CN114124022A - 一种增强散热的悬空谐振器及制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种增强散热的悬空谐振器及制备方法，包括导热支撑衬底、位于导热支撑衬底上方的单晶压电层、设置于单晶压电层上的图案化电极换能器组件；导热支撑衬底中设置位于单晶压电层下方的悬空腔体，悬空腔体的形状通过图案化离子注入形成，图案化电极换能器组件包括第一区域和第二区域，且悬空腔体的横截面与第一区域的横截面相匹配，以使得第一区域对应的单晶压电层悬空，第二区域对应的单晶压电层不悬空。本发明通过在单晶压电层下方设置部分悬空的悬空腔体，能够激发并利用具有大机电耦合系数的高声速声波模式，避免声波能量向衬底的泄露；同时，在第二区域内与导热支撑衬底紧密接触，大大改善器件的散热性能、功率容量及机械稳定性。
Description
技术领域
本发明涉及半导体技术领域，尤其涉及一种增强散热的悬空谐振器及制备方法。
背景技术
随着5G商业化的推进，5G新增频段以及原有通信能力协同升级将带来手机频段数目的大幅度增加，同时，为满足更多用户高速有效的工作和娱乐，5G基站数目的增加，多个高频频段和多天线输入输出技术的应用对滤波器工作频率、散热和功率容量均提出了更高的要求；而声学谐振器作为设计和搭建声学滤波器的关键元件，要提升滤波器的工作频率和功率容量，首当要务是提高谐振器的工作频率，增强谐振器的散热性能和增大功率容量。
目前的悬空型声波谐振器普遍基于以下三种：
1.以氧化硅作为牺牲层的、通过正面开孔腐蚀获得的悬空型声波谐振器，基于表层压电膜的整个谐振器件悬空，压电膜与衬底相连接的方式是先与压电层直接接触的是氧化硅或其他牺牲层材料，再下面的支撑衬底都为硅；在这里，在器件结构中使用氧化硅，并使氧化硅直接与压电层接触会增大器件结构的界面热阻，导致器件工作产生的热量更难传递出去，从而热量在结构中累积，导致器件表面温度升高；与此同时，升高的器件温度不但使器件的工作频率漂移严重，瞬时温度极高的情况下甚至会导致电极熔断而使得器件失效。
2.基于以硅作为衬底材料的、通过背刻蚀掏空衬底技术获得的悬空型声波谐振器，但是其技术难度高，器件大面积悬空，无法与衬底接触，散热效果差；同时，当悬空区域占比很大时，整个晶圆机械结构不稳定，易碎裂。
3.基于以硅作为衬底材料的正面开孔刻蚀衬底技术的悬空型声波谐振器，由于衬底为均一的硅衬底，无论以湿法还是干法腐蚀衬底，均为各向同性腐蚀，腐蚀窗口要开在器件内部实现悬空，然而压电膜上开孔会导致压电膜的不完整性，谐振效果差；且由于各向同性腐蚀，悬空范围远大于谐振关键区域，导致散热接触面大大减小，散热差，无法广泛用于各种新建微基站等领域。
因此，需要一种增强散热的悬空谐振器及制备方法，无需牺牲层，使得压电膜部分悬空，增大器件的散热面积，提升品质因数。
发明内容
针对上述现有技术中存在的问题，本发明提供了一种增强散热的悬空谐振器及制备方法，能够使得压电膜部分悬空，既保证高机电耦合系数和高品质因数的高综合性能，又改善散热性能，利于扩大工作的功率窗口，提高器件结构的机械稳定性。所述技术方案如下：
本发明提供了一种增强散热的悬空谐振器，包括导热支撑衬底、位于所述导热支撑衬底上方的单晶压电层、设置于所述单晶压电层上的图案化电极换能器组件；
所述导热支撑衬底中设置悬空腔体，所述悬空腔体位于所述单晶压电层的下方；所述悬空腔体的形状通过图案化离子注入形成，所述图案化电极换能器组件包括第一区域和第二区域，并且所述悬空腔体的横截面与所述第一区域的横截面相匹配，以使得所述第一区域对应的所述单晶压电层悬空，所述第二区域对应的所述单晶压电层不悬空。
进一步地，所述图案化电极换能器组件为叉指电极结构，所述叉指电极结构设置于所述单晶压电层上表面，包括母线电极区域和叉指电极区域，所述母线电极区域包括第一母线电极区和第二母线电极区，所述叉指电极区域中设置多根第一叉指电极和多根第二叉指电极；
所述第一叉指电极与所述第一母线电极区连接，所述第二叉指电极与所述第二母线电极区连接。
