[发明专利]一种柔性基底薄膜体声波谐振器以及形成方法

说明书

本发明提供一种柔性基底薄膜体声波谐振器以及形成方法，有助于提高器件的Q值，改善器件性能，并能降低器件加工制作的成本。本发明的柔性基底薄膜体声波谐振器包括：柔性基底、底部声反射层、以及谐振结构，其中：底部声反射层位于柔性基底之上；谐振结构位于底部声反射层之上。

技术领域

本发明涉及半导体技术领域，特别地涉及一种柔性基底薄膜体声波谐振器以及形成方法。

背景技术

压电体声波(Bulk Acoustic Wave，简称BAW)谐振器由于具有小型化和可集成化等许多独特的特性，使其具有广泛的应用范围。在通讯领域中，凭借其小体积、轻质量、宽频带、低插入损耗、陡滚降和高品质因子以及低功耗、低相位噪声等优势，利用压电薄膜在厚度方向的纵向谐振所制成的薄膜压电体声波谐振器已成熟应用于滤波器、双工器和振荡器等电路中，已经成为替代表面声波器件和石英晶体谐振器的一个可行性方案；另外，薄膜体声波谐振器具有质量吸附敏感效应，以薄膜体声波谐振器为敏感原件的薄膜体波传感器可用于生物、化学、医疗诊断、环境检测等领域中。

与此同时，柔性传感设备正成为研究热潮，已相继出现柔性基底上温度、湿度传感器，基于聚酰亚胺(Polyimide，简称PI)基底以表面声波(surface acoustic wave，简称SAW)滤波器为原理的无源无线传感器以及基于聚酰亚胺PI的不定型硅温度传感器等。与传统传感设备相比，柔性传感器具有质量轻、体积小、可弯曲、可拉伸、可贴合到某些不规则物体表面的特点。这些器件可以应用到智能手环/智能手表中，用于追踪日常健康和健身，可以贴于皮肤表面用于脉搏、心率检测、血压检测、局部温度检测、心电检测、血氧饱和度检测；也可以作为嵌入式传感器贴到飞机机翼表面，用于检测飞机在某些极端条件下的震动；还可以集成到衣服中，用于制作检测运动员运动特征信号的智能衣物。可以预见的是，柔性电子器件或系统将被广泛应用到物联网以及可穿戴电子设备中等。

薄膜压电体声波谐振器(Film Bulk Acoustic Resonator，简称FABR)，其特征是谐振器主体部分具有三明治结构，从下至上依次为第一电极、压电层和第二电极。通常将第一电极、压电层、第二电极在厚度方向上重叠的区域定义为谐振器的有效区域。第一电极和第二电极为激励电极，它们的作用是引起谐振器各层的机械震荡。当在电极之间施加一定频率的交变电压信号时，由于压电材料所具有的逆压电效应，有效区域内的上下电极之间会产生垂直方向传播的声波，声波在第二电极与空气的交界面和第一电极下的声反射结构之间来回反射并在一定频率下产生谐振。

Q值是谐振器一项重要参数，Q值为系统储存的总能量与每周期内谐振器通过各种途径损耗的能量的比值，其计算公式如下：

Q＝ωEtot/ΔE(1)

其中ω是角频率，Etot是系统储存的总能量，ΔE是每周期内谐振器通过各种途径损耗的能量。由公式(1)可知，谐振器的能量损耗越少，其Q值越高，谐振器的性能越好。对于薄膜体声波谐振器，其主要的能量损耗途径可以分为三类：电学损耗、声学损耗、声波泄露。其中，电学损耗主要由谐振器结构中的电极、导线、测试盘等电阻造成的；声学损耗是由声波在介质中传播时，材料阻尼导致部分机械能转化成热能而造成；声波泄露是指部分声波不能被局限于谐振器内，造成能量泄露，部分声波包括纵向声波、横向声波和声表面波泄露。

然而，对于在柔性基底上带有空气腔的薄膜体声波谐振器，其所面临的一个问题是：当器件处于高温环境时，由于器件谐振部分的第二电极101、压电层102、第一电极103与柔性基底105之间的热应力不匹配，导致器件的塌陷，从而与空腔接触；或者当器件处于过度弯曲时，也会导致器件的塌陷，从而与空腔接触。如图1所示，这样会使得声波通过接触部分泄露到基底之中，从而降低了声波在第一电极103与空腔104之间的反射能力，导致谐振器的Q值降低、性能下降。同时器件在加工的过程中，需要在柔性基底上通过倒模等类似的工艺方法加工空气腔，而且在器件转移的过程需要在显微镜下通过对准的方法将器件准确安放在空腔上方，使其加工制作过程相对复杂。