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TW201933766A - 表面聲波裝置及其製造方法 - Google Patents

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TW201933766A
TW201933766A TW107132093A TW107132093A TW201933766A TW 201933766 A TW201933766 A TW 201933766A TW 107132093 A TW107132093 A TW 107132093A TW 107132093 A TW107132093 A TW 107132093A TW 201933766 A TW201933766 A TW 201933766A
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saw
substrate support
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隆達 辛德曼
史帝芬 柏吉斯
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英商Ｓｐｔｓ科技公司
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Abstract

一種降低表面聲波(SAW)裝置之共振頻率不均勻的方法，該SAW裝置包含氧化矽層，其含有通過反應濺鍍法沈積在一壓電基材上之叉指式換能器上之矽氧化物。該方法包含將具有叉指式換能器之一壓電基材定位在一基材支撐件上，然後在該壓電基材及該叉指式換能器上沈積含矽氧化物之氧化矽層，以形成一SAW裝置。該基材支撐件相對於一濺鍍靶材定位，使得該SAW裝置之該氧化矽層具有11埃或更小之算數平均表面粗糙度(Ra )。

Description

表面聲波裝置及其製造方法
發明領域
本發明有關表面聲波(SAW)裝置，如溫度補償式SAW裝置(TC-SAW)及製造SAW裝置之方法。
發明背景
表面聲波(SAW)裝置，如濾波器，是諸如智慧型手機及平板電腦之裝置之射頻前端中的一個關鍵組件。SAW裝置提供高選擇性、低功率及小覆蓋區(footprint)之便宜可靠的射頻濾波。當前多頻段智慧型手機可含有10或更多個SAW裝置，且此數目只會隨著每個新智慧型手機的推出而增加。由於對SAW裝置之要求增加，因此在組成薄膜之製造方面需要甚至更嚴謹的控制，以便改善濾波器性能、產率最大化及降低單位成本。
典型的SAW裝置包含拋光壓電晶體基材，通常是鈮酸鋰(LiNbO3 )或鉭酸鋰(LiTaO3 )，其上沈積叉指式換能器(IDTs)之配置。IDTs包含互鎖梳形金屬電極陣列。施加至IDT之電訊號在壓電基材中因壓電作用的結果被轉換成機械表面聲波。一旦產生，表面聲波能穿越基材，且可透過改變電極之幾何形狀所形成之不同類型的訊號處理裝置操縱。壓電基材中最後的表面聲波後來透過另一組IDTs而被轉換回電訊號。
為了改善基本SAW裝置之效率，在壓電基材及IDTs上沈積一含矽氧化物(如，二氧化矽)層(如，外塗層)。氧化矽層可增加IDTs的機械剛性，其會改善SAW波進入下面的壓電基材之機電耦合。氧化矽層在降低裝置隨溫度的頻率漂移方面亦產生重要作用。此裝置可稱作溫度補償SAW裝置。
用於沈積氧化矽薄膜之已知技術是反應濺鍍沈積法，藉此矽粒子從靶材朝基材濺射，並與氧反應而在基材上形成氧化矽層。此技術之已知形式包括RF (射頻)濺鍍法、DC (直流)濺鍍法、脈衝DC濺鍍法及脈衝DC磁控濺鍍法。
