CN220964842U - 体声波谐振器 - Google Patents

Abstract

本公开实施例提供了一种体声波谐振器，该体声波谐振器包括：衬底；依次层叠设置在衬底上的反射结构、第一电极层、压电层、第二电极层和调频层；其中，第二电极层包括中心区域和包围中心区域的边缘区域，边缘区域包括从中心向边缘依次排布的框架结构和悬臂结构；框架结构沿垂直于衬底的方向上的厚度大于中心区域沿该方向上的厚度；调频层覆盖第二电极层、以及压电层未被第二电极层覆盖的区域；间隙结构，一部分设于悬臂结构与压电层之间，且另一部分设于调频层和压电层之间。

Description

体声波谐振器

技术领域

本公开涉及谐振器技术领域，尤其涉及一种体声波谐振器。

背景技术

体声波谐振器由于其体积小、工艺兼容性高、Q值高等优点，被广泛应用在生物医学、车用电子、及机械工艺等领域。而随着现今无线通信的演进，5G的时代到来，对体声波谐振器的需求量还呈现指数式增长，对其性能也会有更高的要求。

品质因数(Q值)是衡量体声波谐振器性能的一个重要参数，Q值越大，则体声波谐振器的频率选择性更好，插入损耗更低。并且使用体声波谐振器的滤波器的插入损耗、带外抑制、矩形度等指标均会受到体声波谐振器的Q值影响。

因此，提高体声波谐振器的Q值一直是研究热点。

发明内容

根据本公开的第一个方面，提供了一种体声波谐振器，包括：

衬底；

依次层叠设置在所述衬底上的反射结构、第一电极层、压电层、第二电极层和调频层；其中，所述第二电极层包括中心区域和包围所述中心区域的边缘区域，所述边缘区域包括从中心向边缘依次排布的框架结构和悬臂结构；所述框架结构沿垂直于所述衬底的方向上的厚度大于所述中心区域沿所述方向上的厚度；所述调频层覆盖所述第二电极层、以及所述压电层未被所述第二电极层覆盖的区域；

间隙结构，一部分设于所述悬臂结构与所述压电层之间，且另一部分设于所述调频层和所述压电层之间。

在一些实施例中，所述反射结构、所述第一电极层、所述压电层和所述第二电极层的所述中心区域沿垂直于所述衬底的方向上的重叠区域构成有源区；

所述间隙结构在竖直平面的正投影覆盖位于所述有源区边缘的所述压电层和位于所述有源区边缘的所述第一电极层在所述竖直平面的正投影；所述竖直平面垂直于所述衬底。

在一些实施例中，所述间隙结构沿所述压电层延伸，且所述间隙结构的外轮廓在所述衬底表面的正投影位于所述反射结构外。

在一些实施例中，所述间隙结构的材料包括空气或者除空气外的其他低声阻抗材料，其中，所述除空气外的其他低声阻抗材料的声阻抗小于所述压电层的声阻抗。

在一些实施例中，所述间隙结构位于所述悬臂结构和所述压电层之间的部分沿平行于所述衬底的方向上具有第一宽度，所述第一宽度的尺寸范围为：1μm至2.5μm；和/或，

所述间隙结构位于所述悬臂结构和所述压电层之间的部分沿垂直于所述衬底的方向上具有第一高度，所述第一高度的尺寸范围为0.1μm至0.2μm。

在一些实施例中，所述间隙结构在所述衬底表面的正投影位于所述反射结构在所述衬底表面的正投影之外的部分沿平行于所述衬底的方向上具有第二宽度，所述第二宽度大于或等于2.5μm。

在一些实施例中，所述间隙结构包括从中心向边缘的方向间隔设置的多个空气隙，相邻所述空气隙之间设有所述调频层材料或者低声阻抗材料层；

其中，多个所述空气隙中的第一空气隙位于所述悬臂结构和所述压电层之间，多个第二空气隙位于所述调频层和所述压电层之间，且至少一个所述第二空气隙在所述衬底表面的正投影位于所述反射结构在所述衬底表面的正投影的外围。

在一些实施例中，所述间隙结构的材料为低声阻抗材料，所述低声阻抗材料的声阻抗小于所述压电层的声阻抗；

其中，所述间隙结构远离所述衬底的一侧的表面与所述衬底表面相平行。

在一些实施例中，所述悬臂结构和所述框架结构在垂直于所述衬底的方向上的厚度相等。

在一些实施例中，所述第二电极层的所述边缘区域沿平行于所述衬底的方向上具有第三宽度，所述第三宽度的尺寸范围为：2μm至3.5μm；和/或，

所述框架结构与所述中心区域沿垂直于所述衬底的方向上具有高度差，所述高度差的尺寸范围为：0.05μm至0.15μm。

在一些实施例中，所述悬臂结构的侧壁面为弧面。

本公开实施例所提供的体声波谐振器，一方面，在第二电极层的边缘区域设置框架结构，且框架结构和中心区域在垂直于衬底表面的方向上存在高度差，能够增大第二电极层边界处的声阻抗差异，使得第二电极层的边缘形成声波传播阻抗变化的区域或界面，增加声波的反射效率，减小能量损失，提高器件Q值。

另一方面，在悬臂结构和压电层之间、以及调频层与压电层之间设置间隙结构，间隙结构的声阻抗小于压电层的声阻抗，使得压电层与间隙结构之间形成声学阻抗失配，这种声学阻抗失配使得在边界处的声波反射，抑制声波谐振结构在受到电场激励时产生的剪切波向有源区外泄漏，将能量集中在有源区内的纵波上，减少能量的损失，从而提高谐振器的Q值。

另外，位于压电层与悬臂结构之间的部分间隙结构还可以形成第二个声波传播阻抗变化的区域或界面，同框架结构一起配合，能够更好的减小体声波谐振器中各种边界条件导致的横向剪切波的传播，提高体声波谐振器的Q值。

