CN117595818B - 薄膜体声波谐振器及其制造方法和相关设备 - Google Patents
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Abstract
本公开涉及薄膜体声波谐振器及其制造方法和相关设备。谐振器包括具有空腔的衬底、设置在衬底上的第一电极层、设置在第一电极层上的压电材料层和设置在压电材料层上的第二电极层。空腔、第一电极层、压电材料层与第二电极层的重叠区域形成有效区域。谐振器包括沿有效区域边界靠近压电材料层上表面设置在压电材料层中的第一空气环槽和沿有效区域边界设置在压电材料层与第二电极层之间的第二空气环槽。第一空气环槽与第二空气环槽相互连通。在非连接边处：第一空气环槽内边界在空腔边界之内并且外边界在空腔边界之外；第二空气环槽内边界和外边界均在空腔边界之内；第一空气环槽内边界相比于第二空气环槽内边界更靠近有效区域中心。
Description
技术领域
本公开总体上涉及射频器件技术领域，并且更具体而言，本公开涉及一种薄膜体声波谐振器及其制造方法和相关设备。
背景技术
薄膜体声波谐振器(Film Bulk Acoustic Resonator，FBAR)作为射频(RF)前端的核心器件之一，因其高功率、高带宽以及优异的滚降等性能而可以很好地满足当下对RF性能的需求，正受到越来越多的关注。在薄膜体声波谐振器中，采用了体声波的纵波传播方式，可以利用例如AlN等材料的优异的性能，实现对声波能量的更好转化。然而，在薄膜体声波谐振器中，由于压电材料和电极材料并非完美的Z轴晶型取向的完美单晶并且通常会存在一定的缺陷，这导致在纵波传播的过程中会耦合出横波。如果不对这样的横波进行限制，能量会从谐振器中横向泄漏出去，使得谐振器的品质因数(Q值)降低。因此，存在对薄膜体声波谐振器进行改进的需要。
发明内容
根据本公开的第一方面，提供了一种薄膜体声波谐振器，包括：衬底，包括靠近所述衬底的上表面设置在所述衬底中的空腔；第一电极层，设置在所述衬底之上；压电材料层，设置在所述第一电极层之上；以及第二电极层，设置在所述压电材料层之上，其中，从垂直于所述衬底的上表面的方向看：所述空腔、所述第一电极层、所述压电材料层与所述第二电极层的重叠区域形成所述薄膜体声波谐振器的有效区域；所述薄膜体声波谐振器还包括沿着所述有效区域的边界靠近所述压电材料层的上表面设置在所述压电材料层中的第一空气环槽，以及沿着所述有效区域的边界设置在所述压电材料层的上表面与所述第二电极层的下表面之间的第二空气环槽，所述第一空气环槽与所述第二空气环槽相互连通；并且在所述薄膜体声波谐振器的非连接边处，所述第一空气环槽的靠近所述有效区域的中心的内边界在所述空腔的边界之内并且所述第一空气环槽的远离所述有效区域的中心的外边界在所述空腔的边界之外，所述第二空气环槽的靠近所述有效区域的中心的内边界和所述第二空气环槽的远离所述有效区域的中心的外边界均在所述空腔的边界之内，所述第一空气环槽的内边界相比于所述第二空气环槽的内边界更靠近所述有效区域的中心。
根据本公开的第二方面，提供了一种制造薄膜体声波谐振器的方法，包括：提供衬底，所述衬底包括靠近所述衬底的上表面形成在所述衬底中的空腔；在所述衬底的空腔中填充第一牺牲材料部并进行平坦化处理，以使所述衬底的上表面平坦；在所述衬底之上形成第一电极层；在所述第一电极层之上形成压电材料层；在所述压电材料层中形成第一空气环槽；在所述第一空气环槽处形成第二牺牲材料部，所述第二牺牲材料部的位于所述第一空气环槽内的第一部分与所述第一空气环槽的形状对应，所述第二牺牲材料部的超出所述第一空气环槽的第二部分与要形成的第二空气环槽的形状对应；在所述压电材料层和所述第二牺牲材料部之上形成第二电极层；以及释放去除所述第一牺牲材料部和所述第二牺牲材料部，从而得到所述空腔、所述第一空气环槽和所述第二空气环槽，其中，从垂直于所述衬底的上表面的方向看：所述空腔、所述第一电极层、所述压电材料层与所述第二电极层的重叠区域形成所述薄膜体声波谐振器的有效区域；所述第一空气环槽沿着所述有效区域的边界靠近所述压电材料层的上表面设置在所述压电材料层中，并且所述第二空气环槽沿着所述有效区域的边界设置在所述压电材料层的上表面与所述第二电极层的下表面之间，所述第一空气环槽与所述第二空气环槽相互连通；并且在所述薄膜体声波谐振器的非连接边处，所述第一空气环槽的靠近所述有效区域的中心的内边界在所述空腔的边界之内并且所述第一空气环槽的远离所述有效区域的中心的外边界在所述空腔的边界之外，所述第二空气环槽的靠近所述有效区域的中心的内边界和所述第二空气环槽的远离所述有效区域的中心的外边界均在所述空腔的边界之内，所述第一空气环槽的内边界相比于所述第二空气环槽的内边界更靠近所述有效区域的中心。
根据本公开的第三方面，提供了一种滤波器，包括根据本公开的第一方面所述的薄膜体声波谐振器。
根据本公开的第四方面，提供了一种电子设备，包括根据本公开的第一方面所述的薄膜体声波谐振器或者包括根据本公开的第三方面所述的滤波器。
通过以下参照附图对本公开的示例性实施例的详细描述，本公开的其它特征及其优点将会变得更为清楚。
附图说明
从结合附图示出的本公开的实施例的以下描述中，本公开的前述和其它特征和优点将变得清楚。附图结合到本文中并形成说明书的一部分，进一步用于解释本公开的原理并使本领域技术人员能够制造和使用本公开。其中：
图1是示出根据本公开的一些实施例的薄膜体声波谐振器的示意性平面图；
图2至图10B分别是示出根据本公开的一些实施例的薄膜体声波谐振器的示意性剖视图，其中剖视图是沿图1中的线AOA’截取的；
图11是示出根据本公开的一些实施例的制造薄膜体声波谐振器的方法的流程图；
图12A至图12K是示出与图11所示的方法的部分步骤对应的薄膜体声波谐振器的示意性剖视图；
图13是示出根据比较例1至5以及根据本公开的示例1的薄膜体声波谐振器在非连接边处的示意性局部剖视图；
图14是示出根据比较例1至5以及根据本公开的示例1的薄膜体声波谐振器的并联谐振点阻抗值Rp的柱形图；
图15是示出根据本公开的示例1的薄膜体声波谐振器的并联谐振点阻抗值Rp随第一空气环槽的内边界与第二空气环槽的内边界之间的距离d变化的曲线图。
注意，在以下说明的实施方式中，有时在不同的附图之间共同使用同一附图标记来表示相同部分或具有相同功能的部分，而省略其重复说明。在一些情况中，使用相似的标号和字母表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。
为了便于理解，在附图等中所示的各结构的位置、尺寸及范围等有时不表示实际的位置、尺寸及范围等。因此，本公开并不限于附图等所公开的位置、尺寸及范围等。
具体实施方式
下面将参照附图来详细描述本公开的各种示例性实施例。应注意到：除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本公开的范围。
以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本公开及其应用或使用的任何限制。也就是说，本文中的结构及方法是以示例性的方式示出，来说明本公开中的结构和方法的不同实施例。然而，本领域技术人员将会理解，它们仅仅说明可以用来实施的本公开的示例性方式，而不是穷尽的方式。此外，附图不必按比例绘制，一些特征可能被放大以示出具体组件的细节。
另外，对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为说明书的一部分。
在这里示出和讨论的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。
本公开在一方面提供了一种薄膜体声波谐振器，其可以很好地抑制在纵波传播过程中耦合出的横波造成的能量横向泄露现象，从而具有提高的Q值。下面将结合附图详细描述根据本公开的各种实施例的薄膜体声波谐振器。应理解，实际的薄膜体声波谐振器可能还包括其它部件，但为了避免模糊本公开的要点，本文不去讨论并且附图也未示出这些其它部件。
