復(fù)合擴(kuò)張模式諧振器的制造方法
【專利說(shuō)明】
[0001] 優(yōu)先權(quán)數(shù)據(jù)
[0002] 本發(fā)明主張Zuo等人于2012年10月22上申請(qǐng)的標(biāo)題為"復(fù)合擴(kuò)張模式諧振器 (COMPOSITE DILATION MODE RESONATORS)" 的第 13/657, 653 號(hào)共同未決美國(guó)專利申請(qǐng)案 (代理人案號(hào)121365/QUALP158)的優(yōu)先權(quán)，所述申請(qǐng)案特此以全文引用的方式并入且出于 所有目的。
技術(shù)領(lǐng)域
[0003] 本發(fā)明大體上涉及機(jī)電聲學(xué)裝置，且更具體來(lái)說(shuō)，涉及包含復(fù)合轉(zhuǎn)換層的聲學(xué)諧 振器。
【背景技術(shù)】
[0004] 機(jī)電系統(tǒng)（EMS)包含具有電氣及機(jī)械元件、例如致動(dòng)器及傳感器等換能器、光學(xué) 組件（包含鏡面）及電子裝置的裝置?？砂窗ǖ幌抻冢┪⒊叨燃凹{米尺度的多種尺 度制造EMS。舉例來(lái)說(shuō)，微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS)裝置可包含大小在約一微米到數(shù)百微米或更大 的范圍內(nèi)的結(jié)構(gòu)。納米機(jī)電系統(tǒng)（NEMS)裝置可包含大小小于一微米（包含（例如）小于 數(shù)百納米的大?。┑慕Y(jié)構(gòu)?？墒褂贸练e、蝕刻、光刻或蝕刻掉襯底及/或所沉積材料層的部 分或添加層以形成電氣、機(jī)械及機(jī)電裝置的其它微機(jī)械加工過(guò)程來(lái)創(chuàng)造機(jī)電元件。
[0005] 在包含頻率控制應(yīng)用的多種應(yīng)用中利用彈性（或聲）波裝置。舉例來(lái)說(shuō)，可在發(fā) 射器、接收器、收發(fā)器、濾波器、時(shí)鐘振蕩器、延遲線、延遲線振蕩器以及其它實(shí)例應(yīng)用中利 用聲波裝置。在一些實(shí)施方案中，聲波裝置為具有一或多個(gè)諧振頻率的聲波諧振裝置或"諧 振器"。在此些聲波裝置（也被稱作機(jī)電聲波裝置）的許多實(shí)施方案中，將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械 能（例如，振動(dòng)或彈性波），且反之亦然。
[0006] 聲波諧振器及其它聲波裝置在濾波應(yīng)用中也是典型的。舉例來(lái)說(shuō)，在由例如消費(fèi) 者移動(dòng)手持機(jī)等無(wú)線裝置使用的無(wú)線電架構(gòu)中利用頻率帶通濾波器?，F(xiàn)代手持機(jī)可跨越多 個(gè)通信標(biāo)準(zhǔn)及多個(gè)頻帶而操作。這些需求使將多個(gè)離散濾波器集成于此些手持機(jī)或其它無(wú) 線裝置的射頻前端模塊（RF-FEM)內(nèi)成為必要。為了滿足必要的性能規(guī)范，已從例如表面聲 波（SAW)裝置、膜體聲波諧振器（FBAR)及體聲波（BAW)諧振器等機(jī)電裝置"構(gòu)建塊"合成 這些濾波器。傳統(tǒng)的SAW、FBAR及BAW裝置為本身離散的裝置。隨著所利用的帶的數(shù)目的 增加，將增加數(shù)目的所要離散濾波器組件及其它組件集成到單個(gè)系統(tǒng)級(jí)封裝（SiP)中變?yōu)?在模塊成本及大小以及系統(tǒng)設(shè)計(jì)及供應(yīng)鏈管理復(fù)雜性方面逐漸有問(wèn)題的嘗試。
