CN112039477A - 一种薄膜体声波谐振器及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种薄膜体声波谐振器及其制造方法，其中薄膜体声波谐振器包括：第一衬底；键合于第一衬底上的支撑层，支撑层中形成有贯穿支撑层的第一空腔；压电叠层结构，覆盖第一空腔，压电叠层结构从上至下包括依次层叠的第一电极、压电层和第二电极，在有效谐振区第一电极、压电层和第二电极在垂直于压电层方向上重叠；第一电极包括第一侧面和/或第二电极包括第二侧面，有效谐振区的至少部分边界包括第一侧面和/或第二侧面，且第一侧面和/或第二侧面与压电层表面的夹角为85‑95度。本发明能够改善压电层的晶向，减少谐振器的横波损耗，使薄膜体声波谐振器的品质因子得到提高。
Description
技术领域
本发明涉及半导体器件制造领域，尤其涉及一种薄膜体声波谐振器及其制造方法。
背景技术
自模拟射频通讯技术在上世纪90代初被开发以来，射频前端模块已经逐渐成为通讯设备的核心组件。在所有射频前端模块中，滤波器已成为增长势头最猛、发展前景最大的部件。随着无线通讯技术的高速发展，5G通讯协议日渐成熟，市场对射频滤波器的各方面性能也提出了更为严格的标准。滤波器的性能由组成滤波器的谐振器单元决定。在现有的滤波器中，薄膜体声波谐振器(FBAR)因其体积小、插入损耗低、带外抑制大、品质因数高、工作频率高、功率容量大以及抗静电冲击能力良好等特点，成为最适合5G应用的滤波器之一。
通常，薄膜体声波谐振器包括两个薄膜电极，并且两个薄膜电极之间设有压电薄膜层，其工作原理为利用压电薄膜层在交变电场下产生振动，该振动激励出沿压电薄膜层厚度方向传播的体声波，此声波传至上下电极与空气交界面被反射回来，进而在薄膜内部来回反射，形成震荡。当声波在压电薄膜层中传播正好是半波长的奇数倍时，形成驻波震荡。
但是，目前制作出的空腔型薄膜体声波谐振器，压电层的晶向很大程度上依赖于其下方的电极，为了形成更好的晶向，电极边界需要作出较小的倾角(一般为15-20度)，使谐振器的品质因子(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薄膜体声波谐振器及其制造方法，能够改善压电层的晶向，减少谐振器的横波损耗，使薄膜体声波谐振器的品质因子得到提高。
为了实现上述目的，本发明提供一种薄膜体声波谐振器，包括：
第一衬底；
键合于所述第一衬底上的支撑层，所述支撑层中形成有贯穿所述支撑层的第一空腔；
压电叠层结构，覆盖所述第一空腔，所述压电叠层结构从上至下包括依次层叠的第一电极、压电层和第二电极，在有效谐振区所述第一电极、压电层和第二电极在垂直于所述压电层方向上重叠；
所述第一电极包括第一侧面和/或所述第二电极包括第二侧面，所述有效谐振区的至少部分边界包括所述第一侧面和/或所述第二侧面，且所述第一侧面和/或所述第二侧面与所述压电层表面的夹角为85-95度。
本发明还提供一种薄膜体声波谐振器的制造方法，包括：
提供第二衬底；
在所述第二衬底上形成压电叠层结构，所述压电叠层结构包括依次形成在所述第二衬底上的第一电极、压电层及第二电极；
在所述压电叠层结构上形成支撑层；
在所述支撑层中形成第一空腔，所述第一空腔贯穿所述支撑层；
提供第一衬底，将所述第一衬底键合在所述支撑层上，所述第一衬底覆盖所述第一空腔；
去除所述第二衬底；以及
形成所述压电叠层结构后，图形化所述压电叠层结构形成有效谐振区，所述有效谐振区的边界包括第一电极的第一侧面和/或第二电极的第二侧面，所述第一电极的第一侧面与所述压电层的夹角为85-95度和/或所述第二电极的第二侧面与所述压电层的夹角为85-95度，且所述有效谐振区的至少部分边界由所述第一侧面和/或所述第二侧面构成。
本发明的有益效果在于，本发明提供的薄膜体声波谐振器的压电层形成在未经刻蚀的电极上方，在沉积压电层时，电极的上表面是平整的，电极侧面不需要做出较小的倾角，因此构成有效谐振区边界处的第一电极的第一侧面和/或构成有效谐振区边界处的第二电极的第二侧面可以做成与压电层表面的夹角为85-95度，经过仿真发现，电极的侧面垂直于压电层的表面相较于电极侧面和压电层表面具有较小倾角时，提高了谐振器的品质因数。
进一步，第一空腔为键合形成，第二电极和压电层平整性强，且键合方式可以实现在键合前，从键合面向第二电极面刻蚀出第二沟槽，第二沟槽侧壁垂直或接近垂直，从而形成夹角为85-95度的第二侧面，第二沟槽与第一空腔连通，气体媒介声阻抗相同，有益于同时在第二电极表面和第二侧面形成声阻抗失配能很好的实现声波的反射，防止声波泄露，提高声波谐振器的品质因子。
进一步地，有效谐振区位于第一空腔上方，减少了纵向声波泄露，提高谐振器的品质因数。
进一步地，第一沟槽和/或第二沟槽延伸至压电层内部或贯穿压电层，使压电层横向声波的泄露得到改善，提高了谐振器的品质因数。
