DE60130298T2

DE60130298T2 - Akustischer Resonator

Info

Publication number: DE60130298T2
Application number: DE60130298T
Authority: DE
Inventors: Richard C. Menlo Park Ruby
Original assignee: Avago Technologies Wireless IP Singapore Pte Ltd
Current assignee: Avago Technologies International Sales Pte Ltd
Priority date: 2000-09-11
Filing date: 2001-05-28
Publication date: 2007-12-20
Anticipated expiration: 2021-05-29
Also published as: KR20020020850A; EP1187318B1; MY122708A; DE60130298D1; JP2002182652A; EP1187318A2; JP5000820B2; SG99374A1; US6377137B1; KR100737088B1; EP1187318A3

Description

Diese Erfindung bezieht sich auf die Herstellung von akustischen Resonatoren, und im Speziellen auf die Herstellung von Resonatoren, die als Filter für elektronische Schaltungen verwendet werden können.
Hintergrund
Das Erfordernis, die Kosten und die Größe von elektronischer Ausrüstung zu reduzieren, hat zu einem fortwährenden Bedarf nach kleineren Filterelementen geführt. Verbraucherelektronik, wie z. B. Mobiltelefone und Kleinstradios, erlegen sowohl der Größe als auch den Kosten der hierin enthaltenen Komponenten strenge Begrenzungen auf. Viele derartige Vorrichtungen verwenden Filter, die auf präzise Frequenzen abgestimmt sein müssen. Folglich bestehen bis heute Bemühungen darum, kostengünstige, kompakte Filtereinheiten zu schaffen.
Eine Klasse von Filterelementen, die das Potential aufweisen, diesen Anforderungen zu entsprechen, ist aus akustischen Resonatoren aufgebaut. Diese Vorrichtungen verwenden longitudinale akustische Volumenwellen in piezoelektrischem (PZ-) Dünnfilmmaterial. Bei einer einfachen Konfiguration ist eine Schicht eines piezoelektrischen Materials zwischen zwei Metallelektroden angeordnet. Die Sandwichstruktur ist in Luft aufgehängt, indem dieselbe um ihren Umfang herum getragen ist. Wenn über eine eingeprägte Spannung ein elektrisches Feld zwischen den zwei Elektroden erzeugt wird, wandelt das piezoelektrische Material einen Teil der elektrischen Energie in mechanische Energie in der Form von Schallwellen um. Die Schallwellen breiten sich in derselben Richtung wie das elektrische Feld aus und reflektieren von der Elektroden/Luft-Schnittstelle ab.
In der mechanischen Resonanz scheint es sich bei der Vorrichtung um einen elektrischen Resonator zu handeln; folglich kann die Vorrichtung als ein Filter fungieren. Die mechanische Resonanzfrequenz ist die, für die zutrifft, dass die Hälfte der Wellenlänge der Schallwellen, die sich in der Vorrichtung ausbreiten, gleich ist mit der Gesamtdicke der Vorrichtung für eine gegebene Phasengeschwindigkeit des Schalls in dem Material. Da die Schallgeschwindigkeit viele Größenordnungen geringer ist als die Lichtgeschwindigkeit, kann der resultierende Resonator recht kompakt sein. Resonatoren für Anwendungen im GHz-Bereich können mit physischen Abmessungen von weniger als 100 μm im Durchmesser und weniger als ein paar μm Dicke hergestellt sein.
Akustische Dünnfilmvolumenresonatoren (FBAR = thin film bulk acoustic resonators) und gestapelte akustische Dünnfilmvolumenwellenresonatoren und -filter (SBAR = stacked thin film bulk wave acoustic resonators and filters) umfassen einen dünnen gesputterten piezoelektrischen Film, der eine Dicke in der Größenordnung von einem bis zwei μm aufweist. Elektroden an dem oberen und dem unteren Ende ordnen das Piezoelektrikum zwischen sich an, wobei dieselben als elektrische Leitungen fungieren, um ein elektrisches Feld durch das Piezoelektrikum zu liefern. Das Piezoelektrikum wandelt im Gegenzug einen Bruchteil des elektrischen Feldes in ein mechanisches Feld um. Ein zeitveränderliches „Spannung/Dehnung"-Feld bildet sich ansprechend auf ein zeitveränderliches angelegtes elektrisches Feld.
Um als ein Resonator zu fungieren, ist der sandwichartig angeordnete piezoelektrische Film in Luft aufgehängt, um die Luft/Kristall-Schnittfläche bereitzustellen, die die Schallwellen in dem Film einfängt. Die Vorrichtung wird normalerweise auf der Oberfläche eines Substrats durch ein Aufbringen einer unteren Elektrode, der piezoelektrischen Schicht und dann der oberen Elektrode hergestellt. Folglich ist eine Luft/Kristall-Schnittstelle bereits auf der oberen Seite der Vorrichtung vorhanden. Eine zweite Luft/Kristall- Schnittstelle muss auf der unteren Seite der Vorrichtung bereitgestellt werden. Es gibt mehrere Ansätze für ein Erhalten dieser zweiten Luft/Kristall-Schnittstelle. Einige dieser Ansätze sind in dem US-Patent Nr. 6,060,818 von Ruby u. a. beschrieben.
Es ist möglich, eine Mehrzahl von FBARs auf einem einzigen Substrat, wie z. B. einem Monokristallsiliziumwafer mit einem Durchmesser von 10,2 cm (vier Zoll) herzustellen. Das Substrat wird dann vereinzelt, um die mehreren FBARs, die auf demselben hergestellt sind, zu trennen. Jedoch kann der Prozess des Sägens des Substrats die extrem dünnen FBAR-Resonatoren beschädigen, so dass während des Vereinzelungsschritts mit Vorsicht vorgegangen werden muss.
