薄膜体声波谐振器及滤波器的制作方法

1.本技术涉及微电子器件技术领域，具体而言，涉及一种薄膜体声波谐振器及滤波器。


背景技术：

2.无线通讯相关技术中，人们对于数据传输的要求越来越高。尤其是移动通信领域，随着3g、4g、5g以及未来发展中的6g时代的到来，其网络传输速率和网络容量将大幅提升。然而无线的空间是有限的，随着数据率上升对应的是频谱资源的高利用率以及通讯协议的复杂化，相应的对射频系统的各种性能也提出了较高的需求。在射频前端模块中，射频滤波器起到了至关重要的作用，在高频段可选择基于fbar技术的滤波器，但是，相关技术中的薄膜体声波谐振器仍有改进的空间。
3.发明人认为，相关技术中的薄膜体声波谐振技术中，无论是形成“air bridge”或者是刻蚀形成空腔结构，压电堆叠结构和空气形成反射层都需要键合，可通过金属将压电结构与衬底键合，但是键合选用的金属经过时间累积应力累加之后可能产生断裂、脱焊等问题，导致谐振器不工作，或者使滤波器可靠性变差。发明人认为，该问题亟待解决。


技术实现要素：

4.根据本技术的一个方面，提供一种薄膜体声波谐振器，所述薄膜体声波谐振器包括：衬底和压电三明治结构，所述衬底具有凹槽，所述压电三明治结构至少部分悬设置于所述凹槽的上方，所述凹槽内设置有支撑结构，所述支撑结构至少部分为布拉格反射结构。所述支撑结构可以对压电三明治结构起到一定的支撑作用，提高其可靠性，且由于布拉格反射层的存在，所述当所述薄膜体声波谐振器工作时，可以一定程度上减小所述能量从所述压电三明治结构向所述支撑结构泄露。
5.根据本技术的又一个方面，提供一种滤波器，所述滤波器由如上所述的声表面波谐振器串联和/或并联连接而成，所述滤波器的可靠性一定程度上得以提高。
6.本技术的有益效果将在以下具体实施方式中详细说明。
附图说明
7.图1是本技术一实施例薄膜体声波谐振器的结构示意图；
8.图2是图1中本技术实施例薄膜体声波谐振器沿a
‑
a方向的剖面示意图；
9.图3是本技术实施例薄膜体声波谐振器中支撑结构的结构示意图；
10.图4是本技术另一实施例薄膜体声波谐振器的剖面示意图；
11.图5是本技术一示例性实施例的声表面波滤波器的电路示意图。
12.附图标记：
13.薄膜体声波谐振器100、200；压电三明治结构10；顶电极11；压电材料层12；底电极13；基底部20；凹槽30；支撑结构40、41、42、43、44、45；布拉格反射层60；缝隙部50；
具体实施方式
14.这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本技术相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本技术的一些方面相一致的装置和方法的例子。
15.在本技术使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本技术。在本技术的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本技术和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本技术的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示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一个或者更多个该特征。在本技术的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
16.在本技术的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；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。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技术中的具体含义。
17.在本技术中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。下面结合附图，对本技术示例性实施例进行详细说明。在不冲突的情况下，下述的实施例及实施方式中的特征可以相互补充或相互组合。
