薄膜体声波谐振器及其制造方法和相关设备与流程

本公开总体上涉及射频器件，并且更具体而言，本公开涉及一种薄膜体声波谐振器及其制造方法和相关设备。

背景技术：

1、薄膜体声波谐振器(film bulk acoustic resonator，fbar)作为射频(rf)前端的核心器件之一，因其高功率、高带宽以及优异的滚降等性能而可以很好地满足当下对rf性能的需求，正受到越来越多的关注。在薄膜体声波谐振器中，采用了体声波的纵波传播方式，可以利用例如aln等材料的优异的性能，实现对声波能量的更好转化。然而，在薄膜体声波谐振器中，由于压电材料和电极材料并非完美的z轴晶型取向的完美单晶并且通常会存在一定的缺陷，这导致在纵波传播的过程中会耦合出横波。如果不对这样的横波进行限制，能量会从谐振器中横向泄漏出去，使得谐振器的品质因数(q值)降低。因此，存在对薄膜体声波谐振器进行改进的需要。

技术实现思路

1、根据本公开的第一方面，提供了一种薄膜体声波谐振器，包括：衬底，包括靠近所述衬底的上表面设置在所述衬底中的空腔；第一电极层，设置在所述衬底之上；压电材料层，设置在所述第一电极层之上；以及第二电极层，设置在所述压电材料层之上，其中，从垂直于所述衬底的上表面的方向看：所述空腔、所述第一电极层、所述压电材料层与所述第二电极层的重叠区域形成所述薄膜体声波谐振器的有效区域；所述薄膜体声波谐振器还包括沿着所述有效区域的边界靠近所述压电材料层的上表面设置在所述压电材料层中的第一空气环槽，以及沿着所述有效区域的边界设置在所述压电材料层的上表面与所述第二电极层的下表面之间的第二空气环槽，所述第一空气环槽与所述第二空气环槽相互连通；并且在所述薄膜体声波谐振器的非连接边处，所述第一空气环槽的靠近所述有效区域的中心的内边界在所述空腔的边界之内并且所述第一空气环槽的远离所述有效区域的中心的外边界在所述空腔的边界之外，所述第二空气环槽的靠近所述有效区域的中心的内边界和所述第二空气环槽的远离所述有效区域的中心的外边界均在所述空腔的边界之内，所述第一空气环槽的内边界相比于所述第二空气环槽的内边界更靠近所述有效区域的中心。

2、根据本公开的第二方面，提供了一种制造薄膜体声波谐振器的方法，包括：提供衬底，所述衬底包括靠近所述衬底的上表面形成在所述衬底中的空腔；在所述衬底的空腔中填充第一牺牲材料部并进行平坦化处理，以使所述衬底的上表面平坦；在所述衬底之上形成第一电极层；在所述第一电极层之上形成压电材料层；在所述压电材料层中形成第一空气环槽；在所述第一空气环槽处形成第二牺牲材料部，所述第二牺牲材料部的位于所述第一空气环槽内的第一部分与所述第一空气环槽的形状对应，所述第二牺牲材料部的超出所述第一空气环槽的第二部分与要形成的第二空气环槽的形状对应；在所述压电材料层和所述第二牺牲材料部之上形成第二电极层；以及释放去除所述第一牺牲材料部和所述第二牺牲材料部，从而得到所述空腔、所述第一空气环槽和所述第二空气环槽，其中，从垂直于所述衬底的上表面的方向看：所述空腔、所述第一电极层、所述压电材料层与所述第二电极层的重叠区域形成所述薄膜体声波谐振器的有效区域；所述第一空气环槽沿着所述有效区域的边界靠近所述压电材料层的上表面设置在所述压电材料层中，并且所述第二空气环槽沿着所述有效区域的边界设置在所述压电材料层的上表面与所述第二电极层的下表面之间，所述第一空气环槽与所述第二空气环槽相互连通；并且在所述薄膜体声波谐振器的非连接边处，所述第一空气环槽的靠近所述有效区域的中心的内边界在所述空腔的边界之内并且所述第一空气环槽的远离所述有效区域的中心的外边界在所述空腔的边界之外，所述第二空气环槽的靠近所述有效区域的中心的内边界和所述第二空气环槽的远离所述有效区域的中心的外边界均在所述空腔的边界之内，所述第一空气环槽的内边界相比于所述第二空气环槽的内边界更靠近所述有效区域的中心。

