一种MEMS滤波器和制备方法

技术领域

本发明涉及一种MEMS滤波器和制备方法。

背景技术

MEMS技术被誉为21世纪带有革命性的高新技术，其发展始于20世纪60年代，MEMS是英文Micro Electro Mechanical System的缩写，即微电子机械系统。微电子机械系统(MEMS)是近年来发展起来的一种新型多学科交叉的技术，该技术将对未来人类生活产生革命性的影响。MEMS的基础技术主要包括硅各向异性刻蚀技术、硅键合技术、表面微机械技术、LIGA技术等，这些技术已成为研制生产MEMS必不可少的核心技术。

MEMS滤波器在衬底上通常包括上部POLY层(反射层)、牺牲层及下部POLY层，需要开孔将部分牺牲层去掉，形成镂空结构，即在制备工艺的过程中，镂空结构上方的POLY层会形成悬臂梁(浮桥)，中间的牺牲层将上部多层膜和下部多层膜连接在一起；当牺牲层被蚀刻掉之后，在实际使用过程中，在静电力的作用下浮桥会发生位置的变化，浮桥容易断裂。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种MEMS滤波器和制备方法。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

本发明的第一方面，提供一种MEMS滤波器，包括：

衬底；

第一反射层，位于所述衬底上方；

牺牲层，位于所述第一反射层上，所述牺牲层具有空腔；

第二反射层，位于所述牺牲层上，所述第二反射层对应所述空腔位置为具有释放孔的浮桥区域，所述浮桥区域内还具有贯穿第二反射层的环形防破裂梁；

所述防破裂梁的上下两面中的其中一面为凹面，另外一面为凸面。

进一步地，所述衬底和第一反射层之间还设置有隔离层。

进一步地，所述第一反射层为第一DBR介质膜，所述第二反射层为第二DBR介质膜；所述第一DBR介质膜和第二DBR介质膜均包括交替排列的多晶硅层和氮化硅层；所述防破裂梁位于第二DBR介质膜的每一层均包括凹面和凸面。

进一步地，所述环形防破裂梁为多个同心圆环。

本发明的第二方面，提供一种MEMS滤波器的制备方法，包括：

在衬底上依次生长第一反射层和牺牲层，所述牺牲层上部设置有环形第一凹部或者环形第一凸部；

在牺牲层上部生长第二反射层，所述第二反射层对应所述第一凹部位置形成下凸上凹的凹凸部或者所述第二反射层对应所述第一凸部位置形成下凹上凸的凹凸部，所述凹凸部作为防破裂梁；

在第二反射层上的防破裂梁的周围形成释放孔；

通过释放孔在所述牺牲层形成空腔，空腔对应的第二反射层形成浮桥区域。

进一步地，所述通过释放孔在所述牺牲层形成空腔，包括：

将器件放入BOE溶液中浸泡，通过湿法蚀刻去除部分牺牲层形成空腔；

取出后利用去离子水清洗掉多余BOE溶液。

进一步地，所述在牺牲层上部生长第二反射层之后，并且在形成释放孔的步骤之前，还包括：制作上电极和下电极，具体包括：

在第二反射层上挖孔形成上电极孔，并在第二反射层和牺牲层上挖空形成下电极孔；

在上电极孔和下电极孔中形成上电极和下电极。

进一步地，在所述在第二反射层上的防破裂梁的周围形成释放孔，具体包括：

在完成上电极和下电极制作的第二反射层上形成保护金属层；

在保护金属层上形成光刻胶层；

依次在光刻胶层、保护金属层和第二反射层上开孔，以形成释放孔；

去除所述光刻胶层；

所述通过释放孔在所述牺牲层形成空腔之后，还包括：

去除所述保护金属层。

进一步地，所述第一反射层为第一DBR介质膜，所述第二反射层为第二DBR介质膜；所述第一DBR介质膜和第二DBR介质膜均包括交替排列的多晶硅层和氮化硅层；所述防破裂梁位于第二DBR介质膜的每一层均包括凹面和凸面。

进一步地，所述环形防破裂梁为多个同心圆环。

本发明的有益效果是：

(1)在本发明的一示例性实施例中，在具有防破裂梁的滤波器的实际工作过程中，防破裂梁内部是一个工作平面，平行度很好，防破裂梁区域类似一系列环形分布的微型弹簧(类似蹦床)，可增强整个浮桥区域的韧性，连接了防破裂梁的两侧浮桥，使得连接上更为牢固，浮桥区域不容易破裂，即不会因为静电力的驱动使得浮桥区域上下浮动造成浮桥区域的破裂。

