DE102006008721A1

DE102006008721A1 - Verfahren zur Herstellung eines akustischen Spiegels für einen piezoelektrischen Resonator und Verfahren zur Herstellung eines piezoelektrischen Resonators

Info

Publication number: DE102006008721A1
Application number: DE200610008721
Authority: DE
Inventors: Robert Thalhammer; Stephan Marksteiner; Gernot Fattinger
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Contria San Us LLC; Contria San Wilming Us LLC
Priority date: 2006-02-24
Filing date: 2006-02-24
Publication date: 2007-09-06
Anticipated expiration: 2026-02-25
Also published as: CN101083456A; CN101083456B; DE102006008721B4

Abstract

Ein Spiegel für einen piezoelektrischen Resonator, bestehend aus alternierend angeordneten Schichten hoher und niedriger akustischer Impedanz, wird hergestellt, in dem zunächst eine erste Schicht (106b₁) erzeugt wird, auf dem eine zweite Schicht (106a₁) erzeugt wird, so dass die zweite Schicht (106a₁) die erste Schicht (106b₁) teilweise bedeckt. Dann wird eine Planarisierungsschicht (132) auf die erste Schicht (106b₁) und auf die zweite Schicht (106a₁) aufgebracht. Nachfolgend wird ein Abschnitt (134) der zweiten Schicht (106a₁) durch Strukturieren der Planarisierungsschicht (132) freigelegt, wobei der Abschnitt (134) einem aktiven Bereich des piezoelektrischen Resonators zugeordnet ist. Abschließend wird die sich ergebende Struktur durch Entfernen der außerhalb des Abschnitts (134) verbleibenden Abschnitte (132a, 132b) der Planarisierungsschicht (132) planarisiert.

Description

Verfahren zur Herstellung eines akustischen Spiegels für einen piezoelektrischen Resonator und Verfahren zur Herstellung eines piezoelektrischen Resonators Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf das Gebiet von piezoelektrischen Resonatoren, z.B. BAW-Resonatoren (BAW = Bulk Acoustic Wave = akustische Volumenwelle), und insbesondere auf ein Verfahren zur Herstellung eines akustischen Spiegels für einen piezoelektrischen Resonator sowie auf ein Verfahren zur Herstellung eines piezoelektrischen Resonators. Insbesondere bezieht sich die vorliegende Erfindung auf ein Verfahren zur Herstellung eines akustischen Spiegels, der hochplanar ist und sowohl eine hervorragende Gleichmäßigkeit in der Schichtabscheidung als auch eine plane Oberfläche der gesamten Spiegelstruktur aufweist.

Hochfrequenzfilter, die auf BAW-Resonatoren beruhen, sind von großem Interesse für viele HF-Applikationen. Für BAW-Resonatoren existieren im wesentlichen zwei Konzepte, zum einen sogenannte Dünnfilm-BRW-Resonatoren (Thin-Film-BAW-Resonatoren = FBAR), sowie sogenannte Solidly-Mounted-Resonatoren (SMR). Dünnschicht-BAW-Resonatoren umfassen eine Membran, auf der die Schichtfolge bestehend aus der unteren Elektrode, der piezoelektrischen Schicht und der oberen Elektrode angeordnet ist. Der akustische Resonator entsteht durch die Reflexion an der Oberseite und an der Unterseite der Membran. Bei dem Alternativkonzept von Solidly-Mounted-Resonatoren umfasst ein SMR ein Substrat, beispielsweise ein Siliziumsubstrat, auf dem die Schichtfolge bestehend aus der unteren Elektrode, der piezoelektrischen Schicht und der oberen Elektrode angeordnet ist. Um bei dieser Ausgestaltung die akustischen Wellen im aktiven Bereich zu halten, ist ein sogenannter akustischer Spiegel erforderlich. Dieser befindet sich zwischen den aktiven Schichten, also den zwei Elektroden und der piezoelektrischen Schicht, und dem Substrat. Der akustische Spiegel be steht aus einer alternierenden Folge von Schichten mit hoher bzw. niedriger akustischer Impedanz, z.B. Schichten aus Wolfram (hohe akustische Impedanz) und Schichten aus einem Oxidmaterial (niedrige akustische Impedanz).

Enthält der Spiegel Schichten aus leitenden Materialien, wie z.B. Wolfram, so ist es zur Vermeidung parasitärer Kapazitäten im Filter angezeigt, die entsprechenden Spiegelschichten zu strukturieren und im wesentlichen auf den Bereich unterhalb des aktiven Resonatorbereichs zu begrenzen. Der Nachteil dieser Vorgehensweise besteht darin, dass die hierdurch entstehende Topologie nicht mehr vollständig planarisierbar ist. Aufgrund der sich ergebenden Unebenheiten werden unerwünschte Moden im Resonator hervorgerufen und/oder eine Verringerung der Güte des Resonators wird bewirkt. Dieses Problem ist insofern sehr kritisch, da bereits kleine Stufen bzw. Resttopologien von wenigen Prozent der Schichtdicke einen signifikanten Einfluss auf das Betriebsverhalten eines solchen Resonators haben.

Anhand der 1 und 2 werden zwei bekannte Verfahren zur Herstellung akustischer Spiegel für piezoelektrische Resonatoren bzw. BAW-Resonatoren näher erläutert.

