CN111010127A - 一种薄膜体声波谐振器及其制备方法 - Google Patents

一种薄膜体声波谐振器及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种薄膜体声波谐振器及其制备方法，包括基底、空腔和压电堆叠结构；压电堆叠结构从下而上依次为底电极、压电材料层和顶电极；压电材料层由压电材料有效区域、压电材料外部区域、锚组成；压电材料有效区域小于空腔面积。压电材料有效区域边缘与空气接触，通过锚与压电材料外部区域连接。压电材料有效区域通过锚的支撑悬浮在空腔上方，谐振时在压电材料有效区域内部横向传播的声波在边缘被空气反射，另外谐振时只有锚束缚压电堆叠结构工作区域的振动，压电堆叠结构能够更加自由的振动，减小杂波影响的同时产生更强的电信号，从而提高薄膜体声波谐振器性能。

Description

一种薄膜体声波谐振器及其制备方法
技术领域
本发明涉及滤波器器件技术领域，尤其涉及一种薄膜体声波谐振器及其制备方法。
背景技术
无线通信技术的迅猛发展，尤其是5G通讯技术的应用使得通信协议越来越复杂，使用的频段越来越高，对射频器件提出了高度集成、低功耗、高性能的要求。在射频前端模块中，射频滤波器起着至关重要的作用，尤其是在高频通信中，基于薄膜体声波谐振器技术的滤波器因其优异的性能扮演着重要的角色。薄膜体声波谐振器具有高谐振频率、CMOS工艺兼容、高品质因子、低损耗、低温度系数和高的功率承载能力等特性，逐渐取代声表面波谐振器成为市场主流。
薄膜体声波谐振器可分为空气隙型、背刻蚀型以及固态装配型等类别，其理想的工作原理为在上下电极上施加射频电信号，利用压电材料的压电效应，产生纵向模式的振动，从而在上下电极和压电材料构成的三明治结构中产生纵向传播的声信号，声信号在三明治结构中振荡再通过压电效应转化为电信号输出，只有与压电材料谐振频率匹配的射频信号才能通过薄膜体声波谐振器的传输，从而实现滤波的功能。理想状态下谐振器中产生纵向振动，事实上由于制备的压电材料内部可能存在缺陷或者不是完全的C轴取向，谐振器在纵向振动的同时也产生横向振动，而横向振动会造成声波能量的损耗，同时带来杂波的影响，造成薄膜体声波谐振器的品质因子的下降。
现有减少横向振动带来杂波影响的技术方案为通过制备任何两边都不平行的电极，使得横向传播的声波在电极边缘被多次反射，减小横向传播声波带来的能量损失，同时横向传播的声波波长远离纵向传播的声波波长，可以减小杂波在谐振器频率波段的影响，从而提高薄膜体声波谐振器的品质因子。但是此方法只增加横向传播声波在电极上的反射，对于压电材料内部横向传播的声波影响不大，不能有效减小压电材料内部横向传播声波的影响。
发明内容
本发明的目的是提供一种薄膜体声波谐振器及其制备方法。
本发明提供的一种薄膜体声波谐振器，包括：基底、空腔和压电堆叠结构；
所述空腔位于所述基底上且位于所述压电堆叠结构下方；
所述压电堆叠结构从下而上依次为底电极、压电材料层和顶电极；
作为优选，在压电堆叠结构上设有释放孔用于释放牺牲层从而制备空腔。
作为优选，所述压电材料层由压电材料有效区域、压电材料外部区域、锚组成；
进一步的，所述压电材料有效区域的每一条边上都设有所述锚，且每一条边上所述锚的数量大于0，所述压电材料有效区域与所述压电材料外部区域通过每一条边上所述的锚相连；
所述压电材料有效区域小于所述空腔面积。
作为优选，所述底电极的形状、所述顶电极的形状、所述压电材料有效区域的形状均为任意相同多边形，且所述底电极的形状、所述顶电极的形状、所述压电材料有效区域的形状空间上相互平行，且所述底电极的形状、所述顶电极的形状、所述压电材料有效区域的形状的对应定点在一条直线上；
进一步的，所述底电极的形状、所述顶电极的形状、所述压电材料有效区域的形状优选为五边形；
