CN104883149B

CN104883149B - 钪铝合金溅镀目标

Info

Publication number: CN104883149B
Application number: CN201510093300.3A
Authority: CN
Inventors: 克里斯·冯; 叶堂水; 约翰·克伊; 凯文·J·格伦纳; 菲尔·尼克尔
Original assignee: Avago Technologies General IP Singapore Pte Ltd
Current assignee: Avago Technologies International Sales Pte Ltd
Priority date: 2014-02-28
Filing date: 2015-03-02
Publication date: 2020-06-05
Anticipated expiration: 2035-03-02
Also published as: CN104883149A

Abstract

本申请涉及钪铝合金溅镀目标。一种溅镀目标包括钪铝合金，其中所述合金具有3‑10原子百分数的钪和90‑97原子百分数的铝的浓度。所述溅镀目标可用于制造例如声谐振器的设备的压电层。

Description

钪铝合金溅镀目标

相关申请案的交叉参考

本申请案根据37 C.F.R,§ 1.53(b)规定是以下共同拥有的美国专利申请案的部分接续申请案：2013年11月27日申请的第14/092,026号、2013年11月27日申请的第14/092,793号和2013年11月27日申请的第14/092,077号，以上各者中的每一者根据37 C.F.R.§1.53(b)规定是2013年1月31日申请的第13/955,774号共同拥有的美国专利申请案的部分接续申请案，所述第13/955,774号美国专利申请案是2013年2月28日申请的第13/781,491号共同拥有的美国专利申请案的部分接续申请案，所述第13/781,491号美国专利申请案是2012年10月29日申请的第13/663,449号共同拥有的美国专利申请案的部分接续申请案，以上各者整体以引用方式并入本文中。第13/955,774号美国专利申请案根据37 C.F.R.§1.53(b)规定也是2011年8月12日申请的第13/208,883号共同拥有的美国专利申请案的部分接续申请案，所述第13/208,883号美国专利申请案是2011年3月29日申请的第13/074,262号共同拥有的美国专利申请案的部分接续申请案，以上各者整体以引用的方式并入本文中。第14/092,793号美国专利申请案根据37 C.F.R.§ 1.53(b)规定也是2013年2月14日申请的第13/766,993号共同拥有的美国专利申请案的部分接续申请案，所述第13/766,993号美国专利申请案根据37 C.F.R.§ 1.53(b)规定是2012年10月25日申请的第13/660,941号美国专利申请案的部分接续申请案，以上各者整体以引用的方式并入本文中。第14/092,077号美国专利申请案根据37 C.F.R.§ 1.53(b)规定也是2013年2月14日申请的第13/767,754号美国专利申请案的部分接续申请案。

技术领域

本申请涉及电子装置，更具体来说涉及谐振器。

背景技术

声谐振器可用于实施各种电子应用中的信号处理功能。举例来说，一些蜂窝式电话和其它通信装置使用声谐振器来实施用于所传输和/或所接收信号的频率滤波器。可根据不同应用来使用若干不同类型的声谐振器，其中实例包含体声波(BAW)谐振器，例如薄膜体声谐振器(FBAR)、耦合谐振器滤波器(CRF)、堆叠体声谐振器(SBAR)、双体声谐振器(DBAR)和固态安装型谐振器(SMR)。

典型声谐振器包括夹于被称为声堆叠的结构中的两个板状电极之间的压电材料层。在于电极之间施加输入电信号的情况下，互反或反向压电效应致使声堆叠取决于压电材料的极化而机械膨胀或收缩。当输入电信号随时间的过去而变化时，声堆叠的膨胀和收缩产生在各个方向上传播穿过声谐振器且通过压电效应而被转换成输出电信号的声波(或模)。一些声波跨越声堆叠达成谐振，其中谐振频率由例如声堆叠的材料、尺寸和操作条件的因素来确定。声谐振器的这些和其它机械特性确定其频率响应。

用于评估声谐振器的性能的一个量度是其机电耦合系数(kt²)，所述机电耦合系数指示电极与压电材料之间的能量转移的效率。在其它各项相同的情况下，具有较高kt²的声谐振器大体上被视为具有优于具有较低kt²的声谐振器的性能。因此，在例如4G和LTE应用的高性能无线应用中使用具有较高kt²水平的声谐振器是大体上所要的。

