CN209787132U - 体声波谐振器 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种体声波谐振器，所述体声波谐振器包括：衬底，表面具有各向同性刻蚀腔；位于所述衬底之上的具有开口的压电震荡堆层，所述开口与所述各向同性刻蚀腔连通，至少部分所述压电震荡堆层位于所述各向同性刻蚀腔之上。本实用新型的技术方案的体声波谐振器在衬底表面具有更大的腔体，以更有利于散热。

Description

体声波谐振器

技术领域

本实用新型涉及微电子机械系统(Micro-Electro-Mechanical System，简称MEMS)领域，尤其涉及一种体声波谐振器。

背景技术

近年来，无线通信已成为人们生活的一部分。起初，人们仅能使用手机进行语音通话以及短信的收发。然而，现在智能手机及平板电脑通过第三方软件能支持越来越多的功能，这就需要它们能在多频段下进行各类数据的快速传输。随着4G的成熟和5G的来临，手机支持的频段数量正在迅速上升。根据预测，到2020年，5G应用支持的频段数量将实现翻番，新增50个以上通信频段，全球2G/3G/4G/5G网络合计支持的频段将达到91个以上，手机内的滤波器将增至100多个，全球滤波器市场年需求量将达2千亿只。

射频信号质量取决于手机中的射频滤波器，声波谐振器是射频滤波器和传感器的基本组件。现有射频滤波器主要有三种：介质滤波器、声表面波(SAW)谐振器和薄膜体声波谐振器(FBAR)。介质滤波器是在其表面覆盖作为电壁用的金属层，电磁波被限制在介质内，形成驻波震荡，其主要优点是功率容量大、插入损耗低，但是体积大、难集成。声表面波谐振器是在其压电衬底(如铌酸锂等)的上表面以光刻的手段形成输入和输出叉指电极，利用压电效应激励出声表面波，并检测输出。声表面波谐振器尺寸比介质滤波器小，但其插入损耗大，且受光刻技术的制约工作频率较低、功率容量低、难集成。体声波谐振器在性能上全面超越了介质滤波器和表面波谐振器，其频率由压电层的厚度决定，因此频率可以大大高于表面波谐振器，且体积小、插入损耗低、带外抑制好、功率容量高、易集成。因此，体声波谐振器是近年来的研究热点。

图1是现有一种硅反面刻蚀型体声波谐振器的结构示意图。如图1所示，该体声波谐振器100包括具有反面刻蚀空腔102的硅衬底101、依次堆叠在硅衬底101上的支撑层103、下电极104、压电层105和上电极106。下电极104、压电层105、上电极106构成三明治结构，也叫做压电震荡堆。该谐振器100采用MEMS体硅微制造工艺从硅片反面刻蚀去除大部分的硅材料，以在压电震荡堆的下表面形成空气交界面，从而将声波限制于压电震荡堆之内，这样可较好的解决散热问题，有效减小声漏，但是其结构稳定性差。

图2是现有另一种空气型体声波谐振器的结构示意图。如图2所示，该谐振器200包括具有空气隙腔202的硅衬底201、依次堆叠在硅衬底201上的支撑层203、下电极204、压电层205和上电极206。下电极204、压电层205、上电极206构成三明治结构，也叫做压电震荡堆。该谐振器200先通过DRIE工艺刻蚀出空气隙腔202，再淀积牺牲层材料(如磷硅玻璃)，接着对牺牲层材料进行化学机械研磨(CMP)，最后再进行释放，露出空气隙腔202，在压电震荡堆的下表面形成空气交界面，从而将声波限制于压电震荡堆之内。此种结构可有效防止声漏、稳定性好，但是散热不畅通，且该工艺涉及牺牲层材料的生长、CMP以及释放，工艺难度高且设备昂贵。

