具有扩大的释放通道的体声波谐振器、滤波器、电子设备的制作方法

本发明的实施例涉及半导体领域，尤其涉及一种体声波谐振器，一种滤波器，以及一种具有该滤波器或者体声波谐振器的电子设备。

背景技术：

如图1所示，通常薄膜体声波谐振器的基本结构包含基底sub110，嵌入基底的声学镜sp110，位于声学镜之上的底电极be110，位于底电极之上的压电薄膜层pz110和位于压电薄膜之上的顶电极te110。其中声学镜sp110是整个谐振器结构中的一个关键部分，它起到的作用是将声波反射回谐振器内部，从而大幅度削减能量从谐振器泄漏。常见的两种代表性声学镜结构是空腔结构(如图1所示)和布拉格反射层结构。公认的，空腔结构对声波的反射效果要优于布拉格层结构，但相应的，制造空腔型体声波谐振器的工艺难度也要高于制造布拉格层型谐振器的难度。

业内常用的制作空腔型体声波谐振器的方法是在空腔周围向外延伸构造出工艺孔结构，如图1中rh110区域所示。传统的工艺孔的形态如图2a和图2b所示。图2b中的工艺孔结构包括刻蚀液入口h110和通道cd110。

在现有技术中，形成空腔的基本工艺流程如图3a-图3g所示(流程顺序按序号a、b、c、d、e、f、g进行，其中图3a-图3g可以认为按照图2a中线段aoa’剖开形成)：

如图3a所示，制备基底，基底材料优先选择单晶硅(si)，同样也可选砷化镓，石英，蓝宝石等等。

如图3b所示，在基底上制作空腔，通常采用的方法是光刻图形化掩模层并进行反应离子刻蚀(rie或drie)，备选方法可采用湿法腐蚀。该空腔结构已包含图2a和图2b中所示的工艺孔结构。

如图3c所示，沉积牺牲层材料，该类材料可采用参磷二氧化硅(psg)等。

如图3d所示，通过研磨工艺去除多余材料并获得平整表面，通常采用化学机械研磨法(cmp)。

如图3e所示，构建声学三明治结构。

如图3f所示，在液态或气态的化学环境(例如，针对二氧化硅牺牲层材料，可使用一定比例的氟化氢水溶液或气态氟化氢)中通过工艺孔或者释放孔对空腔内的牺牲材料进行刻蚀。

如图3g所示，完成牺牲材料刻蚀，获得空腔型谐振器。

一般来说，释放孔(入口和通道部分)尺寸大，有利于刻蚀性化学物质进入空腔区域，同样有利于刻蚀反应生成物离开空腔，从而增加刻蚀反应效率。

但是受到传统谐振器尺寸的限制，释放孔(入口和通道部分)不能开的过大，否则空腔周围用以支撑谐振器的基底上表面的面积就要缩小，势必导致谐振器或滤波器失去足够的约束，致使其结构稳定性下降(主要表现在谐振器对应力和静电吸附作用的抗性变差，容易发生变形，甚至导致底电极贴到空腔底部，如图4所示)。

技术实现要素：

为缓解或解决使用现有技术中的上述问题的至少一个方面，提出本发明。

本发明提出了一种体声波谐振器，包括：基底，设置有构成声学镜的空腔；和由顶电极、压电层和底电极构成的三明治结构，其中：声学镜、底电极、压电层、顶电极在基底的厚度方向重叠的区域为谐振器的有效区域；所述空腔中设置有支撑部，所述支撑部用于支撑所述三明治结构；且所述空腔的边缘的至少一部分与所述三明治结构的边缘在径向方向上间隔开以形成至少一个释放开口。

可选的，所述支撑部包括自空腔边缘径向向内凸出的延伸支撑部。

进一步可选的，所述体声波滤波器包括多个释放开口，且相邻释放开口之间设置有所述延伸支撑部。更进一步的，所述延伸支撑部的宽度与所述释放开口的宽度的比值在1:2到10:1的范围之内。

