体波谐振器及其加工方法

专利名称：体波谐振器及其加工方法
技术领域：
本发明涉及一种体波谐振器。特别是涉及一种能够提高谐振器的品质因数(Q)、有 效机电耦合系数和抗静电放电(ESD)能力的体波谐振器及其加工方法。
背景技术：
利用压电薄膜在厚度方向的纵向谐振所制成的薄膜体波谐振器，在手机通讯和高 速串行数据应用等方面已成为声表面波器件和石英晶体谐振器的一个可行的替代。射频前 端体波滤波器/双工器提供优越的滤波特性，例如低插入损耗，陡峭的过渡带，较大的功率 容量，较强的抗静电放电(ESD)能力。具有超低频率温度漂移的高频薄膜体波振荡器，其相 位噪声低，功耗低且带宽调制范围大。除此之外，这些微型薄膜谐振器在硅衬底上使用CMOS 兼容的加工工艺，这样可以降低单位成本，并有利于最终与CMOS电路集成。体波谐振器包括一个声学镜和两个电极，以及位于这两电极之间的被称作压电激 励的压电材料层。也称下部电极和上部电极为激励电极，其作用是引起谐振器各层的机械 振荡。声学镜在体波谐振器和基底之间形成声学隔离。图9是传统的体波谐振器的俯视图。声学镜82是由基底上一系列高声阻抗层与 低声阻抗层相间排列而组成的，它的作用是将基底的声阻抗近似转化为空气的声阻抗。大 部分的第一电极84要位于声学镜82边界的内侧。在连接的边缘88处，部分顶电极86要 跨越底电极84。可以用有效机电耦合系数(Kfeff )和品质因数(Q)这两个参量来表征薄膜体波谐 振器的性能。有效的值越大，射频滤波器的频带就越宽，或者压控谐振器的可调范围就 越大。对于谐振器来说很重要的一点就是它所采用的压电层本身就要具有较高的值， 并且其极化轴的方向要与膜的厚度方向一致，这样可以使有效值达到最大。品质因数Q 既影响射频滤波器的插入损耗，也影响压控振荡器振动模式的单一性。尽管振荡与多种能耗机制有关，如声学阻尼(材 料损耗)、由谐振器边界条件决定的侧面逃逸的波等等，但压电薄膜良好的柱状晶体结构以 及C-轴的取向，是影响体波器件性能的首要条件。沉积于电极之上的压电薄膜的晶体结构 很大程度上取决于其下面电极的粗糙度和晶体结构。表面光滑且纹理锐利的底层电极是最 理想的。沉积压电层时，它会跟随着底层电极的结构纹理，并且在底层电极形貌较尖锐处容 易发生断裂，例如在近乎垂直边缘的电极上会产生陡峭的边缘。压电层的断裂会大大降低 谐振器的抗静电放电(ESD)能力。图10是Ruby等人在专利U. S. Pat. No. 6，384，697中公开的传统的体波谐振器的 俯视图。这种体波谐振器提供了一种支持基底声学谐振的方法。其中声学谐振部分由夹在 底电极94和顶电极96间的压电层构成。实际上为了和焊盘或其它电路相连，顶电极96至 少要有一边需要延伸到声学镜边界的外侧。底电极94跨越整个谐振腔92，其作用相当于声 学镜。这种方法避免了处于自由悬空状态的压电薄膜层的断裂，并提高了谐振器的机械稳定性。但是，沉积在下方的底电极94边缘处的压电层，若产生空隙或断裂，会导致整个谐振 器的抗静电放电(ESD)能力变差。当夹在压电层两端的电极与基底相连时，会降低&2<的 有效值。为了防止压电层产生断裂和空隙，可以将底电极的末端面做成斜面的。图11是底 电极末端是斜面的传统体波谐振器的剖视图。体波谐振器包括位于基底1110表面上或嵌 于基底1110内部的声学镜1120，压电层1150以及压电层两端的两个电极1140和1160。底 电极1140的斜端面1142既可以在声学镜1120的内部也可以在声学镜1120的外部(或是 部分在声学镜1120的外部)。底电极1140的斜端面1142 —股采用的加工方法是等离子 干法刻蚀或湿化学腐蚀。与不被腐蚀的区域相比，被腐蚀的电极，其晶体结构变的较差，并 且被腐蚀后的斜端面1142的表面变得更粗糙。如果沉积压电层的斜端面1142的表面较粗 糙，那么谐振器的Q值和有效值会明显的变差。此外，在Ginsburg等人的专利U. S. Pat. No. 6，924，717中表示，在制作具有斜端面 的底电极时需要对坡角有很好的控制，并且其加工的复杂性和制作成本都会有所提高(例 如，干法刻蚀的时间特别长)。熟悉薄膜体波谐振器的人们知道横向模式的声能会从谐振器的侧面逸出，并进入 到基底中。为了避免产生这些横向模式的声能，需要优化谐振器边缘的声学边界条件。特 别是从横跨底电极和顶电极的连接边缘(分别在图9和图11中所示的区域88和1166)处 逸出的声能被认为是能量损失的主要来源之一。尽量地减小横向模式与连接边缘88的相
互作用非常重要。因此，上述的诸多缺陷和不足需要得到很好的解决。

发明内容
本发明所要解决的技术问题是，提供一种结构简单，加工方便的体波谐振器及其 加工方法。本发明所采用的技术方案是一种声波谐振器，包括如下结构(a)基底；(b)位于基底上或嵌于基底内部的声学镜，所述的声学镜包含第一边缘和第二边 缘；(c)位于基底上的介电层，所述的介电层与声学镜的两个边缘充分接触；(d)位于声学镜上的第一电极，所述的第一电极包含第一末端部、第二末端部、以 及位于第一末端部和第二末端部之间的主体部分，第一电极至少有一个末端要延伸到介电 层之上；(e)位于第一电极上的压电层，所述的压电层包括有主体部、第一末端部、以及第 二末端部，并且所述的两个末端部分别向相反方向延伸到介电层之上；(f)位于压电层上的第二电极，所述的第二电极包括有主体部和第二部分，所述的 主体部位于压电层的主体部之上，并与第二部分相连，从而使这两部分的连接处位于声学 镜的第一边缘和第二边缘之间，并且在第二电极的第二部分与压电层的第一末端部之间形 成空气间隙。所述的空气间隙内填充介质材料。
