JP2022068857A - 特定共振周波数を有する薄膜バルク音響共振装置を製造する方法 - Google Patents

特定共振周波数を有する薄膜バルク音響共振装置を製造する方法 Download PDF

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Abstract

【課題】効率を向上させ、構造を単純化し、製造コストを削減するために、さまざまな揮発性有機化合物ガスを同時に検出できるＦＢＡＲ装置を製造する方法を提出する。【解決手段】特定共振周波数を有する薄膜バルク音響共振装置を製造する方法であって、上部電極を提供する工程と、下部電極を提供する工程と、前記上部電極と前記下部電極との間に第一圧電材料層を配置する工程と、前記上部電極に共振周波数決定金属層を配置する工程であって、前記共振周波数決定金属層は、厚さを有し、前記薄膜バルク音響共振装置の共振周波数と前記厚さとの間に曲線関係を形成し、前記厚さが線形に変化すると、前記共振周波数が非線形に変化する。【選択図】図１

Description

本発明は、微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）に使用される半導体技術に関する。 特に、本発明は、センサ及びエネルギー関連装置に使用されるＭＥＭＳに関する。
既存のセンサー技術には、純粋な機械センサー、ＣＭＯＳセンサー、ＭＥＭＳセンサーなどが含まれる。ただし、上記のセンサーの感度では、携帯電話などのポータブルデバイスなどを介したヒトの揮発性有機化合物（ＶＯＣ）ガスの検出要件を満たすことができない。チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）を備えた薄膜バルク音響共振（ＦＢＡＲ）装置はこれを行うことができる。
既存のＦＢＡＲ技術を改善して、効率を向上させたり、構造を単純化したり、製造コストを削減したりする方法は、改善の余地がある。
本願の発明者は、先行技術の欠如を考慮し、発明を改善するという考えを持っており、ついに「特定共振周波数を有する薄膜バルク音響共振装置を製造する方法」を発明することができた。
本発明は、特定共振周波数を有する薄膜バルク音響共振装置を製造する方法を提出することを主な目的とする。前記方法は、上部電極を提供する工程と、下部電極を提供する工程と、前記上部電極と前記下部電極との間に第一圧電材料層を配置する工程と、前記上部電極に共振周波数決定金属層を配置する工程であって、前記共振周波数決定金属層は、厚さを有し、前記薄膜バルク音響共振装置の共振周波数と前記厚さとの間に曲線関係を形成し、前記厚さが線形に変化すると、前記共振周波数が非線形に変化する。前記方法でされた異なる厚さの共振周波数決定金属層を有するＦＢＡＲ装置は、それぞれ異なる共振周波数を生成する。多周波制御により、異なる厚さの共振周波数決定金属層を有する複数のＦＢＡＲ装置を使用して、さまざまな揮発性有機化合物（ＶＯＣ）ガスを同時に検出できる。また、製造コストを削減するために、同じウェハにおいて、異なる厚さの共振周波数決定金属層を有するＦＢＡＲ装置を含むことができる。
本発明は、特定共振周波数を有する薄膜バルク音響共振装置を製造する方法を更に提出することを別の主な目的とする。前記方法は、上部電極を提供する工程と、下部電極を提供する工程と、前記上部電極と前記下部電極との間に第一圧電材料層を配置する工程と、前記上部電極に共振周波数決定金属層を配置する工程であって、前記共振周波数決定金属層は、厚さを有し、前記薄膜バルク音響共振装置の共振周波数と前記厚さとの間に曲線関係を形成し、前記厚さが線形に変化すると、前記共振周波数が非線形に変化する。
