JP5559411B2 - 音響共振デバイス用の分離方法 - Google Patents

Description

本発明はバルク音波デバイスに関し、特に、共通の基板上に製造された薄膜共振（ＴＦＲ）デバイスからエネルギーを不適当に奪い、それらの間の結合を引き起こす、横波の伝搬の影響を制限する分離技術に関する。

近年、主としてセルラ通信、無線通信および光ファイバ通信において、ならびにコンピュータまたはコンピュータ関連情報交換システムまたは情報共有システムにおいて用いられる、バルク音波デバイスの開発で多くの研究が行われてきた。主として、低周波数のスペクトルは比較的混雑するようになってきたため、また、許容帯域幅は高周波数でより大きいため、かかるシステムにおいてはますます高い搬送周波数での動作が趨勢となっている。圧電性結晶は、非常に高い無線周波数（数ギガヘルツのレベル）で動作する、発振器、共振器、およびフィルタなどのバルク音波デバイス用の基礎を提供している。

もちろん、特定の結晶構造材料が圧電特性を有することは知られて久しい。特に、ときには直接圧電効果と呼ばれることもある効果においては、外部から圧力を加えると結晶表面に電荷が発生する。また、逆圧電効果もあり、その効果においては、外部手段によって結晶の面に電荷がかけられると、結晶は歪みや変形を示す。

多数の高周波数のアプリケーションにおいて、フィルタは、物理的特性（dimension）が共振電磁場の波長によって決定される、誘電体で満たされた電磁空洞共振器に基づいている。上記の電荷、圧力および歪みの間における相互作用のために、圧電材料は、電磁波と音波（すなわち物理的）との間を相互に変換するトランスデューサとして機能するので、電気的に共振するデバイスとしても使用できる。しかし、音波の速度は電磁波の速度の約１／１００００である。そのため、波の速度とデバイスの寸法との間のこの関係が、この材料を採用する音響共振器を含む特定のデバイスのサイズにおけるこの要因の削減をほぼ可能にしている。

図１は、典型的な音響共振デバイス１００の断面を示している。デバイス１００は、２つの導電性電極１０５および１１５の間に入れられた圧電材料１１０を含み、導電性電極の一方は基板１２０上に形成されている。これらの音響共振器の理想的な実現に際しては、デバイス表面に直交する機械的発振は、印加された電界によって励振される。せん断波、表面波および縦波の組み合わせを含む、他の多くの種類の発振が生成される。これらの波は、たとえば、実際のデバイスにおける非理想的な結晶構造の向き、共振器の縁のフリンジ電界、電極縁での機械的切断、不均一な電流分配などによって発生し得る。これらの波は、もはや純粋に縦波ではなく、音響エネルギーを運び去り、それがデバイス１００の側面から「漏出」することを基本的に許容し、かつ／または隣接するデバイスまたはシステム・コンポーネントとの干渉を引き起こす。これらのエネルギー損失は、たとえば、ＲＦ帯域フィルタとして使用されているデバイスにおけるエネルギー転送の低質化の原因となり、デバイスの効率や性能を阻害する。したがって、音響共振器などのバルク音波デバイスを、これらの横方向に生成される波がデバイスの効率や性能に与える有害な影響から分離する方法が必要とされている。

本発明は、基板上で２つの伝導体間に設けられた圧電材料から形成された音響共振デバイスを分離する方法を提供する。たとえば、少なくとも２つのデバイス間における、デバイス全体を囲むか部分的に囲む圧電材料の領域を除去し、デバイスの製造中にその領域において成長することを防止し、あるいはその領域内の結晶方位を修正させることができる。これらの技術のそれぞれは、デバイスから離れて横方向に伝搬する音響エネルギーの量を削減することができる。音響エネルギーのこの損失は、デバイスの効率および性能を阻害し、隣接または近接するデバイスまたはコンポーネントと干渉し得る。