附图说明

图1为本公开实施例提供的体声波谐振器受电场激励而产生声波的示意图；

图2为本公开实施例提供的一种体声波谐振器的剖面示意图；

图3为本公开实施例提供的又一种体声波谐振器的剖面示意图；

图4为本公开实施例提供的又一种体声波谐振器的剖面示意图；

图5a为本公开实施例提供的具有不同高度差的多个体声波谐振器的史密斯圆图；

图5b为本公开实施例提供的具有不同第三宽度的多个体声波谐振器的史密斯圆图；

图6a为本公开实施例提供的具有不同第一高度的多个体声波谐振器的史密斯圆图；

图6b为本公开实施例提供的具有不同第一宽度的多个体声波谐振器的史密斯圆图；

图6c为本公开实施例提供的具有不同第二宽度的多个体声波谐振器的史密斯圆图；

图7a为本公开实施例提供的又一种体声波谐振器的剖面示意图；

图7b为图7a所示的体声波谐振器的间隙结构的俯视示意图；

图8a为本公开实施例提供的又一种体声波谐振器的剖面示意图；

图8b为图8a所示的体声波谐振器的间隙结构的俯视示意图；

图9为本公开实施例提供的又一种体声波谐振器的剖面示意图；

图10a至图10c为本公开实施例提供的第二电极层的局部示意图；

图11为本公开实施例提供的一种体声波谐振器的制造方法的流程示意图；

图12a至图12h为本公开实施例提供的一种体声波谐振器在制造过程中的结构示意图；

图13a至图13d为本公开实施例提供的又一种体声波谐振器在制造过程中的结构示意图；

图14a至图14b为本公开实施例提供的又一种体声波谐振器在制造过程中的结构示意图；

图15a至图15b为本公开实施例提供的又一种体声波谐振器在制造过程中的结构示意图。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本公开公开的示例性实施方式。

应当明白，当元件或层被称为“在……上”、“与……相邻”、“连接到”或“耦合到”其它元件或层时，其可以直接地在其它元件或层上、与之相邻、连接或耦合到其它元件或层，或者可以存在居间的元件或层。相反，当元件被称为“直接在……上”、“与……直接相邻”、“直接连接到”或“直接耦合到”其它元件或层时，则不存在居间的元件或层。应当明白，尽管可使用术语第一、第二、第三等描述各种元件、部件、区、层和/或部分，这些元件、部件、区、层和/或部分不应当被这些术语限制。这些术语仅仅用来区分一个元件、部件、区、层或部分与另一个元件、部件、区、层或部分。因此，在不脱离本公开教导之下，下面讨论的第一元件、部件、区、层或部分可表示为第二元件、部件、区、层或部分。而当讨论的第二元件、部件、区、层或部分时，并不表明本公开必然存在第一元件、部件、区、层或部分。

空间关系术语例如“在……下”、“在……下面”、“下面的”、“在……之下”、“在……之上”、“上面的”等，在这里可为了方便描述而被使用从而描述图中所示的一个元件或特征与其它元件或特征的关系。应当明白，除了图中所示的取向以外，空间关系术语意图还包括使用和操作中的器件的不同取向。例如，如果附图中的器件翻转，然后，描述为“在其它元件下面”或“在其之下”或“在其下”元件或特征将取向为在其它元件或特征“上”。因此，示例性术语“在……下面”和“在……下”可包括上和下两个取向。器件可以另外地取向(旋转90度或其它取向)并且在此使用的空间描述语相应地被解释。

在此使用的术语的目的仅在于描述具体实施例并且不作为本公开的限制。在此使用时，单数形式的“一”、“一个”和“所述/该”也意图包括复数形式，除非上下文清楚指出另外的方式。还应明白术语“组成”和/或“包括”，当在该说明书中使用时，确定所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或部件的存在，但不排除一个或更多其它的特征、整数、步骤、操作、元件、部件和/或组的存在或添加。在此使用时，术语“和/或”包括相关所列项目的任何及所有组合。

需要说明的是，本公开实施例所记载的技术方案之间，在不冲突的情况下，可以任意组合。

近年来随着半导体制程技术的提升，薄膜体声波谐振器(Film Bulk AcousticResonator，FBAR)广泛被应用在生物医学、车用电子、及机械工艺等领域。随着现今无线通信的演进，5G的时代到来，体声波谐振器的需求量数量将呈现指数式增长，并朝着高速化、宽带化、高效化、智能化、高性能方向发展。衡量FBAR器件性能的参数有很多，主要参数包括品质因数(Q值)。其中，Q值越大，则FBAR器件频率选择性越好，插入损耗越低。

相关技术中，如图1所示，当电能施加到体声波谐振器的第一电极层和第二电极层上时，位于两个电极之间的压电层因压电效应而产生声波。在压电层内除了会产生纵波，还会产生横向剪切波(横向剪切波也可以称为侧向波或剪波)。横向剪切波的存在会影响主要的纵波的能量，导致能量的损耗并且使得体声波谐振器的Q值恶化。

基于此，本公开实施例提出了以下技术方案，来提高体声波谐振器的Q值。图2为本公开实施例提供的一种体声波谐振器的剖面示意图，如图2所示，体声波谐振器包括：

衬底100；

依次层叠设置在衬底100上的反射结构200、第一电极层300、压电层400、第二电极层500和调频层600；其中，第二电极层500包括中心区域510和包围中心区域510的边缘区域520，边缘区域520包括从中心向边缘依次排布的框架结构521和悬臂结构522；框架结构521沿垂直于衬底的方向上的厚度大于中心区域510沿垂直于衬底的方向上的厚度；调频层600覆盖第二电极层500、以及压电层400未被第二电极层500覆盖的区域；

间隙结构700，一部分设于悬臂结构522与压电层400之间，且另一部分设于调频层600和压电层400之间。

本公开实施例中，当电能施加到体声波谐振器的第一电极层300和第二电极层500上时，位于两个电极层之间的压电层400因压电效应产生振动，将加载在第一电极层300和第二电极层500上的电信号转换为声波信号，实现电能到机械能的转化。其中，反射结构200、第一电极层300、压电层400和第二电极层的中心区域510沿垂直于衬底100的方向上的重叠区域构成有源区A，有源区又可称为谐振区，是体声波谐振器实现电信号转换为声波信号的区域。

