Lamb波谐振器及其制作方法

技术领域

本发明涉及Lamb波谐振器技术领域，尤其涉及一种具有二氧化硅掩膜结构的Lamb波谐振器及其制作方法。

背景技术

氮化铝(AlN)压电谐振器是一种新兴的具有高频率、高Q值可以与集成电路工艺相兼容的选频器件，其具有小尺寸、低功耗、优良的选频能力以及稳定的性能等优势。近年来，氮化铝压电谐振器凭借其优越的性能受到各行各业的青睐。Lamb波谐振器作为一种氮化铝压电谐振器，因其同时具备表面声波(SAW)谐振器和体声波(BAW)谐振器的优势而脱颖而出——具备高品质因数的同时可以通过改变叉指电极的周期以及电极的布局，实现片上集成多频段选择器件。

氮化铝(AlN)是一种性能极佳的压电材料，可在1423.15K下保持压电性能，受益于其在高温条件下表现的优异性能，以氮化铝(AlN)作为压电振动结构的Lamb波谐振器凭借其耐高温的特点，吸引了例如汽车、航空航天、天然气勘探以及电力电子等行业的极大兴趣。

对于氮化铝Lamb波谐振器来说，谐振器的品质因数(Q值)、频率温度系数和机电耦合效率(k

发明内容

针对现有技术中存在的氮化铝Lamb波谐振器的频率温度系数往往较低，当温度变化后，谐振器的谐振频率会产生较大的偏移的问题，发明人经过反复的试验验证和研究，最终找到了影响氮化铝Lamb波谐振器的频率温度系数的关键因素。基于此，发明人基于对该关键因素的研究，提出了一种能够有效降低氮化铝Lamb波谐振器的频率温度系数的解决方案。

第一方面，本发明实施例提供一种Lamb波谐振器，其包括自下而上依次设置的

第一电极结构；

压电振动结构；

第二电极结构；和

掩膜结构；

其中，所述第二电极结构为叉指电极，所述压电振动结构的边缘倾角均呈90°，所述掩膜结构为二氧化硅掩膜，所述二氧化硅掩膜同时覆盖叉指电极的外表面和未被叉指电极覆盖的压电振动结构的上表面。

第二方面，本发明实施例提供一种Lamb波谐振器的制作方法，其包括

步骤S1：在晶圆高阻硅上溅射形成钼薄膜，经涂胶、曝光、显影并刻蚀形成第一电极结构；

步骤S2：去胶，并在第一电极结构上淀积AlN层，形成压电振动结构；

步骤S3：在压电振动结构上溅射钼薄膜，经涂胶、曝光、显影并刻蚀形成第二电极结构；

步骤S4：去胶，并在第二电极结构上淀积二氧化硅，经涂胶、曝光、显影并刻蚀形成二氧化硅掩膜结构；

步骤S5：利用二氧化硅作为掩膜结构，刻蚀氮化铝膜层，形成边缘倾角均呈90°的压电振动结构。

本发明实施例的有益效果在于：发明人通过对Lamb波谐振器的研究，发现了Lamb波谐振器中压电振动结构的边缘倾角与Lamb波谐振器的频率温度系数的关联关系；并通过进一步对Lamb波谐振器制造工艺的研究，发现了压电振动结构产生边缘倾角的原因，在此基础上，发明人提出了本发明实施例的采用二氧化硅作为压电振动结构的掩膜结构的解决方案，使得制备的压电振动结构的边缘倾角能够呈90°角，大幅提高了Lamb波谐振器的品质因数，优化了Lamb波谐振器的性能。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1示意性地显示了根据本发明一实施方式的Lamb波谐振器的结构示意图；

图2示意性地显示了图1所示的Lamb波谐振器的切面结构示意图；

图3示意性地显示了现有技术中的Lamb波谐振器的结构示意图；

图4示意性地显示了Lamb波压电谐振器的不同边缘倾角的压电振动结构的器件的导纳图；

图5～图7示意性地显示了现有技术中在制备Lamb波谐振器过程中，形成的中间结构的结构状态示意图；其中，图5所示为在第二电极结构上涂覆光刻胶作为掩膜结构的状态示意图，图6所示为在固胶工艺过程中光刻胶掩膜结构发生塌陷、形成边缘塌陷部的状态示意图，图7所示为对压电振动结构进行刻蚀后形成的压电振动结构示意图；

图8示意性地显示了本发明一种实施方式的Lamb波谐振器的制备方法流程示意图；

图9～11示意性地显示了采用图7所示的方法制备Lamb波谐振器过程中，形成的中间结构的结构状态示意图；其中，图9所示为在第二电极结构上制备二氧化硅掩膜作为掩膜结构的状态示意图，图10所示为在固胶工艺过程中光刻胶膜结构发生塌陷、形成边缘塌陷部的状态示意图，图11所示为对压电振动结构进行刻蚀后形成的含有掩膜结构的压电振动结构示意图；

