WO2022183494A1 - 石英晶体谐振器及其形成方法、电子设备 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种石英晶体谐振器以及具有其的电子设备,既能够满足高谐振频率要求,又能满足抗外部应力、抗机械冲击稳定性和可靠性的要求。该石英晶体谐振器包括垂直方向叠置的基底和主体功能结构,所述主体功能结构包括石英压电层、第一电极、第二电极和机械增强结构,所述基底与所述主体功能结构之间通过键合连接,其中,所述机械增强结构与所述石英压电层二者接触的接触区域的俯视投影,以及所述基底与所述主体功能结构二者键合的键合区域的俯视投影,二者具有重叠。本发明还公开了该石英晶体谐振器的形成方法。
Description
本发明涉及谐振器技术领域,具体涉及一种石英晶体谐振器及其形成方法,以及一种电子设备。
石英薄膜体声波谐振器(Quartz Crystal Resonator)是一类利用石英晶体压电效应工作的电子元器件,是振荡器、滤波器等电子器件中的关键元件,在稳频、选频和精密计时方面具有突出优势和广泛应用。当前发展趋势要求石英谐振器拥有更高的谐振频率(例如大于40MHz)以及更好的抗机械冲击稳定性和可靠性。一方面,利用传统方式仅靠刻蚀石英基底难以形成较薄的石英谐振区域已到达较高的目标谐振频率,利用MEMS工艺制作石英薄膜则更有利于制作高频石英谐振器。另一方面,当石英薄膜较薄时,外部应力(例如来自基底的应力)更容易传递到石英薄膜谐振区域从而影响谐振器的频率稳定性;同时,当石英薄膜较薄时,谐振器更容易受到机械冲击和环境振动的影响,其可靠性和低频石英谐振器相比进一步恶化。
亟需寻找一种结构设计和制作方法,一方面能够满足石英谐振器高谐振频率的要求,另一方面能够满足抗外部应力、抗机械冲击稳定性和可靠性的要求。
发明内容
有鉴于此,本发明提出一种既能够满足石英谐振器高谐振频率要求,又能满足抗外部应力、抗机械冲击稳定性和可靠性的要求的石英晶体谐振器及其制造方法,以及包括该石英晶体谐振器的电子设备。
本发明第一方面提供一种石英晶体谐振器,包括垂直方向叠置的基底 和主体功能结构,所述主体功能结构包括石英压电层、第一电极、第二电极和机械增强结构,所述基底与所述主体功能结构之间通过键合连接,其中,所述机械增强结构与所述石英压电层二者接触的接触区域的俯视投影,以及所述基底与所述主体功能结构二者键合的键合区域的俯视投影,二者具有重叠。
可选地,所述机械增强结构包括支撑层和上部基底层。
可选地,所述机械增强结构为盖状增强结构。
可选地,所述基底在和主体功能结构接近的位置设有空腔。
可选地,还包括封装结构。
可选地,所述机械增强结构位于所述石英压电层之上,所述基底与所述石英压电层键合。
可选地,所述机械增强结构位于所述石英压电层之下,所述基底与所述机械增强结构键合。
可选地,还包括经过所述基底或者所述封装结构引出的电极引出结构。
本发明第二方面提供一种石英晶体谐振器的形成方法,包括:提供石英压电层;在所述石英压电层之上形成第一电极;在所述第一电极之上形成牺牲层;在所述牺牲层之上沉积支撑层并磨平所述支撑层;翻转当前半导体结构然后键合到上部基底层上;减薄所述石英压电层;在所述石英压电层之上形成第二电极;去除所述牺牲层;将当前半导体结构翻转后键合到基底之上,其中所述石英压电层与所述基底互相接触;在所述基底之上形成封装结构,其中,所述石英压电层与所述基底的键合区域的俯视投影,以及所述支撑层与所述石英压电层接触区域的俯视投影,二者具有重叠。
