具有中心缺陷结构的体声波谐振器、滤波器和电子设备的制作方法

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，一种滤波器，一种具有上述部件中的一种的电子设备。

背景技术：

薄膜体声波谐振器(filmbulkacousticresonator，简称fbar，又称为体声波谐振器，也称baw)作为一种mems芯片在通信领域发挥着重要作用，fbar滤波器具有尺寸小(μm级)、谐振频率高(ghz)、品质因数高(1000)、功率容量大、滚降效应好等优良特性，正在逐步取代传统的声表面波(saw)滤波器和陶瓷滤波器，在无线通信射频领域发挥巨大作用，其高灵敏度的优势也能应用到生物、物理、医学等传感领域。

薄膜体声波谐振器的结构主体为由电极-压电薄膜-电极组成的“三明治”结构，即两层金属电极层之间夹一层压电薄膜材料。通过在两电极间输入正弦信号，fbar利用逆压电效应将输入电信号转换为机械谐振，并且再利用压电效应将机械谐振转换为电信号输出。薄膜体声波谐振器主要利用压电薄膜的纵向压电系数(d33)产生压电效应，所以其主要工作模式为厚度方向上的纵波模式(thicknessextensionalmode，简称te模式)。

图10a为现有技术中的体声波谐振器的俯视图，图10b为图10a中沿折线a1oa2的剖视图。如图10a-10b所示，通过去除折线b1o’b2上方的压电层50，可在俯视图中暴露出部分底电极40，和底电极引脚35以及基底10，各部分细节说明如下：

10：基底，通常材料可选单晶硅，砷化镓，蓝宝石，石英等。

20：声学镜，上述实例中为空气腔，也可采用布拉格反射层或其它等效声学反射结构。

40(35)/60(65)：底电极(引脚)/顶电极(引脚)，可采用钼、钌、金、铝、镁、钨、铜，钛、铱、锇、铬或以上金属的复合或其合金。

50：压电层薄膜，可选氮化铝，氧化锌，pzt等材料并包含上述材料的一定原子比的稀土元素掺杂材料。

图10c示出了图10a对应的谐振器的有效区域ar的温度梯度分布示意图(其中暗处表示低温，而亮处表示高温)，温度最高点位于图中的σ。

当上述谐振器工作时，一部分声振动能量和电能会不可避免的转化成热能，随着谐振器功率的提升，发热问题变得日益显著，导致谐振器工作温度过高。高温不仅对谐振器的频率特性造成不利影响，同时高温还会加速器件各组成部分的老化和损毁。发热问题在谐振器的有效区域的中心区域尤其明显。

技术实现要素：

本发明提出一种置于体波谐振器有效声学区域俯视图中心或其附近的缺陷型功率增强结构，该结构可使谐振器中温度最高点及其附近的振动频率偏离谐振点，从而达到降低谐振器温度的目的。

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；

压电层，

其中：

声学镜、底电极、压电层、顶电极在基底的厚度方向重叠的区域为谐振器的有效区域；且

所述有效区域形成有中心缺陷结构，在谐振器的俯视图中，所述中心缺陷结构的至少一部分位于有效区域的高温区域内，所述高温区域是指以有效区域的质心为圆心、r为半径的区域，所述半径r为高温区域所在有效区域的等效圆的半径的50％，可选的20％，所述等效圆为：以该有效区域的质心为圆心且圆的面积等于有效区域的面积的圆。

可选的，所述中心缺陷结构包括由所述顶电极或底电极自身形成的拱起结构或凹陷结构。可选的，所述拱起结构在顶电极或底电极与压电层之间形成空隙，所述凹陷结构在顶电极或底电极的远离压电层的一侧形成凹入形状。可选的，所述顶电极或所述底电极形成拱起结构或凹陷结构的部分的厚度与其他部分的厚度相同。

