專利名稱：聲共振器裝置的隔離方法
技術領域：
本發(fā)明涉及體聲波裝置，尤其涉及限制橫波傳播效果的隔離技術，橫波傳播會不適宜地消除制作在公共襯底上的薄膜共振器(TFR)裝置的能量并導致裝置之間的耦合。
近年來，在發(fā)展體聲波裝置、主要是用在蜂窩式、無線和光纖通信以及計算機或與計算機有關的信息交換或信息共享系統(tǒng)中的體聲波裝置方面進行了大量的研究。有這樣一種趨勢，這些系統(tǒng)以日益提高的載波頻率下工作，這主要是因為較低頻率處的頻譜變得擁擠，并且因為在較高頻率處的允許帶寬較大。壓電晶體為體聲波裝置如振蕩器、共振器和濾波器等在非常高的射頻(幾個GHz的量級)處工作提供了基礎。
當然，早已知道某些晶體材料具有壓電特性。具體地說，有一種被稱作直接壓電效應，當施加外部應力時在晶體表面上出現(xiàn)電荷。還有一種逆向壓電效應，當通過外部的方式把電荷施加到晶體表面時，晶體顯示出應變或變形。
在許多高頻應用中，濾波器是基于填充到電磁共振腔中的電介質，共振腔的物理尺寸由共振電磁場的波長決定。為聲波或電磁波。由于電荷、應力和應變之間的互作用，壓電材料用作一種傳感器，在電磁波和聲波(即機械波)之間來回轉換，所以也可以用做一個電共振裝置。但是，聲波的速度大約是電磁波速度的1/10000。波的速度和裝置的尺寸之間的關系使得能夠粗略地減小某些裝置的尺寸，裝置包括采用這種材料的聲共振器。


圖1表示典型的聲共振裝置100的橫截面。裝置100包括一個插在兩個電極105和115之間的壓電材料110，兩電極中的一個形成在襯底120上。在聲共振器的理想狀態(tài)中，通過施加電場激勵垂直于裝置表面的機械振蕩。產生很多其它類型的振蕩，包括剪切面和縱波的結合。這些波例如可以通過在一個實際裝置中的非理想晶態(tài)取向、共振器邊緣的邊緣場、電極邊緣的機械不連續(xù)性、非均勻的電流分布等產生。這些不再是純縱波的波載走聲能，本質上使得“泄漏”裝置100的側邊，和/或導致與相鄰裝置或系統(tǒng)組件干涉。這些能量損耗導致裝置中能量傳輸?shù)乃p，即被用做RF帶通濾波器，抑制裝置的效率和性能。因此，需要有一種把體聲波裝置如聲共振器與產生的橫波所具有的對裝置效率和性能不利的效應隔離的方法。
本發(fā)明提供一種隔離聲共振器裝置的方法，其中聲共振器裝置由一種插在襯底上的兩個導體之間的壓電材料形成。例如，可以去除至少兩個裝置之間包圍或部分包圍裝置的壓電材料的一個區(qū)域，可以避免在裝置的制造期間該區(qū)域的生長，或者可以改變該區(qū)域中晶體取向。這些技術的每一項可以減少橫向傳播離開裝置的聲能量。聲能的這種損耗可能妨礙裝置的效率和性能，并且能與相鄰的或鄰接的裝置和部件干涉。
從下面參考附圖的詳細描述中將能夠完全理解本發(fā)明，其中圖中的相同標號表示相同的元件，下列參考附圖的描述僅僅是對本發(fā)明的舉例說明，并不構成對本發(fā)明的限定，其中圖1表示典型的薄膜共振器(TFR)聲共振器裝置的截面圖；圖2表示根據(jù)本發(fā)明第一實施例的隔離方法；圖3表示局部的聲共振器裝置；圖4表示根據(jù)本發(fā)明的第一實施例在進行隔離之前的聲共振器裝置；圖5表示根據(jù)本發(fā)明的第一實施例在進行隔離之后的圖4的聲共振器裝置；圖6A和6B表示開槽之前和之后的一種典型的聲共振器裝置；圖7表示根據(jù)本發(fā)明第二實施例的隔離方法；和圖8表示根據(jù)本發(fā)明第三實施例的隔離方法。
