專利名稱：具有增強(qiáng)耦合的薄膜壓電陣列及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及到壓電諧振器特別是具有增強(qiáng)了的壓電耦合的薄膜壓電諧振器。
手持無(wú)線電中的一個(gè)最大的元件是RF濾波器。為了減小濾波器的尺寸，壓電諧振器被用作主要的濾波器元件的代替陶瓷濾波器。于是開(kāi)發(fā)了制作在半導(dǎo)體襯底之上的薄膜諧振器等等。這種諧振器通常是一個(gè)沉積在襯底表面上的金屬層、一個(gè)沉積在金屬層上的壓電材料層和一個(gè)沉積在壓電材料層表面上的第二金屬層。
如本技術(shù)領(lǐng)域熟練人員所知，通常希望制作具有適當(dāng)輸入阻抗的濾波器以防止不需要的信號(hào)經(jīng)由濾波器發(fā)生耦合。在薄膜壓電濾波器的情況下，阻抗主要取決于壓電諧振器或諸諧振器的阻抗水平。而且，各個(gè)壓電諧振器的阻抗水平主要決定于夾在二個(gè)電極之間的壓電材料層的表面總面積。這通常意味著線尺寸比諧振器厚度大得多的表面。
為使壓電諧振器恰當(dāng)而有效地工作，在工作頻率下必須具有大的壓電耦合常數(shù)?，F(xiàn)今在GHz范圍內(nèi)可用的材料包括氧化鋅(ZnO)和氮化鋁(AlN)。迄今，這些材料被用得最多因而工藝上也開(kāi)發(fā)得最成熟。通常，這些材料在薄膜壓電諧振器中呈現(xiàn)的耦合常數(shù)對(duì)于許多應(yīng)用來(lái)說(shuō)處于邊緣(即百分之幾的耦合常數(shù))。低的耦合系數(shù)直接表現(xiàn)為濾波器的帶寬只有用這些材料傳統(tǒng)地可實(shí)現(xiàn)值的2-3％。但若增大了耦合常數(shù)，就可大大簡(jiǎn)化濾波器設(shè)計(jì)和工藝要求。
據(jù)此，設(shè)計(jì)出一種克服了這些問(wèn)題的新的壓電諧振器當(dāng)是極為有利的。
本發(fā)明的目的是提供具有增強(qiáng)壓電耦合的新的改進(jìn)了的薄膜壓電諧振器。
本發(fā)明的另一目的是提供用于帶寬增大了的壓電BAW濾波器的具有增強(qiáng)壓電耦合的新的改進(jìn)了的薄膜壓電諧振器。
本發(fā)明的另一目的是提供用于帶寬增大了的壓電BAW濾波器的具有增強(qiáng)壓電耦合的新的改進(jìn)了的薄膜壓電諧振器，從而由于公差的放寬而降低制造成本。
本發(fā)明的另一目的是提供新的改進(jìn)了的薄膜墳電諧振器，其中的壓電耦合常數(shù)借助于減小剛度系數(shù)而得以增大。
本發(fā)明的另一目的是提供新的改進(jìn)了的薄膜壓電諧振器，其中可實(shí)現(xiàn)的帶寬是現(xiàn)有技術(shù)帶寬的二倍以上。
在一個(gè)制作在襯底上且并聯(lián)形成一個(gè)單一壓電諧振器的具有增強(qiáng)壓電耦合的薄膜壓電諧振器陣列中，上述的問(wèn)題等至少部分地解決了并實(shí)現(xiàn)了上述各目的。此陣列包括一個(gè)位于襯底上并確定第一電極的第一導(dǎo)電層、位于導(dǎo)電層上且各確定一個(gè)分隔的壓電諧振器的多個(gè)壓電材料柱、以及位于多個(gè)柱上且確定第二電極的一個(gè)第二導(dǎo)電層。各個(gè)柱可選擇性地沉積、或沉積成一層再腐蝕成柱。
