JP2008118480A - 圧電薄膜デバイスおよびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】メンブレン部の破損の抑制でき、メンブレン部と貫通電極との距離を短くでき、かつ気密性確保が容易な圧電薄膜デバイスおよびその製造方法を提供すること。
【解決手段】本発明は、基板（１０）内に貫通電極（３０）を形成する工程と、貫通電極（３０）を形成する工程の後、基板（１０）の表面に貫通電極３０に接続し、圧電膜（２４）を挟み下部電極（２２）と上部電極（２６）とが対向するメンブレン部（２０）を形成する工程と、を有することを特徴とする圧電薄膜デバイスおよびその製造方法である。
【選択図】図５

Description

本発明は圧電薄膜デバイスおよびその製造方法に関し、特に基板を貫通する貫通電極を有する圧電薄膜デバイスおよびその製造方法に関する。

携帯電話に代表される無線機器の急速な普及により、小型で高性能な共振器およびこれを組み合わせて構成したフィルタの需要が増大している。これまでは、主に誘電体や表面弾性波素子が使用されてきたが、最近、特に高周波での特性が良好で、小型化および他の半導体部品とのモノリシック化が可能な素子として、ＦＢＡＲ（Film Bulk Acoustic Resonator）素子およびこれを用いたフィルタが脚光を浴びている。

ＦＢＡＲ素子においてはウエハ上に下部電極、圧電膜および上部電極が形成されている。上部電極および下部電極は圧電膜に電気信号を与え圧電膜を振動させる。また、圧電膜において励起された共振エネルギーの拡散を抑えるため、圧電膜を挟み下部電極と上部電極とが対向する領域（メンブレン領域）の上下部分は空気層にする。そのため、メンブレン領域の下部の基板には所定の空隙（エアギャップ）が形成される。

従来のＦＢＡＲ素子またはＦＢＡＲ素子を用いたフィルタを実装した圧電薄膜デバイスについて説明する。図１を参照にＦＢＡＲ素子６０（またはフィルタ）をチップ状態に切断し、セラミックパッケージ６２のキャビティ７０内に実装する。セラミックパッケージ６２のパッド６６とＦＢＡＲ素子とをワイヤ６８を用い接続する。ＦＢＡＲ素子６０をキャビティ７０で気密封止するようにキャップ６４で蓋をする。ＦＢＡＲ素子６０とセラミックパッケージ６２との接続は、ワイヤボンディング以外にもフリップチップボンディングが用いられる。このように、メンブレン領域の上下部分を振動可能にするため、ＦＢＡＲ素子６０の周囲にはキャビティ７０を設けることが求められる。また、ＦＢＡＲ素子６０は、信頼性確保のため気密封止されることが求められる

近年、無線機器の高性能化、小型化に伴い、搭載部品に対する小型化のニーズが高まっている。特に、モジュール内に圧電薄膜デバイスを搭載する場合は、高周波フィルタのような受動部品に対する小型化の要求が高い。そこで、小型化のニーズを満足すべく、ウエハ単位で製造されたＦＢＡＲ素子をウエハレベルでチップサイズにパッケージングを行うウエハレベルパッケージ素子の開発が進められている。

図２は特許文献１に記載された圧電薄膜デバイスの例である。デバイスを作製したウエハである基板１０の表面（図２では下に示している）に、圧電膜を挟み上部電極と下部電極とが対向するメンブレン部２０が設けられている。メンブレン部２０下（図２では上）の基板１０には空隙１２が設けられている。メンブレン部２０には電気信号を引き出すための配線層１４が接続されている。配線層１４および基板１０を貫通する貫通電極３０が設けられている。基板１０の裏面（表面と反対の面、図２では上に示している）には貫通電極３０と接続し、ＦＡＢＲ２０の電気的信号を外部に入出力するための外部電極３２が設けられている。基板１０の表面側にキャップウエハであるキャップ部４０が配置されている。キャップ部４０のメンブレン部２０が対向する領域には凹部４２が設けられている。基板１０とキャップ部４０とはシーリング部４４で接合され、メンブレン部２０は気密封止されている。
特開２００５−１０９４３０号公報

