CN110166014B - 体声波谐振器及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种体声波谐振器及其制造方法，该体声波谐振器包括：位于有效压电区域外部的空气间隙，空气间隙位于上电极与压电层之间和/或位于压电层与基底之间，并且空气间隙覆盖下电极的靠近空气间隙的端部或者空气间隙与下电极的端部连接；其中，空气间隙具有靠近有效压电区域的第一端，空气间隙的由第一端起始的至少部分上表面为弧形上表面。本发明的体声波谐振器改善了器件的Q值、有效机电耦合系数K2 t,eff、和抗静电放电能力，同时减小了器件电极中的应力，进而提高谐振器的性能和可靠性。

Description

体声波谐振器及其制造方法
技术领域
本发明涉及一种体波谐振器，尤其涉及一种能够提高谐振器的品质因数(Q)、有效机电稠合系数(K2 t,eff)和抗静电放电(ESD)能力的体声波谐振器及其制造方法。
背景技术
利用压电薄膜在厚度方向的纵向谐振所制成的薄膜体波谐振器，在于机通讯和高速串行数据应用等方面己成为声表面波器件和石英晶体谐振器的一个可行的替代。射频前端体波滤波器/双工器提供优越的滤波特性，例如低插入损耗，陡峭的过渡带，较大的功率容量，较强的抗静电放电(ESD)能力。具有超低频率温度漂移的高频薄膜体波振荡器，其相位噪声低，功耗低且带宽调制范围大。除此之外，这些微型薄膜谐振器在硅衬底上使用CMOS兼容的加工工艺，这样可以降低单位成本，并有利于最终与CMOS电路集成。
体波谐振器包括一个声学镜和两个电极，以及位于这两电极之间的被称作压电激励的压电材料层。也称下部电极和上部电极为激励电极，其作用是引起谐振器各层的机械振荡。声学镜在体波谐振器和基底之间形成声学隔离。
图1是传统的体声波谐振器的俯视图。声学镜101是由基底上一个空气腔构成，它的作用是将基底的声阻抗近似转化为空气的声阻抗。大部分的下电极102要位于声学镜101边界的内侧。在连接的边缘107处，部分上电极104要跨越底电极102。
可以用有效机电搞合系数(K2 t,eff)和品质因数(Q)这两个参量来表征薄膜体波谐振器的性能。有效的K2 t,eff值越大，射频滤波器的频带就越宽，或者压控谐振器的可调范围就越大。对于谐振器来说很重要的一点就是它所采用的压电层本身就要具有较高的K2 t,eff值，并且其极化轴的方向要与膜的厚度方向一致，这样可以便有效K2 t,eff值达到最大。品质因数Q既影响射频滤波器的插入损耗，也影响压控振荡器振动模式的单一性。尽管振荡与多种能耗机制有关，如声学阻尼(材料损耗)、自谐振器边界条件决定的侧面逃逸的波等等，但压电薄膜良好的柱状晶体结构以及C轴的取向，是影响体波器件性能的首要条件。沉积于电极之上的压电薄膜的晶体结构很大程度上取决于其下面电极的粗糙度和晶体结构。表面光滑且纹理锐利的底层电极是最理想的。沉积压电层时，它会跟随着底层电极的结构纹理，并且在底层电极形貌较尖锐处容易发生断裂，例如在近乎垂直边缘的电极上会产生陡峭的边缘。压电层的断裂会大大降低谐振器的抗静电放电(ESD)能力。
图2为现有的一种体声波谐振器的结构剖面图。该谐振器具有一个具有上表面的基底209和一个嵌入基底209的声学镜。该声学镜是截面为梯形的空气腔201，且梯形的上底大于下底。由下电极202，压电层203和上电极204构成的三明治压电堆叠结构位于空气腔201上部。其中，下电极202、压电层203、上电极204接触的重合部分定义了有效压电堆叠的区域206。下电极202具有梯形截面，且梯形上底小于下底。下电极202的两端延伸到空气腔201上底边范围之外，并与基底209的上表面保持接触。位于梯形下电极202上方的压电层203形成阶梯结构。上电极204分为主体部分和一个延伸端，而上电极204的延伸端则跨过压电层203的梯形结构形成同样具有梯形结构的桥型结构的区域207。上电极204的桥型结构部分的下表面与位于该桥型结构下方的压电层203的上表面保持分离，从而围成一个空气间隙205。该空气间隙205靠近有效压电堆叠的区域206一侧的边界位于压电层203第一阶梯范围以内，而另一边界位于压电层203第二阶梯范围内。而这一结构的薄膜体声波谐振器在机电性能和可靠性方面仍存在诸多缺陷和较大的改进空间。
发明内容
针对相关技术中的上述问题，本发明提出一种体声波谐振器及其制造方法，该体声波谐振器结构简单，具有高Q值、高机电耦合系数、和增强抗静电放电能力。
本发明的技术方案是这样实现的：
根据本发明的一个方面，提供了一种体声波谐振器，包括：基底、设置在基底上方的下电极、设置在下电极上方的压电层、设置在压电层上方的上电极、以及设置在基底和下电极之间的声学镜；其中，上电极、压电层和下电极在厚度方向上相互的重叠区域形成有效压电区域，且在厚度方向上有效压电区域位于声学镜所在区域的内部；
