一种体声波谐振器的空腔结构及制作工艺的制作方法

本申请涉及通信器件领域，主要涉及一种体声波谐振器的空腔结构及制作工艺。

背景技术：

随着电磁频谱的日益拥挤、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是由上下电极和夹在电极之间的压电层组成的基本结构。压电层可实现电能与机械能的转换。当上下电极施加电场时，压电层将电能转换为机械能，机械能宏观上则以声波的形式存在；声波在上下电极之间来回反射，形成振荡，振荡的声波会激励起射频信号，此时完成机械能转换电能。因而压电层是体声波产生的主要场所，其性质影响谐振器性能。如图1所示，压电层材料的应力变化会导致压电层机电耦合系数的变化，使谐振器组成的滤波器带宽发生变化，从而导致器件性能的差异，因此应力的控制变得非常关键。压电层的应力在空腔释放过程中可能会受到影响。

在现有技术中会因为释放孔的制作破坏压电层应力一致性而削弱谐振器性能，有的谐振器的空腔是在衬底上挖槽后释放牺牲层制成，相对衬底呈“凹”型结构，此时释放牺牲层需要在电极层和压电层上制作释放孔，因此会影响压电层的应力变化。另外还可以在空腔内侧外围制作释放孔而达到释放空腔的目的，但是释放孔会破坏空腔上部的外围压电层结构，而且该谐振器结构的空腔支撑层材料为sin，因此需要选择选择比高的si做牺牲层，进一步释放空腔时湿法工艺的碱性si释放药液易损伤压电层。

有鉴于此，设计出一种新型的空腔结构来解决因释放孔的制作破坏压电层应力一致性等问题是非常具有意义的。

技术实现要素：

针对上述提到的现有的体声波谐振器结构因释放孔的制作破坏压电层应力一致性而削弱谐振器性能等问题。本申请提出了一种体声波谐振器的空腔结构及制作工艺来解决上述存在的问题。

在第一方面，本申请的实施例中提出了一种体声波谐振器的空腔结构，包括衬底以及形成在衬底上的空腔，衬底上设置有支撑层以包围形成空腔，在衬底上方与空腔同层形成有连通空腔的释放通道，释放通道平行于衬底在空腔周围延伸。

在一些实施例中，释放通道包括从空腔向外延伸的第一释放通道以及在多个谐振器的空腔之间延伸以连通第一释放通道的第二释放通道。第一释放通道和第二释放通道在多个谐振器的空腔周围纵横交错以保证释放药液可以从第一释放通道、第二释放通道流通到空腔中将牺牲材料快速牺牲掉，并且可以保证不会影响到压电层的应力一致性。交错的释放通道可依谐振器的分布位置设计，此时无需制作释放孔还可以简化了谐振器的制作工艺。

在一些实施例中，第一释放通道和/或第二释放通道在衬底上的投影形状包括梯形、弧形或直方形。通过改变电极层周围的第一释放通道和/或第二释放通道的形状，从而调节覆盖在第一释放通道和/或第二释放通道上方的压电层的应力情况，并能有效改善谐振器的性能。

在一些实施例中，在多个谐振器连接形成的滤波器的外部周围的衬底上形成与释放通道连通的凹槽。凹槽可以连通所有的释放通道，从而避免了制作释放孔(aln膜层上开孔)时使电极层周围的压电层结构遭受破坏使谐振器性能削弱。

在一些实施例中，凹槽为顶部没有任何薄膜覆盖的沟道。释放药液可以直接从凹槽中注入再从释放通道里面流通进入空腔。

第二方面，本申请的实施例还提出了一种体声波谐振器，谐振器包括覆盖在空腔上方依次层叠形成的底电极层、压电层和顶电极层，其中底电极层架设在支撑层上，还包括第一方面提到的空腔结构。

在一些实施例中，释放通道为在衬底与压电层之间延伸的通道。释放通道在衬底与压电层之间延伸，空腔也是形成在衬底上，因此可以通过释放药液的流动性流通到各个释放通道和空腔内。

在一些实施例中，在远离谐振器的底电极层和顶电极层的区域设置有释放孔，释放孔至少与一个释放通道连通。释放孔可以提高空腔的释放效率，使空腔更快地被释放干净，并且在远离谐振器的底电极层和顶电极层，不会对电极层周围的压电层的应力造成影响。