所述的介质材料包括二氧化硅、氮化硅、碳化硅、多孔硅、氟化非晶碳、氟聚合物、 聚对二甲苯、聚芳醚、氢倍半硅氧烷、交联聚苯聚合物、双苯环丁烯、氟化二氧化硅、碳掺杂 氧化物和金刚石中的一种或多种或是它们的组合。所述的第二部分包含一个凸桥。所述的第一电极的第一末端部与第二末端部是斜面状或阶梯状或垂直状。所述的第一电极的第一末端部超过声学镜的第一边缘并位于介电层之上。所述的声学镜的第一边缘与第二电极的主体部和凸桥部的交界处之间存在一段距离。所述的第一电极的第一末端部位于声学镜的第一边缘和第二边缘之间。所述的第一电极的主体部和第一末端部的连接处，与第二电极的主体部和凸桥部 的连接处之间存在一段距离。本发明所采用的另一种技术方案是一种声波谐振器，包括如下结构(a)具有上表面的基底；(b)位于基底上表面或嵌于基底内部的声学镜，所述的声学镜包含第一边缘和第 二边缘；(c)位于基底上的第一介电层，所述的第一介电层与声学镜的第一边缘和第二缘 充分接触；(d)位于基底和声学镜上的第一电极，所述的第一电极包含第一末端部和第二末 端部，并且至少有一个末端部在声学镜第一边缘与第二边缘之一的外部，且位于第一介电 层之上；(e)位于声学镜和第一介电层之上的第二介电层，所述的第二介电层与第一电极 的第一末端部和第二末端部充分接触；(f)位于第一电极和第二介电层上的压电层，所述的压电层位于第一电极第一末 端部与第一电极被第二介电层间隔开；(g)位于压电层上的第二电极，所述的第二电极有一部分位于声学镜的上方。所述的第二介电层为介质材料，所述的介质材料包括有二氧化硅、氮化硅、碳化 硅、多孔硅、氟化非晶碳、氟聚合物、聚对二甲苯、聚芳醚、氢倍半硅氧烷、交联聚苯聚合物、 双苯环丁烯、氟化二氧化硅、碳掺杂氧化物和金刚石中的一种或多种或是它们的组合。本发明所采用的另一种技术方案是一种声波谐振器，包括如下结构(a)具有上表面的基底；(b)位于基底上或嵌于基底内部的声学镜，所述的声学镜包含第一边缘和第二边 缘；(c)位于基底上的介电层，所述的介电层与声学镜的第一边缘和第二边缘充分接 触；(d)位于基底和声学镜之上的第一电极，所述的第一电极包含第一末端部和第二 末端部，第一末端部越过声学镜第一边缘与第二边缘的其中之一，并位于介电层之上，第二 末端部位于声学镜第一边缘和第二边缘之间；(e)位于第一电极之上的压电层，所述的压电层越过第一电极的第二末端部并位 于介电层之上，从而在介电层与压电层之间形成空气间隙；
(f)沉积在压电层之上的第二电极，所述的第二电极有一部分位于声学镜之上，并 延伸到第一电极的第二末端部之上。所述的空气间隙采用介电常数为一恒定值的介质材料来填充。所述的介质材料包括二氧化硅、氮化硅、碳化硅、多孔硅、氟化非晶碳、氟聚合物、 聚对二甲苯、聚芳醚、氢倍半硅氧烷、交联聚苯聚合物、双苯环丁烯、氟化二氧化硅、碳掺杂 氧化物和金刚石中的一种或多种或是它们的组合。本发明所采用的另一种技术方案是一种声波谐振器，包括如下结构(a)具有上表面的基底；(b)位于基底上或嵌于基底内部的声学镜，所述的声学镜包含第一边缘和第二边 缘；(c)位于声学镜上的第一电极，其包含一个末端部分；(d)位于第一电极上的压电层；(e)位于压电层上的第二电极，并且至少由第一电极和第二电极的其中之一与压 电层，在第一电极的末端部分上形成空气间隙。还包括有形成在基底上的介电层，所述的介电层与声学镜的第一边缘和第二边缘 充分接触。所述的空气间隙内填充有介质材料。所述的介质材料包括二氧化硅、氮化硅、碳化硅、多孔硅、氟化非晶碳、氟聚合物、 聚对二甲苯、聚芳醚、氢倍半硅氧烷、交联聚苯聚合物、双苯环丁烯、氟化二氧化硅、碳掺杂 氧化物和金刚石中的一种或多种或是它们的组合。本发明所采用的另一种技术方案是一种声波谐振器，包括如下结构(a)设置在基底上或嵌于基底内部的声学镜，所述的声学镜包含第一边缘和第二 边缘；(b)设置在声学镜上部的二个以上的多层压电结构，两个相邻的多层压电结构由 解耦层隔开，每个多层压电结构包括具有末端部的第一电极、第二电极以及设置在该两电 极之间的压电层，在第一电极的末端部之上，至少由第一电极和第二电极其中之一与压电 层形成空气间隙。所述的解耦层为单层或多层。所述的空气间隙内填充有介质材料。本发明的声波谐振器的加工方法，包括有如下步骤(a)在基底上或基底内部形成声学镜，声学镜包含第一边缘和第二边缘；(b)在基底上形成介电层，使介电层与声学镜的第一和第二边缘充分接触；(c)在声学镜上形成带有末端部分的第一电极，并且其末端部分越过声学镜并位 于介电层之上；(d)在第一电极和介电层之上形成压电层；(e)压电层上形成第二电极，第二电极越过第一电极的末端部分，在第一电极的末 端部分之上的区域内，第二电极与压电层相互分开。在形成声学镜的步骤中包括在基底上或基底内部形成起声学镜作用的空腔。所述的形成空腔包括在基底上形成具有声学镜形状的牺牲层。
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所述的形成空腔还包括从基底中去除牺牲层从而形成声学镜。所述的形成第二电极包括如下过程(i)在压电层上沉积牺牲层，这样至少可以使牺牲层覆盖第一电极的末端部分；(ii)在压电层上沉积第二电极并使第二电极覆盖牺牲层；(iii)在第一电极末端部分之上的区域内去除掉牺牲层，从而在第二电极与压电 层之间就形成了空气间隙。所述的形成第二电极包括如下过程(i)在压电层上沉积第二介电层，从而使第二介电层至少覆盖第一电极的末端部 分；(ii)在压电层和第二介电层上沉积第二电极。本发明的另一种声波谐振器的加工方法，包括有如下步骤(a)在基底上或基底内部形成声学镜，声学镜包含第一边缘和第二边缘；(b)在基底上形成介电层并使介电层与声学镜的第一和第二边缘充分接触；(c)在声学镜上形成第一电极，第一电极包含第一末端部分和第二末端部分，其中 第一末端部分超过声学镜的边缘并位于介电层之上，第二末端部分超过声学镜的第二边缘 或是位于声学镜的第一和第二边缘之间；(d)在第一电极上形成压电层，并使压电层至少超越第一电极的第一末端部分从 而横跨在第一电极层之上，在压电层横跨在第一电极层之上的区域内，压电层与第一电极 被间隔开；(e)在压电层上形成第二电极，第二电极的一部位于声学镜的上方，并横跨第一电 极中第一和第二末端部分中的至少一个，以及压电层与第一电极的间隔区域。