CN1319835A - 声共振器装置的隔离方法 - Google Patents

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Abstract

一种隔离压电薄膜声共振器装置的方法。具体地说,此项隔离技术包括在声共振器装置之间控制或隔离压电材料层,限制沿横向传播离开装置的声能量。一方面,从装置中去除不涉及通过RF和声能之间的转换而传输信号的至少一部分压电材料。另一方面,在制造时把压电材料的生长限制在一定的区域。再一方面,在制造装置时扰乱或改变压电材料的晶体取向,从而形成具有优良的压电特性的区域和显示较弱的压电特性的区域。

Description

声共振器装置的隔离方法
本发明涉及体声波装置，尤其涉及限制横波传播效果的隔离技术，横波传播会不适宜地消除制作在公共衬底上的薄膜共振器(TFR)装置的能量并导致装置之间的耦合。
近年来，在发展体声波装置、主要是用在蜂窝式、无线和光纤通信以及计算机或与计算机有关的信息交换或信息共享系统中的体声波装置方面进行了大量的研究。有这样一种趋势，这些系统以日益提高的载波频率下工作，这主要是因为较低频率处的频谱变得拥挤，并且因为在较高频率处的允许带宽较大。压电晶体为体声波装置如振荡器、共振器和滤波器等在非常高的射频(几个GHz的量级)处工作提供了基础。
当然，早已知道某些晶体材料具有压电特性。具体地说，有一种被称作直接压电效应，当施加外部应力时在晶体表面上出现电荷。还有一种逆向压电效应，当通过外部的方式把电荷施加到晶体表面时，晶体显示出应变或变形。
在许多高频应用中，滤波器是基于填充到电磁共振腔中的电介质，共振腔的物理尺寸由共振电磁场的波长决定。为声波或电磁波。由于电荷、应力和应变之间的互作用，压电材料用作一种传感器，在电磁波和声波(即机械波)之间来回转换，所以也可以用做一个电共振装置。但是，声波的速度大约是电磁波速度的1/10000。波的速度和装置的尺寸之间的关系使得能够粗略地减小某些装置的尺寸，装置包括采用这种材料的声共振器。
图1表示典型的声共振装置100的横截面。装置100包括一个插在两个电极105和115之间的压电材料110，两电极中的一个形成在衬底120上。在声共振器的理想状态中，通过施加电场激励垂直于装置表面的机械振荡。产生很多其它类型的振荡，包括剪切面和纵波的结合。这些波例如可以通过在一个实际装置中的非理想晶态取向、共振器边缘的边缘场、电极边缘的机械不连续性、非均匀的电流分布等产生。这些不再是纯纵波的波载走声能，本质上使得“泄漏”装置100的侧边，和/或导致与相邻装置或系统组件干涉。这些能量损耗导致装置中能量传输的衰减，即被用做RF带通滤波器，抑制装置的效率和性能。因此，需要有一种把体声波装置如声共振器与产生的横波所具有的对装置效率和性能不利的效应隔离的方法。
本发明提供一种隔离声共振器装置的方法，其中声共振器装置由一种插在衬底上的两个导体之间的压电材料形成。例如，可以去除至少两个装置之间包围或部分包围装置的压电材料的一个区域，可以避免在装置的制造期间该区域的生长，或者可以改变该区域中晶体取向。这些技术的每一项可以减少横向传播离开装置的声能量。声能的这种损耗可能妨碍装置的效率和性能，并且能与相邻的或邻接的装置和部件干涉。
从下面参考附图的详细描述中将能够完全理解本发明，其中图中的相同标号表示相同的元件，下列参考附图的描述仅仅是对本发明的举例说明，并不构成对本发明的限定，其中：
图1表示典型的薄膜共振器(TFR)声共振器装置的截面图；
图2表示根据本发明第一实施例的隔离方法；
图3表示局部的声共振器装置；
图4表示根据本发明的第一实施例在进行隔离之前的声共振器装置；
图5表示根据本发明的第一实施例在进行隔离之后的图4的声共振器装置；
图6A和6B表示开槽之前和之后的一种典型的声共振器装置；
图7表示根据本发明第二实施例的隔离方法；和
图8表示根据本发明第三实施例的隔离方法。