本發明之一目的是通過改善SAW裝置之頻率響應，改善具有經濺鍍沈積法沈積的含矽氧化物之氧化矽層之SAW裝置的產率及性能。
發明概要
根據本發明之第一態樣，提供有一種降低表面聲波(SAW)裝置之共振頻率不均勻的方法 ，該SAW裝置包含氧化矽層，其含有通過反應濺鍍法沈積在具有叉指式換能器之一壓電基材上之矽氧化物，該方法包含：
(i)將具有叉指式換能器之一壓電基材定位在一基材支撐件上，及於該壓電基材及該叉指式換能器上沈積含有矽氧化物之氧化矽層，形成一第一SAW裝置，將該基材支撐件相對於一濺鍍靶材定位，使得該第一SAW裝置之該氧化矽層具有11埃或更小之算數平均表面粗糙度(Ra )。
本發明人發現對於具有氧化矽層(如，二氧化矽層)沈積在壓電基材上之SAW裝置，該裝置之頻率響應會受該氧化矽層之表面粗糙度的影響。特別是，已經確定該氧化矽層之表面粗糙度與該裝置內之頻率分佈的不均勻(即，晶圓內(WIW)頻率不均勻)直接相關。不欲受任何特定理論之約束，但推測表面粗糙度與薄膜內部特性(如，密度、彈性模量)直接相關，其對於裝置之聲音響應很重要。
本發明人亦發現，調整靶材與壓電基材所在的基材支撐件間之距離，可控制用濺鍍設備沈積的氧化矽薄膜之粗糙度。
以該第一態樣之方法產生之SAW裝置具有11埃或更小之算數平均表面粗糙度。此結果使得整個裝置之頻率響應不均勻性偏低，此可增加性能及產率。
在整個說明及申請專利範圍中所使用之術語“氧化矽層”，意指包含至少一種矽氧化物之層，而不是化學計量SiO層(但該術語亦涵蓋此可能性)。該氧化矽層可包含二氧化矽(SiO2 )。此氧化矽層可為二氧化矽層(雖然在實施上，該層不大可能是純SiO2 )。
術語“算數平均表面粗糙度”意指通常表示為“Ra ”之表面粗糙度參數，且為偏離平均中線之算數平均值。氧化矽層之算數平均表面粗糙度可使用此技藝中已知的技術測量，如X射線反射器或原子力顯微鏡 ，在該氧化矽層之整個表面上測量。
該氧化矽層不是該SAW裝置之最後(最上)層。在該氧化矽層上可存在另一層或多層。
在一些具體例中，該第一SAW裝置具有10埃或更小之算數平均表面粗糙度。在一些具體例中，該第一SAW裝置具有9埃或更小之算數平均表面粗糙度。在一些具體例中，該第一SAW裝置具有8埃或更小之算數平均表面粗糙度。在一些具體例中，該第一SAW裝置具有7埃或更小之算數平均表面粗糙度。
該基材支撐件相對於該靶材之位置可以試誤法作選擇，且可取決於用於進行該濺鍍沈積法之設備的配置。
該第一態樣之方法可進一步包含下列之步驟：
(ii)調整該基材支撐件之位置；及
(iii)將一後續的壓電基材定位在該基材支撐件上，及使用相同的靶材於該後續的壓電基材上沈積含有矽氧化物之氧化矽層，形成一第二SAW裝置；
其中選擇步驟(ii)中該基材支撐件之位置，使得該二SAW裝置之氧化矽層亦具有11埃或更小之平均表面粗糙度。
大量生產濾波器裝置之一重要方面是維持裝置產率及該靶材在整個使用期限中之性能。在濺鍍設備方面，靶材與基材間之有效距離會隨著靶材之消耗而增加。此外，靶材的消耗在該靶材的整個表面上可能是不均勻的。這可能導致在靶材之整個使用期限中使用共同靶材形成的SAW裝置之氧化矽薄膜特性的漂移。
藉由調整基材支撐件之位置，可維持靶材與基材支撐件間之有效距離，使得在該靶材之整個使用期限中該第一SAW裝置後面之SAW裝置，亦能夠形成具有11埃或更小之算數平均表面粗糙度。