1 zeigt einen Solidly-Mounted-Resonator mit strukturiertem Spiegel. Der Resonator umfasst ein Substrat 100 mit einer unteren Oberfläche 102 und einer oberen Oberfläche 104. Auf der oberen Oberfläche ist eine Schichtfolge 106 angeordnet, die den akustischen Spiegel bildet. Zwischen dem Substrat und dem Spiegel können eine oder mehrere Zwischenschichten angeordnet sein, die z.B. der Stressreduzierung oder der Haftungsverbesserung dienen. Die Schichtfolge umfasst alternierend angeordnete Schichten 106a mit hoher akustischer Impedanz und mit Schichten 106b niedriger akustischer Impedanz, wobei zwischen den Spiegelschichten Zwischenschichten vorgesehen sein können. Auf der oberen Oberfläche 104 des Substrats 100 ist eine erste Schicht 106b₁ mit niedriger akustischer Impedanz gebildet. Auf der Schicht 106b₁ ist an den Abschnitten, die den aktiven Bereichen des Resonators zugeordnet sind, ein Material 106a₁ , 106a₂ mit hoher akustischer Impedanz abgeschieden und strukturiert. Über diese Anordnung ist eine zweite Schicht 106b₂ mit niedriger akustischer Impedanz abgeschieden, auf der wiederum abschnittsweise ein Material 106a₃ , 106a₄ mit hoher akustischer Impedanz abgeschieden und strukturiert ist. Auf dieser Schichtfolge ist wiederum eine Schicht mit niedriger akustischer Impedanz 106b₃ abgeschieden. Auf der sich so ergebenden Spiegelstruktur ist zumindest teilweise eine untere Elektrode 110 gebildet, auf der wiederum die aktive bzw. piezoelektrische Schicht 112, beispielsweise aus AlN, angeordnet ist. Auf der piezoelektrischen Schicht 112 ist eine Isolationsschicht 114 gebildet, die bis auf die Bereiche 116a und 116b die piezoelektrische Schicht 112 bedeckt. Auf der piezoelektrischen Schicht sind zwei obere Elektroden 118a und 118b gebildet, die in den Abschnitten 116a und 116b mit der piezoelektrischen Schicht in Kontakt sind. Auf der oberen Elektrode 118a, 118b ist zumindest teilweise eine Abstimmschicht 120a und 120b angeordnet, über deren Dicke eine Resonanzfrequenz der Resonatoren eingestellt werden kann. Durch die Abschnitte der oberen Elektrode 118a und 118b, in denen diese mit der piezoelektrischen Schicht 112 in Verbindung ist und die darunter liegenden Abschnitte der unteren Elektrode 110 werden zwei BAW-Resonatoren 122a und 122b definiert. Die in 1 gezeigte Spiegelstruktur 106 umfasst λ/4-Spiegelschichten 106a, 106b.

Bei dem in 1 gezeigten Beispiel eines Solidly-Mounted-Resonators, wie sie beispielsweise von der Epcos AG hergestellt wird, werden die metallischen Schichten 106a strukturiert, ohne die sich einstellende Topologie zu planarisieren. Die Schichten 106b mit niedriger akustischer Impedanz werden, wie oben beschrieben, über den strukturierten Schichten 106a abgeschieden. Dadurch entstehen die in 1 gezeigten Stufen, die sich bei der Abscheidung der darüberliegenden Schichten fortsetzen. Diese Vorgehensweise ist in Anbetracht der sich einstellenden starken Topologie in den über dem Spiegel 106 liegenden Schichten nachteilhaft, insbesondere stellt sich eine reduzierte piezoelektrische Kopplung der aktiven Schicht 112 sowie eine verstärkte Anregung unerwünschter Schwingungsmoden ein.

Die 2 zeigt ein weiteres, im Stand der Technik bekanntes Beispiel für Solidly-Mounted Resonator mit einem strukturierten Spiegel. In 2 ist wiederum ein Substrat 100 gezeigt, auf dessen obere Oberfläche 104 eine Oxidschicht 124 abgeschieden ist, in die eine Grube bzw. Vertiefung 126 eingebracht wird. Zwischen der Oxidschicht 124 und dem Substrat 100 können weitere Zwischenschichten vorgesehen sein. In der Grube 126 ist der akustische Spiegel gebildet, der aus einer Schichtfolge besteht, die eine erste Schicht 106a₁ mit hoher akustischer Impedanz, eine Schicht 106b mit niedriger akustischer Impedanz und eine Schicht 106a₂ mit hoher akustischer Impedanz aufweist. Auf der Oberfläche der sich so ergebenden Struktur ist eine Isolationsschicht 108 abgeschieden, auf der zumindest teilweise die untere Elektrode 110 gebildet ist. Der nicht von der unteren Elektrode 110 bedeckte Abschnitt der Isolationsschicht 108 ist von einer weiteren Isolationsschicht 128 bedeckt. Auf der Isolationsschicht 128 und auf der unteren Elektrode 110 ist die piezoelektrische Schicht 112 gebildet, auf deren Oberfläche wiederum teilweise die obere Elektrode 118 gebildet ist. Die von der oberen Elektrode 118 nicht bedeckten Abschnitte der piezoelektrischen Schicht 112 sowie Teile der oberen Elektrode 118 sind von der Passivierungsschicht 114 bedeckt. Die überlappenden Bereiche von unterer Elektrode 110, piezoelektrische Schicht 112 und oberer Elektrode 118 definieren den BAW-Resonator 122.

Bei dem in 2 gezeigten Beispiel wird in die Oxidschicht 124 im Bereich des zu erzeugenden Resonators 122 die Grube 126 geätzt, in der nacheinander, wie oben beschrieben, die Spiegelschichten 106a, 106b abgeschieden werden. Durch einen oder mehrere CMP-Prozesse (Chemical Me chanical Polishing = chemisch-mechanisches Polieren) werden die Schichten außerhalb der Spiegelgrube 126 entfernt, wie dies beispielsweise in der US-Patentanmeldung US 2002/154425 A1 beschrieben ist.

