Способ настройки резонатора на поверхностных акустических волнах

Способ настройки резонатора на поверхностных акустических волнах

Реферат

Изобретение относится к микроэлектронике и может быть использовано в технологии изготовления интегральных пьезоэлектрических устройств (фильтры, резонаторы, линии задержки на поверхностных акустических волнах (ПАВ)), которые находят широкое применение в авионике и бортовых системах, телекоммуникации и т.д.

Известен способ настройки резонаторов на поверхностных акустических волнах, приведенный в статье Джеймса с соавторами "Fine Tuning of SAW Resonators Using Ion Bombardment,", Electronics Letters, Oct. 11,1979, Vol.15, No.21, pages 683-684 и принятый нами за аналог. В этом методе настройка частоты резонаторов проводится распылением алюминия и кварца резонаторов ионами аргона.

Недостатками этого метода являются: малая производительность обработки вследствие малых скоростей распыления пьезоэлектрических материалов ионами аргона, а также низкая чистота обработки вследствие распыления алюминиевой металлизации. Это распыление алюминиевой металлизации может привести к деградации таких параметров резонаторов, как добротность.

Известен способ настройки резонаторов на поверхностных акустических волнах, приведенный в патенте США №4364016 по классу 333-193 за 1982 г. и принятый нами за прототип. В том способе проводят настройку частоты резонаторов в установках плазменного (давление 27 Па) и реактивного ионного травления (давление 2,7 Па) в газовом разряде (CF₄+O₂) и (CHF₃+O₂). В этой установке реактивного ионного травления (РИТ) обрабатываемые резонаторы размещают в плазме на катоде-электроде, подключенном к источнику высокочастотной (ВЧ) мощности, и травление проводят при уровне ВЧ-мощности 20 Вт и при давлении 2,7 Па. Под установками плазменного и реактивного ионного травления понимают установки, работающие в областях давлений от 6,5 до 200 Па и от 0,65 до 6,5 Па, соответственно.

Недостатками этого способа являются: недостаточая производительность, низкие точность и чистота травления, трудности в организации системы контроля частоты и обеспечения поштучной обработки партии резонаторов. Недостатком этого способа также является выбор для травления плазменных систем и систем реактивного травления, так как при этом резонаторы помещаются непосредственно в плазму, что является причиной худшей (по сравнению с системой реактивного ионно-лучевого травления) контролируемости процесса травления и сложности манипулирования образцами. Трудности в организации системы контроля частоты обусловлены сложностью электрической развязки в камере установки РИТ высокочастотной мощности плазмы (20 Вт частотой 13,56 МГц) от мощности тестирующего сигнала (20 мВт частотой 400-2000 МГц), что вызвано электромагнитными наводками и высокой проводимостью плазмы. Трудности контроля частоты обуславливают низкую точность травления. Низкая производительность обработки партии резонаторов вызваны тем, что для поштучной обработки требуется загружать каждый резонатор в отдельный ВЧ-реактор и проводить поочередно вакуумную откачку этих реакторов и затем напуск в них рабочего газа. Повышенное в 100 раз по сравнению с процессами реактивного ионно-лучевого травления (РИЛТ), давление по способу-прототипу (>2,0 Па) обуславливает низкую чистоту травления из-за осаждения полимеров из плазмы (поскольку и CF₄, и СНF₃ являются газами, образующими полимеры в плазме), что вызывает необходимость введения в плазму дополнительного газа - кислорода.

Таким образом, в способе-прототипе используется очень сложное оборудование и очень сложный технологический процесс.

Задачей, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является достижение технического результата, заключающегося в увеличении выхода годных за счет уменьшения разброса частот в партии резонаторов, в увеличении стабильности, резонаторов на ПАВ, в увеличении производительности процесса за счет поштучной обработки нескольких (четырех) одновременно вакуумируемых резонаторов методом РИЛТ в газовом разряде предельного фторуглерода.

