CN113395053A - 石英薄膜谐振器及其制造方法 - Google Patents
石英薄膜谐振器及其制造方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN113395053A CN113395053A CN202110230331.4A CN202110230331A CN113395053A CN 113395053 A CN113395053 A CN 113395053A CN 202110230331 A CN202110230331 A CN 202110230331A CN 113395053 A CN113395053 A CN 113395053A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- quartz
- resonator
- mechanical
- thin film
- region
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Granted
Links
- 239000010453 quartz Substances 0.000 title claims abstract description 217
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N silicon dioxide Inorganic materials O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 title claims abstract description 217
- 239000010409 thin film Substances 0.000 title claims abstract description 45
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 title claims abstract description 18
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims abstract description 45
- 239000010408 film Substances 0.000 claims abstract description 18
- 239000013078 crystal Substances 0.000 claims description 34
- 238000005530 etching Methods 0.000 claims description 23
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 claims description 17
- 239000002184 metal Substances 0.000 claims description 17
- 230000004888 barrier function Effects 0.000 claims description 12
- 239000011521 glass Substances 0.000 claims description 10
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 claims description 10
- 239000010703 silicon Substances 0.000 claims description 10
- 238000004806 packaging method and process Methods 0.000 claims description 8
- 238000000151 deposition Methods 0.000 claims description 3
- 230000008021 deposition Effects 0.000 claims description 3
- 238000001259 photo etching Methods 0.000 claims 1
- 238000000034 method Methods 0.000 abstract description 25
- 230000008569 process Effects 0.000 abstract description 19
- 230000007613 environmental effect Effects 0.000 abstract description 6
- 230000006355 external stress Effects 0.000 abstract description 5
- 238000012858 packaging process Methods 0.000 abstract 1
- 239000010410 layer Substances 0.000 description 38
- 239000000463 material Substances 0.000 description 18
- 230000035882 stress Effects 0.000 description 9
- 238000005538 encapsulation Methods 0.000 description 5
- 239000010931 gold Substances 0.000 description 5
- 238000000206 photolithography Methods 0.000 description 5
- 239000012790 adhesive layer Substances 0.000 description 4
- 239000011651 chromium Substances 0.000 description 4
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 4
- 238000001312 dry etching Methods 0.000 description 4
- 229920002120 photoresistant polymer Polymers 0.000 description 4
