CN112134542B - 体声波谐振器、体声波谐振器组件及制造方法、滤波器及电子设备 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种体声波谐振器，包括基底；声学镜；底电极；顶电极；和压电层，其中：所述压电层包括压电上层和压电下层，所述谐振器还包括设置在压电上层与压电下层之间的金属***层，所述***层至少全部覆盖有效区域。本发明也涉及一种上述体声波谐振器的机电耦合系数的调节方法，包括步骤：选择***层的***厚度、压电上层的上层厚度与压电上层和压电下层的厚度之和的比值、***层延伸到有效区域的边界之外的延伸长度中的至少一种，以调节机电耦合系数。本发明还涉及一种体声波谐振器组件及其制造方法、一种滤波器以及一种电子设备。
Description
技术领域
本发明的实施例涉及半导体领域，尤其涉及一种体声波谐振器、一种体声波谐振器组件及其制造方法，一种具有该谐振器或谐振器组件的滤波器，以及一种电子设备。
背景技术
随着5G通信技术的日益发展，对数据传输速率的要求越来越高。与数据传输速率相对应的是频谱资源的高利用率和频谱的复杂化。通信协议的复杂化对于射频***的各种性能提出了严格的要求，在射频前端模块，射频滤波器起着至关重要的作用，它可以将带外干扰和噪声滤除掉以满足射频***和通信协议对于信噪比的要求。
传统的射频滤波器受结构和性能的限制，不能满足高频通信的要求。薄膜体声波谐振器(FBAR)作为一种新型的MEMS器件，具有体积小、质量轻、***损耗低、频带宽以及品质因子高等优点，很好地适应了无线通信***的更新换代，使FBAR技术成为通信领域的研究热点之一。
另一方面，已有技术中的滤波器的串联谐振器和并联谐振器共同作用形成滤波器通带特性。通过设置串联谐振器的串联谐振频率彼此不同以及串联谐振器的机电耦合系数Kt2的变化，可以有效改善滤波器通带右侧的滚降特性。滤波器应用小Kt2谐振器容易实现良好的滚降特性，但是一旦设计指标(带宽、插损、带外抑制等)确定，谐振器的Kt2也就基本确定了，这样滤波器带宽和滤波器良好的滚降特性是相互矛盾的，常规架构下宽带宽滤波器设计很难实现良好的滚降特性，且对于普通滤波器中的谐振器叠层已确定的条件下，通过对谐振器结构的改变，50Ohm谐振器的Kt2变化只有±0.5％左右，对滤波器滚降特性的改善有限。所以放开各个谐振器间的Kt2的自由度的限制,有利于提升整个滤波器的滚降性能。
发明内容
为提高体声波谐振器的Kt2的选择自由度，提出本发明。
本发明基于在体声波谐振器的压电层内设置金属***层，来调整该谐振器的机电耦合系数Kt2。
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；
底电极；
顶电极；和
压电层，
其中：
所述压电层包括压电上层和压电下层，所述谐振器还包括设置在压电上层与压电下层之间的金属***层，所述***层至少全部覆盖有效区域。
本发明的实施例还涉及一种上述体声波谐振器的机电耦合系数的调节方法，所述谐振器包括基底、声学镜、底电极、顶电极和压电层，第一谐振器和第二谐振器中的至少一个谐振器的压电层包括压电上层和压电下层，且压电上层与压电下层之间设置有金属***层，所述方法包括步骤：
选择所述***层的***厚度、所述压电上层的上层厚度与所述压电上层和压电下层的下层厚度之和的比值、所述***层延伸到有效区域的边界的外侧的延伸长度中的至少一种，以调节机电耦合系数。
本发明的实施例还涉及一种体声波谐振器组件，其包括第一谐振器和第二谐振器，第一谐振器和第二谐振器均为体声波谐振器，第一谐振器和第二谐振器均包括基底、声学镜、底电极、顶电极和压电层，其中：
第一谐振器和第二谐振器中的至少一个谐振器的压电层包括压电上层和压电下层，且压电上层与压电下层之间设置有金属***层；且
基于所述至少一个谐振器的所述***层的***厚度、所述压电上层的上层厚度与所述压电上层和压电下层的下层厚度之和的比值、所述***层延伸到有效区域的边界的外侧的延伸长度中的至少一种，所述第一谐振器和第二谐振器的机电耦合系数彼此不同。
本发明的实施例也涉及一种滤波器，其中：所述滤波器包括并联谐振器和串联谐振器，所述并联谐振器和/或串联谐振器为上述体声波谐振器，或者所述滤波器包括上述体声波谐振器组件。
本发明的实施例还涉及一种上述体声波谐振器组件的制造方法，包括：
步骤1：在第一谐振器和第二谐振器的区域，在设置了图形化的底电极的结构上形成压电下层，所述压电下层覆盖所述底电极；
步骤2：在第一谐振器和/或第二谐振器的区域在压电下层上制备***层；
步骤3：在步骤2形成的结构上形成覆盖该结构的压电上层，
其中：
第一谐振器和第二谐振器的机电耦合系数不同。
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1A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1B和1C分别为沿图1A中的AOA’线和AOB线的截面图；
图2示例性示出了在影响谐振器的机电耦合系数的其他因素不变的情况下，机电耦合系数与***层的***厚度的关系的示意图；
图3示例性示出了在影响谐振器的机电耦合系数的其他因素不变的情况下，机电耦合系数与压电上层的厚度与整个压电层的厚度的比值的关系的示意图；
