CN114337585B - 一种单晶薄膜体声波谐振器及其制备方法、滤波器 - Google Patents

一种单晶薄膜体声波谐振器及其制备方法、滤波器 Download PDF

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Abstract

本申请提供一种单晶薄膜体声波谐振器及其制备方法、滤波器，涉及滤波器技术领域，方法包括：在临时衬底上依次形成层叠的缓冲层、压电层和第一电极；在第一电极上形成第一键合层；提供基底；刻蚀基底以在基底表面形成多个第一凸块；在基底表面形成覆盖多个第一凸块顶面的第二键合层；将位于多个第一凸块顶面的第二键合层与第一键合层键合；在键合时，由于可以通过刻蚀槽控制第一凸块顶面的面积大小，便可以控制位于第一凸块顶面的第二键合层的面积，从而实现对键合面积的控制。通过对键合面积进行控制，实现了键合要求与键合可靠性之间的平衡。

Description

一种单晶薄膜体声波谐振器及其制备方法、滤波器
技术领域
本申请涉及滤波器技术领域，具体而言，涉及一种单晶薄膜体声波谐振器及其制备方法、滤波器。
背景技术
薄膜体声波谐振器利用压电晶体的压电效应产生谐振，由于谐振由机械波产生，而非电磁波作为谐振来源，机械波的波长比电磁波波长短很多。因此，薄膜体声波谐振器体积相对传统的电磁滤波器尺寸大幅度减小。另一方面，由于压电晶体的晶向生长目前能够良好控制，谐振器的损耗极小，品质因数高，能够应对陡峭过渡带和低插入损耗等复杂设计要求。由于薄膜体声波谐振器具有的尺寸小、高滚降、低插损等特性，以此为核心的滤波器在通讯系统中得到了广泛的应用。
现有单晶薄膜体声波谐振器在制备过程中会采用键合工艺，但是在实际键合过程中，难以对键合面积进行有效控制，容易降低键合的可靠性。
发明内容
本申请的目的在于，针对上述现有技术中的不足，提供一种单晶薄膜体声波谐振器及其制备方法、滤波器，能够对键合面积进行控制，提高键合的可靠性。
为实现上述目的，本申请实施例采用的技术方案如下：
本申请实施例的一方面，提供一种单晶薄膜体声波谐振器制备方法，方法包括：提供临时衬底；在临时衬底上依次形成层叠的缓冲层、压电层和第一电极；在第一电极上形成第一键合层；提供基底；刻蚀基底以在基底表面形成多个第一凸块；在基底表面形成覆盖多个第一凸块顶面的第二键合层；将位于多个第一凸块顶面的第二键合层与第一键合层键合；去除临时衬底；刻蚀缓冲层以形成露出压电层的第一槽；通过第一槽形成与压电层接触的第二电极。
可选的，在第一电极上形成第一键合层之后，方法还包括：对第一键合层进行图形化以形成多个用于与第一凸块顶面的第二键合层键合的第二凸块。
可选的，在去除临时衬底之后，方法还包括：依次刻蚀缓冲层和压电层以形成露出第一电极的第二槽；通过第二槽形成与第一电极连接的引出电极。
可选的，多个第一凸块包括第一子凸块和第二子凸块，在第一子凸块和第二子凸块之间形成有与第一槽位置对应的第三槽。
可选的，第一键合层和第二键合层均为金属层。
本申请实施例的另一方面，提供一种单晶薄膜体声波谐振器，包括：基底，基底表面具有多个第一凸块，在基底表面设置有覆盖多个第一凸块顶面的第二键合层，在第二键合层上键合设置有第一键合层，在第一键合层上依次设置有层叠的第一电极、压电层和缓冲层，在缓冲层上设置有露出压电层的第一槽，在第一槽上设置有与压电层接触的第二电极。
可选的，第一键合层和第二键合层均为金属层。
本申请实施例的再一方面，提供一种滤波器，包括多个上述任一种的单晶薄膜体声波谐振器，多个单晶薄膜体声波谐振器共用同一基底，且多个单晶薄膜体声波谐振器串联和/或并联，在基底上设置有环绕于多个单晶薄膜体声波谐振器外周的第一环形密封结构，第一环形密封结构包括层叠设置于基底上且相互键合的第一密封圈和第二密封圈。
可选的，在每个单晶薄膜体声波谐振器的外周还设置有第二环形密封结构，第二环形密封结构包括层叠设置于基底上且相互键合的第三密封圈和第四密封圈。
