TWI493868B - 微機電共振裝置 - Google Patents

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Tsun Che Huang
Chin Hung Wang
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Description

微機電共振裝置
本發明係有關於一種微機電共振裝置，特別是有關於一種具有高機電耦合係數(electromechanical coupling constant,)、低阻抗值的微機電共振裝置。
目前無線多模態多標準通訊系統會面臨的挑戰之一為將數量眾多的濾波器與電晶體電路整合。因此，為了解決上述問題，單晶片之多頻帶濾波器(filter bank)模組將成為唯一的解決方案。
習知的微機電濾波器通常包括兩種結構，薄膜體聲波共振器(film bulk acoustic-wave resonator,FBAR)結構及縱向電場激發(Thickness Field Excitation resonator,TFE)結構。然而，具FBAR結構的微機電濾波器的電場(Efield )與壓電材料形變(strain)方向平行，使用D33 機電轉換係數，且利用壓電材料的膜厚決定操作頻率，因此會由於薄膜製程的限制，使壓電材料的膜厚不均，而無法達到單一晶片多頻帶濾波器模組的要求。另外，具TFE結構的微機電濾波器的電場(Efield )與壓電材料形變(strain)方向垂直，使用D31 機電轉換係數，因此會削落機電轉換效率，因此使得輸入阻抗變大，頻寬無法提升，所以仍無法滿足目前通訊系統之規格。
因此，有必要尋求一種具有高機電耦合係數、低阻抗 值的微機電共振裝置，且可達到單一晶片多頻帶濾波器模組的要求。
有鑑於此，本發明實施例提供一種微機電共振裝置。本發明一實施例之微機電共振裝置包括單一或複數個共振單元，其中每一個上述些共振單元包括一基材，其中具有一溝槽；一對第一電極，設置於上述溝槽的一對側壁上；一壓電材料，填充於上述溝槽，且覆蓋上述對第一電極；一第二電極，嵌入上述壓電材料且藉由上述壓電材料與上述對第一電極隔開，其中位於上述溝槽中的上述第二電極與上述對第一電極平行。
以下以各實施例詳細說明並伴隨著圖式說明之範例，做為本發明之參考依據。在圖式或說明書描述中，相似或相同之部分皆使用相同之圖號。且在圖式中，實施例之形狀或是厚度可擴大，並以簡化或是方便標示。再者，圖式中各元件之部分將以分別描述說明之，值得注意的是，圖中未繪示或描述之元件，為所屬技術領域中具有通常知識者所知的形式。
第1圖為本發明一實施例之微機電共振裝置600的剖面示意圖。本發明一實施例之微機電共振裝置600可為一側向壓電式體波共振器，其具有側向體波振動模式，意 即電場和壓電材料的應變方向平行，因而具高機電耦合係數()表現。如第1圖所示，微機電共振裝置600包括連續設置的複數個共振單元500，本圖以兩個共振單元表示。每一個共振單元500包括一基材260，其中具有溝槽208。在本發明一實施例中，基材260可為例如一絕緣層上覆矽晶片(SOI wafer)的元件層(device layer)。在本發明一實施例中，溝槽208的側壁210大體上與基材260的一頂面207垂直。一對第一電極212，設置於溝槽208的一對側壁210上。在本發明一實施例中，上述對第一電極212可延伸至溝槽208的一底面上，且彼此相連(如之後第6圖所示的第一電極312或第7圖所示的第一電極412)。在本發明其他實施例中，上述對第一電極212可於溝槽208外部彼此相連。一壓電材料214，填充於溝槽208，且覆蓋第一電極212的側壁。在本發明一實施例中，壓電材料214例如可為氮化鋁(AlN)、氧化鋅(ZnO)、硫化鋅(ZnS)、碲化鎘(CdTe)、硫化鎘(CdS)或石英。一第二電極216，嵌入壓電材料214且藉由壓電材料214與第一電極212隔開。在本發明一實施例中，第二電極係嵌入壓電材料214的一中間位置，且第二電極216從壓電材料214的一頂面215朝溝槽208的底面延伸，且位於溝槽208中的第二電極216與第一電極212平行。因此，第一電極212與第二電極216係大體上與溝槽208的側壁210平行。