本發(fā)明涉及一種薄膜體聲波諧振器，特別是涉及一種采用鍵合工藝實(shí)現(xiàn)的基于壓電單晶材料的薄膜體聲波諧振器及其制備方法。

背景技術(shù)：

隨著無(wú)線(xiàn)通訊應(yīng)用的發(fā)展，人們對(duì)于數(shù)據(jù)傳輸速度的要求越來(lái)越高。在移動(dòng)通信領(lǐng)域，第一代是模擬技術(shù)，第二代實(shí)現(xiàn)了數(shù)字化語(yǔ)音通信，第三代(3G)以多媒體通信為特征，第四代(4G)將通信速率提高到1Gbps、時(shí)延減小到10ms，第五代(5G)是4G之后的新一代移動(dòng)通信技術(shù)，雖然5G的技術(shù)規(guī)范與標(biāo)準(zhǔn)還沒(méi)有完全明確，但與3G、4G相比，其網(wǎng)絡(luò)傳輸速率和網(wǎng)絡(luò)容量將大幅提升。如果說(shuō)從1G到4G主要解決的是人與人之間的溝通，5G將解決人與人之外的人與物、物與物之間的溝通，即萬(wàn)物互聯(lián)，實(shí)現(xiàn)“信息隨心至，萬(wàn)物觸手及”的愿景。

與數(shù)據(jù)率上升相對(duì)應(yīng)的是頻譜資源的高利用率以及通訊協(xié)議的復(fù)雜化。由于頻譜有限，為了滿(mǎn)足數(shù)據(jù)率的需求，必須充分利用頻譜；同時(shí)為了滿(mǎn)足數(shù)據(jù)率的需求，從4G開(kāi)始還使用了載波聚合技術(shù)，使得一臺(tái)設(shè)備可以同時(shí)利用不同的載波頻譜傳輸數(shù)據(jù)。另一方面，為了在有限的帶寬內(nèi)支持足夠的數(shù)據(jù)傳輸率，通信協(xié)議變得越來(lái)越復(fù)雜，因此對(duì)射頻系統(tǒng)的各種性能也提出了嚴(yán)格的需求。

在射頻前端模塊中，射頻濾波器起著至關(guān)重要的作用。它可以將帶外干擾和噪聲濾除以滿(mǎn)足射頻系統(tǒng)和通訊協(xié)議對(duì)于信噪比的需求。隨著通信協(xié)議越來(lái)越復(fù)雜，對(duì)頻帶內(nèi)外的要求也越來(lái)越高，使得濾波器的設(shè)計(jì)越來(lái)越有挑戰(zhàn)。另外，隨著手機(jī)需要支持的頻帶數(shù)目不斷上升，每一款手機(jī)中需要用到的濾波器數(shù)量也在不斷上升。

目前射頻濾波器最主流的實(shí)現(xiàn)方式是聲表面波濾波器和基于薄膜體聲波諧振器技術(shù)的濾波器。聲表面波濾波器由于其自身的局限性，在1.5GHz以下使用比較合適。然而，目前的無(wú)線(xiàn)通訊協(xié)議已經(jīng)早就使用大于2.5GHz的頻段，這時(shí)必須使用基于薄膜體聲波諧振器技術(shù)的濾波器。

薄膜體聲波諧振器的結(jié)構(gòu)和制備方式已經(jīng)有很多。在以往的結(jié)構(gòu)和制備方式中，主要采用氮化鋁、氧化鋅、PZT等壓電薄膜作為壓電材料，而壓電薄膜材料相對(duì)于壓電單晶材料在材料性能和可靠性上均有較大差距，比如其機(jī)電耦合系數(shù)比壓電單晶材料的小很多，限制了薄膜體聲波諧振器的有效機(jī)電耦合系數(shù)，并進(jìn)而限制了濾波器的帶寬；再比如壓電薄膜的致密性比壓電單晶的差很多，導(dǎo)致其在抗靜電方面性能差很多。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，提出了一種采用鍵合方式實(shí)現(xiàn)的基于壓電單晶材料的薄膜體聲波諧振器及其制備方法。通過(guò)將壓電單晶圓片和基片材料鍵合在一起，再對(duì)壓電單晶圓片進(jìn)行減薄拋光的方式實(shí)現(xiàn)高達(dá)GHz的薄膜體聲波諧振器和濾波器所需要的壓電體厚度。

