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Diese
Erfindung bezieht sich allgemein auf piezoelektrische Dünnschichtresonatoren,
Filter mit den oben angegebenen Resonatoren und Herstellungsverfahren
davon, und insbesondere auf einen piezoelektrischen Dünnschichtresonator,
ein Filter mit dem oben angegebenen Resonator und ein Herstellungsverfahren
davon. Sowohl der Resonator als auch das Filter weisen eine ausgezeichnete
mechanische Festigkeit, Montierbarkeit, Zuverlässigkeit und Produktivität auf und
haben eine ausgezeichnete Orientierung des piezoelektrischen Films.
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Drahtlose
Kommunikationsanordnungen, wie sie durch Mobiltelefone repräsentiert
werden, haben sich rasch verbreitet, und demgemäß besteht ein zunehmender Bedarf
an einem Resonator mit kleiner Größe und leichtem Gewicht und
an einem Filter, das aus einer Kombination der oben angegebenen
Resonatoren zusammengesetzt ist. Herkömmmlich wurden hauptsächlich eine
dielektrische Substanz und ein akustisches Oberflächenwellen
(SAW)-Filter verwendet. In den letzten Jahren wird jedoch erwartet, dass
ein piezoelektrischer Resonator und ein aus den piezoelektrischen
Resonatoren zusammengesetztes Filter für die drahtlose Kommunikationsanordnung
verwendet werden, da der piezoelektrische Resonator ausgezeichnete
Charakteristiken in hohen Frequenzen aufweist und eine Verkleinerung
der Größe bewirken
und eine monolithische Schaltung bilden kann.
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Ein
FBAR (Film Bulk Acoustic Resonator) ist als einer der oben angegebenen
piezoelektrischen Resonatoren bekannt. Der FBAR hat eine Hauptkomponente
einer laminierten Struktur mit einem oberen Elektrodenfilm, einem
piezoelektrischen Film und einem unteren Elektrodenfilm. Die laminierte Struktur
ist auf einem Substrat gebildet. Ein Spalt (Kontaktloch oder Hohlraum)
ist in einer Zone unter der unteren Elektrode gebildet, wobei die
Zone dem entspricht, wo die untere Elek trode und die obere Elektrode
einander zugewandt sind. Dieser Spalt wird durch (Trocken- oder
Nass-) Ätzen
eines Siliciumsubstrats von der Rückseite davon gebildet. Das Siliciumsubstrat
wird als Anordnungssubstrat verwendet. Alternativ dazu wird dieser
Spalt durch Nassätzen
einer Opferschicht gebildet, die an einer Oberfläche des Siliciumsubstrats vorgesehen
ist.
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Wenn
ein elektrisches Hochfrequenzsignal zwischen der oberen Elektrode
und der unteren Elektrode angelegt wird, werden elastische Wellen
durch den inversen piezoelektrischen Effekt erregt, oder werden
durch die Verformung generiert, die aufgrund des piezoelektrischen
Effekts innerhalb des piezoelektrischen Films bewirkt wird, der
sandwichartig zwischen der oberen Elektrode und der unteren Elektrode
angeordnet ist. Dann werden die oben angegebenen elastischen Wellen
in die elektrischen Signale umgewandelt. Die oben angegebenen elastischen Wellen
werden alle an Oberflächen
der oberen Elektrode (Film) und der unteren Elektrode (Film) reflektiert,
die jeweils mit Luft in Kontakt stehen, wobei in dem longitudinalen
Modus eine Dickenerregung mit einer Hauptverschiebung in der Richtung
der Dicke generiert wird. In dieser Anordnungsstruktur tritt die Resonanz
in der Frequenz auf, in der eine Gesamtdicke H einer Dünnschichtstruktur
gleich ist einem ganzzahligen Vielfachen (n-mal) von 1/2 Wellenlänge einer
elastischen Welle. Die Dünnschichtstruktur
hat die Hauptkomponente des oberen Elektrodenfilms/piezoelektrischen
Films/unteren Elektrodenfilms, der über dem Spalt vorgesehen ist.
Eine Ausbreitungsgeschwindigkeit V der elastischen Welle variiert
in Abhängigkeit
von der Substanz, und eine Resonanzfrequenz F wird mit F = nV/2H
bezeichnet. Wenn das oben angegebene Resonanzphänomen genutzt wird, kann die
Resonanzfrequenz durch die Filmdicke als Parameter gesteuert werden.
Es ist möglich, den
Resonator und das Filter mit gewünschten
Frequenzcharakteristiken zu erzeugen.