继续参见图2，第二电极层500包括中心区域510和包围中心区域的边缘区域520，边缘区域520包括由中心到边缘依次设置的框架结构521和悬臂结构522。也即沿着从中心到边缘的方向，中心区域510、框架结构521和悬臂结构522依次设置。

框架结构521沿垂直于衬底的方向上的厚度大于中心区域510沿垂直于衬底100的方向上的厚度。这里，垂直于衬底的方向例如是Z方向。如图2所示，中心区域510与框架结构521的底面平齐，框架结构521沿Z方向的厚度大于中心区域沿Z方向的厚度，使得框架结构521的顶面突出于中心区域510的顶面，从而中心区域510和框架结构521形成台阶。这里，定义框架结构521和中心区域510沿垂直于衬底的方向上的高度差为F1。也即图2中框架结构521的顶面与中心区域510的顶面沿垂直于衬底的方向上具有高度差F1。

本实施例中，在第二电极层500的边缘区域设置框架结构521，且框架结构521沿Z方向的厚度大于中心区域510沿Z方向的厚度，能够增大第二电极层500边界处的声阻抗差异，使得第二电极层500的边缘形成声波传播阻抗变化的区域或界面，声阻抗的变化引起反射变化，即声阻抗的失配使得声波在边界处发生反射，增加声波的反射效率，减小能量损失，提高器件Q值。

悬臂结构522和压电层400之间设有间隙结构700，可以理解为间隙结构700的存在使得第二电极层500的边缘区域520部分远离了压电层而形成悬臂结构522。

在一些实施例中，如图2所示，悬臂结构522和框架结构521在垂直于衬底的方向上的厚度相等。由于间隙结构700的存在，使得悬臂结构522的顶表面突出于框架结构521的顶表面，形成了台阶。示例地，悬臂结构522和框架结构521是在同一工艺步骤中形成的。在制造过程中，当形成间隙结构700之后，在间隙结构700和压电层400表面沉积第二电极材料层，刻蚀第二电极材料层的中间部分形成中心区域510，而未做处理的边缘部分则形成了边缘区域520，本实施例中，边缘区域中框架结构和悬臂结构的厚度相等。

应当理解，在另一些实施例中，悬臂结构522的顶表面也可以平齐于框架结构521的顶表面，使得边缘区域520的顶表面为一平行于衬底的平面。此时，悬臂结构522沿Z方向的厚度小于框架结构521沿Z方向的厚度。示例地，在形成第二电极材料层之后且形成中心区域之前，对第二电极材料层的顶表面进行平坦化处理，使得第二电极材料层的顶表面为一平行于衬底的平面，从而使边缘区域的顶表面为一平面。

继续参见图2，间隙结构700还沿着压电层400的表面延伸至调频层600和压电层400之间，也就是说，间隙结构700的一部分位于悬臂结构522与压电层400之间，其余部分位于调频层600和压电层400之间。其中，间隙结构700位于悬臂结构522和压电层400之间的部分沿平行于衬底100的方向上具有第一宽度a，该部分沿垂直于衬底100的方向上具有第一高度B1。

间隙结构700的声阻抗小于压电层400的声阻抗，使得压电层400与间隙结构之间形成声学阻抗失配，这种声学阻抗失配使得声波在边界处反射，抑制声波谐振器在受到电场激励时产生的横波向有源区A外泄漏，将能量集中在有源区A内的纵波上，减少能量的损失，从而提高谐振器的Q值。

另外，间隙结构700位于压电层400与悬臂结构522之间的部分，还可以形成第二个声波传播阻抗变化的区域或界面，同框架结构521一起配合，可以叠加反射横波的效果，减小能量的损耗，最大可能地把声波的能量约束到纵波谐振模式中。

在一些实施例中，如图2所示，间隙结构700在竖直平面的正投影覆盖位于有源区A边缘的压电层400和位于有源区A边缘的第一电极层300在竖直平面的正投影，竖直平面垂直于衬底100。

具体地，如图2所示，压电层400不仅覆盖在第一电极层300的顶表面，还向外继续覆盖了第一电极层300、反射结构200的侧壁面，并且一直延伸到覆盖在衬底100表面。其中，压电层400覆盖在第一电极层300和反射结构200的侧壁面的部分构成了压电层的坡面段。间隙结构700不仅位于悬臂结构522和压电层400之间，还继续覆盖了压电层的坡面段，使得间隙结构700在竖直平面的正投影，覆盖了位于有源区A边缘的压电层400和第一电极层300在该平面的正投影。这样设置间隙结构，能够将压电层400和第一电极层300之间产生的寄生横波进行反射，将能量集中在有源区A内的纵波上，减少能量的损失，从而提高谐振器的Q值。

继续参见图2，换个角度，从竖直方向看，位于有源区外的部分第一电极层300和压电层400的坡面段被间隙结构700和反射结构200夹在中间，能够在竖直方向上对声波产生限制，减少有源区A边缘处的声波能量的泄漏，从而提高谐振器的Q值。

图3为本公开实施例提供的又一种体声波谐振器的结构示意图。相比于图2，图3所示的体声波谐振器中，间隙结构700沿压电层400延伸，直到间隙结构700的外轮廓在衬底100表面的正投影位于反射结构200外。

这里，间隙结构的内轮廓是间隙结构700靠近有源区A的侧壁轮廓，间隙结构的外轮廓是间隙结构700远离有源区A的侧壁轮廓。间隙结构700的外轮廓在衬底表面的正投影位于反射结构200外，也就是说，图3中间隙结构700沿着压电层400的坡面段向外继续延伸到了位于衬底100的压电层上。这里，可定义间隙结构700在衬底表面的正投影位于反射结构200在衬底表面的正投影之外的部分沿平行于衬底的方向上具有第二宽度b。

