CN111786649B - 体声波谐振器及其制造方法和滤波器、射频通信系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种体声波谐振器及其制造方法和滤波器、射频通信系统，形成于压电谐振层外围的且悬空于空腔上方的底电极凹陷部和顶电极凸起部，能够阻挡压电谐振层产生的横波向空腔外围传输，将横波反射回有效工作区中，继而减少和降低了声波损耗，使谐振器的品质因子得到提高，最终能够提高器件性能。进一步地，底电极搭接部和顶电极搭接部与空腔的重叠部分均是悬空的，且底电极搭接部和顶电极搭接部相互错开，可以大大降低寄生参数，并避免漏电、短路等问题，能够提高器件可靠性。
Description
技术领域
本发明涉及射频通信技术领域，尤其涉及一种体声波谐振器及其制造方法和滤波器、射频通信系统。
背景技术
射频(RF)通信，如在移动电话中使用的通信，需要运用射频滤波器，每一个射频滤波器都能传递所需的频率，并限制所有其他频率。随着移动通信技术的发展，移动数据传输量也迅速上升。因此，在频率资源有限以及应当使用尽可能少的移动通信设备的前提下，提高无线基站、微基站或直放站等无线功率发射设备的发射功率成了必须考虑的问题，同时也意味着对移动通信设备前端电路中滤波器功率的要求也越来越高。
目前，无线基站等设备中的大功率滤波器主要是以腔体滤波器为主，其功率可达上百瓦，但是这种滤波器的尺寸太大。也有的设备中使用介质滤波器，其平均功率可达5瓦以上，这种滤波器的尺寸也很大。由于尺寸大，所以这两种滤波器无法集成到射频前端芯片中。
随着MEMS技术越来越成熟，由体声波(BAW)谐振器构成的滤波器，能够很好地克服了上述两种滤波器存在的缺陷。体声波谐振器具有陶瓷介质滤波器不可比拟的体积优势、声表面波(SAW)谐振器不可比拟的工作频率以及功率容量的优势，成为了当今无线通信系统的发展趋势。
体声波谐振器的主体部分为底电极-压电薄膜-顶电极构成的“三明治”结构，利用压电薄膜的逆压电效应将电能转化成机械能，并以声波的形式在体声波谐振器构成的滤波器中形成驻波。由于声波的速度比电磁波小5个数量级，因此体声波谐振器构成的滤波器的尺寸比传统的介质滤波器等小。
其中一种空腔型体声波谐振器，其工作原理是利用声波在底电极或支撑层与空气的交界面发生反射，将声波限制在压电层，实现谐振，其具有高Q值、低插损、可集成等优点，被广泛采用。
但是，目前制作出的空腔型体声波谐振器，其品质因子(Q)无法进一步提高，因此无法满足高性能的射频系统的需求。
发明内容
本发明的目的在于提供一种体声波谐振器及其制造方法和滤波器、射频通信系统，能够提高品质因子，进而提高器件性能。
为了实现上述目的，本发明提供一种体声波谐振器，包括：衬底；底电极层，设置在所述衬底上，且所述底电极层和所述衬底之间形成有空腔，所述底电极层具有底电极凹陷部，所述底电极凹陷部位于所述空腔的区域中且向着靠近所述空腔的底面的方向凹陷；压电谐振层，形成在所述空腔上方的所述底电极层上；顶电极层，形成在所述压电谐振层上，所述顶电极层具有顶电极凸起部，所述顶电极凸起部位于所述空腔的区域中并向着远离所述空腔的底面的方向凸起，所述顶电极凸起部和所述底电极凹陷部均位于所述压电谐振层外围的空腔区域中；所述底电极凹陷部与所述顶电极凸起部均围绕所述压电谐振层的周边方向延伸，且二者至少部分相对。
本发明还提供一种滤波器，包括至少一个如本发明所述的体声波谐振器。
本发明还提供一种射频通信系统，包括至少一个如本发明所述的滤波器。
本发明还提供一种体声波谐振器的制造方法，包括：
提供衬底，形成第一牺牲层于部分所述衬底上；
形成第一凹槽于所述第一牺牲层的边缘部分中，且所述第一凹槽未暴露出所述第一牺牲层下方的衬底的表面；
形成底电极层于所述第一牺牲层上，所述底电极层覆盖在所述第一凹槽的表面上的部分形成底电极凹陷部；
形成压电谐振层于所述底电极层上，所述压电谐振层暴露出所述底电极凹陷部；
形成具有牺牲凸起的第二牺牲层于所述压电谐振层周围暴露出的区域中；
形成顶电极层于所述压电谐振层及压电谐振层周围的部分第二牺牲层上，所述顶电极层覆盖在所述牺牲凸起上的部分形成顶电极凸起部；
去除具有所述牺牲凸起的第二牺牲层和所述第一牺牲层，具有所述牺牲凸起的第二牺牲层和所述第一牺牲层的位置形成空腔，所述顶电极凸起部和所述底电极凹陷部均位于所述压电谐振层外围的空腔区域中，所述底电极凹陷部与所述顶电极凸起部均围绕所述压电谐振层的周边方向延伸，且二者至少部分相对。
与现有技术相比，本发明的技术方案，具有以下有益效果：
1、当电能施加到底电极和顶电极时，通过在压电谐振层中产生的压电现象而产生期望的沿着厚度方向传播的纵波以及不期望的沿着压电谐振层平面传播的横波，该横波会在悬空于压电谐振层外围的空腔上的底电极凹陷部和顶电极凸起部处受到阻挡，被反射回压电谐振层所对应的区域中，继而减少和降低了横波传播到空腔外围的膜层中时造成的损失，由此改善声波损耗，使谐振器的品质因子得到提高，最终能够提高器件性能。
2、压电谐振层的周边与空腔的周边相互分离，即压电谐振层不会连续延伸到空腔外围的衬底上方，能够将体声波谐振器的有效工作区完全限制在空腔区域中，且底电极搭接部和顶电极搭接部均只会延伸到空腔的部分边上(即底电极层和顶电极层不会对空腔全面覆盖)，由此能够减少空腔周围的膜层对压电谐振层产生的纵向振动的影响，提高性能。
3、底电极凹陷部和顶电极凸起部即使有相互重叠的部分，重叠的部分之间也是空隙结构，由此可以大大降低寄生参数，并避免顶电极层和底电极层在空腔区域中的电接触等问题，能够提高器件可靠性。
4、底电极搭接部和顶电极搭接部与空腔的重叠部分均是悬空的，且底电极搭接部和顶电极搭接部在空腔的区域中相互错开(即二者在空腔区域不重叠)，由此可以大大降低寄生参数，并避免底电极搭接部和顶电极搭接部相接触而引起的漏电、短路等问题，能够提高器件可靠性。
5、所述底电极搭接部在自身所处的空腔部分上方完全遮盖空腔，由此，可以利用大面积的底电极搭接部来对其上方的膜层进行强有力的机械支撑，从而避免因空腔坍塌而器件失效的问题。
6、顶电极凸起部围绕顶电极谐振部一周，底电极凹陷部围绕底电极谐振部一周，可以从压电谐振层的周边全方位的阻挡横波，进而获得较佳的品质因子。
7、底电极凹陷部、底电极谐振部以及底电极搭接部采用同一膜层形成，且膜厚均匀，顶电极凸起部、顶电极谐振部以及顶电极搭接部采用同一膜层形成，且膜厚均匀，由此能够简化工艺，降低成本，且因为底电极凹陷部的膜厚与底电极层的其他部分基本相同，顶电极凸起部的膜厚和顶电极层的其他部分基本相同，因此不会出现底电极凹陷部断裂和顶电极凸起部断裂的情况，能够提高器件的可靠性。
附图说明
图1A是本发明一实施例的体声波谐振器的俯视结构示意图。
图1B和图1C是沿图1中的XX’和YY’线的剖面结构示意图。
图2A至图2D是本发明其他实施例的体声波谐振器的俯视结构示意图。
图2E是本发明另一实施例的体声波谐振器的剖面结构示意图。
图3是本发明一实施例的体声波谐振器的制造方法的流程图。
图4A至图4H是本发明一实施例的体声波谐振器的制造方法中沿图1A中的XX’的剖面示意图。
图5是本发明另一实施例的体声波谐振器的制造方法中沿图1A中的XX’的剖面示意图。
其中，附图标记如下：
