DE102004059965A1 - Dünnschichtresonator und Verfahren zur Herstellung eines Vielschichtbauelements - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft einen Dünnschichtresonator und ein Verfahren zur Herstellung eines Dünnschichtbauelements, bei dem zur Strukturierung einer oberen ersten dielektrischen Schicht (DS1) eine Maske verwendet wird, die eine zur oberen dielektrischen Schicht (DS1) gewandte zweite dielektrische Schicht (DS2) und eine Photolackschicht (PH) umfasst. Zunächst wird die Photolackschicht (PH) strukturiert, die als Photomaske beim Strukturieren der zweiten dielektrischen Schicht (DS2) dient. Die Strukturen der zweiten dielektrischen Schicht (DS2) zusammen mit darüber liegenden Strukturen der Photolackschicht (PH) bilden eine Maske, die zum Strukturieren der ersten dielektrischen Schicht (DS1) verwendet wird.
Description
- Die Erfindung betrifft einen mit akustischen Volumenwellen arbeitenden Dünnschichtresonator sowie ein Verfahren zur Herstellung eines Vielschichtbauelements, insbesondere eines Dünnschichtresonators oder eines Kondensators.
- Ein Dünnschichtresonator ist z. B. aus der Druckschrift WO 01/06648 A1 bekannt.
- Aufgabe dieser Erfindung ist es, einen Dünnschichtresonator mit guten elektrischen Eigenschaften sowie ein Verfahren zur Herstellung eines Vielschichtbauelements anzugeben.
- Die Aufgabe der Erfindung ist durch einen Dünnschichtresonator mit den Merkmalen von Anspruch 1 oder Anspruch 4 und ein Verfahren mit den Merkmalen von Anspruch 7 gelöst. Vorteilhafte Varianten der Erfindung sind den weiteren Ansprüchen zu entnehmen.
- Es wird ein mit akustischen Volumenwellen arbeitender Dünnschichtresonator angegeben, der zwei übereinander liegende Elektroden und eine dazwischen angeordnete chemisch geätzte piezoelektrische Schicht umfasst. Die piezoelektrische Schicht ist nur geringfügig unterätzt, wobei die Länge des unterätzten Bereichs kleiner als die Schichtdicke dieser Schicht ist. Dies wird unter Verwendung einer mehrschichtigen Maske erreicht, welche unterhalb einer Photolackschicht eine gegen das Ätzmittel resistente Schicht aufweist.
- Dies hat gegenüber dem Ätzen einer piezoelektrischen Schicht nur mit Hilfe einer Photomaske den Vorteil, dass das Eindringen des Ätzmittels an der Grenzfläche zwischen der üblichen Photomaske und dieser Schicht und das Unterätzen der Letzteren im wesentlichen verhindert wird. Dadurch wird das Entstehen von nicht maßhaltigen Ätzkanten der piezoelektrischen Schicht vermieden, welche insbesondere bei Aufbringung weiterer Schichten die elektrischen Eigenschaften des Bauelements beeinträchtigen können.
- Auf der Oberfläche der piezoelektrischen Schicht ist vorzugsweise eine strukturierte Maskenschicht aus einem Material angeordnet, das resistent gegen das Ätzmittel ist, welches die darunter liegende piezoelektrische Schicht ätzt. Die piezoelektrische Schicht wird nur geringfügig unterätzt, wobei die Länge des unterätzten Bereichs kleiner als die Schichtdicke der piezoelektrischen Schicht ist. Die Maskenschicht besteht z. B. aus einem Si-haltigen Material wie Siliziumoxid, wobei eine solche Maskenschicht vorzugsweise aus einer TEOS-Schicht erzeugt wurde (TEOS = Tetraethylorthosilikat).
- Die Maskenschicht wird vorzugsweise in einem nachfolgenden Prozess zur Bildung eines einen aktiven akustischen Resonatorbereich umlaufenden Rahmens strukturiert. Der Rahmen ist im Randbereich des Resonators angeordnet und dient in einer vorteilhaften Variante zur Anpassung des Profils einer akustischen Mode an die sogenannte „piston mode". In einer bevorzugten Variante ist die piezoelektrische Schicht bzw. ihr durch den Rahmen umschlossener Bereich mit einer Metallschicht bedeckt, welche zumindest teilweise den Rahmen bedeckt.
- Der Dünnschichtresonator ist vorzugsweise auf einem Trägersubstrat – in einer Variante über einem darin ausgebildeten Hohlraum – angeordnet. In einer weiteren Variante ist zwischen dem Trägersubstrat und dem Resonator ein akustischer Spiegel angeordnet.
