一种高性能的高频薄膜机械波谐振器的制造方法技术

本发明专利技术公开了一种高性能的高频薄膜机械波谐振器的制造方法，包括以下步骤：S1、在衬底上的第一表面通过刻蚀形成凹槽结构，并在凹槽结构内沉积第一金属层；S2、在凹槽结构内第一金属层的上表面填充第一牺牲材料层，并将第一牺牲材料层抛光至与衬底的表面相齐平；S3、在第一牺牲材料层的上方沉积三明治结构，三明治结构包括自下而上依次设置的下电极、压电层和上电极；S4、将上电极连接至与下电极同一高度；S5、释放凹槽结构内的第一牺牲材料层，形成器件；S6、将盖帽层与器件进行键合，并布置信号管脚。本发明专利技术极大的减小了欧姆损耗，提升器件的Q值，同时增加器件的散热途径，使得器件能够满足大功率，高频、大带宽的应用中需求。大带宽的应用中需求。大带宽的应用中需求。

【技术实现步骤摘要】
一种高性能的高频薄膜机械波谐振器的制造方法


[0001]本专利技术涉及半导体器件的加工制造
，尤其涉及一种高性能的高频薄膜机械波谐振器的制造方法。

技术介绍

[0002]近些年来，通讯技术发展迅速，技术更新加速，尤其是5G频段的普及，射频前端需要的滤波器变得越来越多；以一个手机收发端为例，需要数十个滤波器才能保证信号的传送与接收。同时射频声波双工滤波器的在通讯市场占比飞速增长，包括声表面波(SAW)器件与薄膜体声波器件(FBAR)技术得到快速提升；通讯技术的发展对滤波器的要求也越来越高，大带宽、高功率和高频率的需求对声波器件提出了很大的挑战。不仅要求滤波器的低插损和高矩形系数性能，还对温度特性以及线性度等提出很高的要求。
[0003]薄膜体声波谐振器(FBAR)因其体积小、插入损耗低、带外抑制大、品质因数高、工作频率高、功率容量大以及抗静电冲击能力良好等特点，成为最适合5G应用的滤波器之一。薄膜体声波谐振器包括两个薄膜电极，并且两个薄膜电极之间设有压电薄膜层，其工作原理为利用压电薄膜层在交变电场下产生振动，该振动激励出沿压电薄膜层厚度方向传播的体声波，此声波传至上下电极与空气交界面被反射回来，进而在薄膜内部来回反射，形成震荡。当声波在压电薄膜层中传播正好是半波长的奇数倍时，形成驻波震荡。FBAR滤波器，采用MEMS工艺加工，利用压电特性，可实现低插损、高矩形系数的窄带器件。在一定频率下，谐振腔尺寸与谐振频率关系可近似为f＝v/2d。其中，v为波速，f为谐振频率，d为压电层厚度。对于FBAR器件，谐振频率越高，压电层的厚度越小，其电极的厚度也会越薄，相应的会增加欧姆损耗，降低FBAR谐振器的Qs，这也是目前5G高频FBAR器件普遍的问题；对于功率器件需求来说，高功率条件下损耗越大，同时面积越小的器件会发热严重，带来热应力问题使得器件工作受限；压电层厚度越薄，会给镀膜工艺带来挑战，因为常规的薄膜沉积，对于越薄的薄膜，很难保证薄膜的高质量，其机械结构稳定性也会降低；对于滤波器设计，压电层越薄，实现相同的等效阻抗需要的面积的更小，而在5G的频段，FBAR谐振面积会相对低频的时候更小，但是FBAR器件谐振区面积过小会带来一些问题，即Q值会相对的降低，因为此时谐振区边缘的低Q值区域相对占比增大，以及边缘衬底的寄生效应会增强和衬底泄露能量占比增加；在一定频率前提下，通常薄的压电层会需要更厚一点的电极层，这样会提升一点Qs，相应的会带来上述过薄压电层的风险，同时也会牺牲一些有效机电耦合系数；加厚压电层，会缓解一些问题，但是相应的更薄的电极会有更大的欧姆损耗；因此可以发现在低频阶段这种挑战难度较小，可以设计出优良的器件，但在5G甚至更高的频段状态下，压电层和电极的厚度组合需要折衷选择，因为互相的厚度占比选择总都会带来性能的损失。

