JP2000069594A - 音響共振器とその製作方法 - Google Patents
音響共振器とその製作方法Info
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Abstract
込まれ、圧電素子材料の周囲を支持することにより中心
部が空中に吊されている構造を有する電子回路用フィル
タ用の共振器の製造において、従来方法では、歩留まり
が悪いあるいはエッチング時間が長い等の問題がある。
本願発明では改良された製造方法を開示する。 【解決手段】窪みを有する基板上にエッチングし易い犠
牲層を堆積する。その表面を研磨し、その上に一方の電
極、圧電素子および他の電極を順に堆積する。次に犠牲
層に穴を開けて犠牲層を除去する。これにより、従来の
問題を解決する製造方法を実現する。
Description
し、更に詳細に記せば、電子回路用フィルタとして使用
できる共振器に関する。
必要性からフィルタ要素を小さくする必要性が絶えず続
いてきている。セル式電話およびミニチュア・ラジオの
ような民生用電子装置は、それに入っている構成要素の
大きさおよびコストの双方に厳しい制限を加えている。
このような多数の装置は、精密な周波数に同調させなけ
ればならないフィルタを利用している。したがって、廉
価でコンパクトなフィルタ装置を提供する努力が続いて
いる。
のフィルタ要素は、音響共振器から構成されている。こ
れらの装置は、薄膜圧電(PZ)材料内のバルク弾性音
響波を利用している。一つの簡単な構成では、PZ材料
の層が二つの金属電極の間に挟み込まれている。挟み込
み構造は、周囲を支持することにより空中に吊されてい
る。二つの電極の間に印加電圧により電界が発生する
と、PZ材料は、電気エネルギの幾らかを音波の形の機
械エネルギに変換する。音波は、電界と同じ方向に伝播
し、電極/空気境界面で反射する。
器のように見え、したがって、装置はフィルタとして働
くことができる。装置の機械的共振は、音波が伝播する
材料の厚さが、伝播する音波の半波長と等しくなる周波
数で発生する。本願発明では音波の周波数は、電極に印
可される電気信号の周波数である。音の速度は、光の速
度より多数桁小さいから、得られる共振器を極めてコン
パクトにすることができる。GHz範囲の用途のための
共振器を、直径100ミクロン未満、厚さ数ミクロン未満
の構造寸法で構成することができる。
Acoustic Resonators、以下FBAR)およびフィル
タ付き積み重ね薄膜バルク音響共振器(Stacked Thin
Film Bulk Wave Acoustic Resonators and Fil
ters、以下SBAR)の中心部は、厚さ約1から2ミク
ロンのスパッタ圧電薄膜である。上方および下方電極
は、電気リードとして働き圧電体を挟み込んで圧電体を
貫く電界を与える。圧電体は、次に電界エネルギーの一
部を力学エネルギーに変換する。時間変化する「応力/
歪み」エネルギーが、時間変化する印加電界エネルギー
に応答して形成される。
電膜を空中に吊して音波を膜内に捕らえる空気/結晶境
界面を設けなければならない。装置は通常、下方電極、
PZ層、および次に上方電極を堆積させることにより基
板表面上に作られる。したがって、空気/結晶境界面は
装置の上側に既に存在している。第2の空気/結晶境界
面を装置の下側に設けなければならない。この第2の空
気/結晶境界面を得るのに 従来技術の方法が幾つか存在
する。
ハをエッチングして除去することに関係している。基板
がシリコンであれば、シリコンを加熱KOHを使用して
裏側からエッチングし去る。これにより、その縁で支持
されたウェーハの前側に構成された共振器が残る。この
ようなウェーハを貫いて開けられた孔は、ウェーハを非
常に繊細にし且つ、非常に破壊しやすくする。更に、そ
れらの54.7度のエッチング傾斜でKOHのような湿式エ