(2)在本发明的一示例性实施例中，当采用防破裂梁的上面为凹面、下面为凸面时，还可以使第一反射层和第二反射层的接触从面接触变为点接触，点接触使第二反射层的浮桥区域不易与第一反射层因静电吸附而粘连，可进一步降低浮桥区域的破裂风险。

(3)在本发明的一示例性实施例中，第一反射层和第二反射层均由多层实现，不仅可以对光波长的减反射效果更好，还可以进一步提高防破裂梁的防破裂效果，因为每一层均包括凹面和凸面的防破裂弹簧结构。

(4)在本发明的一示例性实施例中，避免空腔制作步骤采用湿法刻蚀会对金属电极和第二反射层损伤，因此在制作之前采用金属保护层进行保护，被蚀刻成空腔且第二反射层保持完整，研发产品符合工艺要求，操作简单，且能与半导体制作工艺兼容,提高了产品研发的效率及成功率。

附图说明

图1为本发明一示例性实施例公开的MEMS滤波器的结构示意图；

图2为本发明又一示例性实施例公开的MEMS滤波器的结构示意图；

图3为本发明一示例性实施例公开的具有隔离层的MEMS滤波器的结构示意图；

图4为本发明一示例性实施例公开的多层膜结构的MEMS滤波器的结构示意图；

图5为本发明一示例性实施例公开的防破裂梁的结构示意图；

图6为本发明又一示例性实施例公开的防破裂梁的结构示意图；

图7为本发明一示例性实施例公开的MEMS滤波器的制备方法的流程图；

图8为本发明一示例性实施例公开的MEMS滤波器的制备方法的步骤S1的结构示意图；

图9为本发明一示例性实施例公开的MEMS滤波器的制备方法的步骤S1的凹部结构示意图；

图10为本发明一示例性实施例公开的MEMS滤波器的制备方法的步骤S1的凸部结构示意图；

图11为本发明一示例性实施例公开的MEMS滤波器的制备方法的步骤S3的结构示意图；

图12为本发明一示例性实施例公开的MEMS滤波器的制备方法的步骤S5的结构示意图；

图13为本发明一示例性实施例公开的MEMS滤波器的制备方法的步骤S7的结构示意图；

图14为本发明一示例性实施例公开的MEMS滤波器的制备方法的步骤S61的结构示意图；

图15为本发明一示例性实施例公开的MEMS滤波器的制备方法的步骤S62的结构示意图；

图16为本发明一示例性实施例公开的MEMS滤波器的制备方法的步骤S51的结构示意图；

图中，1-衬底，2-第一反射层，3-牺牲层，31-空腔，32-第一凹部，33-第一凸部，4-第二反射层，41-浮桥区域，411-释放孔，412-防破裂梁，4121-凸面，4122-凹面，42-上电极孔，43-下电机孔，5-隔离层，6-多晶硅层，7-氮化硅层，8-上电极，9-下电极，10-保护金属层。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，属于“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方向或位置关系为基于附图所述的方向或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，属于“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，属于“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。

参见图1和图2，图1和图2示出了本发明的其中两个示例性实施例中提供的一种MEMS滤波器，包括：

衬底1；

第一反射层2，位于所述衬底1上方；

牺牲层3，位于所述第一反射层2上，所述牺牲层3具有空腔31；

第二反射层4，位于所述牺牲层3上，所述第二反射层4对应所述空腔31位置为具有释放孔411的浮桥区域41，所述浮桥区域41内还具有贯穿第二反射层4的环形防破裂梁412；

所述防破裂梁412的上下两面中的其中一面为凹面4122，另外一面为凸面4121。

具体地，在该如图1所示的示例性实施例中，防破裂梁412的上面(远离衬底1)为凹面4122，下面(靠近衬底1)为凸面4121；而在如图2所示的的示例性实施例中，防破裂梁412的上面(远离衬底1)为凸面4121，下面(靠近衬底1)为凹面4122。

当采用本示例性实施例的结构，在该滤波器的实际工作过程中，防破裂梁412内部是一个工作平面，平行度很好，防破裂梁412区域类似一系列环形分布的微型弹簧(类似蹦床)，可增强整个浮桥区域41的韧性，连接了防破裂梁412的两侧浮桥，使得连接上更为牢固，浮桥区域41不容易破裂，即不会因为静电力的驱动使得浮桥区域41上下浮动造成浮桥区域41的破裂。