第三方面，本申请的实施例中还提出了一种体声波谐振器的空腔结构的制作工艺，包括以下步骤：

s1，在衬底上制作具有图形化的支撑层，以形成被支撑层包围的空腔以及在衬底上方与空腔同层形成有连通空腔的释放通道，释放通道平行于衬底在空腔周围延伸；

s2，利用牺牲材料填平空腔和释放通道；

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并覆盖空腔；

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。

在一些实施例中，释放通道包括从空腔向外延伸的第一释放通道以及在多个谐振器的空腔之间延伸以连通第一释放通道的第二释放通道。

在一些实施例中，第一释放通道和/或第二释放通道在衬底上的投影形状包括梯形、弧形或直方形。通过改变电极层周围的第一释放通道和/或第二释放通道的形状，从而调节覆盖在第一释放通道和/或第二释放通道上方的压电层的应力情况，并能有效改善谐振器的性能。

在一些实施例中，步骤s1还包括将多个谐振器连接形成的滤波器的外部周围的支撑层进行图形化以形成与释放通道连通的凹槽。凹槽可以连通所有的释放通道，从而避免了制作释放孔(aln膜层上开孔)时使电极层周围的压电层结构遭受破坏而使谐振器性能削弱。

在一些实施例中，步骤s2还包括利用牺牲材料填平凹槽。凹槽的形成与释放通道和空腔在同一个步骤中形成并同时利用牺牲材料进行填充，因此制作工艺上进行简化，通过填充一次牺牲材料就可以实现凹槽、释放通道和空腔的填平。

在一些实施例中，步骤s1具体包括：通过pvd工艺在衬底上沉积支撑层，并通过光刻和蚀刻工艺将支撑层进行图形化。支撑层的材料可以选择si，通过此工艺在衬底上方沉积支撑层以图形化形成凹槽、释放通道和空腔。

在一些实施例中，步骤s1具体包括：通过蚀刻工艺在衬底上形成图形化的支撑层。通过此工艺直接在衬底上进行蚀刻以图形化形成凹槽、释放通道和空腔，不需要沉积工艺，工艺上更加简化。

在一些实施例中，s2中通过抛光步骤使牺牲材料的表面与支撑层的表面平齐。抛光步骤包括化学机械抛光，抛光后可以使牺牲材料与支撑层的表面平坦化，可以有效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，s5还包括，在远离谐振器的底电极层和顶电极层的区域位置上的支撑层和压电层上制作释放孔，释放孔向下延伸到衬底并且至少与一个释放通道连通。释放孔可以提高空腔的释放效率，使空腔更快地被释放干净，并且远离谐振器的底电极层和顶电极层，不会对电极层周围的压电层的应力造成影响。

在一些实施例中，凹槽为顶部没有任何薄膜覆盖的沟道，释放通道为在衬底与压电层之间延伸的通道。释放药液可以直接从凹槽中注入在释放通道里面流通进入空腔。

本发明公开了一种体声波谐振器的空腔结构及制作工艺，通过在支撑层上制作连通空腔的释放通道，并在由多个谐振器连接形成的滤波器的外部周围设置有连接释放通道的凹槽，其中，交错的释放通道可依谐振器的分布位置设计。此外，无需做释放孔简化了谐振器的制作工艺，从而避免了制作释放孔(aln膜层上开孔)时使电极层周围的压电层结构遭受破坏而带来的谐振器性能削弱。并且可以设计电极层周围的释放通道的形状，调节电极层周围的压电层应力可以达到改善谐振器性能的效果。因此既能在不破坏压电层结构的前提下完成空腔释放，又能通过空腔结构设计调节压电层应力。谐振器之间电性连接的电极设置在支撑层、压电层以及释放通道上。通过此释放通道的设置，在一定程度上可释放电极层的应力，使得电信号正常传输。

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示出了现有技术中压电薄膜不同区域应力不同导致的性能差异图；

