CN112511129A - 一种薄膜体声波谐振器的气密封装结构及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及薄膜体声波谐振器技术领域，具体涉及一种薄膜体声波谐振器的气密封装结构及其制备方法。该气密封装结构中，封盖层与绝缘层密封连接；绝缘层朝向封盖层的表面上嵌入设置有第一金属引脚垫、第二金属引脚垫、第三金属引脚垫和第四金属引脚垫；第一金属引脚垫通过绝缘层中的第一导电通路连接第二金属引脚垫；第三金属引脚垫通过绝缘层中的第二导电通路连接第四金属引脚垫；第一金属引脚垫和第四金属引脚垫设置在封盖层外部；第二金属引脚垫和第三金属引脚垫设置在第一空腔内部。本发明在绝缘层中设置了导电通路，替代了工艺复杂和繁多的硅通孔工艺，提高了薄膜体声波谐振器的气密封装结构的制作效率。
Description
技术领域
本发明涉及薄膜体声波谐振器技术领域，具体涉及一种薄膜体声波谐振器的气密封装结构及其制备方法。
背景技术
薄膜体声波谐振器(Film Bulk Acoustic Resonator，FBAR)，是一种压电声学被动器件,现在正迅猛地应用于通信领域和传感领域。在通信领域的电磁波滤波，收发特定频率的电磁波信号；在传感测控领域,更是广泛的用于能量收集：加速度和惯性检测,温度检测,紫外线检测等等领域。
薄膜体声波谐振器的典型的封装方案通常采用硅通孔技术(Through SiliconVia，TSV)。在实际应用中，封盖晶圆上的硅通孔是通过两次硅通孔的制作才能完成。具体的，在封盖晶圆的正面深硅刻蚀制作50-100微米深的深孔，在该深孔中生长绝缘层薄膜和金属薄膜层并图形化，在特定部位制作导体薄膜，将封盖晶圆倒扣过来，其特定部位的导体薄膜与器件晶圆上的特定部位的导体薄膜进行键合，然后进行第二次深硅刻蚀制作50-100微米的深孔，在该深孔中生长绝缘层薄膜和金属薄膜层并图形化，这样才能完成封盖晶圆上的硅通孔工艺。可见，整个过程中需要进行两次深硅刻蚀、两次生长绝缘层薄膜和金属薄膜层，其工艺比较复杂和繁多，工艺难度较高，良品率不高，制作效率较低。
因此，如何提高薄膜体声波谐振器的气密封装结构的制作效率，是目前亟需解决的技术问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种薄膜体声波谐振器的气密封装结构及其制备方法，以提高薄膜体声波谐振器的气密封装结构的制作效率。
为实现上述目的，本发明实施例提供了以下方案：
第一方面，本发明实施例提供一种薄膜体声波谐振器的气密封装结构，包括：
依次叠放设置的衬底层、绝缘层、薄膜体声波谐振结构和封盖层；
所述封盖层朝向所述绝缘层的表面内凹形成第一空腔；所述薄膜体声波谐振结构设置在所述第一空腔内的所述绝缘层的表面上；
所述封盖层与所述绝缘层密封连接；所述绝缘层朝向所述封盖层的表面上嵌入设置有第一金属引脚垫、第二金属引脚垫、第三金属引脚垫和第四金属引脚垫；
所述第一金属引脚垫通过所述绝缘层中的第一导电通路连接所述第二金属引脚垫；所述第三金属引脚垫通过所述绝缘层中的第二导电通路连接所述第四金属引脚垫；
所述第一金属引脚垫和所述第四金属引脚垫设置在所述封盖层外部；
所述第二金属引脚垫和所述第三金属引脚垫设置在所述第一空腔内部。
在一种可能的实施例中，所述第一空腔的侧沿上设有台阶结构，以减小所述封盖层与所述密封层的接触面积。
在一种可能的实施例中，所述封盖层通过键合薄膜与所述绝缘层密封连接。
在一种可能的实施例中，所述第一空腔的内壁上设有三元合金吸气功能膜。
在一种可能的实施例中，所述第二金属引脚垫连接所述薄膜体声波谐振结构的第一电极；所述第三金属引脚垫连接所述薄膜体声波谐振结构的第二电极。
第二方面，本发明实施例提供一种薄膜体声波谐振器的气密封装结构的制备方法，所述方法包括：
在衬底层上制作第一绝缘层；
通过刻蚀工艺在所述第一绝缘层上制作第一凹槽和第二凹槽；
在所述第一凹槽和所述第二凹槽中分别填充金属导电材料，制作第一导电通路和第二导电通路；
在所述第一绝缘层上制作第二绝缘层；
