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CN119452571A - 体声装置和体声装置的制造方法 - Google Patents

体声装置和体声装置的制造方法 Download PDF

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CN119452571A CN202380036057.4A CN202380036057A CN119452571A CN 119452571 A CN119452571 A CN 119452571A CN 202380036057 A CN202380036057 A CN 202380036057A CN 119452571 A CN119452571 A CN 119452571A
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piezoelectric
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Abstract

体声装置，包括第一电极(1a；1b)和第二电极(2a；2b)；和在所述第一电极(1a；1b)和所述第二电极(2a；2b)之间布置的压电元件(3)，其中，如此构造所述压电元件(3)，在所述第一电极(1a；1b)存储的第一电磁信号在所述压电元件(3)中转换成声信号，其中，所述声信号在所述第二电极(2a；2b)中转换回第二电极信号；包括另一电介质层(7)，该电介质层包围所述第一电极(1a；1b)，所述第二电极(2a；2b)和所述压电元件(3)并且具有基本平坦的表面；其中，在所述电介质层(7)构造至少一个分离沟槽(11a；11b)，该分离沟槽至少部分地包围所述压电元件(3)。

Description

体声装置和体声装置的制造方法
技术领域
本发明涉及一种体声装置(Volumenakustische Vorrichtung)和体声装置的制造方法。
背景技术
在高频技术中，体声(英语：bulk acoustic wave,BAW)组件作为谐振器应用在滤波器和振荡器中。组件的工作频率主要通过压电层的层厚度和通过在压电材料中的声速确定。为了达到较高工作频率，必须减小层厚度。因此公差越来越重要。
通过压电材料较低的层厚度提高BAW组件的电容。为了可以保持波阻抗，所以必须同时减小组件面积。然而声能量在组件的边缘丢失。当组件缩小时边缘丢失随着工作频率平方增长。因此传统的BAW组件(BAW)技术在大约10GHz时遭遇极限。
由专利文献US2018/085787 A1和US2013/193808 A1可知一种BAW组件，在该组件中通过两种不同的带有相反极性的压电材料的堆叠在更高的运行频率时也可保持低电容，使得边缘丢失减小并且在毫米波领域实现更高的工作频率。
发明内容
本发明提供了一种体声装置和具有独立专利要求特征的体声装置的制造方法。
优选的实施方式是相应的从属权利要求的主题。
因此根据第一方面本发明涉及一种体声装置，该体声装置带有第一电极和第二电极，和在第一电极和第二电极之间布置的压电元件，其中，如此构造该压电元件，使得馈入第一电极中的第一电磁信号在该压电元件中转换成声信号，其中，该声信号在第二电极中转换回第二电磁信号。体声装置另外包括电介质层，该电介质层包围第一电极、第二电极和压电元件并且基本具有平坦的表面。在电介质层中构造至少一个分离沟槽，该分离沟槽至少部分地包围该压电元件。
根据第二方面本发明涉及一种体声装置的制造方法。因此提供基底。另外在该基底上布置有第一电极、第二电极和在第一电极和第二电极间布置的压电元件，其中，如此构造该压电元件，使得馈入第一电极中的第一电磁信号在该压电元件中转换成声信号，其中，该声信号在第二电极中转换回第二电极信号。另外构造电介质层，该电介质层包围第一电极、第二电极和压电元件并且基本具有平坦的表面。另外在电介质层中构造至少一个分离沟槽，该分离沟槽至少部分地包围压电元件。
本发明的优点