具體地，本發(fā)明的技術(shù)方案包括：

一種薄膜體聲波諧振器，包括基片及形成在所述基片上的空氣隙、覆蓋在所述空氣隙上方的壓電三明治結(jié)構(gòu)，所述壓電三明治結(jié)構(gòu)包括依次堆疊的第一電極、壓電層、第二電極；其中，所述壓電層為壓電單晶，所述第一電極介于所述壓電單晶的第一表面與所述基片之間，所述第二電極位于所述壓電單晶的第二表面。

進(jìn)一步地，所述壓電單晶與所述基片之間還包括鍵合層。

進(jìn)一步地，所述壓電單晶包括壓電石英、鉭酸鋰、鈮酸鋰或四硼酸鋰。

進(jìn)一步地，還包括形成在所述壓電單晶的第二表面的互連層。

進(jìn)一步地，所述互連層將所述第一電極引出至所述壓電單晶的第二表面。

本發(fā)明還包括一種薄膜體聲波諧振器的制備方法，包括以下步驟：

制備帶有空氣隙的基片；

沉積犧牲層，所述犧牲層填充所述空氣隙；

沉積電極層，并圖形化所述電極層，形成覆蓋于所述空氣隙上方的壓電三明治結(jié)構(gòu)的第一電極層；

選擇壓電單晶并鍵合所述壓電單晶與所述基片；

減薄并拋光所述壓電單晶至預(yù)定厚度；

在所述壓電單晶表面沉積并圖形化第二電極層；

去除所述犧牲層。

進(jìn)一步地，在沉積完?duì)奚鼘又螅€包括拋光犧牲層的步驟。

進(jìn)一步地，所述犧牲層材料包括PEC、PPC或PNB。

進(jìn)一步地，去除所述犧牲層步驟包括采用熱分解方法。

本發(fā)明還包括一種濾波器，包括本發(fā)明所提出的薄膜體聲波諧振器或者所制備的薄膜體聲波諧振器。

本發(fā)明所提出的技術(shù)方案具有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)：首先，所實(shí)現(xiàn)的薄膜體聲波諧振器和濾波器采用壓電單晶作為壓電材料，相對(duì)于基于壓電薄膜的器件具有更大的有效機(jī)電耦合系數(shù)和帶寬，擴(kuò)展了薄膜體聲波諧振器和濾波器的應(yīng)用頻帶范圍；其次，由于壓電單晶體(如壓電石英晶體)可以通過(guò)不過(guò)角度的切割獲得不同機(jī)電耦合系數(shù)和溫度特性，采用本發(fā)明的方法，可以比較容易地制備不同帶寬和溫度特性的薄膜體聲波諧振器和濾波器；再次，由于壓電單晶材料相對(duì)于壓電薄膜的致密性和可靠性要優(yōu)異很多，采用本發(fā)明的方法所制備的薄膜體聲波諧振器和濾波器在功能容量方面比傳統(tǒng)基于壓電薄膜的器件要優(yōu)異很多，在抗靜電沖擊方面的性能也優(yōu)異很多；最后，通常壓電薄膜的生長(zhǎng)依賴(lài)于其下方的電極材料和形狀，比如常用的C軸擇優(yōu)的氮化鋁壓電薄膜一般在鉬電極、鎢電極和鉑金電極上生長(zhǎng)比較好，比如在電極邊緣生長(zhǎng)的壓電薄膜性能往往較差，因此薄膜體聲波諧振器和濾波器的性能往往與壓電薄膜下方的電極材料和形狀有很大關(guān)系。采用本發(fā)明的方案，由于壓電單晶材料的性能與電極材料和形狀無(wú)關(guān)，可以有效避免以上缺陷，增加了器件設(shè)計(jì)的靈活度。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明的一種薄膜體聲波諧振器剖面結(jié)構(gòu)圖；

圖2為本發(fā)明的一種薄膜體聲波諧振器的制備工藝流程圖。

具體實(shí)施方式

下面通過(guò)附圖和具體實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案做進(jìn)一步的詳細(xì)描述。

實(shí)施例1

本發(fā)明提出一種薄膜體聲波諧振器，其結(jié)構(gòu)參見(jiàn)圖1，該薄膜體聲波諧振器包括基片100，該基片100例如為硅片；在基片100上形成空氣隙130；氧化硅400覆蓋在基片100上，并被圖形化、覆蓋基片100上空氣隙之外的邊緣區(qū)域；形成在氧化硅400之上的鍵合金屬層600(800)，其中鍵合金屬層600(800)包括形成在基片100之上的第一金屬材料層600、形成在壓電單晶700鍵合表面的第二金屬材料層800，第一金屬材料層600、第二金屬材料層800例如為鉻金等；形成在空氣隙上方的第一電極500，第一電極500材料包括鉬等；壓電單晶700為薄膜體聲波諧振器的壓電層，其比如為壓電石英、鉭酸鋰、鈮酸鋰或四硼酸鋰等；形成在壓電單晶上的第二電極110，其材料包括鉬等；為了將第一電極500引出，在壓電單晶700上形成互連金屬120將薄膜體聲波諧振器的第一電極500引出到壓電單晶700表面形成焊點(diǎn)或互連，互連金屬120的材料包括金或鎢等。

