CN114362717A

CN114362717A - 一种薄膜体声波谐振器及其制备方法

Info

Publication number: CN114362717A
Application number: CN202210027321.5A
Authority: CN
Inventors: 龙开祥; 孙博文; 国世上; 蔡耀; 孙成亮; 刘炎; 罗天成
Original assignee: Wuhan Memsonics Technologies Co Ltd
Current assignee: Wuhan Memsonics Technologies Co Ltd
Priority date: 2022-01-11
Filing date: 2022-01-11
Publication date: 2022-04-15
Anticipated expiration: 2042-01-11
Also published as: CN114362717B

Abstract

本申请提供一种薄膜体声波谐振器及其制备方法，涉及滤波器技术领域，包括：衬底以及依次层叠设置于衬底上的下电极、压电层、上电极和电容结构，电容结构与上电极连接，由于电容结构直接以层叠的方式设置于上电极上，因此，能够避免因为引入电容结构从而增大占用面积所导致的封装困难。由于引入电容结构，因此，能够显著增强体声波滤波器的带外抑制特性，同时，通过电容结构与薄膜体声波谐振器进行连接，还能够有效减少外接电路引入的性能损耗。在利用薄膜体声波谐振器搭建滤波器时，可以使得多个薄膜体声波谐振器以串联、并联的方式连接在一起即可，无需形成拓扑结构，有效降低了制备难度。

Description

一种薄膜体声波谐振器及其制备方法

技术领域

本申请涉及滤波器技术领域，具体而言，涉及一种薄膜体声波谐振器及其制备方法。

背景技术

薄膜体声波滤波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，薄膜体声波滤波器及其组成的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。由于薄膜体声波滤波器具有的尺寸小、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。

现有薄膜体声波滤波器为了提高性能引入了电容结构，其在设置时，通常使得电容结构和薄膜体声波谐振器呈平面分布，如此，导致在后续滤波器的搭建过程中，增大了整个器件面积，导致封装难度较大。

发明内容

本申请的目的在于，针对上述现有技术中的不足，提供一种薄膜体声波谐振器及其制备方法，以解决现有引入电容结构的薄膜体声波滤波器因器件面积较大，导致封装难度较大的问题。

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，提供一种薄膜体声波谐振器，包括：衬底以及依次层叠设置于衬底上的下电极、压电层、上电极和电容结构，电容结构与上电极连接。

可选的，压电层背离衬底的表面包括第一区域和第二区域，电容结构包括第一极板、第二极板以及位于第一极板和第二极板之间的介质层，上电极和第一极板依次层叠于第一区域，第一极板与上电极连接，第二极板位于第二区域。

可选的，薄膜体声波谐振器还包括第一槽，第一槽从第二区域的表面延伸至下电极表面；第二极板包括位于第二区域表面且与第一极板配合的本部和填充于第一槽内的导电部，以将下电极和本部连接。

可选的，薄膜体声波谐振器还包括：覆盖于第一极板、第二极板和介质层上的封装盖板，在封装盖板覆盖第一极板、第二极板和介质层的表面设置有第二槽，第一极板部分设置在第二槽的第一侧壁，第二极板部分设置在第二槽内与第一侧壁相对的第二侧壁，介质层填充于第二槽内且位于第一侧壁和第二侧壁之间以将第一极板与第二极板隔离。

可选的，在衬底上还设置有位于下电极下方的第三槽。

本申请实施例的另一方面，提供一种薄膜体声波谐振器的制备方法，方法包括：提供衬底；在衬底上依次形成下电极、压电层和上电极；在上电极上制作电容结构，电容结构与上电极连接。

可选的，压电层背离衬底的表面包括第一区域和第二区域，上电极位于第一区域表面，在上电极上制作电容结构包括：在上电极上形成第一金属部，在压电层的第二区域形成第二金属部，且第一金属部与第二金属部间隔；提供封装盖板，在封装盖板表面形成与第一金属部对应的第三金属部、与第二金属部对应的第四金属部以及位于第三金属部和第四金属部之间的介质层；将第三金属部与第一金属部以及第四金属部和第二金属部键合，以分别形成电容结构的第一极板和第二极板。

