薄膜体声波谐振器及其制作方法、滤波器与流程

本公开属于无线通讯技术领域，更具体地涉及一种薄膜体声波谐振器及其制作方法、滤波器。

背景技术：

随着无线通讯技术的发展，人们对于数据传输速度的要求也越来越高，频谱资源越来越拥挤。为了满足人们对数据率的需求，必须充分利用频谱，因此一部手机必须能够覆盖很宽的频带范围，这样在人群拥挤的情况下不同人的设备才能够分配到足够的频谱带宽。同时，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，因此对于射频系统的各种性能也提出了严格的需求。

射频滤波器作为射频前端模块中的重要组成部分，可以将通信频谱外的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。随着通信协议的复杂，对滤波器的性能要求越来越高、滤波器的设计越来愈有挑战性。另外，随着手机需要支持的频带数目不断上升，由于每一个频带都需要有自己的滤波器，因此一款手机中需要用到的滤波器数量也在不断上升。通常现有一款4g手机中的需要用到的滤波器数量可达30余个。

目前，射频滤波器最主流的实现方式是声表面波(saw：surfaceacousticwave)器件和体声波(baw：bulkacousticwave)器件。

saw由于其结构简单，制作成本低而得到了广泛的应用。但因其工作频率与电极线宽成反比，在工作频率超过2ghz时，其电极线宽将会小于0.5um，这会导致saw器件品质因数和功率承受能力下降，因此，saw器件不适用于高频应用。

baw滤波器不同于saw滤波器，baw滤波器内的声波垂直传播，其频率与薄膜的厚度成反比，理论上可以满足20ghz以内的通讯要求。因此，随着4g的普及以及5g的试运行，baw滤波器的应用将会越来越广泛。

体声波谐振器是组成体声波滤波器的基本组件，通过将不同的体声波谐振器级联，就可以制作成不同性能的体声波滤波器，以满足不同的市场需求。

qorvo美国公司利用多层薄膜制作布拉格反射层，在布拉格反射层上方制作体声波谐振器。通过布拉格反射层将声波能量限制在器件结构中。该方法一方面需要增加多层薄膜工艺，工艺复杂度高，设计难度大，另一方面会有少量声波能量泄露进入衬底，从而影响器件的品质因数q。

us7802349b2美国专利提出了一种使用牺牲材料形成空腔制作空气隙型体声波谐振器的方法。该方法需要引入化学机械抛光(cmp：chemicalmechanicalpolish)技术和牺牲层释放技术，工艺复杂度高，材料的选择具有局限性，并且会影响器件的可靠性。

cn104767500a中国发明专利提出了一种使用制备衬底形成空腔制作空气隙型体声波谐振器的方法。该方法需要利用临时键合工艺，对衬底材料选择具有局限性，制作工艺复杂，并且在薄膜转移过程中可能会损坏器件结构，从而影响良率。