本発明は、特定共振周波数を有する薄膜バルク音響共振装置を製造する方法を更に提出することを別の主な目的とする。前記方法は、上部電極を提供する工程と、下部電極を提供する工程と、前記上部電極と前記下部電極との間に第一圧電材料層を配置する工程と、前記上部電極に共振周波数決定金属層を配置する工程であって、前記共振周波数決定金属層は、厚さを有し、前記薄膜バルク音響共振装置の共振周波数と前記厚さとの間に曲線関係を形成し、前記厚さが第一範囲にあると、前記曲線関係を第一曲線セグメントに定義し、前記厚さが第二範囲にあると、前記曲線関係を第二曲線セグメントに定義し、第一曲線セグメントの第一勾配を第二曲線セグメントの第二勾配よりも大きくなるようにする工程と、前記特定共振周波数に対応する前記厚さが前記第一範囲又は前記第二範囲にあることに応じて、特定の厚さを選択して前記薄膜バルク音響共振装置を製造する工程と、を含む。
本発明の好ましい実施形態に係るＦＢＡＲ装置を示す断面図である。 本発明の好ましい実施形態に係るＦＢＡＲ装置の共振周波数によって決定する金属層のＡｕの厚さに対するＦＢＡＲ装置の共振周波数を示す波形図である。
図１は、本発明の好ましい実施形態による係る薄膜バルク音響共振（ＦＢＡＲ）装置を示す断面図である。図１において、薄膜バルク音響共振装置１は、基板１０、第一絶縁層１２、第二絶縁層１３、第二圧電材料層１４、下部電極１５、第一圧電材料層（圧電材料薄膜）１６及び上部電極１７を含む。第一絶縁層１２は、基板１０に配置され、第二絶縁層１３は、第一絶縁層１２に配置され、第二圧電材料層１４は、第二絶縁層１３に配置される。下部電極１５は、第二圧電材料層１４に配置され、第一圧電材料層１６は、下部電極１５に配置され、上部電極１７は、第一圧電材料層１６に配置される。共振周波数決定金属層１８は、上部電極１７に配置され、感知材料に接続され、前記感知材料は、ＦＢＡＲ装置１の共振周波数を感知するために使用される。また、第一絶縁層１２と基板１０との間にエアギャップ１１があり、エアギャップ１１の内部は真空状態を示す。
基板１０は、シリコンを含み、第一絶縁層１２は、窒化ケイ素（ＳｉＮ）を含み、第二絶縁層１３は、二酸化ケイ素を含み、上部電極１７及び下部電極１５は、モリブデンを含み、第二圧電材料層１４及び第一圧電材料層１６は、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）又はチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）を含む。共振周波数決定金属層１８は、金（Ａｕ）を含む。
図１において、共振周波数決定金属層１８の厚さは、０．０５μｍ～０．１５μｍであり、例えば前記厚さは、０．０５μｍ（好ましい第一実施形態）、０．１μｍ（好ましい第二実施形態）又は０．１５μｍ（好ましい第三実施形態）である。第一絶縁層１２、第二絶縁層１３、第二圧電材料層１４、上部電極１７及び下部電極１５の厚さは、すべて０．２μｍであり、第一圧電材料層１６の厚さは、１μｍである。
図１に示すように、基板１０、第一絶縁層１２、第二絶縁層１３、第一圧電材料層１４、下部電極１５及び第二圧電材料層１６は、第一シリンダを形成し、前記第一シリンダの第一直径は、例えば２００μｍである。エアギャップ１１は、第二シリンダを形成し、前記第二シリンダの第二直径は、例えば１４０μｍである。共振周波数決定金属層１８及び上部電極１７は、第三シリンダを形成し、前記第三シリンダの第三直径は、例えば１００μｍである。
図２は、本発明の好ましい実施形態に係るＦＢＡＲ装置の共振周波数決定金属層のＡｕの厚さに対するＦＢＡＲ装置の共振周波数を示す波形図である。