本發(fā)明提供一種限制聲共振器裝置性能損耗的方法，性能損耗是由于裝置中無用橫波的產生所導致的。在本發(fā)明的另一個方面，從裝置中除去不涉及信號傳輸?shù)膲弘姴牧?即至少一部分不存在于電極之間的壓電材料)。另一方面，在裝置制造期間把壓電材料的生長限定在一定的區(qū)域中。
另一方面，在制造裝置期間擾亂或改變壓電材料的晶體取向，從而形成晶體取向高度有序的區(qū)域(如晶體取向顯示出優(yōu)良的壓電特性的區(qū)域)和晶體取向不是高度有序的區(qū)域(即晶體結構導致的具有與高度有序的區(qū)域相比壓電特性較弱的區(qū)域)。例如，生長的初始條件會導致相鄰晶粒的壓電效應的優(yōu)選方向隨機化，使得壓電效應有一個凈的零總和。
圖2表示根據(jù)本發(fā)明第一實施例的隔離聲共振器裝置的方法。雖然在TRF聲共振器裝置的批量制造中包括數(shù)不清的薄膜加工步驟，如同在制造任何現(xiàn)代集成電路中一樣，但大多數(shù)的這種加工包括重復實施三個主要操作沉積、平板印刷和蝕刻。
參見圖2，首先提供一個基礎的支撐結構(步驟S1)，如襯底。在這種情況下，基礎結構與裝置的操作不為一體；它主要提供機械支撐。以下稱作“襯底”的基礎結構可以是一個硅片襯底，并且最好包括多個聲學失配材料的交替的聲反射層，如SiO2和AlN，這些反射層包裹在固體襯底如硅、石英或剝離片上。另外，襯底可以是一個通過去除其下部的材料的膜片。提供了襯底之后，在襯底表面上沉積一個薄膜金屬層(大約100nm或100×10-9m厚)(步驟S2)。金屬膜做為聲共振器裝置的下電極，最好由Al組成，但其它導體也可以用。沉積最好在真空腔中利用現(xiàn)有已知的多項薄膜沉積技術中的一項進行，如對絕緣目標的RF濺射，金屬目標的脈沖DC反應濺射，化學氣相沉積(CVD)，分子束外延(MBE)等。
金屬膜沉積之后，進行圖案形成過程(步驟S3)。采用平板印刷過程，其中，對光敏的、耐化學腐蝕的聚合物或“光致抗蝕劑”實施完全涂敷金屬膜。對“光掩模”曝光，材料或掩模層在某些位置處有孔或開口，從而允許光通過，對光致抗蝕劑敏感，以致于在隨后浸入顯影劑中時只去除受到光照的抗蝕材料。此時，樣品表面包括剩余保護抗蝕層的區(qū)域和未受保護的金屬區(qū)域。
圖案形成過程繼續(xù)通過蝕刻過程按此平板印刷圖案確定的圖案轉移到金屬層中。在現(xiàn)有技術中通常實施多項蝕刻技術，包括濕化學蝕刻、活性離子蝕刻(RIE)和濺射蝕刻。這些過程通過化學的或物理的作用去除任何不受光致抗蝕劑保護的金屬，剩下完整的抗蝕劑涂層金屬，由此把金屬表面“塑刻”成理想的電極圖案。通過這一過程確定的電極示于圖3?？刮g劑216在去除襯底220上不受保護的材料期間保護金屬層215。當剩余的光致抗蝕材料216被溶劑去除時，保留由理想的圖案確定的金屬層215。
然后把半完工的裝置放回到真空腔中進行活性壓電材料膜的沉積(步驟S4)。類似于上述的金屬沉積，壓電層可以以不同的方式沉積，如通過對絕緣目標的RF濺射，金屬目標的脈沖DC反應濺射，化學氣相沉積(CVD)，分子束外延(MBE)等。這種壓電材料最好是氮化鋁(AlN)，但是也可以由ZnS或CdS組成。與金屬膜類似，AlN膜完全沉積在襯底上。但與金屬膜不同，它沒有形成圖案，并且隨后被采用Al的第二薄膜金屬層涂敷，形成裝置的上電極(步驟S5)。利用上述的平板印刷過程將第二金屬膜形成圖案并蝕刻(步驟S6)。一旦除去光致抗蝕劑，聲共振器裝置的結構即幾乎完成。雖然此時的裝置起著TFR的作用，但還有執(zhí)行下述步驟的優(yōu)點。
