CN115412042A - 薄膜体声波谐振器及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本申请提供一种薄膜体声波谐振器及其制备方法，涉及谐振器技术领域，包括衬底上形成单晶压电薄膜层,单晶压电薄膜层刻蚀贯通至衬底的第一沟槽,第一沟槽内沉积第一牺牲层；单晶压电薄膜层沉积第二牺牲层和底电极,第二牺牲层用于形成底电极和单晶压电薄膜层之间的底电极空气桥；底电极依次形成第三牺牲层和支撑层,第三牺牲层形成支撑层和底电极之间的空腔；支撑层上形成键合层；键合层上通过晶圆键合层键合晶圆；去除衬底；单晶压电薄膜层上依次形成第四牺牲层和顶电极,第四牺牲层用于形成顶电极和单晶压电薄膜层之间的顶电极空气桥,顶电极空气桥通过第一沟槽和空腔连通；顶电极刻蚀单晶压电薄膜层形成第二沟槽,第二沟槽和底电极空气桥连通。

Description

薄膜体声波谐振器及其制备方法

技术领域

本申请涉及谐振器技术领域，具体涉及一种薄膜体声波谐振器及其制备方法。

背景技术

薄膜体声波谐振器一般由顶电极、压电层和底电极叠层结构构成，谐振器在工作的过程中会上下振动产生驻波形成谐振，在谐振器的非有效区会有部分声波能量泄露，导致谐振器的Q值降低。为了解决这种问题，一般采用在电极上设计相应的结构来减小横向额声波泄露，在电极上设计反射声波的结构可以最大程度的反射通过电极部分的声波泄露，但是对于存在与压电材料内部的声波泄露，其反射效率会大大降低，不能很好地反射压电材料内部的声波。

发明内容

本申请实施例的目的在于提供一种薄膜体声波谐振器及其制备方法，能够减少谐振器的声波能量泄露，提高谐振器的Q值。

本申请实施例的一方面，提供了一种薄膜体声波谐振器的制备方法，包括在衬底上形成单晶压电薄膜层,所述单晶压电薄膜层刻蚀贯通至所述衬底的第一沟槽,且所述第一沟槽内沉积第一牺牲层；在所述单晶压电薄膜层沉积第二牺牲层和底电极,所述第二牺牲层用于形成所述底电极和所述单晶压电薄膜层之间的底电极空气桥；在所述底电极依次形成第三牺牲层和支撑层,所述第三牺牲层用于形成所述支撑层和所述底电极之间的空腔；在所述支撑层上形成键合层；在所述键合层上通过晶圆键合层键合晶圆；去除所述衬底,并翻转使所述单晶压电薄膜层朝向上方；在所述单晶压电薄膜层上依次形成第四牺牲层和顶电极,所述第四牺牲层用于形成所述顶电极和所述单晶压电薄膜层之间的顶电极空气桥,且所述顶电极空气桥通过第一沟槽和所述空腔连通；由所述顶电极刻蚀所述单晶压电薄膜层以形成第二沟槽,所述第二沟槽和所述底电极空气桥连通。

可选地，所述在所述单晶压电薄膜层沉积第二牺牲层和底电极,所述第二牺牲层用于形成所述底电极和所述单晶压电薄膜层之间的底电极空气桥包括:在所述单晶压电薄膜层沉积所述第二牺牲层；在所述单晶压电薄膜层上沉积所述底电极,使所述底电极覆盖所述第二牺牲层。

可选地，所述在所述底电极依次形成第三牺牲层和支撑层,所述第三牺牲层用于形成所述支撑层和所述底电极之间的空腔包括：在所述底电极上沉积第三牺牲层,所述第三牺牲层覆盖所述第一牺牲层,露出所述第二牺牲层；在所述第三牺牲层上沉积所述支撑层,使所述支撑层全覆盖所述单晶压电薄膜层。

