CN113852357B - 一种薄膜体声波谐振器结构及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出了一种薄膜体声波谐振器结构及其制造方法。所述薄膜体声波谐振器包括基体、缓冲层、第一空腔、第二空腔、第一电极、沉积压电层、第二电极和保护层；所述第一空腔由所述基体的凹槽与所述基体上表面覆盖的缓冲层形成；所述沉积压电层布设于所述缓冲层上方，所述沉积压电层凸起部分的下表面附着有第一电极；所述第一电极与所述缓冲层之间形成第二空腔；所述第二电极设置与所述沉积压电层上方，所述保护层覆盖与所述第二电极和外露的沉积压电层表面。
Description
技术领域
本发明提出了一种薄膜体声波谐振器结构及其制造方法，属于滤波器技术领域。
背景技术
谐振器是滤波器的核心组成部件，谐振器性能的优劣直接决定了滤波器性能的好坏。在现有的谐振器中，薄膜体声波谐振器（Film Bulk Acoustic Resonator，FBAR）因其体积小、插入损耗低、带外抑制大、品质因数高、工作频率高、功率容量大以及抗静电冲击能力良好等特点，在现代无线通讯技术中具有非常广阔的应用前景。当时，现有的谐振器由于相邻薄膜体声波谐振器之间的压电层是连通的、且该区域内的压电层直接与基底接触，所以导致在薄膜体声波谐振器工作时，压电振荡堆内的部分声波会通过压电层传播进入基底中，从而造成薄膜体声波谐振器的声波损失，进而导致薄膜体声波谐振器的性能下降。
发明内容
本发明提供了一种薄膜体声波谐振器结构及其制造方法，用以解决声波损失导致薄膜体声波谐振器性能下降的问题：
一种薄膜体声波谐振器的制造方法，所述制造方法包括：
步骤1、提供基体，并在所述基体上蚀刻出第一凹槽；
步骤2、将所述第一凹槽内填进行填充形成第一牺牲层，其中，所述第一牺牲层上表面与所述基体的上表面处于同一水平面；
步骤3、在所述基体和第一牺牲层上表面布设缓冲层；其中，缓冲层的材料为氮化铝或氧化铝；
步骤4、在缓冲层上表面铺设第二牺牲层，所述第二牺牲层的厚度小于第一牺牲层的厚度；其中，所述第一牺牲层和第二牺牲层的材料均采用二氧化硅或氮化硅；
步骤5、将用于制作第一电极的材料布设在所述牺牲层上方，并在所述牺牲层上方形成第一电极层；
步骤6、在所述第一电极层上表面进行图形化处理，并根据图形化处理后的图形对第一电极层和第二牺牲层一并进行蚀刻，获得第一电极和位于第一电极下方的蚀刻后第二牺牲层；
步骤7、在蚀刻后裸露出的缓冲层上设置与所述第一牺牲层相连的牺牲层延展部；
步骤8、在第一电极、蚀刻后裸露出的缓冲层上方以及所述通孔内填充的牺牲材料的上方通过沉积方式形成沉积压电层；
步骤9、在所述沉积压电层上形成第二电极，其中，所述第二电极、沉积压电层和第一电极的厚度相同；
步骤10、去除所述第一牺牲层、牺牲层延展部和第二牺牲层，形成第一空腔和第二空腔；并在第二电极和未被第二电极覆盖的所述沉积压电层上布设保护层。
进一步地，步骤5所述将用于制作第一电极的材料沉积在所述牺牲层上方，并在所述牺牲层上方形成第一电极层，包括：
步骤501、在第二牺牲层上表面上进行多个正方形区域划分，获得多个正方形区域；
步骤502、以每个所述正方形区域中心点和最后一个矩形区域的中心点为起始区域通过沉积方式同一时刻在每个所述正方形区域和最后一个矩形区域中沉积所述电极层，进而使多个所述正方形区域和最后一个矩形区域内的电极层相接形成第一电极层。
进一步地，在第二牺牲层上表面上进行多个正方形区域划分，获得多个正方形区域，包括：
步骤5011、在第二牺牲层上表面上，设置所述正方形区域的边长，其中，所述正方形区域的边长为第二牺牲层最短边长度的1/2长度；