可选的，滤波器还包括密封墙结构，相邻两个第二环形密封结构通过密封墙结构连接。
本申请的有益效果包括：
本申请提供了一种单晶薄膜体声波谐振器及其制备方法、滤波器，方法包括：提供临时衬底；在临时衬底上依次形成层叠的缓冲层、压电层和第一电极；在第一电极上形成第一键合层；提供基底；刻蚀基底以在基底表面形成多个第一凸块；在基底表面形成覆盖多个第一凸块顶面的第二键合层；将位于多个第一凸块顶面的第二键合层与第一键合层键合；在键合时，由于可以通过刻蚀槽控制第一凸块顶面的面积大小，便可以控制位于第一凸块顶面的第二键合层的面积，从而实现对键合面积的控制。通过对键合面积的灵活调节，使得临时衬底上的层级结构与基底上的层级结构在满足键合可靠性要求的基础上，避免因键合面积过大，使得键合要求过高，制备成本增加，难以在量产中应用。换言之，本申请通过对键合面积进行控制，实现了键合要求与键合可靠性之间的平衡。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，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申请的某些实施例，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为本申请实施例提供的一种单晶薄膜体声波谐振器制备方法的流程示意图；
图2为本申请实施例提供的一种单晶薄膜体声波谐振器的制备状态示意图之一；
图3为本申请实施例提供的一种单晶薄膜体声波谐振器的制备状态示意图之二；
图4为本申请实施例提供的一种单晶薄膜体声波谐振器的制备状态示意图之三；
图5为本申请实施例提供的一种单晶薄膜体声波谐振器的制备状态示意图之四；
图6为本申请实施例提供的一种单晶薄膜体声波谐振器的制备状态示意图之五；
图7为本申请实施例提供的一种单晶薄膜体声波谐振器的制备状态示意图之六；
图8为本申请实施例提供的一种单晶薄膜体声波谐振器的制备状态示意图之七；
图9为本申请实施例提供的一种单晶薄膜体声波谐振器的制备状态示意图之八；
图10为本申请实施例提供的一种单晶薄膜体声波谐振器的结构示意图；
图11为本申请另一实施例提供的一种滤波器的结构示意图之一；
图12为本申请另一实施例提供的一种滤波器的结构示意图之二。
图标：101-临时衬底；102-缓冲层；103-压电层；204-第一电极；305-第二凸块；401-基底；406-刻蚀槽；507-第二键合层；808-第二槽；809-第一槽；910-第二电极；911-引出电极；912-第三槽；1002-单晶薄膜体声波谐振器；1003-第一环形密封结构；1103-第二环形密封结构；1104-密封墙结构。
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公开的概念，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公开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，在不脱离本公开的范围的情况下，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公开。如本文所使用，除非上下文明确地指出，否则单数形式“一(a)”、“一个(an)”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。
除非另外定义，否则本文中使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)的含义与本公开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定义。
本申请实施例的一方面，提供一种单晶薄膜体声波谐振器制备方法，如图1所示，方法包括：
S010：提供临时衬底。
如图2所示，临时衬底101可以是用于承载半导体集成电路元器件的基材，例如Si衬底、蓝宝石衬底等。