[0007] 已提出概念解決方案的其它實(shí)例以實(shí)現(xiàn)更高水平的多頻集成，其包含：具有實(shí)質(zhì) 上由經(jīng)微影界定的平面內(nèi)尺寸確定的操作頻率的輪廓模式諧振器（CMR);涉及陰影掩蔽或 埋式蝕刻終止層的多結(jié)構(gòu)層FBAR實(shí)施方案；及頂上有經(jīng)微影界定的"調(diào)諧圖案"的類FBAR 結(jié)構(gòu)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008] 本發(fā)明的系統(tǒng)、方法及裝置各自具有若干創(chuàng)新方面，其中沒(méi)有單個(gè)方面單獨(dú)負(fù)責(zé) 本文所揭示的合乎需要的屬性。
[0009] 本發(fā)明中所描述的標(biāo)的物的一個(gè)創(chuàng)新方面可實(shí)施于諧振器結(jié)構(gòu)中，所述諧振器結(jié) 構(gòu)包含：包含一或多個(gè)第一電極的第一導(dǎo)電層、包含一或多個(gè)第二電極的第二導(dǎo)電層及布 置于第一導(dǎo)電層與第二導(dǎo)電層之間的轉(zhuǎn)換層。轉(zhuǎn)換層具有沿著z軸的厚度、沿著x軸的寬 度及沿著y軸的長(zhǎng)度。轉(zhuǎn)換層包含多個(gè)構(gòu)成層。在一些實(shí)施方案中，多個(gè)構(gòu)成層包含各自 由具有壓電系數(shù)的第一集合及硬度系數(shù)的第一集合的第一壓電材料形成的一或多個(gè)第一 壓電層的第一集合。在一些實(shí)施方案中，多個(gè)構(gòu)成層進(jìn)一步包含各自由具有壓電系數(shù)的第 二集合及硬度系數(shù)的第二集合的第二壓電材料形成的一或多個(gè)第二壓電層的第二集合。在 一些實(shí)施方案中，轉(zhuǎn)換層經(jīng)配置以響應(yīng)于被提供到第一電極及第二電極中的一或多者中的 每一者的一或多個(gè)信號(hào)提供具有沿著Z軸的位移分量的轉(zhuǎn)換層的至少第一振動(dòng)模式及具 有沿著X軸及y軸的平面的位移分量的轉(zhuǎn)換層的至少第二振動(dòng)模式。
[0010] 在一些實(shí)施方案中，構(gòu)成層可包含相對(duì)于沿著y及z軸的轉(zhuǎn)換層的中平面對(duì)稱地 布置的三個(gè)或三個(gè)以上構(gòu)成層。在一些此類實(shí)施方案中，構(gòu)成層可從中平面沿著x軸周期 性地交替。在一些實(shí)施方案中，構(gòu)成層可布置成"ABA"圖案、"ABABA"圖案或"ABABABA"圖 案，其中"A"表示來(lái)自第一集合的第一壓電層，且"B"表示來(lái)自第二集合的第二壓電層。在 一些實(shí)施方案中，構(gòu)成層可包含各自由具有硬度系數(shù)的第三集合的第三材料形成的一或多 個(gè)層的第三集合。在一些實(shí)施方案中，構(gòu)成層可包含在構(gòu)成層中的鄰近者之間的一或多個(gè) 間隙或空隙。在各種實(shí)施方案中，構(gòu)成層中的每一者可具有沿著z軸實(shí)質(zhì)上相同的高度及 沿著y軸實(shí)質(zhì)上相同的長(zhǎng)度。在此些實(shí)施方案中，構(gòu)成層中的每一者的上表面可與構(gòu)成層 中的其它者的上表面實(shí)質(zhì)上水平對(duì)準(zhǔn)。
