CN112290901A - 一种空腔型薄膜体声波谐振器封装结构及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种空腔型薄膜体声波谐振器封装结构及其制备方法，该结构包括：衬底、基板、压电振荡堆和金属键合层，所述压电振荡堆和金属键合层位于衬底与基板之间，且金属键合层绕设于压电振荡堆四周，是由设于衬底和基板上的金属柱交叉键合形成，在压电振荡堆与衬底之间具有第一空腔，是通过直接刻蚀或腐蚀衬底形成，在压电振荡堆与基板之间具有第二空腔，是通过释放牺牲层形成；所述压电振荡堆包括下电极、压电层和上电极。该结构由特定处理后的衬底部分及基板部分通过金属柱直接交叉键合，再释放牺牲层而制得，本发明的方法可以有效解决空气隙型体声波谐振器薄膜应力积累及质量差、器件易坍塌、工艺复杂等问题，可以提高器件性能和成品率。

Description

一种空腔型薄膜体声波谐振器封装结构及其制备方法

技术领域

本发明属于MEMS器件技术领域，涉及一种空腔型薄膜体声波谐振器(FBAR)封装结构及其制备方法。

背景技术

随着移动通讯技术的快速发展，高频段谐振器和滤波器的市场需求越来越大。而薄膜体声波谐振器(FBAR)与传统的微波陶瓷谐振器和声表面波谐振器相比具有体积小、损耗低、品质因子高、功率容量大、谐振频率高等优点，因此在相关领域尤其是高频通讯方面有着广阔的应用前景，成为了产业界和学术界的研究热门。

现在主流的FBAR结构主要有三种：背刻蚀型、空气隙型和固态装配型。背刻蚀型结构采用体微机械加工技术从衬底表面反向刻蚀去除大部分衬底材料，形成压电震荡堆和空气的交界面，从而将声波限制在压电振荡内。衬底的大量移除势必影响器件机械强度，大大降低成品率。而固态装配型通过交替衬底高低声阻抗层来形成布拉格反射层实现声波限制。然而这种结构工艺过程中需制备多层薄膜，繁琐复杂，成本较高，而且布拉格反射层的声波限制效果不如空气，会导致器件性能差Q值低。空气隙型体声波谐振器基于表面微加工技术，通过在硅片的上表面通过先填充牺牲材料最后再移除之的方法形成一个空气隙以限制声波于压电震荡堆之内。这种结构不需要大量移除衬底造成器件牢固度下降，也不需要繁琐的工艺形成层层堆叠的声反射层就可以达到很好的声波限制效果，获得较高的Q值。目前Avago、富士通等多家公司的FBAR产品都采用了这种产品。

然而空气隙结构FBAR的生产工艺还面临两大主要技术挑战，必须得到突破：

1.传统的空气隙需要在衬底表面蚀刻凹槽来填充牺牲层材料，经化学机械抛光(CMP)去掉多余牺牲层后在其上沉积压电震荡堆。而抛光过程中难以避免会造成一些表面的凹陷，凸起或表面残留浆料，而且CMP过程存在应力积累，降低器件应力均匀性，可能在后续工艺中影响外延质量，甚至导致内部出现断裂，影响器件性能降低良率。

2.传统的空气隙结构中牺牲层在压电振荡堆的下方，需要通过腐蚀孔等从上往下腐蚀去除牺牲层材料，在此过程中产生的水汽会聚集在上方的压电振荡堆表面，容易导致牺牲层上的压电振荡堆发生塌陷，降低成品率。

为了避免CMP工艺带着的诸多问题，电子科技大学的杨杰等人提出一种空气隙型薄膜体声波谐振器制备方法：直接在平坦衬底表面沉积图形化的牺牲层然后在牺牲层表面增加缓冲层，压电振荡堆设置在缓冲层上，最后移除牺牲层使凸起的缓冲层和衬底之间形成空气隙。这种方法避开了CMP工艺，可以在一定程度上保证压电结构层的成膜质量，然而一方面缓冲层的加入会影响声波限制导致Q值降低，另外靠缓冲层支撑器件会使器件机械强度下降。为了提高器件的机械强度，天津理工大学的杨保和等提出在牺牲层上设置硬度高、绝缘性能好、耐腐蚀的金刚石薄膜作为支撑层。然而金刚石膜同样会影响声波限制，而且仍需进行CMP工艺，后续金刚石膜及压电振荡堆的薄膜质量都会比较差。

