JP2004503164A - フィルタの改善 - Google Patents
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Abstract
シリコン等の半導体ウェハや他のタイプのウェハ上に形成された複数の薄膜バルク波共振子(FBAR)からなるフィルタを、従来のピックアンドプレイス式機械で容易に取り扱える部品となるように、気密的にパッケージできる方法を提供する。このパッケージは薄膜圧電共振子(2)を支持するウェハ(1)と1以上の他のシリコンウェハ(8、14)の積層体からなる。これらのウェハ(1、8、14)間の結合は低融点ガラスや金属結合層を用いて陽極結合等の方法により行う。共振部品への接続は深い反応性イオンエッチング等の方法を用い、結合されている前記ウェハの一方(8)に孔(12)をエッチングすることにより行う。接続電極は孔(12)の中と孔(12)のあるウェハの表面に堆積される。生成されたチップ部品は使用前に切断または他の方法により分離される。エッチングの代わりに、分離後に接続電極をチップ端部に堆積してもよい(図9)。
【選択図】図2
【選択図】図2
Description
【0001】
本発明は、フィルタの、もしくはフィルタに関係する改善に関し、特に、半導体もしくは絶縁ウェハ上に形成された複数のバルク波共振子(BAR)を含んだフィルタを気密的にパッケージングする方法に関する。
【0002】
薄膜バルク波共振子(FBAR)は、高い周波数、特にMHzおよびGHz域において共振ピークを示すため、魅力的なデバイスである。さらに、FBARは1mm未満の非常に小さな寸法の電子フィルタの作製に使用することができる。したがって、FBARは携帯電話等の小型かつ軽量で薄い電気製品にも有用であると考えられる。
【0003】
図1は、4つのFBARを備えたフィルタの一例を示している。この4つのFBARはフィルタにおけるそれらの機能によって2つのグループに分けられる。図1中のFBAR1とFBAR2は直列に接続されている。したがって、この2つが1つのグループを構成している。また、FBAR3とFBAR4は並列に接続されていて、もう一方のグループを構成している。通常、全てのFBARは同じ手順で、同時に1つの基板上に作製される。したがって、各FBARはほぼ同じ構造で構成される。
【0004】
FBARの典型的なデザインはよく知られている。FBARの基本的な物理的構造は、通常はアルミニウムや金等の金属からなる2つの導電性電極に挟まれた、ZnO、AlNまたはチタン酸ジルコン酸鉛(PZT)等の材料からなる薄い圧電層により構成されている。通常、圧電層は、圧電層の動作部の真下に配置された基板の一部をエッチングすることによって、自由に架設されている。ただし、ある種のデバイスでは下地の基板が除去されず、動作する圧電層の真下に多層構造が配置される。これは、音響的な力を反射して基板から共振子へ戻す働きをし、このような構造は固く実装された共振子もしくはSBARとして知られている。これらのデバイス構造はいずれも周知のものである。
【0005】
圧電膜は非常に薄いので(いずれの構造においても)、その共振周波数は、膜や層表面に質量負荷を与える汚染物質に対して非常に敏感である。FBAR構造におけるこの膜は、通常はきわめて強固であるが、電子プリント回路基板やマルチチップモジュールを実装するために用いられる自動組立装置中で電子デバイスが受ける取り扱いに対しては物理的に弱いとも考えられる。したがって、これらのデバイスは使用前にパッケージされることが重要である。このパッケージは、不要な汚染物質の侵入に対して気密的に封止されなければならず、かつ強靭で、基本フィルタデバイスの領域への付加は可能な限り小さくなければならない。また、パッケージは低コストで可能な限り小さいことも必要である。
【0006】
本発明は、前述の考察からなされ、少なくとも上記の要求のいくつかに合った、上記のデバイスを気密的にパッケージングする技術を提供するものである。
【0007】
本発明は、複数のバルク波共振子(BAR)を支持する第1のウェハを用意する工程と、複数の窪みを有する第2のウェハを用意する工程と、第1および第2ウェハを結合して、第1ウェハの複数のBARが第2のウェハの複数の窪みに位置合わせされた複合ウェハを形成する工程と、個々のフィルタに分離する工程とを含む、フィルタを気密的にパッケージングする方法を提供する。
【0008】
複数の薄膜バルク波共振子(FBAR)を備えた無線周波数フィルタまたはマイクロ波フィルタのパッケージ化への、本発明の方法の好適な応用では、フィルタは、少なくとも1つのFBARが直列に接続され、他の1つのFBARが並列に接続されている複数のFBARを備えている。
【0009】
それぞれのFBARは(下から上の順に)基板、誘電層、下部電極として機能する1つ以上の金属層、圧電層、上部電極として機能する1つ以上の金属層、および、調整可能な質量負荷をもたらすために追加される(任意の)上部層からなる複数の層を備えていることが望ましい。この最後の層は導電性であっても絶縁性であってもよい。
【0010】
通常、複数の分離されたFBARフィルタデバイスは、フォトリソグラフィックパターニングやエッチングといった、半導体業界において開発されてきた周知の技術により、1つの基板上に同時に形成することができる。形成後、これらのデバイスは切断されて個々のデバイスに分離される。
【0011】
