CN112367058A - 一种用声子晶体结构封装的薄膜体声波谐振器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及谐振器技术，具体涉及一种用声子晶体结构封装的薄膜体声波谐振器，包括衬底、依次沉积在衬底上的压电振荡堆结构和封装盖帽结构；压电振荡堆结构包括底电极、压电材料薄膜层及顶电极；封装盖帽结构包括声子晶体层和第一基体。该薄膜体声波谐振器利用材料结构设计将薄膜体声波谐振器中激发的声波反射回其压电有效区域，减少能量的耗散，增大谐振器的品质因数。散射体在封装盖帽的基体材料中周期排列所形成的的声子晶体层结构利用材料特性差异产生声子带隙结构，因此能够在特定的工作频率范围内对声波屏蔽，对应工作频率的声波将被完全反射。该结构不需要进行衬底背面刻蚀，保证了谐振器的稳定性，降低了工艺难度。
Description
技术领域
本发明属于谐振器技术领域，尤其涉及一种用声子晶体结构封装的薄膜体声波谐振器。
背景技术
随着无线通信的迅猛发展，无线信号变得越来越拥挤，对工作在射频频段的滤波器提出了集成化、微型化、低功耗、高性能、低成本等新的要求。传统的声表面波谐振器因为频率及承受功率等的限制，无法达到这样的技术指标。薄膜体声波谐振器(FBAR)由于具有CMOS工艺兼容、高品质因数(Q值)、低损耗、低温度系数、高的功率承载能力的特性逐渐成为射频滤波器研究的热点。
薄膜体声波谐振器是利用压电薄膜的压电效应，在上、下电极之间施加一个电信号，由于压电薄膜的压电效应会产生声信号，声信号在电极之间振荡，声波分为沿厚度方向的振动模式和横向振动模式，其中只有满足声波全反射条件的沿厚度方向的振动模式的声波才会被保留下来，横向振动模式的声波将被消耗，保留下来的声信号再转化为电信号输出，从而实现电信号的选频。其中由于横向振动模式的声波造成了声波能量的损失，降低了能量转换效率，增大了FBAR的插入损耗，降低了品质因子Q值。
薄膜体声波谐振器可分为空气隙型、硅背面刻蚀型以及固态封装型。其中固态封装型薄膜体声波谐振器相对于空腔隙型和硅反面刻蚀型体声波谐振器，其加工工艺简单，结构稳定性和机械强度好。但是由于声波的反射依靠的是薄膜间的布拉格反射，不能将纵波完全反射，更加不能反射横向剪切波，故其器件的品质因子(Q值)不高，声波损耗较大。而硅反面刻蚀型体声波谐振器，由于大量衬底材料被刻蚀，器件的结构稳定性和机械强度较差。
发明内容
针对背景技术存在的问题，本发明提供一种用声子晶体结构封装的薄膜体声波谐振器。
为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：一种用声子晶体结构封装的薄膜体声波谐振器，包括衬底、依次沉积在衬底上的压电振荡堆结构和封装盖帽结构；压电振荡堆结构包括底电极、压电材料薄膜层及顶电极；封装盖帽结构包括声子晶体层和第一基体。
在上述的用声子晶体结构封装的薄膜体声波谐振器中，声子晶体层包括多层周期性交替排列的的声子晶体，每层声子晶体包括周期性交替排列的散射体和第二基体。
在上述的用声子晶体结构封装的薄膜体声波谐振器中，散射体形状为柱体，柱体为圆柱形、三棱柱、长方体或正六边形柱体中的一种或多种组合。
在上述的用声子晶体结构封装的薄膜体声波谐振器中，散射体材料选用二氧化硅或空气；第二基体材料选用钨、高阻硅或氮化铝。
在上述的用声子晶体结构封装的薄膜体声波谐振器中，衬底适用于薄膜体声波谐振器，为高阻硅、蓝宝石衬底或SOI衬底中任一种。
在上述的用声子晶体结构封装的薄膜体声波谐振器中，底电极和顶电极均为金属薄膜，金属薄膜为钼、铂、金、银或铬中的任意一种；压电材料薄膜层为具有压电效应的薄膜材料，具有压电效应的薄膜材料为氮化铝、氧化锌、铌酸锂、PZT或铌酸钡钠中的任意一种。