可选的，在上电极上形成第一金属部，在压电层的第二区域形成第二金属部之前，方法还包括：在压电层的第二区域形成第一槽，第一槽从第二区域表面延伸至下电极表面。

可选的，提供封装盖板，在封装盖板表面形成与第一金属部对应的第三金属部、与第二金属部对应的第四金属部以及位于第三金属部和第四金属部之间的介质层包括：提供封装盖板，在封装盖板表面形成金属层；刻蚀金属层以形成间隔的第三金属部和第四金属部；在第三金属部和第四金属部之间形成介质层。

可选的，在将第三金属部与第一金属部以及第四金属部和第二金属部键合之后，方法还包括：对封装盖板背离衬底的一侧进行减薄处理。

本申请的有益效果包括：

本申请提供了一种薄膜体声波谐振器及其制备方法，包括：衬底以及依次层叠设置于衬底上的下电极、压电层、上电极和电容结构，电容结构与上电极连接，由于本申请中的电容结构直接以层叠的方式设置于上电极上，因此，能够避免因为引入电容结构从而增大占用面积所导致的封装困难。由于本申请引入电容结构，因此，能够显著增强体声波滤波器的带外抑制特性，同时，通过电容结构与薄膜体声波谐振器进行连接，还能够有效减少外接电路引入的性能损耗。在利用本申请的薄膜体声波谐振器搭建滤波器时，可以使得多个薄膜体声波谐振器以串联、并联的方式连接在一起即可，无需形成拓扑结构，有效降低了制备难度。

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薄膜体声波谐振器制备方法的状态示意图之一；

图2为本申请实施例提供的一种薄膜体声波谐振器制备方法的状态示意图之二；

图3为本申请实施例提供的一种薄膜体声波谐振器制备方法的状态示意图之三；

图4为本申请实施例提供的一种薄膜体声波谐振器制备方法的状态示意图之四；

图5为本申请实施例提供的一种薄膜体声波谐振器制备方法的状态示意图之五；

图6为本申请实施例提供的一种薄膜体声波谐振器制备方法的状态示意图之六；

图7为本申请实施例提供的一种薄膜体声波谐振器制备方法的状态示意图之七；

图8为本申请实施例提供的一种薄膜体声波谐振器制备方法的状态示意图之八；

图9为本申请实施例提供的一种薄膜体声波谐振器的结构示意图；

图10为本申请另一实施例提供的一种薄膜体声波谐振器制备方法的状态示意图之一；

图11为本申请另一实施例提供的一种薄膜体声波谐振器制备方法的状态示意图之二；

图12为本申请另一实施例提供的一种薄膜体声波谐振器制备方法的状态示意图之三；

图13为本申请另一实施例提供的一种薄膜体声波谐振器的结构示意图。

图标：110-衬底；120-Si₃N₄层；130-牺牲层；140-下电极；150-压电层；151-第一槽；160-上电极；170-第一金属层；171-通槽；172-第一金属部；173-第二金属部；210-封装盖板；211-第二槽；220-金属层；221-第三金属部；222-第四金属部；230-介质层；240-第一极板；250-第二极板。

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，提供一种薄膜体声波谐振器，如图8和图12所示，包括：衬底110、下电极140、压电层150、上电极160和电容结构，其中，下电极140、压电层150和上电极160依次设置于衬底110上，从而形成谐振器的基本层级结构，然后在上电极160上继续层叠设置电容结构，并且使得电容结构与上电极160连接，从而实现谐振器与电容结构的连接，也即在由本申请薄膜体声波谐振器搭建的薄膜体声波滤波器中引入了电容结构，由于本申请中的电容结构直接以层叠的方式设置于上电极160上，因此，能够避免因为引入电容结构从而增大占用面积所导致的封装困难。

此外，由于本申请引入电容结构，因此，能够显著增强体声波滤波器的带外抑制特性，同时，通过电容结构与薄膜体声波谐振器进行连接，还能够有效减少外接电路引入的性能损耗。

在利用本申请的薄膜体声波谐振器搭建滤波器时，可以使得多个薄膜体声波谐振器以串联、并联的方式连接在一起即可，无需形成拓扑结构，有效降低了制备难度。

在一些实施方式中，衬底110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110、蓝宝石衬底110等。

