一种空腔型薄膜体声波谐振器封装结构及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种空腔型薄膜体声波谐振器封装结构及其制备方法，该结构包括：衬底、基板、压电振荡堆和金属键合层，所述压电振荡堆和金属键合层位于衬底与基板之间，且金属键合层绕设于压电振荡堆四周，是由设于衬底和基板上的金属柱交叉键合形成，在压电振荡堆与衬底之间具有第一空腔，是通过直接刻蚀或腐蚀衬底形成，在压电振荡堆与基板之间具有第二空腔，是通过释放牺牲层形成；所述压电振荡堆包括下电极、压电层和上电极。该结构由特定处理后的衬底部分及基板部分通过金属柱直接交叉键合，再释放牺牲层而制得，本发明专利技术的方法可以有效解决空气隙型体声波谐振器薄膜应力积累及质量差、器件易坍塌、工艺复杂等问题，可以提高器件性能和成品率。性能和成品率。性能和成品率。

【技术实现步骤摘要】
一种空腔型薄膜体声波谐振器封装结构及其制备方法


[0001]本专利技术属于MEMS器件
，涉及一种空腔型薄膜体声波谐振器(FBAR)封装结构及其制备方法。

技术介绍

[0002]随着移动通讯技术的快速发展，高频段谐振器和滤波器的市场需求越来越大。而薄膜体声波谐振器(FBAR)与传统的微波陶瓷谐振器和声表面波谐振器相比具有体积小、损耗低、品质因子高、功率容量大、谐振频率高等优点，因此在相关领域尤其是高频通讯方面有着广阔的应用前景，成为了产业界和学术界的研究热门。
[0003]现在主流的FBAR结构主要有三种：背刻蚀型、空气隙型和固态装配型。背刻蚀型结构采用体微机械加工技术从衬底表面反向刻蚀去除大部分衬底材料，形成压电震荡堆和空气的交界面，从而将声波限制在压电振荡内。衬底的大量移除势必影响器件机械强度，大大降低成品率。而固态装配型通过交替衬底高低声阻抗层来形成布拉格反射层实现声波限制。然而这种结构工艺过程中需制备多层薄膜，繁琐复杂，成本较高，而且布拉格反射层的声波限制效果不如空气，会导致器件性能差Q值低。空气隙型体声波谐振器基于表面微加工技术，通过在硅片的上表面通过先填充牺牲材料最后再移除之的方法形成一个空气隙以限制声波于压电震荡堆之内。这种结构不需要大量移除衬底造成器件牢固度下降，也不需要繁琐的工艺形成层层堆叠的声反射层就可以达到很好的声波限制效果，获得较高的Q值。目前Avago、富士通等多家公司的FBAR产品都采用了这种产品。
[0004]然而空气隙结构FBAR的生产工艺还面临两大主要技术挑战，必须得到突破：
[0005]1.传统的空气隙需要在衬底表面蚀刻凹槽来填充牺牲层材料，经化学机械抛光(CMP)去掉多余牺牲层后在其上沉积压电震荡堆。而抛光过程中难以避免会造成一些表面的凹陷，凸起或表面残留浆料，而且CMP过程存在应力积累，降低器件应力均匀性，可能在后续工艺中影响外延质量，甚至导致内部出现断裂，影响器件性能降低良率。
[0006]2.传统的空气隙结构中牺牲层在压电振荡堆的下方，需要通过腐蚀孔等从上往下腐蚀去除牺牲层材料，在此过程中产生的水汽会聚集在上方的压电振荡堆表面，容易导致牺牲层上的压电振荡堆发生塌陷，降低成品率。
[0007]为了避免CMP工艺带着的诸多问题，电子科技大学的杨杰等人提出一种空气隙型薄膜体声波谐振器制备方法：直接在平坦衬底表面沉积图形化的牺牲层然后在牺牲层表面增加缓冲层，压电振荡堆设置在缓冲层上，最后移除牺牲层使凸起的缓冲层和衬底之间形成空气隙。这种方法避开了CMP工艺，可以在一定程度上保证压电结构层的成膜质量，然而一方面缓冲层的加入会影响声波限制导致Q值降低，另外靠缓冲层支撑器件会使器件机械强度下降。为了提高器件的机械强度，天津理工大学的杨保和等提出在牺牲层上设置硬度高、绝缘性能好、耐腐蚀的金刚石薄膜作为支撑层。然而金刚石膜同样会影响声波限制，而且仍需进行CMP工艺，后续金刚石膜及压电振荡堆的薄膜质量都会比较差。
[0008]专利技术目的
[0009]本专利技术的目的在于针对现有技术的不足，提供一种空腔型薄膜体声波谐振器封装结构及其制备方法，该方法可以有效解决空气隙型体声波谐振器薄膜应力积累及质量差、器件易坍塌、工艺复杂等问题，可以提高器件性能和成品率。
[0010]本专利技术采用的技术方案如下：
[0011]一种空腔型薄膜体声波谐振器封装结构，包括：衬底、基板、压电振荡堆和金属键合层，所述压电振荡堆和金属键合层位于衬底与基板之间，且金属键合层绕设于压电振荡堆四周，是由设于衬底和基板上的金属柱交叉键合形成，在压电振荡堆与衬底之间具有第一空腔，所述第一空腔在衬底表面通过直接刻蚀或腐蚀衬底形成，在压电振荡堆与基板之间具有第二空腔，所述第二空腔是通过释放牺牲层形成的；所述压电振荡堆包括下电极、压电层和上电极。