實(shí)施例2

圖2為本發(fā)明實(shí)施例的一種薄膜體聲波諧振器的制備工藝流程圖，該制備流程包括：

(a)準(zhǔn)備單面或雙面拋光的硅片100，其中拋光面向上，進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)清洗。

(b)對(duì)硅片100進(jìn)行刻蝕，形成犧牲層孔隙200，其中刻蝕方法可選擇干法刻蝕。

(c)在硅片100表面沉積犧牲層材料300，完全填滿(mǎn)犧牲層孔隙；該材料可以是PEC、PPC或PNB，在一定溫度下可以熱分解。

(d)對(duì)硅片100表面的犧牲層材料進(jìn)行CMP拋光，將硅片100表面的犧牲層材料完全拋除干凈，形成如圖2(d)所示圖形。

(e)在硅片100表面沉積一定厚度的氧化硅薄膜400，形成如圖2(e)所示圖形。

(f)對(duì)前述氧化硅薄膜400進(jìn)行圖形化，形成如圖2(f)所示圖形。

(g)在硅片100表面沉積一定厚度的鉬薄膜，經(jīng)光刻圖形化后形成薄膜體聲波諧振器的第一電極500，如圖2(g)所示。

(h)在硅片100表面沉積一定厚度的鉻金薄膜，經(jīng)光刻圖形化后形成共熔鍵合的第一金屬材料層600，如圖2(h)所示。

(i)準(zhǔn)備雙面拋光的壓電單晶圓片700，該圓片根據(jù)所需要的器件帶寬和溫度系數(shù)進(jìn)行切割，例如AT石英。將該圓片進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)清洗。如圖2(i)所示。

(j)在壓電單晶圓片700表面沉積一定厚度的鉻金薄膜，經(jīng)光刻圖形化后形成共熔鍵合的第二金屬材料層800，如圖2(j)所示。

(k)將壓電單晶圓片700倒置與前述硅片100進(jìn)行對(duì)準(zhǔn)，如圖2(k)所示。

(l)將前述對(duì)準(zhǔn)后的壓電單晶圓片700和硅片100進(jìn)行共熔鍵合，使得前述共熔鍵合的第一金屬材料層600和第二金屬材料層800融為一體，形成600(800)。這樣鍵合后，壓電單晶圓片700和硅片100形成一個(gè)整體。需要注意的是，鍵合后的薄膜體聲波諧振器第一電極500應(yīng)保證與壓電單晶圓片700完全接觸，中間沒(méi)有間隙。如圖2(l)所示。

(m)對(duì)前述形成一體結(jié)構(gòu)中的壓電單晶圓片進(jìn)行減薄和拋光，直到得到所需的厚度為止，例如1um，如圖2(m)所示。

(n)對(duì)前述減薄后壓電單晶圓片的部分區(qū)域進(jìn)行刻蝕，形成通道900，露出薄膜體聲波諧振器第一電極500的焊點(diǎn)，如圖2(n)所示。

(o)在前述圓片的表面沉積薄膜體聲波諧振器的第二電極材料，如鉬，并經(jīng)光刻圖形化后形成薄膜體聲波諧振器的第二電極110，如圖2(o)所示。

(p)在前述圓片的表面沉積金屬，如金，經(jīng)光刻圖形化后形成互連金屬120，其目的將薄膜體聲波諧振器的第一電極引出至壓電單晶圓片700的表面，形成焊點(diǎn)或互連點(diǎn)，方便薄膜體聲波諧振器的信號(hào)引出或與別的器件互連，如圖2(p)所示。

(q)最后在圓片加熱至一定溫度，使得犧牲層材料300完全氣化分解，形成空氣隙130，完成整個(gè)器件的制備，如圖2(q)所示。采用在一定溫度下進(jìn)行氣化分解的犧牲層材料，避免了傳統(tǒng)釋放犧牲層時(shí)容易產(chǎn)生的薄膜粘連問(wèn)題。

最后所應(yīng)說(shuō)明的是，以上實(shí)施例僅用以說(shuō)明本發(fā)明的技術(shù)方案而非限制，盡管參照較佳實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)說(shuō)明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，可以對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行修改或者等同替換，而不脫離本發(fā)明技術(shù)方案的精神和范圍。