100-基底；101-刻蚀保护层；102-空腔；102’-第二凹槽；102A-有效工作区；102B-无效区；103-第一牺牲层；1031-第一子牺牲层；1032-第二子牺牲层；1033-第一凹槽；104-底电极层(即剩余的底电极材料层)；1040-底电极搭接部；1041-底电极凹陷部；1042-底电极谐振部；1043-底电极外围部；105-压电材料层；1050-压电外围部；1051-压电谐振层(或称为压电谐振部)；106-第二牺牲层；107-牺牲凸起；108-顶电极层(即剩余的顶电极材料层)；1080-顶电极搭接部；1081-顶电极凸起部；1082-顶电极谐振部；1083-顶电极外围部。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明的技术方案作进一步详细说明。根据下面的说明，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。类似的，如果本文所述的方法包括一系列步骤，且本文所呈现的这些步骤的顺序并非必须是可执行这些步骤的唯一顺序，且一些所述的步骤可被省略和/或一些本文未描述的其他步骤可被添加到该方法。另外本文中的某物与某物“相互错开”的含义是两者在空腔区域不重叠，即两者向空腔的底面上的投影不重叠。
请参考图1A至图1C，图1A为本发明一实施例的体声波谐振器的俯视结构示意图，图1B是沿图1中的XX’的剖面结构示意图，图1C是沿图1A中的YY’线的剖面结构示意图，本实施例的体声波谐振器包括：衬底、底电极层104、压电谐振层1051和顶电极层108。
其中，所述衬底包括基底100以及覆盖在所述基底100上的刻蚀保护层101。所述基底100可以为本领域技术人员熟知的任意合适的底材，例如可以是以下所提到的材料中的至少一种：硅(Si)、锗(Ge)、锗硅(SiGe)、碳硅(SiC)、碳锗硅(SiGeC)、砷化铟(InAs)、砷化镓(GaAs)、磷化铟(InP)或者其它III/V化合物半导体，还包括这些半导体构成的多层结构等，或者为绝缘体上硅(SOI)、绝缘体上层叠硅(SSOI)、绝缘体上层叠锗化硅(S-SiGeOI)、绝缘体上锗化硅(SiGeOI)以及绝缘体上锗(GeOI)，或者还可以为双面抛光硅片(Double SidePolished Wafers，DSP)，也可为氧化铝等的陶瓷基底、石英或玻璃基底等。所述刻蚀保护层101的材料可以是任意适合的介电材料，包括但不限于氧化硅、氮化硅、氮氧化硅、碳氮化硅等材料中的至少一种，该刻蚀保护层一方面可以用于增加最终制造的体声波谐振器的结构稳定性，增加了体声波谐振器与基底100之间的隔离，可以降低对基底100的电阻率要求，另一方面还以在制造体声波谐振器的过程中保护衬底其他区域不受刻蚀，从而提高器件性能与可靠性。
底电极层104和衬底之间形成有空腔102。请参考图1A至图1C，在本实施例中，所述空腔102可以通过刻蚀工艺依次刻蚀所述刻蚀保护层101和部分厚度的基底100而形成，成为一个整个底部凹陷在所述衬底中的凹槽结构。但本发明的技术不仅仅限定于此，请参考图2E，在本发明的另一实施例中，所述空腔102也可以采用将凸设于刻蚀保护层101表面上的牺牲层通过后去除方法去除的工艺形成在刻蚀保护层101的顶面上方，成为一个整体上凸设在所述刻蚀保护层101表面上的腔体结构。此外，本实施例中，空腔102的底面的形状为矩形，但在本发明的其他实施例中，空腔102的底面形状还可以是圆形、椭圆形或是矩形以外的多边形，例如五边形、六边形等。
压电谐振层1051也可以称为压电谐振部，位于所述空腔102的上方区域中(也可以说是位于所述空腔102的区域中)，对应体声波谐振器的有效工作区，且压电谐振层1051设置在底电极层104和顶电极层108之间。底电极层104包括依次连接的底电极搭接部1040、底电极凹陷部1041以及底电极谐振部1042，顶电极层108包括依次连接的顶电极搭接部1080、顶电极凸起部1081以及顶电极谐振部1082，底电极谐振部1042、顶电极谐振部1082均与压电谐振层1051重叠，且所述空腔102与重叠在一起的底电极谐振部1042、压电谐振层1051、顶电极谐振部1082对应的区域构成所述体声波谐振器的有效工作区102A，空腔102除有效工作区102A以外的部分为无效区102B，压电谐振层1051位于有效工作区102A中并与空腔102周围的膜层分离，能够将体声波谐振器的有效工作区完全限制在空腔102的区域中，并能够减少空腔周围的膜层对压电谐振层产生的纵向振动的影响，降低无效区102B中产生的寄生参数，提高器件性能。底电极谐振部1042、压电谐振层1051、顶电极谐振部1082均为上下表面是平面的平坦结构，所述底电极凹陷部1041位于所述有效工作区102A外围的空腔102B上方并电连接所述底电极谐振部1042，且向着靠近所述空腔的底面的方向凹陷，所述顶电极凸起部1081位于所述有效工作区102A外围的空腔102B上方并电连接所述顶电极谐振部1082，且向着远离所述空腔102的底面的方向凸起。底电极凹陷部1041整体上低于底电极谐振部1042的顶面，顶电极凸起部1081整体上相对顶电极谐振部1082的顶面向上凸起，所述顶电极凸起部1081和所述底电极凹陷部1041均位于所述压电谐振层1051外围的空腔区域(即102B)中。底电极凹陷部1041和顶电极凸起部1081可以是实心结构，也可以是空心结构，优选为空心结构，由此能使得底电极层104和顶电极层108的膜厚均匀，避免实心的底电极凹陷部1041的重力引起底电极谐振部1042和压电谐振层1051分离，以及避免实心的顶电极凸起部1081引起顶电极谐振部1082及其下方的压电谐振层1051和底电极谐振部1042下榻变形，继而进一步改善谐振因子。其中，所述底电极谐振部1042、所述顶电极谐振部1082均为多边形(顶面和底面均为多边形)，且所述底电极谐振部1042、所述顶电极谐振部1082的形状可以相似(如图2A～2B以及2D所示)或者完全相同(如图1A和图2C所示)。压电谐振层1051为与所述底电极谐振部1042、所述顶电极谐振部1082的形状相似的多边形结构。
请参考图1A至图1C，在本实施例中，底电极层104、压电谐振层1051以及顶电极层108构成一个“手表”形状的膜层结构，底电极搭接部1040和底电极谐振部1042的一个角对齐，顶电极搭接部1080和顶电极谐振部1082的一个角对齐，底电极搭接部1040和顶电极搭接部1080相当于“手表”的两个表带，所述底电极凹陷部1041沿着所述底电极谐振部1042的边设置且仅设置在所述底电极搭接部1040和所述底电极谐振部1042对齐的区域中，所述顶电极凸起部1081沿着所述顶电极谐振部1082的边设置且仅设置在所述顶电极搭接部1080和所述顶电极谐振部1082对齐的区域中，所述底电极凹陷部1041和所述顶电极凸起部1081相当于“手表”的表盘与两个表带之间的连接结构，有效区102A中的底电极谐振部1042、压电谐振层1051、顶电极谐振部1082堆叠结构相当于手表的表盘，该表盘除了表带部分与空腔周围衬底上的膜层相接外，其余部分均通过空腔与空腔周围衬底上的膜层相分离。即本实施例中，所述底电极凹陷部1041与所述顶电极凸起部1081均围绕所述压电谐振层1051的周边方向延伸，且所述底电极凹陷部1041与所述顶电极凸起部1081仅分别沿压电谐振层1051的周边方向围绕在压电谐振层1051的部分边上，且以压电谐振层1051所在的平面为参考，所述顶电极凸起部1081和所述底电极凹陷部1041分居压电谐振层1051两侧且完全相对，由此在实现一定的横波阻挡效果的同时，能够有利于顶电极搭接部1080和底电极搭接部1040未覆盖的无效区102B的面积的减小，进而有利于器件尺寸的减小，同时还有利于减小顶电极搭接部1080和底电极搭接部1040的面积，以进一步减少寄生参数，提高器件的电学性能。