可选地，所述在所述支撑层上形成键合层之后,在所述键合层上通过晶圆键合层键合晶圆之前,所述方法包括:对所述键合层的表面平坦化，以使所述键合层的表面平整。

可选地，所述在所述单晶压电薄膜层上依次形成第四牺牲层和顶电极,所述第四牺牲层用于形成所述顶电极和所述单晶压电薄膜层之间的顶电极空气桥,且所述顶电极空气桥通过第一沟槽和所述空腔连通包括：在所述单晶压电薄膜层上沉积第四牺牲层,使所述第四牺牲层覆盖所述第一牺牲层；在所述单晶压电薄膜层上沉积所述顶电极，以全覆盖所述第四牺牲层和所述单晶压电薄膜层，并将所述顶电极图案化；在所述顶电极刻蚀所述第二沟槽，以使所述第二沟槽和所述第二牺牲层连通；释放所述第一牺牲层、所述第二牺牲层、所述第三牺牲层、所述第四牺牲层，以分别形成所述第一沟槽、所述底电极空气桥、所述空腔、所述顶电极空气桥；其中，在第一方向上，所述底电极空气桥的长度为0.5λ～10λ，所述第一沟槽的长度为0.5λ～10λ，所述顶电极空气桥的长度为0.5λ～10λ，所述第二沟槽的长度为0.5λ～10λ，λ为所述单晶压电薄膜层的声波波长。

可选地，所述在所述单晶压电薄膜层上沉积第四牺牲层,使所述第四牺牲层覆盖所述第一牺牲层之后，在所述单晶压电薄膜层上沉积所述顶电极，以全覆盖所述第四牺牲层和所述单晶压电薄膜层，并将所述顶电极图案化之前，所述方法包括:在所述单晶压电薄膜层上沉积掩膜版层,以全覆盖所述第四牺牲层和所述单晶压电薄膜层；在所述掩膜版层形成贯通至所述单晶压电薄膜层的引出孔；刻蚀所述引出孔至所述底电极，并去除所述掩膜版层。

可选地，所述在所述单晶压电薄膜层上沉积掩膜版层,以全覆盖所述第四牺牲层和所述单晶压电薄膜层包括：在所述单晶压电薄膜层上沉积二氧化硅以作为所述掩膜版层。

本申请实施例的另一方面，提供了一种薄膜体声波谐振器，采用上述的薄膜体声波谐振器的制备方法制备，包括依次层叠设置的晶圆层、晶圆键合层、支撑层、底电极、单晶压电薄膜层和顶电极；所述支撑层和所述底电极之间设置有空腔，所述顶电极和所述单晶压电薄膜层之间设置有顶电极空气桥，所述顶电极空气桥和所述空腔之间通过设置在所述单晶压电薄膜层的第一沟槽连通；所述单晶压电薄膜层和所述底电极之间设置有底电极空气桥，所述顶电极设置有贯通至所述底电极空气桥的第二沟槽。

可选地，所述顶电极设置有贯通至所述底电极的引出孔。

可选地，所述单晶压电薄膜层的材料为氮化铝。

本申请实施例提供的薄膜体声波谐振器及其制备方法，包括在衬底上形成单晶压电薄膜层,单晶压电薄膜层刻蚀贯通至衬底的第一沟槽,且第一沟槽内沉积第一牺牲层；在单晶压电薄膜层沉积第二牺牲层和底电极,第二牺牲层用于形成底电极和单晶压电薄膜层之间的底电极空气桥；在底电极依次形成第三牺牲层和支撑层,第三牺牲层用于形成支撑层和底电极之间的空腔；在支撑层上形成键合层；在键合层上通过晶圆键合层键合晶圆；去除衬底,并翻转使单晶压电薄膜层朝向上方；在单晶压电薄膜层上依次形成第四牺牲层和顶电极,第四牺牲层用于形成顶电极和单晶压电薄膜层之间的顶电极空气桥,且顶电极空气桥通过第一沟槽和空腔连通；由顶电极刻蚀单晶压电薄膜层以形成第二沟槽,第二沟槽和底电极空气桥连通。通过底电极和底电极空气桥反射了通过底电极处的声波泄露，利用本申请的制备方法在制备空气桥的同时形成了沟槽结构，空气桥和沟槽结构处于对应的连接关系，底电极空气桥和第二沟槽对应连通，第一沟槽和顶电极空气桥对应连通；同时减少了单晶压电薄膜层的声波能量泄露，提高了谐振器的Q值。利用沟槽结构释放空气桥处的牺牲层，同时形成释放槽(沟槽)和空气桥两种可以提高Q值的结构，使得本申请制备的薄膜体声波谐振器提高Q值的效果双倍呈现。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对本申请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是本实施例提供的薄膜体声波谐振器的制备方法流程图；

