TWI784331B - 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，包含：提供一上電極；提供一下電極；設置一第一壓電材料層於該上電極及該下電極之間；設置一共振頻率決定金屬層於該上電極上，其中該共振頻率決定金屬層具有一厚度，而使該薄膜體聲波共振裝置之一共振頻率與該厚度形成一曲線；以及當該曲線上的該厚度線性變化時，使該共振頻率非線性變化。

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，包含：提供一上電極；提供一下電極；設置一第一壓電材料層於該上電極及該下電極之間；設置一共振頻率決定金屬層於該上電極上，其中該共振頻率決定金屬層具有一厚度，而使該薄膜體聲波共振裝置之一共振頻率與該厚度形成一曲線；以及當該曲線上的該厚度線性變化時，使該共振頻率非線性變化。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厚度的共振頻率決定金屬層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，包含：提供一上電極；提供一下電極；設置一第一壓電材料層於該上電極及該下電極之間；設置一共振頻率決定金屬層於該上電極上，其中該共振頻率決定金屬層具有一厚度，而使該薄膜體聲波共振裝置之一共振頻率與該厚度形成一曲線；以及當該曲線上的該厚度線性變化時，使該共振頻率非線性變化。
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：提供一上電極；提供一下電極；設置一第一壓電材料層於該 上電極及該下電極之間以構成該薄膜體聲波共振裝置之一核心結構；設置一共振頻率決定金屬層於該上電極上，其中該共振頻率決定金屬層具有一厚度，而使該薄膜體聲波共振裝置之一共振頻率與該厚度形成一曲線，其中當該厚度位於一第一範圍時，該曲線定義為一第一曲線線段、當該厚度位於一第二範圍時，該曲線定義為一第二曲線線段、且該第一曲線線段之一第一斜率大於該第二曲線線段之一第二斜率；以及視該特定共振頻率所對應之該厚度處於該第一或該第二範圍，而選用一特定厚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:氣隙
12:第一絕緣層
13:第二絕緣層
14:第二壓電材料層
15:下電極
16:第一壓電材料層
17:上電極
18:共振頻率決定金屬層
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共振頻率決定金屬層的一金之厚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、一第二壓電材料層14、一下電極15、一第一 壓電材料層(其為一壓電材料膜)16、一上電極17與一共振頻率決定金屬層18，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，該第二壓電材料層14設置於該第二絕緣層13上，該下電極15設置於該第二壓電材料層14上，該第一壓電材料層16設置於該下電極15上，該上電極17設置於該第一壓電材料層16上，而該共振頻率決定金屬層18設置於該上電極17上，且連接於一感測材料，該感測材料用於感測該薄膜體聲波共振裝置1的一共振頻率。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。
如第一圖所示，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)，該第二壓電材料層14與該第一壓電材料層16包括氮化鋁(AlN)或鋯鈦酸鉛(PZT)，且該共振頻率決定金屬層18包括金(Au)。
在第一圖中，該共振頻率決定金屬層18的一厚度最小為0.05μm，最大為0.15μm，例如：該厚度可為0.05μm(第一較佳實施例)、0.1μm(第二較佳實施例)或0.15μm(第三較佳實施例)；該氣隙11的一深度(高度)為3μm，該第一絕緣層12、該第二絕緣層13、該第二壓電材料層14、該上電極17與該下電極15的一厚度均為0.2μm，且該第一壓電材料層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、該第二壓電材料層14、該下電極15與該第一壓電材料層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。該共振頻率決定金屬層18與該上電極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共振頻率決定金屬層的一金之厚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，當該共振頻率決定金屬層18包括金(Au)，且該金之厚度是自0.1μm增加至0.15μm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21KHz，而當該共振頻率決定金屬層的該金之厚度是自0.05μm增加至0.1μm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0.48GHz。亦即，由第二圖可知，當該共振頻率決定金屬層18的該金之厚度在進行一線性的變化(例如：該共振頻率決定金屬層18的該金之厚度由0.1μm增加至0.15μm或由0.05μm增加至0.1μm)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：當該金之厚度由0.1μm增加至0.15μm，該薄膜體聲波共振裝置1的該共振頻率所增加的該第一差值約為21KHz，或當該金之厚度由0.05μm增加至0.1μm，該共振頻率所增加的該第二差值約為 0.48GHz)。
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，包含：提供一上電極17；提供一下電極15；設置一第一壓電材料層16於該上電極17及該下電極15之間；設置一共振頻率決定金屬層18於該上電極17上，其中該共振頻率決定金屬層18具有一厚度，而使該薄膜體聲波共振裝置1之一共振頻率與該厚度形成一曲線；以及當該曲線上的該厚度線性變化時，使該共振頻率非線性變化。
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：當該厚度位於一第一範圍時，定義該曲線為一第一曲線線段，當該厚度位於一第二範圍時，定義該曲線為一第二曲線線段，且使該第一曲線線段之一第一斜率大於該第二曲線線段之一第二斜率；以及視該特定共振頻率所對應之該厚度處於該第一或該第二範圍，而選用一特定厚度來製造該薄膜體聲波共振裝置1。
