CN105027435B - 微声学器件和用于制造的方法 - Google Patents

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Abstract

说明一种具有覆盖物（CAP）以及具有改进的声学特性的微声学器件（MAC），该覆盖物允许密封的封闭，该改进的声学特性例如通过放置覆盖物。该器件包括声学功能区域（FAS）、内部边缘区域（IRS）和外部边缘区域（ORS）。覆盖物（CAP）覆盖声学功能区域（CAP）并且具有薄层和支撑面（RS）。内部边缘区域（IRS）与声学功能区域（FAS）声学耦合并且支撑面（RS）至少直接平放在内部边缘区域（IRS）的一部分上。

Description

微声学器件和用于制造的方法
技术领域
本发明涉及一种微声学器件、例如具有电声有效区域的器件，其中功能区域通过罩来覆盖，以及一种用于制造这样的器件的方法。
背景技术
微声学器件包括功能区域，在该功能区域中声波可以传播。这样的器件例如可以包含具有电极结构和压电材料的电声转换器并且利用SAW（SAW＝Surface Acoustic Wave＝表面声波）、BAW（BAW＝Bulk Acoustic Wave＝体声波）或GBAW（GBAW＝Guided BulkAcoustic Wave＝导向体声波）来工作。这样的器件可以是HF滤波器并且例如在移动通信设备中使用。
利用声波工作的HF滤波器的特征性的数量级基本上通过声波在浓缩材料中的传播速度和频率给出。在1GHz的频率和1000m/s的传播速度的情况下得出1μm的特征性的数量级。因此，例如SAW器件的相邻的电极指或BAW共振器的压电层厚通过1μm的数量级上的结构大小来确定。
微声学器件的原理上的问题是，功能区域对外部影响反应灵敏。因此需要功能区域上的覆盖物。然而，传统的覆盖物提高制造成本的价格和/或阻碍持续不断小型化的趋势。
微声学器件的另外的问题是，如果对信号质量提出高的要求，那么为了给声学信号提供最优的介质需要昂贵的技术措施。因此针对SAW器件的措施例如在于，针对声学轨迹的不同区域最佳地调节波导特性。声波例如在压电材料中或在压电材料的表面上的传播在此取决于多个参数、诸如介质的密度、质量分布、介质的弹性模量或功能区域、即波在其中传播的区域的几何形状。
发明内容
因此本发明的任务是说明一种具有覆盖物的微声学器件，其中覆盖物不显著地放大器件的规模，并且其中器件尽管小的结构尺寸但具有良好的声学特性。此外，应该说明一种用于制造这样的器件的方法。
该任务通过独立权利要求来解决。从属权利要求说明有利的设计方案。
器件包括声学功能区域以及包围声学功能区域的内部边缘区域。器件此外包括包围内部边缘区域的外部边缘区域以及覆盖物，该覆盖物覆盖声学功能区域并且具有薄层和支撑面。内部边缘区域与声学功能区域声学耦合。支撑面至少平放在内部边缘区域的一部分上。
微声学器件可以是电声器件、例如具有用于在压电衬底中在电磁HF和声学信号之间进行转换的电极结构的BAW器件、SAW器件或GBAW器件。微声学器件的声学功能区域是这样的区域，该区域被设置用于声波的传播。通常，器件的声学功能区域不能绝对自由悬浮地布置在器件中。因此器件的声学功能区域与器件的其余部分连接。这样的连接一般是桥，通过该桥，声波能够从声学功能区域辐射到器件的其余部分中。在当前的器件中，内部边缘区域至少是其余器件和声学功能区域之间的连接的一部分并且因此与声学功能区域声学耦合。外部边缘区域在此大体上与声学功能区域声学去耦合，使得外部边缘区域的存在不对声波在声学功能区域中的发展产生很大的影响。覆盖声学功能区域并且包括至少一个薄层的覆盖物是TFP覆盖的覆盖物（TFP＝Thin Film Package＝薄膜封装）。TFP覆盖也可以用于覆盖其他小型化的器件。
可以的是，覆盖物以空腔密封地包围声学功能区域。但是也可以的是，覆盖物保护声学功能区域以免较大的物件，但是此外允许声学功能区域与周围大气的接触。
通过覆盖物的支撑面至少直接平放在内部边缘区域的一部分上的方式，覆盖物或至少覆盖物的下部区域声学地耦合到声学功能区域上。
微声学器件因此相对于传统的微声学器件具有以下优点：