在一些具體例中，該第一SAW裝置之氧化矽層具有10埃或更小之算數平均表面粗糙度，及選擇該基材支撐件之位置，使得該第二SAW裝置之氧化矽層亦具有10埃或更小之算數平均表面粗糙度。在一些具體例中，該第一SAW裝置之氧化矽層具有9埃或更小之算數平均表面粗糙度，及選擇該基材支撐件之位置，使得該第二SAW裝置之氧化矽層亦具有9埃或更小之算數平均表面粗糙度。在一些具體例中，該第一SAW裝置之氧化矽層具有8埃或更小之算數平均表面粗糙度，及選擇該基材支撐件之位置，使得該第二SAW裝置之氧化矽層亦具有8埃或更小之算數平均表面粗糙度。在一些具體例中，該第一SAW裝置具有7埃或更小之算數平均表面粗糙度，及選擇該基材支撐件之位置，使得該第二SAW裝置之氧化矽層亦具有7埃或更小之算數平均表面粗糙度。
步驟(i)及(ii)並不需要連續進行。例如，可在該第一SAW裝置之後與調整該基材支撐件之位置之前，進行另一或多個氧化矽沈積，以形成另一或多個SAW裝置。此外，在該第一SAW裝置與調整該基材支撐件之位置之間形成之SAW裝置，可具有表面粗糙度落在該所需範圍外之氧化矽層。檢測此一SAW裝置可提供該基材支撐件需調整之指示。
第一態樣之步驟(ii)及(iii)在該靶材之使用期限期間可重複至少一次。因此，在該靶材之整個使用期限中，會隨著或當需要維持所需的氧化矽層表面粗糙度時，調整該基材支撐件之位置。
在此具體例中，步驟(ii)及(iii)之重複不一定要連續進行。例如，可進行多個氧化矽沈積，在每一次的基材支撐件調整之間形成多個SAW裝置。例如，在形成該第二SAW裝置之後，再次調整該基材支撐件之位置之前，形成另一或多個SAW裝置。再者，在該第二SAW裝置與再次調整該基材支撐件之位置之間形成之SAW裝置，可具有表面粗糙度落在所需範圍外之氧化矽層。此一SAW裝置之檢測，可提供應調整該基材支撐件之位置之指示。
該基材支撐件的位置可通過改變該靶材與該基材支撐件間之分開距離調整。例如，該基材支撐件之位置可通過將該基材支撐件朝該靶材移動來調整。如上所述，該靶材會隨著濺鍍操作之進行而消耗。因此，通過將該基材支撐件朝該靶材移動，可維持該基材支撐件與該靶材間之有效距離，以便維持所需的粗糙度。
該基材支撐件可為一平台。
該基材支撐件可垂直移動(相對於該靶材)，以允許調整該基材與該靶材間之距離。
該基材支撐件之位置的調整或每次調整，可根據之前形成的SAW裝置之氧化矽層的表面粗糙度測量值(如，通過X射線反射器或原子力顯微鏡)。例如，在多個SAW裝置之生產運行期間，可選擇一SAW裝置來測量其氧化矽層之表面粗糙度。假如發現該表面粗糙度超出所需的(請求的)範圍或接近落在此範圍外，則可調整該基材支撐件之位置，以便下個形成的SAW裝置具有落在該所需(請求的)範圍內之表面粗糙度。
該基材支撐件之位置可通過試誤法調整，直到該基材支撐件之位置產生具有氧化矽層表面粗糙度在該所需的(請求的)範圍內之第二SAW裝置。
該基材支撐件之位置的調整或每次調整可根據查找表。例如，該查找表可提供相應於靶材消耗使用期限之值(如，以進行濺鍍操作之時間或次數為單位)之基材支撐件位置值(如，該基材支撐件與該靶材間之距離，或應移動該基材支撐件之距離)。
該或各氧化矽層可使用磁控沈積。
該或各氧化矽層可通過已知的濺鍍沈積技術，如RF濺鍍沈積法或脈衝DC濺鍍沈積法進行沈積。
該第一和/或第二SAW裝置或各SAW裝置可為溫度補償式SAW (TC-SAW)裝置。
該第一和/或第二SAW裝置或各SAW裝置可為SAW濾波器。
該壓電基材可為合成晶體，諸如鈮酸鋰或鉭酸鋰。
根據本發明之第二態樣，提供有一種表面聲波(SAW)裝置，其包含：
一壓電基材，其具有沈積於其上之叉指式換能器；及
氧化矽層，其包含沈積在該壓電基材及該叉指式換能器表面上之矽氧化物；
其中該氧化矽層具有11埃或更小之算數平均表面粗糙度。
如前所述，本發明人發現對於具有氧化矽層沈積在壓電基材上之SAW裝置，該裝置之頻率特徵會受該氧化矽層之表面粗糙度的影響。特別是，已經確定該氧化矽層之表面粗糙度與該裝置內之頻率分佈(即，晶圓內(WIW)頻率)的不均勻直接相關。提供具有11埃或更小之算數平均表面粗糙度之氧化矽層之SAW裝置，會改善該裝置內之頻率分佈的均勻度，從而增加性能及產率。