在一些实施方式中，压电层150的材质可以是AlN、ScAlN、ZnO、PZT、LiNbO₃、LiTaO₃中的一种。

在一些实施方式中，如图8和图12所示，本申请的薄膜体声波谐振器还可以具有空气腔结构，如此，能够利用空气腔将声波反射回谐振器内部，大幅度削减能量从谐振器泄露，保证谐振器的性能。具体的：如图1至图4所示，可以通过掩膜刻蚀的方式从衬底110表面延伸至衬底110内部形成位于衬底110内的第三槽，利用第三槽可以作为空气腔结构。应当理解的是，为便于后续制作下电极140、压电层150和上电极160，还可以先由牺牲层130对第三槽进行填充，从而使衬底110结构表面较为平整，如图9和图13所示，然后在后续工艺中通过将填充于第三槽内的牺牲层130进行释放从而获得空气腔结构。在一些实施方式中，牺牲层130可以使SiO₂等材质。

在一些实施方式中，如图1至图4所示，薄膜体声波谐振器还可以包括Si3N4层120，即先在如图1所示的衬底110表面沉积整层Si3N4层120，然后通过光刻胶涂覆、曝光、显影等工艺对光刻胶层图形化，从而对Si3N4层120和衬底110进行依次刻蚀，从而形成由Si3N4层120上表面延伸至衬底110内部的第三槽，然后再沉积牺牲层130，使得牺牲层130填充第三槽。

在一些实施方式中，如图2所示，在使得牺牲层130填充于第三槽后，为了进一步的提高结构表面的平整度，还可以采用CMP工艺对图2所示的上表面进行平坦化处理。

可选的，如图8和图12所示，压电层150背离衬底110的表面包括第一区域和第二区域，电容结构包括第一极板240、第二极板250以及位于第一极板240和第二极板250之间的介质层230，换言之，通过介质层230将第一极板240和第二极板250进行隔离，以形成电容结构，其中，上电极160和第一极板240依次层叠于压电层150表面的第一区域，第一极板240与上电极160连接，第二极板250位于压电层150表面的第二区域，如此，能够使得电容结构的第一极板240、介质层230、第二极板250能够沿水平方向分布，从而充分利用水平空间。在一些实施方式中，第一极板240和第二极板250的材质可以是Au等。

需要说明的是，本申请引入电容结构，可以通过电容结构对薄膜体声波谐振器进行调频。例如可以通过改变电容结构的电容值的大小(改变介质层230的材质、厚度等方式实现)，从而对薄膜体声波谐振器进行调频；又例如可以通过改变电容结构与薄膜体声波谐振器的连接方式，从而对薄膜体声波谐振器进行调频；再例如，可以结合上述两种方式，从而对薄膜体声波谐振器进行调频。具体的：

在一些实施方式中，如图12所示，当电容结构的第一极板240与谐振器的上电极160连接，且电容结构的第二极板250不与谐振器的下电极140连接时，能够使得电容结构与谐振器串联，能够起到调节薄膜体声波谐振器串联谐振频率的效果，应当理解的是，此时薄膜体声波谐振器并联谐振频率不发生改变。在此方案基础上，电容值与串联谐振频率呈正相关，即当电容增大时，串联谐振频率会增大。

在一些实施方式中，如图8所示，薄膜体声波谐振器还包括第一槽151，第一槽151位于压电层150表面的第二区域，且第一槽151从压电层150表面延伸至下电极140表面。第二极板250包括位于压电层150第二区域的表面的本部和填充于第一槽151内的导电部，其中，本部与第一极板240配合，以便形成电容结构，通过导电部的相对两端可以将压电层150下方的下电极140和压电层150上方的本部连接，从而实现电容结构的第二极板250与谐振器的下电极140的连接，配合电容结构的第一极板240与谐振器的上电极160连接时，能够使得电容结构与谐振器并联，能够起到调节薄膜体声波谐振器并联谐振频率的效果，应当理解的是，此时薄膜体声波谐振器串联谐振频率不发生改变。在此方案基础上，电容值与并联谐振频率呈负相关，即当电容增大时，并联谐振频率会减小。