步骤5012、按照所述正方形区域的边长将所述第二牺牲层上表面分成两行排列的多个正方形区域，且，当最后一个区域出现无法形成正方形区域时，按照第一区域划分原则对最后一个区域进行划分。
进一步地，所述第一区域划分原则如下：
针对最后一个不满正方形结构的区域，如果该区域宽边尺寸大于1/4的最短边长度，则该区域为单独一个矩形区域；如果该区域宽边尺寸小于1/4的最短边长度，则该区域为合并至前一个相邻的正方形区域内。
进一步地，在蚀刻后裸露出的缓冲层上设置与所述第一牺牲层相连的牺牲层延展部，包括：
步骤701、在蚀刻后裸露出的缓冲层与第一牺牲层相重叠的位置制造多个通孔；
步骤702、在所述通孔中填充牺牲层材料，使填充后的牺牲层材料与所述第一牺牲层相连，并且，填充后的牺牲层材料的上表面与所述缓冲层的上表面处于同一水平面，其中，所述通孔内填充的牺牲层材料即为牺牲层延展部。
进一步地，所述缓冲层的通孔与所述第一空腔之间存在如下关系：
0.33h≤d≤0.45h
其中，d表示通孔直径，h表示第一空腔最大深度点到缓冲层水平面的垂直距离。
进一步地，步骤9所述在所述沉积压电层上形成第二电极，包括：
步骤901、在沉积压电层上表面通过图形处理获得与所述第一电极层范围相同的电极区域；
步骤902、将所述电极区域划分为多个正方形区域；
步骤903、以每个所述正方形区域中心点和最后一个矩形区域的中心点为起始区域通过沉积方式同一时刻在每个所述正方形区域和最后一个矩形区域中沉积所述电极层，进而使多个所述正方形区域和最后一个矩形区域内的电极层相接形成第一电极层。
进一步地，所述将所述电极区域划分为多个正方形区域，包括：
步骤9021、获取所述电极区域的边长，并根据所述电极区域的边长设置所述正方形区域的边长，其中，所述正方形边长为所述电极区域的最短边长度的1/2；
步骤9022、将所述沉积压电层上表面分成两行排列的多个正方形区域，且，当最后一个区域出现无法形成正方形区域时按照第二区域划分原则，对最后一个区域进行划分。
进一步地，所述第二区域划分原则为：针对最后一个不满正方形结构的区域，如果该区域宽边尺寸大于3/4的最短边长度，则该区域为单独一个矩形区域；如果该区域宽边尺寸小于3/4的最短边长度，则该区域为合并至前一个相邻的正方形区域内。
一种利用上述任一制造方法形成的薄膜体声波谐振器，所述薄膜体声波谐振器包括基体、缓冲层、第一空腔、第二空腔、第一电极、沉积压电层、第二电极和保护层；所述第一空腔由所述基体的凹槽与所述基体上表面覆盖的缓冲层形成；所述沉积压电层布设于所述缓冲层上方，所述沉积压电层凸起部分的下表面附着有第一电极；所述第一电极与所述缓冲层之间形成第二空腔；所述第二电极设置与所述沉积压电层上方，所述保护层覆盖与所述第二电极和外露的沉积压电层表面。
本发明有益效果：
本发明提出的一种薄膜体声波谐振器结构及其制造方法能够通过第一空腔和第二空腔配合设计，以及，第一空腔和第二空腔的结构和尺寸设计之间的配合能够有效降低薄膜体声波谐振器的声波损失，从而有效防止薄膜体声波谐振器的性能下降，提高薄膜体声波谐振器制造过程中的良品率。
附图说明
图1为本发明所述制造方法的流程图；
图2为本发明所述薄膜谐振器结构示意图一；
图3为本发明所述薄膜谐振器结构示意图二；
（1，基体；2，缓冲层；3，第二牺牲层；4，第一电极；5，沉积压电层；6，保护层；7，第一牺牲层；8；第二电极；9，第一空腔；10，第二空腔）。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明提出的一种薄膜体声波谐振器的制造方法，如图1所示，所述制造方法包括：
