CN111262541B - 体声波谐振器及其封装方法、滤波器、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：顶电极；压电层；底电极；声学镜；以及密封层，其中：所述顶电极包括第一顶电极和第二顶电极，所述第一顶电极贴附于所述压电层，在谐振器的厚度方向上间隙层形成在第一顶电极与第二顶电极之间；所述密封层至少覆盖所述谐振器的有效区域的上侧以构成谐振器的封装层。本发明还公开了一种上述体声波谐振器的封装方法以及一种滤波器和电子设备。

Description

体声波谐振器及其封装方法、滤波器、电子设备
技术领域
本发明的实施例涉及半导体领域，尤其涉及一种体声波谐振器、一种具有该谐振器的滤波器，以及一种具有该谐振器或者该滤波器的电子设备，一种体声波谐振器的封装方法。
背景技术
体声波谐振器广泛应用于现代通讯领域的各类电子元器件中，如滤波器，双工器等等。为了保护例如FBAR(film bulk acoustic resonator，薄膜体声波谐振器)产品使其隔绝外部环境(如颗粒和水汽)的影响，需要对FBAR产品进行晶圆级封装。图9示出了已有设计中对单颗产品的晶圆级封装的剖面示意图，其中附图标记表示如下：201：产品片基底；202：封装晶圆(Cap wafer)，用于保护器件(205)；203：密封圈结构；204：器件信号引出的焊盘(pad)；205：器件，例如滤波器有效区域；206：谐振器与焊盘之间的金属连接；207：金属导通的通孔(Via)；208：引脚。
在图9中，因为晶圆级封装需要在FBAR产品有效区域以外额外增加密封圈结构203，所以产品的尺寸会因此大幅增大。这对于半导体器件的小型化是不利的。
此外，该类半导体器件对其中每个体波谐振器的工作频率通常有严格甚至苛刻的要求。而在设计尺寸完全相同的情况下，一片晶圆上实际加工出来的谐振器很难保证其谐振频率达到指标工作频率，片内的每两个谐振器的电极/压电层厚度、电极压电层的大小和形状均会存在一定范围内的差异。由所述事实可知，由前期MEMS工序初步得到的体波谐振器通常会有一部分频率会落到指标允许范围之外。如果简单地抛弃这部分谐振器，则会导致降低产能，变相提高成本。因此通常采取一定的工艺方法，对不符合频率要求的谐振器进行修整，使修整后的频率落入指标要求范围。
对于频率低于指标要求的传统结构谐振器(电极无空气间隙)，目前常用的频率修整方法是使用离子束轰击顶电极或位于顶电极上表面其它的工艺层，来去除一部分电极或工艺层材料，去除材料后由于谐振器的质量负载变小，其谐振频率会升高，从而达到频率修整的效果。
但是，所述传统修频方法并不普遍适用于某些谐振器结构。
发明内容
针对顶电极含有空气间隙的体波谐振器，本发明提出一种封装方案。
根据本发明的实施例的一个方面，提出一种体声波谐振器，包括
顶电极；
压电层；
底电极；
声学镜；以及
密封层，
其中：
所述顶电极包括第一顶电极和第二顶电极，所述第一顶电极贴附于所述压电层，在谐振器的厚度方向上间隙层形成在第一顶电极与第二顶电极之间；
所述密封层至少覆盖所述谐振器的有效区域的上侧以构成谐振器的封装层。
根据本发明的实施例的另一方面，提出了所述体声波谐振器包括谐振器器件，所述谐振器器件包括：顶电极；压电层；底电极；和声学镜，其中：所述顶电极包括第一顶电极和第二顶电极，所述第一顶电极贴附于所述压电层，在谐振器的厚度方向上间隙层形成在第一顶电极与第二顶电极之间，所述方法包括步骤：
在所述谐振器器件的上侧覆盖密封层，所述密封层构成所述谐振器器件的封装层。
本发明的实施例也涉及一种具有上述谐振器的滤波器，以及具有上述谐振器或者滤波器的电子设备。
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为根据本发明的一个示例性实施例的体声波谐振器的俯视示意图；
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沿图1中的A-B折线所得的剖面示意图，其中示出了该谐振器的封装层；