本发明提供的薄膜体声波谐振器的制造方法，第一电极、压电层、第二电极依次沉积在第二衬底上，压电层下方的第一电极未经过刻蚀，在沉积压电层时，第一电极的上表面是平整的，从而保持了压电层很好的晶向，通过本制造方法制造的薄膜体声波谐振器，电极边界处的倾角可以与压电层表面的夹角为85-95度，提高了谐振器的品质因数。
附图说明
通过结合附图对本发明示例性实施例进行更详细的描述，本发明的上述以及其它目的、特征和优势将变得更加明显，在本发明示例性实施例中，相同的参考标号通常代表相同部件。
图1为本发明实施例1的一种薄膜体声波谐振器的结构示意图。
图1A为一实施例中有效谐振区边界的构成方式。
图1B为一实施例中有效谐振区边界的构成方式。
图1C为一实施例中有效谐振区边界的构成方式。
图1D为一实施例中有效谐振区边界的构成方式。
图2为谐振器的谐振阻抗Zp和品质因数Qp的关系图。
图3为电极倾角为90度时相关参数的仿真图。
图4为下电极倾角为15度时相关参数的仿真图。
图5为下电极倾角为87度时相关参数的仿真图。
图6为下电极倾角为110度时相关参数的仿真图。
图7为本发明实施例2的一种薄膜体声波谐振器的结构示意图。
图8至图17为本发明实施例3的一种薄膜体声波谐振器的制造方法中相应步骤中对应的结构示意图。
附图标记说明：
100-第一衬底；200-第二衬底；201-释放层；202-第一电极；203-压电层；204第二电极；205-刻蚀停止层；206-支撑层；207-钝化层；220-第二沟槽；240-第一沟槽；通孔-250；230-第一空腔；301-第一侧面与压电层表面的夹角；302-第二侧面与压电层表面的夹角；110-第一焊盘；120-第二焊盘；2021-第一侧面；2041-第二侧面；第三侧面-2031。
具体实施方式
下面将参照附图更详细地描述本发明。虽然附图中显示了本发明的可选实施例，然而应该理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了使本发明更加透彻和完整，并且能够将本发明的范围完整地传达给本领域的技术人员。
以下结合附图和具体实施例对本发明的薄膜体声波谐振器、薄膜体声波谐振器的制造方法作进一步详细说明。根据下面的说明和附图，本发明的优点和特征将更清楚，然而，需说明的是，本发明技术方案的构思可按照多种不同的形式实施，并不局限于在此阐述的特定实施例。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。
在说明书和权利要求书中的术语“第一”“第二”等用于在类似要素之间进行区分，且未必是用于描述特定次序或时间顺序。要理解，在适当情况下，如此使用的这些术语可替换，例如可使得本文的本发明实施例能够以不同于本文的或所示的其他顺序来操作。类似的，如果本文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。
实施例1
本发明实施例1提供了一种薄膜体声波谐振器，图1为本发明实施例1的薄膜体声波谐振器的结构示意图，请参考图1，所述薄膜体声波谐振器包括：
第一衬底100；
键合于所述第一衬底100上的支撑层206，所述支撑层206中形成有贯穿所述支撑层206的第一空腔230；
压电叠层结构，覆盖所述第一空腔230，所述压电叠层结构从上至下包括依次层叠的第一电极202、压电层203和第二电极204，在有效谐振区(虚线框中所示)所述第一电极202、压电层203和第二电极204在垂直于所述压电层203方向上重叠；
所述第一电极202包括第一侧面2021和/或所述第二电极204包括第二侧面2041(本实施例即包括第一侧面2021也包括第二侧面2041)，所述有效谐振区的至少部分边界包括所述第一侧面2021和/或所述第二侧面2041，且所述第一侧面2021和/或所述第二侧面2041与所述压电层203表面的夹角为85-95度。
构成所述有效谐振区的边界有如下几种形式：
1、有效谐振区的边界由第一侧面2021构成，此时第一侧面围成的区域所构成的图形设有一开口，第一电极通过开口延伸出有效谐振区，用于第一电极的电连接。参考图1A。
2、有效谐振区的边界由第一侧面2021和第三侧面2031构成(第三侧面为所述压电层的侧面)，第一侧面和第三侧面在压电层的投影构成封闭的图形，第一侧面或第三侧面单独的投影可以是连续的也可以是分段的，只要两者的投影互相补充，构成封闭的图形就可以。参考图1B。
3、有效谐振区的边界由第二侧面构成，此时第二侧面围成的区域所构成的图形设有一开口，第二电极通过开口延伸出有效谐振区，用于第二电极的电连接。
4、有效谐振区的边界由第二侧面和第三侧面构成(第三侧面为所述压电层的侧面)，第二侧面和第三侧面在压电层的投影构成封闭的图形，第二侧面或第三侧面的单独的投影可以是连续的也可以是分段的，只要两者的投影互相补充，构成封闭的图形就可以。