进一步地，所述叉指电极结构还包括反射电极区域，所述反射电极区域包括第一反射电极和第二反射电极，所述第一反射电极位于所述第一叉指电极外侧，所述第二反射电极位于所述第二叉指电极外侧。
进一步地，所述第一区域位于所述叉指电极区域所对应的区域，并且所述第一区域的横截面不大于所述叉指电极区域的横截面；所述悬空腔体位于整个所述叉指电极区域下方对应的所述导热支撑衬底区域，或者所述悬空腔体位于多根所述第一叉指电极和多根所述第二叉指电极下方对应的所述导热支撑衬底区域。
进一步地，所述第一区域位于所述叉指电极区域和所述反射电极区域所对应的区域，并且所述第一区域的横截面不大于所述叉指电极区域和所述反射电极区域所形成区域的横截面；所述悬空腔体位于所述叉指电极区域和所述反射电极区域下方对应的所述导热支撑衬底区域。
进一步地，所述图案化电极换能器组件为面电极结构，所述面电极结构包括第一面电极和第二面电极，所述第一面电极位于所述单晶压电层上表面，所述第二面电极位于所述单晶压电层下表面，且所述第二面电极位于所述导热支撑衬底上方。
进一步地，所述第二面电极的横截面积不小于所述第一面电极的横截面积。
进一步地，所述第一区域位于所述第一面电极对应的区域，并且所述第一区域的横截面不大于所述第一面电极的横截面；所述悬空腔体位于所述第一面电极下方对应的所述导热支撑衬底区域。
进一步地，所述悬空腔体在竖直方向上为阶梯型结构。
本发明还提供一种增强散热的悬空谐振器的制备方法，用于制备以上所述的增强散热的悬空谐振器，包括：
提供导热支撑衬底；
在所述导热支撑衬底上表面形成单晶压电层；
在所述单晶压电层上表面形成图案化电极换能器组件；
对所述图案化电极换能器组件的第一区域正下方对应的所述导热支撑衬底进行图案化离子注入，以使得所述导热支撑衬底中形成局部非晶化区域；其中，所述局部非晶化区域的厚度和非晶化程度根据所述图案化离子注入的能量和剂量确定；
腐蚀所述局部非晶化区域，并释放，以使得所述导热支撑衬底中形成悬空腔体，得到增强散热的悬空谐振器。
实施本发明，具有如下有益效果：
1、本发明在单晶压电层下设置悬空腔体，能够激发并利用具有大机电耦合系数和高声速的声波模式，且能够避免这些高声速模式的能量在纵向方向上向衬底的泄露，保证本发明的悬空谐振器达到在高频工作下具有高机电耦合系数和高品质因数的综合高性能。
2、本发明利用导热支撑衬底作为器件的外围支撑，在单晶压电层不悬空的部分与下方的导热支撑衬底紧密接触，能够改善该悬空结构的散热性能，有利于扩大工作的功率窗口，获得大功率容量的声学谐振器，还可以提高器件的机械稳定性；并且，该悬空结构不需要对导热支撑衬底有高声速的要求，只需满足导热即可，降低材料成本。
3、本发明利用图案化离子注入使导热支撑衬底的高质量晶体材料局部非晶化，无需采用复杂工艺和昂贵设备对材料特性稳定的导热晶体加工，大大降低工艺难度和工艺成本。
附图说明
为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对实施例中所使用的附图作简单的介绍，其中相同的零部件用相同的附图标记表示。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，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它附图。
图1为本发明的一种可能的实施方式中增强散热的悬空谐振器的结构示意图；
图2为本发明的另一种可能的实施方式中增强散热的悬空谐振器的结构示意图；
图3为本发明的一个可能的实施方式中图案化电极换能器组件的俯视图；
图4为图3中图案化电极换能器组件的一种电性连接关系示意图；
图5为图3中图案化电极换能器组件的另一种电性连接关系示意图；
图6为图3中图案化电极换能器组件的其他可能的电性连接关系示意图；
图7为本发明的一个可能的实施方式中第一区域与释放窗口的示意图；
图8为本发明的另一个可能的实施方式中第一区域与释放窗口的示意图；
图9为本发明的另一个可能的实施方式中图案化电极换能器组件的俯视图；
图10为图1中增强散热的悬空谐振器的制备流程图；
