复合扩张模式谐振器的制造方法
【专利说明】
[0001] 优先权数据
[0002] 本发明主张Zuo等人于2012年10月22上申请的标题为"复合扩张模式谐振器 (COMPOSITE DILATION MODE RESONATORS)" 的第 13/657, 653 号共同未决美国专利申请案 (代理人案号121365/QUALP158)的优先权，所述申请案特此以全文引用的方式并入且出于 所有目的。
技术领域
[0003] 本发明大体上涉及机电声学装置，且更具体来说，涉及包含复合转换层的声学谐 振器。
【背景技术】
[0004] 机电系统（EMS)包含具有电气及机械元件、例如致动器及传感器等换能器、光学 组件（包含镜面）及电子装置的装置。可按包含（但不限于）微尺度及纳米尺度的多种尺 度制造EMS。举例来说，微机电系统（MEMS)装置可包含大小在约一微米到数百微米或更大 的范围内的结构。纳米机电系统（NEMS)装置可包含大小小于一微米（包含（例如）小于 数百纳米的大小）的结构。可使用沉积、蚀刻、光刻或蚀刻掉衬底及/或所沉积材料层的部 分或添加层以形成电气、机械及机电装置的其它微机械加工过程来创造机电元件。
[0005] 在包含频率控制应用的多种应用中利用弹性（或声）波装置。举例来说，可在发 射器、接收器、收发器、滤波器、时钟振荡器、延迟线、延迟线振荡器以及其它实例应用中利 用声波装置。在一些实施方案中，声波装置为具有一或多个谐振频率的声波谐振装置或"谐 振器"。在此些声波装置（也被称作机电声波装置）的许多实施方案中，将电能转换为机械 能（例如，振动或弹性波），且反之亦然。
[0006] 声波谐振器及其它声波装置在滤波应用中也是典型的。举例来说，在由例如消费 者移动手持机等无线装置使用的无线电架构中利用频率带通滤波器。现代手持机可跨越多 个通信标准及多个频带而操作。这些需求使将多个离散滤波器集成于此些手持机或其它无 线装置的射频前端模块（RF-FEM)内成为必要。为了满足必要的性能规范，已从例如表面声 波（SAW)装置、膜体声波谐振器（FBAR)及体声波（BAW)谐振器等机电装置"构建块"合成 这些滤波器。传统的SAW、FBAR及BAW装置为本身离散的装置。随着所利用的带的数目的 增加，将增加数目的所要离散滤波器组件及其它组件集成到单个系统级封装（SiP)中变为 在模块成本及大小以及系统设计及供应链管理复杂性方面逐渐有问题的尝试。
[0007] 已提出概念解决方案的其它实例以实现更高水平的多频集成，其包含：具有实质 上由经微影界定的平面内尺寸确定的操作频率的轮廓模式谐振器（CMR);涉及阴影掩蔽或 埋式蚀刻终止层的多结构层FBAR实施方案；及顶上有经微影界定的"调谐图案"的类FBAR 结构。
【发明内容】
[0008] 本发明的系统、方法及装置各自具有若干创新方面，其中没有单个方面单独负责 本文所揭示的合乎需要的属性。
[0009] 本发明中所描述的标的物的一个创新方面可实施于谐振器结构中，所述谐振器结 构包含：包含一或多个第一电极的第一导电层、包含一或多个第二电极的第二导电层及布 置于第一导电层与第二导电层之间的转换层。转换层具有沿着z轴的厚度、沿着x轴的宽 度及沿着y轴的长度。转换层包含多个构成层。在一些实施方案中，多个构成层包含各自 由具有压电系数的第一集合及硬度系数的第一集合的第一压电材料形成的一或多个第一 压电层的第一集合。在一些实施方案中，多个构成层进一步包含各自由具有压电系数的第 二集合及硬度系数的第二集合的第二压电材料形成的一或多个第二压电层的第二集合。在 一些实施方案中，转换层经配置以响应于被提供到第一电极及第二电极中的一或多者中的 每一者的一或多个信号提供具有沿着Z轴的位移分量的转换层的至少第一振动模式及具 有沿着X轴及y轴的平面的位移分量的转换层的至少第二振动模式。
