專利名稱：一種基于氧化鋅的諧振器的制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般涉及諧振器，尤其是涉及一種基于氧化鋅的諧振器的制造方法。
隨著工作頻率超過(guò)500MHz的電子裝置的商業(yè)化程度的增加，比如，個(gè)人通信業(yè)務(wù)系統(tǒng)(“PCS”)、移動(dòng)電話、無(wú)繩電話、尋呼機(jī)和通訊衛(wèi)星，傳統(tǒng)諧振器的限制變得越來(lái)越明顯。傳統(tǒng)的諧振器用壓電晶體在共振頻率振蕩，響應(yīng)于交變電場(chǎng)的使用，共振頻率包括基頻和諧波。由這種現(xiàn)象產(chǎn)生的基頻由能量傳播通過(guò)薄膜的聲速(ν)除以薄膜厚度的二倍來(lái)定義，眾所周知，依賴于這種關(guān)系，還可以增加聲反射層來(lái)反射理想頻率，抑制不想要的其它頻率，如特殊的諧波。
無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的大量使用促進(jìn)了對(duì)適合于400MHz或更大頻率的諧振器應(yīng)用的可選擇材料的研究努力，用傳統(tǒng)的材料，如石英或陶瓷來(lái)制造足夠薄晶體方面的實(shí)際局限性支持了這一動(dòng)力。已知共振頻率與厚度之間的關(guān)系，對(duì)越來(lái)越高頻率的諧振器的需求，已轉(zhuǎn)而導(dǎo)致對(duì)可選擇的有足夠強(qiáng)度的薄膜材料的研究。
由薄膜材料制成的諧振器典型地包括壓電材料、至少一對(duì)將電場(chǎng)應(yīng)用于壓電電介質(zhì)的電極和至少一對(duì)用來(lái)建立駐波的反射表面，在某些基于薄膜的諧振器應(yīng)用中，電極由薄膜材料層來(lái)實(shí)現(xiàn)，此薄膜材料層還能作為反射表面。為本發(fā)明公開(kāi)的目的，基于薄膜的諧振器，將指體聲波(“BAW”)器件和面聲波(“SAW”)器件。
在典型的諧振器中，諧振器頂端電極形成的金屬/空氣界面充當(dāng)基本的反射源。夾在頂層和底層電極之間是一個(gè)壓電層，其包括了一個(gè)織構(gòu)性(textured)薄膜，出于本公開(kāi)內(nèi)容的目的，織構(gòu)性薄膜被定義為取向的并且是原子有序的晶體結(jié)構(gòu)，正如在X光衍射下所見(jiàn)，其落在無(wú)規(guī)多晶體界限與單晶體界限之間。此外，X光衍射的搖擺曲線可用來(lái)衡量織構(gòu)程度。如果諧振器是BAW器件，織構(gòu)性壓電層具有與諧振器襯底表面垂直的極性方向。如果諧振器是SAW器件，織構(gòu)性壓電層的極性方向可能垂直或平行于諧振器襯底表面。由于底部金屬層被典型地安裝在襯底上，諧振器還可以包括在襯底基底內(nèi)的空氣隙聲波腔。
為了尋求由能準(zhǔn)確傳遞高于400MHz的頻率的薄膜制成的諧振器，測(cè)試了不同的材料。分析主要集中在兩個(gè)變量上，一個(gè)是品質(zhì)因子Q，一個(gè)是電機(jī)耦合系數(shù)k2，品質(zhì)因子Q用來(lái)表示諧振器的共振品質(zhì)，而耦合系數(shù)k2表示諧振器的電能和機(jī)械能之間的轉(zhuǎn)換效率。Q和k2都反比于固有的聲波損耗，此損耗在其所定義的工作頻率段內(nèi)由諧振器產(chǎn)生?？傮w參見(jiàn)Campball，面聲波器件及其信號(hào)處理應(yīng)用，Academic Press,Inc.,1989(以下稱為“Campball”)在此引入作為參考，Rosenbaum,，體聲波理論和器件，Artech House 1988(以下稱為“Rosenbaum”)現(xiàn)用的織構(gòu)性薄膜，氮化鋁和氧化鋅都顯示出前途。盡管具有在單晶片上與半導(dǎo)體器件潛在集成的某些優(yōu)勢(shì)，但正如本領(lǐng)域的技術(shù)人員所了解，氮化鋁的耦合系數(shù)k2比氧化鋅的小，由于耦合系數(shù)k2對(duì)應(yīng)于最終的諧振器的帶寬，氧化鋅在大于400MHz的諧振器應(yīng)用中具有顯著的優(yōu)勢(shì)。