[0012]上述技术方案中，进一步的，所述第一空腔的宽度小于所述的压电层的宽度，所述牺牲层的宽度大于所述压电层的宽度。
[0013]更进一步的，在所述第一空腔的边缘5-10μm处设置有支撑金属柱，用于在金属柱交叉键合后顶在压电振荡堆下方以支撑器件，此外，所述的上电极、下电极分别与不同的金属柱接触，且金属柱交叉键合后，上电极、下电极均可通过金属键合层引出，且二者经金属键合层传导的路径互不接触以避免短路。
[0014]进一步的，所述的第二空腔的高度为2-4μm。
[0015]进一步的，所述的第一空腔的截面为梯型、三角形、长方形、正方形的一种或其任意组合，高度为2-4μm。
[0016]进一步的，所述的金属键合层的高度为2-5μm。
[0017]上述的空腔型薄膜体声波谐振器封装结构的制备方法，包括：
[0018]在衬底表面制备第一空腔以及第一金属柱阵列；
[0019]在基板表面制备所述声波谐振器的薄膜结构层以及第二金属柱阵列；所述的薄膜结构层包括自下而上设置的牺牲层、下电极、压电层、上电极；
[0020]将所述基板倒置于所述衬底上，使得第一金属柱阵列和第二金属柱阵列交叉键合形成金属键合层，且所述第一空腔位于薄膜结构层下方；
[0021]去除牺牲层材料(通常在基板上开有用于释放牺牲层的孔)，获得空腔型薄膜体声波谐振器封装结构。
[0022]作为优选，所述衬底材料可以是玻璃，硅,碳化硅，氮化硅，陶瓷等中的一种或其任意组合；所述金属键合层材料可以是金,铂，铜,铝,银,钛,钨，镍，钼中的一种或其任意组合；所述基板材料可以是玻璃，硅,碳化硅，氮化硅，陶瓷等中的一种或其任意组合；所述压电层材料可以为氮化铝，掺杂氮化铝，氧化锌，镍酸锂，锆钛酸铅，铌酸锂、锆酸锂、钽酸锂、四硼酸锂、锗酸铋、硅酸铋、硫化镉、石英中的一种或几种的组合；所述上下电极材料可以为钼，金,铂，铜,铝,银,钛,钨，镍中的一种或其任意组合；所述牺牲层材料可以是氧化硅，氮化硅，有机物，磷酸玻璃，掺杂氧化硅等，通过湿法腐蚀或HF熏蒸的方式去除。
[0023]所述第一空腔可以采用等离子体刻蚀、湿法腐蚀等方法形成，第一空腔的横向宽度应小于器件层(通常为压电层)。
[0024]所述金属柱(包括支撑金属柱)可以通过金属剥离(lift-off)工艺，等离子体刻蚀，湿法腐蚀等方法形成。
[0025]通常，第一空腔的深度可以为2-4um，横向宽度可以为100-300um；所述压电层横向宽度为200um-400um。所述金属柱高度可以为2um-5um，横向宽度可以为10-30um，金属柱之间间隔可以为20-40um，且第一空腔边缘5-10um处设置有支撑金属柱，以便支撑压电振荡堆，起到固定器件，缓冲器件的作用。所述第二空腔通过移除牺牲层材料得到，深度可为2-4um，横向宽度可为230um-430um。
[0026]本专利技术提供的FBAR压电振荡堆上下电极均直接与空气接触，形成金属-空气交界面，可以达到良好的声波限制作用，通过金属键合形成机械强度高、不易坍塌的器件及封装结构。本专利技术首先解决了CMP工艺处理带来的弊端，提升本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种空腔型薄膜体声波谐振器封装结构，其特征在于，包括：衬底、基板、压电振荡堆和金属键合层，所述压电振荡堆和金属键合层位于衬底与基板之间，且金属键合层绕设于压电振荡堆四周，是由设于衬底和基板上的金属柱交叉键合形成，在压电振荡堆与衬底之间具有第一空腔，所述第一空腔在衬底表面通过直接刻蚀或腐蚀衬底形成，在压电振荡堆与基板之间具有第二空腔，所述第二空腔是通过释放牺牲层形成的；所述压电振荡堆包括下电极、压电层和上电极。2.根据权利要求1所述的空腔型薄膜体声波谐振器封装结构，其特征在于，所述第一空腔的宽度小于所述的压电层的宽度，所述牺牲层的宽度大于所述压电层的宽度。3.根据权利要求2所述的空腔型薄膜体声波谐振器封装结构，其特征在于，在所述第一空腔的边缘5-10μm处设置有支撑金属柱，用于在金属柱交叉键合后，顶在压电振荡堆下方以支撑器件，此外，所述的上电极、下电极分别与不同的金属柱接触，且金属柱交叉键合后，上电极、下电极均可通过金属键合层引出，...

【专利技术属性】
技术研发人员：董树荣，轩伟鹏，刘刚，张洪，金浩，骆季奎，
申请(专利权)人：浙江大学杭州国际科创中心，
类型：发明
国别省市：