図２の従来技術は図１の従来技術に比べ小型化に有利である。しかしながら、外部回路との電気的連結をするための貫通電極３０をメンブレン部２０の形成後、つまり空隙１２の形成後に形成しなければならない構造である。メンブレン部２０の下部電極、圧電膜および上部電極の厚さは材料の音速に依存するが、例えば９００ＭＨｚ〜５ＧＨｚの無線システム用途では、約０．５ｍｍ〜３．０ｍｍと非常に薄い。このため、基板１０に空隙１２を形成した後に貫通電極３０などの電気的連結部分が形成される構造は、貫通電極３０を形成する際の不意の外力により容易にメンブレン部２０が破壊されてしまうという課題がある。このような課題は、メンブレン部２０の上下を振動可能とすることが求められることからメンブレン部２０が破損し易いというＦＢＡＲ素子固有の課題である。

また、メンブレン部２０を破壊せずに貫通電極３０を形成するため、貫通電極３０をメンブレン部２０から離して形成することも考えられる。しかしながら、貫通電極３０をメンブレン部２０から離して形成すると配線層１４が長くなり配線抵抗が増加し、ＦＢＡＲ素子の損失が増加してしまうという課題がある。

さらに、図３は貫通電極３０付近を拡大した断面図である。配線層１４を形成した後に貫通電極３０を形成する際に、貫通電極３０は、貫通電極上部３４と配線層１４との界面５０および貫通電極３０と基板１０との界面の両方の密着を同時に確保することが求められる。しかしながら、配線層１４は金属、基板は絶縁体であるため、貫通電極３０を形成する際に両方との密着を同時確保することは難しい。このため、気密性の確保が難しいという課題がある。

本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、メンブレン部の破損を抑制し、メンブレン部と貫通電極との距離を短縮することが可能な圧電薄膜デバイスおよびその製造方法を提供することを目的とする。

本発明は、基板内に貫通電極を形成する工程と、前記貫通電極を形成する工程の後、前記基板の表面に前記貫通電極に接続し、圧電膜を挟み下部電極と上部電極とが対向するメンブレン部を形成する工程と、を有することを特徴とする圧電薄膜デバイスの製造方法である。本発明によれば、メンブレン部を形成する前に貫通電極を形成しているため、貫通電極を形成する工程においてメンブレン部が破損することを抑制することができる。また、メンブレン部を破壊せずに貫通電極を形成するため、貫通電極とメンブレン部との距離を短縮できる。

上記構成において、前記貫通電極を形成する工程は、前記基板の表面に凹部を形成する工程と、前記凹部に前記貫通電極を埋め込む工程と、を含み、前記貫通電極が露出するように前記基板を裏面より除去する工程を有する構成とすることができる。この構成によれば、簡単に貫通電極を形成することができる。

上記構成において、前記凹部を形成する工程は、ドライエッチングを用い前記凹部を形成する工程である構成とすることができる。この構成によれば、凹部を略垂直に形成することができる。

上記構成において、前記凹部に前記貫通電極を埋め込む工程は、前記凹部内にシード層を形成する工程と、前記シード層上に電界メッキを行いメッキ層を形成する工程と、を含む構成とすることができる。この構成によれば、厚膜の貫通電極を簡単に形成することができる。

上記構成において、前記メンブレン部となるべき領域の前記基板に空隙を形成する工程を有する構成とすることができる。この構成によれば、空隙を形成する前に貫通電極を形成できるため、貫通電極を形成する際にメンブレン部が破損することを一層抑制することができる。

上記構成において、前記基板上に前記メンブレン部を気密封止するキャップ部を形成する工程を具備する構成とすることができる。この構成によれば、気密性確保が容易となる。

上記構成において、前記キャップ部の前記メンブレン部に対向領域に凹部を有する構成とすることができる。この構成によれば、メンブレン部が基板に当たりメンブレン部が破損することを抑制することができる。

上記構成において、前記キャップ部を形成する工程は、前記基板と前記キャップ部を、金属を用いた接合、ガラスフリットを用いた接合、接着剤を用いた接合および陽極接合のいずれかで接合する構成とすることができる。