通过刻蚀工艺在所述第二绝缘层上所述第一导电通路的端部位置和所述第二导电通路的端部位置分别开设通孔；
在所述通孔填充金属导电材料，制作第一金属引脚垫、第二金属引脚垫、第三金属引脚垫和第四金属引脚垫；
在所述第二绝缘层上制作薄膜体声波谐振结构；
通过刻蚀工艺在封盖晶圆的表面上刻蚀出第一空腔，制作封盖层；
将所述封盖层密封罩设在所述第二绝缘层上；其中，所述第一金属引脚垫和所述第四金属引脚垫均设置在所述封盖层外部；所述薄膜体声波谐振结构、所述第二金属引脚垫和所述第三金属引脚垫均设置在所述第一空腔内部。
在一种可能的实施例中，所述通过刻蚀工艺在封盖晶圆的表面上刻蚀出第一空腔，制作封盖层之后，所述方法还包括：
通过刻蚀工艺在所述第一空腔的侧沿上制作台阶结构，以减少所述侧沿端面的面积。
在一种可能的实施例中，所述将所述封盖层密封罩设在所述第二绝缘层上，包括：
在所述第一空腔的侧沿端面上制作第一键合薄膜；
在所述第二绝缘层上制作第二键合薄膜；
以所述第一键合薄膜和所述第二键合薄膜对齐的方式，将所述封盖层罩设在所述第二绝缘层上；
对所述第一键合薄膜和所述第二键合薄膜进行共融键合处理或扩散键合处理，将所述封盖层密封在所述第二绝缘层上。
在一种可能的实施例中，所述通过刻蚀工艺在封盖晶圆的表面上刻蚀出第一空腔，制作封盖层之后，所述方法还包括：
在所述第一空腔的底部制作三元合金吸气功能膜；
所述将所述封盖层密封罩设在所述第二绝缘层上之后，所述方法还包括：
激活所述三元合金吸气功能膜，吸附所述第一空腔中的空气。
在一种可能的实施例中，所述在所述第二绝缘层上制作薄膜体声波谐振结构，包括：
通过刻蚀工艺在所述第二绝缘层上制作第二空腔；
在所述第二空腔中填充第一牺牲层；
在所述第二绝缘层上制作第一温度补偿层；
在所述第一温度补偿层上设置并图形化第一电极；
在所述第一电极上设置并图形化压电层；
在所述压电层上设置第二牺牲层；
通过刻蚀工艺将所述第二牺牲层刻蚀为衬垫结构；其中，所述衬垫结构包括悬臂梁倒模结构、悬空梁倒模结构和高低跨梁倒模结构；
在所述衬垫结构上设置并图像化第二电极；
在所述第二电极上设置第二温度补偿层；
通过刻蚀工艺，对所述第二温度补偿层和所述第二电极进行图形化处理，制作所述第二电极的接触窗口结构和悬臂梁结构；
释放所述第一牺牲层和所述衬垫结构，形成所述第二电极的悬臂梁结构、悬空梁结构和高低跨梁结构与所述压电层之间的空气间隙。
本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：
本发明在绝缘层中设置了导电通路，并在封盖层的内外分别设有金属引脚垫，通过导电通路和金属引脚垫，实现了薄膜体声波谐振器的气密封装结构内薄膜体声波谐振器的电极与外部高气密性的导电连接，替代了工艺复杂和繁多的硅通孔工艺，提高了薄膜体声波谐振器的气密封装结构的制作效率。
附图说明
为了更清楚地说明本说明书实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本说明书的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例提供的一种薄膜体声波谐振器的气密封装结构的结构示意图；
图2是本发明实施例提供的一种薄膜体声波谐振结构的结构示意图；
图3是本发明实施例提供的一种薄膜体声波谐振器的气密封装结构的制备方法的流程图；
图4是本发明实施例提供的一种薄膜体声波谐振器的气密封装结构的制备方法中步骤3的工艺示意图；
图5是本发明实施例提供的一种薄膜体声波谐振器的气密封装结构的制备方法中步骤4的工艺示意图；
图6是本发明实施例提供的一种薄膜体声波谐振器的气密封装结构的制备方法中步骤6的工艺示意图。
附图标记说明：
