專利名稱：穩(wěn)固安裝的層疊體聲諧振器的制作方法
背景技術(shù)：
含有一個或更多個薄膜體聲諧振器(FBAR)的FBAR器件形成種類越來越多的電子產(chǎn)品尤其是無線產(chǎn)品的一部分。例如，現(xiàn)代移動電話包括雙工器，在雙工器中每個帶通濾波器包括梯形電路，在梯形電路中梯形電路的每個元件是一個FBAR。包括FBAR的雙工器由Bradley等人在名稱為Duplexer Incorporating Thin-film Bulk AcousticResonators(FBARs)的美國專利No.6262637中公開了，該專利被轉(zhuǎn)讓給本公開的受讓人并且以引用的方式包含在本公開中。這種雙工器由在發(fā)射器的輸出端與天線之間串聯(lián)連接的發(fā)射器帶通濾波器和在天線與接收器的輸入端之間與90°移相器串聯(lián)連接的接收器帶通濾波器構(gòu)成。發(fā)射器帶通濾波器和接收器帶通濾波器的通帶的中心頻率彼此之間具有偏移?；贔BAR的梯形濾波器也應(yīng)用在其它的應(yīng)用中。
圖1示出了適合于充當(dāng)雙工器的發(fā)射器帶通濾波器的FBAR基帶通濾波器10的代表性實(shí)施方式。發(fā)射器帶通濾波器由連接在梯形電路中的串聯(lián)FBAR 12和并聯(lián)FBAR 14構(gòu)成。串聯(lián)FBAR 12具有比并聯(lián)FBAR14高的諧振頻率。
圖2示出了FBAR的代表性實(shí)施方式30。FBAR 30由一對電極32和34以及位于電極之間的壓電元件36構(gòu)成。壓電元件和電極懸浮于在基底42中形成的空腔44的上方。懸浮FBAR的這種方式使得FBAR能夠響應(yīng)于在電極之間施加的電信號而機(jī)械諧振。
美國專利申請序列No.10/699289公開了一種帶通濾波器，這種帶通濾波器包括由下FBAR、層疊在下FBAR上的上FBAR以及在FBAR之間的聲解耦器所構(gòu)成的解耦層疊體聲諧振器(DSBAR)。每個FBAR由一對電極和位于電極之間的壓電元件構(gòu)成。在下FBAR的電極之間施加電輸入信號，上FBAR在它的電極之間提供帶通濾波的電輸出信號。也可以備選地在上FBAR的電極之間施加電輸入信號，在這種情況下，從下FBAR的電極之間提取電輸出信號。
美國專利申請序列No.10/699481公開了一種由兩個解耦層疊體聲諧振器(DSBAR)構(gòu)成的薄膜聲耦轉(zhuǎn)換器(FACT)。第一電路使DSBAR的下FBAR串聯(lián)或并聯(lián)連接。第二電路使DSBAR的上FBAR串聯(lián)或并聯(lián)連接。取決于電路的配置，能夠獲得具有1∶1或1∶4的阻抗轉(zhuǎn)換比的平衡或不平衡FACT實(shí)施方式。這種FACT還提供第一電路與第二電路之間的電絕緣。
在上述的DSBAR和FACT中，每個下FBAR懸浮于類似于上面參考圖2所描述的空腔44的基底中的空腔的上方。空腔使得作為構(gòu)成部分的FBAR能夠響應(yīng)于在一個或更多個FBAR的電極之間所施加的電信號而機(jī)械諧振。
在本公開中，一般把上面參考圖2所描述的FBAR和包括一個或更多個FBAR的例如梯形濾波器、DSBAR和FACT的器件稱為FBAR器件。
例如如美國專利申請序列No.10/699,298中所述，F(xiàn)BAR器件的實(shí)際實(shí)施方式是通過以下步驟制造的在例如硅基底的剛性基底中形成空腔、用犧牲材料填充該空腔、對基底的表面進(jìn)行平面化然后在犧牲材料的表面上沉積并圖形化FBAR器件的各個層，但是犧牲材料表面的一部分保持暴露。提供壓電元件116的至少該壓電材料層的一部分此外還與空腔之外的基底重疊。在沉積和圖形化所有的層之后，進(jìn)行釋放蝕刻將犧牲材料從空腔中除去。這使FBAR器件如圖2所示懸浮于空腔的上方。
在制備工藝的最后進(jìn)行釋放蝕刻的需要把可以用來形成FBAR器件的基底、電極和壓電元件的材料選擇限制為與釋放蝕刻相兼容的材料。有時希望不受這種限制。而且，甚至當(dāng)使用與蝕刻兼容的材料時，釋放蝕刻也會引起FBAR器件的層之間的層離和隨后產(chǎn)生的性能受損。因此，想得到不涉及進(jìn)行釋放蝕刻制造FBAR器件的可選擇的方法。
Lakin的美國專利No.6107721公開了一種FBAR器件，其具有設(shè)置在FBAR器件與基底之間的聲反射器。在這種器件的制備中不需要進(jìn)行釋放蝕刻。該聲反射器基于布拉格反射器并且由二氧化硅和非壓電氮化鋁的交替層構(gòu)成。在Lakin所公開的實(shí)施例中，聲反射器具有九層。Lakin還指出可以使用更多或更少的層。
需要沉積九層或更多附加層材料來形成聲反射器盡管沒有進(jìn)行釋放蝕刻，但使制備FBAR器件的工藝顯著復(fù)雜化了。而且，通過減少層的數(shù)量來簡化工藝的嘗試導(dǎo)致FBAR器件的頻率響應(yīng)表現(xiàn)出不希望的亂真假象。這種假象來自于層數(shù)量的減少所產(chǎn)生的隔離的降低，使得FBAR器件與基底發(fā)生機(jī)械相互作用。
一些商業(yè)上可得到的FBAR器件包括由二氧化硅和金屬的交替層構(gòu)成的聲反射器。然而，這種FBAR器件的頻率響應(yīng)表現(xiàn)出不希望的亂真假象，例如在抑制頻帶中的附加發(fā)射峰值。
因此需要一種不需要釋放蝕刻、不過度地使制備工藝復(fù)雜化并且提供FBAR器件與基底之間充分隔離地以將FBAR器件與基底隔離的方法，其中FBAR器件的頻率響應(yīng)沒有不希望的亂真假象。

發(fā)明內(nèi)容
在第一方面，本發(fā)明提供一種包括基底、基底上方的聲布拉格反射器、聲布拉格反射器上方的壓電元件和壓電元件上方的遠(yuǎn)側(cè)電極的薄膜體聲諧振器(FBAR)。聲布拉格反射器包括金屬布拉格層和與金屬布拉格層鄰接的塑料布拉格層。
FBAR器件的實(shí)施例包括FBAR，例如提供梯形濾波器元件的FBAR、層疊體聲諧振器(SBAR)、解耦層疊體聲諧振器(DSBAR)、帶通濾波器和薄膜聲耦轉(zhuǎn)換器(FACT)。
在一個實(shí)施方式中，對金屬布拉格層進(jìn)行圖形化來形成基底側(cè)電極。在另一個實(shí)施方式中，金屬布拉格層是第一金屬布拉格層，聲布拉格反射器還包括與塑料布拉格層鄰接的第二金屬布拉格層，并且FBAR器件還包括在聲布拉格反射器與壓電元件之間的基底側(cè)電極。
金屬布拉格層的金屬與塑料布拉格層的塑料材料的聲阻抗之間大比值提供了FBAR與基底之間充分的聲隔離，使得如果由于FBAR器件與基底之間不希望的聲耦合而使FBAR器件的頻率響應(yīng)表現(xiàn)出亂真假象的化，也很少。這對于具有第三布拉格層和基底層電極的實(shí)施方式來說尤其正確。
金屬布拉格層的金屬與塑料布拉格層的塑料材料的聲阻抗之間的大比值意味著FBAR器件除構(gòu)成FBAR自身的層之外可以典型地在一個和四個布拉格層之間構(gòu)成。這意味著根據(jù)本發(fā)明的FBAR的制備工藝如果確實(shí)比同樣類型常規(guī)FBAR的制備工藝復(fù)雜的化，也是最低限度地。尤其是，該制備工藝缺少上面提到的釋放蝕刻操作。


圖1是根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)包括FBAR的梯形濾波器的示意圖。
圖2是根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的FBAR的橫截面圖。
圖3A是根據(jù)本發(fā)明FBAR器件的第一實(shí)施方式的平面圖。
圖3B是FBAR器件的第一實(shí)施方式沿圖3A中示出的截線3B-3B的橫截面圖。
圖3C-3F是圖3A中示出的FBAR器件的聲布拉格反射器的可選擇的結(jié)構(gòu)的橫截面圖。
圖4是根據(jù)本發(fā)明FBAR器件的第二實(shí)施方式的橫截面圖。
圖5A是根據(jù)本發(fā)明FBAR器件的第三實(shí)施方式的平面圖。
圖5B是FBAR器件的第三實(shí)施方式沿圖5A中示出的截線5B-5B的橫截面圖。
圖6A是根據(jù)本發(fā)明FBAR器件的第四實(shí)施方式的平面圖。