本发明第三方面提供一种石英晶体谐振器的形成方法,包括:提供石英压电层;在所述石英压电层之上形成第一电极;在所述第一电极之上形成牺牲层;在所述牺牲层之上沉积支撑层并磨平所述支撑层;翻转当前半导体结构然后键合到上部基底层上;减薄所述石英压电层;在所述石英压电层之上形成第二电极;去除所述牺牲层;将当前半导体结构直接键合到基底之上,其中所述上部基底层与所述基底互相接触;在所述基底之上形成封装结构,其中,所述上部基底层与所述基底的键合区域的俯视投影,以及所述支撑层与所述石英压电层接触区域的俯视投影,二者具有重叠。
本发明第四方面提供一种石英晶体谐振器的形成方法,包括:提供石英压电层;在所述石英压电层之上形成第一电极;翻转当前半导体结构然后键合到盖状增强结构上;减薄所述石英压电层;在所述石英压电层之上形成第二电极;将当前半导体结构翻转后键合到基底之上,其中所述石英压电层与所述基底互相接触;在所述基底之上形成封装结构,其中,所述石英压电层与所述基底的键合区域的俯视投影,以及所述盖状增强结构与所述石英压电层键合区域的俯视投影,二者具有重叠。
本发明第五方面提供一种石英晶体谐振器的形成方法,包括:提供石英压电层;在所述石英压电层之上形成第一电极;翻转当前半导体结构然后键合到盖状增强结构上;减薄所述石英压电层;在所述石英压电层之上形成第二电极;将当前半导体结构直接键合到基底之上,其中所述盖状增强结构与所述基底互相接触;在所述基底之上形成封装结构,其中,所述盖状增强结构与所述基底的键合区域的俯视投影,以及所述盖状增强结构与所述石英压电层键合区域的俯视投影,二者具有重叠。
本发明第六方面提供一种电子设备,包括本发明的任一项石英晶体谐振器。
根据本发明的技术方案,本发明实施例公开了利用MEMS工艺制造的石英晶体谐振器,通过磨片、化学机械抛光、干法刻蚀等MEMS工艺 整体减薄石英晶圆,使石英谐振区域已到目标厚度(也即目标频率),同时在非谐振区域(尤其是和基底的连接键合位置)配置机械稳定性更强的结构,器件对外部应力、机械冲击和环境振动不敏感,有更高的可靠性和频率稳定性,可以实现大批量、低成本的制作,且制作的器件精度高、一致性好。
为了说明而非限制的目的,现在将根据本发明的优选实施例、特别是参考附图来描述本发明,其中:
图1a至图1n为本发明第一实施例的石英晶体谐振器的形成方法示意图;
图2a至图2e为本发明第一实施例的石英晶体谐振器的电极引出制造过程的示意图;
图3a至图3b为本发明第二实施例的石英晶体谐振器的形成方法示意图;
图4a至图4d为本发明第二实施例的石英晶体谐振器的电极引出制造过程的示意图;
图5a至图5j为本发明第三实施例的石英晶体谐振器的形成方法示意图;
图6a至图6c为本发明第三实施例的石英晶体谐振器的电极引出制造过程的示意图;
图7a至图7b为本发明第四实施例的石英晶体谐振器的形成方法示意图。
本发明实施方式的石英晶体谐振器包括垂直方向叠置的基底和主体功能结构,主体功能结构包括石英压电层、第一电极、第二电极和机械增强结构,基底与主体功能结构之间通过键合连接,其中,机械增强结构与石英压电层二者接触的接触区域的俯视投影,以及基底与主体功能结构二者键合的键合区域的俯视投影,二者具有重叠。
由于本发明实施方式的石英晶体谐振器采用了“两个俯视投影具有重叠”的特殊设计,意味着石英晶体谐振器受到的外部应力或者机械冲击能够顺利地传导到机械增强结构上,所以机械增强结构能够有效分流掉大部分外部应力或者机械冲击,从而保护了石英压电层的稳定性,进而提高了器件可靠性。另外,基底在和主体功能结构接近的位置设有空腔,当外部冲击或者应力发生时,可以提供主体功能的位移空间,防止主体功能结构与其他结构发生机械冲击而受损。
