一种薄膜压电声波谐振器及其制造方法

技术领域

本发明涉及半导体器件制造领域，尤其涉及一种薄膜压电声波谐振器及其制造方法。

背景技术

随着移动通信技术的发展，移动数据传输量也迅速上升。因此，在频率资源有限以及应当使用尽可能少的移动通信设备的前提下，提高无线基站、微基站或直放站等无线功率发射设备的发射功率成了必须考虑的问题，同时也意味着对移动通信设备前端电路中滤波器功率的要求也越来越高。

目前，无线基站等设备中的大功率滤波器主要是以腔体滤波器为主，其功率可达上百瓦，但是这种滤波器的尺寸太大。也有的设备中使用介质滤波器，其平均功率可达5瓦以上，这种滤波器的尺寸也很大。由于尺寸大，所以这腔体滤波器无法集成到射频前端芯片中。

基于半导体微加工工艺技术的薄膜滤波器主要包括表面声波谐振器(SAWR)和体声波谐振器(BAWR)。目前制作的表面声波谐振器是在压电薄膜的上表面形成两个平行的叉指换能器，两个叉指换能器分别包括多个相互平行(或不相交)的导电叉指。然而，由于导电叉指是直接“焊接”在压电薄膜表面、与压电薄膜直接粘连在一起，由于相互之间具有不同的相关物理性能参数(如弹性模量、声波速度、热膨胀系数等)，两者的界面处难免有残余应力存在；同时，压电薄膜层中的声波从压电薄膜的边界处传播至导电叉指，造成一部分声波能量的损失。

因此，如何减少谐振器的叉指电极和压电薄膜层的残余应力，以及降低压电声波能量的损耗，改善压电薄膜和导电叉指接触界面的物理差异是当前面临的主要问题。

发明内容

本发明揭示了一种薄膜压电声波谐振器及其制造方法，解决现有技术中压电感应振荡片体和导电叉指接触界面存在残余应力和声波从压电感应振荡片体中泄露的问题。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种薄膜压电声波谐振器，包括：

压电感应振荡片体，所述压电感应振荡片体包含相对的第一表面和第二表面；

置于所述压电感应振荡片体第一表面上的第一组叉指式换能器和第二组叉指式换能器，所述第一组叉指式换能器至少包括一个第一导电叉指，所述第二组叉指式换能器至少包括一个第二导电叉指；

第一间隙，位于所述压电感应振荡片体第一表面与所述第一导电叉指之间和/或，

第二间隙，位于所述压电感应振荡片体第一表面与所述第二导电叉指之间。

本发明还提供了一种薄膜压电声波谐振器的制造方法，包括：

提供第一复合基底，所述第一复合基底包括第一衬底和形成于所述第一衬底上表面的压电感应振荡片体；

在所述压电感应振荡片体的上表面形成牺牲层；

在所述牺牲层上表面形成第一组叉指式换能器和第二组叉指式换能器；

去除所述牺牲层。

本发明的有益效果在于：

本发明在压电感应振荡片体与第一导电叉指、第二导电叉指之间设有微小的间隙，这种设置方式不仅可以解决压电感应振荡片体和第一导电叉指、第二导电叉指接触的界面存在残余应力的问题，同时也可以解决压电声波能量传至导电叉指上的损耗。

附图说明

通过结合附图对本发明示例性实施例进行更详细的描述，本发明的上述以及其它目的、特征和优势将变得更加明显，在本发明示例性实施例中，相同的参考标号通常代表相同部件。

图1示出了根据本发明一实施例的一种薄膜压电声波谐振器的立体图。

图2为图1沿X-X方向的剖视图。

图3为图1沿Y-Y方向的剖视图。

图4示出了根据本发明另一实施例的一种薄膜压电声波谐振器的示意图。

图5示出了根据本发明一实施例的一种薄膜压电声波谐振器制造方法的流程图。

图6至图14示出了根据本发明一实施例的一种薄膜压电声波谐振器制造方法不同阶段对应的结构示意图。

附图标记说明：

10-第一基板；11-第一空腔；12-布拉格反射层；20-压电感应振荡片体；21-沟槽；22-牺牲层；23-通孔；31-第一导电叉指；32-第二导电叉指；41-第一间隙；42-第二间隙。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。根据下面的说明和附图，本发明的优点和特征将更清楚，然而，需说明的是，本发明技术方案的构思可按照多种不同的形式实施，并不局限于在此阐述的特定实施例。附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。

