KR101211868B1 - 박막 벌크 음향파 공진기（ｆｂａｒ）장치, 서스펜션형 장치 및 서스펜션형 장치를 제조하는 방법 - Google Patents

박막 벌크 음향파 공진기（ｆｂａｒ）장치, 서스펜션형 장치 및 서스펜션형 장치를 제조하는 방법 Download PDF

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Abstract

넓고, 얕은 제 1 부분 및 좁고, 깊은 제 2 부분을 포함하는 공동을 형성하는 기판이 제공된다. 기판의 전면으로부터 기판 안쪽으로 연장되는 공동의 제 1 부분은 희생 재료로 채워진다. 제 2 부분은 제 1 부분으로부터 기판 안쪽으로 보다 깊이 연장된다. 장치 구조체는 희생 재료 위에 제조된다. 릴리스 에칭액은 구조체 아래의 희생 재료를 공동의 제 1 부분으로부터 제거하기 위해 공동의 제 2 부분을 통해 기판의 후면으로부터 유입된다. 공동의 제 2 부분을 통해 기판의 후면으로부터 릴리스 에칭액을 유입시켜 구조체 아래의 희생 재료를 공동의 제 1 부분으로부터 제거하는 것은 릴리스 에칭액에 장치 구조를 노출시키지 않고 릴리스 에칭을 이행할 수 있게 한다. 이것은 희생 재료에 대한 낮은 에칭 선택성을 갖는 재료들을 장치 구조체가 포함할 수 있게 한다.

Description

박막 벌크 음향파 공진기（ＦＢＡＲ）장치, 서스펜션형 장치 및 서스펜션형 장치를 제조하는 방법{SUSPENDED DEVICE AND METHOD OF MAKING}
도 1a 내지 도 1i는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 서스펜션형 장치를 제조하는 방법의 일예를 나타낸 평면도,
도 1j 내지 도 1r은 도 1a 내지 도 1i의 선 1J-1J, 1K-1K, 1L-1L, 1M-1M, 1N-1N, 10-1O, 1P-1P, 및 1Q-1Q을 따라 각각 취한 단면도,
도 2는 릴리스 에칭액으로부터 장치 구조체를 보호하는 방식을 설명하는 측면도,
도 3a은 본 발명의 제 2 실시예에 따른 서스펜션형 장치를 나타낸 평면도,
도 3b 및 도 3c는 도 3a의 선 3B-3B 및 선 3C-3C를 따라 각각 취한 단면도,
도 4a는 본 발명의 제 3 실시예에 따른 서스펜션형 장치를 나타낸 평면도,
도 4b는 도 4a의 선 4B-4B를 따라 각각 취한 단면도,
도 5a는 본 발명의 제 4 실시예에 따른 서스펜션형 장치를 나타낸 평면도,
도 5b 및 도 5c는 도 5a의 선 5B-5B 및 선 5C-5C를 따라 각각 취한 단면도,
도 5d는 도 5a에 도시된 서스펜션형 장치의 전기적인 연결을 나타내는 개략도,
도 6은 본 발명의 제5 실시예에 따른 서스펜션형 장치에서의 전기적인 연결을 나타낸 개략도,
도 7a 내지 도 7j는 도 4a 및 도 4b에 도시된 본 발명의 제 3 실시예에 따른 서스펜션형 장치를 제조하는 방법의 일례를 나타낸 단면도,
도 7k 내지 도 7t는 도 7a 내지 도 7j의 선 7K-7K, 7L-7L, 7M-7M, 7N-7N, 70-7O, 7P-7P, 7Q-7Q, 7R-7R, 7S-7S 및 7T-7T를 따라 각각 취한 단면도.
적어도 하나의 박막 벌크 음향파 공진기(film bulk acoustic resonator; 이하 FBAR이라 함)를 갖는 FBAR 장치는 다양한 전자 제품, 특히 무선 제품의 일부를 구성한다. 예를 들면, 현재 셀룰러 폰은 각각의 대역 통과 필터가 래더(ladder) 회로를 갖는 듀플렉서를 포함한다. 여기서, 래더 회로의 각 구성 요소는 FBAR이다. FBAR들을 갖는 듀플렉서는 "Duplexer Incorporating Thin-film Bulk Acoustic Resonators(FBARs)"라는 제목으로 발명자 브래드리에게 허여되고 본 출원인에게 양도된 미합중국 특허 제 6,262,637 호에 개시되어 있으며, 이는 참조로서 인용된다. 이러한 듀플렉서는 송신기 대역 통과 필터 및 수신기 대역 통과 필터로 구성된다. 상기 송신기 대역 통과 필터는 송신기의 출력과 안테나 사이에 연결된다. 상기 수신기 대역 통과 필터는 상기 안테나와 수신기의 입력 사이에서 90도의 위상 변위를 가지면서 직렬 연결된다. 상기 송신기 대역 통과 필터 및 상기 수신기 대역 통과 필터의 통과 대역의 중심 주파수는 각자로부터 오프셋된다(offset). FBAR들을 기초로 한 래더 필터는 또한 다른 분야에 응용될 수 있다.
FBAR은 대향 평면 전극들 및 상기 전극들 사이의 압전 소자로 이루어진다. 상기 FBAR은 기판에 형성된 공동(cavity) 위에 서스펜션된다. 이것은 상기 FBAR이 상기 전극들 사이에 인가된 전기 신호에 응답하여 기계적으로 공진할 수 있도록 한다.
본 출원인에게 양도된 라손 3세에 의한 미합중국 특허 출원 제 10/699,289 호에는 디커플링 스택형 벌크 음향파 공진기(decoupled stacked bulk acoustic resonator; 이하 DSBAR이라 함)를 갖는 대역 통과 필터가 개시되어 있으며, 이 특허 출원은 본 명세서에서 참조로서 인용된다. 상기 DSBAR은 하부 FBAR, 상부 FBAR, 및 상기 하부 FBAR 및 상기 상부 FBAR 사이에 스택된 음향파 디커플러(decoupler)로 이루어진다. 각각의 FBAR는 상술한 바와 같이 구성된다. 전기 입력 신호가 FBAR 중의 하나의 전극들 사이에 인가되고, 다른 FBAR는 그 전극들 사이에 대역 통과 필터링된 전기 출력 신호를 제공한다.
본 출원인에게 양도된 라손 3세에 의한 미합중국 특허 출원 제 10/699,481 호에는 2개의 디커플링 스택형 벌크 음향파 공진기들로 이루어진 박막 음향파 결합된 트랜스포머(FACT:film acoustically-coupled transformer)가 개시되어 있다. 제 1 전기 회로는 DSBR의 하부 FBAR들을 상호 직렬 또는 병렬 연결시킨다. 제 2 전기 회로는 DSBR의 상부 FBAR들을 상호 직렬 또는 병렬 연결시킨다. 1:1 또는 1:4의 임피던스 변압비를 갖는 균형 또는 불균형 FACT의 실시예가 상기 전기 회로의 구조에 따라 얻어질 수 있다. 이러한 FACT는 또한 제 1 전기 회로와 제 2 전기 회로 사이의 갈바니 절연(galvanic isolation)을 제공한다.
적어도 하나의 FBAR를 갖는 FBAR들 및 장치들, 예를 들어 래더 필터들, DSBAR들, FACT들 및 대역 통과 필터들은 본 명세서에서 일반적으로 FBAR 장치로 지칭될 것이다.
대부분의 FBAR 장치들은 중심 주파수에 의해 특징지어진 대역 통과 특성을 갖는 주파수 응답을 가진다. 상기 FBAR들은 공진 주파수에 의해 특징지어진 주파수 응답 특성을 갖는다. 압전 소자의 재료는 질화알루미늄(AlN)이고, 전극들의 재료는 몰리브덴(Mo)인 현재 FBAR 장치의 실시예에서, 각 FBAR의 공진 주파수는 -20 ppm/℃ 내지 -35 ppm/℃ 범위의 온도 계수를 갖는다. 상기 공진 주파수의 온도 계수는 상기 FBAR를 갖는 상기 FBAR 장치가 통과 대역 폭 사양에 맞는 온도 범위를 감소시킨다. 상기 공진 주파수의 온도 계수는 제조 수율을 부가적으로 감소시킨다. 왜냐하면, FBAR 장치가 테스트되는 상기 통과 대역 폭 제한이, FBAR 장치가 전체 동작 온도 범위에 걸친 통과 대역 폭 사양을 만족하도록 하는 통과 대역 폭 사양으로부터 삽입되어야 하기 때문이다.
본 출원인에게 양도된 라손 3세에 의한 미합중국 특허 출원 제 10/977,398 호에는 FBAR 장치의 통과 대역 폭의 온도 계수를 효과적으로 감소시키는 온도 보상 소자를 갖는 FBAR 장치가 개시되어 있으며, 이는 본 명세서에서 참조로서 인용된다. 하지만, 상기 특허 출원에 개시된 온도 보상 소자는 FBAR 장치를 제조하는데 통상적으로 사용되는 반도체 제조 기반 공정에 일반적으로 사용되지 않는 재료로 이루어진다. 상기 온도 보상 소자를 형성하기 위하여 유일한 처리를 행하는 것은 경제적으로 불리하다.
Lakin 등에 의한 Temperature Compensated Bulk Acoustic Thin Film Resonator, 2000 IEE ULTRSONICS SYSPOSIUM, 855-858에는, 이산화실리콘(SiO2)이 20℃ 내지 80 ℃의 온도 범위에서 양의 온도 계수를 갖는다 라는 것을 개시하고 있다. SiO2의 양의 온도 계수는 일반적으로 FBAR에 사용되는 재료인 질화알루미늄 및 몰리브덴의 극성과는 반대이다. SiO2 온도 보상 소자는 상기 FBAR의 공진 주파수의 온도 계수를 보상되지 않은 FBAR의 온도 계수의 1/2로 감소시킨다. 보상 소자의 재료로 SiO2를 사용하는 것은, SiO2 증착 및 패터닝이 잘 확립된 표준 반도체 제조 공정이라는 부가적인 이유 때문에 매력이 있다.
Lakin 등은 견고하게 장착된 공진기와 관련된 SiO2의 사용을 개시하고 있다. 하지만, FBAR를 포함하는 서스펜션된 FBAR 스택이 기판에 형성된 얕은 공동 위에 서스펜션되는 서스펜션형 FBAR 장치는 견고하게 장착된 공진기 보다 더 좋은 성능을 갖는다. 서스펜션된 FBAR 스택은 공동을 충진하는 희생 재료, 일반적으로 규산인 (phosphosilicate) 유리로 이루어진 지지층의 표면 상에 제조된다. FBAR 스택이 제조된 후, 릴리스 에칭이 수행되어 상기 희생 재료를 상기 FBAR 스택 아래로부터 제거한다. 이것은 상기 공동 위에 서스펜션된 FBAR 스택은 남게 한다. 상기 릴리스 에칭에서는 묽은 불화수소산 (HF)이 사용된다. 하지만, HF는 SiO2를 더욱더 공격한다. 따라서, SiO2 층으로 이루어진 온도 보상 소자는 상기 FBAR 스택이 제조된 후에 행해지는 릴리스 에칭과는 호환성이 없다. 따라서, 서스펜션된 FBAR 스택이 제조된 후에 행해지는 릴리스 에칭과 호환성이 없는 물질 예를 들어 SiO2를 FBAR 스택이 포함하는 서스펜션된 FBAR 장치를 제조하는 방법이 필요하게 되었다.
서스펜션형 장치 구조가 얕은 공동 위에 서스펜션된 많은 다른 형식의 서스펜션형 장치는, 상기 서스펜션형 장치 구조가 제조된 후에 행해지는 릴리스 에칭에서 상기 서스펜션형 장치 구조 아래로부터 제거되는 지지층 상에 제조된다. 상기 서스펜션형 장치 구조가 제조된 후에 상기 릴리스 에칭을 수행하는 것은 상기 서스펜션형 장치 구조에 사용될 수 있는 상기 재료들을 릴리스 에칭액(release etchant)과 조화될 수 있는 재료로 제한한다. 이러한 제한은 문제가 될 수 있다. 따라서, 상기 서스펜션형 장치 구조가 상기 릴리스 에칭액과 호환성이 없는 재료를 포함하는 서스펜션형 장치를 제조하는 방법이 부가적으로 필요하게 되었다.
제 1 양상에 의하면, 본 발명은 기판 및 공동을 포함하는 박막 벌크 음향파 공진기(FBAR) 장치를 제공한다. 상기 공동은 상기 기판에 형성되고 상기 기판의 전면으로부터 상기 기판 내부로 연장되어 있다. 상기 FBAR 장치는 상기 공동 위에 서스펜션된 FBAR 스택 및 상기 기판에 형성된 개구를 포함한다. 상기 개구는 상기 기판의 후면으로부터 상기 기판을 지나 상기 공동까지 연장되어 있다.
제 2 양상에 의하면, 본 발명은 기판, 공동, 및 장치 구조체를 포함한다. 상기 공동는 상기 기판에 형성되어 있다. 상기 장치 구조체는 상기 공동 위에 서스펜션된다. 상기 공동은 넓고 얕은 제 1 부분 및 좁고 깊은 제 2 부분을 포함한다. 상기 제 1 부분은 상기 기판의 전면으로부터 상기 기판 내부로 연장되어 있다. 상기 제 2 부분은 상기 기판의 후면으로부터 상기 기판을 지나 상기 제 1 부분까지 연장되어 있다.
제 3 양상에 의하면, 본 발명은 서스펜션형 장치를 제조하는 방법을 제공한다. 상기 방법에 있어서, 넓고 얕은 제 1 부분 및 좁고 깊은 제 2 부분을 포함하는 공동을 형성하는 기판이 제공된다. 상기 공동의 제 1 부분은 상기 기판의 전면으로부터 상기 기판 내부로 연장되어 있고, 희생 재료로 충진된다. 상기 제 2 부분은 상기 제 1 부분으로부터 상기 기판 내부로 깊게 연장되어 있다. 장치 구조체가 희생 재료 위에 제조된다. 릴리스 에칭액이 상기 기판의 후면으로부터 상기 공동의 제 2 부분을 통해 유입되어 상기 공동의 제 1 부분으로부터 상기 장치 구조체 아래에 있는 희생 재료를 제거한다.
상기 기판의 후면으로부터 상기 공동의 제 2 부분을 통해 릴리스 에칭액을 유입함으로써 상기 공동의 제 1 부분으로부터 상기 장치 구조체 아래에 놓이는 희생 재료를 제거하는 것은 상기 릴리스 에칭이 상기 장치 구조체가 상기 릴리스 에칭액에 노출됨이 없이 수행되도록 한다. 이는 장치 구조체가 릴리스 에칭액과 호환성이 없는 재료를 통합하게 한다. 예를 들면, 이것은 희생 재료가 PSG이고 상기 서스펜션 FBAR 스택이 이산화실리콘 온도 보상 소자를 갖는, 상기 서스펜션형 장치가 제조되도록 한다.
