CN111934641B - 体声波谐振器及其频率调整方法、滤波器、电子设备 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种体声波谐振器，包括：基底；声学镜；底电极；顶电极；和压电层，其中：顶电极、压电层和底电极形成层叠结构；所述谐振器还包括层叠结构上表面的质量负载层，所述质量负载层中包括多个质量负载，所述多个质量负载中的每个质量负载包括纵向支撑部以及水平延伸部，支撑部的下端连接到层叠结构的上表面，所述水平延伸部的一端自支撑部的上端连接到支撑部；且所述水平延伸部与所述层叠结构的上表面间隔开水平延伸，所述水平延伸部的下表面与所述层叠结构的上表面之间形成空隙部，所述水平延伸部的下表面限定所述空隙部的上侧，所述层叠结构的上表面限定所述空隙部的下侧。本发明还涉及一种具有该体声波谐振器的电子设备。
Description
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及其频率调整方法，一种具有该谐振器的滤波器，一种具有该滤波器或谐振器的电子设备。
背景技术
电子器件作为电子设备的基本元素，已经被广泛应用，其应用范围包括移动电话、汽车、家电设备等。此外，未来即将改变世界的人工智能、物联网、5G通讯等技术仍然需要依靠电子器件作为基础。
薄膜体声波谐振器(Film Bulk Acoustic Resonator，简称FBAR，又称为体波谐振器，也称BAW)作为压电器件的重要成员正在通信领域发挥着重要作用，特别是FBAR滤波器在射频滤波器领域市场占有份额越来越大，FBAR具有尺寸小、谐振频率高、品质因数高、功率容量大、滚降效应好等优良特性，其滤波器正在逐步取代传统的声表面波(SAW)滤波器和陶瓷滤波器，在无线通信射频领域发挥巨大作用，其高灵敏度的优势也能应用到生物、物理、医学等传感领域。
薄膜体声波谐振器的结构主体为由电极-压电薄膜-电极组成的“三明治”结构，即两层金属电极层之间夹一层压电材料。通过在两电极间输入正弦信号，FBAR利用逆压电效应将输入电信号转换为机械谐振，并且再利用压电效应将机械谐振转换为电信号输出。
现有技术中，已经提出在谐振器的顶电极上设置完整的质量负载来调整谐振器的频率。这种方法对频率的调整量取决于厚度控制精度，如果需要多种频率的谐振器，则需要沉积多种厚度的质量负载层，工艺复杂，且精度不易控制。此外，也已经提出在谐振器顶电极上设置图形化的质量负载，通过调节质量负载层的图形密度来实现频率调整。
现有的图形化的质量负载为凸起阵列的形式，用于对谐振器的谐振频率进行调整，但是对于利用其抑制体声波谐振器的横向寄生模式，还存在进一步改进的需要。
发明内容
为提高质量负载对体声波谐振器的横向寄生模式的抑制作用，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；和
压电层，
其中：
顶电极、压电层和底电极形成层叠结构；
所述谐振器还包括层叠结构上表面的质量负载层，所述质量负载层中包括多个质量负载，所述多个质量负载中的每个质量负载包括纵向支撑部以及水平延伸部，支撑部的下端连接到层叠结构的上表面，所述水平延伸部的一端自支撑部的上端连接到支撑部；且
所述水平延伸部与所述层叠结构的上表面间隔开水平延伸，所述水平延伸部的下表面与所述层叠结构的上表面之间形成空隙部，所述水平延伸部的下表面限定所述空隙部的上侧，所述层叠结构的上表面限定所述空隙部的下侧。
本发明的实施例也涉及一种滤波器，包括上述的体声波谐振器。
本发明的实施例还涉及一种电子设备，包括上述的滤波器或者谐振器。
本发明还涉及一种上述体声波谐振器的谐振频率的调整方法，包括步骤：
调整所述水平延伸部的厚度、所述空隙部的高度、所述水平延伸部的宽度，以及所述空隙部的面积之和与所述谐振器的有效区域的面积的比值中的至少一种，以调整体声波谐振器的谐振频率。
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1A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图；
图1B为示例性说明图1A中的质量负载的布置的示意图，其中质量负载呈环状布置；
图1C为示例性说明图1A中的质量负载的布置的示意图，其中质量负载呈矩阵布置；
图2A为根据本发明的一个示例性实施例的类似于沿图1A中的A1-A2线截得的局部截面图；
图2B为图2A中所示的截面图的对应的局部剖视立体图；
图3A为根据本发明的一个示例性实施例的类似于沿图1A中的A1-A2线截得的局部截面图；
图3B为图3A中所示的截面图的对应的局部剖视立体图；
图3C为根据本发明的另一个示例性实施例的类似于沿图1A中的A1-A2线截得的局部截面图，其中质量负载层上方设置有钝化层或工艺层；
图3D为根据本发明的还一个示例性实施例的类似于沿图1A中的A1-A2线截得的局部截面图，其中质量负载层与顶电极之间设置有钝化层或工艺层；
图3E为根据本发明的再一个示例性实施例的类似于沿图1A中的A1-A2线截得的局部截面图；
图4A为根据本发明的再一个示例性实施例的类似于沿图1A中的A1-A2线截得的局部截面图；
图4B和4C分别示出了作为一个示例性实施例的图4A中的质量负载的立体图以及剖开立体图；
