CN112039461A - 体声波谐振器的制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种体声波谐振器的制造方法，在支撑层中的空腔内形成至少一个支撑柱，由此可以在支撑柱形成之后至支撑柱去除之前的工艺阶段中，一直利用支撑柱来支撑空腔上方的体声波薄膜(包括依次堆叠在空腔上方的第二电极层、压电层和第一电极层)，防止体声波薄膜在支撑柱被去除之前的工艺中变形下压以及破裂的问题，最大化保护空腔在支撑柱被去除之前不受伤害，进而在去除支撑柱后能够获得性能良好的空腔，由此提高器件性能。
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的制造方法。
背景技术
射频(RF)通信，如在移动电话中使用的通信，需要射频滤波器，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。射频滤波器的核心是声谐振器，每个射频滤波器包括一组声谐振器。请参考图1所示，一种声谐振器是体声波谐振器(FBAR)，其基本结构包括：载体晶圆100、腔体壁101、第一电极103层、压电层104、第二电极层105，其中，压电层104被第二电极层105和第一电极层103夹设在中间，第一电极103层、压电层104、第二电极层105组成体声波薄膜，该体声波薄膜的第一电极层103和载体晶圆100之间形成有空腔102，空腔102周围被位于载体晶圆100上的腔体壁101包围，该体声波薄膜延伸在空腔102外围的腔体壁101上，以被腔体壁101支撑。
目前的制作FBAR谐振器的工艺过程中存在以下问题：
一方面，空腔102容易破裂。具体地，当空腔102形成后，空腔102内为真空，空腔102的外部为大气压。在后续的工艺中，一旦体声波薄膜无法承受来自内在的应力和温度以及外力带来的影响，就会产生断裂，继而使得空腔102 破裂，导致FBAR谐振器的谐振腔失效。
另一方面，体声波薄膜容易变形下压。具体地，在空腔102的面积到达一定的程度后，在后续的工艺中，即使空腔102没有破裂，在空腔102内外压力差异的情况下，也存在体声波薄膜向下形变的问题，并且此类变形不可逆，这会严重影响到谐振腔的品质因子Q的值，这会导致产品良率偏低，谐振腔性能欠佳，严重时，甚至导致FBAR谐振器或射频滤波器无法量产。
发明内容
本发明的目的在于提供一种体声波谐振器的制造方法，能够最大化地保护支撑层中的空腔在后续工艺中不容易变形下压以及不容易破裂。
为了实现上述目的，本发明提供一种体声波谐振器的制造方法，包括：
提供牺牲衬底，并依次形成第一电极层、压电层、第二电极层和支撑层于所述牺牲衬底上；
在所述支撑层中形成空腔以及位于所述空腔内的至少一个支撑柱；
提供载体衬底，并将所述载体衬底键合到所述支撑层上；
去除所述牺牲衬底；
形成至少一个释放孔，所述释放孔贯穿所述第一电极层、所述压电层和所述第二电极层并连通所述空腔或者暴露相应的所述支撑柱的顶部；以及，
通过所述释放孔去除所述支撑柱。
与现有技术相比，本发明的体声波谐振器的制造方法具有以下有益效果：
首先，本发明的制造方法，在支撑层中的空腔内形成至少一个支撑柱，由此可以在支撑柱形成之后至支撑柱去除之前的工艺阶段中，一直利用支撑柱来支撑空腔上方的体声波薄膜(包括依次堆叠在空腔上方的第二电极层、压电层和第一电极层)，防止体声波薄膜在支撑柱被去除之前的工艺中变形下压以及破裂的问题，最大化保护空腔在支撑柱被去除之前不受伤害，进而在去除支撑柱后能够获得性能良好的空腔，由此提高器件性能。
其次，本发明的制造方法中，由于最初的体声波薄膜是通过在牺牲衬底上依次层叠第一电极层、压电层、第二电极层而形成的，因此体声波薄膜的各层的厚度相对均一，薄膜内部的应力分布均匀，之后又由于在支撑柱被去除之前，一直利用支撑柱来支撑体声波薄膜，因此可以使得体声波薄膜内部的应力在去除支撑柱后仍旧分布均匀，由此能够增强体声波谐振器的谐振性能以及对机械应力(例如震动和冲击等)的抗压性能。
进一步地，本发明的制造方法可以在不需要增加额外的光罩的情况下，直接利用空腔的蚀刻工艺，在形成空腔的腔体壁的同时一道形成位于空腔中的支撑柱，之后仅需要去除这些支撑柱，就可以形成所需的空腔，由此，能够简化工艺，降低成本，容易量产。
附图说明
图1是一种典型的体声波谐振器的剖面结构示意图。
图2是本发明一实施例的体声波谐振器的制造方法流程图。
图3A至图3F是本发明一实施例的体声波谐振器的制造方法中的剖面结构示意图。
图4A至图4E是本发明另一实施例的体声波谐振器的制造方法中的剖面结构示意图。