1为衬底层，2为绝缘层，201为第一绝缘层，202为第二绝缘层，21为第一金属引脚垫，22为第二金属引脚垫，23为第一导电通路，24为第三金属引脚垫，25为第四金属引脚垫，26为第二导电通路，27为第二空腔，3为薄膜体声波谐振结构，311为第一温度补偿层，312为第二温度补偿层，32为第一电极，33为压电层，34为第二电极，341为悬臂梁结构，342为悬空梁结构，343为高低跨梁结构，344为接触窗口结构，4为封盖层，41为第一空腔。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，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，基于本发明实施例，本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本发明实施例保护的范围。
本实施例提供一种薄膜体声波谐振器的气密封装结构，请参阅图1，图1为该结构的结构示意图，具体包括：依次叠放设置的衬底层1、绝缘层2、薄膜体声波谐振结构3和封盖层4。
具体的，衬底层1和封盖层4通常采用半导体衬底基片，例如硅衬底基片、碳化硅衬底基片或氮化镓衬底基片。本实施例不将薄膜体声波谐振器结构直接生长在衬底层1上，降低了薄膜体声波谐振器对衬底层1的高阻值要求，从而降低了整体成本。
具体的，绝缘层2为绝缘薄膜，可以采用二氧化硅材料、氮氧化硅材料或氮化硅材料，当然还可以采用这三种材料中的一种或多种的混合材料。绝缘层2的厚度可以在3微米至8微米范围内。
封盖层4朝向绝缘层2的表面内凹形成第一空腔41；薄膜体声波谐振结构3设置在第一空腔41内的绝缘层2的表面上。
具体的，第一空腔41的侧沿上设有台阶结构，以减小封盖层4与密封层的接触面积。
封盖层4与绝缘层2密封连接，具体的可以通过键合薄膜与绝缘层2密封连接。键合薄膜的组成材料可以是非晶硅或金金属，利用共融键合技术或扩散键合技术实现封盖层4与绝缘层2的密封连接。
第一空腔41的内壁上设有三元合金吸气功能膜，该三元合金吸气功能膜的成分包括但不限于锆钒铁(ZrVFe)，钴镍铂(CoNiPt)，锆钒钛(ZrVTi)，锆钴铼(ZrCoRE)，锆钴钇(ZrCoY)等三元合金成分，其能够在设定温度下(例如150℃至400℃间的某一特定温度)激活其吸气功能，从而吸附气体，在第一空腔41内形成一定的真空度，为被封装保护的元器件提供气密封装，对于高频谐振的器件，提供了良好的谐振环境。
绝缘层2朝向封盖层4的表面上嵌入设置有第一金属引脚垫21、第二金属引脚垫22、第三金属引脚垫24和第四金属引脚垫25。
具体的，第一金属引脚垫21、第二金属引脚垫22、第三金属引脚垫24和第四金属引脚垫25的组成材料可以是金金属或铜金属。
第一金属引脚垫21和第四金属引脚垫25设置在封盖层4外部；第二金属引脚垫22和第三金属引脚垫24设置在第一空腔41内部；第一金属引脚垫21通过绝缘层2中的第一导电通路23连接第二金属引脚垫22；第三金属引脚垫24通过绝缘层2中的第二导电通路26连接第四金属引脚垫25。
具体的，第一导电通路23和第二导电通路26的组成材料均可以是钨金属。
这样，第一空腔41内外就形成了一个密封良好的通电电路，第一空腔41内薄膜体声波谐振结构3中的第一电极和第二电极能够在良好的气密封环境下与外界进行电连接，从而实现薄膜体声波谐振器的谐振功能。
本实施例在绝缘层2中设置了导电通路，并在封盖层4的内外分别设有金属引脚垫，通过导电通路和金属引脚垫，实现了薄膜体声波谐振器的气密封装结构内薄膜体声波谐振器的电极与外部高气密性的导电连接，替代了工艺复杂和繁多的硅通孔工艺，提高了薄膜体声波谐振器的气密封装结构的制作效率。
薄膜体声波谐振结构3可以是现有的薄膜体声波谐振结构3，这里本发明还提供了一种较优的薄膜体声波谐振结构3，能够降低谐振信号的损耗，如图2所示为该薄膜体声波谐振结构3的结构示意图，其中未展示第一导电通路23和第二导电通路26的结构，仅示意出薄膜体声波谐振结构3，具体包括：第一温度补偿层311、第一电极32、压电层33、第一电极34和第二温度补偿层312。
衬底层1、绝缘层2、第一温度补偿层311、第一电极32、压电层33、第一电极34和第二温度补偿层312沿第一方向叠放设置，第一方向可以是自下而上的方向。
