TWI721934B - 製造具特定共振頻率之薄膜體聲波共振裝置的方法 - Google Patents

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Abstract

一種製造具一特定共振頻率之一薄膜體聲波共振裝置的方法，包括：提供一基板，該基板具一凹部，其中該凹部具有一高度；設置一第一壓電材料層於該基板上，而使該凹部形成一氣隙；設置一下電極於該第一壓電材料層上；當該高度位於一第一範圍時，使該薄膜體聲波共振裝置之一共振頻率相對於該高度具有一第一斜率；當該高度位於一第二範圍時，使該共振頻率相對於該高度具有一第二斜率；以及使該第一斜率小於該第二斜率。

Description

製造具特定共振頻率之薄膜體聲波共振裝置的方法
本發明涉及用於微機電系統(MEMS)的半導體技術，特別是用於感測器和與能源相關裝置的MEMS。
現有的感測器技術包括純粹的機械類型感測器、互補式金屬氧化物半導體(CMOS)感測器和MEMS感測器等。然而上述感測器的靈敏度無法滿足諸如藉由一可攜式裝置，例如一手機，以偵測人類的揮發性有機物(VOC)氣體的需求。而具有鋯鈦酸鉛(PZT)的薄膜體聲波共振裝置(FBAR)技術則可做到。
如何精進現存的FBAR技術，以使其具有較佳的效率及/或較簡單的結構，抑或者是較低的製造成本，是一值得深思的問題。
職是之故，發明人鑒於習知技術之缺失，乃思及改良發明之意念，終能發明出本案之「製造具特定共振頻率之薄膜體聲波共振裝置的方法」。
本發明的主要目的在於提供一種製造具一特 定共振頻率之一薄膜體聲波共振裝置的方法，包括：提供一基板，該基板具一凹部，其中該凹部具有一高度；設置一第一壓電材料層於該基板上，而使該凹部形成一氣隙；設置一下電極於該第一壓電材料層上；當該高度位於一第一範圍時，使該薄膜體聲波共振裝置之一共振頻率相對於該高度具有一第一斜率；當該高度位於一第二範圍時，使該共振頻率相對於該高度具有一第二斜率：以及使該第一斜率小於該第二斜率。經由該方法所製造之具有不同高度的氣隙之薄膜體聲波共振裝置各自產生不同之共振頻率；可藉由多頻控制以使用多個具有不同高度的氣隙之薄膜體聲波共振裝置來同時偵測多種的揮發性有機物氣體；同一晶圓中可包括複數個具有不同厚度的共振頻率決定金屬層之薄膜體聲波共振裝置，以降低製造成本。
本案之又一主要目的在於提供一種製造具一特定共振頻率之一薄膜體聲波共振裝置的方法，包括：提供一基板，該基板具一凹部，其中該凹部具有一高度；設置一第一壓電材料層於該基板上，而使該凹部形成一氣隙；設置一下電極於該第一壓電材料層上；當該高度位於一第一範圍時，使該薄膜體聲波共振裝置之一共振頻率相對於該高度具有一第一斜率；當該高度位於一第二範圍時，使該共振頻率相對於該高度具有一第二斜率：以及使該第一斜率小於該第二斜率。
本案之下一主要目的在於提供一種製造具一特定共振頻率之一薄膜體聲波共振裝置的方法，包括：提 供一基板，該基板具一凹部，其中該凹部具有一高度；設置一第一壓電材料層於該基板上，而使該凹部形成一氣隙；設置一下電極於該第一壓電材料層上，以與該基板及該第一壓電材料層共同形成該薄膜體聲波共振裝置之一共振頻率決定結構，而使該薄膜體聲波共振裝置之一共振頻率對應於該高度形成一函數關係，其中當該高度位於一第一範圍時，該函數關係表達為一第一斜率、當該高度位於一第二範圍時，該函數關係表達為一第二斜率、且該第二斜率大於該第一斜率；以及視該特定共振頻率所對應之高度處於該第一或該第二範圍，而選用一特定高度來製造該薄膜體聲波共振裝置。