图3为根据本发明的另一个示例性实施例的体声波谐振器的剖面示意图；
图4为根据本发明的一个示例性实施例的体声波谐振器的频率调整通道阵列图；
图5为根据本发明的一个示例性实施例的体声波谐振器的剖面示意图，其中示出了离子束通过频率调整通道轰击第一顶电极；
图6为根据本发明的一个示例性实施例的体声波谐振器的剖面示意图，其中示出了第一顶电极和第二顶电极的上表面均设置有钝化层，且离子束通过频率调整通道轰击第一顶电极上的钝化层；
图7为根据本发明的一个示例性实施例的体声波谐振器的剖面示意图，其中示意性示出了该谐振器的封装；
图8为根据本发明的一个示例性实施例的体声波谐振器的封装方法的流程图；
图9为已有设计中晶圆级封装单颗产品的剖面示意图，其中示出了利用封装晶圆形成的封装结构；
图10为已有设计的体声波谐振器的剖面示意图。
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1为根据本发明的一个示例性实施例的体声波谐振器的俯视示意图；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沿图1中的A-B折线所得的剖面示意图，其中示出了该谐振器的封装层。在图1和图2中，各附图标记如下：
101：基底，可选材料为单晶硅、砷化镓、蓝宝石、石英等。
102：声学镜，可为空腔，也可采用布拉格反射层及其他等效形式。
103：底电极(包括电极引脚)，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。
104：压电薄膜层(压电层)，可选氮化铝(AlN)、氧化锌(ZnO)、锆钛酸铅(PZT)、铌酸锂(LiNbO3)、石英(Quartz)、铌酸钾(KNbO3)或钽酸锂(LiTaO3)等材料，也可包含所述材料的一定原子比的稀土元素掺杂材料。
105：顶电极(包括电极引脚)的第一顶电极，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。
106：顶电极表面的钝化层。
107：保护层，可以为PI胶(聚酰亚胺)，也可以为其他保护材料。
108：防水层或密封层，可以为全氟代三氯硅烷(FDTS)或氮化硅,已可以为其他防水材料。
109：顶电极形成的直达空隙层(111)的通孔，该通孔为实现频率调整的频率调整通道。
110：高晶向种子层，可以是AlN，用来做空隙层图形化的阻挡层或钝化层。
111：顶电极内的空气间隙或空隙层。
112：上导电层或顶电极的第二顶电极，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。
113：高晶向种子层，可以是AlN等。
需要说明的是，空气间隙构成空隙层，但是本发明中，空隙层除了可以为空气间隙层之外，还可以是真空间隙层，也可以是填充了其他气体介质的空隙层。
在本发明中，也可以不设置种子层113。
因为如图10所示，当顶电极中具有空气间隙时，离子束会轰击到第二顶电极112上并以移除所述电极部分材料，但实验结果和理论分析均表明，由于空气间隙111的隔离作用，第二顶电极112质量的改变无法有效调整谐振器的频率，即第二顶电极112的厚度对谐振器谐振频率影响的灵敏度非常低。
图2以及图4-6中示出了一种特定结构以实现简单精确或有效的频率调整，即在第二顶电极112上设置频率调整通道109。图4为根据本发明的一个示例性实施例的体声波谐振器的频率调整通道109的阵列图。图5为根据本发明的一个示例性实施例的体声波谐振器的剖面示意图，其中示出了离子束通过频率调整通道轰击第一顶电极。图6为根据本发明的一个示例性实施例的体声波谐振器的剖面示意图，其中示出了第一顶电极和第二顶电极的上表面均设置有钝化层，且离子束通过频率调整通道轰击第一顶电极上的钝化层。