在本文中，“内”和“外”是相对于薄膜体声波谐振器或者说其有效区域的中心而言的，靠近所述中心的为“内”而远离所述中心的为“外”。在本文中，宽度、边界与边界之间的距离等是相对于与薄膜体声波谐振器所在平面平行的横向维度描述的，而厚度、高度、深度、表面与表面之间的距离等是相对于与薄膜体声波谐振器所在平面垂直的纵向维度描述的。在本文中，术语“连接边”是指薄膜体声波谐振器和其它谐振器或者测试电极等器件连接的边，例如一般可以通过顶电极(即，后文所称第二电极层)或者底电极(即，后文所称第一电极层)相连接，所以连接边的顶电极或者底电极通常并未被刻蚀(例如，如后文描述的图9的右侧所示，在该边处顶电极也即第二电极层105未被刻蚀)；术语“非连接边”是指薄膜体声波谐振器在这个边的顶电极或者底电极被刻蚀掉，而没有和其它谐振器或者焊盘等器件相连接(例如，如后文描述的图9的左侧所示，在该边处顶电极也即第二电极层105被刻蚀)。也就是说，在例如后文描述的图9中，左侧为非连接边，右侧为连接边。
图1是示出根据本公开的一些实施例的薄膜体声波谐振器100的平面图。薄膜体声波谐振器100可以具有任何合适的形状。在一些实施例中，薄膜体声波谐振器100的形状可以为凸多边形，例如凸三边形、凸四边形、凸五边形、凸六边形、凸七边形、凸八边形等。在一些实施例中，薄膜体声波谐振器100的凸多边形的任意两个边均不平行。例如，在图1的非限制性示例中，薄膜体声波谐振器100的形状是凸五边形且该凸五边形的五个边ab、bc、cd、de、ea中的任意两个边均不平行，其中，ab、bc、de、ea可以是薄膜体声波谐振器100的非连接边，cd可以是薄膜体声波谐振器100的连接边。薄膜体声波谐振器100可以通过其连接边连接到附加的薄膜体声波谐振器或其它器件。
图2至图10B分别是示出根据各种实施例的薄膜体声波谐振器100沿图1中的线AOA’截取的示意性剖视图。
在一些实施例中，如图2所示，薄膜体声波谐振器100A可以包括衬底101、靠近衬底101的上表面设置在衬底101中的空腔102、设置在衬底101之上的第一电极层103、设置在第一电极层103之上的压电材料层104以及设置在压电材料层104之上的第二电极层105。
衬底101可以是半导体衬底，其材料包括例如但不限于单晶硅、多晶硅、砷化镓、蓝宝石、石英、碳化硅、绝缘体上硅(SOI)等。空腔102是由空气组成的反射结构。从垂直于衬底101的上表面的方向看，空腔102可以具有任何合适的形状，例如可以为凸多边形，比如凸三边形、凸四边形、凸五边形、凸六边形、凸七边形、凸八边形等，并且在一些实施例中，凸多边形的任意两个边可以不平行。第一电极层103和第二电极层105的材料可以包括例如但不限于钼、钌、金、铝、镁、钨、铜、钛、铱、锇、铬或其合金或者前述各项的任意组合。压电材料层104的材料可以包括例如但不限于单晶压电材料、多晶压电材料等并且还可以包括与上述材料成一定原子比例的稀土元素掺杂材料，单晶压电材料例如包括但不限于单晶氮化铝、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、或单晶钽酸锂等，多晶压电材料例如包括但不限于多晶氮化铝、多晶氧化锌、多晶PZT等；稀土元素掺杂材料例如可以是包含至少一种稀土元素的掺杂氮化铝，所掺杂的稀土元素诸如但不限于钪、钇、镁、钛、镧、铈、镨、钕、钷、钐、铕、钆、铽、镝、钬、铒、铥、镱、镥等。从垂直于衬底101的上表面的方向看，空腔102、第一电极层103、压电材料层104与第二电极层105的重叠区域形成薄膜体声波谐振器100A的有效区域。当向第一电极层103和第二电极层105施加信号时，薄膜体声波谐振器100A根据压电材料层104的厚度以固有振荡频率进行谐振，同时输入到第一电极层103和第二电极层105并且在第一电极层103和第二电极层105之间传递的电能的一部分通过压电效应被转换为机械能，并且再次被转换为电能。
薄膜体声波谐振器100A还包括沿着薄膜体声波谐振器100A的有效区域的边界靠近压电材料层104的上表面设置在压电材料层104中的第一空气环槽1061。第一空气环槽1061的存在使得压电材料层104的位于第一空气环槽1061内侧的部分的厚度、压电材料层104的位于第一空气环槽1061处的部分的厚度和压电材料层104的位于第一空气环槽1061外侧的部分的厚度彼此不同进而这些部分中的声阻抗彼此不同，由厚度变化引起的声阻抗差异可以通过在横向方向上反射从压电材料层104逸出的横波来抑制能量横向泄露。另外，薄膜体声波谐振器100A还包括沿着薄膜体声波谐振器100A的有效区域的边界设置在压电材料层104的上表面与第二电极层105的下表面之间的第二空气环槽1062。第一空气环槽1061与第二空气环槽1062相互连通，这样第一空气环槽1061与第二空气环槽1062作为整体会跨越压电材料层104与第二电极层105之间的界面，从而可以抑制压电材料层104、压电材料层104与第二电极层105之间的界面、第二电极层105这三处的能量横向泄露。
特别地，在薄膜体声波谐振器100A的非连接边处，第一空气环槽1061的靠近薄膜体声波谐振器100A的有效区域的中心的内边界在空腔102的边界之内，并且第一空气环槽1061的远离薄膜体声波谐振器100A的有效区域的中心的外边界在空腔102的边界之外，第二空气环槽1062的靠近薄膜体声波谐振器100A的有效区域的中心的内边界和第二空气环槽1062的远离薄膜体声波谐振器100A的有效区域的中心的外边界均在空腔102的边界之内，第一空气环槽1061的内边界相比于第二空气环槽1062的内边界更靠近有效区域的中心。如图2所示，在薄膜体声波谐振器100A的非连接边处，第一空气环槽1061的外边界与空腔102的边界之间的距离由d0指示，第一空气环槽1061的内边界与第二空气环槽1062的内边界之间的距离由d1指示。也就是说，在本公开的实施例中，要求d0大于零且d1大于零，这有利于增大薄膜体声波谐振器100A的并联谐振点阻抗值Rp，进而优化薄膜体声波谐振器100A的性能。
在一些实施例中，从垂直于衬底101的上表面的方向看：在薄膜体声波谐振器100A的连接边处，第一空气环槽1061的内边界在空腔102的边界之内，并且第一空气环槽1061的外边界在空腔102的边界之外，第一空气环槽1061的内边界相比于第二空气环槽1062的内边界更靠近薄膜体声波谐振器100A的有效区域的中心。如图2所示，在薄膜体声波谐振器100A的连接边处，第一空气环槽1061的内边界与第二空气环槽1062的内边界之间的距离由d2指示，第一空气环槽1061的外边界与空腔102的边界之间的距离由d3指示。也就是说，在本公开的实施例中，还可以要求d2大于零且d3大于零，这有利于增大薄膜体声波谐振器100A的并联谐振点阻抗值Rp，进而优化薄膜体声波谐振器100A的性能。
在一些实施例中，例如在图2所示的薄膜体声波谐振器100A中，从垂直于衬底101的上表面的方向看：在薄膜体声波谐振器100A的连接边处，第二空气环槽1062的内边界和第二空气环槽1062的外边界均在空腔102的边界之内。相比之下，在另一些实施例中，例如图3所示的薄膜体声波谐振器100B与图2所示的薄膜体声波谐振器100A的区别在于，在图3所示的薄膜体声波谐振器100B中，从垂直于衬底101的上表面的方向看：在薄膜体声波谐振器100B的连接边处，第二空气环槽1062的内边界在空腔102的边界之内并且第二空气环槽1062的外边界在空腔102的边界之外。在替代的实施例中，在薄膜体声波谐振器的连接边处，当第二空气环槽1062的内边界在空腔102的边界之内并且第二空气环槽1062的外边界在空腔102的边界之外时，第一空气环槽1061的内边界和外边界也可以均在空腔102的边界之内。也就是说，在薄膜体声波谐振器的连接边处，第一空气环槽1061的内边界和第二空气环槽1062的内边界可以均在空腔102的边界之内，并且第一空气环槽1061的外边界和第二空气环槽1062的外边界中的至少一者可以在空腔102的边界之外，这可以有利于抑制在薄膜体声波谐振器的连接边处的能量横向泄露。
在图2所示的薄膜体声波谐振器100A以及图3所示的薄膜体声波谐振器100B二者中，第二空气环槽1062既设置在薄膜体声波谐振器的连接边处也设置在薄膜体声波谐振器的非连接边处。相比之下，图4所示的薄膜体声波谐振器100C与图3所示的薄膜体声波谐振器100B的区别在于，在图4所示的薄膜体声波谐振器100C中，第一空气环槽1061仅设置在薄膜体声波谐振器100C的非连接边处而不设置在薄膜体声波谐振器100C的连接边处。由于薄膜体声波谐振器的连接边往往具有较多膜层，在连接边处特别是在压电材料层104中进行刻蚀(例如，设置空气环槽)有可能引起膜层断裂，因此可以如图4那样使得第一空气环槽1061仅设置在薄膜体声波谐振器100C的非连接边处而不设置在薄膜体声波谐振器100C的连接边处。在一些实施例中，薄膜体声波谐振器的形状可以为凸多边形并且该凸多边形的任意两个边均不平行，第一空气环槽1061可以沿该凸多边形中的第一一个或多个边设置，第二空气环槽1062沿该凸多边形中的第二一个或多个边设置。第一一个或多个边与第二一个或多个边可以是相同的，也可以是不同的，例如第一一个或多个边可以只包括非连接边而不包括连接边，第二一个或多个边可以包括非连接边和/或连接边。