图2是本实施例提供的薄膜体声波谐振器结构示意图；

图3～图19是本实施例提供的薄膜体声波谐振器的制备方法过程示意图。

图标：1-衬底；2-单晶压电薄膜层；3-第一沟槽；4-第一牺牲层；5-第二牺牲层；6-底电极；7-第三牺牲层；8-支撑层；9-键合层；10-晶圆键合层；11-晶圆；12-第四牺牲层；13-掩膜版层；14-引出孔；15-顶电极；16-顶电极空气桥；17-空腔；18-底电极空气桥；19-第二沟槽；F1-第一方向。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。

在本申请的描述中，需要说明的是，术语“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该申请产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

请参照图1所示，本申请实施例提供一种薄膜体声波谐振器的制备方法，可形成如图2所示的薄膜体声波谐振器，具体地，该方法包括：

如图3～图5所示，S100：在衬底1上形成单晶压电薄膜层2,单晶压电薄膜层2刻蚀贯通至衬底1的第一沟槽3,且第一沟槽3内沉积第一牺牲层4。

顶电极15、单晶压电薄膜层2和底电极6重合的区域为有效区，有效区之外的区域为非有效区。从单晶压电薄膜层2的表面向下刻蚀第一沟槽3，直至露出衬底1，第一沟槽3可以位于非有效区、可以位于有效区，还可以位于有效区和非有效区之间，本申请的一个可实现的方式中，第一沟槽3位于非有效区。其中，衬底1可采用硅衬底1，单晶压电薄膜层2采用氮化铝材料制备。

S110：在单晶压电薄膜层2沉积第二牺牲层5和底电极6,第二牺牲层5用于形成底电极6和单晶压电薄膜层2之间的底电极空气桥18。

其中,在第一方向F1上，底电极空气桥18的长度为0.5λ～10λ，第一沟槽3的长度为0.5λ～10λ，λ为单晶压电薄膜层2的声波波长。

如图6所示，在单晶压电薄膜层2沉积第二牺牲层5，然后如图7所示在单晶压电薄膜层2上沉积底电极6并进行图案化,使底电极6覆盖第二牺牲层5。

第二牺牲层5位于单晶压电薄膜层2上,先在单晶压电薄膜层2沉积第二牺牲层5,第二牺牲层5未全覆盖单晶压电薄膜层2,然后在第二牺牲层5上沉积底电极6,底电极6覆盖第二牺牲层5,底电极6未全覆盖单晶压电薄膜层2。

S120：在底电极6依次形成第三牺牲层7和支撑层8,第三牺牲层7用于形成支撑层8和底电极6之间的空腔17。

如图8所示，在底电极6上沉积第三牺牲层7并进行图案化,第三牺牲层7覆盖第一牺牲层4,露出第二牺牲层5；如图9所示，在第三牺牲层7上沉积支撑层8,使支撑层8全覆盖单晶压电薄膜层2。

如图10所示，S130：在支撑层8上形成键合层9。

键合层9全覆盖支撑层8，键合层9的表面形成凹凸不平的结构。因此，还需对键合层9的表面平坦化，以使键合层9的表面平整。具体可采用机械化学抛光工艺，将凹凸不平的键合层9表面平坦化后变得光滑平整，如图11所示。

