CN113300689A - 具有加固结构的石英谐振器及其形成方法、电子设备 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种具有加固结构的石英谐振器及其制造方法，以及一种电子设备。本发明的具有加固结构的石英谐振器包括：基底；凸台结构，所述凸台结构位于所述基底之上；触点层，所述触点层位于所述凸台结构之上；下电极金属层，所述下电极金属层位于所述触点层之上，包括下电极、下电极导线和下引脚；石英晶片，所述石英晶片位于所述下电极金属层之上；上电极金属层，所述上电极金属层位于所述石英晶片之上，包括上电极、上电极引线和上引脚；加固结构，所述加固结构位于所述石英晶片的上方或下方。
Description
技术领域
本发明涉及谐振器技术领域，具体涉及一种具有加固结构的石英谐振器及其形成方法，以及一种电子设备。
背景技术
石英晶体谐振器(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、滤波器等电子器件中的关键元件，在稳频、选频和精密计时方面具有突出的优势和广泛的应用。当前发展趋势要求石英谐振器拥有更高的谐振频率(如大于40MHz)以及更好的抗机械冲击稳定性和可靠性；由于频率较高，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(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。急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，同时能够满足外部应力、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晶体谐振器及其制造方法，以及包括该石英晶体谐振器的电子设备。本发明的技术方案如下：
一种具有加固结构的石英谐振器，包括：基底；凸台结构，所述凸台结构位于所述基底之上；触点层，所述触点层位于所述凸台结构之上；下电极金属层，所述下电极金属层位于所述触点层之上，包括下电极、下电极导线和下引脚；石英晶片，所述石英晶片位于所述下电极金属层之上；上电极金属层，所述上电极金属层位于所述石英晶片之上，包括上电极、上电极引线和上引脚；加固结构，所述加固结构位于所述石英晶片的上方或下方，所述加固结构具有窗口。
可选地，所述加固结构在俯视图上至少覆盖所述下引脚和所述上引脚占据的区域，并且不侵入所述下电极和所述上电极占据的区域。
可选地，所述加固结构为单层结构。
可选地，所述加固结构为双层结构，包括邻近所述石英晶片的平坦键合层和远离所述石英晶片的加固支撑层，所述平坦键合层的材料为二氧化硅、金属氧化物或多晶硅，所述加固支撑层的材料为石英或单晶硅。
可选地，所述凸台结构数量为两个，所述两个凸台结构分居所述石英晶片重心的两侧或者同侧。
可选地，还包括：封装盖，所述封装盖与所述基底键合。
可选地，所述封装盖与所述基底均为硅材料。
一种具有加固结构的石英谐振器的形成方法，包括：在石英晶体的上下两侧分别形成图形化的第一电极金属层和第二电极金属层，其中所述第一电极金属层包括第一电极、第一电极导线和第一引脚，所述第二电极金属层包括第二电极、第二电极引线和第二引脚；然后当前半导体结构之上沉积加固材料然后刻蚀形成具有窗口的加固结构，从而得到加固谐振结构；在基底之上形成凸台结构，然后在所述凸台结构之上形成触点层；正置或者倒置所述加固谐振结构，然后键合到所述触点层之上。
可选地，所述加固结构在俯视图上至少覆盖所述下引脚和所述上引脚占据的区域，并且不侵入所述下电极和所述上电极占据的区域。
可选地，所述加固结构为单层结构。
可选地，所述加固结构为双层结构，包括邻近所述石英晶片的平坦键合层和远离所述石英晶片的加固支撑层，所述平坦键合层的材料为二氧化硅、金属氧化物或多晶硅，所述加固支撑层的材料为石英或单晶硅。
可选地，所述凸台结构数量为两个，所述两个凸台结构分居所述石英晶片重心的两侧或者同侧。
可选地，在所述正置或者倒置所述加固谐振结构，然后键合到所述触点层之上的步骤之后，还包括：将封装盖键合到所述基底上。
