TW202406298A - 體聲波裝置和製造體聲波裝置的方法 - Google Patents
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Abstract
本發明提供一種體聲波裝置，其包含第一電極、第二電極及配置於該第一電極與該第二電極之間的壓電元件，其中該壓電元件以使得饋入至該第一電極中之第一電磁信號在該壓電元件中轉換為聲波信號之方式形成，其中該聲波信號在該第二電極中轉換回為第二電磁信號。該壓電元件包含具有單向極性之至少兩個壓電層及位於這些至少兩個壓電層之間的至少一個中間層。這些壓電層及該中間層之聲波層厚度各自對應於待傳輸之聲波信號之聲波波長的半之奇數倍。
Description
本發明是關於一種體聲波裝置及體聲波裝置之製造方法。
在射頻技術中，體聲波（bulk acoustic wave；BAW）組件可應用為濾波器及振盪器中之諧振器。這些組件之操作頻率主要是由壓電層之層厚度及由壓電材料中之聲音速度判定。為了達到較高操作頻率，必須減少層厚度。因此，公差變得愈來愈重要。
壓電材料之較小層厚度意謂BAW組件之電容增加。為了可維持波阻抗，因此必須同時減小組件之表面積。然而，聲波能量在組件之邊緣處丟失。隨著組件之大小減小，邊緣損失隨著操作頻率之平方而增加。習知BAW組件（BAW）之技術因此在大約10 GHz處遇到其限制。
文獻US 2018/085787 A1及US 2013/193808 A1揭示一種BAW組件，其中藉由堆疊具有相反極性之兩種不同壓電材料，即使在相對高的操作頻率下，電容亦也可保持低，結果為邊緣損失減小且在毫米波波帶中變得有可能實現較高操作頻率。
異質壓電雙層之製造難以控制。此外，由於對不同壓電材料之溫度影響而發生雙形態效應，其可導致熱漂移。最後，壓電材料具有不同壓電屬性，此使得低耗損組件之設計更加困難。
本發明提供一種體聲波裝置及製造具有獨立專利請求項之特徵的體聲波裝置之方法。
各別附屬請求項是關於較佳具體實例。
根據第一態樣，本發明因此是關於一種體聲波裝置，且包含第一電極、第二電極，及配置於第一電極與第二電極之間的壓電元件，其中壓電元件以使得饋入至第一電極中之第一電磁信號在壓電元件中轉換為聲波信號之方式形成，其中聲波信號在第二電極中轉換回為第二電磁信號。壓電元件包含較佳具有單向極性之相同材料之至少兩個壓電層及位於至少兩個壓電層之間的至少一個中間層。壓電層及中間層之聲波層厚度各自對應於待傳輸之聲波信號之聲波波長的一半之奇數倍（1×、3×、...）。
根據第二態樣，本發明是關於一種製造體聲波裝置之方法。在此情況下，提供基板。此外，在基板上形成第一電極、第二電極及配置於第一電極與第二電極之間的壓電元件，其中壓電元件以使得饋入至第一電極中之第一電磁信號在壓電元件中轉換為聲波信號之方式形成，其中聲波信號在第二電極中轉換回為第二電磁信號。壓電元件包含具有單向極性之至少兩個壓電層及位於至少兩個壓電層之間的至少一個中間層。壓電層及中間層之聲波層厚度各自對應於待傳輸之聲波信號之聲波波長的一半之奇數倍（1×、3×、...）。
本發明之優點
根據本發明之體聲波裝置使得有可能開放較高頻率範圍，具有關於熱漂移之改良行為。（到達）射頻信號可饋入體聲波裝置之第一電極。射頻信號為第一電磁波，其藉由壓電元件在第一電極處轉換為聲波且在相對定位之第二電極處轉換回為第二電磁波。對於給定電磁或聲波頻率，聲波波長λ
a根據以下公式基於對應層材料之聲音速度c
S而產生：
λ
a= c
S/f。
在此情況下，壓電層及中間層堆疊之聲波層厚度d
p對應於經轉換電磁波（亦即，聲波信號）之聲波波長之一半的倍數（1×、3×、...），亦即：
d
p= (n+½)* λ
a對於n = {0, 1, ...}，傳輸且以其他方式反射傳入信號。體聲波裝置可由此充當體聲波諧振器。