該氧化矽層可不為該SAW裝置之最後(最上)層。在該氧化矽層上可存在另一層或多層。
在一些實施例中，該SAW裝置之氧化矽層具有10埃或更小之算數平均表面粗糙度。在一些實施例中，該SAW裝置之氧化矽層具有9埃或更小之算數平均表面粗糙度。在一些實施例中，該SAW裝置之氧化矽層具有8埃或更小之算數平均表面粗糙度。在一些實施例中，該SAW裝置之氧化矽層具有7埃或更小之算數平均表面粗糙度。
該第二態樣之SAW裝置的氧化矽層可通過濺鍍沈積法，如RF濺鍍沈積法或脈衝DC濺鍍沈積法，沈積在該壓電基材及該叉指式換能器上。該濺鍍沈積法可使用磁控進行。
該SAW裝置可為溫度補償式SAW (TC-SAW)裝置。
該SAW裝置可為SAW濾波器。
該壓電基材可為合成晶體，諸如鈮酸鋰或鉭酸鋰。
根據本發明之第三態樣，提供有一種電子電路，其包含至少一種根據該第二態樣之SAW裝置。
根據本發明之第四態樣，提供有一種電子裝置，其包含至少一種根據該第三態樣之電子電路或至少一種根據該第二態樣之SAW裝置。
雖然以上描述了本發明，但是本發明可以擴展到以上或以下說明書、圖式或申請專利範圍中所述的特徵之任何的發明組合。
較佳實施例之詳細說明
圖1顯示以脈衝DC磁控反應濺鍍配置之形式進行本發明之典型設備10。該設備包括真空室12，晶圓平台13置於其中。室12之上方部分包括圓形靶材14，其可由矽或二氧化矽形成。提供脈衝DC電源11，以便施加脈衝DC電能給靶材14，其作為陰極。設備10進一步包含由金屬(典型地鋁或不鏽鋼)製成之環形圈形式之陽極17，其圍繞靶材14之四周。陽極17由絕緣部件18 (如，陶瓷絕緣體)支撐，避免其接觸接地的室12，且保持其與位於其上之靶材14分開。已知類型之磁控15位於靶材14的後方(上方)。
使用時，平台13支撐與靶材14相對之基材，通常為晶圓。平台13是由導電材料形成，其由RF電源通過電容耦合電路提供之RF訊號產生偏壓，以致平台13可作為一電極。在電漿存在之情況下，RF偏壓會產生一負DC偏壓建立在平台13上，如此濺鍍離子被加速朝向該基材。
此外，平台13可垂直移動，所以可調整靶材14與平台13間之距離。靶材對平台距離(TTP)會改變靶材離子著陸在該基材上之角分佈，其會影響沈積的薄膜之特性。
提供氧與氬之來源。透過氣體入口16(其使用質量流量控制器作為適當的氣體岐管之一部分)，選擇性地將氧(O­2­ )及氬(Ar)送進室12中。氧氣與從靶材14濺鍍的矽反應，在位於平台13上之基材的表面上形成一含有矽氧化物之層。可與本發明連接使用或容易接合本發明使用之PVD系統，可商業購得。例如，可使用申請人自己的Sigma® fxP™ PVD系統以及所需的磁控。
氧化矽濺鍍沈積法之範例操作條件如下：靶材功率2kW、10sccm之Ar與50sccm之O2 之濺鍍氣流混合物、平台溫度50°C及平台DC偏壓大約100V或更高。
圖2顯示由設備10產生之SAW裝置20的概略圖。裝置20包含壓電基材21，如鈮酸鋰(LiNbO3 )或鉭酸鋰(LiTaO3 )。形成叉指式換能器之金屬電極22沈積在基材21上。氧化矽層23位在基材21及電極22之上方。
氧化矽粗糙度及SAW頻率響應
進行實驗探討氧化矽層之平均(算數平均)表面粗糙度與SAW裝置之晶圓內(WIW)中心頻率之標準偏差(其是頻率響應不均勻性之指標)間之相關性。用於此實驗之SAW裝置包含LiNbO3 基材以及使用以上所述之設備10沈積之200nm氧化矽層。該算數平均表面粗糙度是使用商業購得之系統X射線反射器(XRR)測得。
