一种薄膜体声波谐振器的腔体结构及制造工艺的制作方法

本申请涉及通信器件领域，主要涉及一种薄膜体声波谐振器的腔体结构及制造工艺。

背景技术：

随着电磁频谱的日益拥挤以及无线通讯设备的频段与功能增多，无线通讯使用的电磁频谱从500mhz到5ghz以上高速增长，也对性能高、成本低、功耗低、体积小的射频前端模块需求日益增长。滤波器是射频前端模块之一，可改善发射和接收信号，主要由多个谐振器通过拓扑网络结构连接而成。fbar(thinfilmbulkacousticresonator)是一种薄膜体声波谐振器，由它组成的滤波器具有体积小、集成能力强、高频工作时保证高品质因素q、功率承受能力强等优势而作为射频前端的核心器件。

fbar的基本结构是上下电极和夹在上下电极间的压电层。压电层可实现电能与机械能的转化。当fbar的上下电极施加电场时，压电层产生机械能，机械能是以声波的形式存在。然而fbar在实际应用中，会产生寄生电容或寄生电感，寄生会恶化谐振器性能，特别是影响由fbar互联形成的滤波器的带阻。

在现有技术中，薄膜体声波谐振器的腔体结构的上方边缘的膜层之间容易形成寄生电容，或者容易受应力影响而影响谐振器性能。并且纵波在底电极层和衬底的边缘区域容易产生反射导致损耗。因此，本发明旨在设计一种新型的谐振器腔体结构及制造工艺，抑制寄生电容，提高谐振器性能。

技术实现要素：

针对上述提到的薄膜体声波谐振器的腔体结构容易产生寄生电容或寄生电感、膜层容易产生应力以及纵波在底电极层和衬底的边缘区域容易反射导致损耗等问题。本申请提出了一种薄膜体声波谐振器的腔体结构及制作工艺来解决上述存在的问题。

在第一方面，本申请提出了一种薄膜体声波谐振器的腔体结构的制造工艺，包括以下步骤：

s1，在布置有牺牲材料层的衬底上布设支撑层以使得支撑层至少覆盖在牺牲材料层的外围的部分上表面，并且支撑层具有开口区域以使得牺牲材料层上表面的剩余部分暴露在外；

s2，利用牺牲材料填平支撑层的开口区域；

s3，在支撑层和牺牲材料上制作底电极层，底电极层架设在支撑层上；

s4，在底电极层上制作压电层和顶电极层；以及

s5，去除全部牺牲材料形成腔体结构。

在一些实施例中，s1包括以下子步骤：

s11，在衬底上制作空腔，并且用牺牲材料填充空腔以形成牺牲材料层；

s12，在衬底和牺牲材料层上制作支撑层，并且对支撑层进行部分去除以形成开口区域。

此时在衬底上加工形成空腔，支撑层在衬底的空腔上形成悬臂结构，用以支撑底电极层并使底电极层在垂直于衬底方向上的投影区域落在空腔内，减少寄生的产生，支撑层厚度很薄，纵波达到支撑层边界时与空气界面形成全反射，有效减小纵波在底电极边缘区域的损耗。

在一些实施例中，s11中通过抛光步骤使牺牲材料层的表面与衬底的表面平齐。抛光后牺牲材料层的表面与衬底的表面平齐，使得支撑层的表面在一个水平面上，便于减小后续膜层的应力变化，提高机械稳定性。

在一些实施例中，s1包括以下子步骤：

s11’，在具有平坦表面的衬底上制作牺牲材料层以覆盖衬底的部分表面；

s12’，在衬底上制作支撑层以覆盖衬底和牺牲材料层；

s13’，通过光刻、蚀刻工艺形成支撑层的开口区域。

此时支撑层中形成空腔，支撑层的上表面在空腔上形成悬臂结构，使得底电极层在垂直于衬底方向上的投影区域落在空腔内，减少寄生的产生，并且该腔体结构及工艺不必对衬底进行加工，工艺简单。

在一些实施例中，子步骤s12’还包括通过抛光步骤将支撑层磨平的步骤。磨平后支撑层厚度很薄，纵波达到支撑层边界时与空气界面形成全反射，有效减小纵波在底电极边缘区域的损耗。