上記構成において、前記キャップ部を形成する工程は、前記基板上に前記メンブレン部を囲うように柱状樹脂部を形成する工程と、前記柱状樹脂部上に屋根樹脂部を形成する工程と、を有する構成とすることができる。

上記構成において、前記柱状樹脂部と前記屋根樹脂部とを覆うように保護膜を形成する工程を有する構成とすることができる。この構成によれば、柱状樹脂部と屋根樹脂部との界面からのリークを抑制し、気密性確保がより確実になる。

本発明は、基板に埋め込まれ、前記基板と同じ厚さを有する貫通電極と、前記基板上に設けられ、圧電膜を挟み下部電極と上部電極とが対向するメンブレン部と、前記基板および前記貫通電極上に形成され、前記圧電薄膜共振器と前記貫通電極とを接続するための配線層と、を具備する圧電薄膜デバイスである。本発明によれば、貫通電極とメンブレン部との距離を短縮できる。

上記構成において、前記基板上に設けられ、前記メンブレン部を密閉するキャップ部を具備する構成とすることができる。この構成によれば、気密性確保が容易となる。

上記構成において、前記基板は、メンブレン部に相当する領域に空隙を有する構成とすることができる。

本発明によれば、メンブレン部の破損の抑制し、メンブレン部と貫通電極との距離を短縮することが可能な圧電薄膜デバイスおよびその製造方法を提供することができる。

以下、図面を用い本発明の実施例を説明する。

図４を参照に、デバイスを作製したウエハであるシリコン（Ｓｉ）基板１０の表面（図４では下に示している）に、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）からなる圧電膜２４を挟みルテニウム（Ｒｕ）を主に含む上部電極２６と下部電極２２とが対向するメンブレン部２０が設けられている。メンブレン部２０下（図４では上に示している）の基板１０には空隙１２が設けられている。基板１０に埋め込まれ金（Ａｕ）からなる貫通電極３０が設けられている。メンブレン部２０には電気信号を引き出すため、金（Ａｕ）または銅（Ｃｕ）からなる配線層１４が接続され、配線層１４は貫通電極３０上に配置されている。基板１０の厚さは貫通電極３０の厚さと同じに設定されている。基板１０の裏面（表面と反対の面、図４では上に示している）には貫通電極３０と接続し、メンブレン部２０の電気的信号を外部に入出力するための半田からなる外部端子３８が設けられている。基板１０の表面側にＳｉからなりキャップウエハであるキャップ部４０が配置されている。基板１０とキャップ部４０とは金属または樹脂からなるシーリング部４４で接合され、メンブレン部２０は気密封止されている。基板１０の厚さは貫通電極３０の厚さと同じに設定されている。

次に、図５（ａ）から図６(ｇ)を用い実施例１に係る圧電薄膜デバイスの製造方法について説明する。図５（ａ）を参照に、Ｓｉ基板１０の所定領域をエッチングし深さ１００μｍ、直径１００μｍの凹部１６を形成する。Ｓｉ基板１０のエッチングはドライエッチングを用いることにより凹部１６を垂直に近い形状とすることができる。例えば、Ｄｅｅｐ−ＲＩＥ（反応性イオンエッチング）装置を用い、ＳＦ_６により基板１０をエッチングしＣ_４Ｆ_８により側壁保護を行う。このようなエッチングと側壁保護を交互に行うことにより凹部１６の側面を略垂直に形成することができる。凹部１６の側面を略垂直とすることで貫通電極３０の寸法を小さくできる。凹部１６の側面は略垂直ではなくなるが、凹部１６の形成をＫＯＨ（水酸化カリウム）や水酸化テトラメチルアンモニウム（ＴＭＡＨ）等を用いたウェットエッチングで行っても良い。