圖3之圖表所示之結果，顯示平均氧化矽薄膜粗糙度與中心頻率之WIW標準偏差間之強相關性。該圖表關聯從11個不同的硬體配置(如，磁控幾何形狀)與製程參數之實驗獲得之數據。薄膜厚度、密度及折射率與頻率不均勻沒有顯示出強相關性。在此變化廣泛的條件下，僅表面粗糙度被發現是與WIW頻率不均勻直接相關之被測覆蓋膜參數。該圖表指出，具約11埃或更小之平均表面粗糙度提供良好的頻率響應均勻度。
以靶材對平台距離優化粗糙度
本發明人亦發現，由濺鍍沈積法形成之氧化矽薄膜之表面粗糙度，可通過調整靶材14與平台13間之距離優化。圖4顯示使用不同的靶材對平台距離時，200nm氧化矽薄膜之中心及邊緣處之RMS表面粗糙度(Rq)的圖表。該表面粗糙度值是使用高解析度原子力顯微鏡(AFM)，以非接觸模式測量1000nm乘以1000nm之面積獲得。用標準D型磁控設計，在靶材對平台距離(TTP)為大約40mm之實例中觀察到最佳距離。此距離在晶圓的中心及邊緣二處均產生約1.0埃之RMS表面粗糙度。
相應的AFM形貌影像示於圖5中。遠離該最佳靶材對平台距離，可在該晶圓之中心與邊緣處的形貌之間觀察到清楚的差異，薄膜之中心通常比邊緣粗糙，且可觀察到一些細顆粒。在40mm之最佳TTP處，在晶圓之中心與邊緣之間沒有觀察到明顯的差異，且幾乎沒有可觀察到的結構。
發現最佳靶材對平台高度取決於個別的設備配置，如磁控設計(磁場強度、幾何形狀)但其沒有直接對應於厚度不均勻度，其亦隨著靶材對平台距離改變。此顯示於表1及2中。
表1：使用SPTS Sigma® fxP™ PVD系統與磁控Ａ沈積之氧化矽薄膜之RMS粗糙度Rq (以AFM測量)及厚度不均勻度%(1σ)與靶材對平台距離(TTP)。
表2：使用不同的磁控Ｂ沈積之氧化矽薄膜之RMS粗糙度Rq (以AFM測量)及厚度不均勻度與靶材對平台距離(TTP)。
術語‘磁控A’及‘磁控B’僅為描述，意指使用不同的磁控。本發明不限定使用磁控的類型。
根據氧化矽薄膜之表面粗糙度製造及測試SAW裝置。在氧化矽層表面粗糙度與SAW裝置之頻率分佈之間觀察到清楚的相關性。圖6顯示以次佳TTP距離47mm (圖6之左側)；及以最佳TTP距離40mm　(圖6之右側)沈積在150mm晶圓上之200nm氧化矽層之XRR粗糙度地圖。圖7顯示該裝置之相應的頻率分佈圖。可看到，遠離該最佳TTP距離，XRR粗糙度圖與頻率分佈二者均顯示出獨特的牛眼圖案，越高的表面粗糙度相應於越低的SAW裝置之中心頻率。此頻率不均勻會導致產率降低。然而當針對氧化矽表面粗糙度優化TTP距離時，該SAW裝置之整個晶圓上之頻率分佈是均勻的，產生報廢的裝置較少及產率增加。
靶材整個使用期限之校正
大量生產RF濾波器裝置之一重要方面是維持裝置產率及靶材之整個使用期限之性能。在之前所述之設備10中，有效的靶材對平台距離會隨著靶材14被使用掉而增加。此會在該靶材之整個使用期限中產生氧化矽薄膜特性的漂移，導致嚴重的裝置產率損失。在該靶材之整個使用期限內，此最佳靶材對平台距離可通過粗糙度測量值，並據此調整該靶材對晶圓之距離進行重建，以便維持頻率性能及產率。
10‧‧‧設備
12‧‧‧真空室、室
13‧‧‧晶圓平台
14‧‧‧圓形靶材、靶材
11‧‧‧脈衝DC電源
17‧‧‧陽極
18‧‧‧絕緣部件
15‧‧‧磁控
16‧‧‧氣體入口
20‧‧‧SAW裝置
21‧‧‧壓電基材、基材
22‧‧‧金屬電極、電極
23‧‧‧氧化矽層
現在將參考所附圖式，以僅例示性之方式說明本發明，其中：
圖1是可用於進行本發明之設備的概要圖。
圖2是根據本發明之SAW裝置之概要圖。
圖3是顯示SAW裝置之頻率不均勻與其氧化矽層之表面粗糙度間之相關性的圖表。