可选的，所述延伸支撑部与所述释放开口在所述空腔的周向方向上交替布置。

可选的，所述释放开口在径向方向上延伸到所述延伸支撑部之外。

可选的，所述延伸支撑部自空腔的边缘径向向内凸出的距离在1-20μm的范围内。

可选的，所述空腔为多边形空腔，且所述释放开口设置在所述空腔的顶点处，且所述延伸支撑部自顶点之间的边沿径向向内延伸。

可选的，所述空腔为多边形空腔，且所述延伸支撑部设置在所述空腔的顶点处。

可选的，所述支撑部包括与所述空腔的边缘间隔开的多个独立支撑部，在空腔的周向方向上彼此相邻的两个独立支撑部之间形成释放通道。

可选的，所述支撑部包括自空腔边缘径向向内凸出的多个延伸支撑部；所述支撑部包括与所述空腔的边缘间隔开的多个独立支撑部；且所述延伸支撑部与所述独立支撑部在空腔的周向方向上间隔开交替布置，在空腔的周向上相邻的延伸支撑部与独立支撑部之间形成释放通道。

可选的，所述空腔为多边形空腔，且所述支撑部包括沿空腔的多条边中的至少两条边延伸设置的至少两个条形支撑部，且在仅有两个条形支撑部的情况下，所述两个条形支撑部所在的边不相邻。

可选的，所述空腔为圆形或者椭圆形空腔。

可选的，所述支撑部与所述有效区域之间的距离不少于5个声波波长。

本发明的实施例还涉及一种体声波谐振器，包括：基底，设置有构成声学镜的空腔；和由顶电极、压电层和底电极构成的三明治结构，其中：所述三明治结构覆盖于所述空腔上；且所述空腔的靠近其边缘的一部分空腔形成至少一个释放开口。

可选的，上述的体声波谐振器中，所述压电层掺杂有如下元素中的一种或多种：钪、钇、镁、钛、镧、铈、镨、钕、钷、钐、铕、钆、铽、镝、钬、铒、铥、镱、镥；且掺杂元素的原子分数范围为1％-40％。进一步可选的，所述压电层为氮化铝压电层、氧化锌压电层、铌酸锂压电层或钛锆酸铅压电层。

本发明的实施例也涉及一种滤波器，包括功能基底以及与功能基底对置的封装基底；功能器件，设置于所述功能基底，所述功能器件包括上述的体声波谐振器。可选的，所有谐振器均设置于功能基底上；且所有谐振器的有效区域的面积之和不大于所述功能基底的一个表面的面积的2/3。