- Es wird ein Verfahren zur Herstellung eines Vielschichtbauelements angegeben, bei dem zur Strukturierung einer oben liegenden ersten dielektrischen Schicht – vorzugsweise einer piezoelektrischen Schicht, insbesondere einer Schicht aus AlN – eine mehrlagige Maske verwendet wird, die eine strukturierte, an die erste dielektrische Schicht angrenzende zweite dielektrische Schicht und eine Photolackschicht umfasst.
- Das Vielschichtbauelement ist vorzugsweise ein Dünnschichtbauelement. Die erste dielektrische Schicht stellt die oberste Schicht eines Vielschichtstapels dar, auf die die zweite dielektrische Schicht aufgebracht wird. Die zweite dielektrische Schicht ist eine Si-haltige, vorzugsweise eine anorganische Schicht, die -Si-O- Verbindungen enthält. Die zweite dielektrische Schicht ist keine Photolackschicht. Vielmehr ist sie unter dem Gesichtspunkt ausgesucht, dass sie eine möglichst hohe Ätzselektivität gegenüber der ersten dielektrischen Schicht aufweist. Auf die zweite dielektrische Schicht wird mindestens eine Photolackschicht aufgetragen.
- Zunächst wird die auf die zweite dielektrische Schicht aufgebrachte Photolackschicht zur Bildung einer Maske z. B. durch Belichten und Entwickeln strukturiert. Diese Maske dient als Photomaske beim Strukturieren der zweiten dielektrischen Schicht. Die Strukturen der zweiten dielektrischen Schicht zusammen mit darüber liegenden Strukturen der Photolackschicht bilden eine mehrlagige Hartmaske (auf Englisch Hard mask), die erfindungsgemäß zum Strukturieren der ersten dielektrischen Schicht verwendet wird.
- Der Photolack wird nach dem Strukturieren der ersten dielektrischen Schicht entfernt. In einer Variante wird die zweite dielektrische Schicht weiter strukturiert, z. B. zur Bildung von dielektrischen Randstrukturen der Dünnschichtresonatoren. Über der ersten dielektrischen Schicht mit den darauf ausgebildeten Randstrukturen wird eine strukturierte Metallschicht erzeugt, in der vorzugsweise obere Elektroden der Bauelementstrukturen ausgebildet sind. Die oberen Elektroden bedecken jeweils die von den Randstrukturen umgebenen freiliegenden Bereiche der ersten dielektrischen Schicht und zumindest teilweise die Randstrukturen der zweiten dielektrischen Schicht.
- In einer Variante wird die zweite dielektrische Schicht nach dem Strukturieren der ersten dielektrischen Schicht vollständig entfernt. Auf die freigelegte erste dielektrische Schicht wird eine zur Bildung von oberen Elektroden strukturierte Metallschicht aufgetragen.
- Die Metallschicht kann zunächst ganzflächig aufgetragen und anschließend durch Ätzen unter Verwendung einer Photomaske strukturiert werden. Die Metallschicht wird vorzugsweise durch ein PVD Verfahren (PVD = Physical Vapor Deposition) erzeugt.
- Die erste und/oder die zweite dielektrische Schicht kann z. B. durch Sputtern aufgetragen oder durch Abscheiden insbesondere durch ein CVD Verfahren aufgewachsen werden. Die erste und/oder die zweite dielektrische Schicht wird vorzugsweise unter der Verwendung der mehrlagigen Hartmaske durch Nassät zen strukturiert. Ein Trockenätzen dieser Schichten ist als Alternative zum Nassätzen auch möglich.
- Als zweite dielektrische Schicht wird vorzugsweise eine Schicht aus Siliziumdioxid z. B. durch chemisches Dampfabscheiden aus Tetraethylorthosilikat (TEOS) erzeugt. Die Verwendung der Kombination aus Siliziumdioxid und einem Photolack als eine Hartmaske ist insbesondere beim Ätzen im Bereich der Höhenunterschiede (Stufen) der ersten dielektrischen Schicht vorteilhaft. Es wird ein Durchätzen der Hartmaske vermieden.
- Als zweite dielektrische Schicht kann alternativ eine Schicht aus einem anderen zum Erzeugen einer Hartmaske geeigneten Material, z. B. Siliziumnitrid oder Siliziumkarbid verwendet werden.