- 238000005498 polishing Methods 0.000 description 4
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 4
- 238000001039 wet etching Methods 0.000 description 4
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 description 3
- 229910052804 chromium Inorganic materials 0.000 description 3
- BASFCYQUMIYNBI-UHFFFAOYSA-N platinum Chemical compound [Pt] BASFCYQUMIYNBI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 238000007789 sealing Methods 0.000 description 3
- 230000006641 stabilisation Effects 0.000 description 3
- 238000011105 stabilization Methods 0.000 description 3
- 238000005452 bending Methods 0.000 description 2
- 239000010949 copper Substances 0.000 description 2
- PCHJSUWPFVWCPO-UHFFFAOYSA-N gold Chemical compound [Au] PCHJSUWPFVWCPO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229910052737 gold Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000011777 magnesium Substances 0.000 description 2
- 239000007769 metal material Substances 0.000 description 2
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 2
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 2
- 239000011347 resin Substances 0.000 description 2
- 229920005989 resin Polymers 0.000 description 2
- 230000035939 shock Effects 0.000 description 2
- 238000000427 thin-film deposition Methods 0.000 description 2
- 239000010936 titanium Substances 0.000 description 2
- VYZAMTAEIAYCRO-UHFFFAOYSA-N Chromium Chemical compound [Cr] VYZAMTAEIAYCRO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N Copper Chemical compound [Cu] RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- FYYHWMGAXLPEAU-UHFFFAOYSA-N Magnesium Chemical compound [Mg] FYYHWMGAXLPEAU-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- ZOKXTWBITQBERF-UHFFFAOYSA-N Molybdenum Chemical compound [Mo] ZOKXTWBITQBERF-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- KJTLSVCANCCWHF-UHFFFAOYSA-N Ruthenium Chemical compound [Ru] KJTLSVCANCCWHF-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- BQCADISMDOOEFD-UHFFFAOYSA-N Silver Chemical compound [Ag] BQCADISMDOOEFD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N Titanium Chemical compound [Ti] RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N aluminium Chemical compound [Al] XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 description 1
- 230000000903 blocking effect Effects 0.000 description 1
- 230000008859 change Effects 0.000 description 1
- 229910052802 copper Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000008878 coupling Effects 0.000 description 1
- 238000010168 coupling process Methods 0.000 description 1
- 238000005859 coupling reaction Methods 0.000 description 1
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 1