본 발명의 실시예들은 서스펜션형 장치의 예로서 서스펜션 FBAR 장치의 실시예를 참조하여 설명된다. 본 발명에 따른 서스펜션형 장치의 다른 예는 공동 위에 서스펜션된 FBAR 스택과 다른 장치 구조를 갖는다.
서스펜션 FBAR 장치는 서스펜션 FBAR 스택을 포함한다. 본 발명의 실시예에 사용되는 용어 FBAR 스택은 적어도 하나의 박막 벌크 음향파 공진기(FBAR)가 형성되는 다양한 재료층의 스택을 의미한다. 적어도 하나의 FBAR이 상기 FBAR 스택에 형성되는 실시예들에서, FBAR들 모두가 FBAR 스택과 동일한 레벨 또는 다른 레벨에 위치하거나, 일부 FBAR는 FBAR 스택과 동일한 레벨이고 나머지 FBAR는 FBAR 스택과 다른 레벨에 위치할 수 있다. 예를 들면, FBAR 래더 필터에 있어서, FBAR들의 레벨은 도 3a 내지 도 3c를 참조하여 아래에 설명되는 바와 같이, FBAR의 레벨과 동일하다. 디커플링 스택형 벌크 음향파 공진기(DSBAR)에서, FBAR들의 레벨은 도 4a 및 도 4b를 참조하여 아래에 설명되는 바와 같이, FBAR의 레벨과 다르다. 박막 음향파 결합 트랜스포머(FACT)에서, 도 5a 내지 도 5c를 참조하여 아래에 설명되는 바와 같이, 일부 FBAR는 FBAR 스택과 동일한 레벨에 위치하고 일부 FBAR는 FBAR 스택과 다른 레벨에 위치할 수 있다.
FBAR은 상기 FBAR에서의 소리의 전파 속도에 정비례하고 상기 FBAR를 구성하는 층들의 두께에 반비례하는 공진 주파수를 갖는다. 원자간 힘이 온도 증가에 따라 감소하므로, FBAR가 현재 제조되는 재료들의 대부분에서의 전파 속도가 음의 온도 계수를 나타낸다. 이러한 원자간 힘의 감소는 전파 속도에 수반하는 감소와 더불어 상기 재료의 탄성 계수를 감소시킨다. 온도 증가는 전파 속도를 감소시키고, 층의 두께를 증가시킨다. 이러한 효과들은 상기 FBAR의 공진 주파수를 감소시켜 상기한 음의 온도 계수를 나타내도록 하는 경향이 있다. 예를 들면, FBAR들이 제조되는, 질화알루미늄(AlN) 및 몰리브덴(Mo)의 온도 계수들은 각각 약 -25 ppm/℃ 및 -60 ppm/℃이다.
상기 FBAR의 공진 주파수의 온도 계수와 상기 FBAR의 전극들 및 압전 소자의 온도 계수 사이의 관계는 상기 전극들과 상기 압전 소자의 상대 두께에 의해 결정된다. FBAR-기반 듀플렉서는 FBAR들이 상대적으로 얇은 전극들 및 상대적으로 두꺼운 압전 소자를 갖는 수신기 래더 필터를 포함한다. 이러한 FBAR들의 공진 주파수는 질화알루미늄(AlN)의 온도 계수, 즉 약 -25 ppm/℃와 유사한 온도 계수를 갖는다. 상기 FBAR-기반 듀플렉서의 송신기 래더 필터는 상대적으로 두꺼운 전극들 및 상대적으로 얇은 압전 소자를 갖는 FBAR들을 포함한다. 상기 전극들의 몰리브덴의 온도 계수는 상기 FBAR의 공진 주파수의 온도 계수에 대하여 상기 수신기 래더 필터에서보다도 더 큰 역할을 한다. 따라서, 상기 송신기 래더 필터에서의 상기 FBAR들의 공진 주파수는 약 -40 ppm/℃ 내지 -35 ppm/℃ 범위의 온도 계수를 갖는다.
본 발명에 의하면, 상기 서스펜션 FBAR 스택은 기판에 형성된 공동 위에 서스펜션되고, FBAR 스택이 제조된 후 희생 재료를 FBAR 스택으로부터 제조하기 위하여 사용된 릴리스 에칭액과 호환성이 없는 비 호환성 에칭 재료를 더 포함한다. 다수의 실례에 의하면, 상기 비 호환성 에칭 재료의 층은 온도 보상 소자를 구성하고, 상기 온도 보상 소자는 상기 FBAR 스택에 형성된 FBAR들의 공진 주파수의 온도 계수를 감소시킨다. 상기 온도 보상 소자는 상기 FBAR 스택의 일부인 압전 소자와는 부호가 반대인 온도 계수를 갖는다. 즉, 상기 압전 소자가 음의 온도 계수를 갖는 경우, 상기 온도 보상 소자는 양의 온도 계수를 갖는다. 상기 온도 보상 소자에 의하면, 각 FBAR의 유효 온도 계수 TCeff는 다음의 제 1 방정식(1)으로 표현된다.
Figure 112006043261017-pat00001
여기서, TCE는 전극 재료의 온도 계수이고, TCP는 상기 압전 소자의 재료의 온도 계수이고, TCC는 온도 보상 소자의 온도 계수이고, tE는 상기 전극들의 전체 두께이고, tP는 압전 소자의 두께이고, tC는 온도 보상 소자의 전체 두께이다. 상기 두께들은 상기 FBAR 장치의 동작시에 소리가 상기 소자들을 통하여 전파하는 방향에서 측정된다. 제 1 방정식(1)은 횡방향 전단 전파 모드에 적용된다. 제 1 방정식(1)에서는 온도 보상 소자의 온도 보상 효과에 대한 상기 전극들, 압전 소자 및 온도 보상 소자의 음향파 인피던스의 제 2차 효과를 무시한다.
상기한 바와 같이, 상기 FBAR에 또는 상기 FBAR에 인접하게 위치한 이산화실리콘(SiO2) 층은 유효 온도 보상 소자를 구성한다. 하지만, SiO2는 널리 사용되고 있는 희생 재료인 PSG에 대하여 낮은 에칭 선택도를 갖는다.
본 발명에 따른 방법의 실시예들은 서스펜션 FBAR 스택이 SiO2 온도 보상 소자를 포함하고 PSG 희생 재료 상에 제조되는, 서스펜션 FBAR 장치를 형성한다. FBAR 스택이 제조된 후, 릴리스 에칭은 묽은 HF를 사용하여 수행된다. 본 발명의 다른 실시예에 따른 방법은 희생 재료 상에 장치 구조를 형성한다. 상기 장치 구조의 적어도 하나의 재료와 호환성이 없는 릴리스 에칭액을 사용하여 상기 장치 구조를 제조한 후, 상기 릴리스 에칭이 수행된다.
이러한 실시예들은 수천개의 온도 보상된 서스펜션 FBAR 장치들을 동시에 제조하는데 이용되는 웨이퍼-스케일 제조 공정에 적용된다. 이러한 웨이퍼-스케일 제조는 저렴한 비용으로 상기 온도 보상된 서스펜션 FBAR 장치들을 제조할 수 있도록 한다. 단순화를 위하여, 단일 온도 보상된 FBAR가 FBAR 스택에 형성된 서스펜션 온도 보상된 FBAR 장치의 실시예가 제조하는데 이용된 상기 방법의 바람직한 실시예를 도 1a 내지 도 1i의 평면도, 및 도 1j 내지 도 1r의 단면도를 참조하여 설명한다.
상기 방법은 단일 FBAR가 형성된 FBAR 스택이 제조되는 장치 제조 공정을 포함한다. FBAR 스택이 상기 릴리스 에칭액과 호환성이 없는 재료를 포함하는 다른 형식의 서스펜션 FBAR 장치는 단순히 적당한 FBAR 스택 제조 공정을 이용함으로써 상기 장치 제조 공정에서 제조될 수 있다. 동일하게, 상기 장치 구조가 상기 릴리스 에칭액과 호환성이 없는 재료를 포함하는 다른 서스펜션형 장치는 단순히 적당한 장치 구조 제조 공정에 의해 제조될 수 있다.
상기 방법에서는 웨이퍼(전체는 도시안됨)가 제공된다. 상기 웨이퍼의 일부는 제조될 각 FBAR 장치에 대하여 그 제조 과정이 도면에 도시된 FBAR 장치의 기 판(102)에 대응하는 기판을 구성한다. 도 1a 내지 도 1i 및 도 1j 내지 도 1r은 다음의 설명, 즉 기판(102)을 구성하는 상기 웨이퍼의 일부에의 상기 FBAR의 제조에 대한 설명이다. 상기 FBAR 장치가 제조되는 것처럼, 상기 웨이퍼 상에 남은 FBAR 장치들도 유사하게 제조된다.
예로서, 상기 웨이퍼는 150 ㎜의 직경 및 600㎛의 두께를 갖는 단결정 실리콘의 상업적으로 입수가능한 웨이퍼이다. 그와 달리 다른 웨이퍼 재료가 사용될 수 있다.
넓고 얕은 공동은 상기 웨이퍼 상에서 각 FBAR 장치의 위치에서 상기 웨이퍼의 전면으로부터 상기 웨이퍼로 연장되어 형성된다. 도 1a 및 도 1j에는 상기 기판의 전면(111)으로부터 상기 기판(102)으로 연장된 넓고 얕은 공동(104)이 도시되어 있다.
FBAR 장치가 2 ㎓의 주파수에서 동작하도록 구성되는 경우, 공동(104)의 폭 치수는 약 100 ㎛2의 면적 및 4 ㎛의 깊이를 가지며, 즉 폭 치수는 각각 깊이보다 적어도 10배만큼 크다. 웨이퍼의 재료가 실리콘인 경우, 공동은 에칭액으로서 헥사블루오르라이드 황(SH6), 수소(H2), 및 산소(O2)의 혼합물을 이용하여 선택적 건식 에칭을 수행함으로써 형성된다.
그 후, 깊고 좁은 에칭액 액세스 개구들은 상기 웨이퍼에서 각 공동으로부터 상기 웨이퍼로 깊게 연장되어 형성된다. 상기 에칭액 액세스 개구들은 공동(104)의 깊이 및 넓이에 비해 깊고 좁다. 도 1b 및 도 1k에는 공동(104)으로부터 기판(102)으로 깊게 연장된 에칭액 액세스 개구들이 도시되어 있다. 상기 에칭액 액세스 개구들의 바람직한 하나는 참조 부호(103)로 도시되어 있다. 참조 부호(103)는 이하에 상기 에칭액 액세스 개구들을 공동으로 사용된다.
에칭액 액세스 개구들(103)은 공동(104)으로부터 기판(102)의 후면(101)으로 기판(102)을 통하여 모든 방향으로 연장되어 있다. 하지만, 기판(102)의 웨이퍼가 개별 FBAR 장치로 분리되기 전에 두께 감소 공정에서 일부를 형성하므로, 나중에 도 1f 및 도 1o를 참조하여 설명되는 바와 같이, 에칭액 액세스 개구들(103)은 상기 웨이퍼의 최종 두께 이상으로 기판(103) 쪽으로 연장될 필요가 없다.
상기 에칭액 액세스 개구들(103)의 폭 치수는 5 ㎛ 내지 20 ㎛의 범위이다. 상기 에칭액 액세스 개구들(103)의 폭 치수는 도 1c 및 도 1l을 참조하여 아래에서 더욱 설명될 것이다. 상기 에칭액 액세스 개구들(103)의 폭 치수는 공동(104)의 폭 치수보다 작다. 상기 에칭액 액세스 개구들(103)이 도시되어 있지만, 어느 다른 낮은 종횡비 형상을 가질 수 있다. 5개의 에칭액 액세스 개구들(103)이 도시되어 있지만, 에칭액 액세스 개구들의 수는 5개 보다 커거나 작을 수 있다.
공동(104)은 넓고 얕은 제 1 부분을 구성하는 것으로 간주될 수 있고, 상기 에칭액 액세스 개구들(103)은 공동으로 기판(102)에 형성된 공동(107)의 좁고 깊은 제 2 부분으로 간주할 수 있다.
일 예로서, 부분을 형성하는 기판(102)의 웨이퍼의 두께가 감소되는 최종 두께는 150 ㎛이다. 상기 예에서, 상기 에칭액 액세스 개구들(103)은 적어도 150 ㎛의 길이로 기판(102)으로 연장되고, 12 ㎛의 직경을 가진다. 상기 에칭액 액세스 개구들(103)은 깊은 실리콘 에칭으로 알려진 등방성 에칭 공정에 의해 형성된다. 상기 깊은 실리콘 에칭은 당업자에게 알려져 있고 다수의 벤더들에 의해 널리 시판되어 있다. 따라서, 이에 대한 설명은 생략된다.
공동(104) 및 에칭액 액세스 개구들(103)이 형성되는 순서는 상기한 바와 반대일 수 있다.
희생 재료는 상기 웨이퍼의 표면에 증착된다. 도 1c 및 도 1l에는 기판(102)의 전면(111)에 증착된 희생 재료(105)가 도시되어 있다. 증착된 바와 같이, 희생 재료(105)는 기판(102) 및 공동(104)의 기초 표면의 윤곽을 따르고, 중간 부분이 에칭액 액세스 개구들(103)로 더욱 연장되어 있다. 에칭액 액세스 개구들(103)로 연장된 희생 재료는 상기 희생 재료의 표면에서의 대응 오목부를 형성한다. 에칭액 액세스 개구들(103)로 연장된 희생 재료에 의해 형성된 오목부는 참조 부호 118로 도시되어 있다. 참조 부호(118)는 이하에 상기 오목부로 언급된다. 희생 재료는 오목부들(118) 중 가장 깊은 것의 바닥은 기판(102)의 후면(101)으로부터 형성된 기판(102)의 전면(111)보다 상기 후면(101)으로부터 형성되도록 하는 두께를 갖도록 증착된다.
일 예로서, 희생 재료(105)는 일반적인 저압 화학 기상 증착(LPCVD)을 이용하여 증착된 포스포실리케이트 유리(PSG)이다. 다른 희생 재료도 사용될 수 있다. 상기 희생 재료는 스퍼터링, 스핀 코팅, 또는 다른 적당한 공정에 의해 증착될 수 있다.
그 후, 상기 웨이퍼의 표면은 평탄화되고, 각 공동은 희생 재료에 의해 충진된다. 도 1d 및 도 1m에는 평탄화 공정의 결과가 도시되어 있다. 도시된 바와 같이, 기판(102)의 공동(104)은 희생 재료(105)로 충진되고, 희생 재료(105)는 매끄러운 평탄 표면을 가진다. 상기 희생 재료(105)의 표면의 품질은 나중에 상기 표면 상에 제조되는 FBAR 스택의 품질에 상당한 영향을 준다. 오목부(118)의 바닥들이 기판(102)의 후면(101)으로부터 형성된 기판(102)의 전면(111)보다도 기판(102)의 후면(101)으로부터 형성되도록 상기 희생 재료를 증착하는 것은, 상기 희생 재료가 기판(102)의 상부 측면(111)에 대해 평평하게 평탄화된 후, 희생 재료(105)에 어떠한 오목부(118)의 자국이 남지 않도록 한다.
