TW202135463A - 聲波元件及其製造方法 - Google Patents

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Abstract

聲波元件及其製造方法。聲波元件包含一壓電材料層、一上電極層、一下電極層、一支持層及一下蓋基板。壓電材料層包含一上壓電表面與一下壓電表面。上電極層在壓電材料層的上壓電表面上。支持層包括非單晶的絕緣材料。下電極層與支持層位在下蓋基板與下壓電表面之間。

Description

聲波元件及其製造方法
本發明是有關於一種聲波元件及其製造方法。
聲波元件例如體聲波共振元件(bulk acoustic wave resonator, BAW resonator)具有高效率及高頻率等特性，故已廣泛應用於各式電子產品上。例如，可應用於體聲波共振濾波器(BAW filter)，使用於通訊產品的濾波器上。習知的體聲波共振元件包含兩個電極，其間設置有壓電材料，聲波在壓電材料裡震盪形成駐波。體聲波共振元件的特性，例如共振頻率，可取決於壓電材料的特性與厚度等，以及上下兩電極的重疊面積。
本發明係有關於一種聲波元件及其製造方法。
根據一實施例，係提出一種聲波元件，其包含一壓電材料層、一上電極層、一下電極層、一支持層及一下蓋基板。壓電材料層包含一上壓電表面與一下壓電表面。上電極層在壓電材料層的上壓電表面上。支持層包括非單晶的絕緣材料。下電極層與支持層位在下蓋基板與下壓電表面之間。
根據一實施例，係提出一種聲波元件的製造方法，包含以下步驟。提供一基板。磊晶成長一壓電材料層於基板上。配置一上電極層於壓電材料層的一上壓電表面上。配置一上蓋基板於上電極層上。雷射移除基板。配置一下電極層在壓電材料層的一下壓電表面上。配置一支持層在壓電材料層的下壓電表面上。配置一下蓋基板以覆蓋下電極層與支持層。
為了對本發明之上述及其他方面有更佳的瞭解，下文特舉實施例，並配合所附圖式詳細說明如下。
第1A圖至第1H圖繪示一實施例之聲波元件100的製造方法。
請參照第1A圖，提供一基板102。基板102包含一磊晶基板，用以磊晶形成半導體層於其上方。基板102的材料包含諸如藍寶石(Sapphire)、矽(Si)、碳化矽(SiC)、氮化鎵(GaN)、或氮化鎵鋁(AlGaN)等。接著，在基板102的上表面形成壓電材料層204。於一實施例中，形成壓電材料層204的方法包含磊晶，例如金屬有機化學氣相沉積(MOCVD)法、分子束磊晶法(MBE)、或氫化物氣相磊晶(HVPE)等。於另一實施例中，形成壓電材料層204的方法包含物理汽相沉積，例如濺鍍。壓電材料層204可為單晶或多晶材料。壓電材料層204可包含金屬氮化物或金屬氧化物，例如氮化鋁(AlN)、氮化鋁鎵(AlGaN)、或氧化鋅(ZnO)等，或其它合適的壓電材料，諸如鈦酸鉛鋯(lead zirconate titanate，PZT)等。
請參照第1B圖，配置上電極層306於壓電材料層204的上壓電表面204U上。上電極層306的材料可包含金屬，例如：鈦(Ti)、鎢(W)、鋁(Al)、釕(Ru)、銀(Ag)、銅(Cu)、金(Au)、鉬(Mo)、鉑(Pt)、或鈦(Ti)等，上述金屬的合金或上述金屬所形成之疊層。於一實施例中，可利用沉積方式形成一導電材料層，然後利用黃光微影蝕刻製程圖案化導電材料層從而形成上電極層306。
請參照第1C圖，可對壓電材料層204進行圖案化製程以在壓電材料層204中形成開孔208露出基板102。可配置導電結構於壓電材料層204的上壓電表面204U上。導電結構可包含導電層410填充開孔208並延伸在壓電材料層204的上壓電表面204U上，以及複數個導電墊412。複數個導電墊412其中之一電性連接導電層410，複數個導電墊412其中另一電性連接上電極層306。
於另一實施例中，可先在壓電材料層204中形成開孔208後，再形成上電極層306以及導電結構。
請參照第1C圖，提供上蓋基板514。上蓋基板514的材料可包含矽(silicon)、玻璃(glass)、焊罩(solder mask)、或聚醯亞胺(polyimide)等絕緣材料。導電元件616形成於上蓋基板514中。舉例來說，導電元件616可包含複數個導電通孔(conductive via)延伸在上蓋基板514中。導電元件616更包含複數個接合墊(圖未示)位於上蓋基板514的下基板表面514B，對應與導電通孔連接。