図５（ｂ）を参照に、凹部１６の底面および側面並びに基板１０の表面にＡｕからなるシード層３１をスパッタリング法を用い形成する。図５（ｃ）を参照に、Ａｕからなるメッキ層３３を凹部１６内に埋め込む。凹部１６以外に形成されたシード層３１およびメッキ層３３をＣＭＰ（Chemical Mechanical Polishing）法により除去する。これにより、基板１０の凹部１６に埋め込まれシード層３１とメッキ層３３からなる貫通電極３０が形成される。なお、図５（ｃ）では貫通電極３０は基板１０を貫通していないが、後に基板１０を貫通するため貫通電極３０と呼ぶ。貫通電極３０の形成は、スパッタリング法、蒸着法、ＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition) 法を用いても良いが、メッキ法を用いる方法は、厚い金属層を短時間で形成できるため有利である。

図５（ｄ）を参照に、基板１０のメンブレン部となるべき領域に空隙１２を形成する。空隙１２の形成は凹部１６の形成と同様の方法で行うことができる。空隙１２内を犠牲層で埋め、犠牲層上に下部電極２２、圧電膜２４および上部電極２６を形成する。上部電極２６および下部電極２２にそれぞれ接続する配線層１４を形成する。犠牲層を除去する。これにより、空隙１２上にメンブレン部２０が形成される。また、配線層１４によりメンブレン部２０は貫通電極３０に電気的に接続される。

図６（ｅ）を参照に、基板１０上にＦＢＡＲ素子領域を囲むようにエポキシ樹脂系の接着剤からなるシーリング部４４を設ける。Ｓｉ基板からなるキャップ部４０をシーシング部４４上に設ける。これにより、基板１０とキャップ部４０とがシーリング部４４で接着され、シーリング部４４およびキャップ部４０で囲まれたキャビティ４６が形成される。これにより、メンブレン部２０は気密封止される。なお、以降メンブレン部２０の下部電極、圧電膜および上部電極は省略して図示する。

図６（ｆ）を参照に、基板１０の裏面（表面の反対の面）を、約１００μｍの厚さとなるように研磨する。これにより、貫通電極３０は基板１０を貫通するように形成される。

図６（ｇ）を参照に、上下を反対にし、貫通電極３０上に半田からなる外部端子３８を形成する。基板１０およびキャップ部４０をダイシングし、実施例１に係る圧電薄膜デバイスであるウエハレバルパッケージが完成する。

実施例１によれば、図５（ｃ）のように、基板１０内に貫通電極３０を形成する。その後、図５（ｄ）のように基板１０の表面に貫通電極３０に接続するメンブレン部２０を形成する。このため、貫通電極３０の上面は配線層１４に覆われており、貫通電極３０の厚さは基板１０の厚さと略同じである。このように、メンブレン部２０を形成する前に貫通電極３０を形成しているため、貫通電極３０を形成する際の不意な外力でメンブレン部２０が破損することを抑制することができる。また、メンブレン部２０を破壊せずに貫通電極３０を形成することができるため、貫通電極３０をメンブレン部２０から離して形成する必要がなく、貫通電極３０とメンブレン部２０との距離を短縮できる。さらに、図７（ａ）は貫通電極３０付近の拡大図である。貫通電極３０を形成する際は、貫通電極３０と基板１０との界面５２の密着を確保すればよい。また、配線層１４を形成する際は、配線層１４と基板１０との界面５４の密着を確保すればよい。よって、貫通電極３０を形成する際貫通電極３０と基板１０との界面５２および貫通電極３０と配線層１４との界面５０の両方の密着を確保することが求められる図３（ａ）の従来技術に対し、キャビティ４６の気密性確保が容易となる。

また、貫通電極３０の形成は、図５（ａ）から図５（ｃ）のように、基板１０の表面に凹部１６を形成し、凹部１６に貫通電極３０を埋め込むことにより行う。そして、図６（ｆ）のように、貫通電極３０が露出するように基板１０を裏面より除去する。これにより、凹部１６の深さは後に貫通電極３０が貫通する程度でよい。さらに、空隙１２およびメンブレン部２０を基板１０が厚い状態で形成することができる。よって、簡単に貫通電極３０を形成することができる。