图中标注各部分细节说明如下。
101:上部基底层。用于承载并封闭声学器件,材料通常可选单晶硅、石英、砷化镓或蓝宝石等等。
102:盖状增强结构,材料通常可选硅、玻璃或者石英。
103:声学镜,声学镜为嵌入器件中的空腔所构成,但是任何其它的声学镜结构如布拉格反射器也同样适用。
104:牺牲层,其材料可以为二氧化硅、掺杂二氧化硅、多晶硅、非晶硅等。
105:支撑层,其材料与牺牲层材料不同。
107:第一电极,第一电极的材料可为:金(Au)、银(Ag)、钨(W)、钼(Mo)、铂(Pt),钌(Ru)、铱(Ir)、钛钨(TiW)、铝(Al)、钛(Ti)、锇(Os)、镁(Mg)、锗(Ge)、铜(Cu)、铬(Cr)、砷掺杂金等类似金属形成。
109:石英压电层。
111:第二电极,第二电极的材料可以同第一电极107。材料可选钼、钌、金、铝、镁、钨、铜,钛、铱、锇、铬或以上金属的复合或其合金等。第二电极和第一电极的材料一般相同,但也可以不同。
113:第一电极引出层,其材料一般为高电导率金属,可选钼、钌、金、铝、镁、钨、铜,钛、铱、锇、铬或以上金属的复合或其合金等。
115/121:黏附层,用于紧密粘附。材料可以为高电导率金属,可选钼、钌、金、铝、镁、钨、铜,钛、铱、锇、铬或以上金属的复合或其合金等。也可选择粘附性强的非金属材料。
117:基底,材料通常为硅。
118:第一通孔。
123:封装结构,材料通常为硅。
125:第二通孔及第二电极引出层。
图1a至图1n为本发明第一实施例的石英晶体谐振器的形成方法示意图。
如图1a所示,提供石英压电层109;
如图1b所示,在石英压电层109之上形成第一电极107;
如图1c所示,在第一电极107之上形成牺牲层104;
如图1d所示,在牺牲层104之上沉积支撑层105;
如图1e所示,磨平支撑层105;
如图1f所示,翻转当前半导体结构然后键合到上部基底层101上;
如图1g所示,减薄石英压电层109;
如图1h所示,在石英压电层109之上形成第二电极111;
如图1i所示,沉积黏附层115并刻蚀;
如图1j所示,去除牺牲层104,形成声学镜103;
如图1k所示,准备基底117;
如图1l所示,将图1j所示的半导体结构翻转后键合到基底117之上,其中石英压电层109与基底117互相接触;
如图1m所示,准备封装结构123;
如图1n所示,将封装结构123键合到基底117上,以实现在基底117之上形成封装结构123。
由图可知,本发明第一实施例的石英晶体谐振器中,石英压电层109与基底117的键合区域的俯视投影,以及支撑层105与石英压电层109接触区域的俯视投影,二者具有重叠。
本发明第一实施例的石英晶体谐振器中,还可以包括经过基底或者封装结构引出的电极引出结构。
图2a至图2e为本发明第一实施例的石英晶体谐振器的电极引出制造 过程的示意图,该实施例中的电极引出结构经过基底引出。
图2a所示的半导体结构与图1h所示的半导体结构类似;
如图2b所示,在图2a所示的半导体结构的基础上,去除牺牲层104以得到声学镜103,制作第一电极引出层113;
如图2c所示,翻转图2b所示的半导体结构然后键合到基底117之上;
如图2d所示,在基底117之上形成封装结构123;
如图2e所示,在基底117中制作第二通孔及第二电极引出层125。
图3a至图3b为本发明第二实施例的石英晶体谐振器的形成方法示意图。
