CN108259020A - 制造射频谐振器和滤波器的方法 - Google Patents

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Abstract

一种制造由谐振器阵列组成的RF滤波器的方法，包括：获得可移除载体；生长压电薄膜；施加第一电极到薄膜；在硅盖上制备背膜；将背膜附接至第一电极；分离可移除载体；测量和修整压电薄膜；制造谐振器岛；向下蚀刻穿过涂层和背膜，至二氧化硅层以形成沟槽；将钝化层施加至沟槽和压电岛；沉积第二电极层；添加连接至转接线路板；移除第二电极材料以留出谐振器阵列；于阵列周界建造围绕垫圈；将硅盖削薄；在硅盖上钻孔，蚀刻掉二氧化硅，在背膜和硅盖之间制造上腔体；将晶圆分割成单元滤波器阵列；获取转接线路板；将大坝施加于转接线路板；通过回流焊接锡头将单元滤波器阵列耦合至转接线路板；使用聚合物进行底部封装；以及分离成滤波器模块。

Description

制造射频谐振器和滤波器的方法
背景技术
手机用户要求在更广阔的区域内拥有高质量的信号接收与传输，射频(RF)信号的质量取决于手机中的射频滤波器。每个射频滤波器都可以传导特定的频率并阻挡其他不需要的频率，这一特性使得频段选择成为可能，并且允许手机只处理指定的某些信号。
据信到2020年，载波聚合、5G、4x4MIMO等技术将成为主流应用，届时手机内的滤波器将增至100个之多，全球滤波器市场年需求量将达2千亿只。
声波谐振器是射频滤波器和传感器的基本组件，一般都含有将机械能转化为电能的压电机电转导层。这些谐振器必须物美价廉。表面声波(SAW)谐振器和体声波(BAW)谐振器是其最常见的两种类型。
在表面声波谐振器中，声波信号是由表面波传导。在体声波(BAW)谐振器中，信号在谐振器薄膜的体内传导。这两种滤波器的谐振频率，是由其本身尺寸、构成材料的机械性能所决定的一种特质。
谐振器的质量由其品质因子给出，它是谐振器所储存的能量与其消散的能量之比率。品质因子的值高说明滤波器在工作中损失的能量少，插入损耗较低，拥有更加陡峭的裙边曲线，与临近波频有更加显著的隔离区分。
为了接收与传输日益增大的数据流，下一代手机需要在更高的频段下工作。在不增大手机体积的前提下处理如此高的频率，就必须有能处理高频率信号、小巧且耗能低的谐振器，将其置于手机中不至于大量消耗电池的电量。
品质因子，或称Q因子，是一个无量纲参数，它描述振荡器或谐振器的振动衰减，表征谐振器相对其中心频率的带宽。下一代手机需要使用Q因子高的高质量谐振器。
体声波(BAW)滤波器相较于表面声波(SAW)滤波器有更佳的表现。最好的SAW滤波器的Q因子可达1000至1500，而目前最先进的BAW滤波器Q因子已可达2500至5000。
相较于SAW滤波器，BAW滤波器可在更高的频率下工作，消耗更少的能量，拥有更小巧的体积，更高的静电放电(ESD)能力，更好的辐射发散能力以及更少的带外波纹。
然而，SAW滤波器的制造流程却更为简单，造价相对低廉。由于可以通过光掩模的布局来调整IDT间距，频率相差甚远的谐振器亦可被组装在同一晶片上，并使用同一厚度的压电薄膜。
BAW谐振器的电阻具有两个特征频率：谐振频率fR和反谐振频率fA。在fR处，电阻非常小，而在fA处，电阻则非常大。滤波器是通过组合几个谐振器而制成。并联谐振器的频率会依据串联谐振器的频率做相应的偏移。当串联谐振器的谐振频率等于并联谐振器的反谐振频率时，最大信号从设备的输入端传输到输出端。在串联谐振器的反谐振频率处，输入端和输出端之间的阻抗非常高，滤波器的传输被阻挡。在并联谐振器的谐振频率处，任何通过滤波器的电流都会由于并联谐振器的超低阻抗而接地短路，因而BAW滤波器亦具有阻止该频率信号传输的功能。fR和fA之间的频率间隔决定了滤波器带宽。
置于谐振频率和反谐振频率之外的频率时，BAW谐振器则像金属-绝缘体-金属(MIM)电容器般工作。置于远低于或远高于这些谐振频率的频率时，BAW谐振器电阻抗的大小与1/f成正比，其中f是频率。fR和fA间的频率间隔是谐振器压电强度的量度，称为有效耦合系数，由K2eff表示。描述有效耦合系数的另一种方法是测量谐振器(或滤波器)的电能与机械能之间转换的效率。应当注意，机电耦合系数是一种与材料性质有关的属性，可定义压电薄膜的K2eff。
滤波器的性能等级是由其优质因数(factor of merit,FOM)限定，定义为FOM＝Q×K2eff。
实际应用中，人们偏好拥有较高K2eff和Q因子的滤波器。而这些参数之间却存在一些权衡取舍。K2eff与频率间并不存在函数关系，而Q因子却依赖于频率变动，因而FOM与频率间也存在函数关系。因此，相较于谐振器的设计，FOM在滤波器的设计过程中被更为普遍的应用。
根据应用情况，设备设计人员通常可以容忍K2eff稍降，以换取更高的Q因子，其中K2eff较小的降幅即可以换取Q因子较大的升幅。相反，通过降低Q因子以获取K2eff提升的设计是无法实现的。
可以通过选择高声阻抗电极，或调整其他参数，如电极厚度、钝化层增厚等方法提升K2eff。
BAW谐振器(及滤波器)主要有两种类型：SMR(固态装配型谐振器)与FBAR(薄膜体声波谐振器)。
在SMR谐振器中，把低阻抗薄膜与高阻抗薄膜交替层叠堆积在底部电极之下，可生成一种布拉格反射器。每个薄膜的厚度均为λ/4，其中λ为目标频率的波长。所生成的布拉格反射器可以像镜子一样把声波反射回谐振器内。
与FBAR谐振器相比，SMR谐振器的制造工艺较为简单，价格较低。由于其压电薄膜直接附着在衬底上，散热效率更高。但因其只反射纵波，不反射横波，所以Q因子更低。
FBAR谐振器中使用了一种只有边缘支撑的独立体声膜。下电极与载体晶圆之间有一个空气腔体。相较于SMR滤波器，FBAR滤波器的高Q因子是一个巨大的优势。
目前，商用FBAR滤波器市场主要被博通公司(前身为AVAGO)垄断。该公司使用氮化铝(AlN)作为压电薄膜材料，极好的平衡了产品性能、生产能力与晶圆级封装(WLP)工艺间的取舍。该工艺利用硅通孔(TSV)技术在位于FBAR上方的硅晶片上蚀刻出腔体并进行微封装，从而实现倒装芯片。氮化铝是压电薄膜材料中声速最高的(11,300m/s)，因此在特定谐振频率下需要增加其厚度，这反而会缓解工艺公差。此外，高质量溅射出的氮化铝薄膜，其X射线衍射峰(XRD)半峰全宽(FWHM)少于1.8度，可以使K2eff达到或超过6.4％，这几乎是美国联邦通信委员会(FCC)所规定的美国数字蜂窝技术(PCS)传输带宽的两倍。当它的Q因子达到5000时，优质因数(FOM)就可达到250-300，这样的滤波器已是超一流产品。为了满足带宽要求，K2eff必须保持恒定。若想提高滤波器的FOM，通常的做法是提升Q因子。
虽然FBAR滤波器有上述诸多优越的性能，目前仍存在一些问题导致它无法迈向下一代无线通讯技术。越来越多的用户在接收和发送日益庞大的数据流，这导致了越来越多的波段重叠冲撞。为解决这一问题，未来的滤波器应该更加灵活可变，以适应各种不同的波段组合。例如，5GHz无线局域网(Wi-Fi)波段下辖3个子波段，分别处于5.150-5.350GHz,5.475-5.725GHz,5.725-5.825GHz，其相对应的K2eff分别为7.6％、8.8％和3.4％。耦合系数K2eff主要由压电材料本身属性所决定，但亦受压电薄膜的晶化质量和晶位、外界电容器和电感器、电极以及其它层叠材料的厚度的影响。AlN FBAR的波段主要由预先集成在IC衬底中的电容器和电感器所调制。但这些元件会降低Q因子，增加衬底的层数，进而增加成品的体积。另一种设定K2eff的方法是采用电致伸缩材料打造可调波段的FBAR滤波器。钛酸锶钡(BST)是候选材料的一种，在加以直流电场的时候，其K2eff可被调节。