- 239000007772 electrode material Substances 0.000 description 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 1
- 229910052732 germanium Inorganic materials 0.000 description 1
- GNPVGFCGXDBREM-UHFFFAOYSA-N germanium atom Chemical compound [Ge] GNPVGFCGXDBREM-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000006872 improvement Effects 0.000 description 1
- 229910052741 iridium Inorganic materials 0.000 description 1
- GKOZUEZYRPOHIO-UHFFFAOYSA-N iridium atom Chemical compound [Ir] GKOZUEZYRPOHIO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052749 magnesium Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910052750 molybdenum Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000011733 molybdenum Substances 0.000 description 1
- 229910052762 osmium Inorganic materials 0.000 description 1
- SYQBFIAQOQZEGI-UHFFFAOYSA-N osmium atom Chemical compound [Os] SYQBFIAQOQZEGI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000000149 penetrating effect Effects 0.000 description 1
- 229910052697 platinum Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910052707 ruthenium Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910052709 silver Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000004332 silver Substances 0.000 description 1
- 238000006467 substitution reaction Methods 0.000 description 1
- 229910052719 titanium Inorganic materials 0.000 description 1
- MAKDTFFYCIMFQP-UHFFFAOYSA-N titanium tungsten Chemical compound [Ti].[W] MAKDTFFYCIMFQP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- WFKWXMTUELFFGS-UHFFFAOYSA-N tungsten Chemical compound [W] WFKWXMTUELFFGS-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052721 tungsten Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010937 tungsten Substances 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
- H03H—IMPEDANCE NETWORKS, e.g. RESONANT CIRCUITS; RESONATORS
- H03H9/00—Networks comprising electromechanical or electro-acoustic devices; Electromechanical resonators
- H03H9/15—Constructional features of resonators consisting of piezoelectric or electrostrictive material
- H03H9/21—Crystal tuning forks
- H03H9/215—Crystal tuning forks consisting of quartz
-
- H—ELECTRICITY
- H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
- H03H—IMPEDANCE NETWORKS, e.g. RESONANT CIRCUITS; RESONATORS
- H03H3/00—Apparatus or processes specially adapted for the manufacture of impedance networks, resonating circuits, resonators
- H03H3/007—Apparatus or processes specially adapted for the manufacture of impedance networks, resonating circuits, resonators for the manufacture of electromechanical resonators or networks
- H03H3/02—Apparatus or processes specially adapted for the manufacture of impedance networks, resonating circuits, resonators for the manufacture of electromechanical resonators or networks for the manufacture of piezoelectric or electrostrictive resonators or networks
