CN114094975A - 一种体声波谐振器及其制造方法 - Google Patents

一种体声波谐振器及其制造方法 Download PDF

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Abstract

本申请涉及一种体声波谐振器，包括：衬底，其中所述衬底包括空腔，所述空腔开口位于所述衬底上表面，所述空腔底部被所述衬底封闭；位于所述衬。底和所述空腔上方的压电薄膜；以及位于所述压电薄膜上表面的两组相互交错的叉指电极。本申请还涉及一种体声波谐振器的制备方法。

Description

一种体声波谐振器及其制造方法
技术领域
本发明涉及微机电领域，特别地涉及一种体声波谐振器及其制造方法。
背景技术
滤波器作为选频滤波器件，直接决定了通信设备的工作频段和带宽，在射频前端扮演了举足轻重的角色。
在3G/4G滤波器市场中，基于体声波(BAW)的滤波器具有低插入损耗、高矩形系数、高功率容量等优点，因此被广泛应用在当代无线通讯系统中。但是5G通信的出现，对声学滤波器提出了更高的要求：
(1)5G NR(New Radio)使用了频率更高的频段，体声波(BAW)滤波器的声学和欧姆损耗随着工作频率急剧上升，导致滤波器插入损耗的增加；
(2)5G NR频段N78、N79和N77分别需要500、600和900MHz的带宽，这对于市场上主流的基于氮化铝(AlN)的体声波(BAW)滤波器而言是难以实现的，因其带宽受限于氮化铝(AlN)的机电耦合系数。
现有技术有一种基于铌酸锂单晶压电层的高频横向激励体声波谐振器，其利用横向电场在压电层中引入剪切变形，从而强烈激发剪切模式声波，其有效机电耦合系数超过20％，比较适用于Sub-6G中的5G高宽带频段，引起极大关注。这类谐振器利用薄膜铌酸锂转移技术将铌酸锂转移至衬底上，采用剥离工艺(lift-off)形成叉指电极，采用氢氧化钾(KOH)腐蚀或者电感耦合等离子体(ICP)刻蚀衬底，直至露出铌酸锂。
图1A所示是使用现有技术的体声波谐振器的剖面示意图。该谐振器是横向激励体声波谐振器，包括硅衬底10，压电薄膜12，相互交叉的第一叉指电极13和第二叉指电极14，以及与外部连通的空腔11。
图1B所示是图1A所示的体声波谐振器的俯视示意图，多个第一叉指电极13通过第一汇流条131相连，多个第二叉指电极14通过第二汇流条141相连。可以给第一汇流条131和第二汇流条141施加例如极性相反的电压。由于压电效应，横向电场在压电层中引入剪切变形，从而强烈激发剪切模式声波。
但由于其铌酸锂薄膜非常薄，加上谐振器结构背面有个与外部连通的空腔，导致结构稳定性差，在封装、组装过程中铌酸锂薄膜容易受到破坏，影响性能。另外，现有体声波谐振器采用有效谐振区域与不可动基底区域搭连，会有声波泄漏至衬底，使得能量耗散至衬底。
发明内容
针对现有技术中存在的技术问题，本申请提出了一种体声波谐振器，包括：衬底，其中所述衬底包括空腔，所述空腔开口于所述衬底上表面，所述空腔底部被所述衬底封闭；以及位于所述衬底和所述空腔上方的压电薄膜；以及位于所述压电薄膜上表面的两组相互交错的叉指电极。
特别的，所述的体声波谐振器，其中，在位于所述叉指电极最外侧叉指以外的区域设有贯穿所述压电薄膜的开口。
特别的，所述开口与所述叉指电极相邻最近叉指之间的距离为所述谐振器产生声波的二分之一波长。
特别的，所述开口在平行于所述叉指电极方向上的长度大于所述叉指电极的长度。
特别的，所述的体声波谐振器，其中，所述空腔底部包括多个向所述压电薄膜延伸并与所述压电薄膜保持距离的凸岛。
特别的，所述的体声波谐振器，其中，所述压电薄膜与所述凸岛之间的距离为所述压电薄膜厚度的1/10～1/5。
特别的，所述的体声波谐振器，其中，在所述压电薄膜上在所述开口远离所述叉指电极的一侧设有与所述叉指电极基本平行的反射栅。
特别的，所述的体声波谐振器，其中，每组所述叉指电极与各自的汇流条相连，并且在至少其中一个所述汇流条上设有一层额外的金属层。
特别的，所述的体声波谐振器，其中，所述反射栅包括形成于所述压电薄膜中并开口于所述压电薄膜上表面的凹槽。
