薄膜体声波滤波器及其封装方法技术

本发明专利技术揭示了一种薄膜体声波滤波器及其封装方法，所述滤波器包括硅衬底、沉积于硅衬底正面上的多层绝缘层、沉积于最顶层的绝缘层上的FBAR器件、背腔和至少两个导电柱，FBAR器件包括自绝缘层的顶面从下往上依次沉积的下电极、压电材料层和上电极；背腔自硅衬底的背面刻蚀至下电极形成，且背腔对应的位置为压电振荡有效区域，导电柱从硅衬底的背面引出上、下电极。本发明专利技术具有增加FBAR器件机械牢固性、提高FBAR器件性能、节约电极引出空间，可靠性更高、可以保护FBAR器件的压电振荡有效区域等优点。

Thin Film Bulk Acoustic Wave Filter and Its Packaging Method

The invention discloses a thin film bulk acoustic wave filter and its encapsulation method. The filter comprises a silicon substrate, a multilayer insulating layer deposited on the front of the silicon substrate, a FBAR device deposited on the top insulating layer, a back cavity and at least two conducting columns. The FBAR device comprises a lower electrode, a piezoelectric material layer and an upper electrode deposited from the top of the insulating layer from bottom to top in turn. The back surface of the silicon substrate is etched to the bottom electrode, and the corresponding position of the back cavity is the effective region of piezoelectric oscillation. The conductive column leads out the upper and lower electrodes from the back of the silicon substrate. The invention has the advantages of increasing the mechanical firmness of FBAR devices, improving the performance of FBAR devices, saving the space for lead-out of electrodes, higher reliability, and protecting the effective area of piezoelectric oscillation of FBAR devices.