体声装置包括作为谐振器核心元件的压电元件。因此谐振器核心被电介质包围。为了通过引线和电极的重叠限制干扰寄生电容，该装置具有基本平坦化的表面。在此，如果没有分离沟槽，在外围经由电介质产生声能量的排放损失，这会导致非预期的，更高的插入损失。此外芯片可能通过应力耦合从外部弯曲或者因为温度自我弯曲，因此间接地经由电介质将应力耦合在谐振器核心中。这可能导致谐振器谐振频率或者滤波器组件带通边缘的偏差(温度漂移)。
因此根据发明，在电介质包围着的谐振器核心中引入同时作为声绝缘沟槽和应力耦合沟槽的至少一个分离沟槽。一方面，以这种方式在谐振器核心上减小应力耦合。另一方面，围绕谐振器核心周围的声能量被存储并且其不可能丢失，因为由于电介质-空气或者电介质-真空在表面的高声阻抗差异，声不能穿过分离沟槽。第三方面，类似谐振器核心的侧面成型，通过至少一个绝缘沟槽的形状和位置更好地抑制非预期的副波模式(Lateralmoden)(英语：spurious modes)。因此根据本发明的体声装置相对于环境影响在保持稳健性的条件下最小化了声能量损失和热漂移效应。另外，在(滤波器)芯片上相邻的体声装置间产生更小的插入损失和更小的声串扰(cross talk)。
根据体声装置的一个实施方式，分离沟槽在电介质中实施为墙状的和/或为柱列状的凹槽，其中，至少包括压电谐振器核心的平面。
根据体声装置的一个实施方式，至少一个分离沟槽完全包围压电元件。
根据一个实施方式，体声装置包括通向第一电极和/或第二电极的至少一个引线，其中，至少一个引线从上方越过或从下方越过至少一个分离沟槽。
根据体声装置的一个实施方式，膜跨越(überspannt)至少一个分离沟槽，其中，在该膜中构造通向第一电极和/或第二电极的引线。分离沟槽因此也可以完全环绕谐振器核心。
根据体声装置的一个实施方式，在第二电极下构造空腔，其中，该空腔和分离沟槽流体连接。因此分离沟槽能够实现空腔和周围环境间的压力比较。
根据体声装置的一个实施方式，至少一个分离沟槽至少部分地设置有钝化层。该钝化层保护免于水分吸收并且可以阻止提前的化学老化。有利地钝化层拥有层厚度，该层厚度相应在钝化材料中的谐振器核心的中心通过频率的声波长的四分之一。
根据体声装置的一个实施方式，多个作为谐振器的体声装置可以适用地在电路中互相连接至所谓的导体-和/或光栅配置。因此可实现滤波器组件，该滤波器组件对于特定的频率范围是可通过的，并且例如在移动通信中可以为每个频率带设计。借助这种滤波器，发送信道和接收信道间的信号干扰不仅在移动终端设备的通信模块中也在基站中可以避免。
更高的频率要求更小的层厚度，这例如导致关于层厚度精度的更高的要求。传统地，谐振器的侧向尺寸必须随着层厚度的降低同时按比例缩小，以补偿通过层厚度降低引起的电容增加以及能够保持例如50Ω的目标阻抗值。然而缩小可能引起更高的声能量损失，因为因此增加了外围和谐振器面积的比例。
根据体声装置的一个实施方式，压电元件因此包括带有整流后的极性的至少两个压电层和在至少两个压电层之间的至少一个中间层。压电层和中间层的声学层厚度分别相应于待传递的声信号的半声波长的奇数倍(1x，3x，…)。因此电容通过至少一个附加的中间层和一个另外的压电层的插入而降低。附加的压电层和至少一个中间层的插入相应附加串联电容的串联连接，该附加串联电容允许接受单个相应的更大的值，因为在串联连接时单个电容的倒数相加到总电容的倒数上。以这种方式，谐振器的侧向尺寸与这种没有中间层的情况相比可以更大。因此出现更小的边缘损失并且谐振器可以设计和使用用于更高的频率。
为了不破坏谐振，中间层的声学总层厚度适配在中间层的声目标波长。压电元件的声学总层厚度因此相应半声波长的奇数倍(1x，3x，…)。
在第二电极上的至少一个另外的压电层用于在第二电极上有效率地将电磁波转换回(Rückwandlung)声波。
体声装置使得能够开发更高的频率范围，并且伴随关于热漂移改进了的性能。在体声装置的第一电极处可以馈入(输入的)高频信号。该高频信号是第一电磁波，该第一电磁波在第一电极处被压电元件转换回声波并且在对面的第二电极处反向转换回第二电磁波。在给定的电磁或者声频率中根据下列公式得出声波长λa关于相应的层材料的声速cs：
λa＝cs/f
只要压电层和中间层堆的声学层厚度dp因此相应转换了的电磁波(即声信号)的半声波长的奇数倍(1x，3x，…)，即：