其中，附图标记如下：
100-载体晶圆；101-腔体壁；102-空腔；103-第一电极层；104-压电层；105- 第二电极层；
300-基底；301-释放层；302-第一电极层；303-压电层；304-第二电极层；305-支撑层；305a-腔体壁；305b-支撑柱；306-载体衬底；307-边缘修剪区；308- 释放孔；309-空腔。
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。若某附图中的构件与其他附图中的构件相同，虽然在所有附图中都可轻易辨认出这些构件，但为了使附图的说明更为清楚，本说明书不会将所有相同构件的标号标于每一图中。
请参考图2，本发明一实施例提供一种体声波谐振器的制造方法，包括以下步骤：
S1，提供牺牲衬底，并依次形成第一电极层、压电层、第二电极层和支撑层于所述牺牲衬底上；
S2，在所述支撑层中形成空腔以及位于所述空腔内的至少一个支撑柱；
S3，提供载体衬底，并将所述载体衬底键合到所述支撑层上；
S4，去除所述牺牲衬底；
S5，形成至少一个释放孔，所述释放孔贯穿所述第一电极层、压电层和所述第二电极层并连通所述空腔或者暴露相应的所述支撑柱的顶部；以及，
S6，通过所述释放孔去除所述支撑柱。
请参考图3A，在步骤S1中，提供的牺牲衬底包括基底300和释放层301。本实施例中，所述基底300可以是本领域技术人员熟知的任意合适的半导体衬底，例如可以是以下所提到的材料中的至少一种：Si、Ge、SiGe、SiC、SiGeC、 InAs、GaAs、InP或者其它III/V化合物半导体，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)等。由于采用半导体材质的基底300，因此，所述释放层 301可以通过适合的方法(例如化学气相沉积、物理气相沉积、原子层沉积、涂覆或热氧化方法等)形成于基底300上，所述释放层301的材料可以是任意适合的能比较容易地覆盖在基底300上且不容易与后续的第一电极层302发生反应地材料，例如电介质材料等，所述电介质材料包括但不限于氧化硅、氮化硅、氮氧化硅、碳氟化合物(CF)、掺碳氧化硅(SiOC)、碳氮化硅等材料中的至少一种，采用电介质材料形成的释放层301，一方面能够有利于后续的体声波薄膜形成的一致性，从而提高器件性能与可靠性，另一方面能够使得后续可以通过背面减薄工艺(如化学机械平坦化等)去除牺牲衬底，并在牺牲衬底的去除工艺中控制停止点，防止损伤后续形成的体声波薄膜。本实施例中，释放层301为氧化硅，释放层301的厚度可选为小于1微米。在本发明的其他实施例中，所述基底300还可以氧化铝等的陶瓷基底、石英或玻璃基底等，所述释放层301可以是任意适合的能比较容易地覆盖在基底300上且不容易与后续的体声波薄膜发生反应的材料，例如非晶碳、光固化胶、热熔胶或激光烧蚀粘合层(例如聚合物材料)等。可选地，释放层301包括位于顶层的刻蚀停止层(未图示)以及位于刻蚀停止层和基底300之间的牺牲材料层(未图示)，释放层301中的刻蚀停止层的厚度较薄(例如是
)，能够释放层301中的牺牲材料层以及后续形成的第一电极层302均具有较高的刻蚀选择比，由此能够作为后续分离第一电极层302和基底300的工艺的停止点，避免分离第一电极层302和基底300 的工艺对第一电极层302造成不必要的损伤，该刻蚀停止层例如是氧化硅或氮化硅或氮氧化硅；释放层301中的牺牲材料层为能够使得第一电极层302和基底300容易分离的任意合适材料，以降低后续去除基底300的工艺难度。
请继续参考图3A，在步骤S1中，在提供牺牲衬底之后，首先，可以通过例如蒸镀、磁控溅射等本领域技术人员熟知的任何适合的方法在释放层301上覆盖第一电极层302；然后，可以使用例如化学气相沉积、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覆盖压电层303于所述第一电极层302上；接着，可以通过例如蒸镀、磁控溅射等本领域技术人员熟知的任何适合的方法在压电层303覆盖第二电极层304。其中，第一电极层302和第二电极层304可以是使用本领域技术人员熟知的任何适合的电极材料，所述电极材料包括但不限于Ag、Au、Cu、Pd、Cr、Mo、Ti、Ta、Sn、W和Al中的至少一种金属。压电层303的材料可以使用ZnO、AlN、GaN、锆钛酸铅、钛酸铅等具有纤锌矿型结晶结构的压电材料，对于压电层303的厚度，可以根据目标谐振频率来设定，例如设定为波长的1/2左右。本实施例中，使用Mo金属薄膜作为第一电极层302和第二电极层304，使用AlN作为压电层303。第一电极层 302、压电层303以及第二电极层304组成了体声波谐振器的体声波薄膜，在本发明的其他实施例中，该体声波薄膜还可以包括上述几种膜层之外的其他膜层，可根据实际的器件进行合理设置，在此并不做具体限制。