本発明によれば、音響共振器などのバルク音波デバイスを、これらの横方向に生成される波がデバイスの効率や性能に与える有害な影響から分離すること。

典型的な薄膜共振器（ＴＦＲ）音響共振デバイスの断面図である。 本願の第１の実施形態による分離方法のブロック図である。 部分的に製造された音響共振デバイスの斜視図である。 本願の第１の実施形態による分離を行う前の、音響共振デバイスの斜視図である。 第１の実施形態による分離の後の、図４の音響共振デバイスの斜視図である。 トレンチング工程前の、１種類の音響共振デバイスの斜視図である。 トレンチング工程後の、１種類の音響共振デバイスの斜視図である。 本願の第２の実施形態による分離方法のブロック図である。 本願の第３の実施形態による分離方法のブロック図である。

本発明は、以下の詳細な説明および付属の図面から完全に理解されるであろう。図面において、同様の要素は同様の参照符号で表され、これらは例示によってのみ示されており、したがって本発明の限定となるものではない。

本発明は、音響共振デバイスにおける望まない横波の生成による、デバイス性能の損失を制限する方法を提供する。本発明の一態様においては、信号 伝送に関係しない圧電材料（すなわち、電極間にない圧電材料の少なくとも一部）が、デバイスから除去される。別の態様においては、デバイスの製造中に、圧電材料の成長が特定の領域に制限される。

更に別の態様においては、圧電材料の結晶方位がデバイスの製造中に中断されるか変更され、それによって、結晶構造の向きが非常に整然としている領域（たとえば、結晶構造が優れた圧電特性を示す領域）、および結晶構造の向きがそれほど整然としていない領域（すなわち、結晶構造が、非常に整然とした領域に比べて乏しい圧電特性を有する領域になる）を形成する。たとえば、成長の開始状態が、隣接する結晶粒の圧電性の好適な方向の任意選択を生じさせ得るので、圧電効果はネット・ゼロサムになる。

図２は、本願の第１の実施形態による音響共振デバイスを分離する方法を示している。現在のあらゆる集積回路があるので、製造する際にはＴＦＲ音響共振デバイスのバッチ製造に関係する無数の薄膜製造工程があり得るが、これらの工程の大半は、３つの主要な操作、堆積、リソグラフィおよびエッチングの反復適用を含む。

図２を参照すると、まず、基板などの基礎支持構造が提供される（ステップＳ１）。この場合に、基礎構造はデバイス動作に不可欠なものではなく、主として機械的支持を提供する。基礎構造（以下では「基板」と呼ぶ）は、シリコン・ウェハ基板とすることができ、好適には、シリコン・ウェハ、クオーツ・ウェハまたはガラス・ウェハなどの固体基板上に設けられたＳｉＯ₂およびＡｌＮなどの音響的に不整合な材料からなる複数の互い違いになった音響反射層を含むことができる。また、基板は、その下の材料を除去することにより製造される膜であってもよい。基板を設けた後に、薄い金属膜層（約１００ナノメートルまたは１００ｘ１０⁹メートルの厚さ）が基板表面状に堆積される（ステップＳ２）。この金属膜は、音響共振デバイス用の底面電極として機能し、Ａｌで形成されることが好ましいが、他の伝導体を使用してもよい。この堆積は、絶縁対象のＲＦスパッタリング、金属対象のパルスＤＣ反応スパッタリング、化学蒸着（ＣＶＤ）、分子線エピタキシー（ＭＢＥ）などの、当該技術分野において知られた多様な薄膜堆積技術の１つを用いて、真空チャンバ内で好適に行うことができる。

金属膜が一旦堆積されると、それはパターニング工程（ステップＳ３）を経る。金属膜を完全に被覆するために感光性で耐薬品性のポリマ、すなわち「フォトレジスト」の薄い層が塗布される、リソグラフィック工程が採用されている。光が通るように特定の場所に穴または開口を有する材料またはマスキング層である「フォトマスク」を通る光に露出することは、それに続く現像液への浸入が、光に当たったレジスト材料のみを除去するようにフォトレジストに感光性を与える。この時点で、サンプル表面は、保護レジスト層が残った領域と、保護されていない金属の領域とからなる。