- Im folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen und der dazugehörigen Figuren näher erläutert. Die Figuren zeigen anhand schematischer und nicht maßstabsgetreuer Darstellungen verschiedene Ausführungsbeispiele der Erfindung. Gleiche oder gleich wirkende Teile sind mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet. Es zeigen schematisch
-
1A bis1E Verfahrensschritte beim Strukturieren der ersten dielektrischen Schicht mittels einer mehrlagigen Hartmaske; -
1F ,1G Verfahrensschritte zum Erzeugen eines Dünnschichtresonators mit einem akustisch dämpfenden Randbereich, wobei die untere Schicht der Hartmaske weiter strukturiert und als eine Funktionsschicht des Bauelements verwendet wird; -
2A ,2B Verfahrensschritte zum Erzeugen eines Dünnschichtresonators mit einem akustisch dämpfenden Randbereich, wobei die Hartmaske nach dem Strukturieren der ersten dielektrischen Schicht vollständig entfernt wird. -
1A zeigt einen auf einem Trägersubstrat TS angeordneten Dünnschichtstapel, der in der angegebenen Reihenfolge von unten nach oben einen mehrlagigen akustischen Spiegel AS, eine erste Metallschicht ME1, eine erste dielektrische Schicht DS1, eine zweite dielektrische Schicht DS2 und eine Photolackschicht PH umfasst. - Die Photolackschicht PH wird durch Belichtung und Entwicklung strukturiert (
1B ) und als Photomaske beim Ätzen der zweiten dielektrischen Schicht DS2 verwendet. Dabei entsteht eine Hartmaske mit zwei gleichartig strukturierten, übereinander liegenden Schichten. - Anschließend wird die erste dielektrische Schicht DS1 geätzt (
1C ). Die Strukturen der zweiten dielektrischen Schicht DS2 verhindern, dass beim Ätzen der ersten dielektrischen Schicht DS1 insbesondere die unter der Hartmaske liegenden Randbereiche dieser Schicht unterätzt werden. -
1D zeigt den Dünnschichtstapel nach dem Strukturieren der ersten dielektrischen Schicht DS1 und1E diesen Stapel nach dem Entfernen der Photolackschicht PH. - In
1F und1G ist eine Variante des Verfahrens zum Erzeugen eines Dünnschichtresonators mit einem akustisch dämpfenden Randbereich vorgestellt, bei dem die untere Schicht der Hartmaske – die zweite dielektrische Schicht DS2 – zur Bildung von Randstrukturen RS weiter zu einer Funktionsschicht des Bauelements strukturiert wird (1F ). - Ein Resonator ist durch die in den Metallschichten ME1, ME2 ausgebildete Elektroden und eine dazwischen liegende piezoelektrische Schicht (hier die strukturierte erste dielektrische Schicht DS1) gebildet. Jeder Resonator weist einen aktiven Resonatorbereich auf, in dem eine Volumenwelle anregbar ist. Die Randstrukturen RS umlaufen (vorzugsweise allseitig) den jeweiligen aktiven Resonatorbereich und definieren jeweils einen lateralen Randbereich des Resonators, in dem die akustische Welle gedämpft wird.
- Die zweite dielektrische Schicht DS2 kann beispielsweise unter Verwendung einer weiteren, in
1F nicht gezeigten Photomaske zu diesen Randstrukturen RS strukturiert werden. Danach wird eine zu Elektroden strukturierte zweite Metallschicht aufgetragen. - Die Metallschichten ME1, ME2 können jeweils z. B. aus AlCu oder einem anderen Metall (oder Metalllegierung) oder einer Schichtenfolge elektrisch leitender Schichten bestehen.
- In
2A und2B ist eine weitere Variante des Verfahrens zur Herstellung eines Dünnschichtresonators mit einem akustisch dämpfenden Randbereich vorgestellt. Hier wird die Hartmaske bzw. die zweite dielektrische Schicht DS2 nach dem Strukturieren der ersten dielektrischen Schicht DS1 vorzugsweise vollständig entfernt (2A ). Auf die freigelegte, zum Definieren eines Resonatorbereichs vorgesehene Oberfläche der strukturierten ersten dielektrischen Schicht wird eine zweite Metallschicht ME2 aufgetragen. Auf die zweite Metall schicht ME2 wird im Randbereich eine umlaufende Randstruktur RS aufgetragen. - Die Erfindung ist nicht auf die in den Figuren gezeigten Varianten beschränkt. Es können beliebige, insbesondere durch Nassätzen strukturierbare Materialien für die dielektrischen Schichten eingesetzt werden. Zum Erzeugen der ersten dielektrischen Schicht können insbesondere beliebige piezoelektrische Materialien verwendet werden.
