CN111262540A - 体声波谐振器及其制造方法、滤波器及电子设备 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种体声波谐振器，包括：基底；声学镜；底电极；顶电极；压电层，设置在底电极与顶电极之间，其中：所述谐振器还包括设置在压电层的顶面的下方与基底的顶面之间的至少一个下凸起结构，所述至少一个下凸起结构包括第一凸起结构；顶电极具有桥翼结构，且桥翼结构下侧设置有第二凸起结构，第二凸起结构的外侧与压电层顶面之间具有间隙，且第二凸起结构的内侧延伸到压电层的顶面；在谐振器的厚度方向上的投影中，第一凸起结构与第二凸起结构之间在谐振器的有效区域内存在重合部分。本发明还公开了一种具有该谐振器的滤波器及具有该滤波器或谐振器的电子设备。
Description
技术领域
本发明涉及半导体领域，尤其涉及一种体声波谐振器及其制造方法、一种滤波器，以及一种具有该谐振器或该滤波器的电子设备。
背景技术
近年来随着无线通讯技术领域的高速发展，滤波器在射频前端领域得到了广泛的应用。其中，薄膜体声波谐振器作为体声波射频滤波器的基本组成单元，与声表面波射频滤波器相比，由于具备较小的尺寸、较高的机电耦合系数和Q 值(品质因子)，在射频前端领域，尤其是高频GHz频段上，展现出更大的发展前景。谐振器的Q值越大，声波能量损失越小，以此制备的薄膜体声波滤波器的插入损耗越小，滚降越快。因此薄膜体声波谐振器的Q值成为体声波滤波器器件性能好坏的关键因素。提升谐振器的Q值，有望实现更高性能的射频滤波器，使得体声波滤波器在无线通信领域展现出更大的优势。
如图1所示，传统薄膜体声波谐振器会在有效区域的边缘设置凸起结构100，该声反射层可增加谐振器对声波的反射能力，有提高Q值的作用。在图1中，附图标记如下：10：基底，30：声学镜，50：第一种子层；60：底电极，110：压电层，70：空隙，80：顶电极，90：钝化层，100：凸起结构。
为进一步降低滤波器的插入损耗，提高滚降特性，有必要进一步提高谐振器的Q值。
发明内容
为缓解或解决现有技术中的上述问题的至少一个方面，提出本发明。
根据本发明的实施例的一个方面，提出了一种体声波谐振器，包括：
基底；
声学镜；
底电极；
顶电极；
压电层，设置在底电极与顶电极之间，
其中：
所述谐振器还包括设置在压电层的顶面的下方与基底的顶面之间的至少一个下凸起结构，所述至少一个下凸起结构包括第一凸起结构；
顶电极具有桥翼结构，且桥翼结构下侧设置有第二凸起结构，第二凸起结构的外侧与压电层顶面之间具有间隙，且第二凸起结构的内侧延伸到压电层的顶面；
在谐振器的厚度方向上的投影中，第一凸起结构与第二凸起结构之间在谐振器的有效区域内存在重合部分。
本发明的实施例还涉及一种体声波谐振器的制造方法，所述谐振器包括基底；声学镜；底电极；顶电极；压电层，设置在底电极与顶电极之间，所述方法包括步骤：
在压电层的顶面的下方与基底的顶面之间设置第一凸起结构；
在顶电极形成桥翼结构，所述桥翼结构的下侧设置有第二凸起结构，第二凸起结构的外侧与压电层的顶面之间存在间隙，且第二凸起结构的内侧延伸到压电层的顶面，
其中：
在谐振器的厚度方向上的投影中，第二凸起结构与第一凸起结构之间在谐振器的有效区域内存在重合部分。
本发明的实施例还涉及一种滤波器，包括上述的体声波谐振器。
本发明的实施例也涉及一种电子设备，包括上述的滤波器或者上述的谐振器。
附图说明
以下描述与附图可以更好地帮助理解本发明所公布的各种实施例中的这些和其他特点、优点，图中相同的附图标记始终表示相同的部件，其中：
图1为现有技术中的体声波谐振器的示意性截面图；
图2为根据本发明的一个示例性实施例的体声波谐振器的示意性截面图；
图2A为图2中的局部放大示意图，其中示出了第一凸起结构和第二凸起结构；
图3A-图3G为示出根据本发明的一个示例性实施例的体声波谐振器的制作过程的示意性截面图；和
图4-10为根据本发明的不同示例性实施例的体声波谐振器的示意性截面图。
具体实施方式