如图12所示，S140：在键合层9上通过晶圆键合层10键合晶圆11。

然后在键合层9上键合晶圆11，具体晶圆11的下方形成晶圆键合层10，晶圆键合层10和键合层9键合，键合后键合层9和晶圆键合层10形成一体，如图13所示。

如图14所示，S150：去除衬底1,并翻转使单晶压电薄膜层2朝向上方。

去除衬底1后，将形成的结构翻转，单晶压电薄膜层2朝向，以便进行后续制程。

S160：在单晶压电薄膜层2上依次形成第四牺牲层12和顶电极15,第四牺牲层12用于形成顶电极15和单晶压电薄膜层2之间的顶电极空气桥16,且顶电极空气桥16通过第一沟槽3和空腔17连通。

具体包括如下步骤，如图15所示，S161：在单晶压电薄膜层2上沉积第四牺牲层12,使第四牺牲层12覆盖第一牺牲层4。

第四牺牲层12位于单晶压电薄膜层2的非有效区，第四牺牲层12覆盖第一牺牲层4，形成与第一牺牲层4的连接。

然后如图16所示，在单晶压电薄膜层2上沉积掩膜版层13,以全覆盖第四牺牲层12和单晶压电薄膜层2，掩膜版层13全覆盖单晶压电薄膜层2，具体可采用二氧化硅制备硬掩膜版层13。之后在掩膜版层13形成贯通至单晶压电薄膜层2的引出孔14，从掩膜版层13表面向下刻蚀引出孔14，直至露出单晶压电薄膜层2。图17图案化掩膜版层13层，留出电极引出孔14的位置，保护压电材料不被刻蚀。

刻蚀引出孔14至底电极6，并去除掩膜版层13。图18刻蚀出电极引出孔14，并去除掩膜版层13。

如图19所示，S162：在单晶压电薄膜层上沉积顶电极15，以全覆盖第四牺牲层12和单晶压电薄膜层2，并将顶电极15图案化。

顶电极15覆盖第四牺牲层12、单晶压电薄膜层2，且沿引出孔14的内壁覆盖。

S163：由顶电极15刻蚀单晶压电薄膜层2以形成第二沟槽19，以使第二沟槽19和第二牺牲层5连通；

由顶电极15表面向下刻蚀第二沟槽19至第二牺牲层5，以备后续通过第二沟槽19释放第二牺牲层5。

S164：释放第一牺牲层4、第二牺牲层5、第三牺牲层7、第四牺牲层12。

由顶电极15刻蚀第三沟槽至第三牺牲层7，通过第三沟槽释放第三牺牲层7、第二牺牲层5和第一牺牲层4，释放第一牺牲层4形成第一沟槽3，释放第二牺牲层5形成底电极空气桥18，释放第三牺牲层7形成空腔17，释放第四牺牲层12形成顶电极空气桥16，其中顶电极空气桥16、第一沟槽3和空腔17连通；第一沟槽3位于非有效区，底电极空气桥18和空腔17位于有效区，顶电极空气桥16位于非有效区。