因此，設置於溝槽208中的第一電極212和第二電極216之間產生的一電場方向E與壓電材料形變方向S平行。在本 發明一實施例中，第一電極212和第二電極216可為金屬之導電材料。如第1圖所示，在本發明一實施例中，第一電極212、第二電極216均互相平行。如第1圖所示，在本發明一實施例中，溝槽208中的第一電極212、第二電極216和壓電材料214係構成一致動器250。在本發明一實施例中，共振單元500可更包括一對輸出端電極218，設置於基材260的一頂面207上，且分別連接至一對第一電極212的頂面。一輸入端電極220，設置於壓電材料214的一頂面215上，且連接至第二電極216的頂面，因此輸入端電極220係位於一對輸出端電極218之間。此外，輸出端電極218係設置於基材260的頂面207上，而輸入端電極220係設置於壓電材料214的頂面215上。另外，輸出端電極218大體上與對第一電極212垂直，且輸入端電極220大體上與第二電極216垂直。在本發明一實施例中，輸出端電極218和輸入端電極220可為金屬之導電材料，例如鋁。
第2至6圖為本發明一實施例之微機電共振裝置600的製程剖面示意圖。如第2圖所示，首先，提供一基材200。在本發明一實施例中，基材200可為例如一絕緣層上覆矽晶片(SOI wafer)的一半導體晶片。在基材200為絕緣層上覆矽晶片的實施例中，基材200可包括一基板層(handle layer)202和設置於基板層202上方的一感測元件層(device layer)206，以及設置於上述兩者之間的一絕緣層204。
接著，如第2圖所示，可於基材200的感測元件層206中形成溝槽208，以定義出最終形成之微機電共振裝置的致動器的邊界位置，該邊界位置形成方式可於感測元件層206上形成一遮罩圖案(圖未顯示)，以定義出後續形成溝槽208的位置。之後，進行一非等向蝕刻製程，移除未被圖案化遮罩覆蓋的感測元件層206，以於感測元件層206中形成溝槽208，本圖例為該溝槽208穿過感測元件層206，此時絕緣層204也可做為上述蝕刻製程的蝕刻停止層。最後，移除上述遮罩圖案。
然後，如第3圖所示，可於溝槽208的側壁210和底面222上進行沉積製程，順應性形成一第一電極312，並同時於第一電極312上形成延伸至基材200的(感測元件層206)頂面207上的輸出端電極318。接著進行圖案化製程，使得頂面207上的輸出端電極318互相彼此隔開。另外，在此實施例中，第一電極312亦可透過圖案化製程將其隔開，使其成一電極對(第一電極212)。
之後，如第4圖所示，可進行一沉積製程和一圖案化製程，將一壓電材料314填充溝槽208，且覆蓋第一電極312。如第4圖所示，壓電材料314係具有一溝槽317，從壓電材料314的頂面延伸至部分壓電材料314中，但若溝槽317延伸至絕緣層204亦屬本案之一實施例。在本發明一實施例中，圖案化製程可包括微影蝕刻製程，因此可精確定義溝槽317的形成位置，及溝槽317的寬度和深度。在本發明一實施例中，溝槽317的輪廓可大體上平行 於溝槽208的輪廓。在本發明一實施例中，溝槽317可位於壓電材料314的中間位置。
之後，如第5圖所示，可進行一沉積和圖案化製程，於壓電材料314的溝槽317中形成一第二電極316，並同時於第二電極316上形成一輸入端電極320。在本發明一實施例中，圖案化製程可包括微影蝕刻製程。如第5圖所示，第二電極316的頂面與基材200(感測元件層206)的頂面207共平面。並且，輸出端電極318係設置於基材200(感測元件層206)的頂面207上，而輸入端電極320係設置於壓電材料314的頂面315上。如第5圖所示，位於同一溝槽208的第一電極312和第二電極316係藉由壓電材料314彼此隔開。在本發明一實施例中，每一個溝槽208中的第一電極312、第二電極316和上述兩者之間壓電材料314係構成一致動器350，且設置於溝槽208中的第一電極312和第二電極316係大體上垂直於基材200(感測元件層206)的頂面207，且壓電材料314橫向位於第一電極312和第二電極316之間。所以，設置於溝槽208中的第一電極312和第二電極316之間產生的一電場方向(請參考第1圖的電場方向E)與壓電材料314的形變方向(請參考第1圖的壓電材料形變方向S)平行。因此，共振器單元500的振動模態為側向體波振動模態。