3、根据本公开的第三方面，提供了一种滤波器，包括根据本公开的第一方面所述的薄膜体声波谐振器。

4、根据本公开的第四方面，提供了一种电子设备，包括根据本公开的第一方面所述的薄膜体声波谐振器或者包括根据本公开的第三方面所述的滤波器。

5、通过以下参照附图对本公开的示例性实施例的详细描述，本公开的其它特征及其优点将会变得更为清楚。

技术特征：

1.一种薄膜体声波谐振器，包括：

2.根据权利要求1所述的薄膜体声波谐振器，其中，从垂直于所述衬底的上表面的方向看：

3.根据权利要求1或2所述的薄膜体声波谐振器，其中，从垂直于所述衬底的上表面的方向看：

4.根据权利要求1所述的薄膜体声波谐振器，其中，

5.根据权利要求1所述的薄膜体声波谐振器，其中，在沿着所述有效区域的边界的每个位置处，所述第一空气环槽的内边界与所述第二空气环槽的内边界之间的距离是相同的。

6.根据权利要求5所述的薄膜体声波谐振器，其中，所述第一空气环槽的内边界与所述第二空气环槽的内边界之间的距离被设置为使得所述薄膜体声波谐振器的并联谐振点阻抗值达到极大值。

7.根据权利要求1所述的薄膜体声波谐振器，其中，在沿着所述有效区域的边界的至少两个不同位置处，所述第一空气环槽的内边界与所述第二空气环槽的内边界之间的距离是不同的。

8.根据权利要求1所述的薄膜体声波谐振器，其中，所述第一空气环槽的第一深度大于0.01微米并且小于所述压电材料层的厚度，所述第二空气环槽的第二深度大于0.01微米并且小于所述第二电极层的厚度，所述第一空气环槽的第一深度与所述第二空气环槽的第二深度之和大于0.05微米，

9.根据权利要求1所述的薄膜体声波谐振器，其中，所述第一空气环槽仅设置在所述薄膜体声波谐振器的非连接边处而不设置在所述薄膜体声波谐振器的连接边处。

10.根据权利要求1所述的薄膜体声波谐振器，其中，所述薄膜体声波谐振器的形状为凸多边形，所述凸多边形的任意两个边均不平行，并且其中，所述第一空气环槽沿所述凸多边形中的第一一个或多个边设置，所述第二空气环槽沿所述凸多边形中的第二一个或多个边设置。

11.根据权利要求1所述的薄膜体声波谐振器，还包括：

12.根据权利要求11所述的薄膜体声波谐振器，其中，所述第一凸起部的上表面与下表面之间的距离在0.1微米与1微米之间。

13.根据权利要求11所述的薄膜体声波谐振器，其中，所述第一凸起部包括第一台阶部和比所述第一台阶部更靠近所述有效区域的中心的第二台阶部，所述第二空气环槽使得所述第一台阶部和所述第二台阶部中的一个台阶部相比于所述第一台阶部和所述第二台阶部中的另一个台阶部而抬起。

14.根据权利要求13所述的薄膜体声波谐振器，其中：

15.根据权利要求11所述的薄膜体声波谐振器，其中，所述第一凸起部的材料与所述第二电极层的材料相同。

16.根据权利要求11所述的薄膜体声波谐振器，其中，从垂直于所述衬底的上表面的方向看：

17.根据权利要求11所述的薄膜体声波谐振器，其中：

18.根据权利要求11所述的薄膜体声波谐振器，还包括：

19.根据权利要求18所述的薄膜体声波谐振器，其中，所述第二凸起部的所述第二子部分包括第三台阶部和比所述第三台阶部更靠近所述有效区域的中心的第四台阶部，所述第二空气环槽使得所述第三台阶部和所述第四台阶部中的一个台阶部相比于所述第三台阶部和所述第四台阶部中的另一个台阶部而抬起。

20.根据权利要求18所述的薄膜体声波谐振器，其中，所述第二空气环槽接触所述第一凸起部而不接触所述第二凸起部。

21.根据权利要求18所述的薄膜体声波谐振器，其中，所述第二凸起部的上表面与下表面之间的距离在0.1微米与1微米之间。

22.根据权利要求18所述的薄膜体声波谐振器，其中，所述第一凸起部、所述第二凸起部和所述第二电极层中的每一者的位于所述第二空气环槽上方的部分以及与所述部分相邻并且比所述部分更靠近所述有效区域的中心的一部分是平坦的。