請參照第1C圖，然後，可將上蓋基板514配置於上電極層306上。具體而言，可將上蓋基板514之下基板表面514B上的導電元件616，例如接合墊(圖未示)，接合至導電結構的導電墊412，如此，導電元件616分別電性連接至上電極層306與導電層410。上電極層306在上蓋基板514與壓電材料層204的上壓電表面204U之間。接合後的接合墊與導電墊412的總和厚度大於上電極層306的厚度。此外，在壓電材料層204、導電結構、上電極層306與上蓋基板514之間形成一上空腔A。
請參照第1D圖，移除基板102以露出壓電材料層204的下壓電表面204B。一實施例中，可利用雷射剝離(laser lift-off)方式移除基板102。使用雷射剝離方式移除基板具有移除速率高，且移除精準等優點，能避免蝕刻未淨或過蝕的問題，也能避免其它移除方式可能造成缺陷的因子，例如濕式蝕刻高溫環境、蝕刻劑殘存等。於一實施例中，基板102完全被移除，以露出完整的下壓電表面204B。
請參照第1E圖，配置支持層718在壓電材料層204的下壓電表面204B上。配置支持層718的方法可包含利用沉積製程在壓電材料層204的下壓電表面204B上形成一絕緣材料層，再利用黃光微影蝕刻製程於絕緣材料層中形成開口720與開口724，進而形成支持層718，其中開口720露出下壓電表面204B，開口724露出導電層410。沉積製程可包括化學氣相沉積方法、物理氣相沉積方法例如濺鍍法等。支持層718包含非單晶的絕緣材料，例如：矽、氧化物、氮化物、氮氧化物等。氧化物包含二氧化矽(SiO2 )及氮化矽(SiN)等，矽(silicon)包含多晶矽(poly silicon)、非晶矽(amorphous silicon)等。
請參照第1F圖，配置下電極層826在壓電材料層204相對於上電極層306的另一側，亦即配置在下壓電表面204B這一側。詳言之，在支持層718的下支持表面718B上、在開口720露出的支持層718的內側壁表面718S1與內側壁表面718S2及壓電材料層204的下壓電表面204B上、以及在開口724露出的支持層718的內側壁表面與導電層410的下表面上配置下電極層826。下電極層826經由開口724與導電層410電性連接。一實施例中，支持層718的厚度可為50μm~200μm。下電極層826的材料可包含金屬，例如：鈦(Ti)、鎢(W)、鋁(Al)、釕(Ru)、銀(Ag)、銅(Cu)、金(Au)、鉬(Mo)、鉑(Pt)、或鈦(Ti)等，上述金屬的合金或上述金屬所形成之疊層。
請參照第1G圖，可提供下蓋基板928。下蓋基板928可包含矽、玻璃、焊罩(solder mask)、或聚醯亞胺(polyimide)等材料。可配置下蓋基板928覆蓋下電極層826與支持層718。下蓋基板928可接合並覆蓋下電極層826與支持層718。此實施例中，下蓋基板928面對下電極層826及支持層718的上基板表面928U為一平面。如圖所示，下電極層826與支持層718位在下蓋基板928與壓電材料層204的下壓電表面204B之間。一實施例中，上述的基板102、支持層718、與下蓋基板928可具有不同的材料。支持層718、下電極層826與下蓋基板928之間形成一下空腔K。
請參照第1H圖，可對上蓋基板514進行薄化製程。例如可利用化學機械研磨方法從上蓋基板514的上基板表面514U進行研磨，使導電元件616露出。於本實施例中，為方便表示，薄化前及薄化後的上蓋基板514的上基板表面皆標示為514U。可配置電極在上蓋基板514的上基板表面514U上。電極可包含複數個接觸墊1030配置在上基板表面514U露出的導電元件616的導電通孔上，並電性連接導電元件616。電極、接觸墊1030可包含金屬材料。