氧化鋅薄膜具有兩方面的特征，籍以分析其對(duì)諧振器應(yīng)用的適應(yīng)性。首先氧化鋅可形成為非晶或晶體結(jié)構(gòu)態(tài)。薄膜中氧化鋅原子的有序或無(wú)序反映了其結(jié)構(gòu)狀態(tài)。這樣，當(dāng)氧化鋅是在一定溫度下形成薄膜，而低于此溫度形核不會(huì)發(fā)生，與/或摻雜時(shí)，其可能包含非晶態(tài)。出于本公開(kāi)內(nèi)容的目的，形核被定義為織構(gòu)性薄膜的結(jié)晶的促進(jìn)，與其形成所在的襯底的結(jié)構(gòu)無(wú)關(guān)。同樣地，當(dāng)氧化鋅以已知的加熱循環(huán)形成時(shí)就顯示出織構(gòu)性結(jié)晶結(jié)構(gòu)。作為諧振器中的薄膜，其目標(biāo)是形成最大可能的結(jié)晶和最大可能的取向的氧化鋅，這樣就產(chǎn)生了電機(jī)耦合系數(shù)k2的最高值，同時(shí)也達(dá)到其作為可控制振動(dòng)元件應(yīng)用的最低可能損耗。
而且，氧化鋅具有內(nèi)在阻抗性，這個(gè)特征在功能上與缺陷的數(shù)量有關(guān)-空間、填隙和/或堆積缺陷-或者氧化鋅的純度。因此，如果所用的氧化鋅相對(duì)不純或缺陷的數(shù)量大，電阻率就相對(duì)低，同樣，如果選擇的氧化鋅相對(duì)純并且缺陷的數(shù)量少，電阻率就相對(duì)高。就諧振器型應(yīng)用，使用最高可能電阻率的氧化鋅是有優(yōu)勢(shì)的，因此就要使用相對(duì)高純度的氧化鋅。
氧化鋅薄膜已經(jīng)用于諧振器中，存在公認(rèn)的制造氧化鋅薄膜的方法，這些方法產(chǎn)生帶有有限壓電效應(yīng)的結(jié)構(gòu)，因而覆蓋結(jié)晶、取向和阻抗性。這些所知的方法已經(jīng)運(yùn)用X光衍射顯示出具有有限搖擺曲線、強(qiáng)度、和其他包括附加的衍射峰的可測(cè)特征。
總之，存在對(duì)基于薄膜的氧化鋅諧振器及其制造方法的需求，其具有較大的結(jié)晶度和取向，并且不影響其阻抗特性。
這里公開(kāi)一種制造諧振器的方法。根據(jù)第一實(shí)施方案，該方法首先包括的步驟是提供諧振器襯底基底，在諧振器襯底基底上形成黏附層，隨后在黏附層上形成形核促進(jìn)膜，其后在形核促進(jìn)膜上形成氧化鋅結(jié)晶層，在氧化鋅結(jié)晶層上形成第二傳導(dǎo)層，通過(guò)應(yīng)用形核促進(jìn)膜促進(jìn)氧化鋅層的成核作用來(lái)克服現(xiàn)有的制造氧化鋅薄膜的方法的局限。在本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施方案中，形核促進(jìn)膜促進(jìn)了織構(gòu)化氧化鋅層。這樣，氧化鋅層是織構(gòu)性的，并提高了晶體性和取向性，不依賴于形成諧振器的襯底類型。
根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施方案，公開(kāi)了一種諧振器的制造方法，該方法首先包括的步驟是提供有黏附層的諧振器襯底基底，然后在黏附層上形成Pt的形核促進(jìn)膜。隨后在形核促進(jìn)膜上反應(yīng)濺射氧化鋅晶體層。形核促進(jìn)膜在氧化鋅層形成中，促進(jìn)晶體性和取向性的提高，不依賴于形成諧振器的襯底類型。在本發(fā)明的進(jìn)一步的實(shí)施方案中，形核促進(jìn)織構(gòu)膜促進(jìn)織構(gòu)氧化鋅層。于是在氧化鋅層上形成了頂端電極。
根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施方案，公開(kāi)了一種諧振器。該諧振器包括了一個(gè)諧振器襯底基底和黏附層，在黏附層上形成形核促進(jìn)膜，在傳導(dǎo)的形核促進(jìn)膜上形成氧化鋅晶體層。形核促進(jìn)膜在氧化鋅層形成中，促進(jìn)提高晶體性和定向性，不依賴于形成諧振器的襯底類型。在本發(fā)明的進(jìn)一步的實(shí)施方案中，形核促進(jìn)膜促進(jìn)氧化鋅層的織構(gòu)。諧振器還包括在氧化鋅層上的一個(gè)頂端電極。
根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施方案，公開(kāi)了一個(gè)應(yīng)用諧振器的電子器件，該電子器件包括至少接受或傳輸一種信號(hào)的天線和至少濾波該一種信號(hào)的濾波器。此外，該電子裝置包括至少放大該一種信號(hào)的放大器，混頻該至少一種信號(hào)的混頻器。混頻器包括一個(gè)有諧振器的振蕩器。諧振器包括一個(gè)諧振器襯底基底，在諧振器襯底上形成的黏附層，在黏附層上的形核促進(jìn)膜，在形核促進(jìn)膜上形成的氧化鋅晶體層，在氧化鋅晶體層上形成的頂端電極。形核促進(jìn)薄膜是非氧化性的，并且有著例如面心立方晶格結(jié)構(gòu)(fcc)取向<111>。另外，形核促進(jìn)膜在氧化鋅形成期間促進(jìn)結(jié)晶增長(zhǎng)和取向。在進(jìn)一步的實(shí)施方案中，形核促進(jìn)膜促進(jìn)織構(gòu)氧化鋅層。
