CN103296992B - 薄膜体声波谐振器结构及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种薄膜体声波谐振器结构的制造方法及薄膜体声波谐振器结构。该薄膜体声波谐振器结构的制造方法其包括步骤：于载片上形成薄膜体声波谐振器；于衬底上形成空腔；将薄膜体声波谐振器搭载在该空腔；形成该薄膜体声波谐振器的电极的电连接层。本发明薄膜体声波谐振器结构的制造方法及薄膜体声波谐振器结构无需现有技术中提到的牺牲材料、无需牺牲层薄膜释放工艺，从而简化了工艺，避免了牺牲层材料残留导致的Q值恶化，从而实现高Q值薄膜体声波谐振器结构的简单制造。此外，薄膜体声波谐振器结构的制造方法及薄膜体声波谐振器结构的生产成本较低。

Description

薄膜体声波谐振器结构及其制造方法

技术领域

本发明涉及一种压电器件的制造方法，尤其涉及一种薄膜体声波谐振器结构制造方法。

此外，本发明还涉及一种压电器件，尤其是涉及一种薄膜体声波谐振器结构。

背景技术

设备小型化是大势所趋，人们期望在越来越小的设备上集成越来越多的功能。对于各种滤波设备也是如此，因此薄膜体声波谐振器应运而生。

薄膜体声波谐振器具有工作频率高、插损小、带外抑制陡峭度高、耐受功率高、体积小等众多优点，可以满足通信、雷达等电子系统射频收发前端对高频、小型化射频滤波器的迫切需求，成为市场关注的热点。

Q值是衡量薄膜体声波谐振器滤波能力的重要指标。高的Q值意味着相应的薄膜体声波谐振器的滤波能力强。Q值的高低往往由该薄膜体声波谐振器的制造工艺决定。

现有技术中的薄膜体声波谐振器通常包括两个薄膜电极，并且电极之间填充有一层薄膜压电材料。该薄膜体声波谐振器悬空设置，当两个薄膜电极之间加载电压、在两个电极之间形成电场时，薄膜压电材料就会将部分电能转化为波的形式的机械能。这些波以与电场相同的方向传播，并在电极/空气界面处以包括谐振频率在内的某些频率反射回来。在谐振频率时，该薄膜体声波谐振器可以起到一个频率选择的作用。利用这一个技术，可以制造在千兆范围内应用的谐振器，其物理尺寸再直径上小于100微米而厚度为几个微米。

薄膜体声波谐振器可以通过沉积工艺来制造。这种制造工艺通常用于在衬底材料上制造集成电路器件。但是在薄膜体声波谐振器的制造时会产生独特的困难。因为薄膜体声波谐振器是要求悬在空气中的，薄膜体声波谐振器制造完毕后，需要将在该薄膜体声波谐振器下的东西移走，以形成一个空腔。这是难度非常大的。这样的薄膜体声波谐振器结构难度较大。

现有技术中提到了一种方案来解决前述移走的问题。现有技术中在衬底上先形成一个凹陷的坑；再通过刻蚀技术在该坑内填充牺牲材料，使得坑被填平；之后再该衬底和该牺牲材料上方通过刻蚀技术制造该薄膜体声波谐振器；在该薄膜体声波谐振器上与该牺牲材料对应的地方设置若干通孔，通孔贯穿该声谐振器；通过化学药剂释放该牺牲层材料，使得该牺牲材料消除。从而实现了将该薄膜体声波谐振器悬空的这样的结构目的。

但是上述方法仍然有多个缺点，例如：

一、该方法需要制作牺牲层材料，因此涉及到复杂的牺牲层材料释放工艺。而牺牲材料释放工艺过程中极易造成薄膜体声波谐振器的相关薄膜破裂。此外，如果牺牲层释放并不干净，有杂质残留的现象，这会大幅度恶化谐振器的Q值，使得Q值降低，影响薄膜体声波谐振器的品质。

