CN212305272U - 一种薄膜体声波谐振器 - Google Patents
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Abstract
一种薄膜体声波谐振器，涉及薄膜体声波谐振器技术领域。薄膜体声波谐振器包括自上而下依次设置的顶电极、压电层、底电极、支撑层、空腔结构和衬底，空腔结构内设有至少两个支撑膜层以及至少两个空气层。其中，支撑膜层的声阻抗大于空气层的声阻抗，每个空气层与每个支撑膜层自上而下交替叠合，任意相邻的空气层与支撑膜层共同组成布拉格声波反射层。其不仅有效增加空腔结构的机械稳固性，同时有效提升薄膜体声波谐振器的Q值。
Description
技术领域
本申请涉及薄膜体声波谐振器技术领域，具体而言，涉及一种薄膜体声波谐振器。
背景技术
薄膜体声波谐振器(Film Bulk Acoustic Resonator，FBAR)是一种新型声波谐振器件，主要由上下两层金属电极以及夹在中间的压电薄膜构成，其原理是利用压电材料进行电能与机械能相互转化的特性，通过施加高频电压在电极上，在压电材料中激励体声波从而完成谐振。与传统的声表面波滤波器(SAW)和介质滤波器相比，薄膜体声波谐振器具有体积小、功耗低、插入损耗小、可集成于IC芯片上等优点。目前，FBAR已被广泛应用于无线通信领域。
在实际制作FBAR的过程中，需要考虑如何将体声波尽可能限制在压电堆叠结构中，否则声波能量在电极外的泄露或损耗会导致品质因数(Q值)下降，影响整个器件的谐振性能。为了获得高Q值，需要尽可能减少声波的泄露，提高声波的反射率。
目前主流方法主要有两种：其一是通过空气形成自由边界条件，使得声波反射率趋近于1，为了制备空气和电极材料组成的界面，通过牺牲层的工艺，自下而上形成压电堆叠结构，器件成型后，再通过刻蚀出的释放窗口释放牺牲层材料，形成空腔使底电极直接与空气接触，使压电堆叠结构下方形成空气隙实现零声阻抗边界，即空腔型FBAR器件。但是这种空腔型FBAR机械牢固性比较低，且工艺复杂。
另外一种是利用布拉格反射形成的夹持边界条件使得反射系数趋近于1，这种谐振器具有比较可靠的强度、工艺门槛相对较低等优点，依靠交替沉积高、低声阻组成的布拉格反射层作为声波反射层，典型代表是固态装配型体声波滤波器(SMR)。不同于空腔型FBAR使用空气作为声学边界，SMR使用布拉格反射层作为声学边界，但由于构成布拉格反射层的高声阻抗层与低声阻抗层的声阻抗差别不够大，因而Q值一般比空腔型FBAR的Q值要小。
有鉴于此，特此提出本申请。
实用新型内容
本申请提供一种薄膜体声波谐振器，制得的薄膜体声波谐振器既能增加空腔结构的机械稳固性，又能提升谐振器整体的Q值。
根据本申请实施例的薄膜体声波谐振器，其包括自上而下依次设置的顶电极、压电层、底电极、支撑层、空腔结构和衬底，空腔结构内设有至少两个支撑膜层以及至少两个空气层。
其中，支撑膜层的声阻抗大于空气层的声阻抗，每个空气层与每个支撑膜层自上而下交替叠合，任意相邻的空气层与支撑膜层共同组成布拉格声波反射层。
根据本申请实施例的薄膜体声波谐振器，其采用空腔结构作为谐振腔置于压电堆叠结构下方，在空腔结构内设有支撑膜层的方式，有效增加空腔结构的机械稳固性，同时利用支撑膜层和空气层组成布拉格反射层作为声学边界限制声波能量的泄露，声波沿着支撑膜层厚度方向传播，以减少其对声波能量的散射，有效提升薄膜体声波谐振器的Q值；选用空气层作为布拉格反射层的低声阻抗层，这主要是因为空气的声阻抗相比常用的介质材料(如Al、Al2O3、SiO2以及PI等)的声阻抗要低，能获得更大的声阻抗差，对应的布拉格反射层的反射率更大，因而更能减少声波损耗，提升器件的Q值。
另外，根据本申请实施例的薄膜体声波谐振器还具有如下附加的技术特征：
本申请示出的一些实施例中，空气层的厚度为体声波波长的1/4或3/4，支撑膜层的厚度为体声波波长的1/4或3/4。
本申请示出的一些实施例中，空气层的厚度为30-2000nm，支撑膜层的厚度30-2000nm。
通过上述支撑膜层的厚度设置，尽可能实现声波全反射的条件。
本申请示出的一些实施例中，空腔结构靠近支撑层的一侧为空气层。
可选地，空腔结构靠近支撑层的一侧为支撑膜层。
上述两种条件下，均可以实现薄膜体声波谐振器的Q值的提高，操作更为灵活。
本申请示出的一些实施例中，支撑膜层的数量为2-10个。