图4D和4E分别示出了作为一个示例性实施例的图4A中的质量负载的立体图以及剖开立体图；
图4F和4G分别示出了作为一个示例性实施例的图4A中的质量负载的立体图以及剖开立体图；
图4H示例性示出了根据本发明的另一个示例性实施例的质量负载层的结构图；
图5A为根据本发明的再一个示例性实施例的类似于沿图1A中的A1-A2线截得的局部截面图；
图5B和5C分别示出了作为一个示例性实施例的图5A中的质量负载的立体图以及剖开立体图；
图5D和5E分别示出了作为一个示例性实施例的图5A中的质量负载的立体图以及剖开立体图；
图6A为根据本发明的再一个示例性实施例的类似于沿图1A中的A1-A2线截得的局部截面图；
图6B和6C分别示出了作为一个示例性实施例的图6A中的质量负载的立体图以及剖开立体图；
图6D和6E分别示出了作为一个示例性实施例的图6A中的质量负载的立体图以及剖开立体图；
图6F示出了作为一个示例性实施例的类似于沿图1A中的A1-A2线截得的局部截面图；
图7A为根据本发明的再一个示例性实施例的类似于沿图1A中的A1-A2线截得的局部截面图；
图7B示出了作为一个示例性实施例的图7A中的质量负载的剖开立体图；
图7C为根据本发明的又一个示例性实施例的质量负载的剖开立体图。
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。
在本发明中，附图标记示例性说明如下：
10：基底，材料可选单晶硅，砷化镓，氮化镓、蓝宝石，石英等。
40：压电层，材料可选氮化铝，氧化锌，锆钛酸铅(PZT)或上述材料的一定原子比的稀土元素掺杂材料，也可以选择单晶压电层材料，如单晶氮化铝、铌酸锂、钽酸锂、石英等。
50：顶电极，材料可选钼，钌，钛，钨，铂，铱，锇，铝，铜，金，银，以及上述金属的复合或合金。
55：顶电极的电极引脚。
60：质量负载，包括质量负载空隙部P和质量负载材料层65。
P：质量负载的空隙部。
65：质量负载材料层，其限定或形成了质量负载60，其可以为介电材料，例如多晶硅、氮化铝、二氧化硅、掺杂二氧化硅、碳化硅以及各类金属氧化物如氧化铝、氧化镁等。质量负载材料层也可以为金属材料，例如与顶电极相同的材料。
70：工艺层或钝化层，其可以用于保护质量负载不受外界环境侵蚀，或者可以用于对谐振器的频率进行微调，其材料可以包括多晶硅、氮化铝、二氧化硅、掺杂二氧化硅、碳化硅等。
图1A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图，图1B为示例性说明图1A中的质量负载的布置的示意图，其中质量负载呈环状布置。图1A中示出了基底10，压电层40，顶电极50(含引脚55)，覆盖顶电极表面的质量负载60，在图1A中，多个质量负载60形成了阵列。为了突出本发明的重点，本发明的附图中已略去部分不相关的结构，如底电极、声学镜等等。
如图1A和1B所示，顶电极50的表面设置有具有空间分布特征的多个质量负载60，多个质量负载形成质量负载阵列。质量负载阵列的质量负载的分布特征为：如图1A所示，靠近中心(即谐振器的有效区域的几何中心，在本发明中，谐振器的有效区域为该谐振器的顶电极、底电极、压电层和声学镜在谐振器的厚度方向上的重叠区域)处质量负载分布密集，径向向外或横向向外逐渐变稀疏。需要说明的是，图1A中给出的分布示例仅为示意说明，并不代表本发明中全部可能的分布形式。此外，质量负载60之间的间距仅为示意性说明，不代表真实尺寸比例。
还需要说明的是，在图1A中，质量负载60可以是设置在顶电极的上表面而从俯视图中可见或容易辨识出，如后面的图3A所示；也可以是从俯视图中不可见或不容易辨识出，如图2A所示。在图1A中，是示例性的说明质量负载60的分布，并不表明质量负载60在谐振器的厚度方向上的位置。
对于图1A所示的质量负载，其具体分布的一个示例在图1B中示出。
在图1B中，质量负载阵列中若干质量负载分布于一系列的同心圆上，由内向外各个圆的半径依次为R1，R2…等等。在某个圆上的质量负载等间距分布，由内向外各个圆上质量负载的圆周间距依次为S1,S2…等等。
例如，对于具有某个半径Rn的圆环，其内侧/外侧相邻的圆环半径分别为Rn-1和Rn+1，那么此处对圆环间距的要求是：Rn-Rn-1≤Rn+1-Rn，即使得圆环间距由内侧向外侧不变小。类似的，对于圆环上单元的分布间距，也要求Sn≤Sn+1，即至少确保分布间距由内侧向外侧不变小。
需要指出的是，在图1B中，质量负载的分布方式仅适用于后续实施例中具体质量负载具有圆盘和圆柱的情形，不应用于除圆以外的其他形状的质量负载布置。不过，在其他横截面的质量载体(如图4B，4F，5B，6B所示)也如图1B所示布置成同心环形的情况下，可以将其纵向中心轴线作为俯视图中的位置确定点。
在本发明中，对于一个部件而言，内侧是指在径向方向或者横向方向上更靠近上述中心的一侧，而外侧则是指在径向方向上或者横向方向上远离上述中心的一侧。
在本发明中，上或下是相对于谐振器的厚度方向而言的，以谐振器的基底在下而顶电极在上的方式放置谐振器的情况下，上侧是指一个部件的更远离谐振器的最下侧的一侧，而下侧则是指一个部件的更靠近谐振器的最下侧的一侧。相应的，向上表示在从谐振器的底侧到顶侧的方向上，而向下则是在从谐振器的顶侧向底侧的方向上。