圖6B是圖6A中示出的FBAR器件的第四實(shí)施方式沿截線6B-6B的橫截面圖。
圖6C是FBAR器件的第四實(shí)施方式沿圖6A中示出的截線6C-6C的橫截面圖。
圖6D是根據(jù)本發(fā)明FBAR器件的第四實(shí)施方式的電路的示意圖。
圖7A-7K是示出制作根據(jù)本發(fā)明的FBAR器件的工藝的平面圖。
圖7L-7V分別是沿圖7A-7K中截線7L-7L、7M-7M、7N-7N、70-70、7P-7P、7Q-7Q、7R-7R、7S-7S、7T-7T、7U-7U和7V-7V的橫截面圖。
圖8A和8B分別是示出在1.7GHz左右到2.1GHz左右的頻率范圍內(nèi)實(shí)施本發(fā)明時第一測試結(jié)構(gòu)和第二測試結(jié)構(gòu)的反射系數(shù)矢量的史密斯圓圖。
具體實(shí)施例方式
圖3A和3B分別是根據(jù)本發(fā)明FBAR器件的第一代表性實(shí)施方式100的平面圖和橫截面圖。FBAR器件100包括單個的FBAR 110。單個的FBAR 110典型地是如圖1中示出的FBAR梯形濾波器或雙工器的元件，但是省去了梯形濾波器或雙工器的其余元件以簡化附圖。
參照圖3B，F(xiàn)BAR器件100由基底102、在該基底上方的聲布拉格反射器180、在該聲布拉格反射器上方的壓電元件116和在該壓電元件116上方的遠(yuǎn)側(cè)電極114構(gòu)成。聲布拉格反射器180包括與第一塑料布拉格層184鄰接的第一金屬布拉格層182。在示出的實(shí)施例中，第一金屬布拉格層182與基底鄰接并且聲布拉格反射器180還由與第一塑料布拉格層184鄰接的第二金屬布拉格層186以及與第二金屬布拉格層186鄰接的第二塑料布拉格層188構(gòu)成。還在示出的實(shí)施例中，F(xiàn)BAR器件100還由位于聲布拉格反射器180與壓電元件116之間的基底側(cè)電極112構(gòu)成。基底側(cè)電極112、壓電元件116和遠(yuǎn)側(cè)電極114共同構(gòu)成薄膜聲諧振器(FBAR)110。聲布拉格反射器180使FBAR 110與基底102聲隔離。
在本公開中描述為鄰接的布拉格層如圖3B中所示典型地相互物理接觸。然而，鄰接的布拉格層可以由插入層所分隔，只要插入層對鄰接的布拉格層的聲性能具有可忽略的影響。
FBAR器件100具有有中心頻率的帶通頻率響應(yīng)特性。如在本公開中所使用的，術(shù)語布拉格層(Bragg layer)指的是具有標(biāo)稱厚度t的層，所述厚度是頻率與該中心頻率相等的聲信號在該布拉格層的材料中的波長λn的四分之一的奇數(shù)倍，也就是t＝(2m+1)λn/4，其中m是大于或等于零的整數(shù)。整數(shù)m是零的布拉格層典型地降低了FBAR器件的頻率響應(yīng)表現(xiàn)出亂真假象的可能性。在這樣的布拉格層中，布拉格層的標(biāo)稱厚度是上面提到的聲信號在該層的材料中的波長的四分之一，也就是t＝λn/4。而且，如下面將詳細(xì)描述的，其中至少金屬布拉格層為λn/16那么薄的實(shí)施方式將提供充分的聲隔離，以在許多應(yīng)用中使用。
本發(fā)明者發(fā)現(xiàn)，由聲布拉格反射器提供的聲隔離取決于構(gòu)成聲布拉格反射器的布拉格層的材料的聲阻抗的比值。與另一個層鄰接的具有λn/4厚度的第一布拉格層所顯示的有效聲阻抗Zeff1是在遠(yuǎn)離其它層的第一布拉格層的表面處檢測到的聲阻抗。第一布拉格層顯示的聲阻抗取決于第一布拉格層的聲阻抗和由其它層賦予該第一布拉格層的有效聲阻抗。第一布拉格層顯示的有效聲阻抗由下面給出Zeff1＝Zp2/Zm(1)其中Zp是第一布拉格層的材料的聲阻抗，Zm是其它層的聲阻抗。
例如，在遠(yuǎn)離基底102的第一金屬布拉格層182表面處的有效聲阻抗取決于第一金屬布拉格層182的材料的聲阻抗和基底102的材料的聲阻抗。在這個實(shí)施例中，Zeff1是在遠(yuǎn)離基底102的第一金屬布拉格層182表面處顯示的有效聲阻抗，Zp是第一金屬布拉格層182的材料的聲阻抗，Zm是基底102的材料的聲阻抗。
由公式(1)所定義的關(guān)系存在于每一個布拉格層和前一布拉格層之間。在公式(1)中，Zm是由前一布拉格層賦予該布拉格層的有效聲阻抗。
例如，第一金屬布拉格層182將有效聲阻抗Zeff1賦予第一塑料布拉格層184。第一塑料布拉格層184將有效聲阻抗Zeff1轉(zhuǎn)化為另一個有效聲阻抗Zeff2，并將有效聲阻抗Zeff2賦予第二金屬布拉格層186。第二金屬布拉格層186將有效聲阻抗Zeff2轉(zhuǎn)化為另一個有效聲阻抗Zeff3，并將有效聲阻抗Zeff3賦予第二塑料布拉格層188。第二塑料布拉格層184將有效聲阻抗Zeff3轉(zhuǎn)化為另一個有效聲阻抗Zeff4，并將有效聲阻抗Zeff4賦予FBAR 110。有效聲阻抗Zeff4也是聲布拉格反射器180的有效聲阻抗。
FBAR 110與在第二塑料布拉格層188處由聲布拉格反射器180所顯示的有效聲阻抗之間的聲阻抗不匹配提供了FBAR 110與基底102之間的聲隔離。分別由布拉格層182、184、186和188所顯示的有效聲阻抗交替為高和低，從第一金屬布拉格層182到第二塑料布拉格層188高阻抗增加而低阻抗降低。
為了使聲布拉格反射器180提供有效聲隔離，它賦予FBAR 110的有效聲阻抗可以比FBAR的聲阻抗大或者小。由聲布拉格反射器180提供的聲隔離可以由聲布拉格反射器180的有效聲阻抗與FBAR 110的聲阻抗之間的用分貝表示的比值(比值的對數(shù)的20倍)來量化。增加聲隔離降低了由于FBAR與基底之間不希望的耦合而使FBAR的頻率響應(yīng)表現(xiàn)出不希望的亂真假象的可能性。
根據(jù)本發(fā)明，聲布拉格反射器180由與塑料材料的塑料布拉格層184和188交替的金屬布拉格層182和186構(gòu)成。在一個實(shí)施方式中，該金屬分別是如鎢或鉬的難熔金屬。金屬布拉格層的金屬的聲阻抗是高的，而塑料布拉格層的塑料材料的聲阻抗是低的。金屬與塑料材料的聲阻抗之間的大比值使得聲布拉格反射器180能夠用相對少的布拉格層提供幾十分貝的聲隔離。幾種難熔金屬是可獲得的，他們具有大于50Mrayl的聲阻抗并且與典型的FBAR制備工藝中使用的蝕刻劑相容。例如鉬具有63Mrayl左右的聲阻抗。幾種塑料材料是可獲得的，其具有小于5Mrayl的聲阻抗并且與典型的FBAR制備工藝中使用的高溫和蝕刻劑相容。一些這種塑料材料的聲阻抗低到2Mrayl左右。因此，可獲得幾種具有大于10的聲阻抗比值的金屬和塑料的組合。將在下面描述的一種鉬和交聯(lián)的聚亞苯基聚合物的組合具有約30的聲阻抗比值。
與第一塑料布拉格層184和第二塑料布拉格層188在隨后的FBAR110的制備中所經(jīng)受的高溫(＞400℃)和蝕刻劑相容的塑料材料是可獲得的，具有在2Mrayl左右到4Mrayl左右范圍內(nèi)的聲阻抗。由于公式(1)中的平方關(guān)系，具有4Mrayl左右聲阻抗的塑料材料的第一塑料布拉格層184和難熔金屬的第一金屬布拉格層182共同提供由金屬布拉格層和SiO2的布拉格層所構(gòu)成的結(jié)構(gòu)的1/14的有效聲阻抗。對于具有2Mrayl聲阻抗的塑料材料，有效聲阻抗是上述相似的金屬/SiO2結(jié)構(gòu)的有效聲阻抗的1/56左右。
用具有大于50Mrayl左右聲阻抗的金屬例如難熔金屬作為第一金屬布拉格層182和第二金屬布拉格層186的材料，并用具有小于5Mrayl左右聲阻抗的塑料材料作為第一塑料布拉格層184和第二塑料布拉格層188的材料使得聲布拉格反射器180對于FBAR 110具有0.1krayl左右的有效聲阻抗。假設(shè)FBAR 110具有50Mrayl左右的有效聲阻抗，那么由這樣的材料構(gòu)成的聲布拉格反射器180的實(shí)施方式將提供超過100dB的聲隔離。為了比較，圖2中示出的FBAR器件30的空腔44中的空氣具有1krayl左右的聲阻抗并提供小于90dB左右的計(jì)算聲隔離。因此，聲布拉格反射器180提供FBAR 110和基底102之間充分的聲隔離，使FBAR 110的頻率響應(yīng)具有基本上沒有亂真假象的頻率響應(yīng)。其中塑料材料具有2Mrayl左右聲阻抗的實(shí)施方式提供了超過120dB的計(jì)算聲隔離。
