一种体声波谐振器

1.本文涉及但不限于射频通信技术，尤指一种体声波谐振器。


背景技术：

2.微机电系统(mems)谐振器被广泛应用于射频通信领域，在微型滤波器、双工器、复用器等制造中发挥着极其重要的作用。相关技术中的声表面波谐振器工艺成熟，可以通过调整光刻图形调节谐振频率，但由于光刻工艺条件的制约以及压电材料中声速的限制，难以在2.5吉赫兹(ghz)以上同时具备较高的机电耦合系数与品质因数，并且其制造工艺难以与互补金属氧化物半导体的加工工艺相兼容，不符合电子产品微型化与集成化的发展趋势。相关技术中的体声波谐振器可应用于超高频领域，但工艺相对复杂，谐振频率较高时压电薄膜的厚度较小，质量难以保障。
3.氮化铝是近年来在mems谐振器中被广泛应用的压电材料，具有稳定的化学性质、良好的工艺可重复性、材料参数的高热稳定性等优点。基于氮化铝的谐振器制作中心频率为3ghz以上的滤波器的主要问题是工艺复杂、工艺窗口窄、机电耦合系数低、氮化铝质量较差，难以满足批量化生产的要求并且无法通过调整光刻图形调节谐振频率。因此，需要一种可以满足超高频滤波器电学要求的新型结构的谐振器。


技术实现要素：

4.以下是对本文详细描述的主题的概述。本概述并非是为了限制权利要求的保护范围。
5.本发明实施例提供一种体声波谐振器，能够降低体声波谐振器对光刻工艺的要求，简化体声波谐振器的制备工艺。
6.本发明实施例提供一种体声波谐振器，包括：压电材料薄膜1、底电极2、顶电极3和衬底4；其中，
7.压电材料薄膜1设置有一个以上第一通孔1-1；
8.底电极2和/或顶电极3为包含两个以上梳齿形结构的梳形电极；
9.其中，所述第一通孔1-1在所述梳形电极的顶部所在平面上的第一投影区域为第一镂空区域；所述第一镂空区域和所述第一通孔1-1用于通过腐蚀性流体，以在衬底3上刻蚀空腔。
10.本技术技术方案包括：压电材料薄膜1、底电极2、顶电极3和衬底4；其中，压电材料薄膜1设置有一个以上第一通孔1-1；底电极2和/或顶电极3为包含两个以上梳齿形结构的梳形电极；其中，所述第一通孔1-1在所述梳形电极的顶部所在平面上的第一投影区域为第一镂空区域；所述第一镂空区域和所述第一通孔1-1用于通过腐蚀性流体，以在衬底3上刻蚀空腔。本发明实施例在不需要应用牺牲层工艺、衬底背面光刻工艺以及布拉格反射层的情况下，通过包含两个以上梳齿形结构的电极的镂空区域和压电材料薄膜上的第一通孔，将腐蚀性流体流向衬底刻蚀出空腔，简化了体声波谐振器的制备工艺。
11.本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
附图说明
12.附图用来提供对本发明技术方案的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本技术的实施例一起用于解释本发明的技术方案，并不构成对本发明技术方案的限制。
13.图1为本发明实施例体声波谐振器的立体图；
14.图2为本发明实施例体声波谐振器的剖面图；
15.图3为本发明一实施例体声波谐振器的导纳曲线示意图；
16.图4为本发明另一实施例体声波谐振器的导纳曲线示意图；
17.图5为本发明再一实施例体声波谐振器的导纳曲线示意图；
18.图6为本发明还一实施例体声波谐振器的导纳曲线示意图；
19.图7为本发明实施例隔离层的示意图；
20.图8为本发明实施例缺口示意图；
21.图9为本发明实施例隔离槽的示意图；
22.图10为本发明实施例引出电极的示意图；
23.图11为本发明实施例体声波谐振器的制备方法的流程图；
24.图12为本发明一实施例制备体声波谐振器的组成示意图；
25.图13为本发明另一实施例制备体声波谐振器的组成示意图；
26.图14为本发明再一实施例制备体声波谐振器的组成示意图；
27.图15为本发明还一实施例制备体声波谐振器的组成示意图；
28.图16为本发明还一实施例制备体声波谐振器的组成示意图。
具体实施方式
29.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下文中将结合附图对本发明的实施例进行详细说明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本技术中的实施例及实施例中的特征可以相互任意组合。
