CN102447452B - 体声波共振组件与体声波滤波器及其方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种体声波共振组件，其包括一基底、堆栈于基底上的两电极，以及设置于两电极之间的至少一压电层。两电极与压电层在一垂直投影方向上至少部分重叠，且两电极之一具有多个开口。

Description

体声波共振组件与体声波滤波器及其方法
技术领域
本发明涉及一种体声波共振组件、一种体声波滤波器以及一种制造体声波共振组件的方法，特别涉及一种具有格状电极的体声波共振组件及其制造方法、一种输入/输出端位于不同层的体声波共振滤波器，以及一种体声波共振滤波器，其具有多个以多层堆栈的型态设置的体声波共振组件，且位于其中一层的多个体声波共振组件的压电层彼此相连而形成一完整压电层。
背景技术
体声波共振组件(bulk acoustic wave resonator，BAW resonator)，由于具有高效率，已广泛应用于各式电子产品上。举例而言，体声波共振组件可实现出体声波共振滤波器(bulk acoustic waver filter，BAW filter)，应用于通讯产品的带通滤波器上。
在作为带通滤波器的应用中，对于体声波共振组件的频率规格有相当严格的要求，而体声波共振组件的频率则主要取决于压电材料的介电常数与厚度，以及两电极的重叠面积。在体声波共振组件的制造工艺中，压电层的介电常数可通过材料的选择而确定，而压电层的厚度与两电极的重叠面积则可能因制造工艺变化而与预定厚度值或预定位置有所不同。相对于目前用以定义电极图案的微影蚀刻技术的精确度，形成压电层的沉积制造工艺具有较差的精确度，因此使得在目前体声波共振组件的制造工艺中，压电层的厚度变化成为无法精确控制体声波共振组件的频率的主要原因，进而导致体声波共振组件的合格率与可靠度无法进一步提升。
发明内容
本发明的目的在于提供一种体声波共振组件、一种体声波滤波器以及一种制造体声波共振组件的方法，以提升体声波共振组件的合格率与可靠度，并增加电路设计上的变化与节省制造工艺步骤。
本发明的一个优选实施例提供一种体声波共振组件，其包括一基底、堆栈于基底上的两电极，以及设置于两电极之间的至少一压电层。两电极与压电层在一垂直投影方向上至少部分重叠，且两电极之一具有多个开口。
本发明的另一优选实施例提供一种制造体声波共振组件的方法，包括下列步骤。提供一基底，并在基底上形成一第一电极。随后在第一电极上形成至少一压电层，接着再在压电层上形成一第二电极。此外，在第一电极与第二电极之一上形成多个开口。
本发明的另一优选实施例提供一种体声波滤波器，其包括一基底、以多层堆栈的型态设置于所述基底上的多个体声波共振组件，以及一输入端及一输出端。体声波共振组件利用耦合方式传递信号。输入端与输出端分别与不同的声波共振组件电连接，且所述输入端与所述输出端分别位于不同层。
本发明的另一优选实施例提供一种制造体声波滤波器的方法，包括下列步骤。提供一基底。在基底上形成多个体声波共振组件，其以多层堆栈方式设置于所述基底上，且所述体声波共振组件以耦合方式传递信号。形成一输入端及一输出端，其中输入端与输出端分别与不同的体声波共振组件电连接，且所述输入端与所述输出端分别位于不同层。
本发明的又一优选实施例提供一种体声波滤波器，其包括一基底，以及堆栈于基底上的多个体声波共振组件。体声波共振组件以耦合方式传递信号，各体声波共振组件包括两电极，以及设置于两电极之间的至少一压电层，且部分所述体声波共振组件的压电层相互连接，以形成至少一完整压电层。
本发明的又一优选实施例提供一种制造体声波滤波器的方法，其包括下列步骤。提供一基底。在基底上形成多个体声波共振组件，其中体声波共振组件堆栈于基底上，体声波共振组件以耦合方式传递信号，各体声波共振组件包括两电极，以及设置于两电极之间的至少一压电层，且部分体声波共振组件间的压电层相互连接，以形成至少一完整压电层。