体声波谐振器还包括：位于有效压电区域外部的空气间隙，空气间隙位于上电极与压电层之间和/或位于压电层与基底之间，并且空气间隙覆盖下电极的靠近空气间隙的端部或者空气间隙与下电极的端部连接；
其中，空气间隙具有靠近有效压电区域的第一端，空气间隙的由第一端起始的至少部分上表面为弧形上表面。
根据本发明的实施例，由第一端起始的至少部分上表面与经由第一端的水平平面相切。
根据本发明的实施例，由第一端起始的部分上表面为凹进的弧形上表面。
根据本发明的实施例，空气间隙还具有与凹进的弧形上表面连接的凸起的弧形上表面。
根据本发明的实施例，空气间隙还具有与凹进的弧形上表面连接的平坦上表面。
根据本发明的实施例，由第一端起始的部分上表面为凸起的弧形上表面。
根据本发明的实施例，覆盖在空气间隙上方的位于有效压电区域外的部分上电极具有最高点，最高点高于位于有效压电区域内的部分上电极。
根据本发明的实施例，覆盖在空气间隙上方的位于有效压电区域外的部分上电极不高于位于有效压电区域内的部分上电极。
根据本发明的实施例，有效压电区域外的压电层的厚度在远离有效压电区域的方向上是递减的。
根据本发明的实施例，下电极覆盖声学镜，且下电极的端部与基底的上表面直接接触。
根据本发明的实施例，下电极覆盖部分声学镜，且下电极的靠近空气间隙的端部位于声学镜的上方。
根据本发明的实施例，其中，下电极的端部包括下电极的侧边，侧边是垂直侧边，空气间隙与垂直侧边的顶端连接。
根据本发明的实施例，其中，下电极的端部包括下电极的侧边，侧边是倾斜侧边，空气间隙与倾斜侧边的顶端连接。
根据本发明的实施例，其中，倾斜侧边的顶端比倾斜侧边的底端距离有效压电区域更远，由第一端起始的至少部分上表面与倾斜侧边相切。
根据本发明的实施例，空气间隙的第一端与有效压电区域的边界重合。
根据本发明的实施例，声学镜为嵌入基底的空气腔，且空气腔的上表面与基底的上表面齐平。
根据本发明的实施例，空气间隙由介质填充；填充的介质材料包括二氧化硅、氮化硅、碳化硅、多孔硅、氟化非晶碳、氟聚合物、聚对二甲苯、聚芳醚、氢倍半硅氧烷、交联聚苯聚合物、双苯环丁烯、氟化二氧化硅、碳掺杂氧化物和金刚石中的一种或多种或是它们的组合。
根据本发明的实施例，下电极的截面为第一梯形，第一梯形的上底边小于第一梯形的下底边；声学镜的截面为第二梯形，第二梯形的上底边大于第二梯形的下底边。
根据本发明的实施例，压电层的材料包括以下的任意一种：氮化铝(AlN)、氧化锌(ZnO)、PZT或掺杂氮化铝(AlRN)，其中掺杂元素R为金属或非金属元素。
根据本发明的另一方面，提供了一种体声波谐振器的制造方法，包括：在基底上形成声学镜；在基底和声学镜上沉积下电极；在下电极上沉积压电层，在压电层上方沉积上电极；
制造方法还包括：
在沉积压电层之前，在下电极和基底上方形成图形化的第一牺牲层；和/或在沉积上电极之前，在压电层上方形成图形化的第二牺牲层；以及刻蚀第一牺牲层和第二牺牲层以形成空气间隙；空气间隙覆盖下电极的靠近空气间隙的端部或者空气间隙与下电极的端部连接；
其中，空气间隙具有靠近有效压电区域的第一端，空气间隙的由第一端起始的至少部分上表面为弧形上表面，弧形上表面与经由第一端的水平平面相切。
根据本发明的实施例，在形成第一牺牲层之后，还包括：调整压电层和第一牺牲层的应力配比。
本发明通过设置具有弧形上表面的空气间隙，使得下电极的缺陷端面和由该缺陷端面引起的部分压电层缺陷所在的区域的电场大幅度削弱，从而削弱了缺陷区域的机电耦合活性，最终效果是提高了谐振器的有效机电耦合系数K2 t,eff；另一方面，弧形结构是一种几何形态连续性非常强的结构，通过系统的尺寸设计，能够在在横向上提供更为连续和带宽覆盖更为充分的横向寄生模式声波反射镜结构，从而更为充分的抑制横模波横向泄漏造成的能量损耗，进而提高谐振器的Q值；此外，通过弧形结构与平直结构间的平滑过渡可大幅降低由尖角的非平滑结构造成压电层和上电极的应力积累和静电放电的可能性，从而使器件的可靠性大幅增强。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例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。
图1是传统的体声波谐振器的俯视图；
图2是一种现有的体声波谐振器的剖视图；
图3A至图8B是本发明的不同实施例的体声波谐振器的剖视图。
具体实施方式
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所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