5、有效谐振区的边界由第一侧面2021和第二侧面2041共同构成，第二侧面和第一侧面在压电层的投影构成封闭的图形，第二侧面或第一侧面的单独的投影可以是连续的也可以是分段的，只要两者的投影互相补充，构成封闭的图形就可以。参考图1C。
6、有效谐振区的边界由第一侧面2021、第二侧面2041和第三侧面2031共同构成，第二侧面、第一侧面、第三侧面在压电层的投影构成封闭的图形，第二侧面、第一侧面或第三侧面单独的投影可以是连续的也可以是分段的，只要三者的投影互相补充，构成封闭的图形就可以。参考图1D。
第一空腔由第一衬底和第一衬底上的支撑层，及压电叠层结构三部分围成，规避了由压电叠层结构作为封闭空腔的盖板的现有方案，压电叠层结构可不受空腔制作的限制，先于空腔封闭前形成，可获得较平整的压电叠层结构，且在空腔封闭前能够实现从第二电极面刻蚀出第二沟槽定义有效谐振区的部分边界，第二沟槽侧壁更容易实现垂直或接近垂直，从而形成夹角为85-95度的第一侧面，能很好的实现声波的反射，防止声波泄露，提高声波谐振器的品质因子。
本实施例中，有效谐振区的图形为不规则多边形，所述多边形的任意两条边不平行。
参考图1，第一电极202的第一侧面2021与压电层表面的夹角301的位置参见图中箭头所示，第一电极202的第一侧面为切割第一电极202厚度方向的面，同理，第二电极204的第二侧面2041为切割第二电极204厚度方向的面，第二电极204的第二侧面2041与压电层表面的夹角302的位置参见图中箭头所示。以上所述的两个夹角以下简称电极倾角。
第一衬底100的材料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 Side Polished Wafers，DSP)，也可为氧化铝等的陶瓷基底、石英或玻璃基底等。
第一衬底100的上方设有支撑层206，支撑层206中形成有贯穿所述支撑层206的第一空腔230。支撑层的材质可以为二氧化硅(SiO2)、氮化硅(Si3N4)、氧化铝(Al2O3)和氮化铝(AlN)的一种或几种组合。薄膜体声波谐振器中第一空腔230的深度与谐振频率有关，因此，可以根据薄膜体声波谐振器所需要的谐振频率来设定第一空腔230的深度，即所述支撑层206的厚度。示例性的，所述第一空腔230深度可以为0.5μm～4μm，例如1μm或2μm或3μm。所述第一空腔230底面的形状可以为矩形或是矩形以外的多边形，例如五边形、六边形、八边形等，也可以为圆形或椭圆形。第一空腔230的侧壁可以是倾斜或者竖直的。本实施例中，第一空腔230的底面为矩形，且侧壁与底面构成一钝角(第一空腔230的纵向截面(沿第一衬底100厚度方向的截面)形状为倒梯形)。本发明的其他实施例中，第一空腔230的纵截面形状还可以是上宽下窄的球冠，即其纵向截面为U形。
第一衬底100是通过键合的方式键合在支撑层106上，键合的方法包括热压键合或干膜粘合，当采用热压键合时，第一衬底100与支撑层106之间设置有键合层(图中未示出)，所述键合层可以为二氧化硅层。当采用干膜粘合时，第一衬底100与所述支撑层106之间设置有干膜层(图中未示出)，干膜是一种有机固化膜，是半导体工艺中常用的粘合材料。
本实施例中，所述第二电极204与所述支撑层206之间设置有刻蚀停止层205。所述刻蚀停止层205的材质包括但不限于氮化硅(Si3N4)和氮氧化硅(SiON)。所述刻蚀停止层205与支撑层206相比，具有较低的刻蚀速率，在制造工艺时，可以在刻蚀所述支撑层206形成第一空腔230时防止过刻蚀，保护位于其下的第二电极204的表面不受到损伤。
第一空腔230及支撑层206的上方设有从上至下依次层叠的第一电极202、压电层203和第二电极204。其中所述第一电极202、压电层203和第二电极204在垂直于所述压电层203方向上重叠的部分构成有效谐振区。本实施例中，有效谐振区的形状为多边形，且多边形的任意两条边不平行。如前文所述，有效谐振区的边界由压电层230边界、第一电极202的第一侧面2021、第二电极204的第二侧面2041几种不同的组合方式构成，且构成有效谐振区边界处的电极倾角为85-95度。
本实施例中，有效谐振区的边界由第一电极202的第一侧面2021和第二电极204的第二侧面2041共同构成。且所述有效谐振区的边界位于所述第一空腔230围成的区域内。谐振器在工作时，压电层中形成上下震动的纵向声波，部分纵向声波传播至第一电极202和第二电极204中，从第一电极202和第二电极204的表面泄露，造成了声波的能量损耗。本实施例中，有效谐振区的全部边界位于第一空腔230围成的区域上方，当纵向声波传输至第二电极204下表面与第一空腔230的交界面时，由于空气的声波阻抗与第二电极204的声波阻抗失配，使传播至交界面处的声波被反射回压电层203内，减少了纵向声波的泄露，提高了谐振器的品质因数。当然，在其他实施例中，第一空腔230的尺寸可以小些，使第一空腔230围成的区域位于所述有效谐振区的边界内，有效谐振区的边界位于支撑层上方，这种设置方式牺牲了一部分品质因数，但提高了谐振器的结构强度，并有利于散热。