18.在本技术使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本技术。在本技术和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。
19.下面结合附图，对本技术示例性实施例进行详细说明。在不冲突的情况下，下述的实施例及实施方式中的特征可以相互组合。
20.相关技术中，谐振器，尤其是薄膜体声波谐振器，在信号收发系统，例如通信系统运行中，可以被搭建成振荡器或滤波器应用于现代通讯系统中。发明人认为，相对于传统用来构成带通滤波器及微波振荡源的lc振荡器、陶瓷介质谐振器及声表面波(saw)器件而言，薄膜体声波谐振器除了具有小尺寸、低功耗、低插入损耗以及高工作频率(0.5ghz—10ghz)的优点之外，更重要的是它的制备工艺可以与cmos工艺兼容，因此可以与外围电路构成单芯片系统，极大地减小系统的尺寸和功耗。相关技术中，薄膜体声波谐振器(fabr)主要通过牺牲表面工艺或背部刻蚀工艺来完成，牺牲表面工艺主要利用磷酸硅玻璃或二氧化硅等材料作为填充牺牲层，将压电薄膜换能器堆叠结构沉积在它的表面，在工艺后期将牺牲层除
去从而达到形成空腔的目的。
21.发明人认为，薄膜体声波谐振器器件的制备工艺相对于其他mems器件而言并不复杂，但是背部刻蚀工艺主要是通过在晶圆背面进行体硅刻蚀，从而使得正面形成的压电薄膜换能器堆叠结构的背面处于空腔环境，背面刻蚀工艺的主要问题是需要一层二氧化硅加一层氮化硅薄膜作为压电薄膜换能器堆叠结构的支撑层，使得器件在工艺生产中避免刻蚀液的侵蚀，然而这样的设计容易产生较大的应力，器件容易出现褶皱和破裂，会极大的影响器件的性能，不解决残余应力的问题就无法制备出高性能的fbar器件，但是如果在空腔内设置支撑结构能一定程度上避免上述问题却又可能由于压电薄膜的声能通过该支撑结构外泄至基底结构，从而导致器件本身的性能下降的问题。
22.本技术实施例提供可延迟器件性能下降的薄膜体声波谐振器，通过空腔内设置支撑结构且所述支撑结构至少部分为布拉格反射结构，所述支撑结构可以对压电三明治结构起到一定的支撑作用，提高其可靠性，且由于布拉格反射层的存在，所述当所述薄膜体声波谐振器工作时，可以一定程度上减小所述能量从所述压电三明治结构向所述支撑结构泄露。容易理解，本技术所提出的薄膜体声波谐振器被广泛应用于通信器件且在通信系统系统作为滤波器的主要组成器件之一用于过滤杂波外，该薄膜体声波谐振器也可以用于其他需要需要滤频的系统中，例如：射频振荡器、滤波器和双工器，此处不作限制。
23.如图1所示为本技术一实施例薄膜体声波谐振器100的结构示意图，如图2所示为图1中实施例薄膜体声波谐振器100沿a
‑
a方向(高度方向)的剖面示意图，必要时结合其它附图，对本技术薄膜体声波谐振器的具体实施方式进行说明。
24.本技术一实施例薄膜体声波谐振器100包括压电三明治结构10、基底20、空腔部30，其中空腔部30也可称为凹槽30。所述基底20，又称为衬底，可选择为绝缘基片，所述空腔部30设置于所述绝缘基片内部，且所述空腔部30的上端与所述基片的上表面大致相平。换言之，所述绝缘基片围设于所述空腔部30，且空腔部30为敞口结构，因此，空腔部30也可称为凹槽30或凹槽结构30。具体的，所述基底20的材质可以为soi基片。本技术中，所述基底20可选择常见的硅衬底，也可以是玻璃衬底、有机材料衬底、石英衬底、或者其它一切适用于制备薄膜体声波谐振器(fbar)的载体衬底材料。
25.所述压电三明治结构10又称为压电薄膜换能器堆叠结构，其包括自上而下依次堆叠顶电极11、压电材料层12、底电极13，所述顶电极可称第一电极，所述底电极可称为第二电极，容易理解，仅利于描述而已。所述压电三明治结构10至少部分设置于空腔部30中。当然，在其他一些实施例中，所述压电三明治结构10至少部分悬设于所述空腔部30的上方。