图12示意性地显示了一种无掩膜结构的Lamb波压电谐振器的中心频率随温度变化的仿真示意图；

图13示意性地显示了本发明实施例的二氧化硅做掩膜的Lamb波压电谐振器的频率温度系数随掩膜结构厚度变化的仿真示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中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。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”，不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

最后，需要说明的是，本申请中所用的术语一般为本领域技术人员常用的术语，如果与常用术语不一致，以本申请中的术语为准。

在本文中，术语“品质因数”是指Lamb波谐振器的品质因数(又称Q值)，其是对每个共振周期损失的存储能量的一种度量。

在本文中，术语“频率温度系数”是指Lamb波谐振器的频率温度系数(又称TCF)，其用于表示谐振器的中心频率相对于温度的偏移。

本文中，术语“厚度”、“高”和“高度”均是用于描述物体沿着垂直第一电极结构表面方向的维度。

在本文中，术语“上”、“下”是用于描述物体沿着垂直衬底表面方向延伸的维度。“上”是指自衬底表面向第一电极结构的方向延伸。“下”是指自衬底表面向背离第一电极结构的方向延伸。

本文中，术语“掩膜结构的厚度”定义为二氧化硅掩膜的最高点到压电振动结构表面之间的距离。

本文中，术语“压电振动结构的厚度”定义为氮化铝膜层的最高点到第一电极结构的表面之间的距离。

本文中，术语“叉指电极的电极宽度W

在本文中，术语“平板电极的电极宽度W

在本文中，术语“压电振动结构的边缘倾角”是指压电振动结构的侧向边界与底侧边界形成的角度。

图1示意性地显示了根据本发明一实施方式的Lamb波谐振器(兰姆波型谐振器)，如图1所示，本发明实施例的Lamb波谐振器包括自下而上依次设置的第一电极结构1、压电振动结构2、第二电极结构4和掩膜结构3。其中，第一电极结构1用于与第二电极结构4产生平板电容，以在沿厚度方向上输入信号的激励下产生横向面内伸缩振动；第二电极结构1用于输入和输出频率信号，优选实现为叉指电极；压电振动结构用于在伸缩振动过程中产生频率信号。需要说明的是，本发明实施例的掩膜结构3是覆盖在第二电极结构4的上方的，在第二电极结构4为叉指电极时，掩膜结构3同时覆盖第二电极结构4的外表面和压电振动结构2的未被叉指电极覆盖的上表面区域，图2以切面图的形式更好地展现了这一结构特点。

在本发明实施例中，压电振动结构的边缘倾角均呈90°，掩膜结构采用二氧化硅作掩膜。其中，如图1所示，压电振动结构2具有第一振动端面21、第二振动端面22和振动底面(与第一电极结构的上表面相接触的面，图中不可见)，压电振动结构的边缘倾角包括第一振动端面21与振动底面之间的夹角，以及第二振动端面22与振动底面之间的夹角。在优选实现例中，压电振动结构的边缘倾角均呈90°是指第一振动端面21与振动底面之间的夹角、以及第二振动端面22与振动底面之间的夹角均呈90°，即第一振动端面21和第二振动端面22均分别垂直于振动底面。优选地，第一振动端面21与和其相对设置的振动端面是相互平行的平面，第二振动端面22与和其相对设置的振动端面是相互平行的平面。

