具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明实施例，本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本发明实施例保护的范围。

本实施例提供一种薄膜体声波谐振器，请参阅图1，图1为该结构的结构示意图，具体包括：衬底层1、绝缘层2、第一温度补偿层31、第一电极4、压电层5、第二电极6和第二温度补偿层32。

衬底层1、绝缘层2、第一温度补偿层31、第一电极4、压电层5、第二电极6和第二温度补偿层32沿第一方向叠放设置，第一方向可以是自下而上的方向。

具体的，衬底层1通常采用半导体衬底基片，例如硅衬底基片、碳化硅衬底基片或氮化镓衬底基片。但本实施例不将薄膜体声波谐振器结构直接生长在衬底层1上，降低了薄膜体声波谐振器对衬底层1的高阻值要求，从而降低了整体成本。

具体的，绝缘层2为绝缘薄膜，可以采用二氧化硅材料、氮氧化硅材料或氮化硅材料，当然还可以采用这三种材料中的一种或多种的混合材料。绝缘层2的优选厚度可以在3微米至8微米范围内。

具体的，第一电极4为薄膜体声波谐振器的下电极，第二电极6为薄膜体声波谐振器的上电极，上电极和下电极的组成材料均可以选择钼金属(Mo)材料、铂金属(Pt)材料、钌金属(Ru)材料、金金属(Au)材料、银金属(Ag)材料或铜金属(Cu)材料，当然还可以选择这些金属材料中的一种或多种组成的合金材料。

具体的，压电层5的组成材料可以是氮化铝(AlN)材料、氮化铝钪(AlScN)材料、氧化锌(ZnO)材料、铌酸锂晶体(LiNbO₃)材料或钛锆酸铅(Pb(Zr_1-XTi_X)O₃)材料等具有压电特性的压电材料。当然，压电层5还可以在上述材料的基础上，再选择稀土元素和过度金属元素中的一种或多种元素进行掺杂，以改变压电层5的弹性模量，提高压电层5的谐振特性。第一电极4的厚度取值范围和所述第二电极6的厚度取值范围均为20纳米至800纳米。

具体的，第一温度补偿层31和第二温度补偿层32的组成材料均可选择二氧化硅材料、氮氧化硅材料或氮化硅材料，当然还可以采用这三种材料中的一种或多种的混合材料。第一温度补偿层31的优选厚度为50纳米至600纳米，第二温度补偿层32的优选厚度为50纳米至500纳米，其具体的厚度选择应当通过薄膜体声波谐振器的热力学机械特性仿真模拟优选获得。

第一温度补偿层31包括沿第一方向叠放设置的第一子层和第二子层；第二温度补偿层32包括沿第一方向叠放设置的第三子层和第四子层；第一子层的组成材料、第二子层的组成材料、第三子层的组成材料和第四子层的组成材料均包括二氧化硅、氮氧化硅和氮化硅中的一种或多种。

由于压电层5与薄膜体声波谐振器其它薄膜层的热膨胀系数不同，使得薄膜体声波谐振器在不同温度下产生应力变形，该畸变使得谐振器的谐振频率发生漂移。本实施例中的第一温度补偿层31和第二温度补偿层32具有压应力特性，能够平衡压电薄膜在温度差异变化中因应力而产生的畸变，对压电薄膜在温度影响下的形变产生抑制作用，同时又不影响压电薄膜的谐振品质特性，实现了对压电薄膜的温度补偿。

绝缘层2上设有沿第二方向凹陷的凹陷区域，形成空腔21结构；其中，第二方向与第一方向反向平行，可以为自上而下方向。该凹陷区域能够为压电层5的声学振动提供振动空间，避免影响压电层5的压电性能。

第二电极6包括若干个侧面；其中，至少一个侧面包括悬臂梁结构61、悬空梁结构62和高低跨梁结构63。悬臂梁结构61、悬空梁结构62和高低跨梁结构63均与压电层5之间设有间隙。