[0011] 在一些實(shí)施方案中，諧振器結(jié)構(gòu)的諧振頻率可為至少轉(zhuǎn)換層的厚度、硬度系數(shù)的 第一集合及硬度系數(shù)的第二集合的函數(shù)。在一些實(shí)施方案中，諧振頻率還可為第一壓電材 料及第二壓電材料中的至少一者的質(zhì)量密度的函數(shù)。在一些實(shí)施方案中，諧振頻率還可為 壓電系數(shù)的第一集合及壓電系數(shù)的第二集合中的至少一者的函數(shù)。在一些實(shí)施方案中，可 在裝置的制造期間通過(guò)選擇性地調(diào)整所有第二壓電層的組合寬度與轉(zhuǎn)換層的整個(gè)寬度的 比率來(lái)調(diào)諧諧振頻率。在一些實(shí)施方案中，轉(zhuǎn)換層的機(jī)電耦合可為壓電系數(shù)的第一集合及 壓電系數(shù)的第二集合中的至少一者的函數(shù)。
[0012] 本發(fā)明中所描述的標(biāo)的物的另一創(chuàng)新方面可實(shí)施于包含諧振器結(jié)構(gòu)的陣列的裝 置中。諧振器結(jié)構(gòu)的陣列包含一或多個(gè)諧振器結(jié)構(gòu)的多個(gè)集合。每一諧振器結(jié)構(gòu)包含：包 含一或多個(gè)第一電極的第一導(dǎo)電層、包含一或多個(gè)第二電極的第二導(dǎo)電層及布置于第一導(dǎo) 電層與第二導(dǎo)電層之間的轉(zhuǎn)換層。轉(zhuǎn)換層具有沿著Z軸的厚度、沿著x軸的寬度及沿著y 軸的長(zhǎng)度。轉(zhuǎn)換層包含具有實(shí)質(zhì)上共平面的上表面的多個(gè)構(gòu)成層。在一些實(shí)施方案中，多 個(gè)構(gòu)成層包含各自由具有壓電系數(shù)的第一集合及硬度系數(shù)的第一集合的第一壓電材料形 成的一或多個(gè)第一壓電層的第一集合，及各自由具有壓電系數(shù)的第二集合及硬度系數(shù)的第 二集合的第二壓電材料形成的一或多個(gè)第二壓電層的第二集合。在一些實(shí)施方案中，轉(zhuǎn)換 層經(jīng)配置以響應(yīng)于被提供到第一電極及第二電極中的一或多者中的每一者的一或多個(gè)信 號(hào)提供具有沿著z軸的位移分量的轉(zhuǎn)換層的至少第一振動(dòng)模式及具有沿著x軸及y軸的平 面的位移分量的轉(zhuǎn)換層的至少第二振動(dòng)模式。在一些實(shí)施方案中，每一諧振器結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)換 層的厚度實(shí)質(zhì)上等于諧振器結(jié)構(gòu)的陣列中的所有其它諧振器結(jié)構(gòu)中的轉(zhuǎn)換層的厚度。在一 些此類實(shí)施方案中，諧振器結(jié)構(gòu)的每一集合中的每一諧振器結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)換層中的第一及第二 壓電系數(shù)及第一及第二硬度系數(shù)的有效組合與所述集合的其它諧振器結(jié)構(gòu)中的組合實(shí)質(zhì) 上相同，且不同于諧振器結(jié)構(gòu)的陣列中的所有其它集合的其它諧振器結(jié)構(gòu)中的組合。
[0013] 在一些實(shí)施方案中，每一諧振器結(jié)構(gòu)的每一轉(zhuǎn)換層的構(gòu)成層可包含相對(duì)于沿著y 及z軸的轉(zhuǎn)換層的中平面對(duì)稱地布置的三個(gè)或三個(gè)以上構(gòu)成層。在一些此類實(shí)施方案中， 構(gòu)成層可從中平面沿著x軸周期性地交替。在一些實(shí)施方案中，構(gòu)成層可包含各自由具有 硬度系數(shù)的第三集合的第三材料形成的一或多個(gè)層的第三集合。在一些實(shí)施方案中，構(gòu)成 層可包含在構(gòu)成層中的鄰近者之間的一或多個(gè)間隙或空隙。