根據一個具體實例，多個此等諧振器可在電路中適當地互連以形成所謂的梯形及/或晶格組態。由此，有可能實現對於經界定頻率範圍為透射的濾波器組件，且可經設計用於例如移動通信中之任何頻帶。此等濾波器使得有可能避免移動終端機之通信模組中及基地台中之傳輸及接收通道之間的信號干擾。
較高頻率需要較小層厚度，此導致例如關於層厚度準確度之較高要求。習知地，減小層厚度將需要同時按比例縮小諧振器之側向尺寸，以便補償由層厚度之減小引起的電容增加，且能夠維持例如50 Ω之目標阻抗值。然而，大小之減小將具有較高聲波能量損失之結果，此是因為諧振器之周邊與表面積的比率由此增加。
因此，根據本發明，電容藉由至少一個額外中間層及另外壓電層之插入而減小。額外壓電層及額外至少一個中間層之插入對應於額外串聯電容之串聯連接，現准許各額外串聯電容個別地呈現較大值，此是因為在串聯電路之情況下，個別電容之倒數值相加以得到倒數總電容。以此方式，諧振器可藉由比不具有中間層之情況更大的側向尺寸來具體實現。因此，出現較低邊緣損失，且諧振器可經設計並用於較高頻率。
為了不破壞諧振，中間層之總聲波層厚度適於中間層中之聲波目標波長。壓電元件之總聲波層厚度由此對應於聲波波長之一半的奇數倍（1×、3×、...）。特別地，此亦涵蓋聲波波長自身（亦即，1×）之一半。
位於第二電極處之至少一個另外壓電層用以在第二電極處將聲波高效地轉換回為電磁波。
根據另一具體實例，體聲波裝置包含多個壓電層，其中中間層位於各兩個連續壓電層之間。
根據體聲波裝置之另一具體實例，中間層由單層形成。在此情況下，單層之聲波層厚度對應於待傳輸之聲波信號之聲波波長（亦即，目標波長）之一半的奇倍數（1×、3×、...）。
根據體聲波裝置之另一具體實例，至少一個中間層由多個部分層組成，其中部分層之聲波層厚度之總和對應於待傳輸之聲波信號之聲波波長之一半的奇數倍（1×、3×、...）。藉助於範例，中間層包含具有波長之兩個部分層：
λ
a/4 + λ
a/4 = λ
a/2
或：
λ
a/4 + 5λ
a/4 = 3λ
a/2
或：
3λ
a/4 + 3λ
a/4 = 3λ
a/2。
此處，第一被加數在各情況下指示第一部分層之聲波層厚度，及第二被加數指示第二部分層之聲波層厚度。然而，該原理可類似地應用於大於兩個部分層。
根據體聲波裝置之另一具體實例，壓電層及中間層之聲波層厚度各自對應於待傳輸之聲波信號之聲波波長的一半。換言之，根據本發明，壓電元件之總聲波層厚度接著為3∙λ
a/2。因此，在中間層及壓電層中發生基本諧振（亦即，n = 0，最低階）。此為有利的，因為在此情況下最高品質因數可出現，濾波器邊緣可變得特別陡峭且插入損失可變得特別小。
根據體聲波裝置之另一具體實例，中間層之材料包含介電質，諸如氧化矽、氮化矽、碳化矽、氧化鋁或類鑽碳（diamondlike carbon；DLC）。較佳材料本質上具有較低介電質及/或聲波阻尼及經調適熱膨脹係數。
根據體聲波裝置之另一具體實例，至少一個中間層屬於多層構造，例如由具有λ
a/4層厚度之奇數倍（1×、3×、...）的聲波布拉格反射器構成。用於反射器層之合適材料對藉由材料之聲音速度差及低材料阻尼來區分。可能材料為例如用於低聲音速度之Ti、Ta或Cu，及用於高聲音速度之Al、Ni、W或Mo。
根據體聲波裝置之另一具體實例，介電質及半導體及/或金屬層之組合提供為一或多個中間層。
根據體聲波裝置之另一具體實例，上文所描述之各種中間層可與彼此任意組合地發生。舉例而言，壓電元件可具有大於兩個壓電層及大於一個中間層。在此情況下，中間層中之至少一者可由具有奇數編號之λ
a/2層厚度之個別層形成，且至少一個另外中間層可由具有λ
a/4層厚度之奇數倍（1×、3×、...）之多層聲波布拉格反射器層形成。
根據體聲波裝置之另一具體實例，上文所描述之中間層可不僅配置於壓電層之間，而且另外配置於一個及/或兩個外部壓電層與電極或多層聲波布拉格反射器層之間。
根據體聲波裝置之另一具體實例，壓電層之材料包含AlN或ScAlN。此由於高聲音速度而為有利的，其允許相對較大的層厚度。舉例而言，另外可能的材料為ZnO