通過(guò)下文的詳細(xì)描述、結(jié)合附加的權(quán)利要求和附圖，對(duì)熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的人來(lái)說(shuō)，這些和其他的優(yōu)點(diǎn)和目的將變得明確。
通過(guò)閱讀以下的非限制性實(shí)施方案的描述，并參考附圖，將對(duì)本發(fā)明有更好的理解，如下

圖1是本發(fā)明一個(gè)實(shí)施方案的透視圖。
圖2是本發(fā)明一個(gè)實(shí)施方案的截面圖。
圖3(a)和3(b)是本發(fā)明進(jìn)一步實(shí)施方案的截面圖。
圖4(a)和4(b)是本發(fā)明第一和第二方面的俯視5是根據(jù)本發(fā)明另一實(shí)施方案的流程圖。
圖6顯示了本發(fā)明實(shí)施方案的電阻率(Ω-cm)、衍射搖擺角度(度)和溫度特征(℃)。
圖7是本發(fā)明另一實(shí)施方案的框圖。
應(yīng)強(qiáng)調(diào)的是本申請(qǐng)的附圖并沒(méi)有按比例，而只是示意簡(jiǎn)圖。這樣就不考慮描繪本發(fā)明的具體參數(shù)或結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)。這些可由本領(lǐng)域的技術(shù)人員通過(guò)研究在此公開(kāi)的信息而確定。
參閱圖1和圖2，其顯示了根據(jù)本發(fā)明實(shí)施方案的諧振器40。諧振器40可以是個(gè)體聲波(“BAW”)裝置。然而，面聲波(“SAW”)裝置也可以包括交叉指型換能器(“IDT”)而形成，其將通過(guò)以下說(shuō)明來(lái)了解。
諧振器40包含一個(gè)諧振器襯底基底50。就本領(lǐng)域的技術(shù)人員來(lái)說(shuō)很明顯諧振器襯底基底50還可以包括一個(gè)空隙聲波腔(未示出)。襯底基底50包括一個(gè)襯底層65。襯底層65包含硅(Si)。另外，可選擇的是，襯底層65還可以包含鉆石、石英、碳化硅(SiC)、藍(lán)寶石(Al2O3)、砷化鎵(GaAs)，和看過(guò)本公開(kāi)內(nèi)容后本領(lǐng)域技術(shù)人員明顯看出的其它常用材料。
諧振器襯底50還包括形成在襯底層65上的一電介質(zhì)疊層。關(guān)于BAW裝置，此一電介質(zhì)疊層在功能上提供聲波反射，以及使襯底層65與下面詳述的隨后形成的傳導(dǎo)層電絕緣。對(duì)SAW振蕩器應(yīng)用應(yīng)注意的是，襯底層65與BAW振蕩器應(yīng)用相比具有較高的聲速。然而，對(duì)SAW應(yīng)用需認(rèn)識(shí)到的是，電介質(zhì)疊層并沒(méi)有結(jié)合在振蕩器襯底層65上，同樣，對(duì)BAW振蕩器應(yīng)用，襯底層65和在其上形成的電介質(zhì)層應(yīng)有比SAW振蕩器應(yīng)用更高的聲阻抗。
在一個(gè)實(shí)例中，電介質(zhì)疊層至少包括一組交替的非晶二氧化硅(a-SiO2)和非晶氮化鋁(a-AlN)層，這里的電介質(zhì)堆層可由九(9)層實(shí)現(xiàn)，其分別包括非晶二氧化硅(a-SiO2)層70、80、90和100，和非晶氮化鋁(a-AlN)層75、85、95和105。最頂層的非晶二氧化硅(a-SiO2)層110位于非晶氮化鋁(a-AlN)層105上面。對(duì)本領(lǐng)域的一般技術(shù)人員而言很顯然的是，以上示范的電介質(zhì)堆層也可選自另外的排列和材料。因此，例如可用二氧化硅來(lái)代替非晶二氧化硅(a-SiO2)，同樣可用氮化鋁來(lái)替換非晶氮化鋁(a-AlN)。
諧振器40進(jìn)一步包括一個(gè)在非晶二氧化硅(a-SiO2)層110上形成的的黏附層115，如下文詳述，黏附層115對(duì)其隨后的層起到黏附的作用。黏附層115是連續(xù)的，盡管小孔隙的形成不會(huì)妨礙其使用。黏附層115包含鈦(Ti)或鉻(Cr)，盡管替代材料，如鋯(Zr)、鉿(Hf)、釩(V)、鈮(Nb)、鉭(Ta)、鉬(Mo)和鎢(W)，和某些合金，對(duì)看過(guò)本公開(kāi)內(nèi)容的普通技術(shù)人員是很明顯的。黏附層115可通過(guò)濺射步驟形成，將可從下文理解。