BST的可调性体现在，当作为FBAR谐振器电路内置的可变电容器时，它可协助滤波器匹配并调节其带阻。此外，BST FBAR只在施加特定的直流偏置电压时才谐振，表明其具有低泄露开关的特性，这意味着它有可能替代移动设备前端模组(FEM)开关，进而简化模组结构，降低其体积和成本。BST FBAR在射频应用领域还具有其他有利的属性。铁电材料的高介电常数(εr>100)可以使设备体积缩小，例如，在低吉赫标准50-Ω射频系统中，典型的BST谐振器和滤波器的面积分别为0.001mm2和0.01mm2。实际上，BST谐振器的体积可能比传统的AlN谐振器小一个数量级。由于BST薄膜只泄漏极少的电流，即使在整个设备中施加直流偏置电压，BST FBAR自身的能量消耗依然可以忽略不计。
具有较强C轴方向排列的晶面分布是AlN/BST FBAR最重要的先决条件，因为这类FBAR的声学模式都需要被纵向激活；并且AlN/BST FBAR的压电轴是C轴取向。以FWHM小于1°为代表的高质量单晶压电薄膜对FBAR滤波器的属性有巨大的影响，它能减少50％以热量形式损耗掉的射频能量。这些节约下的能量可以显著减少通话掉线率，并增加手机电池的使用寿命。
单向取向附生的压电薄膜可能具有其它优点。例如，与随机取向的薄膜相比，具有较强同方向排列的晶面分布，且外延生长的单晶压电薄膜会拥有更平滑的表面。这反过来又会减少散射损耗，使金属电极与压电薄膜之间的界面更加平滑，这两者都有助于提高Q因子。
此外，AlN/BST滤波器中的压电薄膜厚度与工作频率呈负相关。在极高频率下工作的滤波器，如5GHz Wi-Fi、Ku和K波段滤波器，都需要使用超薄膜。在6.5GHz频率下工作的滤波器所使用的BST层厚须为270nm左右，10GHz下AlN层厚须为200nm。这些超薄的规格为膜制造带来了极大的挑战，因为定锚层越薄越难以保持应有的硬度，自身的晶体缺陷和压力都更容易造成裂缝和破碎。因此，下一代高频FBAR需要更具创新性的膜支撑结构以及无缺陷单晶体薄膜。
可惜，AlN、BST及其他压电材料与硅或当前使用的下电极金属相比，具有更大的晶格间距和取向差异。此外，下电极可选材料非常有限，特别是使用BST作为压电材料时。因为电极金属必须要能承受压电材料沉积时的超高温度。
除了使用物理气相沉积(PVD)氮化铝，获取更高K2eff即FOM的另一种可行方法，是探索化学气相沉积(CVD)高质量单晶氮化镓铝(AlGaN)。方向为<111>的高电阻硅衬底可被用作沉积该材料的衬底，因III-N典型的特点是可在硅材料上生长，一层薄薄的AlN可被用作缓冲层，对应衬底与AlGaN薄膜间较大的晶格失配。虽然如此，AlGaN薄膜与硅衬底之间的热膨胀系数(CTE)仍存在较大差异，可能导致取向附生层在室温下承受拉力，这些残存的压力可能导致薄膜裂缝。
在美国专利第7,528,681号题为《使用氮化镓铝区域的声学元件(acousticdevices using an AlGaN region)》一文中，作者Knollenberg描述了一种在蓝宝石衬底上外延生长氮化镓铝单晶体薄膜的方法，并在完成第一层电极沉积后，使用激光剥离法成功分离了单晶体薄膜。
发明内容
本发明的第一方面涉及一种制造一由谐振器阵列组成的RF滤波器的方法，包括以下步骤：
(a)获得拥有释放层的可移除载体；
(b)在可移除载体上生长压电薄膜；
(c)将第一电极施加到压电薄膜；
(d)在硅盖上制备背膜，在背膜和硅盖之间存在或不存在预制的腔体；
(e)将背膜附接至第一电极；
(f)分离可移除载体；
(g)根据需要测量和修整压电薄膜；
(h)选择性地蚀刻掉压电层以制造离散的谐振器岛；
(i)向下蚀刻穿过涂层和背膜，至在背膜和硅盖之间的二氧化硅层以形成沟槽；
(j)将钝化层施加至沟槽和压电岛周围；
(k)在压电薄膜岛和周围的钝化层上沉积第二电极层；
(l)添加连接用于后续电气耦合至转接线路板；
(m)选择性地移除第二电极材料以留出耦合的谐振器阵列；
(n)于谐振器阵列的周界建造围绕垫圈；
(o)将硅盖削薄至期望的厚度；
(p)可选地，通过在硅盖上钻孔，然后选择性地蚀刻掉二氧化硅，达成在背膜和硅盖之间制造上腔体；
(q)将晶圆分割成倒装芯片封装的单元滤波器阵列；
(r)获取转接线路板；
(s)可选地，将大坝施加于转接线路板的表面以阻止溢出；
(t)通过回流焊接锡头将倒装芯片封装的单元滤波器阵列耦合至转接线路板的垫板；
(u)使用聚合物进行底部填充/过填充封装；以及
(v)分离成独立的滤波器模块。
可选地，步骤(a)中拥有释放层的可移除载体包括拥有GaN释放层的单晶蓝宝石衬底。
典型地，压电层包括单晶层，单晶层包括BaxSr(1-x)TiO3、AlN、AlxSc(1-x)N或AlxGa(1-x)N。
可选地，压电层至少受以下条件之一限定：
·压电层包括单晶层，单晶层包括晶向为<111>的BaxSr(1-x)TiO3；
·压电层包括单晶层，单晶层包括沿C轴方向的AlN、AlxSc(1-x)N或AlxGa(1-x)N；
·压电层厚度不超过2微米。
典型地，压电层包括可移除载体，至少受以下条件之一限定：
o可移动载体包括蓝宝石；
o可移除载体包括GaN的释放涂层；
o可移动载体为C轴<0001>，最大公差为±1％；
o可移除载体为市售的蓝宝石C轴<0001>单晶晶圆，其具有C轴<0001>的无掺杂GaN，晶向最大公差为±1°。
可选地，压电层包括BaxSr(1-x)TiO3，并且步骤(b)包括至少一个预备步骤，其选自步骤(bi)，将散热材料沉积到载体的背面，以助于压电层在沉积的过程中散热，以及/或是(bii)在沉积BaxSr(1-x)TiO3之前沉积由<100>TiO2(金红石)或<111>单晶SrTiO3构成的缓冲层。
替代地，压电层包括AlxGa(1-x)N，并且步骤(b)包括至少一个预备步骤，其选自步骤(bi)，将散热材料沉积到载体的背面，以助于压电层在沉积的过程中散热，以及/或是(bii)沉积C轴晶向的AlN层并逐渐增加镓含量。
在一些实施例中，制造压电薄膜的步骤(b)包括通过分子束外延技术进行沉积。
可选地，步骤(c)包括将由铝所构成的第一铝电极沉积到压电薄膜上。
在一些实施例中，步骤(c)包括至少受以下条件之一限定：
(i)铝电极厚度为50nm±5nm至150nm±5nm；
(ii)铝电极通过溅镀PVD技术进行沉积；
(iii)步骤(c)还包括准备步骤(ci)将粘合层沉积到压电薄膜上，以助于铝的粘合，包括至少以下之一：
·粘合层包括钛；
·粘合层厚度为5-50nm±5％，以及
·粘合层通过溅镀PVD技术进行沉积。
典型地，步骤(d)硅盖上的背膜包括通过二氧化硅层附接至硅盖的硅膜，可选地该背膜还包括在硅膜和硅盖之间的预先形成的腔体。
典型地，硅膜是晶向为<111>或<100>或<110>的单晶硅。
可选地，上电极为复合电极，复合电极包括与压电薄膜邻近的钛粘合层，以及随后的以下组合中的至少一种：
·铝层，随后是钨层、金键合层和硅膜；
·铝层，随后是钨层、金-铟键合层和硅膜；
·铝层，随后是钨层、AlN键合层和硅膜；
·铝层，随后是钽层、金键合层和硅膜；
·铝层，随后是钽层、金-铟键合层和硅膜；
·铝层，随后是钽层、AlN键合层和硅膜；
·铝层，随后是钼层、金键合层和硅膜；
·铝层，随后是钼层、金-铟键合层和硅膜；
·铝层，随后是钼层、AlN键合层和硅膜；
·钨层、金键合层和硅膜；
·钨层、金-铟键合层和硅膜；
·钨层、AlN键合层和硅膜；
·钽层、金键合层和硅膜；
·钽层、金-铟键合层和硅膜；
·钽层、AlN键合层和硅膜；
·钼层、金键合层和硅膜；
·钼层、金-铟键合层和硅膜；
·钼层、AlN键合层和硅膜。
典型地，在每对不同的材料层之间沉积额外的钛粘合层。
可选地，将背膜附接至硅盖上的步骤(e)包括将粘合层和键合层沉积到第一电极，并将粘合层和键合层附接至硅膜。
可选地，将背膜附接至硅盖上的步骤(e)还包括至少受以下条件之一限定：
·粘合层包括钛；
·粘合层包括通过溅射方法沉积的钛并且可以通过稀释的氢氟酸和/或CF4/O2等离子体去除。
·键合层是相同的并且每个键合层可包括Au-In、Au或AlN。
经典地，分离晶圆载体的步骤(f)包括激光剥离。
在一些实施例中，晶圆载体包括涂覆有GaN的蓝宝石单晶圆，并且激光剥离包括利用248nm准分子方波激光器透过蓝宝石照射GaN。
经典地，步骤(f)还包括至少以下之一：
(i)通过电感耦合等离子体去除GaN，以及
(ii)其中如果在蓝宝石载体的背面上施加有散热层以助于外延单晶压电体的沉积，则首先通过化学蚀刻、机械抛光和化学机械抛光(CMP)中的至少一种方法来去除所述散热层。
在一些实施例中，将压电膜修整成期望厚度的步骤(g)包括在压电膜的表面上施加扫描表面离子研磨蚀刻工艺。
在一些实施例中，选择性地蚀刻掉压电层以制造离散的谐振器岛的步骤(h)包括利用电感耦合等离子体进行蚀刻。
在一些实施例中，选择性地向下去除涂层、粘合层、电极、硅至二氧化硅层的步骤(i)包括电感等离子体蚀刻和反应离子蚀刻中的至少一种。
在一些实施例中，步骤(i)为双阶段过程，包括：选择性地去除涂层、粘合层和电极至硅层中以形成宽的沟槽，然后在施加额外的光刻胶层之后，窄沟槽穿透硅层并向下延续至二氧化硅层，为后续的绝缘材料的附着和固定提供阶梯式界面。
在一些实施例中，施加钝化层的步骤(i)包括：
利用光敏聚酰亚胺或苯并环丁烯(BCB)通过旋涂填充沟槽和周围的压电岛，然后在压电岛上表面上选择性地曝光和显影开聚酰亚胺或苯并环丁烯(BCB)或通过PECVD技术沉积SiO2、Ta2O5或Si3N4，然后再以光刻加蚀刻方式将在压电岛上的无机绝缘层蚀刻掉。
典型地，邻近结构之间的钝化层的宽度为3至10微米。
在一些实施例中，施加第二电极的步骤(k)包括沉积钛粘合层，随后通过PVD技术沉积铝或钨电极。
可选地，步骤(l)至少包括以下步骤中的某些步骤：
·施加凸块底层金属(UBM)涂层；
·在(UBM)涂层上施加一层铜；
·在铜层上制造铜柱；
·在铜柱上施加锡头；
·蚀刻掉多余的铜和UBM以保留铜柱。
可选地，至少包括以下限定之一：
·施加凸块底层金属(UBM)涂层包括施加钛涂层、钨涂层、Ti/W、Ti/Mo涂层和Ti/Ta涂层中的一种，其中所述UBM涂层的厚度在500nm至1500nm之间；
·通过溅射方法在UBM涂层上施加一层铜；
·在铜层上制造铜柱及柱上焊锡：并通过铺设一层光刻胶覆盖铜层，显影以形成柱的底片图案，将铜电镀至图案到所需的高度，然后将锡头电镀至铜柱上，并去除光刻胶以留下直立的具有锡头的铜柱；
·从铜柱上去除多余的铜和UBM，包括以下方法之一：
·暴露于电感耦合等离子体；
·暴露于氯化铁溶液；
·暴露于基于过硫酸铵的蚀刻剂。
在一些实施例中，选择性地去除上电极材料的步骤(m)包括施加包括Cl2+BCl3+Ar的电感耦合等离子体以去除铝，并选择性地用CF4或SF6与O2的反应离子蚀刻以去除钛。
在一些实施例中，在步骤(m)后，步骤(1)的UBM层还被选择性地保留围绕在上电极的周界。
可选地，建造垫圈的步骤(n)至少包括以下之一：围绕谐振器阵列的周界制造SU8聚合物壁，以及在转接线路板上制造环氧树脂坝以限定底部腔体的下表面。
在一些实施例中，将硅盖削薄的步骤(o)至少包括以下技术中的一种：机械研磨、化学机械抛光、大气下游等离子体(ADP)蚀刻、湿式蚀刻和干法化学蚀刻(DCE)。
典型地，背膜和硅盖包括通过二氧化硅耦合至硅盖的硅晶圆膜，并且步骤(p)包括施加硅通孔蚀刻技术以在硅盖中形成的硅通孔贯穿到达二氧化硅层，并且利用HF蒸汽蚀刻去除SiO2，以在硅膜后面形成由二氧化硅残余部分作为边界的腔体，并与压电谐振薄膜对齐。
在其他实施例中，背膜和硅盖包括通过二氧化硅耦合至硅盖的硅膜，硅膜和硅盖之间具有预先形成的腔体，并且预先形成的腔体与压电岛精确对齐。
可选地，制造拥有布线层的转接线路板的步骤(r)包括以下步骤：
(i)在牺牲铜衬底上沉积抗蚀刻阻挡层；
(ii)溅射铜籽晶层；
(iii)将第一层光刻胶施加到载体上；
(iv)通过光刻将垫板阵列开口图案化；
(v)将铜电镀到图案化阵列中；
(vi)剥离光刻胶；
(vii)施加第二层较厚的光刻胶；
(viii)图案化通孔阵列；
(ix)将铜电镀到通孔阵列中；
(x)剥离第二层较厚的光刻胶；
(xi)使用聚合物薄膜或玻璃纤维在聚合物预浸料中进行层压；
(xii)在聚合物预浸料中固化聚合物薄膜或玻璃纤维；
(xiii)抛光以暴露铜通孔的末端；
(xiv)根据需要可选地重复步骤(ii)至(vi)或步骤(ii)至(xiii)以添加额外的特征布线或特征布线以及通孔层，以及
(xv)蚀刻掉牺牲衬底。
可选地，通过丝网印刷环氧树脂、沉积光敏厚阻焊掩模或施加并固化SU-8层，从而在转接线路板的上表面上制造坝状结构。
附图说明
为了更好的解释本发明及其在实际中的应用，下文描述将配以图示。
下述图例中均带有详尽标识与细节。应强调的是，所示细节、标识仅作参考用途，目的是说明性的讨论本发明的优选实施例；最清晰、最简明、最易懂的阐述本发明的原理与概念。因此，除最基本理解需求之外的更多、更深入的结构细节并不会予以展示。对于本领域技术人员，附图与说明足以明确阐述本发明的一些变形在实际中的应用。特别说明，为了更清晰的阐述原理与概念，示意图并未按实际比例绘制，某些超薄膜的厚度被明显放大了。在附图中：
图1为一个未按比例绘制的复合FBAR滤波器模块的截面示意图，它由若干复合FBAR谐振器以半梯子或格子型或其组合构成；
图2为简化的梯子型RF滤波器电路组态；
图3为图2所示的梯子型滤波器组态的传输响应曲线图；
图4为简化的格子型RF滤波器电路组态；
图5为图4所示的格子型滤波器组态的传输响应曲线图；
图6为简化的格子与梯子复合型RF滤波器电路组态；
图7为图6所示滤波器组态的传输响应曲线图；
图8为制造图1所示的复合FBAR滤波器的方法流程图；
图9至图12与图14至图54为按照图8、图9所示制造方法之分步骤结构示意图；以及
图13为单晶体BaxSr(1-x)TiO3(BST)的180°X射线衍射图。
具体实施方式
结合图1与制造流程图8，复合FBAR滤波器模块的设计细节将被详细描述。它是由若干单晶体压电谐振器构成，压电材料为BaxSr(1-x)TiO3(BST)、AlN或AlxGa(1-x)N。
图1所示为复合FBAR滤波器模块5的原理图。该滤波器模块5由若干半梯子型、半格子型或组合型排列组合的复合FBAR谐振器构成。复合FBAR谐振器含有构成材料为BaxSr(1-x)TiO3(BST)、AlN或AlxGa(1-x)N的压电薄膜18'、18"，其彼此间被构成材料为SiO2、Si3N4、Ta2O5、聚酰亚胺或苯并环丁烯(BCB)的钝化材料54分隔开，并被两个电极22、60夹裹在中间。
应注意，在下述构建方法中，上电极22与下电极60都是直接沉积在压电体18上，而不像当前FBAR滤波器制造行业的标准操作---先将压电体沉积在一个电极上。本发明的操作方法使得许多先前无法作为电极使用的金属，如铝，被采用为下电极材料。铝的密度相对较低，导电性能更高，可减轻电极重量，进而减小谐振器机械阻尼。上电极可以是复合电极，含有一系列不同的金属层以及硅薄膜30。典型的，压电体18需要与属性最好为单晶体的硅薄膜30成对出现；二者之间夹着上电极的其他层次，包括：键合层48、50、粘合层46、46'，并且通常是相对较低直流电阻层和相对较高声阻抗层。
典型的上电极，除了硅薄膜30之外，还包含有钛粘合层、相对较低直流电阻的铝层、相对较高声阻抗的钨或钼层，以及金50或金-铟48键合层。硅薄膜30一般为单晶体并可能具有如下方向性：<100>、<111>和<110>，其厚度一般为1-2微米，但亦可厚至10微米。单晶硅薄膜30可起到机械支撑的作用，其声损耗低，本身亦通过SOI技术覆有一层二氧化硅34，并借此与硅盖32相连接。硅盖32是一层更厚的硅晶圆，又被称为“操作晶圆”，可提供支撑。腔体76存在于二氧化硅层34中，位于压电薄膜18上方，典型深度为4-10微米。上电极22与硅薄膜30之间的键合层可由多种材料构成，例如金-铟共熔合金48、金50或氮化铝52。
金属粘合层成为上电极的一部分。由上述键合材料中的一种所构成的诸多薄膜可能被运用在压电体18和其上的第一金属层。该薄膜亦可通过钛粘合层46、46'与硅薄膜30相连。然后位于两侧的键合薄膜被熔合为一体。
被包裹的压电谐振器列阵通过内部连接件与转接线路板85相连。这些内部连接件是被封装在聚合物模塑底部填充72中的顶端焊锡68铜柱66。垫圈70设置在滤波器周围，在限定滤波器的谐振器阵列周围的中阶层85和下电极之间。垫圈70可以由附接至下电极60的SU-8组成并且转接线路板85上可造环氧树脂坝86。垫圈70与环氧树脂坝86可阻挡密封单元的模塑底部填充72渗漏到谐振器阵列之下；二者在下电极60与转接线路板85之间构造出腔体92。另外一个腔体76位于压电薄膜18'、18"之上，硅薄膜30与硅盖32之间；通过蚀刻，择性的移除二氧化硅34而制成。钝化材料54将上电极22、粘合层20、46、46'、键合层48、50、52和硅薄膜30分割为独立的小区域；起到支撑平行的谐振器，阻隔串联的谐振器的功能。
凸块底层金属(UBM)层62由钨、钼或钽(可能含有钛粘合层)构成，它的存在使在下电极60下制造铜柱66成为可能。由于下电极的材料为铝，本身质量很轻，UBM 62的残余部分像“凸起的框架”一般环绕下电极60的周界，起到加固作用。在复合FBAR中“凸起的框架”构造特别实用，盖因其可极大地减少降低Q因子的横波杂散模，不管该模态的数量有多少。“凸起的框架”构造使谐振器薄膜18的活跃区域与外部区域之间有了边界，只有横波主模才能被激活。此外，参见图2至图7，应注意，滤波器既含有并联谐振器也含有串联谐振器。UBM层63的额外重量压在电极上，可产生机械阻尼效应，协助降低并联谐振器相对于串联谐振器的频率响应，因而提高滤波器整体的性能。
商用FBAR滤波器市场主要由博通公司占据，该公司使用氮化铝作为压电薄膜材料，最大限度的平衡了产品性能与制造。
本技术在实际应用中将使用AlN、AlxGa(1-x)N或BaxSr(1-x)TiO3(BST)等材料，预计产品将具有较高的Q因子及更好的K2eff。
因制造工艺革新，单晶体压电薄膜已实现生产。相比当下普遍使用的多晶体、非外延生长的薄膜，单晶体压电薄膜的优质因数(FOM)被寄予更高希望。
图2展示了一个半梯子型滤波器的简化电路构造，它由BAW谐振器通过串联与并联排列实现。在滤波器中，谐振器被组合成“梯子”形状，其中的每一个“阶梯(rung)”或“阶段(stage)”都由两个谐振器构成：一个串联排列、一个并联排列。参考图示3，给梯子型电路增加“阶梯”可增强其排除干扰频率的能力，使其产生更少带外抑制(拥有更陡峭的裙边曲线)信号，但这是建立在插入损耗和更多能量消耗的基础上的。参见图4，另一种谐振器的构造是“格子”型，如图5所示，该造型的裙边曲线过于平缓，但带外衰减更好。
图6所示，梯子型与格子型电路可以结合在一起，产生如图7所示的传输反应。谐振器可以千变万化的排列与组合形式构成滤波器，无法仅在本应用中将其一一体现。但制造基本串并联谐振器单元的方法，将会结合图42、43在下文中论述。灵活运用这些基本构造，谐振器可被排列成各种梯子型、格子型以及组合型。
参见图1，在优选的实施例中，谐振器的薄膜18应该是BST、AlxGa(1-x)N或AlN的单晶体压电薄膜。
BaxSr(1-x)TiO3(BST)是四角形，<111>单晶体BST可以被沉积在单晶Al2O3衬底上。
AlN与AlGaN是HCP型纤维锌矿晶体结构(C平面取向)。较强C轴方向排列的晶面分布是AlN和AlGaN FBAR滤波器最重要的先决条件，因FBAR的声波模需要被纵向激活，AlN和AlGaN的压电轴方向正好是C轴。氧化铝加上额外的镓元素使薄膜的栅格间距与衬底更容易匹配。
因为单晶体中不存在晶界，声信号的衰减被降到最低。以散热形式损耗的能量亦被减至最低，减少了散热的需求。
相较晶格方位随机的薄膜，晶面分布同方向排列较强的单晶体BaxSr(1-x)TiO3(BST)、AlN和AlxGa(1-x)N薄膜具有更加平滑的表面。这一特性可以减少散射损失，提高Q因子。由于存在皮肤效应，粗糙的表面，尤其至于高频段下，是造成金属电极界面缺失的主要原因。因此，制造工艺为上电极与下电极双双沉积在具有单一方向性的单晶体薄膜，并且拥有平滑电极-压电界面的谐振器，具有非常大的优势。
复合FBAR含有压电薄膜18，它被上电极22与下电极60像三明治一样夹裹在中间。当前的制造工艺是先沉积上电极22，再在其上沉积压电层18。此工艺要求电极22为质量较重的金属，例如铂、钨、钼或金。为了在其上沉积压电薄膜，电极金属必须要禁受很高的沉积温度。然而，这些金属普遍具有较低的直流电阻，会降低谐振器Q因子。在本发明的实施例中，电极22、60通过物理气相技术被双双沉积在压电薄膜18上。该工艺使质量较轻的金属，例如铝，亦可被用作电极材料，单独或与其他金属一起构建复合电极。铝的传导性能好，作为电极材料使用可降低电极厚度。铝比难熔金属密度小，用它做成的电极质量轻，阻尼效应小；采用它的谐振器和滤波器在性能和耦合上将大大优于现有技术。
由于压电体含有铝离子，金属铝被寄希望于与AlN和AlxGa(1-x)N构成的压电薄膜轻松粘合。如果实操中电极粘合困难，则要在电极与单晶体之间加入一层粘合剂。例如，钛层作为粘合剂效果就比较理想。这类粘合层一般具有十几纳米的厚度。
铁电复合FBAR传感器的机理是电致伸缩，即电场诱导压电效应。上电极22与下电极60的功能是施加直流电和射频信号。复合FBAR理想的结构包含被上电极22与下电极60夹裹的单晶体BaxSr(1-x)TiO3(BST)、AlxGa(1-x)N或AlN薄膜18。该AlN或AlxGa(1-x)N薄膜18可在机械能与电能之间互相转换。
晶向为<111>、<100>或<110>的低声损耗单晶硅膜层30与压电薄膜18配套，可使电极在硬度提升的情况下避免大幅增加自身重量。单晶硅层30厚度一般在1μm至10μm之间，厚度越小，谐振器在高频段的工作性能就越好。应注意，复合FBAR存在奇数个或偶数个谐振模态，每个模态下都有Q峰与K2eff，他们是BST、AlN和AlxGa(1-x)N与硅膜层厚比率的函数。随着模态数增加，BST、AlN和AlxGa(1-x)N声位移分数会减小，K2eff峰值亦会降低了。然而，随着模态数增加，低损耗硅层的声位移分数会增加，Q峰亦会增加。因此，为取得最佳优质因数，谐振器模态的数量要经过仔细的选择；高频段滤波器则要求硅晶膜与BST、AlN和AlxGa(1-x)N的层厚越小越好。还应注意到，对于给定的层厚，更高的和谐模态自然意味着更高的频率，这亦会减轻修整需求。因此，在第二或更高的和谐模态频率下工作的FBAR，其操作频率的范围可能增大，只要FBAR的优质因数在该频率保持较高数值，就不必理会。腔体76、92存在于压电体18与硅层30组合的上方与下方。这一结构被封装在聚合物模塑底部填充72中，利用铜柱66做支撑，立在转接线路板85上。铜柱的典型宽度为40-55微米，高度40微米，通过焊锡头68与转接线路板85的接触垫82相连。聚合物垫圈70，可由SU-8构成，这样会具有较高的波形因数。大坝结构86，一般材料为环氧树脂，被环绕着建造在滤波器边缘，其目的是阻挡聚合物模塑底部填充(MUF)72溢进底腔92中。转接线路板85的制造技术已相当成熟。
图1所示的复合FBAR拥有典型的压电体18在硅晶膜30上之结构，其中压电薄膜材料18较为理想的候选为：BaxSr(1-x)TiO3(BST)、AlN、AlxGa(1-x)N。上电极22与下电极60由轻量铝制成。
尽管目前RF谐振器的主要应为滤波器，其它形式的应用也存在，例如传感器。可在多种频段下工作的可调式谐振器也引起了广泛的兴趣。
图8为制备复合FBAR滤波器的主要步骤流程图。图9至图12、图14至图53为制造原理图。
【步骤一】参考图8与图9，本方法首先需要制造一个拥有释放层的可移除晶圆。未按比例示意的图9为一个C轴<0001>±1°蓝宝石晶圆10，上附有一层C轴<0001>±1°无掺杂氮化镓(U-GaN)释放层12。沉积有U-GaN 12的蓝宝石晶圆10为市售商品，直径一般为2"、4"和6"，厚度为430μm，表面抛光RMS平滑度1nm以内。U-GaN 12层一般厚度为4μm，表面抛光RMS平滑度1nm以内，适合晶体在其上取向附生。这些覆膜的衬底原先是为发光二极管(LED)行业开发，市面上有多家中国公司在生产，例如三安光电(San'an)和苏州纳维科技(NANOWIN)TM。
此外，从大块单晶体上劈下的AlN晶圆，例如柴氏拉晶法(Czochralski method)生长的大块单晶体，如果具有合适的激光吸收释放膜也可以被采用。
【步骤二】将压电薄膜沉积在可移除的载体晶圆10上。压电薄膜可由BaxSr(1-x)TiO3(BST)、AlxGa(1-x)N或AlN构成。第①步，参见图10，为了BaxSr(1-x)TiO3(BST)、AlN和AlxGa(1-x)N或AlN在沉积过程中散热并均匀厚度，金属层14可被沉积在蓝宝石晶圆10的背面，就是覆有GaN 12面的反面。金属层14的厚度取决于所选用的金属。在本实施例中，由于压电体是由BaxSr(1-x)TiO3(BST)、AlN和AlxGa(1-x)N或AlN中的一种所构成，钛就成为了散热层14一个很好的选择，它的适宜厚度约为150nm。散热金属层14可用溅射(sputtering)的方法沉积。
典型的，氮化镓释放层12厚度为4nm，RMS粗糙度小于2nm。由于氮化镓12的<0001>平面与蓝宝石晶圆10之间晶格匹配的需求，BaxSr(1-x)TiO3(BST)、AlN或AlxGa(1-x)N可能需要被制成单晶体薄膜。调整镓元素的含量可帮助确保晶格匹配。第②步，通过氧化物分子束外延(MBE)技术，利用钡、锶和钛或铝和镓的蒸镀源(target)，制作厚度在100-2000nm之间的薄膜。典型BaxSr(1-x)TiO3(BST)厚度范围在200-400nm之间，AlN和AlxGa(1-x)N厚度范围在200-2000nm之间。
分子束外延(MBE)是一种高纯度低能量的沉积技术，其产物具有低点缺陷的特点。该技术可将钡与锶(或铝与稼)的比率精度控制在±1％以内，从而影响Q因子和薄膜的耦合系数。
外延生长的BaxSr(1-x)TiO3(BST)、AlxGa(1-x)N或AlN薄膜，其RMS粗糙度可在1.5nm之内，极大地减少所谓的波纹效应。
第③步，如图12所示，为了沉积BST单晶压电层18，首先需要沉积由金红石型TiO2和/或SrTiO3构成的缓冲层16。
据我们所知，申请者是第一个创造出单晶体BaxSr(1-x)TiO3(BST)薄膜的人。图13为图12所示结构的180° XRD光谱，它表示BST单晶体薄膜已被成功制成。
应注意到，x取值5％、10％、13％、20％、30％、50％和100％，XRD FWHM小于1°的AlxGa(1-x)N薄膜商品在市面上有多家供应商。例如，KymaTechnologiesTM公司所生产的单晶体Al0.2Ga0.8N产品，厚度1-2微米，C平面方向为<0002>，沉积在含有4微米GaN释放层的4"蓝宝石衬底上。
目前的谐振器生产工艺，下电极需要首先被沉积，然后将压电薄膜沉积在其上。由于制造压电层时温度很高，难熔金属如钼、邬、铂或金，成为较常用的下电极材料。
而本工艺流程中，第一电极22被沉积在压电薄膜之上。因而电极金属的可选范围增大，铝也可被选用。与难熔金属相比，铝具有相对较低直流电阻，因而含有铝电极的滤波器被寄希望于拥有更高的Q因子。
图14所示为AlxGa(1-x)N/AlN压电薄膜18的等效结构，不包含缓冲层16。为了简明起见，后续在图15至图53中所示的结构图都不会再绘出缓冲层16。
【步骤三】将第一电极层22沉积在压电膜18上。第①步，参见图16，为了帮助粘合，先将粘合层20沉积在压电膜18上。粘合层原料可为钛，薄可至5nm，厚可至50nm。第②步，将厚度为50-150nm的铝电极层22沉积在粘合层上。粘合层20和铝电极层22均可使用溅射方法沉积。公差±5％可轻易获得并在可接受范围内。
压电谐振器的谐振频率fR可近似被定义为：fR＝υ/λ≈υL/2t，υL为压电层的法线方向--纵向声速压，t为压电薄膜厚度，λ纵向声波的波长。
然而在实操中，谐振器中其他层次的声学特性也会影响谐振腔性能。由于制造压电薄膜时温度极高，电极大都采用钼和铂这类能禁受高热的重金属，电极的质量复合效应会尤其突出。
虽然本实施例只在将铝沉积于BaxSr(1-x)TiO3(BST)、AlxGa(1-x)N或AlN上时提到了PVD/CVD技术的运用，但其实，其他任何低密度高电导率的电极材料沉积在不同的压电层上时，都会使用这一技术。例如，该技术亦可被运用在碳纳米管(CNT)沉积在单晶AlN或AlxGa(1-x)N中。铝作为谐振器的电极材料，非常具有吸引力，因为它具有较高的电导性和热导性，密度又低，很难对谐振器Q因子造成负面影响。然而，因为在当前生产工艺中，电极层要先于压电层被沉积，铝只能被排除。因此，需注意，在蚀刻掉载体硅晶圆并暴露压电层底面后，增加一个铝制下电极，会对良率产生极大挑战，使滤波器的封装过程更加复杂，并因此降低最终的良率。
压电薄膜18、粘合层20和铝电极22作为连续层被沉积在整片蓝宝石晶圆10之上。
【步骤四】制取晶圆背膜28。这是一种绝缘体上硅(SOI)商业产品。典型的，晶圆背膜28的构成是一个硅晶薄膜30与载体硅32夹裹一层二氧化硅34。
图17为KST World CorpTM(www.kstworld.co.jp)或OKMETICTM(www.okmetic.com)所售晶圆背膜28产品的结构示意图。该产品所含硅膜30厚度为0.4-10μm，二氧化硅盒厚度一般为3-10μm，硅盖32一般厚度至少400μm。
图18为另外一种SOI产品36结构示意。其中，硅晶圆38与载体硅42通过二氧化硅层40连接，但二者之间存在一个预制的空气腔体44。这样结构的商品由IcemosTM(www.icemostech.com)公司生产。
两种SOI产品28、36均可外覆金属涂层。金属涂层在硅薄膜30、38上，帮助它们与压电层-电极三明治结构相结合。
【步骤五】晶圆32、42背膜30、38商品28、36结合到下电极22垛上，参见图19。
硅薄膜30、38与电极22结合的方式有许多种。例如图20所示，电极层22上可以沉积钛粘合层46，钛层上再沉积含0.6％金与99.4％铟的金-铟共晶合金48粘合剂。金-铟共晶合金在156℃熔化，200℃热压成型，可与SOI晶圆28上的硅晶膜30结合。可选地，钛键合层46'可沉积在硅晶膜30上，钛层上再覆一层金-铟共晶合金48粘合剂。这两个粘合层通过热压熔合在一起。如此方法制成的键合层较厚，该工艺亦可有多种变化形式。参见图21，若硅晶薄膜30、38与电极22的两个暴露面都非常光滑，则可选用另一种工艺。可以选用溅射方法，在两个暴露面上沉积厚度一般为2-4nm的钛粘合层46、46'，而后在其上沉积厚度一般为10-40nm的纯金50、50'。室温下，将这两层纯金50、50'压合，则会发生熔合(参见Shimatsu,T.&Uomoto,M.(2010)《纳米晶体金属薄膜与晶圆的原子扩散键合》，刊于《真空科学技术期刊B：微电子与纳米结构》28(4).页码.706–714)。这一技术需要较低温度以及比图20所示金-铟层更薄的纯金层50。
第三种工艺，参见图22，也是在两个暴露面上沉积厚度为2-4nm钛粘合层，然后在钛层上沉积厚度一般为10-40nm的氮化铝52、52'。这两个氮化铝薄膜可被Ar等离子激活，在室温下接触，压合后可融合在一起。一般在300℃氮气环境下退火3小时，可强化该融合。
应注意，堆叠的钛粘合层20、46、46'和金-铟或金键合层48、50，与铝电极层22一起构成了上电极。这一复合电极可利用自身的特质，如直流电阻、声阻抗、不同组成材料的重量(密度)，展现不同性能。
另外一种复合电极可能包含铝质底层、金-铟/金/氮化铝键合层、以及处于两者之间的钛-钨/钛-钼双层结构。钛、钨和钼均可通过溅射方法沉积。钛层起到粘合剂的作用。钨层或钼层，不仅可以增加声阻抗，还可以作为金键合层与铝层之间的屏障。这样的结构下，铝层的厚度只需达到50nm。典型的，钛-钨或钛-钼层的厚度也是50nm或稍厚。该结构下的金键合层厚度可降至最低，只需满足键合需要；让铝、钛-钽、钛-钨或钛-钼发挥主电极金属的功能，盖因其可在低直流电阻与高声阻抗之间达到所需的平衡。
一般建议在尽可能低的温度下进行生产，一来可将压电薄膜与对应电极损坏的可能性降至最低，二来由于硅与蓝宝石之间存在热膨胀系数差异，低温可进一步降低堆层翘曲。此外，为了提高Q因子，键合层的厚度应尽量做薄；然而，如若可较好的平衡复合电极的直流电阻、重量与声阻抗，较厚的键合层也未尝不可。
【步骤六】将硅薄膜与硅盖28连接后，移除蓝宝石衬底10。如果衬底背面有沉积钛散热层14，则可通过化学机械抛光将其移除，示例参见图23。
然后，可以利用248nm准分子激光器透过蓝宝石衬底10照射GaN 12，实现GaN 12与蓝宝石衬底10的分离，并使蓝宝石衬底10具备剥离条件。IPG PhotonicsTM生产这种具有方波形的脉冲激光。该过程称为激光剥离，并可产生图24中所示的结构。
可以使用诸如Cl2、BCl3和Ar等电感耦合等离子体(ICP)去除残留的GaN 12，参见图25。该操作可在低于150℃的温度下进行，免去了压电薄膜18和铝22及其他层次的热处理。电感耦合等离子体(ICP)是市售的工艺，被诸如NMC(North Microelectrics)China Tool和SAMCO INC TM等公司使用。
【步骤七】在移除GaN 12之后，需要对压电膜18进行厚度测量和修整处理以获得与薄膜厚度有关的完美频率响应。修整过程使用Ar+离子束研磨，该方法可用于定制任何金属粘合层、阻隔层或氧化物层，例如SiO2、Al2O3、AlN、W、Mo、Ta、Al、Cu、Ru、Ni或Fe；这一过程中，晶圆被置放在4轴卡盘中，并相应地旋转。德国Meyer BurgerTM公司提供该系统的商业化产品，名为InoScanTM。图26中所示为一个修整后被倒装的压电层18。应注意，为了获得高性能、高良率的RF滤波器，压电层的厚度可能需要被修整为十分之几纳米(单位数埃)。
【步骤八】将压电层18图形化成压电岛阵列，以制造滤波器及其他应用。本步骤所用工艺即为清洁压电层18背面的ICP制程。仅作示例，图27为示意性顶视图，图28为侧视图。本处只展示了矩形的压电岛，但实际上，这些压电体可以组成光刻掩模工具所设计出的任何形状。应注意，激光剥离处理之后立即将压电层18进行图形化，使其变成单独的膜体，可降低由晶片应力释放引起的压电层破裂现象。
【步骤九】制造一系列沟槽21结构。使用Cl2+BCl3+Ar、CF4+O2、Cl2+O2+Ar和SF6+O2的电感耦合等离子体(ICP)，可分别移除铝层、粘合层、高声阻抗层、键合层和硅膜层30一直到暴露出二氧化硅层34的表面，从而制造出沟槽21。图29为该结构的顶视图，图30为侧视图。参见图54，通常情况下，ICP钻出的沟槽21横穿高声阻抗层22、键合层48、50、52和粘合层46，一直延伸进硅膜层30；在这里，利用光刻胶，原沟槽构造被改变，一个更窄小的沟槽27在该层被继续蚀刻，一直到二氧化硅层34表面。这就在硅膜层30和随后沉积的钝化层54(参见下文)之间产生了一个梯形界面，使得钝化层54在步骤十中可以牢牢地固定到硅膜30上，即使硅膜30本身厚度仅为1微米左右，但该界面的表面积可为几个微米。穿透其余的硅膜30，硅层被贯穿，然后利用光刻胶重新图案化以建造一阶梯。硅膜30必须被完全穿透，因为硅是导体，尽管性能不是特别好。将硅膜隔开的窄沟槽27通常为3至10微米宽，这使得各个硅膜之间被3至10微米宽的钝化材料54屏障隔离，彼此绝缘。
电感耦合等离子体(ICP)工艺需在低于150℃的温度下操作，且不会对光刻胶掩模保护下的压电薄膜18'、18"产生负面影响。ICP是一种市售工艺，被诸如NMC(Beijing NorthMicroelectronics)China Tool和SAMCO INCTM等公司使用。
图29为所得结构的顶视示意图，图30为侧视示意图。
【步骤十】钝化层54被填入所造沟槽21。钝化层的材料可以为二氧化硅(SiO2)、氮化硅(Si3N4)、光敏聚酰亚胺或苯并环丁烯(BCB)。相同的钝化材料54也可被用于覆盖压电岛18'、18"的周边区域，并在岛中间留有可向下打开到压电岛的窗户构造。当钝化材料为感光聚酰亚胺或BCB时，窗户构造可通过选择性曝光来实现。这是一种精密工艺，包括一系列子过程，如光敏聚合物钝化层的旋涂、曝光、显影和固化。感光聚酰亚胺钝化材料是倒装芯片与晶圆级芯片尺寸封装(WL-CSP)行业的一种标准化解决方案，该材料的商品由HDMicrosystemsTM公司供应。感光BCB商品CycloteneTM由Dow ChemicalsTM供应。
如已知，Ta2O5、SiO2和Si3N4可以通过PE-CVD工艺被沉积。
图31为所得结构的顶视示意图，图32为侧视示意图。
【步骤十一】制造上电极。第①步，如图33所示，粘合层58，材料可选用钛，将首先被沉积。第②步，如图34所示，上电极60随后被沉积。粘合层58与上电极60均可由溅射方法沉积。可接受并易获得的公差为±5％。
下文将描述上电极结构如何与转接线路板相连接。【步骤十二】制造凸块底层金属(UBM)层62。第①步，参见图35，沉积一层金属，其材料可为Ti/W、Ti/Ta或Ti/Mo。典型的，钛厚度约为25nm，钨、钼或钽的厚度约为50nm。可以利用溅射方法。
第②步，参见图36，在该结构上覆盖一层铜64，典型的，铜层厚度约为1μm，可通过溅射方法沉积。凸块底层金属层62将铜64与铝60分隔开。
第③步，参见图37，制造铜柱66。典型的，这些铜柱直径约为40-50μm，高约为40μm。首先需沉积光刻胶65，然后做图案，最后将铜66电镀在这些图案中。
第④步，参考图38，继续在光刻胶图案中沉积焊料68，以封盖铜柱66。这一步是通过将某种适宜的原料电镀或化学镀进已镀有铜柱66的光刻胶图案中实现。第⑤步，参见图39，剥离光刻胶。
第⑥步，参见图40，蚀掉铜柱66周围的铜层64。该步可通过高温下暴露于氢氧化铵溶液中实现。其他市售的铜微蚀刻溶液也可作为蚀刻剂，例如氯化铜。第⑦步，参见图41，选择性移除UBM 62，只留下周界区段63。该区段即为上电极的边缘，还可以起到增加谐振器边缘重量的作用。这个“凸起的框架”结构可极大的消除复合FBAR的横波杂散模，不管模态数量有多少，从而防止Q因子降低。该构造使谐振器膜18的活跃区域与外部区域间有了边界，从而只有横波主模才能被激活。
图42为示意性的顶视图与侧视图，展示了一对并联连接的压电电容器。图43为示意性的顶视图与侧视图，展示了一对串联连接的压电电容器。电感耦合等离子体Cl2+BCl3+Ar可以选择性的移除电极层多余的铝60，因此而暴露的多余的钛粘合层58，则可通过CF4与O2的反应离子蚀刻被选择性的移除。
应注意，UBM层63的额外重量会产生机械阻尼效应，帮助降低并联谐振器响应频率与串联谐振器响应频率之比率，从而提升滤波器整体的性能。
【步骤十四】围绕谐振器阵列制造聚合物垫圈70，进而定义滤波器，参见图44。该步骤可通过SU-8技术实现。SU-8是一种常用的环氧基负性光刻胶，其暴露于紫外线的部分会变成交联性质，其余未曝光的部分则保持溶解性，可在显影期间被冲洗去除。作为粘性聚合物被沉积时，SU8可在低于1μm至超过300μm的范围内旋转或铺展。SU8可以被沉积为高约55μm的薄壁并与10至30μm的钎焊铜柱相匹配，因而是一种非常有吸引力的材料。
如图45所示，这一阶段，将铜柱66与SU8垫圈70一侧朝下，滤波器阵列即可被连接到胶带71上。【步骤十五】利用化学机械抛光(CMP)工艺将硅盖32削薄至大约90微米，以产生图46所示构造。其他可能的打薄工艺还包括机械研磨、化学抛光、大气下游等离子体(ADP)蚀刻、湿式蚀刻、干法化学蚀刻。
【步骤十六】在SiO2层34制造腔体76。参见图18，若使用带有预制腔体44的SOI衬底36则本步可省略。第①步，参见图47，使用“通过硅通孔”(TSV)蚀刻技术在削薄后的硅盖层32上钻孔74，一直钻到二氧化硅盒34，位于两个压电薄膜18'、18"的对面。
第②步，参见图48，制造腔体76。根据反应式SiO2+4HF(g)→SiF4(g)+H2O所示原理，当施以HF蒸汽时，二氧化硅34可经由硅通孔74被选择性的蚀刻并移除，因而形成腔体76。干蒸气蚀刻比湿法蚀刻效果更为理想，盖因干法可穿透更小的空间并阻止薄膜与硅盖粘连。
【步骤十七】切割单元滤波器。直到这步之前，晶圆制造技术所生产的滤波器都是排列在一起的。现在要把他们分割成独立的滤波器元件。
可以利用机械刀、等离子或激光进行切割作业。等离子与激光可避免膜损伤，在某些设计下更为理想。
日本的Disco公司可提供该切片工具。
【步骤十八】制造转接线路板85。中阶层最少只需两层，其制造方法为：先将光刻胶涂在牺牲铜衬底上，然后在光刻胶的设计图形--垫板80和通孔82中电镀铜，最后进行层压。该工序所使用的绝缘体材料84为聚合物基质，如聚酰亚胺、环氧树脂、BT(双马来酰亚胺/三嗪)、聚苯醚(PPE)、聚苯醚(PPO)或其共混物。该绝缘体的形式可为薄膜，或玻璃纤维增强预浸料。更多细节可参考美国专利7,682,972号，作者Hurwitz的《高级多层无核结构与其制造方法(Advanced multilayer coreless structures and method for theirfabrication)》一文。当然，成熟的转接线路板制造工艺并不止上述一种。图49所示为一个转接线路板85，其构造为铜垫板80和通孔82嵌在绝缘聚合物基质84中。
此外，也可以使用低温共烧陶瓷LTCC基质的转接线路板。
通常，转接线路板85应该很薄，这样整体封装结构才能薄。然而，不同的谐振器18'、18"可能通过布线层与转接线路板85相通，根据实际需求，转接线路板也可有额外的层次。
【步骤十九】首先在转接线路板85的表面沉积一个实用的环氧树脂坝结构86，参见图50。环氧树脂坝86可通过丝网印刷环氧聚合物或层压可光固化的干膜环氧树脂坝屏障制成。后者是优选方法，因为它可提供高位置精度，从而使SU-8垫圈70与大坝的距离精度可控。应注意，干膜需要被沉积数层才能达到理想厚度。与围绕谐振器阵列的垫圈70一样，大坝86也可以用SU-8材料制造。大坝86被设计成适于围在垫圈70周围，可以比垫圈70所围绕的区域稍大或更小，因此可被定位在垫圈70的内部或外部。实际上，可以存在两个大坝86结构(一个环绕垫圈，另一个被垫圈环绕)或多个垫圈70结构。
【步骤二十】复合FBAR谐振器阵列安装到转接线路板上。使二者对齐，将锡头68融化并焊接在铜柱66上，如图51所示。
【步骤二十一】使用聚合物90将谐振器阵列封装，如图52所示。大坝86和SU8垫圈70一起作用于防止腔体92底部填充。
这样，紧密对齐的SU8垫圈连接到复合FBAR阵列，环氧大坝连接衬底，阻止底填胶72渗入位于压电谐振器18'、18"下方的腔体92。
【步骤二十二】谐振器阵列随后被切割成独立的滤波器元件被测试、封装和运输。参见图1所示滤波器结构。
转接线路板85可为内嵌电感器、导线和耦合器的功能性衬底。应注意，转接线路板85可因此与控制器、信号放大器和开关一起被置放于同一个IC衬底，成为一个完全整合的射频前端模组(FEM)。这可使所有元件被设计在一起，达到最佳系统性能。
至此，单晶复合FBAR已被详细示出和描述。
在设计以BST为压电层的谐振器/滤波器时，上电极可以被分为两个部分：铝电极本身，和一个向压电薄膜施加偏置电压并使其谐振的单独的铝线。偏置电压一般在5v至40v之间，具体数值取决于谐振器频率。例如，在19V时对Piezo厚BST进行测试，其BST可在6.5GHz频率谐振。
若在同一个硅载体上，围绕滤波器边缘建造电容器，可使单晶BST滤波器具有可调谐性。诸多研究都已证实，单晶BST的可调比为1:8有时甚至高达1:10，而无定形或多晶BST的可调比只能达到1:3至1:4。
单晶BST、AlN和AlGaN FBAR谐振器/滤波器具有如下优势：
●当前技术浪费在热损耗上的RF能量，可被节约高达一半。因为单晶体的单一方向性可使被激活的声波偏振。
●可在更高频段下工作。因为超薄的压电膜有硅晶膜作为支撑(复合FBAR)。
●拥有复合电极，以及硅薄膜复合结构。此类滤波器可以有第二或更高和谐模频率，可拓宽FBAR的工作频率范围。
●本文公开的单晶BST、AlN和AlGaN FBAR均使用成熟的MEMS与LED FAB制程，无需使用精细且昂贵的Si FAB。可以简化投资并降低总体制造成本。
●本文公开的单晶FBAR制造工艺均使用成熟的低成本后段制程，诸多运用此方法的晶圆凸块与封装工厂已可取得较高良率。
尽管上文仅讨论了通信滤波器，但实际上，基于厚度剪切的复合FBAR和表面生成的基于声波的复合FBAR也有其它应用。例如，它们广泛的应用于生物传感器中，因其检测液体中生物分子的灵敏度极高。
因此，请本领域技术人员理解，本发明不限于上文具体示出和描述的内容。相反，本发明的范围由所附权利要求限定，并且包括上文描述的各种特征的组合和子组合及其变化和修改，本领域技术人员在阅读前文描述时应已预计到。
在权利要求中，“包括”一词及其同义词，如“包含”、“含有”等，意为所列出的组件被包括，但通常不排除其他组件。

Claims (38)

1.一种制造一由谐振器阵列组成的RF滤波器的方法，包括以下步骤：
(a)获得拥有释放层的可移除载体；
(b)在可移除载体上生长压电薄膜；
(c)将第一电极施加到所述压电薄膜；
(d)在硅盖上制备背膜，在所述背膜和所述硅盖之间存在或不存在预制的腔体；
(e)将所述背膜附接至所述第一电极；
(f)分离所述可移除载体；
(g)根据需要测量和修整所述压电薄膜；
(h)选择性地蚀刻掉压电层以制造离散的谐振器岛；
(i)向下蚀刻穿过涂层和背膜，至在所述背膜和所述硅盖之间的二氧化硅层以形成沟槽；
(j)将绝缘层施加至所述沟槽和所述压电岛周围；
(k)在压电薄膜岛和周围的绝缘层上沉积第二电极层；
(l)添加连接用于后续电气耦合至转接线路板；
(m)选择性地移除第二电极材料以留出耦合的谐振器阵列；
(n)于谐振器阵列的周界建造围绕垫圈；
(o)将硅盖削薄至期望的厚度；
(p)可选地，通过在硅盖上钻孔，然后选择性地蚀刻掉二氧化硅，达成在所述背膜和所述硅盖之间制造上腔体；
(q)将晶圆分割成倒装芯片封装的单元滤波器阵列；
(r)获取转接线路板；
(s)可选地，将大坝施加于所述转接线路板的表面以阻止溢出；
(t)通过回流焊接锡头将所述倒装芯片封装的单元滤波器阵列耦合至所述转接线路板的垫板；
(u)使用聚合物进行底部填充/过填充封装；以及
(v)分离成独立的滤波器模块。
2.根据权利要求1所述的方法，其中步骤(a)中所述拥有释放层的可移除载体包括拥有GaN释放层的单晶蓝宝石衬底。
3.根据权利要求1所述的方法，其中所述压电层包括单晶层，所述单晶层包括BaxSr(1-x)TiO3、AlN、AlxSc(1-x)N或AlxGa(1-x)N。
4.根据权利要求1所述的方法，其中所述压电层至少受以下条件之一限定：
(i)所述压电层包括单晶层，所述单晶层包括晶向为<111>的BaxSr(1-x)TiO3；
(ii)所述压电层包括单晶层，所述单晶层包括沿C轴方向的AlN、AlxSc(1-x)N或AlxGa(1-x)N；
(iii)所述压电层厚度不超过2微米。
5.根据权利要求1所述的方法，其中所述压电层包括所述可移除载体，其特征在于，至少受以下条件之一限定：所述可移动载体包括蓝宝石；
所述可移除载体包括GaN的释放涂层；
所述可移动载体为C轴<0001>，最大公差为±1％；
所述可移除载体为市售的蓝宝石C轴<0001>单晶晶圆，其具有C轴<0001>的无掺杂GaN，晶向最大公差为±1°。
6.根据权利要求1所述的方法，其中所述压电层包括BaxSr(1-x)TiO3，并且步骤(b)包括至少一个预备步骤，其选自步骤(bi)，将散热材料沉积到所述载体的背面，以助于所述压电层在沉积的过程中散热，以及/或是(bii)在沉积BaxSr(1-x)TiO3之前沉积由<100>TiO2(金红石)或<111>单晶SrTiO3构成的缓冲层。
7.根据权利要求1所述的方法，其中所述压电层包括AlxGa(1-x)N，并且步骤(b)包括至少一个预备步骤，其选自步骤(bi)，将散热材料沉积到所述载体的背面，以助于所述压电层在沉积的过程中散热，以及/或是(bii)沉积C轴晶向的AlN层并逐渐增加镓含量。
8.根据权利要求1所述的方法，其中制造压电薄膜的步骤(b)包括通过分子束外延技术进行沉积。