本发明的实施例也涉及一种电子设备，包括上述的滤波器或者上述的体声波谐振器。

附图说明

以下描述与附图可以更好地帮助理解本发明所公布的各种实施例中的这些和其他特点、优点，图中相同的附图标记始终表示相同的部件，其中：

图1为现有技术中的具有空腔结构的体声波谐振器的基本结构的示意性分解立体图；

图2a为现有技术中具有空腔结构的基底的示意性俯视图，图2b为图2a中的有关释放孔的局部放大示意图；

图3为现有技术中制作空腔型体声波谐振器的工艺流程示意图；

图4为单纯减小支撑面积造成的三明治结构形变的示意图；

图5为体声波谐振器的三明治结构示意图；

图6为体声波谐振器的机电耦合系数nkt与比例r之间的关系曲线图；

图7为根据本发明的一个示例性实施例的谐振器的俯视示意图；

图8为图7中的谐振器的剖视示意图；

图9为图7中的谐振器的空腔的结构示意图；

图10为根据本发明的一个示例性实施例的谐振器的俯视示意图；

图11为图10中的谐振器的空腔的结构示意图；

图12为根据本发明的一个示例性实施例的谐振器的俯视示意图；

图13为图12中的谐振器的空腔的结构示意图；

图14为根据本发明的一个示例性实施例的谐振器的俯视示意图；

图15为图14中的谐振器的空腔的结构示意图；

图16为根据本发明的一个示例性实施例的谐振器的俯视示意图；

图17为图16中的谐振器的空腔的结构示意图；

图18为根据本发明的一个示例性实施例的谐振器的俯视示意图；

图19为根据本发明的一个示例性实施例的谐振器的示意图。

具体实施方式

下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。在说明书中，相同或相似的附图标号指示相同或相似的部件。下述参照附图对本发明实施方式的说明旨在对本发明的总体发明构思进行解释，而不应当理解为对本发明的一种限制。

在本发明中，通过在例如氮化铝(aln)压电层的压电层中参入杂质元素，使谐振器的面积缩小，以增强谐振器三明治结构的刚性，从而可以减小支撑谐振器所需要的基底上表面的面积，从而使得释放开口相对于现有技术中的释放孔在尺寸上得到扩大。

此外，在本发明中，通过在构成反射镜的空腔内设置支撑部，支撑部为从空腔边缘向内延伸的“半岛”(例如图9、11、13等)形式从而相邻支撑部之间形成释放开口，或者支撑部为与空腔边缘间隔开的“孤岛”(例如图15、17等)形式从而支撑部与空腔边缘之间的间隙形成释放开口且相邻支撑部之间形成释放通道。

在本发明中，释放开口以及释放通道均用于供刻蚀材料进入空腔内以刻蚀牺牲材料。

本发明提出了一种体声波谐振器，包括：基底，设置有构成声学镜的空腔；和由顶电极、压电层和底电极构成的三明治结构，其中：声学镜、底电极、压电层、顶电极在基底的厚度方向重叠的区域为谐振器的有效区域；所述空腔中设置有支撑部，所述支撑部用于支撑所述三明治结构；且所述空腔的边缘的至少一部分与所述三明治结构的边缘在径向方向上间隔开以形成至少一个释放开口。

虽然在本发明给出的实施例中，通过掺杂元素的方式使得谐振器的有效区域的面积缩小从而使得整个谐振器的三明治结构的面积缩小从而获得尺寸较大的释放开口，但是在谐振器的有效区域基于其他任何方式面积缩小从而也获得尺寸较大的释放开口也在本发明的保护范围之内，而且即使在保持谐振器的有效面积不变的情况下也可以采用在谐振器的空腔中设置释放结构以增大释放开口的尺寸。

相应的，本发明也提出了一种体声波谐振器，包括：基底，设置有构成声学镜的空腔；和由顶电极、压电层和底电极构成的三明治结构，其中：所述三明治结构覆盖于所述空腔上；且所述空腔的靠近其边缘的一部分空腔形成至少一个释放开口。

下面参照附图7-19描述示例性描述本发明。

首先，参照附图5-6具体说明利用元素掺杂降低体声波谐振器的有效区域的面积的原理。

机电耦合系数(nkt)是体声波谐振器的重要性能指标之一，该性能参数和如下因素有密切关系：(1)压电薄膜参入杂质元素的比例；以及(2)三明治结构中电极层和压电层的厚度比例。

图5所示的体声波谐振器的三明治结构包含厚度为t的顶电极te、底电极be以及厚度为d的压电层pz。此处定义比例

对于特定的未掺杂的谐振器，其归一化的机电耦合系数nkt和比例r之间的关系可用图6所示的特性曲线c0描述。

如图6所示，当对该谐振器的压电层掺杂时，特性曲线c0向上移动形成曲线c1。若未掺杂之前，具有厚度比r0的谐振器的机电耦合系数为nkt0,那么掺杂之后该系数升高至nkt1。

通常机电耦合系数受到滤波器相对带宽及滚降特性的技术指标限制而需保持不变，因此在掺杂的情况下，需要通过调节比例r来将机电耦合系数恢复到未掺杂的水平。注意到曲线c1有一个最大值，因此对比例r的调节有两种方式，可使比例r从r0缩小到r2或增大至r1。但由于缩小r意味着电极层变薄阻抗增大，从而造成器件损耗上升，因此选择增大比例r至r1。