二、为了释放牺牲层材料，该方法需要在电极中间和附近制作有牺牲层材料的释放窗口(通孔)。这些窗口这也会恶化谐振器的Q值。

三、该方法必须进行化学机械抛光步骤，以进行薄膜表面平整化。这增加了工艺制备的难度。

综上所述，现有技术中的薄膜体声波谐振器结构的制造方法存在较多弊端，生产高Q值的薄膜体声波谐振器结构的难度较大。

发明内容

鉴于现有技术中的薄膜体声波谐振器结构的制造方法存在着制造高Q值薄膜体声波谐振器难度较大的技术问题，有必提供能够相对容易制造出高Q值的薄膜体声波谐振器的薄膜体声波谐振器结构制造方法。

同时，鉴于现有技术中薄膜体声波谐振器结构的Q值相对较低的技术问题，也有必要提供一种Q值相对较高的薄膜体声波谐振器结构。

本发明的具体技术方案如下：

本发明提供一种薄膜体声波谐振器结构的制造方法，其包括步骤：于载片上形成薄膜体声波谐振器；于衬底上形成空腔；将薄膜体声波谐振器搭载在该空腔；形成该薄膜体声波谐振器的电极的电连接层；其中，所述将薄膜体声波谐振器搭载在该空腔的步骤包括：将该载片与该衬底键合，该薄膜体声波谐振器的顶电极、底电极、压电层收容于该空腔内；将该载片和第一质量加载层分离。

在一个进一步优化的实施方式中，还包括步骤：调整薄膜体声波谐振器的工作频率。

在一个进一步优化的实施方式中，于载片上形成薄膜体声波谐振器的步骤包括：在载片上依次形成离子注入层和第一质量加载层；于该质量加载层上形成底电极；于该底电极上形成压电层，该压电层覆盖该底电极并延伸至该第一质量加载层；形成顶电极，该顶电极局部覆盖该压电层，并与该底电极具有重叠区域，该顶电极延伸至该第一质量加载层。

在一个进一步优化的实施方式中，于衬底上形成空腔的步骤包括：在该衬底上涂覆玻璃胶，形成支撑层薄膜和空腔；该该载片与该衬底键合的步骤还包括：将该支撑层薄膜和该第一质量加载层键合。

在一个进一步优化的实施方式中，形成该薄膜体声波谐振器的电极的电连接层的步骤包括：蚀刻该第一质量加载层形成电极引出窗口；形成焊盘层，该焊盘层通过该电极引出窗口分别于底电极和顶电极电连接。

在一个进一步优化的实施方式中，在将该载片和第一质量加载层分离的步骤包括：在500℃下退火，使得离子注入层生成气体，将离子注入层和载片从衬底上剥离。

在一个进一步优化的实施方式中，该调整薄膜体声波谐振器的工作频率还包括步骤：获得薄膜体声波谐振器的谐振频率；根据谐振频率对裸露的第一质量加载层进行刻蚀。

在一个进一步优化的实施方式中，该调整薄膜体声波谐振器的工作频率还包括步骤：获得薄膜体声波谐振器所在晶圆上的所有薄膜体声波谐振器的谐振频率分布图；根据谐振频率分布图对裸露的第一质量加载层进行刻蚀。

一种薄膜体声波谐振器结构包括：一个具有空腔的衬底，一个薄膜体声波谐振器以及一个电连接层；该薄膜体声波谐振器包括一个底电极、一个顶电极和一个位于该顶电极和该底电极之间的压电层；该薄膜体声波谐振器搭载在该空腔，该底电极、该顶电极和该压电层收容于该空腔；该电连接层与该底电极和该顶电极电连接。

相较于现有技术，本发明的主要有益效果在于：

相对于现有技术，由于本发明薄膜体声波谐振器结构的制造方法及薄膜体声波谐振器结构在一个第一载体上形成薄膜体声波谐振器，在第二个载体上形成用于支撑薄膜体声波谐振器的支撑结构，然后将薄膜体声波谐振器键合到该支撑结构上，从而实现了无需现有技术中提到的牺牲材料、无需牺牲层薄膜释放工艺，从而简化了工艺，避免了牺牲层材料残留导致的Q值恶化，从而实现高Q值薄膜体声波谐振器结构的简单制造。

