本发明涉及薄膜体声波谐振器技术领域，特别地是基于铌酸锂薄膜的空气隙型剪切波谐振器及其制备方法。
背景技术：
随着现代无线通信技术往高频、高速方向发展，对射频通信常用的前端滤波器提出了更高的要求。在工作频率不断提高的同时，对器件体积、使用性能、稳定性、集成性也有了更高的要求。基于氮化铝的薄膜体声波滤波器存在着各种各样的缺陷。氮化铝理论的最大机电耦合系数仅仅只有6％左右，因此基于氮化铝的薄膜体声波滤波器不适合应用于宽带滤波器。而且在衬底材料上面很难生长高质量、低缺陷的氮化铝晶体材料。由于铌酸锂的机电耦合系数远远高于氮化铝，因此可以利用铌酸锂剪切波谐振器来制备高频宽带滤波器。
技术实现要素：
本发明的目的在于提供一种可以使铌酸锂谐振器形成剪切波谐振，同时减少了横向振动模式的干扰，提高了谐振器的机械强度与可靠性的基于铌酸锂薄膜的空气隙型剪切波谐振器及其制造方法。
本发明通过以下技术方案实现的：
一种基于铌酸锂薄膜的空气隙型剪切波谐振器，包括：
衬底，所述衬底的上端中部设置有开口向上的第一凹槽，所述衬底的下端中部设置有开口向下的第二凹槽；
第一保护层，所述第一保护层覆盖生长于所述第一凹槽的内表面；
第一压电层，所述第一压电层覆盖所述第一凹槽生长于所述衬底的上端面；所述第一压电层与所述第一保护层共同形成第一空气腔；以及
第一电极，所述第一电极通过磁控溅射沉积生长于所述第一压电层的上端面。
进一步地，还包括第二保护层、第二压电层和第二电极；所述第二保护层覆盖生长于所述第二凹槽的内表面；所述第二压电层覆盖所述第二凹槽生长于所述衬底的下端面；所述第二压电层与所述第二保护层共同形成第二空气腔；所述第二电极通过磁控溅射沉积生长于所述第二压电层的下端面。
进一步地，所述第一保护层和所述第二保护层均采用si3n4、sio2中一种材料；所述第一保护层和所述第二保护层的厚度均为1um～3um。
进一步地，所述第一压电层和所述第二压电层均采用铌酸锂压电材料制作而成；所述第一压电层和所述第二压电层的厚度均为200nm～6um。
进一步地，所述第一电极和所述第二电极均采用pt、mo、ag、al和au中的一种电极材料；所述第一电极和所述第二电极的厚度均为50nm～800nm。
进一步地，所述第一电极的电极间距为400nm～6um；所述第一电极的宽度为400nm～4um；所述第一电极的长度为40um～200um。
进一步地，一种基于铌酸锂薄膜的空气隙型剪切波谐振器的制造方法，包括以下步骤：
步骤(1)，对所述衬底进行酸洗，除去表面有机物和脏污，在对所述衬底进行干燥；
步骤(2)，在清洗后的所述衬底的下端面使用等离子体增强化学气相沉积的方法生长第三保护层，接着通过感应耦合等离子刻蚀机在所述衬底的上端面中部刻蚀第一凹槽；
步骤(3)，在所述第一凹槽的内表面通过热氧化的方法生长第一保护层；利用等离子体增强化学气相沉积的方法在所述第一凹槽中沉积第一牺牲层，将所述衬底抛光至与所述第一牺牲层表面齐平；抛光后的所述衬底的均方根粗糙度小于0.5nm；
步骤(4)，利用键合的方法，在退火温度为800摄氏度的条件下，在所述衬底的上端面键合第一压电层，所述第一压电层与所述第一保护层共同形成第一空气腔，退火2小时；
步骤(5)，通过电感耦合等离子体的方法在所述第一压电层中注入阳离子；
步骤(6)，在所述第一压电层上利用磁控溅射的方法沉积第一电极，对第一电极进行光刻刻蚀，获得叉指电极；
步骤(7)，采用干法释放的方式，释放所述第一凹槽内的所述第一牺牲层，释放气体为氟化氙；
步骤(8)，所述第一牺牲层释放完成后，通过离子体增强化学气相沉积的方法在所述第一电极上覆盖生长第四保护层；将所述衬底翻转倒置，去除所述衬底的下端面的所述第三保护层；
步骤(9)，去除所述第三保护层后，通过感应耦合等离子刻蚀机在所述衬底的上端面中部刻蚀第二凹槽；
步骤(10)，在所述第二凹槽的内表面通过热氧化的方法生长第二保护层；利用等离子体增强化学气相沉积的方法在所述第二凹槽中沉积第二牺牲层，将所述衬底抛光至与所述第二牺牲层表面齐平；抛光后的所述衬底的均方根粗糙度小于0.5nm；