dp＝(n+1/2)*λa
对于n＝{0，1，…}，则传递并且此外反射输入信号。体声装置因此可以用作体声谐振器。
根据另一实施方式，体声装置包括多个压电层，其中，在相应的两个连续压电层之间分别存在一个中间层。
根据体声装置的另一实施方式，中间层通过单个层形成。单个层的声学层厚度在此相应于待传递的声信号的半声波长的奇数倍(1x，3x，…)，即目标波长。
根据体声装置的另一实施方式，至少一个中间层由多个子层组成，其中，子层的声学层厚度的总和相应于待传递的声信号的半声波长的奇数倍(1x，3x，…)。例如中间层包括两个子层，其波长：
λa/4+λa/4＝λa/2
或者：
λa/4+5λa/4＝3λa/2
或者：
3λa/4+3λa/4＝3λa/2
这里第一相加数说明相应的第一子层的声学层厚度并且第二相加数说明第二子层的声学层厚度。然而该原理可以以类似的方式转移到多于两个的子层。
根据体声装置的另一实施方式，压电层和中间层的声学层厚度相应于待传递的声信号相应的半声波长。换言之，根据本发明，压电元件的声学总层厚度是3λa/2。因此在中间层和压电层中出现基础的谐振(即n＝0，最低阶)。这是有利的，因为在这种情况下出现最高的品质因数，滤波器边缘可以特别陡峭(steil)并且插入损失可以特别小。
根据体声装置的另一实施方式，中间层的材料包括电介质，例如氧化硅、氮化硅、碳化硅、氧化铝或类金刚石碳(DLC：diamondlike carbon)。优选的材料具有本征极小的介电和/或声的阻尼和适配的热膨胀系数。
根据体声装置的另一实施方式，至少一个中间层是多层组装的，例如由具有奇数倍(1x，3x，…)的λa/4层厚度的声布拉格反射层。对于反射层合适的材料对(Materialpaare)的特点是，材料的声速的不同和极小的材料阻尼。可能的材料是，对于低声速：例如钛(Ti)、钽(Ta)或铜(Cu)，或者对于高声速：铝(Al)、镍(Ni)、钨(W)或者钼(Mo)。
根据体声装置的另一实施方式，电介质和半导体和/或金属层的组合设置为(一个或多个)中间层。
根据体声装置的另一实施方式，之前说明的不同的中间层可以互相以任意组合的方式出现。例如，压电元件可以具有多于两个的压电层和多于一个的中间层。在这种情况下至少一个中间层由带有奇数倍λa/2层厚度的单个层形成，并且另一中间层由带有奇数倍(1x，3x，…)的λa/4层厚度的多层声布拉格反射层形成。
根据体声装置的另一实施方式，压电层的材料包括氮化铝(AlN)或者掺钪氮化铝(ScAlN)。这是有利的，由于高声速允许相对较大的层厚度。其他可能的材料有二氧化锌(ZnO2)、铌酸锂(LiNbO3)或钽酸锂(LiTaO3)。
根据体声装置的另一实施方式，第一电极和/或第二电极构造为声布拉格反射器-类似之前已经说明的中间层。因此布拉格反射层可以插入基底和压电元件之间，为此可以避免声能量在基底的损失，以保持小的插入损失。在此涉及SMR(固态装配谐振器solidlymounted resonator)结构。SMR结构由于较好地热耦接在基底上在应用中是有利可使用的，在应用中必须处理高功率，例如在基站和在移动无线终端的发送路径。
根据体声装置的另一实施方式，底切第一和/或第二电极(并且因此压电元件)。因此是FBAR(薄膜体声谐振器film bulk acoustic resonator)结构。在这种情况下，电极-空气在表面反射声，因为FBAR结构具有较小的插入损失，这对于更大的带宽和对于移动无线终端的发送路径是有利的。
根据另一实施方式，体声装置作为高精度时钟晶振器，在滤波器元件中对于GHz领域(尤其也大于10GHz)的频率或者作为重力谐波传感器是可使用的。体声装置可以尤其用于高频系统，例如在移动无线领域(20GHz-100GHz)或者雷达领域。
本发明的其他优点，特征和细节由下列说明书给出，在说明书中参照附图详细说明不同的实施例。
附图说明
这里示出：
图1：根据本发明实施方式的体声装置的示意性横截面视图；
图2：带有在图1中示出的体声装置的芯片的示意性俯视图视图；
图3：根据本发明的另一实施方式的体声装置的示意性横截面视图；