S170：由顶电极15刻蚀单晶压电薄膜层2以形成形成第二沟槽19,第二沟槽19和底电极空气桥18连通。

在第一方向F1上，顶电极空气桥16的长度为0.5λ～10λ，第二沟槽19的长度为0.5λ～10λ，λ为单晶压电薄膜层2的声波波长。

第二牺牲层5通过第二沟槽19释放，以形成底电极空气桥18，底电极空气桥18和第二沟槽19连通。

本申请实施例提供的薄膜体声波谐振器的制备方法，通过底电极6和底电极空气桥18反射了通过底电极6处的声波泄露，利用本申请的制备方法在制备空气桥的同时形成了沟槽结构，空气桥和沟槽结构处于对应的连接关系，底电极空气桥18和第二沟槽19对应连通，第一沟槽3和顶电极空气桥16对应连通；同时减少了单晶压电薄膜层2的声波能量泄露，提高了谐振器的Q值。利用沟槽结构释放空气桥处的牺牲层，同时形成释放槽(沟槽)和空气桥两种可以提高Q值的结构，使得本申请制备的薄膜体声波谐振器提高Q值的效果双倍呈现。同时，在第一方向F1上，底电极空气桥18、顶电极空气桥16、第一沟槽3、第二沟槽19的长度均为0.5λ～10λ，λ为单晶压电薄膜层2的声波波长；这样能进一步提高减少了单晶压电薄膜层的声波能量泄露，提高谐振器的Q值。

请参照图1所示，本申请实施例还公开了一种薄膜体声波谐振器，采用如上任意一项的薄膜体声波谐振器的制备方法制备，其包括依次层叠设置的晶圆11层、晶圆键合层10、支撑层8、底电极6、单晶压电薄膜层2和顶电极15；支撑层8和底电极6之间设置有空腔17，顶电极15和单晶压电薄膜层2之间设置有顶电极空气桥16，顶电极空气桥16和空腔17之间通过设置在单晶压电薄膜层2的第一沟槽3连通；单晶压电薄膜层2和底电极6之间设置有底电极空气桥18，顶电极15设置有贯通至底电极空气桥18的第二沟槽19。

其中，单晶压电薄膜层2的材料为氮化铝，顶电极空气桥16、第一沟槽3和空腔17连通，底电极空气桥18和第二沟槽19连通，形成了两组沟槽和空气桥连通的结构，沟槽和空气桥均可提高Q值，这样一来，薄膜体声波谐振器提高Q值的效果更明显。

此外，在顶电极15设置有贯通至底电极6的引出孔14，以便于底电极6引出。

该薄膜体声波谐振器包含与前述实施例中的薄膜体声波谐振器的制备方法相同的结构和有益效果。薄膜体声波谐振器的制备方法的结构和有益效果已经在前述实施例中进行了详细描述，在此不再赘述。

以上所述仅为本申请的实施例而已，并不用于限制本申请的保护范围，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)

1.一种薄膜体声波谐振器的制备方法，其特征在于，包括：

在衬底上形成单晶压电薄膜层,所述单晶压电薄膜层刻蚀贯通至所述衬底的第一沟槽,且所述第一沟槽内沉积第一牺牲层；

在所述单晶压电薄膜层沉积第二牺牲层和底电极,所述第二牺牲层用于形成所述底电极和所述单晶压电薄膜层之间的底电极空气桥；

在所述底电极依次形成第三牺牲层和支撑层,所述第三牺牲层用于形成所述支撑层和所述底电极之间的空腔；

在所述支撑层上形成键合层；

在所述键合层上通过晶圆键合层键合晶圆；

去除所述衬底,并翻转使所述单晶压电薄膜层朝向上方；

在所述单晶压电薄膜层上依次形成第四牺牲层和顶电极,所述第四牺牲层用于形成所述顶电极和所述单晶压电薄膜层之间的顶电极空气桥,且所述顶电极空气桥通过第一沟槽和所述空腔连通；

由所述顶电极刻蚀所述单晶压电薄膜层以形成第二沟槽,所述第二沟槽和所述底电极空气桥连通。

2.根据权利要求1所述的薄膜体声波谐振器的制备方法，其特征在于，所述在所述单晶压电薄膜层沉积第二牺牲层和底电极,所述第二牺牲层用于形成所述底电极和所述单晶压电薄膜层之间的底电极空气桥包括:

在所述单晶压电薄膜层沉积所述第二牺牲层；

在所述单晶压电薄膜层上沉积所述底电极,使所述底电极覆盖所述第二牺牲层。

3.根据权利要求2所述的薄膜体声波谐振器的制备方法，其特征在于，所述在所述底电极依次形成第三牺牲层和支撑层,所述第三牺牲层用于形成所述支撑层和所述底电极之间的空腔包括：