另外，当采用如图1所示的防破裂梁412的上面(远离衬底1)为凹面4122、下面(靠近衬底1)为凸面4121的实施例时，还可以使第一反射层2和第二反射层4的接触从面接触变为点接触，点接触使第二反射层4的浮桥区域41不易与第一反射层2因静电吸附而粘连，可进一步降低浮桥区域41的破裂风险。

更优地，在一示例性实施例中，如图3所示，所述衬底1和第一反射层2之间还设置有隔离层5。

在该示例性实施例中，所述隔离层5的材料为二氧化硅。

更优地，在一示例性实施例中，如图4所示，所述第一反射层2为第一DBR介质膜，所述第二反射层4为第二DBR介质膜；所述第一DBR介质膜和第二DBR介质膜均包括交替排列的多晶硅层6和氮化硅层7；所述防破裂梁412位于第二DBR介质膜的每一层均包括凹面4122和凸面4121。

具体地，在如图4所示的示例性实施例中，所述第一DBR介质膜包括七层，由接近衬底1至远离衬底1的方向依次为多晶硅层6、氮化硅层7、多晶硅层6、氮化硅层7、多晶硅层6、氮化硅层7、多晶硅层6；而所述第二DBR介质膜包括六层，由接近衬底1至远离衬底1的方向依次为多晶硅层6、氮化硅层7、多晶硅层6、氮化硅层7、多晶硅层6、氮化硅层7。

相较于现有技术的单层Poly层，本申请的第一反射层2和第二反射层4均由多层实现，多层膜结构对光波长的减反射效果更，还可以进一步提高防破裂梁412的防破裂效果，因为每一层均包括凹面4122和凸面4121的防破裂弹簧结构。

更优地，在一示例性实施例中，所述环形防破裂梁412为多个同心圆环。

具体地，采用该种方式可以使得整个浮桥区域41均具有降低浮桥区域41的破裂风险的效果。其中，图5和图6分别给出了其中两种示例性实施例：如图5所示，由释放孔411构成的浮桥区域41的俯视图为圆形，而防破裂梁412为同心圆环，该同心圆环将浮桥区域41分隔为内圈和外圈，从而使得整个浮桥区域41均可以受到防破裂梁412的作用。如图6所示，由释放孔411构成的浮桥区域41的俯视图为圆形，而防破裂梁412为多个同心方环。

另外，基于上述任意一示例性实施例的实现，所述牺牲层3的材料为二氧化硅。

参见图7，图7示出了本发明的又一示例性实施例提供的一种MEMS滤波器的制备方法的流程图，包括：

S1：如图8所示，在衬底1上依次生长第一反射层2和牺牲层3；所述牺牲层3上部设置有环形第一凹部32或者环形第一凸部33，分别如图9和图10所示。

其中，第一凹部32或者第一凸部33用于后续制作防破裂梁412使用。衬底1采用双抛光硅片，晶圆厚度400微米；晶圆清洗后，第一反射层2的生长可以采用LPCVD机台，膜层厚度依据设计要求制作；牺牲层3的制备可以采用PECVD的方式，膜层厚度依据设计要求制作，采用PECVD方式制备牺牲层3二氧化硅，可提高后续牺牲层3浮桥区域41蚀刻工艺时牺牲层3与反射层之间的蚀刻选择比，便于后续浮桥区域41的制作。

当制作的是第一凹部32时，可以采用干法刻蚀的方式在牺牲层3上进行蚀刻；当制作的是第一凸部33时，可以采用部分生长的方式多生长一部分牺牲层3(也可以使用其他任何可以实现的方式，在此不进行限定)。

在后续生长第二反射层4的工艺中，上层多层膜在第一凹部32或者第一凸部33位置形成凹槽或凸块，后续牺牲层3蚀刻后第二反射层4对应位置形成浮桥区域42。

S3：在牺牲层3上部生长第二反射层4，所述第二反射层4对应所述第一凹部32位置形成下凸上凹的凹凸部(竖直方向)或者所述第二反射层4对应所述第一凸部位33置形成下凹上凸的凹凸部，所述凹凸部作为防破裂梁412，如图11所示(仅示出了所述第二反射层4对应所述第一凹部32位置形成下凸上凹的凹凸部的情况，下同)。