覆盖物的支撑面相对于传统的器件从外部边缘区域至少部分地被拉伸到内部边缘区域中，使得空腔被缩小，在该空腔中声学功能区域被布置在覆盖物之下。由此，原则上获得缩小的器件。
此外，覆盖物的不直接与声学功能区域连接的面被缩小。覆盖物相对于如例如在器件的热压模时可能出现的外部的力的机械抵抗力因此被改进。
通过将支撑面至少部分地拖近到内部边缘区域中也降低外部的场地需求。此外，空腔被缩小，这使去除覆盖物下的牺牲层变得容易。
通过覆盖物与声学功能区域的声学耦合，可以在声学功能区域中获得最佳的波模式。
对此的传统措施是，诸如声学功能区域的边缘上的被称作“涂盖层（Overlap）”的质量分布可以被去掉或简化并且由此更适宜地被制造。
特别是已经发现，绝对可以设计覆盖物，使得覆盖物尽管声学功能区域和其周围环境之间的复杂的相互作用仍可以被用于改进振荡模式，声学功能区域通常尽可能好地与该周围环境隔离。
利用本措施可以获得具有特征性大小的厚度的覆盖物或具有特征性大小的数量级上的高度的空腔，使得器件的总大小基本上没有通过改进声学特性的覆盖物来扩大。
在一种实施方式中，器件利用表面声波或导向体声波工作。于是，器件包括在压电材料上的声学功能区域中的交错固定的电极指。附加地或作为对此替代地，可以的是，器件利用体声波工作并且为此在下部电极面和上部电极面之间的声学功能区域中包括压电材料。
声学功能区域或邻接于声学功能区域的区域可以包括声学反射体、例如在表面波的情况下的结构化的条带或体波情况下的声学镜层。
在一种实施方式中，内部边缘区域中的质量分布通过附加的质量而局部地被提高以用于抑制不期望的波模式或用于改进波传导。覆盖物的支撑面于是可以平放在附加的质量上并且改进其效果。
在器件的一种实施方式中，框结构的附加质量类似于传统的“涂盖层”。
在一种实施方式中，不仅支撑面而且框结构分别具有内部的棱。两个内部的棱相互齐平。
在一种实施方式中，器件包括反射声波的结构。
在一种实施方式中，覆盖物包围声学功能区域上的空腔。空腔在此可以与器件的周围环境密封地分离或例如通过覆盖物中的孔与周围环境连接。
在一种实施方式中，微声学器件包括另外的声学功能区域和另外的覆盖物。两个覆盖物之一在所属的声学功能区域上包围空腔。另外的覆盖物直接被布置在所属的声学功能区域上，没有以下的空腔被包围，在该空腔中另外的声学功能区域与覆盖物相间隔地布置。
如果另外的覆盖物包围另外的声学功能区域而在声学功能区域和覆盖物之间没有空腔，那么覆盖物完全声学地耦合到该声学功能区域上。BAW共振器或SAW共振器可以由此失谐，使得所述BAW共振器或SAW共振器在重要的频率范围内是声学无效的。以该方式，通过简单的方法步骤可以附加于声学有效的共振器在相同的芯片上构造电容元件。
两个功能区域可以相叠地或并排地被布置。
覆盖物可以包括唯一的薄层或多个相叠布置的薄层。覆盖物在此可以为1μm和10μm之间厚、例如3μm厚，并且包括氧化硅、例如SiO2、聚合物或由光刻工艺已知的光刻胶。此外，覆盖物可以包括用于屏蔽或用于改进密封性的薄的金属层。在覆盖物上可以布置其他层、例如可以为5μm和15μm之间厚的聚合物层。该其他层例如可以为8μm和10μm之间厚。
涂盖层或简化实施的涂盖层例如可以包括氧化硅、例如SiO2或氮化硅、例如Si3N4。
压电材料例如可以包括氮化铝（AlN）、氧化锌（ZnO）或锆钛酸铅（PZT）或这些材料的组合。压电材料此外可以利用例如钪（Sc）来掺杂。
用于制造电声器件的方法包括以下步骤：
－提供载体衬底，
－成形结构，在该结构中微声波可以在衬底中、上或之上的声学功能区域中传播，
－在声学功能区域上布置牺牲层，
－在牺牲层上沉积薄层，
－去除薄层和声学功能区域之间的牺牲层。
在此施加牺牲层，使得围绕着声学功能区域的内部边缘区域不通过牺牲层来覆盖。接着沉积的薄层于是可以直接位于内部边缘区域的未被覆盖的部分上。在去除牺牲层之后，薄层构成覆盖声学功能区域的覆盖物。覆盖物除了薄层之外还可以包括其他层。
例如可以通过以下方式去除牺牲层，即薄层包含一个或多个孔，使得蚀刻剂可以去除牺牲层。
牺牲材料可以包括硅、例如无定形硅、氧化硅、金属或由光刻工艺已知的牺牲材料。
用于沉积或结构化层的方法可以包括传统的措施、如旋转方法、CVD（化学气相淀积）、PVD（物理气相淀积）、溅镀或蒸镀。
附图说明
在下文中借助示意图详细解释器件和实施例。
其中：
图1示出微声学器件MAC的声学功能区域FAS与内部边缘区域IRS的声学耦合，
图2示出器件的横向平面的俯视，其中内部边缘区域将声学功能区域与外部边缘区域分离，
图3示出一种利用表面声波或利用导向体声波工作的实施方式，
图4示出利用体声波工作的器件的垂直截面，
图5示出具有附加的质量负荷的利用体声波工作的器件的截面，
图6示出利用体声波工作的器件的垂直截面，其中支撑区域的棱被布置在压电层的倾斜的区段上，
图7示出一种在覆盖物中具有开口的实施方式，
图8示出一种具有另外的覆盖物的实施方式，
图9示出一种在覆盖物中和在另外的覆盖物中具有开口的实施方式，
图10示出一种没有空腔的实施方式，其中覆盖物直接平放在声学功能区域上。
具体实施方式
图1示出微声学器件MAC的声学功能区域FAS、内部边缘区域IRS和外部边缘区域之间的关系。声波可以在声学功能区域FAS中传播。理想地，在此尽可能少的声学能量辐射到器件的其余区域中。因此，外部边缘区域ORS和声学功能区域FAS基本上声学去耦合。图1的下面部分示出器件中的声波的幅度AMP。理想地，幅度在声学功能区域中基本上是恒定的并且在外部边缘区域ORS中为零。在其间的过渡区域、内部边缘区域IRS中，幅度下降。图1的上面部分示出器件的相应的技术特征。覆盖物CAP被布置在声学功能区域的结构之上。覆盖物的支撑区域、即覆盖物利用其而平放在器件MAC的其余区域上的区域至少部分地位于内部边缘区域IRC之内。也可以的是，覆盖物完全覆盖内部边缘区域IRS。此外可以但不是必需的，覆盖物CAP直接接触外部边缘区域的部分、例如载体衬底SU。通过覆盖物CAP至少部分地平放在内部边缘区域IRS上，覆盖物与声学功能区域的结构声学耦合并且因此（除了覆盖物的可能的缩小之外）可以是用于优化声波在声学功能区域FAS中传播的简单的机构。
图2示出微声学器件的水平截面。电极结构ES被布置在衬底SU上。电极结构可以是SAW结构的电极指或EAW结构的电极面。在声学有效的声学功能区域FAS和声学无效的外部边缘区域ORS之间布置有内部边缘区域IRS，该内部边缘区域至少部分地声学耦合到声学功能区域FAS上。覆盖物（未示出）的支撑区域RS覆盖内部边缘区域IRS的一部分。
图3示出一种微声学器件MAC，该微声学器件利用表面声波或利用导向体声波工作。为此，该微声学器件包括电极指EF，所述电极指交替地与两个集流排之一连接并且形成插指结构IDS。声学轨迹的每侧上的局部的质量支架（Massenlage） ML可以用于形成所期望的波模式并且因此声学耦合到声学功能区域FAS上。覆盖物因此可以至少部分地平放在两个质量支架ML上，所述质量支架是内部边缘区域IRS的一部分。
图4示出一种微声学器件MAC的垂直截面。波浪状的图形代表声波的传播。声学功能区域FAS中的利用粗线表示的波图形代表高幅度，而内部边缘区域IRS中的较细表示的波线表示在同时减小的幅度的情况下存在的耦合。覆盖物CAP因此平放在压电材料PM上，使得支撑面RS直接被布置在内部边缘区域IRS上。压电材料PM至少被布置在下电极BE和上电极TE之间的声学功能区域FAS中，通过所述下电极和上电极，器件可以从外部被接触。声学功能区域中的压电材料PM以下的交替的声学阻抗的层作为声学镜工作，以便将声学能量保持在声学功能区域中。
图5示出一种实施方式，其中除了上电极TE之外在内部边缘区域IRS中布置有质量支架ML，以便优化微声学器件MAC中的振荡模式。覆盖物CAP通过以下方式支持质量支架ML的金属化部的效果，即覆盖物的一部分位于内部边缘区域IRS中。可以的是，支撑区域上的覆盖物的内棱与质量支架ML的内棱齐平。
图6示出一种实施方式，其中覆盖物CAP的支撑面的内棱被布置在压电材料的倾斜的区段上。倾斜通过声学镜的镜层的不同的大小来获得。根据覆盖物的内棱被拉向声学功能区域FAS多远，声学耦合就越大并且罩就可以越强地影响振荡模式。
图7示出一种实施方式，其中覆盖物CAP具有一个或多个开口O。通过开口，声学功能区域可以与周围环境相互作用并且因此用作传感器。此外，较容易可行的是，在覆盖物CAP被施加到牺牲层上之后，去除覆盖物CAP下的牺牲层。如果在沉积覆盖物CAP的薄层之前施加牺牲层，那么可以获得空腔CAV。