圖4是根據(jù)本發(fā)明第一實施例的聲共振器裝置在進行隔離之前的示意圖。參見圖4，有一個聲共振器裝置200，該裝置包括一個襯底220，一個被夾在上下金屬電極205、215之間的壓電層210。因為層210是連續(xù)的(即上行圖案)，所以與基礎金屬(下電極215)沒有直接的電連接，并且聲共振器裝置200實際上是串聯(lián)的兩個“腔”或共振腔。另外，使層210中的壓電材料取向成施加的電場將激發(fā)體聲波，即主要是垂直于襯底220的表面?zhèn)鞑サ目v波。這種傳播模式使圖4的聲共振器裝置與表面聲波(SAW)裝置有區(qū)別，其材料和設計特點助長聲波平行于并沿襯底的表面?zhèn)鞑ァ?br> 如上所述，當向電極205和215之間施加RF信號時，夾在其間的壓電層210對振蕩的反應是在材料體內產生垂直于襯底220的聲波。此反應類似于電動彈簧，當被一個AC信號激勵時，根據(jù)變化的電信號產生垂直壓縮和擴張的周期循環(huán)。通過這種方式，電信號被轉換成垂直于襯底220表面的機械運動。雖然如此，此運動并不與垂直于襯底的軸完全一致，這是由于這些效應非理想的晶體取向，邊緣場，膜的粗糙，共振腔的機械邊緣。所以，甚至在圖4的聲共振器裝置中也將激發(fā)橫波運動，載走以不可恢復的形式消耗或與同一襯底上的相鄰裝置干涉的能量。但是，下列的步驟可以通過限制橫波載走能量的能力而增強聲共振器裝置的性能。
再參見圖2，裝置制成之后(步驟S6完成)，對壓電層210進行選擇蝕刻過程，即“開槽”過程(步驟S7)。與本申請為同一委托人和同一領域的美國待定專利申請No.09/XXX,XXX、名為“薄膜的選擇蝕刻”一文中描述了這一開槽過程。具體地說，可以通過化學蝕刻去除任何不涉及信號傳輸(不存在于電極205和215之間)的壓電材料。此蝕刻可以通過濕蝕刻、離子束研磨或最好是在活性離子蝕刻(RIE)腔中采用氯化學或等離子體轟擊去除材料而完成。另外，可以用光學可界定的抗蝕劑保護電極205和215之間不被蝕刻的區(qū)域。所以，橫向聲波模式的傳播被限定在裝置的未蝕刻區(qū)域，禁止與裝置截面的干涉和能量損耗。
圖5是根據(jù)本發(fā)明第一實施例的聲共振器裝置在隔離之后的示意圖。參見圖5可以看到，在開槽之后，電極205、215的邊緣和壓電層210互相匹配，在襯底220上形成一個很好限定的邊界。所有不在電極205和215之間的活性區(qū)域中的壓電材料都被除去。聲波振蕩此時被更好地限定在共振腔區(qū)域內，并且先前支持兩個共振腔之間的橫波運動的介質被消除。
應該認識到，要實現(xiàn)對隔離的理想改進可以不需要完全去除材料。或者，可以只去除不在電極之間的活性區(qū)域之內的壓電材料的一部分。另外，在某些情況下，設計者可能需要有一個用于互連的平面表面，或者可能需要保護蝕刻期間保留的裝置的下層(即金屬膜，襯底)。為了達到這一點，在通過去除壓電材料而產生的空隙中進行“回填”。用不同于去除的壓電材料的材料回填空隙。另外，如果需要另外的隔離，可以在壓電材料層之后繼續(xù)進行材料的蝕刻，到達襯底中的特定區(qū)域。但是必須非常小心地保護電連結。