具体的，悬臂梁结构61包括悬臂和支柱，该支柱为第一电极一端紧贴在压电层上表面的部分，该悬臂的一端固定连接在支柱的上端。这样，悬臂下方的压电层上表面就直接暴露在空气中。

具体的，悬空梁结构62包括梁结构和两侧支柱，该两侧支柱均为第一电极中部相邻的紧贴在压电层上表面的部分，梁结构直接固定连接在两侧支柱上。这样，梁结构、两侧支柱和压电层的上表面就形成了空气间隙。

具体的，高低跨梁结构63中“高低”是指跨梁的两侧支撑结构的底部不位于同一水平面上，存在相对高度偏差。这样，跨梁、两侧支撑结构和压电层上表面就形成了L型的空气间隙。

声波从一种介质入射到另一种声阻抗不同的介质时，在两种介质的界面上将有反射现象和/或透射现象发生，反射率和透射率的大小与两种介质的声阻抗差异的大小有关，反射的角度、透射的角度与入射角度相关。2万赫兹以上的高频声波的反射具体与传播声波的两个介质的声阻抗有关系，如果两个介质声阻抗相同，则全部发生透射现象，如果第一介质和第二介质之间的声阻抗比例在1倍～20倍之间，则同时发生反射现象和透射现象，如果第一介质和第二介质之间的声阻抗比例在20倍以上,则发生全反射现象。

本实施例中，在第二电极6上设置了悬臂梁结构61、悬空梁结构62和高低跨梁结构63，使得压电谐振结构(压电层5和上下电极组成的堆叠结构)的上下方向和左右方向都形成部分的向空气或真空的暴露，而压电层5、第一电极4和第二电极6均为固体介质，其声阻抗相对于空气或真空相对较大，使得来自于压电层5的振动产生的声波在压电谐振结构周围发生全反射，减少了声波信号的向外损耗，从而有利于声波在压电谐振结构中更精准地形成机械谐振。

具体的，悬臂梁结构61和高低跨梁结构63分别位于压电层5的两侧；悬空梁结构62位于悬臂梁结构61和高低跨梁结构63之间。凹陷区域的水平位置位于压电层5和第一电极4在第三方向上的重叠区域内；其中，第三方向与第一方向垂直，可以是从左到右方向或从右自左方向。

本实施例的工作原理为：

当第一电极4和第二电极6被施加一定的电压时，压电层5由于逆压电效应产生机械形变，由于压电层5下方凹陷区域的存在，压电层5能够激励出声波振动信号，并在两电极平面之间来回反射，由于第二电极6的悬臂梁结构61、悬空梁结构62和高低跨梁结构63均与压电层5之间存在间隙，使得声波在传输到这些结构时能够发生全反射，减少了声波信号向外的损耗，从而让声波信号在压电层5和上下电极之间形成了精准的机械谐振，谐振的具体基频波长则与压电层5的厚度存在关系。

基于与方法同样的发明构思，本发明实施例还提供了一种如上文中任一所述薄膜体声波谐振器的制备方法，如图2所示为该方法实施例的流程图，该方法具体包括步骤1至步骤12。

步骤1，在衬底层1上制作绝缘层2。

具体的，如图3所述为本步骤的工艺示意图，在衬底层1上进行化学气相沉积(Chemical Vapor Deposition，PECVD)，制备出绝缘层2，之后对该绝缘层2的上表面进行化学机械抛光(Chemical Mechanical Polishing，CMP)。

步骤2，通过刻蚀工艺在所述绝缘层2上制作空腔21。

具体的，如图4所述为本步骤的工艺示意图，在该绝缘层2上刻蚀一个空腔21，这个空腔21的底部必须在衬底层1的上方，且这个空腔21的底部必须不能穿透绝缘层2，这个空腔21的垂直方向的深度，由具体的谐振器的设计来决定，可以设定在1微米至5微米。