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Die
obere und die untere Elektrode können Metalle
einsetzen, wie Aluminium (Al), Kupfer (Cu), Molybdän (Mo),
Wolfram (W), Tantal (Ta), Platin (Pt), Ruthenium (Ru), Rhodium (Rh),
Iridium (Ir), Chrom (Cr), Titan (Ti) und dgl., oder sie können Substanzen einsetzen,
die aus einer Kombination der oben angegebenen Metalle zusammengesetzt
sind. Der piezoelektrische Film kann Aluminiumnitrid (AlN), Zinkoxid (ZnO),
Bleizirkonattitanat (PZT), Bleititanat (PbTiO3) oder
dgl. einsetzen. Insbesondere wird bevorzugt, dass Aluminiumnitrid
(AlN) oder Zinkoxid (ZnO) mit einer Hauptachse einer (002) Orientierung
eingesetzt werden können.
Zusätzlich
können
Silicium, Glas und GaAs für
das Anordnungssubstrat verwendet werden.
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Der
piezoelektrische Dünnschichtresonator, wie
beschrieben, muss das Kontaktloch oder den Hohlraum enthalten, das
bzw. der unmittelbar unter der unteren Elektrode (oder dem dielektrischen
Film) angeordnet ist. Hier im Nachstehenden bezeichnet das Kontaktloch
ein Loch, das von der Rückseite
des Substrats durch die Oberfläche
des Substrats hindurchsticht, und der Hohlraum bezeichnet einen Spalt,
der in der Nähe
der Oberfläche
des Substrats angeordnet oder unmittelbar unter dem unteren Elektrodenfilm
(oder dem dielektrischen Film) angeordnet ist. Die herkömmlichen
piezoelektrischen Resonatoren werden in einen Kontaktlochtyp und
einen Hohlraumtyp klassifiziert.
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1 ist
eine Schnittansicht, die eine schematische Struktur des herkömmlichen
piezoelektrischen Dünnschichtresonators
veranschaulicht, der in Electron. Lett., 1981, Bd. 17, S. 507-509
(hier im Nachstehenden als Dokument 1 bezeichnet), beschrieben ist.
Diese Struktur setzt eine laminierte Struktur ein. Eine untere Elektrode 13 aus
einem Au-Cr-Film, ein piezoelektrischer Film 14 aus einem ZnO-Film, und eine obere
Elektrode 15 aus einem Al-Film sind auf einer (100) Ebene
eines Siliciumsubstrats 11 mit wärmeoxidierten Filmen (SiO2) 12 gebildet. Ein Kontaktloch 16 ist
unter der oben angegebenen laminierten Struktur angeordnet. Das
Kontaktloch wird durch anisotropes Ätzen von der Rückseite des
(100) Siliciumsubstrats 11 gebildet, unter Verwendung einer
wässerigen
KOH-Lösung
oder wässerigen
EDP-Lösung (Verbundflüssigkeit
aus Ethylendiamin, Pyrocatechol und Wasser).
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Es
ist zu beachten, dass der Kontaktlochtyp des piezoelektrischen Dünnschichtresonators,
wie in 1 gezeigt, die folgenden Probleme aufweist. Erstens
nutzt das anisotrope Ätzen
die Charakteristiken, dass die Ätzrate
der (100) Ebene des Siliciumsubstrats eher schneller ist als jene
der (111) Ebene des Siliciumsubstrats. Daher ist das anisotrope Ätzen ein effektives
Verfahren nur zum Ätzen
der (100) Ebene des Siliciumsubstrats. Zweitens hat das Kontaktloch unweigerlich
die Seitenwandfom mit einem Winkel von 54,7°, unter dem die (100) Ebene
die (111) Ebene schneidet, und die Anordnungsgröße wird groß. Das Kontaktloch baut auch
die mechanische Festigkeit ab, da ein Großteil der Rückseite des Siliciumsubstrats
geätzt
wird, um das Kontaktloch zu bilden. Drittens, wenn das Filter aus
mehrfachen Dünnschichtresonatoren
zusammengesetzt ist, die nahe beieinander angeordnet sind, ist es
unmöglich,
die Größe des Filters
auf eine praktisch verwendbare Größe zu verkleinern, da es schwierig
ist, die Größe der Resonatoren
jeweils zu verkleinern. Viertens macht es das auf dem Siliciumsubstrat
vorgesehene Kontaktloch schwierig, andere Anordnungen wie die Induktanz
oder Kapazität
auf demselben Substrat zu bilden, das heißt die Integration ist nicht
leicht. Fünftens
ist eine spezielle Überlegung
notwendig, um zu verhindern, dass die Anordnung mit einer geringen Festigkeit
beim Sägeprozess
zum Sägen
des Siliciumsubstrats in die jeweiligen Chips oder beim Montageprozess
zum Montieren auf einer Packung beschädigt wird.