1:依據本發明構想之較佳實施例的薄膜體聲波共振裝置
10:基板
11:凹部/氣隙
12:第一絕緣層
13:第二絕緣層
14:第一壓電材料層
15:下電極
16:第二壓電材料層
17:上電極
第一圖：其係顯示一依據本發明構想之較佳實施例的薄膜體聲波共振裝置之剖面圖。
第二圖：其係顯示一依據本發明構想之較佳實施例的薄膜體聲波共振裝置所具有之氣隙深度與該薄膜體聲波共振裝置的一共振頻率之波形圖。
第一圖是顯示一依據本發明構想之較佳實施例的薄膜體聲波共振裝置之剖面圖。在第一圖中，一薄膜體聲波共振裝置1包括一基板10、一第一絕緣層12、一第二絕緣層13、一第一壓電材料層14、一下電極15、一第二 壓電材料層(其為一壓電材料膜)16與一上電極17，其中該第一絕緣層12設置於該基板10上，該第二絕緣層13設置於該第一絕緣層12上，該第一壓電材料層14設置於該第二絕緣層13上，該下電極15設置於該第一壓電材料層14上，該第二壓電材料層16設置於該下電極15上，而該上電極17設置於該第二壓電材料層16上。此外，該第一絕緣層12與該基板10間具有一氣隙11，且該氣隙11內部呈現一真空狀態。
其中該基板10包括矽，該第一絕緣層12包括氮化矽(SiN)，該第二絕緣層13包括二氧化矽(SiO2)，該上電極17與該下電極15包括鉬(MO)，且該第一壓電材料層14與該第二壓電材料層16包括氮化鋁(AlN)或鋯鈦酸鉛(PZT)。
在第一圖中，該氣隙11的一深度(高度)為，例如：1μm(第一較佳實施例)、3μm(第二較佳實施例)或5μm(第三較佳實施例)；該第一絕緣層12、該第二絕緣層13、該第一壓電材料層14、該上電極17與該下電極15的一厚度均為0.2μm，且該第二壓電材料層16的一厚度為1μm。
如第一圖所示，該基板10、該第一絕緣層12、該第二絕緣層13、該第一壓電材料層14、該下電極15與該第二壓電材料層16形成一第一圓柱體，且該第一圓柱體的一第一直徑為，例如：200μm。該氣隙11形成一第二圓柱體，且該第二圓柱體的一第二直徑為，例如：140μm。 該上電極17形成一第三圓柱體，且該第三圓柱體的一第三直徑為，例如：100μm。
第二圖是顯示一依據本發明構想之較佳實施例的薄膜體聲波共振裝置所具有之氣隙的深度與該薄膜體聲波共振裝置的一共振頻率之波形圖。
如第二圖所示，當該氣隙11的該深度是自1μm增加至3μm時，該薄膜體聲波共振裝置1的一共振頻率所增加的一第一差值約為24KHz，而當該氣隙11的該深度是自1μm增加至5μm時，該薄膜體聲波共振裝置1的該共振頻率所增加的一第二差值約為418KHz。亦即，由第二圖可知，當該氣隙11的該深度在進行一線性的變化(例如：氣隙11的深度由1μm增加至3μm或由1μm增加至5μm)時，該薄膜體聲波共振裝置1的該共振頻率則是呈現一非線性的變化(例如：該薄膜體聲波共振裝置1對應於該氣隙11的深度由1μm增加至3μm，該共振頻率所增加的一第一差值約為24KHz，或對應於該氣隙11的深度由1μm增加至5μm，該共振頻率所增加的一第二差值約為0.418KHz)。
依據本發明構想之第四較佳實施例所提出之一種製造具一特定共振頻率之一薄膜體聲波共振裝置1的方法，包括：提供一基板10，該基板10具一凹部11，其中該凹部11具有一高度；設置一第一壓電材料層14於該基板10上，而使該凹部11形成一氣隙11；設置一下電極15於該第一壓電材料層14上；當該高度位於一第一範圍時，使該 薄膜體聲波共振裝置1之一共振頻率相對於該高度具有一第一斜率；當該高度位於一第二範圍時，使該共振頻率相對於該高度具有一第二斜率：以及使該第一斜率小於該第二斜率。
