CN112383286B - 体声波谐振器组件及其制造方法、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组件，包括：基底；在基底的一侧在基底的厚度方向上叠置的至少两个体声波谐振器，其中，至少与基底在厚度方向上间隔开的体声波谐振器的压电层为平坦压电层，在厚度方向上相邻的体声波谐振器的压电层之间形成作为声学镜空腔的容纳空间。本发明还涉及一种上述组件的制造方法，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组件及其制造方法，一种具有该谐振器组件的滤波器，以及一种电子设备。
背景技术
随着当今无线通讯技术的飞速发展，小型化便携式终端设备的应用也日益广泛，因而对于高性能、小尺寸的射频前端模块和器件的需求也日益迫切。近年来，以例如为薄膜体声波谐振器(Film Bulk Acoustic Resonator，简称FBAR)为基础的滤波器、双工器等滤波器件越来越为市场所青睐。一方面是因为其***损耗低、过渡特性陡峭、选择性高、功率容量高、抗静电放电(ESD)能力强等优异的电学性能，另一方面也是因为其体积小、易于集成的特点所致。
由于体声波滤波器的频率是由其各层薄膜厚度所决定的，因此，无论对于传统的基于多晶氮化铝压电材料的体声波滤波器，还是基于单晶压电材料的体声波滤波器，都很难在同一片晶圆上实现频率跨度较大的多个滤波器的集成，因此，限制了射频前端多滤波器的进一步集成。
发明内容
为解决上述技术问题中的至少一个方面，例如，为进一步减小体声波滤波器、多工器等电子器件的集成占用面积，便于实现体声波滤波器的高度集成，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组件，包括：
基底；
在基底的一侧在基底的厚度方向上叠置的至少两个体声波谐振器，其中，至少与基底在厚度方向上间隔开的体声波谐振器的压电层为平坦压电层，在厚度方向上相邻的体声波谐振器的压电层之间形成作为声学镜空腔的容纳空间。
本发明的实施例还涉及一种体声波谐振器组件的制造方法，所述体声波谐振器组件的体声波谐振器包括声学镜、底电极、压电层和顶电极，所述方法包括：
步骤1：提供第一结构，所述第一结构包括基底以及在基底的上表面的下压电层，且至少一个第一体声波谐振器以该下压电层为压电层形成在第一结构中；
步骤2：提供第二结构，所述第二结构包括辅助基底、设置在辅助基底的上表面的上压电层、设置在上压电层的上表面的用于第二体声波谐振器的底电极，上压电层为平坦压电层；
步骤3：在第一结构的上表面和/或第二结构的上表面形成牺牲层和支撑层，牺牲层与支撑层的上表面共面且平坦，且牺牲层覆盖第一结构和/或第二结构的上表面侧的电极，支撑层在牺牲层的外侧沿牺牲层设置；
步骤4：步骤3之后，将第一结构与第二结构的上表面彼此对置而平面相接，以及移除辅助基底而露出上压电层的下表面；
步骤5：在上压电层的下表面设置用于第二体声波谐振器的顶电极以及形成贯穿上压电层的释放孔；
步骤6：经由上压电层的释放孔释放牺牲层而在上压电层与下压电层之间形成容纳空间。
本发明的实施例也涉及一种滤波器，包括上述体声波谐振器组件。
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体声波谐振器组件。
附图说明
图1A-1C分别为根据本发明的一个示例性实施例的体声波谐振器组件的截面图、俯视图、仰视图，其中沿图1B、1C中的A-A线可截得图1A的截面图；
图2A-2C分别为根据本发明的另一个示例性实施例的体声波谐振器组件的截面图、俯视图、仰视图，其中沿图2B、2C中的A-A线可截得图2A的截面图；
图3A-3C分别为根据本发明的再一个示例性实施例的体声波谐振器组件的截面图、俯视图、仰视图，其中沿图3B、3C中的A-A线可截得图3A的截面图；
图4-7为根据本发明的不同示例性实施例的体声波谐振器组件的截面图；
图8A-8C分别为根据本发明的再一个示例性实施例的体声波谐振器组件的截面图、俯视图、仰视图，其中图8A为沿图8B的A-A线截得的上截面图以及沿图8C中的A-A线截得的下截面图一起形成的截面图；
图9A-9C分别为根据本发明的再一个示例性实施例的体声波谐振器组件的截面图、俯视图、仰视图，其中沿图9B、9C中的A-A线可截得图9A的截面图；
图10-11为根据本发明的不同示例性实施例的体声波谐振器组件的截面图，其中设置了三个叠置的体声波谐振器；
图12A-12K示例性示出了制造图3A所示的体声波谐振器组件的过程图；
图13示例性示出了根据本发明的另外的实施例的体声波谐振器组件的截面图，其中，压电层之间的支撑部为声学阻抗结构；
图14A-14K示例性示出了制造图13所示的体声波谐振器组件的过程图。
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：
基底:
对应标记为100，200，300,400，500，600，700，800，900,1000，1100，1200；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、铌酸钾等单晶压电基底。