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Andererseits
hat der Hohlraumtyp des piezoelektrischen Dünnschichtresonators die laminierte Struktur
auf der Opferschicht, wobei die laminierte Struktur den oberen Elektrodenfilm,
den piezoelektrischen Film und den unteren Elektrodenfilm aufweist (und
ferner den dielektrischen Film aufweisen kann, wie notwendig). Die
Opferschicht wird durch Ätzen entfernt,
und so wird der piezoelektrische Dünnschichtresonator mit dem
Hohlraum gebildet.
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2 ist
eine Schnittansicht, die eine schematische Struktur des Hohlraumtyps
des oben angegebenen piezoelektrischen Dünnschichtresonators veranschaulicht
(siehe Japanische Patentanmeldung Veröffentlichungsnr. 60-189307,
hier im Nachstehenden als Dokument 2 bezeichnet). In dieser laminierten
Struktur sind eine untere Elektrode 23, ein piezoelektrischer
Film 24 und eine obere Elektrode 25 auf einem
Substrat 21 mit einem wärmeoxidierten
Film (SiO2) 22 gebildet. Ein Hohlraum 26 ist
unter der laminierten Struktur gebildet. Der Hohlraum (26)
wird gebildet durch das Mustern einer Opferschicht aus ZnO mit einer
Inselform im Voraus, Bilden der laminierten Struktur auf dem Opfermuster,
und Entfernen der unter der laminierten Struktur vorgesehenen Opferschicht
mit Säure.
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Allgemein
muss der piezoelektrische Dünnschichtresonator,
der die Dickenerregung im longitudinalen Modus nutzt, wie der FBAR,
den piezoelektrischen Film mit einer ausgezeichneten Orientierung enthalten,
um ausgezeichnete Resonanzcharakteristiken zu erhalten. Die Tiefe
des Hohlraums erfordert normalerweise einige μm bis einige zehn μm, wobei die
Erregungsverschiebung und die Belastung in dem Membranabschnitt
berücksichtigt
werden. Die Oberfläche
ist jedoch rauh, nachdem die oben angegebene dicke Opferschicht
gebildet wird, und die rauhe Oberfläche baut die Orientierung der
unteren Elektrode 23 und jene des piezoelektrischen Films 24 ab,
der auf oder über
der Opferschicht aufzuwachsen ist.
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Außerdem ist
ein laminierter Körper
mit dem oberen Elektrodenfilm 25/piezoelektrischen Film 24/unteren
Elektrodenfilm 23 auf dem SiO2-Film 22 vorgesehen,
der als Unterlagsfilm dient, welcher nach oben absteht und einen
Brückenform
bildet. Dies verursacht insofern ein Problem, als der laminierte
Körper
gegenüber
einer mechanischen Vibration schwach ist und bei der praktischen
Verwendung eine minderwertige Zuverlässigkeit aufweist.
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3 ist
eine Schnittansicht, die eine schematische Struktur eines piezoelektrischen
Dünnschichtresonators
veranschaulicht, der in der Japanischen Patentanmeldung Veröffentlichungsnr. 2000-69594
(hier im Nachstehenden als Dokument 3 bezeichnet) geoffenbart ist.
Dokument 3 schlägt
das Verfahren zur Lösung
des Problems in der Orientierung vor. In dieser laminierten Struktur
sind eine untere Elektrode 33, ein piezoelektrischer Film 34 und eine
obere Elektrode 35 auf einem Siliciumsubstrat 31 mit
einem wärmeoxidierten
Film (SiO2) 32 gebildet. Ein Hohlraum 36 ist
unter der laminierten Struktur gebildet. Der Dünnschichtresonator dieser Struktur
wird wie folgt hergestellt.
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Zuerst
wird eine Vertiefung in einer Zone auf der Oberfläche des
Siliciumsubstrats 31 gebildet. Dann wird der wärmeoxidierte
Film (SiO2) 32 auf der Oberfläche des
Siliciumsubstrats 31 gebildet, um zu verhindern, dass Phosphor,
der in als Opferschicht verwendetem PSG (Phosphorsilikatglas) enthalten ist,
in das Siliciumsubstrat 31 diffundiert. Nachdem PSG der
Opferschicht abgeschieden wird, wird die Oberfläche für eine Spiegelpolitur poliert
und gereinigt. Danach werden der untere Elektrodenfilm 33, der
piezoelektrische Film 34 und der obere Elektrodenfilm 35 sequentiell
gestapelt, und zuletzt wird PSG entfernt. Der so erzeugte piezoelektrische Dünnschichtresonator
hat jedoch hohe Produktionskosten. Außerdem ist ein mühevoller
Polierprozess enthalten, der den Aufschlämmungsrest entfernen muss,
und die Anzahl von Herstellungsprozessen wird erhöht, und
die Produktivität
ist nicht ausgezeichnet.
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Die
vorliegende Erfindung wurde angesichts der obigen Umstände gemacht,
und es ist zweckmäßig, einen
piezoelektrischen Dünnschichtresonator und
ein Filter mit demselben vorzusehen, die eine ausgezeichnete mechanische
Festigkeit, Montierbarkeit, Zuverlässigkeit und Produktivität aufweisen,
und eine ausgezeichnete piezoelektrische Orientierung haben, und
auch ein Herstellungsverfahren davon vorzusehen.
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Die
Erfindung ist in den unabhängigen
Ansprüchen
definiert, auf die nun Bezug zu nehmen ist. Bevorzugte Merkmale
sind in den Unteransprüchen ausgeführt.
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Nun
werden bevorzugte Ausführungsformen der
vorliegenden Erfindung mit Bezugnahme auf die folgenden Zeichnungen
detailliert beschrieben, in denen:
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1 eine
Schnittansicht ist, die eine schematische Struktur eines im Dokument
1 beschriebenen piezoelektrischen Dünnschichtresonators veranschaulicht;
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2 eine
Schnittansicht ist, die eine schematische Struktur eines Hohlraumtyps
eines im Dokument 2 beschriebenen piezoelektrischen Dünnschichtresonators
veranschaulicht;
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3 eine
Schnittansicht ist, die eine schematische Struktur eines im Dokument
3 beschriebenen piezoelektrischen Dünnschichtresonators veranschaulicht;
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4A bis 4C Ansichten
sind, die eine Struktur eines piezoelektrischen Dünnschichtresonators
gemäß der ersten
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung veranschaulichen;
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5A bis 5D ein
Herstellungsverfahren des in 4A bis 4C gezeigten
piezoelektrischen Dünnschichtresonators
veranschaulichen;
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6 ein
Beispiel einer gemusterten Form einer Opferschicht ist;
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7 Resonanzcharakteristiken
des piezoelektrischen Dünnschichtresonators
mit einem Siliciumsubstrat zeigt;
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8 die
Resonanzcharakteristiken des piezoelektrischen Dünnschichtresonators mit einem Quarzsubstrat
zeigt;
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9A und 9B Ansichten
sind, die ein Bandpassfilter gemäß der zweiten
Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung veranschaulichen;
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10A bis 10D Ansichten
sind, die das Herstellungsverfahren des piezoelektrischen Dünnschichtresonators
veranschaulichen, der in dem in 9A und 9B gezeigten
Filter enthalten ist; und
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11 eine
graphische Darstellung ist, die Durchlassbandcharakteristiken des
Filters (5 GHz Band) gemäß der zweiten
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung zeigt.
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Nun
erfolgt, unter Bezugnahme auf die beigeschlossenen Zeichnungen,
eine Beschreibung von Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung. Ein piezoelektrischer Dünnschichtresonator
gemäß Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung ist auf einer Packung, wie Keramik, montiert,
und die Anordnung und die Packung sind durch Drähte oder Kontakthügel verbunden.
Die Packung kann aus einer anderen Substanz als Keramik hergestellt
sein und kann mit Kunststoff versiegelt werden, um so einen Raum
an einer Oberfläche
der Anordnung zu sichern. Die Anordnung kann als einzelner Teil
gepackt sein, oder kann auf einem Modulsubstrat mit anderen diskreten
Teilen montiert sein.
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Erste Ausführungsform
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4A bis 4C sind
Ansichten, die eine Struktur eines piezoelektrischen Dünnschichtresonators
gemäß der vorliegenden
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung veranschaulichen. Mehr im Einzelnen ist 4A eine
Draufsicht, und 4B ist eine Schnittansicht entlang
einer in 4A gezeigten Linie A-A. 4C ist
eine Schnittansicht entlang einer in 4A gezeigten
Linie B-B. Hier ist ein Substrat 41 ein Siliciumsubstrat
mit der (100) Ebene. Eine untere Elektrode 43 ist konfiguriert,
eine Doppelschichtstruktur aus Ru/Cr aufzuweisen, worin eine Ru-Schicht
und eine Cr-Schicht
laminiert sind. Ein Quarzsubstrat kann anstelle des Siliciumsubstrats verwendet
werden, wie im Nachstehenden beschrieben wird. Ein piezoelektrischer
Film 44 kann ein AlN-Film
sein, und eine obere Elektrode 45 kann ein Ru-Film sein.
Der piezoelektrische Dünnschichtresonator
mit einer Resonanzfrequenz im 5 GHz Band hat beispielsweise die
untere Elektrode 43 mit einer Dicke von Ru (100 nm)/Cr
(50 nm), den piezoelektrischen Film 44 aus AlN mit einer
Dicke von 400 nm, und die obere Elektrode 45 aus Ru mit
einer Dicke von 100 nm.
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Ein
Spalt 42 mit der Form einer Kuppel ist zwischen der unteren
Elektrode 43 und dem Substrat 41 gebildet. Der
Spalt 42 ist in einer Zone unter der unteren Elektrode 43 angeordnet.
Die obige Zone entspricht einem Membranabschnitt 46, in
dem die obere Elektrode 45 die untere Elektrode 43 durch
den piezoelektrischen Film 44 überlappt. Der Spalt hat den
Umriss einer geschlossenen Kurve in einer Projektionsform, die auf
das Substrat 41 projiziert wird. Gemäß der vorliegenden Ausführungsform
hat eine überlappende
Zone der oberen Elektrode 45 und der unteren Elektrode 43,
nämlich
der Membranabschnitt, die Form einer Ellipse mit einer langen Achse von
54 μm und
einer kurzen Achse von 45 μm.
Der Spalt ist auch konfiguriert, den Umriss mit einer ähnlichen
Größe aufzuweisen.
Die Höhe
des Spalts 42 ist ungefähr
ein bis zwei μm.
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Löcher 47 zum
Einbringen von Ätzmittel
sind auf dem Substrat 41 vorgesehen, so dass die Opferschicht
geätzt
werden kann, um den Spalt 42 durch das nachstehend beschriebene
Verfahren zu bilden. Wenn die Projektionsform des Spalts 42,
die auf das Substrat 41 projiziert wird, konfiguriert ist,
den Umriss der geschlossenen Kurve aufzuweisen, ist es möglich zu
verhindern, dass sich die Spannung am Rand des Membranabschnitts
konzentriert, und zu verhindern, dass die Anordnung während und
nach der Produktion beschädigt
wird.
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5A bis 5D veranschaulichen
ein Herstellungsverfahren des in 4A bis 4C gezeigten
piezoelektrischen Dünnschichtresonators. 5A bis 5D sind
Schnittansichten entlang der in 4A gezeigten
Linie B-B. Mit Bezugnahme auf 5A wird
zuerst eine Opferschicht 48 aus MgO (20 nm) auf dem Silicium-
(oder Quarz-) substrat 41 durch Sputtern oder Vakuumverdampfung
gebildet. Die Opferschicht 48 ist nicht auf MgO beschränkt, und
kann ein anderes Material sein, wenn es mit dem Ätzmittel leicht löslich ist,
wie ZnO, Ge, Ti oder dgl. Vorzugsweise ist die Opferschicht 48 dünner als
die untere Elektrode 43, und das Dickenverhältnis von Opferschichtdicke/untere
Elektrodendicke ist gleich oder kleiner 0,5. Als Nächstes wird
die Opferschicht 48 durch Photolithographie und Ätzen in
eine gewünschte
Form gemustert.
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6 zeigt
ein Beispiel einer gemusterten Form der Opferschicht 48.
Diese Form hat einen Abschnitt 46', der dem Membranabschnitt 46 entspricht, in
dem die obere Elektrode 45 mit der unteren Elektrode 43 durch
den piezoelektrischen Film 44 überlappt, und Flusswege 47', die zu den
Löchern 47 zum Einbringen
von Ätzmittel
führen. 6 zeigt
nur zwei Flusswege 47',
die Anzahl der Flusswege 47' und
die Orte davon sind jedoch nicht eingeschränkt und können wie notwendig geändert werden.
Die Größe des Membranabschnitts 46,
wo die obere Elektrode 45 mit der unteren Elektrode 43 durch den
piezoelektrischen Film 44 überlappt, muss nicht gleich
der gemusterten Größe der Opferschicht 48 sein.
Vorzugsweise hat die Opferschicht 48 die gemusterte Form ähnlich der
Form des Membranabschnitts 46.
