用于紫外探測的薄膜體聲波諧振器的制造方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種用于紫外探測的薄膜體聲波諧振器，包括連續(xù)堆疊在同一個襯底上成為一體的壓電振蕩堆和聲波反射層；壓電振蕩堆包括自下而上依次沉積的底電極、壓電層和上電極；上電極的材質為具有紫外透射性且能夠與壓電層形成肖特基結的金屬薄膜，便于紫外光線透過上電極照射在壓電層上；當紫外光照射在上電極時，入射的光量子在ZnO耗盡區(qū)會誘導產生電子-空穴對，增大了材料中載流子的濃度，降低了體聲波在壓電振蕩堆內的傳播速度，從而薄膜體聲波諧振器的諧振頻率發(fā)生改變。本實用新型中用于紫外探測的薄膜體聲波諧振器的尺寸較小，制作成本低，制備工藝簡單，并且能夠反復使用。
【專利說明】
【技術領域】
[0001] 本實用新型涉及一種用于紫外探測的薄膜體聲波諧振器，屬于微電子【技術領域】。 用于紫外探測的薄膜體聲波諧振器

【背景技術】
[0002] 紫外探測是繼紅外探測和激光探測之后發(fā)展起來的一項新興探測技術，可廣泛 用于科研、軍事、環(huán)保、醫(yī)療等領域。軍事方面，早在20世紀六七十年代，美國就開始了在 紫外波段探測洲際導彈發(fā)射的研究工作，并取得一定的進展。世界上第一臺紫外線告警器 AAR-47用于美海軍C-130S直升機和P-3S運輸機上，并且于1991年投入海灣戰(zhàn)爭中，目前 各國正在積極于新型紫外探測器的研制。民用方面，紫外探測已經被用于氣體探測與分析、 火焰?zhèn)鞲小⑽廴颈O(jiān)測、水銀消毒、發(fā)動機及鍋爐控制(用于識別熱背景中的紫外線)。
[0003] 隨著社會的發(fā)展，人們越來越關注紫外光的輻射與測量，對紫外探測器的需求日 益增長。目前廣泛應用的是光子探測原理制備的紫外探測器，現有的紫外探測器主要面臨 3方面的困難：首先，固體探測器的硅器件，具有紫外波段以外的光頻率響應范圍；其次，半 導體中載流子的生產和復合時間較長，使得紫外探測器的靈敏度較低；最后，光生載流子對 于電流的改變量很小，需要高昂且微小的探測系統來檢測電流信號。
[0004] 薄膜體聲波諧振器（FBAR)由于其高工作頻率、高品質因素（Q值)、低溫度系數、 高功率承載能力、可集成以及體積小的特點，近年來得到廣泛重視，并在無線通信領域得到 了廣泛的應用。由于FBAR的諧振頻率與體聲波的傳播速度有關，利用紫外線照射在有效 區(qū)域內，使半導體內部產生電子空穴對，改變半導體內部載流子的濃度，降低其電阻以及聲 波的傳播速度，將其用于紫外探測。美國亞利桑那州立大學的X.Qiu等人在"Film bulk acoustic wave resonator(FBAR) based ultraviolet sensor，' （Solid-State sensors, Actuators and Microsystems Conference, 2009. Transducers 2009, International) 中提到使用ZnO薄膜體聲波諧振器在365nm、強度為eOO/rtF/CTH2紫外光的照射下，頻率偏 移量為9. 8KHz，用于檢測的紫外線強度下限為6. 5nW，這項研究證明了使用基于ZnO薄膜的 FBAR用于紫外探測的可行性，但是這種使用200nm的Au作為上電極的方法，使得紫外線穿 透能力變得十分微弱，作為紫外探測使用，其靈敏度較小。
[0005] 總而言之，現代通信系統向小型化、集成化、密集復用化方向發(fā)展，以低成本、簡單 操作、可集成的方式實現高量子效率、大面積、高分辨率、寬動態(tài)范圍、高速、低噪聲、響應波 長完全處于紫外光譜的紫外探測器成為一種迫切的需求。因此，需要一種體積小、結構簡 單、高Q值的FBAR用于紫外探測。 實用新型內容
[0006]目的：為了克服現有技術中存在的不足，本實用新型提供一種用于紫外探測的薄 膜體聲波諧振器，能夠在不影響防護器件觸發(fā)電壓的前提下提高維持電壓，來避免閂鎖效 應。
[0007] 技術方案：為解決上述技術問題，本實用新型采用的技術方案為：