应当明白，当元件或层被称为“在...上”、“与...相邻”、“连接到”或“耦合到”其它元件或层时，其可以直接地在其它元件或层上、与之相邻、连接或耦合到其它元件或层，或者可以存在居间的元件或层。相反，当元件被称为“直接在...上”、“与...直接相邻”、“直接连接到”或“直接耦合到”其它元件或层时，则不存在居间的元件或层。应当明白，尽管可使用术语第一、第二、第三等描述各种元件、部件、区、层和/或部分，这些元件、部件、区、层和/或部分不应当被这些术语限制。这些术语仅仅用来区分一个元件、部件、区、层或部分与另一个元件、部件、区、层或部分。因此，在不脱离本发明教导之下，下面讨论的第一元件、部件、区、层或部分可表示为第二元件、部件、区、层或部分。

空间关系术语例如“在...下”、“在...下面”、“下面的”、“在...之下”、“在...之上”、“上面的”等，在这里可为了方便描述而被使用从而描述图中所示的一个元件或特征与其它元件或特征的关系。应当明白，除了图中所示的取向以外，空间关系术语意图还包括使用和操作中的器件的不同取向。例如，如果附图中的器件翻转，然后，描述为“在其它元件下面”或“在其之下”或“在其下”元件或特征将取向为在其它元件或特征“上”。因此，示例性术语“在...下面”和“在...下”可包括上和下两个取向。器件可以另外地取向(旋转90度或其它取向)并且在此使用的空间描述语相应地被解释。

在此使用的术语的目的仅在于描述具体实施例并且不作为本发明的限制。在此使用时，单数形式的“一”、“一个”和“所述/该”也意图包括复数形式，除非上下文清楚指出另外的方式。还应明白术语“组成”和/或“包括”，当在该说明书中使用时，确定所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或部件的存在，但不排除一个或更多其它的特征、整数、步骤、操作、元件、部件和/或组的存在或添加。在此使用时，术语“和/或”包括相关所列项目的任何及所有组合。

如果本文的方法包括一系列步骤，且本文所呈现的这些步骤的顺序并非必须是可执行这些步骤的唯一顺序，且一些的步骤可被省略和/或一些本文未描述的其他步骤可被添加到该方法。若某附图中的构件与其他附图中的构件相同，虽然在所有附图中都可轻易辨认出这些构件，但为了使附图的说明更为清楚，本说明书不会将所有相同构件的标号标于每一图中。

本发明一实施例提供了一种薄膜压电声波谐振器，图1示出了根据本发明一实施例的一种薄膜压电声波谐振器的立体图，图2为图1沿X-X方向的剖视图，图3为图1沿Y-Y方向的剖视图，请参考图1、图2和图3，薄膜压电声波谐振器包括：

压电感应振荡片体20，所述压电感应振荡片体20体包含相对的第一表面和第二表面；

置于所述压电感应振荡片体20第一表面上的第一组叉指式换能器和第二组叉指式换能器，所述第一组叉指式换能器至少包括一个第一导电叉指31，所述第二组叉指式换能器至少包括一个第二导电叉指32，所述第一导电叉指31和所述第二导电叉指32互相平行；

第一间隙41，位于所述压电感应振荡片体20第一表面与所述第一导电叉指31之间和/或，

第二间隙42，位于所述压电感应振荡片体20第一表面与所述第二导电叉指32之间。参考图2，本实施例以第一导电叉指31和压电感应振荡片体20之间设有第一间隙41，且第二导电叉指32和压电感应振荡片体20之间设有第二间隙42为例进行说明。其他实施例中，可以只设有第一间隙或第二间隙。

表面声波谐振器工作原理为，在压电感应振荡片体20上形成接收端叉指换能器和发射端叉指换能器，输入信号加在发射端叉指换能器上，由于压电感应振荡片体20的压电效应，将电信号转换成在压电感应振荡片体20表面传播的声信号，称为表面声波。声信号传播至接收端叉指换能器，再转换成电信号输出给负载，在电—声—电转换和声传递过程中，完成对输入信号的滤波。

第一间隙41或第二间隙42的垂直高度选择在1纳米到10纳米之间，原则上是在确保第一导电叉指31或第二导电叉指32与压电感应振荡片体20形成所需的压电耦合，同时又能确在压电感应振荡片体震动时及时触及但不粘连第一导电叉指和第二导电叉指即可(通常压电感应振荡片体震动的垂直位移大致在0.2纳米到几微米之间，取决于压电感应振荡片的厚度和诱导压电感应的电压和功率)。

