CN210273998U - 一种空腔内设置缓冲支撑结构的薄膜体声波谐振器及通信器件 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及无线通信射频前端器件技术领域，提供了一种空腔内设置缓冲支撑结构的薄膜体声波谐振器及通信器件，该谐振器包括带空腔的绝缘体硅基片和压电三明治结构；压电三明治结构包括顶电极、压电薄膜层和底电极，顶电极、压电薄膜层和底电极依次堆叠，压电三明治结构置于绝缘体硅基片的空腔中，压电三明治结构与绝缘体硅基片通过键合层形成封闭空腔，空腔内包括多个缓冲支撑结构，缓冲支撑结构用于缓冲并支撑压电三明治结构，缓冲支撑结构包括依次连接的缓冲层、支撑层与连接层。上述薄膜体声波谐振器及通信器件通过在空腔内形成缓冲支撑结构，能够缓冲谐振器键合过程中产生的应力，避免器件产生断裂或损失，有效提高器件的性能与可靠性。

Description

一种空腔内设置缓冲支撑结构的薄膜体声波谐振器及通信 器件

技术领域

本实用新型涉及无线通信射频前端器件技术领域，尤其涉及一种空腔内设置缓冲支撑结构的薄膜体声波谐振器及通信器件。

背景技术

随着射频集成电路(RFIC)技术的迅速发展，一些以前用于通讯系统中的分立元器件，如低噪声放大器(LNA)和中频滤波器(IF)等，已经可以采用射频集成电路的方式实现；但是另一些元器件，如低相噪的射频振荡器(RF Oscillator)和射频前端滤波器(RFFilter)等，却仍然难以采用射频集成电路的方式实现。另一方面，随着MEMS技术的发展，一些采用MEMS技术制备的射频元器件，如射频开关(RF Switch)、射频电感(RF Inductor)和射频谐振器(RF Resonator)等，由于其空腔内设置的优良性能而获得广泛的研究和应用。薄膜体声波谐振器(Film Bulk Acoustic Resonator，FBAR)是最近几年来研究很热的一种采用MEMS技术实现的射频谐振器。它是制作在硅或砷化镓基片上，主要由金属电极/压电薄膜/金属电极构成的一种器件。在某些特定的频率下，FBAR器件表现出如石英晶体谐振器一样的谐振特性，因此可被搭建成振荡器或滤波器应用于现代通讯系统中。相对于传统用来构成带通滤波器及微波振荡源的LC振荡器、陶瓷介质谐振器及声表面波(SAW)器件而言，薄膜体声波谐振器器件除了空腔内设置小尺寸、低功耗、低插入损耗以及高工作频率(0.5GHz-10GHz)的优点之外，更重要的是它的制备工艺可以与CMOS工艺兼容，因此可与外围电路构成单芯片系统，极大地减小系统的尺寸和功耗。

基于FBAR器件的射频振荡器主要空腔内设置低功耗小体积并可与标准CMOS工艺兼容的特点，可实现系统的单芯片集成。随着对薄膜体声波谐振器器件频率温度系数的改进，这类振荡器在需要低功耗小体积的射频通讯系统中有极大用武之地。

薄膜体声波谐振器器件的制备工艺相对于其他MEMS器件而言并不复杂，目前制备薄膜体声波谐振器主要通过牺牲层表面工艺或背部刻蚀工艺来完成。牺牲层表面工艺主要利用磷酸硅玻璃或二氧化硅等材料作为填充牺牲层，将压电薄膜换能器堆叠结构沉积在它的表面。工艺的后期将牺牲层去除从而达到形成空腔的目的。牺牲层表面工艺主要的问题是牺牲层不能彻底清除，会造成一定程度的粘连，从而影响器件的性能。而背部刻蚀工艺主要是通过在晶圆背面进行体硅刻蚀，从而使正面形成的压电薄膜换能器堆叠结构的背面处于空腔环境。背面刻蚀工艺的主要问题是需要一层二氧化硅加一层氮化硅薄膜作为压电薄膜换能器堆叠结构的支撑层，使得器件在工艺生产中避免刻蚀业的侵蚀。然而这样的设计极容易产生较大的应力，器件容易出现褶皱和破裂，会极大影响器件的性能。不解决残余应力的问题，就无法制备出高性能的FBAR器件。

实用新型内容

为了克服现有薄膜体声波谐振器的技术问题，本实用新型提出一种空腔内设置缓冲支撑结构的薄膜体声波谐振器，通过在空腔内形成能够支撑并发挥缓冲作用的压电三明治结构的缓冲支撑结构，该缓冲支撑结构的上端设置缓冲层，能够缓冲谐振器键合过程中产生的应力，避免器件产生断裂或损失，有效提高器件的性能与可靠性。

一种空腔内设置缓冲支撑结构的薄膜体声波谐振器，该谐振器包括：带空腔的绝缘体硅基片和设置于绝缘体硅基片中的空腔中的压电三明治结构，压电三明治结构包括顶电极、压电薄膜层和底电极，顶电极、压电薄膜层和底电极依次堆叠，压电三明治结构与绝缘体硅基片通过键合层形成封闭空腔，空腔内设置有多个缓冲支撑结构，缓冲支撑结构用于缓冲并支撑压电三明治结构，缓冲支撑结构包括依次连接的缓冲层、支撑层与连接层。