ッチングを行なうと、最終製品の密度、したがってウェ
ーハ上のFBAR/SBARの歩留まりが制限される。
たとえば、標準の530μm厚さのシリコンウェーハの上
に構成された約150μm×150μmの横寸法を有する装置
は、約450μm×450μmの裏側エッチング孔を必要とす
る。したがって、ウェーハの約1/9を生産に利用でき
るだけである。
技術の第2の方法は、空気ブリッジ式FBAR/SBA
R装置を作ることである。通常、最初に犠牲層(Sacrif
iciallayer)を設置し、次に装置をこの犠牲層の上に製
作する。プロセスの終わりまたは終わり近くに、犠牲層
を除去する。処理はすべて前側で行なわれるから、この
方法は、両側の整列および大きい面積の裏側孔を必要と
しない。しかし、この方法には固有の困難が無いわけで
はない。第1に、この方法は大型装置に実施するのは困
難である。通常、犠牲層は熱的に成長させたSiO2であ
り、これはHFを使用して除去される。エッチング割合
は、約1000から3000Å /分である。約150μm×150μm
またはそれより大きい装置の下方区域をエッチングする
には、500分を超えるエッチング時間が必要である。過
度に長いことに加えて、金属電極を30分を超える期間腐
食液に浸すと金属電極が圧電層から剥離するに至る。
が存在しないので、固体取付け共振器(SMR)といわ
れる。装置の下に大きい音響インピーダンスが音響的ブ
ラッグ反射鏡を使用して作り出される。ブラッグ反射鏡
は、交互に高低の音響インピーダンス材料の層から作ら
れる。各層の厚さは共振周波数の1/4波長に固定され
る。十分な層により、圧電体/電極境界面における有効
インピーダンスは、装置の音響インピーダンスよりはる
かに高く、したがって、圧電体内の音波を有効に捕らえ
る。
由に振動できる膜を作るという前述の問題を回避してい
るが、この方法には多数の問題点がある。ブラッグ反射
鏡に使用する材料の選択は、金属層はフィルタの電気性
能を劣化させる寄生コンデンサを形成するのでこれらの
層に使用できないから、制限される。利用可能な電極材
料から作られる層の音響インピーダンスの差の程度は大
きくない。したがって、更に多数の層が必要である。こ
れは、各層にかかる応力を良く制御しなければならない
ので製作プロセスを複雑にする。多数層の後では、装置
は、他の能動要素を組込むのに導電的でなくなる。10な
いし14の層を貫くバイアを作るのは困難だからである。
更に、これまでに報告された装置は、空気ブリッジを有
する装置より有効結合係数がかなり低い。その結果、S
MRに基づくフィルタは、空気ブリッジに比較して少な
い有効帯域幅を示す。
目的は、改良されたFBAR/SBAR装置を提供する
ことである。
を必要としないFBAR/SBAR装置を提供すること
である。
を作るのに過度に長いエッチング時間を必要としないF
BAR/SBAR装置を提供することである。
者には、本発明の下記詳細説明および付図から明らかに
なるであろう。
よびこれを作る方法である。本発明による共振器は、第
1の電極と第2の電極との間に挟み込まれた圧電材料の
層を備えている。第1の電極は、高さ変動のRMS(2
乗平均平方根)が2μm未満の導電シートを備えてい
る。共振器は、その上に共振器が構成されている基板の
中の空洞を橋渡ししている。共振器は、基板内に空洞を
作り、これに共振器を構成する色々な層を堆積した後短
時間で空洞から除去し得る犠牲材料を詰めることにより
構成される。詰まった空洞の表面を磨いて高さのRMS
変動を0.5μm未満とする。磨いた表面に第1の 電極
を、金属層の高さのRMS変動を2μm未満に確保した
厚さに堆積させる。圧電層を第1の電極上に堆積させ、
次に第2の電極を圧電層上に堆積させる。次に空洞にバ
イア(穴)を開け、バイアを通して材料を除去し、犠牲
材料を空洞から除去する。好適な犠牲材料は、燐石英ガ
ラスである。
Rの断面図である図1および図2を参照して本発明を一
層容易に理解できる。図1で、FBAR20は、上方電極
21および下方電極23を備え、これらは圧電(PZ)材料
22のシートの一部を挟み込んでいる。好適なPZ材料は
窒化アルミニウム(AlN)である。共振器20に使用さ
れる電極は、好適にはモリブデンから作られるが、他の
材料を使用する実施形態も構成可能である。
弾性音響波を使用している。印加電圧により二つの電極
の間に電界が生ずると、PZ材料は電気エネルギの一部
を音波の形の機械的エネルギに変換する。音波は電界と
同じ方向に伝播し、電極/空気境界面で反射する。
振器のように見え、したがって、装置は、ノッチフィル
タとして動作することができる。装置の機械的共振は、
音波が伝播する材料の厚さが、伝播する音波の半波長と
等しくなる周波数で発生する。本願発明では音波の周波
数は、電極に印可される電気信号の周波数である。音の
速度は光の速度より多数桁小さいから、得られる共振器
を極めてコンパクトにすることができる。GHz範囲の
用途に対する共振器を直径が約100μmおよび厚さが数
μmオーダーの物理的寸法で構成することができる。
する。SBARは、帯域フィルタと類似の電気的機能を
与える。SBAR40は基本的には機械的に結合されてい
る二つのFBARフィルタである。PZ層41の共振周波
数で電極43および44を横断する信号は、音響エネルギを
PZ層42に伝える。PZ層42内の機械的振動は、PZ材
料により電極44および45を横断する電気信号に変換され
る。
構成される方法は、その上にFBAR110を本発明の方
法により構成するウェーハ101の一部の断面図である図
3−図7を参照して更に容易に理解できる。本発明は、
犠牲層に基づく従来技術の方法で利用されている熱酸化
物よりはるかに容易にエッチングされる材料から構成さ
れる犠牲層を利用している。本発明の好適実施形態で
は、犠牲層は、燐石英ガラス(PSG)から構成されて
いる。
回路製作に利用されているタイプの通常のシリコンウェ
ーハである基板101にエッチングされている。窪みの深
さは好適には30μm未満である。FBARの下の空洞の
深さは圧電層により生ずる変位に適応するのに十分なだ
けにする必要があることに注目すべきである。したがっ
て、数μmの深さの窪みで十分である。
長させてPSGから燐が層内に拡散しないようにする。
このような拡散は、シリコンを導体に変換し、これが最
終装置の電気的動作を妨害することになる。
ている。PSGは、シランおよびP2O5を使用して約45
0℃までの温度で堆積され、約8%燐である軟ガラス様
物質を形成する。この低温プロセスは、当業者に周知で
あり、したがってここでは詳細に説明しない。PSG
は、比較的低温で堆積させることができ且つ、希釈H2
O:HF溶液で、非常に高いエッチング割合でエッチン
グされる非常にクリーンな不活性材料であるから、犠牲
層に対して好適な選択である。10:1の希釈割合で毎分約
3μmのエッチング割合が得られる。
響共振器の構成にとって不十分な基台である。原子レベ
ルでこのような堆積膜の表面は、原子的にみると非常に
粗い。FBAR/SBAR形式の音響共振器は、結晶が
電極の平面に垂直な円柱を成して成長する圧電材料を必
要とする。PSG層の表面に十分に平行な圧電膜を成長
させる試みが行なわれたが、最良でも、粗面上の多数の
小面が多様な方向に結晶成長を始めるので圧電効果を殆
どまたは全く示さない不十分な多結晶材料しか生じなか
った。
滑らかな表面を与えることによりこの困難を克服してい
る。図5を参照すると、PSG層105の表面を最初スラ
リで磨くことにより平面化して窪み102の外側のPSG
層の部分を除去する。次に残っているPSGを更に精製
されたスラリを使用して磨くことができる。代替方法と
して、磨き時間を追加するのが好ましくなければ一つの
更に精製したスラリを二つの磨きステップに使用するこ
とができる。目標は、「ミラー」状仕上げを生ずること
である。
る。スラリはウェーハ上に少量のシリカ粗粉を残す。こ
の粗粉を除去せねばならない。本発明の好適実施形態で
は、これをポリテックス(PolytexTM)(コネチカット
州、Rodel社)のような堅く硬いパッドの付いた第2の
研磨輪を使用して行なっている。潤滑剤として脱イオン
水を使用している。磨いてから、最終クリーニングステ
ップの準備が完了するまでウェーハを脱イオン水中に入
れておく。ウェーハを、最後の磨きステップと最後のク
リーニングステップとの間で乾燥させるべきではない。
最後のクリーニングステップは、ウェーハを色々な化学
薬品の入っている一連のタンクに漬けることから成る。
各タンクに超音波撹拌を加える。このようなクリーニン
グ台は当業者に周知であり、したがって、ここでは詳細
に説明しない。アメリカ合衆国カリフォルニア州にある
Ameramadeから入手できるメガソニック(Megasoni
cTM)形式のクリーニング機が適当であることがわかっ
ている。
電層の「種」となる結晶構造を備えていないという事実
にかかわらず優れた圧電特性を実証する非常に規則正し
い構造のc軸圧電材料の堆積に対する基板を与えるとい
う驚異的発見に基づいている。
る。本発明の好適実施形態では、シリカ微粒子のアンモ
ニア主体スラリであるローデル、#1508(Rodel、#150
8)製のスラリを利用している。
の様式を示してきたが、必要な滑らかさの表面を与える
どんな研磨およびクリーニングの様式をも利用すること
ができる。本発明の好適実施形態では、最終表面は、原
子力顕微鏡プローブで測って0.5μm未満の高さのRM
S変動を有する。
下方電極111をを図6に示すように堆積する。好適な電
極材料は、モリブデンである。しかし、他の材料が当業
者には明らかであろう。たとえば、電極をAl、W、A
u、Pt、またはTiから構成できる。その低い熱弾性損
失のためモリブデンが好適である。たとえば、Moの熱
弾性損失は、Alより約56倍少ない。
薄い層より粗い。上に記したように、圧電層の堆積のた
めの滑らかな表面を維持することは、最終共振器の性能
にとって非常に重要である。したがって、下方電極の厚
さは、好適には1000Å未満である。Moは好適にはスパ
ッタリングにより堆積される。これは、2μm未満の高
さのRMS変動を有するMo層を与える。
2を堆積する。圧電層用好適材料は、AlNであり、これ
もスパッタリングにより堆積される。圧電層を形成する
のにAlNを堆積することは当業者には周知であるか
ら、この堆積プロセスをここでは詳細に説明しないこと
にする。本発明の好適実施形態では、圧電層の厚さは、
0.1から10μmの間にある。
電極も好適にはMoから構成される。しかし、この電極
の厚さは、圧電層の堆積に影響しないので、あまり重大
ではない。
の犠牲層105に開け、図7に示すように、希釈H2O:H
F溶液でエッチングすることによりPSGを除去する。
これにより元の窪み102の上に橋架けされたFBAR110
が残る。
しかし、当業者には上の説明から、SBARを同じプロ
セスを使用して構成できることが明らかであろう。SB
ARの場合には、別の圧電層および電極を堆積しなけれ
ばならない。第2の圧電層は「FBAR」の上方電極の
上に構成されているから、上方電極の厚さも1000Åに維
持して第2の圧電層を堆積するための適切な表面を与え
なければならない。
成された犠牲層を利用しているが、他の材料をも使用す
ることができる。たとえば、BPSG(Boron-Phosphor
-Silicate-Glass:ボロン、燐、シリコン、ガラス)ま
たはスピン・ガラスのような他の形態のガラスを利用で
きる。他に、スピニングにより材料上に、または特殊チ
ャンバー内に置かれた基板上に、堆積できるポリビニー
ル、ポリプロピレン、およびポリスチレンのような、プ
ラスチックがある。これらの犠牲層は、有機除去材ある
いはO2プラズマエッチングによって取去ることができ
る。PSG犠牲層の場合のように、堆積したこれら材料
の表面は原子的には滑らかでないので、これら材料での
研磨も非常に重要である。
が、以下、本発明の各実施態様の例を示す。
を備えた第1の電極(23、45、111)と、(b)導電シ
ートを備えた第2の電極(21、44、113)と、(c)前
記第1および第2の電極の間に挟み込まれた圧電材料の
層(22、42、112)とを、有することを特徴とする音響
共振器(20、40、110)。
111)はモリブデンを含むことを特徴とする実施態様1
に記載の音響共振器(20、40、110)。
2、112)はAlNを含むことを特徴とする実施態様1に
記載の音響共振器(20、40、110)。
を有する基板(101)を備え、前記第1の電極(23、4
5、111)が前記空洞(102)に橋を架けていることを特
徴とする実施態様1に記載の音響共振器(20、40、11
0)。
0μm未満であることを特徴とする実施態様4に記載の
音響共振器(20、40、110)。
面は、電気絶縁層(103)を備えていることを特徴とす
る実施態様4に記載の音響共振器(20、40、110)。
上に音響共振器(20、40、110)を製作する方法であっ
て、(a)前記上面に窪み(102)を作るステップ、
(b)前記窪み(102)に犠牲材料(105)を詰めるステ
ップであって、前記詰めた窪み(102)の上面は、前記
基板(101)の前記上面と同レベルになり、前記上面は
0.5μm未満の高さのRMS変動を有するようにするス
テップ、(c)第1の電極(23、45、111)を前記上面
に堆積させるステップ、(d)圧電材料の層(22、42、
112)を前記第1の電極(23、45、111)の上に堆積させ
るステップ、(e)第2の電極(21、44、113)を前記
圧電材料の層(22、42、112)の上に堆積させるステッ
プ、および(f)前記犠牲材料(105)を前記窪み(10
2)から除去するステップ、を備えていることを特徴と
する方法。
PSG、BPSG、スピン・ガラス、ポリビニール、ポ
リプロピレン、およびポリスチレンを含む群から選択さ
れた材料を含むことを特徴とする実施態様7に記載の方
法。
前記ステップは、(a)前記犠牲材料(105)の層を前
記窪み(102)の上に堆積させるステップ、(b)前記
堆積した層を平面にするステップ、および(c)前記平
面化した層を磨くステップ、を含むことを特徴とする実
施態様7に記載の方法。
層を堆積する前に、電気絶縁材料(103)の層を前記基
板(101)の表面および窪み(102)に設けるステップで
あって、前記電気絶縁材料が、前記犠牲材料(105)中
の要素が前記基板(101)の中に拡散しないようにする
ステップを含むことを特徴とする実施態様9に記載の方
法。
5、111)はモリブデンを含むことを特徴とする実施態様
7に記載の方法。
42、112)はAlNを含むことを特徴とする実施態様7に
記載の方法。
は30μm未満であることを特徴とする実施態様7に記載
の方法。
これまでの説明および付図から明らかになるであろう。
したがって、本発明を付記した特許請求の範囲によって
のみ限定するものとする。
の断面図の一部である。
の断面図の一部である。
の断面図の一部である。
の断面図の一部である。
の断面図の一部である。
Claims (1)
- 【請求項1】(a)高さのRMS変動が2μm未満であ
る導電シートを備えた第1の電極と、(b)導電シート
を備えた第2の電極と、(c)前記第1および第2の電
極の間に挟み込まれた圧電材料の層とを、有することを
特徴とする音響共振器。
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