图4：带有在图3中示出的体声装置的芯片的示意性俯视图视图；
图5：根据本发明的另一实施方式的体声装置的示意性横截面视图；
图6：带有在图5中示出的体声装置的芯片的示意性俯视图视图；
图7：根据本发明实施方式的体声装置的制造方法的流程图。
在所有图中，相同或功能相同的元件和装置设置有同样的参考符号。方法步骤的编号是明晰的并且一般情况下并不意味着特定的时间顺序。特别的，多个方法步骤也可以同时执行。
具体实施方式
图1示出了体声装置100的横截面视图。体声装置100包括基底4，在该基底4上布置有第二声布拉格反射器2a。该第二布拉格反射器2a包括多个子层21至26，这些子层带有交替的更高和更低的声速或者声阻尼。此外设置有第一声布拉格反射器1a，可以类似组装该反射器。
第一布拉格反射器1a由电传导的材料组成并且作为第一电极并且第二布拉格反射器2a同样由电传导材料组成并且作为第二电极。
在第二布拉格反射器2a和第一布拉格反射器1a之间布置有压电元件3。经由第一引线6馈入第二布拉格反射器1a中的第一电磁信号运行时在压电元件3中转换成声信号。只要满足声谐振条件，在第一布拉格反射器2a中声信号又转换回第二电磁信号，经由通孔9和第二引线5输出该第二电磁信号。
压电元件3包括带有整流后(gleichgerichteter)的极性的两个基本相同的压电层31，33并且在两个压电层31，33之间有中间层32。压电层31，33和中间层32的声学层厚度分别相应于待传递的声信号的半声波长的奇数倍(1x，3x，…)，即预给定的声波长(相应的体声装置的预给定的通过频率)。优选，作为压电元件3基础的第一谐振，预期的通过频率的相应的半声波长匹配到压电层31，33和在中间层32中(参照所指示的波)。
通孔9和由第一布拉格反射器1a、第二布拉格反射器2a和压电元件3组成的谐振器核心被电介质层7包围，该电介质层7有基本平坦的表面。在引线5，6和电介质层7上方有钝化层8。在电介质层7中构造有分离沟槽11a，钝化层同样覆盖该分离沟槽11a的表面。
图2示出带有两个在图1中示出的体声装置100的芯片的示意性俯视图视图。图1相应于沿着平面A-A的横截面视图。如图2可以看出，分离沟槽11a横向部分地包围压电元件3，即在这种情况下，从三个侧面。
分离沟槽11a阻止了至相邻的体声装置100的串扰。压电谐振器核心和直接包围其的电介质层7共同形成被分离沟槽11限制的半岛或半台面(Halbmesa)。
图3示出另一体声装置200的横截面视图并且图4示出相应的俯视图。与在图1和图2中示出的体声装置100不同，在这种实施方式中的分离沟槽11b横向完全地包围压电元件3，即从所有四个侧面。压电谐振器核心因此和直接包围其的电介质层7共同形成被分离沟槽11b限制的岛或者台面。
图5示出另一体声装置300的横截面视图并且图6示出相应的俯视图。与在图3和图4中示出的体声装置200不同，这里设置的电极1b、2b没有被设计为声学布拉格反射器。因此底切第二电极2b，因此构造可以连接分离沟槽11b的空腔10。电极1b，2b的厚度与通过频率的波长相匹配。膜12跨接分离沟槽11b。可以同样从上方越过地构造引线，该引线借助膜12至少在上方引线领域从上方越过分离沟槽11b。
图7示出体声装置制造方法的流程图。尤其可以制造在图1至6中示出的体声装置100至300。
在第一方法步骤S1中提供基底4，例如由硅组成。
在第二方法步骤S2中，在基底4上构造第一电极1a、1b，第二电极2a、2b，和布置在第一电极1a、1b和第二电极2a、2b之间的压电元件3。为此可以在基底4上首先构造第二电极2a。随后在第二电极2a上构造压电元件3。最终在压电元件3上构造第一电极1a。第一和/或第二电极1a、1b、2a、2b可以构造为布拉格反射层。
在另一方法步骤S3中，构造包围第一电极1a、1b，第二电极2a、2b和压电元件3的电介质层7。将电介质层7平坦化，使得电介质层7具有基本平坦的表面。
在另一方法步骤S4中，打开接触孔直到第二电极2a、2b。
在方法步骤S5中，填满接触孔并且使表面平坦化。可选地施加布线层。
在方法步骤S6中，蚀刻至少一个声分离沟槽11a、11b。
在方法步骤S7中，构造钝化层6。