-
- H—ELECTRICITY
- H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
- H03H—IMPEDANCE NETWORKS, e.g. RESONANT CIRCUITS; RESONATORS
- H03H9/00—Networks comprising electromechanical or electro-acoustic devices; Electromechanical resonators
- H03H9/15—Constructional features of resonators consisting of piezoelectric or electrostrictive material
- H03H9/17—Constructional features of resonators consisting of piezoelectric or electrostrictive material having a single resonator
- H03H9/19—Constructional features of resonators consisting of piezoelectric or electrostrictive material having a single resonator consisting of quartz
Abstract
本发明公开了一种石英薄膜谐振器及其制造方法。石英薄膜谐振器可以包括依次堆叠的基底、底电极、石英层、顶电极，其中，所述石英层包括位于谐振器有效区域内部的石英压电区和位于所述谐振器有效区域外的石英机械区；所述石英压电区的厚度小于所述石英机械区的厚度。本发明的石英薄膜谐振器同时包括较厚的石英机械区和较薄的石英压电区，因此既能够对外部应力、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，又能实现目标频率。石英薄膜谐振器主要采用MEMS工艺流程和大尺寸晶圆级封装工艺，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。
Description
技术领域
本发明涉及压电谐振器技术领域，具体涉及一种石英薄膜谐振器及其制造方法。
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。
由于目标频率较高，则要求石英压电薄膜较薄。但是当石英薄膜较薄时，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。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，本发明提出一种石英薄膜谐振器及其制造方法以克服现有技术中的缺陷。
本发明第一方面提出一种石英薄膜谐振器，可以包括依次堆叠的基底、底电极、石英层、顶电极，其中，所述石英层包括位于谐振器有效区域内部的石英压电区和位于所述谐振器有效区域外的石英机械区；所述石英压电区的厚度小于所述石英机械区的厚度。
可选地，所述顶电极下方具有金属刻蚀阻挡层。
可选地，所述顶电极下方具有顶电极连接结构。
可选地，所述顶电极下方具有的顶电极连接结构位于所述石英压电区内。
可选地，所述石英机械区位于所述石英压电区的双侧或单侧。
可选地，所述石英压电区的下表面具有凹槽，所述底电极和所述顶电极连接结构位于所述下表面的凹槽中；或者，所述石英压电区的上表面具有凹槽，所述顶电极、所述金属刻蚀阻挡层位于所述上表面的凹槽之中；或者，所述石英压电区的上表面和下表面均具有凹槽，所述顶电极、所述金属刻蚀阻挡层位于所述上表面的凹槽之中，所述底电极和所述顶电极连接结构位于所述下表面的凹槽之中。
可选地，所述石英压电区的上下表面具有凹陷结构和凸起结构。
可选地，所述石英压电区的厚度范围为0.1微米至50微米，所述石英机械区的厚度范围为50微米至100微米。
可选地，所述基底的材料为硅或玻璃。
可选地，所述基底与所述石英层在所述石英机械区键合。
可选地，还包括封装层，所述封装层的材料为硅或玻璃。
本发明第二方面提出一种石英薄膜谐振器的制造方法，可以包括：在石英晶体的第一侧依次形成金属刻蚀阻挡层和顶电极；将当前所得结构作第一次倒转后键合到牺牲基底之上；在所述石英晶体中形成位于谐振器有效区域内部的石英压电区和位于所述谐振器有效区域外的石英机械区，其中，所述石英压电区的厚度小于所述石英机械区的厚度；在所述石英压电区之上形成底电极；去除所述牺牲基底；将当前所得结构作第二次倒转后键合到基底上。
可选地，通过在所述石英晶体第二侧进行减薄、薄膜沉积、光刻和刻蚀的方式，在所述石英晶体中形成位于谐振器有效区域内部的石英压电区和位于所述谐振器有效区域外的石英机械区。
可选地，所述石英压电区的厚度范围为0.1微米至50微米，所述石英机械区的厚度范围为50微米至100微米。
可选地，所述基底的材料为硅或玻璃。
可选地，所述基底与所述石英晶体在所述石英机械区键合。
根据本发明的技术方案，石英薄膜谐振器同时包括较厚的石英机械区和较薄的石英压电区，因此既能够对外部应力、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，又能实现目标频率。本发明实施例的石英薄膜谐振器的制造方法中通过磨片、化学机械抛光、干法刻蚀等通常应用于微机电系统MEMS的工艺(以下简称作MEMS工艺)来整体减薄石英晶圆，使石英谐振区域已到目标厚度(也即实现目标频率)，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。石英薄膜谐振器主要采用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1为本发明第一实施例的石英薄膜谐振器的截面示意图；
图2为本发明第二实施例的石英薄膜谐振器的截面示意图；
图3为本发明第三实施例的石英薄膜谐振器的截面示意图；
图4为本发明第四实施例的石英薄膜谐振器的截面示意图；
图5为本发明第五实施例的石英薄膜谐振器的截面示意图；