图2示出了根据本发明的实施例的体声波谐振器的空腔结构以及体声波谐振器的俯视图；

图3a和3b示出了根据本发明的实施例的图2中a1-a2方向体声波谐振器并联或串联的截面图；

图4a和4b示出了根据本发明的实施例的图2中b1-b2方向体声波谐振器并联或串联的截面图；

图5示出了根据本发明的实施例的体声波谐振器的空腔结构的制作工艺的流程图；

图6a-6h示出了根据本发明的实施例的体声波谐振器的空腔结构的制作工艺的结构示意图。

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。

本申请的实施例提出了一种体声波谐振器的空腔结构，图2为体声波谐振器的俯视图，该空腔结构包括衬底、形成在衬底上的空腔201，衬底上设置有支撑层以包围形成空腔201，在衬底上方与空腔201同层形成有连通空腔201的释放通道401，释放通道401平行于衬底在空腔201周围延伸。并且相对应的，本申请的实施例还提出了一种体声波谐振器，如图3a所示，该谐振器包括覆盖在空腔201上方依次层叠形成的底电极层601、压电层701和顶电极层801，其中底电极层601架设在支撑层301上，还包括以上的空腔结构。在优选的实施例中，衬底101的材料包括si、sic、蓝宝石、尖晶石等，支撑层301的材料包括si。在空腔201周围纵横交错并连通到空腔201的释放通道401可以用于释放空腔201中的牺牲材料，并且不会影响到谐振器的电极层周围的压电层701应力，由此可以改善谐振器的性能，避免了常规工艺中制作释放孔(aln膜层上开孔)时使电极层周围的压电层701结构遭受破坏使谐振器性能削弱。牺牲材料用的释放药液可以从释放通道401流入空腔201，对空腔201进行释放。

在具体的实施例中，释放通道401包括从空腔201向外延伸的第一释放通道402以及在多个谐振器的空腔201之间延伸以连通第一释放通道402的第二释放通道403。第一释放通道402和第二释放通道403在多个谐振器的空腔201周围纵横交错以保证释放药液可以在从第一释放通道402、第二释放通道403流通到空腔201中将牺牲材料快速牺牲掉，并且可以保证不会影响到压电层701的应力一致性。在优选的实施例中，交错的释放通道401可依谐振器的分布位置设计，此时无需制作释放孔还可以简化了谐振器的制作工艺。

在具体的实施例中，第一释放通道402和/或第二释放通道403在衬底101上的投影形状包括梯形、弧形或直方形。此投影形状从俯视图的角度上看，包括但不限制于梯形、弧形或直方形。通过改变电极层周围的第一释放通道402和/或第二释放通道403的形状，从而调节覆盖在第一释放通道402和/或第二释放通道403上方的压电层701的应力情况，并能有效改善谐振器的性能。因为电极层周围的压电层701的应力会影响到空腔201上部的谐振区域，因此调节电极层周围的压电层701应力可以达到改善谐振器性能的效果。

在具体的实施例中，滤波器是由多个谐振器连接形成的，滤波器的外部周围的衬底101上形成与释放通道401连通的凹槽501。所有的释放通道401的一端的最后可以连通凹槽501，另一端的最后可以连通空腔201，从而避免了制作释放孔(aln膜层上开孔)时使电极层周围的压电层701结构遭受破坏使谐振器性能削弱。在优选的实施例中，凹槽501为顶部没有任何薄膜覆盖的沟道。释放药液可以直接从凹槽501中注入再从释放通道401里面流通进入空腔201，因此本发明可以不在电极层周围做释放孔就能通过内部交错的释放通道401和凹槽501连通进行空腔201的释放。在其他实施例中，也可以选择除凹槽501以外其他的方式，将释放药液注入释放通道401中，以完成空腔201的释放。

在具体的实施例中，释放通道401为在衬底101与压电层701之间延伸的通道。区别于现有技术中使用纵向穿过电极层和压电层延伸到衬底的释放孔，释放通道401在衬底101与压电层701之间进行横向延伸，因此可以使释放药液在释放通道401中流通。另外，空腔201也是形成在衬底101上，此时释放通道401的底面和空腔201的底面持平，因此通过释放药液的流动性可以更加快速方便地流通到各个释放通道401和空腔201内。

在具体的实施例中，如图2所示，在远离谐振器的底电极层和顶电极层的区域设置有释放孔901，释放孔901至少与一个释放通道401连通。在面对具有太多纵横交错的释放通道401时，增加释放孔901，通过在释放孔901中注入释放药液可以提高空腔201的释放效率，使空腔201更快地被释放干净。并且此时释放孔901在远离谐振器的底电极层和顶电极层的区域，不会对电极层周围的压电层的应力造成影响，从而削弱谐振器的性能。在优选的实施例中，释放孔901与谐振器的底电极层和顶电极层的距离大于等于5μm。在该距离下制作出来的释放孔901不会影响到电极层周围的压电层的应力情况。