特别的，所述的体声波谐振器，其中，所述凹槽中填充有氮化硅。
特别的，所述的体声波谐振器，其中，所述反射栅包括多条，所述反射栅的宽度和所述反射栅之间的间隔宽度为所述谐振器产生的声波的四分之一波长。
特别的，所述的体声波谐振器，其中，所述多条反射栅的相同端彼此相连。
本申请还提供了一种体声波谐振器的制备方法，包括：提供第一衬底，并在所述第一衬底中刻蚀形成空腔，所述空腔开口于所述第一衬底上表面，且所述空腔的下表面被所述第一衬底封闭；提供第二衬底包括压电材料，并在所述第二衬底中形成H+离子层；将所述第一衬底的上表面与所述第二衬底键合，形成键合结构片；将所述键合结构片加热，将所述第二衬底的一部分从所述H+离子层处剥离去除，保留的所述第二衬底的另一部分作为与所述第一衬底键合的压电薄膜；在所述压电薄膜上形成彼此交错的两组叉指电极。
特别的，所述的方法，还包括在最外侧叉指电极以外的区域刻蚀形成贯穿所述压电薄膜的开口；所述开口与所述叉指电极相邻最近叉指之间的距离为所述谐振器产生声波的二分之一波长；所述开口在平行于所述叉指电极方向上的长度大于所述叉指电极的长度。
特别的，所述的方法，还包括：在形成所述空腔的过程中，在所述空腔的底部形成多个向所述压电薄膜延伸的凸岛；对所述凸岛进行刻蚀使其上沿低于所述第一衬底的上表面，所述压电薄膜与所述凸岛之间的距离为所述压电薄膜厚度的1/10～1/5。
特别的，所述的方法，还包括：在最外侧叉指电极以外的区域在所述压电薄膜上形成多条与所述叉指基本平行的反射栅，其中所述反射栅的宽度以及所述反射栅之间的间距为所述体谐振器产生的声波波长的四分之一。
特别的，所述的方法，还包括：在最外侧叉指电极以外的区域在所述压电薄膜中形成多条与所述叉指电极基本平行并开口于所述压电薄膜上表面的凹槽，其中所述凹槽的宽度以及所述凹槽之间的间距为所述体谐振器产生的声波波长的四分之一；以及在所述凹槽中填充氮化硅。
附图说明
下面，将结合附图对本发明的优选实施方式进行进一步详细的说明，其中：
图1A所示为现有体声波谐振器的剖面示意图；
图1B所示为图1A所示的体声波谐振器的俯视示意图；
图2A所示为根据本申请的一个实施例的体声波谐振器的剖面示意图；
图2B所示为根据本申请的一个实施例的体声波谐振器的剖面示意图；
图2C所示为图2B所示体声波谐振器的俯视示意图；
图3所示为根据本申请的一个实施例的体声波谐振器的剖面示意图；
图4所示为根据本申请的一个实施例的体声波谐振器的剖面示意图；
图5A所示为根据本申请一个实施例的剖面示意图；
图5B所示为图5A所示体声波谐振器的俯视示意图；
图5C所示为根据本申请一个实施例的体声波谐振器的俯视示意图；
图6A所示为根据本申请一个实施例的体声波谐振器的剖面示意图；
图6B所示为图6A所示体声波谐振器的俯视示意图；
图6C所示为根据本申请一个实施例的体声波谐振器的俯视示意图；
图7A所示为根据本申请一个实施例的体声波谐振器的剖面示意图；
图7B所示为图7A所示体声波谐振器的俯视示意图。
图8A～8D所示为根据本申请一个实施例的体声波谐振器的制备工艺流程示意图；
图9A～9F所示为根据本申请一个实施例的体声波谐振器的制备工艺流程示意图；
图10A～10F所示为根据本申请一个实施例的体声波谐振器的制备工艺流程示意图；
图11A～图11D所示为根据本申请一个实施例的体声波谐振器的制备工艺流程示意图；
图11E和图11F所示为图11A所示结构的俯视示意图；以及
图12A～12F所示为根据本申请一个实施例的体声波谐振器的制备工艺流程示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在以下的详细描述中，可以参看作为本申请一部分用来说明本申请的特定实施例的各个说明书附图。在附图中，相似的附图标记在不同图式中描述大体上类似的组件。本申请的各个特定实施例在以下进行了足够详细的描述，使得具备本领域相关知识和技术的普通技术人员能够实施本申请的技术方案。应当理解，还可以利用其它实施例或者对本申请的实施例进行结构、逻辑或者电性的改变。