在一些实施例中，s2还包括通过抛光使开口区域内的牺牲材料的表面与支撑层的表面平齐的步骤。此时支撑层表面保持水平，可以有效减小后续在支撑层上制作的膜层的应力变化，提高谐振性能。

在一些实施例中，s5包括，在压电层和支撑层上制作释放孔，释放孔延伸到牺牲材料层。释放孔形成支撑层和压电层上，在薄膜体声波谐振器的谐振区域外，不影响谐振器的性能，并且加工工艺简单。

在一些实施例中，支撑层包括悬置在空腔上的延伸部分，底电极层架设在空腔的延伸部分上。支撑层的延伸部分形成悬臂结构，有效支撑底电极层，使底电极层在衬底上的投影区域落到空腔的区域范围内，可以有效减小寄生。

在一些实施例中，底电极层在衬底上的投影区域落到空腔的区域范围内。底电极层在衬底上的投影区域超过空腔容易产生寄生，恶化谐振器性能。

在一些实施例中，顶电极层在衬底上的投影区域落在底电极层在衬底上的投影区域范围内。顶电极层和底电极层在衬底上的投影区域都在空腔的区域范围内可以有效减小寄生的产生。

在一些实施例中，顶电极层和底电极层在衬底上的投影区域至少有一条边重合。因此可以提高顶电极层、底电极层与空腔的横向与纵向重合度，抑制寄生电容。

在一些实施例中，顶电极层在衬底上的投影区域超出开口区域的范围。顶电极层超出开口区域的范围可以增大有效谐振区域的面积。

在一些实施例中，支撑层采用以下材料：si、sic、sin或aln。支撑层选用以上高硬度且蚀刻选择比高的材料，便于加工制作。

在一些实施例中，牺牲材料层采用以下材料：psg、sio2或pi。牺牲材料选择以上材料便于沉积和磨平等加工工艺。

第二方面，本申请提出了一种利用上文的制造工艺制成的薄膜体声波谐振器。

第三方面，本申请提出了一种薄膜体声波谐振器的腔体结构，包括依次层叠的衬底、支撑层和底电极层，其中衬底、支撑层和底电极层包围有空腔，支撑层具有悬置在空腔上的延伸部分，底电极层架设在支撑层的延伸部分上。

在一些实施例中，空腔的侧壁由衬底形成。此时空腔形成在衬底上，对衬底进行加工后再制作支撑层，工艺成熟。

在一些实施例中，空腔的侧壁由支撑层形成。此时空腔形成在支撑层上，工艺简单方便，易于加工。

在一些实施例中，底电极层在衬底上的投影区域完全位于空腔的范围内。因此可以有效减少底电极层和衬底之间的寄生电容。

在一些实施例中，还包括在所述底电极层上依次层叠的压电层和顶电极层，顶电极层在衬底上的投影区域的部分位于支撑层的延伸部分的范围。此时顶电极层在衬底上的投影区域在空腔范围内，因此可以有效减小寄生电容的产生。

在一些实施例中，顶电极层和底电极层在衬底上的投影区域至少有一条边重合。因此可以提高顶电极层、底电极层与空腔的横向与纵向重合度，抑制寄生电容。

在一些实施例中，在支撑层的延伸部分设置有释放孔，释放孔穿过压电层和支撑层。释放孔的位置不影响有效谐振区域，对薄膜体声波谐振器的谐振性能不会有影响。

在一些实施例中，支撑层采用以下材料：si、sic、sin或aln。支撑层选用以上高硬度且蚀刻选择比高的材料，便于加工制作。

本发明提出了一种薄膜体声波谐振器的腔体结构及制作工艺，通过衬底、支撑层和底电极层包围着空腔，使支撑层悬置在空腔上设置有延伸部分，底电极层架设在支撑层的延伸部分上。并且顶电极层在衬底上的投影区域的部分位于支撑层的延伸部分的范围。因此大大抑制了薄膜体声波谐振器的寄生电容，可以有效提高器件的机械稳定性，减小膜层的应力变化对器件的谐振性能的影响，可以有效提高谐振器的谐振性能。