所述底电极搭接部1040电连接所述底电极凹陷部1041背向所述底电极谐振部1042的一侧，并从所述底电极凹陷部1041上经悬空于所述底电极凹陷部1041外侧的空腔(即102B)上方后延伸到所述空腔102外围的部分刻蚀保护层101的上方；所述顶电极搭接部1080电连接所述顶电极凸起部1081背向所述顶电极谐振部1082的一侧，并从所述顶电极凸起部1081上经悬空于所述顶电极凸起部1081外侧的空腔(即102B)上方后延伸到所述空腔102外围的部分刻蚀保护层101上方；所述底电极搭接部1040和所述顶电极搭接部1080延伸到所述空腔102的两相对的边外侧的衬底上方，此时所述底电极搭接部1040和所述顶电极搭接部1080在空腔102区域中相互错开(即二者不重叠)，由此，可以降低寄生参数，并避免底电极搭接部和顶电极搭接部相接触而引起的漏电、短路等问题，提高器件性能。所述底电极搭接部1040可以用于连接相应的信号线，以通过底电极凹陷部1041向底电极谐振部1042传递相应的信号，所述顶电极搭接部1080可以用于连接相应的信号线，以通过顶电极凸起部1081向顶电极谐振部1082传递相应的信号，从而使得体声波谐振器可以正常工作，具体地，通过底电极搭接部1040、顶电极搭接部1080分别向底电极谐振部1042和顶电极谐振部1082施加时变电压来激发纵向延伸模式或“活塞”模式，压电谐振层1051将电能形式的能量转换成纵波，在此过程中会产生寄生的横波，底电极凹陷部1041和顶电极凸起部1081可以阻挡这些横波向空腔外围的膜层中传播，将其限制在空腔102的区域内，从而避免横波引起的能量损耗，提高品质因子。
优选地，顶电极凸起部1081和底电极凹陷部1041的线宽分别为对应的工艺所允许的最小线宽，底电极凹陷部1041与压电谐振层1051之间的水平距离以及顶电极凸起部1081与压电谐振层1051之间的水平距离均为对应的工艺所允许的最小距离，由此在使得顶电极凸起部1081和底电极凹陷部1041能够实现一定的横波阻挡效果的同时，能有利于减小器件面积。
此外，所述顶电极凸起部1081的侧壁相对所述压电谐振层的顶面为倾斜侧壁，如图1B所示，所述顶电极凸起部1081沿图1A中XX’线的截面为梯形或类梯形，所述顶电极凸起部1081的两个侧壁与所述压电谐振层1051的顶面之间的夹角β1、β2均小于等于45度，由此，避免因顶电极凸起部1081的侧壁过于竖直而造成顶电极凸起部1081断裂，进而影响向顶电极谐振部1082上传输信号的效果，同时还能够提高整个顶电极层108的厚度均一性；所述底电极凹陷部1041的侧壁相对所述压电谐振层的底面为倾斜侧壁，如图1B所示，所述底电极凹陷部1041沿图1A中XX’线的截面为梯形或类梯形，所述底电极凹陷部1041的两个侧壁与所述压电谐振层1051的底面之间的夹角α1、α2均小于等于45度，由此，避免因所述底电极凹陷部1041的侧壁过于竖直而造成底电极层104断裂，进而影响向底电极谐振部1042上传输信号的效果，同时还能够提高底电极层104的厚度均一性。
在本发明的一个优选实施例中，底电极谐振部1042、底电极凹陷部1041以及底电极搭接部1040采用同一膜层的制作工艺(即同一道膜层制作工艺)形成，顶电极谐振部1082、顶电极凸起部1081以及顶电极搭接部1080采用同一膜层的制作工艺(即同一道膜层制作工艺)形成，即底电极谐振部1042、底电极凹陷部1041和底电极搭接部1040为一体式制作的膜层，顶电极谐振部1082、顶电极凸起部1081和顶电极搭接部1080为一体式制作的膜层，由此可以简化工艺，降低成本，其中，用于制作底电极谐振部1042、底电极凹陷部1041和底电极搭接部1040的膜层材料和用于制作顶电极谐振部1082、顶电极凸起部1081和顶电极搭接部1080的膜层材料可以分别使用本领域技术任意熟知的任意合适的导电材料或半导体材料，其中，导电材料可以为具有导电性能的金属材料，例如，铝(Al)、铜(Cu)、铂金(Pt)、金(Au)、钼(Mo)、钨(W)、铱(Ir)、锇(Os)、铼(Re)、钯(Pd)、铑(Rh)及钌(Ru)中的一种或几种，所述半导体材料例如Si、Ge、SiGe、SiC、SiGeC等。在本发明的其他实施例中，在工艺成本和工艺技术允许的前提下，底电极谐振部1042、底电极凹陷部1041以及底电极搭接部1040也可以采用不同的膜层制作工艺形成，顶电极谐振部1082、顶电极凸起部1081以及顶电极搭接部1080可以采用不同的膜层制作工艺形成。
请参考图2A至图2D，为了进一步提高横波阻挡效果，底电极凹陷部1041延伸到底电极谐振部1042的更多连续的边上，顶电极凸起部1081延伸到顶电极谐振部1082的更多连续的边上。例如，请参考图2A，底电极凹陷部1041和顶电极凸起部1081在空腔102底面上的投影可以正好相接或者接近相接，即底电极凹陷部1041和顶电极凸起部1081在空腔102底面上的投影可以组成一个完全封闭的环或者接近封闭的环，由此，底电极凹陷部1041和顶电极凸起部1081的配合，可以对压电谐振层1051的全部周边进行横波阻挡，这种情况下，底电极凹陷部1041和顶电极凸起部1081在空腔102底面上的投影大小可以对两者组合而成的环均分(此时底电极凹陷部1041和顶电极凸起部1081分居压电谐振层1051两侧且所有部分均完全相对)，也可以不均分(此时底电极凹陷部1041和顶电极凸起部1081分居压电谐振层1051两侧且仅有部分相对)。再例如，请参考图2B，压电谐振层1051、顶电极谐振部1082以及底电极谐振部1042均为五边形的平面结构，且压电谐振层1051的面积最小，顶电极谐振部1082次之，底电极谐振部1042的面积最大，所述底电极凹陷部1041沿底电极谐振部1042的各个边设置并连接到各个边上，且底电极凹陷部1041在空腔102的底面上的投影暴露所述顶电极凸起部1081被所述顶电极搭接部1080连接的边界在空腔102的底面上的部分投影或全部投影，所述顶电极凸起部1081沿顶电极谐振部1082的各个边设置并连接到各个边上，且顶电极凸起部1081在空腔102的底面上的投影暴露所述底电极凹陷部1041被所述底电极搭接部1040连接的边界在空腔102的底面上的部分投影或全部投影，由此使得底电极凹陷部1041与顶电极搭接部1080不重叠，顶电极凸起部1081与底电极搭接部1040不重叠，进而可以降低寄生参数，此外，底电极凹陷部1041和顶电极凸起部1081能够相互错开一些甚至完全错开，即此时，底电极凹陷部1041和顶电极凸起部1081在垂直于压电谐振层1051的方向上会有部分上下对齐或者完全错开，但在压电谐振层1051周边方向上是所有部分均相对的，从而使得在向空腔底面的投影结构中底电极凹陷部1041能够对顶电极凸起部1081进行部分包围，这样一来，不仅底电极凹陷部1041和顶电极凸起部1081的配合可以对压电谐振层1051的全部周边进行横波阻挡，而且可以降低底电极凹陷部1041和顶电极凸起部1081的对准要求，有利于降低工艺制作难度。再例如，请参考图2C，压电谐振层1051、顶电极谐振部1082以及底电极谐振部1042均为五边形的平面结构，且压电谐振层1051的面积最小，顶电极谐振部1082和底电极谐振部1042的面积、形状等相同或基本相同，底电极凹陷部1041包围底电极谐振部1042的一周，顶电极凸起部1081包围顶电极谐振部1082的一周，且底电极凹陷部1041和顶电极凸起部1081在空腔102底面上的投影重合，顶电极谐振部1082和底电极谐振部1042在空腔102底面上的投影重合，由此，可以通过位于垂直方向上的不同高度的底电极凹陷部1041和顶电极凸起部1081均呈封闭的环形，来对压电谐振层1051产生的不同高度的横波进行阻挡。也就是说，当底电极凹陷部1041延伸到底电极谐振部1042的更多连续的边上，顶电极凸起部1081延伸到顶电极谐振部1082的更多连续的边上时，所述底电极凹陷部1041与所述顶电极凸起部1081均围绕所述压电谐振层1051的周边方向延伸，且所述底电极凹陷部1041与所述顶电极凸起部1081分别沿压电谐振层1051的周边方向对压电谐振层1051的周边进行部分围绕(如图2A-2B所示)，此时，所述顶电极凸起部1081和所述底电极凹陷部1041二者至少部分相对，或者，所述底电极凹陷部1041与所述顶电极凸起部1081分别沿压电谐振层1051的周边方向围绕压电谐振层1051的一周(如图2C所示)，此时，所述顶电极凸起部1081和所述底电极凹陷部1041二者所有部分均相对。