声学镜：
对应标记为：101、201、301、401、602、801、806、901、906、1001、1102，例如为声学镜空腔；或者
对应标记为：501、502、701、702，例如为布拉格反射层，也可以为其他等效的声学镜形式。
底电极：
对应标记为：102、109、202、209、302、309、402、409、503、509、603、610、703、709、802、807、814、817、824、902、907、913、1002、1009、1016、1103、1110、1117、1202、1210；
可选材料例如为钼、钌、金、铝、镁、钨、铜，钛、铱、锇、铬或以上金属的复合或其合金等。
底电极的电极引脚或电极连接边：
对应标记为：115、113、215、213、315、313、415、413、820、821，材料同底电极。
多晶压电层：
对应附图标记为：103、203、303、403、504、803、903、1003、1203；
材料例如为，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。
顶电极：
104、111、204、211、304、311、411、404、505、512、605、612、705、711、804、808、815、818、904、908、915、1004、1011、1018、1119、1112、1105、1204、1213；
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。
释放孔：
附图标记对应为：105、112、205、212、312、305、405、412、513、606、613、712、805、809、816、916、1019、1012、1005、1120、1113、1106、1205、1214。
下支撑部：
106、206、306、406、506、607、706、810、910、1006、1013、1107、1114、1207，其材料可选为二氧化硅、多晶硅、非晶硅、氮化硅、氮化铝、氧化铝、掺杂二氧化硅等。
上支撑部：
其附图标记为：107、207、307、407、507、608、707、811、911、1007、1014、1108、1115、1212，其材料可选为二氧化硅、多晶硅、非晶硅、氮化硅、氮化铝、氧化铝、掺杂二氧化硅等
容纳空间：
其附图标记为：108、208、308、408、508、609、708、813、912、1008、1015、1109、1116。
平坦压电层：
其附图标记为：110、210、310、410、510、604、611、704、711、812、914、1010、1017、1104、1111、1118、1209；
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。
顶电极的电极引脚或电极连接边：
其附图标记为：116、114、216、214、316、314、416、414、822、823，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。
支撑材料层：
其附图标记为601、1101，材料例如可以为二氧化硅、掺杂二氧化硅、多晶硅、非晶硅、氮化硅、氮化铝等。
声学镜牺牲材料层：
其附图标记为1201，材料可选二氧化硅，掺杂二氧化硅，多晶硅，非晶硅等材料。
空腔牺牲材料层：
其附图标记为1206、1211、1302，材料可选二氧化硅，掺杂二氧化硅，多晶硅，非晶硅等材料。
辅助基底：
其附图标记为1208，其材料可以采用与上述基底相同的材料。
图1A-1C分别为根据本发明的一个示例性实施例的体声波谐振器组件的截面图、俯视图、仰视图，其中沿图1B、1C中的A-A线可截得图1A的截面图。
在图1A中，100为基底，101为多晶体声波谐振器底部的声学镜空腔，102为多晶体声波谐振器的底电极，103多晶体声波谐振器压电层，104为多晶体声波谐振器的顶电极，105为多晶体声波谐振器底部空腔的释放孔；106为位于多晶体声波谐振器上表面的键合柱(或下支撑部)，107为位于单晶体声波谐振器下表面的键合柱(或上支撑部)；108为位于单晶体声波谐振器底部的空腔(即容纳空间)，109为单晶体声波谐振器的底电极，110为单晶体声波谐振器的单晶压电层，111为单晶体声波谐振器的顶电极，112为与单晶体声波谐振器底部的空腔或容纳空间相通的释放孔。需要指出的是，本实施例以及下文中所述实施例中，单晶体声波谐振器的压电层不限于文中所述的单晶压电材料，也可以是多晶压电材料。
如图1B和1C所示，上支撑部和下支撑部为不连续的键合柱。需要指出的是，上下支撑部不限于如图1A所示的完全对准的情况，即上下支撑部的直径不一定完全相同，或者上下支撑部在键合的位置具有一定的错位。同时，上下支撑部与压电层的夹角不限于图中所示的垂直情况，也可以与压电层具有一定的夹角。
在图1A中，压电层110与103以及支撑部106和107限定的空间，形成容纳空间108，该容纳空间同时构成上谐振器的声学镜空间。
