一种薄膜体声波谐振器及其制备方法与流程

1.本发明涉及谐振器技术领域，尤其涉及一种薄膜体声波谐振器及其制备方法。


背景技术：

2.随着5g通信技术的快速发展，射频滤波器的应用与需求不断升级，射频滤波器的工作频率越来越高，带宽越来越宽，插入损耗越来越低，对射频滤波器整体的性能要求越来越高。为了满足高频下滤波器性能需求，薄膜体声波谐振器（fbar）是当下研究的主流。图1是传统的薄膜体声波谐振器的结构示意图，薄膜体声波谐振器通过底电极20和压电层30连接衬底10，支撑整个谐振区域。fbar谐振器为顶电极40-压电层30-底电极20三明治结构，但是这种设计存在局限，现有技术的fbar普遍存在横向寄生杂波，并产生泄露，影响薄膜体声波谐振器的性能。


技术实现要素：

3.本发明提供了一种薄膜体声波谐振器及其制备方法，以降低有效改善横向波能量向外传播泄露的问题，提高谐振器的q值。
4.根据本发明的一方面，提供了一种薄膜体声波谐振器，谐振器包括谐振区和环绕谐振区的边缘区，谐振区包括依次层叠设置的衬底、空腔、底电极、压电层和顶电极；衬底邻近底电极的第一表面为平面；谐振器顶电极之外的部分为边缘区，边缘区包括支撑在衬底第一表面的支撑部和位于支撑部和谐振区之间的悬浮部，支撑部和悬浮部均包括压电层；
5.悬浮部还包括第一凸出部，第一凸出部邻近衬底的表面与衬底的第一表面的距离小于悬浮部的其他区域邻近衬底的表面与衬底的第一表面之间的距离；且悬浮部邻近衬底的表面与衬底的第一表面不接触。
6.可选的，底电极仅设置于谐振区；
7.或者，边缘区还包括底电极，且由谐振区延伸至边缘区远离谐振区的边缘；
8.或者，悬浮部还包括底电极，底电极延伸至第一凸出部邻近谐振区一侧的边缘。
9.可选的，边缘区还包括位于支撑部远离谐振区一侧的第二凸出部，第二凸出部与衬底之间设置有支撑层。
10.可选的，第一凸出部邻近衬底的表面与衬底的第一表面的距离为1-1.5μm；
11.悬浮部除第一凸出部之外的其他区域邻近衬底的表面与衬底的第一表面之间的距离为2-3μm；
12.沿谐振区指向边缘区的方向，第一凸出部的宽度和支撑部的宽度均为5-10μm。
13.可选的，压电层还包括释放孔；
14.释放孔设置于悬浮部的第一凸出部，或者释放孔设置于第一凸出部和支撑部之间；
15.释放孔沿压电层的厚度方向贯穿压电层和底电极。
16.可选的，压电层的材料包括aln、alscn、linbo3和litao3的多晶或单晶材料，以及
铁电单晶材料中的至少一种；
17.底电极和顶电极的材料均包括钼、钨、铂和金中的至少一种。
18.根据本发明的另一方面，提供了一种薄膜体声波谐振器的制备方法，谐振器包括谐振区和边缘区，包括：
19.提供一衬底；衬底的第一表面为平面；
20.在衬底的第一表面上设置牺牲层，并在牺牲层上形成第一凹槽和第二凹槽，第一凹槽和第二凹槽位于边缘区，且第一凹槽设置于第二凹槽远离谐振区的一侧，第一凹槽贯穿牺牲层，第二凹槽的深度小于牺牲层的厚度；
21.在牺牲层上依次形成底电极、压电层和顶电极；其中，谐振区包括依次层叠设置的衬底、牺牲层、底电极、压电层和顶电极，谐振器顶电极之外的部分为边缘区，边缘区包括支撑在衬底第一表面的支撑部和位于支撑部和谐振区之间的悬浮部，支撑部和悬浮部均包括压电层；悬浮部还包括第一凸出部，第一凸出部邻近衬底的表面与衬底的第一表面的距离小于悬浮部的其他区域邻近衬底的表面与衬底的第一表面之间的距离，悬浮部邻近衬底的表面与衬底的第一表面不接触；支撑部位于第一凹槽内，第一凸出部位于第二凹槽内；
22.去除牺牲层，在谐振器中形成位于底电极和衬底之间的空腔。
23.可选的，牺牲层上依次形成底电极、压电层和顶电极包括：
24.在谐振区和边缘区形成第一电极层；
25.将位于第二凹槽邻近谐振区的边界远离谐振区一侧的第一电极层去除，形成底电极；
26.在底电极表面形成压电层；
27.在压电层表面形成第二电极层；
28.去除谐振区之外的第二电极层，形成顶电极。