圖6A和圖6B表示開槽過程前后的一種類型的聲共振器裝置。參見圖6A，該圖表示薄膜共振(TFR)裝置300的T型單元。例如，它可以構造成用作無線電通訊的RF帶通濾波器。與圖4中的裝置類似，但增加了一個與串聯(lián)共振腔(由電極330和305之間以及電極335和305之間的區(qū)域確定)并聯(lián)的并聯(lián)共振腔(由包圍夾在壓電層310之間的電極325和305之間的區(qū)域確定)。與圖4類似，不是共振腔的一部分的壓電層310的上行圖案/上行蝕刻部分支持橫波從中傳播。但是。如圖6B所示，開槽之后TFR裝置300展示出良好界定的邊界，把聲能限定在三個共振區(qū)域。因此，按照優(yōu)選實施例制造裝置之后進行的開槽過程提供一種隔離的方法，該方法限制了聲共振器裝置優(yōu)于聲能的橫向損耗所致的性能衰減和/或由相鄰裝置之間的聲學干涉導致的干擾。
圖7表示根據(jù)本發(fā)明第二實施例的隔離聲共振器裝置的方法。步驟S11-S13與圖2中列出的步驟S1-S3一致。但是，與通過去除不存在于電極205和215之間的壓電材料的制造之后隔離聲共振器裝置不同，在步驟S14的制造裝置期間限制壓電材料的生長。具體地說，在沉積壓電材料之前形成一個掩模層，與前面關于第一實施例的描述一樣。此掩模可以是一個機械掩模，如通過蠟紙的噴漆所采用的掩模。利用一種更通常的平版印刷薄膜法，此時可以利用膜下的光致抗蝕劑形成圖案。眾所周知，此抗蝕劑可以在隨后的膜沉積之后被除去，并且將消除表面上的任何膜，只剩下沉積在遠離抗蝕劑覆蓋的表面上的材料。特別是，形成掩模層，刻劃出“敞開”區(qū)(壓電材料將沉積在襯底表面上的真空腔內)和“掩模”區(qū)(壓電材料將沉積在掩模表面上的真空腔內)。隨后去除掩模和覆蓋其上的材料，剩下各個島狀物或活性壓電材料的“凸點”。
壓電材料沉積在真空腔內并且隨后通過溶劑除去掩模之后，沉積第二金屬膜并對其形成圖案(步驟S15和S16)，獲得一個看起來基本上與圖5和圖6B所示一致的聲共振器裝置。因此，在某種程度上類似于第一實施例，聲能被更好地限制在共振區(qū)域，并且提前消除任何能支持共振腔之間的橫波運動的介質。
圖8表示根據(jù)本發(fā)明第三實施例的隔離聲共振器裝置的方法。與前兩個實施例不同，本實施例沒有包圍分立的共振結構的壓電材料，第三實施例提供一種改變這些區(qū)域中的壓電效應的方法。此技術包括局部地進行對沉積的壓電層晶體的取向，例如可以通過對襯底表面形成圖案來進行。
壓電效應的強度以材料的“耦合常數(shù)”或“K”量化，它代表通過壓電效應而轉換成聲能的一部分電能?，F(xiàn)有技術中已知K2值隨著平均晶體取向的斜率快速傾斜。通常，只有壓電晶體“C”軸(即具有A,B和C軸的AlN六角晶體)的很大一部分垂直于襯底表面生長時才可以獲得一個很強的縱向壓電響應。如果在膜生長期間沒有足夠的晶體部分達到這種取向，則雖然化學上與取向量化的材料一致，壓電材料也將停止顯示壓電響應。錯誤取向的晶粒在隨機的方向產生應變并有零壓電效應。
壓電效應以及由此的TFR的性能受壓電晶體取向的強烈影響。反之，晶體取向對材料生長的表面高度敏感。第三實施例通過把襯底塑造成其中的材料隨良好取向的晶體結構生長并隨較差的取向生長的區(qū)域來扭轉對襯底表面結構的敏感性。在此實施例中，晶體結構在分立的共振器結構外部的區(qū)域中被“擾亂”，使得那些區(qū)域不能夠傳導波，與取向的材料機械上的不同，以致于將發(fā)生聲波反射，并且如果聲波的均勻傳遞被足夠的擾亂或改變(例如使得晶態(tài)受到嚴重地影響)。
