一种基于微支撑结构的体声波滤波器及其制备方法与流程

本发明涉及微波器件，特别涉及一种基于微支撑结构的体声波滤波器及其制备方法。

背景技术：

1、体声波滤波器在各种移动通信设备、物连网、可穿戴终端，尤其高频通信应用中起着至关重要的作用。低成本、高性能、小型化是体声波滤波器大规模应用的关键。常规体声波滤波器采用压电薄膜体声波谐振器技术，压电薄膜上层空气充当天然声反射层，配合下层声反射层将声波能量俘获在底电极-压电层-顶电极构成的谐振腔中形成声波谐振。

2、传统体声波滤波器主要由衬底晶圆、空气层(或多层反射层)、支撑层、底电极、压电层、多边形顶电极所组成。其中，空气层通过牺牲材料释放或衬底晶圆反面刻蚀实现，多层反射层通过若干层不同声波传输速度的介质堆叠实现。常规基于空气层或多层反射层的体声波滤波器的结构示意图如图1所示(图1中的(a)为衬底晶圆反面刻蚀形成的背刻蚀结构示意图，(b)为牺牲材料释放形成的空气层结构示意图，(c)为若干介质堆叠形成的多层反射结构示意图)。空气层结构在实际应用中采用最多，详细图示如图2所示，基于空气层的体声波滤波器的制备过程如图3所示。信号输入到顶电极中，经压电材料将微波信号转化为声波信号并在压电层中以纵波传输。在上层空气及下层声反射结构的反射下，特定压电层厚度可激励特定频率声波产生最大振幅，对外产生谐振响应。通过适当的压电层厚度设计及顶、底电极拓扑互连形成的电路设计，可使满足特定频率要求的声波信号通过，实现滤波功能。虽然传统体声波滤波器也可实现滤波功能，但是有如下缺点需要克服：

3、①常规体声波滤波器下层声反射结构如空气隙结构，牺牲层释放难度大，制备工艺复杂，集成电路光罩层数多，工艺周期长，成品率低，工艺成本较高，价格较高。

4、②常规体声波滤波器下层声反射结构如背刻蚀结构，器件结构脆弱，可靠性较差。

5、③常规体声波滤波器下层声反射结构如多层反射层结构，多层反射膜制备要求高，制备工艺复杂，工艺周期长，成品率低，工艺成本较高，价格较高。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明目的在于提供一种基于微支撑结构的体声波滤波器及其制备方法。本发明利用微支撑结构为器件的主要下层声波反射介质，进而实现体声波谐振。在保持常规体声波滤波器原有的微波-声波转换和微波信号选择特性的基础上，其结构更易于制备。

2、为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：

3、本发明提供了一种基于微支撑结构的体声波滤波器，包括依次层叠设置的衬底晶圆、微支撑结构层、支撑层、底电极层和压电层，所述压电层的表面设置有若干个顶电极，所述顶电极的形状为不规则多边形；所述底电极层由若干个底电极构成，所述底电极的位置与顶电极的投影位置一一对应，形状相同，极性相反；