本发明提供一种限制声共振器装置性能损耗的方法，性能损耗是由于装置中无用横波的产生所导致的。在本发明的另一个方面，从装置中除去不涉及信号传输的压电材料(即至少一部分不存在于电极之间的压电材料)。另一方面，在装置制造期间把压电材料的生长限定在一定的区域中。
另一方面，在制造装置期间扰乱或改变压电材料的晶体取向，从而形成晶体取向高度有序的区域(如晶体取向显示出优良的压电特性的区域)和晶体取向不是高度有序的区域(即晶体结构导致的具有与高度有序的区域相比压电特性较弱的区域)。例如，生长的初始条件会导致相邻晶粒的压电效应的优选方向随机化，使得压电效应有一个净的零总和。
图2表示根据本发明第一实施例的隔离声共振器装置的方法。虽然在TRF声共振器装置的批量制造中包括数不清的薄膜加工步骤，如同在制造任何现代集成电路中一样，但大多数的这种加工包括重复实施三个主要操作：沉积、平板印刷和蚀刻。
参见图2，首先提供一个基础的支撑结构(步骤S1)，如衬底。在这种情况下，基础结构与装置的操作不为一体；它主要提供机械支撑。以下称作“衬底”的基础结构可以是一个硅片衬底，并且最好包括多个声学失配材料的交替的声反射层，如SiO2和AlN，这些反射层包裹在固体衬底如硅、石英或剥离片上。另外，衬底可以是一个通过去除其下部的材料的膜片。提供了衬底之后，在衬底表面上沉积一个薄膜金属层(大约100nm或100×10-9m厚)(步骤S2)。金属膜做为声共振器装置的下电极，最好由Al组成，但其它导体也可以用。沉积最好在真空腔中利用现有已知的多项薄膜沉积技术中的一项进行，如对绝缘目标的RF溅射，金属目标的脉冲DC反应溅射，化学气相沉积(CVD)，分子束外延(MBE)等。
金属膜沉积之后，进行图案形成过程(步骤S3)。采用平板印刷过程，其中，对光敏的、耐化学腐蚀的聚合物或“光致抗蚀剂”实施完全涂敷金属膜。对“光掩模”曝光，材料或掩模层在某些位置处有孔或开口，从而允许光通过，对光致抗蚀剂敏感，以致于在随后浸入显影剂中时只去除受到光照的抗蚀材料。此时，样品表面包括剩余保护抗蚀层的区域和未受保护的金属区域。
图案形成过程继续通过蚀刻过程按此平板印刷图案确定的图案转移到金属层中。在现有技术中通常实施多项蚀刻技术，包括湿化学蚀刻、活性离子蚀刻(RIE)和溅射蚀刻。这些过程通过化学的或物理的作用去除任何不受光致抗蚀剂保护的金属，剩下完整的抗蚀剂涂层金属，由此把金属表面“塑刻”成理想的电极图案。通过这一过程确定的电极示于图3。抗蚀剂216在去除衬底220上不受保护的材料期间保护金属层215。当剩余的光致抗蚀材料216被溶剂去除时，保留由理想的图案确定的金属层215。
然后把半完工的装置放回到真空腔中进行活性压电材料膜的沉积(步骤S4)。类似于上述的金属沉积，压电层可以以不同的方式沉积，如通过对绝缘目标的RF溅射，金属目标的脉冲DC反应溅射，化学气相沉积(CVD)，分子束外延(MBE)等。这种压电材料最好是氮化铝(AlN)，但是也可以由ZnS或CdS组成。与金属膜类似，AlN膜完全沉积在衬底上。但与金属膜不同，它没有形成图案，并且随后被采用Al的第二薄膜金属层涂敷，形成装置的上电极(步骤S5)。利用上述的平板印刷过程将第二金属膜形成图案并蚀刻(步骤S6)。一旦除去光致抗蚀剂，声共振器装置的结构即几乎完成。虽然此时的装置起着TFR的作用，但还有执行下述步骤的优点。
图4是根据本发明第一实施例的声共振器装置在进行隔离之前的示意图。参见图4，有一个声共振器装置200，该装置包括一个衬底220，一个被夹在上下金属电极205、215之间的压电层210。因为层210是连续的(即上行图案)，所以与基础金属(下电极215)没有直接的电连接，并且声共振器装置200实际上是串联的两个“腔”或共振腔。另外，使层210中的压电材料取向成施加的电场将激发体声波，即主要是垂直于衬底220的表面传播的纵波。这种传播模式使图4的声共振器装置与表面声波(SAW)装置有区别，其材料和设计特点助长声波平行于并沿衬底的表面传播。