如图1A所示，通过设置释放孔105以及112，可以将容纳空间108以及声学镜空间101与外界相通，以利于后续的释放牺牲材料的工艺。
在本实施例中，将单晶体声波谐振器和多晶体声波谐振器集成在了同一基底的垂直方向上，这样能够有效减小器件集成的面积，并且能够减少工艺步骤、降低成本。另外，由于单晶体声波谐振器的压电层为单晶材料(如铌酸锂，钽酸锂，单晶氮化铝等)，还可以进一步提升谐振器的机电耦合系数。
图2A-2C分别为根据本发明的另一个示例性实施例的体声波谐振器组件的截面图、俯视图、仰视图，其中沿图2B、2C中的A-A线可截得图2A的截面图。
图2A所示的结构与图1A所示的结构基本相同，区别在于：在图2A所示的实例中，只有位于多晶体声波谐振器上表面的键合部分(对应于下支撑部，206)是不连续的键合柱结构，而位于单晶体声波谐振器下表面的键合部分为一层连续的键合层结构(对应于上支撑部，207)。由于连续的键合层结构能够增大对上层谐振器的支撑面积，从而可以增加器件的稳定性，使其机械强度增大，同时可以改善如图1A-1C中支撑柱键合时的对准偏差问题。此外，单晶体声波谐振器下表面的连续键合层207既可以如图2B所示与单晶体声波谐振器的底电极209的非连接边具有一个横向间隔距离，也可以如图2A所示与单晶体声波谐振器底电极209的非连接边具有一个重叠部分，从而有利于谐振器散热，增加功率容量。
在图2A中，压电层210与203以及支撑部206和207限定的空间，形成容纳空间208，该容纳空间同时构成上谐振器的声学镜空间。
如图2A所示，通过设置释放孔205以及212，可以将容纳空间208以及声学镜空间201与外界相通，以利于后续的释放牺牲材料的工艺。
图3A-3C分别为根据本发明的再一个示例性实施例的体声波谐振器组件的截面图、俯视图、仰视图，其中沿图3B、3C中的A-A线可截得图3A的截面图。
图3A所示结构与图1A所示结构基本相同，区别在于：在图3A所示的结构中，位于多晶体声波谐振器上表面的键合部分(下支撑部)和位于单晶体声波谐振器下表面的键合部分(上支撑部)，都是连续的键合层结构，可选的，位于键合层的底部可以有粘附层或种子层。由于位于两个谐振器之间的键合部分都是连续的键合层，能够进一步增加器件的支撑面积，从而使器件的稳定性更好，使其机械强度进一步增大。同时两层连续的键合层能够将完全包裹两层谐振器之间的空腔结构或容纳空间，从而提高了器件的密封性能。此时，单晶体声波谐振器下表面的连续键合层既可以如图3B所示与单晶体声波谐振器的底电极309的非连接边具有一个横向间隔距离，也可以如图2A所示与单晶体声波谐振器底电极309的非连接边具有一个重叠部分，从而有利于谐振器散热，增加功率容量。
在图3A中，压电层310与303以及支撑部306和307限定的空间，形成容纳空间308，该容纳空间同时构成上谐振器的声学镜空间。
如图3A所示，通过设置释放孔305以及312，可以将容纳空间308以及声学镜空间301与外界相通，以利于后续的释放牺牲材料的工艺。
图4-7为根据本发明的不同示例性实施例的体声波谐振器组件的截面图。
图4为根据本发明的另一示例性实施例的体声波谐振器组件的截面图。其与图3A所示结构基本相同，区别在于：在图4所示的结构中，位于多晶体声波谐振器上表面的键合层和位于单晶体声波谐振器底部的键合层的刻蚀形状不一样，因为采用了不同的刻蚀方法从而形成了不同的刻蚀形状，可选的刻蚀形状也可以为其它的结构类型，如向外凹或者向内凹等其它形状。具体而言，图4中，下支撑层406内侧与压电层403的表面夹角小于90度，同时，上支撑层407内侧与压电层410的表面夹角也小于90度。而在图3A中，下支撑层306内侧与压电层303的表面夹角大于90度，同时，上支撑层307内侧与压电层310的表面夹角也大于90度，这一情况也适用于如图2A所示的上支撑层207与压电层的夹角，以及图1A中上下支撑部与压电层之间的夹角。
图5为根据本发明的另一示例性实施例的体声波谐振器组件的截面图。其与图3A所示结构基本相同，区别在于：在图5中，位于多晶体声波谐振器底部的声反射结构为布拉格发射层，其由高声阻抗层501和低声阻抗层502交替组合而成，可选的，布拉格反射层可以为三层或者四层等多层结构。
图6为根据本发明的另一示例性实施例的体声波谐振器组件的截面图，其由两层单晶体声波谐振器组成。其中，600为基底，602为底部谐振下方的声学镜空腔，603、604、605分别为底部谐振器的底电极、单晶压电层和顶电极，606为底部谐振器下方空腔结构的释放孔；607为位于底部谐振器上表面连续的键合层结构(对应于下支撑部)，608为位于顶部谐振器下表面连续的键合层结构(对应于上支撑部)；609为位于顶部谐振器下方的容纳空间或者空腔结构，610、611、612分别为顶部谐振器的底电极、单晶压电层和顶电极，613为顶部谐振器下方空腔结构的释放孔。
在图6所示的实施例中，由于两个谐振器都集成了同一基底的垂直方向上，能够有效减小器件集成的面积，并且能够减少工艺步骤、降低成本。而且由于两个体声波谐振器的压电层都是单晶材料(如铌酸锂，钽酸锂，单晶氮化铝等)，能够进一步提升器件的机电耦合系数。