图6为本发明第六实施例的石英薄膜谐振器的截面示意图；
图7为本发明第七实施例的石英薄膜谐振器的截面示意图；
图8为本发明第八实施例的石英薄膜谐振器的截面示意图；
图9A至图9L为本发明第一实施例的石英薄膜谐振器的加工流程示意图；
图10A至图10L为本发明第三实施例的石英薄膜谐振器的加工流程示意图。
具体实施方式
下面结合实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而并不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
图1所示为根据本发明的第一实施例的石英薄膜谐振器的截面示意图。其中，01为基底，02为键合层，03为密封层，04为底电极，05为顶电极连接结构，06为谐振器有效区域之内较薄的石英压电区，07为顶电极，08为金属刻蚀阻挡层，09为封装层，10为穿过封装层的电极连接结构，11为谐振器有效区域之外较厚的石英机械区。
其中，顶电极07下方具有金属刻蚀阻挡层08。顶电极07下方具有顶电极连接结构05。顶电极07下方具有的顶电极连接结构05位于石英压电区06内。
其中，谐振器有效区域之内较薄的石英压电区06的薄膜厚度由谐振器频率决定，厚度范围可为0.1微米至50微米。谐振器有效区域之外较厚的石英机械区11的厚度范围可为50微米至100微米。
在本实施例中，谐振器有效区域之外较厚的石英机械区11的结构比谐振器有效区域之内较薄的石英压电区06要厚，并且位于谐振器的底电极04和顶电极连接结构05之下的键合层02位于石英机械区11中较厚的部位，即键合层02的左右两侧与石英机械区11的边缘之间有一距离d1和d2，其中d1、d2＞0，这样键合区被机械区包围并且范围小于机械区，使键合区在起到电学连接和机械支撑的同时，还有助于减小应力耦合等外界影响。因为石英机械区11厚度较厚；当基底中的应力通过键合层02传递到石英机械区11中，能够使其本身承受更大的应力不会发生形变，也不会将应力传导到石英压电区06中，从而能够避免由于应力传递导致的谐振频率漂移的现象；同时，可以使得石英谐振器的机械稳定性更强，不容易受到机械冲击和环境振动的影响，其抗机械冲击能力得到提高即可靠性更高，由于外界环境振动引入的噪声信号更低即稳定性更高。
在本实施例中，由于非有效区域的设置了厚度较厚的石英机械区11，这样可以使得谐振器的机械性能更为稳定，能够承受外界环境较大的应力变化而不会影响到谐振器的性能。底电极04和顶电极07的电极形状可以为四边形、五边形、六边形等其他任意形状。
图2为根据本发明第二实施例的石英薄膜谐振器的截面示意图。其中，图2与图1基本相同，区别在于本实施例中石英机械区11仅设置在石英压电区06的单侧而第一实施例中石英机械区11是设置在石英压电区06双侧。如图所示，整个石英谐振器只通过右侧较厚的石英机械区与基底进行键合连接在一起。由于连接部位处石英机械区的厚度比较厚，因此其能承受的应力更大，使其机械性能更为稳定，谐振器的频率控制更为精准。
图3为本发明第三实施例的石英薄膜谐振器的截面示意图。其中，图3与图1基本相同，区别在于本实施例中，按图中视角，石英压电区06中的凹槽位于其上表面，即谐振器的顶电极07、金属刻蚀阻挡层08位于凹槽之中。
图4为本发明第四实施例的石英薄膜谐振器的截面示意图。其中，图4与图3基本相同，区别在于在本实施例中，按图中视角，位于非有效区域中较厚的石英机械层11只有左侧的一部分，即整个石英谐振器只通过单侧较厚的石英机械层11与基底01进行键合连接在一起。
图5为本发明第五实施例的石英薄膜谐振器的截面示意图。其中，图5与图1、图3基本相同，区别在于本实施例中，石英压电区06中的凹槽同时位于其上下表面，即谐振器的顶电极07、金属刻蚀阻挡层08位于石英压电区06上表面的凹槽之中，底电极04和顶电极07对应的顶电极连接结构05位于石英压电区06下表面的凹槽之中。这样使得非有效区域中的压电层结构11的厚度更厚，从而可以使得谐振器能够承受通过键合层02传导过来的更大应力，从而可以使其机械结构更为稳固、性能更为稳定。
图6为本发明第六实施例的石英薄膜谐振器的截面示意图。其中，图6与图1基本相同，区别在于本实施例中，在石英压电区06的上下表面具有凹陷结构12和凸起结构13。
图7为本发明第七实施例的石英薄膜谐振器的截面示意图。其中，图7与图3基本相同，区别在于本实施例中，在石英压电区06的上下表面具有凹陷结构12和凸起结构13。
图8为本发明第八实施例的石英薄膜谐振器的截面示意图。其中，图8与图5基本相同，区别在于本实施例中，在石英压电区06的上下表面具有凹陷结构12和凸起结构13。
在图6、图7、图8的结构中，由于凹陷结构和凸起结构的声学阻抗和谐振器有效区域中的声学阻抗不匹配，从而能够将横向模式的声波反射回有效区域中，因此能够减小谐振器的能量损耗，使其性能得到提升。
本发明实施方式中的石英薄膜谐振器的制造方法包括：在石英晶体的第一表面依次形成金属刻蚀阻挡层和顶电极；将当前所得结构作第一次倒转后键合到牺牲基底之上；在石英晶体中形成位于谐振器有效区域内部的石英压电区和位于谐振器有效区域外的石英机械区，其中，石英压电区的厚度小于石英机械区的厚度；在石英压电区之上形成底电极；去除牺牲基底；将当前所得结构作第二次倒转后键合到基底上。其中，石英压电区的厚度范围可为0.1微米至50微米，石英机械区的厚度范围可为50微米至100微米。
可选地，通过在石英晶体第二侧进行减薄、薄膜沉积、光刻和刻蚀的方式，在石英晶体中形成位于谐振器有效区域内部的石英压电区和位于所述谐振器有效区域外的石英机械区。该实施例的制造方法主要采用MEMS工艺和对石英晶体的两个表面先后加工出精细结构，确保加工后的石英晶体既拥有厚度较厚的石英机械区，又拥有厚度较薄的石英压电区，二者构成石英层。
图9A至图9L为本发明第一实施例的石英薄膜谐振器的加工流程示意图，主要包括如下的步骤1至步骤11。
步骤1：如图9A所示，首先在石英晶体25上通过薄膜沉积、光刻和刻蚀工艺形成金属刻蚀阻挡层08。
步骤2：如图9B所示，然后通过相同的工艺方法形成顶电极07。
步骤3：如图9C所示，然后在提供另一牺牲基底18，并在其上表面形成一层键合粘附层19，键合粘附层19的材料可以为树脂类等类似材料。其中牺牲基底18的材料也为石英晶体或者也可以为与石英晶体热膨胀系数相近的材料，这样能够避免在后续步骤中两种基底键合完成后，因两种材料的热膨胀系数相差太大而导致的薄膜弯曲、断裂等问题。
步骤4：如图9D所示，通过键合的方法将图9B所示结构倒转后与图9C所示结构连接在一起。