Das anhand der 2 beschriebene Verfahren ist dahingehend nachteilhaft, dass in den Ecken der Spiegelgrube 126 die Schichten etwas dünner sind und beim Planarisieren eine in 2 mit dem Bezugszeichen 130 angedeutete leichte Schüsseltopologie im Resonatorbereich 122 sich einstellt, was wiederum zu einer verstärkten Anregung unerwünschter Moden und zu einer verminderten Resonatorgüte führt.

Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes Verfahren zur Herstellung eines akustischen Spiegels für einen piezoelektrischen Resonator zu schaffen, welches Spiegel mit einer hervorragenden Gleichmäßigkeit in der Schichtabscheidung als auch eine plane Oberfläche der gesamten Spiegelstruktur ermöglicht.

Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren nach Anspruch 1 und nach Anspruch 7 gelöst.

Die vorliegende Erfindung schafft ein Verfahren zur Herstellung eines akustischen Spiegels aus alternierend angeordneten Schichten hoher und niedriger akustischer Impedanz, vorzugsweise für einen piezoelektrischen Resonator, wobei der Spiegel eine Schichtfolge aus zumindest einer Schicht mit hoher akustischer Impedanz und zumindest einer Schicht mit niedriger akustischer Impedanz aufweist, mit folgenden Schritten:

(a) Erzeugen einer ersten Schicht der Schichtfolge;
(b) Erzeugen einer zweiten Schicht der Schichtfolge auf der ersten Schicht derart, dass die zweite Schicht die erste Schicht teilweise bedeckt;
(c) Aufbringen einer Planarisierungsschicht auf die erste Schicht und auf die zweite Schicht;
(d) Freilegen eines Abschnitts der zweiten Schicht durch Strukturieren der Planarisierungsschicht, wobei der Abschnitt der zweiten Schicht einem aktiven Bereich des piezoelektrischen Resonators zugeordnet ist; und
(e) Planarisieren der Struktur aus Schritt (d) durch Entfernen der außerhalb des Abschnitts verbliebenen Abschnitte der Planarisierungsschicht derart, dass eine Oberfläche der zweiten Schicht und eine Oberfläche der auf der ersten Schicht angeordneten Planarisierungsschicht im wesentlichen bündig sind.

Weiterhin schafft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines akustischen Spiegels aus alternierend angeordneten Schichten hoher und niedriger akustischer Impedanz, vorzugsweise für einen akustischen Resonator, wobei der Spiegel eine alternierende Schichtfolge aus einer Mehrzahl von Schichten mit hoher akustischer Impedanz und einer Mehrzahl von Schichten (106b₁ , 106b₂ ) mit niedriger akustischer Impedanz aufweist, mit folgenden Schritten:

(a) alternierendes Erzeugen der ersten Schichten und der zweiten Schichten;
(b) Aufbringen einer Planarisierungsschicht auf die im Schritt (a) erzeugte Struktur;
(c) Freilegen eines Abschnitts der obersten zweiten Schicht durch Strukturieren der Planarisierungsschicht, wobei der Abschnitt der obersten zweiten Schicht einem aktiven Bereich des piezoelektrischen Resonators zugeordnet ist; und
(d) Planarisieren der Struktur aus Schritt (d) durch Entfernen der außerhalb des Abschnitts verbleibenden Abschnitte der Planarisierungsschicht.

Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht die Herstellung eines hochplanaren akustischen Spiegels, und erzeugt einen Spiegel, der sowohl eine hervorragende Gleichmäßigkeit in der Schichtabscheidung als auch eine plane Oberfläche der gesamten Spiegelstruktur sicherstellt. Erfindungsgemäß wird somit eine optimale Abscheidung der über dem Spiegel liegenden Schichten ermöglicht, was insbesondere eine hohe Kopplung der piezoelektrischen Schicht zur Folge hat. Ferner wird erfindungsgemäß auch eine sehr homogene Schichtenverteilung in dem Spiegel erreicht, was wiederum zu einer hohen Güte des Resonators und zu einer minimalen Anregung unerwünschter Schwingungsmoden führt.

Erfindungsgemäß wird der akustische Spiegel durch eine neuartige Kombination von Abscheidungs-, Strukturierungs- und Planarisierungsschritten hergestellt. Erfindungsgemäß werden hierzu eine oder mehrere Schichten des Spiegels strukturiert, anschließend wird eine Planarisierungsschicht ganzflächig abgeschieden und im Resonatorbereich durch einen Ätz-Prozess geöffnet. Der Resonatorbereich ist derjenige Bereich des Spiegels, der dem aktiven Bereich des piezoelektrischen Resonators zugeordnet ist, wobei der zu öffnende Bereich im Regelfall aufgrund der Justiertoleranzen und aufgrund von nicht exakt senkrechter Ätzflanken größer gewählt wird als der sich später tatsächlich einstellende aktive Resonatorbereich. Anschließend werden erfindungsgemäß nur die im Überlappungsbereich zurück bleibenden Stege durch einen Planarisierungsprozess, beispielsweise durch ein CMP-Verfahren, entfernt, wobei gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung die oben beschriebenen Schritte abhängig von der Anzahl der in dem akustischen Spiegel zu realisierenden Schichten mehrmals wiederholt werden.