步骤3，在所述空腔21中填充第一牺牲层7。

具体的，如图5所述为本步骤的工艺示意图，在该绝缘层2上生长第一牺牲层7薄膜，第一牺牲层7需要一定的厚度，不能太薄，至少要填充满绝缘层2上的空腔21并溢出，即第一牺牲层7的上表面在半导体基片上的最低处应该高于空腔21的开口处的水平面。第一牺牲层7的制备方法的选择范围比较大，可以选择化学气相沉积，物理气相沉积(PhysicalVapor Deposition，PVD)等多种类型的方法，只要达到设计要求即可。使用低压化学气相沉积(Low Pressure Chemical Vapor Deposition，LPCVD)或者等离子体增强化学气相沉积(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition，PECVD)的工艺来制备第一牺牲层7。

之后采用化学机械抛光工艺磨掉第一牺牲层7上表面多余的材料物质，使得空腔21的开口在水平方向暴露出来。该化学机械抛光工艺要求在空腔21的开口处进行极其精细的抛光，以使得空腔21的开口处露头的第一牺牲层7的上表面和绝缘层2的上表面达到工艺所能达到的最高平整度，为后续工艺奠定平整光滑的基底基础。

步骤4，在所述绝缘层2上制作第一温度补偿层31。

具体的，如图6所述为本步骤的工艺示意图，继续进行第一温度补偿层31的沉积，并进行化学机械抛光。第一温度补偿层31生长工艺优选离子增强化学气相沉积，且在薄膜生长结束后的化学机械抛光，要求达到最高工艺水平的精细抛光，以达到最高的平整度，为下一步制作谐振器的第一电极4做准备。

步骤5，在所述第一温度补偿层31上设置并图形化第一电极4。

具体的，如图7所述为本步骤的工艺示意图，第一电极4的制备通常使用磁控溅射(Sputtering)沉积AlN薄膜作为金属电极的晶格匹配层或机械支撑层，然后使用磁控溅射沉积金属薄膜，例如钼(Mo)，铂(Pt)，钌(Ru)，金(Au)，银(Ag)，铜(Cu)等材质的金属电极，包括但不限于这些金属材料中的一种或多种组合。该机械支撑层的厚度在20-800纳米之间进行优选，该金属电极的厚度在200-1200纳米之间进行优选。需要注意的是，金属电极的机械支撑层和金属电极，需要制备成为择优取向的准单晶，或柱状织构的近似单晶体，晶体压电层5的制备提供严格的晶格构造基础；同时，该第一电极4的上表面要进行平整化修整(trimming),以达到底电极薄膜(金属薄膜)的上表面的片内表面起伏至少小于5纳米，甚至要达到小于1纳米。如此高的表面均匀度要求薄膜沉积的底层有非常高的平整度，要求AlN机械支撑层和金属底电极薄膜的制备工艺对薄膜的厚度均匀性和表面平整性有严苛的控制，要求平整化修整工艺有良好的性能。通常的平整化修整工艺采用的是氩气等离子体的表面修饰工艺。

之后，在生长良好晶体特性和表面平整特性的机械支撑层和金属底电极薄膜上进行匀胶、曝光、显影、和反应等离子体刻蚀后，即形成第一电极4图案。

步骤6，在所述第一电极4上设置并图形化压电层5。

具体的，如图8所述为本步骤的工艺示意图，该压电层5薄膜可选AlN，AlScN,ZnO,LiNbO₃，Pb(Zr_1-XTi_X)O₃等压电材料制作晶体薄膜。制备c轴取向的AlN，或掺钪(Sc)的AlN即AlScN，是薄膜体声波谐振器的核心工艺。钪(Sc)或钇(Y)等稀土元素的掺入，使得AlN压电层5的弹性和谐振特性得到改善。

这里需要注意的是，压电层5应为择优取向的准单晶，或柱状织构的近似单晶体，或者就是制备最高水平的单晶晶体。同时，该压电层5薄膜的上表面必须要进行平整化修整，以达到压电层5薄膜的上表面的片内表面起伏至少小于5纳米，甚至要达到小于1纳米。极高的表面平整度的压电层5对薄膜体声波谐振器的谐振特性有最关键的提高。