总的来说，现有技术主要存在以下技术缺陷：

(1)在制作过程中，需要采用cmp技术，工艺复杂、设备昂贵、制作成本高。

(2)牺牲材料释放工艺要求衬底及器件所用的材料必须不溶于释放化学药液中。

(3)牺牲材料释放过程会导致器件长时间暴露在化学药液中，影响器件可靠性。

(4)制作布拉格反射层工艺复杂、成本高、设计难度大，且有声波泄露，器件品质因数无法进一步提高。

技术实现要素：

(一)要解决的技术问题

基于以上问题，本公开的目的在于提出一种薄膜体声波谐振器及其制作方法、滤波器，用于解决以上技术问题的至少之一。

(二)技术方案

为了达到上述目的，作为本公开的一个方面，提供了一种薄膜体声波谐振器，包括：

第一衬底和形成于该第一衬底上的压电堆叠结构，该压电堆叠结构具有一第一接触孔和一第二接触孔；以及

第二衬底，其具有一第一凸部和一第二凸部；

其中，所述第二衬底的第一凸部和第二凸部分别与所述压电堆叠结构的第一接触孔和第二接触孔键合，且在所述第二衬底和压电堆叠结构之间形成第一空气腔。

在一些实施例中，所述第一凸部与所述第一接触孔对应，第二凸部与所述第二接触孔对应，所述第一凸部和第二凸部的高度分别大于所述第一接触孔和第二接触孔的深度。

在一些实施例中，在所述第一衬底上形成有第二空气腔，该第二空气腔与第一空气腔位置相对；

在所述第二空气腔两侧分别形成有第三接触孔、第四接触孔，该第三接触孔与所述第一接触孔位置相对，第四接触孔与所述第二接触孔位置相对；

在所述第三接触孔处形成有第一焊盘，在所述第四接触孔处形成有第二焊盘。

在一些实施例中，所述压电堆叠结构包括：第一电极、形成于该第一电极上的压电层、以及形成于该压电层上的第二电极；

所述第一凸部与所述第一接触孔键合，经所述第一接触孔与所述第二电极的第一表面接触，所述第二凸部与所述第二接触孔键合，经所述第二接触孔与所述第一电极的第一表面接触；

所述第一焊盘经所述第三接触孔与所述第二电极的第二表面接触，所述第二焊盘经所述第四接触孔与所述第一电极的第二表面接触；

所述第一电极的所述第一表面和所述第一电极的第二表面相对，所述第二电极的所述第一表面和所述第二电极的第二表面相对；

所述第二空气腔位于所述第一衬底上、与所述压电堆叠结构中第一电极和第二电极重叠区域相对，并且所述第二空气腔面积大于或等于所述重叠区域的面积。

在一些实施例中，所述第一衬底、第二衬底的材质为硅、soi、玻璃、蓝宝石、碳化硅、gaas、gan、linbo3或litao3；

所述薄膜体声波谐振器还包括在第一衬底上的隔离层，该隔离层的材质为sio2、si3n4、氮氧化硅或aln中的一种或多种组合；

所述第一电极、第二电极的材质为mo、w、al、cu、ir、ru、si中的一种或多种组合；

所述压电薄膜的材质为石英、aln、zno、pzt、linbo3、litao3及其组合，或者为掺杂有稀土元素的石英、aln、zno、pzt、linbo3、litao3及其组合；

所述薄膜体声波谐振器还包括在第二电极上的钝化层，该钝化层的材质为sio2、si3n4、氮氧化硅、aln或al2o3。

根据本公开的另一个方面，提供了一种薄膜体声波谐振器的制作方法，包括：

在第一衬底上形成具有一第一接触孔和一第二接触孔的压电堆叠结构；

在第二衬底上形成一第一凸部和一第二凸部；以及

将所述第二衬底的第一凸部和第二凸部分别与所述压电堆叠结构的第一接触孔和第二接触孔对准并键合，且在所述第二衬底和压电堆叠结构之间形成第一空气腔。

在一些实施例中，所述第一凸部与所述第一接触孔对应，第二凸部与所述第二接触孔对应，所述第一凸部和第二凸部的高度分别大于所述第一接触孔和第二接触孔的深度。

在一些实施例中，所述的薄膜体声波谐振器的制作方法还包括：

在所述第一衬底上形成第二空气腔，该第二空气腔与第一空气腔位置相对；

在所述第二空气腔两侧分别形成第三接触孔、第四接触孔，该第三接触孔与所述第一接触孔位置相对，第四接触孔与所述第二接触孔位置相对；

在所述第三接触孔处形成第一焊盘，在所述第四接触孔处形成第二焊盘。

在一些实施例中，在第一衬底上形成具有一第一接触孔和一第二接触孔的压电堆叠结构的步骤包括：

提供第一衬底；

在所述第一衬底上形成隔离层；

在所述隔离层上形成第一电极；

在所述第一电极上形成压电层，刻蚀所述压电层形成所述第一接触孔和第二接触孔；

在所述压电层上形成第二电极，刻蚀所述第二电极以暴露所述第二接触孔；以及

在所述第二电极上形成钝化层，刻蚀所述钝化层以暴露所述第一接触孔和第二接触孔；

在第二衬底上形成一第一凸部和一第二凸部的步骤包括：

提供一第二衬底，以及

刻蚀所述第二衬底形成所述第一凸部和第二凸部。

根据本公开的另一个方面，提供了一种滤波器，其包括级联的多个所述薄膜体声波谐振器。

(三)有益效果

(1)本公开薄膜体声波谐振器及其制作方法、滤波器，避免了复杂的cmp工艺，降低了器件制作难度。

(2)避免了牺牲材料释放工艺，使体声波谐振器的制作材料选择范围更宽，降低了生产成本。

(3)避免了器件长时间暴露在化学药液中，提升了体声波谐振器的可靠性，同时减少了化学药液对环境的危害。

(4)所述体声波谐振器第一电极、压电层及第二电极之间的重叠区域(体声波谐振器工作的有效区)可以全部位于空气腔之内，不与任何衬底接触，减少了声波能量的泄露，提升了体声波谐振器的品质因数。