请参考图2A至2D，在本发明的这些实施例中，所述底电极搭接部1040电连接所述底电极凹陷部1041背向所述底电极谐振部1042的至少一个边或至少一个角，并从所述底电极凹陷部1041的相应边上经悬空于所述底电极凹陷部1041外侧的空腔(即102B)上方后延伸到所述空腔102外围的部分刻蚀保护层101的上方；所述顶电极搭接部1080电连接所述顶电极凸起部1081背向所述顶电极谐振部1082的至少一个边或至少一个角，并从所述顶电极凸起部1081上经悬空于所述顶电极凸起部1081外侧的空腔(即102B)上方后延伸到所述空腔102外围的部分刻蚀保护层101上方，且所述顶电极搭接部1080和所述底电极搭接部1040在所述空腔102的底面上的投影可以正好相接，也可以相互分离，由此，所述顶电极搭接部1080和所述底电极搭接部1040在空腔102的区域上无重叠而相互错开。例如图1A、图2A～2C所示，底电极搭接部1040可以仅延伸到所述空腔102的一条边外围的部分衬底的上方，所述顶电极搭接部1080仅延伸到所述空腔102的一条边外围的部分衬底的上方，且所述顶电极搭接部1080和所述底电极搭接部1040在所述空腔102的底面上的投影相互分离，由此避免所述顶电极搭接部1080和所述底电极搭接部1040重叠时引入寄生参数以及有可能引起的漏电、短路等问题。但优选地，请参考图2D，当所述底电极凹陷部1041沿着所述底电极谐振部1042的连续多条边设置时，所述底电极搭接部1040沿着所述底电极凹陷部1041背向所述底电极谐振部1042的所有边设置并连续延伸到所述空腔102外围的衬底上，由此使得底电极搭接部1040能够延伸到所述空腔102外围的更多方向上的部分衬底的上方，即此时，所述底电极搭接部1040在自身所处的空腔部分上方完全遮盖空腔102，从而可以通过大面积的底电极搭接部1040的铺设来增强对有效工作区102A的膜层的支撑力，防止空腔102的坍塌。进一步优选地，当所述底电极搭接部1040延伸到所述空腔102外围的更多方向上的部分衬底的上方时，所述顶电极搭接部1080仅延伸到所述空腔102外围的一个方向上的部分衬底的上方，例如空腔102的俯视形状为矩形时，所述顶电极搭接部1080仅延伸到空腔102的一条边外围的衬底上方，底电极搭接部1040延伸到与所述空腔102的另外三条边上，且此时所述顶电极搭接部1080和所述底电极搭接部1040在所述空腔102的底面上的投影正好相接或相互分离，即此时，所述底电极搭接部1040在自身所处的空腔部分上方完全遮盖空腔102，且在所述顶电极搭接部1080的宽度方向，与所述顶电极搭接部1080无重叠，由此避免大面积顶电极搭接部的设置会与底电极搭接部等结构在垂直方向上发生重叠而引入过多的寄生参数，进而可以进一步提高器件的电学性能和可靠性。
在本发明的各个实施例中，当所述空腔102的俯视形状为多边形时，底电极搭接部1040和顶电极搭接部1080分别暴露出所述空腔的至少一个边，由此使得连接有底电极凹陷部1041的底电极谐振部1042和连接有顶电极凸起部1081的顶电极谐振部1082分别有至少一端是完全悬空的，这样可以有利于减小无效区102B的面积，进而减小无效区102B中产生的寄生电容等寄生参数，提高器件性能。优选地，所述底电极凹陷部1041在所述空腔102上方至少与所述顶电极搭接部1080相互错开(即二者在空腔区域不重叠)，所述顶电极凸起部1081在所述空腔102上方至少与所述底电极搭接部1040相互错开(即二者在空腔区域不重叠)，所述顶电极凸起部1081和所述底电极凹陷部1041在所述空腔102的底面上的投影正好相接或相互错开或仅具有部分重叠，由此进一步降低无效区102B中产生的寄生电容等寄生参数，提高器件性能。
需要说明的是，为了达到最好的横波阻挡效果且有利于小尺寸器件的制作，顶电极凸起部1081和底电极凹陷部1041越靠近有效工作区102A越好，顶电极凸起部1081和底电极凹陷部1041的线宽越小越好，优选地，顶电极凸起部1081和底电极凹陷部1041的线宽分别为对应的工艺所允许的最小线宽，顶电极凸起部1081和底电极凹陷部1041与有效工作区102A(即与压电谐振层1051)的水平距离分别为对应的工艺所允许的最小距离。
值得注意的是，上述各实施例中，顶电极谐振部1082和底电极谐振部1042形状相似或相同且面积相同，或底电极谐振部1042面积大于顶电极谐振部1082的面积，但是本发明的技术方案并不仅仅限定于此，在本发明的其他实施例中，顶电极谐振部1082和底电极谐振部1042的形状也可以不相似，但是优选的是，顶电极凸起部1081和底电极凹陷部1041的形状最好是与压电谐振层1051的形状相适配，其能够沿压电谐振层1051的至少一个边延伸。
另外，经我们研究发现，体声波谐振器的寄生横波大部分会通过有效工作区102A上的膜层与空腔外围的衬底之间的连接结构来传递，因此本发明各实施例中，在保证能够对有效工作区102A的膜层进行有效支撑的前提下，可以尽量控制顶电极搭接部1080的面积(或者说线宽)最小，底电极搭接部1040的面积(或者说线宽)最小。
本发明一实施例还提供一种滤波器，包括至少一个如上述的任意本发明实施例所述的体声波谐振器。
本发明一实施例还提供一种射频通信系统，包括至少一个如本发明一实施例所述的滤波器。
请参考图3，本发明一实施例还提供一种本发明的体声波谐振器(例如图1A至图2D所示的体声波谐振器)的制造方法，包括：
S1，提供衬底，形成第一牺牲层于部分所述衬底上；
S2，形成第一凹槽于所述第一牺牲层的边缘部分中，且所述第一凹槽未暴露出所述第一牺牲层下方的衬底的表面；
S3，形成底电极层于所述第一牺牲层上，所述底电极层覆盖在所述第一凹槽的表面上的部分形成底电极凹陷部；
S4，形成压电谐振层于所述底电极层上，所述压电谐振层暴露出所述底电极凹陷部；
S5，形成具有牺牲凸起的第二牺牲层于所述压电谐振层周围暴露出的区域中；
S6，形成顶电极层于所述压电谐振层及压电谐振层周围的部分第二牺牲层上，所述顶电极层覆盖在所述牺牲凸起上的部分形成顶电极凸起部；
S7，去除具有所述牺牲凸起的第二牺牲层和所述第一牺牲层，具有所述牺牲凸起的第二牺牲层和所述第一牺牲层的位置形成空腔。
请参考图1A、1B和图4A至4B，在本实施例的步骤S1中，通过刻蚀衬底形成凹槽以及向凹槽中填充材料的工艺形成第一牺牲层于部分衬底上，具体实现过程包括：
首先，请参考图1A和图4A，提供衬底，具体地，提供一基底100，并在基底100上覆盖刻蚀保护层101。其中，所述刻蚀保护层101可以通过任意适合的工艺方法例如热氧化、热氮化、热氧氮化等热处理方法或者化学气相沉积、物理气相沉积或原子层沉积等沉积方法形成于基底100上。进一步地，刻蚀保护层101的厚度可以根据实际器件工艺需要进行合理设定，在此不做具体限定。
接着，请继续参考图1A、1B和图4A，通过光刻和刻蚀工艺，对衬底进行刻蚀，以形成至少一个第二凹槽102’。该刻蚀工艺可以是湿法刻蚀或者干法刻蚀工艺，其中较佳地使用干法刻蚀工艺，干法刻蚀包括但不限于反应离子刻蚀(RIE)、离子束刻蚀、等离子体刻蚀或者激光切割。第二凹槽102’的深度和形状均取决于待制造的体声波谐振器所需空腔的深度和形状，第二凹槽102’的横截面形状为矩形，在本发明的其他实施例中，第二凹槽102’的横截面还可以是其他任意合适的形状，例如是圆形、椭圆形或者矩形除外的其他多边形(如五边形、六边形等)。