步骤5：如图9E所示，通过化学机械研磨(CMP)将石英晶体25进行减薄到合适的厚度。
步骤6：如图9F所示，通过光刻、刻蚀的工艺方法在石英晶体25的上表面形成凹陷结构22和23。
步骤7：如图9G所示，在石英晶体25的表面形成一层刻蚀阻挡层。对于高频谐振器，由于所需的石英压电区的厚度比较薄，所以刻蚀阻挡层可以选用光刻胶等类似的“软掩膜”材料；对于低频谐振器，由于所需石英压电区的厚度比较厚，可能会达到几十微米或者上百微米，此时光刻胶等材料已不能满足需求，所以在改为选用金属材料，比如Al、Cr/Au等类似的“硬掩膜”材料。
步骤8：如图9H所示，通过刻蚀的方法，可以为湿法刻蚀或者干法刻蚀，将暴露的石英晶体25刻穿，形成电极连接通道20和密封通道21。
步骤9：如图9I所示，将刻蚀阻挡层22去掉，石英晶体25最终形成两部分，一部分为中间较薄的石英压电区06和两侧起到稳固作用的厚度较厚的石英机械区11。
步骤9：如图9J所示，沉积一层金属薄膜并刻蚀形成底电极04和顶电极07对应的顶电极电连接结构05。
步骤10：如图9K所示，将图9J所示结构与成品器件所采用的基底01进行键合，其中基底01的材料可以为硅或者玻璃，在两种结构键合之间存在键合层02。键合完成之后将基底倒转过来，并通过湿法刻蚀的方法将牺牲基底18去除。
步骤11：如图9L所示，最后在封装层09中形成电极连接结构10，即可得到实施例图1所示的结构。
图10A至图10L为本发明第三实施例的石英薄膜谐振器的加工流程示意图，主要包括如下的步骤1至步骤12。
步骤1：如图10A所示，首先在石英晶体25上通过薄膜沉积、光刻和刻蚀工艺形成凹槽结构22和23。
步骤2：如图10B所示，然后在通过相同的工艺方法形成金属刻蚀阻挡层结构08。
步骤3：如图10C所示，然后通过相同的工艺方法形成顶电极07。
步骤4：如图10D所示，然后在提供另一牺牲基底18，并在其上表面形成一层键合粘附层19，键合粘附层19的材料可以为树脂类等类似材料。其中牺牲基底18的材料也为石英晶体或者也可以为与石英晶体热膨胀系数相近的材料，这样能够避免之后两种基底键合完成后，因两种材料的热膨胀系数相差太大而导致的薄膜弯曲、断裂等问题的存在。
步骤5：如图10E所示，通过键合的方法将图10C所示结构与图10D所示结构键合在一起。
步骤6：如图10F所示，通过化学机械研磨(CMP)将石英晶体25进行减薄到合适的厚度成为所需频率厚度。
步骤7：如图10G所示，在石英晶体25的表面形成一层刻蚀阻挡层。对于高频谐振器，由于所需的石英压电区的厚度比较薄，所以刻蚀阻挡层可以选用光刻胶等类似的“软掩膜”材料；对于低频谐振器，由于所需石英机械区的厚度比较厚，可能会达到几十微米或者上百微米，此时光刻胶等材料已不能满足需求，所以在改为选用金属材料，比如Al、Cr/Au等类似的“硬掩膜”材料。
步骤8：如图10H所示，通过刻蚀的方法，可以为湿法刻蚀或者干法刻蚀，将暴露的石英晶体25刻穿，形成电极连接通道20和密封通道21。
步骤9：如图10I所示，将刻蚀阻挡层22去掉，石英晶体25最终形成两部分，一部分为中间较薄的石英压电区06和两侧起到稳固作用的厚度较厚的石英机械区11。
步骤10：如图10J所示，沉积一层金属薄膜并刻蚀形成底电极04和顶电极07的顶电极电连接结构05。
步骤11：如图10K所示，将图10J所示结构与成品器件所采用的基底01进行键合，其中基底01的材料可以为硅或者玻璃，在两种结构键合之间存在键合层02。键合完成之后将基底倒转过来，并通过湿法刻蚀的方法将牺牲基底18去除。
步骤12：如图10L所示，最后在封装层09中形成电极连接结构10，即可得到实施例图3所示的结构。
在本发明中，电极材料可以为：金(Au)、银(Ag)、钨(W)、钼(Mo)、铂(Pt)，钌(Ru)、铱(Ir)、钛钨(TiW)、铝(Al)、钛(Ti)、锇(Os)、镁(Mg)、锗(Ge)、铜(Cu)、铬(Cr)、砷掺杂金等类似金属形成。
基底01可以为硅或者玻璃，其厚度范围可以为均小于500微米。
封装层09的材料也可以为硅或者玻璃。
综上所述，本发明实施例的石英薄膜谐振器同时包括较厚的石英机械区和较薄的石英压电区，因此既能够对外部应力、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，又能实现目标频率。本发明实施例的石英薄膜谐振器的制造方法中通过磨片、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(也即实现目标频率)，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。石英薄膜谐振器主要采用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 (16)
1.一种石英薄膜谐振器，其特征在于：包括依次堆叠的基底、底电极、石英层、顶电极，其中，
所述石英层包括位于谐振器有效区域内部的石英压电区和位于所述谐振器有效区域外的石英机械区；
所述石英压电区的厚度小于所述石英机械区的厚度。
2.根据权利要求1所述的石英薄膜谐振器，其特征在于：所述顶电极下方具有金属刻蚀阻挡层。
3.根据权利要求1所述的石英薄膜谐振器，其特征在于：所述顶电极下方具有顶电极连接结构。
4.根据权利要求1所述的石英薄膜谐振器，其特征在于：所述顶电极下方具有的顶电极连接结构位于所述石英压电区内。
5.根据权利要求1所述的石英薄膜谐振器，其特征在于：所述石英机械区位于所述石英压电区的双侧或单侧。
6.根据权利要求2所述的石英薄膜谐振器，其特征在于：
所述石英压电区的下表面具有凹槽，所述底电极和所述顶电极连接结构位于所述下表面的凹槽中；或者，
所述石英压电区的上表面具有凹槽，所述顶电极、所述金属刻蚀阻挡层位于所述上表面的凹槽之中；或者，
所述石英压电区的上表面和下表面均具有凹槽，所述顶电极、所述金属刻蚀阻挡层位于所述上表面的凹槽之中，所述底电极和所述顶电极连接结构位于所述下表面的凹槽之中。
7.根据权利要求1所述的石英薄膜谐振器，其特征在于：所述石英压电区的上下表面具有凹陷结构和凸起结构。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的石英薄膜谐振器，其特征在于：所述石英压电区的厚度范围为0.1微米至50微米，所述石英机械区的厚度范围为50微米至100微米。