可选地，所述封装盖与所述基底均为硅材料。
一种电子设备，包括本发明所述的具有加固结构的石英谐振器。
根据本发明的技术方案，利用MEMS工艺制造的高频石英晶体谐振器，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。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。本专利的石英薄膜体声波谐振器完全采用MEMS工艺流程、和大尺寸晶圆级封装(如12寸晶圆)工艺，可以实现大批量、低成本的制作，且制作的器件精度高、一致性好。
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为本发明实施方式的具有加固结构的石英谐振器的外观视图，其中加固结构140是核心结构；
图1B是图1A沿Z轴的展开视图；
图1C是图1A结构的俯视图；
图1D是图1C沿直线A1-A2剖开得到的剖视图；
图1E是根据本发明实施方式的双凸台结构的示意图；
图1F是根据本发明实施方式的加固结构的一种位置的示意图；
图2A至2H为本发明不同实施方式的具有加固结构的石英谐振器中加固结构覆盖区域的俯视示意图；
图3A至图3M为本发明实施方式的具有加固结构的石英谐振器的形成方法的过程示意图。
具体实施方式
图1A为本发明实施方式的具有加固结构的石英谐振器的外观视图，其中加固结构140是核心结构。图1B是图1A沿Z轴的展开视图。其中：
基底100，材料通常为单晶硅。
凸台结构101位于基底100表面，通常利用基底自身材料形成，用于垫高石英晶片从而使核心工作部分悬空。
触点层102位于凸台结构101之上。事实上，在位于触点层102的下方的基底100和凸台结构101内部还埋藏有金属化的通孔，而这些结构未在图1B中示出。
下电极金属层110位于石英晶片120下表面，通常其材料可以选金、银、钛、钨、铬、铝、钼等等。进一步的，该下电极金属层110可以包括下电极110a、下电极导线110b以及下引脚110c。电极金属层110还可以包括下触点110d，下触点110d可以起电学连接的作用，将下电极电信号引出。
石英晶片120由人造石英按照一定晶向切割制成，可以分为石英晶片主体120a和通孔120b。其中通孔120b通过金属化可实现石英晶片主体120a上下表面触点的电学连接。通过减薄等步骤后，最终石英晶片120的厚度范围在0.1微米至50微米之间。
上电极金属层130位于石英晶片120上表面，通常其材料可以选金、银、钛、钨、铬、铝、钼等等。进一步的，该上电极金属层130可以包括上电极130a、上电极导线130b以及上引脚130c。
加固结构140覆盖于晶片120和部分金属层130表面，可为单层结构或者双层结构，将在后续视图中详细说明。
图1C是图1A结构的俯视图，而图1D是图1C沿直线A1-A2剖开得到的剖视图。图1D中还示出了封装盖结构200，以及用于键合封装盖200和基底100的键合层104和210。封装盖200的材料通常为单晶硅，键合层材料可选金、铟、锡、铜、锗、铝等。
基底100与封装盖200组成的空腔结构和加固结构140未覆盖的区域(即加固结构140内部的窗口)是连通的，这样有利于气压平衡，器件的结构可靠性更高。
在图1D中，由下到上，在基底100的下表面设置有底部触点层105，底部触点层105通过位于基底100和凸台结构101中的金属化的通孔103连接至位于凸台结构101上表面上的触点层102，而触点层102通过键合工艺与位于石英晶片120下表面的下触点110d相贴合。此处使下触点110d与触点层102相连接而不是让下触点110d直接与通孔103中的金属相连的原因是：下触点110d与触点层102键合具有更高的连接可靠性。