本发明的另一优选实施例提供一种体声波滤波器，其包括一基底、堆栈于基底上的多个体声波共振组件，以及一导线。体声波共振组件以耦合方式传递信号，各体声波共振组件包括两电极，以及设置于两电极之间的至少一压电层。导线与体声波共振组件的电极电连接，其中各导线可形成一电容、一电感与一电阻之其一。
根据上述技术方案，本发明的体声波共振组件、体声波滤波器以及制造体声波共振组件的方法至少具有下列优点及有益效果：本发明的体声波滤波器的输入端与输出端可位于不同层，可增加电路设计上的变化。本发明的体声波滤波器的体声波共振组件的压电层可互相连接而形成至少一完整压电层。本发明制造体声波共振组件的方法具有提升体声波共振组件的合格率与可靠度，并增加电路设计上的变化与节省制造工艺步骤的优点。
附图说明
图1至图3为本发明一优选实施例制造体声波共振组件的方法的示意图；
图4与图5为本发明的频率微调步骤的两优选实施例的示意图；
图6为本发明的电极图案的一变化形态的示意图；
图7A与图8A为本发明一优选实施例的体声波滤波器的示意图；
图7B与图7C为图7A的实施例的两变化形态的体声波滤波器的示意图；
图8B为图8A的实施例的一变化形态的体声波滤波器的示意图；
图9为本发明另一优选实施例的体声波滤波器的示意图；
图10为本发明另一优选实施例的体声波滤波器及其制造方法的示意图；
图11为本发明又一优选实施例的体声波滤波器及其制造方法的示意图；
图12为体声波滤波器可处理的讯号频率与振幅的关系图。
其中，附图标记说明如下：
30    基底           32    第一电极
32A   开口           34    压电层
36    第二电极       36A   开口
38    体声波共振组件 39    电极
39A   开口           40    体声波滤波器
42    基底           44    第一体声波共振组件
441    第一电极        442    第二电极
443    压电层          46     第二体声波共振组件
461    第一电极        462    第二电极
463    压电层          48     第三体声波共振组件
481    第一电极        482    第二电极
483    压电层          49     导线
50     中介层          501    第一材料层
502    第二材料层      503    第三材料层
504    第四材料层      506    第五材料层
50C    空腔            50S    间隔图案
52     输入端          54     输出端
60     体声波滤波器    70     体声波滤波器
80     体声波滤波器    32     补偿图案
具体实施方式
为使本领域技术人员能更进一步了解本发明，下面特列举本发明的优选实施例，并配合附图，详细说明本发明的构成内容及所欲达到的功效。
请参考图1至图3。图1至图3为本发明一优选实施例的制造体声波共振组件的方法示意图。如图1所示，首先提供一基底30，其中基底30可为一半导体基底例如硅基底，但不局限于此。接着在基底30上形成一电极(以下称为第一电极32)。值得说明的是在形成第一电极32之前，可任选先在基底30上形成至少一介电层(图中未显示)或一压电层(图中未显示)，但不局限于此。如图2所示，接着在第一电极32上形成至少一压电层34，其中压电层34可由任何压电材料例如氮化铝所构成，并可采用各种制造工艺例如物理气相沉积工艺或化学气相沉积工艺形成。如图3所示，随后在压电层34上形成另一电极(以下称为第二电极36)，以形成体声波共振组件38。第一电极32与第二电极36可由任何导电材料所构成，例如银。在本发明中，第一电极32与第二电极36中至少其一可具有多个开口。举例而言，在本实施例中，第一电极32具有开口32A，且第二电极36也具有开口36A，而由于开口32A与开口36A分别为格状，因此第一电极32与第二电极36可分别为一格状电极，但不局限于此。此外，第一电极32、压电层34与第二电极36在垂直投影方向上至少部分重叠，且第一电极32与第二电极36可根据设计不同而具有相同图案或不相同图案。