相比于图2所示的实施例，本实施例中，间隙结构700增加了尺寸为第二宽度b的部分，使得间隙结构700沿着中心向外的方向上的长度增加，间隙结构700与压电层400的接触面增加，形成了更多的声波反射界面，从而更好地减小横波泄漏，减小横波所造成的声损耗，从而进一步提高体声波谐振器的Q值。

在一些实施例中，如图2和图3所示，间隙结构700的材料可包括空气或者氮气、氩气等气体。由空气填充的间隙结构或间隙结构的部分可称为空气隙。图2和图3所示的间隙结构整体为一空气隙。由于空气几乎是声阻抗最小的介质，因此声波在压电层和空气隙的界面反射率更高，能够减少声波泄漏，将能量集中的有源区，以提高体声波谐振器的Q值。

在另一些实施例中，如图4所示，间隙结构700的材料可以是除空气外的其他低声阻抗材料，其中，除空气外的其他低声阻抗材料的声阻抗小于压电层400的声阻抗，以使声波在间隙结构和压电层之间的界面处发生反射而返回到有源区内。除空气外的其他低声阻抗材料包括但不限于碳化硅(SiC)、氮化硅(SiN)、二氧化硅(SiO₂)等。

继续参见图3，本公开实施例还探讨了第二电极层500的边缘区域520、框架结构521和间隙结构700的参数范围对体声波谐振器的性能的影响。如图3所示，定义第二电极层500的边缘区域沿平行于衬底的方向上具有第三宽度Fa。图5a和图5b分别探讨了框架结构和中心区域的高度差F1、边缘区域的第三宽度Fa对体声波谐振器性能的影响。图6a至图6c探讨了间隙结构700的第一高度B1、第一宽度a和第二宽度b对体声波谐振器性能的影响。

图5a示出了框架结构与中心区域之间具有不同高度差F1的体声波谐振器的史密斯圆图。如图5a所示，在史密斯(Smith)圆图中，史密斯曲线910的上半圆反映器件在高于FS(谐振频率)和低于FP(反谐振频率)之间的性能。史密斯曲线910的上半圆向内卷起(图中箭头指示处为卷起)越少，也即史密斯曲线910越光滑，体声波谐振器的寄生扰动越少，器件性能越好。另外，史密斯曲线910与边缘920的贴合程度也可以反映出体声波谐振器的性能，史密斯曲线910越大，越贴近边缘920，体声波谐振器的性能越好。

图5a中，四个体声波谐振器的第一高度B1均为0.2μm、第三宽度Fa均为2.5μm，且它们的框架结构521和中心区域510的高度差F1分别为0.05μm、0.1μm、0.15μm、0.2μm。从图5a可以看出，当框架结构521与中心区域510之间的高度差F1在0.05μm至0.15μm之间时，对应的史密斯曲线910的卷起程度小，且与边缘920贴合程度高。当高度差F1达到0.2μm时，史密斯曲线910的卷起增多(如图中箭头指示)，而且史密斯曲线910与边缘920的贴合程度明显降低，显示体声波谐振器出现了明显的寄生，器件性能下降。

由上述结果可知，框架结构521与中心区域510沿Z方向的高度差F1的范围是：大于或等于0.05μm，且小于或等于0.15μm时，框架结构521能较好减少能量向有源区外损失，提高体声波谐振器的Q值。

图5b示出了具有不同第三宽度Fa的边缘区域520的体声波谐振器的史密斯圆图，其中，每个体声波谐振器中悬臂结构和框架结构沿Z方向的厚度相等。六个体声波谐振器的第一高度B1均为0.2μm，框架结构和中心区域的高度差F1均为0.1μm，但它们的第三宽度Fa分别为1.5μm、2.0μm、2.5μm、3.0μm、3.5μm、4.0μm。

从图5b可以看出，当边缘区域520的第三宽度Fa为1.5μm时，对应的史密斯曲线与边缘920的贴合程度较低(如图中箭头指示)，此时体声波谐振器的性能较差。当边缘区域520的第三宽度Fa增大到2μm时，史密斯曲线910变得平滑，且与边缘920的贴合度较高。当边缘区域520的第三宽度Fa达到4μm时，史密斯曲线910出现卷起，且卷起程度较大，此时的体声波滤波器性能明显下降。

根据上述结果可知，第二电极层500的边缘区域520的宽度过大或者过小，均会导致体声波谐振器的性能降低，因此，当第二电极层500的边缘区域520的第三宽度Fa的范围是：大于或等于2μm，且小于或等于3.5μm时，体声波谐振器的性能较佳。

图6a示出了具有不同第一高度B1的间隙结构700的体声波谐振器的史密斯圆图。图6a中，三个体声波谐振器的第三宽度Fa均为2.5μm、框架结构和中心区域的高度差F1均为0.1μm，但它们的第一高度B1分别为0.1μm、0.2μm、0.3μm。从图6a可以看出，第一高度B1为0.1μm至0.2μm时，对应的史密斯曲线910较平滑，且没有产生明显的卷曲，此时，器件的寄生较小，器件的性能较好，而当第一高度B1增大到0.3μm时，对应的史密斯曲线明显缩小(如图中箭头指示)，对应的史密斯曲线与边缘920的贴合度降低，体声波谐振器的性能明显下降。

由上述结果可知，间隙结构700位于悬臂结构522和压电层400之间的部分的第一高度B1的范围是：大于或等于0.1μm，且小于或等于0.2μm，器件的寄生较小，说明该部分间隙结构能起到更好地抑制声波横向泄漏的作用，能够减小横波所造成的声损耗，从而进一步提高体声波谐振器的Q值。