[0014] 在一些實(shí)施方案中，每一諧振器結(jié)構(gòu)的諧振頻率可為至少諧振器結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)換層的 厚度、諧振器結(jié)構(gòu)的硬度系數(shù)的第一集合及諧振器結(jié)構(gòu)的硬度系數(shù)的第二集合的函數(shù)。在 一些實(shí)施方案中，諧振頻率還可為第一壓電材料及第二壓電材料中的至少一者的質(zhì)量密度 的函數(shù)。在一些實(shí)施方案中，可在裝置的制造期間通過(guò)選擇性地調(diào)整所有第二壓電層的組 合寬度與轉(zhuǎn)換層的整個(gè)寬度的比率調(diào)諧諧振頻率。在一些實(shí)施方案中，轉(zhuǎn)換層的機(jī)電耦合 可為壓電系數(shù)的第一集合及壓電系數(shù)的第二集合中的至少一者的函數(shù)。
[0015] 本發(fā)明中所描述的標(biāo)的物的另一創(chuàng)新方面可實(shí)施于一種裝置中。所述裝置包含： 包含一或多個(gè)第一電極的第一導(dǎo)電裝置、包含一或多個(gè)第二電極的第二導(dǎo)電裝置及布置于 第一導(dǎo)電裝置與第二導(dǎo)電裝置之間的轉(zhuǎn)換裝置。轉(zhuǎn)換裝置具有沿著z軸的厚度、沿著x軸 的寬度及沿著y軸的長(zhǎng)度。轉(zhuǎn)換裝置包含兩個(gè)或兩個(gè)以上構(gòu)成層。在一些實(shí)施方案中，兩 個(gè)或兩個(gè)以上構(gòu)成層包含各自由具有壓電系數(shù)的第一集合及硬度系數(shù)的第一集合的第一 壓電材料形成的一或多個(gè)第一壓電裝置的第一集合，及各自由具有壓電系數(shù)的第二集合及 硬度系數(shù)的第二集合的第二壓電材料形成的一或多個(gè)第二壓電裝置的第二集合。在一些實(shí) 施方案中，轉(zhuǎn)換裝置包含用于響應(yīng)于被提供到第一電極及第二電極中的一或多者中的每一 者的一或多個(gè)信號(hào)提供具有沿著z軸的位移分量的轉(zhuǎn)換裝置的至少第一振動(dòng)模式及具有 沿著X軸及y軸的平面的位移分量的轉(zhuǎn)換裝置的至少第二振動(dòng)模式的裝置。
[0016] 在一些實(shí)施方案中，構(gòu)成層可包含相對(duì)于沿著y及z軸的轉(zhuǎn)換層的中平面對(duì)稱地 布置的三個(gè)或三個(gè)以上構(gòu)成層。在一些此類實(shí)施方案中，構(gòu)成層可從中平面沿著x軸周期 性地交替。在一些實(shí)施方案中，構(gòu)成層中的每一者可具有沿著z軸的實(shí)質(zhì)上相同的高度。在 一些此類實(shí)施方案中，構(gòu)成層中的每一者的上表面可與構(gòu)成層中的其它者的上表面實(shí)質(zhì)上 水平對(duì)準(zhǔn)。
[0017] 在一些實(shí)施方案中，裝置的諧振頻率可為至少轉(zhuǎn)換裝置的厚度、硬度系數(shù)的第一 集合及硬度系數(shù)的第二集合的函數(shù)。在一些實(shí)施方案中，諧振頻率還可為第一壓電材料及 第二壓電材料中的至少一者的質(zhì)量密度的函數(shù)。在一些實(shí)施方案中，可在裝置的制造期間 通過(guò)選擇性地調(diào)整所有第二壓電裝置的組合寬度與轉(zhuǎn)換裝置的整個(gè)寬度的比率來(lái)調(diào)諧諧 振頻率。在一些實(shí)施方案中，轉(zhuǎn)換裝置的機(jī)電耦合可為壓電系數(shù)的第一集合及壓電系數(shù)的 第二集合中的至少一者的函數(shù)。