由于体声波共振组件38的频率与电容值、电感值与电阻值相关，而电容值、电感值与电阻值可由压电层34的厚度与材料以及第一电极32及第二电极36的重叠面积等因素所决定。由于压电层34的制造工艺具有较差的精确度或其它不可预期的因素，因此常会使得制造出的体声波共振组件38的实际频率与目标频率有所差异。因此为了解决此一问题，本实施例的制造体声波共振组件的方法还包括进行一测量步骤以及一频率微调步骤。测量步骤用来测量出体声波共振组件38的实际频率，值得说明的是测量步骤可在体声波共振组件38制造完成后进行，但不局限于此。例如也可在体声波共振组件38的制造过程中通过模拟或其它方式所推算出。当测量出的实际频率与目标频率相等或其差异在可容许的范围内，则可判定体声波共振组件38为合格品，而当测量出的实际频率与目标频率有所差异时，则可进行频率微调步骤，通过调整体声波共振组件38的实际频率而使其接近或等于目标频率。
在本实施例中，频率微调步骤包括改变第一电极32的面积和/或改变第二电极36的面积，例如增加或减少第一电极32的面积，或增加或减少第二电极36的面积，但不局限于此。改变第一电极32的面积和/或改变第二电极36的面积的方法可为例如改变开口32A的数目和/或开口36A的数目。请参考图4与图5。图4与图5为本发明的频率微调步骤的两优选实施例的示意图。如图4所示，本实施例的频率微调步骤是通过改变第一电极32的面积来进行的，例如可在第一电极32的开口32A内填入一补偿图案32B来增加第一电极32的面积，因此开口32A的数目会减少并可以改变第一电极32与第二电极36的重叠面积，由此可调整电容值、电感值或电阻值，进而调整体声波共振组件38的实际频率。如图5所示，本实施例的频率微调步骤是通过改变第二电极36的面积来进行的，例如可去除部分第二电极36而增加开口36A的数目，因此第二电极36的面积会缩小而会改变第一电极32与第二电极36的重叠面积，由此可调整电容值、电感值与电阻值，进而调整体声波共振组件38的实际频率。在上述两实施例中，改变第一电极32与第二电极36的而积可利用例如进行一沉积过程以增加第一电极32与第二电极36的面积，或是可利用例如进行一蚀刻过程以缩减第一电极32与第二电极36的面积加以实现，但不局限于此。另外值得说明的是本实施例的体声波共振组件38使用图案化电极，即第一电极32具有开口32A且第二电极36具有开口36A，此图案化电极设计将有助于频率微调步骤的进行，而使得改变第一电极32与第二电极36的重叠面积更易于实现。值得说明的是在本发明的其它实施例中，也可先形成平面状的第一电极32与第二电极36，再在频率微调步骤中形成开口32A或/和开口36A。
值得说明的是本发明的体声波共振组件的第一电极或第二电极的图案并不限于矩形的格状电极，而可根据设计不同而为其它形状。请参考图6。图6为本发明的电极图案的一变化形态的示意图。如图6所示，不同于前述实施例，本实施例的电极39为多边形例如五边形，且电极39具有多个开口39A，其中开口39A为三角形，但不局限于此。
请参考图7A与图8A。图7A与图8A为本发明一优选实施例的体声波滤波器的示意图，其中图7A为体声波滤波器的俯视示意图，图8A为体声波滤波器的剖面示意图。如图7A与图8A所示，本实施例的体声波滤波器40包括一基底42、以多层堆栈的型态设置于基底42上的多个体声波共振组件，且所述多个体声波共振组件利用耦合方式例如以声耦合(acoustically coupled)或电耦合(electrically coupled)传递信号。在本实施例中，所述多个体声波共振组件包括设置于基底42上的多个第一体声波共振组件44、堆栈于第一体声波共振组件44上的多个第二体声波共振组件46，以及堆栈于第二体声波共振组件46上的多个第三体声波共振组件48。也就是说，本实施例的体声波滤波器40具有三层堆栈的体声波共振组件。各第一体声波共振组件44具有一第一电极441、位于第一电极441之上的一第二电极442，以及设置于第一电极441与第二电极442之间的至少一压电层443。各第二体声波共振组件46具有一第一电极461、位于第一电极461之上的一第二电极462，以及设置于第一电极461与第二电极462之间的至少一压电层463。各第三体声波共振组件48具有一第一电极481、位于第一电极481之上的一第二电极482，以及设置于第一电极481与第二电极482之间的至少一压电层483。