返回参考例如但不限于图2，在一些实施例中，在沿着薄膜体声波谐振器100A的有效区域的边界的每个位置处，第一空气环槽1061的内边界与第二空气环槽1062的外边界之间的距离可以在0.5微米与20微米之间，例如可以在0.5微米与10微米之间。另外，第一空气环槽1061和第二空气环槽1062各自的宽度可以独立设置。在本文中，空气环槽的宽度可以是该空气环槽的内边界与该空气环槽的外边界之间的距离。但应注意，第一空气环槽1061的真正起作用的有效宽度可以是第一空气环槽1061的内边界与第二空气环槽1062的内边界之间的距离。还应注意，例如参考图3：在薄膜体声波谐振器的非连接边处，当第二空气环槽1062延伸到第二电极层105的边界时，第二空气环槽1062的有效外边界可以被视为与第二电极层105的边界齐平，则第二空气环槽1062的真正起作用的有效宽度可以是第二电极层105的边界与第二空气环槽1062的内边界之间的距离；在薄膜体声波谐振器的连接边处，当第二空气环槽1062延伸到甚至超出空腔102的边界时，第二空气环槽1062的有效外边界可以被视为与空腔102的边界齐平，则第二空气环槽1062的真正起作用的有效宽度可以是第二空气环槽1062的内边界与空腔102的边界之间的距离。在一些实施例中，在薄膜体声波谐振器的非连接边处的沿着有效区域的边界的每个位置处，第一空气环槽1061的内边界与第二电极层105的边界之间的距离可以在0.5微米与20微米之间，例如可以在0.5微米与10微米之间；在薄膜体声波谐振器的连接边处的沿着有效区域的边界的每个位置处，第一空气环槽1061的内边界与空腔102的边界之间的距离可以在0.5微米与20微米之间，例如可以在0.5微米与10微米之间。
在一些实施例中，在沿着薄膜体声波谐振器100A的有效区域的边界的每个位置处，第一空气环槽1061的内边界与第二空气环槽1062的内边界之间的距离可以是相同的或者说是不变的。在一些实施例中，第一空气环槽1061的内边界与第二空气环槽1062的内边界之间的距离可以被设置为使得薄膜体声波谐振器100A的并联谐振点阻抗值Rp达到极大值。在一些实施例中，在沿着薄膜体声波谐振器100A的有效区域的边界的至少两个不同位置处，第一空气环槽1061的内边界与第二空气环槽1062的内边界之间的距离也可以是不同的或者说是变化的。
仍参考例如但不限于图2，在一些实施例中，第一空气环槽1061的第一深度可以大于0.01微米并且小于压电材料层104的厚度，第二空气环槽1062的第二深度可以大于0.01微米并且小于第二电极层103的厚度，并且第一空气环槽1061的第一深度与第二空气环槽1062的第二深度之和可以大于0.05微米。第一空气环槽1061的第一深度是第一空气环槽1061的下表面与压电材料层104的上表面之间的距离。第二空气环槽1062的第二深度是第二空气环槽1062的上表面与压电材料层104的上表面之间的距离。压电材料层104的厚度是压电材料层104的上表面与压电材料层104的下表面之间的距离。第二电极层105的厚度是第二电极层105的上表面与第二电极层105的下表面之间的距离。
另外，在图2至图4所示的薄膜体声波谐振器100A至100C中，第二电极层105的上表面被平坦化，但这仅仅是示例性的而非限制性的。在图5所示的薄膜体声波谐振器100D中，第二电极层105的上表面没有被平坦化。但是，第二电极层105的上表面被平坦化在一些情况下可能是更优选的，因为当第二电极层105的上表面被平坦化时，第二空气环槽1062的存在能够使得第二电极层105的位于第二空气环槽1062内侧的部分的厚度、第二电极层105的位于第二空气环槽1062处的部分的厚度和第二电极层105的位于第二空气环槽1062外侧的部分的厚度彼此不同进而这些部分中的声阻抗彼此不同，由厚度变化引起的声阻抗差异可以通过在横向方向上反射从第二电极层105逸出的横波来抑制能量横向泄露。
在图5所示的薄膜体声波谐振器100D中，利用第二空气环槽1062的形成使得第二电极层105的上表面的位于第二空气环槽1062上方的部分相比于第二电极层105的上表面的不位于第二空气环槽1062上方的部分而凸起。相比之下，在图6所示的薄膜体声波谐振器100E中，通过在第二电极层105的下表面与压电材料层104的上表面之间设置凸起部，使得第二电极层105的上表面的位于该凸起部上方的部分相比于第二电极层105的上表面的不位于该凸起部上方的部分而凸起。具体地，在一些实施例中，例如图6所示的薄膜体声波谐振器100E相比于图3所示的薄膜体声波谐振器100B，还可以包括第一凸起部107，第一凸起部107沿着薄膜体声波谐振器100E的有效区域的边界设置在第二电极层105与压电材料层104之间以使得第二电极层105的上表面的位于第一凸起部107上方的部分相比于第二电极层105的上表面的不位于第一凸起部107上方的部分而凸起。如图6所示，第二空气环槽1062沿着薄膜体声波谐振器100E的有效区域的边界设置在压电材料层104的上表面与第一凸起部107的下表面之间。在一些实施例中，从垂直于衬底101的上表面的方向看：在薄膜体声波谐振器100E的非连接边处，第一凸起部107可以位于薄膜体声波谐振器100E的有效区域的边界之内；在薄膜体声波谐振器100E的连接边处，第一凸起部107可以超出薄膜体声波谐振器100E的有效区域的边界。这可以有效降低薄膜体声波谐振器100E的串联谐振点阻抗值Rs，进而优化薄膜体声波谐振器100E的性能。
可以用任何合适的材料来形成第一凸起部107。在一些实施例中，第一凸起部107的材料可以与第二电极层105的材料相同，例如可以包括钼、钌、金、铝、镁、钨、铜、钛、铱、锇、铬或其合金或者前述各项的任意组合。当凸起部的材料与电极层的材料相同时，在制备工艺方面具有较大优势，因为在对凸起部进行刻蚀时，底层是与凸起部材料不同的压电材料层，因此刻蚀可以具有较大的选择比进而具有较大的精度。在一些实施例中，第一凸起部107也可以作为第二电极层105的一部分，从而例如可以与第二电极层105一体形成。在其它一些实施例中，第一凸起部107的材料也可以与第二电极层105的材料不同。第一凸起部107的上表面与下表面之间的距离例如可以大于0.01微米，或者可以在0.1微米与1微米之间。
在一些实施例中，在沿着有效区域的边界的至少两个不同位置处，第一凸起部107的靠近有效区域的中心的内边界与第一空气环槽1061的内边界之间的距离可以不同或者说是变化的。在另一些实施例中，在沿着有效区域的边界的每个位置处，第一凸起部107的靠近有效区域的中心的内边界与第一空气环槽1061的内边界之间的距离也可以相同或者说是不变的。
在一些实施例中，第一凸起部107可以具有平坦的上表面。但在一些实施例中，第一凸起部107可以包括第一台阶部和比第一台阶部更靠近有效区域的中心的第二台阶部，第二空气环槽1062可以使得第一台阶部和第二台阶部中的一个台阶部相比于第一台阶部和第二台阶部中的另一个台阶部而抬起。例如，如图6所示，第一凸起部107可以包括第一台阶部1071和比第一台阶部1071更靠近有效区域的中心的第二台阶部1072。由于第二空气环槽1062的形成，使得第一台阶部1071相比于第二台阶部1072而抬起。虽然在图6中第一台阶部1071的内侧纵向边缘、第一台阶部1071的外侧纵向边缘以及第二台阶部1072的外侧纵向边缘看起来都被图示为相对于压电材料层104所在平面垂直而第二台阶部1072的内侧纵向边缘看起来被图示为相对于压电材料层104所在平面倾斜，但这仅仅是示意性的而非限制性的。在一些实施例中，第一台阶部1071的至少一个纵向边缘相对于压电材料层104所在平面的夹角可以不超过90°，例如可以在15°与80°之间，或者可以在20°与75°之间，或者可以在30°与60°之间。在一些实施例中，第二台阶部1072的至少一个纵向边缘相对于压电材料层104所在平面的夹角也可以不超过90°，例如可以在15°与80°之间，或者可以在20°与75°之间，或者可以在30°与60°之间。
此外，在图6所示的薄膜体声波谐振器100E中，第二空气环槽1062接触第一凸起部107而不接触第二电极层105。第二空气环槽1062可以与第一凸起部107配合以加剧第二电极层105延伸到第一凸起部107上方进而延伸到第一凸起部107与第二空气环槽1062二者上方时的声阻抗变化从而可以有利于抑制能量横向泄露。