具体的，第一电极32为薄膜体声波谐振器的下电极，第一电极34为薄膜体声波谐振器的上电极，上电极和下电极的组成材料均可以选择钼金属(Mo)材料、铂金属(Pt)材料、钌金属(Ru)材料、金金属(Au)材料、银金属(Ag)材料或铜金属(Cu)材料，当然还可以选择这些金属材料中的一种或多种组成的合金材料。
具体的，压电层33的组成材料可以是氮化铝(AlN)材料、氮化铝钪(AlScN)材料、氧化锌(ZnO)材料、铌酸锂晶体(LiNbO3)材料或钛锆酸铅(Pb(Zr1-XTiX)O3)材料等具有压电特性的压电材料。当然，压电层33还可以在上述材料的基础上，再选择稀土元素和过度金属元素中的一种或多种元素进行掺杂，以改变压电层33的弹性模量，提高压电层33的谐振特性。第一电极32的厚度取值范围和所述第一电极34的厚度取值范围均为20纳米至1200纳米。
具体的，第一温度补偿层311和第二温度补偿层312的组成材料均可选择二氧化硅材料、氮氧化硅材料或氮化硅材料，当然还可以采用这三种材料中的一种或多种的混合材料。第一温度补偿层311的优选厚度为50纳米至600纳米，第二温度补偿层312的优选厚度为100纳米至600纳米，其具体的厚度选择应当通过薄膜体声波谐振器的热力学机械特性仿真模拟优选获得。
第一温度补偿层311包括沿第一方向叠放设置的第一子层和第二子层；第二温度补偿层312包括沿第一方向叠放设置的第三子层和第四子层；第一子层的组成材料、第二子层的组成材料、第三子层的组成材料和第四子层的组成材料均包括二氧化硅、氮氧化硅和氮化硅中的一种或多种。
由于压电层33与薄膜体声波谐振器其它薄膜层的热膨胀系数不同，使得薄膜体声波谐振器在不同温度下产生应力变形，该畸变使得谐振器的谐振频率发生漂移。本实施例中的第一温度补偿层311和第二温度补偿层312具有压应力特性，能够平衡压电薄膜在温度差异变化中因应力而产生的畸变，对压电薄膜在温度影响下的形变产生抑制作用，同时又不影响压电薄膜的谐振品质特性，实现了对压电薄膜的温度补偿。
绝缘层2上设有沿第二方向凹陷的凹陷区域，形成空腔27结构；其中，第二方向与第一方向反向平行，可以为自上而下方向。该凹陷区域能够为压电层33的声学振动提供振动空间，避免影响压电层33的压电性能。
第一电极34包括若干个侧面；其中，至少一个侧面包括悬臂梁结构341、悬空梁结构342和高低跨梁结构343。悬臂梁结构341、悬空梁结构342和高低跨梁结构343均与压电层33之间设有间隙。
具体的，悬臂梁结构341包括悬臂和支柱，该支柱为第一电极一端紧贴在压电层上表面的部分，该悬臂的一端固定连接在支柱的上端。这样，悬臂下方的压电层上表面就直接暴露在空气中。
具体的，悬空梁结构342包括梁结构和两侧支柱，该两侧支柱均为第一电极中部相邻的紧贴在压电层上表面的部分，梁结构直接固定连接在两侧支柱上。这样，梁结构、两侧支柱和压电层的上表面就形成了空气间隙。
具体的，高低跨梁结构343中“高低”是指跨梁的两侧支撑结构的底部不位于同一水平面上，存在相对高度偏差。这样，跨梁、两侧支撑结构和压电层上表面就形成了L型的空气间隙。
声波从一种介质入射到另一种声阻抗不同的介质时，在两种介质的界面上将有反射现象和/或透射现象发生，反射率和透射率的大小与两种介质的声阻抗差异的大小有关，反射的角度、透射的角度与入射角度相关。2万赫兹以上的高频声波的反射具体与传播声波的两个介质的声阻抗有关系，如果两个介质声阻抗相同，则全部发生透射现象，如果第一介质和第二介质之间的声阻抗比例在1倍～20倍之间，则同时发生反射现象和透射现象，如果第一介质和第二介质之间的声阻抗比例在20倍以上,则发生全反射现象。
本实施例中，在第一电极34上设置了悬臂梁结构341、悬空梁结构342和高低跨梁结构343，使得压电谐振结构(压电层33和上下电极组成的堆叠结构)的上下方向和左右方向都形成部分的向空气或真空的暴露，而压电层33、第一电极32和第一电极34均为固体介质，其声阻抗相对于空气或真空相对较大，使得来自于压电层33的振动产生的声波在压电谐振结构周围发生全反射，减少了声波信号的向外损耗，从而有利于声波在压电谐振结构中更精准地形成机械谐振。