在黏附層115上面形成底部電極120，電極120包括形核促進(jìn)膜來(lái)促進(jìn)隨后形成的織構(gòu)性結(jié)晶層的形核和結(jié)晶，在下文的描述中將更明了。還應(yīng)指出的是，在本發(fā)明的進(jìn)一步實(shí)施方案中，電極120也是構(gòu)圖的。
底部電極120包含鉑(Pt)。然而，各種非氧化性傳導(dǎo)替換材料用于促進(jìn)隨后的晶體增長(zhǎng)的，諸如金(Au)、銠(Rh)、鈀(Pd)、銀(Ag)和銥(Ir)都可作為替代物。底部電極120的非氧化性，并且有面心立方晶格結(jié)構(gòu)(fcc)取向<111>，并垂直于諧振器襯底50的表面也是非常有利的。
另外，諧振器40包括一個(gè)織構(gòu)性壓電層125，其具有取向性和原子排序晶體結(jié)構(gòu)，具有極軸-纖鋅礦結(jié)構(gòu)材料的c軸-垂直于諧振器襯底50的表面。織構(gòu)性壓電層125包含氧化鋅。然而，替換物和備選物，包括，例如氮化鋁(AlN)和其它具有纖鋅礦結(jié)構(gòu)的材料，對(duì)看過(guò)本公開(kāi)內(nèi)容的普通技術(shù)人員是很明顯的，氧化鋅層125可通過(guò)反應(yīng)濺射步驟形成，將可通過(guò)下文理解。
在織構(gòu)性壓電層125上形成頂部電極130，在本發(fā)明的另一實(shí)施方案中，頂部電極120也是構(gòu)圖的。和頂部電極相關(guān)的圖案與諧振器40是BAW或SAW裝置相對(duì)應(yīng)，參見(jiàn)Campbell和Rosenbaum。電極130包含鈦(Ti)或鉑(Pt)，雖然也可以用許多具有傳導(dǎo)性和非氧化性性質(zhì)的可選擇材料，如銅(Au)和鈀(P)。在另一實(shí)施方案中，電極130包含面心立方晶格結(jié)構(gòu)(fcc)取向(111>，其垂直于諧振器襯底50的表面。
如圖3(a)和3(b)所示為圖1和圖2中的諧振器40的第一和第二可選擇排列。在圖3(a)中，黏附層135形成在諧振器襯底基底50上。黏附層135對(duì)隨后形成在其上的層起到黏附作用。黏附層135是連續(xù)的，盡管小孔隙的形成不會(huì)妨礙其使用。黏附層135包含鈦(Ti)或鉻(Cr)，雖然替代材料，如鋯(Zr)、鉿(Hf)、釩(V)、鈮(Nb)、鉭(Ta)、鉬(Mo)和鎢(W)對(duì)看過(guò)本公開(kāi)內(nèi)容的一般技術(shù)人員是很明顯的。包含鋁的底部電極140形成在黏附層135上。而且，隨后形成的層中用以提高成核作用和結(jié)晶的鉑(Pt)織構(gòu)性薄膜145也結(jié)合在電極140上，在上述的織構(gòu)性膜145上是壓電結(jié)晶層150和頂部電極155。
在圖3(b)中，黏附電極層160形成在諧振器襯底基底50上。黏附電極層160包含鈦(Ti)或鉻(Cr)，雖然替代材料，如鋯(Zr)、鉿(Hf)、釩(V)、鈮(Nb)、鉭(Ta)、鉬(Mo)和鎢(W)對(duì)看過(guò)本公開(kāi)內(nèi)容的一般技術(shù)人員是很明顯的。在黏附電極層160上形成織構(gòu)性膜165，其用來(lái)在隨后形成的層上促進(jìn)成核作用，在織構(gòu)性膜165上是織構(gòu)性壓電層170和一個(gè)頂部電極175。
參見(jiàn)圖4(a)和圖4(b)，給出了表面聲波(“SAW”)裝置200和體聲波(“BAW”)裝置220的俯視圖。SAW裝置200包括一對(duì)電極元件205和210，它們形成在共振元件215上。作為交叉指型換能器(“IDT”)205和210，每個(gè)元件都能使聲波橫向傳播。相比之下，BAW裝置220包括一個(gè)底部電極225和一個(gè)頂部電極230，和一個(gè)構(gòu)成在他們中間的共振元件(未示出)，用來(lái)傳播壓縮縱向聲波。
如圖5所示為一種制造諧振器的方法的流程圖。如上文所述，制作的諧振器是聲波元件，例如BAW或SAW器件。此外，盡管諧振器具體地包括氧化鋅織構(gòu)性壓電層，但各種替換物對(duì)于看過(guò)本公開(kāi)文本的一般技術(shù)人員也是很明顯的。