接著，如第6圖所示，可進行一圖案化製程及蝕刻製程，移除位於溝槽208外部的部分感測元件層206和位於溝槽208下的部分絕緣層204，以形成一空氣溝槽228。 在本發明一實施例中，空氣溝槽228的兩端係垂直穿過感測元件層206且延伸至絕緣層204中，再沿著溝槽208底部的絕緣層204位置水平延伸。並且，空氣溝槽228會從溝槽208的底部位置連通溝槽208。因此，微機電共振裝置600透過空氣溝槽228及已被蝕刻的絕緣層204與基板層202分離開來。經過上述製程，係完成本發明實施例之共振單元500a，且共振單元500a係懸浮於基板層202上。在本發明一實施例中，空氣溝槽228可包圍至少一個共振單元500a。在本實施例中，空氣溝槽228係包圍三個共振單元500a。然而，空氣溝槽228可包圍不同數量的共振單元，上述數量可依設計決定。並且，經過上述製程，係完成微機電共振裝置600，其包括複數個連續設置的共振單元500a。
在本發明其他實施例中，用以定義出最終形成之微機電共振裝置的共振器的邊界位置的溝槽可具有不同的輪廓。在本發明其他實施例中，溝槽408的側壁410可與基材的感測元件層206的頂面207不互相垂直。第7圖為本發明其他實施例之微機電共振裝置的共振單元500b的剖面示意圖。如第7圖所示，溝槽408的側壁410與第一電極412的底面422的夾角a可不必為90度。第一電極412係順應溝槽408的輪廓形成，接著一壓電材料414填充於溝槽408，且覆蓋第一電極412的側壁，並使第二電極416的側壁大體上與第一電極412的側壁平行。另外，共振單元500b的輸出端電極418和輸入端電極420係位於感測 元件層206的上表面，且輸入端電極420係位於一對輸出端電極418之間。
第8圖為本發明另一實施例之微機電共振裝置的立體示意圖，其顯示共振單元的壓電材料214的位置設計。由於本發明實施例之微機電共振裝置的振動模態為側向體波振動模態。因此，在本發明一實施例中，可將壓電材料214設計在第一電極212和第二電極216之間並大體上置放在致動器250的中間位置(意即靠近虛線240的位置)，將有助於提升共振器之機電耦合係數()並降低其阻抗值。
本發明實施例係提供一種微機電共振裝置，其具有以下優點。微機電共振裝置元件之共振單元的結構係採用複合材料所構成，包含半導體(矽)基材，壓電材料及金屬電極。另外，本發明實施例以薄膜沉積及微影蝕刻製程技術定義垂直於基材表面的第一和第二電極間距及共振單元寬度(利用定義溝槽週期來定義共振單元寬度)，可精確決定微機電共振裝置之操作頻率。因此，藉由上述共振器製作技術及傳統電路設計技術(如梯型(ladder type)佈局設計)，可於單一晶片中設計製造多頻段且兼具低阻抗、高頻寬表現之濾波器。並且，本發明實施例的微機電共振裝置係利用側向體波振動模式，且共振單元的壓電材料設計置於應力集中處。因此，本發明實施例之具側向體波振動模式的微機電共振裝置有助於提升濾波器之頻寬並降低其阻抗值。
第9圖係利用有限元素軟體分析習知FBAR結構微機電共振器、TFE結構微機電共振器及本發明實施例的微機電共振裝置600之元件頻率響應模擬結果。請參考第9圖，曲線901、903、905分別為習知FBAR結構微機電共振器、習知TFE結構微機電共振器及本發明實施例的微機電共振裝置600之元件頻率響應模擬結果。如第9圖所示，由於本發明實施例的微機電共振裝置600因具備高機電耦合係數()，因此其共振點與反共振點之間的頻寬(bandwidth，BW)表現(4.5%)大於習知FBAR結構微機電共振器(2.9%)和習知TFE結構微機電共振器(1.8%)。
由第1表綜合歸納的結果可發現本發明實施例之微機電共振裝置具備低阻抗值、高機電耦合係數()、高頻寬及共振單元寬度尺寸定頻等優點。
雖然本發明已以較佳實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何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。
200、260‧‧‧基材
202‧‧‧基板層
204‧‧‧絕緣層
206‧‧‧感測元件層
207、215、315‧‧‧頂面
208、317‧‧‧溝槽
210、410‧‧‧側壁