S020：在临时衬底上依次形成层叠的缓冲层、压电层和第一电极。
如图2和图3所示，在临时衬底101的表面依次通过沉积形成层叠的缓冲层102、压电层103和第一电极204，其中，缓冲层102能够提高压电层103的沉积质量。在一些实施方式中，缓冲层102得材质可以为氮化硅，压电层103的材质可以是AlN、ScAlN、ZnO、PZT、LiNbO3、LiTaO3中的一种。
S030：在第一电极上形成第一键合层。
如图4所示，形成第一电极204后，继续在第一电极204上形成第一键合层，此时，形成单晶薄膜体声波谐振器1002位于临时衬底101上的层级结构。
S040：提供基底。
如图5所示，提供基底401，该基底401同样可以是用于承载半导体集成电路元器件的基材，例如Si基底401、蓝宝石基底401等。
S050：刻蚀基底以在基底表面形成多个第一凸块。
如图5所示，通过对基底401的表面进行刻蚀，从而在基底401的一侧表面上形成多个第一凸块，同时，在相邻两个第一凸块之间也同步形成了朝向基底401内部凹陷的刻蚀槽406。如此，便可以通过控制刻蚀槽406的大小，实现对第一凸块顶面面积的控制。例如图5所示，在基底401表面形成六个凸块和五个刻蚀槽406。
应当理解的是，刻蚀基底401形成第一凸块和刻蚀槽406的方式可以是通过掩膜刻蚀的方式，例如可以在基底401表面沉积整层介质层，在介质层上涂覆光刻胶层，通过曝光、显影、刻蚀等工艺使介质层图形化，然后通过刻蚀露出的基底401，从而形成刻蚀槽406的同时也对应形成第一凸块；又例如可以在基底401表面直接涂覆光刻胶层，通过曝光、显影等工艺使得光刻胶层图形化，然后通过刻蚀露出的基底401，从而形成刻蚀槽406的同时也对应形成第一凸块。
S060：在基底表面形成覆盖多个第一凸块顶面的第二键合层。
如图6所示，在刻蚀后的基底401表面沉积第二键合层507，第二键合层507至少应当覆盖每一个第一凸块的顶面，此时，形成单晶薄膜体声波谐振器1002位于基底401上的层级结构。例如图6所示，在刻蚀后的基底401表面沉积整层第二键合层507，即第二键合层507覆盖第一凸块的顶面、侧面以及刻蚀槽406的底面；又例如可以在刻蚀后的基底401表面沉积整层第二键合层507，通过刻蚀仅保留位于第一凸块的顶面的第二键合层507。
S070：将位于多个第一凸块顶面的第二键合层与第一键合层键合。
如图7所示，将位于基底401上的层级结构与位于临时衬底101上的层级结构进行键合，具体的，将位于多个第一凸块顶面的第二键合层507与第一键合层键合，实现将临时衬底101上的层级结构转移至基底401。
在键合时，由于可以通过刻蚀槽406控制第一凸块顶面的面积大小，便可以控制位于第一凸块顶面的第二键合层507的面积，从而实现对键合面积的控制。通过对键合面积的灵活调节，使得临时衬底101上的层级结构与基底401上的层级结构在满足键合可靠性要求的基础上，避免因键合面积过大，使得键合要求过高，制备成本增加，难以在量产中应用。换言之，本申请通过对键合面积进行控制，实现了键合要求与键合可靠性之间的平衡。
S080：去除临时衬底。
如图8所示，在临时衬底101上的层级结构与基底401上的层级结构键合后，可以通过刻蚀的方式去除临时衬底101，实现将临时衬底101上的层级结构转移至基底401。此时，缓冲层102背离基底401的一侧表面露出。
S090：刻蚀缓冲层以形成露出压电层的第一槽。
如图9所示，通过刻蚀缓冲层102，从而在缓冲层102上形成第一槽809，使得压电层103在第一槽809内露出。
S100：通过第一槽形成与压电层接触的第二电极。
如图10所示，通过第一槽809沉积第二电极910，使得第二电极910至少部分与露出的压电层103表面接触，从而使得第二电极910、压电层103和第一电极204形成谐振器的基本功能层。