Erfindungsgemäß wird somit zum Öffnen der Planarisierungsschicht im kritischen Bereich ein Ätz-Prozess verwendet, der bezüglich des Materials der obersten Schicht der Spiegelstruktur selektiv ist, diese oberste Schicht also als Ätz-Stop-Schicht dient. Erfindungsgemäß wird somit die Tatsache ausgenutzt, das solche Ätz-Prozesse die bei der Abscheidung entstandene Topologie der freigelegten Schichten weitgehend erhalten, wodurch die erfindungsgemäße hochplanare akustische Spiegelstruktur im kritischen Bereich eines BAW-Resonator oder piezoelektrischen Resonators sicher erreicht wird.

Die hochplanare Form des Spiegels ergibt sich nicht nur aus dem Ätzvorgang. Wie oben erwähnt, entsteht bei dem Verfahren nach 2 bereits bei der Abscheidung eine nicht-planare Topologie, da in den Ecken der Spiegelgrube die Abscheiderate anders ist als in der Mitte. Des weiteren wird beim mechanischen Polieren in der Mitte eine leichte Schüsseltopologie erzeugt. Der wesentliche Punkt der vorliegenden Erfindung ist, dass alle Abscheidungen auf planarem Untergrund erfolgen (und damit bei der Abscheidung keine Topologie entsteht), wobei die Planarisierungsschritte so gewählt sind, dass sie in den Schichten im Resonatorbereich keine wesentliche Topologie erzeugen.

Vorzugsweise ist die zu strukturierende zweite Schicht eine leitfähige Schicht. Die im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung beschriebenen Schichten für den Spiegel lassen sind entweder in leitfähige/nicht-leitfähige bzw. nicht-isolierende/isolierende Schichten oder in Schichten mit niedriger bzw. hoher akustischer Impedanz einteilen. Aufgrund parasitärer elektrischer Kopplungen werden bei der Verwendung von leitfähigen Schichten diese strukturiert, unabhängig davon, ob sie die höhere oder die niedrigere akustische Impedanz haben. Auch halbleitende Schichten können verwendet werden.

Gemäß einem ersten bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist die Schicht mit hoher akustischer Impedanz eine leitfähige Schicht, und für jede leitfähige Schicht der Spiegelstruktur wird ein eigener Strukturierungsschritt und Planarisierungsschritt durchgeführt. Im Falle eines Spiegels mit zwei leitfähigen Schichten werden zunächst alle Schichten bis zur ersten leitfähigen Schicht abgeschieden. Anschließend wird diese strukturiert und planarisiert und dann werden alle Schichten bis zur zweiten leitfähigen Schicht abgeschieden und wiederum strukturiert und planarisiert (3).

Bei einem zweiten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung werden zunächst alle Schichten des Spiegels abgeschieden und die leitfähigen Schichten gemeinsam mit den dazwischen liegenden nicht-leitfähigen Schichten strukturiert und planarisiert. Gegenüber dem ersten bevorzugten Ausführungsbeispiel stellt sich hier der Vorteil ein, dass unabhängig von der Anzahl der leitfähigen Schichten nur zwei Lithographieschritte erforderlich sind. Demgegenüber erfordert das erste Ausführungsbeispiel je zwei Lithographieschritte für jede zu strukturierende und planarisierende leitfähige Schicht. Andererseits ist der Ätz-Prozess jedoch aufwändiger und die Planarisierung aufgrund der höheren Stufe schwieriger.

Zusätzlich kann unter die leitfähigen Schichten eine Ätz-Stop-Schicht abgeschieden werden, so dass mit einem selektiven Ätz-Prozess die Homogenität/Reproduzierbarkeit des Ätz-Stops verbessert werden kann.

Vorzugsweise werden die Ätz-Prozesse unter Verwendung einer Lackmaske oder unter Verwendung einer Hartmaske durchgeführt, wobei bei dem zweiten Ausführungsbeispiel aufgrund der längeren Ätzzeit die Verwendung einer Hartmaske notwendig sein kann.

Bei dem oben beschriebenen Ausführungsbeispiel können die Mehrzahl der Schichten entweder in einem Ätz-Prozess innerhalb einer Kammer oder durch mehrere aufeinander folgende Ätz-Prozesse in verschiedenen Kammern durchgeführt werden.

Bei dem oben beschriebenen ersten Ausführungsbeispiel, bei dem jede leitende Schicht separat strukturiert und planarisiert wird, können gleiche oder verschiedene Masken verwendet werden, um damit im wesentlichen gleich oder unterschiedlich große Schichten zu erzeugen. Im letztgenannten Fall kann beispielsweise eine kegelstumpfförmige oder pyramidenstumpfförmige Spiegelstruktur erzeugt werden.

Gemäß einer weiteren Ausgestaltung schafft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines piezoelektrischen Resonators, bei dem zunächst ein akustischer Spiegel gemäß der vorliegenden Erfindung erzeugt wird, und anschließend eine untere Elektrode auf dem akustischen Spiegel erzeugt wird. Auf der unteren Elektrode wird zumindest teilweise eine piezoelektrische Schicht erzeugt, auf deren oberer Oberfläche zumindest teilweise eine obere Elektrode erzeugt wird. Der Bereich, in dem sich die obere Elektrode, die piezoelektrische Schicht und die untere Elektrode überlappen, definiert den aktiven Bereich des piezoelektrischen Resonators. Ferner kann vorgesehen sein, dass vor dem Erzeugen der unteren Elektrode eine oder mehrere Schichten mit geeigneter akustischer Impedanz auf dem erzeugten akustischen Spiegel aufgebracht werden, wobei die untere Elektrode auf diesen Schichten erzeugt wird. Diese Schichten dienen insbesondere zur Isolierung, wenn die oberste Schicht in der Spiegelstruktur eine leitfähige Schicht ist, oder zur Einstellung bestimmter akustischer Eigenschaften, wie z.B. den Dispersionseigenschaften des Schichtstapels, der Resonanzfrequenzen weiterer Moden (Scherwellenmoden) oder dem Temperaturgang. Es kann eine Schicht oder eine Mehrzahl von Schichten aus unterschiedlichen Materialien und mit verschiedenen Schichtdicken vorgesehen sein.