Данный технический результат достигается в способе настройки резонаторов на ПАВ, включающем изготовление структур резонаторов, монтаж резонаторов в корпуса, загрузку обрабатываемых резонаторов в установку сухого травления и настройку частоты резонатора, отличающемся тем, что загрузку резонаторов проводят в установку реактивного ионно-лучевого травления (РИЛТ), а настройку частоты резонаторов проводят методом РИЛТ в газовом разряде предельного фторуглерода, причем в качестве предельного фторуглерода используется тетрафторметан (СF₄) или октафторпропан (C₃F₈) или октафторциклобутан (C₄F₈) или перфтордекалин (C₁₀F₁₈), при этом процесс травления проводят при ускоряющем напряжении ионного источника в пределах 700-15 00 В, давлении - в пределах (3,0·10^-3-2·10^-2) Па, при скорости настройки не более 1,0 МГц /мин.

Под предельными фторуглеродами понимают фторуглероды с общей формулой C_nF_2n+2 и циклические фторуглероды с общей формулой C_nF_2n. Процессы реактивного ионно-лучевого травления (РИЛТ) проводят, как правило, при пониженном давлении - (10^-3-10^-2) Па, а обрабатываемые резонаторы удалены из плазмы и находятся в ионном пучке. Использование метода РИЛТ при полных давлениях в 100-1000 раз меньших, чем в способе-прототипе, позволило обеспечить высокую чистоту травления и обойтись без введения в газовый разряд дополнительного газа - кислорода. Хотя ионный источник установки РИЛТ предлагаемого способа может работать в широком диапазоне ускоряющих напряжений (до 2000 В), однако не все его режимы допустимы для бездефектной обработки резонаторов. Так, в ходе проведенных нами исследований, было установлено, что при ускоряющих напряжениях выше 1500 В может происходить ухудшение параметров резонаторов на поверхностных акустических волнах, а при скорости настройки более 1,0 МГц/мин может быть ухудшена долговременная стабильность центральных частот резонаторов.

Таким образом, отличительным признаком способа является настройка частот резонаторов за счет реактивного ионно-лучевого травления в газовом разряде предельного фторуглерода, где в качестве предельного фторуглерода. используется тетрафторметан (СF₄), или октофторпропан (C₃F₈), или октафторциклобутан (C₄F₈), или перфтордекалин (C₁₀F₁₈), при этом процесс травления проводят при ускоряющем напряжении ионного источника в пределах 700-1500 В, давлении - в пределах (3,0·10^-3 - 2·10^-2)Па, при скорости настройки не более 1,0 МГц/мин.

Данные отличительные признаки позволяют достичь указанного технического результата, заключающегося в увеличении выхода годных, в увеличении производительности процесса за счет поштучной обработки нескольких, одновременно вакуумируемых резонаторов и в увеличении стабильности резонаторов на ПАВ.

В ходе проведенных нами экспериментов была установлена зависимость выхода годных резонаторов от состава газового разряда. Приведенные ниже в таблице данные показывают, что при РИЛТ-настройке с использованием ненасыщенного фторуглерода-тетрафторэтилена (C₂F₄) наблюдается низкий выход годных резонаторов, а при РИЛТ-настройке с использованием предельных фторуглеродов (СF₄, С₃F₈, C₄F₈, C₁₀F₁₈) наблюдается высокий выход годных резонаторов.

Возможно, что процесс реактивного ионно-лучевого травления пьезоэлектрических материалов (кварца, ниобата и танталата лития) происходит следующим образом. В камеру ионного источника подается летучий предельный фторуглерод и зажигается газовый разряд. Фтор-содержащие ионы, возбуждаемые в газовом разряде, вытягиваются специальным заземленным электродом в рабочую камеру.