在上述的用声子晶体结构封装的薄膜体声波谐振器中，衬底上有一空腔，空腔为圆形或任意多边形。
在上述的用声子晶体结构封装的薄膜体声波谐振器中，顶电极为圆形或任意多边形。
本发明的有益效果：本发明利用材料结构设计来将薄膜体声波谐振器中激发的声波反射回其压电有效区域，减少能量的耗散，增大谐振器的品质因数。散射体在封装盖帽的基体材料中周期排列所形成的的声子晶体层结构利用材料特性差异产生声子带隙结构，因此能够在特定的工作频率范围内对声波屏蔽，对应工作频率的声波将被完全反射。本发明基于声子晶体的薄膜体声波谐振器不需要进行衬底背面刻蚀，保证了谐振器的稳定性，同时谐振器产生的热量可以有效的通过声子晶体传输和散热，增强了谐振器的散热能力，提高其功率容量。
附图说明
图1为本发明一个实施例一种用声子晶体结构封装的薄膜体声波谐振器的剖面图；
其中，10-衬底、11-空腔、12-底电极、13-压电材料薄膜层、14-顶电极、15-第二基体、16-散射体、17-第一基体、18-压电振荡堆结构、19-声子晶体层、20-封装盖帽结构；
图2为本发明一个实施例一种用声子晶体结构封装的薄膜体声波谐振器的声子晶体层的俯视图；
图3为本发明一个实施例一种用声子晶体结构封装的薄膜体声波谐振器的顶电极和空腔的俯视图；
图4为本发明一个实施例一种用声子晶体结构封装的薄膜体声波谐振器工艺流程示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
下面结合具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为本发明的限定。
本实施例一种用声子晶体结构封装的薄膜体声波谐振器，通过在衬底上沉积底电极，压电材料薄膜层和顶电极，使之形成压电振荡堆结构，振荡堆结构包含刻蚀、填充牺牲层随后将之去除所形成的空腔，然后在封装盖帽层下半部分刻蚀出空气层作为散射体，散射体与基体材料交叠构成声子晶体结构，最后形成一种全新的基于声子晶体的薄膜体声波谐振器。
本实施例是通过以下技术方案来实现的，一种用声子晶体结构封装的薄膜体声波谐振器，包括衬底、依次沉积在衬底上的压电振荡堆结构和封装盖帽结构；压电振荡堆结构包括底电极、压电材料薄膜层及顶电极的三明治结构；封装盖帽结构包括声子晶体层和第一基体。
并且，声子晶体层包括多层周期性交替排列的的声子晶体；每层声子晶体包括周期性交替排列的散射体和第二基体；散射体和第二基体的材料不同，且材料的物理属性相差较大。
并且，衬底适用于薄膜体声波谐振器，为高阻硅、蓝宝石衬底或SOI衬底中任一种。
并且，声子晶体层中包含的散射体形状为柱体，柱体为圆柱形、三棱柱、长方体或正六边形柱体中的一种或多种组合。
并且，底电极和顶电极均为金属薄膜；金属薄膜为钼、铂、金、银或铬中的任意一种。
并且，压电材料薄膜层为具有压电效应的薄膜材料。具有压电效应的薄膜材料为氮化铝、氧化锌、铌酸锂、PZT或铌酸钡钠中的任意一种。
具体实施时，如图1所示，一种用声子晶体结构封装的薄膜体声波谐振器包括衬底10，该衬底材料为高阻硅、蓝宝石或SOI衬底；包括在衬底上刻蚀出的空腔11；包括在衬底上沉积的压电振荡堆结构18；包括在压电振荡堆结构18上的封装盖帽结构20；其中压电振荡堆结构18包括底电极12、压电材料薄膜层13及顶电极14的三明治结构；其中封装盖帽结构20包括声子晶体层19和第一基体17，声子晶体层19以不同材料的散射体16和第二基体15交替周期排列而成，例如散射体16材料可选二氧化硅，空气等低声速材料，第二基体15材料可选钨，高阻硅，氮化铝等高声速材料；