희생 재료(105)의 표면에서의 오목부(118)(도 1l)의 깊이, 및 제조된 FBAR 스택(도시안됨)으로부터 희생 재료(105)를 나중 도입된 릴리스 에칭액이 에칭액 액세스 개구들(103)을 경유하여 제거하는 속도는 에칭액 액세스 개구들(103)의 폭 치수에 의해 결정된다. 상기 에칭액 액세스 개구들의 폭 치수가 크면 클수록, 상기 에칭액은 상기 희생 재료를 더욱 빨리 제거한다. 하지만, 상기 에칭액 액세스 개구들의 폭 치수가 크면 클수록, 그리고 상기 오목부가 깊으면 깊을수록, 오목부의 바닥들이 기판(102)의 전면(111)이 기판(102)의 후면(101)으로부터 떨어져 있는 것보다 기판(102)의 후면(101)으로 더 멀리 존재하도록 하기 위하여, 증착될 필요가 있는 희생 재료의 두께가 더 두꺼워진다. 증착된 희생 재료의 두께가 크면 클수록, 상기 웨이퍼의 표면을 평탄화하는데 요구된 시간을 더욱 길어진다. 따라서, 상기 에칭액 액세스 개구들의 폭 치수들은 에칭액 액세스 개구들(103)을 통하여 도입된 에칭액에 의해 희생 재료(105)를 제거하는데 요구된 시간과 상기 웨이퍼의 표면을 평탄화하는데 요구된 시간 사이에 조절된다. 상기한 범위를 갖는 폭 치수들은 에칭 시간과 평탄화 시간 사이의 적당한 절충안을 제공한다.
실시예에 의하면, 상기 웨이퍼는 당업자에게 널리 공지된 화학 기계 연마(CMP)을 이용하여 평탄화된다. 다른 적당한 평탄화 공정이 알려져 있고, 이용될 수 있다.
그 후, 희생 재료에 대하여 저 에칭 선택도를 갖는 재료, 즉 릴리스 에칭액과 호환성이 없는 재료를 갖는 FBAR 스택은 상기 웨이퍼의 표면 상에 제조된다. 특히, 이러한 호환성이 없는 재료를 갖는 FBAR 스택은 상기 웨이퍼에 형성된 각 공동을 충진하는 희생 재료의 표면 상에 제조된다. 도 1e 및 도 1n에는 기판(102)에 공동(104)을 충진하는 희생 재료의 표면 상에 제조된 FBAR 스택(121)가 도시되어 있다. 도시된 예로서, 단일 온도 보상된 FBAR(110)이 FBAR 스택(121)에 형성된다.
FBAR(110)은 대향한 평면 전극들(112 및 114) 및 상기 전극들 사이의 압전 소자(116)로 구성된다. 평면 전극(112) 및 압전 소자(116)의 일부는 희생 재료(105)의 표면 상에 위치한다. 전극들(112 및 114) 사이에 온도 보상 소자(109)가 더 위치한다. 온도 보상 소자(109)는 FBAR(110)의 공진 주파수의 온도 계수를 상당히 감소시키는 두께를 갖는 온도 보상 재료 층(115)으로 이루어진다. 도시된 예에 의하면, 온도 보상 소자(109)는 압전 소자(116)와 전극(114) 사이에 위치하 고, 상기 층(115)의 온도 보상 재료는 이산화 실리콘(SiO2)이다. SiO2는 희생 재료(105)에 대하여 저 에칭 선택도를 갖는다. 바람직한 FBAR 스택의 제조는 도 7a 및 도 7j, 그리고 도 7k 및 도 7t을 참조하여 아래에서 자세히 설명된다.
FBAR 스택(121)이 제조된 후, 기판(102)이 일부를 형성하는 웨이퍼가 두께 감소 공정을 받아 두께를 개별화에 적합한 두께로 감소시킨다. 상기 두께 감소 공정은 웨이퍼의 후면에서 에칭액 액세스 개구들의 단부를 노출시킨다. 도 1f 및 도 1o에는 기판(102)의 후면(101)으로부터 재료를 제거하는 두께 감소 공정을 받은 후의 기판(102)이 도시되어 있다. 두께 감소 공정은 기판(102)의 후면(101)으로부터, 공동(104)으로부터 멀리 떨어져 위치한 에칭액 액세스 개구들(103)의 단부가 기판(102)의 후면(101)에 노출되도록 하기에 충분한 재료를 제거한다.
일 예에 의하면, 래핑 및 연마는 상기 두께 감소 공정으로 이용되어 150 ㎛ 내지 600 ㎛ 범위를 갖는 기판(102)의 웨이퍼의 전체 두께를 감소시킨다. 상기 두께 감소 공정은 에칭액 액세스 개구들(103)의 단부들을 기판(102)의 후면(101)에 노출시킨다.
그 후, FBAR 스택들이 제조된 웨이퍼의 전면은 FBAR 스택으로부터 희생 재료를 제거하는 릴리스 에칭에 사용될 릴리스 에칭액으로부터 보호된다. 상기 웨이퍼의 후면은 노출된 상태로 유지된다. 도 1g 및 도 1p에는 FBAR 스택(121) 및 상기 릴리스 에칭액과 친화적인 FBAR 스택(121)의 구성 재료들에 친화적인 재료의 보호층(119)으로 커버된 기판(102)의 전면의 노출된 부분들이 도시되어 있다. 보호층(119)의 재료가 적용된 후, 상기 웨이퍼를 굽는다.
일 예에 의하면, 보호층(119)의 재료는 일부를 형성하는 기판(102)의 웨이퍼로 스핀된 포토레지스터이다. 다른 예에 의하면, 보호층(119)의 재료는 상표명 SiLK로 다우 화학사에 의해 시판된 것으로, 각각 교차 결합된 폴리페닐렌 폴리머들을 형성하기 위하여 중합하는 올리고머를 함유한 선구 용액에 의해 제조된다. 상기 선구 용액은 스핀 코팅에 의해 적용된다. 보호층(119)의 재료가 적용된 후, 상기 웨이퍼를 굽는다.
상기 웨이퍼의 전면 상에 제조된 FBAR 스택을 보호하는 다른 실시예를 도 2를 참조하여 설명한다.
그 후, 상기 웨이퍼는 상기 릴리스 에칭액에 노출된다. 상기 릴리스 에칭액이 상기 웨이퍼의 후면에 적용되어, 상기 에칭액 액세스 개구들을 경유하여 상기 공동에서의 상기 희생 재료와 접촉한다. 상기 릴리스 에칭액은 상기 희생 재료를 용해시켜, 각 공동 위에 서스펜션된 FBAR가 남게 한다. 도 1h 및 도 1q에는 공동(104) 위에 서스펜션된 FBAR 스택(121)이 도시되어 있다. 기판(102)의 후면(101)에 인가되어 에칭액 액세스 개구들(103)을 경유하여 공동(104)를 통과하는 릴리스 에칭액(화살표로 표시)에 의해 희생 재료(105, 도 1p)가 상기 공동(104)으로부터 제거된다.
일 예에 의하면, 릴리스 에칭액은 불화수소산(HF)이다. 불화수소산(HF)는 PSG 희생 재료를 에칭하고, 온도 보상 소자(105)의 이산화실리콘을 강력하게 충격을 가한다. 하지만, 온도 보상 소자(109)는 보호층(119), 전극(112), 및 압전 소자(116)에 의해 릴리스 에칭액으로부터 분리된다. 그래서, 릴리스 에칭액은 희생 재료(105)를 제어하지만, 온도 보상 소자(109)는 원래 위치에 남게 된다.
그 후, 상기 보호층은 웨이퍼로부터 벗겨져 각 공동 위에 서스펜션된 FBAR 스택들을 노출시킨다. 그 후, 상기 웨이퍼는 개별 FBAR 장치들로 개별화된다. 도 1i 및 도 1r에는 보호층(119)(도 1Q)이 제거되는 후의 FBAR 장치(100) 및 개별 FBAR 장치들로 분리된 상기 웨이퍼가 도시되어 있다. 상기 FBAR 장치에서, FBAR 스택(121)은 기판(102)에서 공동(104) 위에 서스펜션된다. 임의적으로, FBAR 장치(100)가 패키지되기 전에, 에칭액 액세스 개구들(103)은 적당한 재료(도시안됨)에 의해 막힐 수 있다. FBAR 장치(100)의 패키징은 주변으로부터 공동(104), 전극(112)의 하면, 및 압전 층(116)의 하면을 효과적으로 분리할 수 있도록 한다.
포토레지스터로서 이러한 보호 재료들과 같은 제거하는 용매들 및 폴리페닐렌 폴리머들은 당업자에게 알려져 있고, 보호층(119)을 제거하는데 사용될 수 있다. 실리콘 및 다른 기판 재료들의 웨이퍼를 개별화하는 기술은 당업자에게 알려져 있고 이용될 수 있다.
도 2에는 도 1h 및 도 1q을 참조하여 설명된 릴리스 에칭 중에 FBAR 스택(121)(도 1r)을 보호하는 다른 방법이 설명되어 있다. 도 1f 및 도 1n을 참조하여 설명된 두께 감소 공정은 수행된 후, 부분을 형성하는 기판(102)(도 1R)의 웨이퍼(202)의 전면(211)은 보호 요소(204)에 의해 릴리스 에칭액으로부터 보호된다. 도시된 예에서, 보호 요소(204)는 웨이퍼(202)의 직경과 동일한 직경 및 일반적인 두께를 갖는 실리콘 웨이퍼(206)로서 구현된다. 웨이퍼(206)와 웨이퍼(202)의 전면(211) 사이에는 오-링(208)이 배치된다. 오-링(208)은 2가지 목적을 갖는다. 먼저, 오-링(208)은 웨이퍼(202)의 전면(211) 상에 제조된 FBAR 스택(도시안됨)이 웨이퍼(206)와의 접촉에 의해 파손되는 것을 방지하기 위하여 웨이퍼(202)의 전면(211)이 웨이퍼(206)로부터 일정한 간격으로 떨어져 있도록 한다. 오-링(208)은 또한 웨이퍼들(202 및 206) 사이에 견고한 액상 밀봉을 제공하여 웨이퍼(202)의 후면(201)에 인가된 릴리스 에칭액이 에칭액 액세스 개구들(103)을 경유하는 것을 제외한 FBAR 스택과 접촉하는 것을 방지한다. 클램프들(210, 도면에는 대표로 하나만 도시함)은 웨이퍼(202), 오-링(208), 및 웨이퍼(206)로 이루어진 상기 스택을 유지하고, 힘을 웨이퍼들(202 및 206)에 인가함으로써, 상기 웨이퍼들의 대향 표면과 밀접하게 접촉하기 위하여 오-링(208)을 약간 변형되도록 하고, 그래서 상기 견고한 액상 밀봉을 제공한다. 상기 릴리스 에칭 중 상기 FBAR 스택의 부가적인 보호에 대하여, 도 2에 도시된 보호 구성에 더하여 도 1g 및 도 1p을 참조하여 설명된 보호층(119)이 사용될 수 있다.
도 3a, 도 3b, 및 도 3c는 각각 본 발명의 서스펜션형 장치의 제 2 실시예의 평면도, 제 1 단면도, 및 제 2 단면도를 나타낸다. 상기 서스펜션형 장치의 실시예는 FBAR 래더 필터를 형성하기 위하여 상호 연결된 3개의 온도 보상 FBAR들(110, 150, 및 170)이 서스펜션된 FBAR 스택(321)에 형성된 서스펜션된 FBAR 장치(300)의 바람직한 예이다. FBAR 스택(321)은 기판에 형성된 공동(104) 위에 서스펜션된다. 공동(104) 및 에칭액 액세스 개구들(103)은 공동(107)의 제 1 및 제 2 부분으로 각각 간주할 수 있다. 도 3d는 FBAR 장치(300)의 개략도이다. FBAR 장치(300)의 다른 실시예들은 도시된 3개 더욱 많은 FBAR들을 구성할 수 있다.
서스펜션된 FBAR 장치(300)에 있어서, 서스펜션된 FBAR 스택(321)은 FBAR들(110, 150, 및 170), 및 온도 보상 소자(109)를 포함한다. FBAR(110)은 대향 평면 전극들(112 및 114) 및 상기 전극들 사이에 형성된 압전 소자(116)를 포함한다. 압전 소자(116)는, FBAR(110)의 공진 주파수의 온도 계수가 적어도 부분적으로 의존하는 온도 계수를 갖는다. FBAR(110)의 공진 주파수의 온도 계수는 또한 전극들(112 및 114)의 온도 계수에 의존한다. 온도 보상 소자(109)는 압전 소자(116)의 온도 계수와는 반대되는 극성의 온도 계수를 갖는다. 온도 계수와는 반대되는 극성의 결과로서, 온도 보상 소자(109)는 FBAR(110)의 공진 주파수의 온도 계수에 대한 압전 소자(116)의 온도계수의 영향을 감소시킨다.
FBAR(150)은 대향 평면 전극들(152 및 154) 및 상기 전극들 사이에 형성된 압전 소자(156)를 포함한다. 압전 소자(156)는, FBAR(150)의 공진 주파수의 온도 계수가 적어도 부분적으로 의존하는 온도 계수를 갖는다. FBAR(150)의 공진 주파수의 온도 계수는 또한 전극들(152 및 154)의 온도 계수에 의존한다. 온도 보상 소자(109)는 상기한 것과 같은 동일한 방법으로 FBAR(110)의 공진 주파수의 온도 계수에 대한 압전 소자(116)의 온도계수의 영향을 감소시킨다.
도 3c를 참조하면, FBAR(170)은 대향 평면 전극들(172 및 174) 및 상기 전극들 사이에 형성된 압전 소자(176)를 포함한다. 압전 소자(176)는, FBAR(170)의 공진 주파수의 온도 계수가 적어도 부분적으로 의존하는 온도 계수를 갖는다. FBAR(170)의 공진 주파수의 온도 계수는 또한 전극들(172 및 174)의 온도 계수에 의존한다. 온도 보상 소자(109)는 상기한 것과 같은 동일한 방법으로 FBAR(170)의 공진 주파수의 온도 계수에 대한 압전 소자(176)의 온도계수의 영향을 감소시킨다.
상기 FBAR들(110, 150, 및 170)의 공진 주파수들의 온도 계수들을 감소시키는 온도 보상 소자(109)의 결과로서, 서스펜션된 FBAR 장치(300)의 통과 대역 폭의 온도 계수는 온도 보상 소자(109)가 없는 유사한 FBAR 장치의 온도 계수보다 작다.