Ferner schafft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Herstellung gekoppelter akustischer Resonatoren. Solche Resonatoren sind vertikal übereinander angeordnet, d.h. der aktive Teil des Resonators (untere Elektrode, piezoelektrische Schicht, obere Elektrode) ist zweimal vorhanden, getrennt durch eine oder mehrerer Zwischenschichten, über die die Stärke der akustischen Kopplung eingestellt werden kann. Der ganze Schichtstapel wird, wie bei den Einzel-Resonatoren, auf dem akustischen Spiegel platziert.

Bevorzugte Weiterbildungen der vorliegenden Erfindung sind in den Unteransprüchen definiert.

Nachfolgend werden anhand der beiliegenden Figuren bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung näher erläutert. Es zeigen:
1 ein erstes Beispiel eines Solidly-Mounted-Resonators mit strukturiertem Spiegel gemäß dem Stand der Technik;
2 ein zweites Beispiel für einen Solidly-Mounted-Resonator mit strukturiertem Spiegel gemäß dem Stand der Technik;
3(a) bis 3(g) die Schritte zur Herstellung eines hochplanaren akustischen Spiegels gemäß der vorliegenden Erfindung;
4(a) bis 4(j) die erfindungsgemäße Prozessierung eines akustischen Spiegels mit zwei leitfähigen Schichten durch mehrfache Abscheidungs-, Strukturierungs- und Planarisierungsschritte gemäß einem ersten bevorzugten Ausführungsbeispiel; und
5(a) bis 5(e) die erfindungsgemäße Prozessierung eines akustischen Spiegels mit zwei leitfähigen Schichten durch gemeinsame Strukturierung und Planarisierung allerlei Spie gelschichten gemäß einem zweiten bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
In der nachfolgenden Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden gleiche oder gleichwirkende Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen.
In den nachfolgenden Ausführungen wird angenommen, dass die zu strukturierende Schicht die höhere akustische Impedanz hat. Die vorliegende ist nicht auf dieses Ausführungsbeispiel beschränkt, vielmehr funktioniert das erfindungsgemäße Verfahren ganz analog, wenn die leitfähige Schicht die kleinere akustische Impedanz aufweist.
Anhand der 3 wird das der vorliegenden Erfindung zugrunde liegende Konzept näher erläutert. In 3(a) ist ein Substrat 100 gezeigt, auf dessen oberer Oberfläche 104 eine erste Schicht 106b₁ mit niedriger akustischer Impedanz, z.B. ein Oxid, angeordnet ist, auf der wiederum eine erste Schicht 106a₁ mit hoher akustischer Impedanz, z.B. eine Wolframschicht oder eine andere geeignete leitfähige Schicht, ganzflächig abgeschieden wurde. Zusätzlich kann, wie oben beschrieben wurde, zwischen dem Substrat und dem Spiegel bzw. zwischen den Spiegelschichten eine oder mehrere Zwischenschichten vorgesehen sein. Die in 3(a) gezeigte Struktur wird unter Verwendung einer Hartmaske oder einer Lackmaske einem Strukturierungsprozess unterzogen, durch den die erste leitfähige Schicht 106a₁ mit hoher akustischer Impedanz auf die in 3(b) gezeigte Form strukturiert wird.
Auf die in 3(b) gezeigte Struktur wird dann ganzflächig eine Planarisierungsschicht 132 abgeschieden, wie dies in 3(c) gezeigt ist. Die Planarisierungsschicht 132 wird unter Verwendung einer geeigneten Maske, beispielsweise einer Lackmaske oder einer Hartmaske strukturiert, um die in einem nachfolgenden Ätz-Prozess zu entfernenden Abschnitte der Planarisierungsschicht 132 zu definieren.
In 3(d) ist die in 3(c) gezeigte Struktur nach der Maskierung und nach dem Ätz-Prozess gezeigt. Die Planarisierungsschicht 132 wird im Bereich 134 derart entfernt, dass eine Oberfläche 136 der ersten Schicht 106a₁ mit hoher akustischer Impedanz freigelegt ist und lediglich im Randbereich bleiben die Stege 132a und 132b der Planarisierungsschicht 132 zurück. Der Abschnitt 134 umfasst zumindest den aktiven Bereich des piezoelektrischen Resonators, mit dem der herzustellende Spiegel verwendet wird, wobei aufgrund der Justagetoleranz und der schrägen Ätzflanken der Bereich 134 im Regelfall etwas größer gewählt ist, als der sich später tatsächlich einstellende aktive Bereich des piezoelektrischen Resonators.
Die in 3(d) gezeigte Struktur wird einem Planarisierungsprozess ausgesetzt, der zur Entfernung der Stege 132a und 132b führt, beispielsweise durch einen CMP-Prozess. Die sich nach der Planarisierung einstellende Struktur ist in 3(e) gezeigt, in der die Struktur eine planare Oberfläche aufweist, wobei die Oberfläche 136 der ersten Schicht 106a₁ im wesentlichen bündig ist mit einer Oberfläche 138 der Abschnitte der Planarisierungsschicht 132, die auf der ersten Schicht 106b₁ mit niedriger akustischer Impedanz angeordnet sind.
Nachfolgend werden die Schritte, die anhand der 3(a) bis 3(e) dargestellt sind, wiederholt, so dass sich die in 3(f) gezeigte Struktur mit zwei Schichten mit hoher akustischer Impedanz 106a₁ und 106a₂ sowie mit zwei Schichten mit niedriger akustischer Impedanz 106b₁ und 106b₂ einstellt.
Auf die in 3(f) gezeigte Struktur werden eine oder mehrere Schichten 140 zur Isolierung, wenn die oberste Schicht in der Spiegelstruktur eine leitfähige Schicht ist, oder zur Einstellung bestimmter akustischer Eigenschaften abgeschieden, wie dies in 3(g) gezeigt ist. Auf dieser Struktur kann dann beispielsweise auf die anhand der 2 beschriebene Art und Weise die untere Elektrode, die piezoelektrische Schicht sowie die obere Elektrode zur Erzeugung eines BAW-Resonators abgeschieden werden. Ferner kann eine Zwischenschicht auf den Resonator aufgebracht werden, auf dem eine weitere Resonatorstruktur erzeugt wird, um zwei gekoppelte Resonatoren zu erzeugen.
Anhand der 4 wird ein erstes, bevorzugtes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung näher erläutert, nämlich die erfindungsgemäße Prozessierung eines akustischen Spiegels mit zwei leitfähigen Schichten durch mehrfache Abscheidungs-, Strukturierungs- und Planarisierungsschritte.