需要FBAR 110和基底102之間甚至更大的聲隔離的實(shí)施方式可以具有插在第一布拉格層182與基底102之間的塑料和金屬的布拉格層的附加對。然而，由布拉格反射器180提供的聲隔離對于大多數(shù)應(yīng)用來說足夠了。
基底側(cè)電極112、遠(yuǎn)側(cè)電極114和壓電層116形成了具有機(jī)械諧振的機(jī)械結(jié)構(gòu)，該機(jī)械諧振限定了FBAR 110的通帶的中心頻率?；讉?cè)電極112、遠(yuǎn)側(cè)電極114和壓電層116在厚度上類似于常規(guī)FBAR的相應(yīng)元件，常規(guī)FBAR的帶通頻率響應(yīng)具有相同的標(biāo)稱中心頻率。結(jié)果是，F(xiàn)BAR 100具有與相似的常規(guī)FBAR器件的電氣特性類似的電氣特性。
FBAR器件100還具有端子墊片132、端子墊片134、電連接端子墊片132和基底側(cè)電極112的電跡線133，以及電連接端子墊片134和遠(yuǎn)側(cè)電極114的電跡線135。用端子墊片132和134來進(jìn)行從FBAR器件100到外部電路(未示出)的電連接。
FBAR器件100的制備在復(fù)雜度上可以與圖2中示出的常規(guī)空氣隔離的FBAR器件30相比除去了形成并填充空腔44以及進(jìn)行釋放蝕刻的操作，增加了分別沉積金屬、塑料、金屬和塑料的四個布拉格層的操作。FBAR器件100的制備基本上沒有具有常規(guī)聲布拉格反射器的常規(guī)FBAR器件復(fù)雜，常規(guī)FBAR器件用聲阻抗具有更小差別的材料的更多層來提供所需要的聲隔離。例如，具有SiO2作為它的低聲阻抗材料的聲布拉格反射器需要八個布拉格層來提供100dB的聲隔離。而且，SiO2布拉格層的厚度是塑料布拉格層厚度的三倍左右。這進(jìn)一步降低了聲布拉格反射器的總厚度并改進(jìn)了臺階覆蓋(step-coverage)問題。
在本公開中描述的FBAR器件的實(shí)施方式中，用聚酰亞胺作為塑料布拉格層的材料。聚酰亞胺由E.I.Du Pont de Nemours and Company以Kapton為商標(biāo)出售。在這樣的實(shí)施方式中，塑料布拉格層184和188分別由通過旋涂涂覆的聚酰亞胺構(gòu)成。聚酰亞胺具有4Mrayl左右的聲阻抗。
在其它實(shí)施方式中，用聚(對-二甲基苯)作為塑料布拉格層的材料。在這樣的實(shí)施方式中，塑料布拉格層184和188每個由通過真空沉積涂覆的聚(對-二甲基苯)構(gòu)成。聚對-二甲基苯在現(xiàn)有技術(shù)中也被稱為聚對二甲苯。用來制造聚對二甲苯的二聚物前驅(qū)體聯(lián)對二甲苯和用來進(jìn)行真空沉積聚對二甲苯層的設(shè)備可以從許多供應(yīng)商得到。聚對二甲苯具有2.8Mrayl左右的聲阻抗。
在另一個實(shí)施方式中，用交聯(lián)的聚亞苯基聚合物作為塑料布拉格層的材料。在這樣的實(shí)施方式中，塑料布拉格層184和188分別由通過旋涂涂覆的交聯(lián)聚亞苯基聚合物構(gòu)成。交聯(lián)的聚亞苯基聚合物已經(jīng)作為低介電常數(shù)介電材料被開發(fā)用于集成電路中，并因此在FBAR 110隨后的制備過程中交聯(lián)聚亞苯基聚合物所經(jīng)受的高溫下保持穩(wěn)定。本發(fā)明者已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，交聯(lián)的聚亞苯基聚合物此外還具有2Mrayl左右的計(jì)算聲阻抗。這個聲阻抗提供了尤其高的聲隔離。
含有通過聚合來形成相應(yīng)交聯(lián)聚亞苯基聚合物的各種低聚物的前驅(qū)體溶液由The Dow Chemical Company，Midland，MI以SiLK為商標(biāo)出售。通過旋涂來涂覆前驅(qū)體溶液。從名稱為SiLKTMJ(其還含有助粘劑)的這些前驅(qū)體溶液中的一種獲得的交聯(lián)聚亞苯基聚合物具有2.1Mrayl、也就是2Mrayl左右的計(jì)算聲阻抗。
通過聚合來形成交聯(lián)的聚亞苯基聚合物的低聚物由含有雙環(huán)戊二烯酮(biscyclopentadienones)和芳香乙炔的單體來制備。用這樣的單體來形成可溶的低聚物不需要不適當(dāng)?shù)闹脫Q。前驅(qū)體溶液含有溶解在γ-丁內(nèi)酯和環(huán)己酮溶劑中的特定的低聚物。前驅(qū)體溶液中低聚物的百分比確定了當(dāng)涂覆前驅(qū)體溶液時層的厚度。在涂覆后，用熱將溶劑蒸發(fā)，然后使低聚物固化以形成交聯(lián)的聚合物。雙環(huán)戊二烯酮與乙炔進(jìn)行4+2的環(huán)加成反應(yīng)形成新的芳香環(huán)。進(jìn)一步的固化產(chǎn)生交聯(lián)的聚亞苯基聚合物。上述的交聯(lián)聚亞苯基聚合物在美國專利No.5965679中由Godschalx等人公開了，該專利以引用的方式被結(jié)合在此。其它實(shí)際的細(xì)節(jié)由Martin等人在Development of Low-Dielectric ConstantPolymer for the Fabrication of Integrated Circuit Interconnect，12ADVANCED MATERIALS，1769(2000)中公開了，其也以引用的方式被結(jié)合在此。與聚酰亞胺相比，交聯(lián)的聚亞苯基聚合物具有低的聲阻抗、低的聲衰減和低的介電常數(shù)。而且，前驅(qū)體溶液的涂覆層能夠產(chǎn)生具有200nm量級厚度的交聯(lián)聚亞苯基聚合物的高質(zhì)量薄膜，200nm量級的厚度是塑料布拉格層184和188的典型厚度。
每個布拉格層182、184、186和188具有的標(biāo)稱厚度是頻率等于FBAR 110的通帶中心頻率的聲信號在布拉格層的材料中的波長的四分之一。利用四分之一波長厚的布拉格層，聲布拉格反射器180與聚酰亞胺塑料布拉格層顯示出310rayl左右的計(jì)算聲阻抗，與交聯(lián)的聚亞苯基聚合物塑料布拉格層顯示出19rayl左右的計(jì)算聲阻抗。這些聲阻抗分別與104dB和128dB左右的聲隔離相對應(yīng)。
在將聲布拉格反射器180構(gòu)造為在2GHz左右下運(yùn)行的實(shí)施方式中，其中塑料布拉格層184和188的塑料材料是交聯(lián)的聚亞苯基聚合物，并且金屬布拉格層182和186的金屬是鉬，塑料布拉格層的厚度是190nm左右，金屬布拉格層的厚度是800nm左右。通過配方能夠涂覆為具有190nm左右厚度的交聯(lián)聚亞苯基聚合物的前驅(qū)體溶液在商業(yè)上可得到。也可以將聚酰亞胺涂覆成這個厚度的層。因此，將塑料布拉格層184和188形成為標(biāo)稱的四分之一波長的層很簡單。另一方面，用目前的生產(chǎn)技術(shù)很難具有高材料質(zhì)量地濺射沉積鉬到800nm的厚度并對這樣的層進(jìn)行圖形化。然而，通過使塑料布拉格層與難熔金屬布拉格層相鄰接所獲得的大的聲阻抗轉(zhuǎn)換比意味著可以用比標(biāo)稱的四分之一波長的厚度顯著更薄的金屬布拉格層來獲得足夠大的聲隔離。使用薄為220nm(剛剛厚于十六分之一波長)的金屬布拉格層的測試結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了可接受的效果。在構(gòu)造為在2GHz左右下運(yùn)行的實(shí)施方式中，用與FBAR 110的電極112和114厚度相等的300nm左右的金屬布拉格層產(chǎn)生了優(yōu)良的效果。
使用比四分之一波長的層更薄的金屬布拉格層產(chǎn)生了隨布拉格層數(shù)量的減少而更大的成比例的聲隔離降低。用目前的制造技術(shù)，用其中金屬布拉格層比四分之一波長的層更薄的更多的布拉格層能夠典型地比其中金屬布拉格層是四分之一波長的層的更少的布拉格層獲得更好的效果和更低的成本。