图11为本发明的一个可能的实施方式中面电极结构的增强散热的悬空谐振器的结构示意图；
图12为本发明的另一个可能的实施方式中面电极结构的增强散热的悬空谐振器的结构示意图；
图13为图12中第一区域与释放窗口的示意图；
图14为本发明的一个可能的实施方式中面电极结构的非晶化区域的示意图；
图15为本发明的另一个可能的实施方式中面电极结构的非晶化区域的示意图；
图16为本发明的其他可能的实施方式中接触梁的多种形状示意图；
图 17为图12中增强散热的悬空谐振器的制备流程图；
图18为本发明一个可能的实施例中增强散热的悬空谐振器的性能示意图；
图19为本发明另一个可能的实施例中增强散热的悬空谐振器的性能示意图；
图20为实施例4中c组的散热性能的实验数据图；
图21为实施例4中d组的散热性能的实验数据图；
图22为实施例4中对照组的散热性能的实验数据图。
其中，图中附图标记对应为：1-导热支撑衬底，11-悬空腔体，2-单晶压电层，3-图案化电极换能器组件，31-第一母线电极区，32-第一叉指电极，33-第一反射电极，34-第二母线电极区，35-第二叉指电极，36-第二反射电极，37-第一面电极，38-第二面电极，4-释放窗口。
具体实施方式
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，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例，因此不能理解为对本发明的限制。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的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。
需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便本发明的实施例能够以除了下述图示或下述描述以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或服务器不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
实施例1
针对现有谐振器所存在的问题，可以考虑采用高导热材料直接与单晶压电膜接触进行散热，而不使用会导致增大界面热阻而影响散热的牺牲层介质；同时，以选择性的表面刻蚀或腐蚀的方式尽可能减小悬空的器件面积，增大器件与衬底的接触散热途径面积；基于以上考虑，本发明提供一种增强散热的悬空谐振器，如说明书附图1-9所示，该增强散热的悬空谐振器包括导热支撑衬底1、位于导热支撑衬底1上方的单晶压电层2、设置于单晶压电层2上的图案化电极换能器组件3；其中，导热支撑衬底1中设置位于单晶压电层2下方的悬空腔体11，以使得单晶压电层2中能够激发并利用具有大机电耦合系数和高声速的声波模式，避免能量向下方导热支撑衬底1泄露，达到高频、大带宽和高品质因数的高综合性能；并且，该悬空腔体11的形状通过图案化离子注入形成，图案化电极换能器组件3包括第一区域和第二区域，而悬空腔体11的横截面与第一区域的横截面对应匹配，即悬空腔体11的边界与第一区域的边界在横向方向上来看是处处对应的，以使得第一区域对应的单晶压电层2悬空，边界清晰，便于后续精确腐蚀，同时与第二区域对应的单晶压电层2不悬空，形成部分悬空的结构，而第二区域上的单晶压电层2与导热支撑衬底1紧密接触，能够利用其较大的接触面积快速散热，提升散热性能，利于器件在较大功率窗口下的稳定工作。
需要说明的是，在此过程中，通过图案化离子注入将原本不易腐蚀或者刻蚀的导热支撑衬底1的部分区域非晶化，即局部非晶化，能够精确控制腐蚀边界，达到选择性腐蚀，便于后续腐蚀过程只沿着非晶化的区域进行，而不会过度腐蚀其他区域，形成边界明确的悬空腔体11，实现了对现有的各向同性腐蚀的突破，保证单晶压电层2的完整性以及悬空区域不会远大于谐振关键区域，保证结构与性能的稳定性，此外，还使得原本较为稳定、不易加工的导热支撑衬底1便于加工，降低制备难度。