Die in 4(a) bis 4(e) gezeigten Prozessschritte entsprechen den anhand der 3(a) bis 3(e) beschriebenen Prozessschritten, so dass auf eine erneute Beschreibung derselben verzichtet wird. Auf die in 4(e) gezeigte Struktur wird dann eine zweite Schicht 106a₂ mit hoher akustischer Impedanz, beispielsweise wiederum eine Wolframschicht oder eine andere geeignete Metallschicht, ganzflächig abgeschieden, wie dies in 4(f) gezeigt ist. Unter Verwendung der oben beschriebenen Prozesse wird dann die Schicht 106a₂ strukturiert, so dass sich die in 4(g) gezeigte Struktur ergibt. Auf diese Struktur wird dann eine weitere Planarisierungsschicht 132 abgeschieden, wie dies in 4(h) gezeigt ist. Diese wird wiederum strukturiert und mittels eines Ätz-Schrittes wird der Abschnitt 134 geöffnet, um die Oberfläche 136 der Schicht 106a₂ freizulegen.
Wiederum bleiben die Stege 132a und 132b zurück, wie dies in 4(i) gezeigt ist. Nach der Planarisierung der in 4(i) gezeigten Struktur ergibt sich dann die in 4(j) gezeigte Struktur, mit der planaren Oberfläche, also eine Struktur bei der die Oberflächen 136 und 138 im wesentlichen bündig sind.
Anhand der 5 wird nachfolgend ein zweites, bevorzugtes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung näher erläutert, nämlich die Prozessierung eines akustischen Spiegels mit zwei leitfähigen Schichten durch gemeinsame Strukturierung und Planarisierung aller leitfähigen Spiegelschichten.
In 5(a) ist das Substrat 100 gezeigt, auf dessen oberer Oberfläche 104 die Isolationsschicht 108 angeordnet ist. Anders als bei den vorhergehend beschriebenen Ausführungsbeispielen wird gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung die Schichtfolge bestehend aus einer ersten Schicht 106b₁ mit niedriger akustischer Impedanz, einer ersten Schicht 106a₁ mit hoher akustischer Impedanz, einer weiteren Schicht 106b₂ mit niedriger akustischer Impedanz und einer weiteren Schicht 106a₂ mit hoher akustischer Impedanz auf der Oberfläche 104 des Substrats 100 erzeugt, wie dies in 5(a) gezeigt ist.
Anschließend wird die in 5(a) gezeigte Struktur einem Strukturierungsprozess ausgesetzt, wobei die unterste Schicht 106b₁ nicht strukturiert wird. Durch übliche Maskierungs- und Ätz-Schritte erhält die Schichtfolge aus den Schichten 106a₁ , 106b₂ , 106a₂ die erwünschte Struktur, wie sie in 5(b) gezeigt ist. Über diese Struktur wird die Planarisierungsschicht 132 abgeschieden, so dass sich die in 5(c) gezeigte Struktur ergibt. Ähnlich wie bei den vorhergehenden Ausführungsbeispielen erfolgt nun eine Strukturierung der Schicht 132 derart, dass eine obere Oberfläche der zweiten Schicht 106a₂ mit hoher akustischer Impedanz freigelegt wird, und nur die Stege 132a und 132b zurück bleiben, wie dies in 5(d) gezeigt ist. Ein nachfolgender Planarisierungsschritt entfernt die Stege 132a und 132b, so dass sich die in 5(e) gezeigte Struktur einstellt.
Auf die in 5(e) gezeigte Struktur kann dann, ebenso wie auf die in 4(j) gezeigte Struktur eine untere Elektrode, eine piezoelektrische Schicht sowie eine obere Elektrode aufgebracht werden, um das piezoelektrische Resonatorbauelement fertig zu prozessieren, wie dies oben bereits anhand der 3 erläutert wurde.
Obwohl die oben beschriebenen akustischen Spiegel gemäß den bevorzugten Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung als oberste Schicht eine Schicht mit hoher akustischer Impedanz, beispielsweise eine Metallschicht aufweisen, ist die vorliegende Erfindung nicht auf eine solche Spiegelstruktur beschränkt. Vielmehr kann mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens auch eine Spiegelstruktur erzeugt werden, deren oberste Oberfläche eine Schicht mit niedriger akustischer Impedanz ist. Ferner wurden oben als Schicht mit hoher akustischer Impedanz Wolframschichten erwähnt und als Schicht mit niedriger akustischer Impedanz wurden Oxid-Schichten erwähnt. Die vorliegende Erfindung ist nicht auf diese Materialien beschränkt, sondern andere Materialien, die eine hohe akustische Impedanz bzw. eine niedrige akustische Impedanz aufweisen, leitfähige oder nicht-leitfähige Materialien, können gleichermaßen eingesetzt werden.
Wie oben beschrieben wurde können die strukturierten Spiegelschichten verschieden groß sein, so dass sich eine kegelstumpf- oder pyramidenstumpfförmige Struktur ergibt. Prinzipiell kann der Grundriss des Resonators/Spiegels aber eine beliebige Form haben (z.B. ein Trapez) wodurch sich für den dreidimensionalen Spiegel eine interessante Form ergibt. Prinzipiell ist es sogar von Vorteil, wenn die Resonatoren nicht rund oder rechteckig sind, da regelmäßige Formen viele zusätzliche (meist unerwünschte) Schwingungsmoden ähnlicher Resonanzfrequenz haben.
Im Zusammenhang mit dem Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist jedoch darauf hinzuweisen, dass die Form des Resonators/Spiegels unerheblich ist. Die strukturierten Schich ten können also alle gleich groß sein oder nicht (also Quader oder Pyramidenstumpf o.ä).
Ferner ist die vorliegende Erfindung unabhängig von der Dicke der Schichten in dem Spiegel. Der akustische Spiegel ist in der Regel kein λ/4 Spiegel, da es verschiedene Moden und Wellenarten (Longitudinal/Scherwellen) gibt. Deshalb ist es meist günstig, den Schichtaufbau nicht periodisch zu machen, d.h. jede Schicht hat eine andere Dicke.
Die obige Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele bezieht sich im wesentlichen auf die akustisch bzw. elektrisch relevanten Schichten in dem Spiegel. Zusätzlich zu diesen Schichten können aber auch noch weitere Schichten bzw. Zwischenschichten vorgesehen sein. Beispielsweise können in der Spiegelstruktur und in der darauf angeordneten Resonatorstruktur eine oder mehrerer strukturierte oder unstrukturierte Zwischenschichten vorgesehen sein, die als Ätzstoppschichten und/oder Haftvermittlungsschichten dienen. Ferner können solche Zwischenschichten zur weiteren Beeinflussung der akustischen Eigenschaften des Spiegels, der Resonatorstruktur bzw. der Gesamtstruktur dienen. Ferner können auf der Resonatorstruktur bzw. der Gesamtstruktur eine oder mehrerer strukturierte oder unstrukturierte Schichten zum Schutz und/oder zur weiteren Beeinflussung der akustischen Eigenschaften der Gesamtstruktur aufgebracht werden, beispielsweise Abstimmschichten und/oder Passivierungsschichten.