具体的，悬臂梁结构341和高低跨梁结构343分别位于压电层33的两侧；悬空梁结构342位于悬臂梁结构341和高低跨梁结构343之间。凹陷区域的水平位置位于压电层33和第一电极32在第三方向上的重叠区域内；其中，第三方向与第一方向垂直，可以是从左到右方向或从右自左方向。
上述薄膜体声波谐振结构的工作原理为：
当第一电极32和第一电极34被施加一定的电压时，压电层33由于逆压电效应产生机械形变，由于压电层33下方凹陷区域的存在，压电层33能够激励出声波振动信号，并在两电极平面之间来回反射，由于第一电极34的悬臂梁结构341、悬空梁结构342和高低跨梁结构343均与压电层33之间存在间隙，使得声波在传输到这些结构时能够发生全反射，减少了声波信号向外的损耗，从而让声波信号在压电层33和上下电极之间形成了精准的机械谐振，谐振的具体基频波长则与压电层33的厚度存在关系。
基于与方法同样的发明构思，本发明实施例还提供了一种如上文中任一所述薄膜体声波谐振器的气密封装结构的制备方法，如图3所示为该方法实施例的流程图，该方法具体包括步骤1至步骤9。
步骤1，在衬底层上制作第一绝缘层201。
具体的，在衬底层1上进行化学气相沉积(Chemical Vapor Deposition，PECVD)，制备出第一绝缘层201，之后对该第一绝缘层201的上表面进行化学机械抛光(ChemicalMechanical Polishing，CMP)。
步骤2，通过刻蚀工艺在第一绝缘层201上制作第一凹槽和第二凹槽。
具体的，通过光刻和等离子刻蚀技术在该第一绝缘层201上刻蚀出第一凹槽和第二凹槽，凹槽的深度可以为1微米至2微米。
步骤3，在第一凹槽和第二凹槽中分别填充金属导电材料，制作第一导电通路23和第二导电通路26。
具体的，如图4所示为本步骤的工艺示意图，利用金属的化学气相沉积技术(Chemical Vapor Deposition，PECVD)，将金属材料填满第一凹槽和第二凹槽并溢出，再进行化学机械抛光，抛掉溢出第一凹槽和第二凹槽开口处水平面上的金属，使得该金属材料填满第一凹槽和第二凹槽，且仅存在于第一凹槽和第二凹槽之内，没有溢出的部分。这一步骤，制备了填在第一凹槽和第二凹槽中的金属条，并且确保第一绝缘层201中的金属条均具有光滑的上表面。
步骤4，在第一绝缘层201上制作第二绝缘层。
具体的，如图5所示为本步骤的工艺示意图，使用化学气相沉积的方法继续生长3微米至5微米厚度的第二绝缘层，该第二绝缘层与其下方的第一绝缘层201是同种材料，这样，导电金属条就埋入了绝缘层中。
步骤5，通过刻蚀工艺在第二绝缘层上第一导电通路23的端部位置和第二导电通路26的端部位置分别开设通孔。
具体的，利用光刻和等离子刻蚀工艺，在绝缘层的第一导电通路23和第二导电通路26的两端部位，开出通孔。该通孔分别向下到达第一导电通路23和第二导电通路26的两端，向上在第二绝缘层的上表面存在开口。
步骤6，在通孔填充金属导电材料，制作第一金属引脚垫21、第二金属引脚垫22、第三金属引脚垫24和第四金属引脚垫25。
具体的，如图6所示为本步骤的工艺示意图，先利用化学气相沉积填充通孔的金属，该金属填满通孔并溢出，再进行化学机械抛光，抛掉溢出通孔开口处水平面上的金属。然后，在通孔的露头部位进行光刻和离子刻蚀，刻出金属引脚垫的凹槽，再进行溅射沉积金属薄膜，使得该金属薄膜填充满开口处的凹槽，并溢出。最后，进行化学机械抛光，抛掉溢出金属引脚垫的凹槽开口处水平面上的金属，形成第一金属引脚垫21、第二金属引脚垫22、第三金属引脚垫24和第四金属引脚垫25。
步骤7，在第二绝缘层202上制作薄膜体声波谐振结构3。
这里，可以使用现有的制作薄膜体声波谐振结构3制作工艺。
步骤8，通过刻蚀工艺在封盖晶圆的表面上刻蚀出第一空腔41，制作封盖层4。
具体的，利用深硅刻蚀技术在封盖晶圆的表面上刻蚀出第一空腔41，制作封盖层4。
具体的，通过刻蚀工艺在第一空腔41的侧沿上制作台阶结构，以减少所述侧沿端面的面积。
在制作完第一空腔41后，可以利用射频磁控溅射技术，在第一空腔41的底部制作三元合金吸气功能膜。
步骤9，将封盖层4密封罩设在第二绝缘层上。