可选的，如图9和图13所示，薄膜体声波谐振器还包括：覆盖于第一极板240、第二极板250和介质层230上的封装盖板210，在封装盖板210覆盖第一极板240、第二极板250和介质层230的表面上可以设置有向封装盖板210内部延伸的第二槽211。第一极板240的部分可以设置在第二槽211的第一侧壁，第二极板250的部分可以设置在第二槽211内与第一侧壁相对的第二侧壁，在第二槽211的第一侧壁和第二侧壁之间还留有空间，该空间由介质层230填充，从而利用介质层230对位于第一侧壁和第二侧壁上的第一极板240和第二极板250进行隔离。

本申请实施例的另一方面，提供一种薄膜体声波谐振器的制备方法，方法包括：提供衬底110；在衬底110上依次形成下电极140、压电层150和上电极160；在上电极160上制作电容结构，电容结构与上电极160连接。由于本申请中的电容结构直接以层叠的方式设置于上电极160上，因此，能够避免因为引入电容结构从而增大占用面积所导致的封装困难。

可选的，压电层150背离衬底110的表面包括第一区域和第二区域，上电极160位于第一区域表面，在上电极160上制作电容结构包括：

如图10和图11所示，在上电极160上形成第一金属部172，在压电层150的第二区域形成第二金属部173，第一金属部172与第二金属部173间隔，避免第一极板240和第二极板250短接。形成的方式可以是先形成整层第一金属层170，然后通过刻蚀形成通槽171，利用通槽171使得第一金属层170分为两部分，分别作为第一金属部172和第二金属部173。

如图7所示，提供封装盖板210，在封装盖板210表面形成与第一金属部172位置对应的第三金属部221、与第二金属部173位置对应的第四金属部222以及位于第三金属部221和第四金属部222之间的介质层230，从而由介质层230对第三金属部221和第四金属部222进行隔离，避免两者短接。

如图12所示，将第三金属部221与第一金属部172对位键合，将第四金属部222和第二金属部173对位键合，从而由第三金属部221与第一金属部172形成电容结构的第一极板240，由第四金属部222与第二金属部173形成电容结构的第二极板250。如此，便可以通过金属键合的方式，实现电容结构与谐振器的集成。

可选的，如图4所示，当需要实现电容结构与谐振器的并联时，可以在上电极160上形成第一金属部172，在压电层150的第二区域形成第二金属部173之前，先通过刻蚀的方式在压电层150的第二区域形成第一槽151，使得第一槽151从压电层150的表面延伸至下电极140表面，然后如图5所示，接着形成第一金属部172和第二金属部173，在形成第二金属部173时，由于第二区域具有第一槽151，因此，第二金属部173部分会填充于第一槽151内，实现第二金属部173通过第一槽151与压电层150下方的下电极140进行连接。

可选的，提供封装盖板210，在封装盖板210表面形成与第一金属部172对应的第三金属部221、与第二金属部173对应的第四金属部222以及位于第三金属部221和第四金属部222之间的介质层230包括：如图6所示，先提供封装盖板210，然后在封装盖板210表面形成一整层金属层220，如图7所示，通过刻蚀金属层220以形成间隔的第三金属部221和第四金属部222，然后在第三金属部221和第四金属部222之间沉积介质层230，从而利用介质层230将第三金属部221和第四金属部222进行隔离。

如图6至图7所示，在采用键合的方式进行连接时，为了便于电容结构能够沿水平方向分布，可以对封装盖板210表面进行刻蚀，从而形成第二槽211，然后在刻蚀后的封装盖板210表面形成金属层220，然后对第二槽211的槽底的金属层220进行去除，从而形成第三金属部221和第四金属部222，且两者在第二槽211内间隔，并且第三金属部221的部分可以设置在第二槽211的第一侧壁，第四金属部222的部分可以设置在第二槽211内与第一侧壁相对的第二侧壁，在第二槽211的第一侧壁和第二侧壁之间还留有空间，该空间由介质层230填充，从而利用介质层230对第三金属部221和第四金属部222进行隔离。

