列周圍生長一層納米柱側(cè)壁隔離層；

（6）在納米柱間隙中旋涂一層電介質(zhì)，使其完全覆蓋納米柱陣列頂端，作為間隙填充層；

（7）利用干法刻蝕或化學(xué)拋光反刻蝕電介質(zhì)層，直至完全露出納米柱陣列的頂端，形成基片；

（8）在基片之上刻蝕通孔，露出底電極，并沉積一層金屬頂電極，并進(jìn)行圖像化；所述支撐層、底電極、基片、頂電極形成壓電堆疊結(jié)構(gòu)；

（9）在壓電堆疊結(jié)構(gòu)上刻蝕出犧牲層釋放通孔，通過犧牲層釋放通孔釋放犧牲層，得到多諧振模式的薄膜體聲波諧振器。

濾波器，包含所述的垂直陣列納米柱薄膜體聲波諧振器。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點和有益效果：

本發(fā)明的薄膜體聲波諧振器采用壓電材料納米柱陣列替代傳統(tǒng)的壓電薄膜，納米柱陣列結(jié)構(gòu)能夠有效的釋放材料生長中所積累的應(yīng)力，減少材料內(nèi)部缺陷，從而提高器件性能；此外，由于納米柱陣列間隙采用具體極低聲阻抗的電介質(zhì)進(jìn)行填充，有效抑制除縱向振動外的其他寄生振動模式，實現(xiàn)低雜波高q值fbar。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的實施例1的垂直陣列納米柱薄膜體聲波諧振器的剖視圖。

圖2為本發(fā)明的實施例2的垂直陣列納米柱薄膜體聲波諧振器的光刻、刻蝕犧牲層后的剖視圖。

圖3為本發(fā)明的實施例2的垂直陣列納米柱薄膜體聲波諧振器的剖視圖。

具體實施方式

下面結(jié)合實施例，對本發(fā)明作進(jìn)一步地詳細(xì)說明，但本發(fā)明的實施方式不限于此。

實施例1。

本實施例的垂直陣列納米柱薄膜體聲波諧振器，通過以下制備方法制備：

1、在硅襯底1表面刻蝕一個凹槽，槽深30μm，然后pecvd沉積si3n4襯底保護(hù)層2，厚度為200nm，以保護(hù)硅襯底。

2、在si3n4之上pecvd沉積一層psg（磷石英玻璃）作為犧牲層。

3、通過cmp工藝對犧牲層進(jìn)行表面拋光。

4、在拋光后的表面通過直流磁控濺射沉積一層mo底電極4，厚度為200nm，并通過lift-off技術(shù)進(jìn)行圖形化。

5、采用選擇區(qū)域生長技術(shù)、高ⅴ-ⅲ比自下而上生長技術(shù)，或利用納米模板自上而下刻蝕技術(shù)制備aln納米柱陣列5，該納米柱的直徑為30nm-900nm，高度為0.5μm-5μm。5、利用lpcvd或pecvd在aln納米柱陣列5的納米柱周圍生長一層納米柱側(cè)壁隔離層6，所述納米柱側(cè)壁隔離層6的材料為sinx、sio2或者al2o3，厚度為10nm-50nm。

6、在aln納米柱陣列5的間隙中旋涂一層電介質(zhì)層7，使其完全覆蓋aln納米柱陣列5的頂端，并具有平整的上表面，所述電介質(zhì)層7為旋涂電介質(zhì)硅氧烷、倍半硅氧烷或聚酰亞胺。

7、利用干法刻蝕或化學(xué)拋光反刻蝕電介質(zhì)層7，直至完全露出aln納米柱陣列5頂端，形成基片，所述干法刻蝕為f基或cl基反應(yīng)離子刻蝕（rie）、電感耦合等離子體反應(yīng)離子刻蝕（icp-rie）或電子回旋共振反應(yīng)離子刻蝕（ecr-rie）系統(tǒng)。

8、在基片之上通過干法刻蝕出通孔，露出mo底電極4，通過電子束蒸發(fā)沉積一層厚度為100nm厚的mo頂電極8，并通過lift-off技術(shù)進(jìn)行圖形化。所述底電極4、基片、頂電極8形成壓電堆疊結(jié)構(gòu)。

9、刻蝕出犧牲層釋放通孔，用xef2（氟化氙）氣體通過犧牲層釋放通孔，獲得空腔3。最終得到垂直陣列納米柱薄膜體聲波諧振器，如圖1所示。

本實施例的濾波器，包括本實施例的垂直陣列納米柱薄膜體聲波諧振器。由兩個串聯(lián)薄膜體聲波諧振器及一個并聯(lián)薄膜體聲波諧振器級聯(lián)成梯形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。其中，并聯(lián)薄膜體聲波諧振器的頂電極厚度比串聯(lián)薄膜體聲波諧振器厚10nm。從而構(gòu)成一個帶通濾波器。

實施例2。

1、在硅襯底1表面pecvd沉積一層psg（磷石英玻璃）作為犧牲層9，并光刻出犧牲層圖形。如圖2所示。

2、用pecvd沉積一層si3n4支撐層10，厚度為300nm。

3、通過直流磁控濺射一層厚度為150nm厚的mo底電極4。

4、采用選擇區(qū)域生長技術(shù)、高ⅴ-ⅲ比自下而上生長技術(shù)，或利用納米模板自上而下刻蝕技術(shù)制備aln納米柱陣列5，該納米柱的直徑為30nm-900nm，高度為0.5μm-5μm。5、利用lpcvd或pecvd在aln納米柱陣列5的納米柱周圍生長一層納米柱側(cè)壁隔離層6，所述納米柱側(cè)壁隔離層6的材料為sinx、sio2或者al2o3，厚度為10nm-50nm。

6、在aln納米柱陣列5的間隙中旋涂一層電介質(zhì)層7，使其完全覆蓋aln納米柱陣列5的頂端，并具有平整的上表面，所述電介質(zhì)層7為旋涂電介質(zhì)硅氧烷、倍半硅氧烷或聚酰亞胺。

7、利用干法刻蝕或化學(xué)拋光反刻蝕電介質(zhì)層7，直至完全露出aln納米柱陣列5頂端，形成基片，所述干法刻蝕為f基或cl基反應(yīng)離子刻蝕（rie）、電感耦合等離子體反應(yīng)離子刻蝕（icp-rie）或電子回旋共振反應(yīng)離子刻蝕（ecr-rie）系統(tǒng)。

8、在基片之上通過干法刻蝕出通孔，露出mo底電極4，通過電子束蒸發(fā)沉積一層厚度為150nm厚的mo頂電極8，并通過lift-off技術(shù)進(jìn)行圖形化。所述支撐層10、底電極4、基片、頂電極8形成壓電堆疊結(jié)構(gòu)。

9、刻蝕出犧牲層釋放通孔，用xef2（氟化氙）氣體通過犧牲層釋放通孔，獲得空腔3。最終得到垂直陣列納米柱薄膜體聲波諧振器，如圖3所示。

上述實施例為本發(fā)明較佳的實施方式，但本發(fā)明的實施方式并不受所述實施例的限制，其他的任何未背離本發(fā)明的精神實質(zhì)與原理下所作的改變、修飾、替代、組合、簡化，均應(yīng)為等效的置換方式，都包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。