图2A所示为根据本申请一个实施例的体声波谐振器的剖面示意图。其中，20是衬底，衬底中包括一个空腔21，空腔21开口于衬底20的上表面，并且下方被衬底20封闭，在衬底20上方特别是空腔21上方的压电薄膜22，彼此交错分布的叉指电极23和24。多个叉指电极23和多个叉指电极24分别通过各自汇流条相连，当叉指电极23和24的汇流条分别加上相反的电压时，由于压电效应，横向电场在压电层中引入剪切变形，从而强烈激发剪切模式声波。
在本实施例中，由于体声波谐振器中包括空腔21从而形成空气反射层，降低损耗，提升品质因数，从而提升谐振器性能。
相较于图1A所示的谐振器，图2A所示体声波谐振器衬底上的空腔21不是贯穿整个衬底的，这种设计可以提升体声波谐振器的结构稳定性。
图2B所示为根据本申请另一实施例的体声波谐振器的剖面示意图。图2B所示的体声波谐振器的空腔21’不是封闭的，在压电薄膜22’上在叉指电极23’和/或24’的最外侧叉指以外区域各设有一个贯穿压电薄膜22’的开口25，并且开口25落在空腔21’在压电薄膜表面的投影内。根据一个实施例，开口25与相邻最近叉指电极之间的距离为谐振器产生声波的二分之一波长，开口25在与叉指电极平行方向上的长度应大于叉指电极的长度。形成开口25的目的是为了防止压电薄膜22’过度变形。空腔21’同样可以形成空气反射层降低损耗，开口25还可以协助改善散热，相比于图2A所示不包括开口25的体声波谐振器，图2B所示的体声波谐振器进一步提升了散热性能。
图2C所示为图2B所示体声波谐振器的俯视示意图。其中多个第一叉指电极23’通过第一汇流条231相连，多个第二叉指电极24’通过第二汇流条241相连。当第一汇流条231和第二汇流条241分别加上相反的电压，由于压电效应，横向电场在压电层中引入剪切变形，从而强烈激发剪切模式声波。
图3所示为根据本申请又一实施例的体声波谐振器的剖面示意图。该体声波谐振器包括空腔31，空腔31的内部设有若干个自其底面向上延伸的凸岛36。凸岛36与压电薄膜32之间的距离应该超过谐振器谐振时压电薄膜32形变的位移范围，例如这个距离可以是压电薄膜32厚度的1/10～1/5。
凸岛36的设置可以进一步提升谐振器结构的可靠性。因为压电薄膜32很薄，只有几百纳米。一般来说压电薄膜在谐振器谐振时的正常形变只有几十纳米，但在封装或组装过程中很容易受到外力的作用发生形变，外力引发的非正常形变可能达到一微米以上，容易损坏压电薄膜。凸岛36则可以在垂直于压电薄膜32的方向上起到限位作用，减小外力引发的形变，进一步提升谐振器的结构可靠性。
可选择的，根据一个实施例，图3所示的体声波谐振器中的压电薄膜32中也可以包括贯穿压电薄膜32的开口35。根据一个实施例，开口35与相邻最近叉指电极之间的距离为谐振器产生声波的二分之一波长，开口35在与叉指电极平行方向上的长度应大于叉指电极的长度。
图4所示为根据本申请一个实施例的体声波谐振器的剖面示意图。该体声波谐振器的空腔41上方、压电薄膜42下表面上可以设有多个例如氮化硅材料的凸点46，可选的，凸点46的材料还可以是氧化硅或碳化硅。根据一个实施例，凸点46的高度可以为几十纳米至一微米。根据另一个实施例，凸点46的位置可以设置在压电薄膜谐振的振动节点处。
凸点46的设置可以进一步提升结构的可靠性，因为压电薄膜42只有几百纳米的厚度，在封装或组装过程中很容易受到外力的作用发生形变，压电薄膜在谐振器谐振时的正常形变只有几十纳米，但外力引发的非正常形变可能达到一微米以上，容易损坏压电薄膜。凸点46可以在垂直于压电薄膜42的方向上起到限位作用，减小外力引发的形变，提升谐振器的结构可靠性。
可选择的，根据一个实施例，图4所示体声波谐振器中的压电薄膜42中也可以包括贯穿压电薄膜42的开口45，并且开口45落在空腔41在压电薄膜表面的投影内。根据一个实施例，开口45与相邻最近叉指电极之间的距离为谐振器产生声波的二分之一波长，开口45在与叉指电极平行方向上的长度应大于叉指电极的长度。