FBAR(110)의 전극(112)은 부분적으로 압전 소자(116) 아래 및 부분적으로 기판(102) 위로 연장된 트레이스(trace, 133)에 의해 입력 단자 패드(132)에 전기적으로 연결된다. FBAR(150)의 전극(152)은 부분적으로 압전 소자(156) 아래 및 부분적으로 기판(102) 위로 연장된 트레이스(135)에 의해 입력 단자 패드(134)에 전기적으로 연결된다. FBAR(170)의 전극(172)은 부분적으로 압전 소자(176) 아래 및 부분적으로 기판(102) 위로 연장된 트레이스(137)에 의해 입력 단자 패드(136)에 전기적으로 연결된다. FBAR(110)의 전극(114), FBAR(150)의 전극(154), 및 FBAR(170)의 전극(174)은 트레이스(138)에 의해 상호 전기적으로 연결되어 있다.
도 3b에 도시된 예에 의하면, FBAR(110)에서, 온도 보상 소자(109)는 전극(112)과 압전 소자(116) 사이에 위치한 온도 보상 층(113), 및 전극(114)과 압전 소자(116) 사이에 위치한 온도 보상 층(115)로 이루어진다. 부가적으로, FBAR(150)에서, 온도 보상 소자(109)는 전극(152)과 압전 소자(156) 사이에 위치한 온도 보상 층(153), 및 전극(154)과 압전 소자(156) 사이에 위치한 온도 보상 층(156)로 이루어진다. 마지막으로, 도 3C에 도시된 FBAR(170)에서, 온도 보상 소 자(109)는 전극(172)과 압전 소자(176) 사이에 위치한 온도 보상 층(173), 및 전극(174)과 압전 소자(176) 사이에 위치한 온도 보상 층(175)로 이루어진다.
상기 온도 보상 층들은 각각 FBAR(110)의 압전 소자(116) 및 전극들(112 및 114), FBAR(150)의 압전 소자(156) 및 전극들(152 및 154), 및 FBAR(170)의 압전 소자(176) 및 전극들(172 및 174)의 온도 계수들과는 반대 극성을 갖는 온도 계수를 가진 온도 보상 재료의 층이다. 도시된 예에서, 온도 보상 재료는 이산화실리콘(SiO2)이다. 다른 실시예에 의하면, FBAR 스택(321)이 제조되는 온도 보상 재료 및 상기 재료들 중 하나 또는 모두는 FBAR 스택(321)이 제조된 후 희생 재료(105)를 공동(104)으로부터 제거하기 위해 전술된 것처럼 사용되는 릴리스 에칭액과 호환성이 없다.
실시예에서 사용되는 바와 같이, FBAR 스택(321)의 구성 요소, 예를 들면, 온도 보상 소자(109), 온도 보상 층들(113, 115, 153, 155, 173, 및 175), 압전 소자들(116, 156, 및 176), 및 전극들(112, 114, 152, 154, 172, 및 174)의 온도 계수는 FBAR들(110, 150, 및 170)의 공진 주파수의 온도 계수가 의존하는 상기 구성 요소의 파라미터의 온도 계수이다. 일반적으로, 상기 파라미터는 상기 구성 요소에서의 소리의 전파 속도 및 상기 구성 요소의 열팽창 계수의 결합이다. 상기 파라미터는 상기 구성 요소의 음향파 임피던스를 부가적으로 고려할 수 있다.
도시된 예에 의하면, 온도 보상 소자(109)를 구성하는 온도 보상 층들(113 및 115)는 상기 층들의 주요 표면들에 평행한 평면에 위치한 상기 인접한 전극들과 동일한 형상 및 크기를 갖는다. 예를 들면, FBAR(110)에서, 온도 보상 층(113)은 인접 전극(112)과 동일한 형상 및 크기를 갖는다. 또한, 도시된 예에서, 예를 들면, FBAR(110)에서 온도 보상 층들(113 및 115)은 각각 전극들(112 및 114)과 나란히 놓여, 전극(112)과 압전 소자(116) 사이 및 전극(114)과 압전 소자(116) 사이에 위치한다. 온도 보상 층들(113 및 115)는 압전 소자(116)와 동일한 형상 및 크기를 갖는다. FBAR들(150 및 170)도 유사하게 적용된다.
도 3a 및 도 3b에 구현된 FBAR 장치의 구조에서의 변형 실시예가 이하에 설명된다. 간략하게 설명하기 위하여, 유사한 변화가 FBAR들(150 및 170)의 구조들에도 적용될 수 있다는 이해 하에 FBAR(110)의 구조에서 변화만 설명된다. 나중에 설명될 변화들은 여기 설명된 다른 서스펜션형 장치에 적용될 수 있다.
제 1 변형예에 의하면, 온도 보상 층들(113 및 115)은 각각 압전 소자(116)로부터 전극들(112 및 114)의 대향 측면들 상에 위치한다. 이러한 구성에 의하면, 주어진 온도 보상 효과를 얻기 위하여, 상기 온도 보상 층들은 도 3B에 도시된 실시예에 의한 온도 보상 층들 보다 더 두껍다. 두께의 곱하는 수(multiplier)는 4 내지 8의 범위에 있다. 하지만, 압전 소자로부터 상기 전극들의 대향 측면들에 위치한 온도 보상 층들은 상기 전극들 사이에 발생한 전기장으로부터 제거된다. 이것은 온도 보상들을 상기 전기장으로부터 절연하도록 위치시킴으로써 커플링 상수의 파손을 제거한다. 상기 커플링 상수는 상기 전기장과 상기 압전 소자 사이의 전자기 커플링을 특징지운다. 다른 실시예로서, 온도 보상들은 전극들의 양 측면 상에 위치할 수 있다. 이와 같은 변형 실시예는 상기한 미합중국 특허 출원 번호 제 10/977,398 호에 개시되어 있다.
다른 변형예에 의하면, 온도 보상 소자(109)는 단지 단일 온도 보상 층(113)으로 구성된다. 단일 온도 보상 층(113)은 도 3B에 도시된 실시예에 따른 온도 보상 층들(113 및 115)의 두께의 합과 동일한 두께를 갖는다. 단일 온도 보상 층(113)은 전극(112)과 나란히 놓이고, 전극(112)과 압전 소자(116) 사이에 위치한다. 단일 온도 보상 층(113)은 압전 소자(116)로부터 전극(112)의 대향 측면 상에 위치할 수 있다. 단일 온도 보상 소자는 전극(112)에 대하여 설명된 어느 방식에 의해 전극(112)에 나란히 놓일 수 있다.
단일 온도 보상 층이 사용되는 변형 예에 의하면, 상기 온도 보상 층에 나란하지 않게 놓인 전극의 두께가 증가되어 각 FBAR의 대칭을 회복시킬 수 있다. 하지만, 상기 전극의 두께 증가는 상기 온도 보상 소자에 의해 보상될 필요가 있는 온도 계수를 증가시킨다. 장치의 대칭은 상기 커플링 상수를 감소시키지만, 이러한 감소된 커플링 상수는 일반적으로 수용할 수 있는 정도이다.
다른 변형예에 의하면, 온도 보상 소자(109)는 압전 소자(116)에 내장된 단일 온도 보상 층(113)으로 이루어진다. 이것은 온도 보상 층(113)을 압전 소자(116)의 두께의 어느 정도, 예를 들면 중간까지 위치하도록 하고, 단일 온도 보상 층을 갖는 대칭성 FBAR을 제공한다.
온도 보상 소자(109)는 전극들(112 및 114) 사이에 위치하는 경우가 다른 곳에 위치하는 경우보다 더 효과적인 온도 보상 효과를 갖는다.
상기한 실시예에 의하면, 온도 보상 소자(109)는 FBAR들(110, 150 및 170)의 공진 주파수의 온도 계수를 감소시킨다. 상기 온도 보상 소자의 전파 속도의 양의 온도 계수는 적어도 부분적으로 상기 압전 소자 및 상기 전극들의 전파 속도의 양의 온도 계수를 상쇄한다. 어느 실시예에 의하면, 상기 온도 보상 소자의 두께는 각 FBAR의 공진 주파수의 유효 온도 계수가 0에 되도록 설정된다. 다른 실시예에 의하면, 상기 온도 보상 소자는 각 FBAR의 공진 주파수의 유효 온도 계수가 음의 값으로 남도록 설정되지만, FBAR 스택이 온도 보상 소자를 구비하지 않은 종래 FBAR 장치의 유효 온도 계수보다 작다. 상기 FBAR들의 공진 주파수의 온도 계수에서의 감소는 서스펜션 FBAR 장치(300)의 동작 온도 범위 및 제조 수율 중의 적어도 하나를 증가시킬 것이다. 제조 수율의 유효 증가는 각 FBAR의 공진 주파수의 온도 계수를 종래의 FBAR의 온도 계수의 1/2로 감소시킴으로써 간단히 얻을 수 있다.
본 발명의 실시예에 설명된 바와 같이 따라 병렬 형성된 소자들은 도 3B에 도시된 바와 같이 상호 물리적으로 접촉한다. 하지만, 만약 이러한 개재 소자들이 상기 병렬 소자들의 음향파 특성에 무시할 수 있는 영향을 미친다면, 상기 병렬 소자들은 상기 개재 소자들에 의해 분리될 수 있다.
도 4a 및 도 4b는 각각 본 발명의 제 3 실시예에 따른 서스펜션형 장치를 나타낸 평면도 및 단면도이다. 상기 서스펜션형 장치의 실시예는 단일 디커플링 스택형 벌크 음향파 공진기(106)로 이루어진 대역 통과 필터가 FBAR 스택(421)에 형성된 서스펜션 FBAR 장치(400)로서 구현된다. 단일 디커플링 스택형 벌크 음향파 공진기(106)는 FBAR들(110 및 120) 및 상기 FBAR들(110 및 120) 사이의 음향파 디커플러(130)로 구성된다. FBAR 스택(421)은 기판(102)에 형성된 공동(104) 위에 서스펜션된다. 에칭액 액세스 개구들(103)은 기판(102)의 후면(101)으로부터 공동(104)으로 연장되어 있다. 공동(104) 및 에칭액 액세스 개구들(103)은 각각 공동(107)의 제 1 부분 및 제 2 부분으로 간주한다.
서스펜션 FBAR 장치(400)에서, FBAR 스택(421)은 디커플링 스택형 벌크 음향파 공진기(106) 및 온도 보상 소자(109)로 이루어진다. 디커플링 스택형 벌크 음향파 공진기(106)는 하부 FBAR으로서의 상기한 FBAR(110), 하부 FBAR(110) 상에 스택된 상부 FBAR(120), 및 상기 FBAR들(110 및 120) 사이의 디커플러(130)로 이루어진다.
하부 FBAR(110)은 대향 평면 전극들(112 및 114) 및 상기 전극들 사이의 압전 소자(116)를 포함한다. 압전 소자(116)는 FBAR(110)의 공진 주파수의 온도 계수가 적어도 부분적으로 의존하는 온도 계수를 갖는다. FBAR(110)의 공진 주파수의 온도 계수는 전극들(112 및 114)의 온도 계수에 의존한다. 상부 FBAR(120)은 대향 평면 전극들(122 및 124) 및 상기 전극들 사이의 압전 소자(126)를 포함한다. 압전 소자(126)는 FBAR(120)의 공진 주파수의 온도 계수가 적어도 부분적으로 의존하는 온도 계수를 갖는다. FBAR(120)의 공진 주파수의 온도 계수는 전극들(122 및 124)의 온도 계수에 의존한다. 온도 보상 소자(109)는 압전 소자들(116 및 126)의 온도 계수와 반대 극성의 온도 계수를 갖는다.
이러한 온도 계수의 반대 극성의 결과로서, 온도 보상 소자(109)는 압전 소자(116)의 온도 계수의 영향을 감소시키고, FBAR(110)의 공진 주파수의 온도 계수에 대한 전극들(112 및 114)의 온도 계수의 영향을 감소시킨다. 부가적으로, 온도 보상 소자(109)는 압전 소자(126)의 온도 계수의 영향을 감소시키고, FBAR(120)의 공진 주파수의 온도 계수에 대한 전극들(122 및 124)의 온도 계수의 영향을 감소시 킨다. 상기 FBAR들(110 및 120)의 공진 주파수들의 감소된 온도 계수들은 서스펜션된 FBAR 장치(400)의 통과 대역 폭의 온도 계수를 감소시킨다. 결과로서, 서스펜션된 FBAR 장치(400)의 통과 대역 폭의 온도 계수는 온도 보상 소자가 없는 유사한 FBAR 장치의 온도 계수보다 작다.
도 4b에 도시된 예에서, 온도 보상 소자(109)는 전극(114)과 압전 소자(116) 사이 FBAR(110)에 위치한 온도 보상 층(115), 및 전극(122)과 압전 소자(126) 사이 FBAR(120)에 위치한 온도 보상 층(123)으로 구성된다. 온도 보상 층들(115 및 123)은 각각 압전 소자들(116 및 126)의 온도 계수들과는 반대 극성인 온도 계수를 갖는 상기한 온도 보상 재료의 층이다. FBAR 장치(400)의 일반적인 실시예에서, 압전 소자들(116 및 126)은 각각 음의 온도 계수를 갖고, 상기 온도 보상 재료는 양의 온도 계수를 갖는다. 도시된 예에 의하면, 상기 온도 보상 재료는 이산화실리콘 SiO2이다. 다른 실시예에서, FBAR 스택(421)이 제조되는 상기 온도 보상 재료 및 다른 재료 중의 적어도 하나가, FBAR 스택(421)이 제조된 후 상기한 바와 같이 사용된 릴리스 에칭액과 호환성이 없어 희생 재료(105)를 공동(104)으로부터 제거한다.
FBAR 장치(400)에서, 음향파 디커플러(130)는 FBAR들(110 및 120) 사이에, 특히 FBAR(110)의 전극(114) 및 FBAR(120)의 전극(122) 사이에 위치한다. 음향파 디커플러는, 종래의 스택형 벌크 음향파 공진기에서와 같이 FBAR들 사이의 직접 접촉에 의해 커플링되는 것보다 FBAR들 사이에 더 적은 음향파 에너지를 커플링한다. 음향파 디커플러(130)에 의해 형성된 음향파 에너지의 커플링은 FBAR 장치(400)의 통과 대역 폭을 결정한다. 도 4b에 도시된 예에서, 음향파 디커플러(130)는 음향파 디커플링 재료의 음향파 디커플링 층으로 이루어진다.
도시된 예에서, FBAR 스택(411)은 기판(102)에 형성된 공동(104) 위에 서스펜션된다. 공동(104)는 FBAR 스택(411)을 기판(102)으로부터 음향파적으로 분리한다. FBAR 스택(411)과 기판(102) 사이의 음향파적 분리는 디커플링 스택형 벌크 음향파 공진기(106)를 구성하는 FBAR들(110 및 120) 중 하나의 전극들 사이에 인가된 입력 전기 신호에 응답하여 FBAR들(110 및 120)이 물리적으로 공진할 수 있도록 한다. 상기 입력 전기 신호를 수신하는 FBAR에서 발생된 음향파 에너지는 음향파 디커플러(130)를 통하여 다른 FBAR에 전달된다. 상기 음향파 에너지를 수신한 FBAR은 음향파 에너지의 부분을 상기 전극들 사이에 제공된 전기 에너지로 변환한다. 음향파 에너지를 수신한 FBAR의 전극들 사이의 전기 신호 출력은 FBAR 스택(411)과 기판(102) 사이의 바람직하지 못한 음향파 커플링으로부터 발생하는 바람직하지 못한 스퓨리어스 아티팩트가 실질적으로 없는 대역 통과 주파수 응답 특성을 갖는다.