进一步，触点层102的一部分沉积附着在位于石英晶片120中的通孔120b的侧壁上并且在通孔120b上开口处与位于石英晶片120上表面的上引脚130c相连，而上引脚130c通过上电极导线130b与上电极130a相连，这样便形成了从底部触点层105到上电极130a的电学连接。而下电极110a与基底100下表面的底部触点层105的连接方式与之前所述类似，只是该电学连接无需通过通孔120b，而是由图1B中的下电极110a通过下电极导线110b到下引脚110c，再由下引脚110c经过位于下引脚110c下部的触点层102连接到图1D中另一通孔103中金属和底部触点层105。此处可选的，图1D中的通孔103也可设置于封装盖200的封装环内部，并将底部触点层105转移至封装盖200的上表面，这样使通孔103下部能够连接键合层210，上部连接105，同时附加连接引线或金属层使触点层102和键合层104相连，同样也可以实现外部触点与石英晶片的上下电极的电学连接。
由于石英谐振器谐振区域的的石英材料的压电薄膜和电极的总厚度一般在50um以下，仅且通常仅在导线末端的触点处具有支撑，绝大部分区域处于悬空状态。因此，在没有加固结构140状态下，积累在基底100中的应力很容易经由凸台结构101和触点层102、下引脚110c及下触点110d传导至石英晶片主体120a上。由于石英材料的振动频率对应力应变敏感，因此会导致石英振动频率发生飘移，从而影响谐振器性能。此外，当受到外界机械冲击震动时，石英晶片120还可能出现裂痕甚至断裂，从而导致器件损毁。加固结构140可以有效提高石英晶片120的刚性，从而有效阻绝应变向石英晶片120的传导，或是降低传导至石英晶片120上的应力造成的形变，从而增强谐振器的频率稳定性，同时也可以显著降低石英晶片120在外力冲击下损坏的可能性，从而提高器件的可靠性。此处值得注意的是，加固结构140并未覆盖谐振器的上下电极区域，因此几乎不会影响到谐振器有效区的工作状态。加固结构140可具有单层结构或双层结构，在本文中的实施例中加固结构140均采用了双层结构，但这并不是用于限定实际可以使用的层数，仅作为示意说明。在图1D及后文中设计双层结构的加固结构140中，包括邻近石英晶片120的平坦键合层140a和远离石英晶片120的加固支撑层140b。平坦键合层140a的材料可以二氧化硅、金属氧化物等介质层或多晶硅，加固支撑层140b的材料可选石英或单晶硅。
为了增强器件结构的可靠性，还可采用图1E中所示的双凸台结构支撑设计。在图1E所示的结构中，设置2个凸台结构101分居石英晶片120重心的左右两侧(这与图1D所示的凸台结构101设置在石英晶片120重心的单侧的情况不相同)，这样的结构具有更好的稳定性。
如图1F所示，加固结构140还可以置于石英晶片120的下表面，这样可以使石英晶片120远离凸台结构101，并使加固结构140阻隔在石英晶片120和凸台结构101之间，从而进一步减少应变对石英晶片120的影响。
根据本发明实施方式的具有加固结构的石英谐振器中，加固结构140在俯视图上至少覆盖下引脚110c和上引脚130c占据的区域，并且不侵入下电极110a和上电极130a占据的区域。基于该设计原则，给出如图2A-2H所示的实施例，仅作为示例说明，并不在于限制具体实施方式的可能性。
图2A所示的覆盖区域实施例中，加固结构140的左侧上侧及下侧外边界与石英晶片120的边缘基本重合，而加固结构140的右侧外边界与下触点110c和上触点130c的右侧边界基本重合。而加固结构140的内部窗口的边界与下电极110a和上电极130a基本重合。显然，图2A中的加固结构140右侧外边界的位置还可以发生变化，例如上述外边界可以连续向右侧平移，以使加固结构140覆盖更多的石英晶片120区域，其中一种特例是加固结构140的右侧外边界与石英晶片120的右侧边界基本重合。类似的，加固结构140的其余3个边界也可以连续向内缩进，从而使加固结构140的边界与石英晶片120的边界之间形成间隙。
图2B中给出的是加固结构140在图1E对应的俯视图上的覆盖情况。其中加固结构140的上下边界与石英晶片120边界重合，而加固结构140的左右边界分别与下触点110c的左边界以及上触点130c的右边界重合。显然上述边界也可以按照图1A实施例的描述发生变化。例如加固结构140的左/右边界可以连续向左/右移动直至石英晶片的左右边缘等。
图2C所示的覆盖区域实施例中，加固结构140的窗口141边界不再与上电极130a的边缘重合，此时窗口141尺寸大于电极，从而使窗口141边界与电极边缘之间形成了间隙。