附图说明

图1为本公开薄膜体声波谐振器结构示意图。

图2为本公开滤波器结构示意图。

图3-9为本公开薄膜体声波谐振器制作过程示意图。

<符号说明>

1-第一衬底，2-隔离层，3-第一电极，4-压电层，5-第二电极，6-钝化层，7-第二衬底、8-第一焊盘、9-第一接触孔、10-第二接触孔、11-第一凸部、12-第二凸部、13-第一空气腔、14-第二空气腔、15-第三接触孔、16-第四接触孔、17-第二焊盘、18-薄膜体声波谐振器。

具体实施方式

为使本公开的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本公开作进一步的详细说明。

本公开提供了一种薄膜体声波谐振器，如图1所示，该薄膜体声波谐振器，包括：

第一衬底1和形成于该第一衬底上的压电堆叠结构，该压电堆叠结构具有一第一接触孔9和一第二接触孔10；以及

第二衬底7，其具有一第一凸部11和一第二凸部12；

其中，所述第二衬底的第一凸部和第二凸部分别与所述压电堆叠结构的第一接触孔和第二接触孔键合，且在所述第二衬底和压电堆叠结构之间形成第一空气腔13。

进一步的，所述第一凸部与所述第一接触孔对应，第二凸部与所述第二接触孔对应，所述第一凸部的高度大于所述第一接触孔的深度，所述第二凸部的高度大于所述第二接触孔的深度。

在所述第一衬底上形成有第二空气腔14，该第二空气腔与第一空气腔位置相对；优选的，所述第二空气腔位于第一衬底上，与所述压电堆叠结构中第一电极和第二电极重叠区域相对，并且所述第二空气腔面积大于或等于所述重叠区域的面积。在所述第二空气腔两侧分别形成有第三接触孔15、第四接触孔16，该第三接触孔与所述第一接触孔位置相对，第四接触孔与所述第二接触孔位置相对；在所述第三接触孔处形成有第一焊盘8，在所述第四接触孔处形成有第二焊盘17。

所述压电堆叠结构包括：第一电极3、形成于该第一电极上的压电层4、以及形成于该压电层上的第二电极5；第一电极、压电层、第二电极三者形成类三明治结构，这三层与所述一空腔的重叠区域为谐振器的有效区(activearea)。可选的，所述压电堆叠结构还包括：隔离层2和钝化层6，所述第一电极3形成于该隔离层上，所述钝化层6形成于该第二电极上。

所述第一凸部与所述第一接触孔键合，经所述第一接触孔与所述第二电极的第一表面接触，所述第二凸部与所述第二接触孔键合，经所述第二接触孔与所述第一电极的第一表面接触；所述第一焊盘经所述第三接触孔与所述第二电极的第二表面接触，所述第二焊盘经所述第四接触孔与所述第一电极的第二表面接触；所述第一电极的所述第一表面和所述第一电极的第二表面相对，所述第二电极的所述第一表面和所述第二电极的第二表面相对。

此外，所述薄膜体声波谐振器还可包括形成于所述第二衬底上的电子元器件，该电子元器件可包括电容单元、电感单元或其他具有独立功能的电子元器件。

本公开通过键合的方式将直接制作在衬底上的体声波谐振器结构固定在一个空气腔内，再通过背面刻蚀工艺，将体声波谐振器的另一侧衬底部分移除，在体声波谐振器的上下界面均形成空气界面。