可选的，所述空隙的厚度或者凹入形状的凹入深度在的范围内。

可选的，所述空隙内或所述凹入形状内填充空气或介电材料或金属氧化物。

可选的，所述空隙内或所述凹入形状内填充密度大于所在电极材料密度的金属。

可选的，所述中心缺陷结构为设置于所述顶电极或所述底电极的中的电极填充结构，构成所述电极填充结构的金属的密度大于对应电极材料的密度。可选的，所述电极填充结构设置于对应电极的通孔中，且所述电极填充结构与所在的电极齐平。

可选的，所述中心缺陷结构为设置于所述顶电极或所述底电极的金属凸起，所述金属凸起自相应电极的一侧凸出。

可选的，所述中心缺陷结构为设置于压电层中的压电层填充结构。可选的，所述压电层填充结构在压电层的厚度方向上至少延伸一部分。可选的，所述压电层填充结构设置于压电层中的通孔而与顶电极和底电极相接。

可选的，所述压电层填充结构的材料选自空气或非压电型的非导电材料。可选的，所述非压电型的非导电材料包括二氧化硅、氮化硅、碳化硅、氧化铝或氧化镁。

可选的，所述谐振器还包括设置于顶电极之上的辅助层；所述中心缺陷结构包括由所述辅助层自身形成的拱起结构或凹陷结构或凸起结构或设置于辅助层中的填充结构。

可选的，在谐振器的俯视图中，所述中心缺陷结构的形状为圆形、方形或者与有效区域的形状相似的多边形。可选的，在谐振器的俯视图中，所述中心缺陷结构的最大尺寸在1-50μm的范围内；或者为多边形谐振器的有效区域的最长边边长的20％以内。可选的，在谐振器的俯视图中，所述中心缺陷结构的最大尺寸在1-10μm的范围内；或者为多边形谐振器的有效区域的最长边边长的5％以内。

本发明的实施例还提出了一种体声波谐振器，包括：

基底；

声学镜；

底电极；

顶电极；

压电层，

其中：

声学镜、底电极、压电层、顶电极在基底的厚度方向重叠的区域为谐振器的有效区域；且

所述有效区域形成有中心缺陷结构，在谐振器的俯视图中，所述中心缺陷结构位于所述高温区域的至少一部分内，所述中心缺陷结构的厚度和/或材料与该中心缺陷结构所在的层不同，所述高温区域是指以有效区域的质心为圆心、r为半径的区域，所述半径r为高温区域所在有效区域的等效圆的半径的50％，可选的20％，所述等效圆为：以该有效区域的质心为圆心且圆的面积等于有效区域的面积的圆。