声谐振器的kt²受若干因素的影响，例如压电材料与电极的尺寸、组合物和结构性质。这些因素反过来受用于制造声谐振器的材料和制造过程的影响。举例来说，一种改善kt²的方法是将钪和/或例如钇、铒等的其它稀土元素包含于声谐振器的压电材料中。可从实例声谐振器的以下操作原理来理解归因于钪的改善。

一般来说，对射频(RF)滤波器应用来说最重要的振动模是纵向模，所述纵向模与电场平行或垂直于FBAR表面。其它振动波大体上是不良的且可导致能量损耗从而降低装置Q。通过改变跨越FBAR的电压、因此改变跨越极化电荷(称为偶极，由AlN膜中的带正电离子和带负电离子组成)的电场来激活纵向模从而导致取决于电场方向的收缩和膨胀。在某一频率下，偶极的振动与电场同相，其中发生串联谐振且其对应频率称为串联谐振频率(标记为Fs)。在振动不与电场同相的情况下(场的180度)，谐振器达到并联谐振，且其对应频率称为并联谐振频率(标记为Fp)。Fp总是高于Fs，且kt²与它们的差成比例。添加钪会以此方式更改这些偶极使得Fs与Fp之间的差变得更大，从而产生较高kt²。

制造具有钪的声谐振器的常规方法经受多种缺点，所述缺点可导致跨越每一制造的声谐振器或在不同制造的声谐振器之间的kt²的非均匀性。为正在进行的制造具有经改善的kt²的声谐振器，研究者正寻求设计和制造声谐振器的改善的方法。

发明内容

本申请的一个实施例涉及一种制造溅镀目标的方法，其包括：形成钪铝合金，所述钪铝合金包括3-10原子百分数的钪和90-97原子百分数的铝；以及使所述钪铝合金为用作等离子体沉积装备中的溅镀目标作准备。

本申请的另一个实施例涉及一种制造声谐振器结构的方法，其包括：在含有氮气的气氛中，使用包括钪铝合金的溅镀目标来执行溅镀过程，所述钪铝合金具有3-10原子百分数的钪和90-97原子百分数的铝。

本申请的又一实施例涉及一种设备，其包括：包括钪铝合金的溅镀目标，其中所述合金具有3-10原子百分数的钪和90-97原子百分数的铝。

附图说明

当借助于随附图式阅读时，从以下详细描述来最好地理解实例实施例。应强调，各种特征未必按比例绘制。事实上，为了论述的清晰性，尺寸可任意增大或减小。在适用且实际的情况下，相同参考数字指相同元件。

图1A是根据代表性实施例的声谐振器的横截面图。

图1B是根据代表性实施例的图1A的声谐振器的俯视图。

图2是根据代表性实施例的说明声谐振器的kt²作为压电层中的钪浓度的函数的图表。

图3是根据代表性实施例的具有不同粒度的钪铝合金的说明。

图4是根据代表性实施例的说明制造声谐振器的方法的流程图。

图5是根据另一代表性实施例的说明制造溅镀目标的方法的流程图。

图6是根据代表性实施例的说明制造声谐振器的方法的流程图。

具体实施方式

在以下详细描述中，出于阐释的目的且非限制，陈述公开特定细节的实例实施例以便提供对本教示的透彻理解。然而，受益于本发明的本领域的普通技术人员将显而易见，根据本教示的脱离本文中所公开的特定细节的其它实施例仍在随附权利要求书的范围内。此外，可省略对熟知的设备和方法的描述以便不混淆对实例实施例的描述。此些方法和设备清楚地在本教示的范围内。

