CN113285685A - 石英薄膜体声波谐振器及其加工方法、电子设备 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种既能够满足高谐振频率要求，又能满足抗外部应力、抗机械冲击稳定性和可靠性要求的石英薄膜体声波谐振器及其加工方法、电子设备。该石英薄膜体声波谐振器从下至上地包括：基底、压电堆叠结构、机械增强结构和盖帽结构，其中，压电堆叠结构与机械增强结构在第一邻接位置互相连接，压电堆叠结构与基底在第二邻接位置互相连接，其中，第一邻接位置位于器件的非谐振有效区域内，并且第一邻接位置位于第二邻接位置的上方。
Description
技术领域
本发明涉及谐振器技术领域，具体涉及一种石英薄膜体声波谐振器及其加工方法、电子设备。
背景技术
石英薄膜体声波谐振器(Quartz Crystal Resonator)是一类利用石英晶体压电效应工作的电子元器件，是振荡器、滤波器等电子设备中的关键元件，在稳频、选频和精密计时方面具有突出优势和广泛应用。当前发展趋势要求石英谐振器拥有更高的谐振频率(例如大于40MHz)以及更好的抗机械冲击稳定性和可靠性。一方面，利用传统方式仅靠刻蚀石英基底难以形成较薄的石英谐振区域已到达较高的目标谐振频率，利用MEMS工艺制作石英薄膜则更有利于制作高频石英谐振器。另一方面，当石英薄膜较薄时，外部应力(例如来自基底的应力)更容易传递到石英薄膜谐振区域从而影响谐振器的频率稳定性；同时，当石英薄膜较薄时，谐振器更容易受到机械冲击和环境振动的影响，其可靠性和低频石英谐振器相比进一步恶化。
亟需寻找一种结构设计和制作方法，一方面能够满足石英谐振器高谐振频率的要求，另一方面能够满足抗外部应力、抗机械冲击稳定性和可靠性的要求。
发明内容
有鉴于此，本发明提出一种既能够满足石英谐振器高谐振频率要求，又能满足抗外部应力、抗机械冲击稳定性和可靠性的要求的石英薄膜体声波谐振器及其加工方法、电子设备。本发明提供如下技术方案：
一种石英薄膜体声波谐振器，从下至上依次包括：基底、压电堆叠结构、机械增强结构、以及盖帽结构，其中，所述压电堆叠结构与所述机械增强结构在第一邻接位置互相连接，所述压电堆叠结构与所述基底在第二邻接位置互相连接，其中，所述第一邻接位置位于器件的非谐振有效区域内，并且所述第一邻接位置位于所述第二邻接位置的上方。
可选地，所述机械增强结构为盖状机械增强结构，所述盖状机械增强结构覆盖所述压电堆叠结构，并且所述盖状机械增强结构与所述压电堆叠结构之间具有空气腔。
可选地，所述压电堆叠结构包括底电极、顶电极引出结构、石英压电层和顶电极，所述机械增强结构与所述石英压电层直接键合连接。
可选地，所述机械增强结构的材料为硅或石英。
可选地，其中所述底电极和顶电极引出结构与所述基底通过电极键合层连接。
可选地，所述石英压电层的厚度为0.1至50微米。
可选地，所述顶电极和所述底电极的信号引出端位于器件的两侧或者同一侧。
可选地，所述盖帽结构与所述基底通过密封键合层连接。
可选地，所述盖帽结构中设有电信号引出通孔并且所述盖帽结构之上设有测试垫或电极引脚，或者所述基底中设有电信号引出通孔并且所述基底之下设有测试垫或电极引脚。
可选地，所述基底或所述盖帽结构的材料为硅。
一种电子设备，包括本发明所述的石英薄膜体声波谐振器。
一种石英薄膜体声波谐振器的加工方法，包括：在石英压电层之上形成顶电极；在硅晶圆顶部刻蚀出声学镜；将所述石英压电层与所述顶电极倒转后键合到所述硅晶圆之上并且使得所述顶电极位于所述声学镜的内部；在所述石英压电层中刻蚀通孔；在所述通孔处和所述石英压电层之上形成顶电极引出结构，以及在所述石英压电层之上形成底电极；在所述顶电极引出结构和所述底电极之上形成第一电极键合层，其中所述第一电极键合层位于器件的非谐振有效区域内；将当前半导体结构倒转，然后键合到基底顶部的第二电极键合层之上，其中所述第二电极键合层与所述第一电极键合层位置对准；在所述基底之上形成盖帽结构。
可选地，所述基底或所述盖帽结构的材料为硅。
根据本发明的技术方案，利用MEMS工艺制造的高频石英薄膜体声波谐振器，通过磨片、化学机械抛光、干法刻蚀等MEMS工艺整体减薄石英晶圆，使石英谐振区域已到目标厚度(也即目标频率)，同时在非谐振区域(尤其是和基底的连接键合位置)配置机械稳定性更强的结构，器件对外部应力、机械冲击和环境振动不敏感，有更高的可靠性和频率稳定性。
附图说明
为了说明而非限制的目的，现在将根据本发明的优选实施例、特别是参考附图来描述本发明，其中：
图1a至图1k为本发明第一实施例的石英薄膜体声波谐振器的制作过程示意图；
