CN1433147A - 薄膜型声波元件及其制造方法 - Google Patents
薄膜型声波元件及其制造方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN1433147A CN1433147A CN 02101657 CN02101657A CN1433147A CN 1433147 A CN1433147 A CN 1433147A CN 02101657 CN02101657 CN 02101657 CN 02101657 A CN02101657 A CN 02101657A CN 1433147 A CN1433147 A CN 1433147A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- film
- piezoelectric
- type acoustic
- manufacture method
- acoustic wave
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
Images
Landscapes
- Piezo-Electric Or Mechanical Vibrators, Or Delay Or Filter Circuits (AREA)
Abstract
一种薄膜型声波元件及其制造方法，其特征是利用压电层材料的晶向性配合不同的电极电场驱动方向来制作不同效能(Figure of Merit，FOM)的声波元件，并可藉由结合体声波元件与表面声波元件，以提供不同规格下元件最佳化的设计及制造方法。
Description
技术领域
本发明涉及一种薄膜型声波元件(Film type Acoustic Wave Device)及其制造方法。
背景技术
移动通讯的蓬勃发展加速了相关高频无线电子零件的需求。无线通讯产品的移动能力移赖于零组件的尺寸及电池续航力。零件制造商也致力于开发更微小、价格更便宜又性能更好的元件。微小化的最终作法就是将其与集成电路(IC)结合，成为系统晶片(SOC)。目前无线系统高频前端中，仍无与集成电路(IC)结合的元件，其中一项就是高频前端滤波器。未来在双频、三频甚至多频规格中，高频前端滤波器更是一占空间但又非常必要的元件。它与高频开关的结合的多工器，更是决定通讯品质的关键。
比较常用的高频前端滤波器属于表面声波滤波器。表面声波滤波器以往不只是扮演高频前端滤波器，而是在中频的频带选择滤波器上。但是随着直接转换技术(即零中频或近零中频技术)的发展，不再需要模拟式的中频滤波器，表面声波滤波器的舞台只能往高频滤波器延伸。但表面声波滤波器本身的插入损耗相当大，功率承受度又差。以往用于中频频带选择滤波器的规格上，对于插入损耗的规格不是很严格，又其属于高频后段，也不需讲究功率承受度。现在若用于高频前端这两种规格将是表面声波滤波器要面临的难题。
为了解决此问题，日本住友电气公司(Sumitomo)1998年发表了在氧化锌/钻石/硅基板上成长交指式电极。利用钻石的高弹性常数及导热佳的特性，在此复合基板上的交指式电极可承受达35dBm的功率，仍保有良好的线性度。但是此类钻石基板价格相当昂贵，且在高频率时，交指式电极的线宽都在微米以下，且容许误差相当低，在设备投资上所费不赀。
另外一系列高频滤波器产品为低温共烧陶瓷(LTCC)，低温共烧陶瓷(LTCC)滤波器的最大好处是对高频的功率承受度很高，但是待解决的问题则相当多。包括量测上的困难、上游陶瓷粉末取得不易、制程上陶瓷发生收缩的现象，使得制程及模拟结果偏差很大，且不易修整。
最近利用体声波滤波器元件技术，诸如夏普(HP)公司所发展的薄膜式体声波共振元件(FBAR，film bulk acoustic resonator)(参考美国专利第6060818号)，以及NoKia公司所发展的堆叠式体声波共振元件(SBAR，stack bulk acoustic resonator)(参考美国专利第5872493号)可以减小高效能过滤产品的体积，并可在400MHz到10GHz的频率范围内操作。例如供CDMA移动电话用的双工器就是这类过滤产品之一。体声波双工器的体积只有陶瓷双工器的一小部分，比表面声波滤波器拥有更好的排斥、插入损耗与功率处理的能力。这些特性的组合可以让制造商生产出具高效能的新款迷你型无线移动通讯装置。体声波滤波器是一项半导体技术，所以它能将滤波器结合到射频集成电路(RFIC)里，而成为系统晶片(SOC)。