도시된 예에서, FBAR(110)의 전극들(112 및 114)은 각각 전기적 트레이스(133 및 135)에 의해 단자 패드들(132 및 134)에 전기적으로 연결되어 있다. 부가적으로, FBAR(120)의 전극들(122 및 124)은 각각 전기적 트레이스(137 및 139)에 의해 단자 패드들(134 및 138)에 전기적으로 연결되어 있다. 입력과 출력 사이에 갈바니 분리를 제공하는 실시예에서, 전기적 트레이스(137)는 단자 패드(134) 대신에 부가적인 단자 패드(도시안됨)에 연결되어 있다. 단자 패드들(132, 134, 및 138)은 FBAR 장치(400)와 외부 전기 회로(도시안됨) 사이의 전기적 연결을 제공하는데 사용된다.
도시된 예에서, 음향파 디커플러(130)는 음향파 디커플링 재료의 1/4 파장 층으로 이루어진다. 음향파 디커플링 재료의 음향파 임피던스는 FBAR들(110 및 120)의 재료들의 음향파 임피던스 보다 작고, 공기의 음향파 임피던스 보다 크다. 재료의 음향파 임피던스는 상기 재료에서의 입자 속도에 대한 스트레스의 비율이고, 레일리 단위로 측정된다. FBAR들의 재료들의 음향파 임피던스들은 30 Mrayl(AlN에 대해 30 Mrayl 그리고 Mo에 대해 63 Mrayl) 보다 크고, 공기의 음향파 임피던스는 1 krayl이다. FBAR들(110 및 112)의 재료들이 상기한 바와 같은 FBAR 장치(400)의 실시예들에서는, 2 Mrayl 내지 8 Mrayl 범위의 음향파 임피던스를 갖는 음향파 디커플링 재료들은 음향파 디커플러(130)의 음향파 커플링 재료로서 잘 동작한다.
1/4 파장 층은 FBAR 장치(400)의 중심 주파수에 대한 주파수가 동일한 음향파 신호의 음향파 디커플링 재료에서의 파장 λη의 1/4의 홀수 정수배와 동일한 공칭 두께ｔ를 갖는다. 예를 들면,
Figure 112011009360688-pat00002
, 여기서 ｔ 및 λη은 상술한 값을 갖고, m은 0이거나 0 보다 큰 정수이다. 실시예에 의하면, 정수 m은 0이다. 예를 들면,
Figure 112011009360688-pat00003
. 정수 m의 값이 0인 음향파 디커플러를 갖는 FBAR 장치(400)의 주파수 응답은 정수 m의 값이 0 보다 큰 음향파 디커플러를 갖는 실시예 보다 불요 인공물을 덜 나타낸다. 정수 m의 값이 0 보다 큰 후자의 실시예에서의 주파수 응답은 다중 음향파 모드를 지지하기 위하여 더 두꺼운 음향파 커플러의 능력으로 인하여 스퓨리어스 아티팩트를 더 많이 나타낸다.
공칭 1/4 파장 두께와는 λη/4의 ±10% 만큼 다른 음향파 디커플러(130)의 실시예들이 선택적으로 이용될 수 있다. 이러한 범위 외의 두께 허용 범위는 성능 감소을 가지면서 사용될 수 있다. 하지만, 음향파 디커플러(130)은 두께에 있어서 λη/2의 정수배와는 상당히 달라야 한다.
많은 플라스틱 재료는 2 Mrayl 내지 8 Mrayl의 상기한 범위를 갖는 음향파 임피던스를 가지고, 상기한 두께 범위에서 균일한 두께의 층들에 적용될 수 있다. 따라서, 이러한 플라스틱 재료들은 음향파 커플러(130)의 음향파 디커플링 재료로 사용되기에 잠재적으로 적합하다. 하지만, 음향파 디커플링 재료는, 또한 음향파 디커플러(130)가 제조된 후에 수행된 제조 동작의 온도를 견딜 수 있어야 한다. 아래에 더욱 상세하게 설명되는 바와 같이, FBAR 장치(400)의 실제 실시예에서는, 전극들(122 및 124) 및 압전층(126)은 음향파 디커플러(130)가 제조된 후에 스퍼터링에 의해 증착된다. 상기 증착 공정에 400℃ 만큼의 온도에 도달한다. 그래서, 이러한 온도에서 안정하게 유지되는 플라스틱은 음향파 디커플링 재료로서 사용된다.
일반적으로, 플라스틱 재료는 FBAR들(110, 120)의 다른 재료들과 비교하여 단위 길이 당 초고음파 감쇠를 갖는다. 그러나 일반적으로 플라스틱 음향파 디커플러(130)는 1㎛ 보다 적은, 예를 들어 200㎚ 두께를 갖기 때문에, 일반적으로 음파 디커플러(130)의 실시 예에서 도입된 음파 감쇠는 무시한다.
일 실시 예에서, 폴리아미드는 음향파 디커플러(130)의 음향파 디커플링 재료로서 사용된다. 폴리아미드는 E. I. du Pont de Nemours 및 회사에 의해 Kapton?이라는 상표로 판매된다. 이러한 실시 예에서, 음향파 디커플러(130)는 스핀 코팅에 의한 전극(114)에 적용된 폴리아미드의 쿼터 웨이브 층으로 구성된다. 폴리아미드는 대략 4 Mrayl의 음향파 임피던스를 갖는다.
다른 실시 예에서, 폴리(para-xylylene)는 음향파 디커플러(130)의 음향파 디커플링 재료로서 사용된다. 그러한 실시 예에서, 음향파 디커플러(130)는 진공 침전에 의해 전극(114)에 사용된 폴리(para-xylylene)의 쿼터-웨이브 층으로 구성된다. 또한 폴리(para-xylylene)는 파릴렌(parylene)으로서 해당 분야에서 잘 알려져 있다. 파릴렌를 구성하는 다이머 프리커서 디-파라-실리렌(dimer precursor di-para-xylylene) 및 파릴렌 층의 진공 증착을 수행하는 장비는 많은 공급자들로부터 입수가능하다. 파릴렌은 약 2.8 Mrayl의 음향파 임피던스를 갖는다.
또 다른 실시 예에서, 교차 결합된 폴리페닐렌 고분자(polyphenylene polymer)는 음향파 디커플러(130)의 음향파 디커플링 재료로서 사용된다. 그러한 실시예에서, 음향파 디커플러(130)는 스핀 코팅에 의해 이용된 교차 결합된 폴리페닐렌 고부자의 1/4 파장 층이다. 교차 결합된 폴리페닐렌 고분자는 인쇄 회로 기판에 사용하기 위한 낮은 절연 상수의 절연재로서 개발되어 왔으며, 그 결과로서, 음향파 디커플러(130)는 FBAR(120)의 차후 조립 동안 고온에서 안정한 상태로 남아 있다. 발명가들은 교차 결합딘 폴리페닐렌 고분자들이 추가적으로 약 2 Mrayl의 계산된 음향파 임피던스를 갖는다는 것을 발견했다. 이 음향파 임피던스는 유용한 통과 대역폭을 갖는 FBAR 장치(400)를 제공하는 음향파 임피던스의 범위 내에 있다.
교차 결합된 폴리페닐렌 고분자를 각각 형성하기 위해 중합시킨 다양한 올리고머(oligomers)를 포함하는 전구 용액들은 SiLK 라는 상표로 MI의 Midland에 위치한 Dow 화학회사에서 판매된다. 전구 용액들은 스핀 코팅에 의해 사용된다. 부가적으로 점착 조촉매(adhesion promoter)를 포함한 SiLK™ J라고 명명된 이들 전구 용액들 중 하나로부터 얻어진 교차 결합된 폴리페닐렌 고분자는 예를 들어 약 2 Mrayl인 2.1 Mrayl의 예측된 음향파 임피던스를 갖는다.
교차 결합된 폴리페닐렌 고분자들을 형성하도록 중합시킨 올리고머들은 모노머들을 포함하는 비스사이클로펜타디에논-(biscyclopentadienone-) 및 방향족 아세틸렌-(aromati acetylene-)으로부터 마련된다. 그러한 모노머들을 사용하는 것은 과도한 치환 없이 용해 가능한 올리고머를 형성한다. 전구 용액은 감마-부틸로락톤(gamma-butyrolactone) 및 사이클로헥사논(cyclohexanone) 용매에서 용해된 특정 올리고머를 포함한다. 전구 용액 내에 있는 올리고머의 비율은 전구 용액이 스펀 온(spun on)될 때 층 두께를 결정된다. 적용 이후, 가해진 열에 의해 용매는 증발하고, 그리고 나서, 교차 결합된 폴리머를 형성하도록 올리고머는 경화된다. 비스사이클로펜타디에논들(biscyclopentadienones)은 새로운 방향족 링을 형성하는 4+2 사이클로에디션(cycloaddition) 반응에서 아세틸렌과 반응한다. 그 이상의 경화는 교차 결합된 폴리페닐렌 고분자를 야기한다. 상기에서 개시된 교차 결합된 폴리페닐렌 고분자들은 Godschalx 등에 의한 미국합중국 특허번호 제5,965,679호에 개시된다. 여기서 참조로 인용된다. 추가의 실제적인 상세한 설명은 Martin 등에 의한 "Development of Low-Dielectric Constant Polymer for the Fabrication of Integrated Circuit Interconnect, 12 ADVANCED MATERIALS, 1769(2000)"에 개시되어 있으며, 이 역시 참고로 인용된다. 폴리아미드와 비교해 볼 때, 교차 결합된 폴리페닐렌 고분자들은 음향파 임피던스가 더 낮고 음파 감쇠가 더 낮으며 유전율이 더 낮다. 또한 전구 용액의 스펀-온 층은 200㎚ 정도의 두께를 갖는 교차 결합된 폴리페닐렌 고분자의 고품질의 필름을 생산할 수 있다. 이러한 두께는 약 2 ㎓에서 작동되는 FBAR 장치에서 음향파 디커플러(130)의 전형적인 두께이다.
또 다른 실시예에서, 음향파 디커플러(130)는 Larson Ⅲ 등의 미합중국 출원번호 제 10/965,449호에 개시된 바와 같은 상이한 음향파 임피던스를 갖는 음향파 디커플링 재료의 음향파 디커플링층들(도시안됨)로 구성된다. 음향파 디커플링층들의 음향파 임피던스 및 두께는 음향파 디커플러(130)의 음향파 임피던스를 총괄하여 한정한다. 다음으로 음향파 디커플러(130)의 음향파 임피던스는 FBAR 장치(400)의 통과 대역폭을 정의한다. 상이한 음향파 임피던스를 갖는 음향파 디커플링 재료의 음향파 디커플링층으로 구성된 음향파 디커플러(130)의 실시예는 FBAR 장치(400)의 통과 대역의 중심 주파수와 동등한 주파수의 음향파 신호에 대해 π/2 라디언의 홀수 정수 배수(odd integral multiple)의 명목상의 상변화가 부과되도록 구성된다. 일 실시예에서, 음향파 디커플러는 중심 주파수와 동등한 주파수의 음향파 신호에 대해 π/2 라디언의 명목상의 상변화가 부과되도록 구성된다. 이러한 상 변화는 중심 주파수와 동등한 주파수의 음향파 신호의 음향파 디커플링 재료내 파장의 4/1에 상응한 공칭 두께를 갖는 음향파 디커플링 재료의 단일층으로 구성된 음향파 디커플러에 의해 부과된 명목상의 상변화와 같다.
일 예에서, 음향파 디커플러(130)는 약 4 Mrayl의 음향파 임피던스를 갖는 폴리 아미드의 음향파 디커플링 층의 상단에 약 2 Mrayl의 음향파 임피던스를 갖는 교차 결합된 폴리페닐렌 고분자의 음향파 디커플링 층으로 구성된다. 그러한 음향파 디커플러는 음향파 디커플러들이 폴리아미드의 단일 1/4 파장 층 또는 교차 결합된 폴리페닐렌 고분자의 단일 1/4 파장 층으로 구성되는 실시예의 통과 대역폭 사이에 통과 대역폭이 개재된 FBAR 장치(400)의 일 실시 예를 제공한다.
또 다른 실시예서, 음향파 디커플러(130)의 음향파 디커플링 재료의 음향파 임피던스는 FBAR들(110, 120)의 재료들 보다 실질적으로 더 큰 임피던스를 갖는다. 현재는 이러한 특성을 갖는 음향파 디커플링 재료는 알려진 바 없지만 그러한 재료들은 향후 이용가능해질 수 있다. 이와 달라, 보다 낮은 음향파 임피던스를 갖는 FBAR 재료는 장래에 이용가능해질 수 있다. 그러한 고 음향파 임피던스의 음향파 디커플링 재료로 구성된 음향파 디커플러(130)의 두께는 상술한 바와 같다.
다른 실시 예에서(도시안됨), 음향파 디커플러(130)는 고 음향파 임피던스 브래그 소자(Bragg elements) 사이에서 샌드 위치된 저 음향파 임피던스 브래그 소자로 구성된 브래그 구조(Bragg structure)로서 구성된다. 저 음향파 임피던스 브래그 소자는 저 음향파 임피던스 재료 층인 반면 고 음향파 임피던스 브래그 소자는 각각 고음향파 임피던스 재료의 층이다. 브래그 소자들의 음향파 임피던스들은 서로에 대하여 그리고 압전기 소자들(116, 126)의 압전재료의 음향파 임피던스에 대하여 "low"와 "high"로써 특징지워진다. 추가적으로 브래그 소자 중 적어도 하나는 FBAR 장치(400)의 입력과 출력 사이에서 전기 절연을 제공하도록 고 전기 저항성 및 저 유전율을 갖는다.
브래그 소자로 구성되는 각각의 층들은 명목상으로 1/4 파장 층이다. 그와 달리, 파장의 1/4의 대략 ±10% 만큼 명목상의 1/4 파장 두께와는 다른 층들이 사용될 수 있다. 이 범위 밖의 두께 공차는 약간의 성능 저하를 수반하며 사용될 수 있지만, 그 층의 두께는 파장의 1/2의 정수 배수와는 상당히 달라야만 한다.