從基底102的側(cè)面?zhèn)认虿迦肼暡祭穹瓷淦?80的側(cè)面以減少不希望的聲音模式。
圖3C-3F是根據(jù)本發(fā)明FBAR器件100的簡化實(shí)施例的橫截面圖，在該簡化實(shí)施例中聲布拉格反射器由比圖3B中示出的聲布拉格反射器180更少的布拉格層構(gòu)成。在圖3C-3F中示出的FBAR器件的平面圖類似于在圖3A中示出的FBAR器件100。
在圖3C示出的FBAR器件中，省去了第二塑料布拉格層188(圖3B)，并且聲布拉格反射器181由與第一塑料布拉格層184鄰接的第一金屬布拉格層182和與第一塑料布拉格層184鄰接的第二金屬布拉格層186構(gòu)成。FBAR 110位于第二金屬布拉格層186的表面上?；讉?cè)電極112可以通過顯著比四分之一波長的層更薄的絕緣層來與第二金屬布拉格層186電絕緣。利用四分之一波長厚的布拉格層，聲布拉格反射器181具有聚酰亞胺塑料布拉格層時顯示出51Grayl左右的計(jì)算有效聲阻抗，具有交聯(lián)的聚亞苯基聚合物塑料布拉格層時顯示出207Grayl左右的計(jì)算聲阻抗。這些聲阻抗分別與60dB和72dB左右的聲隔離相對應(yīng)。下面將參照圖8B描述與圖3C中示出的FBAR器件的實(shí)施方式相類似的測試結(jié)構(gòu)的電性能。
在圖3D中示出的FBAR器件中，省去了第二塑料布拉格層188和第二金屬布拉格層186(圖3B)，并且聲布拉格反射器183由與第一塑料布拉格層184鄰接的第一金屬布拉格層182構(gòu)成。FBAR 110位于第一塑料布拉格層184的表面上。利用四分之一波長厚的布拉格層，聲布拉格反射器183具有聚酰亞胺塑料布拉格層時顯示出77krayl左右的計(jì)算有效聲阻抗，具有交聯(lián)的聚亞苯基聚合物塑料布拉格層時顯示出19krayl左右的計(jì)算聲阻抗。這些聲阻抗分別與56dB和68dB左右的聲隔離相對應(yīng)。下面將參照圖8A描述與圖3D中示出的FBAR器件的實(shí)施方式相類似的測試結(jié)構(gòu)的電性能。
基底102的材料硅的聲阻抗是19Mrayl左右，這個值位于金屬和塑料的聲阻抗之間。因此，其中第一塑料布拉格層184與基底102鄰接的聲布拉格反射器180的實(shí)施方式也將提供優(yōu)良的聲隔離。在圖3E和3F中示出這樣的實(shí)施方式的實(shí)施例，其中第一金屬布拉格層182與第一塑料布拉格層184的順序相反，也就是第一塑料布拉格層184與基底102鄰接，第一金屬布拉格層182與第一塑料布拉格層184鄰接。在基底102是低聲阻抗材料例如塑料材料的FBAR器件100的實(shí)施方式中，圖3B-3D中示出的其中第一金屬布拉格層182與基底102鄰接的實(shí)施方式提供比圖3E和3F中示出的實(shí)施方式更大的聲隔離。在基底102是高聲阻抗材料的FBAR器件100的實(shí)施方式中，在圖3E和3F中示出的其中第一塑料布拉格層184與基底102鄰接的實(shí)施方式提供比圖3B-3D中示出的實(shí)施方式更大的聲隔離。
在圖3E中示出的FBAR器件100的實(shí)施方式中，省去了第二金屬布拉格層186(圖3B)，并且聲布拉格反射器185由與第一塑料布拉格層184鄰接的第一金屬布拉格層182和與第一金屬布拉格層182鄰接的第二塑料布拉格層188構(gòu)成。利用四分之一波長厚的布拉格層，聲布拉格反射器185在具有聚酰亞胺塑料布拉格層時顯示出3.4krayl左右的計(jì)算有效聲阻抗，在具有交聯(lián)的聚亞苯基聚合物塑料布拉格層時顯示出0.2krayl左右的計(jì)算聲阻抗。這些聲阻抗分別與83dB和107dB左右的聲隔離相對應(yīng)。
在圖3F中示出的FBAR器件100的實(shí)施方式中，省去了第二塑料布拉格層188和第二金屬布拉格層186(圖3B)，并且聲布拉格反射器187由與第一塑料布拉格層184鄰接的第一金屬布拉格層182構(gòu)成。FBAR 110位于第一金屬布拉格層182的表面上?；讉?cè)電極112可以通過基本上比四分之一波長的層更薄的絕緣層與第一金屬布拉格層182電絕緣。利用四分之一波長厚的布拉格層，聲布拉格反射器187在具有聚酰亞胺塑料布拉格層時顯示出4.7Grayl左右的計(jì)算有效聲阻抗，具有交聯(lián)的聚亞苯基聚合物塑料布拉格層時顯示出18Grayl左右的計(jì)算聲阻抗。這些聲阻抗分別與40dB和51dB左右的聲隔離相對應(yīng)。
圖4是根據(jù)本發(fā)明FBAR器件的第二實(shí)施方式200的橫截面圖。FBAR器件200在平面圖上類似于在圖3A中示出的FBAR器件100。FBAR器件200包括單個的FBAR 210。單個的FBAR 210典型地是例如圖1中示出的FBAR梯形濾波器或者雙工器的元件，但是省去了梯形濾波器或者雙工器的其余元件以簡化附圖。
FBAR器件200在結(jié)構(gòu)上比上面參照圖3A和3B所描述的FBAR器件100簡單，但是提供了FBAR與該結(jié)構(gòu)的更小的聲隔離。因此，F(xiàn)BAR器件200的頻率響應(yīng)典型地表現(xiàn)出比FBAR器件100的頻率響應(yīng)更多的亂真假象。然而，該亂真假象的水平在許多應(yīng)用中是可接受的。
FBAR器件200由基底102、基底102上方的聲布拉格反射器280、聲布拉格反射器280上方的壓電元件216和壓電元件216上方的遠(yuǎn)側(cè)電極214構(gòu)成。聲布拉格反射器280由與塑料布拉格層184鄰接的金屬布拉格層282構(gòu)成。塑料布拉格層184與基底102鄰接，對金屬布拉格層282進(jìn)行圖形化以形成FBAR 210的基底側(cè)電極212。布拉格層282和184每個具有的標(biāo)稱厚度是頻率與FBAR器件200的中心頻率相等的聲波在該層的材料中的波長的四分之一。遠(yuǎn)側(cè)電極214在標(biāo)稱厚度上與基底側(cè)電極212相等。
在金屬布拉格層282中形成的基底側(cè)電極212、壓電元件216和遠(yuǎn)側(cè)電極214共同構(gòu)成FBAR 210。聲布拉格反射器280將FBAR 210與基底102聲隔離。
FBAR器件200還具有端子墊片232、端子墊片234、電連接端子墊片232和基底側(cè)電極212的電跡線233以及電連接端子墊片234和遠(yuǎn)側(cè)電極214的電跡線235。用端子墊片232和234進(jìn)行從FBAR器件200到外部電路(未示出)的電連接。
由塑料布拉格層184和金屬布拉格層282所構(gòu)成的聲布拉格反射器280提供的聲隔離典型地不足以從FBAR 210的頻率響應(yīng)中去除所有的亂真假象，甚至當(dāng)塑料布拉格層184由具有低至2Mrayl的聲阻抗的塑料材料構(gòu)成時也不可以。不過，如上所述，F(xiàn)BAR器件200可以用在其中可接受一些亂真假象的應(yīng)用中。
FBAR器件200具有最容易制備的優(yōu)勢，除了構(gòu)成FBAR 210的金屬和壓電材料層外只需要沉積單個的塑料布拉格層184。因此，制備FBAR器件200不涉及進(jìn)行上述的釋放蝕刻。
FBAR 210的電子性能或多或少地與在其它方面相似的常規(guī)FBAR的電子性能不同?；讉?cè)電極212和遠(yuǎn)側(cè)電極214均是四分之一波長厚的金屬層，并且因此比常規(guī)FBAR的電極厚超過兩倍?；讉?cè)電極212、遠(yuǎn)側(cè)電極214和壓電層216形成具有機(jī)械諧振的機(jī)械結(jié)構(gòu)，該機(jī)械諧振限定了FBAR 210通帶的中心頻率。為了用更厚的電極212和214獲得與常規(guī)FBAR相同的中心頻率，壓電層216被制造為比常規(guī)FBAR的厚，使得穿過壓電元件的相移是π弧度。與穿過常規(guī)FBAR的π弧度的總相移相比，這產(chǎn)生了穿過FBAR 210的3π弧度的總相移。因此，F(xiàn)BAR 210具有基本上與常規(guī)FBAR不同的電聲和電氣性能。例如，F(xiàn)BAR 210將具有比FBAR 110高的Q(更窄的帶寬)和更低的有效耦合常數(shù)。這樣的特性在一些應(yīng)用中是有用的。