步骤(11)，利用键合的方法，在退火温度为800摄氏度的条件下，在所述衬底的下端面键合第二压电层，所述第二压电层与所述第二保护层共同形成第二空气腔，退火2小时；
步骤(12)，通过电感耦合等离子体的方法在所述第二压电层中注入阳离子；
步骤(13)，在所述第二压电层上利用磁控溅射的方法沉积第二电极，对第二电极进行光刻刻蚀，获得叉指电极；
步骤(14)，采用干法释放的方式，释放所述第二凹槽内的所述第二牺牲层，释放气体为氟化氙；
步骤(15)，采用湿法腐蚀除去所述第四保护层，获得完整样品。
进一步地，所述第一空气腔和所述第二空气腔的深度均为1um～20um。
进一步地，所述第一牺牲层和第二牺牲层均采用氧化硅、磷硅玻璃、多晶硅、有机聚合物和金属材料中的一种。
进一步地，所述第一压电层与所述第二压电层中注入的阳离子均为h 。
本发明的有益效果：
(1)本发明所提供的制备方法中，通过首先引入牺牲层后释放的方法，从而使得刻蚀的区域限制在填充牺牲层的部分，避免了衬底刻蚀时的横向腐蚀，进而提高了谐振器的机械强度与可靠性，同时提高了产品的良率，可适用于谐振器的大规模制造。
(2)通过优化设计电极的尺寸、电极间距、铌酸锂压电材料的厚度，以及选择合适的晶体切向，减小了横波寄生模式的影响，使得谐振器仅工作在剪切波模式下，提高了谐振器的品质因数。
附图说明
图1为实施例中在衬底的一面上铌酸锂剪切波谐振器未释放时的剖视图；
图2为实施例中在衬底的一面上铌酸锂剪切波谐振器释放后的剖视图；
图3为实施例中将衬底一面保护翻转后的剖视图；
图4为实施例中翻转后在另一面制作另一个铌酸锂剪切波谐振器的剖视图；
图5为实施例中制备器件的完整剖视图。
附图中：101-衬底；102-第三保护层；103-第一保护层；104-第一牺牲层；105-第一压电层；106-第一电极；107-第四保护层；108-第二保护层；110-第二压电层；111-第二电极。
具体实施方式
下面将结合附图以及具体实施例来详细说明本发明，在此以本发明的示意下面将结合附图以及具体实施例来详细说明本发明，在此以本发明的示意性实施例及说明用来解释本发明，但并不作为对本发明的限定。
需要说明，本发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后、上端、下端、顶部、底部……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”应做广义理解，例如，“连接”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；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或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
另外，在本发明中如涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征；另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。
参照图1和图2，一种基于铌酸锂薄膜的空气隙型剪切波谐振器，包括：
衬底101，所述衬底101的上端中部设置有开口向上的第一凹槽，所述衬底101的下端中部设置有开口向下的第二凹槽；所述衬底101为高阻双抛单晶硅；第一保护层103，所述第一保护层103覆盖生长于所述第一凹槽的内表面；第一压电层105，所述第一压电层105覆盖所述第一凹槽生长于所述衬底101的上端面；所述第一压电层105与所述第一保护层103共同形成第一空气腔；以及
第一电极106，所述第一电极106通过磁控溅射沉积生长于所述第一压电层105的上端面。
具体的，本实施例方案中，还包括第二保护层108、第二压电层110和第二电极111；所述第二保护层108覆盖生长于所述第二凹槽的内表面；所述第二压电层110覆盖所述第二凹槽生长于所述衬底101的下端面；所述第二压电层110与所述第二保护层108共同形成第二空气腔；所述第二电极111通过磁控溅射沉积生长于所述第二压电层110的下端面。