上述设置条件下，空气层与支撑膜层的数量相同或者差一层，且2-10个的数量使薄膜体声波谐振器的Q值保持在较佳范围内。
可选地，空气层与支撑膜层一一对应。
也即是空气层与支撑膜层的数量相同，使薄膜体声波谐振器的Q值保持在较佳范围内。
本申请示出的一些实施例中，空腔结构突出于衬底的上表面，支撑层覆盖于空腔结构的上表面及侧面，且支撑层覆盖衬底的上表面未设置空腔结构的部分。
上述设置条件下，通过多个支撑膜层支撑并与支撑层相连来支撑部分底电极、压电层及部分顶电极，进而保证空腔结构的机械稳固性。
本申请示出的一些实施例中，衬底具有与空气层连通的释放窗口，薄膜体声波谐振器包括覆盖于顶电极外侧并密封释放窗口的盖层。
实际的制备过程中，通过上述释放窗口和盖层的设置，便于快捷方便的制备空气层，且不影响空腔结构的机械稳固性。
本申请示出的一些实施例中，空气层由牺牲层释放所得，牺牲层的材料为SiO2或Si，牺牲层的材料与支撑膜层的材料不同。
上述设置条件下，SiO2和Si便于去除。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本申请的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1为薄膜体声波谐振器10a的剖视图；
图2为薄膜体声波谐振器10b的剖视图；
图3为薄膜体声波谐振器10c的剖视图；
图4为薄膜体声波谐振器10d的剖视图；
图5为衬底上依次沉积牺牲层和支撑膜层后的剖视图；
图6为图形化后的薄膜结构上沉积支撑层的剖视图；
图7为支撑层上沉积并图形化底电极后的剖视图；
图8为在底电极上沉积并图形化压电层后的剖视图；
图9为在压电层上沉积并图形化顶电极后的剖视图；
图10为刻蚀顶电极和压电层，将底电极露出后的剖视图；
图11为释放牺牲层后的剖视图。
图标：10a-薄膜体声波谐振器；10b-薄膜体声波谐振器；10c-薄膜体声波谐振器；10d-薄膜体声波谐振器；100-衬底；110-空腔结构；111-支撑膜层；113-空气层；120-支撑层；130-底电极；140-压电层；150-顶电极；160-盖层；115-牺牲层。
具体实施方式
下面详细描述本申请的实施例，实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本申请，而不能理解为对本申请的限制。
在本申请的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该申请产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。
请参阅图1，本申请提供一种薄膜体声波谐振器10a，薄膜体声波谐振器包括沿竖向自下而上依次设置的衬底100、空腔结构110、支撑层120、底电极130、压电层140、顶电极150以及盖层160，底电极130、压电层140、顶电极150形成压电堆叠结构。
其中，衬底100的材料包括但不限于单晶硅，还可以为石英、玻璃、或砷化镓等。支撑层120的材料包括但不局限于SiNx，其还可以为Si、SiC等。
空腔结构110内设有至少两个支撑膜层111以及至少两个空气层113，其中支撑膜层111的声阻抗大于空气层113的声阻抗，每个空气层113与每个支撑膜层111自上而下交替叠合，任意相邻的空气层113与支撑膜层111共同组成布拉格声波反射层。
需要说明的是，每个支撑膜层111平行布置，且每个支撑膜层111的边缘与空腔结构110的内壁连接，每个空气层113彼此之间被支撑膜层111隔离。
也即是，利用支撑膜层111支撑空腔结构110，有效提高空腔结构110的机械稳定性，同时由于存在至少两个支撑膜层111以及至少两个空气层113且每个空气层113与每个支撑膜层111交替叠合，也即是以空气作为低声抗阻层，空气层113与支撑膜层111形成布拉格声波反射层，其中空气层113相比于金属材料以及常见的介质材料具有更低的声阻抗，从而使得空气层113和支撑膜层111组成的布拉格声波反射层的界面的反射率显著提高，减少声波的损耗，声波因而被更好地限制在压电堆叠结构中，形成驻波，最终提高Q值。
其中，支撑膜层111的材质包括金属、金属氧化物以及非金属中的至少一种，其中，为了更佳的支撑效果以及较强的声阻抗，非金属材质包括SiNx、Si和SiC中的至少一种，金属氧化物例如为TiO2或Al2O3，金属材料包括钨或Mo。