图5A所示为根据本申请一个实施例的体声波谐振器的剖面示意图；图5B所示为图5A所示的体声波谐振器的俯视示意图。在现有的谐振器工作时，在沿压电薄膜表面垂直于叉指电极的方向上会有声学泄漏。本实施例中的反射栅581可以起到反射声波的作用，将泄漏的声波反射到有效谐振区域。
根据一个实施例，如果该体声波谐振器的压电薄膜52上包括贯穿压电薄膜的开口55。根据一个实施例，开口55与相邻最近叉指电极之间的距离为谐振器产生声波的二分之一波长，开口55在与叉指电极平行方向上的长度应大于叉指电极的长度。可以在开口55远离叉指电极的区域在压电薄膜52上形成有多个反射栅581。当然，如果体声波谐振器不包括开口55，可以在最外侧叉指电极以外的区域在压电薄膜52上形成反射栅581。
根据一个实施例，反射栅可以是基本平行于叉指电极的彼此间隔的凸起结构，根据一个实施例，在叉指电极同侧的多条反射栅的相应的端可以彼此相连。
根据一个实施例，反射栅581的宽度可以为1/4波长，反射栅条之间的间距可以为1/4波长，以形成1/4波长阻抗变换，从而达到将泄漏的声波反射到有效谐振区域，反射栅可有效反射传播至衬底的弹性波，有效降低损耗，可提升品质因数。
根据一个实施例，反射栅581的数量可以根据需要设定，例如可以和叉指电极的数量相同。反射栅的材料可以和叉指电极一样，这样在制备工艺上可以更简单。可选的，反射栅的材料也可以是和叉指电极不一样的金属或非金属。
图5C所示为根据本申请一个实施例的体声波谐振器的俯视示意图。汇流条531、541与相应的叉指电极53、54可以是同一层材料形成的，因此材料和厚度均与相应的叉指电极相同。谐振器工作时，在沿平行于叉指电极的方向会产生声波泄漏，从而影响谐振器性能。因此在本实施例中，可以在汇流条531和541上各设有一层金属532和542。在汇流条上设置一层金属532、542形成凸起的框架结构，这样叉指电极53、54与生长了一层金属的汇流条的质量负载不一样，使得声波在平行于叉指电极方向传播时在汇流条处发生反射，减小能量损耗，提升品质因数。根据一个实施例，汇流条上生长的金属532和542的材料可以跟相应的叉指电极材料一样，可选的，532和532的材料也可以和相应的叉指电极不一样。
图6A所示为根据本申请又一实施例的体声波谐振器的剖面示意图；图6B所示为图6A所示的体声波谐振器的俯视示意图。
该体声波谐振器可以包括开口65。根据一个实施例，开口65与相邻最近叉指电极之间的距离为谐振器产生声波的二分之一波长，开口65在与叉指电极平行方向上的长度应大于叉指电极的长度。并在开口65远离叉指电极一侧的压电薄膜62上刻蚀出多条凹槽682。当然，如果压电薄膜62上不包括开口，则可以在最外侧叉指电极以外的区域在压电薄膜62中刻蚀出多条凹槽682。凹槽682及其彼此之间的间隔结构683的作用与反射栅类似。根据一个实施例，凹槽682可以等效为空气，声阻几乎为0，间隔结构683与压电薄膜材料相同，等效为高声阻。于是凹槽682和间隔结构683共同形成了一个高低声阻的结构。根据一个实施例，凹槽682和间隔结构683的宽度可以均为1/4波长，能够形成波长阻抗变换，从而将泄漏的声波反射到有效谐振区域，提升谐振器的品质因数。
图6C所示为根据本申请又一实施例的体声波谐振器的俯视示意图。相较于图6B所示的体声波谐振器，图6C所示的体声波谐振器还在凹槽682’两端刻蚀了汇流凹槽684和685，使得多条凹槽682’彼此连接，以构建高低声阻结构，将凹槽682’方向泄露的声波反射到有效谐振区域，进一步提升谐振器的品质因数。
图7A所示为根据本申请一个实施例的体声波谐振器的剖面示意图；图7B所示为图7A所示的体声波谐振器的俯视示意图。该体声波谐振器包括压电薄膜72，可以包括开口。根据一个实施例，开口与相邻最近叉指电极之间的距离为谐振器产生声波的二分之一波长，开口在与叉指电极平行方向上的长度应大于叉指电极的长度。并在开口远离叉指电极一侧的压电薄膜72上刻蚀出多条凹槽782。当然，如果压电薄膜72上不包括开口，则可以在最外侧叉指电极以外的区域在压电薄膜72中刻蚀出多条凹槽782。根据一个实施例，在凹槽782里可以填充有介质792。根据一个实施例，介质792可以与压电薄膜72上表面平齐。根据一个实施例，介质792可以是任何一种跟压电薄膜72材料不一样、且能够形成声阻反差的材料，例如氧化硅、氮化硅等，以构建一个高低声阻的结构。根据一个实施例，凹槽782和凹槽之间的间隔结构783的宽度可以均为1/4波长，能够形成波长阻抗变换，从而将泄漏的声波反射到有效谐振区域，提升谐振器的品质因数。