然后，请参考图1A、1B和图4B，形成第一牺牲层103填充于第二凹槽102’中。所述第一牺牲层103包括材质不同且自下而上堆叠的第一子牺牲层1031和第二子牺牲层1032，第一子牺牲层1031和第二子牺牲层1032的设置，能够使得后续在刻蚀形成第一凹槽时能精确控制刻蚀的停止点，进而精确控制后续形成的底电极凹陷部1041的凹陷深度，由此可见，第二子牺牲层1032的厚度决定了后续形成的底电极凹陷部1041的凹陷深度。其中可以采用两种方法来形成第一牺牲层103。
请继续参考图1A、1B和图4B，一种向第二凹槽102’中填充第一牺牲层103方法包括：首先，通过气相沉积或外延生长工艺填充第一子牺牲层1031于所述第二凹槽102’中，所述第一子牺牲层1031选材为能够被一些工艺处理后转化为不同于基底100和刻蚀保护层101的材料，本实施例中所述第一子牺牲层1031选取为不同于基底100的半导体材料，并通过化学气相沉积工艺形成在衬底上，此时所述第一子牺牲层1031不仅填满所述第二凹槽102’，还覆盖在第二凹槽102’周围的刻蚀保护层101的表面上；然后，通过化学机械平坦化(CMP)工艺，将所述第一子牺牲层1031的顶部平坦化至所述刻蚀保护层101的顶面，以使得所述第一子牺牲层1031仅位于第二凹槽102’中；接着，根据第一子牺牲层1031的材质选取合适的表面改性处理工艺，例如包括氧化处理、氮化处理和离子注入中的至少一种，对所述第一子牺牲层1031的顶部一定厚度进行表面改性处理，以使得这部分厚度的第一子牺牲层1031转化为另一种材质的第二子牺牲层1032，所述第二子牺牲层1032及其下方未被表面改性处理的剩余的所述第一子牺牲层1031构成填满所述第二凹槽102’的第一牺牲层，例如当基底100为Si基底，第一子牺牲层1031为Ge，刻蚀保护层101为氧化硅时，可以在氧气氛围中，对第一子牺牲层1031的顶部一定厚度进行氧化处理，使其转化氧化锗，以作为第二子牺牲层1032，第二子牺牲层1032的厚度取决于后续需要形成的底电极凹陷部1041的凹陷深度；之后，由于表面处理工艺可能会使得填充的第一牺牲层103的顶面与其周围的刻蚀保护层101的顶面不再齐平，不利于后续形成平坦的声薄膜，因此需要通过化学机械平坦化(CMP)工艺，进一步将所述第二子牺牲层1032的顶部平坦化至所述刻蚀保护层101的顶面，以使得所述第一牺牲层103的顶面与其周围的刻蚀保护层101的顶面再次齐平，以为后续工艺提供相对平坦的操作表面。
请继续参考图1A、1B和图4B，另一种向第二凹槽102’中填充第一牺牲层103方法包括：首先，可以通过外延生长工艺、热氧化工艺、气相沉积工艺或涂敷工艺等合适的工艺填充用作第一子牺牲层1031的材料于所述第二凹槽102’中，填充的所述第一子牺牲层1031的材料可以是本领域技术人员所熟知的任意不同意刻蚀保护层101和基底100的材料，例如非晶碳、光刻胶、介电材料(例如氮化硅、碳氧化硅、多孔材料等)或半导体材料(例如多晶硅、非晶硅、锗)等，此时形成的第一子牺牲层1031至少填满所述第二凹槽102’；然后，采用干法刻蚀工艺或湿法刻蚀工艺回刻蚀所述第一子牺牲层1031的材料，以去除所述第二凹槽102’以外的所述第一子牺牲层1031的材料，并使得所述第二凹槽102’中的所述第一子牺牲层1031的材料的顶面低于所述基底100的顶面，以形成所述第一子牺牲层1031，所述回刻蚀的深度取决于后续需要形成的第一凹槽的深度(即底电极中的底电极凹陷部的凹陷深度)；接着，通过外延生长工艺、热氧化工艺、气相沉积工艺或涂敷工艺等合适的工艺填充第二子牺牲层1032于所述第二凹槽102’中，所述第二子牺牲层1032填满所述第二凹槽102’且材质不同于所述第一子牺牲层1031，所述第二子牺牲层1032及其下方的所述第一子牺牲层1031形成填满所述第二凹槽102’的所述第一牺牲层103，第二子牺牲层1032的材质例如为氮化硅、氮氧化硅、磷硅玻璃等介电材料。
请参考图1A、1B和图4C，在步骤S2中，可以通过光刻结合刻蚀的工艺刻蚀第一牺牲层103对应待制作的体声波谐振器的有效工作区(如图4H中的102A)外围中的第二子牺牲层1032，刻蚀可以停止在第一子牺牲层1031的顶面，也可以存在一定的过刻蚀，以停止在第一子牺牲层1031中，进而形成第一凹槽1033，第一凹槽1033的线宽、大小、形状以及位置决定了后续形成的底电极中的底电极凹陷部的线宽、大小、形状以及位置。本实施例中，第一凹槽1033沿图2A的XX’的纵向截面均为梯形，且第一凹槽1033的侧壁与第二子牺牲层1032的顶面之间的夹角
小于45度，由此，有利于后续底电极材料层的沉积，进而提高后续形成的底电极层在第二凹槽102’区域内的厚度均一性。在本发明的其他实施例中，第一凹槽1033的截面形状还可以是上宽下窄的球冠，即其沿图1A的XX’线的纵向截面均为U形。所述第一凹槽1033与所述有效工作区102A之间的水平距离优选为第一凹槽1033刻蚀对准的工艺所允许的最小距离，所述第一凹槽1033的线宽为对应的工艺所允许的最小线宽。
请参考图1A、1B和4D，在步骤S3中，首先，可以根据预定形成的底电极的材料选择适合的方法在刻蚀保护层101、第二子牺牲层1032以及第一凹槽1033的表面上覆盖底电极材料层(未图示)，例如可以通过磁控溅射、蒸镀等物理气相沉积或者化学气相沉积方法形成底电极材料层；然后，利用光刻工艺在底电极材料层上形成定义有底电极图案的光刻胶层(未图示)，再以光刻胶层为掩膜，刻蚀所述底电极材料层，以形成底电极层(即剩余的底电极材料层)104，之后，将光刻胶层去除。底电极材料层可以使用本领域技术任意熟知的任意合适的导电材料或半导体材料，其中，导电材料可以为具有导电性能的金属材料，例如，铝(Al)、铜(Cu)、铂金(Pt)、金(Au)、钼(Mo)、钨(W)、铱(Ir)、锇(Os)、铼(Re)、钯(Pd)、铑(Rh)及钌(Ru)中的一种或几种，所述半导体材料例如Si、Ge、SiGe、SiC、SiGeC等。本实施例中，底电极层(剩余的底电极材料层)104包括覆盖在后续形成的有效工作区102A上的底电极谐振部1042、覆盖在第一凹槽1033上的底电极凹陷部1041、从底电极凹陷部1041的一侧经第二子牺牲层1032的表面延伸到第二凹槽102’外侧的部分刻蚀保护层101上的底电极搭接部1040以及与底电极谐振部1042、底电极凹陷部1041均分离的底电极外围部1043，该底电极外围部1043可以与底电极搭接部1040背向底电极谐振部1042的一侧连接，以用做该区域待形成的体声波谐振器的一个金属接点，也可以与底电极搭接部1040分离，作为相邻的体声波谐振器的底电极搭接部的一部分，在本发明的其他实施例中，底电极外围部1043可以被省略。底电极谐振部1042的俯视形状可以是五边形，在本发明的其他实施例中，还可以是四边形或者六边形等，底电极凹陷部1041设置在底电极搭接部1040和底电极谐振部1042之间，所述底电极凹陷部1041沿着所述底电极谐振部1042的至少一个边设置并连接到所述底电极谐振部1042的相应边上，所述底电极搭接部1040电连接所述底电极凹陷部1041背向所述底电极谐振部1042的至少一个边或至少一个角，并从所述底电极凹陷部1041的相应边上经覆盖于所述底电极凹陷部1041外侧的第二子牺牲层1032的顶面后延伸到所述第二凹槽102’外围的部分刻蚀保护层101的顶面上，即所述底电极凹陷部1041沿着所述底电极谐振部1042的边设置且至少设置在所述底电极搭接部1040和所述底电极谐振部1042对齐的区域中，例如，所述底电极凹陷部1041可以环绕所述底电极谐振部1042一周，而构成闭环结构(请参考图2C所示)，也可以是仅沿着所述底电极谐振部1042的一个边设置，还可以是沿着所述底电极谐振部1042的连续两条或连续两条以上的边设置的开环结构(请参考图2A-2B、2D所示)。底电极凹陷部1041的形状、线宽以及与有效工作区102A之间的水平距离等均取决于第一凹槽1033的成型工艺。优选地，如图2D，所述底电极搭接部1040在自身所处的空腔部分上方完全遮盖空腔102，且在所述顶电极搭接部1080的宽度方向，与所述顶电极搭接部1080无重叠，以提高对后续膜层的支撑力，并尽量避免和所述顶电极搭接部1080重叠而引入不必要的寄生参数。底电极谐振部1042可用作接收或提供诸如射频(RF)信号等的电信号的输入电极或者输出电极。本实施例中，底电极凹陷部1041未填满第一凹槽1033，其上表面构成空心结构，且底电极凹陷部1041和底电极谐振部1042、底电极搭接部1040具有相同的厚度，但本发明并不仅仅限定于此，在本发明的其他实施例中，底电极凹陷部1041也可以是填满第一凹槽1033的实心结构。