本实施例中，第一空腔230上的第二电极204中设有第二沟槽220，第二沟槽220的内侧壁构成了第二电极204的第二侧面2041。第一电极202中设有第一沟槽240，第一沟槽240的内侧壁构成了第一电极202的第一侧面2021。参考图1，本实施例中，第一沟槽240的外侧壁处也形成有第一电极，外侧壁外部的第一电极所在的区域为谐振器的无效区，因此在其他实施例中，第一侧壁2021相对的外侧的压电层上可以没有第一电极。
薄膜压电声波谐振器传统的制造工艺中，为了维持较好的压电层晶向，需要将下电极的边界刻蚀成一个较斜的倾角，通常要求小于20度。即使这样，由于下电极图形化之后，晶圆表面始终不平整，整面上压电层的晶向一致性较差。且传统工艺要求上电极边界也是斜角。
本发明实施例中的薄膜压电声波谐振器采用新的工艺方法制造，具体工艺步骤将在实施例3中详细描述。采用新的工艺后，压电层可以形成在未经刻蚀的电极上方，在沉积压电层时，电极的上表面是平整的，电极侧面不需要做出较小的倾角，因此构成有效谐振区边界处的第一电极的第一侧面和/或构成有效谐振区边界处的第二电极的第二侧面可以做成与压电层表面的夹角为85-95度，经过仿真发现，电极的侧面垂直于压电层的表面相较于电极侧面和压电层表面具有较小倾角时，提高了谐振器的品质因数。
谐振器的品质因数是用来判断谐振器性能的主要参数。谐振器的品质因数和谐振阻抗Zp具有高度线性关系，参考图2，图2示出了谐振阻抗Zp和品质因数Qp的关系，Qp＝0.3683*Zp-45.125，线性关联系数R2＝0.9995。R2＝1为线性关系。上述关系式可通过‘MBVD模型’和‘粒子群算法拟合’得出。‘MBVD模型’和‘粒子群算法拟合’为本领域技术人员的公知常识，此处不在表述得出结果的推导过程。由以上结果可知，当谐振器的谐振阻抗Zp较高时意味着谐振器具有较高的品质因数Qp。需要说明的是，本文所提供的仿真图的数据，采用以下模型参数：上电极和下电极的材料为钼，厚度均为0.2-0.3微米，压电层的材料为氮化铝，压电层的厚度为0.5-1.5微米。
参考图3至图6，其中图3至图6的横坐标为频率，纵坐标为阻抗。图3为下电极倾角为90度时相关参数的仿真图。图4为下电极倾角为15度时相关参数的仿真图。图5为下电极倾角为87度时，相关参数的仿真图。图6为下电极倾角为110度时，相关参数的仿真图。由图3可知，下电极倾角为90度时，谐振阻抗Zp为4514.8ohm。由图4可知，下电极倾角为15度时，谐振阻抗Zp为2112ohm。由图5可知，下电极倾角为87度时，谐振阻抗Zp为3836ohm。由图6可知，下电极倾角为110度时，谐振阻抗Zp为3593ohm。
发明人对下电极的其他角度也做了仿真实验，发现，当下电极与压电层垂直或近乎垂直时，相交于下电极与压电层具有小的倾角，明显提高了谐振器的谐振阻抗Zp，提高了谐振器的品质因数。其中下电极与压电层的倾斜角度为90度时，谐振阻抗Zp最大，品质因数最高。
第二电极204和第一电极202的材料可以可以为具有导电性能的金属材料，例如，由钼(Mo)、铝(Al)、铜(Cu)、钨(W)、钽(Ta)、铂(Pt)、钌(Ru)、铑(Rh)、铱(Ir)、铬(Cr)、钛(Ti)、金(Au)、锇(Os)、铼(Re)、钯(Pd)等金属中一种制成或由上述金属形成的叠层制成，半导体材料例如是Si、Ge、SiGe、SiC、SiGeC等。压电层203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。当压电层104包括氮化铝(AlN)时，压电层203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，当压电层203包括氮化铝(AlN)时，压电层203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。
本实施例中，第一空腔230上方至少包括一个贯穿所述第一空腔230上方结构的通孔250，所述通孔250位于所述有效谐振区的外部。所述通孔250将第一空腔230与外部相通，防止压电叠层结构由于上下气压差不同导致的变形，提高谐振器的成品率。本实施例中通孔250为四个，分布于第一空腔230的边角处。通孔250的数量还可以是3个、5个等，不做限定。
本实施例中，还包括钝化层207，所述钝化层207覆盖所述第一电极206、所述压电层203和所述第二电极204。钝化层还可进一步覆盖支撑层。钝化层207的材质可以为二氧化硅(SiO2)、氮化硅(Si3N4)、氮氧化硅(SiON)、氮化铝(A1N)、氧化铝(A12O3)等。钝化层207中还设置有第一焊盘110和第二焊盘120，第一焊盘110和第一电极202电连接，第二焊盘120和第二电极204电连接。进而实现薄膜体声波谐振器的电极与外部供电设备的连接。第一焊盘110和第二焊盘均位于第一空腔230的外侧。所述第一焊盘110和所述第二焊盘120的材质可以为铝(A1)、铜(Cu)、金(Au)、钛(Ti)、镍(Ni)、银(Ag)或钨(W)等中的一种或多种组合形成的复合结构。