29.可选的，牺牲层上依次形成底电极、压电层和顶电极包括：
30.在谐振区和边缘区形成底电极和压电层；
31.在压电层表面形成第二电极层；
32.去除谐振区之外的第二电极层，形成顶电极。
33.可选的，在衬底上设置牺牲层，包括：
34.在衬底上沉积第一牺牲层；
35.对第一牺牲层进行刻蚀，形成第三凹槽，其中，第三凹槽的深度等于第一牺牲层的厚度；
36.在第一牺牲层上沉积第二牺牲层， 去除第三凹槽处的第二牺牲层，形成第一凹槽；
37.在第一凹槽邻近谐振区的一侧，对第二牺牲层进行刻蚀，形成第二凹槽；
38.或者，在衬底上设置牺牲层，包括：
39.在衬底上沉积牺牲层，
40.对牺牲层进行刻蚀，形成第一凹槽；
41.在第一凹槽邻近谐振区的一侧，对牺牲层进行刻蚀，形成第二凹槽。
42.本发明实施例技术方案提供的薄膜体声波谐振器，谐振器包括谐振区和环绕谐振区的边缘区，谐振区包括依次层叠设置的衬底、空腔、底电极、压电层和顶电极；衬底邻近底
电极的第一表面为平面；谐振器顶电极之外的部分为边缘区，边缘区包括支撑在衬底第一表面的支撑部和位于支撑部和谐振区之间的悬浮部，支撑部和悬浮部均包括压电层；悬浮部还包括第一凸出部，第一凸出部邻近衬底的表面与衬底的第一表面的距离小于悬浮部的其他区域邻近衬底的表面与衬底的第一表面之间的距离；且悬浮部邻近衬底的表面与衬底的第一表面不接触。本发明提供的薄膜体声波谐振器通过在边缘区设置支撑部和悬浮部（包括第一凸出部）提高了谐振器在并联谐振频率处的阻抗值，并且支撑部和第一凸出部可以对沿谐振器平面内传播的横向声波进行多次反射，可以有效的改善传统薄膜体声波谐振器横向声波能量往衬底泄露的问题，极大的提高了谐振器的q值。
43.应当理解，本部分所描述的内容并非旨在标识本发明的实施例的关键或重要特征，也不用于限制本发明的范围。本发明的其它特征将通过以下的说明书而变得容易理解。
附图说明
44.为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
45.图1是传统的薄膜体声波谐振器的结构示意图；
46.图2是本发明实施例一提供的一种薄膜体声波谐振器的结构示意图；
47.图3是传统的薄膜体声波谐振器的仿真阻抗图；
48.图4是本发明实施例一提供的一种薄膜体声波谐振器的仿真阻抗图；
49.图5是本发明实施例一提供的又一种薄膜体声波谐振器的结构示意图；
50.图6是本发明实施例一提供的又一种薄膜体声波谐振器的结构示意图；
51.图7是本发明实施例一提供的又一种薄膜体声波谐振器的结构示意图；
52.图8是本发明实施例二提供的一种薄膜体声波谐振器的制备方法流程图；
53.图9是本发明实施例二提供的一种薄膜体声波谐振器的牺牲层结构示意图；
54.图10是本发明实施例二提供的一种薄膜体声波谐振器的制备工艺示意图；
55.图11是本发明实施例二提供的又一种薄膜体声波谐振器的制备工艺示意图；
56.图12是本发明实施例二提供的又一种薄膜体声波谐振器的制备工艺示意图；
57.图13是本发明实施例二提供的又一种薄膜体声波谐振器的制备工艺示意图；
58.图14是本发明实施例二提供的又一种薄膜体声波谐振器的制备工艺示意图。
具体实施方式
59.为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
60.需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用
的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
61.实施例一