在可选的实施例中，图6中的支撑层607和/或608可以用后面提及的图13中的第一声学阻抗层和第二声学阻抗层来代替，同时声学镜空腔602以及容纳空间609可以通过刻蚀用于形成第二声学阻抗层的材料来形成。
图7为根据本发明的另一示例性实施例的体声波谐振器组件的截面图。其与图6所示的结构基本相同，区别在于：在图7所示的结构中，位于底部单晶体声波谐振器下方的声反射结构为布拉格发射层，其由高声阻抗层701和低声阻抗层702交替组合而成，可选的布拉格反射层可以为三层或者四层等多层结构。
图8A-8C分别为根据本发明的再一个示例性实施例的体声波谐振器组件的截面图、俯视图、仰视图，其中沿图8B、8C中的A-A线可截得图8A的截面图。
图8A所示结构与图1A中的结构基本相同，区别在于：在图8A中，位于底部的多晶体声波谐振器为两个，位于顶部的单晶体声波谐振器为一个，且面积小的谐振器在垂直方向上位于底部的结构中。可选的，位于底部的谐振器可以有多个(大于等于两个)，也可以为单晶体声波谐振器结构。
图9A-9C分别为根据本发明的再一个示例性实施例的体声波谐振器组件的截面图、俯视图、仰视图，其中沿图9B、9C中的A-A线可截得图9A的截面图。
图9A的结构与图8A中的结构基本相同，区别在于：在图9A中，位于顶部的谐振器的数量为两个，可选的也可以为多个(大于等于两个)。
此外，在图9A-9C所示的实施例中，位于顶部的两个谐振器的顶电极共用同一电极连接部分819，位于底部的两个谐振器的底电极共用同一电极连接部分824，820和821分别为顶部左边谐振器的底电极连接部分和顶部右边谐振器的底电极的连接部分；822和823分别为底部左边谐振器的顶电极连接部分和底部右边谐振器的顶电极的连接部分。而在图8A-8C的示例中，顶部仅设置有一个体声波谐振器，且底部的两个体声波谐振器的电极并不存在共同部分。此外，如图9A中所示，顶部两个谐振器之间还可以存在上支撑层811的一部分，且上支撑层811与顶部谐振器的底电极具有一定的重叠区域，使得谐振器容易散热，从而可以增大功率容量。而本实施例的情况也不限于此，即顶部两个谐振器之间可以去掉图9A中所示的支撑层部分，或者，支撑层与底电极之间具有一定的间隔距离。
图10-11为根据本发明的不同示例性实施例的体声波谐振器组件的截面图，其中设置了三个叠置的体声波谐振器。
图10为根据本发明的另一示例性实施例的体声波谐振器组件的截面图，其与图3A所示结构基本相同，区别在于：在图10所示的实施例中，组件包括三个体声波谐振器，即位于底部的为多晶体声波谐振器，位于中间和顶部的为单晶体声波谐振器。可选的，在本发明中也可以有多个体声波谐振器在垂直方向上进行集成。这样能够进一步有效减小器件集成的面积，并且能够减少工艺步骤、降低加工成本。
图11为根据本发明的另一示例性实施例的体声波谐振器组件的截面图，其与图10中结构基本相同，区别在于：在图11中，在垂直方向上集成的三个体声波谐振器都是单晶结构，即其压电层材料都是单晶材料(如铌酸锂，钽酸锂，单晶氮化铝等)，从而能够进一步提升器件的机电耦合系数。
在可选的实施例中，图10和图11中的上支撑层1014、1007、1115、1108，以及下支撑层1013、1006、1114、1107，可以用后面提及的图13中的第一声学阻抗层和第二声学阻抗层来代替，同时容纳空间1015、1008、1116、1109可以通过刻蚀用于形成第二声学阻抗层的材料来形成。
在可选的实施例中，图11中的支撑层1101可以用后面提及的图13中的第一声学阻抗层和第二声学阻抗层来代替，同时声学镜空腔1102可以通过刻蚀用于形成第二声学阻抗层的材料来形成。
图12A-12K示例性示出了制造图3A所示的体声波谐振器组件的过程图。下面具体说明。
步骤1：如图12A所示，首先通过已知的工艺过程加工出多晶体声波谐振器，其包括基底1200、底部声学镜空腔1201(填充有牺牲层材料)、底电极1202、压电层1203、顶电极1204，并通过刻蚀的方法(干法刻蚀或者湿法刻蚀等工艺)在压电层中形成谐振器底部空腔的释放孔1205。
步骤2：如图12B所示，在图12A所得到的结构的压电层1203及电极1204的表面沉积一层牺牲材料1206，并图形化以形成作为后续声学镜空腔的形状，牺牲层可以是多晶硅、非晶硅、二氧化硅、掺杂二氧化硅等材料。底部声学镜空腔所填充的牺牲层材料1201与此处的牺牲层材料1206可以是相同的材料，也可以是不同的材料。
步骤3：如图12C所示，在图12B所得到的压电层1203、空气腔牺牲材料1206的表面沉积一层支撑材料1207形成键合层，材料可以为二氧化硅、氮化硅、多晶硅、非晶硅、氮化铝、氧化铝等，但是与牺牲层材料1206不同。
步骤4：如图12D所示，通过CMP(化学机械研磨)法将支撑材料1207和牺牲层材料1206磨平，使得材料1206露出。
步骤5：如图12E所示，在另一基底1208上形成单晶压电薄膜层1209，如单晶氮化铝(AlN)、氮化镓(GaN)、铌酸锂等单晶材料。但也不限于单晶压电材料，也可以是多晶压电材料，但是仍然是平坦压电层。
步骤6：如图12F所示，在单晶压电材料表面1210沉积金属层并将金属层图形化成电极1210。