在所述底电极上沉积第三牺牲层,所述第三牺牲层覆盖所述第一牺牲层,露出所述第二牺牲层；

在所述第三牺牲层上沉积所述支撑层,使所述支撑层全覆盖所述单晶压电薄膜层。

4.根据权利要求3所述的薄膜体声波谐振器的制备方法，其特征在于，所述在所述支撑层上形成键合层之后,在所述键合层上通过晶圆键合层键合晶圆之前,所述方法包括:

对所述键合层的表面平坦化，以使所述键合层的表面平整。

5.根据权利要求1所述的薄膜体声波谐振器的制备方法，其特征在于，所述在所述单晶压电薄膜层上依次形成第四牺牲层和顶电极,所述第四牺牲层用于形成所述顶电极和所述单晶压电薄膜层之间的顶电极空气桥,且所述顶电极空气桥通过第一沟槽和所述空腔连通包括：

在所述单晶压电薄膜层上沉积第四牺牲层,使所述第四牺牲层覆盖所述第一牺牲层；

在所述单晶压电薄膜层上沉积所述顶电极，以全覆盖所述第四牺牲层和所述单晶压电薄膜层，并将所述顶电极图案化；

在所述顶电极刻蚀所述第二沟槽，以使所述第二沟槽和所述第二牺牲层连通；

释放所述第一牺牲层、所述第二牺牲层、所述第三牺牲层、所述第四牺牲层，以分别形成所述第一沟槽、所述底电极空气桥、所述空腔、所述顶电极空气桥；其中，在第一方向上，所述底电极空气桥的长度为0.5λ～10λ，所述第一沟槽的长度为0.5λ～10λ，所述顶电极空气桥的长度为0.5λ～10λ，所述第二沟槽的长度为0.5λ～10λ，λ为所述单晶压电薄膜层的声波波长。

6.根据权利要求5所述的薄膜体声波谐振器的制备方法，其特征在于，所述在所述单晶压电薄膜层上沉积第四牺牲层,使所述第四牺牲层覆盖所述第一牺牲层之后，在所述单晶压电薄膜层上沉积所述顶电极，以全覆盖所述第四牺牲层和所述单晶压电薄膜层，并将所述顶电极图案化之前，所述方法包括:

在所述单晶压电薄膜层上沉积掩膜版层,以全覆盖所述第四牺牲层和所述单晶压电薄膜层；

在所述掩膜版层形成贯通至所述单晶压电薄膜层的引出孔；

刻蚀所述引出孔至所述底电极，并去除所述掩膜版层。

7.根据权利要求6所述的薄膜体声波谐振器的制备方法，其特征在于，所述在所述单晶压电薄膜层上沉积掩膜版层,以全覆盖所述第四牺牲层和所述单晶压电薄膜层包括：

在所述单晶压电薄膜层上沉积二氧化硅以作为所述掩膜版层。

8.一种薄膜体声波谐振器，采用如权利要求1～7任意一项所述的薄膜体声波谐振器的制备方法制备，其特征在于，包括依次层叠设置的晶圆层、晶圆键合层、支撑层、底电极、单晶压电薄膜层和顶电极；

所述支撑层和所述底电极之间设置有空腔，所述顶电极和所述单晶压电薄膜层之间设置有顶电极空气桥，所述顶电极空气桥和所述空腔之间通过设置在所述单晶压电薄膜层的第一沟槽连通；

所述单晶压电薄膜层和所述底电极之间设置有底电极空气桥，所述顶电极设置有贯通至所述底电极空气桥的第二沟槽。

9.根据权利要求8所述的薄膜体声波谐振器，其特征在于，所述顶电极设置有贯通至所述底电极的引出孔。

10.根据权利要求8所述的薄膜体声波谐振器，其特征在于，所述单晶压电薄膜层的材料为氮化铝。

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