在图6所示的薄膜体声波谐振器100E中，仅设置有一层凸起部，即第一凸起部107，但这仅仅是示例性的而非限制性的，可以根据需要沿着薄膜体声波谐振器的有效区域的边界在第二电极层105的下表面处设置两层或更多层凸起部以不仅使得第二电极层105的上表面的位于凸起部上方的部分相比于第二电极层105的上表面的不位于凸起部上方的部分而凸起，还使得第二电极层105的上表面的位于较多层数的凸起部上方的部分相比于第二电极层105的上表面的位于较少层数的凸起部上方的部分而凸起。
例如，图7所示的薄膜体声波谐振器100F相比于图6所示的薄膜体声波谐振器100E还包括第二凸起部108，第二凸起部108沿着薄膜体声波谐振器100F的有效区域的边界设置在第二电极层105与第一凸起部107之间以及第二电极层105与压电材料层104之间以使得第二电极层105的上表面的位于第二凸起部108上方的部分相比于第二电极层105的上表面的不位于第二凸起部108上方的部分而凸起。如图所示，第二凸起部108与第一凸起部107一起设置在第二电极层105的下表面与压电材料层104的上表面之间以不仅使得第二电极层105的上表面的位于第二凸起部108与第一凸起部107上方的部分相比于第二电极层105的上表面的不位于第二凸起部108与第一凸起部107上方的部分而凸起，还使得第二电极层105的上表面的位于第二凸起部108与第一凸起部107二者上方的部分相比于第二电极层105的上表面的仅位于第二凸起部108上方的部分而凸起。在一些实施例中，从垂直于衬底101的上表面的方向看：在薄膜体声波谐振器100F的非连接边处，第二凸起部108与第一凸起部107可以位于薄膜体声波谐振器100F的有效区域的边界之内；在薄膜体声波谐振器100F的连接边处，第二凸起部108与第一凸起部107可以超出薄膜体声波谐振器100F的有效区域的边界。这可以有效降低薄膜体声波谐振器100F的串联谐振点阻抗值Rs，进而优化薄膜体声波谐振器100F的性能。
可以用任何合适的材料来形成第二凸起部108。在一些实施例中，第二凸起部108的材料可以与第一凸起部107的材料和/或第二电极层105的材料相同，例如可以包括钼、钌、金、铝、镁、钨、铜、钛、铱、锇、铬或其合金或者前述各项的任意组合。在一些实施例中，第二凸起部108也可以作为第二电极层105的一部分，从而例如可以与第二电极层105一体形成。在其它一些实施例中，第二凸起部108的材料也可以与第一凸起部107的材料和/或第二电极层105的材料不同。第二凸起部108的上表面与下表面之间的距离例如可以大于0.01微米，或者可以在0.1微米与1微米之间。
如图7所示，第二凸起部108包括设置在第二电极层105与压电材料层104之间的第一子部分1083和设置在第二电极层105与第一凸起部107之间的第二子部分。在一些实施例中，第一子部分1083和第二子部分可以各自具有平坦的上表面，而第一凸起部107使得第二子部分相比于第一子部分1083而抬起。在一些实施例中，第二凸起部108的第二子部分可以包括第三台阶部1081和比第三台阶部1081更靠近有效区域的中心的第四台阶部1082，第二空气环槽1062可以使得第三台阶部1081和第四台阶部1082中的一个台阶部相比于第三台阶部1081和第四台阶部1082中的另一个台阶部而抬起。例如，如图7所示，第二空气环槽1062可以使得第三台阶部1081相比于第四台阶部1082而抬起。
在一些实施例中，在沿着有效区域的边界的至少两个不同位置处，第二凸起部108的第一子部分1083可以是同层设置的并且第二凸起部108的第一子部分1083的上表面与下表面之间的距离可以不同或者说是变化的。在另一些实施例中，在沿着有效区域的边界的每个位置处，第二凸起部108的第一子部分1083可以是同层设置的并且第二凸起部108的第一子部分1083的上表面与下表面之间的距离可以相同或者说是不变的。
在一些实施例中，在第一凸起部107的靠近有效区域的中心的内边界与第一空气环槽1061的内边界之间的区域中：在沿着有效区域的边界的至少两个不同位置处，第一凸起部107和第二凸起部108的叠堆可以是同层设置的并且该叠堆的厚度可以不同或者说是变化的。在另一些实施例中，在第一凸起部107的靠近有效区域的中心的内边界与第一空气环槽1061的内边界之间的区域中：在沿着有效区域的边界的每个位置处，第一凸起部107和第二凸起部108的叠堆可以是同层设置的并且该叠堆的厚度可以相同或者说是不变的。第一凸起部107和第二凸起部108的叠堆的厚度是第二凸起部108的上表面与第一凸起部107的下表面之间的距离。
另外，在一些实施例中，例如在图7所示的薄膜体声波谐振器100F中，第二空气环槽1062接触第一凸起部107而不接触第二凸起部108。
在一些实施例中，第一凸起部(如果有的话)、第二凸起部(如果有的话)和第二电极层105中的每一者的位于第二空气环槽1062上方的部分以及与所述部分相邻并且比所述部分更靠近有效区域的中心的一部分可以是平坦的。例如，图8所示的薄膜体声波谐振器100G与图7所示的薄膜体声波谐振器100F的区别在于，第一凸起部107、第二凸起部108和第二电极层105中的每一者的位于第二空气环槽1062上方的部分以及与所述部分相邻并且比所述部分更靠近有效区域的中心的一部分是平坦的，这可以有效地提升谐振器的性能。
在一些实施例中，薄膜体声波谐振器还可以包括设置在第二电极层105之上位于薄膜体声波谐振器的有效区域的中心的上方的上凸结构。在一些实施例中，薄膜体声波谐振器还可以包括设置在第二电极层105之上以覆盖第二电极层105的保护层。例如，图9所示的薄膜体声波谐振器100H与图6所示的薄膜体声波谐振器100E的区别在于，薄膜体声波谐振器100H还包括设置在第二电极层105之上位于有效区域的中心的上方的上凸结构109和设置在第二电极层105之上以覆盖第二电极层105的保护层110。保护层110可以修频和保护第二电极层105。保护层110的材料不受特别限制，例如可以包括但不限于氮化铝、氮化硅等。可以用任何合适的材料来形成上凸结构109。在一些实施例中，上凸结构109的材料可以与第二电极层105的材料相同，例如可以包括钼、钌、金、铝、镁、钨、铜、钛、铱、锇、铬或其合金或者前述各项的任意组合。在一些实施例中，上凸结构109也可以作为第二电极层105的一部分，从而例如可以与第二电极层105一体形成。在其它一些实施例中，上凸结构109的材料也可以与第二电极层105的材料不同。上凸结构109的厚度例如可以在0.1微米与1微米之间。上凸结构109的存在可以使第二电极层105的位于有效区域的中心上方的部分比旁边的部分更厚，这样的厚度变化所带来的声阻抗变化有利于抑制能量横向泄露。
在一些实施例中，薄膜体声波谐振器还可以包括第三凸起部，该第三凸起部沿着薄膜体声波谐振器的有效区域的边界设置在第二电极层上以使得第三凸起部相比于第二电极层的上表面的位于薄膜体声波谐振器的有效区域的中心的上方的部分而凸起。在一些实施例中，第三凸起部与第二电极层的材料可以相同，并且在一些示例中第三凸起部可以是通过刻蚀第二电极层的上表面的位于薄膜体声波谐振器的有效区域的中心的上方的部分形成的。例如，图10A所示的薄膜体声波谐振器100I与图3所示的薄膜体声波谐振器100B的区别在于，薄膜体声波谐振器100I还包括沿着薄膜体声波谐振器100I的有效区域的边界设置在第二电极层105上的第三凸起部111，该第三凸起部111是通过刻蚀第二电极层105的上表面的位于有效区域的中心的上方的部分形成的，使得第三凸起部111相比于第二电极层105的上表面的位于薄膜体声波谐振器100I的有效区域的中心的上方的部分而凸起。在一些实施例中，第三凸起部111可以包括在远离有效区域的中心的方向上依次排列的多个台阶部，所述多个台阶部中的每个台阶部的厚度彼此不同，其中，台阶部的厚度是该台阶部相比于第二电极层105的上表面的位于有效区域的中心的上方的部分而凸起的距离。在一些示例中，在第三凸起部111的多个台阶部当中，越远离有效区域的中心的台阶部的厚度可以越大。在另一些示例中，在第三凸起部111的多个台阶部当中，越远离有效区域的中心的台阶部的厚度可以越小。例如，图10B所示的薄膜体声波谐振器100I’与图10A所示的薄膜体声波谐振器100I’的区别在于，第三凸起部111包括台阶部1111和比台阶部1111更远离有效区域的中心的台阶部1112，其中台阶部1111的厚度小于台阶部1112的厚度。