另一方面，谐振器的频率f受滤波器中心频率技术指标约束而需固定不变。频率f与三明治结构的总体厚度有如下简化关系：

其中d是将电极材料(mo)等效为压电材料的等效总厚度，具体为d＝2tv1/v2+d，其中，v2是电极材料中纵波声速，v1是压电材料中纵波声速。将公式(1)带入公式(2)中，可以得到：

由于掺杂带来的声速v1降低，同时，r增大，那么若要求频率f不发生变化，那么压电层厚度d应减小。

此外，对谐振器的阻抗也有限制(50欧姆)的技术要求，而阻抗z与压电层厚度d之间由下式相联系：

其中，ε是压电材料的介电常数，a是谐振器的有效面积，j是表示相位的虚数单位。

当要求阻抗z不变时，若压电层厚度d变小时，有效面积a也必须变小。

基于以上，可以通过向压电层添加杂质元素使得压电层厚度d变小，从而减小谐振器的有效面积a。

面积缩小而厚度不变的谐振器具有更强的刚性，允许谐振器在支撑面积进一步缩减时保持对应力和静电力的良好抗性，从而将更多的空间留给释放孔结构或者释放结构。

下面参照图7-9描述根据本发明的一个示例性实施例的谐振器。

图7-9示出了通过压电层掺杂使面积缩小后的体声波谐振器的示意性结构。图7示出了谐振器的俯视结构；图8示出了沿图7中直线aoa’的剖视结构；图9示出了谐振器的空腔结构的立体示意图。

图7中的谐振器基本结构包括基底100(对应图8中的s100)，空腔110(对应图8中的s110)，底电极120(对应图8中的s120，且具有电极引脚121)，压电薄膜层130(对应图8中的s130)，顶电极140(对应图8中的s140，具有引出电极141)。此外，空腔110，底电极120，压电薄膜层130以及顶电极140的横向重叠部分定义了谐振器的有效声学区域(对应图8的ar100区域)。

图7-9中示出的谐振器中的电极和压电层具有五边形结构，但显然其他形状也是可行的，也在本发明的保护范围之内。

由于电极和压电层面积缩小，空腔在传统结构的基础上去掉了工艺孔结构，并且在传统五边形的基础上，各边的一部分向内突起形成‘半岛’结构(如图7和图8所示)，其中半岛形状不限于图7-9所示。这些半岛结构对面积缩减后的谐振器结构进行支撑，支撑面如图7的阴影区域111所示。当谐振器的压电结构(电极110和电极140及压电层130)被构建在图9的空腔结构之上时，由于压电结构面积缩小，空腔不会被完全覆盖，五边形的顶点之外会暴露出开口结构(图7的112区域)，该结构即为释放结构或者释放开口。

可以选择压电层元素掺杂比例，使得谐振器面积缩小至未掺杂时的40％-80％；支撑部的宽度d100与释放孔的宽度d120的宽度的比例范围为1:2到10:1；支撑部沿谐振器三明治结构边缘的法向向内伸入的距离d110的范围为1-20μm；支撑结构与谐振器的有效声学区域ar100的边缘距离d130不少于5个声波波长。

上述量化特征适用于后续实施例，但后续实施例及其他实施例也可采用上述数值范围之外的方案，均包含在本发明的保护范围之内。

需要指出的是，在本发明中，部件或者组成部分的附图标记以三位数字的阿拉伯数字表示，附图标记的后两位相同的附图标记表示该附图标记指示相同或者类似的部件或者组成部分。

需要指出的是，在本发明中，径向向外表示从空腔的中心位置或者中心区域向外的方向，径向向内则表示从空腔的边缘朝向空腔的中心位置或则中心区域向内的方向。

在本发明中，基底材料可选但不限于：单晶硅，石英，砷化镓或蓝宝石等。

在本发明中，顶电极和底电极的材料包含但不限于：钼，钌，金，镁，铝，钨，钛，铬，铱，锇等，也可使用上述金属的多层复合材料或合金。

在本发明中，用于结构释放的牺牲层材料可为参磷二氧化硅(psg)，用于去除牺牲层的刻蚀剂可为：一定比例的氟化氢水溶液(可加入一定比例缓冲物质防止反应过于剧烈破坏三明治层等结构)。