实施例2
图7为本发明实施例2的一种薄膜体声波谐振器的结构示意图。
实施例2与实施例1区别在于，所述第一沟槽240和/或所述第二沟槽220至少贯穿一部分厚度的所述压电层203。即第一沟槽240的深度除了贯穿第一电极202外，继续向下延伸至压电层203(可以贯穿压电层203的全部厚度也可以终止于压电层203的设定深度处)。第二沟槽220的深度除了贯穿第二电极204外，继续向下延伸至压电层203(可以贯穿压电层203的全部厚度也可以终止于压电层203的设定深度处)。其他结构与实施例1相同，图7只示出了主要部分的结构图。这种设置方式，压电层203中产生的横向寄生波，由于空气的声阻抗和压电层的声阻抗失配，传播至压电层边界处时，声波被反射回压电层203内，减少了横向声波的损失，提高了谐振器的品质因数。当第一沟槽240和/或第二沟槽贯穿压电层203全部厚度时，防止横向声波泄露的效果更好；当第一沟槽240和/或第二沟槽贯穿压电层203的一部分厚度时，谐振器的结构强度更好。
实施例3
本发明实施例3提供了一种薄膜体声波谐振器的制造方法，所述方法包括：
S01：提供第二衬底；
S02：在所述第二衬底上形成压电叠层结构，所述压电叠层结构包括依次形成在所述第二衬底上的第一电极、压电层及第二电极；
S03：在所述压电叠层结构上形成支撑层；在所述支撑层中形成第一空腔，所述第一空腔贯穿所述支撑层；
S04：提供第一衬底，将所述第一衬底键合在所述支撑层上，所述第一衬底覆盖所述第一空腔；
S05：去除所述第二衬底；以及
形成所述压电叠层结构后，图形化所述压电叠层结构形成有效谐振区，所述有效谐振区的边界包括第一电极的第一侧面和/或所述第二电极的第二侧面，所述第一电极的第一侧面与所述压电层的夹角为85-95度和/或所述第二电极的第二侧面与所述压电层的夹角为85-95度，且所述有效谐振区的至少部分边界由所述第一侧面和/或所述第二侧面构成。
图8至图17为本发明实施例3的一种薄膜体声波谐振器的制造方法中相应步骤中对应的结构示意图。下面请参考图7至图16详细说明实施例的薄膜体声波谐振器的制作方法。
参考图8，执行步骤S01：提供第二衬底200。第二衬底200的材料参照实施例1中第一衬底的材料。
继续参考图8，本实施例中，还包括在所述第二衬底200上形成释放层201，所述释放层201可以避免后续形成的薄膜体声波谐振器的压电叠层结构对第二衬底200的影响，同时，在后续第二衬底200的去除工艺中，可以通过腐蚀所述释放层201的方式，使所述第二衬底200与后续形成的压电叠层结构分离，有助于快速去除所述第二衬底200，提高工艺制作效率。所述释放层201的材质包括但不限于二氧化硅(SiO2)、氮化硅(Si3N4)、氧化铝(Al2O3)和氮化铝(AlN)中的至少一种。所述释放层201可通过化学气相沉积、磁控溅射或蒸镀等方式形成。本实施例中所述第二衬底200为硅晶圆，所述释放层201的材质为二氧化硅(SiO2)。
参考图9，执行步骤S02：在所述第二衬底200上形成压电叠层结构，所述压电叠层结构包括依次形成在所述第二衬底200上的第一电极202、压电层203及第二电极204。第一电极202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，当第二电极204用作输入电极时，第一电极202可用作输出电极，并且当第二电极204用作输出电极时，第一电极202可用作输入电极，压电层203将通过第一电极202或第二电极204上输入的电信号转换为体声波。例如，压电层203通过物理振动将电信号转换为体声波。
第一电极202、第二电极204的材料参照实施例1中的相关描述，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第一电极202和第二电极204。
压电层203的材料参照实施例1中的相关描述，可以使用化学气相沉积、物理气相沉积或原子层沉积的方法沉积形成压电层203。
参考图10，在一个实施例中，形成完压电叠层结构之后还包括，在第二电极204上还形成刻蚀停止层205，所述刻蚀停止层205的材质和作用参照实施例1中的相关描述，可以使用化学气相沉积、物理气相沉积或原子层沉积的方法沉积形成刻蚀停止层205。
参考图11，本实施例中，所述有效谐振区的边界由第一电极的第一侧面和第二电极的第二侧面共同构成。图形化所述压电叠层结构包括，在形成第二电极204之后，图形化所述第二电极204，使第一电极的第一侧面与压电层的夹角为85-95度。本实施例中，第二电极204的材料为钼，图形化所述第二电极204的方法包括：在所述第二电极上形成光阻材料层，通过曝光、显影后，光阻材料层中形成图案。其中，形成在光阻材料层中的凹槽的侧壁形貌要求较垂直，最佳为90度。在压力为10～50mtorr的环境下，采用氟化硫刻蚀气体在第二电极204中刻蚀出第二沟槽220，第二沟槽220的内侧壁构成所述第二电极204的第二侧面。
