CN113810015A - 体声波谐振器及其制备方法、滤波器 - Google Patents
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Abstract
一种体声波谐振器及其制备方法、滤波器，涉及滤波器技术领域。该体声波谐振器包括具有空腔的衬底、设于衬底上的底电极、设于底电极上的压电层和设于压电层上的顶电极；空腔、底电极、压电层和顶电极在层叠方向上的交叠区域形成有效谐振区域；体声波谐振器还包括位于有效谐振区域之外且贯通压电层并延伸至衬底内的至少一个声波隔离孔，声波隔离孔与空腔连通。该体声波谐振器能够有效改善声波能量自有效谐振区域向非有效谐振区域泄漏，从而提高体声波谐振器的品质因数。
Description
技术领域
本发明涉及滤波器技术领域，具体而言，涉及一种体声波谐振器及其制备方法、滤波器。
背景技术
随着无线通信技术的快速发展，射频器件在通信领域得到了广泛应用。目前射频系统中滤波器的主要实现方式有两种：声表面波滤波器和体声波滤波器。其中，体声波滤波器因其具有高工作频率和功率容量等优势，逐渐占据了大部分无线通讯的应用市场。
体声波谐振器作为体声波滤波器的核心组件，其包括底电极、顶电极和位于底电极和顶电极之间的压电层等。其中，有效谐振区域的面积为底电极、压电层和顶电极的重叠区域的面积。然而，现有的体声波谐振器在有效谐振区域经逆压电效应产生的声波能量会朝向非有效谐振区域泄露，这就导致体声波谐振器的品质因数Q降低，而Q值作为体声波谐振器的一项重要指标，会影响谐振器的滚降特性和带内插损。因此，如何改善声波能量泄露，提高体声波谐振器的Q值，成为了目前亟待解决的技术难题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种体声波谐振器及其制备方法、滤波器，其能够有效改善声波能量自有效谐振区域向非有效谐振区域泄漏，从而提高体声波谐振器的品质因数。
本发明的实施例是这样实现的：
本发明的一方面，提供一种体声波谐振器，该体声波谐振器包括具有空腔的衬底、设于衬底上的底电极、设于底电极上的压电层和设于压电层上的顶电极；空腔、底电极、压电层和顶电极在层叠方向上的交叠区域形成有效谐振区域；体声波谐振器还包括位于有效谐振区域之外且贯通压电层并延伸至衬底内的至少一个声波隔离孔，声波隔离孔与空腔连通。该体声波谐振器能够有效改善声波能量自有效谐振区域向非有效谐振区域泄漏，从而提高体声波谐振器的品质因数。
可选地，声波隔离孔包括多个，多个声波隔离孔围设于有效谐振区域的外周。
可选地，声波隔离孔为弧形孔、圆孔或者矩形孔。
可选地，位于有效谐振区域内的底电极、压电层和顶电极共同形成压电叠层，体声波谐振器还包括位于空腔外周的至少一个支撑柱，支撑柱用于支撑压电叠层。
可选地，支撑柱位于有效谐振区域的底电极的下方。
可选地，支撑柱位于有效谐振区域的压电层的下方。
可选地，支撑柱包括多个，多个支撑柱均匀分布于压电叠层的外周。
可选地，支撑柱的材料与衬底的材料或者底电极的材料相同。
本发明的另一方面，提供一种体声波谐振器的制备方法，该体声波谐振器的制备方法包括：刻蚀衬底，以形成凹槽；在凹槽内填充牺牲材料，以形成牺牲层；在衬底上依次形成覆盖牺牲层和部分衬底的底电极、覆盖底电极和露出的衬底的压电层以及覆盖部分压电层的顶电极；其中，牺牲层、底电极、压电层和顶电极在层叠方向上的交叠区域形成有效谐振区域，位于有效谐振区域内的底电极、压电层和顶电极共同形成压电叠层；在有效谐振区域之外的区域，刻蚀压电层以形成露出底电极的电极引出孔、刻蚀压电层和部分衬底以形成声波隔离孔，声波隔离孔与凹槽连通；释放牺牲层以在衬底内形成空腔；在电极引出孔内沉积金属以将底电极引出压电层之外。
