СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ РЕЗОНАТОРОВ НА ПОВЕРХНОСТНЫХ АКУСТИЧЕСКИХ ВОЛНАХ Российский патент 2013 года по МПК H01L41/22 

Областью применения изобретения является микроэлектроника, а более конкретно, микроэлектроника интегральных пьезоэлектрических устройств на поверхностных акустических волнах (ПАВ)-резонаторов, которые находят широкое применение в авионике и бортовых системах, телекоммуникации и т.д. Важным параметром пьезоэлектрических устройств на поверхностных акустических волнах является долговременная стабильность частоты. Известен способ изготовления резонаторов на поверхностных акустических волнах, приведенный в работе Sinha B.K. at al., "SAW oscillator frequency stability at high temperatures", IEEE Transactions on Ultrasonics, Ferroelectric and Frequency Control., Mar. 1990, vol.37, issue 2, pp.85-98., и принятый нами за аналог. Увеличение стабильности частоты по этому способу достигается за счет использования металлизации алюминия с подслоем хрома. Недостатком этого способа является сложность металлизации и наличие подслоя с высоким электрическим сопротивлением. Известен способ изготовления резонаторов на поверхностных акустических волнах при работе с высокими уровнями мощности (0,032-0,124 Вт), приведенный в патенте США №5039957 по кл.. 310/313A за 1991 г и принятый нами за прототип. Этот способ изготовления интегрального устройства на поверхностных акустических волнах включает операции нанесения металлизации на кварцевую подложку и изготовления структур резонаторов. Увеличение стабильности частоты по этому способу достигается за счет использования металлизации алюминия легированного кремнием, медью и титаном. Недостатком этого способа является сложность оборудования и технологии для металлизации.

Задачей, на решение которой направлено предложенное изобретение, является достижение технического результата, заключающегося в увеличении долговременной стабильности частоты резонаторов на ПАВ.

Данный технический результат достигается в способе изготовления резонаторов на поверхностных акустических волнах, включающем травление кварцевой подложки, нанесение металлизации на подложку, изготовление структур резонаторов, монтаж резонаторов в корпуса и проведение сухой обработки в две стадии, причем на первой стадии проводят процесс удаления органических остатков с поверхности резонаторов в плазме смеси кислорода и инертного газа, при этом в качестве инертного газа используют или гелий, или неон, или аргон при плотности ВЧ-мощности от 0,02 до 0,08 Вт/см и при давлении от 80 до 150 Па, содержании кислорода от 3 до 15 об.%, содержании инертного газа - от 85 до 97 об.%, а на второй стадии проводят процесс настройки частоты резонаторов путем реактивного ионно-лучевого травления во фторсодержащем разряде.

Таким образом, отличительными признаками изобретения являются: проведение сухой обработки в две стадии, причем на первой стадии проводят удаление органических остатков с поверхности резонаторов в плазме смеси кислорода и инертного газа, при этом в качестве инертного газа используют или гелий, или неон, или аргон при плотности ВЧ-мощности от 0,02 до 0,08 Вт/см³ и при давлении от 80 до 150 Па, содержании кислорода от 3 до 15 об.%, содержании инертного газа - от 85 до 97 об.%, а на второй стадии проведят настройку частоты резонаторов реактивным ионно-лучевым травлением во фторсодержащем разряде.

Перечисленные отличительные признаки позволяют достичь технического результата, заключающегося в увеличении долговременной стабильности частоты резонаторов на ПАВ.

Предлагаемые процессы удаления органических остатков и настройки проводят на резонаторах, смонтированных в корпус, причем крышки резонаторов на время этих обработок снимают.

В ходе проведенных нами экспериментов была установлена зависимость изменения частот резонаторов от типа обработки, которая приведена в таблице 1. В таблице 1 приведены средние значения изменений частот при различных обработках резонаторов. Как видно из данных, приведенных в таблице, резонаторы, которые не прошли обработку ни в кислородсодержащем ни во фторсодержащем газовом разряде (см. п. №1 таблицы) или прошедшие обработку только в кислородсодержащем газовом разряде (см. п. №2 таблицы), имеют стабильности частот почти вдвое меньшую чем у резонаторов, прошедших обработку только во фторсодержащем газовом разряде (см. п. №3 таблицы). Однако, резонаторы, которые не проходили обработку во фторсодержащем разряде (см. п. №2 таблицы) имеют существенный недостаток, заключающийся в том, что их частоты, как правило, не находятся в номинальных значениях. С другой стороны, резонаторы, прошедшие обработку и в кислородсодержащем и во фторсодержащем разряде (см. п. №4 таблицы) имеют номинальные частоты и стабильность частот в 9 раз лучшую, чем у контрольных (см. п. №3 таблицы) резонаторов (прошедших только процесс настройки частоты во фторсодержащем газовом разряде и на которых не проводили процесс удаления остатков органики в плазме).