首先制得如图1j所示的半导体结构。然后并不翻转图1j所示的半导体结构,而是直接键合到如图1k所示的基底117之上,得到如图3a所示的半导体结构;然后进行封装,得到如图3b所示的谐振器。
由图可知,本发明第二实施例的石英晶体谐振器中,上部基底层101与基底117的键合区域的俯视投影,以及支撑层104与石英压电层109接触区域的俯视投影,二者具有重叠。
图4a至图4d为本发明第二实施例的石英晶体谐振器的电极引出制造过程的示意图,该实施例中的电极引出结构经过基底引出。
图4a所示的半导体结构与图3a所示的半导体结构类似;
如图4b所示,在图4a所示的半导体结构的基础上,制作第一电极引出层113和第一通孔118;
如图4c所示,在基底117之上形成封装结构123;
如图4d所示,在基底117中制作第二通孔及第二电极引出层125。
图5a至图5j为本发明第三实施例的石英晶体谐振器的形成方法示意图。
如图5a所示,提供石英压电层109;
如图5b所示,在石英压电层109之上形成第一电极107;
如图5c所示,在石英压电层109之上形成黏附层115;
如图5d所示,翻转当前半导体结构然后键合到盖状增强结构102上;
如图5e所示,减薄石英压电层109;
如图5f所示,在石英压电层109之上形成第二电极111;
如图5g所示,在石英压电层109之上形成黏附层;
如图5h所示,提供带有黏附层的基底117;
如图5i所示,将图5g所示的半导体结构翻转后键合到基底117之上,其中石英压电层109与基底117互相接触;
如图5j所示,在基底117之上形成封装结构123。
由图可知,本发明第三实施例的石英晶体谐振器中,石英压电层109与基底117的键合区域的俯视投影,以及盖状增强结构102与石英压电层109键合区域的俯视投影,二者具有重叠。
图6a至图6c为本发明第三实施例的石英晶体谐振器的电极引出制造过程的示意图。
图6a所示的半导体结构与图5i所示的半导体结构类似;
如图6b所示,在图6a所示的半导体结构的基础上,增加第一电极引出层113,增加封装结构123;
如图6c所示,在基底117中制作第二通孔及第二电极引出层125。
图7a至图7b为本发明第四实施例的石英晶体谐振器的形成方法示意图。
首先制得如图5g所示的半导体结构。
如图7a所示,将如图5g所示的半导体结构不翻转、直接键合到基底117之上,其中盖状增强结构102与基底117互相接触;
如图7b所示,在基底117之上形成封装结构123。
由图可知,本发明第四实施例的石英晶体谐振器中,盖状增强结构102与基底117的键合区域的俯视投影,以及盖状增强结构102与石英压电层109键合区域的俯视投影,二者具有重叠。
本发明实施方式的电子设备包括本发明的任一种石英晶体谐振器。
根据本发明实施方式的技术方案,通过磨片、化学机械抛光、干法刻蚀等MEMS工艺整体减薄石英晶圆,使石英谐振区域已到目标厚度(也即目标频率),同时在非谐振区域(尤其是和基底的连接键合位置)配置机械稳定性更强的结构,器件对外部应力、机械冲击和环境振动不敏感,有更高的可靠性和频率稳定性,可以实现大批量、低成本的制作,且制作的器件精度高、一致性好。
上述具体实施方式,并不构成对本发明保护范围的限制。本领域技术人员应该明白的是,取决于设计要求和其他因素,可以发生各种各样的修改、组合、子组合和替代。任何在本发明的精神和原则之内所作的修改、等同替换和改进等,均应包含在本发明保护范围之内。
Claims (13)