具体地，在本说明书的一个可能的实施方式中，导热支撑衬底1具有高导热的性能，可以选择为硅、碳化硅、金刚石、氮化铝、石墨等高导热材料，材料特性比较稳定；而在本说明书的另一个可能的实施方式中，单晶压电层2的材料可以选择为石英、氮化铝、氧化锌、钽酸锂、铌酸锂、四硼酸锂、锗酸铋、硅酸铋、硅酸镓镧等压电材料；需要说明的是，导热支撑衬底1材料的热导率始终要高于单晶压电层2材料的热导率，以保证单晶压电层2的热量能够向导热支撑衬底1传递，实现有效散热。
具体地，在本实施例中，如说明书附图3所示，该图案化电极换能器组件3为叉指电极结构，从而利用叉指电极结构形成横向电场制备声表面波谐振器，该叉指电极结构设置于单晶压电层2的上表面，包括母线电极区域、叉指电极区域和反射电极区域，其中，母线电极区域可以包括第一母线电极区31和第二母线电极区34，叉指电极区域可以包括多根第一叉指电极32和多根第二叉指电极35，而反射电极区域可以包括第一反射电极 33和第二反射电极36；并且，多根第一叉指电极32均与第一母线电极区 31连接，并且还与输入电信号连接，而第二叉指电极35与第二母线电极区 34连接，并且接入地信号；此外，考虑到叉指电极结构的对称性，在本说明书的一个可能的实施方式中，也可以选择将第二叉指电极35与第二母线电极区34接入地信号，同时将第一叉指电极32与第一母线电极区31连接到输入电信号。
而第一反射电极33位于第一叉指电极32的外侧，第二反射电极36位于第二叉指电极35外侧，连接时，如说明书附图4所示，第一反射电极33 可以选择与第一叉指电极32电性连接，同时第二反射电极36与第二叉指电极35电性连接；也可以选择如图5所示，第一反射电极33和第二反射电极36均与第一叉指电极32(或者第一母线电极区31)电性连接；还可以选择如图6所示，第一反射电极33和第二反射电极36均与第二叉指电极35(或者第二母线电极区34)电性连接，结构变化多样。
此外，在本说明书的一个可能的实施方式中，图案化电极换能器组件3 中的各个电极的材质可以选择铝、金、铬、钨、钛、铜和银中至少一种金属或多种金属的合金材料。
具体地，第一区域可以是与叉指电极区域以及反射电极区域所对应的区域，则悬空腔体11位于整个叉指电极区域和反射电极区域下方对应的导热支撑衬底1的区域，如说明书附图7所示，由虚线框包围的整个区域均为第一区域，即将该第一区域下方整体进行图案化离子注入，使得导热支撑衬底1局部非晶化，再对非晶化的区域进行精确腐蚀，经由开设于器件外侧周边的多个释放窗口4进行释放，使得第一区域下方形成一整个空腔，操作简单，降低工艺难度；而在本说明书的一个可能的实施方式中，第一区域还可以仅包括叉指电极区域，即进行图案化离子注入时，仅注入多根第一叉指电极32和第二叉指电极35下方的导热支撑衬底1区域，而作为电信号传送的第一母线电极区31和第二母线电极区34以及作为声波反射的第一反射电极33和第二反射电极36下方对应的导热支撑衬底1区域是不注入的。
此外，对于释放窗口4，根据实际需求还可以选择开设两个，如图8中所示，只要保证释放窗口4开设在器件外侧，而不会损伤单晶压电层2的完整性即可；同样地，需要说明的是，悬空腔体11在制备时不止可以开设在谐振器的器件内部，还可以开设在谐振器的器件外侧的任意位置，任意形状，造成非晶化的、与原晶体有差异的选择性腐蚀路径，只悬空器件中机械场和电场的有源工作区域，保证工作区域内单晶压电层的完整性，而其他区域仍保持与导热支撑衬底1连接来增大接触面积，从而增大散热速度。
具体地，在本说明书的一个可能的实施方式中，如图9所示，图案化电极换能器组件3还可以只包括母线电极区域和叉指电极区域，此时，第一区域为叉指电极区域对应的整个区域，而悬空腔体11位于整个叉指电极区域下方对应的导热支撑衬底1区域；而在本说明书的另一个可能的实施方式中，第一区域可以精确与第一叉指电极31和第二叉指电极34的形状完全匹配，即进行图案化离子注入时，沿着与第一叉指电极31以及第二叉指电极34形状相对应的位置进行注入，形成横截面为栅状的非晶化区域，并对非晶化区域进行腐蚀或者刻蚀，形成边界明确的悬空腔体11，针对性强，自由度高。