如图1所示的薄膜体声波谐振器10a中，支撑膜层111的材质为SiNx，其具有较佳的支撑效果，保证空腔结构的机械稳定性，同时与空气层113组成的布拉格声波反射层的界面的反射率佳。
其中，本申请涉及的至少两个例如为两个、五个、八个或十个等。
请参阅图2，本申请示出地一些实施例提供的薄膜体声波谐振器10b中，空气层113的数量为偶数个，具体例如为两个，支撑膜层111的数量比空气层113的数量多一个(也即是三个)，此时按照支撑膜层111-空气层113-支撑膜层111-空气层113-支撑膜层111的方式自上而下交替叠合。
需注意的是，上述设置条件下，支撑膜层111的数量和空气层113的数量也可调换，也即是，此时按照空气层113-支撑膜层111-空气层113-支撑膜层111-空气层113的方式布置即可。
本实施例中，空气层113与支撑膜层111一一对应，也即是，空腔结构110实际为空气层113/支撑膜层111组成的周期性结构，其中，支撑膜层111的数量为2-10个，例如2个、3个、5个、7个或10个等。
如图1所示的薄膜体声波谐振器10a中，空气层113与支撑膜层111的数量分别为3个，同时支撑膜层111与空气层113自上而下依次交替叠合，也即是空腔结构110靠近支撑层120的一侧为支撑膜层111。
请参阅图3，本申请提供的另一种薄膜体声波谐振器10c中，薄膜体声波谐振器10c中空气层113与支撑膜层111的数量分别为2个，同时空气层113与支撑膜层111自上而下依次交替叠合，也即是空腔结构110靠近支撑层120的一侧为空气层113。
无论上述哪种设置方式，为了保证尽可能实现声波全反射的条件，空气层113的厚度为体声波波长的1/4或3/4，支撑膜层111的厚度为体声波波长的1/4或3/4。
可选地，空气层113的厚度为30-2000nm，和支撑膜层111的厚度为30-2000nm，例如空气层113和/或支撑膜层111的厚度分别为30nm、100nm、500nm、1000nm、2000nm等。
可选地，空气层113的厚度小于支撑膜层111的厚度，具体例如，支撑膜层111的厚度为685nm，空气层113的厚度为135nm。需要说明的是，空腔结构110可以外凸于衬底100的上表面，也可以凹陷于衬底100的上表面。
请参阅图4，本申请提供的一些薄膜体声波谐振器10d中，空腔结构110凹陷于衬底100的上表面，也即是，其可以为在衬底100的上表面刻蚀凹槽后，在凹槽的底壁上交替沉积牺牲层115和支撑膜层111，形成薄膜结构，后续通过牺牲层115释放形成空气层113。
如图1所示的薄膜体声波谐振器10a中，空腔结构110突出于衬底100的上表面。
无论上述哪种设置方式，支撑层120均覆盖于空腔结构110的上表面及侧面，且支撑层120覆盖衬底100的上表面未设置空腔结构110的部分。
其中，支撑层120的材料包括但不局限于SiNx，其还可以为Si、SiC等。
可选地，支撑膜层111与支撑层120的材料材质相同，也即是，本实施例中支撑层120的材料为SiNx。
为了便于描述，空腔结构的侧面包括位于X方向的两侧壁以及位于Y方向的两侧壁，其中，X方向与Y方向互相垂直。底电极130与顶电极150可平行布置且基本全部覆盖于空腔结构位于X方向的两侧壁且交叠于空腔结构的上方。
本实施例中如图1所示，底电极130与顶电极150分别仅覆盖于空腔结构位于X方向的两侧壁且部分交叠于空腔结构的上方，底电极130位于顶电极150与底电极130之间且位于空腔结构的上方。
具体地，底电极130可以采用金属粘接层，例如Ti等固定于支撑层120。底电极130的材质Cu、Mo、Au、W、Ti、Al、Pt、Ru、Os等其中一种的单层金属或其中多种的合金构成，如图1所示的薄膜体声波谐振器的底电极130为厚度200nm的Mo层。
其中，压电层140例如呈L型，L型的压电层140由第一压电部及第二压电部互相连接所得，第一压电部与空气层113平行布置且设置于底电极130的上表面，第二压电部向下延伸且与支撑层120连接，底电极130的一端部抵靠于第二压电部的内壁。
压电层140的材料包括但不限于氮化铝(AlN)、氧化锌(ZnO)、PZT中的任一种，且压电层140的数量可为一层或多层，如图1所示的薄膜体声波谐振器的压电层140为一层厚度为1μm左右的AlN层。