图1C为示例性说明图1A中的质量负载的布置的示意图，其中质量负载呈矩阵布置。在图1C中，质量负载在两个方向上均匀周期分布。在其中一个方向上间距w1范围为谐振器总厚度的0.1倍到10倍,另一个方向上间距w2范围为谐振器总厚度的0.1倍到10倍，w1和w2可以相同也可以不同。图1C的分布方式对于后续实施例中的所有具体质量负载的形状均适用，而图1C中给出的矩形负载单元作用仅为示意说明。
图2A为根据本发明的一个示例性实施例的类似于沿图1A中的A1-A2线截得的局部截面图，其中示出了多个分离开的空隙部P，空隙部均位于质量负载材料层65内，图2B为图2A中所示的截面图的对应的局部剖视立体图，其中示出了空隙部的形状为圆柱形。
如图2A和2B所示，质量负载60限定的空隙部P被质量负载材料层65覆盖，且质量负载材料层65填平质量负载的空隙部之间的间隙，在本实施例中，空隙部P为空气柱的形式。在本实施例中，质量负载材料层65的材料为氮化铝，其具有多晶疏松结构，因此，虽然空气柱被覆盖而看似与外界无连通，但是基于多晶疏松结构可以使得小分子刻蚀剂(如氟化氢)透过质量负载材料层将空气柱内的牺牲材料去除。如图2A和2B所示，鉴于质量负载60就形成在质量负载材料层65中，质量负载材料层65对应于质量负载层。
在图示的示例中，空气柱为圆柱，但本发明不限于此，其也可以为矩形柱，或其他形状的立柱。如图2A所示，空隙部或空气柱的高度h1的范围为
空气柱或空隙部上方覆盖的质量负载材料层的厚度h2的范围为补充
对于圆柱形空气柱，其半径r1的范围为谐振器总厚度的0.1倍到5倍；对于矩形立柱，其两个垂直方向的边长可以相同，也可以不同，但其边长范围均为谐振器总厚度的0.1倍到5倍。
如图2A和2B所示，质量负载60包括纵向支撑部62以及水平延伸部64，如图2A所示，支撑部62的下端连接到顶电极50的上表面，水平延伸部64的下表面与顶电极50的上表面之间形成空隙部P，水平延伸部64的下表面限定所述空隙部P的上侧，顶电极50的上表面限定空隙部P的下侧。此外，在图2A和2B中，所述空隙部P在周向方向上由支撑部62包围；且水平延伸部64在横向方向上的所述一端相对的另一端与对应的支撑部的上端连接，换言之，在图2A和2B中，水平延伸部64在两侧均由支撑部62支撑。在图2A和2B中，水平延伸部64覆盖了空隙部P的整个上侧。
在本发明中，水平延伸部表示该延伸部与顶电极的上表面大体平行的延伸即可，例如，可以将该延伸部与顶电极的上表面形成的角度在20度以内的情形就认定为大体水平延伸。
此外，如图2A和2B所示，质量负载层或者质量负载材料层65的上表面为平坦的上表面；水平延伸部64的上表面构成所述质量负载层的上表面的一部分。不过，本发明不限于此。
图3A为根据本发明的一个示例性实施例的类似于沿图1A中的A1-A2线截得的局部截面图，其中示出了质量负载材料层65形成有多个凸出的柱状体，每个柱状体内设置有空隙部P。图3B为图3A中所示的截面图的对应的局部剖视立体图，其中示出了空隙部P的形状为圆柱形。
在图3A以及后续提及的图3E中，空隙部的高度为h3，其范围可以在
的范围内，h4为水平延伸部的厚度，其范围可以在
的范围内。
如图3A以及后续提及的图3B-3E所示，柱状体为筒状体，筒状体的内部形成所述空隙部P，所述筒状体的筒壁形成支撑部62，所述筒状体的顶部封闭且形成限定空隙部P的上侧的水平延伸部64。所述多个筒状体的筒壁的上部在横向方向或周向方向上彼此间隔开。
在图3A以及后续提及的图3B-3E中，质量负载材料层65的材料为氮化铝，其具有多晶疏松结构，因此，虽然空气柱被覆盖而看似与外界无连通，但是基于多晶疏松结构可以使得小分子刻蚀剂(如氟化氢)透过质量负载材料层将空气柱内的牺牲材料去除。如图3A-3E所示，鉴于质量负载60形成在质量负载材料层65中，质量负载材料层65对应于质量负载层。
图3C为根据本发明的另一个示例性实施例的类似于沿图1A中的A1-A2线截得的局部截面图，其中示出了质量负载材料层内形成有多个凸出的柱状体，每个柱状体内设置有空隙部，而且质量负载材料层的上表面覆盖有一层工艺层70。该工艺层70可具备多种功能，如加固负载结构，保护负载结构不受外界化学环境侵蚀，对谐振器频率进行微调等等。其材料选择可包含多晶硅、氮化铝、氧化硅、氮化硅、碳化硅以及各类金属氧化物如氧化铝，氧化镁等等。图3C中所示的工艺层结构对于本发明具有普遍适用性，在其余实施例中不再赘述。
在本发明中，质量负载材料层65的材料可以与工艺层70的材料相同，例如为二氧化硅，氮化铝等。
在图2A和3A所示的实施例中，质量负载层直接设置在顶电极的上表面，但是，本发明不限于此，例如，如图3D所示，在顶电极上表面设置有工艺层或者钝化层70的情况下，质量负载层也可以设置在该工艺层的上表面。换言之，本发明包括了质量负载层设置在由谐振器的顶电极、压电层和底电极形成的层叠结构的上表面的方案，该层叠结构中的顶电极的上表面可以设置有工艺层或钝化层，也可以不设置，这些均在本发明的保护范围之内。
在图3A所示的示例(图3B-3D所示的示例相似)中，如图所示，可选的，在横向方向上或者周向方向上相邻的筒状体之间在筒状体的下部以连接层66彼此连接，且所述连接层66的厚度小于所述空隙部P的高度。换言之，在本发明的图3A-3D所示的实施例中，在横向方向上或者周向方向上相邻的至少部分筒状体之间，在空隙部的高度范围内，筒状体至少在筒状体的下部以连接层彼此连接，且所述连接层的厚度小于所述空隙部的高度。
