[发明专利]一种基于多孔硅的自支撑空气隙型体声波谐振器及其制备方法

说明书

本发明公开了一种基于多孔硅的自支撑空气隙型体声波谐振器及其制备方法，包括上电极、压电层、下电极、自支撑硅材料层、空腔、硅衬底，所述自支撑硅材料层和空腔是利用多孔硅高温迁移形成的。通过高温退火使多孔硅发生高温迁移形成硅薄膜和空腔结构，无需长时间腐蚀牺牲层材料，可以有效地解决传统空气隙型结构存在的牺牲层困难、移除消耗时间长，结构层易破坏，器件成品率低等诸多问题。

技术领域

本发明属于射频微机电系统技术领域，具体涉及一种基于多孔硅的自支撑空气隙型体声波谐振器及其制备方法。

背景技术

目前滤波器在无线通信中被广泛使用，预估每年需求量达上百亿个。滤波器主要类型包括容抗滤波器、介电滤波器、表面声波滤波器、及薄膜体声波滤波器。其中薄膜体声波滤波器因具有体积小、应用频率高、插入损耗低、功率大等特性，逐渐成为无线通信系统滤波芯片的主流解决方案。薄膜体声波滤波器利用压电薄膜的逆压电效应将电能量(信号)转换成声波，从而形成谐振。

现在主流的薄膜体声波谐振器结构主要有三种：背刻蚀型、固态装配型和空气隙型。背刻蚀型体声波谐振器是基于MEMS的体硅微加工技术，将Si片背面刻蚀，在压电震荡堆的下表面形成空气一金属交界面从而限制声波于压电振荡堆之内。然而这种结构在制备过程中需要大面积移除Si衬底，这势必会导致谐振器机械牢度下降，成品率降低，因此难以满足工业生产的需求。

固态装配型体声波谐振器采用由高低声学阻抗材料交替构成的布拉格反射层限制声波于压电震荡堆之内。然而阻抗材料的层数必须足够多、厚度必须精确控制才能保证谐振器的性能，满足要求，这就意味着制备过程复杂繁琐，工艺成本很高。此外，布拉格反射层的效果始终不如空气，因此固态装配型谐振器的品质因子Q值也不够高。

空气隙型体声波谐振器基于MEMS的表面微加工技术，在硅片的上表面通过先填充牺牲材料最后再移除之的方法形成一个空气隙以限制声波于压电震荡堆之内。不需要大量移除衬底材料而造成器件牢固度下降，也不需要繁琐的沉积工艺形成层层堆叠的声反射层。然而这种结构制备的关键在于牺牲层的移除。传统的牺牲层采用磷硅玻璃等材料，利用氢氟酸等腐蚀液或气体去除，其释放时间长，后续沉积的压电层结晶性能差、缺陷多，且腐蚀液容易对结构层造成破坏；空腔内的清洗水在干燥时容易将FBAR/支撑层粘附在硅片基底上，大大减低良品率。

近年来，多孔材料逐渐进入人们的视野之中，杨清华等在专利“声波谐振器”(CN104917484A)提出直接利用多孔硅或多孔二氧化硅直接作为声反射层制备体声波谐振器，但多孔硅和多孔二氧化硅的声阻抗均难以满足限制声波的需求，因而这种谐振器杂波多，性能差；VERHOEVEN TRACY B等在专利“Method for acoustically isolating anacoustic resonator from a substrate”(US2005181572A1)中提出在硅衬底上形成多孔硅，然后再氧化腐蚀去除的方法制备空气隙型体声波谐振器，但是氧化后的多孔材料后续仍需要传统的湿法腐蚀方式去除，容易破坏结构层。任天令等在专利“具有自支撑夹层结构的射频体声波谐振器及其制备方法”(CN1309466A)提出利用多孔硅直接作为牺牲层，腐蚀液通过腐蚀孔将其去除的方法，但腐蚀孔会降低器件机械牢固度，腐蚀过程同样会耗费大量时间并且损伤器件结构，影响谐振器性能，且制备过程中仍需沉积二氧化硅；杨保和等在专利“一种薄膜体声波谐振器基片及其制备方法”(CN102931941A)提出了利用多孔硅形成W/压电薄膜/W/DLC/空气隙/Si结构，但制备过程中仍采用的是湿法腐蚀去除多孔硅的方法，而且需要在大孔隙率的多孔硅上的选定区域沉积金刚石膜，易导致多孔硅空隙堵塞后续去除困难，成膜质量差等诸多问题，工艺难度大。孙福河等在专利“空腔形成方法、热电堆红外探测器及其制作方法”(CN105576070A)中利用多孔硅重构形成空腔，但是制备采用多次离子注入的方法，需要形成多个不同掺杂区域，制作成本高，工艺繁琐复杂，不适用于体声波谐振器这类对空气隙要求不高的结构。

发明内容