專利名稱：密封腔上的壓電諧振器及其制造方法
技術領域：
本發明涉及壓電器件，尤其涉及具有密封腔的壓電器件。
目前，有一類表面聲波(SAW)濾波器在手持無線電設備領域被廣泛用作RF濾波器及其類似的濾波器。壓電濾波器由一個或多個能造得小而輕的壓電諧振器組成，從而使它在小型便攜式通信裝置中特別有用。
另一類為體聲波(BAW)諧振器濾波器，它的體積更小且有可能被集成到IC制造工藝中。這些壓電諧振器很靈敏且必須被形成在一個相對堅固的襯底上。然而，為了能使壓電諧振器正確工作，它必須與襯底退耦合，否則襯底將衰減需要的諧振或振蕩。
在一些用現有技術制造的BAW器件中，退耦是通過在襯底表面形成一壓電諧振器，然后從背面蝕刻出一個大體上穿過襯底的空腔。既然襯底是相對堅固的，那么這一過程就需要進行量大且困難的蝕刻，并需要十分小心地操作，以保證在壓電器件損壞前停止蝕刻。另外，由于必需的蝕刻量大，所以留在壓電器件下的襯底的厚度的起伏可能會相當大。由于薄膜諧振器的總的厚度必須是整數倍個半波長，因此這一厚度的變化表明它們已具有非受控的諧振頻率。
在另一些用現有技術制造的BAW器件中，退耦是通過在襯底上形成一防蝕消耗層，然后在防蝕消耗層上形成一支撐層來完成的。然后再將壓電器件形成在支撐層上并把防蝕消耗層蝕刻掉。這樣就留下了象橋一樣跨過一空氣間隙的支撐層，由此將壓電晶體與襯底退耦。用這種方法制造壓電器件存在的問題是防蝕消耗層很難被精確蝕刻。而且，空氣間隙必須是開口的，以便能蝕刻防蝕消耗層，但假如需要一個密封腔，這空氣間隙很難再被密封。一個密封的真空腔可以減少由于空氣阻尼而引起的損耗并可以導致更好的濾波器。然而，這一方法需要很多附加的工藝步驟，從而會導致成本極大的增加。
因此，需要能設計出一種簡單又成本低廉的制造壓電諧振的新工藝。
本發明的一個目的是提供一種新的和改進了的制造一個在密封腔上的壓電諧振器的方法。
本發明的另一目的是提供一種新的和改進了的制造一個在密封腔上的壓電諧振器的方法，它遠比現有技術中的方法容易實施且成本更為低廉。
本發明的又一另外目的是提供一種新的和改進了的制造在密封腔上的壓電諧振器的方法，該方法中的步驟可更為精確地實施，從而可獲得更好的一致性和可靠性。
本發明的進一步的目的是提供一種新的和改進了的在密封腔上的壓電諧振器。
本發明的又一進一步的目的是提供一種新的和改進了的在密封腔上的壓電諧振器，該諧振器比現有技術的諧振器小且易于制造，而且該諧振器比現有技術的諧振器，廉價且更可靠。
在一種下述的制造具有密封空腔的薄膜壓電諧振器的方法中，上述的問題和其它一些問題至少是部分得到了解決，并且上述的目的得以實現。該方法包括制備一個在其表面具有密封空腔的第一襯底，制備一個在其表面具有一層介電層的第二襯底，并將第二襯底上的介電材料層以相對復蓋著該密封腔的方式接合在第一襯底上。如果必要的話，可以通過相對簡單的機械加工步驟，例如研磨和拋光，顯著地減小第二襯底的厚度。然后將至少第二襯底的一部分從介電層刻蝕掉，以在密封空腔的上部區域上暴露出一個刻蝕平面。在蝕刻平面上定位設置第一電極，在第一電極上定位設置一個壓電膜，并將第二電極定位設置在壓電膜上。
下面對參考附圖進行說明，其中相同的參考標號在所有這些不同的圖中表示相同的部分。
圖1-4是經過簡化且被放大了的局部剖面圖，它們示出了根據本發明制造帶密封腔的薄膜壓電諧振器的工藝中的幾個步驟。
