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CN111384907B - 体声波谐振器及其制作方法、滤波器、双工器 - Google Patents

体声波谐振器及其制作方法、滤波器、双工器 Download PDF

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CN111384907B CN201811653727.4A CN201811653727A CN111384907B CN 111384907 B CN111384907 B CN 111384907B CN 201811653727 A CN201811653727 A CN 201811653727A CN 111384907 B CN111384907 B CN 111384907B
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Abstract

本公开提出了一种体声波谐振器及其制作方法、滤波器、双工器；其中，所述体声波谐振器，包括：衬底；在所述衬底上的声反射单元；在所述声反射单元上的压电堆叠结构；以及；在所述压电堆叠结构上的焊盘；其中，所述体声波谐振器还包括在所述压电堆叠结构上、和/或在所述压电堆叠结构内的三维质量负载结构。本公开体声波谐振器及其制作方法、滤波器、双工器，工艺简单，成本较低，有利于性能优化。

Description

体声波谐振器及其制作方法、滤波器、双工器
技术领域
本公开属于无线通讯技术领域，更具体地涉及一种体声波谐振器及其制作方法、滤波器、双工器。
背景技术
随着移动通信技术的发展，数据传输速率要求越来越快，通信频带越来越多，需要越来越多的滤波器器件来保证各通信频带之间互不干扰，移动通信终端尤其是智能手机中的滤波器器件数量越来越多。
目前在智能手机中，用于中高频段的滤波器器件主要采用薄膜体声波技术(FilmBulk Acoustic Wave，BAW)。薄膜体声波谐振器是构成薄膜体声波滤波器、双工器的基本单元，通过将工作频率不同的薄膜体声波谐振器级联，就可以制作成用于移动通信领域的滤波器、双工器器件。
现有技术中利用工作频率不同的薄膜体声波谐振器级联制作滤波器、双工器的方案仍然存在如下技术缺陷：
(1)需要多次薄膜沉积、光刻、刻蚀工艺来制作不同频率的薄膜体声波谐振器。
(2)因薄膜沉积、刻蚀精度限制，无法制作频率差异较小的谐振器，限制了薄膜体声波滤波器、双工器的性能优化设计。
(3)难以实现片上集成的薄膜体声波双工器。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本公开提供了一种体声波谐振器及其制作方法、滤波器、双工器，以至少部分解决以上所存在的技术问题。
(二)技术方案
根据本公开的一个方面，提供了一种体声波谐振器，包括：
衬底；
在所述衬底上的声反射单元；
在所述声反射单元上的压电堆叠结构；以及；
在所述压电堆叠结构上的焊盘；
其中，所述体声波谐振器还包括在所述压电堆叠结构上、和/或在所述压电堆叠结构内的三维质量负载结构。
在一些实施例中，所述压电堆叠结构包括底电极、顶电极以及位于所述底电极和顶电极之间的压电膜；
所述三维质量负载结构设在所述压电堆叠结构的顶电极上、和/或设在所述压电堆叠结构的顶电极与压电膜之间。
在一些实施例中，所述声反射单元的边界延伸超出所述三维质量负载结构边界。
在一些实施例中，所述三维质量负载结构的形状与所述体声波谐振器的有效谐振区的形状相同或相似。
在一些实施例中，所述三维质量负载结构包括：
第一部分，包括一个或多个环状段，所述环状段的中心与所述体声波谐振器的有效谐振区的中心重合；
第二部分，包括多个条状段，所述多个条状段在所述第一部分内和/或外呈辐射状分布；
第三部分，位于所述第一部分上和/或位于第二部分上，所述第三部分与第一部分、第二部分的线宽和形状不同。
在一些实施例中，所述第一部分包括多个环状段，多个环状段由内而外依次排布且同心设置；
所述环状段为多边形环状段，所述多个条状段的一端与所述多个环状段中的一环状段的各顶点相交，另一端与所述多个环状段中的另一环状段的各顶点相交；或所述多个条状段的一端在所述多个环状段的中心汇合，另一端与所述多个环状段中的一环状段的各顶点相交；
或者所述环状段为圆环状段，所述多个条状段沿所述圆环状段的径向延伸。
在一些实施例中，所述第三部分，包括多个柱状体，位于所述第一部分与第二部分的交点上，和/或位于所述第一部分上且在相邻的两个所述交点之间，和/或位于所述第一部分的中心。
根据本公开的另一个方面，提供了一种体声波谐振器的制作方法，包括：
提供衬底；
在所述衬底上形成声反射单元；
在所述形成有声反射单元的衬底上形成压电堆叠结构；以及；
在所述压电堆叠结构上形成焊盘；
其中，所述方法还包括在所述压电堆叠结构上、和/或在所述压电堆叠结构内形成三维质量负载结构。
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体声波谐振器。
根据本公开的另一个方面，提供了一种双工器，其包括级联的多个所述体声波谐振器。
(三)有益效果