可选的，通过S030在第一电极204上形成第一键合层之后，方法还包括：如图4所示，先对第一键合层进行图形化，从而形成多个第二凸块305，应当理解的是，多个第二凸块305和多个第一凸块可以是一一上下对应。接着如图6和图7所示，在实现第一键合层和第二键合层507的键合时，由位于第一凸块顶面的第二键合层507与第二凸块305的顶面进行对位键合。
可选的，如图9和图10所示，在去除临时衬底101之后，方法还包括：依次刻蚀缓冲层102和压电层103以形成露出第一电极204的第二槽808，通过第二槽808沉积引出电极911，使得引出电极911至少部分与露出的第一电极204连接，如此，便实现将第一电极204引至缓冲层102背离基底401的一侧，便于对其进行接线。应当理解的是，引出电极911和第二电极910之间具有一定的间隔，从而保证两者的绝缘。
在一些实施方式中，引出电极911和第二电机可以在同一步骤中形成，例如图10所示，在缓冲层102背离基底401的一侧表面沉积形成整层的导电层，即导电层覆盖缓冲层102表面、第一槽809和第二槽808，然后通过刻蚀使得导电层在第一槽809和第二槽808之间断开形成两个独立部分，其中一部分作为第一电极204，另一部分作为引出电极911。
可选的，如图10所示，多个第一凸块包括第一子凸块和第二子凸块，在第一子凸块和第二子凸块之间形成有与第一槽809位置对应的第三槽912，换言之，利用第三槽912可以作为谐振器的空气腔结构，如此，能够使得第一电极204、位于第一槽809内与压电层103接触的第二电极910和第三槽912各自在基底401上的正投影具有交叠区域，该交叠区域便为谐振器的有效工作区域。
可选的，第一键合层和第二键合层507均为金属层，例如金层等。由于第一键合层和第二键合层507均为金属层，因此，能够有效避免该部分的寄生电容，提高器件性能。
本申请实施例的另一方面，提供一种单晶薄膜体声波谐振器1002，包括：采用上述任一种单晶薄膜体声波谐振器1002制备方法制备的单晶薄膜体声波谐振器1002。具体的：如图10所示，单晶薄膜体声波谐振器1002包括基底401，基底401表面具有多个第一凸块，在基底401表面设置有覆盖多个第一凸块顶面的第二键合层507，在第二键合层507上键合设置有第一键合层，在第一键合层上依次设置有层叠的第一电极204、压电层103和缓冲层102，在缓冲层102上设置有露出压电层103的第一槽809，在第一槽809上设置有与压电层103接触的第二电极910。
在键合时，由于可以通过刻蚀槽406控制第一凸块顶面的面积大小，便可以控制位于第一凸块顶面的第二键合层507的面积，从而实现对键合面积的控制。通过对键合面积的灵活调节，使得临时衬底101上的层级结构与基底401上的层级结构在满足键合可靠性要求的基础上，避免因键合面积过大，使得键合要求过高，制备成本增加，难以在量产中应用。换言之，本申请通过对键合面积进行控制，实现了键合要求与键合可靠性之间的平衡。
可选的，第一键合层和第二键合层507均为金属层，例如金层等。由于第一键合层和第二键合层507均为金属层，因此，能够有效避免该部分的寄生电容，提高器件性能。
本申请实施例的再一方面，提供一种滤波器，如图11所示，包括多个上述任一种的单晶薄膜体声波谐振器1002，多个单晶薄膜体声波谐振器1002共用同一基底401，且多个单晶薄膜体声波谐振器1002串联和/或并联，在基底401上设置有环绕于多个单晶薄膜体声波谐振器1002外周的第一环形密封结构1003，第一密封结构包括层叠设置于基底401上且相互键合的第一密封圈和第二密封圈。如此，能够通过在滤波器外围设一圈键合区域，充当密封环，可以有效防止杂质进入硅片内部，增加了工艺的可靠性。
在一些实施方式中，第一密封圈可以与前述第二键合层507在同一步骤中形成(参照导电层包括引出电极911和第二电极910)；同理，第二密封圈可以与前述第一键合层在同一步骤中形成(参照导电层包括引出电极911和第二电极910)。