步骤7：如图12G所示，在图12F所得到的结构的压电层1209及电极1210的表面沉积一层牺牲材料1211，并图形化以形成作为声学镜空腔的形状，牺牲层可以是多晶硅、非晶硅、二氧化硅、掺杂二氧化硅等材料。
步骤8：如图12H所示，在图12G所得到的压电层1209、空气腔牺牲材料1211及电极1209的表面沉积一层支撑材料形成另一键合层1212，材料可以为二氧化硅、氮化硅、多晶硅、非晶硅、氮化铝、氧化铝等，但是与牺牲层材料不同。在步骤7和步骤8中，也可以先沉积支撑层材料后沉积牺牲层材料，从而最终形成如图4所示的角度情况。
步骤9：如图12I所示，通过CMP(化学机械研磨)法将支撑材料1212和牺牲层材料1211磨平，并露出1211材料。
步骤10：如图12J所示，将图12I所得的结构翻转过来与图12D所得到的的结构键合到一起。
步骤11：如图12K所示，在单晶压电材料表面1209沉积金属层并将金属层图形化成电极1213，并通过刻蚀的方法在压电层中形成刻蚀孔1214。
步骤12：最后将牺牲层材料1211和1206释放掉，以形成位于底部谐振器下表面和上表面的空腔，即得到如图3A所示的结构。
图13示例性示出了根据本发明的另外的实施例的体声波谐振器组件的截面图，其中，压电层之间的支撑部为横向交替的声学阻抗结构。
如图13所示，声学阻抗结构包括在横向方向上彼此相邻设置的第一声学阻抗层1301和第二声学阻抗层1302，第一声学阻抗层与第二声学阻抗层的声学阻抗不同，容纳空间1215在横向方向上位于所述第一声学阻抗层1301之间。
更具体的，第一声学阻抗层与第二声学阻抗层与压电层接触的部分的宽度分别为mλ1/4和nλ2/4，其中m和n均为奇数，λ1和λ2分别为第一声学阻抗层1301和第二声学阻抗层1302在谐振频率处沿横向传播的声波波长。所述谐振频率是谐振器谐振区间内的某一频率，可以是谐振器的串联谐振频率或并联谐振频率，也可以是串并联谐振频率之间的某一频率，或者略低于串联谐振频率或略高于并联谐振频率的某一频率。在附图中，第一声学阻抗层1301的所述宽度以A表示，而第二声学阻抗层1302的所述宽度则以B表示。选取上述宽度，有利于形成有效的声学阻抗不匹配，防止横向声波泄露，进一步提高谐振器的Q值。m与n可以相同，也可以不同，均在本发明的保护范围之内。
在本发明中，第一声学阻抗层与第二声学阻抗层的声学阻抗不同，以形成阻抗不匹配，对声波形成连续反射，形成对横向声波的反射结构，从而用于防止横向声波泄露，有利于将能量锁定在谐振器内，从而提高Q值。
如图13所示，底电极的非电极连接端的端面在横向方向上与声学阻抗结构中的第一声学阻抗层1301间隔开，使得声波在底电极的非电极连接端和空隙之间的横向界面也形成全反射，从而减少声波泄露。基于非电极连接端处的空隙结构，可以进一步防止横向声波泄露，提高谐振器的Q值。
形成第一声学阻抗层1301的材料包括氮化铝、二氧化硅、氮化硅、多晶硅、非晶硅，形成第二声学阻抗层1302的材料包括二氧化硅、掺杂二氧化硅、多晶硅、非晶硅。第一声学阻抗层1301的材料与第二声学阻抗层1302的材料彼此不同。可选的，形成第一声学阻抗层1301的材料包括二氧化硅，形成第二声学阻抗层1302的材料包括多晶硅。或者，形成第一声学阻抗层1301的材料包括氮化硅或氮化铝，形成第二声学阻抗层1302的材料包括二氧化硅或掺杂二氧化硅。在本发明中，为了提高第一声学阻抗层1301与第二声学阻抗层1302的相接处的声学不匹配程度，两者的声学阻抗之差可以选择的尽可能大。
如后面参照附图14A-14K所述的，在制造谐振器的过程中，第二声阻抗层同时用作牺牲层，因此在释放牺牲层时，需要选择合适的释放刻蚀剂，使得该刻蚀剂只刻蚀第一声学阻抗材料，不刻蚀或刻蚀极少量第二声阻抗材料。
在图13所示的示例中，容纳空间可以通过将在第一声学阻抗层之间的第二声学阻抗层的材料释放后获得，也可以通过在设置第一声学阻抗层和第二声学阻抗层时同时在第一声学阻抗层之间设置另外的牺牲材料，然后释放该牺牲材料以获得容纳空间。
还可以利用声学阻抗层设置在横向方向上相邻设置的多个容纳空间，每一个容纳空间可以对应于一个或多个体声波谐振器。
需要指明的是，在图13中，第一声阻抗层和第二声阻抗层均围绕谐振器的声学镜形成环状，但是，也可以是在第一声阻抗层的局部位置嵌入第二声阻抗层，这均在本发明的保护范围之内。
下面参照图14A-14K示例性说明制造图13所示的体声波谐振器组件的过程。
步骤1：如图14A所示，首先通过已知的工艺过程加工出多晶体声波谐振器，其包括基底1200、底部声学镜空腔1201(填充有牺牲层材料)、底电极1202、压电层1203、顶电极1204，并通过刻蚀的方法(干法刻蚀或者湿法刻蚀等工艺)在压电层中形成谐振器底部空腔的释放孔1205。
步骤2：如图14B所示，在图14A所得到的结构的压电层1203及电极1204的表面沉积第一声学阻抗层材料1301，并图形化以形成作为后续声学镜的形状，第一声学阻抗层材料可以是氮化铝、二氧化硅、氮化硅、多晶硅、非晶硅等材料。
步骤3：如图14C所示，在图14B所得到的压电层1203、第一声学阻抗层材料1301的表面沉积形成第二声学阻抗层材料1302，其材料可以为二氧化硅、掺杂二氧化硅、多晶硅、非晶硅等材料。