首先，該方法包括提供諧振器襯底基底的步驟(240)。如上文詳述，諧振器襯底基底在疊層的配置中包括許多層。然而，對(duì)本領(lǐng)域的一般技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)明白，諧振器襯底基底還可包括空隙聲腔。
諧振器襯底基底包括襯底層，在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案中，襯底層包含硅(Si)。不過(guò)，對(duì)本領(lǐng)域的一般技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，各種替代材料是顯而易見(jiàn)的，即諧振器可包括鉆石、石英、碳化硅(SiC)、藍(lán)寶石(Al2O3)、砷化鎵(GaAs)，和其它一些對(duì)看過(guò)本公開(kāi)內(nèi)容的本領(lǐng)域一般技術(shù)人員來(lái)說(shuō)是很明顯的其他材料。
諧振器襯底基底還包括一電介質(zhì)疊層。電介質(zhì)堆層至少包括一組交替的非晶二氧化硅(a-SiO2)和非晶氮化鋁(a-AlN)層。在一實(shí)例中，電介質(zhì)堆層包括九(9)層。這里，九層電介質(zhì)堆層包括四層非晶二氧化硅(a-SiO2)，和分別在其上形成的四層非晶氮化鋁(a-AlN)，在頂層非晶氮化鋁(a-AlN)層上是最上層的非晶二氧化硅(a-SiO2)層。對(duì)本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō)很明顯，疊置電介質(zhì)層堆還可用其它可選擇的排列和材料。比如可以用二氧化硅(SiO2)來(lái)代替非晶二氧化硅(a-SiO2)，同樣，可用氮化鋁(AlN)來(lái)代替非晶氮化鋁(a-AlN)。
提供了諧振器襯底基底后，接下來(lái)執(zhí)行預(yù)清潔(250)步驟，這一步是試圖在基底表面最上面形成其它層之前清潔它。雖然運(yùn)用存在氬氣(Ar)和氮?dú)?N2)等離子體侵蝕來(lái)清潔襯底是有優(yōu)勢(shì)的，但預(yù)清潔步驟可用各種已知的辦法完成，在執(zhí)行預(yù)清潔步驟之前用真空計(jì)得到基底壓力來(lái)評(píng)估反應(yīng)室的清潔度也是很有益的。
隨后，黏附層被形成在已清潔過(guò)的二氧化硅最頂層上。黏附層對(duì)隨后形成在其上的層起到黏附作用，黏附層是連續(xù)的，盡管有小孔隙也不會(huì)妨礙其作用。黏附層包含鈦(Ti)或鉻(Cr)，盡管一些替代材料，如鋯(Zr)、鉿(Hf)、釩(V)、鈮(Nb)、鉭(Ta)、鉬(Mo)、鎢(W)和一些合金對(duì)看過(guò)本公開(kāi)內(nèi)容的普通技術(shù)人員是很明顯的。在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案中，黏附層通過(guò)存在氬(Ar)等離子體的濺射步驟形成，這個(gè)濺射步驟是通過(guò)在多種不同的條件和參數(shù)情況下有利地實(shí)現(xiàn)的，其包括在壓力下用DC電源加熱襯底。在形成黏附層之前清潔濺射靶(目標(biāo))也是有益的。
當(dāng)黏附層達(dá)到理想的厚度，形核促進(jìn)膜形成在黏附層上，其用來(lái)促進(jìn)隨后發(fā)生的形核作用和結(jié)晶?？棙?gòu)性薄膜用作電極。并有益地包括非氧化性和傳導(dǎo)性。在一個(gè)實(shí)施方案中，用作電極的形核促進(jìn)膜含有鉑(Pt)，不過(guò)還可利用其它的非氧化性可選擇材料，如Au，在另一個(gè)實(shí)施方案中，形核促進(jìn)膜有取向<111>面心立方晶格結(jié)構(gòu)(“fcc”)，這樣形成的晶體結(jié)構(gòu)的原子平面平行于諧振器襯底基底，并進(jìn)一步促進(jìn)隨后形成的織構(gòu)性壓電層的形核。在本發(fā)明的進(jìn)一步實(shí)施方案中應(yīng)注意到，形核促進(jìn)膜是構(gòu)圖的。形核促進(jìn)膜是通過(guò)存在氬氣(Ar)等離子體，經(jīng)濺射步驟有利地形成，濺射步驟通過(guò)不同的條件和參數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)，包括在壓力下加熱襯底和運(yùn)用DC電源。在形成形核促進(jìn)膜前清潔濺射靶也是有益的。