[0010] 在一些实施方案中，构成层可包含相对于沿着y及z轴的转换层的中平面对称地 布置的三个或三个以上构成层。在一些此类实施方案中，构成层可从中平面沿着x轴周期 性地交替。在一些实施方案中，构成层可布置成"ABA"图案、"ABABA"图案或"ABABABA"图 案，其中"A"表示来自第一集合的第一压电层，且"B"表示来自第二集合的第二压电层。在 一些实施方案中，构成层可包含各自由具有硬度系数的第三集合的第三材料形成的一或多 个层的第三集合。在一些实施方案中，构成层可包含在构成层中的邻近者之间的一或多个 间隙或空隙。在各种实施方案中，构成层中的每一者可具有沿着z轴实质上相同的高度及 沿着y轴实质上相同的长度。在此些实施方案中，构成层中的每一者的上表面可与构成层 中的其它者的上表面实质上水平对准。
[0011] 在一些实施方案中，谐振器结构的谐振频率可为至少转换层的厚度、硬度系数的 第一集合及硬度系数的第二集合的函数。在一些实施方案中，谐振频率还可为第一压电材 料及第二压电材料中的至少一者的质量密度的函数。在一些实施方案中，谐振频率还可为 压电系数的第一集合及压电系数的第二集合中的至少一者的函数。在一些实施方案中，可 在装置的制造期间通过选择性地调整所有第二压电层的组合宽度与转换层的整个宽度的 比率来调谐谐振频率。在一些实施方案中，转换层的机电耦合可为压电系数的第一集合及 压电系数的第二集合中的至少一者的函数。
[0012] 本发明中所描述的标的物的另一创新方面可实施于包含谐振器结构的阵列的装 置中。谐振器结构的阵列包含一或多个谐振器结构的多个集合。每一谐振器结构包含：包 含一或多个第一电极的第一导电层、包含一或多个第二电极的第二导电层及布置于第一导 电层与第二导电层之间的转换层。转换层具有沿着Z轴的厚度、沿着x轴的宽度及沿着y 轴的长度。转换层包含具有实质上共平面的上表面的多个构成层。在一些实施方案中，多 个构成层包含各自由具有压电系数的第一集合及硬度系数的第一集合的第一压电材料形 成的一或多个第一压电层的第一集合，及各自由具有压电系数的第二集合及硬度系数的第 二集合的第二压电材料形成的一或多个第二压电层的第二集合。在一些实施方案中，转换 层经配置以响应于被提供到第一电极及第二电极中的一或多者中的每一者的一或多个信 号提供具有沿着z轴的位移分量的转换层的至少第一振动模式及具有沿着x轴及y轴的平 面的位移分量的转换层的至少第二振动模式。在一些实施方案中，每一谐振器结构的转换 层的厚度实质上等于谐振器结构的阵列中的所有其它谐振器结构中的转换层的厚度。在一 些此类实施方案中，谐振器结构的每一集合中的每一谐振器结构的转换层中的第一及第二 压电系数及第一及第二硬度系数的有效组合与所述集合的其它谐振器结构中的组合实质 上相同，且不同于谐振器结构的阵列中的所有其它集合的其它谐振器结构中的组合。
[0013] 在一些实施方案中，每一谐振器结构的每一转换层的构成层可包含相对于沿着y 及z轴的转换层的中平面对称地布置的三个或三个以上构成层。在一些此类实施方案中， 构成层可从中平面沿着x轴周期性地交替。在一些实施方案中，构成层可包含各自由具有 硬度系数的第三集合的第三材料形成的一或多个层的第三集合。在一些实施方案中，构成 层可包含在构成层中的邻近者之间的一或多个间隙或空隙。
[0014] 在一些实施方案中，每一谐振器结构的谐振频率可为至少谐振器结构的转换层的 厚度、谐振器结构的硬度系数的第一集合及谐振器结构的硬度系数的第二集合的函数。在 一些实施方案中，谐振频率还可为第一压电材料及第二压电材料中的至少一者的质量密度 的函数。在一些实施方案中，可在装置的制造期间通过选择性地调整所有第二压电层的组 合宽度与转换层的整个宽度的比率调谐谐振频率。在一些实施方案中，转换层的机电耦合 可为压电系数的第一集合及压电系数的第二集合中的至少一者的函数。
[0015] 本发明中所描述的标的物的另一创新方面可实施于一种装置中。所述装置包含： 包含一或多个第一电极的第一导电装置、包含一或多个第二电极的第二导电装置及布置于 第一导电装置与第二导电装置之间的转换装置。转换装置具有沿着z轴的厚度、沿着x轴 的宽度及沿着y轴的长度。转换装置包含两个或两个以上构成层。在一些实施方案中，两 个或两个以上构成层包含各自由具有压电系数的第一集合及硬度系数的第一集合的第一 压电材料形成的一或多个第一压电装置的第一集合，及各自由具有压电系数的第二集合及 硬度系数的第二集合的第二压电材料形成的一或多个第二压电装置的第二集合。在一些实 施方案中，转换装置包含用于响应于被提供到第一电极及第二电极中的一或多者中的每一 者的一或多个信号提供具有沿着z轴的位移分量的转换装置的至少第一振动模式及具有 沿着X轴及y轴的平面的位移分量的转换装置的至少第二振动模式的装置。