図２に示すように、共振周波数決定金属層１８は、金（Ａｕ）を含み、共振周波数決定金属層１８の厚さが０．１μｍから０．１５μｍに増加すると、薄膜バルク音響共振装置１の共振周波数が増加した第一差値が２１ｋＨｚであり、共振周波数決定金属層１８の厚さが０．０５μｍから０．１μｍに増加すると、薄膜バルク音響共振装置１の共振周波数が増加した第二差値が０．４８ＧＨｚである。つまり、図２から見れば、共振周波数決定金属層１８の金の厚さが線形に変化する場合（例えば、共振周波数決定金属層１８の金の厚さが０．１μｍから０．１５μｍに増加する、或いは０．０５μｍから０．１μｍに増加する場合 ）、薄膜バルク音響共振装置１の共振周波数は、非線形変化を示す。例えば、金の厚さが０．１μｍから０．１５μｍに増加した場合、薄膜バルク音響共振装置１の共振周波数が増加した第一差値は約２１ｋＨｚ、或いは、金の厚さが０．０５μｍから０．１μｍに増加した場合、薄膜バルク音響共振装置１の共振周波数が増加した第二差値は約０．４８ＧＨｚである。
本発明の好ましい第四の実施形態に記載の方法によれば、特定共振周波数を有する薄膜バルク音響共振装置１を製造する方法を提出し、前記方法は、上部電極１７を提供する工程と、下部電極１５を提供する工程と、上部電極１７と下部電極１５との間に第一圧電材料層１６を配置する工程と、上部電極１７に共振周波数決定金属層１８を配置する工程であって、共振周波数決定金属層１８は、厚さを有し、薄膜バルク音響共振装置１の共振周波数と前記厚さとの間に曲線関係を形成し、前記厚さが線形に変化すると、前記共振周波数が非線形に変化する。
前記本発明の好ましい第四実施形態に記載の方法によれば、前記厚さが第一範囲にあると、前記曲線関係を第一曲線セグメントに定義し、前記厚さが第二範囲にあると、前記曲線関係を第二曲線セグメントに定義し、第一曲線セグメントの第一勾配を第二曲線セグメントの第二勾配よりも大きくなるようにする工程と、前記特定共振周波数に対応する前記厚さが前記第一範囲又は前記第二範囲にあることに応じて、特定の厚さを選択して前記薄膜バルク音響共振装置１を製造する工程と、を更に含む。
本発明の好ましい第五実施形態に記載の方法によれば、特定共振周波数を有する薄膜バルク音響共振装置１を製造する方法を提出し、前記方法は、上部電極１７を提供する工程と、下部電極１５を提供する工程と、上部電極１７と下部電極１５との間に第一圧電材料層１６を配置して、薄膜バルク音響共振装置１のコア構造（１５＋１６＋１７）を形成する工程と、上部電極１７に共振周波数決定金属層１８を配置する工程であって、共振周波数決定金属層１８は、厚さを有し、薄膜バルク音響共振装置１の共振周波数と前記厚さとの間に曲線関係を形成し、前記厚さが第一範囲にあると、前記曲線関係を第一曲線セグメントに定義し、前記厚さが第二範囲にあると、前記曲線関係を第二曲線セグメントに定義し、第一曲線セグメントの第一勾配を第二曲線セグメントの第二勾配よりも大きくなるようにする工程と、前記特定共振周波数に対応する前記厚さが前記第一範囲又は前記第二範囲にあることに応じて、特定の厚さを選択して前記薄膜バルク音響共振装置１を製造する工程と、を含む。
本発明の概念に従って提案された薄膜バルク音響共振装置を製造する時、製造コストを低減するために、同じウェハは、異なる厚さの共振周波数決定金属層を有する複数の薄膜バルク音響共振装置を含むことができる。例えば、同じウェハは、薄膜バルク音響共振装置の厚さが０．０５μｍである共振周波数決定金属層を有する１万個の素子（ダイ）、厚さが０．１μｍである金属層を有する１万個の前記ダイ、厚さが０．１５μｍである金属層を有する１万個の前記ダイを含んでもよい。これらの３万個のダイは、共振周波数決定金属層の異なる厚さを除いて、残りの構造はすべて同じである。従って、これらの３万個のダイは、共振周波数決定金属層の製造工程を除いて、残りのすべての製造工程は同じであり、同じ製造工程によって同時に製造することができる。そして、共振周波数決定金属層を製造する時、共振周波数決定金属層の三つの異なる厚さを製造するために三つの製造工程をそれぞれ調整することができるが、これらの金属層は依然として同じウェハで同時に製造する。従って、それらの製造コストは、三つの異なる厚さの三つの異なるウェハ上でそれぞれ製造された前記ダイの製造コストよりも比較的低い。