压电感应振荡片体20的材质为可以是氧化物、氮化物或碳化物，如：氮化铝(AlN)、氧化锌(ZnO)、也可以是压电晶体或压电陶瓷，如：锆钛酸铅(PZT)、铌酸锂(LiNbO3)、石英(Quartz)、铌酸钾(KNbO3)、钽酸锂(LiTaO3)、镓酸锂、锗酸锂、锗酸钛或铅锌榍石等具有纤锌矿型结晶结构的压电材料及它们的组合。当压电感应振荡片体20包括氮化铝(AlN)时，压电感应振荡片体20还可包括稀土金属，例如钪(Sc)、铒(Er)、钇(Y)和镧(La)中的至少一种。此外，当压电感应振荡片体20包括氮化铝(AlN)时，压电感应振荡片体20还可包括过渡金属，例如钪(Sc)、锆(Zr)、钛(Ti)、锰(Mn)和铪(Hf)中的至少一种。

第一叉指换能器和第二叉指换能器的材料可以为钼(Mo)、铝(Al)、铜(Cu)、钨(W)、钽(Ta)、铂(Pt)、钌(Ru)、铑(Rh)、铱(Ir)、铬(Cr)、钛(Ti)、金(Au)、锇(Os)、铼(Re)、钯(Pd)、铂金、镍等金属中一种制成或由上述合金制成

本实施例中，第一导电叉指31和第二导电叉指32为多个，且第一导电叉指31和第二导电叉指32相互交错。在另一个实施例中，第一叉指换能器和第二叉指换能器平行并列设置，第一导电叉指31和第二导电叉指32相互平行，但不交叉设置。

当对第一叉指换能器和第二叉指换能器施加射频交变电压信号时，在压电感应振荡片体20的表面形成交变电场，交变电场需要穿过第一间隙41、第二间隙42到达压电感应振荡片体20的上表面，因此第一间隙41和第二间隙42的高度很关键，一般在1纳米-10微米之间。具体第一间隙41和第二间隙42的最适合高度，以第一导电叉指31和第二导电叉指32与压电感应振荡片体20之间能够实现最大的压电互动感应，同时又要确保压电感应振荡片体20产生压电声波振动时其上表面不会触及第一导电叉指31和第二导电叉指32为原则。间隙过大会导致导电叉指与压电感应振荡片体20互动减弱，间隙太小会导致压电感应振荡片体20的声波震动，尤其是垂直方向的震动，导致压电感应振荡片体20触及第一导电叉指31或第二导电叉指32的表面。

本实施例中，压电感应振荡片体20的上表面和每个第一导电叉指31之间均设有第一间隙41，每个第二导电叉指32和压电感应振荡片体20的上表面均设有第二间隙42，且所述第一间隙31和第二间隙32互相连通，且于外部空气相通，第一导电叉指31、第二导电叉指32悬空于压电感应振荡片体20的上方。在另一个实施例中，第一间隙41和第二间隙相互独立，第一间隙41或第二间隙可以是密封的空间或与外部空气相通。当第一间隙41或第二间隙42为封闭的空间时，第一间隙41或第二间隙42可以为真空，或者填充有气体，如空气、氮气或惰性气体。或者，部分第一间隙31和第二间隙32互相连通，其余的第一间隙31和第二间隙32相互分离。

在一个实施例中，压电感应振荡片体20和第一导电叉指31之间设有第一柱体，第一柱体位于第一间隙41中，第一柱体用于支撑第一导电叉指31。压电感应振荡片体20和第二导电叉指32之间设有第二柱体，第二柱体位于第二间隙41中，第二柱体用于支撑第二导电叉指32。每个导线叉指下方的第一柱体或第二柱体可以为一个或多个。柱体的截面形状可以为圆形、椭圆形或多边形。第一柱体或第二柱体还可以为环形柱体，环形的中间为第一间隙或第二间隙，环形柱体支撑在导电叉指的边缘，第一柱体或所述第二柱体的材料可以包括：介电质、金属或压电材料。