附图说明

包括附图以提供对实施例的进一步理解并且附图被并入本说明书中并且构成本说明书的一部分。附图图示了实施例并且与描述一起用于解释本发明的原理。将容易认识到其它实施例和实施例的很多预期优点，因为通过引用以下详细描述，它们变得被更好地理解。附图的元件不一定是相互按照比例的。同样的附图标记指代对应的类似部件。

图1示出了根据本发明的实施例的薄膜体声波谐振器的腔体结构的制造工艺的流程图；

图2示出了根据本发明的实施例一的薄膜体声波谐振器的腔体结构的制造工艺的步骤s1的流程图；

图3a-3k示出了根据本发明的实施例一的薄膜体声波谐振器的腔体结构的制造工艺制作薄膜体声波谐振器的结构示意图；

图4示出了根据本发明的实施例二的薄膜体声波谐振器的腔体结构的制造工艺的步骤s1的流程图；

图5a-5k示出了根据本发明的实施例二的薄膜体声波谐振器的腔体结构的制造工艺制作薄膜体声波谐振器的结构示意图；

图6示出了根据本发明的实施例的薄膜体声波谐振器的腔体结构的制作工艺制作的薄膜体声波谐振器的仿真试验结果图；

图7示出了具有明显寄生效应的对照组的仿真试验结果图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本申请作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释相关发明，而非对该发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与有关发明相关的部分。应当注意到，附图中的部件的尺寸以及大小并不是按照比例的，可能会为了明显示出的原因突出显示了某些部件的大小。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。

本发明提出了一种薄膜体声波谐振器的腔体结构的制作工艺，如图1所示，包括以下步骤：

s1，在布置有牺牲材料层的衬底上布设支撑层以使得支撑层至少覆盖在牺牲材料层的外围的部分上表面，并且支撑层具有开口区域以使得牺牲材料层上表面的剩余部分暴露在外；

s2，利用牺牲材料填平支撑层的开口区域；

s3，在支撑层和牺牲材料上制作底电极层，底电极层架设在支撑层上；

s4，在底电极层上制作压电层和顶电极层；以及

s5，去除全部牺牲材料形成腔体结构。

实施例一

本申请的实施例一的制作工艺示意图如图3a-3k所示。在衬底2上加工形成空腔7，由衬底2、支撑层3、底电极层4和空腔7构成腔体结构，支撑层3至少覆盖在牺牲材料层1的外围的部分上表面以在空腔7上形成悬臂支撑结构。如图2所示，s1包括以下子步骤：

s11，在衬底2上制作空腔7，并且用牺牲材料填充空腔7以形成牺牲材料层1；

s12，在衬底2和牺牲材料层1上制作支撑层3，并且对支撑层3进行部分去除以形成开口区域31。

在具体的实施例中，如图3a所示，在衬底2上蚀刻出空腔7，在优选的实施例中，衬底2的材料为si/glass/蓝宝石(sapphire)/尖晶石等，空腔7的高度3-4μm。具体的空腔7高度可以根据器件的要求进行调整，其形状视为任意形状。如图3b所示，在空腔7中沉积牺牲材料以形成牺牲材料层1，空腔7被牺牲材料填充后，在对填充牺牲材料层1的衬底2表面进行化学机械抛光(cmp)。如图3b所示，s11中通过抛光步骤使牺牲材料层1的表面与衬底2的表面平齐。在优选的实施例中，通过化学机械抛光后可以清除衬底2表面的牺牲材料，使衬底2和牺牲材料层1的表面平坦化，在优选的实施例中，经过化学机械抛光后空腔7的高度为2μm。抛光后牺牲材料层1的表面与衬底2的表面平齐，使得后续制作的支撑层3的表面保持水平，可以有效减小后续膜层的应力变化，提高机械稳定性。

在具体的实施例中，s12中通过pecvd、光刻、蚀刻工艺制作支撑层3。如图3c所示，支撑层3在牺牲材料层1的表面设置有延伸部分32，支撑层3的延伸部分32的边缘形成开口区域31。其中，为与后续工艺兼容，选择与牺牲材料层1刻蚀选择比高的si作为支撑层3的材料。支撑层3的材料也可以选择其他高硬度材料，包括且不限于sic/sin/aln/等容易制备且刻蚀选择比较高的材料。