根据本申请的一个实施例，图7B所示的体声波谐振器也可以包括在凹槽782两端刻蚀形成的汇流凹槽，并在汇流凹槽内填充与792相同的介质(未示出)，以构建高低声阻结构，将泄漏的声波反射到有效谐振区域，提升谐振器的品质因数。
根据本申请的其他实施例，上述体声波谐振器的结构同样适用于兰姆波谐振器。
根据不同的实施例，可以根据具体的需要对例如贯穿压电薄膜的开口，空腔中的凸岛，压电薄膜下表面的凸起，压电薄膜表面形成的不同结构的反射栅，等结构进行不同的组合。
图8A～8D所示为根据本申请的一个实施例的体声波谐振器的制备流程示意图。
在步骤801，如图8A所示，首先提供衬底80，可选的，衬底80的材料可以是单晶硅、氮化镓、砷化镓、蓝宝石、石英、碳化硅、金刚石等，通过刻蚀在衬底80中形成开口于衬底80上表面的空腔81。根据一个实施例，空腔81的深度可以为10～50微米。
在步骤802，如图8B所示，提供压电材料衬底，压电材料可以为例如单晶铌酸锂。可选的，压电材料还可以是单晶氮化铝、单晶氮化镓、单晶锆钛酸铅、单晶铌酸钾、单晶石英薄膜、或者单晶钽酸锂等。在室温条件下,以一定能量向压电材料衬底注入一定量的氢离子(H+),在衬底中形成一个高浓度氢离子(H+)层810。这样，最初的压电材料衬底被分为800、810、820三层。
在步骤803，将带有空腔81的衬底80，与带有高浓度氢离子(H+)层810的压电材料衬底进行键合，形成如图8C所示的键合结构片。
在步骤804，将键合结构片加热，高浓度氢离子(H+)层810在高温下会成核并形成气泡,气泡的急剧膨胀将压电材料衬底从高浓度氢离子(H+)层810的地方分开，也就是发生剥离,剥离完成后压电材料衬底只剩下800层。这种高温热处理,能够提高键合界面的结合强度并消除离子注入损伤。
根据一个实施例，可选择的，为了提升压电薄膜的膜厚一致性，可以对800层进行化学或机械抛光，降低表面粗糙度，最终形成压电薄膜82，如图8D所示。根据一个实施例压电薄膜82的厚度可以为300～900纳米。
在步骤805，采用剥离(lift-off)工艺在压电薄膜82上形成彼此交错的叉指电极83和84，如图8D所示。可选的，所述叉指电极的材料可以是钼、铂、钌、金、铝、镁、钨、铜，钛、铱、锇、铬或以上金属的复合或其合金。
可选择的，在步骤806，还可以在最外侧叉指电极的以外的区域刻蚀形成贯穿压电薄膜82的开口85，如图8D所示。根据一个实施例，开口85与相邻最近叉指电极之间的距离为谐振器产生声波的二分之一波长，开口85在与叉指电极平行方向上的长度应大于叉指电极的长度。开口85的设置可以避免外界过大的压力导致压电薄膜的破裂，也可以形成一个空气反射层降低损耗。具体来说，空腔81和开口85形成声波反射器，开口85边缘与相邻最近的叉指电极之间的距离定义为R。按照传输线模型，将相邻最近的叉指电极外侧端点等效为声源，声源至空腔81和开口85反射器的那一段结构具有声学阻抗Z0，空腔81腔体内的空气视为终端负载，其负载阻抗Zl，接近为0。根据传输线理论，当R为1/2波长时，其输入阻抗为0，空腔81和开口85形成的声波反射器可有效反射纵向和侧向的传播弹性波，有效降低损耗，可提升品质因数。另外，这种结构还可以改善散热，相比于图2A所示不包括开口的体声波谐振器，图8D所示的体声波谐振器的散热性能更好，提升品质因数，从而提升谐振器性能。
相较于图1A所示使用现有技术的体声波谐振器，图8D所示的体声波谐振器的衬底包括封闭的下表面，不但提升了结构稳定性，而且防止在谐振器封装、组装过程中压电薄膜容易受到破坏，影响性能。
图9A～9F所示为根据本申请的一个实施例的体声波谐振器的制备工艺流程示意图。
在步骤901，如图9A所示，提供衬底900，材料可以为硅或者高阻硅，其上表面为910。