パターニング工程は、このリソグラフィで画定されたパターンの、エッチング工程を介した金属層内への転写で継続する。当該技術分野においては、ウェット化学エッチング、反応イオン・エッチング（ＲＩＥ）およびスパッタ・エッチングを含む多数のエッチング技術が慣例的に実施されている。かかる工程は、化学的または物理的作用を介して、フォトレジストによって保護されていないあらゆる金属を除去しながら、レジスト被覆された金属が影響を受けないままにし、それによって金属表面を所望の電極パターンに「彫刻」する。かかる工程によって画定された電極を図３に示した。レジスト２１６は、基板２２０上の全ての未保護の材料の除去中に、金属層２１５を保護している。残りのフォトレジスト材料２１６が溶剤によって除去されると、所望のパターンによって画定された金属層２１５が残る。

次に、半完成品のデバイスは、活性圧電材料膜の堆積のために、真空チャンバに戻される（ステップＳ４）。上記の金属堆積方法と同様に、圧電層は、たとえば、絶縁対象のＲＦスパッタリング、金属対象のパルスＤＣ反応スパッタリング、化学蒸着（ＣＶＤ）および分子線エピタキシー（ＭＢＥ）を介するなど、種々の方法で堆積することができる。この圧電材料は窒化アルミニウム（ＡｌＮ）であることが好ましいが、たとえばＺｎＯまたはＣｄＳで構成されてもよい。金属膜と同様に、ＡｌＮ膜は基板上に完全に堆積されるが、金属膜とは異なってパターニングされておらず、デバイスの最上部電極を形成するＡｌの第２の薄い金属膜層でほぼ被覆される（ステップＳ５）。この第２の金属膜は、上記のリソグラフィック工程でパターニングされてエッチングされる（ステップＳ６）。フォトレジストが一旦除去されると、音響共振デバイスの構造はほとんど完成である。この時点ではデバイスはＴＦＲとして機能するが、以下で説明するステップを遂行する利点が更にある。

図４は、本願の第１の実施形態による分離を経る前の音響共振デバイスを示している。図４を参照すると、基板２２０を含む音響共振デバイス２００と、最上部および最下部の電極２０５および２１５によって挟まれた圧電層２１０とがある。層２１０は連続的（すなわち、パターニングされていない）ので、基部金属（最下部電極２１５）への直接的な電気接続はなく、音響共振デバイス２００は、実際には２つの「空洞」または一連に形成された共振器である。更に、層２１０内の圧電材料は、印加された電界がバルク音波、すなわち、主として、基板２２０の表面に垂直に移動する縦波を励振するように方向づけられる。伝搬のこのモードは、図４のこれらの音響共振デバイスを、材料特性および設計特性が音波を基板表面に平行にかつそれに沿って伝搬させる表面音響波（ＳＡＷ）デバイスと区別する。

上記のように、（電磁）ＲＦ信号が電極２０５と２１５との間に適用されると、それらの間に挟まれた圧電層２１０は、基板２２０に垂直に、多量の材料内で音波として振動することにより反応する。この作用は、ＡＣ信号によって励振されたときに、変化する電気信号に従って垂直圧縮および拡張を循環することにより反応する、電気作動のバネに類似している。このように、電気信号は、基板２２０の表面に直交する機械的動作に変換される。しかしながら、この動作は、非理想的な結晶方位、フリンジ電界、膜の粗さ、共振器の機械的境界などの影響のために、基板に垂直な軸に完全には限定されない。したがって、図４に示した音響共振デバイスにおいてさえ、エネルギーを運び去る横波の動きが励振されて、回収不可能に消散するか、同じ基板上の隣接するデバイスと干渉する。しかし、以下のステップは、エネルギーを運び去る横波の能力を制限することにより、音響共振デバイスの性能を強化することができる。

再び図２を参照すると、デバイスの製造（ステップＳ６の完了）後に、圧電層２１０は選択的エッチング工程、すなわち「トレンチング」工程を経る（ステップＳ７）。かかるトレンチング工程の１つは、本願出願の譲受人に共に譲受され、本願出願と同時に出願された、「Selective Etching of Thin Films」という名称の、同時係属の米国特許出願において説明されている。特に、信号 伝送に関係しない（電極２０５と２１５との間で）あらゆる圧電材料は、化学エッチングによって除去される。このエッチングは、ウェット・エッチング、イオン・ビーム・ミリングによって、あるいは好適には、塩素化学反応およびプラズマ・ボンバードメントを採用して材料を除去する反応イオン・エッチ（ＲＩＥ）チャンバで達成できる。やはり、エッチングすべきでない電極２０５と２１５との間の領域を保護するために、光学的に画定可能なレジストを使用する。したがって、横方向の音響モードの伝搬は、デバイスのエッチングされていない領域に限定され、デバイス間の干渉およびエネルギー損失を阻止する。