从上述技术方案可以看出，本公开一种体声波谐振器及其制作方法、滤波器、双工器至少具有以下有益效果其中之一：
(1)本公开利用三维质量负载结构提高了薄膜体声波滤波器的性能和良率。
(2)本公开具有三维质量负载结构的体声波谐振器只需一次沉积、光刻和刻蚀工艺，即可制作出多个频率不同的谐振器。通过调整三维质量负载图形X/Y方向上的尺寸(图形密集度或者叫占空比)，就可以改变谐振器的工作频率，简化了制作工艺，降低了制作成本。
(3)传统方法制作不同频率的谐振器只能通过控制薄膜厚度，因此增加一个不同频率的谐振器就需要增加一层薄膜沉积及对应的光刻、刻蚀工艺；由于本公开体声波谐振器为具有三维质量负载结构的体声波谐振器，因此除了可以按照传统方法调薄膜厚度外，还可以通过控制线宽，制作不同的质量负载，从而得到不同频率的谐振器，一方面降低了工艺难度，另一方面可以更精确的控制薄膜体声波谐振器的频率，提高薄膜体声波滤波器、双工器的性能和良率。
(4)双工器因其发射端和接收端的工作频率不同，因此较滤波器需要更多谐振频率不同的谐振器，如果把双工器制作在一片晶圆上，若采用传统方法需要增加的层数太多，良率会很低，成本也较高。本公开可以通过调整X/Y方向的线宽，来制作不同频率的谐振器，因此，将双工器集成在一片晶圆上不会增加额外的成本，只需要修改设计线宽(图形占空比)即可，有利于实现薄膜体声波双工器的片上集成。
附图说明
图1为本公开三维质量负载结构一结构示意图。
图2为本公开三维质量负载结构另一结构示意图。
图3为图2沿A-A线的截面图。
图4为本公开三维质量负载结构又一结构示意图。
图5为本公开三维质量负载结构再一结构示意图。
图6为本公开薄膜体声波谐振器一结构示意图。
图7为本公开薄膜体声波谐振器另一结构示意图。
图8为本公开滤波器结构示意图。
图9为本公开双工器结构示意图。
<符号说明>
101，201，301-第一部分；102，202，302-第二部分；103，203，303-第三部分；104，204，304-衬底；105，205，305-薄膜结构；206，306-声反射单元；207，307-隔离层；208，308-底电极；209，309-压电膜；210，310-顶电极；211，311-焊盘；S401～S404，P401～P403，RS501～504，RP501～503，TS501～504，TP501～503-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，对本公开进一步详细说明。
本公开提出了一种用来调节薄膜体声波谐振器频率的三维(XYZ三个维度)质量负载结构。本公开所述三维质量负载结构包括：
第一部分，包括一个或多个环状段，所述环状段的中心与所述体声波谐振器的有效谐振区的中心重合；
第二部分，包括多个条状段，所述多个条状段在所述第一部分内和/或外呈辐射状分布；以及
第三部分，位于所述第一部分上和/或位于第二部分上，所述第三部分与第一部分、第二部分的线宽和形状不同。
具体的，所述第一部分可包括多个环状段，多个环状段由内而外依次排布且同心设置；所述环状段可为多边形环状段，所述多个条状段的一端与所述多个环状段中的一环状段的各顶点相交，另一端与所述多个环状段中的另一环状段的各顶点相交；或所述多个条状段的一端在所述环状段的中心汇合，另一端与所述多个环状段中的一环状段的各顶点相交。或者，所述环状段为圆环状段，所述多个条状段沿所述圆环状段的径向延伸。
所述第三部分可包括多个柱状体，位于所述第一部分与第二部分的交点上，和/或位于所述第一部分上且在相邻的两个所述交点之间，和/或位于所述第一部分的中心。
在一实施例中，如图1所示，所述三维质量负载结构包括：
第一部分101，包括四个环状段，本实施例中具体为圆环，所述四个环状段以所述体声波谐振器的有效谐振区的中心为中心由内而外依次排布；
第二部分102，包括八个条状段，各所述条状段的其中一端在所述环状段的中心汇合，另一端与所述环状段连接，沿所述圆环的径向方向延伸(由内而外依次与各环状段相交)，即由中心向四周呈辐射状分布；当然所述条状段也可以选择性的与所述多个环状段中的部分环状段相交；
第三部分103，包括三十三个圆柱状体，位于所述中心上、所述环状段与条状段的交点上，所述第三部分与第一部分、第二部分的线宽和形状不同。优选的，第三部分的线宽大于第一部分和第二部分的线宽。
在另一实施例中，如图2-3所示，所述三维质量负载结构包括：
第一部分101，包括三个环状段，本实施例中具体为五边形环，所述三个环状段以所述体声波谐振器的有效谐振区的中心为中心由内而外依次排布；
第二部分102，包括五个条状段，各所述条状段的其中一端在所述环状段的中心汇合，另一端分别与所述环状段的五个顶点连接，沿所述五边形的所述中心指向五边形的所述顶点方向延伸，即由中心向四周呈辐射状分布；除此之外，还可以沿所述五边形的所述中心指向五边形各边的中点方向延伸；
第三部分103，包括三十六个圆柱状体，位于所述中心上、所述环状段与条状段的交点上、及所述环状段上且在相邻的两个交点之间；所述第三部分与第一部分、第二部分的线宽和形状不同。优选的，第三部分的线宽大于第一部分和第二部分的线宽。
所述第三部分与第一部分、第二部分的线宽和形状不同，有利于更精确的控制薄膜体声波谐振器的频率，提升器件的性能。
