專利名稱：電子部件及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及在例如濾波器和振蕩器的預(yù)定頻帶中使用的電子部件及其制造方法。更具體地，本發(fā)明涉及用作頻率濾波器(以下稱為“濾波器”)或振蕩器的電子部件及其制造方法，其中濾波器或振蕩器安裝在例如移動(dòng)電話或無鍵輸入設(shè)備等通信設(shè)備中。
背景技術(shù)：
隨著信息和電信設(shè)備(例如便攜式電話)朝向更高頻率及小型化發(fā)展，使用在這些設(shè)備中的電子部件(例如濾波器和振蕩器)也正朝向更高頻率和小型化發(fā)展。例如，如

圖11所示，正在使用其中采用了體聲波(BAW)諧振器的濾波器等。通常，使用壓電材料產(chǎn)生BAW，并且諧振器的諧振頻率由壓電材料的尺寸確定，例如由其厚度確定。壓電材料的例子包括壓電單晶，例如鉭酸鋰和鈮酸鋰；壓電陶瓷，例如PZT(鈦酸鋯酸鉛)；和壓電膜薄，例如ZnO(氧化鋅)和AlN(氮酸鋁)，但是壓電單晶和壓電薄膜最常使用在關(guān)于頻率精度具有嚴(yán)格技術(shù)要求的產(chǎn)品中，例如使用在移動(dòng)通信等中的那些產(chǎn)品。通常，當(dāng)使用的頻率范圍不大于幾百M(fèi)Hz時(shí)，使用壓電單晶，以及對于比幾百M(fèi)Hz大的頻率范圍，使用壓電薄膜。這是因?yàn)?，上述BAW諧振器的諧振頻率由元件的形狀確定。例如，BAW波模式(如使用在濾波器等中的厚度縱向振蕩和厚度剪切振蕩)的諧振頻率由壓電材料的厚度確定。因而，壓電材料的厚度的精度對應(yīng)于部件的頻率的精度，這樣，厚度調(diào)整是一項(xiàng)重要的問題。頻率調(diào)整(即板厚度)可以分成粗調(diào)和細(xì)調(diào)。粗調(diào)是通過使用對壓電單晶的研磨以及通過控制壓電薄膜的膜形成工藝來進(jìn)行的。細(xì)調(diào)是對粗調(diào)的補(bǔ)充，并且是提高部件性能和提高產(chǎn)量之必不可少的技術(shù)。此外，利用將在下面討論的壓電薄膜，通過在單一芯片上形成部件可以實(shí)現(xiàn)小型化，這對于在同一襯底上可以形成具有不同諧振頻率的多個(gè)諧振器也是一項(xiàng)重要的技術(shù)。最常用的細(xì)調(diào)方法是使用質(zhì)量負(fù)荷效應(yīng)的調(diào)整汽相淀積法。這是通過在激勵(lì)電極上淀積用于頻率偏移的另外的電極來進(jìn)行頻率調(diào)整的一種方法，其中BAW諧振器設(shè)置有該激勵(lì)電極。應(yīng)該指出，通過質(zhì)量負(fù)荷減小了諧振頻率。
此外，作為不同方法的例子，例如在JP2002-359539A中提出了一種方法。如圖18所示，電極202和壓電材料201設(shè)置在襯底206上。在與執(zhí)行彈性振蕩的壓電材料201的部分對應(yīng)的襯底206中提供腔。而且，存在兩個(gè)諧振器。在壓電材料201上，存在設(shè)置有表面電極205的諧振器和設(shè)置有表面電極203的諧振器。通過包括作為表面電極203一部分的氧化導(dǎo)體部分204，使表面電極的質(zhì)量增加，并減小了頻率。
作為提高頻率和進(jìn)行細(xì)調(diào)的方法的例子，已經(jīng)提出了如在JP200-359534A中的一種方法。這種方法如下其中通過如圖19所示進(jìn)行刻蝕，除去表面電極207的一部分，以便使其諧振頻率高于設(shè)置在表面電極209之一部分上的諧振器的諧振頻率。作為另一種方案，已經(jīng)提出了如在JP2002-335141A中的一種方法。這種方法如下其中如圖20所示，薄膜裝載層211設(shè)置在表面電極210上，然后刻蝕薄膜裝載層211，使得諧振器的諧振頻率變?yōu)樗Ｍ念l率。
然而，利用如使用質(zhì)量負(fù)荷的調(diào)整汽相淀積法或根據(jù)JP2002-359339A的方法，只能在向下方向調(diào)整頻率。此外，利用根據(jù)JP2002-359339A的方法，通過氧化增加了表面電極的電阻，并且諧振器特性退化，例如頻率銳度Q值。作為降低這種特性退化的方法，可獲得一種減小氧化層的厚度的方法，但是這涉及使頻率調(diào)整寬度變窄。此外，還有一種方法，其中增加了表面電極203的厚度，使得氧化層204的相對厚度減小，但是這減小了設(shè)計(jì)的自由度，因?yàn)楸砻骐姌O203是一項(xiàng)重要的設(shè)計(jì)參數(shù)。此外，這產(chǎn)生了如機(jī)電耦合系數(shù)等參數(shù)之引人注意的波動(dòng)的問題。
利用根據(jù)JP2002-359334A的方法，其中在向上方向上調(diào)整頻率，通過減小表面電極207的厚度增加了表面電極207的電阻，因此損害了Q值。此外，還產(chǎn)生由于刻蝕而在表面電極207的一部分中產(chǎn)生改性層(modified layer)以及類似地提高電阻的問題，因此損害了Q值。另外，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，還產(chǎn)生在電極的激勵(lì)部分的部分上進(jìn)行刻蝕時(shí)趨于產(chǎn)生不希望振蕩的亂真信號(hào)的問題。