这样设置第三凸起部甚至设置不同厚度的台阶部，第二电极层可以具有更多的厚度变化部分，使得可以形成更多的声阻抗差异界面，从而可以增加对在横向方向上从第二电极层105逸出的横波的反射来进一步抑制能量横向泄露。可以理解，虽然图10A和图10B仅示出了第三凸起部111包括一个或两个台阶部，但这仅仅是示例性的而非限制性的，第三凸起部可以根据需要而设置三个或更多个厚度不同的台阶部。还可以理解，虽然图10A和图10B示出第三凸起部111的远离有效区域中心的外边界与第二电极层105的边界齐平，但这仅仅是示例性的而非限制性的，第三凸起部111的外边界也可以在第二电极层105的边界内侧，即第三凸起部111相比于第二电极层105的上表面的位于第三凸起部111外侧和内侧的部分都凸起。在一些实施例中，第三凸起部111或者其台阶部的靠近有效区域中心的内边界和远离有效区域中心的外边界中的至少一者可以不与第二空气环槽1062的内边界和外边界中的至少一者齐平，这样在第二空气环槽1062与第三凸起部111的配合之下，第二电极层可以具有更多的厚度变化部分，使得可以形成更多的声阻抗差异界面，从而可以增加对在横向方向上从第二电极层105逸出的横波的反射来进一步抑制能量横向泄露。另外，除了上述刻蚀方法之外，也可以通过沉积等其它手段来在第二电极层之上附加地沿着有效区域的边界形成第三凸起部，这样形成的第三凸起部也可以具有与第二电极层相同的材料。
下面结合图13至图15描述根据本公开的示例薄膜体声波谐振器结构与作为比较的比较例薄膜体声波谐振器结构。图13示出了根据比较例1至5以及根据本公开的示例1的薄膜体声波谐振器在非连接边处的示意性局部剖视图。图14示出了根据比较例1至5以及根据本公开的示例1的薄膜体声波谐振器的并联谐振点阻抗值Rp的柱形图。图15是示出根据本公开的示例1的薄膜体声波谐振器的并联谐振点阻抗值Rp随第一空气环槽的内边界与第二空气环槽的内边界之间的距离d变化的曲线图。
根据示例1的薄膜体声波谐振器具有前述薄膜体声波谐振器100H的结构，具体包括衬底10、空腔19、第一电极层12、压电材料层13、第一空气环槽14-1、第一凸起部15、第二空气环槽14-2、第二电极层16、保护层17和上凸结构18(分别对应于薄膜体声波谐振器100H的衬底101、空腔102、第一电极层103、压电材料层104、第一空气环槽1061、第一凸起部107、第二空气环槽1602、第二电极层105、保护层110和上凸结构109)，其中在薄膜体声波谐振器的非连接边处，第一空气环槽14-1与第二空气环槽14-2相互连通，第一空气环槽14-1的内边界在空腔19的边界之内并且第一空气环槽14-1的外边界在空腔19的边界之外，第二空气环槽14-2的内边界和外边界均在空腔19的边界之内，第一空气环槽14-1的内边界相比于第二空气环槽14-2的内边界更靠近薄膜体声波谐振器的有效区域的中心。从图14可以看到示例1的并联谐振点阻抗值Rp高达5300欧姆。
根据比较例1的薄膜体声波谐振器相比于根据示例1的薄膜体声波谐振器的区别在于比较例1没有第一空气环槽14-1，从图14可以看到比较例1的并联谐振点阻抗值Rp仅为4015欧姆。
根据比较例2的薄膜体声波谐振器相比于根据比较例1的薄膜体声波谐振器的区别在于压电材料层13中还包括第一空气环槽14-1，但是比较例2的并联谐振点阻抗值Rp相较于比较例1并没有升高，反而降为3715欧姆。根据比较例3的薄膜体声波谐振器相比于根据比较例1的薄膜体声波谐振器的区别也在于压电材料层13中还包括第一空气环槽14-1，但是比较例3的并联谐振点阻抗值Rp相较于比较例1并没有升高，反而降为3070欧姆。这说明，当第二电极层16中设置有第二空气环槽14-2时，额外在压电材料层13中设置第一空气环槽14-1不一定会提升谐振器性能，如果设置得不恰当反而会劣化谐振器性能。
另外，根据比较例3的薄膜体声波谐振器相比于根据比较例2的薄膜体声波谐振器的区别在于第一空气环槽14-1与第二空气环槽14-2相互不连通，但是比较例3的并联谐振点阻抗值Rp相较于比较例2降低了。这说明，第一空气环槽14-1与第二空气环槽14-2相互连通可以增大并联谐振点阻抗值Rp进而改善谐振器性能，这是因为，如前所述，由于第一空气环槽14-1与第二空气环槽14-2相互连通，这样第一空气环槽14-1与第二空气环槽14-2作为整体跨越了压电材料层13与第一凸起部15之间的界面，因此可以抑制该界面处的能量横向泄露。
然而，即使第一空气环槽14-1与第二空气环槽14-2相互连通，如果不恰当设置第一空气环槽14-1的内边界与第二空气环槽14-2的内边界的相对位置关系，同样无法实现相比于单独设置第二空气环槽14-2更好的谐振器性能。比如，在根据比较例2的薄膜体声波谐振器中，在非连接边处，第一空气环槽14-1的外边界与第二空气环槽14-2的外边界齐平，第一空气环槽14-1的内边界与第二空气环槽14-2的内边界也齐平。根据比较例4的薄膜体声波谐振器相比于根据比较例2的薄膜体声波谐振器的区别在于在非连接边处第一空气环槽14-1的内边界比第二空气环槽14-2的内边界更远离薄膜体声波谐振器的有效区域的中心，但是比较例4的并联谐振点阻抗值Rp相较于比较例2降低至3550欧姆。根据比较例5的薄膜体声波谐振器相比于根据比较例2的薄膜体声波谐振器的区别在于在非连接边处第一空气环槽14-1的内边界比第二空气环槽14-2的内边界更接近薄膜体声波谐振器的有效区域的中心，并且比较例5的并联谐振点阻抗值Rp相较于比较例2升高至4950欧姆，这终于超过了比较例1的并联谐振点阻抗值Rp(4015欧姆)。因此，同时设置第一空气环槽14-1与第二空气环槽14-2并不一定能实现一加一大于二的效果，不恰当地增加第一空气环槽14-1有可能反而比单独设置第二空气环槽14-2更差，期望的是第一空气环槽14-1与第二空气环槽14-2相互连通并且第一空气环槽14-1的内边界比第二空气环槽14-2的内边界更接近薄膜体声波谐振器的有效区域的中心。
另外，根据本公开的示例1的薄膜体声波谐振器相比于根据比较例5的薄膜体声波谐振器的区别在于在非连接边处第一空气环槽14-1的外边界在空腔19的边界之外，并且示例1的并联谐振点阻抗值Rp相较于比较例5升高至5300欧姆，这显著超过了比较例1的并联谐振点阻抗值Rp(4015欧姆)。因此，期望的是第一空气环槽14-1的外边界在空腔19的边界之外。
通过比较例1至5与示例1的对比可以清楚地明白，本公开所提供的第一空气环槽与第二空气环槽的设置方式具有显著的效果。然而，尽管比较例1至5可能在性能上不如示例1，但是比较例1至5同样作为本公开的示例性实施方式提供。
另外，针对示例1，使得在沿着薄膜体声波谐振器的有效区域的边界的每个位置处，第一空气环槽14-1的内边界与第二空气环槽14-2的内边界之间的距离d是相同的。从图15可知，谐振器的并联谐振点阻抗值Rp随着d的值的增大而呈现类似周期性地变化，但是Rp的每个极大值都显著优于比较例1的并联谐振点阻抗值Rp。因此，可以将第一空气环槽14-1的内边界与第二空气环槽14-2的内边界之间的距离d设置为使得薄膜体声波谐振器的并联谐振点阻抗值Rp达到极大值，例如图15所示的0.4微米、1.6微米、2.2微米、2.8微米等。
本公开在另一方面还提供了一种制造薄膜体声波谐振器的方法。图11示出了根据本公开的一些实施例的制造薄膜体声波谐振器的方法200。如图11所示，方法200包括：在步骤S202处，提供衬底，所述衬底包括靠近所述衬底的上表面形成在所述衬底中的空腔；在步骤S204处，在衬底的空腔中填充第一牺牲材料部并进行平坦化处理，以使衬底的上表面平坦；在步骤S206处，在衬底之上形成第一电极层；在步骤S208处，在第一电极层之上形成压电材料层；在步骤S210处，在压电材料层中形成第一空气环槽；在步骤S212处，在第一空气环槽处形成第二牺牲材料部，其中，第二牺牲材料部的位于第一空气环槽内的第一部分与第一空气环槽的形状对应，第二牺牲材料部的超出第一空气环槽的第二部分与要形成的第二空气环槽的形状对应；在步骤S214处，在压电材料层和第二牺牲材料部之上形成第二电极层；以及在步骤S216处，释放去除第一牺牲材料部和第二牺牲材料部，从而得到空腔、第一空气环槽和第二空气环槽。从垂直于衬底的上表面的方向看：空腔、第一电极层、压电材料层与第二电极层的重叠区域形成薄膜体声波谐振器的有效区域；第一空气环槽沿着有效区域的边界靠近压电材料层的上表面设置在压电材料层中，并且第二空气环槽沿着有效区域的边界设置在压电材料层的上表面与第二电极层的下表面之间，第一空气环槽与所述第二空气环槽相互连通；在薄膜体声波谐振器的非连接边处，第一空气环槽的靠近有效区域的中心的内边界在空腔的边界之内并且第一空气环槽的远离有效区域的中心的外边界在空腔的边界之外，第二空气环槽的靠近有效区域的中心的内边界和第二空气环槽的远离有效区域的中心的外边界均在空腔的边界之内，第一空气环槽的内边界相比于第二空气环槽的内边界更靠近有效区域的中心。在一些实施例中，从垂直于衬底的上表面的方向看：在薄膜体声波谐振器的连接边处，第一空气环槽的内边界在空腔的边界之内并且第一空气环槽的外边界在空腔的边界之外，第一空气环槽的内边界相比于第二空气环槽的内边界更靠近有效区域的中心。在一些实施例中，从垂直于衬底的上表面的方向看：在薄膜体声波谐振器的连接边处，第二空气环槽的内边界在空腔的边界之内并且第二空气环槽的外边界在空腔的边界之外。