根据本发明的实施例，提供了一种体声波谐振器，包括：基底、设置在基底上方的下电极、设置在下电极上方的压电层、设置在压电层上方的上电极、以及设置在基底和下电极之间的声学镜；其中，上电极、压电层和下电极在厚度方向上相互的重叠区域形成有效压电区域，且在厚度方向上有效压电区域位于声学镜所在区域的内部；
体声波谐振器还包括：位于有效压电区域外部的空气间隙，空气间隙位于上电极与压电层之间和/或位于压电层与基底之间，并且空气间隙覆盖下电极的靠近空气间隙的端部或者空气间隙与下电极的端部连接；其中，空气间隙具有靠近有效压电区域的第一端，空气间隙的由第一端起始的至少部分上表面为弧形上表面。
本发明的体声波谐振器，通过设置具有弧形上表面的空气间隙，使得下电极的缺陷端面和由该缺陷端面引起的部分压电层缺陷所在的区域的电场大幅度削弱，从而削弱了缺陷区域的机电耦合活性，最终效果是提高了谐振器的有效机电耦合系数K2 t,eff；另一方面，如图2中所示的一类传统的谐振器的上电极桥结构为阶梯形式，所形成的空气间隙在横向上被分为阻抗不连续的若干段，而在谐振器中产生横向模式声波通常会在一定带宽内分布，传统桥结构形成的空气间隙无法确保对横向模式的声波进行较为全面的反射，从而对Q值的改善并不够理想。本发明提出的圆弧形桥结构是一种几何形态连续性非常强的结构，通过系统的尺寸设计，能够在在横向上提供更为连续横模声波带宽覆盖和更为充分的横向寄生模式声波反射镜结构，从而更为充分的抑制横模波横向泄漏造成的能量损耗，进而提高谐振器的Q值；此外，传统的桥结构还会使在压电堆叠的活跃区域(图2中的206区域)和不活跃区域(图2中的207区域)的交界处形成尖角结构(图2中的208区域)。在器件工作过程中，该尖角结构处的应力将会得到加强，并造成上电极在尖角结构处出现裂痕甚至断裂，从而使器件的稳定性大幅劣化，严重制约谐振器功率容量提升。此外，非平滑过渡的结构还会增加电极尖端放电的可能性，造成器件抗静电放电能力(ESD)下降。而本发明提出的新型桥结构通过弧形结构与平直结构间的平滑过渡，能大幅降低由尖角的非平滑结构造成压电层和上电极的应力积累和静电放电的可能性，从而使器件的可靠性大幅增强。从而，改善了器件的Q值、有效机电耦合系数K2 t,eff、和抗静电放电能力，同时减小了器件电极中的应力，进而提高谐振器的机电性能和可靠性。
图3A是本发明的第一实施例的体声波谐振器300。参考图3A，体声波谐振器300包括：基底309，嵌入基底的空气腔301起到声学镜的作用。该处的空气腔301只是声学镜结构的一种具体实施方式，还可以将空气腔301替换为包括布拉格反射层在内的其他声学镜结构。
体声波谐振器300还包含下电极302、压电层303和上电极304。在厚度方向上，由下电极302、压电层303和上电极304接触区域的重合区域定义了压电堆叠的有效压电区域306，且有效压电区域306完全落入空气腔301的下底边范围内。其中下电极302的两端向两个相反方向延伸到空气腔301的范围之外，使得梯形的下电极302的下底边的两端均与基底309的上表面保持接触。
其中，基底309的材料可采用但不限于一类IC工艺兼容的材料，如单晶硅，石英，玻璃，砷化镓等。基底309可采用单层材料，也可采用多层复合材料。嵌入基底的声学镜可以是空气腔301或布拉格反射层结构，其中空气腔301中可填充环氧树脂等材料。下电极302和上电极304可采用Cu、Mo、Au、W、Ti、Al、Pt、Ru、Os等其中一种的单层金属或其中多种的合金构成，也可以采用多层金属的复合结构。压电层303材料可以包括、但不限于以下之中的任意一种：氮化铝(AlN)、氧化锌(ZnO)、PZT或具有一定原子百分比的掺杂氮化铝(AlRN)，其中掺杂元素R为金属或非金属元素。例如掺杂元素R可以为钪(Sc)，掺杂氮化铝为AlScN。
在本实施例中，压电层303在有效压电区域306内的部分称为压电层主体部分，在有效压电区域306外的部分为压电层延伸端。类似的，上电极304在有效压电区域306内的部分为上电极主体部分，在有效压电区域306外的部分为上电极延伸端。此外，同样的规则适用于对下电极302，空气腔301和基底309的描述；同样的规则也适用于其他实施例的描述。
压电层303具备阶梯结构，由第一阶梯3031，第二阶梯3032和位于两阶梯之间的交界面3033构成，其中第一阶梯3031平面高于第二阶梯3032平面。
上电极304具有厚度H301。上电极304的延伸端构造为凸桥结构，以使得上电极304的延伸端与位于其下方的压电层303的交界面3033、第一阶梯3031的部分和第二阶梯3032的部分围成空气间隙305，即空气间隙305位于上电极304和压电层303之间。