因此，如何获得散热性好的体声波谐振器成为亟待本领域解决的技术问题。

实用新型内容

本实用新型所要解决的技术问题是提高体声波谐振器的散热性能。

为了解决上述问题，本实用新型提供了一种体声波谐振器，其包括：衬底，表面具有各向同性刻蚀腔；位于所述衬底之上的具有开口的压电震荡堆层，所述开口与所述各向同性刻蚀腔连通，至少部分所述压电震荡堆层位于所述各向同性刻蚀腔之上。

可选地，所述各向同性刻蚀腔由对所述衬底内的封闭腔体的内壁进行各向同性刻蚀而成，所述封闭腔体由若干间隔排列的孔经热处理合并而成。

可选地，所述热处理为快速热退火。

可选的，所述各向同性刻蚀为干法刻蚀。

可选地，所述压电震荡堆层包括：依次堆叠的下金属层、压电薄膜层和上金属层；所述下金属层包括局部相连的下电极和下连接部件；所述上金属层包括局部相连的上电极和上连接部件；在垂直于所述衬底的方向上，所述下电极、上电极的投影均与所述各向同性刻蚀腔的投影重合，所述下连接部件、上连接部件的投影均与所述各向同性刻蚀腔的投影错开；所述开口穿过所述压电薄膜层。

可选地，所述上连接部件、下连接部件分别布置在所述上电极、下电极的两侧。

可选地，还包括：位于所述压电薄膜层之上的上金属焊盘、下金属焊盘；所述上金属焊盘位于所述上连接部件之上，并电连接所述上连接部件；所述下金属焊盘位于所述下连接部件之上，并电连接所述下连接部件。

可选地，所述开口为具有缺口的环状。

本实用新型的体声波谐振器具有各向同性刻蚀腔体，可以在衬底表面获得更大的腔体，以更有利于散热。进一步的，利用该各向同性刻蚀工艺形成的腔体表面更为光滑，其作为声波反射界面，品质因数高、可靠性好。

进一步的，所述各向同性刻蚀腔体是通过对所述衬底内的封闭腔体的内壁进行各向同性刻蚀而成，所述封闭腔体由若干间隔排列的孔经热处理合并而成，可以大为提高刻蚀速率，降低体声波谐振器的成本。

附图说明

图1是现有一种硅反面刻蚀型体声波谐振器的结构示意图；

图2是现有另一种空气型体声波谐振器的结构示意图；

图3至图11是本实用新型的第一实施例中体声波谐振器在不同制造阶段的截面图，其中，图4是图3的俯视图，图11是图10的俯视图；

图12是本实用新型的第二实施例中体声波谐振器在其中一个制造阶段的俯视图；

图13是本实用新型的第三实施例中体声波谐振器在其中一个制造阶段的俯视图；

图14至图15是本实用新型的第四实施例中体声波谐振器在其中两个制造阶段的截面图。

具体实施方式

第一实施例

下面结合附图先对本实用新型提供的体声波谐振器及其制作方法的具体实施方式做详细说明。

如图3所示，提供衬底301。在本实施例中，衬底301为单晶硅衬底。当然，在其他实施例中，衬底301也可以选用其他合适的半导体材料。

继续参考图3所示，在衬底301内形成若干间隔排列的孔302，定义相邻两孔302之间的部分为图形303。在本实施例中，孔302的形成方法包括：

在衬底301的表面形成图形化保护层(未图示)，该图形化保护层的制造方法包括：采用低压化学气相沉积、等离子体化学气相沉积或热氧化等工艺在衬底301的上表面形成保护材料层(未图示)之后，然后采用光刻和湿法腐蚀工艺，或者光刻和干法刻蚀工艺去除部分保护材料层，形成具有图形的保护层。该具体实施方式中，保护层的材料为氧化硅，在本实用新型的其他具体实施方式中，保护层的材料还可以为氮化硅、碳化硅、氮氧化硅等介质材料，可以为单层或多层复合结构。