일 실시예에서, 저 음향파 임피던스 브래그 소자는 실리콘 다이옥사이드(SiO2)의 층이다. 이 층은 약 13 Mrayl의 음향파 임피던스를 가지며, 각각의 고 임피던스 브래그 소자들은 예를 들어 몰리브데늄(molybdenum)과 같은, 약 63 Mrayl의 음향파 임피던스를 갖는 전극(114, 122)과 같은 재료의 층이다. 고 음향파 임피던스 브래그 소자들과 FBAR들(110, 120)의 전극에 대해 동일 재료를 사용하게 되면 부가적으로 고 음향파 임피던스 브래그 소자들이 음파 커플링 소자들과 인접한 FBAR들의 전극으로서 기능할 수 있다. 이 실시예에서, 저 음향파 임피던스 브래그 소자는 릴리스 에칭액과 호환성이 없다.
스택형 벌크 음향파 공진기(SBAR:stacked bulk acoustic resonator)는 음향파 디커플링 층(131)이 생략된 FBAR 스택(421)의 실시예에서 정의될 수 있다. 전극들(114, 154) 또는 전극(122, 162)은 추가적으로 생략될 수 있다.
도 5a는 본 발명에 따른 서스펜션형 장치의 제 4 실시 예를 보여주는 평면도이다. 이 서스펜션형 장치의 실시예는 부유 FBAR 장치(500)로서 예시되며, 두 개의 전기적으로 상호 연결된 디커플링 스택형 벌크 음향파 공진기들(DSBARS, 106, 108)로 구성된 박막 음향파 결합된 트랜스포머(FACT)가 FBAR(521)에서 정의된다. 도 5a 및 5c는 도 5a에서 각각 선 5B-5B 및 5C-5C에 따른 종 단면도이다. 도 5d는 도 5a 및 이하에서 개시되고 도 5a에서 보여준 FACT의 보기의 전기 회로도의 개략도면이다.
FBAR 스택(521)은 기판(102)에 형성되는 공동(104)에 걸쳐 서스펜션된다. 에칭액 액세스 개구들(103)은 기판(102)의 후면(101)으로부터 공동(104)까지 연장된다. 공동(104)과 에칭액 액세스 개구들(103)은 공동(107)의 제 1 부분과 제 2 부분으로서 각각 간주될 수 있다. 이와 달리, DSBARS(106, 108)는 각각의 공동(104)에 걸쳐 서스펜션될 수 있다. 이 경우, 에칭액 액세스 개구들(103)은 기판(102)의 후면(101)으로부터 각 공동(104)까지 연장된다.
서스펜션형 FBAR 장치(500)에 있어서, FBAR 스택(521)은 상기에서 개시된 DSBAR(106) 및 온도-보상 소자(109)를 포함한다. DSBAR(106)은 FBAR 스택(521)의 제 1 DSBAR을 구성하고 DSBAR(106)의 하부 FBAR인 FBAR(110)을 포함한다. DSBAR(106)은 하부 FBAR(110) 상에 축적된 상부 FBAR(120)과 FBARS(110, 120) 사이의 음향파 디커플러(130) 추가적으로 포함한다. FBAR 스택(521)은 하부 FBAR(150), 하부 FBAR(150) 상에 축적된 상부 FBAR(160) 및 FBARS(150, 160) 사이에서의 음향파 디커플러(170)로 구성된 제 2 DSBAR(108)을 추가적으로 포함한다.
FBAR 장치(500)는 DSBARS(106, 108)의 하부 FBARS(110, 150)를 상호 연결시 키는 전기 회로 및 DSBARS(106, 108)의 상부 FBARS(120, 160)를 상호 연결시키는 전기 회로로 구성된다. 도 5d는 예를 보여준다. 이 예에서, 전기 회로(141)는 DSBAR(106)의 하부 FBAR(110)과 DSBAR(108)의 하부 FBAR(150)를 비 평행하게 연결하며, 전기 회로(142)는 DSBAR(106)의 상부 FBAR(120)과 DSBAR(108)의 상부 FBAR(160)을 연결한다.
DSBAR(106)에서, 하부 FBAR(110)은 대향 평면 전극(112, 114) 및 전극들 사이의 압전소자(116)로 구성된다. 압전소자(116)는 FBAR(110)의 공명 진동수의 온도 계수가 적어도 부분적으로 의존하는 온도 계수를 갖는다. FBAR(110)의 공명 진동수의 온도 계수는 전형적으로 전극의 온도 계수(112, 114)에 따라 또한 달라진다. 상부 FBAR(120)은 전극들 사이의 대향 평면 전극들(122, 124)로 구성된다. 상부 FBAR(120)은 대향 평면 전극(122, 124)과 전극들 사이의 압전소자(126)를 갖는다. 압전소자(126)는 FBAR(120)의 공명 진동수의 온도 계수가 적어도 부분적으로 의존하는 온도 계수를 갖는다. FBAR(120)의 공명 진동수의 온도 계수는 일반적으로 추가적으로 전극들(122, 124)의 온도 계수에 따라 달라진다. 온도 보상 소자(109)는 압전소자(116, 126)의 온도 계수와 부호가 반대인 온도 계수를 갖는다.
DSBR(108)에서, 하부 FBAR(150)은 대향 평면 전극(152, 154) 및 전극들 사이의 압전소자(156)로 구성된다. 압전소자(156)는 FBAR(150)의 공명 진동 진동수의 온도 계수가 적어도 부분적으로 의존하는 온도 계수를 갖는다. FBAR(150)의 공명 진동수의 온도 계수는 전형적으로 전극들(152, 154)의 온도 계수에 따라 또한 달라 진다. 상부 FBAR(160)은 대향 평면 전극들(162, 164) 및 그 전극들 사이의 압전소자(166)로 구성된다. 압전소자(166)는 FBAR(150)의 공명 진동수(160)의 온도 계수가 적어도 부분적으로 의존하는 온도 계수를 갖는다. FBAR(160)의 공명 진동수의 온도 계수는 전형적으로 전극들(162, 164)의 온도 계수에 따라 또한 달라진다. 온도 보상 소자(109)는 압전소자(156, 166)의 온도 계수와 부호가 반대인 온도 계수를 갖는다.
온도 계수의 부호가 반대이면, 온도 보상 소자(109)는 FBAR 장치(500)를 구성하는 FBARS(110, 120, 150, 160)의 공명 진동수의 온도 계수에 대한 압전 소자(116, 126, 156, 166)의 온도 계수의 영향 및 전극들(112, 114, 122, 124, 152, 154, 162, 166)의 온도 계수의 영향이 감소한다. FBARS(110, 120, 150)160)의 공명 진동수의 감소된 온도 계수는 서스펜션된 FBAR 장치(500)의 통과 대역폭의 온도 계수를 감소시킨다. 그 결과, 서스펜션된 FBAR 장치(500)의 통과 대역폭의 온도 계수는 온도 보상 소자 없이 유사한 FBAR 장치의 온도 계수보다 작다.
도 5b에 도시된 실시 예에서, 온도 보상 소자(109)는 전극(114) 및 압전소자(116) 사이의 FBAR(110)내에 위치된 온도 보상 층(115), 전극(122) 및 압전소자(123) 사이의 FBAR(120) 내에 위치된 온도 보상 층(123), 전극(154) 및 압전소자(156) 사이의 FBAR(150) 내에 위치된 온도 보상 층(155) 및 전극(162) 및 압전소자(164) 사이의 FBAR(160) 내에 위치된 온도 보상 층(163)으로 구성된다. 온도 보상층들(115, 123, 155, 163)은 각각 압전소자들(115, 123, 155, 166)의 온도 계수와 부호가 반대인 온도 계수를 갖는 상술한 온도-보상 재료 층이다. 서스펜션된 FBAR 장치(500)의 전형적인 실시 예에서, 압전 소자들(116, 126, 156, 166)은 네가티브 온도 계수를 갖고 온도 보상 재료는 포지티브 온도 계수를 갖는다. 도시된 예에서, 온도-보상 재료는 실리콘 다이옥사이드(SiO2)이다. 다른 실시 예들에서, FBAR 스택(521)이 제조되는 온도-보상 재료 및 다른 재료들은 FEBR 스택(521)이 조립된 이후, 상술된 바와 같이 사용된 릴리스 에칭액과 양립될 수 없어 공동(104)으로부터 희생 재료(sacrificial material)를 제거한다.
FBAR 장치(500)에 있어서, DSBAR(106)의 음향파 디커플러(130)는 하부 FBAR(110) 및 상부 FBAR(120) 사이, 구체적으로 하부 FBAR(110)의 전극(114) 및 상부 FBAR(120)의 전극(122) 사이에 위치된다. 음향파 디커플러(130)는 FBARS(110, 120) 사이의 음향파 에너지의 결합을 컨트롤한다. 음향파 디커플러(130)는 FBARS들이 종래의 스택형 벌크 음향파 공진기(SBAR)에서와 같이 서로에 대하여 직접 접촉되었을 때 결합되는 것보다 FBARS(110, 120) 사이의 음향파 에너지를 덜 결합된다. 추가적으로, DSBAR(108)의 음향파 디커플러(170)는 FBARS(150, 160) 사이, 특히, 하부 FBAR(150)의 전극(154)과 상부 FBAR(160)의 전극(162) 사이에 위치된다. 음향파 디커플러(170)는 FBARS(150, 160) 사이의 음파 에너지의 결합을 컨트롤한다. 음향파 디커플러(170)는 FBARS이 서로 직접 접촉되었을 때 결합할 예정인 것보다 FBARS(150, 160) 사이의 음향파 에너지를 덜 결합된다. 음향파 디커플러(130, 170)에 의해서 정의된 음향파 에너지의 결합은 FBAR 장치(500)의 통과 대역폭으로 결정된다.
도 5a-5c에서 보여준 보기에서, 음향파 디커플러들(130, 170)은 음향파 디커플링 층(131)의 제각기의 일분이다. 다른 실시 예에서, 음향파 디커플러(130, 170)는 상술한 바와 같이 다른 음향파 임피던스를 갖는 음향파 디커플링 재료들의 음향파 디커플링 층들로 각각 구성된다. 좀 더 상세히 설명하는 바와 같이 미합중국 특허출원번호 제 10/965,449호가 개시된다. 다른 실시 예에서, 음향파 디커플러(130, 17)는 구조적으로 무관하다.
도 5d는 DSBARS(106, 108)을 상호 연결시키며, 서스펜션된 FBAR 장치(500)에서 외부 전기 회로(도시 안됨)에 DSBARS(106, 108)을 연결하는 전기 회로의 보기를 개략적으로 보여준다. 전기 회로(141)는 하부 FBARS(110, 150)를 반평행하게 연결시키며 신호 단자(143) 및 접지 단자(144)에 연결된다. 도 5a-5c에 보여준 FBAR 장치(500)의 실시 예에서, 단자 패드(138)는 시그널 단자(143)를 제공하고 단자 패드들(132, 172)은 접지 터미너미널(144)을 제공한다. 추가적으로, 실시 예에서, 전기 회로(141)은 단자 패드(132)로부터 FBAR(110)의 전극(112)으로 연장되는 전기 트레이스(133)와, FBARS(110)의 전극(114)으로부터 상호접속 패드와 전기적으로 접촉하는 상호접속 패드(136)까지 연장되는 전기 트레이스(137)와, 상호접속 패드(176)로부터 신호 패드(138)까지 연장되는 전기 트레이스(139)와, 상호접속 패드(176)으로부터 FBAR(150)의 전극(154)까지 연장되는 전기 트레이스(177)와, FBAR(150)의 전극(154)으로부터 단자 패드(172)까지 연장되는 전기 트레이스(173) 와, 단자 패드들(132, 172)를 상호 연결하는 전극 트레이스(167)에 의해 제공된다.
도 5d에 도시된 예시적인 전기적 개략도에 있어, 전기 회로(142)는 상부 FBARS(120, 160)를 직렬로 연결하며 신호 단자(145, 146) 및 중심 탭 단자(147)에 연결한다. 도 5a-5c에 도시된 실시예에서, 단자 패드들(134, 174)는 신호 패드(145, 146)를 제공하며 단자 패드(178)는 중앙-탭 단자(147)를 제공한다. 또한, 실시 예에서, 전기 회로(142)는 단자 패드(134)로부터 FBAR(120)의 전극(124)로 연장하는 전기 트레이스(135)와, FBAR(120)의 전극(122)으로부터 FBAR(160)의 전극(162)으로 연장하는 전기 트레이스(171)와, 트레이스(171)로부터 중앙-탭(137)까지 연장하는 전기 트레이스(179)와, FBAR(160)의 전극(164)으로부터 단자 패드(174)까지 연장하는 전기 트레이스(175)에 의해 제공된다. 단자 패드(163, 168)는 전기 트레이스(169)에 의해 서로 연결된다. 단자 패드들(134, 174)에 대해 로컬 그운드를 제공하는 전기 트레이스(169)에 의해 단자 패드(163, 168)가 상호연결되는 것이 또한 도시되어 있다. 도시되어 있는 예에서, 전기 트레이스(169)는 부가적으로 단자 패드(178)까지 연장한다. 다른 예에서, 단자 패드(178)는 플로팅(floating) 상태로 남겨진다.
도 5d에서 예시된 전기 연결은 밸런스가 유지된 프라이머리(primary) 및 4:1 임피던스 트랜스포메이션 비를 갖는 FACT 또는 밸런스가 유지된 세컨더리(secondary) 및 4:1 임피던스 트랜스포메이션 비를 갖는 FACT를 제공한다. 하부 FBARS는 평행하게, 직렬로 그리고 반평행하게 교대로 상호 연결될 수 있다. 그리고 상부 FBARS는 아래의 테이블 1에서 보여주는 바와 같이 다른 임피던스 트랜스포메이션 비를 달성하기 위하여 평행하게 반평행으로 그리고 비연속적으로 교대로 상호 연결될 수 있다.
[테이블 1]
Figure 112006043261017-pat00004
테이블 1에서, 행은 전기 회로(141)의 배열을 나타낸다. 열은 전기 회로(142)의 배열을 나타낸다. B는 전기적으로 밸런스화된 FACT를 의미한다. U는 비 밸런스화된 FACT를 의미한다. 그리고 X는 비 기능화된 FACT를 의미한다. 도시된 트랜스포메이션 비는 행으로 나타낸 전기 회로(141)의 배열로부터 열로 나타낸 전기 회로(142)의 배열까지의 임피던스 트랜스포메이션이다. 1:1 임피던스 트랜스포메이션 비를 갖는 배열에 있어서, LOW는 서로 평행한 두 개의 FBARS의 임피던스와 동등한 낮은 임피던스를 FACT가 갖는다는 것을 의미하고, HIGH는 연속으로 두 개의 FBARS의 임피던스와 동등한 높은 임피던스를 FACT가 갖는 것을 나타낸다.
도 6은 본 발명에 따른 서스펜션된 제 5 실시예(600)의 전기 연결을 보여주는 개략적인 도면이다. 이 서스펜션된 장치의 실시 예는 서스펜션된 FBAR 장치(600)로서 예시된다. 전기적으로 연속 연결된 두 개의 DSBARS(106, 108)로 구성된 대역 통과 필터(band-pass filter)는 FBAR 스택(621) 내에 정의된다. DSBARS(106, 108)은 도 5a-5c를 참조하여 설명한 바와 같지만, 다르게 상호 연결된다. 도 6에서 보여준 대역 통과 필터를 기본으로 한 이중 DSBAR은 도 4a 및 4b를 참조하여 상기에서 기술된 단일 DSBAR 대역 통과 필터보다 더 큰 스톱-밴드 리젝션(stop-band rejection)을 갖는다.
서스펜션된 FBAR 장치(600)는 FBAR 스택(621), 온도 보상 소자(도시안됨), 제 1 단자들(132, 134), 제 2 단자들(172, 174) 및 전기 회로(140)를 포함한다. FBAR 스택(621)은 도 5a-5c를 참조하여 상기에서 기술한 FBAR 스택(521)의 구조와 유사하다. 그러나 DSBAR(108)에서 참조 번호(150)는 상부 FBAR을 지정하고 참조 번호(160)는 하부 FBAR을 지정한다.
FBAR 스택(621)은 FBAR 스택(521)과 유사한 방법으로 기판(도시안됨) 내에 정의된 공동(도시 안 됨) 위에 서스펜션 된다. 에칭액 액세스 개구들은 기판의 후방으로부터 공동까지 위에서 설명한 것과 유사하게 연장된다. 이와 달리, FBAR 스택(621)을 구성하는 DSBARS(106, 108)은 상기에서 기술된 바와 같이 각각의 공동들 위에 개별적으로 서스펜션될 수 있다.
FBAR 스택(521)과 유사하게, FBAR 스택(621)은 온도 보상 소자를 구성하는 온도 보상 재료의 층들(도시안됨)을 포함한다. 일 실시 예에서, 온도 보상 소자는 실리콘 다이옥사이드 SiO2가 있다. 다른 실시 예들에서, FBAR 스택(621)이 조립된 이후에는, FBAR 스택(621)이 제조되는 온도 보상 재료 및 그밖의 다른 물질 중 하나 또는 모두는 공동(104)로부터 희생 재료(sacrificial material, 105)를 제거하도록 상술한 바와 같이 사용되는 릴리스 에칭액과 호환될 수 없다. FBAR 스택(621)은 더 이상 기술하지 않을 것이다.
서스펜션 FBAR 장치(600)에 있어서, 전기 회로(140)는 제 1 단자들(132, 134)와 제 2 단자들(172, 174) 사이에서 제 1 DSBAR(106) 및 제 2 DSBAR(108)를 직결로 연결한다. 도 6에서 도시된 FBAR 장치(600)의 실시예는 제 1 단자들(132, 134) 사이의 임피던스와 제 2 단자들(172, 174) 사이의 임피던스 사이에서 1:1 비를 갖는다.
이제 전기 회로(140)는 도 6에서 도시된 보기를 참조하여 더 상세히 기술될 것이다. 여기서 제 1 단자들(132, 134)은 입력 단자로 지정되고, 제 2 단자들(172, 174)은 출력 단자들로 지정된다. 이와 달리, 제 1 단자들(132, 134)은 출력 단자들로 지정될 수 있으며, 이 경우, 제 2 단자들(172, 174)들은 입력 단자들로 지정된다. 전기 회로(140)는 컨덕터들(136, 138, 176, 178, 182, 184)로 구성된다. 컨덕터들(136, 138)은 제 1 DSBAR(106)의 제 1 FBAR(110)의 전극들(112, 114)들에 제 1단자들(132, 134)을 제각각 전기적으로 연결한다. 컨덕터들(182, 184)은 제 2 FBAR(120)의 전극(122)을 제 1 FBAR(150)의 전극(152)에 연결하고 제 2 FBAR(120)의 전극(124)을 제 1 FBAR(150)의 전극(154)에 각각 연결함으로써, DSBARS(106, 108)를 직렬로 연결한다. 컨덕터들(176, 178)은 제 2 DSBAR(108)의 제 2 FBAR(160)의 전극들(162, 164)을 출력 단자들(172, 174)에 전기적으로 각각 연결한다.
서스펜션형 장치(600)을 구성하는 서스펜션 FBAR 스택(621)에 대한 보다 상세한 설명은 Larson Ⅲ 등의 미합중국 특허출원번호 제 11/069,409호에 개시된다. 이 특허 출원은 본 출원인에게 양도되어 참조로서 인용된다. 또한 두 개의 DSBARS 이상으로 구성된 대역 통과 필터들은 미합중국 특허출원번호 제 11/069,409호에 개시된다. 이러한 대역 통과 필터들의 실시 예들은 도 1a-14에 참조하여 상술된 과정을 사용하여 조립된 릴리스 에칭액과 양립할 수 없으며 도 3a와 3b에 참조하여 상술된 구조적 특징들을 갖는다.
상기에서 주목한 바와 같이, 웨이퍼 스케일 조립은 상술된 서스펜션형 장치들(100, 300, 400, 500) 또는 (600)수천의 서스펜션형 장치를 동시에 조립하기 위해 사용된다. 이러한 웨이퍼 스케일 조립은 조립을 위한 값싼 서스펜션형 장치들을 만든다. 도 4a와 4b를 참조하여 상술된 서스펜션 FBAR 장치(400)의 일 실시 예를 조립하도록 도 1a-1i와 1j-1r을 참조하여 상술된 방법의 사용의 보기는 도 1a-1i 와 1j-1r, 도 7a-7j의 평면도 및 도 7k-7t의 종단면도들을 참조하여 지금 기술될 것이다. 다른 마스크 및/또는 몇몇 단계들을 생략한 채로, 또한 도 7a-7j 및 7k-7t를 참조하여 이하에서 기술할 장치 조립 과정은 상술된 장치 FBAR 장치들(100, 300, 500) 및 (600)의 실시 예들을 조립하기 위해 사용될 수 있다. 또한 그 장치 조립 과정은 다른 서스펜션형 장치들을 조립하기 위해 채택될 수 있다.
FBAR 장치(400)의 실시예의 통과 대역은 약 1.9 ㎓ 명목상의 중심 주파수를 갖는다고 기술될 수 있을 것이다. 다른 진동수들에서의 작동을 위한 실시 예들은 구조와 제조에 있어 유사하지만 하기에서 예시된 것과는 다른 두께와 폭 치수를 갖는다. 이하에서 기술될 FBAR 장치(400)의 조립의 보기는 도 4a 및 4b를 참조하여 상술된 온도 보정 소자의 구조물과 유사한 온도 보정 소자를 갖는다. 조립 과정은 도 3b를 참조하여 상술된 바와 같은 다른 변형물과 함께 온도 보상 소자(109)를 조립하기 위해 변형될 수 있다.
상기에서 주목한 바와 같이, 서스펜션 FBAR 장치는 단일-결정 실리콘의 전형으로 웨이퍼 상에 조립된다. 웨이퍼의 한 부분은 조립되는 각 서스펜션 FBAR 장치마다 FBAR 장치(400, 도 4a 및 도 4b)의 기판(102)에 대응되는 기판을 구성하고 있다. 기판(102)을 구성하는 웨이퍼의 내부 및 표면으로의 FBAR 장치(400)의 조립에 대하여 도 7a-7j 및 도 7k-7t 및 후속하는 상세한 설명에 기술되어 있다. FBAR 장치(400)이 조립되었을 때, 웨이퍼의 표면 상의 남아있는 FBAR 장치들은 유사하게 조립된다.
도 1a-1d 및 1j-1m을 참조하여 상술된 과정들은 도 7a 및 7k에서 보여준 바와 같이 기판(102)의 전면(111)과 같은 높이의 부드러운 평면을 갖는 희생재료(105)로 공동(104)을 충진함으로써 수행된다.
제 1 금속층은 기판(102)의 전면(111)과 희생 재료(105) 상에 증착된다. 제 1 금속층은 도 7b 및 7l에서 보여준 바와 같이 전극(112)과, 단자 패드(132)와, 전극(112)과 단자 패드(132) 사이에서 연장되는 전기 트레이스(133)를 정의하도록 패턴화된다. 전극(112)은 희생 재료(105) 상에 위치된다. 단자 패드(132)는 기판(102) 상에 위치된다.
전형적으로, 전극(112)은 웨이퍼의 주요 표면과 평행한 평면에서 비대칭 모양을 갖는다. 비대칭 모양은 전극(112)이 일부분을 형성하는 FBAR(110, 도 4B)에서 측면 모드(lateral modes)를 최소화한다. 이것은 Larson Ⅲ 등에게 허여된 미합중국 특허번호 제6,215,375호에 개시된다. 이 개시물은 본 출원인에게 양도되었고 참조로서 인용된다.
또한 도 4b를 참조하면, 이하에서 상세히 설명하는 바와 같이, 전극(114)은 제 2 금속 층에서 형성되며, 전극(122)은 제 3 금속 층에서 형성되며, 그리고 전극(124)은 제 4 금속 층에서 형성된다. 상기 전극들이 형성되는 상기 금속 층들은, 상기 웨이퍼의 상기 주요 표면에 평행한 각각의 평면들에서, FBAR(110)의 전극들(112, 114)이 동일한 형상, 크기, 방위 및 위치를 갖게 하고, FBAR(120)의 전극들(122, 124)가 동일한 형상, 크기, 방위 및 위치를 갖게 하도록 패터닝된다. 전형적으로, 전극들(114, 122)은 동일한 형상, 크기, 방위 및 위치를 또한 갖는다.
실시 예에서, 상기 금속 층들 각각의 재료는 약 300㎚의 두께로 스프터링(sputtering)에 의해 증착된 몰리브덴이었다. 상기 금속 층들은 건식 에칭에 의해 패터닝된다. 상기 금속 층들에서 형성되는 상기 전극들은 각각 약 12,000 제곱 ㎛의 면적을 갖는 오각형이다. 다른 전극들의 면적들은 다른 특성 임피던스들을 제공한다. 이와 달리, 텅스텐, 니오브, 및 티타늄과 같은 내화성 금속들이 상기 금속 층들의 재료로서 사용될 수 있다. 상기 금속 층들은 하나 이상의 재료의 층들을 각각 택일적으로 포함할 수 있다.
FBAR 장치(400)의 전극들의 재료를 선택할 때 고려해야 하는 한 요소(factor)는 상기 전극 재료의 음향파 특성들이다. FBAR 장치의 남아있는 금속 부분들의 상기 재료(들)의 음향파 특성은 전기 전도성과 같은 특성보다는 덜 중요하다. 이와 같이, FBAR 장치(400)의 남아있는 금속 부분들의 재료(들)은 상기 전극들의 재료와는 상이할 수 있다.
압전 재료의 층이 압전 소자(116)를 형성하기 위해 도 7c 및 7m에 도시된 바와 같이, 증착 및 패터닝된다. 압전 층은 전극(112)을 덮고, 희생 재료(105)를 완전히 덮으며, 그리고 기판(102)의 전면(111) 상으로 희생 재료(105)의 주변을 넘어 연장되게 패터닝된다. 이러한 구성은 상기 압전 층이 공동(104) (후에 그곳에 위치하는 릴리스 에칭액)을 FBAR 스택의 나머지로부터 고립시킬 수 있게 한다. 압전 층은 단자 패드(132)를 노출시키기 위해 또한 패터닝된다.
실시 예에서, 이하에서 설명하는 압전 소자(116) 및 압전 소자(126)를 형성하기 위해 증착되는 압전 재료는 알루미늄 질화물이고, 스프터링에 의해 약 1.4㎛의 두께로 증착되어었다. 압전 재료는 수산화칼륨에서 습식 에칭에 의해 패터닝되거나 또는 염소-기반 건식 에칭에 의해 패터닝되었다. 압전 소자들(116, 126)에 대한 또 다른 재료들로는 납 지르코늄 티탄(lead zirconium titanate), 납 메타 니오브산염(lead meta niobate), 티타산바륨(barium titanate)를 포함하여 산화아연, 황화카드뮴 및 페로보스카이트(perovskite) 강유전성 재료들과 같은 폴드(poled) 강유전성 재료들을 포함한다.
온도-보상 재료의 제 1 층은 온도-보상 소자(109)의 부분을 구성하는 온도-보상 층(115)을 형성하기 위해, 도 7d 및 7n에 도시된 바와 같이, 증착 및 패터닝된다. 도시된 예에서, 온도-보상 층(115)을 형성하기 위해 증착되는 온도-보상 재료 및 그 후 온도-보상 층(123)을 형성하기 위해 증착되는 재료는 아래에서 설명하는 바와 같이, 전극(112)과 동일한 형태, 크기, 및 위치를 갖도록 패터닝된다. 이와 달리, 온도-보상 재료는 압전 소자(116)와 동일한 형태, 크기 및 위치를 갖도록 패터닝된다. 또한 그와 달리, 온도 보상 재료는 전극(112) 및 압전 소자(116)의 영역들 사이에 영역 중간재를 갖도록 패터닝된다.
실시 예에서, 그 증착을 이하에서 설명하게될 온도-보상 재료의 제 1 층 및 온도-보상 재료의 제 2 층의 재료는 SiO2였다. 상기 온도-보상 재료는 CVD(Chemical Vapor Deposition)에 의해 증착되었다. 또 다른 증착 방법은 스퍼터링 및 열 증착 방법을 포함한다. 상기 온도-보상 재료는 건식 에칭, 전형적으로는 에칭액로서 SH6, H2, O2의 혼합물을 사용하는 RIE(Reactive Ion Etching)에 의해 패터닝되었다. 층 두께는 FBAR 장치(400)의 원하는 온도 상수에 의존했다. 일 실시 예에서, 온도 보상 층들(115, 123)의 두께는 약 100㎚였다.
상기 제 2 금속 층은 증착되고, 도 7e 및 7o에 도시된 바와 같이, 단자 패드(134)와, 전극(114) 및 이 단자 패드(134)와 전극(114) 사이에서 연장되는 전기 트레이스(135)를 형성하기 위해 패터닝된다. 이와 같이 FBAR(110)의 제조를 완료한다.
이어서 도 7f 및 도 7p에 도시된 바와 같이, 음향파 디커플링 재료의 층이 증착되고 패터닝되어 음향파 디커플러(130)를 형성한다. 음향파 디커플러(130)는 적어도 전극(114)을 커버하도록 패터닝되고, 추가적으로 패터닝되어 단자 패드(132, 134)를 노출시킨다. 음향파 디커플러는 전형적으로 플라스틱 재료의 1/4 파장 층이다.
실시 예에 있어서, 음향파 디커플러(130)의 음향파 디커플링 재료는 약 200㎚ 즉, 폴리이미드(polyimide)에서 중심 주파수 파장의 1/4의 두께를 갖는 폴리이미드였다. 상기 폴리이미드는 스핀 코팅에 의해 증착되었으며, 포토리소그래픽(photolithography)에 의해 패터닝되었다. 폴리이미드는 감광성이어서, 포토레지스트(photoresist)를 전혀 필요로 하지 않는다. 위에서 주지한 바와 같이, 그 밖의 프라스틱 재료들이 상기 음향파 디커플링 재료로서 사용될 수 있다. 상기 음향파 디커플링 재료는 스핀 코팅 이외의 방법들에 의해 증착될 수 있다.