可选地，刻蚀衬底，以形成凹槽，包括：刻蚀衬底，以形成位于衬底内的凹槽和位于凹槽内的支撑柱，其中，支撑柱用于支撑压电叠层。
本发明的又一方面，提供一种滤波器，该滤波器包括上述的体声波谐振器。
本发明的有益效果包括：
本申请提供的体声波谐振器，包括具有空腔的衬底、设于衬底上的底电极、设于底电极上的压电层和设于压电层上的顶电极；空腔、底电极、压电层和顶电极在层叠方向上的交叠区域形成有效谐振区域；体声波谐振器还包括位于有效谐振区域之外且贯通压电层并延伸至衬底内的至少一个声波隔离孔，声波隔离孔与空腔连通。本申请通过在体声波谐振器的有效区域之外的区域(即非有效谐振区域)设置贯穿压电层并延伸至衬底内的至少一个声波隔离孔，可以有效降低有效谐振区域和非有效谐振区域的接触连接面积，从而改善声波能量自有效谐振区域向非有效谐振区域的泄漏情况，进而尽可能多的声波能量限制在有效谐振区域之内，以提高体声波谐振器的品质因数。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，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相关的附图。
图1为本发明一些实施例提供的体声波谐振器的结构示意图之一；
图2为本发明一些实施例提供的体声波谐振器的结构示意图之二；
图3为本发明一些实施例提供的体声波谐振器的结构示意图之三；
图4为本发明一些实施例提供的体声波谐振器的结构示意图之四；
图5为本发明一些实施例提供的体声波谐振器的制备方法的流程示意图；
图6为本发明一些实施例提供的体声波谐振器的制备过程示意图之一；
图7为本发明一些实施例提供的体声波谐振器的制备过程示意图之二；
图8为本发明一些实施例提供的体声波谐振器的制备过程示意图之三；
图9为本发明一些实施例提供的体声波谐振器的制备过程示意图之四；
图10为本发明一些实施例提供的体声波谐振器的制备过程示意图之五。
图标：10-衬底；11-空腔；12-凹槽；13-牺牲层；20-底电极；30-压电层；31-电极引出孔；40-顶电极；50-有效谐振区域；60-声波隔离孔；70-压电叠层；80-支撑柱。
具体实施方式
下文陈述的实施方式表示使得本领域技术人员能够实践所述实施方式所必需的信息，并且示出了实践所述实施方式的最佳模式。在参照附图阅读以下描述之后，本领域技术人员将了解本发明的概念，并且将认识到本文中未具体提出的这些概念的应用。应理解，这些概念和应用属于本发明和随附权利要求的范围内。
应当理解，虽然术语第一、第二等可以在本文中用于描述各种元件，但是这些元件不应受这些术语的限制。这些术语仅用于区域分一个元件与另一个元件。例如，在不脱离本发明的范围的情况下，第一元件可称为第二元件，并且类似地，第二元件可称为第一元件。如本文所使用，术语“和/或”包括相关联的所列项中的一个或多个的任何和所有组合。
应当理解，当一个元件(诸如层、区域或衬底)被称为“在另一个元件上”或“延伸到另一个元件上”时，其可以直接在另一个元件上或直接延伸到另一个元件上，或者也可以存在介于中间的元件。相反，当一个元件被称为“直接在另一个元件上”或“直接延伸到另一个元件上”时，不存在介于中间的元件。同样，应当理解，当元件(诸如层、区域或衬底)被称为“在另一个元件之上”或“在另一个元件之上延伸”时，其可以直接在另一个元件之上或直接在另一个元件之上延伸，或者也可以存在介于中间的元件。相反，当一个元件被称为“直接在另一个元件之上”或“直接在另一个元件之上延伸”时，不存在介于中间的元件。还应当理解，当一个元件被称为“连接”或“耦接”到另一个元件时，其可以直接连接或耦接到另一个元件，或者可以存在介于中间的元件。相反，当一个元件被称为“直接连接”或“直接耦接”到另一个元件时，不存在介于中间的元件。