图4A示例性示出了在影响谐振器的机电耦合系数的其他因素不变的情况下，机电耦合系数与***层延伸到声学镜的边界外侧的延伸长度的关系的示意图，在图4A中，延伸长度为在底电极的非连接边，***层延伸到顶电极的非连接边的外侧或者延伸到有效区域的边界的外侧的延伸长度；
图4B示例性示出了在影响谐振器的机电耦合系数的其他因素不变的情况下，机电耦合系数与***层延伸到声学镜的边界外侧的延伸长度的关系的示意图，在图4B中，延伸长度为在顶电极连接边下方的***层延伸出有效区域的边界的的外侧的延伸长度；
图5A为梯形结构滤波器的示例性电路图；
图5B和图5C分别示例性示出了根据本发明的实施例的体声波谐振器组件的截面示意图，其中示出了两个体声波谐振器，两个谐振器的压电层内均设置有***层；
图6为示例性示出了根据本发明的实施例的体声波谐振器组件的截面示意图，其中示出了两个体声波谐振器，两个谐振器的压电层内均设置有***层；
图7A和7B示例性示出了根据本发明的实施例的体声波谐振器组件的截面示意图，其中示出了两个体声波谐振器；
图8示例性示出了根据本发明的实施例的体声波谐振器组件的截面示意图，其中示出了两个体声波谐振器；
图9为示例性示出了根据本发明的实施例的体声波谐振器组件的截面示意图，其中示出了两个体声波谐振器，两个谐振器的压电层内均设置有***层，且声学镜为布拉格反射层；
图10-图27示例性示出了图5B所示的体声波谐振器组件的制作过程。
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。发明的一部分实施例，而并不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
首先，本发明的附图中的附图标记说明如下：
10:基底，可选材料为单晶硅、氮化镓、砷化镓、蓝宝石、石英、碳化硅、金刚石等，也可以是铌酸锂、钽酸锂、铌酸钾等单晶压电衬底。
20：声学镜,可为空腔或空气腔，也可采用布拉格反射层及其他等效形式。本发明所示的实施例中分别示出了空腔和布拉格反射层的实施例。
21：牺牲材料,本发明所示的实施例中其填充于空腔中，实施过程中利用释放牺牲材料的方法形成空腔，牺牲材料可选二氧化硅，掺杂二氧化硅，多晶硅，非晶硅等材料。
30：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。
40：压电层，可以为单晶压电材料，可选的，如：单晶氮化铝、单晶氮化镓、单晶铌酸锂、单晶锆钛酸铅(PZT)、单晶铌酸钾、单晶石英薄膜、或者单晶钽酸锂等材料，也可以为多晶压电材料(与单晶相对应，非单晶材料)，可选的，如多晶氮化铝、氧化锌、PZT等，还可是包含上述材料的一定原子比的稀土元素掺杂材料，例如可以是掺杂氮化铝，掺杂氮化铝至少含一种稀土元素，如钪(Sc)、钇(Y)、镁(Mg)、钛(Ti)、镧(La)、铈(Ce)、镨(Pr)、钕(Nd)、钷(Pm)、钐(Sm)、铕(Eu)、钆(Gd)、铽(Tb)、镝(Dy)、钬(Ho)、铒(Er)、铥(Tm)、镱(Yb)、镥(Lu)等。
40a：压电上层，材料选择同压电层40。
40b：压电下层，材料选择同压电层40，其可以与压电上层的材料相同，也可以不同。
41：粒子束刻蚀工艺(IBE)刻蚀压电下层的硬掩膜层(hard mask)，其构成阻挡层，材料可选氮化硅，钼，氧化硅等。
41a：图形化后的IBE刻蚀压电下层的硬掩膜层。
42：IBE刻蚀压电上层的硬掩膜层。
42a：图形化后的IBE刻蚀压电上层的硬掩膜层。
50：顶电极，其材料可与底电极相同，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。顶电极和底电极材料一般相同，但也可以不同。
60：频率调节层或者质量负载层,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。也可选二氧化硅，氮化铝，氧化锌，PZT等介质材料，还包含上述压电材料的一定原子比的稀土元素掺杂材料。
70：保护层，其材料可选AlN等压电材料，以及SiO2、Al2O3等介质材料
80：金属***层，其材料可以选择钼、钌、金、铝、镁、钨、铜，钛、铱、锇、铬等金属，在本发明的一个实施例中为钼。
在本发明中，通过在不同谐振器间的压电层中***一层金属***层(例如钼)来调节该谐振器的kt2，可以通过以下3点来调节体声波谐振器的机电耦合系数kt2：
1、改变不同谐振器间金属***层的边缘的位置实现对谐振器的kt2变化量的调节；
2、改变不同谐振器间金属***层在压电层中的相对位置实现对谐振器的kt2变化量的调节。
3、改变不同谐振器间***层的厚度实现对谐振器的kt2变化量的调节。
通过上述方法可以改变谐振器的kt2，从而可以改善滤波器的设计自由度，改善通带边缘的滚降。
图1A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 1B和1C分别为沿图1A中的AOA’线和AOB线的截面图。需要指出的是，谐振器的形状不限于图1中所示的圆形，也可以为其他多边形，椭圆形，或其他不规则形状。
如图1B和1C所示，***层80的外边缘到有效区域的边界(在本发明中，顶电极、底电极、压电层以及声学镜在谐振器的厚度方向上的重叠区域形成谐振器的有效区域)的距离为D1(顶电极的连接边)和D2(顶电极的非连接边)，***层80的厚度为T0，压电下层40b的厚度为T1，压电上层40a的厚度为T2，定义***层80位置为压电上层的厚度与压电下层和压电上层厚度之和的比值 PZ_Ratio＝T2/(T1+T2)。