26.所述空腔部30可通过干法刻蚀形成，所述空腔部的大小大致与压电薄膜换能器堆叠结构10相匹配。可选的，沿高度方向，所述空腔部30的投影与所述压电薄膜换能器堆叠结构10的投影至少部分重合，且所述空腔部30投影大小稍小于所述压电薄膜换能器堆叠结构10的投影。在另外一些实施例汇总，所述空腔部30投影大小稍大于所述压电薄膜换能器堆叠结构10的投影。此处不做限制。理论上，所述空腔部30投影大小大于所述压电薄膜换能器堆叠结构10的投影，且所述压电薄膜换能器堆叠结构10的投影全部落于所述空腔部30投影内能最大程度的避免压电能量损失或泄露，但该方式对工艺有一定要求。
27.有研究表明，所述空腔部30的结构大致为不规则五边形，同样的，沿高度方向所述空腔部30的投影也为不规则五边形，所述压电薄膜换能器堆叠结构10的结构沿高度方向的
投影也为不规则五边形，如此设置是为了一直横波的反射，避免形成驻波，影响谐振器的性能。在另外一些实施例中，所述空腔部30的结构大致为不规则四边形或六边形等。换言之，所述空腔部30的结构大致为不规则多边形，只要其能实现效果即可，此处不作限制。
28.如图2所示为图1中薄膜体声波谐振器100沿高度和长度方向所在面的剖面示意图，所述压电换能器堆叠结构10悬设于空腔部30内，所述空腔部30的宽度大于所述压电换能器堆叠结构10的水平宽度，如此设置，可以提高对薄膜体声波谐振器的横向杂波的抑制作用，从而提高器件性能。
29.如图2所示为图1中薄膜体声波谐振器100沿高度和长度方向所在面的剖面示意图，所述压电换能器堆叠结构10悬设于空腔部30内，所述空腔部30的宽度大于所述压电换能器堆叠结构10的水平宽度，如此设置，可以提高对薄膜体声波谐振器的横向杂波的抑制作用，从而提高器件性能。
30.所述空腔部30还设置有支撑结构40，所述支撑结构40的下端与所述凹槽30的底部相接，所述相接可以固定连接，例如为一体成型或焊接等方式，也可以为非固定连接，例如，所述支撑结构40仅仅置于凹槽30中，其受重力作用与所述凹槽30底部相接触。
31.需要说明的是，所述支撑结构40的上端与所述压电三明治结构10不直接接触。具体而言，所述压电三明治结构10与所述支撑结构40之间具有缝隙部50，换言之，所述压电三明治结构10与所述支撑结构40之间沿高度方向不直接接触。如此设置，使得所述支撑结构40与所述压电三明治结构10不直接接触，在系统运行过程中，所述压电三明治结构10中的声能不会向支撑结构40泄露，从而避免系统出现信号衰减或信号错误。在一些实施例中，所述支撑结构的上端距离所述压电结构的下表面的高度为1μm～5μm。在另外一些实施例中，所述支撑结构的上端距离所述压电结构的下表面的高度为1.5μm、2.5μm或1μm～5μm之间任一确定的值。
32.在一些实施例中，在所述凹槽内设置有支撑结构，所述支撑结构至少部分为布拉格反射结构。如图2及图3中所示，所述支撑结构的上部为布拉格反射结构，所述上部为靠近压电三明治结构部分。在另外一些实施例中，所述支撑结构整体上为布拉格反射结构。所述布拉格反射结构又称为布拉格反射栅，其主要材质是将高声阻抗材料321、低声阻抗材料322的两种材料交替设置，以此实现声反射避免能量泄露。在另外一些实施例中，如图3所示，所述布拉格反射层包括四层，为厚度大致相同的高声阻抗材料321、低声阻抗材料322、高声阻抗材料323、低声阻抗材料324，其中，所述高声阻抗材料321与高声阻抗材料323的材质可以相同也可以不同。同样的，所述低声阻抗材料322与低声阻抗材料324的材质可以相同也可以不同。所述厚度大致相同意思为上述布拉格反射层的厚度大致和四分之一波长相同，如此设置，更好的将声波束缚在压电结构区域，防止其泄露。所述布拉格结构一般有两层以上，层数越多反射效果越好，但相对成本也会增加很多，因此一般设置为四层，每一层的高度为四分之一的波长周期，如此设置使得所述该结构能够更大程度上实现波的反射。反射层的材料如下：高声阻抗层321可替代地包括固相材料，比如金属(铝、铂、钯、钨、钼、铬、钛、钽、或来自元素周期表中iiia族和/或iva族的一个或多个的一种或多种元素、或来自ib、iib、iiib、ivb、vb、vib，viib和/或viiib族中的一个或多个的过渡金属)、陶瓷、玻璃、聚合物等，sic具有大约427
×
106n.s/m3的声阻抗，ir具有大约108
×
106n.s/m3的声阻抗，并且w具有大约99.9
×
106n.s/m3的声阻抗；可选的低声阻抗层322可以包括气相材料等，气