【技术实现步骤摘要】
薄膜体声波滤波器及其封装方法
本专利技术涉及一种薄膜体声波滤波器，尤其涉及一种用于晶圆级封装的薄膜体声波滤波器的结构及其封装方法。
技术介绍
薄膜体声波谐振器(FilmBulkAcousticResonator，FBAR)作为MEMS(Micro-Electro-MechanicalSystem，微机电系统)器件的重要成员，正在通信领域发挥着重要作用，特别是FBAR滤波器，在射频滤波器领域市场占有份额越来越大。数据显示，近十年来成长最快的MEMS元件类型就是FBAR滤波器。FBAR滤波器由于具有尺寸小级，谐振频率高，品质因数高，功率容量大、滚降效应好等优良特性，正在逐步取代传统的表面声波滤波器(surfaceacousticwave，SAW)和陶瓷滤波器。FBAR主要由上下两层金属电极以及夹在中间的压电材料构成，通过施加射频电压在电极上，在压电材料中激励体声波从而完成谐振。在实际制作FBAR的过程中，需要考虑如何将体声波尽可能限制在压电振荡堆中，否则声波能量在电极外有较大泄露或损耗会导致机电耦合系数和品质因数下降，影响整个器件的谐振性能。拫据电磁场微波理论，当所接负载的阻抗为零或无限大时，传输状态将是纯驻波状态，也就是全反射状态，因此我们可以将压电振荡堆三明治结构的上下边界设计成声阻抗为零或无限大。为实现上述声阻抗的要求，典型的FBAR器件结构分为三种：第一种为背刻蚀FBAR结构，通过背腔刻蚀使器件的下电极与空气接触实现零声阻抗边界；第二种为空气隙型FBAR结构，通过牺牲层的刻蚀使压电振荡堆区域下方形成空气隙实现零声阻抗边界；第三种为布拉格型，通过在压电振荡堆区域下方形成交替堆叠的布拉格反射层实现成声阻抗为零或无限大。传统的背刻蚀FBAR结构从器件的背部开始刻蚀形成背腔，使器件悬空。在量产工艺时，硅晶圆背面大部分被去除，形成背腔阵列，在切割形成单个器件后，悬空的背面会造成器件很差的机械稳定性。一般为了增加机械牢固性，会在硅片表面生长一层薄的SiO2层作为支撑层，但是降低了器件的性能。传统的FBAR封装通常在正面键合盖帽晶圆片，形成盖帽腔室用以保护FBAR器件的压电振荡有效区域，再从盖帽片的通孔通过金属引线将FBAR器件的正负电极引出，采用金属引线的方式在封装时势必需要预留较大的引线区域，但是严重影响了FBAR器件的微型化，并且圆片键合工艺需要较高的温度，影响了材料选择的多样性，对FBAR器件的可靠性造成影响，且工艺复杂。
技术实现思路
本专利技术的主要目的在于提供一种薄膜体声波滤波器及其封装方法，进而克服现有技术中的缺陷。为实现上述目的，本专利技术提出如下技术方案：一种薄膜体声波滤波器，可以包括：硅衬底，其包括相对的正面和背面，多层绝缘层，沉积于所述硅衬底的正面上；FBAR器件，沉积于最顶层的所述绝缘层上，所述FBAR器件包括自绝缘层的顶面从下往上依次沉积的下电极、压电材料层和上电极；背腔，其自硅衬底的背面刻蚀至下电极形成，且所述背腔对应的位置为压电振荡有效区域；至少两个导电柱，所述导电柱从硅衬底的背面引出所述上电极和下电极。优选地，所述硅衬底的正面、除最顶层绝缘层外的其他每层绝缘层的上表面均形成凹凸不平的交齿面。优选地，所述下电极，沉积于最顶层的所述绝缘层上，所述下电极包括两者之间刻蚀断开的下电极主体部和下电极引出部；所述压电材料层，沉积于下电极上，且所述压电材料层对应所述下电极引出部的位置设置一第一凹槽；所述上电极，沉积于压电材料层上，且所述上电极通过第一凹槽延伸到所述下电极引出部，且与所述下电极引出部齐平。优选地，所述下电极，沉积于最顶层的所述绝缘层上，所述下电极包括两者之间刻蚀断开的下电极主体部和下电极引出部；所述压电材料层，沉积于下电极上，且所述压电材料层上刻蚀出环绕所述压电振荡有效区域一周的第二凹槽；所述上电极，沉积于压电材料层上，且所述上电极包括刻蚀断开的上电极主体部和上电极引出部，所述上电极引出部通过第二凹槽与下电极主体部连接，所述上电极主体部通过第二凹槽延伸到所述下电极引出部，且与所述下电极引出部齐平。优选地，所述滤波器还包括沉积于所述上电极上的布拉格反射层和沉积于所述布拉格反射层上的钝化层。优选地，所述上电极、布拉格反射层沉积时将所述第一凹槽或第二凹槽侧壁完全覆盖。优选地，所述钝化层的厚度为10μm-15μm。优选地，所述导电柱上设置有UBM层，将所述上电极和下电极引出，且所述UBM层上植有焊球。本专利技术还提供了另外一种技术方案：一种薄膜体声波滤波器的封装方法，包括：S1，在硅衬底的正面上沉积多层绝缘层；S2，在最顶层的所述绝缘层上沉积FBAR器件，所述FBAR器件包括自绝缘层的顶面从下往上依次沉积的下电极、压电材料层和上电极；S3，在硅衬底的背面进行减薄抛光后刻蚀背腔和通孔，所述背腔和通孔均自硅衬底的背面刻蚀至下电极形成，并在通孔内电镀形成导电柱，再在所述导电柱上制作UBM层，将上、下电极通过所述导电柱从硅衬底的背面引出。S4，最后在所述UBM层上植焊球，完成FBAR器件的封装。优选地，S1中，在沉积绝缘层之前，将硅衬底正面，以及，在沉积下一层绝缘层时将上一层绝缘层的上表面，均用等离子体进行轰击，刻蚀形成凹凸不平的交齿面。优选地，所述S2包括：S21，在最顶层的所述绝缘层上沉积下电极，并且形成下电极图形，同时将所述下电极刻蚀断开，形成下电极主体部和下电极引出部；S22，在所述下电极上沉积压电材料层，在所述压电材料层上对应所述下电极引出部的位置刻蚀处第一凹槽；S23，在所述压电材料层上沉积上电极，所述上电极通过第一凹槽延伸到所述下电极引出部，且与所述下电极引出部齐平。优选地，所述S2包括：S21，在最顶层的所述绝缘层上沉积下电极，并且形成下电极图形，同时将所述下电极刻蚀断开，形成下电极主体部和下电极引出部；S22，在所述下电极上沉积压电材料层，在所述压电材料层上刻蚀出环绕所述压电振荡有效区域一周的第二凹槽；S23，在所述压电材料层上沉积上电极，并对所述上电极进行图形刻蚀，将所述上电极刻蚀分为断开的上电极主体部和上电极引出部，所述上电极引出部通过第二凹槽与下电极主体部连接，所述上电极主体部通过第二凹槽延伸到所述下电极引出部，且与所述下电极引出部齐平。优选地，所述S3后还包括：在所述上电极上依次沉积布拉格反射层和钝化层。本专利技术的有益效果是：1、本专利技术的背刻蚀FBAR器件将压电振荡有效区域制作在多层绝缘支撑层之上，在多层绝缘层之间以及最底层的绝缘层和硅衬底之间，形成凹凸不平的交齿接触面，进一步增加了机械支撑的牢固性，为了不让绝缘层影响FBAR器件的性能，在刻蚀背腔时，同时将压电振荡有效区域的绝缘层刻蚀去除，使得压电振荡有效区域的下电极直接与零声阻抗的空气接触，而高阻抗的多层绝缘层可以有效防止谐振声波能量通过电极泄露到衬底。2、在电极引出方面，刻蚀出电极凹槽，使上下电极通过延伸位于同一水平面，并用等离子刻蚀方法形成通孔，将上下电极用导电铜柱的方式均从背面引出，导电铜柱的应用节约了引线键合需要的电极引出空间，散热性能也更好，可靠性更高。3、在器件正面和导电凹槽处都用布拉格反射层和钝化层覆盖，不仅保护FBAR器件的压电振荡有效区域而且避免了盖帽所需要的圆片键合工艺。该FBAR器件的压电振荡有效区域本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种薄膜体声波滤波器，其特征在于，包括：硅衬底，其包括相对的正面和背面，多层绝缘层，沉积于所述硅衬底的正面上；FBAR器件，沉积于最顶层的所述绝缘层上，所述FBAR器件包括自绝缘层的顶面从下往上依次沉积的下电极、压电材料层和上电极；背腔，其自硅衬底的背面刻蚀至下电极形成，且所述背腔对应的位置为压电振荡有效区域；至少两个导电柱，所述导电柱从硅衬底的背面引出所述上电极和下电极。