結論として、本発明は、特定共振周波数を有する薄膜バルク音響共振装置を製造する方法を提出し、前記方法は、上部電極を提供する工程と、下部電極を提供する工程と、前記上部電極と前記下部電極との間に第一圧電材料層を配置する工程と、前記上部電極に共振周波数決定金属層を配置する工程であって、前記共振周波数決定金属層は、厚さを有し、前記特定共振周波数と前記厚さとの間に曲線関係を形成し、前記厚さが線形に変化すると、前記特定共振周波数が非線形に変化する。前記方法でされた異なる厚さの共振周波数決定金属層を有するＦＢＡＲ装置は、それぞれ異なる共振周波数を生成する。多周波制御により、異なる厚さの共振周波数決定金属層を有する複数のＦＢＡＲ装置を使用して、さまざまな揮発性有機化合物（ＶＯＣ）ガスを同時に検出できる。また、製造コストを削減するために、同じウェハにおいて、異なる厚さの共振周波数決定金属層を有するＦＢＡＲ装置を含むことができる。従って、本発明は新規性と進歩性を有している。
以上、本発明を実施の形態を用いて説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施の形態に記載の範囲には限定されない。上記実施の形態に、多様な変更または改良を加え得ることが当業者に明らかである。その様な変更または改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれ得ることが、特許請求の範囲の記載から明らかである。
１ 薄膜バルク音響共振装置
１０ 基板
１１ エアギャップ
１２ 第一絶縁層
１３ 第二絶縁層
１４ 第二圧電材料層
１５ 下部電極
１６ 第一圧電材料層
１７ 上部電極
１８ 共振周波数決定金属層

Claims (10)

  1. 特定共振周波数を有する薄膜バルク音響共振装置を製造する方法であって、
    上部電極を提供する工程と、
    下部電極を提供する工程と、
    前記上部電極と前記下部電極との間に第一圧電材料層を配置する工程と、
    前記上部電極に共振周波数決定金属層を配置する工程であって、前記共振周波数決定金属層は、厚さを有し、前記薄膜バルク音響共振装置の共振周波数と前記厚さとの間に曲線関係を形成し、前記厚さが線形に変化すると、前記共振周波数が非線形に変化することを特徴とする方法。
  2. 前記薄膜バルク音響共振装置は、第一絶縁層、第二絶縁層、第二圧電材料層及び上部電極を更に含み、
    前記第一絶縁層は、前記基板に配置され、
    前記第二絶縁層は、前記第一絶縁層に配置され、
    前記第一圧電材料層は、前記第二絶縁層に配置され、
    前記第二圧電材料層は、前記上部電極と前記下部電極との間に配置され、
    前記第一絶縁層と前記基板との間には、エアギャップがあり、
    前記エアギャップの内部は、真空状態を示すことを特徴とする請求項１に記載の方法。
  3. 前記基板は、シリコンを含み、
    前記第一絶縁層は、窒化ケイ素を含み、
    前記第二絶縁層は、二酸化ケイ素を含み、
    前記上部電極及び前記下部電極は、モリブデンを含み、
    前記第一圧電材料層及び前記第二圧電材料層は、窒化アルミニウム又はチタン酸ジルコン酸鉛を含み、
    前記共振周波数決定金属層は、金（Ａｕ）を含むことを特徴とする請求項２に記載の方法。
  4. 前記厚さは、０．０５μｍ～０．１５μｍであり、
    前記エアギャップの深さは３μｍであり、
    前記第一絶縁層、前記第二絶縁層、前記第二圧電材料層、前記上部電極及び前記下部電極の厚さは、すべて０．２μｍであり、
    前記第一圧電材料層の厚さは、１μｍであることを特徴とする請求項２に記載の方法。