在步骤902，如图9B所示，采用电化学腐蚀方法在自衬底900的上表面910向下的部分区域形成多孔硅材料层920。根据一个实施例，电化学腐蚀液可以为氢氟酸和乙醇按一定比例调配的混合液，通过改变腐蚀电流密度和腐蚀时间，能够制备不同孔径的多孔硅材料，多孔硅材料层的深度和空隙率根据具体工艺要求而定，空隙率越高腐蚀越快。
在步骤903，如图9C所示，在衬底900的上表面910上形成压电薄膜92。压电薄膜92的材料可以是单晶铌酸锂，也可以是单晶氮化铝、单晶氮化镓、单晶铌酸锂、单晶锆钛酸铅(PZT)、单晶铌酸钾、单晶石英薄膜、或者单晶钽酸锂等。根据一个实施例，压电薄膜92的厚度可以为300～900纳米。
在步骤904，如图9D所示，采用剥离(lift-off)工艺在压电薄膜92上形成彼此交错的叉指电极93和94。根据一个实施例，叉指电极93和94的材料可以是钼、铂、钌、金、铝、镁、钨、铜，钛、铱、锇、铬或以上金属的复合或其合金。
在步骤905，如图9E所示，在最外侧的叉指电极的以外的区域刻蚀形成贯穿压电薄膜92的开口95。根据一个实施例，开口95与相邻最近叉指电极之间的距离为谐振器产生声波的二分之一波长，开口95在与叉指电极平行方向上的长度应大于叉指电极的长度。
在步骤906，通过开口95向多孔硅中通入氟化氙气体。由于多孔硅材料具有多孔性，气体容易进入，反应速率会比较快，氟化氙气体可以对多孔硅材料层进行干法刻蚀形成空腔91，如图9F所示。
图10A～10F所示为根据本申请的一个实施例的体声波谐振器的制备工艺流程示意图。
在步骤1001，提供衬底1000，材料可以为硅或高阻硅。
在步骤1002，采用电化学腐蚀方法在衬底1000的上表面的部分区域制备多孔硅材料层1020。根据一个实施例，电化学腐蚀液可以为氢氟酸和乙醇按一定比例调配的混合液，通过改变腐蚀电流密度和腐蚀时间，能够制备不同孔径的多孔硅材料，多孔硅材料层的深度和空隙率根据具体工艺要求而定，空隙率越高腐蚀越快。
在步骤1003，如图10A所示，在带有多孔硅材料层1020的衬底1000的上表面外延生长一层单晶硅作为种子层1030。根据一个实施例，种子层1030的厚度可以是例如30～100纳米。
在步骤1004，在氢气(H2)环境下，对包括多孔硅材料层1020和种子层1030的衬底1000采用快速热退火工艺，退火温度例如可以是1100℃左右，退火时间根据多孔硅的空隙而定。在退火过程中，多孔硅向种子层1030迁移形成空腔101，根据质量守恒定律，在空腔101的顶部、种子层1030的下表面会形成一层迁移硅层1040,如图10B所示。
在步骤1005，采用例如前述的压电薄膜转移工艺在种子层1030上表面形成压电薄膜102，如图10C所示。根据一个实施例，压电薄膜102的材料可以是单晶铌酸锂，可选的，压电薄膜102的材料也可以是单晶氮化铝、单晶氮化镓、单晶铌酸锂、单晶锆钛酸铅(PZT)、单晶铌酸钾、单晶石英薄膜、或者单晶钽酸锂等；压电薄膜102的厚度可以为300～900纳米。
在步骤1006，可以采用剥离(lift-off)工艺在压电薄膜102上形成彼此交错的叉指电极103和104，如图10D所示。根据一个实施例，叉指电极103和104的材料可以是钼、铂、钌、金、铝、镁、钨、铜，钛、铱、锇、铬或以上金属的复合或其合金。
可选择的，在步骤1007，在最外侧叉指电极的以外的区域刻蚀形成贯穿压电薄膜102、种子层1030和迁移硅层1040的开口105，如图10E所示。根据一个实施例，开口105与相邻最近叉指电极之间的距离为谐振器产生声波的二分之一波长，开口105在与叉指电极平行方向上的长度应大于叉指电极的长度。
可选择的，在步骤1008，为了进一步提升谐振器的性能，减小杂波和提升品质因数，在图10E所示结构的基础上，采用二氟化氙(XeF2)气体进行刻蚀，将空腔1011中的迁移硅层1040和种子层1030去除，形成空腔1011’，如图10F所示。空腔1011’仍然是声波反射器，形成空气反射层降低损耗，但此时谐振器仅有压电薄膜102参与谐振，杂波将得到很好的抑制，品质因数也会进一步提高。