可选的，如图12所示，为了进一步的提高密封效果，还可以在每个单晶薄膜体声波谐振器1002的外周设置有第二环形密封结构1103，第二环形密封结构1103包括层叠设置于基底401上且相互键合的第三密封圈和第四密封圈。
在一些实施方式中，第一密封圈可以与第三密封圈在同一步骤中形成；同理，第二密封圈可以与第四密封圈在同一步骤中形成。
可选的，如图12所示，为了进一步的提高密封效果，滤波器还包括密封墙结构1104，相邻两个第二环形密封结构1103通过密封墙结构1104连接，所述密封墙结构1104包括层叠设置于基底401上且相互键合的第五密封圈和第六密封圈。
在一些实施方式中，第一密封圈可以与第五密封圈在同一步骤中形成；同理，第二密封圈可以与第六密封圈在同一步骤中形成。
以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种单晶薄膜体声波谐振器制备方法，其特征在于，所述方法包括：
提供临时衬底；
在所述临时衬底上依次形成层叠的缓冲层、压电层和第一电极；
在所述第一电极上形成第一键合层；
提供基底；
刻蚀所述基底以在所述基底表面形成多个第一凸块，在相邻两个所述第一凸块之间同步形成朝向所述基底内部凹陷的刻蚀槽，通过控制所述刻蚀槽的大小，以控制所述第一凸块的顶面面积；
在所述基底表面形成覆盖多个所述第一凸块顶面的第二键合层；
将位于多个所述第一凸块顶面的第二键合层与所述第一键合层键合；
去除所述临时衬底；
刻蚀所述缓冲层以形成露出所述压电层的第一槽；
通过所述第一槽形成与所述压电层接触的第二电极。
2.如权利要求1所述的单晶薄膜体声波谐振器制备方法，其特征在于，在所述第一电极上形成第一键合层之后，所述方法还包括：
对所述第一键合层进行图形化以形成多个用于与所述第一凸块顶面的第二键合层键合的第二凸块。
3.如权利要求1所述的单晶薄膜体声波谐振器制备方法，其特征在于，在所述去除所述临时衬底之后，所述方法还包括：
依次刻蚀所述缓冲层和所述压电层以形成露出所述第一电极的第二槽；
通过所述第二槽形成与所述第一电极连接的引出电极。
4.如权利要求1所述的单晶薄膜体声波谐振器制备方法，其特征在于，多个所述第一凸块包括第一子凸块和第二子凸块，在所述第一子凸块和所述第二子凸块之间形成有与所述第一槽位置对应的第三槽。
5.如权利要求1所述的单晶薄膜体声波谐振器制备方法，其特征在于，所述第一键合层和所述第二键合层均为金属层。
6.一种单晶薄膜体声波谐振器，其特征在于，采用如权利要求1至5任一项所述的方法制备，包括：基底，所述基底表面具有多个第一凸块，在相邻两个所述第一凸块之间同步形成朝向所述基底内部凹陷的刻蚀槽，通过控制所述刻蚀槽的大小，以控制所述第一凸块的顶面面积，在所述基底表面设置有覆盖多个所述第一凸块顶面的第二键合层，在所述第二键合层上键合设置有第一键合层，在所述第一键合层上依次设置有层叠的第一电极、压电层和缓冲层，在所述缓冲层上设置有露出所述压电层的第一槽，在所述第一槽上设置有与所述压电层接触的第二电极。
7.如权利要求6所述的单晶薄膜体声波谐振器，其特征在于，所述第一键合层和所述第二键合层均为金属层。
8.一种滤波器，其特征在于，包括多个如权利要求6或7所述的单晶薄膜体声波谐振器，多个所述单晶薄膜体声波谐振器共用同一基底，且多个所述单晶薄膜体声波谐振器串联和/或并联，在所述基底上设置有环绕于所述多个单晶薄膜体声波谐振器外周的第一环形密封结构，所述第一环形密封结构包括层叠设置于所述基底上且相互键合的第一密封圈和第二密封圈。
9.如权利要求8所述的滤波器，其特征在于，在每个所述单晶薄膜体声波谐振器的外周还设置有第二环形密封结构，所述第二环形密封结构包括层叠设置于所述基底上且相互键合的第三密封圈和第四密封圈。
10.如权利要求9所述的滤波器，其特征在于，所述滤波器还包括密封墙结构，相邻两个所述第二环形密封结构通过所述密封墙结构连接。
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