此外，相对于现有技术本发明薄膜体声波谐振器结构的制造方法及薄膜体声波谐振器结构由于无需化学机械抛光工艺对牺牲层薄膜进行表面平坦化处理，因此还可以降低生产成本。

附图说明

图1是本发明薄膜体声波谐振器结构的结构示意图；

图2至图10是图1所示薄膜体声波谐振器结构制造过程中的结构示意图；

图11是本发明薄膜体声波谐振器结构的制造方法的流程图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用来限定本发明。

请参阅图1，图1是本发明薄膜体声波谐振器结构的结构示意图。本发明的薄膜体声波谐振器结构包括衬底7、支撑层薄膜8、空腔9、第一质量加载层3、底电极4、压电层5、顶电极6、电极引出窗口10、焊盘层11和第二质量加载层12。由于该第一质量加载层3、底电极4、压电层5、顶电极6、电极引出窗口10、焊盘层11和第二质量加载层12构成一个薄膜体声波谐振器，因此，本发明的薄膜体声波谐振器结构包括一个薄膜体声波谐振器以及衬底7、支撑薄膜层8和空腔9。

本发明的薄膜体声波谐振器结构的结构具体如下：该衬底7上设置该支撑层薄膜8。该支撑层薄膜8之间具有较大的空隙，且该支撑层薄膜8的厚度大于该底电极4、压电层5和顶电极6的厚度的和。该顶电极6和该底电极4相对设置，该压电层5位于该顶电极6和该底电极4之间。该底电极4设置在该第一质量加载层3表面，该压电层5覆盖该底电极4，并且与第一该质量加载层3相接。该顶电极6半覆盖该压电层5，与该底电极4具有重叠区，并且也与该质量加载层3相接。

该第一质量加载层3上设置有两个电极引出窗口10。该电极引出窗口10贯穿该第一质量加载层3。一个电极引出窗口10将该底电极4暴露出来，另一个电极引出窗口10将该顶电极6与该质量加载层3相接处的区域暴露出来。该焊盘层11位于该第一质量加载层3远离该衬底7的一侧表面。该焊接盘11通过该电极引出窗口10与对应的顶电极6和底电极4接触。该两个电极引出窗口10之间具有一个第二质量加载层12。该第二质量加载层12是该第一质量加载层3变薄之后而形成的。

本发明还提供一种薄膜体声波谐振器结构的制造方法。本发明的薄膜体声波谐振器结构的制造方法的思路是：在一个第一载体上制造薄膜体声波谐振器；在一个第二载体上制造一个能够搭载该薄膜体声波谐振器的承载装置；将薄膜体声波谐振器搭载该在承载装置上；于是最后形成一个薄膜体声波谐振器结构。

请参阅图11，图11是本发明薄膜体声波谐振器结构的制造方法的流程图。本发明薄膜体声波谐振器制造方法包括步骤：

S1、于载片上形成薄膜体声波谐振器；

对步骤S1，请一并参与图2至图5。步骤S1包括：

S11、提供一个载片；

在本发明的优选实施方式中，如图2所示，选择一个电阻值大于10KΩ·cm的晶向的高阻硅作为载片1。

在另外一个实施方式中，该载片1也可以采用石英基片。

S12、在载片上依次形成离子注入层和第一质量加载层；

在本发明的优选实施方式中，在该载片1采用氢离子注入的方法，在载片1上注入氢离子，离子注入深度为300nm，形成离子注入层2和质量加载层3。

在另外一个实施方式中，离子注入深度为200nm，形成离子注入层2和质量加载层3。

S13、形成底电极；

请参阅图3，在本发明的优选实施方式中，首先在载片1的第一质量加载层3上采用磁控溅射方法沉积一层用于制作底电极4的薄膜。该底电极4对应的材料为金属Mo，厚度为200nm。在沉积完该用于制作底电极4的薄膜之后，采用湿法腐蚀方法刻蚀得到底电极4的图形。相应的腐蚀液为H₃PO₄、HNO₃和CH₃COOH混合液。