图8示出一种实施方式，其中在覆盖物CAP上布置有另外的覆盖物CAP2。另外的覆盖物可以机械加强第一覆盖物、改进密封性或必要时是静电屏蔽。
图9示出一种实施方式，其中另外的覆盖物CAP2同样包括一个或多个开口O，因此器件MAC可以用作传感器。
图10示出一种实施方式，其中覆盖物CAP直接地、即没有覆盖物CAP和声学功能区域之间的空腔地被布置。没有空腔的情况下，覆盖物CAP的支撑面RS也直接利用声学功能区域来布置，由此该声学功能区域可能声学失谐。这样的层堆可以在具有或没有有效声学区域的另外的层堆旁边或之上来布置。
微声学器件不局限于上述实施方式或在图中所示出的实施例之一。各个特征和变型方案的组合同样是其他实施方式，所述变型方案包括例如还要其他层、电极结构或覆盖物。
附图标记列表
AMP： 幅度
BE： 下电极
CAP： 覆盖物
CAV： 空腔
ES： 电极结构
FAS： 声学功能区域
IDS： 插指结构
IRS： 内部边缘区域
MAC： 微声学器件
ML： 质量支架
ORS： 外部边缘区域
PM： 压电材料
RS： 支撑区域
SU： 衬底
TE： 上电极

Claims (11)

1.微声学器件（MAC），包括
－声学功能区域（FAS），
－包围声学功能区域（FAS）的内部边缘区域（IRS），
－包围内部边缘区域（IRS）的外部边缘区域（ORS），和
－覆盖物（CAP），所述覆盖物覆盖所述声学功能区域（FAS）并且具有薄层和支撑面（RS），
其中
－所述内部边缘区域（IRS）与所述声学功能区域（FAS）声学耦合，并且
－所述支撑面（RS）至少直接支承在所述内部边缘区域（IRS）的一部分上。
2.根据权利要求1所述的微声学器件（MAC），其中所述微声学器件（MAC）
－包括在衬底（SU）上的声学功能区域（FAS）中的交错的电极指（EFI）并且利用表面声波或导向体声波来工作，或
－包括在下电极面（BE）和上电极面（TE）之间的声学功能区域中的压电材料（PM）并且利用体声波来工作。
3.根据上述权利要求之一所述的微声学器件（MAC），其中在内部边缘区域（IRS）中通过附加的质量（ML）局部地提高质量覆盖，以用于抑制不期望的波模式或用于改进波传导，并且所述支撑面支承在所述附加的质量上。
4.根据权利要求3所述的微声学器件（MAC），其中所述附加的质量（ML）是框结构。
5.根据权利要求4所述的微声学器件（MAC），其中所述支撑面（RS）和所述框结构分别具有内棱并且两个内棱齐平。
6.根据权利要求1或2所述的微声学器件（MAC），此外包括反射声波的结构。
7.根据权利要求1或2所述的微声学器件（MAC），其中所述覆盖物（CAP）包围声学功能区域（FAS）之上的空腔（CAV）。
8.根据权利要求1或2所述的微声学器件（MAC），包括另外的声学功能区域和另外的覆盖物（CAP2），其中
－从覆盖物（CAP）和另外的覆盖物（CAP2）中选出的覆盖物包围所属的声学功能区域（FAS）之上的空腔（CAV），并且
－相应另外的覆盖物（CAP2）直接被布置在所属的声学功能区域之上，而不包围空腔。
9.根据权利要求1或2所述的微声学器件（MAC），其中在所述覆盖物（CAP）中结构化有开口（O），使得所述声学功能区域（FAS）与微声学器件（MAC）的周围环境接触。
10.根据权利要求1所述的微声学器件（MAC），其中所述外部边缘区域（ORS）与所述声学功能区域（FAS）基本上声学去耦合。
11.用于制造微声学器件（MAC）的方法，包括以下步骤：
－提供载体衬底（SU），
－成形结构（ES），在所述结构中微声波能够在衬底（SU）中、上或之上的声学功能区域（FAS）中传播，
－在所述声学功能区域之上布置牺牲层，
－在所述牺牲层之上沉积薄层，
－去除薄层和声学功能区域（FAS）之间的牺牲层，
其中牺牲层被布置，使得围绕所述声学功能区域并且声学地耦合到所述声学功能区域上的内部边缘区域不被牺牲层覆盖，并且接着沉积的薄层直接支承在内部边缘区域的未被覆盖的部分上。
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