如图2所示，一种用声子晶体结构封装的薄膜体声波谐振器中声子晶体层19中散射体16结构为柱体，为圆柱体、三棱柱、长方体、正六边形或其他正多边形柱体中的一种或多种组合；在本实施例中声子晶体层19并不限于上述结构和材料，所有适用于声子晶体的结构和材料都能应用于本实施例的薄膜体声波谐振器。
如图3所示，本实施例一种用声子晶体结构封装的薄膜体声波谐振器中顶电极14和空腔11可以是圆形或任意多边形。
本实施例一种用声子晶体结构封装的薄膜体声波谐振器的工艺流程如图4所示。在基片A上形成声子晶体结构，并且通过真空键合，作为封装盖帽来加盖到谐振器之上。该结构的工艺难度大大降低，只需要在基片A上刻蚀形成柱状空腔，不需要对基片B做太多改动，也不会影响谐振器性能。
即在封装盖帽中20加入加入声子晶体层结构19，利用材料特性差异产生声子带隙结构，因此能够在特定的工作频率范围内对声波屏蔽，对应工作频率的声波将被完全反射。将膜体声波谐振器中激发的声波反射回其压电有效区域，减少能量的耗散，增大谐振器的品质因数。
以上仅为本发明较佳的实施例，并非因此限制本发明的实施方式及保护范围，对于本领域技术人员而言，应当能够意识到凡运用本发明说明书内容所作出的等同替换和显而易见的变化所得到的方案，均应当包含在本发明的保护范围内。
Claims (8)
1.一种用声子晶体结构封装的薄膜体声波谐振器，其特征是，包括衬底、依次沉积在衬底上的压电振荡堆结构和封装盖帽结构；压电振荡堆结构包括底电极、压电材料薄膜层及顶电极；封装盖帽结构包括声子晶体层和第一基体。
2.如权利要求1所述的用声子晶体结构封装的薄膜体声波谐振器，其特征是，声子晶体层包括多层周期性交替排列的的声子晶体，每层声子晶体包括周期性交替排列的散射体和第二基体。
3.如权利要求2所述的用声子晶体结构封装的薄膜体声波谐振器，其特征是，散射体形状为柱体，柱体为圆柱形、三棱柱、长方体或正六边形柱体中的一种或多种组合。
4.如权利要求2所述的用声子晶体结构封装的薄膜体声波谐振器，其特征是，散射体材料选用二氧化硅或空气；第二基体材料选用钨、高阻硅或氮化铝。
5.如权利要求1所述的用声子晶体结构封装的薄膜体声波谐振器，其特征是，衬底适用于薄膜体声波谐振器，为高阻硅、蓝宝石衬底或SOI衬底中任一种。
6.如权利要求1所述的用声子晶体结构封装的薄膜体声波谐振器，其特征是，底电极和顶电极均为金属薄膜，金属薄膜为钼、铂、金、银或铬中的任意一种；压电材料薄膜层为具有压电效应的薄膜材料，具有压电效应的薄膜材料为氮化铝、氧化锌、铌酸锂、PZT或铌酸钡钠中的任意一种。
7.如权利要求1所述的用声子晶体结构封装的薄膜体声波谐振器，其特征是，衬底上有一空腔，空腔为圆形或任意多边形。
8.如权利要求1所述的用声子晶体结构封装的薄膜体声波谐振器，其特征是，顶电极为圆形或任意多边形。
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| KR20220136440A (ko) * | 2020-02-19 | 2022-10-07 | 제이더블유엘 (저장) 세미컨덕터 코., 엘티디. | 전자기 차폐 구조를 갖는 견고하게 장착된 공진기 및 제조 프로세스 |
| KR102543613B1 (ko) | 2020-02-19 | 2023-06-15 | 제이더블유엘 (저장) 세미컨덕터 코., 엘티디. | 전자기 차폐 구조를 갖는 견고하게 장착된 공진기 및 제조 프로세스 |
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