パッケージは、FBARフィルタを支持する基板に使われている材料と熱膨張がつり合うように選ばれた材料であるのが望ましい1つ以上のウェハからなり、前記ウェハは、FBARフィルタを支持しているウェハと結合され、予めエッチングされたり超微小機械加工されたりして、FBARデバイスの動作領域上に空洞を形成している。FBAR基板と結合されたウェハは、超微小機械加工されて、開口部が開けられ、これを通して、FBARフィルタの信号線および接地線に対して電気的接続が行われる。個々のフィルタは、加工後に切断されることによって分離されて個々の部品となる。
【0012】
本発明の方法によって作製されたFBARデバイスの一実施形態の概略を図2に示す。ここで、ウェハ1はFBARフィルタを支持するウェハである。このデバイスにおいて、層2は圧電材料であり、層3は窒化ケイ素等からなるエッチングストップ層であり、層4および層5はFBAR共振子の上部電極、下部電極を構成する金属層であり、層6はウェハ1の背面にエッチングマスクを形成するSiO2もしくは窒化ケイ素等からなるもう1つの層である。空洞7は、FBAR共振子を支える層を開放するためにウェハ1のバルクマイクロ加工により形成されたものである。
【0013】
ウェハ8は、ウェハ1上のFBARデバイスを封止する第2のウェハである。窒化ケイ素等の材料からなる層10に、スルーホールをエッチングすることによって、空洞もしくは窪み9が、このウェハにバルクマイクロ加工されている。このウェハ8は、結合層11によってウェハ1に結合されている。孔12は、窒化ケイ素等からなるもう1つの層10を使った深い反応性イオンエッチング等の加工方法によってウェハをエッチングして形成され、これらの孔の中に堆積された電極金属13は、FBAR共振子に通じる電極線路4と接続されている。
【0014】
任意に、第3ウェハ14が、結合層15を用いてウェハ1の背面に結合される。これはデバイスの背面にある空洞に対する保護シールを形成する。明らかに、これは、前面側のみからのエッチングによって形成されたFBARデバイスや、SBARデバイスには不要である。
【0015】
ここで理解すべきは、多くのFBARフィルタデバイスをシリコン等の材料からなる単一のウェハ上に形成することができるという点と、本発明の基本原理はFBARデバイスの加工と封止用ウェハの加工および結合とをウェハ規模で行うことであるという点である。個々のパッケージされたFBARデバイスは、パッケージング処理が完了した後に切断することによって、互いに分離されるだけである。
【0016】
本発明のその他の特徴、利点や長所については、添付した図面を参照し、例としてのみあげた以下の説明によって理解されるであろう。
【0017】
まず、6つのFBARを備えたFBARフィルタの典型的な作製手順について図3を参照して以下に述べる。最初に、ベアSiウェハ16の両面に、化学的気相成長法により、窒化ケイ素(SiNx)を200nmの厚さに付着させる。Siウェハ16の前面にはSiNx膜層18も設ける。Siウェハ16の背面のSiNxには、フォトリソグラフィおよび反応性イオンエッチングによってパターンを形成し、これを背面パターン層17とする。
【0018】
下部電極21を、いわゆるリフトオフプロセスにより、下記の手順で形成する。まず、フォトリソグラフィによって、フォトレジストのパターンを形成する。次に、スパッタリングにより、クロムと金(Cr/Au)を各々10nm、100nmの厚さに堆積する。CrはAuの接着層として使用される。次に、フォトレジストはアセトンに溶解するので、パターン化されたフォトレジストとその上のCr/Auとをアセトンを用いて除去する。この手順の後、下部電極21が得られる。
【0019】
次に、スパッタリングにより、圧電層19を形成するために酸化亜鉛(ZnO)を堆積させる。圧電層19の厚みは、1.2ミクロンである。圧電層19は酢酸でエッチングされ、電気プローブを下部電極21に接触させるためのコンタクトホール22が形成される。
【0020】
その後、上部電極20がリフトオフプロセスによって形成される。上部電極20は、伝送線と、図2においてLで示される一辺の寸法が200ミクロンの矩形の作用領域24とを有している。作用領域の大きさは、下部電極21についても同様である。
【0021】
上部電極20が形成されるとき、2つのグランド電極23も同じくリフトオフプロセスによって形成される。したがって、上部電極20は、特性インピーダンスが約50オームに設定された、コプレーナ導波路構造を有している。
【0022】
最後に、Siウェハ16は、背面パターン17を使用してKOH溶液で背面側からエッチングされ、フィルタの作製プロセスは完了する。異なった領域に直列および並列に接続された複数のFBAR共振子を作製することが一般的であることはよく知られている。
【0023】
前述のフィルタは、本発明によってパッケージできるFBARのタイプの一例に過ぎない。したがって、上述した好適なフィルタの各々の層に対する薄膜技術や材料は、これまで説明したものに限定されない。
【0024】
例えば、圧電層19の材料は、ZnOに限らない。その代わりに、高いQ値を示す窒化アルミニウム(AlN)や大きな電気機械結合係数を示すチタン酸ジルコン酸鉛(PZT)を用いることができる。また、その他にもタンタル酸鉛スカンジウムおよびチタン酸ビスマスナトリウムを用いることもできる。上部電極20および下部電極21の材料は、Cr/Auに限らない。その代わりに、電極としてしばしば使用されるアルミニウム(Al)やプラチナ(Pt)を用いることも可能である。膜層18と背面パターン層17の材料は、SiNxに限らない。その代わりにSiO2を用いることもできる。
【0025】