在一些实施例中，在形成第二牺牲材料部之后并且在形成第二电极层之前，方法200还可以包括：在压电材料层和第二牺牲材料部之上形成第一凸起部，其中，形成第二电极层包括在压电材料层和第一凸起部之上形成第二电极层，其中，第一凸起部沿着有效区域的边界设置在第二电极层与压电材料层之间以使得第二电极层的上表面的位于第一凸起部上方的部分相比于第二电极层的上表面的不位于第一凸起部上方的部分而凸起，并且其中，第二空气环槽沿着有效区域的边界设置在压电材料层的上表面与第一凸起部的下表面之间。在一些实施例中，第一凸起部包括第一台阶部和比第一台阶部更靠近有效区域的中心的第二台阶部，第二空气环槽可以使得第一台阶部和第二台阶部中的一个台阶部相比于第一台阶部和第二台阶部中的另一个台阶部而抬起。在一些实施例中，从垂直于衬底的上表面的方向看：在薄膜体声波谐振器的非连接边处，第一凸起部位于有效区域的边界之内；在薄膜体声波谐振器的连接边处，第一凸起部超出有效区域的边界。
在一些实施例中，在形成第一凸起部之后并且在形成第二电极层之前，方法200还可以包括：在压电材料层和第一凸起部之上形成第二凸起部，其中，形成第二电极层包括在压电材料层和第二凸起部之上形成第二电极层，其中，第二凸起部沿着有效区域的边界设置在第二电极层与第一凸起部之间以及第二电极层与压电材料层之间以使得第二电极层的上表面的位于第二凸起部上方的部分相比于第二电极层的上表面的不位于第二凸起部上方的部分而凸起，第二凸起部包括设置在第二电极层与压电材料层之间的第一子部分和设置在第二电极层与第一凸起部之间的第二子部分。在一些实施例中，第二凸起部的第二子部分包括第三台阶部和比第三台阶部更靠近有效区域的中心的第四台阶部，第二空气环槽可以使得第三台阶部和第四台阶部中的一个台阶部相比于第三台阶部和第四台阶部中的另一个台阶部而抬起。在一些实施例中，第一凸起部、第二凸起部和第二电极层中的每一者的位于第二空气环槽上方的部分以及与所述部分相邻并且比所述部分更靠近有效区域的中心的一部分可以被形成为平坦的。在一些实施例中，方法200还可以包括在第二电极层之上在有效区域的中心的上方形成上凸结构。在一些实施例中，方法200还可以包括在第二电极层之上形成保护层以覆盖第二电极层。
在一些实施例中，方法200还可以包括通过刻蚀第二电极层的上表面的位于有效区域的中心的上方的部分形成沿着有效区域的边界设置的第三凸起部，使得第三凸起部相比于第二电极层的上表面的位于有效区域的中心的上方的部分而凸起。在一些实施例中，第三凸起部包括在远离有效区域的中心的方向上依次排列的多个台阶部，所述多个台阶部中的每个台阶部的厚度彼此不同，其中，台阶部的厚度是该台阶部相比于第二电极层的上表面的位于有效区域的中心的上方的部分而凸起的距离。在一些实施例中，在第三凸起部的所述多个台阶部当中，越远离有效区域的中心的台阶部的厚度越大。
方法200的实施例可以类似于前述薄膜体声波谐振器100、100A至100I、100I’的各个实施例，在此不再赘述。
下面结合图12A至图12K描述用于制造根据本公开的实施例的薄膜体声波谐振器的示例过程。下面谈及衬底时，可以包括已形成在衬底上的结构。如图12A所示，提供衬底101，衬底101包括靠近衬底101的上表面形成在衬底101中的空腔102。例如，可以通过刻蚀衬底101的上表面来在其中形成空腔102。如图12B所示，在衬底101的空腔102中填充第一牺牲材料部310。第一牺牲材料部310例如包括但不限于磷硅玻璃(PSG)等可释放去除的材料。如图12C所示，对衬底101进行平坦化处理(例如，化学机械平坦化(CMP))，使得衬底101的上表面中除了空腔102以外的部分上不再有第一牺牲材料部310。如图12D所示，在衬底101之上形成第一电极层103，包括例如但不限于在衬底101之上制备(例如，沉积)种子层和第一电极材料层并通过刻蚀对其进行图案化。如图12E所示，在第一电极层103之上形成压电材料层104，并且在压电材料层104中形成第一空气环槽1061，包括例如但不限于在第一电极层103之上制备(例如，沉积)压电材料层并刻蚀出第一空气环槽1061。如图12F所示，在第一空气环槽1061处形成第二牺牲材料部320，包括例如但不限于制备(例如，沉积)牺牲材料层并对其进行图案化。第二牺牲材料部320例如包括但不限于磷硅玻璃(PSG)等可释放去除的材料。第二牺牲材料部320的位于第一空气环槽1061内的第一部分与第一空气环槽1061的形状对应，第二牺牲材料部320的超出第一空气环槽1061的第二部分与要形成的第二空气环槽1062的形状对应。可选地，如图12G所示，在压电材料层104和第二牺牲材料部320之上形成第一凸起部107。可选地，如图12H所示，在压电材料层104和第一凸起部107之上形成第二凸起部108。如图12I所示，在压电材料层104和第二凸起部108之上形成第二电极层105和可选的上凸结构109。可选地，如图12J所示，在第二电极层105和上凸结构109之上形成保护层110。如图12K所示，释放去除第一牺牲材料部310和第二牺牲材料部320，从而得到空腔102、第一空气环槽1061和第二空气环槽1062。在根据本公开的方法所得到的薄膜体声波谐振器中，能量横向泄露问题得到良好抑制，从而实现提高的Q值和改善的谐振器性能。
本公开还提供了一种滤波器，该滤波器可以包括根据本公开的任一实施例所述的薄膜体声波谐振器。滤波器可以将目标频谱外的干扰和噪声等滤除，以提高信号选择性，满足RF***等对于信噪比的要求。本公开还提供了一种电子设备，该电子设备可以包括根据本公开的任一实施例所述的薄膜体声波谐振器或者包括如上所述的滤波器。在一些实施例中，电子设备可以是各种无线通信终端，例如手机等通信设备。
在说明书及权利要求中的词语“左”、“右”、“前”、“后”、“顶”、“底”、“上”、“下”、“高”、“低”等，如果存在的话，用于描述性的目的而并不一定用于描述不变的相对位置。应当理解，这样使用的词语在适当的情况下是可互换的，使得在此所描述的本公开的实施例，例如，能够在与在此所示出的或另外描述的那些取向不同的其它取向上操作。例如，在附图中的装置倒转时，原先描述为在其它特征“之上”的特征，此时可以描述为在其它特征“之下”。装置还可以以其它方式定向(旋转90度或在其它方位)，此时将相应地解释相对空间关系。
在说明书及权利要求中，称一个元件位于另一元件“之上”、“附接”至另一元件、“连接”至另一元件、“耦合”至另一元件、“耦接”至另一元件、或“接触”另一元件等时，该元件可以直接位于另一元件之上、直接附接至另一元件、直接连接至另一元件、直接耦合至另一元件、直接耦接至另一元件或直接接触另一元件，或者可以存在一个或多个中间元件。相对照的是，称一个元件“直接”位于另一元件“之上”、“直接附接”至另一元件、“直接连接”至另一元件、“直接耦合”至另一元件、“直接耦接”至另一元件或“直接接触”另一元件时，将不存在中间元件。在说明书及权利要求中，一个特征布置成与另一特征“相邻”，可以指一个特征具有与相邻特征重叠的部分或者位于相邻特征上方或下方的部分。
如在此所使用的，词语“示例性的”意指“用作示例、实例或说明”，而不是作为将被精确复制的“模型”。在此示例性描述的任意实现方式并不一定要被解释为比其它实现方式优选的或有利的。而且，本公开不受在技术领域、背景技术、发明内容或具体实施方式中所给出的任何所表述的或所暗示的理论所限定。
如在此所使用的，词语“基本上”意指包含由设计或制造的缺陷、器件或元件的容差、环境影响和/或其它因素所致的任意微小的变化。词语“基本上”还允许由寄生效应、噪声以及可能存在于实际的实现方式中的其它实际考虑因素所致的与完美的或理想的情形之间的差异。
