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CN111010135A - 体声波谐振器、滤波器及电子设备 - Google Patents

体声波谐振器、滤波器及电子设备 Download PDF

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CN111010135A CN201911027017.5A CN201911027017A CN111010135A CN 111010135 A CN111010135 A CN 111010135A CN 201911027017 A CN201911027017 A CN 201911027017A CN 111010135 A CN111010135 A CN 111010135A
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杨清瑞
张孟伦
徐洋
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Abstract

本发明公开了一种体声波谐振器，包括：基底；声学镜腔体，设置在基底中；底电极；顶电极；压电层，设置在底电极与顶电极之间，其中，所述底电极包括第一底电极和第二底电极，所述第一底电极设置在声学镜腔体上方，至少部分的所述第二底电极设置在声学镜腔体中以与所述第一底电极形成间隙且同时所述第二底电极与所述第一底电极保持电接触。本发明还公开了一种具有上述谐振器的滤波器以及具有该滤波器或谐振器的电子设备。

Description

体声波谐振器、滤波器及电子设备
技术领域
本发明涉及半导体领域，尤其涉及一种体声波谐振器、一种具有该谐振器的滤波器，以及一种具有该谐振器或者该滤波器的电子设备。
背景技术
电子器件作为电子设备的基本元素，已经被广泛应用，其应用范围包括移动电话、汽车、家电设备等。此外，未来即将改变世界的人工智能、物联网、5G通讯等技术仍然需要依靠电子器件作为基础。
薄膜体声波谐振器(Film Bulk Acoustic Resonator，简称FBAR，又称为体声波谐振器，也称BAW)作为压电器件的重要成员正在通信领域发挥着重要作用，特别是FBAR滤波器在射频滤波器领域市场占有份额越来越大，FBAR具有尺寸小、谐振频率高、品质因数高、功率容量大、滚降效应好等优良特性，其滤波器正在逐步取代传统的声表面波(SAW)滤波器和陶瓷滤波器，在无线通信射频领域发挥巨大作用，其高灵敏度的优势也能应用到生物、物理、医学等传感领域。
薄膜体声波谐振器的结构主体为由电极-压电薄膜-电极组成的“三明治”结构，即两层金属电极层之间夹一层压电材料。通过在两电极间输入正弦信号，FBAR利用逆压电效应将输入电信号转换为机械谐振，并且再利用压电效应将机械谐振转换为电信号输出。
随着滤波器工作频率不断提高，体声波谐振器的薄膜厚度尤其是电极的薄膜厚度要进一步减小，从而导致电学损耗增加，谐振器串联谐振点及其频率附近处的Q值降低。因此，亟需一种加工工艺简单、性能可靠的低电损耗体声波谐振器。
发明内容
为缓解或解决现有技术中的上述问题，提出本发明。
根据本发明的实施例的一个方面，提出了一种体声波谐振器，包括：
基底；
声学镜腔体，设置在基底中；
底电极；
顶电极；
压电层，设置在底电极与顶电极之间，
其中，所述底电极包括第一底电极和第二底电极，所述第一底电极设置在声学镜腔体上方，至少部分的所述第二底电极设置在声学镜腔体中以与所述第一底电极形成间隙且同时所述第二底电极与所述第一底电极保持电接触。
本发明的实施例还涉及一种滤波器，包括上述的体声波谐振器。
本发明的实施例也涉及一种电子设备，包括上述的滤波器或者上述的谐振器。
附图说明
以下描述与附图可以更好地帮助理解本发明所公布的各种实施例中的这些和其他特点、优点，图中相同的附图标记始终表示相同的部件，其中：
图1为根据本发明的一个示例性实施例的体声波谐振器的俯视示意图；
图1A为根据本发明的一个示例性实施例的沿图1中的A1-A2截得的剖面示意图；
图1B为根据本发明的另一个示例性实施例的沿图1中的A1-A2截得的剖面示意图，进一步显示了散热路径；
图1C为根据本发明的另一个示例性实施例的沿图1中的A1-A2截得的剖面示意图，进一步显示了谐振器在应力下的形变；
图1D为根据本发明的另一个示例性实施例的沿图1中的A1-A2截得的剖面示意图；
图2为根据本发明的再一个示例性实施例的沿图1中的A1-A2截得的剖面示意图；
图3为根据本发明的又一个示例性实施例的沿图1中的A1-A2截得的剖面示意图；
图4A为根据本发明的又一个示例性实施例的沿图1中的A1-A2截得的剖面示意图，其中第一底电极设有通孔；
图4B为根据本发明的一个示例性实施例的沿图1中的A1-A2截得的剖面示意图，其中第一底电极和压电层设置有贯穿通孔；
图4C为根据本发明的再一个示例性实施例的沿图1中的A1-A2截得的剖面示意图，其中第一底电极外设置有通孔与声学镜空腔的释放通道相连，且第二底电极仅设置在声学镜空腔内；和
图4D为根据本发明的另一个示例性实施例的沿图1中的A1-A2截得的剖面示意图，其中第二底电极和基底设置有贯穿通孔。
具体实施方式
下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。在说明书中，相同或相似的附图标号指示相同或相似的部件。下述参照附图对本发明实施方式的说明旨在对本发明的总体发明构思进行解释，而不应当理解为对本发明的一种限制。
图1为根据本发明的一个示例性实施例的体声波谐振器的俯视示意图。在图1中，各附图标记如下：
10：基底，可选材料为硅(高阻硅)、砷化镓、蓝宝石、石英等。
20：声学镜空腔。
30：第一底电极，材料可选钼、钌、金、铝、镁、钨、铜，钛、铱、锇、铬或以上金属的复合或其合金等。
36：电极引脚，材料与第一底电极相同。
31：第二底电极，材料选择范围同第一底电极30，但具体材料不一定与第一底电极30相同。