図4は、直列25および並列26に接続された、これら6つのFBAR共振子を用いたはしご型フィルタを示している。直列FBAR25および並列FBAR26のそれぞれの数は、3つとは限らない。これらの数は、帯域端減衰極のレベル、フィルタに必要な領域サイズ等の要求により決定すべきである。
【0026】
直列FBAR25および並列FBAR26として使用されるFBARは、下部電極21の背面側のSiウェハ20上にエッチングされた孔を備えたFBARに限らない。共振層の下にあるエアギャップは、ウェハ16の背面側から深い反応性イオンエッチングを行う方法や、窪みが共振層の下で横方向に拡張するようにウェハ前面側から基板材料をエッチングする方法等の他の方法によって形成することができ、あるいはウェハの前面側から圧電層の下の犠牲材料をエッチングすることによって形成することができる。あるいは、多層ブラッグ反射層を下部電極21の背面側に使うこともできる。
【0027】
さらに、ウェハ16は必ずしもSiで作る必要はない。サファイアや酸化マグネシウムといった別のタイプの基板をFBARフィルタとして使用することも可能である。さらに、FBARフィルタは、互いに音響的に結合するようにデザインされた1つより多い圧電層を備えることもできる。ここまで述べてきた全てのFBARフィルタは、本発明で記述される方法を用いて、ウェハ規模で気密的にパッケージすることが可能である。
【0028】
次に、ウェハ規模で気密的にカプセル化されたりパッケージされたFBARフィルタを製造するためのある特定の方法について、図5〜図8を参照して説明する。ここでは、シリコンウェハ上に作られたデバイスを例に用いるが、この方法がシリコン以外のウェハ上に作られたデバイスであっても同じように応用できることは容易に理解できるであろう。
【0029】
最初に、複数のFBARフィルタを支持するウェハを前節で記述した通りに形成する。ここでは、図5を参照すると、圧電層の動作部分の下部においてエッチングされた1つ以上の空洞29と個々に連結された、いくつかのFBAR共振子からなるFBARフィルタのデザインに従って作製された複数のFBARフィルタ28を支持するウェハ27(ここではウェハAと呼ぶ)が示されている。
【0030】
第2のウェハ30(ここではウェハBと呼ぶ)は、2つのウェハを突き合わせて戴置したときに窪み32の位置が第1ウェハ27上のFBARフィルタ28の動作部分と一致するように表面上においてエッチングされた窪み32を有するように作製される。これは、以下に記述されるようにして達成される。
【0031】
最初に、ウェハBの両面に窒化シリコン層30’を被覆する。結合媒体層33が表面(ここでは面B1と呼び、このウェハの反対面を面B2とする)上に堆積される。面B1は最終的に、ウェハAと結合される。好適な結合媒体は、仮に陽極結合を使うならば、ホウケイ酸ガラスである。代わりに低融点のガラスを堆積することも可能である。これらのガラスはRFマグネトロンスパッタリングといった方法を用いて堆積することができる。
【0032】
窓31が、(フォトリソグラフィおよびドライエッチングを用いて)窒化シリコン層に開けられる。これらの窓31の位置は、ウェハA上のFBARフィルタ28の動作領域の位置に合わせて定められる。窪み32は、面B1を好適なエッチング媒体にさらすことで、面B1にエッチングされる。シリコンウェハの場合、エッチング媒体は例えば、KOHのプロパノール溶液またはエチレンジアミンとピロカテコールの混合物である。あるいは、ドライエッチング技術を使用して同様な結果を得ることも可能である。窪み32の深さは、2つのウェハAおよびBが互いに合わされたときにFBAR共振子がウェハBのいかなる部分にも接触しないように、十分に(典型的には数ミクロン程度に)深くなければならない。
【0033】
その後、ウェハAおよびBは、全ての粒子状の残骸物やその他の表面汚染物質を除去するために清浄され、好ましくは窪み32内が排気されるように真空下で、適切な位置で互いに合わされ、結合される。ウェハの温度を数百℃にまで上げて、ウェハ間に数百ボルトの電位差をかけることにより、陽極結合を形成することができる。また、結合媒体として低融点ガラスを使用した場合には、ウェハの温度をガラスの融点近くまで上げ、ウェハに圧力をかけることによって結合させることも可能である。またその代わりに、結合すべき両面を互いに合わせる前に、両面に好適な金属もしくは合金層を両面に堆積させておき、やはり高温加圧下で結合させてもよい。ウェハAおよびBはこのように互いに結合されて、図6に示したような複合ウェハ36(ここでウェハABと呼ぶ)が形成される。
【0034】
製造工程の次の段階は、ウェハAの背面に第3ウェハ34(ここではウェハCと呼ぶ)を結合させてウェハAの背面を封止することである。図6に示したように、ウェハCの両面C1,C2は窒化シリコン層30’により被覆され、面C1は前述の結合媒体の1つである層35により被覆されている。完全に清浄を行った後、前述のように、この面C1は、複合ウェハAB(36)の背面と接するように(好ましくは、空洞29内が排気されるように真空下で)合わされ、前述のように(例えば陽極結合によって)結合される。これにより、図7に示したように、互いに結合された3つのウェハA,B,Cの積層体によって形成された複合ウェハ37(ここではウェハABCと呼ぶ)が得られる。
【0035】
この製造工程の最終段階は、FBARデバイスの金属線路20,21,23,24と接続させることである。これは、図7と8を参照して以下に説明するように、複合ウェハABCの面B2を通してビアホール39をエッチングすることにより達成される。
【0036】
面B2上の窒化シリコン層30’に窓38が開けられている。これらは、孔39がこれらの窓を通して(必須ではないが、好ましくはドライで深い反応性イオンエッチング法を用いて)エッチングされたとき、形成された孔39が最終的に金属線路と交差するように位置している。いかなる残留窒化シリコンもしくは酸化シリコンもドライおよび/またはウエットエッチングの組み合わせにより、前記金属線路が露出するように除去される。
【0037】
その後、孔39の内側は、絶縁層で被覆され、図8に示したように熱蒸着、スパッタリング、無電解めっき法、電解めっき法やこれらの組み合わせもしくは類似した手法を用いて金属40が充填される。そして、面B2上の金属は、FBARフィルタにつながっている金属線路との電気的接続のためにこの後使用できる接続パッドを残すようにパターン化される。これにより、ウェハの製造は完了し、切断により、あるいは、深い反応性イオンエッチングプロセスを用いて複合シリコンウェハの表面に深い溝をエッチングする等して、個々のデバイスが切り離される。
【0038】
ウェハ規模で気密的にパッケージングするこの技術は、例えばサファイアといったシリコン以外の基板上に作られたFBARフィルタにも容易に応用することが可能であることは、容易に理解されるであろう。また、この方法は、その他のタイプのFBARもしくはSBARフィルタにも応用できることも理解されるであろう。例えば、もしFBARフィルタが、共振膜を開放するためにウェハの背面側からエッチングをしないタイプで、もっぱら前面側からエッチングを行うデザインのものである場合は、上述したウェハCは省くことができ、ウェハBだけで気密的にパッケージすることが可能となる。この場合、コンタクトホールは、得られた複合ウェハのどちら側からでもエッチングすることができる。
【0039】
また、複合ウェハ中に孔を形成しなくても、FBARフィルタにつながっている金属線路に接続させることも可能である。これは、複合ウェハを、金属線路の終端を横切るように切断し、これらをフィルタを支持している各々のチップの端で露出させることにより行うことができる。これは、図9に示されている。金属線路が露出しているチップの端部は、最初に絶縁層42で被覆される。絶縁層42としては、蒸着させたポリマーや、金属酸化物もしくは窒化物を用いることができる。孔43はこの絶縁層において開口されており、金属線路は、チップの端部に金属層44を塗布することで接続される。
【0040】
理解されるように、本発明によれば、シリコン等の半導体ウェハやその他のタイプのウェハ上に形成された複数の薄膜バルク波共振子(FBAR)からなるフィルタを、従来のピックアンドプレイス式の機械で容易に取り扱うことのできるチップのような部品となるように、気密的にパッケージングすることができる方法が提供される。
【0041】
以上の説明は、本発明の長所や利点を説明すべく意図されたものであり、変形や改良は本発明の精神や範囲内で可能であることが理解されるであろう。本発明は、そのような変形や改良の全てを含んでおり、この方法および/またはここに記述された方法による製品のいかなる新規な特徴や新規な特徴の組み合わせにまで及ぶと考えられる。
【図面の簡単な説明】
【図1】図1は、直列に接続された2つのFBARと並列に接続された2つのFBARを備えた好適なフィルタの概要図を示している。
【図2】図2は、本発明による、完全な、パッケージされたFBARの1つの可能な実施形態の概要図を示している。
【図3】図3は、FBARの上面図と断面図を示している。
【図4】図4は、直列および並列に接続されたはしご型フィルタを形成する複数のFBAR共振子を示している。
【図5】図5は、FBARフィルタを支持するウェハAと、ウェハAと結合される最初のウェハであるウェハBとを示し、かつウェハBの面B1にFBARフィルタに対応する窪みがどのように形成されているかを示している。
【図6】図6は、互いに結合されて複合ウェハABとなっているウェハAおよびウェハB、ならびにウェハAの背面側の空洞を封止するために使用されるウェハCを示している。
【図7】図7は、FBARフィルタに通じる金属線路と導通するように面B2にエッチングされた孔を備えた複合ウェハABCを示している。
【図8】図8は、どのように、面B2にエッチングされた孔に金属が充填され、また、表面に接続パッドが形成されるかを示している。
【図9】図9は、接続パッドがどのようにFBARフィルタを支えているチップの端部に堆積されるかを示している。
本発明は、フィルタの、もしくはフィルタに関係する改善に関し、特に、半導体もしくは絶縁ウェハ上に形成された複数のバルク波共振子(BAR)を含んだフィルタを気密的にパッケージングする方法に関する。
【0002】
薄膜バルク波共振子(FBAR)は、高い周波数、特にMHzおよびGHz域において共振ピークを示すため、魅力的なデバイスである。さらに、FBARは1mm未満の非常に小さな寸法の電子フィルタの作製に使用することができる。したがって、FBARは携帯電話等の小型かつ軽量で薄い電気製品にも有用であると考えられる。
【0003】
図1は、4つのFBARを備えたフィルタの一例を示している。この4つのFBARはフィルタにおけるそれらの機能によって2つのグループに分けられる。図1中のFBAR1とFBAR2は直列に接続されている。したがって、この2つが1つのグループを構成している。また、FBAR3とFBAR4は並列に接続されていて、もう一方のグループを構成している。通常、全てのFBARは同じ手順で、同時に1つの基板上に作製される。したがって、各FBARはほぼ同じ構造で構成される。
【0004】
FBARの典型的なデザインはよく知られている。FBARの基本的な物理的構造は、通常はアルミニウムや金等の金属からなる2つの導電性電極に挟まれた、ZnO、AlNまたはチタン酸ジルコン酸鉛(PZT)等の材料からなる薄い圧電層により構成されている。通常、圧電層は、圧電層の動作部の真下に配置された基板の一部をエッチングすることによって、自由に架設されている。ただし、ある種のデバイスでは下地の基板が除去されず、動作する圧電層の真下に多層構造が配置される。これは、音響的な力を反射して基板から共振子へ戻す働きをし、このような構造は固く実装された共振子もしくはSBARとして知られている。これらのデバイス構造はいずれも周知のものである。
【0005】
圧電膜は非常に薄いので(いずれの構造においても)、その共振周波数は、膜や層表面に質量負荷を与える汚染物質に対して非常に敏感である。FBAR構造におけるこの膜は、通常はきわめて強固であるが、電子プリント回路基板やマルチチップモジュールを実装するために用いられる自動組立装置中で電子デバイスが受ける取り扱いに対しては物理的に弱いとも考えられる。したがって、これらのデバイスは使用前にパッケージされることが重要である。このパッケージは、不要な汚染物質の侵入に対して気密的に封止されなければならず、かつ強靭で、基本フィルタデバイスの領域への付加は可能な限り小さくなければならない。また、パッケージは低コストで可能な限り小さいことも必要である。
【0006】
本発明は、前述の考察からなされ、少なくとも上記の要求のいくつかに合った、上記のデバイスを気密的にパッケージングする技術を提供するものである。
【0007】
本発明は、複数のバルク波共振子(BAR)を支持する第1のウェハを用意する工程と、複数の窪みを有する第2のウェハを用意する工程と、第1および第2ウェハを結合して、第1ウェハの複数のBARが第2のウェハの複数の窪みに位置合わせされた複合ウェハを形成する工程と、個々のフィルタに分離する工程とを含む、フィルタを気密的にパッケージングする方法を提供する。
【0008】
複数の薄膜バルク波共振子(FBAR)を備えた無線周波数フィルタまたはマイクロ波フィルタのパッケージ化への、本発明の方法の好適な応用では、フィルタは、少なくとも1つのFBARが直列に接続され、他の1つのFBARが並列に接続されている複数のFBARを備えている。
【0009】
それぞれのFBARは(下から上の順に)基板、誘電層、下部電極として機能する1つ以上の金属層、圧電層、上部電極として機能する1つ以上の金属層、および、調整可能な質量負荷をもたらすために追加される(任意の)上部層からなる複数の層を備えていることが望ましい。この最後の層は導電性であっても絶縁性であってもよい。
【0010】
通常、複数の分離されたFBARフィルタデバイスは、フォトリソグラフィックパターニングやエッチングといった、半導体業界において開発されてきた周知の技術により、1つの基板上に同時に形成することができる。形成後、これらのデバイスは切断されて個々のデバイスに分離される。
【0011】
パッケージは、FBARフィルタを支持する基板に使われている材料と熱膨張がつり合うように選ばれた材料であるのが望ましい1つ以上のウェハからなり、前記ウェハは、FBARフィルタを支持しているウェハと結合され、予めエッチングされたり超微小機械加工されたりして、FBARデバイスの動作領域上に空洞を形成している。FBAR基板と結合されたウェハは、超微小機械加工されて、開口部が開けられ、これを通して、FBARフィルタの信号線および接地線に対して電気的接続が行われる。個々のフィルタは、加工後に切断されることによって分離されて個々の部品となる。
【0012】
本発明の方法によって作製されたFBARデバイスの一実施形態の概略を図2に示す。ここで、ウェハ1はFBARフィルタを支持するウェハである。このデバイスにおいて、層2は圧電材料であり、層3は窒化ケイ素等からなるエッチングストップ層であり、層4および層5はFBAR共振子の上部電極、下部電極を構成する金属層であり、層6はウェハ1の背面にエッチングマスクを形成するSiO2もしくは窒化ケイ素等からなるもう1つの層である。空洞7は、FBAR共振子を支える層を開放するためにウェハ1のバルクマイクロ加工により形成されたものである。
【0013】
ウェハ8は、ウェハ1上のFBARデバイスを封止する第2のウェハである。窒化ケイ素等の材料からなる層10に、スルーホールをエッチングすることによって、空洞もしくは窪み9が、このウェハにバルクマイクロ加工されている。このウェハ8は、結合層11によってウェハ1に結合されている。孔12は、窒化ケイ素等からなるもう1つの層10を使った深い反応性イオンエッチング等の加工方法によってウェハをエッチングして形成され、これらの孔の中に堆積された電極金属13は、FBAR共振子に通じる電極線路4と接続されている。
【0014】
任意に、第3ウェハ14が、結合層15を用いてウェハ1の背面に結合される。これはデバイスの背面にある空洞に対する保護シールを形成する。明らかに、これは、前面側のみからのエッチングによって形成されたFBARデバイスや、SBARデバイスには不要である。
【0015】
ここで理解すべきは、多くのFBARフィルタデバイスをシリコン等の材料からなる単一のウェハ上に形成することができるという点と、本発明の基本原理はFBARデバイスの加工と封止用ウェハの加工および結合とをウェハ規模で行うことであるという点である。個々のパッケージされたFBARデバイスは、パッケージング処理が完了した後に切断することによって、互いに分離されるだけである。