技术实现思路

[0004]基于此，有必要针对上述技术问题，提供一种高性能的高频薄膜机械波谐振器的制造方法。
[0005]一种高性能的高频薄膜机械波谐振器的制造方法，包括以下步骤：
[0006]S1、在衬底上的第一表面通过刻蚀形成凹槽结构，并在所述凹槽结构内沉积第一金属层；
[0007]S2、在所述凹槽结构内所述第一金属层的上表面填充第一牺牲材料层，并将所述第一牺牲材料层抛光至与所述衬底的表面相齐平；
[0008]S3、在所述第一牺牲材料层的上方沉积三明治结构，所述三明治结构包括自下而上依次设置的下电极、压电层和上电极；
[0009]S4、将所述上电极连接至与下电极同一高度；
[0010]S5、释放所述凹槽结构内的第一牺牲材料层，形成器件；
[0011]S6、将盖帽层与器件进行键合，并布置信号管脚。
[0012]在其中一个实施例中，所述步骤S2中，所述第一牺牲材料层的材料包括磷硅玻璃、低温二氧化硅、硼磷硅玻璃、锗、碳、聚酰亚胺或光阻剂。
[0013]在其中一个实施例中，所述步骤S3包括：
[0014]S31、在所述衬底上沉积下电极，并使所述下电极位于所述第一牺牲材料层的上方；
[0015]S32、通过刻蚀的方法将所述下电极进行图形化，使所述下电极的边缘处与所述第一金属层的部分边缘选择性连接；
[0016]S33、在所述下电极上沉积压电层，并进行图形化；
[0017]S34、在所述压电层上沉积上电极，并进行图形化。
[0018]在其中一个实施例中，所述步骤S34之后还包括步骤：
[0019]S35、在所述上电极的区域边缘引出连接金属区域，所述连接金属区域位于谐振区以外；
[0020]S36、将所述压电层做相应的图形变化，用于支撑所述上电极引出的连接金属区域；
[0021]S37、对所述连接金属区域相对应的下电极进行刻蚀。
[0022]在其中一个实施例中，所述步骤S4包括：
[0023]S401、沉积第一连接金属，将所述上电极连接至与下电极同一高度；
[0024]S402、将所述第一连接金属图形化，保留连接处以及用于微封装区域的金属。
[0025]在其中一个实施例中，所述步骤S6包括：
[0026]S601、在盖帽层的上一侧沉积第二金属层；
[0027]S602、通过TSV技术将所述第二金属层连接至所述盖帽层的另一侧；
[0028]S603、将盖帽层与器件进行键合；
[0029]S604、在所述衬底上制备TSV通孔，在所述TSV通孔内沉积第二连接金属作为信号管脚连接。
[0030]在其中一个实施例中，所述步骤S4包括：
[0031]S411、将所述上电极的一端引出至与下电极的同平面；
[0032]S412、将所述上电极和下电极的信号引出端进行加厚；
[0033]S413、在所述上电极的上表面沉积第二牺牲材料层；
[0034]S414、通过抛光和刻蚀技术使所述第二牺牲材料层露出所述连接金属区域；
[0035]S415、在所述第二牺牲材料层上沉积第五金属并图形化；
[0036]S416、释放第二牺牲材料层。
[0037]在其中一个实施例中，所述步骤S6包括：
[0038]S611、在盖帽层上设置通孔；
[0039]S612、所述三明治结构通过第二连接金属穿过所述通孔作为信号管脚连接。
[0040]上述高性能的高频薄膜机械波谐振器，通过采用牺牲材料层技术和键合技术，相对的加厚了压电层，但同时使用中空的桥型的双层加厚电极，在不影响器件机械性能(声波谐振)前提下，极大的减小了欧姆损耗，提升器件的Q值，同时增加器件的散热途径，使得器件能够满足大功率，高频、大带宽的应用中需求。
附图说明
[0041]为了更清楚地说明本专利技术实施例中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本专利技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种高性能的高频薄膜机械波谐振器的制造方法，其特征在于，包括以下步骤：S1、在衬底上的第一表面通过刻蚀形成凹槽结构，并在所述凹槽结构内沉积第一金属层；S2、在所述凹槽结构内所述第一金属层的上表面填充第一牺牲材料层，并将所述第一牺牲材料层抛光至与所述衬底的表面相齐平；S3、在所述第一牺牲材料层的上方沉积三明治结构，所述三明治结构包括自下而上依次设置的下电极、压电层和上电极；S4、将所述上电极连接至与下电极同一高度；S5、释放所述凹槽结构内的第一牺牲材料层，形成器件；S6、将盖帽层与器件进行键合，并布置信号管脚。2.如权利要求1所述的高性能的高频薄膜机械波谐振器的制造方法，其特征在于，所述步骤S2中，所述第一牺牲材料层的材料包括磷硅玻璃、低温二氧化硅、硼磷硅玻璃、锗、碳、聚酰亚胺或光阻剂。3.如权利要求1或2所述的高性能的高频薄膜机械波谐振器的制造方法，其特征在于，所述步骤S3包括：S31、在所述衬底上沉积下电极，并使所述下电极位于所述第一牺牲材料层的上方；S32、通过刻蚀的方法将所述下电极进行图形化，使所述下电极的边缘处与所述第一金属层的部分边缘选择性连接；S33、在所述下电极上沉积压电层，并进行图形化；S34、在所述压电层上沉积上电极，并进行图形化。4.如权利要求3所述的高性能的高频薄膜机械波谐振器的制造方法，其特征在于，所述步骤S34之后还包括步骤：S35、在所述上电极的区域边缘引出连接金属区域，所述连接金属区域位于谐振区以外；S36、将所述压电层做...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈立均，赵佳豪，代文亮，吴浩昱，
申请(专利权)人：上海芯波电子科技有限公司，
类型：发明
国别省市：