利用根據(jù)JP2002-335141A的方法，需要設(shè)置表面裝載層211的工藝，因此導(dǎo)致成本增加。由于表面裝載層211設(shè)置在表面層電極210上(表面層電極210是激勵(lì)電極)，所以產(chǎn)生的問題是更容易產(chǎn)生亂真信號(hào)。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明的一種電子部件，包括襯底；由襯底直接或間接支撐的壓電材料層；第一電極，設(shè)置在襯底的相反側(cè)上的壓電材料層的表面上；以及第二電極，設(shè)置在襯底側(cè)上的壓電材料層的表面上。壓電材料層被夾在第一電極和第二電極之間。第一電極的表面面積小于壓電材料層的表面。從第一電極露出壓電材料層的部分包括比第一電極和第二電極之間的壓電材料層的厚度薄的部分。
根據(jù)本發(fā)明的制造電子部件的方法，包括第一步驟，在襯底上直接或間接設(shè)置第二電極；第二步驟，在第二電極上、或在襯底上設(shè)置壓電材料層，或者使壓電材料層在第二電極和襯底上延伸；第三步驟，在壓電材料層上的預(yù)定區(qū)域上設(shè)置第一電極，該第一電極的表面面積小于壓電材料層的表面面積；和第四步驟，刻蝕從第一電極露出壓電材料層的部分的厚度，使其比第一電極和第二電極之間的壓電材料層的厚度薄。
附圖簡述圖1是根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例1的電子部件中的諧振器的橫截面圖。
圖2是根據(jù)實(shí)施例1的電子部件中的諧振器的橫截面圖(用于示出各個(gè)區(qū)域)。
圖3A-3F是用于制造根據(jù)實(shí)施例1的電子部件的方法的工藝過程圖。
圖4是根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例2的電子部件中的諧振器的橫截面圖。
圖5是根據(jù)實(shí)施例2的電子部件中的諧振器的橫截面圖(用于示出各個(gè)區(qū)域)。
圖6A和6B是表示根據(jù)實(shí)施例1的電子部件的制造方法的示意圖。
圖7是根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例4的電子部件的橫截面圖。
圖8A-8F是用于制造根據(jù)實(shí)施例4的電子部件的方法的工藝過程圖。
圖9是根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例5的電子部件的橫截面圖。
圖10A-10F是用于描述同一電子部件的制造方法的示意圖。
圖11是用于表示常規(guī)對比例子的示意圖。
圖12是表示用于制造根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例3的電子部件的方法的示意圖。
圖13是根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例1的電子部件中的諧振器的橫截面圖。
圖14是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例1的電子部件中的另一諧振器的橫截面圖。
圖15是用于描述根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例4的電子部件的示意圖。
圖16是用于描述根據(jù)實(shí)施例4的電子部件的示意圖。
圖17是根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例6的電子部件的示意圖。
圖18是用于描述電子部件的常規(guī)例子中的諧振器的示意圖。
圖19是用于描述電子部件的常規(guī)例子中的諧振器的示意圖。
圖20是用于描述電子部件的常規(guī)例子中的諧振器的示意圖。
具體實(shí)施例方式
根據(jù)本發(fā)明的電子部件具有夾在表面?zhèn)鹊牡谝浑姌O和襯底側(cè)的第二電極之間的壓電材料層。第一電極的表面面積小于壓電材料層的表面面積。此外，在從第一電極露出壓電材料層的區(qū)域中，存在比第一電極和第二電極之間的壓電材料層的厚度薄的區(qū)域。這樣，例如，可構(gòu)造具有比原始諧振高的頻率的諧振器，并且可以構(gòu)造一種電子部件，其中容易調(diào)整諧振器的諧振頻率，提高電子部件的產(chǎn)量，以及包括不同頻率的多個(gè)諧振器。
下面定義本發(fā)明所涉及的術(shù)語。
在本發(fā)明中，“電子部件”指的是由多個(gè)諧振器構(gòu)成的濾波器或共享設(shè)備或類似部件。
“壓電材料”指的是在電能和機(jī)械能之間進(jìn)行轉(zhuǎn)換的材料。
“壓電材料區(qū)域”指的是參與壓電材料之振蕩的區(qū)域。
“諧振器”指的是由上、下電極和壓電材料構(gòu)成的振蕩元件或類似元件。
“不使用能量陷阱效應(yīng)的諧振器”指的是其中位移分配廣泛地分布在表面上的諧振器或類似部件。
“壓電材料厚度縱向振蕩”指的是在壓電材料的厚度方向產(chǎn)生位移的振蕩。
優(yōu)選地，由電子部件可以使用的諧振頻率在幾十MHz到幾十GHz的范圍內(nèi)。
“階梯型濾波器”指的是通過利用串聯(lián)分支和并聯(lián)分支連接多個(gè)諧振器構(gòu)成的濾波器。
“Q值”指的是諧振器的特性參數(shù)并且是表示諧振銳度的指標(biāo)值。
根據(jù)本發(fā)明一個(gè)例子的電子部件，至少包括第一壓電材料區(qū)域，其中壓電材料層不由襯底支撐；和第二壓電材料區(qū)域，其中壓電材料層不由襯底支撐，但不包括第一壓電材料區(qū)域；并包括至少一個(gè)壓電諧振器，其中第二壓電材料區(qū)域的一部分或所有部分比第一壓電材料區(qū)域薄。