SBAR元件虽然不需要在振荡器底部形成一空腔结构，但须成长多层膜，在制程上相当复杂，不利于集成化，作为布拉格反射层的材料选择相当有限，因此元件合格率相当低。
FBAR元件在振荡器底部需形成一空腔结构，一般较成熟的方式为利用背面蚀刻或正面蚀刻基板来制作空腔结构。利用背面蚀刻时，其元件密度大大地受限。如图1所示，在基板11上依序形成支撑层14、下电极图案12’、压电材料层13以及上电极图案12，之后在所需的振荡器区域进行背面蚀刻来形成空腔10。背面蚀刻法的蚀刻深度较深，必须花较长时间完成蚀刻，而正面蚀刻法则须从非<100>晶面侧向蚀刻以掏空振荡器下的硅基板，亦须花相当长的蚀刻时间。且正面蚀刻法易在浮板下面留下山丘状的硅基板残余，影响元件的特性。如图2所示，在基板21上依序形成支撑层24、下电极图案22’、压电材料层23以及上电极图案22，之后在所需的振荡器区域进行正面蚀刻来形成蚀刻窗26及空腔20，并留下硅基板残余28。
图3为先前技术中HP公司在美国专利第6060818号利用牺牲层进行正面蚀刻体声波滤波器的示意图。如图3所示，体声波滤波器元件可在一基板31上形成，首先在基板31上光罩定义并蚀刻一空腔30，并在此区域镀上牺牲层35，并利用化学机械研磨等方式将牺牲层35作平坦化程序。其后在此结构上依序形成支撑层34、下电极图案32’、压电材料层33以及上电极图案32。之后在所需的振荡器区域进行正面蚀刻，去除牺牲层35形成空腔30，使基板不会影响到元件本身的特性。此技术的缺点为牺牲层35须要达一定厚度以产生足够的空腔深度避免受基板影响，且制程上必须在基板上预挖沟槽及对牺牲层作化学机械研磨等平坦化程序。
然而一般的体声波元件的品质与效能除了蚀刻空腔的品质与稳健性以外，更决定于元件的效能值(Figure of Merit，FOM)，其定义为K2Q(K2的压电耦合常数，Q为元件品质因素)。在未来更多种类的应用中，必须设计并制备不同K2为压电耦合常数以配合元件的规格。以下为商用利用不同压电基板的表面声波元件与其应用范围的比较：
(参考资料：C.K.Campbell Surface Acoustic Wave Devices for Mobile andWireless Communications.Page31)
| 材料 | 晶面切向 | 声波传播轴 | 声速(m/sec) | K2(％) | 温度系数(ppm/℃) | 主要用途 |
| Quartz | ST | X | 3158 | 011 | ～0(near25℃) | 精密型振荡器、衡温型窄频中频滤波器及低损耗中频谐振器 |
| LiNbO3 | Z | 3488 | 4.5 | 94 | 宽频中频滤波器 | |
| LiNbO3 | 128° | X | 3992 | 5.3 | 75 | 宽频中频滤波器 |
| Bi12GeO20 | 110 | 001 | 1681 | 1.4 | 120 | 延迟线 |
| LiTaO3 | 77.1°RotatedY | Z’ | 3254 | 0.72 | 35 | 低损耗型振荡器 |
| GaAs | (100) | (110) | ＜2841 | ＜0.06 | 35 | 半导体相容的滤波器制程 |
由上可看出一般用于精密型的振荡器与谐振器或用于中频的频率选择滤波器时，是采用K2较小的压电材料(piezoelectric material)，诸如石英基板；而用于宽频的则多采用K2较大的压电材料，诸如LiTaO3或是LiNbO3基板等。对于未来薄膜型体声波基板，石英基板与LiTaO3或是LiNbO3基板并非能整合至硅基材或砷化镓系列的基板。一般常用的压电型薄膜主要有两种：氧化锌(ZnO)与氮化铝(AlN)，其中，氧化锌(ZnO)多用于砷化镓基板上，且与砷化镓材料有相近妁声波速度。如果在氧化锌(ZnO)与砷化镓基板中间如入中间层，诸如氮化矽(SiN)或是氮氧化硅(SiON)，增加氧化锌(ZnO)在砷化镓基板上的附着力(Adhesion)，则可以大大地提高声波的耦合效率，并藉此修正声速。然而，氮化硅(SiN)或是氮氧化硅(SiON)的声波损耗使得薄膜型声波元件的品质降低，非常不利于声波元件的制程。