请继续参考图3A，在步骤S1中，在形成第二电极层304之后，可以通过适合的沉积方法(例如化学气相沉积、物理气相沉积或原子层沉积等)覆盖支撑层305于第二电极层304上，所述支撑层305的材料可以是不容易与体声波薄膜发生反应地任意合适材料，例如干膜或电介质材料等，其中，可选的所述电介质材料包括但不限于氧化硅、氮化硅、氮氧化硅、正硅酸乙酯等具有较大的机械强度的材料中的至少一种，由此形成的支撑层305一方面有利于形成支撑力足够的支撑柱，进而增加器件结构的稳定性，防止体声波薄膜在后续工艺中因空腔内外的压力差而下压变形或出现不必要的断裂问题，另一方面，还可以防止形成的体声波薄膜和后续的载体衬底之间有漏电的发生，并提高后续的载体衬底和体声波薄膜之间的粘附性，从而提高器件性能与可靠性。所述支撑层305的厚度可以根据实际器件需要空腔深度来进行合理设定。本实施例中，支撑层305为氧化硅，厚度为3微米左右。在覆盖支撑层305之后，可以对支撑层305进行顶部平坦化，以使其顶面平坦，由此有利于与后续载体衬底的键合。
请参考图3B，在步骤S2中，预先根据所需空腔的体积、形状以及工艺容忍度制作一具有空腔309和空腔309内的支撑柱305b所对应的图案的光掩膜版，所述光掩膜版能够确定所述空腔309的位置、体积、形状、腔体壁305a的线宽以及所述支撑柱305b的位置、体积、形状、线宽和密度；然后，在所述支撑层305上涂覆光刻胶，并利用所述光掩膜版对所述光刻胶进行光刻，以在所述支撑层305上形成图案化的光刻胶层(未图示)；之后，以所述图案化的光刻胶层为掩膜，刻蚀所述支撑层305，以形成空腔309及其腔体壁305a和位于所述空腔309内的至少一个支撑柱305b，所述腔体壁305a整体上呈闭合的环状，能够围绕出所需的空腔309，该空腔309沿平行于牺牲衬底所在平面的方向的横截面的形状(或者说，空腔309的顶部开口的形状)可以是矩形、圆形、五边形、六边形等等，相邻支撑柱305b之间以及支撑柱305b和腔体壁305a之间均具有间隙，支撑柱305b沿平行于牺牲衬底所在平面的方向的横截面的形状(或者说，支撑柱305b向空腔309底面的投影形状)可以是任意的，例如可以是矩形、圆形、椭圆形或各种多边形等，且支撑柱305b在空腔309内的分布也可以是任意的，只要形成的支撑柱305b能够对腔体壁305a所围的空间(即空腔)上方的体声波薄膜进行支撑即可。可选地，支撑柱305a在空腔309内均匀分布，以在后续对体声波薄膜均匀支撑，例如在本发明的一个可选实施例中，空腔309中设有多个呈圆柱结构的支撑柱305b，这些支撑柱305b在空腔309中是呈阵列排布，在本发明的另一可选实施例中，空腔309中设有多个沿腔体壁305a延伸并呈闭合的环状结构的支撑柱305a，这些支撑柱305a在从腔体壁305a到空腔309的中心的方向上依次嵌套。之后，可利用诸如氧等离子灰化的方式去除所述图案化的光刻胶层。在本步骤中，由于支撑柱305b和腔体壁305a是一并形成的 (即采用同道工艺形成)，且支撑柱305b的高度和腔体壁305a的高度相同或者基本相同，由此一方面能够有利于提供与后续的载体衬底的键合的可靠性，另一方面能够有利于对体声波薄膜进行一致性的支撑，防止其发生下压变形。本实施例中，支撑柱305b的线宽l小于腔体壁305a的线宽L，例如l为腔体壁305a 的线宽L的1/3以下，以有利于后续支撑柱305b的快速去除，并在去除支撑柱305b后能保留足够厚度的腔体壁305a。此外，当空腔309中形成多个支撑柱305b 时，这些支撑柱305b可选为均匀分布并且尺寸、形状等相同，由此在对空腔309 上方的体声波薄膜进行均匀支撑的同时，还能降低用于定义这些支撑柱305b的光掩膜版的制作难度。