在生长良好晶体特性和表面平整特性的压电层5薄膜上进行匀胶、曝光、显影、和反应等离子体刻蚀后，即形成压电层5图案，如图9所述为本步骤对压电层5图案化后的结构示意图。

步骤7，在所述压电层5上设置第二牺牲层8。

具体的，如图10所述为本步骤的工艺示意图，第二牺牲层8的厚度为500-3000纳米，其制备方法多为化学气相沉积，物理气相沉积。使用低压化学气相沉积或者等离子增强化学气相沉积的工艺来制备。

步骤8，通过刻蚀工艺将所述第二牺牲层8刻蚀为衬垫结构。

其中，如图11所述为本步骤的工艺示意图，所述衬垫结构包括悬空梁倒模结构82和高低跨梁倒模结构83。

具体的，在制备完好的第二牺牲层8上进行匀胶、曝光、显影、和反应等离子体刻蚀后，即形成衬垫结构，此时该衬垫结构包括悬臂梁倒模结构84、悬空梁倒模结构82和高低跨梁倒模结构83。

步骤9，在所述衬垫结构上设置并图像化第二电极6。

具体的，如图12所述为本步骤的工艺示意图，第二电极6的生成处理工艺与第一电极4类似，在此不予以赘述。

步骤10，在所述第二电极6上设置第二温度补偿层32。

具体的，如图13所述为本步骤的工艺示意图，第二温度补偿层32的生成处理工艺与第一温度补偿层31类似，在此不予以赘述。

步骤11，通过刻蚀工艺，对所述第二温度补偿层32和所述第二电极6进行图形化处理，制作所述第二电极6的接触窗口结构81和悬臂梁结构61。

具体的，如图14所述为本步骤的工艺示意图，组合使用匀胶、曝光、显影、和反应等离子体刻蚀等工艺，对第二温度补偿层32，和第二电极6金属薄膜进行图形化，形成了位于器件右侧的第二电极6与外界互联的的接触窗口结构81，并且形成器件的左侧的第一电极4与第二电极6金属薄膜的分离，以及器件左侧压电层5的左端部位的暴露出头，从而形成了第二电极6的悬臂梁结构61。

步骤12，释放所述第一牺牲层7和所述衬垫结构，形成所述第二电极6的悬臂梁结构61、悬空梁结构62和高低跨梁结构63与所述压电层5之间的空气间隙。

具体的，若第一牺牲层7的组成材料和衬垫结构的组成材料为非晶硅材料或多晶硅材料，则采用气态氟化氙释放第一牺牲层7和衬垫结构；若第一牺牲层7的组成材料和衬垫结构的组成材料为二氧化硅材料或掺磷二氧化硅材料，则采用气态氟化氢释放第一牺牲层7和衬垫结构。

具体的，在第二温度补偿层32生长结束后，继续生长负载层(Mass Loading)和钝化层(Passivation)。负载层通常选择与第二电极6相同的金属材料，钝化层通常选择AlN陶瓷材料。

之后再进行必要的工艺步骤，确保第一电极4、第二电极6与外界互连的窗口打开，确保第一电极4、第二电极6的分离，本实施例不涉及负载层和钝化层的设计与制作，在此不予以赘述。

本发明实施例中提供的技术方案，至少具有如下技术效果或优点：

本发明实施例将薄膜体声波谐振器设置在绝缘层上，降低了器件对衬底层的高阻特性要求，提高了薄膜体声波谐振器的电绝缘特性；本发明实施例在第二电极上的悬臂梁结构、悬空梁结构和高低跨梁结构与压电层之间存在空气间隙，能够有效反射回薄膜体产生的声波信号，减少了射频信号损失；另外本发明实施例还在第一电极和第二电极的一侧分别设置了具有压应力特性的第一温度补偿层和第二温度补偿层，来平衡压电薄膜在温度差异变化中因应力而产生的畸变，进行温度补偿，以此来提高薄膜体声波谐振器的频率稳定性，从而提高了薄膜体声波谐振器在不同应用场景的可靠性。

尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包括这些改动和变型在内。