由于目前，氮化铝Lamb波谐振器尚处在发展的初期阶段，根据现有的研究发现品质因数(Q值)、频率温度系数和机电耦合效率(k

基于这个令人惊喜的实验结果，发明人开始进一步寻找造成在实际产品中，所有的压电振动结构的边缘倾角都是存在不同程度的倾斜角度的原因，以解决这一根本性的缺陷对品质因数的不良影响。经过大量实验和研究，发明人最终发现：现有的氮化铝Lamb波谐振器在制备过程中，都是需要利用光刻胶作掩膜来刻蚀氮化铝膜层的，即是在制备叉指电极之后再利用光刻胶作为氮化铝膜层的掩膜结构来刻蚀氮化铝膜层的，然而光刻前的固胶工艺会引起光刻胶塌陷，由于光刻胶塌陷时边缘存在不均匀的光刻胶膜层，这就导致了压电振动结构在边缘塌陷的光刻胶膜层处不能被均匀刻蚀，因而对压电振动结构进行刻蚀后其边缘倾角就会产生倾斜角度，即实际上是无法实现垂直刻蚀的。图5至图7示意性显示了这一过程(由于是为了示意性显示现有技术中采用光刻胶作为压电振动结构2的刻蚀掩膜结构时对压电振动结构刻蚀过程的影响，因而图中省略了位于压电振动结构上的第二电极结构，即位于压电振动结构2上且被光刻胶膜结构6覆盖的叉指电极)，其中，图5所示为在叉指电极和压电振动结构2上涂覆光刻胶膜结构6作为刻蚀压电振动结构的掩膜结构后的状态示意图，图6所示为在固胶工艺过程中光刻胶掩膜结构6发生塌陷、形成边缘塌陷部61的状态示意图，图7所示为以光刻胶作为掩膜结构对压电振动结构2进行刻蚀后形成的压电振动结构示意图，从图7可以看出在对压电振动结构进行刻蚀过程中，由于图6中产生的边缘塌陷部61的作用，对压电振动结构的刻蚀是不均匀的，即无法实现垂直刻蚀，因而会在压电振动结构的边缘倾角出产生倾斜角度c。

基于此，发明人想到了采用二氧化硅替代光刻胶作为压电振动结构的掩膜结构来避免上述问题，由此制得具有二氧化硅掩膜结构3的Lamb波谐振器。

图8示意性地显示了本发明实施例的具有二氧化硅掩膜结构的氮化铝Lamb波谐振器的制作方法过程，如图7所示，该方法包括如下步骤：

步骤S1：在晶圆高阻硅上溅射形成Mo膜(钼薄膜)，经涂胶、曝光、显影并刻蚀形成第一电极结构；

步骤S2：去胶，并在第一电极结构上淀积AlN层(氮化铝层)，形成压电振动结构；

步骤S3：在压电振动结构上溅射Mo膜，经涂胶、曝光、显影并刻蚀形成第二电极结构；

步骤S4：去胶，并在第二电极结构上淀积二氧化硅，经涂胶、曝光、显影并刻蚀形成二氧化硅掩膜结构；

步骤S5：利用二氧化硅作为掩膜结构，刻蚀氮化铝膜层，形成边缘倾角均呈90°的压电振动结构。

其中，在步骤S1中所选用的晶圆高阻硅的电阻率优选为5000-10000Ω*cm，规格优选为六寸的晶圆高阻硅，形成的Mo膜厚度优选为200nm。在步骤S2中淀积的AlN层的厚度优选为1μm厚。在步骤S3中，溅射的Mo膜的厚度优选为200nm。在步骤S4中优选淀积的二氧化硅掩膜层的厚度优选为0.24-3.12μm。

优选地，在步骤S4中是采用TEOS工艺淀积二氧化硅。TEOS是指利用TEOS(四乙氧基硅烷)定向淀积氧化硅的的工艺。本发明实施例采用的TEOS工艺具体实现为：在反应腔内加入需在表面淀积氧化硅的器件，并释放TEOS(四乙氧基硅烷)、O

示例性地，图9～11展示了根据图8所述的制备方法得到的谐振器的中间结构状态，其中，图9～10为经过步骤S4的处理得到的中间结构，图11是经过步骤S5的处理得到的中间结构。从图9～11可以看到，由于在步骤S4中在第二电极结构4上制备了二氧化硅掩膜结构3，因而在步骤S5中对氮化铝膜层即压电振动结构2进行刻蚀时，二氧化硅就作为了压电振动结构刻蚀的掩膜结构，避免了光刻胶作为掩膜结构时引起的塌陷等缺陷，因而经过步骤S5对氮化铝膜层进行刻蚀后，形成的压电振动结构的边缘倾角是呈90°的，即实现了垂直刻蚀。

优选地，在步骤S5中是采用对二氧化硅选择比较低的刻蚀方式对压电振动结构进行选择刻蚀。需要说明的是，在步骤S5中，在对氮化铝膜层进行刻蚀的工艺中，虽然此刻蚀工艺对二氧化硅刻蚀的选择比较低，但也会消耗部分的二氧化硅，而在本发明实施例中，二氧化硅不仅作为掩膜结构，同时作为温度补偿结构，并且其厚度也对谐振器的性能有一定的影响，因此，本发明实施例作为一种优选实施例，在步骤S4中，在将利用TEOS工艺生长的二氧化硅刻蚀成所需要的二氧化硅掩膜结构之前，还继续在淀积生长的二氧化硅上涂覆光刻胶，以利用光刻胶作为二氧化硅掩膜结构刻蚀的掩膜结构，即形成图9所示的在二氧化硅掩膜结构上保留光刻胶结构6的中间结构状态，这样在图10所示的光刻胶固胶工艺过程中光刻胶6塌陷并不会对压电振动结构层2的刻蚀产生影响，并且还可以使得通过在二氧化硅掩膜结构3上保留光刻胶结构6，从而实现对二氧化硅掩膜结构3的保护作用，避免二氧化硅掩膜结构3由于选择刻蚀被消耗，便于保障二氧化硅掩膜结构的厚度，使器件更加符合原设计的尺寸。