在一个实施例中，第二沟槽220可以延伸至压电层203中，可以贯穿整个压电层203，或者第二沟槽220的底面延伸至压电层203的设定厚度。刻蚀工艺不再赘述，改变相应的参数即可。这种设置的优点参照实施例2中的相关描述。
参考图12和图13，执行步骤S03：在所述压电叠层结构上形成支撑层206；在所述支撑层206中形成第一空腔230，所述第一空腔230贯穿所述支撑层206。
首先，可以通过化学沉积的方法形成支撑层206，所述支撑层206的材质以及形成的支撑层的厚度参照实施例1中的相关描述。然后，通过刻蚀工艺刻蚀所述支撑层206形成第一空腔230，第一空腔230贯穿所述支撑层206。第一空腔230的形状参照实施例1中的相关描述。本实施例中，还需要刻蚀掉第二沟槽220中的支撑层材料，暴露出第二沟槽220底部的压电层230。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。参考图14，执行步骤S04：提供第一衬底100，将所述第一衬底100键合在所述支撑层206上，所述第一衬底100覆盖所述第一空腔230。
第一衬底100的材料参照实施例1中的相关描述。可以通过热压键合的方式实现所述第一衬底100与所述支撑层206的键合，为增加所述支撑层206与所述第一衬底100的键合能力，可以在所述支撑层206进行热压键合的一面设置有键合层，所述键合层可以为二氧化硅层。在本发明其他实施例中也可以通过其他键合方式进行键合，如通过干膜粘合的方式使第一衬底100与所述支撑层206键合成为一体。在所述第一衬底100进行干膜粘合的一面设置有干膜层，通过干膜层将所述第一衬底100与所述支撑层206键合。完成键合工艺后，将键合后的上述薄膜体声波谐振器进行翻转。
参考图15，执行步骤S05：去除所述第二衬底。可以通过减薄工艺、热释放工艺、剥离工艺去除所述第一衬底100。例如所述释放层201的材料包括电介质材料，可以通过减薄工艺去除所述释放层201和所述第一衬底100，如机械研磨；所述释放层201为光固化胶，可以通过化学试剂去除所述光固化胶，以去除所述第一衬底100；所述释放层为热熔胶，可以通过热释放工艺使得所述热熔胶失去粘性，以去除所述第一衬底100。所述释放层201为激光脱模材料，可以通过激光烧蚀所述释放层201，以将所述第一衬底100剥离下来。
参照图16，本实施例中，图形化所述压电叠层结构还包括，图形化第一电极202，使第一电极202的第一侧面2012与压电层的夹角为85-95度。本实施例中，有效谐振区的边界位于第一空腔230围成的区域内。通过干法刻蚀工艺刻蚀所述第一电极202，形成第一沟槽240，使所述第一沟槽240的内侧壁构成所述第一电极202的第一侧面，且所述第一侧面与压电层表面的夹角为85-95度。干法刻蚀工艺形成电极倾角为85-95度的方法参照前文所述。
参考图17，本实施例中，去除所述第二衬底后还包括：在所述第一空腔230上方、所述有效谐振区的外部形成贯穿所述压电叠层结构的通孔250。
可以通过干法刻蚀工艺或打孔工艺形成通孔250。通孔250的数量、位置、作用等参照实施例1中的相关描述。
本发明实施例中，图形化所述压电叠层结构时，图形化所述第二电极形成所述第二侧面的步骤在形成第二电极204之后，形成支撑层206之前。在另一个实施例中，图形化所述第二电极形成所述第二侧面的步骤可以在形成第一空腔230之后。具体为，形成第二电极204后，在第二电极204上形成支撑层206，在支撑层206中形成第一空腔230，在第一空腔230底部暴露出的第二电极204上通过干法刻蚀工艺刻蚀出第二沟槽220。使第二沟槽220的内侧壁构成第二电极204的第二侧面。干法刻蚀工艺方法和本实施例相同。
在另一个实施例中，所述有效谐振区的边界包括第一电极的第一侧面；图形化所述压电叠层结构包括：去除所述第二衬底后，对所述第一电极进行图形化形成所述第一侧面。
在一个实施例中，所述有效谐振区的边界包括第一电极的第一侧面和压电层的第三侧面；图形化所述压电叠层结构包括：去除所述第二衬底后，对所述第一电极进行图形化形成所述第一侧面；对所述第一电极进行图形化后，对所述压电层进行图形化形成第三侧面。
在一个实施例中，所述有效谐振区的边界包括第二电极的第二侧面；图形化所述压电叠层结构包括：键合所述第二衬底之前、形成所述第一空腔之后，或者，形成所述支撑层之前，图形化所述第二电极形成所述第二侧面。