所述的形成压电层包括如下步骤(i)在第一电极末端部分及其周围的介电层区域上沉积介电层，从而形成平整的 表面；(ii)在平整表面上生长压电层。在压电层和第一电极层之间的区域是空气间隙。本发明的体波谐振器及其加工方法，结构简单，加工方便。本发明中的各种形式的 体波谐振器，在第一电极的斜端面上都存在空气间隙或介电层薄膜，他们位于至少由第一 电极和第二电极的其中之一与压电层所构成的区域中，使得由生长特性较差的压电层形成 的谐振激励部分将会最小程度地贡献到整个谐振器的电学响应中。因此，用普通的低成本 各向同性的湿法刻蚀加工方法来加工第一电极，并不需要为了避免第一电极的突变非连续 性而做特殊的考虑。位于第一电极或第二电极与压电层之间的空气间隙或介电层薄膜，会 使在压电层阶梯区域内的压降降为最低，从而提高谐振器的和抗静电放电(ESD)能 力。


图IA是本发明中的一种形式的体波谐振器的剖视图；图IB是本发明中的另一种形式的体波谐振器的剖视图；图2A是本发明中的又一种形式的体波谐振器的剖视图2B是本发明中的又一种形式的体波谐振器的剖视图；图3是本发明中的一种形式的体波谐振器的剖视图；图4是本发明中的一种形式的体波谐振器的剖视图；图5A-5H是图1中所示的体波谐振器的加工过程的剖视图；图6A-6H是图3中所示的体波谐振器的加工过程的剖视图；图7A-7H是图4所示的体波谐振器的加工过程的剖视图；图8是本发明中的叠层体波谐振器的剖视图；图9是传统体波谐振器的俯视图；图10是另一种传统的体波谐振器的俯视图；图11是一种传统的体波谐振器的剖视图。
具体实施例方式下面结合实施例和附图对本发明的体波谐振器及其加工方法做出详细说明。本发明的体波谐振器及其加工方法，一方面涉及到具有改善的Q值的体波 谐振器，这种谐振器提高了&2<和Q值，从而提高了谐振器的性能并改进了其加工方法。具 有提高的&2<和Q值的体波谐振器，在底电极的斜端面或阶梯边缘处，由具有扭曲的柱状 结构的较差压电薄膜形成的谐振激励部分，会最小程度地贡献到整个谐振器的电学响应 中，并且扩散到连接处的横向声能也将最小。本发明的一种形式是在斜端面区域内，在两 电极之一与压电层之间形成空气间隙或在其中填塞介电层，加入的串联低电容电容器极大 地降低了在生长特性较差的压电层区域内的电场强度，这样一方面减少了谐振器在此区域 的机电耦合，另一方面，使横向模式与谐振器边缘的相互作用达到最小，从而使从连接边 缘逸出而进入到基底中的声能变得最少。介电层可以是如二氧化硅(silicon oxide)、氮 化硅(silicon nitride)、碳化硅(silicon nitride)等合适的介质材料。在一种具体实 现形式中，介电层为“低介电常数的介质材料”，例如多孔硅(porous silica)、氟化非晶碳 (f luorinated amorphous carbon)、氟聚合物(fluoro-polymer)、聚对二甲苯(parylene)、 聚芳醚(polyarylene ether)、氢倍半硅氧烷(HSQ)、交联聚苯聚合物(SiLK)、双苯环丁 烯(BCB)、氟化二氧化硅(fluorinated silicon dioxide)、碳掺杂氧化物(carbon doped oxide)或者类金刚石(diamond like carbon)。本发明中，“低介电常数的介质材料”指的 是介电常数小于二氧化硅介电常数的介质材料。在另一种具体实现形式中，对底电极采用 的是普通的低成本各向同性湿法刻蚀的加工方法，并且不需要为了避免底电极的突变非连 续性而做特殊的考虑。位于顶电极与压电层之间的空气间隙或是填充于其中的低介电常数 的电介质会使压电层在断裂区域的压降达到最低，从而把对9，夂^#和抗静电放电(ESD)能 力的负面影响降到最低。还有一种形式是，在声学镜的内部把介电层的末端与电极末端对 齐放置，最好是用化学机械抛光(CMP)的方法来制作特别平坦光滑的表面，这样有利于后 续的高质量的压电薄膜的生长。图IA所示的是本发明中第一实施例的一种形式的体波谐振器100A。体波谐振器 100A包括基底110和声学镜120，此声学镜120位于基底110的上表面或嵌于基底110的 内部。尽管图IA中的声学镜120是由基底110和位于基底110上表面之上的介电层130形成的空腔所构成的，但是任何其它的声学镜结构例如布拉格反射器也同样适用。体波谐振器100A还包括第一电极140，压电层150和第二电极160。第一电极140 沉积在介电层130的上表面，并覆盖声学镜120。所述的第一电极140包含第一末端部、第 二末端部、以及位于第一末端部和第二末端部之间的主体部分，第一电极至少有一个末端 部分要延伸到介电层之上。可以将第一电极140的第一末端部142刻蚀成斜面，并且该斜 端面位于声学镜120的边界122的外面。此外，电极140的第一末端部与第二末端部还可 做成斜面状或阶梯状或垂直状，或是其它相似形状的。所述的压电层150包含主体部、第一 末端部152、以及第二末端部，并且所述的两个末端部分别向相反方向延伸到介电层130之 上；压电层150的材料包括氮化铝(A1N)、氧化锌(ZnO)、锆钛酸铅(PZT)、石英 (quartz)、铌酸锂(LiNbO3)、铌酸钾(KNbO3)和钽酸锂(LiTaO3)，但并不局限于以上这些材 料。压电层150沉积在第一电极140上，并覆盖介电层130，从而使压电层150在斜端面上 形成阶梯形边缘。第二电极160沉积在压电层150之上。第二电极160包括位于压电层 150之上的主体部162以及跨于压电层150之上的凸桥部164。