一种薄膜体声波谐振器及其制备方法与流程

本发明涉及一种薄膜体声波谐振器，特别是涉及一种采用键合工艺实现的基于压电单晶材料的薄膜体声波谐振器及其制备方法。

背景技术：

随着无线通讯应用的发展，人们对于数据传输速度的要求越来越高。在移动通信领域，第一代是模拟技术，第二代实现了数字化语音通信，第三代(3G)以多媒体通信为特征，第四代(4G)将通信速率提高到1Gbps、时延减小到10ms，第五代(5G)是4G之后的新一代移动通信技术，虽然5G的技术规范与标准还没有完全明确，但与3G、4G相比，其网络传输速率和网络容量将大幅提升。如果说从1G到4G主要解决的是人与人之间的沟通，5G将解决人与人之外的人与物、物与物之间的沟通，即万物互联，实现“信息随心至，万物触手及”的愿景。

与数据率上升相对应的是频谱资源的高利用率以及通讯协议的复杂化。由于频谱有限，为了满足数据率的需求，必须充分利用频谱；同时为了满足数据率的需求，从4G开始还使用了载波聚合技术，使得一台设备可以同时利用不同的载波频谱传输数据。另一方面，为了在有限的带宽内支持足够的数据传输率，通信协议变得越来越复杂，因此对射频系统的各种性能也提出了严格的需求。

在射频前端模块中，射频滤波器起着至关重要的作用。它可以将带外干扰和噪声滤除以满足射频系统和通讯协议对于信噪比的需求。随着通信协议越来越复杂，对频带内外的要求也越来越高，使得滤波器的设计越来越有挑战。另外，随着手机需要支持的频带数目不断上升，每一款手机中需要用到的滤波器数量也在不断上升。

目前射频滤波器最主流的实现方式是声表面波滤波器和基于薄膜体声波谐振器技术的滤波器。声表面波滤波器由于其自身的局限性，在1.5GHz以下使用比较合适。然而，目前的无线通讯协议已经早就使用大于2.5GHz的频段，这时必须使用基于薄膜体声波谐振器技术的滤波器。

薄膜体声波谐振器的结构和制备方式已经有很多。在以往的结构和制备方式中，主要采用氮化铝、氧化锌、PZT等压电薄膜作为压电材料，而压电薄膜材料相对于压电单晶材料在材料性能和可靠性上均有较大差距，比如其机电耦合系数比压电单晶材料的小很多，限制了薄膜体声波谐振器的有效机电耦合系数，并进而限制了滤波器的带宽；再比如压电薄膜的致密性比压电单晶的差很多，导致其在抗静电方面性能差很多。

技术实现要素：

本发明的目的是针对现有技术的缺陷，提出了一种采用键合方式实现的基于压电单晶材料的薄膜体声波谐振器及其制备方法。通过将压电单晶圆片和基片材料键合在一起，再对压电单晶圆片进行减薄抛光的方式实现高达GHz的薄膜体声波谐振器和滤波器所需要的压电体厚度。

具体地，本发明的技术方案包括：

一种薄膜体声波谐振器，包括基片及形成在所述基片上的空气隙、覆盖在所述空气隙上方的压电三明治结构，所述压电三明治结构包括依次堆叠的第一电极、压电层、第二电极；其中，所述压电层为压电单晶，所述第一电极介于所述压电单晶的第一表面与所述基片之间，所述第二电极位于所述压电单晶的第二表面。

