JP2021520755A - フィルムバルク音響波共振器およびその製造方法 - Google Patents
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Abstract
本願は、フィルムバルク音響波共振器およびその製造方法を開示する。この製造方法は、ＳＯＩ基板の第１面上に下部電極を形成するステップと、前記ＳＯＩ基板の第１面と下部電極上に圧電層を形成するステップと、前記圧電層上にトップ電極を形成するステップと、ＳＯＩ基板の第１面とは反対側の第２面上にエアキャビティを形成するステップとを含む。本願によって提供される製造方法は、ＦＢＡＲの製造プロセスが簡素化され、この方法によって成長したＡｌＮフィルム結晶は良好な品質を有し、デバイス性能の改善に寄与し、同時にシリコン酸素注入アイソレーションの位置によってトップ層シリコンの厚さを制御することで共振器の周波数を調整でき、ＳＯＩ材料は低消費電力、高集積度、耐放射特性などの特徴を有するので、デバイスの製造プロセスが簡素化され、将来の５Ｇ通信システムの無線周波数フロントエンドに対して新しい方向性をもたらす。【選択図】図７
Description
本願は、通信電子部品の技術分野に属し、特に、フィルムバルク音響波共振器およびその製造方法に関する。
２０１７年、中国のスマートフォンの出荷台数は４億６１００万台に達した。共振器は、携帯電話の無線周波数で広く使用されているデュプレクサ、フィルターのコアデバイスであり、通信の開発に伴い、携帯電話で同時に互換性が必要な通信帯域が増え続け、必要な共振器の数も徐々に増え、無線通信システムの多機能化、集積化の開発傾向とデバイスの増加により、共振器の小型化、集積度、高周波、高性能などが要求されるところ、従来のマイクロ波共振器は、電磁波を搬送波として使用するため、現在のアプリケーションにおける通信帯域では、共振器のサイズを非常に大きくする必要があり、現在の小型化の要求とは逆行するのに対し、音響波は電磁波より速度が４〜５桁小さく、対応する音響波共振器のサイズも電磁波共振器の体積より４〜５桁小さくなり、現在のデバイスの要求を満たし、同時に、現在の表面音響波共振器デバイスと比較して、バルク音響波共振器は高周波条件下でプロセスの難度が比較的に低く、集積化の実現が容易であり、一方で、表面音響波共振器は平面波伝搬であり、エネルギーが櫛歯部分に集中するため、損失が過大になる。したがって、フィルムバルク音響波共振器は、現在の携帯電話における無線周波数フロントエンドの開発傾向とより適合しやすい。
フィルムバルク音響波共振器の原理は、圧電層の圧電効果を利用して上下の電極間に電気信号を印加するものであり、圧電層の圧電効果により音響信号が発生し、電極間で振動し、音響波全反射条件を満たす音響信号が保持され、残りの音響波信号が消失し、この音響信号を電気信号に変換して出力することで、電気信号の周波数を選択することができる。現在、圧電層に使用されている材料には、ＺｎＯ、ＰＺＴ、ＡｌＮがあり、ＡｌＮは比較的に完成度が高い調製プロセスを持つことにより、適切な電気機械結合係数、およびマイクロエレクトロニックプロセスとの互換性に特徴があり、適切な圧電層の材料として選択される。
図１に示すように、従来のフィルムバルク音響波共振器の構造は、Ｓｉ基板上に、支持層、下部電極、圧電層、および上部電極が順番に配置され、音響波はエアキャビティによってデバイス内部に閉じ込められる。２０１７年１１月頃、中国の産業情報技術省は５Ｇシステムのミッドバンド範囲を公式に定めて、隣接する他の周波数帯域における新たなアプリケーションの受付や承認をしなくなり、５Ｇ時代の進歩は、共振器に新たな課題をもたらす。日本の富士通が製造したＦＢＡＲおよびその関連製品は構造が比較的に多様であり、同社が申請した関連特許からすると、ＦＢＡＲの構造は大きく、エアキャビティ型（例えば特許ＵＳ７３２３９５３Ｂ２）とエアギャップ（例えば特許ＵＳ２０１０００６０３８４Ａ１）の２つのカテゴリーに分けられる。