图6b示出了具有不同第一宽度a的间隙结构700的体声波谐振器的史密斯圆图。图6b中，六个体声波谐振器的第一高度B1均为0.2μm，第二宽度b均为0.5μm，但它们的第一宽度a分别是0.5μm、1.0μm、1.5μm、2μm、2.5μm和3μm。从图6b可以看出，当第一宽度a为0.5μm时，对应的史密斯曲线910的下半圆中卷起明显，说明寄生扰动较大。随着第一宽度a增大，史密斯曲线910的卷起程度变小，当第一宽度a增大到3μm时，对应的史密斯曲线有明显的缩小(如图中箭头指示)。当第一宽度a为1μm至2.5μm时，史密斯曲线910比较平滑，体声波谐振器的寄生扰动较少，器件的性能较好。

由上述结果可知，当间隙结构700位于悬臂结构522和压电层400之间的部分的第一宽度a的范围为：大于或等于1μm，且小于或等于2.5μm时，器件具有较好的性能。

图6c示出了具有不同第二宽度b的间隙结构700的体声波谐振器的史密斯圆图。图6c中，七个体声波谐振器的第一高度B1均为0.2μm，第一宽度a均为2.5μm，但它们的第二宽度b不相等，第二宽度b依次是0、0.5μm、1μm、1.5μm、2μm、2.5μm和3μm。从图6c可以看出，当第二宽度b为0时，史密斯曲线的卷起程度较大。当逐步增大第二宽度b时，对应的史密斯曲线910的卷起程度在逐渐减小，说明体声波谐振器的寄生在不断减小。当第二宽度b在2.5μm时，对应的史密斯曲线910变得平滑，且该史密斯曲线与边缘920的贴合程度更高。因此，当间隙结构700的第二宽度b的范围是：大于或等于2.5μm时，体声波谐振器具有较好的性能。

实际应用中，可以对间隙结构700的第一宽度a、第一高度B1及第二宽度b进行调整，以及对框架结构和中心区域的高度差F1、边缘区域的第三宽度Fa进行调整，获得所需Q值的体声波谐振器。

在上述实施例中，间隙结构700贴合压电层400，且沿压电层400延伸，间隙结构700为一个连续的整体。在另一实施例中，间隙结构700可以由不连续的多部分构成。

图7a和图7b为本公开实施例提供的又一种体声波谐振器的结构示意图，如图7a和图7b所示，间隙结构700包括从中心向边缘的方向间隔设置的多个空气隙，其中，多个空气隙中的第一空气隙710位于悬臂结构522和压电层400之间，多个第二空气隙720位于调频层600和压电层400之间，且至少一个第二空气隙720在衬底100表面的正投影位于反射结构200在衬底100表面的正投影的外围。

示例地，间隙结构700可包括多个间隔设置的环状空气隙，其中，外圈的环状空气隙包围着内圈的环状空气隙。相邻空气隙之间由调频层材料间隔。在一些实施例中，每个环形空气隙可以是沿着器件的轮廓连续设置，如图7b所示，器件的轮廓是由两条直线和一条曲线依次连接形成的封闭图形，而每个环形空气隙具有相似的封闭图形，均是由两条直线和一条曲线形成的封闭图形。

应当理解，在另外一些实施例中，每个环状空气隙可以是沿着器件的轮廓被分割为多段设置。

在一些实施例中，如图7a所示，第一空气隙710位于悬臂结构522和压电层400之间，与框架结构521一起配合来提升器件的Q值。第二空气隙720的数量可以是多个，其中一个第二空气隙位于衬底表面的压电层400上，而其它的第二空气隙位于压电层的坡面段，来减小声波的横向泄漏。

示例地，第二空气隙720可以位于压电层坡面段中平行于衬底表面的区域，也即第二空气隙720可以平行于衬底表面设置，能够减小间隙结构700制备时的工艺难度。

继续参见图7a和图7b，相邻空气隙之间设有调频层600，调频层600将间隙结构700打断为多个空气隙，以提高对空气隙的支撑强度。

在另一实施例中，相邻空气隙之间的调频层材料可被替换为低声阻抗材料。如图8a和图8b所示，相邻空气隙之间设有低声阻抗材料层900，也即相邻空气隙之间由低声阻抗材料层900实现隔离并支撑空气隙。相比于空气隙之间由调频层600间隔，空气隙与低声阻抗材料层900的结合，能够提高声波反射率，减少能量散失，以提高体声波谐振器的Q值。

需说明的是，这里的空气隙与反射结构的空气腔为两种不同的结构。这里，空气隙属于间隙结构700，其位于压电层400上。而本实施例中，反射结构200位于压电层400下方。

图9为本公开实施例提供的又一种体声波谐振器的剖面示意图，如图9所示，间隙结构700的材料为低声阻抗材料，低声阻抗材料的声阻抗小于压电层400的声阻抗；其中，间隙结构700远离衬底100的一侧的表面与衬底100表面相平行。

如图9所示，间隙结构700从中心到边缘的方向上，沿Z方向上的厚度逐渐增大，间隙结构700远离衬底100一侧的上表面与衬底100表面平行。

在图2和图3所示的实施例中，间隙结构700沿压电层400延伸，间隙结构700各部分沿垂直于衬底表面的方向的厚度基本一致。由于压电层400具有坡面，位于坡面和水平面连接处的间隙结构700的连续性较差，可能导致后续沉积在间隙结构700上的其他层(例如调频层600)的连续性较差。相较于图2和图3所示的体声波谐振器，图9所示的体声波谐振器中间隙结构700的顶表面平坦化设置，能够避免形成在间隙结构700上的调频层600爬坡，提高调频层600的连续性，从而提升体声波谐振器的稳定性。

在一些实施例中，如图2至图4、图7a至图9所示，第二电极层500的侧壁面可以设置为弧面，也即第二电极层500的悬臂结构522的侧壁面为弧面。

这里，侧壁面为弧面既可以包括侧壁面与上表面的连接处为弧面设置，也可包括侧壁面与下表面的连接处为弧面，还可包括侧壁面整体是弧面。

图10a、图10b、图10c为图9中的虚线方框中的第二电极层500的局部示意图，如图10a至图10c所示，第二电极层500的上表面与第二电极层500的侧壁面的连接处呈弧面设置。上述提到，悬臂结构522与框架结构521之间形成台阶，中心区域510与框架结构521形成台阶，第二电极层500整体呈台阶状，第二电极层500具有多个侧壁面，每个侧壁面与上表面的连接处均呈弧面设置。