在具体的实施例中，如图2所示，在谐振器的周围的支撑层和压电层上设置有第一电极连接部1001。通过第一电极连接部1001可以将谐振器与外部电连接起来。在此情况下，第一电极连接部1001的顶部与谐振器的顶部保持平齐。另外，在谐振器的周围的衬底上设置有第二电极连接部1002，第二电极连接部1002从压电层701向衬底延伸形成台阶状。台阶状的第二电极连接部1002使得与外部电连接更加方便，外部连接时可以在台阶状的位置进行定位准确，提高定位的准确度。而且第二电极连接部1002下方的衬底与凹槽501底部的衬底连通，可以进行同时蚀刻第二电极连接部1002下方的支撑层和压电层以与凹槽501同时形成。在第一连接部1001和第二连接部1002上都可以做植球工艺，用于后续器件封装。谐振器之间电性连接的电极设置在支撑层、压电层以及释放通道上。通过此释放通道401的设置，在一定程度上可释放电极层的应力，使得电信号正常传输。

当谐振器制作成互联结构时，当两个谐振器连接的中间部分没有释放通道时，如图2所示的a1-a2处的截面图为图3a和图3b，其中图3a为谐振器并联的情况，图3b为谐振器串联的情况，如图3a和图3b所示，凹槽501和空腔201在同层形成。当两个谐振器连接的中间部分存在释放通道时，如图2所示的b1-b2处的截面图为图4a和图4b，其中图4a为谐振器并联的情况，图4b为谐振器串联的情况，如图4a和图4b所示，凹槽501、空腔201和第二释放通道403也是同层形成的。

与上面的实施例提出的体声波谐振器的空腔结构相对应的，本申请的实施例中还提出了一种体声波谐振器的空腔结构的制作工艺，如图5所示，包括以下步骤：

s1，在衬底上制作具有图形化的支撑层，以形成被支撑层包围的空腔以及在衬底上方与空腔同层形成有连通空腔的释放通道，释放通道平行于衬底在空腔周围延伸。

s2，利用牺牲材料填平空腔和释放通道；

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并覆盖空腔；

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。

在具体的实施例中，图6a-6h和3a所示为体声波谐振器的空腔结构的制作工艺的结构示意图。步骤s1还包括将多个谐振器连接形成的滤波器的外部周围的支撑层301进行图形化以形成与释放通道401连通的凹槽501。凹槽501可以连通所有的释放通道401，从而避免了制作释放孔(aln膜层上开孔)时使电极层周围的压电层701结构遭受破坏使谐振器性能削弱。在其他实施例中，也可以选择除凹槽501以外其他的方式，将释放药液注入释放通道401中，以完成空腔201的释放。

在其中一个实施例中，如图6a和6b所示，步骤s1具体包括：通过pvd工艺在衬底101上沉积支撑层301，并通过光刻和蚀刻工艺将支撑层301进行图形化。支撑层301的材料可以选择si，其中，衬底101的材料包括si/sic/蓝宝石/尖晶石等，pvd生长支撑层301的厚度为1.5-3μm。通过此工艺在衬底101上方沉积支撑层301以图形化形成凹槽501、释放通道401和空腔201。本发明的实施例选用si作支撑层301，psg作牺牲材料，选用hf或boe作牺牲材料的蚀刻剂(释放药液)，选材上不会对电极层和压电层701造成影响，且工艺简单、材料普遍化且相对廉价，因此工艺上具有更高的性价比和工艺兼容性。在另外一个实施例中，如图6c所示，步骤s1具体包括：通过蚀刻工艺在衬底101上形成图形化的支撑层301’。由于通过此工艺直接在衬底101上进行蚀刻以图形化形成凹槽501、释放通道401和空腔201，不需要沉积工艺，工艺上更加简化。而本发明的实施例衬底101的材料可以选择si，因此对si进行蚀刻可以形成同样材料为si的支撑层301’，此时选择psg作牺牲材料，选用hf或boe作牺牲材料的蚀刻剂(释放药液)，选材上不会对电极层和压电层701造成影响，且工艺简单、材料普遍化且相对廉价，因此工艺上具有更高的性价比和工艺兼容性。

在步骤s2中，如图6d所示，在凹槽501、释放通道401和空腔201中生长牺牲材料202，随后进行cmp(化学机械抛光)磨平。其中，牺牲材料202为psg(掺杂p的sio2)，在空腔201周围纵横交错并连通到空腔201的释放通道401可以用于释放空腔201中的牺牲材料202，并且不会影响到谐振器的电极层周围的压电层701应力，由此可以改善谐振器的性能，避免了常规工艺中制作释放孔(aln膜层上开孔)时使电极层周围的压电层701结构遭受破坏使谐振器性能削弱。牺牲材料202用的释放药液可以从释放通道401流入空腔201，对空腔201进行释放。