空气间隙305具有靠近有效压电区域306的第一端3051，空气间隙305的由第一端3051起始的部分上表面为凹进的弧形上表面，即以R302为半径的部分圆弧，且以R302为半径的部分圆弧与经由第一端3051的水平平面相切。空气间隙305还具有与凹进的弧形上表面连接的凸起的弧形上表面，即以R301为半径的部分圆弧；空气间隙305还具有与凸起的弧形上表面连接的另一凹进的弧形上表面，即以R303为半径的部分圆弧，以R303为半径的部分圆弧延伸至空气间隙305远离有效压电区域306的第二端3052。
上电极304的主体部分完全落入压电层303的第一阶梯3031范围内。上电极304的延伸端与空气间隙305的上表面共形，因此上电极304的延伸端构造为由三段圆弧(分别以R302、R301、R303为半径的三段圆弧，其中R301大于等于10μm，小于等于10000μm；R302大于等于6μm，小于等于3200μm；R303大于等于4μm，小于等于2800μm)构成的凸桥结构。上电极304的凸桥结构的上表面高出其主体部分上表面距离H302，其中H302大于等于50nm，小于等于400nm。
此外，在本实施例中，空气间隙305的第一端3051与有效压电区域306的右侧边界重合，并与压电层303的第一阶梯3031的右侧端点保持距离D301。同时该第一端3051与梯形的空气腔301的下底边右侧端点保持距离D304。空气间隙305的第二端3052在落在压电层303的第二阶梯3032内，并与压电层303的第二阶梯3032的左侧端点保持距离D302。空气间隙305整体横向范围为D303，其中D303大于等于5μm，小于等于30μm。
图3B是本发明的第二实施例的体声波谐振器310。参考图3B，体声波谐振器310与第一实施例的体声波谐振器300的不同之处在于：梯形的下电极312的右端部，即下电极312靠近空气间隙315的端部，与基底319的上表面不接触。具体的，下电极312的梯形截面的下底边的右端点落在空气腔311梯形截面的上底边范围内，且与该上底边的右侧端点保持距离D311。通过这样的结构配置，可进一步减少下电极312与基底319的接触面积，从而有助于减少声波能量由下电极泄漏进基底。
图4A是本发明的第三实施例的体声波谐振器400。在本实施例中，上电极404的延伸端构造为凸桥结构，以使得上电极404的延伸端与其下方的压电层403的交界面4033和第二阶梯4032的部分围成空气间隙405。体声波谐振器400的空气间隙405的由第一端4051起始的至少部分上表面为凸起的弧形上表面，即以R402为半径的部分圆弧。空气间隙305还具有与凸起的弧形上表面连接的凹进的弧形上表面，即以R401为半径的部分圆弧。以R402为半径的部分圆弧与经由第一端4051的水平平面基本呈相切过度。其中，R401大于等于6μm，小于等于3200μm；R402大于等于10μm，小于等于10000μm；相应的，上电极204的凸桥结构的上表面与上电极204的主体部分上表面基本呈相切过度。
空气间隙405的第一端4051与有效压电区域406的右侧边界重合，并与压电层403的第一阶梯4031的右侧端点重合。同时该第一端4051与梯形空气腔401下底边右侧端点保持距离D401。空气间隙405的第二端4052落在压电层403的第二阶梯4032内，并与压电层403的第二阶梯4032的左侧端点保持距离D402。空气间隙405整体横向范围为D403，其中D403大于等于5μm，小于等于30μm。
图4B是本发明的第四实施例的体声波谐振器410。体声波谐振器410与第三实施例的体声波谐振器400的不同之处在于：梯形的下电极412的右端部，即下电极412靠近空气间隙415的端部，与基底419的上表面不接触。具体的，下电极412的梯形截面的下底边的右端点落在空气腔411梯形截面的上底边范围内，且与该上底边的右侧端点保持距离D411。通过这样的结构配置，可进一步减少下电极412与基底419的接触面积，从而有助于减少声波能量由下电极泄漏进基底。
图5A是本发明的第五实施例的体声波谐振器500。在本实施例中，压电层503的延伸端及其上方的上电极504的延伸端共形且均构造为凸桥结构，以使得压电层503的凸桥结构与其下方的部分下电极502和部分基本509围成空气间隙505，即空气间隙505位于压电层303和基底509之间。
空气间隙505的由第一端5051起始的上表面为凹进的弧形上表面，即以R502为半径的部分圆弧，且以R502为半径的部分圆弧与经由第一端5051的水平平面相切。空气间隙505还具有与凹进的弧形上表面连接的凸起的弧形上表面，即以R501为半径的部分圆弧；空气间隙505还具有与凸起的弧形上表面连接的另一凹进的弧形上表面，即以R503为半径的部分圆弧，以R503为半径的部分圆弧延伸至空气间隙505远离有效压电区域506的第二端5052。其中R501大于等于10μm，小于等于10000μm；R502大于等于6μm，小于等于3200μm；R503大于等于6μm，小于等于3200μm。