下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。在说明书中，相同或相似的附图标号指示相同或相似的部件。下述参照附图对本发明实施方式的说明旨在对本发明的总体发明构思进行解释，而不应当理解为对本发明的一种限制。
图2为根据本发明的一个示例性实施例的体声波谐振器的示意性截面图，图2A为图2中的局部放大示意图，其中示出了第一凸起结构和第二凸起结构。
在图2与图2A中，附图标记如下：
10：基底，可选材料为碳化硅、单晶硅、砷化镓、蓝宝石、石英等。
20：第一凸起结构，可为空腔，也可采用钼、钌、金、铝、镁、钨、铜，钛、锇、铬或以上金属的复合或其合金，或者介质材料，如二氧化硅、氮化硅等。实施例说明中采用金属钼。
30：声学镜：可为空腔，也可采用布拉格反射层及其他等效形式。本发明的示例中采用空腔。
40：第一种子层，可选氮化铝，氧化锌，PZT等材料并包含上述材料的一定原子比的稀土元素掺杂材料。图2中，第一种子层位于第一凸起结构20的下部。
50：第二种子层，可选氮化铝，氧化锌，PZT等材料并包含上述材料的一定原子比的稀土元素掺杂材料。图2中，第二种子层50位于底电极60的下部。
60：底电极，材料可选钼、钌、金、铝、镁、钨、铜，钛、铱、锇、铬或以上金属的复合或其合金等。
70：空气牺牲层或空气层：空气牺牲层的材料可为二氧化硅。
80：顶电极，材料可选钼、钌、金、铝、镁、钨、铜，钛、铱、锇、铬或以上金属的复合或其合金等。
90：保护层：可选氮化铝、氮化硅、氧化硅等材料并包含上述材料的一定原子比的稀土元素掺杂材料；或者钼、钌、金、铝、镁、钨、铜，钛、铱、锇、铬或以上金属的复合或其合金等。
100：第二凸起结构：可采用钼、钌、金、铝、镁、钨、铜，钛、锇、铬或以上金属的复合或其合金，或者介质材料，如二氧化硅、氮化硅等。在本发明的示例中采用金属钼。
110：压电层，可选氮化铝，氧化锌，PZT等材料并包含上述材料的一定原子比的稀土元素掺杂材料。
如图2所示，顶电极的非引脚端设置有悬翼结构，第二凸起结构100设置在该悬翼结构下侧(参见图2的左侧)，顶电极的引脚端设置有桥结构，第二凸起结构100设置在该桥结构的下侧(参见图2的右侧)。需要指出的是，在本发明中，桥翼结构包括设置在顶电极的非引脚端的悬翼结构和/或设置在顶电极的引脚端的桥结构。
下面参照图2A对第一凸起结构20及第二凸起结构100的位置关系进行说明。定义d1为第二凸起结构100第一末端(内侧)相对于第一凸起结构20第一末端(内侧)的距离，其范围是0.2-10um；定义d2为第一凸起结构20第一末端(内侧)距离空气牺牲层70的第一末端(内侧)的距离，其范围是0.2-10um。
在本发明中，内侧表示在谐振器的横向方向上靠近谐振器的中心的一侧，而外侧表示在谐振器的横向方向上远离谐振器的中心的一侧；朝向内侧或向内的方向即朝向谐振器的中心的方向上，朝向外侧或向外的方向即远离谐振器的中心的方向。
下面对第一凸起结构20及第二凸起结构100的厚度关系进行说明。定义第一凸起结构20的厚度为h1，h1的范围
进一步的，
由于第一凸起结构上方存在压电层，而压电层的晶向受其下方电极表面平整度影响较大，而压电层的晶向又会影响谐振器的机电耦合系数，当第一凸起结构的高度过大时，会导致压电层晶向在凸起结构的边缘(尤其是内侧边缘)产生较大变化，严重时会导致压电薄膜裂开造成器件损坏。因此，第一凸起结构的厚度不宜过大，h1较薄可以减少对上层压电层生长质量的影响，可以有效提高第一凸起结构横向尺寸的控制精度。定义第二凸起结构100的厚度为h2，考虑到在第二凸起结构在压电层上方，其厚度可以较大，从而在横向方向上产生一个较大的阻抗失配界面，同时，由于第二凸起结构的外侧延伸有桥翼结构，桥翼结构可以有效将第二凸起结构中传播的非对称模式反射回谐振腔，从而进一步提高谐振器Q值。因此，在本发明的一个进一步的实施例中，h2大于h1。
图3A-图3G为示出根据本发明的一个示例性实施例的体声波谐振器的制作过程的示意性截面图。下面参照图3A-3G示例性说明图2中所示的体声波谐振器的制作过程。
首先，如图3A所示，在基底10上沉积和图形化形成声学镜30的牺牲材料。
其次，如图3B所示，沉积第一种子层40以及在种子层40上沉积和图形化第一凸起结构20.