其后，在形核促進(jìn)膜上形成具有取向、原子有序的和晶體結(jié)構(gòu)的織構(gòu)性壓電層。在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案中，織構(gòu)性壓電層包括氧化鋅薄膜，其利用存在活性等離子體，例如Ar∶O2下反應(yīng)性濺射步驟形成，反應(yīng)性濺射步驟在各種其它條件和參數(shù)下實(shí)現(xiàn)，包括在有壓力下運(yùn)用RF電源有利地加熱襯底，不過(guò)，脈沖DC電源也是可行的選擇。在形成織構(gòu)性壓電層之前清潔濺射目標(biāo)也是有益的。在另一個(gè)實(shí)施方案中，諧振器襯底基底，包括黏附層和形成第一電極的織構(gòu)性膜在施行反應(yīng)濺射步驟時(shí)被旋轉(zhuǎn)。還應(yīng)注意到的是，本發(fā)明的織構(gòu)性壓電層用的是氧化鋅薄膜，其它替代材料，如氮化鋁(AlN)或硫化鎘(CdS)和其他一些具有纖鋅礦結(jié)構(gòu)的材料等，對(duì)看過(guò)本公開(kāi)內(nèi)容的本領(lǐng)域一般技術(shù)人員來(lái)說(shuō)是明顯的。
當(dāng)織構(gòu)性壓電層形成后，就沉積第二或頂部電極。頂部電極可被構(gòu)圖以形成電觸點(diǎn)，頂部電極包括鋁(Al)。然而，其它的可選擇材料，比如Ti或Au等對(duì)于看過(guò)本公開(kāi)內(nèi)容的本領(lǐng)域任何普通技術(shù)人員是明顯的。基本上，這些替代物都以傳導(dǎo)性、黏附性和/或無(wú)氧化性為特征。而且，所選的替代物的質(zhì)量負(fù)荷、密度和聲損耗也不會(huì)不利地影響織構(gòu)性壓電層的諧振能力。
實(shí)例在一個(gè)實(shí)驗(yàn)中，形成一個(gè)基頻大約為3.5GHz的諧振器，為此，諧振器的襯底基底是硅(Si)襯底基底，隨后是五層非晶二氧化硅和四層非晶氮化鋁，厚度大約分別為4300和7600。在最上層的非晶二氧化硅層上形成的是鈦(Ti)黏附層，其厚度大約為100。Pt形核促進(jìn)膜和頂部電極的厚度大約都是1000。夾在形核促進(jìn)膜和頂部電極之間的氧化鋅層的厚度大約為0.72μm。
在本試驗(yàn)中，預(yù)清潔步驟包括首先在基準(zhǔn)氣力大約為9X10-8乇下清潔反應(yīng)室，然后在氬氣(Ar)和氮?dú)?N2)比為3∶2的等離子體放電氣氛下加熱襯底到將近200℃，壓力為大約10m乇，接下來(lái)是濺射步驟，其用來(lái)構(gòu)成鈦(Ti)黏附層。濺射目標(biāo)首先被預(yù)濺射大約30秒，然后將鈦(Ti)濺射在最上面的非晶二氧化硅層上形成鈦(Ti)層，這個(gè)濺射步驟是在壓力大約為6m乇下將襯底加熱到約200℃進(jìn)行的，為濺射工具供給動(dòng)力的是3kW DC電源。隨后，在濺射目標(biāo)被預(yù)濺射大約30秒后，織構(gòu)性的鉑(Pt)薄膜形成。鉑(Pt)薄膜濺射是在壓力大約為10m乇下將襯底加熱到約200℃進(jìn)行的，為濺射工具供給動(dòng)力的是3kW DC電源。
關(guān)于氧化鋅薄膜，一個(gè)無(wú)線電頻率(“RF”)平面磁控管濺射工具ANELVA SPF-332H被用來(lái)形成氧化鋅膜。該工具包括實(shí)現(xiàn)低于5X10-7乇的基準(zhǔn)氣壓的低溫真空泵和有匹配器的頻率為13.56MHz的RF電源。RF電源具有2.0kV的板極電壓和91mA的板極電流，入射功率為120W，反射功率為75W。該工具還在目標(biāo)固定器的下面提供一個(gè)3英寸直徑的同軸平面磁控管，還有Ar和O2的進(jìn)氣口和用來(lái)加熱襯底的石英燈。目標(biāo)鋅直徑為3英寸，有0.125英寸厚，距襯底9.5cm，距一個(gè)2.5英寸目標(biāo)孔3mm。
目標(biāo)鋅從Pure Tech(提純技術(shù))獲得純度為99.995％。目標(biāo)鋅在Ar∶O2為1∶1的等離子體中反應(yīng)濺射，每種氣體在改變壓力并以5sccm流速下放電。一個(gè)4英寸的主蝶形閥用來(lái)在沉積步驟中控制系統(tǒng)的總壓力。高純度氣體，如Ar和O2被預(yù)先混合并引入系統(tǒng)，流速用人工泄漏閥來(lái)調(diào)整，并通過(guò)從Matheson獲得的流量計(jì)來(lái)測(cè)量，系統(tǒng)中的總工作壓力用MKS Baratron電容表測(cè)量。