在一个实施例中，所述有效谐振区的边界包括第二电极的第二侧面和所述压电层的第三侧面；图形化所述压电叠层结构包括：键合所述第二衬底之前、形成所述第一空腔之后，或者，形成所述支撑层之前，图形化所述第二电极形成所述第二侧面；图形化所述第二电极后，图形化所述压电层形成所述第三侧面。在一个实施例中，所述有效谐振区的边界包括第一电极的第一侧面、第二电极的第二侧面；图形化所述压电叠层结构包括：键合所述第二衬底之前、形成所述第一空腔之后，或者，形成所述支撑层之前，图形化所述第二电极形成所述第二侧面；去除所述第二衬底后，对所述第一电极进行图形化形成所述第一侧面。
需要说明的是，本说明书中的各个实施例均采用相关的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于方法的实施例，只详细描述了其中一个实施例的形成方法，后面的描述比较简单，相关之处参照前文描述的方法部分即可。
以上已经描述了本发明的各实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。
Claims (25)
1.一种薄膜体声波谐振器，其特征在于，包括：
第一衬底；
键合于所述第一衬底上的支撑层，所述支撑层中形成有贯穿所述支撑层的第一空腔；
压电叠层结构，覆盖所述第一空腔，所述压电叠层结构从上至下包括依次层叠的第一电极、压电层和第二电极，在有效谐振区所述第一电极、压电层和第二电极在垂直于所述压电层方向上重叠；
所述第一电极包括第一侧面和/或所述第二电极包括第二侧面，所述有效谐振区的至少部分边界包括所述第一侧面和/或所述第二侧面，且所述第一侧面和/或所述第二侧面与所述压电层表面的夹角为85-95度。
2.根据权利要求1所述的薄膜体声波谐振器，其特征在于，所述有效谐振区的边界包括：第一侧面；
或者，所述有效谐振区的边界包括：第一侧面和第三侧面；
或者，所述有效谐振区的边界包括：第二侧面；
或者，所述有效谐振区的边界包括：第二侧面和第三侧面；
或者，所述有效谐振区的边界包括：第一侧面和第二侧面；
或者，所述有效谐振区的边界包括：第一侧面、第二侧面和第三侧面；所述第三侧面为所述压电层的侧面。
3.根据权利要求1所述的薄膜体声波谐振器，其特征在于，所述有效谐振区的边界完全位于所述第一空腔围成的区域上方；
或，所述有效谐振区的边界部分位于所述第一空腔围成的区域上方，部分跨越所述第一空腔位于所述支撑层上方。
4.根据权利要求1所述的薄膜体声波谐振器，其特征在于，所述第一电极中设有贯穿所述第一电极的第一沟槽，所述第一沟槽的内侧壁构成所述第一侧面；
和/或，
所述第二电极中设有贯穿所述第二电极的第二沟槽，所述第二沟槽的内侧壁构成所述第二侧面。
5.根据权利要求4所述的薄膜体声波谐振器，其特征在于，所述第一沟槽和/或所述第二沟槽至少贯穿一部分厚度的所述压电层。
6.根据权利要求1所述的薄膜体声波谐振器，其特征在于，所述支撑层通过热压键合或干膜粘合的方式键合在所述第一衬底上。
7.根据权利要求6所述的薄膜体声波谐振器，其特征在于，所述支撑层与所述第一衬底之间设置有键合层或干膜层。
8.根据权利要求1所述的薄膜体声波谐振器，其特征在于，所述第二电极与所述支撑层之间设置有刻蚀停止层。
9.根据权利要求1所述的薄膜体声波谐振器，其特征在于，还包括：钝化层，所述钝化层覆盖所述第一电极、所述压电层和所述第二电极。
10.根据权利要求1所述的薄膜体声波谐振器，其特征在于，所述有效谐振区的形状为多边形，且所述多边形的任意两条边不平行。
11.根据权利要求1所述的薄膜体声波谐振器，其特征在于，所述第一空腔上方至少包括一个贯穿所述第一空腔上方结构的通孔，所述通孔位于所述有效谐振区的外部。
12.一种薄膜体声波谐振器的制造方法，其特征在于，包括：
提供第二衬底；
在所述第二衬底上形成压电叠层结构，所述压电叠层结构包括依次沉积在所述第二衬底上的第一电极、压电层及第二电极；
在所述压电叠层结构上形成支撑层；
在所述支撑层中形成第一空腔，所述第一空腔贯穿所述支撑层；
提供第一衬底，将所述第一衬底键合在所述支撑层上，所述第一衬底覆盖所述第一空腔；
去除所述第二衬底；以及
形成所述压电叠层结构后，图形化所述压电叠层结构形成有效谐振区，所述有效谐振区的边界包括第一电极的第一侧面和/或所述第二电极的第二侧面，所述第一电极的第一侧面与所述压电层的夹角为85-95度和/或所述第二电极的第二侧面与所述压电层的夹角为85-95度。
13.根据权利要求12所述的薄膜体声波谐振器的制造方法，其特征在于，图形化所述压电叠层结构形成有效谐振区，所述有效谐振区的边界包括第一电极的第一侧面；图形化所述压电叠层结构包括：去除所述第二衬底后，对所述第一电极进行图形化形成所述第一侧面；
或者，
图形化所述压电叠层结构形成有效谐振区，所述有效谐振区的边界包括第一电极的第一侧面和压电层的第三侧面；图形化所述压电叠层结构包括：去除所述第二衬底后，对所述第一电极进行图形化形成所述第一侧面；对所述第一电极进行图形化后，对所述压电层进行图形化形成第三侧面；
或者，