压电层503的凸桥结构的上表面高出压电层503的主体部分的上表面距离H502。上电极504具有厚度H501，上电极504的下表面与压电层503的上表面完全接触。其中H502大于等于50nm，小于等于400nm。
在本实施例中，空气间隙505的第一端5051与有效压电区域506的右侧边界重合，并与梯形的空气腔501下底边的右侧端点保持距离D501。空气间隙505的第二端5052在落在下电极502的梯形截面的下底边之外的基底上，并与该下底边右侧端点保持距离D502。空气间隙505整体横向范围为D503，其中D503大于等于5μm，小于等于30μm。
图5B是本发明的第六实施例的体声波谐振器510。体声波谐振器510与第五实施例的体声波谐振器500的不同之处在于：梯形的下电极512的右端部，即下电极512靠近空气间隙515的端部，与基底519的上表面不接触。具体的，下电极512的梯形截面的下底边的右端点落在空气腔511梯形截面的上底边范围内，且与该上底边的右侧端点保持距离D511。通过这样的结构配置，可进一步减少下电极512与基底519的接触面积，从而有助于减少声波能量由下电极泄漏进基底。
本发明图6A至图7B的体声波谐振器600的具有弧形上表面的空气间隙，相比于现有技术的多个尖角结构(即不平滑的拐点)的空气间隙，至少可以消除2个尖角结构，随着尖角数量的减少，应力集中点和电场场强大的点都相应减少，该结构可对更大频率带宽内的声波进行反射，同时被反射声波的频率连续性也更好，从而能够更为有效的抑制声波能量外泄，即更为有效的提高谐振器的Q值，因此具有重要的声学改进效果。以下将具体描述图6A-7B中对应的每个实施例。
图6A是本发明的第七实施例的体声波谐振器600。在本实施例中，压电层603的延伸端及其上方的上电极604的延伸端均构造为凸桥结构，以使得压电层603的凸桥结构与其下方的部分下电极602和部分基本609围成空气间隙605，即空气间隙605位于压电层303和基底609之间。
空气间隙605的由第一端6051起始的上表面为凸起的弧形上表面，即以R601为半径的部分圆弧，其中R601大于等于10μm，小于等于10000μm。且以R601为半径的部分圆弧延伸至空气间隙605远离有效压电区域606的第二端6052。其中，压电层603的凸桥结构的上表面与压电层603的主体部分的上表面基本呈相切过渡。压电层603的延伸端的厚度是递减的，从而压电层603的第二阶梯6032的上表面比水平延伸端6034的上表面高出距离H602。
上电极604具有厚度H601，上电极604的下表面与压电层603的上表面完全接触。空气间隙605的第一端6051与有效压电区域606的右侧边界重合，并与梯形的空气腔601下底边的右侧端点保持距离D601。空气间隙605的第二端6052在落在下电极602的梯形截面的下底边之外的基底上，并与该下底边右侧端点保持距离D602。空气间隙605整体横向范围为D603，其中D603大于等于5μm，小于等于30μm。
图6B是本发明的第八实施例的体声波谐振器610。体声波谐振器610与第七实施例的体声波谐振器600的不同之处在于：梯形的下电极612的右端部，即下电极612靠近空气间隙615的端部，与基底619的上表面不接触。具体的，下电极612的梯形截面的下底边的右端点落在空气腔611梯形截面的上底边范围内，且与该上底边的右侧端点保持距离D611。同时空气间隙615的第一端6151与下电极612的梯形截面上底边的右端点重合。通过这样的结构配置，可进一步减少下电极612与基底619的接触面积，从而有助于减少声波能量由下电极泄漏进基底。
图6C是本发明的第九实施例的体声波谐振器620。体声波谐振器620与第八实施例的体声波谐振器610的不同之处在于：下电极622的梯形截面的右侧腰为一竖直侧边。通过这样的结构配置，可进一步增加下电极622右端部附近空气腔的宽度，改善其声波反射性能。
图6D是本发明的第十实施例的体声波谐振器630。体声波谐振器630与第八实施例的体声波谐振器610的不同之处在于：下电极632的截面为斜梯形或平行四边形，换言之，下电极632的截面的右侧腰为向左侧倾斜，即右侧腰的顶端右侧腰的底端距离有效压电区域更远。并且，下电极632的截面的右侧腰所在的平面基本与压电层632的弧形上表面相切过渡。通过这样的结构配置，可有效降低下电极632上底边右端点处的应力，改善下电极与压电层在该端点处的接触稳定性。