请参考图1A、1B和图4E，在步骤S4中，首先，可以使用化学气相沉积、物理气相沉积或原子层沉积等本领域技术人员熟知的任何适合的方法沉积形成压电材料层105；然后，利用光刻工艺在压电材料层105上形成定义有压电薄膜图案的光刻胶层(未图示)，再以光刻胶层为掩膜，刻蚀所述压电材料层105，以形成压电谐振层1051，之后，将光刻胶层去除。所述压电材料层105的材料可以使用氮化铝(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)等具有纤锌矿型结晶结构的压电材料及它们的组合。当压电材料层105包括氮化铝(AlN)时，压电材料层105还可包括稀土金属，例如钪(Sc)、铒(Er)、钇(Y)和镧(La)中的至少一种。此外，当压电材料层105包括氮化铝(AlN)时，压电材料层105还可包括过渡金属，例如锆(Zr)、钛(Ti)、锰(Mn)和铪(Hf)中的至少一种。图案化后剩余的压电材料层105包括相互分离的压电谐振层1051和压电外围部1050，压电谐振层1051位于底电极谐振部1042上，暴露出底电极凹陷部1041，且可以完全覆盖或者部分覆盖底电极谐振部1042。压电谐振层1051的形状可以与底电极谐振部1042的形状相同，也可以不同，其俯视形状可以是五边形，也可以是其他多边形，例如四边形、六边形、七边形或者八边形等。压电外围部1050能够和压电谐振层1051之间形成间隙，以暴露出底电极凹陷部1041以及所述底电极谐振部1042周围的第二子牺牲层1032，并进一步通过形成的间隙来限制后续第二牺牲层的形成区域，同时为后续牺牲凸起的形成提供相对平坦的工艺表面，压电外围部1050还可以实现后续形成的顶电极外围部和之前形成底电极外围部1043之间的隔离，同时为后续第二牺牲层和顶电极的形成提供相对平坦的工艺表面。
请参考图1A、1B和图4F，在步骤S5中，首先，可以通过涂覆工艺或者气相沉积工艺等合适的工艺，在压电外围部1050、压电谐振层1051以及压电外围部1050和压电谐振层1051之间的间隙中覆盖第二牺牲层106，且第二牺牲层106能填满压电外围部1050与压电谐振层1051之间的间隙，该第二牺牲层106的材料可以选自非晶碳、光刻胶、介电材料(例如氮化硅、碳氧化硅、多孔材料等)或半导体材料(例如多晶硅、非晶硅、锗)等中的至少一种；然后，通过CMP工艺对第二牺牲层106进行顶部平坦化，以使得第二牺牲层106仅填充在压电外围部1050与压电谐振层1051之间的间隙中，且压电外围部1050、压电谐振层1051和第二牺牲层106构成平坦的上表面。在本发明的其他实施例中，也可以通过回刻蚀工艺去除压电外围部1050与压电谐振层1051上表面上的第二牺牲层106，使其仅填充在压电外围部1050与压电谐振层1051之间的间隙中。然后，可以通过涂覆工艺或者气相沉积工艺等合适的工艺，在压电外围部1050、压电谐振层1051以及第二牺牲层106上覆盖牺牲材料(未图示)，该牺牲材料的厚度取决于待形成的牺牲凸起107的凸出高度，可以等于图4C中的第一凹槽1033的深度，该牺牲材料可以选自非晶碳、光刻胶、介电材料(例如氮化硅、碳氧化硅、多孔材料等)或半导体材料(例如多晶硅、非晶硅、锗)等中的至少一种，优选为与第二牺牲层106的材质相同，以节约成本，简化工艺；然后，通过光刻工艺或者光刻结合刻蚀的工艺，将所述牺牲材料进行图案化，形成牺牲凸起107，牺牲凸起107的形状、大小以及位置等决定了后续形成的顶电极凸起部的形状、大小以及位置等。优选地，牺牲凸起107的侧壁为相对压电谐振层1051所在平面倾斜的倾斜侧壁，牺牲凸起107的侧壁与压电谐振层1051的顶面之间的夹角θ1、θ2均小于等于45度，由此，有利于后续顶电极凸起部1081的材料覆盖，避免出现断裂，提高厚度均一性。进一步优选地，牺牲凸起107的线宽为对应的工艺所允许的最小线宽，牺牲凸起107与所述压电谐振层1051之间的水平距离为对应的工艺所允许的最小距离，由此在实现较佳的横波阻挡效果的同时，有利于减小器件尺寸。在本发明的一个实施例中，牺牲凸起107和第一凹槽1033可以关于压电谐振层1051呈中心对称，以使得后续形成的顶电极凸起部1081和之前形成的底电极凹陷部1041中心对称，由此可以使得后续形成的空腔的谐振区两侧的横波阻挡效果相同，提高器件性能。
在本发明的其他实施例中，牺牲凸起107和第二牺牲层106可以通过同一道工艺形成，例如，先在压电外围部1050、压电谐振层1051以及压电外围部1050和压电谐振层1051之间的间隙中覆盖第二牺牲层106，该第二牺牲层106的厚度不小于压电谐振层1051的厚度以及牺牲凸起107的厚度之和；然后，通过刻蚀工艺对第二牺牲层106进行图案化，以形成仅填充在压电外围部1050与压电谐振层1051之间的间隙中的第二牺牲层106，且部分第二牺牲层106具有牺牲凸起107，该牺牲凸起107的底面可以齐平于所述压电谐振层1051的顶面，其余部分的第二牺牲层106的顶面齐平于所述压电谐振层1051的顶面。
请参考图1A、图1B和图4G，在步骤S6中，首先，可以根据预定形成的顶电极的材料选择适合的方法在压电外围部1050、压电谐振层1051、第二牺牲层106以及牺牲凸起107的表面上覆盖顶电极材料层(未图示)，例如可以通过磁控溅射、蒸镀等物理气相沉积或者化学气相沉积方法形成顶电极材料层，顶电极材料层可以在各个位置厚度均一；然后，利用光刻工艺在顶电极材料层上形成定义有顶电极图案的光刻胶层(未图示)，再以光刻胶层为掩膜，刻蚀所述顶电极材料层，以形成顶电极层(即图案化的顶电极材料层或剩余的顶电极材料层)108，之后，将光刻胶层去除。顶电极材料层可以使用本领域技术任意熟知的任意合适的导电材料或半导体材料，其中，导电材料可以为具有导电性能的金属材料，例如，Al、Cu、Pt、Au、Mo、W、Ir、Os、Re、Pd、Rh及Ru中的一种或几种，所述半导体材料例如Si、Ge、SiGe、SiC、SiGeC等。本实施例中，顶电极层108包括覆盖在压电谐振层1051上的顶电极谐振部1082、覆盖在牺牲凸起107上的顶电极凸起部1081、从顶电极凸起部1081经部分第二牺牲层106的顶面延伸到顶电极凸起部1081外侧的压电外围部1050上的顶电极搭接部1080以及与顶电极谐振部1082、顶电极凸起部1081均分离的顶电极外围部1083，该顶电极外围部1083可以与顶电极搭接部1080背向顶电极谐振部1082的一侧连接，以用做该区域待形成的体声波谐振器的一个金属接点，也可以与顶电极搭接部1080分离，以作为相邻的体声波谐振器的顶电极搭接部的一部分，在本发明的其他实施例中，顶电极外围部1083可以被省略。顶电极谐振部1082的俯视形状可以与压电谐振层1051的形状相同，也可以不同，其俯视形状例如为五边形，其面积优选为大于压电谐振层1051，以使得压电谐振层1051被顶电极谐振部1082和底电极谐振部1042完全夹在中间，从而有利于器件尺寸的减小以及寄生参数的降低，在本发明的其他实施例中，顶电极谐振部1082的形状还可以是四边形、六边形、七边形或者八边形等多边形。