图4a及图4b为先前技术中美国能源部在美国专利第04640756号中利用成长特定压电薄膜晶向的成长薄膜方法使元件达到最佳K2的说明图，在此先前技术中，驱动压电薄膜的驱动电极产生电场的方向为膜厚方向，其已固定在一定方向，在薄膜制程中必须调整晶格(lattice)C轴的倾斜方向来达到不同的K2值，进而达到最佳化品质及符合产品规格。如图4a所示，其中40为成膜方向，41为薄膜晶格C轴倾斜方向，43为上电极，44为压电薄膜层，而45为下电极。薄膜晶格C轴倾斜方向41与成膜方向40之间的夹角即为图4b的横轴。由图4b所示，此为氧化锌压电薄膜的例子，从图中可以发现薄膜的K2会随着不同的晶格(lattice)C轴倾斜方向41而有不同的值。而又可以发现K2的最大值发生于C轴倾斜36度左右。然而，压电薄膜的晶向的成长并非能如压电晶体般，藉由后段切削研磨来控制其晶轴相对于驱动电极的倾斜方向。因此，先前技术中，并无法如压电晶体般控制不同晶轴方向来制备不同K2的压电耦合系数以配合不同的元件规格。
发明内容
有鉴于习见技术的上述缺点，本发明所要解决的技术问题即，针对先前技术的上述缺点，而提供一种薄膜型声波元件(Film Acoustic WaveDevice)的制造方法，该方法可制作不同效能(Figure of Merit，FOM)的声波元件，并可结合体声波元件与表面声波元件以提供不同规格下最佳化的设计及制造方法，缩短产品开发时间。
本发明的上述技术问题是由如下技术方案来实现的。
一种薄膜型声波元件的制造方法，其特征是：利用驱动电极图案设计改变波传方向与薄膜晶向夹角以获得元件特性最佳化的制造方法。
除上述必要技术特征外，在具体实施过程中，还可补充如下技术内容：
其中压电薄膜为氮化铝压电簿膜。
其中压电薄膜为氧化锌压电薄膜。
本发明的上述技术问题还可由如下另一具体技术方案来实现。
一种薄膜型声波元件的制造方法，其特征是：将压电薄膜晶格C轴方向倾斜于一特定方向；且使驱动压电薄膜的驱动电极产生电场的方向为垂直膜厚方向；故可藉由改变驱动电极产生电场的方向绕着成膜方向的旋转角度来获得不同的压电耦合常数K2。
除上述必要技术特征外，在具体实施过程中，还可补充如下技术内容：
其中压电薄膜为氧化锌压电薄膜。
其中压电薄膜晶格C轴方向倾斜的特定方向为[101]方向，并可由X-射线量测得知。
本发明还提供一种由上述方法所制作的薄膜型声波元件。
一种薄膜型声波元件，其特征是：包括有：薄膜型体声波元件区域：以及薄膜型表面声波元件区域。
除上述必要技术特征外，在具体实施过程中。其中表面声波元件在此处的作用担任较低频率范围的的薄膜型声波元件，而体声波元件担任较高频率范围的薄膜型声波元件。
本发明的优点在于：
1、本发明的声波元件(Acoustic Wave Device)的制造方法中利用压电层材料的晶向性配合不同的电极电场驱动方向可制作不同效能(Figure ofMerit，FOM)的声波元件。
2、本发明的声波元件(Acoustic Wave Device)的制造方法，同时可于压电层上形成薄膜型表面声波元件及体声波元件，此表面声波元件除了可以搭配体声波元件作为较多频或多模无线通讯系统中低频率规格的声波元件。
本发明上述目的及其优点，参考下列依附图所作的描述更清楚了解。
附图说明
图1为先前技术中以背蚀刻的体声波滤波器示意图。
图2为先前技术中以正面基板体型蚀刻的体声波滤波器示意图。
图3为先前技术中利用牺牲层进行正面蚀刻体声波滤波器的示意图。
图4a为先前技术中利用成长特定压电簿膜晶向的成长薄膜方法与其晶轴相对于驱动电极的倾斜方向角度的示意图。
图4b为图4a中利用成长特定压电薄膜晶向的成长薄膜方法的K2与其晶轴相对于驱动电极的倾斜方向角度的关系图。
图5a为本发明第一实施例中利用成长特定压电薄膜晶向的成长薄膜方法与其晶轴相对于驱动电极的倾斜方向角度的示意图。
图5b为图5a中，利用成长氮化铝或氧化锌等六方晶系的压电薄膜晶向的成长薄膜方法的晶轴相对于驱动电极的倾斜方向角度的示意图。