以所述图形化保护层为掩膜，对衬底301进行刻蚀，以形成若干孔302。该具体实施方式中，采用各向异性刻蚀工艺，例如深反应离子硅刻蚀(DRIE)工艺，刻蚀衬底301得到若干孔302。在本实施例中，孔302的深度为5um～10um。

形成孔302之后，去除该图形化保护层。在具体实施例中，采用干法刻蚀或湿法腐蚀工艺，如用缓冲氢氟酸(BOE)去除该图形化保护层。

图4是图3的俯视图，如图4所示，在本实施例中，若干孔302呈阵列排布，孔302为长条形。当然，在其他实施例中，孔302也可以设置为其他形状的孔，该孔可以是矩形、圆形、五边形、六边形或其他多边形。定义孔302的宽度为R1，相邻两个孔302之间的宽度(即图形303的宽度)为R2，R1、R2的大小通常为10um以内，R1与R2可以相等，也可以不等。在本实施例中，R1和R2相等。

如图5所示，对衬底301进行热处理，使得若干孔302(参考图4)合并成悬空的封闭腔体401，所谓悬空是指封闭腔体401位于衬底301的内部，与衬底301的上表面存在一定的间隔。

结合图4至图5所示，在所述热处理的作用下，引发衬底的表面扩散硅机制，即，孔302会沿水平方向扩大，使得相邻的孔302之间合并，从而形成更大的腔体。与此同时，在所述热处理的作用下，衬底301的上表面能量降低，使得衬底301的上表面发生迁移，各个图形303的端部得以相互结合为一个整体，从而在该腔体的上方形成悬空薄膜402，在衬底301的内部形成封闭腔体401。通过该热处理工艺形成的悬空薄膜402很平整，且厚度较薄，可以薄至1微米。在具体实施例中，封闭腔体401位于衬底301内部的中心偏上位置。

需说明的是，在所述热处理作用下形成的封闭腔体401的数量、悬空薄膜402的厚度与孔302的宽度R1、相邻两个孔302之间的宽度R2均有关，在本实施例中，由于R1等于R2，故衬底301内的所有孔302合并为一个更大的封闭腔体402。

具体的，所述热处理在不含氧、低压(低于大气压)的环境下进行，以防止衬底301被氧化。在一实施例中，该不含氧的环境为纯氢气环境。当然，在其他实施例中，该不含氧的环境也可以为惰性气体环境。

在本实施例中，所述热处理的温度1100摄氏度。当然，在其他实施例中，所述热处理的温度也可以高于1100摄氏度。进一步的，在本实施例中，所述热处理为快速热退火。

如图6所示，在衬底301的表面形成下金属层(未标识)。所述下金属层包括局部相连的下电极501a和下连接部件501b。在本实施例中，下金属层501的形成方法包括：在衬底301上形成金属材料层；对该金属材料层进行图形化，以获得局部相连的下电极501a和下连接部件501b。在本实施例中，下金属层的材料包括铝、钼、钯、钛等金属材料。优选的，下金属层的材料为钼或钯，因为其与后续形成的压电薄膜层的c轴方向有很好的结晶兼容性，且能提供更好的结晶质量和晶粒尺寸。在本实施例中，下金属层的厚度为200～500nm。

如图7所示，在衬底301和下金属层上形成压电薄膜层601。在本实施例中，压电薄膜层601的材料为氮化铝(AlN)或者氧化锌(ZnO)，其沿晶体的c轴生长。压电薄膜层601的厚度与频率呈负相关，其晶体质量也跟谐振器的性能密切相关。压电薄膜层601的有效耦合系数与谐振器的带宽成正相关，为提高有效耦合系数，可以向压电薄膜层601内掺杂三价、二价、四价金属元素，如钪、钙-钛、镁-钛、钙-锆等。在本实施例中，压电薄膜层601的厚度为0.5nm～2um。