再次，如图3C所示，分别沉积和图形化第二种子层50和底电极60，第一凸起结构20位于第一种子层40与第二种子层50之间。
然后，如图3D所示，在底电极上沉积压电层110，以及在压电层110上设置空气牺牲层70。
之后，如图3E所示，制作第一凸起结构100，第一凸起结构100覆盖空气牺牲层70。
再之后，如图3F所示，沉积和图形化顶电极80以及沉积和图形化保护层或钝化层90。
最后，如图3G所示，释放声学镜材料以及空气牺牲层70从而形成声学镜空腔30和空气层70。
在图2所示的示例中，第一凸起结构设置在底电极与基底之间，但是本发明不限于此，第一凸起结构可以设置在压电层的顶面的下方与基底的顶面之间。此外，在本发明中，在谐振器的厚度方向上的投影中，第一凸起结构与第二凸起结构之间存在重合部分，且重合部分位于谐振器的有效区域内。
在本发明中，谐振器的有效区域表示顶电极、压电层、底电极和声学镜在谐振器的厚度方向上的投影中的重叠区域。例如，在图2中，有效区域表示为在空气层70的内侧之间的重叠区域。在本发明中，通过设置第二凸起结构，可以在谐振器边缘增加对横向兰姆波的反射界面，实现两层声学反射界面，从而可以进一步提高谐振器的Q值。体声波谐振器中的兰姆波沿横向方向传播的波速是由谐振器的层叠组成决定的，当引入一个凸起结构时，在该凸起结构垂直方向的层叠结构中相同类型的兰姆波在特定频率下的波速发生变化，从而导致界面两侧的声阻抗发生变化(声阻抗等于声速乘以密度)，从声波入射和反射的角度而言，必然会有一部分能量反射回谐振器内，而另一部分能量继续传播出谐振器，而声波垂直入射界面时，其反射强度与声阻抗差异正相关。另一方面，从波动的角度来说，当两个反射界面间距离为基数倍的半波长时，则能够产生驻波增强，从而最大限度的反射能量。通过增加第二凸起结构，能够新增加一种层叠结构，从而有效增加了一个兰姆波反射界面，进而提高谐振器Q值。
图4-10为根据本发明的不同示例性实施例的体声波谐振器的示意性截面图。
图4与图2的结构不同在于，在图4中取消了第二种子层50。
图5所示的实施例与图2所示的实施例类似，不同之处在于，第一凸起结构20的第一末端(内侧)相对于第二突起结构100的第一末端(内侧)更靠近谐振器的中心，二者之间的距离为d1。通过改变第一凸起结构20和第二凸起结构100的相对位置和尺寸，同样可以实现两层声学反射界面。图5所示的变化例提供另外一种两层反射界面的实现方式。
图6所示实施例与图2所示实施例类似，不同之处在于：相对于图2所示的结构，在图6中调整第一凸起结构20在谐振器厚度方向上的相对位置，具体的，调整第一凸起结构20和第一层种子层40生长在底电极60之上。
图7所示实施例与图6所示的实施例相似，不同在于，在图6中，第一种子层40与第一凸起结构20共形，而在图7中，第一种子层40覆盖整个底电极以及覆盖了基底，这可以简化工艺流程。
图8所示实施例与图2所示实施例相似，不同在于，在图8中，省略了第一种子层40，这简化了工艺，减少了膜层。图8所示的实施例中，通过直接在底电极上蚀刻出凸起的方式，形成第一凸起结构20。
图9所示实施例与图2所示实施例相似，不同在于，在图9中，第一凸起结构20位于压电层中。
图10所示实施例与图2所示实施例相似，不同在于，在图10中，除了第一凸起结构20和第二凸起结构100外，还在压电层中间增加了第三凸起结构300。第三凸起结构的第一末端(内侧)位于谐振器的有效区域内，第二末端可位于空气牺牲层70的第一末端处或进一步向外延伸出底电极的第二末端(外侧)。在三层凸起结构中，凸起结构彼此隔离，凸起结构的第一末端不完全重叠，且在谐振器的厚度方向上的投影中，第二凸起结构、第一凸起结构和第三凸起结构的投影中在谐振器的有效区域内存在重合部分，这样可以形成两个或多个声学反射界面，以达到提高谐振器Q值的目的。