參見圖8，獲得襯底之后(步驟S21)，如第一和第二實施例所述，沉積第一金屬模并形成圖案。之后，對襯底形成圖案以局部地改變襯底表面(步驟S24)。具體地說，利用一種掩模材料對襯底進行平版印刷過程，類似于對金屬膜和/或壓電材料形成圖案。但是，此圖案用于限定襯底上選擇改變以破壞取向的壓電材料的生長的區(qū)域。這種改變可包括襯底表面的粗糙度(例如通過氬例子或濕化學蝕刻)，或者一種已知不支持取向的壓電材料生長的SiO2薄膜的沉積(濺射或化學氣相沉積(CVD))。制備此表面之后，用一種溶劑去除掩模材料(光致抗蝕劑)。
在步驟S24中沉積壓電膜期間，沉積在未改變的表面或“原始區(qū)域”上的壓電材料將形成良好取向的晶體，顯示出很強的壓電效應。但是，沉積在襯底的“被處理”區(qū)域上的材料將形成取向較差的材料。取向較差的材料與取向良好的材料有相同的化學成份，但缺乏需要顯示出有用的壓電效應的晶體結構。另外，與取向良好的材料相比，它具有不同的機械特性，如聲速，并且具有非常不同的形態(tài)(即較小的密度和或更多的晶粒結果)。之后，沉積第二金屬模并形成圖案(步驟S26和S27)以在良好取向的、壓電地活性區(qū)域中確定聲共振器裝置。
參見圖4，通過利用根據(jù)第三實施例的方法，使金屬電極205和215以及襯底220之間的壓電材料層210很好地取向，從而支持作為聲共振器裝置200的特征的壓電響應。但是，由于襯底表面的預處理，沒有夾在電極205和215之間的壓電材料層210缺乏顯示有用的壓電效應所需的晶體結構。所以，此材料就地提供聲學隔離，限制共振腔之間無用橫波的產生和傳播。
顯而易見，以上描述的本發(fā)明可以通過多種方式改變。這種改變以及本領域的技術人員認為顯然的改型不認為脫離本發(fā)明的實質和范圍，都將包含在下列權利要求所定的范圍之內。
權利要求
1．一種產生聲共振器裝置的方法，其中聲共振器裝置由一種插在襯底上的兩個導體之間的壓電材料形成，包括隔離壓電材料以減小橫向傳播離開裝置的聲能量。
2．如權利要求1所述的方法，其特征在于在裝置的制造期間進行壓電材料的隔離。
3．如權利要求1所述的方法，其特征在于在裝置的制造之后進行壓電材料的隔離。
4．如權利要求1所述的方法，其特征在于隔離步驟還包括在裝置制造之后去除不涉及信號傳輸?shù)囊恍┗蛉繅弘姴牧稀?br> 5．如權利要求4所述的方法，其特征在于去除步驟通過一個選擇蝕刻過程進行。
6．如權利要求1所述的方法，其特征在于隔離步驟還包括在制造期間把壓電材料的生長限制在特定的區(qū)域內，其中所述特定的區(qū)域形成相繼互連的壓電材料的隔離島，由此限制橫波模式的能量的產生或傳播。
7．如權利要求6所述的方法，其特征在于隔離區(qū)通過掩模過程形成。
8．如權利要求1所述的方法，其特征在于隔離步驟還包括在襯底上的壓電材料生長期間，通過在沉積壓電材料之前選擇性地將襯底的表面形成圖案來擾亂壓電材料的晶體取向，從而形成聲能和RF能之間的轉換得以提高的壓電材料區(qū)和轉換減弱的區(qū)域。
9．如權利要求6所述的方法，其特征在于沒有插在所述導電膜之間的任何壓電材料處于一個信號傳輸減弱的區(qū)域，由此進行就地隔離功能。
10．如權利要求1所述的方法，其特征在于壓電材料是從包括至少AlN,ZnO和CdS的組中選擇。
11．如權利要求1所述的方法，其特征在于導電膜通過對Al金屬或其它導體平版印刷圖案而形成。
12．如權利要求1所述的方法，其特征在于把襯底做成在一個基片如硅、石英或玻璃片上的多個聲反射層。