第二电极160的主体部162 与凸桥部164相连的连接处168位于声学镜120边界的内侧，即在连接处168与声学镜120 相应的边界122之间存在一段距离屯。凸桥部164的一端与位于压电层150之上的第二电 极160的主体部162相连，另一端跨越第一电极140的边缘，与压电层150相连(即在凸桥 部164的边缘169与第一电极140的末端142之间存在一段距离d，从而在凸桥部164与压 电层150之间就形成了空气间隙170。在第一电极140的斜端面142上的区域166中，空气 间隙170将第二电极160与压电层150隔离开来。在这种形式的体波谐振器中，可以利用 普通的低成本各向同性的湿法刻蚀加工方法来加工第一电极140，并不需要为了避免第一 电极的突变非连续性而做特殊的考虑。第二电极与压电层间的空气间隙170可以将压电层 断裂处的压降降为最低，从而将对谐振器的和抗静电放电(ESD)能力的负面影响降 到最低。在另一种形式的体波谐振器中，介于凸桥164与压电层150之间，在区域166中 起隔离第二电极160与压电层150作用的不是空气间隙170而是填塞于其中的介电层薄 膜。加入的这层介电层薄膜极大地降低在压电层150生长特性较差的阶梯区域内的电 场强度，从而降低谐振器在此区域的机电耦合系数。介电层可以是如二氧化硅(silicon oxide)、氮化硅(silicon nitride)、碳化硅(silicon nitride)等合适的介质材料。在 谐振器的一种具体实现形式中，介电层为“低介电常数的介质材料”，例如多孔硅(porous silica)、氣化与巨晶碳(f luorinated amorphous carbon)、氣聚合物(fluoro—polymer)、聚 对二甲苯(parylene)、聚芳醚(polyarylene ether)、氢倍半硅氧烷(HSQ)、交联聚苯聚合 物(SiLK)、双苯环丁烯(BCB)、氟化二氧化硅(fluorinated silicon dioxide)、碳掺杂氧 化物(carbon doped oxide)或者类金刚石(diamond like carbon)。S. J. Martin 等人的 文章"Development of a Low-dielectric-constant Polymer for the Fabrication of Integrated Circuit Interconnect" in Adv. Mater. ,2000,12,No. 23,pp 1769-1778,Φ Ι 到商用的低介电常数聚合物，现在这种聚合物也可以通过商业途径得到。图IB是本项发明中第一实施例另一种形式的体波谐振器100Β。体波谐振器100Β 与体波谐振器100Α大部分都是相似的，只是前者在区域166中的空气间隙或介电薄膜170位于压电层150和第一电极140之间。图2A所示的是本发明中第二实施例的一种形式的体波谐振器200A。体波谐振器 200A包括基底210 ；位于基底210之上或嵌于其内部的声学镜220，声学镜220的第一边 缘为222，第二边缘为224 ；位于基底210之上的介电层230，介电层230与声学镜220的两 边缘充分接触；位于声学镜220之上的第一电极240，第一电极240包含第一末端部242、第 二末端部、以及它们之间的部分，并且第一末端部242位于声学镜220的第一边缘222与第 二边缘224之间；位于第一电极240之上的压电层250，压电层250包含主体部255、第一末 端部分252和第二末端部，第一、第二末端部从压电层250的主体部向相反方向延伸到介电 层230之上；位于压电层250之上的第二电极260，第二电极260的第一部分主体部262位 于压电层250的主体部分255之上，第二电极260的第二部分凸桥部264从主体部262延 伸出来，从而使主体部262与凸桥部264的连接处268位于声学镜220的第一边缘222与 第二边缘224之间，并且在凸桥部264与压电层250的第一末端部分252之间形成空气间 隙270。在第二电极260的凸桥部264的边缘269与第一电极240的末端部分242之间存 在一段距离(d)。与图IA所示的体波谐振器100A相似，体波谐振器200A也是层状结构。但体波谐 振器200A的第一电极240的第一末端242在声学镜220边界的内侧，并且第二电极260的 主体部262与凸桥部264的连接处268在第一电极240相应的边界的内侧。也就是说在连 接处268与第一电极240相应的边界处之间存在一段距离(d2)。凸桥部264的一端与位于 压电层上的电极部分主体部262相连，另一端跨过第一电极240与压电层250相连，从而在 凸桥部264与压电层250之间形成空气间隙270。在第一电极240的斜端面242之上的区 域266中，空气间隙270将第二电极260与压电层250隔离开来，从而使区域266内的谐振 激励最小程度地贡献到整个体波谐振器200的电学响应中。在进一步的实现形式中，介于凸桥部264与压电层250之间，在区域266中起隔离 第二电极260与压电层250作用的不是空气间隙270而是填塞于其中的介电层薄膜。加 入的这层介电层薄膜极大地降低在压电层250生长特性较差的阶梯区域内的电场强度， 从而降低谐振器在此区域的机电耦合系数。介电层薄膜可以是例如二氧化硅(silicon oxide)、氮化硅(silicon nitride)、碳化硅(silicon nitride)等合适的介质材料。在 谐振器的一种具体实现形式中，填塞的介电层薄膜270是“低介电常数的介质材料”，例 如多孑L娃(porous silica)、氣化非晶碳(fluorinated amorphous carbon)、氣聚合物 (fluoro-polymer)、聚对二甲苯(parylene)、聚芳醚(polyarylene ether)、氢倍半硅氧烷 (HSQ)、交联聚苯聚合物(SiLK)、双苯环丁烯(BCB)、氟化二氧化硅(fluorinated silicon dioxide)、碳掺杂氧化物(carbon doped oxide)或者类金刚石(diamond like carbon)。 