例如，如图10a所示，悬臂结构522的上表面与其两个侧壁面的连接处均呈弧面设置，框架结构的上表面与其侧壁面的连接处也呈弧面设置。

如图10b所示，悬臂结构522的下表面与其侧壁面为弧面，且为凸弧。如图10c所示，悬臂结构522的侧壁面与框架结构521的上表面的连接处为弧面，且为凹弧。悬臂结构522的下表面与框架结构521的侧壁面的连接处为弧面，且也为凹弧。

相比于第二电极层的端部呈直角(侧壁面与上下表面呈直角连接)，本实施例中，第二电极层500的端部为弧面，能够解决第二电极层500应力集中、电荷尖端集中放电等问题，防止设置在第二电极层500上的其他层断裂，提高体声波谐振器的性能。

在一些实施例中，如图2至图4、图7a至图9所示，间隙结构700的端部也可以设置为弧面。间隙结构700的上表面与侧壁面的连接处呈弧面设置，间隙结构700的下表面与侧壁面的连接处也呈弧面设置，这样可以避免应力集中，解决当间隙结构的材料为空气时，制备过程中牺牲材料释放不干净的问题。

在一些实施例中，反射结构200可以是空气腔。示例地，第一电极层300向远离衬底100的一侧凸起而与衬底100表面之间形成该空气腔。在另一实施例中，反射结构200也可以是由衬底100的表面向下凹陷与第一电极层300之间形成的空气腔。在其他实施例中，反射结构200还可以是布拉格反射结构；其中，布拉格反射结构包括层叠设置的两种声阻抗不同的介质材料。

本公开实施例所提供的体声波谐振器，一方面，在第二电极层的边缘区域设置框架结构，且框架结构和中心区域在垂直于衬底表面的方向上存在高度差，能够增大第二电极层边界处的声阻抗差异，使得第二电极层的边缘形成声波传播阻抗变化的区域或界面，增加声波的反射效率，减小能量损失，提高器件Q值。

另一方面，在悬臂结构和压电层之间、以及调频层与压电层之间设置间隙结构，间隙结构的声阻抗小于压电层的声阻抗，使得压电层与间隙结构之间形成声学阻抗失配，这种声学阻抗失配使得在边界处的声波反射，抑制声波谐振结构在受到电场激励时产生的剪切波向有源区外泄漏，将能量集中在有源区内的纵波上，减少能量的损失，从而提高谐振器的Q值。

另外，位于压电层与悬臂结构之间的部分间隙结构还可以形成第二个声波传播阻抗变化的区域或界面，同框架结构一起配合，能够更好的减小体声波谐振器中各种边界条件导致的横向剪切波的传播，提高体声波谐振器的Q值。

基于上述体声波谐振器，本公开实施例提供一种体声波谐振器的制造方法，图11为本公开实施例提供的一种体声波谐振器的制备方法的流程示意图。如图11所示，该制造方法包括：

S100：提供衬底；在衬底上形成依次层叠设置的牺牲层、第一电极层和压电层；其中，压电层包括位于第一电极层上表面的第一平面段，位于第一电极层侧壁和牺牲层的坡面段、以及位于衬底表面的第二平面段；

S200：在压电层上形成间隙牺牲结构；其中，间隙牺牲结构部分位于压电层的第一平面段靠近第一电极层上表面的边缘处，另一部分位于坡面段和/或第二平面段；

S300：在压电层的第一平面段的剩余区域和位于第一平面段的间隙牺牲结构上形成第二电极层；其中，第二电极层包括中心区域和包围中心区域的边缘区域，边缘区域包括从中心向边缘依次排布的框架结构和悬臂结构；框架结构沿垂直于衬底的方向上的厚度大于中心区域沿方向上的厚度，悬臂结构位于间隙牺牲结构上；

S400：形成覆盖第二电极层、部分间隙牺牲结构、部分压电层的调频层；

S500：形成贯穿调频层和压电层的释放孔，通过释放孔释放牺牲层，形成反射结构。

图12a至图12h为本公开实施例提供的一种体声波谐振器在制造过程中的结构示意图，下面结合图11、图12a至图12h详细介绍本公开实施例提供的体声波谐振器的制造方法。

参见图12a至图12c，执行步骤S100，提供衬底100，在衬底表面由下至上依次形成牺牲层201、第一电极层300和压电层400。

衬底100的材料包括硅(Si)、锗(Ge)、硅锗半导体、绝缘衬底上的硅(Silicon-On-Insulator，SOI)、绝缘衬底上的锗(Silicon-On-Insulator，GOI)或者绝缘体上硅锗等。

在一些实施例中，可以对衬底100的表面进行清洗，减少杂质及副产物对后续工艺的影响。

如图12a所示，在衬底100上形成牺牲层201，牺牲层201用于在后续的工艺中形成反射结构200。

示例地，形成牺牲层201的方法，包括：利用等离子体增强化学气相沉积工艺(PECVD)在衬底100表面形成牺牲材料层，图案化牺牲材料层形成牺牲层201。牺牲层201的材料可以包括二氧化硅(SiO₂)等。

如图12b所示，形成位于牺牲层201上的第一电极层300。

示例地，可先形成第一电极材料层，在对第一电极材料层进行图案化刻蚀，形成第一电极层。

如图12c所示，形成覆盖第一电极层300、部分牺牲层201和部分衬底100表面的压电层400。压电层400包括位于第一电极层上表面的第一平面段401、位于第一电极层侧壁和牺牲层侧壁的坡面段402、以及位于衬底表面的第二平面段403，其中，坡面段402包围第一平面段401，第二平面段403包围坡面段402。