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：提供一上電極17；提供一下電極15；設置一第一壓電材料層16於該上電極17及該下電極15之間以構成該薄膜體聲波共振裝置之一核心結構(15+16+17)；設置一共振頻率決定金屬層18於該上電極17上，其中該共振頻率決定金屬層18具有一厚度，而使該薄膜體聲波共振裝置1之一共振頻率與該厚度形成一曲線，其中當該厚度位於 一第一範圍時，該曲線定義為一第一曲線線段、當該厚度位於一第二範圍時，該曲線定義為一第二曲線線段、且該第一曲線線段之一第一斜率大於該第二曲線線段之一第二斜率；以及視該特定共振頻率所對應之該厚度處於該第一或該第二範圍，而選用一特定厚度來製造該薄膜體聲波共振裝置1。
在製造根據本發明構想所提出之薄膜體聲波共振裝置時，同一晶圓中可包括複數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。例如：在同一晶圓中可包括一萬個具有金屬層厚度為0.05μm的共振頻率決定金屬層之薄膜體聲波共振裝置之元件(die)、一萬個具有金屬層厚度為0.1μm的此一元件與一萬個具有金屬層厚度為0.15μm的此一元件，這三萬個元件除了共振頻率決定金屬層之厚度不同外，其餘結構均相同。因此，除了共振頻率決定金屬層以外的製程均相同，而可以同一製程同時製造。而當製造共振頻率決定金屬層時，再分別調適成可分別製造三種厚度的共振頻率決定金屬層的製程，但是仍在同一晶圓上同時製造。因此，其製造成本相對於在三個不同晶圓上分別製造三種不同厚度的上述元件是較低的。
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，包含：提供一上電極；提供一下電極；設置一第一壓電材料層於該上電極及該下電極之間；設置一共振頻率決定金屬層於該上電極 上，其中該共振頻率決定金屬層具有一厚度，而使該薄膜體聲波共振裝置之一共振頻率與該厚度形成一曲線；以及當該曲線上的該厚度線性變化時，使該共振頻率非線性變化。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厚度的共振頻率決定金屬層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，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:氣隙
12:第一絕緣層
13:第二絕緣層
14:第二壓電材料層
15:下電極
16:第一壓電材料層
17:上電極
18:共振頻率決定金屬層

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，包含：提供一上電極；提供一下電極；設置一第一壓電材料層於該上電極及該下電極之間；設置一共振頻率決定金屬層於該上電極上，其中該共振頻率決定金屬層具有一厚度，而使該薄膜體聲波共振裝置之一共振頻率與該厚度形成一曲線；以及當該曲線上的該厚度線性變化時，使該共振頻率非線性變化，且視該特定共振頻率所對應之該厚度處於一第一或一第二範圍，而選用一特定厚度來製造該薄膜體聲波共振裝置。
  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基板、一第一絕緣層、一第二絕緣層與一第二壓電材料層，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，該第二壓電材料層設置於該第二絕緣層上，該下電極設置於該第二壓電材料層上，該第一絕緣層與該基板間具有一氣隙，且該氣隙內部呈現 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，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，且該共振頻率決定金屬層包括金(Au)。
  4. 如申請專利範圍第2項所述之方法，其中該厚度最小為0.05μm，最大為0.15μm，該氣隙的一深度為3μm，該第一絕緣層、該第二絕緣層、該第二壓電材料層、該上電極與該下電極的一厚度均為0.2μm，且該第一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、該第二壓電材料層、該下電極與該第一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，該共振頻率決定金屬層與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，其中當該共振頻率決定金屬層的該厚度自0.1μm增加至0.15μm時，該薄膜體聲波共振裝置的一共振頻率所增加的一第一差值為 21KHz，而當該共振頻率決定金屬層的該厚度是自0.05μm增加至0.1μm時，該薄膜體聲波共振裝置的該共振頻率所增加的一第二差值為0.48GHz，該共振頻率決定金屬層連接於一感測材料，且該感測材料用於感測該共振頻率。
  7. 如申請專利範圍第4項所述之方法，更包括當該厚度位於該第一範圍時，定義該曲線為一第一曲線線段，當該厚度位於該第二範圍時，定義該曲線為一第二曲線線段，且使該第一曲線線段之一第一斜率大於該第二曲線線段之一第二斜率。
  8. 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：提供一上電極；提供一下電極；設置一第一壓電材料層於該上電極及該下電極之間；設置一共振頻率決定金屬層於該上電極上，其中該共振頻率決定金屬層具有一厚度，而使該薄膜體聲波共振裝置之一共振頻率與該厚度形成一曲線，其中當該厚度位於一第一範圍時，該曲線定義為一第一曲線線段、當該厚度 位於一第二範圍時，該曲線定義為一第二曲線線段、且該第一曲線線段之一第一斜率大於該第二曲線線段之一第二斜率；以及視該特定共振頻率所對應之該厚度處於該第一或該第二範圍，而選用一特定厚度來製造該薄膜體聲波共振裝置。
  9. 如申請專利範圍第8項所述之方法，其中該共振頻率決定金屬層的一厚度最小為0.05μm，最大為0.15μm，該薄膜體聲波共振裝置更包括一基板、一第一絕緣層、一第二絕緣層與一第二壓電材料層，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，該第二壓電材料層設置於該第二絕緣層上，該下電極設置於該第二壓電材料層上，該第一絕緣層與該基板間具有一氣隙，且該氣隙內部呈現一真空狀態。
  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，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，且該共振頻率決定金屬層包括金(Au)。
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