依本實施例製造方法所製作的聲波元件100如第1H圖所示，包含壓電材料層204、上電極層306、導電結構(包括導電層410與導電墊412)、上蓋基板514、導電元件616、支持層718、下電極層826、下蓋基板928、接觸墊1030。上電極層306在壓電材料層204的上壓電表面204U上。導電層410填充壓電材料層204的開孔208並延伸在壓電材料層204的上壓電表面204U上。導電墊412在壓電材料層204的上壓電表面204U上，並分別電性連接導電層410及上電極層306。上蓋基板514在壓電材料層204、上電極層306與導電結構上。導電元件616在上蓋基板514中。接觸墊1030接觸導電元件616。支持層718在壓電材料層204的下壓電表面204B上。下電極層826在下支持表面718B、內側壁表面718S1/718S2、開口724露出的支持層718的內側壁表面、下壓電表面204B與導電層410的下表面上。下蓋基板928覆蓋下電極層826與支持層718。壓電材料層204、導電結構、上電極層306與上蓋基板514之間形成上空腔A。支持層718、下電極層826與下蓋基板928之間對應開口720的位置形成下空腔K。複數個接觸墊1030其中之一可透過對應的導電元件616、導電墊412與導電層410電性連接至下電極層826。複數個接觸墊1030其中之另一可透過對應的導電元件616與導電墊412電性連接至上電極層306。電壓可從接觸墊1030施加以在下電極層826與上電極層306之間以產生電場，壓電材料層204可將電能轉換成波之形式的機械能，上空腔A與下空腔K能提供壓電材料層204之懸浮部分共振形變(或共振區)的空間。
第2圖用以說明另一實施例之聲波元件200，其與第1H圖所示的聲波元件100的差異說明如下。下蓋基板2928包含凹槽面對下電極層826，且凹槽的位置於下蓋基板2928的一厚度方向上與支持層718不重疊。下蓋基板2928的凹槽包括與共振區重疊的凹槽2932，以及與壓電材料層204之開孔208重疊的凹槽2933。於一實施例中，可先對下蓋基板2928進行蝕刻製程以形成凹槽2932及2933，再將下蓋基板2928接合於下電極層826及支持層718。於一實施例中，更可配置被動元件2934在凹槽2932中，藉此能縮減聲波元件200的體積。被動元件2934並不限於如圖所示的覆晶方式配置在凹槽2932中，也可使用其他方式例如打線接合，而電性連接至配置在下蓋基板2928的導電線路(圖未示)。具有被動元件2934配置在凹槽2932中的下蓋基板2928接合至下電極層826與支持層718。支持層718、下電極層826與下蓋基板2928的凹槽2932之間形成一下空腔P，亦即開口720與凹槽2932構成下空腔P。相較於第1H圖所示的聲波元件100，第2圖中聲波元件200的支持層718的厚度可小於第1H圖中的支持層718的厚度。例如，第2圖中的支持層718的厚度可小於50μm。較薄厚度的支持層718可具有較小的應力，能避免支持層718與其上下層發生剝離。此外，較薄厚度的支持層718可對下電極層826提供較小的跨接高度(即從壓電材料層204的下壓電表面204B至支持層718的下支持表面718B的高度差)，能避免大的跨接高度造成下電極層826容易斷接而產生斷路的問題。電壓可從接觸墊1030施加以在下電極層826與上電極層306之間產生電場，壓電材料層204可將電能轉換成波之形式的機械能，上空腔A與下空腔P能提供壓電材料層204之懸浮部分共振形變的空間。
第3A圖至第3C圖用以說明又另一實施例之聲波元件300的製造方法。可在進行類似第1A圖至第1D圖所述的製造流程之後，參照第3A圖，配置下電極層3826在壓電材料層204的下壓電表面204B上與壓電材料層204之開孔208所露出的導電層410的下表面上。
請參照第3B圖，配置支持層718的方法可包含利用沉積製程在壓電材料層204的下壓電表面204B上與下電極層3826的下電極表面3826B上形成一絕緣材料層，再利用黃光微影蝕刻製程於絕緣材料層中形成開口720與開口724，進而形成支持層718。沉積製程可包括化學氣相沉積方法、物理氣相沉積方法例如濺鍍法等。支持層718包含非單晶的絕緣材料，例如：矽、氧化物、氮化物、氮氧化物等。氧化物包含二氧化矽(SiO2 )及氮化矽(SiN)等，矽(silicon)包含多晶矽(poly silicon)、非晶矽(amorphous silicon)。開口720與開口724可露出下電極層3826的下電極表面3826B。如圖所示，下電極層3826在壓電材料層204的下壓電表面204B與支持層718的上支持表面718U之間。一實施例中，支持層718的厚度可為50μm~200μm。此實施例中，支持層718在下電極層3826形成之後製作，因為下壓電表面204B是一平坦面，相對於下壓電表面204B，下電極層表面3826B全部位在固定水平位置，呈同一水平面，不具有因高低差(具有在不同水平位置的上表面及具有在不同水平位置的下表面)產生跨接問題，因此下電極層3826不易斷裂，也能避免斷路問題。