如图7所示，在压电薄膜层601上形成上金属层(未标识)。所述上金属层包括局部相连的上电极602a和上连接部件602b。在本实施例中，上金属层的形成方法包括：在压电薄膜层601上形成金属材料层；对该金属材料层进行图形化，以获得局部相连的上电极602a和上连接部件602b。在本实施例中，上金属层的材料包括铝、钼、钯、钛等金属材料。在本实施例中，上金属层的厚度为200～500nm。

在垂直于所述衬底301的方向上，所述下电极501a、上电极602a的投影均与所述封闭腔体401的投影重合，所述下连接部件501b、上连接部件602b的投影均与所述封闭腔体401的投影错开，且上连接部件602b、下连接部件501b分别布置在所述上电极602a、下电极501a的两侧。

如图8所示，对所述压电薄膜层601进行刻蚀以形成所述开口701。在本实施例中，开口701呈具有缺口的环状(即开口701类似于C字型，并非呈360度环绕)，使得压电震荡堆层中被开口701环绕的部分为压电震荡堆。

在本实施例中，开口701的形成方法包括：形成覆盖压电薄膜层601和上金属层的图形化掩膜层，该图形化掩膜层可以为光刻胶；以该图形化掩膜层为掩膜，对压电薄膜层601进行刻蚀，以在压电薄膜层601内形成开口701；形成开口701之后，去除该图形化掩膜层，去除方法可以为灰化。

在本实施例中，在形成开口701的同时，形成穿过所述压电薄膜层601的接触孔703，所述接触孔703露出所述下连接部件501b。

如图9所示，分别形成与下连接部件501b、上连接部件602b电连接的下金属焊盘801、上金属焊盘802。其中，下金属焊盘801的一部分伸入接触孔703(参考图8)内，并与下连接部件501b形成欧姆接触。

如图9至图11所示，对暴露于所述开口701的衬底301进行各向同性刻蚀，当刻蚀至所述封闭腔体401后，继续对所述封闭腔体401周围的衬底301进行各向同性刻蚀，以在所述衬底301的表面形成与所述开口701连通的腔体(也称之为各向同性刻蚀腔)901。压电震荡堆悬置于腔体901之上，可以沿着垂直于衬底301的方向运动，以在受到外力的作用时发生形变。

具体地，在进行所述各向同性刻蚀时，在除开口701的位置形成保护层(未图示)。在具体实施例中，该保护层为光刻胶。然后，对衬底301中暴露于开口701的部分进行刻蚀，以在衬底301内形成与开口701对准并连通的凹槽(未标识)，当刻蚀至该凹槽与下方的封闭腔体401连通时，所采用刻蚀剂充满封闭腔体401，并对封闭腔体401周围的衬底301(即封闭腔体401的腔壁)进行各向同性刻蚀，使得封闭腔体401在各个方向上均被快速扩大，直至封闭腔体401正上方的衬底表层被去除，在衬底301的表面形成与开口701连通的腔体901。

在本实施例中，所述各向同性刻蚀为干法刻蚀。具体地，所述刻蚀气体包括XeF₂。XeF₂作为刻蚀气体对硅具有非常高的刻蚀选择性，对硅的刻蚀速率较快，能够达到1～3μm/min，可以提高刻蚀效率。

在本实用新型的技术方案中，先在衬底内形成封闭腔体，再对暴露于压电震荡堆层内的开口的衬底进行各向同性刻蚀，当刻蚀至封闭腔体后，继续对封闭腔体周围的衬底进行各向同性刻蚀，这样不仅可以大为提高刻蚀速率，降低工艺成本，还可以在衬底表面获得更大的腔体，以更有利于散热。进一步的，利用该各向同性刻蚀工艺形成的腔体表面更为光滑，其作为声波反射界面，品质因数高、可靠性好。

下面对本实施例的体声波谐振器的结构进行详细介绍。

如图10至图11所示，该体声波谐振器包括衬底301，衬底301的表面具有各向同性刻蚀腔(即利用各向同性刻蚀工艺去除部分衬底所形成的腔)901。所述衬底301之上设置有具有开口701的压电震荡堆层(未标识)，所述开口701与所述各向同性刻蚀腔901连通，所述压电震荡堆层被开口701环绕的部分(也称之为压电震荡堆)位于所述各向同性刻蚀腔901之上，并可以沿着垂直于衬底301的方向运动。