顶电极层108可用作接收或提供诸如射频(RF)信号等的电信号的输入电极或输出电极。例如，当底电极层104用作输入电极时，顶电极层108可用作输出电极，并且当底电极层104用作输出电极时，顶电极层108可用作输入电极，压电谐振层1051将通过顶电极谐振部1082或底电极谐振部1042上输入的电信号转换为体声波。例如，压电谐振层1051通过物理振动将电信号转换为体声波。顶电极凸起部1081沿着所述顶电极谐振部1082的至少一个边设置并连接到所述顶电极谐振部1082的相应边上，即所述顶电极凸起部1081沿着所述顶电极谐振部1082的边设置且至少设置在所述顶电极搭接部1080和所述顶电极谐振部1082对齐的区域中，例如顶电极凸起部1081环绕所述顶电极谐振部1082一周而构成闭环结构(如图2C和2D所示)，再例如顶电极凸起部1081在所述顶电极谐振部1082的多个连续边上延伸而构成开环结构(如图2A和2B所示)。所述顶电极搭接部1080电连接所述顶电极凸起部1081背向所述顶电极谐振部1082的一侧，并从所述顶电极凸起部1081上经部分第二牺牲层106的顶面延伸到第二凹槽102’外侧的部分刻蚀保护层101的顶面，所述顶电极搭接部1080和所述底电极搭接部1040相互错开(即二者在空腔102的区域上不重叠)，且所述顶电极搭接部1080和所述底电极搭接部1040分别暴露出第二凹槽102’的至少一个边。在本发明的一实施例中，请参考图2A和图2B，在垂直于第二凹槽102’的底面的方向上，所述顶电极凸起部1081与底电极搭接部1040面向所述底电极凹陷部1041的边不重叠，所述底电极凹陷部1041与所述顶电极搭接部1080面向所述顶电极凸起部1081的边不重叠。所述顶电极搭接部1080和所述底电极搭接部1040在所述第二凹槽102’的底面上的投影正好相接或相互分离，所述顶电极搭接部1080可以仅延伸到所述第二凹槽102’的一条边外围的部分衬底的上方。
请参考图1A、1B和图4H，在步骤S7中，可以通过光刻结合刻蚀工艺或者激光切割工艺，在压电外围部1050面向第二凹槽102’的边缘或者体声波谐振器的器件区外围进行打孔，以形成能够暴露出部分第一牺牲层103、部分牺牲凸起107或牺牲凸起107暴露的第二牺牲层106中的至少一个的释放孔(未图示)；然后，向所述释放孔中通入气体和/或药液，以去除所述牺牲凸起107、所述第二牺牲层106和所述第一牺牲层103，进而重新清空第二凹槽以形成空腔102，该空腔102包括底电极凹陷部1041限制的第二凹槽102’的空间、顶电极凸起部1081增加的空间及顶电极凸起部1081下方的原先被第二牺牲层106占据的空间。其中，悬空于空腔102上方且依次层叠的底电极谐振部1042、压电谐振层1051和顶电极谐振部1082组成独立体声薄膜，且底电极谐振部1042、压电谐振层1051、顶电极谐振部1082和空腔102沿着竖直方向彼此重叠的部分为有效区域，定义为有效工作区102A，在该有效工作区102A中，当诸如射频信号的电能施加到底电极谐振部1042和顶电极谐振部1082时，会因在压电谐振层1051中产生的压电现象而在压电谐振层1051的厚度方向(即纵向)上产生振动和谐振，空腔102的其他区域为无效区102B，在该无效区102B中，即使当电能施加到顶电极层108和底电极层104时也不因压电现象而谐振的区域。悬空于有效工作区102A上方且依次层叠的底电极谐振部1042、压电谐振层1051和顶电极谐振部1082组成的独立体声薄膜能够输出与压电谐振层1051的压电现象的振动对应的谐振频率的射频信号。具体地，当电能施加到顶电极谐振部1082和底电极谐振部1042时，通过在压电谐振层1051中产生的压电现象而产生体声波。在这种情况下，从产生的体声波除了期望的纵波还有寄生的横波，该横波会在顶电极凸起部1081和底电极凹陷部1041处被阻挡，将横波限制在有效工作区102A中，防止其传播到空腔外围的膜层中，由此改善因横波向空腔外围的膜层中传播而引起的声波损耗，从而使谐振器的品质因子得到提高，最终能够提高器件性能。
需要说明的是，步骤S7可以在待形成的空腔上方的所有膜层均制作完成后再执行，由此，可以继续利用第一牺牲层103和第二牺牲层106来保护空腔102所在的空间以及其上形成的底电极层104至顶电极层108堆叠的膜层结构，以避免在空腔102形成之后继续进行后续工艺时造成的空腔坍塌风险。此外，在步骤S7中形成的释放孔，可以先一直保留，使得释放孔能够利用后续的两衬底键合等的封装工艺来密封，进而使得空腔102封闭。
需要注意的是，上述各实施例的体声波谐振器的制造方法的步骤S1中，通过刻蚀衬底形成第二凹槽102’和填充第二凹槽102’的工艺来形成第一牺牲层103于部分衬底上，以使得步骤S7中形成的空腔102为整个底部凹陷在所述衬底中的凹槽结构，但本发明的技术方案并不仅仅限定于此，在本发明的其他实施例的步骤S1中，还可以通过膜层沉积结合光刻和刻蚀工艺来形成凸设于衬底上的第一牺牲层103，以使得步骤S7中形成的空腔为整体上凸设在所述衬底表面上的腔体结构，具体地，请参考图2E和5，在步骤S1中，在提供的衬底中不再形成用于制作空腔102的第二凹槽102’，而是先在基底100表面的刻蚀保护层101上依次覆盖第一子牺牲层1031和第二子牺牲层1032，其中第一子牺牲层1031和第二子牺牲层1032的形成工艺可以参考上述实施例，即可以通过连续沉积两层不同材质的膜层的工艺或者通过将预先沉积的较厚的膜层的顶部一定厚度进行材质转化的工艺来形成层叠在一起的第一子牺牲层1031和第二子牺牲层1032；然后通过光刻结合刻蚀的工艺，将第二子牺牲层1032和第一子牺牲层1031图案化，仅保留覆盖在对应空腔102的区域上的第二子牺牲层1032和第一子牺牲层1031，进而第一牺牲层103凸立于部分衬底上，该第一牺牲层103可以是上窄下宽的结构，第一牺牲层103的厚度决定了后续形成的空腔102的深度。在该实施例中，后续步骤与图4A至图4H所示的实施例的体声波谐振器的制造方法中的相应部分完全相同，在此不再赘述，只是形成的底电极外围部1043、底电极搭接部1040、压电外围部1050、顶电极外围部1083、顶电极搭接部1080的相应侧壁需要适应凸立的第一牺牲层103而变形，纵向截面均变为“Z”形结构。
本发明的体声波谐振器优选地采用本发明的体声波谐振器的制作方法，以将底电极搭接部、底电极凹陷部与底电极谐振部一道制作，将顶电极搭接部、顶电极凸起部和顶电极谐振部一道制作，进而简化工艺，降低制作成本。
显然，本领域的技术人员可以对发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。
Claims (26)
1.一种体声波谐振器，其特征在于，包括：
衬底；
底电极层，设置在所述衬底上，且所述底电极层和所述衬底之间形成有空腔，所述底电极层具有底电极凹陷部，所述底电极凹陷部位于所述空腔的区域中且向着靠近所述空腔的底面的方向凹陷；
压电谐振层，形成在所述空腔上方的所述底电极层上；
顶电极层，形成在所述压电谐振层上，所述顶电极层具有顶电极凸起部，所述顶电极凸起部位于所述空腔的区域中并向着远离所述空腔的底面的方向凸起，所述顶电极凸起部和所述底电极凹陷部均位于所述压电谐振层外围的空腔区域中，所述底电极凹陷部与所述顶电极凸起部均围绕所述压电谐振层的周边方向延伸，且二者至少部分相对；
其中，所述压电谐振层的侧壁表面、所述顶电极凸起部的下表面以及所述底电极凹陷部的上表面均被暴露在所述空腔中。