さらに、図５（ａ）のように、凹部１６の形成は、ドライエッチングを用い行う。これにより、凹部１６を略垂直に形成することができる。図５（ｂ）および図５（ｃ）のように、凹部１６への貫通電極３０の埋め込みは、凹部１６内にシード層３１を形成し、シード層３１上に電界メッキを行いメッキ層３３を形成することにより行う。これにより、厚膜の貫通電極３０を簡単に形成することができる。

図７（ａ）のキャップ部４０の形成は、基板１０とキャップ部４０との接合は、接着剤を用いる以外にも、金属を用いた接合、ガラスフリットを用いた接合で行うことができる。

図８のように、キャップ部４０はメンブレン部２０に対向する領域に凹部４２を有してもよい。これにより、メンブレン部２０が基板１０に当たりメンブレン部２０が破損することを抑制することができる。

図７（ｂ）のように、配線層１４は貫通電極３０の表面全体を覆うことが好ましい。これにより、配線層１４と貫通電極３０との接触抵抗を低減することができる。

実施例２は、キャップ部を陽極接合する例である。実施例１の図５（ａ）から図５（ｄ）の製造工程を行い、図９（ａ）のように、基板１０に貫通電極３０およびメンブレン部２０を形成する。図９（ｂ）を参照に、ガラス基板からなるキャップ部４０ａはキャビティ４６を形成する凹部を有している。キャップ部４０ａを陽極接合を用い基板１０に接合させる。実施例１の図６（ｂ）から図６（ｄ）と同じ工程を用い実施例２に係る圧電薄膜デバイスを製造する。

実施例３はキャップ部を樹脂を用い形成する例である。実施例１の図５（ａ）から図５（ｄ）の製造工程を行い、図１０（ａ）のように、基板１０に貫通電極３０およびメンブレン部２０を形成する。図１０（ｂ）を参照に、メンブレン部２０を囲うように柱状樹脂部４７を形成する。図１０（ｃ）を参照に、柱状樹脂部４７上にメンブレン部２０をキャビティ４６で気密封止するための屋根樹脂部４８を形成する。柱状樹脂部４７および屋根樹脂部４８でキャップ部４０ｂが構成される。図１０（ｄ）を参照に、柱状樹脂部４７と屋根樹脂部４８とを覆うように保護膜４９を形成する。実施例１の図６（ｂ）から図６（ｄ）と同じ工程を用い実施例３に係る圧電薄膜デバイスを製造する。

実施例３のように、キャップ部４０ｂの形成を、図１０（ｂ）のように、基板１０上にメンブレン部２０を囲うように柱状樹脂部４７を形成し、図１０（ｃ）のように、柱状樹脂部４７上に屋根樹脂部４８を形成することにより行うこともできる。柱状樹脂部４７および屋根樹脂部４８としては、エポキシ樹脂、ポリイミド樹脂、ベンゾシクロブテン（ＢＣＢ）樹脂、シリコーン樹脂または液晶ポリマー（ＬＣＰ）樹脂等を用いることができる。

保護膜４９を設けることにより、柱状樹脂部４７と屋根樹脂部４８との界面からのリークを抑制することができる。よって、気密性確保をより確実に行うことができる。保護膜４９としては、エポキシ樹脂、ベンゾシクロブテン（ＢＣＢ）樹脂、シリコーン樹脂、液晶ポリマー（ＬＣＰ）樹脂、金属または絶縁膜等を用いることができる。

実施例１から実施例３において、基板１０はＳｉ以外にもガラス、ＧａＡｓ等からなる基板を用いることができる。また、実施例１および実施例２において、キャップ部４０はＳｉ、ガラスまたは樹脂等を用いることができる。

以上、本発明の実施例について詳述したが、本発明は係る特定の実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。