在本发明中，在通过掺杂元素使得谐振器的有效区域的面积变小时，压电层薄膜材料可选但不限于：氮化铝，其中所述压电层掺杂有如下元素中的一种或多种：钪、钇、镁、钛、镧、铈、镨、钕、钷、钐、铕、钆、铽、镝、钬、铒、铥、镱、镥。掺杂原子分数范围为1％-40％，更进一步的范围为3％-20％。具体的原子分数可以为1％、3％、6％、20％、30％、40％等。此外还可采用氧化锌、铌酸锂或钛锆酸铅(pzt)作为压电层主体材料并对其进行如上元素掺杂。

基于图7-9中的技术方案，相较于图2a和图2b的技术方案，至少可以获得如下优点之一：

(1)对比图7、图9和图1可知，基于图7-9中的技术方案获得的释放开口的尺度在横向上要比传统工艺孔显著增大。相应的，空腔外刻蚀液和腔内牺牲层物质的反应效率会显著提高，从而提高产能。

(2)由于面积缩减后的压电结构不仅重量变小且刚性增强，其因应力或静电吸附作用引发的向下凹陷弯曲形变也显著减小，相应的，空腔110的深度也可以减小而不会引起压电结构膜层发生‘贴底’现象。相应的，工艺流程中填入空腔的牺牲层材料的体积也会减少。

(3)进行牺牲层释放时，刻蚀环境对电极和氮化铝压电薄膜也会产生一定的腐蚀作用，尽管这一化学过程相对于刻蚀环境对牺牲层的腐蚀要小很多，但对最终器件性能造成的负面影响仍然可观。通过以上方法减少刻蚀过程时间，可有效减轻刻蚀环境对压电层和电极层的腐蚀，从而提高器件性能。

对于图7-9的实施例的技术效果的描述，也可以适用于本发明的其他实施例。

下面参照图10-11描述根据本发明的另一个实施例。

图10-11的实施例是在图7-9的实施例的基础上进一步增大了刻蚀液入口的尺寸，如图10中212区域所示。

图10-11中谐振器的主要结构包含：基底200，空腔结构210，半岛支撑结构211，底电极220(包含引脚221)，压电膜层230，以及顶电极240(包含引脚241)。

在图7-11的实施例中，支撑部(支撑结构)包括自空腔边缘径向向内凸出的延伸支撑部s。

在图7-11的实施例中，所述体声波谐振器包括多个释放开口r，且相邻释放开口之间设置有所述延伸支撑部s。

在图7-11的实施例中，延伸支撑部s与释放开口r在所述空腔的周向方向上交替布置。

在图7-11的实施例中，释放开口r在径向方向上延伸到所述延伸支撑部s之外。

在图7-11的实施例中，所述空腔为多边形空腔，且所述释放开口r设置在所述空腔的顶点处，且所述延伸支撑部s自顶点之间的边沿径向向内延伸。

下面参照图12-13描述根据本发明的再一个实施例。

图12-13中的谐振器和之前实施例的不同之处在于：将用于支撑声学三明治结构的‘半岛’结构从五边形的边缘移动到了五边形的顶点处(如图12中的阴影部分311所示)。

图12-13中的谐振器的主要结构包含：基底300，空腔结构310，半岛支撑结构311，底电极320(包含引脚321)，压电膜层330，以及顶电极340(包含引脚341)。