虽然没有示出，在可选的实施例中，在横向方向上或者周向方向上相邻的至少部分筒状体在横向方向上或周向方向上彼此间隔开，即移除连接层66。
还需要指出的是，相邻筒状体的处于与空隙部大体相同高度的部分也可以彼此相接，如图3E所示，即在横向方向上或者周向方向上相邻的至少部分筒状体之间，至少在空隙部的高度范围内彼此连接。
在本发明中，空隙部P为在一个特定的区域，在图2A-3E中，空隙部P即图中的空气柱所在的区域；而在后面说明的例如图4A-4G，以及5A-7C中，空隙部P即水平延伸部在谐振器的厚度方向上的投影覆盖的空隙区域，例如如图4A所示。在图4A中，水平延伸部64下方的空隙形成空隙部P。
在图2A-3E所示的实施例中，水平延伸部不存在自由端，即水平延伸端的一侧连接到支撑部，另一侧也连接到支撑部。但是本发明不限于此，水平延伸部的另一侧可以是自由端，例如参见图4A-4G，以及5A-7C。下面参照图4A-4G，以及5A-7C予以示例性说明。
图4A为根据本发明的再一个示例性实施例的类似于沿图1A中的A1-A2线截得的局部截面图，其中示出了质量负载层中的质量负载60包括上部开口而中空的筒体(筒体的一部分对应于支撑部62)且每个筒体的上部设置有水平延伸部64，如图4A所示，相邻的质量负载60之间以空隙间隔开，如图4A所示，筒体的底部为盲端，即筒体存在底壁，该底壁与顶电极50的上表面接触。
图4B和4C分别示出了作为一个示例性实施例的图4A中的质量负载的立体图以及剖开立体图，其中质量负载的柱体和水平延伸部的横截面均具有矩形的截面外轮廓，其对应于矩形管和矩形盘的结构形状。
图4D和4E分别示出了作为一个示例性实施例的图4A中的质量负载的立体图以及剖开立体图，其中质量负载的柱体和水平延伸部的横截面均具有圆形的截面外轮廓，其对应于圆形管和圆形盘的结构形状。
在图4B-4E中，支撑柱或矩形管的底面边长为a1和b1，水平延伸部或矩形盘的边长为a2和b2；支撑柱或圆形管底面半径为r3，水平延伸部或圆盘半径为r4；矩形管和圆管的高度或者空隙部的高度为h5，两种结构的水平延伸部的厚度为h6。可选的，a1、b1、2×r3(支撑柱的直径)的范围在谐振器总厚度的0.1倍到5倍，a2、b2、2×r4(延伸部的直径)分别大于a1、b1、2×r3即可，其范围在谐振器总厚度的0.1倍到10倍；h5的范围为
h6的范围为
对于形成了水平延伸部64的在柱体的顶部的盘状部分，不限于以上附图所示的矩形和圆形。图4F和4G分别示出了作为一个示例性实施例的图4A中的质量负载的立体图以及剖开立体图，其中质量负载的柱体的横截面为矩形，且水平延伸部从柱体的上端的各个边水平延伸。图4F和图4G中给出了盘状部分形状的一种变化。其中在矩形盘的四角截去四个边长分别为a4和b4的小矩形，从而得到更为复杂的几何形状，其中原矩形剩余的边长分别为a3和a4。
若将图4F所示的顶部盘状结构与周围单元的顶部盘状结构的边缘发生连接，则可以得到如图4H所示的具有“空洞”的结构。如能够理解的，该连接方法也适用于本发明中其它原本具有水平延伸部自由端的负载单元，如图6B和图6C所示结构等。
在图4A-4H的实施例中，作为质量负载的支撑部的管状柱体的下端为盲端，但是本发明不限于此，换言之，该中空管状柱体的下端也可以是开口端，即中空空间的下侧由叠层结构的上表面限定。附图5A-5E给出了这样的实施例。
图5A为根据本发明的再一个示例性实施例的类似于沿图1A中的A1-A2线截得的局部截面图，其中示出了质量负载层中的质量负载包括上部开口而中空的筒体(筒体的一部分对应于支撑部62)且每个筒体的上部设置有水平延伸部64，相邻的质量负载60之间以空隙间隔开，筒体的底部为开口端。
在图5A中，水平延伸部64下方的空隙形成空隙部P。
图5B和5C分别示出了作为一个示例性实施例的图5A中的质量负载的立体图以及剖开立体图，其中质量负载的柱体和水平延伸部的横截面均具有矩形的截面外轮廓，其对应于矩形管和矩形盘的结构形状。
图5D和5E分别示出了作为一个示例性实施例的图5A中的质量负载的立体图以及剖开立体图，其中质量负载的柱体和水平延伸部的横截面均具有圆形的截面外轮廓，其对应于圆形管和圆形盘的结构形状。
在图5B-5E中，支撑柱或矩形管的底面边长为a5和b5，水平延伸部或矩形盘的边长为a6和b6；支撑柱或圆形管底面半径为r5，水平延伸部或圆盘的半径为r6；矩形管和圆管的高度或者空隙部的高度为h7，两种结构的水平延伸部的厚度为h8。可选的，a5、b5、2×r5(支撑柱的直径)的范围在谐振器总厚度的0.1倍到5倍，a6、b6、2×r6(延伸部的直径)分别大于a5、b5、2×r5即可，其范围在谐振器总厚度的0.1倍到10倍；h7的范围为
h8的范围为
支撑部也可以不是筒状结构而是实心柱体，对应的，盘面也不是中心开孔的盘面，而是整体盘面结构。下面参照附图6A-6C示例性说明。
图6A为根据本发明的再一个示例性实施例的类似于沿图1A中的A1-A2线截得的局部截面图，其中示出了质量负载层中的质量负载包括柱体(对应于支撑部62)且每个柱体的上部设置有水平延伸部64，相邻的质量负载之间以空隙间隔开。如图6A所示，柱体为实心柱体。