下面說明最佳實施例。圖1-4是經過簡化且被放大了的剖面圖，它們示出了根據本發明制造帶密封腔的薄膜壓電諧振器的工藝中的幾個步驟。參考圖1示出了一個具有上平面表面11的襯底10，襯底10的材料可以是任何容易加工的合適的材料，即任何公知的半導體材料。在本具體的實施例中，襯底10是常規的用于制造半導體產品的硅晶片。
通過任何便捷的方式，在襯底10的上平面表面11上形成一個盆狀的凹陷或空腔12。應該理解的是，在這兒的附圖只示出了包含襯底10和僅一個空腔11的晶片的一部分，實際上，襯底10可以包含大量的空腔12，且所有這些空腔被同時形成。在這一實施例中，空腔12是通過采用公知技術中的掩模，光刻等方式，在上平面表面11上形成圖案并刻蝕襯底10形成。
制備具有一平面表面的第二襯底14，并在第二襯底14的所述平面表面上放置一層通常是介電材料的層15，以在襯底14和層15的結合處形成一平面表面16。這里應該理解的是，附圖中僅示出了包含有襯底14的晶片的一部分，實際上襯底14的整個表面都可以被層15覆蓋，或者層15的圖案僅形成在覆蓋住空腔12的位置的表面上。層15由一種可使其平面表面16與第一襯底10的平面表面11相接合的材料形成。層15的材料還應在有選擇地刻蝕時，可以使第二襯底14與層15相區別。例如，這一優選實施例中，襯底14是硅晶片(如所描述的襯底10一樣)，而層15是一層可用任何公知的氧化技術長在襯底14的表面上的氧化層(SiO2)。
參考圖2，層15的表面與襯底10的平面表面11接合在一起，以至少覆蓋住空腔12。應該理解的是，任何接合技術，例如粘合劑或其它的化學片結合等技術，都可用于這一目的的實施。在這一優選實施例中，使用了一種標準的晶片接合技術，即配對表面被拋光以保證其平整度(planarity)然后將所述表面簡單地連接(重疊放置)，再簡單地加熱以形成一種堅固的化學接合。
然后通過研磨和/或拋光等機械加工方式，將襯底14加工成適宜的厚度，采用標準的半導體刻蝕技術將襯底14的剩余部分刻蝕掉。這里需要注意的是，機加工和/或刻蝕的量應視所用材料的初始厚度和去耦合特性而定。在這一優選實施例中，為了操作的簡便，整個晶片(襯底14)通過機加工和刻蝕被除去而露出表面16，這如圖3所示。在刻蝕過程中，二氧化硅層15形成了一個自然的刻蝕停止點，從而可保證不除去過多的材料。
參考圖4，然后在復蓋空腔12的層15的平面表面16上構造一個薄膜諧振器結構20。諧振器結構20包括一個位于復蓋空腔12的層15的平面表面16上的第一電極22，和一個隔著一層壓電膜25復蓋在第一電極22上的第二電極24。可用在諧振器制造技術中是公知的方法，將第一電極22形成在表面16上，將壓電膜25淀積在電極22上，并將第二電極24淀積在壓電膜25的表面上。這里應該理解的是，電極22和24可以采用任何公知的技術來形成，這些技術包括合適金屬的真空淀積，無電淀積等。
這里需要注意的是，可以在一個晶片上制造大量的單體壓電諧振器，也可以在一個晶片上僅制造一個壓電諧振器，然后將它們與形成在同一晶片上的電路集成在一起。通常一個壓電濾波器包含一個或多個連接在電路中的壓電諧振器。采用上述的制造技術，可以在單一襯底或稱晶片上制造出所需數目的壓電諧振器。并把它們電連接起來以形成所期望的壓電濾波器結構。例如，電連線回路的圖案可以在晶片上形成電極24的圖案的同時，被形成在晶片上。