100: Substrat,
102: untere Oberfläche des Substrats,
104: obere Oberfläche des Substrats,
106: Schichtfolge des Spiegels,
106a: Schicht mit hoher akustischer Impedanz,
106a₁, 106a₂: Schicht mit hoher akustischer Impedanz,
106b: Schicht mit niedriger akustischer Impedanz,
106b₁, 106b₂: Schicht mit niedriger akustischer Impedanz,
108: Isolationsschicht,
110: untere Elektrode,
112: piezoelektrische Schicht,
114: Isolationsschicht,
116a, 116b: offene Bereiche in der Isolationsschicht 114,
118: obere Elektrode,
118a, 118b: obere Elektrode,
120a, 120b: Abstimmschicht,
122: BAW-Resonator,
122a, 122b: BAW-Resonator,
124: Oxidschicht,
126: Vertiefung,
128: Isolationsschicht,
130: Schüsseltopologie,
132: Planarisierungsschicht,
132a, 132b: Stege der Planarisierungsschicht,
134: geöffneter Bereich der Planarisierungsschicht,
136: Oberfläche der ersten 106a₁ ,
138: Oberfläche der Planarisierungsschicht,
140: Schicht

Claims

Verfahren zur Herstellung eines akustischen Spiegels aus alternierend angeordneten Schichten hoher und niedriger akustischer Impedanz, vorzugsweise für einen akustischen Resonator, wobei der Spiegel eine Schichtfolge aus zumindest einer Schicht (106a₁ , 106a₂ ) mit hoher akustischer Impedanz und zumindest einer Schicht (106b₁ , 106b₂ ) mit niedriger akustischer Impedanz aufweist, mit folgenden Schritten: (a) Erzeugen einer ersten Schicht (106b₁ , 106b₂ ) der Schichtfolge; (b) Erzeugen einer zweiten Schicht (106a₁ , 106a₂ ) der Schichtfolge auf der ersten Schicht (106b₁ , 106b₂ ) derart, dass die zweite Schicht (106a₁ , 106a₂ ) die erste Schicht (106b₁ , 106b₂ ) teilweise bedeckt; (c) Aufbringen einer Planarisierungsschicht (132) auf die erste Schicht (106b₁ , 106b₂ ) und auf die zweite Schicht (106a₁ , 106a₂ ); (d) Freilegen eines Abschnitts (134) der zweiten Schicht (106a₁ , 106a₂ ) durch Strukturieren der Planarisierungsschicht (132), wobei der Abschnitt (134) der zweiten Schicht (106a₁ , 106a₂ ) einem aktiven Bereich (122) des piezoelektrischen Resonators zugeordnet ist; und (e) Planarisieren der Struktur aus Schritt (d) durch Entfernen der außerhalb des Abschnitts (134) verbleibenden Abschnitte (132a, 132b) der Planarisierungsschicht (132).
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die zweite Schicht (106a₁ , 106a₂ ) eine leitfähige Schicht ist.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem der Spiegel eine Mehrzahl von ersten Schichten (106b₁ , 106b₂ ) und eine Mehrzahl von zweiten Schichten (106a₁, 106a₂ ) umfasst, wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst: Wiederholen der Schritte (a) bis (e) für jedes Paar aus erster Schicht (106b₁ , 106b₂ ) und zweiter Schicht (106a₁ , 106a₂ ).
Verfahren nach Anspruch 3, bei dem der Schritt (b) das Strukturieren der zweiten Schicht (106a₁ , 106a₂ ) umfasst, wobei die zweiten Schichten (106a₁ , 106a₂ ) mit im wesentlichen gleichen Masken strukturiert werden, um strukturierte zweite Schichten mit im wesentlichen gleichen Abmessungen zu erzeugen.
Verfahren nach Anspruch 3, bei dem der Schritt (b) das Strukturieren der zweiten Schicht (106a₁ , 106a₂ ) umfasst, wobei die zweiten Schichten (106a₁ , 106a₂ ) mit jeweils unterschiedlichen Masken strukturiert werden, um eine vorbestimmte Form des Spiegels zu bewirken.
Verfahren nach Anspruch 5, bei dem die vorbestimmte Struktur des Spiegels eine kegelstumpfförmige oder eine pyramidenstumpfförmige Struktur ist.