进一步的，缓冲层与压电三明治结构中的底电极相接触，连接层与空腔的内侧底面相接触。

进一步的，缓冲支撑结构的宽度小于压电三明治的宽度，缓冲支撑结构的高度小于压电三明治的高度。

进一步的，压电三明治结构的宽度小于空腔的宽度，压电三明治结构的高度与缓冲支撑结构的高度之和等于空腔的高度。

进一步的，缓冲支撑结构的形状为梯形或者矩形，连接层的宽度大于缓冲层的宽度。

进一步的，缓冲层的形状为波纹形状或矩形。

进一步的，缓冲层包括聚酰亚胺，支撑层包括硅或二氧化硅。

进一步的，键合层包括金属键合层。

进一步的，顶电极和/或底电极的厚度介于100-2000nm。

本实用新型还提出一种通信器件，包括本实用新型所提出的空腔内设置缓冲支撑结构的薄膜体声波谐振器。

相比于现有技术，本实用新型提供了一种空腔内设置缓冲支撑结构的薄膜体声波谐振器及通信器件，该谐振器包括带空腔的绝缘体硅基片和压电三明治结构；压电三明治结构包括顶电极、压电薄膜层和底电极，顶电极、压电薄膜层和底电极依次堆叠，压电三明治结构置于绝缘体硅基片的空腔中，压电三明治结构与绝缘体硅基片通过键合层形成封闭空腔，空腔内包括多个缓冲支撑结构，缓冲支撑结构用于缓冲并支撑压电三明治结构，缓冲支撑结构包括依次连接的缓冲层、支撑层与连接层。上述薄膜体声波谐振器及通信器件通过在空腔内形成压电三明治结构的缓冲支撑结构，能够缓冲谐振器键合过程中产生的应力，避免器件产生断裂或损失，有效提高器件的性能与可靠性。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，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他的附图。

图1是本实用新型一实施例的一种空腔内设置缓冲支撑结构的薄膜体声波谐振器的结构示意图；

图2是本实用新型其中一实施例的绝缘支撑结构示意图；

图3是本实用新型其中又一实施例的绝缘支撑结构的示意图；

其中：1、绝缘体硅基片；2、压电三明治结构；21、底电极；22、压电薄膜层；23、底电极；3、缓冲支撑结构；31、缓冲层；32、支撑层；33、连接层。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型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实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

另外，本文中术语“和/或”，仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。另外，本文中字符“/”，一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。

如图1所示，本实用新型实施例公开了一种空腔内设置缓冲支撑结构的薄膜体声波谐振器，该谐振器包括：带空腔的绝缘体硅基片1和设置于绝缘体硅基片1中的空腔中的压电三明治结构2，压电三明治结构2包括顶电极21、压电薄膜层22和底电极23，顶电极21、压电薄膜层22和底电极23依次堆叠，压电三明治结构2与绝缘体硅基片1通过键合层形成封闭空腔，空腔内设置有多个缓冲支撑结构3，缓冲支撑结构3用于缓冲并支撑压电三明治结构，缓冲支撑结构3包括依次连接的缓冲层31、支撑层32与连接层33。

其中，其中顶电极21、底电极23与绝缘基片及支撑结构3进行键合，形成封闭式空腔，实现薄膜体声波谐振器的滤波。最终，顶电极21、底电极23处于同一水平面，便于连接引线测试。

顶电极21的材料可以为钨、钼、铂白金、钌、铱、钛钨、铝之一或者组合；底电极23的材料可以为钨、钼、铂白金、钌、铱、钛钨、铝之一或者组合。

压电材料包括氮化铝(AlN)、氧化锌(ZnO)、铌酸锂(LiNbO3)、钽酸锂(LiTaO3)之一或者组合。

空腔内缓冲支撑结构3设置于空腔内且支持压电三明治结构2，通过在空腔内形成压电薄膜换能器堆叠结构的支撑结构，有利于减少薄膜体声波谐振器在键合过程的断裂、损伤，能有效地提高器件生产稳定性，适合批量生产。

优选的，缓冲层31与压电三明治结构2中的底电极23相接触，连接层33与空腔的内侧底面相接触。

优选的，缓冲支撑结构3的宽度小于压电三明治结构2的宽度，缓冲支撑结构3的高度小于压电三明治结构2的高度。其中，缓冲支撑结构的高度是指从最顶端到最低端的垂直距离，缓冲支撑结构的宽度是指从最左端到最右端的水平距离。