其中，第一金属引脚垫21和第四金属引脚垫25均设置在封盖层4外部。薄膜体声波谐振结构3、第二金属引脚垫22和第三金属引脚垫24均设置在第一空腔41内部。
具体的，首先在第一空腔41的侧沿端面上制作第一键合薄膜；然后在第二绝缘层上制作第二键合薄膜；之后，以第一键合薄膜和第二键合薄膜对齐的方式，将封盖层4罩设在第二绝缘层上；最后对第一键合薄膜和第二键合薄膜进行共融键合处理或扩散键合处理，将封盖层4密封在第二绝缘层202上。
具体的，完成封盖层4和第二绝缘层202密封后，激活所述三元合金吸气功能膜，吸附所述第一空腔41中的空气。
这里，本发明还给出一种较优的薄膜体声波谐振结构3的制备工艺，包括：
S1，通过刻蚀工艺在第二绝缘层202上制作第二空腔27。
具体的，在该第二绝缘层202上刻蚀第二空腔27，这个第二空腔27的底部必须在衬底层1的上方，且这个第二空腔27的底部必须不能穿透第二绝缘层，这个第二空腔27的垂直方向的深度，由具体的谐振器的设计来决定，可以设定在1微米至5微米。
S2，在所述第二空腔27中填充第一牺牲层。
具体的，在该第二绝缘层202上生长第一牺牲层薄膜，第一牺牲层需要一定的厚度，不能太薄，至少要填充满第二绝缘层上的第二空腔27并溢出，即第一牺牲层的上表面在半导体基片上的最低处应该高于第二空腔27的开口处的水平面。第一牺牲层的制备方法的选择范围比较大，可以选择化学气相沉积，物理气相沉积等多种类型的方法，只要达到设计要求即可。使用低压化学气相沉积(Low Pressure Chemical Vapor Deposition，LPCVD)或者等离子体增强化学气相沉积(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition，PECVD)的工艺来制备第一牺牲层。
之后采用化学机械抛光工艺磨掉第一牺牲层上表面多余的材料物质，使得第二空腔27的开口在水平方向暴露出来。该化学机械抛光工艺要求在第二空腔27的开口处进行极其精细的抛光，以使得第二空腔27的开口处露头的第一牺牲层的上表面和第二绝缘层的上表面达到工艺所能达到的最高平整度，为后续工艺奠定平整光滑的基底基础。
S3，在所述第二绝缘层202上制作第一温度补偿层311。
具体的，继续进行第一温度补偿层311的沉积，并进行化学机械抛光。第一温度补偿层311生长工艺优选离子增强化学气相沉积，且在薄膜生长结束后的化学机械抛光，要求达到最高工艺水平的精细抛光，以达到最高的平整度，为下一步制作谐振器的第一电极32做准备。
S4，在所述第一温度补偿层311上设置并图形化第一电极32。
具体的，第一电极32的制备通常使用磁控溅射(Sputtering)沉积AlN薄膜作为金属电极的晶格匹配层或机械支撑层，然后使用磁控溅射沉积金属薄膜，例如钼(Mo)，铂(Pt)，钌(Ru)，金(Au)，银(Ag)，铜(Cu)等材质的金属电极，包括但不限于这些金属材料中的一种或多种组合。该机械支撑层的厚度在20-800纳米之间进行优选，该金属电极的厚度在200-1200纳米之间进行优选。需要注意的是，金属电极的机械支撑层和金属电极，需要制备成为择优取向的准单晶，或柱状织构的近似单晶体，晶体压电层33的制备提供严格的晶格构造基础；同时，该第一电极32的上表面要进行平整化修整(trimming),以达到底电极薄膜(金属薄膜)的上表面的片内表面起伏至少小于5纳米，甚至要达到小于1纳米。如此高的表面均匀度要求薄膜沉积的底层有非常高的平整度，要求AlN机械支撑层和金属底电极薄膜的制备工艺对薄膜的厚度均匀性和表面平整性有严苛的控制，要求平整化修整工艺有良好的性能。通常的平整化修整工艺采用的是氩气等离子体的表面修饰工艺。
之后，在生长良好晶体特性和表面平整特性的机械支撑层和金属底电极薄膜上进行匀胶、曝光、显影、和反应等离子体刻蚀后，即形成第一电极32图案。
S5，在所述第一电极32上设置并图形化压电层33。
具体的，该压电层33薄膜可选AlN，AlScN,ZnO,LiNbO3，Pb(Zr1-XTiX)O3等压电材料制作晶体薄膜。制备c轴取向的AlN，或掺钪(Sc)的AlN即AlScN，是薄膜体声波谐振器的核心工艺。钪(Sc)或钇(Y)等稀土元素的掺入，使得AlN压电层33的弹性和谐振特性得到改善。