優(yōu)選地，第二壓電材料區(qū)域的一部分具有與第一壓電材料區(qū)域相同的厚度。這樣，比第一壓電材料區(qū)域薄的第二壓電材料區(qū)域的表面面積可以做得較小，從而能夠使使頻率調(diào)整量較小。因而，可以實(shí)現(xiàn)頻率的細(xì)調(diào)，并且作為結(jié)果，除了基于使第二壓電材料區(qū)域變薄來進(jìn)行調(diào)整之外，還可以實(shí)現(xiàn)基于使表面面積變得較小的調(diào)整，因此能夠以較小的寬度進(jìn)行頻率調(diào)整。此外，通過在襯底和壓電材料層的邊界處或者在襯底和壓電材料層的邊界的外側(cè)上設(shè)置具有與第一壓電材料區(qū)域相同厚度的第二壓電材料區(qū)域，提高了在該邊界部分的壓電材料層的破裂強(qiáng)度，并且減少了在下落測試等中的部件破壞。
優(yōu)選地，電子部件由不同諧振頻率的至少兩個(gè)諧振器構(gòu)成。這能夠?qū)崿F(xiàn)由多個(gè)諧振器構(gòu)成的電子部件的結(jié)構(gòu)，例如，可以構(gòu)成階梯型濾波器。
優(yōu)選地，第二壓電材料區(qū)域的厚度對于所有諧振器都是相同的。這減少了彈性、非連續(xù)表面和提高了電子部件的Q值。
優(yōu)選地，該電子部件包括多個(gè)諧振器，該多個(gè)諧振器具有第二壓電材料區(qū)域的不同厚度。這能夠?qū)崿F(xiàn)了由多個(gè)諧振器構(gòu)成的電子部件的結(jié)構(gòu)，例如，可以構(gòu)成階梯型濾波器。
優(yōu)選地，該電子部件包括多個(gè)諧振器，該多個(gè)諧振器具有第一壓電材料區(qū)域的不同表面面積。這能夠?qū)崿F(xiàn)了由多個(gè)諧振器構(gòu)成的電子部件的結(jié)構(gòu)，例如，可以構(gòu)成階梯型濾波器。
優(yōu)選地，壓電材料是氮化鋁。這能夠?qū)崿F(xiàn)了具有有利特性的電子部件的結(jié)構(gòu)。而且，與其它材料相比，可實(shí)現(xiàn)頻率調(diào)整的更好結(jié)果。
優(yōu)選地，襯底由硅構(gòu)成。這能夠使高精度處理容易實(shí)現(xiàn)，例如干刻蝕和濕刻蝕，并且能夠?qū)崿F(xiàn)低成本、高性能部件。當(dāng)使用硅制成襯底時(shí)，優(yōu)選地，在第二電極和襯底之間提供由氧化硅、氮化硅、或AlN或類似材料構(gòu)成的絕緣層。
優(yōu)選地，第一電極和第二電極由選自包括金、鉬、鉭、鈀、鉑、鈦和鎢的組中的至少一種材料制成。當(dāng)鉬用作基電極時(shí)，利用例如氮化鋁的壓電材料可以實(shí)現(xiàn)良好的薄膜特性。此外，通過使用金、鉬、鉭、鈀、鉑、鈦、或鎢中的任何一種，當(dāng)構(gòu)成部件時(shí)，具有化學(xué)穩(wěn)定性和優(yōu)異的耐環(huán)境特性(例如在高溫和高濕度下)。
優(yōu)選地，諧振器不使用能量陷阱效應(yīng)。理想地，當(dāng)使用能量陷阱效應(yīng)時(shí)，幾乎不具有本發(fā)明的效果。例如，當(dāng)使用涉及晶體厚度剪切限制的振蕩構(gòu)成根據(jù)本發(fā)明的電子部件時(shí)，頻率調(diào)整的量太小，以至于不適合實(shí)際使用。
優(yōu)選地，諧振器的振蕩模式是厚度縱向振蕩。優(yōu)選地，當(dāng)試圖實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的最大效果時(shí)，采用這種振蕩模式。
此外，可以采用其中襯底不包括振蕩空間的電子部件諧振器，并且其中構(gòu)成聲學(xué)反射鏡的多層無機(jī)物質(zhì)膜位于襯底和第二電極之間。
優(yōu)選地，從第一電極露出壓電材料層的部分的厚度比第一電極和第二電極之間的壓電材料層的厚度薄至少10nm到至多400nm。
此外，具有從第一電極露出壓電材料層的部分的薄厚度的部分可具有階梯形狀或者可以是錐形。階梯形狀可以通過干刻蝕形成，錐形可以通過濕刻蝕形成。
在根據(jù)本發(fā)明的電子部件的制造方法中，優(yōu)選地，第四步驟包括掩蔽沒有被刻蝕的部分的步驟。這可減小所希望部分中的第二壓電材料區(qū)域的厚度。
在第四步驟中，優(yōu)選地，刻蝕第二壓電材料區(qū)域的一部分。這可減小所希望部分中的第二壓電材料區(qū)域的厚度。
此外，對于包括至少兩個(gè)諧振器的電子部件，優(yōu)選地，在第三步驟之后，包括掩蔽預(yù)定諧振器的壓電材料層的一部分的步驟。這可減小預(yù)定諧振器的第二電壓電材料區(qū)域的一部分或所有的厚度。
優(yōu)選地，第四步驟是干刻蝕。這能夠?qū)崿F(xiàn)高精度處理和可以實(shí)現(xiàn)精細(xì)的頻率調(diào)整。
優(yōu)選地，在第三步驟和第四步驟中進(jìn)行刻蝕，并且使用相同的刻蝕掩模。這可省略掩蔽步驟，實(shí)現(xiàn)了工藝簡化和降低了制造成本。
第三步驟可包括通過轉(zhuǎn)寫或刻蝕形成第一電極。
優(yōu)選地，在第二步驟之后，包括測量壓電材料層的厚度的步驟。這樣，可以預(yù)先知道諧振器之未調(diào)整的特性，由此提供可確定在第四步驟中的刻蝕量的基礎(chǔ)。從而，與不包括這個(gè)步驟的情況相比，更容易實(shí)現(xiàn)接近技術(shù)要求的部件性能，從而能夠在制造該部件中提高產(chǎn)量。