[0008] -種用于紫外探測的薄膜體聲波諧振器，其特征在于：包括連續(xù)堆疊在同一個襯 底上成為一體的壓電振蕩堆和聲波反射層；其中，壓電振蕩堆包括自下而上依次沉積的底 電極、壓電層和上電極；所述上電極的材質為具有紫外透射性且能夠與壓電層形成肖特基 結的金屬薄膜，便于紫外光線透過上電極照射在壓電層上；
[0009] 所述聲波反射層包括基片、基片上沉積的支撐層、壓電振蕩堆沉積在支撐層上；所 述聲波反射層為空氣隙結構、或布拉格反射層結構、或背腔刻蝕結構；當聲波反射層為背腔 刻蝕結構，所述基片上設置有刻蝕形成的空氣腔。
[0010] 所述壓電層的材質為ZnO,厚度為500_5000nm。
[0011] 所述上電極金屬薄膜的在紫外波段的透射率大于60%。
[0012] 所述底電極的材質為A1或Au，厚度為10-300nm。
[0013] 所述上電極的材質為柵格狀結構的Ag，采用直流反應磁控濺射或者射頻反應磁控 溉射的方式沉積形成，厚度為50-150nm。
[0014] 所述上電極的材質也可以為Au，采用電子束蒸發(fā)或者熱蒸發(fā)的方式沉積形成，厚 度為 5_50nm。
[0015] 本實用新型還提供所述的用于紫外探測的薄膜體聲波諧振器的制備方法，包括以 下步驟：首先使用熱生長的方法在基片上生長100-500nm的支撐層二氧化硅；隨之使用標 準的正膠剝離工藝和電子束蒸發(fā)的方法沉積金屬底電極；然后采用直流反應磁控濺射的方 法生長壓電層薄膜ZnO ;隨著壓電薄膜沉積結束后，將基片進行第一次快速退火操作，以增 大ZnO的顆粒尺寸，減小薄膜之間的拉硬力和膜層之間的界面態(tài)；退火操作結束以后，使用 與底電極相同的工藝步驟形成上電極，并將壓電層薄膜圖形化，刻蝕出通孔，最后使用深反 應離子刻蝕的方法刻蝕出空氣腔，與基片和支撐層構成聲波反射層。
[0016] 有益效果：本實用新型提供的用于紫外探測的薄膜體聲波諧振器，采用寬禁帶、可 見光響應極小的ZnO半導體材料。對于第二個困難，通過多次退火的方法減少材料內部的 缺陷態(tài)以及材料表面的界面態(tài)，同時材料內部的硬力以及材料與材料之間的硬力。使得紫 外光照射在材料表面，諧振器的頻率偏移量更大。對于第三個困難，解決方案是采用能夠 較大程度的透過紫外光線的金屬材料或者柵格狀的電極結構，并且上電極能夠與壓電薄膜 ZnO形成肖特基結的金屬材料，使得更多的紫外光線能夠透過上電極照射到壓電材料ZnO 的表面，并且ZnO材料具有吸氧和釋氧的特性，在紫外光的照射下，會使得諧振器的頻率偏 移量增加。具有可集成性、高Q值并且提高光響應強度和時間的半導體傳感器，同時提供了 這種半導體傳感器的制備方法。本實用新型中用于紫外探測的薄膜體聲波諧振器采用薄膜 堆疊結構，不另外占有基片的面積，節(jié)約成本，而且結構簡單可靠，可用于涉及頻帶調節(jié)的 濾波器、雙工器等射頻系統。
[0017] 具有以下優(yōu)點：（1)由于采用薄膜堆疊結構，和外接分離元件或者集成MEMS電容 相比，可以減小器件尺寸，降低成本，同時其體積小、頻率高、性能好、可集成等優(yōu)點使其能 夠達到射頻電路要求的頻率，其制備工藝相對簡單，能都在反復使用。（2)用于紫外探測的 傳感器能夠在低電壓電源下工作，其探測的波長范圍完全在紫外光譜區(qū)，具有較高的靈敏 度、高光響應特性，并且抗干擾能力強、穩(wěn)定可靠壽命長、耗電少。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0018] 圖1是本實用新型中采用背腔刻蝕結的薄膜體諧振器的剖面圖；
[0019] 圖2是本實用新型中縱波模式FBAR的俯視圖；
[0020] 圖3是本實用新型中壓電層氧化鋅薄膜的XRD衍射譜；
[0021] 圖4是本實用新型實施例1中采用的柵格狀電極結構的俯視圖；
[0022] 圖5是本實用新型實施例2中用于紫外探測的FBAR器件的測試圖。
[0023] 圖中：上電極101、壓電層102、底電極103、支撐層104、基片105、空氣腔106、壓電 振蕩堆107、聲波反射層108。