本文中所使用的术语是仅用于描述特定实施例的目的，且并不意欲为限制性的。所定义的术语不包括所述所定义术语如通常在相关上下文中理解并接受的技术、科学或普通意义。

除非上下文明确指示为相反，否则术语“一”和“所述”包含单数指示物与复数指示物两者。因此，举例来说，“装置”包含一个装置和多个装置。术语“实质上”意思是在可接受界限或程度内。术语“近似”意思是在为本领域的普通技术人员可接受的界限或量内。例如“在……上方”、“在……下方”、“在……顶部”、“在……底部”、“上部”和“下部”的相对术语可用于描述如随附图式中所说明的各种元件彼此的关系。这些相对术语既定涵盖装置和/或元件除图式中所描绘的定向之外的不同定向。举例来说，如果装置相对于图式中的视图而反转，那么被描述为“在另一元件上方”的元件例如现在将位于那个元件下方。其它相对术语也可用于指示某些特征沿例如信号路径的路径的相对位置。例如，如果沿信号路径传输的信号到达位于第二特征前面的第一特征，那么第二特征可被认为沿所述路径而“跟随”第一特征。

所描述实施例大体上涉及溅镀目标，所述溅镀目标可用于制造例如用于声谐振器中的压电材料的压电材料。例如，在某些实施例中，一种设备包括包含钪铝合金的溅镀目标，其中所述合金具有3-10原子百分数的钪和90-97原子百分数的铝的浓度。类似地，在某些实施例中，一种制造溅镀目标的方法包括：形成钪铝合金，所述钪铝合金包括3-10原子百分数的钪和90-97原子百分数的铝；及使钪铝合金为用作等离子体沉积装备中的溅镀目标作准备。在仍其它实施例中，一种制造声谐振器结构的方法包括在含有氮气的气氛中使用包括钪铝合金的溅镀目标来执行溅镀过程，所述钪铝合金具有3-10原子百分数的钪和90-97原子百分数的铝。

与双目标(Sc和Al目标)和镶嵌Sc的Al目标相比，Sc-Al合金目标可提供改善的过程控制和减少的kt²变化。

图1A是根据代表性实施例的声谐振器100的横截面图，且图1B是根据代表性实施例的声谐振器100的俯视图。在所说明实施例中，声谐振器100包括薄膜体声谐振器(FBAR)，所述FBAR具有由氮化铝钪(ASN)形成的压电层。在其它实施例中，举例来说，声谐振器100可采用例如双体声谐振器(DBAR)的另一形式。如由图1B所说明，声谐振器100包括具有经阳极电镀的五边形结构(即，不对称五边形)的声堆叠以在频率范围中分布副振荡模密度且在任何一个频率下避免高耗散。

参考图1A，声谐振器100包括衬底105和声堆叠110。

衬底105可由与半导体过程兼容的各种类型的半导体材料形成，例如硅(Si)、砷化镓(GaAs)、磷化铟(InP)或其类似者，其可对集成数个连接与电子设备、耗散从谐振器产生的热有用，因此减小大小与成本且增强性能。衬底105具有位于声堆叠110下方的气腔140以允许声堆叠110在操作期间自由移动。通常通过以下步骤来形成气腔140：蚀刻衬底105并在形成声堆叠110之前将牺牲层沉积于其中，且接着在形成声堆叠110之后移除牺牲层。作为气腔140的替代例，举例来说，声谐振器100可包含例如分布布拉格反射器(DBR)的声反射器。

声堆叠110包括第一电极115、形成于第一电极115上的第一压电层120和形成于压电层120上的第二电极125。

举例来说，第一电极115和第二电极125可由各种导电材料形成，例如与半导体过程兼容的包含钨(W)、钼(Mo)、铝(Al)、铂(Pt)、钌(Ru)、铌(Nb)或铪(Hf)的金属。这些电极也可形成有导电子层或与例如温度补偿层的其它类型的层组合。另外，第一电极115和第二电极125可由相同材料形成，或可由不同材料形成。

第二电极125可进一步包括钝化层(未图示)，所述钝化层可由包含AlN、碳化硅(SiC)、BSG、SiO₂、SiN、多晶硅和其类似者的各种类型的材料形成。钝化层的厚度应大体上足以保护声堆叠110的层而免于与可经由封装中的漏洞而进入的物质起化学反应。

第一电极115和第二电极125经由图1B中所示的对应接触垫180和185而电连接到外部电路。所述接触垫通常由例如金或金锡合金的导电材料形成。虽然图1A中未示出，但这些元件与对应接触垫之间的连接从声堆叠110横向地向外延伸。所述连接大体上由例如Ti/W/金的适当导电材料形成。