步骤1、提供基体，并在所述基体上蚀刻出第一凹槽；
步骤2、将所述第一凹槽内填进行填充形成第一牺牲层，其中，所述第一牺牲层上表面与所述基体的上表面处于同一水平面；
步骤3、在所述基体和第一牺牲层上表面布设缓冲层；其中，缓冲层的材料为氮化铝或氧化铝；
步骤4、在缓冲层上表面铺设第二牺牲层，所述第二牺牲层的厚度小于第一牺牲层的厚度；其中，所述第一牺牲层和第二牺牲层的材料均采用二氧化硅或氮化硅；
步骤5、将用于制作第一电极的材料布设在所述牺牲层上方，并在所述牺牲层上方形成第一电极层；
步骤6、在所述第一电极层上表面进行图形化处理，并根据图形化处理后的图形对第一电极层和第二牺牲层一并进行蚀刻，获得第一电极和位于第一电极下方的蚀刻后第二牺牲层；
步骤7、在蚀刻后裸露出的缓冲层上设置与所述第一牺牲层相连的牺牲层延展部；
步骤8、在第一电极、蚀刻后裸露出的缓冲层上方以及所述通孔内填充的牺牲材料的上方通过沉积方式形成沉积压电层；
步骤9、在所述沉积压电层上形成第二电极，其中，所述第二电极、沉积压电层和第一电极的厚度相同；
步骤10、去除所述第一牺牲层、牺牲层延展部和第二牺牲层，形成第一空腔和第二空腔；并在第二电极和未被第二电极覆盖的所述沉积压电层上布设保护层。
上述技术方案的效果为：一种薄膜体声波谐振器结构及其制造方法能够通过第一空腔和第二空腔配合设计，以及，第一空腔和第二空腔的结构和尺寸设计之间的配合能够有效降低薄膜体声波谐振器的声波损失，从而有效防止薄膜体声波谐振器的性能下降，提高薄膜体声波谐振器制造过程中的良品率。
本发明的一个实施例，步骤5所述将用于制作第一电极的材料沉积在所述牺牲层上方，并在所述牺牲层上方形成第一电极层，包括：
步骤501、在第二牺牲层上表面上进行多个正方形区域划分，获得多个正方形区域；
步骤502、以每个所述正方形区域中心点和最后一个矩形区域的中心点为起始区域通过沉积方式同一时刻在每个所述正方形区域和最后一个矩形区域中沉积所述电极层，进而使多个所述正方形区域和最后一个矩形区域内的电极层相接形成第一电极层。
其中，在第二牺牲层上表面上进行多个正方形区域划分，获得多个正方形区域，包括：
步骤5011、在第二牺牲层上表面上，设置所述正方形区域的边长，其中，所述正方形区域的边长为第二牺牲层最短边长度的1/2长度；
步骤5012、按照所述正方形区域的边长将所述第二牺牲层上表面分成两行排列的多个正方形区域，且，当最后一个区域出现无法形成正方形区域时，按照第一区域划分原则对最后一个区域进行划分。
上述技术方案的效果为：由于电极沉积过程中易产生中心和边缘厚度不均匀的问题，需要反复进行沉积厚度调整才能够不保证电极层厚度的一致性，这不仅容易导致薄膜谐振器因电极厚度不一致而产生性能降低，还会极大程度上降低电极层制造效率，因此，通过上述分区域进行沉积的方式，通过减小单位沉积面积的方式降低大面积沉积造成的电极厚度不一致问题，同时，通过多个正方形区域的同时沉积形成电极层，能够有效提高电极层形成速度。进而既能够提高电极层制造效率又能够保证在电极层面积较大的情况下，提高电极层各区域厚度的一致性。另一方面，由于沉积电极层方式的限制，导致如果单个区域过小，反而会影响沉积电极层的效果不佳，因此，通过上述方式设置正方形区域的边长，能够保证正方形区域不仅能够满足电极层形成的效率需求，同时不会应为正方形区域划分过小过多影响电极层沉积效果和形成质量，进而有效提高正方形区域形成的合理性。
本发明的一个实施例，所述第一区域划分原则如下：