図５は、第１の実施形態による分離後の音響共振デバイスを示している。図５を参照すると、トレンチング後に、電極２０５、２１５および圧電層２１０の縁が互いに整合して、基板２２０上に良好に画定された境界を形成することが分かる。電極２０５と２１５との間の活性領域にはない全ての圧電材料は、除去されている。ここで音響振動は共振領域に良好に制限され、以前には２つの共振空洞の間で横波の動作を支持していた媒介物は排除されている。

分離の所望の改善を達成するために、材料の完全な除去は必要ではない場合があることを理解されたい。代替的に、電極間の活性領域内にない圧電材料の部分のみを除去することができる。また、場合によっては、設計者は相互連結のために平坦な表面を必要とすることや、エッチング中に露出されるデバイスの低い層（すなわち、金属膜、基板）を保護することを望むことがある。これを達成するために、圧電材料の除去によって形成された空隙に「充填」を行う。この空隙は、除去された圧電材料とは異なる材料で充填される。更に、分離が更に必要であれば、圧電層を越えて特定の領域の基板に材料のエッチングを続けることができる。しかし、電気的相互接続を保護するように注意しなければならない。

図６Ａおよび図６Ｂは、トレンチング工程の前および後の、１種類の音響共振デバイスを示している。図６Ａを参照すると、薄膜共振（ＴＦＲ）デバイス３００のＴセルが示されている。これは、たとえば、無線通信用のＲＦ帯域フィルタとして機能するように構成されている。これは、図４に示したものと同様のデバイスであるが、連続した共振器空洞（電極３３０と３０５との間の領域および電極３３５と３０５との間の領域によって画定された）に平行に分流共振器空洞（圧電層３１０を間に挟む電極３２５および３０５を囲む領域によって画定された）を加えてある。図４と同様に、共振器空洞の一部ではない圧電層３１０のパターニングされていない／エッチングされていない部分は、それを通る横波の伝搬を支持する。しかし、図６Ｂに示したように、トレンチング後には、ＴＦＲデバイス３００は、３つの共振器領域への音響エネルギーを制限する、良好に画定された境界を示している。したがって、好適な実施形態に従ってデバイス製造後にトレンチング工程を行うことは、音響エネルギーの横方向の損失および／または隣接するデバイス間の音響干渉によって引き起こされる崩壊に起因する、音響共振デバイスの性能の低下を制限する分離方法を提供する。

図７は、本発明の第２の実施形態による、音響共振デバイスを分離する方法を示している。ステップＳ１１〜Ｓ１３は、図２に示したステップＳ１〜Ｓ３と同一である。しかし、電極２０５と２１５との間にない圧電材料を除去することにより、製造後の音響共振デバイスを分離する代わりに、圧電材料の成長はステップＳ１４においてデバイス製造中に制限される。特に、圧電材料の堆積の前に、第１の実施形態に関して上記で説明したものと類似のマスキング層が形成される。このマスキング層は、ステンシルを通して塗料をスプレーするときに採用されるような、機械的シャドウ・マスクとすることができる。更に従来的なリソグラフィック薄膜製造方法では、このときパターニングされる膜の下にフォトレジストを用いるであろう。よく知られているように、このレジストはその後の膜堆積後に除去することができ、その表面上のあらゆる膜を「持ち上げて剥がし」、レジストで覆われた表面から離れて堆積された材料のみを残す。特に、マスキング層は、「開いた」領域（圧電材料が基板表面上の真空チャンバ内に堆積される）および「マスクされた」領域（圧電材料がマスク表面上の真空チャンバ内に堆積される）の輪郭を描くように形成される。それに続いてマスク、ひいてはその上にある材料を除去すると、活性圧電材料の島、すなわち「基台」が後に残る。