Es besteht ein Bedarf nach einem verbesserten Prozess zur Herstellung von Akustikresonatorstrukturen. Insbesondere besteht ein Bedarf nach einem verbesserten Chargenverarbeitungsverfahren zum Herstellen von FBARs und SBARs.
Zusammenfassung
Gemäß der Erfindung umfasst ein Verfahren zum Chargenverarbeiten von akustischen Resonatoren folgende Schritte: ein Aufbringen einer ersten Elektrode auf eine obere Oberfläche eines Substrats; ein Aufbringen einer Schicht eines piezoelektrischen Materials auf die erste Elektrode; und ein Aufbringen einer zweiten Elektrode auf die Schicht des piezoelektrischen Materials; ferner gekennzeichnet durch ein Aufweisen des Schrittes eines Entfernens von Material von einer unteren Oberfläche des Substrats, um die Dicke des Substrats zu reduzieren, und um eine elektromagnetische Beeinflussung bei einem resultierenden Filter zu reduzieren.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist ein akustisches Filter vorgesehen. Das akustische Filter umfasst: ein Chipsubstrat, das einen Hohlraum aufweist, der an einer oberen Oberfläche desselben gebildet ist, wobei das Chipsubstrat eine Dicke von weniger als 19 tausendstel Zoll aufweist; eine Mehrzahl von Resonatormembranen, die an dem Chipsubstrat gebildet sind. Jede der Mehrzahl von Resonatormembranen weist eine erste Elektrode, die über dem Hohlraum auf der oberen Oberfläche des Chipsubstrats bereitgestellt ist; ein piezoelektrisches Material, das über der ersten Elektrode bereitgestellt ist; und eine zweite Elektrode auf, die über dem piezoelektrischen Material bereitgestellt ist. Eine Mehrzahl von Zwischenverbindungen ist an dem Chipsubstrat bereitgestellt, die elektrische Verbindungen zwischen der Mehrzahl von Resonatormembranen liefern. Ein Gehäuse ist bereitgestellt, wobei das Gehäuse einen Chiphohlraum umfasst, der an einer oberen Oberfläche desselben gebildet ist, wobei das Chipsubstrat derart in dem Chiphohlraum angebracht ist, dass ein primärer Strom, der entlang einer oberen Oberfläche des Chipsubstrats fließt, ein Primärstrommagnetfeld erzeugt, und ein Spiegelstrom, der entlang einer Masseebene unterhalb des Chipsubstrats fließt, ein Spiegelstrommagnetfeld erzeugt, wobei das Primärstrommagnetfeld und das Spiegelstrommagnetfeld entgegengesetzte Polaritäten aufweisen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Für ein vollständigeres Verständnis der vorliegenden Erfindung und für weitere Merkmale und Vorteile wird nun Bezug auf die folgende Beschreibung genommen, die im Zusammenhang mit den beiliegenden Zeichnungen zu sehen ist.
1a ist ein Querschnitt eines FBAR-Resonators.
1b ist ein Querschnitt eines SBAR-Resonators.
2 – 8 sind Querschnittsansichten eines Abschnittes eines Substrats, auf dem ein FBAR gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung aufgebaut ist.
9 ist eine Draufsicht eines induzierten Stroms, der durch ein FBAR-Filter gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung erzeugt ist.
10 ist eine Querschnittsansicht eines Gehäuses, das ein FBAR-Filter enthält, das gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung aufgebaut ist.
Detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele
Die bevorzugten Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung und die Vorteile derselben können am besten durch Bezug auf die 1 – 10 der Zeichnungen verstanden werden. Gleiche Bezugszeichen werden für gleiche und entsprechende Teile der verschiedenen Zeichnungen verwendet.
Die vorliegende Erfindung kann unter Umständen mit Bezug auf die 1a – 1b, die Querschnittsansichten einer FBAR-Membran 100 bzw. einer SBAR-Membran 110 sind, leichter verstanden werden. Die FBAR-Membran 100 umfasst jeweils eine obere und eine untere Elektrode 102 und 104, die einen Abschnitt einer Schicht eines piezoelektrischen Materials (PZ-Material) 106, z. B. Aluminiumnitrid, AlN, zwischen sich anordnen. Die Elektroden 102, 104, die bei der FBAR-Membran 100 verwendet werden, sind z. B. aus Molybdän hergestellt. Die FBAR-Membran 100 verwendet longitudinale akustische Volumenwellen in dem piezoelektrischen Dünnfilmmaterial 106. Wenn über eine eingeprägte Spannung ein elektrisches Feld zwischen der unteren Elektrode 102 und der oberen Elektrode 104 erzeugt wird, wandelt das piezoelektrische Material 106 einen Teil der elektrischen Ener gie in mechanische Energie in der Form von Schallwellen um. Die Schallwellen breiten sich in derselben Richtung wie das elektrische Feld aus und reflektieren von der Elektroden/Luft-Schnittstelle ab.
In der mechanischen Resonanz scheint es sich bei der FBAR-Membran 100 um einen elektrischen Resonator zu handeln; folglich kann die Vorrichtung als ein Kerbfilter fungieren. Die mechanische Resonanzfrequenz ist die Frequenz, für die zutrifft, dass die Hälfte der Wellenlänge der Schallwellen, die sich in der Vorrichtung ausbreiten, gleich ist mit der Gesamtdicke der Vorrichtung für eine gegebene Phasengeschwindigkeit des Schalls in dem Material. Da die Schallgeschwindigkeit um viele Größenordnungen kleiner ist als die Lichtgeschwindigkeit, kann der resultierende Resonator recht kompakt sein. Resonatoren für Anwendungen in dem GHz-Bereich können mit physischen Abmessungen in der Größenordnung von 200 μm Länge und ein paar μm Breite hergestellt sein.
Die 1b ist eine Querschnittsansicht einer SBAR-Membran 110. Die SBAR-Membran 110 stellt elektrische Funktionen analog zu denen eines Bandpassfilters bereit. Die SBAR-Membran 110 besteht im Grunde aus zwei FBAR-Membranen, die mechanisch gekoppelt sind. Ein Signal über Elektroden 112 und 114 bei der Resonanzfrequenz einer piezoelektrischen Schicht 118 überträgt akustische Energie an eine piezoelektrische Schicht 120. Die mechanischen Schwingungen in der piezoelektrischen Schicht 120 werden durch das piezoelektrische Material in der piezoelektrischen Schicht 120 in ein elektrisches Signal über Elektroden 114 und 116 umgewandelt.
Die Weise, in der die FBAR- und SBAR-Membranen gemäß Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung hergestellt werden, kann mit Bezug auf die 2 – 8, die Querschnittsansichten eines Abschnitts eines Substrats 200 sind, auf dem eine Mehrzahl von FBAR-Membranen 217 hergestellt sind, leichter verstanden werden.
Die 2 zeigt einen Abschnitt des Substrats 200, das z. B. ein herkömmlicher Siliziumwafer der Art sein kann, die für die Herstellung von integrierten Schaltungen verwendet wird, wobei derselbe einen Durchmesser von 10,16 cm (vier Zoll) und eine Dicke t1 von annäherungsweise 22 tausendstel Zoll (annäherungsweise 550 μm) aufweist. Eine Mehrzahl von Hohlräumen 204 ist in eine obere Oberfläche des Substrats 200 geätzt. Die Tiefe, d, jedes Hohlraums 204 sollte ausreichend sein, um die Verschiebung, die durch die piezoelektrische Schicht in der FBAR-Membran 217 (6) erzeugt wird, aufzunehmen. Bei dem Ausführungsbeispiel, das in der 2 gezeigt ist, ist eine Tiefe, d, von annäherungsweise 5 μm ausreichend. Jeder Hohlraum 204 weist eine obere Breite, w_u, von annäherungsweise 200 μm und eine untere Breite, w_l, von annäherungsweise 193 μm auf.
Die Herstellung der FBAR-Membranen 217 gemäß diesem Ausführungsbeispiel der Erfindung ist ein Chargenprozess, bei dem eine Mehrzahl von FBAR-Membranen 217 gleichzeitig auf einem einzelnen Substrat 200 gebildet werden. Obwohl die 3 – 5 den Prozess, der verwendet wird, um eine einzelne FBAR-Membran 217 zu bilden, darstellen, sei darauf hingewiesen, dass dieselben Prozesse über die Oberfläche des Substrats 200 hinweg verwendet werden, um gleichzeitig eine Mehrzahl von FBAR-Membranen 217 zu bilden. Zusätzlich sei darauf hingewiesen, dass die Figuren nicht im Maßstab gezeichnet sind. Der Einfachheit wegen scheint das Substrat 200, das in den 3 – 5 gezeigt ist, eine Dicke t1 von annäherungsweise dem doppelten der Tiefe, d, der Hohlräume 204 aufzuweisen. Wie durch die beispielhaften Abmessungen, die oben beschrieben sind, angezeigt, ist das Substrat 200 normalerweise wesentlich dicker als d.
Eine dünne Schicht eines thermischen Oxids 206 wird auf der Oberfläche des Substrats 200 aufgewachsen, um zu verhin dern, dass Phosphor aus dem Phosphor-Silika-Glas (PSG = phosphor-silica-glass), das in einem nachfolgenden Schritt verwendet wird, in das Substrat 200 diffundiert. Eine derartige Diffusion würde das siliziumbildende Substrat 200 in einen Leiter verwandeln, der den elektrischen Betrieb der Endvorrichtung stören würde.
Bezug nehmend auf die 4 wird dann eine Opfer-PSG-Schicht 208 über das Substrat 200 aufgebracht. Die Opfer-PSG-Schicht 208 wird bei einer Temperatur von ungefähr 450°C aufgebracht, unter Verwendung von Silan und P₂O₅, um ein weiches glasähnliches Material, das zu annäherungsweise 8 % Phosphor ist, zu bilden. Dieser Niedrigtemperaturprozess ist Durchschnittsfachleuten auf dem Gebiet gut bekannt und wird daher hier nicht im Detail erörtert. PSG ist ein sehr sauberes, inertes Material, das bei relativ niedrigen Temperaturen aufgebracht werden kann und in einer verdünnten H₂O:HF-Lösung mit einer sehr hohen Ätzrate geätzt werden kann, und ist daher zur Verwendung als eine Opferschicht vorteilhaft. Bei einem Verdünnungsverhältnis von 10:1 können Ätzraten der Größenordnung von 3 μm pro Minute erhalten werden.
Leider ist eine native PSG-Opferschicht normalerweise eine schlechte Basis für ein Aufbauen eines akustischen Resonators. Auf der atomaren Ebene sind die Oberflächen derartiger aufgebrachter Filme atomar äußerst rau. Ein akustischer Resonator des FBAR-/SBAR-Typs verwendet ein piezoelektrisches Material, bei dem die Kristalle in Säulen wachsen, die senkrecht zu der Ebene der Elektroden sind. Bei Experimenten haben Bemühungen, gut kollimierte piezoelektrische Filme auf der Oberfläche einer PSG-Schicht aufwachsen zu lassen, im günstigsten Fall zu schlechtem polykristallinen Material geführt, das nur geringe oder gar keine piezoelektrischen Effekte zeigt, da die vielen Fassetten auf der rauen Oberfläche ein Kristallwachstum in einer Vielzahl von Richtungen einleiten. Es wurde ermittelt, dass eine glatte Oberfläche eine wirksame Basis für die Aufbringung von äußerst texturiertem piezoelektrischem C-Achsen-Material, das exzellente piezoelektrische Eigenschaften zeigt, bereitstellt, ungeachtet der Tatsache, dass die Basis keine kristalline Struktur enthält, die die piezoelektrische Schicht „keimen lässt".
Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung überwinden diese Schwierigkeit durch ein Polieren der Oberfläche der PSG-Schicht 208, um eine atomar glatte Oberfläche bereitzustellen. Bezug nehmend auf die 5 wird die Oberfläche der PSG-Schicht 105 zuerst durch ein Polieren mit einem Schlamm planarisiert, um die Abschnitte der PSG-Schicht 105 und der Schicht eines thermischen Oxids 206 außerhalb des Hohlraums 204 zu entfernen. Der verbleibende PSG-Abschnitt 210 kann dann unter Verwendung eines weiter verbesserten Schlammes poliert werden. Alternativ kann ein einziger Schlamm für beide Polierschritte verwendet werden. Diese Polierschritte sollten eine „Spiegel"-ähnliche Oberflächengüte auf dem PSG-Abschnitt 210 erzeugen.
Nach einem Polieren wird das Substrat 200 gereinigt, um verbleibenden Schlamm oder andere Verunreinigungsstoffe zu entfernen. Nach einem Polieren werden die Wafer in entionisiertem Wasser aufbewahrt, bis dieselben für einen Endreinigungsschritt bereit sind, der ein Eintauchen der Wafer in eine Reihe von Tanks, die verschiedene Reinigungsmittel fassen, aufweist. Jeder Tank wird einer Ultraschallerschütterung unterzogen.
Nach einem Reinigen wird eine Elektrodenschicht 212 aus z. B. Molybdän aufgebracht und dann selektiv geätzt, um die untere Elektrode der FBRR-Membran 217 zu bilden. Zahlreiche alternative Materialien können für die Elektrode 212 verwendet werden, wie etwa Al, W, Au, Pt oder Ti. Molybdän weist einen geringen thermoelastischen Verlust auf, was dasselbe vorteilhaft zur Verwendung bei Resonatoren macht. Bei diesem Ausführungsbeispiel wird das Molybdän unter Verwendung von Sputtern aufgebracht, um eine glatte Molyb dänschicht bereitzustellen, die eine RMS-Abweichung (RMS = root mean square = quadratisches Mittel) in einer Höhe von weniger als 5 nm aufweist.
Nachdem die untere Elektrodenschicht 212 aufgebracht wurde, wird eine piezoelektrische Schicht 214 aufgebracht. Bei einem Ausführungsbeispiel ist die piezoelektrische Schicht 214 eine durch Sputtern aufgebrachte Schicht aus AlN, die eine Dicke zwischen 0,1 und 10 μm aufweist. Schließlich wird eine obere Elektrodenschicht 216, die z. B. aus dem gleichen Material wie die untere Elektrodenschicht 212 gebildet ist, aufgebracht und selektiv geätzt. Als nächstes wird die piezoelektrische Schicht 214 selektiv geätzt, derart, dass die untere Elektrodenschicht 212, die piezoelektrische Schicht 214 und die obere Elektrodenschicht 216 die FBAR-Membran 217 bilden. Die resultierende Struktur ist in der 6 gezeigt.
Bei herkömmlicher Siliziumwaferverarbeitung wird der Wafer, nachdem Vorrichtungen auf der Waferoberfläche gebildet wurden, in einem Sägeschritt zu einer Mehrzahl von einzelnen Chips vereinzelt. Ein Sägen beinhaltet normalerweise die Verwendung einer Hochgeschwindigkeitsdrehmaschine in Verbindung mit einer Hochdruck-DI-Wasserspülung, um Siliziumchips und Rückstände, die durch die Säge verursacht wurden, zu entfernen. Allerdings ist die FBAR-Membran 217 sehr dünn und zerbrechlich, so dass dieser Spülvorgang eine Beschädigung der FBAR-Membran 217 bewirken kann.
Eine Alternative zu einem Wafersägen ist ein Prozess, der herkömmlicherweise als „Ritzen und Spalten" bekannt ist. Ein Ritzer, der z. B. eine Diamantschneidespitze sein kann, wird entlang der oberen Oberfläche des Wafers gezogen, wobei derselbe eine flache Rille („Ritzlinie") in der Waferoberfläche bildet. Die einzelnen Chips werden durch ein Belasten des Wafers an dem Ort der Rille getrennt. Der Wafer tendiert dazu, der Kristallstruktur des Wafers folgend, an dem Ort der Rille zu brechen. Der „Abbrech"- Schritt kann durch ein Einwirken auf die Unterseite des Wafers entlang einer Ritzlinie oder durch ein Bewegen einer zylindrischen Rolle über eine Oberfläche des Wafers durchgeführt werden. In beiden Fällen, wenn die Breite des Chips, w_d, relativ zu der Dicke, t1, des Wafers klein ist, neigt das „Ritzen und Spalten" dazu, unzuverlässig zu werden, und die Chips trennen sich unter Umständen nicht wie erwünscht. Bei einem Ausführungsbeispiel ist ein Verhältnis von w_d zu t1 von zumindest 2 zu 1 akzeptabel.
Wie oben beschrieben, weist das Substrat 200 unter Umständen eine Dicke t1 auf, die von annäherungsweise 380 bis 750 μm (16 bis 30 tausendstel Zoll) reicht, und die Breite jedes FBAR-Filters, w_d (9), beträgt annäherungsweise 1.000 μm (1 mm). Um die Probleme, die dem Verwenden eines „Ritz- und Spalt"-Schrittes zugeordnet sind, zu überwinden, wird das Substrat 200 vor einer Chiptrennung dünner gemacht. Dieses Dünnen kann unter Verwendung eines Läppens, eines Plasmaätzens oder eines chemisch-mechanischen Polierungsprozesses (CMP-Prozess; CMP = chemical mechanical polishing), um Material von der Unterseite 218 des Substrats 200 zu entfernen, erreicht werden.
Das Polieren der Unterseite 218 des Substrats 200 erzeugt aufgrund der zerbrechlichen Natur der FBAR-Membran 217 weitere Probleme. In dem Polierprozess wird die Unterseite 218 des Substrats 200 in der Anwesenheit eines Polierungsschlammes gegen eine drehende Polieroberfläche platziert, und ein Druck wird an die obere Oberfläche 220 angelegt. Dieser Druck erleichtert die Entfernung von Material von der Unterseite 218. Um eine Beschädigung zu verhindern, können die verbleibenden Abschnitte 210 der Opfer-PSG-Schicht 208 in den Hohlräumen 204 belassen werden, um eine strukturelle Stütze für die FBAR-Membranen 217 zu liefern, während das Substrat 200 dünner gemacht wird.
Die 7 zeigt das Substrat 200 nach einem Dünnen. Bei einem Ausführungsbeispiel entspricht die dünner gemachte Dicke, t2, annäherungsweise 125 μm (5 tausendstel Zoll), wodurch gute Charakteristika für die FBAR-Membranen 217 liefert werden, und dieselbe ist dabei ausreichend dick, derart, dass das Substrat 200 eine ausreichende Festigkeit für spätere Verarbeitungsschritte beibehält. Bei anderen Ausführungsbeispielen kann t2 von 1 bis 250 μm (10 tausendstel Zoll) reichen. Dicken t2 von 1 bis 475 μm (19 tausendstel Zoll) können auch akzeptabel sein, abhängig von den erwünschten geometrischen Strukturen.
Nachdem die FBAR-Membranen 217a – 217c gebildet und das Substrat 200 dünner gemacht wurde, können die verbleibenden Abschnitte 210a – 210c der Opferschicht 208 und der Schicht eines thermischen Oxids 206 entfernt werden. Um dies zu tun, werden Durchgangslöcher (nicht gezeigt) erzeugt, um die Opfer-PSG-Abschnitte 210 freizulegen. Diese verbleibenden Opfer-PSG-Abschnitte 210 und die Schicht eines thermischen Oxids 206 werden durch ein Ätzen in einer verdünnten H₂O:HF-Lösung entfernt. Wie in der 7 gezeigt, verbleiben die FBAR-Membranen 217a – 217c dabei aufgehängt über den ursprünglichen Hohlräumen 204a – 204c.
Das obige Beispiel verwendete den Aufbau der FBAR-Membranen 217a – 217c. Allerdings wird für Fachleute auf dem Gebiet aus der vorausgehenden Erörterung ersichtlich, dass eine SBAR-Membran unter Verwendung desselben Prozesses aufgebaut werden kann. Im Falle eines SBAR wird eine zusätzliche piezoelektrische Schicht und Elektrode aufgebracht.
In dem „Ritz"-Schritt wird ein Ritzer mit einer Diamantenspitze verwendet, um schmale Rillen 222, wie in der 8 gezeigt, in die obere Oberfläche 220 des Substrats 200 zu schneiden. Als nächstes wird eine Kunststoffschicht (nicht gezeigt) über die obere Oberfläche 220 platziert. Diese Kunststoffschicht kann z. B. ein nicht-klebendes Polyimidband sein, das eine elektrische Ladung aufweist, die durch statische Elektrizität bewirkt ist.
Das Substrat 200 wird dann an einem Träger befestigt, der ein Klebeband aufweist, das sich über einen Satz von Bügeln erstreckt. Das Klebeband ist an die Unterseite 218 des Substrats 200 geklebt, und eine Überlagerung über die Oberseite 220 des Substrats 200 kann für eine zusätzliche Stütze bereitgestellt sein. Auf jede Rille 222 an dem Substrat 200 wird dann mit einer Klinge eingewirkt, wodurch bewirkt wird, dass sich die Chips entlang den Ritzlinien, die durch die Rillen 222 definiert sind, trennen. Ein Wafer-Dehner-Werkzeug wird verwendet, um das Klebeband, an dem die getrennten Chips kleben, zu dehnen, wodurch eine einfachere Handhabung der einzelnen Chips bereitgestellt wird. Die einzelnen Chips können dann, wie unten beschrieben, entfernt und weiter verarbeitet werden.
Während des „Spalt"-Schritts gehen normalerweise Partikel von dem Substrat 200 an dem Ort des Bruches aus. Wenn dieselben an den FBAR-Membranen 217 haften, können diese Partikel die FBAR-Membranen 217 beschädigen oder die Leistung derselben anderweitig negativ beeinträchtigen. Aufgrund der statischen Ladung dieser Partikel werden dieselben effektiv von der Kunststoffschicht angezogen und gehalten, und dieselbe verhindert, dass die Partikel irgendeinen Teil der FBAR-Membranen 217, insbesondere die Elektrodenschichten 212, 216, kontaktieren. Nach der Trennung der Chips kann die Kunststoffschicht entfernt werden, wodurch alle die Partikel, die an die Kunststoffschicht gebunden sind, entfernt werden.
Jeder getrennte Chip kann eine Mehrzahl von FBAR-Resonatoren aufweisen, die an demselben gebildet sind und mit einer Mehrzahl von Zwischenverbindungen elektrisch verbunden sind. Der Chip bildet zusammen mit den FBAR-Resonatoren und den Zwischenverbindungen ein einzelnes FBAR-Filter 226. Das FBAR-Filter 226 kann dann in einen Chiphohlraum 229 innerhalb eines keramischen Gehäuses 228 befestigt werden, wie dies in den 9 – 10 gezeigt ist. Die 9 zeigt eine Draufsicht des FBAR-Filters 226, der in einem Gehäuse 228 befestigt ist, und die 10 zeigt einen Querschnitt der Struktur, die in der 9 gezeigt ist, aufgenommen entlang der Linie A-A.
Das FBAR-Filter 226 wird unter Verwendung einer wärmeleitenden Epoxid-Schicht 230 an das Gehäuse 228 gebunden, und elektrisch leitfähige Verbindungsdrähte 231 liefern elektrische Verbindungen zwischen dem Gehäuse 228 und dem FBAR-Filter 226. Eine Abdeckung 234 verschließt das obere Ende des Gehäuses 228, nachdem das FBAR-Filter 226 befestigt wurde. Das Gehäuse 228 kann dann unter Verwendung von herkömmlichen Löttechniken zur Oberflächenbefestigung auf einer gedruckten Schaltungsplatine 236 befestigt werden.
Wenn das FBAR-Filter 226 verwendet wird, wird eine signifikanter Umfang an Leistung an das FBAR-Filter 226 geliefert, wodurch bewirkt wird, dass Wärme generiert wird. Bei einem Ausführungsbeispiel ist das Gehäuse 228 mit einem oder mehreren thermischen Durchgangslöchern 238a – 238c ausgestattet, die dazu verwendet werden, um Hitze weg von dem FBAR-Filter 226 hin zu der gedruckten Schaltungsplatine 236 („PC"-Platine; PC = printed circuit) zu transportieren. Die Epoxid-Verbindungsschicht 230 ist ebenfalls wärmeleitend, was den Wärmefluss von dem Substrat 200 hin zu den thermischen Durchgangslöchern 238a – 238c verbessert. Die PC-Platine 236 führt die Wärme, die aus der Vorrichtung 226 gezogen wird, unter Verwendung von z. B. zusätzlichen thermischen Durchgangslöchern und herkömmlicher Konvektionskühlung ab. Ein Verringern der Dicke des Substrats 200 vor einem Verwenden bewirkt durch ein Reduzieren des thermischen Widerstandes des Substrats 200 einen verbesserten Wärmetransfer weg von den FBAR-Membranen 217. Somit kann Wärme viel leichter von den FBAR-Membranen 217 zu der PC-Platine 236 fließen.
Ein weiterer Vorteil, der durch Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung geliefert wird, ist die verbesserte Reduktion der magnetischen Beeinflussung, die durch die Ströme, die durch das FBAR-Filter 226 fließen, verursacht wird. Eine wichtige Eigenschaft eines Filters ist, dass, außerhalb der interessierten Frequenzen, die FBAR-Membranen den Umfang an Energie, der durch das Filter kommt, dämpfen. Der Umfang der Dämpfung bei Frequenzen außerhalb des Durchlassbandes sollte in einigen Fällen soviel wie 50 dB betragen.
Diese Filtereigenschaft wird beeinträchtigt, wenn es einen „Weg" von einem Eingang zu einem Ausgang gibt, derart, dass das Signal die Filterelemente umgeht. Ein derartiger Weg wird durch die gegenseitige Induktivität erzeugt, die zwischen einer ersten Schleife (der „Opferung"-Schleife), die durch die Eingangssignalanschlussfläche 240a und die erste Masseanschlussfläche 204b über die FBAR-Resonatoren 217a und 217b gebildet ist, und einer zweiten Schleife an dem Ausgang (der „Opfer"-Schleife), die durch den Weg zwischen der Ausgangsanschlussfläche 240c zu der Masseanschlussfläche 240d über die FBAR-Resonatoren 217c und 217d gebildet ist, gebildet wird. Ein Aspekt, der diesen „parasitären" Weg mäßigt, ist die Erzeugung eines Spiegelstroms unterhalb der Signalschleife (der „Opferung"-Schleife) in einer Masseanschlussfläche 230 (10).
Wie in der 9 zu sehen ist, umfasst das Gehäuse 228 eine Mehrzahl von Kontakten 242, die mit Kontakten 240 auf dem FBAR-Filter 226 elektrisch verbunden sind. Die Kontakte 240 sind im Gegenzug mit den FBAR-Membranen 217 auf dem FBAR-Filter 226 elektrisch verbunden. Diese elektrischen Verbindungen erzeugen mehrere Stromflüsse über der Oberfläche des FBAR-Filters 226, von denen zwei, Stromschleifen 232a und 232b, in der 9 dargestellt sind. Die Stromschleife 232a (der „Opferung"-Strom), der in der Richtung von Pfeil B fließt, induziert einen Spiegelstrom in der Masseebene 230 direkt unterhalb des FBAR-Filters 226. Dieser Spiegelstrom folgt dem Weg der Stromschleife 232a, fließt jedoch in der entgegengesetzten Richtung. Die Strom schleife 232a induziert außerdem einen mitschwingenden Strom 232b (die „Opfer"-Schleife).
Die 10 zeigt einen Primärstrompunkt 244, wobei es sich um den Punkt handelt, an dem die „Opferung"-Stromschleife 232a die Linie A-A kreuzt. Ein Spiegelstrompunkt 246 ist der Punkt, an dem der Spiegelstrom der „Opferung"-Stromschleife 232a die Linie A-A kreuzt. Ebenfalls in der 10 gezeigt ist ein Punkt 248 der „Opfer"-Schleife, wobei es sich um den Punkt handelt, an dem Strom durch die „Opferung"-Stromschleife 232a in die „Opfer"-Schleife 232b induziert wird. Die entgegengesetzten elektrischen Ströme, die durch den Primärstrompunkt 244 und den Spiegelstrompunkt 246 fließen, erzeugen entgegengesetzte elektromagnetische Felder, die als ein Primärstrommagnetfeld 250 und ein Spiegelstrommagnetfeld 252 gezeigt sind. Jedes dieser magnetischen Felder 250 und 252 induziert einen Stromfluss bei dem „Opfer"-Schleifepunkt 248. Jedoch ist der Abstand r1 zwischen dem Primärastrompunkt 244 und dem Opferstrompunkt 248 geringer als der Abstand r2 zwischen dem Spiegelstrompunkt 246 und dem Opferstrompunkt 248. Daher haben die induzierten Magnetfelder 250 und 252 bei dem Punkt 248 ungleiche Größen, so dass ein Strom in die Ausgangsschleife 232b induziert wird.
Gemäß Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung wird das Substrat 200 dünner gemacht, bevor dasselbe zu einzelnen Chips getrennt wird. Dieser Dünnungsprozess reduziert den Abstand t2 zwischen dem Primärstrompunkt 244 und dem Spiegelstrompunkt 246. Wenn t2 zu einem Abstand reduziert wird, der wesentlich kleiner als r1 ist, dann nähert sich die Größe des Primärstrommagnetfelds 250 der Größe des Spiegelstrommagnetfelds 252 an. Da der primäre Strom, der durch den Primärstrompunkt 244 fließt, und der Spiegelstrom, der durch den Spiegelstrompunkt 246 fließt, in entgegengesetzten Richtungen vorliegen, dient das Spiegelstrommagnetfeld 252 dazu, das Primärstrommagnetfeld 250 auszugleichen. Entsprechend, wenn der Abstand t2 reduziert wird, nähern sich die Größen der Magnetfelder 250 und 252 an und die Aufhebung der magnetischen Felder 250 und 252 wird vollständiger. Dies minimiert den Umfang an Strom, der in die „Opfer"-Stromschleife 232b induziert wird, was die gesamte Wirksamkeit des Gehäuses 228 verbessert.
Es sei darauf hingewiesen, dass mehrere Stromwege an der Oberfläche des FBAR-Filters 226 existieren, was eine gleiche Anzahl von Spiegelstromwegen in der Masseebene unterhalb des FBAR-Filters 226 erzeugt. Alle diese Ströme erzeugen Magnetfelder, die nahe gelegene Stromflüsse zu unterschiedlichen Graden beeinflussen. Durch eine Verringerung der Dicke t2 des Substrats werden die Spiegelströme in der Masseebene näher an die entsprechenden Ströme, die an der oberen Oberfläche des FBAR-Filters 226 fließen, gebracht.
Eine Trennung zwischen „Opfer"- und „Opferung"-Schleifen liegt normalerweise bei einer Größenordnung von 300 bis 500 μm (12 bis 20 tausendstel Zoll). Es ist allgemein erwünscht, den Abstand zwischen diesen Schleifen zu reduzieren, um geringere Chipgrößen und größere Erträge zu erhalten. Entsprechend ist es erwünscht, die Dicke des Substrats auf zumindest ein Drittel des Abstandes zwischen der „Opfer"- und der „Opferung"-Schleife zu reduzieren. Dies verbessert die Fähigkeit der Spiegelströme, Magnetfelder zu induzieren, die dazu tendieren, die Magnetfelder, die durch die primären Ströme verursacht werden, auszugleichen.
Wie oben beschrieben, stellen Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung zahlreiche Vorteile bereit. Ein Dünnen des Substrats 200 nach der Bildung der FBAR-Membran 217 liefert Verbesserungen bei sowohl der thermischen als auch der elektrischen Wirksamkeit des FBAR-Filters 226. Da die FBAR-Membran 217 vor dem Dünnen des Substrats 200 gebildet wird, ist das Substrat 200 während der Herstellung der FBAR-Membran 217 strukturell stärker und weniger zerbrechlich. Zusätzlich, durch ein Beibehalten des Opfer-PSG-Abschnitts 210 in dem Hohlraum 204 während der Verarbei tung, liefert der Opfer-PSG-Abschnitt 210 eine strukturelle Stütze für die FBAR-Membran 217. Darüber hinaus kann das Dünnen des Substrats 200 Teil eines Chargenprozesses zum gleichzeitigen Bilden einer Mehrzahl von FBAR-Membranen 217 an einem einzelnen Wafer sein, wodurch die Herstellungseffizienz erhöht wird. Die oben beschriebenen Vorteile eines Dünnens des Substrats 200 sind nicht auf den speziellen FBAR-Herstellungsprozess, der hierin beschrieben ist, beschränkt, sondern können auf jeden Prozess zum Herstellen von FBAR-Resonatoren und -Filter zutreffen. Ein anderes Verfahren zum Herstellen von FBARs ist in dem US-Patent Nr. 5,873,153 von Ruby u. a. offenbart.