步骤4：如图14D所示，通过CMP(化学机械研磨)法将第二声学阻抗层材料1302和第一声学阻抗层材料1301磨平。
步骤5：如图14E所示，在另一基底1208上形成单晶压电薄膜层1209，如单晶氮化铝(AlN)、氮化镓(GaN)、铌酸锂等单晶材料。但也不限于单晶压电材料，也可以是多晶压电材料，但是仍然是平坦压电层。
步骤6：如图14F所示，在单晶压电材料表面1209沉积金属层并将金属层图形化成电极1210。
步骤7：如图14G所示，在图14F所得到的结构的压电层1209及电极1210的表面沉积第一声学阻抗层材料1301，并图形化以形成作为声学镜的形状，其材料可以是氮化铝、二氧化硅、氮化硅、多晶硅、非晶硅等材料。
步骤8：如图14H所示，在图14G所得到的压电层1209、第一声学阻抗层材料1301及电极1209的表面沉积一层支撑材料形成第二声学阻抗层材料1302，其材料可以为二氧化硅、掺杂二氧化硅、多晶硅、非晶硅等材料。
步骤9：如图14I所示，通过CMP(化学机械研磨)法将第二声学阻抗层材料1302和第一声学阻抗层材料1301磨平。
步骤10：如图14J所示，将图14I所得的结构翻转过来与图14D所得到的结构键合到一起，并将基底1208去除。
步骤11：如图14K所示，在单晶压电材料表面1209沉积金属层并将金属层图形化成电极1213，并通过刻蚀的方法在压电层中形成刻蚀孔1214。
步骤12：最后将牺牲层材料1201和位于第一声学阻抗之间的第二声学阻抗层材料1302释放掉，以形成位于底部谐振器下表面和上表面的空腔，即得到如图13所示的结构。
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，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。
在本发明中，内和外是相对于谐振器的有效区域(压电层、顶电极、底电极和声学镜在谐振器的厚度方向上的重叠区域构成有效区域)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。
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、一种体声波谐振器组件，包括：
基底；
在基底的一侧在基底的厚度方向上叠置的至少两个体声波谐振器，其中，至少与基底在厚度方向上间隔开的体声波谐振器的压电层为平坦压电层，在厚度方向上相邻的体声波谐振器的压电层之间形成作为声学镜空腔的容纳空间。
2、根据1所述的组件，其中：
所述至少两个体声波谐振器包括至少一组压电层，每组压电层包括在基底的厚度方向上叠置的上压电层和下压电层，至少所述上压电层为单晶压电层，上压电层与下压电层之间设置有支撑部，支撑部、上压电层和下压电层之间限定容纳空间；
所述至少两个体声波谐振器包括设置在下压电层的至少一个第一体声波谐振器，以及
设置在上压电层的至少一个第二体声波谐振器，
其中：
所述至少一组压电层包括与基底相邻的第一组压电层；
第一体声波谐振器的顶电极和第二体声波谐振器的底电极设置在所述容纳空间中，且所述容纳空间构成用于第二体声波谐振器的声学镜。
3、根据2所述的组件，其中：
第一体声波谐振器的声学镜为声学镜空腔。
4、根据3所述的组件，其中：
下压电层设置有第一释放孔，上压电层设置有第二释放孔，第二释放孔与容纳空间相通，第一释放孔将声学镜空腔与容纳空间相通。
5、根据3所述的组件，其中：
所述至少一个第一体声波谐振器包括多个第一体声波谐振器且共用同一声学镜空腔。
6、根据2所述的组件，其中：
设置在第一组压电层的下压电层的第一体声波谐振器的声学镜为布拉格反射层，第一组压电层中的上压电层设置有第二释放孔，所述第二释放孔与第一组压电层的上压电层与下压电层之间的容纳空间相通。
7、根据2所述的组件，其中：
所述第一组压电层的下压电层为单晶压电层。
8、根据7所述的组件，其中：
所述第一组压电层的下压电层的下表面与基底上表面之间设置有第一声学阻抗层与第二声学阻抗层与压电层接触的部分的宽度分别为mλ1/4和nλ2/4，其中m和n均为奇数，λ1和λ2分别为第一声学阻抗层和第二声学阻抗层在谐振频率处沿横向传播的声波波长。
9、根据2-8中任一项所述的组件，其中：
所述支撑部包括彼此在厚度方向上相对的设置在下压电层的上侧的支撑下部，以及设置在上压电层的下侧的支撑上部。
10、根据9所述的组件，其中：
所述支撑上部和支撑下部均为支撑柱体。
11、根据9所述的组件，其中：
所述支撑上部和支撑下部中的一个为支撑柱体，另一个为支撑层；或者
所述支撑上部和支撑下部均为支撑层。
12、根据11所述的组件，其中：
所述支撑上部为支撑层，且所述支撑上部覆盖第二体声波谐振器的底电极的非连接边的一部分。
13、根据11所述的组件，其中：
所述支撑层为环状的支撑层。
14、根据13所述的组件，其中：
所述支撑上部和支撑下部均为支撑层，且支撑上部和支撑下部的内端彼此对齐。
15、根据2所述的组件，其中：
所述至少一组压电层包括至少两组压电层，所述至少两组压电层包括第一组压电层以及将第一组压电层的上压电层作为下压电层的第二组压电层。