9.根据权利要求1所述的方法，其中步骤(c)包括将由铝所构成的第一铝电极沉积到所述压电薄膜上。
10.根据权利要求8所述的方法，包括以下限定之一：
(i)所述铝电极厚度为50nm±5nm至150nm±5nm；
(ii)所述铝电极通过PVD技术进行沉积；
(iii)步骤(c)还包括准备步骤(ci)将粘合层沉积到所述压电薄膜上，以助于铝的粘合，其特征在于，包括至少以下之一：
·所述粘合层包括钛；
·所述粘合层厚度为5-50nm±5％，以及
·所述粘合层通过溅镀PVD技术进行沉积。
11.根据权利要求1所述的方法，其中步骤(d)硅盖上的所述背膜包括通过氧化硅层附接至硅盖的硅膜，可选地所述背膜还包括在所述硅膜和所述硅盖之间的预先形成的腔体。
12.根据权利要求1所述的方法，其中所述硅膜是晶向为<111>或<100>或<110>的单晶硅。
13.根据权利要求1所述的方法，其中所述上电极为复合电极，所述复合电极包括与所述压电薄膜邻近的钛粘合层，以及随后的以下组合中的至少一种：
(i)铝层，随后是钨层、金键合层和硅膜；
(ii)铝层，随后是钨层、金-铟键合层和硅膜；
(iii)铝层，随后是钨层、AlN键合层和硅膜；
(iv)铝层，随后是钽层、金键合层和硅膜；
(v)铝层，随后是钽层、金-铟键合层和硅膜；
(vi)铝层，随后是钽层、AlN键合层和硅膜；
(vii)铝层，随后是钼层、金键合层和硅膜；
(viii)铝层，随后是钼层、金-铟键合层和硅膜；
(ix)铝层，随后是钼层、AlN键合层和硅膜；
(x)钨层、金键合层和硅膜；
(xi)钨层、金-铟键合层和硅膜；
(xii)钨层、AlN键合层和硅膜；
(xiii)钽层、金键合层和硅膜；
(xiv)钽层、金-铟键合层和硅膜；
(xv)钽层、AlN键合层和硅膜；
(xvi)钼层、金键合层和硅膜；
(xvii)钼层、金-铟键合层和硅膜；
(xviii)钼层、AlN键合层和硅膜。
14.根据权利要求13所述的方法，其中，在每对不同的材料层之间沉积额外的钛粘合层。
15.根据权利要求1所述的方法，其中，将所述背膜附接至所述硅盖上的步骤(e)包括将粘合层和键合层沉积到所述第一电极，并将粘合层和键合层附接至所述硅膜。
16.根据权利要求15所述的方法，具有至少以下限定之一：
(i)所述粘合层包括钛；
(ii)所述粘合层包括通过溅射方法沉积的钛并且能够通过稀释的氢氟酸和/或CF4/O2等离子体去除；
(iii)所述键合层是相同的并且每个键合层包括Au-In、Au或AlN。
17.根据权利要求1所述的方法，其中，分离晶圆载体的步骤(f)包括激光剥离。
18.根据权利要求17所述的方法，其中所述晶圆载体包括涂覆有GaN的蓝宝石单晶圆，并且所述激光剥离包括利用248nm准分子方波激光器透过蓝宝石照射GaN。
19.根据权利要求17所述的方法，其中步骤(f)还包括至少以下之一：
(i)通过电感耦合等离子体去除GaN，以及
(ii)其中如果在所述蓝宝石载体的背面上施加有散热层以助于外延单晶压电体的沉积，则首先通过化学蚀刻、机械抛光和化学机械抛光(CMP)中的至少一种方法来去除所述散热层。
20.根据权利要求1所述的方法，其中，将所述压电膜修整成期望厚度的步骤(g)包括在压电膜的表面上施加扫描表面离子研磨蚀刻工艺。
21.根据权利要求1所述的方法，其中，选择性地蚀刻掉所述压电层以制造离散的谐振器岛的步骤(h)包括利用电感耦合等离子体进行蚀刻。
22.根据权利要求1所述的方法，其中，选择性地向下去除涂层、粘合层、电极、硅至氧化硅层的步骤(i)包括电感等离子体蚀刻和反应离子蚀刻中的至少一种。
23.根据权利要求1所述的方法，其中步骤(i)为双阶段过程，包括：选择性地去除涂层、粘合层和电极至硅层中以形成宽的沟槽，然后在施加额外的光刻胶层之后，窄沟槽穿透硅层并向下延续至二氧化硅层，为后续的绝缘材料的附着和固定提供阶梯式界面。
24.根据权利要求1所述的方法，其中，施加绝缘层的步骤(i)包括：利用光敏聚酰亚胺或苯并环丁烯(BCB)通过旋涂填充沟槽和周围的压电岛，然后在所述压电岛上表面上选择性地曝光和显影开聚酰亚胺或苯并环丁烯(BCB)或通过PECVD技术沉积SiO2、Ta2O5或Si3N4，然后再以光刻加蚀刻方式将在压电岛上的无机绝缘层蚀刻掉。
25.根据权利要求24所述的方法，其中邻近结构之间的所述绝缘层的宽度为3至10微米。
26.根据权利要求1所述的方法，其中所述腔体的深度为3-10微米。
27.根据权利要求1所述的方法，其中，施加第二电极的步骤(k)包括沉积钛粘合层，随后通过PVD技术沉积铝或钨电极。
28.根据权利要求1所述的方法，其中步骤(l)至少包括以下限定中的某些限定：
·施加凸块底层金属(UBM)涂层；
·在(UBM)涂层上施加一层铜；
·在铜层上制造铜柱；
·在铜柱上施加锡头；
·蚀刻掉多余的铜和UBM以保留铜柱。
29.根据权利要求28所述的方法，其中所述方法至少包括以下限定之一：
·施加凸块底层金属(UBM)涂层包括施加钛涂层、钨涂层、Ti/W、Ti/Mo涂层和Ti/Ta涂层中的一种，其中所述UBM涂层的厚度在500nm至1500nm之间；
·通过溅射方法在UBM涂层上施加一层铜；
·在铜层上制造铜柱及柱上焊锡：通过铺设一层光刻胶覆盖铜层，显影以形成柱的底片图案，将铜电镀至所述图案到所需的高度，然后将锡头电镀至所述铜柱上，并去除所述光刻胶以留下直立的具有锡头的铜柱；
·从铜柱上去除多余的铜和UBM，包括以下方法之一：
·暴露于电感耦合等离子体；
·暴露于氯化铁溶液；
·暴露于基于过硫酸铵的蚀刻剂。
30.根据权利要求1所述的方法，其中，选择性地去除上电极材料的步骤(m)包括施加包括Cl2+BCl3+Ar的电感耦合等离子体以去除铝，并选择性地用CF4或SF6与O2的反应离子蚀刻以去除钛。
31.根据权利要求1所述的方法，其中，在步骤(m)后，步骤(1)的UBM层还被选择性地保留围绕在上电极的周界。
32.根据权利要求1所述的方法，其中，建造垫圈的步骤(n)至少包括以下之一：围绕所述谐振器阵列的周界制造SU8聚合物壁，以及在所述转接线路板上制造环氧树脂坝以限定底部腔体的下表面。
33.根据权利要求1所述的方法，其中，将所述硅盖削薄的步骤(o)至少包括以下技术中的一种：机械研磨、化学机械抛光、大气下游等离子体(ADP)蚀刻、湿式蚀刻和干法化学蚀刻(DCE)。
34.根据权利要求1所述的方法，其中所述背膜和硅盖包括通过二氧化硅耦合至硅盖的硅晶圆膜，并且步骤(p)包括施加硅通孔蚀刻技术以在所述硅盖中形成的硅通孔贯穿到达二氧化硅层，并且利用HF蒸汽蚀刻去除SiO2，以在所述硅膜后面形成由二氧化硅残余部分作为边界的腔体，并与所述压电谐振薄膜对齐。
35.根据权利要求1所述的方法，其中所述背膜和硅盖包括通过二氧化硅耦合至硅盖的硅膜，所述硅膜和所述硅盖之间具有预先形成的腔体，并且所述预先形成的腔体与所述压电岛精确对齐。
36.根据权利要求1所述的方法，其中，制造拥有布线层的转接线路板的步骤(r)包括以下步骤：
(i)在牺牲铜衬底上沉积抗蚀刻阻挡层；
(ii)溅射铜籽晶层；
(iii)将第一层光刻胶施加到载体上；
(iv)通过光刻将垫板阵列开口图案化；
(v)将铜电镀到图案化阵列中；
(vi)剥离光刻胶；
(vii)施加第二层较厚的光刻胶；
(viii)图案化通孔阵列；
(ix)将铜电镀到通孔阵列中；
(x)剥离第二层较厚的光刻胶；
(xi)使用聚合物薄膜或玻璃纤维在聚合物预浸料中进行层压；
(xii)在聚合物预浸料中固化聚合物薄膜或玻璃纤维；
(xiii)抛光以暴露铜通孔的末端；
(xiv)根据需要可选地重复步骤(ii)至(vi)或步骤(ii)至(xiii)以添加额外的特征布线或特征布线以及通孔层，以及
(xv)蚀刻掉牺牲衬底。
37.根据权利要求1所述的方法，其中所述转接线路板包括低温共烧陶瓷或玻璃基板。
38.根据权利要求1所述的方法，其中，通过丝网印刷环氧树脂、沉积光敏厚阻焊掩模或施加并固化SU-8层，从而在所述转接线路板的上表面上制造坝状结构。
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