请参考图3C，在步骤S3中，提供载体衬底306，所述载体衬底306可以是本领域技术人员熟知的任意合适的载体材料，例如可以是以下所提到的材料中的至少一种：Si、Ge、SiGe、SiC、SiGeC、InAs、GaAs、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 Side Polished Wafers，DSP)，也可为氧化铝等的陶瓷基底、石英或玻璃基底等。然后，可以通过本领域技术人员熟知的任意合适的键合工艺，将载体衬底306键合到剩余的支撑层305(即支撑柱305b和腔体壁305a)背向所述第二电极层304的一面上，例如可以先在载体衬底306上涂敷热熔胶，然后采用真空键合工艺在真空环境下将其键合到支撑柱305b和腔体壁305a背向所述第二电极层304的一面上，采用真空键合工艺将所述载体衬底306键合到所述支撑层(即支撑柱 305b和腔体壁305a)上时，所述真空键合的工艺条件包括：键合压力为 1Pa～105Pa，键合温度为150℃～200℃。真空键合工艺可以避免气泡产生，保证形成的空腔309的性能。此外，步骤S1至S3中，先通过支撑层生成空腔309 的形貌，并采用真空键合载体衬底的方式实现整个空腔的完整结构，而不采用先填充牺牲层再释放的方法，工艺步骤更少。
请参考图3C和图3D，在步骤S4中，首先，倒置整个结构，使得载体衬底 306在下、基底300在上；然后，通过化学机械平坦化(即化学机械研磨)或硅刻蚀工艺等背面减薄工艺去除基底300，当采用硅刻蚀工艺去除基底300时，该硅刻蚀工艺可以停止在释放层301的表面，以防止损伤第一电极层302，被保留下来的释放层301可以在后续工艺中持续被保留，用于保护第一电极层302。当采用化学机械抛光工艺去除基底300时，可以一并将释放层301全部去除(如图3D中所示)，也可以在减薄后剩余很薄的一层释放层301，且剩余的释放层 301厚度可以是化学机械抛光设备的工艺能力等达到的厚度最小值，例如是
在本发明的其他实施例中，在步骤S4中，可以根据释放层301和基底300 的材质特性，选择合适的工艺去除牺牲衬底，例如，当所述释放层301为光固化胶时，通过化学试剂去除所述光固化胶，使得所述基底300和所述第一电极层302分离，以去除所述牺牲衬底；当所述释放层301为热熔胶时，通过加热处理等热释放工艺使得所述热熔胶失去粘性，进而使得所述基底300和第一电极层302分离，以去除所述牺牲衬底。进一步地，当释放层301为刻蚀停止层和牺牲材料层的叠层结构且该牺牲材料为激光脱模材料时，可以通过激光烧蚀工艺方法来使得该牺牲材料层被去除，以使得基底300被剥离下来，在该激光烧蚀过程中，释放层301中的刻蚀停止层用于保护第一电极层302，以防止损伤第一电极层302。
请继续参考图3D，可选地，在步骤S4中去除所述牺牲衬底之后，可以采用切割工艺对空腔309边缘上方以及空腔309外围上方的第一电极层302和压电层303进行部分去除，以形成暴露出所述第二电极层304部分区域的边缘修剪区307，边缘修剪区307的侧壁可以是垂直于所述第二电极层304的上表面的侧壁，也可以是侧壁顶部相对侧壁底部更靠近空腔309的中心的倾斜侧壁，边缘修剪区307与空腔309具有部分重叠，且该区中剩余膜层结构的膜厚较薄，由此有利于降低后续在空腔309的边缘形成释放孔的工艺难度，并有利于制作较大尺寸的释放孔，进而有利于降低后续去除支撑柱的工艺难度以及提高后续去除支撑柱的效率。
此外，请继续参考图3D，可选地，在步骤S4中去除所述牺牲衬底之后，还可以对第一电极层302、压电层303和第二电极层304进行图案化(例如是通过多次光刻结合刻蚀工艺进行图案化)，以形成体声波谐振器的上电极、下电极并界定出体声波薄膜位于空腔309上方的有效工作区和无效区。另外，在形成上电极和下电极之后，可以通过金属剥离工艺(metal lift-off technology)在空腔 309外围的第二电极层304和第一电极层302以及外围的腔体壁305a上形成后续键合谐振器盖子所需的金等材质的金属键合层，其中金属剥离工艺是指：一基片经过涂覆光致抗蚀剂膜、曝光、显影后，以具有一定图形的光致抗蚀剂膜为掩模，带光致抗蚀剂膜蒸发所需的金属，然后在去除光致抗蚀剂膜的同时，把光致抗蚀剂膜上的金属一起剥离干净，在基片上只剩下所需图形的金属。在上述的上、下电极定义过程以及金属键合层形成的过程中，由于空腔309区域的膜层结构均有支撑柱305b支撑，因此这些工艺不会造成空腔309区域的膜层出现超出规格要求的下压变形问题以及空腔309破裂的问题。此外需要说明的是，此外，本发明的技术方案中，不限于在步骤S4去除牺牲衬底之后，对第一电极层302、压电层303和第二电极层304进行图案化，以定义出上电极和下电极，在本发明的其他实施例中，也可以在步骤S1中，在覆盖压电层302之前，对第一电极层302进行图案化(例如是通过光刻和刻蚀工艺进行图案化)以形成体声波谐振器的上电极，在覆盖第二电极层304之前，对所述压电层303进行图案化(例如是通过光刻和刻蚀工艺进行图案化)以形成位于体声波谐振器的有效工作区的压电层，在覆盖第二电极层304之后且在覆盖支撑层305之前，对第二电极层304进行图案化(例如是通过光刻和刻蚀工艺进行图案化)以形成体声波谐振器的下电极，并界定出体声波薄膜位于空腔309上方的有效工作区和无效区，应理解，具体实施时，可以在步骤S1中仅对第一电极层302、压电层303以及第二电极层304之一进行图案化，也可以对其中的任意两个或全部进行图案化，其余未图案化的膜层在步骤S4去除牺牲衬底之后进行。