參照附圖，其中各個(gè)圖中相似的參考號(hào)表示相似的元件。


圖1-4是根據(jù)本發(fā)明的具有增強(qiáng)壓電耦合的薄膜壓電諧振器陣列的簡(jiǎn)化剖面圖，示出了各個(gè)制造階段；圖5是圖4結(jié)構(gòu)的透視圖，示出了制造工藝的某些額外細(xì)節(jié)；圖6是根據(jù)本發(fā)明的具有增強(qiáng)壓電耦合的薄膜壓電諧振器陣列另一實(shí)施例的俯視平面圖，示出了另一制造工藝的第一步驟；以及圖7-10是圖6陣列的簡(jiǎn)化剖面圖，示出了制造工藝的各個(gè)階段。
現(xiàn)參照附圖，圖1-4是根據(jù)本發(fā)明的具有增強(qiáng)壓電耦合的薄膜壓電諧振器陣列的簡(jiǎn)化剖面圖，示出了各個(gè)制造階段。具體參照?qǐng)D1，支持襯底10具有一個(gè)平坦表面11。襯底10可由半導(dǎo)體片子之類的任何一種合適的材料或其部分來(lái)組成。
在襯底10的表面11上安置一個(gè)第一導(dǎo)電層13以便為陣列15中多個(gè)薄膜壓電諧振器的每一個(gè)確定一個(gè)第一電極14。應(yīng)該理解的是，在本具體實(shí)施例中，導(dǎo)電層13覆蓋了襯底10的表面11，致使第一電極14簡(jiǎn)單地就是層13內(nèi)的區(qū)域，但在某些具體應(yīng)用中，也可能希望在表面11上圖形化分立的電極并且用圖形化的引線之類來(lái)連接它們。倘若陣列15不是一個(gè)二維陣列而是取某種其它形式例如是一個(gè)壓電諧振器的細(xì)長(zhǎng)行，則更是如此。
多個(gè)壓電材料柱20位于導(dǎo)電層13上，使一個(gè)柱覆蓋一個(gè)指定的第一電極14，從而各確定一個(gè)分隔的壓電諧振器。雖然制作柱20有不同的工藝，但現(xiàn)只描述其中的某些工藝，用于本具體例子中的工藝是用任何合適的方法沉積一個(gè)壓電材料覆蓋層22并將層22圖形化為柱20。具體地說(shuō)，將光抗蝕劑層23圖形化于覆蓋層22的上表面上以覆蓋或確定柱20。然后腐蝕覆蓋層22并清除層23，如圖2所示。
在一個(gè)稍微不同的方法中，光抗蝕劑層可直接置于導(dǎo)電層13上，再圖形化以提供確定柱20的窗口。然后將壓電材料沉積在光抗蝕劑窗口中的導(dǎo)電層13上以形成柱，此后從各柱之間清除光抗蝕劑。當(dāng)然，此二個(gè)工藝中描述光抗蝕劑是因?yàn)樗菀资褂枚移毡閼?yīng)用于半導(dǎo)體工業(yè)中，但如果需要和方便，其它的材料也可以用于掩蔽目的。
現(xiàn)參照?qǐng)D3，用沉積一個(gè)某種可溶性材料層25的方法，將整個(gè)結(jié)構(gòu)整平，這種材料在柱20之間容易定位而且在后續(xù)操作中容易清除。供層25使用的合適的可溶材料仍然是光抗蝕劑或其它相似的可溶材料。層25被引入到柱20之間，然后腐蝕或局部清除以暴露各個(gè)柱20的上端，如圖3所示。此時(shí)，柱20的上端和層25的上表面形成一個(gè)公共平面。
第二導(dǎo)電層30位于此結(jié)構(gòu)的平坦表面上以使用各柱20的上表面相接觸并為陣列15中各個(gè)壓電諧振器確定一個(gè)第二電極31。在本具體實(shí)施例中，導(dǎo)電層30仍然覆蓋平坦的表面，以致第二電極31簡(jiǎn)單地是層30內(nèi)的區(qū)域，但在某些具體應(yīng)用中，可能希望在平坦表面上圖形化分立的電極且用圖形化的引線之類來(lái)連接它們。倘若陣列15不是二維陣列，而是取某種其它形式例如是一種壓電諧振器的細(xì)長(zhǎng)行時(shí)，則更是如此。