在具体的实施例中，如图3d所示，s2中通过pecvd在支撑层3的开口区域31上沉积牺牲材料，再通过抛光使开口区域31内的牺牲材料的表面与支撑层3的表面平齐。在优选的实施例中，通过化学机械抛光使牺牲材料和支撑层3的表面平坦化。并且牺牲材料以及牺牲材料层1的材料包括psg(掺杂p的sio2)或sio2等任何其他类型牺牲层材料，比如树脂材料pi。

在具体的实施例中，如图3e所示，在平齐的牺牲材料和支撑层3的表面上通过溅镀、光刻与蚀刻工艺制作底电极层4，底电极层4覆盖在支撑层3上，并且架设在支撑层3的延伸部分32上。支撑层3的延伸部分32有效支撑底电极层4，使底电极层4在衬底2上的投影区域落到空腔7的区域范围内，不超出空腔7的区域范围。底电极层4在衬底2上的投影区域超出空腔7的区域范围容易产生寄生电容，恶化谐振器性能。在支撑层3保证机械稳定性的前提下，投影于空腔7内部的底电极层4相对于横跨在空腔7上方的底电极层4可有效减少寄生。

在具体的实施例中，如图3f和3g所示，s4中分别通过溅镀、光刻与蚀刻工艺在底电极层4和支撑层3上面制作压电层5和顶电极层6。在优选的实施例中，底电极层4和顶电极层6的材料包括mo，压电层5的材料包括aln。顶电极层6在衬底上2的投影区域落在底电极层4在衬底2上的投影区域范围内，在优选的实施例中，顶电极层6在衬底2上的投影区域超出开口区域31的范围。顶电极层6超出开口区域31的范围可以增大有效谐振区域的面积，顶电极层6和底电极层4在衬底2上的投影区域都在空腔7的区域范围内可以有效减小寄生的产生。在另外一个实施例中，如图3h所示，在器件的有效谐振区域i1上顶电极层6和底电极层4在衬底2上的投影区域完全重合。

在具体的实施例中，如图3i所示，s5通过干法蚀刻工艺在器件的有效谐振区域旁边的压电层5和支撑层3上制作释放孔8，释放孔8延伸到牺牲材料层1。通过释放孔8将空腔7内的牺牲材料全部去除，去除的方法包括湿法蚀刻或气态释放工艺，在优选的实施例中，蚀刻剂包括hf。释放孔8形成在支撑层3和压电层5上，在薄膜体声波谐振器的谐振区域外，不影响谐振器的性能，而且加工工艺简单，最终形成如图3j和3k所示的薄膜体声波谐振器，其中图3j为图3k在a-a方向上的剖面图。该谐振器能够在保证器件的机械稳定性的前提下，提高底电极层4、顶电极层6和空腔7的横向与纵向重合度，也可以实现底电极层4和顶电极层6在衬底2上的投影完全重合，抑制寄生电容，而且支撑层3厚度比较薄，纵波达到支撑层3边界时与空气界面形成全反射，有效减小纵波在底电极层4边缘区域的损耗。

实施例二

空腔7还可以通过蚀刻支撑层3’来形成，不必对衬底2’进行蚀刻，主要由支撑层3’以及上下的底电极层4和衬底2’构成腔体结构，因此。如图4所示，s1包括以下子步骤：

s11’，在具有平坦表面的衬底2’上制作牺牲材料层1以覆盖衬底2’的部分表面；

s12’，在衬底2’上制作支撑层3’以覆盖衬底2’和牺牲材料层1；

s13’，通过光刻、蚀刻工艺形成支撑层3’的开口区域31’。

本申请的实施例二的制作工艺示意图如图5a-5k所示。在具体的实施例中，如图5a所示，通过pecvd、光刻和蚀刻工艺在平坦的衬底2’上制作牺牲材料层1。在优选的实施例中，牺牲材料层1的材料包括psg(掺杂p的sio2)或sio2等任何其他类型牺牲层材料，比如树脂材料pi。牺牲材料层1的高度约为2μm。如图5b所示，通过pecvd在衬底2’和牺牲材料层1上沉积支撑层3’，为与后续工艺兼容，选择与牺牲材料层1刻蚀选择比高的si作为支撑层3’的材料。支撑层3’的材料也可以选择其他高硬度材料，包括且不限于sic/sin/aln/等容易制备且刻蚀选择比较高的材料。