エアギャップは犠牲層を充填してから研磨する必要があり、プロセスが複雑で面倒である。従来のフィルムバルク音響波共振器では電極として金属を使用する場合、損失が大きくなり、同時に圧電フィルムはパターン化された電極に堆積またはスパッタリングされるため、段差に応力がかかり、圧電層およびその電極の膜厚がここで歪んでおり、応力が集中し、デバイス構造の信頼性に影響を与える。従来のデバイスも同様に、下部電極がパターン化された後段差が生成されるので、段差に応力がかかり、圧電層およびその電極の膜厚がここで歪んでおり、応力が集中し、デバイス構造の信頼性に影響を与える。
本願の主な目的は、従来技術の欠点を克服するためのフィルムバルク音響波共振器およびその製造方法を提供することである。
上記の目的を達成するために、本願は以下の技術的解決策を含む。
本願の実施例によって提供されるフィルムバルク音響波共振器の製造方法は、
ＳＯＩ基板の第１面上に下部電極を形成することと、
前記ＳＯＩ基板の第１面および下部電極上に圧電層を形成することと、
前記圧電層上にトップ電極を形成することと、
ＳＯＩ基板の第１面とは反対側の第２面上にエアキャビティを形成することとを含む。
さらに、本願の実施例は、前記フィルムバルク音響波共振器の製造方法によって形成されるフィルムバルク音響波共振器を提供する。
本願の実施例によって提供されるフィルムバルク音響波共振器の製造方法は、
ＳＯＩ基板の第１面上に下部電極を形成することと、
前記ＳＯＩ基板の第１面および下部電極上に圧電層を形成することと、
前記圧電層上にトップ電極を形成することと、
ＳＯＩ基板の第１面とは反対側の第２面上にエアキャビティを形成することとを含む。
さらに、本願の実施例は、前記フィルムバルク音響波共振器の製造方法によって形成されるフィルムバルク音響波共振器を提供する。
従来技術と比較すると、本願は以下の利点を有する。
１）本願の実施例によって提供されるフィルムバルク音響波共振器の製造方法は、基板としてＳＯＩを使用し、デバイス製造コストを低減し、製造された共振器は低消費電力、高集積度、低コスト、良好な耐放射特性などの特徴を有する。
２）本願の実施例によって提供されるフィルムバルク音響波共振器の製造方法は、プロセスが簡単であり、基板上にエッチング停止層および支持層を成長させる必要がなく、停止層および支持層構造はＳＯＩ基板中の絶縁層に置き換えられる。
３）本願の実施例によって提供されるフィルムバルク音響波共振器の製造方法は、選択的イオン注入によって高ドープシリコンを形成し、高ドープシリコンを電極として使用し、従来の電極によって引き起こされる段差構造の影響を解消する。
４）ＳＯＩ基板のトップ層Ｓｉが（１１１）結晶配向である場合、ＡｌＮフィルム結晶の品質を大幅に向上させ、それによってデバイスの性能を効果的に向上させることができる。
５）本願の実施例によって提供されるフィルムバルク音響波共振器の製造方法は、ＳＯＩ基板上にグラフェン、金属Ｍｏ、金属Ｗなどの材料の薄層を調製してからＡｌＮフィルムを成長させることで、ＡｌＮフィルム結晶の品質を向上させることもできる。
６）本願の実施例によって提供されるフィルムバルク音響波共振器は、５Ｇ技術またはより高い性能要件を備えたデバイスの将来の開発によってもたらされる技術的要件を満たすことができる。
１）本願の実施例によって提供されるフィルムバルク音響波共振器の製造方法は、基板としてＳＯＩを使用し、デバイス製造コストを低減し、製造された共振器は低消費電力、高集積度、低コスト、良好な耐放射特性などの特徴を有する。