图2D所示的覆盖区域实施例中，加固结构140的内部的窗口141的右侧边界移动至与下触点110c和上触点130c的左侧边缘重合。
图2E所示的覆盖区域实施例中，移除了窗口141左侧的加固材料。
图2F所示的覆盖区域实施例中，进一步移除了下触点110c和上触点130c之间的加固材料。
图2G所示的覆盖区域实施例中，可进一步移除窗口141上下方的加固材料，但保留下触点110c和上触点130c之间的加固材料。
图2H所示的覆盖区域实施例中，加固结构140仅覆盖下触点110c和上触点130c。
本发明实施方式的具有加固结构的石英谐振器的形成方法，包括：在石英晶体的上下两侧分别形成图形化的第一电极金属层和第二电极金属层，其中第一电极金属层包括第一电极、第一电极导线和第一引脚，第二电极金属层包括第二电极、第二电极引线和第二引脚；然后当前半导体结构之上沉积加固材料然后刻蚀形成具有窗口的加固结构，得到加固谐振结构；在基底之上形成凸台结构，然后在凸台结构之上形成触点层；正置或者倒置加固谐振结构，然后键合到触点层之上。需要说明的是，正置键合的情况下，加固结构位于石英晶体上方；倒置键合的情况，加固结构位于石英晶体下方。
本发明实施方式的具有加固结构的石英谐振器的形成方法，核心步骤在于先对整片石英晶圆进行研磨抛光统一减薄，然后再对目标区域进行加固，这样可以在保证谐振区域薄膜厚度的情况下提高加固层的设计灵活性，如加固层的厚度和材料等，从而最大化地隔绝外界应力和机械冲击的影响。
为使本领域技术人员更好地理解，下面基于结构图1D，结合图3A至图3M，由于工艺流程均为业内常用工艺，因此仅列出主要步骤。
步骤1：如图3A所示，首先在石英晶片120上沉积上电极金属层130，并图形化。
步骤2：如图3B所示，在金属层130和石英晶片120上覆盖平坦键合层140a并和加固支撑层140b进行键合。其中，平坦键合层140a的材料可选二氧化硅、金属氧化物等介质层或多晶硅，而加固支撑层140b的材料可选石英或单晶硅。
步骤3：如图3C所示，将第二层固结构140b通过研磨抛光的方式减薄。
步骤4：如图3C所示，将图3C所示结构翻转，通过研磨、抛光、刻蚀等工艺将石英晶片120减薄。
步骤5：如图3E所示，对石英晶片120进行局部图形化处理，得到石英晶片主体120a和通孔120b，在石英晶片主体120a上沉积下电极金属层110并图形化，在此过程中，通孔120b的侧壁和开口处也被下电极金属层110覆盖，从而实现通孔金属化；同时加固支撑层140b和加固支撑层140a还可对石英晶片主体120a和上电极金属层130起到保护作用。
步骤6：如图3F所示，在下电极金属层110和石英晶片主体120a上覆盖键合层125a并与保护衬底125b键合。其中键合层125a的材料可选石蜡、二氧化硅、金属氧化物、多聚物、多晶硅等，而保护衬底125b可选单晶硅。
步骤7：如图3G所示，将图3F所示结构翻转，并将加固支撑层140b和平坦键合层140a通过刻蚀工艺图形化，要求图形化形成的窗口141至少暴露出整个上电极130a。
步骤8：如图3H所示，去除保护衬底125b和键合层125a。同时，可选地，进行划片工艺，将一片晶圆上的阵列结构切割为多个分立结构。
步骤9：如图3I所示，在基底100上制作凸台结构101，制作通孔103并金属化，同时将基底100及凸台结构101表面的金属图形化，形成触点层102和键合层104和键合层105。
步骤10：如图3J所示，将图3H与图3I中的结构键合到一起，使触点层102和下触点110c相贴合。此处的键合工艺可以采用晶圆级键合；可选地，也可以将划片分立后的3H结构单独与3I结构键合，如此重复多次，将多个3H结构键合到整片3I晶圆上。
步骤11：如图3K所示，在封装盖材料的基底200上沉积键合层210，并图形化。
步骤12：如图3L所示，以图形化的键合层210为掩模，在封装盖材料的基底200中刻蚀出凹槽结构，得到封装盖200。
步骤13：如图3M所示，将图3L中的封装盖200翻转并和图3J中的结构进行晶圆级键合，使键合层210与键合层104相贴合，形成最终结构。
本发明实施方式的电子设备，包括本发明公开的任一种具有加固结构的石英谐振器。