62.本发明实施例提供了一种薄膜体声波谐振器，图2是本发明实施例一提供的一种薄膜体声波谐振器的结构示意图，参考图2，谐振器包括谐振区50和环绕谐振区50的边缘区60，谐振区50包括依次层叠设置的衬底10、空腔11、底电极20、压电层30和顶电极40；衬底10邻近底电极20的第一表面为平面；谐振器顶电极40之外的部分为边缘区60，边缘区60包括支撑在衬底10第一表面的支撑部31和位于支撑部31和谐振区50之间的悬浮部32，支撑部31和悬浮部32均包括压电层30；悬浮部32还包括第一凸出部33，第一凸出部33邻近衬底10的表面与衬底10的第一表面的距离小于悬浮部32的其他区域邻近衬底10的表面与衬底10的第一表面之间的距离；且悬浮部32邻近衬底10的表面与衬底10的第一表面不接触。
63.其中，衬底10的材料可以是玻璃，氧化铝（al2o3）或高阻硅，可以防止底电极20的电泄露或者干扰，底电极20和顶电极40的材料可以为金属材料，示例性的可以为钼、钨、铂和金。在顶电极40指向底电极20的方向上，压电层30的厚度均匀设置，在各位置处的厚度一致，因此若压电层30邻近底电极20的第一表面有凸起，则压电层30远离底电极20的第二表面的对应位置处具有相同的凹陷。
64.薄膜体声波谐振器的工作原理为当谐振器的底电极20和顶电极40施加交变电压时，此时压电层30会产生逆压电效应，在这个过程中，压电层30会随着交变电场的变化而产生收缩、膨胀形变，这种周期性的形变形成了周期性的振动，而周期性的振动则会激励出体声波，当激励的体声波频率与底电极20、压电层30和顶电极40的总厚度决定的谐振区50的共振频率相同时会形成谐振。图3是传统的薄膜体声波谐振器的仿真阻抗图，参考图3，横坐标为频率，纵坐标为阻抗值，可以看出传统的薄膜体声波谐振器在并联谐振频率处的阻抗值为2187ω，图4是本发明实施例一提供的一种薄膜体声波谐振器的仿真阻抗图，参考图4，可以看出采用本发明实施例中薄膜体声波谐振器在并联谐振频率处的阻抗值为2708ω，相比传统薄膜体声波谐振器结构，阻抗值有了明显的提高，说明本发明实施例中薄膜体声波谐振器的结构有效减少了横向波能量的泄露，对提高谐振器q值有显著的帮助。q值是评价谐振器性能的重要指标，传统的fbar谐振器受到横向寄生杂波对谐振器电学特性的干扰，导致fbar谐振器q值降低，对高频率fbar谐振器的品质造成非常大的影响。
65.本发明实施例技术方案提供的薄膜体声波谐振器包括谐振区50和环绕谐振区50的边缘区60，谐振区50包括依次层叠设置的衬底10、空腔11、底电极20、压电层30和顶电极40；衬底10邻近底电极20的第一表面为平面；谐振器顶电极40之外的部分为边缘区60，边缘区60包括支撑在衬底10第一表面的支撑部31和位于支撑部31和谐振区50之间的悬浮部32，支撑部31和悬浮部32均包括压电层30；悬浮部32还包括第一凸出部33，第一凸出部33邻近衬底10的表面与衬底10的第一表面的距离小于悬浮部32的其他区域邻近衬底10的表面与衬底10的第一表面之间的距离；且悬浮部32邻近衬底10的表面与衬底10的第一表面不接触。本发明提供的薄膜体声波谐振器通过在边缘区60设置支撑部31和悬浮部32（包括第一
凸出部33）提高了谐振器在并联谐振频率处的阻抗值，并且支撑部31和第一凸出部33可以对沿谐振器平面内传播的横向声波进行多次反射，可以有效的改善传统薄膜体声波谐振器横向声波能量往衬底泄露的问题，极大的提高了谐振器的q值。
66.可选的，底电极20仅设置于谐振区50；或者，参考图2，边缘区60还包括底电极20，且由谐振区50延伸至边缘区60远离谐振区50的边缘；或者，图5是本发明实施例一提供的又一种薄膜体声波谐振器的结构示意图，参考图5，悬浮部32还包括底电极20，底电极20延伸至第一凸出部33邻近谐振区50一侧的边缘。
67.其中，边缘区60还包括底电极20，且由谐振区50延伸至边缘区60远离谐振区50的边缘，可以直接整面沉积底电极20，工艺简单。
68.通过刻蚀掉边缘区的底电极20可以使底电极20仅设置于谐振区50，或者使底电极20延伸至第一凸出部33邻近谐振区50一侧的边缘，去除支撑部31和悬浮部32下的底电极20可以保证压电层30结晶的均匀性，从而增加谐振器边缘区60的强度。因为压电层30生长时结晶取向倾向于和电极表面垂直，支撑部31和悬浮部32下的电极容易导致压电层30中缺陷的产生。