本領域的技術人員應該知道壓電膜25，電極22和24，和氧化層的總體厚度應為半波長(或它的倍數)。為了能有良好的濾波特性(帶寬)，層15的厚度標稱上應是壓電膜25厚度的一半。假如希望有良好的一次諧波特性和良好的溫度補償特性，那么氧化層15的厚度也可以增加到壓電膜25厚度的1.5倍。在這一實施例中，生長在硅襯底14上的氧化層15的厚度可以被非常精確地控制。另外，既然層15在除去襯底14的過程中形成了一個自然的刻蝕止點，那么層15的厚度在余下的制造工藝過程中不會顯著地改變。這樣，如調諧工序等在現有技術的制造工藝中是必需的操作都不需要了，或者說可顯著地減少了。而且，因為在這一實施例中，空腔12是通過刻蝕形成且層16是生長成期望的厚度并被接合到襯底10上的，所以整個的壓電諧振器可以造得比現有技術中的諧振器小得多。
因此，本發明公開了一種制造在一密封腔上的壓電諧振器的新工藝，該工藝遠比現有技術中的方法更容易且成本低得多。另外，這種新的和改進了的制造在一密封腔上的壓電諧振器的方法，還包括有精確的多的實施步驟，因此可以獲得更好的一致性和可靠性。而且，這種新的和改進了的在一密封腔上的壓電諧振器比現有技術的諧振器更小且更易于制造，并且比現有技術的諧振器更廉價且更可靠。
盡管上面已示出并描述了本發明的一個具體的實施例，但對本領域的技術人員來說，進一步的修改和改動是可能的。因此，不難理解，本發明并不僅限于所示的特定形式，并且由所附的權利要求書涵蓋的所有改動，均不脫離本發明的實質和范圍。
權利要求
1.一種制造帶有一密封腔的薄膜壓電諧振器的方法，包括步驟制備帶有一平面表面的第一襯底；在所述襯底的所述平面上形成一個空腔；制備帶有一平面表面的第二襯底；在所述第二襯底的所述平面表面上放置一材料層，以在所述材料層上形成一與所述第二襯底的所述平面表面平行的平面表面，所述材料層的特點是可以被接合到所述第一襯底的所述表面，所述材料層的另一特點是所述第二襯底可以從所述材料層被選擇刻蝕；將所述材料層的所述平面表面以復蓋著空腔的方式接合到所述第一襯底的所述表面；從所述材料層上刻蝕掉所述第二襯底的一部分以暴露出一個在復蓋著所述空腔上的區域內的刻蝕平面；在所述空腔上部區域內的所述刻蝕平面上定位設置第一電極；在所述第一電極上定位設置一層壓電膜；和在所述壓電膜上定位設置第二電極。
2.根據權利要求1所述的一種制造帶密封腔的薄膜壓電諧振器的方法，其特征是在制備所述第一和第二襯底的工序中包括制備第一和第二硅襯底的工序。
3.根據權利要求2所述的一種制造帶密封腔的薄膜壓電諧振器的方法，其特征是在所述第二襯底的所述平面表面定位設置所述材料層的工序包括在所述第二襯底的所述平面表面生長成一層二氧化硅層的工序。
4.根據權利要求3所述的一種制造帶密封腔的薄膜壓電諧振器的方法，其特征是生長所述二氧化硅層的工序包括將所述層生長得大約有所述壓電膜的一半厚的工序。
5.根據權利要求1所述的一種帶密封腔的薄膜壓電諧振器的方法，其特征是在所述第一襯底的所述平面表面內形成所述空腔的工序包括刻蝕所述第一襯底以形成所述空腔的工序。
6.根據權利要求1所述的一種制造帶密封腔的薄膜壓電諧振器的方法，其特征是在所述第一襯底的所述平面表面內形成所述空腔的工序包括形成大量分立的空腔的工序，從所述材料層上刻蝕掉所述第二襯底的所述部分以暴露出在覆蓋所述空腔的所述區域內的所述刻蝕平面的工序包括從所述材料層刻蝕掉所述第二襯底的一部分以暴露出在每一個覆蓋一空腔的區域內的所述刻蝕平面的工序，定位設置所述第一電極，所述壓電膜和所述第二電極的工序包括在覆蓋每一所述空腔的所述區域內的所述刻蝕平面上定位設置一個第一電極，一層壓電膜和一個第二電極的工序。