2.如权利要求1所述的体声波谐振器，其特征在于，所述底电极层还包括底电极搭接部，所述底电极搭接部一端连接所述底电极凹陷部，另一端搭接到所述空腔外围的衬底上；所述顶电极层还包括顶电极搭接部，所述顶电极搭接部一端连接所述顶电极凸起部，另一端延伸到所述空腔外围的衬底上方；所述底电极搭接部和所述顶电极搭接部相互错开。
3.如权利要求2所述的体声波谐振器，其特征在于，所述底电极层还包括与所述压电谐振层重叠的底电极谐振部，所述顶电极层还包括与所述压电谐振层重叠的顶电极谐振部，所述底电极谐振部和所述顶电极谐振部均为多边形。
4.如权利要求3所述的体声波谐振器，其特征在于，所述底电极凹陷部沿着所述底电极谐振部的边设置且至少设置在所述底电极搭接部和所述底电极谐振部对齐的区域中，所述顶电极凸起部沿着所述顶电极谐振部的边设置且至少设置在所述顶电极搭接部和所述顶电极谐振部对齐的区域中。
5.如权利要求4所述的体声波谐振器，其特征在于，所述底电极凹陷部在所述空腔上方至少与所述顶电极搭接部相互错开，或者，所述底电极凹陷部环绕所述底电极谐振部一周；所述顶电极凸起部在所述空腔上方至少与所述底电极搭接部相互错开，或者，所述顶电极凸起部环绕所述顶电极谐振部一周。
6.如权利要求5所述的体声波谐振器，其特征在于，所述顶电极凸起部和所述底电极凹陷部在所述空腔的底面上的投影正好相接或相互错开或具有重叠。
7.如权利要求3所述的体声波谐振器，其特征在于，所述底电极凹陷部、所述底电极搭接部和所述底电极谐振部采用同一膜层形成，所述顶电极凸起部、所述顶电极搭接部和所述顶电极谐振部采用同一膜层形成。
8.如权利要求4所述的体声波谐振器，其特征在于，所述底电极搭接部在自身所处的空腔部分上方完全遮盖空腔，且在所述顶电极搭接部的宽度方向，与所述顶电极搭接部无重叠。
9.如权利要求1至8中任一项所述的体声波谐振器，其特征在于，所述底电极凹陷部与所述压电谐振层之间的水平距离为制造所述底电极凹陷部的工艺所允许的最小距离；所述顶电极凸起部与所述压电谐振层之间的水平距离为制造所述顶电极凸起部的工艺所允许的最小距离。
10.如权利要求1至8中任一项所述的体声波谐振器，其特征在于，所述顶电极凸起部的侧壁相对所述压电谐振层的顶面倾斜，所述底电极凹陷部的侧壁相对所述压电谐振层的底面倾斜。
11.如权利要求10所述的体声波谐振器，其特征在于，所述顶电极凸起部的侧壁和所述压电谐振层的顶面之间的夹角小于等于45度，所述底电极凹陷部的侧壁与所述压电谐振层的底面之间的夹角小于等于45度。
12.如权利要求1至8或11中任一项所述的体声波谐振器，其特征在于，所述底电极凹陷部的线宽为制造所述底电极凹陷部的工艺所允许的最小线宽；所述顶电极凸起部的线宽为制造所述顶电极凸起部的工艺所允许的最小线宽。
13.如权利要求1至8或11中任一项所述的体声波谐振器，其特征在于，所述空腔为整个底部凹陷在所述衬底中的凹槽结构或者为整体上凸设在所述衬底表面上的腔体结构。
14.一种滤波器，其特征在于，包括至少一个如权利要求1至13中任一项所述的体声波谐振器。
15.一种射频通信系统，其特征在于，包括至少一个如权利要求14所述的滤波器。
16.一种体声波谐振器的制造方法，其特征在于，包括：
提供衬底，形成第一牺牲层于部分所述衬底上；
形成第一凹槽于所述第一牺牲层的边缘部分中，且所述第一凹槽未暴露出所述第一牺牲层下方的衬底的表面；
形成底电极层于所述第一牺牲层上，所述底电极层覆盖在所述第一凹槽的表面上的部分形成底电极凹陷部；
形成压电谐振层于所述底电极层上，所述压电谐振层暴露出所述底电极凹陷部；
形成具有牺牲凸起的第二牺牲层于所述压电谐振层周围暴露出的区域中；
形成顶电极层于所述压电谐振层及压电谐振层周围的部分第二牺牲层上，所述顶电极层覆盖在所述牺牲凸起上的部分形成顶电极凸起部；
去除具有所述牺牲凸起的第二牺牲层和所述第一牺牲层，具有所述牺牲凸起的第二牺牲层和所述第一牺牲层的位置形成空腔，所述顶电极凸起部和所述底电极凹陷部均位于所述压电谐振层外围的空腔区域中，所述底电极凹陷部与所述顶电极凸起部均围绕所述压电谐振层的周边方向延伸，且二者至少部分相对。
17.如权利要求16所述的体声波谐振器的制造方法，其特征在于，形成第一牺牲层于部分衬底上的步骤包括：刻蚀所述衬底，以形成第二凹槽于所述衬底中；形成第一牺牲层填充于所述第二凹槽中；或者，
形成第一牺牲层于部分衬底上的步骤包括：覆盖第一牺牲层于所述衬底上；图案化所述第一牺牲层，以形成第一牺牲层凸设于部分衬底上。
18.如权利要求17所述的体声波谐振器的制造方法，其特征在于，所述第一牺牲层包括依次层叠的第一子牺牲层和第二子牺牲层，其中，
形成依次层叠的第一子牺牲层和第二子牺牲层的步骤包括：首先，形成第一子牺牲层；接着，将所述第一子牺牲层的顶部一定厚度进行材质转化，以转化为材质不同于第一子牺牲层的第二子牺牲层；或者，
形成依次层叠的第一子牺牲层和第二子牺牲层的步骤包括：首先，形成第一子牺牲层；然后，在所述第一子牺牲层上形成第二子牺牲层，所述第一子牺牲层和所述第二子牺牲层的材质不同。
19.如权利要求18所述的体声波谐振器的制造方法，其特征在于，通过包括氧化处理、氮化处理和离子注入中的至少一种表面改性处理工艺，将所述第一子牺牲层的顶部一定厚度进行材质转化，以形成所述第二子牺牲层。
20.如权利要求18所述的体声波谐振器的制造方法，其特征在于，所述第一凹槽的底面停止在所述第一子牺牲层的顶面上或者停止在所述第一子牺牲层中。
21.如权利要求16所述的体声波谐振器的制造方法，其特征在于，去除具有所述牺牲凸起的第二牺牲层和所述第一牺牲层的步骤包括：
在形成顶电极层之后，形成至少一个释放孔，所述释放孔至少暴露出部分所述第一牺牲层、部分所述牺牲凸起或所述牺牲凸起以外的部分所述第二牺牲层；
向所述释放孔中通入气体和/或药液，以去除具有所述牺牲凸起的第二牺牲层和所述第一牺牲层。
22.如权利要求16至21中任一项所述的体声波谐振器的制造方法，其特征在于，形成所述底电极层的步骤包括：沉积底电极材料层覆盖于具有所述第一凹槽的所述第一牺牲层上；图案化所述底电极材料层，以形成依次连接的底电极搭接部、所述底电极凹陷部和底电极谐振部，所述底电极谐振部与所述压电谐振层重叠，所述底电极搭接部背向所述底电极凹陷部的一端搭接到所述空腔外围的衬底上。
23.如权利要求22所述的体声波谐振器的制造方法，其特征在于，形成所述顶电极层步骤包括：沉积顶电极材料层覆盖于具有所述牺牲凸起的所述第二牺牲层以及压电谐振层上；图案化所述顶电极材料层，以形成依次连接的顶电极搭接部、所述顶电极凸起部和顶电极谐振部，所述顶电极谐振部与所述压电谐振层重叠，所述顶电极搭接部背向所述顶电极凸起部的一端延伸到所述空腔外围的衬底上方，且所述顶电极搭接部和所述底电极搭接部相互错开。
24.如权利要求23所述的体声波谐振器的制造方法，其特征在于，所述底电极谐振部和所述顶电极谐振部均为多边形，所述底电极凹陷部沿着所述底电极谐振部的边设置且至少设置在所述底电极搭接部和所述底电极谐振部对齐的区域中，所述顶电极凸起部沿着所述顶电极谐振部的边设置且至少设置在所述顶电极搭接部和所述顶电极谐振部对齐的区域中。
25.如权利要求16至21和23至24中任一项所述的体声波谐振器的制造方法，其特征在于，所述底电极凹陷部与所述压电谐振层之间的水平距离为制造所述底电极凹陷部的工艺所允许的最小距离；所述顶电极凸起部与所述压电谐振层之间的水平距离为制造所述顶电极凸起部的工艺所允许的最小距离。
26.如权利要求16至21和23至24中任一项所述的体声波谐振器的制造方法，其特征在于，所述底电极凹陷部的线宽为制造所述底电极凹陷部的工艺所允许的最小线宽；所述顶电极凸起部的线宽为制造所述顶电极凸起部的工艺所允许的最小线宽。
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