圖5A和5B分別是根據(jù)本發(fā)明FBAR器件第三代表性實(shí)施方式300的平面圖和橫截面圖。FBAR器件300是包括單個的解耦層疊體聲諧振器(DSBAR)的帶通濾波器。下面描述的FBAR器件300的實(shí)施例具有結(jié)構(gòu)與上面參照圖3B描述的聲布拉格反射器180類似的聲布拉格反射器。將聲布拉格反射器可選擇地構(gòu)造為如上面參照圖3C-3F所述。FBAR器件300可選擇地包括與上面參照圖4所述的聲布拉格反射器類似的聲布拉格反射器。
在FBAR器件300中，DSBAR 106由下FBAR 110、層疊在下FBAR110上的上FBAR 120和在FBAR之間的聲解耦器130構(gòu)成。FBAR 110由相對的平面電極112和114以及在電極之間的壓電元件116所構(gòu)成。FBAR 120由相對的平面電極122和124以及在電極之間的壓電元件126所構(gòu)成。
聲解耦器130位于FBAR 110和120之間，具體地是位于FBAR 110的電極114與FBAR 120的電極122之間。聲解耦器控制FBAR 110與120之間的聲能耦合。聲解耦器在FBAR之間耦合比在FBAR之間的直接接觸耦合的更少的聲能。在圖5B中示出的實(shí)施例中，如在美國專利申請序列No.10/699298中所述，聲解耦器130由聲解耦材料的聲解耦層131構(gòu)成?？蛇x擇地，如John D.LarsonIII等人的、名稱為Pass BandwidthControl in Decoupled Stacked Bulk Acoustic Resonator Devices(申請人檔案號No.10040955-1)的美國專利申請序列No.10/XXX,XXX中所述，聲解耦器130可以由具有不同聲阻抗的聲解耦材料的層(未示出)構(gòu)成，該申請被轉(zhuǎn)讓給了本公開的受讓人。
在示出的實(shí)施例中，聲布拉格反射器180位于DSBAR 106和基底102之間并且將DSBAR與基底聲隔離。聲布拉格反射器180的結(jié)構(gòu)在上面參照圖3B進(jìn)行了描述。金屬布拉格層182與186的金屬與塑料布拉格層184和188的塑料材料之間的大聲阻抗比值使聲布拉格反射器180能夠賦予DSBAR 106很高的有效聲阻抗。聲布拉格反射器185和DSBAR 106之間的大聲阻抗比值使聲布拉格反射器180能夠在DSBAR106與基底102之間提供足夠的聲隔離以使FBAR 110和120能夠響應(yīng)于在它們中一個的電極之間施加的輸入電信號而機(jī)械諧振。在接收輸入電信號的FBAR中產(chǎn)生的聲能通過聲解耦器130傳送到其它的FBAR。接收聲能的FBAR將聲能的一部分轉(zhuǎn)化成在它的電極之間提供的電輸出信號。接收聲能的FBAR的電極之間的電信號輸出具有的帶通頻率響應(yīng)特性基本上沒有不希望的亂真假象。
在示出的實(shí)施例中，F(xiàn)BAR 110的電極112和114分別通過電跡線133和135與端子墊片132和134電連接。此外，F(xiàn)BAR 120的電極122和124分別通過電跡線137和139與端子墊片134和138電連接。在提供輸入端與輸出端之間的電絕緣的實(shí)施方式中，電跡線137與另外的端子墊片(未示出)連接而不是與端子墊片134連接。用端子墊片132、134和138進(jìn)行從FBAR器件300到外部電路(未示出)之間的電連接。
在示出的實(shí)施例中，第一聲解耦層131提供聲解耦器130。聲解耦層131也是四分之一波長的塑料材料層?？梢栽诼暯怦顚?31和塑料布拉格層184和188中使用相同的塑料材料。聲解耦層131的材料的聲阻抗決定了FBAR器件300的通帶寬。需要提供特定的通帶寬使得聲解耦層131要由與塑料布拉格層184和188不同的塑料材料構(gòu)成。
可選擇的實(shí)施方式(未示出)具有結(jié)構(gòu)上與上面參照圖4所述的聲布拉格反射器280而不是聲布拉格反射器180相似的聲布拉格反射器。在這樣的實(shí)施方式中，省去了第二金屬布拉格層186和第二塑料布拉格層188，第一金屬布拉格層182和第一塑料布拉格層184的順序相反，對第一金屬布拉格層182進(jìn)行圖形化以形成基底側(cè)電極112，在四分之一波長厚的金屬層中形成遠(yuǎn)側(cè)電極114，并且將壓電元件116的厚度形成為提供穿過FBAR 110的3π弧度的總相移。將FBAR 120構(gòu)造為具有與FBAR 110相同的諧振頻率。
圖6A是根據(jù)本發(fā)明FBAR器件的第四代表性實(shí)施方式400的平面圖。FBAR器件400是包括兩個解耦層疊體聲諧振器(DSBAR)的薄膜聲耦轉(zhuǎn)換器(FACT)。圖6B和6C分別是沿圖6A中的截線6B-6B和6C-6C的橫截面圖。圖6D是圖6A中示出的FACT 400的實(shí)施例的電路的示意圖。下面描述的FBAR器件400的實(shí)施例具有結(jié)構(gòu)與上面參照圖3B所述的聲布拉格反射器180相似的聲布拉格反射器?？蛇x擇地如上面參照圖3C-3F所述來構(gòu)造聲布拉格反射器。FBAR器件400可選擇地包括與上面參照圖4所述的聲布拉格反射器相似的聲布拉格反射器。
FACT 400具有基底102、解耦層疊體聲諧振器(DSBAR)106和108以及位于DSBAR與基底之間的聲布拉格反射器180。每個DSBAR由下薄膜體聲諧振器(FBAR)、上FBAR以及位于FBAR之間的聲解耦器構(gòu)成。FACT 400還包括分別將DSBAR 106和108的下FBAR 110和150互連的電路以及分別將DSBAR 106和108的上FBAR 120和160互連的電路。圖6D示出了其中電路141反平行連接DSBAR 106的下FBAR110和DSBAR 108的下FBAR 150，并且電路142串聯(lián)連接DSBAR 106的上FBAR 120和DSBAR 108的上FBAR 160的實(shí)施例。
在DSBAR 106中，下FBAR由相對的平面電極112和114以及位于電極之間的壓電元件116構(gòu)成，并且上FBAR 120由相對的平面電極122和124以及位于電極之間的壓電元件126構(gòu)成。在DSBAR 108中，下FBAR 150由相對的平面電極152和154以及位于電極之間的壓電元件156構(gòu)成，并且上FBAR 160由相對的平面電極162和164以及位于電極之間的壓電元件166構(gòu)成。
在FACT 400中，DSBAR 106的聲解耦器130位于下FBAR 110與上FBAR 120之間，具體地說位于下FBAR 110的電極114與上FBAR 120的電極122之間。聲解耦器130控制FBAR 110和120之間的聲能耦合。與FBAR如在常規(guī)的層疊體聲諧振器(SBAR)中那樣彼此直接接觸耦合相比，聲解耦器130在FBAR 110與120之間耦合的聲能更少。另外，DSBAR 108的聲解耦器170位于FBAR 150與160之間，具體地說位于下FBAR 150的電極154與上FBAR 160的電極162之間。聲解耦器170控制FBAR 150與160之間的聲能耦合。與FBAR彼此直接接觸耦合相比，聲解耦器170在FBAR 150與160之間耦合的聲能更少。由聲解耦器130和170形成的聲能耦合決定了FACT 400的通帶寬。
在圖6A-6C中示出的實(shí)施例中，聲解耦器130和170是聲解耦層131的相應(yīng)部分。在其它實(shí)施方式中，如John D.LarsonIII等人的、名稱為Pass Bandwidth Control in Decoupled Stacked Bulk AcousticResonator Devices(申請人檔案號No.10040955-1)的美國專利申請序列No.XX/XXX,XXX中所述，聲解耦器130和170分別由具有不同聲阻抗的聲解耦材料的聲解耦層構(gòu)成。在其它實(shí)施方式中，聲解耦器130和170在結(jié)構(gòu)上是獨(dú)立的。