压电层120由包括Al_1-xSc_xN的薄膜压电形成。在一些实施例中，压电层120形成于安置在第一电极115的上表面上面的种子层(未图示)上。所述种子层可例如由Al形成以促进Al_1-xSc_xN的生长。

通常在至少包括氮气(通常与例如氩的一或多种惰性气体组合)的气氛中使用钪铝合金溅镀目标通过溅镀过程来形成压电层120。溅镀目标由合金形成，所述合金包括对应于压电层120的所要组合物的某种浓度的钪。例如，在一些实施例中，溅镀目标可包括近似3到10原子百分数(at％)的钪以产生Al_1-xSc_xN的压电层，其中x是在近似0.03与0.10之间。

可出于品质目的以多种方式来控制溅镀过程。一种形式的品质控制包括监控跨越溅镀目标的Sc含量的均匀性及根据所述监控来调整溅镀过程。通常由感应耦合等离子体(ICP)测量过程来执行监控，所述ICP测量过程确定跨越目标的Sc/Al的比率并提供反馈到Sc含量控制器。另一种形式的品质控制包括将相对快速冷却速率应用于目标以减小影响跨越晶片的kt²均匀性的Sc偏析效应。又一种形式的品质控制包括调整钪铝合金(尤其是第二相ScAl₃)的粒度，所述粒度影响kt²变化控制。例如，钪铝合金可经设计以具有最大平均粒度(例如，40μm)以增强使用所述合金制造的装置的kt²。

与用于常规FBAR装置中的氮化铝相比，氮化铝钪的使用可提供若干潜在益处。第一，氮化铝钪的使用趋向于提高压电层的kt²的值，如下文进一步详细阐释。此可允许将FBAR用于宽带和增强性能应用中，或可允许FBAR制造有较小厚度。第二，氮化铝钪趋向于减小声速度，减小声速度可改善性能或按比例缩小所有谐振器层的厚度以重新回到相同频率(且同时达到谐振器面积减小)。第三，氮化铝钪趋向于具有较高介电常数，从而允许针对相同总阻抗达成进一步谐振器面积减小。第四，按比例较厚的电极趋向于提供经改善的Q因数从而趋向于减少插入损耗。此可通过针对额外模收缩使压电层甚至进一步变薄来用于达成较好性能或按比例缩小有效kt²。一般来说，这些潜在益处的量值可根据压电层120中的钪的量而变化，如例如由图2所说明。

图1B展示连接到声堆叠110的各别第一电极115和第二电极125的接触垫180和185。这些接触垫位于衬底105上且用于将声谐振器100与外部电路连接。在包括结合额外声谐振器的声谐振器100的梯式滤波器中，通常仅在所述声谐振器中的两者中形成信号垫，而多个接地垫连接到分路谐振器。特定来说，连接垫形成于连接到任何外部端子的声谐振器附近。其它声谐振器可在不使用接触垫的情况下通过内部连接而彼此连接。

在声谐振器100的典型操作期间，接触垫180连接到第一电压且接触垫185连接到与第一电压不同的第二电压。在一个实例中，接触垫180连接到例如接地的参考电压，而接触垫185连接到输入信号。

参考图2，使用Al_1-xSc_xN制造多个不同FBAR，其中相对钪浓度“x”的范围是约4-10原子百分数。使用包括钪铝合金的溅镀目标来制造FBAR，所述钪具有如由图2的图表中的数据点指示的不同浓度。接着使用感应耦合等离子体(ICP)发射光谱法(OES)来分析所述FBAR。如由图2中的图表所说明，那些FBAR的kt²以实质上与增加的钪浓度成线性的方式增加。更具体来说，对于每一增加的1原子百分数钪来说，kt²增加大约0.32。

图3是根据代表性实施例的具有不同粒度的钪铝合金的说明。更特定来说，其展示钪铝合金的第二相(ScAl₃)的小粒度和大粒度，所述第二相用作用于制造压电层的溅镀目标。较小粒度(例如，≤40μm)的使用趋向于减小kt²的目标-目标变化，且可因此制造具有较可靠性能特性的声谐振器。在制造包括钪铝合金的溅镀目标期间，可通过对目标坯体执行热处理来减小粒度。

