一种任意衬底上单晶AlN薄膜体声波谐振器及其制备方法

技术领域

本发明涉及薄膜体声波谐振器技术领域，具体涉及一种任意衬底上单晶AlN薄膜体声波谐振器及其制备方法。

背景技术

随着4G、5G等通信技术的快速发展，小型化、高频段通信器件吸引了人们的广泛注意，目前仅滤波器的全球市场份额就高达几百亿美元。

薄膜体声波谐振器(Film Bulk Acoustic Resonator，简称“FBAR”)是一种全新的射频滤波器的解决方案，与介质滤波器或者表面声波滤波器相比，FBAR滤波器具有更高的功率容量以及更小的体积。此外FBAR滤波器的制备过程还与标准CMOS工艺兼容，因此FBAR滤波器从众多滤波器中脱颖而出。

随着工作频率的增加，压电材料的厚度会逐渐减小，因此制备的压电材料的晶体质量会逐渐变差，最终导致品质因数不高。多晶AlN晶界也会对声波造成强烈的散射损耗。目前市场在售滤波器基本是多晶材料制备的,品质因数不高。

磁控溅射方法制备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。其中非晶层对压电效应没有作用，反而会导致散射增强，降低谐振器的品质因数。

目前多晶AlN谐振器一般通过磁控溅射的方法在硅衬底表面制备电极、压电层，然后利用化学刻蚀的方法移除谐振器下面的硅衬底，但是这种方法极大地限制了衬底的范围，同时良率非常低(Chen C,Shang Z,Zhang F,et al.Dual-mode resonant infrareddetector based on film bulk acoustic resonator toward ultra-high sensitivityand anti-interference capability[J].Applied Physics Letters,2018,112(24):243501.)同时也可以利用机械减薄的方法移除硅衬底，然后将谐振器与另一衬底键合，但是这种方法对减薄设备的精度要求非常高，减薄也会严重降低AlN的晶体质量，极大地增加了制备时间和器件的成本，良率也较低。

发明内容

为了克服现有技术存在的不足，本发明的目的是提供一种任意衬底上单晶AlN薄膜体声波谐振器及其制备方法。

基于此，本发明的目的在于克服现有技术的缺陷，提供一种任意衬底上单晶AlN薄膜体声波谐振器制备方法，利用该方法可以获得任意衬底上单晶氮化铝薄膜体声波谐振器。

本发明的目的至少通过如下技术方案之一实现。

本发明提供的任意衬底上的单晶AlN薄膜体声波谐振器，包括：衬底、硅腔、单晶二维材料、Al缓冲层、第一金属电极、压电层及第二金属电极；所述衬底与单晶二维材料连接，衬底与单晶二维材料的连接面向衬底内凹陷形成硅腔；Al缓冲层沉积在所述单晶二维材料上，第一金属电极生长在Al缓冲层上；压电层与第一金属电极、单晶二维材料连接；第二金属电极沉积在压电层上。

进一步地，所述单晶二维材料的厚度为0.1nm-1μm；所述二维材料包括石墨烯、六方氮化硼等中的一种及以上，但是不限于上述两种二维材料。

进一步地，所述Al缓冲层的厚度为50nm-1500nm。

进一步地，所述衬底为蓝宝石、硅、玻璃等中的一种及以上。

进一步地，所述第一金属电极为钼、金、钌、铝等中的一种以上；所述第一金属电极的厚度为50nm-1500nm。

进一步地，所述压电层为单晶AlN压电材料；所述压电层的厚度为10nm-5μm。

进一步地，所述第二金属电极为钼、金、钌、铝等中的一种以上；所述第二金属电极的厚度为50nm-1500nm。所述第一金属电极和第二金属电极均为低电阻的金属材料。

本发明提供的制备上述任意衬底上的单晶AlN薄膜体声波谐振器的方法，包括如下步骤：

(1)在第一衬底上形成单晶二维材料(单晶二维薄膜材料)，然后在所述二维材料上依次生长Al缓冲层(材质为铝)及第一金属电极，在第一金属电极上制备压电层(单晶氮化铝材料)，在压电层上制备第二金属电极，得到谐振器；

(2)将第二衬底与步骤(1)所述谐振器连接(第二衬底与谐振器上表面键合)，然后将第一衬底机械剥离，接着将所述谐振器与第三衬底键合，释放第二衬底，得到所述任意衬底上单晶AlN薄膜体声波谐振器。

进一步地，步骤(1)中，制备压电层的方法包括采用金属有机化学气相沉积与脉冲激光沉积的方法。

进一步地，步骤(2)中，第二衬底与步骤(1)所述谐振器连接的方式为使用胶粘剂连接或者键合连接。

进一步地，步骤(2)所述第二衬底为硅、玻璃、蓝宝石等物质，但是不限于上述几种材料。

步骤(2)所述第三衬底为硅、玻璃、蓝宝石等材料，但是不限于上述三种材料。

本发明提供的制备方法中，利用分子束外延在六方氮化硼表面制备金属电极，然后分别利用低温脉冲激光沉积、金属有机化学气相沉积的方法制备氮化铝压电薄膜。该制备方法克服了现有制备工艺得到的AlN多晶薄膜对声波传输的损耗，与多晶FBAR谐振器相比，单晶AlN谐振器的品质因数增加了700，有效机电耦合系数提高了30％。