图2示例性示出了在影响谐振器的机电耦合系数的其他因素不变的情况下，机电耦合系数与***层的***厚度的关系的示意图。如图2所示，随着***层 80厚度T0的增大，kt2单调递减。可选的，***层80的厚度在
μm-2μm 的范围内。
需要指出的是，在本发明中，各个数值范围，除了明确指出不包含端点值之外，除了可以为端点值，还可以为各个数值范围的中值，这些均在本发明的保护范围之内。
图3示例性示出了在影响谐振器的机电耦合系数的其他因素不变的情况下，机电耦合系数与压电上层的厚度与整个压电层的厚度的比值的关系的示意图。如图3所示，随着表示***层80位置的比值PZ_Ratio的增大，kt2先减小后增大。
图4A示例性示出了在影响谐振器的机电耦合系数的其他因素不变的情况下，机电耦合系数与***层延伸到有效区域外侧的延伸长度的关系的示意图。图4A 中的延伸长度对应的是，在底电极的非连接边，***层80延伸到顶电极50的非连接边的外侧的延伸长度。如图4A所示，随着***层80延伸过顶电极的非连接边的边缘的距离(也就是与有效区域的边界的距离，对应于图1C中的D2) 增大，kt2先减小，待超出底电极(BM)的非电极连接端的边缘后，kt2保持不变。
图4B示例性示出了在影响谐振器的机电耦合系数的其他因素不变的情况下，机电耦合系数与***层延伸到有效区域外侧的延伸长度的关系的示意图，在图 4B中，延伸长度为在顶电极连接边下方的***层延伸出有效区域的边界的的外侧的延伸长度(对应于图1B、1C中的D1)。如图4B所示，随着延伸长度的增加， kt2基本呈单调递减的趋势。
在图4A和4B中，横坐标为μm，纵坐标为谐振器的机电耦合系数kt2。
另外，虽然没有示出，随着在底电极连接边上方的***层延伸出有效区域的距离(对应于图1B中的距离D2)的增加，kt2同样呈单调递减的趋势。
因此，可以通过选择***层延伸到有效区域的边界之外的延伸长度来调整谐振器的kt2。例如，通过增大该延伸长度，来降低kt2。
对于图4A所示的延伸长度以及图4B所示的延伸长度，可以同时选择，也可以单独选择，换言之，选择***层到有效区域的边界之外的延伸长度，可以是如图4A所示的方式，也可以是如图4B所示的方式，也可以是其他的通过调整该延伸长度来调整kt2的方式，均在本发明的保护范围之内。
在本发明中，内和外是相对于谐振器的有效区域的中心在横向方向或者径向方向上而言的，一个部件的靠近该中心的一侧或一端为内侧或内端，而该部件的远离该中心的一侧或一端为外侧或外端。对于一个参照位置而言，位于该位置的内侧表示在横向方向或径向方向上处于该位置与该中心之间，位于该位置的外侧表示在横向方向或径向方向上比该位置更远离该中心。在本发明中，上和下是相对于谐振器的基底的底面而言的，对于一个部件，其靠近该底面的一侧为下侧，远离该底面的一侧为上侧。
图5A为梯形结构滤波器的示例性电路图。图5a所示的经典梯型结构滤波器电路图，101、102、103谐振器为串联谐振器，104、105为并联谐振器。
图5B和图5C分别示例性示出了根据本发明的实施例的体声波谐振器组件的截面示意图，其中示出了两个体声波谐振器，两个谐振器的压电层40内均设置有***层80。图5B中左侧谐振器的***层80的纵向位置不同于图5C中右侧谐振器的***层80的纵向位置，且右侧谐振器与左侧谐振器的压电上层或压电下层的厚度存在不同。可选的，其中一个谐振器可以有质量负载层或频率调节层60。引入不同厚度的***层，或者在压电层不同的纵向位置上引入***层不仅会导致其机电耦合系数变化，也会由于质量负载效应导致其频率发生变化，因此，需要根据滤波器的设计需求引入质量负载层或频率调节层60，从而进一步调节两个谐振器的频率差值。该质量负载层也可以是综合考虑了***层对谐振器频率影响以及并联谐振器与串联谐振器频率差而设置的。在后续的实施例中，质量负载层或频率调节层60也是一个可选项。
图5B和图5C中的谐振器组件中的两个谐振器可以对应于图5A中的滤波器的串联谐振器101和并联谐振器104。串联谐振器101与并联谐振器104通过顶电极相连。
在图5B和图5C中，截面图通过了串联谐振器101的底电极非电极连接边，串联谐振器101和并联谐振器104的顶电极连接边，以及并联谐振器104的底电极的电极连接边。
在图5B和图5C中，***层80的外边缘距离有效区域的边界的距离为D1 和D2(例如参见图8中的标注)，串联谐振器101的***层80的厚度为T0，压电下层40b的厚度为T1，压电上层40a的厚度为T2；并联谐振器104的***层 80的厚度为T0，压电下层的厚度为T1’，压电上层的厚度为T2’。在图5B和图5C中，两个谐振器的***层的厚度相同。
对于***层80的位置，其在串联谐振器101和并联谐振器104中纵向位置是不相同的,可以获得，串联谐振器101和并联谐振器104的Kt2分别为Kt21和 Kt22,则两个谐振器之间的Kt2差为δKt2＝Kt21-Kt22。在图5B和图5C所示的实施例中，可以通过设置***层的纵向位置来调整两个谐振器的Kt2。
虽然以并联谐振器104和串联谐振器101为例做了说明，但是对于***层结构，其可以是任意串联谐振器或者并联谐振器之间采用不同的***层结构，也可以是任意串联谐振器之间采用不同的***层结构，亦可以是并联谐振器之间采用不同的***层结构。这里的***层结构，包括了对于***层的厚度、***层在压电层中的纵向位置、***层的边缘延伸到声学镜的边界之外的延伸距离中的一种或多种参数。