如图12-13所示，所述空腔为多边形空腔，且所述延伸支撑部s设置在所述空腔的顶点处。释放开口r则设置在空前的顶点之间的边缘处。

下面参照图14-15描述根据本发明的又一个实施例。

图14-15中的谐振器中除了包含与图10-14中示出的实施例类似的位于五边形边缘处的半岛支撑结构之外，还在五边形顶点附近安置了‘孤岛’结构。该变动以减小一定的刻蚀液通道宽度为代价来提支撑称稳定性。

图14-15中的谐振器的主要结构包含：基底400，空腔结构410，半岛和孤岛支撑结构411，底电极420(包含引脚421)，压电膜层430，以及顶电极440(包含引脚441)。

类似的，该类‘半岛’和‘孤岛’的结合支撑结构同样适用于对图12-13中的谐振器以及类似结构进行变化。

基于以上，在本发明的实施例中，所述支撑部包括自空腔边缘径向向内凸出的多个延伸支撑部s；所述支撑部包括与所述空腔的边缘间隔开的多个独立支撑部s1；且所述延伸支撑部s与所述独立支撑部s1在空腔的周向方向上间隔开交替布置，在空腔的周向上相邻的延伸支撑部与独立支撑部之间形成释放通道。

下面参照图16-17描述根据本发明的还一个实施例。

如图16-17所示，可将图14-15中的‘半岛’从‘大陆’完全分隔出来形成‘孤岛’结构，就可得到图16-17所示的结构。该结构可在加固支撑结构的前提下进一步放大刻蚀液的入口尺度。

图16-17中的谐振器的主要结构包含：基底500，空腔结构510，孤岛支撑结构511，底电极520(包含引脚521)，压电膜层530，以及顶电极540(包含引脚541)。

基于以上，在本发明的实施例中，所述支撑部包括与所述空腔的边缘间隔开的多个独立支撑部s1，在空腔的周向方向上彼此相邻的两个独立支撑部之间形成释放通道。

图18为根据本发明的一个示例性实施例的谐振器的俯视示意图。如图18所示，可在传统结构基础上减少所支撑边缘的数量(支撑数量不小于2个)。如在图18所示的实施例中，对5边形谐振器的非相邻的2条边进行支撑(图18中的阴影部分)，而在其余3条边处则薪酬完全开放的工艺孔结构(图18中的612部分)。

图18中的谐振器的主要结构包含：基底600，空腔结构610，边缘支撑结构611，底电极620(包含引脚621)，压电膜层630，以及顶电极640(包含引脚641)。

图19为根据本发明的一个示例性实施例的谐振器的示意图。对于其他非多边形的谐振器结构，可采用类似的支撑结构。图19中的实施例中的谐振器具有椭圆形俯视结构，具有5个半岛式支撑和5个加宽型释放孔结构。

图19中的谐振器的主要结构包含：基底700，空腔结构710，半岛支撑结构711，底电极720(包含引脚721)，压电膜层730，以及顶电极740(包含引脚741)。

相应的，本发明也提出劜一种滤波器，包括：功能基底以及与功能基底对置的封装基底；功能器件，设置于所述功能基底，所述功能器件包括上述的体声波谐振器。

在一个可选的实施例中，所有谐振器均设置于功能基底上；且所有谐振器的有效区域的面积之和不大于所述功能基底的一个表面的面积的1/2；或者所述功能器件所位于的功能区域垂直投影到所述封装基底上的区域的面积不大于所述封装基底的表面的面积的2/3。在本发明中，功能区域包括：谐振器+释放孔+谐振器间金属带所占据的区域。所述释放孔为形成谐振器的空腔所用的孔。需要指出的是，这里的功能基底的表面的面积为其一个表面的整个面积(包括了过孔以及功能器件所在的面积)。

本发明的实施例也涉及一种电子设备，包括上述的滤波器或者体声波谐振器。需要指出的是，这里的电子设备，包括但不限于射频前端、滤波放大模块等中间产品，以及手机、wifi、无人机等终端产品。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行变化，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。