在將氧化鋅沉積在襯底上之前，目標(biāo)被預(yù)濺射十分鐘。在此期間，要用一個(gè)遮蔽物來(lái)防止氧化鋅沉積在襯底上。預(yù)濺射完后，遮蔽物被移走，等離子體的阻抗因此而改變。結(jié)果，調(diào)整RF電源，并使用伴隨的匹配器件來(lái)使濺射過(guò)程步驟最優(yōu)化。為了實(shí)現(xiàn)氧化鋅薄膜大約為0.72μm的厚度，整個(gè)濺射時(shí)間將近2小時(shí)，濺射速率為64/分鐘。
在濺射過(guò)程中，襯底按濺射下的結(jié)構(gòu)關(guān)系平行于目標(biāo)平面放置，襯底或者用合成石英燈特意加熱到溫度變化在200℃-700℃之間，或是用能量粒子撞擊，溫度達(dá)到45℃到60℃之間。襯底的溫度由位于襯底下面并與之相接觸的熱電偶測(cè)量。
圖6描述了Pt織構(gòu)性薄膜上氧化鋅薄膜作為襯底溫度的函數(shù)的電阻系數(shù)與半最大衍射角度ω的全寬度(通常稱為“搖擺曲線”)的比較。此圖描述了如上詳述實(shí)例的結(jié)果。理想地說(shuō)，諧振器應(yīng)有最大的電阻系數(shù)和最小的搖擺曲線。運(yùn)用X光衍射從圖中看出，在加熱步驟中，氧化鋅薄膜形成的最佳的加熱溫度為大約600℃-650℃。
圖7顯示了本發(fā)明另一實(shí)施方案的無(wú)線電頻率(“RF”)裝置300的框圖。RF裝置描述了本發(fā)明的申請(qǐng)，正如看過(guò)本公開(kāi)內(nèi)容的本領(lǐng)域一般技術(shù)人員能夠明白的，RF裝置300可以通過(guò)個(gè)人通信服務(wù)系統(tǒng)(“PCS”)、移動(dòng)電話、尋呼機(jī)和通訊衛(wèi)星、以及其它發(fā)射機(jī)和/或接收機(jī)應(yīng)用和其它需諧振器的電子裝置來(lái)實(shí)現(xiàn)。
RF裝置300包括天線305，其接收或發(fā)射來(lái)自同向雙工310的信號(hào)。在一可選擇的實(shí)施方案中，同向雙工器310與發(fā)射機(jī)耦合(未示出)，同向雙工器310將信號(hào)傳給濾波器315，使其被濾波并生成合成限帶信號(hào)，接著，限帶信號(hào)被放大器320放大，并進(jìn)一步被濾波器325濾波生成進(jìn)一步限帶信號(hào)。接下來(lái)第二次限帶信號(hào)被傳至混頻器330?；祛l器330用本地振蕩器信號(hào)來(lái)混頻第二次限帶信號(hào)，此本地振蕩器信號(hào)由本地振蕩器產(chǎn)生并經(jīng)限帶濾波器335過(guò)濾。合成混頻輸出信號(hào)接下來(lái)經(jīng)由限帶濾波器345來(lái)消除本地振蕩信號(hào)。結(jié)果，濾波器345的輸出是中頻(“IF”)輸出350，其傳遞至IF接收元件(未示出)并進(jìn)行隨后的處理。
在本發(fā)明中，本地振蕩器340包含一個(gè)由薄膜形成的諧振器。如上文詳述，基于薄膜的諧振器具有一個(gè)疊置配置，其包含諧振器襯底基底、底部電極、和黏附層、形核膜、基于反應(yīng)濺射薄膜的織構(gòu)性壓電層、和頂端電極。在一個(gè)實(shí)施方案中，反應(yīng)濺射織構(gòu)性壓電層包含氧化鋅，盡管看過(guò)本公開(kāi)內(nèi)容的本領(lǐng)域一般技術(shù)人員可以明顯看出替代材料。對(duì)一般技術(shù)人員很明顯，過(guò)濾器315,325,335和345也可通過(guò)諧振濾波器實(shí)現(xiàn)。
具體的發(fā)明已參照闡述的實(shí)施方案描述出來(lái)。這種描述不應(yīng)解釋為具有限制意義。應(yīng)當(dāng)理解，盡管已經(jīng)描述了本發(fā)明，但是不偏離權(quán)利要求書所引述的本發(fā)明的精神的所示實(shí)施例的各種修改，以及本發(fā)明的其他實(shí)施例，對(duì)于參考本說(shuō)明書的本領(lǐng)域一般技術(shù)人員是明顯的。因而，盡管公開(kāi)了諧振器和制造諧振器的方法，但本發(fā)明還可以應(yīng)用為濾波器，例如限帶濾波器和其它依賴于諧振器換能現(xiàn)象的裝置，即可以將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械振動(dòng)和將機(jī)械振動(dòng)轉(zhuǎn)化為電能，這對(duì)普通技術(shù)人員都是顯而易見(jiàn)的。此外，利用形核促進(jìn)膜來(lái)制成織構(gòu)性氧化鋅薄膜的方法和結(jié)構(gòu)除了應(yīng)用在諧振器之類外還可以有其他應(yīng)用，這對(duì)看過(guò)已公開(kāi)實(shí)例的普通技術(shù)人員是明顯的。因此認(rèn)為，權(quán)利要求書將覆蓋這類修改與實(shí)施方案于本發(fā)明真實(shí)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1．一種制造諧振器的方法，包括以下步驟提供襯底基底；在襯底基底上形成黏附層；在黏附層上形成形核促進(jìn)膜，形核促進(jìn)模是非氧化性的；在形核促進(jìn)膜上形成氧化鋅晶體層；和在氧化鋅晶體層上形成傳導(dǎo)層。