请参考图3E，在步骤S5中，可在边缘修剪区307和第一电极层302上，通过旋涂、曝光、显影等步骤在边缘修剪区307上形成一用于在边缘修剪区307 中定义至少一个释放孔308的图案化的掩膜层，所述图案化的掩膜层例如是图案化的光刻胶层(未图示)，再以该图案化的掩膜层为掩膜，刻蚀边缘修剪区307 中暴露出的第二电极层304，直到贯穿第二电极层304而形成至少一个释放孔 308，释放孔308可以与空腔309连通，也可以暴露出相应支撑柱305b的顶部。所述刻蚀的工艺可是干法刻蚀或者湿法刻蚀，干法刻蚀工艺包括但不限于反应离子刻蚀(RIE)、离子束刻蚀、等离子体刻蚀等，例如采用氟基刻蚀气体并采用反应离子刻蚀工艺刻蚀第二电极层304，以形成释放孔308，采用第二氟基刻蚀气体刻蚀所述初始开孔中暴露出的所述第二电极层304，至打开所述第二电极层 304并连通所述空腔309，以形成所述释放孔308，所述氟基刻蚀气体氟基刻蚀气体包括CF4、CHF3、C2F6、CH2F2、C4F8、NF3和SF4中的至少一种，刻蚀功率例如为0～500W，以保证良率。在本发明的其他一些实施例中，还可以通过激光钻孔的方式对边缘修剪区307的第二电极层304进行刻蚀，以形成位于边缘修剪区307中的释放孔308，释放孔可以贯穿第二电极层304并与腔体壁305a 和支撑柱305b之间的间隙连通(即与腔体壁305a所围成的空腔连通)，也可以贯穿第二电极层304且暴露出相应支撑柱305b的顶部。
需要说明的是，在本发明的其他实施例中，当没有边缘修剪区307时，即需要形成释放孔308的位置仍具有第一电极层302、压电层303以及第二电极层 304时，可以采用多步刻蚀工艺来形成所述释放孔308，具体步骤包括：
首先，采用第一氟基刻蚀气体刻蚀所述空腔309外围的第一电极层302及其上方的各膜层，至打开第一电极层302而形成初始开孔(未图示)，所述第一氟基刻蚀气体包括CF4、CHF3、C2F6、CH2F2、C4F8、NF3和SF4中的至少一种；
接着，采用氯基刻蚀气体刻蚀所述初始开孔中暴露出的压电层303，至打开所述压电层303，所述氯基刻蚀气体包括Cl2、CCl4、BCl3、SiCl4和SiCl2H2中的至少一种；
然后，采用第二氟基刻蚀气体刻蚀所述初始开孔中暴露出的所述第二电极层304，至打开所述第二电极层304并连通所述空腔309，以形成所述释放孔308，第二氟基刻蚀气体与第一氟基刻蚀气体相同，以简化工艺，节约成本。
上述释放孔308的各步刻蚀中均需要采用低刻蚀功率以保证良率，所述刻蚀功率例如为0～500W。且上述释放孔308的各步刻蚀工艺过程中，有可能会空腔309中会引入杂质，所以释放孔308的开口尺寸不能太小，以便在后续的湿法工艺中将空腔309中的杂质通过释放孔308顺利排出，释放孔308的开口尺寸例如为10μm～30μm。释放孔308的数量和位置可以根据实际工艺的需要进行合理设定，以能满足后续去除支撑柱蚀刻要求为准，例如可以是1个、2个、3 个、4个、5个等，且当空腔309的横截面为多边形时，在不影响器件性能的情况下多开孔，释放孔308的开孔位置集中在空腔的顶面的各个角附近，例如空腔309顶面的各个角落位置均有一个释放孔308由此，一方面，避免释放孔的开设位置会降低器件的性能和稳定性的问题，另一方面，还能通过较多个释放孔加快支撑柱305b的去除效率，且利于后续刻蚀工艺和清洗工艺当中的物质从空腔中顺利排出以及有利于空腔的干燥，此外，还能够尽可能地减少寄生器件的面积，有利于提高Q值。例如当空腔309的横截面为矩形时，空腔309顶面的四个角落各有一个释放孔308，即释放孔308的数量为4个，并且释放孔308 越靠近空腔边缘，对器件性能影响越小，有利于提高Q值。此外，所述释放孔 308的开口形状为各边不平行的多边形，由此能减少声能反射，进一步有利于提高Q值。