Der Vorteil, der durch das Dünnen des Substrats 200, wie dies oben beschrieben ist, erzielt wird, ist nicht auf die spezifische hierin beschriebene FBAR-Struktur beschränkt, sondern ist auch auf andere FBAR- und Oberflächenwellen-Strukturen (SAW-Strukturen; SAW = service acoustic wave) anwendbar. Ein anderes Verfahren zum Herstellen von FBARs, auf das der Schritt des Dünnens des Substrats angewendet werden kann, ist in dem US-Patent Nr. 5,873,153 von Ruby u. a. erörtert.
Obwohl die Erfindung mit Bezug auf spezielle Ausführungsbeispiele beschrieben wurde, ist die Beschreibung nur ein Beispiel für die Anwendung der Erfindung und sollte nicht als eine Beschränkung angesehen werden. Insbesondere sind alternative Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung, auch wenn ein Großteil der vorausgegangenen Erörterung auf die Herstellung von FBAR-Filtern abzielte, auf die Herstellung von SBAR-Vorrichtungen oder anderen Dünnfilmfiltertechnologien anwendbar. Zahlreiche andere Adaptionen und Kombinationen von Merkmalen der offenbarten Ausführungsbeispiele liegen innerhalb des Schutzbereichs der Erfindung, wie derselbe durch die folgenden Ansprüche definiert ist.

Claims

Ein Verfahren zum Chargenverarbeiten von akustischen Resonatoren (217), das folgende Schritte aufweist: Aufbringen einer ersten Elektrode (212) auf eine obere Oberfläche (220) eines Substrats (200); Aufbringen einer Schicht eines piezoelektrischen Materials (214) auf die erste Elektrode (212); und Aufbringen einer zweiten Elektrode (216) auf die Schicht des piezoelektrischen Materials (214); gekennzeichnet durch ein weiteres Aufweisen des folgenden Schrittes: Entfernen von Material von einer unteren Oberfläche (218) des Substrats (200), um die Dicke des Substrats (200) zu reduzieren und um eine elektromagnetische Beeinflussung bei einem resultierenden Filter zu reduzieren.
Das Verfahren gemäß Anspruch 1, das ferner folgende Schritte aufweist: Bilden einer Mehrzahl von Vertiefungen (204) in der oberen Oberfläche (220) des Substrats (200) vor dem Aufbringen der ersten Elektrode (212); Aufbringen eines Opfermaterials (210) in jeder der Vertiefungen (204), wobei die erste Elektrode (212) über dem Opfermaterial (210) aufgebracht wird; und Entfernen des Opfermaterials (210).
Das Verfahren gemäß Anspruch 1, bei dem die erste und die zweite Elektrode (212, 216) aus Molybdän gebildet sind.
Das Verfahren gemäß Anspruch 1, das ferner folgende Schritte aufweist: Ritzen der oberen Oberfläche (220) des Substrats (200); und Teilen des Substrats entlang den Ritzlinien (222), um eine Mehrzahl von Chips zu bilden.
Das Verfahren gemäß Anspruch 4, das ferner für jeden Chip (226) in der Mehrzahl von Chips ein Befestigen des Chips in einem Chiphohlraum (229) eines Gehäuses (228) aufweist, um ein einzelnes, gehäustes Filter herzustellen, wobei der Chip (226) in dem Chiphohlraum (229) derart befestigt wird, dass eine untere Oberfläche (218) des Chips in thermischer Kommunikation mit einem thermischen Durchgangsloch (238) in dem Gehäuse (228) steht.
Das Verfahren gemäß Anspruch 5, bei dem der Schritt des Befestigens des Chips (226) in dem Chiphohlraum (229) in dem Gehäuse (228) ferner folgende Schritte aufweist: Aufbringen eines wärmeleitenden Epoxids (230) in dem Chiphohlraum (229) in dem Gehäuse (228); und Befestigen des Chips (226) auf einer oberen Oberfläche des wärmeleitenden Epoxids (230), wobei eine untere Oberfläche des wärmeleitenden Epoxids in Kontakt mit dem thermischen Durchgangsloch (238) steht.
Das Verfahren gemäß Anspruch 5, bei dem das Filter ein Seitenverhältnis für einen Abstand zwischen einer Opferschleife (232b) und einer Opferungschleife (232a) des Filters zu der Dicke des Substrats aufweist, das zumindest 3:1 beträgt.
Das Verfahren gemäß Anspruch 4, das ferner folgenden Schritt aufweist: Aufbringen einer Schutzschicht über die obere Oberfläche (220) des Substrats (200) vor dem Teilen des Substrats entlang den Ritzlinien (222), um die Mehrzahl von Chips zu bilden.
Das Verfahren gemäß Anspruch 1, bei dem der Schritt des Entfernens von Material von der unteren Oberfläche (218) des Substrats (200) ein Dünnen des Substrats (200) bis zu einer Dicke von weniger als 475 μm (19 tausendstel Zoll) aufweist.
Das Verfahren gemäß Anspruch 1, bei dem der Schritt des Entfernens von Material von der unteren Oberfläche (218) des Substrats (200) folgende Schritte aufweist: Platzieren der unteren Oberfläche (218) des Substrats (200) gegenüber einer Polieroberfläche; und Polieren der unteren Oberfläche (218), um Material von derselben zu entfernen.