9.根据权利要求8所述的石英薄膜谐振器，其特征在于：所述基底的材料为硅或玻璃。
10.根据权利要求8所述的石英薄膜谐振器，其特征在于：所述基底与所述石英层在所述石英机械区键合。
11.根据权利要求8所述的石英薄膜谐振器，其特征在于：还包括封装层，所述封装层的材料为硅或玻璃。
12.一种石英薄膜谐振器的制造方法，其特征在于，包括：
在石英晶体的第一侧依次形成金属刻蚀阻挡层和顶电极；
将当前所得结构作第一次倒转后键合到牺牲基底之上；
在所述石英晶体中形成位于谐振器有效区域内部的石英压电区和位于所述谐振器有效区域外的石英机械区，其中，所述石英压电区的厚度小于所述石英机械区的厚度；
在所述石英压电区之上形成底电极；
去除所述牺牲基底；
将当前所得结构作第二次倒转后键合到基底上。
13.根据权利要求12所述的制造方法，其特征在于：通过在所述石英晶体第二侧进行减薄、薄膜沉积、光刻和刻蚀的方式，在所述石英晶体中形成位于谐振器有效区域内部的石英压电区和位于所述谐振器有效区域外的石英机械区。
14.根据权利要求12所述的制造方法，其特征在于：所述石英压电区的厚度范围为0.1微米至50微米，所述石英机械区的厚度范围为50微米至100微米。
15.根据权利要求12所述的制造方法，其特征在于：所述基底的材料为硅或玻璃。
16.根据权利要求12所述的制造方法，其特征在于：所述基底与所述石英晶体在所述石英机械区键合。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202110230331.4A CN113395053B (zh) | 2021-03-02 | 2021-03-02 | 石英薄膜谐振器及其制造方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202110230331.4A CN113395053B (zh) | 2021-03-02 | 2021-03-02 | 石英薄膜谐振器及其制造方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN113395053A true CN113395053A (zh) | 2021-09-14 |
| CN113395053B CN113395053B (zh) | 2022-12-09 |
Family
ID=77617304
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202110230331.4A Active CN113395053B (zh) | 2021-03-02 | 2021-03-02 | 石英薄膜谐振器及其制造方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN113395053B (zh) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2024027736A1 (zh) * | 2022-08-05 | 2024-02-08 | 天津大学 | 压电层设置导电通孔的石英谐振器及其制造方法、电子器件 |
| WO2024027734A1 (zh) * | 2022-08-05 | 2024-02-08 | 天津大学 | 电极引出部处于同侧的石英谐振器及其制造方法、电子器件 |
Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5548178A (en) * | 1992-07-08 | 1996-08-20 | Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. | Piezoelectric vibrator and manufacturing method thereof |
| JP2003087088A (ja) * | 2001-09-07 | 2003-03-20 | Citizen Watch Co Ltd | 圧電デバイスとその製造方法 |
| CN101471639A (zh) * | 2007-12-28 | 2009-07-01 | 爱普生拓优科梦株式会社 | 石英振动片、石英器件、以及石英振动片的制造方法 |
| CN202906850U (zh) * | 2012-09-25 | 2013-04-24 | 铜陵晶越电子有限公司 | Smd型高基频石英晶体谐振器 |
| CN204465477U (zh) * | 2015-03-17 | 2015-07-08 | 浙江东晶电子股份有限公司 | 一种低频小型晶体谐振器 |
| CN209624463U (zh) * | 2018-12-19 | 2019-11-12 | 中国科学院苏州生物医学工程技术研究所 | 压电传感芯片及压电传感器 |
-
2021
- 2021-03-02 CN CN202110230331.4A patent/CN113395053B/zh active Active
Patent Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5548178A (en) * | 1992-07-08 | 1996-08-20 | Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. | Piezoelectric vibrator and manufacturing method thereof |
| JP2003087088A (ja) * | 2001-09-07 | 2003-03-20 | Citizen Watch Co Ltd | 圧電デバイスとその製造方法 |
| CN101471639A (zh) * | 2007-12-28 | 2009-07-01 | 爱普生拓优科梦株式会社 | 石英振动片、石英器件、以及石英振动片的制造方法 |
| CN202906850U (zh) * | 2012-09-25 | 2013-04-24 | 铜陵晶越电子有限公司 | Smd型高基频石英晶体谐振器 |
| CN204465477U (zh) * | 2015-03-17 | 2015-07-08 | 浙江东晶电子股份有限公司 | 一种低频小型晶体谐振器 |