30.在附图的流程图示出的步骤可以在诸如一组计算机可执行指令的计算机系统中执行。并且，虽然在流程图中示出了逻辑顺序，但是在某些情况下，可以以不同于此处的顺序执行所示出或描述的步骤。
31.图1为本发明实施例体声波谐振器的立体图，图2为本发明实施例体声波谐振器的剖面图，如图1和图2所示，本发明实施例体声波谐振器，包括压电材料薄膜1、底电极2、顶电极3和衬底4；其中，
32.压电材料薄膜1设置有一个以上第一通孔1-1；
33.底电极2和/或顶电极3为包含两个以上梳齿形结构的梳形电极；
34.其中，第一通孔1-1在梳形电极的顶部所在平面上的第一投影区域为第一镂空区域；第一镂空区域和第一通孔1-1用于通过腐蚀性流体，以在衬底4上刻蚀空腔。
35.在一种示例性实例中，本发明实施例第一镂空区域无电极覆盖。
36.本发明实施例在不需要应用牺牲层工艺、衬底背面光刻工艺以及布拉格反射层的情况下，通过包含两个以上梳齿形结构的电极的镂空区域和压电材料薄膜上的第一通孔，将腐蚀性流体流向衬底刻蚀出空腔，简化了体声波谐振器的制备工艺。
37.在一种示例性实例中，本发明实施例第一通孔1-1在梳形电极的投影区域是无电极覆盖的，即第一通孔1-1在梳形电极的投影区域与梳形电极没有交叠区域。
38.在一种示例性实例中，本发明实施例可以基于梳形电极的基础结构设计其他可以作为底电极2和/或顶电极3的结构，例如：形似“w”的电极、形似“n”的电极，和形似“z”的电极，上述结构的电极设计时，同样需要满足第一通孔1-1在电极上的第一投影区域为第一镂空区域的要求。
39.在一种示例性实例中，本发明实施例仅顶电极3为梳形电极时，底电极2还设置有一个以上第二通孔2-1；
40.其中，第一通孔1-1在底电极2的外周轮廓圈定的区域上的第二投影区域与第二通孔2-1的重叠区域为第二镂空区域；第二通孔2-1用于通过腐蚀性流体。
41.在一种示例性实例中，本发明实施例仅底电极2为梳形电极时，顶电极3还设置有一个以上第三通孔3-1；
42.其中，第一通孔1-1在顶电极3的外周轮廓圈定的区域上的第三投影区域与第三通孔3-1的重叠区域为第三镂空区域；第三通孔3-1用于通过腐蚀性流体。
43.在一种示例性实例中，本发明实施例梳形电极中包含的梳齿形结构的宽度，以及梳形电极中的相邻的梳齿形结构的间隔通过仿真确定。
44.在一种示例性实例中，本发明实施例中的腐蚀性流体可以包括：二氟化氙。在一种示例性实例中，本发明实施例腐蚀性流体可以由本领域技术人员根据衬底的材料确定。
45.在一种示例性实例中，本发明实施例衬底材料可以是硅或碳化硅，衬底4通过腐蚀性流体刻蚀获得空腔；本发明实施例利用衬底减弱体声波谐振器边缘处压电材料薄膜1以及顶电极3和底电极2的振动，从而实现了寄生模态的抑制。
46.在一种示例性实例中，本发明实施例压电材料薄膜1由一层以上任意一种压电材料组成：
47.氮化铝、掺钪氮化铝、铌酸锂、钽酸锂和锆钛酸铅。
48.在一种示例性实例中，本发明实施例第一通孔1-1为以下任一形状：圆形、椭圆形、规则多边形、不规则四边形和不规则五边形。
49.在一种示例性实例中，本发明实施例第二通孔2-1为以下任一形状：圆形、椭圆形、规则多边形、不规则四边形和不规则五边形。
50.在一种示例性实例中，本发明实施例第三通孔3-1为以下任一形状：圆形、椭圆形、规则多边形、不规则四边形和不规则五边形。
51.在一种示例性实例中，本发明实施例梳形电极的外围轮廓形状为矩形、梯形、规则多边形、不规则多边形；
52.在一种示例性实例中，本发明实施例顶电极3在底电极2顶部所在平面的投影，位于底电极2最小外接矩形圈定的区域内。
53.在一种示例性实例中，本发明实施例第一通孔1-1的面积与顶电极3的最小外接矩形圈定区域的面积的比值均为第一预设比值；
54.本发明实施例第二通孔2-1的面积与顶电极3的最小外接矩形圈定区域的面积的比值均为第二预设比值。
55.本发明实施例第三通孔3-1的面积与顶电极3的最小外接矩形圈定区域的面积的比值均为第三预设比值。
56.在一种示例性实例中，本发明实施例中的第一预设比值大于0.0005但小于0.7。
57.在一种示例性实例中，本发明实施例中的第二预设比值大于0.0005但小于0.7。在一种示例性实例中，本发明实施例中的第三预设比值大于0.0005但小于0.7。