请参考图3E和3F，在步骤S6中，可以通过湿法刻蚀或者干法刻蚀的方法去除各个所述支撑柱305b。本实施例中，由于支撑柱305b的材质为氧化硅，且其线宽l小于腔体壁305a的线宽L的1/3，因此可以选用湿法刻蚀来除去各个所述支撑柱305b。理想的，在去除支撑柱305b的过程中不能损伤到压电层303和第二电极层304、第一电极层302，所以适宜选择支撑层305和体声波薄膜之间具有较高的刻蚀选择比的刻蚀液来去除各个支撑柱305b，即，选用的刻蚀液能够去除支撑柱305但不损伤或者较少损伤压电层303和第二电极层304、第一电极层302。因此，本实施例中，刻蚀液选用BOE(缓冲氧化物刻蚀液)或者DHF (稀释的氢氟酸)等能蚀刻氧化硅的刻蚀液，其中BOE是氢氟酸HF、氟化铵 NH4F与水混合而成的溶液，其中，质量分数为40％的NH4F溶液∶质量分数为 49％的HF溶液∶H2O的比例为10∶1∶0～200∶1∶10，DHF中，质量分数为 49％的HF溶液与H2O的比例例如为30∶1～500∶1)。该刻蚀液能够在刻蚀过程中，对所述氧化硅的刻蚀速度与对所述第二电极层304、所述载体衬底306等膜层的刻蚀速度实现较高的蚀刻选择比，即在对氧化硅进行刻蚀的同时，不会损伤暴露的所述第二电极层304、所述载体衬底306等膜层。刻蚀液通过所述释放孔308进入被第二电极层304封罩的空腔309内与所述支撑柱305b的侧壁和腔体壁305a的侧壁接触，或者，先与被释放孔308暴露出的支撑柱305b的顶部接触，之后进入该支撑柱305b周围的空腔309内与所述支撑柱305b的侧壁和腔体壁305a的侧壁接触，由于腔体壁305a线宽为支撑柱305a的三倍以上，湿法刻蚀是各向同性刻蚀的工艺，支撑柱305b很快会被刻蚀断开，进而使得剩余的支撑柱与刻蚀液具有了更多的接触面，被刻蚀的更快，因此在支撑柱305b 被去除时，腔体壁305a不会被刻蚀断且在整个高度上被得以保留，线宽相对均匀，进而形成符合要求的空腔309。此外，选用BOE溶液或DHF溶液去除支撑柱305b的过程可以存在较短的过度刻蚀时间(即清洗时间)，以利用BOE溶液或DHF溶液对空腔309进行初步清洗，以清除刻蚀副产颗粒和金属离子等污染物，以在较短的清洗时间内就可获得好的空腔清洗效果，由此进一步提高最终形成的器件性能。
可选地，在去除支撑柱305之后，继续保留释放孔308，由此，先通过释放孔308向空腔309中通入去离子水，以对空腔309进行清洗(即冲洗)，再利用释放孔308向空腔309中通入异丙醇(IPA)气体，对空腔309进行干燥，以使得空腔309内的残留液体清除干净，进而保证谐振性能。
此外，由于释放孔308的存在，在步骤S6至对空腔309进行清洗和干燥的阶段中，各个释放孔308作为通气孔，可以将空腔308的内外环境连通，由此平衡空腔309内外的气压，避免空腔309内外的气压差过大而造成空腔309破裂等问题。
需要说明的是，本实施例中，步骤S6之后形成了具有空腔309、体声波薄膜和载体衬底306的谐振腔主体结构。后续需要通过键合工艺将制作好的具有另一空腔的谐振器盖子键合到具有空腔309的谐振腔主体结构上，以将体声波薄膜和释放孔308等结构封装在内，因此支撑柱305b只需要在正式键合之前去除即可，由此能够最大化的保护空腔309不受伤害或受到较少损害。其中，可以在步骤S1至S6中的任意阶段或者在步骤S1之前或者在步骤S6之后来制作所述谐振器盖子。也就是说，步骤S5和步骤S6之间可以有很多用于器件制造的所需工艺步骤，或者步骤S4和S5之间可以有很多用于器件制造的所需工艺步骤，本领域技术人员可以根据器件制造需求合理选择和设置，在此不再赘述。而且本实施例中无需对去除支撑柱305b后的释放孔308特别进行封闭处理，该释放孔308会被谐振器盖子直接封装在内。
综上所述，本实施例的体声波谐振器的制造方法，不需要增加额外的光罩，能够利用空腔的蚀刻工艺，在形成空腔的腔体壁的同时一道形成位于空腔中的支撑柱，最终去除这些支撑柱，就可以形成所需的空腔，由此，在支撑柱被去除之前，利用支撑柱来支撑主要由第二电极层、压电层和第一电极层组成的体声波薄膜，防止体声波薄膜在支撑柱被去除之前的工艺中变形下压以及破裂的问题，最大化保护空腔在支撑柱被去除之前的工艺中不受伤害，进而在去除支撑柱后能够获得性能良好的空腔，而且，支撑柱的大小、间距和密度，可以根据空腔大小来调整，去除支撑柱的释放孔也可以因此灵活调整，整个方案具有成本低、工艺简单、容易量产控制等特点。此外，由于而且由于最初的体声波薄膜是通过在牺牲衬底上依次层叠第一电极层、压电层、第二电极层而形成的，因此体声波薄膜的各层的厚度均一，薄膜内部的应力分布均匀，之后又由于在支撑柱被去除之前，一直利用支撑柱来支撑体声波薄膜，因此可以使得去除支撑柱后的体声波薄膜内部的应力在去除支撑柱后仍旧分布均匀，由此能够增强体声波谐振器的谐振性能以及对机械应力(例如震动和冲击等)的抗压性能。