Вероятно, механизм процесса удаления органики в плазме выглядит следующим образом. Монтаж резонаторов в корпуса проводят с использованием кремнийорганического клея и во время монтажа пары растворителя вместе с молекулами клея осаждаются по всей поверхности резонатора и корпуса. На этот тонкий гидрофильный слой органики могут адсорбироваться молекулы водяных паров, которые связываются с этим слоем органики посредством достаточно прочных водородных связей (энергия водородной связи - до 50 кДж/моль). Для уменьшения адсорбции паров воды, являющейся причиной нестабильности частоты резонаторов на ПАВ и проводят процесс удаления в плазме органики, обладающей гидрофильными свойствами. В плазме смеси кислорода и инертного газа удаление органики происходит посредством взаимодействия с химически активными частицами кислорода. Однако, присутствие в смеси инертного газа позволяет проводить удаление органики с более высокой степенью очистки, чем если бы оно проходило в плазме чистого кислорода. В связи с тем, что в плазме смеси кислорода и инертного газа количество кислорода в 7-30 раз меньше, чем инертного газа, то вероятность образования радикалов RO и ROO (где R - углеводород) в смеси пропорционально будет ниже по сравнению с плазмой чистого кислорода. Так как на атомах инертного газа гибнут радикалы RO и ROO, которые инициируют образование нелетучих полимеров, то образование нелетучих полимеров также подавляется. Отсутствие в процессе удаления органических остатков осаждения нелетучих полимеров из плазмы является причиной более высокой степени очистки от органики, что уменьшает адсорбцию паров воды на поверхности резонаторов. Следует отметить, что процесс удаления органических остатков имеет увеличенную продолжительность, что можно связать с удалением именно кремнийорганических остатков. Возможно, увеличение долговременной стабильности резонаторов обусловлено также тем, что в процессе настройки частоты резонаторов путем реактивного ионно-лучевого травления во фторсодержащем разряде, происходит замещение более реакционно-способного оксида алюминия металлизации с энергией диссоциации молекулы A10 равной 120 ккал/моль на менее реакционно-способное соединение - фторид алюминия с энергией диссоциации молекулы A1F равной 160 ккал/моль. Совместное последовательное действие процессов удаления органических остатков и настройки частоты резонаторов во фторсодержащем разряде дает синергетический эффект значительного увеличения долговременной стабильности резонаторов.

При содержании в газовой смеси кислорода менее 3 об.% скорость удаления органики мала, а при содержании в ней кислорода более 15 об.% происходит образование и осаждение из плазмы нелетучих полимеров. При проведении процесса при плотности ВЧ-мощности менее 0.02 Вт/см³ мала скорость удаления органики, а при плотности ВЧ-мощности более 0.08 Вт/см³ рост скорости удаления органики замедляется. При проведении процесса при давлении менее 80 Па скорость удаления органики мала, а при давлении более 150 Па происходит образование нелетучих полимеров. Проведенные патентные исследования показали, что совокупность признаков патентуемого способа является новой и патентуемое изобретение соответствует критерию новизны.

Примеры реализации способа.

Пример 1.

Изготавливают, применяя обратную литографию, ПАВ-резонаторы на подложке монокристаллического кварца ST-cpeзa (yxl/42°45'). Шаг между встречно-штыревыми преобразователями и толщина алюминиевой металлизации соответствует центральной частоте резонатора 0,5-1,1 ГГц. Изготовленные структуры ПАВ-резонаторов монтируют, применяя кремнийорганический клей СИЭЛ, в корпуса TO-39, размещают эти корпуса со снятыми крышками внутри плазмохимического реактора на металлическом держателе и проводят процесс удаления органических остатков с поверхности резонаторов в плазме смеси 8 об.% кислорода и 92 об.% гелия при плотности ВЧ-мощности 0,03 Вт/см³ при давлении 120 Па в течение 16 мин. Затем проводят процесс настройки частоты резонатора, применяя реактивное ионно-лучевое травление во фторсодержащем газовом разряде, и процесс герметизации резонаторов. Долговременную стабильность определяли по изменению центральной частоты при старении герметизированных резонаторов при температуре 125°C в течение времени, в ходе которого происходит эквивалентное старение резонаторов, возникающее при температуре 60°C в течение года. Согласно проведенным измерениям на анализаторе характеристик четырехполюсников фирмы Agilent Technology эти резонаторы имеют долговременную стабильность частоты не менее чем в 9 раз большую, чем у контрольных резонаторов (прошедших только процесс настройки частоты во фторсодержащем газовом разряде и на которых не проводили процесс удаления остатков органики в плазме).