具体的，本实施例方案中，所述第一保护层103和所述第二保护层108均采用si3n4、sio2中一种材料；所述第一保护层103和所述第二保护层108的厚度均为1um～3um。
具体的，本实施例方案中，所述第一压电层105和所述第二压电层110均采用铌酸锂压电材料制作而成；所述第一压电层105和所述第二压电层110的厚度均为200nm～6um。
具体的，本实施例方案中，所述第一电极106和所述第二电极111均采用pt、mo、ag、al和au中的一种电极材料；所述第一电极106和所述第二电极111的厚度均为50nm～800nm。
具体的，本实施例方案中，所述第一电极106的电极间距为400nm～6um；所述第一电极106的宽度为400nm～4um；所述第一电极106的长度为40um～200um。需要说明的是，为了使得铌酸锂谐振器仅工作在剪切波模式，电极的间距必须远远大于压电材料的厚度；第一电极106的正负电极交替交叉排列。
参照图3至图5，具体的，本实施例方案中，一种基于铌酸锂薄膜的空气隙型剪切波谐振器的制造方法，包括以下步骤：
步骤(1)，对所述衬底101进行酸洗，除去表面有机物和脏污，在对所述衬底101进行干燥；需要说明的是，选用晶向(100)的衬底101作为外延衬底，首先对衬底101在浓h2so4：h2o2：h2o(体积比为1.6:1.6:4)的spm溶液中在60℃下清洗15min，再使用h2o：hf(体积比为15:1)的boe溶液清洗10min(浓h2so4、h2o2、boe、hf通过市售取得)；
步骤(2)，在清洗后的所述衬底101的下端面使用等离子体增强化学气相沉积的方法(pecvd)生长第三保护层102，第三保护层102的材料为sio2，接着通过感应耦合等离子刻蚀机在所述衬底101的上端面中部刻蚀深度为2um的第一凹槽；
步骤(3)，在所述第一凹槽的内表面通过热氧化的方法生长厚度为1um的第一保护层103；第一保护层103的材料为sio2，利用等离子体增强化学气相沉积的方法在所述第一凹槽中沉积厚度为5um的第一牺牲层104，通过化学机械抛光，将所述衬底101抛光至与所述第一牺牲层104表面齐平；抛光后的所述衬底101的均方根粗糙度小于0.5nm；
步骤(4)，利用键合的方法，在退火温度为800摄氏度的条件下，在所述衬底101的上端面键合第一压电层105，第一压电层105的厚度为1um，所述第一压电层105与所述第一保护层103共同形成第一空气腔，退火2小时；
步骤(5)，通过电感耦合等离子体的方法在所述第一压电层105中注入阳离子；具体的，本实施例方案中，所述第一压电层105与所述第二压电层110中注入的阳离子均为h ，注入设备为icp(电感耦合等离子体)，注入浓度为2％，注入时间根据通入气体浓度的不同而使用不同的时间，防止压电薄膜因注入而破裂；
步骤(6)，在所述第一压电层105上利用磁控溅射的方法沉积第一电极106，第一电极106为mo电极，对第一电极106进行光刻刻蚀，获得叉指电极；
步骤(7)，采用干法释放的方式，释放所述第一凹槽内的所述第一牺牲层104，第一牺牲层104的材料为多晶硅，释放气体为氟化氙(xef2)；
步骤(8)，所述第一牺牲层104释放完成后，通过离子体增强化学气相沉积的方法(pecvd)在所述第一电极106上覆盖生长第四保护层107；第四保护层107的材料为sio2，将所述衬底101翻转倒置，去除所述衬底101的下端面的所述第三保护层102；
步骤(9)，去除所述第三保护层102后，通过感应耦合等离子刻蚀机在所述衬底101的上端面中部刻蚀第二凹槽；第二凹槽的深度为2um；
步骤(10)，在所述第二凹槽的内表面通过热氧化的方法生长第二保护层108；第二保护层108的材料为sio2，利用等离子体增强化学气相沉积的方法在所述第二凹槽中沉积第二牺牲层，第二牺牲层的厚度为5um，将所述衬底101抛光至与所述第二牺牲层表面齐平；抛光后的所述衬底101的均方根粗糙度小于0.5nm；