在某些例子中，特別是相當(dāng)大數(shù)量(例如數(shù)千個(gè))的壓電諧振器被制作在一個(gè)單一的二維陣列中時(shí)，溶劑可能難以從邊緣可靠地滲透到陣列的中心區(qū)內(nèi)。為了克服此問(wèn)題，如圖5所示，將某些柱20腐蝕掉。例如，在腐蝕壓電層22的過(guò)程中，借助于簡(jiǎn)單地制作腐蝕掩模以腐蝕通?？赡苄纬芍牡胤降目臻g及其周圍區(qū)域，就可以實(shí)現(xiàn)這一目的。估計(jì)在相對(duì)大的陣列中可清除大約1％的柱以增強(qiáng)可溶材料25爾后的清除。然后如圖5所示，在導(dǎo)電層30中失去了柱的位置處腐蝕通路窗口35。用這種方式，溶劑可通過(guò)通路窗口35以及沿陣列15的邊緣被引入，致使所有的層25都被可靠而有效地清除掉。
這樣就形成了小壓電諧振器的陣列15，其全部壓電諧振器都由第一和第二電極14和31并聯(lián)連接。由于每個(gè)柱20都沒(méi)有環(huán)繞的材料，當(dāng)它被壓縮時(shí)，各個(gè)柱20就能夠橫向膨脹。由于側(cè)面不再被箝制而是可以自由運(yùn)動(dòng)，故沿柱20的軸向的耦合常數(shù)大于現(xiàn)有技術(shù)的材料板。這一運(yùn)動(dòng)自由等效于降低了諧振器中壓電層的剛度，從而減小了剛度系數(shù)。減小壓電層的剛度系數(shù)大大改善了壓電諧振器的耦合常數(shù)。
在現(xiàn)有技術(shù)諧振器中，ZnO或AlN之類的壓電材料的壓電耦合常數(shù)為百分之幾，直接表現(xiàn)為2％-3％帶寬的壓電濾波器。通常，盡管較低的柱高度/直徑比對(duì)耦合常數(shù)的改善較小，但對(duì)于大于2的柱高度/直徑比，也可觀察到改善的耦合常數(shù)?，F(xiàn)今有興趣的頻率還要求壓電層22的厚度約為1μm。借助于根據(jù)本發(fā)明減小剛度系數(shù)和改善耦合常數(shù)，利用已知的ZnO或AlN之類的壓電材料由本新穎壓電諧振器或諸諧振器制作的壓電濾波器，其可實(shí)現(xiàn)的帶寬可增大至二倍以上。這種新穎的壓電諧振器和制造方法基本上免除了尋找具有更大電機(jī)械耦合系數(shù)的更新的薄膜材料的必要。
現(xiàn)參照?qǐng)D6和圖7-10，示出了根據(jù)本發(fā)明的具有增強(qiáng)壓電耦合的薄膜壓電諧振器陣列的另一實(shí)施例。具體參照6和7，分別示出了制造工藝中間步驟中薄膜壓電諧振器的俯視平面圖和簡(jiǎn)化剖面圖。在此實(shí)施例中，襯底40和導(dǎo)電層41的制作基本上如上所述。然后利用幾種工藝中的一個(gè)(其中特定的一個(gè)描述于下)，選擇性沉積一個(gè)壓電材料層以形成多個(gè)柱。