发明目的

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种空腔型薄膜体声波谐振器封装结构及其制备方法，该方法可以有效解决空气隙型体声波谐振器薄膜应力积累及质量差、器件易坍塌、工艺复杂等问题，可以提高器件性能和成品率。

本发明采用的技术方案如下：

一种空腔型薄膜体声波谐振器封装结构，包括：衬底、基板、压电振荡堆和金属键合层，所述压电振荡堆和金属键合层位于衬底与基板之间，且金属键合层绕设于压电振荡堆四周，是由设于衬底和基板上的金属柱交叉键合形成，在压电振荡堆与衬底之间具有第一空腔，所述第一空腔在衬底表面通过直接刻蚀或腐蚀衬底形成，在压电振荡堆与基板之间具有第二空腔，所述第二空腔是通过释放牺牲层形成的；所述压电振荡堆包括下电极、压电层和上电极。

上述技术方案中，进一步的，所述第一空腔的宽度小于所述的压电层的宽度，所述牺牲层的宽度大于所述压电层的宽度。

更进一步的，在所述第一空腔的边缘5-10μm处设置有支撑金属柱，用于在金属柱交叉键合后顶在压电振荡堆下方以支撑器件，此外，所述的上电极、下电极分别与不同的金属柱接触，且金属柱交叉键合后，上电极、下电极均可通过金属键合层引出，且二者经金属键合层传导的路径互不接触以避免短路。

进一步的，所述的第二空腔的高度为2-4μm。

进一步的，所述的第一空腔的截面为梯型、三角形、长方形、正方形的一种或其任意组合，高度为2-4μm。

进一步的，所述的金属键合层的高度为2-5μm。

上述的空腔型薄膜体声波谐振器封装结构的制备方法，包括：

在衬底表面制备第一空腔以及第一金属柱阵列；

在基板表面制备所述声波谐振器的薄膜结构层以及第二金属柱阵列；所述的薄膜结构层包括自下而上设置的牺牲层、下电极、压电层、上电极；

将所述基板倒置于所述衬底上，使得第一金属柱阵列和第二金属柱阵列交叉键合形成金属键合层，且所述第一空腔位于薄膜结构层下方；

去除牺牲层材料(通常在基板上开有用于释放牺牲层的孔)，获得空腔型薄膜体声波谐振器封装结构。

作为优选，所述衬底材料可以是玻璃，硅,碳化硅，氮化硅，陶瓷等中的一种或其任意组合；所述金属键合层材料可以是金,铂，铜,铝,银,钛,钨，镍，钼中的一种或其任意组合；所述基板材料可以是玻璃，硅,碳化硅，氮化硅，陶瓷等中的一种或其任意组合；所述压电层材料可以为氮化铝，掺杂氮化铝，氧化锌，镍酸锂，锆钛酸铅，铌酸锂、锆酸锂、钽酸锂、四硼酸锂、锗酸铋、硅酸铋、硫化镉、石英中的一种或几种的组合；所述上下电极材料可以为钼，金,铂，铜,铝,银,钛,钨，镍中的一种或其任意组合；所述牺牲层材料可以是氧化硅，氮化硅，有机物，磷酸玻璃，掺杂氧化硅等，通过湿法腐蚀或HF熏蒸的方式去除。

所述第一空腔可以采用等离子体刻蚀、湿法腐蚀等方法形成，第一空腔的横向宽度应小于器件层(通常为压电层)。

所述金属柱(包括支撑金属柱)可以通过金属剥离(lift-off)工艺，等离子体刻蚀，湿法腐蚀等方法形成。

通常，第一空腔的深度可以为2-4um，横向宽度可以为100-300um；所述压电层横向宽度为200um-400um。所述金属柱高度可以为2um-5um，横向宽度可以为10-30um，金属柱之间间隔可以为20-40um，且第一空腔边缘5-10um处设置有支撑金属柱，以便支撑压电振荡堆，起到固定器件，缓冲器件的作用。所述第二空腔通过移除牺牲层材料得到，深度可为2-4um，横向宽度可为230um-430um。

本发明提供的FBAR压电振荡堆上下电极均直接与空气接触，形成金属-空气交界面，可以达到良好的声波限制作用，通过金属键合形成机械强度高、不易坍塌的器件及封装结构。本发明首先解决了CMP工艺处理带来的弊端，提升器件性能的同时降低了生产成本(CMP设备价格昂贵，后期设备维护，耗材费用较大)；其次避免了器件塌陷导致的良率下降，键合牢固度的提升减少了后期器件性能失效，客户退货的风险；最后键合精度的提高及充分利用设计好的膜层结构实现器件制备和封装完成，使得滤波器的批量化生产更为简单。具体的：