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Als
Nächstes
werden, mit Bezugnahme auf 5B, die
untere Elektrode 43, der piezoelektrische Film 44 und
die obere Elektrode 45 sequentiell gebildet. Die untere
Elektrode 43 ist ein laminierter Film aus Ru (100 nm)/Cr
(50 nm), und wird durch Sputtern in Anwesenheit von Argongas unter
einem Druck von 0,6 bis 1,2 Pa gebildet. Dann wird die untere Elektrode 43 durch
Photolithographie und Ätzen in
eine gewünschte
Form gemustert. Danach wird der piezoelektrische Film 44 aus
AlN (400 nm) durch Sputtern, in Anwesenheit eines gemischten Gases aus
Ar/N2, unter einem Druck von ungefähr 0,3 Pa unter
Verwendung eines Al-Targets gebildet. Die obere Elektrode 45 aus
Ru (100 nm) wird durch Sputtern in Anwesenheit von Argongas unter
einem Druck von 0,6 bis 1,2 Pa gebildet. Photolithographie und (Nass-
oder Trocken-) Ätzen
werden an dem laminierten Körper
vorgenommen, um die obere Elektrode 45 und den piezoelektrischen
Film 44 in gewünschten
Formen zu mustern.
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Mit
Bezugnahme auf 5C werden dann die Löcher 47 zum
Einbringen von Ätzmittel
auf der unteren Elektrode 43 durch die photolithographische Technik
des Resistmusterns so gebildet, dass die Oberfläche der Opferschicht 48 teilweise
freigelegt wird. Mit Bezugnahme auf 5D wird
der Spalt 42 durch das Einbringen des Ätzmittels durch die Löcher 47 zum
Einbringen von Ätzmittel
gebildet, um die Opferschicht zu ätzen und zu entfernen. Hier
wird die Opferschicht 48 so geätzt, dass eine Druckspannung in
dem laminierten Körper
(dem Membranabschnitt) wirken kann, der aus der unteren Elektrode 43,
dem piezoelektrischen Film 44 und der oberen Elektrode 45 zusammengesetzt
ist. Wenn die oben angegebene Spannungsbedingung erfüllt ist,
expandiert der laminierte Körper
nach oben zur Zeit der Vollendung des Ätzens der Opferschicht 48.
So ist es möglich, den
Spalt 42 mit der Form einer Kuppel zwischen der unteren
Elektrode 43 und dem Substrat 41 zu bilden. Die
auf den laminierten Körper
ausgeübte
Spannung ist die Druckspannung von im Wesentlichen (minus) 1 GPa
unter der oben angegebenen Sputter-Bedingung. Der Umriss des Spalts 42 enthält nicht
den linearen Abschnitt. So ist es möglich, die Form einer Kuppel
ohne Verformung zu erhalten, und es ist auch möglich, sowohl die Variationen
der Festigkeit in dem laminierten Körper als auch jene der Resonanzcharakteristiken
zusammen zu reduzieren.
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7 und 8 sind
graphische Darstellungen, welche die Resonanzcharakteristiken des
so hergestellten piezoelektrischen Dünnschichtresonators zeigen.
Mehr im Einzelnen zeigt 7 die Resonanzcharakteristiken
des piezoelektrischen Dünnschichtresonators
mit dem Siliciumsubstrat, und 8 zeigt
die Resonanzcharakteristiken des piezoelektrischen Dünnschichtresonators
mit dem Quarzsubstrat. 7 und 8 zeigen
zum Vergleich auch die Resonanzcharakteristiken des herkömmlichen
Kontaktlochtyps der piezoelektrischen Dünnschichtresonatoren. Der piezoelektrische
Dünnschichtresonator
gemäß Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung, wie in 7 und 8 gezeigt, kann
nahezu dieselben Resonanzcharakteristiken erhalten wie jene des
herkömmlichen
Kontaktlochtyps des piezoelektrischen Dünnschichtresonators. Das bedeutet,
dass der piezoelektrische Film 44 in dem piezoelektrischen
Dünnschichtresonator
der Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung nahezu dieselbe Orientierung hat wie
jene des herkömmlichen
Kontaktlochtyps des piezoelektrischen Dünnschichtresonators. Die oben
angegebenen Charakteristiken der Orientierung können unter Verwendung der Opferschicht 48,
die dünn
ist, erhalten werden. Zusätzlich
hat der piezoelektrische Dünnschichtresonator
gemäß den Ausführungsformen eine
ausgezeichnete mechanische Festigkeit, Montierbarkeit, Zuverlässigkeit
und Produktivität.
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Zweite Ausführungsform
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Die
erste Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung ist auf einen einzelnen piezoelektrischen Dünnschichtresonator
gerichtet. Nun verwendet die zweite Ausführungsform ihrerseits jene
Resonatoren, um ein Bandpassfilter zu bilden, in dem die Resonatoren
in parallelen und seriellen Armen angeordnet sind.
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9A und 9B sind
Ansichten, die das Bandpassfilter der zweiten Ausführungsform
veranschaulichen. Die piezoelektrischen Dünnschichtresonatoren sind in
den parallelen und seriellen Armen angeordnet, um die Leiterstruktur
des Bandpassfilters zu bilden. Mit Bezugnahme auf 9B ist
der piezoelektrische Film 44 konfiguriert, die untere Elektrode 43 zu
bedecken. Löcher
werden auf dem piezoelektrischen Film 44 gebildet, bevor
die Löcher 47 zum
Einbringen von Ätzmittel
auf der unteren Elektrode 43 gebildet werden, wie im Nachstehenden
beschrieben wird.
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In
der vorliegenden Ausführungsform
sind vier piezoelektrische Dünnschichtresonatoren
S1 bis S4 in den seriellen Armen angeordnet, und drei piezoelektrische
Dünnschichtresonatoren
P1 bis P3 sind in den parallelen Armen angeordnet. Die grundsätzliche
Struktur des piezoelektrischen Dünnschichtresonators
ist gleich wie jene, die in der ersten Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung beschrieben ist. Ein zusätzlicher Film (mit einer Filmdicke
von 90 nm) aus einem SiO2-Film, nicht gezeigt, ist
auf dem oberen Elektrodenfilm jedes Resonators in den parallelen
Armen vorgesehen.
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10A bis 10D sind
Ansichten, die das Herstellungsverfahren der piezoelektrischen Dünnschichtresonatoren
des in 9A und 9B gezeigten
Filters veranschaulichen. 10A bis 10D sind Schnittansichten entlang der in 4A gezeigten
Linie B-B. Zuerst wird, mit Bezugnahme auf 10A,
die Opferschicht 48 aus MgO (20 nm) durch Sputtern oder
Vakuumverdampfung auf dem Silicium- (oder Quarz-) substrat 41 gebildet.
Die Opferschicht 48 ist nicht auf MgO beschränkt, und
kann aus einem anderen Material hergestellt sein, das mit dem Ätzmittel
leicht löslich
ist, wie ZnO, Ge, Ti oder dgl. Nachdem die Opferschicht 48 gebildet
wird, wird die Opferschicht 48 durch Photolithographie
und Ätzen
in eine gewünschte
Form gemustert.
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Als
Nächstes
wird, mit Bezugnahme auf 10B,
die untere Elektrode 43 mit den Löchern 47 zum Einbringen
von Ätzmittel
gebildet. Die untere Elektrode 43 ist der laminierte Film
aus Ru (100 nm)/Cr (50 nm) und wird durch Sputtern in Anwesenheit
von Argongas unter einem Druck von 0,6 bis 1,2 Pa gebildet. Die
Löcher 47 zum
Einbringen von Ätzmittel
werden in der unteren Elektrode 43 durch die Photolithographietechnik
gebildet, um die Oberfläche der
Opferschicht 48 teilweise freizulegen. Hier können die
gewünschte
Form der unteren Elektrode 43 und die Löcher 47 zum Einbringen
von Ätzmittel gleichzeitig
gebildet werden. So ist es möglich,
die Anzahl von Malen zu reduzieren, die die untere Elektrode 43 einem
Mustern unterworfen wird.
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Danach
wird, mit Bezugnahme auf 10C, der
piezoelektrische Film 44 aus AlN (400 nm) durch Sputtern,
in Anwesenheit eines gemischten Gases aus Ar/N2,
unter einem Druck von ungefähr
0,3 Pa unter Verwendung eines Al-Targets gebildet. Die obere Elektrode 45 aus
Ru (100 nm) wird durch Sputtern in Anwesenheit von Argongas unter
einem Druck von 0,6 bis 1,2 Pa gebildet. Photolithographie und (Nass-
oder Trocken-) Ätzen
werden an dem laminierten Körper
vorgenommen, um die obere Elektrode 45 und den piezoelektrischen Film 44 in
gewünschten
Formen zu mustern.
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Dann
wird, mit Bezugnahme auf 10D, der
Spalt 42 durch das Einbringen des Ätzmittels durch die Löcher 47 zum
Einbringen von Ätzmittel
gebildet, um die Opferschicht 48 zu ätzen und zu entfernen. Hier
wird die Opferschicht 48 so geätzt, dass die Druckspannung
in dem laminierten Körper
(Membranabschnitt) arbeiten kann, der aus der unteren Elektrode 43,
dem piezoelektrischen Film 44 und der oberen Elektrode 45 zusammengesetzt
ist. Wenn die oben angegebene Spannungsbedingung erfüllt ist, expandiert
der laminierte Körper
nach oben zur Zeit der Vollendung des Ätzens der Opferschicht 48.
So ist es möglich,
den Spalt 42 mit der Form einer Kuppel zwischen der unteren
Elektrode 43 und dem Substrat 41 zu bilden. Der
Umriss des Spalts 42 enthält nicht den linearen Abschnitt.
So ist es möglich,
die Form einer Kuppel ohne Verformung zu erhalten, und es ist auch
möglich,
sowohl die Variationen der Festigkeit in dem laminierten Körper als
auch jene der Resonanzcharakteristiken zusammen zu reduzieren.
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11 ist
eine graphische Darstellung, welche die Durchlassbandcharakteristiken
des Filters (5 GHz Bandfilter) gemäß der vorliegenden Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung zeigt. Hier wird das Siliciumsubstrat
mit der (100) Ebene eingesetzt. Zum Vergleich wird das Siliciumsubstrat
mit der (111) Ebene für
das herkömmliche
Kontaktlochtyp-Filter
verwendet. In Bezug auf die Filmdicke in den oben angegebenen Filtern
hat die Opferschicht eine Dicke von ungefähr 20 nm. Die untere Elektrode hat
eine Dicke von ungefähr
Ru (100 nm)/Cr (50 nm). Der piezoelektrische Film aus AlN hat eine
Dicke von ungefähr
400 nm. Die obere Elektrode aus Ru hat eine Dicke von ungefähr 100 nm.
Es können
nahezu dieselben Charakteristiken bei den Verlust- und Flankencharakteristiken
sowohl in dem Filter gemäß der vorliegenden
Aus führungsform
der vorliegenden Erfindung als auch dem herkömmlichen Kontaktlochtyp-Filter
erhalten werden, wie in 11 gezeigt,
obwohl die Bandpässe
zwischen den oben angegebenen Filtern geringfügig unterschiedlich sind. Das
bedeutet, dass der in dem Filter der vorliegenden Erfindung enthaltene
piezoelektrische Film 44 nahezu dieselbe Orientierung hat
wie jene des herkömmlichen
Kontaktlochtyp-Filters.
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Die
Substanzen, die für
das Substrat 41, die Opferschicht 48, die untere
Elektrode 43, den piezoelektrischen Film 44, die
obere Elektrode 45 und den zusätzlichen Film verwendet werden,
sind nicht auf die in den Ausführungsformen
eingesetzten beschränkt.
Andere oben angegebene Substanzen können verwendet werden. Die
Anzahl, die Form und der Ort der Flusswege des zum Ätzen der
Opferschicht verwendeten Ätzmittels
sind nicht auf die oben beschriebenen beschränkt und können wie notwendig geändert werden,
außer
die Filtercharakteristiken werden abgebaut. Der oben angegebene
laminierte Körper
bezeichnet nur die Hauptkomponenten des piezoelektrischen Dünnschichtresonators.
Es kann jedoch eine dielektrische Schicht unter der unteren Elektrode 43 zur
Verstärkung
oder als Ätz-Stopper
vorgesehen sein. Zusätzlich
kann die dielektrische Schicht an der Oberfläche als Passivierungsfilm vorgesehen
sein. Ferner kann ein leitfähiger
Unterlagsfilm in Kontaktstellen sowohl auf der unteren Elektrode 43 als
auch der oberen Elektrode 45 für einen Kontakthöcker oder
eine Drahtverbindung vorgesehen sein.
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Es
ist schwierig, ein praktisch nützliches
Filter mit kleiner Größe mit dem
Resonator zu erzeugen, bei dem das herkömmliche anisotrope Ätzverfahren
eingesetzt wird. Das Filter mit dem piezoelektrischen Dünnschichtresonator,
das den Spalt 42 enthält,
kann jedoch in der Größe reduziert
werden, da die jeweiligen Resonatoren nahe beieinander ange ordnet
werden können.
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So
ist es möglich,
den piezoelektrischen Dünnschichtresonator
und das diesen einsetzende Filter, die eine ausgezeichnete mechanische
Festigkeit, Montierbarkeit, und Zuverlässigkeit, und Produktivität aufweisen,
und eine ausgezeichnete piezoelektrische Orientierung haben, sowie
das Herstellungsverfahren vorzusehen.
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Die
vorliegende Erfindung ist nicht auf die oben angegebenen Ausführungsformen
beschränkt, und
es können
andere Ausführungsformen,
Variationen und Modifikationen vorgenommen werden, ohne vom Umfang
der vorliegenden Erfindung, wie durch die beigeschlossenen Ansprüche definiert,
abzuweichen.