位于DSBAR 106和108與基底102之間的聲布拉格反射器180將DSBAR與基底聲隔離。上面參照圖3B描述了聲布拉格反射器180的結(jié)構(gòu)。金屬布拉格層182和186的金屬與塑料布拉格層184和188的塑料材料之間的大聲阻抗比值使聲布拉格反射器180能夠賦予DSBAR 106和DSBAR 108很高的有效聲阻抗。聲布拉格反射器180與DSBAR 106和108之間的大聲阻抗比值使聲布拉格反射器180能夠提供DSBAR 106和108與基底102之間足夠的聲隔離以使FBAR 110和120響應(yīng)于在它們中一個的電極之間施加的輸入電信號而機(jī)械諧振并使FBAR 150和160響應(yīng)于在它們中一個的電極之間施加的輸入電信號而機(jī)械諧振。在每個DSBAR中，在接收輸入電信號的FBAR中產(chǎn)生的聲能通過各自的聲解耦器130或170傳送到其它的FBAR。接收聲能的FBAR將聲能的一部分轉(zhuǎn)化成在它的電極之間提供的電輸出信號。接收聲能的FBAR的電極之間的電信號輸出的帶通頻率響應(yīng)特性基本上沒有不希望的亂真假象。
圖6D示意性地示出了將DSBAR 106和108相互連接并將DSBAR 106和108與外電路(未示出)連接的電路的實(shí)施例。電路141將下FBAR110和150反平行連接并連接到信號端子143和接地端子144。在圖6A-6C中示出的實(shí)施方式中，端子墊片138提供信號端子143，端子墊片132和172提供接地端子144。在該實(shí)施方式中，由從端子墊片132向FBAR 110的電極112延伸的電跡線133、從FBAR 110的電極114向與互連墊片176電接觸的互連墊片136延伸的電跡線137、從互連墊片176向信號墊片138延伸的電跡線139、從互連墊片176向FBAR150的電極152延伸的電跡線177、從FBAR 150的電極154向端子墊片172延伸的電跡線173和將端子墊片132和172互連的電跡線167形成電路141(圖6D)。
在圖6D中示出的代表性電路示意圖中，電路142將上FBAR 120和160串聯(lián)連接并連接到信號端子145和146以及可選的中心抽頭端子147。在圖6A-6C中示出的實(shí)施方式中，端子墊片134和174提供信號墊片145和146，端子墊片178提供中心抽頭端子147。在該實(shí)施方式中，由從端子墊片134向FBAR 120的電極124延伸的電跡線135、從FBAR 120的電極122向FBAR 160的電極162延伸的電跡線171、從跡線171向中心抽頭137延伸的電跡線179以及從FBAR 160的電極164向端子墊片174延伸的電跡線175形成電路142。還示出了端子墊片163和168通過為端子墊片134和174提供局部接地的電跡線169而被互連。在示出的實(shí)施例中，電跡線169還延伸到端子墊片178。在其它實(shí)施例中，端子墊片178保持浮動。
在圖6D中示出的電連接提供了具有平衡的初級和4∶1阻抗轉(zhuǎn)換比的FACT或者具有平衡的次級和1∶4阻抗轉(zhuǎn)換比的FACT。下FBAR可選擇地平行、串聯(lián)和反串聯(lián)互連，并且上FBAR可選擇地平行、反平行和反串聯(lián)互連以獲得如下面的表1所示的其它阻抗轉(zhuǎn)換比。

表1在表1中，行的注釋表示電路141的配置，列的注釋表示電路142的配置，B表示FACT是電平衡的，U表示FACT是不平衡的，并且X表示非功能性的FACT。示出的阻抗轉(zhuǎn)換比是從行注釋表示的電路141的配置到列注釋表示的電路142的配置的阻抗轉(zhuǎn)換。對于具有1∶1轉(zhuǎn)換比的配置來說，低表示FACT具有與并聯(lián)的兩個FBAR的阻抗相等的低阻抗，并且高表示FACT具有與串聯(lián)的兩個FBAR的阻抗相等的高阻抗。
可選擇的實(shí)施方式(未示出)具有結(jié)構(gòu)上與上面參照圖4所述的聲布拉格反射器280而不是聲布拉格反射器180相似的聲布拉格反射器。在這樣的實(shí)施方式中，省去了第二金屬布拉格層186和第二塑料布拉格層188，第一金屬布拉格層182與第一塑料布拉格層184的順序相反，對第一金屬布拉格層182進(jìn)行圖形化以形成基底側(cè)電極112和152，在四分之一波長厚的金屬層中形成遠(yuǎn)側(cè)電極114和154，并且限定壓電元件116和156的厚度以提供穿過FBAR 110和150的3π弧度的總相移。構(gòu)造FBAR 120和160以具有與FBAR 110和150相同的諧振頻率。
用晶片規(guī)模制備方法來同時制備幾千個與上面描述的FBAR器件100、200、300或400相似的FBAR器件。這種晶片規(guī)模制備方法使FBAR器件的制造很低廉。下面將參照圖7A-7K的平面圖和圖7L-7V的橫截面圖來描述用來制備上面參照圖5A和5B所述的FBAR器件300的實(shí)施方式的制備方法的實(shí)施例。使用不同的掩模，也可以用該工藝來制備FBAR器件100、200和400的實(shí)施方式。省去的、制備FBAR器件100和200的實(shí)施方式的操作將在下面的描述中指出。將要描述其制備工藝的FBAR器件300的實(shí)施方式的通帶具有大約1.9GHz的標(biāo)稱中心頻率。在其它頻率運(yùn)行的實(shí)施方式在結(jié)構(gòu)和制備方法方面相似，但是具有與下面所示例的不同的厚度和側(cè)向尺寸。將要描述其制備工藝的FBAR器件300的實(shí)施例具有結(jié)構(gòu)上與上面參照圖3B所述的聲布拉格反射器180相似的聲布拉格反射器?？梢詫λ龅墓に囘M(jìn)行修改以沉積更少的布拉格層來制備在結(jié)構(gòu)上如上面參照圖3C-3F所述的聲布拉格反射器。
提供單晶硅的晶片。對于每個被制備的FBAR器件，晶片的一部分構(gòu)成相應(yīng)于FBAR器件300的基底102的基底。圖7A-7K和圖7L-7V圖示出了并且下面的描述說明了在晶片的一部分上制備FBAR器件300。晶片上其余的FBAR器件與制備FBAR器件300相類似地進(jìn)行制備。
如圖7A和7L所示，在基底102的表面上沉積第一金屬層并圖形化以形成第一金屬布拉格層182。
在一個實(shí)施方式中，第一金屬層和第二金屬層分別是通過濺射沉積到大約800nm厚度的相應(yīng)的鉬層，第二金屬層的沉積將在下面描述。在另一個具有三個或更多個布拉格層的實(shí)施方式中，第一金屬層和第二金屬層的厚度是300nm。通過干蝕刻對第一和第二金屬層進(jìn)行圖形化。對每個金屬布拉格層進(jìn)行圖形化以從基底102的側(cè)面插入它的側(cè)面。
如圖7B和7M所示，在第一金屬層的主表面上沉積第一層塑料材料并圖形化以形成第一塑料布拉格層184。
在一個實(shí)施方式中，第一層塑料材料和第二層塑料材料分別是具有約200nm(也就是聚酰亞胺中中心頻率波長的四分之一)厚度的層，第二層塑料材料的沉積將在下面描述。第一層塑料和第二層塑料分別沉積到第一金屬布拉格層182和第二金屬布拉格層186上，并進(jìn)行固化以形成一層。在每次沉積后，在進(jìn)行后面的工藝之前，最初在空氣中在250℃左右的溫度下然后最后在例如氮?dú)獾亩栊詺怏w中在415℃左右的溫度下烘焙晶片。烘焙使聚酰亞胺的可揮發(fā)性組成物揮發(fā)，并防止在隨后的工藝過程中這樣的可揮發(fā)性組成物的揮發(fā)引起隨后沉積的層的層離。然后對每層塑料進(jìn)行圖形化以形成相應(yīng)的塑料布拉格層。通過光刻(photolithograph)來進(jìn)行圖形化。聚酰亞胺是光阻性的，從而不需要光阻劑。對每個塑料布拉格層進(jìn)行圖形化以從基底102的側(cè)面插入它的側(cè)面。
在另一個實(shí)施方式中，通過沉積來形成第一塑料層和第二塑料層中每一個的塑料材料是通過真空沉積沉積的、由二聚物前驅(qū)體聯(lián)對二甲苯制得的聚對二甲苯。第一塑料層和第二塑料層分別圖形化為各自的塑料布拉格層，下面將參照對交聯(lián)的聚亞苯基聚合物層進(jìn)行圖形化以形成聲解耦器130來進(jìn)行描述。