具体而言，所述第一衬底、第二衬底材质可以为硅、soi、玻璃、蓝宝石、碳化硅、gaas、gan、linbo3、litao3等。

所述隔离层的材质可以为sio2、si3n4、氮氧化硅、aln等。

所述第一电极可以为mo、w、al、cu、ir、ru、si中的一种或多种材质形成的复合结构。

所述压电薄膜的材质为石英、aln、zno、pzt、linbo3、litao3及其组合，或者为掺杂有稀土元素的石英、aln、zno、pzt、linbo3、litao3及其组合。

所述第二电极的材质可以为mo、w、al、cu、ir、ru、si中的一种或多种复合结构，可以与第一电极用相同的材料，也可以用不同的材料。

所述钝化层的材质可以为sio2、si3n4、氮氧化硅、aln、al2o3等。

所述焊盘可以为al、cu、au、ti、ni、ag、w、tiw等中的一种或多种复合结构。

本公开还提供了一种滤波器，如图2所示，其包括级联的多个所述薄膜体声波谐振器18，所述多个所述薄膜体声波谐振器的至少其中之一在串联支路，至少其中之一在并联支路。

此外，本公开还提供了一种薄膜体声波谐振器的制作方法，包括：

在第一衬底上形成具有一第一接触孔和一第二接触孔的压电堆叠结构；

在第二衬底上形成一第一凸部和一第二凸部；以及

键合所述第二衬底的第一凸部和第二凸部与所述压电堆叠结构的第一接触孔和第二接触孔，且在所述第二衬底和压电堆叠结构之间形成第一空气腔。

进一步的，所述薄膜体声波谐振器的制作方法在键合的步骤之后还可包括：在所述第一衬底的背表面刻蚀掉部分第一衬底，由此形成第三接触孔、第四接触孔和第二空气腔(第三接触孔和第四接触孔分别形成于第二空气腔的两侧)；第三接触孔与压电堆叠结构的第二电极接触，第四接触孔与压电堆叠结构的第一电极接触，第二空气腔位于压电堆叠结构中第一电极和第二电极重叠区域的下方，并且面积大于等于第一电极和第二电极重叠区域的面积。

其中，在第一衬底上形成具有一第一接触孔和一第二接触孔的压电堆叠结构的步骤包括：

提供第一衬底；

在所述第一衬底上形成隔离层；

在所述隔离层上形成第一电极；

在所述第一电极上形成压电层，刻蚀所述压电层形成所述第一接触孔和第二接触孔；

在所述压电层上形成第二电极，刻蚀所述第二电极以暴露所述第二接触孔；以及

在所述第二电极上形成钝化层，刻蚀所述钝化层以暴露所述第一接触孔和第二接触孔。

可选的，在第一接触孔和第二接触孔位置形成用于键合的材料。

此外，在第二衬底上形成一第一凸部和一第二凸部的步骤包括：

提供一第二衬底，以及

刻蚀所述第二衬底形成所述第一凸部和第二凸部。

可选的，在第一凸部和第二凸部上形成用于键合的材料。

以下结合附图3-9详细介绍本公开薄膜体声波谐振器的制作过程。所述薄膜体声波谐振器的制作方法具体包括如下步骤：

s1，制作隔离层、第一电极，其包括以下子步骤：

s11，在第一衬底1上沉积一层隔离层2；其中，所述隔离层2完整覆盖所述第一衬底1的前表面。

s12，在所述隔离层2上沉积一层第一电极3；其中，所述第一电极3部分覆盖所述隔离层2，如图3所示。具体的，在所述隔离层2之上先生长一层金属，然后将该层金属刻蚀成第一电极3，可采用溅射、光刻、刻蚀等工艺形成。

s2，制作压电层：

具体的，在所述第一电极3上先沉积一层压电材料，然后将该层压电材料刻蚀成压电层4，如图4所示。其中，刻蚀所述压电材料从而形成具有一第一接触孔9和一第二接触孔10的压电层。此时，在第一接触孔处，刻蚀终止于所述隔离层的前表面；在第二接触孔处，刻蚀终止于所述第一电极的第一表面(即前表面)。