如前所述，“低介电常数的介质材料”指的是介电常数小于二氧化硅介电常数的介质材料。图2B所示的是本发明中第二实施例的另一种形式的体波谐振器200B。体波谐振 器200B与图2A中的体波谐振器200A是相似的，只是前者在区域266中的空气间隙或压电 薄膜270位于压电层250和第一电极240之间。图3所示的是本发明中第三实施例的一种形式的体波谐振器300。体波谐振器300 包含基底310，位于基底310表面上或嵌于其内部的声学镜320.图3中的声学镜是由沉积 在基底310上的介电层330所形成的空腔。其它结构的声学镜，例如布拉格反射器，也可以应用在本发明中。第一电极340沉积在介电层330和声学镜320之上，并且第一电极340 的末端被刻蚀成斜面342。第一电极340的斜端面位于声学镜320的边界322的内侧。将第二介电层370沉积在声学镜320和介电层330上。第二介电层370的内端面 与第一电极340的斜端面对齐，从而形成平整光滑的表面，这样有利于在第一电极340与 第二介电层370的连接处上沉积有良好C-轴取向的压电薄膜。第二介电层370可采用如 二氧化娃(silicon oxide)、氮化娃(silicon nitride)、碳化娃(silicon nitride)等合 适的介质材料。最好第二介电层370采用“低介电常数的介质材料”，例如多孔硅(porous silica)、氣化与巨晶碳(f luorinated amorphous carbon)、氣聚合物(fluoro—polymer)、聚 对二甲苯(parylene)、聚芳醚(polyarylene ether)、氢倍半硅氧烷(HSQ)、交联聚苯聚合 物(SiLK)、双苯环丁烯(BCB)、氟化二氧化硅(fluorinated silicon dioxide)、碳掺杂氧化 物(carbon doped oxide)或者类金刚石(diamond like carbon)。如前所述，“低介电常 数的介质材料”指的是介电常数小于二氧化硅介电常数的介质材料。压电层350沉积在第一电极340与第二介电层370之上，这样在第一电极斜端面 342之上的区域366中，第二介电层370将压电层350与第一电极340隔离开来。第二电极 360沉积在压电层350之上，其中有一部分在声学镜320的上方。因为在第一电极340斜端面342之上的区域366中，第二介电层370将压电层350 与第一电极340隔离开来，所以区域366内的谐振激励会最小程度地贡献到整个体波谐振 器300的电学响应中。图4所示的是本发明中第四实施例的体波谐振器400。体波谐振器400包括基底 410，位于基底410表面上或嵌于其内部的声学镜420。尽管图4中的声学镜420是由沉积 在基底410上的介电层430形成的空腔420，但任何其它结构的声学镜，例如布拉格反射器 也同样适用。沉积在介电层430和声学镜420之上的第一电极440，其末端被刻蚀成斜端面 442。另外，第一电极440的斜端面442的边缘448位于声学镜420的边界422的内侧，即 在第一电极斜端面的边缘448与声学镜420的相应边界422之间存在一段距离(d3)。压电层450沉积在第一电极440之上。压电层450跨过第一电极440的斜端面 442，将一部分沉积在了介电层430之上，从而在压电层450、第一电极440的斜端面442、声 学镜420与介电层430之间形成一个空气间隙470 ( S卩，在压电层450末端部452的边缘469 与第一电极440的斜端面442的末端部之间存在一段距离d3)。第二电极460沉积在压电 层450之上，并且其中有一部分位于声学镜420的上方。因为在第一电极440的斜端面442之上的区域466中，空气间隙470将压电层450 与第一电极440隔离开来，所以区域466内的谐振激励将最小程度地贡献到整个体波谐振 器400的电学响应中。图5A-5H表示的是本发明中第一实施例的体波谐振器100A的工艺流程。除了下 面所介绍的加工方法外，可能存在对其进行的变更或者其他多种用于加工体波谐振器100A 的加工方法。在图5A所示的步骤中，利用溅射工艺、化学气相沉积工艺(CVD)、物理气相沉积工 艺(PVD)、旋涂工艺或其它合适的工艺，在基底110上沉积一层牺牲层材料，例如二氧化硅 (silicon oxide)、多晶娃(polysilicon)、金属(如锗(germanium)、镁(magnesium)、招 (aluminum)等)、聚合物(polymer)。并利用适当的方法如光刻，将牺牲层的轮廓做成预定形状。在图5B所示的步骤中，利用溅射工艺、化学气相沉积工艺(CVD)、物理气相沉积工 艺(PVD)或其它合适的工艺，在牺牲层180和基底110上沉积一层介电层130。在图5C所示的步骤中，可以用化学机械抛光(CMP)的方法，去除掉介电层130在 牺牲层180之上的部分，从而形成平整光滑的表面以利于之后在其上沉积第一电极140。在图5D所示的步骤中，利用溅射工艺、化学气相沉积(CVD)工艺、物理气相沉积 (PVD)工艺或其它合适工艺，在牺牲层180上沉积第一电极材料，例如钨(W)、钼(Mo)、钼 (Pt)、钌(Ru)、铱(Ir)、钛钨(TiW)、铝(Al)或其它类似的材料。第一电极材料需要通过光 刻和刻蚀技术来形成第一电极140。例如，可以利用等离子干法刻蚀或湿化学刻蚀工艺来加 工第一电极140从而形成为斜端面的第一末端部142。在图5E所示的步骤中，利用射频磁控溅射等工艺在第一电极140和介电层130上 沉积一层压电层150。