针对最后一个不满正方形结构的区域，如果该区域宽边尺寸大于1/4的最短边长度，则该区域为单独一个矩形区域；如果该区域宽边尺寸小于1/4的最短边长度，则该区域为合并至前一个相邻的正方形区域内。
上述技术方案的工作原理和效果为：由于薄膜谐振器的实际尺寸不能够保证正方形区域能够按照完整区域划分布满，因此，通过上述规则能够保证最后一个区域划分的合理性，既能够保证最后一个区域的划分不会因为区域过小而造成电极层制造质量不佳的问题发生，又能够保证最后一个区域不会因为过大而导致电极层厚度不一致的问题发生。
本发明的一个实施例，在蚀刻后裸露出的缓冲层上设置与所述第一牺牲层相连的牺牲层延展部，包括：
步骤701、在蚀刻后裸露出的缓冲层与第一牺牲层相重叠的位置制造多个通孔；
步骤702、在所述通孔中填充牺牲层材料，使填充后的牺牲层材料与所述第一牺牲层相连，并且，填充后的牺牲层材料的上表面与所述缓冲层的上表面处于同一水平面，其中，所述通孔内填充的牺牲层材料即为牺牲层延展部。
其中，所述缓冲层的通孔与所述第一空腔之间存在如下关系：
0.33h≤d≤0.45h
其中，d表示通孔直径，h表示第一空腔最大深度点到缓冲层水平面的垂直距离。
上述技术方案的工作原理和效果为：通过上述方式能够通过第一空腔与沉积压电层之间的连通，使第一空腔、第二空腔以及沉积压电层之间形成连通，进而有效降低薄膜体声波谐振器的声波损失，从而有效防止薄膜体声波谐振器的性能下降，提高薄膜体声波谐振器制造过程中的良品率。另一方面，通过上述第一空腔和第二空腔的形状及结构的设置，能够有效降低带有多个空腔区域情况下的薄膜谐振器的制造复杂性，提高薄膜谐振器的制造效率。同时，在多个薄膜谐振器形成滤波器的情况下，可以通过第多个薄膜谐振器对应的第一空腔的连通，进一步降低基体对薄膜体声波谐振器的声波损失，在多级谐振器的情况下，依然能够极大程度上提高整体滤波器的性能质量和良品率。同时，通过上述通孔尺寸的设置既能够保证沉积压电层与第一空腔之间具有足够的连通性进而降低声波损失，又能够保证压电层与缓冲增之间的接触面积的充足性和缓冲层的相对完整性，防止通孔开设过大导致缓存层性能降低的问题发生。
本发明的一个实施例，步骤9所述在所述沉积压电层上形成第二电极，包括：
步骤901、在沉积压电层上表面通过图形处理获得与所述第一电极层范围相同的电极区域；
步骤902、将所述电极区域划分为多个正方形区域；
步骤903、以每个所述正方形区域中心点和最后一个矩形区域的中心点为起始区域通过沉积方式同一时刻在每个所述正方形区域和最后一个矩形区域中沉积所述电极层，进而使多个所述正方形区域和最后一个矩形区域内的电极层相接形成第一电极层。
其中，所述将所述电极区域划分为多个正方形区域，包括：
步骤9021、获取所述电极区域的边长，并根据所述电极区域的边长设置所述正方形区域的边长，其中，所述正方形边长为所述电极区域的最短边长度的1/2；
步骤9022、将所述沉积压电层上表面分成两行排列的多个正方形区域，且，当最后一个区域出现无法形成正方形区域时按照第二区域划分原则，对最后一个区域进行划分。
所述第二区域划分原则为：针对最后一个不满正方形结构的区域，如果该区域宽边尺寸大于3/4的最短边长度，则该区域为单独一个矩形区域；如果该区域宽边尺寸小于3/4的最短边长度，则该区域为合并至前一个相邻的正方形区域内。