| CN209624463U (zh) * | 2018-12-19 | 2019-11-12 | 中国科学院苏州生物医学工程技术研究所 | 压电传感芯片及压电传感器 |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2024027736A1 (zh) * | 2022-08-05 | 2024-02-08 | 天津大学 | 压电层设置导电通孔的石英谐振器及其制造方法、电子器件 |
| WO2024027734A1 (zh) * | 2022-08-05 | 2024-02-08 | 天津大学 | 电极引出部处于同侧的石英谐振器及其制造方法、电子器件 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN113395053B (zh) | 2022-12-09 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US7939356B2 (en) | Method of manufacturing film bulk acoustic resonator using internal stress of metallic film and resonator manufactured thereby | |
| US9929716B2 (en) | Acoustic resonator and method of manufacturing the same | |
| US8765615B1 (en) | Quartz-based MEMS resonators and methods of fabricating same | |
| JP4534158B2 (ja) | 圧電薄膜デバイスの製造方法 | |
| JP3939939B2 (ja) | 圧電薄膜共振素子の製造方法 | |
| JP4071213B2 (ja) | カンチレバー状の圧電薄膜素子およびその製造方法 | |
| US7851971B2 (en) | Low frequency quartz based MEMS resonators and method of fabricating the same | |
| TWI224878B (en) | Piezoelectric actuator for tunable electronic components | |
| US20160163954A1 (en) | Acoustic resonator and method of manufacturing the same | |
| KR102418744B1 (ko) | 에어갭형 fbar 및 이의 제조방법 | |
| CN113395053B (zh) | 石英薄膜谐振器及其制造方法 | |
| CN109687835B (zh) | 薄膜体声波谐振器及其制作方法、滤波器 | |
| JP4395892B2 (ja) | 圧電薄膜デバイス及びその製造方法 | |
| JP2007208728A (ja) | 圧電薄膜共振器、フィルタおよびその製造方法 | |
| CN113285685B (zh) | 石英薄膜体声波谐振器及其加工方法、电子设备 | |
| CN110113702B (zh) | 一种mems结构的制造方法 | |
| CN113037245B (zh) | 基于压电薄膜换能的石英谐振器以及电子设备 | |
| JP5862368B2 (ja) | 圧電デバイスの製造方法 | |
| WO2022183379A1 (zh) | 石英薄膜谐振器及其制造方法 | |
| CN113285689B (zh) | 石英晶体谐振器及其形成方法、电子设备 | |
| WO2022183491A1 (zh) | 石英薄膜体声波谐振器及其加工方法、电子设备 | |
| CN112953446B (zh) | 一种体声波谐振器的制备方法以及体声波谐振器 | |
| WO2022188100A1 (zh) | 基于压电薄膜换能的石英谐振器以及电子设备 | |
| TWI782775B (zh) | 聲波共振器封裝 | |
| WO2022183494A1 (zh) | 石英晶体谐振器及其形成方法、电子设备 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| TA01 | Transfer of patent application right |
Effective date of registration: 20220907 Address after: Room 28, Room 404, Building D, Guangzhou Airport Center, No. 1, Lvgang 3rd Street, Huadu District, Guangzhou City, Guangdong Province, 510805 (Airport Huadu) Applicant after: Guangzhou Leyi Investment Co.,Ltd. Address before: Room 1112, 12-4, Floor 11, Building 12, Panjiayuan Nanli, Chaoyang District, Beijing 100021 Applicant before: Rhine Century (Beijing) Culture Media Co.,Ltd. Effective date of registration: 20220907 Address after: Room 1112, 12-4, Floor 11, Building 12, Panjiayuan Nanli, Chaoyang District, Beijing 100021 Applicant after: Rhine Century (Beijing) Culture Media Co.,Ltd. Address before: 300072 Tianjin City, Nankai District Wei Jin Road No. 92 Applicant before: Tianjin University |
|
| TA01 | Transfer of patent application right | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |