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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
piezoelektrische Resonatoren. 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 planare Oberfläche der
gesamten Spiegelstruktur aufweist.
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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-BAW-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 besteht 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).
Im folgenden werden unter Schichten mit hoher bzw. niedriger akustischer
Impedanz, Schichten verstanden, die beim Aufeinanderlegen eine Übergangsfläche definieren,
an der sich akustische Wellen reflektieren und zwar mit einer umso
höheren
Intensität
je größer der
Unterschied in den akustischen Impedanzen der Schichten ist.
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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 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.
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Anhand
der 4 und 5 werden zwei bekannte Verfahren
zur Herstellung akustischer Spiegel für piezoelektrische Resonatoren
bzw. BAW-Resonatoren näher
erläutert.
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In 4 ist
ein Solidly-Mounted-Resonator mit strukturiertem Spiegel gezeigt.
Der Resonator umfasst ein Substrat 100 mit einer unteren
Oberfläche 302 und
einer oberen Oberfläche 304.
Auf der oberen Oberfläche
ist eine Schichtfolge 306 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 306a mit hoher akustischer Impedanz und mit Schichten 306b niedriger
akustischer Impedanz, wobei zwischen den Spiegelschichten Zwischenschichten
vorgesehen sein können.
Auf der oberen Oberfläche 304 des
Substrats 100 ist eine erste Schicht 306b1 mit
niedriger akustischer Impedanz gebildet. Auf der Schicht 306b1 ist an den Abschnitten, die den aktiven
Bereichen des Resonators zugeordnet sind, ein Material 306a1 , 306a2 mit
hoher akustischer Impedanz abgeschieden und strukturiert. Über diese
Anordnung ist eine zweite Schicht 306b2 mit
niedriger akustischer Impedanz abgeschieden, auf der wiederum abschnittsweise
ein Material 306a3 , 306a4 mit hoher akustischer Impedanz abgeschieden und
strukturiert ist. Auf dieser Schichtfolge ist wiederum. eine Schicht
mit niedriger akustischer Impedanz 306b3 abgeschieden.
Auf der sich so ergebenden Spiegelstruktur ist zumindest teilweise
eine untere Elektrode 310 gebildet, auf der wiederum die
aktive bzw. piezoelektrische Schicht 312, beispielsweise aus
AlN (AlN = Aluminium Nitrid), angeordnet ist. Auf der piezoelektrischen
Schicht 312 ist eine Isolationsschicht 314 gebildet,
die bis auf die Bereiche 3161 und 3162 die piezoelektrische Schicht 312 bedeckt. Auf
der piezoelektrischen Schicht sind zwei obere Elektroden 3181 und 3182 gebildet,
die in den Abschnitten 3161 und 3162 mit der piezoelektrischen Schicht
in Kontakt sind. Auf der oberen Elektrode 3181 , 3182 ist zumindest teilweise eine Abstimmschicht 3201 und 3202 angeordnet, über deren
Dicke eine Resonanzfrequenz der Resonatoren eingestellt werden kann.
Durch die Abschnitte der oberen Elektrode 3181 und 3182 , in denen diese mit der piezoelektrischen
Schicht 312 in Verbindung ist und die darunter liegenden
Abschnitte der unteren Elektrode 310 werden zwei BAW-Resonatoren 322a und 322b definiert.
Die in 4 gezeigte Spiegelstruktur 306 umfasst λ/4-Spiegelschichten 306a, 306b.
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Bei
dem in 4 gezeigten Beispiel eines Solidly-Mounted-Resonators werden
die metallischen Schichten 306a strukturiert, ohne die
sich einstellende Topologie zu planarisieren. Die Schichten 306b mit
niedriger akustischer Impedanz werden, wie oben beschrieben, über den
strukturierten Schichten 306a abgeschieden. Dadurch entstehen die
in 4 gezeigten Stufen, die sich bei der Abscheidung
der darrüberliegenden
Schichten fortsetzen. Diese Vorgehensweise ist in Anbetracht der
sich einstellenden starken Topologie in den über dem Spie gel 306 liegenden
Schichten nachteilhaft, insbesondere stellt sich eine reduzierte
piezoelektrische Kopplung der aktiven Schicht 312, eine
geringe Resonatorgüte
oder eine verstärkte
Anregung unerwünschter
Schwingungsmoden ein, wobei dies bis zum Totalausfall des Bauelementes
führen
kann.
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5 zeigt
ein weiteres, im Stand der Technik bekanntes Beispiel für einen
Solidly-Mounted Resonator mit einem strukturierten Spiegel. In 5 ist wiederum
ein Substrat 100 gezeigt, auf dessen obere Oberfläche 304 eine
Oxidschicht 324 abgeschieden ist, in die eine Grube bzw.
Vertiefung 326 eingebracht wird. Zwischen der Oxidschicht 324 und
dem Substrat 100 können
weitere Zwischenschichten vorgesehen sein. In der Grube 326 ist
der akustische Spiegel gebildet, der aus einer Schichtfolge besteht,
die eine erste Schicht 306a1 mit
hoher akustischer Impedanz, eine Schicht 306 mit niedriger
akustischer Impedanz und eine Schicht 306a2 mit
hoher akustischer Impedanz aufweist. Auf der Oberfläche der
sich so ergebenden Struktur ist eine Isolationsschicht 308 abgeschieden,
auf der zumindest teilweise die untere Elektrode 310 gebildet
ist. Der nicht von der unteren Elektrode 310 bedeckte Abschnitt
der Isolationsschicht 308 ist von einer weiteren Isolationsschicht 328 bedeckt.
Auf der Isolationsschicht 328 und auf der unteren Elektrode 310 ist
die piezoelektrische Schicht 312 gebildet, auf deren Oberfläche wiederum teilweise
die obere Elektrode 318 gebildet ist. Die von der oberen
Elektrode 318 nicht bedeckten Abschnitte der piezoelektrischen
Schicht 312 sowie Teile der oberen Elektrode 318 sind
von der Passivierungsschicht 314 bedeckt. Die überlappenden
Bereiche von unterer Elektrode 310, piezoelektrische Schicht 312 und
oberer Elektrode 318 definieren den BAW-Resonator 322.
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Bei
dem in 5 gezeigten Beispiel wird in die Oxidschicht 324 im
Bereich des zu erzeugenden Resonators 322 die Grube 326 geätzt, in
der nacheinander, wie oben beschrieben, die Spiegelschichten 306a, 306 abgeschieden
werden. Durch einen oder mehrere CMP-Prozesse (Chemical Mechanical
Polishing = che misch-mechanisches Polieren) werden die Schichten
außerhalb
der Spiegelgrube 326 entfernt.
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Beide
Verfahren weisen Nachteile auf. Das mit der 4 beschriebene
Verfahren zeigt beispielsweise den Nachteil einer starken Topologie
in den über
dem Spiegel liegenden Schichten, wodurch sich ungünstige Bedingungen
für die
weitere Prozessierung ergeben. Dies zeigt sich unter anderem in verminderter
piezoelektrischen Kopplungen, geringer Resonatorgüte oder
unerwünschten
Moden bis hin zu einem Totalausfall des Bauelements. Das anhand der 5 beschriebene
Verfahren ist dahingehend nachteilhaft, dass in den Ecken der Spiegelgrube 326 die
Schichten etwas dünner
sind und sich beim Planarisieren eine in 5 mit dem
Bezugszeichen 330 angedeutete leichte Schüsseltopologie
im Resonatorbereich 322 einstellt, was wiederum zu einer
verstärkten
Anregung unerwünschter
Moden und zu einer verminderten Resonatorgüte führt. Außerdem ist an dem mit 5 beschriebenen
Verfahren nachteilig, dass die oberste Spiegelschicht bei den verschiedenen
CMP-Schritten über
den aktiven Bereich des Resonators ungleichmäßig stark angegriffen wird, was
zu einer verstärkten
Anregung unerwünschter Moden
und zu einer verminderten Resonatorgüte führt. Andererseits lässt sich
eine gewisse Resttopologie nicht vermeiden, welche zu den oben angeführten Nachteilen
in der Folgeprozessierung führt.
Es sei hier noch angemerkt, dass die durch die sogenannte Spiegelgrube
und die folgenden CMP-Schritte erzeugte Resttopologie ein wesentlicher,
die Ausbeute beschränkender
Faktor ist.
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ZUSAMMENFASSUNG
DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung schafft ein Verfahren zur Herstellung eines
akustischen Spiegels aus alternierend angeordneten Schichten hoher
und niedriger akustischer Impedanz, wobei der akustische Spiegel
eine Schichtfolge aus mindestens einer Schicht mit hoher akustischer
Impedanz und zumindest einer Schicht mit niedriger akustischer Impedanz
aufweist, wobei die Schichten bezüglich einer gemeinsamen Schichtebene
parallel angeordnet sind. Es umfasst die folgenden Schritte: Bereitstellen eines
Grundmaterials mit einer ersten Schicht der Schichtfolge auf dem
Grundmaterial, Erzeugen einer zweiten Schicht der Schichtfolge auf
der ersten Schicht derart, dass die zweite Schicht der Schichtfolge
die erste Schicht teilweise bedeckt, Aufbringen einer Planarisierungsschicht
auf die Schichtfolge, Entfernen der Planarisierungsschicht in einem
Bereich, der der gemeinsamen Schichtebene seitlich über die
zweite Schicht hinausragt, um eine Restplanarisierungsschicht zu
erhalten und Aufbringen einer Abschlussschicht auf die Schichtfolge
und die Restplanarisierungsschicht.
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Die
vorliegende Erfindung schafft außerdem ein Verfahren zur Herstellung
eines akustischen Spiegels, aus alternierend angeordneten Schichten hoher
und niedriger akustischer Impedanz, wobei die Schicht aus niedriger
akustischer Impedanz aus einem dielektrischen Material besteht und
die Schichten aus hoher akustischer Impedanz aus einem Metall bestehen,
wobei die Schichten bezüglich
einer gemeinsamen Schichtebene parallel angeordnet sind. Es umfasst
die folgenden Schritte: Bereitstellen eines Grundmaterials mit einer Ätzstoppschicht,
Erzeugen einer ersten Metallschicht, die die Ätzstoppschicht teilweise bedeckt;
Erzeugen einer ersten dielektrischen Schicht auf der ersten Metallschicht;
Erzeugen einer zweiten Metallschicht auf der ersten dielektrischen
Schicht, Aufbringen einer Planarisierungsschicht auf die zweite
Metallschicht und die Ätzstoppschicht,
mit einer Schichtdicke, die zumindest der Schichtdicke der beiden
Metallschichten und der dielektrischen Schicht entspricht, Entfernen
der Planarisierungsschicht in einem Bereich, der der gemeinsamen
Schichtebene seitlich über
die zweite Metallschicht hinausragt, um eine Restplanarisierungsschicht
zu erhalten und Aufbringen einer Abschlussschicht aus einem nicht-metallischen
Material auf die zweite Metallschicht, wobei die Abschlussschicht
zumindest einen Teil der verbleibenden Planarisierungsschicht bedeckt.
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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 Prozessierung der über dem
Spiegel liegenden Schichten ermöglicht,
was insbesondere eine hohe akustische Güte, eine hohe piezoelektrische
Kopplung, sowie eine außerordentliche
Modenreinheit zur Folge hat. Die so erzielbare sehr homogene Schichtdickenverteilung
im Spiegel, ermöglicht
eine minimale Anregung unerwünschter Schwingungsmoden.
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Erfindungsgemäß wird der
akustische Spiegel durch eine geeignete Kombination von Abscheidungs-
und Strukturierungsschritten hergestellt, um eine völlig planare
Spiegeloberfläche
bei geringen Prozessierungskosten zu erreichen. In einem Ausführungsbeispiel
werden erfindungsgemäß dazu sämtliche
Spiegelschichten bis hin zur letzten Metallschicht abgeschieden.
Daran anschließend
werden die vorhandenen Schichten beispielsweise mittels eines Trockenätzschrittes
strukturiert. Bei diesem Ätzschritt
ist es vorteilhaft einen genau definierten Endpunkt zu generieren.
Optimalerweise stoppt der erfindungsgemäße Ätzprozess auf einer dünnen, unter dem
untersten Spiegelmetall liegenden, hoch selektiven Stoppschicht.
Ein Beispiel für
einen erfindungsgemäßen Ätzprozess
ist ein Fluortrockenätzschritt, der
auf einer AlN-Schicht stoppt. Der Einsatz einer erfindungsgemäßen Stoppschicht
eliminiert zusätzlich
Schwankungen in der resultierenden Stufenhöhe, welche durch ungleichmäßigen Ätzabtrag
erzeugt werden würde.
Schließlich
wird erfindungsgemäß eine Planarisierungsschicht
mit einer Dicke, die vorzugsweise der Stufenhöhe entspricht, ganzflächig abgeschieden
und in einem Bereich, der beispielsweise 0,5 bis 1 μm größer ist
als die nun schon strukturierte Spiegelschicht geöffnet. Bei
korrekter Prozessierung sollte eine im Wesentlichen planare Oberfläche mit
schmalen, 0,5 bis 1 μm
breiten Gräben
um die Spiegelschichten entstanden sein.
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Erfindungsgemäß wird bei
der nun folgenden Abscheidung der obersten, normalerweise nicht-metallischen
Spiegel- oder Abschlussschicht die Gräben aufgrund ihrer geringen
Breite vollständig
aufgefüllt. Dieser
Prozess läuft ähnlich zu
einem W-Plug Via-Prozess.
Nach der erfindungsgemäß erfolgten Spiegelprozessierung,
hinterlässt
dies eine, bis auf leichte, schmale Vertiefungen im Bereich des
Grabens, planare Oberfläche.
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Bei
einem weiteren Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung werden die eben beschriebenen Schritte
für eine
oder mehrere metallische Spiegelschichten separat angewendet. Das
bedeutet, dass für
jede neu abgeschiedene Metallschicht, zuerst eine Strukturierung,
beispielsweise durch einen Trockenätzprozess erfolgt. Daran anschließend wird eine
Planarisierungsschicht aufgebracht, die wiederum in einem Bereich
der größer ist
als die metallische Schicht geöffnet
und die nicht metallische Schicht aufgebracht. Daran anschließend wiederholen
sich die Schritte. Diese sukzessive Arbeitsweise könnte unter
anderem notwendig sein, wenn ein vollständiges Ätzen aller Spiegelschichten
auf einmal nicht möglich
ist. Z.B. könnte
dies der Fall sein, wenn ein entsprechender Ätzprozess nicht zur Verfügung steht.
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Die Ätzprozesse
können
beispielsweise unter Verwendung einer Lackmaske oder unter Verwendung
einer Hartmaske durchgeführt
werden, wobei bei dem ersten Ausführungsbeispiel aufgrund der längeren Ätzzeit die
Verwendung einer Hartmaske notwendig sein kann.
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Bei
dem oben beschriebenen Ausführungsbeispiel
könnte
die Mehrzahl der Schichten beispielsweise in einem Ätzprozess
innerhalb einer Kammer oder durch mehrere aufeinanderfolgende Ätzprozesse
in verschiedenen Kammern durchgeführt werden.
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Ein
wesentlicher Vorteil der Ausführungsbeispiele
der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass eine hoch planare
Oberfläche
der letzten Spiegel- oder Abschlussschicht unter Vermeidung von CMP-Prozessen
erreicht wird. Gemäss
der vorliegen den Erfindung ist dies möglich, wenn die Planarisierungsschichten
in einem Bereich entfernt wird, der über dem Bereich der letzten
Schicht hinausragt und die evtl. Auftretenden Gräben durch die Folgeschicht aufgefüllt werden.
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Nachfolgend
werden anhand der beiliegenden Figuren bevorzugte Ausführungsbeispiele
der vorliegenden Erfindung näher
erläutert.
Es zeigen:
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1(a) bis 1(e) die
Schritte zur Herstellung eines hochplanaren akustischen Spiegels
gemäß der vorliegenden
Erfindung;
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2(a) bis 2(e) die
erfindungsgemäße Prozessierung
eines akustischen Spiegels mit zwei Schichten hoher akustischer
Impedanz durch gemeinsame Strukturierung und Planarisierung allerlei Spiegelschichten
gemäß einem
zweiten bevorzugten Ausführungsbeispiels
der vorliegenden Erfindung;
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3(a) bis 3(e) die
erfindungsgemäße Prozessierung
eines akustischen Spiegels mit zwei Schichten hoher akustischer
Impedanz durch wiederholte Abscheidungs-, Strukturierungs- und Planarisierungsschritte;
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4 ein
erstes Beispiel eines Solidly-Mounted-Resonators mit strukturiertem
Spiegel gemäß dem Stand
der Technik;
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5 ein
zweites Beispiel für
einen Solidly-Mounted-Resonator
mit strukturiertem Spiegel gemäß dem Stand
der Technik.
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In
der nachfolgenden Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele
der vorliegenden Erfindung werden gleiche oder gleich wirkende Elemente
mit gleichem Bezugszeichen versehen.
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In
den nachfolgenden Ausführungen
wird angenommen, dass eine zu strukturierende Schicht eine höhere akustische
Impedanz hat. Die vorliegende Erfindung ist nicht auf dieses Ausführungsbeispiel beschränkt, vielmehr
funktioniert das erfin dungsgemäße Verfahren
ganz analog, wenn die zu strukturierende Schicht die kleinere akustische
Impedanz aufweist. Wie bereits erwähnt, werden unter Schichten mit
hoher bzw. niedriger akustischer Impedanz, Schichten verstanden,
die beim Aufeinanderlegen eine Übergangsfläche definieren,
an der sich akustische Wellen reflektieren und zwar mit einer umso
höheren
Intensität
je größer der
Unterschied in den akustischen Impedanzen der Schichten ist.
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Anhand
der 1 wird ein erstes, bevorzugtes
Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung näher
erläutert,
nämlich
die erfindungsgemäße Prozessierung
eines akustischen Spiegels mit einer Schicht mit hoher akustischer
Impedanz. Dazu werden zunächst
sämtliche
Spiegelschichten einschließlich
der Schicht mit hoher akustischer Impedanz abgeschieden und anschließend strukturiert.
Das geschieht in den folgenden Unterschritten.
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In 1(a) ist ein Substrat 100 gezeigt,
auf dessen Oberfläche
eine erste Schicht 110 mit niedriger akustischer Impedanz
und eine optionale Ätzstoppschicht 115 angeordnet
ist. Wenn die erste Schicht 110 mit niedriger akustischer
Impedanz aus einem geeigneten Material besteht, kann auf die optionale Ätzstoppschicht 115 verzichtet
werden. Dies ist dann der Fall, wenn der zur Strukturierung verwendete Ätzprozess
auf der Schicht 110 stoppt, d.h. die Schicht 110 bereits
als eine Ätzstoppschicht
wirksam ist. Anschließend
wird auf der optionalen Ätzstoppschicht 115 eine
erste Schicht 120 mit hoher akustischer Impedanz ganzflächig abgeschieden. Die
Anordnung der Schichten erfolgt dabei derart, dass sie bezüglich einer
gemeinsamen Schichtebene parallel angeordnet sind. Als Schichtmaterialien
für Schichten
mit niedriger akustischer Impedanz können beispielsweise Oxide genommen
werden und für Schichten
mit hoher akustischer Impedanz sind beispielsweise Wolframschichten
oder eine andere geeignete leitfähige
Schicht geeignet. Zusätzlich
können
zwischen dem Substrat 100 und dem Spiegel bzw. zwischen
den Spiegelschichten eine oder mehrere Zwischenschichten vorgesehen
sein.
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Dann
wird die Schicht mit hoher akustischer Impedanz einem Strukturierungsschritt
unterzogen. Dies kann beispielsweise in einem Trockenätzschritt geschehen,
der den entscheidenden Vorteil aufweist, dass die Schicht 110 oder
die optionale Ätzstoppschicht 115 einen
genau definierten Endpunkt definiert, auf dem der Ätzprozess
optimalerweise stoppt.
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Für einen
Flour-Trockenätzschritt
kann beispielsweise eine AlN-Schicht als optionale Ätzstoppschicht 115 verwandt
werden. Die in 1(a) gezeigte Struktur
wird beispielsweise unter Verwendung einer Hartmaske oder einer
Lackmaske diesem Ätzprozess
unterzogen, durch den die erste Schicht 120 mit hoher akustischer
Impedanz auf die in 1(b) gezeigte
Form strukturiert wird.
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Auf
die in 1(b) gezeigte Struktur wird dann
ganzflächig
eine Planarisierungsschicht 130 abgeschieden, wie dies
in 1(c) gezeigt ist. Vorzugsweise
wird die Planarisierungsschicht 130 in einer Dicke abgeschieden,
die der Stufenhöhe
und damit bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel der Dicke der
Schicht 125 entspricht. Die Planarisierungsschicht 130 wird
dann unter Verwendung einer geeigneten Maske, beispielsweise einer
Lackmaske oder einer Hartmaske strukturiert, um die in einem nachfolgenden
Prozess, vorzugsweise einen Ätzprozess,
zu entfernenden Abschnitte der Planarisierungsschicht 130 zu
definieren.
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In 1(d) ist die in 1(c) gezeigte
Struktur nach der Maskierung und nach dem Ätzprozess gezeigt. Gemäß dem erfindungsgemäßen Konzept, wird
die Planarisierungsschicht 130 in einem Bereich, der größer ist
als die strukturierte Schicht mit hoher akustischer Impedanz 125,
abgetragen. Dieser Bereich umfasst zumindest die in 1(c) gezeigte Region 131.
Dies kann in einem Bereich geschehen, der 0,1 bis 2,5 μm (vorzugsweise
0,5 bis 1 μm)
größer ist
als die schon strukturierte Schicht 125 mit hoher akustischer
Impedanz. Dabei können
Gräben 133 auf
beiden Seiten der strukturierten Schicht 125 mit hoher
akustischer Impedanz entstehen. Die Form und die Tiefe der Gräben 133 wird
dabei zum einen bestimmt von der Dauer bzw. Art des Ätzprozesses, vor
allem aber auch von der Form der Planarisierungsschicht 130.
Insbesondere die Ausprägung
von Flanken bzw. Schrägen
an den Rändern
der Planarisierungsschicht 130 in der Region 131,
bestimmen die Form der Gräben 133,
wie es in der 1(d) angedeutet wurde.
Im Idealfall, wenn die Planarisierungsschicht 130 keine
Schrägen
in der Region 131 aufweist, d.h. wenn die Planarisierungsschicht 130 genau
die Stufe der Schicht mit hoher akustischer Impedanz 125 nachbildet
und die verwendete Maske nur die Region 131 freilässt, werden
keine Gräben 133 entstehen.
In jedem anderen von diesem Idealfall abweichenden Prozessierung
der Planarisierungsschicht 130, werden die Gräben 133 entstehen. Ebenso
hat die Wahl der Maske, d.h. wie genau sie den vorgegebenen Bereich
abdeckt, so dass keine Freiräume
am Maskenrand entstehen, einen Einfluss auf die Form der Gräben 133.
Auf jeden Fall ist die maximale Tiefe der Gräben 133 durch die
als Ätzstopp
wirkende Schicht 110 begrenzt und ist somit gegeben durch
die Dicke der Planarisierungsschicht 130.
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Wenn
die Planarisierungsschicht 130 eine bevorzugte Dicke aufweist,
die der Dicke der ersten strukturierten Schicht 125 mit
hoher akustischer Impedanz entspricht, ergibt sich, bis auf die
Gräben 133 eine
planare Oberfläche
mit einer Restplanarisierungsschicht 135. Die Gräben können, bei
korrekter Prozessierung, eine Breite von 0,1 bis 2,5 μm (bevorzugt
von 0,5 bis 1 μm)
aufweisen.
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Als
abschließenden
Schritt, der in 1(e) dargestellt ist,
wird eine Abschlussschicht mit niedriger akustischer Impedanz 140,
die normalerweise aus einem nicht-metallischen Material besteht,
derart aufgebracht, dass die Gräben 133 auf
beiden Seiten der strukturierten Schicht mit hoher akustischer Impedanz 125 aufgefüllt werden.
Das Auffüllen
kann dabei ähnlich
einem W-Plug-Via-Prozess erfolgen und hinterlässt einen akustischer Spiegel
mit einer, bis auf eventuell leichte, schmale Vertiefungen im Bereich
der Gräben
(nicht gezeigt in der Figur) planaren Oberfläche.
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Anhand
von 2 wird nachfolgend ein weiteres,
bevorzugtes Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung näher
erläutert.
Es handelt sich dabei um einer Prozessierung eines akustischen Spiegels
mit einer Mehrzahl von Schichten mit hoher akustischer Impedanz
durch eine gemeinsame Strukturierung und Planarisierung aller Schichten, wobei
das Ausführungsbeispiel
hier anhand von zwei Schichten 120 und 150 mit
hoher akustischer Impedanz beschrieben wird.
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In 2(a) ist ein Substrat 100 gezeigt,
welches durch eine optionale Zwischenschicht 105 von einer Ätzstoppschicht 115 getrennt
ist. Diese Zwischenschicht kann insbesondere dann wichtig sein, wenn
das Material der Ätzstoppschicht 115 nur
unzureichend auf dem darunter liegenden Substrat 100 haftet
bzw. wenn unerwünschte
Reaktionen in einem Übergangsbereich
der Ätzstoppschicht 115 und
dem Substrat 100 ausgelöst
werden können.
Wie bereits in 1, können beide
auch in eine Schichtstruktur 110 zusammengefasst werden,
die gleichzeitig als eine Stoppschicht für einen Ätzprozess wirkt. Anders als
bei dem zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiel
wird gemäß dem zweiten
Ausführungsbeispiel der
vorliegenden Erfindung die Schichtfolge bestehend aus einer Schicht
mit hoher akustischer Impedanz 120, einer Schicht mit niedriger
akustischer Impedanz 140 und einer Schicht mit hoher akustischer Impedanz 150 auf
die Schichtstruktur 110 aufgebracht. Dies ist in 2(a) gezeigt.
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Anschließend wird
die in 2(a) gezeigte Struktur einem
Strukturierungsprozess, vorzugsweise einem Ätzprozess, ausgesetzt, wobei
die unterste Schichtstruktur 110 nicht strukturiert wird.
Durch übliche
Maskierungs- und Ätzschritte
erhält
die Schichtfolge aus den Schichten 120, 140 und 150 die
erwünschte
Struktur, die in 2(b) gezeigt ist
und aus einer ersten Schicht mit hoher akustischen Impedanz 125,
einer Schicht mit niedriger akustischer Impedanz 145 und
einer zweiten Schicht mit hoher akustischer Impedanz 155 besteht.
Dies geschieht analog zu dem Schritt, der bei 1(b) beschrieben
wurde.
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Über diese
Struktur wird eine Planarisierungsschicht 130 abgeschieden,
so dass sich die in 2(c) gezeigte
Struktur ergibt. Ähnlich
wie bei dem vorhergehenden Ausführungsbeispiel
erfolgt nun eine Strukturierung der Planarisierungsschicht 130 derart,
dass eine obere Oberfläche
der obersten Schicht 155 mit hoher akustischer Impedanz
freigelegt wird, so dass seitliche Gräben, wie beispielsweise ein
Graben 133 entstehen können,
und außerdem eine
Restplanarisierungsschicht 135 entsteht. Das (mögliche)
Entstehen dieser Gräben 133 ist
eine Folge der Verwendung einer Ätzmaske,
die größer als die
Oberfläche
der zweiten Schicht mit hoher akustischer Impedanz 155 ist.
Bezüglich
der Form und Größe der Gräben, wird
auf die Bemerkungen bei 1(d) verwiesen.
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In
einem bevorzugten Ausführungsbeispiel weist
wie in dem zuvor beschriebenen Beispiel die Planarisierungsschicht 130 vorzugsweise
eine Dicke auf, so dass die resultierende Dicke der Restplanarisierungsschicht 135 gleich
der Dicke der Schichtfolge bestehend aus den Schichten 125, 145 und 155 ist.
In einem letzten Schritt, der in 2(e) gezeigt ist,
wird eine Abschlussschicht 140 derart auf die Schichtfolge
aufgebracht, dass die Gräben 133 mit der
Abschlussschicht 140 aufgefüllt werden und sich so eine
planare Oberfläche
bildet.
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Auf
die in 2(e) gezeigte Struktur kann dann,
ebenso wie in dem zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiel, eine untere
Elektrode, eine piezoelektrische Schicht sowie eine obere Elektrode
aufgebracht werden, um einen piezoelektrischen Resonator zu fertigen.
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3 bezieht sich auf eine weitere Variante der
Prozesseierung, bei der mehrere Schichten mit hoher akustischer
Impedanz separat strukturiert und planarisiert werden. Dies kann
beispielsweise notwendig sein, wenn ein vollständiges Ätzen aller Spiegelschichten
auf einmal nicht möglich
ist, weil z.B. ein entsprechender Prozess nicht zur Verfügung steht.
In diesem Verfahren wird im weiteren davon ausgegangen, dass auf
das Aufbringen von Ätzstoppschichten verzichtet
werden kann. Das ist der Fall, wenn die Schichten mit niedriger
akustischer Impedanz ein Schichtmaterial aufweisen, welches als Ätzstoppschichtmaterial
für den
verwendeten Ätzprozess
geeignet ist.
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Da
die ersten vier Schritte dieser Prozessierung den in 1(a) bis 1(d) beschriebenen
Schritten entsprechen, wird auf eine erneute Darlegung dieser Schritte
verzichtet. Der Schritt, der in 1(e) gezeigt
ist, unterscheidet sich nur dahingehend, dass die Schicht 140 in
der hier beschriebenen Prozessierung keine Abschlusssicht, sondern
eine zweite Schicht mit niedriger akustischer Impedanz darstellt. Das
Aufbringen der Schicht 140 geschieht dabei aber auch derart,
dass die eventuell entstandenen Gräben 133 durch die
zweite Schicht 140 aufgefüllt werden.
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Nachfolgend
wird eine zweite Schicht mit hoher akustischer Impedanz 150 auf
die zweite Schicht mit niedriger akustischer Impedanz 140 aufgebracht, so
dass sich die in 3(a) gezeigte Struktur
mit zwei Schichten hoher akustischer Impedanz 125 und 150 sowie
mit zwei Schichten mit niedriger akustischer Impedanz 110 und 140 ergibt.
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Im
folgenden Schritt wird die zweite Schicht 150 mit hoher
akustischer Impedanz strukturiert, so dass sich eine in 3(b) dargestellte zweite strukturierte
Schicht mit hoher akustischer Impedanz 155 ergibt. Es wird
dann ganzflächig
eine zweite Planarisierungsschicht 130 abgeschieden, wie
dies in 3(c) gezeigt ist. Die zweite
Planarisierungsschicht 130 wird unter Verwendung einer
geeigneten Maske, beispielsweise einer Lackmaske oder einer Hartmaske
strukturiert, um die in einem nachfolgenden Prozess, vorzugsweise
einem Ätzprozess,
zu entfernenden Abschnitte der zweiten Planarisierungsschicht 130 zu
definieren. In 3(d) ist die in 3(c) gezeigte Struktur nach der Maskierung
und nach dem Ätzprozess
gezeigt. Da gemäß dem erfindungsgemäßen Konzept
die zweite Planarisie rungsschicht 130 in einem Bereich,
der größer ist
als die zweite strukturierte Schicht mit hoher akustischer Impedanz 155,
wird der Ätzprozess
an beiden Rändern der
strukturierten Schicht 155 zu weiteren Gräben 133 führen. Es
entsteht dabei eine zweite Restplanarisierungsschicht 135.
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Als
letzten Schritt, der in 3(e) dargestellt ist,
wird eine Abschlussschicht mit niedriger akustischer Impedanz 140 derart
aufgebracht, dass wieder die Gräben 133 auf
beiden Seiten der zweiten strukturierten Schicht mit hoher akustischer
Impedanz 155 aufgefüllt
werden. Damit erhält
man einen akustischer Spiegel mit einer hochplanaren Oberfläche.
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Obwohl
in die oben beschriebenen akustischen Spiegel gemäß den bevorzugten
Ausführungsbeispielen
der vorliegenden Erfindung als oberste Schicht eine Schicht mit
niedriger akustischer Impedanz ist, beispielsweise eine Oxidschicht, 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 hoher
akustischer Impedanz ist. Ferner wurden oben als Schicht mit hoher
akustischer Impedanz Wolframschichten erwähnt und als Schicht mit niedriger
akustischer Impedanz wurden Oxidschichten erwähnt. Die vorliegende Erfindung
ist nicht auf diese Materialien beschränkt, sondern andere Materialien
die eine hohe akustische Impedanz bzw. niedrige akustische Impedanz
aufweisen, leitfähige
oder nichtleitfähige
Materialien, können
gleichermaßen
eingesetzt werden.
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In
weiteren Ausführungsbeispielen
kann die Anzahl der Schichten mit niedriger und hoher akustischer
Impedanz variiert werden. Das bedeutet für das Ausführungsbeispiel, welches in 1 erläutert wurde,
dass auf die Abschlussschicht 140 in 1(j) eine
weitere Schicht mit hoher akustischer Impedanz gebracht werden kann,
die in folgenden Schritten wieder strukturiert wird und durch eine
Schicht mit niedriger akustischer Impedanz bedeckt wird. Daran anschließend können in
Ausfüh rungsbeispielen
weitere Schichten mit hoher und niedriger akustischer Impedanz aufgebracht
werden. Ähnliches
trifft auch für
das Ausführungsbeispiel,
welches in 2 erläutert wurde, zu. D.h. auch
hier können
sich weitere Schichten mit hoher und niedriger akustischer Impedanz
anschließen,
die entweder zum Schluss alle zusammen oder auch paarweise bestehend
aus einer Schicht mit hoher und einer Schicht mit niedriger akustischer
Impedanz, strukturiert werden.
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Ein
Vorteil der Ausführungsbeispiele
der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass eine hochplanare
Oberfläche
der letzten Spiegel- oder Abschlussschicht unter Vermeidung von
CMP-Prozessen erreicht
wird. Gemäss
der vorliegenden Erfindung ist dies möglich, wenn die Planarisierungsschichten
in einem Bereich entfernt wird, der über dem Bereich der letzten
Schicht hinausragt und die eventuell auftretenden Gräben durch
die Folgeschicht aufgefüllt
werden.
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Die
oben beschriebenen strukturierten akustischen Spiegelschichten können ebenfalls
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.
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Im
Zusammenhang mit dem Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist jedoch
darauf hinzuweisen, dass die Form des Spiegels unerheblich ist.
Die strukturierten Schichten können
also alle gleich groß sein
oder nicht (also Quader oder Pyramidenstumpf oder Ähnliches).
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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
(wobei λ die
Wellenlänge
einer akustischen Welle ist), da es verschiedene Moden und Wellenarten (Longitudinal/Scherwellen)
gibt. D.h. die Schichtdicke ist nicht durch λ/4 gegeben und deshalb ist es meist
günstig,
den Schichtaufbau nicht periodisch zu machen, d.h. jede Schicht
hat eine andere Dicke.
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Die
obige Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele bezieht sich
im Wesentlichen auf die akustische bzw. elektrisch relevanten Schichten
in dem Spiegel. Zusätzlich
zu diesen Schichten können
aber auch noch weitere Schichten bzw. Zwischenschichten vorgesehen
sein. Solche Zwischenschichten können
zur weiteren Beeinflussung der akustischen Eigenschaften des akustischen
Spiegels, der Resonatorstruktur bzw. der Gesamtstruktur dienen.
Ferner können
auf der Gesamtstruktur eine oder mehrere strukturierte oder unstrukturierte Schichten
zum Schutz und/oder zur weiteren Beeinflussung der akustischen Eigenschaften
der Gesamtstruktur aufgebracht werden, beispielsweise Abstimmschichten
und/oder Passivierungsschichten.
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- 100
- Substrat
- 302
- untere
Oberfläche
des Substrats
- 304
- obere
Oberfläche
des Substrats
- 306
- Schichtfolge
des Spiegels
- 120,
125, 150, 155, 306a, 306a1, 306a2...
- Schichten
mit hoher akustischer Impedanz
- 110,
140, 145, 306b, 306b1, 306b2...
- Schichten
mit niedriger akustischer Impedanz
- 308
- Isolationsschicht
- 310
- untere
Elektrode
- 312
- piezoelektrische
Schicht
- 314
- Isolationsschicht
- 3161, 3162
- offene
Bereiche in der Isolationsschicht 114
- 318
- obere
Elektrode
- 3181, 3182
- obere
Elektrode
- 3201, 3202
- Abstimmschicht
- 322
- BAW-Resonator
- 322a,
322b
- BAW-Resonator
- 324
- Oxidschicht
- 326
- Vertiefung
- 328
- Isolationsschicht
- 330
- Schüsseltopologie
- 130
- Planarisierungsschicht
- 135
- Restplanarisierungsschicht
- 105
- Zwischenschicht
- 115
- optionale Ätzstoppschicht
- 133
- (Ätz-) Gräben