顶电极150设置于压电层140的上表面，且顶电极150覆盖第一压电部的上表面以及第二压电部的外表面，顶电极150覆盖第二压电部的外表面的部分向支撑层120延伸并与支撑层120连接。
顶电极150的材质Cu、Mo、Au、W、Ti、Al、Pt、Ru、Os等其中一种的单层金属或其中多种的合金构成，如图1所示的薄膜体声波谐振器的顶电极150为厚度200nm的Mo层。
需要说明的是，压电堆叠结构在支撑膜层111的厚度方向上由底电极、压电层140和顶电极接触区域的重合区域定义了压电堆叠的有效压电区域，且有效压电区域在竖向的投影至少部分落入空腔结构110的范围内，可选地，有效压电区域在竖向的投影全部落入空腔结构110的范围内。
衬底具有与空气层连通的释放窗口，盖层覆盖于压电堆叠结构外侧并密封释放窗口盖层。其中，盖层160的材质可以为SiNx、Si、SiC等。
可选地，盖层160的材质与支撑层120的材质相同，盖层的厚度例如为200-3000nm。
本实施例提供如图1所示的薄膜体声波谐振器10a的制备方法，其包括：
1.请参阅图5，在衬底100上制作由牺牲层115和支撑膜层111交替叠合的薄膜结构。
具体地，在经过清洗的衬底100表面通过LPCVD周期性交替沉积低应力的作为支撑膜层111的SiNx层和牺牲层115，其中SiNx层的厚度为685nm，牺牲层115厚度为135nm。
2.请参阅图6，在薄膜结构的上表面、侧面及衬底100的上表面设置支撑层120。
需要注意的是，若需要，在设置支撑层120之前，需要对薄膜结构进行图形化刻蚀，具体刻蚀方式例如为ICP干法刻蚀。
具体地，此处的衬底100的上表面是指没有被薄膜结构遮挡的上表面，具体地，在薄膜结构的上表面、侧面及衬底100的上表面通过磁控溅射沉积一层SiNx材料作为支撑层120，使支撑层120完全覆盖薄膜结构的上表面及四周，支撑层120的厚度为800nm左右。
3.请参阅图7，在支撑层120上设置并图案化底电极130。
具体地，在支撑层120的上表面磁控溅射生长一层厚度为15nm的Ti作为粘附层(图未示)，之后溅射沉积厚度为200nm的金属Mo层并通过光刻、刻蚀后得到图形化的底电极130。
4.请参阅图8，在图形化的底电极130的上表面经PVD溅射生长厚度为1μm左右的AlN层并干法刻蚀得到图形化的压电层140。
5.请参阅图9，在图形化的压电层140的上表面通过磁控溅射沉积一层厚度为200nm的金属Mo层并图形化后得到顶电极150。
6.请参阅图10，利用干法刻蚀顶电极150和压电层140，直至底电极130露出，底电极130、压电层140和顶电极150形成压电堆叠结构。
具体地，底电极130和顶电极150分别仅覆盖于空腔结构110位于X方向的两侧壁且部分交叠于空腔结构110的上方。
7.请参阅图11，在支撑层120刻蚀出释放窗口(图未示)，通过释放窗口释放牺牲层115并形成空气层113后密封释放窗口。
具体地，干法刻蚀掉空腔结构110位于Y方向的两侧壁的支撑层120并获得释放窗口，通过释放窗口释放牺牲层115并形成空气层113，得到具有支撑层120和空气周期性形成的空腔结构110。
9.请参阅图1，在空腔结构110四周用PECVD生长厚度为200-3000nm左右的SiNx薄膜作为盖层160，盖层160覆盖顶电极、压电层140、底电极并覆盖住释放窗口以实现释放窗口的密封，形成薄膜体声波谐振器10a。
其中，牺牲层115的材料为SiO2或Si。
需注意的是，支撑膜层111的材质与牺牲层115的材料不同，防止释放牺牲层115时损坏支撑膜层111。
当牺牲层115的材料为SiO2时，支撑膜层111的材质包括金属、SiNx、Si、SiC及TiO2中的至少一种，此时采用HF气相蚀刻来释放牺牲层115。
当牺牲层115的材料为Si时，支撑膜层111的材质包括金属、SiNx、SiO2、SiC及TiO2中的至少一种，此时采用XeF2气相蚀刻来释放牺牲层115。
综上，本申请提供的薄膜体声波谐振器的制备方法，制得的薄膜体声波谐振器具有空腔结构的布拉格反射层，不仅可以提高谐振器的稳定性，还能显著提升布拉格反射层的反射率，从而提高器件Q值，将成为适用于未来高频、高功率场合下射频滤波器的解决方案。