图6E是本发明的第十一实施例的体声波谐振器640。体声波谐振器640与第十实施例的体声波谐振器630的不同之处在于：上电极644的延伸端构造为另一个凸桥结构，以使得该凸桥结构和位于其下方的压电层643的一部分围成空气间隙647，即在上电极644和压电层643之间形成一个空气间隙647。具体的，空气间隙647的由第一端6471起始的部分上表面为凹进的弧形上表面，即以R642为半径的部分圆弧，其中，R641大于等于10μm，小于等于10000μm，R642大于等于6μm，小于等于3200μm；空气间隙647还具有与凹进的弧形上表面连接的凸起的弧形上表面，即以R641为半径的部分圆弧，以R641为半径的部分圆弧延伸至空气间隙647的第二端6472。上电极644的延伸端与空气间隙647的上表面共形，从而上电极644的延伸部包含由两段圆弧构成的凸桥结构，凸桥上表面最高点比上电极主体部分的上表面高出距离H641，其中H641大于等于50nm，小于等于400nm。空气间隙647的整体横向范围为D644，其中D644大于等于5μm，小于等于30μm。空气间隙647的第一端6471与基底649上的空气腔641的梯形截面的上底边的右端点位于同一竖直直线上，空气间隙647的第二端6472与压电层643的圆弧上表面和水平延伸端上表面形成的交线重合。这样的结构配置，可对有效压电堆叠处向右侧泄漏的横模声波进行更为充分的反射。
图7A是本发明的第十二实施例的体声波谐振器700。其中，上电极704的延伸端构造为凸桥结构，以使得上电极704的延伸端与位于其下方的压电层703的交界面7033、第一阶梯7031的部分和第二阶梯7032的部分围成空气间隙705，即空气间隙705位于上电极704和压电层703之间。空气间隙705的由第一端7051起始的部分上表面为凸起的弧形上表面，即以R701为半径的部分圆弧，且以R701为半径的部分圆弧延伸至空气间隙705远离有效压电区域706的第二端7052。
上电极704的延伸端与空气间隙705的上表面共形，因此上电极704的延伸端构造为由一段圆弧(以R701为半径的一段圆弧，其中R701大于等于10μm，小于等于10000μm)构成的凸桥结构。上电极704的凸桥结构的上表面高出其主体部分上表面距离H702，其中H702大于等于50nm，小于等于400nm。
此外，在本实施例中，空气间隙705的第一端7051与有效压电区域706的右侧边界重合，并与压电层703的第一阶梯7031的右侧端点保持距离D701。同时该第一端7051与梯形的空气腔701的下底边右侧端点保持距离D704。空气间隙705的第二端7052在落在压电层703的第二阶梯7032内，并与压电层703的第二阶梯7032的左侧端点保持距离D702。空气间隙705整体横向范围为D703，其中D703大于等于5μm，小于等于30μm。
图7B是本发明的第十三实施例的体声波谐振器710。体声波谐振器710与第十二实施例的体声波谐振器700的不同之处在于：梯形的下电极712的右端部，即下电极712靠近空气间隙715的端部，与基底719的上表面不接触。具体的，下电极712的梯形截面的下底边的右端点落在空气腔711梯形截面的上底边范围内，且与该上底边的右侧端点保持距离D711。通过这样的结构配置，可进一步减少下电极712与基底719的接触面积，从而有助于减少声波能量由下电极泄漏进基底。
图8A是本发明的第十四实施例的体声波谐振器800。其中，上电极804的延伸端构造为凸桥结构，以使得上电极804的延伸端与位于其下方的压电层803的交界面8033、第一阶梯8031的部分和第二阶梯8032的部分围成空气间隙805，即空气间隙805位于上电极804和压电层803之间。
空气间隙805的由第一端8051起始的部分上表面为凹进的弧形上表面，即以R801为半径的部分圆弧，且以R801为半径的部分圆弧与经由第一端8051的水平平面相切。空气间隙805还具有与凹进的弧形上表面连接的平坦上表面；空气间隙805还具有与平坦上表面连接的另一凹进的弧形上表面，即以R802为半径的部分圆弧，以R802为半径的部分圆弧延伸至空气间隙805远离有效压电区域806的第二端8052。其中R801大于等于6μm，小于等于3200μm；R802大于等于4μm，小于等于2800μm。
上电极804的延伸端与空气间隙805的上表面共形，因此上电极804的延伸端构造为与空气间隙805的上表面结构相似的凸桥结构。上电极804的凸桥结构的上表面高出其主体部分上表面距离H802，其中H802大于等于50nm，小于等于400nm。
此外，在本实施例中，空气间隙805的第一端8051与有效压电区域806的右侧边界重合，并与压电层803的第一阶梯8031的右侧端点保持距离D801。同时该第一端8051与梯形的空气腔801的下底边右侧端点保持距离D804。空气间隙805的第二端8052在落在压电层803的第二阶梯8032内，并与压电层803的第二阶梯8032的左侧端点保持距离D802。空气间隙805整体横向范围为D803，其中D803大于等于5μm，小于等于30μm。