另外，位于同一层的体声波共振组件的电极间耦接有导线49，如图7A所示。导线49可形成电感或电容或电阻的一部分。且导线49的长度、宽度、厚度、形状，以及导线49的走线图案等因素也会影响其所代表的电容值或电感值或电阻值。因此，在设计体声波滤波器40时应将导线49的长度、宽度、厚度、形状，以及导线49的走线图案等因素纳入考虑而作适当调整。举例而言，如图7A所示，在本实施例中，导线49的走线图案为一直线图案，且其长度、宽度、形状与厚度可根据电容值、电感值与电阻值的规格需求而加以调整，但不局限于此。此外，不同层的体声波共振组件之间以及最下层的体声波共振组件(，在本实施例为第一体声波共振组件44)与基底42之间可设置中介层50，其中中介层50可为一单一中介层或一复合中介层。若使用单一中介层，其可为一压电层或一介电层，并具有适当的阻抗。若使用复合中介层，其包括多层堆栈的材料层，且所述材料层具有不同的阻抗。例如在本实施例中，中介层50包括一第一材料层501、一第二材料层502与一第三材料层503，其中第一材料层501、第二材料层502与第三材料层503具有不同阻抗，且第一材料层501、第二材料层502与第三材料层503分别可为一压电层或一介电层。此外，体声波滤波器40还包括一输入端52及一输出端54，由此接受输入讯号进行滤波并将处理过的讯号输出，且在本实施例中，输入端52及输出端54与位于同一层的体声波共振组件电连接，例如与对应的两个第三体声波共振组件48电连接，但不局限于此。
在本实施例中，位于最底层的第一体声波共振组件44中的任何一个、位于中层的第二体声波共振组件46中的任何一个，以及位于最上层的第三体声波共振组件48中的任何一个均可具有上述图1至图5的实施例所述的图案化电极，例如在本实施例中，第三体声波共振组件48的第二电极482即为格状电极。
请再参考图7B与图7C。图7B与图7C为图7A的实施例的两变化形态的体声波滤波器的示意图。如图7B所示，相对于图7A的实施例，在本变化形中，部分的导线49的走线图案可为一弯曲(meander)图案，例如一S形图案，且其走线图案、长度、宽度、形状与厚度可根据电容值、电感值与电阻值的规格需求而加以调整，但不局限于此。如图7C所示，相对于图7A的实施例，在本变化形中，部分导线49的走线图案为一绕折(winding)图案，例如以直角方式挠折，但不局限于此。
请再参考图8B。图8B为图8A的实施例的一变化形态的体声波滤波器的示意图。如图8B所示，相对于图8A的实施例，在本变化形态中，位于第一体声波共振组件44与基底42之间中介层50可包括一第一材料层501、一第二材料层502、一第三材料层503、一第四材料层504与一第五材料层505，其中第一材料层501、第二材料层502、第三材料层503、第四材料层504与第五材料层505具有不同阻抗，且第一材料层501、第二材料层502、第三材料层503、第四材料层504与第五材料层505分别可为一压电层或一介电层。值得说明的是，在本发明中，复合中介层中的各材料层的材料、厚度与层数等可根据需要加以调整，而不以上述实施例所述之作法为限。
本发明的体声波滤波器并不以上述实施例为限。下面将依次介绍本发明的其它优选实施例的体声波滤波器，且为了便于比较各实施例的不同之处并简化说明，在下面的各实施例中使用相同的符号标注相同的组件，且主要针对各实施例的不同之处进行说明，而不再对重复部分进行赘述。