在图6A中，水平延伸部64下方的空隙形成空隙部P。
图6B和6C分别示出了作为一个示例性实施例的图6A中的质量负载的立体图以及剖开立体图，其中质量负载的柱体和水平延伸部的横截面均具有矩形的截面外轮廓，其对应于矩形柱和矩形盘的结构形状。
图6D和6E分别示出了作为一个示例性实施例的图6A中的质量负载的立体图以及剖开立体图，其中质量负载的柱体和水平延伸部的横截面均具有圆形的截面外轮廓，其对应于圆形柱和圆形盘的结构形状。
在图6B-6E中，支撑部或矩形柱底面边长为a5和b5，水平延伸部或矩形盘的边长为a6和b6；支撑部或圆形柱底面半径为r7，水平延伸部或圆盘半径为r8；矩形柱和圆柱的高度或空隙部的高度为h9，两种结构的盘状部分或水平延伸部的厚度为h10。可选的，a5、b5、2×r7(支撑柱的直径)的范围在谐振器总厚度的0.1倍到5倍，a6、b6、2×r8(延伸部的直径)分别大于a5、b5、2×r7即可，其范围在谐振器总厚度的0.1倍到10倍；h9的范围为
h10的范围为
图6F与图6A不同的是，在图6F中，质量负载层上表面设置有工艺层70。
在图6A-6F所示的实施例中，质量负载层的材料可以是与顶电极50相同的金属材料，如钼和钌等,也可以是其他金属材料，如金、铜、铝等，以及其他介质材料，如氮化铝、氮化硅等。
在图1A-6F所示的实施例中，质量负载大体为点阵的方式布置，但是本发明不限于此。质量负载也可以是环形的结构。下面参照图7A-7C示例性说明。
如图7A-7C所示，质量负载的水平延伸部64为围绕支撑部62的环状，且其限定的空隙部P为环状空隙部。在可选的实施例中，在横向方向(对应于径向方向)上相邻的两个质量负载中，水平延伸部64位于对应的支撑部62的外侧，如图7A和7B所示。
图7A为根据本发明的再一个示例性实施例的类似于沿图1A中的A1-A2线截得的局部截面图，其中示出了质量负载层中的质量负载包括柱体(对应于支撑部62)且每个柱体的上部设置有水平延伸部64，相邻的质量负载之间以空隙间隔开，水平延伸部64仅朝向外侧环状延伸，图7B示出了作为一个示例性实施例的图7A中的质量负载的剖开立体图，在内侧的质量负载的水平延伸部的横向自由端与在外侧的质量负载的支撑部间隔开而形成环状间隙Q。
图7B中的结构可以进一步发生变化，如图7C所示，除了位于中心的负载结构具有T型截面之外，周围的环形质量负载同样具有T型截面(而不是图7B的L型截面)。在图7C中，L0为中心立柱部分的中轴线，L1和L2等为周边环形部分支柱截面的中轴线(但L1、L2等并不意味着一定为T型截面水平部的中轴线，因此除中心处之外的T型截面并不一定关于L1、L2等对称)，R1和R2等半径从L0向L1、L2等中轴线标定。
如图7C所示，在横向方向(对应于径向方向)上相邻的两个质量负载所限定的空隙部均为环状空隙部，在内侧的质量负载的水平延伸部的横向自由端与在外侧的质量负载的横向自由端隔开而形成环状间隙Q。
如图7B和7C所示，位于中心的质量负载由位于下部的圆柱和位于上部的圆盘构成，而位于中心部分以外的质量负载具有环形结构，每个环结构均由位于下部的管状部分和位于上部的环形盘状部分构成。其中管状部分及中心处的柱状部分的高度即空隙部的高度为h19，所有盘状部分的厚度为h20。可选的，h19的范围为
h20的范围为
中心处盘状部分的半径为r18，其余环形盘状部分内半径依次为R1，R2……，环形盘状部分的宽度依次为D1，D2……位于中心的圆柱的半径为r17，其余管状部分的管壁的厚度依次为d1，d2……。可选的，中心支撑部直径及其余环形支撑部的管壁厚度2×r17、d1、d2等的范围为谐振器总厚度的0.1倍到5倍，中心盘的直径及其余环形盘状部分的宽度2×r18、D1、D2等大于相应的支撑部直径或管壁厚度2×r17、d1、d2即可，其范围在谐振器总厚度的0.1倍到10倍，而各个质量负载的支撑部间距R1-r17，R2-R1，R3-R2等的范围为谐振器总厚度的0.1倍到10倍。
在可选的实施例中，环状空隙部P的宽度(例如在图7B和7C中，对应于r18-r17，或者D1-d1，或者D2-d2)和/或环状间隙Q的宽度(例如在图7B中，对应于R1-r18，或者R2-R1-D1)在横向方向上从内侧到外侧逐渐变大，或者逐渐变小，或者保持不变。在可选的实施例中，环状空隙部P的宽度在谐振器总厚度的0.1倍到5倍的范围内，环状间隙Q的宽度在谐振器总厚度的0.1倍到5倍的范围内。
虽然没有示出，在所述空隙部在周向方向上由所述支撑部包围且水平延伸部覆盖空隙部的整个上侧的情况下，该空隙部除了可以是如图2A所示为离散的单个空隙部之外，也可以是环形的空隙部，不过，该环形空隙部的设置在质量负载材料层内部。
在本发明中，质量负载的几何形状不同于传统的简单柱形/颗粒型结构，而是形成微型的悬翼/类悬翼结构，并与层叠结构的上表面，例如顶电极的上表面构成微型空气间隙。基于上述结构，质量负载除了质量负载调节功能之外，该结构一方面能够进一步改善谐振器的Q值，另一方面较传统柱形/颗粒型结构能够更有效的抑制横向寄生模式，从而调节并改善谐振器/滤波器的参数和性能。