真空チャンバ内の圧電堆積およびその後の溶剤によるマスクの除去に続いて、図５および図６Ｂに示したものとほぼ同一に見える音響共振デバイスを得るために、第２の金属膜が堆積されてパターニングされる（ステップＳ１５およびＳ１６）。したがって、第１の実施形態と幾分か同様に、音響エネルギーは共振器領域に良好に限定され、共振器空洞の間で横波の動作を支持するであろうあらゆる媒介物は、予め排除されている。

図８は、本発明の第３の実施形態による、音響共振デバイスを分離する方法を示している。個別の共振器構造を囲む圧電材料がない（エッチングにより除去されているか、マスキングのためにそこに堆積されなかった）最初の２つの実施形態とは異なり、第３の実施形態は、これらの領域における圧電効果を変える方法を提供する。この技術は、堆積される圧電層の結晶構造の向きに局所的に影響を与えることを含み、これは、たとえば基板表面をパターニングすることによって行うことができる。

圧電効果の強さは、圧電作用によって音響エネルギーに変換される電気エネルギーの部分を表す、材料の「結合定数」すなわちＫ²で定量化される。当該技術分野においては、Ｋ²の値は平均的な結晶構造の向きが下降するに従って急速に低下することが知られている。一般的に、強い縦方向の圧電反応は、圧電結晶の「Ｃ」軸の大きな部分（すなわち、Ａ、ＢおよびＣ軸を有するＡｌＮの六角形の結晶に対して）が基板表面と垂直に成長する場合にのみ得られる。膜成長中に、結晶の不十分な部分がこの向きを達成する場合には、圧電材料は、良好に方向づけられた材料と化学的に同一ではあるが、圧電反応を示すことを止める。誤った方向に向けられた結晶粒は任意の方向に歪みを生じさせ、圧電気に対してゼロサムとなる。

圧電効果、したがってＴＦＲの性能は、このように圧電結晶の方位によって強い影響を受ける。それに対して結晶構造の向きは、材料が成長する表面の影響を非常に受け易い。第３の実施形態は、基板を、材料が良好に方向付けられた結晶構造で成長する領域と、良好でない向きで成長する領域とに予めパターニングすることにより、基板表面構造に対するこの感度（sensitivity）に影響を与える。この実施形態において、結晶構造は個別の共振器構造外の領域で「中断」され、音響反射が生ずるように、方向付けられた材料とはとは物理的に異なるこれらの領域が波を変換できないようにし、十分に中断され変更されたならば（たとえば、結晶構造が強く影響を受けているなど）、音波を 伝送することさえもできなくする。

図８を参照すると、第１および第２の実施形態に関して上記で説明したように、基板を得た後に（ステップＳ２１）、第１の金属膜が付着され（ステップＳ２２）、パターニングされる（ステップＳ２３）。その後、基板は基板表面を局所的に変更するようにパターニングされる（ステップ２４）。特に、基板は、上記で説明したのと同様の、金属膜および／または圧電材料をパターニングする、マスキング材料を利用したリソグラフィック工程を経る。しかし、このパターンは、方向づけられた圧電材料の成長を妨げるように選択的に変更される、基板上の領域を画定するために用いられる。かかる変更は、基板表面を粗削りすること（アルゴン・イオン衝撃またはウェット化学エッチングなどによる）、または方向づけられた圧電成長を支持しないことが知られている材料である薄膜の堆積（たとえば、スパッタリングされているか、化学蒸着された（ＣＶＤ）ＳｉＯ₂）を含んでもよい。この表面作成に続いて、マスキング材料（フォトレジスト）が溶剤によって除去される。