在本特例中，利用了在籽晶材料上濺射壓電材料(ZnO、AlN等)的熟知技術(shù)。濺射的材料相對(duì)于其賴以生長(zhǎng)的不同的籽晶材料而不同地沉積。例如，某些籽晶促0001使生長(zhǎng)且比其它籽晶材料更密排。于是，借助于選擇恰當(dāng)?shù)淖丫Р牧?5并且如圖6所示在表面上圖形化，就形成了濺射工藝的基礎(chǔ)。由于籽晶很薄，圖形化可用包括光刻等的任何一種熟知的工藝來(lái)完成。然后如圖8所示在包含籽晶45的結(jié)構(gòu)的表面上濺射一個(gè)很薄的覆蓋層46。覆蓋層46的堆積密度稍有變化，在圖形化的籽晶材料45上堆積較密。
如本技術(shù)領(lǐng)域熟練人員所知，濺射系統(tǒng)能夠?yàn)R射沉積，也能夠反過(guò)來(lái)濺射腐蝕。在本工藝中，一旦適當(dāng)?shù)爻练e了覆蓋層46，就將濺射系統(tǒng)反過(guò)來(lái)以清除籽晶層45圖形化部位之間的壓電材料。于是只保留覆蓋著籽晶材料45的那些部位的覆蓋層46，如圖9所示。借助于多次重復(fù)此過(guò)程，在圖形化的籽晶材料45上就建立起一個(gè)較厚的壓電材料層以形成確定分立壓電諧振器的分隔的柱。因此，用可反轉(zhuǎn)的沉積系統(tǒng)(它沉積出不相互觸及但緊密堆積在所需諧振器區(qū)域中的分立的壓電材料柱)就執(zhí)行了自圖形化工藝。
在ZnO的情況下，存在雜質(zhì)沾污的問(wèn)題，特別是當(dāng)采用引入或能夠引入各種雜質(zhì)的標(biāo)準(zhǔn)的圖形化和腐蝕工藝時(shí)。因此，上述的選擇性壓電薄膜沉積工藝免去了圖形化和腐蝕工藝從而避免了沾污問(wèn)題。在AlN的情況下，在材料覆蓋膜中有高的自建應(yīng)力而且由圖形化和腐蝕使應(yīng)力相繼釋放。借助于在諧振器區(qū)上的小島中選擇性地沉積AlN，避免了應(yīng)力的建立和后來(lái)的釋放，使薄膜質(zhì)量得到改善。
在本實(shí)施例中，在制作柱的同時(shí)，圍繞著諧振器陣列制作了一個(gè)保護(hù)環(huán)48。在柱和保護(hù)環(huán)48的上表面上以掠射角蒸發(fā)一個(gè)上電極即第二電極，以便將結(jié)構(gòu)密封并防止外來(lái)材料落入柱之間的空間。
據(jù)此，公開(kāi)了用于帶寬增大了的壓電BAW的具有增強(qiáng)壓電耦合的新的改進(jìn)了的薄膜壓電諧振器以及改進(jìn)了的制造工藝。利用這種改進(jìn)了的制造工藝，提供了制造成本由于公差的放寬而得以降低的改進(jìn)了的薄膜壓電諧振器。在新的改進(jìn)了的薄膜壓電諧振器中，由于剛度系數(shù)的降低而提高了壓電耦合常數(shù)，使可實(shí)現(xiàn)的帶寬增大到現(xiàn)有技術(shù)結(jié)構(gòu)帶寬的二倍以上。
雖然我們已示出并描述了本發(fā)明的具體實(shí)施例，但對(duì)于本技術(shù)領(lǐng)域熟練人員來(lái)說(shuō)，仍可進(jìn)行進(jìn)一步的修改和改進(jìn)。因此，我們希望人們理解本發(fā)明不局限于所示的特定形式而且所附權(quán)利要求覆蓋了不超越本發(fā)明構(gòu)思與范圍的所有修正。
權(quán)利要求
1.一種具有增強(qiáng)壓電耦合的薄膜壓電諧振器陣列，其特征是一個(gè)帶有一平坦表面的襯底；一個(gè)位于襯底表面上且確定第一電極的第一導(dǎo)電層；多個(gè)位于導(dǎo)電層上且各確定一個(gè)分隔的壓電諧振器的壓電材料柱；以及一個(gè)位于多個(gè)柱上且確定第二電極的第二導(dǎo)電層。