  5. 前記基板、前記第一絶縁層、前記第二絶縁層、前記第二圧電材料層、前記下部電極及び前記第一圧電材料層は、第一シリンダを形成し、
    前記第一シリンダは、第一直径が２００μｍであり、
    前記エアギャップは、第二シリンダを形成し、
    前記第二シリンダは、第二直径が１４０μｍであり、
    前記共振周波数決定金属層及び前記上部電極は、第三シリンダを形成し、
    前記第三シリンダは、第三直径が１００μｍであることを特徴とする請求項４に記載の方法。
  6. 前記共振周波数決定金属層の厚さが０．１μｍから０．１５μｍに増加すると、前記薄膜バルク音響共振装置の前記共振周波数が増加した第一差値が２１ｋＨｚであり、
    前記共振周波数決定金属層の厚さが０．０５μｍから０．１μｍに増加すると、前記薄膜バルク音響共振装置の前記共振周波数が増加した第二差値が０．４８ＧＨｚであり、
    前記共振周波数決定金属層は、感知材料に接続され、前記感知材料は、前記薄膜バルク音響共振装置の前記共振周波数を感知するために使用されることを特徴とする請求項４に記載の方法。
  7. 前記厚さが第一範囲にあると、前記曲線関係を第一曲線セグメントに定義し、前記厚さが第二範囲にあると、前記曲線関係を第二曲線セグメントに定義し、第一曲線セグメントの第一勾配を第二曲線セグメントの第二勾配よりも大きくなるようにする工程と、
    前記特定共振周波数に対応する前記厚さが前記第一範囲又は前記第二範囲にあることに応じて、特定の厚さを選択して前記薄膜バルク音響共振装置を製造する工程と、を更に含むことを特徴とする請求項４に記載の方法。
  8. 特定共振周波数を有する薄膜バルク音響共振装置を製造する方法であって、
    上部電極を提供する工程と、
    下部電極を提供する工程と、
    前記上部電極と前記下部電極との間に第一圧電材料層を配置する工程と、
    前記上部電極に共振周波数決定金属層を配置する工程であって、前記共振周波数決定金属層は、厚さを有し、前記薄膜バルク音響共振装置の共振周波数と前記厚さとの間に曲線関係を形成し、前記厚さが第一範囲にあると、前記曲線関係を第一曲線セグメントに定義し、前記厚さが第二範囲にあると、前記曲線関係を第二曲線セグメントに定義し、第一曲線セグメントの第一勾配を第二曲線セグメントの第二勾配よりも大きくなるようにする工程と、
    前記特定共振周波数に対応する前記厚さが前記第一範囲又は前記第二範囲にあることに応じて、特定の厚さを選択して前記薄膜バルク音響共振装置を製造する工程と、を含むことを特徴とする方法。
  9. 前記共振周波数決定金属層の前記厚さは、０．０５μｍ～０．１５μｍであり、
    前記薄膜バルク音響共振装置は、基板、第一絶縁層、第二絶縁層及び第二圧電材料層を更に含み、
    前記第一絶縁層は、前記基板に配置され、
    前記第二絶縁層は、前記第一絶縁層に配置され、
    前記第二圧電材料層は、前記第二絶縁層に配置され、
    前記下部電極は、前記第二圧電材料層に配置され、
    前記第一絶縁層と前記基板との間には、エアギャップがあり、
    前記エアギャップの内部は、真空状態を示すことを特徴とする請求項８に記載の方法。
  10. 前記基板は、シリコンを含み、
    前記第一絶縁層は、窒化ケイ素を含み、
    前記第二絶縁層は、二酸化ケイ素を含み、
    前記上部電極及び前記下部電極は、モリブデンを含み、
    前記第一圧電材料層及び前記第二圧電材料層は、窒化アルミニウム又はチタン酸ジルコン酸鉛を含み、
    前記共振周波数決定金属層は、金（Ａｕ）を含むことを特徴とする請求項９に記載の方法。
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