ステップＳ２４におけるそれに続く圧電膜の堆積中に、変更されていない表面すなわち「初期領域」上に堆積されたこの圧電材料は、大きな圧電効果を示す良好に方向づけられた結晶を形成する。しかし、基板の「処理された」領域に堆積された材料は、不十分に方向づけられた材料を形成する。この不十分に方向づけられた材料は、良好に方向づけられた材料と同じ化学的組成を有するが、有用な圧電効果を示すのに必要な結晶構造を欠いている。また、良好に方向づけられた材料に比べて、音速など異なった物理的特性を有しており、大きく異なった構造（すなわち、密度が低く、かつ／または粒度が高い構造）を有する可能性がある。したがって、第２の金属膜は、良好に方向づけられ、圧電的に活性な領域において音響共振デバイスを画定するように堆積されパターニングされる（ステップＳ２６およびＳ２７）。

図４を参照すると、第３の実施形態による方法を用いることにより、金属電極２０５と２１５との間で基板２２０上にある層２１０の圧電材料は良好に方向づけられており、それによって、音響共振デバイス２００の特徴である圧電反応を支持する。しかし、基板表面の前処理のために、電極２０５と２１５との間に挟まれていない層２１０の圧電材料は、有用な圧電効果を示すのに必要な結晶構造を欠いている。そのためこの材料は、ｉｎ−ｓｉｔｕ音響分離を提供し、共振空洞間の望ましくない横波の生成および伝搬を制限する。

以上のように本発明を説明してきたが、多数の方法で本発明を変更できることが明らかになるであろう。かかる変更は、本発明の主旨および範囲からの逸脱とはみなされず、当業者に自明なあるいは特許請求の範囲の中に含まれる修正も本発明の主旨および範囲から逸脱するものではない。

１００、２００ 音響共振デバイス
１０５、１１５ 導電性電極
１１０ 圧電材料
１２０、２２０ 基板
２０５、２１５、３０５、３２５、３３０、３３５ 電極
２１０、３１０ 圧電層
２１６ レジスト
３００ 薄膜共振（ＴＦＲ）デバイス

Claims (6)

1. 基板上の２つの伝導体の間に設けられた圧電材料によって形成された音響共振デバイスを製造する方法であって、
   基板上に第１の伝導体を形成するステップ、
   前記第１の伝導体上に圧電材料を形成するステップ、
   前記圧電材料上に第２の伝導体を形成するステップ、
   前記第１の伝導体および前記第２の伝導体の少なくとも一方をパターニングするステップ、及び
   前記デバイスから離れて横方向に伝搬する音響エネルギーの量を削減するために、前記第１の伝導体が前記基板上に形成される前または形成された後であって前記圧電材料が前記第１の伝導体上に形成される前に前記基板の表面にパターニングされたマスクを形成し、前記圧電材料の堆積の前に前記基板の表面を選択的にパターニングし、前記基板の表面から前記パターニングされたマスクを除去し、前記基板上の前記圧電材料の成長中に前記圧電材料の結晶方位を中断することにより、前記圧電材料を分離するステップであって、それによって音響エネルギーとＲＦエネルギーとの間の変換が強化された圧電材料の領域と、この変換が低質化された領域とを形成する、分離するステップを含む方法。
2. 前記圧電材料は、ＡｌＮ、ＺｎＯおよびＣｄＳからなる群より選択される、請求項１に記載の方法。
3. 前記第１および第２の伝導体は、前記金属製の伝導体のリソグラフィック・パターンニングによって形成される金属膜である、請求項１に記載の方法。
4. 前記基板は、シリコン・ウェハ、クオーツ・ウェハまたはガラス・ウェハの一つから形成される基板上の複数の音響反射層として形成される、請求項１に記載の方法。
5. 基板上の２つの伝導体の間に設けられた圧電材料を有する音響共振デバイスを分離する方法であって、
   前記圧電材料の堆積の前に、前記基板の表面の一部を所定のパターンで選択的に変更することにより、前記基板上の前記圧電材料の成長中に前記圧電材料の結晶方位を中断するステップを含む方法であって、
   変更されていない前記基板の表面に形成された前記圧電材料は、信号伝送が強化された圧電材料の領域を形成し、
   変更された前記基板の表面に形成された前記圧電材料は、信号伝送が低質化された圧電材料の領域を形成する、方法。
6. 前記２つの伝導体の間に設けられていない一部または全ての圧電材料は、信号伝送が低質化された領域にあり、それによってｉｎ−ｓｉｔｕ分離機能を遂行する、請求項５に記載の方法。

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