另外，在本说明书的其他可能的实施方式中，第一区域还可以设置为位于叉指电极区域(或者叉指电极区域和反射电极区域)，但其横截面小于叉指电极区域(或者叉指电极区域和反射电极区域所形成的组合区域)的横截面，即栅状(或者说叉指状)的非晶化区域可以设置在叉指电极的正下方，也可以设置在多根叉指电极之间的空隙区域形成完全错位的结构，还可以设置为每一根叉指状的非晶化区域均占据叉指电极的一部分区域和空隙区域的一部分，而不与二者之中的任一个对准，设置自由度高，并且，叉指状的非晶化区域仍由图案化离子注入形成，但其尺寸小于叉指电极的宽度，即小于激发声波的波长与占空比之积的一半，这意味着更小的悬空面积进一步增大了第二区域对应的接触面积，进一步提升散热性能；需要说明的是，这部分增加了接触面积的区域，其增加的尺寸很小，限定于波长的尺寸，在增大接触面积的同时并不会恶化器件性能，从而提高散热效果和机械稳定性；而对于具有反射电极区域的结构，还可以仅在反射电极下方设置叉指状的非晶化区域，更进一步增大接触面积，增强散热。
具体地，进行图案化离子注入不仅可以在横截面上、即水平方向上注入图案化，还可以在材料深度上进行图案化注入，如说明书附图2所示，对导热支撑衬底1进行阶梯状深度图案的离子化注入，所形成的悬空腔体 11在竖直方向上为阶梯型结构，并且，这种阶梯型结构并不限于叉指电极结构的悬空谐振器，还可以设置于面电极结构的悬空谐振器。
本发明还提供一种增强散热的悬空谐振器的制备方法，以制备以上所述的增强散热的悬空谐振器，如说明书附图10所示，该制备方法包括：
S101，提供导热支撑衬底。
S102，在所述导热支撑衬底上表面形成单晶压电层。
其中，可以通过键合、外延等多种方法在导热支撑衬底上形成单晶压电层，此处不限制该单晶压电层的厚度，根据实际所需的频率不同，可以改变键合剥离或外延单晶压电层的厚度，从而形成不同区域厚度变化不同的单晶压电层薄膜；而通过局部注入能量不同来获得不同厚度的单晶压电层薄膜或者局部外延控制单晶压电层薄膜的厚度都在本说明书所保护的范围之内。
S103，在所述单晶压电层上表面形成图案化电极换能器组件。
其中，在本说明书的一个可能的实施方式中，形成图案化电极换能器组件可以采用蒸镀。
S104，对所述图案化电极换能器组件的第一区域正下方对应的所述导热支撑衬底进行图案化离子注入，以使得所述导热支撑衬底中形成局部非晶化区域。
其中，形成非晶化区域可以采用高剂量的气体离子大量注入，也可以采用重金属离子大量注入，本发明对此不作限定，只要能够形成非晶化区域的方法都可以在本发明的保护范围之内。
同时，所述局部非晶化区域的厚度和非晶化程度根据所述图案化离子注入的能量和剂量确定，利用离子注入的高斯分布特性，控制注入剂量，能够使离子注入仅发生在导热支撑衬底1中并控制非晶化的程度，而控制注入能量，能够使得局部的导热支撑衬底1在一定厚度范围内完全非晶化；并且，图案化离子化注入不受单晶压电层2的形状限制，即使单晶压电层2 各处的厚度不均，也可以通过调控图案化离子注入的注入能量和注入剂量控制悬空腔体11的厚度和非晶化程度。
S105，腐蚀所述局部非晶化区域，并释放，以使得所述导热支撑衬底中形成悬空腔体，得到增强散热的悬空谐振器。
其中，开释放窗口进行释放可以采用气体干法刻蚀和溶液湿法腐蚀等腐蚀方法；而为了保护器件，在进行图案化离子注入或者开设放窗口释放之前，都可以在器件表面制备一层保护层，以保证器件结构的完整性，保证其高性能。
此外，根据实际需求，该制备方法并不仅仅限于以上一种制备顺序，在本说明书的一个可能的实施方式中，该制备方法还可以包括：
S201，提供导热支撑衬底。
S202，在所述导热支撑衬底上表面形成单晶压电层。
S203，在所述单晶压电层上设置一层对准标记。
S204，按照所述对准标记，对所述导热支撑衬底进行图案化离子注入，以使得所述导热支撑衬底中形成局部非晶化区域。
S205，在所述单晶压电层上表面形成图案化电极换能器组件。
S206，腐蚀所述局部非晶化区域，并释放，以使得所述导热支撑衬底中形成悬空腔体，得到增强散热的悬空谐振器。
在本说明书的另一个可能的实施方式中，该制备方法还可以包括：
S301，提供导热支撑衬底。