- 一种石英晶体谐振器,其特征在于,包括垂直方向叠置的基底和主体功能结构,所述主体功能结构包括石英压电层、第一电极、第二电极和机械增强结构,所述基底与所述主体功能结构之间通过键合连接,其中,所述机械增强结构与所述石英压电层二者接触的接触区域的俯视投影,以及所述基底与所述主体功能结构二者键合的键合区域的俯视投影,二者具有重叠。
- 根据权利要求1所述的石英晶体谐振器,其特征在于,所述机械增强结构包括支撑层和上部基底层。
- 根据权利要求1所述的石英晶体谐振器,其特征在于,所述机械增强结构为盖状增强结构。
- 根据权利要求1所述的石英晶体谐振器,其特征在于,所述基底在和主体功能结构接近的位置设有空腔。
- 根据权利要求1所述的石英晶体谐振器,其特征在于,还包括封装结构。
- 根据权利要求1至5中任一项所述的石英晶体谐振器,其特征在于,所述机械增强结构位于所述石英压电层之上,所述基底与所述石英压电层键合。
- 根据权利要求1至5中任一项所述的石英晶体谐振器,其特征在于,所述机械增强结构位于所述石英压电层之下,所述基底与所述机械增强结构键合。
- 根据权利要求1至5中任一项所述的石英晶体谐振器,其特征在 于,还包括经过所述基底或者所述封装结构引出的电极引出结构。
- 一种石英晶体谐振器的形成方法,其特征在于,包括:提供石英压电层;在所述石英压电层之上形成第一电极;在所述第一电极之上形成牺牲层;在所述牺牲层之上沉积支撑层并磨平所述支撑层;翻转当前半导体结构然后键合到上部基底层上;减薄所述石英压电层;在所述石英压电层之上形成第二电极;去除所述牺牲层;将当前半导体结构翻转后键合到基底之上,其中所述石英压电层与所述基底互相接触;在所述基底之上形成封装结构,其中,所述石英压电层与所述基底的键合区域的俯视投影,以及所述支撑层与所述石英压电层接触区域的俯视投影,二者具有重叠。
- 一种石英晶体谐振器的形成方法,其特征在于,包括:提供石英压电层;在所述石英压电层之上形成第一电极;在所述第一电极之上形成牺牲层;在所述牺牲层之上沉积支撑层并磨平所述支撑层;翻转当前半导体结构然后键合到上部基底层上;减薄所述石英压电层;在所述石英压电层之上形成第二电极;去除所述牺牲层;将当前半导体结构直接键合到基底之上,其中所述上部基底层与所述基底互相接触;在所述基底之上形成封装结构,其中,所述上部基底层与所述基底的键合区域的俯视投影,以及所述 支撑层与所述石英压电层接触区域的俯视投影,二者具有重叠。
- 一种石英晶体谐振器的形成方法,其特征在于,包括:提供石英压电层;在所述石英压电层之上形成第一电极;翻转当前半导体结构然后键合到盖状增强结构上;减薄所述石英压电层;在所述石英压电层之上形成第二电极;将当前半导体结构翻转后键合到基底之上,其中所述石英压电层与所述基底互相接触;在所述基底之上形成封装结构,其中,所述石英压电层与所述基底的键合区域的俯视投影,以及所述盖状增强结构与所述石英压电层键合区域的俯视投影,二者具有重叠。
- 一种石英晶体谐振器的形成方法,其特征在于,包括:提供石英压电层;在所述石英压电层之上形成第一电极;翻转当前半导体结构然后键合到盖状增强结构上;减薄所述石英压电层;在所述石英压电层之上形成第二电极;将当前半导体结构直接键合到基底之上,其中所述盖状增强结构与所述基底互相接触;在所述基底之上形成封装结构,其中,所述盖状增强结构与所述基底的键合区域的俯视投影,以及所述盖状增强结构与所述石英压电层键合区域的俯视投影,二者具有重叠。
- 一种电子设备,其特征在于,包括权利要求1至7中任一项所述的石英晶体谐振器。
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