如图5B所示，***层80在串联谐振器101和并联谐振器104中的纵向位置是不相同的。
如图5C所示，***层在串联谐振器101和并联谐振器104中的纵向位置可以是在串联谐振器101中更靠近底电极，也可以在并联谐振器104中更靠近底电极，均在本发明的保护范围之内。
图5B和5C中，对于压电层40的厚度(即压电上层与压电下层的厚度之和)， 101谐振器和104谐振器中的压电层总厚度可以是相同的，也可以是不相同的。
对于***层的边缘结构，其边缘超出空气腔的边缘，可以在底电极的非电极连接边的边缘的外侧，也可以在谐振器的横向方向上处于声学镜的边界与底电极的非电极连接边的边缘之间。
此外，对于***层的边缘结构或末端，其倾斜角度θ从0到90度连续可调，在一个实施例中，角度在5度-60度的范围内，进一步的，可以选择角度为45 度。如图5B和5C所示，所述***层的末端处于所述声学镜的边界的外侧。
图6为示例性示出了根据本发明的实施例的体声波谐振器组件的截面示意图，其中示出了两个体声波谐振器，两个谐振器的压电层内均设置有***层。图6中左侧谐振器的***层80的纵向位置不同于右侧谐振器的***层80的纵向位置，且右侧谐振器与左侧谐振器的压电上层或压电下层的厚度存在不同，两个谐振器的***层80延伸到有效区域的边界外侧的延伸长度不同。
在图6中，截面图通过了对应于图5A中的串联谐振器101的底电极非电极连接边，串联谐振器101和对应于图5A中的并联谐振器104的顶电极连接边，以及并联谐振器104的底电极的电极连接边。
在图6中，右侧谐振器的***层80的在顶电极的连接边的外边缘到有效区域的边界的距离为D1，串联谐振器101的***层80的厚度为T0，压电下层40b 的厚度为T1，压电上层40a的厚度为T2；并联谐振器104的***层80的厚度为T0’，压电下层的厚度为T1’，压电上层的厚度为T2’。
图6中，对于压电层40的厚度(即压电上层与压电下层的厚度之和)，串联谐振器101和并联谐振器104中的压电层总厚度可以是相同的，也可以是不相同的。
在图6所示的实施例中，两个谐振器的***层的纵向位置、***层的厚度存在不同。由此可以获得，串联谐振器101和并联谐振器104的Kt2分别为Kt21 和Kt22,则两个谐振器之间的Kt2差为δKt2＝Kt21-Kt22。
在图6的实施例中，虽然以并联谐振器104和串联谐振器101为例做了说明，但是对于***层结构，其可以是任意串联谐振器或者并联谐振器之间采用不同的***层结构，也可以是任意串联谐振器之间采用不同的***层结构，亦可以是并联谐振器之间采用不同的***层结构。如前所述的，这里的***层结构，包括了对于***层的厚度、***层在压电层中的纵向位置、***层的边缘延伸到声学镜的边界之外的延伸距离中的一种或多种参数。
如图6所示，***层80在串联谐振器101和并联谐振器104中的纵向位置也可以不相同。
如图6所示，***层在串联谐振器101和并联谐振器104中的纵向位置可以是在并联谐振器104中更靠近底电极，也可以在串联谐振器101中更靠近底电极，均在本发明的保护范围之内。
此外，对于***层的边缘结构或末端，或者***层的边缘在谐振器的横向方向或径向方向上的位置，其可以采用参照图5B和5C所描述的结构。
图7A和7B示例性示出了根据本发明的实施例的体声波谐振器组件的截面示意图，其中示出了两个体声波谐振器。图7A中，两个谐振器中的***层的厚度不同；图7B中，左侧谐振器设置有***层而右侧谐振器并未设置***层。
在图7B和图7A中，截面图通过了对应于图5A中的串联谐振器101的底电极非电极连接边，串联谐振器101和对应于图5A中的并联谐振器104的顶电极连接边，以及并联谐振器104的底电极的电极连接边。
在图7A和7B中，串联谐振器101的***层80的厚度为T0，压电下层40b 的厚度为T1，压电上层40a的厚度为T2；并联谐振器104的***层80的厚度为T0’，压电下层的厚度为T1’，压电上层的厚度为T2’。
在图7A中，两个***层80的厚度不同，图7B则是一种特殊情况(即右侧谐振器中***层的厚度为零)。在本发明中，没有设置***层的谐振器为常规谐振器。
在图7A和7B所示的实施例中，两个谐振器的***层的厚度存在不同。由此可以获得，串联谐振器101和并联谐振器104的Kt2分别为Kt21和Kt22,则两个谐振器之间的Kt2差为δKt2＝Kt21-Kt22。
在图7A和7B的实施例中，虽然以并联谐振器104和串联谐振器101为例做了说明，但是对于***层结构，其可以是任意串联谐振器或者并联谐振器之间采用不同的***层结构，也可以是任意串联谐振器之间采用不同的***层结构，亦可以是并联谐振器之间采用不同的***层结构。如前所述的，这里的***层结构，包括了对于***层的厚度、***层在压电层中的纵向位置、***层的边缘延伸到声学镜的边界之外的延伸距离中的一种或多种参数。
如图7A和7B所示，***层80在串联谐振器101和并联谐振器104中的纵向位置也可以不相同。
图7A和7B中，对于压电层40的厚度(即压电上层与压电下层的厚度之和)，串联谐振器101和并联谐振器104中的压电层总厚度可以是相同的，也可以是不相同的。
如图7A和7B所示，***层在串联谐振器101和并联谐振器104中的纵向位置可以是在并联谐振器104中更靠近底电极，也可以在串联谐振器101中更靠近底电极，均在本发明的保护范围之内。