2．根據(jù)權(quán)利要求1的發(fā)明，其中襯底基底包含一個(gè)空隙。
3．根據(jù)權(quán)利要求1的發(fā)明，其中形核促進(jìn)膜包含Pt。
4．根據(jù)權(quán)利要求1的發(fā)明，其中黏附層包含至少一個(gè)通過(guò)使用Ar等離子體的濺射步驟形成的Ti和Cr。
5．根據(jù)權(quán)利要求1的發(fā)明，其中形成形核促進(jìn)膜的步驟包含用Ar等離子體濺射Pt的步驟。
6．根據(jù)權(quán)利要求1的發(fā)明，其中形成氧化鋅晶體層的步驟包括利用包含Ar和O2的等離子體的反應(yīng)性濺射的步驟。
7．一種制造諧振器的方法，包括以下步驟提供諧振器襯底基底；在諧振器襯底基底上形成黏附層；在黏附層上形成Pt形核促進(jìn)膜；在Pt形核促進(jìn)膜上反應(yīng)性濺射氧化鋅壓電層；和在氧化鋅層上形成頂部電極。
8．根據(jù)權(quán)利要求7的發(fā)明，其中襯底包含一個(gè)空隙。
9．根據(jù)權(quán)利要求7的發(fā)明，其中黏附層包含至少一個(gè)通過(guò)使用Ar等離子體的濺射步驟形成的Ti和Cr。
10．根據(jù)權(quán)利要求7的發(fā)明，其中形成Pt形核促進(jìn)膜的步驟包含用Ar等離子體濺射的步驟。
11．根據(jù)權(quán)利要求7的發(fā)明，其中反應(yīng)性濺射氧化鋅層的步驟應(yīng)用包含Ar和O2的等離子體。
12．根據(jù)權(quán)利要求7的發(fā)明，其中反應(yīng)性濺射氧化鋅層的步驟在旋轉(zhuǎn)襯底基底時(shí)實(shí)現(xiàn)。
13．一種諧振器，包括諧振器襯底基底；在諧振器襯底基底上形成的黏附層；在黏附層上形成的形核促進(jìn)膜，該形核促進(jìn)膜包含Pt；在形核促進(jìn)膜上形成的氧化鋅晶體層；和在氧化鋅晶體層上形成的頂部電極。
14．根據(jù)權(quán)利要求13的發(fā)明，其中襯底包含空隙。
15．根據(jù)權(quán)利要求13的發(fā)明，其中黏附層包含至少一種Ti和Cr。
16．根據(jù)權(quán)利要求13的發(fā)明，其中形核促進(jìn)膜包含Pt。
17．一種織構(gòu)性晶體結(jié)構(gòu)，包含織構(gòu)性氧化鋅層；和用來(lái)促進(jìn)結(jié)構(gòu)化氧化鋅層形成的形核促進(jìn)膜，該形核促進(jìn)膜包含Pt。
18．根據(jù)權(quán)利要求17的織構(gòu)性晶體結(jié)構(gòu)，其中形核促進(jìn)膜包含<111>取向。
19．一種電子裝置，包括天線，其至少用于接收或發(fā)射至少一種信號(hào)；至少濾掉一種信號(hào)的濾波器；至少放大一種信號(hào)的放大器；和具有一個(gè)振蕩器的用來(lái)混頻至少一種信號(hào)的混頻器，該振蕩器有一個(gè)諧振器，其包括諧振器襯底基底；在諧振器襯底基底上形成的黏附層；在黏附層上形成的形核促進(jìn)膜，該形核促進(jìn)膜包含Pt；在形核促進(jìn)膜上形成的氧化鋅晶體層；和在氧化鋅晶體層上形成的頂部電極。
20．根據(jù)權(quán)利要求19的電子裝置，其中形核促進(jìn)膜包含一個(gè)<111>取向。
全文摘要
公開(kāi)一種制造諧振器的方法,方法首先包含的步驟是提供具有電介質(zhì)層的襯底基底,然后,在電介質(zhì)層上形成黏附層,在黏附層上形成形核促進(jìn)膜。隨后在形核促進(jìn)膜上形成氧化鋅層,在氧化鋅層上形成頂部傳導(dǎo)層。
文檔編號(hào)H03H3/00GK1310517SQ0110323
公開(kāi)日2001年8月29日 申請(qǐng)日期2001年2月7日 優(yōu)先權(quán)日2000年2月10日
發(fā)明者格倫·羅伯特·科瓦奇 申請(qǐng)人:朗迅科技公司