具体地，在该步骤中，可以采用LPCVD机台进行生长。

S5：在第二反射层4上的防破裂梁412的周围形成释放孔411，如图12所示。

其中，该释放孔411尺寸约1.5-3微米之间，孔与孔之间的间距约10-30微米之间；孔太小后续蚀刻溶液不易进去，孔太大后续制作后第二反射层4牢固度不足，容易破损；孔间距太大，牺牲层3不易挖空，孔间距太小，小孔太密，制作后第二反射层4容易破损。

采用干法刻蚀的形式形成释放孔411。需要说明的是，干法刻蚀需要到一部分牺牲层3，蚀刻时间可根据进入牺牲层3厚度进行适当的调整，进入牺牲层3深度深，则后续空腔31制作时采用湿法蚀刻，空腔31侧壁有坡度，进入牺牲层3深度浅，则后续蚀刻时空腔31侧壁角度直，但至少需要进入牺牲层500-1000埃。

S7：通过释放孔411在所述牺牲层3形成空腔31，空腔31对应的第二反射层4形成浮桥区域41，如图13所示。

当采用本示例性实施例的结构，在该滤波器的实际工作过程中，防破裂梁412内部是一个工作平面，平行度很好，防破裂梁412区域类似一系列环形分布的微型弹簧(类似蹦床)，可增强整个浮桥区域41的韧性，连接了防破裂梁412的两侧浮桥，使得连接上更为牢固，浮桥区域41不容易破裂，即不会因为静电力的驱动使得浮桥区域41上下浮动造成浮桥区域41的破裂。

而在又一具体示例性实施例中，步骤S7中的所述通过释放孔411在所述牺牲层3形成空腔31，包括：

S71：将器件放入BOE溶液中浸泡，通过湿法蚀刻去除部分牺牲层3形成空腔31；

S72：取出后利用去离子水清洗掉多余BOE溶液。

BOE溶液浓度1％-10％，时间约3-4小时。在此过程中，因器件第二反射层4容易破裂，蚀刻过程中采用静止温和方式进行湿法蚀刻，严禁鼓泡或晃动等清洗行为。

更优地，在一示例性实施例中，所述在牺牲层3上部生长第二反射层4之后，并且在形成释放孔411的步骤之前，还包括：S6：制作上电极8和下电极9，具体包括：

S61：如图14所示，在第二反射层4上挖孔形成上电极孔42，并在第二反射层4和牺牲层3上挖空形成下电极孔43；

S62：如图15所示，在上电极孔42和下电极孔43中形成上电极8和下电极9。

具体地，在该示例性实施例中，MEMS滤波器的制作需要上电极8和下电极9，因此选择在S5和S7步骤之间进行制备。其中，上电极8和下电极9的材料为Al。

更优地，在一示例性实施例中，在所述在第二反射层4上的防破裂梁412的周围形成释放孔411，具体包括：

S51：如图16所示，在完成上电极8和下电极9制作的第二反射层4上形成保护金属层10；

S52：在保护金属层10上形成光刻胶层；

S53：依次在光刻胶层、保护金属层10和第二反射层4上开孔，以形成释放孔411；

S54：去除所述光刻胶层；

所述通过释放孔在所述牺牲层形成空腔之后，还包括：

S8：去除所述保护金属层。

具体地，由于步骤S7的方案即“通过释放孔411在所述牺牲层3形成空腔31”优选采用湿法刻蚀(BOE溶液)实现，因金属电极(上电极8和下电极9)的化学活性强(例如采用Al的时候)，容易被BOE溶液蚀刻；第二反射层4也存在被BOE溶液蚀刻的风险(尤其是对于后述示例性实施例，最上层为氮化硅膜的情况)，因此在该示例性实施例中，需要对电极和第二反射层4做好保护，否则在空腔31制作的工艺过程中,容易造成电极和第二反射层4的损伤，影响产品的性能。

其中，对于步骤S51中，保护金属层10优选为金层，晶圆清洗后，采用磁控溅射机台在晶圆正面溅射一层纯金，厚度500-5000埃之间，采用溅射方式制作金层，晶圆的侧边也可溅射上金属，起到晶圆侧边保护作用。

对于步骤S52，制作蚀刻孔光刻层时，需要考虑光刻胶的厚度与后续干法蚀刻多层膜的蚀刻选择比，需保证后续干法蚀刻进入牺牲层3后光刻胶仍有余量，若光刻胶没有余量，则蚀刻完光刻胶后会蚀刻其下的电极和第二反射层4；若光刻胶层太厚，容易造成蚀刻孔显影有问题，蚀刻孔底部的光刻胶无法显影完全，影响后续的释放孔411蚀刻。