相材料可包括以下各项中的一项或多项：氢气、氮气、二氧化碳、一氧化碳、氧气、和/或viii族惰性气体(例如氦气、氖气、氩气、氪气、氙气)中的一种或多种，等等，气相材料可以为有机材料，比如烃类物质或其具有不同官能团的取代衍生物，气相材料可以为任意前述物质的混合物，空气可以为适当的气相材料或混合物，其具有大约0.0004
×
106n.s/m3的低声阻抗。
33.所述凹槽30内设置有支撑结构40，在一些实施例中，所述支撑结构40为绝缘基片20的一部分，所述支撑结构40为所述绝缘基片20经刻蚀而成。本技术实施例所示的薄膜体声波谐振器100为在空腔部30内形成压电薄膜换能器堆叠结构10的支撑结构40，所述支撑结构40的有利于减少薄膜体声波谐振器在键合过程的断裂、损伤，能有效地提高器件生产稳定性，适合批量生产。
34.如图4所示，为本技术另一实施例薄膜体声波谐振器200的剖面示意图。所述支撑结构40的形状可以为球形41、柱形42、锥形43、凸台44、棱柱45等。在一些实施例中，所述支撑结构40的数量可以为一个以上。在另一些实施例中，所述支撑结构40可以为上述形状结构中的一种或几种的组合，只要其能实现本技术所述的效果即可，此处不做限制。需要说明的是，一般来讲，柱形41较为容易在通过刻蚀方式形成，所述柱形41包括圆柱、棱柱等其他形状的柱体，在工艺方面难度不大。同样的，其他形状也可通过刻蚀方式形成，但需控制刻蚀液、刻蚀速率等，存在一定的工艺难度。上述通过刻蚀形成的支撑结构40可称之为一体成型。所述支撑结构40的上端为布拉格反射结构60，所述布拉格反射结构60与所述压电三明治结构直接接触，由于布拉格结构的存在，能更好的降低能量泄露。在另外一些实施例中，所述布拉格反射结构60与所述压电三明治结构不直接接触，换言之，所述布拉格反射结构60与所述压电三明治结构之间留有一定间隙，能更好的避免能量泄露。
35.在另外一些实施例中，所述球形41则不仅可通过刻蚀形成，也可通过其他方式产生，比如通过做出适合尺寸的球形41结构后，再投放至空腔30中，所述合适的尺寸是指所述球形41至于空腔30之后与所述空腔30的底部31接触，但沿高度方向所述球形41与所述压电三明治结构10不相接，或所述圆球的顶部与所述压电三明治结构10的底电极不直接接触。也就是说，所述支撑结构40的球形41与所述基片20并非一体成型的。如此，可以降低刻蚀工艺的难度。所述支撑结构40可以与所述空腔的底部非固定连接。在其他一些实施例中，所述支撑结构40与所述空腔30的底部固定连接，所述固定连接可以是焊接、粘结等方式。
36.如上可知，所述支撑结构40的材质为金属或非金属中的一种或几种的组合。具体而言，所述支撑结构40与所述基片20一体成型时，其材质与所述基片材质相同，如基片20的材质可以采用硅及其氧化物，则所述支撑结构40的材质也可以为硅及其氧化物。同样的，当所述基片20的材质为其他一些非金属或及氧化物时，所述支撑结构40的材质可以与其保持相同。当所述支撑结构与所述基片20并非一体成型时，所述支撑结构40的材质的可选择范围较宽，例如其可以选择金属材质，如铝等一些形变性能良好的材质。说明一点，在同一个薄膜体声波谐振器中所述支撑结构40的数量为一个以上，所述支撑结构40的材质也可以选择不同的材质和形成方式，只要其满足需要即可，此处不做限制。
37.如图2所示，所述压电三明治结构10与所述基片20通过键合的方式悬设于所述凹槽30上方，所述支撑结构40的数量为一个以上。在一些实施例中，所述支撑结构40设置于所述凹槽30内靠近所述键合处，所述键合处即为压电三明治结构的第一电极和/或第二电极
与基底20的相接之处。如此设置，利于所述滤波器件的所述键合处在历经较长时间后发生形变时，能够及时提供支撑作用，避免键合处发生恶性断裂，导致滤波器的性能急速恶化。
38.在一些实施例中，将顶电极11、底电极13的引出部处于同一水平面，便于连接引线测试。在一些实施例中，将顶电极11、底电极13与绝缘基片20及支撑结构40进行键合后，将该薄膜体声波谐振器(fbar)与其他组件结合使用组成模组，即可实现滤波。
39.说明一点，所述顶电极11，可通过淀积形成，并且光刻形成所需图形，其厚度为100
‑