本发明提供的薄膜体声波谐振器的制备方法，包括步骤：
S1，在基底上刻蚀空腔；
S2，在基底上沉积牺牲层；
S3，刨除多余的牺牲层，使得保留的牺牲层刚好填满空腔；
S4，在基底和牺牲层上面沉积底电极；
S5，刻蚀多余的底电极，形成需要的底电极的形状；
S6，通过步骤S5在底电极的上方沉积压电材料；
S7，在压电材料层上方沉积顶电极；
S8，刻蚀多余的顶电极，形成需要的顶电极的形状；
S9，刻蚀压电材料，形成压电材料有效区域、压电材料外部区域和锚；
S10，在压电堆叠结构上刻蚀释放孔；
S11，通过腐蚀液或者腐蚀气体释放空腔，形成薄膜体声波谐振器。
本发明提出的薄膜体声波谐振器，通过刻蚀压电材料使压电材料由压电材料有效区域、压电材料外部区域和锚组成。压电材料有效区域边缘与空气接触，通过锚与压电材料外部区域连接。压电材料有效区域通过锚的支撑悬浮在空腔上方，谐振时在压电材料有效区域内部横向传播的声波在边缘被空气反射，另外谐振时只有锚束缚压电堆叠结构工作区域的振动，压电堆叠结构能够更加自由的振动，减小杂波影响的同时产生更强的电信号，从而提高薄膜体声波谐振器性能。
附图说明
图1为本发明薄膜体声波谐振器的一种较佳实施例示意图。
图2为图1所示本发明较佳实施例的制备步骤1流程图。
图3为图1所示本发明较佳实施例的制备步骤2流程图。
图4为图1所示本发明较佳实施例的制备步骤3流程图。
图5为图1所示本发明较佳实施例的制备步骤4流程图。
图6为图1所示本发明较佳实施例的制备步骤5流程图。
图7为图1所示本发明较佳实施例的制备步骤6流程图。
图8为图1所示本发明较佳实施例的制备步骤7流程图。
图9为图1所示本发明较佳实施例的制备步骤8流程图。
图10为图1所示本发明较佳实施例的制备步骤9流程图。
图11为图1所示本发明较佳实施例的制备步骤10流程图。
图12为图1所示本发明较佳实施例的制备步骤11流程图。
附图中各部件的标记如下：
1-基底，2-空腔，3-牺牲层，4-底电极，5-压电材料层，51-压电材料外部区域，52-压电材料有效区域，53-锚，6-顶电极，7-释放孔，53-1-第一锚，53-2-第二锚，53-3-第三锚，53-4-第四锚，53-5-第五锚。
具体实施方式
为了更清楚地说明本发明和/或现有技术中的技术方案，下面将对照附图说明本发明实施例。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的部分实施例，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，并获得其他的实施方式。
图1为本发明薄膜体声波谐振器的一种较佳实施例，所示薄膜体声波谐振器包括基底1、空腔2和压电堆叠结构。空腔2位于基底1上且位于压电堆叠结构下方。压电堆叠结构从下而上依次为底电极4、压电材料层5和顶电极6且底电极4和顶电极6的形状都为五边形。
压电材料层5包括：压电材料外部区域51、压电材料有效区域52和锚53；
压电材料有效区域52刻蚀为五边形；压电材料有效区域52的每条边上都留有一根锚53，除留有锚53外的边缘与空气接触；
压电材料外部区域51和压电材料有效区域52通过锚53相连，压电材料有效区域52通过锚53的支撑悬浮于空腔2上方且压电材料有效区域52面积小于空腔2面积。
在压电堆叠结构上设有释放孔7以通过腐蚀液或腐蚀气体释放空腔2。
图2～12示出了图1所示较佳实施例的工艺步骤，其中AA’方向均代表纵向剖视方向。准备制备薄膜体声波谐振器所需的基底1，用于实施本发明的具体实施方案，具体如下：
S1，如图2所示，图(a)为纵向剖视图，图(b)为俯视图，在基底1上刻蚀空腔2；