2、LiNbO
3或LiTaO
3。
根據體聲波裝置之另一具體實例，第一電極及/或第二電極形成為聲波布拉格反射器，如上文已經針對中間層所描述。在此情況下，可將布拉格反射器層插入於基板與壓電元件之間，由於該布拉格反射器層可避免至基板中之聲波能量損失以便保持插入損失較低。此處涉及固態堆疊式諧振器（solidly mounted resonator；SMR）架構。由於與基板之良好熱耦合，SMR架構有利地可用於其中必須處理高功率之應用中，例如在基地台中及在行動無線電裝置之傳輸路徑中。
根據體聲波裝置之另一具體實例，第一及/或第二電極（及由此壓電元件）經釋放。此處涉及膜體聲波諧振器（film bulk acoustic resonator；FBAR）架構。在此情況下，聲波在電極-空氣界面處反射，出於此原因，FBAR架構具有低插入損失，此對於較大頻寬及對於行動無線電裝置中之接收路徑為有利的。
根據另一具體實例，體聲波裝置可在用於GHz範圍（特別地，亦＞ 10 GHz）內之頻率的濾波器組件中用作高精確度定時振盪器或用作重力諧振感測器。體聲波裝置可尤其用於射頻系統，例如在行動無線電範圍（20 GHz至100 GHz）或雷達探測距離內。
本發明之另外優點、特徵及細節將從以下描述變得顯而易見，其中參考圖式具體詳細地描述各種範例性具體實例。
圖1展示體聲波裝置100之橫截面圖。體聲波裝置100包含基板4，在該基板上配置有第二聲波布拉格反射器2a。該第二聲波布拉格反射器包含交替地具有高及低聲音速度或聲波阻抗之多個部分層21至26。此外，提供第一聲波布拉格反射器1a，其可以相似方式建構。
第一布拉格反射器1a由導電材料組成且充當第一電極，且第二布拉格反射器2a同樣由導電材料組成且充當第二電極。
壓電元件3a配置於第二布拉格反射器2a與第一布拉格反射器1a之間。在操作期間，經由第一引線6饋入至第一布拉格反射器1a或第一電極中之第一電磁信號在壓電元件3中轉換為聲波信號。聲波信號在第二布拉格反射器2a或第二電極中繼而轉換回為第二電磁信號，該信號藉助於通孔9及第二引線5輸出，其限制條件為滿足聲波諧振條件。
壓電元件3a包含具有單向極性之兩個實質上相同的壓電層31、33及位於兩個壓電層31與33之間的中間層32a。壓電層31、33及中間層32a之聲波層厚度各自對應於待傳輸之聲波信號之聲波波長之一半的奇數倍（1×、3×、...），亦即預定義聲波波長（對應於體聲波裝置之預定義通過頻率）。較佳地，作為壓電元件3a之基本第一諧振，在各情況下，所要通過頻率之聲波波長之一半適合壓電層31、33及中間層32a（參見所指示波）。
第一布拉格反射器1a、第二布拉格反射器2a、壓電元件3a及通孔9由介電質7包圍。用於保護免受環境影響之鈍化層8位於引線5、6及介電質7上。
藉助於實例，如在表1中，有可能設計毫米波頻率範圍內諧振頻率為24 GHz之諧振器。
表1
| 參考符號 | 層 | 聲音速度c s | 聲波層厚度 |
| 31、33 | 壓電AlN | 11 400 m/s | 238 nm（λ a/2） |
| 32a | 中間層SiC | 13 006 m/s | 271 nm（λ a/2） |
| 21、23、25 | 布拉格反射器層Ti | 4140 m/s | 43 nm（λ a/4） |
| 22、24、26 | 布拉格反射器層W | 5174 m/s | 54 nm（λ a/4） |
此處應明確地指出，額外中間層32a可配置於例如外部壓電層31與第一布拉格反射器1a及/或外部壓電層33與第二布拉格反射器2a之間，且此實際上應被視為在本發明之範圍內。
圖2展示另外體聲波裝置200之橫截面圖。與圖1中所示之體聲波裝置100相比，壓電元件3b包含四個平行極化之壓電層31、33、35、37，其中中間層32a、34、36位於各兩個連續壓電層31、33、35、37之間。