可选的，在本发明中，所述中心缺陷区域设置于所述高温区域内。

根据本发明的实施例的再一方面，提出了一种滤波器，包括上述的谐振器。

根据本发明的实施例的还一方面，提出了一种电子设备，包括上述的谐振器，或者上述的滤波器。

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示意性剖视图；

图1b为根据本发明的一个示例性实施例的图1a中的中心缺陷结构的示意图；

图1c为根据本发明的另一个示例性实施例的图1a中的中心缺陷结构的示意图；

图1d为根据本发明的再一个示例性实施例的图1a中的中心缺陷结构与有效区域形状的示意图；

图1e为根据本发明的一个示例性实施例的图1a中的中心缺陷结构的尺寸示意图；

图2为根据本发明的一个示例性实施例的体声波谐振器的示意性剖视图；

图3为根据本发明的一个示例性实施例的体声波谐振器的示意性剖视图；

图4为根据本发明的一个示例性实施例的体声波谐振器的示意性剖视图；

图5为根据本发明的一个示例性实施例的体声波谐振器的示意性剖视图；

图6为根据本发明的一个示例性实施例的体声波谐振器的示意性剖视图；

图7为根据本发明的一个示例性实施例的体声波谐振器的示意性剖视图；

图8为根据本发明的一个示例性实施例的体声波谐振器的示意性剖视图；

图9为根据本发明的一个示例性实施例的体声波谐振器的示意性剖视图；

图10a为现有技术中的体声波谐振器的俯视图；

图10b为图10a中沿折线a1oa2的剖视图；

图10c为图10a对应的谐振器的有效区域ar的温度梯度分布示意图，其中暗处表示低温，而亮处表示高温，温度最高点位于图中的σ。

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。

图1a为根据本发明的一个示例性实施例a100的体声波谐振器的示意性剖视图。

各部分细节说明如下：

10：基底，通常材料可选单晶硅，砷化镓，蓝宝石，石英等。

20：声学镜，上述实例中为空气腔，也可采用布拉格反射层或其它等效声学反射结构。

40(35)/60(65)：底电极(引脚)/顶电极(引脚)，可采用钼、钌、金、铝、镁、钨、铜，钛、铱、锇、铬或以上金属的复合或其合金。

50：压电层薄膜，可选氮化铝，氧化锌，pzt等材料并包含上述材料的一定原子比的稀土元素掺杂材料。

实施例a100所示的谐振器的顶电极的中心附近存在一拱起结构70，使得拱起结构70与其下方的压电层50发生分离并形成空隙71，其中空隙71可以是空气间隙，也可以填充介电材料如二氧化硅，氮化硅，碳化硅，各种金属氧化物如氧化铝，氧化镁等，或者重金属材料如金，铂，铱，锇，钨等，空隙71处填充的重金属密度可大于周边电极材料金属密度。

当填充非金属物质(包括空气)时，拱起结构下方的氮化铝受到的激励电场会变弱，因此压电层的振动减弱，这样原本温度最高的中心区域的热功率也会随之下降，从而使谐振器中心温度下降。

当填充重金属时，拱起结构70下方的电场不会被削弱或消除，但由于填充金属的密度大于周边电极材料，这样填充金属会在电极拱起结构70及其之下填充的重金属所覆盖的有效声学区域形成较为显著的质量负载，此负载会减小拱起结构70/空隙71所在局部区域的振幅并且使该区域的频率偏离周边声学区域的谐振点，从而同样可使谐振器中心温度下降。

图1b为根据本发明的一个示例性实施例的图1a中的中心缺陷结构的示意图。图1c为根据本发明的另一个示例性实施例的图1a中的中心缺陷结构的示意图。

中心缺陷结构可制成如1b所示的圆形，其中圆形的直径d1的范围为1-50μm，优选范围为1-10μm。也可将缺陷结构制成如图1c所示的正方形，其边长a1的范围为1-50μm，优选范围为1-10μm。

图1d为根据本发明的再一个示例性实施例的图1a中的中心缺陷结构与有效区域形状的示意图。中心缺陷结构的俯视形状还可为所在谐振器有效声学区域的缩小相似形。如图1d所示，谐振器的有效声学区域ar为不规则多边形，其缺陷结构c1为所述多边形的相似形。其缩小比例应确保c1的最长边落入长度范围1-50μm。以上所述的各种俯视形状及尺寸范围适用于后续所有缺陷结构的实施例。在本发明中，所述中心缺陷结构的最大尺寸在图1d中为多边形的最长边的长度，在图1c中为正方形的边长，在图1b中圆的直径。

图1e为根据本发明的一个示例性实施例的图1a中的中心缺陷结构的尺寸示意图。空气间隙/填充部71具有如图1e所示具有厚度h1，该厚度范围为

在本发明中，谐振器的俯视图中，所述中心缺陷结构的最大尺寸在1-50μm的范围内，或者为多边形谐振器的有效区域的最长边边长的20％以内；进一步的，在谐振器的俯视图中，所述中心缺陷结构的最大尺寸在1-10μm的范围内，或者为多边形谐振器的有效区域的最长边边长的5％以内。

在本发明中，对于数值范围的取值，除了可以为端点值(包括端点值的情况下)或者范围内邻近端点值(不包括端点值的情况下)，还可以例如是范围的中值等。

图2为根据本发明的一个示例性实施例a200的体声波谐振器的示意性剖视图。

各部分细节说明如下：

10：基底，通常材料可选单晶硅，砷化镓，蓝宝石，石英等。

20：声学镜，上述实例中为空气腔，也可采用布拉格反射层或其它等效声学反射结构。

40(35)/60(65)：底电极(引脚)/顶电极(引脚)，可采用钼、钌、金、铝、镁、钨、铜，钛、铱、锇、铬或以上金属的复合或其合金。

50：压电层薄膜，可选氮化铝，氧化锌，pzt等材料并包含上述材料的一定原子比的稀土元素掺杂材料。

在实施例a200的顶电极60的中心区域嵌有重金属填充部70,重金属填充部70的材料选取同实施例a100中的重金属填充部的材料，顶电极60和金属填充部70构成平坦区域。该结构的好处是可较实施例a100进一步减小中心缺陷造成的阻抗不匹配效应。