16、根据15所述的组件，其中：
相邻两组压电层中，被两组压电层共用的共用压电层设置有将该共用压电层上下两侧的容纳空间相通的释放孔。
17、根据2所述的组件，其中：
所述支撑部包括设置在上压电层与下压电层之间的声学阻抗结构；
所述声学阻抗结构包括在横向方向上彼此相邻设置的第一声学阻抗层和第二声学阻抗层，第一声学阻抗层与第二声学阻抗层的声学阻抗不同，所述容纳空间在横向方向上位于所述第一声学阻抗层之间。
18、根据17所述的组件，其中：
第一声学阻抗层与第二声学阻抗层与压电层接触的部分的宽度分别为mλ1/4和nλ2/4，其中m和n均为奇数，λ1和λ2分别为第一声学阻抗层和第二声学阻抗层在谐振频率处沿横向传播的声波波长。
19、根据17所述的组件，其中：
形成第一声学阻抗层和第二声学阻抗层中的一层的材料选自氮化铝、二氧化硅、氮化硅、多晶硅、非晶硅，形成第一声学阻抗层和第二声学阻抗层中的另一层的材料自二氧化硅、掺杂二氧化硅、多晶硅、非晶硅，形成第一声学阻抗层的材料不同于形成第二声学阻抗层的材料。
20、根据17所述的组件，其中：
所述上压电层与下压电层之间的容纳空间包括在横向方向上限定在声学阻抗结构之间的单个容纳空间，或者包括在横向方向上由声学阻抗结构分隔开的多个容纳空间。
21、根据求1所述的组件，其中：
所述与基底在厚度方向上间隔开的谐振器为单晶体声波谐振器。
22、一种体声波谐振器组件的制造方法，所述体声波谐振器组件的体声波谐振器包括声学镜、底电极、压电层和顶电极，所述方法包括：
步骤1：提供第一结构，所述第一结构包括基底以及在基底的上表面的下压电层，且至少一个第一体声波谐振器以该下压电层为压电层形成在第一结构中；
步骤2：提供第二结构，所述第二结构包括辅助基底、设置在辅助基底的上表面的上压电层、设置在上压电层的上表面的用于第二体声波谐振器的底电极，上压电层为平坦压电层；
步骤3：在第一结构的上表面和/或第二结构的上表面形成牺牲层和支撑层，牺牲层与支撑层的上表面共面且平坦，且牺牲层覆盖第一结构和/或第二结构的上表面侧的电极，支撑层在牺牲层的外侧沿牺牲层设置；
步骤4：步骤3之后，将第一结构与第二结构的上表面彼此对置而平面相接，以及移除辅助基底而露出上压电层的下表面；
步骤5：在上压电层的下表面设置用于第二体声波谐振器的顶电极以及形成贯穿上压电层的释放孔；
步骤6：经由上压电层的释放孔释放牺牲层而在上压电层与下压电层之间形成容纳空间。
23、根据22所述的方法，其中：
步骤3中，所述支撑层包括在横向方向上彼此相邻设置的第一声学阻抗层和第二声学阻抗层，第一声学阻抗层与第二声学阻抗层的声学阻抗不同，所述容纳空间在横向方向上位于所述第一声学阻抗层之间。
24、根据23所述的方法，其中：
在步骤3中，所述牺牲层的材料与第二声学阻抗层的材料相同，且所述牺牲层和第二声学阻抗层同步形成。
25、一种滤波器，包括根据1-21中任一项所述的体声波谐振器组件。
26、一种电子设备，包括根据25所述的滤波器或根据1-21中任一项所述的体声波谐振器组件。
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 (26)
1.一种体声波谐振器组件，包括：
基底；
在基底的一侧在基底的厚度方向上叠置的至少两个体声波谐振器，其中，至少与基底在厚度方向上间隔开的体声波谐振器的压电层为平坦压电层，在厚度方向上相邻的体声波谐振器的压电层之间形成作为声学镜空腔的容纳空间，
其中：
所述平坦压电层为单晶压电层；
所述至少两个体声波谐振器包括至少一组压电层，每组压电层包括在基底的厚度方向上叠置的上压电层和下压电层，至少所述上压电层为单晶压电层，上压电层与下压电层之间设置有支撑部，支撑部、上压电层和下压电层之间限定容纳空间。
2.根据权利要求1所述的组件，其中：
所述至少两个体声波谐振器包括设置在下压电层的至少一个第一体声波谐振器，以及设置在上压电层的至少一个第二体声波谐振器，
其中：
所述至少一组压电层包括与基底相邻的第一组压电层；
第一体声波谐振器的顶电极和第二体声波谐振器的底电极设置在所述容纳空间中，且所述容纳空间构成用于第二体声波谐振器的声学镜。
3.根据权利要求2所述的组件，其中：
第一体声波谐振器的声学镜为声学镜空腔。
4.根据权利要求3所述的组件，其中：
下压电层设置有第一释放孔，上压电层设置有第二释放孔，第二释放孔与容纳空间相通，第一释放孔将声学镜空腔与容纳空间相通。
5.根据权利要求3所述的组件，其中：
所述至少一个第一体声波谐振器包括多个第一体声波谐振器且共用同一声学镜空腔。
6.根据权利要求2所述的组件，其中：
设置在第一组压电层的下压电层的第一体声波谐振器的声学镜为布拉格反射层，第一组压电层中的上压电层设置有第二释放孔，所述第二释放孔与第一组压电层的上压电层与下压电层之间的容纳空间相通。
7.根据权利要求2所述的组件，其中：
所述第一组压电层的下压电层为单晶压电层。
8.根据权利要求7所述的组件，其中：