针对现有技术中牺牲层经CMP工艺处理后带来的凹陷，凸起或表面残留浆料导致的后续膜层生长质量差的问题，本发明通过器件与带空腔的衬底直接键合以到达到滤波器制作过程中不采用CMP工艺处理的目的。通过在基板表面形成牺牲层(之后也可以再制备一层压电层种子层)、下电极、压电层、上电极，然后图形化刻蚀掉器件外的压电层和牺牲层，露出基板表面，在露出的衬底表面形成用于键合的金属柱膜层，因为形成器件的膜层都是在平整的平面生长，器件膜层的生长质量要比经CMP工艺处理后好。在另一衬底表面形成空腔，并在空腔外围生长用于键合的金属柱膜层。最后通过对齐键合的方式将带器件的基板与带空腔的衬底键合在一块。

针对牺牲层释放时器件塌陷的问题，本发明设计的牺牲层面积大于现有技术的牺牲层面积，且与现有技术的牺牲层释放从上往下，产生的水汽聚集在器件表面，导致器件塌陷相反，本发明的牺牲层是从下往上释放，产生的水汽主要聚集在基板表面，器件表面受水汽影响较小。且本发明采用金属柱交叉键合的方式具有一定的缓冲性能，一定程度上也能减缓器件受到的影响，进而避免牺牲层释放时器件塌陷的情况发生。

针对键合不牢固导致后期器件性能失效的问题，本发明采用增加键合面积的方法来增加键合牢固度。具体方案为在各自衬底表面形成金属柱，键合时衬底上的金属柱相互交错，融合，最终达到增强键合的目的。为了提高键合精度，设计的器件层要大于第一空腔宽度。

针对现有滤波器制作技术中，因器件两侧必须为空气层，必须在另一衬底表面形成空腔后再封装，本发明中充分利用设计好的膜层结构，只需将沉积器件的牺牲层释放掉就能形成另一空气层，该设计将极大简化现有的滤波器生产工艺，利于产业化应用。

综上，本发明的有益效果是：

1)优化生产工艺，提高器件性能。

本发明直接在平坦的基板上依次沉积牺牲层和压电振荡堆，取代了传统的在衬底凹槽填充牺牲层材料之后进行CMP的复杂工艺。可以解决空气隙型体声波谐振器在生产过程中由于采用CMP工艺导致的应力积累和薄膜质量差等问题。

2)改变牺牲层释放方向，提高成品率。

本发明提供的牺牲层的释放过程是在键合完成后进行的，此时基板在牺牲层上方且键合材料提供缓冲作用，可以解决空气隙型体声波谐振器在牺牲层从上往下的移除过程中由于水汽聚集等原因造成的压电振荡对结构破坏和器件塌陷等问题。

3)简化封装方法，降低生产成本。

本发明充分利用设计的膜层结构来简化现有的FBAR生产工艺，此外采用金属柱交错键合的方法，解决键合不牢固导致后期器件性能失效等问题。

本发明提供的结构及其制备方法可以在简化工艺、降低生产成本的同时改善压电振荡的膜层质量，提高器件的性能，提升成品率。

附图说明

图1是待键合的衬底及其上第一空腔、第一金属柱阵列的截面示意图；

图2是待键合的基板及其上器件结构、第二金属柱阵列的截面示意图；

图3是键合成型的器件截面示意图；

图4是牺牲层释放后的器件截面示意图。

图中：100基板、101牺牲层、102下电极、103压电层、104上电极、105第二金属柱阵列、200衬底、201第一金属柱阵列(含202支撑金属柱)。

具体实施方式

本发明的FBAR封装结构包括衬底、第一空腔、压电振荡堆、第二空腔、基板以及金属键合层。所述压电振荡堆包括下电极、压电层和上电极；所述金属键合层在衬底和基板之间，位于压电振荡堆的四周；所述金属键合层通过衬底和基板上的金属柱交叉键合形成；所述第一空腔在衬底表面，通过直接刻蚀或腐蚀衬底形成；所述第二空腔在压电振荡堆和基板之间，通过释放牺牲层形成。