依據上述本發明構想之第四較佳實施例所述之方法，更包括：視該特定共振頻率所對應之高度處於該第一或該第二範圍，而選用一特定高度來製造該薄膜體聲波共振裝置1，其中當該氣隙11的一第一厚度改變量是自1μm增加至3μm時，該薄膜體聲波共振裝置1的一共振頻率所增加的一第一共振頻率改變量為24KHz，而當該氣隙的一第二厚度改變量是自1μm增加至5μm時，該薄膜體聲波共振裝置的該共振頻率所增加的一第二共振頻率改變量為0.418GHz。
依據本發明構想之第五較佳實施例所提出之一種製造具一特定共振頻率之一薄膜體聲波共振裝置1的方法，包括：提供一基板10，該基板10具一凹部11，其中該凹部11具有一高度；設置一第一壓電材料層14於該基板10上，而使該凹部11形成一氣隙11；設置一下電極15於該第一壓電材料層14上，以與該基板10及該第一壓電材料層14共同形成該薄膜體聲波共振裝置之一共振頻率決定結構(10+14+15)，而使該薄膜體聲波共振裝置1之一共振頻率對應於該高度形成一函數關係，其中當該高度位於一第一範圍時，該函數關係表達為一第一斜率、當該高度位於一第二範圍時，該函數關係表達為一第二斜率、且該第二 斜率大於該第一斜率；以及視該特定共振頻率所對應之高度處於該第一或該第二範圍，而選用一特定高度來製造該薄膜體聲波共振裝置1。
綜上所述，本發明提供一種製造具一特定共振頻率之一薄膜體聲波共振裝置的方法，包括：提供一基板，該基板具一凹部，其中該凹部具有一高度；設置一第一壓電材料層於該基板上，而使該凹部形成一氣隙；設置一下電極於該第一壓電材料層上；當該高度位於一第一範圍時，使該薄膜體聲波共振裝置之一共振頻率相對於該高度具有一第一斜率；當該高度位於一第二範圍時，使該共振頻率相對於該高度具有一第二斜率：以及使該第一斜率小於該第二斜率。經由該方法所製造之具有不同厚度的共振頻率決定金屬層之薄膜體聲波共振裝置各自產生不同之共振頻率；可藉由多頻控制以使用多個具有不同高度的氣隙之薄膜體聲波共振裝置來同時偵測多種的揮發性有機物氣體；同一晶圓中可包括複數個具有不同高度的氣隙之薄膜體聲波共振裝置，以降低製造成本，故其確實具有新穎性與進步性。
是以，縱使本案已由上述之實施例所詳細敘述而可由熟悉本技藝之人士任施匠思而為諸般修飾，然皆不脫如附申請專利範圍所欲保護者。
1:依據本發明構想之較佳實施例的薄膜體聲波共振裝置
10:基板
11:凹部/氣隙
12:第一絕緣層
13:第二絕緣層
14:第一壓電材料層
15:下電極
16:第二壓電材料層
17:上電極

Claims (10)

  1. 一種製造具一特定共振頻率之一薄膜體聲波共振裝置的方法，包括：
    提供一基板，該基板具一凹部，其中該凹部具有一高度；
    設置一第一壓電材料層於該基板上，而使該凹部形成一氣隙；
    設置一下電極於該第一壓電材料層上；
    當該高度位於一第一範圍時，使該薄膜體聲波共振裝置之一共振頻率相對於該高度具有一第一斜率；
    當該高度位於一第二範圍時，使該共振頻率相對於該高度具有一第二斜率：以及