【技术特征摘要】
1.一种薄膜体声波滤波器，其特征在于，包括：硅衬底，其包括相对的正面和背面，多层绝缘层，沉积于所述硅衬底的正面上；FBAR器件，沉积于最顶层的所述绝缘层上，所述FBAR器件包括自绝缘层的顶面从下往上依次沉积的下电极、压电材料层和上电极；背腔，其自硅衬底的背面刻蚀至下电极形成，且所述背腔对应的位置为压电振荡有效区域；至少两个导电柱，所述导电柱从硅衬底的背面引出所述上电极和下电极。2.根据权利要求1所述的薄膜体声波滤波器，其特征在于，所述硅衬底的正面、除最顶层绝缘层外的其他每层绝缘层的上表面均形成凹凸不平的交齿面。3.根据权利要求1所述的薄膜体声波滤波器，其特征在于，所述下电极，沉积于最顶层的所述绝缘层上，所述下电极包括两者之间刻蚀断开的下电极主体部和下电极引出部；所述压电材料层，沉积于下电极上，且所述压电材料层对应所述下电极引出部的位置设置一第一凹槽；所述上电极，沉积于压电材料层上，且所述上电极通过第一凹槽延伸到所述下电极引出部，且与所述下电极引出部齐平。4.根据权利要求1所述的薄膜体声波滤波器，其特征在于，所述下电极，沉积于最顶层的所述绝缘层上，所述下电极包括两者之间刻蚀断开的下电极主体部和下电极引出部；所述压电材料层，沉积于下电极上，且所述压电材料层上刻蚀出环绕所述压电振荡有效区域一周的第二凹槽；所述上电极，沉积于压电材料层上，且所述上电极包括刻蚀断开的上电极主体部和上电极引出部，所述上电极引出部通过第二凹槽与下电极主体部连接，所述上电极主体部通过第二凹槽延伸到所述下电极引出部，且与所述下电极引出部齐平。5.根据权利要求3或4所述的薄膜体声波滤波器，其特征在于，所述滤波器还包括沉积于所述上电极上的布拉格反射层和沉积于所述布拉格反射层上的钝化层；和/或，所述上电极、布拉格反射层沉积时将所述第一凹槽或第二凹槽侧壁完全覆盖；和/或，所述钝化层的厚度为10μm-15μm；和/或，所述导电柱上还设置有UBM层，将所述上电极和下电极引出，且所述UBM层上植有焊球。6.一种薄膜...

【专利技术属性】
技术研发人员：范亚明，刘斌，朱璞成，刘芹篁，陈诗伟，黄蓉，
申请(专利权)人：中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所南昌研究院，
类型：发明
国别省市：江西,36