图2为本发明第二实施例的石英薄膜体声波谐振器的剖面示意图。
图3a为本发明第三实施例的石英薄膜体声波谐振器的俯视图，图3b 为沿图3a的D-D’线所取的剖面示意图。
具体实施方式
本发明实施方式中的石英薄膜体声波谐振器，从下至上地包括：基底、压电堆叠结构、机械增强结构和盖帽结构。其中，压电堆叠结构至少包括依次堆叠的底电极、石英压电层和顶电极。压电堆叠结构与机械增强结构在第一邻接位置互相连接，压电堆叠结构与基底在第二邻接位置互相连接。该第一邻接位置位于器件的非谐振有效区域内，并且该第一邻接位置位于第二邻接位置的上方。
第一方面，因为第一邻接位置位于非谐振有效区域，这表明机械增强结构并不阻碍谐振有效区域正常工作，所以器件能够实现目标频率；另一方面，因为第一邻接位置位于第二邻接位置上方，这样意味着机械增强结构可以顺利承接基底传导过来的外部应力，增强器件抗机械冲击稳定性。因此，本发明实施方式的石英薄膜体声波谐振器既能够满足石英谐振器高谐振频率要求，又能满足抗外部应力、抗机械冲击稳定性和可靠性的要求。
机械增强结构可以为盖状机械增强结构，该盖状机械增强结构覆盖压电堆叠结构，并且盖状机械增强结构与压电堆叠结构之间具有空气腔。压电堆叠结构包括底电极、顶电极引出结构、石英压电层和顶电极，机械增强结构与石英压电层直接键合连接。机械增强结构的材料可以为硅或石英。当机械增强结构选用为硅或石英时，机械增强结构与石英压电层二者相对容易键合。石英压电层的厚度可以为0.1至50微米。石英压电层的厚度越薄，器件谐振频率越高。
底电极和顶电极引出结构与基底可以通过第一键合层连接。具体地，可以先在底电极和顶电极引出结构设置第一电极键合层，并且在基底上设置第二电极键合层，然后将第一电极键合层和第二电极键合层对准后进行键合。顶电极和底电极的信号引出端可以位于器件的两侧或者同一侧。
盖帽结构与基底可以通过密封键合层连接。具体地，可以先在盖帽结构上设置第一密封键合层，并且在基底上设置第二密封键合层，然后将第一密封键合层和第二密封键合层对准后进行键合。盖帽结构中设有电信号引出通孔并且盖帽结构之上设有测试垫，或者基底中设有电信号引出通孔并且基底之下设有测试垫。
下面结合具体实施例来说明本发明实施方式的石英薄膜体声波谐振器及其加工方法。
图1a至图1k为本发明第一实施例的石英薄膜体声波谐振器的制作过程示意图。
如图1a所示，准备四份晶圆。用作石英压电层的石英晶圆100、用作机械增强结构的石英晶圆或者硅片200、用作基底的硅晶圆300以及用作盖帽的硅晶圆400。
如图1b所示，石英晶圆100上沉积并图形化顶电极101。
如图1c所示，在石英晶圆或者硅片200上刻蚀出声学镜201，提供器件振动所需的空间。
如图1d所示，将图1b所示的结构倒置，然后与石英晶圆或者硅片200 进行直接键合。
如图1e所示，通过磨片、化学机械抛光、干法刻蚀等工艺，将石英晶圆100减薄至所需厚度，此时石英晶圆100成为石英压电层102，其厚度范围在0.1微米至50微米之间。
如图1f所示，通过干法刻蚀工艺，在石英压电层102的表面刻蚀出通孔103，以便后续顶电极的电学信号引出。
如图1g所示，沉积并图形化底电极104和顶电极引出结构105。
如图1h所示，底电极104和顶电极引出结构105之上制作第一电极键合层106。将当前半导体结构称为有效结构107。此时石英晶圆或者硅片200成为盖状机械增强结构200。
如图1i所示，先在基底300上制作第二电极键合层302及第二密封键合层301。再将单个有效结构107倒置，有效结构107中的第一电极键合层106与第二电极键合层302对准后键合。将当前半导体结构记为303。由图可知，定义B为有效结构107与第二电极键合层302的键合区域，石英压电层102与盖状机械增强结构200在键合过程中共同受力。对于缺乏盖状机械增强结构200而仅有石英压电层作为键合点的情况，受到机械冲击后容易损坏薄膜结构，同时谐振器的谐振频率还容易受到外部(如基底) 传导而来的应力的影响，造成谐振器的牢固性及稳定性下降。本实施例将键合点置于盖状机械增强结构200下方，有助于避免机械振动对器件牢固度和频率的影响，从而获得更高的石英薄膜的机械强度和频率的稳定性。
如图1j所示，在硅晶圆400上制备深腔401，提供有效结构107的密封空间。在硅晶圆400上制备通孔402并金属化，用于电学信号的引出。制备第一密封键合层404、电极引出键合层403、测试垫405。当前半导体结构称作盖帽结构406。值得注意的是：盖帽结构制作的流程并不固定，例如测试垫405可在键合后再进行制作。