此外，对于***层的边缘结构或末端，或者***层的边缘在谐振器的横向方向或径向方向上的位置，其可以采用参照图5B和5C所描述的结构。
图8示例性示出了根据本发明的实施例的体声波谐振器组件的截面示意图，其中示出了两个体声波谐振器。图8中，左侧谐振器中的***层80延伸到底电极的非电极连接边的外侧，右侧谐振器中的***层80的边缘在横向发方向上在底电极30的非电极连接边的边缘与声学镜20的边界之间。
在图8中，串联谐振器101的***层80的厚度为T0，压电下层40b的厚度为T1，压电上层40a的厚度为T2；并联谐振器104的***层80的厚度为T0’，压电下层的厚度为T1’，压电上层的厚度为T2’。
在图8中，右侧谐振器的***层80的外边缘距离有效区域的边界的距离为 D1(顶电极连接边)和D2(顶电极非连接边)，左侧谐振器的***层80的外边缘距离有效区域的边界的距离为D1(顶电极连接边)和D2(顶电极非连接边)。
在图8中，两个谐振器中，***层80的外边缘距离有效区域的边界的距离不同。
在图8所示的实施例中，两个谐振器的***层的在声学镜的边界的外侧延伸长度存在不同。由此可以获得，串联谐振器101和并联谐振器104的Kt2分别为Kt21和Kt22,则两个谐振器之间的Kt2差为δKt2＝Kt21-Kt22。
在图8的实施例中，虽然以并联谐振器104和串联谐振器101为例做了说明，但是对于***层结构，其可以是任意串联谐振器或者并联谐振器之间采用不同的***层结构，也可以是任意串联谐振器之间采用不同的***层结构，亦可以是并联谐振器之间采用不同的***层结构。如前所述的，这里的***层结构，包括了对于***层的厚度、***层在压电层中的纵向位置、***层的边缘延伸到声学镜的边界之外的延伸距离中的一种或多种参数。
如图8所示，***层80在串联谐振器101和并联谐振器104中的纵向位置也可以不相同。
图8中，对于压电层40的厚度(即压电上层与压电下层的厚度之和)，串联谐振器101和并联谐振器104中的压电层总厚度可以是相同的，也可以是不相同的。
如图8所示，***层在串联谐振器101和并联谐振器104中的纵向位置可以是在并联谐振器104中更靠近底电极，也可以在串联谐振器101中更靠近底电极，均在本发明的保护范围之内。
此外，对于图8中的***层的边缘结构或末端，可以采用参照图5B和5C 所描述的结构。
图9为示例性示出了根据本发明的实施例的体声波谐振器组件的截面示意图，其中示出了两个体声波谐振器，两个谐振器的压电层内均设置有***层。图9与图5B的区别在于，在图9中，声学镜为布拉格反射层(图9中，示例性的，布拉格反射层包括了叠置的不同的声反射层20a和20b)，而在图5B中，声学镜为空气腔。
除了声学镜结构不同之外，本发明参照附图5B的描述同样适用于图9中的结构。
下面参照图10-图27示例性说明图5B所示的体声波谐振器组件的制作过程。
如图10所示，对基底10执行清洗。
如图11所示，在基底10上蚀刻出用于形成空气腔的槽，然后用牺牲材料填平形成牺牲层21，填平之后可以采用通过CMP(化学机械研磨)法将牺牲材料磨平。
如图12所示，在图11所形成的结构的表面沉积金属层并将金属层图形化成底电极30。
如图13所示，在图12所示结构的表面沉积压电薄膜材料层，所用沉积工艺包括但不限于磁控溅射、MOCVD(金属有机化学气相沉积)、MBE(分子束外延)、 CBE(化学分子束外延)、LPE(液相外延)等，该压电薄膜层用于形成压电下层。
如图14所示，在两个谐振器所在区域，在图13所示的结构的表面沉积作为阻挡层的硬掩膜层41。在可选的实施例中，也可以采用光刻胶作为阻挡层。
如图15所示，对硬掩膜层图形化，在左侧谐振器的区域形成硬掩膜层41a，以形成图15所示的结构。在本发明中，也可以采用其他的材料来作为压电层的阻挡层，只要该阻挡层可以例如在后面的步骤中的修整工艺减薄压电下层时，不影响谐振器的其他部分的压电下层的厚度即可，例如可以在修整结束时阻挡层还有剩余。阻挡层还可以进一步选择，使得去除阻挡层的时候没有过多的压电下层损失。
如遇16所示，通过利用粒子束轰击的修整工艺(trim)来同时减薄压电下层40b以及硬掩膜层41a。修整工艺对压电层的减薄速度大于对硬掩膜层的减薄速度。本发明中，这里的修整是采用粒子束对目标表面进行物理的轰击，例如用氩气对目标表面进行轰击。该轰击没有任何化学反应，而且控制的精度比较高，厚度的精度可以控制为使得厚度精度的波动在
以内，例如要对目标修整掉
是适合使用修整方法实现的范围,超出该范围则会导致工艺时间过长，此时可以采用部分刻蚀+修整两者相结合的方式来实现)，实际大概在
这种控制精度是刻蚀没有办法比拟的。用修整的方式可以非常精准的控制被轰击的材料层的厚度，工艺简单，且精度高。
如图17所示，在压电下层的厚度达到预定值之后，停止修整工艺，然后去除在对应压电上层上剩余的硬掩膜层41a。去除硬掩膜层可以利用干法或者湿法刻蚀等工艺，无论干法还是湿法都需要充分考虑在去除硬掩膜层时对压电下层的影响。
如图18所示，在图17所示的结构的表面制备金属***层80，金属***层可以是钼层。
如图19所示，在图18所示结构的表面沉积压电薄膜材料层，所用沉积工艺包括但不限于磁控溅射、MOCVD(金属有机化学气相沉积)、MBE(分子束外延)、 CBE(化学分子束外延)、LPE(液相外延)等，该压电薄膜层用于形成压电上层。