40：压电薄膜层，可选氮化铝(AlN)、氧化锌(ZnO)、锆钛酸铅(PZT)、铌酸锂(LiNbO3)、石英(Quartz)、铌酸钾(KNbO3)或钽酸锂(LiTaO3)等材料，也可包含上述材料的一定原子比的稀土元素掺杂材料。
50：第一顶电极，材料可选钼、钌、金、铝、镁、钨、铜，钛、铱、锇、铬或以上金属的复合或其合金等。
56：电极引脚，材料与第一顶电极相同。
21：牺牲层释放通道；
41：牺牲层释放孔；
进一步地，如图1A和图2分别所示，当底电极包括相互电接触的第一底电极30和第二底电极31且两者之间具有空气间隙结构时，为了能够有效地增大该间隙，在本发明中，第二底电极31可以部分或者全部地设置在声学镜腔体20中，从而有效地增大上述间隙。
如图1A所示，在一个优选实施例中，第二底电极31铺设在空腔型声学镜20的底部；而在进一步优选实施例中，空腔型声学镜20还包括侧壁，所述第二底电极31不仅覆盖空腔型声学镜20的底部，还进一步敷设在其侧壁，且同时使第二底电极31的两端与第一底电极30保持电学接触，相当于在第一底电极的基础上并联了第二底电极，因此，可以大幅减小电极损耗，从而提高谐振器在串联谐振频率附近的Q值，同时，由于第二底电极与第一底电极中间存在空隙可以起到声学隔离效果，因此，谐振器的其他性能，如机电耦合系数、并联谐振频率附近的Q值，不会受到任何负面影响。
如图1B所示，当谐振器工作时，有效区域内产生的热量可通过第二底电极31有效散失到基底10中，即上述结构一方面可有效增大底电极与基底10的接触面积，从而提高散热效率和功率容量(图1B中箭头清楚地显示了热量发散路径)。
另一方面，如图1C所示，(虚线分别为顶电极50与第一底电极30的形变)，当谐振器的三明治结构在应力作用下发生弯曲时，借助空腔20形成的空气间隙可提供足够的空间防止底电极30和31发生贴合。即上述结构还可有效增大两层下电极之间的空气间隙20，从而减小两层电极在应力作用下发生弯曲贴合的概率，进而增强了谐振器性能可靠性和工艺稳定性。此外，该结构可采用更为简单的释放结构制成，简化了工艺。
进一步可选地，为了使第二底电极在声学镜空腔的侧壁上具有更好的粘附性和连续性，可以将声学镜空腔的侧壁加工成斜坡状，如图1D所示。
更进一步地，如图2和3所示，还可将第二底电极31进一步延伸至声学镜20的空腔之外并且在引脚侧与第一底电极30保持电接触，这样可进一步减小电阻，同时保证第一底电极30和第二底电极31的电学连接更可靠。其中，图3所示实施例中侧壁相对于底部向外倾斜，从而更有助于第二底电极31延伸至声学镜20的空腔之外。
在本发明中，为了进一步简化加工工艺，可如图4A所示，在电极30位于有效区域之外的部分上制作通孔41，在湿法环境下，刻蚀剂可透过压电层40的较为疏松的微观结构由41进入空腔20并逐步分解掉其中的牺牲层物质，反应生成物也可经41透过压电层40排到谐振器之外。
另外优选地，也可如图4B所示，使通孔41贯穿电极层30和压电层40，这样可加速牺牲层释放过程，减少刻蚀剂对谐振器造成的不利影响。
也可如图4C所示，在电极30以外的位置制作通孔41，通过与声学镜空腔布置在同层的释放通道21，将通孔与声学镜空腔相连通，实现声学镜空腔的释放。其中，第二电极31仅覆盖于声学空腔内，而不覆盖释放通道。
也可如图4D所示，使通孔穿过基底10和电极31形成刻蚀剂通道。
需要说明的是，空气间隙构成空隙层，但是本发明中，空隙层除了可以为空气间隙层之外，还可以是真空间隙层，也可以是填充了其他气体介质的空隙层。
在本发明中，提到的数值范围除了可以为端点值之外，还可以为端点值之间的中值或者其他值，均在本发明的保护范围之内。
在本发明中，一个部件的“内侧”与“外侧”以在谐振器的横向方向上，该部件哪一部分更靠近谐振器的有效区域的中心来进行判断，若靠近谐振器的有效区域的中心，则为内侧，反之，若远离谐振器的有效区域的中心，则为外侧。
如本领域技术人员能够理解的，根据本发明的体声波谐振器可以用于形成滤波器。
基于以上，本发明提出了如下技术方案：
1、一种体声波谐振器，包括：
基底；
声学镜腔体，设置在基底中；
底电极；
顶电极；
压电层，设置在底电极与顶电极之间，
其中，所述底电极包括第一底电极和第二底电极，所述第一底电极设置在声学镜腔体上方，至少部分的所述第二底电极设置在声学镜腔体中以与所述第一底电极形成间隙且同时所述第二底电极与所述第一底电极保持电接触。
2、根据1所述的谐振器，其中：
所述第二底电极覆盖所述声学镜的底部的至少一部分。
3、根据2所述的谐振器，其中：
所述声学镜具有侧壁，所述第二底电极从底部延伸敷设至侧壁从而电接触所述第一底电极。
4、根据3所述的谐振器，其中：
所述第二底电极进一步从所述侧壁延伸敷设至所述基底和所述第一底电极之间。
5、根据3所述的谐振器，其中：
所述侧壁与所述底部垂直。
6、根据3所述的谐振器，其中：
所述侧壁相对于所述底部向外倾斜。
7、根据1所述的谐振器，其中：
所述顶电极、第一底电极、压电层和间隙的重叠区域构成谐振器的有效区域；
所述第一底电极的有效区域外设置有至少一个通孔，所述通孔与声学镜腔体相通。
8、根据7所述的谐振器，其中：
所述通孔贯穿所述第一底电极和所述压电层。
9、根据1的谐振器，其中：
所述基底中设置有位于声学镜空腔外侧的至少一个通道，所述通道与所述声学镜空腔相通，且所述通道在横向方向上延伸到第一底电极外侧；
所述谐振器还包括设置在所述第一底电极外侧且贯穿所述压电层的至少一个通孔，所述通孔在第一底电极的外侧与所述通道相连而相通。
10、根据1所述的谐振器，其中：
所述第二底电极和所述基底设置有至少一个贯穿通孔，所述贯穿通孔与声学镜腔体相通。
11、根据1所述的谐振器，其中：
所述间隙的上表面高于基底的上表面。
12、根据1所述的谐振器，其中：
所述间隙的上表面与基底的上表面齐平。
13、一种滤波器，包括根据1-12中任一项所述的体声波谐振器。
14、一种电子设备，包括根据13所述的滤波器或者根据1-12中任一项所述的谐振器。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行变化，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (14)

1.一种体声波谐振器，包括：
基底；
声学镜腔体，设置在基底中；
底电极；
顶电极；
压电层，设置在底电极与顶电极之间，
其中，所述底电极包括第一底电极和第二底电极，所述第一底电极设置在声学镜腔体上方，至少部分的所述第二底电极设置在声学镜腔体中以与所述第一底电极形成间隙且同时所述第二底电极与所述第一底电极保持电接触。
2.根据权利要求1所述的谐振器，其中：
所述第二底电极覆盖所述声学镜的底部的至少一部分。
3.根据权利要求2所述的谐振器，其中：
所述声学镜具有侧壁，所述第二底电极从底部延伸敷设至侧壁从而电接触所述第一底电极。
4.根据权利要求3所述的谐振器，其中：
所述第二底电极进一步从所述侧壁延伸敷设至所述基底和所述第一底电极之间。
5.根据权利要求3所述的谐振器，其中：
所述侧壁与所述底部垂直。
6.根据权利要求3所述的谐振器，其中：
所述侧壁相对于所述底部向外倾斜。
7.根据权利要求1所述的谐振器，其中：
所述顶电极、第一底电极、压电层和间隙的重叠区域构成谐振器的有效区域；
所述第一底电极的有效区域外设置有至少一个通孔，所述通孔与声学镜腔体相通。
8.根据权利要求7所述的谐振器，其中：
所述通孔贯穿所述第一底电极和所述压电层。
9.根据权利要求1所述的谐振器，其中：
所述基底中设置有位于声学镜空腔外侧的至少一个通道，所述通道与所述声学镜空腔相通，且所述通道在横向方向上延伸到第一底电极外侧；
所述谐振器还包括设置在所述第一底电极外侧且贯穿所述压电层的至少一个通孔，所述通孔在第一底电极的外侧与所述通道相连而相通。
10.根据权利要求1所述的谐振器，其中：
所述第二电极和所述基底设置有至少一个纵向贯穿通孔，所述纵向贯穿通孔与声学镜腔体相通。
11.根据权利要求1所述的谐振器，其中：
所述间隙的上表面高于基底的上表面。
12.根据权利要求1所述的谐振器，其中：
所述间隙的上表面与基底的上表面齐平。
13.一种滤波器，包括根据权利要求1-12中任一项所述的体声波谐振器。
14.一种电子设备，包括根据权利要求13所述的滤波器或者根据权利要求1-12中任一项所述的谐振器。
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