優(yōu)選地，在第四步驟之后，包括測量諧振器的諧振頻率的測試步驟。這使頻率調(diào)整諧振器的頻率能夠被預(yù)先知道，并且可以判斷在這個(gè)階段不滿足技術(shù)要求的部件是有缺陷的。還可以進(jìn)行進(jìn)一步執(zhí)行刻蝕和頻率調(diào)整，直到部件滿足技術(shù)要求為止。還可以通過質(zhì)量添加進(jìn)行附加的重新調(diào)整。此外，當(dāng)判斷部件有缺陷時(shí)，不必進(jìn)行組裝工藝，例如封裝，這樣，與在部件制造完成之后確定部件缺陷的情況相比，能夠減小制造成本。
此外，優(yōu)選地，包括基于質(zhì)量負(fù)荷的頻率調(diào)整的步驟。這能夠?qū)崿F(xiàn)基于頻率減少的頻率調(diào)整，并且與本發(fā)明結(jié)合，能夠?qū)崿F(xiàn)向上和向下兩個(gè)方向的頻率調(diào)整。
在本發(fā)明中，例如，AlN、ZnO、KNbO3、LiTaO3、LiNbO3、PZT(鈦酸鋯酸鉛)等可用作壓電材料層。包括上、下電極的厚度的總厚度設(shè)定為1/2λ。上、下電極使用例如Mo、W、Al、或Au等。襯底例如使用Si、玻璃、或藍(lán)寶石等，厚度設(shè)定為100μm到150μm。
應(yīng)當(dāng)注意，在本發(fā)明中，第一電極和第二電極可以與壓電材料直接接觸，或者通過一絕緣材料與壓電材料接觸，例如SiO2。如果第一和第二電極通過絕緣材料與壓電材料接觸，那么可以更好地消除亂真頻率，以及改善粘合強(qiáng)度。此外，電極可以由單個(gè)層構(gòu)成，或者層疊作為多層電極。用于電極的材料可以是金屬單體或者合金。
利用本發(fā)明，可以構(gòu)成具有比其原始諧振高的頻率的諧振器。此外，很容易實(shí)現(xiàn)諧振器的諧振頻率的調(diào)整，這樣能夠提高部件的產(chǎn)量?？梢詷?gòu)成包括不同頻率的多個(gè)諧振器的電子部件，這樣能夠簡化制造方法以及降低成本。
下面參照附圖介紹本發(fā)明的實(shí)施例。
實(shí)施例1使用圖1、圖2以及圖3A-3F介紹本發(fā)明的第一實(shí)施例。圖1和圖2是根據(jù)本實(shí)施例的電子部件的諧振部件的橫截面圖。如這些圖所示，電子部件可由單一諧振器構(gòu)成，或者由多個(gè)諧振器之集合構(gòu)成。圖3A-3F示出了電子部件的制造方法。
首先，介紹本實(shí)施例的結(jié)構(gòu)。參考數(shù)字101表示襯底，例如，硅襯底。參考數(shù)字102表示壓電材料層，例如氮化鋁薄膜。參考數(shù)字103表示用于激勵(lì)的第一電極，該第一電極給壓電材料層102施加電場，以實(shí)現(xiàn)彈性振蕩。參考數(shù)字104表示設(shè)置在與第一電極103相對位置上的第二電極。例如，在本實(shí)施例中，鉬用作這兩個(gè)電極的電極材料。諧振器110由上述元件構(gòu)成。應(yīng)該指出，實(shí)際電子部件可被配置具有單一諧振器110或多個(gè)諧振器110之集合。
接著，根據(jù)本實(shí)施例的諧振器是一壓電諧振器，其振蕩模式是厚度縱向振蕩。厚度縱向振蕩是如下振蕩模式其中在平行于施加的電場的方向進(jìn)行延伸/收縮彈性振蕩。在本實(shí)施例中，壓電材料層102由于施加在第一電極103和第二電極104之間的電場而延伸和收縮。振蕩的頻率由壓電材料層102的厚度確定。應(yīng)該指出，在本實(shí)施例中，第一電極103例如由鉬構(gòu)成并具有0.4μm的厚度，而且第二電極104也由鉬構(gòu)成并具有0.4μm的厚度。壓電材料層102由氮化鋁構(gòu)成并夾在第一電極103和第二電極104之間且厚度為1μm。壓電材料層102在第一電極103周圍由于刻蝕而具有0.5μm的減小的深度。此外，第一電極103具有120μm×120μm的尺寸，壓電材料層102之不被襯底101支撐的部分的尺寸為160μm×160μm。
接著，使用圖2介紹本實(shí)施例的特性。在圖2中，參考數(shù)字105表示振蕩空間，它是設(shè)置成不妨礙壓電材料層102的彈性振蕩的空間。參考數(shù)字106-108表示壓電材料層102的區(qū)域。參考數(shù)字106表示第一壓電材料層區(qū)域，這是被夾在第一電極103和第二電極104之間的壓電材料層的區(qū)域。施加于第一電極103和第二電極104的大部分電場集中在第一壓電材料層區(qū)域106中。參考數(shù)字108表示被支撐的壓電材料區(qū)域，這是由襯底101支撐的壓電材料層102的區(qū)域。參考數(shù)字107表示壓電材料層102的其余部分。在本實(shí)施例中，第二壓電材料區(qū)域107比第一壓電材料區(qū)域106薄0.1μm。這樣，與如圖11所示的常規(guī)結(jié)構(gòu)相比，可以增加頻率。特別是，如本實(shí)施例中那樣，當(dāng)?shù)X用作壓電材料層102的材料和厚度縱向振蕩用作振蕩模式時(shí)，在第一壓電材料區(qū)域106中沒有能量陷阱，并且?guī)缀鯖]有第二壓電材料區(qū)域107的彈性振蕩的衰減。因而，相對于第二壓電材料區(qū)域107的刻蝕量的頻率變化系數(shù)可以做的比使用能量陷阱的結(jié)構(gòu)大。
相反，利用使用能量陷阱的器件結(jié)構(gòu)，例如，使用氧化鋅用作壓電材料層102的材料，存在第二壓電材料區(qū)域107的彈性振蕩的較大衰減并且頻率變化系數(shù)很小。為了使變化系數(shù)更大，必須減少陷阱程度，就是說，減少第一電極103的質(zhì)量。
