CN110085736A - 一种薄膜单晶压电材料复合基板的制造方法和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种薄膜单晶压电材料复合基板的制造方法和应用，包括以下步骤：S1：在衬底上沉积一层介质材料；S2：于介质材料上沉积一层金属层；S3：涂覆光刻胶，曝光，显影后定义出截止层图形，形成非截止区域；S4：采用湿法蚀刻工艺刻蚀非截止区域的金属层，并去除光刻胶形成截止层；S5：将压电材料与非截止区域的介质材料键合，压电材料的硬度小于截止层的硬度；S6：先将压电材料进行研磨减薄，再采用化学机械研磨，通过截止层控制压电材料的厚度；S7：对衬底的背面进行研磨和抛光；S8：对截止层区域進行激光切割或边磨削，去除截止层。本发明不但工艺简单，而且可避免因离子植入造成的压电材料极化与损伤层修复问题。
Description
技术领域
本发明涉及表面声波器件的技术领域，特指一种薄膜单晶压电材料复合基板的制造方法和应用。
背景技术
随着科技的进步，人们对数据传输速度的要求越来越高，表面声波器件由于高灵敏度、高分辨率、高稳定性、体积小以及输出信号容易处理等优点而得到广泛应用。压电材料基板是表面声波器件的重要组成部件，一般的压电材料即钽酸锂（Lithium Tantalate：有时也简称为LT）或铌酸锂（Lithium Niobate：有时简称为LN）被作为表面声波（SAW）器件的材料广泛使用。
在现有技术中，压电材料基板的制造方法如下：第一步，对压电材料铌酸锂进行氢（氦）离子植入，在另一材料基材沉积二氧化硅。第二步，将两片材料基材键合在一起并加热，氢（氦）离子受热变为氢（氦）气而体积膨胀，使键合后的结构从氢（氦）离子注入层断裂，脱落下来的薄膜停留在二氧化硅表面，第三步，最后将压电材料铌酸锂单晶薄膜断裂表面进行抛光，即而得到压电材料基板。
但是此种方法具有以下缺点：
一、因为离子植入的步骤需要离子植入的机台，其制造成本高；
二、压电材料经离子植入后，容易产生极化问题与经离子植入后压电材料的损伤层修复，在做成器件后，容易对器件良率产生较大的影响。
因此，本发明人对此做进一步研究，研发出一种薄膜单晶压电材料复合基板的制造方法和应用，本案由此产生。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于提供一种薄膜单晶压电材料复合基板的制造方法和应用，其不但工艺简单，而且可避免因离子植入造成压电材料的极化与损伤层修复问题。
为解决上述技术问题，本发明的技术解决方案是：
一种薄膜单晶压电材料复合基板的制造方法，包括以下步骤：
步骤S1：在衬底上沉积一层介质材料；
步骤S2：于介质材料上沉积一层金属层；
步骤S3：涂覆光刻胶，曝光，显影后定义出截止层图形，形成非截止区域；
步骤S4：采用湿法蚀刻工艺刻蚀非截止区域的金属层，并去除光刻胶形成截止层；
步骤S5：将压电材料与非截止区域的介质材料键合，压电材料的硬度小于截止层的硬度；
步骤S6：先将压电材料进行研磨减薄，再采用化学机械研磨，通过截止层控制压电材料的厚度；
步骤S7：对衬底的背面进行研磨和抛光；
步骤S8：对截止层区域進行激光切割或边磨削，去除截止层，即得到薄膜单晶压电材料复合基板。
进一步，在步骤S1中，所述介质材料为SiO2、SiN或AlN。
进一步，在步骤S1中，介质材料的厚度为5-500nm。
进一步，在步骤S2中，金属层的金属为钨。
进一步，在步骤S2中，金属层的厚度为2-1000nm。
进一步，在步骤S4中，湿法蚀刻工艺的蚀刻剂为双氧水。
进一步，在步骤S5中，压电材料是钽酸锂、铌酸锂或氮化铝。
进一步，衬底的声波速度大于压电材料的声波速度。
进一步，压电材料与截止层之间具有的间隙。
由以上方法制造的薄膜单晶压电材料复合基板应用在滤波器器件上。
采用上述方案后，本发明利用CMP截止层的方式控制压电材料的厚度，制作厚度可控制高性能的薄膜单晶压电材料复合基板，本发明具有以下优点：
1、本发明不存在压电材料经离子植入后的极化问题与经离子植入后的损伤层修复问题，提高器件的特性与良率；
2、本发明避开现有技术中离子植入步骤, 不但减少离子植入机台的支出，降低了生产成本，而且工艺更为简单，容易操作。
附图说明
图1是本发明的工艺流程示意图；
图2是本发明步骤S3中截止层图形的示意图；
图3是本发明步骤S4中非截止区域的示意图；
图4是本发明步骤S5中键合后的基板示意图。
标号说明
衬底1 介质材料2 金属层3 截止层31
光刻胶4 压电材料5。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详述。本发明所揭示的是一种薄膜单晶压电材料复合基板的制造方法，如图1所示，包括以下步骤：步骤S1：在衬底1上沉积一层介质材料2。所述介质材料2为SiO2、SiN或AlN，介质材料2的厚度为5-500nm，一定厚度的介质材料2能够提供较佳的频率温度补偿系数（TCF:temperature coefficient offrequency）。
步骤S2：于介质材料2上沉积一层金属层3；在本实施例中，金属层3的金属为钨，金属层3的厚度为2-1000nm。金属层3的厚度决定了压电材料5的厚度。