S302，在所述导热支撑衬底上设置一层对准标记。
S303，按照所述对准标记，对所述导热支撑衬底进行图案化离子注入，以使得所述导热支撑衬底中形成局部非晶化区域。
S304，根据所述对准标记，在所述导热支撑衬底上表面形成单晶压电层。
S305，根据所述对准标记，在所述单晶压电层上表面形成图案化电极换能器组件。
S306，腐蚀所述局部非晶化区域，并释放，以使得所述导热支撑衬底中形成悬空腔体，得到增强散热的悬空谐振器。
而在本说明书的其他可能的实施方式中，S305步骤与S306步骤也可以调换顺序。
具体地，在该增强散热的悬空谐振器器件表面可以覆盖稳定的高导热材料，包括氮化铝和碳化硅等材料，以进一步改善器件的散热特性。
具体地，在该增强散热的悬空谐振器器件表面可以覆盖高声速材料，包括氮化铝和碳化硅等材料，以进一步提高器件的工作频率。
具体地，在该增强散热的悬空谐振器器件表面可以覆盖低介电常数的电介质材料，包括氮化铝和碳化硅等材料，以进一步增大器件的功率容量。
具体地，在该增强散热的悬空谐振器器件表面可以覆盖正温度系数的材料，包括氧化硅等材料，以进一步改善器件温漂。
在本实施例中，本发明提供的增强散热的悬空谐振器能够允许单晶压电层2内激发并利用的声波模式大大扩增，包括零阶、一阶和高阶瑞利波、水平剪切波、对称型兰姆波、反对称型兰姆波、厚度剪切波、厚度伸缩波及准体波中的一种，也可以同时激发两种及以上声波模式，甚至同时激发上述所有声波模式，实现更多更高速声波模式的有效激发、限制和应用，提高谐振频率，提高品质因数。
实施例2
如说明书附图11-17所示，本实施例与实施例1的不同之处仅在于，该图案化电极换能器组件3为面电极结构，从而利用面电极结构形成纵向电场制备声体波谐振器，该面电极结构包括第一面电极37和第二面电极38，其中，第一面电极37位于单晶压电层2上表面，而第二面电极38位于单晶压电层2下表面，同时第二面电极38还位于导热支撑衬底1的上方；此时，第一面电极37接入电信号，第二面电极38接地信号，使得第二面电极38所形成的金属层作为底部电极能够与第一面电极37配合形成纵向电场。
具体地，如图11所示，在横向方向上，第一面电极37的长度可以是与第二面电极38的长度完全重合的，则第一区域位于第一面电极37对应的区域，悬空腔体11设置于第二面电极38下方的导热支撑衬底1中，并且悬空腔体11与第二面电极38相对应；而在本说明书的另一个可能的实施方式中，如说明书附图12所示，第二面电极38的横截面可以选择大于第一面电极37的横截面，而第一区域仍位于第一面电极37对应的区域，则悬空腔体11位于第二面电极38的下方，且悬空腔体11的横截面积小于第二面电极38的横截面积；即无论是以上哪一种情形，都只需要对第一面电极37对应的正投影下方导热支撑衬底1进行图案化离子注入，而其他非器件区域即为第二区域，其下方的导热支撑衬底1不进行图案化离子注入；如图13所示，在第二区域的器件外侧开设释放窗口4，并通过腐蚀通道连通进行图案化离子注入的区域，以实现有效悬空。
具体地，在本说明书的一个可能的实施方式中，面电极结构的横截面除了可以为图11中所示的方形，还可以是圆形、五边形等多边形以及不规则形状的横截面，本发明对此不做限定，只要不影响器件完整性及工作性能的形状都可以在本发明的保护范围之内。
此外，面电极结构中第一区域的横截面也可以设置为小于第一面电极的横截面，则如说明书附图14-15所示，在本说明书的一个可能的实施方式中，第一区域也可以设置为经过图案化离子注入形成的叉指状非晶化区域，而剩余区域形成叉指状的接触梁与第二面电极38接触散热，但每一根接触梁的尺寸都很小，保证其小于激发声波的波长尺寸；而在一般的悬空器件中，激发声波的波长不小于10μm，则叉指状量的宽度可以设置为不大于1μm；另外，如说明书附图16所示，在本说明书的其他可能的实施方式中，接触梁还可以设置为圆环、长条形围成的环或者各种形状的环，也可以设置为多个圆点状或者多个方点状等形状的点状接触梁，甚至在竖直方向上也可以设置为整条的叉指状或者不连续的点状非晶化区域，从而增大接触散热面积，本发明对此不做限定，既可以应用于叉指电极结构，也可以应用于该面电极结构，只要保证有源电极区域的完整性即可。