诸如“在…下方”或“在…上方”或“上部”或“下部”或“水平”或“垂直”的相关术语在本文中可用来描述一个元件、层或区域与另一个元件、层或区域的关系，如图中所示出。应当理解，这些术语和上文所论述的那些术语意图涵盖装置的除图中所描绘的取向之外的不同取向。
本文中使用的术语仅用于描述特定实施方式的目的，而且并不意图限制本发明。如本文所使用，除非上下文明确地指出，否则单数形式“一”、“一个”和“所述”意图同样包括复数形式。还应当理解，当在本文中使用时，术语“包括”指明存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或部件，但并不排除存在或者增添一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、部件和/或上述各项的组。
除非另外界定，否则本文中使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)的含义与本发明所属领域的普通技术人员通常理解的含义相同。还应当理解，本文所使用的术语应解释为含义与它们在本说明书和相关领域的情况下的含义一致，而不能以理想化或者过度正式的意义进行解释，除非本文中已明确这样界定。
请参照图1和图2，本实施例提供一种体声波谐振器，该体声波谐振器包括具有空腔11的衬底10、设于衬底10上的底电极20、设于底电极20上的压电层30和设于压电层30上的顶电极40；空腔11、底电极20、压电层30和顶电极40在层叠方向上的交叠区域形成有效谐振区域50；体声波谐振器还包括位于有效谐振区域50之外且贯通压电层30并延伸至衬底10内的至少一个声波隔离孔60，声波隔离孔60与空腔11连通。该体声波谐振器能够有效改善声波能量自有效谐振区域50向非有效谐振区域50泄漏，从而提高体声波谐振器的品质因数。
上述衬底10可以为硅衬底、蓝宝石衬底或者SOI(绝缘硅片)衬底中的任意一种，本领域技术人员可以根据需求自定。
空腔11位于衬底10靠近底电极20的表面，其能够将体声波谐振器厚度方向的声波能量反射回底电极20、压电层30中。由于空腔11的功能为本领域的公知，故本申请不再赘述。
底电极20、压电层30和顶电极40依次设置于衬底10上。其中，底电极20和顶电极40均为金属电极，且底电极20和顶电极40的材料均可以为钼、铂、金、银、铝、钨、钛、钌、铜以及铬中的任意一种或者多种的组合。压电层30的材料为氮化铝、氧化锌、铌酸锂、PZT(锆钛酸铅系压电陶瓷)、铌酸钡钠中的一种或多种组合。
请参照图1所示，空腔11、底电极20、压电层30和顶电极40在其层叠方向上的交叠区域形成有效谐振区域50，该交叠区域的面积即为空腔11、底电极20、压电层30和顶电极40分别在衬底10上的正投影的重合区域的面积。其中，有效谐振区域50的面积本申请不做限定，本领域技术人员可以根据需要自行选择。应理解，位于有效谐振区域50之外的区域即为体声波谐振器的非有效谐振区域50。
此外，还需要说明的是，在本实施例中，位于有效谐振区域50内的底电极20、压电层30和顶电极40在衬底10上的正投影的轮廓形状可以为圆形、椭圆形、多边形或者直线段和曲线段共同围合形成的封闭图形等，具体形状本申请不做限制。