２）本願の実施例によって提供されるフィルムバルク音響波共振器の製造方法は、プロセスが簡単であり、基板上にエッチング停止層および支持層を成長させる必要がなく、停止層および支持層構造はＳＯＩ基板中の絶縁層に置き換えられる。
３）本願の実施例によって提供されるフィルムバルク音響波共振器の製造方法は、選択的イオン注入によって高ドープシリコンを形成し、高ドープシリコンを電極として使用し、従来の電極によって引き起こされる段差構造の影響を解消する。
４）ＳＯＩ基板のトップ層Ｓｉが（１１１）結晶配向である場合、ＡｌＮフィルム結晶の品質を大幅に向上させ、それによってデバイスの性能を効果的に向上させることができる。
５）本願の実施例によって提供されるフィルムバルク音響波共振器の製造方法は、ＳＯＩ基板上にグラフェン、金属Ｍｏ、金属Ｗなどの材料の薄層を調製してからＡｌＮフィルムを成長させることで、ＡｌＮフィルム結晶の品質を向上させることもできる。
６）本願の実施例によって提供されるフィルムバルク音響波共振器は、５Ｇ技術またはより高い性能要件を備えたデバイスの将来の開発によってもたらされる技術的要件を満たすことができる。
従来技術の欠点を考慮して、本願の発明者は、長期の研究と広範な実践の後に、本願の技術的解決策を提案する。以下、該技術的解決策、その実施過程および原理などをさらに詳細に説明する。
本願の実施例によって提供されるフィルムバルク音響波共振器の製造方法は、
ＳＯＩ基板の第１面上に下部電極を形成することと、
前記ＳＯＩ基板の第１面および下部電極上に圧電層を形成することと、
前記圧電層上にトップ電極を形成することと、
ＳＯＩ基板の第１面とは反対側の第２面上にエアキャビティを形成することと、を含む。
ＳＯＩ基板の第１面上に下部電極を形成することと、
前記ＳＯＩ基板の第１面および下部電極上に圧電層を形成することと、
前記圧電層上にトップ電極を形成することと、
ＳＯＩ基板の第１面とは反対側の第２面上にエアキャビティを形成することと、を含む。
いくつかの具体的な実施形態では、前記製造方法は、イオン注入によってＳＯＩ基板のトップ層シリコンを処理し、その結果、少なくとも選択された領域のトップ層シリコンが高ドープ導電シリコン層に形成され、その後、前記高ドープ導電シリコン層をパターン化して前記下部電極を形成することを含む。
いくつかの具体的な実施形態では、前記製造方法は、ＳＯＩ基板の第１面において選択された領域に導電フィルム層を直接形成し、その後、前記導電フィルム層をパターン化して前記下部電極を形成することを含む。
好ましくは、前記導電フィルム層の材料は、グラフェン、モリブデン、タングステンのいずれか１つを含むが、これらに限定されない。
いくつかの具体的な実施形態では、前記製造方法は、具体的に、気相エピタキシャル成長またはマグネトロンスパッタリング成長により前記圧電層を形成することを含む。
好ましくは、前記圧電層の材料はＡｌＮを含む。
好ましくは、前記圧電層はＣ軸配向のＡｌＮ圧電フィルムである。
いくつかの具体的な実施形態では、前記製造方法は、具体的に、前記ＳＯＩ基板の第１面および下部電極上に圧電フィルムを形成した後にパターン化して前記圧電層を形成することを含む。
さらに、前記圧電層の下部電極に対応する一部の領域には、外部と連通するスルーホールも形成される。
好ましくは、誘導結合プラズマエッチング技術を使用して、前記圧電層上に前記スルーホールを形成する。
いくつかの具体的な実施形態では、前記製造方法は、具体的に、電子ビーム蒸発によってトップ電極層を形成した後にパターン化して前記トップ電極を形成することを含む。
好ましくは、前記トップ電極はＰｔ電極を含む。
さらに、前記ＳＯＩ基板の配向は（１１１）または（１００）である。
さらに、前記エアキャビティはＳＯＩ基板の裏面基板内に形成される。
好ましくは、前記エアキャビティの深さは５０〜１０００μｍであり、前記エアキャビティの面積は１０μｍ×１０μｍ〜１ｍｍ×１ｍｍである。
本願の実施例は、前記フィルムバルク音響波共振器の製造方法によって形成されるフィルムバルク音響波共振器をさらに提供する。
本願によって提供されるエアキャビティ型フィルムバルク音響波共振器は、ＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ−Ｏｎ−Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ、絶縁基板上のシリコン）基板、圧電層、およびトップ電極を含む。該共振器は、ＳＯＩの絶縁層の上のシリコン（即ちトップ層シリコン）を使用して、イオン注入によって高ドープ導電シリコン層を共振器の下部電極として形成し、または絶縁層の上のシリコンを利用して別の導電層を下部電極として形成する。同時に下部電極上に堆積またはスパッタリングによってＣ軸配向のＡｌＮ圧電フィルム層を成長させ、圧電層上に上部電極層が設けられる。該新規なＦＢＡＲ（フィルムバルク音響波共振器）構造の革新を使用すると、ＦＢＡＲの製造プロセスが簡素化され、この方法によって成長したＡｌＮフィルム結晶は良好な品質を有し、デバイス性能の改善に寄与し、同時にシリコン酸素注入アイソレーションの位置によってトップ層シリコンの厚さを制御することで共振器の周波数を調整する。本願は、ＳＯＩ材料の低消費電力、高集積度、低コスト、良好な耐放射特性などの特徴を合わせて、デバイスの製造プロセスが簡素化され、将来の５Ｇ通信システムの無線周波数フロントエンド、例えばフィルター、デュプレクサおよびマルチプレクサの製造に対して新しい方向性をもたらす。
この技術的解決策、その実施過程および原理などを以下にさらに説明する。
この技術的解決策、その実施過程および原理などを以下にさらに説明する。
（実施例１）
図７および図８を参照して、フィルムバルク音響波共振器は、ＳＯＩ基板７と、ＳＯＩ基板７の第１面（表面）上に順番配置された下部電極３、圧電層６およびトップ電極１と、を含み、ＳＯＩ基板７の第２面（裏面）にエアキャビティ５が設けられ、エアキャビティの深さは約２００μｍであり、前記エアキャビティの面積は約１５０μｍ×１５０μｍであり、下部電極３は選択された領域のＳＯＩ基板７のトップ層シリコン７１がイオン注入によって形成された高ドープ導電シリコン層であり、圧電層６の下部電極３に対応する領域に、外部と連通するスルーホール２がさらに設けられ、エアキャビティ５がＳＯＩ基板７の裏面基板７３内に設けられ、ＳＯＩ基板７はトップ層シリコン７１、裏面基板７３およびトップ層シリコン７１と裏面基板７３間に設けられた酸化層７２を含み、トップ電極１はＰｔ電極を使用する。実際の用途では、フィルムバルク音響波共振器の両側に２つのテストＧ電極４がさらに設けられる。
図７および図８を参照して、フィルムバルク音響波共振器は、ＳＯＩ基板７と、ＳＯＩ基板７の第１面（表面）上に順番配置された下部電極３、圧電層６およびトップ電極１と、を含み、ＳＯＩ基板７の第２面（裏面）にエアキャビティ５が設けられ、エアキャビティの深さは約２００μｍであり、前記エアキャビティの面積は約１５０μｍ×１５０μｍであり、下部電極３は選択された領域のＳＯＩ基板７のトップ層シリコン７１がイオン注入によって形成された高ドープ導電シリコン層であり、圧電層６の下部電極３に対応する領域に、外部と連通するスルーホール２がさらに設けられ、エアキャビティ５がＳＯＩ基板７の裏面基板７３内に設けられ、ＳＯＩ基板７はトップ層シリコン７１、裏面基板７３およびトップ層シリコン７１と裏面基板７３間に設けられた酸化層７２を含み、トップ電極１はＰｔ電極を使用する。実際の用途では、フィルムバルク音響波共振器の両側に２つのテストＧ電極４がさらに設けられる。
具体的には、フィルムバルク音響波共振器の製造方法は以下のステップを含む。
１）ＳＯＩ基板を用意し、アセトンとイソプロパノールを使用して超音波洗浄した基板構造が図２に示され、基板の厚さが５０ｎｍ〜１μｍである。
２）フォトリソグラフィによりパターン化し、ＳＯＩ基板のトップ層シリコン上に選択イオン注入によって一部のトップ層シリコンが高ドープ導電シリコンに形成され、パターン化された高ドープ導電シリコンを下部電極として使用し、得られたデバイスの構造が図３に示される。
３）気相エピタキシャル成長（ＭＯＶＣＤ）またはマグネトロンスパッタリング成長によって、ＳＯＩ基板のトップ層シリコンおよび下部電極上に高Ｃ軸配向のＡｌＮ圧電フィルムを圧電層として形成し、形成されたデバイス構造が図４に示される。
４）圧電層上にＩＣＰによってスルーホールをエッチングし、形成されたデバイスの構造が図５に示される。
５）圧電層上に電子ビーム蒸発によってトップ電極を形成しパターン化し、トップ電極はＰｔ電極であり、形成されたデバイスの構造が図６に示される。
６）基板の裏面をエッチングしてエアキャビティを形成し、形成されたフィルムバルク音響波共振器の構造が図７に示される。
１）ＳＯＩ基板を用意し、アセトンとイソプロパノールを使用して超音波洗浄した基板構造が図２に示され、基板の厚さが５０ｎｍ〜１μｍである。
２）フォトリソグラフィによりパターン化し、ＳＯＩ基板のトップ層シリコン上に選択イオン注入によって一部のトップ層シリコンが高ドープ導電シリコンに形成され、パターン化された高ドープ導電シリコンを下部電極として使用し、得られたデバイスの構造が図３に示される。
３）気相エピタキシャル成長（ＭＯＶＣＤ）またはマグネトロンスパッタリング成長によって、ＳＯＩ基板のトップ層シリコンおよび下部電極上に高Ｃ軸配向のＡｌＮ圧電フィルムを圧電層として形成し、形成されたデバイス構造が図４に示される。
４）圧電層上にＩＣＰによってスルーホールをエッチングし、形成されたデバイスの構造が図５に示される。
５）圧電層上に電子ビーム蒸発によってトップ電極を形成しパターン化し、トップ電極はＰｔ電極であり、形成されたデバイスの構造が図６に示される。
６）基板の裏面をエッチングしてエアキャビティを形成し、形成されたフィルムバルク音響波共振器の構造が図７に示される。
本願の実施例によって提供される製造方法は、ＳＯＩの絶縁層上のシリコンＳｉ材料に窒化アルミニウムＡｌＮフィルムをエピタキシャル堆積させることであり、このようなＳｉ(１１１)上に形成されたＡｌＮフィルム結晶は良好な品質を有し、スパッタリングなどによって形成されたＡｌＮフィルムよりも大幅に改善され、スパッタリングによって形成されたＡｌＮフィルムのＦＷＨＭは約３°であるが、本願の製造方法に基づくエピタキシャルによって形成されたＡｌＮは一般に０．５°未満である。
なお、上記の実施例は本願の技術的思想および特徴を例示するものに過ぎず、その目的は技術に精通している人々が本願の内容を理解し、それに応じて実施できるようにすることであり、本願の保護範囲はここに限定されない。実質的に本願の精神に基づきなされた等価の変更や修正はすべて本願の保護範囲に含まれるのは言うまでもない。
１…トップ電極、２…スルーホール、３…下部電極、４…テストＧ電極、５…エアキャビティ、６…圧電層、７…ＳＯＩ基板、７１…トップ層シリコン、７２…酸化層、７３…裏面基板
２０１７年、中国のスマートフォンの出荷台数は４億６１００万台に達した。共振器は、携帯電話の無線周波数のフロントエンドで広く使用されているデュプレクサ、フィルターのコアデバイスであり、通信の開発に伴い、携帯電話で同時に互換性が必要な通信帯域が増え続け、必要な共振器の数も徐々に増え、無線通信システムの多機能化、集積化の開発傾向とデバイスの増加により、共振器の小型化、集積度、高周波、高性能などが要求されるところ、従来のマイクロ波共振器は、電磁波を搬送波として使用するため、現在のアプリケーションにおける通信帯域では、共振器のサイズを非常に大きくする必要があり、現在の小型化の要求とは逆行するのに対し、音響波は電磁波より速度が４〜５桁小さく、対応する音響波共振器のサイズも電磁波共振器の体積より４〜５桁小さくなり、現在のデバイスの要求を満たし、同時に、現在の表面音響波共振器デバイスと比較して、バルク音響波共振器は高周波条件下でプロセスの難度が比較的に低く、集積化の実現が容易であり、一方で、表面音響波共振器は平面波伝搬であり、エネルギーが櫛歯部分に集中するため、損失が過大になる。したがって、フィルムバルク音響波共振器は、現在の携帯電話における無線周波数フロントエンドの開発傾向とより適合しやすい。
Claims (15)
- ＳＯＩ基板の第１面上に下部電極を形成するステップと、
前記ＳＯＩ基板の第１面および下部電極上に圧電層を形成するステップと、
前記圧電層上にトップ電極を形成するステップと、
ＳＯＩ基板の第１面とは反対側の第２面上にエアキャビティを形成するステップとを含む、ことを特徴とするフィルムバルク音響波共振器の製造方法。 - イオン注入によってＳＯＩ基板のトップ層シリコンを処理し、少なくとも選択された領域のトップ層シリコンが高ドープ導電シリコン層に形成され、その後、前記高ドープ導電シリコン層をパターン化して前記下部電極を形成するステップを含む、ことを特徴とする請求項１に記載の製造方法。
- ＳＯＩ基板の第１面において選択された領域上に導電フィルム層を直接形成し、その後、前記導電フィルム層をパターン化して前記下部電極を形成するステップを含む、ことを特徴とする請求項１に記載の製造方法。
- 前記導電フィルム層の材料にはグラフェン、モリブデン、タングステンのいずれか１つを含む、ことを特徴とする請求項３に記載の製造方法。
- 気相エピタキシャル成長またはマグネトロンスパッタリング成長によって前記圧電層を形成するステップを含む、ことを特徴とする請求項１に記載の製造方法。
- 前記圧電層の材料にはＡｌＮを含む、ことを特徴とする請求項５に記載の製造方法。
- 前記圧電層はＣ軸配向のＡｌＮ圧電フィルムである、ことを特徴とする請求項６に記載の製造方法。
- 前記ＳＯＩ基板の第１面および下部電極上に圧電フィルムを形成した後にパターン化して前記圧電層を形成するステップを含む、ことを特徴とする請求項５に記載の製造方法。
- 前記圧電層の下部電極に対応する一部の領域に、外部と連通するスルーホールがさらに設けられる、ことを特徴とする請求項１に記載の製造方法。
- 誘導結合プラズマエッチング技術によって前記圧電層上に前記スルーホールを形成するステップを含む、ことを特徴とする請求項９に記載の製造方法。
- 電子ビーム蒸発によってトップ電極層を形成した後にパターン化して前記トップ電極を形成するステップを含み、好ましくは、前記トップ電極はＰｔ電極を含む、ことを特徴とする請求項１に記載の製造方法。
- 前記ＳＯＩ基板の配向は（１１１）または（１００）である、ことを特徴とする請求項１に記載の製造方法。
- 前記エアキャビティはＳＯＩ基板の裏面基板内に形成される、ことを特徴とする請求項１に記載の製造方法。
- 前記エアキャビティの深さは５０〜１０００μｍであり、前記エアキャビティの面積は１０μｍ×１０μｍ〜１ｍｍ×１ｍｍである、ことを特徴とする請求項１３に記載の製造方法。
- 請求項１〜１４のいずれか１項に記載のフィルムバルク音響波共振器の製造方法によって形成されるフィルムバルク音響波共振器。
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