58.在一种示例性实例中，本发明实施例第一预设比值可以由本领域技术人员基于制备出的体声波谐振器的性能进行调整，在一种示例性实例中，本发明实施例第一预设比值可以大于0.01但小于0.09。在一种示例性实例中，本发明实施例第二预设比值可以大于0.01但小于0.09。
59.在一种示例性实例中，本发明实施例衬底4的空腔的上表面的面积与顶电极3的最小外接矩形圈定的区域的面积的比值为第四预设比值。
60.在一种示例性实例中，本发明实施例中的第四预设比值大于0.2但小于4。
61.在一种示例性实例中，本发明实施例中的第一镂空区域的面积与顶电极3最小外接矩形圈定区域的面积的比值为第五预设比值；
62.第二镂空区域的面积与顶电极3最小外接矩形圈定区域的面积的比值为第六预设比值；
63.其中，第五预设比值大于0.0005但小于0.7；第六预设比值大于0.0005但小于0.7。
64.在一种示例性实例中，本发明实施例中的第三镂空区域的面积与顶电极3最小外接矩形圈定区域的面积的比值为第七预设比值；
65.其中，第七预设比值大于0.0005但小于0.7。
66.在一种示例性实例中，本发明实施例第五预设比值、第六预设比值和第七预设比值可以由本领域技术人员基于制备出的体声波谐振器的性能进行调整，在一种示例性实例中，本发明实施例第五预设比值可以大于0.01但小于0.09。在一种示例性实例中，本发明实施例第六预设比值可以大于0.01但小于0.09。在一种示例性实例中，本发明实施例第七预设比值可以大于0.01但小于0.09。
67.在一种示例性实例中，本发明实施例当顶电极3和底电极2的材料均为铝，压电材料薄膜1为氮化铝，衬底4为硅；在一种示例性实例中，本发明实施例n为梳齿形结构的数量，a为梳齿形结构的宽度，b为梳形电极中的相邻的梳齿形结构的间隔，x1为压电材料薄膜的第一通孔1-1的半径，假设仅顶电极3是梳形电极，x2为底电极2上的第二通孔2-1的半径，r1为底电极外轮廓圈定区域的半径，r2为衬底4的空腔的上表面半径，h
t
为顶电极3的厚度，h
p
为压电材料薄膜1的厚度，hb为底电极2的厚度。串联谐振频率fs和并联谐振频率f
p
共同决定谐振器的机电耦合系数的大小，采用一阶泰勒近似公式计算：
[0068][0069]
在一种示例性实例中，本发明实施例体声波谐振器厚度方向尺寸均为：h
t
＝0.08um，h
p
＝1um，hb＝0.08um，当a＝0.4微米(μm)，b＝0.4μm时，体声波谐振器在小频率范围
内的导纳曲线如图3所示，在大频率范围内的导纳曲线如图4所示，此时体声波谐振器的串联谐振频率fs为4.94吉赫兹(ghz)，并联谐振频率f
p
为5.09ghz，机电耦合系数的计算值为7.27％。通过仿真确定并调整梳形电极的宽度a与相邻相邻的梳齿形结构的间隔b的取值，可以改变谐振频率和反谐振频率；图5为本发明再一实施例体声波谐振器的导纳曲线示意图，如图5所示，a＝0.5μm，b＝0.1μm的体声波谐振器在小频率范围内的导纳值，谐振频率为4.845ghz，反谐振频率为5.00ghz，机电耦合系数的计算值为7.65％；图6为本发明还一实施例体声波谐振器的导纳曲线示意图，如图6所示，a＝0.2μm，b＝0.6μm的体声波谐振器在小频率范围内的导纳值，谐振频率为5.045ghz，反谐振频率为5.175ghz，机电耦合系数的计算值为6.20％。
[0070]
在一种示例性实例中，本发明实施例基于体声波谐振器参数得到导纳曲线，获得导纳曲线的压电方程的表达式为：
[0071]
t＝cs-ee
[0072]
d＝εe-es
[0073]
其中，t为应力矩阵，c为压电材料刚度矩阵，s为应变矩阵，e为压电应力矩阵，e为静电场强度，d为电位移，ε为压电材料介电矩阵；根据压电应力矩阵e对体声波谐振器谐振频率与机电耦合系数进行调整，压电应力矩阵为：
[0074][0075]
其中，e
15
、e
22
、e
24
、e
31
、e
33
分别为压电材料对应方向的压电系数；基于上述方程，利用有限元仿真的方法确定体声波谐振器的理论导纳曲线并对几何参数进行调整；制造体声波谐振器，测试得到体声波谐振器的实际导纳曲线，根据实际导纳曲线进一步调整几何尺寸与工艺参数，最终确定制备满足要求的体声波谐振器的几何尺寸与工艺参数。
