DE3437498A1 - Akustischer resonator und verfahren zu seiner herstellung - Google Patents

Akustischer resonator und verfahren zu seiner herstellung

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Description

R 7622
Akustischer Resonator und Verfahren zu seiner Herstellung
Die Erfindung bezieht sich auf einen akustischen Resonator und auf ein Verfahren zu seiner Herstellung. Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf ein Verfahren zur Herstellung des Resonators, wobei sämtliche Verfahrensschritte von einer einzigen Seite seines Tragsubstrats aus erfolgen.
In den letzten Jahren wurde der Entwicklung von mikroelektronischen Schaltungskomponenten viel Aufmerksamkeit gewidmet. Piezoelektrische Materialien in der Form von abgeschiedenen Schichten werden in mikroelektronischen Resonatoren, Wandlern und anderen Vorrichtungen verwendet. Diese Schichten oder Filme sind typischerweise auf Siliziumsubstraten abgeschieden, die dotierte p+ Siliziummembranen aufweisen. Die p+ Siliziummembranen können jedoch während der Integration der Vorrichtungen in aktive Schaltungen problematisch sein.
Halbisolierendes GaAs ist als ein Substratmaterial in elektronischen Vorrichtungen brauchbar. Seine hohe Elektronenmobilität ist vorteilhaft bei Hochgeschwindigkeitstransistoren, integrierten Schaltungen, Breitbandverstärkern und Leistungsfeldeffekttransistoren. Es besteht jedoch ein Bedürfnis nach miniaturisierten passiven Resonatoren, die in diese aktiven
2/ Q>
Schaltungen eingebaut werden können. Insbesondere wäre es zweckmäßig, wenn man diese Resonatoren direkt auf einem GaAs Substrat ausbilden könnte, einem Substrat, welches bereits andere elektronische Komponenten trägt, um so die Schaltungsintegration zu erleichtern. Es wäre ferner günstig, wenn man dazu in der Lage wäre, alle diese Verfahrensschritte von einer einzigen Seite des Substrats aus vorzunehmen.
Zusammenfassung der Erfindung: Ein Ziel der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen akustischen Resonator vorzusehen, der mit den aktiven Vorrichtungen auf einem GaAs Substrat integriert werden kann. Weiterhin bezweckt die Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Resonators anzugeben. Schließlich hat sich die Erfindung zum Ziel gesetzt, ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Resonators anzugeben, wobei sämtliche Verfahrensschritte von einer einzigen Seite des GaAs Substrats aus erfolgen können.
Weitere Vorteile und Ziele sowie neue Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung.
Erfindungsgemäß ist ein Resonator vorgesehen, der zwei im wesentlichen parallele Schichten aus Al-Elektroden aufweist, und zwar getrennt durch eine Anregungsschicht aus AlN dazwischen ; eine Abschirmschicht aus AlN wird von der Außenoberfläche einer der Elektroden getragen. Die Grundresonanzfrequenz ist eine Funktion der Dicke der zusammengesetzten Struktur. Die Abschirmschicht ist hinreichend dick, um die Elektrode benachbart dazu während der Resonatorherstellung zu schützen. Sie ist ferner ausreichend dick, um die Störwandlung während des Resonatorbetriebs zu steuern.
Der Resonator wird hergestellt durch Sprühabscheidung von abwechselnden Lagen aus AlN und Al auf ein GaAs Substrat. Dies wird dadurch erreicht, daß man ein Al Target versprüht,
und zwar in einer Atmosphäre, die zwischen N- und Ar abwechselt, wobei bei Np AlN abgeschieden wird, während bei Ar das Al Metall abgeschieden wird. Die Lagen oder Schichten werden aufeinanderfolgend abgeschieden, ohne das System zur Umgebung hin zu öffnen, so daß die Reinheit des Systems aufrechterhalten werden kann. Die AlN Abschirmschicht wird als erstes abgeschieden, sodann eine Al Schicht und sodann die Anregungs-AIN-Schicht und schließlich eine weitere Al Schicht. Nach der Abscheidung wird die mehrschichtige Struktur in mehreren Schritten zur Herstellung eines Resonators verarbeitet. Eine Elektrode wird in der zuletzt abgeschiedenen Al Schicht gebildet. Sodann wird ein Hohlraum vorgesehen, und zwar durch den mehrschichtigen zusammengesetzten Körper hindurch, um Zugang zum GaAs Substrat zu erlangen. Schließlich wird ein selektives Ätzmittel zugegeben, und zwar durch den Hohlraum,um das GaAs entgegengesetzt zur definierten Al Elektrode zu entfernen derart, daß der sich ergebende Resonator eine regalartige mehrschichtige Struktur ist, und zwar getragen an seinem Umfang durch GaAs. Durch dieses Verfahren können sämtliche Verfahrensschritte von einer einzigen Seite desSubstrats her ausgeführt werden.
Weitere Vorteile, Ziele und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung; in der Zeichnung zeigt:
Fig.1 eine Draufsicht auf die Quer
schnittsstruktur der Fig.2;
Fig.2 einen Querschnitt durch Resona
toren, hergestellt gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren;
Fig.3 eine Darstellung des Absolutwerts
der Impedanz und Phase als Funk-
tion der Frequenz für einen erfindungsgemäßen Resonator mit Longitudinalbetriebsart oder Mode;
Fig.4 eine graphische Darstellung der
Abhängigkeit des Temperaturkoeffizienten der Resonanz von der Temperatur, und zwar sowohl für longitudinale wie auch für Scherwellenresonatoren gemäß der Erfindung.
In den Fig.1 und 2 ist eine mehrschichtige Struktur des erfindungsgemäßen Resonators,abgeschieden auf einer GaAs Struktur,gezeigt. Ein GaAs Substrat 10 ist dargestellt, und zwar ist auf diesem eine erste Schicht 12 aus AlN, eine zweite Schicht 14 aus Al, eine dritte Schicht 16 aus AlN und eine vierte Schicht 18 aus Al abgeschieden. Die Elektrodenschichten 14 und 18 haben eine solche Dicke, daß eine hinreichende elektrische Leitfähigkeit vorgesehen wird, um den Resonatorbetrieb zu erleichtern, und zwar typischerweise sind diese Schichten ungefähr 0,10 - 0,20 μπ> dick. Die Schicht 16 aus AlN ist ein piezoelektrisches Material, welches bei einer bestimmten Frequenz in Resonanz kommt, und zwar in Abhängigkeit von einem durch die Elektroden aufgebauten elektrischen Feld, wobei die Resonanzfrequenz eine Funktion der Dicke der Schicht 16 ist. Die Schicht 16 hat typischerweise eine Dicke von 1,0 - 25 um, was Grundfrequenzen im Bereich von mehr als ungefähr 1,0 GHz bis weniger als ungefähr 200 MHz zur Folge hat. Die Schicht 12 aus AlN hat eine hinreichende Dicke, um die Schicht 14 während des Ätzverfahrens, welches im folgenden beschrieben wird, zu schützen. Die Schicht 12 ist auch hinreichend dick, um als eine Steuerung für die Störwandlung während des Resonatorbetriebs zu dienen. Die Schicht 12 ist typischerweise ungefähr 0,5 um dick.
Der erfindungsgemäße Resonator wird durch die Abscheidung von abwechselnden Lagen aus AlN und Al auf einem GaAs Substrat in einem Sprühsystem hergestellt, wie beispielsweise in einem reaktiven Gleichspannungsmagnetron-Sprühsystem. Ein GaAs Substrat und ein Al Target werden in der Kammer des Sprühsystems vorgesehen. Das GaAs Substrat ist vorzugsweise ein Einkristall mit einer (100) Orientierung, und das Al Target ist vorzugsweise 99,999% rein. Die Abscheidung wird vorteilhafterweise bei einer relativ niedrigen Substrattemperatur, im allgemeinen 11O0C oder niedriger, ausgeführt. Das Al Target wird in einer Atmosphäre versprüht, die abwechselt zwischen Np und Ar, und zwar geschieht dies durch auf dem Gebiet der Technik bekannt Mittel derart, daß das Np in der Kammer für die Abscheidung von AlN vorgesehen wird, wohingegen das Ar in der Kammer für die Abscheidung von Al vorgesehen wird. Das erfindungsgemäße Verfahren gestattet daher die abwechselnde Abscheidung von AlN und Al Lagen oder Schichten, ohne die Kammer gegenüber der Umgebung öffnen zu müssen, was insoferne vorteilhaft ist, als der Sauerstoff gegenüber der Sprühkammer ausgeschlossen wird, einer Hauptverunreinigung von Al und Al Verbindungen.
Die Abscheidung kann auf einem GaAS Substrat erfolgen, welches bereits andere mikroelektronische Vorrichtungen trägt. Diese Vorrichtungen können während der Abscheidung durch Masken geschützt sein, und zwar entweder mittels eines Photoresistmaterials oder durch Vorsehen einer Abschirmung zwischen dem Target und dem Substrat während der Abscheidung, wobei die Abschirmung eine öffnung aufweist, durch welche das Sprühmaterial abgeschieden wird. Diese Verfahrensweisen sind auf dem Gebiet der Technik bekannt. Die relativ niedrige Substrattemperatur während der Abscheidung verhindert auch die Wärmeschädigung irgendwelcher bereits existierender Vorrichtungen .
Sodann wird ein akustischer Resonator aus dem abgeschiedenen mehrschichtigen zusammengesetzten Körper hergestellt. Der erste Schritt ist die Definition einer Al Elektrode aus Schicht 18. Die Fläche der Schicht 18, in der eine Elektrode erwünscht ist, wird in bekannter Weise maskiert, sodann werden die nicht maskierten Teile der Schicht 18 entfernt,wodurch die Schicht-18-Elektrode definiert wird. Die Fig.1 und 2 veranschaulichen ein Ausführungsbeispiel, hergestellt gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren, wobei mehrere Resonatoren aus einem einzigen, mehr Schichten aufweisenden zusammengesetzten Körper hergestellt werden. In Fig.1 weisen die Elektroden 20 ein Kissen oder Teil 21 auf, welches typischerweise 200 \xm χ 200 \xm messen kann, und den Leiter 22, durch den der Resonator mit anderen Schaltungskomponenten auf dem Substrat integriert werden kann. Die nicht maskierten Teile der Schicht 18 können mittels beispielsweise Ionenfräsen oder vorzugsweise durch chemisches Ätzen entfernt werden. Das zur Definition der Elektrode 20 verwendete Ätzmittel muß Al Metall, nicht aber AlN ätzen. Geeignete Ätzmittel für diesen Schritt sind unter anderem verdünntes HF, beispielsweise ungefähr 10%,oder eine Lösung aus H3PO4 - CH3COOH - HNO3, wobei diese Verbindungen beispielsweise im Verhältnis 4:4:1 kombiniert werden können.
Nachdem die Elektrode 20 definiert ist, wird ein Hohlraum 25 benachbart dazu vorgesehen, und zwar sich durch die Schichten 16,14 und 12 erstreckend, um Zugang zum GaAs Substrat 10 zu schaffen. Obwohl andere Verfahren, wie beispielsweise das Ionenfräsen, verfügbar sind, so wird doch dieser Schritt vorzugsweise durch chemisches Ätzen vorgenommen. Das für diesen Schritt verwendete Ätzmittel muß eines sein, welches sowohl Al wie auch AlN ätzt, aber nicht das Photoresistmaterial oder anderes Maskiermaterial. Das bevorzugte Ätzmittel ist stark verdünnte NaOH Lösung, beispielsweise ein Teil NaOH zu 800 Teilen H3O in Gewicht.
Schließlich wird ein Ätzmittel durch Hohlraum 25 zum GaAS Substrat 10 gebracht, um den Teil des GaAs, entgegengesetzt zum Elektrodenteil 21, wegzuätzen. Das Ätzmittel höht eine im Ganzen pyramidenförmige öffnung 27, entgegengesetzt zum Kissen oder Teil 21, heraus, so daß der sich ergebende Resonator eine im Ganzen regalartige Struktur besitzt, die an seinem Umfang durch das GaAS Substrat getragen wird. Sämtliche bekannten Ätzmittel für GaAs werden auch Al ätzen, aber GaAsÄtzmittel sind dafür bekannt, daß sie AlN nicht ätzen. Ein Ätzmittel der letztgenannten Art wird bei diesem Schritt verwendet. Auf diese Weise schützt die AlN Schicht 12 die Oberfläche 13 der Al Schicht 14 während des GaAs Ätzens. Eine derartige geeignete Ätzlösung für GaAs ist 1HpSO1. -8H2O2 - 300H2O.
Man erkennt, daß das erfindungsgemäße Verfahren es gestattet, daß sämtliche Verarbeitungsschritte von einer Seite des GaAs Substrats aus vorgenommen werden. Der Hauptvorteil dieses einseitigen Verfahrens besteht darin, daß es die Umwandlung des Substratgebietes gestattet, was eine höhere Vorrichtungsdichte ermöglicht und eine Erleichterung der Formbindung ohne Verunreinigung der Resonatoroberfläche gestattet. Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß die Ausbildung der zerbrechlichen regalartigen Struktur der letzte Verarbeitungsschritt im Verfahren ist. Auch dies erleichtert die Integration der Resonatoren mit den anderen aktiven Vorrichtungen.
Die Schicht 14, die eine Elektrode des Resonators ist, kann mit einem elektrischen Kontakt durch irgendein bekanntes Verfahren ausgestattet werden. Beispielsweise kann die Schicht 13 kapazitiv mit der Elektrode 20 gekoppelt werden, wie dies bekannt ist, Alternativ könnte die Schicht 14 partiell durch bekannte Mittel während der Abscheidung der Schichten 16 und 18 maskiert werden, um einen Teil der Schicht 14 unbedeckt
zu lassen, wobei dieser Teil mit einem elektrischen Kontakt ausgestattet werden kann. Eine weitere Alternative besteht darin, daß man die Schicht 14 derart abscheidet, daß sie einen direkten Kontakt mit einer weiteren Vorrichtung auf dem GaAs Substrat macht, wie dies bereits an sich bekannt ist.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung kann die AlN Schicht 16 mit ihrer kirstallographischen C-Achse,geneigt bezüglich der Resonatornormalen, abgeschieden werden. Dies kann beispielsweise dadurch erfolgen, daß man das Substrat in einer schrägen Position bezüglich dem Target während der Abscheidung vorsieht, oder aber dadurch, daß man ein elektrisches Feld an die Sprühkammer während der Abscheidung anlegt. Wenn dies bei einem Material mit 6 mm Symmetrie, wie beispielsweise AlN, auftritt, so ist die abgeschiedene Schicht für eine quasi-Scherwellenanregung geeignet.
Resonatoren können hinsichtlich ihrer Impedanz und dem Resonator Q gekennzeichnet werden. Die Impedanz Z wird aus der folgenden Gleichung bestimmt:
50
dabei ist f der als eine Funktion der Frequenz gemessene Reflexionskoeffizient. Der Resonator Q ist ein Maß des Verhältnisses der gespeicherten Energie zur verlorengegangenen Energie und wird aus der berechneten Phase von Z, Z . derart bestimmt, daß
fr
2
dabei ist fr die Resonanzfrequenz. Diese Definition von Q
folgt direkt aus parallelen oder Serien-RLC-Schaltungen. Weil die Impedanz eine Eigenschaft des Resonators allein ist und nicht durch die externe Schaltung bestimmt wird, ist das auf diese Weise bestimmte Q das nicht belastete oder Vorrichtungs-Q.
Beispiel I
Ein Longitudinal- oder Längswellenresonator wurde gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt. Die Al Elektroden waren 0,2 pm dick, die Abschirmschicht aus AlN war 0,5 um dick und die Resonanzschicht war 6,5 \xm dick. Die Grundserienresonanz betrug 994,96 MHz, und die Grundparallelresonanz war 1000,21 MHz. Andere Resonatorparameter waren: Q-Serie von 802, Q-parallel von 374, Serienwiderstandswert von 10 -O- und Parallelwiderstandswert von 513 -^- · Die Phase und der Absolutwert der Impedanz ist als eine Funktion der Frequenz in Fig.3 dargestellt. Der Temperaturkoeffizient der Resonanz betrug ungefähr -24 ppm/°C, wie dies in Fig.4 gezeigt ist.
Beispiel II
Ein Scherwellenresonator wurde gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt. Die Resonatorschichten wurden mit der gleichen Dicke wie beim Resonator im Beispiel I hergestellt. Der Resonator hatte eine Grundserienresonanz von 567,81 MHz und eine Grundparallelresonanz von 568,79 MHz. Das Serien-Q betrug 2246, der Serienwiderstand war 32 SL und der Parallel· widerstand betrug 380 -Ct . Der Temperaturkoeffizient der Resonanz betrug -26,5 ppm/°C, wie dies in Fig.4 gezeigt ist.
Es sei darauf hingewiesen, daß die oben angegebenen Resonatorparameter nur Beispiele sind und die Erfindung nicht einschränken sollen.
Zusammenfassend sieht die Erfindung folgendes vor.
Ein Verfahren zur Herstellung eines akustischen Wellenresonators, bei dem sämtliche Verfahrensschritte von einer einzigen Seite des Substrats aus erfolgen. Das Verfahren umfaßt die Abscheidung einer mehrschichtigen Al/AlN Struktur auf einem GaAs Substrat, gefolgt von einer Reihe von Herstellungsschritten zur Definition eines Resonators aus dem zusammengesetzten Körper. Der sich ergebende Resonator weist eine AlN Schicht zwischen zwei Al Schichten und eine weitere Schicht aus AlN auf einer äußeren von einer der Al Schichten auf.

Claims (1)

  1. ANSPRÜCHE
    1. Verfahren zur Herstellung eines akustischen Wellenresonators, wobei folgendes vorgesehen ist:
    Vorsehen auf einem GaAs Substrat eines mehrschichtigen zusammengesetzten Körpers, bestehend aus einer ersten Schicht, die AlN aufweist, einer zweiten Schicht, die Al aufweist, einer dritten Schicht, die AlN aufweist,und und einer vierten Schicht, die Al aufweist, Definition einer Elektrode in der vierten Schicht, Vorsehen eines Hohlraums in dem zusammengesetzten Körper zur Erzeugung des Zugriffs zu dem GaAs Substrat, Einführen eines Ätzmittels für GaAs durch den Hohlraum zu dem Substrat, um einen Teil des GaAs Substrats, entgegengesetzt zur Elektrode, wegzuätzen, um eine mehrschichtige zusammengesetzte regalartige Struktur, getragen an ihrem Umfang durch das verbleibende GaAS Substrat, übrig zu lassen.
    2. Verfahren nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet, daß das GaAs ein Kristall mit (100) Orientierung ist.
    3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2,
    dadurch gekennzeichnet, daß das Ätzmittel für GaAs 1H2SO4 - 8H2O2 - 300H2O ist.
    Ί. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3» dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrode dadurch defi-
    niert wird, daß man einen Teil der vierten Schicht mit einem Ätzmittel für Al wegätzt.
    5. Verfahren nach Anspruch 4,
    dadurch gekennzeichnet, daß das Ätzmittel für Al verdünntes HF oder UH3PO4 - 4CH3COOH - IHNO3 Lösung ist.
    6. Verfahren nach einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche, insbesondere Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Hohlraum durch Ätzen des zusammengesetzten Körpers mit einem Ätzmittel für Al undAlN vorgesehen wird.
    7. Verfahren nach Anspruch 6,
    dadurch gekennzeichnet, daß das Ätzmittel für Al und AlN sehr verdünnte NaOH ist.
    8. Verfahren nach einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche, insbesondere Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Schritt zum Vorsehen des mehrschichtigen zusammengesetzten Körpers folgendes aufweist:
    Vorsehen eines reaktiven Sprühsystems mit einer Kammer, Vorsehen eines Aluminiumtarget und eines GaAs Substrats in der Kammer,
    Vorsehen einer Atmosphäre aus N2 in der Kammer und Sprühen des Target zur Abscheidung einer ersten Schicht aus AlN auf dem Substrat,
    Vorsehen einer Atmosphäre aus Ar in der Kammer und Sprühen der Target zum Abscheiden einer zweiten Schicht aus Al,
    Vorsehen einer Atmosphäre aus N- in der Kammer und Sprühen des Target zur Abscheidung einer dritten Schicht aus AlN, und
    Vorsehen einer Atmosphäre aus Ar in der Kammer und
    Sprühen der Target zur Abscheidung einer vierten Schicht aus Al.
    9. Verfahren nach Anspruch 8,
    dadurch gekennzeichnet, daß Sauerstoff im wesentlichen aus der Kammer ausgeschlossen ist.
    10. Verfahren nach Anspruch 8,
    dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat auf einer Temperatur von ungefähr 1100C oder weniger gehalten wird.
    11. Verfahren nach Anspruch 8,
    dadurch gekennzeichnet, daß ein elektrisches Feld an die Kammer während der Abscheidung der AlN Schichten angelegt wird, so daß die C-Achse der Schicht oder Lage, im wesentlichen geneigt bezüglich der Resonatornormalen, verläuft, wodurch der Resonator Scherwellenresonanz zeigt.
    12. Akustischer Wellenresonator,
    gekennzeichnet durch:
    zwei Aluminium-Elektroden, im wesentlichen parallel zueinander,
    eine Anregungsschicht aus AlN zwischen den Elektroden, und
    eine Abschirmschicht aus AlN, getragen auf der Außenoberfläche einer Elektrode, wobei die Elektroden und AIN-Schichten in einer regalartigen Struktur ausgeformt sind, und zwar getragen durch ein GaAs Substrat am Umfang.
    13· Resonator nach Anspruch 12,
    dadurch gekennzeichnet, daß die Anregungsschicht aus AlN von solcher Dicke ist, daß die Resonatorgrundfrequenz im Bereich von mehr als ungefähr 1,0 GHz bis we-
    niger als ungefähr 200 MHz liegt.
    1*4. Resonator nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Anregungsschicht eine Dicke zwischen 1 ,0 μΐη und 25,0 um aufweist.
    15. Resonator nach Anspruch 12,
    dadurch gekennzeichnet, daß die Abschirmschicht aus AlN eine hinreichende Dicke besitzt, um die stützende Al Elektrode von einem GaAs Ätzmittel zu schützen.
    16. Resonator nach Anspruch 15,
    dadurch gekennzeichnet, daß die Abschirmschicht aus AlN ferner hinreichend dick ist, um die Hilfstransduktion oder Wandlung während des Resonatorbetriebs zu steuern.
    17. Resonator nach Anspruch 16,
    dadurch gekennzeichnet, daß die Abschirmschicht aus AlN ungefähr 0,5 um dick ist.
    18. Resonator nach Anspruch 12,
    dadurch gekennzeichnet, daß jede Elektrode eine solche Dicke besitzt, daß eine hinreichende elektrische Leitfähigkeit vorgesehen wird, um den Vorrichtungsbetrieb zu gestatten.
    19. Resonator nach Anspruch 18,
    dadurch gekennzeichnet, daß jede Elektrode eine Dicke von ungefähr 0,1 um bis 0,2 μπι aufweist.
    20. Resonator nach Anspruch 12,
    dadurch gekennzeichnet, daß die C-Achse der erwähnten Anregungs-AIN-Sehicht im wesentlichen geneigt bezüglich der Resonatornormalen verläuft, wodurch der Resonator Scherwellenresonanz zeigt.
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