S2，如图3所示，图(a)为纵向剖视图，图(b)为俯视图，在刻蚀空腔2的基底1上沉积牺牲层3；
S3，如图4所示，图(a)为纵向剖视图，图(b)为俯视图，刨除多余的牺牲层3，使得保留的牺牲层3刚好填满空腔2；
S4，如图5所示，图(a)为纵向剖视图，图(b)为俯视图，在基底1和牺牲层3上面沉积底电极4；
S5，如图6所示，图(a)为纵向剖视图，图(b)为俯视图，刻蚀多余的底电极4，形成需要的底电极4形状；
S6，如图7所示，图(a)为纵向剖视图，图(b)为俯视图，在步骤160得到的结构上方沉积压电材料层5；
S7，如图8所示，图(a)为纵向剖视图，图(b)为俯视图，在压电材料层5上方沉积顶电极6；
S8，如图9所示，图(a)为纵向剖视图，图(b)为俯视图，刻蚀多余的顶电极6，形成需要的顶电极6形状；
S9，如图10所示，图(a)为纵向剖视图，图(b)为俯视图，刻蚀压电材料层5，形成压电材料有效区域52、压电材料外部区域51和锚53形状；
S10，如图11所示，图(a)为纵向剖视图，图(b)为俯视图，在压电堆叠结构上刻蚀释放孔7；
S11，如图12所示，图(a)为纵向剖视图，图(b)为俯视图，通过腐蚀液或者腐蚀气体释放空腔2，形成薄膜体声波谐振器。
应当理解的是，本说明书未详细阐述的部分均属于现有技术。
应当理解的是，上述针对较佳实施例的描述较为详细，并不能因此而认为是对本发明专利保护范围的限制，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明权利要求所保护的范围情况下，还可以做出替换或变形，均落入本发明的保护范围之内，本发明的请求保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (4)

1.一种薄膜体声波谐振器，其特征在于，包括：基底、空腔和压电堆叠结构；
所述空腔位于所述基底上且位于所述压电堆叠结构下方；
所述压电堆叠结构从下而上依次为底电极、压电材料层和顶电极；
所述压电堆叠结构上设有释放孔用于释放牺牲层从而制备空腔；
所述压电材料层由压电材料有效区域、压电材料外部区域、锚组成；
所述压电材料有效区域的每一条边上都设有所述锚，且每一条边上所述锚的数量大于0，所述压电材料有效区域与所述压电材料外部区域通过每一条边上所述的锚相连；
所述压电材料有效区域小于所述空腔面积；
压电材料有效区域通过锚的支撑悬浮在空腔上方。
2.根据权利要求1所述的薄膜体声波谐振器，其特征在于：
所述底电极的形状、所述顶电极的形状、所述压电材料有效区域的形状均为任意相同多边形，且所述底电极的形状、所述顶电极的形状、所述压电材料有效区域的形状空间上相互平行，且所述底电极的形状、所述顶电极的形状、所述压电材料有效区域的形状的对应定点在一条直线上。
3.根据权利要求1所述的薄膜体声波谐振器，其特征在于：
所述底电极的形状、所述顶电极的形状、所述压电材料有效区域的形状优选为五边形。
4.一种运用于权利要求1所述的薄膜体声波谐振器进行薄膜体声波谐振器的制备方法，其特征在于，包括步骤：
S1，在基底上刻蚀空腔；
S2，在基底上沉积牺牲层；
S3，刨除多余的牺牲层，使得保留的牺牲层刚好填满空腔；
S4，在基底和牺牲层上面沉积底电极；
S5，刻蚀多余的底电极，形成需要的底电极的形状；
S6，通过步骤S5在底电极的上方沉积压电材料；
S7，在压电材料层上方沉积顶电极；
S8，刻蚀多余的顶电极，形成需要的顶电极的形状；
S9，刻蚀压电材料，形成压电材料有效区域、压电材料外部区域和锚；
S10，在压电堆叠结构上刻蚀释放孔；
S11，通过腐蚀液或者腐蚀气体释放空腔，形成薄膜体声波谐振器。
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