在本发明中，提到的数值范围除了可以为端点值之外，还可以为端点值之间的中值或者其他值，均在本发明的保护范围之内。
在本发明中，上侧或上在表示方向时，表示在谐振器的厚度方向上，从谐振器的底面朝向谐振器的顶面的方向，而下侧或下在表示方向时，表示在谐振器的厚度方向上，从谐振器的顶面朝向谐振器的底面的方向。
如本领域技术人员能够理解的，根据本发明的体声波谐振器可以用于形成滤波器。
基于以上，本发明提出了如下技术方案：
1、一种体声波谐振器，包括：
基底；
声学镜；
底电极；
顶电极；
压电层，设置在底电极与顶电极之间，
其中：
所述谐振器还包括设置在压电层的顶面的下方与基底的顶面之间的至少一个下凸起结构，所述至少一个下凸起结构包括第一凸起结构；
顶电极具有桥翼结构，且桥翼结构下侧设置有第二凸起结构，第二凸起结构的外侧与压电层顶面之间具有间隙，且第二凸起结构的内侧延伸到压电层的顶面；
在谐振器的厚度方向上的投影中，第一凸起结构与第二凸起结构之间在谐振器的有效区域内存在重合部分。
2、根据1所述的谐振器，其中：
所述第一凸起结构的厚度小于所述第二凸起结构的厚度。
3、根据1所述的谐振器，其中：
所述第一凸起结构的厚度在
的范围内。
4、根据3所述的谐振器，其中：
所述第一凸起结构的厚度在
的范围内。
5、根据1所述的谐振器，其中：
第二凸起结构的材料选自钼、钌、金、铝、镁、钨、铜，钛、锇、铬或以上金属的复合或其合金，或者不导电固态介质材料；和/或
第一凸起结构的材料选自钼、钌、金、铝、镁、钨、铜，钛、锇、铬或以上金属的复合或其合金，或者空气或者不导电固态介质材料。
6、根据1-5中任一项所述的谐振器，其中：
所述第二凸起结构的内侧与所述第一凸起结构的内侧在谐振器的横向方向上彼此错开一个距离d1；和/或
所述第一凸起结构的内侧与所述第二凸起结构下方的间隙的内侧在谐振器的横向方向上彼此错开一个距离d2。
7、根据6所述的谐振器，其中：
距离d1在0.2-10μm的范围内；和/或
距离d2在0.2-10μm的范围内。
8、根据1-7中任一项所述的谐振器，其中：
所述第一凸起结构位于底电极与基底之间；或
所述第一凸起结构位于底电极与压电层之间；或
所述第一凸起结构位于压电层中。
9、根据8所述的谐振器，其中：
所述第一凸起结构的上侧设置有种子层，或者下侧设置有种子层，或者上侧和下侧设置有种子层。
10、根据1-7中任一项所述的谐振器，其中：
所述第一凸起结构位于底电极上侧且构成底电极的一部分。
11、根据1-10中任一项所述的谐振器，其中：
所述至少一个下凸起结构还包括第三凸起结构，所述第三凸起结构与所述第一凸起结构在谐振器的厚度方向上彼此间隔开，且在谐振器的厚度方向上的投影中，第二凸起结构、第一凸起结构和第三凸起结构的投影中在谐振器的有效区域内存在重合部分。
12、根据11所述的谐振器，其中：
所述第二凸起结构的起点、所述第一凸起结构的起点、所述第三凸起结构的起点和所述第二凸起结构下方的间隙的起点中的至少两个起点在谐振器的厚度方向上不重合。
13、一种体声波谐振器的制造方法，所述谐振器包括基底；声学镜；底电极；顶电极；压电层，设置在底电极与顶电极之间，所述方法包括步骤：
在压电层的顶面的下方与基底的顶面之间设置第一凸起结构；
在顶电极形成桥翼结构，所述桥翼结构的下侧设置有第二凸起结构，第二凸起结构的外侧与压电层的顶面之间存在间隙，且第二凸起结构的内侧延伸到压电层的顶面，
其中：
在谐振器的厚度方向上的投影中，第二凸起结构与第一凸起结构之间在谐振器的有效区域内存在重合部分。
14、一种滤波器，包括根据1-12中任一项所述的体声波谐振器。
15、一种电子设备，包括根据14所述的滤波器或者根据1-12中任一项所述的体声波谐振器。