【0016】
本発明のその他の特徴、利点や長所については、添付した図面を参照し、例としてのみあげた以下の説明によって理解されるであろう。
【0017】
まず、6つのFBARを備えたFBARフィルタの典型的な作製手順について図3を参照して以下に述べる。最初に、ベアSiウェハ16の両面に、化学的気相成長法により、窒化ケイ素(SiNx)を200nmの厚さに付着させる。Siウェハ16の前面にはSiNx膜層18も設ける。Siウェハ16の背面のSiNxには、フォトリソグラフィおよび反応性イオンエッチングによってパターンを形成し、これを背面パターン層17とする。
【0018】
下部電極21を、いわゆるリフトオフプロセスにより、下記の手順で形成する。まず、フォトリソグラフィによって、フォトレジストのパターンを形成する。次に、スパッタリングにより、クロムと金(Cr/Au)を各々10nm、100nmの厚さに堆積する。CrはAuの接着層として使用される。次に、フォトレジストはアセトンに溶解するので、パターン化されたフォトレジストとその上のCr/Auとをアセトンを用いて除去する。この手順の後、下部電極21が得られる。
【0019】
次に、スパッタリングにより、圧電層19を形成するために酸化亜鉛(ZnO)を堆積させる。圧電層19の厚みは、1.2ミクロンである。圧電層19は酢酸でエッチングされ、電気プローブを下部電極21に接触させるためのコンタクトホール22が形成される。
【0020】
その後、上部電極20がリフトオフプロセスによって形成される。上部電極20は、伝送線と、図2においてLで示される一辺の寸法が200ミクロンの矩形の作用領域24とを有している。作用領域の大きさは、下部電極21についても同様である。
【0021】
上部電極20が形成されるとき、2つのグランド電極23も同じくリフトオフプロセスによって形成される。したがって、上部電極20は、特性インピーダンスが約50オームに設定された、コプレーナ導波路構造を有している。
【0022】
最後に、Siウェハ16は、背面パターン17を使用してKOH溶液で背面側からエッチングされ、フィルタの作製プロセスは完了する。異なった領域に直列および並列に接続された複数のFBAR共振子を作製することが一般的であることはよく知られている。
【0023】
前述のフィルタは、本発明によってパッケージできるFBARのタイプの一例に過ぎない。したがって、上述した好適なフィルタの各々の層に対する薄膜技術や材料は、これまで説明したものに限定されない。
【0024】
例えば、圧電層19の材料は、ZnOに限らない。その代わりに、高いQ値を示す窒化アルミニウム(AlN)や大きな電気機械結合係数を示すチタン酸ジルコン酸鉛(PZT)を用いることができる。また、その他にもタンタル酸鉛スカンジウムおよびチタン酸ビスマスナトリウムを用いることもできる。上部電極20および下部電極21の材料は、Cr/Auに限らない。その代わりに、電極としてしばしば使用されるアルミニウム(Al)やプラチナ(Pt)を用いることも可能である。膜層18と背面パターン層17の材料は、SiNxに限らない。その代わりにSiO2を用いることもできる。
【0025】
図4は、直列25および並列26に接続された、これら6つのFBAR共振子を用いたはしご型フィルタを示している。直列FBAR25および並列FBAR26のそれぞれの数は、3つとは限らない。これらの数は、帯域端減衰極のレベル、フィルタに必要な領域サイズ等の要求により決定すべきである。
【0026】
直列FBAR25および並列FBAR26として使用されるFBARは、下部電極21の背面側のSiウェハ20上にエッチングされた孔を備えたFBARに限らない。共振層の下にあるエアギャップは、ウェハ16の背面側から深い反応性イオンエッチングを行う方法や、窪みが共振層の下で横方向に拡張するようにウェハ前面側から基板材料をエッチングする方法等の他の方法によって形成することができ、あるいはウェハの前面側から圧電層の下の犠牲材料をエッチングすることによって形成することができる。あるいは、多層ブラッグ反射層を下部電極21の背面側に使うこともできる。
【0027】
さらに、ウェハ16は必ずしもSiで作る必要はない。サファイアや酸化マグネシウムといった別のタイプの基板をFBARフィルタとして使用することも可能である。さらに、FBARフィルタは、互いに音響的に結合するようにデザインされた1つより多い圧電層を備えることもできる。ここまで述べてきた全てのFBARフィルタは、本発明で記述される方法を用いて、ウェハ規模で気密的にパッケージすることが可能である。
【0028】
次に、ウェハ規模で気密的にカプセル化されたりパッケージされたFBARフィルタを製造するためのある特定の方法について、図5〜図8を参照して説明する。ここでは、シリコンウェハ上に作られたデバイスを例に用いるが、この方法がシリコン以外のウェハ上に作られたデバイスであっても同じように応用できることは容易に理解できるであろう。
【0029】
最初に、複数のFBARフィルタを支持するウェハを前節で記述した通りに形成する。ここでは、図5を参照すると、圧電層の動作部分の下部においてエッチングされた1つ以上の空洞29と個々に連結された、いくつかのFBAR共振子からなるFBARフィルタのデザインに従って作製された複数のFBARフィルタ28を支持するウェハ27(ここではウェハAと呼ぶ)が示されている。
【0030】
第2のウェハ30(ここではウェハBと呼ぶ)は、2つのウェハを突き合わせて戴置したときに窪み32の位置が第1ウェハ27上のFBARフィルタ28の動作部分と一致するように表面上においてエッチングされた窪み32を有するように作製される。これは、以下に記述されるようにして達成される。
【0031】
最初に、ウェハBの両面に窒化シリコン層30’を被覆する。結合媒体層33が表面(ここでは面B1と呼び、このウェハの反対面を面B2とする)上に堆積される。面B1は最終的に、ウェハAと結合される。好適な結合媒体は、仮に陽極結合を使うならば、ホウケイ酸ガラスである。代わりに低融点のガラスを堆積することも可能である。これらのガラスはRFマグネトロンスパッタリングといった方法を用いて堆積することができる。
【0032】
窓31が、(フォトリソグラフィおよびドライエッチングを用いて)窒化シリコン層に開けられる。これらの窓31の位置は、ウェハA上のFBARフィルタ28の動作領域の位置に合わせて定められる。窪み32は、面B1を好適なエッチング媒体にさらすことで、面B1にエッチングされる。シリコンウェハの場合、エッチング媒体は例えば、KOHのプロパノール溶液またはエチレンジアミンとピロカテコールの混合物である。あるいは、ドライエッチング技術を使用して同様な結果を得ることも可能である。窪み32の深さは、2つのウェハAおよびBが互いに合わされたときにFBAR共振子がウェハBのいかなる部分にも接触しないように、十分に(典型的には数ミクロン程度に)深くなければならない。
【0033】
その後、ウェハAおよびBは、全ての粒子状の残骸物やその他の表面汚染物質を除去するために清浄され、好ましくは窪み32内が排気されるように真空下で、適切な位置で互いに合わされ、結合される。ウェハの温度を数百℃にまで上げて、ウェハ間に数百ボルトの電位差をかけることにより、陽極結合を形成することができる。また、結合媒体として低融点ガラスを使用した場合には、ウェハの温度をガラスの融点近くまで上げ、ウェハに圧力をかけることによって結合させることも可能である。またその代わりに、結合すべき両面を互いに合わせる前に、両面に好適な金属もしくは合金層を両面に堆積させておき、やはり高温加圧下で結合させてもよい。ウェハAおよびBはこのように互いに結合されて、図6に示したような複合ウェハ36(ここでウェハABと呼ぶ)が形成される。
【0034】
製造工程の次の段階は、ウェハAの背面に第3ウェハ34(ここではウェハCと呼ぶ)を結合させてウェハAの背面を封止することである。図6に示したように、ウェハCの両面C1,C2は窒化シリコン層30’により被覆され、面C1は前述の結合媒体の1つである層35により被覆されている。完全に清浄を行った後、前述のように、この面C1は、複合ウェハAB(36)の背面と接するように(好ましくは、空洞29内が排気されるように真空下で)合わされ、前述のように(例えば陽極結合によって)結合される。これにより、図7に示したように、互いに結合された3つのウェハA,B,Cの積層体によって形成された複合ウェハ37(ここではウェハABCと呼ぶ)が得られる。
【0035】
この製造工程の最終段階は、FBARデバイスの金属線路20,21,23,24と接続させることである。これは、図7と8を参照して以下に説明するように、複合ウェハABCの面B2を通してビアホール39をエッチングすることにより達成される。
【0036】
面B2上の窒化シリコン層30’に窓38が開けられている。これらは、孔39がこれらの窓を通して(必須ではないが、好ましくはドライで深い反応性イオンエッチング法を用いて)エッチングされたとき、形成された孔39が最終的に金属線路と交差するように位置している。いかなる残留窒化シリコンもしくは酸化シリコンもドライおよび/またはウエットエッチングの組み合わせにより、前記金属線路が露出するように除去される。
【0037】
その後、孔39の内側は、絶縁層で被覆され、図8に示したように熱蒸着、スパッタリング、無電解めっき法、電解めっき法やこれらの組み合わせもしくは類似した手法を用いて金属40が充填される。そして、面B2上の金属は、FBARフィルタにつながっている金属線路との電気的接続のためにこの後使用できる接続パッドを残すようにパターン化される。これにより、ウェハの製造は完了し、切断により、あるいは、深い反応性イオンエッチングプロセスを用いて複合シリコンウェハの表面に深い溝をエッチングする等して、個々のデバイスが切り離される。
【0038】
ウェハ規模で気密的にパッケージングするこの技術は、例えばサファイアといったシリコン以外の基板上に作られたFBARフィルタにも容易に応用することが可能であることは、容易に理解されるであろう。また、この方法は、その他のタイプのFBARもしくはSBARフィルタにも応用できることも理解されるであろう。例えば、もしFBARフィルタが、共振膜を開放するためにウェハの背面側からエッチングをしないタイプで、もっぱら前面側からエッチングを行うデザインのものである場合は、上述したウェハCは省くことができ、ウェハBだけで気密的にパッケージすることが可能となる。この場合、コンタクトホールは、得られた複合ウェハのどちら側からでもエッチングすることができる。
【0039】
また、複合ウェハ中に孔を形成しなくても、FBARフィルタにつながっている金属線路に接続させることも可能である。これは、複合ウェハを、金属線路の終端を横切るように切断し、これらをフィルタを支持している各々のチップの端で露出させることにより行うことができる。これは、図9に示されている。金属線路が露出しているチップの端部は、最初に絶縁層42で被覆される。絶縁層42としては、蒸着させたポリマーや、金属酸化物もしくは窒化物を用いることができる。孔43はこの絶縁層において開口されており、金属線路は、チップの端部に金属層44を塗布することで接続される。