在本发明的实施例中，由于采用二氧化硅代替光刻胶作为氮化铝即压电振动结构刻蚀的掩膜结构，因而避免采用光刻胶作为掩膜结构时光刻前的固胶工艺引起的光刻胶塌陷对压电振动结构刻蚀的不良影响，使得能够实现对压电振动结构的垂直刻蚀，保证了刻蚀后形成的谐振器的压电振动结构的边缘倾角均保持在90°的垂直角度状态，因而大幅提高了谐振器的品质因数。另外，在本发明实施例中由于不需要去除二氧化硅掩膜，因而最终形成的谐振器中是包括设于压电振动结构和第二电极结构之上的掩膜结构的，而由于二氧化硅具有与氮化铝材料相反的温度弹性系数，因而在压电振动结构采用氮化铝材料时，本发明实施例的二氧化硅掩膜结构还能进一步实现对氮化铝Lamb波谐振器的温度补偿，以进一步提升氮化铝Lamb波谐振器的性能。

为了更进一步地提高Lamb波谐振器的性能，在选用二氧化硅作为掩膜结构进行谐振器制作的过程中，发明人还进一步研究了二氧化硅掩膜结构3的厚度对制备的Lamb波谐振器性能的影响，经过大量实验最终发现掩膜结构的厚度会对谐振器的频率温度系数产生影响。为了更好地展示发明人实验得出的结论，本发明实施例中的图12提供了Lamb波谐振器在无掩膜结构时其中心频率随温度变化的仿真示意图，图13提供了Lamb波谐振器的频率温度系数随二氧化硅掩膜结构厚度变化的仿真示意图，如图12和13所示，通过图12和图13可以看到：在无掩膜结构时，随着温度的升高，谐振器的中心频率由379.5MHz增加到379.02MHz，其对应的频率温度系数为-16.864ppm/K；而在存在二氧化硅掩膜结构时，随着掩膜结构厚度从0μm到3.12μm变化，谐振器的频率温度系数也发生相应的变化，且当掩膜结构厚度为3.12μm时，谐振器的频率温度系数为-5.195ppm/K，是不加掩膜结构的谐振器频率温度系数的三分之一。其中，需要说明的是，图8和9所示的研究结果对应的实验条件为：将压电振动结构外拓一周期后，在压电振动结构上侧添加以二氧化硅材料作为掩膜的掩膜结构，该掩膜结构的宽度为96μm，掩膜结构厚度从0μm到3.12μm变化；其他参数设置为：第二电极结构采用叉指电极，宽度为9.9μm，厚度为200nm，周期为12μm；压电振动结构厚度为1μm，宽度为96μm；第一电极结构采用平板电极，厚度为200nm，宽度为72μm。

由于二氧化硅掩膜结构对谐振器的频率温度系数会产生上述影响，因而选用适宜厚度的掩膜结构，更有利于增强Lamb波谐振器在恶劣环境中的工作性能，有效抑制了因温度变化而产生频率漂移，而且还能有效降低声波的能量损耗，同时可以增加Lamb波谐振器的固有机电耦合效率。在本发明实施例中，优选将掩膜结构的厚度设置为0.24-3.12μm。

作为一种优选实现例，压电振动结构为厚度1μm的氮化铝膜层；第一电极结构为方形平板电极，方形平板电极的电极宽度W

在本发明实施例中，如图1所示，由于第一电极结构1采用平板电极，其相应具有第一平板侧面11和第二平板侧面12。相应地，压电振动结构2包括与第一平板侧面11相接的第一压电端面21和与第二平板侧面12相接的第二压电端面22。本发明实施例的Lamb波谐振器由于采用了二氧化硅作为掩膜，使得实现了对压电振动结构的垂直刻蚀，因而制得的谐振器的第一电极结构的第一平板侧面11与压电振动结构2的第一压电端面21是位于同一平面内的，且第一电极结构的第二平板侧面12与压电振动结构2的第二压电端面21也是位于同一平面内的。

本发明实施例提供的二氧化硅作掩膜的Lamb波谐振器及其制备方法，采用SiO

此外，本发明实施例提供的二氧化硅作掩膜的Lamb波压电谐振器，采用TOES工艺在第二电极结构和压电振动结构表面制备二氧化硅掩膜结构，有效避免了压电振动结构与二氧化硅之间因应力失配而造成谐振器品质因数(Q值)的降低的问题。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的精神和范围。