示例地，压电层400的材料可以是具有压电特性的材料。例如，氮化铝、氧化锌、钽酸锂、锆钛酸铅或者钛酸钡等。对于压电层400的具体制造方式，可参照本领域的相关技术，故此处不再具体说明。

参见图12d，执行步骤S200，在压电层400上形成间隙牺牲结构701；其中，间隙牺牲结构701部分位于压电层的第一平面段401靠近第一电极层300上表面的边缘处，另一部分位于压电层的坡面段402和/或第二平面段403。

本实施例中，如图12d所示，间隙牺牲结构701位于压电层的第一平面段401的部分区域、坡面段402的整个区域，以及第二平面段403的部分区域。示例地，间隙牺牲结构701可以为环状，并且具有与器件轮廓相似的图形。

在一些实施例中，形成间隙牺牲结构701的方法，包括：

形成覆盖压电层400的间隙牺牲材料层；刻蚀以去除部分间隙牺牲材料层，剩余的间隙牺牲材料层形成间隙牺牲结构701。

在一些实施例中，间隙牺牲结构701的材料可以为低声阻抗材料。此时，间隙牺牲结构701可以不被去除，间隙牺牲结构701作为间隙结构700。

在另一实施例中，还可在后续的工艺中去除间隙牺牲结构701，形成间隙结构。此时，间隙结构的材料包括空气，也即间隙结构包括空气隙。

示例地，间隙牺牲结构701和牺牲层201的刻蚀选择比较小，也即二者可被同一刻蚀液刻蚀。例如，间隙牺牲结构701和牺牲层201的材料相同。这样在步骤S500中，可使释放孔800贯穿间隙牺牲结构701，在释放牺牲层201的同时，去除间隙牺牲结构701，能够简化工艺流程，降低工艺成本。

参见图12e和图12f，执行步骤S300，在压电层的第一平面段401的剩余区域和位于第一平面段的间隙牺牲结构701上形成第二电极层500；其中，第二电极层500包括中心区域510和包围中心区域的边缘区域520，边缘区域520包括从中心向边缘依次排布的框架结构521和悬臂结构522；框架结构521沿垂直于衬底100的方向上的厚度大于中心区域510在该方向上的厚度，悬臂结构522位于间隙牺牲结构上。

示例地，形成第二电极层500的步骤可具体包括：

形成覆盖压电层400和间隙牺牲结构701的第二电极材料层；

接着，如图12e所示，对第二电极材料层进行图形化刻蚀；其中，位于压电层的第一平面段401、以及部分间隙牺牲结构701上的第二电极材料层被保留，形成初始第二电极层502；

之后，如图12f所示，对初始第二电极层502进行修调工艺，以减薄初始第二电极层502的中间部分；其中，被减薄的中间部分构成中心区域510，而未被减薄的区域构成了边缘区域520，边缘区域520沿Z方向的厚度大于中心区域沿Z方向的厚度，边缘区域520包括沿着中心向边缘依次设置的框架结构521和悬臂结构522，悬臂结构位于间隙牺牲结构701上，框架结构位于压电层的第一平面段。

示例地，修调工艺包括干法刻蚀工艺。

本实施例中，框架结构521和中心区域510是一体的，可以降低第二电极层500有效电阻，减少欧姆损耗，更有利于提高体声波谐振器传输的声波信号质量。并且这种形成框架结构和中心区域的工艺步骤简单，易操作。

参见图12g，执行步骤S400，形成调频层600，其中，调频层600覆盖第二电极层500表面、间隙牺牲结构701未被第二电极层覆盖的区域、以及压电层400未被第二电极层和间隙牺牲结构覆盖的区域。

在一些实施例中，调频层600的材料可以与压电层400的材料相同。

参见图12h，执行步骤S500，形成至少一个贯穿调频层600、间隙牺牲结构701和压电层400的释放孔800，通过释放孔800释放牺牲层201和间隙牺牲结构701，以形成反射结构200和间隙结构700。

在另一实施例中，为形成如图7a和图7b所示的体声波谐振器，步骤S200，形成间隙牺牲结构，可具体包括：

如图13a所示，形成间隙牺牲材料层之后，刻蚀间隙牺牲材料层形成多个从中心到边缘的方向上间隔设置的子牺牲结构，多个子牺牲结构包括第一子牺牲结构和第二子牺牲结构，其中，第一子牺牲结构位于压电层400的第一平面段靠近第一电极层上表面的边缘处，第二子牺牲结构中的至少一个位于压电层的第二平面段。该多个子牺牲结构成间隙牺牲结构701。示例地，第二子牺牲结构还可位于压电层的坡面段。还示例地，子牺牲结构呈环状设置。

接着，如图13b所示，在第一子牺牲结构和压电层的第一平面段上形成第二电极层500。这里，第二电极层500的形成方法与上述相同，故不再赘述。

如图13c所示，形成覆盖第二电极层500、部分间隙牺牲结构701、部分压电层400的调频层600，其中，调频层材料位于相邻子牺牲结构之间。

如图13d所示，形成贯穿调频层600和压电层400的释放孔800，其中，释放孔800穿过至少部分间隙牺牲结构701或者释放孔800显露出间隙牺牲结构701的侧壁。通过释放孔800释放牺牲层201和间隙牺牲结构701，形成反射结构200和间隙结构700。其中，第一子牺牲结构被去除的位置形成了第一空气隙710，第二子牺牲结构被去除的位置形成了第二空气隙720。

在一些实施例中，为形成图8a和图8b所示的间隙牺牲结构，即间隙结构700中的多个空气隙间隔设置，相邻空气隙之间设有低声阻抗材料层900。如图14a和14b所示，该体声波谐振器的制造方法还包括：

如图14a所示，在形成图13b所示的间隙牺牲结构701之后，且形成第二电极层500之前，在相邻子牺牲结构之间形成低声阻抗材料层900；

如图14b所示，形成第二电极层500和调频层600；接着，形成贯穿调频层600、压电层400并暴露子牺牲结构侧壁面的释放孔800，通过释放孔释放牺牲层201和子牺牲结构，形成反射结构200和间隙结构700。