这里需要注意的是，压电层33应为择优取向的准单晶，或柱状织构的近似单晶体，或者就是制备最高水平的单晶晶体。同时，该压电层33薄膜的上表面必须要进行平整化修整，以达到压电层33薄膜的上表面的片内表面起伏至少小于5纳米，甚至要达到小于1纳米。极高的表面平整度的压电层33对薄膜体声波谐振器的谐振特性有最关键的提高。
在生长良好晶体特性和表面平整特性的压电层33薄膜上进行匀胶、曝光、显影、和反应等离子体刻蚀后，即形成压电层33图案，如图9所述为本步骤对压电层33图案化后的结构示意图。
S6，在所述压电层33上设置第二牺牲层。
具体的，第二牺牲层的厚度为500-3000纳米，其制备方法多为化学气相沉积，物理气相沉积。使用低压化学气相沉积或者等离子增强化学气相沉积的工艺来制备。
S7，通过刻蚀工艺将所述第二牺牲层刻蚀为衬垫结构。
其中，所述衬垫结构包括悬空梁倒模结构和高低跨梁倒模结构。
具体的，在制备完好的第二牺牲层上进行匀胶、曝光、显影、和反应等离子体刻蚀后，即形成衬垫结构，此时该衬垫结构包括悬臂梁倒模结构、悬空梁倒模结构和高低跨梁倒模结构。
S8，在所述衬垫结构上设置并图像化第一电极34。
具体的，第一电极34的生成处理工艺与第一电极32类似，在此不予以赘述。
S9，在所述第一电极34上设置第二温度补偿层312。
具体的，第二温度补偿层312的生成处理工艺与第一温度补偿层311类似，在此不予以赘述。
S10，通过刻蚀工艺，对所述第二温度补偿层312和所述第一电极34进行图形化处理，制作所述第一电极34的接触窗口结构344和悬臂梁结构341。
具体的，组合使用匀胶、曝光、显影、和反应等离子体刻蚀等工艺，对第二温度补偿层312，和第一电极34金属薄膜进行图形化，形成了位于器件右侧的第一电极34与外界互联的的接触窗口结构344，并且形成器件的左侧的第一电极32与第一电极34金属薄膜的分离，以及器件左侧压电层33的左端部位的暴露出头，从而形成了第一电极34的悬臂梁结构341。
S11，释放所述第一牺牲层和所述衬垫结构，形成所述第一电极34的悬臂梁结构341、悬空梁结构342和高低跨梁结构343与所述压电层33之间的空气间隙。
具体的，若第一牺牲层的组成材料和衬垫结构的组成材料为非晶硅材料或多晶硅材料，则采用气态氟化氙释放第一牺牲层和衬垫结构；若第一牺牲层的组成材料和衬垫结构的组成材料为二氧化硅材料或掺磷二氧化硅材料，则采用气态氟化氢释放第一牺牲层和衬垫结构。
具体的，在第二温度补偿层312生长结束后，继续生长负载层(Mass Loading)和钝化层(Passivation)。负载层通常选择与第一电极34相同的金属材料，钝化层通常选择AlN陶瓷材料。
之后再进行的必要的工艺步骤，确保第一电极32、第一电极34与外界互连的窗口打开，确保第一电极32、第一电极34的分离，本实施例不涉及负载层和钝化层的设计与制作，在此不予以赘述。
本发明实施例中提供的技术方案，至少具有如下技术效果或优点：
本发明实施例在绝缘层中设置了导电通路，并在封盖层的内外分别设有金属引脚垫，通过导电通路和金属引脚垫，实现了薄膜体声波谐振器的气密封装结构内薄膜体声波谐振器的电极与外部高气密性的导电连接，替代了工艺复杂和繁多的硅通孔工艺，提高了薄膜体声波谐振器的气密封装结构的制作效率。
尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。
显然，本领域的技术人员可以对本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，则本发明也意图包括这些改动和变型在内。
Claims (10)
1.一种薄膜体声波谐振器的气密封装结构，其特征在于，包括：
依次叠放设置的衬底层、绝缘层、薄膜体声波谐振结构和封盖层；
所述封盖层朝向所述绝缘层的表面内凹形成第一空腔；所述薄膜体声波谐振结构设置在所述第一空腔内的所述绝缘层的表面上；
所述封盖层与所述绝缘层密封连接；所述绝缘层朝向所述封盖层的表面上嵌入设置有第一金属引脚垫、第二金属引脚垫、第三金属引脚垫和第四金属引脚垫；