如上所述，当向电极205和215之间施加RF信号时，夹在其间的压电层210对振荡的反应是在材料体内产生垂直于衬底220的声波。此反应类似于电动弹簧，当被一个AC信号激励时，根据变化的电信号产生垂直压缩和扩张的周期循环。通过这种方式，电信号被转换成垂直于衬底220表面的机械运动。虽然如此，此运动并不与垂直于衬底的轴完全一致，这是由于这些效应：非理想的晶体取向，边缘场，膜的粗糙，共振腔的机械边缘。所以，甚至在图4的声共振器装置中也将激发横波运动，载走以不可恢复的形式消耗或与同一衬底上的相邻装置干涉的能量。但是，下列的步骤可以通过限制横波载走能量的能力而增强声共振器装置的性能。
再参见图2，装置制成之后(步骤S6完成)，对压电层210进行选择蚀刻过程，即“开槽”过程(步骤S7)。与本申请为同一委托人和同一领域的美国待定专利申请No.09/XXX,XXX、名为“薄膜的选择蚀刻”一文中描述了这一开槽过程。具体地说，可以通过化学蚀刻去除任何不涉及信号传输(不存在于电极205和215之间)的压电材料。此蚀刻可以通过湿蚀刻、离子束研磨或最好是在活性离子蚀刻(RIE)腔中采用氯化学或等离子体轰击去除材料而完成。另外，可以用光学可界定的抗蚀剂保护电极205和215之间不被蚀刻的区域。所以，横向声波模式的传播被限定在装置的未蚀刻区域，禁止与装置截面的干涉和能量损耗。
图5是根据本发明第一实施例的声共振器装置在隔离之后的示意图。参见图5可以看到，在开槽之后，电极205、215的边缘和压电层210互相匹配，在衬底220上形成一个很好限定的边界。所有不在电极205和215之间的活性区域中的压电材料都被除去。声波振荡此时被更好地限定在共振腔区域内，并且先前支持两个共振腔之间的横波运动的介质被消除。
应该认识到，要实现对隔离的理想改进可以不需要完全去除材料。或者，可以只去除不在电极之间的活性区域之内的压电材料的一部分。另外，在某些情况下，设计者可能需要有一个用于互连的平面表面，或者可能需要保护蚀刻期间保留的装置的下层(即金属膜，衬底)。为了达到这一点，在通过去除压电材料而产生的空隙中进行“回填”。用不同于去除的压电材料的材料回填空隙。另外，如果需要另外的隔离，可以在压电材料层之后继续进行材料的蚀刻，到达衬底中的特定区域。但是必须非常小心地保护电连结。
图6A和图6B表示开槽过程前后的一种类型的声共振器装置。参见图6A，该图表示薄膜共振(TFR)装置300的T型单元。例如，它可以构造成用作无线电通讯的RF带通滤波器。与图4中的装置类似，但增加了一个与串联共振腔(由电极330和305之间以及电极335和305之间的区域确定)并联的并联共振腔(由包围夹在压电层310之间的电极325和305之间的区域确定)。与图4类似，不是共振腔的一部分的压电层310的上行图案/上行蚀刻部分支持横波从中传播。但是。如图6B所示，开槽之后TFR装置300展示出良好界定的边界，把声能限定在三个共振区域。因此，按照优选实施例制造装置之后进行的开槽过程提供一种隔离的方法，该方法限制了声共振器装置优于声能的横向损耗所致的性能衰减和/或由相邻装置之间的声学干涉导致的干扰。
图7表示根据本发明第二实施例的隔离声共振器装置的方法。步骤S11-S13与图2中列出的步骤S1-S3一致。但是，与通过去除不存在于电极205和215之间的压电材料的制造之后隔离声共振器装置不同，在步骤S14的制造装置期间限制压电材料的生长。具体地说，在沉积压电材料之前形成一个掩模层，与前面关于第一实施例的描述一样。此掩模可以是一个机械掩模，如通过蜡纸的喷漆所采用的掩模。利用一种更通常的平版印刷薄膜法，此时可以利用膜下的光致抗蚀剂形成图案。众所周知，此抗蚀剂可以在随后的膜沉积之后被除去，并且将消除表面上的任何膜，只剩下沉积在远离抗蚀剂覆盖的表面上的材料。特别是，形成掩模层，刻划出“敞开”区(压电材料将沉积在衬底表面上的真空腔内)和“掩模”区(压电材料将沉积在掩模表面上的真空腔内)。随后去除掩模和覆盖其上的材料，剩下各个岛状物或活性压电材料的“凸点”。
压电材料沉积在真空腔内并且随后通过溶剂除去掩模之后，沉积第二金属膜并对其形成图案(步骤S15和S16)，获得一个看起来基本上与图5和图6B所示一致的声共振器装置。因此，在某种程度上类似于第一实施例，声能被更好地限制在共振区域，并且提前消除任何能支持共振腔之间的横波运动的介质。
图8表示根据本发明第三实施例的隔离声共振器装置的方法。与前两个实施例不同，本实施例没有包围分立的共振结构的压电材料，第三实施例提供一种改变这些区域中的压电效应的方法。此技术包括局部地进行对沉积的压电层晶体的取向，例如可以通过对衬底表面形成图案来进行。
压电效应的强度以材料的“耦合常数”或“K”量化，它代表通过压电效应而转换成声能的一部分电能。现有技术中已知K2值随着平均晶体取向的斜率快速倾斜。通常，只有压电晶体“C”轴(即具有A,B和C轴的AlN六角晶体)的很大一部分垂直于衬底表面生长时才可以获得一个很强的纵向压电响应。如果在膜生长期间没有足够的晶体部分达到这种取向，则虽然化学上与取向量化的材料一致，压电材料也将停止显示压电响应。错误取向的晶粒在随机的方向产生应变并有零压电效应。
压电效应以及由此的TFR的性能受压电晶体取向的强烈影响。反之，晶体取向对材料生长的表面高度敏感。第三实施例通过把衬底塑造成其中的材料随良好取向的晶体结构生长并随较差的取向生长的区域来扭转对衬底表面结构的敏感性。在此实施例中，晶体结构在分立的共振器结构外部的区域中被“扰乱”，使得那些区域不能够传导波，与取向的材料机械上的不同，以致于将发生声波反射，并且如果声波的均匀传递被足够的扰乱或改变(例如使得晶态受到严重地影响)。
参见图8，获得衬底之后(步骤S21)，如第一和第二实施例所述，沉积第一金属模并形成图案。之后，对衬底形成图案以局部地改变衬底表面(步骤S24)。具体地说，利用一种掩模材料对衬底进行平版印刷过程，类似于对金属膜和/或压电材料形成图案。但是，此图案用于限定衬底上选择改变以破坏取向的压电材料的生长的区域。这种改变可包括衬底表面的粗糙度(例如通过氩例子或湿化学蚀刻)，或者一种已知不支持取向的压电材料生长的SiO2薄膜的沉积(溅射或化学气相沉积(CVD))。制备此表面之后，用一种溶剂去除掩模材料(光致抗蚀剂)。
在步骤S24中沉积压电膜期间，沉积在未改变的表面或“原始区域”上的压电材料将形成良好取向的晶体，显示出很强的压电效应。但是，沉积在衬底的“被处理”区域上的材料将形成取向较差的材料。取向较差的材料与取向良好的材料有相同的化学成份，但缺乏需要显示出有用的压电效应的晶体结构。另外，与取向良好的材料相比，它具有不同的机械特性，如声速，并且具有非常不同的形态(即较小的密度和或更多的晶粒结果)。之后，沉积第二金属模并形成图案(步骤S26和S27)以在良好取向的、压电地活性区域中确定声共振器装置。
参见图4，通过利用根据第三实施例的方法，使金属电极205和215以及衬底220之间的压电材料层210很好地取向，从而支持作为声共振器装置200的特征的压电响应。但是，由于衬底表面的预处理，没有夹在电极205和215之间的压电材料层210缺乏显示有用的压电效应所需的晶体结构。所以，此材料就地提供声学隔离，限制共振腔之间无用横波的产生和传播。
显而易见，以上描述的本发明可以通过多种方式改变。这种改变以及本领域的技术人员认为显然的改型不认为脱离本发明的实质和范围，都将包含在下列权利要求所定的范围之内。

Claims (27)

1．一种产生声共振器装置的方法，其中声共振器装置由一种插在衬底上的两个导体之间的压电材料形成，包括：
隔离压电材料以减小横向传播离开装置的声能量。
2．如权利要求1所述的方法，其特征在于在装置的制造期间进行压电材料的隔离。
3．如权利要求1所述的方法，其特征在于在装置的制造之后进行压电材料的隔离。
4．如权利要求1所述的方法，其特征在于隔离步骤还包括在装置制造之后去除不涉及信号传输的一些或全部压电材料。
5．如权利要求4所述的方法，其特征在于去除步骤通过一个选择蚀刻过程进行。
6．如权利要求1所述的方法，其特征在于隔离步骤还包括在制造期间把压电材料的生长限制在特定的区域内，其中所述特定的区域形成相继互连的压电材料的隔离岛，由此限制横波模式的能量的产生或传播。
7．如权利要求6所述的方法，其特征在于隔离区通过掩模过程形成。
8．如权利要求1所述的方法，其特征在于隔离步骤还包括在衬底上的压电材料生长期间，通过在沉积压电材料之前选择性地将衬底的表面形成图案来扰乱压电材料的晶体取向，从而形成声能和RF能之间的转换得以提高的压电材料区和转换减弱的区域。
9．如权利要求6所述的方法，其特征在于没有插在所述导电膜之间的任何压电材料处于一个信号传输减弱的区域，由此进行就地隔离功能。
10．如权利要求1所述的方法，其特征在于压电材料是从包括至少AlN,ZnO和CdS的组中选择。
11．如权利要求1所述的方法，其特征在于导电膜通过对Al金属或其它导体平版印刷图案而形成。
12．如权利要求1所述的方法，其特征在于把衬底做成在一个基片如硅、石英或玻璃片上的多个声反射层。
13．一种隔离声共振器装置的方法，其中声共振器装置具有一种插在衬底上的两导体之间的压电材料，方法包括：
在装置制造之后去除不涉及通过RF和声能之间的转换而传输信号的一些或全部压电材料，把横波传播损耗限制在装置的未蚀刻区域，由此限制横波模式的能量传播。
14．如权利要求13所述的方法，其特征在于所述去除步骤通过一个选择蚀刻过程进行。
15．如权利要求14所述的方法，其特征在于通过选择蚀刻至少去除一些衬底表面。
16．如权利要求13所述的方法，其特征在于至少一些去除的压电材料形成一个被回填不同材料的空隙。
17．一种隔离声共振器装置的方法，其中声共振器装置具有一种插在衬底上的两导体之间的压电材料，方法包括：
在制造期间把压电材料限制在衬底上的特定区域，其中特定区域形成互连的压电材料的隔离岛。
18．如权利要求17所述的方法，其特征在于隔离区通过一个掩模过程形成。
19．一种隔离声共振器装置的方法，其中声共振器装置具有一种插在衬底上的两导体之间的压电材料，方法包括：
压电材料在衬底上的生长期间，通过在沉积压电材料之前选择性地在衬底表面形成图案来扰乱压电材料的晶体取向，从而形成增强信号传输的压电材料区域和减弱信号传输的区域。
20．如权利要求19所述的方法，其特征在于没有插在所述导电膜之间的一些或所有压电材料处于一个信号传输减弱的区域，由此进行就地隔离功能。
21．一种声共振器装置，包括：
一个衬底；
一个形成在衬底上的第一导电膜；
一个形成在第一导电膜上的压电材料层，其中压电材料被隔离，从而减小了横向传播离开装置的声能量；和
一个形成在压电层上的第二导电膜。
22．如权利要求21所述的声共振器装置，其特征在于通过选择蚀刻去除不涉及信号传输的任何压电材料，从而把横向传播损耗限制在装置的未蚀刻区域。
23．如权利要求21所述的声共振器装置，其特征在于压电材料层限制在衬底和第一导电膜上的特定区域，从而形成相继互连的压电材料的隔离岛。
24．如权利要求21所述的声共振器装置，其特征在于压电材料在衬底上的生长期间，通过在沉积压电材料之前选择性地在衬底表面形成图案来扰乱压电材料的晶体取向，从而形成增强信号传输的压电材料区域和减弱信号传输的区域。
26．如权利要求24所述的方法，其特征在于没有插在所述导电膜之间的任何压电材料处于一个信号传输减弱的区域，由此进行就地隔离功能。
27．如权利要求21所述的声共振器装置，其特征在于压电材料是从包括至少AlN,ZnO和CdS的组中选择。
28．如权利要求21所述的声共振器装置，其特征在于导电膜是Al金属电极或其它导体。
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