接下來，使用圖3A-3F介紹根據(jù)本實(shí)施例的制造方法。首先，在第一步驟中，通過濺射法將第二電極104設(shè)置在硅襯底101上(圖3A)。這里省略了絕緣膜。應(yīng)該指出，其它方法如真空淀積和離子鍍也可用作形成電極的方法。而且還應(yīng)該指出，在本實(shí)施例中，第二電極由鉬構(gòu)成，并具有0.4μm的厚度。
接著，在第二步驟中，通過濺射法將壓電材料層102設(shè)置在第二電極104上(圖3B)。在本實(shí)施例中，壓電材料層由氮化鋁構(gòu)成并具有1μm的厚度。
如化學(xué)汽相淀積(CVD)的方法也可用作形成壓電材料層102的方法。然后，施加掩蔽材料109。掩蔽材料109例如是光刻膠，該光刻膠是通過旋涂、曝光和顯影而施加的，這樣被構(gòu)圖成預(yù)定形狀，如圖3C所示。接著，在第三步驟中，將第一電極103刻蝕成預(yù)定形狀。在本實(shí)施例中，使用干刻蝕進(jìn)行刻蝕，但是其它方法如濕刻蝕也可以采用(圖3D)。在這個(gè)階段，測量已經(jīng)引入的模型樣品的諧振頻率，并且在接下來的第四步驟中確定壓電材料層102的刻蝕量。接著，如圖3E所示，使用掩蔽材料110將其構(gòu)圖成預(yù)定形狀。接著，在第四步驟中，將壓電材料層102刻蝕預(yù)定量，并且使諧振頻率增加預(yù)定量。應(yīng)該指出，這里也可以使用干刻蝕進(jìn)行刻蝕，但是也可以使用其它方法。最后，在第五步驟中，刻蝕襯底101并提供振蕩空間105(圖3F)。在本實(shí)施例中，干刻蝕用作刻蝕方法，但是也可以使用其它方法如濕刻蝕。此外，形成振蕩空間115，使得襯底101完全中空，但是也可以是封閉間隙型的振蕩空間115，其中刻蝕了一部分襯底101，如圖13所示。振蕩空間115具有大約2μm的厚度。為了形成振蕩空間115，可以通過預(yù)先研磨硅襯底的表面而形成空間，并且可以掩埋容易溶解的材料如PSG(磷硅酸鹽玻璃)，然后在形成諧振器之后可通過刻蝕除去該P(yáng)SG。
此外，如圖14所示，代替振蕩空間，可形成聲學(xué)反射鏡113。聲學(xué)反射鏡113是通過在硅襯底表面上疊加低阻抗層111a、111b和111c以及高阻抗層112a、112b和112c而制成的。材料如SiO2、Si3N4、和AlN可用于低阻抗層。如W和Mo等材料可用于高阻抗層。相應(yīng)的厚度相對于聲學(xué)速度應(yīng)當(dāng)設(shè)定為1/4λ，聲學(xué)速度是由材料確定的。
在圖3F中，示出了本實(shí)施例中的刻蝕后的錐形是垂直的(平行于厚度方向的方向)，但是也可以是不同的，這取決于刻蝕方法、使用的襯底類型和取向。例如，作為干刻蝕方法的一種類型的RIE(反應(yīng)離子刻蝕)是可以實(shí)現(xiàn)如本實(shí)施例的垂直錐形的方法的例子。此外，濕刻蝕的例子是各向異性刻蝕，其中硅的(110)面用作刻蝕表面(垂直于厚度方向的表面)，并且氫氧化鉀或氫氧化鈉或類似物用作刻蝕劑。
利用根據(jù)本實(shí)施例的電子部件，可以構(gòu)成具有比通常諧振頻率高的頻率的諧振器。此外，可以很容易地調(diào)整諧振器的諧振頻率。此外，與基于質(zhì)量負(fù)荷的頻率調(diào)整方法相結(jié)合，可以很容易地提高或降低諧振器的諧振頻率。
應(yīng)該指出的是，本實(shí)施例中使用鉬做為第一電極103和第二電極104的材料，但是不限于此。然而，當(dāng)希望增加機(jī)電耦合系數(shù)時(shí)，必須增加電極的質(zhì)量。為實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)的方法是要增加電極的厚度，但是如果過量增加厚度，存在的問題是殘余應(yīng)力剩余，或者由于熱膨脹速度的差異而對溫度特性產(chǎn)生不利影響，因此，優(yōu)選地，增加電極的密度。此外，電極電阻的過量增加將關(guān)系到諧振器Q值的變壞。相應(yīng)地，優(yōu)選地，選自金、銀、鉬、鈀、鉭、和鎢的組成的組的材料用作電極材料。這里電極還可以是多種材料的層疊，或者它可以是合金。此外，相反地，當(dāng)希望或允許減小機(jī)電耦合系數(shù)時(shí)，優(yōu)選地，Al用作電極材料。
應(yīng)該注意，在模型樣品中，在用于制造本實(shí)例的方法的第四步驟之前進(jìn)行諧振頻率測量，當(dāng)諧振頻率高于一預(yù)定量時(shí)，使用質(zhì)量負(fù)荷可以降低諧振頻率。當(dāng)不希望使用質(zhì)量負(fù)荷進(jìn)行頻率調(diào)整處理以便確保工藝簡化時(shí)，在形成第二步驟的的壓電材料層102的薄膜時(shí)可預(yù)先將厚度設(shè)定為較厚。
實(shí)施例2使用圖4到圖6A-6B介紹本發(fā)明的第二實(shí)施例。圖4和5是根據(jù)本實(shí)施例的電子部件的諧振器部分的橫截面圖。電子部件可以用單一諧振器構(gòu)成，如圖所示，或者由多個(gè)諧振器之集合構(gòu)成。圖6A和6B示出了電子部件的制造方法的一部分。共同的參考數(shù)字與第一實(shí)施例的相同。本實(shí)施例構(gòu)成為使得僅僅第二壓電材料區(qū)域107的一部分的厚度小于第一壓電材料區(qū)域106的厚度。此外，由于除了第四步驟之外這里的制造方法與第一實(shí)施例的完全相同，所以這里只介紹第四步驟和在其之前的掩蔽步驟。如圖6A所示，進(jìn)行構(gòu)圖，使得掩蔽材料110具有預(yù)定形狀。接著，在第四步驟中，壓電材料層102被刻蝕掉預(yù)定量，以將諧振頻率提高到預(yù)定量(圖6B)。諧振器的諧振頻率的增加值因?yàn)榈诙弘姴牧蠀^(qū)域107的較小質(zhì)量而變得較大。因而，還可以通過調(diào)整第二壓電材料區(qū)域107的薄部分的表面面積來改變頻率的可變寬度。例如，當(dāng)要求額外普通精度的頻率調(diào)整被要求時(shí)，通過使薄部分的表面面積變小，相對于在厚度方向的刻蝕量，增加的值(頻率變化系數(shù))變小。相反，當(dāng)希望在頻率中具有大的不均勻性和對于大的調(diào)整寬度時(shí)，薄部分的表面面積可以做得較大。與第一實(shí)施例相比，在本實(shí)施例中頻率的變化系數(shù)變小，因此能夠?qū)崿F(xiàn)高精確地調(diào)整。
實(shí)施例3利用圖3和12介紹本發(fā)明的第三實(shí)施例的制造方法。在本實(shí)施例的第一步的階段，襯底101是4英寸晶片硅襯底。進(jìn)行在第一實(shí)施例(圖3A和3B)中所述的第一步驟和第二步驟。之后，使用橢圓計(jì)在如圖12所示的晶片的16個(gè)位置上進(jìn)行薄膜厚度測量。結(jié)果示于表1中。
表1

晶片中的位置序號(hào)對應(yīng)圖12中所示的位置。相對于預(yù)定值的差值指的是測量厚度相對于預(yù)定厚度的差異率(％)。此外，種類指的是基于相對于用于進(jìn)行后處理頻率調(diào)整的預(yù)定值的差值的種類，當(dāng)相對于預(yù)定值的差值作為Δt(表示為％)給出時(shí)，種類如下·種類A當(dāng)0≥Δt＞-0.25時(shí)·種類B當(dāng)-0.25≥Δt＞-0.75時(shí)·種類C當(dāng)-0.75≥Δt＞-1.25時(shí)·種類D當(dāng)-1.25≥Δt＞-1.75時(shí)·種類E當(dāng)-1.75≥Δt＞-2.25時(shí)下面，首先對種類為A-D的區(qū)域進(jìn)行掩蔽，并在第四步驟中進(jìn)行壓電材料層102的刻蝕，以使得相對于預(yù)定值的差值變?yōu)?.5％或更小。這樣做的結(jié)果是在目前初始測量中為種類E的區(qū)域中的Δt變?yōu)榉N類D區(qū)域，即-1.25≥Δt＞-1.75。接著，對種類為A-C的區(qū)域進(jìn)行掩蔽，并執(zhí)行相同的步驟。結(jié)果是目前初始測量中為種類D或E的中的Δt變?yōu)榉N類C區(qū)域，即-0.75≥Δt＞-1.25。通過同樣地重復(fù)第四步驟，所有晶片區(qū)域的Δt都在0.25≥Δt＞-0.25范圍內(nèi)。然后，進(jìn)行第五步驟。應(yīng)該指出，這之后，進(jìn)行芯片切開，例如切割，并將切割的芯片封裝，使得它們變成可安裝在器件中的電子部件。
通過本實(shí)施例的制造方法，可以使諧振器的諧振頻率接近預(yù)定值并提高了元件的產(chǎn)量。
應(yīng)該指出，在本實(shí)施例中，諧振頻率調(diào)整是通過測量壓電材料層102的厚度而在第二步驟之后進(jìn)行的，但是也可以在第四步之后通過測量諧振器的諧振頻率來進(jìn)行調(diào)整。在這種情況下，由晶片探針進(jìn)行測量。
實(shí)施例4采用圖7和8介紹本發(fā)明的第四實(shí)施例。在本實(shí)施例中，不同諧振頻率的諧振器例如諧振器202和諧振器203一起形成在同一襯底上。這兩個(gè)諧振器的第一壓電材料區(qū)域的厚度是相同的，但是第二壓電材料區(qū)域的厚度不同，使得諧振器202的諧振頻率f1和諧振器203的諧振頻率f2具有關(guān)系f1＞f2。利用這種結(jié)構(gòu)，可以實(shí)現(xiàn)其中具有多個(gè)諧振頻率的諧振器設(shè)置在單一芯片上的多個(gè)位置上的電子部件之結(jié)構(gòu)。例如，可以通過將諧振器202和諧振器203設(shè)置成T形來構(gòu)成濾波器，如圖16所示。首先，利用圖15，圖16中使用的符號(hào)對應(yīng)圖15中所示的壓電材料層102、第一電極103和第二電極104。
接下來，使用圖8A-8F介紹本實(shí)施例的制造方法。在第一步驟中，在襯底101上設(shè)置第二電極104(圖8A)，并在第二步驟中，在第二電極104上設(shè)置壓電材料層102(圖8B)。設(shè)置掩蔽材料(圖8C)和將第一電極103刻蝕成預(yù)定構(gòu)圖(圖8D)。接著，如圖8E所示，將要成為諧振器202的第二壓電材料區(qū)域被刻蝕掉預(yù)定量，從而使諧振頻率提高到預(yù)定量f1。接著，以預(yù)定形狀進(jìn)行構(gòu)圖，以及在第四步驟，刻蝕壓電材料層，并且在第五步驟中，刻蝕襯底101，由此提供振蕩空間105(圖8F)。
利用上述制造方法，不同頻率的多個(gè)諧振器可利用簡單方法構(gòu)成在同一襯底上。
實(shí)施例5使用圖9和圖10A-10F介紹本發(fā)明的第五實(shí)施例。如在第四實(shí)施例中那樣，本實(shí)施例也采用不同諧振頻率的多個(gè)諧振器一起形成在同一襯底上的結(jié)構(gòu)。在圖9中，諧振器202和203的各自的第一電極區(qū)域和第二電極區(qū)域的厚度是相同的，但是第一電極區(qū)域的表面面積是不同的，諧振器202的表面面積為S11，諧振器203的表面面積為S12，并滿足關(guān)系S11＜S12。諧振器202具有諧振頻率f1，諧振器203具有諧振頻率f2，滿足關(guān)系f1＞f2。利用這種結(jié)構(gòu)，可以構(gòu)成如下電子部件其中多個(gè)諧振器定位在單一芯片上的具有多個(gè)諧振頻率的多個(gè)位置上。例如，可以如實(shí)施例4那樣構(gòu)成濾波器。
接著，使用圖10A-10F介紹本實(shí)施例的制造方法。首先，在第一步驟中，在硅襯底101上設(shè)置第二電極104(圖10A)，并在第二步中驟，在第二電極104上設(shè)置壓電材料層102(圖10B)，然后設(shè)置掩蔽材料109(圖10C)。這里掩蔽材料109也用于第四步驟中的壓電材料層102的刻蝕。將第一電極103刻蝕成預(yù)定形狀(圖10D)。接著，在第四步驟中，將壓電材料層102刻蝕掉預(yù)定量，以便將諧振頻率提高到預(yù)定量f1(圖10E)。最后，在第五步驟中，刻蝕襯底101，從而提供振蕩空間105(圖10F)。
利用上述制造方法，不同頻率的諧振器可通過簡單方法構(gòu)成在同一襯底上。不像第四實(shí)施例那樣，在本實(shí)施利用使用同一掩模用于刻蝕第一電極103和壓電材料層102，由此可以使得工藝簡化，并且可以降低成本。應(yīng)該注意，當(dāng)然可以改變掩蔽材料，而沒有刻蝕壓電材料層102的問題，以實(shí)現(xiàn)本實(shí)施例的結(jié)構(gòu)。
還應(yīng)該指出，在第四實(shí)施例中和第五實(shí)施例中，為了確保關(guān)系f1＞f2而改變厚度或表面面積，但是也可以通過在下列關(guān)系式1的條件下形成元件來確保該關(guān)系。
/[(t11×S11+t12×S12)×ρp]＜[(tm21+tm22)×S21×ρm]/[(t21×S21+t22×S22)×ρp]關(guān)系式1在這個(gè)關(guān)系式中，對于諧振器202，壓電材料層102的第一壓電材料區(qū)域106的厚度是t1和其表面面積為S11。第二壓電材料區(qū)域107的厚度為t12和其表面面積為S12。第一電極103的厚度為tm11，第二電極104的厚度為tm12。對于諧振器203，壓電材料層102的第一壓電材料區(qū)域106的厚度是t21和其表面面積為S21。第二壓電材料區(qū)域107的厚度為t22和其表面面積為S22。第一電極103的厚度為tm21，第二電極104的厚度為tm22。而且，壓電材料層102的密度為ρp，第一電極103和第二電極104的密度為ρm。
實(shí)施例6使用圖17介紹本發(fā)明的第六實(shí)施例。在本實(shí)施例中，檢驗(yàn)頻率調(diào)整的效果。在直徑為0.6mm到1.0mm和厚度為100μm到150μm的硅襯底101的中心部分中，提供60μm到100μm的振蕩空間105。在其頂部，形成作為絕緣層114的厚度為0.1μm到0.3μm的熱氧化SiO2，并在其上形成Mo作為下部電極104，以及在其上形成AlN作為壓電材料層102，再在其上形成Mo作為上部電極103。當(dāng)使用1.9GHz的諧振頻率時(shí)，上部電極103、壓電材料層102和下部電極104的厚度例如為0.5μm(上部電極103)/0.8μm(壓電材料層102)/0.2μm(下部電極104)。此外，壓電材料層102和下部電極104的直徑設(shè)置為100μm，上部電極103的直徑設(shè)定為50μm。上部電極103用作掩模，以及刻蝕壓電材料層102，以除去0.1μm的深度，這樣能夠調(diào)整大約100KHz。這不是利用線性方式進(jìn)行工作的，而是頻率范圍的量根據(jù)平面形狀、電極材料以及電極與壓電材料之間的厚度比率而極大地改變。在本實(shí)施例中，除去的部分115設(shè)定為0.3μm的深度。
當(dāng)通過刻蝕形成構(gòu)圖電極時(shí)利用常規(guī)技術(shù)可能發(fā)生的是，除去大約幾十nm的壓電材料層102(AlN)，但是諧振頻率的變化為幾KHz的數(shù)量級(jí)。因而，這與本實(shí)施例的范圍相比有很大不同，本實(shí)施例能夠從幾百KHz到幾MHz進(jìn)行調(diào)整。
如上所述，本實(shí)施例的目的是通過完全刻蝕AlN，然后在形成電極之后徹底刻蝕諧振器的一部分來調(diào)整頻率。因而，優(yōu)選地，刻蝕深度至少為10nm。相反，如果進(jìn)行過量刻蝕，可能產(chǎn)生不利影響，如產(chǎn)生由刻蝕的邊緣表面引起的亂真信號(hào)或壓電薄膜表面的晶體特性的顯著退化，因此，優(yōu)選地，刻蝕保持在例如壓電材料薄膜的中心部分的深度的大約一半的范圍內(nèi)。
為了檢驗(yàn)這一點(diǎn)，測試了壓電材料的刻蝕深度和頻率調(diào)整結(jié)果以及產(chǎn)生的亂真信號(hào)。結(jié)果示于以下表2中。在表2中，刻蝕量以％表示，將壓電薄膜的初始深度(800nm)取為1。
表2

(注意)頻率調(diào)整結(jié)果A＝頻率有大變化，B＝稍微變化，C＝?jīng)]有變化。亂真頻率出現(xiàn)結(jié)果A＝無效果，B＝對于實(shí)際應(yīng)用沒有問題，C＝效果明顯。
亂真信號(hào)是由不希望的振蕩模式產(chǎn)生的所希望的信號(hào)中的不希望的信號(hào)。
正如從表2可明顯看出的，可以確認(rèn)，從至少10nm到至多400nm的范圍內(nèi)的壓電材料的刻蝕深度是優(yōu)選的。
在不脫離本發(fā)明的精神或其基本特征的情況下，本發(fā)明可以以其他形式體現(xiàn)。本申請中公開的實(shí)施例在所有方面被認(rèn)為只是示意性的而非限制性的。本發(fā)明的范圍由所附權(quán)利要求書表示而不是由前述說明表示，并且落入權(quán)利要求等效含義和范圍內(nèi)的所有變化都趨于包含在本發(fā)明內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種電子部件，包括襯底；由該襯底直接或間接支撐的壓電材料層；第一電極，設(shè)置在該襯底的相反側(cè)的所述壓電材料層的表面上；和第二電極，設(shè)置在該襯底側(cè)的所述壓電材料層的表面上；其中，所述壓電材料層被夾在該第一電極和該第二電極之間；其中，該第一電極的表面面積小于所述壓電材料層的表面面積；和其中，從該第一電極露出所述壓電材料層的部分包括比該第一電極和該第二電極之間的所述壓電材料層的厚度薄的部分。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的電子部件，形成一諧振器，其中該襯底包括一振蕩空間，以及其中所述壓電材料層至少包括不被該襯底支撐的第一壓電材料區(qū)域和除了所述第一壓電材料以外的第二壓電材料區(qū)域，其中，在所述第二壓電材料區(qū)域中所述壓電材料層不被該襯底支撐。
3.根據(jù)權(quán)利要求2的電子部件，其中，所述第二壓電材料區(qū)域的一部分具有與所述第一壓電材料區(qū)域相同的厚度。
4.根據(jù)權(quán)利要求2的電子部件，其中，該電子部件至少包括具有不同諧振頻率的兩個(gè)諧振器。
5.根據(jù)權(quán)利要求4的電子部件，其中，所述第二壓電材料區(qū)域的厚度在全部諧振器中是相同的。
6.根據(jù)權(quán)利要求2的電子部件，包括具有不同第二壓電材料區(qū)域之厚度的多個(gè)諧振器。
7.根據(jù)權(quán)利要求2的電子部件，包括具有不同第一壓電材料區(qū)域之表面面積的多個(gè)諧振器。
8.根據(jù)權(quán)利要求1的電子部件，其中，該襯底不包括振蕩空間，以及其中構(gòu)成聲學(xué)反射鏡的多層無機(jī)物質(zhì)薄膜位于該襯底和該第二電極之間。
9.根據(jù)權(quán)利要求1的電子部件，其中從該第一電極露出所述壓電材料層的部分的厚度比該第一電極和該第二電極之間的所述壓電材料層的厚度薄至少10nm以及至多400nm。
10.根據(jù)權(quán)利要求1的電子部件，其中，具有從該第一電極露出所述壓電材料層的薄厚度部分的部分具有階梯形狀或錐形。
11.根據(jù)權(quán)利要求1的電子部件，其中，所述壓電材料是氮化鋁。
12.根據(jù)權(quán)利要求1的電子部件，其中，該襯底由硅制成。
13.根據(jù)權(quán)利要求1的電子部件，其中，該第一電極和該第二電極由選自金、鉬、鉭、鈀、鉑、鈦和鎢組成的組中的至少一種材料構(gòu)成。
14.根據(jù)權(quán)利要求1的電子部件，其中，該電子部件的諧振器不使用振蕩能量陷阱效應(yīng)。
15.根據(jù)權(quán)利要求1的電子部件，其中該壓電材料的振蕩模式是厚度縱向振蕩。
16.一種制造電子部件的方法，包括第一步驟，在襯底上直接或間接設(shè)置第二電極；第二步驟，在第二電極上或在襯底上設(shè)置壓電材料層，或者在第二電極和襯底上延伸壓電材料層；第三步驟，在壓電材料層上的預(yù)定區(qū)域上設(shè)置第一電極，第一電極的表面面積小于壓電材料層的表面面積；和第四步驟，刻蝕從第一電極露出壓電材料層的部分的厚度，使其比第一電極和第二電極之間的壓電材料層的厚度薄。
17.根據(jù)權(quán)利要求16的方法，其中在刻蝕步驟之后除去襯底的另一部分，并形成不被襯底支撐的振蕩空間區(qū)域。
18.根據(jù)權(quán)利要求16的方法，其中，在第三步驟中，第一電極是通過轉(zhuǎn)寫或者刻蝕形成的。
19.根據(jù)權(quán)利要求16的方法，其中，第四步驟是干刻蝕。
20.根據(jù)權(quán)利要求16的方法，其中，在第三步驟和第四步驟中，進(jìn)行刻蝕并使用相同的刻蝕掩模。
全文摘要
一種電子部件，設(shè)置有襯底(101)；由襯底(101)直接或間接支撐的壓電材料層(102)；設(shè)置在襯底的相反側(cè)的壓電材料層之表面上的第一電極(103)；和設(shè)置在襯底側(cè)的壓電材料層之表面上的第二電極(104)。壓電材料層(102)被夾在第一電極(103)和第二電極(104)之間。第一電極(103)的表面面積小于壓電材料層(102)的表面面積。從第一電極(103)露出壓電材料層(102)的部分包括比第一電極和第二電極之間的壓電材料層的厚度薄的部分。因此，可以構(gòu)成具有比其原始諧振更高頻率的諧振器，并且很容易實(shí)現(xiàn)諧振器之諧振頻率的調(diào)整，以及提高部件的產(chǎn)量和實(shí)現(xiàn)包括不同諧振頻率的多個(gè)諧振器的電子部件之結(jié)構(gòu)。
文檔編號(hào)H03H9/56GK1574617SQ200410059709
公開日2005年2月2日 申請日期2004年6月17日 優(yōu)先權(quán)日2003年6月18日
發(fā)明者南波昭彥, 大西慶治, 武田克 申請人:松下電器產(chǎn)業(yè)株式會(huì)社