本申请的声波隔离孔60是自压电层30远离衬底10的一面朝向衬底10的方向刻蚀形成的，具体地，在本实施例中，声波隔离孔60贯穿压电层30并延伸至衬底10内。在这里，需要说明的是，在本实施例中将声波隔离孔60设置于有效谐振区域50之外即表示声波隔离孔60位于非有效谐振区域50。如此，本申请通过在非有效谐振区域50刻蚀形成声波隔离孔60，可以有效降低有效谐振区域50和非有效谐振区域50的接触面积，从而减少有效谐振区域50内的声波能量通过压电层30向非有效谐振区域50泄漏，进而将尽可能多的声波能量限制在有效谐振区域50之内，以提高体声波谐振器的品质因数Q。
还有，在本实施例中，将声波隔离孔60和空腔11连通，可以使得在制备体声波谐振器时，便于空腔11内的牺牲层13自声波隔离孔60处进行释放，从而避免释放牺牲层13时对有效谐振区域50造成破坏。
综上所述，本申请提供的体声波谐振器，包括具有空腔11的衬底10、设于衬底10上的底电极20、设于底电极20上的压电层30和设于压电层30上的顶电极40；空腔11、底电极20、压电层30和顶电极40在层叠方向上的交叠区域形成有效谐振区域50；体声波谐振器还包括位于有效谐振区域50之外且贯通压电层30并延伸至衬底10内的至少一个声波隔离孔60，声波隔离孔60与空腔11连通。本申请通过在体声波谐振器的有效区域之外的区域(即非有效谐振区域50)设置贯穿压电层30并延伸至衬底10内的至少一个声波隔离孔60，可以有效降低有效谐振区域50和非有效谐振区域50的接触连接面积，从而改善声波能量自有效谐振区域50向非有效谐振区域50的泄漏情况，进而尽可能多的声波能量限制在有效谐振区域50之内，以提高体声波谐振器的品质因数。
在本实施例中，声波隔离孔60包括至少一个。示例地，声波隔离孔60可以仅设置一个、设置两个、设置三个，甚至设置多个。本申请对声波隔离孔60的设置数量不做限定。例如，当声波隔离孔60仅设置一个时，其可以设置于有效谐振区域50远离底电极20的引出端的一侧，如图1所示；当声波隔离孔60设置两个时，其可以对称设置于有效谐振区域50的两侧，如图2所示。
在可选的实施例中，示例地，声波隔离孔60可以为圆孔、多边形孔(例如矩形孔)、弧形孔或者不规则孔等。当声波隔离孔60为弧形孔时，示例地，可以参照图3所示。需要说明的是，图3为了便于观察弧形孔，仅展出了位于有效谐振区域50内的底电极20、压电层30和顶电极40，而位于非有效谐振区域50内的底电极20、压电层30和顶电极40未示出。
还有，可选地，当声波隔离孔60包括多个时，多个声波隔离孔60围设于有效谐振区域50的外周。即相对图3来说，相当于将图3中的呈弧形的声波隔离孔60替换为围绕有效谐振区域50设置的多个声波隔离孔60。
请参照图1至图4，可选地，位于有效谐振区域50内的底电极20、压电层30和顶电极40共同形成压电叠层70，体声波谐振器还包括位于空腔11外周的至少一个支撑柱80，支撑柱80用于支撑压电叠层70。
这样，本申请通过设置支撑柱80，可以起到对压电叠层70的支撑作用，如此，一方面，可以通过支撑柱80支撑压电叠层70，提高压电叠层70的结构稳定性；另一方面，无需考虑压电叠层70的结构稳定性问题，可以尽可能设置较多或者孔径更大的声波隔离孔60。
示例地，支撑柱80在衬底10上的正投影的轮廓形状可以为方形、圆形、椭圆形、多边形或者由直线段和曲线段共同围合形成的封闭图形等。
在一种可行的实施例中，支撑柱80可以位于有效谐振区域50的底电极20的下方，请参照图4。在另一种可行的实施例中，支撑柱80位于有效谐振区域50的压电层30的下方，请参照图1。也就是说，支撑柱80可以位于有效谐振区域50内，也可以位于非有效谐振区域50内，只要支撑柱80能够起到支撑压电叠层70的作用即可。
在一种可选的实施例中，无论是将支撑柱80设置与有效谐振区域50还是非有效谐振区域50，支撑柱80都在有效谐振区域50的边缘处(即可以设置在有效谐振区域50的外边缘；如图1；也可以是设置在有效谐振区域50的内边缘，如图4)。