另外，仅仅为了参考的目的，还可以在本文中使用“第一”、“第二”等类似术语，并且因而并非意图限定。例如，除非上下文明确指出，否则涉及结构或元件的词语“第一”、“第二”和其它此类数字词语并没有暗示顺序或次序。
还应理解，“包括/包含”一词在本文中使用时，说明存在所指出的特征、整体、步骤、操作、单元和/或组件，但是并不排除存在或增加一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、单元和/或组件以及/或者它们的组合。
在本公开中，术语“提供”从广义上用于涵盖获得对象的所有方式，因此“提供某对象”包括但不限于“购买”、“制备/制造”、“布置/设置”、“安装/装配”、和/或“订购”对象等。
如本文所使用的，术语“和/或”包括相关联的列出项目中的一个或多个的任何和所有组合。本文中使用的术语只是出于描述特定实施例的目的，并不旨在限制本公开。如本文中使用的，单数形式“一”、“一个”和“该”也旨在包括复数形式，除非上下文另外清楚指示。
本领域技术人员应当意识到，在上述操作之间的边界仅仅是说明性的。多个操作可以结合成单个操作，单个操作可以分布于附加的操作中，并且操作可以在时间上至少部分重叠地执行。而且，另选的实施例可以包括特定操作的多个实例，并且在其它各种实施例中可以改变操作顺序。但是，其它的修改、变化和替换同样是可能的。可以以任何方式和/或与其它实施例的方面或元件相结合地组合以上公开的所有实施例的方面和元件，以提供多个附加实施例。因此，本说明书和附图应当被看作是说明性的，而非限制性的。
虽然已经通过示例对本公开的一些特定实施例进行了详细说明，但是本领域的技术人员应该理解，以上示例仅是为了进行说明，而不是为了限制本公开的范围。在此公开的各实施例可以任意组合，而不脱离本公开的精神和范围。本领域的技术人员还应理解，可以对实施例进行多种修改而不脱离本公开的范围和精神。本公开的范围由所附权利要求来限定。
Claims (44)
1.一种薄膜体声波谐振器，包括：
衬底，包括靠近所述衬底的上表面设置在所述衬底中的空腔；
第一电极层，设置在所述衬底之上；
压电材料层，设置在所述第一电极层之上；以及
第二电极层，设置在所述压电材料层之上，
其中，从垂直于所述衬底的上表面的方向看：
所述空腔、所述第一电极层、所述压电材料层与所述第二电极层的重叠区域形成所述薄膜体声波谐振器的有效区域；
所述薄膜体声波谐振器还包括沿着所述有效区域的边界靠近所述压电材料层的上表面设置在所述压电材料层中的第一空气环槽，以及沿着所述有效区域的边界设置在所述压电材料层的上表面与所述第二电极层的下表面之间的第二空气环槽，所述第一空气环槽与所述第二空气环槽相互连通；并且
在所述薄膜体声波谐振器的非连接边处，所述第一空气环槽的靠近所述有效区域的中心的内边界在所述空腔的边界之内并且所述第一空气环槽的远离所述有效区域的中心的外边界在所述空腔的边界之外，所述第二空气环槽的靠近所述有效区域的中心的内边界和所述第二空气环槽的远离所述有效区域的中心的外边界均在所述空腔的边界之内，所述第一空气环槽的内边界相比于所述第二空气环槽的内边界更靠近所述有效区域的中心。
2.根据权利要求1所述的薄膜体声波谐振器，其中，从垂直于所述衬底的上表面的方向看：
在所述薄膜体声波谐振器的连接边处，所述第一空气环槽的内边界在所述空腔的边界之内并且所述第一空气环槽的外边界在所述空腔的边界之外，所述第一空气环槽的内边界相比于所述第二空气环槽的内边界更靠近所述有效区域的中心。
3.根据权利要求1或2所述的薄膜体声波谐振器，其中，从垂直于所述衬底的上表面的方向看：
在所述薄膜体声波谐振器的连接边处，所述第二空气环槽的内边界在所述空腔的边界之内并且所述第二空气环槽的外边界在所述空腔的边界之外。
4.根据权利要求1所述的薄膜体声波谐振器，其中，
在沿着所述有效区域的边界的每个位置处，所述第一空气环槽的内边界与所述第二空气环槽的外边界之间的距离在0.5微米与20微米之间。
5.根据权利要求1所述的薄膜体声波谐振器，其中，在沿着所述有效区域的边界的每个位置处，所述第一空气环槽的内边界与所述第二空气环槽的内边界之间的距离是相同的。
6.根据权利要求5所述的薄膜体声波谐振器，其中，所述第一空气环槽的内边界与所述第二空气环槽的内边界之间的距离被设置为使得所述薄膜体声波谐振器的并联谐振点阻抗值达到极大值。
7.根据权利要求1所述的薄膜体声波谐振器，其中，在沿着所述有效区域的边界的至少两个不同位置处，所述第一空气环槽的内边界与所述第二空气环槽的内边界之间的距离是不同的。
8.根据权利要求1所述的薄膜体声波谐振器，其中，所述第一空气环槽的第一深度大于0.01微米并且小于所述压电材料层的厚度，所述第二空气环槽的第二深度大于0.01微米并且小于所述第二电极层的厚度，所述第一空气环槽的第一深度与所述第二空气环槽的第二深度之和大于0.05微米，
其中，所述第一空气环槽的第一深度是所述第一空气环槽的下表面与所述压电材料层的上表面之间的距离，所述第二空气环槽的第二深度是所述第二空气环槽的上表面与所述压电材料层的上表面之间的距离，所述压电材料层的厚度是所述压电材料层的上表面与所述压电材料层的下表面之间的距离，并且所述第二电极层的厚度是所述第二电极层的上表面与所述第二电极层的下表面之间的距离。
9.根据权利要求1所述的薄膜体声波谐振器，其中，所述第一空气环槽仅设置在所述薄膜体声波谐振器的非连接边处而不设置在所述薄膜体声波谐振器的连接边处。
10.根据权利要求1所述的薄膜体声波谐振器，其中，所述薄膜体声波谐振器的形状为凸多边形，所述凸多边形的任意两个边均不平行，并且其中，所述第一空气环槽沿所述凸多边形中的第一一个或多个边设置，所述第二空气环槽沿所述凸多边形中的第二一个或多个边设置。
11.根据权利要求1所述的薄膜体声波谐振器，还包括：
第一凸起部，沿着所述有效区域的边界设置在所述第二电极层与所述压电材料层之间以使得所述第二电极层的上表面的位于所述第一凸起部上方的部分相比于所述第二电极层的上表面的不位于所述第一凸起部上方的部分而凸起，
其中，所述第二空气环槽沿着所述有效区域的边界设置在所述压电材料层的上表面与所述第一凸起部的下表面之间。
12.根据权利要求11所述的薄膜体声波谐振器，其中，所述第一凸起部的上表面与下表面之间的距离在0.1微米与1微米之间。
13.根据权利要求11所述的薄膜体声波谐振器，其中，所述第一凸起部包括第一台阶部和比所述第一台阶部更靠近所述有效区域的中心的第二台阶部，所述第二空气环槽使得所述第一台阶部和所述第二台阶部中的一个台阶部相比于所述第一台阶部和所述第二台阶部中的另一个台阶部而抬起。
14.根据权利要求13所述的薄膜体声波谐振器，其中：
所述第一台阶部的至少一个纵向边缘相对于所述压电材料层所在平面的夹角在15°与80°之间；和/或
所述第二台阶部的至少一个纵向边缘相对于所述压电材料层所在平面的夹角在15°与80°之间。
15.根据权利要求11所述的薄膜体声波谐振器，其中，所述第一凸起部的材料与所述第二电极层的材料相同。
16.根据权利要求11所述的薄膜体声波谐振器，其中，从垂直于所述衬底的上表面的方向看：
在所述薄膜体声波谐振器的非连接边处，所述第一凸起部位于所述有效区域的边界之内；
在所述薄膜体声波谐振器的连接边处，所述第一凸起部超出所述有效区域的边界。
17.根据权利要求11所述的薄膜体声波谐振器，其中：
在沿着所述有效区域的边界的至少两个不同位置处，所述第一凸起部的靠近所述有效区域的中心的内边界与所述第一空气环槽的内边界之间的距离不同；或者
在沿着所述有效区域的边界的每个位置处，所述第一凸起部的内边界与所述第一空气环槽的内边界之间的距离相同。
18.根据权利要求11所述的薄膜体声波谐振器，还包括：
第二凸起部，沿着所述有效区域的边界设置在所述第二电极层与所述第一凸起部之间以及所述第二电极层与所述压电材料层之间以使得所述第二电极层的上表面的位于所述第二凸起部上方的部分相比于所述第二电极层的上表面的不位于所述第二凸起部上方的部分而凸起，所述第二凸起部包括设置在所述第二电极层与所述压电材料层之间的第一子部分和设置在所述第二电极层与所述第一凸起部之间的第二子部分。
19.根据权利要求18所述的薄膜体声波谐振器，其中，所述第二凸起部的所述第二子部分包括第三台阶部和比所述第三台阶部更靠近所述有效区域的中心的第四台阶部，所述第二空气环槽使得所述第三台阶部和所述第四台阶部中的一个台阶部相比于所述第三台阶部和所述第四台阶部中的另一个台阶部而抬起。
20.根据权利要求18所述的薄膜体声波谐振器，其中，所述第二空气环槽接触所述第一凸起部而不接触所述第二凸起部。