Предельные фторуглероды для травления в газовом разряде проявляют себя лучше, чем непредельные (ненасыщенные) фторуглероды и фторуглеводороды, так как у предельных фторуглеродов способность к полимеризации минимальна. Дело, по-видимому, заключается в том, что ненасыщенные фторуглероды, например, C₂F₄, C₃F₆, C₅F₆ и т.д., используемые для селективного плазменного правления диэлектриков, имеют в составе молекулы двойные связи. Эти двойные связи в плазме раскрываются с образованием радикалов, что приводит к стандартной радикальной полимеризации, которая и является причиной высокой селективности травления и загрязнения обрабатываемой поверхности, а также причиной низкого выхода годных при настройке резонаторов.

Использование для травления предельных циклических фторуглеродов, таких как октафторциклобутан (C₄F₈) или перфтордекалин (С₁₀F₁₉), вследствие высоких отношений С/F позволяет обеспечить минимальное подтравливание алюминиевой металлизации резонаторов на ПАВ, при котором не наблюдается деградации их добротности.

В процессе травления может наблюдаться распыление металлов корпуса резонатора и его алюминиевой металлизации, что приводит к загрязнению поверхности резонаторов частицами железа, меди и алюминия, особенно при обработке ионами с энергиями более 1500 эВ. Это может привести к ухудшению параметров резонаторов на поверхностных акустических волнах вследствие образования на их поверхности дополнительных коротких замыканий их металлизации. При травлении ионами с энергиями более 1500 эВ, при которых настройка резонаторов проводится со скоростями более 1,0 МГц/мин, могут наблюдаться искажения амплитудной частотной характеристики для резонаторов на поверхностных акустических волнах, проявляющиеся в виде долговременной нестабильности их частот. Это может быть обусловлено тем, что чем больше скорость травления при РИЛТ, тем больше толщина нарушенного слоя пьезоэлектрика и, соответственно, тем больше долговременная нестабильность частот резонаторов.

При травлении ионами с энергиями 500-700 эВ может быть вызвана долговременная нестабильность частот резонаторов. Возможно, это обусловлено тем, что при энергиях ионов менее 700 эВ, вследствие малой ионной составляющей травления, возрастает количество продуктов реакции с образованием полимеров.

При полном давлении предельного фторуглерода менее 3,0·10^-3 Па мала производительность настройки резонаторов. При давлении более 2,0·10^-2 Па увеличена долговременная нестабильность частот резонаторов. При скорости РИЛТ-настройки более 1,0 МГц/мин может быть вызвана долговременная нестабильность частот резонаторов.

Ниже приведены примеры реализации способа.

Примеры реализации способа.

Пример 1.

Изготавливают, применяя обратную литографию, ПАВ-резонаторы на подложке монокристаллического кварца SТ-среза (ух1/42°45'). Шаг между встречно-штыревыми преобразователями и канавками отражателей соответствует частоте резонатора, находящейся в диапазоне 0,5-0,7 ГГц. Изготовленные структуры ПАВ-резонаторов с разбросом частоты в партии резонаторов до 0,5 МГц (от номинала и выше) монтируют в корпуса ТО-39 и помещают со снятыми крышками в реактор установки УНГ-2 (по одному в четыре отдельных держателя) и подвергают РИЛТ в газовом разряде тетрафторметана (CF₄) при ускоряющем напряжении ионного источника 1100 В, при давлении 3,0·10^-3 Па и при скорости настройки 0,1-0,2 МГц/мин. В результате измерений резонаторов, обработанных в такой плазме, было установлено, что разброс частот в партии резонаторов не более 60 кГц, что приводило к увеличению выхода годных не менее чем в два раза.

Пример 2.