2000纳米。所述顶电极11的材料可以为钨、钼、铂白金、钌、铱、钛钨、铝等金属及其合金材料之一或者上述材料的组合。
40.所述底电极13，可通过常规沉积工艺形成并图形化，所述底电极13的厚度介于100
‑
2000纳米。所述底电极13的材料可以为钨、钼、铂白金、钌、铱、钛钨、铝等金属或及其合金材料之一或者上述材料的组合。
41.所压电薄膜12，即压电晶体12，可通过淀积高c轴取向的压电薄膜形成，其形成方法可选择物理气相沉积、化学气相沉积、反应射频磁控溅射、原子层沉积等方法之一或其结合，根据具体需要选择，此处不做限制。需要说明一点，压电薄膜12的图形化，可以使用反应离子刻蚀或者湿法刻蚀工艺刻蚀压电薄膜，形成将底电极13引出的通孔。所述压电材料层12的材质可以为氮化铝(aln)、氧化锌(zno)、铌酸锂(linbo3)、钽酸锂(litao3)之一或者上述材料的组合。此处不做限制。
42.如图5所示为示意性地表示本发明的实施方式涉及的声表面波滤波器的电路结构的图。声表面波滤波器装置1000具备输入端子11＇、输出端子12＇、和连接在输入端子11＇与输出端子12＇之间的滤波器部13＇。滤波器部13＇构成为对输入至输入端子11＇的信号进行滤波并输出至输出端子12＇。输入端子11＇构成“第1信号端子”，输出端子12＇构成“第2信号端子”。
43.滤波器部13＇为梯型声表面波滤波器。滤波器部13＇包括串联臂谐振器s1～s4、并联臂谐振器p1～p3和电感器l11、l12。
44.串联臂谐振器s1～s4串联连接在输入端子11＇与输出端子12＇之间。具体地，串联臂谐振器s1的一个端子与输入端子11＇连接，另一个端子与串联臂谐振器s2的一个端子连接。串联臂谐振器s2的另一个端子与串联臂谐振器s3的一个端子连接。串联臂谐振器s3的另一个端子与串联臂谐振器s4的一个端子连接。串联臂谐振器s4的另一个端子与输出端子12＇连接。
45.并联臂谐振器p1电连接在串联臂谐振器s1、s2的连接节点14与接地布线gnd之间。并联臂谐振器p2电连接在串联臂谐振器s2、s3的连接节点15与接地布线gnd之间。并联臂谐振器p3电连接在串联臂谐振器s3、s4的连接节点16与接地布线gnd之间。
46.在并联臂谐振器p1、p2与接地布线gnd之间连接有电感器l11。在并联臂谐振器p3与接地布线gnd之间连接有电感器l12。另外，在滤波器部13＇，除了电感器l11、l12以外，还可以在适当的位置设置有电感器、电容器以及电阻。
47.滤波器部13＇中的串联臂谐振器s1～s4以及并联臂谐振器p1～p3形成声表面波滤波器芯片13a。虽然图示省略，但声表面波滤波器芯片13a通过凸块而倒装芯片安装在布线基板的芯片安装面(die
‑
attach surface)上。声表面波滤波器芯片13a由树脂密封。即，声表面波滤波器装置10为csp(chip size package，芯片尺寸封装)型的声表面波滤波器。
48.串联臂谐振器s1～s4以及并联臂谐振器p1～p3各自由单端口型声表面波谐振器构成。其中，串联臂谐振器s1、s2、s4以及并联臂谐振器p1～p3通过将多个单端口型声表面波谐振器串联连接来构成。换言之，将一个谐振器分割为多个分割谐振器。通过将一个谐振器分割为多个分割谐振器，从而能够将在激励出声表面波时产生的机械应力分散到多个分割谐振器。另外，在图5的例子中，将分割数设为2或3，但分割数可以适当地设定。串联臂谐振器s1、s2、s4以及并联臂谐振器p1～p3各自对应于由多个分割谐振器构成的“谐振器组”的一个实施例。
49.以上所述仅是本技术的较佳实施例而已，并非对本技术做任何形式上的限制，虽然本技术已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本技术，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本技术技术方案的范围内，当可利用上述揭示的技术内容做出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本技术技术方案的内容，依据本技术的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本技术技术方案的范围内。