本实施例中，所述压电感应振荡片体20内包括相对设置的两个沟槽21，沟槽21位于压电感应振荡片体20的第一表面。沟槽21的深度可以和压电感应振荡片体20的厚度相同，或者沟槽21的深度小于压电感应振荡片体20的厚度。所述沟槽21的长度方向为所述第一导电叉指31的长度方向，两个所述沟槽21的相对内壁与所述第一导电叉指31或所述第二导电叉指32平行，所述两个沟槽21分别位于最外端的两个所述第一导电叉指31或所述第二导电叉指32的外侧。声波在压电感应振荡片体20内传输，当声波传输到压电感应振荡片体20的边界时，声波被沟槽21的空气界面反射回压电感应振荡片体20的内部，以进一步减少了声波能量损失、提高了谐振器的品质因数。

压电感应振荡片体20的第二表面设有第一基板10，且所述第一基板10中设有反射结构，在一个实施例中反射结构为第一空腔11，第一叉指换能器和第二导电叉指换能器位于第一空腔11围成的区域范围内。参照图4，在另一个实施例中，反射结构为布拉格反射层12(图中虚线所示)，第一叉指换能器和第二导电叉指换能器位于布拉格反射层12围成的区域范围内。当压电感应振荡片体20产生纵向传输的声波，声波传输至反射结构时，反射结构将声波反射回压电感应振荡片体20的内部，减少了声波能量损失。第一基板10中也可以不设置反射结构。

本实施例中，第一基板10的材质可以为以下所提到的材料中的至少一种：硅(Si)、锗(Ge)、锗硅(SiGe)、碳硅(SiC)、碳锗硅(SiGeC)、砷化铟(InAs)、砷化镓(GaAs)、磷化铟(InP)或者其它III/V化合物半导体，也可为氧化铝等的陶瓷基板、石英或玻璃基板等。

本实施例中，还包括第一介质层，所述第一介质层位于所述第一间隙或/和所述第二间隙上方，所述第一组叉指式换能器和第二组叉指式换能器至少部分埋置于所述第一介质层内，所述第一介质层的材料包括二氧化硅，第一介质层作为温度补偿层。

本发明一实施例还提供了一种薄膜压电声波谐振器的制造方法，图5示出了根据本发明一实施例的一种薄膜压电声波谐振器的制造方法的流程图，图6至图14示出了根据本发明一实施例的一种薄膜拉姆波谐振器制造方法不同阶段的结构示意图，参照图5，制作方法包括：

S01，提供第一复合基底，所述第一复合基底包括第一基板和形成于所述第一基板上表面的压电感应振荡片体。

S02，在所述压电感应振荡片体的上表面形成牺牲层。

S03，在所述牺牲层上表面形成第一组叉指式换能器和第二组叉指式换能器。

S04，去除所述牺牲层。

参考图6和图7，执行步骤S01，提供第一复合基底，所述第一复合基底包括第一基板10和形成于所述第一基板10上表面的压电感应振荡片体20。

本实施例中，在第一基板10的上表面形成压电感应振荡片体20的方法包括：提供第一基板10，在第一基板10的上表面通过物理气相沉积或化学气相沉积形成压电感应振荡片体30。在另一个实施例中，提供第一基板10和预先形成好的压电感应振荡片体30，将压电感应振荡片体30键合在第一基板10的表面上方。

第一基板10作为承载衬底，可以有多种形式，如可以为单一材料，或者复合层结构。参考图2，第一基板10中带有第一空腔11，第一空腔11中填充有牺牲材料，牺牲材料在后期工艺中去除，第一空腔11中的气体作为声波的反射介质。参考图4，第一基板10中带有布拉格反射层12，布拉格反射层12作为声波的反射介质。当第一基板10不带有反射介质时，第一基板的材质可以为以下所提到的材料中的至少一种：硅(Si)、锗(Ge)、锗硅(SiGe)、碳硅(SiC)、碳锗硅(SiGeC)、砷化铟(InAs)、砷化镓(GaAs)、磷化铟(InP)或者其它III/V化合物半导体，也可为氧化铝等的陶瓷基板、石英或玻璃基板等。

参考图8，在压电感应振荡片体20的上表面形成牺牲层22。通过气相沉积工艺(包括蒸发、溅射、化学气相沉积)或液态沉积工艺(包括电镀)在压电感应振荡片体20上表面形成厚度为10纳米-10微米的牺牲层22。牺牲层的材料包括磷硅玻璃、硼磷硅玻璃、锗、碳、低温二氧化硅、聚酰亚胺等，但不限于上述材质。