在另一個實(shí)施方式中，旋涂交聯(lián)聚亞苯基聚合物的前驅(qū)體溶液來形成具有約187nm(也就是交聯(lián)聚亞苯基聚合物中中心頻率波長的四分之一)厚度的第一塑料層和第二塑料層中的每一個。在一個實(shí)施例中，交聯(lián)的聚亞苯基聚合物的前驅(qū)體溶液是由The Dow Chemical Company出售的并且名稱為SiLKTMJ。可選擇地，前驅(qū)體溶液可以是由The DowChemical Company以SiLK為商標(biāo)出售的前驅(qū)體溶液中任何適合的一種。在某些實(shí)施方式中，在旋涂前驅(qū)體溶液之前沉積助粘劑的層。含有低聚物的、當(dāng)固化時形成具有2Mrayl左右聲阻抗的交聯(lián)聚亞苯基聚合物的前驅(qū)體溶液現(xiàn)在或?qū)砜梢詮钠渌?yīng)商得到，并且也可以使用。然后在進(jìn)行后面的工藝之前，在例如真空或氮?dú)獾亩栊詺夥罩性?85℃左右到450℃左右的溫度下烘焙晶片。烘焙首先從前驅(qū)體溶液中驅(qū)除有機(jī)溶劑，然后使低聚物如上所述發(fā)生交聯(lián)以形成交聯(lián)的聚亞苯基聚合物。如下所述分別對第一塑料層和第二塑料層進(jìn)行圖形化以形成各自的塑料布拉格層。
如上所述和如在圖7C和7N中所示，在第一塑料布拉格層184的表面上沉積第二金屬層并進(jìn)行圖形化以形成第二金屬布拉格層186。
如上所述和在圖7D和70中所示，在第二金屬布拉格層186的表面上沉積上述的第二層塑料材料并進(jìn)行圖形化以形成第二塑料布拉格層188。第二層塑料材料的沉積和對第二層塑料進(jìn)行圖形化以形成第二塑料布拉格層188完成了聲布拉格反射器180的制備。
當(dāng)制備環(huán)境中其設(shè)計(jì)規(guī)則要求端子墊片132、134和138(圖5A)位于基底102的表面上而不是位于沉積在基底上的層的表面上時，上述每個布拉格層的圖形化還在端子墊片132、134和138的位置處形成了窗口，布拉格層的沉積在上面描述過了。該窗口提供進(jìn)入基底102的表面的入口。
如圖7E和7P中所示，在第二塑料布拉格層188的表面上沉積第三金屬層并進(jìn)行圖形化以形成電極112、端子墊片132和在電極112與端子墊片132之間延伸的電跡線133。
電極112在平行于晶片主表面的平面內(nèi)典型地具有不對稱的形狀。如在授予LarsonIII等人的美國專利No.6215375中所述，不對稱的電極形狀使它作為部分構(gòu)成的FBAR的側(cè)面振蕩最小化，該專利的公開內(nèi)容包括在本公開中作為參考。
另外參考圖5B，在第四金屬層中形成電極114，在第五金屬層中形成電極122并在第六金屬層中形成電極124，這將在下面詳細(xì)描述。對在其中形成電極的金屬層進(jìn)行圖形化，使得在平行于晶片主表面的各自的平面內(nèi)，F(xiàn)BAR 110的電極112和114具有相同的形狀、尺寸、方向和位置，并且FBAR 120的電極122和124具有相同的形狀、尺寸、方向和位置。典型地，電極114和122也具有相同的形狀、尺寸、方向和位置。
在一個實(shí)施方式中，每個金屬層的材料是通過濺射沉積的鉬。金屬層分別通過干蝕刻進(jìn)行圖形化。在第三到第六金屬層中的每一個中形成的電極是五邊形的，每一個具有約12000平方μm的面積和約300nm的厚度。其它的電極面積賦予其它的特性阻抗。
可選擇地用其它難熔金屬例如鎢、鈮和鈦?zhàn)鳛榈谝坏降诹饘賹拥牟牧?。金屬層可選擇地包括多于一種材料的層。在選擇FBAR器件300的電極和金屬布拉格層的材料時需要考慮的一個因素是電極和金屬布拉格層的材料的聲學(xué)性能FBAR器件300的其余金屬部件的材料的聲學(xué)性能沒有例如電導(dǎo)率的其它性能重要。因此，F(xiàn)BAR器件300的其余金屬部件的材料可以與電極和金屬布拉格層的材料不同。
如圖7F和7Q中所示，沉積壓電材料的第一壓電層117并圖形化以形成壓電元件116。對第一壓電層117進(jìn)行圖形化以暴露與電極112連接的端子墊片132。
在一個實(shí)施方式中，通過沉積來形成第一壓電層117和下面所述的第二壓電層127的壓電材料是氮化鋁，并且通過濺射沉積具有約1.4μm厚度。通過氫氧化鉀中的濕蝕刻或氯基干蝕刻對壓電材料進(jìn)行圖形化。壓電層117和127可選擇的材料包括氧化鋅、硫化鎘和極化的鐵電材料，如包括鈦酸鉛鋯、偏鈮酸鉛和鈦酸鋇的鈣鈦礦鐵電材料。
如圖7G和7R中所示，沉積第四金屬層并圖形化以形成電極114、端子墊片134和在電極114與端子墊片134之間延伸的電跡線135。
然后如圖7H和7S中所示，沉積一層聲解耦材料并進(jìn)行圖形化以形成聲解耦器130。對聲解耦器130進(jìn)行圖形化以至少覆蓋電極114，并且還進(jìn)行圖形化以暴露端子墊片132和134。聲解耦層131典型地是塑料材料的四分之三波長的層。在FBAR器件100的制備中省去了這個操作。
在一個實(shí)施方式中，聲解耦層131的聲解耦材料是具有約200nm(也就是聚酰亞胺中中心頻率波長的四分之一)厚度的層。通過旋涂沉積聚酰亞胺并通過光刻來進(jìn)行圖形化。聚酰亞胺是光阻性的，從而不需要光阻劑。如上所述，可以用其它塑料材料作為聲解耦材料?？梢酝ㄟ^除旋涂之外的其它方法沉積聲解耦材料。
在其中聲解耦材料是聚酰亞胺的實(shí)施方式中，在沉積和圖形化聚酰亞胺后，如上所述烘焙晶片以使聚酰亞胺的可揮發(fā)性組成物揮發(fā)，并防止在隨后的工藝過程中這樣的可揮發(fā)性組成物的揮發(fā)引起隨后沉積的層的層離。
如圖7I和7T中所示，沉積第五金屬層并圖形化以形成電極122和從電極122向端子墊片134延伸的電跡線137。端子墊片134還通過跡線135與電極114電連接。在FBAR器件100的制備中省去了這個操作。
沉積并圖形化壓電材料的第二層127以形成壓電元件126。如圖7J和7U中所示，對壓電層127進(jìn)行圖形化以暴露端子墊片132和134。在FBAR器件100的制備中省去了這個操作。
如圖7K和7V中所示，沉積第六金屬層并圖形化以形成電極124、端子墊片138和從電極124向端子墊片138延伸的電跡線139。在FBAR器件100的制備中省去了這個操作。
在端子墊片132、134和138暴露的表面上沉積一個金保護(hù)層。
然后將晶片分成單個的FBAR器件，包括FBAR器件300。將每個FBAR器件安裝在包裝中并在FBAR器件的端子墊片132、134和138與包裝的一部分的墊片之間進(jìn)行電連接。
如上所述，聲解耦層131的聲解耦材料的可選擇的聲解耦層是交聯(lián)的聚亞苯基聚合物。如上面參照圖7G和7R所述，在已對第四金屬層進(jìn)行圖形化以形成電極114之后，按照與上面參照圖7H和7T所述的方式相類似的方式，涂覆交聯(lián)聚亞苯基聚合物的前驅(qū)體溶液，但是不進(jìn)行圖形化。選擇前驅(qū)體溶液的配方和涂覆速度，使得交聯(lián)的聚亞苯基聚合物形成具有約187nm厚度的層。這與具有與FBAR器件300通帶中心頻率相等的頻率的聲信號在交聯(lián)的聚亞苯基聚合物中的波長λn的四分之一相一致。然后在進(jìn)行進(jìn)一步的工藝之前，在例如真空或氮?dú)獾亩栊詺夥罩性?85℃左右到450℃左右范圍內(nèi)的溫度下烘焙晶片。烘焙首先將有機(jī)溶劑從前驅(qū)體溶液中驅(qū)除，然后如上所述發(fā)生交聯(lián)以形成交聯(lián)的聚亞苯基聚合物。
然后按照與上面參照圖7I和7T所述的方式相類似的方式在交聯(lián)的聚亞苯基聚合物的層上沉積第五金屬層，但是最初類似于在圖7H中示出的聲解耦層131的圖形化來進(jìn)行圖形化以形成硬掩模，后面將用該硬掩模使交聯(lián)的聚亞苯基聚合物的層圖形化以形成聲解耦層。最初圖形化的第五金屬層具有與聲解耦層131相同的區(qū)域并且暴露端子墊片132和134。
然后用最初圖形化的第五金屬層作為硬蝕刻掩模如圖7H所示對交聯(lián)聚亞苯基聚合物層進(jìn)行圖形化。對交聯(lián)聚亞苯基聚合物的層進(jìn)行圖形化形成聲解耦層的區(qū)域，其暴露端子墊片132和134。用氧等離子蝕刻進(jìn)行圖形化。