在另外一个实施方式中，可以在载片1的第一质量加载层3上采用剥离工艺制作底电极4。对应的底电极4采用的薄膜材料为金属Au，厚度为200nm；

S14、形成压电层，该压电层覆盖该底电极并延伸至该第一质量加载层；

请参阅图4，在本发明的优选实施方式中，在底电极4上采用磁控溅射方法生长压电层5的薄膜。压电层5的薄膜材料为晶格取向为(002)面的AlN，厚度为1μm。然后采用ICP刻蚀方法(InductivelyCoupledPlasma，即感应耦合等离子体刻蚀)刻蚀得到压电层5的图形，刻蚀气体选用Cl₂和BCl₃气体。该压电层5将该底电极4完全覆盖，并且延伸到该第一质量加载层3。即，该压电层5除去与该底电极4重叠的区域外，还具有与该第一质量加载层3重叠的区域。与该第一质量加载层3重叠的区域位于该压电层5与该底电极4重叠的区域的周围。

当然，在另外一个实施方式中，还可以在底电极4上采用磁控溅射方法生长压电层5的薄膜，压电层5的薄膜材料为晶格取向(002)面的ZnO，厚度为500nm。然后采用湿法腐蚀方法刻蚀得到压电层5的图形，腐蚀液为H₃PO₄；

S16、形成顶电极，该顶电极局部覆盖该压电层，并与该底电极具有重叠区域，该顶电极延伸至该第一质量加载层。

请参阅图5，在本发明的优选实施方式中，在压电层5上采用磁控溅射方法沉积顶电极6的薄膜。顶电极6的薄膜材料为金属Mo，厚度为200nm。然后，采用湿法腐蚀方法刻蚀得到顶电极6的图形，腐蚀液为H₃PO₄、HNO₃和CH₃COOH混合液。该顶电极6局部覆盖该压电层5，并延伸至该第一质量加载层3。所谓局部覆盖是指该顶电极6未能完全覆盖该压电层5。所谓延伸至该第一质量加载层3是指该顶电极6与该第一质量加载层3接触，并有重叠区域。此外，该顶电极6还与该底电极4相对应，两者具有相互重叠的区域，从而使得该顶电极6和该底电极4被加载电压后，两者之间能够形成电场，该电场能促使该压电层5产生机械振动。

在另外一个实施方式中，还可以在压电层5上采用剥离工艺制作顶电极6，顶电极6对应的薄膜材料为金属Al，厚度为100nm。

S2、于衬底上形成空腔；

与步骤S1对应，在步骤S1进行的同时，也可以同时进行步骤S2。

请参阅图6。在本发明的优选实施方式中，通过选用电阻值大于10KΩ·cm的晶向的高阻硅作为衬底7的材料，采用丝网印刷的方法在衬底7上印刷涂覆上玻璃胶，玻璃胶厚度大于3μm，从而形成支撑层薄膜8和空腔9，然后通过400℃下退火，以得到表面光滑的支撑层薄膜8的图形。

当然，在另外一个实施方式中，还可以选用石英基片作为衬底7的材料，采用丝网印刷的方法在支撑层材料7上印刷涂覆上玻璃胶，玻璃胶厚度大于3μm，并形成支撑层薄膜8和空腔9，然后通过400℃下退火，以得到表面光滑的支撑层薄膜8的图形。