相较于图1A所示使用现有技术的谐振器，图10F所示的体声波谐振器衬底背面是平面结构，可提升结构稳定性，并防止在封装、组装过程中压电薄膜容易受到破坏，影响性能。
图11A～图11D所示为根据本申请的一个实施例的体声波谐振器的制备工艺流程示意图。
在步骤1101，如图11A所示，首先提供衬底1100，并通过刻蚀工艺在衬底1100中形成若干个凸岛1106。可选的，凸岛1106既可以是长方体，也可以是圆柱体；既可以是一个，也可以是多个呈阵列排列。图11E示为凸岛1106为长方体并呈阵列排列时的俯视示意图；图11F所示为凸岛1106为圆柱体并呈阵列排列时的俯视示意图。
在步骤1102，可以对凸岛1106进行刻蚀以减小其高度，形成凸岛1106’，如图11B所示。凸岛1106’的上沿低于衬底1100的上表面，距离为压电薄膜厚度的1/10～1/5。
在步骤1103，可以采用前述压电薄膜转移工艺在衬底1100的上表面形成压电薄膜112，并采用剥离(lift-off)工艺在压电薄膜112上形成彼此交错的叉指电极113和114，如图11C所示。
可选择的，在步骤1104，如图11D所示，在最外侧叉指电极以外的区域刻蚀形成贯穿压电薄膜112的开口115。根据一个实施例，开口115与相邻最近叉指电极之间的距离为谐振器产生声波的二分之一波长，开口115在与叉指电极平行方向上的长度应大于叉指电极的长度。
凸岛1106’的设置可以进一步提升谐振器结构的可靠性。因为压电薄膜112厚度很薄，只有几百纳米。一般来说压电薄膜在谐振器谐振时的正常形变只有几十纳米，但在封装或组装过程中很容易受到外力的作用发生形变，外力引发的非正常形变可能达到一微米以上，容易损坏压电薄膜。凸岛1106’则可以在垂直于压电薄膜112的方向上起到对压电薄膜112限位作用，减小外力引发的形变，进一步提升谐振器的结构可靠性。
图12A～12F所示为根据本申请的一个实施例的体声波谐振器的制备工艺流程示意图。
在步骤1201，如图12A所示，提供衬底1200，在衬底1200上表面刻蚀形成多个凹槽，采用化学气相淀积在这些凹槽中生长介质层例如氮化硅，根据其他实施例，介质层的材料还可以是氧化硅或碳化硅。可选的，可以在淀积结束后采用化学或机械抛光对衬底和介质层进行平坦化，使凹槽内的介质层结构1206上表面与衬底1200上表面齐平。可选的，凹槽开口的形状可以是方形、圆形、棱形等；凹槽可以有一个，也可以是多个呈阵列排列。
在步骤1202，如图12B所示，可以自衬底1200上表面的部分区域向衬底内通入电化学腐蚀液，从而在衬底中形成多孔硅区域1220。根据一个实施例，介质层材料1206在衬底的投影位于多孔硅区域中。
在步骤1203，如图12C所示，可以采用前述的压电薄膜转移工艺在衬底1200、多孔硅区域1220、介质层1206上方形成压电薄膜122，压电薄膜122与衬底以及氮化硅结构1206都彼此键合。
在步骤1204，如图12D所示，采用剥离(lift-off)工艺在压电薄膜122上形成彼此交错的叉指电极123和124。
在步骤1205，如图12E所示，可以在最外侧叉指电极以外的区域刻蚀形成贯穿压电薄膜122的开口125。根据一个实施例，开口125与相邻最近叉指电极之间的距离为谐振器产生声波的二分之一波长，开口125在与叉指电极平行方向上的长度应大于叉指电极的长度。氟化氙气体可以通过开口125进入腔体的通道，由于多孔硅材料具有多孔性，气体容易进入，反应速率会比较快，氟化氙气体对多孔硅材料层进行干法刻蚀形成空腔121。氟化氙气体与介质层氮化硅1206不发生化学反应，因此在压电薄膜122下表面会保留多个氮化硅凸点1206’，如图12F所示。根据一个实施例，凸点46的高度可以为几十纳米至一微米。根据另一个实施例，凸点46的位置可以设置在压电薄膜谐振的振动节点处。
凸点1206’的设置可以进一步提升谐振器结构的可靠性。因为压电薄膜122厚度很薄，只有几百纳米。一般来说压电薄膜在谐振器谐振时的正常形变只有几十纳米，但在封装或组装过程中很容易受到外力的作用发生形变，外力引发的非正常形变可能达到一微米以上，容易损坏压电薄膜，凸点1206’则可以在垂直于压电薄膜122的方向上起到限位作用，减小外力引发的形变，进一步提升谐振器的结构可靠性。