与其它部分的压电薄膜相比，沉积在第一电极140的第一末端部142 之上的阶梯区域中的压电层，其生长特性较差。在图5F所示的步骤中，利用溅射工艺、化学气相沉积(CVD)工艺、物理气相沉积 (PVD)工艺、旋涂工艺或其它合适的工艺，在压电层上沉积一层牺牲层材料，并用适当的方 法例如光刻来形成牺牲层材料的轮廓，从而在第一电极140的第一末端部142上覆盖上牺 牲层190。在图5G所示的步骤中，在压电层和牺牲层190上沉积第二电极材料例如钨(W)、钼 (Mo)、钼(Pt)、钌(Ru)、铱(Ir)、钛钨(TiW)、铝(Al)或其它类似的材料，从而形成第二电极 层 160。在图5H所示的步骤中，用刻蚀溶液去除掉牺牲层190从而形成图IA所示的空气 间隙170。同时牺牲层180也同样被去除，从而形成空气腔，即声学镜120。或者，在第一电极140的第一末端部142上面的区域中，起隔离第二电极160与压 电层150作用的不是空气间隙170而是介电层薄膜。这种形式的谐振器的加工方法，其前 几步与图5A-5E所示的步骤相同，但沉积在压电层150之上的，并用光刻和刻蚀技术加工的 并不是牺牲层材料而是介质材料，这样就在第一电极140的第一末端部142上形成了介电 层190。然后在压电层150和介电层190上沉积第二电极160，从而在第一电极140、压电层 150与第二电极160的重叠区域形成谐振器100A的声学谐振部分。图6A-6H表示的是本发明中的第三种体波谐振器300的工艺流程。首先，如图6A所示，在基底310上沉积一层牺牲层材料。并利用适当的方法如光 刻，将牺牲层材料的轮廓做成预定形状，从而形成牺牲层380。然后，如图6B所示，在牺牲层380和基底310上沉积介电层330。随后，如图6C所示，可以用化学机械抛光(CMP)的方法，去除掉介电层330在牺牲 层380之上的部分，从而形成平整光滑的表面。接着，如图6D所示，使用射频磁控溅射的方法在牺牲层380上沉积第一电极材料， 并通过光刻和刻蚀技术形成第一电极340。利用如等离子干法刻蚀或湿化学刻蚀工艺来加 工第一电极340从而形成斜端面342。第一电极340的末端边缘348在牺牲层380边界的 内侧。然后，如图6E所示，在牺牲层380和介电层330上沉积第二介电层370。使用化学机械抛光(CMP)的方法加工第二介电层370，使其与第一电极340的斜端面342对齐， 从而形成平整光滑的表面。第二介电层370可以选用如二氧化硅(silicon oxide)、氮 化硅(silicon nitride)、碳化硅(silicon nitride)等合适的介质材料。最好第二介 电层370可以包含“低介电常数的介质材料”，例如多孔硅(porous silica)、氟化非晶碳 (fluorinated amorphous carbon)、氣聚合物(fluoro—polymer)、聚对二甲苯(parylene)、 聚芳醚(polyarylene ether)、氢倍半硅氧烷(HSQ)、交联聚苯聚合物(SiLK)、双苯环丁 烯(BCB)、氟化二氧化硅(fluorinated silicon dioxide)、碳掺杂氧化物(carbon doped oxide)或者类金刚石(diamond like carbon)中的一种或两个以上的组合。如前所述，“低 介电常数的介质材料”指的是介电常数小于二氧化硅介电常数的介质材料。随后，如图6F所示，在第一电极340和第二介电层370上沉积压电层350，从而在 第一电极340的斜端面342之上的区域，第二介电层370将压电层350与第一电极340隔 离开来。然后，如图6G所示，在压电层350上沉积第二电极材料并通过光刻和刻蚀技术形 成第二电极360，第二电极360的一部分位于声学镜320的上方(声学镜320的形成在后面 给出)。最后，如图6H所示，用刻蚀溶液通过释放通道(在图中没有表示)去除掉牺牲层 380从而形成空腔，即声学镜320。图7A-7H表示的是本发明中第四种体波谐振器400的工艺流程。首先，如图7A所示，在基底410上沉积一层牺牲层材料。并利用适当的方法如光 刻，将牺牲层材料的轮廓做成预定形状，从而形成牺牲层480。然后，如图7B所示，在牺牲层480和基底410上沉积介电层430。随后，如图7C所示，可以用化学机械抛光(CMP)的方法，将介电层330在牺牲层 380之上的部分去除，从而形成平整光滑的表面。接着，如图7D所示，在介电层430和牺牲层480的表面上沉积第一电极材料，并利 用光刻和刻蚀技术形成第一电极440。利用例如等离子干法刻蚀或湿化学刻蚀工艺加工第 一电极440从而形成斜端面442。第一电极440的末端边缘448位于牺牲层480边界的内 侧。然后，如图7E所示，在原牺牲层480和介电层430上再沉积一层牺牲层490，牺牲 层490的内端面要与第一电极440的斜端面442对齐。随后，如图7F所示，在第一电极440、牺牲层490和介电层430的表面上沉积压电 层450。从而在第一电极440的斜端面442之上的区域中，压电层450通过牺牲层490与第 一电极440隔离开来。接着，如图7G所示，在压电层450上沉积第二电极材料，并利用光刻和刻蚀技术形 成第二电极460。第二电极460的一部分位于牺牲层480的上方。最后，如图7H所示，将牺牲层480去除后形成一空腔，即声学镜420，将另一牺牲 层490去除后即形成空气间隙470。在第一电极440的斜端面442之上的区域中，空气间 隙470将压电层450与第一电极440隔离开来，从而在该区域中的谐振激励部分将会最小 程度地贡献到整个体波谐振器400的电学响应中。图8所示的是由本发明中的一种体波谐振器所形成的耦合谐振滤波器(CRF)。CRF至少包括两个叠放在一起的声学耦合的体波谐振器，它可以在滤波器中将单一信号转换为 平衡信号。