[0076]
在一种示例性实例中，本发明实施例规则多边形包括：等边多边形、矩形等几何图形。
[0077]
在一种示例性实例中，本发明实施例压电材料薄膜1由一层以上以下任一压电材料组成：
[0078]
氮化铝、掺钪氮化铝、铌酸锂、钽酸锂和锆钛酸铅。
[0079]
在一种示例性实例中，本发明实施例梳形电极由一层或多层导电材料组成。
[0080]
在一种示例性实例中，本发明实施例底电极2由一层或多层导电材料组成。
[0081]
在一种示例性实例中，本发明实施例顶电极3由一层或多层导电材料组成。
[0082]
在一种示例性实例中，本发明实施例中的导电材料包括导电化合物或以下任一导电单质：金、铝、铜、钛、钼和铂。
[0083]
本发明可以在体声波谐振器厚度方向的尺寸不变的条件下，通过改变梳形电极的数量、尺寸与形状可实现体声波谐振器的谐振频率的调节。
[0084]
在一种示例性实例中，本发明实施例中的顶电极3采用铝铂双层电极，双层电极先沉积铝再沉积铂，铂作为防氧化保护层防止铝层上表面被氧化，提高器件长期服役的可靠性；
[0085]
在一种示例性实例中，本发明实施例中的底电极2采用铝铂双层电极，双层电极先
沉积铝再沉积铂，铂作为防氧化保护层防止铝层上表面被氧化，提高器件长期服役的可靠性；底电极2上表面为铂时生长氮化铝的质量更好。
[0086]
在一种示例性实例中，本发明实施例体声波谐振器还包括：顶电极引出电极6；
[0087]
顶电极引出电极6和压电材料薄膜1之间设置有隔离层7或空腔8；
[0088]
其中，隔离层7或空腔8用于隔离顶电极引出电极5和压电材料薄膜1。
[0089]
图7为本发明实施例隔离层的示意图，如图7所示，顶电极引出电极5和压电材料薄膜1之间设置有隔离层7，隔离层7隔离了顶电极引出电极6和压电材料薄膜1；在一种示例性实例中，本发明实施例隔离层7可以采用沉积方式制备。
[0090]
在一种示例性实例中，本发明实施例顶电极引出电极6在底电极2的第二投影区域的位置设置有预设形状的缺口2-2；
[0091]
其中，缺口2-2的区域包含第二投影区域。
[0092]
图8为本发明实施例缺口示意图，如图8所示，在底电极2上设置有缺口2-2；本发明实施例基于缺口2-2的设置，抑制了顶电极引出电极6与底电极2投影区域重合所造成的寄生模态。
[0093]
在一种示例性实例中，本发明实施例体声波谐振器还包括顶电极引出电极6和底电极引出电极9，压电材料薄膜1上刻蚀有隔离槽1-2；
[0094]
其中，隔离槽1-2在底电极2顶部所在平面的投影位于底电极2和底电极引出电极9组成的区域内；隔离槽1-2位于由底电极2和底电极引出电极9组成区域的最小外接矩形的外周轮廓与顶电极3的外周轮廓形成的中间区域。在一种示例性实例中，本发明实施例隔离槽1-2为扇环形。
[0095]
在一种示例性实例中，本发明实施例底电极3的外围轮廓为圆形，隔离槽1-2的外半径小于底电极2的外半径。
[0096]
图9为本发明实施例隔离槽的示意图，如图9所示，本发明实施例通过隔离槽1-2有效抑制了声波从体声波谐振器有效区域向周围的传播，降低了间隔较小的多个体声波谐振器之间的相互影响。
[0097]
在一种示例性实例中，本发明实施例体声波谐振器还包括：底电极引出电极9；在一种示例性实例中，本发明实施例体声波谐振器可以包括两个以上底电极引出电极9；图10为本发明实施例引出电极的示意图，如图10所示，体声波谐振器包括一个顶电极引出电极6和两个底电极引出电极9。
[0098]
在一种示例性实例中，本发明实施例中的梳形电极通过以下方式之一施加电压信号：
[0099]
均施加正电压；
[0100]
均施加负电压。
[0101]
在一种示例性实例中，本发明实施例中的梳形电极为叉指电极时，梳形电极通过正电压和负电压交替的方式施加电压信号。
[0102]
图11为本发明实施例体声波谐振器的制备方法的流程图，如图11所示，包括：
[0103]
步骤1101、在衬底的上表面沉积底电极材料与底电极引出电极材料，并进行图形化处理，以获得底电极引出电极和包含第三通孔的底电极；
[0104]
步骤1102、在底电极材料上表面制备压电材料薄膜；这里，压电材料薄膜的制备方