图8B是本发明的第十五实施例的体声波谐振器810。体声波谐振器810与第十四实施例的体声波谐振器800的不同之处在于：梯形的下电极812的右端部，即下电极812靠近空气间隙815的端部，与基底819的上表面不接触。具体的，下电极812的梯形截面的下底边的右端点落在空气腔811梯形截面的上底边范围内，且与该上底边的右侧端点保持距离D811。通过这样的结构配置，可进一步减少下电极812与基底819的接触面积，从而有助于减少声波能量由下电极泄漏进基底。
应当理解，第二至第十五实施例的体声波谐振器的其他方面与第一实施例的体声波谐振器300类似，此处不再赘述。
根据本发明的另一个方面，还提供了一种体声波谐振器的制造方法，包括以下步骤：
S102，在基底上形成声学镜；
S104，在基底和声学镜上沉积下电极；
S106，在下电极上沉积压电层，
S108，在压电层上方沉积上电极；
该制造方法还包括：
在沉积压电层之前，在下电极和基底上方形成图形化的第一牺牲层；和/或
在沉积上电极之前，在压电层上方形成图形化的第二牺牲层；以及
S110，刻蚀第一牺牲层和第二牺牲层以形成空气间隙；空气间隙覆盖下电极的靠近空气间隙的端部或者空气间隙与下电极的端部连接；
其中，空气间隙具有靠近有效压电区域的第一端，空气间隙的由第一端起始的至少部分上表面为弧形上表面，弧形上表面与经由第一端的水平平面相切。
在一个实施例中，在形成第一牺牲层之后，还包括：调整压电层和第一牺牲层的应力配比。
以下，对体声波谐振器的一个具体的工艺流程进行说明。该领域内具备常规技术的人员应当理解，本流程的意义在于示意说明，而不在于限制实际生产实施中所采用的具体工艺手段。
首先准备基底，根据具体需要可对商品的基底的上表面进行进一步清洁和抛光减薄，可采用的技术手段包括湿法或化学机械研磨(CMP)等。然后在基底上覆盖掩模层，该掩模层可以是光刻胶，也可以是其他介电材料如二氧化硅，氮化硅等。通过光刻和反应离子刻蚀等工艺，可获得图形化的掩模层。进一步通过反应离子刻蚀或湿法腐蚀，可在基底上表面获得满足深度要求的空气腔，通过控制反应刻蚀条件可获得满足要求的空气腔的梯形端面。进一步在基底上通过CVD手段沉积牺牲层材料，该层可采用二氧化硅等，然后通过CMP等手段将牺牲层平坦化并限制牺牲层的形状范围。根据需要，牺牲层上方可用与之前类似的方法附加其他介质功能层。
在基底上通过磁控溅射手段沉积金属层作为下电极，通过光刻和刻蚀手段进行图形化。其中下电极的厚度和端面形状可通过控制磁控溅射条件和反应刻蚀条件来实现。同时根据需要，可在下电极上继续形成并图形化第一牺牲层，该第一牺牲层用于后续形成凸桥下方的空气间隙。同时根据需要，可控制条件在第一牺牲层中形成适当的压应力。
在下电极上通过CVD沉积压电层，通过控制反应条件调整压电层和下部第一牺牲层的应力配比。同时根据需要在压电层上部制作额外的图形化第二牺牲层，并形成一定的压应力，该第二牺牲层用于后续形成凸桥下方的空气间隙。
在压电层上方通过磁控溅射沉积上电极，同时控制应力匹配。
通过气态化学反应环境或湿法化学环境，例如气态氢氟酸或配有缓冲剂的液态氢氟酸，刻蚀牺牲层材料，完成结构释放，从而形成基底空气腔和膜层间的空气间隙。
为了对该发明中的凸桥结构进行加固和保护，可在上电极的部分上表面附加一定厚度的钝化层，盖层可选材料可包含Au，Ag等稳定金属或二氧化硅，氮化硅等介电材料。
综上所述，本发明的各种形式的体声波谐振器，在第下电极的斜端面上都存在由空气间隙或介电层薄膜形成的隔离区域，他们位于至少由上电极和下电极的其中之一与压电层所构成的区域中，使得由生长特性较差的压电层形成的谐振激励部分将会最小程度地贡献到整个谐振器的电学响应中；同时围成该隔离区域的上下结构中至少一侧是由圆弧构成的，从而可以形成性质更为良好的声学反射结构。以上结构改进，一方面提高了谐振器对横模波能量侧向泄漏的抑制能力，提高了谐振器的Q值；另一方面，大幅度抑制了具有缺陷的材料的机电耦合运动，从而提高了系统的有效机电耦合系数K2 t,eff；此外，圆弧结构带来的平滑过渡优点大幅度抑制了压电层和上电极的应力积累并增强了系统抗静电放电(ESD)的能力。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (21)

1.一种体声波谐振器，其特征在于，包括：基底、设置在所述基底上方的下电极、设置在所述下电极上方的压电层、设置在所述压电层上方的上电极、以及设置在所述基底和所述下电极之间的声学镜；其中，所述上电极、所述压电层和所述下电极在厚度方向上相互的重叠区域形成有效压电区域，且在厚度方向上所述有效压电区域位于声学镜所在区域的内部；