圖3展示另外體聲波裝置300之橫截面圖。與圖1中所示之體聲波裝置100相比，壓電元件3c包含由兩個λ
a/4布拉格反射器層組成的中間層32b，其中λ
a表示意欲被傳輸之目標波長，亦即，其對應於所要通過頻率。
壓電層31、33及中間層32b之厚度經選擇，使得在各情況下，所要通過頻率之聲波波長之一半適合整個堆疊之基本第一諧振。以類似於圖2中所說明之方式的方式，裝置亦可具有大於兩個壓電層31、33及/或大於一個中間層32b。
此處應明確地指出，在此情況下，兩個λ
a/4布拉格反射器層可具有不同於布拉格反射器1a及2a之邊界外部布拉格反射器層的材料配對之材料配對。
此外，應指出，圖2及圖3之混合形式（亦即，中間層32a及32b在一個裝置中之組合）亦處於本發明之範圍內。
圖4展示另外體聲波裝置400之橫截面圖。與圖1中所示之體聲波裝置100相比，此處提供未經組態為布拉格反射器之金屬電極1b、2b。在此情況下，第二電極2b經釋放；由此已形成空腔10。電極1b、2b之厚度與通過頻率之波長匹配。在此情況下，反射對聲波之限制發生在電極（或鈍化）與周圍空氣之間的界面處。
此處，亦應再次明確指出，關於電極（金屬電極1b/2b或布拉格反射器1a/2a）之成形的不同混合形式可在一個裝置中彼此組合且處於本發明之範圍內。
圖5展示製造體聲波裝置之方法的流程圖。特別地，可製造圖1至圖4中所示之體聲波裝置100至400中之一者。
在第一方法步驟S1中，提供例如由矽構成之基板4。
在第二方法步驟S2中，第一電極1a、1b、第二電極2a、2b及配置於第一電極1a、1b與第二電極2a、2b之間的壓電元件3a、3b、3c形成於基板4上。出於此目的，首先，第二電極2a可形成於基板4上。隨後，壓電元件3a、3b、3c形成於第二電極2a、2b上。最後，第一電極1a、1b形成於壓電元件3a、3b、3c上。可另外形成介電質7以及引線5、6及鈍化層8。
壓電元件3a、3b、3c以使得饋入至第一電極1a、1b中之第一電磁信號在壓電元件3a、3b、3c中轉換為聲波信號之方式形成，其中聲波信號在第二電極2a、2b中轉換回為第二電磁信號。壓電元件3a、3b、3c包含具有單向極性之至少兩個壓電層31、33（35、37）及位於至少兩個壓電層31、33、35、37之間的至少一個中間層32a（34、36、32b）。壓電層31、33、35、37及中間層32a、34、36、32b之聲波層厚度各自對應於待傳輸之聲波信號之聲波波長的一半之奇數倍（1×、3×、...）。
1a:第一布拉格反射器/金屬電極
1b:金屬電極
2a:第二布拉格反射器/金屬電極
2b:金屬電極
3a:壓電元件
3b:壓電元件
3c:壓電元件
4:基板
5:第二引線
6:第一引線
7:介電質
8:鈍化層
9:通孔
10:空腔
21:布拉格反射器層
22:布拉格反射器層
23:布拉格反射器層
24:布拉格反射器層
25:布拉格反射器層
26:布拉格反射器層
31:壓電層
32a:中間層
32b:中間層
33:壓電層
34:中間層
35:壓電層
36:中間層
37:壓電層
100:體聲波裝置
200:體聲波裝置
300:體聲波裝置
400:體聲波裝置
S1:第一方法步驟
S2:第二方法步驟
在圖式中：
[圖1] 展示根據本發明之一個具體實例之體聲波裝置的示意性橫截面圖；
[圖2] 展示根據本發明之另一具體實例之體聲波裝置的示意性橫截面圖；
[圖3] 展示根據本發明之另一具體實例之體聲波裝置的示意性橫截面圖；
[圖4] 展示根據本發明之另一具體實例之體聲波裝置的示意性橫截面圖；且
[圖5] 展示根據本發明之一個具體實例之製造體聲波裝置之方法的流程圖。
在所有圖式中，相同及功能上相同之元件及裝置具備相同參考符號。方法步驟之編號有助於清晰且一般並不意欲暗指特定時間順序。特別地，複數個方法步驟亦有可能同時進行。
所說明圖式應理解為本發明之範例性具體實例。應明確地指出，個別範例性具體實例之不同特徵之組合實際上亦在本發明之範圍內。