212、312、412‧‧‧第一電極
214、314、414‧‧‧壓電材料
216、316、416‧‧‧第二電極
218、318、418‧‧‧輸出端電極
220、320、420‧‧‧輸入端電極
222、422‧‧‧底面
228‧‧‧空氣溝槽
240‧‧‧虛線
250、350‧‧‧致動器
318‧‧‧輸出端電極
320‧‧‧輸入端電極
500、500a、500b‧‧‧共振單元
600、600a‧‧‧微機電共振裝置
901、903、905‧‧‧曲線
E‧‧‧電場方向
S‧‧‧壓電材料形變方向
a‧‧‧夾角
第1圖為本發明一實施例之微機電共振裝置的剖面示意圖。
第2至6圖為本發明一實施例之微機電共振裝置的製程剖面示意圖。
第7圖為本發明其他實施例之微機電共振裝置的共振單元剖面的示意圖。
第8圖為本發明一實施例之微機電共振裝置的立體示意圖。
第9圖為利用有限元素軟體分析習知FBAR結構微機電共振器、TFE結構微機電共振器及本發明實施例的微機電共振裝置之元件頻率響應模擬結果。
260‧‧‧基材
207、215‧‧‧頂面
208‧‧‧溝槽
210‧‧‧側壁
212‧‧‧第一電極
214‧‧‧壓電材料
216‧‧‧第二電極
218‧‧‧輸出端電極
220‧‧‧輸入端電極
250‧‧‧致動器
500‧‧‧共振單元
600‧‧‧微機電共振裝置
E‧‧‧電場方向
S‧‧‧壓電材料形變方向

Claims (15)

  1. 一種微機電共振裝置，包括：單個或複數個共振單元，其中每一個該些共振單元包括：一基材，其中具有一溝槽；一對第一電極，設置於該溝槽的一對側壁上；一壓電材料，填充於該溝槽，且覆蓋該對第一電極；以及一第二電極，嵌入該壓電材料且藉由該壓電材料與該對第一電極隔開，其中位於該溝槽中的該第二電極與該對第一電極平行。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之微機電共振裝置，其中該對第一電極係延伸至該溝槽的一底面上，且彼此相連。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之微機電共振裝置，其中該基材包括：一基板層；一感測元件層，設置於該基板層上方；以及一絕緣層，設置於該感測元件層和該基板層之間。
  4. 如申請專利範圍第3項所述之微機電共振裝置，其中該溝槽設置於該感測元件層中，且該溝槽的該底面與該絕緣層和該感測元件層的一界面共平面。
  5. 如申請專利範圍第4項所述之微機電共振裝置，其中該基材更包括一空氣溝槽，穿過該感測元件層且延伸 至該絕緣層中，使與該界面共平面的該第一電極的一底面從該空氣溝槽暴露出來。
  6. 如申請專利範圍第5項所述之微機電共振裝置，其中該些共振單元懸浮於該基板層上。
  7. 如申請專利範圍第1項所述之微機電共振裝置，其中該對第一電極、該第二電極和該壓電材料的頂面與該基材的一頂面共平面。
  8. 如申請專利範圍第1項所述之微機電共振裝置，其中每一個該些共振單元更包括：一對輸出端電極，設置於該基材的一頂面上，且分別連接至該對第一電極；以及一輸入端電極，設置於該壓電材料的一頂面上，且連接至該第二電極。
  9. 如申請專利範圍第8項所述之微機電共振裝置，其中該對輸出端電極大體上與該對第一電極垂直，且該輸入端電極大體上與該第二電極垂直。
  10. 如申請專利範圍第1項所述之微機電共振裝置，其中該第二電極係嵌入該壓電材料的一中間位置。
  11. 如申請專利範圍第1項所述之微機電共振裝置，其中設置於該溝槽中的該對第一電極和該第二電極產生的一電場方向與該壓電材料的一極化方向平行。
  12. 如申請專利範圍第1項所述之微機電共振裝置，其中該第二電極從該壓電材料的一頂面朝該溝槽的該底面延伸。
  13. 如申請專利範圍第1項所述之微機電共振裝置，其中每一個該些共振單元的該壓電材料係設置每一個該些共振單元的一中間位置。
  14. 如申請專利範圍第1項所述之微機電共振裝置，其中該些共振單元係以週期性結構連續設置，其中該週期決定共振裝置的操作頻率。
  15. 如申請專利範圍第1項所述之微機電共振裝置，其中該些共振單元的該些基材係彼此連接。
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