JP2009526420A - 圧電薄膜共振器（ｆｂａｒ）の周波数のチューニング - Google Patents
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Abstract
【課題】圧電薄膜共振器（ＦＢＡＲ）の周波数をチューニングする。
【解決手段】 １枚のウェハ上に複数のＦＢＡＲを形成し、後にダイシングするとしてもよい。ウェハに形成されたデバイスはすべて同一の共振周波数を有するのが理想的ではあるが、製造工程におけるバラツキによって、ＦＢＡＲデバイスの周波数応答には、同一ウェハ上に設けられた複数のＦＢＡＲデバイス同士でわずかにバラツキが見られる場合がある。ここで、ウェハ上にゾーン（５０および５２）を定義するべくＲＦマップを作成するとしてもよい。各ゾーン内のＦＢＡＲはすべて、目標とする周波数からの周波数のずれが同程度である。ウェハ上にチューニング層（４０）を堆積するとしてもよい。ＲＦマップによって特定されたゾーンに従って、リソグラフィー技術を用いてチューニング層をパターニングすることによって、複数のＦＢＡＲが当該ウェハ上に設けられた状態において、ＦＢＡＲの共振周波数を同一の目標共振周波数に補正するとしてもよい。
【選択図】図１０
【解決手段】 １枚のウェハ上に複数のＦＢＡＲを形成し、後にダイシングするとしてもよい。ウェハに形成されたデバイスはすべて同一の共振周波数を有するのが理想的ではあるが、製造工程におけるバラツキによって、ＦＢＡＲデバイスの周波数応答には、同一ウェハ上に設けられた複数のＦＢＡＲデバイス同士でわずかにバラツキが見られる場合がある。ここで、ウェハ上にゾーン（５０および５２）を定義するべくＲＦマップを作成するとしてもよい。各ゾーン内のＦＢＡＲはすべて、目標とする周波数からの周波数のずれが同程度である。ウェハ上にチューニング層（４０）を堆積するとしてもよい。ＲＦマップによって特定されたゾーンに従って、リソグラフィー技術を用いてチューニング層をパターニングすることによって、複数のＦＢＡＲが当該ウェハ上に設けられた状態において、ＦＢＡＲの共振周波数を同一の目標共振周波数に補正するとしてもよい。
【選択図】図１０
Description
本発明の実施形態は圧電薄膜共振器（ＦＢＡＲ）に関する。特に本発明は、ウェハ単位で行う周波数チューニングに関する。
無線高周波（ＲＦ）デバイスにおいて、共振器は一般的に信号をフィルタリングおよび生成する目的で利用されている。現在の技術水準では通常、共振器を製造するにあたっては個別の結晶を利用する。デバイスを小型化するべく、マイクロマシン技術（ＭＥＭＳ）に基づいた共振器の製造が提案されてきた。ＭＥＭＳ共振器の一種として、圧電薄膜共振器（ＦＢＡＲ）が挙げられる。ＦＢＡＲデバイスは先行技術に係る共振器に比べて多くの利点を有する。例えば、高周波での挿入損失が低く、波形率が小さい。
共振器以外にも、現在利用されている無線システムが備える周波数素子のうちの多くを形成する場合にＦＢＡＲ技術を利用し得る。一例を挙げると、ＦＢＡＲ技術を用いてフィルタデバイス、オシレータ、共振器およびこれ以外にも数多くの周波数に関連する構成要素を形成するとしてもよい。ＦＢＡＲ技術は、表面弾性波（ＳＡＷ）技術および従来のクリスタルオシレータ技術などの他の共振器技術に比べた場合に、様々な利点があるとしてもよい。特に、クリスタルオシレータとは異なって、ＦＢＡＲデバイスはチップ上に集積化することが出来ると共に、通常ＳＡＷデバイスよりもパワー処理特性が良い。
ＦＢＡＲ（Ｆｉｌｍ Ｂｕｌｋ Ａｃｏｕｓｔｉｃ Ｒｅｓｏｎａｔｏｒ）には、技術をそのまま示すような名前が与えられており、対応する技術の一般的な原理を説明する上で名前が役に立ち得る。簡略に説明すると、「Ｆｉｌｍ」は２つの電極の間に設けられた窒化アルミニウム（ＡｌＮ）などの圧電薄膜を指す。圧電膜は、電界が存在する場合には機械的に振動すると共に機械的に振動する場合には電荷を生成するという特性を持つ。「Ｂｕｌｋ」は積層体の本体もしくは厚みを指す。電極間に交流電圧が印加されると圧電膜が振動し始める。「Ａｃｏｕｓｔｉｃ」は、デバイスの「Ｂｕｌｋ」内で共振する、この機械的な振動を指す（ＳＡＷデバイスの場合は表面のみで振動）。
ＦＢＡＲデバイスの共振周波数は当該デバイスの厚みで決まるので、デバイスの厚みは、所望のフィルタリング応答（正確な中心周波数および通過帯域等）を得るべく正確に制御する必要がある。通常のＦＢＡＲデバイスでは、処理後の共振周波数は普通、処理にバラツキがあるので、目標値とは異なる。上述したような独立した水晶共振器では、そういった共振周波数の誤差は例えば、レーザトリミング技術を用いて補正することができる。当該レーザトリミング技術によると、レーザを共振器に当てて、共振器から材料を除去するか、共振器に材料を追加することによって、共振器の共振周波数を所望の目標周波数に「チューニング」する。しかし、ＭＥＭＳ共振器（特に、高周波ＭＥＭＳ共振器）は一般的に水晶共振器に比べて非常に小型なので、従来用いられていたレーザトリミング技術の利用は現実的でない。このため、ＭＥＭＳ共振器の共振周波数を変更する技術が求められている。
以下の詳細な説明では、本発明を実施し得る実施形態を具体的に図示した添付図面を参照する。図示した実施形態は当業者が本発明を十分に実施できる程度に詳細に説明する。本発明の様々な実施形態は、互いに異なるものの、必ずしも互いに排他的ではないと理解されたい。例えば、一実施形態に関連して本明細書で説明する具体的な特徴、構成または特性は、本発明の目的および範囲を逸脱することなく、他の実施形態で実施されるとしてもよい。また、開示した各実施形態が備える個々の素子の位置または配置は、本発明の目的および範囲を逸脱することなく変形できると解釈されたい。このため、以下の詳細な説明は本発明を限定すると解釈されるべきではなく、本発明の範囲は本願特許請求の範囲によってのみ定義され、本願特許請求の範囲が請求する特徴の均等物の最大範囲に従って適切に解釈されたい。図面では、複数の図面にわたって、同じ参照番号は同一もしくは同様の機能に言及する。
図１は、ＦＢＡＲデバイス１０を示す概略図である。ＦＢＡＲデバイス１０は、シリコンなどの材料から成る基板１２の水平面上に形成されるとしてもよい。ＦＢＡＲデバイス１０はＳｉＯ２層１３を含むとしてもよい。基板１２上には、金属から成る第１層１４が形成され、続いて圧電層１６が金属層１４の上に配置される。圧電層１６は、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、ジルコン酸チタン酸亜鉛（ＰＺＴ）などの圧電材料によって形成されるとしてよい。圧電層１４の上には金属から成る第２層１８が設けられる。第１金属層１４は第１電極１４として機能し、第２金属層１８は第２電極１８として機能する。第１電極１４、圧電層１６および第２電極１８は積層体２０を形成する。図１に示すように、当該積層体の厚さは例えば約１．８μｍであってもよい。基板１２のうち、積層体２０の後方もしくは下方に当たる一部分は、開口部２２を形成するべく裏面バルク・シリコン・エッチングによって除去するとしてもよい。裏面バルク・シリコン・エッチングは、水酸化カリウム（ＫＯＨ）、テトラメチルアンモニウムヒドロキシド（ＴＭＡＨ）およびエチレンジアミンピロカテコール（ＥＤＰ）などの、結晶方位依存性エッチングに基づいて行うか、深堀り反応性イオンエッチングを用いて行うとしてもよい。
以上の構成によると、基板１２の開口部２２の上方に位置するように、第１電極１４と第２電極１６の間に圧電層１６が水平方向に形成されている。つまり、ＦＢＡＲ１０は水平方向に延伸する基板１２内に設けられた開口部２２の上方に浮遊した膜デバイスを備える。
図２は、ＦＢＡＲ１０を備える電気回路３０を示す概略図である。電気回路３０は、高周波（ＲＦ）電圧源３２を有する。高周波電圧源３２は、電気路３４を介して第１電極１４に接続されており、第２電気路３６を介して第２電極１８に接続されている。積層体２０全体は、共振周波数のＲＦ電圧３２が印加された場合に、Ｚ方向３１に自由に共振することができる。当該共振周波数は、図２ではアルファベット「ｄ」もしくは寸法（ｄｉｍｅｎｓｉｏｎ）の「ｄ」で示す、膜の厚さ、もしくは圧電膜積層体の実質的な厚さによって決まる。共振周波数は以下に示す式によって決まる。
の式において、ｆ０は共振周波数で、Ｖは圧電層の音速であり、ｄは圧電膜積層体の厚さである。
図１および図２に示した構造は、共振器またはフィルタとして利用することができる。ＦＢＡＲを形成するにあたっては、ＺｎＯ、ＰＺＴおよびＡｌＮなどから成る圧電膜１６を活性物質として利用するとしてもよい。圧電膜の物質特性（長手方向の圧電係数および音響損失係数等）は、共振器の性能を決めるパラメータである。性能を決める要因には、Ｑ係数、挿入損失および電気的／機械的接合などがある。ＦＢＡＲの製造工程では、圧電膜１６を、例えば反応性スパッタリングによって金属電極１４の上に堆積するとしてもよい。この結果得られる圧電膜は多結晶性で、ｃ軸が配向されている。つまり、ｃ軸が基板に対して垂直となっている。
１枚のウェハ上に複数のＦＢＡＲを形成して、後にダイシングするとしてもよい。ウェハに形成されたデバイスはすべて同一の共振周波数を有するのが理想的ではあるが、製造工程におけるバラツキによって、ＦＢＡＲデバイスの周波数応答には、同一ウェハ上に設けられた複数のＦＢＡＲデバイス同士でわずかにバラツキが見られる場合がある。ＦＢＡＲの基本共振周波数は主に、圧電膜積層体の厚さによって決まるが、当該基本共振周波数は音波の半分の波長に略等しい。ＦＢＡＲの周波数は、中央周波数および通過帯域幅などのフィルタリング応答について所望の値を実現できるように、正確に設定しなければならない。例えば、携帯電話アプリケーションにおいて利用されるバンドパスフィルタの場合、２ＧＨｚの周波数範囲において４ＭＨｚ内で周波数制御を行う必要がある。これは、約０．２％内の周波数バラツキに相当する。このように高い精度は現在の堆積技術の水準では達成が困難である。このため、ＦＢＡＲデバイスを製造する場合には、効果的で且つ低コストで実施できる後処理技術を利用する。
ダイシング後、各ＦＢＡＲデバイスは個別に細かくチューニングされるとしてもよい。現在では、イオンビームトリミング技術に基づく後処理が通常用いられ、上側電極をイオンミリングして周波数を補正する。この場合、イオンビーム設備およびそれに伴うメンテナンスがさらに必要となる。また、順次処理を行う（ダイ毎に順にトリミングする）のでスループットも低い。このことから、イオンビームトリミング技術は費用対効果が低い。このため、複数のＦＢＡＲデバイスがまだウェハ上に形成された状態で全てのＦＢＡＲデバイスの周波数を同時にチューニングするのが好ましい。
図３は、ウェハに形成された隣接する２つのＦＢＡＲデバイスを示す。例えばＳｉＯ２から成る犠牲リリース層３２を、シリコン基板３０の上にパターニングするとしてもよい。続いて、下側電極層３４を、リリース層３２と部分的に重複するように、基板３０上に堆積するとしてもよい。下側電極は例えば、Ａｌ、Ｍｏ、ＰｔまたはＷなどによって形成されるとしてもよい。圧電層３６は例えば、ＡｌＮ、ＰＺＴまたはＺｎＯなどから成り、下側電極１４の上に堆積されるとしてもよい。上側電極は例えば、Ａｌ、Ｍｏ、ＰｔまたはＷなどによって形成されるとしてもよく、圧電層３８の上にパターニングされるとしてもよい。本発明の実施形態によると、続いて、チューニング層４０を上側電極層３８の上に堆積するとしてもよい。チューニング層は例えば、ＡｌＮなどのＱ係数が高い金属ならどのような材料から成るとしてもよい。この後で、図４に示すように、エッチングなどによって犠牲ＳｉＯ２層を除去して、開口部４２を形成する。
本発明の実施形態によると、ＦＢＡＲ膜の上に形成したチューニング層４０に対してリソグラフィー技術に基づいてパターニングを行うので、ＦＢＡＲの共振周波数は、パターニング構造の寸法および形状を制御することによって、チューニングできるとしてもよい。また、リソグラフィー技術によって形成されるこの構造は、リソグラフィープロセスの露光量を制御することによって変化させることができる。以上の２点を鑑みると、本発明の実施形態は、複数のＦＢＡＲがまだウェハに形成された状態で、ＦＢＡＲの共振周波数を効果的且つ低コストで補正することができる。
図５は、ＲＦ試験の測定結果から得られるウェハ周波数マップを示す図である。同図に示すように、各ＦＢＡＲの共振周波数には、ウェハ内のゾーンによってわずかにバラツキがある。説明の便宜上、主な４つのゾーンを特定している。図示しているウェハ周波数マップによると、ゾーン１のＦＢＡＲ（５０）の共振周波数は２．０３〜２．０４ＧＨｚである。ゾーン２のＦＢＡＲ（５２）の共振周波数は２．０４〜２．０５ＧＨｚである。ゾーン３のＦＢＡＲ（５４）の共振周波数は２．０５〜２．０６ＧＨｚである。ゾーン４のＦＢＡＲ（５６）の共振周波数は１．９９〜２．００ＧＨｚである。ウェハ上に４つのゾーンを定義したが、理論上のゾーンの分け方は、１ゾーンが各ダイとなる程度まで正確にするとしてもよい。
図６に示すように、ウェハ周波数マップに基づき補正マップ（各ダイまたは１ゾーン内のダイについて必要な周波数の変更幅を示す）を得るとしてもよい。例えば、補正マップは同様に４つのゾーンを含むとしてもよい。当該４つのゾーンは、図５で定義したゾーンに対応するゾーン１（６０）、ゾーン２（６２）、ゾーン３（６４）およびゾーン４（６６）である。補正マップに応じた異なるリソグラフィーパターンを、各ゾーン内に含まれるダイに対するリソグラフィープロセスの露光量を変化させることによって、実現するとしてもよい。各ゾーンのＦＢＡＲの共振周波数は、リソグラフィー技術によって形成されるパターンによって、同一の目標値に補正されるとしてもよい。つまり、チューニング層４０のうち除去する量またはパターンをゾーン毎に変更するとしてもよい。一例を挙げると、ゾーン１ではチューニング層４０の３０％を除去するとしてもよい。ゾーン２ではチューニング層４０の４０％を除去するとしてもよい。このように、ウェハ上に設けられたＦＢＡＲ全ての共振周波数を略同じにするように、各ゾーン内のＦＢＡＲの微調整を行うとしてもよい。
実際には、図５および図６に示すようなウェハ周波数マップおよび補正マップを、ウェハ毎に新たに作成する必要はないとしてもよい。１つの製造ラインによって製造される一連のウェハに対応する周波数マップは類似している場合がある。このため、例えば、ウェハの製造が２０枚単位で行われる場合、２０枚のウェハ毎に１つの周波数マップおよび１つの補正マップを作成するのみで十分であるとしてもよい。
図７はＦＢＡＲを示す図であり、下側電極１４、圧電層１６および上側電極１８を示す。本発明の一実施形態によると、上側電極１８上に設けられたチューニング層４０は、エッチングされて、周期的に並べられた直線（紙面に対して垂直方向に延伸）を形成している。シミュレーションに基づいて計算を行うべく、エッチングで形成された直線を図示しているが、パターニング形状は他の形状であってもよい。説明の便宜上、下側電極１４の厚みは０．３μｍで、圧電層１６の厚みは１．２μｍで、上側電極１８の厚みは０．３μｍで、チューニング層４０の厚みは０．１５μｍであるとする。このため、チューニング層を含んだ積層体の高さ（Ｈ）は合計で、およそ２．１μｍとなる。チューニング層４０のエッチングによって形成された直線同士の間隔は「Ｓ」と示し、各直線の長さは「Ｌ」と示す。
図８は、チューニング層のパターンの周期が約Ｓ＝１．５μｍである場合に、上側電極１８上に残っているチューニング層４０のパターンの被覆率とＦＢＡＲの周波数の変化との関係をシミュレーションした場合の結果を示すグラフである。同図に示すように、上側電極１８上に残っているチューニング層の被覆率を０％（被覆していない）から１００％（全体を被覆）に変化させた場合、ＦＢＡＲの周波数のチューニングは４．００％以内の変化としてもよい。チューニング層４０のパターン特徴は、ピークが単一であり続けるように（純粋な質量負荷の効果）、特徴的な寸法よりも小さくなければならない。この場合、Ｈ＝２．１μｍにおいて、Ｌが０から１．５μｍの間で変化する場合、ピークが単一であり続けるためには、パターンの周期（Ｓ）は１．５μｍよりも小さくなくてはならない。
図９に示すように、チューニング層４０の厚みが増加するとリソグラフィープロセスに対する精度の要求も高くなる。ここで、チューニング範囲を約３．２７％とするには、リソグラフィープロセスの精度として約２３ｎｍが要求される。この程度の精度であれば、現在のリソグラフィー技術で達成することができる。
図１０は、ウェハ上に形成されたチューニング済みの２つのＦＢＡＲの例を示す図である。同図に示す例は図４に示した例に類似している。同様の構成要素については同様の参照番号を使用し、繰り返しを避けるべくここでは説明を省略する。同図に示すように、ウェハ上に設けられた２つのＦＢＡＲは、例えばゾーン１と２にまたがって形成されている。ゾーン２のＦＢＡＲは、ゾーン２のＦＢＡＲよりも、チューニング層４０がより多くの割合で除去されている。このようにして、ウェハ上に形成されたＦＢＡＲの共振周波数はすべて、ダイシングに先立って、同一の目標値に補正されるとしてもよい。
図１１は、本発明の一実施形態に係るプロセスを説明するフローチャートである。ブロック７０において、標準的なプロセスを用いてウェハ上にＦＢＡＲを製造する。ブロック７２において、チューニング層４０を上側電極１８の上に設ける。続いてブロック７４においてリリース膜を除去して、図１０に例示した開口部４２を形成する。ブロック７６において、ＲＦ試験を実行して、図５に示すような全体のウェハ周波数マップを作成する。ブロック７８において、ゾーン毎に露光を行うことにより、フォトリソグラフィープロセスをチューニング層４０に対して実行する。
図６に示したようなゾーンパターンは、ウェハ全体におけるＦＢＡＲの周波数のバラツキを補償するべく、ウェハ周波数マップに基づいて決定する。ブロック８２において、図１０に示すように、ゾーン毎にチューニング層４０を除去する割合を変化させつつ、チューニング層に対してエッチングを行う。ブロック８２において、ウェハ上に設けられたＦＢＡＲはすべて、選択された任意の目標値に一致する同一の共振周波数を有するとしてもよい。
図面に図示した本発明の実施形態の上述の説明は、要約の記載内容も含め、本発明を網羅的に説明するものではなく、また、開示した具体的な形態に本発明を限定するものでもない。本発明の具体的な実施形態および例を例示を目的として本明細書において説明してきたが、当業者には明らかであるように、本発明の範囲を超えることなく、様々な変形を実施することが可能である。
上述の詳細な説明を参考にすることによって、こういった変形を本発明に対して実施することができる。本願特許請求の範囲で使用されている用語は、本発明を明細書および請求項で開示されている具体的な実施形態に限定するものと解釈されるべきではない。本発明の範囲は本願特許請求の範囲によってのみ決まるべきものであって、特許請求の範囲は、既に確立されている請求項解釈の原則に従って解釈されるべきである。
Claims (20)
- 一のウェハと、
前記ウェハ上に形成された複数のデバイスであって、それぞれが対応する共振周波数を有する複数のデバイスと、
前記複数のデバイスの上に形成されたチューニング層と、
前記チューニング層と対応付けられた複数のゾーンと
を備える装置であって、
前記複数のデバイスを一の目標共振周波数にチューニングするべく、複数の様々なゾーンが異なるチューニング層パターン特徴を持つ
装置。 - 前記複数のデバイスは、複数のマイクロマシン（ＭＥＭＳ）デバイスを含む
請求項１に記載の装置。 - 前記複数のＭＥＭＳデバイスは、複数の圧電薄膜共振器（ＦＢＡＲ）を含む
請求項２に記載の装置。 - 前記パターン特徴は、複数の周期的に設けられた直線を含む
請求項３に記載の装置。 - 前記チューニング層は、Ｑ係数が高い金属を含む
請求項１に記載の装置。 - 前記複数の周期的に設けられた直線は、任意のゾーンにおける前記チューニング層の割合を決める
請求項４に記載の装置。 - 前記チューニング層の前記割合は０％から１００％の間である
請求項６に記載の装置。 - 一のウェハ上に複数のデバイスを形成することと、
前記複数のデバイスの上にチューニング層を堆積することと、
前記ウェハ全体に対して、デバイスの共振周波数が類似しているゾーンを複数特定することと、
前記複数のデバイスを一の目標共振周波数にチューニングするべく、前記チューニング層の各ゾーン内に異なるパターンを作成することと
を有する方法。 - 前記複数のデバイスは、複数の圧電薄膜共振器（ＦＢＡＲ）を含む
請求項８に記載の方法。 - 前記特定することは、
前記複数のＦＢＡＲのうち、共振周波数が類似しているＦＢＡＲを特定している、高周波（ＲＦ）マップを前記ウェハに対して作成することを含む
請求項９に記載の方法。 - 前記ＲＦマップに基づき、前記異なるパターンを含む補正マップを作成すること
をさらに有する請求項１０に記載の方法。 - 前記補正マップとフォトリソグラフィー技術を用いて前記ゾーンパターンを形成することと、
前記チューニング層の選択箇所を除去するべくエッチングを行うことと
をさらに有する請求項１１に記載の方法。 - 前記ゾーンパターンは複数の周期的に設けられた線を含む
請求項１２に記載の方法。 - 前記複数の周期的に設けられた線は、任意のゾーンにおける前記チューニング層の割合を決める
請求項１２に記載の方法。 - 前記チューニング層の前記割合は０％から１００％の間である
請求項１４に記載の方法。 - 一のウェハに設けられた複数の圧電薄膜共振器（ＦＢＡＲ）をチューニングする方法であって、
一のウェハに複数のＦＢＡＲを形成することと、
前記複数のＦＢＡＲの上にチューニング層を堆積することと、
共振周波数が類似しているＦＢＡＲを有するゾーンを前記ウェハ上において複数特定している高周波（ＲＦ）マップを、前記ウェハに対して作成することと、
前記ＲＦマップに基づき、前記チューニング層の複数のパターン特徴を含む補正マップを作成することと、
フォトリソグラフィー技術を用いて、前記複数のＦＢＡＲの共振周波数を一の目標周波数に補正するべく、前記チューニング層に前記複数のパターン特徴を形成することと
を有する方法。 - 前記チューニング層は、Ｑ係数が高い金属を含む
請求項１６に記載の方法。 - 前記複数のパターン特徴は、任意のゾーンにおける前記チューニング層の割合を指す、複数の周期的に設けられた線を含む
請求項１６に記載の方法。 - 前記チューニング層の前記割合は０％から１００％の間である
請求項１８に記載の方法。 - 周波数補正は０％から４％の間である
請求項１９に記載の方法。
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