1a:第一布拉格反射器/金屬電極
2a:第二布拉格反射器/金屬電極
3a:壓電元件
4:基板
5:第二引線
6:第一引線
7:介電質
8:鈍化層
9:通孔
21:布拉格反射器層
22:布拉格反射器層
23:布拉格反射器層
24:布拉格反射器層
25:布拉格反射器層
26:布拉格反射器層
31:壓電層
32a:中間層
33:壓電層
100:體聲波裝置
Claims (10)
- 一種體聲波裝置（100；200；300；400），其包含： 第一電極（1a；1b）及第二電極（2a；2b）；及 壓電元件（3a；3b；3c），其配置於該第一電極（1a；1b）與該第二電極（2a；2b）之間，其中該壓電元件（3a；3b；3c）以使得饋入至該第一電極（1a；1b）中之第一電磁信號在該壓電元件（3a；3b；3c）中轉換為聲波信號之方式形成，其中該聲波信號在該第二電極（2a；2b）中轉換回為第二電磁信號； 其中該壓電元件（3a；3b；3c）包含具有單向極性之至少兩個壓電層（31、33、35、37）及位於這些至少兩個壓電層（31、33、35、37）之間的至少一個中間層（32a、34、36、32b）；且 其中這些壓電層（31、33、35、37）及該中間層（32a、34、36、32b）之聲波層厚度各自對應於待傳輸之聲波信號之聲波波長的一半之奇數倍。
- 如請求項1之體聲波裝置（200），其包含多個壓電層（31、33、35、37），其中中間層（32a、34、36、32b）位於各兩個連續壓電層（31、33、35、37）之間。
- 如請求項1或2之體聲波裝置（300），其中該至少一個中間層（32b）由多個部分層組成，且其中這些部分層之聲波層厚度的總和對應於待傳輸之該聲波信號之該聲波波長的一半之奇數倍。
- 如請求項1至3中任一項之體聲波裝置（100；200；300；400），其中這些壓電層（31、33、35、37）及該中間層（32a、34、36、32b）之這些聲波層厚度各自對應於待傳輸之該聲波信號之該聲波波長的一半。
- 如請求項1至4中任一項之體聲波裝置（100；200；300），其中該第一電極（1a）及/或該第二電極（2a）形成為聲波布拉格反射器。
- 如請求項1至5中任一項之體聲波裝置（400），其中該第一電極（1a；1b）及/或該第二電極（2a；2b）經釋放。
- 一種製造體聲波裝置（100；200；300；400）之方法，其包含以下步驟： 提供（S1）基板（4）；及 在該基板（4）上形成（S2）第一電極（1a；1b）、第二電極（2a；2b）及配置於該第一電極（1a；1b）與該第二電極（2a；2b）之間的壓電元件（3a；3b；3c），其中該壓電元件（3a；3b；3c）以使得饋入至該第一電極（1a；1b）中之第一電磁信號在該壓電元件（3a；3b；3c）中轉換為聲波信號之方式形成，其中該聲波信號在該第二電極（2a；2b）中轉換回為第二電磁信號； 其中該壓電元件（3a；3b；3c）包含具有單向極性之至少兩個壓電層（31、33、35、37）及位於這些至少兩個壓電層（31、33、35、37）之間的至少一個中間層（32a、34、36、32b）；且 其中這些壓電層（31、33、35、37）及該中間層（32a、34、36、32b）之聲波層厚度各自對應於待傳輸之聲波信號之聲波波長的一半之奇數倍。
- 如請求項7之方法，其中形成多個壓電層（31、33、35、37），其中中間層（32a、34、36、32b）位於各兩個連續壓電層（31、33、35、37）之間。
- 如請求項7或8之方法，其中該至少一個中間層（32b）由多個部分層形成，且其中這些部分層之聲波層厚度之總和對應於待傳輸之該聲波信號之該聲波波長的一半之奇數倍。
- 如請求項7至9中任一項之方法，其中該第一電極（1a；1b）及/或該第二電極（2a；2b）經釋放。
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