图5c为图5a中，利用成长氮化铝压电薄膜晶向的成长薄膜方式的K2与其晶轴相对于驱动电极的倾斜方向角度的关系图。
图5d为图5a中，利用成长氧化锌压电薄膜晶向的成长薄膜方式的K2与其晶轴相对于驱动电极的倾斜方向角度的关系图。
图6a为本发明第二实施例中利用成长特定压电薄膜晶向的成长薄膜方式与其晶轴相对于驱动电极的倾斜方向角度的示意图。
图6b为图6a中，利用成长氮化铝或氧化锌等六方晶系的压电薄膜晶向的成长薄膜方式的晶轴相对于驱动电极的倾斜方向角度的示意图。
图6c为图6a中，利用成长氮化铝压电薄膜晶向的成长薄膜方式的K2与其晶轴相对于驱动电极的倾斜方向角度的关系图。
图6d为图6a中，利用成长氧化锌压电薄膜晶向的成长薄膜方式的K2与其晶轴相对于驱动电极的倾斜方向角度的关系图。
图7为本发明第四实施例中，结合薄膜型体声波元件与表面声波元件的示意图。
具体实施方式
图1至图4的先前技术中体声波滤波器示意图已详述如上，此处不再重复叙述。
图5a为本发明第一实施例中利用成长特定压电薄膜晶向的成长薄膜方式与其晶轴相对于驱动电极方向角度的示意图。如图5a所示，驱动压电薄膜的驱动电极产生电场的方向52为垂直膜厚方向50，其中50为成膜方向，51为薄膜晶格C轴方向，53为上电极，54为压电薄膜层。薄膜晶格C轴方向51与成膜方向50之间的夹角为90度，其中C轴方向可由X-射线量测得知。此时驱动电极产生电场的方向绕着成膜方向50的旋转角度即为图6c及图5d的横轴。
图5c即氮化铝压电薄膜的K2与横轴为驱动电极产生电场的方向绕着成膜方向旋转角度的关系图。而图5d即为氧化锌压电薄膜的K2与横轴为驱动电极产生电场的方向绕着成膜方向旋转角度的关系图。如图5c所示，此为氮化铝压电薄膜的例子，从图中可以发现薄膜的K2会随着不同旋转角度而有不同的值。而且可以发现K2的最大值发生于旋转角度为36度左右。如图5d所示，此为氧化锌压电薄睽的例子，其薄膜的K2随着不同旋转角度的趋势与图5c氮化铝压电薄膜的趋势类似，也可以发现K2的最大值发生于旋转角度约36度左右。所不同的仅为K2的绝对值不同。由图5a至图5d所示，当驱动压电薄膜的驱动电极产生电场的方向52为垂直膜厚方向50，亦即压电薄膜的C轴方向垂直膜厚成长方向50。此时可藉由旋转驱动电极电场方向52来控制压电薄膜的K2值，来达到最佳化品质及符合产品规格。在此实施例中，并不需要如压电晶体般，藉由后段切削研磨来控制其晶轴相对于驱动电极的倾斜方向，即可在半导体黄光显影过程中制备不同K2的压电耦合系数以配合不同的元件规格。
图6a为本发明第二实施例中利用成长特定压电薄膜晶向的成长薄膜方式与其晶轴相对于驱动电极电场方向角度的示意图。如图6a所示，驱动压电薄膜的驱动电极产生电场的方向62为垂直膜厚方向60，其中60为成膜方向，61为薄膜晶格C轴方向，63为上电极，64为压电薄膜层。薄膜晶格C轴方向61倾斜至[101]方向(即为原先C轴与成膜方向一致时，指向其晶轴[101]的方向)。其中倾斜[101]方向可由X-射线量测得知。此时驱动电极产生电场的方向62绕着成膜方向60的旋转角度即为图6c及图6d的横轴。图6c即为氮化铝压电薄膜的K2与横轴为驱动电极产生电场的方向62绕着成膜方向旋转角度的关系图。而图6d即为氧化锌压电薄膜的K2与横轴为驱动电极产生电场的方向62绕着成膜方向旋转角度的关系图。如图6c所示，此为氮化铝压电薄膜的例子，从图中可以发现薄膜的K2会随着不同旋转角度而有不同的值。而且可以发现K2的最大值发生于旋转角度约90度左右。如图6d所示，此为氧化锌压电薄膜的例子，其薄膜的K2随着不同旋转角度的趋势与图6c氮化铝压电薄膜的趋势类似，可以发现K2的最大值发生于旋转角度约180度及0度左右。由图6a至图6d所示，当驱动压电薄膜的驱动电极产生电场的方向为垂直膜厚方向，亦即薄膜晶格C轴方向6I倾斜至[101]方向，此时可藉由旋转驱动电极的方向来控制压电薄膜K2值，来达到最佳化品质及符合产品规格。在此实施例中，并不需要如压电晶体般藉由后段切削研磨来控制其晶轴相对于驱动电极的倾斜方向，即可在半导体黄光显影过程中制备不同K2为压电耦合常数以配合不同的元件规格。