如图20所示，在两个谐振器所在区域，在图19所示的结构的表面沉积作为阻挡层的硬掩膜层42。在可选的实施例中，也可以采用光刻胶作为阻挡层。
如图21所示，对硬掩膜层42图形化，在右侧谐振器的区域形成硬掩膜层 42a，以形成图21所示的结构。在本发明中，也可以采用其他的材料来作为压电层的阻挡层，只要该阻挡层可以例如在后面的步骤中的修整工艺减薄压电上层时，不影响谐振器的其他部分的压电上层的厚度即可，例如可以在修整结束时阻挡层还有剩余。阻挡层还可以进一步选择，使得去除阻挡层的时候没有过多的压电上层损失。
如遇22所示，通过利用粒子束轰击的修整工艺(trim)来同时减薄压电上层40a以及硬掩膜层42a。修整工艺对压电层的减薄速度大于对硬掩膜层的减薄速度。本发明中，这里的修整是采用粒子束对目标表面进行物理的轰击，例如用氩气对目标表面进行轰击。该轰击没有任何化学反应，而且控制的精度比较高，厚度的精度可以控制为使得厚度精度的波动在
以内，例如要对目标修整掉
是适合使用修整方法实现的范围,超出该范围则会导致工艺时间过长，此时可以采用部分刻蚀+修整两者相结合的方式来实现)，实际大概在
这种控制精度是刻蚀没有办法比拟的。用修整的方式可以非常精准的控制被轰击的材料层的厚度，工艺简单，且精度高。
如图23所示，在压电上层的厚度达到预定值之后，停止修整工艺，然后去除在对应压电上层上剩余的硬掩膜层42a。去除硬掩膜层可以利用干法或者湿法刻蚀等工艺，无论干法还是湿法都需要充分考虑在去除硬掩膜层时对压电上层的影响。
如图24所示，在图23所示的结构的表面沉积顶电极材料层。
如图25所示，在图24所示的结构的表面形成质量负载材料层。
如图26所示，在图25所示的结构的表面形成保护材料层。
如图27所示，刻蚀保护材料层、质量负载材料层和顶电极材料层，以形成保护层70，质量负载层60和顶电极50。
之后，释放牺牲层21以形成作为声学镜的空气腔20，从而形成图5B所示的谐振器组件结构。
以上步骤为示例性的步骤，如本领域技术人员能够理解的，上述加工顺序并非唯一，本领域普通技术人员可以在已知技术的基础上对上述步骤顺序做调整，这均在本发明的保护范围之内。
本发明利用在谐振器的压电层中设置金属***层结构，来大范围调整谐振器的频率和/或机电耦合系数，从而实现多频率滤波器的单芯片集成，以及为滤波器内的谐振器的Kt2值的选取提供较大自由度。
在本发明的实施例中，可以选择质量负载层来调整各谐振器的机电耦合系数，也可以不设置质量负载层。
还需要指出的是，在本发明中，以同一基底上设置了两个谐振器为例说明体声波谐振器组件，但是本发明不限于此，例如同一基底上可以设置更多的谐振器。
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或其他半导体器件。
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；
底电极；
顶电极；和
压电层，
其中：
所述压电层包括压电上层和压电下层，所述谐振器还包括设置在压电上层与压电下层之间的金属***层，所述***层至少全部覆盖有效区域。
2、根据1所述的谐振器，其中：
所述***层的边缘处于声学镜的边界的外侧。
3、根据2所述的谐振器，其中：
所述***层的边缘在谐振器的横向方向上处于底电极的非电极连接边的边缘的外侧；或者
所述***层的边缘在谐振器的横向方向上处于声学镜的边界与底电极的非电极连接边的边缘之间。
4、根据3所述的谐振器，其中：
所述***层的末端的倾斜角度在5°-60°的范围内。
5、根据1-4中任一项所述的谐振器，其中：
所述***层的厚度在
-2μm的范围内。
6、根据1所述的谐振器，其中：
所述***层的材料选自钼、钌、金、铝镁、钨、铜，钛、铱、锇、铬中的一种。
7、一种根据体声波谐振器的机电耦合系数的调节方法，所述谐振器包括基底、声学镜、底电极、顶电极和压电层，所述谐振器的压电层包括压电上层和压电下层，且压电上层与压电下层之间设置有金属***层，所述方法包括步骤：
选择所述***层的***厚度、所述压电上层的上层厚度与所述压电上层和压电下层的下层厚度之和的比值、所述***层延伸到有效区域的边界的外侧的延伸长度中的至少一种，以调节机电耦合系数。
8、根据7所述的方法，其中：
所述方法包括步骤：提高所述***厚度以降低机电耦合系数；或增加所述延伸长度以降低机电耦合系数；或者
所述方法包括步骤：提高所述***厚度以及增加所述延伸长度以降低耦合系数；或者
所述方法包括步骤：在所述比值的第一范围内提高所述比值以降低机电耦合系数，或在所述比值的第二范围内提高所述比值以提高机电耦合系数。
9、一种体声波谐振器组件，包括：
第一谐振器和第二谐振器，第一谐振器和第二谐振器均为体声波谐振器，第一谐振器和第二谐振器均包括基底、声学镜、底电极、顶电极和压电层，其中：
第一谐振器和第二谐振器中的至少一个谐振器的压电层包括压电上层和压电下层，且压电上层与压电下层之间设置有金属***层；且
根据基于所述至少一个谐振器的所述***层的***厚度、所述压电上层的上层厚度与所述压电上层和压电下层的下层厚度之和的比值、所述***层延伸到有效区域的边界的外侧的延伸长度中的至少一种，所述第一谐振器和第二谐振器的机电耦合系数彼此不同。
10、根据9所述的组件，其中：
所述第一谐振器和第二谐振器中的一个根据设置有所述金属***层，另一个为常规的体声波谐振器。
11、根据9所述的组件，其中：