Verfahren zur Herstellung eines akustischen Spiegels aus alternierend angeordneten Schichten hoher und niedriger akustischer Impedanz, vorzugsweise für einen akustischen Resonator, wobei der Spiegel eine alternierende Schichtfolge aus einer Mehrzahl von Schichten (106a₁ , 106a₂ ) mit hoher akustischer Impedanz und einer Mehrzahl von Schichten (106b₁ , 106b₂ ) mit niedriger akustischer Impedanz aufweist, mit folgenden Schritten: (a) alternierendes Erzeugen der ersten Schichten und der zweiten Schichten (106b₁ , 106a₁ , 106b₂ , 106a₂ ); (b) Aufbringen einer Planarisierungsschicht (132) auf die im Schritt (a) erzeugte Struktur; (c) Freilegen eines Abschnitts (134) der obersten zweiten Schicht (106a₁ , 106a₂ ) durch Strukturieren der Planarisierungsschicht (132), wobei der Abschnitt (134) der obersten zweiten Schicht (106a₁ , 106a₂ ) einem aktiven Bereich (122) des piezoelektrischen Resonators zugeordnet ist; und (d) Planarisieren der Struktur aus Schritt (c) durch Entfernen der außerhalb des Abschnitts (134) verbleibenden Abschnitte (132a, 132b) der Planarisierungsschicht (132).
Verfahren nach Anspruch 7, bei dem zumindest die oberste zweite Schicht (106a₁ , 106a₂ ) eine leitfähige Schicht ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, bei dem das Strukturieren der Planarisierungsschicht (132) die Verwendung einer Maske umfasst.
Verfahren nach Anspruch 9, bei dem die Maske eine Lackmaske oder eine Hartmaske ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, bei dem vor dem Schritt des Freilegens eine Ätz-Stop-Schicht auf die erste Schicht (106b₁ , 106b₂ ) aufgebracht wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, bei dem die erste Schicht (106b₁ , 106b₂ ) eine nicht-leitfähige Schicht ist, und bei dem die zweite Schicht (106a₁ , 106a₂ ) eine leitfähige Schicht ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, bei dem die erste Schicht (106b₁ , 106b₂ ) eine Oxidschicht ist, und bei dem die zweite Schicht (106a₁ , 106a₂ ) eine Wolframschicht ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13, bei dem die Planarisierung derart ist, dass eine Oberfläche (136) der zweiten Schicht (106a₁ , 106a₂ ) und eine Oberfläche (138) der auf der ersten Schicht (106b₁ , 106b₂ ) aufgebrachten Planarisierungsschicht (132) im wesentlichen bündig sind.
Verfahren zur Herstellung eines piezoelektrischen Resonators, mit folgenden Schritten: (a) Erzeugen eines akustischen Spiegels (106) gemäß dem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 14; (b) Erzeugen einer unteren Elektrode (110) im wesentlichen zumindest teilweise auf dem akustischen Spiegel (106); (c) Erzeugen einer piezoelektrischen Schicht (112) zumindest teilweise auf der unteren Elektrode (110); und (d) Erzeugen einer oberen Elektrode (118) zumindest teilweise auf der piezoelektrischen Schicht (112), wobei ein Bereich, in dem sich die obere Elektrode (118), die piezoelektrische Schicht (112) und die untere Elektrode (110) überlappen, einen aktiven Bereich (122) des piezoelektrischen Resonators definieren.
Verfahren nach Anspruch 15, bei dem vor dem Erzeugen der unteren Elektrode (110) eine oder mehreren Schichten (140) zur Isolation oder zur Einstellung weiterer akustischer Eigenschaften des Resonators auf den erzeugten akustischen Spiegel (106) aufgebracht wird/werden, wobei die untere Elektrode (110) auf der einen oder den mehreren Schicht (140) erzeugt wird.
Verfahren nach Anspruch 15 oder 16, mit folgenden Schritten: (e) Erzeugen einer Zwischenschicht auf der Struktur aus Schritt (d); und Widerholen der Schritte (b) bis (c), um eine weitere Resonatorstruktur auf der Zwischenschicht zu erzeugen.