69.可选的，图6是本发明实施例一提供的又一种薄膜体声波谐振器的结构示意图，参考图6，边缘区60还包括位于支撑部31远离谐振区50一侧的第二凸出部，第二凸出部与衬底10之间设置有支撑层70。
70.其中，支撑层70的材料可以为二氧化硅。
71.具体的，可以在衬底10的第一表面上设置牺牲层，并在牺牲层上形成底电极20、压电层30和顶电极，然后再去除牺牲层。可以不去除支撑部31远离谐振区50一侧的第二凸出部与衬底10之间的牺牲层，该部分牺牲层即为支撑层70。
72.可选的，参考图5，第一凸出部33邻近衬底10的表面与衬底10的第一表面的距离s1为1-1.5μm；悬浮部32除第一凸出部33之外的其他区域邻近衬底10的表面与衬底10的第一表面之间的距离s2为2-3μm；沿谐振区指向边缘区的方向，第一凸出部的宽度s3和支撑部的宽度s4均为5-10μm。
73.其中，第一凸出部33邻近衬底10的表面与衬底10的第一表面的距离s1、悬浮部32除第一凸出部33之外的其他区域邻近衬底10的表面与衬底10的第一表面之间的距离s2均由牺牲层的厚度决定。第一凸出部33和支撑部31均通过在牺牲层上设置凹槽形成，第一凸出部33的宽度s3和支撑部31的宽度s4由凹槽的刻蚀宽度决定。
74.可选的，压电层还包括释放孔，释放孔设置于悬浮部的第一凸出部，或者，图7是本发明实施例一提供的又一种薄膜体声波谐振器的结构示意图，参考图7，释放孔80设置于第一凸出部33和支撑部31之间；释放孔80沿压电层30的厚度方向贯穿压电层30和底电极20。
75.其中，支撑部31和第一凸出部33由于在厚度方向上声阻抗的不同，可以对沿谐振器平面内传播的横向声波进行多次反射，可以有效的改善传统薄膜体声波谐振器横向声波能量往衬底泄露的问题，极大的提高了谐振器的q值。在谐振器结构形成过程中，需要在衬底10的第一表面上设置牺牲层，并在牺牲层上形成底电极20、压电层30和顶电极40，通过刻蚀压电层30和底电极20形成的释放孔80，可以去除牺牲层，在去除牺牲层后，衬底10和底电极20之间可以形成空腔。
76.可选的，压电层的材料包括aln、alscn、linbo3和litao3的多晶或单晶材料，以及
铁电单晶材料中的至少一种；底电极和顶电极的材料可以选择钼、钨、铂和金中的至少一种。
77.其中，aln、alscn、linbo3和litao3的多晶或单晶材料，压电性能较好，工艺较为成熟，而为了改善传统压电层材料的机电耦合系数无法满足较大带宽的要求，压电层也可以采用高压电系数的铁电单晶，示例性的，可以采用掺杂铟（in）的复合钙钛矿结构的pmn-pt单晶。
78.实施例二
79.本发明实施例在上述实施例的基础上提供了一种薄膜体声波谐振器的制作方法，图8是本发明实施例二提供的一种薄膜体声波谐振器的制备方法流程图，谐振器包括谐振区和边缘区。参考图8，该方法包括：
80.步骤110、提供一衬底；衬底的第一表面为平面。
81.其中，衬底可以为硅衬底，底电极的材料可以为钼。
82.步骤120、在衬底的第一表面上设置牺牲层，并在牺牲层上形成第一凹槽和第二凹槽，第一凹槽和第二凹槽位于边缘区，且第一凹槽设置于第二凹槽远离谐振区的一侧，第一凹槽贯穿牺牲层，第二凹槽的深度小于牺牲层的厚度。
83.其中，图9是本发明实施例二提供的一种薄膜体声波谐振器的牺牲层结构示意图，参考图9，牺牲层90的材料可以为二氧化硅，可以在衬底10上进行牺牲层90的沉积，并且通过对牺牲层90进行图形化刻蚀，刻蚀出第一凹槽91和第二凹槽92。
84.步骤130、在牺牲层上依次形成底电极、压电层和顶电极；其中，谐振区包括依次层叠设置的衬底、牺牲层、底电极、压电层和顶电极，谐振器顶电极之外的部分为边缘区，边缘区包括支撑在衬底第一表面的支撑部和位于支撑部和谐振区之间的悬浮部，支撑部和悬浮部均包括压电层；悬浮部还包括第一凸出部，第一凸出部邻近衬底的表面与衬底的第一表面的距离小于悬浮部的其他区域邻近衬底的表面与衬底的第一表面之间的距离，悬浮部邻近衬底的表面与衬底的第一表面不接触；支撑部位于第一凹槽内，第一凸出部位于第二凹槽内。