可选的，如图9和图13所示，在将第三金属部221与第一金属部172以及第四金属部222和第二金属部173键合之后，方法还包括：对封装盖板210背离衬底110的一侧进行减薄处理。在一些实施方式中，当在衬底110上还具有位于第三槽内的牺牲层130时，可以对其进行释放，从而得到空气腔结构。

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

1.一种薄膜体声波谐振器，其特征在于，包括：衬底以及依次层叠设置于所述衬底上的下电极、压电层、上电极和电容结构，所述电容结构与所述上电极连接。

2.如权利要求1所述的薄膜体声波谐振器，其特征在于，所述压电层背离所述衬底的表面包括第一区域和第二区域，所述电容结构包括第一极板、第二极板以及位于所述第一极板和所述第二极板之间的介质层，所述上电极和所述第一极板依次层叠于所述第一区域，所述第一极板与所述上电极连接，所述第二极板位于所述第二区域。

3.如权利要求2所述的薄膜体声波谐振器，其特征在于，所述薄膜体声波谐振器还包括第一槽，所述第一槽从所述第二区域的表面延伸至所述下电极表面；所述第二极板包括位于所述第二区域表面且与所述第一极板配合的本部和填充于所述第一槽内的导电部，以将所述下电极和所述本部连接。

4.如权利要求2所述的薄膜体声波谐振器，其特征在于，所述薄膜体声波谐振器还包括：覆盖于所述第一极板、所述第二极板和所述介质层上的封装盖板，在所述封装盖板覆盖所述第一极板、所述第二极板和所述介质层的表面设置有第二槽，所述第一极板部分设置在所述第二槽的第一侧壁，所述第二极板部分设置在所述第二槽内与所述第一侧壁相对的第二侧壁，所述介质层填充于所述第二槽内且位于所述第一侧壁和所述第二侧壁之间以将所述第一极板与所述第二极板隔离。

5.如权利要求1所述的薄膜体声波谐振器，其特征在于，在所述衬底上还设置有位于所述下电极下方的第三槽。

6.一种薄膜体声波谐振器的制备方法，其特征在于，所述方法包括：

提供衬底；

在所述衬底上依次形成下电极、压电层和上电极；

在所述上电极上制作电容结构，所述电容结构与所述上电极连接。

7.如权利要求6所述的薄膜体声波谐振器的制备方法，其特征在于，所述压电层背离所述衬底的表面包括第一区域和第二区域，所述上电极位于所述第一区域表面，所述在所述上电极上制作电容结构包括：

在所述上电极上形成第一金属部，在所述压电层的第二区域形成第二金属部，且所述第一金属部与所述第二金属部间隔；

提供封装盖板，在所述封装盖板表面形成与所述第一金属部对应的第三金属部、与所述第二金属部对应的第四金属部以及位于所述第三金属部和所述第四金属部之间的介质层；

将所述第三金属部与所述第一金属部以及所述第四金属部和所述第二金属部键合，以分别形成所述电容结构的第一极板和第二极板。

8.如权利要求6所述的薄膜体声波谐振器的制备方法，其特征在于，在所述上电极上形成第一金属部，在所述压电层的第二区域形成第二金属部之前，所述方法还包括：

在所述压电层的第二区域形成第一槽，所述第一槽从所述第二区域表面延伸至所述下电极表面。

9.如权利要求7所述的薄膜体声波谐振器的制备方法，其特征在于，所述提供封装盖板，在所述封装盖板表面形成与所述第一金属部对应的第三金属部、与所述第二金属部对应的第四金属部以及位于所述第三金属部和所述第四金属部之间的介质层包括：

提供所述封装盖板，在所述封装盖板表面形成金属层；

刻蚀所述金属层以形成间隔的第三金属部和第四金属部；

在所述第三金属部和所述第四金属部之间形成介质层。

10.如权利要求7所述的薄膜体声波谐振器的制备方法，其特征在于，在将所述第三金属部与所述第一金属部以及所述第四金属部和所述第二金属部键合之后，所述方法还包括：

对所述封装盖板背离所述衬底的一侧进行减薄处理。