应当理解的是，本公开三维质量负载结构的第一部分与薄膜体声波谐振器有效谐振区形状相似或相同，并不限于实施例中给出的圆形环、五边形，还可以是椭圆形环或任意多边形环等。第三部分也并不限于圆柱状，还可以是方柱、三角柱、五棱柱、椭圆柱等，其截面尺寸沿厚度方向还可以为渐变的。第一部分所包括的环状段的数量、第二部分所包括的条状段的数量、及第三部分所包括的柱状体的数量也并不限于实施例中所给出的数量。
当然，本公开三维质量负载结构并不限于前述实施例中公开的具体结构，还可以采用其他结构，如图4-5所示，所述三维质量负载结构的第三部分可以不设置在所述中心上，第二部分也可以不延伸至所述中心汇合。
本公开还提出了一种利用所述三维质量负载结构来调节频率的薄膜体声波谐振器，包括：衬底；在所述衬底上的声反射单元；在所述声反射单元上的压电堆叠结构；以及；在所述压电堆叠结构上的焊盘；其中，所述体声波谐振器还包括在所述压电堆叠结构上、和/或在所述压电堆叠结构内的三维质量负载结构。本公开利用三维质量负载结构提高了薄膜体声波滤波器的性能和良率。
具体的，所述压电堆叠结构包括底电极、顶电极以及位于所述底电极和顶电极之间的压电膜；所述三维质量负载结构设在所述压电堆叠结构的顶电极上、和/或设在所述压电堆叠结构的顶电极与压电膜之间。
通过调节第一部分、第二部分、第三部分的线宽和形状，可以在XY维度内调节质量负载的比重，同时，通过厚度的改变，可以在Z维度调节质量负载结构的比重，由此可调节薄膜体声波谐振器的频率。具体的，横向线宽的调节可以通过掩膜版设计实现，而当前半导体工艺线宽的控制技术已经非常成熟，故可以轻易地实现质量负载的三维调节。因此，可以在同一晶圆上，通过一层三维质量负载结构，制作出多个频率不同的薄膜体声波谐振器。
在一实施例中，如图6所示，所述薄膜体声波谐振器包括衬底204，声反射单元206，隔离层207，底电极208，压电膜209，顶电极210，焊盘211，三维质量负载结构201(202)和203。其中，所述三维质量负载设置于压电膜209之上、顶电极210之下，且与所述声反射单元所在区域相对。
在另一实施例中，如图7所示，所述薄膜体声波谐振器包括衬底304，声反射单元306，隔离层307，底电极308，压电膜309，顶电极310，焊盘311，三维质量负载结构301(302)和303。其中，所述三维质量负载设置于顶电极310之上，且与所述声反射单元所在区域相对。
本公开具有三维质量负载结构的体声波谐振器只需一次沉积、光刻和刻蚀即可制作出多个频率不同的谐振器，简化了制作工艺，降低了制作成本，可通过三个维度调节薄膜体声波谐振器的质量负载，一方面降低了工艺难度，另一方面可以更精确的控制薄膜体声波谐振器的频率。
本公开还提出了一种滤波器，其利用所述三维质量负载结构提高了薄膜体声波滤波器的性能和良率。具体的，如图8所示，所述滤波器包括级联的多个所述体声波谐振器，其中，至少一个所述薄膜体声波谐振器包含有所述三维质量负载结构，且至少一个薄膜体声波谐振器的三维质量负载结构的至少一部分与其他部分在结构尺寸和/或形状上不同。
本公开还提出了一种双工器，其利用所述三维质量负载结构提高了双工器的性能和良率。具体的，如图9所示，所述双工器包括级联的多个所述体声波谐振器，该双工器可以在同一晶圆上制作完成，实现片上集成。其中，RS501～504、RP501～503是构成接收端滤波器的薄膜体声波谐振器，TS501～504、TP501～503是构成发射端滤波器的薄膜体声波谐振器。至少一个薄膜体声波谐振器包含三维质量负载结构，且至少一个谐振器的三维质量负载结构的至少一部分与其他部分不同。
本公开还提供了一种体声波谐振器的制作方法，包括：
提供衬底；
在所述衬底上形成声反射单元；
在所述形成有声反射单元的衬底上形成压电堆叠结构；以及；
在所述压电堆叠结构上形成焊盘；
其中，所述方法还包括在所述压电堆叠结构上、和/或在所述压电堆叠结构内形成三维质量负载结构。
本公开体声波谐振器的制作方法，工艺简单，成本较低，有利于器件集成。
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)本公开还可以包含多层三维质量负载结构，并不仅限于单层；
(2)三维质量负载结构可以只包含第一部分和/或第三部分。
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，所应理解的是，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。
至此，已经结合附图对本公开实施例进行了详细描述。依据以上描述，本领域技术人员应当对本公开有了清楚的认识。
需要说明的是，在附图或说明书正文中，未绘示或描述的实现方式，均为所属技术领域中普通技术人员所知的形式，并未进行详细说明。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。
当然，根据实际需要，本公开方法还包含其他的步骤，由于同本公开的创新之处无关，此处不再赘述。
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。

Claims (9)

1.一种体声波谐振器，包括：
衬底；
在所述衬底上的声反射单元；
在所述声反射单元上的压电堆叠结构；以及；
在所述压电堆叠结构上的焊盘；
其中，所述体声波谐振器还包括在所述压电堆叠结构上、和/或在所述压电堆叠结构内的三维质量负载结构；
其中，所述三维质量负载结构包括：
第一部分，包括一个或多个环状段，所述环状段的中心与所述体声波谐振器的有效谐振区的中心重合；
第二部分，包括多个条状段，所述多个条状段在所述第一部分内和/或外呈辐射状分布；
第三部分，位于所述第一部分上和/或位于第二部分上，所述第三部分与第一部分、第二部分的线宽和形状不同。
2.根据权利要求1所述的体声波谐振器，其中，所述压电堆叠结构包括底电极、顶电极以及位于所述底电极和顶电极之间的压电膜；
所述三维质量负载结构设在所述压电堆叠结构的顶电极上、和/或设在所述压电堆叠结构的顶电极与压电膜之间。
3.根据权利要求1所述的体声波谐振器，其中，所述声反射单元的边界延伸超出所述三维质量负载结构边界。
4.根据权利要求1所述的体声波谐振器，其中，所述三维质量负载结构的形状与所述体声波谐振器的有效谐振区的形状相同。
5.根据权利要求1所述的体声波谐振器，其中，所述第一部分包括多个环状段，多个环状段由内而外依次排布且同心设置；
所述环状段为多边形环状段，所述多个条状段的一端与所述多个环状段中的一环状段的各顶点相交，另一端与所述多个环状段中的另一环状段的各顶点相交；或所述多个条状段的一端在所述多个环状段的中心汇合，另一端与所述多个环状段中的一环状段的各顶点相交；
或者所述环状段为圆环状段，所述多个条状段沿所述圆环状段的径向延伸。
6.根据权利要求1所述的体声波谐振器，其中，所述第三部分，包括多个柱状体，位于所述第一部分与第二部分的交点上，和/或位于所述第一部分上且在相邻的两个所述交点之间，和/或位于所述第一部分的中心。
7.一种体声波谐振器的制作方法，包括：
提供衬底；
在所述衬底上形成声反射单元；
在所述形成有声反射单元的衬底上形成压电堆叠结构；以及；
在所述压电堆叠结构上形成焊盘；
其中，所述方法还包括在所述压电堆叠结构上、和/或在所述压电堆叠结构内形成三维质量负载结构；
其中，所述三维质量负载结构包括：
第一部分，包括一个或多个环状段，所述环状段的中心与所述体声波谐振器的有效谐振区的中心重合；
第二部分，包括多个条状段，所述多个条状段在所述第一部分内和/或外呈辐射状分布；
第三部分，位于所述第一部分上和/或位于第二部分上，所述第三部分与第一部分、第二部分的线宽和形状不同。
8.一种滤波器，其包括级联的多个如权利要求1-6中任一项所述体声波谐振器。
9.一种双工器，其包括级联的多个如权利要求1-6中任一项所述体声波谐振器。
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