【具體實施方式】
[0024] 下面結合附圖與實施例對本實用新型作進一步詳細描述。以下實例僅用于更加清 楚地說明本實用新型的技術方案。
[0025] 如圖1和圖2所示，為一種用于紫外探測的薄膜體聲波諧振器，包括在同一個襯底 上連續(xù)堆疊成為一體的壓電振蕩堆107和聲波反射層108 ;其中，壓電振蕩堆107包括自下 而上依次沉積的底電極103、壓電層102和上電極101 ;所述上電極101的材質為為具有紫 外透射性且能夠與壓電薄膜ZnO形成肖特基結的金屬薄膜，便于紫外光線透過金屬薄膜照 射在壓電層102上，較大程度的激發(fā)壓電層102產生電子-空穴對；所述聲波反射層108包 括基片105、基片上沉積的支撐層104,壓電振蕩堆沉積在支撐層104上；所述聲波反射層 108為空氣隙結構、或布拉格反射層結構、或背腔刻蝕結構。支撐層104用于支撐壓電振蕩 堆并且用于減少器件的溫度漂移。所述基片上設置有刻蝕形成的空氣腔106。
[0026] 所述金屬薄膜的在紫外波段的透射率大于60%。
[0027] 所述底電極103的材質為A1或Au，厚度為10-300nm ;
[0028] 壓電層102的材質為ZnO,厚度為500-5000nm。
[0029] 其中，上電極的厚度由材料的不同決定，如果上電極的材質為Au，采用電子束蒸發(fā) 或者熱蒸發(fā)的方式沉積形成，厚度為5-50nm。如果上電極的采用普通的金屬材料Ag，且為 柵格狀的電極結構，采用直流磁控濺射或者電子束蒸發(fā)的方式沉積形成，厚度為50-150nm。
[0030] 其聲波的傳播方式可以為橫向傳播、縱向傳播或者兩者混合，不同的傳播方式對 應于其電極在壓電層不同的分布位置，上述的傳播方式分別對應于電極的左右分布（即在 壓電層的同側)、上下分布和叉指結構。本實施例中采用電極上下分布的方式進行說明。
[0031] 實施例1
[0032] 本實施例中，底電極103為厚度在50-100nm之間的金屬材料A1或Au，壓電層為厚 度在lum-4um之間的ZnO材料,上電極使用能夠與壓電薄膜ZnO形成肖特基結的金屬Ag,其 厚度為50-100nm，并且上電極采用柵格狀的電極結構；聲反射層108采用背腔刻蝕結構，即 用空氣界面限制聲波于壓電振蕩堆中；在基片105上刻蝕產生空氣腔106,支撐層104用于 支撐壓電振蕩堆并且用于減少器件的溫度漂移。圖4是本實施例中使用柵格狀上電極結構 的俯視圖。
[0033] 本實施例中，壓電層102的材質為氧化鋅薄膜，ZnO與Au形成肖特基接觸，在紫外 光照射下，會激發(fā)ZnO價帶中的電子發(fā)生躍遷，使得ZnO表面的載流子濃度增大，而壓電層 中體聲波的速度與其載流子的濃度有關，FBAR器件的諧振頻率又與ZnO的聲速成正比，故 在紫外光的照射下，諧振器諧振點會發(fā)生漂移，根據頻率的偏移量以及相應速度反應了基 于薄膜體聲波諧振器紫外探測的光響應度和量子效率。壓電層102氧化鋅薄膜的制備方法 是直流反應磁控濺射，Zn靶在真空室中被荷能離子轟擊，使得Zn原子被轟擊出靶材表面， 而Zn原子與濺射時通入的氧原子結合，即而在基片表面生成壓電薄膜ZnO,具體的濺射條 件為：本底真空3*10_ 3,濺射氣體Ar與反應氣體02的比例為2:1，反應氣壓為IPa，濺射溫度 為200°C，濺射的偏壓為-75V。生長出的壓電薄膜ZnO具有良好的c軸取向。如圖3所示 為本實用新型中壓電層氧化鋅薄膜的XRD衍射譜。
[0034] 所述的用于紫外探測的薄膜體聲波諧振器的制備方法，包括以下步驟：
[0035] 首先使用低壓力化學氣相沉積法LPCVD或者熱氧化生成200_300nm的二氧化硅層 作為支撐層104,隨后使用正膠剝離工藝對硅片正面(拋光面)進行曝光顯影，并采用電子束 蒸發(fā)的方式沉積5nm的Cr、50nm的Au作為底電極103,剝離完成后形成底電極，其中Cr作 為黏連層，用于克服Au與襯底粘附性弱的缺點。使用直流反應磁控濺射生長2um左右的壓 電薄膜氧化鋅102。圖3為氧化鋅的XRD，表明ZnO薄膜具有擇優(yōu)的c軸取向。隨后將襯片 置于快速退火爐中，退火的條件為真空400°C，lOmin，完成第一次退火以后將ZnO圖形化刻 蝕出通孔。然后將準備好的6-10層石墨烯濕法轉移至ZnO上，使用電感耦合等離子的方法 刻蝕出上電極101。最后通過深反應離子刻蝕在基片105底部形成空氣腔106,作為聲波反 射層108。