在具体的实施例中，如图5c所示，子步骤s12’还包括通过抛光步骤将支撑层3’磨平的步骤。在优选的实施例中，通过化学机械抛光将支撑层3’磨平。支撑层3’磨平后便于加工形成开口区域，降低加工难度。

在具体的实施例中，如图5d所示，在磨平后的支撑层3’上通过光刻、蚀刻工艺形成支撑层3’的开口区域31’。支撑层3’的开口区域31’形成在牺牲材料层1的内部，使得支撑层3’在牺牲材料层1上形成延伸部分32’。

在具体的实施例中，如图5e所示，s2中通过pecvd在支撑层3’的开口区域31’上沉积牺牲材料，再通过抛光使开口区域31’内的牺牲材料的表面与支撑层3’的表面平齐。在优选的实施例中，通过化学机械抛光使牺牲材料和支撑层3’的表面平坦化。并且牺牲材料以及牺牲材料层1的材料包括psg(掺杂p的sio2)或sio2等任何其他类型牺牲层材料，比如树脂材料pi。

在具体的实施例中，如图5f所示，在平齐的牺牲材料和支撑层3’的表面上通过溅镀、光刻与蚀刻工艺制作底电极层4，底电极层4覆盖在支撑层3’上，并且架设在支撑层3’的延伸部分32’上。支撑层3’的延伸部分32’有效支撑底电极层4，使底电极层4在衬底2’上的投影区域落到空腔7的区域范围内，不超出空腔7的区域范围。底电极层4在衬底2’上的投影区域超出空腔7的区域范围容易产生寄生电容，恶化谐振器性能。在支撑层3’保证机械稳定性的前提下，投影于空腔7内部的底电极层4相对于横跨在空腔7上方的底电极层4可有效减少寄生。

在具体的实施例中，如图5g和5h所示，s4中分别通过溅镀、光刻与蚀刻工艺在底电极层4和支撑层3’上面制作压电层5和顶电极层6。在优选的实施例中，底电极层4和顶电极层6的材料包括mo，压电层5的材料包括aln。顶电极层6在衬底2’上的投影区域落在底电极层4在衬底2’上的投影区域范围内，在优选的实施例中，顶电极层6在衬底2’上的投影区域超出开口区域31’的范围。顶电极层6超出开口区域31’的范围可以增大有效谐振区域的面积，顶电极层6和底电极层4在衬底2’上的投影区域都在空腔7的区域范围内可以有效减小寄生的产生。在另外一个实施例中，在器件的有效谐振区域上顶电极层6和底电极层4在衬底2’上的投影区域完全重合。

在具体的实施例中，如图5i所示，s5通过干法蚀刻工艺在器件的有效谐振区域旁边的压电层5和支撑层3’上制作释放孔8，释放孔8延伸到牺牲材料层1。通过释放孔8将空腔7内的牺牲材料全部去除，去除的方法包括湿法蚀刻或气态释放工艺，在优选的实施例中，蚀刻剂包括hf。释放孔8形成在支撑层3’和压电层5上，在薄膜体声波谐振器的谐振区域外，不影响谐振器的性能，而且加工工艺简单，最终形成如图5j和5k所示的薄膜体声波谐振器，其中图5j为图5k在b-b方向上的剖面图。该谐振器能够在保证器件的机械稳定性的前提下，提高底电极层4、顶电极层6和空腔7的横向与纵向重合度，也可以实现底电极层4和顶电极层6在衬底2’上的投影完全重合，抑制寄生电容。