在另一种可选的实施例中，当压电叠层70在衬底10上的正投影的轮廓具有多个顶点时(例如，压电叠层70在衬底10上的正投影的轮廓由直线和曲线围合形成，那么相邻的两条线之间的连接点即为该顶点)，支撑柱80还可以设置于各顶点处；或者，也可以将支撑柱80设置于直线或者曲线的中点处。当然，以上顶点或者中点处设置支撑柱80，仅为本申请给出的几种示例，不应当看做是对本申请提供的支撑柱80的设置位置的特殊限制。在其他的实施例中，本领域技术人员也可以将支撑柱80设置于曲线或者线段的任意位置。
可选地，支撑柱80可以包括多个，多个支撑柱80均匀分布于压电叠层70的外周。例如，如图3所示，图3示出的包括三个支撑柱80的情况(其中一个支撑柱80位于图示的背面，因被遮挡未展示出)。具体地，本申请对支撑柱80的数量不做具体限定，例如，可以为3个、4个、5个、6个等，本申请不再枚举。
在本实施例中，支撑柱80的材料与衬底10的材料或者底电极20的材料相同。
本发明的另一方面，提供一种体声波谐振器的制备方法，请参照图5，该体声波谐振器的制备方法包括：
S100、刻蚀衬底10，以形成凹槽12，如图6所示。
S200、在凹槽12内填充牺牲材料，以形成牺牲层13，如图8所示。
在这里，需要说明的是，本申请提供的体声波谐振器的制备方法是用于制备前文中的体声波谐振器的，因此，前文中涉及到的体声波谐振器的各层级的材料或者形状等，对于本制备方法而言同样适用。因此，在与前文中的体声波谐振器的各项表述不相矛盾的前提下，前文中所有的相关描述对于本制备方法而言全部适用，即本制备方法包括前文中的所有情况。为避免重复说明，故对于与前文的结构部分相同的部分本制备方法不再重复说明。
上述步骤S100中形成的凹槽12是用于在步骤S200中填充牺牲材料的。其中，牺牲材料的类型本领域技术人员可以自行选择，本申请不做限定。
在向凹槽12内填充牺牲材料时，可以是通过沉积的方式沉积厚度大于凹槽12深度的牺牲材料，然后对位于衬底10上的牺牲层13进行打磨抛光处理，以使得牺牲层13的上表面与凹槽12的开口平齐。
S300、在衬底10上依次形成覆盖层材料和部分衬底10的底电极20、覆盖底电极20和露出的衬底10的压电层30以及覆盖部分压电层30的顶电极40；其中，牺牲层13、底电极20、压电层30和顶电极40在层叠方向上的交叠区域形成有效谐振区域50，位于有效谐振区域50内的底电极20、压电层30和顶电极40共同形成压电叠层70，如图9所示。
其中，底电极20和顶电极40的形成方式本申请不做限定，示例地，可以采用蒸镀或溅射工艺形成底电极20和顶电极40。
S400、在有效谐振区域50之外的区域，刻蚀压电层30以形成露出底电极20的电极引出孔31、刻蚀压电层30和部分衬底10以形成声波隔离孔60，声波隔离孔60与凹槽12连通，如图10所示。
需要说明的是，刻蚀形成电极引出孔31和刻蚀形成声波隔离孔60的先后顺序本申请不做限定，本领域技术人员可以自行选择。在这里，应理解，电极引出孔31是用于将底电极20引出的。
S500、释放牺牲层13以在衬底10内形成空腔11，如图10所示。
其中，牺牲层13的释放可以是通过声波隔离孔60使得牺牲材料与刻蚀气体或者刻蚀液体进行翻沿，从而使得凹槽12内的牺牲材料被全部反应挥发掉实现。这样，形成的空腔11便可以作为体声波谐振器的反射腔。
S600、在电极引出孔31内沉积金属以将底电极20引出压电层30之外。这样，便如图1所示的体声波谐振器便制备完成。
在一种可选的实施例中，上述步骤S100、刻蚀衬底10，以形成凹槽12，具体包括以下步骤：
刻蚀衬底10，以形成位于衬底10内的凹槽12和位于凹槽12内的支撑柱80，其中，支撑柱80用于支撑压电叠层70，如图7所示。