该FBAR器件及其封装结构的制造方法是：第一步首先形成带有空腔和金属柱的键合衬底。先通过刻蚀或湿法腐蚀的方法在衬底上形成空腔结构，然后在衬底表面空腔周围生长图形化的金属柱(包括支撑金属柱)作为键合衬底。第二步是制作带有压电振荡堆、牺牲层以及金属柱的键合基板。在另一个基板上依次沉积牺牲层、第一电极层、压电层、第二电极层并进行图形化，接着在基板表面没有形成压电振荡堆和牺牲层的区域生长图形化金属柱。第三步是将衬底和基板进行键合，压电振荡堆与衬底上的空腔部分相对应，衬底和基板上的金属柱相互交错融合，形成牢固的键合。最后去除牺牲层材料，完成滤波器的制作及封装。

以如下实施例对本发明进行详细说明，该实施例提供了一种FBAR器件及其封装结构的制备方法，具体步骤如下：

(1)对硅衬底200进行清洗，使用丙酮和异丙醇超声水洗，硅衬底取向为(111)或(100)；

(2)采用基于BOSCH工艺的ICP刻蚀在硅衬底上刻蚀出深度为3um，横向宽度为200um的第一空腔；

(3)采用热蒸发或磁控溅射的方法沉积2um-5um的金属层并进行图形化，形成横向宽度为10-30um，间隔20-40um金属柱列201。第一空腔边缘5-10um处设置有金属柱202以便与电极或电极上的金属键合，起到固定器件，缓冲器件的作用；

(4)另外准备一个硅片100作为生长基板，在其表面用常规低压化学气相淀积工艺(LPCVD)淀积2-4um的磷硅酸盐玻璃(PSG)作为牺牲层材料101；

(5)在牺牲层上采用热蒸发或磁控溅射等方法沉积200nm的金属钨第一电极102；

(5)在金属钨电极上溅射一层C轴取向2μm的AlN压电薄膜层103，氮气和氩气流为工艺气体，氮气和氩气流量分别为9sccm和6sccm，生长速率低于25nm/min，使用PECVD生长SiO2做掩膜图形化AlN薄膜；

(6)采用热蒸发或磁控溅射等方法在压电层上沉积200nm的金属钨第二电极104；

(7)采用热蒸发或磁控溅射的方法在基板上沉积2um-5um的金属层并进行图形化，在对应区域形成横向宽度为20-40um，间隔10-30um金属柱列105。

(8)将加工好的衬底和基板进行键合，金属柱201和105之间交叉结合，压电振荡堆与第一空腔的位置对应，键合后的器件在高温退火炉中进行快速退火，保证金属键合材料之间形成良好的欧姆接触和牢靠的黏结。

(9)通过湿法腐蚀或HF熏蒸的方式去除牺牲层，在100基板上开有用于释放牺牲层的孔(图中未画出)，使牺牲层从100基板向102下电极方向逐步释放。

200为形成待键合的空腔衬底，材料可以是玻璃，硅,碳化硅，氮化硅，陶瓷等中的一种或其任意组合，200上的空腔可以采用等离子体刻蚀，湿法腐蚀等方法形成。空腔的截面可以为梯型，三角形，长方形正方形的一种或其任意组合，空腔的深度为2-4um，横向宽度为100-300um。空腔宽度小于器件层。

201为生长在空腔周围的金属柱，材料可以是金,铂，铜,铝,银,钛,钨，镍，钼中的一种或其任意组合。金属柱可以通过金属剥离(lift-off)工艺，等离子体刻蚀，湿法腐蚀等方法形成。金属柱的高度为2um-5um，横向宽度为10-30um。金属柱之间间隔20-40um，且空腔边缘5-10um处需设计一金属柱(图中202)，该处金属柱主要是与电极或电极上的金属键合，起到固定器件，缓冲器件的作用。

100为形成器件的衬底，材料可以是玻璃，硅,碳化硅，氮化硅，陶瓷等中的一种或其任意组合，101为沉积在100衬底表面的牺牲层，材料可以是氧化硅，氮化硅，有机物，磷酸玻璃，掺杂氧化硅等，101的厚度为1um-4um。101在上电极完成之前都不被刻蚀。

102为沉积在101牺牲层上的下电极，材料可以为钼，金,铂，铜,铝,银,钛,钨，镍中的一种或其任意组合，厚度为100-300nm，并通过等离子体刻蚀，湿法腐蚀等方法形成设计的图案。为了提高102下电极膜层的沉积质量，可以在101牺牲层上沉积10-40nm的压电层种子层，本发明图中未画出。