而制备该声体波谐振器的制备方法与实施例1中的不同之处在于，形成图案化电极换能器组件3的步骤分为两步：
S401，在所述导热支撑衬底上表面形成第二面电极。
S402，在所述单晶压电层上表面形成第一面电极。
如说明书附图17所示，S401步骤需要在形成单晶压电层的步骤之前，并且同时需要在提供了导热支撑衬底之后进行；而S402步骤可以根据实际情况替换上述的S103步骤，或者S205步骤，或者S305步骤，制备方法简单，自由多变。
实施例3综合性能分析
以Z切LN(铌酸锂)压电单晶材料按照如实施例1中的制备方法制备本发明的增强散热的悬空谐振器，设为a组，其中，压电薄膜即单晶压电层2的厚度为500nm，其激发的声波波长λ为2μm；如说明书附图18所示，该增强散热的悬空谐振器的一阶反对称型兰姆波A1模式的谐振频率能够达到6GHz，并且多个模式下的谐振频率覆盖1～14GHz。
同样地，以Y128°切LN(铌酸锂)压电单晶材料按照如实施例1中的制备方法制备本发明的增强散热的悬空谐振器，设为b组，其中，压电薄膜即单晶压电层2的厚度也为500nm，其激发的声波波长λ为2μm；如说明书附图19所示，该增强散热的悬空谐振器的一阶反对称型兰姆波A1模式的谐振频率能够达到5GHz，其机电耦合系数kt2达到了20％。
可见，该增强散热的悬空谐振器能够利用具有大机电耦合系数的声波模式，并具有高频和高品质因子的高综合性能，实现高频、大带宽和高品质因数的工作。
实施例4散热性能分析
以Z切LN(铌酸锂)压电单晶材料按照如实施例1中的制备方法制备本发明的增强散热的悬空谐振器，形成不完全悬空的结构，分为c组和d 组，其中，单晶压电层的厚度均为400nm，并采用100nm的铝电极，其激发的声波波长λ为10μm，占空比为0.15，而c组采用S i作为导热支撑衬底 1，d组采用SiC作为导热支撑衬底；同时，采用传统制备方法制备完全悬空的、以S i为衬底的谐振器作为对照组，测试其散热性能。
以本发明提供的制备方法，按照特殊线路腐蚀非晶化衬底，首先利用图案化离子注入使导热支撑衬底非晶化，获得选择性腐蚀的腐蚀路径，而除了有源工作区域以外的第二区域与导热支撑衬底接触散热，如图20-21 所示，模拟了本发明的具有不同导热支撑衬底的器件在工作时的温度分布，则在其他器件参数设置相同的情况下，在谐振点(约4.6GHz)处，其最高温度均不超过50℃，散热性能优秀；而对照组的传统谐振器因各向同性腐蚀，导致不仅叉指电极区域正下方被掏空，母线电极区域甚至器件的外围区域都被大面积腐蚀掉或者全被掏空，无法和衬底接触散热，如图22所示，模拟了该种情况下的器件在工作时的温度分布，可以看出，在其他器件参数设置相同的情况下，在谐振点(约4.6GHz)处，其最高温度达到最高202℃，在实际应用中，显然器件在这一温度下完全无法忍受。
通过上述的几个实施例可以看出，本发明具有以下有益效果：
1、本发明在单晶压电层下设置悬空腔体，能够激发并利用具有大机电耦合系数和高声速的声波模式，且能够避免这些高声速模式的能量在纵向方向上向衬底的泄露，保证本发明的悬空谐振器达到在高频工作下具有高机电耦合系数和高品质因数的综合高性能。
2、本发明利用导热支撑衬底作为器件的外围支撑，在单晶压电层不悬空的部分与下方的导热支撑衬底紧密接触，能够改善该悬空结构的散热性能，有利于扩大工作的功率窗口，获得大功率容量的声学谐振器，还可以提高器件的机械稳定性；并且，该悬空结构不需要对导热支撑衬底有高声速的要求，只需满足导热即可，降低材料成本。
3、本发明利用高剂量的图案化离子注入使原本加工工艺难度大的导热支撑衬底的高质量晶体材料局部非晶化，使得本发明的悬空工艺易于操作，悬空的范围便于控制，无需采用复杂工艺和昂贵设备对材料特性稳定的高导热晶体加工，大大降低工艺难度和工艺成本。
以上所描述的仅为本发明的一些实施例而已，并不用于限制本发明，本行业的技术人员应当了解，本发明还会有各种变化和改进，任何依照本发明所做的修改、等同替换和改进都落入本发明所要求的保护的范围内。