S3、将薄膜体声波谐振器搭载在该空腔；

在步骤S1和步骤S2完成之后，可以将该薄膜体声波谐振器与该空腔进行结合。具体地，包括步骤：

S31、该载片与该衬底键合，该顶电极、底电极、压电层收容于该空腔内；

请一并参阅图7，将载片1和衬底7采用真空键合方法，键合到一起；键合温度为425℃；键合对准精度应控制在±1μm以内。键合后，载片的质量加载层3和衬底上的支撑层薄膜8被连接到一起，底电极4、压电层5和顶电极6收容在空腔9内部。

S32、该载片和第一质量加载层分离；

请参阅图8，在本发明的优选实施方式中，在500℃下退火，使得注入氢离子生成氢气，在氢气的膨胀作用下，离子注入层2和载片1从衬底7上剥离开。

S4、形成该薄膜体声波谐振器的电极的电连接层。

在步骤S1、S2和S3完成后，只需要将声谐振器的电极连接到外部供电设备就完成了本发明的薄膜体声波谐振器结构。具体地，包括步骤：

S41、形成电极引出窗口

请参阅图9，采用RIE刻蚀方法(ReactiveIonEtching，反应离子刻蚀)，刻蚀质量加载层3，得到电极引出窗口10，其中，刻蚀气体为SF₆。

对每一个薄膜体声波谐振器，对应的区域内具有至少两个电极引出窗口10。其中，一个电极引出窗口10用于连通该顶电极6，另一个电极引出窗口用于连通该底电极4。

S42、形成焊盘层，焊盘层通过电极引出窗口与相应的电极电连接。

请参阅图10，在本发明的优选实施方式中，在第一质量加载层3上沉积焊盘层11的薄膜，焊盘层11的材料为Al金属，厚度为500nm。采用湿法刻蚀得到焊盘层11电极的图形，将底电极4和顶电极6的信号通过电极引出窗口10引出到焊盘位置，其中，Al腐蚀液为H₃PO₄、HNO₃和CH₃COOH混合液。

在另外一个实施方式中，还可以在该第一质量加载层3上采用剥离工艺制作沉积焊盘层11的薄膜，焊盘层11的材料为Au金属，厚度为500nm。从而将底电极4和顶电极6的信号通过电极引出窗口10引出到焊盘位置。

在两个电极引出窗口10之间的该第一质量加载层3上不存在该焊盘层11。

通过步骤S1至步骤S4可以实现图10所展示的薄膜体声波谐振器结构，从而解决本发明所提到的技术问题，达到本发明所描述的技术效果。

在进一步优化的情况下，还可以包括步骤：

S5、调整薄膜体声波谐振器的工作频率。

具体的，该步骤S5还可以包括：

S51、获得薄膜体声波谐振器的谐振频率；

通常而言，步骤S5可以对一个薄膜体声波谐振器进行操作，也可以对整个晶圆上所有的薄膜体声波谐振器进行操作。在对所有的薄膜体声波谐振器进行操作时，可以将所有的薄膜体声波谐振器调整到相同的工作频率。

本步骤S51在本发明优选实施方式中是这样进行的：采用探针测试方法，测试得到薄膜谐振器的谐振频率；或者采用探针测试方法，测试得到晶圆范围内所有谐振器的谐振频率，得到频率分布图；

S51、根据谐振频率对裸露的第一质量加载层进行刻蚀。

请参阅图1，在本发明的优选实施方式中，采用离子束扫描刻蚀工艺，对薄膜谐振器暴露在焊盘层11电极外的第一质量加载层3进行扫描刻蚀，形成第二质量加载层12。

在另外一个实施方式中，采用离子束扫描刻蚀工艺，对晶圆上所有的薄膜谐振器暴露在焊盘层11电极外的第一质量加载层3进行扫描刻蚀，形成第二质量加载层12。各个区域的刻蚀时间可由薄膜谐振器频率分布图计算得到，使得晶圆上所有的薄膜谐振器能够工作在特定的频率。