13．一種隔離聲共振器裝置的方法，其中聲共振器裝置具有一種插在襯底上的兩導體之間的壓電材料，方法包括在裝置制造之后去除不涉及通過RF和聲能之間的轉換而傳輸信號的一些或全部壓電材料，把橫波傳播損耗限制在裝置的未蝕刻區(qū)域，由此限制橫波模式的能量傳播。
14．如權利要求13所述的方法，其特征在于所述去除步驟通過一個選擇蝕刻過程進行。
15．如權利要求14所述的方法，其特征在于通過選擇蝕刻至少去除一些襯底表面。
16．如權利要求13所述的方法，其特征在于至少一些去除的壓電材料形成一個被回填不同材料的空隙。
17．一種隔離聲共振器裝置的方法，其中聲共振器裝置具有一種插在襯底上的兩導體之間的壓電材料，方法包括在制造期間把壓電材料限制在襯底上的特定區(qū)域，其中特定區(qū)域形成互連的壓電材料的隔離島。
18．如權利要求17所述的方法，其特征在于隔離區(qū)通過一個掩模過程形成。
19．一種隔離聲共振器裝置的方法，其中聲共振器裝置具有一種插在襯底上的兩導體之間的壓電材料，方法包括壓電材料在襯底上的生長期間，通過在沉積壓電材料之前選擇性地在襯底表面形成圖案來擾亂壓電材料的晶體取向，從而形成增強信號傳輸?shù)膲弘姴牧蠀^(qū)域和減弱信號傳輸?shù)膮^(qū)域。
20．如權利要求19所述的方法，其特征在于沒有插在所述導電膜之間的一些或所有壓電材料處于一個信號傳輸減弱的區(qū)域，由此進行就地隔離功能。
21．一種聲共振器裝置，包括一個襯底；一個形成在襯底上的第一導電膜；一個形成在第一導電膜上的壓電材料層，其中壓電材料被隔離，從而減小了橫向傳播離開裝置的聲能量；和一個形成在壓電層上的第二導電膜。
22．如權利要求21所述的聲共振器裝置，其特征在于通過選擇蝕刻去除不涉及信號傳輸?shù)娜魏螇弘姴牧?，從而把橫向傳播損耗限制在裝置的未蝕刻區(qū)域。
23．如權利要求21所述的聲共振器裝置，其特征在于壓電材料層限制在襯底和第一導電膜上的特定區(qū)域，從而形成相繼互連的壓電材料的隔離島。
24．如權利要求21所述的聲共振器裝置，其特征在于壓電材料在襯底上的生長期間，通過在沉積壓電材料之前選擇性地在襯底表面形成圖案來擾亂壓電材料的晶體取向，從而形成增強信號傳輸?shù)膲弘姴牧蠀^(qū)域和減弱信號傳輸?shù)膮^(qū)域。
26．如權利要求24所述的方法，其特征在于沒有插在所述導電膜之間的任何壓電材料處于一個信號傳輸減弱的區(qū)域，由此進行就地隔離功能。
27．如權利要求21所述的聲共振器裝置，其特征在于壓電材料是從包括至少AlN,ZnO和CdS的組中選擇。
28．如權利要求21所述的聲共振器裝置，其特征在于導電膜是Al金屬電極或其它導體。
全文摘要
一種隔離壓電薄膜聲共振器裝置的方法。具體地說,此項隔離技術包括在聲共振器裝置之間控制或隔離壓電材料層,限制沿橫向傳播離開裝置的聲能量。一方面,從裝置中去除不涉及通過RF和聲能之間的轉換而傳輸信號的至少一部分壓電材料。另一方面,在制造時把壓電材料的生長限制在一定的區(qū)域。再一方面,在制造裝置時擾亂或改變壓電材料的晶體取向,從而形成具有優(yōu)良的壓電特性的區(qū)域和顯示較弱的壓電特性的區(qū)域。
文檔編號H01L41/22GK1319835SQ0110166
公開日2001年10月31日 申請日期2001年1月19日 優(yōu)先權日2000年2月4日
發(fā)明者布拉德利·保羅·巴伯, 里納斯·阿爾伯特·費特, 邁克爾·喬治·茲爾德特 申請人:朗迅科技公司