2.權(quán)利要求1所述的具有增強(qiáng)壓電耦合的薄膜壓電諧器陣列，其進(jìn)一步特征是各個(gè)柱的高度/直徑比大于2。
3.權(quán)利要求1所述的具有增強(qiáng)壓電耦合的薄膜壓電諧振器陣列，其進(jìn)一步特征是相鄰的柱至少分隔1μm。
4.一種制造具有增強(qiáng)壓電耦合的薄膜壓電諧振器陣列的方法， 其特征是下列步驟提供一個(gè)帶有一平坦表面的襯底；將第一導(dǎo)電層置于襯底表面上以確定第一電極；在第一導(dǎo)電層上制作多個(gè)壓電材料柱，使每個(gè)柱確定一個(gè)分隔的壓電諧器；以及將第二導(dǎo)電層裝置于多個(gè)柱上以確定第二電極。
5.權(quán)利要求4所述的制造具有增強(qiáng)壓電耦合的薄膜壓電諧振器陣列的方法，其進(jìn)一步特征是制作多個(gè)壓電材料柱的步驟包括在第一導(dǎo)電層上沉積一個(gè)壓電材料層、對(duì)壓電材料層進(jìn)行圖形化以及腐蝕壓電材料層以形成多個(gè)柱。
6.權(quán)利要求4所述的制造具有增強(qiáng)壓電耦合的薄膜壓電諧振器陣列的方法，其進(jìn)一步特征是制作多個(gè)壓電材料柱的步驟包括選擇性沉積一個(gè)壓電材料層以形成多個(gè)柱。
7.權(quán)利要求6所述的制造具有增強(qiáng)壓電耦合的薄膜壓電諧振器陣列的方法，其進(jìn)一步特征是制作多個(gè)壓電材料柱的步驟包括用可反轉(zhuǎn)的方法選擇性沉積一個(gè)壓電材料層。
8.權(quán)利要求7所述的制造具有增強(qiáng)壓電耦合的薄膜壓電諧振器陣列的方法，其進(jìn)一步特征是制作多個(gè)壓電材料柱的步驟包括在用可反轉(zhuǎn)的方法選擇性沉積壓電材料層之前，在第一導(dǎo)電層上沉積一個(gè)圖形化的籽晶層。
9.權(quán)利要求7所述的制造具有增強(qiáng)壓電耦合的薄膜壓電諧振器陣列的方法，其進(jìn)一步特征是用可反轉(zhuǎn)方法沉積壓電材料層的步驟包括交替地濺射沉積一個(gè)壓電材料層和濺射腐蝕不覆蓋圖形化籽晶層的壓電材料層部位。
10.權(quán)利要求4所述的制造具有增強(qiáng)壓電耦合的薄膜壓電諧振器陣列的方法，其進(jìn)一步特征是在多個(gè)柱上沉積第二導(dǎo)電層的步驟包括下列步驟用一個(gè)可溶材料層整平多個(gè)柱，在可溶材料層上沉積一個(gè)第二導(dǎo)電導(dǎo)，以及用溶劑溶解可溶層。
全文摘要
在襯底上制作一個(gè)薄膜壓電諧振器陣列而且并聯(lián)成一個(gè)具有增強(qiáng)壓電耦合的單一的壓電諧振器。此陣列包含一個(gè)位于襯底上且確定第一電極的第一導(dǎo)電層、多個(gè)位于導(dǎo)電層上且各確定一個(gè)分隔的壓電諧振器的壓電材料柱、以及一個(gè)位于多個(gè)柱上且確定第二電極的第二導(dǎo)電層。這些柱可選擇性沉積，或沉積成一個(gè)單一的層再腐蝕成柱。
文檔編號(hào)C23C14/08GK1148275SQ9611166
公開(kāi)日1997年4月23日 申請(qǐng)日期1996年8月12日 優(yōu)先權(quán)日1995年8月17日
發(fā)明者盧卡·曼, 森P·帕克, 迪安·巴克 申請(qǐng)人:摩托羅拉公司