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晶体谐振器，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。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。本专利的石英薄膜体声波谐振器完全采用MEMS工艺流程、和大尺寸晶圆级封装(如12寸晶圆)工艺，可以实现大批量、低成本的制作，且制作的器件精度高、一致性好。
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 (15)
1.一种具有加固结构的石英谐振器，其特征在于，包括：
基底；
凸台结构，所述凸台结构位于所述基底之上；
触点层，所述触点层位于所述凸台结构之上；
下电极金属层，所述下电极金属层位于所述触点层之上，包括下电极、下电极导线和下引脚；
石英晶片，所述石英晶片位于所述下电极金属层之上；
上电极金属层，所述上电极金属层位于所述石英晶片之上，包括上电极、上电极引线和上引脚；
加固结构，所述加固结构位于所述石英晶片的上方或下方，所述加固结构具有窗口。
2.根据权利要求1所述的具有加固结构的石英谐振器，其特征在于，所述加固结构在俯视图上至少覆盖所述下引脚和所述上引脚占据的区域，并且不侵入所述下电极和所述上电极占据的区域。
3.根据权利要求1或2所述的具有加固结构的石英谐振器，其特征在于，所述加固结构为单层结构。
4.根据权利要求1或2所述的具有加固结构的石英谐振器，其特征在于，所述加固结构为双层结构，包括邻近所述石英晶片的平坦键合层和远离所述石英晶片的加固支撑层，所述平坦键合层的材料为二氧化硅、金属氧化物或多晶硅，所述加固支撑层的材料为石英或单晶硅。
5.根据权利要求1或2所述的具有加固结构的石英谐振器，其特征在于，所述凸台结构数量为两个，所述两个凸台结构分居所述石英晶片重心的两侧或者同侧。
6.根据权利要求1或2所述的具有加固结构的石英谐振器，其特征在于，还包括：封装盖，所述封装盖与所述基底键合。
7.根据权利要求6所述的具有加固结构的石英谐振器，其特征在于，所述封装盖与所述基底均为硅材料。
8.一种具有加固结构的石英谐振器的形成方法，其特征在于，包括：
在石英晶体的上下两侧分别形成图形化的第一电极金属层和第二电极金属层，其中所述第一电极金属层包括第一电极、第一电极导线和第一引脚，所述第二电极金属层包括第二电极、第二电极引线和第二引脚；
然后当前半导体结构之上沉积加固材料然后刻蚀形成具有窗口的加固结构，从而得到加固谐振结构；
在基底之上形成凸台结构，然后在所述凸台结构之上形成触点层；
正置或者倒置所述加固谐振结构，然后键合到所述触点层之上。
9.根据权利要求8所述的具有加固结构的石英谐振器的形成方法，其特征在于，所述加固结构在俯视图上至少覆盖所述下引脚和所述上引脚占据的区域，并且不侵入所述下电极和所述上电极占据的区域。
10.根据权利要求8或9所述的具有加固结构的石英谐振器的形成方法，其特征在于，所述加固结构为单层结构。
11.根据权利要求8或9所述的具有加固结构的石英谐振器的形成方法，其特征在于，所述加固结构为双层结构，包括邻近所述石英晶片的平坦键合层和远离所述石英晶片的加固支撑层，所述平坦键合层的材料为二氧化硅、金属氧化物或多晶硅，所述加固支撑层的材料为石英或单晶硅。
12.根据权利要求8或9所述的具有加固结构的石英谐振器的形成方法，其特征在于，所述凸台结构数量为两个，所述两个凸台结构分居所述石英晶片重心的两侧或者同侧。
13.根据权利要求8或9所述的具有加固结构的石英谐振器的形成方法，其特征在于，在所述正置或者倒置所述加固谐振结构，然后键合到所述触点层之上的步骤之后，还包括：将封装盖键合到所述基底上。
14.根据权利要求13所述的具有加固结构的石英谐振器的形成方法，其特征在于，所述封装盖与所述基底均为硅材料。
15.一种电子设备，其特征在于，包括权利要求1至7中任一项所述的具有加固结构的石英谐振器。
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