[发明专利]一种空腔型薄膜体声波谐振器封装结构及其制备方法

说明书

本发明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。

技术领域

本发明属于MEMS器件技术领域，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。

背景技术

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。

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。

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：

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。

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。

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。

发明目的

本发明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。

本发明采用的技术方案如下：