图形化所述压电叠层结构形成有效谐振区，所述有效谐振区的边界包括第二电极的第二侧面；图形化所述压电叠层结构包括：键合所述第二衬底之前、形成所述第一空腔之后，或者，形成所述支撑层之前，图形化所述第二电极形成所述第二侧面；
或者，
图形化所述压电叠层结构形成有效谐振区，所述有效谐振区的边界包括第二电极的第二侧面和所述压电层的第三侧面；图形化所述压电叠层结构包括：键合所述第二衬底之前、形成所述第一空腔之后，或者，形成所述支撑层之前，图形化所述第二电极形成所述第二侧面；图形化所述第二电极后，图形化所述压电层形成所述第三侧面；
或者，
图形化所述压电叠层结构形成有效谐振区，所述有效谐振区的边界包括第一电极的第一侧面、第二电极的第二侧面；图形化所述压电叠层结构包括：键合所述第二衬底之前、形成所述第一空腔之后，或者，形成所述支撑层之前，图形化所述第二电极形成所述第二侧面；去除所述第二衬底后，对所述第一电极进行图形化形成所述第一侧面；
或者，
图形化所述压电叠层结构形成有效谐振区，所述有效谐振区的边界包括第一电极的第一侧面、第二电极的第二侧面和压电层的第三侧面；图形化所述压电叠层结构包括：键合所述第二衬底之前、形成所述第一空腔之后，或者，形成所述支撑层之前，图形化所述第二电极形成所述第二侧面；去除所述第二衬底后，对所述第一电极进行图形化形成所述第一侧面；图形化所述第一电极或第二电极之后，对所述压电层进行图形化形成第三侧面。
14.根据权利要求12所述的薄膜体声波谐振器的制造方法，其特征在于，图形化所述压电叠层结构形成的所述侧面为相应层中形成的沟槽的内侧壁，所述第一侧面对应第一沟槽，所述第二侧面对应第二沟槽，所述第三侧面对应第三沟槽。
15.根据权利要求14所述的薄膜体声波谐振器的制造方法，其特征在于，所述第一沟槽、所述第二沟槽贯穿所述第一电极、第二电极，底面停止于所述压电层表面或者压电层中。
16.根据权利要求12所述的薄膜体声波谐振器的制造方法，其特征在于，使所述第一电极的第一侧面与所述压电层的夹角为85-95度的方法包括：
在所述第一电极上形成光阻材料层，对所述光阻材料层进行曝光、显影，使所述光阻材料层中形成垂直的侧壁，所述垂直的侧壁对应所述第一侧面的位置，在压力为10～50mtorr的环境下，采用氟化硫刻蚀气体刻蚀所述第一电极，使所述第一电极的第一侧面与所述压电层的夹角为85-95度；
使所述第二电极的第二侧面与所述压电层的夹角为85-95度的方法包括：
在所述第二电极上形成光阻材料层，对所述光阻材料层进行曝光、显影，使所述光阻材料层中形成垂直的侧壁，所述垂直的侧壁对应所述第二侧面的位置，在压力为10～50mtorr的环境下，采用氟化硫刻蚀气体刻蚀所述第二电极，使所述第二电极的第二侧面与所述压电层的夹角为85-95度。
17.根据权利要求12所述的薄膜体声波谐振器的制造方法，其特征在于，在形成所述第一电极之前，还包括：
在所述第二衬底上形成释放层。
18.根据权利要求12所述的薄膜体声波谐振器的制造方法，其特征在于，在形成所述支撑层之前，形成所述第二电极之后，还包括：在所述第二电极上形成刻蚀停止层。
19.根据权利要求12所述的薄膜体声波谐振器的制造方法，其特征在于，通过热压键合或干膜粘合的方式实现所述第一衬底与所述支撑层的键合。
20.根据权利要求12所述的薄膜体声波谐振器的制造方法，其特征在于，去除所述第二衬底的方法包括：
减薄工艺、热释放工艺、剥离工艺其中之一。
21.根据权利要求15所述的薄膜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释放层和所述第二衬底，或
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，以去除所述第二衬底，或
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，以去除所述第二衬底，或
所述释放层为激光脱模材料，并通过激光烧蚀所述释放层，以将所述第二衬底剥离下来。
22.根据权利要求16所述的薄膜体声波谐振器的制造方法，其特征在于，所述刻蚀停止层的材质包括：二氧化硅、氮化硅、氮氧化硅中的一种或多种组合。
23.根据权利要求12所述的薄膜体声波谐振器的制造方法，其特征在于，所述支撑层的材质包括：二氧化硅、氮化硅、氧化铝和氮化铝中的一种或多种组合。
24.根据权利要求12所述的薄膜体声波谐振器的制造方法，其特征在于，所述有效谐振区的边界完全位于所述第一空腔围成的区域上方；
或，所述有效谐振区的边界部分位于所述第一空腔围成的区域上方，部分跨越所述第一空腔位于所述支撑层上方。
25.根据权利要求12所述的薄膜体声波谐振器的制造方法，其特征在于，去除所述第二衬底后还包括：
在所述第一空腔上方、所述有效谐振区的外部形成贯穿所述压电叠层结构的通孔。
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