这里的电子设备，包括但不限于射频前端、滤波放大模块等中间产品，以及手机、WIFI、无人机等终端产品。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行变化，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
Claims (15)
1.一种体声波谐振器，包括：
基底；
声学镜；
底电极；
顶电极；
压电层，设置在底电极与顶电极之间，
其中：
所述谐振器还包括设置在压电层的顶面的下方与基底的顶面之间的至少一个下凸起结构，所述至少一个下凸起结构包括第一凸起结构；
顶电极具有桥翼结构，且桥翼结构下侧设置有第二凸起结构，第二凸起结构的外侧与压电层顶面之间具有间隙，且第二凸起结构的内侧延伸到压电层的顶面；
在谐振器的厚度方向上的投影中，第一凸起结构与第二凸起结构之间在谐振器的有效区域内存在重合部分。
2.根据权利要求1所述的谐振器，其中：
所述第一凸起结构的厚度小于所述第二凸起结构的厚度。
3.根据权利要求1所述的谐振器，其中：
所述第一凸起结构的厚度在
的范围内。
4.根据权利要求3所述的谐振器，其中：
所述第一凸起结构的厚度在
的范围内。
5.根据权利要求1所述的谐振器，其中：
第二凸起结构的材料选自钼、钌、金、铝、镁、钨、铜，钛、锇、铬或以上金属的复合或其合金，或者不导电固态介质材料；和/或
第一凸起结构的材料选自钼、钌、金、铝、镁、钨、铜，钛、锇、铬或以上金属的复合或其合金，或者空气或者不导电固态介质材料。
6.根据权利要求1-5中任一项所述的谐振器，其中：
所述第二凸起结构的内侧与所述第一凸起结构的内侧在谐振器的横向方向上彼此错开一个距离d1；和/或
所述第一凸起结构的内侧与所述第二凸起结构下方的间隙的内侧在谐振器的横向方向上彼此错开一个距离d2。
7.根据权利要求6所述的谐振器，其中：
距离d1在0.2-10μm的范围内；和/或
距离d2在0.2-10μm的范围内。
8.根据权利要求1-7中任一项所述的谐振器，其中：
所述第一凸起结构位于底电极与基底之间；或
所述第一凸起结构位于底电极与压电层之间；或
所述第一凸起结构位于压电层中。
9.根据权利要求8所述的谐振器，其中：
所述第一凸起结构的上侧设置有种子层，或者下侧设置有种子层，或者上侧和下侧设置有种子层。
10.根据权利要求1-7中任一项所述的谐振器，其中：
所述第一凸起结构位于底电极上侧且构成底电极的一部分。
11.根据权利要求1-10中任一项所述的谐振器，其中：
所述至少一个下凸起结构还包括第三凸起结构，所述第三凸起结构与所述第一凸起结构在谐振器的厚度方向上彼此间隔开，且在谐振器的厚度方向上的投影中，第二凸起结构、第一凸起结构和第三凸起结构的投影中在谐振器的有效区域内存在重合部分。
12.根据权利要求11所述的谐振器，其中：
所述第二凸起结构的起点、所述第一凸起结构的起点、所述第三凸起结构的起点和所述第二凸起结构下方的间隙的起点中的至少两个起点在谐振器的厚度方向上不重合。
13.一种体声波谐振器的制造方法，所述谐振器包括基底；声学镜；底电极；顶电极；压电层，设置在底电极与顶电极之间，所述方法包括步骤：
在压电层的顶面的下方与基底的顶面之间设置第一凸起结构；
在顶电极形成桥翼结构，所述桥翼结构的下侧设置有第二凸起结构，第二凸起结构的外侧与压电层的顶面之间存在间隙，且第二凸起结构的内侧延伸到压电层的顶面，
其中：
在谐振器的厚度方向上的投影中，第二凸起结构与第一凸起结构之间在谐振器的有效区域内存在重合部分。
14.一种滤波器，包括根据权利要求1-12中任一项所述的体声波谐振器。
15.一种电子设备，包括根据权利要求14所述的滤波器或者根据权利要求1-12中任一项所述的体声波谐振器。
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