优选的，压电三明治结构2的宽度小于空腔的宽度，压电三明治结构2的高度与缓冲支撑结构3的高度之和等于空腔的高度。

优选的，压电三明治结构2通过键合层与绝缘硅基片1相键合，键合层包括金属键合层。

优选的，顶电极21和/或底电极23的厚度介于100-2000nm。

优选的，顶电极21与底电极23包括钨、钼、铂白金、钌、铱、钛钨、铝之一或者组合。

优选的，压电材料22包括氮化铝(AlN)、氧化锌(ZnO)、铌酸锂(LiNbO3)、钽酸锂(LiTaO3)之一或者组合。

如图2所示，在上述实施例的基础上，本实用新型的另一实施例中缓冲支撑结构3的形状为梯形，连接层31的宽度大于缓冲层33的宽度，使得缓冲支撑结构更加稳定，能够确保支撑稳定性。

其中，缓冲支撑结构3的缓冲层31、支撑层32与连接层33均呈现为梯形，且面积依次增大。

优选的，缓冲层31包括聚酰亚胺，支撑层32包括硅或二氧化硅，连接层33包括粘结性材料。

如图3所示，在上述实施例的基础上，本实用新型的另一实施例中缓冲支撑结构3的形状为矩形，其中缓冲层31的形状为波纹形状，能有效提高缓冲性能，减少键合过程中应力产生的破坏。

此外，本实用新型还提出了一种通信器件，包括如上的空腔内设置缓冲支撑结构的薄膜体声波谐振器。例如：射频振荡器、滤波器和双工器。

综上，本实用新型提出了一种空腔内设置缓冲支撑结构的薄膜体声波谐振器及通信器件，该谐振器包括带空腔的绝缘体硅基片和压电三明治结构；压电三明治结构包括顶电极、压电薄膜层和底电极，顶电极、压电薄膜层和底电极依次堆叠，压电三明治结构置于绝缘体硅基片的空腔中，压电三明治结构与绝缘体硅基片通过键合层形成封闭空腔，空腔内包括多个缓冲支撑结构，缓冲支撑结构用于缓冲并支撑压电三明治结构，缓冲支撑结构包括依次连接的缓冲层、支撑层与连接层。上述薄膜体声波谐振器及通信器件通过在空腔内形成能够支撑并发挥缓冲作用的压电三明治结构的缓冲支撑结构，该缓冲支撑结构的上端设置缓冲层，能够缓冲谐振器键合过程中产生的应力，避免器件产生断裂或损失，有效提高器件的性能与可靠性。

通过以上的实施方式的描述，所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，仅以上述各功能单元的划分进行举例说明，实际应用中，可以根据需要而将上述功能分配由不同的功能单元完成，即将装置的内部结构划分成不同的功能单元，以完成以上描述的全部或者部分功能。上述描述的系统，装置和单元的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。

以上所述，仅为本实用新型的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。因此，本实用新型的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种空腔内设置缓冲支撑结构的薄膜体声波谐振器，其特征在于，所述谐振器包括：带空腔的绝缘体硅基片和设置于所述绝缘体硅基片中的所述空腔中的压电三明治结构，所述压电三明治结构包括顶电极、压电薄膜层和底电极，所述顶电极、压电薄膜层和底电极依次堆叠，所述压电三明治结构与所述绝缘体硅基片通过键合层形成封闭空腔，所述空腔内设置有多个缓冲支撑结构，所述缓冲支撑结构用于缓冲并支撑所述压电三明治结构，所述缓冲支撑结构包括依次连接的缓冲层、支撑层与连接层。

2.根据权利要求1所述的空腔内设置缓冲支撑结构的薄膜体声波谐振器，其特征在于，所述缓冲层与所述压电三明治结构中的所述底电极相接触，所述连接层与所述空腔的内侧底面相接触。

3.根据权利要求1所述的空腔内设置缓冲支撑结构的薄膜体声波谐振器，其特征在于，所述缓冲支撑结构的宽度小于所述压电三明治的宽度，所述缓冲支撑结构的高度小于所述压电三明治的高度。

4.根据权利要求3所述的空腔内设置缓冲支撑结构的薄膜体声波谐振器，其特征在于，所述压电三明治结构的宽度小于所述空腔的宽度，所述压电三明治结构的高度与所述缓冲支撑结构的高度之和等于所述空腔的高度。

5.根据权利要求1所述的空腔内设置缓冲支撑结构的薄膜体声波谐振器，其特征在于，所述缓冲支撑结构的形状为梯形或者矩形，所述连接层的宽度大于所述缓冲层的宽度。

6.根据权利要求5所述的空腔内设置缓冲支撑结构的薄膜体声波谐振器，其特征在于，所述缓冲层的形状为波纹形状或矩形。

7.根据权利要求1所述的空腔内设置缓冲支撑结构的薄膜体声波谐振器，其特征在于，所述缓冲层包括聚酰亚胺，所述支撑层包括硅或二氧化硅。

8.根据权利要求1所述的空腔内设置缓冲支撑结构的薄膜体声波谐振器，其特征在于，所述键合层包括金属键合层。

9.根据权利要求1所述的空腔内设置缓冲支撑结构的薄膜体声波谐振器，其特征在于，所述顶电极和/或所述底电极的厚度介于100-2000nm。

10.一种通信器件，包括权利要求1-9任一项所述的空腔内设置缓冲支撑结构的薄膜体声波谐振器。

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