与此同时，离子束扫描刻蚀可以改善第一质量加载层3表面粗糙度，形成光滑的第二质量加载层12，从可以进一步增加谐振器的Q值。

相对于现有技术，由于本发明薄膜体声波谐振器结构的制造方法及薄膜体声波谐振器结构在一个第一载体上形成薄膜体声波谐振器，在第二个载体上形成用于支撑薄膜体声波谐振器的支撑结构，然后将薄膜体声波谐振器键合到该支撑结构上，从而实现了无需现有技术中提到的牺牲材料、无需牺牲层薄膜释放工艺，从而简化了工艺，避免了牺牲层材料残留导致的Q值恶化，从而实现高Q值薄膜体声波谐振器结构的简单制造。

此外，相对于现有技术本发明薄膜体声波谐振器结构的制造方法及薄膜体声波谐振器结构由于无需化学机械抛光工艺对牺牲层薄膜进行表面平坦化处理，因此还可以降低生产成本。

应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (8)

1.一种薄膜体声波谐振器结构的制造方法，其包括步骤：

于载片上形成薄膜体声波谐振器；

于衬底上形成空腔；

将薄膜体声波谐振器搭载在该空腔；

形成该薄膜体声波谐振器的电极的电连接层；其中，

所述于载片上形成薄膜体声波谐振器的步骤包括：

在载片上依次形成离子注入层和第一质量加载层；

于该质量加载层上形成底电极；

于该底电极上形成压电层，该压电层覆盖该底电极并延伸至该第一质量加载层；

形成顶电极，该顶电极局部覆盖该压电层，并与该底电极具有重叠区域，该顶电极延伸至该第一质量加载层；

所述将薄膜体声波谐振器搭载在该空腔的步骤包括：

将该载片与该衬底键合，该薄膜体声波谐振器的顶电极、底电极、压电层收容于该空腔内；

将该载片和第一质量加载层分离。

2.根据权利要求1所述的薄膜体声波谐振器结构的制造方法，其特征在于，还包括步骤：

调整薄膜体声波谐振器的工作频率。

3.根据权利要求1所述的薄膜体声波谐振器结构的制造方法，其特征在于，于衬底上形成空腔的步骤包括：

在该衬底上涂覆玻璃胶，形成支撑层薄膜和空腔；

该载片与该衬底键合的步骤还包括：将该支撑层薄膜和该第一质量加载层键合。

4.根据权利要求3所述的薄膜体声波谐振器结构的制造方法，其特征在于，形成该薄膜体声波谐振器的电极的电连接层的步骤包括：

蚀刻该第一质量加载层形成电极引出窗口；

形成焊盘层，该焊盘层通过该电极引出窗口分别 与底电极和顶电极电连接。

5.根据权利要求4所述的薄膜体声波谐振器结构的制造方法，其特征在于，将该载片和第一质量加载层分离的步骤包括：

在500℃下退火，使得离子注入层生成气体，将离子注入层和载片从衬底上剥离。

6.根据权利要求2所述的薄膜体声波谐振器结构的制造方法，其特征在于，该调整薄膜体声波谐振器的工作频率还包括步骤：

获得薄膜体声波谐振器的谐振频率；

根据谐振频率对裸露的第一质量加载层进行刻蚀。

7.根据权利要求2所述的薄膜体声波谐振器结构的制造方法，其特征在于，该调整薄膜体声波谐振器的工作频率还包括步骤：

获得薄膜体声波谐振器所在晶圆上的所有薄膜体声波谐振器的谐振频率分布图；

根据谐振频率分布图对裸露的第一质量加载层进行刻蚀。

8.根据权利要求1至7任意一项所述的薄膜体声波谐振器结构的制造方法所获得的薄膜体声波谐振器结构，包括：一个具有空腔的衬底，一个薄膜体声波谐振器以及一个电连接层；该薄膜体声波谐振器包括一个底电极、一个顶电极和一个位于该顶电极和该底电极之间的压电层；该薄膜体声波谐振器搭载在该空腔，该底电极、该顶电极和该压电层收容于该空腔；该电连接层与该底电极和该顶电极电连接。