图4是根据代表性实施例的说明制造包括钪铝合金的溅镀目标的方法的流程图。图4的方法可用于制造具有所要钪铝比率、所要钪偏析水平和所要粒度的溅镀目标。

参考图4，所述方法包括在坩埚内部在高温下于真空感应炉中或使用感应悬浮技术熔化前驱物材料(S405)。所述前驱物材料包括具有所要比率的高纯度钪铝，所述比率通常为3-10原子百分数的钪和90-97原子百分数的铝。接下来，通过快速铸造来冷却熔化的前驱物材料以制造钪铝合金锭料(S410)。快速冷却速率的使用趋向于减小钪偏析，减小钪偏析又改善用所述溅镀目标制造的声谐振器中的kt²均匀性。其后，关于钪含量执行ICP相对强度分析以确保准确的组合物控制(S415)。在钪含量不具有所要的水平或跨越锭料不够均匀的情况下，可调整步骤S405和S410的参数以考虑到在制造后续目标时的偏差。

在ICP相对强度分析之后，锻造钪铝合金锭料或将钪铝合金锭料轧制成坯体(S420)。锻造或轧制趋向于减少坯体的多孔性和微结构。接着，对坯体执行热处理以减小其粒度且释放应力(S425)。最后，对经热处理的坯体执行接合及机械加工以制造适合于与等离子体沉积装备一起使用的溅镀目标(S430)。

可进一步通过测量从溅镀目标制造的ASM膜内部的钪含量来验证所述溅镀目标的品质。可通过ICP质谱分析法(MS)相对强度测量技术来执行此测量。通过测量材料中的元素的未知量(参考相同元素标准)来执行常规ICP测量以使得确定所述元素的所述量。常规方法由于样品预备情况和装备操作条件而具有相对大的误差。相对强度方法利用材料(在此情况下，为钪铝二元系统)中的两元素ICP测量强度的比率(参考这些两个元件的预混合标准)，以使得可在目标评估期间实质上减少由样品预备和装备操作条件引入的误差。

参考图5，所述方法包括形成包括3-10原子百分数的钪和90-97原子百分数的铝的钪铝合金(S505)。可如上文关于图4所描述来执行合金的形成。所述方法可进一步包括测量钪铝合金的组合物、比较所测量的组合物与所要组合物及根据所述比较来调整后续溅镀目标(即，在后续过程中使用所调整参数而形成的溅镀目标)的组合物(S510)。在某些实施例中，对组合物的测量包括执行ICP-MS相对强度测量。所述方法可仍进一步包括测量钪铝合金的微结构、比较所测量的微结构与目标微结构及根据所述比较来调整后续溅镀目标的微结构(S515)。所测量的微结构可包括例如溅镀目标内的ScAl₃的粒度。此外，对微结构的调整可包括修改过程参数(例如，热处理温度、持续时间等)以将平均粒度减小到小于40μm。所述方法可仍进一步包括测量钪铝合金的钪偏析、比较所测量的偏析与所要偏析及根据所述比较来调整后续溅镀目标的偏析(S520)。

图6是根据代表性实施例的说明制造声谐振器的方法的流程图。为了方便阐释，将参考图1的声谐振器100来描述图6的方法。然而，所述方法并不限于形成具有所说明配置的声谐振器。

参考图6，所述方法以蚀刻衬底105以形成气腔140开始(S605)。在典型实例中，衬底105包括硅，且通过常规蚀刻技术形成气腔140。牺牲层通常在形成声堆叠110之前形成于气腔140中，且在形成声堆叠110之后被移除。在牺牲层形成于气腔140中之后，在衬底105上面形成底部电极115(S610)。可使用例如上文关于图1所指示的那些材料的材料通过常规沉积技术来形成底部电极115。

接下来，使用掺杂钪的铝溅镀目标通过溅镀过程在底部电极上形成压电层120(S615)。通常在含有氮气的气氛中且在溅镀目标包括钪铝合金(包括3-10原子百分数的钪)的情况下执行此过程。可如上文关于图4和5所描述来制造溅镀目标，且所述溅镀目标可包含如上文所描述的性质，例如所要粒度、均匀性、钪偏析等等。最后，在压电层120上形成顶部电极125(S620)。如将由本领域的技术人员显而易见，举例来说，可在形成顶部电极125之后执行额外处理步骤，例如形成钝化层、电极、罩盖。此外，如也将由本领域的技术人员显而易见，可在图6中所说明的其它操作之间或期间执行额外处理步骤。