图6中，底电极也有与图2中的顶电极相同的设置，这里不再赘述。

图3为根据本发明的一个示例性实施例a300的体声波谐振器的示意性剖视图。

各部分细节说明如下：

10：基底，通常材料可选单晶硅，砷化镓，蓝宝石，石英等。

20：声学镜，上述实例中为空气腔，也可采用布拉格反射层或其它等效声学反射结构。

40(35)/60(65)：底电极(引脚)/顶电极(引脚)，可采用钼、钌、金、铝、镁、钨、铜，钛、铱、锇、铬或以上金属的复合或其合金。

50：压电层薄膜，可选氮化铝，氧化锌，pzt等材料并包含上述材料的一定原子比的稀土元素掺杂材料。

在实施例a300中，重金属负载部70位于上电极上表面的中心附近，这种结构只需在上电极加工成型后再通过金属沉积和刻蚀工艺即可完成制作，因此可以显著简化工艺。重金属负载部70的材料选取同实施例a100中的重金属填充部的材料。在图3中，重金属负载部对应于突起。

虽然在图3中仅仅示出了从顶电极上侧向上突出的突起，但是本发明不限于此，例如，突起可以从顶电极的下侧朝向压电层突出。底电极也可以设置类型的突起结构。如图7所示，底电极也有与图3中的底电极相同的设置，这里不再赘述。

图4为根据本发明的一个示例性实施例的体声波谐振器的示意性剖视图。

各部分细节说明如下：

10：基底，通常材料可选单晶硅，砷化镓，蓝宝石，石英等。

20：声学镜，上述实例中为空气腔，也可采用布拉格反射层或其它等效声学反射结构。

40(35)/60(65)：底电极(引脚)/顶电极(引脚)，可采用钼、钌、金、铝、镁、钨、铜，钛、铱、锇、铬或以上金属的复合或其合金。

50：压电层薄膜，可选氮化铝，氧化锌，pzt等材料并包含上述材料的一定原子比的稀土元素掺杂材料。

实施例a400中未使用重金属结构，而是将缺陷结构嵌入压电层50的上表面，然后将上电极直接沉积到压电层上表面。这种结构的制作工艺要比a300更为简单，同时还免除了使用昂贵的重金属，从而可大幅降低成本。

图5为根据本发明的一个示例性实施例的体声波谐振器的示意性剖视图。

各部分细节说明如下：

10：基底，通常材料可选单晶硅，砷化镓，蓝宝石，石英等。

20：声学镜，上述实例中为空气腔，也可采用布拉格反射层或其它等效声学反射结构。

40(35)/60(65)：底电极(引脚)/顶电极(引脚)，可采用钼、钌、金、铝、镁、钨、铜，钛、铱、锇、铬或以上金属的复合或其合金。

50：压电层薄膜，可选氮化铝，氧化锌，pzt等材料并包含上述材料的一定原子比的稀土元素掺杂材料。

实施例a500则是在压电层的中心形成一个通孔70，通孔70中可以是空气，也可填充其他非压电型的非导电材料，如二氧化硅、氮化硅、碳化硅、氧化铝、氧化镁等等。实施例a500的中心区域由于去除了压电型材料，因此可以完全消除区域70的热量生成。

需要指出的是，上述实施例a100-400中的中心缺陷结构不仅限于顶电极，同样可以对称的制作在底电极对应的位置，这样在所衍生出来的结构的顶电极和/或底电极上具有上述缺陷结构。