步骤S3：涂覆光刻胶4，曝光，显影后定义出截止层图形，形成非截止区域；如图2所示。
步骤S4：采用湿法蚀刻工艺刻蚀非截止区域的金属层3，并去除光刻胶4形成截止层31，湿法蚀刻工艺的蚀刻剂为双氧水，其能湿法蚀刻金属层但又并可以避免损伤介质材料2。如图3所示，截止层31呈圆环的形状。
步骤S5：将压电材料5与非截止区域的介质材料2键合，压电材料2的硬度小于截止层31的硬度；压电材料5可以是钽酸锂、铌酸锂或氮化铝。如图4所示，压电材料5位于中心区域，呈圆形。
步骤S6：先将压电材料5进行研磨（grinding）减薄，再采用化学机械研磨（CMP），通过截止层31控制压电材料5的厚度。
步骤S7：对衬底1的背面进行研磨和抛光。
步骤S8：对截止层区域進行激光切割（Laser cut）或边磨削（edge Grinding），去除截止层31，即得到薄膜单晶压电材料复合基板。
进一步，衬底1的声波速度大于压电材料5的声波速度，其目的为使用压电材料5作为滤波器器件工作时，增加压电材料5的声波速度。
进一步，压电材料5与截止层31之间具有30-1000um的间隙。足够的间隙空间能够保证压电材料5顺利放置在圆环形状的截止层31内，又有利于后续工艺步骤中截止层31切割或磨削。
本发明还公开了一种应用，将由以上方法制造的薄膜单晶压电材料复合基板应用在滤波器器件上。下面将以高性能滤波器为例。
步骤S1：在硅衬底上通过CVD/PVD等方法沉积一层二氧化硅。二氧化硅厚度范围在100nm。
步骤S2：于二氧化硅上沉积一层金属钨，金属钨的沉积方式可采用E-GUN/PVD等方式进行。金属钨的硬度大于压电材料的硬度, 成为CMP的截止层,金属钨的厚度为最终薄膜单晶厚度的精确控制。金属钨的厚度为500nm。
步骤S3：涂覆光刻胶（正性光阻），曝光，显影后定义出截止层图形，形成非截止区域；即正性光阻在钨上形成遮蔽层，以便在后续蚀刻工艺中保护金属钨。
步骤S4：采用双氧水湿法蚀刻工艺进行钨金属刻蚀，露出非截止区域的二氧化硅，再用N-甲基吡咯烷酮等化学药液去除钨上的遮蔽层正性光阻，形成截止层。
步骤S5：将铌酸锂与非截止区域的二氧化硅键合，压电材料铌酸锂的硬度小于截止层钨的硬度。
步骤S6：先将压电材料铌酸锂进行研磨减薄除去大部分的铌酸锂，当研磨接近截止层钨时，再采用化学机械研磨，化学机械研磨更加精确的控制研磨的精度，通过截止层钨控制压电材料铌酸锂的厚度。
步骤S7：对硅衬底的背面进行研磨和抛光。
步骤S8：对截止层区域進行激光切割或边磨削，去除截止层钨，即得到薄膜单晶压电材料复合基板。
将上述薄膜单晶压电材料复合基板应用在高性能滤波器（High PerformanceSAW），相比由一般（非薄膜）压电材料制做出的声学滤波器，提高耦合系数（k2）、加大温度补偿系数（TCF）、较佳的插入损耗（insertion loss）。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的设计构思并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，利用此构思对本发明进行非实质性的改动，均属于侵犯本发明保护范围的行为。
Claims (10)
1.一种薄膜单晶压电材料复合基板的制造方法，其特征在于：包括以下步骤：步骤S1：在衬底上沉积一层介质材料；步骤S2：于介质材料上沉积一层金属层；步骤S3：涂覆光刻胶，曝光，显影后定义出截止层图形，形成非截止区域；步骤S4：采用湿法蚀刻工艺刻蚀非截止区域的金属层，并去除光刻胶形成截止层；步骤S5：将压电材料与非截止区域的介质材料键合，压电材料的硬度小于截止层的硬度；步骤S6：先将压电材料进行研磨减薄，再采用化学机械研磨，通过截止层控制压电材料的厚度；步骤S7：对衬底的背面进行研磨和抛光；步骤S8：对截止层区域進行激光切割或边磨削，去除截止层，即得到薄膜单晶压电材料复合基板。
2.根据权利要求1所述的一种薄膜单晶压电材料复合基板的制造方法，其特征在于：在步骤S1中，所述介质材料为SiO2、SiN或AlN。
3.根据权利要求1所述的一种薄膜单晶压电材料复合基板的制造方法，其特征在于：在步骤S1中，介质材料的厚度为5-500nm。
4.根据权利要求1所述的一种薄膜单晶压电材料复合基板的制造方法，其特征在于：在步骤S2中，金属层的金属为钨。
5.根据权利要求1所述的一种薄膜单晶压电材料复合基板的制造方法，其特征在于：在步骤S2中，金属层的厚度为2-1000nm。
6.根据权利要求1所述的一种薄膜单晶压电材料复合基板的制造方法，其特征在于：在步骤S4中，湿法蚀刻工艺的蚀刻剂为双氧水。
7.根据权利要求1所述的一种薄膜单晶压电材料复合基板的制造方法，其特征在于：在步骤S5中，压电材料是钽酸锂、铌酸锂或氮化铝。
8.根据权利要求1所述的一种薄膜单晶压电材料复合基板的制造方法，其特征在于：衬底的声波速度大于压电材料的声波速度。
9.根据权利要求1所述的一种薄膜单晶压电材料复合基板的制造方法，其特征在于：压电材料与截止层之间具有的间隙。
10.由根据权利要求1-9所述的任意一种方法制造的薄膜单晶压电材料复合基板应用在滤波器器件上。
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