所述第一谐振器和第二谐振器均为根据1-6中任一项所述的体声波谐振器。
12、根据11所述的组件，其中：
所述第一谐振器和第二谐振器的***厚度、所述比值、所述延伸长度中的至少一种存在不同以使得所述第一谐振器和第二谐振器的机电耦合系数彼此不同。
13、根据12所述的组件，其中：
第一谐振器与第二谐振器的***厚度不同，且第一谐振器与第二谐振器的压电上层的上层厚度与压电下层的下层厚度分别相同；或
第一谐振器与第二谐振器的***厚度不同，且第一谐振器与第二谐振器的压电上层的上层厚度与压电下层的下层厚度中的至少一个厚度不相同；或
第一谐振器与第二谐振器的***厚度相同，且第一谐振器与第二谐振器的压电上层的上层厚度与压电下层的下层厚度分别相同；或
第一谐振器与第二谐振器的***厚度相同，且第一谐振器与第二谐振器的压电上层的上层厚度与压电下层的下层厚度中的至少一个厚度不相同。
14、根据13所述的组件，其中：
第一谐振器的压电层厚度之和与第二谐振器的压电层厚度之和相同。
15、一种滤波器，其中：所述滤波器包括并联谐振器和串联谐振器，所述并联谐振器和/或串联谐振器为根据1-6中任一项所述的体声波谐振器，或者所述滤波器包括根据9-14中任一项所述的体声波谐振器组件。
16、根据15所述的滤波器，其中：
所述滤波器包括根据9-14中任一项所述的体声波谐振器组件，所述组件的第一谐振器和第二谐振器为滤波器的两个串联谐振器、或者一个串联谐振器和一个并联谐振器、或者两个并联谐振器。
17、一种电子设备，包括根据15或16所述的滤波器，或者根据1-6中任一项所述的体声波谐振器，或者根据9-14中任一项所述的体声波谐振器组件。
18、一种根据9的体声波谐振器组件的制造方法，包括：
步骤1：在第一谐振器和第二谐振器的区域，在设置了图形化的底电极的结构上形成压电下层，所述压电下层覆盖所述底电极；
步骤2：在第一谐振器和/或第二谐振器的区域在压电下层上制备***层；
步骤3：在步骤2形成的结构上形成覆盖该结构的压电上层，
其中：
第一谐振器和第二谐振器的机电耦合系数不同。
19、根据18所述的方法，其中：
所述步骤2中，在第一谐振器和第二谐振器的区域在压电下层上制备***层；且
所述第一谐振器和第二谐振器的***层的***厚度、所述压电上层的上层厚度与所述压电上层和压电下层的厚度之和的比值、所述***层延伸到有效区域的边界之外的延伸长度中的至少一种存在不同。
20、根据18或19所述的方法，其中：
第一谐振器和第二谐振器的压电下层的厚度彼此不同，所述步骤1包括：
步骤1A：在设置了图形化的底电极的结构上沉积压电材料；
步骤1B：在步骤1A所形成的结构上在第一谐振器和第二谐振器所在区域沉积阻挡层；
步骤1C：在步骤1B所形成的结构上在第一谐振器或第二谐振器区域形成图形化的阻挡层；
步骤1D：利用减薄工艺减薄步骤1C中所形成的结构；
步骤1E：移除剩余的阻挡层，以形成第一谐振器和第二谐振器的压电下层。
21、根据18或19所述的方法，其中：
第一谐振器和第二谐振器的压电上层的厚度彼此不同，所述步骤3包括：
步骤3A：在步骤2形成的结构上沉积压电材料；
步骤3B：在步骤3A所形成的结构上在第一谐振器和第二谐振器所在区域沉积阻挡层；
步骤3C：在步骤3B所形成的结构上在第一谐振器或第二谐振器区域形成图形化的阻挡层；
步骤3D：利用减薄工艺减薄步骤3C所形成的结构；
步骤3E：移除剩余的阻挡层，以形成第一谐振器和第二谐振器的压电上层。
22、根据20或21所述的方法，其中：
所述阻挡层包括光刻胶层或硬掩膜层；且
所述减薄工艺包括利用粒子束轰击的修整工艺。
这里的电子设备，包括但不限于射频前端、滤波放大模块等中间产品，以及手机、WIFI、无人机等终端产品。
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 (22)
1.一种体声波谐振器，包括：
基底；
声学镜；
底电极；
顶电极；和
压电层，
其中：
顶电极、底电极、压电层和声学镜在谐振器的厚度方向上的重叠区域形成谐振器的有效区域；
所述压电层包括压电上层和压电下层，所述谐振器还包括设置在压电上层与压电下层之间的金属***层，所述***层至少覆盖全部有效区域；且
所述体声波谐振器中，以所述***层的***厚度、所述压电上层的上层厚度与所述压电上层和压电下层的下层厚度之和的比值、所述***层延伸到有效区域的边界的外侧的延伸长度，共同调节体声波谐振器的机电耦合系数。
2.根据权利要求1所述的谐振器，其中：
所述***层的边缘处于声学镜的边界的外侧。
3.根据权利要求2所述的谐振器，其中：
所述***层的边缘在谐振器的横向方向上处于底电极的非电极连接边的边缘的外侧；或者
所述***层的边缘在谐振器的横向方向上处于声学镜的边界与底电极的非电极连接边的边缘之间。
4.根据权利要求3所述的谐振器，其中：
所述***层的末端的倾斜角度在5°-60°的范围内。
5.根据权利要求1-4中任一项所述的谐振器，其中：
所述***层的厚度在
的范围内。
6.根据权利要求1所述的谐振器，其中：
所述***层的材料选自钼、钌、金、铝、镁、钨、铜，钛、铱、锇、铬中的一种。
7.一种体声波谐振器的机电耦合系数的调节方法，所述谐振器包括基底、声学镜、底电极、顶电极和压电层，顶电极、底电极、压电层和声学镜在谐振器的厚度方向上的重叠区域形成谐振器的有效区域；所述谐振器的压电层包括压电上层和压电下层，且压电上层与压电下层之间设置有金属***层，所述***层至少覆盖全部有效区域，所述方法包括步骤：