[0036] 1.紫外測試
[0037] 將用于紫外探測的FBAR器件壓焊于PCB板上用于測試，PCB鏈接網絡分析儀，網 絡分析儀接電腦，使用LabView軟件對器件的諧振頻率進行實時監(jiān)測。固定好PCB上，與 紫外發(fā)生器，調節(jié)紫外光線照射位置與光照強度。于網絡分析儀上設置好參數，如span、 center等，打開LabView軟件開始測試，當器件的諧振頻率穩(wěn)定后，打開紫外燈管，使其照 射在FBAR器件的有效工作區(qū)域，觀測諧振器頻率的變化。本實施例中是探測紫外線的強度 在0. 04-8. 6mW/cm2之間。由這個實施例可知，隨著紫外線強度的增加，頻率偏移量增加，且 紫外的響應快且恢復時間短。
[0038] 本實施例中Ag能夠與ZnO形成肖特基結，且柵格狀的上電極結構，使得部分的壓 電材料暴露在空氣中，在紫外光的照射下，可以產生較多的電子-空穴對，使得器件的光響 應度增大，易于紫外線的測試，用于作高靈敏度的紫外線FBAR傳感器。
[0039] 實施例2
[0040] 采用與實施例1相同的結構，底電極、壓電層，但上電極采用5-50nm的Au，50nm的 Au對于紫外線仍處于半透明狀態(tài)，并且Au能夠與ZnO形成肖特基結，完成上電極圖形化后， 將其置于快速退火爐中進行第二次退火操作，最后使用深反應離子刻蝕刻蝕出背腔，形成 用于紫外探測的薄膜體聲波諧振器。其紫外線情況如圖5所示。
[0041] 本實用新型提供的用于紫外探測的薄膜體聲波諧振器，采用堆疊結構，制備工藝 簡單，品質因數高，能夠反復的用于測探較弱的紫外光線，并且適合應用于射頻通信領域。
[0042] 以上所述僅是本實用新型的優(yōu)選實施方式，應當指出：對于本【技術領域】的普通技 術人員來說，在不脫離本實用新型原理的前提下，還可以做出若干改進和潤飾，這些改進和 潤飾也應視為本實用新型的保護范圍。
【權利要求】
1. 一種用于紫外探測的薄膜體聲波諧振器，其特征在于：包括連續(xù)堆疊在同一個襯底 上成為一體的壓電振蕩堆和聲波反射層；其中，壓電振蕩堆包括自下而上依次沉積的底電 極、壓電層和上電極；所述上電極的材質為具有紫外透射性且能夠與壓電層形成肖特基結 的金屬薄膜，便于紫外光線透過上電極照射在壓電層上； 所述聲波反射層包括基片、基片上沉積的支撐層、壓電振蕩堆沉積在支撐層上；所述聲 波反射層為空氣隙結構、或布拉格反射層結構、或背腔刻蝕結構；當聲波反射層為背腔刻蝕 結構，所述基片上設置有刻蝕形成的空氣腔。
2. 根據權利要求1所述的用于紫外探測的薄膜體聲波諧振器，其特征在于：所述壓電 層的材質為ZnO,厚度為500-5000nm。
3. 根據權利要求1所述的用于紫外探測的薄膜體聲波諧振器，其特征在于：所述上電 極金屬薄膜的在紫外波段的透射率大于60%。
4. 根據權利要求1所述的用于紫外探測的薄膜體聲波諧振器，其特征在于：所述底電 極的材質為A1或Au，厚度為10-300nm。
5. 根據權利要求1所述的用于紫外探測的薄膜體聲波諧振器，其特征在于：所述上電 極的材質為柵格狀結構的Ag，采用直流反應磁控濺射或者射頻反應磁控濺射的方式沉積形 成，厚度為50-150nm。
6. 根據權利要求1所述的用于紫外探測的薄膜體聲波諧振器，其特征在于：所述上電 極的材質為Au，采用電子束蒸發(fā)或者熱蒸發(fā)的方式沉積形成，厚度為5-50nm。
【文檔編號】H03H9/17GK203883782SQ201420295036
【公開日】2014年10月15日 申請日期:2014年6月4日 優(yōu)先權日:2014年6月4日
【發(fā)明者】胡娜娜, 董樹榮, 駱季奎, 郭維, 卞曉磊 申請人:江蘇艾倫摩爾微電子科技有限公司