請參照第3C圖，類似於前述實施例，提供下蓋基板928。將下蓋基板928接合至支持層718的下支持表面718B上，並對上蓋基板514進行薄化製程。配置電極包含接觸墊1030在上蓋基板514之上基板表面514U露出的導電元件616上，並電性連接導電元件616。壓電材料層204、支持層718與下蓋基板928之間對應開口720的位置形成一下空腔Q。
依本實施例製造方法所製作的聲波元件300如第3C圖所示，其與第1H圖所示的聲波元件100的差異說明如下。下電極層3826具有全平面結構，亦即下電極層3826的上電極表面3826U為全部在固定水平位置的平面，且下電極層3826的下電極表面3826B也為全部在固定水平位置的平面。下電極層3826在壓電材料層204的下壓電表面204B與支持層718的上支持表面718U之間。支持層718在壓電材料層204的下壓電表面204B與下電極層3826的下電極表面3826B上。此實施例中，聲波元件300的共振區是以上電極層306定義。具體而言，支持層718包括相對的內側壁表面718S1(第一內側壁表面)與內側壁表面718S2(第二側壁內表面)，以下空腔Q彼此隔開。上電極層306在下空腔Q上方橫向延伸超過內側壁表面718S1而連接至導電墊412，但是，並未延伸超過內側壁表面718S2，例如上電極層306的電極側壁表面可實質上對齊內側壁表面718S2。
第4A圖與第4B圖用以說明又再另一實施例之聲波元件400的製造方法。可在進行類似第1A圖至第1B圖所述的製造流程之後，參照第4A圖，提供上蓋基板4514。第4A圖的上蓋基板4514與參照第1C圖說明的上蓋基板514之間的差異在於，上蓋基板4514包含凹槽4538面對壓電材料層204。於一實施例中，可預先對上蓋基板4514進行蝕刻製程以形成凹槽4538，再將具有成凹槽4538的上蓋基板4514的導電元件616接合至導電結構的導電墊412。於另一實施例中，可配置被動元件4540在凹槽4538中，藉此能縮減聲波元件400的體積。被動元件4540並不限於如圖所示的以打線接合方式配置在凹槽4538中，也可使用其他方式例如覆晶方式，電性連接至配置在上蓋基板4514的導電線路(圖未示)。然後，可將上蓋基板4514接合至導電結構的導電墊412，配置於上電極層306上。
可對第4A圖所示的結構繼續進行例如參照第1D圖至第1G圖所述的製造流程，移除基板102，形成下電極層826及支持層718，以及接合下蓋基板928。然後，可參照第4B圖，可對上蓋基板4514進行薄化製程。例如可利用化學機械研磨方法從上蓋基板4514的上基板表面4514U進行研磨，直到露出導電元件616。可配置電極在上蓋基板4514的上基板表面4514U上。電極可包含接觸墊1030配置在上基板表面4514U露出的導電元件616上，並電性連接導電元件616。壓電材料層204、導電結構(包含導電層410與導電墊412)、上電極層306與上蓋基板4514之間形成一上空腔H。相較於前述實施例，此實施例中，聲波元件400的上空腔H比起上空腔A更進一步包含上蓋基板4514的凹槽4538，因此上空腔H有較大的空腔體積，能避免壓電材料層204振動過程中，碰觸到上蓋基板4514而沾附到汙染物例如微粒造成共振頻率改變的問題。
以上揭露的實施例概念可任意調變。舉例來說，上蓋基板與下蓋基板可皆具有凹槽，被動元件可配置在上蓋基板及/或下蓋基板的凹槽中。下電極層可視實際需求配置具有全平面結構(即下電極層的所有上電極表面為在固定的水平位置的平面與下電極表面為在固定的水平位置的平面)或跨接結構。上電極層可在下空腔上方，橫向延伸超過支持層被下空腔隔開的相對內側壁表面兩者，或者，只延伸超過支持層之相對內側壁表面的其中一者。
綜上所述，雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明。本發明所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作各種之更動與潤飾。因此，本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。