以上仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种薄膜体声波谐振器，其特征在于，包括自上而下依次设置的顶电极、压电层、底电极、支撑层、空腔结构和衬底，所述空腔结构内设有至少两个支撑膜层以及至少两个空气层；
其中，支撑膜层的声阻抗大于所述空气层的声阻抗，每个所述空气层与每个支撑膜层自上而下交替叠合，任意相邻的所述空气层与所述支撑膜层共同组成布拉格声波反射层。
2.根据权利要求1所述的薄膜体声波谐振器，其特征在于，所述空气层的厚度为体声波波长的1/4或3/4，所述支撑膜层的厚度为体声波波长的1/4或3/4。
3.根据权利要求1所述的薄膜体声波谐振器，其特征在于，所述空气层的厚度为30-2000nm，所述支撑膜层的厚度30-2000nm。
4.根据权利要求1所述的薄膜体声波谐振器，其特征在于，
所述空腔结构靠近所述支撑层的一侧为空气层。
5.根据权利要求1所述的薄膜体声波谐振器，其特征在于，
所述空腔结构靠近所述支撑层的一侧为支撑膜层。
6.根据权利要求1所述的薄膜体声波谐振器，其特征在于，所述支撑膜层的数量为2-10个。
7.根据权利要求1所述的薄膜体声波谐振器，其特征在于，所述空气层与所述支撑膜层一一对应。
8.根据权利要求1所述的薄膜体声波谐振器，其特征在于，所述空腔结构突出于所述衬底的上表面，所述支撑层覆盖于所述空腔结构的上表面及侧面，且所述支撑层覆盖所述衬底的上表面未设置所述空腔结构的部分。
9.根据权利要求1所述的薄膜体声波谐振器，其特征在于，所述衬底具有与所述空气层连通的释放窗口，所述薄膜体声波谐振器包括覆盖于所述顶电极外侧并密封所述释放窗口的盖层。
10.根据权利要求1-9任意一项所述的薄膜体声波谐振器，其特征在于，所述空气层由牺牲层释放所得，所述牺牲层的材料为SiO2或Si，所述牺牲层的材料与所述支撑膜层的材料不同。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202021513251.7U CN212305272U (zh) | 2020-07-27 | 2020-07-27 | 一种薄膜体声波谐振器 |
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202021513251.7U CN212305272U (zh) | 2020-07-27 | 2020-07-27 | 一种薄膜体声波谐振器 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN212305272U true CN212305272U (zh) | 2021-01-05 |
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ID=73937705
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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| CN202021513251.7U Active CN212305272U (zh) | 2020-07-27 | 2020-07-27 | 一种薄膜体声波谐振器 |
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Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN111817682A (zh) * | 2020-07-27 | 2020-10-23 | 松山湖材料实验室 | 一种薄膜体声波谐振器及其制备方法 |
| WO2022205214A1 (zh) * | 2021-03-31 | 2022-10-06 | 华为技术有限公司 | 滤波器及其制作方法、电子设备 |
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2020
- 2020-07-27 CN CN202021513251.7U patent/CN212305272U/zh active Active
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