虽然本文中公开了实例实施例，但本领域的普通技术人员将了解，根据本教示的许多变化是有可能的且仍在随附权利要求书的范围内。因此，除了在随附权利要求书的精神和范围内之外，本发明并不受限制。

Claims

1.一种制造溅镀目标的方法，其包括：

形成钪铝合金，所述钪铝合金包括3-10原子百分数的钪和90-97原子百分数的铝；以及

使所述钪铝合金为用作等离子体沉积装备中的合金靶溅镀目标作准备。

2.根据权利要求1所述的方法，其进一步包括测量所述钪铝合金的组合物、比较所述所测量的组合物与所要组合物及根据所述比较来调整后续溅镀目标的组合物。

3.根据权利要求2所述的方法，其中测量所述组合物包括执行感应耦合等离子体ICP质谱分析法MS。

4.根据权利要求1所述的方法，其进一步包括测量所述钪铝合金的微结构、比较所述所测量的微结构与所要微结构及根据所述比较来调整后续溅镀目标的微结构。

5.根据权利要求4所述的方法，其中所述所测量的微结构包括在所述溅镀目标内的ScAl₃的粒度。

6.根据权利要求5所述的方法，其中调整所述微结构包括修改过程参数以将平均粒度减小到小于40μm。

7.根据权利要求1所述的方法，其进一步包括测量所述钪铝合金的钪偏析、比较所述所测量的偏析与所要偏析及根据所述比较来调整后续溅镀目标的偏析。

8.根据权利要求1所述的方法，其中形成所述钪铝合金包括：

熔化包括纯钪和纯铝的前驱物材料；

快速铸造所述熔化的前驱物材料以制造钪铝合金锭料；

锻造或轧制所述钪铝合金锭料；

热处理所述所锻造或轧制的钪铝合金锭料；以及

接合及机械加工所述经热处理的钪铝合金锭料。

9.根据权利要求8所述的方法，其中形成所述钪铝合金进一步包括：

对所述钪铝合金锭料执行感应耦合等离子体ICP相对强度分析以确定其钪含量。

10.根据权利要求9所述的方法，其进一步包括根据所述所确定的钪含量来调整用于后续溅镀目标的所述制造的至少一个过程参数。

11.一种制造声谐振器结构的方法，其包括：

在含有氮气的气氛中，使用包括钪铝合金的合金靶溅镀目标来执行溅镀过程，所述钪铝合金具有3-10原子百分数的钪和90-97原子百分数的铝。

12.根据权利要求11所述的方法，其中所述溅镀目标包括具有小于40μm的粒度的ScAl₃。

13.根据权利要求11所述的方法，其进一步包括：

在衬底上形成第一电极；

执行所述溅镀过程以在所述第一电极上沉积氮化铝钪ASN层；以及

在所述ASN层上形成第二电极。

14.根据权利要求13所述的方法，其进一步包括：

测量跨越所述ASN层的机电耦合系数(kt²)的均匀性；以及

根据所述测量来调整用于制造后续溅镀目标的过程参数。

15.根据权利要求14所述的方法，其中测量所述均匀性包括执行感应耦合等离子体ICP质谱分析法MS。

16.根据权利要求13所述的方法，其进一步包括：

测量所述ASN层的机电耦合系数(kt²)；

比较所述所测量的kt²与由所述溅镀目标产生的至少一个其它ASN层的kt²；以及

根据所述比较来调整用于制造后续溅镀目标的过程参数。

17.根据权利要求16所述的方法，其中所述过程参数包括在用于制造钪铝合金的前驱物材料中的钪的相对比例。

18.一种用于声谐振的设备，其包括：

包括钪铝合金的合金靶溅镀目标，其中所述合金具有3-10原子百分数的钪和90-97原子百分数的铝。

19.根据权利要求18所述的设备，其中所述合金包括具有小于40μm的粒度的ScAl₃。

20.根据权利要求18所述的设备，其进一步包括并有所述溅镀目标的等离子体沉积装备。