100,200,300,400:聲波元件 102:基板 204:壓電材料層 204B:下壓電表面 204U:上壓電表面 208:開孔 306:上電極層 410:導電層 412:導電墊 514,4514:上蓋基板 514B,4514B:下基板表面 514U,4514U:上基板表面 616:導電元件 718:支持層 718S1,718S2:內側壁表面 718B:下支持表面 718U:上支持表面 720,724:開口 826,3826:下電極層 3826B:下電極表面 3826U:上電極表面 928,2928:下蓋基板 1030:接觸墊 928U,2928U:上基板表面 2932,2933,4538:凹槽 2934,4540:被動元件 A,H:上空腔 K,P,Q:下空腔
第1A圖至第1H圖繪示一實施例之聲波元件的製造方法。 第2圖繪示另一實施例之聲波元件。 第3A圖至第3C圖繪示又另一實施例之聲波元件的製造方法。 第4A圖至第4B圖繪示又再另一實施例之聲波元件的製造方法。
300:聲波元件
204:壓電材料層
204B:下壓電表面
204U:上壓電表面
208:開孔
306:上電極層
410:導電層
412:導電墊
514:上蓋基板
514B:下基板表面
514U:上基板表面
616:導電元件
718:支持層
718S1,718S2:內側壁表面
718B:下支持表面
718U:上支持表面
724:開口
3826:下電極層
3826B:下電極表面
3826U:上電極表面
928:下蓋基板
1030:接觸墊
928U:上基板表面
A:上空腔
Q:下空腔

Claims (15)

  1. 一種聲波元件，包含： 一壓電材料層，包含一上壓電表面與一下壓電表面； 一上電極層，在該壓電材料層的該上壓電表面上； 一下電極層； 一支持層，包括非單晶的絕緣材料；以及 一下蓋基板，其中該下電極層與該支持層位在該下蓋基板與該下壓電表面之間。
  2. 如請求項1所述之聲波元件，其中該下蓋基板包含一凹槽。
  3. 如請求項2所述之聲波元件，其中該凹槽的位置於該下蓋基板的一厚度方向上與該支持層不重疊。
  4. 如請求項2所述之聲波元件，更包含一被動元件在該凹槽中。
  5. 如請求項1所述之聲波元件，其中該下電極層包括一上電極表面與一下電極表面，該上電極表面的全部都為在固定水平位置的一平面，以及該下電極表面的全部為在固定水平位置的一平面。
  6. 如請求項1所述之聲波元件，其中該支持層包括一上支持表面，該下電極層在該下壓電表面與該上支持表面之間。
  7. 如請求項1所述之聲波元件，更包含一上蓋基板，其中該上電極層在該上蓋基板與該壓電材料層的該上壓電表面之間，該上蓋基板包含一凹槽。
  8. 如請求項7所述之聲波元件，更包含一被動元件在該凹槽中。
  9. 如請求項1所述之聲波元件，其中該支持層包括相對的一第一內側壁表面與一第二側壁內表面，以一下空腔彼此隔開，其中該上電極層在該下空腔上方橫向延伸超過該第一內側壁表面，而未延伸超過該第二內側壁表面。
  10. 一種聲波元件的製造方法，包含： 提供一基板； 磊晶成長一壓電材料層於該基板上； 配置一上電極層於該壓電材料層的一上壓電表面上； 配置一上蓋基板於該上電極層上； 雷射移除該基板； 配置一下電極層在該壓電材料層的一下壓電表面上； 配置一支持層在該壓電材料層的該下壓電表面上；以及 配置一下蓋基板以覆蓋該下電極層與該支持層。
  11. 如請求項10所述之聲波元件的製造方法，其中該配置該支持層包含以一沉積製程在該壓電材料層的該下壓電表面上形成一非單晶的絕緣材料。
  12. 如請求項10所述之聲波元件的製造方法，其中該配置該下電極層是在該配置該支持層之前。
  13. 如請求項10所述之聲波元件的製造方法，其中該配置該支持層是在該雷射移除該基板之後。
  14. 如請求項10所述之聲波元件的製造方法，其中該下蓋基板具有一凹槽。
  15. 如請求項10所述之聲波元件的製造方法，其中該上蓋基板具有一凹槽。
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