[0018] 在附圖及以下描述中闡述本說(shuō)明書(shū)中描述的標(biāo)的物的一或多個(gè)實(shí)施方案的細(xì)節(jié)。 盡管本發(fā)明中所提供的一些實(shí)例可在基于EMS及MEMS的顯示器方面進(jìn)行描述，但本文中提 供的概念可適用于其它類型的顯示器，例如液晶顯示器（LCD)、有機(jī)發(fā)光二極管（OLED)顯 示器及場(chǎng)發(fā)射顯示器。其它特征、方面及優(yōu)點(diǎn)將從所述描述、圖式及權(quán)利要求書(shū)而變得顯而 易見(jiàn)。應(yīng)注意，下圖的相對(duì)尺寸可能未按比例繪制。
【附圖說(shuō)明】
[0019] 圖1展示包含復(fù)合轉(zhuǎn)換層的橫截面擴(kuò)張模式諧振器（XDMR)結(jié)構(gòu)的一部分的橫截 面透視圖。
[0020] 圖2展示描繪在實(shí)例XDMR結(jié)構(gòu)中的二維模式頻率（以MHz為單位）與第二壓電 層的寬度《 2與轉(zhuǎn)換層的總寬度W的比率（其被表達(dá)為百分比）之間的關(guān)系的曲線圖。
[0021] 圖3展示描繪在實(shí)例XDMR結(jié)構(gòu)中的機(jī)電耦合kt2(其被表達(dá)為百分比）與第二壓 電層的寬度w 2與轉(zhuǎn)換層的總寬度W的比率（其也被表達(dá)為百分比）之間的關(guān)系的曲線圖。
[0022] 圖4展示在實(shí)例XDMR結(jié)構(gòu)中的轉(zhuǎn)換層的橫截面中的幾何振動(dòng)模式形狀的實(shí)例。
[0023] 圖5A及5B展示分別描繪相對(duì)于被提供到圖4的實(shí)例XDMR結(jié)構(gòu)的輸入AC信號(hào)的 頻率的導(dǎo)納的量值及相位的曲線圖。
[0024] 圖6展示傳統(tǒng)壓電層的橫截面中的幾何振動(dòng)模式形狀的實(shí)例。
[0025] 圖7A及7B展示分別描繪相對(duì)于被提供到圖6的實(shí)例結(jié)構(gòu)的輸入AC信號(hào)的頻率 的導(dǎo)納的量值及相位的曲線圖。
[0026] 圖8展示在實(shí)例XDMR結(jié)構(gòu)中的轉(zhuǎn)換層的橫截面中的幾何振動(dòng)模式形狀的實(shí)例。
[0027] 圖9A及9B展示分別描繪相對(duì)于被提供到圖8的實(shí)例XDMR結(jié)構(gòu)的輸入AC信號(hào)的 頻率的導(dǎo)納的量值及相位的曲線圖。
[0028] 圖10展示在實(shí)例XDMR結(jié)構(gòu)中的轉(zhuǎn)換層的橫截面中的幾何振動(dòng)模式形狀的實(shí)例。
[0029] 圖11A及11B展示分別描繪相對(duì)于被提供到圖10的實(shí)例XDMR結(jié)構(gòu)的輸入AC信 號(hào)的頻率的導(dǎo)納的量值及相位的曲線圖。
[0030] 圖12展示在實(shí)例XDMR結(jié)構(gòu)中的轉(zhuǎn)換層的橫截面中的幾何振動(dòng)模式形狀的實(shí)例。
[0031] 圖13A及13B展示分別描繪相對(duì)于被提供到圖12的實(shí)例XDMR結(jié)構(gòu)的輸入AC信 號(hào)的頻率的導(dǎo)納的量值及相位的曲線圖。
[0032] 圖14展示傳統(tǒng)壓電層的橫截面中的幾何振動(dòng)模式形狀的實(shí)例。
[0033] 圖15A及15B展示分別描繪相對(duì)于被提供到圖14的實(shí)例XDMR結(jié)構(gòu)的輸入AC信 號(hào)的頻率的導(dǎo)納的量值及相位的曲線圖。
[0034] 圖16展示說(shuō)明用于形成聲波裝置的陣列的過(guò)程的流程圖的實(shí)例。
[0035] 圖17A到17G展示如例如參看圖16所描述的過(guò)程中的實(shí)例階段的橫截面示意性 描繪。
[0036] 圖18A展示描繪干涉式調(diào)制器（MOD)顯示裝置的一系列顯示元件或顯示元件陣 列中的兩個(gè)鄰近的頂OD顯示元件的等角視圖說(shuō)明。<