図１は従来例１に係る圧電薄膜デバイスの断面図である。 図２は従来例２に係る圧電薄膜デバイスの断面図である。 図３は従来例２の貫通電極付近の拡大模式図である。 図４は実施例１に係る圧電薄膜デバイスの断面図である。 図５（ａ）から図５（ｄ）は実施例１に係る圧電薄膜デバイスの製造方法を示す断面図（その１）である。 図６（ｅ）から図６（ｇ）は実施例１に係る圧電薄膜デバイスの製造方法を示す断面図（その２）である。 図７（ａ）は実施例１の貫通電極付近の拡大模式図であり、図７（ｂ）は図７（ａ）のＡ−Ａ´断面図である。 図８は実施例１の変形例の断面図である。 図９（ａ）および図９（ｂ）は実施例２に係る圧電薄膜デバイスの製造工程を示す断面図である。 図１０（ａ）から図１０（ｄ）は実施例３に係る弾性波デバイスの製造工程を示す断面図である。

符号の説明

１０ 基板
１２ 空隙
１４ 配線層
１６ 基板の凹部
２０ メンブレン部
２２ 下部電極
２４ 圧電膜
２６ 上部電極
３０ 貫通電極
３１ シード層
３２ メッキ層
３８ 外部端子
４０ キャップ部
４２ キャップ部の凹部
４４ シーリングド部
４６ キャビティ

Claims (13)

1. 基板内に貫通電極を形成する工程と、
   前記貫通電極を形成する工程の後、前記基板の表面に前記貫通電極に接続し、圧電膜を挟み下部電極と上部電極とが対向するメンブレン部を形成する工程と、を有することを特徴とする圧電薄膜デバイスの製造方法。
2. 前記貫通電極を形成する工程は、前記基板の表面に凹部を形成する工程と、前記凹部に前記貫通電極を埋め込む工程と、を含み、
   前記貫通電極が露出するように前記基板を裏面より除去する工程を有することを特徴とする請求項１記載の圧電薄膜デバイスの製造方法。
3. 前記凹部を形成する工程は、ドライエッチングを用い前記凹部を形成する工程であることを特徴とする請求項２記載の圧電薄膜デバイスの製造方法。
4. 前記凹部に前記貫通電極を埋め込む工程は、前記凹部内にシード層を形成する工程と、前記シード層上に電界メッキを行いメッキ層を形成する工程と、を含むことを特徴とする請求項２または３記載の圧電薄膜デバイスの製造方法。
5. 前記メンブレン部となるべき領域の前記基板上に空隙を形成する工程を有することを特徴とする請求項１から４のいずれか一項記載の圧電薄膜デバイスの製造方法。
6. 前記基板上に前記メンブレン部を気密封止するキャップ部を形成する工程を具備することを特徴とする請求項１から５のいずれか一項記載の圧電薄膜デバイスの製造方法。
7. 前記キャップ部の前記メンブレン部に対向領域に凹部を有することを特徴とする請求項６記載の圧電薄膜デバイスの製造方法。
8. 前記キャップ部を形成する工程は、前記基板と前記キャップ部を、金属を用いた接合、ガラスフリットを用いた接合、接着剤を用いた接合および陽極接合のいずれかで接合することを特徴とする請求項６または７記載の圧電薄膜デバイスの製造方法。
9. 前記キャップ部を形成する工程は、前記基板上に前記メンブレン部を囲うように柱状樹脂部を形成する工程と、前記柱状樹脂部上に屋根樹脂部を形成する工程と、を有することを特徴とする請求項６記載の圧電薄膜デバイスの製造方法。
10. 前記柱状樹脂部と前記屋根樹脂部とを覆うように保護膜を形成する工程を有することを特徴とする請求項９記載の圧電薄膜デバイスの製造方法。
11. 基板に埋め込まれ、前記基板と同じ厚さを有する貫通電極と、
    前記基板上に設けられ、圧電膜を挟み下部電極と上部電極とが対向するメンブレン部と、
    前記基板および前記貫通電極上に形成され、前記メンブレン部と前記貫通電極とを接続するための配線層と、を具備することを特徴とする圧電薄膜デバイス。
12. 前記基板上に設けられ、前記メンブレン部を密閉するキャップ部を具備することを特徴とする請求項１１記載の圧電薄膜デバイス。
13. 前記基板は、前記メンブレン部に相当する領域に空隙を有することを特徴とする請求項１１または１２記載の圧電薄膜デバイス。

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