请参考图9。图9为本发明另一优选实施例的体声波滤波器的示意图。如图9所示，在本实施例中，体声波滤波器60的中介层50具有空腔50C。精确地说，位于第一体声波共振组件44与基底42之间中介层50可包括一第一材料层501、一第二材料层502以及设置于第一材料层501与第二材料层502之间的一间隔图案50S，而空腔50C形成于第一材料层50与第二材料层502之间，而使得第一体声波共振组件44悬浮于基底42之上。
请参考图10。图10为本发明另一优选实施例的体声波滤波器及其制造方法的示意图。如图10所示，本实施例的体声波滤波器70的制造方法包括下列步骤。提供一基底42。在基底42上形成多个体声波共振组件，例如设置于基底42上的第一体声波共振组件44、堆栈于第一体声波共振组件44上的多个第二体声波共振组件46，以及多个第三体声波共振组件48。体声波共振组件以耦合方式例如声耦合或电耦合方式互相连接以传递信号。另外，形成一输入端52及一输出端54，其中输入端52与输出端54分别与不同的体声波共振组件电连接，且输入端52与输出端54位于不同层。例如，输入端52与最上层的第三体声波共振组件48电连接，而输出端54则与最底层的第一体声波共振组件44电连接。此外，在本实施例中，针对体声波共振组件的电极，可根据设计不同而选用平面电极(如图10所示)或是图案化电极(如图8A与图8B所示)。上述将输入端52与输出端54分别与位于不同层的体声波共振组件电连接的方式可增加体声波滤波器70在电路设计上的变化。此外，本实施例的中介层50可根据需要而选用上述各实施例所述的任一做法。
请参考图11。图11为本发明又一优选实施例的体声波滤波器及其制造方法的示意图。如图11所示，本实施例的体声波滤波器80的制造方法包括下列步骤。提供一基底42。在基底42上形成多个体声波共振组件，例如设置于基底42上的第一体声波共振组件44、堆栈于第一体声波共振组件44上的多个第二体声波共振组件46，以及多个第三体声波共振组件48。体声波共振组件以耦合方式例如声耦合或电耦合方式互相连接以传递信号。各体声波共振组件包括两电极，以及设置于两电极之间的至少一压电层。例如各第一体声波共振组件44具有一第一电极441、位于第一电极441之上的一第二电极442，以及设置于第一电极441与第二电极442之间的至少一压电层443。各第二体声波共振组件46具有一第一电极461、位于第一电极461之上的一第二电极462，以及设置于第一电极461与第二电极462之间的至少一压电层463。各第三体声波共振组件48具有一第一电极481、位于第一电极481之上的一第二电极482，以及设置于第一电极481与第二电极482之间的至少一压电层483。在本实施例中，位于最上层的体声波共振组件的压电层互相连接而形成一完整压电层，即本实施例的体声波滤波器80的至少部分第三体声波共振组件48的压电层483互相连接而形成一完整压电层。另外，完整压电层设计并不局限于应用在最上层的体声波共振组件上，例如其它层的体声波共振组件的压电层也可根据需要而具有完整压电层设计。在本实施例中，针对体声波共振组件的电极，可视设计不同选用平面电极(如图10所示)或是图案化电极(如图8A与图8B所示)。此外，本实施例的中介层50可根据需要而选用上述各实施例所述的任一做法。
值得说明的是本发明的频率微调步骤并不局限于应用在调整体声波共振组件的频率上，而也可应用于调整体声波滤波器的滤波频段，也就是说，通过个别调整体声波滤波器内的不同体声波共振组件的频率可使得体声波滤波器具有较佳的滤波效果。请参考图12。图12为体声波滤波器可处理的讯号频率与振幅的关系图，其中曲线A代表体声波滤波器可处理的讯号频率与振幅的关系的理想曲线，曲线B代表体声波滤波器可处理的讯号频率与振幅的关系的实际曲线，曲线C代表体声波滤波器在进行频率微调步骤后可处理的讯号频率与振幅的关系的实际曲线。如图12的曲线A所示，在理想状况下，体声波滤波器可处理的讯号频率与振幅的关系的理想曲线应类似一矩形，也就是说在可通过的讯号频率范围内(频率f1至频率f2之间)，输出的讯号应具有相同强度，而在可通过的讯号频率范围外(频率f1至频率f2之外)，应不会输出讯号。如图12的曲线B所示，在实际状况下，体声波滤波器的滤波效果会受到制造工艺变化或其它因素的影响，而使得在不可通过的讯号频率范围外，仍会产生具有相当强度的输出讯号。如图12的曲线C所示，在进行频率微调步骤以分别调整个别体声波共振组件的频率后，体声波滤波器的滤波效果会近似于理想体声波滤波器的滤波效果，而大幅增加体声波滤波器的可靠度。