进一步地，所述压电单晶与所述基片之间还包括键合层。

进一步地，所述压电单晶包括压电石英、钽酸锂、铌酸锂或四硼酸锂。

进一步地，还包括形成在所述压电单晶的第二表面的互连层。

进一步地，所述互连层将所述第一电极引出至所述压电单晶的第二表面。

本发明还包括一种薄膜体声波谐振器的制备方法，包括以下步骤：

制备带有空气隙的基片；

沉积牺牲层，所述牺牲层填充所述空气隙；

沉积电极层，并图形化所述电极层，形成覆盖于所述空气隙上方的压电三明治结构的第一电极层；

选择压电单晶并键合所述压电单晶与所述基片；

减薄并抛光所述压电单晶至预定厚度；

在所述压电单晶表面沉积并图形化第二电极层；

去除所述牺牲层。

进一步地，在沉积完牺牲层之后，还包括抛光牺牲层的步骤。

进一步地，所述牺牲层材料包括PEC、PPC或PNB。

进一步地，去除所述牺牲层步骤包括采用热分解方法。

本发明还包括一种滤波器，包括本发明所提出的薄膜体声波谐振器或者所制备的薄膜体声波谐振器。

本发明所提出的技术方案具有以下几个优点：首先，所实现的薄膜体声波谐振器和滤波器采用压电单晶作为压电材料，相对于基于压电薄膜的器件具有更大的有效机电耦合系数和带宽，扩展了薄膜体声波谐振器和滤波器的应用频带范围；其次，由于压电单晶体(如压电石英晶体)可以通过不过角度的切割获得不同机电耦合系数和温度特性，采用本发明的方法，可以比较容易地制备不同带宽和温度特性的薄膜体声波谐振器和滤波器；再次，由于压电单晶材料相对于压电薄膜的致密性和可靠性要优异很多，采用本发明的方法所制备的薄膜体声波谐振器和滤波器在功能容量方面比传统基于压电薄膜的器件要优异很多，在抗静电冲击方面的性能也优异很多；最后，通常压电薄膜的生长依赖于其下方的电极材料和形状，比如常用的C轴择优的氮化铝压电薄膜一般在钼电极、钨电极和铂金电极上生长比较好，比如在电极边缘生长的压电薄膜性能往往较差，因此薄膜体声波谐振器和滤波器的性能往往与压电薄膜下方的电极材料和形状有很大关系。采用本发明的方案，由于压电单晶材料的性能与电极材料和形状无关，可以有效避免以上缺陷，增加了器件设计的灵活度。

附图说明

图1为本发明的一种薄膜体声波谐振器剖面结构图；

图2为本发明的一种薄膜体声波谐振器的制备工艺流程图。

具体实施方式

下面通过附图和具体实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

实施例1

本发明提出一种薄膜体声波谐振器，其结构参见图1，该薄膜体声波谐振器包括基片100，该基片100例如为硅片；在基片100上形成空气隙130；氧化硅400覆盖在基片100上，并被图形化、覆盖基片100上空气隙之外的边缘区域；形成在氧化硅400之上的键合金属层600(800)，其中键合金属层600(800)包括形成在基片100之上的第一金属材料层600、形成在压电单晶700键合表面的第二金属材料层800，第一金属材料层600、第二金属材料层800例如为铬金等；形成在空气隙上方的第一电极500，第一电极500材料包括钼等；压电单晶700为薄膜体声波谐振器的压电层，其比如为压电石英、钽酸锂、铌酸锂或四硼酸锂等；形成在压电单晶上的第二电极110，其材料包括钼等；为了将第一电极500引出，在压电单晶700上形成互连金属120将薄膜体声波谐振器的第一电极500引出到压电单晶700表面形成焊点或互连，互连金属120的材料包括金或钨等。

实施例2

图2为本发明实施例的一种薄膜体声波谐振器的制备工艺流程图，该制备流程包括：

(a)准备单面或双面抛光的硅片100，其中抛光面向上，进行标准清洗。

(b)对硅片100进行刻蚀，形成牺牲层孔隙200，其中刻蚀方法可选择干法刻蚀。

(c)在硅片100表面沉积牺牲层材料300，完全填满牺牲层孔隙；该材料可以是PEC、PPC或PNB，在一定温度下可以热分解。

(d)对硅片100表面的牺牲层材料进行CMP抛光，将硅片100表面的牺牲层材料完全抛除干净，形成如图2(d)所示图形。

(e)在硅片100表面沉积一定厚度的氧化硅薄膜400，形成如图2(e)所示图形。

(f)对前述氧化硅薄膜400进行图形化，形成如图2(f)所示图形。

(g)在硅片100表面沉积一定厚度的钼薄膜，经光刻图形化后形成薄膜体声波谐振器的第一电极500，如图2(g)所示。

(h)在硅片100表面沉积一定厚度的铬金薄膜，经光刻图形化后形成共熔键合的第一金属材料层600，如图2(h)所示。

(i)准备双面抛光的压电单晶圆片700，该圆片根据所需要的器件带宽和温度系数进行切割，例如AT石英。将该圆片进行标准清洗。如图2(i)所示。

(j)在压电单晶圆片700表面沉积一定厚度的铬金薄膜，经光刻图形化后形成共熔键合的第二金属材料层800，如图2(j)所示。

(k)将压电单晶圆片700倒置与前述硅片100进行对准，如图2(k)所示。

(l)将前述对准后的压电单晶圆片700和硅片100进行共熔键合，使得前述共熔键合的第一金属材料层600和第二金属材料层800融为一体，形成600(800)。这样键合后，压电单晶圆片700和硅片100形成一个整体。需要注意的是，键合后的薄膜体声波谐振器第一电极500应保证与压电单晶圆片700完全接触，中间没有间隙。如图2(l)所示。

(m)对前述形成一体结构中的压电单晶圆片进行减薄和抛光，直到得到所需的厚度为止，例如1um，如图2(m)所示。

(n)对前述减薄后压电单晶圆片的部分区域进行刻蚀，形成通道900，露出薄膜体声波谐振器第一电极500的焊点，如图2(n)所示。

(o)在前述圆片的表面沉积薄膜体声波谐振器的第二电极材料，如钼，并经光刻图形化后形成薄膜体声波谐振器的第二电极110，如图2(o)所示。

(p)在前述圆片的表面沉积金属，如金，经光刻图形化后形成互连金属120，其目的将薄膜体声波谐振器的第一电极引出至压电单晶圆片700的表面，形成焊点或互连点，方便薄膜体声波谐振器的信号引出或与别的器件互连，如图2(p)所示。

(q)最后在圆片加热至一定温度，使得牺牲层材料300完全气化分解，形成空气隙130，完成整个器件的制备，如图2(q)所示。采用在一定温度下进行气化分解的牺牲层材料，避免了传统释放牺牲层时容易产生的薄膜粘连问题。

最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围。