具体而言，在如图2A-3E所示的实施例中，空隙P被质量负载材料层完全包裹，此时，在不改变质量负载材料层厚度的情况下，可以通过调整空隙部P的总面积(即一个谐振器的空隙部在谐振器的俯视图中所占的总面积)与谐振器有效区域面积的比值(或者空隙部P宽度与其分布周期的周期宽度之比)，来调整谐振器频率，可选的，空隙部的面积之和与所述谐振器的有效区域的面积的比值在5％-95％的范围内；也可以通过调整空隙P的高度，来调整谐振器频率；或者进一步通过改变质量负载材料层厚度来调整谐振器频率。另一方面，由于在质量负载材料层和谐振器上表面之间引入了空气层，从而在谐振器局部形成了一个两端支撑的微型梁结构，通过梁结构与谐振器部分的共振，能够将更多的能量限制在谐振器内部，从而提高Q值。在如图4A-7C所示的实施例中，通过调整质量负载材料层厚度，空隙P的高度和间隙宽度，以及水平延伸部的宽度，均可以实现不同程度的频率调整效果。另一方面，质量负载材料层的水平延伸部具有单侧或者多侧横向自由端，从而形成悬臂梁微结构，同样，悬臂梁结构形成的谐振能够将泄漏到质量负载层中的能量限制在谐振器内，从而提高Q值。综上所述，相比于传统阵列型质量负载结构，本发明所提出的新结构一方面增加了质量负载调整的自由度(即通过更多的结构参数实现更多样化及精细化的频率调整效果)，另一方面能够同时提高谐振器的Q值。
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，上和下是相对于谐振器的基底的底面而言的，对于一个部件，其靠近该底面的一侧为下侧，远离该底面的一侧为上侧。
在本发明中，内和外是相对于谐振器的有效区域(压电层、顶电极、底电极和声学镜在谐振器的厚度方向上的重叠区域构成有效区域)的中心(即有效区域中心)在横向方向或者径向方向上而言的，一个部件的靠近有效区域中心的一侧或一端为内侧或内端，而该部件的远离有效区域中心的一侧或一端为外侧或外端。对于一个参照位置而言，位于该位置的内侧表示在横向方向或径向方向上处于该位置与有效区域中心之间，位于该位置的外侧表示在横向方向或径向方向上比该位置更远离有效区域中心。
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；和
压电层，
其中：
顶电极、压电层和底电极形成层叠结构；
所述谐振器还包括层叠结构上表面的质量负载层，所述质量负载层中包括多个质量负载，所述多个质量负载中的每个质量负载包括纵向支撑部以及水平延伸部，支撑部的下端连接到层叠结构的上表面，所述水平延伸部的一端自支撑部的上端连接到支撑部；且
所述水平延伸部与所述层叠结构的上表面间隔开水平延伸，所述水平延伸部的下表面与所述层叠结构的上表面之间形成空隙部，所述水平延伸部的下表面限定所述空隙部的上侧，所述层叠结构的上表面限定所述空隙部的下侧。
2、根据1所述的谐振器，其中：
所述空隙部在周向方向上由所述支撑部包围。
3、根据2所述的谐振器，其中：
至少一部分质量负载的所述水平延伸部在横向方向上的与所述一端相对的另一端和对应的支撑部的上端连接。
4、根据3所述的谐振器，其中：
所述水平延伸部覆盖其所在的质量负载对应的空隙部的整个上侧。
5、根据4所述的谐振器，其中：
所述质量负载层的上表面为平坦的上表面；
所述水平延伸部的上表面构成所述质量负载层的上表面的一部分。
6、根据4所述的谐振器，其中：
所述多个质量负载包括多个筒状体，筒状体的内部形成所述空隙部，所述筒状体的筒壁形成所述支撑部，所述筒状体的顶部封闭且形成限定空隙部的上侧的所述水平延伸部。
7、根据6所述的谐振器，其中：
在横向方向上或者周向方向上相邻的至少部分筒状体之间，在空隙部的高度范围内，筒状体至少在筒状体的下部以连接层彼此连接，且所述连接层的厚度小于所述空隙部的高度；或者
在横向方向上或者周向方向上相邻的至少部分筒状体在横向方向上或周向方向上彼此间隔开。
8、根据6所述的谐振器，其中：
在横向方向上或者周向方向上相邻的至少部分筒状体之间，至少在空隙部的高度范围内彼此连接。
9、根据6所述的谐振器，其中：
在横向方向上或者周向方向上相邻的至少部分筒状体的水平延伸部彼此相接。
10、根据1所述的谐振器，其中：
至少一部分质量负载的所述水平延伸部在横向方向上的与所述一端相对的另一端为横向自由端。
11、根据10所述的谐振器，其中：
所述质量负载的支撑部为柱体，所述水平延伸部自其所在的柱体水平延伸或绕其所在的柱体周向延伸。
12、根据11所述的谐振器，其中：
所述水平延伸部自其所在的柱体周向延伸而形成盘状结构。
13、根据12所述的谐振器，其中：
所述柱体为上端开口的中空柱体，所述盘状结构为中心开口的环状结构。
14、根据13所述的谐振器，其中：
所述中空柱体的中空空间的下侧由中空柱体的底壁限定，或者由所述层叠结构的上表面限定。
15、根据12所述的谐振器，其中：
所述柱体为实心柱体，所述盘状结构为整体盘面结构。
16、根据12所述的谐振器，其中：
所述柱体的横截面的外部轮廓的形状与所述盘状结构的横截面的外部轮廓的形状构成相似。
17、根据1所述的谐振器，其中：
至少部分质量负载的支撑部包括上端开口的中空柱体；
所述至少部分质量负载的水平延伸部从所述中空柱体的壁的上沿在水平方向上延伸。
18、根据17所述的谐振器，其中：
所述至少部分质量负载的水平延伸部包括覆盖其所在的质量负载的对应的空隙部的整个上侧的水平延伸部；
所述中空柱体具有矩形横截面、且在所述中空柱体的四边分别设置有一个横截面为矩形的空隙部。
19、根据1所述的谐振器，其中：