103为沉积在101牺牲层上及102下电极层上的压电层，压电层材料可以为氮化铝，掺杂氮化铝，氧化锌，镍酸锂，锆钛酸铅等。

104为沉积在103压电层上的上电极，材料可以为钼，金,铂，铜,铝,银,钛,钨，镍中的一种或其任意组合，厚度为100-300nm，并通过等离子体刻蚀，湿法腐蚀等方法形成设计的图案。

将103压电层通过等离子体刻蚀，湿法腐蚀等方法形成设计的图案，图案横向宽度为200um-400um，露出部分101牺牲层及部分102下电极。压电层的横向宽度可以认为是器件的横向宽度，该横向宽度应大于200衬底上的空腔横向宽度。

将露出的101牺牲层采用等离子体刻蚀，湿法腐蚀等方法形成设计的图案，图案的横向宽度为230um-430um，露出100衬底表面。

105为在露出的100衬底表面，露出的102下电极表面及101，102，103，104侧壁表面形成的金属柱。金属柱可以通过金属剥离(lift-off)工艺，等离子体刻蚀，湿法腐蚀等方法形成。金属柱的高度为2um-5um，横向宽度为10-30um。金属柱之间间隔20-40um。需要注意的是102下电极露出侧的金属柱不能与104压电层侧壁表面连接。

将待键合的空腔与带键合的器件进行键合，100，200衬底表面的金属柱的形成相互交错，融合的结构，该结构可以提升器件与空腔的键合牢固度，避免后期的器件性能失效。

将101牺牲层通过湿法腐蚀或HF熏蒸的方式去除，应101牺牲层是从100衬底向102下电极方向逐步释放的，释放反应生成的水汽聚集在100衬底表面上，且器件键合在有一定缓冲性能的金属柱上，可以对101牺牲层释放时器件产生的应力变化起到缓冲作用，最终防止器件在101牺牲层释放时产生塌陷。牺牲层释放完后形成深度2-4um，横向宽度230um-430um的空腔，这个空腔可以作为器件工作所需的另一个空气层。

Claims (7)

1.一种空腔型薄膜体声波谐振器封装结构，其特征在于，包括：衬底、基板、压电振荡堆和金属键合层，所述压电振荡堆和金属键合层位于衬底与基板之间，且金属键合层绕设于压电振荡堆四周，是由设于衬底和基板上的金属柱交叉键合形成，在压电振荡堆与衬底之间具有第一空腔，所述第一空腔在衬底表面通过直接刻蚀或腐蚀衬底形成，在压电振荡堆与基板之间具有第二空腔，所述第二空腔是通过释放牺牲层形成的；所述压电振荡堆包括下电极、压电层和上电极。

2.根据权利要求1所述的空腔型薄膜体声波谐振器封装结构，其特征在于，所述第一空腔的宽度小于所述的压电层的宽度，所述牺牲层的宽度大于所述压电层的宽度。

3.根据权利要求2所述的空腔型薄膜体声波谐振器封装结构，其特征在于，在所述第一空腔的边缘5-10μm处设置有支撑金属柱，用于在金属柱交叉键合后，顶在压电振荡堆下方以支撑器件，此外，所述的上电极、下电极分别与不同的金属柱接触，且金属柱交叉键合后，上电极、下电极均可通过金属键合层引出，且二者经金属键合层传导的路径互不接触。

4.根据权利要求1所述的空腔型薄膜体声波谐振器封装结构，其特征在于，所述的第二空腔的高度为2-4μm。

5.根据权利要求1所述的空腔型薄膜体声波谐振器封装结构，其特征在于，所述的第一空腔的截面为梯型、三角形、长方形、正方形的一种或其任意组合，高度为2-4μm。

6.根据权利要求1所述的空腔型薄膜体声波谐振器封装结构，其特征在于，所述的金属键合层的高度为2-5μm。

7.制备如权利要求1-6任一项所述的空腔型薄膜体声波谐振器封装结构的方法，其特征在于，包括：

在衬底表面制备第一空腔以及第一金属柱阵列；

在基板表面制备所述声波谐振器的薄膜结构层以及第二金属柱阵列；所述的薄膜结构层包括自下而上设置的牺牲层、下电极、压电层、上电极；

将所述基板倒置于所述衬底上，使得第一金属柱阵列和第二金属柱阵列交叉键合形成金属键合层，且所述第一空腔位于薄膜结构层下方；

去除牺牲层材料，获得空腔型薄膜体声波谐振器封装结构。

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