图7为本发明第四实施例，结合薄膜型体声波元件与表面声波元件的示意图。如图7所示，其中A11为体声波元件所位在的位置；而A12为表面声波元件所位在的位置；71-72、71’-72’为切割线段。由于无线通讯系统，诸如手机为双频、甚至三频的多频规格，而其中有些频率范围落在800MHz-900MHz的范围，如果利用薄膜型体声波元件来制备此等较低频率范围的元件，其薄膜厚度将超过2微米以上。因此在本实施例中，利用表面声波元件在此处担任较低频率范围的亦即A12所在的位置；而以体声波元件担任较低频率范围的薄膜型声波元件，亦即A11所在的位置来达到同一制程完成不同规格的薄膜型声波元件，以提供不同规格元件一个最佳化的设计及制造方法，缩短产品开发时间。
由前所述，本发明可基于特定实施例及附图所描述。任何熟习此技术者，皆可参考此描述而更清楚了解此描述实施例的不同的改良及结合及其它发明的实施例。因此，上述实施例仅为作描述，而非限制此发明。
Claims (9)
1、一种薄膜型声波元件的制造方法，其特征是：利用驱动电极图案设计改变波传方向与薄膜晶向夹角以获得元件特性最佳化的制造方法。
2、根据权利要求1所说的薄膜型声波元件的制造方法，其特征是：其中压电薄膜为氮化铝压电簿膜。
3、根据权利要求1所说的薄膜型声波元件的制造方法，其特征是：其中压电薄膜为氧化锌压电薄膜。
4、一种薄膜型声波元件的制造方法，其特征是：将压电薄膜晶格C轴方向倾斜于一特定方向；且使驱动压电薄膜的驱动电极产生电场的方向为垂直膜厚方向；故可藉由改变驱动电极产生电场的方向绕着成膜方向的旋转角度来获得不同的压电耦合常数K2。
5、根据权利要求4所说的薄膜型声波元件的制造方法，其特征是：其中压电薄膜为氮化铝压电薄膜。
6、根据权利要求4所说的薄膜型声波元件的制造方法，其特征是：其中压电薄膜为氧化锌压电薄膜。
7、根据权利要求4所说的薄膜型声波元件的制造方法，其特征是：其中压电薄膜晶格C轴方向倾斜的特定方向为[101]方向，并可由X-射线量测得知。
8、一种薄膜型声波元件，其特征是：包括有：薄膜型体声波元件区域：以及薄膜型表面声波元件区域。
9、根据权利要求8所说的薄膜型声波元件，其特征是：其中表面声波元件在此处的作用担任较低频率范围的的薄膜型声波元件，而体声波元件担任较高频率范围的薄膜型声波元件。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN 02101657 CN1433147A (zh) | 2002-01-14 | 2002-01-14 | 薄膜型声波元件及其制造方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN 02101657 CN1433147A (zh) | 2002-01-14 | 2002-01-14 | 薄膜型声波元件及其制造方法 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN1433147A true CN1433147A (zh) | 2003-07-30 |
Family
ID=27627346
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN 02101657 Pending CN1433147A (zh) | 2002-01-14 | 2002-01-14 | 薄膜型声波元件及其制造方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN1433147A (zh) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN110931922A (zh) * | 2019-11-25 | 2020-03-27 | 武汉大学 | 一种基于压电双模态谐振器的双通带滤波器 |
-
2002
- 2002-01-14 CN CN 02101657 patent/CN1433147A/zh active Pending
