CN221305892U - 一种体声波谐振器及滤波器 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种体声波谐振器及滤波器，涉及半导体器件技术领域，本申请的体声波谐振器，包括衬底以及依次设置于衬底上的底电极、压电层和顶电极，衬底的上表面内凹形成连通的第一凹槽和第二凹槽，第二凹槽的深度小于第一凹槽的深度，第一凹槽、底电极、压电层以及顶电极沿层级方向投影重合的区域为有效谐振区域，第二凹槽位于有效谐振区域的边缘。本申请提供的体声波谐振器及滤波器，能够提高对横向波的反射效果，从而减少能量的泄露。

Description

一种体声波谐振器及滤波器

技术领域

本申请涉及半导体器件技术领域，具体而言，涉及一种体声波谐振器及滤波器。

背景技术

体声波谐振器因其高Q值、体积小、可集成化等特点而引起了很多研究关注，并且随着移动通信技术的飞速发展，薄膜体声波谐振器不仅在射频前端中得到大量应用，也在传感器检测应用中表现出很大的潜力。薄膜体声波器件的激励方式主要分为两种，一种是采用厚度场激励模式，两个电极分别在压电基片的两面，电场沿着基片的厚度方向；另一种是采用横向场激励模式，两个电极在压电基片的同一面。在实际应用中，这两种激励模式都会引起压电基片体内的质点产生厚度剪切振动，它产生的声波在基片内传播，属于体声波。

体声波谐振器的有效谐振区经受电场产生的电激发模式，而有效谐振区域和外围区域都经受由电激发模式中的能量散射产生的模式。包括例如由外围区域的边缘处激发的横向声波形成的横向模式的声波。横向模式的声波容易泄露造成体声波谐振器的性能下降。因此,现有技术中通常会设计抑制或减轻横向模式的声波泄露的辅助结构特征。例如,可以在体声波谐振器的顶电极边缘形成气桥,以便消除压电层上的换能器效应。顶部和底部电极的边缘以及辅助结构特征,例如气环和常规的外部框架,提供了严格的限制。但是这些结构只能初步限制能量泄露，并不能够完全抑制能量损耗。声波在材料界面因为阻抗的不匹配，一部分反射回谐振器，仍然有一部分声波发生了泄露，使得体声波谐振器的性能下降。

实用新型内容

本申请的目的在于提供一种体声波谐振器及滤波器，能够提高对横向波的反射效果，从而减少能量的泄露。

本申请的实施例一方面提供了一种体声波谐振器，包括衬底以及依次设置于衬底上的底电极、压电层和顶电极，衬底的上表面内凹形成连通的第一凹槽和第二凹槽，第二凹槽的深度小于第一凹槽的深度，第一凹槽、底电极、压电层以及顶电极沿层级方向投影重合的区域为有效谐振区域，第二凹槽位于有效谐振区域的边缘。

作为一种可实施的方式，第二凹槽设置于第一凹槽的一侧，第一凹槽的另一侧间隔设置有第三凹槽，底电极与第三凹槽对应的部分伸入第三凹槽以使底电极部分下沉。

作为一种可实施的方式，压电层与第三凹槽对应的部分伸入底电极以使压电层部分下沉，顶电极与第三凹槽对应的部分伸入压电层以使顶电极部分下沉。

作为一种可实施的方式，第二凹槽向上延伸以使底电极与第二凹槽对应的部分上升伸入压电层。

作为一种可实施的方式，压电层与第二凹槽对应的部分伸入顶电极以使压电层部分上升，顶电极与第二凹槽对应的部分上升凸出于顶电极。

作为一种可实施的方式，第一凹槽、第二凹槽以及第三凹槽的底壁为平面、第一凹槽、第二凹槽以及第三凹槽的侧壁均为斜面。

作为一种可实施的方式，第二凹槽的深度与第一凹槽深度之比在1:4-1:2之间。

作为一种可实施的方式，有效谐振区域的形状为多边形、圆形或者多个曲边组合形成的图形中的一种。

作为一种可实施的方式，压电层的材料是氮化铝、氧化锌、铌酸锂、锆钛酸铅、碳酸锂、铌酸钡钠中的一种。

本申请的实施例另一方面提供了一种滤波器，包括上述体声波谐振器。

本申请实施例的有益效果包括：

本申请提供的体声波谐振器，包括衬底以及依次设置于衬底上的底电极、压电层和顶电极，体声波谐振器在工作时，底电极和顶电极分别连接信号源的两端，在压电层的两侧产生电压差，压电层采用压电材料制备而成，根据压电材料的逆压电效应，在压电层内产生声波，其中，声波中存在横向剪切波，横向剪切波沿着压电层所在的平面传播。衬底的上表面内凹形成连通的第一凹槽和第二凹槽，第二凹槽的深度小于第一凹槽的深度，以形成台阶状的界面，第一凹槽、底电极、压电层以及顶电极沿层级方向投影重合的区域为有效谐振区域，第二凹槽位于有效谐振区域的边缘，当横向剪切波传递至有效谐振区域边缘时，由于第一凹槽和第二凹槽内填充空气，与衬底的声阻抗不同，在第一凹槽和第二凹槽的侧壁形成反射界面，能够反射传递至此处的横向剪切波，且第一凹槽和第二凹槽形成台阶状的界面，形成复合声反射界面，对横向剪切波进行多重反射，从而提高对横向剪切波的反射效果，减小能量的泄露，进而提高体声波谐振器的Q值。

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体声波谐振器的结构示意图之一；

图2为本申请实施例提供的一种体声波谐振器的结构示意图之二；

图3为本申请实施例提供的一种体声波谐振器的结构示意图之三；

图4为本申请实施例提供的体声波谐振器制备过程中的状态图之一；

图5为本申请实施例提供的体声波谐振器制备过程中的状态图之二；

图6为本申请实施例提供的体声波谐振器制备过程中的状态图之三；

图7为本申请实施例提供的体声波谐振器制备过程中的状态图之四；

图8为本申请实施例提供的体声波谐振器制备过程中的状态图之五；

图9为本申请实施例提供的体声波谐振器制备过程中的状态图之六；

图10为本申请实施例提供的体声波谐振器制备过程中的状态图之七；

图11为本申请实施例提供的体声波谐振器制备过程中的状态图之八；

图12为本申请实施例提供的体声波谐振器制备过程中的状态图之九。

图标：10-体声波谐振器；11-衬底；111-第一凹槽；112-第二凹槽；113-第三凹槽；12-底电极；13-压电层；14-顶电极；15-牺牲层；16-释放孔。

具体实施方式

为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本申请实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本申请的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本申请的范围，而是仅仅表示本申请的选定实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本申请的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“竖直”、“水平”、“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”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

体声波谐振器采用一种谐振技术,通过压电薄膜的逆压电效应将电能量转换成声波而形成谐振，可以用来制作薄膜频率整形器件等元器件，体声波谐振器具有体积小,成本低,品质因数高、功率承受能力强、频率高且与IC技术兼容等特点，适合于工作在1-10GHz的RF系统应用。现有技术中的体声波谐振器的品质因数还能够进一步提高。

本申请提供了一种体声波谐振器10，如图1所示，包括衬底11以及依次设置于衬底11上的底电极12、压电层13和顶电极14，衬底11的上表面内凹形成连通的第一凹槽111和第二凹槽112，第二凹槽112的深度小于第一凹槽111的深度，第一凹槽111、底电极12、压电层13以及顶电极14沿层级方向投影重合的区域为有效谐振区域，第二凹槽112位于有效谐振区域的边缘。

本申请实施例提供的体声波谐振器10在工作时，需要在顶电极14和底电极12之间形成电压差，具体的，顶电极14和底电极12分别与信号源的两端连接，在顶电极14和底电极12之间形成电压差，压电层13采用压电材料制备，压电材料具有逆压电效应，根据逆压电效应，在压电层13内产生声波，其中，包括了由顶电极14到底电极12方向传播的声波，也包括了沿压电层13延伸方向传播的横向剪切波。声波传播至第一凹槽111处被反射，在压电层13内形成谐振，实现声波的谐波。横向剪切波传播至有效谐振区域边缘时，第一凹槽111的侧壁与第一凹槽111内的空气的声阻抗不同，在第一凹槽111的侧壁上形成反射界面；同时第二凹槽112的侧壁与第二凹槽112内的空气的声阻抗不同，在第二凹槽112的侧壁上也形成反射界面，从而使得第一凹槽111和第二凹槽112组合形成复合声反射界面，对横向剪切波进行多重反射，从而提高对横向剪切波的反射效果，减小能量的泄露，进而提高体声波谐振器10的Q值。

其中，压电层13的具体材料本申请实施例不做限制，只有具有压电效应和逆压电效应即可，示例的，可以是氮化铝、氧化锌、锆钛酸铅、碳酸锂、铌酸锂或者铌酸钡钠。其中，氧化锌和锆钛酸铅具有较高的横向压电系数和机电耦合系数，能够提高体声波谐振器10的机电耦合系数；氮化铝具有较高的品质因子，能够降低体声波谐振器10的阻抗和插入损耗。顶电极14和底电极12的材料本申请实施例也不做限制，只要能够导电即可，示例的，可以是铝、铜、银、钨、铂、钛或者钼，顶电极14的材料与底电极12的材料可以相同，也可以不相同。衬底11可以是单晶硅、砷化镓、石英、蓝宝石、碳化硅等等。

另外，在实际应用中，体声波谐振器10通常采用沉积法层层沉积，为了提高底电极12的质量，可以在衬底11与底电极12之间设置缓冲层，缓冲层能够匹配衬底11与底电极12之间的晶格适配和热适配，从而提高底电极12的薄膜质量和压电层13的薄膜质量。

本申请提供的体声波谐振器10在工作时，底电极12和顶电极14分别连接信号源的两端，在压电层13的两侧产生电压差，压电层13采用压电材料制备而成，根据压电材料的逆压电效应，在压电层13内产生声波，其中，声波中存在横向剪切波，横向剪切波沿着压电层13所在的平面传播。第二凹槽112的深度小于第一凹槽111的深度，以形成台阶状的界面，第一凹槽111、底电极12、压电层13以及顶电极14沿层级方向投影重合的区域为有效谐振区域，以使第二凹槽112位于有效谐振区域的边缘，当横向剪切波传递至有效谐振区域边缘时，由于第一凹槽111和第二凹槽112内填充空气，与衬底11的声阻抗不同，在第一凹槽111和第二凹槽112的侧壁形成反射界面，能够反射传递至此处的横向剪切波，且第一凹槽111和第二凹槽112形成台阶状的界面，形成复合声反射界面，对横向剪切波进行多重反射，从而提高对横向剪切波的反射效果，减小能量的泄露，进而提高体声波谐振器10的Q值。

可选的，如图2所示，第二凹槽112设置于第一凹槽111的一侧，第一凹槽111的另一侧间隔设置有第三凹槽113，底电极12与第三凹槽113对应的部分伸入第三凹槽113以使底电极12部分下沉。

在衬底11上设置第三凹槽113，底电极12与第三凹槽113对应的部分伸入第三凹槽113内使得底电极12部分下沉，这样，底电极12伸入第三凹槽113，使得底电极12与衬底11接触，由于底电极12和衬底11采用不同的材料制备而成，即底电极12和衬底11的声阻抗不同，在第三凹槽113的两侧壁形成反射界面，能够反射传递至此处的横向剪切波，从而进一步提高对横向剪切波的反射效果，减小能量的泄露，进而提高体声波谐振器10的Q值。

本申请实施例的一种可实现的方式中，如图2所示，压电层13与第三凹槽113对应的部分伸入底电极12以使压电层13部分下沉，顶电极14与第三凹槽113对应的部分伸入压电层13以使顶电极14部分下沉。

同理，压电层13部分伸入底电极12，伸入底电极12的压电层13和底电极12沿由内向外方向的界面处形成反射界面，能够反射传递至此处的横向剪切波，从而进一步提高对横向剪切波的反射效果，减小能量的泄露，进而提高体声波谐振器10的Q值。同样的，顶电极14部分伸入压电层13内，压电层13和伸入压电层13的顶电极14沿由内向外方向的界面处形成反射界面，能够反射传递至此处的横向剪切波，从而进一步提高对横向剪切波的反射效果，减小能量的泄露，进而提高体声波谐振器10的Q值。

可选的，如图3所示，第二凹槽112向上延伸以使底电极12与第二凹槽112对应的部分上升伸入压电层13。

第二凹槽112向上延伸使得底电极12内部形成空隙，空隙内填充空气，使得沿由内向外的方向空隙与底电极12的界面处形成反射界面，能够反射传递至此处的横向剪切波。同理，底电极12部分上升伸入压电层13，使得沿由内向外的方向，压电层13与伸入压电层13的底电极12的界面处形成反射界面，能够反射传递至此处的横向剪切波。

本申请实施例的一种可实现的方式中，压电层13与第二凹槽112对应的部分伸入顶电极14以使压电层13部分上升，顶电极14与第二凹槽112对应的部分上升凸出于顶电极14。

同底电极12伸入压电层13相同，压电层13部分伸入顶电极14，以及顶电极14上升形成凸出部，均能够反射横向剪切波。

可选的，如图1、图2和图3所示，第一凹槽111、第二凹槽112以及第三凹槽113的底壁为平面、第一凹槽111、第二凹槽112以及第三凹槽113的侧壁均为斜面。

将第一凹槽111、第二凹槽112以及第三凹槽113设置为斜面，能够增大反射界面的面积，从而增加反射效果。

本申请实施例的一种可实现的方式中，第二凹槽112的深度与第一凹槽111深度之比在1:4-1:2之间。

第一凹槽111和第二凹槽112形成复合声反射界面，为了提高复合声反射界面对横向剪切波的反射效果，将第二凹槽112的深度与第一凹槽111的深度之比设置在1:4-1:2之间，示例的，可以是1:4、1:2等等。

可选的，有效谐振区域的形状为多边形、圆形或者多个曲边组合形成的图形中的一种。

有效谐振区域的边缘设置为多边形，圆形或者多个曲边组合形成的图形中的一种，使得有效谐振区域的外形具有多样化，从而更加方便制备和设计。

另外，可以将有效谐振区域的边缘设置为不规则的多边形，或者有多个曲面组合形成的图形，这样，由于有效谐振区域的边缘对声波也具有一定的反射作用，从而避免声波泄露。

本申请实施例的一种可实现的方式中，压电层13的材料是氮化铝、氧化锌、铌酸锂、锆钛酸铅、碳酸锂、铌酸钡钠中的一种。

本申请实施例提供的体声波谐振器10中的第一凹槽111、第二凹槽112以及第三凹槽113为牺牲层15释放后形成，具体的，体声波谐振器10的制备方法包括以下步骤：

S10：如图4所示，提供衬底11，并刻蚀衬底11形成第一凹槽111；

S20：如图5所示，对衬底11进行二次刻蚀形成第二凹槽112，第二凹槽112与第一凹槽111连通，且第二凹槽112的深度小于第二凹槽112的深度；

S30：如图6所示，在衬底11上沉积牺牲层15，牺牲层15填充第一凹槽111和第二凹槽112；

S40：如图7所示，对牺牲层15的上表面进行物理化学抛光，降低表面粗糙度，提高薄膜均匀性，物理化学抛光后在衬底11上预留预设厚度的牺牲层15；

S50：如图8所示，对牺牲层15的表面进行图案化刻蚀，使得衬底11的表面外露，并预留与第二凹槽112对应的牺牲层15，使其在衬底11表面形成凸起；

S60：如图9所示，刻蚀衬底11外面，在第一凹槽111的另一侧形成第三凹槽113；

S70：如图10所示，在衬底11表面沉积金属材料，并图案化形成底电极12，底电极12覆盖凸起，并填充第三凹槽113；

S80：如图11所示，在底电极12上沉积压电材料形成压电层13，压电层13的表面与底电极12的表面平行；

S90：如图12所示，在压电层13上沉积金属材料，并图案化形成顶电极14，顶电极14、压电层13、底电极12以及第一凹槽111沿层级方向在衬底11上的投影重合的区域为有效谐振区域；

S100：如图3所示，刻蚀释放孔16，并通过释放孔16释放第一凹槽111和第二凹槽112内填充的牺牲材料，形成如图3所示的体声波谐振器10。

本申请实施例还公开了一种滤波器，包括上述体声波谐振器10。该滤波器包含与前述实施例中的体声波谐振器10相同的结构和有益效果。体声波谐振器10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 (10)

1.一种体声波谐振器，其特征在于，包括衬底以及依次设置于所述衬底上的底电极、压电层和顶电极，所述衬底的上表面内凹形成连通的第一凹槽和第二凹槽，所述第二凹槽的深度小于所述第一凹槽的深度，所述第一凹槽、所述底电极、所述压电层以及所述顶电极沿层级方向投影重合的区域为有效谐振区域，所述第二凹槽位于所述有效谐振区域的边缘。

2.根据权利要求1所述的体声波谐振器，其特征在于，所述第二凹槽设置于所述第一凹槽的一侧，所述第一凹槽的另一侧间隔设置有第三凹槽，所述底电极与所述第三凹槽对应的部分伸入第三凹槽以使所述底电极部分下沉。

3.根据权利要求2所述的体声波谐振器，其特征在于，所述压电层与所述第三凹槽对应的部分伸入所述底电极以使所述压电层部分下沉，所述顶电极与所述第三凹槽对应的部分伸入压电层以使所述顶电极部分下沉。

4.根据权利要求1所述的体声波谐振器，其特征在于，所述第二凹槽向上延伸以使底电极与所述第二凹槽对应的部分上升伸入所述压电层。

5.根据权利要求3所述的体声波谐振器，其特征在于，所述压电层与所述第二凹槽对应的部分伸入所述顶电极以使所述压电层部分上升，所述顶电极与所述第二凹槽对应的部分上升凸出于所述顶电极。

6.根据权利要求2所述的体声波谐振器，其特征在于，所述第一凹槽、所述第二凹槽以及所述第三凹槽的底壁为平面、所述第一凹槽、所述第二凹槽以及所述第三凹槽的侧壁均为斜面。

7.根据权利要求1所述的体声波谐振器，其特征在于，所述第二凹槽的深度与所述第一凹槽深度之比在1:4-1:2之间。

8.根据权利要求1所述的体声波谐振器，其特征在于，所述有效谐振区域的形状为多边形、圆形或者多个曲边组合形成的图形中的一种。

9.根据权利要求1所述的体声波谐振器，其特征在于，所述压电层的材料是氮化铝、氧化锌、铌酸锂、锆钛酸铅、碳酸锂、铌酸钡钠中的一种。

10.一种滤波器，其特征在于，包括权利要求1-9任一项所述的体声波谐振器。