所述第一组压电层的下压电层的下表面与基底上表面之间设置有第一声学阻抗层与第二声学阻抗层与压电层接触的部分的宽度分别为mλ1/4和nλ2/4，其中m和n均为奇数，λ1和λ2分别为第一声学阻抗层和第二声学阻抗层在谐振频率处沿横向传播的声波波长。
9.根据权利要求2-8中任一项所述的组件，其中：
所述支撑部包括彼此在厚度方向上相对的设置在下压电层的上侧的支撑下部，以及设置在上压电层的下侧的支撑上部。
10.根据权利要求9所述的组件，其中：
所述支撑上部和支撑下部均为支撑柱体。
11.根据权利要求9所述的组件，其中：
所述支撑上部和支撑下部中的一个为支撑柱体，另一个为支撑层；或者
所述支撑上部和支撑下部均为支撑层。
12.根据权利要求11所述的组件，其中：
所述支撑上部为支撑层，且所述支撑上部覆盖第二体声波谐振器的底电极的非连接边的一部分。
13.根据权利要求11所述的组件，其中：
所述支撑层为环状的支撑层。
14.根据权利要求13所述的组件，其中：
所述支撑上部和支撑下部均为支撑层，且支撑上部和支撑下部的内端彼此对齐。
15.根据权利要求2所述的组件，其中：
所述至少一组压电层包括至少两组压电层，所述至少两组压电层包括第一组压电层以及将第一组压电层的上压电层作为下压电层的第二组压电层。
16.根据权利要求15所述的组件，其中：
相邻两组压电层中，被两组压电层共用的共用压电层设置有将该共用压电层上下两侧的容纳空间相通的释放孔。
17.根据权利要求2所述的组件，其中：
所述支撑部包括设置在上压电层与下压电层之间的声学阻抗结构；
所述声学阻抗结构包括在横向方向上彼此相邻设置的第一声学阻抗层和第二声学阻抗层，第一声学阻抗层与第二声学阻抗层的声学阻抗不同，所述容纳空间在横向方向上位于所述第一声学阻抗层之间。
18.根据权利要求17所述的组件，其中：
第一声学阻抗层与第二声学阻抗层与压电层接触的部分的宽度分别为mλ1/4和nλ2/4，其中m和n均为奇数，λ1和λ2分别为第一声学阻抗层和第二声学阻抗层在谐振频率处沿横向传播的声波波长。
19.根据权利要求17所述的组件，其中：
形成第一声学阻抗层和第二声学阻抗层中的一层的材料选自氮化铝、二氧化硅、氮化硅、多晶硅、非晶硅，形成第一声学阻抗层和第二声学阻抗层中的另一层的材料自二氧化硅、掺杂二氧化硅、多晶硅、非晶硅，形成第一声学阻抗层的材料不同于形成第二声学阻抗层的材料。
20.根据权利要求17所述的组件，其中：
所述上压电层与下压电层之间的容纳空间包括在横向方向上限定在声学阻抗结构之间的单个容纳空间，或者包括在横向方向上由声学阻抗结构分隔开的多个容纳空间。
21.根据权利要求1所述的组件，其中：
所述与基底在厚度方向上间隔开的谐振器为单晶体声波谐振器。
22.一种体声波谐振器组件的制造方法，所述体声波谐振器组件的体声波谐振器包括声学镜、底电极、压电层和顶电极，所述方法包括：
步骤1：提供第一结构，所述第一结构包括基底以及在基底的上表面的下压电层，且至少一个第一体声波谐振器以该下压电层为压电层形成在第一结构中；
步骤2：提供第二结构，所述第二结构包括辅助基底、设置在辅助基底的上表面的上压电层、设置在上压电层的上表面的用于第二体声波谐振器的底电极，上压电层为平坦压电层；
步骤3：在第一结构的上表面和/或第二结构的上表面形成牺牲层和支撑层，牺牲层与支撑层的上表面共面且平坦，且牺牲层覆盖第一结构和/或第二结构的上表面侧的电极，支撑层在牺牲层的外侧沿牺牲层设置；
步骤4：步骤3之后，将第一结构与第二结构的上表面彼此对置而平面相接，以及移除辅助基底而露出上压电层的下表面；
步骤5：在上压电层的下表面设置用于第二体声波谐振器的顶电极以及形成贯穿上压电层的释放孔；
步骤6：经由上压电层的释放孔释放牺牲层而在上压电层与下压电层之间形成容纳空间。
23.根据权利要求22所述的方法，其中：
步骤3中，所述支撑层包括在横向方向上彼此相邻设置的第一声学阻抗层和第二声学阻抗层，第一声学阻抗层与第二声学阻抗层的声学阻抗不同，所述容纳空间在横向方向上位于所述第一声学阻抗层之间。
24.根据权利要求23所述的方法，其中：
在步骤3中，所述牺牲层的材料与第二声学阻抗层的材料相同，且所述牺牲层和第二声学阻抗层同步形成。
25.一种滤波器，包括根据权利要求1-21中任一项所述的体声波谐振器组件。
26.一种电子设备，包括根据权利要求25所述的滤波器或根据权利要求1-21中任一项所述的体声波谐振器组件。
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Legal Events
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| GR01 | Patent grant | ||
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| PP01 | Preservation of patent right |
Effective date of registration: 20240130 Granted publication date: 20210921 |
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