通过设计第二顶电极112上的通孔阵列图案，一方面可以使离子束在第一顶电极105上形成具有额外声学意义的凹坑阵列(如图5所示)，用于抑制寄生模式；另一方面还可在顶电极电阻和修频效率之间寻求平衡。
在可选的实施例中，如图4所示，多个频率修整通道109呈预定图案布置。如在图4中所示，所述预定图案为阵列图案。
频率修整通道109可以具体化为通孔。
虽然没有示出，所述预定图案为发散状图案。即第二顶电极112上的若干通孔109一定规律排成阵列，通孔109占据的总面积与第二顶电极112剩余的有效面积比值在预定范围内。
可以通过调整通孔109的总面积以调整修整频率的灵敏度，原则上总面积越大，灵敏度越高。但是占空比过低不利于修频，占空比过高电极电阻会变大。在本发明的进一步的实施例中，可以进一步考虑频率修整通道占谐振器的有效区域的面积比，在可选的实施例中，所述多个频率修整通道占谐振器有效区域面积的比例范围是10％-90％，进一步的，在30％-75％的范围内。
在可选的实施例中，也可直接将第一顶电极105和第二顶电极112暴露在空气中会导致其氧化，并使其电阻变大，此外离子束轰击会增加第一顶电极105的表面粗糙度，加速电极氧化。为了防止电极氧化，可如图6所示在第一顶电极105和第二顶电极112的上表面分别沉积钝化层110和106，同时使通孔109穿过钝化层106。即，第一顶电极105上表面可沉积有钝化层110。另外，第二顶电极112上表面也可沉积有钝化层106，且所述频率调整通道109贯穿所述钝化层106。
如图6所示，进行离子束修频时，离子束从通孔109穿过钝化层106和第二顶电极112轰击在位于第一顶电极105表面的钝化层110上，离子束轰击在钝化层110形成凹坑，而位于钝化层110下方的第一底电极105则不受离子束影响。
同时，也可如图5所示，第一顶电极105形成有与所述频率调整通道相对应的若干凹坑。具体地，当利用离子束进行修频时，离子束可由通孔阵列穿过第二顶电极112，轰击到第一顶电极105表面，并在其上形成凹坑阵列，从而去除第一顶电极105的部分材料，达到提升频率的目的。
如图5和6所示，位于第二顶电极112的频率修整通道还可以充当释放通道，用于制作顶电极的空气间隙或空隙层111。
需要指出的是，离子束轰击时，可以使得第二顶电极或设置于第二顶电极上的第二钝化层减薄。
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。
在图1与图2所示的实施例中，顶电极中含有空隙层，这种将上声学反射层移至顶电极内部的方法致使在顶电极可以继续增加保护结构而不影响谐振器频率。在此前提的基础上通过对第二顶电极上的频率调整通道进行覆盖处理，然后再对整个器件进行防水层材料喷涂，从而实现整体器件防水防物理接触的功能(即完成封装)，如图7所示。
图9所示的已有设计中晶圆级封装单颗产品的剖面示意图，其中示出了利用封装晶圆形成的封装结构。在图9中，设置有封装晶圆202，以及设置在封装晶圆202与基底201之间的密封环结构203。
相较于图9所示的结构，图7所示的实施例的优势在于由此种谐振器组成的滤波器产品无需额外增加晶圆级封装(microcap)，从而缩小此类产品的尺寸以及降低成本。更具体的，去除了晶圆级封装的工艺，而且因为无需晶圆级封装，而且单颗产品周围的密封环结构203可以消除，从而可以减小单颗产品的总体尺寸。
因此，本发明提出了一种体声波谐振器保护结构，该体声波谐振器的顶电极为间隙电极或含有空隙层，从而通过消除晶圆级封装(microcap)工艺来降低成本及缩小尺寸。
需要指出的是，在图2所示的实施例中，谐振器设置有频率调整通道109，但是，也可以不设置频率调整通道，如图3所示。可以采用其他的方式进行谐振器的频率调整。
在可选的实施例中，在图2的实施例中，也可以不设置保护层107，而是直接由密封层108直接密封频率调整通道109。
本发明也提出了一种顶电极为具有空隙层的间隙电极的体声波谐振器的封装方法。图8为上述封装方法的一个示例性实施例。
如图8所示，顶电极为具有空隙层的间隙电极的体声波谐振器的封装方法包括步骤：