进一步地，各向同性刻蚀腔901由对所述衬底301内的封闭腔体的内壁进行各向同性刻蚀而成，所述封闭腔体由若干间隔排列的孔经热处理合并而成。通过对衬底301进行热处理，使得若干孔合并成悬空的封闭腔体，所谓悬空是指封闭腔体位于衬底301的内部，与衬底301的上表面存在一定的间隔。

在所述热处理的作用下，引发衬底的表面扩散硅机制，即，衬底内的孔会沿水平方向扩大，使得相邻的孔之间合并，从而形成更大的腔体。与此同时，在所述热处理的作用下，衬底301的上表面能量降低，使得衬底301的上表面发生迁移，各个孔之间的图形的端部得以相互结合为一个整体，从而在该腔体的上方形成悬空薄膜，在衬底301的内部形成封闭腔体。通过该热处理工艺形成的悬空薄膜很平整，且厚度较薄，可以薄至1微米。在具体实施例中，封闭腔体位于衬底301内部的中心偏上位置。

具体的，所述热处理在不含氧、低压(低于大气压)的环境下进行，以防止衬底301被氧化。在一实施例中，该不含氧的环境为纯氢气环境。当然，在其他实施例中，该不含氧的环境也可以为惰性气体环境。

在本实施例中，所述热处理的温度1100摄氏度。当然，在其他实施例中，所述热处理的温度也可以高于1100摄氏度。进一步的，在本实施例中，所述热处理为快速热退火。

在衬底301内形成封闭腔体之后，采用刻蚀剂充满封闭腔体，并对封闭腔体周围的衬底301(即封闭腔体401的腔壁)进行各向同性刻蚀，使得封闭腔体401在各个方向上均被快速扩大，直至封闭腔体401正上方的衬底表层被去除，从而形成各向同性刻蚀腔。

进一步地，所述各向同性刻蚀为干法刻蚀。具体地，所述刻蚀气体包括XeF₂。

所述压电震荡堆层包括依次堆叠的下金属层、压电薄膜层601和上金属层。所述下金属层包括局部相连的下电极501a和下连接部件501b。在本实施例中，下金属层的材料包括铝、钼、钯、钛等金属材料。优选的，下金属层的材料为钼或钯，因为其与压电薄膜层601的c轴方向有很好的结晶兼容性，且能提供更好的结晶质量和晶粒尺寸。在本实施例中，下金属层的厚度为200～500nm。

在本实施例中，压电薄膜层601的材料为氮化铝(AlN)或者氧化锌(ZnO)，其沿晶体的c轴生长。压电薄膜层601的厚度与频率呈负相关，其晶体质量也跟谐振器的性能密切相关。压电薄膜层601的有效耦合系数与谐振器的带宽成正相关，为提高有效耦合系数，可以向压电薄膜层601内掺杂三价、二价、四价金属元素，如钪、钙-钛、镁-钛、钙-锆等。在本实施例中，压电薄膜层601的厚度为0.5nm～2um。

所述上金属层包括局部相连的上电极602a和上连接部件602b。在本实施例中，上金属层的材料包括铝、钼、钯、钛等金属材料。在本实施例中，上金属层的厚度为200～500nm。

在垂直于所述衬底301的方向上，所述下电极501a、上电极602a的投影均与所述各向同性刻蚀腔901的投影重合，所述下连接部件501b、上连接部件602b的投影均与所述各向同性刻蚀腔901的投影错开，且上连接部件602b、下连接部件501b分别布置在所述上电极602a、下电极501a的两侧。