85.其中，可以通过沉积工艺依次均匀形成底电极、压电层和顶电极。
86.步骤140、去除牺牲层，在谐振器中形成位于底电极和衬底之间的空腔。
87.其中，参考图7和图9，通过刻蚀压电层30和底电极20形成释放孔80，从释放孔80引入可以腐蚀牺牲层90的溶液，使得牺牲层90被去除形成位于底电极20和衬底10之间的空腔，而位于第一凹槽91外远离谐振区的牺牲层90被保留形成支撑层70，从而提高边缘区60的强度并减少薄膜体声波谐振器的声泄露，提高谐振器的q值。
88.可选的，牺牲层上依次形成底电极、压电层和顶电极包括：图10是本发明实施例二提供的又一种薄膜体声波谐振器的制备工艺示意图，参考图10，在谐振区和边缘区形成第一电极层21；图11是本发明实施例二提供的又一种薄膜体声波谐振器的制备工艺示意图，参考图10和图11，将位于第二凹槽92邻近谐振区的边界远离谐振区一侧的第一电极层21去除，形成底电极20；参考图5，在底电极20表面形成压电层30；在压电层30表面形成第二电极层；去除谐振区50之外的第二电极层，形成顶电极40。
89.其中，参考图5，图9-图11，在牺牲层90上沉积第一电极层21，通过刻蚀工艺将位于第二凹槽92邻近谐振区50的边界远离谐振区50一侧的第一电极层21去除，形成底电极20，
在底电极20上沉积压电层30，在压电层30上沉积第二电极层；通过刻蚀图形去除谐振区50之外的第二电极层，形成顶电极40。
90.可选的，牺牲层上依次形成底电极、压电层和顶电极包括：在谐振区和边缘区形成底电极和压电层；在压电层表面形成第二电极层；去除谐振区之外的第二电极层，形成顶电极。
91.其中，图12是本发明实施例二提供的又一种薄膜体声波谐振器的制备工艺示意图，参考图12，在牺牲层90上沉积底电极20，在底电极20上沉积压电层30，在压电层30上沉积第二电极层；通过刻蚀图形去除谐振区之外的第二电极层，形成顶电极40。
92.可选的，图13是本发明实施例二提供的又一种薄膜体声波谐振器的制备工艺示意图，参考图13，在衬底10上设置牺牲层，包括：在衬底10上沉积第一牺牲层94；对第一牺牲层94进行刻蚀，形成第三凹槽93，其中，第三凹槽93的深度等于第一牺牲层94的厚度；图14是本发明实施例二提供的又一种薄膜体声波谐振器的制备工艺示意图，参考图14，在第一牺牲层94上沉积第二牺牲层95，去除第三凹槽93处的第二牺牲层95，形成第一凹槽91；同时在第一凹槽91邻近谐振区的一侧，对第二牺牲层95进行刻蚀，形成第二凹槽92。
93.或者，参考图9，在衬底10上设置牺牲层90，包括：在衬底上沉积牺牲层90，对牺牲层90进行刻蚀，形成第一凹槽91；在第一凹槽91邻近谐振区50的一侧，对牺牲层90进行第二次刻蚀，形成第二凹槽92。
94.其中，可以通过两次沉积形成第一牺牲层94和第二牺牲层95，通过分别刻蚀第一牺牲层94和第二牺牲层95形成第一凹槽91和第二凹槽92，也可以通过一次沉积牺牲层90，分别两次刻蚀牺牲层90形成第一凹槽91和第二凹槽92。
95.应该理解，可以使用上面所示的各种形式的流程，重新排序、增加或删除步骤。例如，本发明中记载的各步骤可以并行地执行也可以顺序地执行也可以不同的次序执行，只要能够实现本发明的技术方案所期望的结果，本文在此不进行限制。
96.上述具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限制。本领域技术人员应该明白的是，根据设计要求和其他因素，可以进行各种修改、组合、子组合和替代。任何在本发明的精神和原则之内所作的修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明保护范围之内。