Пример 2.

Изготавливают, применяя обратную литографию, ПАВ-резонаторы на подложке монокристаллического кварца среза 37°. Шаг между встречно-штыревыми преобразователями соответствует центральной частоте резонатора 1,2-1,4 ГГц.

Изготовленные структуры ПАВ-резонаторов монтируют, применяя кремнийорганический клей СИЭЛ, в корпуса, размещают эти корпуса со снятыми крышками внутри плазмохимического реактора на металлическом держателе и проводят процесс удаления органических остатков с поверхности резонаторов в плазме смеси 3 об.% кислорода и 97 об.% неона при плотности ВЧ-мощности 0,08 Вт/см³ при давлении 150 Па в течение 12 мин. Затем проводят процесс настройки частоты резонатора, применяя реактивное ионно-лучевое травление во фторсодержащем газовом разряде, и процесс герметизации резонаторов. Согласно проведенным измерениям эти резонаторы имеют долговременную стабильность частоты не менее чем в 9 раз большую, чем у контрольных резонаторов.

Пример 3.

Изготавливают, применяя обратную литографию, ПАВ-резонаторы на подложке монокристаллического кварца среза 37°. Шаг между встречно-штыревыми преобразователями соответствует центральной частоте резонатора 1,5-1,7 ГГц. Изготовленные структуры ПАВ-резонаторов монтируют, применяя кремнийорганический клей СИЭЛ, в корпуса, размещают эти корпуса со снятыми крышками внутри плазмохимического реактора на металлическом держателе и проводят процесс удаления органических остатков с поверхности резонаторов в плазме смеси 15 об.% кислорода и 85 об.% аргона при плотности ВЧ-мощности 0,02 Вт/см³ при давлении 80 Па в течение 10 мин. Затем проводят процесс настройки частоты резонатора, применяя реактивное ионно-лучевое травление во фторсодержащем газовом разряде, и процесс герметизации резонаторов. Согласно проведенным измерениям эти резонаторы имеют долговременную стабильность частоты не менее чем в 9 раз большую, чем у контрольных резонаторов.

Таблица 1. Зависимость изменения частот резонаторов с частотой 1ГГц от типа обработки. № Наличие процесса плазменного удаления органических остатков Наличие процесса настройки частоты резонаторов Изменение частот резонаторов, ppm/год 1 - - 26±0,5 2 + - 34±0,4 3 - + 60±1,0 4 + + ≤6±0,6

Областью применения изобретения является микроэлектроника, а более конкретно микроэлектроника интегральных пьезоэлектрических устройств на поверхностных акустических волнах (ПАВ)-резонаторов, которые находят широкое применение в авионике и бортовых системах, телекоммуникации и т.д. Способ изготовления резонаторов на поверхностных акустических волнах включает травление кварцевой подложки, нанесение металлизации на подложку, изготовление структур резонаторов, монтаж резонаторов в корпуса и проведение сухой обработки в две стадии, при этом на первой стадии проводят процесс удаления органических остатков с поверхности резонаторов в плазме смеси кислорода и инертного газа, причем в качестве инертного газа используют или гелий, или неон, или аргон при плотности ВЧ-мощности от 0,02 до 0,08 Вт/см³ и при давлении от 80 до 150 Па, содержании кислорода от 3 до 15 об.%, содержании инертного газа от 85 до 97 об.%, а на второй стадии проводят процесс настройки частоты резонаторов путем реактивного ионно-лучевого травления во фторсодержащем разряде. Изобретение направлено на увеличение долговременной стабильности частоты резонаторов на поверхностных акустических волнах за счет очистки резонаторов от органики и повышения степени этой очистки путем введения в кислородную плазму инертного газа и за счет настройки частоты резонаторов путем реактивного ионно-лучевого травления во фторсодержащем разряде. 3 пр., 1 табл.

Способ изготовления резонаторов на поверхностных акустических волнах, включающий травление кварцевой подложки, нанесение металлизации на подложку, изготовление структур резонаторов, монтаж резонаторов в корпуса и проведение сухой обработки в две стадии, отличающийся тем, что на первой стадии проводят процесс удаления органических остатков с поверхности резонаторов в плазме смеси кислорода и инертного газа, при этом в качестве инертного газа используют или гелий, или неон, или аргон при плотности ВЧ-мощности от 0,02 до 0,08 Вт/см³ и при давлении от 80 до 150 Па, содержании кислорода.от 3 до 15 об.%, содержании инертного газа от 85 до 97 об.%, а на второй стадии проводят процесс настройки частоты резонаторов путем реактивного ионно-лучевого травления во фторсодержащем разряде.