上述技术方案的工作原理及效果为：由于电极沉积过程中易产生中心和边缘厚度不均匀的问题，需要反复进行沉积厚度调整才能够不保证电极层厚度的一致性，这不仅容易导致薄膜谐振器因电极厚度不一致而产生性能降低，还会极大程度上降低电极层制造效率，因此，通过上述分区域进行沉积的方式，通过减小单位沉积面积的方式降低大面积沉积造成的电极厚度不一致问题，同时，通过多个正方形区域的同时沉积形成电极层，能够有效提高电极层形成速度。进而既能够提高电极层制造效率又能够保证在电极层面积较大的情况下，提高电极层各区域厚度的一致性。另一方面，由于沉积电极层方式的限制，导致如果单个区域过小，反而会影响沉积电极层的效果不佳，因此，通过上述方式设置正方形区域的边长，能够保证正方形区域不仅能够满足电极层形成的效率需求，同时不会应为正方形区域划分过小过多影响电极层沉积效果和形成质量，进而有效提高正方形区域形成的合理性。
本发明实施例提出了一种上述任一制造方法形成的薄膜体声波谐振器，如图3所示，所述薄膜体声波谐振器包括基体、缓冲层、第一空腔、第二空腔、第一电极、沉积压电层、第二电极和保护层；所述第一空腔由所述基体的凹槽与所述基体上表面覆盖的缓冲层形成；所述沉积压电层布设于所述缓冲层上方，所述沉积压电层凸起部分的下表面附着有第一电极；所述第一电极与所述缓冲层之间形成第二空腔；所述第二电极设置与所述沉积压电层上方，所述保护层覆盖与所述第二电极和外露的沉积压电层表面。
通过上述方式能够通过第一空腔与沉积压电层之间的连通，使第一空腔、第二空腔以及沉积压电层之间形成连通，进而有效降低薄膜体声波谐振器的声波损失，从而有效防止薄膜体声波谐振器的性能下降，提高薄膜体声波谐振器制造过程中的良品率。另一方面，通过上述第一空腔和第二空腔的形状及结构的设置，能够有效降低带有多个空腔区域情况下的薄膜谐振器的制造复杂性，提高薄膜谐振器的制造效率。同时，在多个薄膜谐振器形成滤波器的情况下，可以通过第多个薄膜谐振器对应的第一空腔的连通，进一步降低基体对薄膜体声波谐振器的声波损失，在多级谐振器的情况下，依然能够极大程度上提高整体滤波器的性能质量和良品率。
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，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。
Claims (10)
1.一种薄膜体声波谐振器的制造方法，其特征在于，所述制造方法包括：
步骤1、提供基体，并在所述基体上蚀刻出第一凹槽；
步骤2、将所述第一凹槽内填进行填充形成第一牺牲层，其中，所述第一牺牲层上表面与所述基体的上表面处于同一水平面；
步骤3、在所述基体和第一牺牲层上表面布设缓冲层；
步骤4、在缓冲层上表面铺设第二牺牲层，所述第二牺牲层的厚度小于第一牺牲层的厚度；
步骤5、将用于制作第一电极的材料布设在所述牺牲层上方，并在所述牺牲层上方形成第一电极层；
步骤6、在所述第一电极层上表面进行图形化处理，并根据图形化处理后的图形对第一电极层和第二牺牲层一并进行蚀刻，获得第一电极和位于第一电极下方的蚀刻后第二牺牲层；
步骤7、在蚀刻后裸露出的缓冲层上设置与所述第一牺牲层相连的牺牲层延展部；
步骤8、在第一电极、蚀刻后裸露出的缓冲层上方以及通孔内填充的牺牲材料的上方通过沉积方式形成沉积压电层；
步骤9、在所述沉积压电层上形成第二电极，其中，所述第二电极、沉积压电层和第一电极的厚度相同；
步骤10、去除所述第一牺牲层、牺牲层延展部和第二牺牲层，形成第一空腔和第二空腔；并在第二电极和未被第二电极覆盖的所述沉积压电层上布设保护层。
2.根据权利要求1所述制造方法，其特征在于，步骤5所述将用于制作第一电极的材料沉积在所述牺牲层上方，并在所述牺牲层上方形成第一电极层，包括：
步骤501、在第二牺牲层上表面上进行多个正方形区域划分，获得多个正方形区域；