所述第一金属引脚垫通过所述绝缘层中的第一导电通路连接所述第二金属引脚垫；所述第三金属引脚垫通过所述绝缘层中的第二导电通路连接所述第四金属引脚垫；
所述第一金属引脚垫和所述第四金属引脚垫设置在所述封盖层外部；
所述第二金属引脚垫和所述第三金属引脚垫设置在所述第一空腔内部。
2.根据权利要求1所述的薄膜体声波谐振器的气密封装结构，其特征在于，所述第一空腔的侧沿上设有台阶结构，以减小所述封盖层与所述密封层的接触面积。
3.根据权利要求1所述的薄膜体声波谐振器的气密封装结构，其特征在于，所述封盖层通过键合薄膜与所述绝缘层密封连接。
4.根据权利要求1所述的薄膜体声波谐振器的气密封装结构，其特征在于，所述第一空腔的内壁上设有三元合金吸气功能膜。
5.根据权利要求1所述的薄膜体声波谐振器的气密封装结构，其特征在于，所述第二金属引脚垫连接所述薄膜体声波谐振结构的第一电极；所述第三金属引脚垫连接所述薄膜体声波谐振结构的第二电极。
6.一种薄膜体声波谐振器的气密封装结构的制备方法，其特征在于，所述方法包括：
在衬底层上制作第一绝缘层；
通过刻蚀工艺在所述第一绝缘层上制作第一凹槽和第二凹槽；
在所述第一凹槽和所述第二凹槽中分别填充金属导电材料，制作第一导电通路和第二导电通路；
在所述第一绝缘层上制作第二绝缘层；
通过刻蚀工艺在所述第二绝缘层上所述第一导电通路的端部位置和所述第二导电通路的端部位置分别开设通孔；
在所述通孔填充金属导电材料，制作第一金属引脚垫、第二金属引脚垫、第三金属引脚垫和第四金属引脚垫；
在所述第二绝缘层上制作薄膜体声波谐振结构；
通过刻蚀工艺在封盖晶圆的表面上刻蚀出第一空腔，制作封盖层；
将所述封盖层密封罩设在所述第二绝缘层上；其中，所述第一金属引脚垫和所述第四金属引脚垫均设置在所述封盖层外部；所述薄膜体声波谐振结构、所述第二金属引脚垫和所述第三金属引脚垫均设置在所述第一空腔内部。
7.根据权利要求6所述的气密封装结构的制备方法，其特征在于，所述通过刻蚀工艺在封盖晶圆的表面上刻蚀出第一空腔，制作封盖层之后，所述方法还包括：
通过刻蚀工艺在所述第一空腔的侧沿上制作台阶结构，以减少所述侧沿端面的面积。
8.根据权利要求6所述的气密封装结构的制备方法，其特征在于，所述将所述封盖层密封罩设在所述第二绝缘层上，包括：
在所述第一空腔的侧沿端面上制作第一键合薄膜；
在所述第二绝缘层上制作第二键合薄膜；
以所述第一键合薄膜和所述第二键合薄膜对齐的方式，将所述封盖层罩设在所述第二绝缘层上；
对所述第一键合薄膜和所述第二键合薄膜进行共熔键合处理或扩散键合处理，将所述封盖层密封在所述第二绝缘层上。
9.根据权利要求6所述的气密封装结构的制备方法，其特征在于，所述通过刻蚀工艺在封盖晶圆的表面上刻蚀出第一空腔，制作封盖层之后，所述方法还包括：
在所述第一空腔的底部制作三元合金吸气功能膜；
所述将所述封盖层密封罩设在所述第二绝缘层上之后，所述方法还包括：
激活所述三元合金吸气功能膜，吸附所述第一空腔中的空气。
10.根据权利要求6所述的气密封装结构的制备方法，其特征在于，所述在所述第二绝缘层上制作薄膜体声波谐振结构，包括：
通过刻蚀工艺在所述第二绝缘层上制作第二空腔；
在所述第二空腔中填充第一牺牲层；
在所述第二绝缘层上制作第一温度补偿层；
在所述第一温度补偿层上设置并图形化第一电极；
在所述第一电极上设置并图形化压电层；
在所述压电层上设置第二牺牲层；
通过刻蚀工艺将所述第二牺牲层刻蚀为衬垫结构；其中，所述衬垫结构包括悬臂梁倒模结构、悬空梁倒模结构和高低跨梁倒模结构；
在所述衬垫结构上设置并图像化第二电极；
在所述第二电极上设置第二温度补偿层；
通过刻蚀工艺，对所述第二温度补偿层和所述第二电极进行图形化处理，制作所述第二电极的接触窗口结构和悬臂梁结构；
释放所述第一牺牲层和所述衬垫结构，形成所述第二电极的悬臂梁结构、悬空梁结构和高低跨梁结构与所述压电层之间的空气间隙。
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