7.一種制造帶密封腔的薄膜壓電諧振器的方法，包括步驟制備一個帶一平面表面的第一硅襯底；基所述第一襯底的所述平面表面上刻蝕出一個空腔；制備一個帶一平面表面的第二硅襯底；在所述第二硅襯底的所述平面表面上長一層二氧化硅以在所述二氧化硅層上形成一個與所述第二硅襯底的所述平面表面平行的平面表面；把所述二氧化硅層的平面表面以復蓋所述腔體的方式接合到所述第一硅襯底的平面表面上；從所述二氧化硅上刻蝕掉所述第二硅襯底的一部分以暴露出一個在復蓋住所述空腔的區域內的刻蝕平面表面。在復蓋所述腔體的所述區域內的所述刻蝕平面上淀積第一金屬電極；以及在壓電膜上淀積第二金屬電極。
8.一種制造許多薄膜壓電諧振器，每一個都帶有一個密封腔的方法，包括步驟制備一個帶一個平面表面的第一硅片；在所述第一硅片的所述平面表面上刻蝕出許多分立的空腔；制備一個帶一個平面表面的第二硅片；在所述第二硅片的所述平面表面上長一層二氧化硅層以在所述二氧化硅層上形成一個與所述第二硅片的所述平面表面平行的平面表面；把所述二氧化硅層的所述平面表面片以復蓋所述許多空腔的方式接合到所述第一硅片的所述平面表面上；刻蝕第二硅片以在許多區域上都暴露出刻蝕平面表面，每一區域復蓋所述許多空腔中的一個；在復蓋每一所述空腔的區域上淀積許多第一金屬電極，每一所述第一金屬電極被淀積在每一所述空腔的上面；在所述許多第一金屬電極的上面淀積許多壓電膜，每一壓電膜被淀積在每一所述第一電極的上面； 以及在每一壓電膜的上面淀積許多第二金屬電極，每一個所述第二金屬電極被淀積在每一所述壓電膜的上面。
9.一種帶密封腔的薄膜壓電諧振器，包括一個帶一個平面表面的襯底；一個限定在所述襯底的所述平面表面內的腔體；一層接合到所述襯底的所述平表面上的介電材料層用以在復蓋所述腔體的所述材料層上形成一個平面表面；一個在復蓋所述腔的所述區域內的第一電極層，它被定位設置在所述材料層的所述平面表面上；一個定位設置在所述第一電極層上的壓電膜；以及一個定位設置在所述壓電膜上的第二電極層。
10.一種帶密封腔的薄膜壓電諧振器，包括一個帶一個平面表面的第一襯底；一個限定在所述第一襯底的所述平面表面內的空腔；一個帶一個表平面的第二襯底以及一個放置在所述第二襯底的所述平面表面上的介電材料層，用以在介電材料層上形成一個與所述第二襯底的所述平面表面平行的平面表面，所述介電材料層的所述平面表面被接合到所述第一襯底的所述平面表面上，第二襯底中的一些部分被除去以在復蓋所述空腔的所述介電材料層上形成第二表面平面；一個在復蓋所述腔的區域中的定位設置在所述介電材料層的所述第二表面平面上的第一電極；一層定位設置在所述第一電極上的壓電膜；以及一個定位設置在所述壓電膜上的第二電極。
全文摘要
制造一種帶密封腔的薄膜壓電諧振器的方法，包括形成一個在其表面帶空腔的第一襯底，形成一個在其表面帶介電層的第二襯底，并在空腔的覆蓋圍壁上把第二襯底接合到第一襯底上。然后把第二襯底的至少一部分從介電層被刻蝕掉以在覆蓋空腔的區中暴露出一個刻蝕平面表面。在刻蝕平面表面上定位設置第一電極，在第一電極上定位設置一層壓電膜，以及在壓電膜上定位設置第二電極。
文檔編號H03H3/02GK1148290SQ96111658
公開日1997年4月23日 申請日期1996年8月12日 優先權日1995年8月17日
發明者魯克·芒, 弗雷德·S·西克奈爾, 多納爾德·L·修斯 申請人:摩托羅拉公司