步骤(11)，利用键合的方法，在退火温度为800摄氏度的条件下，在所述衬底101的下端面键合第二压电层110，第二压电层110的厚度为1um；所述第二压电层110与所述第二保护层108共同形成第二空气腔，退火2小时；
步骤(12)，通过电感耦合等离子体的方法在所述第二压电层110中注入阳离子；所述第一压电层105与所述第二压电层110中注入的阳离子均为h ，注入设备为icp(电感耦合等离子体)，注入浓度为2％，注入时间根据通入气体浓度的不同而使用不同的时间，防止压电薄膜因注入而破裂；
步骤(13)，在所述第二压电层110上利用磁控溅射的方法沉积第二电极111，第二电极111为mo电极；对第二电极111进行光刻刻蚀，获得叉指电极；
步骤(14)，采用干法释放的方式，释放所述第二凹槽内的所述第二牺牲层，第二牺牲层的材料为多晶硅，释放气体为氟化氙(xef2)；
步骤(15)，采用湿法腐蚀除去所述第四保护层107，获得完整样品。需要说明的是，第四保护层107的材料为sio2。
具体的，本实施例方案中，所述第一空气腔和所述第二空气腔的深度均为1um～20um。
具体的，本实施例方案中，所述第一牺牲层104和第二牺牲层还可以采用磷硅玻璃、多晶硅、有机聚合物和金属材料中的一种。
本发明通过在衬底101的上端中部设置第一凹槽，衬底101的下端中部设置第二凹槽；所述第一保护层103覆盖生长于所述第一凹槽的内表面；所述第一压电层105覆盖所述第一凹槽生长于所述衬底101的上端面；所述第一压电层105与所述第一保护层103共同形成第一空气腔；第一电极106，所述第一电极106通过磁控溅射沉积生长于所述第一压电层105的上端面；所述第二保护层108覆盖生长于所述第二凹槽的内表面；所述第二压电层110覆盖所述第二凹槽生长于所述衬底101的下端面；所述第二压电层110与所述第二保护层108共同形成第二空气腔；所述第二电极111通过磁控溅射沉积生长于所述第二压电层110的下端面；本发明所提供的制备方法中，通过首先引入牺牲层后释放的方法，从而使得刻蚀的区域限制在填充牺牲层的部分，避免了衬底101刻蚀时的横向腐蚀，进而提高了谐振器的机械强度与可靠性，同时提高了产品的良率，可适用于谐振器的大规模制造。通过优化设计电极的尺寸、电极间距、铌酸锂压电材料的厚度，以及选择合适的晶体切向，减小了横波寄生模式的影响，使得谐振器仅工作在剪切波模式下，提高了谐振器的品质因数。
以上对本发明实施例所提供的技术方案进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明实施例的原理以及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只适用于帮助理解本发明实施例的原理；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明实施例，在具体实施方式以及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
1.一种基于铌酸锂薄膜的空气隙型剪切波谐振器，其特征在于，包括：
衬底，所述衬底的上端中部设置有开口向上的第一凹槽，所述衬底的下端中部设置有开口向下的第二凹槽；
第一保护层，所述第一保护层覆盖生长于所述第一凹槽的内表面；
第一压电层，所述第一压电层覆盖所述第一凹槽生长于所述衬底的上端面；所述第一压电层与所述第一保护层共同形成第一空气腔；以及
第一电极，所述第一电极通过磁控溅射沉积生长于所述第一压电层的上端面。
2.根据权利要求1所述的一种基于铌酸锂薄膜的空气隙型剪切波谐振器，其特征在于：还包括第二保护层、第二压电层和第二电极；所述第二保护层覆盖生长于所述第二凹槽的内表面；所述第二压电层覆盖所述第二凹槽生长于所述衬底的下端面；所述第二压电层与所述第二保护层共同形成第二空气腔；所述第二电极通过磁控溅射沉积生长于所述第二压电层的下端面。