这种形式的CRF包括，位于基底810之上的声学镜820，声学镜的第一边缘为 822，第二边缘为824;在声学镜820之上的一系列的多层压电结构801、802等等。两个多层 压电结构之间(例如801和802之间)用解耦层890来分开。每个多层结构，如801 (802)， 都包括一个带有斜端面的第一电极840(840')，一个第二电极860 (860')，以及这两电极 之间的压电层850(850')。每一个多层压电结构中，在第一电极840(840')的斜端面之 上，都存在一个由第一电极或第二电极与压电层所形成空气间隙。解耦层890可以是单层 结构也可以是多层结构。在另一种形式的体波谐振器中，空气间隙被介质材料填满，如平整 的介电层870，这样有利于在其上生长具有良好C轴取向的压电层850'。此外，在去除牺 牲材料从而形成空腔820的步骤中，解耦层中的材料，如SiO2,可能会被刻蚀剂(如氢氟酸) 腐蚀或者分离，介电层870可以将解耦层890包裹保护起来。总之，本发明描述体波谐振器及其加工方法。本发明中的各种形式的体波谐振器， 在第一电极的斜端面上都存在空气间隙或介电层薄膜，他们位于至少由第一电极和第二电 极的其中之一与压电层所构成的区域中，使得由生长特性较差的压电层形成的谐振激励部 分将会最小程度地贡献到整个谐振器的电学响应中。因此，用普通的低成本各向同性的湿 法刻蚀加工方法来加工第一电极，并不需要为了避免第一电极的突变非连续性而做特殊的 考虑。位于第一电极或第二电极与压电层之间的空气间隙或介电层薄膜，会使在压电层阶 梯区域内的压降降为最低，从而提高谐振器的和抗静电放电(ESD)能力。上述对本发明中几种典型体波谐振器的描述仅仅是为了说明，这些说明不是很详 尽，不会限制发明的确切形式。鉴于本发明，可以做出许多修改和变化。
权利要求
一种声波谐振器，其特征在于，包括如下结构(a)基底；(b)位于基底上或嵌于基底内部的声学镜，所述的声学镜包含第一边缘和第二边缘；(c)位于基底上的介电层，所述的介电层与声学镜的两个边缘充分接触；(d)位于声学镜上的第一电极，所述的第一电极包含第一末端部、第二末端部、以及位于第一末端部和第二末端部之间的主体部分，第一电极至少有一个末端要延伸到介电层之上；(e)位于第一电极上的压电层，所述的压电层包括有主体部、第一末端部、以及第二末端部，并且所述的两个末端部分别向相反方向延伸到介电层之上；(f)位于压电层上的第二电极，所述的第二电极包括有主体部和第二部分，所述的主体部位于压电层的主体部之上，并与第二部分相连，从而使这两部分的连接处位于声学镜的第一边缘和第二边缘之间，并且在第二电极的第二部分与压电层的第一末端部之间形成空气间隙。
2.根据权利要求1所述的声波谐振器，其特征在于，所述的空气间隙内填充介质材料。
3.根据权利要求2所述的声波谐振器，其特征在于，所述的介质材料包括二氧化硅、氮 化硅、碳化硅、多孔硅、氟化非晶碳、氟聚合物、聚对二甲苯、聚芳醚、氢倍半硅氧烷、交联聚 苯聚合物、双苯环丁烯、氟化二氧化硅、碳掺杂氧化物和金刚石中的一种或多种或是它们的组合。
4.根据权利要求1所述的声波谐振器，其特征在于，所述的第二部分包含一个凸桥。
5.根据权利要求1所述的声波谐振器，其特征在于，所述的第一电极的第一末端部与 第二末端部是斜面状或阶梯状或垂直状。
6.根据权利要求1所述的声波谐振器，其特征在于，所述的第一电极的第一末端部超 过声学镜的第一边缘并位于介电层之上。
7.根据权利要求6所述的声波谐振器，其特征在于，所述的声学镜的第一边缘与第二 电极的主体部和凸桥部的交界处之间存在一段距离。
8.根据权利要求1所述的声波谐振器，其特征在于，所述的第一电极的第一末端部位 于声学镜的第一边缘和第二边缘之间。
9.根据权利要求8所述的声波谐振器，其特征在于，所述的第一电极的主体部和第一 末端部的连接处，与第二电极的主体部和凸桥部的连接处之间存在一段距离。
10.一种声波谐振器，其特征在于，包括如下结构(a)具有上表面的基底；(b)位于基底上表面或嵌于基底内部的声学镜，所述的声学镜包含第一边缘和第二边缘；(c)位于基底上的第一介电层，所述的第一介电层与声学镜的第一边缘和第二边缘充 分接触；(d)位于基底和声学镜上的第一电极，所述的第一电极包含第一末端部和第二末端部， 并且至少有一个末端部在声学镜第一边缘与第二边缘之一的外部，且位于第一介电层之 上；(e)位于声学镜和第一介电层之上的第二介电层，所述的第二介电层与第一电极的第一末端部和第二末端部充分接触；(f)位于第一电极和第二介电层上的压电层，所述的压电层位于第一电极第一末端部 与第一电极被第二介电层间隔开；(g)位于压电层上的第二电极，所述的第二电极有一部分位于声学镜的上方。
11.根据权利要求10所述的声波谐振器，其特征在于，所述的第二介电层为介质材料， 所述的介质材料包括有二氧化硅、氮化硅、碳化硅、多孔硅、氟化非晶碳、氟聚合物、聚对二 甲苯、聚芳醚、氢倍半硅氧烷、交联聚苯聚合物、双苯环丁烯、氟化二氧化硅、碳掺杂氧化物 和金刚石中的一种或多种或是它们的组合。
12.—种声波谐振器，其特征在于，包括如下结构(a)具有上表面的基底；(b)位于基底上或嵌于基底内部的声学镜，所述的声学镜包含第一边缘和第二边缘；(c)位于基底上的介电层，所述的介电层与声学镜的第一边缘和第二边缘充分接触；(d)位于基底和声学镜之上的第一电极，所述的第一电极包含第一末端部和第二末端 部，第一末端部越过声学镜第一边缘与第二边缘的其中之一，并位于介电层之上，第二末端 部位于声学镜第一边缘和第二边缘之间；(e)位于第一电极之上的压电层，所述的压电层越过第一电极的第二末端部并位于介 电层之上，从而在介电层与压电层之间形成空气间隙；(f)沉积在压电层之上的第二电极，所述的第二电极有一部分位于声学镜之上，并延伸 到第一电极的第二末端部之上。