Claims (10)
1.一种增强散热的悬空谐振器，其特征在于，包括导热支撑衬底(1)、位于所述导热支撑衬底(1)上方的单晶压电层(2)、设置于所述单晶压电层(2)上的图案化电极换能器组件(3)；
所述导热支撑衬底(1)中设置悬空腔体(11)，所述悬空腔体(11)位于所述单晶压电层(2)的下方；所述悬空腔体(11)的形状通过图案化离子注入形成，所述图案化电极换能器组件(3)包括第一区域和第二区域，并且所述悬空腔体(11)的横截面与所述第一区域的横截面相匹配，以使得所述第一区域对应的所述单晶压电层(2)悬空，所述第二区域对应的所述单晶压电层(2)不悬空。
2.根据权利要求1所述的一种增强散热的悬空谐振器，其特征在于，所述图案化电极换能器组件(3)为叉指电极结构，所述叉指电极结构设置于所述单晶压电层(2)上表面，包括母线电极区域和叉指电极区域，所述母线电极区域包括第一母线电极区(31)和第二母线电极区(34)，所述叉指电极区域中设置多根第一叉指电极(32)和多根第二叉指电极(35)；
所述第一叉指电极(32)与所述第一母线电极区(31)连接，所述第二叉指电极(35)与所述第二母线电极区(34)连接。
3.根据权利要求2所述的一种增强散热的悬空谐振器，其特征在于，所述叉指电极结构还包括反射电极区域，所述反射电极区域包括第一反射电极(33)和第二反射电极(36)，所述第一反射电极(33)位于所述第一叉指电极(32)外侧，所述第二反射电极(36)位于所述第二叉指电极(35)外侧。
4.根据权利要求2或3任一项所述的一种增强散热的悬空谐振器，其特征在于，所述第一区域位于所述叉指电极区域所对应的区域，并且所述第一区域的横截面不大于所述叉指电极区域的横截面；所述悬空腔体(11)位于整个所述叉指电极区域下方对应的所述导热支撑衬底(1)区域，或者所述悬空腔体(11)位于多根所述第一叉指电极(32)和多根所述第二叉指电极(35)下方对应的所述导热支撑衬底(1)区域。
5.根据权利要求3所述的一种增强散热的悬空谐振器，其特征在于，所述第一区域位于所述叉指电极区域和所述反射电极区域所对应的区域，并且所述第一区域的横截面不大于所述叉指电极区域和所述反射电极区域所形成区域的横截面；所述悬空腔体(11)位于所述叉指电极区域和所述反射电极区域下方对应的所述导热支撑衬底(1)区域。
6.根据权利要求1所述的一种增强散热的悬空谐振器，其特征在于，所述图案化电极换能器组件(3)为面电极结构，所述面电极结构包括第一面电极(37)和第二面电极(38)，所述第一面电极(37)位于所述单晶压电层(2)上表面，所述第二面电极(38)位于所述单晶压电层(2)下表面，且所述第二面电极(38)位于所述导热支撑衬底(1)上方。
7.根据权利要求6所述的一种增强散热的悬空谐振器，其特征在于，所述第二面电极(38)的横截面积不小于所述第一面电极(37)的横截面积。
8.根据权利要求6所述的一种增强散热的悬空谐振器，其特征在于，所述第一区域位于所述第一面电极(37)对应的区域，并且所述第一区域的横截面不大于所述第一面电极(37)的横截面；所述悬空腔体(11)位于所述第一面电极(37)下方对应的所述导热支撑衬底(1)区域。
9.根据权利要求1所述的一种增强散热的悬空谐振器，其特征在于，所述悬空腔体(11)在竖直方向上为阶梯型结构。
10.一种增强散热的悬空谐振器的制备方法，用于制备如权利要求1-9任一项所述的增强散热的悬空谐振器，其特征在于，包括：
提供导热支撑衬底；
在所述导热支撑衬底上表面形成单晶压电层；
在所述单晶压电层上表面形成图案化电极换能器组件；
对所述图案化电极换能器组件的第一区域正下方对应的所述导热支撑衬底进行图案化离子注入，以使得所述导热支撑衬底中形成局部非晶化区域；其中，所述局部非晶化区域的厚度和非晶化程度根据所述图案化离子注入的能量和剂量确定；
腐蚀所述局部非晶化区域，并释放，以使得所述导热支撑衬底中形成悬空腔体，得到增强散热的悬空谐振器。
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