在一些实施例中，为形成图9所示的间隙结构，即间隙结构700的材料为低声阻抗材料，间隙结构700远离衬底的一侧的表面与衬底表面平行。如图15a至图15b所示，步骤S200，形成间隙牺牲结构的方法，可具体包括：

形成覆盖压电层400的间隙牺牲材料层，间隙牺牲材料层的顶表面与衬底100所在平面平行；

如图15a所示，刻蚀以去除位于压电层的第一平面段的部分间隙牺牲材料，剩余的间隙牺牲材料形成间隙牺牲结构，间隙牺牲结构的材料为低声阻抗材料且间隙牺牲结构远离衬底一侧的表面与衬底表面平行，该间隙牺牲结构作为间隙结构700。

形成间隙结构700后，如图15b所示，继续形成第二电极层500和调频层600。该第二电极层500和调频层600的形成方法与上述相同，故不再赘述。

本实施例中，形成表面平行于衬底表面的平坦化的间隙结构700，能够避免后续形成在间隙结构700上的调频层600爬坡，减少调频层600因爬坡造成的断裂的概率，提升体声波谐振器的稳定性。

本公开实施例提供的制造方法所制备的体声波谐振器，利用间隙结构和框架结构的组合，能够有效提升体声波滤波器的Q值，并且，在间隙结构和框架结构的制备过程中，牺牲层和间隙牺牲结构可以通过释放孔一起被释放，可以同时形成反射结构和间隙结构，并且间隙牺牲结构材料与牺牲层的材料一致，能够实现更佳的释放效果，简化工艺流程；框架结构和中心区域可以一步制作完成，制作工艺简单，可以降低工艺成本，且不需要特殊的复杂工艺，与目前工艺技术兼容性好。

在本公开所提供的实施例中，应该理解到，所揭露的装置、系统与方法，可以通过其他的方式实现。以上所述，仅为本公开的具体实施方式，但本公开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公开揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本公开的保护范围之内。因此，本公开的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (11)

1.一种体声波谐振器，其特征在于，包括：

衬底；

依次层叠设置在所述衬底上的反射结构、第一电极层、压电层、第二电极层和调频层；其中，所述第二电极层包括中心区域和包围所述中心区域的边缘区域，所述边缘区域包括从中心向边缘依次排布的框架结构和悬臂结构；所述框架结构沿垂直于所述衬底的方向上的厚度大于所述中心区域沿所述方向上的厚度；所述调频层覆盖所述第二电极层、以及所述压电层未被所述第二电极层覆盖的区域；

间隙结构，一部分设于所述悬臂结构与所述压电层之间，且另一部分设于所述调频层和所述压电层之间。

2.根据权利要求1所述的体声波谐振器，其特征在于，所述反射结构、所述第一电极层、所述压电层和所述第二电极层的所述中心区域沿垂直于所述衬底的方向上的重叠区域构成有源区；

所述间隙结构在竖直平面的正投影覆盖位于所述有源区边缘的所述压电层和位于所述有源区边缘的所述第一电极层在所述竖直平面的正投影；所述竖直平面垂直于所述衬底。

3.根据权利要求2所述的体声波谐振器，其特征在于，所述间隙结构沿所述压电层延伸，且所述间隙结构的外轮廓在所述衬底表面的正投影位于所述反射结构外。

4.根据权利要求1至3任一项所述的体声波谐振器，其特征在于，所述间隙结构的材料包括空气或者除空气外的其他低声阻抗材料，其中，所述除空气外的其他低声阻抗材料的声阻抗小于所述压电层的声阻抗。

5.根据权利要求1至3任一项所述的体声波谐振器，其特征在于，所述间隙结构位于所述悬臂结构和所述压电层之间的部分沿平行于所述衬底的方向上具有第一宽度，所述第一宽度的尺寸范围为：1μm至2.5μm；和/或，

所述间隙结构位于所述悬臂结构和所述压电层之间的部分沿垂直于所述衬底的方向上具有第一高度，所述第一高度的尺寸范围为0.1μm至0.2μm。

6.根据权利要求3所述的体声波谐振器，其特征在于，所述间隙结构在所述衬底表面的正投影位于所述反射结构在所述衬底表面的正投影之外的部分沿平行于所述衬底的方向上具有第二宽度，所述第二宽度大于或等于2.5μm。

7.根据权利要求1所述的体声波谐振器，其特征在于，所述间隙结构包括从中心向边缘的方向间隔设置的多个空气隙，相邻所述空气隙之间设有所述调频层材料或者低声阻抗材料层；

其中，多个所述空气隙中的第一空气隙位于所述悬臂结构和所述压电层之间，多个第二空气隙位于所述调频层和所述压电层之间，且至少一个所述第二空气隙在所述衬底表面的正投影位于所述反射结构在所述衬底表面的正投影的外围。

8.根据权利要求1所述的体声波谐振器，其特征在于，所述间隙结构的材料为低声阻抗材料，所述低声阻抗材料的声阻抗小于所述压电层的声阻抗；

其中，所述间隙结构远离所述衬底的一侧的表面与所述衬底表面相平行。

9.根据权利要求1所述的体声波谐振器，其特征在于，所述悬臂结构和所述框架结构在垂直于所述衬底的方向上的厚度相等。

10.根据权利要求1或7所述的体声波谐振器，其特征在于，所述第二电极层的所述边缘区域沿平行于所述衬底的方向上具有第三宽度，所述第三宽度的尺寸范围为：2μm至3.5μm；和/或，

所述框架结构与所述中心区域沿垂直于所述衬底的方向上具有高度差，所述高度差的尺寸范围为：0.05μm至0.15μm。

11.根据权利要求1所述的体声波谐振器，其特征在于，所述悬臂结构的侧壁面为弧面。