参考图9，本实施例中，形成完牺牲层22后还包括，图形化牺牲层22，在牺牲层中形成多个贯穿牺牲层22的通孔23，通孔23的位置在后期沉积导电薄膜时，在通孔23中形成柱体，所述柱体用于支撑后期工艺中形成的导电叉指。本实施例中，通孔的数量与导电叉指的数量一致，每个导电叉指对应一个通孔，在另一个实施例中，一个导电叉指可以由多个分散的柱体支撑。通孔的形状可以是圆形或者多边形。

参考图10，通孔23包括贯穿牺牲层22的、相对设置的两个凹槽(右侧虚线框中所示)，凹槽的位置对应后期工艺中形成的导电叉指的两个长度方向侧边的边缘。或者通孔23为环形(左侧虚线框中所示)，环形的位置对应后期工艺中形成的导电叉指的边缘。这两种通孔结构形成的柱体加大了支撑面积，增强了支撑效果。应当理解，柱体的形式并不限于所提及的形式。当通孔23为封闭的环形时，环形的内部构成封闭的第一间隙或第二间隙。

参考图11和图12，在所述牺牲层22上表面形成第一组叉指式换能器和第二组叉指式换能器。本实施例中，在牺牲层22上表面形成第一组叉指式换能器和第二组叉指式换能器的方法为：参考图11，在牺牲层22表面上方形成导电薄膜30，可以通过磁控溅射、蒸镀等物理气相沉积或者化学气相沉积方法形成导电薄膜30。导电薄膜30的材料可以为钼(Mo)、铝(Al)、铜(Cu)、钨(W)、钽(Ta)、铂(Pt)、钌(Ru)、铑(Rh)、铱(Ir)、铬(Cr)、钛(Ti)、金(Au)、锇(Os)、铼(Re)、钯(Pd)、铂金、镍等金属中一种制成或由上述合金制成。参考图12，形成导电薄膜30后，刻蚀导电薄膜30，以形成第一叉指换能器和第二叉指换能器，刻蚀的方法包括干法刻蚀、湿法刻蚀或者两者的结合。

参考图13和图14，去除牺牲层。图13为沿导电叉指宽度方向的截面图，图14为沿导电叉指长度方向的截面图。

刻蚀形成第一叉指换能器和第二叉指换能器时，第一导电叉指31和第二导电叉指32之间存在隔离空间，隔离空间的底部暴露出牺牲层22，去除牺牲层22的方法包括：通过气相化学反应将牺牲层转化成为挥发性气体排出，或者通过液态化学反应将牺牲层溶解于溶液排出。根据选择的牺牲层22的材料，采用相对应的去除方法，比如当牺牲层22的材料为聚酰亚胺或光阻剂时，采用灰化的方法去除，灰化的方法具体为在250摄氏度的温度下，氧与牺牲层22发生化学反应，生成气体物质挥发掉，当牺牲层22的材料为低温二氧化硅时，用氢氟酸溶剂和低温二氧化硅发生反应去除。

在一个实施例中，第一间隙或第二间隙为封闭的空间，去除牺牲层22的方法为：在刻蚀形成第一叉指换能器和第二叉指换能器时，第一导电叉指或第二导电叉指上形成贯穿导电叉指的多个孔洞，暴露出牺牲层，通过孔洞将牺牲层22去除。

参照图2，在本实施例中，去除牺牲层22后还包括，通过干法刻蚀工艺，刻蚀压电感应振荡片20，形成两个相对的沟槽21，沟槽21的深度可以和压电感应振荡片体20的厚度相同，或者沟槽21的深度小于压电感应振荡片体20的厚度。所述沟槽21的长度方向为后期工艺中形成的导电叉指的长度方向，两个所述沟槽21的相对内壁与后期工艺中形成的第一导电叉指31或所述第二导电叉指32平行，所述两个沟槽21分别位于最外端的两个所述第一导电叉指31或所述第二导电叉指32的外侧。声波在压电感应振荡片体20内传输，当声波传输到压电感应振荡片体20的边界时，声波被沟槽21的空气界面反射回压电感应振荡片体20的内部，减少了声波能量损失，提高了谐振器的品质因数。

需要说明的是，本说明书中的各个实施例均采用相关的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于结构实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。

上述描述仅是对本发明较佳实施例的描述，并非对本发明范围的任何限定，本发明领域的普通技术人员根据上述揭示内容做的任何变更、修饰，均属于权利要求书的保护范围。