4、所述微支撑结构层内部具有若干个贯通微支撑结构层的中空区域，所述中空区域的位置与所述顶电极的投影位置一一对应，形状相同。

5、优选的，所述衬底晶圆为硅晶圆、碳化硅晶圆和蓝宝石晶圆中的一种或几种；

6、所述衬底晶圆的厚度为0.3～1mm。

7、优选的，所述微支撑结构层的材质为二氧化硅和/或氮化硅；

8、所述微支撑结构层的厚度为2～20μm。

9、优选的，所述支撑层的材质为二氧化硅、氮化硅、碳化硅和金刚石中的一种或几种；

10、所述支撑层的厚度为30～500nm。

11、优选的，所述底电极层的材质为钼、铜、铝、钛、银和钨中的一种或几种；

12、所述底电极层的厚度为100～500nm。

13、优选的，所述压电层的材质为氮化铝、氧化锌、铌酸锂、钽酸锂和钛锆酸铅中的一种或几种；

14、所述压电层的厚度为300～2000nm。

15、优选的，所述压电层的取向为压电材料压电系数最大方向的取向。

16、优选的，所述顶电极的材质为铝、钼、钨、钛、银、金和铜中的一种或几种；

17、所述顶电极的厚度为100～500nm。

18、本发明提供了上述基于微支撑结构的体声波滤波器的制备方法，包括以下步骤：

19、在衬底晶圆表面沉积微支撑结构层材料，进行图案化处理，形成中空区域，得到微支撑结构层；

20、在所述微支撑结构层表面晶圆键合支撑层；

21、在所述支撑层表面沉积底电极层，进行图案化处理；

22、在所述底电极层表面沉积压电层；

23、在所述压电层表面沉积顶电极材料，进行图案化处理，得到基于微支撑结构的体声波滤波器。

24、优选的，所述图案化处理包括依次进行的光刻和刻蚀；

25、或者，所述图案化处理包括依次进行的光刻、沉积和剥离。

26、本发明提供了一种基于微支撑结构的体声波滤波器，包括依次层叠设置的衬底晶圆、微支撑结构层、支撑层、底电极层和压电层，所述压电层的表面设置有若干个顶电极，所述顶电极的形状为不规则多边形；所述底电极层由若干个底电极构成，所述底电极的位置与顶电极的投影位置一一对应，形状相同，极性相反；所述微支撑结构层内部具有若干个贯通微支撑结构层的中空区域，所述中空区域的位置与所述顶电极的投影位置一一对应，形状相同。本发明利用微支撑结构代替常规的牺牲层释放形成的空气层结构，为器件的主要下层声波反射介质。压电薄膜上层空气充当天然声反射层，配合下层微支撑结构中间的空气层，将声波能量俘获在底电极-压电层-顶电极构成的谐振腔中形成声波谐振。本发明利用支撑层支撑其上的电极层和压电层，利用压电层实现微波-声波之间的转换形成体声波。本发明提供的基于微支撑结构的体声波滤波器保持了常规体声波滤波器原有的微波-声波转换和微波信号选择特性。微支撑结构层、支撑层成型简单，易于制备。压电层及电极成形工艺与常规体声波滤波器相同，与大规模集成电路工艺兼容。本发明在器件可扩展优化，易于与常规器件兼容，工艺简单等特点基础上，实现了体声波滤波器利用微支撑结构为下层声波反射介质，可应用在各种微波射频部件、设备及系统中，作为高频、大功率、高性能选频器件等。可通过压电材料及电极电路设计，实现不同工作模式、工作频率，而且工作模式及工作频率可根据用户需求，进行扩展和更改，增强了器件工作模式及频率的多样性和灵活性。

27、本发明提供了上述基于微支撑结构的体声波滤波器的制备方法，此法采用常规的集成电路工艺技术即可实现体声波滤波器的制备，工艺简单，成品率高，易于实现工业大批量的生产，从而降低体声波滤波器的制造成本。

技术特征：

1.一种基于微支撑结构的体声波滤波器，包括依次层叠设置的衬底晶圆、微支撑结构层、支撑层、底电极层和压电层，所述压电层的表面设置有若干个顶电极，所述顶电极的形状为不规则多边形；所述底电极层由若干个底电极构成，所述底电极的位置与顶电极的投影位置一一对应，形状相同，极性相反；

2.根据权利要求1所述的基于微支撑结构的体声波滤波器，其特征在于，所述衬底晶圆为硅晶圆、碳化硅晶圆和蓝宝石晶圆中的一种或几种；

3.根据权利要求1所述的基于微支撑结构的体声波滤波器，其特征在于，所述微支撑结构层的材质为二氧化硅和/或氮化硅；

4.根据权利要求1所述的基于微支撑结构的体声波滤波器，其特征在于，所述支撑层的材质为二氧化硅、氮化硅、碳化硅和金刚石中的一种或几种；

5.根据权利要求1所述的基于微支撑结构的体声波滤波器，其特征在于，所述底电极层的材质为钼、铜、铝、钛、银和钨中的一种或几种；

6.根据权利要求1所述的基于微支撑结构的体声波滤波器，其特征在于，所述压电层的材质为氮化铝、氧化锌、铌酸锂、钽酸锂和钛锆酸铅中的一种或几种；

7.根据权利要求1或6所述的基于微支撑结构的体声波滤波器，其特征在于，所述压电层的取向为压电材料压电系数最大方向的取向。

8.根据权利要求1所述的基于微支撑结构的体声波滤波器，其特征在于，所述顶电极的材质为铝、钼、钨、钛、银、金和铜中的一种或几种；

9.权利要求1～8任意一项所述基于微支撑结构的体声波滤波器的制备方法，包括以下步骤：

10.根据权利要求9所述的制备方法，其特征在于，所述图案化处理包括依次进行的光刻和刻蚀；

技术总结
本发明提供了一种基于微支撑结构的体声波滤波器，属于微波器件技术领域。本发明包括依次层叠设置的衬底晶圆、微支撑结构层、支撑层、底电极层和压电层，所述压电层的表面设置有若干个顶电极，所述顶电极的形状为不规则多边形；所述底电极层和顶电极的形状相同，极性相反；所述微支撑结构层内部具有若干个贯通微支撑结构层的中空区域，所述中空区域的位置与所述顶电极的投影位置一一对应，形状相同。本发明提供的基于微支撑结构的体声波滤波器保持了常规体声波滤波器原有的微波‑声波转换和微波信号选择特性，微支撑结构层、支撑层成型简单，易于制备，压电层及电极成形工艺与常规体声波滤波器相同，与大规模集成电路工艺兼容。

技术研发人员：郑天宁,高建峰,秦元龙,梁宇
受保护的技术使用者：河南超宽禁带半导体研究院有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/1/16