在本实施例中，开口701呈具有缺口的环状(即开口701类似于C字型，并非呈360度环绕)，使得压电震荡堆层中被开口701环绕的部分为压电震荡堆。

压电薄膜层601之上形成有上金属焊盘802、下金属焊盘801。其中，所述上金属焊盘802位于所述上连接部件602b之上，并电连接所述上连接部件602b。所述下金属焊盘801位于所述下连接部件501b之上，并电连接所述下连接部件501b。下金属焊盘801的一部分伸入设置在压电薄膜层601内的接触孔(未标识)内，并与下连接部件501b形成欧姆接触。

第二实施例

本实施例与第一实施例之间的区别在于：如图12所示，在本实施例中，衬底301内的若干孔302均为圆形，所有圆孔呈规则的阵列排布。

第三实施例

本实施例与第一实施例之间的区别在于：如图13所示，在本实施例中，衬底301内的若干孔302均为正六边形，所有六边形孔呈规则的阵列排布。

第四实施例

本实施例与第一实施例之间的区别在于：如图14所示，在本实施例中，定义孔302的宽度为R1，相邻两个孔302之间的宽度(即图形303的宽度)为R2，R2与R1之比大于2。如前所述，在所述热处理作用下形成的封闭腔体401的数量与孔302的宽度R1、相邻两个孔302之间的宽度R2均有关，在本实施例中，由于R2与R1之比大于2，故，在对形成有孔302的衬底301进行热处理的工艺下，衬底301内的所有孔302合并为两个以上间隔排列的所述封闭腔体401。

结合图14至图15所示，在后续透过对压电震荡堆层内的开口对衬底301进行各向同性刻蚀时，当刻蚀至所述封闭腔体401后，继续对所述封闭腔体401周围的衬底301(包括相邻两个封闭腔体401之间的部分)进行各向同性刻蚀，这样仍能在所述衬底301的表面形成与所述开口连通的腔体(也称之为各向同性刻蚀腔)，图14中虚线部分表示在该各向同性刻蚀工艺中衬底被去除的部分。

以上所述仅是本实用新型的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本实用新型的保护范围。

Claims (8)

1.一种体声波谐振器，其特征在于，包括：

衬底，表面具有各向同性刻蚀腔；

位于所述衬底之上的具有开口的压电震荡堆层，所述开口与所述各向同性刻蚀腔连通，至少部分所述压电震荡堆层位于所述各向同性刻蚀腔之上。

2.根据权利要求1所述的体声波谐振器，其特征在于，所述各向同性刻蚀腔由对所述衬底内的封闭腔体的内壁进行各向同性刻蚀而成，所述封闭腔体由若干间隔排列的孔经热处理合并而成。

3.根据权利要求2所述的体声波谐振器，其特征在于，所述热处理为快速热退火。

4.根据权利要求2所述的体声波谐振器，其特征在于，所述各向同性刻蚀为干法刻蚀。

5.根据权利要求1或2所述的体声波谐振器，其特征在于，所述压电震荡堆层包括：

依次堆叠的下金属层、压电薄膜层和上金属层；

所述下金属层包括局部相连的下电极和下连接部件；

所述上金属层包括局部相连的上电极和上连接部件；

在垂直于所述衬底的方向上，所述下电极、上电极的投影均与所述各向同性刻蚀腔的投影重合，所述下连接部件、上连接部件的投影均与所述各向同性刻蚀腔的投影错开；

所述开口穿过所述压电薄膜层。

6.根据权利要求5所述的体声波谐振器，其特征在于，所述上连接部件、下连接部件分别布置在所述上电极、下电极的两侧。

7.根据权利要求5所述的体声波谐振器，其特征在于，还包括：

位于所述压电薄膜层之上的上金属焊盘、下金属焊盘；

所述上金属焊盘位于所述上连接部件之上，并电连接所述上连接部件；

所述下金属焊盘位于所述下连接部件之上，并电连接所述下连接部件。

8.根据权利要求1所述的体声波谐振器，其特征在于，所述开口为具有缺口的环状。