在具体的实施例中，释放通道401包括从空腔201向外延伸的第一释放通道402以及在多个谐振器的空腔201之间延伸以连通第一释放通道402的第二释放通道403。第一释放通道402和第二释放通道403在多个谐振器的空腔201周围纵横交错以保证释放药液可以从第一释放通道402、第二释放通道403流通到空腔201中将牺牲材料202快速牺牲掉，并且可以保证不会影响到压电层701的应力一致性。在优选的实施例中，交错的释放通道401可依谐振器的分布位置设计，此时无需制作释放孔还可以简化了谐振器的制作工艺。

在具体的实施例中，第一释放通道402和/或第二释放通道403在衬底101上的投影形状包括梯形、弧形或直方形。此投影形状从俯视图的角度上看，包括但不限制于梯形、弧形或直方形。通过改变电极层周围的第一释放通道402和/或第二释放通道403的形状，从而调节覆盖在第一释放通道402和/或第二释放通道403上方的压电层701的应力情况，并能有效改善谐振器的性能。因为电极层周围的压电层701的应力会影响到空腔201上部的谐振区域，因此调节电极层周围的压电层701应力可以达到改善谐振器性能的效果。

在具体的实施例中，滤波器是由多个谐振器连接形成的，滤波器的外部周围的支撑层301上形成与释放通道401连通的凹槽501。所有的释放通道401的一端的最后可以连通凹槽501，另一端的最后可以连通空腔201，从而避免了制作释放孔(aln膜层上开孔)时使电极层周围的压电层701结构遭受破坏使谐振器性能削弱。在优选的实施例中，凹槽501为顶部没有任何薄膜覆盖的沟道。释放药液可以直接从凹槽501中注入再从释放通道401里面流通进入空腔201，因此本发明可以不在电极层周围做释放孔就能通过内部交错的释放通道401和凹槽501连通进行空腔201的释放。

在具体的实施例中，释放通道401为在衬底101与压电层701之间延伸的通道。相区别于现有技术中使用纵向穿过电极层和压电层延伸到衬底的释放孔，释放通道401在衬底101与压电层701之间进行横向延伸，因此可以使释放药液在释放通道401中流通。另外，空腔201也是形成在衬底101上，此时释放通道401的底面和空腔201的底面持平，因此通过释放药液的流动性可以更加快速方便地流通到各个释放通道401和空腔201内。

在具体的实施例中，如图6e所示，依次采用pvd、光刻与蚀刻工艺制作底电极层601。其中，底电极层601的材料包括mo。如图6f所示，依次采用pvd、光刻与蚀刻工艺制作压电层701。其中，压电层701的材料包括aln，压电层的蚀刻区域为凹槽501上方所在的区域，如图6g所示。如图6h所示，依次采用pvd、光刻与蚀刻工艺制作顶电极层801。其中，顶电极层801的材料包括mo。

在具体的实施例中，s5还包括，在远离谐振器的底电极层601和顶电极层801的区域位置上的支撑层301和压电层701上制作释放孔901，释放孔901向下延伸到衬底101并且至少与一个释放通道401连通。在面对具有太多纵横交错的释放通道401时，增加释放孔901，通过在释放孔901中注入释放药液可以提高空腔201的释放效率，使空腔201更快地被释放干净。并且此时释放孔901在远离谐振器的底电极层601和顶电极层801的区域，不会对电极层周围的压电层701的应力造成影响，从而削弱谐振器的性能。在优选的实施例中，释放孔901与谐振器的底电极层601和顶电极层801的距离大于等于5μm。在该距离下制作出来的释放孔901不会影响到电极层周围的压电层701的应力情况。

最后，如图3a所示，通过在凹槽501或释放孔901中加入释放药液，释放药液流入释放通道401，最后流入空腔201完成空腔201的释放。

本发明公开了一种体声波谐振器的空腔结构及制作工艺，通过在支撑层上制作连通空腔的释放通道，并在由多个谐振器连接形成的滤波器的外部周围设置有连接释放通道的凹槽，其中，交错的释放通道可依谐振器的分布位置设计。此外，无需做释放孔简化了谐振器的制作工艺，从而避免了制作释放孔(aln膜层上开孔)时使电极层周围的压电层结构遭受破坏而带来的谐振器性能削弱。并且可以设计电极层周围的释放通道的形状，调节电极层周围的压电层应力可以达到改善谐振器性能的效果。因此既能在不破坏压电层结构的前提下完成空腔释放，又能通过空腔结构设计调节压电层应力。

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。