设置保护层(步骤S1)：在第二顶电极的钝化层的上表面的至少一部分设置保护层，使得所述保护层覆盖所述频率修整通道的上开口；和
设置密封层(步骤S2)：在所述谐振器器件的上侧覆盖密封层，所述密封层构成所述谐振器器件的封装层，所述密封层覆盖所述保护层。
需要指出的是，也可以不设置保护层和/或第二钝化层，如此，封装方法可以仅仅包括步骤：在顶电极为具有空隙层的间隙电极的体声波谐振器的上侧设置密封层以形成体声波谐振器的封装结构层。
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：
顶电极；
压电层；
底电极；
声学镜；以及
密封层，
其中：
所述顶电极包括第一顶电极和第二顶电极，所述第一顶电极贴附于所述压电层，在谐振器的厚度方向上间隙层形成在第一顶电极与第二顶电极之间；
所述密封层至少覆盖所述谐振器的有效区域的上侧以构成谐振器的封装层。
2、根据1所述的体声波谐振器，其中，
所述第二顶电极在谐振器的有效区域内设置有多个频率修整通道，所述频率修整通道贯穿所述第二顶电极，所述频率修整通道的下开口与间隙层相通。
3、根据2所述的体声波谐振器，其中，
所述谐振器还包括保护层，所述保护层覆盖所述频率修整通道的上开口，所述密封层覆盖所述保护层。
4、根据3所述的体声波谐振器，其中，
所述保护层覆盖所述第二顶电极的上表面。
5、根据3所述的体声波谐振器，其中，
所述第二顶电极上表面设置有第二钝化层，且所述频率调整通道贯穿所述第二钝化层，所述保护层覆盖所述第二钝化层的至少一部分。
6、根据3所述的体声波谐振器，其中：
所述保护层的材料为聚酰亚胺。
7、根据2-6中任一项所述的体声波谐振器，其中，
所述多个频率修整通道呈预定图案布置。
8、根据2-6中任一项所述的体声波谐振器，其中，
所述第一顶电极的上表面形成有与所述频率调整通道相对应的若干凹坑。
9、根据2-6中任一项所述的体声波谐振器，其中，
所述第一顶电极上表面沉积有第一钝化层。
10、根据9所述的体声波谐振器，其中，
所述第一钝化层形成有与所述频率调整通道相对应的若干凹坑。
11、根据1所述的体声波谐振器，其中：
所述密封层的材料为全氟代三氯硅烷或氮化硅。
12、一种滤波器，包括权利要求1-11中任一项所述的体声波谐振器。
13、一种电子设备，包括根据1-11中任一项所述的体声波谐振器或权利要求12所述的滤波器。
14、一种体声波谐振器的封装方法，所述体声波谐振器包括谐振器器件，所述谐振器器件包括：顶电极；压电层；底电极；和声学镜，其中：所述顶电极包括第一顶电极和第二顶电极，所述第一顶电极贴附于所述压电层，在谐振器的厚度方向上间隙层形成在第一顶电极与第二顶电极之间，所述方法包括步骤：
在所述谐振器器件的上侧覆盖密封层，所述密封层构成所述谐振器器件的封装层。
15、根据14所述的方法，其中：
所述第二顶电极在谐振器的有效区域内设置有多个频率修整通道，所述频率修整通道贯穿所述第二顶电极，所述频率修整通道的下开口与间隙层相通；
所述方法还包括步骤：在第二顶电极的上表面设置保护层，所述保护层覆盖所述频率修整通道的上开口；且
所述密封层覆盖所述保护层。
16、根据14所述的方法，其中：
所述第二顶电极在谐振器的有效区域内设置有多个频率修整通道，所述第二顶电极上表面设置第二钝化层，所述频率修整通道贯穿所述第二顶电极和所述第二钝化层，所述频率修整通道的下开口与间隙层相通；
所述方法还包括步骤：在所述第二钝化层的上表面的至少一部分设置保护层，所述保护层覆盖所述频率修整通道的上开口；且
所述密封层覆盖所述保护层。
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 (16)

1.一种体声波谐振器，包括：
顶电极；
压电层；
底电极；
声学镜；以及
密封层，
其中：
所述顶电极包括彼此电连接的第一顶电极和第二顶电极，所述第一顶电极贴附于所述压电层，在谐振器的厚度方向上间隙层形成在第一顶电极与第二顶电极之间；