综上所述，本发明的体声波共振组件可具有图案化电极的设计，因此有助于频率微调步骤的进行。此外，本发明的体声波滤波器的输入端与输出端可位于不同层，可增加电路设计上的变化。再者，本发明的体声波滤波器的其中一层层的体声波共振组件的压电层可互相连接而形成至少一完整压电层。另外，通过频率微调步骤可调整个别体声波共振组件的频率，进而使体声波滤波器的滤波效果会近似于理想体声波滤波器的滤波效果，而大幅增加体声波滤波器的可靠度。
以上所述仅为本发明的优选实施例，凡依本发明权利要求所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。

Claims (6)

1.一种体声波滤波器，其特征在于，包括：
一基底；
多个体声波共振组件，堆栈于所述基底上，所述体声波共振组件包括：
一第一体声波共振组件，设置于所述基底上，所述第一体声波共振组件包括：
两电极；以及
设置于所述两电极之间的至少一压电层；以及
多个第二体声波共振组件，堆栈于所述第一体声波共振组件上，所述第二体声波共振组件包括：
两电极；以及
设置于所述两电极之间的至少一压电层；以及
一中介层，所述中介层包括一第一中介层，所述第一中介层设置于所述第一体声波共振组件以及所述多个第二体声波共振组件之间，其中所述第一中介层还设置于所述多个第二体声波共振组件之间；所述第一体声波共振组件以及所述多个第二体声波共振组件以耦合方式传递信号，所述第一体声波共振组件的所述两电极具有至少一开口且所述第一体声波共振组件的所述至少一压电层为一完整压电层；
多个第三体声波共振组件堆栈于所述第二体声波共振组件上，其中所述中介层还设置于所述多个第二体声波共振组件以及所述多个第三体声波共振组件之间。
2.如权利要求1所述的体声波滤波器，其特征在于，还包括一输入端以及一输出端，其中所述输入端与所述输出端分别与不同的体声波共振组件电连接，且所述输入端与所述输出端分别位于不同层。
3.如权利要求1所述的体声波滤波器，其特征在于，所述中介层包括一压电层或一介电层。
4.如权利要求1所述的体声波滤波器，其特征在于，所述中介层为一复合中介层，所述复合中介层包括多层堆栈的材料层，且所述材料层具有不同的阻抗。
5.如权利要求4所述的体声波滤波器，其特征在于，所述中介层还包括一第二中介层，所述第二中介层设置于所述第一体声波共振组件以及基底之间，所述第二中介层还包括一空腔，位于所述材料层之间。
6.一种制造体声波滤波器的方法，其特征在于，包括：
提供一基底；以及
在所述基底上形成多个体声波共振组件以及至少一中介层，其中体声波共振组件堆栈于所述基底上，所述体声波共振组件包括：
一第一体声波共振组件，所述第一体声波共振组件包括：
两电极；以及
形成于所述两电极之间的至少一压电层；以及
多个第二体声波共振组件，堆栈于所述第一体声波共振组件上，所述第二体声波共振组件包括：
两电极；以及
形成于所述两电极之间的至少一压电层，
其中所述中介层包括形成于所述第一体声波共振组件以及所述多个第二体声波共振组件之间的第一中介层，且所述第一中介层还形成于所述多个第二体声波共振组件之间；所述第一体声波共振组件以及所述多个第二体声波共振组件以耦合方式传递信号，所述第一体声波共振组件的所述两电极具有至少一开口且所述第一体声波共振组件的至少一压电层为一完整压电层；
所述体声波共振组件还包括多个第三体声波共振组件堆栈于所述第二体声波共振组件上，且所述第一中介层还形成于所述多个第二体声波共振组件以及所述多个第三体声波共振组件之间。
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