13.根据权利要求12所述的声波谐振器，其特征在于，所述的空气间隙采用介电常数 为一恒定值的介质材料来填充。
14.根据权利要求13所述的声波谐振器，其特征在于，所述的介质材料包括二氧化硅、 氮化硅、碳化硅、多孔硅、氟化非晶碳、氟聚合物、聚对二甲苯、聚芳醚、氢倍半硅氧烷、交联 聚苯聚合物、双苯环丁烯、氟化二氧化硅、碳掺杂氧化物和金刚石中的一种或多种或是它们 的组合。
15.一种声波谐振器，其特征在于，包括如下结构(a)具有上表面的基底；(b)位于基底上或嵌于基底内部的声学镜，所述的声学镜包含第一边缘和第二边缘；(c)位于声学镜上的第一电极，其包含一个末端部分；(d)位于第一电极上的压电层；(e)位于压电层上的第二电极，并且至少由第一电极和第二电极的其中之一与压电层， 在第一电极的末端部分上形成空气间隙。
16.根据权利要求15所述的声波谐振器，其特征在于，还包括有形成在基底上的介电 层，所述的介电层与声学镜的第一边缘和第二边缘充分接触。
17.根据权利要求15所述的声波谐振器，其特征在于，所述的空气间隙内填充有介质 材料。
18.根据权利要求17所述的声波谐振器，其特征在于，所述的介质材料包括二氧化硅、 氮化硅、碳化硅、多孔硅、氟化非晶碳、氟聚合物、聚对二甲苯、聚芳醚、氢倍半硅氧烷、交联 聚苯聚合物、双苯环丁烯、氟化二氧化硅、碳掺杂氧化物和金刚石中的一种或多种或是它们的组合。
19.一种声波谐振器，其特征在于，包括如下结构(a)设置在基底上或嵌于基底内部的声学镜，所述的声学镜包含第一边缘和第二边缘；(b)设置在声学镜上部的二个以上的多层压电结构，两个相邻的多层压电结构由解耦 层隔开，每个多层压电结构包括具有末端部的第一电极、第二电极以及设置在该两电极之 间的压电层，在第一电极的末端部之上，至少由第一电极和第二电极其中之一与压电层形 成空气间隙。
20.根据权利要求19所述的声波谐振器，其特征在于，所述的解耦层为单层或多层。
21.根据权利要求19所述的声波谐振器，其特征在于，所述的空气间隙内填充有介质 材料。
22.—种权利要求1所述的声波谐振器的加工方法，其特征在于，包括有如下步骤(a)在基底上或基底内部形成声学镜，声学镜包含第一边缘和第二边缘；(b)在基底上形成介电层，使介电层与声学镜的第一和第二边缘充分接触；(c)在声学镜上形成带有末端部分的第一电极，并且其末端部分越过声学镜并位于介 电层之上；(d)在第一电极和介电层之上形成压电层；(e)压电层上形成第二电极，第二电极越过第一电极的末端部分，在第一电极的末端部 分之上的区域内，第二电极与压电层相互分开。
23.根据权利要求22所述的声波谐振器的加工方法，其特征在于，在形成声学镜的步 骤中包括在基底上或基底内部形成起声学镜作用的空腔。
24.根据权利要求23所述的声波谐振器的加工方法，其特征在于，所述的形成空腔包 括在基底上形成具有声学镜形状的牺牲层。
25.根据权利要求24所述的声波谐振器的加工方法，其特征在于，所述的形成空腔还 包括从基底中去除牺牲层从而形成声学镜。
26.根据权利要求22所述的声波谐振器的加工方法，其特征在于，所述的形成第二电 极包括如下过程(i)在压电层上沉积牺牲层，这样至少可以使牺牲层覆盖第一电极的末端部分；( )在压电层上沉积第二电极并使第二电极覆盖牺牲层；(iii)在第一电极末端部分之上的区域内去除掉牺牲层，从而在第二电极与压电层之 间就形成了空气间隙。
27.根据权利要求22所述的声波谐振器的加工方法，其特征在于，所述的形成第二电 极包括如下过程(i)在压电层上沉积第二介电层，从而使第二介电层至少覆盖第一电极的末端部分；( )在压电层和第二介电层上沉积第二电极。
28.一种权利要求10所述的声波谐振器的加工方法，其特征在于，包括有如下步骤(a)在基底上或基底内部形成声学镜，声学镜包含第一边缘和第二边缘；(b)在基底上形成介电层并使介电层与声学镜的第一和第二边缘充分接触；(c)在声学镜上形成第一电极，第一电极包含第一末端部分和第二末端部分，其中第一末端部分超过声学镜的边缘并位于介电层之上，第二末端部分超过声学镜的第二边缘或是 位于声学镜的第一和第二边缘之间；(d)在第一电极上形成压电层，并使压电层至少超越第一电极的第一末端部分从而横 跨在第一电极层之上，在压电层横跨在第一电极层之上的区域内，压电层与第一电极被间 隔开；(e)在压电层上形成第二电极，第二电极的一部位于声学镜的上方，并横跨第一电极中 第一和第二末端部分中的至少一个，以及压电层与第一电极的间隔区域。
29.根据权利要求27所述的声波谐振器的加工方法，其特征在于，所述的形成压电层 包括如下步骤(i)在第一电极末端部分及其周围的介电层区域上沉积介电层，从而形成平整的表( )在平整表面上生长压电层。
30.根据权利要求28所述的声波谐振器的加工方法，其特征在于，在压电层和第一电 极层之间的区域是空气间隙。
全文摘要
一种体波谐振器及其加工方法，声波谐振器位于基底上或嵌于基底内部的具有第一边缘和第二边缘的声学镜；位于基底上与声学镜的两个边缘充分接触的介电层；位于声学镜上的包含第一末端部、第二末端部、以及位于第一末端部和第二末端部之间的主体部分的第一电极；位于第一电极上的具有主体部、第一末端部、以及第二末端部压电层；位于压电层上具有主体部和第二部分的第二电极，主体部位于压电层的主体部之上，并与第二部分相连，从而使这两部分的连接处位于声学镜的第一边缘和第二边缘之间，并且在第二电极的第二部分与压电层的第一末端部之间形成空气间隙。本发明结构简单，加工方便，能够提高谐振器的品质因数、有效机电耦合系数和抗静电放电能力。
文档编号H03H3/02GK101908865SQ201010259108
公开日2010年12月8日 申请日期2010年8月20日 优先权日2010年8月20日
发明者庞慰, 张 浩 申请人:庞慰;张浩