步骤502、以每个所述正方形区域中心点和最后一个矩形区域的中心点为起始区域通过沉积方式同一时刻在每个所述正方形区域和最后一个矩形区域中沉积所述电极层，进而使多个所述正方形区域和最后一个矩形区域内的电极层相接形成第一电极层。
3.根据权利要求2所述制造方法，其特征在于，在第二牺牲层上表面上进行多个正方形区域划分，获得多个正方形区域，包括：
步骤5011、在第二牺牲层上表面上，设置所述正方形区域的边长，其中，所述正方形区域的边长为第二牺牲层最短边长度的1/2长度；
步骤5012、按照所述正方形区域的边长将所述第二牺牲层上表面分成两行排列的多个正方形区域，且，当最后一个区域出现无法形成正方形区域时，按照第一区域划分原则对最后一个区域进行划分。
4.根据权利要求3所述制造方法，其特征在于，所述第一区域划分原则如下：
针对最后一个不满正方形结构的区域，如果该区域宽边尺寸大于1/4的最短边长度，则该区域为单独一个矩形区域；如果该区域宽边尺寸小于1/4的最短边长度，则该区域为合并至前一个相邻的正方形区域内。
5.根据权利要求1所述制造方法，其特征在于，在蚀刻后裸露出的缓冲层上设置与所述第一牺牲层相连的牺牲层延展部，包括：
步骤701、在蚀刻后裸露出的缓冲层与第一牺牲层相重叠的位置制造多个通孔；
步骤702、在所述通孔中填充牺牲层材料，使填充后的牺牲层材料与所述第一牺牲层相连，并且，填充后的牺牲层材料的上表面与所述缓冲层的上表面处于同一水平面，其中，所述通孔内填充的牺牲层材料即为牺牲层延展部。
6.根据权利要求3所述制造方法，其特征在于，所述缓冲层的通孔与所述第一空腔之间存在如下关系：
0.33h≤d≤0.45h
其中，d表示通孔直径，h表示第一空腔最大深度点到缓冲层水平面的垂直距离。
7.根据权利要求1所述制造方法，其特征在于，步骤9所述在所述沉积压电层上形成第二电极，包括：
步骤901、在沉积压电层上表面通过图形处理获得与所述第一电极层范围相同的电极区域；
步骤902、将所述电极区域划分为多个正方形区域；
步骤903、以每个所述正方形区域中心点和最后一个矩形区域的中心点为起始区域通过沉积方式同一时刻在每个所述正方形区域和最后一个矩形区域中沉积所述电极层，进而使多个所述正方形区域和最后一个矩形区域内的电极层相接形成第一电极层。
8.根据权利要求7所述制造方法，其特征在于，所述将所述电极区域划分为多个正方形区域，包括：
步骤9021、获取所述电极区域的边长，并根据所述电极区域的边长设置所述正方形区域的边长，其中，所述正方形边长为所述电极区域的最短边长度的1/2；
步骤9022、将所述沉积压电层上表面分成两行排列的多个正方形区域，且，当最后一个区域出现无法形成正方形区域时按照第二区域划分原则，对最后一个区域进行划分。
9.根据权利要求8所述制造方法，其特征在于，所述第二区域划分原则为：针对最后一个不满正方形结构的区域，如果该区域宽边尺寸大于3/4的最短边长度，则该区域为单独一个矩形区域；如果该区域宽边尺寸小于3/4的最短边长度，则该区域为合并至前一个相邻的正方形区域内。
10.一种利用权利要求1-4任一制造方法形成的薄膜体声波谐振器，其特征在于，所述薄膜体声波谐振器包括基体、缓冲层、第一空腔、第二空腔、第一电极、沉积压电层、第二电极和保护层；所述第一空腔由所述基体的凹槽与所述基体上表面覆盖的缓冲层形成；所述沉积压电层布设于所述缓冲层上方，所述沉积压电层凸起部分的下表面附着有第一电极；所述第一电极与所述缓冲层之间形成第二空腔；所述第二电极设置与所述沉积压电层上方，所述保护层覆盖与所述第二电极和外露的沉积压电层表面。
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