상기 음향파 디커플링 재료가 폴리이미드였던 실시 예에서, 상기 폴리이미드를 증착 및 패터닝한 후, 상기 웨이퍼는 공기 중에서 약 250℃의 온도에서 먼저 굽게 되며, 추가적인 공정을 처리하기 이전에, 질소 가스와 같은 비활성 가스에세 약 415℃의 온도에서 최종적으로 굽게 된다. 상기 굽기에 의해 폴리이미드의 휘발성 성분들은 증발하게 되며, 연속적인 공정 동안 그러한 휘발성 성분들의 증발이 연속적으로 증착되는 층들이 분리되는 것을 방지하게 된다.
제 3 금속 층은 도 7g 및 7q에 도시된 바와 같이 전극(122), 전극(122)으로부터 단자 패드(134)까지 연장되는 전기적인 트레이스(137)를 형성하기 위해 증착되고 패터닝된다. 단자 패드(134)는 트레이스(135)에 의해 전극(114)에 전기적으로 또한 연결된다.
온도-보상 재료의 제 2 층은 온도-보상 층(123)을 형성하기 위해 도 7h 및 7r에 도시된 바와 같이, 증착 및 패터닝되며, 본 실시 예에서는 온도-보상 소자(109)의 나머지를 구성한다. 도시된 예에서, 온도-보상 재료는 전극(112)와 동일한 형상, 크기, 방향성 및 위치를 갖도록 위에서 설명한 바와 같이, 증착 및 패터닝된다.
압전 재료의 제 2 층은 압전 소자(126)를 형성하기 위해 도 7i 및 7s에 도시된 바와 같이, 증착 및 패터닝된다. 제 2 압전 층은 단자 패드들(132, 134)을 노출시키기 위해 패터닝된다.
제 4 금속 층은 도 7j 및 7t에 도시된 바와 같이, 전극(124), 단자 패드(138) 및 전극(124)로부터 단자 패드(138)까지 연장되는 전기적인 트레이스(139)를 형성하기 위해 증착 및 패터닝된다. 이와 같이, FBAR(120) 및 FBAR 스택(421)의 제조를 완성한다.
금 보호 층(도시하지 않음)이 단자 패드들(132, 134, 138)의 노출된 표면 상에 증착된다.
이어, 도 1f-1i 및 1o-1r을 참조하여 위에서 설명한 공정들이 FBAR 장치(400)의 제조를 완성하기 위해 수행된다. 상기 공정은 FBAR 장치(400)이 도 4a 및 4b에 도시된 바와 같은 상태로 남게 한다.
FBAR 장치(400)는 무선 전화와 같은 호스트 전자 장치에 장착되며, 전기적인 연결들이 FBAR 장치의 단자 패드들(132, 134, 138) 및 상기 호스트 장치의 부분인 패드들 사이에 행해진다.
위에서 주지한 바와 같이, 음향파 디커플러(130)의 또 다른 음향파 디커플링 재료은 교차 결합된 폴리페니렌 고분자(crosslinked polyphenylene polymer)이다. 도 7e 및 7o를 참조로 위에서 설명한 바와 같이, 전극(114)을 형성하기 위해 제 3 금속 층을 증착 및 패터닝한 후, 교차 결합된 폴리페니렌 고분자용 전구 용액(precursor solution)이 도 7f 및 7p를 참조로 위에서 설명한 바와 같은 방식과 유사한 방식으로 스핀되나, 패터닝하지는 않는다. 전구 용액의 제재 및 스핀 속도는 교차 결합된 폴리페니렌 고분자가 약 187㎚의 두께를 갖는 층을 형성할 수 있도록 선택된다. 이것은 FBAR 장치(400)의 통과 대역의 중심 주파수와 동일한 주파수를 갖는 음향파 신호의 교차 결합된 폴리페니렌 고분장서 파장 λn의 1/4에 대응한다. 상기 전구 용액의 층을 증착한 후, 웨이퍼를 다른 공정을 이행하기 이전에, 진공하에서 또는 질소 내에서와 같이, 불활성 가스 내에서 약 385℃에서 약 450℃ 범위의 온도에서 굽는다. 상기 굽기는 전구 용액으로부터 유기 용제를 배출시키며, 이어 올리고머가 상기 교차 결합된 폴리페니렌 고분자를 형성하기 위해 앞서 설명한 바와 같이 교차 결합된다.
실시 예에서, 교차 결합된 폴리페니렌 고분자를 위한 전구 용액은 Dow Chemical Company에 의해 판매되어으며, SiLK™ J.표시되었다. 이와 달리, 전구 용액은 현재 또는 미래에 SiLK라는 상표로 Dow Chemical Company에 의해 판매될 전구 용액들 중 하나가 적절할 수 있다. 어떤 실시 예에서, 부착 조촉매의 층은 상기 전구 용액이 스핀되기 전에 증착되었다. 경화될 때, 약 2Mrayl의 음향파 임피던스를 갖는 교차 결합된 폴리페니렌 고분자를 형성하는 올리고머를 포함하는 전구 용액이 현재 또는 미래에 다른 공급자들로부터 구입 및 사용될 수 있다.
제 3 금속 층은 이어 도 7g 및 7q를 참조로 앞서 설명한 것과 유사한 방식으로 증착될 수 있으나, 음향파 디커플러(130)를 형성하기 위해 교차 결합된 폴리페니렌 고분자의 층을 패터닝하기 위해 나중에 사용될 수 있는 하드 마스크를 형성하기 위해 도 7f에 도시된 음향파 디커플러(130)의 패터닝과 유사하게 초기 패터닝된다. 상기 초기-패터닝된 제 3 금속 층은 음향파 디커플러(130)와 동일한 면적을 가지며, 단자 패드들(132, 134)을 노출시킨다.
이어, 교차 결합된 폴리페니렌 고분자의 층은 하드 에칭 마스크로서 사용되는 초기-패터닝 제 2 금속 층을 가지고 도 7f에 도시된 바와 같이, 패터닝된다. 교차 결합된 폴리페니렌 고분자 층의 패터닝은 단자 패드들(132, 134) 및 희생 재료(105)의 부분들을 노출시키는 음향파 디커플러(130)의 영역을 형성한다. 상기 패터닝은 에칭액으로서 산소/질소 혼합물을 사용하는 반응성 이온 에칭(RIE)에 의해 이행된다.
상기 제 3 금속 층은 이어 도 7g 및 7q에 도시된 바와 같이, 전극(122) 및 전극(122) 및 단자 패드(134) 사이에서 연장되는 전기 트레이스(137)을 형성하기 위해 재패터닝된다.
그 음향파 디커플러로서 교차 결합된 폴리페니렌 고분자의 층을 갖는 FBAR 장치(400)의 실시 예의 제조는 도 7h-7j 및 7r-7t를 참조로 위에서 설명한 공정을 이행함으로써 완료된다.
방금 설명한 바와 유사한 기술이 진공 증착에 의해 증착되는 파릴렌 층에서 음향파 디커플러(103)를 형성하기 위해 사용될 수 있다.
위-예시된 전극 및 압전 소자 두께들은 온도-보상 소자(109) 없이 FBAR(400) 의 실시와 유사한 통상의 FBAR 장치의 두께이다. FBAR 장치(400)의 실시 예에서, 온도-보상 소자(109)의 FBAR 스택(211)으로의 부가에도 불구하고, FBAR 장치의 중심 주파수를 유지하기 위해 하나 이상의 두께들이 감소될 수 있다. 그 두께가 감소되는 하나 이상의 소자들 및 각 두께 감소의 동일성은 온도-보상 소자(109)의 두께 및 재료 및 온도-보상 소자(109)에 의해 제공되는 온도 보상에 의존한다. 소자들 및 두께 감소의 주체성은 또한 FBAR 장치가 위에서 설명한 바와 같이, 사용되는 응용에 의존한다. 압전 소자의 두께를 감소시키는 것은 커플링 상수를 감소시키는 것이다. 즉, 하나 이상의 전극들의 두께를 감소시키는 것은 온도-보상 재료가 전극들의 전도성에 필적하는 전도성을 갖지 않는다면, 직렬 저항들을 증가시킨다.
본 개시는 설명적인 실시예들을 이용하여 본 발명을 상세히 설명하였다. 그러나, 첨부된 청구항들에 의해 정의되는 본 발명은 설명한 정밀한 실시예들에 의해 제한되지 않는다.

Claims (27)

  1. 전면 및 후면을 갖는 단결정 실리콘 기판과,
    상기 단결정 실리콘 기판 내에 형성되는 공동－상기 공동은 넓고 얕은 제 1 부분 및 좁고 깊은 제 2 부분을 포함하고, 상기 제 1 부분은 상기 단결정 실리콘 기판의 전면으로부터 상기 단결정 실리콘 기판 내부로 연장되며, 상기 제 2 부분은 상기 단결정 실리콘 기판의 후면으로부터 상기 단결정 실리콘 기판을 관통하여 상기 제 1 부분까지 연장됨－과,
    상기 공동의 상기 제 1 부분 위에 서스펜션된 장치 구조체(a device structure)를 포함하되,
    상기 장치 구조체는 상기 공동 위에 서스펜션된 박막 벌크 음향파 공진기 스택인 FBAR 스택을 포함하고, 상기 FBAR 스택은 FBAR을 포함하며, 상기 좁고 깊은 제 2 부분은 상기 단결정 실리콘 기판 내에 형성된 개구이며, 상기 개구는 상기 단결정 실리콘 기판의 상기 후면으로부터 상기 단결정 실리콘 기판을 관통하여 상기 공동까지 연장되고, 상기 FBAR 스택은 디커플링 스택형 벌크 음향파 공진기(a decoupled stacked bulk acoustic resonator)와 박막 음향파 결합된 트랜스포머(a film acoustically-coupled transformer) 중 적어도 하나를 포함하는
    장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 공동의 각각의 부분은 각각의 폭 치수 및 각각의 깊이를 가지며,
    상기 제 1 부분의 폭 치수는 상기 제 1 부분의 깊이보다 적어도 10배 크며,
    상기 제 2 부분의 폭 치수는 상기 제 1 부분의 폭 치수보다 작은
    장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 공동은, 각각이 상기 단결정 실리콘 기판의 후면으로부터 상기 단결정 실리콘 기판을 관통하여 상기 공동의 상기 제 1 부분까지 연장되는 부가적인 좁고 깊은 제 2 부분들을 더 포함하는
    장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 FBAR은 온도-보상 소자를 포함하는
    장치.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 온도-보상 소자는 이산화실리콘(SiO2)을 포함하는
    장치.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 단결정 실리콘 기판 내에 형성되는 부가적인 개구들을 더 포함하되, 상기 개구들 각각은 상기 단결정 실리콘 기판의 후면으로부터 상기 단결정 실리콘 기판을 관통하여 상기 공동까지 연장되는
    장치.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 FBAR 스택은 대역 통과 필터로서 접속된 디커플링 스택형 벌크 음향파 공진기들(decoupled stacked bulk acoustic resonators)을 포함하는
    장치.
  8. 삭제
  9. 삭제
  10. 삭제
  11. 삭제
  12. 삭제
  13. 삭제
  14. 삭제
  15. 전면 및 후면을 갖는 단결정 실리콘 기판을 제공하는 단계－상기 단결정 실리콘 기판은, 넓고 얕은 제 1 부분 및 좁고 깊은 제 2 부분을 포함하는 공동을 형성하며, 상기 제 1 부분은 상기 단결정 실리콘 기판의 전면으로부터 상기 단결정 실리콘 기판 내부로 연장되고 희생 재료(sacrificial material)로 채워지며, 상기 제 2 부분은 상기 제 1 부분으로부터 상기 단결정 실리콘 기판 내부로 보다 깊이 연장됨－와,
    상기 희생 재료 위에 장치 구조체를 제조하는 단계와,
    상기 장치 구조체 아래에 놓이는 상기 희생 재료를 상기 공동의 제 1 부분으로부터 제거하기 위해, 상기 단결정 실리콘 기판의 후면으로부터, 상기 공동의 제 2 부분을 통해 릴리스 에칭액(release etchant)을 유입하는 단계를 포함하되,
    상기 유입하는 단계는 상기 단결정 실리콘 기판의 후면으로부터 상기 공동의 상기 제 2 부분으로의 액세스를 제공하는 단계를 포함하고,
    상기 제 2 부분으로의 액세스를 제공하는 단계는 상기 제 2 부분을 노출시키기 위해 상기 단결정 실리콘 기판의 후면으로부터 상기 단결정 실리콘 기판의 두께를 줄이는 단계를 포함하는
    서스펜션형 장치를 제조하는 방법.
  16. 제 15 항에 있어서,
    상기 공동의 상기 제 2 부분은 상기 단결정 실리콘 기판의 후면으로부터 상기 공동의 상기 제 1 부분까지 연장되는
    서스펜션형 장치를 제조하는 방법.
  17. 삭제
  18. 삭제
  19. 제 15 항에 있어서,
    상기 유입하는 단계 이전에, 상기 릴리스 에칭액으로부터 상기 장치 구조체를 보호하는 단계를 더 포함하는
    서스펜션형 장치를 제조하는 방법.
  20. 제 15 항에 있어서,
    상기 제공하는 단계는,
    상기 단결정 실리콘 기판을 제공하는 단계와,
    상기 단결정 실리콘 기판 내에 상기 공동을 형성하는 단계와,
    상기 희생 재료를 증착시키는 단계를 포함하는
    서스펜션형 장치를 제조하는 방법.
  21. 제 20 항에 있어서,
    상기 공동의 상기 제 2 부분은 상기 단결정 실리콘 기판의 후면으로부터 상기 공동의 상기 제 1 부분까지 연장되는
    서스펜션형 장치를 제조하는 방법.
  22. 제 15 항에 있어서,
    상기 장치 구조체를 제조하는 단계는 박막 벌크 음향파 공진기 FBAR 스택인 FBAR 스택을 제조하는 단계를 포함하는
    서스펜션형 장치를 제조하는 방법.
  23. 제 22 항에 있어서,
    상기 공동의 상기 제 2 부분은 상기 단결정 실리콘 기판의 후면으로부터 상기 공동의 상기 제 1 부분까지 연장되는
    서스펜션형 장치를 제조하는 방법.
  24. 삭제
  25. 삭제
  26. 제 22 항에 있어서,
    상기 릴리스 에칭액으로부터 상기 FBAR 스택을 보호하는 단계를 더 포함하는
    서스펜션형 장치를 제조하는 방법.
  27. 제 16 항에 있어서,
    상기 장치 구조체를 제조하는 단계는 상기 희생 재료에 대해 낮은 에칭 선택성을 갖는 재료를 증착시키는 단계를 포함하는
    서스펜션형 장치를 제조하는 방법.
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