所述密封层至少覆盖所述谐振器的有效区域的上侧以构成谐振器的封装层。
2.根据权利要求1所述的体声波谐振器，其中，
所述第二顶电极在谐振器的有效区域内设置有多个频率修整通道，所述频率修整通道贯穿所述第二顶电极，所述频率修整通道的下开口与间隙层相通。
3.根据权利要求2所述的体声波谐振器，其中，
所述谐振器还包括保护层，所述保护层覆盖所述频率修整通道的上开口，所述密封层覆盖所述保护层。
4.根据权利要求3所述的体声波谐振器，其中，
所述保护层覆盖所述第二顶电极的上表面。
5.根据权利要求3所述的体声波谐振器，其中，
所述第二顶电极上表面设置有第二钝化层，且所述频率修整通道贯穿所述第二钝化层，所述保护层覆盖所述第二钝化层的至少一部分。
6.根据权利要求3所述的体声波谐振器，其中：
所述保护层的材料为聚酰亚胺。
7.根据权利要求2-6中任一项所述的体声波谐振器，其中，
所述多个频率修整通道呈预定图案布置。
8.根据权利要求2-6中任一项所述的体声波谐振器，其中，
所述第一顶电极的上表面形成有与所述频率修整通道相对应的若干凹坑。
9.根据权利要求2-6中任一项所述的体声波谐振器，其中，
所述第一顶电极上表面沉积有第一钝化层。
10.根据权利要求9所述的体声波谐振器，其中，
所述第一钝化层形成有与所述频率修整通道相对应的若干凹坑。
11.根据权利要求1所述的体声波谐振器，其中：
所述密封层的材料为全氟代三氯硅烷或氮化硅。
12.一种滤波器，包括权利要求1-11中任一项所述的体声波谐振器。
13.一种电子设备，包括根据权利要求1-11中任一项所述的体声波谐振器或权利要求12所述的滤波器。
14.一种体声波谐振器的封装方法，所述体声波谐振器包括谐振器器件，所述谐振器器件包括：顶电极；压电层；底电极；和声学镜，其中：所述顶电极包括彼此电连接的第一顶电极和第二顶电极，所述第一顶电极贴附于所述压电层，在谐振器的厚度方向上间隙层形成在第一顶电极与第二顶电极之间，
所述方法包括步骤：
在所述谐振器器件的上侧覆盖密封层，所述密封层构成所述谐振器器件的封装层。
15.根据权利要求14所述的方法，其中：
所述第二顶电极在谐振器的有效区域内设置有多个频率修整通道，所述频率修整通道贯穿所述第二顶电极，所述频率修整通道的下开口与间隙层相通；
所述方法还包括步骤：在第二顶电极的上表面设置保护层，所述保护层覆盖所述频率修整通道的上开口；且
所述密封层覆盖所述保护层。
16.根据权利要求14所述的方法，其中：
所述第二顶电极在谐振器的有效区域内设置有多个频率修整通道，所述第二顶电极上表面设置第二钝化层，所述频率修整通道贯穿所述第二顶电极和所述第二钝化层，所述频率修整通道的下开口与间隙层相通；
所述方法还包括步骤：在所述第二钝化层的上表面的至少一部分设置保护层，所述保护层覆盖所述频率修整通道的上开口；且
所述密封层覆盖所述保护层。
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Denomination of invention: Bulk acoustic wave resonator and its packaging method, filter and electronic equipment

Effective date of registration: 20210908

Granted publication date: 20210312

Pledgee: Tianjin TEDA Haihe intelligent manufacturing industry development fund partnership (L.P.)

Pledgor: ROFS MICROSYSTEM(TIANJIN) Co.,Ltd.

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Granted publication date: 20210312