也就是说，前文在体声波谐振器中提到的支撑柱80是在刻蚀衬底10形成凹槽12时，便可以同步制出。具体地，支撑柱80的数量、支撑柱80的形状本领域技术人员可以自行选择，本领域技术人员可以根据支撑柱80的形状和数量选择合适的掩膜板，再通过光刻工艺制备凹槽12和支撑柱80。
本发明的又一方面，提供一种滤波器，该滤波器包括上述的体声波谐振器。由于该体声波谐振器的具体结构及其有益效果均已在前文做了详细阐述与说明，故在此不再赘述。
需要说明的是，该滤波器可以由两个或多个体声波谐振器搭建而成，由于谐振器与滤波器的搭建方式为本领域技术人员所熟知，故本申请对此不再赘述。
以上所述仅为本发明的可选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合，为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。
Claims (11)
1.一种体声波谐振器，其特征在于，包括具有空腔的衬底、设于所述衬底上的底电极、设于所述底电极上的压电层和设于所述压电层上的顶电极；所述空腔、所述底电极、所述压电层和所述顶电极在层叠方向上的交叠区域形成有效谐振区域；
所述体声波谐振器还包括位于所述有效谐振区域之外且贯通所述压电层并延伸至所述衬底内的至少一个声波隔离孔，所述声波隔离孔与所述空腔连通。
2.根据权利要求1所述的体声波谐振器，其特征在于，所述声波隔离孔包括多个，多个所述声波隔离孔围设于所述有效谐振区域的外周。
3.根据权利要求1所述的体声波谐振器，其特征在于，所述声波隔离孔为弧形孔、圆孔或者矩形孔。
4.根据权利要求1所述的体声波谐振器，其特征在于，位于所述有效谐振区域内的所述底电极、所述压电层和所述顶电极共同形成压电叠层，所述体声波谐振器还包括位于所述空腔外周的至少一个支撑柱，所述支撑柱用于支撑所述压电叠层。
5.根据权利要求4所述的体声波谐振器，其特征在于，所述支撑柱位于所述有效谐振区域的底电极的下方。
6.根据权利要求4所述的体声波谐振器，其特征在于，所述支撑柱位于所述有效谐振区域的压电层的下方。
7.根据权利要求4所述的体声波谐振器，其特征在于，所述支撑柱包括多个，多个所述支撑柱均匀分布于所述压电叠层的外周。
8.根据权利要求4至7任意一项所述的体声波谐振器，其特征在于，所述支撑柱的材料与所述衬底的材料或者所述底电极的材料相同。
9.一种体声波谐振器的制备方法，其特征在于，包括：
刻蚀衬底，以形成凹槽；
在所述凹槽内填充牺牲材料，以形成牺牲层；
在所述衬底上依次形成覆盖所述牺牲层和部分所述衬底的底电极、覆盖所述底电极和露出的所述衬底的压电层以及覆盖部分所述压电层的顶电极；其中，所述牺牲层、所述底电极、所述压电层和所述顶电极在层叠方向上的交叠区域形成有效谐振区域，位于所述有效谐振区域内的所述底电极、所述压电层和所述顶电极共同形成压电叠层；
在所述有效谐振区域之外的区域，刻蚀所述压电层以形成露出所述底电极的电极引出孔、刻蚀所述压电层和部分所述衬底以形成声波隔离孔，所述声波隔离孔与所述凹槽连通；
释放所述牺牲层以在所述衬底内形成空腔；
在所述电极引出孔内沉积金属以将所述底电极引出所述压电层之外。
10.根据权利要求9所述的体声波谐振器的制备方法，其特征在于，所述刻蚀衬底，以形成凹槽，包括：
刻蚀衬底，以形成位于所述衬底内的凹槽和位于所述凹槽内的支撑柱，其中，所述支撑柱用于支撑所述压电叠层。
11.一种滤波器，其特征在于，包括权利要求1至8中任意一项所述的体声波谐振器。
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