s3，制作第二电极、钝化层，其包括以下子步骤：

s31，在所述压电层4上先生长一层金属，然后将该层金属刻蚀成第二电极5，刻蚀所述第二电极以暴露所述第二接触孔，可采用沉积、光刻、刻蚀等工艺。

s32，在所述第二电极5上先沉积一层钝化层6，然后刻蚀钝化层暴露出第一接触孔和第二接触孔，可采用沉积、光刻、刻蚀等工艺。所述钝化层6未覆盖所述第一接触孔及所述第二接触孔位置，如图5所示。

s4，制作第二衬底7，具体的，刻蚀所述第二衬底7形成第一凸部11和第二凸部12，如图6所示。

s5，将第一衬底1与第二衬底7键合，以及减薄所述第一衬底1，具体的，将所述第一衬底1的第一接触孔和第二接触孔分别与第二衬底7的第一凸部和第二凸部键合，形成第一空气腔13，并对第一衬底1的背表面进行减薄，如图7所示。具体的，可通过热压键合、阳极键合、共晶键合、聚合物键合等方法实现键合。

s6，制作焊盘。

如图8所示，从第一衬底1背表面对其进行刻蚀，将第一衬底部分移除，在第一衬底1上形成第三接触孔15、第四接触孔16和第二空腔14，从而在器件背面形成空气界面。

进一步，在第三接触孔15、第四接触孔16处制作第一焊盘8、第二焊盘17，第一焊盘8通过第三接触孔15与所述压电堆叠结构的第二电极5连接，第二焊盘17通过第四接触孔16与压电堆叠结构的第一电极3连接，并且，第一焊盘8、第二焊盘17分别从第三接触孔15、第四接触孔16延伸至第一衬底1的背表面

上述方法步骤中，所述的刻蚀方法包括但不限于湿法腐蚀技术，感应耦合等离子体(icp)刻蚀、反应离子刻蚀(rie)等。所述沉积方法包括但不限于化学气相沉积、磁控溅射、电化学沉积、原子层沉积(ald)、分子束外延技术(mbe)等。

总体而言，本公开所述薄膜体声波谐振器的制作方法主要包括：在第一衬底上依次制作隔离层、第一电极、压电层、第二电极、钝化层；通过衬底键合将器件的一侧置于一个空腔中；将器件背面衬底部分移除，在器件背面形成空气界面。此外，可在器件背面引入连接电极、焊盘等，方便器件与其他电路连接。

此外，上述对各元件和方法的定义并不仅限于实施例中提到的各种具体结构、形状或方式，本领域普通技术人员可对其进行简单地更改或替换，例如：

(1)所述薄膜体声波谐振器还可以不包括隔离层；

(2)所述薄膜体声波谐振器可以在第二电极之上或之下增加第三电极、第四电极；

(3)所述压电层可以采用掺杂的压电材料形成，也可以用非掺杂的压电材料形成，均不影响本公开的实现。

在此处所提供的说明书中，说明了大量具体细节。然而，能够理解，本发明的实施例可以在没有这些具体细节的情况下实践。在一些实例中，并未详细示出公知的方法、结构和技术，以便不模糊对本说明书的理解。

类似地，应当理解，为了精简本公开并帮助理解各个发明方面中的一个或多个，在上面对本发明的示例性实施例的描述中，本发明的各个特征有时被一起分组到单个实施例、图、或者对其的描述中。然而，并不应将该公开解释成反映如下意图：即所要求保护的本发明要求比在每个权利要求中所明确记载的特征更多的特征。更确切地说，如下面的权利要求书所反映的那样，发明方面在于少于前面公开的单个实施例的所有特征。因此，遵循具体实施方式的权利要求书由此明确地并入该具体实施方式，其中每个权利要求本身都作为本发明的单独实施例。

还需要说明的是，本文可提供包含特定值的参数的示范，但这些参数无需确切等于相应的值，而是可在可接受的误差容限或设计约束内近似于相应值。实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向，并非用来限制本发明的保护范围。此外，除非特别描述或必须依序发生的步骤，上述步骤的顺序并无限制于以上所列，且可根据所需设计而变化或重新安排。并且上述实施例可基于设计及可靠度的考虑，彼此混合搭配使用或与其他实施例混合搭配使用，即不同实施例中的技术特征可以自由组合形成更多的实施例。

以上所述的具体实施例，对本公开的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本公开的具体实施例而已，并不用于限制本公开，凡在本公开的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。