    使該第一斜率小於該第二斜率。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中該薄膜體聲波共振裝置更包括一第一絕緣層、一第二絕緣層、一第二壓電材料層與一上電極，其中該第一絕緣層設置於該基板上，該第二絕緣層設置於該第一絕緣層上，該第一壓電材料層設置於該第二絕緣層上，該第二壓電材料層設置於該上電極與該下電極之間，該氣隙是位於該第一絕緣層與該基板間，且該氣隙內部是呈現一真空狀態。
  3. 如申請專利範圍第2項所述之方法，其中該基板包括矽，該第一絕緣層包括氮化矽，該第二絕緣層包括二氧化矽，該上電極與該下電極包括鉬，且該第一壓電材料層與該第二壓電材料層包括氮化鋁或鋯鈦酸鉛。
  4. 如申請專利範圍第2項所述之方法，其中該高度最小是1μm，最大是5μm，該第一範圍是1μm至3μm，該第二範圍是3μm至5μm，該第一絕緣層、該第二絕緣層、該第一壓電材料層、該上電極與該下電極的一厚度均為0.2μm，且該第二壓電材料層的一厚度為1μm。
  5. 如申請專利範圍第4項所述之方法，其中該基板、該第一絕緣層、該第二絕緣層、該第一壓電材料層、該下電極與該第二壓電材料層形成一第一圓柱體，該第一圓柱體的一第一直徑為200μm，該氣隙形成一第二圓柱體，該第二圓柱體的一第二直徑為140μm，該上電極形成一第三圓柱體，且該第三圓柱體的一第三直徑為100μm。
  6. 如申請專利範圍第4項所述之方法，更包括：視該特定共振頻率所對應之高度處於該第一或該第二範圍，而選用一特定高度來製造該薄膜體聲波共振裝置，其中當該氣隙的一第一厚度改變量是自1μm增加至3μm時，該薄膜體聲波共振裝置的一共振頻率所增加的一第一共振頻率改變量為24KHz，而當該氣隙的一第二厚度改變量是自1μm 增加至5μm時，該薄膜體聲波共振裝置的該共振頻率所增加的一第二共振頻率改變量為0.418GHz。
  7. 一種製造具一特定共振頻率之一薄膜體聲波共振裝置的方法，包括：
    提供一基板，該基板具一凹部，其中該凹部具有一高度；
    設置一第一壓電材料層於該基板上，而使該凹部形成一氣隙；
    設置一下電極於該第一壓電材料層上，而使該薄膜體聲波共振裝置之一共振頻率對應於該高度形成一函數關係，其中當該高度位於一第一範圍時，該函數關係表達為一第一斜率、當該高度位於一第二範圍時，該函數關係表達為一第二斜率、且該第二斜率大於該第一斜率；以及
    視該特定共振頻率所對應之高度處於該第一或該第二範圍，而選用一特定高度來製造該薄膜體聲波共振裝置。
  8. 如申請專利範圍第7項所述之方法，其中該薄膜體聲波共振裝置更包括一上電極與一第二壓電材料層，該上電極設置於該第二壓電材料層上，且該第二壓電材料層設置於該下電極上。
  9. 如申請專利範圍第8項所述之方法，其中該薄膜體聲波共振裝置更包括一第一絕緣層與一第二絕緣層，該第一絕緣層設置於該基板上，該第二絕緣層設置於該第一絕緣層上，該第一壓電材料層設置於該第二絕緣層上，該第一絕緣層與該基板間具有該氣隙，該氣隙內部是呈現一真空狀態，該高度最小是1μm，最大是5μm，該第一範圍是1μm至3μm，該第二範圍是3μm至5μm，該第一絕緣層、該第二絕緣層、該第一壓電材料層、該上電極與該下電極的一厚度均為0.2μm，且該第二壓電材料層的一厚度為1μm。
  10. 如申請專利範圍第9項所述之方法，其中該基板包括矽，該第一絕緣層包括氮化矽，該第二絕緣層包括二氧化矽，該上電極與該下電極包括鉬，且該第一壓電材料層與該第二壓電材料層包括氮化鋁或鋯鈦酸鉛。
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