请参考图2、图4A至图4E，本发明另一实施例也提供一种体声波谐振器的制造方法，其也包括图2所示的步骤S1至步骤S6。该实施例与图3A至图3F 所示的实施例的主要区别在于：步骤S2中形成空腔309和形成支撑柱305b的工艺并非是同一道刻蚀工艺。
具体地，请参考图2和图4A，在步骤S1中，提供牺牲衬底，所述牺牲衬底包括基底300和释放层301，在释放层301上依次覆盖第一电极层302、压电层303、第二电极层304和支撑层。本实施例的步骤S1的具体的工艺过程可以参考上文中对图3A至图3F所示的实施例的步骤S1的内容，在此不再赘述。
请参考图2、图4A和图4B，在步骤S2中，首先，刻蚀支撑层形成空腔309；然后，在空腔309和腔体壁305a上沉积于制作支撑柱305b的牺牲材料层(未图示)，该牺牲材料层的材质不同于支撑层以及牺牲衬底，该牺牲材料层的沉积厚度至少能填满空腔309，接着，采用化学机械平坦化等工艺对沉积的牺牲材料层进行顶部平坦化，直至与腔体壁305a齐平；然后，通过光刻、刻蚀等工艺刻蚀所述牺牲材料层，以形成填充于空腔309中的至少一个支撑柱305b。支撑柱 305b的材质不同于腔体壁305a，可以有利于减少后续的步骤S6中去除支撑柱的工艺对腔体壁305a的横向刻蚀。
请参考图2和图4B，在步骤S3中，提供载体衬底306，然后采用真空键合工艺将其键合到支撑柱305b和腔体壁305a背向所述第二电极层304的一面上。本实施例的步骤S3的具体的工艺过程可以参考上文中对图3A至图3F所示的实施例的步骤S3的内容，在此不再赘述。
请参考图2和图4C，在步骤S4中，首先，倒置整个结构，使得载体衬底 306在下、基底300在上；然后，通过化学机械平坦化(即化学机械研磨)或硅刻蚀工艺等背面减薄工艺或者其他合适的工艺去除基底300和释放层301；接着，可以采用切割工艺对空腔309边缘上方以及空腔309外围上方的第一电极层302 和压电层303进行部分去除，以形成暴露出所述第二电极层304部分区域的边缘修剪区307，边缘修剪区307的膜层厚度较薄，有利于降低后续释放孔308的形成工艺的难度；然后，可以对第一电极层302、压电层303和第二电极层304进行图案化(例如是通过多次光刻结合刻蚀工艺进行图案化)，以形成体声波谐振器的上电极、下电极并界定出体声波薄膜位于空腔309上方的有效工作区和无效区。当然，在本发明的其他实施例中，可以在体声波谐振器的上电极、下电极的工艺中一道形成边缘修剪区307，以简化工艺，降低成本。本实施例的步骤S4的具体的工艺过程可以参考上文中对图3A至图3F所示的实施例的步骤 S4的内容，在此不再赘述。
请参考图4D，在步骤S5中，先通过旋涂、曝光、显影等步骤在空腔309 的部分边缘上方以及部分边缘修剪区307上形成一用于定义至少一个释放孔308 的图案化的掩膜层，再以该图案化的掩膜层为掩膜，刻蚀边缘修剪区307及其周围的部分空腔309边缘区域中的第二电极层304，直到贯穿第二电极层304而形成至少一个释放孔308，释放孔308可以与空腔309连通，也可以暴露出空腔 309内的部分支撑柱305b的顶部。
请参考图4E，在步骤S6中，可以通过湿法刻蚀或者干法刻蚀的方法去除各个所述支撑柱305b。本实施例的步骤S6的具体的工艺过程可以参考上文中对图 3A至图3F所示的实施例的步骤S6的内容，在此不再赘述。
本实施例中，步骤S6之后就形成了具有空腔309、体声波薄膜和载体衬底 306的谐振腔主体结构。后续需要通过键合工艺将制作好的具有另一空腔的谐振器盖子键合到具有空腔309的谐振腔主体结构上，以将体声波薄膜和释放孔308 等结构封装在内，因此支撑柱305b只需要在正式键合之前去除即可，由此能够最大化的保护空腔309不受伤害或受到较少损害。
本实施例的体声波谐振器的制造方法，由于在步骤S2中采用不同的刻蚀工艺来分别形成空腔309和支撑柱305b，因此在步骤S6中有利于利用支撑柱305b 不同于腔体壁305a的材料特性来减少腔体壁305a的横向刻蚀，进一步提高空腔 309的性能。
需要说明的是，本发明的体声波谐振器的制造方法，不仅仅限于上述各实施例所列举的情况，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 (20)
1.一种体声波谐振器的制造方法，其特征在于，包括：
提供牺牲衬底，并依次形成第一电极层、压电层、第二电极层和支撑层于所述牺牲衬底上；
在所述支撑层中形成空腔以及位于所述空腔内的至少一个支撑柱；