Изготавливают, применяя обратную литографию, ПАВ-резонаторы на подложке монокристаллического кварца. SТ-среза (ух1/42°45'). Шаг между встречно-штыревыми преобразователями соответствует частоте резонатора, находящейся в диапазоне 0,7-1,2 ГГц. Изготовленные структуры ПАВ-резонаторов с разбросом частоты в партии резонаторов до 0,5 МГц (от номинала и выше) монтируют в корпуса и помещают в реактор установки УНГ-2 (по одному в четыре отдельных держателя) и подвергают РИЛТ в газовом разряде октафторпропана (С₃F₈) при ускоряющем напряжении ионного источника 900 В и при давлении 2,0·10^-2 Па и при скорости настройки 0,6-0,7 МГц/мин. В результате измерений резонаторов, обработанных в такой плазме, был установлено, что разброс частот в партии резонаторов не более 80 кГц, что приводило к увеличению выхода годных не менее чем в два раза.

Пример 3.

Изготавливают, применяя обратную литографию, резонаторы на приповерхностных акустических волнах на подложке монокристаллического кварца среза 37°. Шаг между встречно-штыревыми преобразователями соответствует частоте резонатора, находящейся в диапазоне 1,2-1,4 ГГц. Изготовленные структуры ПАВ-резонаторов с разбросом частоты в партии резонаторов до 5 МГц (от номинала и выше) монтируют в корпуса и помещают в реактор установки УНГ-2 (по одному в четыре отдельных держателя) и подвергают РИЛТ в газовом разряде октафторциклобутана (C₄F₈) при ускоряющем напряжении ионного источника 1500 В и при давлении 1,2·10^-2 Па и при скорости настройки 0,8-0,9 МГц/мин. В результате измерений резонаторов, обработанных в такой плазме, был установлено, что разброс частот в партии резонаторов не более 80 кГц, что приводило к увеличению выхода годных не менее чем в два раза.

Пример 4.

Изготавливают, применяя обратную литографию, резонаторы на приповерхностных акустических волнах на подложке монокристаллического кварца среза 37°. Шаг между встречно-штыревыми преобразователями соответствует частоте резонатора, находящейся в диапазоне 1,4-1,7 ГГц. Изготовленные структуры резонаторов с разбросом частоты в партии резонаторов до 5 МГц (от номинала и выше) монтируют в корпуса и помещают в реактор установки УНГ-2 (по одному в четыре отдельных держателя) и подвергают РИЛТ в газовом разряде перфтордекалина (C₁₀F₁₈) при ускоряющем напряжении ионного источника 700 В и при давлении 8,0·10^-3 Па и при скорости настройки 0,6-0,7 МГц/мин. В результате измерений резонаторов, обработанных в этом газовом разряде, на анализаторе четырехполюсников 8714ЕТ фирмы Agilent Technology было установлено, что разброс частот в партии резонаторов не более 100 кГц, что приводило к увеличению выхода годных не менее чем в два раза.

Таблица.
Зависимость выхода годных резонаторов от состава газового разряда.
№	Состав газового разряда	Выход годных резонаторов при РИЛТ-настройке, %
1	тетрафторэтилен (С3F4)	20
2	тетрафторметан (CF4)	>95
3	октафторпропан (С3F8)	>95
4	октафторциклобутан (C4F8)	>95
5	перфтордекалин (С10F18)	>95

Способ настройки резонаторов на ПАВ, включающий изготовление структур резонаторов, монтаж резонаторов в корпуса, загрузку обрабатываемых резонаторов в установку сухого травления и настройку частоты резонатора, отличающийся тем, что загрузку резонаторов проводят в установку реактивного ионно-лучевого травления (РИЛТ), а настройку частоты резонаторов проводят методом РИЛТ в газовом разряде предельного фторуглерода, причем в качестве предельного фторуглерода используется тетрафторметан (CF₄), или октафторпропан (C₃F₈), или октафторциклобутан (C₄F₈), или перфтордекалин (C₁₀F₁₈), при этом процесс травления проводят при ускоряющем напряжении ионного источника в пределах 700-1500 В, давлении - в пределах 3,0·10^-3-2·10^-2 Па, при скорости настройки не более 1,0 МГц/мин.