所述体声波谐振器还包括：
位于所述有效压电区域外部的具有弧形上表面的空气间隙，所述空气间隙位于所述上电极与所述压电层之间和/或位于所述压电层与所述基底之间，并且所述空气间隙覆盖下电极的靠近所述空气间隙的端部或者所述空气间隙与下电极的所述端部连接；
其中，所述空气间隙具有靠近所述有效压电区域的第一端，所述弧形上表面为所述空气间隙的至少部分上表面，所述空气间隙的所述弧形上表面起始于与所述有效压电区域的边界相接的所述第一端。
2.根据权利要求1所述的体声波谐振器，其特征在于，由所述第一端起始的至少部分上表面与经由所述第一端的水平平面相切。
3.根据权利要求1所述的体声波谐振器，其特征在于，由所述第一端起始的部分上表面为凹进的弧形上表面。
4.根据权利要求3所述的体声波谐振器，其特征在于，所述空气间隙还具有与所述凹进的弧形上表面连接的凸起的弧形上表面。
5.根据权利要求3所述的体声波谐振器，其特征在于，所述空气间隙还具有与所述凹进的弧形上表面连接的平坦上表面。
6.根据权利要求1所述的体声波谐振器，其特征在于，由所述第一端起始的部分上表面为凸起的弧形上表面。
7.根据权利要求1所述的体声波谐振器，其特征在于，覆盖在空气间隙上方的位于有效压电区域外的部分上电极具有最高点，所述最高点高于位于有效压电区域内的部分上电极。
8.根据权利要求1所述的体声波谐振器，其特征在于，覆盖在空气间隙上方的位于有效压电区域外的部分上电极不高于位于有效压电区域内的部分上电极。
9.根据权利要求1所述的体声波谐振器，其特征在于，所述有效压电区域外的压电层的厚度在远离所述有效压电区域的方向上是递减的。
10.根据权利要求1所述的体声波谐振器，其特征在于，所述下电极覆盖所述声学镜，且所述下电极的所述端部与基底的上表面直接接触。
11.根据权利要求1所述的体声波谐振器，其特征在于，所述下电极覆盖部分声学镜，且所述下电极的靠近所述空气间隙的所述端部位于所述声学镜的上方。
12.根据权利要求1所述的体声波谐振器，其特征在于，其中，所述下电极的所述端部包括下电极的侧边，所述侧边是垂直侧边，所述空气间隙与所述垂直侧边的顶端连接。
13.根据权利要求1所述的体声波谐振器，其特征在于，其中，所述下电极的所述端部包括下电极的侧边，所述侧边是倾斜侧边，所述空气间隙与所述倾斜侧边的顶端连接。
14.根据权利要求13所述的体声波谐振器，其特征在于，其中，所述倾斜侧边的顶端比倾斜侧边的底端距离所述有效压电区域更远，由所述第一端起始的至少部分上表面与所述倾斜侧边所在的平面相切。
15.根据权利要求1所述的体声波谐振器，其特征在于，所述空气间隙的所述第一端与有效压电区域的边界重合。
16.根据权利要求1-15任一项所述的体声波谐振器，其特征在于，所述声学镜为嵌入所述基底的空气腔，且空气腔的上表面与基底的上表面齐平。
17.根据权利要求1-15任一项所述的体声波谐振器，其特征在于，所述空气间隙由介质填充；填充的介质材料包括二氧化硅、氮化硅、碳化硅、多孔硅、氟化非晶碳、氟聚合物、聚对二甲苯、聚芳醚、氢倍半硅氧烷、交联聚苯聚合物、双苯环丁烯、氟化二氧化硅、碳掺杂氧化物和金刚石中的一种或多种或是它们的组合。
18.根据权利要求1-15任一项所述的体声波谐振器，其特征在于，所述下电极的截面为第一梯形，第一梯形的上底边小于第一梯形的下底边；所述声学镜的截面为第二梯形，第二梯形的上底边大于第二梯形的下底边。
19.根据权利要求1-15任一项所述的体声波谐振器，其特征在于，所述压电层的材料包括以下的任意一种：氮化铝(AlN)、氧化锌(ZnO)、PZT或掺杂氮化铝(AlRN)，其中掺杂元素R为金属或非金属元素。
20.一种体声波谐振器的制造方法，其特征在于，包括：
在基底上形成声学镜；
在所述基底和所述声学镜上沉积下电极；
在所述下电极上沉积压电层，
在所述压电层上方沉积上电极；
所述制造方法还包括：
在沉积压电层之前，在所述下电极和所述基底上方形成图形化的第一牺牲层；和/或
在沉积上电极之前，在所述压电层上方形成图形化的第二牺牲层；以及
刻蚀所述第一牺牲层和所述第二牺牲层以形成具有弧形上表面的空气间隙；所述空气间隙覆盖下电极的靠近所述空气间隙的端部或者所述空气间隙与下电极的所述端部连接；
其中，所述空气间隙具有靠近有效压电区域的第一端，所述弧形上表面为所述空气间隙的至少部分上表面，所述空气间隙的所述弧形上表面起始于与所述有效压电 区域的边界相接的所述第一端，所述弧形上表面与经由所述第一端的水平平面相切。
21.根据权利要求20所述的体声波谐振器的制造方法，其特征在于，在形成第一牺牲层之后，还包括：调整所述压电层和所述第一牺牲层的应力配比。
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