提供载体衬底，并将所述载体衬底键合到所述支撑层上；
去除所述牺牲衬底；
形成至少一个释放孔，所述释放孔贯穿所述第一电极层、所述压电层和所述第二电极层，并连通所述空腔或者暴露相应的所述支撑柱的顶部；以及，
通过所述释放孔去除所述支撑柱。
2.如权利要求1所述的体声波谐振器的制造方法，其特征在于，所述牺牲衬底包括基底以及覆盖在所述基底上的释放层。
3.如权利要求2所述的体声波谐振器的制造方法，其特征在于，去除所述牺牲衬底包括：去除所述基底；且去除所述基底的方法包括：减薄工艺、热释放工艺、剥离工艺其中之一。
4.如权利要求3所述的体声波谐振器的制造方法，其特征在于，所述释放层的材料包括电介质材料，并通过减薄工艺去除所述牺牲衬底；
或者，所述释放层为光固化胶，并通过化学试剂去除所述光固化胶，以去除所述牺牲衬底；或者；所述释放层为热熔胶，并通过热释放工艺使得所述热熔胶失去粘性，以去除所述牺牲衬底；
或者，所述释放层为激光脱模材料，并通过激光烧蚀所述释放层，以将所述基底剥离下来。
5.如权利要求1所述的体声波谐振器的制造方法，其特征在于，采用真空键合工艺将所述载体衬底键合到所述支撑层上，所述真空键合工艺的条件包括：键合压力为1Pa～105Pa，键合温度为150℃～200℃。
6.如权利要求1所述的体声波谐振器的制造方法，其特征在于，在去除所述牺牲衬底之后且在形成所述释放孔之前，将所述空腔边缘的上方以及所述空腔外围上方的第一电极层和压电层进行部分去除，以暴露出所述第二电极层的部分区域，在所述部分区域中形成所述释放孔。
7.如权利要求1所述的体声波谐振器的制造方法，其特征在于，形成所述空腔和所述支撑柱的步骤包括：刻蚀所述支撑层，以使得剩余的所述支撑层形成所述空腔和所述支撑柱；或者，
形成所述空腔和所述支撑柱的步骤包括：首先，刻蚀所述支撑层以形成所述空腔；接着，在所述空腔中填充用于形成所述支撑柱的牺牲材料层；然后，刻蚀所述牺牲材料层，以在所述空腔中形成至少一个所述支撑柱。
8.如权利要求1所述的体声波谐振器的制造方法，其特征在于，所述支撑柱的线宽小于所述空腔的腔体壁的线宽。
9.如权利要求1所述的体声波谐振器的制造方法，其特征在于，所述支撑层的材料包括二氧化硅、氮化硅、氮氧化硅、干膜和正硅酸乙酯中的至少一种。
10.如权利要求1所述的体声波谐振器的制造方法，其特征在于，在所述第二电极层上形成所述支撑层之前，先将所述第二电极层、压电层和所述第一电极层图形化，以形成体声波谐振器的上电极和下电极；或者，
在去除所述牺牲衬底之后且在形成所述释放孔之前，先将所述第二电极层、压电层和所述第一电极层图形化，以形成体声波谐振器的上电极和下电极。
11.如权利要求1所述的体声波谐振器的制造方法，其特征在于，形成所述释放孔的步骤包括：
首先，采用第一氟基刻蚀气体刻蚀所述空腔外围的第一电极层，至打开所述第一电极层而形成初始开孔；
接着，采用氯基刻蚀气体刻蚀所述初始开孔中暴露出的压电层，至打开所述压电层；
然后，采用第二氟基刻蚀气体刻蚀所述初始开孔中暴露出的所述第二电极层，至打开所述第二电极层并连通所述空腔或者暴露出所述支撑柱的顶部，以形成所述释放孔。
12.如权利要求11所述的体声波谐振器的制造方法，其特征在于，形成所述通孔时的各步刻蚀工艺中的刻蚀功率为0W～500W。
13.如权利要求1所述的体声波谐振器的制造方法，其特征在于，通过湿法刻蚀工艺去除所述支撑柱。
14.如权利要求13所述的体声波谐振器的制造方法，其特征在于，所述支撑柱的材料包括二氧化硅，所述湿法刻蚀的刻蚀液为BOE溶液或DHF溶液，所述BOE溶液由氢氟酸、氟化铵与水混合而成，DHF溶液为稀释的氢氟酸。
15.如权利要求13所述的体声波谐振器的制造方法，其特征在于，在湿法刻蚀去除所述支撑柱之后，对所述空腔进行清洗和干燥。
16.如权利要求15所述的体声波谐振器的制造方法，其特征在于，对所述空腔进行清洗所采用的清洗剂包括去离子水。
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，对所述空腔进行干燥所采用的干燥剂包括异丙醇。
18.如权利要求1所述的体声波谐振器的制造方法，其特征在于，所述释放孔位于所述空腔的边缘区域中。
19.如权利要求1所述的体声波谐振器的制造方法，其特征在于，所述释放孔的开口线宽为10μm～30μm。
20.如权利要求1所述的体声波谐振器的制造方法，其特征在于，所述释放孔的开口形状为各边不平行的多边形。
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