【0040】
理解されるように、本発明によれば、シリコン等の半導体ウェハやその他のタイプのウェハ上に形成された複数の薄膜バルク波共振子(FBAR)からなるフィルタを、従来のピックアンドプレイス式の機械で容易に取り扱うことのできるチップのような部品となるように、気密的にパッケージングすることができる方法が提供される。
【0041】
以上の説明は、本発明の長所や利点を説明すべく意図されたものであり、変形や改良は本発明の精神や範囲内で可能であることが理解されるであろう。本発明は、そのような変形や改良の全てを含んでおり、この方法および/またはここに記述された方法による製品のいかなる新規な特徴や新規な特徴の組み合わせにまで及ぶと考えられる。
【図面の簡単な説明】
【図1】図1は、直列に接続された2つのFBARと並列に接続された2つのFBARを備えた好適なフィルタの概要図を示している。
【図2】図2は、本発明による、完全な、パッケージされたFBARの1つの可能な実施形態の概要図を示している。
【図3】図3は、FBARの上面図と断面図を示している。
【図4】図4は、直列および並列に接続されたはしご型フィルタを形成する複数のFBAR共振子を示している。
【図5】図5は、FBARフィルタを支持するウェハAと、ウェハAと結合される最初のウェハであるウェハBとを示し、かつウェハBの面B1にFBARフィルタに対応する窪みがどのように形成されているかを示している。
【図6】図6は、互いに結合されて複合ウェハABとなっているウェハAおよびウェハB、ならびにウェハAの背面側の空洞を封止するために使用されるウェハCを示している。
【図7】図7は、FBARフィルタに通じる金属線路と導通するように面B2にエッチングされた孔を備えた複合ウェハABCを示している。
【図8】図8は、どのように、面B2にエッチングされた孔に金属が充填され、また、表面に接続パッドが形成されるかを示している。
【図9】図9は、接続パッドがどのようにFBARフィルタを支えているチップの端部に堆積されるかを示している。
Claims (14)
- 複数のバルク波共振子(BAR)(2;28)を支持する第1のウェハ(1;27)を用意する工程と、
複数の窪み(9;32)を有する第2のウェハ(8;30)を用意する工程と、
第1および第2のウェハ(1、8;27、30)を互いに結合させて、第1のウェハ(1;27)のBAR(2;28)が第2のウェハ(8;30)の窪みと位置合わせされた複合ウェハ(1、8;36)を形成する工程と、
個々のフィルタ(2;28)を分離する工程と
を含むことを特徴とするフィルタの気密的パッケージング方法。 - 複数の薄膜バルク波共振子(FBAR)を備え、それぞれの共振子(2、28)が2つの金属電極(4、5;20、21)に挟まれた薄い圧電層(2;19)とその他の材料層とで構成された電気的フィルタを気密的にパッケージングする方法であって、
複数のそのようなFBARフィルタ(2;28)を支持するウェハ(1;27)は、窪み(9;32)が、FBARフィルタ(2;28)を支持する前記第1のウェハ(1;27)の表面に結合される面に予めエッチングされた、少なくとも1つのその他のウェハ(8;30)と結合され、
前記一対のウェハ(1,8;27,30)は複合ウェハ(1,8;36)を形成し、
個々のフィルタ(2;28)は、ウェハ(1、8;27,30)が加工された後に分離される
ことを特徴とする方法。 - フィルタ(2;28)との接続を形成するために、孔(12;39)がエッチングされ、金属(13;40)で充填されていることを特徴とする請求項1または2に記載の方法。
- フィルタとの接続を形成するために、フィルタが切り離された後に、金属層(44)がフィルタ(28)の端部に堆積されることを特徴とする請求項1または2に記載の方法。
- 第3のウェハ(14;34)が、第1のウェハ(1;27)の第2のウェハ(8;30)から離れた面に結合されていることを特徴とする先行のいずれかの請求項に記載の方法。
- 1つ以上のウェハ結合工程は真空下で行われることを特徴とする先行のいずれかの請求項に記載の方法。
- 1つ以上のウェハ結合工程には、ホウケイ酸結合層を用いた陽極結合が用いられることを特徴とする先行のいずれかの請求項に記載の方法。
- 1つ以上のウェハ結合工程は結合層として低融点ガラスを用い、その結合は加熱と加圧の組み合わせにより行われることを特徴とする請求項1ないし6のいずれかに記載の方法。
- 1つ以上のウェハ結合工程は結合層として金属もしくは合金を用い、その結合は加熱と加圧の組み合わせにより行われることを特徴とする請求項1ないし6のいずれかに記載の方法。
- 先行のいずれかの請求項に記載の方法によって形成されるフィルタ。
- FBARフィルタを備えたことを特徴とする請求項10に記載のフィルタ。
- 各々のFBARフィルタが(下から上へ)、基板と、誘電層と、下部電極として機能する1つ以上の金属層と、圧電層と、上部電極として機能する1つ以上の金属層からなる複数の層を備えたことを特徴とする請求項11に記載のフィルタ。
- それぞれのFBARフィルタは、さらに、導電性もしくは絶縁性のいずれでもよい上部層を備えたことを特徴とする請求項12に記載のフィルタ。
- SBARフィルタを備えたことを特徴とする請求項10に記載のフィルタ。
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