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN110931922A (zh) * | 2019-11-25 | 2020-03-27 | 武汉大学 | 一种基于压电双模态谐振器的双通带滤波器 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US6842088B2 (en) | Thin film acoustic resonator and method of producing the same | |
| EP0616426B1 (en) | Surface acoustic wave device having a lamination structure | |
| EP1454412B1 (en) | Filter device and method of fabricating a filter device | |
| CN101958696B (zh) | 温度补偿薄膜体波谐振器及加工方法 | |
| US10938367B2 (en) | Solidly mounted layer thin film device with grounding layer | |
| JP7432518B2 (ja) | マルチプルレイヤシステム、製造方法およびマルチプルレイヤシステム上に形成されるｓａｗデバイス | |
| US20120206216A1 (en) | Acoustic wave device including a surface wave filter and a bulk wave filter, and method for making same | |
| CN1976223A (zh) | 弹性表面波装置和搭载其的通信终端 | |
| US20200119710A1 (en) | Acoustic wave devices | |
| CN111555733A (zh) | 一种兰姆波谐振器结构及其制备方法 | |
| US6710513B2 (en) | Surface acoustic wave device and substrate thereof | |
| TW202044757A (zh) | 高次模式彈性表面波裝置 | |
| CN102334290B (zh) | 表面声波元件及其制造方法 | |
| WO2022148387A1 (zh) | 体声波谐振器及其制造方法、滤波器及电子设备 | |
| CN1433147A (zh) | 薄膜型声波元件及其制造方法 | |
| US20040007940A1 (en) | Thin film acoustic wave device and the manufacturing method thereof | |
| JP4730383B2 (ja) | 薄膜音響共振器及びその製造方法 | |
| EP1478089A1 (en) | Surface acoustic wave device | |
| CN116233709A (zh) | 一种基于纵声表面波的高性能声学器件 | |
| KR20220137599A (ko) | 전극-정의된 비현수된 어쿠스틱 공진기 | |
| US11936362B2 (en) | Thin film saw device | |
| CN115051680A (zh) | 具有单晶和多晶体声波谐振器的滤波器及电子设备 | |
| WO2022103405A1 (en) | Piezoelectric layer arrangements in acoustic wave devices and related methods | |
| CN114641932A (zh) | 使用瑞利模式的薄膜表面声波器件 | |
| CN117526897B (zh) | 双模声表面波器件及其制备方法 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C02 | Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001) | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |