JP2023539758A - フィルタデバイス及びフィルタデバイスの製造方法 - Google Patents
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Abstract
音響共振器は、第1の圧電プレートを基板に接合することによって製造され、基板内の第1及び第2のキャビティの位置にまたがる。第1の圧電プレートの上面は、第1の厚さに平坦化される。接合層が、第1の圧電プレート上に形成され、第1及び第2のキャビティ位置にまたがっている。第2の圧電プレートが接合層に接合され、第1及び第2のキャビティ位置にまたがっている。第2のキャビティ位置にまたがる第2の圧電プレートの一部がエッチング除去されて、第1のキャビティ位置の上方に第1の膜が形成され、第2のキャビティ位置の上方に第2の膜が形成される。櫛形トランスデューサが、同一ダイ上に第1及び第2の共振器を形成するために、第1及び第2のキャビティ位置の上方で第1及び第2の膜上に形成される。
Description
本開示は、音響波共振器を使用する無線周波数フィルタに関し、具体的には、通信機器に使用するためのフィルタに関する。
無線周波数(RF)フィルタは、いくつかの周波数を通過し、他の周波数を阻止するように構成された2ポートデバイスであり、「通過」は比較的低い信号損失で送信することを意味し、「阻止」はブロック又は実質的に減衰させることを意味する。フィルタを通過する周波数の範囲は、フィルタの「通過帯域」と呼ばれる。フィルタによって阻止される周波数の範囲は、フィルタの「阻止帯域」と呼ばれる。典型的なRFフィルタは、少なくとも1つの通過帯域及び少なくとも1つの阻止帯域を有する。通過帯域又は阻止帯域の特定の要件は、特定の用途に依存する。例えば、「通過帯域」は、フィルタの挿入損失が1dB、2dB、又は3dBなどの規定値よりも良好である周波数範囲として定義することができる。「阻止帯域」は、フィルタの除去が用途に応じて、20dB、30dB、40dB、又はそれ以上などの規定値よりも大きい周波数範囲として定義することができる。
RFフィルタは、情報が無線リンクを介して送信される通信システムで使用される。例えば、RFフィルタは、セルラー基地局、携帯電話及びコンピューティングデバイス、衛星トランシーバ及び地上局、IoT(モノのインターネット)デバイス、ラップトップコンピュータ及びタブレット、定点無線リンク、並びに他の通信システムのRFフロントエンドに見ることができる。RFフィルタはまた、レーダ及び電子及び情報戦システムにおいても使用される。
RFフィルタは、典型的には、特定の用途ごとに、挿入損失、除去、分離、電力処理、線形性、サイズ、及びコストなどの性能パラメータ間の最良の妥協点を達成するために、多くの設計上のトレードオフを必要とする。特定の設計及び製造方法及び向上は、これらの要件の1つ又はいくつかに同時に利益をもたらすことができる。
無線システムにおけるRFフィルタの性能向上は、システム性能に広範な影響を及ぼすことができる。RFフィルタの改善は、より大きなセルサイズ、より長いバッテリ寿命、より高いデータレート、より大きなネットワーク容量、より低いコスト、セキュリティの向上、より高い信頼性などのシステム性能の改善を提供するために活用することができる。これらの改善は、無線システムの多くのレベルで、別個に及び組み合わせて、例えばRFモジュール、RFトランシーバ、モバイル又は固定サブシステム、又はネットワークレベルで実現することができる。
現在の通信システム用の高性能RFフィルタは、一般に、表面音響波(SAW)共振器、バルク音響波(BAW)共振器、フィルムバルク音響波共振器(FBAR)、及び他のタイプの音響共振器を含む音響波共振器を組み込む。しかしながら、これらの既存の技術は、将来の通信ネットワークで提案されるより高い周波数及び帯域幅での使用にはあまり適していない。
より広い通信チャネル帯域幅が望まれると、必然的により高い周波数の通信帯域が使用されることになる。携帯電話ネットワークの無線アクセス技術は、3GPP(登録商標)(第3世代パートナーシッププロジェクト)によって標準化されている。第5世代モバイルネットワークのための無線アクセス技術は、5G NR(新無線)規格で定義されている。5G NR規格は、いくつかの新しい通信帯域を定義している。これらの新しい通信帯域のうちの2つは、3300MHz~4200MHzの周波数範囲を使用するn77、及び4400MHz~5000MHzの周波数範囲を使用するn79である。帯域n77及び帯域n79はいずれも、帯域n77及び/又は帯域n79で動作する通信デバイスがアップリンク送信及びダウンリンク送信の両方に同じ周波数を使用するように、時分割複信(TDD)を使用する。帯域n77及びn79のためのバンドパスフィルタは、通信デバイスの送信電力を処理することができなければならない。5GHz及び6GHzのWiFi帯域はまた、高周波及び広帯域幅を必要とする。5G NR規格はまた、24.25GHz~40GHzの周波数を有するミリ波通信帯域を定義する。
横方向励起フィルムバルク音響共振器(XBAR)は、マイクロ波フィルタに使用するための音響共振器構造である。XBARは、「TRANSVERSELY EXCITED FILM BULK ACOUSTIC RESONATOR」と題する米国特許第10,491,291号明細書に記載されている。XBAR共振器は、単結晶圧電材料の薄い浮遊層又はダイヤフラム上に形成されたインターデジタル変換器(IDT)を備える。IDTは、第1のバスバーから延びる平行なフィンガの第1のセットと、第2のバスバーから延びる平行なフィンガの第2のセットとを含む。第1及び第2のセットの平行なフィンガはインターリーブされる。IDTに印加されたマイクロ波信号は、圧電ダイヤフラム内の剪断一次音響波を励起する。XBAR共振器は、非常に高い電気機械結合及び高周波能力を提供する。XBAR共振器は、帯域除去フィルタ、バンドパスフィルタ、デュプレクサ、及びマルチプレクサを含む様々なRFフィルタで使用することができる。XBARは、3GHzを超える周波数の通信帯域用のフィルタでの使用によく適している。
この説明全体を通して、図に現れる要素には3桁又は4桁の参照符号が割り当てられ、2つの最下位桁は要素に固有であり、1つ又は2つの最上位桁は要素が最初に導入される図番号である。図面に関連して説明されていない要素は、同じ参照符号を有する前述の要素と同じ特性及び機能を有すると仮定することができる。
(装置の説明)
剪断モードフィルムバルク音響共振器(XBAR)は、マイクロ波フィルタに使用するための新しい共振器構造である。XBARは、その全体が参照により本明細書に組み込まれる、「TRANSVERSELY EXCITED FILM BULK ACOUSTIC RESONATOR」と題する米国特許第10,491,291号明細書に記載されている。XBAR共振器は、圧電材料の薄い浮遊層又はダイヤフラム上に形成されたインターデジタル変換器(IDT)を備える。IDTに印加されたマイクロ波信号は、圧電ダイヤフラム内で剪断一次音響波を励起し、音響エネルギーは、IDTによって生成された電界の方向に対して直交又は横方向である層の表面に対して実質的に垂直に流れる。XBAR共振器は、非常に高い電気機械結合及び高周波能力を提供する。
剪断モードフィルムバルク音響共振器(XBAR)は、マイクロ波フィルタに使用するための新しい共振器構造である。XBARは、その全体が参照により本明細書に組み込まれる、「TRANSVERSELY EXCITED FILM BULK ACOUSTIC RESONATOR」と題する米国特許第10,491,291号明細書に記載されている。XBAR共振器は、圧電材料の薄い浮遊層又はダイヤフラム上に形成されたインターデジタル変換器(IDT)を備える。IDTに印加されたマイクロ波信号は、圧電ダイヤフラム内で剪断一次音響波を励起し、音響エネルギーは、IDTによって生成された電界の方向に対して直交又は横方向である層の表面に対して実質的に垂直に流れる。XBAR共振器は、非常に高い電気機械結合及び高周波能力を提供する。
RFフィルタは、従来のラダーフィルタ回路として接続される複数のXBARデバイスを組み込むことができる。ラダーフィルタ回路は、フィルタの入力と出力との間に直列に接続された1つ以上の直列共振器と、各々がグランドと、入力、出力、又は2つの直列共振器の間のノードのうちの1つとの間に接続された1つ以上のシャント共振器とを含む。各共振器は、共振器のアドミッタンスが短絡回路のアドミッタンスに近づく共振周波数と、共振器のアドミッタンスが開放回路のアドミッタンスに近づく***振周波数とを有する。典型的なラダーバンドパスフィルタ回路では、シャント共振器の共振周波数はフィルタの通過帯域の下端の下方に位置し、直列共振器の***振周波数は通過帯域の上端の上方に位置する。
XBARの共振周波数を決定する主要なパラメータは、キャビティに懸架された圧電膜又はダイヤフラムの厚さである。共振周波数はまた、比較的程度は低いが、IDTフィンガのピッチ及び幅、又はマークにも依存する。多くのフィルタ用途は、IDTのピッチを変えることによって達成することができる範囲を超える、共振及び/又は***振周波数の範囲を有する共振器を必要とする。特許第10,491,291号明細書は、直列共振器の共振周波数に対してシャント共振器の共振周波数を低下させるために、シャント共振器のIDTのフィンガの間及び/又はフィンガの上方に堆積された誘電周波数設定層の使用を記載している。
広帯域幅フィルタに必要な誘電周波数設定層の厚さは、フィルタの通過帯域内に位置し得るスプリアスモードの励起を容易にする。本明細書では、膜上に誘電周波数設定層を使用するのではなく、同一ダイ上に2つ(又はそれ以上)の異なるXBAR圧電膜(例えば、ダイヤフラム)厚を有することで膜を調整するデバイス及びその形成方法について説明する。
以下では、同一ダイ上に形成された膜厚が異なる改善型XBAR共振器について説明する。共振器は、薄いAl2O3接合層を使用して異なる膜厚を形成する広帯域フィルタ用の複合圧電ウエハであってもよい。複合圧電ウエハは、薄い接合層で接合された2つの薄い圧電層を使用することによって、単一のXBARダイ上において、厚さが異なる共振器が2チップと同等の性能を達成することを可能にする。
図1は、横方向励起フィルムバルク音響共振器(XBAR)100の簡略化された概略上面図及び直交断面図を示す。共振器100などのXBAR共振器は、帯域除去フィルタ、バンドパスフィルタ、デュプレクサ、及びマルチプレクサを含む様々なRFフィルタで使用することができる。XBARは、3GHzを超える周波数の通信帯域用のフィルタでの使用に特に適している。
XBAR100は、平行な前面112及び背面114を有する圧電プレート110の表面に形成された薄膜フィルムの導体パターンから作製される。圧電プレート110は、ニオブ酸リチウム、タンタル酸リチウム、ケイ酸ランタンガリウム、窒化ガリウム、窒化アルミニウムなどの圧電材料の薄い単結晶層である。場合によっては、プレート110は、接合層によって接合された、圧電単結晶材料からなる2つの層である。他の場合には、プレート110は、圧電単結晶材料の下層と、上側接合層とである。圧電プレートは、前面及び背面に対するX、Y、及びZ結晶軸の配向が既知で、一貫しているように切断される。提示された例では、圧電プレートはZカットすることができ、すなわち、Z軸は表面に垂直である。しかしながら、XBARは、他の結晶学的配向を有する圧電プレート上に製造されてもよい。
圧電プレート110の背面114は、圧電プレート110を機械的に支持する基板120に取り付けられている。基板120は、例えば、シリコン、サファイア、石英、又は他の何らかの材料であってもよい。基板は、シリコン熱酸化物(TOX)及び結晶シリコンの層を有することができる。圧電プレート110の背面114は、ウエハ接合プロセスを使用して基板120に接合しても、又は基板120上に成長させても、又は他の方法で基板に取り付けてもよい。圧電プレートは、基板に直接取り付けても、又は1つ以上の中間材料層を介して基板に取り付けてもよい。
XBAR100の導体パターンは、インターデジタル変換器(IDT)130を含む。IDT130は、第1のバスバー132から延びる第1の複数の平行なフィンガ、例えばフィンガ136と、第2のバスバー134から延びる第2の複数のフィンガとを含む。第1及び第2の複数の平行なフィンガはインターリーブされる。インターリーブされたフィンガは、一般にIDTの「アパーチャ」と呼ばれる距離APにわたって重なり合う。IDT130の最外フィンガ間の中心間距離Lが、IDTの「長さ」である。
第1及び第2のバスバー132、134は、XBAR100の端子として機能する。IDT130の2つのバスバー132、134の間に印加された無線周波数又はマイクロ波信号は、圧電プレート110内の一次音響モードを励起する。さらに詳細に説明するように、励起された一次音響モードは、音響エネルギーが圧電プレート110の表面に実質的に直交する方向に沿って伝播するバルク剪断モードであり、これはまた、IDTフィンガによって生成される電界の方向に対して垂直又は横方向である。したがって、XBARは、横方向励起フィルムバルク波共振器と考えられる。
IDT130を含有する圧電プレート110の一部115が基板120に接触することなくキャビティ140に懸架されるように、キャビティ140が基板120内に形成される。「キャビティ」は、「固形体内の空きスペース」というその従来の意味を有する。キャビティ140は、(断面A-A及び断面B-Bに示すように)基板120を完全に貫通する孔又は基板120の凹部(続いて図3Aに示す)であってもよい。キャビティ140は、例えば、圧電プレート110及び基板120を取り付ける前又は後に、基板120を選択的にエッチングすることによって形成することができる。図1に示すように、キャビティ140は、アパーチャAP及びIDT130の長さLよりも大きい範囲を有する矩形の形状を有する。XBARのキャビティは、規則的又は不規則な多角形などの異なる形状を有してもよい。XBARのキャビティは、4辺よりも多くても少なくてもよく、直線状でも、又は湾曲していてもよい。
キャビティ140に懸架された圧電プレートの部分115は、マイクロフォンのダイヤフラムと物理的に類似しているため、本明細書では(より良い用語がないため)「ダイヤフラム」と呼ばれる。ダイヤフラムは、キャビティ140の周囲145のすべて又はほぼすべての周りで圧電プレート110の残りの部分に連続的かつシームレスに接続することができる。この文脈において、「連続的」とは、「介在する物品なしで連続的に接続されている」ことを意味する。
図1での提示を容易にするために、IDTフィンガの幾何学的ピッチ及び幅は、XBARの長さ(寸法L)及びアパーチャ(寸法AP)に対して非常に誇張されている。典型的なXBARは、IDT110に10を超える平行なフィンガを有する。XBARは、IDT110内に数百、場合によっては数千の平行なフィンガを有することができる。同様に、断面図におけるフィンガの厚さは非常に誇張されている。
図2は、図1のXBAR100の詳細な概略断面図を示す。断面図は、IDTのフィンガを含むXBAR100の一部であってもよい。圧電プレート110は、厚さtsの圧電材料の単結晶層である。tsは、例えば、100nm~1500nmであってもよい。3.4GHZ~6GHz(例えば、帯域n77、n79)のLTETM帯域用のフィルタに使用される場合、厚さtsは、例えば、200nm~1000nmであってもよい。
圧電プレート110の前面側には、前面側誘電体層214を任意選択的に形成することができる。XBARの「前面側」は、定義により、基板から外方に面する表面である。前面側誘電体層214は、厚みtfdを有する。前面側誘電体層214は、IDTフィンガ236の間に形成される。図2には示されていないが、前面側誘電体層214はまた、IDTフィンガ236に堆積されてもよい。圧電プレート110の背面側には、背面側誘電体層216を任意選択的に形成することができる。背面側誘電体層216の厚さはtbdである。前面側誘電体層214及び背面側誘電体層216は、二酸化ケイ素又は窒化ケイ素などの非圧電性誘電材料であってもよい。tfd及びtbdは、例えば、0~500nmであってよい。tfd及びtbdは、典型的には、圧電プレートの厚さts未満である。tfdとtbdとは必ずしも等しいとは限らず、前面側誘電体層214と背面側誘電体層216とは必ずしも同じ材料であるとは限らない。前面側誘電体層214及び背面側誘電体層216のいずれか一方又は両方は、2種以上の材料からなる複数の層から形成することができる。
前面側誘電体層214は、フィルタ内のXBARデバイスのいくつか(例えば、選択されたもの)のIDTの上方に形成することができる。前面側誘電体214は、いくつかのXBARデバイスのIDTフィンガの間に形成され、それらを覆うことができるが、他のXBARデバイスには形成されない。例えば、前面側誘電体がより薄い又は前面側誘電体を有していない直列共振器の共振周波数に対してシャント共振器の共振周波数を低下させるために、シャント共振器のIDTの上方に前面側周波数設定誘電体層を形成することができる。いくつかのフィルタは、様々な共振器の上方に2つ以上の異なる厚さの前面側誘電体を含むことができる。共振器の共振周波数は、したがって、前面側誘電体の厚さを選択することによって、少なくとも部分的に共振器を「調整」することができる。
さらに、パッシベーション層を、XBARデバイスの外部の回路への電気接続を行う接触パッドを除いて、XBARデバイス100の表面全体にわたって形成することができる。パッシベーション層は、XBARデバイスがパッケージに組み込まれる一方で、XBARデバイスの表面をシール及び保護することを意図した薄い誘電体層である。前面側誘電体層及び/又はパッシベーション層は、SiO2、Si3N4、Al2O3、他の何らかの誘電材料、又はこれらの材料の組み合わせであってもよい。
パッシベーション層の厚さは、特に耐電力目的のために、圧電プレート及び金属電極を水及び化学腐食から保護するように選択することができる。これは、10nm~100nmの範囲であってもよい。パッシベーション材料は、SiO2及びSi3N4材料などの複数の酸化物及び/又は窒化物コーティングからなることができる。
IDTフィンガ236は、アルミニウム若しくは実質的にアルミニウム合金、銅若しくは実質的に銅合金、ベリリウム、タングステン、モリブデン、金、又は他の何らかの導電性材料からなる1つ以上の層であってもよい。フィンガと圧電プレート110との間の接着を改善するために、及び/又はフィンガを不動態化若しくは封入するために、クロム又はチタンなどの他の金属の薄い(導体の総厚に対して)層をフィンガの下方及び/又は上方に形成することができる。IDTのバスバー(図1の132、134)は、フィンガと同じ又は異なる材料で作製することができる。
寸法pは、IDTフィンガの中心間間隔又は「ピッチ」であり、IDTのピッチ及び/又はXBARのピッチと呼ばれる場合がある。寸法wは、IDTフィンガの幅又は「マーク」である。XBARのIDTは、弾性表面波(SAW)共振器で使用されるIDTとは実質的に異なる。SAW共振器では、IDTのピッチは、共振周波数における音響波長の半分である。追加的に、SAW共振器IDTのマーク対ピッチ比は、典型的には0.5(すなわち、マーク又はフィンガの幅は、共振における音響波長の約1/4である)に近い。XBARでは、IDTのピッチpは、典型的にはフィンガの幅wの2~20倍である。さらに、IDTのピッチpは、典型的には、圧電スラブ212の厚みtsの2~20倍である。XBARにおけるIDTフィンガの幅は、共振における音響波長の1/4に制約されない。例えば、XBAR IDTフィンガの幅は、光リソグラフィを使用してIDTを製造することができるように、500nm以上であってもよい。IDTフィンガの厚さtmは、100nmから幅wにほぼ等しくてもよい。IDTのバスバー(図1の132、134)の厚さは、IDTフィンガの厚さtmと同じであっても、又はIDTフィンガの厚さtmよりも大きくてもよい。
図3Aは、図1に定義された断面A-Aに沿ったXBARデバイス300の代替的な断面図である。図3Aにおいて、圧電プレート310は、基板320に取り付けられている。圧電プレート310の一部は、基板内のキャビティ340にまたがるダイヤフラム315を形成する。キャビティ340は、基板320を完全には貫通せず、XBARのIDTを含有する圧電プレート310の部分の下の基板に形成される。フィンガ336などのIDTのフィンガは、ダイヤフラム315上に配置される。キャビティ340は、例えば、圧電プレート310を取り付ける前に基板320をエッチングすることによって形成することができる。代替的に、キャビティ340は、圧電プレート310に設けられた1つ以上の開口部342を通って基板に到達する選択的エッチング液を用いて基板320をエッチングすることによって形成されてもよい。ダイヤフラム315は、キャビティ340の周囲345の大部分において、圧電プレート310の残りの部分と連続することができる。例えば、ダイヤフラム315は、キャビティ340の周囲の少なくとも50%において、圧電プレート310の残りの部分と連続することができる。
1つ以上の中間材料層322を、プレート310と基板320との間に取り付けることができる。中間層は、エッチング停止層、封止層、接着剤層、又はプレート310及び基板320に取り付け又は接合される他の材料の層であってもよい。他の実施形態では、圧電プレート310は基板320に直接取り付けられ、中間層は存在しない。
キャビティ340は断面で示されているが、キャビティの横方向範囲は、図面の平面に垂直な方向にキャビティ340のサイズを囲んで画定する、基板320の連続的な閉じたバンド領域であることを理解されたい。キャビティ340の横方向(すなわち、図に示すように左右)の範囲は、側縁基板320によって画定される。基板320内へのキャビティ340の垂直(すなわち、図に示すようにプレート310から下方に)範囲又は深さ。この場合、キャビティ340は、矩形又はほぼ矩形の側面断面を有する。
図3Aに示すXBAR300は、(圧電プレート310を取り付ける前又は後に)キャビティ340が基板320の前面側からエッチングされるので、本明細書では「フロントサイドエッチング」構成と呼ばれる。図1のXBAR100は、圧電プレート110を取り付けた後に基板120の背面側からキャビティ140がエッチングされるので、本明細書では「バックサイドエッチング」構成と呼ばれる。XBAR300は、キャビティ340の左側及び右側に圧電プレート310の1つ以上の開口部342を示している。しかしながら、場合によっては、圧電プレート310の開口部342は、キャビティ340の左側又は右側のみにある。
図3Bは、XBARにおける目的の一次音響モードのグラフ図である。図3Bは、圧電プレート310と、3つのインターリーブされたIDTフィンガ336とを含むXBAR350の小部分を示す。XBAR350は、本明細書の任意のXBARの一部であってもよい。インターリーブされたフィンガ336には、RF電圧が印加される。この電圧は、時間変化する電界をフィンガ間に生成する。電界の方向は、「電界」とラベル付けされた矢印によって示されるように、主に圧電プレート310の表面に対して横方向、すなわち平行である。圧電プレートの高い誘電率により、電界は空気に対してプレートに高度に集中する。横方向電界は、圧電プレート310に剪断変形を導入し、一次剪断モードの音響モードを強く励起する。これに関連して、「剪断変形」は、材料内の平行な平面が平行のままであり、互いに対して並進しながら一定の距離を維持する変形として定義される。「剪断音響モード」は、媒体の剪断変形をもたらす媒体内の音響振動モードとして定義される。XBAR350の剪断変形は曲線390によって表され、隣接する小さな矢印は原子運動の方向及び大きさの概略表示を提供する。原子運動の程度及び圧電プレート310の厚さは、視覚化を容易にするために非常に誇張されている。原子運動は主に横方向(すなわち、図3Aに示すように水平)であるが、励起された一次剪断音響モードの音響エネルギーの流れの方向は、矢印395で示すように、圧電プレートの前面及び背面に実質的に直交する。
剪断音響波共振に基づく音響共振器は、電界が厚さ方向に印加される現在の最先端のフィルムバルク音響共振器(FBAR)及びソリッドマウント共振器バルク音響波(SMR BAW)デバイスよりも良好な性能を達成することができる。このようなデバイスでは、音響モードは原子運動を伴う圧縮性であり、音響エネルギーの流れの方向は厚さ方向である。さらに、剪断波XBAR共振の圧電結合は、他の音響共振器と比較して高く(>20%)することができる。高い圧電結合は、かなりの帯域幅を有するマイクロ波及びミリ波フィルタの設計及び実装を可能にする。
図4Aは、同一ダイ400A上に形成された膜厚が異なる改善型XBAR共振器402及び404の概略断面図である。ダイ400Aは、フィルタデバイスの入力及び出力に関して、低周波シャント共振器としての共振器402及び高周波直列共振器としての共振器404を有するフィルタデバイスであっても、又はその一部であってもよい。いずれの場合でも、共振器402又は404は、本明細書に記載の共振器のいずれかとすることができる。「ダイ」は、ウエハなどの他のチップからダイシングされた半導体チップ又は集積回路(IC)チップであってもよい。ダイは、通常はシリコンである半導体材料の1つの小型で平坦な部品(又は「チップ」)上に電子回路のセットを有するモノリシック集積回路(IC、チップ、又はマイクロチップとも呼ばれる)であってもよい。
ダイ400Aは、第1のキャビティ440及び第2のキャビティ444を有する基板420を有する。第1の圧電膜(例えば、ダイヤフラム)410が第1のキャビティ440にまたがり、第2の圧電膜450が第2のキャビティ444にまたがっている。第1の圧電膜410は、圧電プレート412と、接合層414と、圧電プレート416とを含む。第2の圧電膜450は、圧電プレート412と接合層414とを含むが、第2の圧電プレート416を含まない。膜410は、プレート412に化学的又は分子的に接合された層414に化学的又は分子的に接合されたプレート416である複合(少なくとも2種の材料)層であってもよい。膜450は、プレート412に化学的又は分子的に接合された層414である複合層であってもよく、プレート416は、エッチング停止部として接合層414を使用してパターニングされ、共振器404の上部からエッチング除去することができる。
圧電プレート412は、300nm~600nmであり得る厚さtp1を有する。接合層414は、5nm~50nmであり得る厚さtbを有する。そして、圧電プレート416は、50nm~200nmであり得る厚さtp2を有する。場合によっては、tp1は451、458又は465nmであり、tbはそれぞれ10、20又は30nmである。Tp2は120nmであってもよく、tmは650nmであってもよい。場合によっては、tp1とtp2とは同じであり、197.5nmであってもよい。他の場合、それらは異なり、tp1=465nm及びtp2=120nmであってもよい。Tp1は、tp2よりも大きくてもよい。一例では、tp1は400nmであり、プレート416は存在しない。圧電プレート412及び/又は圧電プレート416は、プレート110について述べたような材料であってもよい。場合によっては、それらは同じ材料であり、他の場合には、それらは異なる材料である。接合層は、Al2O3又はSiO2であっても、又はそれらを含んでもよい。
図4Bは、異なる膜構造を有するXBARのアドミッタンスを比較するグラフ460である。グラフ460は、有限要素法(FEM)シミュレーション技術を使用してシミュレートされた、XBARの周波数の関数としてのアドミッタンスの大きさ(対数スケール)をプロットしている。アドミッタンスデータは、以下のパラメータの違いを用いてXBARの三次元シミュレーションから得られる。
a)tp1が400nmであり、接合層又は第2の圧電プレートがないモノリシック低周波膜に対するプロット461
b)tp1及びtp2が197.5nmであり、tbが10nmである複合低周波膜に対するプロット462
a)tp1が400nmであり、接合層又は第2の圧電プレートがないモノリシック低周波膜に対するプロット461
b)tp1及びtp2が197.5nmであり、tbが10nmである複合低周波膜に対するプロット462
例えば、実線プロット461は、a)厚さ400nmのプレートのモノリシック(単一材料)層である膜を有するXBARのアドミッタンスを表し、破線プロット462は、b)厚さ197.5nmのニオブ酸リチウムの下層に化学的又は分子的に接合した厚さ10nmのAl2O3接合層に化学的又は分子的に接合した厚さ197.5nmのニオブ酸リチウムからなる複合(少なくとも2種の材料)層である膜を有するXBARのアドミッタンスを表す。このシミュレーションでは、接合層における音響損失がニオブ酸リチウムにおける音響損失の100倍であると想定している。
グラフ460は、接合層を複合層b)の膜に追加することによって、モノリシック層a)と比較してアドミッタンス性能が最小限にしか影響されないことを示している。例えば、複合層b)に対する共振器結合(すなわち、***振対共振周波数差によって示される)は、最低アドミッタンスピーク(例えば、FR=4693MHzにおけるピーク463)での***振周波数と最高アドミッタンスピーク(例えば、FAR=5306MHzにおけるピーク464)での共振周波数との間の距離であるが、モノリシック層a)に対する共振器結合(例えば、FAR=5333MHzにおけるピーク466)と比較して、約5%のみ減少する。
また、グラフ460は、468のスパーなどのいくつかのスパーが、モノリシック層a)と比較して、複合層b)の周波数ではわずかに調整されているだけであることも示している。Al2O3接合層の存在は、デバイス性能に顕著な影響を与えない。
図4Cは、同一ダイ上に形成された膜厚が異なる改善型XBARシャント及び直列共振器のアドミッタンスを示すグラフ470である。共振器は、図4Aのシャント共振器402及び直列共振器404であってもよい。グラフ470は、FEMシミュレーション技術を使用してシミュレートされたXBARの周波数の関数としてのアドミッタンスの大きさをプロットしている。アドミッタンスデータは、両方に対して、tm=650nmのアルミニウムを有するXBARの三次元シミュレーションから得られる。
破線のプロット471は、プレート412がtp1=465nmのプレート110材料を有し、プレート416がtp2=120nmのプレート110材料を有し、層414が10nmのAl2O3である複合低周波シャント膜を有するXBARに関する。実線のプロット472は、tp1=465nmのプレート110材料、tbが10nmのAl2O3であり、第2のプレート416が存在しない複合高周波直列膜を有するXBARに関する。プレート416は、エッチング停止部として接合層414を使用してパターニングされ、高周波膜からエッチング除去することができる。層414は、プレート412に化学的又は分子的に接合することができ、プレート416(存在する場合)は、層414に化学的又は分子的に接合することができる。
グラフ470は、Al2O3接合層上に載置された金属(例えば、IDTフィンガ及びバスバーの金属)がデバイス性能を低下させないので、直列膜の複合層内の膜に接合層を追加することによって、アドミッタンス性能が最小限にしか影響されないことを示している。共振器のQ値及び結合は、LiNbO3プレート間に接合層が追加されているにもかかわらず、大部分は保持される。単一のダイ上のそのようなシャント及び直列共振器をラダー構成で使用して、無スプールのn77通過帯域フィルタを作成することができる。
図4Dは、直列共振器とは膜厚が異なる改善型XBARシャント共振器を有する、同一ダイ上に形成された接合層厚が異なる2つの改善型XBAR直列共振器のアドミッタンスを示すグラフ480である。共振器は図4Aの直列共振器404であってもよく、シャント共振器は共振器402であってもよい。グラフ480は、FEMシミュレーション技術を使用してシミュレートされたXBARの周波数の関数としてのアドミッタンスの大きさをプロットしている。アドミッタンスデータは、tm=650nmのアルミニウムを有し、第2のプレート416が存在しないXBARの三次元シミュレーションから得られる。
実線のプロット481は、a)tb=10nmのAl2O3及びtp1=465nmのプレート110材料を有するXBAR膜に関する。破線のプロット482は、b)tb=30nmのAl2O3及びtp1=451nmのプレート110材料を有するXBAR膜に関する。プレート416は、エッチング停止部として接合層414を使用してパターニングされ、これらの膜からエッチング除去することができる。層414は、プレート412に化学的又は分子的に接合することができる。
グラフ480は、接合層を複合層412及び414内の膜に結合することによって、アドミッタンス性能が最小限にしか影響されないことを示している。例えば、以下のように計算される相対共振***振周波数間隔(relative resonance anti-resonance frequency spacing)(RAR)に関して、2つの共振器間にはほとんど変化がない(0.2%)。
グラフ480は、2つの膜の相対共振周波数483と相対***振周波数484との間のRARが、a)16.5%及びb)16.3%であることを示している。この強い共振器結合を維持することは、広帯域幅フィルタを設計し、その一方で、低損失フィルタ応答を与える高Q共振も維持するために重要である。さらに、追加された接合層は、新しいスプリアスモードを共振器に有意に導入することはなく、これは良好なフィルタの設計に重要である。
図4Eは、シャント共振器とは膜厚が異なる改善型XBAR直列共振器を有する、同一ダイ上に形成された接合層厚が異なる2つの改善型XBARシャント共振器のアドミッタンスを示すグラフ490である。共振器は図4Aのシャント共振器402であってもよく、直列共振器は共振器404であってもよい。グラフ490は、FEMシミュレーション技術を使用してシミュレートされたXBARの周波数の関数としてのアドミッタンスの大きさをプロットしている。アドミッタンスデータは、tm=650nmのアルミニウムを有するXBARの三次元シミュレーションから得られる。
実線のプロット491は、a)tb=10nmのAl2O3、tp2=120nmのプレート110材料、及びtp1=465nmのプレート110材料を有するXBAR膜に関する。破線のプロット492は、b)tb=30nmのAl2O3、tp2=120nmのプレート110材料、及びtp1=450nmのプレート110材料を有するXBAR膜に関する。層414は、プレート412に化学的又は分子的に接合することができ、プレート416は、層414に化学的又は分子的に接合することができる。
グラフ490は、より厚い接合層を複合層412、414及び416内の膜に結合することによって、アドミッタンス性能がいくらかの損失を有することを示している。例えば、2つの共振器の間には、それらのRARに関していくらかの損失(0.7%)がある。グラフ490は、2つの膜の相対共振周波数493と相対***振周波数494との間のRARが、a)14.7%及びb)14.0%であることを示している。ここでも、この強い共振器結合を維持することは、広帯域幅フィルタを設計し、その一方で、低損失フィルタ応答を与える高Q共振も維持するために重要である。さらに、追加された接合層は、新しいスプリアスモードをこの共振器に有意に導入することはなく、これは良好なフィルタの設計に重要である。
図5は、XBARを使用する高周波バンドパスフィルタ500の概略回路図及びレイアウトである。フィルタ500は、3つの直列共振器510A、510B、510C及び2つのシャント共振器520A、520Bを含む従来のラダーフィルタアーキテクチャを有する。3つの直列共振器510A、510B、510Cは、第1のポートと第2のポートとの間に直列に接続される。図5では、第1及び第2のポートは、それぞれ「イン(In)」及び「アウト(Out)」とラベル付けされている。しかしながら、フィルタ500は双方向性であり、いずれかのポートがフィルタの入力又は出力として機能する。2つのシャント共振器520A、520Bは、直列共振器の間のノードからグランドに接続される。すべてのシャント共振器及び直列共振器は、単一のダイ上のXBARである。
フィルタ500の3つの直列共振器510A、510B、510C及び2つのシャント共振器520A、520Bは、シリコン基板(見えない)に接合された圧電材料の単一のプレート412上に形成される。直列共振器及びシャント共振器はすべて、圧電材料の単一のプレート412上に形成された接合層414を有する。3つの直列共振器510A、510B、510Cは、接合層414に接合された圧電材料の単一のプレート416を有するが、2つのシャント共振器520A、520Bは有していない。各共振器は、それぞれのIDT(図示せず)を含み、IDTの少なくともフィンガは、基板内のキャビティの上方に配置される。この文脈及び同様の文脈において、「それぞれの」という用語は、「各物事を各々に対して関連付ける」、すなわち1対1の対応関係を有することを意味する。図5では、キャビティは破線の矩形(矩形535など)として概略的に示されている。この例では、各IDTは、それぞれのキャビティの上方に配置される。他のフィルタでは、2つ以上の共振器のIDTは、単一のキャビティの上方に配置されてもよい。
(方法の説明)
図6は、XBAR又はXBARを組み込んだフィルタを作成するためのプロセス600を示す簡略フローチャートである。プロセス600は、基板と、プレート412であり得る圧電材料のプレートと共に605で開始し、完成したXBAR又はフィルタと共に695で終了する。後述するように、圧電プレートは、犠牲基板にマウントされても、又は圧電材料のウエハの一部であってもよい。図6のフローチャートは、主要なプロセスステップのみを含む。図6に示すステップ前、ステップ間、ステップ後、及びステップ中に、様々な従来のプロセスステップ(例えば、表面処理、化学機械処理(CMP)、洗浄、検査、堆積、フォトリソグラフィ、焼成、アニーリング、監視、試験など)を実行することができる。
図6は、XBAR又はXBARを組み込んだフィルタを作成するためのプロセス600を示す簡略フローチャートである。プロセス600は、基板と、プレート412であり得る圧電材料のプレートと共に605で開始し、完成したXBAR又はフィルタと共に695で終了する。後述するように、圧電プレートは、犠牲基板にマウントされても、又は圧電材料のウエハの一部であってもよい。図6のフローチャートは、主要なプロセスステップのみを含む。図6に示すステップ前、ステップ間、ステップ後、及びステップ中に、様々な従来のプロセスステップ(例えば、表面処理、化学機械処理(CMP)、洗浄、検査、堆積、フォトリソグラフィ、焼成、アニーリング、監視、試験など)を実行することができる。
図6のフローチャートは、XBARを作成するためのプロセス600の3つの変形例を捕捉し、変形例では基板内でいつどのようにキャビティが形成されるかが異なる。キャビティは、ステップ610A、610B、又は610Cにおいて形成することができる。プロセス600の3つの変形例の各々において、これらのステップのうちの1つのみが実行される。
圧電プレートは、例えば、Zカット、回転Zカット、又は回転Yカットされたニオブ酸リチウム、タンタル酸リチウム、又はプレート110について述べた材料であってもよい。圧電プレートは、何らかの他の材料及び/又は何らかの他のカットであってもよい。プレートは、プレート412、膜410及び/又は膜450であってもよい。基板はシリコンであってもよい。基板は、エッチング又は他の処理によって深いキャビティの形成を可能にする他の何らかの材料であってもよい。シリコン基板は、シリコンTOX及び多結晶シリコンの層を有することができる。
プロセス600の一変形例では、620において圧電プレートが基板に接合される前に、610Aにおいて、基板120、320、420に1つ以上のキャビティを形成する。フィルタデバイス内の共振器ごとに別個のキャビティを形成することができる。1つ以上のキャビティは、従来のフォトリソグラフィ技術及びエッチング技術を使用して形成することができる。これらの技術は、等方性であっても、又は異方性であってもよく、深掘り反応性イオンエッチング(DRIE)を使用することができる。典型的には、610Aにおいて形成されたキャビティは、基板又は層320、420を貫通せず、結果として生じる共振器デバイスは、図3A又は図4Aに示すような断面を有する。
620において、圧電プレートを基板に接合する。圧電プレートと基板とは、ウエハ接合プロセスによって接合することができる。典型的には、基板と圧電プレートとの合わせ面は高度に研磨される。酸化物又は金属などの中間材料の1つ以上の層を、圧電プレート及び基板の一方又は両方の合わせ面上に形成又は堆積させることができる。一方又は両方の合わせ面は、例えばプラズマプロセスを使用して活性化することができる。次いで、合わせ面を相当な力で一緒に押圧して、圧電プレートと基板又は中間材料層との間に分子接合を確立することができる。
620の第1の変形例では、圧電プレートは最初に犠牲基板にマウントされる。圧電プレートと基板とを接合した後、犠牲基板及び介在層を除去して、圧電プレートの表面(以前に犠牲基板に面していた表面)を露出させる。犠牲基板は、例えば、材料依存性ウェット若しくはドライエッチング、又は他の何らかのプロセスによって除去することができる。
620の第2の変形例は、単結晶圧電ウエハから開始する。圧電ウエハ(図6には図示せず)の表面の下の制御された深さまで、イオンを注入する。ウエハの表面からイオン注入の深さまでの部分は、薄い圧電プレートであり(又は薄い圧電プレートになる)、ウエハの残りは事実上犠牲基板である。圧電ウエハの注入された表面とデバイス基板とが接合された後、圧電ウエハは、注入されたイオンの平面で分割され(例えば、熱衝撃を使用する)、圧電材料の薄板を露出させて基板に接合させたままにすることができる。薄板圧電材料の厚さは、注入されたイオンのエネルギー(したがって、深さ)によって決定される。薄板のイオン注入及びその後の分離のプロセスは、一般に「イオンスライス」と呼ばれる。圧電体ウエハを分割した後、薄い圧電プレートの露出面を研磨又は平坦化することができる。
620において基板に接合される圧電プレートは、プレート412であってもよい。620におけるプレートの接合は、図4A及び/又は図7A~図7Cにおける膜410及び450を形成するための説明を含むことができる。620において基板に接合された圧電プレートは、膜上に誘電周波数設定層を使用するのではなく、同一ダイ上に2つ(又はそれ以上)の異なるXBAR圧電膜(例えば、ダイヤフラム)厚を有することで膜を調整することができる。これらの圧電層の異なる厚さは、選択されたXBARを他のXBARと比較して異なる周波数に調整させるように選択することができる。例えば、フィルタ内のXBARの共振周波数は、これらの圧電層の異なる厚さを使用して調整することができる。
630において、1つ以上のXBARデバイスを画定する導体パターン及び誘電体層が圧電プレートの表面に形成される。典型的には、フィルタデバイスは、順次堆積及びパターニングされる2つ以上の導体層を有する。導体層は、接合パッド、金若しくははんだバンプ、又はデバイスと外部回路との間を接続するための他の手段を含むことができる。導体層は、例えば、アルミニウム、アルミニウム合金、銅、銅合金、モリブデン、タングステン、ベリリウム、金、又は他の何らかの導電性金属であってもよい。任意選択的に、他の材料の1つ以上の層は、導体層の下(すなわち、導体層と圧電プレートとの間)及び/又は上に配置することができる。例えば、チタン、クロム、又は他の金属の薄膜フィルムを使用して、導体層と圧電プレートとの間の接着性を改善することができる。導体層は、接合パッド、金若しくははんだバンプ、又はデバイスと外部回路との間を接続するための他の手段を含むことができる。
導体パターンは、630において、圧電プレートの表面に導体層を堆積させ、パターニングされたフォトレジストを介してエッチングすることによって余分な金属を除去することによって形成することができる。代替的に、導体パターンは、リフトオフプロセスを使用して630において形成されてもよい。フォトレジストは、圧電プレートに堆積することができ、導体パターンを画定するようにパターニングすることができる。導体層は、圧電プレートの表面に順次堆積することができる。次いで、フォトレジストを除去することができ、これにより余分な材料が除去され、導体パターンが残る。場合によっては、プレートを基板に接合する前にIDTが形成される場合など、620における接合の前に630における形成が行われる。
630における導体パターンの形成は、図4A及び/又は図7A~図7Cにおける膜410及び/又は450を形成するための説明を含むことができる。
640において、IDT又はXBARデバイスの1つ以上の所望の導体パターンの上方に、圧電プレートの前面側に誘電材料の1つ以上の層を堆積することによって、前面側誘電体層を形成することができる。1つ以上の誘電体層は、スパッタリング、蒸着、又は化学蒸着などの従来の堆積技術を使用して堆積することができる。1つ以上の誘電体層は、導体パターンの上部を含む圧電プレートの表面全体に堆積することができる。代替的に、(フォトマスクを使用する)1つ以上のリソグラフィプロセスを使用して、IDTのインターリーブされたフィンガ間のみなど、圧電プレートの選択された領域に誘電体層の堆積を制限することができる。マスクを使用して、圧電プレートの異なる部分に異なる厚さの誘電材料を堆積させることもできる。場合によっては、640における堆積は、選択されたIDTの前面に少なくとも1つの誘電体層の第1の厚さを堆積させるが、誘電体は堆積させないか、又は他のIDT上に少なくとも1つの誘電体の第1の厚さよりも薄い第2の厚さで堆積させることを含む。代替案は、これらの誘電体層がIDTのインターリーブされたフィンガ間にのみある場合である。
1つ以上の誘電体層は、例えば、米国特許第10,491,192号明細書に記載されているように、直列共振器の共振周波数に対してシャント共振器の共振周波数をシフトさせるために、シャント共振器のIDTの上方に選択的に形成された誘電体層を含むことができる。1つ以上の誘電体層は、デバイスのすべて又はかなりの部分に堆積された封入/パッシベーション層を含むことができる。
これらの誘電体層の異なる厚さは、選択されたXBARを、他のXBARと比較して異なる周波数に調整させる。例えば、フィルタ内のXBARの共振周波数は、いくつかのXBAR上の異なる前面側誘電体層の厚さを使用して調整することができる。620で述べた圧電プレートの異なる厚さは、XBARを調整するためにこれらの厚さが異なる誘電体層を有することの代わりに、又はそれと組み合わせて使用することができる。tfd=0のXBARのアドミッタンス(すなわち、誘電体層を有していないXBAR)と比較して、tfd=30nmの誘電体層を有するXBARのアドミッタンスは、誘電体層を有していないXBARと比較して共振周波数を約145MHzだけ低下させる。tfd=60nmの誘電体層を有するXBARのアドミッタンスは、誘電体層を有していないXBARと比較して共振周波数を約305MHzだけ低下させる。tfd=90nmの誘電体層を有するXBARのアドミッタンスは、誘電体層を有していないXBARと比較して共振周波数を約475MHzだけ低下させる。重要なことに、様々な厚さの誘電体層の存在は、圧電結合にほとんど又は全く影響を及ぼさない。
プロセス600の第2の変形例では、630においてすべての導体パターン及び誘電体層が形成された後、610Bにおいて基板の背面側に1つ以上のキャビティが形成される。フィルタデバイス内の共振器ごとに別個のキャビティを形成することができる。1つ以上のキャビティは、異方性又は配向依存性のドライエッチング又はウェットエッチングを使用して形成され、基板の背面側を貫通して圧電プレートに孔を開けることができる。この場合、結果として得られる共振器デバイスは、図1に示すような断面を有する。
プロセス600の第3の変形例では、610Cにおいて、圧電プレートの開口部を通して導入されたエッチング液を使用して基板の前面側に形成された犠牲層をエッチングすることによって、基板内の凹部の形態の1つ以上のキャビティを形成することができる。フィルタデバイス内の共振器ごとに別個のキャビティを形成することができる。1つ以上のキャビティは、圧電プレートの孔を通過し、基板の前面側の凹部をエッチングする等方性又は配向非依存ドライエッチングを使用して形成することができる。610Cにおいて形成された1つ以上のキャビティは、基板を完全に貫通せず、結果として生じる共振器デバイスは、図3A又は図4Aに示すような断面を有する。変形例610B及び610Cに関して、620~640におけるキャビティに関する上記の説明は、610B又は610Cにおいてキャビティを形成する前のキャビティの位置に関するものである。
プロセス600のすべての変形例において、フィルタ又はXBARデバイスは660において完成する。660において生じ得る動作は、デバイスのすべて又は一部にSiO2又はSi3O4などの封入/パッシベーション層を堆積させることと、接合パッド若しくははんだバンプ、又はデバイスと外部回路との間を接続するための他の手段を形成することと、複数のデバイスを含有するウエハから個々のデバイスを切除することと、他のパッケージングステップと、試験することとを含む。660において起こり得る別の動作は、デバイスの前面側から金属又は誘電材料を追加又は除去することによって、フィルタデバイス内の共振器の共振周波数を調整することである。フィルタデバイスが完成した後、プロセスは695において終了する。図1~図3Gは、660において完成した後の選択されたIDTのフィンガの例を示すことができる。
610Aにおけるキャビティの形成は、必要とされる全プロセスステップを最小にすることができるが、後続のプロセスステップのすべての間でXBARダイヤフラムが支持されないという欠点を有する。これは、後続の処理中にダイヤフラムの損傷又は許容できない歪みをもたらす可能性がある。
610Bにおけるバックサイドエッチングを使用したキャビティの形成は、両面ウエハ処理に固有の追加の処理を必要とする。背面側からキャビティを形成することはまた、デバイスの前面側と背面側との両方がパッケージによって封止されなければならないため、XBARデバイスのパッケージングを非常に複雑にする。
610Cにおける前面側からのエッチングによるキャビティの形成は、両面ウエハ処理を必要とせず、先行するプロセスステップのすべての間でXBARダイヤフラムが支持されるという利点を有する。しかしながら、圧電プレートの開口部を通してキャビティを形成することができるエッチングプロセスは、必然的に等方性である。しかしながら、図3D及び図8に示すように、犠牲材料を使用するそのようなエッチングプロセスは、横方向(すなわち、基板の表面に平行)及び基板の表面に対して垂直の両方で、キャビティの制御されたエッチングを可能にする。
図7A、図7B、及び図7C(まとめて「図7」)は、図4Aに示すような、同一ダイ400A上に形成された膜厚が異なる共振器402及び404を有するXBARを製造するための改善されたプロセス700の簡略化されたフローチャートである。プロセス700は、同一ダイ上に2つ(又はそれ以上)の異なるXBAR圧電膜(例えば、ダイヤフラム)厚を製造して膜を調整することを記載することができる。フローチャートの各動作の右側には、各動作の終了時を表す概略断面図が示されている。プロセス700は、基板420及び圧電材料の第1のプレート411と共に図7Aの710において開始する。第1の圧電プレートは、前述のように、犠牲基板にマウントされても、又は圧電材料のウエハの一部であってもよい。プロセス700は、同一ダイ上に形成された共振器402及び404を有する完成したXBARによって図7Cの785において終了する。図7のフローチャートは、主要なプロセスステップのみを含む。図7に示すステップ前、ステップ間、ステップ後、及びステップ中に、様々な従来のプロセスステップ(例えば、表面処理、洗浄、検査、堆積、フォトリソグラフィ、焼成、アニーリング、監視、試験など)を実行することができる。
710において、第1の圧電プレート411を基板420に接合する。710における接合は、圧電ウエハをシリコンキャリアウエハに接合することであってもよい。この接合は、620で述べた圧電プレートを形成するためのプロセスのいずれかを表すか、又はいずれかであってもよい。第1の圧電プレート411及び基板420は、本明細書で述べたプレート及び基板のいずれかについて述べたように接合された材料であってもよい。基板420は、図4Aに示すように、キャビティ440及び444(図7には図示せず)を接合前に含むか、又は後にエッチングして形成することができる。これらのキャビティは、610A、610B、又は610Cで述べた任意のプロセスによって形成することができる。
720において、第1の圧電プレート411を平坦化して、厚さtp1の圧電プレート412を形成する。720における平坦化は、圧電ウエハの厚さを例えば465nm又は別の厚さtp1まで正確に薄くすることであってもよい。720において、第1の圧電プレート411の露出面は、710に示すような厚さtp1よりも大きい厚さから、720に示すような厚さtp1まで化学機械処理(CMP)を使用するなどして研磨又は平坦化することができる。
730において、圧電プレート412の平坦化された表面上に接合層414が形成される。730における形成は、圧電プレート界面を、2~5nmの厚さで、圧電プレート層厚を画定する後続のエッチングに対するエッチング停止層として機能し得る薄い接合層でコーティングすることであってもよい。接合層は、Al2O3又はSiO2であってもよい。場合によっては、接合層はプレート412の材料及びプレート416の材料への分子接合に適した任意の材料である。730における形成は、原子層堆積(ALD)を使用してプレートの露出した上面のすべてに接合材料をブランケット堆積させて接合層を形成することを含むことができる。接合層は、厚さtbを有し、層414について説明した材料である。
740において、第2の圧電プレート415を接合層414に接合する。740における接合は、接合層414を使用して層412の上面に圧電ウエハを接合することであってもよい。この接合は、620で述べた圧電プレートを形成するためのプロセスのいずれかを表すか、又はいずれかであってもよい。第2の圧電プレート415は、本明細書のプレートのいずれかについて述べたような材料であってもよい。接合層414へのプレート415の接合は、本明細書で述べたプレート及び接合層のいずれかを接合するために説明した通りであってもよい。第2の圧電プレート415の層は、直接接合プロセスを用いて接合層414に接合することができる。
圧電プレート412及び415の結晶切断配向は、それらが同じ配向を有する場合よりも良好に接合し、良好に結合し、デュアルウエハ(例えば、互いに接合された2つの圧電プレート)スタックとして良好に機能するように異なることができる。圧電プレート412及び415の結晶切断配向の違いは、直列共振器よりも低い周波数で動作するためにより厚い圧電デュアルウエハプレートを必要とするシャント共振器の所定の性能又は調整のために選択することができる。
750において、第2の圧電プレート415を平坦化して、厚さtp2を有する圧電プレート416を形成する。750における平坦化は、圧電ウエハの厚さを最終厚さ、例えば120nm又は別の厚さtp2まで正確に薄くすることであってもよい。750において、第2の圧電プレート415の露出面は、740に示すような厚さtp2よりも大きい厚さから、740に示すような厚さtp2まで化学機械処理(CMP)を使用するなどして研磨又は平坦化することができる。
760において、圧電プレート416の1つ以上の部分をエッチングして除去し、プレートがエッチングされる膜450を形成する。760におけるエッチングは、直列共振器404の位置における領域を露出させるために、基板、並びに層412、414及び416を有するウエハをパターニングし、次いで、プレート416をウエハの上部から選択的にエッチングして、プレート416を高周波数直列膜450の上方から除去する一方で、プレート416を低周波数シャント膜410の上方に残すことであってもよい。760におけるエッチングは、パターニング及びエッチングであってもよく、1つ以上のキャビティ444の上方の1つ以上の領域でプレート416の厚さtp2を除去して膜450を形成し、1つ以上のキャビティ440の上方の1つ以上の領域においてプレート416の厚さtp2を残して膜410を形成することができる。エッチング中、層414は、高周波直列共振器膜450の上方の領域における層416のエッチング中のプレート412(及び層414)へのエッチング損傷を防止するエッチング停止層として機能することができる。層414は、プレート416をエッチングするために使用されるプロセス及び化学物質に対して不浸透性であり、及び/又はそれらによるエッチングがプレート416の材料よりも大幅に遅い(magnitudes slower)という点でエッチング停止層として機能することができる。このエッチングは、本明細書で述べるように、膜450を形成するために層416の一部を除去するプロセスのいずれかを表すか、又はいずれかであってもよい。
薄膜450の形成は、共振器410が形成される領域でプレート416の上方にパターニングされたマスク層を形成することを含むことができる。パターニングされたマスクは、プレート416をエッチングするために使用されるプロセス及び化学物質に対して不浸透性であり、及び/又はそれらよるエッチングの規模がプレート416よりも大幅に遅いという点で、エッチング停止部のように機能することができる。適切なマスク層は、感光性材料、感光性有機材料(例えば、光重合フォトレジスト、光分解フォトレジスト、又は光架橋フォトレジスト)、又は酸化物若しくは窒化物ハードマスクなどのフォトレジスト材料を含むことができる。
マスクがパターニングされた後、プレート416の材料がエッチングされ、マスクによって保護されていない場所では除去され、したがって、薄膜450が形成される。プレート416は、例えば、異方性プラズマエッチング、反応性イオンエッチング、ウェット化学エッチング、及び/又は他のエッチング技術によってエッチングすることができる。層414は、プレート416をエッチングするために使用されるプロセス及び化学物質に対して不浸透性であるか、又はそれらによるエッチングが大幅に遅いことができる。このエッチングの後、フォトレジストマスクは、所望の膜410のパターンを残すようにプレート416の上面から除去される。ウエハ上に残っているものには、図示のように膜410及び450が含まれる。
770において、IDTは、シャント膜410及び直列膜450がそれぞれ形成されるプレート416及び層414の部分の上方に形成される。770におけるIDTの形成により、それぞれのIDT及び膜からシャント共振器402及び直列共振器404を作成することができる。770における形成中、層414は、高周波直列共振器の周囲145内の領域からのIDT材料のエッチング中にプレート412(及び層414)へのエッチング損傷を防止するエッチング停止層として機能することができる。770におけるIDTの形成は、図6の630におけるIDTの形成の説明を含むことができる。
770におけるIDTの形成は、プレート416及び層414の露出した上面にIDT導体材料をブランケット堆積することから始まるエッチバック処理を含むことができる。この堆積後、IDTが形成されることになる位置又は領域で、IDT導体材料の上方にパターニングされたフォトレジストマスクを形成することができる。フォトレジストマスクは、IDT導体材料にブランケット堆積され、次いでフォトリソグラフィを使用してパターニングされて、パターニング後にマスクが存在する位置に導体パターンを画定することができる。パターニングされたフォトレジストマスクは、導体材料をエッチングするために使用されるプロセス及び化学物質に対して不浸透性である(及び/又はそれらによるエッチングが導体材料よりも大幅に遅い)という点でエッチング停止部のように機能することができる。適切なフォトレジスト材料は、感光性有機材料(例えば、光重合フォトレジスト、光分解フォトレジスト、又は光架橋フォトレジスト)を含むことができる。
マスクがパターニングされた後、IDT導体材料は、ドライエッチングなどによってエッチングされ、フォトレジストマスクによって保護されていない場所では除去され、したがって、IDT導体パターンが形成される。導体層は、例えば、異方性プラズマエッチング、反応性イオンエッチング、ウェット化学エッチング、及び他のエッチング技術によってエッチングすることができる。エッチングにより、共振器410の上方のプレート416上及びそれに対する導体、並びに共振器450の上方の層414をエッチング又は除去する。プレート416及び層414はいずれも、導体をエッチングするために使用されるプロセス及び化学物質に対して不浸透性である(又はそれらによるエッチングが大幅に遅い)ことができる。このエッチングの後、フォトレジストマスクを導体材料の上面から除去して、IDT用の所望の導体材料のパターンを残す。残りの所望の導体材料は、IDT導体と、フィンガ436及び438とを含む。プロセス700は、膜を調整するために、同一ダイ400A上に形成された膜厚が異なる共振器402及び404を有するXBARによって770において終了することができる。他の場合には、プロセスは、誘電体層が形成される図6の640に続く。
接合及びエッチングプロセス700を使用することにより、同一ダイ上のXBAR共振器が、正確に形成される異なる膜厚を有することが可能になる。これにより、所望の膜厚を正確に製造すること、膜の厚さの正確さに対する共振器周波数特性の感度、並びにそれらの膜の音響及び圧電特性に対する共振器特性の感度における困難が回避される。プロセス700は、共振器特性(例えば、共振及び***振周波数並びに品質係数(Q)、スパー、結合、電力処理、周波数の温度係数(TCF))又は機械的若しくは熱的膜特性を著しく低下させることなく、ダイ上に複数の膜厚を正確に製造する手段を提供することによってこれらの問題を解決する。
(結びのコメント)
この説明全体を通して、示された実施形態及び例は、開示又は特許請求される装置及び手順に対する限定ではなく、例示として考慮されるべきである。本明細書に提示される例の多くは、方法動作又はシステム要素の特定の組み合わせを伴うが、それらの動作及びそれらの要素は、同じ目的を達成するために他の方法で組み合わせることができることを理解されたい。フローチャートに関して、追加のより少ないステップが行われてもよく、また、図示のステップは、本明細書に記載の方法を達成するために組み合わされても、又はさらに改良されてもよい。1つの実施形態に関連してのみ論じられる動作、要素、及び特徴は、他の実施形態における同様の役割から除外されることを意図しない。
この説明全体を通して、示された実施形態及び例は、開示又は特許請求される装置及び手順に対する限定ではなく、例示として考慮されるべきである。本明細書に提示される例の多くは、方法動作又はシステム要素の特定の組み合わせを伴うが、それらの動作及びそれらの要素は、同じ目的を達成するために他の方法で組み合わせることができることを理解されたい。フローチャートに関して、追加のより少ないステップが行われてもよく、また、図示のステップは、本明細書に記載の方法を達成するために組み合わされても、又はさらに改良されてもよい。1つの実施形態に関連してのみ論じられる動作、要素、及び特徴は、他の実施形態における同様の役割から除外されることを意図しない。
本明細書で使用される場合、「上部(top)」及び「下部(bottom)」という用語の対は、「前部(front)」及び「後部(back)」という対と交換することができる。本明細書で使用される場合、「複数(plurality)」は2つ以上を意味する。本明細書で使用される場合、項目の「セット(set)」は、そのような項目のうちの1つ以上を含むことができる。本明細書で使用される場合、明細書又は特許請求の範囲にかかわらず、「備える(comprising)」、「含む(including)」、「保持する(carrying)」、「有する(having)」、「含有する(containing)」、「伴う(involving)」などの用語は、オープンエンドである、すなわち、含むがこれらに限定されないことを意味すると理解されるべきである。「からなる(consisting of)」及び「から本質的になる(consisting essentially of)」という移行句のみが、特許請求の範囲に関する、それぞれ閉鎖的又は半閉鎖的な移行句である。請求項の要素を修飾するための特許請求の範囲における「第1」、「第2」、「第3」などの序数の用語の使用は、それ自体では、1つの請求項の要素の他の要素に対する時間の優先順位(priority)、順序の優先順位(precedence)、若しくは順序、又は方法の動作が実行される時間的順序を意味するものではなく、単に、請求項の要素を区別するために、ある名称を有する1つの請求項の要素を同じ名称を有する別の要素から区別する(ただし、序数の用語の使用に関して)ためのラベルとして使用される。本明細書で使用される場合、「及び/又は」は、列挙された項目が選択肢(alternatives)であるが、選択肢は列挙された項目の任意の組み合わせも含むことを意味する。
Claims (19)
- 単一のダイ上に少なくとも第1のキャビティ及び第2のキャビティを有する基板と、
前記第1のキャビティ及び前記第2のキャビティにまたがる第1の圧電プレートと、
前記第1のキャビティ及び前記第2のキャビティにまたがる接合層と、
前記第1のキャビティにまたがるが前記第2のキャビティにはまたがらない第2の圧電プレートと、
前記第1のキャビティの上方の前記第1の圧電プレートの前面上の第1のインターデジタル変換器(IDT)と、
前記第2のキャビティの上方の前記接合層の表面上の第2のIDTと
を備える、フィルタデバイス。 - 前記接合層は、Al2O3又はSiO2のうちの一方である、請求項1に記載のデバイス。
- 前記接合層は、前記第2の圧電プレートのエッチングに対するエッチング停止部である、請求項1に記載のデバイス。
- 前記第2の圧電プレートは、第1のプロセスでエッチング可能な第1の材料であり、
前記接合層は、前記第1のプロセスに対して実質的に不浸透性である第2の材料である、
請求項1に記載のデバイス。 - XBARの第1の共振器は、前記第1のキャビティの上方に、前記第1の圧電プレート、前記接合層、前記第2の圧電プレート、及び前記第1のIDTを有し、前記XBARの第2の共振器は、前記第2のキャビティの上方に、前記第1の圧電プレート、前記接合層、及び前記第2のIDTを有する、請求項1に記載のデバイス。
- 前記第1の共振器及び前記第2の共振器は、前記第1のIDT及び前記第2のIDTに印加される無線周波数信号が、前記第1の共振器及び前記第2の共振器において異なる第1の一次剪断音響モード及び第2の一次剪断音響モードを励起するように構成される、
請求項5に記載のデバイス。 - 前記第1の圧電プレートの厚さ及び前記第2の圧電プレートの厚さは、前記第1の剪断一次音響波及び前記第2の剪断一次音響波を調整するように選択される、請求項5に記載のデバイス。
- 前記第1の圧電プレート及び前記第2の圧電プレートはいずれも、ニオブ酸リチウム又はタンタル酸リチウムのいずれかである、請求項1に記載のデバイス。
- 前記圧電プレート及び前記接合層を貫通する1つ以上の開口部をさらに備える、請求項1に記載のデバイス。
- 前記第1の圧電プレート及び前記第2の圧電プレートが異なる厚さを有する、請求項1に記載のデバイス。
- 第1のキャビティのための基板内の位置及び第2のキャビティのための前記基板内の位置の上方で、第1の圧電プレートを前記基板に接合することと、
前記第1のキャビティのための前記位置及び前記第2のキャビティのための前記位置の上方で、前記第1のプレート上に接合層を形成することと、
前記第1のキャビティのための前記位置及び前記第2のキャビティのための前記位置の上で、前記接合層に第2の圧電プレートを接合することと、
前記第2のキャビティの前記位置にまたがる前記第2の圧電プレートの一部をエッチング除去することと、
前記第1のキャビティの前記位置の上方の前記第1の圧電プレートの前面に第1のインターデジタル変換器(IDT)を形成することと、
前記第2のキャビティの前記位置の上方の前記接合層の前面に第2のIDTを形成することと
を含む、フィルタデバイスを形成する方法。 - 前記接合層は、Al2O3又はSiO2のうちの一方である、請求項11に記載の方法。
- 前記接合層は、前記第2の圧電プレートの一部をエッチング除去する際のエッチング停止部として機能する、請求項11に記載の方法。
- エッチング中、
前記第2の圧電プレートは、前記エッチングによりエッチングされた第1の材料であり、
前記接合層は、前記エッチングに対して実質的に不浸透性である第2の材料である、
請求項11に記載の方法。 - 前記第1のキャビティを前記第1の位置に形成し、前記第2のキャビティを前記第2の位置に形成することをさらに含み、前記形成は、前記第1の圧電プレートを前記基板に接合する前、又は前記第1のIDT及び第2のIDTを形成した後に行われる、請求項11に記載の方法。
- XBARの第1の共振器は、前記第1のキャビティの上方に、前記第1の圧電プレート、前記接合層、前記第2の圧電プレート、及び前記第1のIDTを有し、前記XBARの第2の共振器は、前記第2のキャビティの上方に、前記第1の圧電プレート、前記接合層、及び前記第2のIDTを有する、請求項15に記載の方法。
- 前記第1の共振器及び前記第2の共振器は、前記第1のIDT及び前記第2のIDTに印加されるそれぞれの無線周波数信号が、前記第1の共振器及び前記第2の共振器において異なる一次剪断音響モードを励起するように構成される、
請求項16に記載の方法。 - 前記第1の圧電プレートは前記第2の圧電プレートよりも厚く、異なる周波数の前記一次剪断音響モードを調整するために前記第1の圧電プレートの厚さ及び前記第2の圧電プレートの厚さを選択することをさらに含む、請求項16に記載の方法。
- 前記第1の圧電プレート及び前記第2の圧電プレートはいずれも、ニオブ酸リチウム又はタンタル酸リチウムのいずれかである、請求項11に記載の方法。
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