23.根据权利要求18所述的薄膜体声波谐振器，其中：

24.根据权利要求18所述的薄膜体声波谐振器，其中，在所述第一凸起部的靠近所述有效区域的中心的内边界与所述第一空气环槽的内边界之间的区域中：

25.根据权利要求1所述的薄膜体声波谐振器，还包括：

26.根据权利要求1所述的薄膜体声波谐振器，还包括：

27.根据权利要求26所述的薄膜体声波谐振器，其中，所述第三凸起部与所述第二电极层的材料相同，并且所述第三凸起部是通过刻蚀所述第二电极层的上表面的位于所述有效区域的中心的上方的部分形成的。

28.根据权利要求26所述的薄膜体声波谐振器，其中，所述第三凸起部包括在远离所述有效区域的中心的方向上依次排列的多个台阶部，所述多个台阶部中的每个台阶部的厚度彼此不同，其中，台阶部的厚度是该台阶部相比于所述第二电极层的上表面的位于所述有效区域的中心的上方的部分而凸起的距离。

29.根据权利要求28所述的薄膜体声波谐振器，其中，在所述第三凸起部的所述多个台阶部当中，越远离所述有效区域的中心的台阶部的厚度越大。

30.一种制造薄膜体声波谐振器的方法，包括：

31.根据权利要求30所述的方法，其中，从垂直于所述衬底的上表面的方向看：

32.根据权利要求30或31所述的方法，其中，从垂直于所述衬底的上表面的方向看：

33.根据权利要求30所述的方法，其中，在形成所述第二牺牲材料部之后并且在形成所述第二电极层之前，所述方法还包括：

34.根据权利要求33所述的方法，其中，所述第一凸起部包括第一台阶部和比所述第一台阶部更靠近所述有效区域的中心的第二台阶部，所述第二空气环槽使得所述第一台阶部和所述第二台阶部中的一个台阶部相比于所述第一台阶部和所述第二台阶部中的另一个台阶部而抬起。

35.根据权利要求33所述的方法，其中，从垂直于所述衬底的上表面的方向看：

36.根据权利要求33所述的方法，其中，在形成所述第一凸起部之后并且在形成所述第二电极层之前，所述方法还包括：

37.根据权利要求36所述的方法，其中，所述第二凸起部的所述第二子部分包括第三台阶部和比所述第三台阶部更靠近所述有效区域的中心的第四台阶部，所述第二空气环槽使得所述第三台阶部和所述第四台阶部中的一个台阶部相比于所述第三台阶部和所述第四台阶部中的另一个台阶部而抬起。

38.根据权利要求36所述的方法，其中，所述第一凸起部、所述第二凸起部和所述第二电极层中的每一者的位于所述第二空气环槽上方的部分以及与所述部分相邻并且比所述部分更靠近所述有效区域的中心的一部分被形成为平坦的。

39.根据权利要求30所述的方法，还包括：

40.根据权利要求30所述的方法，还包括：

41.根据权利要求40所述的方法，其中，所述第三凸起部包括在远离所述有效区域的中心的方向上依次排列的多个台阶部，所述多个台阶部中的每个台阶部的厚度彼此不同，其中，台阶部的厚度是该台阶部相比于所述第二电极层的上表面的位于所述有效区域的中心的上方的部分而凸起的距离。

42.根据权利要求41所述的方法，其中，在所述第三凸起部的所述多个台阶部当中，越远离所述有效区域的中心的台阶部的厚度越大。

43.一种滤波器，包括根据权利要求1至29中任一项所述的薄膜体声波谐振器。

44.一种电子设备，包括根据权利要求1至29中任一项所述的薄膜体声波谐振器或者包括根据权利要求43所述的滤波器。

技术总结
本公开涉及薄膜体声波谐振器及其制造方法和相关设备。谐振器包括具有空腔的衬底、设置在衬底上的第一电极层、设置在第一电极层上的压电材料层和设置在压电材料层上的第二电极层。空腔、第一电极层、压电材料层与第二电极层的重叠区域形成有效区域。谐振器包括沿有效区域边界靠近压电材料层上表面设置在压电材料层中的第一空气环槽和沿有效区域边界设置在压电材料层与第二电极层之间的第二空气环槽。第一空气环槽与第二空气环槽相互连通。在非连接边处：第一空气环槽内边界在空腔边界之内并且外边界在空腔边界之外；第二空气环槽内边界和外边界均在空腔边界之内；第一空气环槽内边界相比于第二空气环槽内边界更靠近有效区域中心。

技术研发人员：万晨庚
受保护的技术使用者：北京芯溪半导体科技有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/2/25