所述多个质量负载包括沿圆周方向和/或横向方向彼此间隔开布置的多个质量负载。
20、根据19所述的谐振器，其中：
所述多个质量负载呈多个同心圆环状布置，每一个圆环内的多个质量负载沿圆周方向等间距布置，两个相邻圆环中，内侧圆环中的质量负载之间的间距不大于外侧圆环中的质量负载之间的间距，且相邻圆环之间的间距在从内侧到外侧的方向上相同或者逐渐变大或者逐渐变小；或者
所述多个质量负载呈矩阵排布。
21、根据4所述的谐振器，其中：
至少一个质量负载的水平延伸部为围绕支撑部的环状，且其限定的空隙部为环状空隙部。
22、根据10所述的谐振器，其中：
至少一个质量负载的水平延伸部为围绕支撑部的环状，且其限定的空隙部为环状空隙部。
23、根据22所述的谐振器，其中：
在横向方向上相邻的至少两个质量负载所限定的空隙部均为环状空隙部，所述至少两个质量负载中，在内侧的质量负载的水平延伸部的横向自由端与在外侧的质量负载间隔开而形成环状间隙。
24、根据23所述的谐振器，其中：
在横向方向上相邻的至少两个质量负载中，水平延伸部位于对应的支撑部的内侧与外侧中的至少一侧。
25、根据24所述的谐振器，其中：
环状空隙部的宽度和/或环状间隙的宽度在横向方向上从内侧到外侧逐渐变大或者逐渐变小或者保持不变。
26、根据1所述的谐振器，其中：
所述质量负载层设置在顶电极的上表面，且所述顶电极的上表面限定所述空隙部的下侧；或者
所述层叠结构的上表面设置有工艺层，所述质量负载层设置在所述工艺层的上表面，且所述工艺层的上表面限定所述空隙部的下侧。
27、根据1-26中任一项所述的谐振器，其中：
所述水平延伸部的厚度在
的范围内；和/或
所述空隙部的高度在
的范围内；和/或
所述水平延伸部的宽度在谐振器总厚度的0.1倍到10倍的范围内。
28、根据27所述的谐振器，其中：
所述空隙部的面积之和与所述谐振器的有效区域的面积的比值在5％-95％的范围内。
29、一种滤波器，包括至少一个根据1-28中任一项所述的体声波谐振器。
30、根据29所述的滤波器，其中：
所述滤波器至少包括第一谐振器和第二谐振器，所述第一谐振器和第二谐振器均为根据1-28中任一项所述的体声波谐振器；
第一谐振器与第二谐振器的所述水平延伸部的厚度、所述空隙部的高度、所述水平延伸部的宽度，以及所述空隙部的面积之和与所述谐振器的有效区域的面积的比值中的至少一种存在不同，从而第一谐振器与第二谐振器的谐振频率彼此不同。
30、一种电子设备，包括根据1-28中任一项所述的体声波谐振器或根据29所述的滤波器。
31、一种根据1所述的体声波谐振器的谐振频率的调整方法，包括步骤：
调整所述水平延伸部的厚度、所述空隙部的高度、所述水平延伸部的宽度，以及所述空隙部的面积之和与所述谐振器的有效区域的面积的比值中的至少一种，以调整体声波谐振器的谐振频率。
需要指出的是，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 (32)
1.一种体声波谐振器，包括：
基底；
声学镜；
底电极；
顶电极；和
压电层，
其中：
顶电极、压电层和底电极形成层叠结构；
所述谐振器还包括层叠结构上表面的质量负载层，所述质量负载层中包括多个质量负载，所述多个质量负载中的每个质量负载包括纵向支撑部以及水平延伸部，支撑部的下端连接到层叠结构的上表面，所述水平延伸部的一端自支撑部的上端连接到支撑部；且
所述水平延伸部与所述层叠结构的上表面间隔开水平延伸，所述水平延伸部的下表面与所述层叠结构的上表面之间形成空隙部，所述水平延伸部的下表面限定所述空隙部的上侧，所述层叠结构的上表面限定所述空隙部的下侧。
2.根据权利要求1所述的谐振器，其中：
所述空隙部在周向方向上由所述支撑部包围。
3.根据权利要求2所述的谐振器，其中：
至少一部分质量负载的所述水平延伸部在横向方向上的与所述一端相对的另一端和对应的支撑部的上端连接。
4.根据权利要求3所述的谐振器，其中：
所述水平延伸部覆盖其所在的质量负载对应的空隙部的整个上侧。
5.根据权利要求4所述的谐振器，其中：
所述质量负载层的上表面为平坦的上表面；
所述水平延伸部的上表面构成所述质量负载层的上表面的一部分。
6.根据权利要求4所述的谐振器，其中：
所述多个质量负载包括多个筒状体，筒状体的内部形成所述空隙部，所述筒状体的筒壁形成所述支撑部，所述筒状体的顶部封闭且形成限定空隙部的上侧的所述水平延伸部。
7.根据权利要求6所述的谐振器，其中：
在横向方向上或者周向方向上相邻的至少部分筒状体之间，在空隙部的高度范围内，筒状体至少在筒状体的下部以连接层彼此连接，且所述连接层的厚度小于所述空隙部的高度；或者
在横向方向上或者周向方向上相邻的至少部分筒状体在横向方向上或周向方向上彼此间隔开。
8.根据权利要求6所述的谐振器，其中：
在横向方向上或者周向方向上相邻的至少部分筒状体之间，至少在空隙部的高度范围内彼此连接。
9.根据权利要求6所述的谐振器，其中：
在横向方向上或者周向方向上相邻的至少部分筒状体的水平延伸部彼此相接。
10.根据权利要求1所述的谐振器，其中：
至少一部分质量负载的所述水平延伸部在横向方向上的与所述一端相对的另一端为横向自由端。
11.根据权利要求10所述的谐振器，其中：
所述质量负载的支撑部为柱体，所述水平延伸部自其所在的柱体水平延伸或绕其所在的柱体周向延伸。