本发明制备得到的基于单晶AlN压电堆叠结构可用于薄膜体声波谐振器的制备中，单晶AlN薄膜在压电性能上优于目前薄膜体声波谐振器中应用到的多晶AlN压电薄膜，从而提高器件的品质因数和有效机电耦合系数；同时避免了单晶AlN谐振器对衬底的严格要求。

本发明提供的制备方法中，由于二维材料层与层之间以范德华力相结合，范德华作用力比较弱，因此易于将生长在二维材料上的谐振器与衬底分离，进而转移到任意衬底上，避免了单晶氮化铝对衬底材料的严格要求，同时操作简单，避免了湿法刻蚀或者干法刻蚀对AlN晶体的严重影响。

与现有技术相比，本发明具有如下优点和有益效果：

本发明提出的任意衬底上单晶AlN薄膜体声波谐振器的制备方法，与多晶AlN相比，衍射峰的半高全宽由1.2度降低至0.5度，大大提升了压电薄膜的晶体质量；现有FBAR制备工艺多通过溅射得到多晶AlN薄膜，而本发明提出的制备方法则采用脉冲激光沉积与金属有机化学气相沉积的方法制备单晶谐振器；同时与其他衬底转移工艺相比，减小了对昂贵仪器的需求，有望实现大规模应用。

附图说明

图1为实施例2中在蓝宝石衬底上沉积单晶氮化硼的剖面图。

图2为实施例2中在单晶氮化硼上沉积铝缓冲层的剖视图。

图3为实施例2中在铝缓冲层上沉积第一金属电极的剖视图。

图4为实施例2中沉积压电层剖视图。

图5为实施例2中沉积第二金属电极的剖视图。

图6为实施例2中谐振器与第二衬底键合的剖视图。

图7为实施例2谐振器与刻有硅腔的第三衬底键合的剖视图。

图8为实施例2中最终制备的谐振器的剖视图。

具体实施方式

以下结合实例对本发明的具体实施作进一步说明，但本发明的实施和保护不限于此。需指出的是，以下若有未特别详细说明之过程，均是本领域技术人员可参照现有技术实现或理解的。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，视为可以通过市售购买得到的常规产品。

实施例1

参照图8所示，一种任意衬底上的单晶AlN薄膜体声波谐振器，包括：衬底9、硅腔10、单晶二维材料2、Al缓冲层3、第一金属电极4、压电层5及第二金属电极6；所述衬底9与单晶二维材料2连接，衬底9与单晶二维材料2的连接面向衬底内凹陷形成硅腔10；Al缓冲层3沉积在所述单晶二维材料2上，第一金属电极4生长在Al缓冲层3上；压电层5与第一金属电极4、单晶二维材料2连接；第二金属电极6沉积在压电层5上。

所述单晶二维材料2的厚度为0.1nm-1μm；所述单晶二维材料2包括石墨烯、六方氮化硼中的一种及以上。所述Al缓冲层3的厚度为50nm-1500nm。所述第一金属电极4为钼、金、钌、铝中的一种以上；所述第一金属电极4的厚度为50nm-1500nm。所述压电层5为单晶AlN压电材料；所述压电层5的厚度为10nm-5μm。所述第二金属电极6为钼、金、钌、铝中的一种以上；所述第二金属电极的厚度为50nm-1500nm。

实施例2

一种任意衬底上单晶AlN薄膜体声波谐振器，通过以下制备方法制备：

一、在衬底上制备单晶六方氮化硼。

如图1所示，选用(0001)面蓝宝石衬底1(第一衬底)，利用食人鱼溶液与BOE(氢氟酸缓冲溶液)分别清洗，除去表面污染物；然后利用金属有机化学气相沉积的方法在蓝宝石表面制备六方氮化硼单晶2(单晶二维材料)，厚度为0.1nm-1μm。

二、在六方氮化硼上生长底电极(第一金属电极)。

1、外延生长铝缓冲层：衬底温度为750℃，利用高纯铝做为靶材，在1050-1150℃下生长单晶Al缓冲层，30min后得到Al缓冲层3(如图2所示)，厚度控制在50nm-1500nm。

2、利用磁控溅射的方法在缓冲层上沉积金属铝电极4，电极的厚度控制在50nm-1500nm，然后对Al缓冲层3和第一金属电极4光刻(如图3所示)。

三、在底电极上生长压电层。

1、在衬底温度为750℃，反应室压力为4mTorr的条件下，用能量为3.0J/cm

四、制备顶部电极(第二金属电极)

如图5所示，利用磁控溅射的方法在压电材料顶部沉积400nm的金属Mo(第二金属电极6)，然后光刻刻蚀图形，得到谐振器。

五、转移

如图6所示，在谐振器表面旋涂PMMA(聚甲基丙烯酸甲酯)7，然后利用双面对准工艺将转移介质8(第二衬底)与谐振器相键合，然后将谐振器与第一衬底机械剥离，并将谐振器与最终的衬底9(刻有硅腔10)进行热压键合(如图7所示)，最终的衬底9为第三衬底；利用丙酮溶液溶解掉PMMA(聚甲基丙烯酸甲酯)7，释放第二衬底。然后利用二氧化碳超临界干燥技术将上述谐振器干燥(如图8所示)，得到所述任意衬底上单晶AlN薄膜体声波谐振器。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。