本申请的实施例中提出了一种以上的制造工艺制成的薄膜体声波谐振器。

本申请的实施例中提出了一种薄膜体声波谐振器的腔体结构，包括依次层叠的衬底2、支撑层3、底电极层4、压电层5和顶电极层6，其中衬底2、支撑层3和底电极层4包围有空腔7，支撑层3具有悬置在空腔7上的延伸部分32，底电极层4架设在支撑层3的延伸部分32上。

在具体的实施例中，如图3j和3k所示，空腔7的侧壁由衬底2形成。其中图3j为图3k在a-a方向上的剖面图。通过刻蚀衬底2以形成空腔7，空腔7形成在衬底2上，对衬底2进行加工后再制作支撑层3。在此情况下，支撑层3设置在衬底上，并且朝向空腔7内部延伸形成延伸部分32，便于后续底电极层4架设在支撑层3的延伸部分32上。因为支撑层3的厚度比较小，纵波达到支撑层3边界时与空气界面形成全反射，有效减小纵波在底电极层4边缘区域的损耗。

在具体的实施例中，如图5j和5k所示，空腔7的侧壁由支撑层3’形成。其中图5j为图5k在b-b方向上的剖面图。在此情况下，空腔7形成在支撑层3’上，工艺简单方便，易于加工。并且将支撑层3’的上表面加工形成延伸部分32’，空腔7的侧壁与延伸部分32’左右分别形成“┘”和“┕”型。在具体的实施例中，底电极层4在衬底2、2’上的投影区域完全位于空腔7的范围内。因此可以有效减少底电极层4与衬底2、2’之间的寄生电容。

在具体的实施例中，顶电极层6在衬底2、2’上的投影区域的部分位于支撑层3、3’的延伸部分32、32’的范围。在优选的实施例中，顶电极层6和底电极层4在衬底2、2’上的投影区域完全重合。因此可以提高底电极层4、顶电极层6与空腔7的横向与纵向重合度，也可以实现底电极层4和顶电极层6在衬底2、2’上的投影完全重合，抑制寄生电容。

在具体的实施例中，在支撑层3、3’的延伸部分32、32’设置有释放孔8，释放孔8穿过压电层5和支撑层3、3’。释放孔8的位置不影响有效谐振区域，对薄膜体声波谐振器的谐振性能不会造成负面的影响。

为与后续工艺兼容，选择与牺牲材料层1刻蚀选择比高的si作为支撑层3、3’的材料。支撑层3、3’的材料也可以选择其他高硬度材料，包括且不限于sic/sin/aln/等容易制备且刻蚀选择比较高的材料。

本发明的实施例中公开了一种新型腔体结构，在保证谐振器机械稳定性的前提下，制作的底电极层投影于空腔内部。当顶电极层至少有一条边延伸出空腔外，与其他谐振器互联组成滤波器时，可有效减小寄生电容。

图6为本发明的实施例的薄膜体声波谐振器的仿真smith圆图，圆图下半区表示谐振器阻抗表现为容性，图中显示下半区曲线光滑表明了寄生电容得到有效抑制，如图7的寄生效应明显的对照组所示，若下半区呈曲折状、卷曲状则表明寄生效应明显。

本发明提出了一种薄膜体声波谐振器的腔体结构及制作工艺，通过衬底、支撑层和底电极层包围着空腔，使支撑层悬置在空腔上设置有延伸部分，底电极层架设在支撑层的延伸部分上。并且顶电极层在衬底上的投影区域的部分位于支撑层的延伸部分的范围。因此大大抑制了薄膜体声波谐振器的寄生电容，可以有效提高器件的机械稳定性，减小膜层的应力变化对器件的谐振性能的影响，可以有效提高谐振器的谐振性能。还可以使纵波达到支撑层边界时与空气界面形成全反射，有效减小纵波在底电极层边缘区域的损耗。

以上描述了本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

在本申请的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“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，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。措词‘包括’并不排除在权利要求未列出的元件或步骤的存在。元件前面的措词‘一’或‘一个’并不排除多个这样的元件的存在。在相互不同从属权利要求中记载某些措施的简单事实不表明这些措施的组合不能被用于改进。在权利要求中的任何参考符号不应当被解释为限制范围。