12.根据权利要求11所述的谐振器，其中：
所述水平延伸部自其所在的柱体周向延伸而形成盘状结构。
13.根据权利要求12所述的谐振器，其中：
所述柱体为上端开口的中空柱体，所述盘状结构为中心开口的环状结构。
14.根据权利要求13所述的谐振器，其中：
所述中空柱体的中空空间的下侧由中空柱体的底壁限定，或者由所述层叠结构的上表面限定。
15.根据权利要求12所述的谐振器，其中：
所述柱体为实心柱体，所述盘状结构为整体盘面结构。
16.根据权利要求12所述的谐振器，其中：
所述柱体的横截面的外部轮廓的形状与所述盘状结构的横截面的外部轮廓的形状构成相似。
17.根据权利要求1所述的谐振器，其中：
至少部分质量负载的支撑部包括上端开口的中空柱体；
所述至少部分质量负载的水平延伸部从所述中空柱体的壁的上沿在水平方向上延伸。
18.根据权利要求17所述的谐振器，其中：
所述至少部分质量负载的水平延伸部包括覆盖其所在的质量负载的对应的空隙部的整个上侧的水平延伸部；
所述中空柱体具有矩形横截面、且在所述中空柱体的四边分别设置有一个横截面为矩形的空隙部。
19.根据权利要求1所述的谐振器，其中：
所述多个质量负载包括沿圆周方向和/或横向方向彼此间隔开布置的多个质量负载。
20.根据权利要求19所述的谐振器，其中：
所述多个质量负载呈多个同心圆环状布置，每一个圆环内的多个质量负载沿圆周方向等间距布置，两个相邻圆环中，内侧圆环中的质量负载之间的间距不大于外侧圆环中的质量负载之间的间距，且相邻圆环之间的间距在从内侧到外侧的方向上相同或者逐渐变大或者逐渐变小；或者
所述多个质量负载呈矩阵排布。
21.根据权利要求4所述的谐振器，其中：
至少一个质量负载的水平延伸部为围绕支撑部的环状，且其限定的空隙部为环状空隙部。
22.根据权利要求10所述的谐振器，其中：
至少一个质量负载的水平延伸部为围绕支撑部的环状，且其限定的空隙部为环状空隙部。
23.根据权利要求22所述的谐振器，其中：
在横向方向上相邻的至少两个质量负载所限定的空隙部均为环状空隙部，所述至少两个质量负载中，在内侧的质量负载的水平延伸部的横向自由端与在外侧的质量负载间隔开而形成环状间隙。
24.根据权利要求23所述的谐振器，其中：
在横向方向上相邻的至少两个质量负载中，水平延伸部位于对应的支撑部的内侧与外侧中的至少一侧。
25.根据权利要求24所述的谐振器，其中：
环状空隙部的宽度和/或环状间隙的宽度在横向方向上从内侧到外侧逐渐变大或者逐渐变小或者保持不变。
26.根据权利要求1所述的谐振器，其中：
所述质量负载层设置在顶电极的上表面，且所述顶电极的上表面限定所述空隙部的下侧；或者
所述层叠结构的上表面设置有工艺层，所述质量负载层设置在所述工艺层的上表面，且所述工艺层的上表面限定所述空隙部的下侧。
27.根据权利要求1-26中任一项所述的谐振器，其中：
所述水平延伸部的厚度在
的范围内；和/或
所述空隙部的高度在
的范围内；和/或
所述水平延伸部的宽度在谐振器总厚度的0.1倍到10倍的范围内。
28.根据权利要求27所述的谐振器，其中：
所述空隙部的面积之和与所述谐振器的有效区域的面积的比值在5％-95％的范围内。
29.一种滤波器，包括至少一个根据权利要求1-28中任一项所述的体声波谐振器。
30.根据权利要求29所述的滤波器，其中：
所述滤波器至少包括第一谐振器和第二谐振器，所述第一谐振器和第二谐振器均为根据权利要求1-28中任一项所述的体声波谐振器；
第一谐振器与第二谐振器的所述水平延伸部的厚度、所述空隙部的高度、所述水平延伸部的宽度，以及所述空隙部的面积之和与所述谐振器的有效区域的面积的比值中的至少一种存在不同，从而第一谐振器与第二谐振器的谐振频率彼此不同。
31.一种电子设备，包括根据权利要求1-28中任一项所述的体声波谐振器或根据权利要求29所述的滤波器。
32.一种根据权利要求1所述的体声波谐振器的谐振频率的调整方法，包括步骤：
调整所述水平延伸部的厚度、所述空隙部的高度、所述水平延伸部的宽度，以及所述空隙部的面积之和与所述谐振器的有效区域的面积的比值中的至少一种，以调整体声波谐振器的谐振频率。
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Denomination of invention: Bulk acoustic wave resonator and its frequency adjustment method, filter and electronic equipment Effective date of registration: 20210908 Granted publication date: 20210601 Pledgee: Tianjin TEDA Haihe intelligent manufacturing industry development fund partnership (L.P.) Pledgor: ROFS MICROSYSTEM(TIANJIN) Co.,Ltd. Registration number: Y2021980009022 |
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