如图1k所示，将盖帽结构406倒置，与器件303进行热压键合。延 C-C’线划片后，即可完成单个石英薄膜体声波谐振器501的制作。
本发明实施方式的石英薄膜体声波谐振器完全采用MEMS工艺流程和晶圆级封装工艺，有助于实现大批量、低成本的制作，且制作的器件精度高、一致性好。
图2为本发明第二实施例的石英薄膜体声波谐振器的剖面示意图。图 2所示实施例与图1k中的单个石英薄膜体声波谐振器501类似，不同之处在于电信号引出的通孔304及测试垫305位于基底300上。
图3a为本发明第三实施例的石英薄膜体声波谐振器的俯视图，图3b 为沿图3a的D-D’线所取的剖面示意图。该实施例中，顶电极101和底电极104的信号引出端405位于器件的同一侧。
根据本发明实施方式的技术方案，利用MEMS工艺制造的高频石英薄膜体声波谐振器，通过磨片、化学机械抛光、干法刻蚀等MEMS工艺整体减薄石英晶圆，使石英谐振区域已到目标厚度(也即目标频率)，同时在非谐振区域(尤其是和基底的连接键合位置)配置机械稳定性更强的结构，器件对外部应力、机械冲击和环境振动不敏感，有更高的可靠性和频率稳定性。
上述具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限制。本领域技术人员应该明白的是，取决于设计要求和其他因素，可以发生各种各样的修改、组合、子组合和替代。任何在本发明的精神和原则之内所作的修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明保护范围之内。
Claims (13)
1.一种石英薄膜体声波谐振器，其特征在于，从下至上依次包括：基底、压电堆叠结构、机械增强结构、以及盖帽结构，其中，
所述压电堆叠结构与所述机械增强结构在第一邻接位置互相连接，所述压电堆叠结构与所述基底在第二邻接位置互相连接，其中，所述第一邻接位置位于器件的非谐振有效区域内，并且所述第一邻接位置位于所述第二邻接位置的上方。
2.根据权利要求1所述的石英薄膜体声波谐振器，其特征在于，所述机械增强结构为盖状机械增强结构，所述盖状机械增强结构覆盖所述压电堆叠结构，并且所述盖状机械增强结构与所述压电堆叠结构之间具有空气腔。
3.根据权利要求1或2所述的石英薄膜体声波谐振器，其特征在于，所述压电堆叠结构包括底电极、顶电极引出结构、石英压电层和顶电极，所述机械增强结构与所述石英压电层直接键合连接。
4.根据权利要求3所述的石英薄膜体声波谐振器，其特征在于，所述机械增强结构的材料为硅或石英。
5.根据权利要求3所述的石英薄膜体声波谐振器，其特征在于，其中所述底电极和顶电极引出结构与所述基底通过电极键合层连接。
6.根据权利要求3所述的石英薄膜体声波谐振器，其特征在于，所述石英压电层的厚度为0.1至50微米。
7.根据权利要求3所述的石英薄膜体声波谐振器，其特征在于，所述顶电极和所述底电极的信号引出端位于器件的两侧或者同一侧。
8.根据权利要求1或2所述的石英薄膜体声波谐振器，其特征在于，所述盖帽结构与所述基底通过密封键合层连接。
9.根据权利要求1或2所述的石英薄膜体声波谐振器，其特征在于，所述盖帽结构中设有电信号引出通孔并且所述盖帽结构之上设有测试垫或电极引脚，或者所述基底中设有电信号引出通孔并且所述基底之下设有测试垫或电极引脚。
10.根据权利要求1或2所述的石英薄膜体声波谐振器，其特征在于，所述基底或所述盖帽结构的材料为硅。
11.一种电子设备，其特征在于，包括权利要求1至10中任一项所述的石英薄膜体声波谐振器。
12.一种石英薄膜体声波谐振器的加工方法，其特征在于，包括：
在石英压电层之上形成顶电极；
在硅晶圆顶部刻蚀出声学镜；
将所述石英压电层与所述顶电极倒转后键合到所述硅晶圆之上并且使得所述顶电极位于所述声学镜的内部；
在所述石英压电层中刻蚀通孔；
在所述通孔处和所述石英压电层之上形成顶电极引出结构，以及在所述石英压电层之上形成底电极；
在所述顶电极引出结构和所述底电极之上形成第一电极键合层，其中所述第一电极键合层位于器件的非谐振有效区域内；
将当前半导体结构倒转，然后键合到基底顶部的第二电极键合层之上，其中所述第二电极键合层与所述第一电极键合层位置对准；
在所述基底之上形成盖帽结构。
13.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，所述基底或所述盖帽结构的材料为硅。
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