[0016] 在一些实施方案中，构成层可包含相对于沿着y及z轴的转换层的中平面对称地 布置的三个或三个以上构成层。在一些此类实施方案中，构成层可从中平面沿着x轴周期 性地交替。在一些实施方案中，构成层中的每一者可具有沿着z轴的实质上相同的高度。在 一些此类实施方案中，构成层中的每一者的上表面可与构成层中的其它者的上表面实质上 水平对准。
[0017] 在一些实施方案中，装置的谐振频率可为至少转换装置的厚度、硬度系数的第一 集合及硬度系数的第二集合的函数。在一些实施方案中，谐振频率还可为第一压电材料及 第二压电材料中的至少一者的质量密度的函数。在一些实施方案中，可在装置的制造期间 通过选择性地调整所有第二压电装置的组合宽度与转换装置的整个宽度的比率来调谐谐 振频率。在一些实施方案中，转换装置的机电耦合可为压电系数的第一集合及压电系数的 第二集合中的至少一者的函数。
[0018] 在附图及以下描述中阐述本说明书中描述的标的物的一或多个实施方案的细节。 尽管本发明中所提供的一些实例可在基于EMS及MEMS的显示器方面进行描述，但本文中提 供的概念可适用于其它类型的显示器，例如液晶显示器（LCD)、有机发光二极管（OLED)显 示器及场发射显示器。其它特征、方面及优点将从所述描述、图式及权利要求书而变得显而 易见。应注意，下图的相对尺寸可能未按比例绘制。
【附图说明】
[0019] 图1展示包含复合转换层的横截面扩张模式谐振器（XDMR)结构的一部分的横截 面透视图。
[0020] 图2展示描绘在实例XDMR结构中的二维模式频率（以MHz为单位）与第二压电 层的宽度《 2与转换层的总宽度W的比率（其被表达为百分比）之间的关系的曲线图。
[0021] 图3展示描绘在实例XDMR结构中的机电耦合kt2(其被表达为百分比）与第二压 电层的宽度w 2与转换层的总宽度W的比率（其也被表达为百分比）之间的关系的曲线图。
[0022] 图4展示在实例XDMR结构中的转换层的横截面中的几何振动模式形状的实例。
[0023] 图5A及5B展示分别描绘相对于被提供到图4的实例XDMR结构的输入AC信号的 频率的导纳的量值及相位的曲线图。
[0024] 图6展示传统压电层的横截面中的几何振动模式形状的实例。
[0025] 图7A及7B展示分别描绘相对于被提供到图6的实例结构的输入AC信号的频率 的导纳的量值及相位的曲线图。
[0026] 图8展示在实例XDMR结构中的转换层的横截面中的几何振动模式形状的实例。
[0027] 图9A及9B展示分别描绘相对于被提供到图8的实例XDMR结构的输入AC信号的 频率的导纳的量值及相位的曲线图。
[0028] 图10展示在实例XDMR结构中的转换层的横截面中的几何振动模式形状的实例。
[0029] 图11A及11B展示分别描绘相对于被提供到图10的实例XDMR结构的输入AC信 号的频率的导纳的量值及相位的曲线图。
[0030] 图12展示在实例XDMR结构中的转换层的横截面中的几何振动模式形状的实例。
[0031] 图13A及13B展示分别描绘相对于被提供到图12的实例XDMR结构的输入AC信 号的频率的导纳的量值及相位的曲线图。
[0032] 图14展示传统压电层的横截面中的几何振动模式形状的实例。
[0033] 图15A及15B展示分别描绘相对于被提供到图14的实例XDMR结构的输入AC信 号的频率的导纳的量值及相位的曲线图。
[0034] 图16展示说明用于形成声波装置的阵列的过程的流程图的实例。
[0035] 图17A到17G展示如例如参看图16所描述的过程中的实例阶段的横截面示意性 描绘。
[0036] 图18A展示描绘干涉式调制器（MOD)显示装置的一系列显示元件或显示元件阵 列中的两个邻近的頂OD显示元件的等角视图说明。<