需要指出的是，在本发明中，“高温区域”是指以有效区域的质心为圆心、r为半径的区域，该半径r为所在有效区域的等效圆的半径的50％，进一步的20％，上述等效圆为：以该有效区域的质心为圆心且圆的面积等于有效区域的面积的圆。一般来说谐振器质心区域的电场与声场能量交换效率最大，因此发热功率也最大；同时，在谐振器的有效区域为凸几何图形的情况下，质心区域受到周围物质的包围较其它区域也更为均匀导致该区域的散热效率最低，因此以有效区域的质心作为具有凸几何图形有效区域的谐振器的发热中心。

在本发明中，支撑结构的上端可以仅仅一部分位于高温区域内，也可以全部位于高温区域内，这均在本发明的保护范围之内。

由于谐振器的工作过程本质上是压电物质与场的相互作用，所以谐振器的热功率密度的空间分布和谐振器的有效区域物质的空间分布直接相关，并且对于有效区域为凸几何形状的谐振器，热功率密度最高的位置位于物质分布的中心(质心)附近。尽管在厚度方向上谐振器有效区域由金属电极层和压电层等不同物质构成，但由于通常各物质层的厚度都是均匀(或近似均匀)的，因此在俯视平面上，有效区域的等效面密度可以认为是均匀的。在上述情况下，有效区域的平面质心的位置即为该区域的平面几何中心。

在本发明中，一方面在高温区域保留了金属电极，可以提高从高温区域到非高温区域的导热率，进而提高谐振器的散热性能；另一方面由于采用金属或其它填充物来保持电极和压电层及钝化层等工艺层的连续性，相较在电极上构造通孔的方式本发明的结构能够减少在谐振器中心声学阻抗失配区域的形成，从而很大程度上避免了寄生模式的产生，防止了谐振器重要电学参数(如q值和机电耦合系数等)的大幅恶化。

在本发明中，除了中心缺陷区域设置于顶电极、压电层、底电极之外，还可以设置于其他位置，例如设置于钝化层。图8-9示出了可选的实施例。

在图8中，80是钝化层或其他工艺层(即辅助层)，81是与钝化层同材料或不同材料的突起，其作用是通过增加质量负载改变谐振器中心区域的振动频率。

在图9中，80是钝化层或其他工艺层(即辅助层)，81是与钝化层自身的一个拱起结构，其作用是使钝化层与有效声学区域局部分离，以降低分离区的质量负载，从而改变所述局部的谐振频率。

在图8中辅助层形成的中心缺陷结构为突起，在图9中，辅助层形成的中心缺陷结构为拱起结构，不过，虽然没有示出，辅助层形成的中心缺陷结构还可以为凹陷结构或设置于辅助层中的填充结构。这里的填充结构可以与底电极、顶电极或者压电层中的填充方式相似，这里不再赘述。

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；

压电层，

其中：

声学镜、底电极、压电层、顶电极在基底的厚度方向重叠的区域为谐振器的有效区域；且

所述有效区域形成有中心缺陷结构，在谐振器的俯视图中，所述中心缺陷结构的至少一部分位于有效区域的高温区域内，所述高温区域是指以有效区域的质心为圆心、r为半径的区域，所述半径r为高温区域所在有效区域的等效圆的半径的50％，所述等效圆为：以该有效区域的质心为圆心且圆的面积等于有效区域的面积的圆。

2、一种体声波谐振器，包括：

基底；

声学镜；

底电极；

顶电极；

压电层，

其中：

声学镜、底电极、压电层、顶电极在基底的厚度方向重叠的区域为谐振器的有效区域；且

所述有效区域形成有中心缺陷结构，在谐振器的俯视图中，所述中心缺陷结构位于所述高温区域的至少一部分内，所述中心缺陷结构的厚度和/或材料与该中心缺陷结构所在的层不同，所述高温区域是指以有效区域的质心为圆心、r为半径的区域，所述半径r为高温区域所在有效区域的等效圆的半径的50％，所述等效圆为：以该有效区域的质心为圆心且圆的面积等于有效区域的面积的圆。

3、一种滤波器，包括上述的谐振器。

4、一种电子设备，包括上述的谐振器，或者上述的滤波器。需要指出的是，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。