-
- TS
- Trägersubstrat
- AS
- akustischer Spiegel
- ME1
- erste Metallschicht
- ME2
- zweite Metallschicht
- DS1
- erste dielektrische Schicht
- DS2
- zweite dielektrische Schicht
- RS
- laterale Randstruktur
- PH
- Photolackschicht
Claims (16)
- Mit akustischen Volumenwellen arbeitender Dünnschichtresonator mit einer piezoelektrischen Schicht (DS1), die chemisch geätzte Seitenflächen aufweist, wobei auf der Oberfläche dieser Schicht eine strukturierte Maskenschicht (DS2, RS) aus einem Material angeordnet ist, das resistent ist gegen ein Ätzmittel, welches die darunter liegende piezoelektrische Schicht (DS1) ätzt.
- Resonator nach Anspruch 1, wobei die Maskenschicht (DS2, RS) entlang des Randes eines akustisch aktiven Resonatorbereichs verläuft und dabei einen Rahmen bildet, wobei die piezoelektrische Schicht mit einer Metallschicht bedeckt ist, welche zumindest teilweise den Rahmen bedeckt.
- Resonator nach Anspruch 1 oder 2, wobei die piezoelektrische Schicht (DS1) an der Grenzfläche zu der Maskenschicht (DS2, RS) unverätzt ist.
- Mit akustischen Volumenwellen arbeitender Dünnschichtresonator mit einer durch Ätzen strukturierten piezoelektrischen Schicht (DS1), wobei die Oberseite dieser Schicht im Randbereich unverätzt ist.
- Resonator nach Anspruch 4, wobei auf der Oberseite der piezoelektrischen Schicht (DS1) eine strukturierte Maskenschicht (DS2, RS) aus einem Material angeordnet ist, das resistent ist gegen ein Ätzmittel, welches die darunter liegende piezoelektrische Schicht (DS1) ätzt.
- Resonator nach einem der Ansprüche 1 bis 3 oder 5, wobei die Maskenschicht aus einem Si-haltigen Material besteht.
- Verfahren zur Herstellung eines Vielschichtbauelements mit den folgenden Schritten: A) Bereitstellen eines Vielschichtsystems, bei dem die oberste Schicht durch eine erste dielektrische Schicht (DS1) gebildet ist, B) Auftragen einer Si-haltigen zweiten dielektrischen Schicht (DS2) auf die erste dielektrische Schicht (DS1) und einer Photolackschicht (PH) auf die zweite dielektrische Schicht (DS2), C) Strukturieren der Photolackschicht (PH) zur Bildung einer ersten Maske, D) Strukturieren der zweiten dielektrischen Schicht (DS2) mit Hilfe der ersten Maske, wobei Strukturen der zweiten dielektrischen Schicht (DS2) zusammen mit darüber liegenden Strukturen der ersten Maske eine zweite Maske bilden, E) Strukturieren der ersten dielektrischen Schicht (DS1) mit Hilfe der zweiten Maske, F) Entfernen der Photolackschicht (PH).
- Verfahren nach Anspruch 7, bei dem als erste dielektrische Schicht (DS1) eine piezoelektrische Schicht verwendet wird.
- Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, bei dem die untere Schicht der zweiten Maske auf dem Vielschichtbauelement verbleibt und als eine Funktions schicht des Vielschichtbauelements verwendet wird.
- Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, bei dem im Schritt E) die piezoelektrischen Schicht zu Dünnschichtresonatoren strukturiert wird.
- Verfahren nach Anspruch 10, mit den weiteren Verfahrensschritten: G) Nach dem Schritt F) weiteres Strukturieren der zweiten dielektrischen Schicht (DS2) zur Bildung von lateralen Randstrukturen (RS), die jeweils einen freiliegenden Bereich der ersten dielektrischen Schicht jeweils eines der Dünnschichtresonatoren umgeben; H) Erzeugen von oberen Elektroden, die jeweils den freiliegenden Bereich und zumindest teilweise die Randstrukturen (RS) bedecken.
- Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, wobei nach dem Schritt F) die zweite dielektrische Schicht (DS2) vollständig entfernt und über der freigelegten ersten dielektrischen Schicht (DS1) obere Elektroden erzeugt werden.
- Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 12, bei dem die erste dielektrische Schicht (DS1) und/oder die zweite dielektrische Schicht (DS2) nassgeätzt wird.
- Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 13, bei dem als zweite dielektrische Schicht (DS2) eine Schicht aus Siliziumdioxid durch ein Chemical Vapor Deposition Verfahren aus Tetraethylorthosilikat erzeugt wird.
- Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 13, bei dem als zweite dielektrische Schicht (DS2) eine Schicht aus Siliziumnitrid oder Siliziumkarbid verwendet wird.
- Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 15, bei dem als erste dielektrische Schicht (DS1) eine Schicht aus Aluminiumnitrid verwendet wird.
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