圖4是顯示在晶圓中心與邊緣之RMS表面粗糙度如何隨著所使用之靶材對平台(TTP)距離而改變的圖表。
圖5顯示晶圓中心及邊緣區域通過原子力顯微鏡所獲得之形貌影像，其中在沈積氧化矽層時，使用不同的靶材對平台(TTP)距離。
圖6顯示使用遠離最佳距離之靶材對平台距離沈積的氧化矽膜(該圖之左側，標示A)及使用適合最小氧化矽粗糙度之靶材對平台距離沈積的氧化矽膜(該圖之右側，標示Ｂ)，通過X射線反射器(XRR)獲得之表面粗糙度分佈。
圖7顯示相應於圖6之裝置之SAW裝置的頻率分佈圖。

Claims (18)

  1. 一種降低表面聲波(SAW)裝置之共振頻率不均勻的方法，該SAW裝置包含氧化矽層，該氧化矽層含有藉由反應濺鍍法沈積在一壓電基材上之叉指式換能器(interdigital transducers)上之矽氧化物，該方法包含： (i) 將具有叉指式換能器之一壓電基材定位在一基材支撐件上，及於該壓電基材及該叉指式換能器上沈積含有矽氧化物之氧化矽層，以形成一第一SAW裝置，將該基材支撐件相對於一濺鍍靶材定位，使得該第一SAW裝置之該氧化矽層具有11埃或更小之算數平均表面粗糙度(Ra )。
  2. 如請求項1之方法，其進一步包含下列步驟： (ii) 調整該基材支撐件之位置；及 (iii) 將具有叉指式換能器之一後續的壓電基材定位在該基材支撐件上，及使用相同的靶材於該後續的壓電基材及叉指式換能器上沈積含有矽氧化物之氧化矽層，以形成一第二SAW裝置； 其中，選擇步驟(ii)中該基材支撐件之位置，使得該第二SAW裝置之氧化矽層亦具有11埃或更小之算數平均表面粗糙度。
  3. 如請求項2之方法，其中步驟(ii)及(iii)在該靶材之使用期限期間重複至少一次。
  4. 如請求項2或請求項3之方法，其中該基材支撐件的位置藉由改變該靶材與該基材支撐件間之分開距離而調整。
  5. 如請求項2至4中任一項之方法，其中該次或每次調整是根據之前所形成的SAW裝置之氧化矽層的表面粗糙度測量值。
  6. 如請求項2至4中任一項之方法，其中該基材支撐件的位置是根據一查找表(look-up table)而調整。
  7. 如請求項6之方法，其中該查找表提供相應於該靶材的消耗使用期限的值之一位置調整值。
  8. 如請求項1至7中任一項之方法，其中該基材支撐件可垂直移動。
  9. 如請求項1至8中任一項之方法，其中該或各氧化矽層是使用磁控沈積。
  10. 如請求項1至9中任一項之方法，其中各氧化矽層是藉由DC濺鍍沈積法沈積，如脈衝DC濺鍍沈積法，較佳地為脈衝DC磁控濺鍍沈積法。
  11. 如請求項1至10中任一項之方法，其中該或各SAW裝置是一溫度補償式SAW裝置。
  12. 如請求項中1至11任一項之方法，其中該或各SAW裝置是一SAW濾波器。
  13. 一種表面聲波(SAW)裝置，其包含： 一壓電基材，其具有沈積於其上之叉指式換能器；及 一氧化矽層，其包含沈積在該壓電基材及該叉指式換能器表面上之矽氧化物； 其中該氧化矽層具有11埃或更小之算數平均表面粗糙度(Ra )。
  14. 如請求項13之SAW裝置，其中該氧化矽層已藉由濺鍍沈積法沈積在該壓電基材及該叉指式換能器上。
  15. 如請求項13或14之SAW裝置，其中該SAW裝置是一溫度補償式SAW裝置。
  16. 如請求項13至15中任一項之SAW裝置，其中該SAW裝置是一SAW濾波器。
  17. 一種電子電路，其包含至少一種如請求項13至16中任一項之SAW裝置。
  18. 一種電子電路，其包含至少一種如請求項17之電子電路，或至少一種如請求項13至16中任一項之SAW裝置。
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