21.根据权利要求18所述的薄膜体声波谐振器，其中，所述第二凸起部的上表面与下表面之间的距离在0.1微米与1微米之间。
22.根据权利要求18所述的薄膜体声波谐振器，其中，所述第一凸起部、所述第二凸起部和所述第二电极层中的每一者的位于所述第二空气环槽上方的部分以及与所述部分相邻并且比所述部分更靠近所述有效区域的中心的一部分是平坦的。
23.根据权利要求18所述的薄膜体声波谐振器，其中：
在沿着所述有效区域的边界的至少两个不同位置处，所述第一子部分是同层设置的并且所述第一子部分的上表面与下表面之间的距离不同；或者
在沿着所述有效区域的边界的每个位置处，所述第一子部分是同层设置的并且所述第一子部分的上表面与下表面之间的距离相同。
24.根据权利要求18所述的薄膜体声波谐振器，其中，在所述第一凸起部的靠近所述有效区域的中心的内边界与所述第一空气环槽的内边界之间的区域中：
在沿着所述有效区域的边界的至少两个不同位置处，所述第一凸起部和所述第二凸起部的叠堆是同层设置的并且所述叠堆的厚度不同；或者
在沿着所述有效区域的边界的每个位置处，所述第一凸起部和所述第二凸起部的叠堆是同层设置的并且所述叠堆的厚度相同，
其中，叠堆的厚度是所述第二凸起部的上表面与所述第一凸起部的下表面之间的距离。
25.根据权利要求1所述的薄膜体声波谐振器，还包括：
上凸结构，设置在所述第二电极层之上位于所述有效区域的中心的上方；和/或
保护层，设置在所述第二电极层之上以覆盖所述第二电极层。
26.根据权利要求1所述的薄膜体声波谐振器，还包括：
第三凸起部，沿着所述有效区域的边界设置在所述第二电极层上以使得所述第三凸起部相比于所述第二电极层的上表面的位于所述有效区域的中心的上方的部分而凸起。
27.根据权利要求26所述的薄膜体声波谐振器，其中，所述第三凸起部与所述第二电极层的材料相同，并且所述第三凸起部是通过刻蚀所述第二电极层的上表面的位于所述有效区域的中心的上方的部分形成的。
28.根据权利要求26所述的薄膜体声波谐振器，其中，所述第三凸起部包括在远离所述有效区域的中心的方向上依次排列的多个台阶部，所述多个台阶部中的每个台阶部的厚度彼此不同，其中，台阶部的厚度是该台阶部相比于所述第二电极层的上表面的位于所述有效区域的中心的上方的部分而凸起的距离。
29.根据权利要求28所述的薄膜体声波谐振器，其中，在所述第三凸起部的所述多个台阶部当中，越远离所述有效区域的中心的台阶部的厚度越大。
30.一种制造薄膜体声波谐振器的方法，包括：
提供衬底，所述衬底包括靠近所述衬底的上表面形成在所述衬底中的空腔；
在所述衬底的空腔中填充第一牺牲材料部并进行平坦化处理，以使所述衬底的上表面平坦；
在所述衬底之上形成第一电极层；
在所述第一电极层之上形成压电材料层；
在所述压电材料层中形成第一空气环槽；
在所述第一空气环槽处形成第二牺牲材料部，所述第二牺牲材料部的位于所述第一空气环槽内的第一部分与所述第一空气环槽的形状对应，所述第二牺牲材料部的超出所述第一空气环槽的第二部分与要形成的第二空气环槽的形状对应；
在所述压电材料层和所述第二牺牲材料部之上形成第二电极层；以及
释放去除所述第一牺牲材料部和所述第二牺牲材料部，从而得到所述空腔、所述第一空气环槽和所述第二空气环槽，
其中，从垂直于所述衬底的上表面的方向看：
所述空腔、所述第一电极层、所述压电材料层与所述第二电极层的重叠区域形成所述薄膜体声波谐振器的有效区域；
所述第一空气环槽沿着所述有效区域的边界靠近所述压电材料层的上表面设置在所述压电材料层中，并且所述第二空气环槽沿着所述有效区域的边界设置在所述压电材料层的上表面与所述第二电极层的下表面之间，所述第一空气环槽与所述第二空气环槽相互连通；并且
在所述薄膜体声波谐振器的非连接边处，所述第一空气环槽的靠近所述有效区域的中心的内边界在所述空腔的边界之内并且所述第一空气环槽的远离所述有效区域的中心的外边界在所述空腔的边界之外，所述第二空气环槽的靠近所述有效区域的中心的内边界和所述第二空气环槽的远离所述有效区域的中心的外边界均在所述空腔的边界之内，所述第一空气环槽的内边界相比于所述第二空气环槽的内边界更靠近所述有效区域的中心。
31.根据权利要求30所述的方法，其中，从垂直于所述衬底的上表面的方向看：
在所述薄膜体声波谐振器的连接边处，所述第一空气环槽的内边界在所述空腔的边界之内并且所述第一空气环槽的外边界在所述空腔的边界之外，所述第一空气环槽的内边界相比于所述第二空气环槽的内边界更靠近所述有效区域的中心。
32.根据权利要求30或31所述的方法，其中，从垂直于所述衬底的上表面的方向看：
在所述薄膜体声波谐振器的连接边处，所述第二空气环槽的内边界在所述空腔的边界之内并且所述第二空气环槽的外边界在所述空腔的边界之外。
33.根据权利要求30所述的方法，其中，在形成所述第二牺牲材料部之后并且在形成所述第二电极层之前，所述方法还包括：
在所述压电材料层和所述第二牺牲材料部之上形成第一凸起部，
其中，形成所述第二电极层包括在所述压电材料层和所述第一凸起部之上形成所述第二电极层，
其中，所述第一凸起部沿着所述有效区域的边界设置在所述第二电极层与所述压电材料层之间以使得所述第二电极层的上表面的位于所述第一凸起部上方的部分相比于所述第二电极层的上表面的不位于所述第一凸起部上方的部分而凸起，并且
其中，所述第二空气环槽沿着所述有效区域的边界设置在所述压电材料层的上表面与所述第一凸起部的下表面之间。
34.根据权利要求33所述的方法，其中，所述第一凸起部包括第一台阶部和比所述第一台阶部更靠近所述有效区域的中心的第二台阶部，所述第二空气环槽使得所述第一台阶部和所述第二台阶部中的一个台阶部相比于所述第一台阶部和所述第二台阶部中的另一个台阶部而抬起。
35.根据权利要求33所述的方法，其中，从垂直于所述衬底的上表面的方向看：
在所述薄膜体声波谐振器的非连接边处，所述第一凸起部位于所述有效区域的边界之内；
在所述薄膜体声波谐振器的连接边处，所述第一凸起部超出所述有效区域的边界。
36.根据权利要求33所述的方法，其中，在形成所述第一凸起部之后并且在形成所述第二电极层之前，所述方法还包括：
在所述压电材料层和所述第一凸起部之上形成第二凸起部，
其中，形成所述第二电极层包括在所述压电材料层和所述第二凸起部之上形成所述第二电极层，
其中，所述第二凸起部沿着所述有效区域的边界设置在所述第二电极层与所述第一凸起部之间以及所述第二电极层与所述压电材料层之间以使得所述第二电极层的上表面的位于所述第二凸起部上方的部分相比于所述第二电极层的上表面的不位于所述第二凸起部上方的部分而凸起，所述第二凸起部包括设置在所述第二电极层与所述压电材料层之间的第一子部分和设置在所述第二电极层与所述第一凸起部之间的第二子部分。
37.根据权利要求36所述的方法，其中，所述第二凸起部的所述第二子部分包括第三台阶部和比所述第三台阶部更靠近所述有效区域的中心的第四台阶部，所述第二空气环槽使得所述第三台阶部和所述第四台阶部中的一个台阶部相比于所述第三台阶部和所述第四台阶部中的另一个台阶部而抬起。
38.根据权利要求36所述的方法，其中，所述第一凸起部、所述第二凸起部和所述第二电极层中的每一者的位于所述第二空气环槽上方的部分以及与所述部分相邻并且比所述部分更靠近所述有效区域的中心的一部分被形成为平坦的。
39.根据权利要求30所述的方法，还包括：
在所述第二电极层之上在所述有效区域的中心的上方形成上凸结构；和/或
在所述第二电极层之上形成保护层以覆盖所述第二电极层。
40.根据权利要求30所述的方法，还包括：
通过刻蚀所述第二电极层的上表面的位于所述有效区域的中心的上方的部分形成沿着所述有效区域的边界设置的第三凸起部，使得所述第三凸起部相比于所述第二电极层的上表面的位于所述有效区域的中心的上方的部分而凸起。
41.根据权利要求40所述的方法，其中，所述第三凸起部包括在远离所述有效区域的中心的方向上依次排列的多个台阶部，所述多个台阶部中的每个台阶部的厚度彼此不同，其中，台阶部的厚度是该台阶部相比于所述第二电极层的上表面的位于所述有效区域的中心的上方的部分而凸起的距离。
42.根据权利要求41所述的方法，其中，在所述第三凸起部的所述多个台阶部当中，越远离所述有效区域的中心的台阶部的厚度越大。
43.一种滤波器，包括根据权利要求1至29中任一项所述的薄膜体声波谐振器。
44.一种电子设备，包括根据权利要求1至29中任一项所述的薄膜体声波谐振器或者包括根据权利要求43所述的滤波器。
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