如此构造压电元件3，使得馈入第一电极1a中的第一电磁信号在压电元件3中转换成声信号，其中，声信号在第二电极2a中转换回第二电磁信号。压电元件3包括优选带有整流后的极性的至少两个压电层31，33和在至少两个压电层31，33之间的至少一个中间层32。压电层31，33和中间层32的声学层厚度分别相应于待传递的声信号的半声波长的奇数倍(1x，3x，…)。

Claims (11)

1.一种体声装置(100；200；300)，带有第一电极(1a；1b)和第二电极(2a；2b)；
带有在所述第一电极(1a；1b)和所述第二电极(2a；2b)之间布置的压电元件(3)，其中，如此构造所述压电元件(3)，使得馈入所述第一电极(1a；1b)中的第一电磁信号在压电元件(3)中转换成声信号，其中，所述声信号在所述第二电极(2a；2b)中转换回第二电磁信号；
带有电介质层(7)，所述电介质层(7)包围所述第一电极(1a；1b)，所述第二电极(2a；2b)和所述压电元件(3)并且具有基本平坦的表面；
其中，在所述电介质层(7)中构造至少一个分离沟槽(11a；11b)，所述分离沟槽(11a；11b)至少部分地包围所述压电元件(3)。
2.根据前述权利要求1所述的体声装置(100；200)，带有通向所述第一电极(1a；1b)和/或所述第二电极(2a；2b)的至少一个引线，其中，所述至少一个引线从下方越过至少一个分离沟槽(11a；11b)。
3.根据前述权利要求1或2所述的体声装置(300)，其中，膜(12)跨越所述至少一个分离沟槽(11a；11b)，其中，在所述膜(12)中构造有通向所述第一电极(1a；1b)和/或所述第二电极(2a；2b)的引线。
4.根据前述权利要求任一项所述的体声装置(300)，带有在所述第二电极(2a；2b)下方构造的空腔(10)，其中，所述空腔(10)和所述分离沟槽(11a；11b)流体连接。
5.根据前述权利要求任一项所述的体声装置(100；200；300)，其中，所述至少一个分离沟槽(11a；11b)至少部分地设置有钝化层。
6.根据前述权利要求任一项所述的体声装置(100；200；300)，其中，所述压电元件(3)包括至少两个压电层(31，33)；并且
其中，所述压电层(31，33)的声学层厚度分别相应于待传递的声信号的半声波长的奇数倍。
7.根据前述权利要求任一项所述的体声装置(100；200；300)，其中，所述第一电极(1a；1b)和/或第二电极(2a；2b)构造为声布拉格反射器。
8.根据前述权利要求任一项所述的体声装置(100；200；300)，其中，所述压电元件(3)包括至少两个压电层(31，33)和在至少两个压电层(31，33)之间的至少一个中间层(32)，其中，所述中间层(32)的材料尤其包括电介质。
9.一种用于制造体声装置(100；200；300)的方法，具有步骤：
提供(S1)基底(4)；
在所述基底(4)上形成(S2)第一电极(1a；1b)，第二电极(2a；2b)，和在所述第一电极(1a；1b)和第二电极(2a；2b)之间布置的压电元件(3)，其中，如此构造所述压电元件(3)，使得馈入所述第一电极(1a；1b)中的第一电磁信号在压电元件(3)中转换成声信号，其中，所述声信号在所述第二电极(2a；2b)中转换回第二电磁信号。
形成(S3)电介质层(7)，所述电介质层(7)包围所述第一电极(1a；1b)、第二电极(2a；2b)和所述压电元件(3)，并且具有基本平坦的表面；和
在所述电介质层(7)中形成(S6)至少一个分离沟槽(11a；11b)，所述分离沟槽(11a；11b)至少部分地包围所述压电元件(3)。
10.根据前述权利要求9所述的方法，其中，膜(12)跨越所述至少一个分离沟槽(11a；11b)，其中，在所述膜(12)中构造通向所述第一电极(1a；1b)和/或所述第二电极(2a；2b)的引线。
11.根据前述权利要求9或10所述的方法，其中，在所述第二电极(2a；2b)下方构造有空腔(10)，其中，所述空腔(10)和所述分离沟槽(11a；11b)流体连接。
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