选择所述***层的***厚度、所述压电上层的上层厚度与所述压电上层和压电下层的下层厚度之和的比值、所述***层延伸到有效区域的边界的外侧的延伸长度，以调节机电耦合系数。
8.根据权利要求7所述的方法，其中：
所述方法包括步骤：提高所述***厚度以降低机电耦合系数；或增加所述延伸长度以降低机电耦合系数；或者
所述方法包括步骤：提高所述***厚度以及增加所述延伸长度以降低耦合系数；或者
所述方法包括步骤：在所述比值的第一范围内提高所述比值以降低机电耦合系数，或在所述比值的第二范围内提高所述比值以提高机电耦合系数。
9.一种体声波谐振器组件，包括：
第一谐振器和第二谐振器，第一谐振器和第二谐振器均为体声波谐振器，第一谐振器和第二谐振器均包括基底、声学镜、底电极、顶电极和压电层，顶电极、底电极、压电层和声学镜在谐振器的厚度方向上的重叠区域形成谐振器的有效区域；其中：
第一谐振器和第二谐振器中的至少一个谐振器的压电层包括压电上层和压电下层，且压电上层与压电下层之间设置有金属***层，所述***层至少覆盖全部有效区域；且
基于所述至少一个谐振器的所述***层的***厚度、所述压电上层的上层厚度与所述压电上层和压电下层的下层厚度之和的比值、所述***层延伸到有效区域的边界的外侧的延伸长度，使得所述第一谐振器和第二谐振器的机电耦合系数彼此不同。
10.根据权利要求9所述的组件，其中：
所述第一谐振器和第二谐振器中的一个设置有所述金属***层，另一个为常规的体声波谐振器。
11.根据权利要求9所述的组件，其中：
所述第一谐振器和第二谐振器均为根据权利要求1-6中任一项所述的体声波谐振器。
12.根据权利要求11所述的组件，其中：
所述第一谐振器和第二谐振器的***厚度、所述比值、所述延伸长度中的至少一种存在不同以使得所述第一谐振器和第二谐振器的机电耦合系数彼此不同。
13.根据权利要求12所述的组件，其中：
第一谐振器与第二谐振器的***厚度不同，且第一谐振器与第二谐振器的压电上层的上层厚度与压电下层的下层厚度分别相同；或
第一谐振器与第二谐振器的***厚度不同，且第一谐振器与第二谐振器的压电上层的上层厚度与压电下层的下层厚度中的至少一个厚度不相同；或
第一谐振器与第二谐振器的***厚度相同，且第一谐振器与第二谐振器的压电上层的上层厚度与压电下层的下层厚度分别相同；或
第一谐振器与第二谐振器的***厚度相同，且第一谐振器与第二谐振器的压电上层的上层厚度与压电下层的下层厚度中的至少一个厚度不相同。
14.根据权利要求13所述的组件，其中：
第一谐振器的压电层厚度之和与第二谐振器的压电层厚度之和相同。
15.一种滤波器，其中：所述滤波器包括并联谐振器和串联谐振器，所述并联谐振器和/或串联谐振器为根据权利要求1-6中任一项所述的体声波谐振器，或者所述滤波器包括根据权利要求9-14中任一项所述的体声波谐振器组件。
16.根据权利要求15所述的滤波器，其中：
所述滤波器包括根据权利要求9-14中任一项所述的体声波谐振器组件，所述组件的第一谐振器和第二谐振器为滤波器的两个串联谐振器、或者一个串联谐振器和一个并联谐振器、或者两个并联谐振器。
17.一种电子设备，包括根据权利要求15或16所述的滤波器，或者根据权利要求1-6中任一项所述的体声波谐振器，或者根据权利要求9-14中任一项所述的体声波谐振器组件。
18.一种根据权利要求9的体声波谐振器组件的制造方法，包括：
步骤1：在第一谐振器和第二谐振器的区域，在设置了图形化的底电极的结构上形成压电下层，所述压电下层覆盖所述底电极；
步骤2：在第一谐振器和/或第二谐振器的区域在压电下层上制备***层；
步骤3：在步骤2形成的结构上形成覆盖该结构的压电上层，
其中：
第一谐振器和第二谐振器的机电耦合系数不同。
19.根据权利要求18所述的方法，其中：
所述步骤2中，在第一谐振器和第二谐振器的区域在压电下层上制备***层；且
所述第一谐振器和第二谐振器的***层的***厚度、所述压电上层的上层厚度与所述压电上层和压电下层的厚度之和的比值、所述***层延伸到有效区域的边界之外的延伸长度中的至少一种存在不同。
20.根据权利要求18或19所述的方法，其中：
第一谐振器和第二谐振器的压电下层的厚度彼此不同，所述步骤1包括：
步骤1A：在设置了图形化的底电极的结构上沉积压电材料；
步骤1B：在步骤1A所形成的结构上在第一谐振器和第二谐振器所在区域沉积阻挡层；
步骤1C：在步骤1B所形成的结构上在第一谐振器或第二谐振器区域形成图形化的阻挡层；
步骤1D：利用减薄工艺减薄步骤1C中所形成的结构；
步骤1E：移除剩余的阻挡层，以形成第一谐振器和第二谐振器的压电下层。
21.根据权利要求18或19所述的方法，其中：
第一谐振器和第二谐振器的压电上层的厚度彼此不同，所述步骤3包括：
步骤3A：在步骤2形成的结构上沉积压电材料；
步骤3B：在步骤3A所形成的结构上在第一谐振器和第二谐振器所在区域沉积阻挡层；
步骤3C：在步骤3B所形成的结构上在第一谐振器或第二谐振器区域形成图形化的阻挡层；
步骤3D：利用减薄工艺减薄步骤3C所形成的结构；
步骤3E：移除剩余的阻挡层，以形成第一谐振器和第二谐振器的压电上层。
22.根据权利要求20或21所述的方法，其中：
所述阻挡层包括光刻胶层或硬掩膜层；且
所述减薄工艺包括利用粒子束轰击的修整工艺。
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