3.根据权利要求2所述的一种基于铌酸锂薄膜的空气隙型剪切波谐振器，其特征在于：所述第一保护层和所述第二保护层均采用si3n4、sio2中一种材料；所述第一保护层和所述第二保护层的厚度均为1um～3um。
4.根据权利要求2所述的一种基于铌酸锂薄膜的空气隙型剪切波谐振器，其特征在于：所述第一压电层和所述第二压电层均采用铌酸锂压电材料制作而成；所述第一压电层和所述第二压电层的厚度均为200nm～6um。
5.根据权利要求2所述的一种基于铌酸锂薄膜的空气隙型剪切波谐振器，其特征在于：所述第一电极和所述第二电极均采用pt、mo、ag、al和au中的一种电极材料；所述第一电极和所述第二电极的厚度均为50nm～800nm。
6.根据权利要求5所述的一种基于铌酸锂薄膜的空气隙型剪切波谐振器，其特征在于：
所述第一电极的电极间距为400nm～6um；所述第一电极的宽度为400nm～4um；所述第一电极的长度为40um～200um。
7.根据权利要求1-6任意一项所述的一种基于铌酸锂薄膜的空气隙型剪切波谐振器的制造方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤(1)，对所述衬底进行酸洗，除去表面有机物和脏污，在对所述衬底进行干燥；
步骤(2)，在清洗后的所述衬底的下端面使用等离子体增强化学气相沉积的方法生长第三保护层，接着通过感应耦合等离子刻蚀机在所述衬底的上端面中部刻蚀第一凹槽；
步骤(3)，在所述第一凹槽的内表面通过热氧化的方法生长第一保护层；利用等离子体增强化学气相沉积的方法在所述第一凹槽中沉积第一牺牲层，将所述衬底抛光至与所述第一牺牲层表面齐平；抛光后的所述衬底的均方根粗糙度小于0.5nm；
步骤(4)，利用键合的方法，在退火温度为800摄氏度的条件下，在所述衬底的上端面键合第一压电层，所述第一压电层与所述第一保护层共同形成第一空气腔，退火2小时；
步骤(5)，通过电感耦合等离子体的方法在所述第一压电层中注入阳离子；
步骤(6)，在所述第一压电层上利用磁控溅射的方法沉积第一电极，对第一电极进行光刻刻蚀，获得叉指电极；
步骤(7)，采用干法释放的方式，释放所述第一凹槽内的所述第一牺牲层，释放气体为氟化氙；
步骤(8)，所述第一牺牲层释放完成后，通过离子体增强化学气相沉积的方法在所述第一电极上覆盖生长第四保护层；将所述衬底翻转倒置，去除所述衬底的下端面的所述第三保护层；
步骤(9)，去除所述第三保护层后，通过感应耦合等离子刻蚀机在所述衬底的上端面中部刻蚀第二凹槽；
步骤(10)，在所述第二凹槽的内表面通过热氧化的方法生长第二保护层；利用等离子体增强化学气相沉积的方法在所述第二凹槽中沉积第二牺牲层，将所述衬底抛光至与所述第二牺牲层表面齐平；抛光后的所述衬底的均方根粗糙度小于0.5nm；
步骤(11)，利用键合的方法，在退火温度为800摄氏度的条件下，在所述衬底的下端面键合第二压电层，所述第二压电层与所述第二保护层共同形成第二空气腔，退火2小时；
步骤(12)，通过电感耦合等离子体的方法在所述第二压电层中注入阳离子；
步骤(13)，在所述第二压电层上利用磁控溅射的方法沉积第二电极，对第二电极进行光刻刻蚀，获得叉指电极；
步骤(14)，采用干法释放的方式，释放所述第二凹槽内的所述第二牺牲层，释放气体为氟化氙；
步骤(15)，采用湿法腐蚀除去所述第四保护层，获得完整样品。
8.根据权利要求7所述的一种基于铌酸锂薄膜的空气隙型剪切波谐振器的制造方法，其特征在于：所述第一空气腔和所述第二空气腔的深度均为1um～20um。
9.根据权利要求7所述的一种基于铌酸锂薄膜的空气隙型剪切波谐振器的制造方法，其特征在于：所述第一牺牲层和第二牺牲层均采用氧化硅、磷硅玻璃、多晶硅、有机聚合物和金属材料中的一种。
10.根据权利要求7所述的一种基于铌酸锂薄膜的空气隙型剪切波谐振器的制造方法，其特征在于：所述第一压电层与所述第二压电层中注入的阳离子均为h 。
技术总结