根据本申请的其他实施例，上述体声波谐振器的制备工艺流程同样适用于兰姆波谐振器的制备。
上述实施例仅供说明本发明之用，而并非是对本发明的限制，有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明范围的情况下，还可以做出各种变化和变型，因此，所有等同的技术方案也应属于本发明公开的范畴。

Claims (17)

1.一种体声波谐振器，包括：
衬底，其中所述衬底包括空腔，所述空腔开口于所述衬底上表面，所述空腔底部被所述衬底封闭；
位于所述衬底和所述空腔上方的压电薄膜；以及
位于所述压电薄膜上表面的两组相互交错的叉指电极。
2.根据权利要求1所述的体声波谐振器，其中，在位于所述叉指电极最外侧叉指以外的区域设有贯穿所述压电薄膜的开口。
3.根据权利要求2所述的体声波谐振器，其中，所述开口与所述叉指电极相邻最近叉指之间的距离为所述谐振器产生声波的二分之一波长。
4.根据权利要求2所述的体声波谐振器，其中，所述开口在平行于所述叉指电极方向上的长度大于所述叉指电极的长度。
5.根据权利要求1或2所述的体声波谐振器，其中，所述空腔底部包括多个向所述压电薄膜延伸并与所述压电薄膜保持距离的凸岛。
6.根据权利要求5所述的体声波谐振器，其中，所述压电薄膜与所述凸岛之间的距离为所述压电薄膜厚度的1/10～1/5。
7.根据权利要求1、2或5所述的体声波谐振器，其中，在所述压电薄膜上在所述叉指电极的一侧设有与所述叉指电极基本平行的反射栅。
8.根据权利要求7所述的体声波谐振器，其中，每组所述叉指电极与各自的汇流条相连，并且在至少其中一个所述汇流条上设有一层额外的金属层。
9.根据权利要求7所述的体声波谐振器，其中，所述反射栅包括形成于所述压电薄膜中并开口于所述压电薄膜上表面的凹槽。
10.根据权利要求9所述的体声波谐振器，其中，所述凹槽中填充有氮化硅。
11.根据权利要求7中任一所述的体声波谐振器，其中，所述反射栅包括多条，所述反射栅的宽度和所述反射栅之间的间隔宽度为所述谐振器产生的声波的四分之一波长。
12.根据权利要求7所述的体声波谐振器，其中，所述多条反射栅的相同端彼此相连。
13.一种体声波谐振器的制备方法，包括：
提供第一衬底，并在所述第一衬底中刻蚀形成空腔，所述空腔开口于所述第一衬底上表面，且所述空腔的下表面被所述第一衬底封闭；
提供第二衬底包括压电材料，并在所述第二衬底中形成H+离子层；
将所述第一衬底的上表面与所述第二衬底键合，形成键合结构片；
将所述键合结构片加热，将所述第二衬底的一部分从所述H+离子层处剥离去除，保留的所述第二衬底的另一部分作为与所述第一衬底键合的压电薄膜；
在所述压电薄膜上形成彼此交错的两组叉指电极。
14.根据权利要求13所述的方法，还包括：
在最外侧叉指电极以外的区域刻蚀形成贯穿所述压电薄膜的开口；
所述开口与所述叉指电极相邻最近叉指之间的距离为所述谐振器产生声波的二分之一波长；
所述开口在平行于所述叉指电极方向上的长度大于所述叉指电极的长度。
15.根据权利要求13所述的方法，还包括：
在形成所述空腔的过程中，在所述空腔的底部形成多个向所述压电薄膜延伸的凸岛；
对所述凸岛进行刻蚀使其上沿低于所述第一衬底的上表面，所述压电薄膜与所述凸岛之间的距离为所述压电薄膜厚度的1/10～1/5。
16.根据权利要求13所述的方法，还包括：
在最外侧叉指电极以外的区域在所述压电薄膜上形成多条与所述叉指基本平行的反射栅，其中所述反射栅的宽度以及所述反射栅之间的间距为所述体谐振器产生的声波波长的四分之一。
17.根据权利要求13所述的方法，还包括：
在最外侧叉指电极以外的区域在所述压电薄膜中形成多条与所述叉指电极基本平行并开口于所述压电薄膜上表面的凹槽，其中所述凹槽的宽度以及所述凹槽之间的间距为所述体谐振器产生的声波波长的四分之一；以及
在所述凹槽中填充氮化硅。
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