然后如圖7I和7T中所示對第五金屬層進(jìn)行再圖形化以形成電極122和在電極122與端子墊片134之間延伸的電跡線137。
通過進(jìn)行上面參照圖7J、7K、7U和所述的工藝來完成具有交聯(lián)的聚亞苯基聚合物層作為其聲解耦器的FBAR器件300的實(shí)施方式的制備。
在其中的第一塑料布拉格層184和第二布拉格層188是交聯(lián)聚亞苯基聚合物或聚對二甲苯的層的實(shí)施方式中，可以用類似的工藝對塑料布拉格層進(jìn)行圖形化。對在其中形成第二金屬布拉格層186的第二金屬層最初進(jìn)行圖形化以在第一層塑料中形成第一塑料布拉格層184，并且對在其中形成電極112的第三金屬層最初進(jìn)行圖形化以在第二層塑料中形成第二塑料布拉格層188。
在其中的聲布拉格反射器具有不超過一個塑料布拉格層的FBAR器件200和其它FBAR器件的制備工藝中，第一層塑料和第一金屬層的沉積順序相反。在第一層塑料上沉積第一金屬層之前，在基底102的主表面上沉積第一層塑料材料。然后如上面參照圖7E和7P所述，對第一金屬層進(jìn)行圖形化以形成電極112、端子墊片132和在電極112與端子墊片132之間延伸的電跡線133。而且，省去了第二金屬層和第三金屬層的沉積。將金屬層沉積到800nm的厚度，這個厚度與四分之一波長厚度相對應(yīng)。將壓電材料沉積到提供所需要的諧振頻率的厚度。
圖8A是示出在從1.7GHz到2.1GHz左右的頻率范圍內(nèi)第一測試結(jié)構(gòu)的反射系數(shù)矢量的史密斯圓圖。第一測試結(jié)構(gòu)類似于在圖3D中示出的FBAR器件100的實(shí)施方式，其中FBAR 110由兩個440nm厚的鉬電極和在電極之間的760nm厚的氮化鋁壓電元件構(gòu)成，并且聲阻抗反射器183由作為第一金屬布拉格層182的440nm厚(約λn/8)的鉬層和作為第一塑料布拉格層184的800nm厚(約3λn/4)的聚酰亞胺層構(gòu)成。這個圖顯示出由于FBAR與基底之間的聲耦合產(chǎn)生的多個亂真假象。
圖8B是示出在上面的頻率范圍內(nèi)第二測試結(jié)構(gòu)的反射系數(shù)矢量的史密斯圓圖。第二測試結(jié)構(gòu)類似于在圖3E中示出的FBAR器件100的實(shí)施方式，其中FBAR 110由兩個220nm厚的鉬電極和在電極之間的1.5μm厚的氮化鋁壓電元件構(gòu)成，并且聲布拉格反射器185由作為第一塑料布拉格層184的220nm厚(約λn/4)的聚酰亞胺層、作為第一金屬布拉格層182的225nm厚(約λn/16)的鉬層和作為第二塑料布拉格層188的220nm厚的聚酰亞胺層構(gòu)成。這個圖幾乎沒有亂真假象，這表示盡管第一金屬布拉格層182具有遠(yuǎn)小于四分之一波長的厚度，但是聲布拉格反射器185提供充分的聲隔離。
本公開用圖解的實(shí)施方式詳細(xì)描述了本發(fā)明。然而，由附加權(quán)利要求所限定的本發(fā)明不受所描述的精確實(shí)施方式的限制。
權(quán)利要求
1.一種薄膜體聲諧振器(FBAR)器件，包括基底；在基底上方的聲布拉格反射器，該聲布拉格反射器包括金屬布拉格層和與該金屬布拉格層鄰接的塑料布拉格層；在聲布拉格反射器上方的壓電元件；和在壓電元件上方的遠(yuǎn)側(cè)電極。
2.權(quán)利要求1的FBAR器件，其中對金屬布拉格層進(jìn)行圖形化來形成基底側(cè)電極。
3.權(quán)利要求2的FBAR器件，其中基底側(cè)電極、壓電元件和遠(yuǎn)側(cè)電極共同構(gòu)成下FBAR；以及該FBAR器件還包括層疊在下FBAR上的上FBAR，該上FBAR包括相對的平面電極和在電極之間的壓電元件，和在FBAR之間的聲解耦器。
4.權(quán)利要求3的FBAR器件，其中下FBAR、上FBAR和聲解耦器構(gòu)成第一解耦層疊體聲諧振器(DSBAR)；以及該FBAR器件還包括在塑料布拉格層上方的第二DSBAR，該第二DSBAR包括下FBAR、上FBAR和在FBAR之間的聲解耦器，和使下FBAR互連的第一電路，以及使上FBAR互連的第二電路。
5.權(quán)利要求1的FBAR器件，還包括在聲布拉格反射器與壓電元件之間的基底側(cè)電極。
6.權(quán)利要求5的FBAR器件，其中基底側(cè)電極、壓電元件和遠(yuǎn)側(cè)電極共同構(gòu)成下FBAR；以及該FBAR器件還包括層疊在下FBAR上的上FBAR，該上FBAR包括相對的平面電極和在電極之間的壓電元件，和在FBAR之間的聲解耦器。
7.權(quán)利要求6的FBAR器件，其中下FBAR、上FBAR和聲解耦器構(gòu)成第一解耦層疊體聲諧振器(DSBAR)；以及FBAR器件還包括在聲布拉格反射器上方的第二DSBAR，該第二DSBAR包括下FBAR、上FBAR和在FBAR之間的聲解耦器，和使下FBAR互連的第一電路，以及使上FBAR互連的第二電路。
8.權(quán)利要求1-7中任何一項(xiàng)的FBAR器件，其中該塑料布拉格層是第一塑料布拉格層；該聲布拉格反射器還包括與該金屬布拉格層鄰接的第二塑料布拉格層。
9.權(quán)利要求1-7中任何一項(xiàng)的FBAR器件，其中該金屬布拉格層是第一金屬布拉格層；該聲布拉格反射器還包括與該塑料布拉格層鄰接的第二金屬布拉格層。
10.權(quán)利要求9的FBAR器件，其中該塑料布拉格層是第一塑料布拉格層；該聲布拉格反射器還包括與該第一金屬布拉格層鄰接的第二塑料布拉格層。
11.權(quán)利要求1-10中任何一項(xiàng)的FBAR器件，其中該聲布拉格反射器具有從基底的側(cè)面插入的側(cè)面。
12.權(quán)利要求1-11中任何一項(xiàng)的FBAR器件，其中該FBAR器件有具有中心頻率的帶通特性；以及布拉格層中的至少一層具有的標(biāo)稱厚度等于頻率與該中心頻率相等的聲信號在相應(yīng)布拉格層的材料中的波長的四分之一。
13.權(quán)利要求12的FBAR器件，其中金屬布拉格層比標(biāo)稱厚度薄。
14.權(quán)利要求1-12中任何一項(xiàng)的FBAR器件，其中該塑料布拉格層包括聚酰亞胺。
15.權(quán)利要求1-12中任何一項(xiàng)的FBAR器件，其中該塑料布拉格層包括聚對二甲苯。
16.權(quán)利要求1-12中任何一項(xiàng)的FBAR器件，其中該塑料布拉格層包括交聯(lián)的聚亞苯基聚合物。
17.權(quán)利要求16的FBAR器件，其中該交聯(lián)的聚亞苯基聚合物由The Dow Chemical Company以商標(biāo)SiLK出售的前驅(qū)體溶液所形成。
18.權(quán)利要求1-17中任何一項(xiàng)的FBAR器件，其中該金屬布拉格層包括難熔金屬。
19.前面權(quán)利要求中任何一項(xiàng)的FBAR器件，其中該塑料布拉格層包括具有小于五的聲阻抗的塑料材料，并且該金屬布拉格層具有大于50的聲阻抗的金屬。
20.前面權(quán)利要求中任何一項(xiàng)的FBAR器件，其中該塑料布拉格層包括具有第一聲阻抗的塑料材料，該金屬布拉格層包括具有第二聲阻抗的金屬，該第二聲阻抗和第一聲阻抗具有大于十的比值。
全文摘要
一種薄膜體聲諧振器FBAR器件(100)包括基底(102)、該基底上方的聲布拉格反射器(180)、在該聲布拉格反射器上方的壓電元件(116)和該壓電元件上方的遠(yuǎn)側(cè)電極(114)。聲布拉格反射器包括與塑料布拉格層(184)鄰接的金屬布拉格層(182)。塑料布拉格層的塑料材料與金屬布拉格層的金屬的聲阻抗之間的大比值提供了FBAR與基底之間的充分的聲隔離，使FBAR器件的頻率響應(yīng)即便存在由于FBAR與基底之間不希望的聲耦合而引起亂真的假象，也很少。
文檔編號H03H9/60GK1868119SQ200480029992
公開日2006年11月22日 申請日期2004年10月29日 優(yōu)先權(quán)日2003年10月30日
發(fā)明者J·D·拉森三世, S·L·艾利斯, Y·奧什邁安斯基, P·A·布拉利 申請人:阿瓦戈科技通用Ip(新加坡)股份有限公司