对于步骤S53，若干法蚀刻前不去除释放孔411处的金层，则在干法蚀刻过程中需要先干法蚀刻掉金层，干法蚀刻金层蚀刻速率低，蚀刻时间长，容易造成步骤S52中光刻胶不足，且干法蚀刻金容易造成晶圆表面金属颗粒残留，若堵塞刻蚀孔，对后续的牺牲层空腔形成有影响，故需要先去除刻蚀孔位置的金层。在一示例性实施例中，采用稀释的碘化钾溶液(浓度1％-10％)去除刻蚀孔位置的金层，时间根据金层厚度而定。举例：厚度2000埃的金层在稀释碘化钾溶液浸泡约7-8秒，则蚀刻孔处的金层被蚀刻干净，而被光刻胶覆盖位置的金层不会被蚀刻。

对于步骤S53中的第二反射层4的开孔采用干法刻蚀，采用ICP蚀刻机台，蚀刻气体为CF

对于步骤S54的去除光刻胶层，采用80℃NMP溶液冲洗工艺，冲洗压力300-1500Psi，时间约3-10min。再用IPA溶液冲洗掉多余的NMP溶液,最后可用甩干机、烘箱或氮气枪等方式将wafer弄干。最后采用O

对于步骤S8的去除释放孔411位置的保护金属层10(即金层)，去离子水清洗掉多余的BOE溶液后，再放入稀释的碘化钾溶液(浓度1％-10％)去除刻晶圆的保护金层，时间根据金层厚度而定。待金层去掉后，再放入去离子水溶液中清洗，清洗掉多余的碘化钾溶液。最后采用热氮气进行烘干。热氮气烘干温度不宜过高，吹干气压不宜过大，热氮气烘干温度50-80℃，时间约5-10min。

更优地，在一示例性实施例中，如图4所示，所述第一反射层2为第一DBR介质膜，所述第二反射层4为第二DBR介质膜；所述第一DBR介质膜和第二DBR介质膜均包括交替排列的多晶硅层6和氮化硅层7；所述防破裂梁412位于第二DBR介质膜的每一层均包括凹面4122和凸面4121。

具体地，在如图4所示的示例性实施例中，所述第一DBR介质膜包括七层，由接近衬底1至远离衬底1的方向依次为多晶硅层6、氮化硅层7、多晶硅层6、氮化硅层7、多晶硅层6、氮化硅层7、多晶硅层6；而所述第二DBR介质膜包括六层，由接近衬底1至远离衬底1的方向依次为多晶硅层6、氮化硅层7、多晶硅层6、氮化硅层7、多晶硅层6、氮化硅层7。

对应地，在步骤S1的生长阶段，衬底1正面生长第一DBR介质膜：衬底1采用双抛光硅片，晶圆厚度400微米；晶圆清洗后，采用LPCVD机台依次生长SiO

在步骤S3的生长阶段，对于生长第二DBR介质膜：清洗后，采用LAPECVD机台在正面生长多晶硅层6，对该多晶硅层6进行离子注入重掺杂B或P，掺杂浓度根据设计要求进行，并对晶圆进行RTA快速退火，然后再对晶圆正背面采用LPCVD法制作氮化硅层7、多晶硅层6、氮化硅层7、多晶硅层6、氮化硅层7的第二DBR介质膜。

在电极制作过程中，第二DBR介质膜的重掺杂多晶硅层6作为上电极8的导电层，而第一DBR介质膜的重掺杂多晶硅层6作为下电极9的导电层。

更优地，在一示例性实施例中，所述环形防破裂梁412为多个同心圆环。

具体地，采用该种方式可以使得整个浮桥区域41均具有降低浮桥区域41的破裂风险的效果。其中，图5和图6分别给出了其中两种示例性实施例：如图5所示，由释放孔411构成的浮桥区域41的俯视图为圆形，而防破裂梁412为同心圆环，该同心圆环将浮桥区域41分隔为内圈和外圈，从而使得整个浮桥区域41均可以受到防破裂梁412的作用。如图6所示，由释放孔411构成的浮桥区域41的俯视图为圆形，而防破裂梁412为多个同心方环。

同心环使得弹簧结构更加牢固。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定，对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其他不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。